CN102971822B - 用于电子显微镜的操纵器载体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将一个或多个操纵器运送进电子显微镜的真空样品室内的载体装置，其特征在于，所述载体装置包括：（i）平台，其具有用于将一个或多个操纵器以可拆卸的方式固定到平台的固定器件；以及（ii）电连接器，其固定到平台，用于一个或多个操纵器的电连接。本发明还涉及一种用于在不改变真空样品室的真空的情况下将载体装置运送进电子显微镜的真空样品室内的方法，包括运送本发明的载体装置穿过电子显微镜的样品更换室将并且进入真空样品室。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在电子显微镜内操纵和测试微米和纳米级别的试样的系统。更具体地，本发明涉及一种用于电子显微镜的操纵器载体，一种将操纵器载体运送进电子显微镜内的系统、以及将本发明的操纵器载体运送进电子显微镜内的方法。
背景技术
由于扫描电子显微术（scanningelectronmicroscopy，SEM）与原子力显微术相比而言提供低至几个纳米的图像辨析率和相对高的帧频，因此已将操纵器安装在扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM）内以用于对纳米级别的试样进行分析、操纵或测试。举例而言，纳米操纵器被构建和用于位于SEM内的拉伸负荷单独碳纳米管中，以便表征它们的机械特性（M.-F.Yu,O.Lourie,M.J.Dyer,K.Moloni,ThomasF.Kelly,和R.S.Ruoff,“Strengthandbreakingmechanismofmultiwalledcarbonnanotubesundertensileload,”Science,卷287,页数637-640,2000）。同样，在SEM内，采用微操纵器将预制光子板（photonicplate）组装成新颖的三维光子晶体（K.Aoki,H.T.Miyazaki,H.Hirayama,K.Inoshita,T.Baba,K.Sakoda,N.Shinya,和Y.Aoyagl,“Microassemblyofsemiconductorthreedimensionalphotoniccrystals,”Nat.Mater.,卷2,页数117-121,2003）。美国专利No.6,580,076公开了用于在SEM内以高可重复性来拾取与放置（pick-and-place）微型物体的微操纵方法。
由于前述赋予的能力，故自从20世纪70年代以来多个公司和大学实验室已经研发了用于SEM的若干个纳米操纵系统。最初，操纵器被装配到SEM的样品更换室（J.B.Pawley,“Adualneedlepiezoelectricmicromanipulatorforthescanningelectronmicroscope,”Rev.Sci.Instrum.,卷43,页数600-602,1972）或者位于室壁上的真空馈入装置（I.Kawabata,Y.Nomura,和S.Shuto,“MicrodissectionwithinSEMusingnewmicromanipulator,”J.ElectronMicrosc,卷30,页数85-88,1981）。在这两种安装途径中，操纵器的XYZ驱动元件全部位于样品室的外部，而仅末端执行器（endeffecter）插入内部。而且，它们都具有不论是样品更换室还是馈入装置都不能容纳一个以上的操纵器的局限。
由于SEM纳米操纵的很多应用需要两个或更多操纵器的协作，因此大多数现存的纳米操纵系统使多个操纵器装配到平台/固定装置上，所述平台/固定装置紧固到SEM内的样品载台上。美国专利No.6,891,170和No.7,220,973B2（Zyvex公司）公开了一种操纵系统，其包含被耦接到与显微镜载台界面接合的平台的一个或多个可拆卸的操纵器模块。在由Zyvex公司研发的若干纳米操纵系统中，举例而言，ZyvexS100系统含有四个纳米操纵器，并可用于表征纳米材料的物理特性（www.zyvex.com）。
欧盟专利No.DE102007035950和No.WO2008128532（KlockeNanotechnik）公开了一种纳米机器人模块和一种用于将纳米机器人模块固定到真空载台的更换适配器。相似地，KleindiekNanotechnikGmbH、AttocubeSystemsAG以及SmarActGmbH也给SEM纳米操纵系统提供了多个操纵器模块。
在大学实验室中，通常通过将商业上可获得的纳米定位装置组装成多个自由度的操纵器，也研发了SEM纳米操纵系统。由于磁场与SEM成像互相作用，因此压电元件经常用于构成SEM可兼容的致动器。美国专利No.6,800,984（PhysikInstrumenteGmbH&Co.）公开了一种压电线性驱动器，其包含一组被构造成驱动位于导引装置内的构件的压电致动器堆。美国专利No.6,661,153（NanomotionLtd.）公开了用于通过激发具有多个电极组的压电马达中的振动而驱动压电马达的方法和设备。美国专利No.6,476,537和No.6,707,231（NewFocusInc.）公开了用于控制被耦接到从动构件的压电致动器的方法和设备。美国专利No.5,568,004和No.5,994,820（KleindiekNanotechnikGmbH）公开了基于压电致动器的机电定位装置。专利WO/2009/037693（PiezoNano-TechnologyLtd）公开了基于光滑-滑动（slick-slip）原理的压电旋转式马达。
举例而言，通过将由NewFocusInc.制成的多个压电致动器进行整合，构建出具有多个运动单元的若干个SEM纳米操纵系统，例如（T.Fukuda,M.Nakajima,P.Liu,和H.EiShimy,“Nanofabrication,nanoinstrumentation,andnanoassemblybynanoroboticmanipulation,”Int.J.Robot.Res.,卷28,页数537-547,2009）、（D.Nakabayashi,P.C.Silva,和D.Ugarte,“Inexpensivetwo-tipnanomanipulatorforaSEM,”Appl.Surf.Sci.,卷254,页数405-411,2007)、以及（M.-F.Yu,M.J.Dyer,G.D.Skidmore,H.W.Rohrs,X.-K.Lu,K.D.Ausman,J.R.VonEhr,和R.S.Ruoff,“Three-dimensionalmanipulationofcarbonnanotubesunderascanningelectronmicroscope,”Nanotechnol.，卷10,页数244-252,1999）。与固定到板上的操纵器不同，研发了一种由压电盘致动的移动式微型机器人用以在装配到SEM载台上的玻璃基板上自由移动（A.Kortschack,A.Shirinov,T.Truper,和S.Fatikow,“Developmentofmobileversatilenanohandlingmicrorobots:design,drivingprinciple,hapticcontrol,”Robotica,卷23,419-434,2005）（S.Fatikow,T.Wich,H.Hulsen,T.Sicvers,和M.Jahnisch,“Microrobotsystemforautomaticnanohandlinginsideascanningelectronmicroscope,”IΕΕΕ/ASMETrans.Mecha.,卷12,244-252,2007）。与固定式微操纵器相比，这种移动式微型机器人具有较大的工作空间、但较低的定位分辨率。
为了与试样互相作用，SEM纳米操纵器应该携载具有机械连接和电连接二者的末端执行器，例如探针、AFM悬臂、或夹具。末端执行器之所以频繁地更换，主要是因为它们易于损坏（例如弯曲和破裂）。由于所有现有的SEM纳米操纵系统被紧固到高真空样品室内，因此更换末端执行器就必需打开样品室，这不仅污染该室（因此使成像性能更差），而且引发漫长、耗时的抽气过程。因而，期望在不打破高真空的情况下，纳米操纵系统能移入和移出样品室。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种用于将一个或多个操纵器运送进电子显微镜的真空样品室内的载体装置，其特征在于，所述载体装置包括：（i）平台，所述平台具有用于将所述一个或多个操纵器以可拆卸的方式固定到所述平台的固定器件；以及（ii）电连接器，所述电连接器固定到所述平台，用于所述一个或多个操纵器的电连接。
在本发明的一个方面，所述载体装置还包括用于将所述载体装置耦接到所述电子显微镜的试样载台的器件。
在本发明的另一个方面，所述电子显微镜包括样品更换室，并且其中所述载体装置构造成用于穿过所述电子显微镜的样品更换室运送进所述真空样品室内，由此保持所述真空样品真空室内的真空。
在本发明的又一个方面，所述载体装置还包括构造成用于耦接到所述电子显微镜的试样载台的基部，并且其中所述基部包括接合部，用于将所述操纵器载体以可释放的方式连接到插入杆，其中所述插入杆能够将所述载体装置从所述更换室运送到所述真空样品室。
在本发明的再一个方面，所述载体装置的平台还包括用于以可释放的方式耦接到试样保持器的附接器件。
在本发明的另外一个方面，所述载体装置的平台包含用于容纳用于通过所述一个或多个操纵器进行成像和/或操纵的试样的空间。
在本发明的另外一个方面，所述载体装置还包括以可拆卸的方式固定到所述平台的一个或多个操纵器。
在本发明的另一个方面，提供了一种用于将一个或多个操纵器运送进电子显微镜的真空样品室内的系统，其特征在于，所述系统包括：（a）载体装置，其中所述载体装置包括：（i）平台，所述平台具有用于将所述一个或多个操纵器以可拆卸的方式固定到所述平台的固定器件；以及（ii）电连接器，所述电连接器固定到所述平台，用于所述一个或多个操纵器的电连接；以及（b）一个或多个互补电连接器（complementingelectricalconnector），所述一个或多个互补电连接器固定在所述电子显微镜的所述真空样品室的内部，其中所述互补的一个或多个电连接器构造成用于与位于所述载体装置上的电连接器配合。
在本发明的一个方面，用于将一个或多个操纵器运送进真空室内的系统的特征在于，所述载体装置还包括用于将所述载体装置耦接到所述电子显微镜的试样载台的器件。
在本发明的另一个方面，用于将一个或多个操纵器运送进真空室内的系统的特征在于，所述载体装置还包括以可拆卸的方式固定到所述平台的一个或多个操纵器。
在本发明的又一个方面，用于将一个或多个操纵器运送进真空室内的系统的特征在于，所述电子显微镜包括样品更换室，并且其中所述载体装置构造成用于穿过所述电子显微镜的样品更换室运送进真空样品内，由此保持所述样品真空室内的真空。
在本发明的另外一个方面，用于将一个或多个操纵器运送进真空室内的系统的特征在于，所述载体装置还包括构造成用于耦接到所述电子显微镜的试样载台的基部，并且其中所述基部包含接合部，用于将所述载体装置以可释放的方式连接到插入杆，其中所述插入杆能够将所述操纵器载体从所述更换室运送到所述真空样品室。
在本发明的再一个方面，用于将一个或多个操纵器运送进真空室内的系统的特征在于，所述系统还包括附接到所述电子显微镜的试样载台、用于将所述互补电连接器固定在所述真空样品室内部的装配器件，其中所述装配器件构造成避免干涉所述电子显微镜的部件。
在本发明的另外一个方面，用于将一个或多个操纵器运送进真空室内的系统的特征在于，所述互补电连接器还包含导引装置，用于导引位于所述载体装置上的所述一个或多个电连接器与所述互补的一个或多个电连接器的配合。
在本发明的另外一个方面，用于将一个或多个操纵器运送进真空室内的系统的特征在于，所述平台还包括用于以可释放的方式耦接到试样保持器的附接器件。
在本发明的另一个方面，用于将一个或多个操纵器运送进真空室内的系统的特征在于，所述平台包含用于容纳用于成像和/或操纵的试样的空间。
在本发明的又一个方面，用于将一个或多个操纵器运送进真空室内的系统的特征在于，所述系统还包括脱离系统，所述脱离系统位于所述真空室内，用于使置于所述载体装置的平台上的试样脱离由所述试样载台进行的所述载体装置的移动，其中所述脱离系统包含用于将置于所述平台的空间上的试样提升的器件，并且其中所述脱离系统能够支撑用于操纵和成像的试样。
在本发明的又一个方面，用于将一个或多个操纵器运送进真空室内的系统的特征在于，所述平台还包含一个或多个孔，并且其中所述脱离系统包括一个或多个柱，所述一个或多个柱能够延伸穿过所述一个或多个孔以提升置于所述空间上的试样并支撑用于操纵和成像的试样。
在本发明的再一个方面，用于将一个或多个操纵器运送进真空室内的系统的特征在于，所述脱离系统还包含驱动器件，所述驱动器件以可操作的方式连接到所述一个或多个柱，用于提升或降低所述一个或多个柱。
在本发明的另一个方面，提供了一种用于操纵电子显微镜的真空样品室内的试样的系统，其特征在于，所述系统包括：（a）载体装置，其中所述载体装置包括：（i）平台，所述平台具有用于将一个或多个操纵器以可拆卸的方式固定到所述平台的固定器件；以及（ii）电连接器，所述电连接器固定到所述平台，用于所述一个或多个操纵器的电连接；以及（b）一个或多个互补电连接器，所述一个或多个互补电连接器固定在所述电子显微镜的真空样品室的内部，其中所述互补的一个或多个电连接器构造成用于与位于所述载体装置上的电连接器配合。
在本发明的一个方面，用于操纵试样的系统的特征在于，所述电子显微镜包括样品更换室，并且其中所述载体装置构造成用于穿过所述电子显微镜的样品更换室运送进真空样品内，由此保持所述样品真空室内的真空。
在本发明的另一个方面，提供了一种用于在不改变真空样品室内的真空的情况下将一个或多个操纵器运送到电子显微镜的真空样品室的方法，其中所述电子显微镜包括样品更换室，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（a）提供载体装置，其中所述载体装置包括：（i）平台，所述平台具有以可拆卸的方式固定在所述平台中的一个或多个操纵器；以及（ii）电连接器，所述电连接器固定到所述平台，用于所述一个或多个操纵器的电连接；（b）将具有所述一个或多个操纵器的所述载体装置放置在所述更换室中；以及（c）将所述载体装置从所述样品更换室运送进所述真空样品室内。
在一个方面，用于将一个或多个操纵器运送到真空样品室的方法的特征在于，所述平台还包括用于以可释放的方式耦接到试样保持器的附接器件，并且其中在步骤（b）之前，所述方法还包括将携载试样的试样保持器附接到所述附接器件。
在一个方面，用于将一个或多个操纵器运送到真空样品室的方法的特征在于，所述平台还包括用于以可释放的方式耦接到试样保持器的附接器件，并且所述方法还包括：（d）将携载试样的试样保持器穿过所述样品更换室运送到所述真空样品室；以及（e）将所述试样保持器附接到位于所述真空样品室内部的所述平台的附接器件。
本发明的装置、系统和方法优于现有技术的优点包含：
1.与所有现有操纵/纳米操纵系统相比，装配和拆卸包含纳米操纵器在内的操纵器、以及更换末端执行器都不影响样品室的高真空。
2.因为在装配/拆卸操纵器/纳米操纵器、或末端执行器更换时不打开真空样品室，因此真空环境较少发生污染，导致了较好的成像性能。
3.因为不释放样品室内的真空，因此抽气时间不长，这在实践中提供了显著的便利性。
4.本发明的装置和系统的设计不干涉包含用于成像/分析的扫描电子显微镜（SEM）在内的电子显微镜的规律使用，提供了高度的灵活性。需要在SEM内操纵/纳米操纵的使用者和仅使用用于成像/分析（无需操纵/纳米操纵）的SEM的使用者可在不干涉彼此工作的情况下使用相同的SEM。
5.本发明的装置和系统提供了一种用于待被探测/操纵的诸如整个半导体晶片等具有较大面积的试样的器件，能够使标准SEM执行当前仅专用仪器能执行的任务。
附图说明
本文仅以举例方式并参照以下附图提供了一个或多个实施方式的简要描述，其中：
图1图示了扫描电子显微镜（SEM）的外部。
图2图示了具有安装用于与本发明的操纵器载体配合的适配器装配件和电连接器的内部SEM载台。
图3图示了根据本发明的一个方面的操纵器载体。
图4图示了根据本发明的一个方面的试样保持器。
图5图示了附接到更换杆的用于将其转移进样品更换室内的根据本发明的一个方面的操纵器载体。
图6图示了通过更换杆被转移进真空样品室内的根据本发明的一个方面的操纵器载体。
图7图示了与适配器装配件和电连接器建立连接的根据本发明的一个方面的操纵器载体。
图8图示了被安装到更换杆并置于样品更换室内的合适位置的具有样品托座的样品适配器（试样保持器）。
图9图示了耦接到位于真空样品室内的操纵器载体的样品适配器。
图10图示了在更换杆已拉出的同时样品适配器保留在操纵器载体上。
图11图示了根据本发明的另一个方面的操纵器载体。
图12图示了在为了提升置于操纵器载体上的晶片的目的而将z-马达安装到SEM室的情况下的晶片探测配置。
图13图示了z-马达借助于联接装置和四个支撑柱来驱动晶片离开操纵器载体。
图14是图示了根据本发明的一个方面的方法示例的方块图。
图15是图示了根据本发明的另一个方面的方法示例的方块图。
在附图中，通过举例的方式图示出本发明的一个或多个实施方式。可以清楚理解，描述和附图仅是出于图示的目的并且作为辅助理解，而无意作为本发明的限制的限定。
具体实施方式
除非另有限定，本文所用的所有技术和科学术语都具有如本发明所属的本领域的普通技术人员通常理解的相同意思。同样，除非另外指示，除了权利要求书里之外，使用“或”包含了“和”，并且反之亦然。非限制性术语不被解释为限制性的，除非明确阐述或上下文另外清楚指示（例如，“包含”、“具有”和“包括”通常指示“没有限制地包含”）。包含在权利要求书中的单数形式，例如“一”、“一个”和“所述”包含复数个参考项，除非另外明确阐述。这篇文献中引用的所有公开物通过引用合并于此。参照附图将详细解释本发明。
本发明涉及在不破坏电子显微镜（EM）的样品室中的高真空的情况下容许将一个或多个操纵器运送进和运送出电子显微镜的装置、系统和方法。
这样，本发明提供了一种将操纵器安装在EM内的更高效和更EM可兼容的途径。本发明容许携载一个或若干操纵器的装置载体穿过样品更换室被移入和移出EM的真空样品室。因此，在真空样品室内装配和拆卸操纵器载体都不影响样品室的高真空。末端执行器（即装配在操纵器上的末端工具）的更换也不影响样品室的高真空。
在本发明的一个方面，提供了用于在EM内运送和放置一个或多个操纵器的载体装置，其特征在于，所述载体装置包括：（i）用于一个或多个操纵器的平台；以及（ii）用于将携载的一个或多个操纵器电连接到EM内的电部件的一个或多个电连接器。
在本发明的另一个方面，一种用于将一个或多个操纵器运送进电子显微镜的真空样品室内的系统，其特征在于，所述系统包括：（a）载体装置，其中所述载体装置包括：（i）平台，其具有用于将所述一个或多个操纵器以可拆卸的方式固定到所述平台的固定器件；以及（ii）电连接器，其固定到所述平台，用于所述一个或多个操纵器的电连接；以及（b）一个或多个互补电连接器，其固定在电子显微镜的真空样品室内，其中所述互补的一个或多个电连接器构造成用于与载体装置上的电连接器配合。
在本发明的另一个方面，提供了一种用于在电子显微镜的真空样品室内操纵试样的系统，其特征在于，所述系统包括：（a）载体装置，其中所述载体装置包括：（i）平台，其具有用于将一个或多个操纵器以可拆卸的方式固定到所述平台的固定器件；以及（i）电连接器，其固定到所述平台，用于所述一个或多个操纵器的电连接；以及（b）一个或多个互补电连接器，其固定在电子显微镜的真空样品室内，其中所述互补的一个或多个电连接器构造成用于与载体装置上的电连接器配合。
以下讨论和示例集中于本发明在扫描电子显微镜（SEM）情景中的应用。然而，本领域技术人员可理解本发明的这些以及其它替代性实施例作为本发明的自然延伸。例如，本发明的装置、系统和方法可用于包含真空样品室和样品更换室的任何EM中，EM包含透射电子显微镜和反射电子显微镜在内。
在该文献中，在广义上使用术语“操纵器”以包含对微米或纳米级别的试样进行测试、处理或操作的装置，其可能但不一定导致试样的变化。例如，操纵器可辅助观察试样的特征。
图1图示了典型的SEM的外部。真空样品室90（在图10中示出了其内部）是放置试样以供成像的真空样品室。真空样品室90包含试样载台50。能够使载台50在真空样品室90内移动的驱动器件（电动马达）通常位于定位于SEM的真空样品室90外部的箱体120中，以避免电磁干扰电子束。样品更换室130（在图5和8中示出了其内部）是在样品更换期间供样品暂时停留的空间，使得样品室90中的高真空将不受影响。为了将样品（其也可称作“试样”）移入或移出真空样品室90，样品适配器（其在本领域中也可称作“试样保持器”）附接到更换杆40的端部，更换杆40可被手动地推和拉以使样品适配器滑动穿过样品更换室130并滑入真空样品室90。在现有技术的现有系统中，将纳米操纵系统移入和移出真空样品室90或更换操纵器的末端执行器，需要每次打开高-真空样品室90的门110，这导致样品室90的污染和真空的破坏，其转而又使漫长的抽气过程成为必需。本发明描述了在不打开样品室门110的情况下用于将一个或多个操纵器移入和移出真空样品室90的新颖系统、方法和装置，由此使样品室90内保持真空。
在样品室90内，如图2中所图示，可使用适配器装配件60以将样品适配器以可拆卸的方式固定到适配器装配件60的槽64上，由此将样品适配器耦接到SEM试样载台50以用于对样品进行规律的SEM成像/分析。试样载台50可以是能够沿XY方向移动以使试样或试样内的关注目标定位的、以及沿竖直的Z方向移动以对试样调焦的机动化载台。本发明利用适配器装配件60用于以可拆卸的方式固定本发明的载体装置以在EM内运送和放置一个或多个操纵器，这就意味着不需要设计和安装用于固定本发明的载体装置的专用结构，使得容纳操纵系统并不影响SEM的规律使用。
图3图示了本发明的操纵器载体装置300的一个方面，其提供了用以转移诸如纳米操纵器等工具的器件以及用于将纳米操纵器连接进EM内部的电连接装置。在本发明的一个方面，提供了一种用于在EM内运送和放置一个或多个操纵器的载体装置300。在该方面，载体装置300包括：（i）载体平台320；以及（ii）一个或多个电连接器330，用于将所携载的一个或多个操纵器电连接到EM内部的电部件。板320上的电连接器330将所携载的工具电连接到位于SEM内部和外部的电子和电部件，如以下进一步描述的。
装置300还可包括用于将所述一个或多个操纵器固定到平台320的固定器件370。固定器件370能够使操纵器以可拆卸的方式固定到平台320。固定器件370包含例如紧固件，诸如螺钉或螺栓。
装置300还可包括用于将装置300装配到SEM的器件。这样，载体装置300可包括基部适配器，例如T-基部适配器340，适用于耦接到SEM的真空样品室90内部。例如，基部适配器340可构造成与SEM样品载台50的槽64耦接，用于将整个载体装置300固定到载台50。基部适配器340也可设置有用于将载体装置300以可释放的方式连接到插入或更换杆40的接合器件360，使得操纵器载体300可移入和移出真空样品室90，如以下进一步描述的。
装置300的平台320也可包含具有与槽64相似的构造的槽或保持器装配件350，用于接收用于操纵的试样保持器。依据是否需要将样品与操纵器载体装置300一起或分别地转移，存在放置用于操纵的样品的两种方法。第一，例如在顶部上携载样品托座（未示出）的T-基部样品适配器等样品适配器，可插入操纵器载体300的保持器装配件350，并与操纵器载体装置300全部转移进SEM内。第二，例如图4中所图示的样品适配器400等样品适配器，可用于在操纵器载体300已安装在室90内之后将样品转移进SEM的真空样品室90内。参见图4，样品适配器400包括T-基部适配器410和转移适配器430。为了将样品适配器400转移进已容纳载体装置300的样品室90，更换杆40可以以可释放的方式附接到位于转移适配器430处的接合器件460。转移适配器430也可采用T-基部适配器的形式，如图4中所示。T-基部适配器410插入操纵器载体装置300的槽350，用于将样品适配器400固定到载体装置300。然后，可将样品放置在样品托座420上，样品托座420被装配到T-基部适配器410。虽然在本文提供的公开内容中适配器描述为T-基部适配器，但可以理解，其它类型的适配器也可用于本发明中。
参见涉及用于操纵器的电连接装置的图2和6，能够与电连接器330配合的互补电连接器530可固定在样品室90内，例如固定到被附接至SEM载台50的装配件70。适配器装配件70的形状应该设计成避免其干涉SEM的部件，例如，避免其与意在限制SEM载台的运动的微动开关（microswitch）相撞。另外，适配器装配件70应不阻碍用于对样品进行其它分析的附加SEM检测器，例如EDX检测器。互补电连接器530也可包含导引器件。位于互补电连接器530上的导引柱520可设计成插入电连接器330，使得位于载体平台320上的电连接器330可与位于适配器装配件70上的互补电连接器530严格对齐并且平滑配合。来自互补电连接器530的电缆（未示出）可连接到SEM的馈入端口，然后连接到位于SEM外部的电部件（例如操纵器驱动器/控制器）。为了容纳互补电连接器530，仅打开样品室门110一次，以便安装携载互补电连接器530和电缆的适配器装配件70，携载互补电连接器530和电缆的适配器装配件70的存在不影响SEM的规律使用并因此可以是永久的。虽然图2和6图示了阴型互补电连接器530，其被示出连接到操纵器的阳型连接器330，但应该理解，互补电连接器530可以是能与位于载体平台320上的阴型连接器330配合的阳型连接器。任何合适类型的连接器均可用于本发明中，包含例如插头和插座连接器或者PCIExpress连接器。
在将用于互补连接器530和电缆的适配器装配件70安装在样品室90内部之后，此时可将携载了一个或多个操纵器的操纵器载体装置300转移进真空样品室90内，就像规律的SEM样品适配器一样。在图5中，打开样品更换室130的门，并且具有在机上（onboard）的一个或多个操纵器700（图3图示了两个操纵器）和电连接器330、被连接到更换杆40的装置300，被装配到样品更换室130。关闭样品更换室130的门，并且抽空空气。
一旦完成样品更换室的抽空，就打开真空样品室90，在不破坏样品室90的真空的情况下，更换杆40将操纵器载体装置300转移进高-真空样品室90内，如图6和7中所示。载体装置300的适配器340可滑入适配器装配件60内的槽64中，并同时在具有或没有用于对准的导引柱520的辅助的情况下，操纵器载体装置300上的连接器330与互补连接器530配合。操纵器载体装置300的高度应该设计为考虑到下述情况，即操纵器和样品应该位于与物镜510相距适当距离处，尤其是在SEM载台升至其最高位置从而以最短的工作距离来观察样品之时。
在载体装置300转移之后，可将更换杆40从载体装置300移出和拉出，如图7中所示。
图8图示了具有附接至其的杆40的样品适配器400转移进样品更换室130内。在不破坏真空的情况下，杆40将适配器400滑入真空样品室90。适配器400滑动，直到它与槽350耦接为止（图9）。然后，杆40回撤，留下与载体装置300耦接的样品适配器400，且在机上的操纵器700准备操纵位于样品适配器400上的试样（图10）。
操纵器700可由压电马达/致动器组成，并可沿X、Y和Z方向移动或产生旋转运动。位于操纵器内部的定位器可借助于或不借助于来自整合的高辨析率编码器的闭环位置反馈，以粗糙和精细两种定位方式运行。诸如探针710等末端工具（即末端执行器）可安装在操纵器700上。探针710也可具有至阳型连接器330的电连接装置。为了操纵任务也可安装诸如夹持工具和管等其它类型的末端执行器。
操纵器和末端执行器经由连接器330和530电连接到SEM外部的电部件，并且最终连接到计算机。由持续监控SEM图像的操作人员借助于操纵杆/键盘或计算机程序来控制操纵器。另外，利用作为视觉传感器的SEM的反馈以及操纵器和末端执行器整合的位置/力传感器的反馈，也可实现用于操纵任务的自动闭环控制。
除了操纵小尺寸样品（例如，诸如细胞、纳米线、纳米管等生物材料，以及微型机电系统-MEMS装置），本发明的载体装置300也可做出调整，从而在用于操纵相对较大试样（例如整个半导体晶片或生物组织）的系统中使用。
当探测相对较小的试样时，位于平台320上的操纵器700能够到达用于操纵的试样内部的所有关注的部位或位置。然而，当探测相对较大试样时，操纵器可能不能到达用于操纵的试样内部的所有关注的部位或位置。载体装置300可通过其所附接的EM的试样载台50沿XY方向移动。如果试样附接到载体装置300，则载体装置的移动导致试样的相应移动。因此，在本发明的另一个方面，提供了一种容许操纵器到达诸如整个半导体晶片等相对较大样品的内部的所有关注的部位或位置处的新颖和独特的系统。根据本发明该方面，提供了一种系统，借助于该系统如晶片等相对较大的试样可脱离由试样载台50进行的载体装置300的移动，由此容许操纵器700有能力到达用于操纵的晶片的内部的所有关注的部位和位置。
图11图示了构造成用于探测相对较大试样的载体装置900。诸如晶片等相对较大的试样可放置在操纵器载体平台920的中心处，在该中心处存在两个或更多的通孔910，两个或更多的通孔910容许位于操纵器载体900底下的支撑柱向上移动、穿过通孔910、接触晶片，并将晶片沿竖直方向移离操纵器载体平台920，由此使晶片脱离载体900绕着晶片的XY移动。以此方式，位于平台920上的操纵器700能够到达用于操纵的晶片内部的所有位置。
这样，在另一方面，本发明提供了一种用于使试样脱离载台50和在机上携载一个或多个操纵器700的载体装置900的移动的系统。在各方面，用于使待被操纵的试样脱离载体装置900的移动的脱离系统包括一个或多个支撑柱，所述一个或多个支撑柱能够提升置于载体平台920上的试样，并且支撑用于操纵和成像的试样。以可操作的方式连接到一个或多个柱的驱动器件可用于提升或降低所述一个或多个柱。
如图12和13中所示，可将晶片970放置在在载体平台920的中心处具有一个或多个通孔910的经改型的操纵器载体装置900上。所述一个或多个孔910的尺寸确定为容许诸如柱940等一个或多个支撑器件移动通过。诸如压电马达980等驱动器件可安装到真空样品室90的壁部或底部，或者SEM的真空样品室90内部的任何其它合适固定的结构。借助于杆和支撑器件940，马达980可将晶片970提离载体平台920，如图13中所图示。因此，当SEM载台50沿着X方向和Y方向移动操纵器载体装置900时，由于晶片在XY运动方面脱离SEM载台50，因此末端执行器的工作空间可覆盖整个晶片。因此，本发明的运动系统提高了用于半导体晶片探测的标准SEM的能力。
本发明也提供了用于在不改变真空样品室90内部的真空的情况下将一个或多个操纵器运送到电子显微镜的真空样品室90的方法。根据本发明的一个方面的方法包括以下步骤：
（a）提供载体装置300、900，其中所述载体装置包括：（i）载体平台320，其具有以可拆卸的方式固定到载体平台320中的一个或多个操纵器700；以及（ii）电连接器330，其固定到载体平台320，用于所述一个或多个操纵器700的电连接；
（b）将具有所述一个或多个操纵器700的载体装置330、900放置在样品更换室130中；以及
（c）将载体装置300、900从样品更换室130运送进真空样品室90内。
图14和15的流程图图示了在不破坏真空室90内部的真空的情况下用于将本发明的载体装置300、900运送进EM的真空样品室90内的方法的两个非限制性示例。
图14图示了用于运送载体装置300、900的方法的示例，其中待被操纵的试样与载体装置300、900一起被转移到样品真空室90。在方块1401中，使用者选择操纵器并将操纵器耦接/固定到载体装置300、900。在方块1402中，可将试样直接放置在载体平台上，或可将携载试样的样品适配器插入槽350中。在方块1403中，将更换杆附接到载体装置300、900，并将载体装置300、900装配在样品更换室130内。关闭并抽空样品更换室130。一旦抽空更换室130，则使用更换杆以将载体装置300、900滑入或移入样品室90（方块1404）。在真空样品室90内部，载体装置300、900的基部340接合或耦接到试样载台50上的槽64，由此将载体装置300、900耦接到试样载台50（方块1405）。与方块1405的步骤同时进行，将位于载体装置300、900上的电连接器330与定位在适配器装配件70上的互补电连接器530耦接（方块1406）。拆卸并且回撤杆40。此时操纵器起作用，并准备好操纵试样（方块1407）。
图15图示了用于运送载体装置300的方法的另一个示例，其中，在已将操纵器载体安装在真空样品室90内之后，样品适配器（试样保持器）400可用于将样品转移到样品真空室90。方块1501-1505图示了除了试样尚未放置在操纵器载体装置300的平台上之外，以与方块1401-1406相似的方式用于将载体装置300耦接到载台50以及将电连接器330与互补连接器530配合的步骤。将更换杆40附接到具有放置在托座420上的样品的试样保持器400，并且将试样保持器400装配到样品更换室130。一旦抽空样品更换室130，就打开与样品真空室90连通的门，并且杆40被用来将试样保持器400滑入真空样品室90内并滑入位于载体装置300上的保持器装配件350上，由此将试样放置在合适位置用于在回撤杆40之后成像和操纵。
本领域技术人员可了解，本文所描述的一个或多个实施方式的其它变型是可能的，并可在不脱离本发明范围的情况下实践。
Claims (22)
1.一种用于将一个或多个操纵器运送进电子显微镜的真空样品室内的载体装置，其特征在于，所述载体装置包括：（i）平台，所述平台具有用于将所述一个或多个操纵器以可拆卸的方式固定到所述平台的固定器件；（ii）电连接器，所述电连接器固定到所述平台，用于所述一个或多个操纵器的电连接；以及（iii）构造成用于耦接到所述电子显微镜的试样载台的基部，所述电子显微镜具有样品更换室并且其中所述基部包含接合部，用于将所述载体以可释放的方式连接到插入杆，其中所述插入杆能够将所述载体装置从所述样品更换室运送到所述真空样品室，由此保持所述真空样品真空室内的真空。
2.如权利要求1所述的载体装置，其特征在于，所述载体装置还包括用于将所述载体装置耦接到所述电子显微镜的试样载台的器件。
3.如权利要求1所述的载体装置，其特征在于，所述载体装置构造成用于穿过所述电子显微镜的所述样品更换室运送进所述真空样品室内，由此保持所述真空样品真空室内的真空。
4.如权利要求1所述的载体装置，其特征在于，所述平台还包括用于以可释放的方式耦接到试样保持器的附接器件。
5.如权利要求1所述的载体装置，其特征在于，所述平台包含用于容纳用于通过所述一个或多个操纵器进行成像和/或操纵的试样的空间。
6.如权利要求1所述的载体装置，其特征在于，所述载体装置还包括以可拆卸的方式固定到所述平台的所述一个或多个操纵器。
7.一种用于将一个或多个操纵器运送进电子显微镜的真空样品室内的系统，其特征在于，所述系统包括：
（a）载体装置，其中所述载体装置包括：（i）平台，所述平台具有用于将所述一个或多个操纵器以可拆卸的方式固定到所述平台的固定器件；（ii）电连接器，所述电连接器固定到所述平台，用于所述一个或多个操纵器的电连接；以及（iii）构造成用于耦接到所述电子显微镜的试样载台的基部，所述电子显微镜具有样品更换室并且其中所述基部包含接合部，用于将所述载体以可释放的方式连接到插入杆，其中所述插入杆能够将所述载体装置从所述样品更换室运送到所述真空样品室，由此保持所述真空样品真空室内的真空；以及
（b）一个或多个互补电连接器，所述一个或多个互补电连接器固定在所述电子显微镜的所述真空样品室的内部，其中所述互补的一个或多个电连接器构造成用于与位于所述载体装置上的电连接器配合。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述载体装置还包括用于将所述载体装置耦接到所述电子显微镜的试样载台的器件。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述载体装置还包括以可拆卸的方式固定到所述平台的一个或多个操纵器。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述载体装置构造成用于穿过所述电子显微镜的所述样品更换室运送进所述真空样品内，由此保持所述样品真空室内的真空。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括附接到所述电子显微镜的试样载台并用于将所述互补电连接器固定在所述真空样品室内部的装配器件，其中所述装配器件构造成避免干涉所述电子显微镜的部件。
12.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述互补电连接器还包含用于导引位于所述载体装置上的所述一个或多个电连接器与所述互补的一个或多个电连接器的配合的导引器件。
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述平台还包括用于以可释放的方式耦接到试样保持器的附接器件。
14.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述平台包含用于接收用于成像和/或操纵的试样的空间。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统还包括脱离系统，所述脱离系统位于所述真空室内，用于将置于所述载体装置的所述平台上的试样脱离由试样载台进行的所述载体装置的移动，其中所述脱离系统包含用于将置于所述平台的空间上的试样提升的器件，并且其中所述脱离系统能够支撑用于操纵和成像的试样。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述平台还包含一个或多个孔，并且其中所述脱离系统包括一个或多个柱，所述一个或多个柱能够延伸穿过所述一个或多个孔，以提升置于所述空间上的所述试样并支撑用于操纵和成像的试样。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，所述脱离系统还包含驱动器件，所述驱动器件以可操作的方式连接到所述一个或多个柱，用于提升或降低所述一个或多个柱。
18.一种用于操纵电子显微镜的真空样品室内的试样的系统，其特征在于，所述系统包括：
（a）用于将一个或多个操纵器运送进所述真空样品室内的载体装置，其中所述载体装置包括：（i）平台，所述平台具有用于将一个或多个操纵器以可拆卸的方式固定到所述平台的固定器件；（ii）电连接器，所述电连接器固定到所述平台，用于所述一个或多个操纵器的电连接；以及（iii）构造成用于耦接到所述电子显微镜的试样载台的基部，所述电子显微镜具有样品更换室并且其中所述基部包含接合部，用于将所述载体以可释放的方式连接到插入杆，其中所述插入杆能够将所述载体装置从所述样品更换室运送到所述真空样品室，由此保持所述真空样品真空室内的真空；以及
（b）一个或多个互补电连接器，所述一个或多个互补电连接器固定在所述电子显微镜的真空样品室的内部，其中所述互补的一个或多个电连接器构造成用于与位于所述载体装置上的所述电连接器配合。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述电子显微镜包括样品更换室，并且其中所述载体装置构造成用于穿过所述电子显微镜的所述样品更换室运送进所述真空样品内，由此保持所述样品真空室内的真空。
20.一种用于在不改变真空样品室内的真空的情况下将一个或多个操纵器运送到电子显微镜的真空样品室的方法，其中所述电子显微镜包括样品更换室，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（a）提供载体装置，其中所述载体装置包括：（i）平台，所述平台具有以可拆卸的方式固定到所述平台中的一个或多个操纵器；（ii）电连接器，所述电连接器固定到所述平台，用于所述一个或多个操纵器的电连接；以及（iii）构造成用于耦接到所述电子显微镜的试样载台的基部并且其中所述基部包含接合部，用于将所述载体以可释放的方式连接到插入杆，其中所述插入杆能够将所述载体装置从所述样品更换室运送到所述真空样品室；
（b）将具有所述一个或多个操纵器的所述载体装置放置在所述更换室中；以及
（c）用所述插入杆将所述载体装置从所述样品更换室运送进所述真空样品室内。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述平台还包括用于以可释放的方式耦接到试样保持器的附接器件，并且其中在步骤（b）之前，所述方法还包括将携载试样的试样保持器附接到所述附接器件。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述平台还包括用于以可释放的方式耦接到试样保持器的附接器件，并且所述方法还包括：
（d）将携载试样的试样保持器穿过所述样品更换室运送到所述真空样品室，以及
（e）将所述试样保持器附接到位于所述真空样品室内部的所述平台的附接器件。
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