使用環境透射電子顯微鏡的方法以及環境透射電子顯微鏡的製作方法

2023-06-01 03:53:21

使用環境透射電子顯微鏡的方法以及環境透射電子顯微鏡的製作方法
【專利摘要】本發明公開了使用環境透射電子顯微鏡的方法以及環境透射電子顯微鏡。環境透射電子顯微鏡遭受氣體誘發的解析度劣化。已發現該劣化並不是樣品上的電流密度的函數，而是電子束的總電流的函數。發明人得出結論，劣化是由於ETEM的樣品室中的氣體的電離而引起的，並且提出使用樣品室中的電場來移除電離氣體，從而減小氣體誘發的解析度劣化。電場不需要是強場，並且能通過例如使樣品114相對於樣品室138偏置而引起。經由電壓源144施加的100V的偏置電壓足以實現氣體誘發的解析度劣化的顯著改善。極化並不是重要的。備選地，能通過例如將電偏置導線或紗網154離軸地放置在樣品室中來使用垂直於光軸104的電場。
【專利說明】使用環境透射電子顯微鏡的方法以及環境透射電子顯微鏡

【技術領域】
[0001]本發明涉及使用環境(Environmental)透射電子顯微鏡的方法，所述環境透射電子顯微鏡包括:
?電子源，用於產生電子束；
?聚光鏡(condenser)系統,用於將電子束指引(directing)到樣品,所述樣品位於樣品室中；
?成像系統，用於在檢測器系統上對透射通過樣品的電子進行成像；
?氣體調節系統，用於調節樣品室中的氣體壓力和氣體組成，所述氣體調節系統使樣品室的至少部分中保持在0.5與50 mbar之間的壓力，
ETEM遭受氣體誘發的解析度劣化(resolut1n deter1rat1n)。
[0002]本發明還涉及環境透射電子顯微鏡。

【背景技術】
[0003]尤其可從歐洲專利N0.EP2555221 了解此類環境透射電子顯微鏡(ETEM)。此類ETEM類似於透射電子顯微鏡，但是作為具有高真空(例如，10_4 mbar或更小)的樣品室的替代，使用具有例如在0.1至50 mbar之間的壓力的真空室。這例如使得能夠對催化劑中的化學過程進行直接觀察。
[0004]此類ETEM可從例如美國希爾斯伯勒市(Hillsboro)的FEI公司以Titan ETEM G2的名稱商業獲得。
[0005]要注意的是，ETEM可配備有掃描裝置，使得其能夠作為環境掃描透射電子顯微鏡來操作。
[0006]還要注意的是，ETEM並不是配備有所謂的環境室(cell)的TEM，也即配備有其中放置樣品的封閉容積的TEM，封閉容積處於高於樣品室的壓力的壓力下且被放置在TEM的樣品室中。
[0007]在ETEM中、尤其當使用高射束(beam)電流時出現的問題是解析度劣化，尤其當使用高射束電流和高氣體壓力時更是如此。
[0008]在J.R.Jinschek 在 Microscopy and Microanalysis、第 18 卷、第 S2期、 第 1148-1149 頁中的 「On the gas-dependent image resolut1n in anaberrat1n-corrected ETEM」中描述了這種所謂的氣體誘發的解析度劣化。
[0009]存在對於具有減小的氣體誘發的解析度劣化的ETEM的需要。


【發明內容】

[0010]本發明的一個目的是要提供用來減小氣體誘發的解析度劣化的技術方案。
[0011]為此，本發明的特徵在於，環境透射電子顯微鏡包括在樣品室中產生去除所述電離氣體的電場的裝置，作為其結果，減小了氣體誘發的解析度劣化。
[0012]本發明基於這樣的認識，即氣體誘發的解析度劣化由電子對電離氣體的散射而引起。此電離氣體通過電子與中性氣體的碰撞而形成，但是一旦被電離，氣體形成對於電子束的散射點，直至電離氣體原子和分子被從射束中去除足夠遠。發明人認識到樣品室中的電場去除電離顆粒。
[0013]要注意的是，由於電場的功能僅用於去除電離氣體，所以其不需要是強場，並且對由具有通常在80 keV和300 keV之間的可選擇能量的電子組成的射束的影響是最小的。
[0014]在本發明的實施例中，電場平行於電子束。
[0015]在本實施例中，用平行於射束的場來去除電離氣體。該技術方案的優點是場並不使射束偏轉，僅發生輕微的散焦(defocus )。
[0016]如技術人員所已知的，使用樣品架(sample holder)來將樣品保持並定位於樣品室中。能通過使樣品架相對於樣品室的壁偏置(bias)而引起場，所述偏置是正的或負的。當偏置是正的時，帶負電的氣體朝著樣品漂移，當偏置是負的時，帶負電的氣體朝著樣品室的壁漂移。
[0017]在本發明的另一實施例中，電場垂直於電子束。
[0018]在該實施例中，不需要使樣品架偏置。替代地，一個或多個電極引起垂直於射束的場。這能夠是橫向場(偶極子場)，但是其也可以是高階多極場，或者由被偏心地(off-centre)放置在樣品室中的導線或紗網(gauze)引起的場，或者由例如圍繞射束的一個或多個環狀電極引起的場。
[0019]在又一實施例中，電場是垂直於射束的場，並且垂直於射束且垂直於電場的磁場對抗(counter)電場對射束的影響。
[0020]通過添加垂直於射束和電場兩者的磁場，形成針對射束的維恩(Wien)濾波器，並且射束的軌跡是直線路徑。要注意的是，維恩濾波器顯示出能量分散且無偏轉，但是在另一激勵下，可能的是操作濾波器以使得發生偏轉，而沒有能量分散。
[0021]在另一實施例中，樣品室被嵌入在ETEM的真空室中。
[0022]該實施例描述了 ETEM的使用，其中，ETEM由與定位於TEM (透射電子顯微鏡)的樣品室內的環境室協作的標準TEM或STEM(掃描透射電子顯微鏡)形成，環境室包圍高壓力區。例如從J.F.Creemer等人在 Journal of Microelectromechanical Systems、第 19卷、第2期、2010 年 4 月中的「A MEMS reactor for atomic-scale microscopy of nanomaterialsunder industrial relevant condit1ns」 中可了解此類環境室。
[0023]要注意的是，已知其中由檢測器在樣品室中產生電場的透射電子顯微鏡。此類檢測器必要地包括用於信號處理(放大等)的電子裝置，並且僅在掃描模式下使用，因為然後射束的位置確定位置信息。
[0024]因此，在本發明的一方面，提供環境透射電子顯微鏡，所述環境透射電子顯微鏡包括:
?電子源，用於產生電子束；
?聚光鏡系統，用於將電子束指引到樣品上，所述樣品位於樣品室中；
?成像系統，用於在檢測器系統上對透射通過樣品的電子進行成像；
?氣體調節系統，用於調節樣品室中的氣體壓力和氣體組成，所述氣體調節系統能使樣品室的至少部分中保持在0.5和50 mbar之間的壓力，
所述環境透射電子顯微鏡在工作時遭受氣體誘發的解析度劣化， 其特徵在於，
所述環境透射電子顯微鏡被提供有用於在樣品室中產生電場的裝置，所述電場去除電離氣體，所述裝置不是檢測器的一部分或不包括檢測器。
[0025]電場在這裡因此被用來去除電離氣體，而不(幫助)檢測信號。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]現在利用附圖來闡述本發明，其中相同的附圖標記指代相應的特徵。為此:
圖1示意性地示出具有偏置的樣品架的ETEM，
圖2示意性地示出具有環狀電極的ETEM的樣品室，
圖3示意性地示出具有偏轉器(deflector)的ETEM的樣品室。

【具體實施方式】
[0027]圖1示意性地示出具有偏置的樣品架的ETEM。
[0028]ETEM 100包括用於產生沿著光軸104的電子束的電子源102，電子具有例如在60與300 keV之間的可選擇能量，雖然更低和更高的能量已知被使用。
[0029]電子束被聚光鏡系統106操縱(聚焦、定位)，聚光鏡系統包括透鏡108、偏轉器112以及物鏡的照明(illuminating)部分110。
[0030]要注意的是，聚光鏡系統可包括用來使聚光鏡系統、更特別地物鏡的照明部分的像差(aberrat1n)最小化的修正器(corrector)。
[0031]由聚光鏡系統聚焦和對準的電子束進入樣品室138且撞擊在被樣品架116保持和定位的樣品114上。樣品架116通常在三個方向上使樣品相對於射束定位，並且常常能夠使樣品沿著一個或多個軸旋轉。樣品架在這裡經由絕緣體142被饋送到樣品室中，使得樣品架能夠相對於ETEM的其餘部分、更特別地樣品室的壁140偏置。電壓源144經由電引線(electric lead) 146被連接到樣品架以用於使樣品架偏置。
[0032]通過樣品的電子進入成像系統118並在檢測器126上形成大大地放大的圖像。所述成像系統包括物鏡的成像部分120、放大透鏡122和用於將電子對準到每個透鏡的光軸的偏轉器124。
[0033]要注意的是，所述成像系統可包括用來使成像系統、更特別地物鏡的成像部分120的像差最小化的修正器。
[0034]在離開成像系統之後，電子撞擊在檢測器126上。該檢測器系統可例如是像素化檢測器(CMOS攝像機、具有將屏幕連接到CCD攝像機的光纖的螢光屏)、由人眼或攝像機經由窗口觀察的螢光屏或電子能耗譜儀。
[0035]樣品室138由真空壁140以及孔134和136形成，孔134和136接近於光軸104用於使射束從聚光鏡系統106傳遞至樣品室以及從樣品室至成像系統118。氣體調節系統128經由進口通道130和返回通道132連接到樣品室。所述孔充當限壓孔，因為樣品室138內的壓力比聚光鏡系統和成像系統中的壓力(通常10_6mbar或更小)高得多(0.1-50 mbar)。
[0036]電子束在穿過樣品室時使氣體電離。電離氣體將緩慢地漂移，直至其到達導電部分，諸如樣品室的壁140。在此類電離氣體原子或分子在射束中或接近於射束的時間期間，其使電子偏轉。這導致氣體誘發的解析度劣化。發明人發現解析度劣化取決於氣體的壓力和組成及射束電流。在?ο nA的射束電流和氬氣的8 mbar的壓力下，測量到從0.12 nm至0.2 nm的解析度損失。此解析度損失的出乎預料方面是其並不太多地取決於樣品處的單位面積的射束電流，而是僅僅取決於總射束電流。
[0037]此效應的解釋是電子束使氣體電離，並且電離氣體隨機地導致電子(在聚光鏡系統與樣品之間的那些電子和在樣品與成像系統之間的那些電子)的散射，因此使圖像模糊(blurring)。
[0038]發明人發現，通過向樣品架施加例如100 V的偏置，得到了顯著的改善(在重新聚焦之後)。要注意的是，用負電壓還是正電壓使樣品架偏置是無關緊要的。
[0039]作為示例，在Ar (氬氣)的8 mbar的壓力和10 nA的射束電流下，在室中沒有電場的情況下的解析度是0.2 nm，而通過使樣品和樣品架相對於樣品室偏置至100 V (無論極性如何)而引起的場導致改善到0.12 nm。
[0040]同樣地,在N2的10 mbar的壓力和5.5 nA的射束電流下,在室中沒有電場的情況下的解析度是0.23 nm，而通過使樣品和樣品架偏置至100V (無論極性如何)而引起的場導致改善到0.2 nm。
[0041]圖2示意性地示出具有環狀電極的ETEM的樣品室。
[0042]圖2是從圖1的中間部分導出的。差別是:刪除了電絕緣體/饋通(feed-through)142，並且替代地經由電引線146和電饋通148而將來自電壓源144的電壓引導至兩個環狀電極150和152。這些環狀電極在軸上引起場。要注意的是，環狀電極不需要形成完整的圓，並且非對稱是有利的，因為圍繞軸104的完全對稱的場在軸處不具有梯度。
[0043]圖3示意性地示出具有偏轉器的ETEM的樣品室。
[0044]圖3與圖2相同，除了用偏轉器板154來替換環狀電極150和152。該偏轉器將從軸吸引或排斥電離氣體。要注意的是，可將電極形成為板、紗網或者甚至一個導線(平行於射束或垂直於射束)。
【權利要求】
1.一種使用環境透射電子顯微鏡(100)的方法，所述環境透射電子顯微鏡包括: ?電子源(102)，用於產生電子束； ?聚光鏡系統(106)，用於將電子束指引到樣品(114)上，所述樣品位於樣品室(138)中；?成像系統(118)，用於在檢測器系統(126)上對透射通過樣品的電子進行成像； ?氣體調節系統(128)，用於調節樣品室中的氣體壓力和氣體組成，所述氣體調節系統使樣品室的至少部分中保持0.5與50 mbar之間的壓力， 所述環境透射電子顯微鏡遭受氣體誘發的解析度劣化， 其特徵在於， 所述環境透射電子顯微鏡包括在樣品室中產生去除所述電離氣體的電場的裝置(144、146、142)，作為其結果，氣體誘發的解析度劣化被減小。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述電場是平行於射束的電場。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述電場是垂直於射束的電場。
4.根據權利要求3所述的方法,其中，垂直於射束且垂直於電場的磁場對抗所述電場對射束的影響。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，樣品室被嵌入在環境透射電子顯微鏡的真空室中。
6.一種環境透射電子顯微鏡(100)，所述環境透射電子顯微鏡包括: ?電子源(102)，用於產生電子束； ?聚光鏡系統(106)，用於將電子束指引到樣品(114)上，所述樣品位於樣品室(138)中； ?成像系統(118)，用於在檢測器系統(126)上對透射通過樣品的電子進行成像； ?氣體調節系統(128)，用於調節樣品室中的氣體壓力和氣體組成，所述氣體調節系統能使樣品室的至少部分中保持在0.5與50 mbar之間的壓力， 所述環境透射電子顯微鏡在工作中遭受氣體誘發的解析度劣化， 其特徵在於， 所述環境透射電子顯微鏡被提供有用於在樣品室中產生電場的裝置(144、146、142)，所述電場去除電離氣體，所述裝置不是檢測器的一部分或不包括檢測器。
【文檔編號】H01J37/26GK104377104SQ201410392945
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2013年8月12日
【發明者】P.C.蒂伊梅傑, S.J.P.科寧斯, A.亨斯特拉 申請人:Fei 公司