CN107785220A - 具有可交换极片延伸元件的带电粒子显微镜 - Google Patents

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Abstract

一种具有真空室的带电粒子显微镜，所述真空室包括：‑ 样本保持器，用于保持样本；‑ 粒子光柱，用于产生带电粒子束并沿着轴引导带电粒子束以便照射样本，所述柱在面朝所述样本保持器的末端处具有终端极片；‑ 检测器，用于检测响应于由所述射束进行的照射而从该样本放射的辐射通量，其中，‑ 在所述极片与所述样本保持器之间的空间中以磁性方式将可交换柱延伸元件安装在所述极片上。

Description

具有可交换极片延伸元件的带电粒子显微镜
本发明涉及具有真空室的带电粒子显微镜，所述真空室包括：
- 样本保持器，用于保持样本；
- 粒子光柱，用于产生带电粒子束并沿着轴引导带电粒子束以便照射样本，所述柱在面朝所述样本保持器的末端处具有终端极片；
- 检测器，用于检测响应于由所述射束进行的照射从该样本放射的辐射通量；
本发明还涉及使用这样的带电粒子显微镜的方法。
带电粒子显微术为用于对微观对象成像、尤其是以电子显微术的形式的公知且越来越重要的技术。在历史上，电子显微镜的基本类已经历演变为数个公知装置种类（诸如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）以及扫描透射电子显微镜（STEM））、以及还演变为各种子种类，诸如所谓的“双射束”工具（例如，FIB-SEM），所述“双射束”工具附加地采用“加工的”聚焦离子束（FIB）从而例如允许诸如离子束铣削或离子束诱导沉积（IBID）之类的支持活动。 更具体来说：
- 在SEM中，通过扫描电子束照射样本使来自样本的“辅助”辐射的放射沉淀，例如以二次电子、背散射电子、X射线和阴极发光（红外、可见和/或紫外光子）的形式；然后检测该放射辐射的一个或多个分量并将其用于图像累积目的。
- 在TEM中，将被用来照射样本的电子束选取为具有用以穿透样本的足够高的能量（为此样本一般将比SEM样本情况下更薄）；然后可以使用从样本放射的透射电子来创建图像。当以扫描模式操作这样的TEM时（因此变成STEM），将在照射电子束的扫描运动期间累积讨论中的图像。
可以例如从以下维基百科链接收集关于这里阐明的话题中的一些的更多信息：
http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_microscope
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
http://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_transmission_electron_microscopy
作为将电子用作照射射束的替换方案，还可以使用其它种类的带电粒子来执行带电粒子显微术。在这方面，短语“带电粒子”应被宽泛地解释为涵盖例如电子、正离子（例如Ga或He离子）、负离子、质子和正电子。关于基于非电子的带电粒子显微术，可以例如从诸如以下的参考文献收集一些进一步的信息：
https://en.wikipedia.org/wiki/Focused_ion_beam
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_Helium_Ion_Microscope
- W.H. Escovitz、T.R. Fox和R. Levi-Setti，Scanning Transmission Ion Microscope with a Field Ion Source，Proc. Nat. Acad. Sci. USA 72(5)，1826-1828页 (1975)
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22472444
应注意，除了成像和执行（局部化的）表面改性（例如铣削、蚀刻、沉积等）之外，带电粒子显微镜还可以具有其它功能，诸如执行光谱学、检查衍射图等。
在所有情况下，带电粒子显微镜（CPM）将至少包括以下组件：
- 粒子光柱(照明器)，包括诸如例如肖特基电子源或离子枪的辐射源，并且用来操纵来自源的“原始”辐射射束以及对其执行某些操作（诸如聚焦、畸变减轻、（利用孔径）裁切、滤波等等）。其一般将包括一个或多个（带电粒子）透镜，并且还可以包括其它类型的（粒子）光学组件。 如果期望的话，照明器可以被提供有偏转器系统，其可以被调用来促使其离开射束跨研究中的样本执行扫描运动。
- 样本保持器，可以在其上保持和定位（例如倾斜、旋转）研究中的样本。 如果期望的话，该保持器可以被移动以便影响射束相对于样本的扫描运动。一般来讲，这样的样本保持器将被连接到定位系统。
- 检测器（用于检测从被照射的样本放射的辐射），其本质上可以是单一的或复合的/分布式的，并且其可以取决于检测中的辐射而采用许多不同形式。示例包括光电二极管、CMOS检测器、CCD检测器、光伏电池、X射线检测器（诸如硅漂移检测器和Si（Li）检测器）等。 一般来说，CPM可以包括若干不同类型的检测器，可以在不同情况下调用它们的选择。
在双射束显微镜的特定情况中，将会有（至少）两个粒子光柱，来产生并引导（至少）两个不同种类的带电粒子。通常，（垂直布置的）电子柱将用于对样本成像，并且（以一定角度布置的）离子柱将用于（同时）加工/处理样本，藉此，可以以多个自由度来定位样本保持器以便将样本表面适当地“呈现”给所采用的电子/离子束。
在透射型显微镜（诸如例如（S）TEM）的情况下，CPM将附加地包括：
- 成像系统，其实质上采用透射通过样本（平面）的带电粒子并且将它们引导（聚焦）到分析装置（诸如检测/成像设备、分光镜装置（诸如EELS设备）等）上。 就上文提到的照明器而言，成像系统还可以执行其它功能（诸如畸变减轻、裁切、滤波等），并且它一般将包括一个或多个带电粒子透镜和/或其它类型的粒子光学组件。
在下文中，有时可能（通过示例的方式）在电子显微术的特定上下文中阐述本发明；然而，这样的简化仅意图用于清楚性/说明性目的，而不应被解释为限制性的。
从上面的论文中将清楚的是，CPM可以以某些方式被视为高度多功能的仪器，其允许例如成像、样本采集、衍射图研究以及样本改性/加工。然而，同时可以证明的是，它们是相对不灵活的工具，尤其是因为：
- 所采用的光柱一般又大又重，并且对不对齐非常敏感，从而迫使它们具有固定的配置；
- 光柱（的最低部分）与样本之间的工作距离通常非常小，并且对于诸如样本保持器/操纵器和检测器之类的仪器仪表来说是狭窄的。
结果，给定的CPM通常针对许多类型的研究被次优地配置，迫使工具操作者“最大限度地利用他所有的”，并且拒绝给予他将会允许他基于“每个体情况”来最优地裁剪工具参数的测量灵活性。
本发明的目的在于解决上面识别出的问题。更具体来说，本发明的目的在于提供比当前可用的更加多功能的CPM。特别地，本发明的目的在于，这样的CPM与当前可用的CPM相比应具有显著加宽的操作配置规模和方面。
如在上面的开篇段落中阐述的带电粒子显微镜中实现了这些和其它目的，所述带电粒子显微镜的特征在于，在所述极片与所述样本保持器之间的空间中以磁性方式将可交换柱延伸元件安装在所述极片上。换言之：最靠近样本保持器的光柱的相对小的末端部分是可卸除且可交换的，并且可以由于安装（附着）机构为磁性的而容易地被其另一变体替换。如下面将详细阐述的，可以容易地部署不同延伸元件的宽泛选择，从而允许大幅改进的操作灵活性。
本发明的（用于可交换延伸元件的）磁性附着机构由于以下原因而是尤其有利的：
- 如上面已经阐述的，光柱与样本之间的可用空间通常极为狭窄，因此几乎没有或没有多余的余地来施加旋转力，如在转动诸如螺丝或螺钉之类的紧固结构会需要的诸如螺丝刀或扳手之类的辅助工具的情况中那样。类似地，使用机械棘爪（click）/去棘爪（unclick）紧固机构将需要对延伸元件施加相当大的插入/抽出力，这需要某种形式的强力辅助夹具，这将仅增加杂乱程度和复杂性。
- 另一方面，利用磁性夹持效应可以缓解该问题。例如：
· 如果粒子光柱的尽头是磁性透镜，则将该柱的终端极片利用为电磁电路轭（yoke）是可能的，所述点此电路轭可以被打开/关闭以便吸引/释放被置于其下方的（部分）铁磁性的延伸元件；
· 替换地/补充地，延伸元件（的配套部分）——和/或极片的接收部分——可以被提供有整体的可切换电磁铁来实现类似效果（参见下文）。
在此类场景中，延伸元件仅需要在所采用的电磁箝位被衔接时在极片下方被（轻轻地）保持就位，从而有效地免除对特殊安装/卸除工具的需要。
一般来说，将延伸元件安装在极片的预定部分上并且在预定朝向中将是合期望的。为了快速且容易地实现这样的对齐，本发明的特定实施例具有以下特征：
- 所述极片的接收面被提供有第一机械对齐特征；
- 所述延伸元件的配套面被提供有第二机械对齐特征；
- 所述第一和第二机械对齐特征与彼此衔接以便促使将延伸元件保持在极片上的预定义的位置中。
这样的布置是有效地“自对齐”的，因为一旦使第一和第二对齐特征相互接近，它们就内在地趋向于“搜寻并衔接”彼此，从而自主地迫使延伸元件进入到极片上的特定位置中。在有利示例中，对齐特征中的一个的形状为凹形的（例如，具有（准）半球或圆锥的几何结构的腔体），而另一对齐特征的形状为具有相容几何结构和尺寸的凸形的（例如，凸头、凸桩或其它此类突出物），这两个特征一旦部分衔接就将趋向于彼此移动并锁定成完全配对的配置。在许多应用中，此处提到的预定义（配对）位置将基本上以所述（粒子光）轴为中心，但是不一定必须是这种情况。
根据如在先前段落中阐述的实施例的另外的方面：
- 所述接收面被提供有第一组有用物（utility）互连；
- 所述配套面被提供有对应的第二组有用物互连；
- 当所述机械对齐特征衔接时，所述第一和第二组有用物互连与彼此耦合，以便允许在极片与延伸元件之间转移有用物。
在该上下文中，有用物（及对应互连）的示例包括：
- 通过电缆提供的电功率/电信号。在该情况中，所述互连可能例如采取电极垫和协作的弹簧偏置的触针/触块的形式。这样的布置在延伸元件的任何组件（例如，电磁铁、辅助小型透镜、检测器等）需要被供电、读出和/或控制的情况下是有用的。
- 在管子/管道中提供的流体。在该情况中，所述互连可能例如采取与密封圈相关联的弹簧偏置的压力接触的形式。此类流体可能例如被用作冷却剂，或者被从延伸元件上的孔口给予作为使用分离的注气系统（GIS）的替换方案。
在本发明的另一重要方面中，所述极片与所述延伸元件之间的接口形成真空密封。这在光柱外部的气压相对高的情况下（例如，如在所谓的环境SEM或低压SEM的情况下）是有利的，因为所述接口用来使环境气体保持在粒子光柱的内部之外。可以例如通过确保极片的配套表面与延伸元件是光滑/磨光的并且（在几何上）精确地符合彼此来形成适当的密封：当此类表面通过上面提到的磁性耦合严密地牵到一起时，它们将在没有大量介于中间的气体的情况下紧密衔接。替换地/补充地，可以在两个表面之间使用某种顺从性构件——诸如O形环、垫圈等——来产生气密密封。
除了如在先前段落中所述的那样实现真空密封之外，所发明的磁性耦合的另一优点在于其在机械上为（非常）刚性/坚硬的。结果，所安装的延伸元件相对于其承载极片的振动/移位基本上是可忽略的。
如上面已经提到的，关于用于制定延伸元件到极片的磁性耦合的可能的机构，有用以从中选择的各种可能性。例如：
- 如果柱中的终端极片为磁性透镜的一部分，那么这将内在地产生将闭锁到所提供的（至少部分地铁磁性的）延伸元件上的可切换磁场；在具体示例中，延伸元件可以至少具有环绕配套面的紧靠极片的铁磁性材料周边圈。
- 在其中所述终端极片为静电透镜（例如，如在FIB柱中）的（电极）部分的情况中和/或在其中期望补充在前述项目中所述的机构的情况中，可以在极片的所述接收面中/上采用一个或多个专用电磁铁和/或在延伸元件的所述配套面中/上/周围采用一个或多个专用电磁铁。只要这些电磁铁被配置成产生被封闭在适当磁路中（并且因此不延伸到射束路径中）的场，这些电磁铁就将不具有对带电粒子束的显著的寄生效应：例如参见图1C（插图）。如果这些电磁铁被提供在延伸元件上，则它们可以经由附接的（屏蔽的）“脐带”或经由如上所述的一组衔接互连来接收电功率。
- 作为使用电磁铁的替代（或作为对其的补充），还可以考虑使用永磁铁。在原理上，这将需要运用力来解耦延伸元件与该延伸元件被磁耦合到的极片；然而，这可以通过并入可以任意激活/激励以便消除由所述永磁铁产生的吸引力的电磁铁（将其并入到极片和/或延伸元件中）来避免。
在高度通用且便利的实施例中，根据本发明的显微镜还包括：
- 原位库，用于存储各种各样的不同延伸元件；
- 交换器机构，用于：
· 将延伸元件从所述极片卸除并将延伸元件存储在所述库中；
· 从所述库中找回延伸元件并将其安装在所述极片上。
这样的实施例允许选择不同的常用延伸元件来“停放”在显微镜的真空室内的便利位置处，从而使得能够在原位对它们进行卸除/置换/安装而无需破坏真空，从而实现可达成的吞吐量和效率方面的大幅增加。所采用的“库”可以采取任何便利形式，诸如具有指定“停放位置”（例如，切口、狭槽、腔体等）用于不同的延伸元件的架子、转盘或板。这些停放位置在期望的情况下可以被提供有单独的机器可读标记/标签（诸如条形码、NFC（近场芯片）等）以辅助自动化搜寻操作，或者可以简单地登记/存储每个停放位置的定位坐标；结合相关联的查找表，这样的设置允许交换器机构自主地从指定停放位置选择打算的延伸元件/将打算的延伸元件返回至指定停放位置。
在如在先前段落中所述的设置的特定实施例中，所述交换器机构的至少一部分被包括在所述样本保持器中。例如：
- 样本保持器的“外围”区域——在样本照射期间通常不在极片下方——可以被提供有在其上布置各种延伸元件的托盘。
- 为了置换延伸元件，于是可以：
· 移动样本保持器以便将空闲托盘位置（靠近地）置于目前安装在极片上的第一延伸元件下方；
· 去激活保持所述第一延伸元件就位的磁性耦合，从而将其释放到所述空闲位置上；
· 移动样本保持器以便将目前在托盘上的另一停放位置处的第二延伸元件（靠近地）置于极片下方；
· 激活磁性耦合，以便将第二延伸元件“吸”离托盘并“吸”到极片上的位置中。
这样的设置不需要附加的臂、工具等，而是替代地，自然地利用了已经存在的结构（样本保持器）（的简化修改）。
当然，这样的布置不是强制的，并且可以替代地设计出许多可能的替换/变体，其可以在期望/需要的情况下利用例如辅助机械臂。
现在将给出可以用在本发明中的各种各样的可能的延伸元件的一些示例。虽然不对本应用的范围作出限制，但是重要种类的延伸元件具有中空的截头圆椎体形状，其圆锥轴打算位于基本上沿着上面提到的粒子光轴。该截头圆锥体具有相对宽的端部（以用于靠着极片安装）以及相对窄的端部（以靠近样本安置）。它们的壁是金属的，并且在所述窄端部处限定了出现孔径，带电粒子束可以通过其以便撞击在样本上。这样的设计具有若干变量，包括：
- 沿着其圆锥轴测量的在所述宽端和窄端之间的其长度。这将从根本上确定到样本的工作距离；
- 其窄端的外径和内径；
- 壁的材料/组成；
- 在采用内部增压管（加速管）的光柱设计中，附加变量为延伸元件的壁相对于增压管的位置/形状。
不管其特定几何结构如何，本发明的延伸元件可以例如用于实现以下阐述的效果（中的一个或多个）：
（a）更改粒子光柱的最后透镜中的（一个或多个）电磁场的轮廓，并且从而修改穿过所述最后透镜的带电粒子束的（几何）性质。更具体来说：
- 在磁性最后透镜中，延伸元件延伸透镜的磁性极片以便使其更靠近样本。
- 在静电最后透镜中，延伸元件延伸透镜的电极结构（例如，三个嵌套的同轴电极，其中中间电极为高电势而外电极和内电极为低电势/接地电势）以便使其更靠近样本。
示例包括：
（a）（i）延伸柱的焦距/将其主光平面移位更靠近样本，从而降低像差/改进分辨率（例如，参见图1B）。
（a）（ii）例如使用强静电透镜以及适当选取扫描轴心点来加大显微镜的视场（FoV）。
（a）（iii）产生靠近样本（就在其上方）的非沉浸式磁性透镜。这可以例如通过以下来实现：将延伸元件的最后部分（就在样本上方）体现为包括磁性材料体，所述磁性材料体包括轨道非磁性间隙（以粒子光轴/光束为中心）；从该间隙发出的场线于是对射束具有透镜效应（例如，参见图2）。此处，将该柱的最后透镜的主平面朝向样本移位。
（a）（iv）在FIB-SEM中，从FIB柱到样本保持器的距离通常（显著）大于从电子柱到样本保持器的距离，这是由于在样本附近缺乏自由空间。结果，离子束在其从FIB柱到样本的路途上趋向于稍微扩宽，这一般会导致样本上的大于最佳的斑点尺寸。根据本发明的延伸元件可以延伸FIB柱——以相对窄的套筒的形式（其占据相对小的空间）——以便使其显著地更靠近样本，从而缓解上面提到的射束扩宽效应（例如，参见图1C）。在样本水平处的更窄（得多）的离子束允许例如对样本的更精细的离子抛光。
（b）延伸元件可以（不管其基础几何形状如何）充当用于屏蔽体（盖体、罩体、掩体）的保持器。这样的屏蔽体可以例如用在双射束工具中来屏蔽/保护电子柱的内部元件免受在使用离子柱进行的样本改性（例如，高吞吐量FIB铣削）期间产生的碎片的影响。在变体中，屏蔽体可以在期望的情况下被精细穿孔（有中央射束孔径），在该情况中，屏蔽体可以充当限压构件，用来控制相对于环境压力的光柱中的内部压力。例如，参见图5。
（c）延伸元件可以充当被配置成与射束和样本中的至少一个相互作用的有源电气设备（AED）的保持器。在具体示例中：
（c）（i）AED为检测器，诸如（分段）环形检测器，以用于感测从样本放射的辐射。在另一此类示例中，AED为相机，其（例如）允许从与对应的带电粒子图像相同的视角形成样本的视觉图像。
（c）（ii）AED为电荷抑制设备，诸如电偏置网格和/或环。
（c）（iii）使用延伸元件来产生初步的STEM/TSEM（=透射SEM）。在该情况中：
- 延伸元件包括类似于在上面的（a）（iii）中描述的那样的磁路的延伸，但是现在，在TEM保持器上的TEM样本被保持在轨道非磁性间隙中——其从而充当样本架（bay）。在非磁性间隙下方的部分现在为对立极。
- AED为位于所述对立极下方（即，在所述对立极的射束发出侧上）的带电粒子检测器布置。
例如，参见图4。
（d）延伸元件可以充当X射线断层成像术目标的保持器。在此类场景中，一臂将金属目标保持在带电粒子束的路径中，促使在射束撞击在目标上时产生X射线。以此方式，CPM可以例如用来对样本（诸如矿物样品）执行X射线断层成像术（微CT/纳CT；CT=计算机断层成像术）（例如，参见图3）。
由本发明提供的各种各样的延伸元件的容易的可交换性开放了在CPM的单个工作流程/使用会话期间便利地使用若干不同的延伸元件的可能性。换言之，在用给定的粒子光柱来观察/处理给定样本的同时，一次或多次置换延伸元件以便实现不同的观察/处理效果是可能的。在这方面的具体（非限制性）示例包括以下：
- 使用FIB来制备（TEM）薄片：
▫ 首先使用具有相对远离样本的主平面的延伸元件，并采用相对高能量的宽射束来进行粗略的初步工作；
▫ 然后使用具有相对靠近样本的主平面的延伸元件，从而甚至在使用低能量的、较小的射束影响范围来进行精加工工作时也能允许像差控制。
- 使用具有相继产生不同的成像分辨率的若干延伸元件的SEM——例如，首先是粗糙的（在大的视场处）、然后介于中间的的、然后精细的（用于亚纳米级分辨率）。
应注意到，在本发明的上下文中，粒子光柱可以被设计/配置成使得其仅在将（选自广泛规模的不同种类/功能/形式的）延伸元件附接到其时才将令人满意地/在参数内进行操作。
现在将基于示例性实施例和示意性附图来更详细地阐明本发明，在附图中：
图1A显现了其中实现本发明的CPM的实施例的纵向横截面图。
图1B显现了图1A的主题的一部分的放大视图，并且描绘了根据本发明的柱延伸元件的特定实施例。
图1C显现了图1A的主题的不同部分的放大视图，并且描绘了根据本发明的另一柱延伸元件的特定实施例。
图2示出根据本发明的柱延伸元件的对图1B中所示的实施例的替换实施例。
图3图示出根据本发明的柱延伸元件的不同实施例。
图4图示出根据本发明的柱延伸元件的另一实施例。
图5图示出根据本发明的柱延伸元件的又一实施例。
在各图中，在适当情况下，可以使用对应的参考标记来指示对应部分。
实施例1
图1A为其中实现本发明的CPM的实施例的高度示意性描绘；更具体来说，其示出了显微镜M的实施例，显微镜M在该情况中为FIB-SEM（但是在当前发明的上下文中，显微镜M可以正如有效地例如为SEM、(S)TEM或基于离子的显微镜）。显微镜M包括粒子光柱（照明器）1，其产生沿着粒子光轴3'传播的输入带电粒子束3（在该情况中，为电子束）。柱1被安装在真空室5上，真空室5包括用于保持/定位样本S的样本保持器7和相关联的（一个或多个）致动器7'。使用真空泵（未绘出）来抽空真空室5。在电压供给17的帮助下，样本保持器7或至少样本S可以（在期望的情况下）被偏置（浮动）至相对于地的一电势。
柱1（在本情况中）包括电子源9（诸如例如，肖特基枪）、用于将电子束3聚焦到样本S上的透镜11、13以及（用于执行射束3的射束操控/扫描的）偏转单元15。柱1在面朝所述样本保持器7的末端处具有终端极片1'。显微镜M还包括控制器/计算机处理装置25，其尤其用于控制偏转单元15、透镜11、13和检测器19、21并且在显示单元27上显示从检测器19、21收集的信息。
检测器19、21选自可以用于检查响应于被输入射束3照射而从样本S放射的不同类型的发出辐射的各种各样的可能的检测器类型。在此处描绘的装置中，已进行了以下（非限制性）检测器选择：
- 检测器19为固态检测器（诸如光电二极管），其用于检测从样本S放射的阴极发光。其可以替换地为X射线检测器，诸如例如，硅漂移检测器（SDD）或硅锂（Si（Li））检测器。
- 检测器21为以例如固态光电倍增器（SSPM）或抽空光电倍增管（PMT）的形式的电子检测器。这可以用于检测从样本S放射的背向散射电子和/或次级电子。
技术人员将理解的是，可以在设置中选取许多不同类型的检测器，诸如所描绘的检测器，包括例如，环形/分段检测器。
通过在样本S之上扫描输入射束3，发出辐射——包括例如X射线、红外/可见/紫外光、次级电子（SE）和/或背向散射电子（BSE）——放射自样本S。由于此类发出辐射是位置敏感的（因为所述扫描运动），因此从检测器19、21获取的信息也将是位置相关的。该事实允许（例如）使用来自检测器21的信号来产生样本S（的一部分）的BSE图像，该图像基础上为所述信号作为样本S上的扫描路径位置的函数的映射。
来自检测器19、21的信号沿着控制线（总线）25'通过，由控制器25处理，并显示在显示单元27上。此类处理可以包括诸如组合、积分、减法、假彩色、边缘增强以及技术人员已知的其它处理的操作。此外，可以在此类处理中包括自动化识别过程（例如，如针对粒子分析所使用的）。
除了上述电子柱1之外，显微镜M还包括离子光柱31。 与电子柱1相类似，离子柱31包括离子源39（诸如例如，克努森容器）以及成像光学器件32，并且这些产生离子束33/引导离子束33沿着离子光轴33'。柱31在面朝所述样本保持器7的末端处具有终端极片（电极）31'。为了促进对保持器7上的样本S的易轴（easy axis），离子轴33'相对于电子轴3'倾斜。如上文所述，这样的离子（FIB）柱31可以用于对样本S执行处理/加工操作，诸如切刻、铣削、蚀刻、沉积等。
如此处描绘的，CPM M利用操纵器臂A，其可以通过致动器系统A'在各种自由度上来致动，并且可以（在期望的情况下）用于辅助将样本转移至样本保持器7或者从样本保持器7转移样本，例如如在使用离子束33从样本S切除的所谓TEM薄片的情况中。替换地/补充地，在本发明的特定上下文中可以使用该操纵器臂A（或类似于其的另一个）来辅助安装/置换/卸除延伸元件41（见下文）。
应注意到，此类设置的许多改良和替换对于技术人员将是已知的，包括例如，在样本S处使用受控环境，例如维持几毫巴的压力（如在环境SEM或低压SEM中使用的那样）或通过通入气体（诸如蚀刻气体或前驱气体等）。
根据当前发明，极片1'/31'中的至少一个被提供有可交换的柱延伸元件41，其被以磁性方式安装在所述极片1'/31'上以便面朝样本保持器7（上的样本S）。该延伸元件41可以具有各种各样的形式/功能性（参见上文），并且将在下文更详细地描述。在当前实施例中，所述磁性安装通过以下来实现：
- 延伸元件41的（面朝极片1'的）上部至少体现为包括铁磁材料；
- 将极片1'利用为电磁铁，其在被激励时将稳固地使延伸元件41保持就位。
如此处描绘的，显微镜M还包括原位库43，用于存储各种各样的不同延伸元件41'。在该特定实施例中，该库43包括在其上在相应的停放位置中布置了各种延伸元件41'的托盘45，并且该托盘45被附接到样本保持器7/与样本保持器7共同移动；然而，情况并不必须是这样，并且库43可能替代地采取例如架子或转盘的形式和/或不被连接到保持器7。为了将所存储的延伸元件41'置换/交换成所部署的延伸元件41，可以例如如下继续进行：
- 使用操纵器臂A来将延伸元件41从极片1'/31'卸除；将延伸元件41移动到托盘45上的空闲停放位置并将其存放在其上；从托盘45拾取一不同的延伸元件41'，将其移动到极片1'/31'并将其安装在其上；和/或
- 移动托盘45以便沿着极片1'/31'的轴3'/33'定位空闲停放位置；禁用所部署的延伸元件41与极片1'/31'之间的磁性耦合，促使从极片1'/31'释放延伸元件41并将其放下在所述停放位置上；移动托盘45以便沿着极片1'/31'的轴3'/33'定位停放的延伸元件41'；激活所述磁性耦合以便促使将延伸元件41'从其停放位置吸上来并附着到极片1'/31'。
现在转向图1B，这显现了图1A的主题的一部分的放大视图，并且描绘了根据本发明的柱延伸元件41的特定实施例。更特别地，该图示出（锥状）极片1'，其具有在面朝样本S的“接收”侧上且以射束轴3'为中心的圆周凹陷处1'a。该柱延伸元件41为具有包括铁磁材料（诸如透磁合金）的壁与在其“配套”侧上的圆周突出物/凸唇41a的中空圆锥体，并且将其尺寸确定成以便安放到所述凹陷处1'a中（与其衔接/配对），从而将延伸元件41自动对齐/将中心定在轴3'上。元件41的铁磁壁在激励粒子光柱1时被以磁性方式吸引到极片1'，从而将延伸元件41稳固地夹到/安装到极片1'。延伸元件41的效果是用以降低柱1的主粒子光平面——将其从初始水平P移动至移位水平P'——并从而有效地增加了该柱的焦距。同时，降低了成像像差并增强了分辨率。参见上面的示例（a）（i）。
图1C示出了对图1B中描绘的情况的替换/补充情况，其中，本发明的延伸元件41''被以磁性方式安装到与电子柱1相对的离子柱31。延伸元件41''为锥形的中空圆锥体，其壁包括嵌套的一组三个电极411、413和415（其可以例如分别为以低电势/接地、高电势和低电势/接地）。当延伸元件41''与极片31衔接时，这些电极411、413、415与极片31中的对应的电极311、313、315配套，从而在极片31与延伸元件41''之间形成电互连。这些各种电极可以例如包括诸如钛之类的金属。为了在该情况中实现磁性安装，要注意到：
- 极片31被提供有环形铁磁材料轭317，其以轴33'位中心并且在给定半径的末端处具有U形截面。在该轭317内，布置了环形通电线圈319。
- 延伸元件41''被提供有协作的铁磁材料凸缘417，将其位置和尺寸确定成当延伸元件与极片31配对（通过在箭头421的方向上插入）时与轭317衔接并使其闭合（将上面提到的截面从“U”转换成“O”）。
- 通过线圈319的电流将磁化轭部分317、417，使它们夹住彼此。通过闭合的配对轭部分317、417形成的闭合磁路将防止来自线圈319的磁场线干扰沿着轴33'行进的离子束。
如在图1B中那样，图1C中的布置的效果为降低柱31的主粒子光平面并从而有效地增加该柱的焦距。这进而产生了聚焦到更小斑点中的离子束。参见上面的示例（a）（iv）。
实施例2
图2显现了图1A的主题的一部分的放大视图，并且描绘了与图1B中所示的不同的柱延伸元件41的不同实施例。更特别地，该图示出了（锥状）极片1'，增压管1''位于其内。如图1B中那样，元件41（在其上侧/配套侧上）具有以自动对齐的方式与极片1'（的下侧/接收侧）上的圆周凹陷处1'a衔接的圆周突出物/凸唇41a。在该特定实例中，延伸元件41具有以下结构：
- 上铁磁材料圈42（诸如透磁合金）；
- 下铁磁材料板46；
- 非铁磁材料的中间插入的隔片44。
上圈42在激励粒子光柱1时被以磁性方式吸引到极片1'，从而将延伸元件41稳固地夹到/安装到极片1'。同时，非磁性隔片46的存在将迫使磁场线从圈42通向板46以在隔片44的位置处离开元件41，从而产生刚好在样本S上方的非沉浸式磁性透镜。参见上面的示例（a）（iii）。
实施例3
图3图示出根据本发明的柱延伸元件41的不同实施例，其在该情况中为X射线断层成像术（微CT/纳CT）目标T的保持器。再一次地，元件41具有以自动对齐的方式与极片1'衔接的铁磁圈42。臂48被附接到圈42，该臂48将金属目标T保持在轴3'上。沿着轴3'行进的电子束将撞击在目标T上，促使产生X射线的通量X。（通过并入支架7'）将样本保持器7修改成了将样本S保持在通量X中，通量X通过样本S并落在X射线检测器19'上。以此方式，CPM M可以用于对样本S执行X射线断层成像术，所述样本S可以例如是矿物、结晶、半导体或生物样品。参见上面的示例（d）。
实施例4
图4图示出根据本发明的柱延伸元件41的另一实施例，其在该情况中为用于产生初步的STEM/TSEM的适配器。再一次地，元件41具有以自动对齐的方式与极片1'衔接的铁磁圈42。在42下方，产生了可以将样本保持器7插入其中的架410（空闲空间）以便将样本S定位在轴3'上。在该架410之下的是将STEM相机414安装于其上的对立极412（包括铁磁材料）。参见上面的示例（c）（iii）。
实施例5
图5图示出根据本发明的柱延伸元件的又一实施例，其在本情况中为屏蔽元件。在铁磁圈42内，安装了屏蔽板416，其具有以轴3'为中心的小的孔径418。这样的构造可以例如：
- 屏蔽/保护电子柱1的内部元件免于在使用离子柱31（参见图1A）进行的样本改性（例如，高吞吐量FIB铣削）期间产生的碎片；
- 充当大气气体屏障，以帮助在环境/低压模式（其中，气体在样本S附近）中使用显微镜M时将柱1的内部维持在高真空水平处。
参见上面的示例（b）。

Claims (15)

1.一种具有真空室的带电粒子显微镜，所述真空室包括：
- 样本保持器，用于保持样本；
- 粒子光柱，用于产生带电粒子束并沿着轴引导带电粒子束以便照射样本，所述柱在面朝所述样本保持器的末端处具有终端极片；
- 检测器，用于检测响应于由所述射束进行的照射从该样本放射的辐射通量，
其特征在于：
- 在所述极片与所述样本保持器之间的空间中以磁性方式将可交换柱延伸元件安装在所述极片上。
2.根据权利要求1所述的显微镜，其中：
- 所述极片的接收面被提供有第一机械对齐特征；
- 所述延伸元件的配套面被提供有第二机械对齐特征；
- 所述第一和第二机械对齐特征与彼此衔接以便促使将延伸元件保持在极片上的预定义的位置中。
3.根据权利要求2所述的显微镜，其中，所述预定义位置基本上以所述轴为中心。
4.根据权利要求2或3所述的显微镜，其中：
- 所述接收面被提供有第一组有用物互连；
- 所述配套面被提供有对应的第二组有用物互连；
- 当所述机械对齐特征衔接时，所述第一和第二组有用物互连与彼此耦合，以便允许在极片与延伸元件之间转移有用物。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的显微镜，其中，所述极片与所述延伸元件之间的接口形成真空密封。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的显微镜，其中，所述延伸元件：
- 包括不是永磁性的材料；
- 通过从极片放射的磁场在所述极片上保持就位。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的显微镜，其中，所述延伸元件包括能够被激活以实现所述磁性安装的电磁构件。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的显微镜，还包括：
- 原位库，用于存储各种各样的不同延伸元件；
- 交换器机构，用于：
· 将延伸元件从所述极片卸除并将该延伸元件存储在所述库中；
· 从所述库中找回延伸元件并将该延伸元件安装在所述极片上。
9.根据权利要求8所述的显微镜，其中，所述交换器机构的至少一部分被包括在所述样本保持器中。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的显微镜，其为双射束显微镜，包括：
- 电子光柱，用于产生电子束并引导电子束以便照射样本；
- 离子光柱，用于产生离子束并引导离子束以便照射样本；
其中，所述延伸元件被安装在所述粒子光柱中的至少一个上。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的显微镜，其中，所述延伸元件被配置成更改从粒子光柱朝向样本发出的电磁场的轮廓。
12.根据权利要求1-11中的任一项所述的显微镜，其中，所述延伸元件被配置成产生选自包括以下的群组的至少一个效果：
- 至少部分地从粒子光柱外部的环境屏蔽该粒子光柱的内部空间；
- 靠近样本定位有源电气设备，该设备被配置成与射束和样本中的至少一个相互作用；
- 将金属目标定位在所述轴上，以在被所述射束撞击时充当X射线源。
13.一种使用带电粒子显微镜的方法，包括以下步骤：
- 将样本提供在样本保持器上；
- 使用粒子光柱来产生带电粒子束并沿着轴引导带电粒子束以便照射样本，所述柱在面朝所述样本保持器的末端处具有终端极片；
- 使用检测器来检测响应于由所述射束进行的照射而从该样本放射的辐射通量，
其特征在于，在照射样本之前，在所述极片与所述样本保持器之间的空间中以磁性方式将可交换柱延伸元件安装在所述极片上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，交换器机构用于：
- 从用于存储各种各样的不同延伸元件的原位库找回所述延伸元件；
- 将找回的延伸元件安装在所述极片上。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在对特定样本的给定的显微镜使用会话期间，使用所述交换器机构来执行所述延伸元件对存储在所述库中的一个或多个其它延伸元件的一个或多个交换。
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