显微镜测量系统的制作方法

专利名称：显微镜测量系统的制作方法
显微镜测量系统 本发明涉及显微镜测量系统，涉及用于保持光学显微镜待测对象的腔室，涉及用
于在光学显微镜和该腔室之间提供气密连接的密封机构，以及涉及光学显微镜。 依照本发明的显微镜测量系统用于使用发光(luminescence)和3D发光显微术 (3D luminescence microscopy)来高分辨率测量温度和光学图像。例如，能够以< 1 P m的 分辨率测量温度和/或温度分布。 对微观目标物的高速热瞬变的精确测量和记录是至关重要的，例如在检查生物 对象中或在制造半导体和其他电子装置中。在集成电路的热管理中，对电子装置的操作 中温度和/或温度分布的测量是重要的。甚至更重要地，这种测量应当给出关于理解该 装置物理性质的信息，随后其会便于工艺优化。过去，对在操作装置中的空间和时间温度 分布建立模型以及实验记录方面已经有过一些工作，迄今为止报道的两种光学记录方法 是红外热显微术和与Raman显微术相结合的光发射显微术(G. Albright, J. St咖p， C. Li， Quantum Focus Ins. Corp. 禾口 H. Kaplan, Honeyhi11 Technical Company, Highlights, 2006 ;T. Fuyuki， K. Kitajima， H. Yano， T. Hatayama， Y. Uraoka， S. Hashimoto, Y. Morita， Thin Solid Films487，216-220，2005 ;Y. Uraoka， K.Kitaj ima， H. Kirimura， H. Yano， T.Hatayama， T.Fuyuki， Japanese Journal of Applied Physics 44， 2895-2901，2005 ; S. Inoue， M. Kimura， T.Shimoda， Japanese Journal of AppliedPhysics 42,1168-1172， 2003 ;A. Sarua，H. Li，M. Kubal，M. J. Uren，T. Martin, K. P. Hilton, R. S. Balmer，CS Mantech， Apr.24-27，2006， Vancouver, British Columbia, Canada ;J.W.Pomeroy， M.Kubal， M. J. Uren， K. P. Hilton, R.S.Balmer， T. Martin, Applied Physics Letters 88,023507， 2006)。 在现有技术中，已知将待测对象安装在显微镜平台上，例如微机械定位平台或扫 描压力平台，用于使支撑在该平台上的对象在x、y和z方向上运动。此外，已知使用微定位 器运载接触针头、镊子、吸液管等用于操纵待测对象。这种微定位器通常固定到位于该显微 镜平台周界周围的单独的支撑板上。由于该微定位器的机械设置、形状和尺寸，因此通常需 要将该显微镜的物镜位于与待测对象具有相当大的间距，因此导致较低的数值孔径，例如 0. 3NA。 此夕卜，已知在空气或真空中检测和表征样品，如以下的数据单中所述"M150 Measurement Platform", Cascade Microtech, Beaverton， Oregon, USA ;"S_1160 Probe Station", Advanced Microprobing Solutions, Gilroy， California, USA ;"VACP2200/ VACM200 Vacuum Station，，， Micromanipulator Company, Carson City， NV， USA ;"VFTTP4 ProbeStation"， Lake Shore Cryotronics， Inc. ， Westerville， Ohio, USA。 当在真空中进
行测量时，需要提供将整个探针站封入真空腔室中的真空探针站。该显微镜将安装到其外 部，使得该光学显微镜的物镜与待测对象之间将存在相当大的间距，使得难以实现高分辨 然而，当在操作过程中对敏感性可氧化的物质(例如生物样品或者没有钝化层的 半导体)进行测量时，或者当研究电子装置(例如晶体管，但并不限制于此)时，重要的是在受控气氛环境中进行这种工作。因此，存在着对如下显微镜测量系统的需要所述测量系 统在所有三个方向上(即在X、 y和Z方向上)都实现高物理空间分辨率，并且实现快速检 测和高的温度和/或光分辨，其中所述测量在需要保持在受控气氛中的对象上进行。
通过依照权利要求1的显微镜测量系统、依照权利要求16的用于保持待测对象的 腔室、依照权利要求20的用于在光学显微镜和腔室之间提供气密连接的密封机构以及依 照权利要求23的光学显微镜实现了该目的。 本发明提供了显微镜测量系统，其包括具有显微镜主体和与所述显微镜主体连接 的物镜机构的光学显微镜；包括用于将待测对象保持在其中的支撑机构的腔室，所述腔室 具有用于以使所述物镜机构基本位于所述腔室内部且所述显微镜主体基本位于所述腔室 外部的方式将所述物镜机构插入所述腔室中的开口 ；和以密封所述腔室的方式在该光学显 微镜和该腔室之间提供密封连接(tight connection)的密封机构。该光学显微镜和该腔 室之间的连接使得该腔室或者气密密封，或者允许有限量的空气流动。在后一种情况中，优 选通过在该腔室中建立正压使得包含在该腔室中的气体可以以受控速率逃逸但没有气体 或空气可以通过该密封进入腔室，将该腔室类似于洁净室操作。此外，还可以在稍微真空下 (例如在10—2、10—3或10—4巴)操作该腔室。因此，本发明提供了其中待测对象可以位于保持 受控气氛(例如惰性气氛或低度真空)的腔室中的显微镜测量系统。能够将该光学显微镜 部分插入所述腔室中，使得能够将显微镜的物镜与待测对象之间的间距设定在最小值。这 可以通过提供用于在光学显微镜和腔室之间实现基本气密连接的新型密封机构而实现。
在本发明的优选实施方案中，该物镜机构适于相对于该显微镜主体转动，以及该 密封机构适于使该物镜机构相对于该显微镜主体转动。此外，该密封机构优选也适于允许 所述物镜机构沿其纵轴(z)运动以及沿着和其垂直的方向(也即，x、y和z方向)移动。
在本发明的优选实施方案中，该密封机构包括环系统，其包括与所述腔室的所述 开孔固定连接且与其密封的腔室环、与所述物镜机构固定连接且与其密封的物镜环、和以 允许所述物镜环相对于适配环(ad即terring)转动的方式安装到所述物镜环上的所述适 配环、和以使所述腔室环和所述适配环之间存在气密性密封的方式安装到所述腔室环和所 述适配环两者上的柔性套筒。 优选地，该柔性套筒适于允许所述腔室环和所述适配环之间沿所述物镜机构的纵 轴相对运动以及沿着与其垂直的方向运动，即在x、 y和z方向上，运动。优选地，在该物镜 环和该适配环之间提供密封环。 在该优选实施方案中，该密封机构进一步包括用于将所述适配环安装到所述物镜 环上的辅助环，其中所述辅助环包括用于调节该物镜环和该适配环之间的接触压力由此调 节该腔室的内部气压的弹簧机构。 在本发明的优选实施方案中，将待测对象保持在惰性气氛下。为此目的，该腔室包 括用于将惰性气体(例如氮气(N2)或稀有气体(例如氦气或氩气))引入该腔室的气体入 口。当使用惰性气氛时，可以检测在工作过程中半导体装置有无钝化层或其他容易氧化的 敏感物质。优选地，也有氧化物传感器在该腔室内或与其连接，以确保腔室内的气氛不含氧 气。此外，可以将该腔室内的气体保持在略高于大气压(> 1巴)的压力下，从而允许受控 气流逃逸出该腔室，但防止气体通过该密封机构进入该腔室。 在该优选实施方案中，该支撑机构包括轻质铝台和安装在其上的扫描压力平台，该压力平台适于使支撑在其上的对象在x、 y和z方向上运动。此外，可以将该腔室整体安 装在扫描x-y台或x-y-z台上，以对待测对象在x和y方向上以及也可能在z方向上进行 粗调节。此外，在该扫描压力平台上或在其侧面安装有对象夹持器和至少一个纳米操纵器。 优选地，选择非常小且轻质的纳米操纵器，例如Kleindiek NanotechnikGmbH，Reutlingen， Germany的纳米操纵器。优选使用小且轻质的纳米操纵器以将该台上的负载保持尽可能小， 以及以使待测对象之上及其周围的空间保持尽可能空。 依照优选实施方案，该物镜机构包括负载一个或多个物镜的转动器。此外，将该物 镜机构插入该腔室内，使得所述物镜之一和所述待测对象之间的间距能够小于6mm，优选为 lnm 5mm。该间距将取决于所用的显微镜的类型，例如使用SN0M物镜的扫描近场显微镜、 经典显微镜或共焦扫描显微镜。如果使用扫描近场显微镜，优选使用适合的纤维与物镜相 结合，以使能够接近待测对象。在这种情况下，该间距可以小至5nm 30nm或甚至更小。在 本发明的另一实施方案中，该光学显微镜是共焦发光显微镜或受激发射消耗(STED)显微 镜，其中该物镜和待测对象之间的间距会是约数毫米。 近场扫描光学显微术允许扩展对薄膜和界面的纳米尺寸光学特征的测量和标准 基础结构建设(standards infrastructure)。近场扫描光学显微术(NSOM)开发用于定量 评估表面，特别着重于了解有机多组分膜。目前的设备包括构建在线性化弯曲台的度量学 NSOM、适用于研究生物或biomematic膜的湿单元NSOM (wet-cell NSOM)、近场探针制备和 评估设备。 近场扫描光学显微术(NSOM)是一种其中使用次波长光源作为扫描探针的显微 术。该探针在高于表面数纳米的高度在表面上扫描。在一种实施方案中，使用在锥形且涂 覆铝的光纤的端部上的小孔作为探针。通过用小光源的"近场"照射样品，可以以远远高 于通常"衍射极限"的分辨率(典型地约为50nm)构造光学图像。可以使用NSOM研究聚 合物掺混物和复合物，应当可以使用相同的技术来能够定量评价这种膜。可以同时使用 荧光、透射和拓扑测量与模型化相结合来研究聚合物掺混物的面分离。在NIST Physics Laboratory, Gaithersburg， MD， USA的公开文件中可以发现更多关于NSOM的信息，例如在 http://physics, nist. gov/divisions/div844/facilities/NS0M/NS0M. html禾口此处给出 的相关公开文件。 本发明还提供了用于保持光学显微镜的待测对象的腔室，该腔室包括用于将待测 对象保持在其中的支撑机构，且具有用于以使所述物镜与所述待测对象以预设间距基本位 于所述腔室内部的方式将所述显微镜的物镜插入所述腔室中的开口 ；和以密封所述腔室的 方式在该光学显微镜和该腔室之间提供基本气密性连接的密封机构。 本发明进一步提供了用于在光学显微镜和待测对象位于其中的腔室之间以密封 所述腔室的方式提供基本气密连接的密封机构，所述密封机构包括环系统，其包括可与所 述腔室的所述开口连接的腔室环、可与所述光学显微镜的物镜连接的物镜环、和以允许所 述物镜环相对于适配环转动的方式安装到所述物镜环上的所述适配环、和以使所述腔室环 和所述适配环之间存在密封的方式安装到所述腔室环和所述适配环两者上的柔性套筒。
依照另一方面，本发明提供了光学显微镜，具有显微镜主体和与所述显微镜主体 连接的物镜机构；其中在该物镜机构上安装密封机构，用于在该光学显微镜和将该物镜机 构插入其中的开口之间提供基本气密性连接。
本发明优选与共焦发光显微镜结合用于未决的欧洲专利申请EP 06026 681中所 述的温度和/或温度分布测量的方法中。该参考文献的整体内容通过引用接合进来。依 照该文件，通过进行以下步骤在对象(例如电子装置或生物对象)中以< lPm的分辨率 测量温度或温度分布a)提供对象，b)在所述对象或所述对象的一部分表面上施加测温层 (athermometer layer)，在此处将要测定温度和/或温度分布，所述测温层包括基体和具 有温度依赖性发射特征的测温分子(molecularthermometer)，所述测温分子埋置于所述基 体内，所述测温层具有《40nm的厚度，优选在10nm 40nm的范围，c)提供具有光源、第一 检测器、第二检测器和用于接收和扫描待测样品的显微镜平台的显微镜，d)将所述对象置 于所述显微镜平台上，并使用所述光源光激发所述测温分子，e)通过使用所述第一和所述 第二检测器测量发光强度比来测定所述光激发的测温分子的辐射发射，其中所述发光强度 比是在第一和第二波长处的发光强度之比，其中所述第一和所述第二检测器分别用于测量 所述第一和第二波长处的发光强度，f)基于所述测定的发光强度比确定温度和/或温度分 布。 此处所用的"测温层"用于表示包括聚合物基体和埋置在其中的测温分子的层。 此处所用的"测温分子"用于表示具有温度依赖性发射特征的分子物种或数种分子物种的 组合。术语"测温分子"意于包括其荧光和/或磷光发射强度特征是温度依赖性的任何元 素物质、化合物或化合物和/或元素物质的混合物。优选地，"测温分子"具有在ps P s 范围的其激发态(一个或多个)的寿命。测温分子的优选实施方案是选自包括以下的组 的染料或染料组合金属卟啉(有时也称作"金属化卟啉")、对于> 1% (优选>50%， 更优选> 90%)的激发单态而言一旦进行光激发就会发生从单态到三重态的系间跨越 (inter-system crossing)的分子、以及在其结构中具有Ir、 Pt、 Ru或Pd或其他例如Zn、 Fe、Au、Ag等且具有对于〉1% (优选> 50%，更优选> 90% )的激发单态而言一旦进行光 激发就会发生系间跨越(inter-system crossing)的有机金属分子。总之，可以使用具有 热激发波段的任意发射染料或至少两种发射染料的任意组合作为测温分子，其发光强度随 温度变化。 特别优选的测温分子是金属化卟啉(M0EP)，其中该金属选自Pt、Pd、Zn、 Ir和Ru、 Fe、Mg、Co、Ni等。对于这些分子，温度依赖性发光强度比是在所述第一波长处源自该卟啉 分子的单态的荧光强度(非必要地包括在三重态-三重态湮灭过程之后的迟滞荧光)与在 所述第二波长处源自该卟啉分子的激发三重态的磷光强度之比(Ii^/Ists)。
依照优选实施方案，测温分子埋置于其中的基体是光学透明的和/或惰性的，优 选是光学透明的和惰性的。当与基体结合使用时，术语"光学透明的"意于表示这种基体在 埋置于所述基体内的测温分子的发射波长范围内是透明的。优选地，此处使用的术语"光 学透明的"意于表示在500nm 1500nm范围内的透明度。当与基体结合使用时，术语"惰 性的"意于表示这种基体是化学惰性的，即其不发生化学反应。优选地，该术语意于表示该 基体与埋置于该基体内的测温分子不发生化学反应的事实。因此，优选地，该术语"惰性的"
在此处与"对于该测温分子是化学惰性的"以相同含义使用。"具有一旦光激发就发生系间跨越的分子"意于表示其中在不同多重态之间发生 分子内无辐射跃迁的分子，其中所述跃迁称作系间跨越(inter-system crossing) (ISC)， 在我们的情况下特别为S— > Tn。特别地， 一旦光激发，就会发生激发电子从单态到三重态的跃迁。如果在本上下位中提到发生这种系间跨越(inter-system crossing)的百分比值 ("对于> x^的激发单态")，这意于表示处于发生这种系间跨越(inter-systemcrossing) 跃迁的单态中电子的百分比。因此，如果> 1%的激发单态发生系间跨越(ISC)，这意味着 所有处于激发单态的电子的> 1%跨越到三重态。 此处所用的"三重态_三重态湮灭过程"意于表示两个都处于三重态的测温分子 相互作用(通常一旦碰撞时)以产生一个激发单态的分子和另一个基单态分子的过程。这 之后经常但不总是发生迟滞荧光。 因此，在优选实施方案中，发光强度比是所述测温分子在所述第一波长处的单态 荧光强度(其可以是迟滞荧光和瞬时荧光的混合)与所述测温分子在所述第二波长处的激 发三重态磷光强度之比。该荧光强度可以是迟滞荧光和瞬时荧光的混合。优选地，该迟滞 荧光是在三重态-三重态湮灭过程之后的迟滞荧光。此处所用的术语"瞬时荧光"是未迟 滞的荧光。 如果对于> 50%的激发单态Sn发生系间跨越到达三重态Tn，这样确保了高密度 的三重态水平Tn，其发射检测为磷光。如上所述，三重态_三重态湮灭之后是内部升频转换 (internal up-conversion)，其可以导致了迟滞荧光。该迟滞荧光发生在第一波长处，磷光 发生在第二波长处，分别用第一和第二检测器检测其各自的强度。 原则上，可以参照

图1描述各自过程，其显示了作为测温分子实例的八乙基卟啉 钯(PdOEP)的能量图和分子结构。其原理如下在该分子的单态波段中吸收光子之后， 由于由耦合到该分子的金属中心的自旋轨道强烈提高的有效系间跨越(inter-system crossing) (ISC)(在该分子中> 90% )，使该分子的长寿命三重态1\高度密集。该三重态可 以认为是用于随后能量转移的激发态储存器。由于激发的测温分子自身之间的三重态-三 重态湮灭(TTA)过程，测温分子之一回到基态，另一个激发到更高的单态。这种从三重态到 基态的发射弛豫是磷光，而来自更高单态的发射弛豫可以检测为迟滞荧光。
本发明人惊奇地发现可以将测温层施加到对象上，并使用高分辨率显微技术研究 所述对象，并由此能够以空前高的精度、高时间分辨率和高空间分辨率测定该对象内或其 上的温度和/或温度分布。与之前的方法不同，不需要单独的分子加热层，该方法也不依赖 于Raman显微术或红外热显微术。与本发明结合使用的优选显微术方法是共焦显微术和受 激发射损耗显微术(STED)。 在典型的STED显微镜中，激发光束和环形光束重叠，所述环形光束能够通过受激 发射来使荧光团去除激发。该光束的共排列(co-alignment)确保荧光仅能在其中该环状 光束接近零的激发点的中线区域内。用窄点在该样品上扫描容易产生次衍射图像。用十分 强的环状光束，原则上，可将STED显微镜的荧光光点锐化到分子尺寸(例如参见Wilig等， 2006， Nature Vol. 440， p.935—939)。 通过将共焦显微术与常规表面荧光显微术(印ifluorescencemicroscopy)进行 比较能够解释共焦显微术的原理。在常规表面荧光显微镜中，彩色反射镜将较短波长的激 发光反射通过物镜并将整个样品浸入相当均匀的照射中。该彩色反射镜具有反射短波长光 并透射较长波长的光的性质。发射的荧光(例如比激发光波长更长)从该样品通过并直通 过该彩色反射镜到达目镜。 在共焦成像系统中，用激发光的单点(或有时是一组点或狭缝)横跨样品扫描。该点是在样品上的衍射受限点，其是通过将位于共轭焦平面中的受照孔成像到该样品上或 者更通常地通过聚焦平行激光束而形成的。仅用单点照射，随着该光束聚合和发散，该照射 强度在焦平面上方和下方快速降低，因此降低用于干涉位于被测焦平面外的对象的照射激 发。发光光线(即信号)返回通过分色反射镜(镜子)然后通过位于共焦焦平面中的针孔 到达样品。该孔阻挡任意从远离照射点附近的区域散发的光，由此提供对离焦干涉的进一 步削弱。通过图像针孔的光被光检测器检测到。通常使用计算机控制样品的连续扫描，并 用于将用于显示的图像组合到视频监视器上。大多数共焦显微镜是作为与常规显微镜耦合 的成像系统实施的。 总之，共焦成像系统通过两种方式实现了离焦排除(out-of-focusrejection):
a)通过用聚焦光束在任一时刻照射样品的单一点，使得照射强度在焦平面上方和下方快速
减弱，和b)通过阻挡在共轭焦平面中的针孔到样品上，使得从远离所述样品中被照射点发
射处的光被遮蔽不能到达检测器。在有利条件下(小针孔尺寸、亮样品)，共焦成像可以提
供其他优点达到的分辨率可以是用常规操作的显微镜的分辨率的高达1. 4倍大。 共焦显微镜可以用于反射模式，仍表现出相同的离焦排斥性能。 在优选实施方案中，使用激光作为照射光源。而且，优选可以通过使用样品扫描平
台扫描获得样品的光学切面。更优选地，这种样品扫描平台是压力驱动平台。该平台在扫
描图案中在x-y方向上(x-y扫描)以微米间距移动。此外，增加显微镜平台的z运动允许
进行z扫描，并由此获得样品的一系列光学切面。而且，优选使用雪崩光电二极管作为检测
器。为确保各检测器针对特定波长，各检测器具有用于该待被该特定检测器检测的特定波
长的干涉滤光器。可替代地，也能使用光电倍增管代替雪崩光电二极管。 在优选实施方案中，该方法包括另外的校准步骤，其中使用用于测定温度的外部
装置。这种用于测定温度的外部装置例如是固定在覆盖有测温层的对象顶部的热电偶
PT-IOO(如NTB Sensordatenbank LaborElektronische Messsysteme ;Sensor No. 03，
Seiten 1-3， Baumgartner ;可商购自例如Endress+Hauser， Switzerland)。然后对该对象
宏观加热。在一种实施方案中，在该校准步骤过程中，各个发光强度比与测量其的相应温度
相关联。这种关联可以表示为测得的来自光激发测温分子的发光强度比和测定温度的关系
图表。从该操作中从得到可以称作"校准曲线"的图表，这对于本领域的技术人员是显而易
见的。同样地，该相同信息可以用适合的数学方程表示，例如在一些情况下，通过形式为y
=mx+b的线性方程。无论如何，由这种关联中得到的信息允许所述实验值进行内插或外推
并由任何测定的来自光激发的测温分子的发光强度比来测定温度，这对于本领域的技术人
员是显而易见的。同样地，得到的数据可以不必具有线性关系，这对于本领域的技术人员也
是显而易见的，但为了简单起见，给出该实施例以解释这种关联步骤的目的。 通过使用测温层，在不存在特定的加热层时，与这种高分辨率显微技术相结合，可
以得到在x-y平面上的空间分辨，所述空间分辨仅仅是衍射受限，而且可以低至〈200nm， 具体取决于数值孔径和激发光源波长。此外，在z方向上得到的分辨率仅取决于该测温层
的厚度，在10nm 40nm范围。而且，达到的灵敏度为0. 25K或更好，达到的响应时间短至
100ns。由于该测温层可以埋置于多层结构中，而且由于在待测对象内的不同深度处可以甚
至设置多于一个测温层，因此也可以实现三维图像和温度/温度分布的测定。 该方法与光源强度变化无关，因为测量的是发光强度比，其产生了该温度测量方法。 下面参考附图，其中 图1显示了作为活性测温分子实例的八乙基卟啉钯(PdOEP)的能量图和分子结 构， 图2显示了可以用于依照本发明的显微镜测量系统中的共焦显微镜装置的装置 示意图； 图3a显示了依照本发明的显微镜测量系统的示意图； 图3b显示了与图3a相似的图，没有电探针； 图4显示了依照优选实施方案的显微镜测量系统的透视图； 图5显示了与图4中相似的显微镜测量系统的类似图，其中部分移除该腔室的盖 子； 图6a和6b显示了在依照本发明的显微镜测量系统中在该光学显微镜和该腔室之
间提供气密性连接的密封机构的部分断面图和透视图； 图7显示了依照本发明的显微镜测量系统的断面透视图； 图8和9显示了用于解释依照本发明的显微镜测量系统用于检测在晶体管操作过 程中晶体管表面发出的发光信号的示意图； 图10显示了共焦显微镜检测关闭的晶体管和操作中的晶体管而检测到的图像； 和 图11显示了当增大通过单一晶体管的电流时共焦显微镜拍摄的图像发展。 图2显示了可以用于依照本发明的显微镜测量系统中的共焦显微镜装置的实施
方案的示意图，其中该样品io是应当测定其温度或温度分布以及在其上已经施加了测温
层(thermometer layer)的对象。 该共焦显微镜包括两个检测器12、14，用于检测发光强度比。检测器12、14中的 每一个具有相关的干涉滤光器16、 18以选择性检测特定波长。检测器12、14优选是雪崩 光电二极管，其将检测信号传送给计算机20，用于评估检测结果并控制扫描平台(图2中 未示出)。该共焦显微镜进一步包括高数值非浸没或浸没物镜22、陷波或边缘截止滤光器 24，以在该检测单元的入口处切断激发波长，该检测单元进一步包括分色光束分离器26和 两个检测器12、14。该分色光束分离器可以由调节到待两个检测器检测的波长的分色镜形 成。该光源(未示出)可以是激光、激光二极管或发光二极管，并不限制于此。该计算机22 包括用于控制和收集来自检测器的数据以及用于控制扫描平台的软件(图2中未示出)。
图3示意性地显示了依照本发明的显微镜测量系统的装置。该系统包括具有显微 镜主体30和物镜机构的光学显微镜，该物镜机构包括负载一个或多个物镜34的转动器32， 在图3中仅示出一个物镜34。该光学显微镜以如下方式设置该显微镜主体30位于腔室 36的外部，该物镜34位于所述腔室的内部。该腔室36是密封腔室，其适用于在其中保持惰 性气氛或真空。还可以将腔室内的气体保持在特定的正压下，而且允许气体从腔室受控流 出以逃逸到外部但相反不行。在图3中，示意性地显示了用于将惰性气体(例如氮气)引 入该腔室36内的惰性气体入口 38和/或能够用于从待测对象42或向其提供电信号的电 学和/或机械腔室连接器40。此外，可以提供气体出口以及其他连接器(例如传感器连接 器)等。待测对象42位于适于在x和y方向上水平移动以及在z方向上垂直移动的x-y-z压力平台44上。此外，图3显示了可以与该待测对象42连接的电探针46，例如通过使用纳 米操纵器。此外，可以将该腔室位于x-y平台上，所述x-y平台例如手动操作于实现对对象 42位置的粗调节。 密封机构48提供在光学显微镜(更特别地，物镜的转动器32)和腔室36之间。该 密封机构48的设计使其允许该转动器32和物镜34相对于该显微镜主体30转动以及另外 允许物镜34在垂直的z方向上和在水平的x和y方向上运动，其中在x和y方向上的运动 通常将在亚毫米范围内或至多数毫米。 因此，可以操作密封腔室36内的待测对象42并使物镜34非常接近该对象42，同 时保持转动该物镜34以及调节x-y位置和物镜的焦距以使该显微镜的分辨率最优化的可 能。使用该装置，可以提供降至200nm或更好的x-y分辨率以及400nm或更好的z分辨率。
此外，由于该测量是在惰性气氛中进行的，因此可以测定工作中的半导体装置的 发光以及来自其他需要保持在受控气氛下的样品的发光。例如，当检测工作中的晶体管时， 可以同时检测到来自该装置的表面的发光信号和由于该晶体管栅极内部的在表面以下约 500nm处的热载流子或热点产生的发光信号。下面将参照图8和9对其进行进一步详细的 解释。 根据所用显微镜的类型，物镜34和待测对象42表面的间距D可以小至lmm，或者 如果使用扫描近场光学显微镜，甚至约为数nm，例如5nm 30nm。在其中使用共焦扫描显 微镜的实施方案中，该间距D将在约1 5mm范围内。 图4显示了依照本发明的显微镜测量系统的透视图。在图4中，仅可见显微镜主 体30，因为物镜隐藏在腔室36内部。该腔室36包括铝底部部分50、具有用于插入和取出 其中的待测对象的盖子54的上盖部分52。该盖部分52和底部部分50以气密方式相连。 在底部部分50处，示出了用于将惰性气体引入该腔室36内的连接器56以及示出了用于电 探针等的连接器。此外，提供手柄58用于操作在其上安装腔室的x-y平台(未示出)。包 括橡胶套筒互连器62的密封机构60提供在光学显微镜和腔室36之间，用以确保甚至在通 过转动器的转动更换物镜时，仍保持腔室36内的密封气氛。 图5显示了图4的显微镜测量系统的进一步细节，其中使用相同的附图标记表示 相同的部件。如图5中所示，该显微镜测量系统包括安装在固定到该腔室36的底部50上 的轻质铝夹持板64上的扫描压力平台44。三个Kleindiek 3D纳米操纵器66也安装在该 夹持板64上。具有约45g重量且特别设计用于轻质夹持板的轻质Kleindiek纳米操纵器 66的组合确保了对压力驱动平台扫描速率的最小可能损害。因此，可以将该纳米操纵器66 安装在接近或甚至在该压力平台44上，这可以节约空间并使用在腔室36内部占据较小空 间的较小的操纵器。该操纵器可以用于与电子装置电接触，或者其可以根据待测对象的类 型和进行实验的类型用作镊子或吸液管。 图6a和6b显示了用于在光学显微镜和腔室之间提供基本气密性连接的密封机构 的设计。该密封机构包括与显微镜转动器32和腔室36内提供的开口的内圆周相连的环系 统。该环系统确保了该转动器的转动自由度且允许物镜在z轴上上下运动以及在x和y方 向上的横向运动同时密封例如填充氮气的该腔室36。上部或转动器环70连接并密封该转 动器32。下部或腔室环72连接并密封该腔室。该转动器环70进一步以使该转动器环70 和适配环74可以相对彼此转动的方式连接适配环74。 0形环76使用多个弹簧80 (例如4个弹簧)经由辅助环78压在转动器环70和适配环74之间内部。可以通过改变弹簧张力 调节腔室36内的最大压力。因此，可以调节该弹簧张力使得该腔室气密密封，或者使得可 以将限定的空气流从该腔室内排出。在后一种情况下，优选将腔室的内部保持在特定的正 气压下，所述正气压能够通过弹簧80调节。为了保持该转动器环70和适配环74相对于彼 此、相对于该转动器和该腔室，使用多个轴承。在图6a和6b的实施例中，提供三个水平轴 承82和三个垂直轴承84。该水平轴承82保持该装置成为枢轴式的，而该垂直轴承84使该 转动器可在枢轴上转动，例如用于改变物镜，并在转动器环70上以及由此在0形环76上施 加垂直力，以防止在使用过程中气体泄漏。该水平轴承82在该辅助环78以及由此在该转 动器环79上施加水平力(在x-y方向上)，以提供用于该转动器环相对于适配环74转动 的导向肩。该垂直轴承84施加垂直力(在z方向上)并抑制该转动器环70相对于适配环 74的垂直运动(z)以保持两个环70、74彼此滑动接触。 该转动器环70、腔室环72和适配环74优选由轻质铝制成，而该弹簧例如能够由钢 制成。 该腔室环72和适配环74通过图7中所示的套筒86相连。该套筒86优选由橡胶 (例如丁基橡胶)制成。在操作过程中，该腔室环72固定，该适配环74能够垂直(z)以及 横向(x， y)运动至一定程度但不转动，使得没有转动力施加到该橡胶套筒86上。然而，该 转动器32可以通过该转动器环70自由转动，而不会丧失腔室内光学显微镜的气密连接。物 镜需要垂直运动，而且可能用于聚焦物镜。可能需要横向运动来将物镜的位置针对不同类 型的待测对象进行调节。如上参照6a和6b所述，通过0形环76提供该测量系统的密封。 另外通过使用外部螺旋工具在该腔室36的不同部件之间静态调节的橡胶绳密封88另外密 封该腔室的静态非转动部件。 图8和9示意性地显示了在其上施加有测温层的晶体管的分子发射和不同温度下 的发射光谱，其中图8显示了该晶体管关闭的情况，图9显示了该晶体管开启的情况。在操 作过程中，该晶体管在栅区域内产生使用本发明的显微镜测量系统可以检测到的热点或热 载流子。 如上所述通过施加测温层制备该晶体管，并将制备的晶体管插入依照本发明的显 微镜测量系统的腔室中。使用共焦显微镜，测定从测温层的分子中释放的发光。在低温下， 当晶体管关闭时，分子主要从其三重态状态发光，其检测为红色发光。当开启该晶体管时， 该晶体管将在栅内部制备热载流子，在表面以下几百nm处，其可以检测为由分子主要由其 单态发射而产生的绿色发光。红色发光和绿色发光能够同时检测到，而且使用这两个检测 器，测定测温分子在所述第一波长(绿色发光)处的单态的荧光强度(非必要地包括在三 重态-三重态湮灭过程之后的迟滞荧光)与来自所述测温分子在第二波长(红色发光)处 的激发三重态的磷光强度的发光强度比，作为Ii^/IsfcS。从该发光强度比，可以测定和定 位晶体管的受热。 图IO显示了由共焦显微镜的两个检测器(APD)检测的图像，其中将检测器l调节 到红色发光，由此检测关闭的晶体管的图像，检测器2调节到绿色发光，由此检测开启的晶 体管的图像，两个晶体管表面都如上所述用测温层处理。 图11显示了发光强度比和通过单一晶体管的电流的关系图，其中所述发光强度 比基本对应于该晶体管的温度。如图11中所示，该两个检测器和源自其的发光强度比可以允许观察到该晶体管内的温度变化，具体取决于施加到该晶体管上的电流或其他因素。
关于在操作过程中晶体管的热行为以及由应力引起的晶体管行为的改变的具体 细节，参考Japanese Journal of Applied Physics, vol. 42 (2003) ， 1168-1172页，第I部 分，Nr. 3，2003年三月-"Analysis andClassi fixation of Degradation Phenomena in Polycrystalline—Silicon ThinFilm Transistors Fabricated by a Low—Temperature Process Using EmissionLight Microscopy", S， Inoue等。 对于以各种形式实现本发明而言，本说明书、权利要求书和/或附图中公开的本 发明的特征单独或其组合都可以是重要的。附图标记列表12，14检测器16，18干涉滤光器20计算机22高数值非浸没或浸没物镜24陷波或边缘截止滤光器26分色光束分离器30显微镜主体32转动器34物镜36腔室38惰性气体入口40电和/或机械腔室连接器42待测对象44x-y-z压力平台46电探针48气密密封机构50底部部分52上盖部分54盖子56连接器58手柄60密封机构62套筒互连器64轻质铝夹持板66Kleindiek 3D内米操纵器70上部或转动器环72下部或腔室环74适配环760形环78辅助环
80弹簧 82水平轴承 84垂直轴承 86套筒 88绳密封
权利要求
显微镜测量系统，包括具有显微镜主体和与所述显微镜主体连接的物镜机构的光学显微镜；包括用于将待测对象保持在其中的支撑机构的腔室，所述腔室具有用于以使所述物镜机构基本位于所述腔室内部且所述显微镜主体基本位于所述腔室外部的方式将所述物镜机构插入所述腔室中的开口；和密封机构，其以密封所述腔室的方式在该光学显微镜和该腔室之间提供基本气密性的连接。
2. 权利要求1的系统，其中所述物镜机构适于相对于所述显微镜主体转动，以及所述 密封机构适于使所述物镜机构相对于所述显微镜主体转动。
3. 权利要求1或2的系统，其中所述密封机构适于允许所述物镜机构沿所述物镜机构 的纵轴(z)运动以及所述物镜机构的横向运动(x，y)。
4. 前述权利要求之一的系统，其中所述密封机构包括与所述腔室的所述开口固定连接 且密封其的腔室环、与所述物镜机构固定连接且密封其的物镜环、和以允许所述物镜环相 对于适配环转动的方式安装到所述物镜环上的所述适配环、和以使所述腔室环和所述适配 环之间存在密封的方式安装到所述腔室环和所述适配环两者上的柔性套筒。
5. 权利要求4的系统，其中所述柔性套筒适于允许所述腔室环和所述适配环之间沿所 述物镜机构的纵轴(z)相对运动以及所述物镜机构的横向运动(x，y)。
6. 权利要求4或5的系统，其中在所述物镜环和所述适配环之间提供密封环。
7. 权利要求4 6之一的系统，其中所述密封机构进一步包括用于将所述适配环安装 到所述物镜环上的辅助环。
8. 权利要求7的系统，其中所述辅助环包括用于调节该物镜环和该适配环之间的接触 压力由此调节该腔室的内部气压的弹簧机构。
9. 前述权利要求之一的系统，其中所述腔室包括用于将惰性气体引入该腔室的气体入□。
10. 前述权利要求之一的系统，其中所述支撑机构包括适于使支撑在其上的对象在x和y方向上运动的扫描压力平台。
11. 权利要求10的系统，其中所述扫描压力平台进一步适于使支撑在其上的对象在z方向上运动。
12. 权利要求10或11的系统，其中所述支撑机构包括安装在该扫描压力平台上的对象夹持器和至少一个纳米操纵器。
13. 前述权利要求之一的系统，其中所述物镜机构包括承载一个和多个物镜的转动体。
14. 权利要求13的系统，其中所述物镜机构插入所述腔室内，使得所述物镜之一和所 述待测对象之间的间距小于6mm，优选为lnm 5mm，更优选5 30nm或约lmm。
15. 前述权利要求之一的系统，其中所述光学显微镜是共焦发光显微镜、受激发射消 耗，STED，显微镜或扫描近场光学显微镜，SNOM。
16. 用于保持光学显微镜待测对象的腔室，该腔室包括用于将待测对象保持在其中的 支撑机构，该腔室进一步具有开口 ，所述开口用于使所述显微镜的物镜插入所述腔室中，其 中所述插入方式使得所述物镜和所述待测对象成预设间距基本位于所述腔室内部；禾口以密封所述腔室的方式在该光学显微镜和该腔室之间提供基本气密性连接的密封机构。
17. 权利要求16的腔室，包括用于将惰性气体引入该腔室中的气体入口。
18. 权利要求16或17的腔室，其中所述支撑机构包括适于使支撑在其上的对象在x、 y和z方向上移动的扫描压力平台。
19. 权利要求18的腔室，其中所述支撑机构包括安装在该扫描压力平台上的对象夹持 器和至少一个纳米操纵器。
20. 用于在光学显微镜和待测对象位于其中的腔室之间以密封所述腔室的方式提供气 密性连接的密封机构，所述密封机构包括能与所述腔室的所述开口连接的腔室环、能与所述光学显微镜的物镜连接的物镜环、 和以允许所述物镜环相对于适配环转动的方式安装到所述物镜环上的所述适配环、和以使 所述腔室环和所述适配环之间存在密封的方式安装到所述腔室环和所述适配环两者上的 柔性套筒。
21. 权利要求20的密封机构，其中所述柔性套筒适于允许所述腔室环和所述适配环之 间沿所述物镜机构的纵轴(z)相对运动以及所述物镜机构的横向运动(x，y)。
22. 权利要求20或21的密封机构，其中在所述物镜环和所述适配环之间提供密封环。
23. 光学显微镜，具有显微镜主体和与所述显微镜主体连接的物镜机构； 其中在该物镜机构上安装密封机构，用于在该光学显微镜和待将该物镜机构插入其中的开口之间提供基本气密性连接。
24. 权利要求23的光学显微镜，其中所述密封机构包括能与该物镜机构将插入其中的 所述开口连接的安装环、与所述物镜机构固定连接并密封其的物镜环、和以允许所述物镜 环相对于适配环转动的方式安装到所述物镜环上的所述适配环、和以使所述安装环和所述 适配环之间存在密封的方式安装到所述安装环和所述适配环两者上的柔性套筒。
25. 权利要求24的光学显微镜，其中所述柔性套筒适于允许所述安装环和所述适配环 之间沿所述物镜机构的纵轴(z)相对运动以及所述物镜机构的横向运动(x，y)。
26. 权利要求1 15之一的系统，其中该物镜机构包括至少一个能沿其纵轴(z)运动 以及横向(x，y)运动的物镜。
27. 权利要求1 15和26之一的系统，其中所述腔室安装在x-y台上，用于在两个正 交水平方向上运动。
全文摘要
显微镜测量系统，包括具有显微镜主体和与所述显微镜主体连接的物镜机构的光学显微镜；包括用于将待测对象保持在其中的支撑机构的腔室，所述腔室具有用于以使所述物镜机构基本位于所述腔室内部且所述显微镜主体基本位于所述腔室外部的方式将所述物镜机构插入所述腔室中的开口；和以密封所述腔室的方式在该光学显微镜和该腔室之间提供基本气密性连接的密封机构。
文档编号G02B21/24GK101715564SQ200780052986
公开日2010年5月26日 申请日期2007年5月15日 优先权日2007年5月15日
发明者G·内尔斯, P·明金, T·米特瓦, 安田章夫 申请人:索尼德国有限责任公司