DE102017005565A1

DE102017005565A1 - Ionenstrahlsystem

Info

Publication number: DE102017005565A1
Application number: DE102017005565.3A
Authority: DE
Inventors: Hiroyasu Shichi; Shinichi Matsubara; Yoshimi Kawanami
Original assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2018-01-11
Also published as: US20180012726A1; JP6608769B2; JP2018006219A; US10163602B2

Abstract

Es ist ein Ionenstrahlsystem vorgesehen, das eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle aufweist, die einen für eine Verarbeitung ausreichenden hohen Strom erhalten kann und einen Ionenstrahlstrom stabilisieren kann. Das Ionenstrahlsystem weist eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle auf, welche Folgendes aufweist: ein Vakuumgefäß, einen Emitterspitzenhalter, der sich im Vakuumgefäß befindet, eine Emitterspitze, die mit dem Emitterspitzenhalter verbunden ist, eine Extraktionselektrode, die der Emitterspitze entgegengesetzt ist, einen Gaszufuhrabschnitt zum Zuführen eines Gases zur Emitterspitze und ein Kälteübertragungselement, das sich im Vakuumgefäß befindet und Kühlenergie auf den Emitterspitzenhalter überträgt. Die Oberfläche des Kälteübertragungselements ist mit einem wärmeisolierenden Material bedeckt, um eine Gaskondensation zu verhindern.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität aus der am 5. Juli 2016 eingereichten japanischen Patentanmeldung JP 2016-133700 , deren Inhalt hiermit durch Verweis in diese Anmeldung aufgenommen ist.
HINTERGRUND
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ionenstrahlsystem, das mit einer Gas-Feldionisations-Ionenquelle versehen ist.
2. Technischer Hintergrund
Die Oberflächenstruktur einer Probe kann durch eine Vorrichtung betrachtet werden, die eine Probe mit einem Elektronenstrahl abtastend bestrahlt und von der Probe abgegebene sekundäre geladene Teilchen detektiert. Diese Vorrichtung wird als Rasterelektronenmikroskop bezeichnet. Andererseits kann die Probenoberflächenstruktur auch durch eine Vorrichtung betrachtet werden, welche die Probe mit einem Ionenstrahl abtastend bestrahlt und Sekundärelektronen, Sekundärionen, reflektierte Ionen und dergleichen, die von der Probe abgegeben werden, detektiert. Diese Vorrichtung wird als Rasterionenmikroskop bezeichnet.
Der Ionenstrahl ist empfindlicher für Informationen über die Probenoberfläche als der Elektronenstrahl. Dies liegt daran, dass sich das Anregungsgebiet der Sekundärelektronen näher an der Probenoberfläche befindet als beim Elektronenstrahl. Der Elektronenstrahl, der nicht vernachlässigbare Welleneigenschaften aufweist, leidet an durch Beugungswirkungen induzierten Aberrationen. Weil Ionen schwerer als Elektronen sind, leidet der Ionenstrahl viel weniger an durch Beugungswirkungen induzierten Aberrationen als der Elektronenstrahl. Insbesondere kann der Ionenstrahl in einem Fall, in dem eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle mit einer hohen Luminanz verwendet wird, verglichen mit dem Elektronenstrahl auf ein sehr feines Objekt fokussiert werden.
Es sei am Rande bemerkt, dass die Gas-Feldionisations-Ionenquelle eine Vorrichtung ist, bei der Gasmoleküle feldionisiert werden, indem ein Gas in der Art von Heliumgas einer Metallemitterspitze zugeführt wird und eine Hochspannung von wenigstens einigen Kilovolt an die Emitterspitze angelegt wird, die einen Spitzenkrümmungsradius in der Größenordnung von 100 nm aufweist, und die resultierenden Ionen als Ionenstrahl extrahiert werden. Die vorliegende Ionenquelle ist durch die Fähigkeit gekennzeichnet, wegen einer geringen Breite der Ionenenergieverteilung und einer kleinen Ionenerzeugungsquelle einen sehr feinen Ionenstrahl zu bilden.
Das Ionenstrahlsystem bestrahlt die Probe mit dem sehr feinen Ionenstrahl, um die Sekundärelektronen (oder -ionen), reflektierten Elektronen (oder Ionen), durchgelassenen Elektronen (oder Ionen) und dergleichen zu detektieren. Demgemäß ermöglicht das System eine sehr hochauflösende Betrachtung der Oberflächenstruktur der Probe, eine sehr genaue Abmessungsmessung der Oberflächenstruktur einer miniaturisierten Halbleiterprobe oder eine Elementanalyse der Probe durch Bestimmen der Energie der von der Probe abgegebenen Elektronen (Ionen) oder des Winkels der Energieabgabe davon. Ferner können Informationen, welche die innere Struktur der Probe reflektieren, auch durch Bestrahlen einer Dünnfilmprobe mit einem sehr feinen Ionenstrahl und Detektieren der von der Probe durchgelassenen Ionen erhalten werden. Überdies ermöglicht die Bestrahlung mit einem Ionenstrahl von Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxid oder dergleichen wegen eines ausgeprägten Sputterphänomens eine sehr feine Verarbeitung der Probe.
In Patentliteratur 1 ist ein System zur Bestrahlung mit geladenen Teilchen offenbart, welches Folgendes aufweist: eine Quelle für einen Strahl geladener Teilchen zum Emittieren eines Strahls geladener Teilchen, ein mit geladenen Teilchen arbeitendes optisches System zum Fokussieren des Strahls geladener Teilchen auf eine Probe und einen Kühlmechanismus zum Kühlen einer Spitze. Die Quelle für einen Strahl geladener Teilchen weist ein Wärmeisolationsstrukturelement auf, das zwischen der Spitze und einem Hochspannungsanschluss angeordnet ist und eine Wärmeisolationsstruktur zum Unterbinden einer Wärmeeinströmung von der Atmosphärenseite aufweist. Im Wärmeisolationsstrukturelement ist ein Wärmeübertragungsweg von einem Ende auf der Hochspannungs-Anschlussseite zu einem Ende auf der Spitzenseite länger als ein direkter Abstand vom Ende auf der Hochspannungs-Anschlussseite zum Ende auf der Spitzenseite des Wärmeisolationsstrukturelements.
DOKUMENT ZUM STAND DER TECHNIK
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2016-27525 A

KURZFASSUNG
Zum Betrachten einer Probe mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis oder zum Verarbeiten der Probe mit einer hohen Geschwindigkeit muss ein Ionenstrahl erzeugt werden, der eine hohe Stromdichte an der Probe aufweist. Um diese Anforderung zu erfüllen, muss die Dichte des Ionenemissionswinkelstroms der Gas-Feldionisations-Ionenquelle erhöht werden. Zum Erhöhen der Dichte des Ionenemissionswinkelstroms kann die Moleküldichte eines ionischen Materialgases (ionisierbaren Gases) in der Nähe der Emitterspitze erhöht werden. Die Moleküldichte des der Emitterspitze zugeführten Gases nimmt bei einer Abnahme der Gastemperatur zu. Es ist daher erforderlich, die Emitterspitze auf eine sehr niedrige Temperatur zu kühlen. Praktisch kann das ionisierbare Gas in der Nähe der Emitterspitze bei einem Druck im Bereich von 1 × 10^–2 bis 10 Pa gehalten werden.
Bei einer Gas-Feldionisations-Ionenquelle mit einer Nanopyramidenstruktur an einem Spitzenende der Emitterspitze tritt das folgende Problem auf. Falls ein ionisierbares Gas mit einer hohen Masse in der Art von Neon, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Krypton oder Xenon an Stelle von Wasserstoff oder Helium verwendet wird, wird die Sputterwirkung des Ionenstrahls erhöht, so dass er für eine Verarbeitung der Probe geeignet ist. Wenngleich ein Ionenstrahlsystem unter Verwendung von Helium- oder Neongas praktisch angewendet wurde, haben Ionenstrahlsysteme, bei denen andere Gasspezies verwendet werden, nicht notwendigerweise ein Niveau erreicht, um praktisch angewendet zu werden, auch wenn die Ionenemission experimentell bestätigt wurde. Insbesondere wurde ein Ionenstrahl-Verarbeitungssystem, bei dem ein Gas mit einem hohen Siedepunkt wie Argon (Siedepunkt 87 K), Krypton (Siedepunkt 120 K) oder Xenon (Siedepunkt 156 K) als Ionenquellenmaterial verwendet wurde, nicht praktisch angewendet.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird die Emitterspitze in der Gas-Feldionisations-Ionenquelle gekühlt. Helium, das in einer herkömmlichen Gas-Feldionisations-Ionenquelle verwendet wurde, hatte einen niedrigen Siedepunkt von 4 K, so dass der Strom durch Kühlen der Emitterspitze auf die niedrigstmögliche Temperatur erhöht werden konnte. Daher wurde die Gas-Feldionisations-Ionenquelle ausgelegt, um die niedrigstmögliche Temperatur durch den Kühlmechanismus der Ionenquelle zu erreichen. Es war jedoch schwierig, diese Ionenquelle durch Einleiten von Kryptongas an Stelle eines Heliumgases praktisch in Betrieb zu setzen. Weil Kryptongas einen Siedepunkt von 120 K hatte, war ein von der Emitterspitze, die auf eine Temperatur von etwa 120 K gekühlt war, emittierter Kryptonionenstrom um einen Bruchteil bis zu einer Größenordnung niedriger als ein Heliumionenstrom. Daher konnte kein sehr feiner Ionenstrahl mit einer hohen Stromdichte gebildet werden. Wenn die Temperatur der Emitterspitze weiter abgesenkt wurde, neigte der Ionenstrom zu einer Erhöhung, er wurde jedoch zu instabil, um praktisch angewendet zu werden. Wenn die Temperatur der Emitterspitze erhöht wurde, wurde der Vakuumgrad der Ionenquelle ferner sofort verschlechtert, was manchmal zu einem Halt einer Turbomolekularpumpe eines Evakuierungssystems führte.
Patentliteratur 1 lehrt, dass die Stärke der Wärmestrahlung von Elementen bei Raumtemperaturen zu Bereichen mit einer sehr niedrigen Temperatur in der Art einer Spitze, eines Kupferlitzendrahts, Wärmeabsorptionsteilen und des Spitzenhalters verringert wird, wenn die Komponenten mit einer Wärmeabschirmung umschlossen werden. Ferner ist ein zweiter Wärmetauscher dafür ausgelegt, einen Wärmetauscher einzuschließen, um auch die Wärmestrahlung zum Wärmetauscher zu blockieren. Dies ist wirksam, um die thermische Belastung zu verringern, so dass erwartet wird, dass eine noch niedrigere Kühltemperatur der Spitze erhalten werden kann. Die Patentliteratur legt nahe, dass die Gesamtmenge der übertragenen Wärme und der Strahlungswärme auf etwa 0,5 [W] begrenzt werden kann. Allerdings ist selbst die Struktur aus Patentliteratur 1 nicht zu einer stabilen Erzeugung eines Hochstrom-Ionenstrahls aus dem ionisierbaren Gas mit einem hohen Siedepunkt in der Art von Argon, Krypton und Xenon in der Lage.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle vor, die einen hohen Strom erhalten kann, der für eine Verarbeitung ausreicht, und einen Ionenstrahlstrom stabilisieren kann, wenn ein Ionenstrahl von Gasspezies unter Verwendung von Gasen mit einem hohen Siedepunkt in der Art von Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenmonoxid gebildet wird. Die vorliegende Erfindung sieht ferner ein Ionenstrahlsystem vor, das mit dieser Gas-Feldionisations-Ionenquelle versehen ist und eine sehr genaue und sehr schnelle Verarbeitung eines sehr feinen Bereichs einer Probe ausführen kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Ionenstrahlsystem eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle auf, welche Folgendes aufweist: ein Vakuumgefäß, einen Emitterspitzenhalter, der sich im Vakuumgefäß befindet, eine Emitterspitze, die mit dem Emitterspitzenhalter verbunden ist, eine Extraktionselektrode, die der Emitterspitze entgegengesetzt ist, einen Gaszufuhrabschnitt zum Zuführen eines Gases zur Emitterspitze und ein Kälteübertragungselement, das sich im Vakuumgefäß befindet und Kühlenergie auf den Emitterspitzenhalter überträgt, wobei die Oberfläche des Kälteübertragungselements mit einem wärmeisolierenden Material bedeckt ist, um die Kondensation des Gases zu verhindern.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Ionenstrahlsystem die vorstehende Gas-Feldionisations-Ionenquelle auf und weist ferner Folgendes auf: ein Haftelement, das die Oberfläche des Kälteübertragungselements bedeckt, und ein wärmeisolierendes Material, das über das Haftelement an der Oberfläche des Kälteübertragungselements haftet und das Haftelement bedeckt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Ionenstrahlsystem die vorstehende Gas-Feldionisations-Ionenquelle auf und weist ferner Folgendes auf: ein wärmeisolierendes Material, das die Oberfläche des Kälteübertragungselements bedeckt, ein Metallmaterial, das die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials bedeckt, und einen Heizmechanismus zum Erwärmen des Metallmaterials.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Ionenstrahlsystem vor, das mit einer Gas-Feldionisations-Ionenquelle versehen ist und eine sehr genaue und sehr schnelle Verarbeitung eines sehr feinen Bereichs der Probe durch Bestrahlung mit einem Ionenstrahl aus Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxid oder dergleichen ausführen kann.
Andere Probleme, Anordnungen und Wirkungen als die vorstehend erwähnten werden anhand der folgenden Beschreibungen von Ausführungsformen verständlich werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es zeigen:
1 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels eines Ionenstrahlsystems,
2 eine vergrößerte Ansicht einer Gas-Feldionisations-Ionenquelle,
3 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels eines Steuersystems des Ionenstrahlsystems,
4 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels der Gas-Feldionisations-Ionenquelle des Ionenstrahlsystems,
5 ein schematisches Diagramm einer Gas-Feldionisations-Ionenquelle und eines Kühlmechanismus davon gemäß einer Ausführungsform,
6 ein schematisches Diagramm einer Gas-Feldionisations-Ionenquelle und eines Kühlmechanismus davon gemäß einer Ausführungsform,
7 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels des Ionenstrahlsystems und
8 eine detaillierte Ansicht der Umgebung eines Wärmetauschers der Gas-Feldionisations-Ionenquelle des Ionenstrahlsystems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In einer Gas-Feldionisations-Ionenquelle wird eine Emitterspitze wie vorstehend beschrieben gekühlt. Die Erfinder haben experimentell eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle hergestellt, der Kryptongas als ionisierbares Gas für die Ionenemission zugeführt wurde. Der Emissionsstrom wurde gemessen, während der Druck des Kryptongases auf 3 × 10^–2 Pa gelegt war und die Temperatur der Emitterspitze geändert wurde. Bei einer Temperatur von 105 K betrug der Ionenstrahlstrom 8 pA. Bei einer Temperatur von 90 K betrug der Ionenstrahlstrom 10 pA.
Wenn versucht wurde, das Experiment fortzusetzen, während die Temperatur auf 90 K oder darunter verringert war, war es bei einem erheblichen Abfall des Kryptongasdrucks unmöglich, eine Messung des Emissionsstroms auszuführen. Daher wurde versucht, eine Messung des Emissionsstroms vorzunehmen, während die Gasdurchflussrate um zwei Größenordnungen erhöht wurde. Dadurch wurde festgestellt, dass bei einer Temperatur von 60 K der Ionenstrahlstrom 50 pA betrug, was eine drastische Erhöhung des Emissionsstroms darstellt. Es wurde jedoch auch herausgefunden, dass es schwierig war, den Gasdruck auf einem konstanten Niveau zu halten oder ihn während eines langen Zeitraums zu stabilisieren. Wenn die Temperatur abgesenkt wurde, während der Kryptongasdruck konstant gehalten wurde, konnte gemessen werden, wie der Gasdruck schnell abgefallen ist. Das System wurde untersucht, und es wurde herausgefunden, dass, wenn die Emitterspitzentemperatur 90 K betrug, eine Kühlmaschine auf etwa 56 K gekühlt wurde.
Ein Hochluminanz-Betriebszustand der Gas-Feldionisations-Ionenquelle dient dazu, die Temperatur der Emitterspitze auf das niedrigstmögliche Niveau zu verringern, wie vorstehend beschrieben wurde. Bei einer herkömmlichen Gas-Feldionisations-Ionenquelle, die so aufgebaut ist, dass die Emitterspitze mit Kühlenergie von der Kühlmaschine gekühlt wird, liegt die Kühlmaschine in einem Kälteübertragungsweg zwischen der Kühlmaschine und der Emitterspitze bei der niedrigsten Temperatur, während die Emitterspitze bei der höchsten Temperatur liegt. Beispielsweise liegt ein Übertragungsabschnitt der Kühlmaschine, der sich im Vakuum befindet, bei 25 K, liegt ein Kälteübertragungselement aus Kupfer bei 35 K, liegt der Emitterhalter bei 55 K und liegt die Emitterspitze bei 60 K. Das heißt, dass, falls die Emitterspitzentemperatur auf das niedrigstmögliche Niveau abzusenken ist, um keine Gaskondensation zu induzieren, das ionisierbare Gas auf halbem Wege durch den Kälteübertragungsweg kondensiert wird, wodurch es schwierig wird, den Gasdruck zu steuern. Ferner wird, wenn das ionisierbare Gas kondensiert wird, ein während des Temperaturanstiegs der Ionenquelle verflüssigtes Gas auf einmal verdampft und im Vakuumgefäß abgegeben, so dass auf das Absaugsystem des Systems eine erhebliche Last ausgeübt wird. Folglich nimmt die Luminanz der Ionenquelle ab, wenn die Emitterspitzentemperatur erhöht wird. Dies macht es schwierig, die herkömmliche Gas-Feldionisations-Ionenquelle in einem Zustand hoher Luminanz zu betreiben, bei dem die Ionenquelle grundsätzlich betrieben werden kann.
Demgemäß beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, dass es, wenn die Emitterspitze auf die niedrigstmögliche Temperatur gekühlt wird, sehr wichtig ist, keine Gaskondensation auf dem Kälteübertragungsweg zuzulassen, der sich bei niedrigeren Temperaturen als die Emitterspitze befindet. Bei der herkömmlichen Gas-Feldionisations-Ionenquelle konnte die Stromdichte des Kryptonionenstrahls und dergleichen nicht erhöht werden, weil die Ionenquelle nicht unter Berücksichtigung der Gaskondensation auf dem Kälteübertragungsweg ausgelegt wurde.
Auf der Grundlage einer solchen Ursachenuntersuchung wendet die vorliegende Erfindung ein Kälteübertragungselement auf den Kälteübertragungsweg an, um Kühlenergie auf die Emitterspitze zu übertragen. Das Kälteübertragungselement weist eine temperaturgesteuerte Struktur auf, wobei ihr innerer Teil bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen gehalten wird, während ihre Oberfläche bei verhältnismäßig hohen Temperaturen gehalten wird. Beispielsweise wird die Oberfläche des Kälteübertragungselements mit einem wärmeisolierenden Material bedeckt, um die Gaskondensation zu unterbinden. Die erfindungsgemäße Struktur des Kälteübertragungswegs braucht nicht auf die gesamte Länge des Kälteübertragungswegs angewendet zu werden, sondern ist selbst dann wirksam, wenn sie auf einen Teil des Wegs angewendet wird. Es ist besonders wirksam, die erfindungsgemäße Struktur auf einen Teil des Kälteübertragungswegs anzuwenden, der in der Nähe der Kühlmaschine liegt und dessen Oberflächentemperatur niedriger ist als die Kondensationstemperatur des Gases.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Ionenquellenluminanz maximiert oder wird die Dichte des Ionenemissionswinkelstroms maximiert, weil das ionisierbare Gas im Vakuumgefäß nicht kondensiert, während die Ionen von der Emitterspitze abgegeben werden, deren Temperatur auf dem niedrigsten Niveau gehalten wird. Demgemäß kann der sehr feine Hochstrom-Ionenstrahl durch Verarbeiten von Ionenspezies in der Art von Argon, Krypton, Xenon oder Stickstoff erzeugt werden. Daher kann eine sehr feine Verarbeitung schneller als je zuvor ausgeführt werden.
Bevor die vorliegende Erfindung detailliert beschrieben wird, werden einzelne Komponenten und Wirkungen davon angeführt und beschrieben.

(1) Beispielsweise weist ein Ionenstrahlsystem eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle auf, welche Folgendes aufweist: ein Vakuumgefäß, einen Emitterspitzenhalter, der sich im Vakuumgefäß befindet, eine Emitterspitze, die mit dem Emitterspitzenhalter verbunden ist, eine Extraktionselektrode, die der Emitterspitze entgegengesetzt ist, einen Gaszufuhrabschnitt zum Zuführen eines Gases zur Emitterspitze und ein Kälteübertragungselement, das sich im Vakuumgefäß befindet und Kühlenergie auf den Emitterspitzenhalter überträgt. Die Oberfläche des Kälteübertragungselements ist mit einem wärmeisolierenden Material bedeckt, um die Gaskondensation zu verhindern.

Eine solche Konfiguration verhindert die Kondensation des ionisierbaren Gases an der Oberfläche des Kälteübertragungselements, selbst wenn die Emitterspitze innerhalb eines Temperaturbereichs, der das Kondensieren des ionisierbaren Gases nicht ermöglicht, auf die niedrigste Temperatur gekühlt wird. Zuerst wird die Emitterspitze auf niedrige Temperaturen gekühlt, so dass der Ionenemissionsstrom ansteigt. Auf diese Weise wird die Dichte des Emissionswinkelstroms von Ionenspezies mit einem hohen Siedepunkt erhöht. Insbesondere kann ein sehr feiner Hochstrom-Ionenstrahl gebildet werden. Dementsprechend kann die sehr feine Verarbeitung schneller als je zuvor ausgeführt werden. Ferner ermöglicht dieser Ionenstrahl die Betrachtung einer Probenoberfläche mit einer höheren Auflösung und einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis. Weil das ionisierbare Gas nicht an der Oberfläche des Kälteübertragungselements kondensiert, wird die der Emitterspitze zugeführte Gasmenge stabilisiert. Dies führt zu einem stabilen Ionenemissionsstrom. Daher kann die sehr feine Verarbeitung mit höheren Präzisionen als je zuvor ausgeführt werden. Ferner kann die Probenoberfläche bei einem niedrigen Rauschniveau betrachtet werden.
Im Gegensatz zum Stand der Technik tritt gemäß der vorliegenden Erfindung das Problem nicht auf, dass, wenn die Temperatur nach der Kondensation des ionisierbaren Gases an der Oberfläche des Kälteübertragungselements ansteigt, das kondensierte Gas verdampft wird, wodurch der Vakuumgrad der Vakuumkammer sofort verschlechtert wird. In einigen Fällen führt dies zum Zusammenbruch des herkömmlichen Absaugsystems. Die vorliegende Erfindung ist von solchen Problemen frei und kann ein Ionenstrahlsystem bereitstellen, das eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Herkömmlich wurde angenommen, dass es unangemessen ist, die Emitterspitze bis unter den Siedepunkt des ionisierbaren Gases zu kühlen, weil der Ionenstrom instabil wird, wenn die Emitterspitze bis unter den Siedepunkt des ionisierbaren Gases gekühlt wird. Die Erfinder haben herausgefunden, dass das Problem nicht in der Kühlung der Emitterspitze bis unter den Siedepunkt des ionisierbaren Gases, sondern in der Gaskondensation an der Oberfläche des Kälteübertragungselements besteht.
Die Erfinder haben auch herausgefunden, dass, wenngleich die Durchflussrate des ionisierbaren Gases konstant ist, die einem Spitzenende des Emitters zugeführte Gasmenge durch die Gaskondensation an der Oberfläche des Kälteübertragungselements erheblich abnimmt. Auf dem Stand der Technik gab es die falsche Auffassung, dass ein zu starkes Kühlen der Emitterspitze zu einer Verringerung des Ionenstroms führt. Daher wurde im Stand der Technik kein ausreichender Ionenstrom zum Bereitstellen einer Gas-Feldionisations-Ionenquelle und eines Ionenstrahlsystems erreicht, die für eine sehr feine und schnelle Verarbeitung und eine Betrachtung mit sehr hoher Auflösung geeignet sind.

(2) Beispielsweise weist ein Ionenstrahlsystem die Gas-Feldionisations-Ionenquelle nach Abschnitt (1) auf und weist ferner Folgendes auf: ein Haftelement, das so aufgebracht ist, dass es die Oberfläche des Kälteübertragungselements bedeckt, und ein wärmeisolierendes Material, das über das Haftelement so auf die Oberfläche des Kälteübertragungselements aufgeklebt ist, dass es das Haftelement bedeckt.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (1) beschriebenen Wirkungen bereit. Weil das wärmeisolierende Material durch das Haftelement an der Oberfläche des Kälteübertragungselements haftet, wird verhindert, dass das wärmeisolierende Material abgetrennt wird oder reißt, wenn es gekühlt oder erwärmt wird. Ferner tritt bei dieser Konfiguration nicht die Befürchtung auf, dass die Kondensation des Gases in einen Zwischenraum zwischen dem wärmeisolierenden Material und dem Kälteübertragungselement eindringt. Das heißt, dass eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle und ein Ionenstrahlsystem bereitgestellt werden, die geeignet sind, um die sehr feine und schnelle Verarbeitung und die Betrachtung mit sehr hoher Auflösung mit einer hohen Zuverlässigkeit und Stabilität auszuführen.

(3) Beispielsweise weist ein Ionenstrahlsystem die Gas-Feldionisations-Ionenquelle nach Abschnitt (1) auf, und es weist ferner Folgendes auf: das wärmeisolierende Material, das so aufgebracht ist, dass es die Oberfläche des Kälteübertragungselements bedeckt, ein Metallmaterial, das so aufgebracht ist, dass es die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials bedeckt, und einen Heizmechanismus zum Erwärmen des Metallmaterials.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (1) beschriebenen Wirkungen bereit. Ferner kann diese Konfiguration die Temperatur der Metalloberfläche wegen der Aufnahme des die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials bedeckenden Metallmaterials und des Heizmechanismus zum Erwärmen des Metallmaterials steuerbar vergleichmäßigen. Insbesondere verhindert die Konfiguration zuverlässig die Gaskondensation, weil die Temperatur der Gesamtoberfläche so gesteuert wird, dass sie auf einem die Gaskondensation nicht zulassenden Niveau liegt. Dementsprechend werden eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle und ein Ionenstrahlsystem bereitgestellt, die geeignet sind, um die sehr feine und schnelle Verarbeitung und die Betrachtung mit sehr hoher Auflösung mit einer hohen Zuverlässigkeit und Stabilität auszuführen.

(4) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) ist das Kälteübertragungselement ein Wärmetauscher, der Kühlenergie eines Kühlmechanismus auf ein Vakuumgefäß überträgt.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (1), (2) oder (3) beschriebenen Wirkungen bereit. Weil das Kälteübertragungselement ferner der Wärmetauscher zum Übertragen der Kühlenergie des Kühlmechanismus zum Vakuumgefäß der Ionenquelle ist, ist der Wärmetauscher frei von der Gaskondensation. Der Wärmetauscher ist ein Kälteübertragungselement, das auf die niedrigste Temperatur gekühlt wird. Daher kann in Fällen eine erhebliche Wirkung erreicht werden, bei denen nur die Oberfläche des Wärmetauschers in der in den Abschnitten (1), (2) und (3) beschriebenen Weise behandelt wird.

(5) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (4) ist der Kühlmechanismus derart, dass er ein von der Kühlmaschine gekühltes Heliumgas umwälzt, während der Wärmetauscher mit dem Heliumgas gekühlt wird.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (4) beschriebenen Wirkungen bereit. Ferner verringert diese Konfiguration die Übertragung mechanischer Vibrationen der Kühlmaschine auf die Emitterspitze. Das heißt, dass die Konfiguration infolge der vibrationsfreien Emitterspitze eine Verarbeitung mit höheren Präzisionen ermöglicht.
Ferner ermöglicht die Konfiguration eine Betrachtung mit höherer Auflösung.

(6) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (4) ist der Kühlmechanismus ein Kühlmechanismus zum Kühlen von Heliumgas in einem Heliumgasgefäß durch die Kühlmaschine, während der Wärmetauscher das Heliumgasgefäß ist.

(7) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) ist das Kälteübertragungselement ein Metalldünnfilm mit einer an seiner Oberfläche haftenden wärmeisolierenden Schicht.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (1), (2) oder (3) beschriebenen Wirkungen bereit. Ferner verringert diese Konfiguration die Übertragung mechanischer Vibrationen der Kühlmaschine auf die Emitterspitze. Das heißt, dass die Konfiguration infolge der vibrationsfreien Emitterspitze eine Verarbeitung mit höheren Präzisionen ermöglicht. Ferner ermöglicht die Konfiguration eine Betrachtung mit höherer Auflösung. Überdies wird durch den Metalldünnfilm ohne eine Zwischenhaftschicht eine starke Haftung mit der wärmeisolierenden Schicht erreicht, wodurch die Gaskondensation an der Oberfläche des Metalldünnfilms beseitigt wird. Überdies kann diese Konfiguration eine Kostenverringerung erreichen.

(8) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) besteht das Kälteübertragungselement aus einem Metall, während die wärmeisolierende Schicht aus einem Fluorharz besteht.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (1), (2) oder (3) beschriebenen Wirkungen bereit. Überdies kann diese Konfiguration eine Kostenverringerung erreichen.

(9) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) besteht das Kälteübertragungselement aus einem Metall, während die wärmeisolierende Schicht aus Keramik besteht.

(10) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) besteht das Kälteübertragungselement aus einem Metalllitzendraht, dessen Oberfläche mit der wärmeisolierenden Schicht überzogen ist.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (1), (2) oder (3) beschriebenen Wirkungen bereit. Ferner verringert diese Konfiguration die Übertragung mechanischer Vibrationen der Kühlmaschine auf die Emitterspitze. Das heißt, dass die Konfiguration infolge der vibrationsfreien Emitterspitze eine Verarbeitung mit höheren Präzisionen und eine Betrachtung mit einer höheren Auflösung ermöglicht. Überdies wird durch den Metalllitzendraht eine erhöhte Haftstärke mit der wärmeisolierenden Schicht ohne eine Zwischenhaftschicht erreicht, wodurch die Gaskondensation an der Oberfläche des Metalllitzendrahts beseitigt wird. Überdies kann diese Konfiguration eine Kostenverringerung erreichen.

(11) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) führt der Gaszufuhrabschnitt ein Gas zu, das Neon, Argon, Krypton oder Xenon enthält.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (1), (2) oder (3) beschriebenen Wirkungen bereit. Ferner ermöglicht diese Konfiguration eine Verarbeitung oder Betrachtung, wobei chemische Reaktionen mit der Probe unterdrückt sind.

(12) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) führt der Gaszufuhrabschnitt ein Gas zu, das Kohlenmonoxid, Sauerstoff oder Stickstoff enthält.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (1), (2) oder (3) beschriebenen Wirkungen bereit. Ferner ist diese Konfiguration dafür geeignet, die Probe durch chemische Reaktionen zu verarbeiten.

(13) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) führt der Gaszufuhrabschnitt ein argonbasiertes Gas zu, um das Kälteübertragungselement auf 30 K oder darunter zu kühlen.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (1), (2) oder (3) beschriebenen Wirkungen bereit. Ferner ist diese Konfiguration dafür geeignet, einen stabilen Hochstrom-Argonionenstrahl für eine sehr feine und sehr schnelle Probenverarbeitung und eine Probenbetrachtung mit sehr hoher Auflösung zu emittieren.

(14) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) führt der Gaszufuhrabschnitt ein kryptonbasiertes Gas zu, um das Kälteübertragungselement auf 50 K oder darunter zu kühlen.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (1), (2) oder (3) beschriebenen Wirkungen bereit. Ferner ist diese Konfiguration dafür geeignet, einen stabilen Hochstrom-Kryptonionenstrahl für eine sehr feine und sehr schnelle Probenverarbeitung und eine Probenbetrachtung mit sehr hoher Auflösung zu emittieren.

(15) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) führt der Gaszufuhrabschnitt ein neonbasiertes Gas zu, um das Kälteübertragungselement auf 25 K oder darunter zu kühlen.

Eine solche Konfiguration stellt die in Abschnitt (1), (2) oder (3) beschriebenen Wirkungen bereit. Ferner ist diese Konfiguration dafür geeignet, einen stabilen Hochstrom-Neonionenstrahl für eine sehr feine und sehr schnelle Probenverarbeitung und eine Betrachtung mit sehr hoher Auflösung zu emittieren.

(16) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) ist der Gaszufuhrabschnitt in der Lage, wenigstens zwei Gastypen unter Einschluss eines Kryptongases umschaltbar zuzuführen, wobei zwischen zwei Gastypen umgeschaltet wird, während die Emitterspitze bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur von 60 K oder darunter gehalten wird.
(17) Bei der Konfiguration gemäß dem vorstehenden Abschnitt (1), (2) oder (3) ist der Gaszufuhrabschnitt dafür geeignet, Argongas und Helium- oder Sauerstoffgas schaltbar zuzuführen, wobei zwischen diesen Gasen umgeschaltet wird, während die Emitterspitze bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur von 45 K oder darunter gehalten wird.

[Erste Ausführungsform]
1 ist eine schematische Schnittansicht eines Beispiels eines Ionenstrahlsystems gemäß einer ersten Ausführungsform. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 in vergrößerten Abmessungen.
Die folgende Beschreibung betrifft ein Ionenstrahl-Verarbeitungssystem als Beispiel eines Ionenstrahlsystems. Das Ionenstrahl-Verarbeitungssystem gemäß der Ausführungsform weist Folgendes auf: eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1, eine Ionenstrahlbestrahlungssystemsäule 2, eine Probenkammer 3, einen Kühlmechanismus 4 und einen Gaszufuhrmechanismus 26. Die Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1, die Ionenstrahlbestrahlungssystemsäule 2 und die Probenkammer 3 sind Vakuumgefäße. Ein vom Gaszufuhrmechanismus 26 zugeführtes ionisierbares Gas ist Argongas.
Die Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 weist Folgendes auf: eine nadelartige Emitterspitze 21, eine Extraktionselektrode 24, die der Emitterspitze entgegengesetzt ist und eine Öffnung 27 zum Durchgang von Ionen aufweist, ein dünnes Drahtfilament 22, eine säulenförmige Filamenthalterung 23, eine elektrisch isolierende Säule 36, einen Emitterspitzenhalter 35 und eine säulenförmige Emitterbasishalterung 37. Ein Vakuumgefäß 15 der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 wird durch eine Ionenquellen-Vakuumsaugpumpe 12 evakuiert. Ein Ventil 29, das zu einer Vakuumunterbrechung geeignet ist, befindet sich zwischen dem Vakuumgefäß 15 und der Ionenquellen-Vakuumsaugpumpe 12. Die Extraktionselektrode 24 ist mit einer Heizung 30 versehen.
Die Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 weist einen Neigungsmechanismus 63 zum Ändern der Neigung der Emitterspitze 21. Der Neigungsmechanismus ist an der Emitterbasishalterung 37 befestigt. Der Neigungsmechanismus 63 wird zum genauen Ausrichten des Emitterspitzenendes mit einer Ionenstrahl-Einstrahlungsachse 64 verwendet. Die Verzerrung des Ionenstrahls wird durch diese Achsenwinkeleinstellung verringert. Bälge 61, 62 werden verformt, wenn die Emitterspitze 21 geneigt wird. Der Balg 62 ermöglicht auch eine sehr geringe Änderung des Argondrucks um den Emitter, wenn die Emitterspitze 21 geneigt wird. Gasverunreinigungen um die Emitterspitze können verringert werden, wenn die Temperatur der Extraktionselektrode 24 durch die Heizung 30 auf 150°C erhöht wird.
Das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem weist Folgendes auf: eine Fokussierlinse 5 zum Fokussieren von der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 emittierter Ionen, eine erste bewegliche Blende 6 zum Begrenzen eines durch die Fokussierlinse 5 hindurchtretenden Ionenstrahls 14, einen ersten Ablenker 32 zum Scannen oder Ausrichten des durch die erste Blende 6 hindurchtretenden Ionenstrahls, einen zweiten Ablenker 7 zum Ablenken des Ionenstrahls, eine zweite Blende 38 zum Begrenzen des Ionenstrahls und eine Objektivlinse 8, welche eine elektrostatische Ionenlinse zum Fokussieren des Ionenstrahls auf die Probe ist. Die Objektivlinse 8 weist drei Elektroden auf.
In der Probenkammer 3 ist Folgendes bereitgestellt: ein Probentisch 10, worauf eine Probe 9 angeordnet ist, ein Detektor 11 für geladene Teilchen und eine Elektronenkanone 16 zum Neutralisieren einer aufgeladenen Probe während der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl. Die Probenkammer 3 wird durch eine Probenkammer-Vakuumsaugpumpe 13 evakuiert. Die Probenkammer 3 ist ferner mit einer Gaskanone (nicht dargestellt) zum Zuführen eines Ätzgases oder eines Abscheidungsgases in der Nähe der Probe versehen. Eine Basisplatte 18 ist über einen Vibrationsisolationsmechanismus 19 an einer Systemtragstruktur 17 angebracht. Die Systemtragstruktur ist auf einem Boden 20 angeordnet. Die Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1, die Ionenstrahlbestrahlungssystemsäule 2 und die Probenkammer 3 werden von der Basisplatte 18 getragen.
Der Kühlmechanismus 4 dient dazu, die Emitterspitze 21 in der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 zu kühlen. Der Kühlmechanismus 4 weist eine Kühlmaschine 31 auf, die sich innerhalb eines Vakuumgefäßes 60 befindet. Die Einzelheiten des Kühlmechanismus werden nachstehend beschrieben, und hier wird ein Umriss davon beschrieben. Die von der Kühlmaschine 31 erzeugte Kühlenergie wird zu einem Kälteübertragungsstab 33 als Kälteübertragungselement übertragen. Der Kälteübertragungsstab 33 tritt auf seinem Weg durch eine Vakuumtrennwand 39 hindurch. In 1 gehört die linke Seite der Vakuumtrennwand 39 zum Vakuumgefäß 60, worin die Kühlmaschine 31 untergebracht ist, während die rechte Seite der Vakuumtrennwand 39 zum Ionenquellen-Vakuumgefäß 15 führt. Die Oberfläche des Kälteübertragungsstabs 33 ist mit einem wärmeisolierenden Material 34 bedeckt, um die Kondensation von Argongas zu unterbinden. Der Kälteübertragungsstab 33 kühlt den damit verbundenen Emitterspitzenhalter 35. Die Oberfläche des Emitterspitzenhalters 35 ist auch mit dem wärmeisolierenden Material 34 bedeckt, um die Kondensation von Argongas zu unterbinden. Der Emitterspitzenhalter 35 ist über die elektrisch isolierende Säule 36 mit der Filamenthalterung 23 verbunden. Die Oberfläche der elektrisch isolierenden Säule 36 ist auch mit dem wärmeisolierenden Material 34 bedeckt, um die Kondensation von Argongas zu unterbinden. Die Kühlenergie wird durch das an der Filamenthalterung 23 befestigte Filament 22 auf die Emitterspitze 21 übertragen, wodurch die Emitterspitze 21 gekühlt wird.
Vorteilhafte Beispiele des wärmeisolierenden Materials 34 umfassen Keramiken und Harze mit geringen Wärmeleitfähigkeiten. Bevorzugte Keramiken umfassen Steatit (Magnesium und Siliciumoxid enthaltende Keramik), Zirkonia (Zirkoniumoxid), Cordierit (Magnesium, Aluminium und Siliciumoxid enthaltende Keramik) und dergleichen. Diese Keramiken haben Wärmeleitfähigkeiten von 5 W/m·K oder darunter. Besonders bevorzugte Harze umfassen Fluorharze und Silikonharze, die bei niedrigen Temperaturen verwendbar sind. Beispielsweise besteht der Kälteübertragungsstab 33 aus sauerstofffreiem Kupfer, besteht der Emitterspitzenhalter 35 aus einem Metall in der Art von Kupfer oder Edelstahl, besteht die elektrisch isolierende Säule 36 aus Aluminiumnitrid oder Keramik in der Art von Aluminiumoxid, besteht die Filamenthalterung 23 aus Aluminiumoxid und besteht das Filament 22 aus Wolfram.
Wenn für den Kühlmechanismus 4 beispielsweise ein Gifford-McMahon(GM)-Kühler oder ein Pulsröhrenkühler verwendet wird, wird eine Kompressoreinheit, die Heliumgas als Arbeitsgas verwendet, auf dem Boden 20 installiert. Die Vibrationen der Kompressoreinheit werden über den Boden 20 auf die Systemtragstruktur 17 übertragen. Der Vibrationsisolationsmechanismus 19 ist zwischen der Systemtragstruktur 17 und der Basisplatte 18 angeordnet, so dass hochfrequente Vibrationen des Bodens weniger leicht auf die Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1, die Ionenstrahlbestrahlungssystemsäule 2, die Vakuumprobenkammer 3 oder dergleichen übertragen werden. Hier werden die Kühlmaschine 31 und der Kompressor als Ursachen für die Vibrationen des Bodens 20 erwähnt. Die Ursachen für die Vibrationen des Bodens 20 sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Der Vibrationsisolationsmechanismus 19 kann einen vibrationsfesten Gummi, eine Feder, einen Dämpfer oder eine Kombination von diesen aufweisen.
Die Eigenschaften der Emitterspitze 21 der Gas-Feldionisations-Ionenquelle liegen in einer mikroskopischen Projektionsstruktur atomarer Größe. Ein Ion kann in der Nähe eines Atoms an einem Spitzenende der Emitterspitze erzeugt werden, indem die Stärke des am Spitzenende der Emitterspitze 21 gebildeten elektrischen Felds eingestellt wird. Daher ist ein Bereich, wo das Ion emittiert wird, oder die Ionenstrahlquelle ein sehr schmaler Bereich, der einen Nanometer oder weniger aufweist. Daher weist die Ionenstrahlquelle einen erhöhten Stromwert pro Flächeneinheit oder pro Einheitswürfel bei einer hohen Luminanz auf. Wenn ein Strahl von der Ionenstrahlquelle bei einfacher Vergrößerung oder bei einer fraktionalen Vergrößerung auf die Probe fokussiert wird, kann ein Strahl mit einem Durchmesser von 0,1 nm bis 1 nm gebildet werden. Das heißt, dass eine Betrachtung mit einer sehr hohen Auflösung oder eine sehr feine Verarbeitung in der Größenordnung von 0,1 nm bis 1 nm bereitgestellt wird.
Die mikroskopische Projektionsstruktur in der Größenordnung eines Nanometers auf der Grundlage des Atoms der Emitterspitze 21 weist typischerweise ein Atom an ihrem Spitzenende und eine darunter liegende Schicht von drei bis sechs Atomen auf. Ein dünner Wolfram- oder Molybdändraht wird als Material für die Emitterspitze 21 verwendet. Ein Verfahren zur Bildung der Nanopyramidenstruktur am Spitzenende der Emitterspitze weist Folgendes auf: Abscheiden von Iridium, Platin, Rhenium, Osmium, Palladium, Rhodium oder dergleichen am Spitzenende davon, gefolgt von einer Erwärmung der Emitterspitze auf eine hohe Temperatur durch Zuführen von Energie zum Filament. Andere Verfahren umfassen eine Feldverdampfung im Vakuum, ein Gasätzen, eine Bestrahlung mit einem Ionenstrahl, eine Remodellierung und dergleichen. Gemäß einem solchen Verfahren kann die Nanopyramidenstruktur am Spitzenende des Wolframdrahts oder Molybdändrahts gebildet werden. Im Fall eines <111>-Wolframdrahts besteht das Spitzenende aus einem oder drei Wolframatomen oder Iridiumatomen. Andernfalls wird ein Draht aus Wolfram, Molybdän, Platin, Iridium, Rhenium, Osmium, Palladium, Rhodium oder dergleichen durch Ätzen der Drahtspitze mit Sauerstoffgas oder Stickstoffgas, das unter dem Einfluss einer angelegten Spannung eingeleitet wird, geschärft. Alternativ kann eine ähnliche mikroskopische Projektionsstruktur auch durch Remodellieren gebildet werden, wobei eine Spannung in einem erwärmten Zustand an die Emitterspitze angelegt wird.
In einem Fall, in dem die mikroskopische Projektionsstruktur mit einem Atom am Spitzenende unter Verwendung von Platin, Rhenium, Osmium, Iridium, Palladium, Rhodium oder dergleichen gebildet wird, kann der pro Flächeneinheit oder pro Einheitswürfel emittierte Strom oder die Ionenquellenluminanz erhöht werden, so dass die Emitterspitze geeignet ist, die Strahlgröße an der Probe zu verringern oder den Strom zu erhöhen. Falls die Emitterspitze jedoch ausreichend gekühlt wird und ihr ausreichend Gas zugeführt wird, befindet sich an der Emitterspitze nicht notwendigerweise nur ein Atom, sondern eine Emitterspitze mit drei, sechs, sieben oder zehn Atomen kann eine angemessene Funktionsweise bereitstellen. In einem Fall, in dem das Spitzenende aus vier oder mehr und weniger als zehn Atomen besteht, kann insbesondere die Ionenquellenluminanz erhöht werden und ist die Emitterspitze zusätzlich zu einem stabilen Betrieb in der Lage, wobei die Atome am Spitzenende weniger leicht verdampfen. Auch in diesem Fall erreicht der aus der Umgebung eines Atoms emittierte Ionenstrahl die Probe.
3 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel einer Steuereinheit des Ionenstrahlsystems zeigt. Diese Steuereinheit weist Folgendes auf: eine Ionenquellen-Steuereinrichtung 91 zum Steuern der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1, eine Kühlmechanismus-Steuereinrichtung 92 zum Steuern des Kühlmechanismus 4, eine Linsensteuereinrichtung 93 zum Steuern der Fokussierlinse 5 und der Objektivlinse 8, eine Steuereinrichtung 94 für die erste Blende zum Steuern der ersten beweglichen Blende 6, eine Steuereinrichtung 195 für den ersten Ablenker zum Steuern des ersten Ablenkers 32, eine Steuereinrichtung 95 für den zweiten Ablenker zum Steuern des zweiten Ablenkers 7, eine Probentisch-Steuereinrichtung 97 zum Steuern des Probentisches 10, eine Vakuumsaugpumpen-Steuereinrichtung 98 zum Steuern der Probenkammer-Vakuumsaugpumpe 13, mehrere elektrische Leistungsquellen zum Anlegen von Spannungen an Elektroden und dergleichen des Probentisches 10 und des mit geladenen Teilchen arbeitenden Detektors 11 und eine Steuereinrichtung 96 dafür sowie eine Systemsteuereinrichtung 99 mit einer Rechenverarbeitungsfähigkeit. Die Systemsteuereinrichtung 99 weist Folgendes auf: einen Rechenverarbeitungsabschnitt, einen Speicherabschnitt, einen Bildanzeigeabschnitt und dergleichen. Der Bildanzeigeabschnitt zeigt Bilder, die anhand Detektionssignalen vom mit geladenen Teilchen arbeitenden Detektor 11 erzeugt werden, und durch Eingabemittel eingegebene Informationen.
Der Probentisch 10 weist Folgendes auf: einen Mechanismus zum linearen Bewegen der Probe 9 in zwei zueinander orthogonale Richtungen in einer Probenanordnungsfläche, einen Mechanismus zum linearen Bewegen der Probe 9 in einer zur Probenanordnungsfläche senkrechten Richtung und einen Mechanismus zum Drehen der Probe 9 in der Probenanordnungsfläche. Der Probentisch 10 weist ferner eine Neigungsfunktion zum Ändern des Emissionswinkels des Ionenstrahls 14 zur Probe 9 durch Drehen der Probe 9 um die geneigte Achse auf. Diese Mechanismen werden auf der Grundlage eines Befehls von der Systemsteuereinrichtung 99 durch die Probentisch-Steuereinrichtung 97 gesteuert.
Als nächstes werden Arbeitsvorgänge der Gas-Feldionisations-Ionenquelle gemäß der Ausführungsform beschrieben. Nach Verstreichen einer angemessenen Zeit seit der Evakuierung wird der Kühlmechanismus 4 betätigt. Wie vorstehend beschrieben wurde, wird die durch die Kühlmaschine 31 erzeugte Kühlenergie in dieser Reihenfolge auf den Kälteübertragungsstab 33, die Vakuumtrennwand 39, den Emitterspitzenhalter 35, die elektrisch isolierende Säule 36, die Filamenthalterung 23, das Filament 22 und die Emitterspitze 21 übertragen. Auf diese Weise wird die Emitterspitze 21 gekühlt. Zuerst wird eine positive Hochspannung als Ionenbeschleunigungsspannung an die Emitterspitze 21 angelegt. Eine Hochspannung wird an die Extraktionselektrode 24 angelegt, so dass sich die Extraktionselektrode auf einem negativen Potential in Bezug auf die Emitterspitze 21 befindet. Dann wird ein starkes elektrisches Feld am Spitzenende der Emitterspitze 21 gebildet. Wenn Argongas von einer Zufuhrröhre 25 für ionisierbares Gas, die mit dem Gaszufuhrmechanismus 26 verbunden ist, zugeführt wird, wird das Argongas durch das starke elektrische Feld zur Emitterspitzenoberfläche gezogen. Ferner erreicht das Argongas die Umgebung des Spitzenendes der Emitterspitze 21, wo das elektrische Feld am stärksten ist. Auf diese Weise wird das Argongas unter Bildung eines Ionenstrahls ionisiert. Der Ionenstrahl wird durch die Öffnung 27 der Extraktionselektrode 24 in die Ionenstrahlbestrahlungssystemsäule 2 eingeleitet.
Als nächstes werden die Arbeitsvorgänge des Ionenstrahl-Bestrahlungssystems beschrieben. Die Arbeitsvorgänge des Ionenstrahl-Bestrahlungssystems werden auf der Grundlage eines Befehls von der Systemsteuereinrichtung 99 gesteuert. Der von der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 erzeugte Ionenstrahl 14 durchläuft die Fokussierlinse 5, die erste Blende 6 und die zweite Blende 38 zum Begrenzen des Strahls und wird durch die Objektivlinse 8 auf die Probe 9 fokussiert, die sich auf dem Probentisch 10 befindet. Es wird eine ionenoptische Bedingung definiert, um den Strahl von der Ionenstrahlquelle bei einer Vergrößerung von wenigstens 0,5 zu einem Bild auf der Probe zu fokussieren, um einen hohen Strom zu erhalten. Das Signal vom mit geladenen Teilchen arbeitenden Detektor 11 wird als Luminanzmodulationssignal zur Systemsteuereinrichtung 99 übertragen. Die Systemsteuereinrichtung 99 erzeugt wiederum ein rasterionenmikroskopisches Bild und zeigt das sich ergebende Bild auf dem Bildanzeigeabschnitt an. Auf diese Weise kann die Probenoberfläche betrachtet werden.
In der Kühlmaschine 31 gemäß der Ausführungsform wird eine Kühlstufe auf etwa 10 K gekühlt. Als nächstes wird der Kälteübertragungsstab 33 aus Kupfer mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit auf 15 K gekühlt. Bei der herkömmlichen Ionenquelle ist die Oberfläche des Kälteübertragungsstabs 33 freiliegend, was zu dem Phänomen führt, dass Argongas auf der Oberfläche des Stabs kondensiert. Die Ionenquelle gemäß der Ausführungsform ist so aufgebaut, dass die Emitterspitze von der Extraktionselektrode 24 und vom Balg 62 eingeschlossen ist. Außerhalb einer Ionisationskammer, welche das Argongas einschließt, ist der Argongasdruck gering. Im Stand der Technik wurde daher das Phänomen nicht beachtet, dass Argongas an der Oberfläche des Kälteübertragungsstabs 33 kondensiert. Die Erfinder haben jedoch herausgefunden, dass im Fall einer Gaskondensation eine geringe Temperaturänderung die Verdampfung des kondensierten Gases induziert, wodurch der Ionenstrahl instabil wird. Wenn der Kälteübertragungsstab 33 auf hohe Temperaturen angehoben wird, wird ein großes Argongasvolumen erzeugt, wodurch in manchen Fällen eine Beschädigung eines Evakuierungssystems hervorgerufen wird. Gemäß dieser Ausführungsform wurde die Oberfläche des Kälteübertragungsstabs 33 mit dem wärmeisolierenden Material 34 bedeckt, um die Gaskondensation zu verhindern. Die Oberfläche dieses wärmeisolierenden Materials 34 wird bei einer Temperatur von etwa 40 K gehalten. Beim von der Ionenquelle gemäß dieser Ausführungsform verwendeten Gasdruck wird das Argongas bei Temperaturen von etwa 38 K kondensiert. Andererseits wird die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials bei etwa 40 K gehalten, so dass das Argongas nicht an der Oberfläche des wärmeisolierenden Materials kondensiert. Wenngleich der Siedepunkt des Argongases etwa 87 K betrug, kondensierte das Argongas bei Temperaturen unterhalb des Siedepunkts beim Argongasdruck, bei dem diese Ionenquelle arbeitete, nicht. Es sei bemerkt, dass ein Fall, in dem eine kleine Menge Argongas in einem schmalen Spalt kondensiert, ohne dass der stabile Betrieb der Ionenquelle beeinträchtigt wird, in den Geltungsbereich dieser Ausführungsform aufgenommen ist.
Der Kälteübertragungsstab 33 ist mit dem Emitterspitzenhalter 35 verbunden. Die Oberfläche des Emitterspitzenhalters 35 ist auch mit dem wärmeisolierenden Material 34 bedeckt, um die Kondensation von Argongas zu verhindern. Die Oberfläche dieses wärmeisolierenden Materials befindet sich bei einer Temperatur von etwa 50 K. Der Emitterspitzenhalter 35 ist ferner über die elektrisch isolierende Säule 36 mit der Filamenthalterung 23 verbunden. An diesem Punkt befindet sich der Emitterspitzenhalter 35 bei einer Temperatur von etwa 30 K, während sich die Filamenthalterung 23 bei etwa 40 K befindet. Die mit einem distalen Ende der Filamenthalterung verbundene Emitterspitze 21 lag bei einer Temperatur von etwa 45 K, die unter dem Siedepunkt von 87 K des Argongases lag. Der Argonionenstrahl konnte jedoch stabil erzeugt werden.
Die Existenz von Gasverunreinigungen außer dem ionisierbaren Gas im Ionenquellen-Vakuumgefäß bildet einen Faktor, der zur Destabilisierung des Ionenstrahls führt. Daher wird das Innere des Vakuumgefäßes 15 so sauber wie möglich gehalten, um seinen Vakuumgrad zu verbessern. Für Hochvakuumzwecke kann die Ionenquelle manchmal auf etwa 150°C ausgeheizt werden. Daher ist es allgemein üblich geworden, Kupfer zur Bildung des Kälteübertragungsstabs zu verwenden und die Staboberfläche mit Gold zu überziehen. Das herkömmliche wärmeisolierende Material wird zur Abschirmung von Wärmestrahlung von der Kammer verwendet. Wenn das herkömmliche wärmeisolierende Material auf der Außenseite des Kälteübertragungsstabs angeordnet wird, war es allgemein üblich, einen Spalt zwischen dem Kälteübertragungsstab und dem wärmeisolierenden Material bereitzustellen. Wenn der Spalt zwischen dem Kälteübertragungsstab und dem wärmeisolierenden Material existiert, tritt das Argongas leicht in den Spalt ein und wird leicht an der Oberfläche des Kälteübertragungsstabs kondensiert. Das Kälteübertragungselement, das, wie von der Ausführungsform vorgeschlagen, mit dem wärmeisolierenden Material bedeckt ist, um die Kondensation von Argongas zu verhindern, wird im Stand der Technik nicht verwendet.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kondensiert das Argongas selbst dann, wenn die Emitterspitze auf eine Temperatur unter dem Siedepunkt des Argongases gekühlt wird, jedoch in einem Temperaturbereich, in dem die Kondensation von Argongas nicht zugelassen wird, nicht an der Oberfläche des Kälteübertragungselements. Insbesondere kondensiert das Argongas nicht an den Oberflächen des Kälteübertragungsstabs und des Emitterspitzenhalters, die aus Kupfer bestehen. Ferner wird die Emitterspitze auf 40 K bis 45 K gekühlt, so dass der Argonionen-Emissionsstrom ansteigt. Demgemäß wird die Dichte des Emissionswinkelstroms eines Argonionenstrahls erhöht. Insbesondere kann ein sehr feiner Ionenstrahl mit einem hohen Strom gebildet werden. Daher kann das Ionenstrahlsystem gemäß dieser Ausführungsform eine sehr feine Verarbeitung schneller als bei den herkömmlichen Systemen ausführen. Dieses System ermöglicht es auch, dass die Probenoberfläche mit einer höheren Auflösung und einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis betrachtet wird. Ferner wird die der Emitterspitze zugeführte Argongasmenge stabilisiert, weil das Argongas nicht an der Oberfläche des Kälteübertragungselements kondensiert. Daher wird der Argonionen-Emissionsstrom stabilisiert. Dementsprechend kann das Ionenstrahlsystem gemäß dieser Ausführungsform die sehr feine Verarbeitung mit höheren Präzisionen ausführen als die herkömmlichen Systeme. Dieses System ermöglicht es auch, dass die Probenoberfläche bei einem geringeren Rauschen betrachtet wird.
Ferner beseitigt diese Ausführungsform das im Stand der Technik auftretende Problem, dass bei einem Temperaturanstieg nach der Kondensation des ionisierbaren Gases an der Oberfläche des Kälteübertragungselements das kondensierte Gas verdampft, wodurch der Vakuumgrad der Vakuumkammer sofort verschlechtert wird. In einigen Fällen führt dies zum Zusammenbruch des herkömmlichen Absaugsystems. Die Ausführungsform weist diese Schwierigkeit nicht auf und kann ein Ionenstrahlsystem mit einer hohen Zuverlässigkeit bereitstellen.
Es wurde herkömmlicherweise angenommen, dass es nicht angemessen ist, die Emitterspitze bis unter den Siedepunkt des Argongases zu kühlen, weil der Ionenstrom instabil wird, wenn die Emitterspitze bis unter den Siedepunkt gekühlt wird. Die Erfinder haben herausgefunden, dass das Problem in der Kondensation von Argongas an der Oberfläche des Kälteübertragungselements besteht.
Die Erfinder haben auch herausgefunden, dass, wenngleich die Durchflussrate des Argongases konstant ist, die dem Spitzenende der Emitterspitze zugeführte Gasmenge durch die Gaskondensation an der Oberfläche des Kälteübertragungselements erheblich verringert wird. Es gab im Stand der Technik die falsche Auffassung, dass ein übermäßiges Kühlen der Emitterspitze zur Verringerung des Ionenstroms führt. Daher wurde im Stand der Technik kein ausreichender Ionenstrom zum Bereitstellen einer Gas-Feldionisations-Ionenquelle und eines Ionenstrahlsystems erreicht, die für eine sehr feine und schnelle Verarbeitung und eine Betrachtung mit sehr hoher Auflösung geeignet sind.
Falls das Kälteübertragungselement aus einem Metall besteht, während die wärmeisolierende Schicht aus einem Fluorharz oder Keramik besteht, werden eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle und ein Ionenstrahlsystem bereitgestellt, die dafür geeignet sind, eine sehr feine und sehr schnelle Verarbeitung und eine Betrachtung sehr hoher Auflösung bei niedrigen Kosten auszuführen.
Wenngleich die Ausführungsform Argongas verwendet, kann das ionisierbare Gas ein Gas sein, das Kohlenmonoxid, Sauerstoff oder Stickstoff enthält. Durch diesen Ansatz kann erreicht werden, dass die Probe durch eine chemische Reaktion verarbeitet werden kann. Wenn Kohlenmonoxid als ionisierbares Gas verwendet wird, liegt der typische Gasdruck in der Größenordnung von 1 × 10^–3 Pa und beträgt die Kondensationstemperatur etwa 35 K. Beispielsweise kann die Emitterspitze zu dieser Zeit bei einer Temperatur von etwa 38 K gehalten werden, kann das Kälteübertragungselement bei einer Temperatur von etwa 20 K gehalten werden und kann die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials bei einer Temperatur von etwa 45 K gehalten werden. Wenn Sauerstoff als ionisierbares Gas verwendet wird, liegt der typische Gasdruck in der Größenordnung von 1 × 10^–3 Pa und beträgt die Kondensationstemperatur etwa 38 K. Beispielsweise kann die Emitterspitze zu dieser Zeit bei einer Temperatur von etwa 40 K gehalten werden, kann die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials bei einer Temperatur von etwa 50 K gehalten werden und kann das Kälteübertragungselement bei einer Temperatur von etwa 25 K gehalten werden. Wenn Stickstoff als ionisierbares Gas verwendet wird, liegt der typische Gasdruck in der Größenordnung von 1 × 10^–3 Pa und beträgt die Kondensationstemperatur etwa 32 K. Beispielsweise kann die Emitterspitze zu dieser Zeit bei einer Temperatur von etwa 35 K gehalten werden, kann die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials bei einer Temperatur von etwa 40 K gehalten werden und kann das Kälteübertragungselement bei einer Temperatur von etwa 20 K gehalten werden.
Wenn ein argonbasiertes Gas in die Gas-Feldionisations-Ionenquelle gemäß der Ausführungsform eingeleitet wird, wird das Kälteübertragungselement auf eine Temperatur unterhalb von 30 K gekühlt, welche niedriger liegt als der Siedepunkt des Argongases, wie vorstehend beschrieben wurde. Demgemäß werden eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle und ein Ionenstrahlsystem bereitgestellt, die besonders gut dafür geeignet sind, die sehr feine Verarbeitung und die Betrachtung mit einer sehr hohen Auflösung bei einer Bestrahlung in Argongas auszuführen.
Wenngleich gemäß der Ausführungsform Argongas verwendet wird, sind auch Gase verwendbar, die andere inaktive Gase, wie Neon, Krypton und Xenon, enthalten. Ein solcher Ansatz ermöglicht das Ausführen der Verarbeitung und Betrachtung bei weniger chemischen Reaktionen an der Probe.
Wenn eine Mischung von Argongas und Wasserstoffgas oder eine Mischung von Argongas und Heliumgas in die Gas-Feldionisations-Ionenquelle gemäß der Ausführungsform eingeleitet wird, wird die Emitterspitze auf eine im Wesentlichen konstante Temperatur gekühlt, die höher ist als die Kondensationstemperaturen der einzelnen Gase und bei 45 K oder darunter, beispielsweise bei 40 K, liegt. Ein solcher Ansatz ermöglicht es, dass weder Argongas, Heliumgas noch Wasserstoffgas kondensiert. Dies ermöglicht es, dass die Emitterspitze zwei Typen von Ionenstrahlen emittiert, während die Emitterspitzentemperatur kaum geändert wird. Die beiden Gastypen können durch Schalten einer an die Emitterspitze angelegten Extraktionsspannung ausgewählt werden. Dieses Spannungsschalten kann durch Software zum Steuern der elektrischen Leistungsquelle implementiert werden.
Auf diese Weise werden die Ionenstrahlen von zwei oder mehr Gasspezies, die zumindest Argongas enthalten, stabil erzeugt und wird auch eine Vielzahl von Wirkungen erhalten. Das heißt, dass die Verwendung des Argonionenstrahls eine schnelle Verarbeitung ermöglicht. Wenn andererseits ein Wasserstoff- oder Heliumionenstrahl an der Probe emittiert wird, wird eine Betrachtung oder Messung der Probe, wobei eine geringe Beschädigung auftritt, ermöglicht. Ferner können detailliertere Informationen über die Probenoberfläche oder das Innere der Probe erhalten werden, indem ein durch Bestrahlung mit dem Wasserstoff- oder Heliumionenstrahl erhaltenes Betrachtungsbild mit einem durch Bestrahlung mit dem Argonionenstrahl erhaltenen Betrachtungsbild verglichen wird oder indem an diesen Betrachtungsbildern Berechnungen vorgenommen werden. Es sei bemerkt, dass die beiden Gasspezies auch durch getrennte Zufuhrröhren eingeleitet werden können.
[Zweite Ausführungsform]
4 ist ein schematisches Diagramm, das eine andere Ausführungsform der Gas-Feldionisations-Ionenquelle und des Kühlmechanismus dafür im in 1 dargestellten Ionenstrahlsystem zeigt. Hier wird der Kühlmechanismus beschrieben. Diese Ausführungsform verwendet Neongas als ionisierbares Gas.
Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Kühlmechanismus, in dem eine GM-Kühlmaschine 40 und ein Heliumgasbehälter 43 kombiniert sind, als Kühlmechanismus 4 der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 verwendet. Die Mittelachse der GM-Kühlmaschine ist parallel zur optischen Achse des Ionenstrahl-Bestrahlungssystems ausgerichtet, welche durch die Emitterspitze 21 des Ionenstrahlsystems verläuft. Diese Struktur kann sowohl eine Verbesserung der Konvergenz des Ionenstrahls als auch eine Verbesserung der Kühlfunktion erreichen.
Die GM-Kühlmaschine 40 weist Folgendes auf: einen Kühlkörper 41, eine erste Kühlstufe 42A und eine zweite Kühlstufe 42B. Der Kühlkörper 41 wird von einem Tragständer 103 getragen. Die erste Kühlstufe 42A und die zweite Kühlstufe 42B sind vom Kühlkörper 41 suspendiert. Der Außendurchmesser der ersten Kühlstufe 42A ist größer als der Außendurchmesser der zweiten Kühlstufe 42B. Die erste Kühlstufe 42A hat eine Kühlkapazität von etwa 5 W, während die zweite Kühlstufe 42B eine Kühlkapazität von etwa 0,2 W hat.
Das obere Ende der ersten Kühlstufe 42A ist von einem Balg 69 umschlossen. Die unteren Enden der ersten Kühlstufe 42A und der zweiten Kühlstufe 42B sind vom Gasdichtungs-Heliumgasbehälter 43 bedeckt. Der Heliumgasbehälter 43 weist Folgendes auf: einen Abschnitt 43A mit einem großen Durchmesser, der dafür ausgelegt ist, die erste Kühlstufe 42A einzuschließen, und einen Abschnitt 43B mit einem kleinen Durchmesser, der dafür ausgelegt ist, die zweite Kühlstufe 42B einzuschließen. Der Heliumgasbehälter wird von einem Tragständer 104 getragen. Der Tragständer 104 wird von der in 1 dargestellten Basisplatte 18 getragen. Der Balg 69 und der Heliumgasbehälter 43 haben Dichtungsstrukturen, in die ein Heliumgas 46 als Wärmeübertragungsmedium geladen ist. Wenngleich die beiden Kühlstufen 42A, 42B vom Heliumgas 46 umgeben sind, stehen sie nicht in Kontakt mit dem Heliumgasbehälter 43.
In der GM-Kühlmaschine 40 gemäß der Ausführungsform wird die erste Kühlstufe 42A auf etwa 50 K gekühlt. Daher wird das Heliumgas 46 um die erste Kühlstufe 42A auf etwa 70 K gekühlt. Die zweite Kühlstufe 42B wird auf etwa 4 K gekühlt. Das Heliumgas 46 um die zweite Kühlstufe 42B wird auf etwa 6 K gekühlt. Demgemäß wird das untere Ende des Heliumgasbehälters 43 auf etwa 6 K gekühlt.
Dieser Heliumgasbehälter befindet sich im Ionenquellen-Vakuumgefäß 15, das auch als Kälteübertragungselement zur Übertragung der Kühlenergie der GM-Kühlmaschine 40 auf die Emitterspitze 21 dient. Die Oberfläche dieses Heliumgasbehälters ist mit dem wärmeisolierenden Material 34 bedeckt, um die Kondensation von Neongas zu verhindern. Diese Ausfürungsform verwendet als wärmeisolierendes Material 34 ein Fluorharzmaterial mit einer Dicke von wenigstens 5 mm. Die Oberfläche dieses wärmeisolierenden Materials liegt bei einer Temperatur von etwa 20 K. Der Druck des Neongases betrug etwa 1 × 10^–3 Pa. Während der Siedepunkt von Neon etwa 27 K beträgt, betrug seine Kondensationstemperatur beim Neongasdruck während des Betriebs dieser Ionenquelle etwa 10 K. Daher kondensierte das Neongas bei Temperaturen unterhalb seines Siedepunkts nicht. Dies liegt daran, dass die Kondensationstemperatur von Neon unter dieser Bedingung etwa 10 K beträgt und dass die Oberflächentemperatur des wärmeisolierenden Materials 34, das die Heliumbehälteroberfläche bedeckt und in Kontakt mit dem Neongas gelangt, höher ist als die Kondensationstemperatur des Neongases. Weil das untere Ende des Behälters bei etwa 6 K liegt, kondensiert das Neongas, wenn es in Kontakt mit der Behälteroberfläche gelangt. Das Neongas kondensiert jedoch nur in geringem Maße, weil der Heliumgasbehälter 43 mit dem wärmeisolierenden Material 34 bedeckt ist. Es sei bemerkt, dass ein Fall, in dem eine kleine Menge Neongas in einem schmalen Spalt kondensiert, ohne dass der stabile Betrieb der Ionenquelle beeinträchtigt wird, in den Geltungsbereich dieser Ausführungsform aufgenommen ist.
Andererseits ist das untere Ende des Heliumgasbehälters 43 mit dem Kälteübertragungsstab 33 aus Kupfer mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit verbunden. Der Kälteübertragungsstab 33 dient auch als Kälteübertragungselement, und seine Oberfläche ist mit dem wärmeisolierenden Material 34 bedeckt, um die Kondensation von Neongas zu verhindern. Das wärmeisolierende Material 34 ist ein Silikonharzmaterial mit einer Dicke von etwa 10 mm. Während der Kälteübertragungsstab 33 bei einer Temperatur von etwa 15 K liegt, liegt die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials bei einer Temperatur von etwa 30 K, so dass das Neongas darauf nicht kondensiert. Ferner ist der Kälteübertragungsstab 33 mit einem Kupferlitzendraht 56 verbunden. Der Litzendraht ist durch Verflechten von etwa 1000 dünnen Kupferleitungen mit einer Größe von etwa 0,05 mm gebildet. Die Oberfläche jeder der dünnen Leitungen des Litzendrahts 56, wodurch das Kälteübertragungselement gebildet ist, ist mit einem wärmeisolierenden Fluorharz bedeckt, um die Kondensation von Neongas zu verhindern. Daher kondensiert das Neongas nicht auf dem Litzendraht. Ferner ist der Litzendraht 56 mit dem Emitterspitzenhalter 35 verbunden. Der Emitterspitzenhalter 35 ist über die elektrisch isolierende Säule 36 mit der Filamenthalterung 23 verbunden. Diese Filamenthalterung 23 hat ihren eigenen Neigungsmechanismus für die Emitterspitze. An diesem Punkt liegt der Emitterspitzenhalter 35 bei einer Temperatur von etwa 20 K, während die Filamenthalterung 23 bei einer Temperatur von etwa 25 K liegt.
Der Emitterspitzenhalter 35 und die elektrisch isolierende Säule 36 bilden auch das Kälteübertragungselement, und ihre Oberflächen sind jeweils mit einem yttriumhaltigen Zirkoniumkeramikmaterial mit einer Dicke von etwa 5 mm als wärmeisolierendes Material 34 bedeckt, um die Kondensation von Neongas zu verhindern. Die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials auf dem Emitterspitzenhalter 35 liegt bei einer Temperatur von etwa 45 K, während die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials 34 auf der elektrisch isolierenden Säule 36 bei einer Temperatur von etwa 45 K liegt. Die mit dem Spitzenende des Emitterspitzenhalters verbundene Emitterspitze 21 liegt bei einer Temperatur von etwa 25 K, welche niedriger als der Siedepunkt des Neongases von 27 K ist, jedoch höher als die Kondensationstemperatur von 10 K von Neongas ist. Daher wird der Neonstrahl stabil erzeugt.
Gemäß dieser Ausführungsform kondensiert das Neongas, wie vorstehend beschrieben, selbst dann nicht an der Oberfläche des Kälteübertragungselements, wenn die Emitterspitze auf eine Temperatur unterhalb des Siedepunkts des Neongases, jedoch in einem Temperaturbereich, in dem keine Kondensation von Neongas zugelassen wird, gekühlt wird. Insbesondere kondensiert das Neongas nicht an der Oberfläche des Heliumgasbehälters und den Oberflächen des Kälteübertragungsstabs, des Litzendrahts, des Emitterspitzenhalters, der elektrisch isolierenden Säule, der Filamenthalterung und dergleichen, die aus Kupfer bestehen. Ferner wird die Emitterspitze 21 auf niedrige Temperaturen gekühlt, so dass der Neonionen-Emissionsstrom erhöht wird. Auf diese Weise wird die Dichte des Emissionswinkelstroms des Neonstrahls erhöht. Insbesondere kann ein sehr feiner Ionenstrahl mit einem hohen Strom gebildet werden. Daher ermöglicht das Ionenstrahlsystem gemäß dieser Ausführungsform ein schnelleres Ausführen der sehr feinen Verarbeitung als bei den herkömmlichen Systemen. Das System gemäß der Ausführungsform ermöglicht es ferner, dass die Probenoberfläche mit einer höheren Auflösung und einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis betrachtet wird. Die der Emitterspitze zugeführte Neongasmenge wird wegen der Beseitigung der Kondensation von Neongas an der Oberfläche des Kälteübertragungselements stabilisiert. Daher wird der Neonionen-Emissionsstrom stabilisiert. Dementsprechend kann das Ionenstrahlsystem gemäß dieser Ausführungsform die sehr feine Verarbeitung mit höheren Präzisionen ausführen als die herkömmlichen Systeme. Ferner ermöglicht dieses System auch eine Betrachtung der Probenoberfläche bei geringerem Rauschen. Die in 4 dargestellte Ausführungsform kann die gleichen Wirkungen erreichen wie gemäß der ersten Ausführungsform.
Die Ausführungsform verwendet die GM-Kühlmaschine 40, die durch einen Pulsröhrenkühler oder einen Stirling-Kühler ersetzt werden kann. Während die Kühlmaschine gemäß der Ausführungsform zwei Kühlstufen aufweist, kann sie auch eine einzige Kühlstufe aufweisen. Die Anzahl der Kühlstufen ist nicht besonders begrenzt.
Der Kühlmechanismus gemäß der Ausführungsform kühlt das Heliumgas im Heliumbehälter durch die GM-Kühlmaschine. Das gekühlte Heliumgas kühlt den Heliumbehälter. Weil die Kühlstufen der GM-Kühlmaschine vom Heliumbehälter getrennt sind, ist die Ausführungsform auch dadurch gekennzeichnet, dass sie verhindert, dass die mechanischen Vibrationen der GM-Kühlmaschine auf den Heliumbehälter übertragen werden.
Wenn das neonbasierte Gas in die Gas-Feldionisations-Ionenquelle gemäß der Ausführungsform eingeleitet wird, wird das Kälteübertragungselement auf eine Temperatur unterhalb von 20 K gekühlt, welche niedriger als der Siedepunkt des Neongases ist, wie vorstehend beschrieben wurde. Demgemäß werden eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle und ein Ionenstrahlsystem bereitgestellt, die besonders dafür geeignet sind, die sehr feine Verarbeitung und Betrachtung mit sehr hoher Auflösung bei einer Neonbestrahlung auszuführen.
Wenngleich die Temperatur der Emitterspitze beim vorstehenden Beispiel etwa 25 K betrug, kann ihre Temperatur beispielsweise weiter bis auf etwa 20 K abgesenkt werden. Zu dieser Zeit wird die Temperatur des Kälteübertragungselements bei etwa 8 K gehalten und wird die Obeflächentemperatur des wärmeisolierenden Materials bei etwa 15 K gehalten.
Wenn eine Gasmischung von Neon und Wasserstoff oder eine Gasmischung von Neon und Helium in die Gas-Feldionisations-Ionenquelle gemäß der Ausführungsform eingeleitet wird, wird die Emitterspitze beispielsweise auf eine Temperatur von 30 K bis 35 K gekühlt. Dieser Ansatz ermöglicht es, dass weder Neongas noch Heliumgas oder Wasserstoffgas kondensiert. Dies ermöglicht es, dass die Emitterspitze zwei Typen von Ionenstrahlen emittiert, während die Emitterspitzentemperatur kaum geändert wird. Auf diese Weise werden die Ionenstrahlen von zwei oder mehr Gasspezies, die zumindest Neongas enthalten, stabil erzeugt und wird auch eine Vielzahl von Wirkungen erhalten. Das heißt, dass die Verwendung des Neonionenstrahls die schnelle Verarbeitung ermöglicht. Andererseits ist eine Betrachtung oder Messung der Probe bei einer geringen Beschädigung möglich, wenn der Wasserstoff- oder Heliumionenstrahl auf die Probe eingestrahlt wird. Alternativ können detailliertere Informationen über die Probenoberfläche oder das Innere der Probe erhalten werden, indem ein durch Bestrahlung mit dem Wasserstoff- oder Heliumionenstrahl erhaltenes Betrachtungsbild mit einem durch Bestrahlung mit dem Neonionenstrahl erhaltenen Betrachtungsbild verglichen wird oder indem an diesen Betrachtungsbildern Berechnungen vorgenommen werden. Es sei bemerkt, dass die beiden Gasspezies auch durch getrennte Zufuhrröhren in die Ionenquelle eingeleitet werden können.
Wenngleich gemäß der vorstehenden Ausführungsform Neon als ionisierbares Gas verwendet wird, kann Neon durch Krypton oder Xenon ersetzt werden. Wenn Krypton als ionisierbares Gas verwendet wird, liegt der typische Gasdruck in der Größenordnung von 1 × 10^–3 Pa und liegt die Kondensationstemperatur bei etwa 56 K. Beispielsweise kann die Temperatur der Emitterspitze zu dieser Zeit bei etwa 60 K gehalten werden, kann die Oberflächentemperatur des wärmeisolierenden Materials bei etwa 65 K gehalten werden und kann die Temperatur des Kälteübertragungselements bei etwa 45 K gehalten werden.
5 ist ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 und eines Kälteübertragungswegs des Kühlmechanismus 4 davon beim in 1 dargestellten Ionenstrahlsystem.
Der Emitterspitzenhalter 35, die elektrisch isolierende Säule 36, die Filamenthalterung 23, das Filament 22, die Emitterspitze 21 und die Extraktionselektrode 24 der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 sind in einer Ionisationskammer 75 angeordnet. Kryptongas wird beispielsweise als ionisierbares Gas vom Gaszufuhrmechanismus 26 über die Gaszufuhrröhre 25 in die Ionisationskammer 75 eingeleitet, um einen Kryptongasdruck von etwa 0,2 Pa bereitzustellen. Die Kühlenergie der Kühlmaschine 31 wird durch den Kälteübertragungs-Kupferstab 33 auf den Emitterspitzenhalter 35 der Gas-Feldionisations-Ionenquelle übertragen. Die Oberfläche des Kälteübertragungsstabs 33 ist mit dem wärmeisolierenden Material 34 bedeckt, wobei eine Zwischenhaftschicht 71 dazwischen angeordnet ist. Die Zwischenhaftschicht 71 dient dazu, zu bewirken, dass das wärmeisolierende Material 34 eng am Kälteübertragungsstab haftet. Eine Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung wird beispielsweise für die Zwischenhaftschicht verwendet. Eine yttriumhaltige Zirkoniumkeramik wurde als wärmeisolierendes Material 34 verwendet.
Die Temperaturen des Kälteübertragungswegs von der Kühlmaschine 31 zur Emitterspitze 21 sind folgende. Wenn die Temperatur der Kühlmaschine 31 20 K betrug, lag der Kälteübertragungsstab 33 bei etwa 30 K, lag der Emitterspitzenhalter 35 bei etwa 50 K und lag die Emitterspitze 21 bei etwa 60 K. Das als ionisierbares Gas verwendete Kryptongas hat eine Kondensationstemperatur von etwa 56 K. Unter dieser Bedingung ist es notwendig, die Oberflächen des Kälteübertragungsstabs 33 und des Emitterspitzenhalters 35 mit dem wärmeisolierenden Material zu bedecken und die Oberflächentemperatur des wärmeisolierenden Materials auf etwa 56 K zu erhöhen, um eine Kryptonkondensation zu verhindern. Die Oberflächentemperatur des die Oberfläche des Kälteübertragungsstabs 33 bedeckenden wärmeisolierenden Materials 34 betrug etwa 65 K, wobei das Kryptongas nicht kondensierte. Der Emitterspitzenhalter 35 ist mit einer Temperatursteuereinrichtung 76 versehen, die eine Widerstandsheizung, einen Temperatursensor und dergleichen aufweist. Die Temperatur der Emitterspitze 21 ist durch die Temperatursteuereinrichtung 76 steuerbar.
Das wärmeisolierende Material muss nicht unbedingt auf die gesamte Länge des Kälteübertragungswegs aufgebracht werden, sondern braucht nur auf zumindest einen Abschnitt davon aufgebracht werden, dessen Temperatur kleiner oder gleich der Kondensationstemperatur des ionisierbaren Gases ist. Dementsprechend kann abhängig von der Temperaturbedingung des Kälteübertragungswegs, den Spezies des ionisierbaren Gases und dergleichen eine in 5 dargestellte Konfiguration gebildet werden, wobei das wärmeisolierende Material 34 über die Zwischenhaftschicht 71 nur die Oberfläche des Kälteübertragungsstabs 33 bedeckt, während die Oberflächen des Emitterspitzenhalters 35 und der elektrisch isolierenden Säule 36 nicht mit dem wärmeisolierenden Material bedeckt sind, sondern freiliegen. Wenngleich 5 zeigt, dass das wärmeisolierende Material 34 die gesamte Länge des Kälteübertragungsstabs 33 über die Zwischenhaftschicht 71 bedeckt, braucht das wärmeisolierende Material 34 nicht notwendigerweise die gesamte Länge des Kälteübertragungsstabs 33 zu bedecken. Abhängig von Bedingungen kann das Verhindern der Kondensation des ionisierbaren Gases erreicht werden, indem nur die Oberfläche eines Abschnitts des Kälteübertragungsstabs 33 über die Zwischenhaftschicht 71 mit dem wärmeisolierenden Material 34 bedeckt wird, wobei sich der Abschnitt in der Nähe der Kühlmaschine 31 befindet und auf eine niedrigere Temperatur gekühlt wird.
6 ist ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 und des Kälteübertragungswegs des Kühlmechanismus 4 davon im in 1 dargestellten Ionenstrahlsystem. Stickstoffgas wurde als ionisierbares Gas verwendet.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 5 dargestellten Ausführungsform in der Hinsicht, dass ein Aluminiumdünnfilm mit einer Dicke von 0,1 mm als Metallschicht 72 über die Zwischenhaftschicht 71 auf dem wärmeisolierenden Material 34 gebildet ist, das den Kälteübertragungsstab 33 bedeckt, und dass eine Widerstandsheizung 73 in Kontakt mit der Metallschicht 72 angeordnet ist. Die anderen Komponenten gleichen den in 5 dargestellten, so dass auf ihre detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
Gemäß der Ausführungsform kann die Oberflächentemperatur des Kälteübertragungswegs zum Übertragen der Kühlenergie durch den Kälteübertragungsstab 33 durch Steuern der Ausgangsleistung der Widerstandsheizung 73 frei gesteuert werden. Wenn die Temperatur der Kühlmaschine 31 beispielsweise 20 K betrug, lag der Kälteübertragungsstab 33 bei einer Temperatur von etwa 30 K, lag der Emitterspitzenhalter 35 bei einer Temperatur von etwa 50 K, lag die Emitterspitze 21 bei einer Temperatur von etwa 60 K und lag die Metallschicht 72 bei einer Temperatur von etwa 65 K. Daher kann der Kälteübertragungsstab 33 gemäß der Ausführungsform die Emitterspitze 21 durch Übertragen der Kühlenergie der Kühlmaschine 31 auf den Emitterspitzenhalter 35 auf eine gewünschte Temperatur kühlen, ohne dass die Kondensation des ionisierbaren Gases erlaubt wird.
[Dritte Ausführungsform]
7 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels des Ionenstrahlsystems. Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Beispiel des Kühlmechanismus des Ionenstrahlsystems detailliert beschrieben.
Ein Kühlmechanismus 4 gemäß der Ausführungsform verwendet ein Heliumumwälzsystem. Die Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 verwendete Kryptongas als ioniserbares Gas. Die Ausführungsform ist so aufgebaut, dass ein Bereich um die Emitterspitze von der zylindrischen Wand und der Extraktionselektrode eingeschlossen ist, so dass der Druck des zugeführten Gases im Bereich um die Emitterspitze erhöht ist. Die Gaszufuhrröhre ist mit dieser Ionisationskammer verbunden.
Der Kühlmechanismus 4 weist Folgendes auf: eine Kompressoreinheit 400, einen Pulsröhrenkühler 401, ein Vakuumwärmeisolationsgefäß 416, eine Überführungsröhre 404 und dergleichen. Der Pulsröhrenkühler 401 erzeugt die Kühlenergie durch Umwälzen des Heliumgases. Eine Kompressoreinheit 116 ist am Pulsröhrenkühler angebracht. Überführungsröhren 111, 112 ermöglichen den Durchgang des Heliumgases, damit es umgewälzt wird. Das Vakuumwärmeisolationsgefäß 416 wird durch eine Vakuumpumpe mit einem Vakuumgrad von 1 × 10^–4 Pa evakuiert. Insbesondere blockiert das Vakuumwärmeisolationsgefäß die Wärmeübertragung von außen, indem das Vakuum innerhalb des Gefäßes gehalten wird. Das Vakuumwärmeisolationsgefäß 416 enthält Kühlstufen 408, 411 des Pulsröhrenkühlers 401, einen Wärmetauscher, Heliumgasrohre und dergleichen. Das Heliumgas wird von der Kompressoreinheit 400 durch die Rohre umgewälzt.
Das Heliumgas wird durch den Pulsröhrenkühler 401 und die Wärmetauscher 402, 409, 410, 412 gekühlt. Das durch die Kompressoreinheit 400 auf etwa 0,9 MPa gebrachte Heliumgas strömt mit einer Temperatur von 300 K durch ein Rohr 419 in den Wärmetauscher 402, so dass es durch Wärmetausch mit zurückkehrendem Heliumgas mit einer niedrigen Temperatur, wie nachstehend beschrieben wird, auf eine Temperatur von etwa 60 K gekühlt wird. Das gekühlte Heliumgas wird durch ein Rohr 403 in der wärmeisolierten Überführungsröhre 404 transportiert und fließt zu einem Wärmetauscher 405, der in der Nähe der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 angeordnet ist. Hier kühlt das Heliumgas einen Wärmeleiter 54, der thermisch mit dem Wärmetauscher 405 integriert ist, auf eine Temperatur von etwa 65 K, wodurch eine Strahlungsabschirmung in der Ionenquelle gekühlt wird. Die Strahlungsabschirmung ist in der Figur nicht dargestellt.
Das erwärmte Heliumgas strömt aus dem Wärmetauscher 405 und durch ein Rohr 407 zum Wärmetauscher 409, der thermisch mit der ersten Kühlstufe 408 des Pulsröhrenkühlers 401 integriert ist. Das Heliumgas wird durch Wärmetausch mit dem zurückkehrenden Heliumgas mit einer niedrigen Temperatur, wie nachstehend beschrieben wird, auf eine Temperatur von etwa 15 K gekühlt. Anschließend strömt das Heliumgas in den Wärmetauscher 412, der thermisch mit der zweiten Kühlstufe 411 des Pulsröhrenkühlers 401 integriert ist. Das Heliumgas wird auf eine Temperatur von etwa 9 K gekühlt und durch ein Rohr 413 in der Überführungsröhre 404 transportiert. Das Heliumgas strömt in einen Wärmetauscher 414, der sich in der Nähe der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 befindet. Im Wärmetauscher 414 kühlt das Heliumgas einen Kälteübertragungsstab 53 mit einer hohen Wärmeleitfähgkeit auf eine Temperatur von etwa 10 K. Der Überführungsstab ist thermisch mit dem Wärmetauscher 414 verbunden.
Als nächstes strömt das durch den Wärmetauscher 414 erwärmte Heliumgas durch ein Rohr 415 und nacheinander in die Wärmetauscher 410, 402. Das Heliumgas wird durch Wärmetausch mit dem erwähnten Heliumgas im Wesentlichen auf eine Normaltemperatur von etwa 275 K zurückgeführt. Dann strömt das sich ergebende Heliumgas durch das Rohr 415, um durch die Kompressoreinheit 400 zurückgewonnen zu werden. Der erwähnte Niedertemperaturabschnitt ist in das Vakuumwärmeisolationsgefäß 416 aufgenommen und adiabatisch mit der Überführungsröhre 404 verbunden, wobei diese Verbindung in der Figur nicht dargestellt ist. Im Vakuumwärmeisolationsgefäß 416 wird durch eine Strahlungsabschirmplatte, ein mehrschichtiges wärmeisolierendes Material oder dergleichen, was in der Figur nicht dargestellt ist, das Eindringen von Wärme von einem Raumtemperaturabschnitt durch Wärmestrahlung in den Niedertemperaturabschnitt blockiert.
Es sei hier erwähnt, dass sich ein Spalt zwischen der Strahlungsabschirmplatte und dem mehrschichtigen wärmeisolierenden Material und dem Niedertemperaturabschnitt befindet. Dies liegt daran, dass durch Vakuum eine wärmeisolierende Wirkung bereitgestellt wird. Falls Kryptongas in das Vakuumwärmeisolationsgefäß 416 eingeleitet wird, kondensiert das Gas an der Oberfläche des Niedertemperaturabschnitts. Durch die herkömmliche Anordnung des wärmeisolierenden Materials soll das Eindringen von Wärme in den Niedertemperaturabschnitt verhindert werden, so dass ein Gas mit einem hohen Siedepunkt nicht berücksichtigt werden muss. Daher wurde das wärmeisolierende Material nicht zur Bedeckung des Niedertemperaturabschnitts zur Verhinderung der Gaskondensation verwendet. Ferner braucht ein solches Vakuumwärmeisolationsgefäß kein sehr hohes Vakuum zu erreichen, so dass nicht daran gedacht werden muss, die Ionenquelle auf über 150°C auszuheizen, um ihren Vakuumgrad zu verbessern. Das heißt, dass keine Maßnahmen getroffen werden müssen, um eine Verschlechterung oder ein Reißen des wärmeisolierenden Materials zu verhindern.
Die Überführungsröhre 404 ist sicher am Boden 20 oder einem am Boden 20 verankerten Tragkörper 417 befestigt und wird davon getragen. Wenngleich dies in der Figur nicht dargestellt ist, werden auch die Rohre 403, 407, 413, 415, die durch ein wärmeisolierendes Material mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit aus glasfasergefülltem Kunststoff sicher im Überführungsrohr 404 festgehalten sind, sicher vom Boden 20 getragen.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist der Kühlmechanismus gemäß der Ausführungsform ein Kühlmechanismus zum Kühlen eines Kühltargets durch einen Kälteerzeugungsabschnitt zum Erzeugen von Kühlenergie durch Ausdehnen eines von der Kompressoreinheit 116 erzeugten ersten Hochdruckgases, wobei das Heliumgas als zweites sich bewegendes Kühlmittel durch die Kühlenergie dieses Kälteerzeugungsabschnitts gekühlt wird und durch die Kompressoreinheit 400 umgewälzt wird.
8 ist ein schematisches Diagramm, in dem die Einzelheiten des Wärmetauschers 414 dargestellt sind. Der Wärmetauscher 414 ist im gleichen Vakuumgefäß 15 angeordnet, in dem die Gas-Feldionisations-Ionenquelle untergebracht ist, und seine Oberfläche ist mit dem wärmeisolierenden Material 34 bedeckt, um die Kondensation von Kryptongas zu verhindern. Der Wärmetauscher besteht aus sauerstofffreiem Kupfer mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Die Rohre 413, 415, durch die das gekühlte Heliumgas fließt, sind im Wärmetauscher 414 ausgebildet. Insbesondere wird die Kühlenergie des durch den Wärmetauscher 414 gekühlten Heliums auf das sauerstofffreie Kupfer übertragen. Ein Haftelement 81 ist zwischen dem Wärmetauscher 414 und dem wärmeisolierenden Material 34 angeordnet. Die Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung wird beispielsweise für das wärmeisolierende Material 34 verwendet. Das Haftelement 81 wird verwendet, um zu bewirken, dass das wärmeisolierende Material 34 eng am Kälteübertragungselement haftet und verwendet beispielsweise die Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung. Das wärmeisolierende Material 34 bedeckt dieses Haftelement 81, wodurch verhindert wird, dass das Gas an der Oberfläche des Haftelements absorbiert wird. Dieser Ansatz verhindert die Trennung oder das Reißen des wärmeisolierenden Materials, wenn der Wärmetauscher gekühlt wird, um seine Primärfunktion zu erreichen, oder wenn der Wärmetauscher durch Ausheizen oder dergleichen auf über 150°C erwärmt wird, um den Vakuumgrad zu verbessern. Ferner beseitigt dieser Ansatz auch das Problem, dass das Gas in den Spalt zwischen dem wärmeisolierenden Material und dem Kälteübertragungselement eindringt und kondensiert.
Das Kryptongas wird nicht auf dem Wärmetauscher kondensiert. Der Wärmetauscher ist ein auf die niedrigste Temperatur gekühltes Kälteübertragungselement. Daher kann eine erhebliche Wirkung erhalten werden, indem nur die Oberfläche des Wärmetauschers behandelt wird. Ferner wird die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials mit einem Dünnfilm 82 aus sauerstofffreiem Kupfer bedeckt, wobei ein Teil von diesem in Kontakt mit einem Heizmechanismus 83 steht. Der Heizmechanismus 83 ist beispielsweise eine Widerstandsheizung, deren Ausgangsleistung steuerbar ist. Ein Thermometer 84 ist an der Oberfläche des Dünnfilms 82 aus sauerstofffreiem Kupfer angebracht. Der Dünnfilm kann durch Eingeben einer vom Thermometer 84 gemessenen Temperatur in die Temperatursteuereinrichtung auf eine vorgegebene Temperatur gesteuert werden. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Oberfläche des Dünnfilms 82 aus sauerstofffreiem Kupfer auf eine konstante Temperatur von etwa 65 K gesteuert. Andererseits wird der Wärmetauscher bei einer Temperatur von etwa 30 K gehalten. Der Heizmechanismus 83 kann auch eine Lampenheizung verwenden.
Als nächstes wird der Wärmetauscher 414 mit einem Kälteübertragungs-Dünnfilm 85 verbunden. Der Kälteübertragungs-Dünnfilm 85 ist dadurch gekennzeichnet, dass er Vibrationen des Wärmetauschers 414 nur sehr schwach überträgt. Wie im Kreis der Figur in einer vergrößerten Schnittansicht dargestellt ist, hat dieser Dünnfilm einen Innenteil aus einem sauerstofffreien Kupfer 86, dessen Umfang mit einem wärmeisolierenden Dünnfilm 87 aus Magnesium-Siliciumoxid-Keramik bedeckt ist. Der wärmeisolierende Dünnfilm ist mit einem Aluminiumdünnfilm 88 bedeckt. Das innere sauerstofffreie Kupfer wird bei etwa 45 K gehalten, während die Oberfläche des Aluminiumdünnfilms bei etwa 65 K gehalten wird. Wie in 7 dargestellt ist, ist der Kälteübertragungs-Dünnfilm 85 mit dem Emitterspitzenhalter 35 verbunden. Die Oberfläche des Emitterspitzenhalters 35 ist auch mit Zirkoniumoxid als wärmeisolierendes Material 34 bedeckt, um die Kondensation von Kryptongas zu verhindern. Der Emitterspitzenhalter 35 ist über die elektrisch isolierende Säule 36 mit der Filamenthalterung 23 verbunden. Die Emitterspitze 21 wird auf etwa 60 K gekühlt.
Unter dem von dieser Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 verwendeten Gasdruck von 1 × 10^–3 Pa beträgt die Kondensationstemperatur des Kryptongases etwa 56 K. Wenn es auf unter 56 K gekühlt wird, kondensiert Krypton auf einer festen Oberfläche. Das Kryptongas kondensiert jedoch nicht, weil die Oberflächen des Wärmetauschers 414 und des Kälteübertragungs-Dünnfilms 85 auf Temperaturen oberhalb von 65 K gehalten werden. Weil die Emitterspitze 21 auf 60 K gekühlt wird, wird dem Spitzenende der Emitterspitze 21 eine große Gasmenge zugeführt, wodurch ein hoher Ionenstrahlstrom erzeugt wird.
Diese Ausführungsform kann die Temperatur der Metalloberfläche so steuern, dass sie vergleichmäßigt wird, weil die Ausführungsform das die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials bedeckende Metallmaterial und den Heizmechanismus zum Erwärmen des Metallmaterials aufweist. Die Ausführungsform kann die Gaskondensation zuverlässig beseitigen, weil die Gesamtoberfläche auf eine Temperatur gebracht werden kann, bei der keine Gaskondensation möglich ist. Die Ausführungsform kann eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle und ein Ionenstrahlsystem bereitstellen, die geeignet sind, um die sehr feine und sehr schnelle Verarbeitung und die Betrachtung mit einer sehr hohen Auflösung mit einer hohen Zuverlässigkeit und hohen Stabilität auszuführen. Ferner hat Krypton ein höheres Atomgewicht als Argon, wodurch eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit pro Ionenstrom bereitgestellt wird. Überdies erzeugt Krypton weniger leicht Blasen in der Probe, weil Krypton in einem flachen Bereich an der Probenoberfläche bleibt.
Wenngleich der Pulsröhrenkühler 401 Vibrationen des Bodens hervorruft, sind die Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1, die Ionenstrahlbestrahlungssystemsäule 2, die Vakuumprobenkammer 3 und dergleichen vom Pulsröhrenkühler 401 isoliert. Ferner vibrieren die Rohre 403, 407, 413, 415, die mit den Wärmetauschern 405, 414 verbunden sind, welche in der Nähe der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 installiert sind, nicht, weil sie durch den Boden 20 und die Basisplatte 18, die kaum vibrieren, festgehalten sind und getragen werden. Ferner sind die Rohre von den Vibrationen des Bodens isoliert. Daher sind mechanische Vibrationen des Systems stark verringert.
Die Ausführungsform verwendet den Pulsröhrenkühler 401, der durch die GM-Kühlmaschine oder den Stirling-Kühler ersetzt werden kann. Während die Kühlmaschine gemäß der Ausführungsform zwei Kühlstufen aufweist, kann sie auch eine einzige Kühlstufe aufweisen. Die Anzahl der Kühlstufen ist nicht besonders begrenzt. Beispielsweise kann ein kompaktes und kostengünstiges Ionenstrahlsystem hergestellt werden, falls ein kompakter Stirling-Kühler mit einer Kühlstufe als Heliumumwälzkühler verwendet wird, bei dem die niedrigste Kühltemperatur auf 50 K gelegt ist. In diesem Fall kann Neongas oder Sauerstoffgas an Stelle von Heliumgas verwendet werden.
Das Ionenstrahlsystem gemäß der Ausführungsform ermöglicht eine Betrachtung mit einer hohen Auflösung, weil die Emitterspitze weniger anfällig für die Vibrationen vom Kühlmechanismus ist und ein Befestigungsmechanismus für die Emitterbasishalterung bereitgestellt ist. Die Erfinder haben ferner herausgefunden, dass die Geräusche der Kompressoreinheiten 116, 400 die Vibrationen der Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 induzieren und ihre Auflösungen verschlechtern. Gemäß dieser Ausführungsform ist daher eine schalldichte Abdeckung 418 für das räumliche Trennen der Kompressoreinheit und der Gas-Feldionisations-Ionenquelle bereitgestellt. Demgemäß kann die Ausführungsform die Einflüsse der durch die Geräusche der Kompressoreinheiten induzierten Vibrationen verringern und ermöglicht die Betrachtung mit einer hohen Auflösung. Eine Spaltbeseitigung ist besonders wichtig, um eine Schallunterdrückung zu erreichen. Die Ionenstrahlquelle hat eine hohe optische Vergrößerung der Probe, so dass die Vibrationen der Emitterspitze als Vibrationen des Strahls auf der Probe erscheinen. Daher ist die Vibrationssteuerung für die Verbesserung der Funktionsweise des Ionenstrahlsystems wesentlich.
Wenn das kryptonbasierte ionisierbare Gas in diese Gas-Feldionisations-Ionenquelle eingeleitet wird, wird das Kälteübertragungselement auf eine Temperatur unterhalb von 50 K gekühlt, die niedriger als der Siedepunkt davon ist, wie vorstehend beschrieben wurde. Dann werden die Gas-Feldionisations-Ionenquelle und das Ionenstrahlsystem bereitgestellt, die dafür geeignet sind, die sehr feine und sehr schnelle Verarbeitung und die Betrachtung mit einer sehr hohen Auflösung bei Einstrahlung von Krypton auszuführen.
Wenn eine Gasmischung von Krypton und Wasserstoff oder eine Gasmischung von Krypton und Helium in die Gas-Feldionisations-Ionenquelle gemäß der Ausführungsform eingeleitet wird, wird die Emitterspitze auf eine Temperatur gekühlt, die bei höchstens 60 K liegt und höher ist als die Kondensationstemperatur von Krypton. Ein solcher Ansatz ermöglicht ist, dass weder Kryptongas noch Heliumgas noch Wasserstoffgas kondensiert, weil die Kondensationstemperatur des Kryptongases bei etwa 56 K liegt, während die Kondensationstemperaturen des Heliumgases und des Wasserstoffgases bei 20 K oder darunter liegen. Dies ermöglicht es, dass die Emitterspitze zwei Typen von Ionenstrahlen emittiert, während die Emitterspitzentemperatur kaum geändert wird. Auf diese Weise werden die Ionenstrahlen von zwei oder mehr Gasspezies, die zumindest Kryptongas enthalten, stabil erzeugt und wird auch eine Vielzahl von Wirkungen erhalten. Das heißt, dass die Verwendung des Kryptonionenstrahls die schnelle Verarbeitung ermöglicht. Andererseits ist eine Betrachtung oder Messung der Probe bei einer geringen Beschädigung möglich, wenn der Wasserstoff- oder Heliumionenstrahl auf die Probe eingestrahlt wird. Ferner können detailliertere Informationen über die Probenoberfläche oder das Innere der Probe erhalten werden, indem ein durch Bestrahlung mit dem Wasserstoff- oder Heliumionenstrahl erhaltenes Betrachtungsbild mit einem durch Bestrahlung mit dem Kryptonionenstrahl erhaltenen Betrachtungsbild verglichen wird oder indem an diesen Betrachtungsbildern Berechnungen vorgenommen werden. Es sei bemerkt, dass die beiden Gasspezies auch durch getrennte Zufuhrröhren in die Ionenquelle eingeleitet werden können.
[Vierte Ausführungsform]
Ein Ionenstrahlsystem gemäß dieser Ausführungsform hat im Wesentlichen die gleiche Systemkonfiguration wie jene, die in 1 dargestellt ist. Es ist jedoch zu verstehen, dass die Ausführungsform einen direkt koppelnden Pulsröhrenkühler als Kühlmechanismus 4 verwendet. Die Ausführungsform verwendete Stickstoff als ionisierbares Gas.
Der Kühlmechanismus gemäß der Ausführungsform ist so aufgebaut, dass ein Kühlkopf des Kühlers im gleichen Vakuumgefäß angeordnet ist, in dem die Gas-Feldionisations-Ionenquelle untergebracht ist. Der Kühlkopf des Kühlers ist mit der Emitterspitze verbunden, um den Emitter zu kühlen. Die Ausführungsform verwendet ein dünnes Drahtbündel aus sauerstofffreiem Kupfer als Zwischen-Kälteübertragungselement. Die Oberfläche von jedem der dünnen Drähte ist mit einem wärmeisolierenden Material bedeckt. Dieses Bündel dünner Drähte ist dadurch gekennzeichnet, dass es die mechanischen Vibrationen des Pulsröhrenkühlers nicht auf den Emitter überträgt. Die Oberfläche des Kühlkopfs des Kühlers ist mit dem wärmeisolierenden Material bedeckt, dessen Oberfläche mit einem Dünnfilm aus sauerstofffreiem Kupfer bedeckt ist. Ein Teil des Dünnfilms aus sauerstofffreiem Kupfer steht in Kontakt mit einem Widerstandsheizmechanismus. Die Oberfläche des Dünnfilms aus sauerstofffreiem Kupfer wurde auf eine konstante Temperatur von etwa 40 K geregelt. Andererseits wird das Innere des Kühlkopfs bei etwa 20 K gehalten. Das dünne Drahtbündel aus sauerstofffreiem Kupfer ist mit der Emitterhalterung verbunden, um die Emitterspitze auf etwa 35 K zu kühlen.
Unter dem von dieser Gas-Feldionisations-Ionenquelle 1 verwendeten Gasdruck von 1 × 10^–3 Pa beträgt die Kondensationstemperatur des Stickstoffgases etwa 32 K. Wenn es auf unter 32 K gekühlt wird, kondensiert das Stickstoffgas an einer festen Oberfläche. Das Stickstoffgas kondensierte jedoch nicht, weil die Oberfläche des Kühlkopfs auf Temperaturen oberhalb von 35 K gehalten wurde. Weil die Emitterspitze auf 35 K gekühlt wurde, wurde dem Spitzenende des Emitters eine große Gasmenge zugeführt, wodurch ein hoher Ionenstrahlstrom erzeugt wurde. Dies ermöglichte es, dass die sehr feine Verarbeitung schneller als beim herkömmlichen System erreicht wurde.
Es sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt ist und eine Vielzahl von Modifikationen einschließt. Die erläuterten vorstehenden Ausführungsformen sollen die vorliegende Erfindung beispielhaft erklären. Die vorliegende Erfindung ist nicht notwendigerweise darauf beschränkt, dass sie alle vorstehend beschriebenen Komponenten aufweist. Eine Komponente einer Ausführungsform kann durch eine Komponente einer anderen Ausführungsform ersetzt werden. Ferner kann eine Komponente einer Ausführungsform zur Anordnung einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Ein Teil der Anordnung jeder Ausführungsform ermöglicht das Hinzufügen einer Komponente einer anderen Ausführungsform, ihre Fortlassung oder ihren Austausch.
Die vorliegende Erfindung offenbart ferner die folgenden Gas-Feldionisations-Ionenquellen und Ionenstrahlsysteme.
Ein Ionenstrahlsystem, das eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle aufweist, welche Folgendes aufweist: ein Vakuumgefäß, einen Emitterspitzenhalter, der sich im Vakuumgefäß befindet, eine Emitterspitze, die mit dem Emitterspitzenhalter verbunden ist, eine Extraktionselektrode, die der Emitterspitze entgegengesetzt ist, einen Gaszufuhrabschnitt zum Zuführen eines Gases zur Emitterspitze und ein Kälteübertragungselement, das sich im Vakuumgefäß befindet und Kühlenergie auf den Emitterspitzenhalter überträgt,
wobei das System ferner wenigstens zwei Temperatursteuereinrichtungen aufweist, die jeweils einen Temperatursensor und eine Heizung aufweisen und eine Struktur aufweisen, wobei:
der Gaszufuhrabschnitt Kryptongas zuführt und
die Emitterspitze auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur von höchstens 60 K gehalten wird.
Ein Ionenstrahlsystem, das eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle aufweist, welche Folgendes aufweist: ein Vakuumgefäß, einen Emitterspitzenhalter, der sich im Vakuumgefäß befindet, eine Emitterspitze, die mit dem Emitterspitzenhalter verbunden ist, eine Extraktionselektrode, die der Emitterspitze entgegengesetzt ist, einen Gaszufuhrabschnitt zum Zuführen eines Gases zur Emitterspitze und ein Kälteübertragungselement, das sich im Vakuumgefäß befindet und Kühlenergie auf den Emitterspitzenhalter überträgt,
wobei das System ferner wenigstens zwei Temperatursteuereinrichtungen aufweist, die jeweils einen Temperatursensor und eine Heizung aufweisen und eine Struktur aufweisen, wobei:
der Gaszufuhrabschnitt Argongas zuführt und
die Emitterspitze auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur von höchstens 45 K gehalten wird.
Bezugszeichenliste

1: Gas-Feldionisations-Ionenquelle
2: Ionenstrahlbestrahlungssystemsäule
3: Probenkammer
4: Kühlmechanismus
5: Fokussierlinse
8: Objektivlinse
9: Probe
10: Probentisch
14: Ionenstrahl
15: Vakuumgefäß
21: Emitterspitze
22: Filament
23: Filamenthalterung
24: Extraktionselektrode
26: Gaszufuhrmechanismus
31: Kühlmaschine
33: Kälteübertragungsstab
34: wärmeisolierendes Material
35: Emitterspitzenhalter
36: elektrisch isolierende Säule
37: Emitterbasishalterung
40: GM-Kühlmaschine
63: Neigungsmechanismus
81: Haftelement
82: Dünnfilm aus sauerstofffreiem Kupfer
83: Heizmechanismus
84: Thermometer
85: Kälteübertragungs-Dünnfilm
414: Wärmetauscher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016-133700 [0001]

Claims

Ionenstrahlsystem, welches Folgendes umfasst: eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle, welche Folgendes aufweist: ein Vakuumgefäß, einen Emitterspitzenhalter, der sich im Vakuumgefäß befindet, eine Emitterspitze, die mit dem Emitterspitzenhalter verbunden ist, eine Extraktionselektrode, die der Emitterspitze entgegengesetzt ist, einen Gaszufuhrabschnitt zum Zuführen eines Gases zur Emitterspitze und ein Kälteübertragungselement, das sich im Vakuumgefäß befindet und Kühlenergie auf den Emitterspitzenhalter überträgt, wobei die Oberfläche des Kälteübertragungselements mit einem wärmeisolierenden Material bedeckt ist, um die Kondensation des Gases zu verhindern.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 1, wobei das Kälteübertragungselement ein Metalldünnfilm oder ein Metalllitzendraht ist und an seiner Oberfläche eine wärmeisolierende Schicht haftet.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 1, wobei das Kälteübertragungselement ein Metall umfasst und das wärmeisolierende Material ein Fluorharz oder eine Keramik umfasst.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 1, wobei das Gas Neon, Argon, Krypton oder Xenon enthält.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 1, wobei das Gas Kohlenmonoxid, Sauerstoff oder Stickstoff enthält.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 1, wobei der Gaszufuhrabschnitt eine Mischung von Kryptongas und einem anderen Gas zuführt oder das Kryptongas und das andere Gas durch Schalten zwischen diesen Gasen zuführt, und die Emitterspitze auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird, die höher als die Kondensationstemperaturen der Gase liegt und höchstens 60 K beträgt.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 1, wobei der Gaszufuhrabschnitt eine Mischung von Argongas und Heliumgas oder eine Mischung von Argongas und Wasserstoffgas zuführt und die Emitterspitze auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird, die höher als die Kondensationstemperaturen der Gase liegt und höchstens 45 K beträgt.
Ionenstrahlsystem, welches Folgendes umfasst: eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle, welche Folgendes aufweist: ein Vakuumgefäß, einen Emitterspitzenhalter, der sich im Vakuumgefäß befindet, eine Emitterspitze, die mit dem Emitterspitzenhalter verbunden ist, eine Extraktionselektrode, die der Emitterspitze entgegengesetzt ist, einen Gaszufuhrabschnitt zum Zuführen eines Gases zur Emitterspitze und ein Kälteübertragungselement, das sich im Vakuumgefäß befindet und Kühlenergie auf den Emitterspitzenhalter überträgt, wobei das System ferner Folgendes aufweist: ein Haftelement, das die Oberfläche des Kälteübertragungselements bedeckt, und ein wärmeisolierendes Material, das über das Haftelement an der Oberfläche des Kälteübertragungselements haftet und das Haftelement bedeckt.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 8, wobei das Kälteübertragungselement ein Metalldünnfilm oder ein Metalllitzendraht ist und an seiner Oberfläche eine wärmeisolierende Schicht haftet.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 8, wobei das Kälteübertragungselement ein Metall umfasst und das wärmeisolierende Material ein Fluorharz oder eine Keramik umfasst.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 8, wobei das Gas Neon, Argon, Krypton oder Xenon enthält.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 8, wobei das Gas Kohlenmonoxid, Sauerstoff oder Stickstoff enthält.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 8, wobei der Gaszufuhrabschnitt eine Mischung von Kryptongas und einem anderen Gas zuführt oder das Kryptongas und das andere Gas durch Schalten zwischen diesen Gasen zuführt, und die Emitterspitze auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird, die höher als die Kondensationstemperaturen der Gase liegt und höchstens 60 K beträgt.
Ionenstrahlsystem nach Anspruch 8, wobei der Gaszufuhrabschnitt eine Mischung von Argongas und Heliumgas oder eine Mischung von Argongas und Wasserstoffgas zuführt und die Emitterspitze auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten wird, die höher als die Kondensationstemperaturen der Gase liegt und höchstens 45 K beträgt.
Ionenstrahlsystem, welches Folgendes umfasst: eine Gas-Feldionisations-Ionenquelle, welche Folgendes aufweist: ein Vakuumgefäß, einen Emitterspitzenhalter, der sich im Vakuumgefäß befindet, eine Emitterspitze, die mit dem Emitterspitzenhalter verbunden ist, eine Extraktionselektrode, die der Emitterspitze entgegengesetzt ist, einen Gaszufuhrabschnitt zum Zuführen eines Gases zur Emitterspitze und ein Kälteübertragungselement, das sich im Vakuumgefäß befindet und Kühlenergie auf den Emitterspitzenhalter überträgt, wobei das System ferner Folgendes umfasst: ein wärmeisolierendes Material, das die Oberfläche des Kälteübertragungselements bedeckt, ein Metallmaterial, das die Oberfläche des wärmeisolierenden Materials bedeckt, und einen Heizmechanismus zum Erwärmen des Metallmaterials.