专利名称:用于通过粒子束和光学显微镜观测样品的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于通过使用粒子束(a beam of particles)对薄样品成像及通过光线对样品成像的粒子-光学设备，所述设备包括
·用于沿着粒子-光学轴线产生粒子束的粒子源，
·围绕粒子-光学轴线布置以便操控该粒子束的粒子-光学透镜，
·用于将样品定位在粒子-光学轴线上和粒子-光学透镜即所谓的粒子-光学物镜中一个的极面之间的样品操纵器，该样品操纵器能够相对于粒子-光学轴线倾斜样品，
·用于检测经过样品透射的粒子的检测器，和
光线-光学显微镜。
背景技术：
日本的Akashi Seisakusho公司销售称作LEM-2000的该种设备。
公知设备包括透射电子显微镜镜筒(TEM column)和光学显微镜。该设备配备成通过光线显微镜或在TEM镜筒内观测安装在7毫米大的栅格上的样品。光学显微镜安装在装置的前侧-也就是操作者停留位置的一侧。光学显微镜为双目镜而操作者观测垂直安装的样品(光径通过棱镜偏转90度)。光学显微镜的放大倍率处于50X至250X之间。聚光器通过栅格照亮样品。当采用光学显微镜观测时，样品停留在空气中。在光学显微镜后方TEM镜筒安装在水平位置。TEM以高达IOOkeV的电子能量操作并采用6个电子光学透镜。透射电子在荧光屏上以250X至45000X的放大倍率成像。荧光屏可通过双目镜进行观测，或屏幕可临时转换成用于拍摄照片的胶片暗盒(film cassette)。TEM镜筒包括样品必须放置在其内以便观测的样品室。当在TEM内观测样品时，样品室抽空。穿梭机构将样品从采用光学显微镜观测的第一位置传送到在TEM内观测的第二位置。为达到该目的，样品经由气密进出口进行转移。
公知设备的缺点在于样品必须在两个观测位置之间转移一个用于位于空气中的光学显微镜而另一个用于位于真空环境中的TEM。因此，当在两个观测位置之间行进时，样品必须经过气密进出口。当样品放置在TEM中时，这导致了相对大的位置误差，从而导致确定准确位置的长期延迟。尤其是对于分辨率小至0. 1纳米或更好的新式类型的TEM的映射， 光学显微镜图像对TEM图像的映射将会非常耗时。当样品必须通过光学显微镜和TEM重复地进行观测时，样品必须精确地重复定位在TEM镜筒内，从而导致长的延迟时间。
另一个缺点在于样品必须经过光学显微镜和TEM之间的气密进出口。结果当样品正经过气密进出口行进时，由于抽气降压(pumpdown)或由于通风而产生延迟。当样品必须通过光学显微镜和TEM重复观测时，样品必须重复地经过气密进出口，且必须精确地定位在TEM镜筒内，从而导致长的延迟时间。
另外的缺点在于当通过光学显微镜观测时样品处于空气中，而当在TEM中观测时则处于真空中。这可导致样品的扭曲，以及因沸腾、除气等而引起样品的变化。因为这或会妨碍两种技术(粒子-光学检验和通过光学显微镜的检验)所获得图像的比较和/或映射。同样地，当样品由于必须通过光学显微镜和TEM重复地进行观测而重复经过气密进出口时，重复抽空样品并再次地将其曝露于空气在每一次抽空/通风循环后可引起样品变化。即使是处于随后的通风和/或抽空的情形，这也可导致样品粗劣的比较/映射。
发明内容
本发明目的在于提供克服所述缺点的设备。
为此目的，根据本发明的设备，其中，
·光线-光学显微镜配备成对样品成像同时样品大致定位在粒子
-光学轴线上并倾斜成使得样品面对光线-光学显微镜，
·光线-光学显微镜为所谓的扫描光线-光学显微镜，其配备成通过光斑(point of light)照亮样品，该光斑由聚焦单元构成，光线
-光学显微镜配备成扫描样品上的光斑，和
·至少聚焦单元可缩回地安装以便当样品通过使用粒子束成像时在极面之间具有自由空间。
通过使用配备成对同时处于粒子-光学轴线上的样品成像的光线-光学显微镜， 以及使用样品操纵器以便将样品重新定位成面对光线-光线显微镜，在粒子-光学图像和光线-光学图像之间可获得改进很多的重合(coincidence)。如粒子-光学设备(例如通常使用的TEM)的样品操纵器领域的普通技术人员所公知的那样，该种样品操纵器常常展示出定位的再现性以及好于200纳米的平动和0. 1度的转动/倾斜的精确性，甚至具有更小的步长。随之而来的高定位精确性使得光学显微镜的图像对TEM图像的映射变得容易。
光线-光学显微镜和粒子-光学束对样品成像的样品位置处于第一样品位置的相同(真空)环境中。因此仅需要对样品抽空一次，即使当通过光学显微镜和TEM重复观测时。因此，消除了因重复的抽空和通气所引起的延迟。
由于样品在观测期间保持在相同的真空环境中，所以不会因重复曝露于真空或空气而将出现变形和/或扭曲。
通过配备光学显微镜以便通过光斑扫描样品，通过光线显微镜所获得的分辨率并非由出现在探测路径中的像差限制，而是仅由照亮路径中的像差限制，光斑的直径在该照亮路径中生成。样品通过光斑扫描的该种方法对于例如扫描光学显微术而言是公知的，其中，样品通过在样品表面上扫描的小焦点而照亮。这使得直径比常规光学物镜系统的直径小很多的高分辨率光学透镜系统能够使用。其原因如下
高分辨率光学物镜系统具有高的数值孔径以及例如1毫米甚或更短的工作距离。因此，光学物镜系统需要靠近样品位置放置，而面对样品的光学元件的直径需要是大的 (由于所要求的高的数值孔径，通常透镜直径等于或大于工作距离)。常规的光学显微镜物镜需要校正透镜像差，从而要求多个透镜靠近样品位置，而这些透镜中的许多通常具有大于最靠近样品的透镜的直径。结果，常规的光学显微镜物镜成为复杂单元，其具有大于最靠近样品的透镜和样品自身之间距离许多倍的直径。因此，高分辨率物镜具有太大的物镜以致不能装配在极面之间。而且它们的构成-光学元件共同装配在其中，常常不兼容于样品位置的真空(通常为10_6毫巴或更小)。
与此相反，例如在扫描光学显微术中使用的物镜当观测薄样品时不需要补偿探测路径中的像差，就像这些不影响图像品质那样。这是因为在某一时刻所有自样品反射的光线仅从一点反射的事实在该点光束撞击样品。空间分辨率因此是形成在样品上的点直径的直接结构，而不受探测路径中透镜像差的影响。结果，光学物镜可以是相对简单的构成， 例如非球面的单线。该种单线当与具有类似分辨率和工作距离的常规光学显微镜物镜相比较时可具有降低很多的外部直径。
通过例如照亮光学路径中的一个或两个活动反射镜可在样品上扫描光斑。通过例如压电驱动器倾斜一个或多个反射镜或使用电线圈和磁铁，反射了光束，从而导致光束在不同位置撞击样品。
在样品上扫描光束的额外优点为图像的放大倍率仅通过改变扫描幅度而改变。通过改变驱动器移动反射镜的幅度(例如通过改变电信号)而完成对扫描幅度的改变。这消除了对改变物镜系统的需要，这通常在使用常规的光学物镜系统时完成。注意的是，由于物镜系统放置在真空环境中以及在物镜系统周围的空间受到限制，故物镜系统的改变将更加难于常规的光学显微镜。
注意的是，使用在样品上扫描的聚焦光束对于要求高光子密度的观测方法而言特别令人感兴趣，例如使用多光子激励或在样品中生成(二次M2nd)谐波频率的观测方法。 通过该种高水平的电磁放射线照射大面积的样品将导致样品内的高温和样品可能的烧蚀。 也会对所使用的光源强度提出不必要的高要求。
进一步地注意到，对样品上的光线聚焦的聚焦系统(多数情形下为透镜)必须在样品上形成细焦点。不影响焦点直径的透镜像差(例如场曲)可被忽略或例如校正成用于光线-光学显微镜的扫描系统中。如果照亮光束足够地单色，则透镜的色像差既不影响焦点的直径，也不会因此削弱分辨率，即使是当探测光线不同于照亮样品的光线颜色时。后者发生在探测例如样品的发光(荧光和/或磷光)时，以及在例如荧光共振能量转移(FRET) 和荧光寿命成像(FLIM)技术中。
通过使用可缩回的光线-光学显微镜，当通过粒子束对样品成像时释放了样品位置周围的空间。这使得样品例如能够更大的移动，且因而有利于例如探测器的插入。注意的是，当可缩回最靠近样品位置的光线-光学显微镜的元件时已足够释放样品位置周围的空间。光线-光学显微镜的其它部分可保留在适当位置。进一步注意的是，例如和TEM — 起使用的χ-射线探测器经常可缩回地安装。通过缩回光线-光学显微镜并插入χ-射线探测器反之亦然，有效地利用样品位置周围的空间。像在TEM中使用的那样，用于向样品位置导入样品并联接样品和样品操纵器的气密进出口机构当其未缩回时还会妨碍光线-光学显微镜。
在根据本发明的设备实施例中，聚焦单元还聚集自样品放射的光线以便对样品成像。
在该实施例中，面对样品的光线-光学显微镜的透镜既用于通过聚焦光束照射样品又用于探测来自样品的光线。
在根据本发明的另一个设备实施例中，自样品探测到的用以形成图像的光线不经过聚焦单元。
在该实施例中，探测光线沿着不同的路径。例如通过定位在面对聚焦单元侧的相反侧的透镜可聚焦该探测光线，但例如还可通过诸如定位在相反侧的光电倍增器管的探测器探测该探测光线。
在根据本发明的另外的设备实施例中，自样品探测到的光线从样品被照亮侧的样品相反侧放射。
在另一个实施例中，光斑由单色光形成。
在该实施例中，照亮光学路径仅使用一种颜色，因而色像差随后也没有在照亮路径中出现。因此，在照亮光学器件或成像光学器件(在探测路径中使用)中都无需校正色像差，从而产生较为简单的透镜元件。
注意到公知的光学透镜系统校正成用于两种颜色的光线。如果那样的话，光线可包括两种颜色。
在根据本发明的另外的设备实施例中，光线-光学轴线大致垂直于粒子-光学轴线。
物镜的极面之间的空间相当地(rather)受到限制。通向样品位置(在极面之间和粒子-光学轴线附近)的最容易通路，通过使用具有垂直于粒子-光学轴线的光线-光学轴线的光线-光学显微镜且垂直于粒子-光学轴线插入/缩回光学显微镜而实现。
在根据本发明的又一个实施例中，样品位置至少部分地由低温屏蔽物所包绕，从而使得能够对低温样品成像。
本质上公知诸如低温TEM的可对低温冷却样品成像的粒子-光学设备。商业上可从美国希尔巴罗(OR)的FEI公司买到的示例为TeCnaiG2 Polara0在该仪器中，样品操纵器和样品位置附近被冷却到低温-例如氮的沸腾温度或氦的沸腾温度。同样地通过冷却样品位置附件，使用粒子束和光学显微镜都可观测到低温冷却的样品。
在根据本发明的另外的设备实施例中，至少光线-光学显微镜面对样品的部分配备成冷却至低温温度，从而避免在通过光线-光学显微镜观测时对低温样品升温。
通过冷却例如面对样品的光线-光学显微镜的透镜避免了对样品的升温。冷却透镜可通过主动冷却透镜本身(也就是通过在透镜和冷源之间提供具有低热阻的路径)或通过对透镜热绝缘而实现，从而允许透镜通过例如低温屏蔽物和/或样品而达到热平衡。
在根据本发明的另一个实施例中，光线-光学显微镜进一步地配备成通过非聚焦光束形成照亮样品的图像。
通过使用还能作为常规显微镜工作的光线-光学显微镜，可能以降低的分辨率对样品快速成像，而更为详细的图像可记录在光线-光学显微镜的扫描模式中。
注意的是，当通过非聚焦光束照亮样品时，探测光线既可以是反射光线也可以是透射光线。进一步注意的是，该图像品质不需要具有光学显微镜物镜所正常期望的品质，因为该图像仅用于高分辨率图像的‘导航(navigation)’。
现在基于示意性附图进一步地阐明本发明，其中相应特征通过相同数字进行标识。
为此
图1示出了根据本发明的设备；
图2示出了根据本发明的设备细节；[0051]
图3示出了根据本发明的设备细节，其中光学显微镜为缩回的； 图4示出了根据本发明的设备细节，其中样品在一侧被照亮而在另一侧进行观
具体实施方式
图1示出了粒子源2位于其内的真空室6。粒子源例如以电子束的形式沿粒子-光学轴线3产生粒子束，在该电子束中，电子具有例如300keV的能量。电子束通过绕着粒子-光学轴线布置的粒子-光学透镜4A、4B而操纵(聚焦)。样品操纵器5用于将样品1 定位在第一样品位置，粒子束在该位置撞击样品。第一样品位置位于粒子-光学物镜7的极面8A、8B之间。经过样品透射的电子束部分通过粒子-光学透镜4C、4D成像在例如以荧光屏或CCD (电荷耦合器件)照相机(或其它原理的照相机)形式的探测器9上。照相胶片也可用于探测粒子。诸如电子能量损失分光镜(EELS)的其它探测器也可使用。光线-光学显微镜10当样品处于样品位置内、但相对于光线-光学显微镜倾斜时能够观测到样品。
如先前所提及的那样，样品通常为平直的、很薄的样品。对于高分辨率图像而言， 样品通常小于100纳米厚，优选甚至小于50纳米厚。这样的样品非常易碎故因而支承在例如铜栅格的栅格上，该栅格安装在样品操纵器5上。这种栅格对于本领域普通技术人员而言公知为TEM栅格。为了通过粒子束观测到样品令人感兴趣的区域，通过样品操纵器5将令人感兴趣的区域带到粒子-光学轴线上。虽然在通过粒子束观测到样品的同时，样品的取向可垂直于粒子-光学轴线，但对于诸如三维断层扫描(3D tomography)的某些技术而言，样品还可相对于粒子-光学轴线倾斜。为了能够对样品定位以便满足这些要求，样品操纵器例如通过3个平动自由度和2个转动自由度能够对样品定位，尽管还公知样品操纵器具有更少的甚或更多的自由度。可用于通过粒子束对样品成像的所有样品定位/取向都称作第一样品位置。
光学显微镜10观测极面8A、8B之间的位置。为了通过光学显微镜形成最好的图像，样品需要倾斜到大致垂直于光学显微镜的光学轴线的位置。
光学显微镜或至少光学显微镜靠近粒子-光学轴线的那部分可缩回地安装，且当未通过光学显微镜观测样品时可缩回地在样品周围提供更多的空间。这种额外空间对于通过例如其它类型的探测器提供通向样品的通路而言是必需的，该其它类型的探测器可在通过电子束照射样品时用于在样品周围聚集信息-例如一般公知的二次电子探测器、X-射线探测器等。
注意到在该图中样品操纵器5和光学显微镜10被描述成共享垂直于粒子-光学轴线3的平面并彼此相对地定位。这并非必要的，操纵器和光学显微镜处于平面内但例如隔开90度或120度的实施例也是可能的。一个或两个实施例示出不垂直于粒子-光学轴线的对称轴也是可能的。
图2示出了根据本发明的设备细节。
图2示出了粒子-光学物镜7，其示出了两个极面8A、8B。在此示出的能够通过5 个自由度对样品1定位的样品操纵器5，连接样品1。样品面对光学显微镜10。
光学显微镜包括生成光束的激光单元19。该光束平行于透镜14，然后穿过分束器 18，并因而撞击反射镜17和16。这些反射镜安装在例如压电驱动器的驱动器上，并从而可改变光束方向。光束然后通过两个透镜12、11成像到样品上(尽管可使用更多的透镜)。 透镜12相对于反射镜16、17的转动平面邻近透镜11成像。换句话讲光束以透镜11中光束的倾斜伴随着在该透镜中出现光束的极小位移的方式而成像。结果，光学显微镜的观察视野(field of view)同没有该种透镜的光学显微镜相比较大。自样品放射的光线-例如反射光线或荧光光线，通过透镜11聚集，并循着该路径返回直至达到分束器18为止。探测光然后反射到光子(photonic)探测器20。透镜15可有助于在探测器上聚焦。探测器根据所需灵敏度可以是单个的光子探测器或多个的常规探测器。
由于激光器19产生单色光束，所有光学元件的像差系数可相对于该光线波长而优化。透镜的色差不会影响图像品质。本文中的单色光线必须解释为示出足够小的波长展开度的光线，以便避免通过由像差控制的直径形成焦点。来自样品向探测器行进的光线可以是不同颜色的(例如因为探测到荧光光线)，但像先前所提及的那样在成像路径上出现的透镜像差不影响图像品质/分辨率。
注意到照亮光学器件还可以构造成补偿两个或多个光波上的色像差和仍然示出了放置在充分小的极面之间的那些透镜元件的直径。将要提及的是分束器的涂层、反射等也需要相对于探测光线的波长而优化。进一步提及的是，在此示出的光学显微镜为非常示意性地画出且会出现许多差异。例如有可能在透镜14和反射镜19之间插入光学纤维-一种所谓的激光纤维联接件，从而使得激光器和探测器能够放置成远离设备的镜筒。光学纤维还可放置在透镜15和探测器20之间-一种所谓的探测器纤维联接件。分束器还可以是光栅(grating)，而透镜根据光学显微镜的确切执行而添加或减除。例如还可将光束偏振器并入光学显微镜中。还注意到，由于不要求照亮光束的绝对单色性，只不过除了这样的单色性以便形成由色像差控制的焦点之外，还可使用通过颜色过滤器从例如发出白光的装置中所过滤的光线。
图3示出了根据本发明的设备细节，其中，光学显微镜为缩回的。
图3可认为源自于图2。如所看到的那样，光学显微镜10稍微缩回，从而释放了在第一样品位置周围的空间。因此样品1可自由地定位在极面8A、8B之间而无需接触光学显微镜。缩回还可使得诸如χ-射线探测器、二次电子探测器等的设备其它部分定位在样品附近。
注意到在该图中示出的整个光学显微镜10为缩回的。本领域普通技术人员将会认识到当仅缩回光学显微镜的一部分便已足够，该部分包括透镜11及其座架(mounting)。
图4示出了根据本发明的设备细节，其中，样品在一侧被照亮而在另一侧进行观测。
图4示出了在光学轴线27周围的入射光束，该入射光束通过反射镜21向样品1 反射。透镜23将光线聚焦在样品上。样品安装在TEM栅格25上，该TEM栅格25通过圆形弹簧沈保持在样品操纵器远端5A的适当位置上。由样品发出的或透射过样品的光线(描述成射线观)由透镜M聚集并通过反射镜22沿平行于入射光束的方向反射。粒子-光线轴线例如垂直于图面。
注意到光束可通过其它的反射镜在样品上扫描，但也可设想到反射镜21用于扫描。如果是那样的话，反射镜21必须由驱动器驱动。还应设想到样品本身相对于显微镜通过样品支架5A(远端)的扫描移动而移动。还注意到，代替将光线通过反射镜(21、22)导向样品或从样品导出，例如可使用光学纤维。
进一步地注意到，两个透镜23、M可以这样的方式插入/缩回以便透镜之间的光束27平行于粒子-光学轴线。如果是那样的话，不需要对样品重新定位/倾斜。然而，在透镜之间具有垂直于粒子-光学轴线的路径或会有吸引力的，因为这会使得能够使用较大的透镜直径以及因而能够使用光线-光学显微镜更为有利的数值孔径 (numericalaperture)。还注意到的是，当探测反射光时，可除去透镜M和反射镜22，而照亮光线和探测光线都经由透镜23和反射镜21导向。甚至有可能从样品的两侧收集射出光线，从而尽可能有效地探测光子。在例如荧光显微术的情形下，可在探测光线的路径中插入颜色过滤器以便滤出照亮光线。
注意的是，可认识到此前所述的每一个实施例具有冷却表面和冷却管道以便可将样品保持在低温温度。这种测量对于常规的低温TEM测量是众所周知的。
权利要求
1.一种用于使用粒子束对薄样品(1)成像和通过光线对所述样品成像的粒子-光学设备，所述设备包括用于沿粒子-光学轴线(3)产生粒子束的粒子源0)，布置在所述粒子-光学轴线周围用于聚焦所述粒子束的粒子-光学透镜(4A、4B、4C、 4D、7)，用于将所述样品定位在所述粒子-光学轴线上和其中一个所述粒子-光学透镜的所谓粒子-光学物镜(7)的极面(8A、8B)之间的样品操纵器(5)，所述样品操纵器能够相对于所述粒子-光学轴线倾斜所述样品，用于探测透射过所述样品的粒子的探测器(9)，和光线-光学显微镜(10)，其特征在于，所述光线-光学显微镜配备成在所述样品大致定位在所述粒子-光学轴线上并倾斜成使得所述样品面对所述光线-光学显微镜时对所述样品成像，所述光线-光学显微镜是所谓的扫描光线-光学显微镜，配备成用光斑照亮所述样品， 所述光斑由聚焦单元(11)形成，所述光线-光学显微镜配备成扫描所述样品上的光斑，在工作中面对所述样品的所述聚焦单元的光学元件是透镜，和至少所述聚焦单元可缩回地安装，以便当使用所述粒子束对所述样品成像时释放所述极面之间的空间。
2.根据权利要求
1所述的设备，其特征在于，所述聚焦单元(11)还聚集从所述样品 (1)放射的光线，用于对所述样品成像。
3.根据权利要求
1所述的设备，其特征在于，自所述样品(1)探测到的用以形成图像的所述光线不经过所述聚焦单元(11)。
4.根据权利要求
3所述的设备，其特征在于，自所述样品(1)探测到的所述光线自与所述样品被照亮侧相反的样品侧放射。
5.根据权利要求
1所述的设备，其特征在于，所述光斑由单色光形成。
6.根据权利要求
1所述的设备，其特征在于，所述光线-光学显微镜的光线-光学轴线大致垂直于所述粒子-光学轴线(3)。
7.根据权利要求
1所述的设备，其特征在于，所述样品位置至少部分地由低温屏蔽物包绕，从而能够对低温地冷却的样品成像。
8.根据权利要求
7所述的设备，其特征在于，至少所述光线-光学显微镜(10)面对所述样品(11)的部分配备成冷却至低温温度，从而避免在通过所述光线-光学显微镜观测时对低温样品的升温。
9.根据上述权利要求
中任一项所述的设备，其特征在于，所述光线-光学显微镜(10) 进一步配备成通过非聚焦光束形成照亮所述样品(1)的图像。
专利摘要
本发明涉及一种用于通过粒子束和光学显微镜观测样品的设备。该设备通过TEM镜筒和光学高分辨率的扫描显微镜(10)观测样品(1)。通过TEM镜筒观测样品时的样品位置不同于通过光学显微镜观测样品时的样品位置，这是因为在后一情形中样品朝向光线-光学显微镜倾斜。通过使用扫描类型的光学显微镜，且优选使用单色光线，光学显微镜面对样品位置的透镜元件(11)可足够地小以便定位在(磁性)粒子-光学物镜(7)的极面(8A、8B)之间。这与光学显微镜中常规使用的显示为大直径的物镜系统相反。此外，光学显微镜或至少是靠近样品的部分(11)可以是缩回的以便释放在以TEM模式成像时的空间。
文档编号H01J37/26GKCN101241087 B发布类型授权 专利申请号CN 200810074036
公开日2012年7月4日 申请日期2008年2月1日
发明者A·J·弗克莱, A·J·科斯特, A·V·阿格龙斯杰, H·C·格里特森 申请人:Fei公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (6),