JP2016219442A - ２つの半導体デバイスでガスまたは液体セルを形成するための電子顕微鏡サンプルホルダ - Google Patents

２つの半導体デバイスでガスまたは液体セルを形成するための電子顕微鏡サンプルホルダ Download PDF

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Abstract

【課題】結像および分析のための電子顕微鏡においてサンプルを取り付けるために使用されるサンプルホルダを提供する。
【解決手段】電子顕微鏡内に挿入するための試料サポートデバイス用の新規のサンプルホルダである。本発明の新規のサンプルホルダは、インサイチュ結像のために試料へのガスまたは液体の導入、および、電気化学または熱実験のための電気接点を可能にする。
【選択図】図５

Description

[0001] 本発明は、概して、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型透過電子顕微鏡法（ＳＴＥＭ）、ならびに従来のＴＥＭ型ホルダおよびステージを使用する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の変化形である、結像および分析のための電子顕微鏡においてサンプルを取り付けるために使用されるサンプルホルダに関する。
[0002] サンプルホルダは、観察下の試料に物理的な支持を与える電子顕微鏡の部品である。ＴＥＭおよびＳＴＥＭのみならず一部の最新ＳＥＭに従来から使用されているサンプルホルダは、３つの主要な領域、すなわち、端部（３００）、バレル部（２００）、およびサンプル先端部（１００）（例えば図１参照）からなるロッドで構成される。試料を支持することに加えて、サンプルホルダは、器具の内部（すなわち、真空環境）と外界との間の境界面を与える。
[0003] サンプルホルダを使用するには、まず、１以上のサンプルがサポートデバイス上に置かれる。サポートデバイスは、次に、サンプル先端部において定位置に機械的に固定され、サンプルホルダは、ロードロックを介して電子顕微鏡内に挿入される。挿入の際、サンプルホルダは、止まるまで電子顕微鏡内に押し込まれ、これにより、サンプルホルダのサンプル先端部が顕微鏡のコラム内におかれる。このとき、サンプルホルダのバレル部は、顕微鏡の内部とロードロックの外部との間の空間を埋め、サンプルホルダの端部は、顕微鏡の外側にある。電子顕微鏡内に超高真空環境を維持するために、弾性Ｏリングが、通常、サンプルホルダのバレル部に沿ってあり、このようなＯリングは、サンプルホルダが挿入されると顕微鏡に対してシールする。サンプルホルダの厳密な形状およびサイズは、電子顕微鏡のタイプおよび製造業者によって異なるが、どのホルダもこれらの３つの主要な領域を含む。
[0004] サンプルホルダは、サンプルに刺激を与えるように使用可能であり、この刺激には、温度、電流、電圧、機械的歪み等が含まれる。サンプルの１つのタイプは、半導体デバイスである。半導体デバイスは、その上に電気接点パッドのアレイを有するように設計されてよく、また、サンプルホルダは、外部源からの電気信号を、ホルダを介して、半導体デバイスに伝達するように設計されうる。
[0005] 顕微鏡内でサンプルにより幅広い種類の実験を行う（インサイチュ（in situ）顕微鏡法と知られている分野）要請がますます増加していることにより、高密度アレイが求められている。本願発明者による先の出願に示されているように、半導体デバイスは、電流を流す、または、試料全体にまたはその付近に電界を作ることによって、その上に位置決めされた試料と相互に作用するようにされる。これらの電気信号は、試料を加熱する、冷却する、バイアスをかける、または帯電させるように使用でき、これらは全て顕微鏡内でリアルタイムに観察される間に使用できる。試料に設けられる電気接点の数を増加すると、同じデバイス上に行うことができる実験の数および種類が増加される。
[0006] サンプルホルダの１つのタイプは、（１）２つの半導体デバイスを置くことができ、（２）試料を半導体デバイス上またはその付近に置くことができ、また、（３）ホルダとデバイスの組み合わせを用いることで、電界およびガスまたは液体流を含む試料の環境を正確に制御することができる、タイプである。また、顕微鏡内の試料に液体または液体混合物を導入する一方で、試料周りの環境を封じ込めるおよび制御する方法が開発されている。しかし、液体またはガスセルを形成するために使用されるデバイスに接触および位置合わせするためのより高度な装置および方法が求められている。
[0007] 本発明は、概して、サンプルホルダ内のマイクロ電子デバイスの接触および位置合わせを向上させる新規の液体またはガスサンプルホルダと、試料またはマイクロ電子デバイスへの電気接点および多数の液体またはガス入力／出力とに関する。
[0008] 一態様では、電子顕微鏡用のサンプルホルダが記載され、かかるサンプルホルダは、サンプルホルダ本体とサンプルホルダ蓋とを含み、サンプルホルダ本体は、ポケット底部と、２つのマイクロ電子デバイスをその中に位置決めするためのポケット壁とを有する少なくとも１つのポケットを含み、サンプル蓋は、上面と底面とを有する。
[0009] 別の態様では、電子顕微鏡内の液体および／またはガス環境においてサンプルを結像する方法が記載され、かかる方法は、サンプルをサンプルホルダ内に挿入することと、サンプルを含むサンプルホルダを電子顕微鏡内に挿入することと、液体および／またはガスをサンプルホルダ内のサンプルに導入することと、サンプルを電気顕微鏡内で結像することと、を含み、サンプルホルダは、サンプルホルダ本体とサンプルホルダ蓋とを含み、サンプルホルダ本体は、ポケット底部と、２つのマイクロ電子デバイスを内部に位置決めするためのポケット壁とを有する少なくとも１つのポケットを含み、サンプル蓋は、上面と底面とを有する。
[0010] 本発明の他の態様、特徴および実施形態は、確実な開示内容および特許請求の範囲からより完全に明らかとなろう。
[0011] 図１は、一般的な試料ホルダ（５０）の概略図を示す。試料ホルダは、３つの領域、すなわち、先端部（１００）、バレル部（２００）、および端部（３００）からなる。 [0012] 図２は、上部、底部、およびＡ−Ａ’における断面を有する、一般的なウィンドウデバイスの概略図を示す。 [0013] 図３は、上部、底部、Ａ−Ａ’における断面、Ｂ−Ｂ’における断面、およびＣ−Ｃ’における断面を有する、一般的な電気デバイスの概略図を示す。 [0014] 図４は、上部、底部、Ａ−Ａ’における断面、Ｂ−Ｂ’における断面、およびＣ−Ｃ’における断面を有する、一般的な加熱デバイスの概略図を示す。 [0015] 図５は、電気化学セル用の本明細書に記載されたサンプルホルダのＡ−Ａ’における断面を示し、ガス／液体供給ラインは明確にするために図示されていない。 [0016] 図６は、熱セル用の本明細書に記載されたサンプルホルダのＡ−Ａ’における断面を示し、ガス／液体供給ラインは明確にするために図示されていない。 [0017] 図７は、ホルダ本体の上面と、ホルダ蓋の底面と、ともに積層された場合のＡ−Ａ’およびＣ−Ｃ’における蓋および本体の断面を示す。 [0018] 図８Ａは、ホルダ本体内への図２の一般的なウィンドウデバイスの装着を示す。 [0019] 図８Ｂは、ホルダ本体内への図３の一般的な電気デバイスの装着を示す。 [0020] 図８Ｃは、ウィンドウデバイスと電気デバイスとを含むホルダ本体上へのホルダ蓋の位置決めを示す。 [0021] 図９Ａは、ホルダ本体内への、パッドを有する図２の一般的なウィンドウデバイスの装着を示し、ガス／液体供給ラインは明確にするために図示されていない。 [0022] 図９Ｂは、ホルダ本体内への図４の一般的な加熱デバイスの装着を示し、ガス／液体供給ラインは明確にするために図示されていない。 [0023] 図９Ｃは、ウィンドウデバイスと電気デバイスとを含むホルダ本体上へのホルダ蓋の位置決めを示し、ガス／液体供給ラインは明確にするために図示されていない。 [0024] 図１０は、液体セルを形成するためのサンプルホルダ本体を示し、（ａ）はホルダの平面図であり、（ｂ）はホルダの側面図であり、（ｃ）はホルダの底面図であり、（ｄ）はホルダの端面図であり、（ｅ）はＢ−Ｂにおけるホルダの断面図であり、（ｆ）はＡ−Ａにおけるホルダの断面図であり、（ｇ）はホルダの３次元図である。 [0025] 図１１は、液体セルを形成するためのサンプルホルダ蓋を示し、（ａ）は蓋の平面図であり、（ｂ）は蓋の側面図であり、（ｃ）は蓋の底面図であり、（ｄ）はＡ−Ａにおける蓋の断面図であり、（ｅ）は蓋の底部の３次元図であり、（ｆ）は蓋の上部の３次元図である。 [0026] 図１２は、デバイスがその中に位置決めされている図１０（ａ）のサンプルホルダを示す。 [0027] 図１３は、下部デバイスが上部デバイスよりも小さい幅を有する、サンプルホルダ本体ポケットの別の実施形態を示す。 [0028] 図１４は、多数の試薬を導入するためのサンプルホルダへの多数の入力／出力の利点を一般的に示す。 [0029] 図１５は、上部、底部、Ａ−Ａ’における断面、Ｂ−Ｂ’における断面、およびＣ−Ｃ’における断面を有する、金電極を有する別の一般的なウィンドウデバイスの概略図を示す。 [0030] 図１６は、上部、底部、Ａ−Ａ’における断面、Ｂ−Ｂ’における断面、およびＣ−Ｃ’における断面を有する、別の一般的な加熱デバイスの概略図を示す。 [0031] 図１７は、電気化学セル用の本明細書に記載されたサンプルホルダのＢ−Ｂ’における断面を示し、ガス／液体供給ラインは明確にするために図示されていない。 [0032] 図１８は、ホルダ本体の上面と、ホルダ蓋の底面と、ともに積層された場合のＡ−Ａ’およびＣ−Ｃ’における蓋および本体の断面を示す。 [0033] 図１９Ａは、ホルダ本体内への図１６の別の一般的な加熱デバイスの装着を示す。 [0034] 図１９Ｂは、ホルダ本体内への図１５の別の一般的なウィンドウデバイスの装着を示す。 [0035] 図１９Ｃは、ウィンドウデバイスと電気デバイスとを含むホルダ本体上へのホルダ蓋の位置決めを示す。
[0036] 本発明は、概して、新規のサンプルホルダ、該サンプルホルダに液体またはガスを導入する方法、および新規のサンプルホルダの使用に関する。本明細書に記載される試料ホルダおよび試料ホルダの境界面は、参照することによりその全体を本明細書に組み込むものである、２００８年５月９日に出願された国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０８／６３２００に開示された半導体試料サポートデバイスと互換性があり、かつ適合されうることを理解されるものとする。当業者であれば、別の半導体サンプルサポートデバイスが本明細書に記載されるサンプルホルダと適合されうることは理解できよう。サンプルホルダは、１以上の試料および／または半導体サポートデバイスに機械的な支持と液体またはガス環境を与え、また、試料および／または半導体サポートデバイスに電気接点も与えうる。サンプルホルダは、試料ホルダがあらゆる製造業者の電子顕微鏡にぴったりと嵌るように様々な形状およびサイズの先端部、バレル部、および端部を有するように製造される。
[0037] 本明細書において定義されるように、半導体デバイス上の「膜領域」は、炭素、窒化ケイ素、ＳｉＣ、または、低引張応力（＜５００ＭＰａ）を有する約１ミクロン以下の他の薄膜からなる、それらから構成される、または実質的にそれらから構成される非サポート材料に対応し、少なくとも１つの試料を支持するための少なくとも部分的に電子透過性の領域を提供する。膜領域は、孔があっても無孔であってもよい。膜領域は、単一の材料からなっても、２以上の材料からなる層からなってもよく、また、均一に平らであっても、厚さが変動する領域を含んでもよい。
[0038] 本明細書において定義されるように、「マイクロ電子」とは、導電率が導体と絶縁体との間の中間であるシリコンといった半導体材料を意味する。
[0039] 本明細書において定義されるように、「デバイス」とは、試料周りに液体またはガスを封じ込めるように用いられる構造体を意味し、次に限定されないが、ウィンドウデバイス、電気デバイス、および加熱デバイスを含む。
[0040] 本明細書において定義されるように、「セル」とは、２つの実質的に平行に位置決めされたデバイスによって画成される領域に対応し、その中を少なくとも１つの液体および／またはガスが流されうる。試料は、結像のためにセル内に位置決めされうる。
[0041] 本明細書において定義されるように、「試料」とは、少なくとも部分的に電子透過性である液体またはガスコントロール領域（例えば、ナノ粒子、触媒、薄いセクション等）内のデバイス内またはその上に通常置かれる、電子顕微鏡内で観察されるオブジェクトを意味する。
[0042] 本明細書において定義されるように、「ポケット」とは、セルの垂直壁を画成するサンプルセルホルダ内の空間に対応し、その中に２つの実質的に平行なデバイスが位置決めされてセルを形成する。
[0043] 本明細書において定義されるように、「接触点」とは、ポケット内に位置決めされたときにデバイスを位置合わせするように設計されたポケットの壁からの突起に対応する。
[0044] 本明細書において定義されるように、「ウィンドウデバイス」とは、１つの境界上に物理的な電子透過性バリアを、もう１つの境界上に電子顕微鏡の真空環境を形成するように用いられるデバイスを意味し、一般に窒化ケイ素系の半導体微細加工部品であるが他の半導体材料も考えられる。
[0045] 本明細書において定義されるように、「フレーム」とは、デバイスの構造体全体に機械的な支持を与えるように使用されるデバイスの周囲の剛性領域を意味する。好適な実施形態にはシリコンフレームが含まれ、さらにより好適にはＫＯＨを用いて選択的にエッチングされたシリコンフレーム、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて選択的にエッチングされたシリコンフレーム、ディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて選択的にエッチングされたシリコンフレーム、または、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハから離されたシリコンフレームである。
[0046] 本願は、デバイスを位置合わせおよび交換し、当該デバイスへの電気接点を形成するための単純な装置および方法を提供することにより従来技術を改良する。
[0047] 図２に、一般的なウィンドウデバイスの概略図が示される。薄膜領域、例えば非晶質窒化ケイ素がウィンドウを形成し、それにより結像および分析が、このウィンドウを介して行われることが可能である。ウィンドウは、ガスセルと、顕微鏡の真空環境との差圧に耐えられなければならない。ウィンドウの「フレーム」は、単結晶シリコンであることが好適である。フレームは、単結晶シリコン基板内にキャビティを選択的にエッチングすることにより形成される。薄い「スペーサ」層が（例えば図６におけるウィンドウデバイスに示されるように）膜ウィンドウの周りに形成されうる。この層の厚さは、正確に設定でき、また、例えば加熱デバイスまたは別のウィンドウデバイスである第２のデバイスがウィンドウデバイスの上に積層される場合は、スペーサの厚さが、デバイス間の距離、したがって、デバイス間のガスまたは液体層の厚さを設定する。好ましいスペーサの厚さは、約０．１μｍから約５０μｍの範囲内である。
[0048] 本明細書において検討されるスペーサ材料には、次に限定されないが、ＳＵ−８（Microchem社、マサチューセッツ州ニュートン）といったエポキシ系フォトレジスト、成長させられたまたは堆積された半導体層、堆積されたまたは電気めっきされた金属膜、ポリマーのＨＤ−４１００シリーズ（日立デュポンマイクロシステムズ社）といったポリイミドフィルムが含まれる。
[0049] 図３に、一般的な電気バイアスデバイスの概略図が示される。電気バイアスデバイスは、デバイスの端から窒化ケイ素薄膜の中心に延びる電極を有する。試料は、検査のために窒化ケイ素膜領域上に置かれる。通常、電圧または電流が、チップの端における電極に印加され、これらの信号は、膜領域および試料に進む。膜を囲むデバイスの「フレーム」部分は、単結晶シリコンであってよい。フレームは、単結晶シリコン基板内にキャビティを選択的にエッチングすることによって形成される。金接点パッドを用いて電極が形成される。窒化ケイ素材料は電気的に絶縁性である。薄い「スペーサ」層が、膜ウィンドウの周りに形成されうる。この層の厚さは、正確に設定することができ、例えばウィンドウデバイスである第２のデバイスが電気デバイス上に積層される場合に、スペーサの厚さが、デバイス間の距離、したがって、デバイス間の液体層の厚さを設定する。好ましいスペーサの厚さは、約０．１μｍから約５０μｍの範囲内である。例えばスペーサ層は、接点が形成される電気デバイスの端における金電極上では除去されてよい。スペーサ層における切断部は、デバイスが積層された場合に接点周りにシールを形成し、液体がデバイスとサンプルホルダ間の接触点に到達することを防ぐ。なお、電気バイアスデバイスは、ウィンドウデバイスより大きくても、小さくても、または同じ寸法であってもよいことは理解すべきである。
[0050] 図４に、一般的な加熱デバイスの概略図が示される。試料は、導電性セラミック材料、例えば炭化ケイ素の層から形成される薄膜領域上に置かれうる。電流がセラミック膜を通されると、膜領域が加熱して、試料も加熱される。膜を囲むデバイスの「フレーム」部分は単結晶シリコンであってよい。フレームは、単結晶シリコン基板内にキャビティを選択的にエッチングすることにより形成される。金接点パッドが用いられて、セラミック材料への電気接点が形成される。セラミック層とシリコン基板との間の二酸化ケイ素またはその等価物の電気的絶縁層が、セラミック膜から基板に電流が流れないようにするので、すべての電流が膜内に残る。図４に示される実施形態では、金接点パッドは、デバイスの片側にまで延在する。なお、加熱デバイスは、ウィンドウデバイスより大きくても、小さくても、または同じ寸法であってもよいことは理解すべきである。
[0051] 電気化学セルホルダは、ウィンドウデバイスおよび電気デバイスを含む。熱セルホルダは、ウィンドウデバイスおよび加熱デバイスを含む。液体セルホルダは、２つのウィンドウデバイスを使用する。少なくとも１つのデバイスは、スペーサ層を含む。１つのデバイスが、窒化物膜が互いに面するようにもう１つのデバイス上に置かれる場合、デバイス間の間隙は、スペーサ層の厚さによって設定される。このスペーサ層の厚さを制御することは重大である。スペーサが薄過ぎる場合、試料はつぶれてしまう。スペーサが厚過ぎる場合、試料の周りに余剰の液体があることになり、これは像の解像度を低下してしまう。スペーサ層の厚さは、当業者であれば容易に決定できる。
[0052] 図５は、電気バイアスデバイスおよびウィンドウデバイスを含む完全な電気化学セルの断面略図を示す。明確にするために液体供給ラインは図示されていない。電気化学セルは、電気化学セルホルダ本体と、電気化学セルホルダ蓋と、１つのウィンドウデバイスと、１つの電気バイアスデバイスと、セルをシールするために用いられるＯリングとからなる。デバイスは、各デバイスの膜部分が位置合わせされるように積層される。さらに、１対の積層された膜は、電子ビームが組立体全体を通過できるようにホルダ本体およびホルダ蓋の孔とも位置合わせされる。
[0053] 図７および図８Ａ〜８Ｃは、電気化学セルホルダの断面および平面略図を示し、どのようにデバイスがサンプルホルダ内に装着され、どのように電気接点が形成され、およびどのように電気化学セル内の環境が維持されるのかを示す。
[0054] 図７は、空のホルダ本体構造体とホルダ蓋構造体とを、それぞれ断面図で示す。ホルダ本体は、電気または熱デバイスのサイズがウィンドウデバイスのサイズと異なる場合（例えば、図７ではウィンドウデバイスの長さは、電気または熱デバイスよりも小さいが、ここでは電気または熱デバイスの長さはウィンドウデバイスよりも小さいことも考えられる）、深いポケットと浅いポケットとを有するキャビティを有しうる。なお、ウィンドウデバイスと、電気または熱デバイスとが同じ長さおよび幅を有する場合、ホルダ本体は、両デバイスを収容するために１つの深いキャビティを有しうることは理解すべきである。深いポケットは、ポケットのほぼ中央に電子ビーム孔がある底部を有し、少なくとも１つのＯリングまたは他のシール手段が孔の周りに置かれうる。浅いポケット面に対するポケットの深さは、大体ウィンドウデバイスの厚さである。深いポケットの長さおよび幅は、以下に詳細に説明するように、ウィンドウデバイスよりわずかに大きい。浅いポケットの長さおよび幅は、以下に説明するように、電気または熱デバイスよりわずかに大きい。浅いポケットは、深いポケットを完全に囲む。深いポケットの方ではない浅いポケットの片側には、電気または熱デバイスがホルダ本体内に装着された場合に当該電気または熱デバイスに電気的に接触するように用いられる一列の接点が位置決めされうる。浅いポケットの深さは、大体電気または熱デバイスの厚さであってよい。ホルダ蓋は、位置合わせの便宜上、厚い領域と薄い領域とを有しうる。厚い領域の長さおよび幅は、当該厚い領域が浅いポケット内に挿入可能となるように、ホルダ本体内の浅いポケットぐらいのサイズである。電子ビーム孔が、厚い領域のほぼ中央に置かれて、Ｏリングまたは他のシール手段がその孔を取り囲む。薄い領域は、厚い領域を越えて延在し、ユーザがホルダ蓋をホルダ本体にネジまたは他の固定手段を用いて固定できるように２以上の孔を有する。第２のＯリングまたは他のシール手段が、厚い領域を取り囲み、ホルダ蓋とホルダ本体との間にシールを形成するように用いられる。ガスまたは液体が、ポケットからホルダの反対端部の外側にまで延在するホルダ本体内の供給ラインを介してポケットに供給される。
[0055] 図８Ａは、ホルダ本体内に装着されたウィンドウデバイスを、例示のためにＡ−Ａ’の断面に沿って示す。ウィンドウデバイスは、（ある場合には）スペーサ層が上を向き、基板内にエッチングされたキャビティが下を向いている状態で深いポケット内に置かれる。デバイスの底部は、深いポケットにある孔を取り囲むＯリングまたは他のシール手段上に着座し、圧力が付与されＯリングがホルダ本体とデバイス間で圧縮されると孔の周りに連続シールが形成される。ウィンドウデバイスの上部は、浅いポケットの底面とほぼ同じ高さにある。
[0056] 図８Ｂは、例示のためのホルダ本体内に装着された電気バイアスデバイスを示す。このデバイスは、スペーサ層および／または薄膜領域が下を向き（すなわち、下にあるウィンドウデバイスの薄膜領域に面している）、その基板内にエッチングされたキャビティが上を向いている状態で浅いポケット内に置かれる。電気バイアスデバイスのスペーサ層特徴は、ウィンドウデバイス上に着座する。電気バイアスデバイス上の金接点パッドは、浅いポケット内の下にある接触点と位置合わせされる。図７に示されるように、深いポケットと浅いポケットとは２つの共通の側部を有することができるので、ポケット内のデバイスは、共通の面について位置合わせされ、したがって互いにも位置合わせされる。この重大な「自己整合」特徴によって、デバイスは、高精度で互いに対し位置合わせされることが可能となる。
[0057] 図８Ｃは、例示のための電気化学セルホルダの最終組立体を示す。ホルダ蓋が、ホルダ本体上に置かれ、２以上のネジまたは他の固定手段を用いてホルダ本体に取り付けられる。蓋の厚い部分は、デバイス積層上に嵌る。蓋の孔の付近に位置決めされる厚い部分におけるＯリングまたは他のシール手段は、電気デバイスのキャビティ周りに嵌り、電気デバイスと蓋との間のシールを形成する。この厚い部分の厚さが、ホルダ本体およびホルダ蓋の孔を取り囲むＯリングまたは他のシール手段にかかる圧縮量を決める。これらの孔の周りにぴったりとしたシールを形成し、デバイスの周りにガスまたは液体が漏れないようにする適切な圧縮が必要である。ホルダ蓋を取り付けることにより、デバイス積層が押し下げられ、これらのＯリングおよびシール手段が圧縮され、シールが形成される。適切な圧縮は、電気デバイス上の金接点パッドも下にある接触点に押し付け、電気接点を形成する。デバイス間の距離は、スペーサ層の厚さによって設定され、この距離は、セルをシールする際にデバイスが互いに押される場合にも変化しない。蓋の薄い部分における、ホルダ蓋上の第２のＯリングまたはシール手段は、ホルダ本体とホルダ蓋との間にシールを形成する。このＯリングは、蓋が本体に取り付けられるときに圧縮されて、ガスまたは液体がホルダ本体とホルダ蓋との間から漏れないようにする。
[0058] 図６は、加熱デバイスおよびウィンドウデバイスが含まれる完全な熱セルの断面略図を示す。明確にするためにガスまたは液体供給ラインは図示されていない。熱セルは、ガスセルホルダ本体と、ガスセルホルダ蓋と、１つのウィンドウデバイスと、１つの加熱デバイスと、セルをシールするために用いられるＯリングとからなる。デバイスは、各デバイスの膜部分が位置合わせされるように積層される。さらに、１対の積層された膜は、電子ビームが組立体全体を通過できるようにホルダ本体およびホルダ蓋の孔とも位置合わせされる。
[0059] 図７および図９Ａ〜９Ｃは、熱セルホルダの断面略図および平面略図を示し、どのようにデバイスがサンプルホルダ内に装着され、どのように電気接点が形成され、およびどのように熱セル内の環境が維持されるのかを示す。
[0060] 図９Ａは、ホルダ本体内に装着されたウィンドウデバイスを、例示のためにＣ−Ｃ’の断面に沿って示す。ウィンドウデバイスは、スペーサ層が上を向き、基板内にエッチングされたキャビティが下を向いている状態で深いポケット内に置かれる。ウィンドウデバイスの底部は、深いポケットにある孔を囲むＯリングまたは他のシール手段上に着座し、圧力が付与されＯリングがホルダ本体とデバイスとの間で圧縮されると、孔の周りに連続シールが形成される。ウィンドウデバイスの上部は、浅いポケットの底部面とほぼ同じ高さにある。
[0061] 図９Ｂは、例示のためのホルダ本体内に装着された熱デバイスを示す。このデバイスは、スペーサ層および／または薄膜領域が下を向き（すなわち、下にあるウィンドウデバイスの薄膜領域に面している）、その基板内にエッチングされたキャビティが上を向いている状態で浅いポケット内に置かれる。熱デバイスは、ウィンドウデバイス上のスペーサ層特徴上に着座する。熱デバイス上の金接点パッドは、浅いポケット内の下にある接触点と位置合わせされる。図７に示されるように、深いポケットと浅いポケットとは２つの共通の側部を有することができるので、ポケット内のデバイスは、共通の面について位置合わせされ、したがって互いにも位置合わせされる。この重大な「自己整合」特徴によって、デバイスは、高精度で互いに対し位置合わせされることが可能となる。
[0062] 図９Ｃは、例示のための熱セルホルダの最終組立体を示す。ホルダ蓋が、ホルダ本体上に置かれ、２以上のネジまたは他の固定手段を用いてホルダ本体に取り付けられる。蓋の厚い部分は、デバイス積層上に嵌る。蓋の孔の付近に位置決めされる厚い部分におけるＯリングまたは他のシール手段は、加熱デバイスのキャビティの周りに嵌り、加熱デバイスと蓋との間にシールを形成する。この厚い部分の厚さが、ホルダ本体およびホルダ蓋の孔を取り囲むＯリングまたは他のシール手段にかかる圧縮量を決める。これらの孔の周りにぴったりとしたシールを形成し、デバイスの周りにガスまたは液体が漏れないようにする適切な圧縮が必要である。ホルダ蓋を取り付けることにより、デバイス積層が押し下げられ、これらのＯリングおよびシール手段が圧縮され、シールが形成される。適切な圧縮は、熱デバイス上の金接点パッドも下にある接触点に押し付け、電気接点を形成する。デバイス間の距離は、スペーサ層の厚さによって設定され、この距離は、セルをシールする際にデバイスが互いに押される場合にも変化しない。蓋の薄い部分における、ホルダ蓋上の第２のＯリングまたはシール手段は、ホルダ本体とホルダ蓋との間にシールを形成する。このＯリングは、蓋が本体に取り付けられるときに圧縮されて、ガスまたは液体がホルダ本体とホルダ蓋との間から漏れないようにする。
[0063] 図１５〜図１８に、ガスまたは電気化学セルの別の実施形態が示される。本実施形態では、図１５に、金電極を有する別の一般的なウィンドウデバイスの概略図が示される。通常、電圧または電流が、チップの端にある電極に印加され、これらの信号は、薄膜領域の端付近の接点領域に進む。薄膜領域、例えば非晶質窒化ケイ素がウィンドウを形成し、それにより結像および分析が、このウィンドウを介して行われることが可能である。ウィンドウは、ガスセルと、顕微鏡の真空環境との差圧に耐えられなければならない。ウィンドウの「フレーム」は、単結晶シリコンである。フレームは、単結晶シリコン基板内にキャビティを選択的にエッチングすることにより形成される。金接点パッドを使って、電極が形成される。薄い絶縁層が膜ウィンドウの周りに形成される。この層によって、デバイスがホルダ本体内に置かれた場合に、デバイスとホルダ本体との間の短絡が防止される。
[0064] 本明細書において検討される絶縁性材料には、次に限定されないが、ＳＵ−８（Microchem社、マサチューセッツ州ニュートン）といったエポキシ系フォトレジスト、成長させられたまたは堆積された半導体層、およびポリマーのＨＤ−４１００シリーズ（日立デュポンマイクロシステムズ社）といったポリイミドフィルムが含まれる。
[0065] 図１６に、別の一般的な加熱デバイスの概略図が示される。試料は、導電性セラミック材料、例えば炭化ケイ素の層から形成される薄膜領域上に置かれうる。電流がセラミック膜を通されると、膜領域が加熱して、試料も加熱される。膜を囲むデバイスの「フレーム」部分は、単結晶シリコンであってよい。フレームは、単結晶シリコン基板内にキャビティを選択的にエッチングすることにより形成される。金接点パッドが用いられて、セラミック材料への電気接点が形成される。セラミック層とシリコン基板との間の二酸化ケイ素またはその等価物の電気的絶縁層が、セラミック膜から基板に電流が流れないようにするので、すべての電流が膜内に残る。図１６に示される実施形態では、金接点パッドの厚さは、正確に設定することができ、第２のデバイス、例えばウィンドウデバイスが加熱デバイス上に積層される場合、加熱デバイスの金接点パッドの厚さが、デバイス間の距離、したがって、デバイス間のガスまたは液体層の厚さを設定する。好ましいスペーサ厚さは、約０．１μｍから約５０μｍの範囲内である。
[0066] 図１７は、加熱デバイスおよびウィンドウデバイスを含む完全な別のガスまたは電気化学セルの断面略図を示す。明確にするために液体供給ラインは図示されていない。セルは、ホルダ本体と、ホルダ蓋と、１つのウィンドウデバイスと、１つの加熱デバイスと、セルをシールするために用いられるＯリングとからなる。デバイスは、各デバイスの膜部分が位置合わせされるように積層される。さらに、１対の積層された膜は、電子ビームが組立体全体を通過できるようにホルダ本体およびホルダ蓋の孔とも位置合わせされる。
[0067] 図１８は、デバイスが挿入されていない、別のガスまたは電気化学セルホルダ本体およびホルダ蓋の断面および平面略図を示す。
[0068] 図１９Ａ〜図１９Ｃは、ガスまたは電気化学セルホルダの断面および平面略図を示し、どのようにデバイスがサンプルホルダ内に装着され、どのように電気接点が形成され、およびどのようにセル内の環境が維持されるのかを示す。
[0069] 図１９Ａは、熱セルを形成するよう例示のためにホルダ本体内に装着される熱デバイスを示す。或いは、電気デバイスを装着して電気化学セルを形成してもよい。デバイスは、金接点パッドが上を向き、基板内にエッチングされたキャビティが下を向いた状態で深いポケット内に置かれる。デバイスの底部は、深いポケットある孔を取り囲むＯリングまたは他のシール手段上に着座し、圧力が付与されＯリングがホルダ本体とデバイス間で圧縮されると孔の周りに連続シールが形成される。ウィンドウデバイスの上部は、浅いポケットの底部面とほぼ同じ高さにある。第２のＯリングが、熱デバイスを取り囲んで浅いポケットの底部に置かれる。
[0070] 図１９Ｂは、例示のためのホルダ本体内に装着されたウィンドウデバイスを示す。デバイスは、薄膜領域が下を向き（すなわち、下にあるウィンドウデバイスに面している）、その基板内にエッチングされたキャビティが上を向いている状態で浅いポケット内に置かれる。ウィンドウデバイスは、熱デバイス上の金接点パッド特徴上、および、熱デバイスを取り囲むＯリング上に着座する。熱デバイス上の金接点パッドは、ウィンドウデバイス上の接点領域と位置合わせされ、ウィンドウデバイス上の電極は、ホルダ本体上の接触点と位置合わせされる。
[0071] 図１９Ｃは、例示のための熱セルホルダの最終組立体を示す。ホルダ蓋が、ホルダ本体上に置かれ、２以上のねじを使用してホルダ本体に取り付けられる。深いおよび浅いポケットの深さは、ホルダ本体およびホルダ本体内の深いポケットにおける孔を囲むＯリングまたは他のシール手段にかかる圧縮量を決定する。これらの特徴の周りにぴったりとしたシールを形成し、これらのデバイスの周りからガスまたは液体が漏れることを防ぐために適切な圧縮が必要である。ホルダ蓋を取り付けることにより、デバイス積層が押し下げられ、これらのＯリングおよびシール手段が圧縮され、シールが形成される。適切な圧縮は、熱デバイス上の金接点パッドをウィンドウデバイス上の接点領域に押し付け、さらに、ウィンドウデバイス上の電極を下にある接触点上に押し付け、電気接点を形成する。デバイス間の距離は、熱デバイス上の接点パッドの厚さによって設定され、この距離は、セルをシールする際にデバイスが互いに押される場合にも変化しない。
[0072] ２つのウィンドウデバイスを含む液体セルホルダは、これらの２つのウィンドウデバイスの長さおよび幅が実質的に同一であるため、図７のホルダにおいて１つの深いポケットを有すること以外は、電気化学セルホルダおよび熱セルホルダと同じ特徴を有する。さらに、電気接点が不要である。なお、これらのウィンドウデバイスの片方または両方が、その上にスペーサ材料を有しうることは理解すべきである。図１０および図１１に、液体セルホルダの例を示し、以下により詳細に説明する。
[0073] 実際には、液体またはガスは、外部環境に漏れることなく供給ラインを介して本明細書に記載した液体、電気化学、または熱セルに流入するまたはそこから流出することが可能である。電流および電圧は、電気供給ラインを介して電気または熱デバイスに供給されることが可能である。ホルダはＴＥＭ内に置かれ、液体、電気、または熱デバイスは、所望の電流／電圧に設定され、１以上の液体／１以上のガスのタイプは設定されて供給ラインを使ってサンプルに与えられうる。結像時、電子ビームは、ホルダ蓋内の孔を通過して、上部デバイス（ウィンドウ、熱または電気デバイス）の加熱膜上のサンプルに衝突し、下部デバイス（ウィンドウデバイス）のウィンドウを通過し、ホルダ本体の底部の孔を通りガスセルを射出する。
[0074] 上に説明したとおり、２つのデバイスの位置合わせは重大である。ウィンドウデバイスと電気または熱デバイスとの膜領域は、差圧（セル内の気圧と、セル外の真空）が付与された場合にウィンドウが実質的に膨張しないように十分に細いことが好適である。したがって、ウィンドウは、良好に位置合わせされていなければならない。これは、電子ビームは、ウィンドウが位置合わせされている場合にのみセルを通過可能だからである。細いウィンドウは少ない領域を提供するため、位置合わせに関する誤差のためのマージンが少ないため、チップの位置合わせを向上させる特徴が有用である。
[0075] そのために、本発明の別の態様は、セルホルダ内でのデバイスの位置合わせを向上させるために、直線の端壁ではなく接触点を有するポケットを有するセルホルダである。図１０（ｄ）を参照すると、液体セルホルダ本体におけるかかるポケットの一例が示される。図１０（ａ）は、図１０（ｄ）のホルダの平面図を示し、ポケットは、図１２により明確に示すように、デバイスの各壁につき２つの接触点を有する。斜線で示す矩形は、デバイス、例えばウィンドウデバイスに対応することを意図し、本明細書に記載されている通り、４つの直線の端を有する。デバイスの各端につき２つの接触点があることによって、ポケット内のデブリがデバイスの位置合わせに影響を与える可能性を少なくする。ポケットが、（例えば液体セル用の）２つの同じサイズのデバイスを収容する場合、垂直の接触点は、キャビティの深さ全体に延在し、それにより、当該２つのチップは、同じ接触点に向き、したがって互いに位置合わせされる。なお、図１０（ａ）および図１０（ｄ）の液体セルホルダは、各端につき２つの接触点を有するが、ポケットは、少なくとも１つの端が図１０（ａ）および図１０（ｄ）に示される接触点を含む限り、少なくとも１つの直線の端を有することができることは理解すべきである。図１３に、ポケットの別の実施形態が示され、ここではポケットは２つの異なるサイズのデバイス（例えばウィンドウデバイスと電気または熱デバイス）を収容する。図１３の実施形態では、両デバイスは、同じ幅を有し、両端の幅方向の接触点を共有する一方で、長さ方向の接触点は各デバイスに固有である。接触点は、当業者であれば容易に判断できるように、任意の形状（例えば半球状、矩形、三角形等）またはサイズに加工することができる。
[0076] 図１０の液体セルホルダ本体は、図１１の液体セルホルダ蓋に対応して嵌合し、これらの２部品は合わされて例えば図５〜図７に示したようなサンプルホルダを形成する。サンプルホルダは、図１のバレル部（２００）に取り付け可能である。さらに、図１０（ｅ）および図１０（ｆ）に示されるように、多数の入力／出力ポートが示される。なお、１つの入力のみおよび１つの出力孔のみも検討されることは理解すべきである。さらに、本明細書に記載され、直線の端を有するポケットを有するものとして示される電気化学セルホルダおよび熱セルホルダ（図７、図８Ａ〜図８Ｃ、および図９Ａ〜図９Ｃ）は、好適には図１０（ａ）、図１０（ｄ）、または図１３の接触点を有する少なくとも１つの端を含み、また、最も好適にはすべての端が接触点を含む。
[0077] 別の態様では、使用時に多数の試薬を導入するためにサンプルホルダに多数の入力／出力を使用することが記載される。これにより、化学物質がセル内で混合／反応する際にそれらをリアルタイムで結像することができる。また、化学物質は正確な時間にセル内に入れられて、かつそこから放出されうるので時間分解能も向上させる。例えば、生細胞が結像される場合、ユーザは、流れる液体中の生細胞を確認し、次に、固定剤を第２の入力を介して導入して、細胞を瞬間的に固定することができる。あるいは、２つの異なる液体を液体セルの両側から入力し、（ウィンドウ間の）セル内で反応させ、共通の出力から放出させることができる。図１４に、多数の入力／出力の教示の概略図が示される。なお、本明細書に記載する液体セル、熱セル、または電気化学セルは、１つの入力および１つの出力、または、多数の入力／出力の任意の組み合わせを有してもよいことは、当業者であれば容易に判断できることは理解すべきである。
[0078] 本明細書に記載されるセルホルダおよび蓋は、好適にはチタンまたはブラスであり、また、非常に垂直かつ平行なポケットの端を保証するために型打ちされている。
[0079] 実際には、第１のデバイス（例えばウィンドウデバイス、加熱デバイス、または電気バイアスデバイス）がホルダ本体内に装着され、次に第１のデバイスの膜上のサンプルが置かれ、ホルダ本体内に第２のデバイス（例えばウィンドウデバイス、加熱デバイスまたは電気バイアスデバイス）が置かれ、第１および第２のデバイスとサンプルとを含むホルダ本体上にホルダ蓋が置かれる。ホルダ蓋は、少なくとも１つのネジまたは他の締結手段を用いてホルダ本体に固定されうる。電気化学セルホルダは、電子顕微鏡内に挿入され、サンプルは、本明細書に記載されるホルダを用いて液体またはガス環境において結像されうる。
[0080] 別の態様では、電子顕微鏡内の液体および／またはガス環境においてサンプルを結像する方法が記載されるが、かかる方法は、サンプルをサンプルホルダ内に挿入すること、サンプルを含むサンプルホルダを電子顕微鏡内に挿入することと、液体および／またはガスをサンプルホルダ内のサンプルに導入することと、液体および／またはガス環境におけるサンプルを結像することとを含み、本明細書において記載したように、サンプルホルダは、サンプルホルダ本体とサンプルホルダ蓋とを含み、サンプルホルダ本体は、ポケット底部と、２つのマイクロ電子デバイスをその中に位置決めするためのポケット壁とを有する少なくとも１つのポケットを含み、サンプル蓋は、上面と底面とを有する。なお、２つのマイクロ電子デバイスは、互いに同じであっても異なってもよく、また、ウィンドウデバイス、加熱デバイス、電気バイアスデバイス、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されるデバイスを含みうる。
[0081] 本発明は、例示的な実施形態および特徴を参照して、本明細書において様々に開示されたが、上述した実施形態および特徴は、本発明を限定することを意図しておらず、当業者には、他の変形、変更および他の実施形態が本明細書における開示内容に基づいて示唆されよう。したがって、本発明は、以下に記載する特許請求の範囲の精神および範囲内である、そのようなあらゆる変形、変更、および別の実施形態を包含するように広く解釈されるべきである。

Claims (22)

  1. 電子顕微鏡用のサンプルホルダであって、サンプルホルダ本体とサンプルホルダ蓋とを含み、前記サンプルホルダ本体は、ポケット底部と、２つのマイクロ電子デバイスをその中に位置決めするためのポケット壁とを有する少なくとも１つのポケットを含み、前記サンプル蓋は、上面と底面とを有する、サンプルホルダ。
  2. 前記ホルダ本体および前記ホルダ蓋は、前記サンプルホルダを電子ビームが通過するための電子ビーム孔を有する、請求項１に記載のサンプルホルダ。
  3. 前記ホルダ本体は、
    （ａ）少なくとも１つの電気接点、
    （ｂ）少なくとも１つのインレット供給ライン、
    （ｃ）少なくとも１つのアウトレット供給ライン、
    （ｄ）少なくとも１つのシール手段、
    （ｅ）前記蓋を前記ホルダに固定するための固定手段、および
    （ｆ）これらの組み合わせ、
    からなる群から選択される少なくとも１つのコンポーネントを含む、請求項１または２に記載のサンプルホルダ。
  4. 前記ホルダ蓋は、
    （ａ）少なくとも１つのシール手段、
    （ｂ）前記蓋を前記ホルダに固定するための固定手段、および
    （ｃ）これらの組み合わせ、
    からなる群から選択される少なくとも１つのコンポーネントを含む、請求項１から３のいずれかに記載にサンプルホルダ。
  5. 前記シール手段は、Ｏリングを含む、請求項１から４のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  6. 前記固定手段は、ネジを含む、請求項１から５のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  7. 前記ホルダ本体の前記シール手段は、前記電子ビーム孔の付近で前記ポケット底部に位置決めされる、請求項１から６のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  8. 前記蓋の前記少なくとも１つのシール手段は、前記電子ビーム孔の付近で前記蓋の前記底面に位置決めされる、請求項１から７のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  9. 前記ホルダ本体の前記ポケット内に２つのマイクロ電子デバイスをさらに含む、請求項１から８のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  10. 前記２つのマイクロ電子デバイスのうちの１つは、ウィンドウデバイスである、請求項１から９のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  11. 前記２つのマイクロ電子デバイスのうちの１つは、熱デバイスである、請求項１から１０のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  12. 前記２つのマイクロ電子デバイスのうちの１つは、電気デバイスである、請求項１から１１のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  13. 前記２つのマイクロ電子デバイスは、ウィンドウデバイスである、請求項１から１２のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  14. 前記２つのマイクロ電子デバイスは、前記マイクロ電子デバイスをその中に有する前記サンプルホルダ内を前記電子ビームが通過するように位置合わせされる、請求項１から１３のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  15. 前記２つのマイクロ電子デバイスは、実質的に同じ寸法を有する、請求項１から１４のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  16. 前記２つのマイクロ電子デバイスは、同じ幅を有するが異なる長さを有する、請求項１から１５のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  17. 前記ポケットは、深いポケットと浅いポケットとを含む、請求項１６に記載のサンプルホルダ。
  18. 前記少なくとも１つの電気接点は、前記浅いポケットの前記底部に位置決めされる、請求項１７に記載のサンプルホルダ。
  19. 前記ポケット壁は、前記２つのマイクロ電子デバイスを内部で位置合わせするための少なくとも２つの突起を含む、請求項１から１８のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  20. 前記ポケット壁は、各マイクロ電子デバイスの各直線端につき少なくとも２つの突起を含む、請求項１から１９のいずれかに記載のサンプルホルダ。
  21. 電子顕微鏡内の液体および／またはガス環境においてサンプルを結像する方法であって、サンプルをサンプルホルダ内に挿入することと、前記サンプルを含む前記サンプルホルダを電子顕微鏡内に挿入することと、液体および／またはガスを前記サンプルホルダ内の前記サンプルに導入することと、前記サンプルを前記電気顕微鏡内で結像することと、を含み、前記サンプルホルダは、サンプルホルダ本体とサンプルホルダ蓋とを含み、前記サンプルホルダ本体は、ポケット底部と、２つのマイクロ電子デバイスを内部に位置決めするためのポケット壁とを有する少なくとも１つのポケットを含み、前記サンプル蓋は、上面と底面とを有する、方法。
  22. 前記２つのマイクロ電子デバイスは、互いに同じであっても異なってもよく、また、ウィンドウデバイス、加熱デバイス、電気バイアスデバイス、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されるデバイスを含む、請求項２１に記載の方法。
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