[發明專利]用于透射電子顯微鏡的檢測器系統

有效

• 申請號: 201110251918.X
• 申請日: 2011-08-24
• 公開（公告）號: CN102376517A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發明（設計）人: U.呂肯;R.肖恩馬克斯;F.J.P.舒爾曼斯
• 申請（專利權）人: FEI公司
• 主分類號: H01J37/244
• 分類號: H01J37/244;H04N5/335;H01J37/26
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 劉春元;李家麟

技術領域

本發明涉及電子顯微鏡檢查，更具體來說涉及與電子顯微鏡檢查一起使用的檢測器系統。

背景技術

透射電子顯微鏡（TEM）將電子束透射過纖薄樣品并且檢測由于電子與樣品之間的相互作用而導致的電子束中的改變。電子通常被加速到80到300keV之間的能量。所述加速優選地是通過將電子源保持在高電壓下并且將電子朝向處于地電勢的樣品加速而實現的。偏轉器、透鏡以及像差校正器可以操縱該束以照射樣品。所述樣品足夠纖薄，以便對于電子來說是部分透明的。

由于對電子的透明度取決于元素的原子序數，因此典型的樣品厚度將隨著樣品的性質而變化。例如，由金屬或半導體（其包括許多具有高原子序數的原子）構成的樣品可以是大約30nm厚。生物材料的樣品通常更厚，例如大約200nm厚。在某些應用中可以使用甚至更厚的樣品，例如1μm的樣品。

一些電子不受阻礙地穿過樣品；一些電子被衍射；一些電子損失能量；而一些電子被吸收。不同的技術利用所透射的電子的不同特性來確定關于樣品不的同信息。TEM可以產生示出處于納米或者甚至亞納米范圍內的結構特征的圖像，并且還可以提供關于樣品成分的信息。

在電子穿過樣品之后，其被攝影膠片或者被電子檢測器檢測到，所述電子檢測器產生代表撞擊在檢測器上的電子的數目和/或能量的電子信號。大多數TEM電子檢測器間接地檢測電子：電子撞擊在磷光體上，所述磷光體發出由檢測器檢測到的光。間接檢測防止由于高能電子的撞擊而對半導體檢測器造成損壞。所述光撞擊在半導體檢測器上，并且產生電子－空穴對。在許多間接半導體檢測器中，電子在形成電荷耦合器件（CCD）的一部分的電容器陣列中積聚。在每一個電容器上積聚的電荷與撞擊在相應像素上的電子數目有關。為了讀取每一個像素上的電荷以便獲得完整的圖像，像提桶排成一個隊列以傳水救火那樣把在每一個像素處積聚的電荷移動到下一個像素，并且最終移出檢測器，在那里它被數字化并且存儲在計算機存儲器中。將電子轉換成光的額外步驟降低了檢測器分辨率，這是因為來自磷光體的光在它到達CCD檢測器之前擴散。CCD檢測器的另一個缺陷在于讀出所述像素陣列所需的時間、以及所提供的有限視場。

一些半導體檢測器利用有源或無源像素傳感器而不是CCD來直接檢測電子。例如，利用互補金屬氧化物硅（CMOS）技術實現的單片有源像素傳感器（MAPS）提供具有快速讀出的高分辨率檢測器。在有源像素傳感器中，每一個像素可以合并進行粒子檢測所需的許多功能，即電荷生成及收集、前置放大、脈沖整形、模擬－數字轉換、噪聲區分以及信號積分。

例如由R.?Turchetta等人在“Accelerated?particle?and?high?energy?radiation?sensor（加速粒子及高能輻射傳感器）”的美國專利公開號2006/278943中描述了有源像素傳感器，其被合并在此以作參考。在A.R.?Faruqi等人的“Evaluation?of?a?Hybrid?Pixel?Detector?for?Electron?Microscopy（用于電子顯微鏡檢查的混合型像素檢測器的評估）”（Ultramicroscopy，vol.?94，2002，pp.?263-276）中描述了另一種類型的有源像素傳感器。在Faruqi等人的混合型有源像素檢測器中，將靈敏的讀出電路放置在由電子撞擊的部分下方，因此保護其不受電子撞擊。在另一種類型的直接電子檢測器——雙面條檢測器（DSSD）中，讀出系統不與電子束成一直線，因此不會惡化。DSSD使用檢測器頂部和底部的收集條，并且可以在每一個電子事件發生時提供與之有關的信息，從而允許處理器例如確定何時兩個電子大約同時擊中。

TEM中的樣品被保持在真空中，這是因為樣品室內的空氣或其他氣體分子將會散射該束中的電子。在高度真空環境中，包含大量水的生物樣品將會快速惡化。用于保存生物樣品以供在TEM中進行觀測的一些技術包括染色法或其他固定技術，其可能會在觀測中引入偽像。偽像是作為成像過程的結果的、并非自然出現在樣品中的觀測特征。可以更好地保持生物樣品完整性的一種優選的保存技術是在產生非晶質冰的玻璃化過程中快速凍結，并且在低溫下進行觀測。低溫透射電子顯微鏡（Cryo-TEM）需要在低溫下在透射電子顯微鏡上觀測樣品，所謂低溫通常是液態氮或液態氦的溫度。Cryo-TEM允許在其天然狀態下觀看試樣，而不會在固定過程期間將偽像引入到觀測中。