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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Ladungsteilchenmikroskop zum
Betrachten der Oberflächen von Proben wie Halbleiterelementen
und neuen Materialien. Zum Beispiel betrifft die vorliegende Erfindung
ein Rasterladungsteilchenmikroskop, bei dem als geladene Teilchen
leichte Ionen verwendet werden, um mit hoher Auflösung
und großer Tiefenschärfe flache Oberflächenuntersuchungen
an Proben durchzuführen, und eine Gasfeldionisations-Ionenquelle
zum Erzeugen von Ionen.
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Die
Nicht-Patent-Druckschrift 1 beschreibt eine Vorrichtung mit einem
fokussierten Ionenstrahl (abgekürzt FIS), die mit einer
Gasfeldionisations-Ionenquelle (abgekürzt GFIQ) versehen
ist und bei der Wasserstoff-(H2), Helium-(He),
Neon-(Ne) und andere Gasionen verwendet werden. Im Gegensatz zu
einem Gallium-Ionenstrahl (Ga: ein Metall) aus einer Flüssigmetall-Ionenquelle,
der heutzutage oft verwendet wird, kontaminiert ein solcher fokussierter
Ionenstrahl die Probe nicht mit Ga. Es wird auch angegeben, daß,
da die Energieverteilung der Gasionen aus einer GFIQ schmal ist
und die virtuelle Quellengröße der GFIQ klein,
es damit möglich ist, einen schmaleren Strahl auszubilden
als mit einem Ga-Ionenstrahl. Es wird des weiteren angegeben, daß die
GFIQ bessere Ionenquelleneigenschaften aufweist, etwa eine höhere
Winkelstromdichte, wenn ein feiner Vorsprung (im folgenden als Nanospitze
bezeichnet) an der Spitze des Emitters ausgebildet wird (die Atome
an der Spitze des Emitters auf eine wenige Atome reduziert werden).
Das Phänomen, daß eine Nanospitze an der Spitze
des Ionenemitters die Winkelionenstromdichte erhöht, ist
auch in den Nicht-Patent-Druckschriften 2 und 3 und in der Patent-Druckschrift
1 beschrieben. Beispiele für die Herstellung einer solchen
Nanospitze sind in der Patent-Druckschrift 2 und in den Nicht-Patent-Druckschriften
3 und 4 angegeben. In der Patent-Druckschrift 2 wird die Nanospitze
durch eine Feldverdampfung des Emittermaterials Wolfram (W) ausgebildet.
In den Nicht-Patent-Druckschriften 3 und 4 wird die Nanospitze aus
einem zweiten Material ausgebildet, das sich vom ersten Metal oder
dem Emittermaterial unterscheidet.
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Die
Nicht-Patent-Druckschrift 2 und die Patent-Druckschrift 2 beschreiben
jeweils ein Rasterladungsteilchenmikroskop mit einer GFIQ, die Ionen
des leichten Elements He emittiert. Hinsichtlich des Gewichts der eingestrahlten
Teilchen ist ein He-Ion etwa 7000 mal schwerer als ein Elektron
und etwa 17 mal leichter als ein Ga-Ion. Der Schaden, den die Probe
durch ein He-Ion erleidet und der von davon abhängt, wie
viel Impuls auf die Atome der Probe übertragen wird, ist
daher größer als bei einem Elektron und kleiner
als bei einem Ga-Ion. Darüberhinaus befinden sich die Anregungsbereiche
für Sekundärelektronen, von denen aufgrund der
in die Probe eindringenden eingestrahlten Teilchen Sekundärelektronen
ausgesandt werden, näher an der Probenoberfläche
als bei der Einstrahlung von Elektronen. Aufgrund dieser Eigenschaften
ist eine Abbildung durch ein Rasterionenmikroskop (abgekürzt
RIM) empfindlicher für Informationen von der Probenoberfläche
als ein Rasterelektronenmikroskop (abgekürzt REM). Außerdem
weist bei der Einstrahlung eines Ionenstrahls die Abbildung eine
sehr große Tiefenschärfe auf, da Ionen viel schwerer
sind als Elektronen und dadurch Beugungseffekte beim Fokussieren
des Ionenstrahls vernachlässigbar sind.
- Patent-Druckschrift
1: JP-A-1983-85242
- Patent-Druckschrift 2: JP-A-1995-192669
- Nicht-Patent-Druckschrift 1: K. Edinger, V. Yun, J.
Meingailis, J. Orloff und G. Magera, J. Vac. Sci. Technol. A 15
(No. 6) (1997) 2365
- Nicht-Patent-Druckschrift 2: J. Morgan, J. Notte, R.
Hill und B. Ward, Microscopy Today 14. Juli (2006) 24
- Nicht-Patent-Druckschrift 3: H.-S. Kuo, I.-S. Hwang,
T.-Y. Fu, Y.-C. Lin, C.-C. Chang und T. T. Tsong, 16. Int. Microscopy
Congress (IMC16), Sapporo (2006) 1120
- Nicht-Patent-Druckschrift 4: H.-S. Kuo, I.-S. Hwang,
T.-Y. Fu, J.-Y. Wu, C.-C. Chang und T. T. Tsong, Nano Letters 4
(2004) 2379.
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Die
Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben an der GFIQ ausführliche
Untersuchungen durchgeführt und dabei folgendes festgestellt.
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Idealerweise
wird eine Nanospitze an der Spitze eines W-Emitters in der Richtung
der axialen Orientierung <111> ausgebildet. Um die
Ionenemission davon zu prüfen oder die Richtung der Ionenemission
davon anhand der optischen Achse des Rasterionenmikroskops einzustellen,
wird ein Feldionenmikroskopmuster (Feldionenmikroskop: abgekürzt
FIM) verwendet. Bei dieser Musterbetrachtung ist vorzugsweise der
Blendendurchmesser der Extraktionselektrode so groß, daß ein
Ionenstrahl mit einem Divergenz-Halbwinkel α von etwa 20
Grad die Blende passieren kann. Nach dem Einstellen mit Hilfe der
optischen Achse wird jedoch der Druck des Gases für die
Ionen (zum Beispiel He), das in den Emitterraum eingeführt
wird, auf etwa 10–2 bis 1 Pa erhöht,
um die Winkelionenstromdichte (emittierter Ionenstrom pro Raumwinkeleinheit)
zu erhöhen. Das eingeführte Gas wird durch differentielles
Abpumpen durch die Blendenöffnung der Extraktionselektrode
entfernt. Um die Gasmoleküldichte an der Spitze des Emitters
hoch zu halten und gleichzeitig die Menge des Gases zu verringern,
das ohne ionisiert zu werden wieder abgepumpt wird, ist der Blendendurchmesser
vorzugsweise klein. Ein erstes Problem ergibt sich nun daraus, daß einerseits
die Blende groß sein soll, damit die divergent emittierten
Ionen die Blende gut passieren können, und daß andererseits
zum differentiellen Abpumpen der Blendendurchmesser möglichst
klein sein soll. Wenn die Nanospitze beschädigt wird, muß die
Richtung der Ionenemission nach der Neubildung der Nanospitze erneut
geprüft werden.
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Zur
Erhöhung des Ionenstroms ist es wichtig, die Dichte der
Gasmoleküle an der Emitterspitze zu erhöhen. Da
die Dichte n der Gasmoleküle pro Druckeinheit [Pa] umgekehrt
proportional zur Gastemperatur [T] ist, wie es die folgende Formel
zeigt, ist es wichtig, sowohl das Gas wie auch den Emitter zu kühlen: n [Moleküle cm–3Pa–1] = 7,247 × 1016/T [K] (1).
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Die
Einrichtung zum Kühlen enthält oft ein physikalisch
vibrierendes Element, weshalb dann auch der Emitter vibriert. Die
Vibrationen des Emitters stellen damit ein zweites Problem dar.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Stabilität einer
Gasfeldionisations-Ionenquelle zu verbessern, um damit zum Beispiel
ein Rasterladungsteilchenmikroskop mit großer Auflösung
zu schaffen. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren zum Einstellen der optischen Achse eines Rasterladungsteilchenmikroskops
sowie ein Verfahren zum Betrachten einer Probe mit einem Rasterladungsteilchenmikroskop
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit der in den Patentansprüchen beschriebenen
Gasfeldionisations-Ionenquelle bzw. dem in den Patentansprüchen
beschriebenen Rasterladungsteilchenmikroskop sowie den entsprechend in
den Ansprüchen beschriebenen Verfahren gelöst.
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Die
Gasfeldionisations-Ionenquelle der vorliegenden Erfindung ist somit
dadurch gekennzeichnet, daß der Blendendurchmesser der
Extraktionselektrode auf jeweils einen von zwei verschiedenen Werten
eingestellt werden kann oder der Abstand von der Spitze des Emitters
zur Extraktionselektrode auf jeweils einen von zwei verschiedenen
Werten eingestellt werden kann.
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Die
Gasfeldionisations-Ionenquelle der vorliegenden Erfindung ist darüberhinaus
dadurch gekennzeichnet, daß zum Abkühlen fester
Stickstoff verwendet wird.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist es möglich, daß nicht
nur divergent emittierte Ionen die Blende der Extraktionselektrode
passieren, sondern daß auch zum differentiellen Abpumpen
der Durchmesser der Blende verkleinert werden kann. Es ist damit
auch möglich, die physikalischen Vibrationen der Kühlvorrichtung
zu verringern. Folglich können mit der vorliegenden Erfindung
eine sehr stabile Gasfeldionisations-Ionenquelle und ein Rasterladungsteilchenmikroskop
mit einer solchen GFIQ geschaffen werden.
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Im
folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand
der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 schematisch
den Aufbau einer Gasfeldionisations-Ionenquelle (GFIQ);
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2 eine Darstellung der Beziehung zwischen
der Emitterspitze und dem Blendendurchmesser der Extraktionselektrode
sowie das FIM-Muster davon;
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3 eine
Extraktionselektrode mit einer beweglichen flachen Elektrodenplatte
mit in der gleichen Ebene ausgebildeten, sich in den Abmessungen
unterscheidenden Blendenöffnungen;
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4 eine
Einrichtung zum Wechseln der Blende mit einem eine Blende bildenden
Teil mit einer Blende, die die von der Extraktionselektrode extrahierten
Ionen passieren, und mit einem Befestigungsteil, an dem der die
Blende bildende Teil angebracht ist;
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5 eine
Extraktionselektrode, die in der Richtung der optischen Achse bewegt
werden kann;
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6 eine
Gasfeldionisations-Ionenquelle, bei der als Kühlmittel
fester Stickstoff verwendet wird;
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7 eine
Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem Kühler, durch
den ein Kühlmittel, das durch Erstarren eines Kühlgases
erhalten wird, weiter abgekühlt wird;
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8 eine
Darstellung zur Erläuterung einer Beschleunigungslinsenfunktion
zwischen der Extraktionselektrode und der ersten Elektrode der Fokussierlinse;
und
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9 Kurven,
die anzeigen, wie die Winkelvergrößerung Mang der Beschleunigungslinse zwischen der Extraktionselektrode
und der ersten Elektrode der Fokussierlinse von der Extraktionsspannung
Vext abhängt.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Gasfeldionisations-Ionenquelle
mit einem nadelförmigen Emitter als Anode und einer Extraktionselektrode,
die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle
an der Spitze des Emitters ionisiert und extrahiert werden, wobei
der Durchmesser der Aperturöffnung oder Blende der Extraktionselektrode,
die von den extrahierten Ionen passiert wird, auf jeweils einen
von wenigstens zwei verschiedenen Werten eingestellt werden kann.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Gasfeldionisations-Ionenquelle
mit einem nadelförmigen Emitter als Anode und einer Extraktionselektrode,
die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle
an der Spitze des Emitters ionisiert und extrahiert werden, wobei
die Extraktionselektrode in einen eine Blende bildenden Teil mit
einer Blende, die von den extrahierten Ionen passiert wird, und
einen Basisteil getrennt werden kann, an dem der die Blende bildende
Teil angebracht ist, wobei der die Blende bildende Teil entfernt
oder um die optische Achse der Ionen angeordnet werden kann. Der
die Blende bildende Teil kann bezüglich des Basisteils
auch verschoben werden.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine
Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem nadelförmigen
Emitter als Anode und einer Extraktionselektrode, die ein elektrisches
Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spit ze des Emitters
ionisiert und extrahiert werden, wobei der Abstand von der Spitze
des Emitters zur Extraktionselektrode auf jeweils einen von wenigstens
zwei verschiedenen Werten eingestellt werden kann.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine
Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem nadelförmigen
Emitter als Anode und einer Extraktionselektrode, die ein elektrisches
Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters
ionisiert und extrahiert werden, wobei das Kühlmittel zum
Kühlen des Emitters eine feste Substanz ist, die durch
Erstarren eines Kühlmittelgases erhalten wird, das bei
Raumtemperatur und unter Atmosphärendruck im gasförmigen
Zustand ist. Das Kühlgas kann Stickstoff sein.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Rasterladungsteilchenmikroskop
mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle wie oben beschrieben; einem
Linsensystem, durch das Ionen von der Ionenquelle beschleunigt und
auf eine Probe fokussiert werden; eine Begrenzungsblendenplatte
zum Begrenzen des Divergenzwinkels der Ionen, die auf die Probe
fokussiert werden; und einen Detektor für geladene Teilchen,
der die geladenen Teilchen erfaßt, die von der Probe emittiert
werden.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren
zum Einstellen der optischen Achse eines Rasterladungsteilchenmikroskops
wie oben beschrieben, wobei der Winkelbereich der emittierten Ionen,
die die Extraktionselektrode passieren können, beim Einstellen
der optischen Achse der Gasfeldionisations-Ionenquelle größer
und bei der Einstellung für die Verwendung des Rasterladungsteilchenmikroskops zum
Betrachten einer Probe kleiner ist.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren
zum Betrachten einer Probe mit einem Rasterladungsteilchenmikroskop
wie oben beschrieben, wobei der Winkelbereich der emittierten Ionen, die
die Extraktionselektrode passieren können, beim Einstellen
der optischen Achse der Gasfeldionisations-Ionenquelle größer
und bei der Einstellung der optischen Achse für die Verwendung
des Rasterladungsteilchenmikroskops zum Betrachten einer Probe kleiner
ist.
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Die
Eigenschaften und Wirkungen der vorliegenden Erfindung werden im
folgenden anhand von Ausführungsformen mit Bezug zu den
Zeichnungen beschrieben. Einige der Ausführungsformen können
gegebenenfalls auch kombiniert werden.
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Ausführungsform 1
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Die 1 zeigt
schematisch den Aufbau eines Rasterladungsteilchenmikroskops mit
einer GFIQ. Die vom Emitter 1 der GFIQ 4 emittierten
Ionen 5 werden von einer Fokussierlinse 6 und
einer Objektivlinse 12 auf eine Probe 14 fokussiert.
Zwischen den beiden Linsen sind ein Strahldeflektor/Ausrichter 7,
eine bewegliche Strahlbegrenzungsblendenplatte 8, eine
Austastelektrode 9, eine Austaststrahlstopplatte 10 und
ein Strahldeflektor 11 angeordnet. Die von der Probe 14 emittierten
Sekundärelektronen 15 werden von einem Sekunddrelektronendetektor 16 erfaßt.
Eine Strahlsteuerung 17 steuert die GFIQ 4, die
Fokussierlinse 6, die Objektivlinse 12, den oberen
Strahldeflektor/Ausrichter 7, den unteren Strahldeflektor 11,
den Sekundärelektronendetektor 16 und anderes.
Ein PC 18 steuert die Strahlsteuerung 17 und verarbeitet/speichert
verschiedene Daten. Eine Abbildungsanzeigeeinheit 19 zeigt
die RIM-Abbildungen und Steuerelemente des PC 18 an.
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Die 2A ist
eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen
der Emitterspitze und dem Durchmesser der Öffnung in der
Extraktionselektrode. Die 2B zeigt
ein Beispiel eines Feldionenmikroskopmusters (Feldionenmikroskop:
abgekürzt FIM) eines W-Emitters <111>,
bevor eine Nanospitze erzeugt wird. Die Hauptorientierungen <111> und <211> sind auf dem Muster
markiert. Die Nanospitze wird in der Richtung der <111>-Orientierung erzeugt.
Um diese Orientierung bei der Ausbildung zu überprüfen,
erfolgt die Beobachtung der emittierten Ionen vorzugsweise in einem
derart weiten Bereich um die Orientierung <111>,
daß zumindest auch diejenigen Ionen zu beobachten sind,
die in der Richtung der Orientierung <211> emittiert
werden. Der Aperturwinkel θ zwischen den Orientierungen <hkl> und <h'k'l'> wird mit der folgenden
Formel berechnet. Entsprechend ergibt sich der Winkel θ zwischen
den Orientierungen <111> und <211> zu etwa 19,5 Grad.
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Wenn
der Abstand s von der Emitterspitze zur Extraktionselektrode 5 mm
beträgt, ist der erforderliche Blendendurchmesser dapertur 2 × 5 × tan19,5° =
3,5 mm. Da der Divergenzwinkel für die Ionenemission nach dem
Ausbilden der Nanospitze auf 1 Grad oder weniger zurückgeht,
ist der Blendendurchmesser dapertur ausreichend
groß, wenn er nicht kleiner ist als 0,2 mm. Um die ausgestrahlte
Winkelstromdichte zu erhöhen, wird das Gas für
die Ionen (zum Beispiel He) bei einem Vakuum von etwa 10–2 bis 10 Pa in den Raum mit der
Nanospitze eingeführt. Nach der Extraktionselektrode befindet
sich die Umgebung der Fokussierlinse, der Objektivlinse und der
Probe in einem Hochvakuum. Für ein differentielles Abpumpen
ist ein dapertur = 0,2 mm ausreichend.
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Bei
der Festlegung des Abstandes s ist nicht nur der Divergenzwinkel
der Ionenemission zu berücksichtigen, sondern auch, daß ein
zu starkes Verkürzen des Abstands zu elektrischen Entladungen
zwischen dem Emitter und der Extraktionselektrode führt
und ein zu starkes Erhöhen des Abstandes zu Kollisionen
zwischen den emittierten Ionen und den eingeführten He-Gasatomen
(oder Molekülen). Solche Kollisionen verschlechtern die
Strahlfokussierung des Rasterladungsteilchenmikroskops, da sich
die emittierten Ionen nicht mehr geradlinig ausbreiten und die virtuelle
Quellengröße der Ionenquelle deutlich zunimmt.
Bei einer Gasmoleküldichte n und einem Gasmoleküldurchmesser σ läßt
sich die mittlere freie Weglänge λ der emittierten
Ionen aus der folgenden Formel berechnen:
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Für
He-Moleküle (σ = 0,22 nm) läßt
sich diese Formel unter Bezeichnung der Gastemperatur mit T [K] und
des Drucks mit p [Pa] wie folgt umschreiben: λ[cm] = 6,4E – 3·(T/p) (4).
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Für
p = 5 Pa zum Beispiel ist λ bei Raumtemperatur (T = 273
K) und bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff (T =
77 K) gleich 3,5 mm bzw. gleich 1,0 mm.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform ist eine Einrichtung zum Ändern
des Blendendurchmessers dapertur der Extraktionselektrode 3 vorgesehen.
Das heißt, es ist eine feste Elektrode 3a mit
einer großen Blendenöffnung (zum Beispiel mit
einem Durchmesser von 6 mm) zusammen mit einer beweglichen flachen
Elektrodenplatte 3b mit zwei Blendenöffnungen
mit verschiedenen Durchmessern (dapertur =
0,2 mm und dapertur = 3,5 mm) in der gleichen
Ebene vorgesehen (siehe 3). Der Mittelpunkt der großen Öffnung
der festen Elektrode ist zu der optischen Achse 20 des
Rasterladungsteilchenmikroskops ausgerichtet. Es ist möglich,
die bewegliche flache Elektrodenplatte 3b von der Außenseite
des Mikroskops mit Atmosphärendruck zu bewegen, wobei die
bewegliche flache Elektrodenplatte 3b senkrecht zur optischen
Achse ausgerichtet bleibt. Selektiv kann dadurch entweder die große
oder die kleine Öffnung der Elektrodenplatte 3b zu
der optischen Achse 20 ausgerichtet werden. Bei der vorliegenden
Ausführungsform sind zwei Öffnungen mit unterschiedlichen
Durchmessern vorgesehen, es können jedoch auch drei oder
mehr Öffnungen vorgesehen werden. Ein Erhöhen
der Anzahl von Blendenöffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern
erweitert unmittelbar die Möglichkeiten der Einstellung
bei dem später noch beschriebenen differentiellen Abpumpen.
Da an der Extraktionselektrode 3 eine hohe Spannung anliegt,
wenn die GFIQ bei einem Rasterladungsteilchenmikroskop verwendet
wird, ist die bewegliche flache Elektrodenplatte 3b von
der Mikroskopsäule (in der Zeichnung nicht gezeigt) auf
Massepotential isoliert.
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Ausführungsform 2
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Die
im folgenden beschriebene Ausführungsform ist ein Rasterladungsteilchenmikroskop
mit einer Einrichtung zum Andern des Blendendurchmessers dapertur der Extraktionselektrode 3,
die sich von der entsprechenden Einrichtung der Ausführungsform
1 unterscheidet. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf das,
was bei der vorliegenden Ausführungsform wesentlich ist.
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Die Änderungseinrichtung
ist bei der vorliegenden Ausführungsform im Aufbau den
variablen Blenden ähnlich, wie sie bei Kameras und dergleichen
verwendet werden. Eine Anzahl von Blendenplättchen wird
so zusammengefügt, daß sie eine kreisförmige Öffnung
umgeben, deren Durchmesser sich durch Ändern des Ausmaßes
der Überlappung der einzelnen Blendenplättchen
koaxial verändert. Mit einer solchen Einrichtung zum Ändern
des Blendendurchmessers der Extraktionselektrode können
nicht nur die emittierten Ionen in einem weiten Bereich durchgelassen
werden, sondern es kann für das differentielle Pumpen der
Durchmesser der Blende auch verkleinert werden.
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Ausführungsform 3
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Die
vorliegende Ausführungsform ist ein Rasterladungsteilchenmikroskop
mit einer Einrichtung zum Ändern des Blendendurchmessers
dapertur der Extraktionselektrode 3,
die sich von den entsprechenden Einrichtungen der Ausführungsformen 1 und 2 unterscheidet.
Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf das, was bei der
vorliegenden Ausführungsform wesentlich ist.
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Wie
in der 4 gezeigt, kann bei der vorliegenden Ausführungsform
die Änderungseinrichtung in einen die Blende bildenden
Teil 3d mit einer Öffnung, durch die die Ionen
lau fen, die von der Extraktionseinrichtung extrahiert werden, und
einen Befestigungsteil 3c getrennt werden, an dem der die
Blende bildende Teil 3d angebracht ist. Der die Blende
bildende Teil 3d kann zu der optischen Achse 20 hin
und davon weg bewegt werden. Der die Blende bildende Teil 3d befindet
sich in der mit dem Bezugszeichen 3d' bezeichneten Stellung,
wenn er durch Verschieben auf dem Befestigungsteil 3c von
der optischen Achse 20 weggezogen wird.
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Ausführungsform 4
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Wie
bei den Ausführungsformen 1 bis 3 wird bei der vorliegenden
Ausführungsform nicht nur das Problem gelöst,
die emittierten Ionen weitgehend durchzulassen, sondern auch das,
daß beim differentiellen Abpumpen der Durchmesser der Blende
verringert werden soll. Bei der vorliegenden Ausführungsform
wird zur Lösung dieses Problems jedoch eine andere Vorgehensweise
vorgesehen. Das heißt, daß die Extraktionselektrode 3 (dapertur = 1 mm) mit einer Einrichtung versehen
ist, mit der sie in axialer Richtung bewegt werden kann. Die folgende
Beschreibung konzentriert sich darauf, was bei der vorliegenden
Ausführungsform wesentlich ist.
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Die 5 zeigt
schematisch eine Extraktionselektrode, die in der Richtung der optischen
Achse bewegt werden kann. Das Bezugszeichen 3' bezeichnet
die gleiche Extraktionselektrode, nachdem sie bewegt wurde. Der
Abstand s zwischen der Emitterspitze und der Blendenöffnung
der Extraktionselektrode kann auf jeweils einen von zwei Werten
1 mm und 5 mm eingestellt werden. s = 1 mm entspricht einen halben
Divergenzwinkel α für die Ionenemission von etwa
27 Grad, während s = 5 mm einem halben Divergenzwinkel α von etwa
6 Grad entspricht. Durch das Bewegen der Extraktionselektrode in
der axialen Richtung ist es daher möglich, nicht nur die
divergent emittierten Ionen weitgehend durchzulassen, sondern auch
für das differentielle Abpumpen den Durchmesser der Blende
zu verringern.
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Wenn
der Blendendurchmesser dapertur der Extraktionselektrode 3 gleich
1 mm ist und der Abstand s = 1 mm, ist es möglich, nicht
nur die divergent emittierten Ionen weitgehend durchzulassen, sondern
auch für das differentielle Abpumpen den Durchmesser der
Blende klein zu halten. Es können jedoch Entladungen zwischen
der Emitterspitze und der Extraktionselektrode auftreten, wenn der
Druck p des Gases für die Ionen erhöht wird, um
die Leuchtkraft zu erhöhen. Mit s = 5 mm werden solche
Entladungen verhindert. Wenn s jedoch zu groß ist, können
die vom Emitter emittierten Ionen mit Gasmolekülen kollidieren,
was zu unerwünschten Ergebnissen wie abgelenkten Bahnen
und verringerter kinetischer Energie der Ionen führt. Eine Änderung
von s hat bei gleichbleibendem Emitterpotential auch eine Änderung
der Stärke des elektrischen Feldes an der Spitze des Emitters
zur Folge. Da sich dadurch der Ionisationswirkungsgrad ändert, ändert
sich auch der Ionenstrom. Um eine Änderung des Ionenstroms
zu vermeiden, ist daher eine Modenauswahl für die Freigabe/Sperrung
einer Einstellung der Extraktionsspannung vorgesehen.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform wird der Abstand s zwischen
Emitterspitze und Elektrode diskontinuierlich auf einen von zwei
Werten, nämlich 1 oder 5 mm, eingestellt. Eine kontinuierliche Änderung
ist jedoch vorzuziehen, da dann eine kontinuierliche Einstellung
möglich ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform
wird der Abstand s dadurch auf einen von zwei Werten eingestellt,
daß die Extraktionselektrode in axialer Richtung bewegt
wird. Der gleiche Effekt kann auch dadurch erhalten werden, daß bei
feststehender Extraktionselektrode der Emitter in axialer Richtung
bewegt wird.
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Ausführungsform 5
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Um
einen hohen Ionenstrom zu erhalten, muß das Ionenmaterial,
d. h. das eingeführte Gas, und auch der Ionenemitter gekühlt
werden. He-Gas kann bis auf etwa 10 K abgekühlt werden.
Die übliche Kühlvorrichtung dafür erzeugt
jedoch physikalische Vibrationen, die auf den Emitter übertragen
werden.
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Bei
einer Vibration des Emitters vibriert der von dem Rasterladungsteilchenmikroskop
auf die Probe eingestrahlte Strahlpunkt, mit der Folge einer verringerten
Auflösung des Mikroskops. Es ist schwierig, die Übertragung
der physikalischen Vibrationen von der Kühlvorrichtung
auf den Emitter zu verhindern. Bei der vorliegenden Ausführungsform
wird daher fester Stickstoff (Erstarrungspunkt im Vakuum etwa 51
K) verwendet. Die folgende Beschreibung konzentriert sich darauf,
was bei der vorliegenden Ausführungsform wesentlich ist.
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Die 6 zeigt
schematisch den Aufbau der Ionenquelle. In die Umgebung des Emitters 1 wird
durch eine dünne Gaszuführleitung 33 ein
Ionengas, nämlich He-Gas 32, eingeführt.
Als Kühlmittel wird fester Stickstoff 34 verwendet.
Dazu wird flüssiger Stickstoff 30 durch eine Zuführleitung 31 in
den Kühlmittelraum 36 eingeführt, der
dort zu festem Stickstoff 34 erstarrt, da der abdampfende
Stickstoff durch die Abgasleitung 35 abgesaugt wird. Der
feste Stickstoff in der evakuierten Umgebung kühlt den
Emitter und das eingeführte Gas, wobei der feste Stickstoff
die Wärme unter Sublimation aufnimmt. Dies ist sehr wirkungsvoll
bei einer Verringerung der Vibrationen der Emitterspitze, da im
Gegensatz zu flüssigem Stickstoff bei der Sublimation von
festem Stickstoff keine Blasen entstehen, die physikalische Vibrationen
hervorrufen. Um den Emitter ausreichend zu kühlen, werden
vorzugsweise auch die Zuleitung 37 für die Emitterspannung,
die Zuleitung 38 für die Steuerelektrodenspannung
und die Extraktionselektrode 3 gekühlt. Außerdem
wird für die Verbindung zwischen dem gekühlten
Abschnitt und dem Abschnitt, der sich auf Raumtemperatur befindet,
ein Material mit geringer Wärmeleitung verwendet und ein
Strahlungsschirm gegen die Einstrahlung von Wärme durch
thermische Strahlung von dem Abschnitt, der sich auf Raumtemperatur
befindet, in den gekühlten Abschnitt vorgesehen. Eine solche
Kühlvorrichtung ist im Vergleich zu einer He-Kühlvorrichtung
zum Abkühlen auf etwa 10 K sehr kompakt und wenig aufwendig.
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Das
Kühlmittel der vorliegenden Ausführungsform ist
dadurch gekennzeichnet, daß es durch Verfestigen eines
Kühlmittelgases erhalten wird, das sich bei Raumtemperatur
und unter Atmosphärendruck im gasförmigen Zustand
befindet. Das Kühlmittelgas kann anstelle von Stickstoff
(Schmelzpunkt 51 K und Siedepunkt 77 K bei Atmosphärendruck)
zum Beispiel Wasserstoff (Schmelzpunkt: 14 K, Siedepunkt: 20 K),
Neon (Schmelzpunkt: 24 K, Siedepunkt: 27 K), Sauerstoff (Schmelzpunkt:
54 K, Siedepunkt: 90 K), Argon (Schmelzpunkt: 84 K, Siedepunkt:
87 K), Methan (Schmelzpunkt: 90 K, Siedepunkt: 111 K) und dergleichen
sein. Hinsichtlich der Kosten und der Sicherheit ist Stickstoff
das beste Kühlmittel.
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Ausführungsform 6
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Bei
der Ausführungsform 5 wird ein Kühlmittel verwendet,
das durch Umwandeln eines Kühlmittelgases in den festen
Zustand erhalten wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform
wird das feste Kühlmittel weiter abgekühlt. Die
folgende Beschreibung konzentriert sich darauf, was bei der vorliegenden
Ausführungsform wesentlich ist.
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Die 7 zeigt
schematisch eine Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem Kühler,
bei dem ein erstarrtes Kühlmittel weiter abgekühlt
wird. Das Kühlmittelgas ist im vorliegenden Beispiel Stickstoff.
Zuerst wird flüssiger Stickstoff 30 durch die
Zuführleitung 31 in den Kühlmittelraum 36 eingeführt.
Im Kühlmittelraum 36 befindet sich der Kühlkopf 51 eines
He-Kühlers 50. Damit verbundene metallene Kühlstäbe 52 erstrecken
sich bis in den flüssigen Stickstoff hinein. Der flüssige
Stickstoff wird in festen Stickstoff 30 umgewandelt, da
der verdampfende Stickstoff durch die Abgasleitung 35 abgesaugt
wird. Beim Einschalten des Kühlers wird dann der feste
Stickstoff weiter auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes
abgekühlt.
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Zur
Beobachtung mit dem Ionenmikroskop wird der Kühler eingeschaltet.
Im Vergleich zum festen Stickstoff wird dadurch die Emittertemperatur
weiter um etwa 20 K abgesenkt und die Helligkeit der Ionenquelle entsprechend
erhöht. Der Kühler kann auch wieder abgeschaltet
werden, um die auf ihn zurückzuführenden Vibrationen
abzustellen, wenn mit dem Ionenmikroskop eine Beobachtung erfolgt.
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Ausführungsform 7
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Die
vorliegende Ausführungsform wird anhand der 8 und 9 beschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Richtung
der Ionenemission von der Nanospitze des Emitters geprüft
und unter Beobachtung eines Quasi-FIM-Musters zu der optischen Achse
des Rasterionenmikroskops ausgerichtet.
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Die
vom Emitter 1 divergent emittierten Ionen 5 laufen
durch die Fokussierlinse 6 (deren Linsenfunktion durch
Setzen des Linsenpotentials VL auf Masse
abgeschaltet wird) und erreichen die bewegliche Strahlbegrenzungsblendenplatte 8.
Der dort ankommende Ionenstrahl läuft zum Teil durch die
bewegliche Strahlbegrenzungsblendenplatte 8. Mit den durchgelaufenen
Ionen bestrahlt, gibt die Probe 8 Sekundärelektronen 15 ab.
Die Sekundärelektronen 15 werden vom Sekundärelektronendetektor 16 erfaßt.
Vor der beweglichen Strahlbegrenzungsblendenplatte 8 lenkt
der Strahldeflektor/Ausrichter 7 den Strahl gemäß einem
Abtastsignal aus. Ein mit diesem Abtastsignal synchronisiertes Signal
und die vom Sekundärelektronendetektor 16 erfaßte Intensität
werden als XY-Signal bzw. Z-Signal (Helligkeit) verwendet, um eine
RIM-Abbildung zu erzeugen. Diese RIM-Abbildung wird auf der Abbildungsanzeigeeinheit 19 abgebildet.
Die bewegliche Strahlbegrenzungsblendenplatte 8 kann in
einer Ebene senkrecht zur optischen Achse bewegt werden, so daß eine
feine Einstellung der optischen Achse oder XY-Einstellung möglich
ist. Außerdem kann der Blendendurchmesser davon aus verschiedenen
Werten in einem großen Bereich ausgewählt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Linsenfunktion
der Objektivlinse 12 so eingestellt, daß der Auslenkungs-Drehpunkt
des Strahldeflektors/Ausrichters 7 auf die Probe 14 projiziert
wird. Aufgrund dieser Einstellung wird die Probe nicht vom Strahl
abgetastet, obwohl der Strahldeflektor/Ausrichter 7 eine
Auslenkung des Strahls durchführt. Statt dessen zeigt das
RIM-Bild auf dem Bildschirm die Winkelintensitätsverteilung
der emittierten Ionen an, wobei die X- und die Y-Achse die Emissionswinkel
darstellen, die jeweils in der X- bzw. Y-Richtung gemessen werden.
Eine FIM-Abbildung hat zwar prinzipiell eine derart hohe Auflösung,
daß der Ionenemissionsbereich des Emitter auf Atomniveau
projiziert werden kann, die beschriebene RIM-Abbildung entspricht
jedoch einer eingeschränkten und unscharfen FIM-Abbildung,
die den Ionenabstrahlungsraumwinkel abdeckt, der der Öffnung der
beweglichen Strahlbegrenzungsblendenplatte 44 entspricht.
Wenn die Abtastfunktion des Strahldeflektors/Ausrichters 7 abgeschaltet
wird, erfolgt eine feine XY-Einstellung und Ausrichtungseinstellung
des Strahldeflektors/Ausrichters 7 derart, daß die
Ionenemissionsrichtung <111> für die Quasi-FIM-Abbildung
durch den Mittelpunkt der Objektivlinse 12 und den Mittelpunkt
der Öffnung der beweglichen Strahlbegrenzungsblendenplatte 8 läuft.
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In
der 8 ist die Fokussierlinse 8 eine elektrostatische
Linse mit drei Elektroden (6a, 6b und 6c). Die
beiden äußeren Elektroden befinden sich auf Massepotential.
Zwischen der Extraktionselektrode 3 und der ersten Elektrode 6a der
Fokussierlinse ergibt sich die Wirkung einer Ionenbeschleunigungslinse.
Wenn mit αo der Winkel der auf
diese Linse einfallenden Ionen und mit αi der
Winkel der davon ausgehenden Ionen bezeichnet wird, kann der Winkelvergrößerungsfaktor
Mang durch die folgende Formel angegeben
werden: Mang = αi/αo (5).
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Ohne
Beschleuigungslinsenfunktion, das heißt wenn die Beschleunigungsspannung
(Vacc) gleich der Extraktionsspannung (Vext) ist, wird Mang gleich
1. Die 9 zeigt ein Beispiel für Kurven, die
angeben, wie Mang von Vext abhängt,
wenn die Ionenbeschleunigungsspannung Vacc bei
25 kV festgehalten wird und der Abstand Zacc zwischen
der Extraktionselektrode 3 und der ersten Elektrode 6a der
Fokussierlinse bei 20 mm gehalten wird. Die Kurven sind für
s = 3, 5 und 7 mm aufgetragen. Positive bzw. negative Werte für
Mang geben an, daß die ausgehenden
Ionen divergieren bzw. konvergieren. Wenn Mang gleich
Null ist, laufen die ausgehenden Ionen parallel zur optischen Achse.
Daraus ergibt sich, daß der Strahldurchmesser an der beweglichen
Strahlbegrenzungsblendenplatte 8 in Abhängigkeit
von Mang variiert, auch wenn die Fokussierlinse
ausgeschaltet ist, da der Divergenzwinkel der Ionen 5,
die vom Emitter emittiert werden, aufgrund der Beschleunigungslinsenfunktion
mit dem Faktor Mang multipliziert wird.
Das heißt, daß der optimale Blendendurchmesser
der beweglichen Strahlbegrenzungsblendenplatte 8 in Abhängigkeit
von diesen Werten variiert. Um die optische Achse einzustellen,
wenn sich die GFIQ an dem Rasterladungsteilchenmikroskop befindet,
oder um die Ausbildung oder Regeneration einer Nanospitze am Emitterende
zu korrigieren/beobachten, wird Vacc herabgesetzt.
Für den regulären Betrieb des Rasterladungsteilchenmikroskops
danach wird Vacc wieder auf einem bestimmten Wert
angehoben.
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Für
die Einstellung der optischen Achse des GFIQ im Rasterladungsteilchenmikroskop
(zum Beispiel nach einer Reparatur der Emitterspitze) wird das Feldemissionsmuster
beobachtet, während stärker divergent emittierte
Ionen die Extraktionselektrode durchlaufen können. Wenn
das Rasterladungsteilchenmikroskop zur Betrachtung einer Probe verwendet
wird, werden weniger divergent emittierte Ionen durch die Extraktionselektrode
gelassen. Durch diese Wahl der Einstellung ist es möglich,
auf eine einfache und wirkungsvolle Weise sowohl eine sehr genaue
Einstellung der optischen Achse durchzuführen als auch
eine genaue Probenbetrachtung zu ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 1983-85242
A [0003]
- - JP 1995-192669 A [0003]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - K. Edinger,
V. Yun, J. Meingailis, J. Orloff und G. Magera, J. Vac. Sci. Technol.
A 15 (No. 6) (1997) 2365 [0003]
- - J. Morgan, J. Notte, R. Hill und B. Ward, Microscopy Today
14. Juli (2006) 24 [0003]
- - H.-S. Kuo, I.-S. Hwang, T.-Y. Fu, Y.-C. Lin, C.-C. Chang und
T. T. Tsong, 16. Int. Microscopy Congress (IMC16), Sapporo (2006)
1120 [0003]
- - H.-S. Kuo, I.-S. Hwang, T.-Y. Fu, J.-Y. Wu, C.-C. Chang und
T. T. Tsong, Nano Letters 4 (2004) 2379. [0003]
