能量色散X射线谱的方法、粒子束系统和计算机程序产品与流程

本发明涉及用于物体的能量色散x射线谱的方法、粒子束系统和计算机程序产品。特别地，本发明用于提供用于分析物体的化学组成和结构的高效程序和高效系统。

背景技术：

在材料测试和小型化结构的完整性测试领域，经常需要确定关注的物体区域的化学组成和结构。通常，将物体放置在电子束显微镜中，然后使用电子束显微镜拍摄该物体的图像。该图像给出了物体的性质的第一印象。接下来，使用电子束显微镜拍摄另外的图像以识别物体的关注区域，例如特殊结构或材料过渡。最后，使用电子束显微镜在已识别的关注区域处拍摄另一个图像，其中还执行能量色散x射线分析。能量色散x射线分析提供了物体区域的能量色散x射线光谱。基于能量色散x射线光谱，用户或控制器可以确定物体区域的化学组成和/或结构。

为了记录物体的图像而用电子束扫描的物体的区域被称为扫描区域。通常，通过对在扫描区域上扫描电子束期间所发射的能量色散检测到的x射线进行时间积分来获得能量色散x射线光谱。由于用于寻找关注区域的扫描区域通常被选择得相当大，因此有助于能量色散x射线光谱的x射线的相对较大部分落在扫描区域的不相关的区域上。用于能量色散x射线光谱的关注的相关物体区域的部分相应地较小。因此，难以基于能量色散x射线光谱来确定相关物体区域的化学组成。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种方法和对应的设备，利用该方法和对应的设备可以容易且快速地识别和分析物体的相关区域。

根据本发明的一个方面，该目的通过一种用于物体的能量色散x射线谱的方法来实现，其中，该方法包括执行一序列动作。该序列包括：在物体的扫描区域上扫描粒子束，其结果是，带电粒子被发射，并且x射线也被该物体的扫描区域发射；用用于检测这些带电粒子的粒子检测器检测由该物体的扫描区域发射的这些带电粒子；基于用该粒子检测器检测到的这些粒子，生成该扫描区域的图像；用能量色散x射线检测器至少检测由该扫描区域的部分区域发射的这些x射线；基于检测到的x射线的由于在该扫描区域的部分区域上对该粒子束的扫描而由该物体发射的那部分来生成能量色散x射线光谱的表示，其中，该部分区域在其面积方面小于该扫描区域。

当在该扫描区域上扫描该粒子束时，该粒子束在时间上连续地被引导到该物体的表面上的多个位置。该多个位置定义了该扫描区域。该扫描区域是该粒子束入射在的该物体的表面上的二维区域。例如，该粒子束在该扫描区域上逐行地扫描。

该粒子束是带电粒子(比如电子或离子)的束。当入射在该物体上时该粒子束的带电粒子的动能被选择为使得，由于该粒子束与该物体的相互作用，带电粒子(例如电子、离子，特别是反向散射电子、次级电子、反向散射离子、次级离子)由该物体发射，并且同时x射线由该物体发射。由该物体发射的这些带电粒子的动能取决于类型在几ev到几kev的范围内。这些x射线的能量最高达几kev。

根据该方法，用用于检测这些带电粒子的粒子检测器来检测由于该粒子束与该物体的相互作用而由该物体发射的这些带电粒子。这意味着，例如，该粒子检测器被配置为输出检测信号，该检测信号表示入射在该粒子检测器上并由该粒子检测器检测到的带电粒子的通量的强度，并且在该扫描区域上扫描该粒子束期间使用该粒子检测器来检测由该物体或该扫描区域发射的带电粒子。

根据该方法，使用检测到的带电粒子、例如使用该粒子检测器的检测信号来生成该扫描区域的图像。该图像应被理解为将至少一个图像值分配给多个图像点的信号。这些图像点中的每个图像点都被(精确地)分配给该扫描区域的一个位置。每个图像点可以被分配一个图像值或多个图像值。图像值可以表示例如检测到的粒子通量的强度或从中得出的变量。该图像可以存储在数据存储器中。该图像例如表示入射在该粒子检测器的检测表面上的粒子束的强度的空间分辨(例如二维)分布或在预定时间周期(也称为收集周期)内(以空间分辨的方式)检测到的带电粒子的数量的空间分辨(二维)分布。该图像可以借助于显示设备来呈现，例如监视器等。

根据该方法，用能量色散x射线检测器来检测由于该粒子束与该物体的相互作用而由该物体、特别是由该扫描区域发射的这些x射线。这意味着，该x射线检测器被配置为以能量分辨的方式确定入射在该x射线检测器的检测表面上的检测事件的频率或x射线的强度。例如，该x射线检测器输出表示能量分解(即能量色散)频谱或强度谱的输出信号。

根据本发明，使用检测到的x射线、例如使用该x射线检测器的输出信号，基于检测到的x射线的由于在该扫描区域的部分区域上对该粒子束的扫描而由该物体发射的那部分，生成能量色散x射线光谱的表示。这意味着，仅基于由于在该扫描区域的部分区域上对该粒子束的扫描而由该物体发射的那些x射线来生成该能量色散x射线光谱。相比之下，由于对该扫描区域的与该部分区域不同的区域的扫描而由该物体发射的x射线不会有助于该能量色散x射线光谱。

该能量色散x射线光谱的表示应理解为将能量色散x射线光谱分配给该部分区域的信号。该表示可以存储在数据存储器中。该表示可以借助于显示设备等来呈现，例如监视器等。

根据该方法，该部分区域在其面积方面小于该扫描区域。这意味着该部分区域的表面面积小于该扫描区域的表面面积。

该扫描区域的图像例如用来识别该物体的关注区域。用户或自动控制器通过考虑或使用该图像来识别关注的物体区域。这意味着用户或控制器想要或旨在更详细地分析所述物体区域。

接下来，该扫描区域被选择为使得关注的物体区域位于该部分区域内。因此，该能量色散x射线光谱的表示基于由关注的物体区域发射的x射线。由于物体区域小于该扫描区域并且位于该部分区域中，因此由关注的物体区域发射的x射线主要有助于该能量色散x射线光谱的表示。

以此方式，因为提供该扫描区域的大图像以用于识别关注区域，并且可以同时提供被限制到该扫描区域的较小部分(即该部分区域)的能量色散x射线光谱的表示，因此可以更容易且快速地识别和分析关注的物体区域。

根据另一实施例，该部分区域大部分或完全被该扫描区域包围，和/或该部分区域位于该扫描区域内。

根据另一实施例，该部分区域的表面面积与该扫描区域的表面面积之比为至多1/2，特别是至多1/3或至多1/4或至多1/9。附加地或替代性地，该部分区域的表面面积与该扫描区域的表面面积之比为至少1/50，特别是至少1/20。

根据另一实施例，用于生成该x射线光谱的表示的这些x射线由该物体发射，而用于生成该图像的这些带电粒子的至少一部分由该物体发射。换句话说，用于生成该x射线光谱的表示的这些x射线和用于生成该图像的这些带电粒子至少部分地同时由该物体发射。根据这些实施例，有助于生成该图像的这些带电粒子的一部分和有助于生成该能量色散x射线光谱的表示的这些x射线是通过与该粒子束相互作用而同时生成的并由该物体发射。因此，该图像和该表示涉及相同的时间间隔。

根据另一实施例，该序列还包括用显示设备呈现该扫描区域的图像和/或用该显示设备呈现该x射线光谱的表示。根据该实施例，可以(同时)呈现该图像和/或该表示。相应地，用户可以查看后者。

根据另一实施例，该序列还包括在该扫描区域的图像的呈现中呈现标记，其中，该标记指示该部分区域和/或该部分区域的边缘。根据该实施例，该用户可以容易地在该图像的呈现中辨别出该部分区域。随后，该用户可以改变或重新定义该部分区域和/或该扫描区域，以便以此方式找到或更准确地分析关注的物体区域。

根据另一实施例，该序列被重复执行。根据该实施例，生成该扫描区域的视频而不是该扫描区域的图像。该视频是图像的时间序列。另外，生成能量色散x射线光谱的表示的时间序列。用户或自动控制器可以借助于所述信息确定该扫描区域或部分区域的化学和/或结构组成。因此可以近似实时地观察到该扫描区域或该部分区域的变化以及所述变化对该能量色散x射线光谱的影响，这进而使得快速分析成为可能。

根据另一实施例，该方法或该序列还包括特别是通过用户或控制器取决于该扫描区域的图像和/或取决于该能量色散x射线光谱的表示来相对于该扫描区域改变该部分区域、特别是该部分区域的大小和/或位置。根据该实施例，用户或自动控制器在其大小和位置方面调整该部分区域。以此方式，可以将该x射线光谱的表示限制或扩展到关注的物体区域。

根据另一实施例，该方法或该序列还包括特别是通过用户或控制器取决于该扫描区域的图像和/或取决于该能量色散x射线光谱的表示来改变该扫描区域、特别是该扫描区域的大小和/或位置。根据该实施例，用户或自动控制器在其大小或位置方面调整该扫描区域。

根据本发明的另一方面，该目的通过一种用于物体的能量色散x射线谱的粒子束系统来实现，其中，该粒子束系统包括：粒子束柱，用于生成粒子束并用于在该物体的扫描区域上扫描该粒子束；粒子检测器，用于检测带电粒子；x射线检测器，用于能量色散地检测x射线；控制器，用于控制该粒子束柱并用于处理由该粒子检测器和由该x射线检测器生成的信号；其中，该控制器被配置为以执行本文描述的方法的方式控制该粒子束系统。

根据本发明的另一方面，该目的通过一种计算机程序产品来实现，该计算机程序产品包括指令，这些指令在通过粒子束系统、特别是通过本文描述的粒子束系统执行时使该粒子束系统执行本文描述的方法。

附图说明

下面参照附图更详细地解释本发明的实施例，在附图中：

图1示出了可以执行本文描述的方法的粒子束系统的示意性图示；

图2示出了要分析的物体和扫描区域的示意性图示；

图3示出了图2的要分析的物体和扫描区域的部分区域的示意性图示；

图4示出了用于扫描部分区域被突出显示的扫描区域的扫描图案的示意性图示；

图5示出了根据图4的扫描图案的扫描与带电粒子和x射线的发射之间的时间关系的示意性图示；

图6示出了显示设备上的图像和x射线光谱的第一示例性示意性图示；以及

图7示出了显示设备上的图像和x射线光谱的第二示例性示意性图示。

具体实施方式

图1示出了可以执行本文描述的方法的粒子束系统的示例性实施例的示意性图示。粒子束系统包括具有电子光学单元的电子束显微镜1。电子光学单元包括具有阴极7的电子束源5以及引出和抑制电极9，用于生成以电子作为粒子的初级粒子束13。初级粒子束13穿过电子光学单元的聚束透镜11、设置在用于检测电子的粒子检测器17中的光阑15以及电子光学单元的物镜19，该物镜用于将初级粒子束13聚焦在物平面23中的位置21处。要检查的物体25的表面布置在物平面23中。

物镜19包括线圈27，该线圈设置在环状轭29中，该环状轭具有环状上磁极元件31和环状下磁极元件32，使得在上磁极元件31与下磁极元件32之间形成环状间隙。在此间隙中生成用于聚焦粒子束13的磁场。

电子束显微镜1进一步包括束管35，该束管伸入物镜19并部分地穿过物镜。端电极37设置在束管35的下端处。端接电极36布置在端电极37与物平面之间，其中，在端电极37与端接电极36之间生成的静电场在粒子束13上提供聚焦作用。由电极36与电极37之间的静电场提供的聚焦作用和由磁极元件31与磁极元件32之间的磁场提供的聚焦作用共同提供电子束显微镜1的物镜19的聚焦作用。

设置有控制器39以用于向端接电极36、端电极37、阴极7、以及引出和抑制电极9供应合适的电压，使得在物平面23中形成粒子束13的束焦点。

这些电压可以被选择成使得初级电子束13的电子在其在位置21处入射在物体25上时具有预定动能。

电子光学单元进一步包括偏转器41，这些偏转器也由控制器39控制以便使粒子束13偏转并改变粒子束13在物平面23中入射在物体25上的位置21。通过使粒子束13偏转，特别可以用粒子束13系统地扫描物体25的表面区域。

粒子束13入射在物体25上使得生成从物体25发出的信号。所述信号尤其包括带电粒子43、54和x射线53。

这些带电粒子(例如电子)中的一些可以进入束管35，其方式使得它们被粒子检测器17检测到。从物体25发出的作为电子的信号特别是包括反向散射电子，这些反向散射电子的动能对应于或略小于入射到物体25上的粒子束13的电子的动能。此外，这些电子包括次级电子，这些次级电子在从物体的表面发出时具有的动能明显小于入射在物体25上的粒子束13的电子的动能。图1示意性地示出了入射在电子检测器17上的次级电子43的轨迹。

电子束显微镜1进一步包括布置在物镜19与物平面23之间的能量色散x射线检测器47。在所示的实施例中，能量色散x射线检测器47是硅漂移二极管(sdd)。在其他实施例中，也可以使用不同类型的能量敏感检测器，比如pin二极管、肖特基二极管或雪崩二极管。

在能量色散x射线检测器47的前方布置有由不允许由粒子束13在物体25处作为信号生成的电子穿过的材料制成的窗口51；然而，由粒子束13在物体25处作为信号生成的x射线53穿过所述窗口，使得x射线可以被能量色散检测器47检测到。由于粒子束13在位置21处的入射而产生的并入射在检测器47上的x射线束的示例性轨迹在图1中示意性图示出。因此，x射线检测器47被配置为本质上在粒子束系统的操作期间检测x射线，并因此形成电子束显微镜1的能量色散x射线检测器。

电子束显微镜1进一步包括粒子检测器48，该粒子检测器被配置为既检测由粒子束13在物体25处作为信号生成的电子，又检测由粒子束13在物体25处作为信号生成的x射线。然而，由粒子束13生成并被检测器48检测到的电子的数量远远大于由x射线触发的检测事件的数量。进一步地，由于检测器相对于物体25的几何布置，入射在检测器48上的电子主要是反向散射电子，以及仅有较小程度的次级电子。由于粒子束13在位置21处的入射而产生的并入射在检测器48上的反向散射电子54的示例性轨迹在图1中示意性图示出。因此，检测器48被配置为本质上在粒子束系统的操作期间检测反向散射电子，并因此形成用于检测带电粒子的替代性粒子检测器。

粒子束系统1进一步包括鼠标80和键盘82，作为用于操作控制器39的输入设备的示例。粒子束系统1进一步包括监视器84，作为用于呈现在控制器39中管理的信息的输出设备的示例。

参照图1描述了其粒子束是电子束的粒子束系统。通过示例的方式，粒子束也可以由离子形成。在此情况下，粒子束系统具有类似的构造。

下面将基于图1至图7来解释能够用图1所示的粒子束系统执行的用于能量色散x射线谱的方法。

图2以俯视图、即沿着粒子束13的方向示出了要分析的物体25的示意性图示。图2进一步示出了正方形形式的扫描区域61。扫描区域61是物体25的表面的一部分，并且是物体25的用粒子束13扫描的区域。如图2中示意性指示，可以逐行地扫描扫描区域61。

通过在物体25的扫描区域61上扫描粒子束13，由物体25发射带电粒子43、54和x射线53，如结合图1已经解释的那样。

例如使用粒子检测器17或粒子检测器48来检测由物体25的扫描区域61发射的带电粒子。检测器17和48连接至控制器39，并向该控制器输出检测信号。检测信号例如表示入射在相应检测器上的带电粒子的通量的强度。通过将控制信号链接到产生扫描和检测信号的偏转器41，控制器39可以生成扫描区域61的图像，该图像基于用相应检测器17、48检测到的粒子。

使用能量色散x射线检测器47检测由于扫描而由物体25发射的x射线53。在图2所示的示例中，在扫描区域61上在扫描粒子束13的整个过程期间由物体25发射x射线53。

能量色散x射线检测器47向控制器39输出输出信号，其中，该输出信号例如表示在预定时间周期(收集周期)期间由检测到的x射线形成的能量色散x射线光谱。这意味着，例如，x射线检测器47在扫描区域61上在扫描粒子束13的整个周期期间生成输出信号，并将其输出到控制器39。

基于能量色散x射线检测器47的输出信号，控制器39生成能量色散x射线光谱的表示，其中，该表示基于x射线的由于在扫描区域61的部分区域63上对粒子束13的扫描而由物体25发射的用x射线检测器47检测到的那部分。

图3示出了已经在图2中示出的物体25，并且以虚线示出了扫描区域61的边缘，并且还以点阴影示出了部分区域63。部分区域63具有比扫描区域61更小的表面面积。

尽管扫描区域61的图像表示物体25的相对较大的表面，这有助于找到物体25的关注区域，但检测到的x射线的仅在部分区域63的扫描期间由物体发射的那部分用于生成能量色散x射线光谱的表示。相应地，能量色散x射线光谱基于与扫描区域的表面相比更小的表面的x射线。因此，可以检查物体的大表面的关注区域，并同时关于其化学组成分析其一小部分。

如图3所示，部分区域63完全被扫描区域61包围。此外，部分区域63位于扫描区域61内。在图3所示的示例中，扫描区域61在其面积方面大约是部分区域63的大小的九倍。因此，部分区域63的表面面积与扫描区域61的表面面积之比大约为1/9。此比的大小可以调整。

参照图4和图5，在有助于图像的生成的带电粒子43、54的生成与有助于x射线光谱表示的生成的x射线53的生成之间的时空关系将在下面更详细地解释。

图4从与图2和图3相同的角度以虚线示出了扫描区域61的边缘并且以点示出了部分区域63的边缘。在图4的示例中，假设将粒子束13在扫描区域61上逐行地引导以生成扫描区域61的图像。首先，将粒子束13引导在物体25的扫描区域61的由箭头l1表示的位置上，其中粒子束13沿着由箭头l1指示的方向在物体25上被引导。接下来，将粒子束13引导在物体25的扫描区域61的由箭头l2表示的位置上。接下来，将粒子束13引导在物体25的扫描区域61的由箭头l3表示的位置上。接下来，将粒子束13引导在物体25的扫描区域61的由箭头l4表示的位置上。接下来，将粒子束13引导在物体25的扫描区域61的由箭头l5表示的位置上。接下来，将粒子束13引导在物体25的扫描区域61的由箭头l6表示的位置上。

图5示出了在根据图4的箭头l1至l6在扫描区域61上扫描粒子束13与生成有助于生成扫描区域61的图像的带电粒子之间的时间关系。图5中所示的时间轴从左到右包括六个时间间隔，标记为l1至l6。这些时间间隔对应于在图4中的箭头l1至l6的位置上扫描粒子束13所需的相应时间间隔。

由菱形以在菱形之间延伸的线限定的时间区域65指示如下时间区域，其中有助于(即用于)生成扫描区域61的图像的带电粒子由物体25发射。在图4和图5的示例中，这意味着在根据箭头l1至l6的扫描区域61的扫描期间生成的、由物体25发射的以及由粒子检测器17、48检测到的所有带电粒子均用于生成图像，因为时间区域65包含时间区域l1至l6。

图4中的附图标记x1、x2和x3指示在扫描区域61的扫描期间粒子束13入射到的部分区域63的位置。图5中的x1、x2和x3指示与其相对应的时间区域。在图5中用x1、x2和x3表示的时间区域是如下时间区域，其中x射线的用来(即用于)生成能量色散x射线光谱的表示的那部分由物体25发射。相比之下，在时间区域x1、x2和x3之外由物体25发射的x射线不用于生成能量色散x射线光谱的表示。这进而意味着能量色散x射线光谱的表示仅基于在粒子束13被引导到物体25的部分区域63的位置时由物体25发射的检测到的x射线，如图4中由区域x1至x3指示的。

图6示出了监视器84的显示区域67的第一示例性示意性图示。显示区域67包括扫描区域61的图像的呈现69。

除了扫描区域61的图像的呈现69之外，显示区域67还包括能量色散x射线光谱的表示的呈现71。呈现71包括横坐标和纵坐标，在横坐标上绘制了以kev为单位的能量，在纵坐标上绘制了x射线检测的数量。呈现71的曲线图73示出了根据该表示的能量色散x射线光谱。用户或自动控制器可以基于曲线图73的特定形状或基于能量色散x射线光谱的表示来确定存在于部分区域63中的化学元素。

呈现69具有标记75，其指示部分区域63或其边缘，用于突出显示呈现69中的部分区域63。查看显示区域67的用户可以由此在扫描区域61内辨别出部分区域63。

图7示出了在改变部分区域63的位置和大小之后，如由控制器39生成的显示区域67a的第二示例性示意性图示。例如，用户已经通过借助于鼠标80和/或键盘82(参见图1)的相应输入将图6所示的标记75的位置和大小改变为图7所示的标记75a。这暗示着对控制器39的命令，其随后相应地使部分区域63适配于标记75a。例如，时间区域x1至x3(参见图5)由此被重新定义为使得x射线的仅当粒子束13根据标记75a被引导到部分区域上时由物体25发射的那部分有助于生成能量色散x射线光谱的表示的呈现71a。假设根据标记75a的部分区域的化学组成不同于根据标记75的部分区域的化学组成，则呈现71中所示的曲线图73基于具有曲线图73a的呈现71a如借助图7中的示例所示来改变。