[發(fā)明專利]一種電子束激發(fā)熒光大范圍直接探測成像裝置及其方法

有效

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• 申請日: 2016-12-30
• 公開（公告）號: CN108279247B
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱瑞;徐軍;劉亞琪
• 申請（專利權(quán)）人: 北京金竟科技有限責(zé)任公司
• 主分類號: G01N23/2251
• 分類號: G01N23/2251;G01J1/42;G01J1/04
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發(fā)明公開了一種電子束激發(fā)熒光大范圍直接探測成像裝置及其方法。本發(fā)明的成像裝置包括：掃描電子顯微鏡系統(tǒng)、掃描信號發(fā)生器、熒光收集耦合系統(tǒng)、半導(dǎo)體光探測器、掃描同步信號采集器、協(xié)同控制與數(shù)據(jù)處理輸出系統(tǒng)；本發(fā)明采用模塊化的構(gòu)架，各模塊的配置調(diào)整及后續(xù)升級非常靈活便利；通過引入半導(dǎo)體光探測器的大面積半導(dǎo)體光電探測芯片，使得在掃描電子顯微鏡系統(tǒng)在大成像視野范圍內(nèi)所激發(fā)的熒光均能夠以相同的高收集效率會聚耦合至半導(dǎo)體光探測器，解決了大范圍熒光掃描成像所得到的圖像難以使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來測算和比較不同位置處的熒光激發(fā)強(qiáng)度或熒光激發(fā)產(chǎn)率的問題，能夠完成基于電子束激發(fā)熒光信號的大范圍快速檢測分析。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子束激發(fā)的熒光信號探測和處理技術(shù)，具體涉及一種電子束激發(fā)熒光大范圍直接探測成像裝置及其方法。

背景技術(shù)

電子束激發(fā)的熒光信號，是指當(dāng)電子束轟擊在材料表面，除了二次電子、背散射電子、俄歇電子和X射線外，所發(fā)射出的頻率在紫外、紅外或可見光波段的電磁波；其基本原理為材料內(nèi)部的電子被入射電子激發(fā)至高能態(tài)，經(jīng)過一定的弛豫時間躍遷回低能態(tài)并釋放能量，其中一部分能量以電磁輻射形式發(fā)射出來。材料在電子束激發(fā)下產(chǎn)生熒光的物理過程由其電子結(jié)構(gòu)決定，而電子結(jié)構(gòu)同元素成分，晶格結(jié)構(gòu)和缺陷，以及所處的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)環(huán)境等因素相關(guān)。因此，電子束激發(fā)熒光光譜能夠通過材料電子結(jié)構(gòu)反映材料本身物理特性。

電子束激發(fā)熒光信號的探測和處理通常與掃描或透射電子顯微鏡相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)形貌觀察、結(jié)構(gòu)和成分分析同電子束激發(fā)熒光光譜的結(jié)合研究。電子束激發(fā)熒光所用的電子束束斑非常小，能量高；相比于光致發(fā)光，電子束激發(fā)熒光信號具有高空間分辨、高激發(fā)能量、寬光譜范圍、大激發(fā)深度等特點(diǎn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)全光譜或單光譜熒光掃描成像。電子束激發(fā)熒光信號可以應(yīng)用于微米、納米尺度的半導(dǎo)體量子點(diǎn)、量子線等熒光物質(zhì)的發(fā)光性質(zhì)的研究。

通常電子束激發(fā)熒光采用反射面鏡收集所激發(fā)的熒光，例如旋轉(zhuǎn)拋物面凹面反射鏡或旋轉(zhuǎn)橢球凹面反射鏡，熒光激發(fā)位置位于反射面鏡及聚光系統(tǒng)的一個焦點(diǎn)位置處，而所激發(fā)熒光經(jīng)過反射面鏡及聚光系統(tǒng)后會聚于反射面鏡及聚光系統(tǒng)的另一焦點(diǎn)處，兩個焦點(diǎn)位置具有相互對應(yīng)的共軛關(guān)系。若熒光激發(fā)位置偏離反射面鏡及聚光系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置，則所激發(fā)熒光在另一焦點(diǎn)處收集效率將非常低。通常，受機(jī)械加工和光學(xué)像差限制，焦點(diǎn)不是數(shù)學(xué)意義上的嚴(yán)格的點(diǎn)，而擴(kuò)展為焦斑。對于一般的反射面鏡及聚光系統(tǒng)，能夠保證共軛關(guān)系的焦斑直徑范圍僅約50微米左右，當(dāng)熒光激發(fā)位置偏離該50微米直徑焦斑時，熒光收集效率將迅速降低。因此，電子束激發(fā)熒光信號的探測和處理應(yīng)用于掃描電子顯微鏡，進(jìn)行熒光掃描成像和光譜測量時，熒光收集效率均勻分布的范圍僅在反射面鏡及聚光系統(tǒng)的50微米直徑焦斑范圍內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)更大范圍(如500微米甚至1毫米直徑范圍)內(nèi)的熒光均勻收集，使得大范圍熒光掃描成像所得到的圖像難以使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來測算和比較不同位置處的熒光激發(fā)強(qiáng)度或熒光激發(fā)產(chǎn)率，以及熒光光譜信息。然而，對于特殊的材料分析，例如地質(zhì)考古領(lǐng)域所需研究的鋯石的熒光，半導(dǎo)體領(lǐng)域所需研究的發(fā)光薄膜的內(nèi)部晶體位錯分布等等，均需要大范圍視場下高分辨率的熒光成像及光譜測量，以提高分析檢測效率。若大范圍視場下，也就是在掃描電子顯微鏡中的大范圍電子束掃描成像下，各位置處熒光強(qiáng)度的收集效率不均一，便無法滿足所需要的熒光成像分析要求。因此，需要增大電子束激發(fā)熒光信號的均勻收集范圍是進(jìn)行大范圍快速熒光檢測分析的關(guān)鍵之一。