專利名稱：用于氣體環(huán)境里的二次電子檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從試樣表面生成、放大并檢測二次電子的裝置。本發(fā)明還涉及用于從試樣表面生成、放大并檢測二次電子的方法。
為了利用電子顯微術(shù)獲得試樣的影象，可利用電子束對該試樣進行掃描，并檢測從該試樣反射或發(fā)射的電子。通常，該試樣被置于真空中進行掃描以保持該電子光學(xué)系統(tǒng)的真空完整性，而且使電子檢測器有可能工作。
在真空里用電子束來掃描試樣帶來許多問題。各種生物試樣不能在為獲得準確的影象所需的一段時間里于真空中保持完好。各種濕的試樣在可以獲得準確影象之前，在真空中要經(jīng)歷它們所包含液體的蒸發(fā)過程。各種物體在高真空中除氣需要作特殊的考慮。各種非導(dǎo)體試樣會積聚一種表面電荷，該電荷使試樣表面的細節(jié)模糊不清，因而降低了所獲影象的分辨率。為避免積聚電荷的問題，各試樣可以鍍上一層金屬薄層使它們能傳導(dǎo)掉該電荷。然而，該金屬鍍層可能破壞各試樣(例如，各種半導(dǎo)體)，為此，往往排除了非破壞性檢驗的可能性。
在環(huán)境的顯微技術(shù)方面一項早期的工作中(W·C·Lane，《環(huán)境控制顯微鏡載物臺》，掃描電子顯微技術(shù)/1970，PP43-48)Lane使用了一個Everhart-Thornley系統(tǒng)(一種偏壓閃爍體/光電倍增器)以便在掃描電子顯微鏡中檢測從在氣體環(huán)境中的試樣發(fā)射出的電子。他曾聲稱正是這些從該試樣表面發(fā)射出的二次電子電離了該覆蓋氣體(水蒸汽)而產(chǎn)生自由電子，然后，利用該Everhart-Thornly檢測器收集這些自由電子。他得出如下結(jié)論由于這種作用原理，該氣體是在Everhart-Thovnley檢測器中閃爍現(xiàn)象之前造成二次電子信號放大的主要原因。
Lane的聲稱和結(jié)論都是不成立的，因為在他的試驗裝置中有效放大該二次電子信號是不可能的。水的二個組分氫和氧的電離能(各門限值)太高，以致于利用所發(fā)射的二次電子是無法使之電離的，而且他聲稱的放大過程只有在緊靠該試樣上面有相當(dāng)大氣體壓力的區(qū)域才能夠發(fā)生。該Everhart-Thornley系統(tǒng)的偏移場不能充分地提高二次電子的能量，使之可以供二次電子信號放大之用。該二次電子必須獲得足夠的能量以電離氣體，但另一方面雖然還是在裝滿氣體的區(qū)域內(nèi)，而圍住試樣的金屬擋圈減少了在這一區(qū)域內(nèi)的偏移場強度。該裝滿氣體的區(qū)域還只占據(jù)檢測器和試樣之間垂直距離的一個很小的百分率，因此，在離開該充滿氣體的區(qū)域之前，該二次電子只能獲得在檢測器和試樣之間總的最大電位差的一個很小的百分率。因而，該電子能量在擋圈內(nèi)不能夠被提高到足以電離該氣體的高能級上。
Lane的由氣體引起信號放大的觀察結(jié)果的最合理的說明是以較高能量發(fā)射的反向散射電子電離了擋圈中的氣體。所產(chǎn)生的電離產(chǎn)物(電子和/或離子)是通過該閃爍體檢測到的。
Danilatos在《微米和顯微鏡技術(shù)》(MicronandMicroscopaActa)14(4)307-318(1983)中揭示氣體能夠起使用傳統(tǒng)檢測器的檢測介質(zhì)的作用(引用該上述Lane文獻)，并且，有可能在低偏置、或甚至完全沒有偏置的情況下在該檢測器上收集到電荷載流子。Danilatos說，“氣體檢測裝置的工作域和效率取決于許多可變因數(shù)，例如(a)氣體的性質(zhì)，(b)氣體的壓力，(c)氣體的溫度，(d)電極結(jié)構(gòu)，(e)電極偏置，(f)加速電壓，(g)一次電子束電流強度，(h)掃描速度，(i)試樣性質(zhì)?！盌anilatos得出如下結(jié)論為了解在該系統(tǒng)中各種不同的離子對現(xiàn)象，需要作詳細的研究?！薄藗儾豢赡塬@得一種二次電子影象以供直接比較之用。換句話說，可能呈現(xiàn)多種軌跡的對比度。此外，沒有供給外部的偏壓，而且不知道該試樣和所連接的電極可能已經(jīng)有多大自給偏壓。所給出的種種結(jié)果表明盡管在新的系統(tǒng)里能夠得到更多的信息，但這一信息的確切的性質(zhì)需要作進一步的探查。”本發(fā)明的裝置包括一個其上有限壓小孔的真空封套;一個裝于該真空封套內(nèi)并能發(fā)射帶電粒子束的源;裝于該真空封套內(nèi)能引導(dǎo)由該帶電粒子束源發(fā)射的帶緦Ｗ郵ü孟捫剮椎木勱棺爸 在該真空封套外面的試樣臺裝置，該裝置能夠保持封裝在壓力至少為0.05乇的氣體中的試樣與限壓小孔對準，以便可以把試樣表面暴露于從該帶電粒子束源發(fā)射出的并被引導(dǎo)通過該限壓小孔的帶電粒子束之下;一個設(shè)置在該真空封套的外面的電極，該電極定位在離該試樣臺裝置約1和約200mm之間的范圍內(nèi)，使得從裝在試樣臺裝置并暴露于從該帶電粒子束源發(fā)射的帶電粒子束之下的試樣表面發(fā)射的二次電子可以與該電極接觸;一個能夠在該電極和該試樣臺裝置之間保持大于約50伏并小于約2000伏電位差的連接于該電極和地線之間的電壓源，該電極的電位相對于該試樣臺裝置的電位是正的，以便用具有足夠強度的電場加速從裝在試樣臺裝置上的試樣的表面發(fā)射的二次電子，使所發(fā)射的二次電子能夠與氣體分子碰撞并產(chǎn)生負電荷載流子，接著，后者又能夠通過與其他氣體分子的多次碰撞而產(chǎn)生更多的負電荷載流子，產(chǎn)生多于并正比于原始二次電子數(shù)目的許多負電荷載流子，電場強度要低到足以避免災(zāi)難性的放電或擊穿;連接到該電極的電流放大器和連接于該電流放大器和地線之間的電流檢測裝置。
本發(fā)明還提出一種掃描電子顯微鏡，該顯微鏡包括一個其上有限壓小孔的真空封套;裝在該真空封套之內(nèi)并能夠發(fā)射電子束的電子束源;裝在該真空封套之內(nèi)并能夠引導(dǎo)由電子束源發(fā)射的電子束通過該限壓小孔的聚焦裝置;裝在該真空封套之內(nèi)并能夠使由該電子束源發(fā)射的電子束橫過該限壓小孔的直徑進行掃描的電子束掃描裝置;設(shè)置在該真空封套外面的試樣臺裝置，該裝置能夠保持封裝在壓力至少為0.05乇的氣體中的試樣與限壓小孔對準，以便可以把試樣表面暴露于從該電子束源發(fā)射的并被引導(dǎo)通過該限壓小孔的電子束之下;設(shè)置在該真空封套外面的電極，該電極定位在離該試樣臺裝置約1至200mm之間的范圍內(nèi)，使得從裝在試樣臺裝置上并暴露于從該電子束源發(fā)射的電子束之下的試樣表面發(fā)射的二次電子可以與該電極接觸;連接于該電極和地線之間的電壓源，該電壓源能夠在該電極和該試樣臺裝置之間保持大于約50伏并小于約2000伏的電位差，該電極的電位相對于該試樣臺裝置的電位是正的，以便用足夠強度的電場加速從裝在試樣臺裝置上的試樣的表面發(fā)射的二次電子，使所發(fā)射的二次電子與氣體分子碰撞并產(chǎn)生負電荷載流子，接著，這些負電荷載流子又能夠通過與其他氣體分子的多次碰撞而產(chǎn)生更多的負電荷載流子，產(chǎn)生多于并正比于原始二次電子數(shù)目的許多負電荷載流子，該電場的強度要低到足以避免災(zāi)難性的放電或擊穿;連接到該電極的電流放大器和連接于該電流放大器和地線之間的電流檢測裝置。
本發(fā)明的方法包括在恰當(dāng)?shù)臍怏w壓力下利用具有充分能量的帶電粒子束掃描試樣的表面，以便產(chǎn)生從該試樣表面發(fā)射的二次電子。利用足夠強度的電場加速該二次電子，以便使它們與氣體分子碰撞并產(chǎn)生負電荷載流子，接著，這些負電荷載流子又能夠通過與其他氣體分子的多次碰撞而產(chǎn)生更多的負電荷載流子，產(chǎn)生多于并正比于原始二次電子數(shù)目的許多負電荷載流子，該電場的強度要低到足以避免災(zāi)難性的放電或擊穿，檢測由電子和電離的氣體分子所形成的電流，從而檢測了正比于從該試樣表面發(fā)射的二次電子數(shù)目的信號。


圖1是以特殊形式實施本發(fā)明的一種裝置的示意的橫斷面圖。
本發(fā)明提供用于從試樣表面生成、放大并檢測二次電子的裝置。對照圖1更準確地說，本發(fā)明包括一個真空封套1，其上有限壓小孔2;一個帶電粒子束源3，它裝于該真空封套內(nèi)并能夠發(fā)射帶電粒子束;聚焦裝置4，它裝在該真空封套之內(nèi)并能夠引導(dǎo)由該帶電粒子束源發(fā)射的帶電粒子束穿過該限壓小孔;試樣臺裝置6，它設(shè)置在該真空封套外面，能夠保持封裝在壓力至少為0.05乇的氣體中的試樣與限壓小孔對準，以便可以把試樣表面暴露于從帶電粒子束源發(fā)射的并被引導(dǎo)通過限壓小孔的帶電粒子束之下;設(shè)置在該真空封套外面的電極7，該電極定位在離試樣臺裝置約1和約200mm之間的范圍內(nèi)，使得從裝在試樣臺裝置上并暴露于從帶電粒子束源發(fā)射的帶電粒子束之下的試樣表面發(fā)射的二次電子可以與該電極接觸;一個電壓源8，它連接于該電極和地線之間，能夠在該電極和該試樣臺裝置之間保持大于約50伏并小于約2000伏的電位差，該電極的電位相對于該試樣臺裝置的電位是正的，以便用足夠強度的電場加速從裝在試樣臺裝置上的試樣的表面發(fā)射的二次電子，使得所發(fā)射的二次電子與氣體分子碰撞并產(chǎn)生負電荷載流子，接著，這些負電荷載流子又能夠通過與其他氣體分子的多次碰撞而產(chǎn)生更多的負電荷載流子，產(chǎn)生多于并正比于原始二次電子數(shù)目的許多負電荷載流子，該電場的強度要低到足以避免災(zāi)難性的放電或擊穿;連接到該電極的電流放大器9和連接于該電流放大器和地線之間的電流檢測裝置10。在這一應(yīng)用場合，負電荷載流子包括電離的氣體分子和自由電子。
在本發(fā)明的一個實施例中該帶電粒子束源是一個電子束源。在本發(fā)明的另一個實施例中，該電極定位于離試樣臺裝置大約10mm處。在本發(fā)明的再一個實施例中該電壓源是可調(diào)節(jié)的。
本發(fā)明還提供一種掃描電子顯微鏡。對照圖1更準確地說，該掃描電子顯微鏡包括一個真空封套1，其上有一個限壓小孔2;一個電子束源3，它裝在該真空封套之內(nèi)并能夠發(fā)射電子束;聚焦裝置4，它裝在該真空封套之內(nèi)并能夠引導(dǎo)由該電子束源發(fā)射的電子束通過限壓小孔;電子束掃描裝置5，它裝在該真空封套之內(nèi)并能使電子束源發(fā)射的電子束橫過限壓小孔的直徑進行掃描;試樣臺裝置6，它設(shè)置在真空封套外面，并能夠保持封裝在壓力至少為0.05乇的氣體中的試樣與限壓小孔對準，以便可以把試樣表面暴露在從電子束源發(fā)射的被引導(dǎo)通過限壓小孔的電子束之下;設(shè)置在真空封套外面的電極7，該電極定位在離試樣臺裝置約1至200mm之間的范圍內(nèi)，使得從裝在試樣臺裝置上并暴露在從電子束源發(fā)射的電子束之下的試樣表面發(fā)射的二次電子可以與該電極接觸;電壓源8，它連接于該電極和地線之間，并能夠在該電極和試樣臺裝置之間保持大于約50伏并小于約2000伏的電位差，該電極的電位相對于試樣臺裝置的電位是正的，以便用足夠強度的電場加速從裝在試樣臺裝置上的試樣的表面發(fā)射的二次電子，使得所發(fā)射的二次電子與氣體分子碰撞并產(chǎn)生負電荷載流子，接著，這些負電荷載流子又能夠通過與其他氣體分子的多次碰撞而產(chǎn)生更多的負電荷載流子，產(chǎn)生多于并正比于原始二次電子數(shù)目的許多負電荷載流子，該電場的強度要低到足以避免災(zāi)難性的放電或擊穿;連接到該電極的電流放大器9和連接于該電流放大器和地線之間的電流檢測裝置10。
在本發(fā)明的一個實施例中將所述電極定位在離試樣臺裝置大約10mm之處。在本發(fā)明的另一個實施例中該電壓源是可調(diào)節(jié)的。在本發(fā)明的再一個實施例中該電子束源能夠發(fā)射具有從約1千電子伏到約40千電子伏范圍內(nèi)的能量的電子束。
本發(fā)明還涉及用于從試樣表面生成、放大并檢測二次電子的方法。該方法包括在適當(dāng)?shù)臍怏w壓力下利用具有充分能量的帶電粒子束掃描該試樣的表面，以便產(chǎn)生從該試樣表面發(fā)射的二次電子。利用足夠強度的電場加速所述二次電子，以便使它們與氣體分子碰撞并產(chǎn)生負電荷載流子，接著，這些負電荷載流子又能夠通過與其他氣體分子的多次碰撞而產(chǎn)生更多的負電荷載流子，產(chǎn)生多于并正比于原始二次電子數(shù)目的許多負電荷載流子，該電場的強度要低到足以避免災(zāi)難性的放電或擊穿，檢測由電子和電離的氣體分子形成的電流，由此檢測了正比于從試樣表面發(fā)射的二次電子數(shù)目的信號。
在本發(fā)明的一個實施例中，所述帶電粒子束是電子束。在本發(fā)明的另一個實施例中，該電子束具有從約1千電子伏到約40千電子伏范圍內(nèi)的能量。在本發(fā)明的再一個實施例中，所述氣體壓力在約從0.05乇至約20乇的范圍之內(nèi)。在本發(fā)明的再另一個實施例中，所述電場包括至少約50伏并小于約2000伏的電勢。
權(quán)利要求
1.用于從試樣表面生成、放大并檢測二次電子的一種裝置，其特征在于包括a)一個具有限壓小孔的真空封套；b)一個帶電粒子束源，它裝在該真空封套之內(nèi)并能夠發(fā)射帶電粒子束；c)聚焦裝置，它裝在該真空封套之內(nèi)并能夠引導(dǎo)由該帶電粒子束源發(fā)射的帶電粒子束通過該限壓小孔；d)試樣臺裝置，它設(shè)置在該真空封套外面，能夠保持封裝在壓力至少0·05乇的氣體中的試樣與限壓小孔對準，以便可以把試樣表面暴露在從帶電粒子束源發(fā)射的并被引導(dǎo)通過限壓小孔的帶電粒子束之下；e)一個電極，它設(shè)置在該真空封套外面并定位在離試樣臺裝置約1和約200mm之間的范圍內(nèi)，使得從裝在試樣臺裝置上并暴露在從該帶電粒子束源發(fā)射的帶電粒子束之下的試樣表面發(fā)射的二次電子可以與該電極接觸；f)一個電壓源，它連接于該電極和地線之間，能夠在該電極和該試樣臺裝置之間保持大于約50伏并小于約2000伏的電位差，該電極的電位相對于該試樣臺裝置的電位是正的，以便用足夠強度的電場加速從裝在試樣臺裝置上的試樣的表面發(fā)射的二次電子，以便使所發(fā)射的二次電子與氣體分子碰撞并產(chǎn)生負電荷載流子，接著，這些負電荷載流子又能夠通過與其他氣體分子的多次碰撞而產(chǎn)生更多的負電荷載流子，產(chǎn)生多于并正比于原始二次電子數(shù)目的許多負電荷載流子，該電場的強度要低到足以避免災(zāi)難性的放電或擊穿；g)一個連接到該電極的電流放大器；和h)連接在該電流放大器和地線之間的電流檢測裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征在于該帶電粒子束源是電子束源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征還在于該電極被定位在離該試樣臺裝置大約10mm之處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其特征還在于該電壓源是可調(diào)節(jié)的。
5.一種掃描電子顯微鏡，其特征在于包括a)一個具有限壓小孔的真空封套;b)一個裝在該真空封套之內(nèi)并能夠發(fā)射電子束的電子束源;c)聚焦裝置，它裝在該真空封套之內(nèi)并能夠引導(dǎo)由電子束源發(fā)射的電子束通過該限壓小孔;d)電子束掃描裝置，它裝在該真空封套之內(nèi)并能使由該電子束源發(fā)射的電子束橫過該限壓小孔的直徑進行掃描;e)試樣臺裝置，它設(shè)置在該真空封套外面，能夠保持封裝在壓力至少0.05乇的氣體中的試樣與限壓小孔對準，以便可以把試樣表面暴露在從該電子束源發(fā)射的并被引導(dǎo)通過限壓小孔的電子束之下;f)一個電極，它設(shè)置在真空封套外面并定位在離試樣臺裝置約1和約200mm之間的范圍內(nèi)，使得從裝在試樣臺裝置上并暴露于從電子束源發(fā)射的電子束之下的試樣表面發(fā)射的二次電子可以與該電極接觸;g)一個電壓源，它連接于該電極和地線之間，能夠在該電極和試樣臺裝置之間保持大于約50伏并小于約2000伏的電位差，該電極的電位相對于該試樣臺裝置的電位是正的，以便用足夠強度的電場加速從裝在試樣臺裝置上的試樣的表面發(fā)射的二次電子，使所發(fā)射的二次電子與氣體分子碰撞并產(chǎn)生負電荷載流子，接著，這些負電荷載流子又能夠通過與其他氣體分子的多次碰撞而產(chǎn)生更多的負電荷載流子，產(chǎn)生多于并正比于原始二次電子數(shù)目的許多負電荷載流子，該電場的強度要低到足以避免災(zāi)難性的放電或擊穿;h一個連接到該電極的電流放大器;和i)連接于該電流放大器和地線之間的電流檢測裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的掃描電子顯微鏡，其特征在于該電極被定位于離試樣臺裝置大約10mm之處。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的掃描電子顯微鏡，其特征還在于該電壓源是可調(diào)節(jié)的。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的掃描電子顯微鏡，其特征還在于該電子束源能夠發(fā)射具有從約1千電子伏到約40千電子伏范圍能量的電子束。
9.用于從試樣表面生成、放大并檢測二次電子的方法，其特征在于包括a)在恰當(dāng)?shù)臍怏w壓力下利用具有足夠能量的帶電粒子束掃描該試樣表面，以便產(chǎn)生從該試樣表面發(fā)射的二次電子;b)利用足夠強度的電場加速該二次電子，以便使它們與氣體分子碰撞并產(chǎn)生負電荷載流子，接著，這些負電荷載流子又能夠通過與其他氣體分子的多次碰撞而產(chǎn)生更多的負電荷載流子，產(chǎn)生多于并正比于原始的二次電子數(shù)目的許多負電荷載流子，該電場的強度要低到足以避免災(zāi)難性的放電或擊穿;和c)檢測由電子和電離的氣體分子所形成的電流，從而檢測了正比于從試樣表面發(fā)射的二次電子數(shù)目的信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于該帶電粒子束是電子束。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于該電子束具有從約1千伏到約40千電子伏范圍內(nèi)的能量。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征還在于該氣體壓力在從約0.05乇至約20乇的范圍之內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征還在于該電場包括至少約50伏并小于約2000伏的電勢。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于從試樣表面生成、放大并檢測二次電子的裝置。該裝置可以包括一種掃描電子顯微鏡。本發(fā)明還提供一種用于從試樣表面生成、放大并檢測二次電子的方法。
文檔編號H01J37/06GK1031154SQ88103140
公開日1989年2月15日 申請日期1988年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1987年5月21日
發(fā)明者詹姆斯·F·曼庫索, 威廉·B·馬克斯韋爾, 杰拉西莫斯·D·丹尼拉托斯 申請人:電子掃描公司