DE102020109610A1

DE102020109610A1 - Gasfeldionisierungsquelle

Info

Publication number: DE102020109610A1
Application number: DE102020109610.0A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Matsubara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2019-05-14
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2020-11-19
Anticipated expiration: 2040-04-08
Also published as: DE102020109610B4; US20200365360A1; KR102326843B1; JP2020187909A; US11367587B2; KR20200131730A; JP7189078B2

Abstract

Eine Gasfeldionisierungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Feldes Ionisieren von Gas weist auf: eine Emitterspitze mit einem Spitzenende; eine Extraktionselektrode, die der Emitterspitze zugewandt ist und an einer davon beabstandeten Position eine Apertur aufweist; ein Gasversorgungsmittel zum Zuführen des Gases in die Nähe der Emitterspitze; eine Vakuumtrennwand aus einem Metall mit einem Loch; und eine Hochspannungsleistungsquelle zum Anlegen von Spannung zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode. Das Loch ist so konstruiert, dass das Spitzenende der Emitterspitze hindurchgehen kann und die Vakuumtrennwand um das Loch herum einen Mikrovorsprung, der zu einer Seite der Extraktionselektrode hin vorsteht, aufweist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 14. Mai 2019 eingereichten japanischen Patentanmeldung JP 2019-091313 , deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme in diese Anmeldung aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasfeldionisierungsquelle.
Die Struktur einer Oberfläche einer Probe kann durch Bündeln eines Elektronenstrahls über eine Elektromagnetfeldlinse, Bestrahlen dieser zum Scannen der Probe und Detektieren von von der Probe emittierten sekundären Elektronen/geladenen Teilchen betrachtet werden. Dies wird als Rasterelektronenmikroskop bezeichnet. Andererseits kann die Struktur der Oberfläche der Probe auch durch Bündeln eines Ionenstrahl über eine Elektromagnetfeldlinse, Bestrahlen dieser zum Scannen der Probe und Detektieren von von der Probe emittierten, sekundären geladenen Teilchen betrachtet werden. Dies wird als Rasterionenmikroskop (nachfolgend RIM) bezeichnet.
Eine Art von Ionenquellen, die für das RIM verwendet wird, ist eine Gasfeldionisierungsquelle (engl.: „Gas Field Ionisation Source“; diese kann im Folgenden als GFIS bezeichnet werden). Eine GFIS legt eine Hochspannung an eine Metall-Emitterspitze an, vorzugsweise ist der Krümmungsradius an ihrer Spitze gleich oder kleiner als etwa 100 nm, fokussiert das elektrische Feld auf die Spitze, führt Gas (Ionisierungsgas) um die Spitze herum zu, ionisiert die Gasmoleküle durch das elektrische Feld und extrahiert einen Ionenstrahl. Im Folgenden wird das Gas einschließlich des Gases vor der Ionisierung als „Ionisierungsgas“ bezeichnet, und dies bedeutet nicht immer „Gas, das Ionen enthält“ oder „ionisiertes Gas“.
In einem RIM, das eine GFIS (im Folgenden GFIS-RIM) verwendet, sind Vorrichtungen, die einen Helium-Ionenstrahl oder einen Neonstrahl verwenden, üblich. Dies liegt daran, dass ein von einer GFIS emittierter Ionenstrahl ein engeres Energieband und eine kleinere Lichtquellengröße hat als eine Flüssigmetall-Ionenquelle oder eine Ionenquelle, die das Plasmaphänomen nutzt, so dass der Strahl auf eine kleinere Größe gebündelt werden kann.
Hintergrund
JP 2016-76431A offenbart ein Konstruktionsbeispiel, das einen mit Materialgas gefüllten Behälter, eine innerhalb des Behälters angeordnete nadelförmige Elektrode und eine an einer Außenwand des Behälters vorgesehene Mikroapertur aufweist, wobei ein Druck im Inneren des Behälters höher ist als an der Außenseite, das Materialgas durch die Mikroapertur vom Inneren des Behälters nach außen ausgestoßen wird, sich um die Mikroapertur herum eine Aperturelektrode befindet, die nadelförmige Elektrode und die Aperturelektrode sich auf demselben elektrischen Potential befinden, das Materialgas durch Elektrisches-Feld-Ionisierung durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes an die Spitze der nadelförmigen Elektrode durch die elektrische Potentialdifferenz zwischen der nadelförmigen Elektrode und der Aperturelektrode und einer an der Außenseite des Behälters angeordneten Außenelektrode ionisiert wird, und die Ionen extrahiert werden.
JP 2013-8471A offenbart ein Beispiel einer Gasionenquelle, die einen Ionenstrahl durch Anlegen einer Spannung zwischen einer Elektrisches-Feld-Ionisierungselektrode und einer Außenelektrode erzeugt, so dass ein elektrisches Feld in der Nähe der Spitze der Elektrisches-Feld-Ionisierungselektrode erzeugt wird und ein Elektrisches-Feld-Ionisierungsgasmaterial aus einer Mikroapertur eines Ionenquellenbehälters ausgestoßen wird, wobei ein Teil einer Oberfläche des Ionenquellenbehälters, ein Teil oder ein ganzer Teil einer Oberfläche der externen Elektrode oder ein ganzer Teil der externen Elektrode, der sich in einem Bereich in der Nähe der Spitze der Elektrisches-Feld-Ionisierungselektrode befindet, durch einen dünnen Film eines zweiten, Elektronenemission unterdrückenden Materials aufgebaut ist.
ÜBERBLICK
Herkömmliche Techniken haben jedoch ein Problem, dass die Emitterspitze auf eine niedrige Temperatur gekühlt werden muss, um eine ausreichende Ionenstrahlintensität aufrechtzuerhalten.
Zum Kühlen erforderliche Temperaturen unterscheiden sich abhängig von den zu verwendenden Ionen, aber im Allgemeinen erfordern Gase mit niedrigeren Kondensationstemperaturen (z.B. Wasserstoff oder Helium) niedrigere Kühltemperaturen, um eine ausreichende Intensität aufrechtzuerhalten. Zum Kühlen der Emitterspitze gibt es ein Verfahren, das ein Kühlmittel wie flüssigen Stickstoff oder flüssiges Helium verwendet, und ein Verfahren, das einen mechanischen Kühler, z.B. vom Typ Gifford-McMahon, verwendet.
Das Verfahren, das ein Kühlmittel verwendet, erfordert hohe Betriebskosten und den Arbeitsaufwand des Anwenders für das Bereitstellen des Kühlmittels. Andererseits erfordert das Verfahren, das eine mechanische Kühlung verwendet, hohe Anfangskosten. Außerdem vibriert bei beiden Verfahren die Emitterspitze beim Kühlbetrieb, was zu einer Verschlechterung der Qualität des gescannten Ionenbildes oder der Genauigkeit bei der Arbeit mit dem Ionenstrahl führt.
Die Erfindung stellt eine Gasfeldionisierungsquelle zur Verfügung, bei der die Emitterspitze nicht gekühlt werden muss oder mit einer schwächeren Kühlung betrieben werden kann.
Eine mit der vorliegenden Erfindung verbundene Gasfeldionisierungsquelle ist eine Gasfeldionisierungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zum Ionisieren von Gas, die aufweist:

eine Emitterspitze mit einem Spitzenende;
eine Extraktionselektrode, die der Emitterspitze zugewandt ist und eine Apertur an einer davon beabstandeten Position aufweist;
einen Gaslieferanten zum Zuführen des Gases in die Nähe der Emitterspitze;
eine Vakuumtrennwand aus einem Metall mit einem Loch, wobei das Loch so konstruiert ist, dass das Spitzenende der Emitterspitze hindurchgehen kann; und
einen Spannungsanleger zum Anlegen einer Spannung zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode,
wobei die Vakuumtrennwand um das Loch herum eine konvexe Struktur aufweist, die zu einer Seite der Extraktionselektrode hin vorsteht.

Gemäß einer mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Gasfeldionisierungsquelle muss die Emitterspitze nicht gekühlt werden oder kann mit einer schwächeren Kühlung betrieben werden.
So kann z.B. eine Gasfeldionisierungsquelle in einem GFIS-RIM betrieben werden, ohne ein Kühlmittel oder eine mechanische Kühlung zu verwenden. Ein beispielhafter Effekt besteht darin, dass die anfänglichen Einführungskosten und die Betriebskosten einer Vorrichtung verringert werden können.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung, die einen mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbundenen Aufbau einer Gasfeldionisierungsquelle zeigt;
2 ist ein schematischer Querschnitt, der einen Aufbau einer Vakuumtrennwand von 1 erläutert; und
3 ist ein Foto, das einen Aufbau einer Vakuumtrennwand von 1 erläutert;
4 ist eine Darstellung, die mit einem Mikrovorsprung von 1 verbundene Abmessungen zeigt;
5 ist eine Darstellung, die einen Aufbau zum Tragen einer Emitterspitze von 1 zeigt;
6 ist eine Darstellung, die die Wirkung eines Versuchsbeispiels gemäß einem experimentellen Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; und
7 ist eine Darstellung, die einen mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbundenen Aufbau einer Gasfeldionisierungsquelle zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Der Erfinder untersuchte eine Technik zur Verbesserung der Intensität der Gasfeldionisierungsquelle auf ein praktisches Niveau, ohne irgendein Mittel zum Kühlen der Emitterspitze zu verwenden.
Bei einer Ausführungsform ist eine Vakuumtrennwand zwischen der Emitterspitze und einer Extraktionselektrode vorgesehen, an der Vakuumtrennwand ist ein Loch vorgesehen, um ein Spitzenende der Emitterspitze zur Seite der Extraktionselektrode vorstehen zu lassen, Ionisierungsgas wird von der Seite einer Basis der Emitterspitze zugeführt, und das Ionisierungsgas wird von der Seite der Extraktionselektrode evakuiert, so dass ein Gasdruck in der Nähe des Spitzenendes der Emitterspitze erhöht wird.
Bei einer Ausführungsform kann das elektrische Feld zum Ionisieren des Ionisierungsgases um das Spitzenende der Emitterspitze herum erzeugt werden, ohne dass eine große elektrische Potentialdifferenz (z.B. von gleich oder mehr als 30 kV) zwischen die Emitterspitze und die Extraktionselektrode angelegt wird, indem eine konvexe Struktur, bei der das Loch um die Seite der Extraktionselektrode herum leicht erhöht ist, eingesetzt wird.
Bei einer Ausführungsform kann der Gasdruck des Ionisierungsgases, das der Seite der Emitterspitze zugeführt wird, ohne die Gefahr einer elektrischen Entladung erhöht werden, indem ein elektrisches Potential eines Ionisierungsgas-Zufuhrmittels (z.B. einer Gasflasche) einem elektrischen Potential der Emitterspitze gleichgemacht wird.
Bei einer Ausführungsform kann ein Gleichgewicht zwischen dem in der Nähe des Spitzenendes der Emitterspitze erzeugten elektrischen Feld und dem Druck des um die Emitterspitze herum zugeführten Ionisierungsgases eingestellt werden, indem ein Mechanismus zum Einstellen einer Relativposition zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode bereitgestellt wird.
Die vorliegende Erfindung wird unten anhand von Ausführungsformen, die sich auf die Zeichnungen beziehen, erläutert. Allerdings kann die vorliegende Erfindung mit jedem anderen Aufbau als den unten beschriebenen Ausführungsformen innerhalb eines Bereichs, der nicht von den in den beigefügten Ansprüchen definierten Ideen der vorliegenden Erfindung abweicht, implementiert werden.
Erste Ausführungsform
Eine mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbundene Gasfeldionisierungsquelle wird unter Bezugnahme auf die 1, 2, 3, 4 und 5 beschrieben.
Eine Gasfeldionisierungsquelle 1 weist eine Emitterspitze 11 (auch als Emitterelektrode bezeichnet), eine Extraktionselektrode 13, eine Vakuumkammer 17 (Vakuumbehälter), ein Evakuierungsmittel 16, eine Gasflasche 35, Hochspannungsleistungsquellen 111 und 112 und eine Mikrokanalplatte 5 auf und bildet ein elektrisches Feld zum Ionisieren eines Gases (Ionisierungsgas).
Die Emitterspitze 11 besitzt ein Spitzenende. Das Spitzenende bedeutet zum Beispiel ein Ende an der Seite der Extraktionselektrode 13. Das Spitzenende ist vorzugsweise in einer Form ausgebildet, die in einem kleinen Bereich ein starkes elektrisches Feld erzeugen kann, und zum Beispiel in einer Form, die als „nadelförmig“ beschrieben wird. Die Extraktionselektrode 13 besitzt ein Extraktionselektrodenloch 131 (Apertur). Das Extraktionselektrodenloch 131 ist beabstandet von der Emitterspitze 11 (genau ausgedrückt, dem Spitzenende davon) und dieser gegenüberliegend vorgesehen.
Die Vakuumkammer 17 enthält die Emitterspitze 11 und die Extraktionselektrode 13. Das Evakuierungsmittels 16 ist mit der Vakuumkammer 17 verbunden. Die Gasflasche 35 liefert das Ionisierungsgas an ein Inneres der Vakuumkammer 17.
Die Hochspannungsleistungsquelle 111 legt eine Spannung zwischen der Emitterspitze 11 und einem Erdpotential an. Hierzu kann ein elektrisch leitendes Element (nicht abgebildet) zwischen der Hochspannungsleistungsquelle 111 und der Emitterspitze 11 platziert werden. Auch die Hochspannungsleistungsquelle 112 legt eine Spannung zwischen der Extraktionselektrode 13 und dem Erdpotential an. Die Hochspannungsleistungsquellen 111 und 112 dienen also als Mittel zum Anlegen einer Spannung zwischen der Emitterspitze 11 und der Extraktionselektrode 13, wodurch ein elektrisches Feld zum Ionisieren (z.B. in positive Ionen) eines Gases in der Nähe des Spitzenendes der Emitterspitze 11 gebildet wird.
Die Hochspannungsleistungsquellen 111 und 112 können so konstruiert sein, dass die elektrischen Potentiale der Emitterspitze 11 und der Extraktionselektrode 13 unabhängig steuerbar sind. Dies ermöglicht das Steuern von Spannungen zum Beschleunigen eines Ionenstrahls, das Erzeugen des elektrischen Feldes und die Extraktion. Es ist jedoch möglich, nur eine der Hochspannungsleistungsquellen 111 und 112 zu verwenden, so dass die andere weggelassen wird (in diesem Fall kann die weggelassene Seite immer auf dem Erdpotential liegen).
Die Gasfeldionisierungsquelle 1 legt erst eine Hochspannung zwischen der Emitterspitze 11 und der Extraktionselektrode 13 an, um einen Ionenstrahl 15 von der Emitterspitze 11 zu emittieren. Das Anlegen der Hochspannung fokussiert ein starkes elektrisches Feld in die Nähe des Spitzenendes der Emitterspitze 11. Die Stärke des in der Nähe des Spitzenendes erzeugten elektrischen Feldes wird auf eine für das Ionisieren des Ionisierungsgases (z.B. Ionisieren von Wasserstoffgas in positive Ionen) ausreichende Stärke gesteuert. In diesem Zustand wird unter Verwendung der Gasflasche 35, um das Ionisierungsgas in die Vakuumkammer 17 (insbesondere in die Nähe der Emitterspitze 11) einzubringen, ein Ionenstrahl von dem Spitzenende der Emitterspitze 11 emittiert.
Der Ionenstrahl 15 trifft auf eine zu betrachtende Probe und es werden Sekundärelektronen oder sekundäre geladene Teilchen von der Probe emittiert. Die emittierten Sekundärelektronen oder sekundär geladenen Teilchen werden an der Mikrokanalplatte 5 detektiert.
Zwischen der Emitterspitze 11 (oder einem mit der Emitterspitze 11 elektrisch verbundenen Teil) und der Extraktionselektrode 13 (oder einem mit der Extraktionselektrode 13 elektrisch verbundenen Teil) kann ein Isolator 132 platziert werden. Auf diese Weise kann zwischen der Emitterspitze 11 und der Extraktionselektrode 13 eine höhere Spannung angelegt werden.
Außerdem kann ein bewegliches Element (z.B. ein Balg 19) zwischen der Emitterspitze 11 (oder einem Teil, der elektrisch mit der Emitterspitze 11 verbunden ist) und der Extraktionselektrode 13 (oder einem Teil, der elektrisch mit der Extraktionselektrode 13 verbunden ist) angeordnet werden. Auf diese Weise kann eine Positionsbeziehung zwischen der Emitterspitze 11 und der Extraktionselektrode 13 eingestellt werden. Das bewegliche Element ist so konstruiert, dass zum Beispiel ein Abstand zwischen dem Spitzenende der Emitterspitze 11 und dem Extraktionselektrodenloch 131 besteht.
Weiterhin kann die Gasfeldionisierungsquelle 1 so konstruiert sein, dass verschiedene Ionisierungsgase in die Nähe der Emitterspitze 11 eingebracht werden können. Zum Beispiel kann nicht nur die einzelne Gasflasche 35, sondern auch eine weitere Gasflasche enthalten sein. Außerdem können, wenn mehrere Gasflaschen verwendet werden, die Gasflaschen jeweils unterschiedliche Arten von Ionisierungsgas liefern. Als Arten des Ionisierungsgases können zum Beispiel Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff etc. verwendet werden.
Die Konstruktion ist derart, dass das Ionisierungsgas erst aus der Gasflasche 35 über ein Fließrateneinstellmittel 37, ein Isolierrohr 38 und ein Ventil 33 einem Gasversorgungsmittel 31 zugeführt wird. Das Gasversorgungsmittel 31 kann ein metallischer (oder elektrisch leitender) luftdichter Behälter sein. Das Gasversorgungsmittel 31 kann eine Gasflasche sein. Das Gasversorgungsmittel 31 liefert das Ionisierungsgas in die Nähe der Emitterspitze 11 (insbesondere in die Nähe des Spitzenendes der Emitterspitze 11).
Hierbei kann die Gasflasche 35 als zusätzliches Gasversorgungsmittel zum Zuführen von Gas an das Gasversorgungsmittel 31 angesehen werden. Ein Isolierrohr 38 verbindet das Gasversorgungsmittel 31 und die Gasflasche 35 als isolierende Leitung. Aufgrund dieser Konstruktion stehen das Gasversorgungsmittel 31 und die Gasflasche 35, während sie elektrisch isoliert sind, indirekt in Fluidverbindung.
Ferner kann das Ionisierungsgas, das sich in einem Strömungspfad (einschließlich des Isolierrohrs 38) befindet, nachdem das Ionisierungsgas von der Gasflasche 35 dem Gasversorgungsmittel 31 zugeführt wurde, evakuiert werden. Zum Beispiel kann nach dem Schließen des Ventils 33 und des Fließrateneinstellmittels 37 ein Ventil 36 geöffnet werden und das Ionisierungsgas zwischen dem Ventil 33 und dem Fließrateneinstellmittel 37 kann durch die Vakuumpumpe 34 evakuiert werden. So evakuiert die Vakuumpumpe 34 das Innere des Isolierrohrs 38.
Das Ionisierungsgas kann durch derartiges Evakuieren des Strömungspfades an einer elektrischen Entladung gehindert werden. Insbesondere wird das Innere des Isolierrohrs 38 evakuiert, so dass der Pfad der elektrischen Entladung vollständig eliminiert werden kann.
Das Gasversorgungsmittel 31 ist, auf eine Weise ähnlich wie die Emitterspitze 11, in der Vakuumkammer 17 enthalten. Die Gasfeldionisierungsquelle 1 kann eine Emitterspitzenträgerkomponente 113, eine Emitterspitzenpositionierungskomponente 114, eine Vakuumtrennwand 12 und ein Fließrateneinstellmittel 32 aufweisen. Die Vakuumtrennwand 12 ist in der Vakuumkammer 17 enthalten.
Die Emitterspitzenträgerkomponente 113, die Emitterspitzenpositionierungskomponente 114, die Vakuumtrennwand 12, das Fließrateneinstellmittel 32 und das Gasversorgungsmittel 31 können alle aus Metall (oder elektrisch leitfähigen) Elementen oder Materialien hergestellt sein und sie können alle elektrisch verbunden sein. Auf diese Weise sind die elektrischen Potentiale all dieser Konstruktionselemente gleich einem elektrischen Potential, das an der Emitterspitze 11 durch die Hochspannungsquelle 111 vorliegt. Das heißt, das Gasversorgungsmittel 31 ist elektrisch mit der Emitterspitze 11 verbunden oder hat das elektrische Potential gleich der Emitterspitze 11.
Weiterhin kann in diesem Fall das Isolierrohr 38 zwischen diesen Konstruktionselementen (z.B. dem Gasversorgungsmittel 31) und der Vakuumkammer 17 platziert werden, so dass sie elektrisch isoliert sind. Gemäß einer derartigen Konstruktion haben die Emitterspitze 11 und das Gasversorgungsmittel 31 ein gleiches elektrisches Potential, so dass im Prinzip keine Gefahr einer elektrischen Entladung des Gases zwischen der Emitterspitze 11 und der Gaszuführungseinrichtung besteht, auch wenn das Ionisierungsgas bei hohem Gasdruck dazwischen vorhanden ist. Das heißt, der Druck des um die Emitterspitze 11 eingebrachten Ionisierungsgases kann höher sein, was einen größeren elektrischen Strom für den Ionenstrahl 15 erlaubt.
Auch in einem Fall, in dem das Fließrateneinstellmittel 32 und das Ventil 33 wie bei der vorliegenden Ausführungsform in der Vakuumkammer 17 enthalten sind, kann ein Einstellmechanismus zum Steuern des Fließrateneinstellmittels 32 und des Ventils 33 außerhalb der Vakuumkammer 17 vorgesehen sein. Zum Beispiel ist ein atmosphärenseitiger Einstellmechanismus 330 vorgesehen und durch einen Verbindungsmechanismus 331 mit dem Ventil 33 (oder dem Fließrateneinstellmittel 32) verbunden. Der Verbindungsmechanismus 331 kann ein Kraftübertragungsmechanismus oder ein Informationsübertragungsmittel sein. Wenn der Verbindungsmechanismus 331 ein Kraftübertragungsmechanismus ist, kann er durch ein elektrisch isolierendes Element konstruiert werden. Wenn der Verbindungsmechanismus 331 ein Informationsübertragungsmittel ist, kann er so konstruiert werden, dass er eine vom atmosphärenseitigen Einstellmechanismus 330 ausgegebene Anweisung durch Verwenden von einer elektrischen Welle oder Ähnlichem auf eine entfernte Weise an das Ventil 33 (oder das Fließrateneinstellmittel 32) übermittelt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein elektrischer Strom des Ionenstrahls 15 durch Einbringen des Ionisierungsgases bei einem hohen Gasdruck in die Nähe der Emitterspitze 11 erhöht. Hierbei wird bei einer Gasfeldionisierungsquelle im Allgemeinen mit zunehmendem Gasdruck die Verschlechterung beim Konvergenzverhalten des Ionenstrahls 15 aufgrund von Kollision zwischen dem Ionenstrahl 15 und den Gasmolekülen größer.
Ein Anteil des gestreuten Ionenstrahls 15 nimmt mit steigendem Gasdruck zu. Dieser Anteil wird durch einen durchschnittlichen Abstand, den ein Ion in einer geraden Linie fliegt, ohne mit einem Gasmolekül zu kollidieren (d.h. die mittlere freie Weglänge), ausgedrückt. Es ist offensichtlich, dass die mittlere freie Weglänge mit steigendem Gasdruck abnimmt. Wenn die mittlere freie Weglänge kürzer als der Abstand des Ionenstrahls 15 vom Spitzenende der Emitterspitze 11 zu einer Zielprobe ist, wird der Ionenstrahl 15 aufgrund einer Wirkung der oben genannten Streuung schwer konvergierbar. Das heißt, selbst wenn keine Gefahr einer elektrischen Entladung besteht, gibt es stattdessen aufgrund der Wirkung der Streuung eine Obergrenze für den Druck in dem eingebrachten Ionisierungsgas.
Einige herkömmliche Gasfeldionisierungsquellen besitzen eine Konstruktion zum Verringern des Effekts der obigen Streuung durch Erhöhen des Vakuums im Pfad des Ionenstrahls unter Einsatz von differentiellem Pumpen, wobei die Evakuierung mehrstufig aufgebaut ist. Insbesondere wird ein hochgradig luftdichter Behälter, der die Emitterspitze und die Extraktionselektrode umschließt, zum Abdichten verwendet, das Ionisierungsgas wird darin eingeführt, das Ionisierungsgas wird nur von einem Extraktionselektrodenloch evakuiert, so dass der Druck des Ionisierungsgases nur um die Emitterspitze herum höher ist, wodurch die Wirkung des obigen Streuproblems verringert würde.
Ein derartiges differentielles Pumpen kann auch bei der vorliegenden Ausführungsform eingesetzt werden. Das differentielle Pumpen kann zum Beispiel durch Bereitstellen einer Vakuumtrennwand 12 um die Emitterspitze 11 realisiert werden.
Eine Konstruktion der Vakuumtrennwand 12 wird unter Verwendung der 2 und 3 erläutert. 2 ist ein schematischer Querschnitt und 3 ist eine Fotographie eines Teils von 2, die in einer Richtung aufgenommen wurde, die ungefähr dieselbe wie in 2 ist. Die Vakuumtrennwand 12 besteht aus einem Metall (oder ist elektrisch leitend). Die Vakuumtrennwand 12 ist keine luftdichte Trennwand, die das Vakuum strikt aufrechterhält, sondern hat ein Loch 125, wodurch eine Luftdruckdifferenz stationär aufrechterhalten werden kann, wenn das Ionisierungsgas mit einer konstanten Fließrate zugeführt wird. Das Loch 125 ist so konstruiert, dass das Spitzenende der Emitterspitze 11 (oder ein Teil einer bestimmten Länge einschließlich des Spitzenendes) hindurchgehen kann. Bei dem Beispiel von 2 ist ein Innendurchmesser des Lochs 125 größer als ein Außendurchmesser der Emitterspitze 11 (genauer ausgedrückt, ein Außendurchmesser eines Teils einer bestimmten Länge einschließlich oder in der Nähe des Spitzenendes der Emitterspitze 11), so dass die Emitterspitze 11 durch sie hindurchgehen kann.
Die Emitterspitze 11 wird so durch das Loch 125 hindurchgehend platziert, dass sich die Basisseite in Bezug auf die Vakuumtrennwand 12 auf der Hochdruckseite, d.h. der Seite des Fließrateneinstellmittels 32, befindet und sich die Seite des Spitzenendes auf der Niederdruckseite, d.h. der Seite der Extraktionselektrode 13, befindet. Wie durch die Bezugsziffer 117 in 2 angegeben, ragt das Spitzenende der Emitterspitze 11 von dem Loch 125 der Vakuumtrennwand 12 zu der Seite der Extraktionselektrode 13 hin vor. Die Vakuumtrennwand 12 erlaubt das lokale Erhöhen des Drucks am Spitzenende der Emitterspitze 11.
Wenn die Vakuumtrennwand 12 aus einem dielektrischen Material gebildet würde, könnte es hier möglich sein, eine elektrische Feldstärke um das Spitzenende herum weiter zu erhöhen, so dass eine vollständigere Ionisierung durchgeführt würde. Allerdings würde das dielektrische Material um die Emitterspitze 11 herum aufgeladen, so dass die elektrische Feldstärke instabil wäre. Wenn andererseits die Vakuumtrennwand 12 wie bei der vorliegenden Ausführungsform aus einem Metall oder einem elektrisch leitenden Material gebildet wird, wird das elektrische Feld abgeschirmt, so dass es, abhängig von der Form der Vakuumtrennwand 12, schwierig wäre, in der Nähe des Spitzenendes der Emitterspitze 11 eine ausreichende elektrische Feldstärke zu erzeugen.
Dementsprechend ist bei der vorliegenden Ausführungsform an der Vakuumtrennwand 12 ein Mikrovorsprung 121 vorgesehen, um einen Abschirmungseffekt des elektrischen Feldes zu unterdrücken. Der Mikrovorsprung 121 ist ein Beispiel für eine konvexe Struktur, die zur Seite der Extraktionselektrode 13 hin um das Loch 125 der Vakuumtrennwand 12 herum vorsteht. Man beachte, dass, wie in 2 gezeigt, das Spitzenende der Emitterspitze 11 von einem Ende des Mikrovorsprungs 121 weiter in Richtung der Seite der Extraktionselektrode 13 vorsteht.
Daher ragt die Emitterspitze 11 (Bezugsziffer 117) von dem Loch 125 der Vakuumtrennwand 12 durch den Mikrovorsprung 121 zur Seite der Extraktionselektrode 13 hin vor, so dass das elektrische Feld um das Spitzenende der Emitterspitze 11 nicht besonders stark abgeschirmt wird, so dass das am Spitzenende der Emitterspitze 11 gebildete elektrische Feld stärker ist und eine elektrische Feldstärke, die ausreicht, um das Ionisierungsgas zu ionisieren, leicht erzeugt werden kann.
Eine Form des Mikrovorsprungs 121 kann in einer zylindrischen Form konstruiert werden, wobei die axiale Richtung eine Richtung ist, in der der Ionenstrahl 15 emittiert wird. Der Mikrovorsprung 121 kann auch so geformt werden, dass er die Emitterspitze 11 um das Loch 125 der Vakuumtrennwand 12 herum umgibt.
4 zeigt Abmessungen im Zusammenhang mit dem Mikrovorsprung 121. Die Abmessungen des Mikrovorsprungs 121 können in beliebiger Weise gestaltet werden, können aber beispielsweise so konstruiert werden, dass das Verhältnis eines Außendurchmessers 123 des Mikrovorsprungs 121 (der Durchmesser, falls eine Außenform des Mikrovorsprungs 121 eine zylindrische Form ist) zu einer Höhe 122 des Mikrovorsprungs 121 (d.h. eine axiale Länge) (das heißt, das Verhältnis ist ein Wert des Außendurchmessers 123 / der Höhe 122) gleich oder kleiner als 1,22 ist. Ein derartiger Wert kann ein besseres Gleichgewicht zwischen dem Ionisierungsgasdruck und der elektrischen Feldstärke realisieren.
Als spezifische Bereiche für die Abmessungen der Form kann die Höhe 122 des Mikrovorsprungs 121 gleich oder mehr als 0,5 mm sein und der Außendurchmesser 123 des Mikrovorsprungs 121 gleich oder kleiner als 0,61 mm sein. Auch in diesem Fall kann der Innendurchmesser des Lochs 125 des Mikrovorsprungs 121 (der Durchmesser, falls eine Innenform des Mikrovorsprungs 121 eine zylindrische Form ist) gleich oder kleiner als 0,21 mm sein.
Außerdem kann ein Abstand 124 zwischen dem Mikrovorsprung 121 und der Extraktionselektrode 13 beispielsweise gleich oder kleiner als 1,5 mm sein. Durch Verringern des Abstands 124 kann die elektrische Feldstärke um die Emitterspitze 11 herum auf einem hohen Wert gehalten werden.
5 zeigt eine Konstruktion zum Tragen der Emitterspitze 11. Die mit der vorliegenden Ausführungsform verbundene Gasfeldionisierungsquelle 1 weist einen Einstellmechanismus zum Einstellen der relativen Positionsbeziehung zwischen der Emitterspitze 11 und dem Loch 125 der Vakuumtrennwand 12 (z.B. eine Positionsbeziehung einer axialen Richtung) auf. Bei dem Beispiel von 5 weist der Einstellmechanismus eine Emitterspitzenträgerkomponente 113 und eine Emitterspitzenpositionierungskomponente 114 auf.
Die Emitterspitzenträgerkomponente 113 fixiert und trägt die Emitterspitze 11. Außerdem wird die Emitterspitzenträgerkomponente 113 von der Emitterspitzenpositionierungskomponente 114 getragen. Die Emitterspitzenpositionierungskomponente 114 ist an der Vakuumtrennwand 12 fixiert und ihre Positionsbeziehung in Bezug auf das Loch 125 ist ebenfalls fixiert. Die Emitterspitzenpositionierungskomponente 114 weist eine Funktion zum freien Einstellen der relativen Positionsbeziehung zwischen der Emitterspitze 11 und dem Loch 125 der Vakuumtrennwand 12 durch Einstellen ihrer eigenen relativen Positionsbeziehung in Bezug auf die Emitterspitzenträgerkomponente 113 auf.
Bei dem Beispiel von 5 wird die Einstellung der Positionsbeziehung durch einen Schraubmechanismus realisiert. Das heißt, ein Schraubenkanal 115a ist an einem Außenumfang der Emitterspitzenträgerkomponente 113 gebildet und ein zugehöriger Schraubenkanal 115b ist an einem Innenumfang der Emitterspitzenpositionierungskomponente 114 gebildet. Die Emitterspitze 11 bewegt sich in Bezug auf das Loch 125 in einer axialen Richtung, wenn die Emitterspitzenträgerkomponente 113 und die Emitterspitzenpositionierungskomponente 114 zueinander passen und sich in Drehung zueinander entlang der jeweiligen Schraubenkanäle 115a und 115b bewegen.
Eine derartige Konstruktion erlaubt eine einfache Einstellung des Abstands zwischen der Emitterspitze 11 und der Extraktionselektrode 13 (oder einer Mitte des Extraktionselektrodenlochs 131) allein durch Drehen der Emitterspitzenträgerkomponente 113 entlang der Schraubenkanäle 115a und 115b. Durch Verwenden eines derartigen Verstellmechanismus' kann die Position der Emitterspitze 11 (insbesondere die Position des Spitzenendes) eingestellt werden, so dass ein besseres Gleichgewicht zwischen der Druckverteilung des Ionisierungsgases und dem elektrischen Feld am Spitzenende der Emitterspitze 11 realisiert werden kann. Auch kann der Aufbau des Verstellmechanismus' durch Realisieren des Verstellmechanismus' unter Verwendung insbesondere der Schraubenkanäle vergleichsweise einfach sein.
Er kann so konstruiert werden, dass eine Drehachse 116 des Schraubenkanals 115a durch das Loch 125 der Vakuumtrennwand 12 verläuft. Er kann auch so konstruiert werden, dass die Drehachse 116 des Schraubenkanals 115a mit einer Achse der Emitterspitze 11 fluchtet. Bei dieser Konstruktion kann eine laterale Position (d.h. eine Position in einer Richtung senkrecht zur Achse) der Emitterspitze 11 vorher festgelegt werden, so dass ein Positionierungsvorgang bei der Verwendung vergleichsweise einfach durchgeführt werden kann.
Die Einstellung der Positionsbeziehung kann durch einen anderen Mechanismus realisiert werden. Zum Beispiel kann ein Mechanismus zum Bewegen der Emitterspitze 11 in den Richtungen auf, ab, links und rechts enthalten sein, so dass die Achse der Emitterspitze 11 und die Mitte des Extraktionselektrodenlochs 131 ausgerichtet werden. Diese Einstellmechanismen können auch weggelassen werden.
Rückblickend auf 1 kann die Gasfeldionisierungsquelle 1 ein Vakuummessgerät 18 zum Messen eines Vakuumgrads in der Vakuumkammer 17 aufweisen. Der Gasdruck kann z.B. durch automatisches oder manuelles Einstellen des Fließrateneinstellmittels 32 als Reaktion auf den gemessenen Vakuumgrad eingestellt werden. Eine geeignete Einstellung des Gasdrucks verringert den Anteil des durch das Ionisierungsgas gestreuten Ionenstrahls 15. Zum Beispiel kann ein Gasdruck in einem Bereich auf einer Seite mit niedrigerem Druck in Bezug auf die Vakuumtrennwand 12 in der Vakuumkammer 17 so eingestellt werden, dass ein Vakuumgrad gleich oder höher als 0,1 Pa ist (d.h. ein Gasdruck von weniger als 0,1 Pa).
Auch kann der Vakuumgrad um die Emitterspitze 11 herum durch Überwachen des Vakuummessgeräts 18 indirekt erreicht werden. Die Steuerung des Gasdrucks ist sehr wichtig, da die Menge des von der Gasfeldionisierungsquelle 1 emittierten elektrischen Stroms proportional zum Gasdruck um die Emitterspitze 11 herum ist. Das Fließrateneinstellmittel 32 kann als Reaktion auf den von dem Vakuummessgerät 18 gemessenen Vakuumgrad so eingestellt werden, dass der Gasdruck in der Vakuumkammer 17 konstant ist oder dass eine Schwankung des Gasdrucks in der Vakuumkammer 17 unterdrückt wird.
Wenn die Menge des verwendeten Gases besonders groß ist, nimmt das in dem Gasversorgungsmittel 31 gespeicherte Gas im Laufe der Zeit ab, so dass der Gasdruck des der Emitterspitze 11 zugeführten Ionisierungsgases schließlich abnimmt, wenn eine Leitfähigkeit des Fließrateneinstellmittels 32 konstant ist. Ein derartiges Phänomen kann durch Einstellen des Fließrateneinstellmittels 32 als Reaktion auf den Vakuumgrad wie oben beschrieben verhindert werden.
Durch Aufbauen der oben genannten Gasfeldionisierungsquelle 1 wird ein Effekt des Erhöhens des Gasdrucks des Ionisierungsgases lokal um die Emitterspitze 11 herum erreicht. Entsprechend kann eine ausreichende Intensität für den Ionenstrahl 15 ohne Kühlen der Emitterspitze 11 oder mit einem schwächeren Kühlen als bei herkömmlichen Konstruktionen aufrechterhalten werden.
Auch die Spannung, die erforderlich ist, um ein zum Ionisieren des Ionisierungsgases am Spitzenende der Emitterspitze 11 ausreichenden elektrischen Feldes (d.h. der elektrischen Potentialdifferenz zwischen der Emitterspitze 11 und der Extraktionselektrode 13) zu erzeugen, kann eine elektrische Potentialdifferenz von voll praktikabler Größe sein (z.B. gleich oder kleiner als 30 kV).
Weiterhin ist sie so konstruiert, dass das Gasversorgungsmittel 31 elektrisch mit der Emitterspitze 11 verbunden ist oder ein elektrisches Potential gleich der Emitterspitze 11 besitzt, so dass, auch wenn der Gasdruck erhöht wird, keine Gefahr einer elektrischen Entladung über das Ionisierungsgas besteht.
Zusätzlich ist der Einstellmechanismus zum Einstellen der Relativposition zwischen der Emitterspitze 11 und dem Loch 125 der Vakuumtrennwand 12 enthalten, somit kann das Verhältnis zwischen der Druckverteilung des Ionisierungsgases und dem elektrischen Feld des Spitzenendes der Emitterspitze 11 optimal eingestellt werden.
Bei herkömmlichen Techniken muss das Spitzenende der Emitterspitze möglicherweise auf einen Bereich von etwa ein bis drei Atomen geschärft werden. Obwohl viele Verfahren für das Schärfen auf atomarer Ebene vorgeschlagen wurden, gibt es Probleme, dass sie technisch schwierig sind und die finanziellen Kosten hoch sind. Außerdem haben einige Verfahren ein Problem, dass die Schritte zum Schärfen Zeit benötigen. Im Gegensatz dazu lässt sich nach der vorliegenden Ausführungsform eine ausreichende Ionenstrahlintensität vergleichsweise leicht erreichen, somit muss das Spitzenende der Emitterspitze 11 nicht auf atomare Ebene geschärft werden. Es ist allerdings auch möglich, das Verhalten durch Schärfen weiter zu verbessern.
6 zeigt einen Effekt eines experimentellen Beispiels der vorliegenden Erfindung. Der Erfinder bestätigte einen Effekt der Gasfeldionisierungsquelle 1, der mit der ersten Ausführungsform zusammenhängt, indem er tatsächlich eine Gasfeldionisierungsquelle mit einer Konstruktion, die der ersten Ausführungsform entspricht, schuf und ein Experiment zum Erzeugen des Ionenstrahls durchführte.
6A zeigt ein Auswertungsergebnis der Ionisierung gemäß einem Vergleichsbeispiel, d.h. einer herkömmlichen Gasfeldionisierungsquelle. Bei der herkömmlichen Konstruktion ist das Bild, das das von einer Detektionsebene 510 der Mikrokanalplatte zum Detektieren von Ionen detektierte Ergebnis darstellt, dunkel, was darauf hinweist, dass das Ausmaß der Ionenemission 511 von den Probenatomen gering ist.
6B zeigt ein Auswertungsergebnis der Ionisierung gemäß einer mit dem vorliegenden Experiment verbundenen Gasfeldionisierungsquelle. Bei dieser Konstruktion ist das Bild, das das von einer Detektionsebene 520 der Mikrokanalplatte 5 (1) zum Detektieren von Ionen detektierte Ergebnis darstellt, hell, was darauf hinweist, dass das Ausmaß der Ionenemission 521 von den Probenatomen groß ist.
Hinsichtlich der beiden obigen Auswertungen sind die Detektionsbedingungen für die Mikrokanalplatten äquivalent und die vom Vakuummessgerät gemessenen Vakuumgrade sind ebenfalls äquivalent (und daher sind auch die Vakuumgrade in den Pfaden, die die Ionenstrahlen durchlaufen, äquivalent). Mit anderen Worten, man kann sagen, dass die Grade, mit denen die Ionenstrahlen gestreut werden, für die beiden Ergebnisse ähnlich sind. Allerdings gibt es einen Unterschied bei den Ausmaßen der Ionenemission der Proben, was bedeutet, dass das vorliegende Versuchsbeispiel den elektrischen Strom des Ionenstrahls 15 durch Verbessern des Gasdrucks nur um die Emitterspitze 11 herum erhöht hat. Gemäß der detektierten Helligkeit in der Mikrokanalplatte wird der mit dem vorliegenden Versuchsbeispiel verbundene Ionenstrom, verglichen mit dem herkömmlichen Ionenstrom, auf das 7- bis 20-fache erhöht.
Der Vergleich zwischen der mit der ersten Ausführungsform verbundenen Gasfeldionisierungsquelle und einer herkömmlichen Gasfeldionisierungsquelle wird weiter unten beschrieben. In JP 2016-76431A wird, um eine Intensität des Ionenstrahls zu erhöhen, eine externe Elektrode außerhalb eines mit Ionisierungsgas gefüllten Behälters platziert, wobei die elektrischen Potentiale einer nadelförmigen Elektrode und einer Aperturelektrode um eine am Behälter vorgesehene Mikroapertur herum gleich sind und das Gas durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes an das Spitzenende der nadelförmigen Elektrode durch eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der nadelförmigen Elektrode, der Aperturelektrode und der externen Elektrode ionisiert wird. Es besagt, dass das Gas durch Ausnutzen eines steilen Druckgradienten, der durch das aus der Mikroapertur austretende Ionisierungsgas erzeugt wird, effektiv ionisiert wird und dass die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen den Ionen und dem Gas gering gehalten wird. Es besagt außerdem, dass diese Struktur die Notwendigkeit einer Kühlung eliminiert und eine effektive Ionisierung mit einer einfachen Struktur erlaubt.
Das Verfahren von JP 2016-76431A hat jedoch das Problem, dass es schwierig ist, ein elektrisches Feld am Spitzenende der nadelförmigen Elektrode zu erzeugen, da sich die Aperturelektrode zwischen der nadelförmigen Elektrode und der Außenelektrode befindet, weshalb eine sehr hohe Spannung zwischen der nadelförmigen Elektrode und der Außenelektrode angelegt wird. Außerdem ist der um eine Außenseite der Aperturelektrode herum erzeugte Druckgradient so steil, dass es sehr schwierig ist, ein optimales Verhältnis zwischen der Gaseinleitungsbedingung zum Verbessern der Ionenquellenintensität und der Position der nadelförmigen Elektrode zu finden. Während es weiterhin unerlässlich ist, das Ionisierungsgas mit einem möglichst hohen Druck in den Behälter einzuführen, hat der Einführungsgasdruck eine obere Grenze, da das Ionisierungsgas aufgrund der elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem auf einer hohen Spannung befindlichen Behälter und einer auf dem Erdpotential befindlichen Gaseinführungsquelle (z.B. Hochdruckgasflasche) eine elektrische Entladung verursacht. Das Problem wäre noch schwieriger, wenn man bedenkt, dass die zwischen der nadelförmigen Elektrode und der Außenelektrode angelegte Spannung hoch ist.
Um das obige Problem, dass es schwierig ist, ein elektrisches Feld am Spitzenende der nadelförmigen Elektrode zu erzeugen, zu lösen, verwendet JP 2013-8471A den Behälter aus einem hochdielektrischen Material anstelle eines Metalls, um das elektrische Feld zwischen dem hochdielektrischen Material und der Außenelektrode einfach zu erzeugen. Außerdem heißt es, dass mit weiterer Bildung einer Oberfläche des hoch dielektrischen Materials in der Nähe der nadelförmigen Elektrode mit einem Material, das das Auftreten von Sekundärelektronen unterdrückt, ein stabiler und hochintensiver Ionenstrahl kontinuierlich über einen langen Zeitraum ohne Abbau oder Instabilität der elektrischen Feldstärke in der Nähe der Spitze und der nadelförmigen Elektrode erzeugt werden kann.
Allerdings befindet sich bei dem Verfahren von JP 2013-8471A das hochdielektrische Material in der Nähe der nadelförmigen Elektrode, so dass das elektrische Feld an der nadelförmigen Elektrode nicht von außen gesteuert werden kann. Obwohl der Abbau der elektrischen Feldstärke in der Nähe des Spitzenendes in einem stationären Zustand unterdrückt werden kann, ist dies nicht der Fall, wenn z.B. der Strom des emittierten Ionenstrahls geändert wird, und es entsteht ein Problem, dass für die externe Elektrode oder optische Elemente wie beispielsweise eine Linse für das elektrische Feld eine Neujustierung erforderlich ist, um das Bündelungsverhalten für den Ionenstrahl aufrechtzuerhalten. Außerdem besteht das Problem, dass es Zeit braucht, bis der stationäre Zustand wieder erreicht ist. Weiterhin gibt es noch Probleme bezüglich der Obergrenze für den hohen Gasdruck aufgrund elektrischer Entladung oder der Optimierung der Bedingung für die Gaseinführung und der Position der nadelförmigen Elektrode.
Gemäß der Gasfeldionisierungsquelle 1, die mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbunden ist, können die oben beschriebenen Probleme bezüglich JP 2016-76431A und JP 2013-8471A vermieden werden, während eine Kühlung der Emitterspitze 11 nicht erforderlich ist.
Folgende Modifikationen können an der obigen ersten Ausführungsform vorgenommen werden. Falls erforderlich kann das in dem Gasversorgungsmittel 31 gespeicherte Ionisierungsgas nach einer Gasreinigung unter Verwendung eines Gasfilters oder ähnlichem zugeführt werden. Das Gasfilter kann vor oder nach dem Gasversorgungsmittel 31 vorgesehen werden, oder sowohl als auch.
Die Konstruktion kann derart sein, dass ein Inneres der Vakuumkammer 17 der Gasfeldionisierungsquelle 1 auf einem Ultrahochvakuum von gleich oder weniger als 10^-7 Pa gehalten wird, vorausgesetzt, dass keine Gaseinleitung durch das Fließrateneinstellmittel 37 vorliegt. Damit das Innere der Vakuumkammer 17 das Ultrahochvakuum erreicht, kann ein Startvorgang der Gasfeldionisierungsquelle 1 ein Verfahren zum Erwärmen der gesamten Vakuumkammer 17 auf eine Temperatur von gleich oder höher als 100 Grad (als „Backen“ bezeichnet) beinhalten.
Wenn das Gas von dem Gasversorgungsmittel 31 bei einem überaus hohen Gasdruck in ein gesamtes Inneres der Vakuumkammer 17 eingeführt wird, gibt es einen Zustand, in dem der Gasdruck in einem gesamten optischen Pfad des von der Emitterspitze 11 emittierten Ionenstrahls 15 hoch ist, was zu einem Mangel führt, z.B. wird ein Teil des Ionenstrahls 15 gestreut und die Strahlkonvergenz verschlechtert. Um dies geeignet zu steuern, ist es vorzuziehen, dass der in die Vakuumkammer 17 eingeleitete Gasdruck etwa 0,01 Pa beträgt.
Außerdem kann der Druck des Ionisierungsgases um die Emitterspitze 11 gleich oder höher als 1 Pa sein.
Das Spitzenende der Emitterspitze 11 kann geschärft werden. Zum Beispiel kann ein Verfahren, das ein Erwärmen der Emitterspitze 11 beinhaltet, eingesetzt werden, um sie mit gleich oder weniger als drei Atomen, vorzugsweise mit einem einzelnen Atom, zu beenden. Außerdem kann ein Verfahren, das während des Erwärmens der Emitterspitze 11 ein Gas wie O₂ oder N₂ in die Vakuumkammer 17 einbringt, eingesetzt werden, um das Spitzenende der Emitterspitze 11 auf eine ähnliche Weise zu schärfen. Weiterhin kann ein Verfahren, das während des Anlegens einer Hochspannung zwischen der Emitterspitze 11 und der Extraktionselektrode 13 ein Gas wie O₂ oder N₂ in die Vakuumkammer 17 einbringt, eingesetzt werden, um das Spitzenende der Emitterspitze 11 auf ähnliche Weise zu schärfen. Weiterhin verdampft ein Verfahren, das die Emitterspitze 11 mit einer Nadel mit Wolfram als Hauptbestandteil gestaltet, ein Edelmetall (z.B. Iridium, Palladium, Platin usw.) auf eine Oberfläche davon und erwärmt die Emitterspitze 11 auf eine ähnliche Weise.
Man beachte, dass die vorliegende Erfindung, obwohl sie ein Kühlen der Emitterspitze 11 überflüssig macht oder sie mit einer schwächeren Kühlung als herkömmlich ermöglicht, jedoch keine Konstruktion ausschließt, bei der die Emitterspitze 11 in einem ähnlichen Ausmaß ähnlich wie bei einer herkömmlichen Konstruktion gekühlt wird. Der elektrische Strom des Ionenstrahls 15 kann durch Kühlen der Emitterspitze 11 erhöht werden, wenn Nachteile des Kühlens (zusätzliche Kosten oder Arbeit oder dergleichen) entsprechend Anwendungen oder dergleichen des Ionenstrahls toleriert werden können.
Zweite Ausführungsform
Eine zweite Ausführungsform ändert eine Konstruktion zum Zuführen des Ionisierungsgases bei der ersten Ausführungsform. Nachfolgend werden Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben.
7 zeigt eine Konstruktion einer Gasfeldionisierungsquelle 2, die mit der zweiten Ausführungsform verbunden ist. Die Gasfeldionisierungsquelle 2 weist anstelle des Gasversorgungsmittels 31 und des Gaszylinders 35, die mit der ersten Ausführungsform verbunden sind, ein Gasversorgungsmittel 45 auf. Außerdem weist die Gasfeldionisierungsquelle 2 anstelle des Fließrateneinstellmittels 32, des Ventils 33 und des Fließrateneinstellmittels 37, die mit der ersten Ausführungsform verbunden sind, ein Fließrateneinstellmittel 43 auf. Das Gasversorgungsmittel 45 ist nicht in der Vakuumkammer 17 enthalten. Dementsprechend kann das Ionisierungsgas in einer einstufigen Konstruktion zugeführt werden und nicht in der zweistufigen Konstruktion wie bei der ersten Ausführungsform, so dass die Konstruktion vergleichsweise einfach ist.
Das Gaseinleitungsrohr 46 verbindet das Gasversorgungsmittel 45 und einen Raum in der Nähe der Emitterspitze 11. Die elektrischen Potentiale des Gasversorgungsmittels 45 und der Emitterspitze 11 können gleich gehalten werden, indem das Gaseinleitungsrohr 46 aus einem Metall (oder einem elektrisch leitenden Material) hergestellt wird.
Wenn die Gasfeldionisierungsquelle 2 betrieben wird, wird eine Hochspannung an das Gasversorgungsmittel 45 angelegt, so dass das Gasversorgungsmittel 45 zur Sicherheit durch eine Abdeckung 42 aus einem Metall (oder einem elektrisch leitenden Material) abgedeckt werden kann. Mit anderen Worten, das Gasversorgungsmittel 45 kann in der Abdeckung 42 enthalten sein. Man beachte, dass „enthalten“ hier nicht erfordert, dass alle Richtungen vollständig abgedeckt sind. Bei dem Beispiel von 7 wird ein Teil der Peripherie des Gasversorgungsmittels 45 durch die Vakuumkammer 17, einen Isolator 40 oder einen Isolator 41 abgedeckt und ein anderer Teil hiervon wird durch die Abdeckung 42 abgedeckt.
Die Abdeckung 42 kann mit der Vakuumkammer 17 elektrisch verbunden oder geerdet sein. Eine Innenseite des Deckels 42 kann ein Vakuum (z.B. mit einem Grad ähnlich der Vakuumkammer 17) sein oder mit einem Gas, das sich kaum elektrisch entlädt (z.B. PF₆), gefüllt sein. Auch wenn 7 zur Verdeutlichung zeigt, dass zwischen der Vakuumkammer 17, dem Isolator 40 und 41 und der Abdeckung 42 Lücken bestehen, können diese mit einer praktisch ausreichenden Luftdichtigkeit verbunden sein.
Das Ionisierungsgas wird von dem Gasversorgungsmittel 45 über das Fließrateneinstellmittel 43 in die Nähe der Emitterspitze 11 eingebracht. Das elektrische Potential des Fließrateneinstellmittels 43 wird gleich dem der Emitterspitze 11 sein, so dass ein masseseitiger Einstellmechanismus 332, um das Fließrateneinstellmittel 43 einzustellen, vorgesehen sein kann. Der masseseitige Einstellmechanismus 332 und das Fließrateneinstellmittel 43 sind durch den Verbindungsmechanismus 333 verbunden.
Der Verbindungsmechanismus 333 kann ein Kraftübertragungsmechanismus oder ein Informationsübertragungsmittel sein. Wenn der Verbindungsmechanismus 333 ein Kraftübertragungsmechanismus ist, kann er durch ein elektrisch isolierendes Element konstruiert sein. Wenn der Verbindungsmechanismus 333 ein Informationsübertragungsmittel ist, kann er so konstruiert sein, dass er einen vom masseseitigen Einstellmechanismus 332 ausgegebenen Befehl an das Fließrateneinstellmittel 43 auf eine beabstandete Weise durch Verwendung einer elektrischen Welle oder ähnlich übermittelt.
Das Gasversorgungsmittel 45 kann durch eine kleine Gasflasche aufgebaut sein. Außerdem kann das Gasversorgungsmittel 45 mit einem Absperrventil 44 versehen sein und es kann so konstruiert sein, dass eine Gasflasche zum Befüllen von außen über das Absperrventil 44 angeschlossen werden kann. Wenn bei dieser Konstruktion der Gasdruck innerhalb des Gasversorgungsmittels 45 durch die Verwendung der Ionenquelle abfällt, kann das Ionisierungsgas durch Entfernen der Abdeckung 42 und Anschließen der Gasflasche neu in das Gasversorgungsmittel 45 gefüllt werden. Nach dem Befüllen kann die Gasfeldionisierungsquelle 2 dauerhaft verwendet werden, indem die Befüllungsgasflasche abgeschlossen wird und sie wieder mit dem Deckel 42 abgedeckt wird.
Bezugszeichenliste

1,2: Gasfeldionisierungsquelle
5: Mikrokanalplatte
11: Emitterspitze
12: Vakuumtrennwand
13: Extraktionselektrode
15: Ionenstrahl
16: Evakuierungsmittel
17: Vakuumkammer (Vakuumbehälter)
18: Vakuummessgerät
19: Balg
31: Gasversorgungsmittel
32: Fließrateneinstellmittel
33: Ventil
34: Vakuumpumpe
35: Gasflasche (zusätzliches Gasversorgungsmittel)
36: Ventil
37: Fließrateneinstellmittel
38: Isolierrohr
40,41: Isolator
42: Abdeckung
43: Fließrateneinstellmittel
44: Absperrventil
45: Gasversorgungsmittel
46: Gaseinleitungsrohr
111.112: Hochspannungsquelle (Mittel zum Anlegen von Spannung)
113: Emitterspitzenträgerkomponente (Einstellmechanismus)
114: Emitterspitzenpositionierungskomponente (Einstellmechanismus)
115a, 115b: Schraubenkanal
116: Drehachse
117: Vorsprung der Emitterspitze
121: Mikrovorsprung (konvexe Struktur)
122: Höhe des Mikrovorsprungs
123: Außendurchmesser des Mikrovorsprungs
124: Abstand zwischen Mikrovorsprung und Extraktionselektrode
125: Loch der Vakuumtrennwand
131: Extraktionselektrodenloch
132: Isolator
330: atmosphärenseitiger Einstellmechanismus
331,333: Verbindungsmechanismus
332: masseseitiger Einstellmechanismus
510.520: Detektionsebene der Mikrokanalplatte
511.521: Ionenemission von Atomen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2019091313 [0001]
JP 2016076431 A [0006, 0071, 0072, 0075]
JP 20138471 A [0007]
JP 2013008471 A [0073, 0074, 0075]

Claims

Gasfeldionisierungsquelle zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zum Ionisieren von Gas, die aufweist: eine Emitterspitze mit einem Spitzenende; eine Extraktionselektrode, die der Emitterspitze zugewandt ist und an einer davon beabstandeten Position eine Apertur aufweist; einen Gaslieferanten zum Zuführen des Gases in die Nähe der Emitterspitze; eine Vakuumtrennwand aus einem Metall mit einem Loch, wobei das Loch so konstruiert ist, dass das Spitzenende der Emitterspitze hindurchtreten kann; und einen Spannungsanleger zum Anlegen von Spannung zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode, wobei die Vakuumtrennwand um das Loch herum eine konvexe Struktur, die zu einer Seite der Extraktionselektrode hin vorsteht, aufweist.
Gasfeldionisierungsquelle gemäß Anspruch 1, die so konstruiert ist, dass der Gaslieferant mit der Emitterspitze elektrisch verbunden ist oder ein elektrisches Potential hiervon gleich dem der Emitterspitze ist.
Gasfeldionisierungsquelle gemäß Anspruch 1 oder 2, die einen Einsteller zum Einstellen einer relativen Positionsbeziehung zwischen der Emitterspitze und dem Loch der Vakuumtrennwand aufweist.
Gasfeldionisierungsquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: eine äußere Form der konvexen Struktur eine zylindrische Form ist; und ein Verhältnis des Außendurchmessers der konvexen Struktur zu ihrer axialen Länge gleich oder kleiner als 1,22 ist.
Gasfeldionisierungsquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die aufweist: einen zusätzlichen Gaslieferanten zum Zuführen von Gas an den Gaslieferanten; ein Isolierrohr zum Verbinden des Gaslieferanten und des zusätzlichen Gaslieferanten; und einen Evakuierer zum Evakuieren des Inneren des Isolierrohrs.
Gasfeldionisierungsquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: die Gasfeldionisierungsquelle einen Vakuumbehälter, der die Emitterspitze, die Extraktionselektrode und die Vakuumtrennwand enthält, aufweist; die Gasfeldionisierungsquelle so konstruiert ist, dass der Gaslieferant mit der Emitterspitze elektrisch verbunden ist oder ein elektrisches Potential hiervon gleich dem der Emitterspitze ist; und der Gaslieferant nicht in dem Vakuumbehälter enthalten ist.
Gasfeldionisierungsquelle gemäß Anspruch 6, wobei: der Gaslieferant in einer Abdeckung aus Metall enthalten ist; und die Abdeckung mit dem Vakuumbehälter elektrisch verbunden oder geerdet ist.
Gasfeldionisierungsquelle gemäß Anspruch 3, wobei: der Einsteller einen Träger zum Tragen der Emitterspitze aufweist; und ein Schraubenkanal auf dem Träger gebildet ist.
Gasfeldionisierungsquelle gemäß Anspruch 8, wobei eine Achse des Schraubenkanals durch das Loch der Vakuumtrennwand verläuft.
Gasfeldionisierungsquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Abstand zwischen der konvexen Struktur und der Extraktionselektrode gleich oder kleiner als 1,5 mm ist.