阅读说明：本技术 对准阴极发光光学器件的系统和方法 (System and method for aligning cathodoluminescent optics ) 是由 J·A·亨特 M·贝蒂尔松 于 2020-10-22 设计创作，主要内容包括：描述了对准阴极发光光学器件的系统和方法,特别是用于使电子显微镜中的阴极发光(CL)光学器件相对于被检查的样品自动对准的系统和方法。相对于反射样品发出的CL光的收集反射镜的焦点,准确放置样品和电子束在样品上着陆的位置对于优化收集的光量和保存有关样品发光的角度的信息至关重要。描述了用于在垂直于电子束的轴线的XY平面中对准CL反射镜的系统和方法,以及用于使样品沿与电子束重合的Z轴相对于CL反射镜的焦点对准的系统和方法。(Systems and methods of aligning cathodoluminescence optics, and in particular, systems and methods for automatically aligning Cathodoluminescence (CL) optics in an electron microscope with respect to a sample being examined, are described. The exact placement of the sample and the location on the sample where the electron beam lands relative to the focal point of the collection mirror that reflects the CL light emitted by the sample is critical to optimize the amount of light collected and to preserve information about the angle at which the sample emits light. Systems and methods for aligning a CL mirror in an XY plane perpendicular to an axis of an electron beam, and for aligning a sample with respect to a focal point of the CL mirror along a Z axis coincident with the electron beam, are described.)

具体实施方式

本领域技术人员将认识到可以采用本发明的教导来开发其他详细设计和方法。这里提供的示例是说明性的，并不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书限定。下面的详细描述参考附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。

在本发明的一个方面，如图1所示，电子显微镜100产生离开极靴12并指向样品30的电子束(e-beam)10。在电子束10撞击样品的点处(在图1中以附图标记32标识)，可能会产生阴极发光(CL)光。可以是抛物面反射镜的反射镜20被提供以将CL光34反射到可以位于电子显微镜100外部的检测器。反射镜20可以具有孔22以允许电子束10通过，因为反射镜可能由阻碍电子束的材料(例如，金刚石抛光的铝)制成。

在本发明的一个方面，如图2所示，CL反射镜20是CL光学系统200的一部分(局部视图)。CL光学系统200在安装毂210处安装到电子显微镜。CL光学系统200包括反射镜插入滑块212，该反射镜插入滑块212可以在X轴上机电致动(如图所示)，以将反射镜20移入电子束10的路径以及将反射镜20从电子束10的路径中移出。反射镜插入滑块212也可以被精细地且可重复地调节以使反射镜20在X轴上相对于电子束10对准。样品(未示出)放置在样品平台31上，并且可以由电子显微镜中的致动器沿Z轴升起和降下。CL系统200可以包括将安装毂210连接到CL系统的其余部分230的电子显微镜接口组件220，该电子显微镜接口组件220在内部附接到反射镜插入滑块212。电子显微镜接口组件220可以包括一个或多个线性致动器，所述线性致动器被布置成使CL系统230相对于毂210移动。在示例性实施例中，电子显微镜接口组件220包括两个线性致动器，其中一个线性致动器使CL系统沿Y轴相对于电子束移动，另一个线性致动器使CL系统沿Z轴相对于样品平台31移动。这样，CL反射镜可以经由反射镜滑块212(X轴)和电子显微镜接口组件220中的两个致动器沿X、Y和Z轴相对于样品和电子束移动。也可以通过电子显微镜中的致动器使样品沿Z轴相对于CL反射镜移动。

上述示例性系统200只是沿X、Y和Z轴相对于电子束和样品致动CL反射镜的一种方式。所描述的示例性致动机构并不旨在限制本发明的任何方面。

图3示出了示例性控制系统，该示例性控制系统用于控制上述致动器并且用于执行与本文所述实施例一致的其他功能。该控制系统包括系统控制器310。系统控制器310可以是作为电子显微镜的一部分或作为光学系统的处于电子显微镜外部的部分的单个处理器，或者可以包括彼此通信的多个处理器。例如，可能存在电子显微镜处理器和光学系统处理器。该系统控制器可以控制CL反射镜X轴致动器322、样品保持器Z轴致动器324、光学系统Z轴致动器326和光学系统Y轴致动器328。该系统控制器可以从一个或多个相机340和一个或多个光强度传感器350接收输入。系统控制器310可以控制光源360，以便例如在以下描述的Z轴对准(排布)过程中经由CL反射镜照射样品。系统控制器310还可以与外部计算机330通信。

在本发明的另一方面，在图4A、4B和4C中示出了用于快速设置电子束10的轴线与CL反射镜20的焦点以使其重合的对准程序，本文中称为“反射镜特征(Mirrorfeature)XY”。在获得校准信息之后，可以在数十秒内执行MirrorfeatureXY对准程序，这对于在已经将CL反射镜20不精确地插入到电子束轴线10周围的位置或EM加速电压或孔已经被调节之后快速调整系统而言是有用的。该程序无需使用CL即可执行，因此特别适合于在检查不能在每个位置都可靠地发射CL光的样品时进行的对准。

图4A示出了收集反射镜20的示例性实施例，该收集反射镜20具有孔22以允许电子束10(未示出)穿过从而到达样品(未示出)。可以参考反射镜识别文本24以获得关于反射镜20的物理和光学特性的信息，并且可以将反射镜识别文本24定位成靠近孔22，因此可以在电子显微镜内部读取反射镜识别文本24。

图4B示出了收集反射镜20的顶部的一部分的示例性示意图，该收集反射镜20具有孔22以允许电子束10穿过从而到达样品(未示出)。在本发明的一个方面，如图4A、4B和4C所示，反射镜20上的一个或多个特征23可以用作位置参考标记，该特征23距CL反射镜20的焦点26的距离矢量27是反射镜20的固定特性。可以在CL反射镜的制造期间确定距离矢量27，或随后通过使用光学或电子显微镜对一个或多个特征23成像并测量它们距CL反射镜20的焦点26的距离来确定距离矢量27。为此校准程序而定位CL反射镜20的焦点26通常需要使光穿过反射镜以找到最佳焦点。

图4D是将参照图4A、4B和4C执行的示例性MirrorfeatureXY程序的流程图。图4B显示为在开始MirrorfeatureXY程序之前，其中电子束10的轴线位于位置34处，并且因此CL反射镜20未与电子束10沿X轴和Y轴对准。在流程图步骤402中，移动CL反射镜20，以使得可以将位置参考标记23成像在EM中，该位置参考标记23可以被称为检查区域。图4C显示为在步骤402完成之后。在步骤404中，将EM聚焦在位置参考标记23上，并且利用视场36来获取EM图像，该视场36大到足以对位置参考标记23进行成像。在步骤406中，分析所获取的图像以确定从电子束轴线35(通常也是图像视场36的中心)到位置参考标记23的距离矢量37。在步骤408中，通过从距离矢量27减去距离矢量37来计算电子束轴线35和CL反射镜20的焦点之间的距离矢量38。在步骤409中，将CL反射镜20移动距离矢量38，以使位置26处的反射镜焦点与电子束轴线35重合。备选地，在步骤409中，可以使电子束轴线移动负距离矢量38，以使电子束轴线35与位置26处的反射镜焦点重合。通常不希望移动电子束轴线，而是希望移动反射镜位置，这是因为当使电子束轴线远离EM物镜中心移动时，EM图像的分辨率将受损。

在本发明的另一方面，在图4A、4E、4F、4G和4H示出了用于快速设置观察中的样品部分以使其针对CL处于正确高度的对准程序，本文中称为“MirrorfeatureZ”。在获得校准信息之后，可以在数十秒内执行MirrorfeatureZ对准程序，这对于在CL实验中在许多不同样品部分之间快速移动而言是有用的。该程序无需使用CL即可执行，因此特别适合于不能在每个位置都可靠地发射CL光的样品的对准。

图4E示出了，样品30的表面处于远离包含CL反射镜20的焦点的水平面51的位置。图4H中概述了示例性MirrorfeatureZ方法的流程图。在对准程序410的开始处，将EM聚焦在样品30的表面上，并且在步骤420中，计算样品30的表面的工作距离(WD_s)42。在步骤430中，记录样品平台31的位置53。

在步骤432和图4F中，移动CL反射镜20，以使得可以将位置参考标记23成像在EM中。在步骤434中，将EM聚焦在位置参考标记23(位于水平面55上)上，并且在步骤436中，计算位置参考标记23的工作距离56。

在步骤440中，计算样品平台31的调节距离ΔS 52。这需要预先测量的校准信息，该校准信息可以存储为包含CL反射镜20的焦点的水平面51和包含位置参考标记23的水平面55之间的距离。在步骤450中，可以使用与样品平台31的延展区域、样品30的延展区域和反射镜20的位置相关的信息来确定：如果将样品平台31升起整个距离52，样品平台31或样品30是否会与反射镜20发生碰撞。该信息可以手动输入或由系统预先测量。如果会发生碰撞，则在步骤460中，计算可以移动的距离52的安全部分。在步骤470中，将样品平台移动距离52的全部或一部分。注意，步骤450和460是可选的，因此步骤440可以直接进行到步骤470。图4G示出了，在已经执行了MirrorfeatureZ方法并且距离52未被限制的情况下，样品30和样品平台31的位置。样品平台31位于位置54，其中，样品30的表面已经移动到包含CL反射镜20的焦点的水平面51。在MirrorfeatureZ之后，较为方便的是，将EM的焦点自动设置到与CL反射镜20的焦点和样品30的表面的工作距离WD_f 41相同的工作距离43。该过程在480处结束。注意，如果在步骤470中，样品平台的行程被限制，则最终对准的质量将受损。

加工特征23是示例性位置参考标记，并且在图4A所示的该实施例中，加工特征23尽可能地靠近反射镜20的底面定位，以使得电子显微镜100的聚焦设置在对样品成像和对加工特征23成像之间变化最小。在反射镜20上还有其他特征可以用作位置参考标记，其中包括但不限于孔22、反射镜识别文本24和反射镜20的水平表面上的表面缺陷或纹理结构。注意，位置参考标记不必直接位于CL反射镜20上，而是可以处于牢固附接到CL反射镜20的组件上。

在本发明的另一方面，在图5A、5B、6和7中示出了用于快速设置观察中的样品部分以使其针对CL处于正确高度的对准程序，本文中称为“Laserfocus(激光聚焦)Z”。

图5A和5B示出了用于分析CL光的光学系统500。在所描绘的模式中，该系统被布置为使用光源510(该光源510可以是激光器)，以经由CL反射镜20从电子显微镜的外部照射样品30。激光的一部分被样品反射。图5B示出了电子显微镜550的一部分，其包括样品腔室555。在该示例中，激光器510和CL反射镜20之间的光路径包括折叠反射镜520。分束器530使从样品反射的返回光的一部分返回至光学子系统，该光学子系统包括二维相机540。可以对在相机540处接收到的、样品20的返回光的图像进行分析以确定样品是否相对于Z轴处于CL反射镜的焦点处。

图6A-6G是如上所述经由CL反射镜暴露于光源的样品的返回光的示例性图像。图6A示出了样品在CL反射镜焦点下方100μm处的情况下的返回光。图6B示出了样品在CL反射镜焦点下方20μm处的情况下的返回光。图6C示出了样品在CL反射镜焦点下方10μm处的情况下的返回光。图6D示出了样品在CL反射镜焦点处的情况下的返回光。图6E示出了样品在CL反射镜焦点上方10μm处的情况下的返回光。图6F示出了样品在CL反射镜焦点上方20μm处的情况下的返回光。图6G示出了样品在CL反射镜焦点上方70μm处的情况下的返回光。从这些示例性图像中可以看出，仅当样品精确定位于CL反射镜焦点处时，返回光才会聚焦到样品上的一个小点处。甚至小于10μm的微小偏移也会导致返回光点的图像模糊。当样品位于CL反射镜焦点处时，光图案的强度最高，并且随着样品远离CL反射镜焦点移动，光图案的强度不断降低。因此，可以将光图案的形状或光图案的强度用作Z方向上对准的度量。作为进一步的结果，可以通过相机或通过单通道光检测器来分析光图案的强度。

在现在参考图5A、5B、6A-6G和图7的流程图所述的本发明的一个方面中，在步骤710处，将CL反射镜20相对于样品沿Z轴移动到初始位置。在步骤720处，光经由CL反射镜20投射到样品上。在步骤730处，由样品反射的光被引导到检测器540。在步骤740处，对由检测器接收到的光进行分析，并且可以存储与由检测器接收到的光相关的信息。在步骤750处，沿Z轴重新调节样品平台或CL反射镜以改变样品30和CL反射镜20之间的距离。在大多数实施例中，样品平台的移动是优选的，因为CL反射镜20的运动可能影响光学子系统中后续光学器件的对准。在步骤760处，对由检测器接收到的光进行分析，并且可以存储与由检测器接收到的光相关的信息。在判定点770处，基于预先分析/存储的检测器数据来确定：样品是否在Z轴上处于CL反射镜焦点处。如果否，则该过程返回到步骤750，由此，再次移动CL反射镜。如果确定样品在CL反射镜焦点处，则该过程在步骤780处结束。在Z轴上相对于反射镜20对准样品无需使用CL即可执行，因此特别适合于可能无法在每个位置处可靠地发射CL光的样品的对准。

在本发明的一个方面，可以在连续的闭环控制下或以如图7所述的步进方式来执行样品保持器移动或CL反射镜移动。在本发明的另一方面，如刚刚描述的那样但是仅在有限数量的步骤中移动CL反射镜20或样品30。在该方面中，在每个步骤中均进行2D图像或光强度的测量并对其进行分析，以预测正确的焦点位于何处，而无需以连续运动旋转CL反射镜20或样品30来相对于CL反射镜焦点对准样品。该分析可以基于预先获得的焦点内外样品的图像的比较，或者可以基于从图像中提取的数据(例如，每个图像中光总量的积分)的曲线拟合。

在本发明的另一方面，在图8A、8B和9中示出了用于快速设置观察中的样品部分以使其针对CL处于正确高度的对准程序，本文中称为“Quickfocus(快速聚焦)Z”。在如本文所述获得校准信息之后，可以在数秒钟内执行QuickfocusZ对准程序，这对于在CL实验中在许多不同样品部分之间快速移动而言是有用的。该程序无需使用CL即可执行，因此特别适合于不能在每个位置都可靠地发射CL光的样品的对准。

图8A示出了处于远离包含CL反射镜20的焦点的水平面51的位置处的样品30的表面。在图9中概述了示例性QuickfocusZ方法的流程图。在对准程序910的开始处，将EM聚焦在样品30的表面上，并且在步骤920中，计算样品30的表面的工作距离WD_s 62。在步骤930中，记录样品平台31的位置S_1 71。在步骤940中，计算样品平台31的调节距离ΔS 72。这需要预先测量的校准信息，该校准信息可以被存储为包含CL反射镜20的焦点的水平面51的工作距离WD_f 61。在步骤950中，可以使用与样品平台31的延展区域、样品30的延展区域和反射镜20的位置相关的信息来确定：如果将样品平台31升起整个距离ΔS 72，样品平台31或样品30是否会与反射镜20发生碰撞。该信息可以预先手动输入或由系统测量。如果存在碰撞的风险，则在步骤960处，系统计算可以移动的距离72的安全部分。在步骤970中，将样品平台移动距离72的全部或一部分。步骤950和960是可选的，因此步骤940可以直接进行到步骤970。图8B示出了，在已经在距离72未被限制的情况下执行了QuickfocusZ方法之后，样品30和样品平台31的位置。样品平台31位于位置73，其中，样品30的表面已经移动到包含CL反射镜20的焦点的水平面51。在QuickfocusZ之后，较为方便的是，将EM的焦点自动设置到与CL反射镜20的焦点和样品30的表面的工作距离WD_f 61相同的工作距离62。注意，如果在步骤970中，样品平台的行程被限制，则最终对准的质量将受损。

尽管所描述的每种对准方法可以单独使用，但是将这些方法组合起来可以使CL系统快速而精确地对准。在一个实施例中，MirrorfeatureXY对准方法需要10-20秒，并且每当改变EM加速电压或孔对准时就可以执行。本文描述的Z轴对准方法之一也可以在MirrorfeatureXY对准之后执行，但是也可以在样品位置已经改变数微米以上之后执行。Z轴最佳对准方法的选择取决于实验精度要求和EM类型。LaserfocusZ方法提供了最精确的Z轴聚焦，但是样品平台必须多次移动，通常需要移动5至30次，其中，每次移动需要0.5至3秒才能完成。QuickfocusZ技术非常快速，仅需数秒钟，但其聚焦精度可能不足以进行某些非常精确的实验。当EM条件改变时，可以用MirrorfeatureZ代替QuickfocusZ，以利于获得更好的准确性，但是执行MirrorfeatureZ的时间是QuickfocusZ的若干倍。

图10是示出设备1000的示例性物理部件的图示。设备1000可以对应于上述系统内的各种设备，例如系统控制器310。设备1000可以包括总线1010、处理器1020、存储器1030、输入部件1040、输出部件1050和通信接口1060。

总线1010可以包括允许设备1000的部件之间进行通信的路径。处理器1020可以包括可以解释和执行指令的处理器、微处理器或处理逻辑。存储器1030可以包括可以存储信息和指令以供处理器1020执行的任何类型的动态存储设备，和/或可以存储信息以供处理器1020使用的任何类型的非易失性存储设备。

软件1035包括提供功能和/或处理的应用或程序。软件1035还旨在包括固件、中间件、微代码、硬件描述语言(HDL)和/或其他形式的指令。举例来说，关于包括提供工作证明认证的逻辑的网络元件，这些网络元件可以被实现为包括软件1035。另外，例如，设备1100可以包括软件1035以执行如上关于图4C、4G、7和9所述的过程。

输入部件1040可以包括允许用户向设备1000输入信息的结构，例如，键盘、小键盘、按钮、开关等。输出部件1050可以包括向用户输出信息的机构，例如，显示器、扬声器、一个或多个发光二极管(LED)等。

通信接口1060可以包括收发器，该收发器使得设备1000能够经由无线通信、有线通信或无线和有线通信的组合与其他设备和/或系统进行通信。例如，通信接口1060可以包括用于经由网络与另一设备或系统进行通信的机构。通信接口1060可以包括用于发送和/或接收RF信号的天线组件。在一种实施方式中，例如，通信接口1060可以与网络和/或连接到网络的设备进行通信。替代地或附加地，通信接口1060可以是逻辑部件，其包括输入和输出端口、输入和输出系统和/或有助于将数据发送到其他设备的其他输入和输出部件。

设备1000可以响应于处理器1020执行包含在诸如存储器1030之类的计算机可读介质中的软件指令(例如，软件1035)而执行某些操作。计算机可读介质可以被定义为非暂时性存储设备。非暂时性存储设备可包括处于单个物理存储设备内或分布在多个物理存储设备上的存储空间。可以从另一计算机可读介质或另一设备将软件指令读入存储器1030中。包含在存储器1030中的软件指令可以致使处理器1020执行本文所述的过程。替代地，可以使用硬连线电路代替软件指令或者将硬连线电路与软件指令组合起来实现本文描述的过程。因此，本文描述的实施方式不限于硬件电路和软件的任何特定组合。

与图11所示的设备相比，设备1000可以包括更少的部件、附加的部件、不同的部件和/或以不同方式布置的部件。作为示例，在一些实施方式中，显示器可以不包括在设备1000中。在这些情况下，设备1000可以是不包括输入部件1040的“无头”设备。附加地或替代地，设备1000的一个或多个部件可以执行被描述为由设备1000的一个或多个其他部件执行的一个或多个任务。

尽管已经在上面详细描述了本发明，但是应该清楚地理解，对于相关领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神的情况下可以对本发明进行修改。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种形式、设计或布置上的改变，其中包括过程步骤的执行顺序的改变。因此，上述描述应被认为是示例性的，而不是限制性的，并且本发明的真正范围是所附权利要求书中限定的范围。

除非明确地描述，否则在本申请的描述中使用的要素、动作或指令均不应被解释为对本发明是关键或必要的。同样，如本文中所使用，冠词“一”旨在包括一个或多个项目。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在表示“至少部分地基于”。