一种束张角可调的扫描电子束成像系统及电子束控制方法与流程

本发明涉及一种束张角可调的扫描电子束成像系统及电子束控制方法，属于扫描电子束成像。

背景技术：

1、扫描电子束成像设备是一种常用的显微分析设备，常用于表征尺度在微米级或纳米级样品的微观特征。通常电子束通过电子束成像设备的各级透镜将电子束汇聚成一个直径微小的高能电子束，入射高能电子束与样品相互作用产生背散射电子、二次电子等以反应样品的成分及形貌信息。再使用不同探测器对样品的成分及形貌信息进行表征。因其具有分辨率高、放大倍数可调范围广等优点被广泛应用。在观察半导体、无机非金属材料等领域的导电性不良的样品时，需要电子束具有低着陆能量，因为导电性不良的样品表面会产生电荷积累，样品表面累积电荷所产生的静电场会干扰入射电子和二次电子的发射，导致成像不清晰，影响检测结果的准确性；而在观察金属等导电性良好的样品时，需要电子束具有较高着陆能量以满足更高分辨率需求。

2、在一些相关技术中，电子束成像系统仅由两级透镜组成，第一级透镜为电透镜，第二级透镜为物镜；固定孔径光阑放置于第一级透镜靠近电子束入射一侧。电子束由电子源及加速电极引出后，电子束进入第一级电透镜进行预聚焦，随即进入第二级透镜对电子束进行聚焦、成像。上述电子束成像系统存在的问题是，经由第一级透镜对电子束进行预聚焦后，其后续无法再对电子束束流大小进行调节；且第一级透镜与透镜内放置的固定光阑距离很近，导致第一级透镜对电子束束张角的调节范围较小；经第一级透镜预聚焦的电子束将以固定的孔径角以及固定的束流大小经过第二级的物镜后聚焦、成像。根据下述电子光学分辨率限度公式：

3、

4、其中，m是电子光学系统电子源到像平面的最终放大倍数，s0为电子源大小；cs为球差系数，cc为色差系数，λ为电子束波长，e为电子束能量，δe为电子束能散，α为电子束像方束张角。根据上述公式可知电子束张角会影响电子光学分辨率限度，也即上述电子束成像系统存在的问题将导致最终成像分辨率无法达到最优。

5、另外一种相关技术，采用在传统复合物镜的基础上，在样品和磁透镜间引入附加电极，在附加电极上进行电压可变控制，从而实现对样品表面的电场进行控制，此技术路线主要应用于低能电子束成像领域，这种复合透镜的设计，可以实现极低的球差系数及色差系数。当电子束能量提高时，如果依旧采用具有超短工作距离浸没式复合物镜，由于磁透镜的线圈激励发热问题和磁透镜极靴的磁饱和问题，使得磁透镜无法支持足够大的激励电流来实现高分辨成像，这时一般采用增加样品台和物镜的工作距离来实现对电子束的聚焦，同时为了工程实现方便，样品台和磁透镜极靴会保持在同电位，比如地电位，但是增加样品到物镜的工作距离会使得球差系数、色差系数增大，根据上述分辨率限度公式可知，会导致成像分辨率相应降低。

技术实现思路

1、为了解决目前存在的问题，本发明提供了一种束张角可调的扫描电子束成像系统及电子束控制方法。

2、一种束张角可调的扫描电子束成像系统，所述系统包括：电子源及电场加速结构、三级透镜、可移动孔径光阑、探测器、电子束扫描控制装置和样品台；其中，三级透镜中，第一级透镜用于对所述电子束束流大小进行调节及预聚焦，第二级透镜用于对加速电子束进行汇聚，第三级透镜用于将入射电子束聚焦于样品表面，所述可移动孔径光阑设置于所述第一级透镜与所述第二级透镜之间，与所述第一极透镜配合对所述电子束束流进行大小调节并遮蔽杂散电子，所述多级透镜包括三级及以上透镜。

3、可选的，所述系统还包括：消像散器和电子束偏转装置；所述消像散器用于对电子束产生的像差进行校正，同时可改变电子束的运动方向；所述电子束偏转装置与电子束轴平行，用于改变加速电子束运动方向；消像散器和电子束偏转装置共同作用于电子束可以实现电子束的平移，使电子束通过后续第三级透镜的中心轴，实现电子束和透镜的合轴。

4、可选的，所述电子束扫描控制装置为扫描静电电极或磁线圈，设置于所述第三级磁透镜内壁与电子束光轴之间，通过扫描静电电极或磁线圈驱动电子束，使电子束在样品表面进行光栅状扫描。

5、可选的，所述样品台用于承载提供成像目标的样品并提供x、y、z方向定位功能，所述样品包括磁性样品和非磁性样品；所述电子源产生的电子束经电场加速结构进行加速后依次通过所述三级透镜后到达并聚焦于样品表面，轰击样品表面以产生电子信号；所述探测器设置于第二级透镜下方以及第三级透镜上方，用于采集电子束轰击样品表面所激发的电子信号；所述电子信号包括二次电子和背散射电子。

6、可选的，所述系统还包括二次电子分离器，用于提高探测器对信号电子的收集能力；所述二次电子分离器设置于探测器和第三级透镜之间。

7、可选的，所述可移动孔径光阑包括不同尺寸孔径的光阑，通过选择不同尺寸孔径，对通过光阑的电子束束流大小进行调节。

8、可选的，所述第一级透镜和第二级透镜为磁透镜或静电透镜，所述第三级透镜为电磁复合透镜，所述电磁复合透镜的开口为极靴；当极靴朝向样品时，仅用于检测非磁性样品；当极靴朝向电子束光轴时，用于检测磁性样品或者非磁性样品。

9、可选的，所述消像散器为八极结构的静电电极，或八极结构的磁极外加所需的不同方向的四极场。

10、可选的，所述探测器为半导体探测器，闪烁体与光电倍增管型探测器或者雪崩式探测器。

11、本技术还提供一种束张角可调的电子束控制方法，所述方法基于上述系统实现，包括：

12、利用电子源产生电子束，利用电场加速结构对所述电子束进行加速；

13、加速后的电子束透过第一级透镜实现电子束束流大小调节及预聚焦，并通过调节可移动孔径光阑的尺寸进一步对电子束束流大小调节至合适尺寸，同时遮蔽杂散电子；

14、利用消像散器对电子束的像散进行校正，同时可改变电子束的运动方向；电子束偏转装置与电子束轴平行，用于改变加速电子束运动方向；消像散器和电子束偏转装置共同作用可以对电子束进行平移，施加所匹配的偏转电场后以使电子束通过第三级透镜的中心轴，实现电子束和透镜的合轴；

15、利用第二级透镜对电子束进行汇聚；

16、利用第三级透镜对经第二级透镜汇聚的电子束进行聚焦，使其轰击样品表面激发的电子信号；轰击过程中利用电子束扫描控制装置控制电子束在样品表面进行光栅状扫描；

17、利用探测器接收电子束轰击样品表面激发的电子信号；

18、将探测器接收到的电子信号进行处理、放大从而得到样品微区高分辨成像。

19、本发明有益效果是：

20、通过合理设置多级透镜与可移动孔径光阑的位置，一方面实现电子束束流调节以及束张角高度优化控制，使得高斯像，球差，色差，衍射等像差得到优化，从而得到电子束成像系统的最佳分辨率；另一方面各级透镜以及可移动孔径光阑结构和功能相对独立，工程易实现。本技术提供的扫描电子束成像系统，能够在保证低能扫描电子束高分辨成像的同时能够满足高能电子束不受浸没式复合物镜工作距离限制，实现最优高分辨成像；而且根据物镜极靴不同开口方向的设计，既可以针对磁性样品进行扫描成像，又可以对非磁性样品进行扫描成像。