CN105092289A - 利用静电力来操纵样品切片的切片系统和工艺 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于制备供显微镜检查的切片的切片系统和工艺。所述系统中的切割刃可以切穿样品块并制出切片，所述切片的一端保持附连到切割刃。电压生成器可以产生电压并将电压施加在所述切割刃和诸如半导体芯片格栅的切片接收器之间。通过由所述电压产生的静电力，所述切片的另一端可锚定到所述切片接收器。然后所述切片平铺在所述切片接收器上。所述切片系统可以为自动化的、高效的，且不需要液体来漂浮样品切片，从而可以保持样品切片的完整性。

Description

利用静电力来操纵样品切片的切片系统和工艺
技术领域
本发明总体上涉及能手动、半自动或自动操作的切片机，更特别地，涉及利用静电力来收集和分发样品切片以用于各种显微镜检查的切片系统和工艺。
背景技术
切片机是用于从块体样品(也称为样品块)切割很薄的片(本领域也称为切片)的设备。一般在各种光学显微镜(LM)和电子显微镜(EM)下审视和检查这些切片，以更好地理解它们的结构细节。常规的切片机能产生厚度为1微米左右的切片。与此对照，超薄切片机能产生薄至5nm的切片。
由于薄的切片可能脆弱易碎，难以完全展开(例如扭曲、折叠和卷曲)，并且粘附到切割刀片上，所以对于切片机用户而言，很难操纵这些切片，例如将它们从切割刀片移除，并且将它们转移到格栅(grid)或网格(mesh)以用于进一步研究。为了解决该问题，常规做法是通过将切片浮于诸如水、酒精、丙酮和二甲基亚砜之类的适当液体上来收集它们。通常，切片将要脱离的切割刀片的侧面被装有液体的小槽或舟皿包围，所述液体的密度大于切片的密度。当从样品块切出切片时，由于浮力或表面张力，切片浮于所述液体上。例如，授予给Martinelli的美国专利No.3,225,639公开了这种设计，如图1所示。参照图1，具有切割刃7的玻璃刀具3位于切片机(未示出)内。切割刃7通过如下步骤形成：取黑卡拉拉(Cararra)玻璃的长方形板材，并且使板材沿边缘8断裂，以形成切割刃7。切片机刀具3具有固定到其上的舟皿，其在截面图中由舟皿的壁1表示。实线位置处的样本座5可以在切片机3的刀刃7上方下冲，如箭头A所指示的那样。当座5如此移动时，从样品切削出样品的薄切片。容留在舟皿壁1和切割机刀具3之间的液体4给出液体表面，在样品被切片之后，来自样本座5的薄切片2浮于该液体表面上。然后样本座5可以水平移动，如箭头B所示，移至6处的虚线所示的位置。样本座5可以通过垂直移动而回归原位，如箭头C所示。回归原位之后，样本座5可以如箭头D所表示的那样进给，以再次准备切割另一切片。
上述液体漂浮方案至少有两个问题。第一，切片的某些物理、化学和生物微结构和属性可能被它们与支承流体的相互作用而不利地改变，所述相互作用例如为离子交换、分解和部分溶解。这种相互作用可能使得样品切片的检查和分析复杂化。第二，切片可能黏附到切割刃或先前的切片上，形成漂浮链，从而切片机操作者必须用精细刷手工移除切片，或者直接将其拾取到适于显微镜观察的格栅或网格上。这样，当制作各个切片时，用户必须连续不断地操作和监视切片机。
因此，现有技术中的切片工艺不仅涉及漂浮液体和样品切片之间的不期望的相互作用，而且还重复乏味费力，难以自动化，并且因此产率低下。有利的是，本发明通过提供一种利用静电力来收集和分发样品切片的切片系统和工艺而解决了上述问题中的至少一个，并且展现出诸多技术优点，例如可自动化、改善的效率和产率、以及样品整体性等。
发明内容
本发明一方面提供一种切片系统，用于制备用于显微镜检查的至少一个切片。所述系统包括保持(或用于保持)具有切割刃的刀片的刀片座；保持(或用于保持)样品块的样本座；保持(或用于保持)切片接收器的接收器座，以及电压生成器。运行时，所述切割刃可以切入所述样品块以制成至少一个切片，所述至少一个切片的一端保持附连到所述切割刃；所述电压生成器可以生成电压并且将该电压施加在所述切割刃和所述切片接收器之间；所述至少一个切片的另一端(自由端)可以通过由所述电压产生的静电力而锚定到所述切片接收器。
本发明另一方面提供一种利用上述切片系统来制备用于显微镜检查的至少一个切片的工艺。所述工艺包括：
(1)将所述刀片座、所述样本座和所述接收器座设置为准备状态，在准备状态下，所述刀片座和所述样本座操作上定位以便所述切割刃切入所述样品块从而制成新的切片，并且所述接收器座操作上定位以便将所述切片接收器移动到接收所述新的切片的接收位置；
(2)改变所述切割刃和所述样品块之间的空间关系，以便切片从所述样品块切离，其中所述切片的最后切离部分附连到所述切割刃，并且构成相对于所述切割刃的所述切片的近端；
(3)将所述电压生成器生成的电压施加在所述切片接收器和所述切割刃之间，使得所述切片通过静电力而以完全展开形式从所述切割刃朝向所述切片接收器伸长；
(4)在施加所述电压之前和/或期间，改变所述切片接收器和所述切割刃之间的空间关系，使得所述切片接收器移动到所述接收位置，在所述接收位置处所述伸长的切片的远端锚定到所述切片接收器上的预定位置；
(5)当所述伸长的切片的远端保持锚定到所述预定位置时，去除或降低所述电压；
(6)在所述切片的远端保持锚定到所述预定位置并且所述切片的近端保持附连到所述切割刃的同时，改变所述切片接收器和所述切割刃之间的空间关系，直到完全展开形式的整个切片平铺在所述切片接收器上；以及
(7)在完全展开形式的整个切片保持平铺在所述切片接收器上的同时，改变所述切片接收器和所述切割刃之间的空间关系，以使所述切片的近端脱离所述切割刃。
通过对实施本发明的最佳实施例的下述详细描述，并结合附图，上述特征和优点以及本发明的其他特征和优点将显而易见。
附图说明
本发明以示范而非限制的方式示于附图中，附图中相似的附图标记指示类似的元件。为了图示的简洁清楚，图中所示并且下面论述的元件不一定是按比例绘制的。公知结构和器件被以诸如框图之类的简单形式示出以避免不必要地模糊本发明。
图1示出现有技术的切片机，其使用装有水的舟皿来漂浮样品切片。
图2是根据本发明一实施例的切片系统的示意图。
图3示意性示出了根据本发明一实施例的刀片座的设计。
图4是图3的刀片座的仰视图。
图5示出根据本发明一实施例的切片工艺中的准备状态(steady-by)。
图6示出切片工艺中的切片操作的早期阶段。
图7示出根据本发明一实施例的切片工艺中的切片操作的近乎完成阶段。
图8示出根据本发明一实施例的切片工艺中的切片操作的完成后阶段。
图9示出切片工艺中的切片取向操作。
图10演示了根据本发明一实施例的切片工艺中的切片锚定操作。
图11展示了根据本发明一实施例的切片工艺中的切片平铺(spreading)操作。
图12示出切片工艺中的切片释放操作。
图13示出根据本发明一实施例的切片工艺中的复位或恢复操作。
图14示意性示出根据本发明一实施例的具有排成阵列的窗口的半导体芯片格栅。
图15示出图14的芯片格栅的沿线A-A的横截面。
图16示意性示出图14的半导体芯片格栅，其中窗口装载有根据本发明一实施例的样品切片。
图17示出图14的装载了的半导体芯片格栅的沿线A-A的横截面。
图18示出根据本发明的原理配置的控制电路的功能框图。
具体实施方式
在下面的描述中，为了说明，阐述了许多特定细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言显然的是，可以在没有这些特定细节的情况下或者用等效布置来实践本发明。
图2示意性示出切片系统的示例。参照图2，刀片座52保持刀片50，刀片50具有切割刃51，样本座62保持样品块60。刀片50可以由任意合适的材料制成，诸如金刚石、蓝宝石、玻璃、金属(例如钢)、合金、或者它们的任何组合。尽管图2和其他附图显示了刀片50具有凿子形状的轮廓，但是应理解，刀片的轮廓可以选自平面凹陷(planarconcave)、楔形、凿子形状、或者它们的任何组合。
参照图2，切割刃51可以切入到样品块60中以从样品块60切下一切片(未示出)。接收器座72保持切片接收器70，其被设计来接收切片。切片和切片接收器70一起可以被传递到显微镜实验室以供检查。虽然图2和其他附图示出了滑动切片机，但是应理解的是，本发明亦可涉及其他切片机，诸如振动切片机、旋转切片机、盘式切片机、锯式切片机、或者它们的任何组合。
样品块60可以是适于显微镜检查的任何材料，例如，它可以是半导体产品或生物材料，诸如来自阿尔茨海默病人的神经组织。在一实施例中，样品块60首先被埋入在支承基质中，用诸如硬塑料之类的支承材料浸注，以使得切片更加易于进行。
所产生的切片可具有任何形状和尺寸，例如，所产生的切片可具有从10nm至2000nm范围内的厚度，优选地从30nm至200nm，更优选地从40nm至100nm；所产生的切片可具有从1mm至10mm范围内的长度，优选地从2mm至6mm，更优选地从2mm至4mm；所产生的切片可具有从0.2mm至1mm范围内的宽度，优选地从0.3mm至0.8mm，更优选地从0.4mm至0.6mm。切片可以在任何可适用的显微镜下受到检查，诸如光学显微镜(LM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、以及扫描透射电子显微镜(STEM)。在一优选实施例中，本发明的切片系统用作超薄切片机，利用其制备大约40nm厚0.5mm宽的薄切片以供电子显微镜使用。这样的薄切片的一个优点在于，在TEM检查中，它允许足够的电子通量透射穿过样品以形成图像。一切片或一系列切片可用于揭示样品的内部结构，例如阿尔茨海默病人的脑组织的内部结构。在另一实施例中，本发明提供一种自动化的超薄切片系统，其可以产生此类薄切片并且将它们依次放置到诸如半导体芯片格栅之类的切片接收器70上。然后，切片接收器70可以用于超高速STEM，超高速STEM是用于样品块内部结构的3D重构的强有力工具，尤其是在纳米技术、生物医疗研究、癌症研究、病毒学、以及临床实践领域。
再次参照图2，电压生成器80电连接到切割刃51和切片接收器70。电压生成器80可以生成电压并且将该电压施加在切割刃51和切片接收器70之间，从而在二者之间建立静电场。电压可以是上至+10kV或下至-10kV的DC电压，优选地上至+7kV或下至-7kV，更优选地上至+5kV或下至-5kV。示例性电压范围可以是4kV至6kV或-4kV至-6kV。如下面将描述和示出的那样，在切割操作刚完成之后切片的一端仍附连到切割刃51，切片的另一端可以通过由所述电压导致的静电力而锚定到切片接收器70。
尽管图2示出了刀片50、样品块60和切片接收器70在固定位置固定到刀片座52、样本座62和接收器座72，但是它们可以用一个或多个接合(engagement)元件连接，优选地可移除地连接，到彼此。接合元件可以包括任何适合的接合和连接结构，包括粘合剂、卡件、钩件、拉件(tab)、按钮、压配合、过盈配合、卡扣配合、插槽(slot)、沟槽(groove)、螺杆、铆钉等等。样品块60可以利用缝线、缝合、组织粘合剂(例如氰基丙烯酸酯等)、或者已知的用于将诸如组织样品之类的样品块附连到用于组织样本座62或中间结构的塑料或其他材料的任何合适的方法或结构，附连到样本座62或中间结构(图2未示出)。
应理解的是，刀片50、样品块60和切片接收器70也可以按可调节的方式固定到座52、60和72。例如，切割刃51可以沿刃的长度分为n段，每段的尺寸与将要切下的切片的尺寸相当。在切片操作中，n段可以轮流切割样品块60，从而它们将基本均匀地磨蚀，这最大化了刀片被更换或磨快前的使用寿命。为此，刀片50可以是可调节的且被设计为相对于刀片座52沿切割刃51的长度来回移动。或者，刀片50可以固定到刀片座52上，他们二者一起相对于样品块60来回移动。例如，在生产多个切片的自动化切片工艺中，切割刃51的n段可以按带有或不带有一模板(pattern)的预设顺序使用，例如1、2、3、4…n、n…4、3、2、1、1、2、3、4…n、n…4、3、2、1、…，等等，一直到整个切割刃51磨蚀而不适于进一步切割。
如果需要自动化或半自动化操作，切片系统可以包括控制电路100。控制电路100可基于硬件电路系统、软件指令或它们的任何组合来实现。参照图2，可选的控制电路100可链接到刀片座52(进而刀片50)、样本座62(进而样品块60)、接收器座72(进而切片接收器70)和电压生成器80，并能控制它们的动作。
如稍后将详细示出和描述的那样，切割操作下的切片有时可能碰到并且粘附到刀片座52的表面，例如与切割刃51相邻的表面45，如图2所示。为了解决这个问题，切片系统可包括两个可选结构，抗粘附气源40和抗粘附气体传输组件48。气体可通过表面45上的多个孔11以可控的方式输送到表面45上以防止切片(未示出)碰到或粘附到表面45，尤其是在施加电压前。类似地，控制电路100可链接到抗粘附气体传输组件48，并能控制其动作。
如稍后将详细示出和描述的那样，所切割的切片的一端可能附连到切割刃51上，需要在工艺的某一时刻从其分离。本发明的切片系统还可包括两个可选结构，分离气源41和分离气体传输组件49。气体流可以按可控的方式输送到切割刃51和切片(未示出)之间的接合点(joint)处或其上，用于促进切片从切割刃51分离。类似地，控制电路100可以链接到分离气体传输组件49，并能控制其动作。应理解的是，在适当的时候，抗粘附气源40和分离气源41可组合成一个源，用于组件48和49二者。
在示范性实施例中，刀片座52、样本座62、接收器座72、电压生成器80、抗粘附气体传输组件48和分离气体传输组件49可以可选地包括相同或不同的致动单元(分别为54、64、74、84、42和43，如图2所示)，它们全部都由控制电路100控制。致动单元的示例包括但不限于电动机、压电致动器、梳驱动器、液压活塞、气动致动器、电活性聚合物、热膨胀材料、双压电晶片、或它们的任何组合。对于抗粘附气体传输组件48和分离气体传输组件49而言，它们可以包括流量控制器，诸如安装件、喷口、喷嘴、管道、阀、流量控制器、泵、以及压力调节器。
图2所示的切片系统可采用开环或闭环控制框架。在开环控制系统中，不存在返回信号以修正或优化六个元件的动作，即刀片座52、样本座62、接收器座72、电压生成器80、抗粘附气体传输组件48和分离气体传输组件49。在这种情况下，将切片加工参数作为输入信号提供给数学算法，该数学算法调整控制六个元件的物理性能的信号。因此，确定最佳条件而没有考虑来自六个元件的实际动作的结果。这将与闭环控制系统形成对照，在闭环控制系统中，反馈信号可用于调整或优化切片处理条件或参数以实现有效状态。
任选地，本发明的切片系统可以包括一个或多个传感器，如图2所示的91、93、95和97。传感器的示例可包括但不限于感应换能器、电容式换能器、线性可变换能器和能执行高速光学图像分析的图像分析仪。传感器可以用来测量运行参数，诸如切割刃51的位移、气压、位置和接近度等。利用这些传感器，控制电路100可以配置为闭环电路，所述闭环回路可以利用所测量的运行参数来调整其对刀片座52、样本座62、接收器座72、电压生成器80、抗粘附气体传输组件48和分离气体传输组件49的控制。控制致动单元54、64、74、84、42和43的信号可以是电流、电压或其他信号。用于闭环控制的测量系统和数据采集方法可能需要模拟或数字数据信号的信号处理或转换，以便在反馈回路中得到有效利用。
图3示出刀片座52的特定设计，其包含用于从抗粘附气体传输组件48和分离气体传输组件49传输的气体的通道。关于图3，刀片座52具有与刀片50相邻的部件10。抗粘附气体传输组件48将气体通过气体入口8送入腔室A。在腔室A的底部，有许多孔11，孔11用于在表面45上吹气以防止切片(未示出)触碰和粘附到表面45。分离气体传输组件49将气体通过气体入口9送入腔室B。腔室B有孔13并且引导气体进入气体出口缝隙17。图4示出刀片座52的仰视图。当需要时，来自缝隙17的气体可以吹到切片和切割刃51的接合点处以便将切片从切割刃51处分离。
图5-13逐步示出示范性切片工艺。为了描述方便，图5(及其他图，如果需要的话)包括XYZ笛卡尔坐标系以助于对工艺的理解。Z轴方向定义为垂直(或上下)方向，X轴方向定义为水平(或左右)方向，Y轴方向定义为深度(朝向/远离读者)方向。在描述移动方向时，+Z、-Z、+X、-X、+Y和-Y分别用于表示垂直向上、垂直向下、水平向左、水平向右、远离读者和靠近读者。
尽管图5-13将示出刀片50仅沿垂直方向移动，样品块14仅沿水平方向移动，但应该理解的是，只要能正确实现预期目的(如，切割切片)，它们可以沿任何方向移动。例如，刀片50可以沿第一方向(不一定是垂直方向)移动，然后样品块14可以沿第二方向移动，其中第一方向垂直于第二方向。
在新切片制成之前，切片系统中的各类组件可以设为准备(stand-by)状态，如图5所示。参照图5，刀片座50和样本座62(这里未示出)操作上定位以便切割刃51切入样品块14(图2的样品块60的特定示例)中，制成新切片。举个简单的例子，切割刃51可以简化为从点(0，Y1，Z1)到点(0，-Y1，Z1)的线段，在图5的横截面视图中示出中点(0，0，Z1)，其中Y1和Z1都为正值。应理解的是，在实际应用中，切割刃51不必是完美直线，而是可以稍微弯曲或参差不齐。样品块14的前表面可以为矩形(长方形)，具有四个顶点(-X1，-Y2，Z2)、(-X1，Y2，Z2)、(-X1，-Y2，Z3)和(-X1，Y2，Z3)，其中X1、Y2、Z2和Z3都为正值，Z1>Z2>Z3，且Y1≥Y2。在图5所示的横截面视图中，样品块14的前表面可以表示为从点(-X1，0，Z2)到点(-X1，0，Z3)的线段，或者简单表示为(-X1，0，Z2)-(-X1，0，Z3)。另一方面，接收器座72(未示出)操作上定位，用于将切片接收器16(其是图2中的切片接收器70的特定示例)移动到适当的接收位置以接收新的切片。简单起见，我们让切割刃51从点(0，0，Z1)沿-Z方向移动，切割样品块14(即，经过点(0，0，Z2)和点(0，0，Z3))，在原点(0，0，0)停止。可以容易地理解，由此制成的新切片将具有X1的厚度、2Y2的宽度和(Z2-Z3)的长度。如前所述，10nm≤X1≤2000nm，优选地30nm≤X1≤200nm，更优选地40nm≤X1≤100nm。准备状态的切片接收器16的表面可以简化为Z坐标为-Z4的XY平面内的任何形状(如长方形或正方形)，其中Z4为正值，通常(但不是必须)大于(Z2-Z3)。切片接收器16的表面区域足够大，以便接收和容纳至少一个大小为2Y2×(Z2-Z3)的切片。
图6、图7和图8示意性示出切片操作的执行。切割刃51和样品块14之间的空间关系可以变化以使得切片18从样品块14切离。在这一过程中，刚从样品块14切离的切片18可能有时在空中自由摆动。但有时它可能触碰并且贴附或粘附到附近的任何表面，诸如刀片12的表面或刀片座52的表面(例如图2和图3中的表面45)。如图6、图7和图8所示，当切割刃51沿-Z方向从(0，0，Z1)移动，经(0，0，Z2)切割到样品块14中时，就逐渐产生了新切片18。在这一过程中，如果切片18没在空中自由摆动，那么它触碰并且粘附到附近的刀片座52的表面，如图6和图7所示。抗粘附气体传输组件48可经由气体入口8通过孔11将气体输送到所述表面上。抗粘附气体可以主动吹向接近中的切片18。或者，它可以吹向已经粘附到或覆盖住表面的切片18，如图6和图7所示。无论如何，抗粘附气体传输组件48用于防止切片18触碰和贴附(或粘附)到邻近的表面，或用于将切片18从其已经粘附到的表面分离。
当切割刃51继续沿-Z方向移动并且经过点(0，0，Z3)时，新切片18完全制成，并且与样品块14分离。如图8所示，切片18的最后切离的部分，或换言之，切片18的后部或尾部边缘(即，原点(0，0，Z3)附近的端部)仍附连或粘附到切割刃51上。为了清楚起见，切片18的该粘连端定义为相对于切割刃51而言切片18的近端，另一端定义为远端。此时，在抗粘附气体传输组件48的吹气辅助下，或没有该辅助，切片18就像垂直悬挂到水平杆(即，切割刃51)的旗帜。如将在下面的描述中理解的那样，近端的该“粘附”行为在现有技术中是成问题的，现在已成为本发明中的技术方案的一部分。
返回参照图2，电压生成器80电连接到切割刃51和切片接收器70，并且能在两者之间建立静电场。图9示出实现切片取向操作的一示范性实施例。当电压生成器80产生的电压施加在切片接收器16和切割刃51之间时，切片18由于静电力而从切割刃51朝向切片接收器16伸长。在施加电压之前、期间或之后，切割刃51可沿-Z方向移动并且停在原点(0，0，0)处，为下一步操作做准备。切片18完全展开，并且与建立静电场之前相比，相对更“坚挺地”指向切片接收器16。尽管所示的切片18是在YZ平面(即，X＝0)，但是应理解的是，取决于切片接收器16的大小和位置(例如，边缘效应)，切片18可能或多或少偏离YZ平面，形成位置偏移。在优选自动化工艺的情况下，可以在控制切片操作的算法中考虑该偏移。或者，可以补充附加静电场来消除该偏移。
图10示出切片锚定操作的实施方式。在切片接收器16和切割刃51之间施加电压之前和/或期间，二者间的空间关系可以改变，使得切片接收器16移动到接收位置，在接收位置处伸长的切片18的远端锚定到切片接收器16上的预定位置处。例如，在施加电压期间，当切割刃51保持在原点(0，0，0)时，切片18的远端位于点(0，0，-(Z2-Z3))处，没有任何位置偏移。如果用于锚定切片18的预定位置表示为切片接收器16上的L，则切片接收器16将从其准备状态移到接收位置，期间L的位置从准备位置例如(0，0，-Z5)变到锚定位置例如(0，0，-Z6)，其中Z5＞Z6，且Z6等于或稍小于(Z2-Z3)。于是，伸长的切片18的远端接触并且锚定到L。或者，在施加电压之前，L的位置可以从准备位置(0，0，-Z5)变到锚定位置(0，0，-Z6)。一旦施加电压，伸长的切片18的远端将立即延伸到L，触碰到L上并且锚定到L。应理解的是，L的准备位置也可以是(X5，Y5，-Z5)，其中X5≠0且Y5≠0。无论如何，L可以从(X5，Y5，-Z5)移到锚定位置例如(0，0，-Z6)。例如，L可以按照从(X5，Y5，-Z5)到(0，Y5，-Z5)到(0，0，-Z5)到(0，0，-Z6)、或从(X5，Y5，-Z5)到(X5，0，-Z5)到(0，0，-Z5)到(0，0，-Z6)、或从(X5，Y5，-Z5)到(X5，Y5，-Z6)到(X5，0，-Z6)到(0，0，-Z6)的顺序，以及其他任何可能的顺序进行移动。
一旦伸长的切片18的远端锚定并且固定到预定位置L，电压就可以被去除或减小到安全值。电压去除或减小的定时可以为图10所示的锚定操作完成时，或图11所示的切片平铺操作的初期。不优选的是，切割刃51和切片接收器16之间的距离太短和/或它们之间的电压未充分减小，因为会在它们之间产生电火花。
图11示出了切片平铺操作是如何进行的。如果切片18的远端保持锚定到预定位置L处，并且切片18的近端保持附连到切割刃51处，切片接收器16和切割刃51之间的空间关系可以改变，使得整个切片18以完全展开的形式平铺在切片接收器16的表面上。换言之，L和切割刃51之间的距离应保持为不大于(Z2-Z3)，优选地基本等于(Z2-Z3)，以防止切片18折起来。例如，L能以半径(Z2-Z3)绕切割刃51向左或向右转动。替代地，L也可沿X方向和-Z方向(或+Z方向)以充分小的步幅移动。最终，L移到((Z2-Z3)，0，0)或(-(Z2-Z3)，0，0)，或者更严格地，((Z2-Z3)，0，-X1)或(-(Z2-Z3)，0，-X1)，其中如前所述，X1为切片18的厚度，(Z2-Z3)为切片18的长度。优选地，L移到((Z2-Z3)，0，0)或(-(Z2-Z3)，0，-X1)，如图11所示，因为当需要时该位置可以受益于抗粘附气体传输组件48。
为了运行切片释放操作，当完全展开形式的整个切片18仍平铺在切片接收器16上时，切片18的近端可从切割刃15脱离。参照图12，当L位于(-(Z2-Z3)，0，0)时，切片接收器16可沿-X方向稍微移动以打断切割刃51和切片18的近端之间的接合点。同样地，当L位于((Z2-Z3)，0，0)时，切片接收器可沿+X方向稍微移动。如前所述，实施例的切片系统可以选择性地包括分离气体传输组件49。当L位于(-(Z2-Z3)，0，0)时，分离气体传输组件49可将气流输送到切割刃51和切片18的近端之间的接合点处，以打断接合点。另外，气流可将近端压到位，切片18可以与切片接收器16一起移走，因此与切割刃51分离。利用该气流，切片18可沿任何合适的方向移走，优选地，沿+X、-X、-Y、或它们之间的任何方向。
所述工艺还可包括复位或恢复操作，如图13所示，从而切片系统将返回到新的准备位置，如图5所示。例如，切片接收器16可以移到离原点(0，0，0)足够远的点，优选地，产生位于准备位置(0，0，-Z5)的新的L，如前所述。切割刃51可从(0，0，0)移回到准备点(0，0，Z1)。在切割刃51移动之前，优选地样品块14的前表面可沿+X方向小幅度撤退或收回，从(0，0，Z2)-(0，0，Z3)移到(X2，0，Z2)-(X2，0，Z3)，其中X2为正值。因为该撤退动作，样品块14的前表面将给路过的切割刃51让路，并且避免与路过的切割刃51接触和摩擦。当切割刃51从(0，0，0)移回到准备点(0，0，Z1)时，它有必要经过(0，0，Z3)和(0，0，Z2)。在切割刃51通过(0，0，Z2)之后，样品块14的前表面于是可从(X2，0，Z2)-(X2，0，Z3)前移到(-X1，0，Z2)-(-X1，0，Z3)。应理解的是，该撤退或回收动作可省略，即样品块14的前表面可直接沿-X方向从(0，0，Z2)-(0，0，Z3)移到(-X1，0，Z2)-(-X1，0，Z3)。无论如何，与切片18尺寸相同或相似的新切片已经就位以用于另一轮切片工艺。如上所述从准备状态到复位步骤，可重复切片工艺以从同一样品块制备多个切片。完全展开形式的切片可平铺在不同的切片接收器上，或者它们可以平铺在同一切片接收器上，所述切片接收器具有用于锚定多个切片的远端的多个预定位置，诸如L1、L2和L3等。
如图5-13所示的工艺可手动执行，或者可在图2所示的控制电路100的控制下自动进行。控制电路100可通过致动单元54、64、74、84、42和43控制刀片座52、样本座62、接收器座72、电压生成器80、抗粘附气体传输组件48和分离气体传输组件49。例如，控制电路100可配置为控制刀片座52、样本座62和接收器座72，将它们设为准备状态，在准备状态下，刀片座52和样本座62操作上定位，使得切割刃51切入样品块60中，制成新切片，并且接收器座72操作上定位，用于移动切片接收器70到接收位置从而接收新切片。
根据本发明，所述切片机构也可自动化。为此，控制电路100可配置为控制刀片座52和样本座62以改变切割刃51和样品块60之间的空间关系，使得切片从样品块60切离，其中切片的最后切离部分附连到切割刃51，且构成相对于切割刃51的切片近端。本发明可利用滑动装置来移动刀片座52和样本座62；也可利用其他合适的装置，诸如枢转装置。
为了执行发明内容部分阐述的其他步骤，控制电路100可配置为控制电压生成器80来产生电压并且将电压施加在切片接收器70与切割刃51之间，以使得切片通过静电力以完全展开形式从切割刃51朝向切片接收器70伸长。还可将控制电路100配置为控制刀片座52和接收器座72以在施加电压之前和/或期间改变切片接收器70和切割刃51之间的空间关系，以使得切片接收器70移到接收位置，该接收位置处伸长的切片的远端锚定到切片接收器70上的预定位置L。
控制电路100可配置为控制电压生成器80，以便在伸长的切片的远端保持锚定到预定位置L时，去除或降低电压。控制电路100可配置为控制刀片座52和接收器座72，从而当切片的远端保持锚定到预定位置L且切片的近端保持附连到切割刃51时，改变切片接收器70和切割刃51之间的空间关系，直至完全展开形式的整个切片平铺在切片接收器70上。
最后，控制电路100可配置为控制刀片座52和接收器座72，从而改变切片接收器70和切割刃51之间的空间关系，并且使切片的近端脱离切割刃51，同时完全展开形式的整个切片保持平铺在切片接收器70上。
在各类实施例中，控制电路100可配置为控制发明内容部分描述的至少步骤(1)到(7)的执行。在一实施例中，所述工艺还包括在步骤(2)期间将抗粘附气体输送到刀片座的表面上的步骤，以防止切片触碰和粘附到所述表面，否则切片将触碰和粘附到所述表面。因此，控制电路100可配置为控制抗粘附气体传输组件48来将所述抗粘附气体输送到所述表面上。在一实施例中，所述工艺还包括在步骤(7)期间将分离气体流输送到切割刃和切片近端之间的接合点处，以打断接合点或将所述近端压在切片接收器上的适当位置。因此，控制电路100可配置为控制分离气体传输组件49以按工艺需求输送所述分离气体。
本发明的切片系统和工艺可用于从单个样品块制备两个或更多的切片。多个切片可平铺在单个切片接收器上，所述单个切片接收器具有用于锚定多个切片的远端的多个对应的预定位置L1、L2、L3……。切片接收器的示例可包括但不限于由铜、钼、金或铂制成的传统金属网；包含窗口的半导体芯片格栅，所述窗口的厚度小于100nm，优选地为5到50nm，更优选地为5到20nm。
半导体芯片格栅中的窗口可由任何材料制成，优选地具有良好的电子透射属性。窗口材料的示例可为具有α、β或γ晶体相的氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、碳、石墨烯(graphin)、碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)或碳化铝(Al4C3)，或者它们的任何组合。
在一实施例中，所述窗口排列成对齐的行和列的阵列图案。图14为具有窗口19的阵列(3列×n行)的切片接收器16的俯视图。与每个窗口19相邻或在每个窗口19内，有预定锚定位置L，诸如L1、L2、L3、L4、L5、L6、……L3n-2、L3n-1和L3n。
图15为沿图14中的线A-A的截面图。薄层或薄膜21沉积在衬底20上，诸如具有<100>取向的干净硅晶片。在各类实施例中，薄膜21为不活泼材料或化合物(优选地，具有低原子序数)，并且通过化学气相沉积(CVD)来沉积到衬底上。沉积后，通过光刻界定窗口图案(例如阵列)和窗口支承边缘，并且使用KOH、肼、或乙二胺邻苯二酚(EDP)差异性地或各向异性地蚀刻掉衬底，从而留下期望的窗口19。衬底的被掩蔽且保留的部分形成了窗口19的坚固底座或框架20。作为连续光滑表面的一部分，窗口19有利地没有中间支承结构。其他合适的衬底也可用于生长上述膜，例如多晶衬底。
在各类实施例中，二氧化硅(SiO2)膜21可通过热氧化而自然生长在硅晶片上。良好控制的二氧化硅层可通过在高温(例如600-1200℃)下与水或氧反应而生长在硅上。二氧化硅可使用诸如硅烷(SiH4)和氧、二氯硅烷(SiCl2H2)和氧化亚氮(N2O)、或正硅酸乙酯(TEOS；Si(OC2H5)4)之类的反应物在化学气相沉积(CVD)中沉积。对于氮化硅(Si3N4)而言，在化学气相沉积过程中可用到两种反应：3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2；和3SiCl2H2+4NH3→Si3N4+6HCl+6H2。氮化硅膜也可使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和低压化学气相沉积(LPCVD)来形成。碳化硅(SiC)窗口可使用常压CVD来制备，氮化硼(BN)窗口可使用LPCVD来制备。
图16为图14中的切片接收器16的俯视图，其中窗口19的阵列(3列×n行)全被装载、覆盖、平铺或铺设有切片18。与图15类似，图17为沿图16的线A-A的截面图，示出切片18相对于窗口19、薄膜或薄层21和衬底20的位置。窗口19的阵列可利用直接寻址特定窗口的技术装载切片18。也可使用可寻址装载。在一些实施例中，在切片接收器16上制作标记或其他机器可读图形可用于锚定、装载、位置控制和对准等。
在各种示范性实施例中，本发明的切片系统可制成一种设备。控制电路100可集成到设备的外壳，或者全部或部分控制电路100可与设备本身分开。在一些实施例中，控制电路100可以是专门设计来控制切片设备的专用微控制器。或者，控制电路100可为标准个人计算机设备，诸如基于英特尔处理器的个人计算机，运行现成的操作系统，诸如Windows、Linux、MacOS等。在一些实施例中，控制电路100可包括直接硬件接口，诸如USB端口、RS232接口和IP网络接口(有线或无线)，或一些其他形式的连接，以加载软件从而控制切片设备的组件和功能。在一些实施例中，控制电路100集成到切片设备，其然后与触屏用户界面接口连接，使得用户能够设置用于自动控制切片设备的不同组件的参数。在一些实施例中，控制电路100可包含软件，使用户能够键入定时和参数，用于控制切片设备的一个或多个组件。在一些实施例中，软件允许用户对切片设备进行编程来完成特定的切片程序。在一些实施例中，控制电路100能允许自动收集“运行数据”，包括例如刀片移动速度、温度、气压、气流和体积测量、样品切片计数、操作者身份、日期和时间等。
切片设备的各种部件和组件可在生产时组装在一起。或者，这些部件或组件中的任何一个可制成为附件或替换部件并且单独出售。它们也可作为套件提供，所述套件包括分开的部件和组件，然后由用户组装。
图18示出根据上述本发明的原理配置的控制电路100的功能框图。这些功能框可以通过硬件、软件或者硬件与软件的组合来实施以实现本发明的原理。本领域技术人员将理解，图18描绘的各个功能框中的每个可以组合或者分离成子框，以实施上面描述的本发明的原理。因此，这里的描述可以支持这里描述的功能框的任何可行的组合或分离或者进一步定义。
如图18所示，控制电路100包括状态控制单元102、切割控制单元104、电压控制单元106、接收控制单元108、平铺控制单元110和脱离控制单元112。
最初，所述状态控制单元102能控制刀片座52、样本座62和接收器座72以将它们设置为准备状态。在准备状态下，刀片座52和样本座62操作上定位以便切割刃51切入样品块60，制成新切片18；接收器座72操作上定位以便将切片接收器70移动到接收新切片18的接收位置。
切割控制单元104能控制刀片座52和样本座62以改变切割刃51和样品块60之间的空间关系，以便切片18从样品块60切离。切片18的最后切离部分可附连到切割刃51，并且构成相对于切割刃51的切片18的近端。
电压控制单元106能控制电压生成器80以生成电压并且将所生成的电压施加在切片接收器70和切割刃51之间，使得切片18通过静电力而以完全展开形式从切割刃51朝向切片接收器70伸长。
锚定控制单元108能控制刀片座52和接收器座72以在施加所述电压之前和/或期间改变切片接收器70和切割刃51之间的空间关系，使得切片接收器70移动到接收位置，在所述接收位置处伸长的切片18的远端锚定到切片接收器70上的预定位置L。
电压控制单元106还能控制电压生成器80以在伸长的切片18的远端保持锚定到预定位置L的同时，去除或降低所述电压。
平铺控制单元110可以控制刀片座52和接收器座72以在切片18的远端保持锚定到预定位置L且切片18的近端保持附连到切割刃51的同时，改变切片接收器70和切割刃51之间的空间关系，直到完全展开形式的整个切片18平铺在切片接收器70上。
脱离控制单元112能控制刀片座52和接收器座72以改变切片接收器70和切割刃51之间的空间关系，使得切片18的近端脱离切割刃51，同时完全展开形式的整个切片18保持平铺在切片接收器70上。
在一些实施例中，控制电路还可以包括抗粘附气体控制单元114、分离气体控制单元116和致动器控制单元118。
抗粘附气体控制单元114控制抗粘附气体传输组件48，从而当正在从样品块60切离切片18时，将抗粘附气体输送到刀片座52的表面上，以防止切片18触碰和粘附到所述表面，否则切片18可能会触碰和粘附到所述表面。
分离气体控制单元116控制分离气体传输组件49，从而当脱离控制单元112正在改变切割刃51和切片接收器70之间的空间关系时，将分离气体流输送到切割刃51和切片18的近端之间的接合点处，以使切片18的近端脱离切割刃51。
致动器控制单元118可以控制刀片座52、样本座62、接收器座72、电压生成器80、抗粘附气体传输组件48和分离气体传输组件49每个中的致动单元，以实施所需动作。
已经描述了本发明的各种示范性实施例及其一些优点和可选特征，显而易见的是，这些实施例仅以示例而非限制的方式展示。本领域技术人员可以容易地想到对这些实施例的更改和改进，以及其他的实施例，而不与本发明的精神和范围相背离。所有这样的改动都在权利要求所述的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种切片系统，用于制备至少一个切片以供显微镜检查，所述切片系统包括用于保持具有切割刃的刀片的刀片座、用于保持样品块的样本座、用于保持切片接收器的接收器座、以及电压生成器；
其中所述切割刃能切入所述样品块以产生所述至少一个切片，所述至少一个切片的一端保持附连到所述切割刃；
其中所述电压生成器能生成电压并且将所述电压施加在所述切割刃和所述切片接收器之间；且
其中所述至少一个切片的另一端能通过由所述电压导致的静电力而锚定到所述切片接收器。
2.根据权利要求1所述的切片系统，还包括控制电路，所述控制电路控制所述刀片座、所述样本座、所述接收器座和所述电压生成器，其中所述控制电路配置为：
(a)控制所述刀片座、所述样本座和所述接收器座以将它们设置为准备状态，在所述准备状态下，所述刀片座和所述样本座操作上定位以便所述切割刃切入所述样品块，制成新切片，所述接收器座操作上定位以便将所述切片接收器移动到接收所述新切片的接收位置；
(b)控制所述刀片座和所述样本座以改变所述切割刃和所述样品块之间的空间关系，以便切片从所述样品块切离，其中所述切片的最后切离部分附连到所述切割刃，并且构成相对于所述切割刃的所述切片的近端；
(c)控制所述电压生成器以生成电压并且将所述电压施加在所述切片接收器和所述切割刃之间，使得所述切片通过静电力而以完全展开形式从所述切割刃朝向所述切片接收器伸长；
(d)控制所述刀片座和所述接收器座以在施加所述电压之前和/或期间改变所述切片接收器和所述切割刃之间的空间关系，使得所述切片接收器移动到接收位置，在所述接收位置处伸长的切片的远端锚定到所述切片接收器上的预定位置；
(e)控制所述电压生成器以在伸长的切片的远端保持锚定到所述预定位置的同时，去除或降低所述电压；
(f)控制所述刀片座和所述接收器座以在所述切片的远端保持锚定到所述预定位置且所述切片的近端保持附连到所述切割刃的同时，改变所述切片接收器和所述切割刃之间的空间关系，直到完全展开形式的整个切片平铺在所述切片接收器上；以及
(g)控制所述刀片座和所述接收器座以改变所述切片接收器和所述切割刃之间的空间关系，使得所述切片的近端脱离所述切割刃，同时完全展开形式的整个切片保持平铺在所述切片接收器上。
3.根据权利要求2所述的切片系统，其中两个或更多切片从同一样品块切离并且平铺在同一切片接收器上，且其中所述切片接收器具有用于锚定所述两个或更多切片的远端的对应的两个或更多预定位置。
4.根据权利要求3所述的切片系统，还包括抗粘附气源和抗粘附气体传输组件，其中所述控制电路控制所述抗粘附气体传输组件，所述控制电路配置为：当所述控制电路正在控制所述刀片座和所述样本座以改变所述切割刃和所述样品块之间的空间关系从而从所述样品块切离切片时，控制所述抗粘附气体传输组件以将抗粘附气体输送到所述刀片座的表面上，从而防止所述至少一个切片触碰和粘附到所述表面，否则所述至少一个切片会触碰和粘附到所述表面。
5.根据权利要求4所述的切片系统，还包括分离气源和分离气体传输组件，其中所述控制电路控制所述分离气体传输组件，所述控制电路配置为：当所述控制电路正在控制所述刀片座和所述接收器座以改变所述切割刃和所述切片接收器之间的空间关系时，控制所述分离气体传输组件以将分离气体流输送到所述切割刃和所述切片的近端之间的接合点处，从而使所述切片的近端脱离所述切割刃。
6.根据权利要求5所述的切片系统，其中所述刀片座、所述样本座、所述接收器座、所述电压生成器、所述抗粘附气体传输组件和所述分离气体传输组件中的每个都包括由所述控制电路控制的致动单元。
7.根据权利要求6所述的切片系统，还包括用于测量至少一种参数的至少一个传感器，其中所述控制电路是闭环回路，其能利用所述至少一种参数来调整其对所述刀片座、所述样本座、所述切片接收器、所述电压生成器、所述抗粘附气体传输组件和/或所述分离气体传输组件的控制。
8.根据权利要求1所述的切片系统，其中所述切片接收器选自包括厚度小于100nm的窗口的半导体芯片格栅、金属网和它们的任何组合。
9.根据权利要求8所述的切片系统，其中所述窗口由氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、碳、石墨烯、碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)或碳化铝(Al4C3)或者它们的任何组合制成；其中所述窗口排列成对齐的行和列的阵列图案；其中所述金属网由铜、钼、金、铂或它们的任何组合制成。
10.根据权利要求1所述的切片系统，其中所述刀片由选自金刚石、蓝宝石、玻璃、金属、合金、或者它们的任何组合的材料制成。
11.根据权利要求1所述的切片系统，其中所述刀片的轮廓选自平面凹陷、楔形、凿子形状、或者它们的任何组合。
12.根据权利要求1所述的切片系统，其中所述切片系统选自滑动切片机、振动切片机、旋转切片机、盘式切片机、锯式切片机、或者它们的任何组合。
13.一种利用权利要求1所述的切片系统制备至少一个切片以供显微镜检查的工艺，包括：
(1)将所述刀片座、所述样本座和所述接收器座设置为准备状态，在所述准备状态下，所述刀片座和所述样本座操作上定位以便于所述切割刃切入所述样品块从而制成新切片，所述接收器座操作上定位以便移动所述切片接收器到接收所述新切片的接收位置；
(2)改变所述切割刃和所述样品块之间的空间关系从而使得切片从所述样品块切离，其中所述切片的最后切离部分附连到所述切割刃，并且构成相对于所述切割刃的所述切片的近端；
(3)将由所述电压生成器产生的电压施加在所述切片接收器和所述切割刃之间，从而所述切片通过静电力而以完全展开形式从所述切割刃朝向所述切片接收器伸长；
(4)在施加所述电压之前和/或期间，改变所述切片接收器和所述切割刃之间的空间关系，使得所述切片接收器移动至所述接收位置，在所述接收位置处伸长的切片的远端锚定到所述切片接收器上的预定位置；
(5)在伸长的切片的远端保持锚定到所述预定位置的同时，去除或降低所述电压；
(6)在所述切片的远端保持锚定到所述预定位置且所述切片的近端保持附连到所述切割刃的同时，改变所述切片接收器和所述切割刃之间的空间关系，直至完全展开形式的整个切片平铺在所述切片接收器上；以及
(7)改变所述切片接收器和所述切割刃之间的空间关系，以使所述切片的近端脱离所述切割刃，同时完全展开形式的整个切片保持平铺在所述切片接收器上。
14.根据权利要求13所述的工艺，其中所述切片系统还包括控制电路，所述控制电路控制所述刀片座、所述样本座、所述接收器座和所述电压生成器，其中所述控制电路配置为控制所述步骤(1)到所述步骤(7)的执行。
15.根据权利要求14所述的工艺，其中所述步骤(1)到所述步骤(7)重复进行以制备两个或更多切片，其中所述两个或更多切片从同一样品块切离并且平铺在同一切片接收器上，且其中所述切片接收器具有用于锚定所述两个或更多切片的远端的对应的两个或更多预定位置。
16.根据权利要求15所述的工艺，其中所述切片系统还包括抗粘附气源和抗粘附气体传输组件，其中所述控制电路控制所述抗粘附气体传输组件，所述工艺还包括：
在步骤(2)期间将抗粘附气体传输到所述刀片座的表面上以防止所述切片触碰和粘附到所述表面，否则所述切片将触碰和粘附到所述表面。
17.根据权利要求15所述的工艺，其中所述切片系统还包括分离气源和分离气体传输组件，其中所述控制电路控制所述分离气体传输组件，所述工艺还包括：
在步骤(7)期间，将分离气体流输送至所述切割刃和所述切片的近端之间的接合点处，以在所述切片接收器上将所述近端压到适当位置。
18.根据权利要求13所述的工艺，其中施加在所述切片接收器和所述切割刃之间的所述电压上至+10kV或下至-10kV。
19.根据权利要求13所述的工艺，其中所述样品块选自半导体产品和生物材料；其中所述至少一个切片具有从10到2000nm范围的厚度、从1到10mm范围的长度、以及从0.5到1mm范围的宽度；其中所述至少一个切片在显微镜下受到检查，所述显微镜选自光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、以及扫描透射电子显微镜。
20.根据权利要求13所述的工艺，其中所述刀片仅沿第一方向移动，所述样品块仅沿第二方向移动，其中所述第一方向垂直于所述第二方向。
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