CN104282517B - 带电粒子束系统和操作带电粒子束系统的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种气体场离子源，包括壳体；布置在壳体内的导电尖端；气体供应器，将一种或多种气体供应至壳体，其中，所述一种或多种气体包括氖或具有质量大于氖的原子的惰性气体；以及引出电极，具有孔，以允许在尖端附近产生的离子穿过所述孔。引出电极的面向尖端的表面可由负二次离子溅射产量小于10^‑5/入射氖离子的材料制成。

Description

带电粒子束系统和操作带电粒子束系统的方法

技术领域

本公开涉及带电粒子束系统、带电粒子束系统的带电粒子源(尤其为气体场离子源)及操作带电粒子束系统的方法。

背景技术

带电粒子源、带电粒子系统以及操作带电粒子系统和带电粒子源的方法可用于各种应用，包括测量或识别样品特性或样品修改。带电粒子源通常产生可由带电粒子束系统的组件引导以入射至样品的带电粒子束。通过检测带电粒子束与样品的交互产物，可产生样品图像或可识别样品特性。

下列文献包括与本公开有一定相关性的现有技术：EP2088613A1、EP2182542A1、US2012119086、EP2068343A1、EP2110843A1、US2012132802、US2012199758、WO2007067310、WO08152132A2。

发明内容

根据第一方面，本公开涉及一种气体场离子源，包括壳体、布置在壳体内的导电尖端以及用于将一种或多种气体供应至壳体的气体供应器。所述一种或多种气体包括氖或具有质量大于氖的原子的惰性气体。可设置具有孔的引出电极，以允许在尖端附近产生的离子穿过所述孔。引出电极的面向尖端的表面可由具有小于10^-5/入射氖离子的负二次离子溅射产量的材料制成。

在一实施例中，引出体由包括碳、铁、钼、钛、钒、钽的材料组中的至少一种材料制成。

在另一实施例中，至少引出体的面向尖端的表面由不会形成氧化物的金属制成。

在又一实施例中，所述孔具有小于1L/S的真空流导(vacuum conductance)。

在又一实施例中，所述孔具有小于0.2L/S的真空流导。

在又一实施例中，所述孔的一侧上的气压在10^-2至10^-3托的范围内或在10^-2至10^-3毫巴的范围内，其中，所述孔的另一侧上的气压在10^-5至10^-7托的范围内或在10^-5至10^-7毫巴的范围内。

就本公开而言，压力范围是由非SI单位“托”定义的，其可由“毫巴”代替。

在气体场离子源的又一实施例中，尖端与引出电极之间的距离被选择为使得引出孔所对的角为15至40度的半角。

在又一实施例中，尖端与引出电极之间的距离被选择为使得引出孔所对的角为20至25度的半角。

在又一实施例中，尖端与引出电极之间的距离被选择为使得引出孔所对的立体角在0.38球面度和0.59球面度之间的范围内。

在又一实施例中，气体场离子源还包括低温冷却系统，所述低温冷却系统被配置成至少将气体供应器的输出管冷却至低温。

在又一实施例中，气体场离子源还包括加热器以加热气体供应器的输出管。

在又一实施例中，气体场离子源还包括加热器，所述加热器被配置成加热所述壳体。

在又一实施例中，气体场离子源还包括布置在壳体内的化学吸气剂。

在又一实施例中，气体场离子源还包括壳体处的舌形阀。

在又一实施例中，气体场离子源还包括气体输送系统的通向壳体外部空间的旁通线路。

根据另一方面，本公开涉及一种气体场离子源，包括外壳体、布置在外壳体内的内壳体、布置在内壳体内的导电尖端以及将一种或多种气体供应至内壳体的气体供应器。气体供应器可具有末端位于内壳体内的管。此外，可设置引出电极，所述引出电极具有孔，以允许在尖端附近产生的离子穿过所述孔进入外壳体；并且可在内壳体和外壳体之间布置舌形阀，舌形阀被配置成在其打开时增加从内壳体至外壳体的气流。

根据一实施例，气体供应器可被配置成在第一操作模式下供应第一惰性气体，而在第二操作模式下供应第二惰性气体。

根据另一实施例，第一气体是氦，第二气体是氖。

根据另一方面，本公开涉及一种操作气体场离子源的方法，其中，气体场离子源包括外壳体；布置在外壳体内的内壳体；布置在内壳体内的导电尖端；气体供应器，用于将至少两种不同气体供应至内壳体，所述气体供应器具有终结于内壳体内的管；引出电极，具有孔，以允许在尖端附近产生的离子穿过所述孔进入外壳体；以及舌形阀，布置在内壳体和外壳体之间，被配置成在其打开时增加从内壳体到外壳体的气流。该方法包括在气体场离子源的操作期间保持舌形阀闭合的步骤以及当在带电粒子束源以所述至少两种气体中的第一种气体操作和以所述至少两种气体中的第二种气体操作之间进行切换时打开舌形阀的步骤。

附图说明

在下文中，参考附图描述实施例的细节。

图1示出带电粒子束系统的机械装置的截面图；

图2示出图1的带电粒子束系统的粒子室的放大截面图；

图3示出气体场离子源的放大截面图；

图4示出包括真空系统的带电粒子束系统的概图；

图5示出气体场离子源的外壳的三维图；

图6示出以惰性气体(比如氖)操作的气体场离子源的清洁过程中的各步骤的流程图；

图7示出调节尖端顶点的流程图；

图8示出电动漏泄阀；

图9示出关于调节气体场离子源的空气流的流程图；

图10示出具有电子装置的气体场离子束系统的原理概图；

图11A和11B示出气体场离子源发射器尖端的图像；

图12示出具有热屏蔽件的气体场离子源的横截面；以及

图13A和13B示出允许气体交换的热屏蔽件的实施例。

具体实施方式

图1中的带电粒子束系统1包括样品室10，样品室定位并安装在又大又重的桌台5上。桌台5可以是花岗岩板或由混凝土制成的板。桌台5本身支撑在许多第一支柱(leg)3a和3b上，图1中示出其中两个支柱。第一支柱3a、3b设计成定位在地板2上。第一支柱3a、3b中的每一个包括或支撑第一振动隔离构件4a、4b以避免振动从地板传输至桌台5。

样品室10经由许多第二支柱18a、18b支撑在桌台5上，第二支柱中的每一个包括或支撑第二振动隔离构件9a、9b。这些第二振动隔离构件9a、9b用于减少或避免振动从桌台5传输至样品室。桌台5的这种振动可源于机械真空泵17，例如涡轮泵，其牢固地附接或安装在桌台5上。由于桌台5的大质量，由机械泵17产生的振动振幅(vibration amplitude)得以极大地减小。

机械泵17功能上地连接至样品室10。对于该功能连接，泵17的抽吸端口经由两个柔性波纹管部分6、8连接到样品室10，硬管7或紧凑的真空法兰位于两个柔性波纹管部分之间。从泵17到样品室的整个线路形成“柔性波纹管部分-硬管-柔性波纹管部分”的一系列布置。该布置用于进一步削弱振动能量，并减少从桌台传输至室的振动。当中间管的质量较大时，室的振动可进一步减少。如果有能量吸收材料接触波纹管或管，则室的振动可进一步减少。如果有管和波纹管的机械共振，其在由泵17导致的频率下优先吸收并消散振动能量，则室振动可进一步减少。

在稍后描述的特别实施例中，带电粒子束系统可具有多于一个的机械泵，尤其是两个涡轮分子泵。作为减少振动对图像质量的影响的方法，两个涡轮分子泵(或者如果有多于两个涡轮分子泵，则所有涡轮分子泵)借助一对相继的柔性波纹管连接到带电粒子束系统。带电粒子束系统可具有两个涡轮分子泵，一个用于室，一个用于枪(gun)。

双波纹管布置用于防止泵的旋转频率(例如900Hz或1kHz及它们的谐波)内固有的振动传输至显微镜。涡轮泵本身牢固地安装到针对大质量和固有阻尼能力而选择的大的花岗岩平台(桌台5)，这用于将花岗岩上的可测量振动减少至纳米或亚纳米级。通过两个相继波纹管序列(硬管位于其间)进一步减少了传输至显微镜的振动。在样品室10或在带电粒子源区域中测量的涡轮振动通常低于亚纳米或亚埃级。如此，可在不使图像质量不利地变坏的情况下获得合适的泵送速度(例如200升/秒的真空泵送速度或更大)。

样品室10具有真空密封壳体19。管状延伸部11牢固并不可拆卸地安装到样品室10的壳体19。管状延伸部11可由焊接到包围样品室10的壳体19的剩余部分的金属管形成。或者，管状延伸部可以是室壳体本身的一体部分。

带电粒子柱12安装在管状延伸部11内。由此，带电粒子柱12包括图1中未示出的透镜、光圈(diaphragm)和束扫描系统。通过将带电粒子柱12的组件直接安装在样品室10的壳体19的管状延伸部内，可以避免或至少减少带电粒子柱的组件与布置在样品室10内的样品台20之间的机械振动。

包括带电粒子源的模块附接在样品室的壳体19的管状延伸部11上。该模块包括具有上球形表面的下壳体部分16，上球形表面形成两个轴倾斜安装件的一部分。此外，该源模块包括上壳体15，带电粒子发射器安装在上壳体中。在所示情况下，带电粒子源是气体场离子源，带电粒子发射器14是导电尖端。上壳体15还具有形成两个轴倾斜安装件的第二部分的球形表面部分。借助该倾斜安装件，保持带电粒子发射器14的上壳体部分15可相对于带电粒子柱12绕两个轴倾斜，以对准由带电粒子发射器14发射的带电粒子的发射轴与由布置在带电粒子柱12内的带电粒子组件限定的光轴。

倾斜安装件可设计为空气轴承，使得上壳体15的球形表面或下壳体16的球形表面中的任一包括小通道(未示出)，经由该小通道可提供空气流，其提升上壳体，使得上壳体易于相对于下壳体移动。通过使空气流停止，上壳体和下壳体通过上壳体和下壳体之间的强大摩擦力保持在一起。

在图2中，更详细地示出具有管状延伸部的样品室10的壳体19。安装在管状部分11中的带电粒子柱12包括几个光圈22、偏转系统23和物镜21，带电粒子束可通过物镜聚焦在样品上，并在样品上扫描，样品可定位在样品室10中的样品台(在此未示出)上。在带电粒子束系统是气体场离子束系统的情况下，透镜21和偏转系统23是静电组件，通过因施加于系统各部件的不同静电势而产生的静电力，该静电组件作用在离子上。此外，带电粒子柱12包括第一压力限制孔24和第二压力限制孔25，它们形成定位有发射器尖端14的真空区域和样品室10之间的中间真空区域(中间柱区域70)。带电粒子柱12的靠近气体场离子源的发射器的组件是形成聚光透镜的一部分的电极26，跟随聚光透镜的是偏转器27，用于对准来自气体场离子源的波束与由沿束传播方向向下行进至样品室10的带电粒子光学组件限定的光轴。

在图3中，示出紧凑的气体场离子源的设计。该气体场离子源设计有双套式绝缘体。这是紧凑的设计，同时仍提供高电压、可变束能量和气体密封(gas containment)。该设计由几个部分构成。第一部分是导热(例如铜)基底平台31，其接地并通过柔性热导体32(例如铜带或铜编织物)直接连接和热连接至低温冷却系统52。热导体32的柔性允许整个气体场离子源倾斜，并使任何振动传输最小。编织物的导热性允许它们还加热气体场离子源，作为周期性维护程序。

低温冷却系统可以是填充有液氮和/或固氮的杜瓦瓶。或者，低温冷却系统可以是填充有固氮的杜瓦瓶。杜瓦瓶可包括加热器73c，通过加热器可加热杜瓦瓶和基底平台31。或者，低温冷却系统可以是机械致冷器。

中央管状高压绝缘体33(例如由氧化铝或蓝宝石制成)附接至该接地基底平台31，并机械地支撑形成气体场离子发射器的导电尖端34。中央管状绝缘体33提供相对于基底平台31的超过30kV的电绝缘。该中央绝缘体33具有一个或多个开口，用于连接必需连接到导电尖端34的高压引线35、36，以提供操作尖端34作为气体场离子源的必要高压，还供应加热尖端34的加热电流。

围绕中央绝缘体33的外部管状圆柱形绝缘体37也附接至基底平台31。外部管状绝缘体37机械地支撑引出电极38，并还提供多于(高于)30kV的电绝缘。

引出电极38设计有小孔39(例如1mm、3mm、5mm直径)，该小孔通过设计与尖端34的顶点相距小距离(例如1mm、3mm、5mm)。基底平台31、中央绝缘体33、外部圆柱形绝缘体37和引出电极38一起限定出内部气体限制容器41。与内部气体限制容器41外部的区域相比，穿过引出电极的孔39的真空传导或泵送速度可相对较小，以支持导电尖端34区域中的相对高压。仅用于使气体逃逸的通道是上述引出孔、气体输送路径40和泵送阀42。气体输送路径穿过小管40，其从供应瓶经由接地基底平台31传到内部气体限制容器41。泵送阀42可以安装在基底平台31上，或者结合进气体输送路径40中。

带电粒子源的所有上述组件支撑在基底平台31上，基底平台由安装到外部真空容器(图1中的15)上部的坚硬但非导热支撑结构(未示出)机械地支撑。外部真空容器的上部被允许倾斜达到5度的小角度，该倾斜经由凹球面与位于下外部真空壳体(图1中的16)中的对应凸球面的界面。

离子吸气剂(getter)45布置在内部气体限制容器内。通过在气体限制容器41内部包含化学吸气剂45可在内部气体限制容器中获得改进的真空。在烘烤气体场离子源时激活这些化学吸气剂45。加热器73b设置成加热化学吸气剂45。在2小时内将化学吸气剂45加热至约200℃温度期间且在冷却这些组件时，化学吸气剂45留下许多化学活性材料(比如Zr、V、Fe和Ti等)，它们用于有效地泵送许多寄生的气体种类(spurious gas species)。吸气剂可直接涂覆在现有部件(例如外部圆柱形绝缘体37)的表面上，或者它们可以是附接至形成内部气体限制容器的内表面的带状材料。化学吸气剂对于氢的泵送速度是重要的，因为在可能的杂质中，氢不能有效地被已冷却至低温的表面低温泵送。内部气体限制容器41中的这些化学吸气剂45还十分有效地用于输送的氦气和氖气的进一步净化。作为惰性气体，氦和氖不受影响，而所有杂质被有效地泵送。在它们的周期性再生期间，可通过打开针对性制成的旁通阀42(舌形阀)而以改进的方式泵送走散发的气体(evolved gas)，旁通阀将内部气体限制容器41连接到外部气体容器81。

内部气体限制容器41可由辐射屏蔽件包围，辐射屏蔽件使从外部容器壁(处于室温)传递至离子源的辐射热最小。内部气体限制容器41还可容纳光学透明窗口，其允许从内部真空容器外部直视发射器的尖端34。外部真空容器中的对准的窗口允许相机或高温计观察气体场离子源发射器尖端。这种相机可检测所述源或监控其在周期性维护期间的温度。这些窗口中的一个或两个可包括含铅玻璃(leaded glass)，以使从内向外的X射线辐射传递最小。基底平台31由于其高导热率还很好地适用于温度传感器，比如热电偶。

如稍后将进一步更详细描述的，气体供应管40可包括加热器73a。

气体场离子源在基于发射器尖端34的几何形状而设立的电压下运行。几何形状包括诸如发射器尖端34的平均锥角和平均曲率半径等因素。

上面提及的设计的优点是小质量和小体积。这些均允许更快地热循环，并减小冷却负载，降低成本，减小复杂性。此外，紧凑设计允许快速改变惰性气体(气体场离子源以惰性气体来运行)。特别地，内部气体限制容器41的紧凑设计允许在用氦操作气体场离子源和用氖操作气体场离子源之间快速切换。

在理想的操作条件下，发射器尖端34的顶点大致是球形的(例如具有50、100或200nm的直径)。事实上，球形表面更好地描述为近似为球形的一系列平面分面。在发射器尖端34的顶点附近，末端形式更好地近似为三个平面分面，它们相交在单个顶点处，形成三面棱锥。棱锥边缘可以是相对的浅角(例如与发射器轴成70或80度)。棱锥的脊和顶点在原子水平是有些倒圆的，使得没有单个原子的脊或没有单个原子的顶点。

在理想操作条件下，在顶点处有发射器材料的三个原子，它们形成等边三角形。这三个原子(在下文中称为三聚体)突出最多，因此当对尖端施加相对于引出电极的正电压(例如20kV、30kV、40kV)时，产生最大电场。在存在氦气或氖气时，中性原子可仅在这三个原子上方被场电离。在相对高的气压下(10^-2托或10^-3托的局部压力下)，电离可在每秒10⁶或10⁷或10⁸个离子的速率下发生。在理想情况下，稳固的离子流在时间上是恒定的，并长期存在(persists indefinitely)。

实际上，在用氦操作的典型条件下离子发射可呈现100pA的发射电流，其可持续10或更多连续天，并显示出上下波动(毫秒时间量程内0.5％量级或更快)。发射电流的逐渐损耗在未校正的情况下可以每天10％的速率发展。氦性能(或用氦操作的性能)稍微受至气体纯度(可以是99.9990％或99.9999％纯度或更好)的影响，没有氦的基础真空的质量通常为2x10^-9托、1x10^-9托、5x10^-10托或甚至更好。

如上所提及的，在本说明书的范围内使用单位“托”，其可由“毫巴”代替。

当用氖操作气体场离子源时，与用氦操作气体场离子源的情况相比有几个复杂情况。部分地，氖离子更大，因此能够导致以50倍于氦的速度溅射。当氖离子撞击邻近表面时，溅射的原子可以带负电荷(例如负二次离子)，如此，它们可加速返回至发射器34，并导致损害发射器34。部分地，氖气在氦气可商用的相同纯度等级(例如99.9999％纯度)下是不能商用的(例如在压缩气体瓶中)。这些杂质的影响稍后讨论。但是更重要地，当发射器34用氖来操作时，发射器34应当以稍微减小的电压操作。例如，如果对于氦而言40kV是最佳的，则相同的发射器尖端在30kV下会给出最佳的氖发射电流。在该减小的电压下，电场类似地减小，寄生原子(部分真空(imperfect vacuum)的残留气体或气体供应中的杂质)能够以更高速度到达发射器34。场强仅减小25％似乎允许呈指数增加的这些大量寄生原子(不是氦和氖)到达发射器。这些寄生原子(例如H₂、N₂、O₂、CO、CO₂、H₂O等)可干扰氖到达气体场离子源的尖端的可行性，并因此导致短期和长期的发射不稳定性。寄生原子还可促进蚀刻发射器材料，从而导致发射器材料的形状随时间逐渐改变，这会逐渐减小离子发射电流，并会逐渐减小最佳操作电压。寄生原子还可导致发射器尖端34的一个或多个原子更易于场蒸发，导致突然的发射下降。

为了产生稳定的氖束，或者具有质量比氖大的原子的惰性气体离子束，引出电极的成分十分重要。特别地，面向发射器的表面是重要的。气体场离子源的尖端34构造成很靠近邻近的引出电极38(其中有小孔39)。离子源34的尖端和引出电极38被施加有电压。电压之差产生电场，该电场在发射器尖端34顶点附近很大。引出电极38的成分由不会通过氖束溅射且不会形成负离子的材料(例如碳、铁、钼、钛、钒、钽)制成。此外，引出电极38的面向尖端34的表面的成分由易于清洁且对超高真空具有低除气率(outgassing rate)的材料(例如不锈钢或无氧铜)制成。该表面(尤其是最靠近发射器尖端34的表面)还可具有平滑度(通过机械抛光或电抛光实现)以造成镜状抛光(mirror like finish)。此外，引出电极38的面向发射器尖端34的表面的材料可具有十分低的负二次离子溅射产量(sputter yield)(例如金和无氧化物的其它材料、镍)。负二次离子的低溅射产量减小了产生负二次离子的频率，负二次离子可加速返回发射器以导致损坏发射器(或导致损坏影响)。二次电子产量可以低至每入射氖离子10^-5。

为了产生稳定的氖束，引出电极38的精确形状因为几个原因而是十分关键的。特别地，引出孔39的形状是关键的。对于引出电极中的孔存在几个设计标准，最佳形状是几个相互冲突的需求的平衡。首先，为了限制电离气体(氦或氖)，孔应当比较小，使得惰性气体在靠近发射器尖端34顶点的内部气体限制容器41中维持在相对高的压力(10^-2托和10^-3托之间的范围中)下，并允许压力在内部气体限制容器41外部显著下降至10^-5托和10^-7托之间的范围中。减小内部气体限制容器41外部的压力对于使期望的高能量离子从低能量中性气体原子中散射出的速度最小是关键的。该散射可以产生非期望的束尾(beam tails)，甚至允许一些离子变为中性。因此，引出电极38中的孔39的真空导率(vacuum conductance)是关键的。真空导率以升/秒测得，并且是用于确定压力如何从孔39的一侧(内部)下降至孔39的另一侧(外部)的标准测量值。

此外，如果引出电极38中的孔39过大，则气体场离子源的发射器尖端34会辐射暴露于较暖的表面。气体场离子源的发射器尖端34和引出电极38维持在-210℃和-190℃之间的范围中的低温。如果引出电极38中的孔39过大，则气体场离子源的发射器尖端34会由于不是低温冷的反而处于室温(例如+20℃)的较大表面区域而变暖。总体而言，低温冷表面有效地捕获寄生气体原子，暖表面不会有效地捕获气体原子。

然而，有要求引出电极38中的孔39不能过小的相反原因。例如，如果孔39过小，则制造孔并保持该孔的清洁至支持高真空和高电场(孔在其中起作用)所必需的级别是有挑战性的。此外，发射器尖端34应当相对于引出电极38中的孔39定中心在引出孔39的直径的10％内。因此，如果孔过小，则难以相对于发射器尖端34以对称方式定位孔。

此外，引出孔的角尺寸相对于离子发射器尖端34的顶点不能过小。换言之，如所看见的，引出孔39的立体角相对于发射器尖端34是一定的尺寸。该要求源于离子发射的图案。发射器本身的尖端34倾向于发射具有相当窄的圆锥(具有2度的半锥角)的离子。然而，普遍的是具有在显著较大的角度下的无关发射。发射器形状的性质是，相对于发射器轴的20度角的高无关发射是非常普遍的。期望的是，这些发射的离子不会撞击引出电极38，以避免损坏引出电极38，或者产生会损坏发射器尖端34的负二次离子。此外，无关离子发射可用于释放出任何被吸附物，被吸附物可传递到发射器，并导致来自发射器尖端的不稳定离子发射。因此，引出电极38中的孔39的角尺寸以及发射器尖端34与引出电极38之间的距离选择成使孔的角度约为20度或大于20度。

应认识到一些重要性，内部气体限制容器41具有十分良好的基础真空，或者等同地，没有寄生吸附原子(例如除期望的工作惰性气体(比如氦或氖)之外的原子和分子)，这种寄生原子和分子可以是H₂、N₂、H₂O、O₂、CO、NO、CO₂等。作为说明，内部气体限制容器41中的基础真空的压力是当关闭向内部气体限制容器供应气体(尤其是供应氦气和氖气)时在内部气体限制容器41内可测得的压力。期望压力是10^-10托或更高。在4×10^-10托的压力下，在背景气压较低时，初始清洁的表面覆盖寄生吸附原子至一个单层厚度会花费约1小时。这种吸附原子导致离子源的不稳定性。因此，意在获得最好可能的基础真空。为此，气体场离子源的整个壳体构造成根据超高真空(UHV)程序来清洁。容纳气体场离子源的尖端34的内部气体限制容器41构造并准备用于UHV维护。

图4示出可以离子束的两种不同惰性气体(在该具体情况下为氦或氖)操作的气体场离子显微镜的原理。气体场离子显微镜具有位于显微镜壳体19内的三个真空区域。第一真空区域是样品室10，第二真空区域是中间柱区域70，而第三真空区域是容纳气体场离子源的外部真空容器81。中间柱区域70定位在外部气体容器81和样品室10之间。

如上所述，样品室通过安装在桌台5(图4中未示出)上的涡轮分子泵17而抽空。外部气体容器81还通过机械泵60而抽空，机械泵也可以是同样安装在桌台5上的涡轮分子泵。机械泵60与抽空的外部气体容器81之间的连接可设计成类似于泵17与样品室之间的连接，即泵60与外部气体容器81之间的连接还可包括两个柔性波纹管，硬管或紧凑真空法兰位于其间。

中间柱区域70通过第一压力限制孔54与外部气体容器81隔开。以类似方式，中间柱区域70通过第二压力限制孔55与样品室10隔开。中间柱区域70由离子吸气泵56抽空。这提供了以下优点，离子吸气泵56不会产生任何振动。

离子吸气泵56连接到控制器59并由控制器控制。控制器59操作离子吸气泵56，使得离子吸气泵56在气体场离子源运行和/或惰性气体被供应到内部气体限制容器41的任何时刻关闭。

抽空中间柱区域70的离子吸气泵56经由法兰72附接至中间柱区域。在法兰72中设置阀57，当离子吸气泵56需要更换或维护时或者当离子吸气泵关闭时或者当离子吸气泵不应抽空中间柱区域70时，阀57闭合。如此，离子吸气泵56的更换或维护可在不会使中间柱区域70通气的情况下进行。

离子吸气泵56包括加热器58，加热器也连接到控制器59并由控制器控制。通过加热器58，离子吸气泵56可被加热，以从离子吸气泵56释放惰性气体和其它被吸附物，从而清洁离子吸气泵。

外部气体容器81包括压力测量装置82，压力测量装置也连接到控制器59。例如通过具有软件程序的计算机，控制器59构造成仅在外部气体容器81内的压力低于预定压力值时(即，当压力测量装置82的输出信号指示出外部气体容器81中的压力低于预定压力值时)才启动离子吸气泵56。如此，离子吸气泵56的寿命可延长。

如上参考图3所述，气体场离子源布置在外部气体容器81内。在图4中，仅示出形成内部气体限制容器41的气体场离子源的组件，即基底平台31、外部管状绝缘体37和具有引出孔39的引出电极38。图4还示出位于内部气体限制容器41内的吸气剂45。

图4还示出舌形阀42，舌形阀的驱动器43也连接到控制器59并由控制器控制。如果期望快速抽空内部气体限制容器41，例如如果期望在利用氦操作以产生氦离子束和利用氖操作以产生氖离子束之间改变气体场离子源41的操作，则舌形阀42可由其驱动器43打开。

气体场离子显微镜包括冷却装置，例如杜瓦瓶52，利用冷却装置冷却发射器尖端以及气体供应管40和基底平台31。图4中未示出的是杜瓦瓶52与冷却的组件(比如基底平台31或气体供应管40)之间的热连接。杜瓦瓶52包括真空套以使构造为填充有致冷剂的杜瓦瓶内室与外界隔离。经由杜瓦瓶套层阀和真空线路，杜瓦瓶套连接到样品室10。如此，真空套中的真空可以在样品室的压力下维持。如果任何工艺气体供应至定位在样品室中的样品，如果所述室通气或者总体上室压高于预定压力值(例如10^-6托)，则杜瓦瓶套层阀可以闭合。通过闭合杜瓦瓶套层阀，可以避免可压缩(condensible)气体累积在杜瓦瓶套中。

图4所示气体场离子束系统的气体供应系统包括两个气体瓶61、62，一个包括氦，一个包括氖。两个气体瓶具有压力调节器，以确保压力调节器之后的气体供应线路中的恒定气压。在继压力调节器后的两个气体供应线路中，每个气体供应线路包括漏泄阀63、64。漏泄阀63、64确保相应惰性气体从气体瓶61、62到管40以及由此到内部气体限制容器41中的恒定气流。

在从气体瓶61、62到管40的气流方向上，两个气体供应线路连接起来。在气流方向上，在结合的气体供应线路中，在气体供应线路连接到终止于内部气体限制容器41中的管40之前，净化器65和气阀68接着布置。

气体供应线路包括具有旁通阀67的旁通线路66，以直接连接气体供应线路与真空室10。

而且，加热器73a设置在气体供应管40上，气体供应管40通过加热器加热。

当以高氦或氖气流操作气体场离子束系统几天时，气体场离子源的操作可包括允许低温泵送表面(即，基底平台31、气体供应管40、引出电极38、绝缘体33、37和发射器尖端34)以暂时变暖的步骤。由于该变暖，可释放出积累的低温吸附原子，然而经由涡轮分子泵17、60泵送走该低温吸附原子。此外，将惰性气体(比如氦气或氖气)从外部气体供应瓶61、62供应到发射器尖端34附近的气体输送管40可以低温地冷却。这用于通过允许将杂质(例如，H₂O、CO、CO₂、N₂、O₂等)低温泵送至管40的表面而净化所供应的气体。为了清洁管气体供应的管40的表面，与将其它低温泵送表面加热至至少100℃温度、更优选150℃或甚至200℃温度类似，可通过加热器73将所述管40的表面周期性地加热至高温，以允许释放这些积累的被吸附物，并经由涡轮泵60、17泵送走该被积累的被吸附物。

气体输送管40具有位于1mm和6mm之间的内直径。气体输送管40将外部气体输送系统经由外部气体容器81的壁一直连接到内部气体限制容器41。气体输送管40具有旁通阀67，以促进解除吸附的气体的排出。旁通阀67防止解除吸附的气体被很大程度上捕获在内部气体限制容器41中。旁通阀67可以完全位于真空壳体外部，或者结合进内部气体限制容器41中。

应明白，有利的是，通过三种技术之一周期性地清洁吸附原子的发射器尖端。三种技术之一是周期性地加热发射器尖端34，同时保持形成内部气体限制容器41的组件在1分或更长的时间内处于低温，例如300℃的温度或更高。加热发射器尖端34可导致热激发积累的吸附原子，使得它们释放并传递至不太关键的包围表面。那些表面(主要是冷的引出电极38的表面)会保持吸附原子，并减少传递回发射器尖端34的可能性。

或者，除了加热发射器尖端34，可使用聚焦在发射器尖端的强光来光释放所积累的吸附原子，因此使发射器尖端34清洁并适于稳定的离子发射。

作为另一替代例，可增加发射器尖端34与引出电极38之间的电压差，使得电场导致释放所积累的吸附原子。例如，如果在气体场离子源运行期间，发射器尖端34与引出电极之间的电压差对于氖发射标称为30kV，则场可增加至32kV，更优选地35kV或40kV，以去除被吸附物。

可通过观察发射图案和观看单独被吸附物的效果来评价这三种上述技术之一的要求。或者，可通过观察来自发射器尖端34的任何不稳定发射来评价这三种技术之一的要求。

图11A和11B示出发射器尖端的相应场离子显微镜图像。图11A示出中央三聚体发射图案。三聚体原子是最亮的，而来自非三聚体原子发射位置的发射也是可见的。标称地，枪倾斜被调节成这三个中央发射束之一向下瞄准离子柱。在理想操作期间，发射图案随时间变化十分稳定且恒定。然而，由于非理想真空条件或气体纯度，非期望的原子或分子可吸附在发射器上，如图11B中的较大亮点所示。可以有规律地监测这些发射图案，以寻找这种吸附分子或原子的变化。非期望的吸附原子可位于三聚体原子上，或者位于非三聚体原子之一上，或者位于不同位置处。被吸附物的效果是，在被吸附物继续位于那里时，来自三聚体的发射电流会减小或增加。因此，可应用所述技术直到去除被吸附物且发射图案采用初始期望外观为止。

如上所述，到达气体场离子源的发射器尖端的少量寄生气体原子可导致发射束在强度上上下波动或逐渐并日益减小。这些效果可通过为此目的设计的气体歧管(gasmanifold)(或气体输送系统)以及优化性能的操作程序来减少。气体输送系统包括旁通阀，其允许气体输送线路被排空，用作利用氦气或氖气准备其用途时的清洁工艺。气体输送硬件备有针对UHV维护设立的材料和方法。气体输送系统装配有结合的加热器，所述加热器可将气体歧管加热至高温(比如150℃、200℃或甚至400℃)达8小时、12小时或甚至16小时范围内的长时间段，以有助于释放任何真空污染物。在该加热时间期间，通向内部气体限制容器41的线路中的阀68闭合，通向样品室10的管66中的旁通阀67打开。结果，散发的气体被泵送走至样品室10，在样品室中，散发的气体的影响不重要。在气体歧管通向大气之后(例如，在诸如瓶更换或阀更换的维护活动之后)或者当发射稳定水平需要改进时，烘烤过程可重复进行。化学活性净化器65还可作为气体歧管的一部分而结合，以减少常见杂质。通过用于净化器的专用加热器，可在100℃、200℃或甚至300℃或者在室温下或者在任何期望温度下热操作净化器。净化器的加热器可由DC电源供能，使得没有来自60Hz或50Hz磁场的干扰。气体歧管还可包括压力计69，以在气体被输送至内部气体容器之前监控精密漏泄阀下游的压力。

气体场离子源的内部气体限制容器具有内置阀(built in valve)，即“舌形阀”42，当打开时，其连接内部气体限制容器41与外部气体容器81，并允许内部气体限制容器体积的泵送速度从约1升/秒(当唯一开口穿过引出孔39时)增加到22升/秒(当额外阀打开时)。使用该阀可有助于获得低基础压力，这有助于稳定的氖发射。使用该阀还可加速在切换至另一种气体(例如氖)之前净化一种气体(例如氦)所需的时间。该阀可直接安装到内部气体限制容器，或者其可位于更远的位置。该阀还可结合进气体输送线路40中。

可设置低温连接，其还用作从气体供应瓶到内部气体限制容器的气体输送管。益处是，到内部气体限制容器有较少的连接，对于维护，连接和拆卸更容易。另一益处是，气体路径适当地变冷，以提供氦气或氖气中的任何杂质的低温泵送。另一益处是，当杜瓦瓶被加热时，气体输送管被适当地加热，以释放杂质。

内部气体限制容器可以经由柔性导热元件32(图3中示出)加热和冷却。柔性导热元件的终端是安装到低温冷却器的加热器。当杜瓦瓶填充有致冷剂时，其用于保持气体场离子源冷却。当杜瓦瓶未填充有致冷剂时，加热器可被供以动力，以加热杜瓦瓶和形成内部气体限制容器的组件。该设计是特别有利的，因为杜瓦瓶和内部气体限制容器在热学上相似，在它们之间获得温差是不容易的。在烘烤这两个部件期间，所需功率为约25瓦特，杜瓦瓶上所达到的温度为130℃，形成内部气体限制容器41的组件的温度为110℃。

为了减少因样品的充电而引起的图像中的充电产物(charging artifact)，可设置提供电子束的读数电子枪(flood gun)，其允许大于1keV、大于1.5keV或甚至大于2keV的范围中的相对高的能量。对于许多样品，较高的能量是期望的，以更好地减少充电产物。

作为减少振动对图像质量影响的方法，一个或多个涡轮分子泵可由离子吸气泵代替。涡轮分子泵通常是昂贵的。由于它们的内部旋转部件，涡轮分子部件倾向于对带电粒子束系统施加振动，并使图像质量变差。一种减少成本并消除涡轮振动的方式是用吸气离子泵(又名，离子泵)代替它们中的一个或多个。吸气离子泵(或离子吸气泵)依靠两个泵送机构。第一方法是化学吸气以泵送化学活性物。第二方法是直接掩埋(bury)原子。第二方法作用于包括惰性气体原子的任何气体分子，而第一方法不能作用于惰性气体原子，因为它们是化学惰性的。通过将活性物结合到反应材料(其通常是钛或钽的组合，并通过吸气离子泵而刚刚(freshly)蒸发)可实现吸气效应。通过电离分子(通过电子撞击)和用大电场将得到的离子加速至3keV或5keV或10keV的能量而实现直接掩埋。然后，离子撞击邻近表面(钛或钽)，并注入表面中达10至100nm的典型深度。在掩埋时，气体种类不再用于返回真空容器。伴随着直接掩埋的是溅射效应，在溅射效应中，化学未反应钛或钽分子溅射走，以变得可用于随后的化学吸气。然而，已知离子泵具有用于惰性气体(比如氦和氖)的有限泵送速度，因为(1)它们在化学上是相对惰性的，因此大部分通过直接掩埋而被有效地泵送，并且(2)由于它们的高电离能，它们不易电离，以及(3)由于它们的活动性及表面的逐步侵蚀，它们可逐渐从掩埋状态扩散出。为了克服离子吸气泵在惰性气体环境中的有限寿命的缺点，当现有气体主要为惰性气体时，比如当气体场离子源运行时，它们可关闭。或者，吸气离子泵可与涡轮泵一起工作，其中，离子吸气泵仅抽空带电粒子束柱中的小中间真空空间，对离子吸气泵的气体负载由光圈限制。

当烘烤气体场离子源以获得期望的真空级别时，有用的是遵循特定时间顺序，如参考图6所述。在第一步骤610，将外部真空壳体、内部气体限制容器41和气体场离子源的发射器尖端全部加热至至少100℃，更优选地150℃或甚至200℃的高温。对于所有组件，该加热可同时进行。然而，当起先完成加热过程时，在步骤611，允许将外部真空壳体冷却至室温。在冷却外部真空容器期间，继续加热内部组件，比如内部气体限制容器41和气体场离子源的发射器尖端。然后，在将外部真空壳体冷却至室温之后，在步骤612，将形成内部气体限制容器的组件冷却至低温，同时仍继续加热气体场离子源的尖端34。然后，在最后步骤613，在将形成内部气体限制容器的组件冷却至低温之后，停止加热离子发射器，使得气体场离子源的尖端34维持至低温。其它温度对时间的计划可导致气体场离子源的尖端在材料从周围表面释放时吸附材料。

例如，控制器59可通过相应软件编码构造成控制多种加热器73a、73b、73c、58和穿过发射器尖端的供应线的加热电流，以确保上述加热和冷却计划。

表现为图像振动的束着靶误差可例如通过消除随时间变化磁场和电场来减少，随时间变化磁场和电场导致离子束着落在错误位置。总体而言，电子和离子显微镜由标准60Hz和50Hz电力系统供能。这些“AC”电源意外地在束控制电子装置上产生小波纹电压，并且这些可导致非期望的束着靶误差。例如，束操纵电极(beam steering electrode)上的5mv的60个波纹会导致波束以时间变化的方式错失其期望目标。或者，“AC”电源可产生磁场，磁场对带电粒子束直接施加力，再次产生随时间变化的着靶误差。例如，5毫高斯振幅的50Hz磁场可导致多于1nm的随时间变化的着靶误差。通常，这些“AC”电源给包括并支撑显微镜的单独组件提供动力。示例包括涡轮泵、离子泵、真空计、加热器、机械台电机、高压电源、丝加热器、皮可安培计、室照明器、检测器、读数电子枪、相机、DC低压电源等。这些系统中的大部分是不可用的，除了具有AC功率输入的。换言之，等同的DC供能等同物通常是不能商用的。然而，已显示出，期望设计在显微镜的3米内不具有AC供能组件源(50Hz或60Hz)的气体场离子显微镜。这可通过两个方法实现：第一，位于显微镜3米内的所有组件可设计、指定或修改成仅用DC电源或气动致动器操作。第二，需要AC电源的不具有可替代例(例如DC电源)的少量物件可布置成远离显微镜至少2米，优选大于3米。例如，气体场离子显微镜可具有由DC至DC变压器局部产生的高电压。一些加热元件由DC电源操作。如果在操作显微镜时可关闭一些AC加热器，则可使用该一些AC加热器。顾客可根据他们的喜好选择将操作员控制台(具有其自身的AC供能计算机和监控器)放置成靠近或远离显微镜。

位于样品室10内的样品台20包括具有高可重复性(小于2微米)、低漂移(小于10nm/分)和低振动(<1nm)的5轴电机控制台。台轴(按从室安装表面19至样品的顺序)为：倾斜、X、Y、旋转和Z。倾斜轴可使样品从-5度极限倾斜至0度(当气体场离子源束正交地撞击时)，倾斜至+54度(镓束正交地撞击样品时)，倾斜至+56度的极限。为了对于所有上方轴(superior axes)的所有重量(weight)的情况下实现大倾斜范围，需要具有最小净力的显著大的扭矩。该倾斜轴由位于真空外部的常规DC或步进电机以密封的旋转馈通装置(hermetic rotary feedthrough)驱动。所有上方轴由压电陶瓷致动器致动，压电陶瓷致动器提供十分高的刚度(以减少振动)，在未被供能时，提供内在断路。

气体场离子源通过如图5所示电动机构是可倾斜的。该机构设计成当完成运动时，通过分离驱动机构来减少振动。作为说明，气体场离子源可以倾斜小角度(通常为X和Y方向上的1、2或3度)，以对准离子源与柱。部分地，当发射器的精确形状不易于控制时，需要该倾斜。部分地，可需要该倾斜，因为通常三个离子束以约1度的角间距(angular separation)从发射器的顶点发出。发出的离子束之一可为了最佳性能而向下瞄准离子柱轴。气体场离子源的倾斜允许选择的离子束的该瞄准。如上所述且如图5所示，气体场离子源的壳体包括两部分，上部15和下部16。壳体的上部15被限制成以凹球面的方式倾斜，该凹球面与壳体的固定下部16上的相应凸球面配合。球面的中心点布置成其与发射器尖端的顶点的位置一致，从而提供与发射器尖端的顶点同心的倾斜运动。上球面和下球面的界面提供足够的摩擦力，以使两部件在机械上十分刚硬，并没有任何可测量的相对振动。

在如图5所示系统中，通过电动倾斜机构实现上壳体15相对于下壳体16的倾斜。倾斜驱动机构通过固定到下壳体16的固定塔架701而获得，固定塔架使装配在壳体上部15的容座内的桩移动。当桩通过电机702、703(用于X和Y倾斜)的两个正交轴移动时，其与容座的边缘接触，并导致上壳体15在期望的方向上移动。通过空气轴承的致动可再次实现两个球面的相对倾斜。在实现期望的倾斜并使空气轴承停止工作之后，桩在撤退方向上移动，使得其不再与容座的边缘接触。如此，当不再需要运动时，电动轴(和它们可引入的振动)完全脱离。因此，电机702、703在需要时提供倾斜效果，而当它们的服务结束时脱离。此外，值得注意的是，上壳体15(倾斜部件)装配有倾角仪705，其提供对上壳体15相对于重力方向的倾斜的精确测量。倾角仪给操作者和控制枪倾斜电机的控制器提供两个方向(X和Y方向)上的倾角。这允许上壳体的倾斜及相应的离子枪倾斜反复地从一个位置移至另一位置，并再次返回。倾角仪705还防止过度的倾角(例如X方向上的+3度和Y方向上的+3度)，过度的倾角会损坏内部部件(其从竖直方向的总倾斜仅受限至4度)。此外，当需要执行取决于固定相机优势和固定电触头的周期性源维护时，允许上壳体15回复至标准倾角。

参考图7描述调节上壳体倾斜的过程。在第一步骤801中，通过读出倾角仪705提供的实际测量值而存储上壳体15相对于重力方向的实际调节的倾斜位置。在下一步骤802中，控制器59启动上壳体15和下壳体15的两个球面之间的空气轴承的空气供应。之后进行步骤803，其中，启动倾斜驱动器702、703，同时继续读取由倾角仪705提供的实际测量值直到倾角仪705提供上壳体15相对于下壳体16的新调节倾斜位置的期望输出读数为止。当达到新位置时，在步骤804，停止上壳体15和下壳体16之间的空气轴承的空气供应。在步骤805，控制驱动器702、703移入与达到新倾斜位置所需的移动相反的方向，直到桩与容座脱离为止。之后，在步骤806，在上壳体15相对于下壳体处于新倾斜位置的情况下，操作气体场离子束系统。

由于存储了旧倾斜位置，所以在必要时，可通过以驱动器702、703在相反方向上移动来重新执行上述过程直到倾角仪705提供表示再次达到旧倾斜位置的输出信号为止而重新调整旧倾斜位置。当重建气体场离子源的尖端时，可使用该过程，其中，通常，尖端的重建在与操作系统以记录样品的图像或处理样品不同的发射器尖端取向上执行。

作为说明，气体场离子束系统可通过检测因撞击的离子束而离开样品的粒子来产生样品图像，或者以亚纳米精度操纵和改变这些样品。因此，重要的是，离子显微镜可在聚焦的离子束的预期着靶位置没有误差的情况下运行。这种着靶误差可以十分小(例如，小于100nm，小于10nm，或甚至小于1nm)，并仍不利地影响仪器的运行。为了气体场离子束系统的稳定运行，在发射器尖端附近确保适当量的用于气体电离的惰性气体。为了确保适当的惰性气体压力，气体供应系统包括漏泄阀63、64(图4所示和图8详细所示)，其或者由操作者手动地调节至期望流动水平，或者由电动控制系统调节。在任一情况下，基于预先确立的值表确立该调节，预先确立的值表使机械调节(例如手动转动旋钮902或电机位置)与工作气压的目标值有关。如图9所示，气压可从位于外部气体限制容器81中的测量计82或位于气体歧管(气体输送系统，如图4所示)中的测量计69来估值。在任一情况下，可推迟该调节，直到完成显微镜最高精密活动为止。换言之，可以在精密加工期间打断正常控制环路。例如，如果气压超过可容许的范围，则控制器59可经由计算机界面向操作者提供指示906(例如表示“气压未在目标中”的消息)，或者可从绿变红的光指示。操作者可确定现有显微镜活动是否允许校正动作，或者是否应当推迟该动作。供参考，运行中的显微镜的正常气压可由压力计82指示出，压力计可指示出2.0×10^-6托至2.1×10^-6托的范围。如果压力超过该范围，则其可影响进行中的过程的一致性或连贯性。然而，校正动作可更严重地影响进行中的工作的精确度。相应地，如图9所示，控制器59构造成在控制器接收到用户交互907(其确认在该时刻校正穿过针状阀63或64的气流是期望的)之后，其在步骤908仅启动电机904。

到位的漏泄阀可以是结合进气体场离子束系统中的商用手动精密漏泄阀。一个漏泄阀63可设置用于氦气输送系统，一个漏泄阀64可设置用于氖气输送系统，如参考图3所公开的。这些漏泄阀63、64在无进一步修改的情况下手动致动，具有列出常用期望气压的校准表，以相应旋钮转动来达到这些压力。图8示出电动漏泄阀的替代实施例。该电动漏泄阀基于商用手动漏泄阀63、64。在漏泄阀的壳体部903附接有具有心轴(spindle)905的驱动电机904。心轴905作用在手动漏泄阀的手动调节旋钮902上。

或者，可以完全省略手动漏泄阀的旋钮机构，并由压电陶瓷致动器替代手动漏泄阀的旋钮机构。此外，或者，可以省略手动漏泄阀的旋钮机构，并由凸轮型驱动机构替代手动漏泄阀的旋钮机构。

图10示出气体场离子束系统的实施例的电子装置。如上所述，带电粒子束系统包括具有离子发射器(具有导电尖端34)、引出电极38和减速或加速电极110的带电粒子源。在束传播方向下方跟随的是束偏转系统112，通过束偏转系统，离子束可在垂直于其传播方向的方向上偏转，以在定位于样品台20上的样品的表面上扫描离子束。此外，带电粒子束系统包括物镜，物镜包括几个电极107、108、109，以将离子束聚焦在定位于台20上的样品的表面上。

为了相对于由物镜的电极107、108、109的对称性限定的光轴125定位样品，样品台20可沿和/或绕几个轴移动。通常，样品台20具有四个或五个用于移动的自由轴。这五个轴通常是垂直于光轴125的线性移动、沿光轴125的线性移动、绕垂直于光轴125的轴的倾斜或旋转和绕光轴125的旋转。为了驱动所述移动，相应数量的电机驱动器布置在台20处，图10中示出其中两个驱动器105、106。

除了电机105、106，系统包括许多额外的电驱动组件，比如用于漏泄阀的致动器115、用于舌形阀的致动器116、真空泵17、离子吸气泵56、加热器73a、73b、73c等。为了给所有这些驱动器(需要在带电粒子束系统的运行期间运行)提供动力，所有这些电动驱动器由AC-DC转换器114的输出功率供能，AC-DC转换器本身由标准50Hz或60Hz电源113供能。该AC至DC转换器114构造为定位成与带电粒子束系统的最近的离子光学组件相距几米，例如至少两米。相应地，所有电驱动组件(直接安装在带电粒子束系统中或带电粒子束系统处，并且在带电粒子束系统的常规运行期间可运行)构造成由AC-DC转换器114的DC输出供能。此外，为了产生待施加至发射器尖端34、引出电极38、加速和减速电极110、透镜电极107、108和偏转系统112的高压，提供构造成从AC-DC转换器114的引入的DC电压产生几个不同高压的DC至DC电压转换器118。DC至DC转换器118的各输出信号通过相应供应电缆或电源线119-124导向带电粒子束系统的相应电极。

通过上述避免靠近带电粒子束系统的电子装置(由AC电压驱动并需要在带电粒子束系统运行期间运行)的电学构思，可以在很大程度上减少用50Hz或60Hz AC电源的频率的干扰。

图12示出具有辐射屏蔽件803的气体场离子源的截面图。该气体场离子源的设计十分类似于上文参考图3所述的气体场离子源。此外，在该情况下，该源包括保持发射器尖端34的内部圆柱形绝缘体33以及围绕内部绝缘体33并保持具有孔39的引出电极38的外部圆柱形绝缘体37。外部真空壁801和外部圆柱形绝缘体37之间的空间形成外部气体容器81，由外部圆柱形绝缘体围绕的空间形成内部气体容器41。为了使来自处于室温的组件(比如外部真空壁801)的辐射热传递最小，外部圆柱形绝缘体37和引出电极38由辐射屏蔽件803围绕。辐射屏蔽件803通常可以成形为圆柱管，其具有在圆柱基底侧的盖810和基底812。该辐射屏蔽件可以镀有抛光金，以使其辐射吸收最小。该辐射屏蔽件附接至基板801，使得辐射屏蔽件也被冷却至低温。或者，辐射屏蔽件还可具有到冷却系统(类似杜瓦瓶)的自身专属冷却连接。然而，罐状辐射屏蔽件在有必要在由辐射屏蔽件围绕的区域和位于辐射屏蔽件外部的区域之间进行气体传递的情况下是不太实际的。

图13A和13B示出热屏蔽件的截面图，热屏蔽件可完成辐射屏蔽件内的区域与辐射屏蔽件外部区域之间的气体交换。在图13A中，辐射屏蔽件包括两个同心圆柱体805、806，其均由金属制成，具有高度辐射反射的外表面。两个圆柱体包括多个槽807、808，其中，内部圆柱体806中的槽807相对于外部圆柱体805中的槽808旋转地偏移。槽的宽度、圆柱体805、806之间的距离以及两个圆柱体中的槽之间的偏移角度选择成从外部圆柱体805外面不能直达内部圆柱体806内部。因此，通过外部圆柱体805的槽的任何辐射撞击在内部圆柱体806的其余材料部分上。

图13B的实施例包括多个板809，多个板以圆柱形方式布置成每个板相对于圆柱体轴811以关于径向方向不等于0°和90°的角度倾斜。此外，在该实施例中，几乎没有或者最少的来自圆柱体区域外部的辐射到达由板809围绕的圆柱体区域的内部。

在图13A和13B的两个实施例中，气体可通过槽807、808或在板809之间从热屏蔽件内部流到热屏蔽件外部或在相反方向上流动，同时显著地减少从由热屏蔽件围绕的区域外部传递到由热屏蔽件围绕的区域中的辐射热。

上述公开可总结如下：

-在操作气体场离子源的方法的一些实施例中，在对离子源施加任何电压之前，可开始加热气体场离子源，以释放任何非期望的原子和分子。由于运行中的气体场离子源被冷却至低温(例如，小于90开尔文)，所以这消除了大量原子和分子。该加热可以是短暂的，例如仅几秒钟，但是应当是几百开尔文温度，例如500开尔文或甚至更高。

-在操作气体场离子源的方法的一些实施例中，当不需要气体场离子源在其最优工作电压下运行时，气体场离子源可在施加于发射器尖端和引出电极之间的最大可容许电压下运行。该“备用(stand-by)”电压通常可以仅低于导致发射器尖端的场蒸发的电压。这可用于使吸附的原子的极化(polarization)最大，并因此使吸附原子的活动性最小，从而减少吸附原子朝向发射器尖端的顶点迁移的机会。

-在一些实施例中，气体场离子源可最易受非期望原子的影响，所以其可由低温冷却表面围绕，以使任何吸附原子的热脱附的可能性最小，否则，吸附原子会到达气体场离子源的发射器。

-在操作气体场离子源的方法的一些实施例中，可以周期性地加热或光刺激低温冷却表面，以释放吸附原子或分子。在加热过程期间，应当通过显著减小发射器尖端与引出电极之间的电压来关闭气体场离子源。

-在操作气体场离子源的方法的一些实施例中，作为准备步骤，可以将真空容器和气体输送系统加热至高温，以便于除气，并有助于使表面和笨重污染物移动。这可在部分真空结合其它挥发性气体的情况下完成。

-在操作气体场离子源的方法的一些实施例中，作为准备步骤，真空容器和气体输送系统可以被电抛光以使其表面区域最小。

-在气体场离子源的一些实施例中，枪区域可配备化学吸气剂，例如商有SAES吸气剂，以提供非期望气体种类的高泵送。当期望的气体种类是惰性气体时，该化学吸气剂十分有效，因为惰性气体不被泵送。化学吸气剂还十分有效地泵送氢气，因为该气体种类不被低温方法有效地泵送。当吸气剂在化学上被激活时，气体场离子源被正常加热，并且气体场离子源可以停止工作。

-在气体场离子源的一些实施例中，气体输送管可穿过低温捕获器(cryogenictrap)以使杂质浓缩。在一些实施例中，气体输送系统的该部分可具有阀以允许净化。

-在气体场离子源的一些实施例中，气体输送系统可具有净化器，其包含加热或非加热的化学吸气剂，以化学地捕获任何非期望的原子或分子。

-在气体场离子源的一些实施例中，气体输送系统可具有旁通器(by-pass)，使得包含非期望原子和分子的容纳物可净化进入与最终枪区域不同的容器中。

-在气体场离子源的一些实施例中，气体场离子源的区域可配备离子泵，以泵送非期望的气体原子，当期望的气体被输送且在气体供应准备期间激活时，离子泵可停止工作。

-在气体场离子源的一些实施例中，真空容器可配备非蒸发性吸气剂(与SAES吸气剂类似)的保形涂层。

-在气体场离子源的一些实施例中，真空容器可配备氢泵送吸气剂(比如钛升华)的泵。

-在操作气体场离子源的方法的一些实施例中，气体场离子源可运行一段时间，以帮助调整或准备表面。在调整周期下，可经由高能的高度极化中性原子的轰击从离子源清除吸附气体原子。此外，在调节周期期间，可从引出电极、抑制电极、透镜电极和其它表面(在气体场离子源运行期间，离子束可撞击在这些之上)清除吸附原子或化学上附接的原子。必要时，可针对较重的气体种类实施该调整步骤，以加速所述方法。

在上述描述中，本发明的不同方面的特征组合地公开。本发明的范围不意在受限于这种特征组合，而应理解为仅由下列权利要求书限定。

Claims (19)

1.一种气体场离子源，包括：

壳体；

导电尖端，布置在所述壳体内；

气体供应器，将一种或多种气体供应至所述壳体，其中，所述一种或多种气体包括氖或具有质量大于氖的原子的惰性气体；

引出电极，具有孔，以允许在所述尖端附近产生的离子穿过所述孔，

其中，所述引出电极的面向所述尖端的表面由选择为负二次离子溅射产量小于10^-5/入射氖离子的材料制成，使得在所述气体场离子源的使用期间，所述引出电极产生相对低产量的从所述引出电极向所述尖端加速的负二次离子。

2.如权利要求1所述的气体场离子源，其中，所述引出电极由包括碳、铁、钼、钛、钒和钽的材料的组中的至少一种材料制成。

3.如权利要求1或2所述的气体场离子源，其中，至少所述引出电极的面向所述尖端的所述表面由不会形成氧化物的金属制成。

4.如权利要求1或2所述的气体场离子源，其中，所述孔具有小于1L/S的真空流导。

5.如权利要求4所述的气体场离子源，其中，所述孔具有小于0.2L/S的真空流导。

6.如权利要求4所述的气体场离子源，其中，所述孔的一侧上的气压在10^-2至10^-3托的范围内或在10^-2至10^-3毫巴的范围内，并且其中，所述孔的另一侧上的气压在10^-5至10^-7托的范围内或在10^-5至10^-7毫巴的范围内。

7.如权利要求1或2所述的气体场离子源，其中，所述尖端与所述引出电极之间的距离被选为使得引出孔所对的角为15至40度的半角。

8.如权利要求7所述的气体场离子源，其中，所述尖端与所述引出电极之间的距离被选为使得引出孔所对的角为20至25度的半角。

9.如权利要求7所述的气体场离子源，其中，所述尖端与所述引出电极之间的距离被选为使得引出孔所对的立体角在0.38球面度和0.59球面度之间的范围内。

10.如权利要求1或2所述的气体场离子源，还包括低温致冷系统，所述低温致冷系统被配置成至少将所述气体供应器的输出管冷却至低温。

11.如权利要求10所述的气体场离子源，还包括加热器以加热所述气体供应器的输出管。

12.如权利要求1或2所述的气体场离子源，还包括加热器，所述加热器被配置成加热所述壳体。

13.如权利要求1或2所述的气体场离子源，还包括布置在所述壳体内的化学吸气剂。

14.如权利要求1或2所述的气体场离子源，还包括所述壳体处的舌形阀。

15.如权利要求1或2所述的气体场离子源，还包括气体输送系统的通向所述壳体的外部空间的旁通线路。

16.一种气体场离子源，包括：

外壳体；

内壳体，布置在所述外壳体内；

导电尖端，布置在所述内壳体内；

气体供应器，用于将一种或多种气体供应至所述内壳体，所述气体供应器具有终结于所述内壳体内的管；

引出电极，具有孔，以允许在所述尖端附近产生的离子穿过所述孔进入所述外壳体；

舌形阀，布置在所述内壳体和所述外壳体之间，被配置成在所述舌形阀打开时增加从所述内壳体至所述外壳体的气流，

其中，所述引出电极的面向所述尖端的表面由选择为负二次离子溅射产量小于10^-5/入射氖离子的材料制成，使得在所述气体场离子源的使用期间，所述引出电极产生相对低产量的从所述引出电极向所述尖端加速的负二次离子。

17.如权利要求16所述的气体场离子源，其中，所述气体供应器被配置成在第一操作模式下供应第一惰性气体，而在第二操作模式下供应第二惰性气体。

18.如权利要求17所述的气体场离子源，其中，所述第一惰性气体是氦，而所述第二惰性气体是氖。

19.一种操作气体场离子源的方法，所述气体场离子源包括：

外壳体；

内壳体，布置在所述外壳体内；

导电尖端，布置在所述内壳体内；

气体供应器，用于将至少两种不同气体供应至所述内壳体，所述气体供应器具有终结于所述内壳体内的管；

引出电极，具有孔，以允许在所述尖端附近产生的离子穿过所述孔进入所述外壳体，所述引出电极的面向所述尖端的表面由选择为负二次离子溅射产量小于10^-5/入射氖离子的材料制成，使得在所述气体场离子源的使用期间，所述引出电极产生相对低产量的从所述引出电极向所述尖端加速的负二次离子；

舌形阀，布置在所述内壳体和所述外壳体之间，被配置成在所述舌形阀打开时增加从所述内壳体至所述外壳体的气流，

所述方法包括以下步骤：

在所述气体场离子源的操作期间，保持所述舌形阀闭合；以及

当带电粒子束源在以所述至少两种不同气体中的第一种气体操作和以所述至少两种不同气体中的第二种气体操作之间切换时，打开所述舌形阀。