电子探测器及电子探测系统的制作方法

1.本发明涉及电子探测领域，具体地，涉及一种电子探测器及电子探测系统。

背景技术：

2.扫描电子显微镜设备是利用带电粒子束与物质的相互作用过程，可以获得样品的形貌、成分、能谱、光谱等信息。其中，入射电子束与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子、俄歇电子和x射线外等信息，可以达到物质微观形貌表征和成分表征的目的。
3.二次电子是指样品被高能入射电子束轰击出来的核外电子，主要来自于样品表面1-10nm深度，其能量范围通常在在0-50ev之间，二次电子能够很好的显示出试样表面的微观形貌。
4.主流的扫描电子显微镜的二次电子探测器通常为e-t(everhart-thornley)二次电子探测器，主要用于镜筒外探测：e-t二次电子探测器工作原理为利用法拉第笼收集一定角度的二次电子，收集后的二次电子加速撞击到闪烁体(通常为+10kv高压)转换成一定数量的光子，经过光导介质将产生的光子传输到光电倍增管(pmt)，进行光电子转换和电子倍增，进而将电子倍增后形成的电流利用放大电路进行信号处理。e-t二次电子探测器从电子收集到输入至信号放大电路的主要过程有：电子-光子转换、光子传输、光子-电子转换、电子倍增、电流电压转换等过程，因此存在量子效率低和光谱响应峰值不匹配等问题。光导介质需要靠光学胶进行粘接，光传输过程中存在反射损失，造成电子探测效率低，图像信噪比差，影响最终的成像质量。pmt在弱信号时需要提高倍增电压，导致噪声同步被放大，同时一定程度上也限制了信号的采集速度。10kv高压的使用会增加真空密封与绝缘的困难；异形发光材料与光导介质会使加工难度和加工成本增加。

技术实现要素：

5.本发明实施例的主要目的在于提供一种电子探测器及电子探测系统，以减少电子损失，达到增强图像信噪比、提高采集速度和优化探测器结构的目的及优势。
6.为了实现上述目的，本发明实施例提供一种电子探测器，包括：
7.法拉第笼，用于收集二次电子；
8.固定于屏蔽外筒的电子倍增器，用于基于电子倍增器输入端的第一电压和电子倍增器输出端的第二电压对二次电子进行一级倍增放大；
9.分别与电子倍增器输入端和电子倍增器输出端连接的供电环，用于向电子倍增器输入端提供第一电压，向电子倍增器输出端提供第二电压；
10.固定于屏蔽外筒的半导体探测器，用于对经过一级倍增放大的二次电子施加第三电压和偏置电压以将二次电子进行二级倍增放大后转换为电流信号；
11.与半导体探测器连接的放大器电路，用于将电流信号转换为电压信号；
12.信号放大处理电路，用于将电压信号进行放大后转换为图像信号。
13.在其中一种实施例中，还包括：
14.固定于法拉第笼的第一聚焦透镜，用于对二次电子进行聚焦。
15.在其中一种实施例中，还包括：
16.绝缘环，第一聚焦透镜通过绝缘环与屏蔽外筒固定。
17.在其中一种实施例中，还包括：
18.绝缘筒，电子倍增器、半导体探测器和绝缘环均通过绝缘筒固定于屏蔽外筒。
19.在其中一种实施例中，还包括：
20.固定于绝缘筒的第二聚焦透镜，用于对经过一级倍增放大的二次电子进行聚焦，将聚焦后的二次电子送入半导体探测器。
21.在其中一种实施例中，还包括：
22.用于将电压信号传递给信号放大处理电路的真空连接器，信号放大处理电路通过真空连接器连接放大器电路。
23.在其中一种实施例中，还包括：
24.真空密封法兰，真空连接器通过真空密封法兰固定于屏蔽外筒。
25.在其中一种实施例中，电子倍增器为非连续打拿级电子倍增器、通道型电子倍增器或微通道板。
26.在其中一种实施例中，第三电压大于第二电压，第二电压大于第一电压。
27.本发明实施例还提供一种电子探测系统，包括：
28.如上所述的电子探测器；以及
29.物镜，用于聚焦电子束至样品以产生二次电子。
30.本发明实施例的电子探测器及电子探测系统包括收集二次电子的法拉第笼、对二次电子进行一级倍增放大的电子倍增器，向电子倍增器的输入端和输出端提供电压的供电环、将二次电子进行二级倍增放大后转换为电流信号的半导体探测器、将电流信号转换为电压信号的放大器电路和将电压信号放大后转换为图像信号的信号放大处理电路，可以提高电子探测效率，达到增强图像信噪比、提高采集速度和优化探测器结构的目的及优势。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1是本发明第一实施例中电子探测器的示意图；
33.图2是本发明第二实施例中电子探测器的示意图；
34.图3是本发明第三实施例中电子探测器的示意图；
35.图4是本发明实施例中非连续打拿级电子倍增器的示意图；
36.图5是本发明实施例中通道型电子倍增器的示意图；
37.图6是本发明实施例中无中心孔的微通道板的示意图；
38.图7是本发明实施例中有中心孔的微通道板的示意图；
39.图8是本发明实施例中电子探测系统的示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。
42.鉴于现有的e-t二次电子探测器的电子探测效率低，图像信噪比差，影响最终的成像质量，本发明实施例提供了一种电子探测器及电子探测系统，可以提高电子探测效率，达到增强图像信噪比、提高采集速度和优化探测器结构的目的及优势。以下结合附图对本发明进行详细说明。
43.图1是本发明第一实施例中电子探测器的示意图；图2是本发明第二实施例中电子探测器的示意图；图3是本发明第三实施例中电子探测器的示意图。如图1至图3所示，电子探测器包括：
44.法拉第笼5，用于吸引、收集二次电子；
45.固定于法拉第笼5的漏斗形第一聚焦透镜6，用于对二次电子进行聚焦。其中，第一聚焦透镜6可以与法拉第笼5焊接为整体，可以高效收集二次电子，使二次电子直接加速聚焦到电子倍增器件7的接收面，省去了光电倍增器的电子-光子-电子转换这一过程，并且器件结构上也省去了前端的玻璃及光导管部分，可以减少电子损失，具有更高的信噪比和探测效率。
46.绝缘环13，与法拉第笼5焊接为整体的第一聚焦透镜6通过绝缘环13与屏蔽外筒17的前端固定。
47.固定于屏蔽外筒17的电子倍增器7，用于基于电子倍增器输入端14-1的第一正电压hv1和电子倍增器输出端14-2的第二正电压hv2对二次电子进行一级倍增放大，此过程属于电子-电子的直接放大，提高了量子转化效率和响应速度。
48.分别与电子倍增器输入端14-1和电子倍增器输出端14-2连接的供电环14，用于向电子倍增器输入端14-1提供第一电压，向电子倍增器输出端14-2提供第二电压；其中，供电环焊接在电子倍增器7的内部以方便施加电压。
49.固定于屏蔽外筒17的掺杂型硅基半导体探测器16，与电子倍增器输出端间隔1mm，用于对经过一级倍增放大的二次电子施加第三电压hv3和偏置电压vf以将二次电子进行二级倍增放大后转换为电流信号。
50.其中，第三正电压hv3为工作基准电压，第三电压hv3大于第二电压hv2，第二电压hv2大于第一电压hv1。例如，hv1＝500v至1000v，hv2＝hv1+(500至1000v)，hv3＝hv2+1000v。hv1、hv2和hv3均可根据收集电子的信号强度联动动态调节(例如通过调节hv2与hv1之间的电压差调整一级倍增的大小，通过调节hv3与hv2之间的电压差调整二级倍增的大小)，具有可调的增益效果，还可以根据待测样品情况实时优化电压，获取更高质量的图像信号。由此可见，本发明中的电子倍增器和半导体探测器的工作电压通常低于传统e-t探测器的10kv供电，降低了绝缘耐压与真空密封难度。
51.通过导线或线缆与半导体探测器16连接的放大器电路9，安装于屏蔽外筒17，用于将电流信号转换为电压信号；
52.信号放大处理电路12，用于将电压信号进行放大后转换为图像信号。
53.一实施例中，电子探测器还包括：
54.绝缘筒8，电子倍增器7、半导体探测器16和绝缘环13均通过绝缘筒8固定于屏蔽外筒17。
55.固定于绝缘筒8的第二聚焦透镜15，用于对经过一级倍增放大的二次电子进行聚焦，将聚焦后的二次电子送入半导体探测器16。第二聚焦透镜15为环形聚焦透镜，可以令聚焦后的二次电子继续加速撞击到掺杂型硅基半导体探测器16的接收面。
56.用于将电压信号传递给信号放大处理电路12的真空连接器11，信号放大处理电路12安装于真空连接器11上，通过真空连接器11连接放大器电路9。
57.真空密封法兰10，真空连接器11通过真空密封法兰10固定于屏蔽外筒17。本发明的电子探测器可以作为探测器模块，通过真空连接器11整体安装于扫描电子显微镜设备对应接口。
58.图1中的电子倍增器为非连续打拿级电子倍增器，图2中的电子倍增器为通道型电子倍增器，图3中的电子倍增器为微通道板。如图1-图3所示，电子倍增器可以采用带有电子发射涂层的自研器件、非连续打拿级电子倍增器、通道型电子倍增器(cem，channel electron multiplier，连续打拿级倍增器)或微通道板。
59.图4是本发明实施例中非连续打拿级电子倍增器的示意图。如图1和图4所示，非连续打拿级电子倍增器有多个倍增级的结构，可以通过供电环14向第一个电子倍增极上施加正电压hv1，向最后一个电子倍增极上施加正电压hv2。
60.图5是本发明实施例中通道型电子倍增器的示意图。如图2和图5所示，通道型电子倍增器为连续倍增级结构，可以通过供电环14向电子倍增器输入端施加正电压hv1，向电子倍增器输出端施加正电压hv2。
61.图6是本发明实施例中无中心孔的微通道板的示意图。图7是本发明实施例中有中心孔的微通道板的示意图。如图3、图6和图7所示，微通道板(mcp，microchannel plate)为连续倍增级结构，可以通过供电环14向电子倍增器输入端施加正电压hv1，向电子倍增器输出端施加正电压hv2。
62.基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电子探测系统，由于该电子探测系统解决问题的原理与电子探测器相似，因此该系统的实施可以参见电子探测器的实施，重复之处不再赘述。
63.图8是本发明实施例中电子探测系统的示意图。如图8所示，电子探测系统包括：
64.如上所述的电子探测器；以及
65.物镜1，用于聚焦电子束2至样品3以产生二次电子4。
66.具体实施时，物镜1聚焦电子束2至样品3，电子束2溅射到样品3内部产生二次电子4。法拉第笼5吸引、收集二次电子，然后经漏斗形的第一聚焦透镜6使电子有效聚焦、直接加速撞击到电子倍增器7的接收面。电子倍增器7基于电子倍增器输入端14-1的第一正电压hv1和电子倍增器输出端14-2的第二正电压hv2对二次电子进行一级倍增放大，放大后的二次电子经环形的第二聚焦透镜15聚焦、继续加速撞击到掺杂型硅基半导体探测器16的接收
面。半导体探测器16对电子进行第二级放大后转换为电流信号，电流信号经导线传递至放大器电路9进行电流电压转换，转换得到的电压信号经真空连接器11传递给信号放大处理电路12，信号放大处理电路12将电压信号进行放大后转换为优质的图像信号。
67.综上，本发明实施例的电子探测器及电子探测系统令电子倍增器与掺杂型硅基半导体探测器组合工作，通过第一级倍增令足够多的入射束流进入半导体探测器实现低电压信号的二级增益可调放大；同时半导体探测器具有的低结电容可以提高探测器的带宽，二者结合有效实现了低噪声、高带宽和宽束流范围的探测，更有效放大信号电子，从而提高电镜仪器的扫描速度、信息获取通量和图像的信噪比。
68.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种电子探测器，其特征在于，包括：法拉第笼，用于收集二次电子；固定于屏蔽外筒的电子倍增器，用于基于电子倍增器输入端的第一电压和电子倍增器输出端的第二电压对所述二次电子进行一级倍增放大；分别与所述电子倍增器输入端和所述电子倍增器输出端连接的供电环，用于向所述电子倍增器输入端提供第一电压，向所述电子倍增器输出端提供第二电压；固定于屏蔽外筒的半导体探测器，用于对经过一级倍增放大的二次电子施加第三电压和偏置电压以将所述二次电子进行二级倍增放大后转换为电流信号；与所述半导体探测器连接的放大器电路，用于将所述电流信号转换为电压信号；信号放大处理电路，用于将所述电压信号进行放大后转换为图像信号。2.根据权利要求1所述的电子探测器，其特征在于，还包括：固定于所述法拉第笼的第一聚焦透镜，用于对所述二次电子进行聚焦。3.根据权利要求2所述的电子探测器，其特征在于，还包括：绝缘环，所述第一聚焦透镜通过所述绝缘环与所述屏蔽外筒固定。4.根据权利要求3所述的电子探测器，其特征在于，还包括：绝缘筒，所述电子倍增器、所述半导体探测器和所述绝缘环均通过所述绝缘筒固定于所述屏蔽外筒。5.根据权利要求4所述的电子探测器，其特征在于，还包括：固定于所述绝缘筒的第二聚焦透镜，用于对经过一级倍增放大的二次电子进行聚焦，将聚焦后的二次电子送入所述半导体探测器。6.根据权利要求1所述的电子探测器，其特征在于，还包括：用于将所述电压信号传递给所述信号放大处理电路的真空连接器，所述信号放大处理电路通过真空连接器连接所述放大器电路。7.根据权利要求6所述的电子探测器，其特征在于，还包括：真空密封法兰，所述真空连接器通过所述真空密封法兰固定于所述屏蔽外筒。8.根据权利要求1所述的电子探测器，其特征在于，所述电子倍增器为非连续打拿级电子倍增器、通道型电子倍增器或微通道板。9.根据权利要求1所述的电子探测器，其特征在于，所述第三电压大于所述第二电压，所述第二电压大于所述第一电压。10.一种电子探测系统，其特征在于，包括：权利要求1-9任一权利要求所述的电子探测器；以及物镜，用于聚焦电子束至样品以产生二次电子。

技术总结

本发明提供一种电子探测器及电子探测系统。该电子探测器包括：法拉第笼，用于收集二次电子；固定于屏蔽外筒的电子倍增器，用于基于电子倍增器输入端的第一电压和电子倍增器输出端的第二电压对二次电子进行一级倍增放大；分别与电子倍增器输入端和电子倍增器输出端连接的供电环，用于向电子倍增器输入端提供第一电压，向电子倍增器输出端提供第二电压；固定于屏蔽外筒的半导体探测器，用于对二次电子施加第三电压和偏置电压以将二次电子进行二级倍增放大后转换为电流信号；与半导体探测器连接的放大器电路，用于将电流信号转换为电压信号；信号放大处理电路，用于将电压信号进行放大后转换为图像信号，可以提高电子探测效率，增强图像信噪比。增强图像信噪比。增强图像信噪比。