具有由形状记忆合金致动器控制的级分离的多级真空设备

摘要

本发明涉及一种多级真空设备、优选地两级设备，其正常操作需要设定不同的压力，其中，压力变化可以由合适元件的形状记忆合金(SMA)线的运动来实现。本发明还公开了一种用于操作由SMA致动器控制的所述多级真空设备的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及多级真空设备、优选地为两级设备，其正常操作需要在真空设备级中设定、改变并随后保持不同的压力，其中，压力变化可以借助于形状记忆合金(SMA)线致动器通过使合适的挡板运动来实现，该挡板对高压级中过程气体的流入进行控制。

背景技术

在根据本发明的最令人感兴趣的真空设备当中，有带电粒子装置，比如通过用聚焦的电子束扫描试样的表面来产生试样图像的SEM(扫描电子显微镜)。在高真空级和低真空级两者中均能观察到试样，并且由于高真空级使电子束在到达试样之前的散射最小化，因而电子枪和主电子束通道随后被保持在高真空条件下。

检测器也可以在所谓的“低真空”操作模式下使用，在该操作模式下，少量气体泄漏到室中，在室中，这些气体离子化并减少绝缘材料的表面电荷。在这种情况下，必须限制从样本室到显微镜柱的气体流量，并且这通过将通常在5-10mm范围内的物镜孔口减小至小很多的值、例如0.5-1mm或甚至更小的直径来实现。减小物镜孔口的一种方法是在物镜孔口内引入这样的附件，该附件具有沿着主束轴线定位的孔并且具有远小于原始直径的直径。

这样的解决方案允许进行低真空测量，但缺点是减小了显微镜的视场并严重限制了安置在显微镜柱内的检测器对背向散射电子的检测。为此，当需要高真空测量时，该附件被移除。该附件的安装和移除意味着使试样室敞开于空气、将该室关闭并等待该室的长时间整备(将空气泵出)。

已经公开了若干解决方案来提供这样的真空设备，该真空设备包括通道孔口和执行操作以自动附接或拆卸孔口构件以允许真空设备在不同压力状态下操作的机构，例如美国专利申请20110006209描述了一种这样的电子束装置，该电子束装置具有电子光学柱，该电子光学柱具有后端部部分、与柱的前端部部分连接的试样室以及设置在位于试样室内的柱的前端部中的孔口构件。孔口构件通过使孔口构件沿着给定平面旋转而附接或拆卸，该给定平面沿电子束的路径方向定位。

欧洲专利申请2950324公开了一种带电粒子装置，该带电粒子装置包括构造成限定用于检查物体的粒子束路径的布置结构。该装置还包括具有差压孔口的差压模块，该差压模块可以构造成使得：在操作位置，差压孔口将带电粒子光学装置的两个真空区隔开。更具体地，描述了一种延伸穿过粒子光学装置的真空围封件的定位臂，并且所述臂被布置到粒子束路径穿过压差孔口的操作位置。

美国专利7781473提供了一种带电粒子束系统，该带电粒子束系统配备有带电粒子光学器件和用于对带电粒子光学器件进行抽空的装置，该带电粒子束系统包括：真空容器、作为辅助真空泵的与该真空容器连接的非蒸散型吸气剂泵(non-evaporable getterpump)、以及置于该真空容器与该非蒸散型吸气剂泵之间的阀。在这种情况下，进行抽空的方法需要阀和粗泵送口来实施正确的抽空。

美国专利6309184公开了一种能够为辐射热传递提供完全屏蔽的、位于两个泵之间的移动屏蔽装置。屏蔽是通过提供一组屏蔽金属来获得的，这组屏蔽金属包括能够采用两种不同构型的形状记忆元件。在该专利中，传导率是根据从吸气剂泵朝向涡轮泵的辐射造成的温度而变化的。该装置与光学系统是不兼容的，因为该装置不拦截束。

美国专利申请2013087704描述了一种气体场电离源，其特征在于，孔口直径可以被设定为至少两个不同值中的任何值，或者从发射器的顶点到引出电极的距离可以被设定为至少两个不同值中的任何值。

美国专利申请20110139986描述了一种电子显微镜，该电子显微镜使用通常限定的驱动机构来使多个孔移动以设定两个电子显微镜区域之间的适当压力；类似地，在同一领域中，美国专利申请20090045337描述了一种用于使孔径光阑移动的通用驱动机构。

美国专利6967335描述了在电子显微镜中针对试样/样品使用适当的操纵机构，这些操纵机构包括致动器，比如热微型致动器、静电微型致动器、粘滑压电微型致动器、压电双压电晶片微型致动器、梳状驱动微机电系统(MEMS)致动器和记忆合金微型致动器。

EP专利1526563描述了一种通过两个构件的相互位置调节而获得的可变孔口，这些构件优选地由作为用于使构件移动的装置的压电驱动器来驱动；这些构件可以例如通过步进马达、通过可以使构件移动的热膨胀材料或记忆金属或者通过能够使构件在微米尺度内移动的任何其他装置来移动。

日本专利申请JPH0636166公开了一种两狭缝质谱仪，根据许多通常描述的变型，一个狭缝是固定的，并且一个狭缝是可移动的。

上面提到的解决方案具有若干缺点，因为物镜的孔口必须借助于需要使用真空马达、即真空兼容的电磁马达或压电马达的自动臂或复杂系统来控制。前一种类型的马达需要润滑剂，这些润滑剂可能会污染具有长链碳氢化合物的试样，尤其是在高真空观测中，而后一种类型的马达可能会产生迁移到试样上的粒子，从而极大地损害显微镜测量。

压电马达和电磁马达两者均是笨重的，并且减少了引入进行特定分析可能需要的不同检测器或将这些不同检测器最佳定位的可能性。特别地，压电马达和电磁马达可能被置于试样与其他检测器之间，从而限制到达检测器的粒子或光子部分。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，特别地涉及真空马达的使用，并且本发明的第一方面在于一种这样的真空设备，该真空设备包括第一级和第二级，其中，第一级和第二级通过分离级进行流体连通，该分离级具有通道，该通道在该通道的末端部分中具有孔口，所述通道孔口具有面积A，其中，所述末端部分与穿孔挡板紧密接触，该穿孔挡板包括至少两个孔口，即面积等于或大于0.9*A的一个孔口和具有面积Ar的一个孔口，该面积Ar被包括在0.0001*A与0.01*A之间，所述挡板孔口中的至少一个挡板孔口通过形状记忆合金元件的致动相对于所述通道孔口对准并居中。

附图说明

将借助于以下附图进一步说明本发明，在附图中：

图1A和图1B示出了根据本发明实现的真空设备级分离的第一实施方式的示意性仰视立体图，其中，穿孔挡板处于两个不同的位置；

图2A和图2B是本发明的第二实施方式的、类似于图1A和图1B的视图；

图3示出了本发明的第三实施方式的示意性仰视立体图；

图4示出了本发明的第四实施方式的仰视分解图；

图5示出了图4的第四实施方式在处于组装状态时的仰视立体图；

图6和图7示出了图5的第四实施方式的仰视图，其中，穿孔挡板处于两个不同的位置；

图8示出了本发明的第五实施方式的仰视分解图；

图9示出了图8的第五实施方式在处于组装状态时的仰视立体图；以及

图10和图11示出了图9的第五实施方式的仰视图，其中，穿孔挡板处于两个不同的位置。

具体实施方式

在上面提及的附图中，仅图示了对于领会本发明而言必不可少的元件，而未示出对于本发明的理解而言不是必需的辅助元件、比如电流源，因为这些辅助元件是该技术领域中已知的普通器件。此外，在一些情况下，对元件的尺寸和尺寸比例进行了更改，以提高其可读性，其中，特别地但并非排他性地，这些尺寸和尺寸比例指SMA线直径。

形状记忆合金的特征在于在两个相之间的转变，一个相在较低温度下稳定，即所谓的马氏体相，而一个相在较高温度下稳定，即所谓的奥氏体相。形状记忆合金的特征在于四个温度Mf、Ms、As、Af：形状记忆合金在完全处于马氏体相、即形状记忆合金具有马氏体结构时的温度在Mf的温度以下，而形状记忆在合金完全处于奥氏体相、即形状记忆合金具有奥氏体结构时的温度在Af的温度以上，并且Ms、As分别是开始向马氏体相和奥氏体相转变的温度。

当温度从Mf以下改变成Af以上并且从Af以上改变成Mf以下时，可以训练(train)由形状记忆合金制成的线材、也被称为SMA线来改变其形状。SMA线的处理和训练是该领域众所周知的程序，如追溯到2004年秋季的培训部分“ME559-智能材料和结构(ME559-SmartMaterials and Structures)”的“形状记忆合金形状培训教程(Shape Memory AlloyShape Training Tutorial)”所例示的。

在图1A和图1B中图示了根据本发明的第一实施方式，其示出了分离级10的示意性仰视立体图。特别地，示出了圆形框架11、束导引结构18和穿孔挡板14，束导引结构18具有用于使离子源通过束导引结构18的通道12，通道12在通道12的末端部分中具有面积为A的孔口，穿孔挡板14刚好定位在所述末端部分的下方并与所述末端部分紧密接触。支承件17保持穿孔挡板14，并且穿孔挡板14能够沿着支承件17的两个内部凹槽滑动，这两个内部凹槽使穿孔挡板14的上表面与通道12的孔口保持紧密接触。

穿孔挡板14包括至少两个圆形孔口15和16，圆形孔口15的面积大于等于0.9*A，而圆形孔口16的面积Ar被包括在0.0001*A与0.01*A之间，并且所述挡板孔口15、16中的一者通过形状记忆合金元件的致动相对于通道12的所述孔口对准并居中，未居中的挡板孔口被移动至通道12的外。

在图1A和图1B中所示的第一实施方式中，穿孔挡板14借助于四根SMA线13、13’、13”、13”’移动，其中，锚固点位于穿孔挡板14的四个拐角处、具有大致矩形的形状、并且位于沿着圆形框架11的对应位置处。

孔口15、16可以如图1A和图1B中所示那样由单片金属制成，因为束和试样附近的表面应当优选地由导电材料制成，以避免表面上的电荷聚集，这可能会产生不期望的电场。替代性地，穿孔挡板可以例如用不导电的陶瓷材料来实现，该不导电的陶瓷材料被金属涂层覆盖成使得中央部分和侧部部分被未涂覆的条隔开。

为了使穿孔挡板14移动并改变孔口，SMA线13、13’、13”、13”’通过供给电流进行加热而被致动，使得SMA线13、13’、13”、13”’将被加热并达到这样的温度：合金在处于该温度以上时将完全处于奥氏体相。SMA线被成对地交替致动，更具体地，线13和线13’的同时致动会将穿孔挡板14向右拉动，以用于较小孔口16的对准(图1B)，而线13”和线13”’的同时致动会将穿孔挡板14向左拉动，以用于较大孔口15的对准(图1A)。孔口15、16的精确对准通过形成在挡板支承件17上的端部止挡件(未示出)来确保，其中，当穿孔挡板14被这两对SMA线沿任一方向拉动时，穿孔挡板14抵靠该端部止挡件。

可以用两个穿孔挡板实现更复杂的替代性实施方式(未示出)，这两个穿孔挡板借助于四对SMA元件独立地移动，其中，第一挡板包括两个孔口，并且第一挡板被移动以使第一挡板的两个孔口中的一个孔口沿着束轴线居中，并且第二挡板被移动以封闭第一挡板的另一个未居中的孔口。该解决方案允许挡板的较小位移，原因在于未居中的孔口不需要被移动至通道12的外，因为未居中的孔口被第二挡板封闭。毋庸置疑，为确保致动和施加力平衡的均匀性，形状记忆合金线的直径应彼此基本相等(在±5％的公差内)。

在适用于第一实施方式和替代性实施方式两者的另一替代性变型(未示出)中，挡板可以通过设置在相对位置处的两根对抗线来移动，以获得在挡板的每一侧具有一个锚固点的单根线，而不是如图1A、图1B中所示的具有两个锚固点的一对线。

在图2A和图2B中所示的第二实施方式中，分离级20包括圆形框架21、束导引结构29和穿孔挡板27，束导引结构29具有用于使离子源通过束导引结构29的通道22，通道22在通道22的末端部分中具有孔口，穿孔挡板27刚好定位在所述末端部分的下方并与所述末端部分紧密接触。支承件25保持穿孔挡板27，并且穿孔挡板27能够沿着支承件25的两个内部凹槽滑动，这两个内部凹槽使穿孔挡板27的上表面与通道22的孔口保持紧密接触。穿孔挡板27包括至少两个圆形孔口26和28，并且所述挡板孔口中的一者通过形状记忆合金元件的致动相对于所述通道孔口对准并居中。

在这种情况下，SMA元件是SMA弹簧24，而元件23是标准弹簧，使得当SMA弹簧24通过施加电压被致动并且达到下述温度时——合金在处于该温度以上时完全处于奥氏体相——SMA弹簧24变短并将穿孔挡板27向右拉动，从而使标准弹簧23伸长，进而使得较小的孔口28与束轴线对准(图2B)。当SMA弹簧24被停用时，弹簧23将穿孔挡板27向左拉回，使得较大的孔口26与束轴线对准(图2A)。

在图3中所示的第三实施方式中，分离级30与第二实施方式的分离级20的不同之处在于，弹簧23由与推-推(push-push)系统、如在可伸缩圆珠笔中使用的系统相类似的机构32代替，所述机构32安装在圆形框架31上，并且所述机构32在与SMA弹簧34相反的位置处通过不可伸长的线33连接至穿孔挡板37，SMA弹簧34如上述SMA弹簧24那样操作。然而，在这种情况下，SMA弹簧34作用于机构32内部的弹簧(未示出)，以用于在每次启用时交替于两个不同的端部止挡件之间，这两个端部止挡件限定在SMA弹簧34停用时穿孔挡板37沿着其挡板支承件38的行程。

换句话说，机构32代表双稳态系统，其中，第一稳定位置对应于较小孔口36与束轴线对准，并且第二稳定位置对应于较大孔口35与束轴线对准，并且SMA弹簧仅被启用成改变机构32内部的位置。这意味着SMA弹簧34可以在挡板从一个位置移动至另一个位置之后立即被停用，而在第二实施方式中，SMA弹簧24必须保持处于启用来使较小孔口28保持与束轴线对准，并且在第一实施方式中，一对SMA线(13、13’或13”、13”’)必须保持启用以使孔口15、16中的一个孔口与束轴线对准。

图4示出了第四实施方式的分解仰视图，在第四实施方式中，分离级40包括挡板支承件41、穿孔挡板42、弧形挠曲件43和SMA弹簧44、45，挡板支承件41包括旨在导引挡板的滑动运动并使挡板保持与束通道的末端部分紧密接触的凹槽。如从图5至图7的组装图更好地看出的，挡板支承件41设置有相反的臂41a、41b，臂41a、41b相对于穿孔挡板42的滑动方向对角地向外延伸，穿孔挡板42又设置有类似的臂42a、42b，臂42a、42b分别相对于臂41b、41a位于分离级40的另一侧。以这种方式，第一SMA弹簧44在分离级40的第一侧“a”上连接在臂41a与臂42a之间，并且第二SMA弹簧45类似地在相反侧“b”上连接在臂41b与臂42b之间，使得所述SMA弹簧44、45基本沿着穿孔挡板42的滑动方向延伸。

挠曲件43以其弧形形状被包含在与挡板42的滑动平面平行的平面中的方式在支承件41与挡板42之间枢转，挠曲件43的枢转点的位置被选择成使得挠曲件43在挡板42的两个行程终点位置处在挡板42上提供锁定力，这是由于挡板42上的移动枢轴相对于支承件41上的固定枢轴从一侧移至另一侧。在这样的构型中，所有上述元件可以预先组装在一体式装置中，然后该一体式装置安装在物镜上。

从图4至图6中所示的其中较小孔口47与束轴线对准的位置开始，较大的孔口46通过启用缩短的SMA弹簧45并由此将挡板臂42b拉向支承件臂41b(图6、图7中为向左)而移动成对准，同时SMA弹簧44由于挡板臂42a移动远离支承件臂41a而伸长。该动作允许使穿孔挡板42滑动并将孔口从较小的孔口47改变为较大的孔口46，显然，相反的运动通过启用SMA弹簧44而得以实现。

图8示出了第五实施方式的分解仰视图，第五实施方式在概念上类似于第四实施方式，但是涉及具有旋转运动而不是如前四个实施方式中的滑动运动的挡板。在这种情况下，分离级50包括挡板支承件51、穿孔挡板52、弧形挠曲件53和SMA弹簧54、55，挡板支承件51包括旨在导引挡板的旋转运动并使挡板保持与束通道的末端部分紧密接触的单个凹槽。如从图9至图11的组装图更好地看出的，挡板支承件51在与导引槽相对的位置处设置有向下延伸的两个销钉51a、51b和枢轴51c(其中，枢轴51c位于两个销钉51a、51b之间)，而穿孔挡板52设置有径向延伸的臂52a、52b，所述径向延伸的臂52a、52b布置成相对于用于枢轴51c的坐置部52c对称、并且分别相对于销钉51a、51b位于分离级50的同一侧。以这种方式，第一SMA弹簧54在分离级50的第一侧“a”上连接于销钉51a与臂52a之间，并且第二SMA弹簧55类似地在相反侧“b”上连接于销钉51b与臂52b之间，使得所述SMA弹簧54、55基本垂直于彼此延伸。

挠曲件53以其弧形形状被包含在与挡板52的旋转平面平行的平面中的方式在支承件51与挡板52之间枢转，挠曲件53的枢转点的位置被选择成使得挠曲件53在挡板52的两个行程终点位置处在挡板52上提供锁定力，这是由于挡板52上的移动枢轴相对于支承件51上的固定枢轴从一侧移至另一侧。在这样的构型中，所有上述元件可以预先组装在一体式装置中，然后该一体式装置安装在物镜上。

从图8至图10中所示的其中较大孔口56与束轴线对准的位置开始，较小的孔口57通过启用缩短的SMA弹簧54并由此将挡板臂52a拉向销钉51a从而使挡板52绕枢轴51c旋转(图10、图11中为逆时针方向)而移动成对准，同时SMA弹簧55由于挡板臂52b移动远离销钉51b而旋转并伸长。该动作允许使穿孔挡板52旋转并将孔口从较大的孔口56改变为较小的孔口57，显然，相反的运动通过启用SMA弹簧55而得以实现。

为了限制从样品室到显微镜柱的气体流动或防止高压观察期间的寄生物气体流动，可以在穿孔挡板与挡板支承件之间引入弹性垫圈(未示出)。垫圈与穿孔挡板之间的摩擦力有助于在SMA元件被启用以将挡板移动至所需位置之后将挡板保持在固定位置。在这种情况下，挠曲件是非必需的，因为锁定力由垫圈的摩擦来提供，但这也意味着必须使用能够提供更大的力的、直径更大的SMA元件以克服所述摩擦。

为了使用直径较小的线来进行更快的致动/解除致动，优选的是，分离级不包括弹性垫圈，而是制成为满足两个要求：

-穿孔挡板与挡板支承件之间的间隙必须小到足以使寄生物气体的流量比在较小孔口中流动的气体的流量低得多，优选地低至少一个数量级；

-穿孔挡板必须对于致动施加较小的力。

一般而言，术语“紧密接触”在上文中被解释、即寄生物气体的量比在较小孔口中流动的量小至少一个数量级。

上面提到并描述的原理和细节不仅可以应用于电子显微镜技术(SEM)或带电粒子束，还可以应用于扫描氦离子显微镜(SHIM、HeIM或HIM)。

本发明不限于任何特定的形状记忆合金材料，即便优选的是Ni-Ti基合金，比如基本性能在美国专利4830262中有所描述的以商品名Nitinol公知的合金。也可以采用名为SAES智能材料的在美国专利8152941和8430981中描述的更新的且改进的形状记忆合金。

特别地，术语“Ni-Ti基”形状记忆合金涵盖主要含量为镍和钛(至少60原子百分比，at％)的形状记忆合金，而另外的元素可以赋予不同的特性，比如在例如美国专利4565589中描述的Ni-Ti-Cu合金的情况下的更低的滞后性、或者如在例如美国专利5114504中描述的Ni-Ti-Hf合金的情况下的更高的转变温度。

当SMA元件呈线材的形式时，其直径被包括在0.01mm与0.50mm之间，但使用直径被包括在0.01mm与0.15mm之间的SMA线以减少对置于样品上方的传感器的遮挡，可以获得最好的结果。此外，用于线和弹簧两者的较大直径的SMA致动器意味着热惯性的增加，从而会产生较长的致动器冷却时间，这会影响在两个位置之间进行切换所需的最短时间。

然而，如先前提到的，在弹性垫圈被设置在穿孔挡板与挡板支承件之间的实施方式的情况下，必须使用较大直径、优选地在0.08mm与0.50mm之间的SMA致动器(线或弹簧)。

在这方面，重要的是要强调，由于形状记忆合金线是真实物体，因而偏离圆形截面是可能的，因此术语“直径”意指最小的围封圆的直径。

穿孔挡板与挡板支承件之间的间隙以及正确的致动可以借助于对穿孔挡板和挡板支承件进行合适的加工来实现。特别地，穿孔挡板和挡板支承件的接合部分的平均表面粗糙度(Ra)应不大于0.1微米，并且穿孔挡板与挡板支承件之间的间隙应不大于20微米，但优选地小于5微米。最后，穿孔挡板与挡板支承件之间的最小间隙在穿孔挡板的行程的每个位置应大于2微米，以防止运动期间的任何干扰。

通过上述实施方式的特征的组合，本领域技术人员可以容易地获得其他实施方式，例如，在前两个实施方式中也可以存在挠曲件(在没有垫圈的情况下)。

用于操作根据前述实施方式中的任何实施方式的真空设备的方法提供的是：形状记忆合金元件的致动是由操作反馈来控制和驱动的，该操作反馈比如为读取SMA温度(例如，通过测量电阻读取)或通过合适的位置传感器(例如光学传感器、电阻传感器或磁传感器)读取挡板位置。