具有原位沉积功能的带电粒子显微镜的制作方法

本发明涉及一种带电粒子显微镜，包括真空室，在该真空室中提供了：

—样本保持器，其用于将样本保持在照射位置；

—粒子光学柱，其用于产生带电粒子束并引导该带电粒子束从而照射该样本；

—检测器，其于响应于被所述射束照射来检测从样本发出的辐射通量。

本发明还涉及一种使用此类带电粒子显微镜的方法。

带电粒子显微术是用于特别是以电子显微术的形式对显微对象进行成像的众所周知且越来越重要的技术。历史上，电子显微镜的基本种类已经经历到许多众所周知的设备类别的演进，所述众所周知的设备类别诸如透射电子显微镜（tem）、扫描电子显微镜（sem）以及扫描透射电子显微镜（stem），并且还演进为各种子类，诸如所谓的“双束”工具（例如fib-sem），其另外采用“加工”聚焦离子束（fib），例如允许诸如离子束铣削或离子束诱导沉积（ibid）之类的支持性活动。更具体地：

在sem中，通过扫描电子束进行的样本照射例如以次级电子、背散射电子、x射线和阴极发光（红外、可见和/或紫外光子）的形式沉淀“辅助”辐射从样本的发出；然后出于图像累积的目的检测并使用此发出辐射的一个或多个分量。

—在tem中，用来照射样本的电子束被选择成具有足够高的能量以穿透样本（其为此将一般地比在sem样本的情况下更薄）；然后可以使用从样本发出的透射电子来创建图像。当此类tem在扫描模式下操作（因此，变成stem）时，在照射电子束的扫描运动期间将累积正在讨论中的图像。

例如从以下wikipedia链接可以收集到关于在这里阐述的某些话题的更多信息：

http://en.wikipedia.org/wiki/electron_microscope

http://en.wikipedia.org/wiki/scanning_electron_microscope

http://en.wikipedia.org/wiki/transmission_electron_microscopy

http://en.wikipedia.org/wiki/scanning_transmission_electron_microscopy

作为使用电子作为照射射束的替换，还可以使用其它类别的带电粒子来执行带电粒子显微术。在这方面，短语“带电粒子”应被宽泛地解释为涵盖例如电子、正离子（例如ga或he离子）、负离子、质子和正电子。关于非基于电子的带电粒子显微术，例如可以从诸如以下之类的参考文献收集到一些进一步的信息：

https://en.wikipedia.org/wiki/focused_ion_beam

http://en.wikipedia.org/wiki/scanning_helium_ion_microscope

-w.h.escovitz,t.r.fox和r.levi-setti,scanningtransmissionionmicroscopewithafieldionsource,proc.nat.acad.sci.usa72(5),pp1826-1828(1975).

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22472444

应注意的是，除了成像和执行（局部化的）表面改性（例如，铣削、蚀刻、沉积等）之外，带电粒子显微镜还可以具有其它功能，诸如执行分光术、检查衍射图等。

在所有情况下，带电粒子显微镜（cpm）将包括至少以下部件：

—粒子光学柱，其包括：

▪辐射源，诸如肖特基电子源或离子枪。

▪照明器，其用来操纵来自源的"原始"辐射射束并对其执行某些操作，诸如聚焦、畸变缓解、裁剪（用孔径）、滤波等。其通常将包括一个或多个（带电粒子）透镜，并且也可包括其它类型的（粒子）光学部件。如果期望的话，可以为照明器提供偏转器系统，其可以被调用以使其射出射束执行跨被研究的样本的扫描运动。

—样本保持器，被研究中的样本可以被保持和定位在该样本保持器上面（例如倾斜的、旋转的）。如果期望的话，可以移动此保持器，从而实现射束相对于样本的扫描运动。一般而言，此类样本保持器将被连接到定位系统。

—检测器（用于检测从被照射样本发出的辐射），其本质上可以是单一的或复合的/分布式的，并且根据被检测的辐射其可以采取许多不同形式。示例包括光电二极管、cmos检测器、ccd检测器、光伏电池、x射线检测器（诸如硅漂移检测器和si（li）检测器）等。一般地，cpm可以包括若干不同类型的检测器，在不同的情况下可以调用其选择。

在双射束显微镜的特定情况下，将存在（至少）两个粒子光学柱，以用于产生两种不同种类的带电粒子。一般地，将使用电子柱（垂直布置）来对样本进行成像，并且将使用离子柱（以一定角度布置）来（同时地）加工/处理样本，由此可以将样本保持器定位于多个自由度上，从而适当地向所采用的电子/离子束“呈现”样本的表面。

在透射式显微镜（诸如例如（s）tem）的情况下，cpm将具体包括：

—成像系统，其本质上利用透射通过样本（平面）的带电粒子并将其引导（聚焦）到分析设备上，所述分析设备诸如检测/成像装置、分光镜设备（诸如eels装置）等。如上文提及的照明器一样，成像系统还可执行其它功能，诸如相差缓解、裁剪、滤波等，并且其一般地将包括一个或多个带电粒子透镜和/或其它类型的粒子光学部件。

在下面，举例来说，有时可以在电子显微术的特定背景下阐述本发明；然而，此类简化仅仅意图为了清楚/说明性目的，并且不应解释为限制性。

如已经提到的，如在以上开头段落中所阐述的设备的示例是fib-sem，并且此类装置的使用的重要（但非限制性）示例是在所谓的tem薄片的制备中。如上文所指示的，tem样品需要非常薄，并且其一般地是使用高度专业化的技术制备的。在一个此类技术中，使用聚焦离子束（fib）来从块体样本切割/切片/脱离出一个或多个薄片，由此，一般而言：

—使用电子束成像来找到/定位被安装到样本保持器的样本上的特定感兴趣区域；

—使用fib来执行从样本（的已识别区域）释放薄片所必要的各种切口；

—使用被附着到定位载台的针状操纵器来拾取/移动这样与样本的其余部分有差别的薄片。

然后可以将以这种方式产生的薄片从fib-sem去除（借助于所述操纵器），并且在（s）tem中或者在其它分析设备中进行研究。为了获得关于tem薄片制备的一些一般信息，参见例如u.muehle等人在microscopy:science,technology,applicationsandeducation,1704-1716页,2010(formatex)中的文章：

http://www.formatex.info/microscopy4/1704-1716.pdf

为了获得关于使用fib-sem来制备样品以用于生命科学研究的更多信息，参见例如以下参考文献：

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25703192

这两个出版物都通过引用被结合到本文中。

在许多情况下，将期望（至少部分地）在将此类薄片/样品在cpm中进行研究之前为其提供导电（例如金属）涂层。此类涂层帮助缓解薄片/样品的静电充电，其可能对成像过程/设备具有不利影响，并且还可能例如在薄片中产生不想要的再结晶/电子损伤效应。替换地，在sem研究（例如）中，此类涂层可以帮助增加样品的图像亮度（电子产额）。样品上的金属涂层还可以帮助例如在后续照射会话期间帮助减少热负荷。当前存在小型独立磁控管溅射涂覆机的现成的商业可用性，其可以用来在薄片（或其它类型的样品）上沉积导电（金属）层。另外，某些溅射涂覆机可用作安装在cpm的真空室外面并经由气锁与其内部连通的“附加组件”（卫星/辅助）单元。）虽然此类涂覆机的使用到目前为止已产生可容忍的结果，但始终存在改进的空间。在该背景下，本发明人已进行了广泛地工作以识别这种常规方法中的缺点，并有效地解决这些从而产生改善的结果。这种努力的结果是本申请的主题。

本发明的目的是提供一种比当前可用的更加多用途的cpm。另外，本发明的目的是提供一种制备薄片及其它样品以便在cpm研究中使用的创新方式。更具体地，本发明的目的是这种技术应采用此类薄片/样品的溅射涂覆的新颖方法。

在如在以上开头段落中阐述的设备中实现了这些及其它目的，该设备的特征在于：

—所述真空室包括原位磁控管溅射沉积模块，其包括用于产生目标材料的蒸气流的磁控管溅射源；

—载台被配置成使包括所述样本的至少一部分的样品在所述照射位置与所述沉积模块处的单独沉积位置之间移动；

—所述沉积模块被配置成当所述样品被保持在所述沉积位置处时将一层所述目标材料沉积到所述样品上。

本发明相对于现有技术而言具有许多显著优点。特别地：

—从cpm去除样品并将其转移到独立溅射涂覆机引入污染风险，由此污染物可能落在裸露的样品表面上并且随后被包在溅射涂覆层下面。能够在cpm中在原位对样品进行溅射涂覆消除此风险。

—作为前述要点的扩展，在cpm中具有原位溅射模块（站/隔舱（bay））大大地促进样品的质量控制和再加工。在原位溅射模块处对样品进行溅射涂覆之后，可以容易地将其移回照射位置并进行成像，而不必打破真空。如果基于所述成像以某种方式判断涂覆过程在标准以下，则可以容易地将样品移回到原位溅射模块以进行再加工，这再次地不必打破真空。

—针对必须在低温下制备、处理和储存的低温样品，如果可以将不同环境之间的样品转移的次数保持在最小值，则大大地简化了工作流程并降低样品退化的风险。在cpm中具有原位溅射模块在这方面是非常有益的。

虽然现有cpm已经可以以ibid或ebid（电子束诱导沉积）的形式具有原位沉积功能，但应注意的是此类技术更适合于执行材料的非常局部化的沉积（“点沉积”）。本发明的原位磁控管溅射模块更加适合于对整个样品表面施加具有规则厚度的“全局”涂覆。此外，按其特有的性质，ibid/ebid趋向于引起其在上面执行该ibid/ebid的样品的加热，这例如在低温（例如玻璃化）样品的情况下是不可接受的；另一方面，可以在没有大量样品加热的情况下执行磁控管溅射沉积。

应注意的是根据给定情况的需要，本发明的磁控管溅射模块可以是dc（直流）或rf（射频）类型的，并且其可以用来沉积各种类型的材料的层，包括金属、电介质、绝缘和掺合物/混合物等；例如，可能选择使用原位溅射模块来在已经新近从源样本切割的样品上沉积保护性绝缘层，从而保护样品（的表面）免受后续氧化/腐蚀。如果期望的话，本发明允许在单个cpm中存在多个不同的原位磁控管溅射模块，该模块可以例如具有不同类型的和/或用于沉积不同材料和/或处于不同取向/位置等。用来在照射位置与沉积位置之间转移样品的载台可以包括上述样本保持器（的一部分）（和相关联的定位系统/致动器组）【例如参见图1】，但是其还可以是专用转移工具，例如如上文提及的被致动的操纵器或者某种其它类型的活动（机器人）臂【例如参见图2】。为了获得关于作为过程的磁控管溅射的某些一般信息，对p.j.kelly和r.d.arnell在vacuum56(3),159-172页,2000年3月(elsevier)中的期刊文章进行参考：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s0042207x9900189x

其通过引用被结合到本文中。

在本发明的特定实施例中，原位沉积模块包括限制孔径，其被布置在所述溅射源与所述沉积位置之间，用于限制在所述沉积位置处呈现的所述蒸气流的影响范围。由于沉积模块位于cpm的真空室内，期望能够控制可能由气态材料从溅射模块出来并进入cpm的一般真空环境的非故意迁移引起的任何不利效应。使用如在这里所述的限制孔径是有用的，因为其可以用来限定在位于沉积位置处的样品上游的蒸气流的横截面的特定形状/尺寸，从而阻挡将无论如何也不会撞击样品的该横截面的部分。此类孔径可能例如在金属、陶瓷或玻璃的载体板中提供。如果期望的话，该孔径可以与其它（以不同方式体现的）孔径（例如储存在库中）可互换。替换地，其可以是本质上可调整的孔径（如在光阑/虹膜的情况下）或者例如一组合作滑板。本实施例的有用变体采用可闭合孔径（或专用开闭器/消隐器）以允许蒸气流被隔离以免在磁控管溅射源在沉积之前升温/稳定化的同时到达样品。

在本发明的另一实施例中，沉积模块包括围绕沉积位置的周界的套罩（套环/保持器），以用于减少所述蒸气流到所述真空室中的迁移。此类机构可以被用作如在前一段中阐述的限制孔径的替换或补充。该套罩可以例如具有与包括在所采用的载台中的样本载体的横向横截面匹配（近似等于或小于）的横向横截面（垂直于标称的蒸气流），从而限制蒸气超过所述载台的外边界的通过/逸出。套罩可以例如由被形成为适当形状的金属片制成。

在本发明的另一实施例中，沉积模块包括管状构件（套管/隧道），其被配置成使得：

—磁控管溅射源被布置为接近于所述管状构件的第一末端（口）；

—沉积位置被布置为接近于所述管状构件的第二相对末端（口）。

再次地，可以使用此类布置作为如在前面两段中的任一个/两者中阐述的实施例的替换或补充。通过以这种方式使用管状构件，蒸气流沿着其从源至样品的整个路线被横向地限制。管状构件的横向横截面原则上可以是任何形状的，虽然其将理想地（至少）在其第二末端处被匹配/适应于包括在所采用载台中的样品载体的横向横截面。所述横截面不需要是恒定的：管状构件可以例如朝着其末端中的任一个呈锥形。

在本发明的另一实施例中，沉积模块被配置成在不使用时是可缩回的。在此类实施例中，沉积模块是移动的，并且具有与上述沉积位置匹配的“部署位置/配置”以及其中模块本质上“被避开”的“停泊位置/配置”。此类机构就cpm中的通常非常拥挤/狭窄的空间而言可能是是有利的。可以例如使用致动器系统例如通过将模块附着到被致动的臂/滑板（其可以根据要求/期望进行线性和/或曲线运动）来实现该模块的部署/缩回。然而，应认识到的是此类可缩回性仅仅是可选的：如果期望/优选的话，原位沉积模块可以处于固定位置。

一般而言，磁控管溅射过程在溅射材料的目标附近创建等离子体，并且此等离子体侵蚀/攻击该目标并局部地使其蒸发以产生上述蒸气流。可以例如通过向溅射目标施加第一电位并向相关联的磁控管电极/屏蔽件（或者在某些情况下为样品本身）施加第二电位（例如接地），从而在其之间引起用于使存在于目标附近的溅射气体电离的高压电位差来生成所述等离子体。在本发明中，可以单独地将此溅射气体给予到原位溅射模块中；然而，替换地/补充地，可以更一般地向cpm的真空室的更宽区域中引入背景气体，例如在所谓的“低真空sem”的情况下。以类似方式，可以设想出于此目的而在“环境sem（esem）”中使用过程气体。可以例如从以下wikipedia参考文献收集关于esem的某些一般信息：

https://en.wikipedia.org/wiki/environmental_scanning_electron_microscope。

现在将基于示例性实施例和示意性附图来更详细地阐述本发明，在所述附图中：

图1呈递了其中实现本发明的cpm的实施例的纵向横截面图。

图2呈递了其中实现本发明的替换cpm的纵向横截面图。

在附图中，在相关的情况下，可使用对应的附图标记来指示对应部分。

实施例1

图1是在其中实现本发明的cpm的实施例的高度示意性描绘；更具体地，其示出了显微镜m的实施例，该显微镜在这种情况下是sem（但是，在本发明的背景下，例如，其可以同样有效地是（s）tem或基于离子的显微镜）。显微镜m包括粒子光学柱/照明器1，其产生沿着粒子光轴3'传播的输入带电粒子束3（在这种情况下为电子束）。柱1被安装在真空室5中，其包括用于保持/定位样本s的样本保持器7和关联致动器7'。使用真空泵（未描绘）将真空室5抽真空。借助于电压源17，样本保持器7或至少样本s可以（如果期望的话）被相对于接地偏置（浮置）到一定电位。

柱1（在当前情况下）包括电子源9（诸如例如肖特基枪）、用以使电子束3聚焦到样本s上的透镜11、13以及偏转单元15（其用以执行射束3的射束转向/扫描）。显微镜m还包括尤其用于控制偏转单元15、透镜11、13和检测器19、21并在显示单元27上显示从检测器19、21收集的信息的控制器/计算机设备25。

检测器19、21选自各种各样可能的检测器类型，其可以用来响应于由输入射束3进行的照射而检查从样本s发出的不同类型的出射辐射e。在这里所描绘的装置中，已进行以下（非限制性）检测器选择：

—检测器19是用来检测从样本s发出的阴极发光的固态检测器（诸如光电二极管）。其替换地可以是x射线检测器，诸如例如硅漂移检测器（sdd）或硅锂（si（li））检测器。

—检测器21是分段式硅电子检测器，其包括绕着中心孔径23（其允许初级射束3通过）以环形配置布置的多个独立检测段（例如象限）。此类检测器例如可以用来研究从样本s发出的出射背散射电子的通量的角相关性。其通常将被偏置到正电位，从而吸引从样本s发射的电子。

技术人员将理解的是在诸如所描绘的机构中可以选择许多不同类型的检测器。

通过在样本s上扫描输入射束3，从样本s发出出射辐射，包括例如x射线、红外/可见/紫外光、次级电子（se）和/或背散射电子（bse）。由于此类出射辐射是位置敏感的（由于所述扫描运动），从检测器19、21获得的信息也将是位置相关的。这个事实允许（例如）使用来自检测器21的信号来产生样本s（的一部分）的bse图像，该图像基本上是作为样本s上的扫描路径位置的函数的所述信号的映射。

来自检测器19、21的信号沿着控制线（总线）25'传递，由控制器25处理并在显示单元27上显示。此类处理可以包括诸如组合、积分、减法、伪着色、边缘增强以及技术人员已知的其它处理之类的操作。另外，在此类处理中可包括（例如被用于粒子分析的）自动化识别过程。

应注意的是技术人员将知晓此类机构的许多细化和替换方式，包括但不限于：

—双射束的使用：例如用于对样本s进行成像的电子束3和用于对样本s进行加工（或者在某些情况下成像）的离子束33，例如参见图2；

—在样本s处使用受控环境：例如，保持几毫巴的压力（如在所谓的环境sem中所使用的）或者通过准许进入气体，诸如蚀刻或前驱气体，

等等。

在本发明的特定背景下，真空室5包括原位磁控管溅射沉积模块d，其在这里位于轴线3'的右侧（但还可以位于室5内的别处）。此模块d包括用于产生目标材料的蒸气流的磁控管溅射源d1，并且在本实施例中，限制孔径d2位于此流的路径中，从而执行此流的横截面/影响范围的适当成形/尺寸确定。如这里描绘的，源d1位于管状构件d3的一端（上端）处，其另一端（下端）张开（flare）从而形成套罩，可以在访问模块d期间将样品保持在该套罩下面/内部。为此，载台（在本情况下，项目7'/7）被配置成在柱1下面（沿着轴线3'）的照射位置pi与在沉积模块d下面的单独（d）沉积位置pd之间（基本上在xy平面中）移动样品（其包括样本s的至少一部分）。虽然样品被保持在此沉积位置pd处，但可以调用模块d以将一层目标材料（例如，诸如金之类的金属）沉积到样品的所呈现的表面上。

实施例2

图2示出了图1中的cpm的变体，在这种情况下为所谓的fib-sem。这在很大程度上与图1的设备相同，除了在于除上述电子光学柱1之外其还包括离子光学柱31。与电子柱1类似，离子柱31包括离子源39（诸如例如克努森池）和成像光学件32，并且这些沿着离子光学轴33'产生/引导离子束33。为了促进到保持器7上的样本的容易轴线，离子轴33'相对于电子轴3'倾斜。

如上文所述，通过执行用于将样品（沿着其周界）从周围样本释放的多个（有角度）切口，此类离子（fib）柱31尤其可以用来从“块体”样本s切割小样品，诸如薄片（小薄片/长条）。在本实施例中，然后可以使用包括可以在各种自由度上被致动器系统a'致动的（针状）操纵器臂a的载台来在照射位置pi（在该处创建样品）（～轴线3'和33'的交叉点）与面对原位磁控管溅射沉积模块d（的口）的沉积位置pd（在该处可以（例如）在稍后用金属涂覆样品）之间转移此类样品。在本情况下请注意d略微朝着pi倾斜，但并不一定需要是这样的情况。当样品已在模块d处被涂覆时，如果期望的话可以将其移回到位置pi（使用载台a/a'），在那里，可以使用电子柱1和/或离子柱31对其进行检查和/或进一步加工。如果期望/需要的话，可以以多次迭代的方式执行此程序。

实施例3

在使用本发明的原位磁控管溅射沉积模块进行的tem薄片制备的特定示例中，首先用约1—10nm的金属（例如cr或au）涂覆块体样本（的特定面），从而改善成像（对比度增强和防充电层）。一旦获得的所述面的适当图像，使用fib从该面切除薄片。为了抑制充电效应，向薄片上沉积另一1—5nm的金属。例如可以以达到约每分钟1—10nm的程度（典型地）的沉积速率执行此类沉积，但这是任意的。沉积模块中的溅射气体压力通常在大约0.1—100pa范围内，由此，典型的过程气体是氩气。等离子体生成电压通常在约20—2000v范围内，典型电流在约1—1000ma的范围内。如果需要的话，可以将磁控管冷却，从而控制加热。

实施例4

以下是其中可以采用本发明的原位磁控管溅射沉积模块的各种示例性情况的非排他性列表：

—针对绝缘晶片样品，大约2—5nm的cr的沉积可以抑制充电效应，并且给出良好的背散射图像。

—在易于发生冰污染的低温样品（例如，玻璃化生物样品）的情况下，大约1—10nm的厚度的金属涂层改善成像性能。

—可以沉积钝化层，以遮蔽并保护精细的空气敏感薄片/样品以免氧化/腐蚀。

—在光子学样品中，可以将本发明用于光敏层的原位沉积。

—可以溅射有机材料，例如用以创建纳米聚合物膜。

—可以溅射无机材料，例如用以创建陶瓷或玻璃层。

—可以在装置上沉积薄的籽晶层（seedlayer）以促进其它层的更好沉积。

—本发明提供了一种用于多层样品的原位制造方法，允许进行高质量的低温沉积以便构造纳米层堆叠。