激光原子探测方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
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专利技术。
技术介绍
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。
技术实现思路
由本文结尾列举的权利要求书限定的专利技术，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。对本专利技术一些优选特征的基本理解可从相阅读下面对本专利技术的简单概述获得，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(更本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-6-3 60/576,5571.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫H本托恩，杰西D奥尔森，
申请(专利权)人：埃美格科学仪器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]