Сборочный узел линзы объектива для связанного с окружающей средой растрового электронного микроскопа и апертурный держатель для него

 

Использование изобретение относится к объединенной электронно-оптической системе детектирования сигнала изображения с дифференциальным откачиванием для растрового электронного микроскопа, связанного с окружающей средой. Сущность изобретения: узел включает цилиндрический магнитный корпус линзы объектива, содержащий аксиально расположенную вакуумную трубчатую втулку и устройство магнитного фокусирования пучка электронов, проходящего через указанную магнитную трубчатую втулку. К указанному магнитному корпусу в нижней его части примыкает кольцо, выполненное из магнитного материала, которое имеет по меньшей мере два отверстия откачивания, аксиально разнесенные друг от друга. К кольцу прикреплены в равных аксиальных местоположениях по меньшей мере две кольцевых немагнитных диафрагмы и оконечная кольцевая магнитная диафрагма. Диафрагмы определяют по меньшей мере два внутренних канала, каждый из которых сообщается с одним из отверстий откачивания, образованных в кольце. Комбинированный держатель апертур и детектор электронов съемно установлен и герметизирован в центральных отверстиях кольцевых диафрагм. Держатель апертур имеет апертуры для прохода электронного пучка и газа в камеру и из камеры для образцов растрового электронного микроскопа, связанного с окружающей средой, и внутренние каналы, и имеет устройство детектора электронов, связанное с нижним участком держателя. 11 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к растровым электронным микроскопам, связанным с окружающей средой, а именно к объединенной электронно-оптической системе детектирования сигнала изображения с дифференциальным откачиванием для растрового электронного микроскопа, связанного с окружающей средой.

Достоинства растрового электронного микроскопа, связанного с окружающей средой, по сравнению со стандартным растровым электронным микроскопом заключается в его возможности создавать электронные изображения с высоким разрешением влажных или непроводящих образцов, например биологических материалов, пластмасс, керамики, волокон, которые весьма трудно получить в обычном раствором электронном микроскопе с вакуумной окружающей средой. Растровый электронный микроскоп, связанный с окружающей средой, позволяет держать образец в его "натуральном" состоянии, не подвергая нарушениям, вызываемым сушкой, замораживанием или вакуумным покрытием, обычно требуемым для наблюдения электронным лучом в высоком вакууме. Кроме того, сравнительно высокое давление газа, с легкостью допускаемое в камере для образцов растрового электронного микроскопа, связанного с окружающей средой, эффективно действует на рассеивание поверхностного заряда, который обычно образуется на непроводящем образце, предотвращая достижение высококачественного изображения. Растровый электронный микроскоп, связанный с окружающей средой, позволяет также производить непосредственное наблюдение в реальном времени переноса жидкости, химических реакций, растворения, гидратации, кристаллизации и других процессов, возникающих при сравнительно высоких давлениях пара, гораздо более высоких чем те, которые можно допустить в камере для образцов обычного растрового электронного микроскопа.

Это технологическое расширение возможностей создания изображений раскрывает для исследователей ранее открытый мир микроскопических явлений в широком спектре дисциплин (не ограниченных нижеперечисленными), включающих медицину, биологию, пищевую технологию и технологию получения лекарств, геологию, технологию композитных материалов, текстиля, полупроводников и судебные экспертизы, короче говоря в любой области, охватывающей образцы, изображения которых трудно получить на стандартном раствором электронном микроскопе. Считавшееся ранее непрактичным (или даже не возможным) наблюдение с помощью электронного луча неподготовленных полноразмерных образцов при высоких давлениях пара делается возможным с помощью изобретения, которое объединяет устройства регулирования давления и детектирования сигнала, целиком размещенные внутри магнитной линзы объектива колонны электронного пучка растрового электронного микроскопа, связанного с окружающей средой. Эта электромеханическая конструкция удовлетворяет одновременные требования регулирования давления, фокусирования электронного пучка и усиления сигнала, не ставя практических ограничений для обработки образцов или разрешающей силы микроскопа.

В известном РЗМ данного типа сборочный узел линзы объектива имеет цилиндрический корпус с аксиально расположенной трубкой для прохождения и фокусирования электронного зонда и устройство регулирования давления и дифференциальной откачки в виде диафрагм, закрепленных через спейсеры в корпусе для разделения на отсеки низкого и высокого давления с выходами на соответствующие насосы, а также апертурные средства дифференциации давления в области отверстий для прохождения зонда.

Целью изобретения является создание растрового электронного микроскопа, связанного с окружающей средой, который позволяет производить непосредственное наблюдение в реальном времени переноса жидкости, химических реакций, растворения, гидратации, кристаллизации и других процессов, возникающих при сравнительно высоких давлениях пара; микроскопа, у которого устройства регулирования давления и детектирования сигнала целиком размещены внутри магнитной линзы объектива колонны электронного пучка; микроскопа, который повышает эффективность сбора сигнала и эксплуатационные качества и уменьшает рабочее расстояние, обеспечивая тем самым лучшее разрешение образца; который удовлетворяет одновременные требования регулирования давления, фокусирования электронного пучка и усиления сигнала, не ставя практических ограничений обработке образцов или разрешающей силы микроскопа; микроскопа, у которого устройства регулированаия давления и детектирования сигнала изображения объединены и целиком размещены внутри магнитной линзы объектива колонны электронного пучка; микроскопа, у которого детектор выполнен за одно целое с апертурой ограничения давления, расположенной внутри узла линзы объектива, позволяя тем самым использование высоких давлений вокруг образца; микроскопа, у которого электронный детектор образован за одно целое с апертурой ограничения давления и как таковые анодные детекторы не конкурируют за пространство с детекторами обратного рассеивания; микроскопа, у которого однокаскадный электронный детектор выполнен за одно целое с апертурой ограничения давления, причем детектор имеет способность создавать изображение либо как детектор обратного рассеивания, либо как детектор вторичных электронов, связанный с окружающей средой, без изменения механической конструкции аппарата.

В предпочтительном примере реализации электронный микроскоп включает электронную пушку для генерирования и направления электронного пучка в сторону исследуемого образца. Вакуумная система электронного микроскопа включает два главных компонента, а именно электронно-оптическую колонну и камеру для образцов. Электронно-оптическая колонна включает узел линзы объектива, содержащий устройство фокусирования пучка электронов и устройство для сканирования поверхности образца сфокусированным пучком электронов, которое способно сканировать электронный пучок, излучаемый электронной пушкой, поперек диаметра оконечной апертуры ограничения давления. Камера для образцов расположена над электронно-оптической колонной и может поддерживать образец, погруженный в газ, на одной линии с оконечной апертурой ограничения давления так, что поверхность образца открыта для сфокусированного пучка электронов.

Устройство регулирования давления этого растрового электронного микроскопа, связанного с окружающей средой, встроено в узел линзы объектива. Втулка вакуумной колонны заканчивается у своего нижнего конца в первой из двух "промежуточных" вакуумных камер или внутренних каналов, разделяемых двумя немагнитными диафрагмами и оконечным магнитным полюсным наконечником линзы. Обе вакуумные камеры целиком герметизированы и находятся внутри корпуса линзы объектива, который специально перфорирован множеством радиально направленных каналов, соединяющих каждый камеры с ее наружной системой откачивания. Электронный пучок, проходя вниз по центру трубы оптической колонны, пересекает две вакуумных камеры, перед тем как упасть на образец, который погружен в окружающую среду камеры для образцов. Пучок проходит через две апертуры ограничения давления, расположенные на одной линии внутри съемного носителя апертур. В противоположность камере для образцов обычного растрового электронного микроскопа, которая должна поддерживаться под вакуумом с давлением 0,0001 Торр или ниже, данный растровый электронный микроскоп, связанный с окружающей средой, может поддерживать давление камеры свыше 20 Торр (парциальное давление насыщенного водяного пара при комнатной температуре) без значительного ухудшения уровней вакуума в верхней части колонны.

Кроме того, детектаор изображения на вторичных элеткронах выполнен за одно целое с носителем апертур. Весь узел единого носителя апертур и детектора электронов ввинчен на резьбе в немагнитную втулку, прикрепленную к магнитному полюсному наконечнику линзы объектива. Будучи полностью ввернут носитель апертур герметизирует и полюсный наконечник и нижнюю диафрагму системы дифференциального откачивания, а обе апертуры ограничения давления одновременно располагаются на своих правильных местах. Верхняя апертура ограничения давления носителя апертур принимает первичный пучок из верхней вакуумной камеры, тогда как объединенные нижняя апертура и анодный детектор обращены к исследуемому образцу. Основной корпус носителя апертур пронизан несколькими отверстиями, так что область между апертурами находится при уровне давления нижней из промежуточных вакуумных камер. В то время как верхняя апертура может быть выполнена непосредственно в носителе апертур, нижняя апертура должна быть установлена в изолирующей втулке, чтобы электрически изолировать детектор от заземленного полюсного наконечника линзы.

Вторичные элекроны, испускаемые из образца, ускоряются по направлению к поверхности анода детектора с помощью электрического поля, возникающего от напряжения смещения, приложенного к детектору, составляющего обычно несколько сотен вольт положительной полярности. Поверхность образца за счет действия подвижных носителей заряда в газе эффективно поддерживается под электрическим потенциалом ноль вольт (земля). столкновения между ускоренными электронами и молекулами газа высвобождают дополнительные свободные электроны, которые сами ускоряются по направлению к аноду детектора. При отрегулированных условиях давления газа и градиента поля ток умноженных в газе электронов, поступающий к аноду детектора, представляет функцию линейного усиления самого вторичного сигнала и используется при создании видеосигнала, требуемого для наблюдения и записи электронного изображения. Ток, собираемый на аноде детектора, воспринимается усилителем тока, питаемым напряжением смещения детектора, и подается в полной полосе пропускания к заземленной видеосхеме.

Узел носителя двойной апертуры и детектора изображения на вторичных электронах включает основной корпус, изолятор и кольцевой детектор с анодным смещением. Основной корпус включает верхнюю или первую апертуру ограничения давления и полость или канал, образованный в конце противоположном верхней апертуре ограничения давления. Верхняя апертура ограничения давления основного корпуса принимает электронный пучок из трубы оптической колонны. Нижняя или вторая апертура ограничения давления носителя апертур образована как одно целое с анодом детектора. При этих двух апертурах (т.е. первой апертуре ограничения давления и второй апертуре ограничения давления) узел линзы объектива отделяет высокое давление камеры для образцов от вакуума оптической колонны. Поскольку электрод совпадает с второй апертурой ограничения давления и направлен в сторону образца вторичные электроны, излучаемые из образца, могут падать на него. Такая конструкция позволяет коллекторам тока образного рассеивания работать без затруднений, используя обычные виды вторичной электронной эмиссии и ее каких-либо эффектов.

На фиг.1 изображен растровый электронный микроскоп, вид спереди; на фиг. 2 узел линзы объектива, вид спереди; на фиг.3 узел носителей двойной апертуры и детектора изображения на вторичных электронах; на фиг.4 разрез А-А на фиг.2.

Пучок электронов растрового электронного микроскопа излучается через электронно-оптическую колонну 1 электронной пушкой 2. Электронный пучок проходит через магнитные линзы 3 и 4, которые используются для его фокусирования, в пучок последовательно направляется в камеру для образца 5, где он падает на образец 6, установленный на подставке 7 для образцов.

Электронный пучок, излучаемый из электронной пушки, проходит через цилиндрический магнитный корпус 8 линзы объектива. Корпус 8 предпочтительно выполнен из железа. Электронный пучок, называемый "первичным", обозначен позицией 9. Он имеет тенденцию после ускорения расходиться и для его фокусирования используется медная обмотка 10, расположенная внутри магнитного корпуса 8 линзы объектива. Обмотка окружает коаксиально расположенную вакуумную трубчатую втулку 11, которая находится внутри корпуса 8 линзы объектива. Верхняя и нижняя сканирующие катушки 12 и 13 соответственно расположены радиально смежно с втулкой 11 колонны. Эти сканирующие катушки сканируют пучок на протяжении втулки 11 колонны. Радиально смежно с втулкой колонны над верхней сканирующей катушкой 12 расположена стигматорная катушка 14. Она корректирует форму пучка. Втулка 11 колонны имеет выходное отверстие 15, через которое сканируется и фокусируется электронный пучок.

Пучок электронов проходит из высокого вакуума втулки 11 вакуумной колонны в апертурную систему 16 с дифференциальным откачиванием, которая сообщается с втулкой 11 вакуумной колонны. Апертурная система 16 проходит через серию внутренних каналов или "промежуточных" вакуумных камер. Пучок электронов проходит из зоны 17 низкого давления в зону 18 более высокого давления.

Для того, чтобы создать и разделить зоны различного давления, по меньшей мере, две в общем кольцевые диафрагмы из немагнитного материала и оконечный магнитный полюсный наконечник линзы или диафрагма крепятся к корпусу в различных аксиальных местоположениях и распространяются внутрь указанного корпуса. Они включают немагнитные первую и вторую в общем кольцевые диафрагмы 19 и 20 соответственно и оконечный кольцевой магнитный полюсный наконечник 21 линзы. Каждая из диафрагм имеет центральное отверстие 22, 23 и 24 соответственно, через которые проходит пучок электронов. Зона 17 низкого давления или первая "промежуточная" вакуумная камера расположена между первой и второй в общем кольцевыми диафрагмами 19 и 20. Зона 18 более высокого давления или вторая "промежуточная" вакуумная камера расположена между второй в общем кольцевой диафрагмой 20 и оконечным полюсным наконечником 21.

Узел линзы объектива включает также устройство для съемного крепления диафрагм внутри корпуса и для герметизации зон давления. Первая или верхняя немагнитная диафрагма 19 крепится и герметизируется относительно верхней части 25 верхнего кольцевого суппортного элемента или кольца 26, выполненного из немагнитного материала, которое опирается на кольцевую магнитную манжету 27, установленную внутри корпуса 8 у одного его конца с помощью крепежных элементов 28. Верхняя немагнитная диафрагма 19 распространяется внутрь верхнего кольца 26. Аналогично вторая или нижняя кольцевая немагнитная диафрагма 20 прикреплена и герметизирована относительно нижнего участка 29 верхнего кольца 26 с помощью крепежных элементов 30. Вторая кольцевая диафрагма 20 также распространяется внутрь верхнего кольца 26. Оконечный магнитный полюсный наконечник 21 прикреплен и герметизирован относительно нижнего кольца 31, выполненного из немагнитного материала, опирающегося на первое кольцо 26 с помощью крепежных элементов 32. Для того, чтобы герметизировать зоны давления одна от другой, предусмотрено множество 0-образных колец, таких как 33. Таким образом, при этой конструкции вакуумные камеры 17 и 18 оказывается обе герметизированы и полностью внутри магнитного корпуса 8 линзы объектива. Однако поскольку диафрагмы крепятся внутри корпуса съемно, их можно вынимать и легко и эффективно чистить.

Первая и вторая кольцевые диафрагмы предпочтительно выполнены из алюминия, а участок трубчатой втулки вакуумной колонны, смежной с отверстием 15 трубчатой втулки, центрируется и поддерживается внутри корпуса 8 линзы объектива с помощью кольцевой центральной втулки 34 верхней диафрагмы 19, которая принимает трубчатую вакуумную втулку 11. В центральной втулке 34 предусмотрено 0-образное кольцо 35 для дальнейшего центрирования и удерживания трубчатой втулки 11 внутри корпуса 8.

За счет ограничения числа молекул газа внутри апертурной системы с дифференциальным откачиванием и регулирования потока газа между смежными зонами давления пучку электронов позволяется пройти через апертурную систему с дифференциальным откачиванием без существенного нарушения из-за столкновений с молекулами газа. Требуемый уровень вакуума внутри корпуса поддерживается посредством вакуумных насосов. Чтобы присоединить каждую вакуумную камеру или внутренний канал к ее внешней откачивающей системе, магнитный корпус 8 линзы объектива специально перфорирован рядом отверстий 36 и 37, аксиально разнесенных друг от друга. Для того, чтобы обеспечить сообщение с зоной 17 низкого давления, внутри верхнего кольца 26 предусмотрено множество расположенных по кругу радиальных отверстий 36. Аналогично для того, чтобы поддерживать давление внутри зоны 18 более высокого давления, нижнее кольцо 31 содержит множество радиальных расположенных по кругу отверстий 37, которые сообщаются с соответствующей наружной системой откачивания.

Для правильного фокусирования пучка первая диафрагма 19 включает расположенную под углом секцию 38, которая прилегает к скошенной кольцевой части 39 железного корпуса 8. Эта скошенная часть 39 оканчивается на одной линии с отверстием 15 оптической втулки. Для того, чтобы согласовать вторую кольцевую диафрагму 20 и оконечный полюсный наконечник 21 с этой расположенной под углом цилиндрической секцией 38 первой диафрагмы, вторая диафрагма 20 включает расположенную под углом секцию 40, а оконечный полюсный наконечник включает расположенную под углом секцию 41. Как показано на фиг.2, система дифференциального откачивания (т.е. диафрагмы, оконечной полюсный наконечник, кольца и откачивающие отверстия) симметричны по отношению к центральному отверстию диафрагмы корпуса линзы объектива.

Электронный пучок 9, проходя вниз по центру втулки оптической колонны, пересекает две вакуумные камеры 17 и 18, до того как попадет на поверхность образца, который погружен в окружающую среду камеры для образцов. Пучок проходит через две апертуры 42 и 43 ограничения давления, находящиеся на одной линии внутри съемного узла носителя 44 двойной апертуры и детектора вторичных электронов. В противоположных концах носителя 44 апертур образованы две апертуры, которые отделяют высокое давление камеры 45 для образцов от вакуума втулки 11 колонны.

Держатель апертур установлен внутри центрального отверстия второй диафрагмы и оконечного полюсного наконечника, позволяя электронному пучку прпоходить из вакуумной трубчатой втулки 11 во внутренние камеры 17 и 18, а затем в камеру 45 для образцов, и ограничивая прохождение молекул газа из камеры для образцов во внутренние камеры. Более конкретно, электронный пучок выходит из вакуумной втулки 11 через отверстие 15, расположенное в центральном отверстии 22 первой диафрагмы 19, которое имеет такие размеры, чтобы позволить электронному пучку пройти из вакуумной втулки в зону низкого давления или верхнюю внутреннюю камеру 17. Верхняя апертура 42 носителя 44 апертур расположена внутри центрального отверстия 23 второй кольцевой диафрагмы 20 и имеет такие размеры, чтобы позволить электронному пучку пройти в нижнюю внутреннюю камеру или зону 18 более высокого давления и ограничить прохождение газа из нижней внутренней камеры, в верхнюю внутреннюю камеру. Нижняя апертура 43 носителя 44 апертур расположена на одной линии с центральным отверстием оконечного полюсного наконечника 21, позволяет прохождение электронного пучка в камеру 45 для образцов и ограничивает прохождение газа из камеры для образцов в нижнюю внутреннюю камеру 18.

Как показано на фиг.3 и 4, система носителя 44 двойной апертуры и детектора вторичных электронов включает основной корпус 46, изолятор 47 и кольцевой детектор 48 с анодным смещением. Основной корпус включает первую или верхнюю апертуру 42 ограничения давления на конце 49 и полость 50, образованную в верхнем конце под апертурой 42. Основной корпус 46 предпочтительно выполнен из немагнитной нержавеющей стали и имеет ступенчатую наружную поверхность с множеством уступов. Основной корпус также включает множество отверстий 51, которые сообщаются с зоной 42 более высокого давления и полостью 50, так что эта полость находится примерно под давлением зоны 18.

Изолятор 47 выполнен в виде пустотелого цилиндра и имеет входное и выходное отверстия 52 и 53 соответственно. Изолятор 47 вставляется внутрь отверстия 54 основного корпуса. Изолятор 47 предпочтительно выполнен из дельпина, нейлона, кварца или керамики, кольцевой детектор 48 с анодным смешением концентричен с осью электронного пучка и включает участок основания 55 и участок ножки 56. Участок ножки 56 вставляется и удерживается в выходном отверстии 53 изолятора 47, а участок основания 55 имеет отверстие, которое определяет нижнюю апертуру 43 носителя 44 апертур. Анод детектора предпочтительно выполнен из нержавеющей стали и участок основания имеет диаметр предпочтительно около 0,150 дюйма (3,81 мм). В результате такой конструкции анод детектора и носитель апертур составляют одно целое.

В конструкции предпочтительного примера реализации носитель апертур 44 может съемно устанавливаться внутри центральных отверстий 23 и 24 так, чтобы апертуры 42 и 43 находились на одной линии с электронным пучком, выходящим из отверстия 15 втулки оптической колонны. Для того, чтобы удерживать носитель апертур внутри центрального отверстия 24 кольцевой диафрагмы 20 в общем кольцевая диафрагма 20 имеет концы 57 и 58, которые взаимодействующим образом поддерживают конец 49 основного корпуса 46. Аналогично участки 59 и 60 основания кольцевой диафрагмы 21 опираются на выступы 61 основного корпуса 46. Таким образом, апертура 42 находится на одной линии с выходным отверстием 15 втулки 11 вакуумной колонны.

Кроме того, весь носитель 44 ввернут на резьбе в немагнитную втулку 60 (см. фиг.3), предпочтительно выполненную из бронзы, постоянно прикрепленную к полюсному наконечнику 21 линзы объектива. Будучи полностью ввернутым, носитель апертур герметизирует полюсный наконечник 21 и диафрагму 20 системы дифференциального откачивания, а обе апертуры 42 и 43 ограничения давления одновременно устанавливаются на своих правильных местах. Верхняя апертура 42 принимает первичный пучок из верхней вакуумной камеры 17, а нижняя апертура 43 и анод детектора 48 направлены в сторону исследуемого образца. Основной корпус носителя апертур пронизан несколькими отверстиями 51 так, что область между апертурами находится при уровне давления зоны 18 более высокого давления. Тогда как верхняя апертура 42 может выполняться непосредственно в носителе апертур, выходная апертура должна устанавливаться на изолирующей втулке 47, чтобы изолировать смещенный детектор от заземленного полюсного наконечника линзы.

После того, как электронный пучок выйдет из отверстия 15 втулки колонны, он проходит через зону 17 низкого давления и зону 18 более высокого давления. Электронный пучок проходит через зону 17 низкого давления между отверстием 15 колонны и верхней апертурой 42 основного корпуса носителя 44 апертур. Далее электронный пучок проходит через зону 18 более высокого давления в полости основного корпуса между апертурами 42 и 43 носителя 44. Апертуры 42 и 43 носителя отделяют высокое давление камеры для образцов от вакуумной втулки 11 колонны.

Чтобы получить лучшее разрешение изображения, анод детектора действует как электрод, позволяющий вторичным электронам, излученным с поверхности образца на подставке 62, попадать на него. При такой конструкции анод детектора 48 выполнен как одно целое с апертурой 43, максимизируя тем самым эффективность собирания сигнала и позволяя размещать образец в диапазоне расстояний (рабочих расстояний) под оконечной апертурой ограничения давления. Однако найдено, что для наилучшего разрешения образец должен помещаться примерно на расстоянии 4-10 мм от оконечной апертуры 43 ограничения давления.

Вторичные электроны 63, выбиваемые из образца 64, ускоряются по направлению поверхности анода детектора электрическим полем, создаваемым напряжением смешения, составляющим обычно несколько сотен вольт положительной полярности. Поверхность образца за счет действия подвижных носителей заряда в газе эффективно поддерживается под потенциалом ноль вольт (земля). Столкновения между ускоренными электронами и молекулами газа высвобождают дополнительные свободные электроны, которые сами ускоряются по направлению к аноду детектора. Можно показать, что при регулируемых условиях давления газа и градиента поля ток умноженных в газе электронов, поступающий к аноду детектора, представляет функцию линейного усиления самого вторичного сигнала и используется при создании видеосигнала, требуемого для наблюдения и записи электронного изображения. Ток, собираемый на аноде детектора, принимается усилителем 64 тока, питаемым напряжением смещения детектора 65, и должен подаваться в полной полосе пропускания к заземленной видеосхеме 66. Видеосхема 66 соединена с устройством 67 отображения.

Апертуры 42 и 43 сделаны достаточно большими, чтобы пропускать электронный пучок, но достаточно малыми, чтобы ограничить утечку газа в одну камеру из соседней нижней камеры с более высоким давлением. В предпочтительном примере реализации верхняя апертура 42 имеет диаметр 50-1000 мкм, и оконечная апертура 43 им- еет диаметр 50-1000 мкм.

Каждая вакуумная камера 17 и 18 откачивается раздельно своей собственной внешней откачивающей системой, способной поддерживать апертурную утечку газа, сохраняя требуемое давление. Все части системы дифференциального откачивания, расположенные внутри корпуса линзы 8, выделены из немагнитных материалов и, таким образом, не влияют на формирование критических магнитных фокусирующих полей.

В противоположность камере для образцов обычного растрового электронного микроскопа, связанного с окружающей средой, по изобретению можно поддерживать давление в камере для образцов свыше 20 Торр (парциальное давление насыщенного водяного пара при комнатной температуре) без существенного ухудшения уровней вакуума в верхней области колонны. С добавлением третьей апертуры ограничения давления (иной, нежели апертуры 42 и 43) и третьего каскада дифференциального откачивания камера для образцов может поддерживаться при атмосферном давлении (760 торр) или даже более высоком.

Одним важным достоинством данной конструкции является то, что объединенная система дифференциального откачивания не создает ухудшения электронно-оптической характеристики из-за удлиненного рабочего расстояния (расстояние линза-образец), которое возникает в системах регулирования давления под линзами. Кроме того, весьма короткое рабочее расстояние, ставшее возможным благодаря объединению детектора изображения с оконечной апертурой 43 ограничения давления, гарантирует минимальное рассеяние первичного пучка, когда тот проходит через область высокого давления камеры для образцов до попадания на образец.

Существование детектора изображения на вторичных электронах, способного работать при высоких давлениях камеры, важно для применения любого электронного микроскопа. Хотя по данному вопросу всегда существовали дебаты, в настоящее время поток вторичных электронов, возникающих от взаимодействия сканирующего пучка и образца, используется для создания подавляющего большинства изображений всех растровых электронных микроскопов и представляет носитель высокоразрешающей информации.

Изображение, формируемое указанным объединенным устройством апертуры-детектора, соответствуепт сигналу вторичных электронов при выборе величин нижеследующих параметров: смещения апертуры, давления газа и расстояния образец-апертура для данного газа или смеси газов. Было показано, что путем выбора различных групп этих параметров, возможно создавать изображения, соответствующие сигналу обратного рассеивания электронов. Кроме того, путем изменения значений этих параметров можно создавать изображения, соответствующие смеси сигналов вторичных электронов и обратного рассеивания электронов. вследствие этой многофункциональной работы эта система была названа устройством газового детектора в растровом электронном микроскопе, связанном с окружающей средой.

Было известно, что при определенных условиях давления газа и приложенного электрического поля поток электронов в газе может пропорционально увеличиваться при последовательных ионизирующих соударениях с молекулами газа, образующих каскад дополнительных свободных электронов. Обнаружено, что наибольшее и легче всего управляемое усиление сигнала вторичных электронов демонстрирует кольцевой детектор с анодным смещением по изобретению концентричный с осью пучка. Унификация анода детектора с оконечной апертурой ограничения давления системы дифференциального откачивания минимизирует размеры анода детектора и устраняет помехи громоздких детекторов обратного рассеивания. Это ясно из его благоприятной геометрии и эффективной работы при очень коротких рабочих расстояниях. Изображения, создаваемые растровым электронным микроскопом, связанным с окружающей средой, по изобретению вполне идентичны по качеству тем, что получаются при использовании типичного устанавливаемого сбоку детектора Эверхарта-Торыли, с дополнительным преимуществом, что идеально симметричное коаксиальное расположение смещения анода относительно пучка образует "бестеневое" изображение на вторичных электронах, что является важным фактором в некоторых применениях. В сочетании с общим поглощением поверхностного заряда (вследствие подвижных ионов газовой окружающей среды) это обеспечивает легкое наблюдение таких материалов как стекло, пластмасса и непокрытие полупроводниковые материалы без специальной подготовки или заземления.

Данная электромеханическая конструкция удовлетворяет одновременные требования регулирования давления, фокусирования электронного пучка и усиления сигнала, не ставя практических ограничений по обработке образца или разрешающей силы микроскопа.

Понятно, что специалистами в данной области могут быть выполнены различные изменения и модификации без отделения от духа и сути изобретения. Например, узел линзы объектива может включать один внутренний канал или "промежуточную" вакуумную камеру. При этой конструкции внутренний канал должен быть расположен между немагнитной кольцевой диафрагмой (такой как 19, и оконечным магнитным полюсным наконечником (таким как 21). Центральное отверстие немагнитной диафрагмы определяет диаметр трубчатой втулки колонны. Носитель апертур (такой как 44) должен съемно крепиться между центральными отверстиями немагнитной диафрагмы и оконечного магнитного полюсного наконечника. В соответствии с раскрытием предпочтительного примера реализации верхняя апертура носителя апертур устанавливается затем внутри центрального отверстия немагнитной кольцевой диафрагмы неотделимо от отверстия вакуумной втулки. Затем нижняя апертура устанавливается на одной линии с центральным отверстием оконечного полюсного наконечника. Отверстия носителя апертур должны сообщаться с единственной внутренней камерой так, чтобы полость носителя апертур поддерживалась под давлением внутреннего канала. Такая система не позволит получить разрешение образца, которое возможно в растровом микроскопе, связанном с окружающей средой, имеющем две "промежуточные" вакуумные камеры, но обеспечит лучшее разрешение, чем то, которое достигается обычным растровым микроскопом.

Формула изобретения

1. Сборочный узел линзы объектива для связанного с окружающей средой растрового электронного микроскопа, содержащий цилиндрический корпус с аксиально расположенной трубкой для прохождения и фокусирования электронного зонда и устройством регулирования давления и дифференциальной откачки в виде диафрагм, закрепленных через спейсеры в корпусе и делящих пространство в корпусе на верхний низкого и нижний высокого давления отсеки, сообщающиеся с соответствующими каналами дифференциальной откачки и содержащие апертурные средства дифференциации давления в области отверстий для прохождения электронного зонда, а также камеру для образцов и проб, связанную с окружающей средой, отличающийся тем, что корпус выполнен магнитным, совмещен с магнитной линзой объектива, первые по ходу луча две кольцевые диафрагмы выполнены из немагнитного материала, а оконечная кольцевая диафрагма из магнитного материала, спейсеры между диафрагмами выполнены в виде кольцевых обойм из магнитного материала, закрепленных в упор в магнитном корпусе у его нижнего торца, причем две последние апертуры на выходе устройства выполнены в общем держателе апертур, съемно установленном и вакуумно уплотненном внутри центральных отверстий указанных диафрагм.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что в кольцевой обойме выполнены каналы дифференциальной откачки аксиально относительно друг друга.

3. Узел по п.1, отличающийся тем, что апертурный держатель закреплен в нижней части сборочного узла линз и объектива с помощью винтового соединения.

4. Узел по п.1, отличающийся тем, что он содержит электронный детектор в нижней торцевой части держателя апертур, причем электронный детектор изолирован от корпуса держателя.

5. Узел по п.1, отличающийся тем, что каналы дифференциальной откачки выполнены радиально в каждый из кольцевых обойм, а первая по ходу луча диафрагма содержит в центральной части втулку в области вакуумного резонатора, причем все апертурные средства калиброваны из условия пропускания электронного зонда и ограничения прохождения газа во встечном направлении.

6. Апертурный держатель сборочного узла линзы объектива для связанного с окружающей средой растрового электронного микроскопа, отличающийся тем, что он содержит основной съемный и вакуумно-уплотняемый в торцевой части сборочного узла корпус с центральным каналом, ограниченным снизу и сверху верхней и нижним апертурными средствами соответственно, калиброванными для обеспечения прохождения электронного зонда и ограничения встречного проникновения газа, причем корпус содержит радиальные каналы сообщения центрального канала с нижним отсеком дифференциальной системы откачки сборочного узла линз объектива.

7. Держатель по п.6, отличающийся тем, что на торце основного корпуса размещен электроизолированный от него электронный детектор.

8. Держатель по пп. 6 и 7, отличающийся тем, что электроизолирующий элемент выполнен в виде диэлектрической втулки, размещенной в центральной выемке нижнего торца основного корпуса, а электронный детектор в виде металлической пластинки с крепежными средствами для удержания ее смежной частью внутри втулки.

9. Держатель по п.8, отличающийся тем, что диэлектрическая втулка выполнена из дельпина.

10. Держатель по п.8, отличающийся тем, что диэлектрическая втулка выполнена из тефлона.

11. Держатель по п.8, отличающийся тем, что диэлектрическая втулка закреплена в выходной части центрального канала держателя.

12. Держатель по п.8, отличающийся тем, что пластина электронного детектора снабжена втулкой, закрепленной в выходной части диэлектрической втулки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4