石墨烯电极静电透镜及扫描电子显微镜的制作方法

1.本实用新型涉及扫描电子显微镜技术领域，特别是涉及一种石墨烯电极静电透镜和具有该静电透镜的扫描电子显微镜。


背景技术：

2.扫描电子显微镜(scanning electron microscope，缩写为sem)，简称扫描电镜，是利用聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的一种常用的显微分析仪器。
3.电子束的聚焦由一组透镜完成，透镜可以是静电的，也可以是有磁性的，这取决于它们是用静电场还是磁场来聚焦电子束。
4.目前，扫描电子显微镜中使用的静电透镜主要由金属结构件构成，为了形成均匀的电场，在加工过程中要综合考虑耐压、同心度、圆度、平面度等各个影响因素，加工难度大、体积大、重量重。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的至少在于提供一种石墨烯电极静电透镜和具有该石墨烯电极静电透镜的扫描电子显微镜，以解决传统静电透镜重量重、体积大、加工工艺复杂的且精度难以保证的问题。
6.为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
7.第一方面，本实用新型提供一种石墨烯电极静电透镜，包括导电衬底、至少一层石墨烯电极层、电极线和带电粒子束通道；所述导电衬底的上表面设置有绝缘层，所述石墨烯电极层设置在所述导电衬底的上表面，所述石墨烯电极层的表面覆盖有氮化硼介电层，对所述石墨烯电极层的表面形成绝缘；所述电极线设置在所述石墨烯电极层的上表面和覆盖于所述石墨烯电极层的表面的所述氮化硼介电层之间，所述电极线的引脚从所述石墨烯电极层的上表面向外延伸出所述氮化硼介电层；所述带电粒子束通道位于所述静电透镜的中心位置，从上至下贯通所述氮化硼介电层、所述石墨烯电极层和所述导电衬底。
8.可选地，所述导电衬底为掺杂硅衬底。
9.可选地，所述导电衬底的电阻率在0.01ω
·
cm以下。
10.可选地，所述电极线为铜金属线。
11.可选地，所述石墨烯电极层的厚度为1nm-10nm。
12.可选地，所述氮化硼介电层的厚度为1nm-10nm。
13.可选地，所述电极线的宽度为10nm-100nm，厚度为5nm-10nm。
14.可选地，所述带电粒子束通道的直径为50nm-10um。
15.可选地，所述石墨烯电极层包括单层或多层石墨烯，所述氮化硼介电层包括单层或多层氮化硼。
16.第二方面，本实用新型提供一种扫描电子显微镜，包括前述任一种静电透镜。
17.本实用新型提供的石墨烯电极静电透镜，能够在实现对带电粒子束聚焦和加速的效果前提下，大大减小静电透镜的体积与重量，同时易于保证高加工精度。
18.根据下文结合附图对本实用新型的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
19.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
20.图1是本实用新型实施例中石墨烯电极静电透镜的立体结构示意图(未示出最上层氮化硼介电层)；
21.图2是本实用新型实施例中石墨烯电极层及电极线的结构示意图；
22.图3是本实用新型实施例中石墨烯电极静电透镜堆栈的侧视图及电位示意图。
23.附图标记：
24.1-导电衬底，2-石墨烯电极层，3-氮化硼介电层，4-电极线，5-带电粒子束通道
具体实施方式
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
26.扫描电子显微镜主要包括以下几个组成部分：
27.电子光学系统，该系统包括电子枪和透镜系统。电子枪的作用是产生电子照明源。透镜系统的作用是，(1)把虚光源的尺寸从几十微米缩小到5nm(或更小)，并且从几十微米到几个纳米间连续可变，(2)控制电子束的开角，可以在10-2
～10-3
rad范围内可变，(3)所形成的聚焦电子束可以在样品的表面上作光栅状扫描，且扫描角度范围可变，为了获得上述扫描电子束，透镜系统通常包括电磁透镜和扫描线圈，扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面做有规则的扫动。
28.机械系统，该系统包括支撑部分和样品室。样品室中有样品台，四壁一般备有数个窗口，除安装电子探测器外，还能同时安装其它探测器和谱仪。
29.真空系统，真空系统在电子光学仪器中十分重要，这是因为电子束只能在真空下产生和操纵。常用的高真空系统有干泵系统、涡轮分子泵系统和离子泵系统三种。
30.信号的收集、处理和显示系统，扫描电子显微镜电子枪发射出的电子束经过聚焦后会聚成点光源，点光源在加速电压下形成高能电子束，高能电子束经由电磁透镜被聚焦成直径微小的光点,在透过最后一级带有扫描线圈的电磁透镜后,电子束以光栅状扫描的方式逐点轰击到样品表面,同时激发出不同深度的物理信号。物理信号会被不同信号探测器接收,通过放大器同步传送到电脑显示屏,形成实时成像记录。样品在入射电子束的作用下会产生各种物理信号，有俄歇电子(au e)、二次电子(se)、背散射电子(bse)、x射线(特征x射线、连续x射线)、阴极荧光(cl)、吸收电子(ae)和透射电子，不同的物理信号要用不同类型的探测系统。大致可以分为三大类，即电子探测器、阴极荧光探测器和x射线探测器。
31.电子光学系统一般位于样品室上方的镜筒内，信号探测器通常位于样品室或镜筒
内，电子枪、透镜系统及信号探测器等与外部电源连接，真空系统为镜筒和样品室提供真空环境。
32.静电透镜，是扫描电子显微镜等设备所用电磁透镜中的一种，由具有带电导体所产生的静电场来使电子束聚焦。静电透镜一般由两个或两个以上的旋转对称圆筒形电极或开有小孔的金属膜片电极构成，形成旋转轴对称的电场。
33.图1-3示出本实用新型提供的一种以石墨烯电极层作为电极的静电透镜的实施例。图中为了方便理解，调整了真实比例，并且为了便于区分各组成部分，图3中的电极线的位置仅作原理性示意，其形状及位置请参见图1和图2。该石墨烯电极静电透镜包括导电衬底1、石墨烯电极层2、氮化硼介电层3、电极线4和带电粒子束通道5。
34.导电衬底1是整个静电透镜的基础，其上从下至上依次设置至少一层石墨烯电极层2和至少一层氮化硼介电层3，氮化硼介电层3设置在石墨烯电极层2上，在石墨烯电极层2的表面形成电绝缘，导电衬底1的上表面覆盖有绝缘层。在具有堆叠的多层石墨烯电极层2的情况下，氮化硼介电层3具有与石墨烯电极层2相同的层数，并分别设置在各层石墨烯电极层2上。石墨烯电极层2的上表面和其上氮化硼介电层3之间设置有电极线4，电极线4的引脚从石墨烯电极层2的上表面向外延伸出氮化硼介电层3。如图1所示，在具有多层石墨烯电极层2的情况下，出于方便排布的目的，从各层石墨烯电极层2的上表面延伸出的电极线4的引脚均位于各层石墨烯电极层2的同一侧，并且其向外延伸的一端还可以向下弯折至导电衬底1的上表面后再次水平弯折，依次排列在导电衬底1的上表面上。带电粒子束通道5位于该静电透镜的中心位置，从上至下贯通氮化硼介电层3、石墨烯电极层2和导电衬底1。在使用时，通过电极线4的引脚为每层石墨烯电极层2分别施加偏压，即可实现静电透镜的聚焦和加速电子束的作用。下面以具体示例进一步说明：
35.导电衬底1可以选择掺杂硅衬底等具有较好电导率的衬底，既可以是n型掺杂(磷，砷等元素)，也可以是p型掺杂(硼元素)，优选电阻率在0.01ω
·
cm以下。在选择掺杂硅衬底作为导电衬底1的情况下，其上表面例如可覆盖约100nm的sio2作为绝缘层，导电衬底1的总厚度约为500um。石墨烯电极层2的设置可以通过机械转移或分子束外延制膜方法等工艺来实现，在导电衬底1上形成1cm*1cm大小的石墨烯电极层2，每层石墨烯电极层2可包含单层石墨烯，或包括多层石墨烯，根据石墨烯层数的不同，石墨烯电极层2的厚度可为1nm-10nm。电极线4的设置可通过光刻、电子束刻蚀或真空镀膜等方法在石墨烯电极层2上进行制作宽度10nm-100nm、厚度5nm-10nm的金属线，例如铜金属线来实现。氮化硼介电层3的设置也可以通过机械转移或分子束外延制膜方法等工艺来实现，在石墨烯电极层2上形成氮化硼介电层3，对石墨烯电极层2形成全覆盖，每层氮化硼介电层3可包含单层氮化硼，或包括多层氮化硼，根据氮化硼层数的不同，氮化硼介电层3的厚度可为1nm-10nm。通过上述方式，可以进行石墨烯电极层2和氮化硼介电层3的重复堆栈，层数可达成百上千。带电粒子束通道5的设置可通过使用聚焦离子束对堆栈结构中心进行刻蚀等方式获得，其直径为50nm-10um。
36.本实用新型改变了传统静电透镜使用金属材料作为电极的思路，创造性地采用二维材料进行静电透镜的设计。二维材料电极和氮化硼介电层的单层厚度均可控制在10nm量级，在0.1mm的厚度内可以实现几千组电极的堆叠。该设计可以在实现静电透镜对带电粒子束聚焦和加速的效果前提下，大大减小透镜的体积与重量。同时，由于二维材料本身的平整度在纳米级别，离子束刻蚀又具有极高的精度，因此该设计能够保证极高的加工精确度。
37.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。