用于波长分辨角度分辨阴极发光的设备

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119、基于2018年5月30日提交的美国临时申请No.62/677,871要求优先权，该美国临时申请的公开内容通过引用合并于本文中。

背景技术

当诸如电子或离子束的高能带电粒子撞击样品时，根据样品材料可以发射光子。这种现象称为阴极发光(CL)。从紫外线(UV)到可见光再到红外线(IR)波长范围内的这些光子的收集和检测可以提供与所研究的样品有关的大量信息。通常利用电子显微镜中的样品并通过将CL发射光子引导至例如光传感器、图像阵列或光谱学设备来检查CL，这些设备中的任何一个或全部可位于电子显微镜束柱的外部。电子显微镜束柱的内部保持低压，因此电子可以传播到样品，而不会由于电子束柱中的气体而产生明显的散射。收集光之后，可以将其从低压环境通过光学窗口传输到分析CL光的仪器中。

收集通过CL发射的光子的一种常见方式是通过收集反射镜，该收集反射镜可以是抛物面反射镜，位于电子束(e-beam)的轴线上，并且位于样品的上方(更典型)或下方或者位于样品的上方和下方。如果收集反射镜位于样品上方且在电子束的轴线上，则反射镜将具有孔，以允许电子束无障碍地穿过反射镜到达样品。

CL信号包含与发射其的样品有关的许多信息。对CL信号的分析可以利用总CL强度、光谱信息、偏振信息和角度分辨的光发射。样品可以相对于样品表面以许多角度发射CL光。CL光的发射角度以及在各种发射角度下光的强度和光谱含量在表征和分析受检样品时可以是有用的信息。

附图说明

图1是示出由激励源产生的样品中的阴极发光的发射的图；

图2是用于在电子显微镜中收集阴极发光的设备的图；

图3是示出从收集反射镜反射离开并穿过平面αβ到达成像检测器的CL的发射的等轴测图；

图4是示出从收集反射镜反射离开的CL的发射的等轴测图，然后该CL在穿过平面αβ到达成像检测器之前被光学过滤器进行波长过滤；

图5是示出从收集反射镜反射离开的CL的发射的等轴测图，然后该CL在穿过平面αβ到达检测器之前被针孔进行角度分辨；

图6是示出从收集反射镜反射离开的CL的发射的等轴测图，然后该CL在穿过分光仪之前被针孔进行角度分辨，该分光仪将信号分散到波长光谱中并使其到达1D或2D成像检测器上；

图7是示出从收集反射镜反射离开的CL的发射的等轴测图，然后该CL在穿过光谱仪之前被α选择狭缝进行角度分辨，该光谱仪将信号分散到波长角度图像中并使其到达2D成像检测器上；

图8是示出从收集反射镜反射离开的CL的发射的等轴测图，然后该CL在穿过光谱仪之前被β选择狭缝进行角度分辨，该光谱仪将信号分散到波长角度图像中并使其到达2D成像检测器上；

图9a示出了多反射镜扫描光学器件的实施例，其可以用于改变由图8中的狭缝或由图11和图12中的图像导管进行角度分辨的角度范围；

图9b示出了多反射镜扫描光学器件的实施例，其可以用于改变由图8中的狭缝或由图11和图12中的图像导管进行角度分辨的角度范围；

图10a示出了单反射镜扫描光学器件的实施例，其可以改变由图8中的狭缝或由图11和图12中的图像导管进行角度分辨的角度范围；

图10b示出了单反射镜扫描光学器件的实施例，其可以改变由图8中的狭缝或由图11和图12中的图像导管进行角度分辨的角度范围；

图11是示出从收集反射镜反射离开的CL的发射的等轴测图，然后该CL在穿过光谱仪之前被可移动图像导管进行角度分辨，该光谱仪将角度分辨后的光分散到波长角度图像中并使其到达2D成像检测器上；

图12是示出从收集反射镜反射离开的CL的发射的等轴测图，然后该CL在穿过光谱仪之前被反射镜扫描光学器件平移并且被固定位置图像导管角度分辨，该光谱仪将角度分辨后的光分散到波长角度图像中并使其到达2D成像检测器上；

图13是示出从收集反射镜反射离开的CL的发射的等轴测图，然后该CL在穿过平面αβ到达成像检测器之前被高光谱成像过滤器进行波长过滤。

具体实施方式

本领域技术人员将认识到可以采用本发明的教导来开发的其他详细设计和方法。本文提供的示例是说明性的，并不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书限定。下面的详细描述参考附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。

如图1所示，当诸如电子束10、离子束或光子束的激励束源将能量传递至样品时，可以从样品30发射CL光。所发射的CL光的光子34的波长和相对于激励源束的角度θ，φ是样品10的受分析区域的元素、化学或介电特性的特征。可通过分析波长I(λ)、角度I(θ，φ)或波长角度I(θ，φ，λ)的发射光子强度(I)分布来获得这些特性的大量信息。通过研究这些分布的光偏振，可以获得更多信息。

该信息如何有用的一个实际例子在发光二极管的研究中，其中强度分布I(θ，φ)影响发射光可见的角度范围。此外，离开发光二极管的光的波长(λ)可能会随角度而变化，因此研究或分析I(θ，φ，λ)是有用的。

在典型的CL仪器中，如图2中所示，具有电子显微镜，例如，扫描电子显微镜(未示出)，其产生射出极靴12并指向样品30的电子束(e-beam)10。在电子束10撞击样品30的点32处，可以产生阴极发光(CL)光34。收集反射镜20(可以是抛物面反射镜)被提供用于将CL光34反射到检测器(未示出)，该检测器可以位于电子显微镜的外部。收集反射镜20通常将具有孔22以允许电子束10穿过，因为反射镜可能由会阻碍电子束的材料(例如，金刚石抛光的铝)制成。当适当地聚焦在样品30上时，由CL反射镜20收集的CL光34产生沿着反射镜20的出射光轴(未标记)准直(平行)的光图案35。在典型的CL仪器中，通过收集反射镜20而收集的光被发送到一个或多个CL分析仪器。

图3是等轴测图，其示出了从收集反射镜320反射离开的CL 310的发射，CL 310产生了传播到二维(2D)阵列成像检测器的光图案335。光图案335具有与强度分布I(θ，φ)不同的强度分布I(α，β)。但是，这两种分布在数学上是相关的，并且任一种分布都可以从另一种分布计算得出。通常，成像检测器记录强度分布I(α，β)，并且使用与收集反射镜320的形状有关的几何算法来计算强度分布I(θ，φ)。I(θ，φ)和I(α，β)都被称为角度分辨CL(ARCL)图案。光图案335具有与图3中的β平行的对称轴线，在本文中将该对称轴线称为对称轴。垂直于该对称轴并且平行于图3中的α的轴线在本文中称为非对称轴。

图4是等轴测图，其示出了从收集反射镜420反射离开的CL 410的发射，CL 410产生了传播到光学过滤器组件430的光图案，该光学过滤器组件430通常对以波长λ

图5是等轴测图，其示出了从收集反射镜520反射离开的CL 510的发射，CL 510产生了传播到针孔过滤器组件530的光图案，该针孔过滤器组件530对α和β上的狭窄角度范围以外的所有角度进行过滤。可以利用单通道检测器(未示出)来检测光强度。可以通过在α和β的范围内扫描针孔来测量ARCL图案I(α，β)535。可以使用光学过滤器组件(未示出，但是与图4中所示的光学过滤器组件相似)将测得的波长限制为λ

图6是等轴测图，其示出了从收集反射镜620反射离开的CL 610的发射，CL 610产生了传播到针孔过滤器组件640的光图案，该针孔过滤器组件640对α和β上的狭窄角度范围以外的所有角度进行过滤。然后将剩余的光强度635耦合到光学光谱仪650中，该光谱仪650将光强度I作为波长λ的函数进行分散。然后将分散的光作为I(λ)记录在检测器660上。可以通过在α和β的范围内扫描针孔640来测量波长分辨ARCL图案(WRARCL)I(α，β，λ)。

图7是等轴测图，其示出了从收集反射镜720反射离开的CL 710的发射，CL 710产生了可被透镜平移系统770平移并随后传播到狭缝组件740的光图案，该狭缝组件740对关于角度α的狭窄角度范围以外的所有角度进行过滤。然后将剩余的光强度耦合到光学光谱仪750中，该光谱仪750将光强度I作为波长λ-角度β的函数进行分散。然后，将分散的光作为I(β，λ)记录在2D检测器760上。与图6所示的方法和设备相比，以这种方式记录I(β，λ)明显更快，并且剂量效率更高(即，每次高能量暴露于样品时能收集到更多的光)。为了获得WRARCL图案I(α，β，λ)，也可以使用透镜平移系统770沿着α方向平移狭缝740上的光强度。然而，这将引入明显的角度像差(畸变)。选择不同的α值来记录I(β，λ)的另一种方法是沿着α方向扫描狭缝740，但这将引入明显的波长像差。选择不同的α值来记录I(β，λ)的又一种方法是垂直于激励束旋转样品705，但这需要容易出错且耗时的以纳米精度移动样品。

图8中示出了本发明的一个方面的实施例，图8是等轴测图，其示出了从收集反射镜820反射离开的CL的发射，CL产生了可由透镜平移系统870平移然后传播到狭缝组件840的光图案，该狭缝组件840对β上的狭窄角度范围以外的所有角度进行过滤。然后将剩余的光强度耦合到光学光谱仪850中，该光谱仪850将光强度I 855作为波长λ-角度α的函数进行分散。然后，将分散的光作为I(α，λ)记录在2D检测器860上。为了获得WRARCL图案I(α，β，λ)，可以使用反射镜平移设备870沿着β方向平移狭缝840上的光强度。使用反射镜平移设备870进行扫描的优点是不引入光谱像差或角度像差，并且不需要旋转样本。沿着β方向而非α方向(如图7中)进行平移的优点在于待扫描的角度空间只有一半大，并且可以用一半的时间完成扫描。在2018年5月14日提交的标题为“Cathodoluminescence Optical Hub”的相关美国临时专利申请No.62/671,152中描述了示例性的反射镜平移设备。通过引用将申请No.62/671,151的全部公开内容并入本申请。

图9a和图9b示出了本发明的一个方面的实施例，该方面是用于扫描的反射镜平移设备，该反射镜平移设备可以用于改变由例如图8中所示的狭缝或者由例如图11和图12中所示的图像导管所进行的角度分辨的角度范围。入射在图9a中的下部折叠反射镜910上的光图案900被反射到上部折叠反射镜920，以使得光线901穿过狭缝930。如图9b所示，反射镜910、920中的任何一个的平移将产生光图案的基本上无像差的平移，以使得现在不同范围的光线(例如光线902)穿过狭缝930。

图10a和图10b示出了本发明的一个方面的实施例，该方面是用于扫描的反射镜平移设备，该反射镜平移设备可以用于改变由图8中的狭缝或者由图12中的图像导管所进行的角度分辨的角度范围。入射在图10a中的单个折叠反射镜1010上的光图案1000被反射，以使得光线1001穿过狭缝1020。如图10b所示，该反射镜1010的平移将产生光图案1000的基本上无像差的平移，以使得现在不同范围的光线(例如，光线1002)穿过狭缝1020。使用单个折叠反射镜1010而非图9和图9b中所示的多个反射镜的重要优点在于减少反射的次数，这使得通过系统传输的光子的分数(光子数量)被最大化。使用反射镜而非图7中所示的透镜平移系统进行平移的重要优点在于不引入透镜的色彩像差，并且不引入平移过程的离轴像差。

图11是本发明的一个方面的实施例的等轴测图，其示出了从收集反射镜1110反射离开的CL 1100的发射，CL 1100产生了光图案1135，然后该光图案1135在通过光谱仪1150之前由图像导管1120进行角度分辨，该光谱仪1150将角度分辨后的光分散到波长角度图像1155中，并分散到2D成像检测器1160上。图像导管1120可以是光纤图像保存类型，它将入射在导管第一面上的图像大致传输到导管的第二面。图像导管1120的平移将产生光强度的基本上无像差的平移，然后该光强度被耦合到光学光谱仪1150中，该光谱仪1150将光强度I作为波长λ-角度的函数进行分散，然后将其记录在2D检测器1160上。图11示出了导管沿着β方向的平移，这对于减少为获得WRARCL图案I(α，β，λ)而进行的扫描的时间是最佳的，但是导管1120也可以沿着α方向平移。图像导管的使用可以降低系统的复杂性，但是如图8所示，它在自由空间耦合方面有缺点，例如进入导管时的信号损失和导管中的信号损失以及导管中分辨率的潜在损失。在示例性实施例中，图像导管由光纤制成，所述光纤被布置成将入射在图像导管输入表面上的光的空间分布基本上传输到光从其处出去的图像导管出射表面。光纤熔合在一起的图像导管通常称为光纤面板。

图12示出了本发明的一个方面的实施例，其中固定图像导管1220与反射镜平移设备1230(图9a/9b和图10a/10b示出了其示例)结合，以便为了获得WRARCL图案I(α，β，λ)而将光强度平移到图像导管1220上。

图13是示出本发明的一个方面的实施例的等轴测图，其中示出了从收集反射镜1310反射离开的CL 1300的发射，然后CL 1300在通过平面αβ 1335并到达成像检测器(未示出)之前由高光谱成像过滤器1320进行波长过滤。通过扫描高光谱成像过滤器1320的带通波长λ+/-Δλ来获得WRARCL图案I(α，β，λ)。相对于诸如图7、8、11和12所示的装置，高光谱成像过滤器的使用显著降低了系统复杂性。相对于图7、图8、图11和图12所示的实施例，当前的高光谱成像过滤器技术具有明显的性能缺点，例如较低的光谱分辨率和较低的空间分辨率。然而，可以预见的是，对高光谱成像过滤器技术的改进将使该实施例对于某些应用是可行的。

尽管已经在上面详细描述了本发明，但是应该清楚地理解，对于相关领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神的情况下可以对本发明进行修改。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式、设计或布置的各种改变。因此，上述描述应被认为是示例性的，而不是限制性的，并且本发明的真正范围是所附权利要求书中限定的范围。

除非明确地描述，否则在本申请的说明书中使用的任何要素、动作或指令均不应被解释为对本发明是关键或必要的。同样，如本文中所使用的，冠词“一”旨在包括一个或多个项目。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。