專(zhuān)利名稱(chēng)：用于定位透射電子顯微鏡試樣的電動(dòng)操縱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動(dòng)操縱器，其用于對(duì)構(gòu)件以亞微米分辨率而平 行于y-z平面進(jìn)行定位，并在該y-z平面中旋轉(zhuǎn)該構(gòu)件，這種操縱器 包括基座和用于將構(gòu)件附連到該操縱器上的附連裝置。
背景技術(shù)：
在美國(guó)專(zhuān)利No. US6,388,262中描述了這種操縱器。 己知的操縱器用于在透射電子顯微鏡(TEM)中對(duì)試樣形式的構(gòu)件 定位和定向。操縱器包括支承臂殼體，其穿過(guò)TEM殼體(該操縱器安 裝在該TEM殼體上)。支承臂殼體的一端因而定位在該設(shè)備的內(nèi)部， 并因而被真空包圍，而另一端暴露于大氣中。為了避免泄漏，支承臂 殼體在其穿過(guò)TEM殼體處呈現(xiàn)有O形密封圈，從而將TEM內(nèi)部相對(duì) 大氣密封起來(lái)。支承臂殼體呈現(xiàn)有端到端的孔。試樣固定器安裝在該 孔中。該試樣固定器包括桿，其具有位于末端之間的球形接頭。 一端 位于TEM的真空內(nèi)部，而另一側(cè)暴露于大氣中。該球形接頭緊密地 配合支承臂殼體的孔，并且呈現(xiàn)有O形密封圏，從而將TEM內(nèi)部相 對(duì)大氣密封起來(lái)。該球形接頭容許桿相對(duì)于支承臂殼體以幾個(gè)自由度 運(yùn)動(dòng)。對(duì)該桿的位于TEM內(nèi)部的端部進(jìn)行裝備，以固定帶有》文置于 其上的試樣的TEM試樣?xùn)偶?，而另一端連接到電動(dòng)促動(dòng)器上。在X-Y 平面(垂直于TEM的粒子-光軸)中移動(dòng)該桿位于真空中的遠(yuǎn)端，將導(dǎo)致試樣固定器在該平面中平移，而桿沿著其軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)換為試樣 固定器在所述平面中的旋轉(zhuǎn)。因此，可利用電動(dòng)促動(dòng)器從外面對(duì)位于
TEM內(nèi)部的試樣進(jìn)行定位和定向。
正如本領(lǐng)域中技術(shù)人員所已知的那樣，TEM采用沿粒子-光軸行 進(jìn)的、通常具有介于80-300KeV之間的能量的粒子(電子形式)束。該 電子束例如由粒子-光學(xué)透鏡進(jìn)行聚焦，并且例如由粒子-光學(xué)偏轉(zhuǎn)器 進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。厚度通常介于50和100 nm之間薄試樣(也稱(chēng)為樣本)放置 在粒子-光軸上，并且受到電子的輻射。其中一些電子穿過(guò)該試樣，并 成像于檢測(cè)器上。商業(yè)上可獲得的TEM如今可達(dá)到小于0.1納米的空 間分辨率。
只有當(dāng)在獲得圖像所需要的時(shí)間內(nèi)，試樣相對(duì)于粒子-光軸固定在 0.1 nm內(nèi)時(shí)，才能得到這種分辨率。試樣相對(duì)于粒子-光軸的任何運(yùn)動(dòng)， 例如由于熱漂移或由于例如對(duì)試樣進(jìn)行固定的操縱器的聲學(xué)振動(dòng)而 引起的運(yùn)動(dòng)，都有損于圖^f象。獲得圖像通?；ㄙM(fèi)若干秒到若干分鐘的 時(shí)間。因此，對(duì)于操縱器相對(duì)于粒子-光軸的穩(wěn)定性的要求是極其嚴(yán)格 的。
當(dāng)使用極限放太倍率時(shí)，視野(FoV)是極小的，例如50-50 nm2。 當(dāng)在這個(gè)放大倍率下定位試樣時(shí)，避免圖像抖動(dòng)是一種挑戰(zhàn)。不僅試 樣的最小位移必須非常小，而且還必須非常平滑地完成該運(yùn)動(dòng)。此外， 該運(yùn)動(dòng)的任何反沖或后效應(yīng)，例如殘留運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)都必須是最小的。
由于引入了對(duì)粒子-光學(xué)透鏡的其中之一或其中多個(gè)透鏡的色差 和/或球面像差進(jìn)行校準(zhǔn)的粒子-光學(xué)校準(zhǔn)器，電子顯微鏡的分辨率正 在迅速提高。在最佳條件下可達(dá)到0.05 nm以下分辨率的商業(yè)儀器是 可以獲得的。因此，對(duì)操縱器的機(jī)械穩(wěn)定性的要求正變得更為嚴(yán)格。
US6，388,262中所描述的操縱器的問(wèn)題在于其具有必須非常精密 地機(jī)械加工出的多個(gè)部件和聯(lián)接件。結(jié)果，這種操縱器是昂貴的。而 且，由于產(chǎn)生摩擦和/或游隙的元件(例如0形密封圏)的數(shù)量，所以難 以構(gòu)造出具有所需穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)平滑性，同時(shí)又沒(méi)有后效應(yīng)的那種操縱器。摩擦可能引起抖動(dòng)，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在做小步運(yùn)動(dòng)時(shí)必須克服摩擦， 從而導(dǎo)致滑移/粘滯效應(yīng)。部件之間的游隙可導(dǎo)致定位不精確。相關(guān)的 問(wèn)題是桿的長(zhǎng)度，聯(lián)接件和O形密封圏的數(shù)量導(dǎo)致了設(shè)備殼體(以及 粒子-光軸)和試樣所處的端部之間的軟聯(lián)接。如本領(lǐng)域中技術(shù)人員所 已知的那樣，在抵消振動(dòng)的影響時(shí)，優(yōu)選在元件之間采用剛性聯(lián)接(與 軟聯(lián)接相反)。前述操縱器的另一問(wèn)題是操縱器的一部分伸出了該設(shè) 備。由于氣候控制、環(huán)境溫度變化等而引起的儀器外的氣壓變化，可 因而造成真空內(nèi)部的附連機(jī)構(gòu)的位置變化，并因而造成試樣的不希望 的運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
需要一種改進(jìn)的操縱器。
為此，根據(jù)本發(fā)明的操縱器的特征在于，所述操縱器還包括 安裝在基座上的至少三個(gè)納米促動(dòng)器，各個(gè)納米促動(dòng)器呈現(xiàn)有頂 端，該至少三個(gè)頂端限定了 y-z平面，各頂端能夠在該y-z平面中相 對(duì)于基座移動(dòng)，
與這些納米促動(dòng)器的頂端相接觸的平臺(tái)， 用于將該平臺(tái)壓在這些納米促動(dòng)器頂端上的夾緊裝置， 結(jié)果，納米促動(dòng)器可使平臺(tái)在y-z平面中相對(duì)于基座而旋轉(zhuǎn)，并 可使該平臺(tái)平行于y-z平面而平移。
在本文中，納米促動(dòng)器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)納米和亞納米尺度分辨率 運(yùn)動(dòng)的促動(dòng)器。這種納米促動(dòng)器商業(yè)上可從例如德國(guó)公司Physik Instrumente GmbH & Co. KG, Karlsruhe/Palmbach公司獲得，例如在其 產(chǎn)品目錄"High performance piezo actuators for OEM, Industry and research"，第1-24和1-25頁(yè)中產(chǎn)品目錄號(hào)為11805/09.17， (09/2005) 的P-l 12.03型產(chǎn) 品。
通過(guò)使頂端在y-z平面中沿相同的方向移動(dòng)，可使平臺(tái)相對(duì)于基 座進(jìn)行平移。當(dāng)這些頂端相切于三個(gè)納米促動(dòng)器定位所處的圓而在順時(shí)針?lè)较蛏弦苿?dòng)時(shí)，就產(chǎn)生了繞該圓圓心的順時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)。逆時(shí) 針?lè)较蛏系囊苿?dòng)產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较蛏系男D(zhuǎn)。因此，根據(jù)本發(fā)明的操縱
器提供了三個(gè)自由度兩個(gè)平移自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。
由于具有少量的運(yùn)動(dòng)部件，所以可實(shí)現(xiàn)該操縱器的高剛性。除納
米促動(dòng)器本身以外，沒(méi)有其它部件相對(duì)移動(dòng)(假定平臺(tái)對(duì)頂端的法向力
大于頂端與平臺(tái)接觸面的最大摩擦力，否則發(fā)生滑移)。因此，就消除
了游隙和滑移/粘滯效應(yīng)。如本領(lǐng)域中技術(shù)人員已知的那樣，納米促動(dòng)
器可以是非常剛性的。被稱(chēng)為壓電促動(dòng)器的那類(lèi)促動(dòng)器沒(méi)有相對(duì)移動(dòng)
的表面，而是依賴(lài)于壓電陶瓷材料的撓曲或剪切。缺乏相對(duì)移動(dòng)面促
使后效應(yīng)消除，同時(shí)高的剛性提高了例如與(聲學(xué))振動(dòng)有關(guān)的性能。
因?yàn)榇賱?dòng)器可放置在設(shè)備的內(nèi)部(真空中)，所以不需要機(jī)械式真空通
路，并因此可去掉O形密封圏。這就形成了帶剛性聯(lián)接，且沒(méi)有反沖、
摩擦和/或游隙的操縱器。而且極大地減小了環(huán)境(例如環(huán)境溫度的變
化和氣壓變化)對(duì)該設(shè)備的影響。
注意，夾緊裝置必須用足夠的力將平臺(tái)表面壓在所述頂端上。垂 '比
]貝輛/!i吞l豕衣向上)與迅g l貝3 之間的摩擦系數(shù)一起，決定了在該表面和這些頂端之間發(fā)生滑移之前 的最大力。因而必須選擇使得該力足夠大，以避免由于例如振動(dòng)而引 起的不必要的加速度、以及當(dāng)起動(dòng)或停止平臺(tái)相對(duì)于基座的運(yùn)動(dòng)時(shí)所 需要的平臺(tái)加速度而發(fā)生滑移。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的一個(gè)實(shí)施例中，納米促動(dòng)器安裝在平臺(tái) 上，而非基座上。
這是納米促動(dòng)器的備選位置。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的另 一實(shí)施例中，夾緊裝置采用彈性加載 的反向基座的形式，該反向基座在與平臺(tái)和頂端相接觸的側(cè)面相反的 側(cè)面上壓在該平臺(tái)上。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的又一實(shí)施例中，反向基座設(shè)有第二組至 少3個(gè)納米促動(dòng)器，反向基座上的該第二組納米促動(dòng)器各呈現(xiàn)有頂端，第二組納米促動(dòng)器的各頂端能夠在Y方向和Z方向上移動(dòng)，平臺(tái)通過(guò) 彈性加載而與該第二組納米促動(dòng)器的頂端保持接觸，并且，操縱器設(shè) 置成可使基座和反向基座在y-z平面中的相對(duì)位置保持基本固定。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的另 一實(shí)施例中，平臺(tái)呈現(xiàn)了 一個(gè)或多個(gè) 平滑表面，這些納米促動(dòng)器的各頂端與該一個(gè)或多個(gè)平滑表面的其中 之一相接觸，各頂端設(shè)置成可相對(duì)于該平臺(tái)的一個(gè)或多個(gè)平滑表面進(jìn) 行移動(dòng)。
在這個(gè)實(shí)施例中，各頂端在平滑表面上接觸平臺(tái)。各頂端可具有 其相應(yīng)的平滑表面，或者若干頂端可共享一個(gè)公共的平滑表面。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在該平臺(tái)的一個(gè)或 多個(gè)平滑表面上的移動(dòng)，采用使頂端在該平臺(tái)的一個(gè)或多個(gè)平滑表面 上滑動(dòng)的形式。
通過(guò)引起頂端在平滑表面上滑動(dòng)，可相對(duì)于平臺(tái)而對(duì)該頂端重新 定位。結(jié)果，在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中可獲得的平移和/或旋轉(zhuǎn)，要大于沒(méi) 有相對(duì)于基座對(duì)頂端重新定位時(shí)的平移和/或旋轉(zhuǎn)。當(dāng)頂端和平滑表面 之間的、平行于平滑表面平面的滑動(dòng)力超過(guò)了這兩者之間的最大靜摩 擦力時(shí)，就產(chǎn)生了該頂端在該平滑表面上的滑動(dòng)。這可通過(guò)頂端的快 速移位而實(shí)現(xiàn)。其可采用如下形式同時(shí)滑動(dòng)所有頂端，或滑動(dòng)來(lái)自 第 一組頂端的某頂端以及第二組頂端的相應(yīng)頂端，或一次^f義在它們的 相應(yīng)平滑表面上滑動(dòng)一個(gè)頂端。由于平臺(tái)的慣性，該平臺(tái)將幾乎不移 動(dòng)。在完成重新定位之后，頂端和平臺(tái)呈現(xiàn)高的剛性，并且抵消了該 平臺(tái)和基座的任何殘留運(yùn)動(dòng)。
注意，當(dāng)一次性只使少數(shù)頂端重新定位時(shí)，既便是在重新定位期 間，剩余頂端也可防止平臺(tái)移動(dòng)并保持基座和該平臺(tái)之間的剛性聯(lián) 接。正如本領(lǐng)域中技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的那樣，還可行的是，通過(guò)使平 臺(tái)隨著所述多數(shù)頂端移動(dòng)而保持該平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)一次性使少 凄丈頂端重新定位。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的另 一實(shí)施例中，在平臺(tái)上安裝有子操縱器，所述子操縱器設(shè)置成可使附連裝置相對(duì)于平臺(tái)而移動(dòng)，并且，該 附連裝置使構(gòu)件附連到該子操縱器上。
在例如于2007年9月26日提交的待決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) No.l 1/861,721中描述了這種子操縱器。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的又一實(shí)施例中，子操縱器設(shè)置成可按照 額外的自由度對(duì)構(gòu)件進(jìn)行定位。
通過(guò)將子操縱器安裝在根據(jù)本發(fā)明的操縱器上，構(gòu)件可以按照不 同于將構(gòu)件僅連接到操縱器上時(shí)的額外的自由度而進(jìn)行定位。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的另 一 實(shí)施例中，納米促動(dòng)器是壓電納米 促動(dòng)器。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的又一實(shí)施例中，基座的至少一部分、納 米促動(dòng)器、平臺(tái)、夾緊裝置和附連裝置設(shè)置成可暴露于真空下，并在 真空中進(jìn)行操作。
通過(guò)將操縱器安裝在真空內(nèi)部，使得環(huán)境對(duì)附連裝置的影響最 小，該附連裝置控制構(gòu)件(例如試樣或試樣固定器)的位置。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的又一實(shí)施例中，真空是粒子-光學(xué)設(shè)備的 內(nèi)部真空，所述粒子-光學(xué)設(shè)備包括用于產(chǎn)生粒子束的粒子源和一個(gè)或 多個(gè)粒子-光學(xué)透鏡，所述各粒子源和粒子-光學(xué)透鏡均繞著粒子-光軸 而對(duì)中，粒子束可沿著該粒子-光軸而行進(jìn)。
通過(guò)將操縱器安裝在粒子-光學(xué)設(shè)備，例如透射電子顯微鏡 (TEM)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)或聚焦 離子束(FIB)設(shè)備的內(nèi)部，可使構(gòu)件相對(duì)于這種設(shè)備中所使用的粒子束 進(jìn)行定位。該構(gòu)件可以是試樣或試樣固定器，但還可以是粒子-光學(xué)構(gòu) 件，例如必須圍繞粒子-光軸而對(duì)準(zhǔn)的孔眼或多極子。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的又一實(shí)施例中，該粒子-光學(xué)設(shè)備是電子 顯微鏡。
這種操縱器對(duì)于高分辨率的粒子-光學(xué)設(shè)備例如TEM或STEM特 別有用。在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的又一實(shí)施例中，該操縱器在基座中設(shè)有 通孔，并且在平臺(tái)中設(shè)有通孔，以用于傳送粒子束。
通過(guò)使操縱器在例如平臺(tái)和基座的中心設(shè)有通孔，并使這些通孔 對(duì)準(zhǔn)，以使得粒子-光軸(粒子沿著該粒子-光軸行進(jìn))穿過(guò)這些通孔，構(gòu) 件就可以繞著粒子-光軸而對(duì)中。如果該構(gòu)件是試樣固定器，則這就類(lèi)
似于某些TEM中使用的所謂頂部進(jìn)入的鏡臺(tái)。當(dāng)使粒子-光學(xué)元件例 如孔眼、波帶片或多極子圍繞該設(shè)備的粒子-光軸進(jìn)行定位時(shí)，這個(gè)實(shí) 施例可能特別具有吸引力。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的又一 實(shí)施例中，粒子-光軸基本垂直于 y-z平面。
在這個(gè)實(shí)施例中，平臺(tái)和粒子-光軸是對(duì)準(zhǔn)的，以使得構(gòu)件可在垂 直于粒子-光軸的平面中進(jìn)行定位(平移和旋轉(zhuǎn))。操縱器的這種定向類(lèi) 似于大多數(shù)TEM中所使用的所謂側(cè)面進(jìn)入的試樣固定器。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的另 一實(shí)施例中，構(gòu)件是一種粒子-光學(xué)構(gòu)件。
該構(gòu)件可以是例如所謂的孔眼、相位板或例如多極子。
在根據(jù)本發(fā)明的操縱器的又一實(shí)施例中，構(gòu)件是試樣固定器，并 且操縱器設(shè)置成可移動(dòng)該試樣固定器。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中， 一種操作根據(jù)本發(fā)明的操縱器的方法的 特征在于，重復(fù)地執(zhí)行如下步驟
-以足夠低的速度移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)頂端，以避免這些頂端在一個(gè) 或多個(gè)平滑表面上滑動(dòng)，和
-以足夠高的速度移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)頂端，以致使該一個(gè)或多個(gè)頂 端在該一個(gè)或多個(gè)平滑表面上的滑動(dòng)，從而使該一個(gè)或多個(gè)頂端相對(duì) 于平臺(tái)重新定位，
結(jié)果，平臺(tái)相對(duì)于基座被移動(dòng)一段距離或旋轉(zhuǎn)某一角度，該距離 或該角度大于在沒(méi)有使這些頂端相對(duì)于該平臺(tái)重新定位時(shí)可達(dá)到的 距離或角度。


本發(fā)明將基于附圖進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，在附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示
相應(yīng)的元件。為此
圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的操縱器的一個(gè)實(shí)施例，其中使 用了一組納米促動(dòng)器，
圖2示意性地顯示了操縱器的另一實(shí)施例，其中使用了兩組納米 促動(dòng)器，
圖3示意性地顯示了操縱器的又一實(shí)施例，其中，基座和平臺(tái)中 的通孔容許粒子束穿過(guò)該操縱器。
圖4A和4B示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的操縱器的裝配圖(圖4A) 和分解圖(圖4B),且
圖5示意性地描繪了帶有根據(jù)本發(fā)明的操縱器的TEM。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的操縱器的一個(gè)實(shí)施例，其中使 用了一組納米促動(dòng)器。圖1A顯示了基座2，其上面安裝了三個(gè)納米
促動(dòng)器3a,3b和3、這些納米促動(dòng)器分別呈現(xiàn)了頂端4a,4b和4e。平臺(tái)
5被彈性件6形式的夾緊裝置壓在這些頂端上。該彈性件的一端連接 到該基座的凹部7中的凸出部8上，另一端連接到該平臺(tái)上的凸出部 18上。桿9從平臺(tái)起垂直于平臺(tái)而延伸，遠(yuǎn)離該平臺(tái)的一端終止于附 連裝置^。圖1B顯示了操縱器基座的頂視圖，即從平臺(tái)正常駐留在 納米促動(dòng)器上的一側(cè)觀(guān)察到的視圖。圖1B顯示了納米促動(dòng)器的相互 位置和彈性件安裝位置。如圖中可見(jiàn)，納米促動(dòng)器在圓C上間隔開(kāi)。 從圖1A和1B中可看出納米促動(dòng)器在相同方向(在Y-Z平面中) 上的運(yùn)動(dòng)將造成基座在該方向上的平移。當(dāng)在順時(shí)針?lè)较蛏涎刂鴪AC 移動(dòng)這些頂端時(shí)，該平臺(tái)將沿順時(shí)針?lè)较蚶@該圓的圓心而^:轉(zhuǎn)。本領(lǐng) 域技術(shù)人員應(yīng)該明白，混合運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致平臺(tái)的組合平移/旋轉(zhuǎn)。通過(guò)緩慢地改變這些頂端的速度，即在該速度下決不會(huì)超過(guò)最大 摩擦力，這些頂端將停留在平臺(tái)表面上的某一位置。當(dāng)快速改變頂端 的速度，即速度快至使得橫向力超過(guò)最大(靜)摩擦力時(shí)，頂端將在表 面上滑動(dòng)。在該力變得小于動(dòng)摩4寮力的那一刻，滑動(dòng)將停止，而該頂 端將在平臺(tái)上重新定位。應(yīng)該注意，滑動(dòng)發(fā)生時(shí)的速度取決于納米促 動(dòng)器對(duì)平滑表面的法向力、兩者之間的摩擦系數(shù)以及平臺(tái),的慣性。
通過(guò)使用合適的納米促動(dòng)器，例如之前提到的可從Physik InstrumenteGbmH&Co公司獲得的P112.03納米促動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)小于 1 nm的最小位移，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)超過(guò)2 mm的行程和超過(guò)360度的旋轉(zhuǎn)。 所述納米促動(dòng)器還能夠在真空中且在液氦溫度下運(yùn)行，從而可實(shí)現(xiàn)例 如所謂低溫透射電子顯微鏡(cryo-TEM)中的操縱器，該cryo-TEM是 試樣在其中保持在低溫下的TEM。
注意，附連裝置和與之協(xié)作的相關(guān)的試樣載體本身都是己知的。 在歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)EP06114632中描述了一個(gè)示例。從某些TEM,例如 美國(guó)希爾巴羅市的FEI公司的Polara 中己獲知可供這個(gè)操縱器使用 的附連裝置的其它實(shí)施例。
圖2示意性地顯示了操縱器的另一實(shí)施例，其中使用了兩組納米 促動(dòng)器。圖2可被認(rèn)為來(lái)源于圖1A。在圖1中，夾緊裝置采用彈性 件的形式，而圖2中所顯示的夾緊裝置包括由一組Belleville墊圏16 彈性加載的反向基座12。該反向基座通過(guò)第二組納米促動(dòng)器13a, 13b 和13c而被推擠在平臺(tái)上，從而使得該平臺(tái)夾緊于兩組納米促動(dòng)器之 間。通過(guò)使相應(yīng)的納米促動(dòng)器一起(如3&和13&—起等)以相同的方向 和幅度移動(dòng)，基座和反向基座彼此是相對(duì)靜止的，而平臺(tái)在這兩者之 間移動(dòng)。
圖3示意性地顯示了操縱器的又一實(shí)施例，其中，基座中和平臺(tái) 中的通孔容許粒子束穿過(guò)該操縱器。圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的操縱器， 其中，基座中和平臺(tái)中的通孔容許粒子束穿過(guò)操縱器。圖3可被認(rèn)為 來(lái)源于圖2。桿9被去掉了，并且通孔41形成于平臺(tái)5中。通孔42 42b和42e形成于基座中。這些通孔41， 42a, 42b和42e容許粒子束沿著 粒子-光軸ll而行進(jìn)，以穿過(guò)該操縱器。圖中還示意性地顯示了安裝 在平臺(tái)上的子操縱器40，其使得附連裝置l能夠以比圖1和圖2中 所述的操縱器所提供的三個(gè)自由度(兩個(gè)平移自由度和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由 度)更多的自由度進(jìn)行定位。基座2的側(cè)壁中的又一通孔43使得試樣 或試樣載體能夠被引入到附連裝置1中。操縱器的這個(gè)實(shí)施例可以 按照類(lèi)似于某些TEM中所使用的頂部進(jìn)入的鏡臺(tái)的安裝方式(即安裝 在石茲透鏡的極片上)進(jìn)行安裝。
應(yīng)當(dāng)注意，子操縱器本身是己知的。在于2007年9月26日提交 的待決的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.11/861,721中描述了可用作根據(jù)本發(fā)明操 縱器的 一部分的子操縱器的示例。
#:縱器可構(gòu)造成與例如TEM中所^使用的真空相適應(yīng)。該真空通 常是在10-6毫巴到10-9毫巴之間的真空，但可以是更低或更高的壓力。
操縱器還可構(gòu)造成與都保持在低溫(例如液氮或液氦溫度下)或保 持在高溫(例如300。C)下的附連裝置和試樣固定器相適應(yīng)。
圖4A和4B示意性地描繪了根據(jù)本發(fā)明的操縱器的裝配圖(圖4A) 和分解圖(圖4B)。
包括殼體402、頂板401和底板403的基座形成了操縱器的外部。 一組納米促動(dòng)器404安裝在該基座(底板)上，并且相對(duì)于基座而移動(dòng) 平臺(tái)405。子操縱器406附連到平臺(tái)405中的開(kāi)孔中，該子操縱器406 可通過(guò)附連裝置407來(lái)固定試樣或試樣固定器。安裝在反向基座408 上的第二組促動(dòng)器409與基座的相反側(cè)面相接觸，從而將平臺(tái)(405) 夾緊在兩組促動(dòng)器(404, 409)之間。笫二組納米促動(dòng)器借助兩個(gè)球體 411而被彈性件410壓到基座上。該彈性件借助兩個(gè)J求體412而^皮該 基座的底板401迫向基座。因?yàn)檫@兩組球體設(shè)置成彼此間隔開(kāi)90度， 所以它們與彈性件410 —起形成了萬(wàn)向彈性組件，從而確保所有促動(dòng) 器承受相同的力。螺釘4B用于調(diào)整作用在彈性件410上的力，并因 而調(diào)整作用在促動(dòng)器上的力。應(yīng)該注意，在正常使用時(shí)(即當(dāng)基座的位移處于正常范圍內(nèi)時(shí))，平臺(tái)405不與殼體402接觸。
圖5示意性地描繪了帶有才艮據(jù)本發(fā)明的操縱器的TEM。 在圖5中，粒子源501產(chǎn)生繞粒子-光軸500而行進(jìn)的電子束。該 粒子源通過(guò)連接到電子裝置(未顯示)的高壓線(xiàn)524而獲得供應(yīng)，該電 子裝置提供用于粒子源運(yùn)行的合適的電壓和電流。該電子束通過(guò)例如 粒子-光學(xué)偏轉(zhuǎn)器502繞粒子-光軸對(duì)中。隔膜503顯示了孔眼，其用 作粒子束限制孔眼。粒子-光學(xué)透鏡504用作聚光器，以用于將電子束 傳送到物鏡505。安裝在試樣固定器511上的試樣受到該粒子束的照 射，并且該電子束的一部分穿過(guò)該試樣。這些電子通過(guò)粒子-光學(xué)透鏡 506而成像于檢測(cè)器507上。檢測(cè)器507可以是例如熒光屏或電荷耦 合器件(CCD)攝像機(jī)。當(dāng)使用熒光屏?xí)r，通過(guò)玻璃窗508可觀(guān)察到該 圖像。顯微鏡的內(nèi)部被真空壁520封閉，并經(jīng)由真空連接管線(xiàn)521而 被真空泵522抽空。為了定位試樣固定器，可使用根據(jù)本發(fā)明的操縱 器509，子操縱器510安裝在該操縱器509上以增加自由度。氣鎖512 可使安裝在試樣固定器上的試樣能夠被引入到抽空的TEM內(nèi)部，并 且將該試樣固定器安裝在子鏡臺(tái)上。
權(quán)利要求
1. 一種電動(dòng)操縱器，其用于使構(gòu)件以亞微米分辨率而平行于y-z平面進(jìn)行定位，并且在所述y-z平面中旋轉(zhuǎn)所述構(gòu)件，所述操縱器包括基座(2)，和附連裝置(<u>30</u>)，其用于使所述構(gòu)件附連到所述操縱器上，其特征在于，所述操縱器還包括安裝在所述基座上的至少三個(gè)納米促動(dòng)器(3a，3b，3c)，其各自呈現(xiàn)有頂端(4a，4b，4c)，所述至少三個(gè)頂端限定了所述y-z平面，各頂端能夠在所述y-z平面中相對(duì)于所述基座運(yùn)動(dòng)，與所述納米促動(dòng)器的所述頂端相接觸的平臺(tái)(5)，用于將所述平臺(tái)壓在所述納米促動(dòng)器的頂端上的夾緊裝置(6)，結(jié)果，所述納米促動(dòng)器可在所述y-z平面中相對(duì)于所述基座而旋轉(zhuǎn)所述平臺(tái)，并且可平行于所述y-z平面而平移所述平臺(tái)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的操縱器，其特征在于，所述納米促動(dòng) 器安裝在所述平臺(tái)(5)上，而不是安裝在所述基座(2)上。
3. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的操縱器，其特征 在于，所述夾緊裝置采用彈性加載的反向基座(12)的形式，所述反向 基座(12)在與所述平臺(tái)和所述頂端(43， 4b, 4,相接觸的側(cè)面相反的側(cè)面 上壓在所述平臺(tái)上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的操縱器，其特征在于，所述反向基座(12) 設(shè)有第二組至少3個(gè)納米促動(dòng)器(13a, 13b, 13e)，所述反向基座上的第 二組納米促動(dòng)器各自呈現(xiàn)有頂端(14 14b, 14e),所述第二組納米促動(dòng) 器的各頂端能夠在Y方向和Z方向上運(yùn)動(dòng)，所述平臺(tái)通過(guò)所述彈性加 載而與所述第二組納米促動(dòng)器的所述頂端保持接觸，并且所述操縱器 設(shè)置成可使得所述基座(2)和所述反向基座(12)在所述y-z平面中的相 對(duì)位置保持基本固定。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的操縱器，其特征在于，所述平臺(tái)(5)呈現(xiàn)有一個(gè)或多個(gè)平滑表面，所述納米促動(dòng)器(3a, 3b， 3C， 13a, 13b, 13°)的各頂端(43， 4b， 4e， 14a， 14b, 14°)與所述一個(gè)或多個(gè)平滑 表面的其中 一個(gè)平滑表面相接觸，各所述頂端設(shè)置成可相對(duì)于所述平 臺(tái)的所述一個(gè)或多個(gè)平滑表面運(yùn)動(dòng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的操縱器，其特征在于，在所述平臺(tái)(5) 的所述一個(gè)或多個(gè)平滑表面上的運(yùn)動(dòng)，采用所述頂端(4a,4b，4e， 14a, 14b 14°)在所述平臺(tái)的所述一個(gè)或多個(gè)平滑表面上滑動(dòng)的形式。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的操縱器，其特征 在于，子操縱器(50)安裝在所述平臺(tái)(5)上，所述子^(guān)^喿縱器設(shè)置成可相 對(duì)于所述平臺(tái)而移動(dòng)所述附連裝置(ie),并且所述附連裝置使所述構(gòu) 件附連到所述子操縱器上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的操縱器，其特征在于，所述子操縱器(40) 設(shè)置成可以以額外的自由度來(lái)定位所述構(gòu)件。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的操縱器，其特征 在于，所述納米促動(dòng)器(3a, 3b, 3e, 13a, 13b, 13"是壓電納米促動(dòng)器。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的操縱器，其特征 在于，所述基座(2)的至少一部分、所述納米促動(dòng)器(3a，3b，3e, 13a， 13b, 13c)、所述平臺(tái)(5)、所述夾緊裝置(16)以及所述附連裝置Q^)設(shè)置成暴 露于真空中，并且在真空中運(yùn)行。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的操縱器，其特征在于，所述真空是 粒子-光學(xué)設(shè)備的內(nèi)部真空，所述粒子-光學(xué)設(shè)備包括用于產(chǎn)生粒子束 的粒子源和一個(gè)或多個(gè)粒子-光學(xué)透鏡，所述粒子源和所述粒子-光學(xué) 透鏡均繞著粒子-光軸而對(duì)中，所述粒子束可沿著所述粒子-光軸而行 進(jìn)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的操縱器，其特征在于，所述粒子-光 學(xué)設(shè)備是電子顯微鏡。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的操縱器，其特征在于，所述操縱器在所述基座(2)中設(shè)有通孔(423， 42b， 42c)，并且在所述平臺(tái) (12)中設(shè)有通孔(41)，以用于傳送所述粒子束，所述粒子束沿著所述粒 子-光軸(ll)而行進(jìn)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的操縱器，其特征在于，所述粒子-光 軸(l l)基本上垂直于所述y-z平面。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11或權(quán)利要求12所述的操縱器，其特征在于， 所述粒子-光軸(l l)基本上平行于所述y-z平面。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11-16中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的操縱器，其特 征在于，所述構(gòu)件是粒子-光學(xué)構(gòu)件。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11-16中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的操縱器，其特 征在于，所述構(gòu)件是試樣固定器，并且所述操縱器設(shè)置成可移動(dòng)所述 試樣固定器。
18. —種操作根據(jù)權(quán)利要求6所述的操縱器的方法，所述方法包 括重復(fù)地執(zhí)行如下步驟以足夠低的速度移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)頂端(43,4b， 4C, 14a, 14b， 14e),以避 免所述頂端在所述一個(gè)或多個(gè)平滑表面上滑動(dòng)，和以足夠高的速度移動(dòng)所述一個(gè)或多個(gè)頂端，以致^f吏所述一個(gè)或多 個(gè)頂端在所述一個(gè)或多個(gè)平滑表面上滑動(dòng)，從而使所述一個(gè)或多個(gè)頂 端相對(duì)于所述平臺(tái)(5)重新定位，結(jié)果，所述平臺(tái)相對(duì)于所述基座(2)被移動(dòng) 一段距離或旋轉(zhuǎn)某角 度，所述距離或所述角度大于在沒(méi)有使所述頂端相對(duì)于所述平臺(tái)重新 定位時(shí)可達(dá)到的距離或角度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于定位透射電子顯微鏡試樣的電動(dòng)操縱器，其用于使TEM試樣固定器以亞微米分辨率而平行于y-z平面進(jìn)行定位，并在該y-z平面中旋轉(zhuǎn)該試樣固定器，所述操縱器包括基座(2)和用于將試樣固定器連接到操縱器上的附連裝置(30)，其特征在于，該操縱器還包括安裝在基座上的至少三個(gè)納米促動(dòng)器(3^a，3^b，3^c)，各納米促動(dòng)器呈現(xiàn)有頂端(4^a，4^b，4^c)，該至少三個(gè)頂端限定該y-z平面，各頂端能在該y-z平面中相對(duì)于基座移動(dòng)；與納米促動(dòng)器的頂端相接觸的平臺(tái)(5)；以及用于將平臺(tái)壓在納米促動(dòng)器頂端上的夾緊裝置(6)；結(jié)果，納米促動(dòng)器可在y-z平面中相對(duì)于基座旋轉(zhuǎn)該平臺(tái)，并且平行于該y-z平面而平移該平臺(tái)。
文檔編號(hào)H01J37/20GK101436506SQ200810169778
公開(kāi)日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月17日
發(fā)明者A·K·施米德, N·安德烈森 申請(qǐng)人:加州大學(xué)評(píng)議會(huì)