[发明专利]从多角度输入原子探针样本的能量束

说明书

原子探针将两个或更多个脉冲激光束引导至样本上，每个激光束位于所述样本的不同侧，并且其中每个激光束在不同于其它激光束的时间提供脉冲。所述激光束优选地通过分裂由激光源提供的单光束来产生。所述激光束优选地通过一个或多个光束控向镜依次与所述样本对准入射，所述光束控向镜也可以扫描所述样本上的每个激光束以实现所需程度的样本电离。

技术领域

本文涉及一般与原子探针相关的发明，并且更具体地涉及从样本周围的多个角度向原子探针样本提供电离能量束的原子探针。

背景技术

原子探针，也称为原子探针显微镜，是一种允许在原子水平上对样本进行分析的装置。典型的原子探针包括样本支架和探测器。在典型分析期间，样本设置于样本支架中，并对样本施加正电荷(例如，基线电压)，使得样本顶点(最接近探测器且面向探测器的表面)附近的静电场约为自发地电离表面原子所需的90％(通常在每纳米5至50伏的数量级)。探测器与样本的顶点(尖端)间隔开，并且接地或带负电。局部电极可以位于样本和探测器之间，具有在样本和探测器之间对准的孔，并且局部电极可以接地或带负电。(局部电极有时被称为“局部电极”或“引出电极”；另外，因为原子探针中的电极通常用作静电透镜，所以有时使用术语“透镜”代替术语“电极”。)将能量束脉冲(例如，激光束脉冲、电子束脉冲、离子束脉冲等)，正电脉冲(高于基线电压)和/或其它能量脉冲(例如，RF脉冲)间歇地施加到样本上，以增加样本上的表面原子将电离的可能性。任选地或另外地，可以与前述能量脉冲同步地将负电压脉冲施加到任何局部电极。

偶尔，脉冲会导致样本顶点附近的单个原子电离。离子化的原子从样本表面分离或“蒸发”，穿过局部电极(如果存在)中的孔，并撞击探测器的表面(通常是微通道板(MCP))。电离原子的元素性质可以通过测量其飞行时间(TOF)、从样本表面释放离子的脉冲与其撞击探测器的时间之间的时间来确定。离子的速度(及其TOF)基于电离原子的质荷比(m/n)而变化，较轻和/或电荷更高的离子到达探测器所耗时间更少。由于离子的TOF指示离子的质荷比，质荷比反过来指示元素性质，因此TOF可以帮助识别电离原子的组成。此外，原子探针充当“点投影显微镜”，借此，电离原子在样本表面上的位置对应于原子对探测器的撞击位置，从而可以确定电离原子在样本上的原始位置。因此，当样本蒸发时，可以构建样本的组成原子的三维地图或图像。虽然由地图表现的图像是点投影，具有原子级分辨率和超过100万倍的放大率，但是可以在几乎任何方向上分析地图/图像数据，因此可以认为图像本质上更像断层摄影。关于原子探针的进一步详细信息可以在，例如，美国专利5,440,124；美国专利7,157,702；美国专利7,652,269；美国专利7,683,318；美国专利7,884,323；美国专利8,074,292；美国专利8,153,968；美国专利8,276,210；美国专利8,513,597；美国专利8,575,544；和美国专利申请公开2012/0080596，以及上述文献中所引用的专利和其它文献中找到。

使用能量束(特别是激光束)来触发电离已经变得越来越流行，籍此诞生了一种称为脉冲激光原子探针(PLAP)显微镜的原子探针显微镜的子类别。此类普及的增长主要归功于具有超短脉冲宽度和高脉冲重复率的可靠激光系统的进步。较短的脉冲宽度允许更精确地识别电离时刻，从而允许以更高的分辨率识别离子飞行时间。较高的脉冲重复率允许较高的电离速率，因此耗费较少的时间用于完整的样本分析。然而，脉冲激光方法面临由激光束不均匀加热样本引起的挑战，样本的直接照射部分加热比样本的阴影部分加热更多。因此，样本的被照射侧上的原子可以更容易被激光电离，导致被照射部分处的更大蒸发，这可能在由探测器产生的样本图像中产生假象。