CN1977350A - 激光原子探测方法 - Google Patents

Abstract

一种激光原子探测器(100)把反电极设置在试样台和检测器(106)之间，并提供激光(116)，其光束(122)被对准以通过反电极(108)的开口(110)照射试样(104)。检测器、试样台(102)，和/或反电极可被充至某一升压电压然后被脉动以使试样电离。激光脉冲的计时可用于确定离子的离开和到达时间以确定离子的质荷比，并因此确定其身份。描述了自动对准的方法，其中激光自动指向相关区域。

Description

激光原子探测方法

相互参照的相关申请

本发明按照USC§119(e)第35条要求享有美国临时专利申请60/576,557(2004年6月3日申请)的优先权。

技术领域

本文是涉及总体关于原子探测器、也称作原子探测器显微镜的发明。

背景技术

原子探测器(也称作原子探测器显微镜)是一种可在原子水平分析试样的设备。常规原子探测器的基本样式可为如下形式。试样台与检测器隔开，一般为微通道板和延迟线阳极。试样设置在试样台上，并且试样支架的电荷(电压)与检测器的电荷相对，从而试样表面上的原子电离并且从试样表面“蒸发”，并向检测器移动。一般的，脉动试样的电压使得脉冲以脉冲计时(timing)触发蒸发，从而可至少粗略的确定蒸发时间。试样原子趋向于根据其与探测器之间的距离电离(即较接近检测器的原子首先电离)，因此试样首先从其尖端或顶点(距离检测器最近的区域)失去原子，尖端随着蒸发继续慢慢腐蚀。对电离原子从试样飞到检测器的时间的测量允许确定离子的质量/电荷比(并因此确定蒸发原子的身份(identity))。对离子撞击检测器的位置的测量允许确定当电离原子在试样上时的相对位置。因此，随着时间推移，可以建立试样中组成原子的身份和位置的三维图。

由于潜在的(potentially)包含在试样中的原子数量，以及收集这些原子需要的时间，试样经常由大物体的样品构成。这些试样通常这样形成，即从物体中去除细长芯(elongated core)——通常称为“微尖(microtip)”——代表取样物体在其至少一部分深度上的结构。然后通常使这样的微尖试样轴线朝检测器延伸而在试样支架上对准，从而收集的原子表示了取样物体的深度结构。微尖的棒形结构还有利地使带电试样的电场在其顶点(其距离检测器最近的区域)附近集中，从而增强顶点上的蒸发。

电离(蒸发)能量不必只通过电场传递。例如，已经开发了其中试样被热脉动以及电脉动而帮助蒸发的原子探测器。在一些现有的设备中，激光器设置在试样台附近以将激光脉冲指向试样，从而短暂的对其加热以引起蒸发(例如参见附加文献目录中Kellogg等人的参考文献12)。然而，这样的设备并不常见，因为把激光束集中到微尖试样上(更具体的，其顶点上)困难而耗时。而且，由于这样的困难，需要相对宽直径的激光束，但是这又不利地降低激光器的功率密度(除非增加激光器功率消耗，这也是不希望的)。此外，宽光束加热微尖试样的较大区域，而且由于在试样中保留的热量使得离子蒸发时间发生较大变化，这样的热量可导致质量测定中的不确定性。由Kelly等人(附加文献目录中的参考文献1)提出的替换方法采用了电子束而非激光并减轻了加热问题，尽管束聚焦和试样加热仍有问题。

因此，多数原子探测器利用其它特征增强蒸发。一个可用的这样的特征为反电极(counter electrode)，一个带有中心开口的电极，其位于试样和检测器之间与试样间距很小(例如参见附加文献目录中Miller等人的参考文献18)。反电极通常相对于试样有吸引地变化，从而增强试样的蒸发，造成原子电离和经过反电极开口飞向检测器。反电极一般用于下面的一个或多个目的。

首先，通过把反电极开口设置在尖的顶点附近，顶点附近的蒸发电场可大为增强，从而允许使用低幅值的蒸发电压脉冲。由于设备限制，低幅值电压脉冲通常可较快脉动，并因此允许从试样更快的蒸发率(以及更快的获取数据)。一些情况下，反电极用于在具有多个微尖的试样上的选取的微尖附近集中蒸发场，从而离子蒸发只在所述单个微尖上发生。这中情况下，反电极常常被称作“本地电极”，因为其可使蒸发本地化(例如参见附加文献目录中Kelly等人的参考文献2)。为获得更集中的蒸发，本地电极一般具有比常规反电极更小的开口，例如具有5-50微米的量级而非几个毫米的量级。

第二，反电极可用于改善原子探测器的质量分辨率(即，可更好地校准离子在试样和检测器之间的飞行时间的测量)。当脉动原子探测器电压时，原子趋向于在脉冲的波峰附近蒸发，产生离开时间的较小延长。而且，晚离开的离子在试样上的电压脉冲衰减时可处于试样区域中，并且因此离子受到试样发出的随时间变化的电场的影响，产生其真实离开时间(以及因此离子飞行时间，和离子质量确定)的更大的不确定性。然而，如果反电极与试样足够近以至于离开的离子在试样电压脉冲显著衰减之前受到反电极电场的影响，那么离子的飞行将从随时间变化的场极大脱离，因而减弱其效果。

第三，反电极有时用于把试样与在飞行路径中可能影响试样顶点附近电场的组件屏蔽。例如，如果原子探测器显微镜具有可动的检测器，检测器移动得更近试样上的电场就会增强，从而可能增强离子在不期望的时间蒸发的可能性和使操作复杂。然而，位于试样和探测器之间的反电极，可部分的把试样与检测器隔离并降低检测器电场的影响。

发明内容

由本文结尾列举的权利要求书限定的发明，涉及相对现有原子探测器具有优点的原子探测器及其操作方法。对本发明一些优选特征的基本理解可从相阅读下面对本发明的简单概述获得，更多细节将在本文其它地方提供。

原子探测器包括要进行分析的试样置于其上的试样台，试样台可充电以对位于试样台中的试样施加电离电压。检测器与试样台隔开以检测从试样中蒸发的离子。具有电极开口的反电极处于试样台和检测器之间，开口具有沿开口平面取向的开口入口。开口平面优选位于试样顶点处或与试样顶点非常接近(即，试样顶点优选处于开口入口之内，或者接近进入开口入口)。和先前的原子探测器一样，试样台和检测器可被充以大约足以在试样顶点电离原子的电压，并且如果需要，可对反电极施加“过电压”脉冲以产生定时的电离作用，其中当施加至少部分脉冲时离子蒸发。然而，电离优选首要的由如下的激光器(或者其它能量束源，例如电子束发生器)引发，所述激光器与反电极和试样台隔开，处于开口平面的和试样台相对的一侧上，并且其定向为通过反电极开口和朝试样台发射光束以在试样上撞击。激光器为优选的能量束源，因为其可在高频脉动，脉冲宽度在皮秒水平上，因而以比先前原子探测器高得多的质量分辨率在试样上产生电离作用(因为粒子离开在激光脉冲的非常窄的窗口上进行，允许以更高精度确定离子离开时间)。

在使用激光器的情况下，激光器优选具有比在先前激光原子探测器中使用的小的多的光束尺寸，从而达到试样时其具有远小于1mm的光束直径。最优选的，其在试样上具有小于或者等于0.5mm的光束直径。更小的光束尺寸(因此在试样上相关区域中更小的光点尺寸)是有用的，因为其加热更少的试样，从而更好地对相关区域隔离电离。本地加热还有助于促进试样中更快的热量消散，从而保留的热量不会产生迟电离和误算离子离开时间。

然而，定位激光器使其光束对准通过开口，和使用比先前原子探测器更小尺寸的光束，产生了重大困难：通过开口对准光束将几乎不可避免的把激光器定位在比使用常规装置(其中激光器和试样被定位在反电极和其开口平面的相同一侧，激光器定位在试样附近)离试样更远的位置，这使得难于把光束对准试样上相关的区域。这个困难当点尺寸减小时更甚，特别是，因为更小的光束将更易“漂移”(即，随着时间推移，由于振动、激光器缺陷、激光器和试样台之间部件的热膨胀/收缩等等造成的逐渐不对准)。因此，即使在数据采集任务开始时光束可以会聚到试样顶点或者其它关心的区域上，由于光束随着激光器的使用而漂移，随着时间推移数据会退化。

这些困难可以两种方法克服。首先，可利用小尺寸的反电极开口促使光束粗略对准试样(或至少接近于试样)，开口尺寸优选小于大约0.1mm(更优选的小于0.05mm)。该尺寸大约与多数微尖原子探测器试样在同一数量级，而且因为试样在原子探测器从试样获取数据期间粗略定位于开口的中心，可以通过把光束与开口对准而粗略的把光束与试样对准。这样的对准可以视觉检验，如通过在试样台附近拍摄的视频或者微型相机图像监视，和/或通过监控位于试样台附近的光敏元件(其可检测通过反电极开口投射的激光)的输出。

而光束的精细对准可接着利用自动化光束对准方法获得，这种方法迅速定位试样顶点(或其它关心的区域)而不需要原子探测器的操作人员进行令人厌烦的“搜寻(hunting)”。该方法中，激光(或其它能量束)对准试样并以一维或多维扫描试样上(或附近)预定尺寸的扫描区域；例如，其可以蜿蜒或者之字形模式扫描以覆盖某一扫描区域，或者其可只沿一条线一维扫描。在扫描期间，代表与能量束和试样之间相互作用的一个或多个参数被监控。这种性质的示例性的参数包括检测器所检测的任意离子的收集率(较高的收集率通常倾向于更加代表光束在试样顶点附近撞击，这里原子更容易电离)；检测器所检测的任意离子的质量分辨率(即，所检测的离子的质量/电荷比与特定原子种类明确相关的程度，因为好的相关度表示离子离开时间——由激光脉冲确定——被准确的确定)；施加到试样台上的电压(因为在试样顶点上聚焦的光束比不在试样顶点上聚焦的光束应在较低的试样电压上产生可检测的离子)；激光光束的反射部分(因为监控反射光束的图像可以表明试样顶点是否被照射)；以及激光光束的任意散射部分(因为光束的衍射图案也表明试样顶点是否被照射)。被监控参数与预定的对准标准比较，例如，是否对应扫描位置的参数具有可接受的值、和/或它们是否表明沿着扫描的位置距离试样顶点比先前的位置更近。

如果发现扫描的子集满足对准标准——例如，如果某扫描位置确定了具有更好电离率(检测器收集率)、离子质量分辨率等的某扫描区域子集——则可确定新的扫描区域，即尺寸减小包围至少该子集的扫描区域。最优选的，监控参数以识别沿着扫描具有最优参数(即那些最接近地对应于试样顶点附近的点的参数)的单个位置，并且该位置被认为是“原始位置”，在其附近确定新的更小扫描区域。这个过程然后重复进行，光束扫描该更小的扫描区域以定位更好地满足预定扫描标准的扫描区域的新子集(例如，单个原始位置)，一个新的减小的扫描区域在该子集附近被确定，等等。这个过程然后在起始位置附近或者在最优位置的集合附近重复收缩和移动扫描区域，以到达试样顶点。一旦以预定的精度水平满足对准标准(例如，一旦识别的原始位置在随后的扫描间不明显变化)，则扫描暂停，并且可假设试样顶点已经被定位。

另一方面，如果在扫描区域的扫描期间被监控的参数不满足对准标准——例如，如果其关于试样顶点的位置不肯定——则在重复该过程之前扫描区域增加而非减小，以更好的增加试样上的区域(更具体的，在其顶点附近)被扫描的可能。作为一个例子，扫描区域显示监控参数从一个位置到另一个位置很少或者没有变化，表明试样的扫描区域(或者如果光束较差的漂移则为反电极)看起来根本没有靠近试样顶点。然后可增加扫描区域以期望定位满足对准标准的原始位置(或扫描区域的其它子区域/子集)，这时该过程在该位置附近重复收缩扫描区域。可替换的，如果增加的扫描区域没有定位满足对准标准的原始位置或者其它子区域，则扫描区域可再次增加直到定位有希望的子区域(在该点扫描区域可在该子区域附近重复收缩)。

一旦利用前述步骤定位了试样顶点(或试样上的其它期望位置)，原子探测分析可开始；试样、反电极和检测器每一个都被充电至有助于试样电离的水平，并且可脉动激光(或其它能量束源)以对试样增加足够的能量使得电离发生(如果需要，反电极也同时脉动)。因为随着时间推移可发生光束漂移，前述光束的精细对准过程可在数据采集期间可被周期性地重复，也许在一定次数的数据采集循环发生之后，和/或在某些参数(例如蒸发率、质量分辨率等等)似乎表明光束不再以试样的期望区域为中心之后。

如果激光(或其它能量束)含有当到达试样表面时具有至少两个不同波长的激光(或其它能量)，原子探测器的效用进一步强化。因为不同的材料在不同波长的能量下可显示出更大的电离灵敏度，采用混合波长可通过允许其更有效的分析宽范围的材料而增强原子探测器的多用性。而混合波长可通过采用多种激光器和利用分色镜或其它元件组合其光束实现，特别优选的设置是采用单一激光器(具有单一波长的发射激光)，以及利用非线性晶体或其它谐波发生光学器件在同一光束中产生谐波波长。采用单一激光器不需要在不同激光器中使脉冲计时同步，并且还可避免由于使用多种激光器产生的成本和空间问题。

如果激光器设置在包含试样台和检测器的真空室外，以及如果激光器通过真空室中确定的窗口向试样输送光束(如果必要沿着光束使用中间反射镜、透镜，或其它光学元件)，成本和空间问题还可减少。这就不需要为高真空环境配置激光器(其可提高费用)，而且激光器不需要占用真空室中有限的可用空间。把激光器设置在真空室之外(或者在远离试样台的其它位置)可使光束在试样上对准产生更大的问题，但利用上述的对准方法，这些困难可至少部分的克服。

如果反电极的开口配置成在开口入口处接纳激光或其它能量束，以及在其离开开口出口前集中能量束从而光束在试样上以更大强度聚焦，一些上述的困难还可至少部分减轻。这例如可通过将电极开口构造成具有抛物线、双曲线或其它构造的聚焦反射器来实现，所述聚集反射器在光束能量从较大开口入口到较小开口出口传播时内部反射光束能量，从而入射光束在发射到样本上时被会聚成更大的强度。这样的布置可至少部分补偿光束未对准，通过“捕捉”和改向未对准的光束从而使其在试样上聚焦。因为这样的布置可更好的容许较小的光束未对准，其还可适合于接纳复合激光或者其它能量束并把任何未对准的光束导向试样。

本发明进一步的优点、特征和目标将通过下面的结合相关附图对本发明的详细描述而更明显。

附图说明

图1a是激光原子探测器100的简化示意性的横截面图，其中激光器116的激光束122指向为通过反电极108的开口110并到达试样104的顶点上。

图1b是对应图1的激光原子探测器100的原型激光原子探测器的透视横截面图。

图2是对激光原子探测器100示例性的控制和反馈时序图，表示触发激光脉冲PL的控制(触发)脉冲PT的计时，从而产生表明激光脉冲PL计时的定时(拾取)脉冲PP，并启动图1a和1b的检测器106从而可收集离子蒸发数据。

图3是示例性控制系统的示意图，该系统用于在试样104顶点附近使图1a的激光器116的光束122精细对准。

图4是描述优选过程步骤的过程流程图，该过程用于自动地在试样104顶点附近使图1a的激光器116的光束122精细对准。

图5a-5c示意性的描述图4的精细光束对准过程的连续重复。

图6a-6b示意性描述可替换的反电极600，其具有用于朝试样104集中能量(不论是从激光束122或从附加能量源610)的会聚开口602。

具体实施方式

首先看图1a和1b，示例性激光原子探测器，总的由参考数字100表示，以示意性形式(图1a)和以实际原型的透视图(图1b)描述。激光原子探测器100包括试样台102，其上固定试样104，用于接纳从试样104蒸发的离子的相对的检测器106，和位于试样台102和检测器106之间的反电极108。试样台102可以移动，使得试样104可处于反电极108的开口110中或者与之非常接近地隔开，顶点或试样104上其它所关心的区域优选位于确定开口110入口的开口平面112处。真空室114容纳所有上述部件。从在本文后面提供的文献目录中的参考文献可以看出，试样台102、检测器106，和反电极108的上述设置在原子探测器领域是常见的，尽管可能有各种配置和操作模式。例如，反电极108可以是本地电极的形式(如美国专利5,440,124所示，文献目录中的参考文献2)；可有附加反电极或者“中间”电极(如授予Cerezo的美国专利6,580,069所示，文献目录中的参考文献4)；或者其它特征。在操作的常规模式中试样台102和检测器106被充至“升压(boost)”电压，其几乎足以使试样104电离(一般试样台102被充以电离能量阈值的大约75％)，通常试样104被充上正电压，检测器106被充上负电压。反电极108和/或试样台102然后以“过电压”被脉动，即电荷超过试样104的电离阈值，从而离子在脉动期间蒸发(其到检测器106的飞行时间可由脉冲测量)。

可采用上述设置来调整常规原子探测器，以用作激光原子探测器100，即：提供激光器116，其定向为通过反电极108的开口110投射光束，并到达试样104上的顶点或者其它所关心的区域。在图1a和1b的示例性激光原子探测器100中，真空室114包括终止于窗口120的显像管118，并且激光器116位于窗口120外以发射光束122，经过窗口120，随后经过反电极开口110。然而，如在本文后面所讨论的，激光器116还可有其它布置(例如，处于室114内)。

可有几种操作模式，其中特别优选两个。一种模式中，试样台102可被充至达到电离能量阈值很大比例的升压电压，剩余的电离能量可由激光器116提供，其被脉动以和常规过压脉冲相同的方式为试样104提供电离能量。这种情况下，反电极108可简单用作不带电的地平面。

第二种模式中，升压电压再次被试样台102施加，并且剩余的电离能量可由激光器116和反电极108分摊。这种情况下，反电极108提供使得试样104接近于电离的过压脉冲，然后激光器116提供必要的导致离子蒸发的能量。借助这样的布置，升压电压可降低，并因此试样104上的应力可降低，因为由激光116和反电极108给予的联合能量可组成超过电离阈值需要的总能量的较大部分。

为更加详细的描述图1b中的原型激光原子探测器100，其采用由Imago Scientific Instruments Corporation(Madison，WI USA)制造的原子探测器，其具有激光器116，所述激光器116带有具有二极管抽运(diode-pumped)的钛：蓝宝石振荡器(带有Mira Optima 900-F腔的Verdi-V5泵激光器，均来自Coherent，Inc.，Santa Clara，CA，USA)，其在76MHz的标称重复率产生8nJ的脉冲。腔倒空器(cavity dumper)(Coherent，Inc.的Pulse Switch腔倒空器)用于把脉冲能量增加倒60nJ并把重复率降低倒100KHz。这些部件只是示例性的，其它可产生相同或不同输出的合适的装备可从Coherent，Inc.或其它激光器装备供应商例如Spectra-Physics，Inc.(Mountain View，CA，USA)获得。上述Coherent，Inc.的Pulse Switch腔倒空器包括第二和第三谐波发生器，其有利于在本文后面讨论的方式中使用。

激光器116的脉动光束122然后被定向通过窗口120和反电极开口110，然后到达试样104上的顶点或其它所关心的区域。激光束122以相对于离子运行轴略小于45度的角度定向(即，由来自试样104的离子的飞行路径确定的圆锥的中心，飞行圆锥在图1a中以124指代，离子运行轴以126指代)。该角度适合于防止光束122与飞行圆锥124相交，而同时允许光束122经过反电极开口110撞击试样104。然而，如果原子探测器100的部件变更(例如，如果反电极开口110的尺寸和/或飞行路径126的长度变化)，光束122的角度可变化。

在原型原子探测器100中，飞行路径126标称6cm(尽管其可调整，很容易由移动检测器106进行)。这样的飞行路径126有利的可进行1Mhz量级的数据采集循环，从而大大降低用于试样分析的时间(分钟量级而非小时或天量级)，从而大大增强原子探测器100的工业实用性。可使用更长(或更短)的飞行路径，其具有对数据采集率的相应影响：当飞行路径变长和/或当脉冲频率更快时，数据收集循环的开始将开始与先前的数据收集循环的结尾重叠，导致更多数据解释和控制负担。飞行路径126的调整还将对投影区域(field of view)和放大率产生相应影响(放大率与飞行路径长度成比例，与投影区域成反比例)，6cm的飞行路径提供1.5-2.0立体弧度之间的投影区域。

反电极108可以是平面、凹面，或其它形状，原型激光原子探测器100采用具有直径优选小于大约0.05mm的开口110的平面反电极。可能采用更大的开口110，尽管优选其直径小于0.1mm；将在本文后面讨论，使用更小的开口将非常有助于把激光116(其比在现有原子探测器中远得多)聚焦到试样104上的重要任务。而且，具有相同或更小量级开口110的锥形或其它凹面反电极108在反电极108被用作本地电极时是有用的，例如用于分析相同试样104上的各相邻微尖。

激光器116采用比在现有激光原子探测器中更紧密聚焦的光束122，优选直径小于1mm，更优选的小于0.5mm(在试样104处所接收的)。原型原子探测器100在试样104处具有大约0.02mm的斑点大小(光束直径)。这有利的减小受到激光加热的试样104的体积，造成更好的热量分散并因此减小离子化原子的离开时间延长(即试样104中保留更少的能量，从而阻止在发送脉冲之后的后电离作用)。此外，因为更小直径光束122比更大直径光束的功率密度更大(假定输入功率相同)，采用更小直径的光束122允许使用更小功率(并且更廉价)的激光器116。例如，如果把相同功率密度的两个光束相比，一个具有0.05mm的直径，另一个具有1mm的直径，则0.05mm的光束只需要1mm光束功率的1/400(因为功率密度随着直径的平方变化)。

可使用各种准直仪、透镜和其它光学器件来聚焦光束122，并且聚焦光学器件将依赖于选择用于在原子探测器100中使用的激光器116。图1b原型原子探测器100采用安装在常规定位台(Model 423)上的装配有动力调节器的涂层双凸透镜(型号PLCX-38.1-103.0-UV-355-532，CVILaser LLC，Albuquerque，NM，USA)，均由Newport Corp.，Irvine，CA，USA提供。这些部件，在附图中未示出，位于真空室114外部观察孔120附近。因此定位台可以再次定位聚焦透镜以在试样104获得需要的光束直径/斑点大小。

图2是在单个数据采集循环中控制和反馈信号图。用于激光原子探测器100的控制系统(个人电脑)对激光器116发送触发脉冲PT。在收到触发脉冲PT后，激光器116的腔倒空器释放下一个可用激光脉冲PL。因为在触发脉冲PT和激光脉冲PL的产生之间经过不确定量的时间T1，快光电二极管用于产生拾取脉冲PP，所述拾取脉冲PP然后被控制系统用作标称脉冲离开时间Tp(并且又用作检测器106随后检测的任意离子的离开时间)。不是不断(并且不必要地)从检测器106收集数据，检测器106的数据采集在拾取脉冲PP(在Td)之后经过一小段时间T2启动，从而更好地将数据收集限制于离子到达。然后检测的离子的质量电荷比(因此原子的身份)可从到达时间减去Tp确定。检测器106的数据采集在Td之后下一个数据采集循环开始之前某一固定的时间段内(一般为1毫秒)停止。脉冲在反电极108上的计时没有图示，因为图2假定反电极108仅仅用作不带电的地平面。然而，如果反电极108将被充电，期望量值的反电极脉冲可由触发脉冲PT启动，并且可具有足够的脉冲宽度以使激光脉冲PL在其持续期间产生。以这样的方式，反电极脉冲将用作过电压脉冲，其使试样104变化到其电离能量附近的水平，然后激光脉冲PL将提供用于电离的足够的能量。

对有效的电离，有用的是准确知道激光束122的光束直径和功率密度(以及因此由激光122输送的电离能量的量)。可以多种方式实现这一点。最优选的，在开口平面112处或其稍后进行测量，从而可推断出在试样104顶点处的能量输入。实现这一点的第一种方法是把光敏元件设置在图1a中试样台102附近(或者在试样台完全移动就位之前在试样台102上或代替试样台102)，并直接测量光束122的输出。该特征的示例性结构在图1a中描述，其中光敏元件阵列128处于试样台102的边沿附近。在开口平面112处的测量可由在光敏元件128的位置处的测量计算而得。另一种方法是在图1a中试样台102附近使用镜子(或者在试样台102移动就位之前代替试样台102)，镜子把反射光束122输送到真空室114内部或外部的光敏元件(例如，通过真空室114中的观察孔)以计算在开口平面上的光束功率。其它方法包括将光敏元件设置在反电极108中，或者临时地移动光敏元件至反电极108的紧上方或紧下方(如上述的把光敏元件128置于试样台102上的方法)，以更直接的测量开口平面112上的光束122。可能采用室114内部或外部光敏元件的其它方法，其中在激光器116和光敏元件之间具有或不具有任何镜子或其它光学元件。

如前文所述，激光器116采用第二和第三谐波发生器，从而可把光束122的平均波长从紫外线调整到接近红外线范围，并且可调整波长以更好地引发不同材料的试样104中的电离。然而，一些情形中，单一波长由于试样104中材料差异不能产生有效电离，单一波长不能有效耦合试样104中的所有成份。因此，原型原子探测器100优选采用包含多种波长的光束122。尽管可通过利用多个激光器116把光束122对准试样104实现这一点，然而，或许在利用分色镜或其它元件组合光束122之后，使用多个单独的激光器116可导致增加的空间和花费，还会增加复杂性，特别是考虑到在不同激光器中使脉冲计时同步的需要。因此，特别优选的结构是利用单一激光器116并通过把非线性晶体或其它产生谐波的光学器件插入光束122的路径上而在同一光束122中产生谐波波长。在图1b的原型原子探测器100中，激光器116的光束被聚焦到非线性晶体中(例如EKSMAPhotonics Components，Vilnius，Lithuania的BBO晶体)，其在附图中没有示出。该晶体可以大约50％转换效率在光束122中产生第二谐波波长(具有激光器116发射波长的一半)。如果需要，随后的非线性晶体可置于光束122的路径中以产生第三谐波(具有激光器116发射波长的四分之一)，第四谐波，等等。谐波透镜/准直仪和/或其它光学部件可用于对每一波长聚焦和调整光束直径，从而当它们进入反电极开口110中并在试样104上撞击时，将全部被聚焦成相同的光束直径。

总而言之，采用激光器116比常规原子探测器有许多操作优势。一个主要的优势为传统原子探测器一般被限于分析至少大体上导电的试样104，因为不导电试样104需要高得多的升压电压和过电压(并且这些高电压电场在试样104上产生很大应力，试样然后可能机械断裂)。因为激光器116可以在低得多的电压下操作，激光原子探测器100可以分析甚至明显不导电的试样104，例如有机试样104。作为一个相关的优点，用于产生光束122的激光器116的波长可用于不同类型试样104的更有效电离，包括那些具有不均匀组成的试样(例如，既包含导电区域又包含不导电区域、既包含无机区域又包含有机区域等的试样104)。

另一个主要的优点在于，合适的激光器116可产生量级为皮秒或飞秒宽度的脉冲。因为试样电离在激光脉冲的非常窄的窗口进行，离子离开时间可以非常高的精度确定，从而具有比常规原子探测器大得多的质量分辨率(500质量电荷单位中超过1)。而且，可产生1kHz-1MHz频率的脉冲，从而允许极快的数据收集。

然而，尽管由于这些优点，上述的结构引入了几个重大挑战，特别是在试样104上对光束122精确聚焦的困难。因为激光器116远离试样104，并且具有优选的小于0.5mm的斑点大小(原型原子探测器100具有0.02mm的斑点大小)，把光束122聚焦在试样104顶点——其本身的直径量级可为数十或数百毫米——是不平常的，特别是因为光束122由于环境振动、原子探测器部件的热膨胀和收缩等等而随时间漂移。现有的激光原子探测器(例如附加文献目录中的参考文献20和21中的探测器)通过如下方法减小这些困难：把激光器116紧密靠近试样104并设置在开口平面112的同一侧上，并且采用大得多的斑点/光束直径，从而更易把光束对准试样顶点或者所关心的其它区域。尽管那样，在试样的期望区域上聚焦光束并使其适当对准的过程，并非一件容易的事；聚焦需要诸如对荧光或场离子显微镜进行视觉检查的方法，它们须经解释。这些方法还耗费时间，因为它们需要少量气体被引入真空室，然后在原子探测启动前被再抽空。当考虑到减小光束直径、把激光器设置得更远离试样都将使得开始的聚焦更加困难，并在原子探测器数据采集期间还要求定期检查漂移时，似乎原子探测器100的上述结构将是不值得的——特别是因为漂移检查需要打断数据采集，以进行耗费时间的把气体引入真空室114以及从中去除，这一点非常令人讨厌。

然而，许多这些缺陷可通过利用下面的光束对准方法避免，其首先包括粗略的光束对准，紧接着进行试样对准，最后进行精细光束对准。粗略光束对准只在首次安装和使用原子探测器100时进行一次，并且在其后的数据采集期间之间偶尔使用。试样对准则在每次数据采集期之前进行。精确的光束对准则优选在数据采集期之前和其中进行以免光束漂移。

粗略光束对准通过把光束122经过反电极108的开口110聚焦而进行。优选的粗略对准方法如下：

1.对激光器116通电和等待光束122的定位稳定(通常15分钟左右足够)。

2.激活光敏元件(例如，图1a中所描述的光敏元件阵列128)。如前所述，光敏元件优选一般沿开口平面112的试样侧的离子运行轴126设置(至少临时)，或者可设置在反电极108或其它位置(包括真空室114外面的位置)，在所述位置允许确定光束122是否经过电极开口110。再一次，特别优选的布置为具有移动至紧邻开口平面112的试样侧的反电极108的可动光敏元件128，从而光敏元件128可位于大致相同的位置，试样104的顶点将在后面的数据采集中放置在该位置。

3.从散焦光束122开始，通过光束控制装置(即，镜子、准直仪等等，在附图中没有描述)转换(translate)光束而在光敏元件128上获得初始信号。这些光束控制器优选位于观察孔120外部，尽管它们可代替地位于真空室114中。

4.转换光束122直到光敏元件128上的信号最大化，从而表明全部未聚焦的光束122经过开口110而不在开口110边沿处撞击反电极108。

5.聚焦光束122以最大化光敏元件128上的信号。

6.反复重复上述步骤4和5直到在光敏元件128上获得最大信号。

7.把光束122的功率调整到期望水平。

这样完成粗略对准，并且光束控制装置、聚焦光学器件、激光功率控制器等的设置被固定。粗略对准步骤可在原子探测器100初始启动和安装时进行，并且还可在原子探测器100的维护和修理之后有利地进行，例如，如果安装新反电极108，或者如果附加的反电极(通常称作中间电极)被安装在反电极108和检测器106之间。否则，粗略对准步骤在初始启动之后不必要重复。然而，要牢记，原子探测器100的优选形式具有小于0.1mm的开口110(优选在0.05mm的量级)，有用的是每隔几个数据采集期进行周期性的粗略对准，以证实总漂移没有使光束122从开口110偏移。如果原子探测器采用具有更大开口110的反电极108(例如，以更常见的2.5mm或更大的量级)，重复粗略对准就不太需要。

还可有其它粗略对准方法，利用光敏元件128仅仅是一种优选的方法。粗略对准可以其它替代方式进行，例如，采用远程显微镜和摄像机。还可以在粗略对准操作中组合光敏元件和成相设备。

注意，本质上，反电极开口110用作用于对准光束122和试样104上的顶点或其它关心区域的焦点：把光束122(可动)与试样104(可动)对准复杂而耗时，但通过把反电极108——处于原子探测器100的真空室114中固定位置——用作光束122的焦点(因为试样104在数据采集中可位于开口110的中心)，对准过程大大简化。进一步注意，当原子探测器100后来以这样一种方式运行使得在数据采集中反电极108为不带电地平面时，对准光束122实际上为反电极108的首要目标：如果不关心光束对准，则可去掉反电极108。

在完成粗略光束对准后，把试样104与反电极开口110对准可以按多种方式进行。试样对准的一种优选方法为：开始采用两个正交光学显微镜以进行粗略试样对准，并且如果必要，粗略试样对准之后进行用于精确试样对准的场离子显微镜检查。粗略试样对准过程如下：

1.确保激光器116关闭，或者其光束122被遮挡。

2.移动试样台102直到试样104与反电极开口110大致对准。

3.采用试样104的2-轴转换(沿与离子运行轴126垂直的平面)，移动试样台102使得试样104大体沿离子运行轴126定位。光学显微镜在开口平面112的大致位置处正交地处于离子运行轴126附近，其可用于检验沿两个转换轴的对准。(附图中没有显示这样的显微镜，但通常可设置在真空室114外部以在适当设置的观察孔观察试样，一个这样的观察孔在图1b中表示为130。)

试样台102然后可平行于离子运行轴126移动直到试样104上的顶点或者其它所关心的区域大致位于开口平面112上(即，从而试样104的顶点刚好位于反电极开口110的外部或者内部)。

如果必要，可使用场离子显微镜(FIM)完成精确试样对准：

1.成像气体(例如，氖)被引入原子探测器100的真空室114。大约5×10^-6毫巴的成像气体压力通常就足够了。

2.检测器106的增益被调整到用于FIM的适当水平。

3.然后对试样台102(因此也对试样104)施加电压直到试样104顶点的图像可在检测器106上获取。

4.试样104沿开口平面112的两条轴转换直到在检测器106上获得没有阻挡的图像。如果试样104没有对准，反电极108将阻挡一部分照片。

然后优选在试样对准之后进行精细光束对准，并在数据采集过程期间周期性的进行，以保证光束122仍与试样104的顶点或其它所关心区域对准。可采用FIM方法进行精细对准，例如由Kellogg等人和Cerezo等人描述的那些方法(在本文结尾处文献目录中的参考文献10和12)。这些方法中，FIM受到激光器116和施加到试样104的电压两者驱动，而且试样位置经常调整，同时调整光束功率和试样电压以获取合适图像。然而，由于原子探测器100优选采用直径小于1mm并且更优选的小于0.5mm的光束122(图1b的原型原子探测器100采用大约0.02mm的优选光束直径)，发现先前的对准方案非常困难和乏味，因为它们对光束对准非常敏感：对于窄光束，光束位置非常小的变化需要光束功率和/或试样电压非常大的修正。这是因为FIM的灵敏度大约与光束直径的倒数近似。因此，需要大量的时间以精确地把小直径光束对准试样104。

而且，当考虑到FIM的敏感度随光束直径的倒数而变化时，明显的是，原子探测器100对束漂移(其易于把小直径光束122从试样104的顶点偏移)非常敏感。因此，数据采集可能受到在数据采集期间产生的光束漂移的巨大阻碍。如果采用大于1mm的大直径光束(如现有的激光原子探测器)，漂移则不是一个重要问题，因为即使漂移发生大直径光束仍可撞击试样104顶点。然而，随着光束直径降到0.5mm以下——其开始接近由于标准的环境因素(例如振动、热膨胀/收缩等等)发生的漂移的范围——漂移则成为重要问题，特别是当光束直径降到百分之几毫米的范围(或更小)时。因为暂停数据采集期以引入成像气体、进行FIM，然后重新抽空真空室114以重新开始数据采集明显的不实际，如果采用改进的精细光束对准方法则原子探测器100的效用会大大增强。

用于精细光束对准的示例性控制系统如图3所示，并且一般用参考数字300表示。数据采集控制系统302接受来自原子探测器100的原始数据304，并根据数据304调整施加到试样台102(因而施加到试样104)上的(DC)试样电压306。该数据采集控制循环在整个精细光束对准过程中重复进行并连续调整试样电压306以获取控制的场电离率。该数据采集控制系统302还对激光器116施加触发脉冲308(图2中也表示为PT)，并且编码产生的激光束脉冲的离开时间(经过图2中的脉冲拾取信号PP)。第二控制循环，与数据采集控制系统302的控制循环同步或者异步运行，通过光束对准控制系统310执行。光束对准控制系统310接受来自数据采集控制系统302的原始和/或调节原子探测数据312，还接受来自图像采集硬件316(监控真空室114中的试样104的摄像机或其它光学成像设备)的图像数据314，然后对光束对准硬件322发出动作命令318(并接受来自其的位置反馈320)。光束对准硬件322，图1a或1b中没有表示，可以是一个或多个用于调整激光束122方向的调节器，并且可以是调整激光器116位置的调节器和/或沿着激光束122路径的反射镜、透镜，或其它光学器件。

在光束对准控制系统310中，原子探测数据312和图像数据314被调节以产生一个或多个控制参数，所述控制参数代表激光束122和试样104之间的相互作用，并被光束对准控制系统310采用以精确(并且自动地)调整激光束122有的对准：

(1)蒸发率(由检测器106检测的任意离子的收集率)：试样的蒸发率应当随着激光束122接近试样104的顶点而增加，因为场强在试样104的这一区域最大，因此激光束122在顶点比在试样上其它地方更易引发电离。因此，如果光束对准控制系统310找到试样104上具有最大蒸发率的区域，则该区域很可能对应于试样顶点。

(2)施加到试样104上的电压。以相似的方式，当激光束122接近试样104顶点时，应当能够以更低的试样电压引发电离。因此，如果光束对准控制系统310找到试样104上的蒸发以在试样104上的最小电压被维持的区域，则该区域很可能对应试样顶点。

(3)被检测离子的质量分辨率。离子的到达时间可由检测器106测定，并且如果离子离开时间已知，那么离子的质量/电荷比应当与已知的值非常相关以识别离子。然而，当离开时间变得不确定时，所述关联度降低。在激光原子探测器100中，如果激光束122的热分散需要较长时间(即，当激光脉冲的有效宽度变宽时)，则离开时间的变化将开始增加。因为对热分散的敏感度在试样顶点将最大，如果光束对准控制系统310调整激光束122的对准以找到试样104上具有最低质量分辨率不确定性的区域，那么该区域很可能对应试样顶点。

(4)信噪比。和质量分辨率(上面第(3)条)类似，原子探测数据的信噪比受到光束对准的限制：当激光束122偏离试样104的顶点时，适时的蒸发会减少，无计划的蒸发将增加。因此当光束122偏离试样104的顶点时信号和噪声层将互相接近，并且将会在光束接近顶点时发散。因此，如果光束对准控制系统310调整光束122的对准以找到试样104上具有最高信噪比的区域，那么该区域将很可能对应试样顶点。

(5)从试样反射的光。图像采集硬件316(即，监控真空室114中的试样104的摄像机或其它光学成像装置)可监控试样104。试样104的顶点当受到激光束122的照射时将更倾向于反射和/或发出荧光。因此，光束对准控制系统310可调整激光束122的对准以找到试样104上具有最大强度(或其它反射/发射特征)的区域，因此最有可能照射试样104的顶点。

(6)从试样衍射的光。监控衍射光以维持光束的对准比初始对准光束122更有用。这里，试样104产生的远场(夫琅和费，Fraunhofer)衍射图可由图像采集硬件316监控，光束对准控制系统310可调整激光束122的对准以维持恒定的衍射图案，从而帮助确保光束122一旦聚焦在此位置即维持对试样104顶点的对准。

还有其它可能的控制参数，其代表激光束122和试样104之间的相互作用，并可被用于指示光束对准控制系统310来进行对准修正。还可能(并且可行)使光束对准控制系统310采用多于一个的这些变量，而对每一个选定的变量分配适当的权重，以更好地使光束对准控制系统310更快的定位试样104的顶点。

用于激光束122的优选精细对准过程然后以图4所示的方式继续进行。开始，在步骤402，使用者对光束对准控制系统310核实已经进行了粗略对准，从而提供如下的合理保证：光束122通过反电极开口110对准试样104(或者其紧邻区域)。

在图4的步骤404，使用者然后确定(或者光束对准控制系统310确定或者检索)一条扫描路径——在与离子运行轴126垂直的平面中的光束路径——在其附近光束122将进行扫描。光束对准控制系统310将同时监控上述控制参数中的一个或多个(参见图4的步骤406)以设法满足某一预定的对准标准，即代表试样104顶点特征的标准。例如，光束对准控制系统310可检验是否对应扫描位置的一个参数(多个参数)具有处于在光束撞击试样104顶点上时所期望的范围内的值；是否一个参数(多个参数)表明沿扫描的位置比先前的位置更接近试样104的顶点；和/或是否一个参数(多个参数)“最优”地表示试样104的顶点(例如，是否沿扫描的一个位置具有最高的蒸发率，其似乎表示试样104的顶点)。本质上，目标在于识别沿扫描的一个位置(多个位置)，其优化一个控制参数(多个控制参数)，从而定位沿扫描路径的某一个点(多个点)或者段，其被认为距离试样904顶点较近。

扫描区域可具有各种大小和形状，而起始扫描区域优选的具有反电极开口110直径的量级的大小。例如，扫描区域可以是圆形或者方形，其可以被以螺旋式、波状，或之字形图案扫描，从而大量扫描区域(因此一部分试样104)被扫描。可替换的，将在下面讨论，扫描区域可确定为窄的路线，并且扫描可简单地一维进行以按直线沿扫描区域进行扫描。

在进行扫描区域的初始扫描时，光束对准控制系统310将识别点或其它扫描子集，其具有满足对准标准的控制参数(即，其看起来是试样104顶点的更期望的候选位置)。完成初始扫描之后，光束对准控制系统310然后选取两条路径的一条重新确定初始扫描区域(图4中的步骤408)：

(1)如果光束对准控制系统310确实识别了具有最满足对准标准的控制参数的某一扫描子集——即，某单个位置(“原始位置”)，该位置和沿扫描区域扫描的所有位置相比具有最优的控制参数，或者如果一些点的集合最接近地满足对准标准(例如，10％的采样位置具有最具前途的控制参数)——光束对准控制系统310将自动确定新的扫描区域，该新的扫描区域的尺寸被减小以包围至少该子集。例如，如果识别了单个最优原始位置，则可确定一个新的扫描区域，其大小是起始扫描区域大小的50％，并且优选以原始位置为中心。

(2)如果光束对准控制系统310没有识别具有满足对准标准的控制参数的扫描子集——例如，如果沿扫描区域的所有取样位置具有相互偏离不超过10％的控制参数——扫描区域可以增大而非减小(例如，其边界向外扩大50％)，因为这样的结果似乎表示试样104的顶点不处于该扫描区域内。还可有可替换的方法；例如，光束对准控制系统310可简单的确定另一个具有相同大小的起始扫描区域，其沿某方向在与离子运行轴126垂直的平面上偏离第一位置。如果该扫描区域不产生至少一个具有满足对准标准的控制参数的位置，光束对准控制系统310继续在起始位置附近确定扫描区域直到找到有希望的位置。

一旦扫描区域在步骤408中再次确定，所述过程继续步骤410，新的扫描区域可被光束122利用在光束122横过的路径具有更近或更远的间隔的意义上更加精确(在更小扫描区域的情况下)或粗略(在更大扫描区域的情况下)的扫描路径扫描。扫描路径优选以和现有扫描中相同的形式进行，即其优选采用相同的波状、之字形、螺旋形等等路径，其仅仅在比例上被压缩或放大以覆盖新扫描区域的大部分区域。在新扫描中，光束对准控制系统310再一次相对对准标准监控控制参数以寻找一个最优的表示试样104顶点存在的位置。一旦完成新扫描，扫描区域再次被重新确定(收缩或放大)和扫描，并相对于对准标准监控控制参数。所述过程以这种方式继续重复，而扫描区域重复地地围绕原始(最优)位置收缩，直到对准标准以预定的精度水平得到满足。一旦出现这种情况——例如，一旦被识别的原始位置的控制参数在随后的扫描之间不明显变化——扫描可暂停，并且可假设被识别的原始位置对应试样104的顶点。

上述过程示意性的表示在图5a-5c。在图5a中，区域502同心地位于试样104的顶点周围(该顶点的位置对光束对准控制系统310未知)。光束对准控制系统310确定在其周围确定扫描区域的任意位置504，并进一步确定扫描路径506，其在这种情况下被认为是跨扫描区域分布的相邻直线/扫描的阵列。光束122跨过扫描路径506，并且在扫描期间收集的控制参数对照对准标准被测量。(应理解的是，尽管扫描路径506图示为连续实线时，其实际上由一系列不连续的样本点组成，每一个样本点为光束122的激光脉冲被接收的位置。)区域502中沿着扫描路径506的位置满足对准标准，并且该位置被识别为最优位置。新的扫描路径中心508(原始位置)因此被限定在区域502(图5b)中。扫描区域然后在新的扫描路径中心508周围收缩，并且确定一个更精细的扫描路径510，并进行扫描以识别一个新的原始位置(未表示)。然后进行随后的扫描以识别随后的原始位置，每次连续的扫描围绕先前的原始位置，直到以期望的精确度满足对准标准，表明原始位置确定试样104的顶点。

在图1b的原型原子探测器100中，采用0.02mm的光束122，其典型的进行无数次重复以到达试样104的顶点。更小的光束需要更多重复。不论需要多少次重复，精细光束对准过程连续地进行定位原始位置和在原始位置周围改变扫描区域的比例的步骤。

上述精细光束对准过程可有各种变化。作为一个例子，光束对准控制系统310可沿着扫描路径增加采样率，如果控制参数对对准标准收敛，并且可降低取样率，如果出现发散。还可能，一旦注意到发散可立即重新确定扫描区域和/或扫描路径，从而扫描区域立即重新确定在聚焦区域附近。另外，扫描区域和扫描路径可有各种形式，并且其不必从一次扫描到下次扫描采用相同的形式；例如，一次扫描可以是沿X轴的直线形式，下次扫描可以是沿Y轴在先前扫描中原始位置附近确定的直线形式。还可能，所述过程半自动化地进行；例如，控制参数的曲线图可显示给使用者，其然后有机会手动地为下次扫描确定新原始位置。

一旦实现精细对准，激光原子探测器100就开始数据采集：试样104和检测器106每一个被充电以达到引起试样104电离的水平，激光器116可被脉动以增加导致电离发生的足够能量。因为激光器116的光束122随着时间会漂移，上述光束精细对准过程可在数据采集期间周期性重复，或许在进行一定数量的数据采集循环之后，和/或在某些参数(例如蒸发率、质量分辨率等等)似乎表明光束122不再位于试样104的期望区域的中心之后。数据采集在这样的精细对准期间不需要中断，因为从数据采集中得到的数据可用于产生许多控制参数。换句话说，原子探测器100的数据采集可以标准模式进行，获得的数据对照对准标准被监控以检验光束122是否还对准试样104的顶点，并且如果不满足所述对准标准，可确定扫描区域并且进行扫描以重新定位试样104的顶点。

激光原子探测器100的优选形式表示在附图中并在上面进行了描述，其仅仅是解释激光原子探测器100的可能特征和这些特征被组合的多种方法。激光原子探测器100的变更形式也认为处于本发明的范围内。下面是这些变更的示例性列举。

首先，值得注意的是，有许多种操作模式可用于原子探测器100以引发试样的蒸发，试样台102、反电极108和激光器116中的一个或多个以恒定或脉冲方式为试样104提供能量。激光器116优选被脉动，因为激光器116可达到的窄脉冲宽度有助于更精确地确定离子离开时间(因此产生更好的质量分辨率)，但激光器116的稳定操作是可能的，借助其它部件的脉动(以提供电离所需要的过电压)。采用脉冲激光器116，当过电压施加到反电极108和/或试样台102的任一个或者两者上时，对某些类型的试样104是有利的，因为这将允许试样104在脉冲之间的时间内保持更低升压电压(因此更低电场和更低机械应力)，从而改善精密试样104的保存，并同时减小脉冲间的假电离作用(其实际上造成丢失数据)。

其次，除了激光和电子束122，可采用其它在电磁波谱的不同范围内承载能量的束。相似的，其它形式的能量可用于产生增强(非脉冲)能量，例如微波。

第三，上述的一些设置和方法可在一种形式的原子探测器100中使用，其中反电极108省略(或者在一种形式的原子探测器100中，其中包括反电极108，但光束122不通过反电极108对准)。任意情形下，用于把光束122粗略对准反电极108的上述方法不适用。其它粗略对准方法(之后为精细对准)则可采用，尽管它们需要更多时间和努力。

第四，要强调的是，反电极108可有多种大小和配置，包括对现有原子探测器不常见的配置。一个例子在图6a和6b中描述。在图6a中描述了图1a-1b的反电极108的替代品，替换的反电极600提供超过基本电极108的某些附加和有利的特征。这里，反电极600具有会聚开口602，其被配置为使得在其开口壁604上入射的辐射从开口平面606上反射离开，即离开开口602的较大入口，并朝向较小的开口出口608，从而入射辐射在开口出口608处被收集和会聚为更高强度。会聚开口602的配置可由多种形状，并且需要选择这些形状以对于在激光束122和离子运行轴126之间给定的角度(即，对于给定的入射角)提供最优会聚。有关聚能器设计的信息例如可在太阳能领域找到，其中聚能器通常用于收集太阳光。其它现有聚能器，以及与聚能器设计相关考虑的讨论，可在(例如)如下文献中找到：授予Cotton等人的美国专利5,572,355；授予Mirzaoff等人的美国专利5,604,607；授予Wang等人的美国专利5,952,645；授予Chang等人的美国专利5,978,407；和授予Chang的美国专利6,704,341，以及这些专利中引用(和引用这些专利)的专利。其它有用的参考文献为R.N.Wilson，Reflecting Telescope Optics：Basic Design Theory and Its HistoricalDevelopment，Springer-Verlag(1996)(对于光学聚能器)和T.Wilhein，D.Hambach，B.Niemann，M.Berglund，L.Rymell，and H.M.Hertz，Off-axisreflecting soneplate for quantitative soft x-ray source characterization，Appl.Phys.Lett.71，190(1997)(对于非光学辐射聚能器)。

会聚开口602具有几个优点。首先，如由图6a中描述的布置所隐含的，反电极600可适应更大的入射角，因为光束122不需要直接撞击在试样104上，其可替代的撞击在开口壁604上以对准试样104(其紧邻开口出口608以接收集中光束122)。更大的光束角122在一些情况下可允许激光器更近的放置，或者节省空间的原子探测器部件布置。第二，反电极600可适应更大(以及更低的功率)的光束直径，并且可自动会聚各种直径的光束达到预期直径。第三，如由先前两个评论所隐含的那样，反电极600可适应不那么精确对准试样104的光束122，因为开口602可主要提供这样的对准，只要尖端或其它所关心区域本身与开口出口608对准。

图6b表示与图6a相似的布置，但这里激光束122对准通过开口602并直接到达试样104上所关心的区域，如前面讨论的布置一样。这种情况下，提供会聚开口602以接收和收集来自一个或多个附加能量源610的附加能量(以脉冲或者稳定方式提供)，而这些能量被对准试样104以用于电离或实现其它目的。附加能量源610可以是诸如另一个激光器、LED激光器、LED或传统灯具之类的光源，无论处于波谱的可见或不可见部分，它的光可从远离电极600的位置发出波束或者由光纤缆或其它光导输送到电极600。作为替换，附加能量源610可传送无线电、微波或其它电磁辐射。附加能量源610提供的能量可以是除了电离或与电离不同的目的，例如为更改试样104的特征。例如，硅基试样104可经历电导率的变化，如果被发射红外光的附加能量源610照射(这样的电导率可允许低升压电压施加到试样104上)。如下的布置也可能，其中只有非激光和/或非电离附加能量源610通过开口602引导能量，而不包括激光器(即，集中电极600与在更常见的原子探测器布置中的非激光附加能量源610结合使用)，或者其中集中电极600和附加能量源610与不通过开口602引导的激光束结合使用。

第五，可产生与集中电极600效果相似的效果的其它布置可以使用(有或者没有附加能量源)。例如，单个激光束可分为两个或更多束，其每一个以不同角度对准试样，而光束可能被分配用于尖端或其它所关心区域的更均匀照射；和/或把一个或更多光束调整至不同的波长(如借助上述非线性晶体)；和/或把一个或多个光束引导通过电极开口，而其它光束从开口外部对准试样。

第六，在本领域已知但在上述讨论中没有提及的许多其它原子探测器特征可与原子探测器100一起使用。例如，下凹的观察孔120(位于伸进真空室114的观察管118的端部的观察孔120)，如授予Strait的美国专利6,762,415中所描述的，可用于减小激光器116和试样104之间的距离以减轻对准负担。

本发明不限于上述的优选形式，而是仅由下面列举的权利要求限制。因此本发明包括在文字上或等同地落入这些权利要求范围的所有不同形式。

文献目录

1.U.S.Patent 5,061,850 to Kellly et al.(“High mass resolutionlocal-electrode atom probe”)

2.U.S.Patent 5,440,124 to Kellly et al.(“High-repetition rate positionsensitive atom probe”)

3.U.S.Patent 6,576,900 to Kellly et al.(“Methods of samplingspecimens for microanalysis”)

4.U.S.Patent 6,580,069 to Cerezo(“Atom probe”)

5.U.S.Patent 6,700,121 to Kellly et al.(“Methods of samplingspecimens for microanalysis”)

6.U.S.Patent 6,762,415 to Strait(“Vacuum chamber with recessedviewing tube and imaging device situated therein”)

7.International Publication WO 99/14793

8.International Publication WO 87/00682

9.Cerezo，A.et al.，J.Phys.(Orsay)C9(1984)p.315.

10.Cerezo，A.，C.R.M.Grovenor and G.W.D.Smith.“Pulsed laser atomprobe analysis of semiconductor materials.”Journal of Microscopy v 141，pt.2(Feb.1986)：155-170.

11.Drachsel，W.，Nishigaki，S.，and Block，J.H.，“Photo-Induced FieldIonization Mass Spectroscopy.”Int.J.Mass Spectrom.And Ion Phys.Vol.32(1980)：333-343.

12.Kellogg，G.L.，and T.T.Tsong.“Pulsed-laser atom-probe field-ionmicroscopy.”Journal of Applied Physics 51(2)(1980)：1184-1193.

13.Kelly，T.F.，Zreiba，N.A.，Howell，B.D.，and Bradley，F.J.，“EnergyDeposition and Heat Transfer in a Pulse-Heated Field Emission Tip at HighRepetition Rates.”Surface Science，vol.246(1991)：377-385.

14.Kelly，T.F.，Camus，P.P.，Larson，D.J.，Holman，L.M.，and Bajikar，S.S.，Ultramicroscopy 62：29-42(1996).

15.Kelly，T.F.and Larson，D.J.，“Local Electrode Atom Probes.”

Materials Characterization 44，59-85(2000).16.Liu，J.，and T.T.Tsong.“Kinetic Energy and Mass Analysis ofCarbon Cluster Ions in Pulsed-Laser-Stimulated Field Evaporation.”PhysicalReview(B)38(12)(1988)：8490-8493.

17.Liu，J.，C.Wu，and T.T.Tsong.“Measurement of atom site specificbinding energy of surface atoms of metals and alloys.”Surface Science246(1991)157-162.

18.Miller，M.K.，A.Cerezo，M.G.Hertherington，and G.D.W.Smith.“Atom Probe Field Ion Microscopy.”Oxford Science Publications，1996.

19.Tsong，T.T.，Photon stimulated field ionization，J.Chem.Phys.65，2469(1976).

20.Tsong，T.T.，S.B.McLane，and T.J.Kinkus.“Pulsed-lasertime-of-flight atom-probe field ion microscope.”Review of ScientificInstruments 53(9)，Sept.1982.

21.Tsong，T.T.“Pulsed-Laser-Stimulated Field Ion Emission from Metaland Semiconductor Surfaces：A Time-of-Flight Study of the Formation ofAtomic，Molecular，and Cluster Ions.”Physical Review(B)30(9)(1984)：4946-4961.

Claims (42)

1.一种用于在原子探测器中将能量束对准试样的自动过程，所述原子探测器具有与检测器隔开的试样台，该过程包括如下步骤：

a.使能量束以一维或多维对扫描区域进行扫描，该扫描区域在试样上或者在试样附近；

b.在扫描期间，监控一个或多个代表能量束和试样间相互作用的参数；

c.确定扫描的子集，在该子集中被监控参数满足预定的对准标准；

d.减小扫描区域后从上述步骤a重复该过程，其中减小的扫描区域至少包括步骤c的子集。

2.如权利要求1所述的过程，进一步包括一旦扫描子集以预定的精度水平满足预定对准标准则暂停扫描的步骤。

3.如权利要求2所述的过程，进一步包括随后的步骤：

a.使能量束指向至少一部分子集；以及

b.以足够在子集上引发电离的强度脉动能量束。

4.如权利要求1所述的过程，其中所述子集是原始位置，在该原始位置处，在扫描期间被监控参数最好地满足期望的对准标准。

5.如权利要求4所述的过程，其中任意第二次和随后的扫描的扫描区域具有取决于在前扫描区域的位置的位置。

6.如权利要求4所述的过程，其中任意第二次和随后的扫描具有围绕在前扫描中所确定子集的扫描区域。

7.如权利要求1所述的过程，其中能量束为激光束。

8.如权利要求1所述的过程，其中在扫描期间能量束通过反电极对准，反电极插在试样和检测器之间。

9.如权利要求1所述的过程，其中被被监控参数之一为检测器所检测的任意离子的收集率。

10.如权利要求1所述的过程，其中被监控参数之一为在检测器处获取期望的离子收集率所必要的施加到试样台上的任意电压。

11.如权利要求1所述的过程，其中被监控参数之一为检测器所检测的任意离子的质量分辨率。

12.如权利要求1所述的过程，其中被监控参数之一为能量束的反射。

13.如权利要求1所述的过程，其中被监控参数之一为能量束的衍射。

14.一种用于在原子探测器中将能量束对准试样的自动过程，所述原子探测器具有与检测器隔开的试样台，该过程包括如下步骤：

a.使能量束以一维或多维对扫描区域进行扫描，该扫描区域在试样上或者在试样附近；

b.在扫描期间，监控一个或多个代表能量束和试样间相互作用的参数；

c.沿扫描识别被监控参数满足预定对准标准的一个或多个位置；

d.在下面两个步骤之后从上述步骤a重复该过程：

(1)减小扫描区域以包围在步骤c中识别的任意位置中的至少一个位置；或者

(2)如果步骤c中没有位置被识别则增加扫描区域。

15.如权利要求14所述的过程，进一步包括一旦在步骤c.中识别一个以预定的精度水平满足期望对准标准的位置则暂停扫描的步骤。

16.如权利要求15所述的过程，进一步包括随后的步骤：

a.把能量束指向以预定的精度水平满足期望对准标准的位置；以及

b.以足够在该位置上引发电离的强度脉动能量束。

17.如权利要求14所述的过程，其中任意具有减小的扫描区域的扫描把其扫描区域设定在一些位置上，这些位置取决于沿在前扫描的、被监控参数已经满足预定对准标准的位置中的至少一个位置。

18.如权利要求14所述的过程，其中任意具有减小的扫描区域的扫描使其扫描区域围绕沿在前扫描且被监控参数已经满足预定对准标准的位置中的至少一个位置。

19.如权利要求14所述的过程，其中能量束为激光束。

20.如权利要求14所述的过程，其中能量束在扫描期间通过反电极对准，反电极插在试样和检测器之间。

21.如权利要求14所述的过程，其中被监控参数之一为检测器所检测的任意离子的收集率。

22.如权利要求14所述的过程，其中被监控参数之一为在检测器处获取期望的离子收集率所必要的施加到试样台上的任意电压。

23.如权利要求14所述的过程，其中被监控参数之一为检测器所检测的任意离子的质量分辨率。

24.如权利要求14所述的过程，其中被监控参数之一为能量束的反射。

25.如权利要求14所述的过程，其中被监控参数之一为能量束的衍射。

26.一种用于在原子探测器中将能量束对准试样的自动过程，所述原子探测器具有与检测器隔开的试样台，该过程包括如下步骤：

a.把能量束指向试样台；

b.使能量束以一维或多维对预定尺寸的扫描区域进行扫描，同时监控一个或多个代表能量束和试样间相互作用的参数；

c.确定一个沿着扫描的原始位置，在该原始位置处被监控参数最好地满足期望的对准标准；

d.在下面两个步骤之后从上述步骤b.重复该过程：

(1)调整扫描区域的大小，以及

(2)在原始位置或者在原始位置附近开始扫描。

27.如权利要求26所述的过程，进一步包括一旦原始位置以预定的精度水平满足期望对准标准则暂停扫描的步骤。

28.如权利要求27所述的过程，进一步包括随后的步骤：

a.使能量束指向原始位置；以及

b.以足够在试样上引发电离的强度脉动能量束。

29.如权利要求26所述的过程：

a.进一步包括在每一次扫描期间监控至少一个被监控参数的变化程度的步骤；以及

b.其中如果所述变化程度不满足预定的阈值，则调整扫描区域大小的步骤包括扩大扫描区域。

30.如权利要求26所述的过程：

a.进一步包括在每一次扫描期间监控至少一个被监控参数的变化程度的步骤；以及

b.其中如果所述变化程度：

(1)满足预定的阈值，则调整扫描区域大小的步骤包括减小扫描区域；

(2)不满足预定的阈值，则调整扫描区域大小的步骤包括扩大扫描区域。

31.如权利要求26所述的过程，其中每一次扫描在不同于前次扫描方向的方向上进行。

32.如权利要求26所述的过程，其中第二次和任意随后扫描的扫描区域的位置取决于前次扫描的原始位置而设置。

33.如权利要求26所述的过程，其中第二次和任意随后扫描的扫描区域围绕前次扫描的原始位置。

34.如权利要求26所述的过程，其中能量束为激光束。

35.如权利要求26所述的过程，其中能量束在扫描期间通过反电极对准，反电极插在试样和检测器之间。

36.如权利要求26所述的过程，其中被监控参数之一为检测器所检测的任意离子的收集率。

37.如权利要求26所述的过程，其中被监控参数之一为在检测器处获取期望的离子收集率所必要的施加到试样台上的任意电压。

38.如权利要求26所述的过程，其中被监控参数之一为检测器所检测的任意离子的质量分辨率。

39.如权利要求26所述的过程，其中被监控参数之一为能量束的反射。

40.如权利要求26所述的过程，其中被监控参数之一为能量束的衍射。

41.一种用于在原子探测器中将能量束对准试样的自动过程，所述原子探测器具有与检测器隔开的试样台，该方法包括如下步骤：

a.使激光束以一维或多维对扫描区域进行扫描，扫描区域在试样上或者在试样附近；

b.在扫描期间监控一个或多个下面的参数：

(1)检测器所检测的任意离子的收集率；

(2)检测器所检测的任意离子的质量分辨率；

(3)施加到试样台上的任意电压；

(4)激光束的任意反射部分；以及

(5)激光束的任意散射部分；

c.识别沿着扫描的一个或多个位置，在所述位置处被监控参数满足预定的对准标准；

d.在下面步骤之后从上述步骤a重复该过程：

(1)减小扫描面积以包围至少一个在步骤c.中识别的任意位置；或者

(2)如果在步骤c.中没有位置被识别，则增大扫描区域。

42.如权利要求41所述的过程，其中能量束在扫描期间通过反电极对准，反电极插在试样和检测器之间。

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