專利名稱：用于電子顯微鏡的操縱器載體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在電子顯微鏡內(nèi)操縱和測試微米和納米級別的試樣的系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于電子顯微鏡的操縱器載體，一種將操縱器載體運送進電子顯微鏡內(nèi)的系統(tǒng)、以及將本發(fā)明的操縱器載體運送進電子顯微鏡內(nèi)的方法。
背景技術(shù)：
由于掃描電子顯微術(shù)(scanning electron microscopy, SEM)與原子力顯微術(shù)相比而言提供低至幾個納米的圖像辨析率和相對高的幀頻，因此已將操縱器安裝在掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)內(nèi)以用于對納米級別的試樣進行分析、操縱或測試。舉例而言，納米操縱器被構(gòu)建和用于位于SEM內(nèi)的拉伸負荷單獨碳納米管中， 以便表征它們的機械特性(M.-F. Yu, 0. Lourie, M. J. Dyer, K. Moloni, Thomas F.Kelly,和 R. S. Ruoff, “Strength and breaking mechanism of multiwalled carbonnanotubes under tensile load,” Science,卷 287，頁數(shù) 637-640，2000)。同樣，在 SEM內(nèi)，采用微操縱器將預(yù)制光子板(photonic plate)組裝成新穎的三維光子晶體(K. Aoki,H. T. Miyazaki, H. Hirayama, K. Inoshita, T. Baba, K. Sakoda, N. Shinya,和 Y.Aoyagl, “Microassembly of semiconductor threedimensional photonic crystals, ”Nat. Mater.,卷 2，頁數(shù) 117-121，2003)。美國專利 No. 6，580，076 公開了用于在 SEM內(nèi)以高可重復(fù)性來拾取與放置(pick-and-place)微型物體的微操縱方法。由于前述賦予的能力，故自從20世紀70年代以來多個公司和大學(xué)實驗室已經(jīng)研發(fā)了用于SEM的若干個納米操縱系統(tǒng)。最初，操縱器被裝配到SEM的樣品更換室(J. B.Pawley, “A dual needle piezoelectric micromanipulator for the scanning electronmicroscope,” Rev. Sci. Instrum.,卷 43，頁數(shù) 600-602，1972)或者位于室壁上的真空饋入裝置(I. Kawabata, Y. Nomura,和 S. Shuto, “Microdissection within SEMusing new micromanipulator, ” J. Electron Microsc,卷 30，頁數(shù) 85-88，1981)。在這兩種安裝途徑中，操縱器的驅(qū)動元件全部位于樣品室的外部，而僅末端執(zhí)行器(endeffecter )插入內(nèi)部。而且，它們都具有不論是樣品更換室還是饋入裝置都不能容納一個以上的操縱器的局限。由于SEM納米操縱的很多應(yīng)用需要兩個或更多操縱器的協(xié)作，因此大多數(shù)現(xiàn)存的納米操縱系統(tǒng)使多個操縱器裝配到平臺/固定裝置上，所述平臺/固定裝置緊固到SEM內(nèi)的樣品載臺上。美國專利No. 6，891，170和No. 7，220，973 B2 (Zyvex公司)公開了一種操縱系統(tǒng)，其包含被耦接到與顯微鏡載臺界面接合的平臺的一個或多個可拆卸的操縱器模塊。在由Zyvex公司研發(fā)的若干納米操縱系統(tǒng)中，舉例而言，Zyvex SlOO系統(tǒng)含有四個納米操縱器，并可用于表征納米材料的物理特性(WWW. zyvex. com)。歐盟專利No. DE102007035950 和 No. TO2008128532 (Klocke Nanotechnik)公開了一種納米機器人模塊和一種用于將納米機器人模塊固定到真空載臺的更換適配器。相似地，Kleindiek Nanotechnik GmbH、Attocube Systems AG 以及 SmarAct GmbH 也給 SEM納米操縱系統(tǒng)提供了多個操縱器模塊。在大學(xué)實驗室中，通常通過將商業(yè)上可獲得的納米定位裝置組裝成多個自由度的操縱器，也研發(fā)了 SEM納米操縱系統(tǒng)。由于磁場與SEM成像互相作用，因此壓電元件經(jīng)常用于構(gòu)成SEM可兼容的致動器。美國專利No. 6, 800, 984 (Physik Instrumente GmbH &Co.)公開了一種壓電線性驅(qū)動器，其包含一組被構(gòu)造成驅(qū)動位于導(dǎo)引裝置內(nèi)的構(gòu)件的壓電致動器堆。美國專利No. 6, 661, 153 (Nanomotion Ltd.)公開了用于通過激發(fā)具有多個電極組的壓電馬達中的振動而驅(qū)動壓電馬達的方法和設(shè)備。美國專利No. 6，476，537和No.
6,707, 231 (New Focus Inc.)公開了用于控制被耦接到從動構(gòu)件的壓電致動器的方法和設(shè)備。美國專利 No. 5，568，004 和 No. 5, 994, 820 (Kleindiek Nanotechnik GmbH)公開了基于壓電致動器的機電定位裝置。專利W0/2009/037693 (Piezo Nano-Technology Ltd)公開了基于光滑-滑動(slick-slip)原理的壓電旋轉(zhuǎn)式馬達。
舉例而言,通過將由New Focus Inc.制成的多個壓電致動器進行整合,構(gòu)建出具有多個運動單元的若干個SEM納米操縱系統(tǒng),例如(T. Fukuda, M. Nakajima, P. Liu,和 H. EiShimy, uNanofabrication, nanoinstrumentation, and nanoassembly bynanorobotic manipulation,” Int. J. Robot. Res.,卷 28，頁數(shù) 537-547，2009)、(D.Nakabayashi, P. C. Silva,和 D. Ugarte, “Inexpensive two-tip nanomanipulatorfor a SEM, ” Appl. Surf. Sci.,卷 254，頁數(shù) 405-411，2007)、以及(M.-R Yu, Μ.J. Dyer, G. D. Skidmore, H. ff. Rohrs, X. -K. Lu, K. D. Ausman, J. R. Von Ehr,和 R. S. Ruoff, “Three-dimensional manipulation of carbon nanotubes under ascanning electron microscope,，，Nanotechnol.,卷 10，頁數(shù) 244-252，1999)。與固定到板上的操縱器不同，研發(fā)了一種由壓電盤致動的移動式微型機器人用以在裝配到SEM載臺上的玻璃基板上自由移動(A. Kortschack, A. Shirinov, T. Truper,和 S. Fatikow,“Development of mobile versatile nanohandling microrobots: design, drivingprinciple, haptic control, ” Robotica,卷 23， 419-434， 2005) (S. Fatikow, T.ffich, H. Hulsen, T. Sicvers,和 M. Jahnisch, “Microrobot system for automaticnanohandling inside a scanning electron microscope,” IEEE/ASME Trans.Mecha.,卷12，244-252，2007)。與固定式微操縱器相比，這種移動式微型機器人具有較大的工作空間、但較低的定位分辨率。為了與試樣互相作用，SEM納米操縱器應(yīng)該攜載具有機械連接和電連接二者的末端執(zhí)行器，例如探針、AFM懸臂、或夾具。末端執(zhí)行器之所以頻繁地更換，主要是因為它們易于損壞(例如彎曲和破裂)。由于所有現(xiàn)有的SEM納米操縱系統(tǒng)被緊固到高真空樣品室內(nèi)，因此更換末端執(zhí)行器就必需打開樣品室，這不僅污染該室(因此使成像性能更差)，而且引發(fā)漫長、耗時的抽氣過程。因而，期望在不打破高真空的情況下，納米操縱系統(tǒng)能移入和移出樣品室。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于將一個或多個操縱器運送進電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)的載體裝置，其特征在于，所述載體裝置包括(i)平臺，所述平臺具有用于將所述一個或多個操縱器以可拆卸的方式固定到所述平臺的固定器件；以及(ii)電連接器，所述電連接器固定到所述平臺，用于所述一個或多個操縱器的電連接。在本發(fā)明的一個方面，所述載體裝置還包括用于將所述載體裝置耦接到所述電子顯微鏡的試樣載臺的器件。在本發(fā)明的另一個方面，所述電子顯微鏡包括樣品更換室，并且其中所述載體裝置構(gòu)造成用于穿過所述電子顯微鏡的樣品更換室運送進所述真空樣品室內(nèi)，由此保持所述
真空樣品真空室內(nèi)的真空。在本發(fā)明的又一個方面，所述載體裝置還包括構(gòu)造成用于耦接到所述電子顯微鏡的試樣載臺的基部，并且其中所述基部包括接合部，用于將所述操縱器載體以可釋放的方式連接到插入桿，其中所述插入桿能夠?qū)⑺鲚d體裝置從所述更換室運送到所述真空樣品室。
在本發(fā)明的再一個方面，所述載體裝置的平臺還包括用于以可釋放的方式耦接到試樣保持器的附接器件。在本發(fā)明的另外一個方面，所述載體裝置的平臺包含用于容納用于通過所述一個或多個操縱器進行成像和/或操縱的試樣的空間。在本發(fā)明的另外一個方面，所述載體裝置還包括以可拆卸的方式固定到所述平臺的一個或多個操縱器。在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于將一個或多個操縱器運送進電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括(a)載體裝置，其中所述載體裝置包括(i)平臺，所述平臺具有用于將所述一個或多個操縱器以可拆卸的方式固定到所述平臺的固定器件；以及(ii)電連接器，所述電連接器固定到所述平臺，用于所述一個或多個操縱器的電連接；以及(b) —個或多個互補電連接器(complementing electricalconnector),所述一個或多個互補電連接器固定在所述電子顯微鏡的所述真空樣品室的內(nèi)部，其中所述互補的一個或多個電連接器構(gòu)造成用于與位于所述載體裝置上的電連接器配
入
口 ο在本發(fā)明的一個方面，用于將一個或多個操縱器運送進真空室內(nèi)的系統(tǒng)的特征在于，所述載體裝置還包括用于將所述載體裝置耦接到所述電子顯微鏡的試樣載臺的器件。在本發(fā)明的另一個方面，用于將一個或多個操縱器運送進真空室內(nèi)的系統(tǒng)的特征在于，所述載體裝置還包括以可拆卸的方式固定到所述平臺的一個或多個操縱器。在本發(fā)明的又一個方面，用于將一個或多個操縱器運送進真空室內(nèi)的系統(tǒng)的特征在于，所述電子顯微鏡包括樣品更換室，并且其中所述載體裝置構(gòu)造成用于穿過所述電子顯微鏡的樣品更換室運送進真空樣品內(nèi)，由此保持所述樣品真空室內(nèi)的真空。在本發(fā)明的另外一個方面，用于將一個或多個操縱器運送進真空室內(nèi)的系統(tǒng)的特征在于，所述載體裝置還包括構(gòu)造成用于耦接到所述電子顯微鏡的試樣載臺的基部，并且其中所述基部包含接合部，用于將所述載體裝置以可釋放的方式連接到插入桿，其中所述插入桿能夠?qū)⑺霾倏v器載體從所述更換室運送到所述真空樣品室。在本發(fā)明的再一個方面，用于將一個或多個操縱器運送進真空室內(nèi)的系統(tǒng)的特征在于，所述系統(tǒng)還包括附接到所述電子顯微鏡的試樣載臺、用于將所述互補電連接器固定在所述真空樣品室內(nèi)部的裝配器件，其中所述裝配器件構(gòu)造成避免干涉所述電子顯微鏡的部件。
在本發(fā)明的另外一個方面，用于將一個或多個操縱器運送進真空室內(nèi)的系統(tǒng)的特征在于，所述互補電連接器還包含導(dǎo)引裝置，用于導(dǎo)引位于所述載體裝置上的所述一個或多個電連接器與所述互補的一個或多個電連接器的配合。在本發(fā)明的另外一個方面，用于將一個或多個操縱器運送進真空室內(nèi)的系統(tǒng)的特征在于，所述平臺還包括用于以可釋放的方式耦接到試樣保持器的附接器件。在本發(fā)明的另一個方面，用于將一個或多個操縱器運送進真空室內(nèi)的系統(tǒng)的特征在于，所述平臺包含用于容納用于成像和/或操縱的試樣的空間。在本發(fā)明的又一個方面，用于將一個或多個操縱器運送進真空室內(nèi)的系統(tǒng)的特征在于，所述系統(tǒng)還包括脫離系統(tǒng)，所述脫離系統(tǒng)位于所述真空室內(nèi)，用于使置于所述載體裝置的平臺上的試樣脫離由所述試樣載臺進行的所述載體裝置的移動，其中所述脫離系統(tǒng)包含用于將置于所述平臺的空間上的試樣提升的器件，并且其中所述脫離系統(tǒng)能夠支撐用于操縱和成像的試樣。
在本發(fā)明的又一個方面，用于將一個或多個操縱器運送進真空室內(nèi)的系統(tǒng)的特征在于，所述平臺還包含一個或多個孔，并且其中所述脫離系統(tǒng)包括一個或多個柱，所述一個或多個柱能夠延伸穿過所述一個或多個孔以提升置于所述空間上的試樣并支撐用于操縱和成像的試樣。在本發(fā)明的再一個方面，用于將一個或多個操縱器運送進真空室內(nèi)的系統(tǒng)的特征在于，所述脫離系統(tǒng)還包含驅(qū)動器件，所述驅(qū)動器件以可操作的方式連接到所述一個或多個柱，用于提升或降低所述一個或多個柱。在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于操縱電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)的試樣的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括(a)載體裝置，其中所述載體裝置包括(i)平臺，所述平臺具有用于將一個或多個操縱器以可拆卸的方式固定到所述平臺的固定器件；以及(ii)電連接器，所述電連接器固定到所述平臺，用于所述一個或多個操縱器的電連接；以及
(b)—個或多個互補電連接器，所述一個或多個互補電連接器固定在所述電子顯微鏡的真空樣品室的內(nèi)部，其中所述互補的一個或多個電連接器構(gòu)造成用于與位于所述載體裝置上的電連接器配合。在本發(fā)明的一個方面，用于操縱試樣的系統(tǒng)的特征在于，所述電子顯微鏡包括樣品更換室，并且其中所述載體裝置構(gòu)造成用于穿過所述電子顯微鏡的樣品更換室運送進真空樣品內(nèi)，由此保持所述樣品真空室內(nèi)的真空。在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于在不改變真空樣品室內(nèi)的真空的情況下將一個或多個操縱器運送到電子顯微鏡的真空樣品室的方法，其中所述電子顯微鏡包括樣品更換室，其特征在于，所述方法包括以下步驟(a)提供載體裝置，其中所述載體裝置包括(i )平臺，所述平臺具有以可拆卸的方式固定在所述平臺中的一個或多個操縱器；以及
(ii)電連接器，所述電連接器固定到所述平臺，用于所述一個或多個操縱器的電連接；(b)將具有所述一個或多個操縱器的所述載體裝置放置在所述更換室中；以及(c)將所述載體裝置從所述樣品更換室運送進所述真空樣品室內(nèi)。在一個方面，用于將一個或多個操縱器運送到真空樣品室的方法的特征在于，所述平臺還包括用于以可釋放的方式耦接到試樣保持器的附接器件，并且其中在步驟(b)之前，所述方法還包括將攜載試樣的試樣保持器附接到所述附接器件。
在一個方面，用于將一個或多個操縱器運送到真空樣品室的方法的特征在于，所述平臺還包括用于以可釋放的方式耦接到試樣保持器的附接器件，并且所述方法還包括
(d)將攜載試樣的試樣保持器穿過所述樣品更換室運送到所述真空樣品室；以及(e)將所述試樣保持器附接到位于所述真空樣品室內(nèi)部的所述平臺的附接器件。本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點包含
I.與所有現(xiàn)有操縱/納米操縱系統(tǒng)相比，裝配和拆卸包含納米操縱器在內(nèi)的操縱器、以及更換末端執(zhí)行器都不影響樣品室的高真空。2.因為在裝配/拆卸操縱器/納米操縱器、或末端執(zhí)行器更換時不打開真空樣品室，因此真空環(huán)境較少發(fā)生污染，導(dǎo)致了較好的成像性能。
3.因為不釋放樣品室內(nèi)的真空，因此抽氣時間不長，這在實踐中提供了顯著的便利性。4.本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)的設(shè)計不干涉包含用于成像/分析的掃描電子顯微鏡(SEM)在內(nèi)的電子顯微鏡的規(guī)律使用，提供了高度的靈活性。需要在SEM內(nèi)操縱/納米操縱的使用者和僅使用用于成像/分析(無需操縱/納米操縱)的SEM的使用者可在不干涉彼此工作的情況下使用相同的SEM。5.本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)提供了一種用于待被探測/操縱的諸如整個半導(dǎo)體晶片等具有較大面積的試樣的器件，能夠使標(biāo)準(zhǔn)SEM執(zhí)行當(dāng)前僅專用儀器能執(zhí)行的任務(wù)。


本文僅以舉例方式并參照以下附圖提供了一個或多個實施方式的簡要描述，其中
圖I圖不了掃描電子顯微鏡(SEM)的外部。圖2圖示了具有安裝用于與本發(fā)明的操縱器載體配合的適配器裝配件和電連接器的內(nèi)部SEM載臺。圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的操縱器載體。圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的試樣保持器。圖5圖示了附接到更換桿的用于將其轉(zhuǎn)移進樣品更換室內(nèi)的根據(jù)本發(fā)明的一個方面的操縱器載體。圖6圖示了通過更換桿被轉(zhuǎn)移進真空樣品室內(nèi)的根據(jù)本發(fā)明的一個方面的操縱器載體。圖7圖示了與適配器裝配件和電連接器建立連接的根據(jù)本發(fā)明的一個方面的操縱器載體。圖8圖示了被安裝到更換桿并置于樣品更換室內(nèi)的合適位置的具有樣品托座的樣品適配器(試樣保持器)。圖9圖示了耦接到位于真空樣品室內(nèi)的操縱器載體的樣品適配器。圖10圖示了在更換桿已拉出的同時樣品適配器保留在操縱器載體上。圖11圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的操縱器載體。圖12圖示了在為了提升置于操縱器載體上的晶片的目的而將Z-馬達安裝到SEM室的情況下的晶片探測配置。
圖13圖示了 Z-馬達借助于聯(lián)接裝置和四個支撐柱來驅(qū)動晶片離開操縱器載體。圖14是圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的方法示例的方塊圖。圖15是圖示了根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的方法示例的方塊圖。在附圖中，通過舉例的方式圖示出本發(fā)明的一個或多個實施方式。可以清楚理解，描述和附圖僅是出于圖示的目的并且作為輔助理解，而無意作為本發(fā)明的限制的限定。
具體實施例方式除非另有限定，本文所用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語都具有如本發(fā)明所屬的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同意思。同樣，除非另外指示，除了權(quán)利要求書里之外，使用“或”包含了 “和”，并且反之亦然。非限制性術(shù)語不被解釋為限制性的，除非明確闡述或上下文另外清楚指示(例如，“包含”、“具有”和“包括”通常指示“沒有限制地包含”)。包含在權(quán)利要求書中的單數(shù)形式，例如“一”、“一個”和“所述”包含復(fù)數(shù)個參考項，除非另外明確·闡述。這篇文獻中引用的所有公開物通過引用合并于此。參照附圖將詳細解釋本發(fā)明。本發(fā)明涉及在不破壞電子顯微鏡(EM)的樣品室中的高真空的情況下容許將一個或多個操縱器運送進和運送出電子顯微鏡的裝置、系統(tǒng)和方法。這樣，本發(fā)明提供了一種將操縱器安裝在EM內(nèi)的更高效和更EM可兼容的途徑。本發(fā)明容許攜載一個或若干操縱器的裝置載體穿過樣品更換室被移入和移出EM的真空樣品室。因此，在真空樣品室內(nèi)裝配和拆卸操縱器載體都不影響樣品室的高真空。末端執(zhí)行器(即裝配在操縱器上的末端工具)的更換也不影響樣品室的高真空。在本發(fā)明的一個方面，提供了用于在EM內(nèi)運送和放置一個或多個操縱器的載體裝置，其特征在于，所述載體裝置包括(i)用于一個或多個操縱器的平臺；以及(ii)用于將攜載的一個或多個操縱器電連接到EM內(nèi)的電部件的一個或多個電連接器。在本發(fā)明的另一個方面，一種用于將一個或多個操縱器運送進電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括Ca)載體裝置，其中所述載體裝置包括(i )平臺，其具有用于將所述一個或多個操縱器以可拆卸的方式固定到所述平臺的固定器件；以及(ii)電連接器，其固定到所述平臺，用于所述一個或多個操縱器的電連接；以及(b) —個或多個互補電連接器，其固定在電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)，其中所述互補的一個或多個電連接器構(gòu)造成用于與載體裝置上的電連接器配合。在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于在電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)操縱試樣的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括(a)載體裝置，其中所述載體裝置包括(i)平臺，其具有用于將一個或多個操縱器以可拆卸的方式固定到所述平臺的固定器件；以及(i)電連接器，其固定到所述平臺，用于所述一個或多個操縱器的電連接；以及(b)—個或多個互補電連接器，其固定在電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)，其中所述互補的一個或多個電連接器構(gòu)造成用于與載體裝置上的電連接器配合。以下討論和示例集中于本發(fā)明在掃描電子顯微鏡(SEM)情景中的應(yīng)用。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解本發(fā)明的這些以及其它替代性實施例作為本發(fā)明的自然延伸。例如，本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法可用于包含真空樣品室和樣品更換室的任何EM中，EM包含透射電子顯微鏡和反射電子顯微鏡在內(nèi)。在該文獻中，在廣義上使用術(shù)語“操縱器”以包含對微米或納米級別的試樣進行測試、處理或操作的裝置，其可能但不一定導(dǎo)致試樣的變化。例如，操縱器可輔助觀察試樣的特征。圖I圖示了典型的SEM的外部。真空樣品室90 (在圖10中示出了其內(nèi)部)是放置試樣以供成像的真空樣品室。真空樣品室90包含試樣載臺50。能夠使載臺50在真空樣品室90內(nèi)移動的驅(qū)動器件(電動馬達)通常位于定位于SEM的真空樣品室90外部的箱體120中，以避免電磁干擾電子束。樣品更換室130 (在圖5和8中示出了其內(nèi)部)是在樣品更換期間供樣品暫時停留的空間，使得樣品室90中的高真空將不受影響。為了將樣品(其也可稱作“試樣”)移入或移出真空樣品室90，樣品適配器(其在本領(lǐng)域中也可稱作“試樣保持器”)附接到更換桿40的端部，更換桿40可被手動地推和拉以使樣品適配器滑動穿過樣品更換室130并滑入真空樣品室90。在現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)有系統(tǒng)中，將納米操縱系統(tǒng)移入和移出真空樣品室90或更換操縱器的末端執(zhí)行器，需要每次打開高-真空樣品室90的門110，這導(dǎo)致樣品室90的污染和真空的破壞，其轉(zhuǎn)而又使漫長的抽氣過程成為必需。本發(fā)明描述 了在不打開樣品室門110的情況下用于將一個或多個操縱器移入和移出真空樣品室90的新穎系統(tǒng)、方法和裝置，由此使樣品室90內(nèi)保持真空。在樣品室90內(nèi)，如圖2中所圖示，可使用適配器裝配件60以將樣品適配器以可拆卸的方式固定到適配器裝配件60的槽64上，由此將樣品適配器耦接到SEM試樣載臺50以用于對樣品進行規(guī)律的SEM成像/分析。試樣載臺50可以是能夠沿XY方向移動以使試樣或試樣內(nèi)的關(guān)注目標(biāo)定位的、以及沿豎直的Z方向移動以對試樣調(diào)焦的機動化載臺。本發(fā)明利用適配器裝配件60用于以可拆卸的方式固定本發(fā)明的載體裝置以在EM內(nèi)運送和放置一個或多個操縱器，這就意味著不需要設(shè)計和安裝用于固定本發(fā)明的載體裝置的專用結(jié)構(gòu)，使得容納操縱系統(tǒng)并不影響SEM的規(guī)律使用。圖3圖示了本發(fā)明的操縱器載體裝置300的一個方面，其提供了用以轉(zhuǎn)移諸如納米操縱器等工具的器件以及用于將納米操縱器連接進EM內(nèi)部的電連接裝置。在本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于在EM內(nèi)運送和放置一個或多個操縱器的載體裝置300。在該方面，載體裝置300包括(i )載體平臺320 ;以及(i i ) 一個或多個電連接器330，用于將所攜載的一個或多個操縱器電連接到EM內(nèi)部的電部件。板320上的電連接器330將所攜載的工具電連接到位于SEM內(nèi)部和外部的電子和電部件，如以下進一步描述的。裝置300還可包括用于將所述一個或多個操縱器固定到平臺320的固定器件370。固定器件370能夠使操縱器以可拆卸的方式固定到平臺320。固定器件370包含例如緊固件，諸如螺釘或螺栓。裝置300還可包括用于將裝置300裝配到SEM的器件。這樣，載體裝置300可包括基部適配器，例如T-基部適配器340，適用于耦接到SEM的真空樣品室90內(nèi)部。例如，基部適配器340可構(gòu)造成與SEM樣品載臺50的槽64耦接，用于將整個載體裝置300固定到載臺50?；窟m配器340也可設(shè)置有用于將載體裝置300以可釋放的方式連接到插入或更換桿40的接合器件360，使得操縱器載體300可移入和移出真空樣品室90，如以下進一步描述的。裝置300的平臺320也可包含具有與槽64相似的構(gòu)造的槽或保持器裝配件350，用于接收用于操縱的試樣保持器。依據(jù)是否需要將樣品與操縱器載體裝置300 —起或分別地轉(zhuǎn)移，存在放置用于操縱的樣品的兩種方法。第一，例如在頂部上攜載樣品托座(未示出)的T-基部樣品適配器等樣品適配器，可插入操縱器載體300的保持器裝配件350，并與操縱器載體裝置300全部轉(zhuǎn)移進SEM內(nèi)。第二，例如圖4中所圖示的樣品適配器400等樣品適配器，可用于在操縱器載體300已安裝在室90內(nèi)之后將樣品轉(zhuǎn)移進SEM的真空樣品室90內(nèi)。參見圖4，樣品適配器400包括T-基部適配器410和轉(zhuǎn)移適配器430。為了將樣品適配器400轉(zhuǎn)移進已容納載體裝置300的樣品室90，更換桿40可以以可釋放的方式附接到位于轉(zhuǎn)移適配器430處的接合器件460。轉(zhuǎn)移適配器430也可采用T-基部適配器的形式，如圖4中所示。T-基部適配器410插入操縱器載體裝置300的槽350，用于將樣品適配器400固定到載體裝置300。然后，可將樣品放置在樣品托座420上，樣品托座420被裝配到T-基部適配器410。雖然在本文提供的公開內(nèi)容中適配器描述為T-基部適配器，但可以理解，其它類型的適配器也可用于本發(fā)明中。參見涉及用于操縱器的電連接裝置的圖2和6，能夠與電連接器330配合的互補電連接器530可固定在樣品室90內(nèi)，例如固定到被附接至SEM載臺50的裝配件70。適配器裝配件70的形狀應(yīng)該設(shè)計成避免其干涉SEM的部件，例如，避免其與意在限制SEM載臺的 運動的微動開關(guān)(micix) switch)相撞。另外，適配器裝配件70應(yīng)不阻礙用于對樣品進行其它分析的附加SEM檢測器，例如EDX檢測器?；パa電連接器530也可包含導(dǎo)引器件。位于互補電連接器530上的導(dǎo)引柱520可設(shè)計成插入電連接器330，使得位于載體平臺320上的電連接器330可與位于適配器裝配件70上的互補電連接器530嚴格對齊并且平滑配合。來自互補電連接器530的電纜(未示出)可連接到SEM的饋入端口，然后連接到位于SEM外部的電部件(例如操縱器驅(qū)動器/控制器)。為了容納互補電連接器530，僅打開樣品室門110一次，以便安裝攜載互補電連接器530和電纜的適配器裝配件70，攜載互補電連接器530和電纜的適配器裝配件70的存在不影響SEM的規(guī)律使用并因此可以是永久的。雖然圖2和6圖示了陰型互補電連接器530，其被示出連接到操縱器的陽型連接器330，但應(yīng)該理解，互補電連接器530可以是能與位于載體平臺320上的陰型連接器330配合的陽型連接器。任何合適類型的連接器均可用于本發(fā)明中，包含例如插頭和插座連接器或者PCI Express連接器。在將用于互補連接器530和電纜的適配器裝配件70安裝在樣品室90內(nèi)部之后，此時可將攜載了一個或多個操縱器的操縱器載體裝置300轉(zhuǎn)移進真空樣品室90內(nèi)，就像規(guī)律的SEM樣品適配器一樣。在圖5中，打開樣品更換室130的門，并且具有在機上(onboard)的一個或多個操縱器700 (圖3圖示了兩個操縱器)和電連接器330、被連接到更換桿40的裝置300，被裝配到樣品更換室130。關(guān)閉樣品更換室130的門，并且抽空空氣。一旦完成樣品更換室的抽空，就打開真空樣品室90，在不破壞樣品室90的真空的情況下，更換桿40將操縱器載體裝置300轉(zhuǎn)移進高-真空樣品室90內(nèi)，如圖6和7中所示。載體裝置300的適配器340可滑入適配器裝配件60內(nèi)的槽64中，并同時在具有或沒有用于對準(zhǔn)的導(dǎo)引柱520的輔助的情況下，操縱器載體裝置300上的連接器330與互補連接器530配合。操縱器載體裝置300的高度應(yīng)該設(shè)計為考慮到下述情況，即操縱器和樣品應(yīng)該位于與物鏡510相距適當(dāng)距離處，尤其是在SEM載臺升至其最高位置從而以最短的工作距離來觀察樣品之時。在載體裝置300轉(zhuǎn)移之后，可將更換桿40從載體裝置300移出和拉出，如圖7中所示。
圖8圖示了具有附接至其的桿40的樣品適配器400轉(zhuǎn)移進樣品更換室130內(nèi)。在不破壞真空的情況下，桿40將適配器400滑入真空樣品室90。適配器400滑動，直到它與槽350耦接為止(圖9)。然后，桿40回撤，留下與載體裝置300耦接的樣品適配器400，且在機上的操縱器700準(zhǔn)備操縱位于樣品適配器400上的試樣(圖10)。操縱器700可由壓電馬達/致動器組成，并可沿X、Y和Z方向移動或產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。位于操縱器內(nèi)部的定位器可借助于或不借助于來自整合的高辨析率編碼器的閉環(huán)位置反饋，以粗糙和精細兩種定位方式運行。諸如探針710等末端工具(即末端執(zhí)行器)可安裝在操縱器700上。探針710也可具有至陽型連接器330的電連接裝置。為了操縱任務(wù)也可安裝諸如夾持工具和管等其它類型的末端執(zhí)行器。操縱器和末端執(zhí)行器經(jīng)由連接器330和530電連接到SEM外部的電部件，并且最終連接到計算機。由持續(xù)監(jiān)控SEM圖像的操作人員借助于操縱桿/鍵盤或計算機程序來控制操縱器。另外，利用作為視覺傳感器的SEM的反饋以及操縱器和末端執(zhí)行器整合的位置/力傳感器的反饋，也可實現(xiàn)用于操縱任務(wù)的自動閉環(huán)控制。除了操縱小尺寸樣品(例如，諸如細胞、納米線、納米管等生物材料，以及微型機電·系統(tǒng)-MEMS裝置)，本發(fā)明的載體裝置300也可做出調(diào)整，從而在用于操縱相對較大試樣(例如整個半導(dǎo)體晶片或生物組織)的系統(tǒng)中使用。當(dāng)探測相對較小的試樣時，位于平臺320上的操縱器700能夠到達用于操縱的試樣內(nèi)部的所有關(guān)注的部位或位置。然而，當(dāng)探測相對較大試樣時，操縱器可能不能到達用于操縱的試樣內(nèi)部的所有關(guān)注的部位或位置。載體裝置300可通過其所附接的EM的試樣載臺50沿XY方向移動。如果試樣附接到載體裝置300，則載體裝置的移動導(dǎo)致試樣的相應(yīng)移動。因此，在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種容許操縱器到達諸如整個半導(dǎo)體晶片等相對較大樣品的內(nèi)部的所有關(guān)注的部位或位置處的新穎和獨特的系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明該方面，提供了一種系統(tǒng)，借助于該系統(tǒng)如晶片等相對較大的試樣可脫離由試樣載臺50進行的載體裝置300的移動，由此容許操縱器700有能力到達用于操縱的晶片的內(nèi)部的所有關(guān)注的部位和位置。圖11圖示了構(gòu)造成用于探測相對較大試樣的載體裝置900。諸如晶片等相對較大的試樣可放置在操縱器載體平臺920的中心處，在該中心處存在兩個或更多的通孔910，兩個或更多的通孔910容許位于操縱器載體900底下的支撐柱向上移動、穿過通孔910、接觸晶片，并將晶片沿豎直方向移離操縱器載體平臺920，由此使晶片脫離載體900繞著晶片的XY移動。以此方式，位于平臺920上的操縱器700能夠到達用于操縱的晶片內(nèi)部的所有位置。這樣，在另一方面，本發(fā)明提供了一種用于使試樣脫離載臺50和在機上攜載一個或多個操縱器700的載體裝置900的移動的系統(tǒng)。在各方面，用于使待被操縱的試樣脫離載體裝置900的移動的脫離系統(tǒng)包括一個或多個支撐柱，所述一個或多個支撐柱能夠提升置于載體平臺920上的試樣，并且支撐用于操縱和成像的試樣。以可操作的方式連接到一個或多個柱的驅(qū)動器件可用于提升或降低所述一個或多個柱。如圖12和13中所示，可將晶片970放置在在載體平臺920的中心處具有一個或多個通孔910的經(jīng)改型的操縱器載體裝置900上。所述一個或多個孔910的尺寸確定為容許諸如柱940等一個或多個支撐器件移動通過。諸如壓電馬達980等驅(qū)動器件可安裝到真空樣品室90的壁部或底部，或者SEM的真空樣品室90內(nèi)部的任何其它合適固定的結(jié)構(gòu)。借助于桿和支撐器件940，馬達980可將晶片970提離載體平臺920，如圖13中所圖示。因此，當(dāng)SEM載臺50沿著X方向和Y方向移動操縱器載體裝置900時，由于晶片在XY運動方面脫離SEM載臺50，因此末端執(zhí)行器的工作空間可覆蓋整個晶片。因此，本發(fā)明的運動系統(tǒng)提高了用于半導(dǎo)體晶片探測的標(biāo)準(zhǔn)SEM的能力。本發(fā)明也提供了用于在不改變真空樣品室90內(nèi)部的真空的情況下將一個或多個操縱器運送到電子顯微鏡的真空樣品室90的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面的方法包括以下步驟
(a)提供載體裝置300、900，其中所述載體裝置包括(i)載體平臺320，其具有以可拆卸的方式固定到載體平臺320中的一個或多個操縱器700 ;以及(ii)電連接器330，其固定到載體平臺320，用于所述一個或多個操縱器700的電連接；
(b)將具有所述一個或多個操縱器700的載體裝置330、900放置在樣品更換室130中；
以及
(c)將載體裝置300、900從樣品更換室130運送進真空樣品室90內(nèi)。圖14和15的流程示了在不破壞真空室90內(nèi)部的真空的情況下用于將本發(fā)明的載體裝置300、900運送進EM的真空樣品室90內(nèi)的方法的兩個非限制性示例。圖14圖示了用于運送載體裝置300、900的方法的示例，其中待被操縱的試樣與載體裝置300、900 —起被轉(zhuǎn)移到樣品真空室90。在方塊1401中，使用者選擇操縱器并將操縱器耦接/固定到載體裝置300、900。在方塊1402中，可將試樣直接放置在載體平臺上，或可將攜載試樣的樣品適配器插入槽350中。在方塊1403中，將更換桿附接到載體裝置300、900，并將載體裝置300、900裝配在樣品更換室130內(nèi)。關(guān)閉并抽空樣品更換室130。一旦抽空更換室130，則使用更換桿以將載體裝置300、900滑入或移入樣品室90 (方塊1404)。在真空樣品室90內(nèi)部，載體裝置300、900的基部340接合或耦接到試樣載臺50上的槽64，由此將載體裝置300、900耦接到試樣載臺50 (方塊1405)。與方塊1405的步驟同時進行，將位于載體裝置300、900上的電連接器330與定位在適配器裝配件70上的互補電連接器530耦接(方塊1406)。拆卸并且回撤桿40。此時操縱器起作用，并準(zhǔn)備好操縱試樣(方塊1407)。圖15圖示了用于運送載體裝置300的方法的另一個示例，其中，在已將操縱器載體安裝在真空樣品室90內(nèi)之后，樣品適配器(試樣保持器)400可用于將樣品轉(zhuǎn)移到樣品真空室90。方塊1501-1505圖示了除了試樣尚未放置在操縱器載體裝置300的平臺上之外，以與方塊1401-1406相似的方式用于將載體裝置300耦接到載臺50以及將電連接器330與互補連接器530配合的步驟。將更換桿40附接到具有放置在托座420上的樣品的試樣保持器400，并且將試樣保持器400裝配到樣品更換室130。一旦抽空樣品更換室130，就打開與樣品真空室90連通的門，并且桿40被用來將試樣保持器400滑入真空樣品室90內(nèi)并滑入位于載體裝置300上的保持器裝配件350上，由此將試樣放置在合適位置用于在回撤桿40之后成像和操縱。本領(lǐng)域技術(shù)人員可了解，本文所描述的一個或多個實施方式的其它變型是可能的，并可在不脫離本發(fā)明范圍的情況下實踐。
權(quán)利要求
1.一種用于將一個或多個操縱器運送進電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)的載體裝置，其特征在于，所述載體裝置包括(i)平臺，所述平臺具有用于將所述一個或多個操縱器以可拆卸的方式固定到所述平臺的固定器件；以及(ii)電連接器，所述電連接器固定到所述平臺，用于所述一個或多個操縱器的電連接。
2.如權(quán)利要求I所述的載體裝置，其特征在于，所述載體裝置還包括用于將所述載體裝置耦接到所述電子顯微鏡的試樣載臺的器件。
3.如權(quán)利要求I所述的載體裝置，其特征在于，所述電子顯微鏡包括樣品更換室，并且其中所述載體裝置構(gòu)造成用于穿過所述電子顯微鏡的所述樣品更換室運送進所述真空樣品室內(nèi)，由此保持所述真空樣品真空室內(nèi)的真空。
4.如權(quán)利要求3所述的載體裝置，其特征在于，所述載體裝置還包括構(gòu)造成用于耦接到所述電子顯微鏡的試樣載臺的基部，并且其中所述基部包含接合部，用于將所述操縱器載體以可釋放的方式連接到插入桿，其中所述插入桿能夠?qū)⑺鲚d體裝置從所述更換室運送到所述真空樣品室。
5.如權(quán)利要求I所述的載體裝置，其特征在于，所述平臺還包括用于以可釋放的方式耦接到試樣保持器的附接器件。
6.如權(quán)利要求I所述的載體裝置，其特征在于，所述平臺包含用于容納用于通過所述一個或多個操縱器進行成像和/或操縱的試樣的空間。
7.如權(quán)利要求I所述的載體裝置，其特征在于，所述載體裝置還包括以可拆卸的方式固定到所述平臺的所述一個或多個操縱器。
8.一種用于將一個或多個操縱器運送進電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括 (a)載體裝置，其中所述載體裝置包括(i)平臺，所述平臺具有用于將所述一個或多個操縱器以可拆卸的方式固定到所述平臺的固定器件；以及(ii)電連接器，所述電連接器固定到所述平臺，用于所述一個或多個操縱器的電連接；以及 (b)—個或多個互補電連接器，所述一個或多個互補電連接器固定在所述電子顯微鏡的所述真空樣品室的內(nèi)部，其中所述互補的一個或多個電連接器構(gòu)造成用于與位于所述載體裝置上的電連接器配合。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述載體裝置還包括用于將所述載體裝置耦接到所述電子顯微鏡的試樣載臺的器件。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述載體裝置還包括以可拆卸的方式固定到所述平臺的一個或多個操縱器。
11.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電子顯微鏡包括樣品更換室，并且其中所述載體裝置構(gòu)造成用于穿過所述電子顯微鏡的所述樣品更換室運送進所述真空樣品內(nèi)，由此保持所述樣品真空室內(nèi)的真空。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述載體裝置還包括構(gòu)造成用于耦接到所述電子顯微鏡的試樣載臺的基部，并且其中所述基部包含接合部，用于將所述載體裝置以可釋放的方式連接到插入桿，其中所述插入桿能夠?qū)⑺霾倏v器載體從所述更換室運送到所述真空樣品室。
13.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括附接到所述電子顯微鏡的試樣載臺并用于將所述互補電連接器固定在所述真空樣品室內(nèi)部的裝配器件，其中所述裝配器件構(gòu)造成避免干涉所述電子顯微鏡的部件。
14.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述互補電連接器還包含用于導(dǎo)引位于所述載體裝置上的所述一個或多個電連接器與所述互補的一個或多個電連接器的配合的導(dǎo)引器件。
15.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述平臺還包括用于以可釋放的方式耦接到試樣保持器的附接器件。
16.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述平臺包含用于接收用于成像和/或操縱的試樣的空間。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括脫離系統(tǒng)，所述脫離系統(tǒng)位于所述真空室內(nèi)，用于將置于所述載體裝置的所述平臺上的試樣脫離由試樣載臺進行的 所述載體裝置的移動，其中所述脫離系統(tǒng)包含用于將置于所述平臺的空間上的試樣提升的器件，并且其中所述脫離系統(tǒng)能夠支撐用于操縱和成像的試樣。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述平臺還包含一個或多個孔，并且其中所述脫離系統(tǒng)包括一個或多個柱，所述一個或多個柱能夠延伸穿過所述一個或多個孔，以提升置于所述空間上的所述試樣并支撐用于操縱和成像的試樣。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述脫離系統(tǒng)還包含驅(qū)動器件，所述驅(qū)動器件以可操作的方式連接到所述一個或多個柱，用于提升或降低所述一個或多個柱。
20.一種用于操縱電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)的試樣的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括 (a)載體裝置，其中所述載體裝置包括(i)平臺，所述平臺具有用于將一個或多個操縱器以可拆卸的方式固定到所述平臺的固定器件；以及(ii)電連接器，所述電連接器固定到所述平臺，用于所述一個或多個操縱器的電連接；以及 (b)—個或多個互補電連接器，所述一個或多個互補電連接器固定在所述電子顯微鏡的真空樣品室的內(nèi)部，其中所述互補的一個或多個電連接器構(gòu)造成用于與位于所述載體裝置上的所述電連接器配合。
21.如權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電子顯微鏡包括樣品更換室，并且其中所述載體裝置構(gòu)造成用于穿過所述電子顯微鏡的所述樣品更換室運送進所述真空樣品內(nèi)，由此保持所述樣品真空室內(nèi)的真空。
22.一種用于在不改變真空樣品室內(nèi)的真空的情況下將一個或多個操縱器運送到電子顯微鏡的真空樣品室的方法，其中所述電子顯微鏡包括樣品更換室，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (a)提供載體裝置，其中所述載體裝置包括(i)平臺，所述平臺具有以可拆卸的方式固定到所述平臺中的一個或多個操縱器；以及(ii)電連接器，所述電連接器固定到所述平臺，用于所述一個或多個操縱器的電連接； (b)將具有所述一個或多個操縱器的所述載體裝置放置在所述更換室中；以及 (c)將所述載體裝置從所述樣品更換室運送進所述真空樣品室內(nèi)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述平臺還包括用于以可釋放的方式耦接到試樣保持器的附接器件，并且其中在步驟(b)之前，所述方法還包括將攜載試樣的試樣保持器附接到所述附接器件。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述平臺還包括用于以可釋放的方式耦接到試樣保持器的附接器件，并且所述方法還包括 Cd)將攜載試樣的試樣保持器穿過所述樣品更換室運送到所述真空樣品室，以及 (e)將所述試樣保持器附接到位于所述真空樣品室內(nèi)部的所述平臺的附接器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將一個或多個操縱器運送進電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)的載體裝置，其特征在于，所述載體裝置包括(i)平臺，其具有用于將一個或多個操縱器以可拆卸的方式固定到平臺的固定器件；以及(ii)電連接器，其固定到平臺，用于一個或多個操縱器的電連接。本發(fā)明還涉及一種用于在不改變真空樣品室的真空的情況下將載體裝置運送進電子顯微鏡的真空樣品室內(nèi)的方法，包括運送本發(fā)明的載體裝置穿過電子顯微鏡的樣品更換室將并且進入真空樣品室。
文檔編號H01J37/20GK102971822SQ201080067319
公開日2013年3月13日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月7日
發(fā)明者孫鈺, 汝長海, 張勇 申請人:多倫多大學(xué)董事局