DE112010000799B4 - Ionenstrahlvorrichtung - Google Patents

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    • H01J2237/28—Scanning microscopes

Abstract

Ionenstrahlvorrichtung mit:einer Gasfeldionenquelle (1) zum Erzeugen eines Ionenstrahls,einer Objektivlinse (8) zum Fokussieren eines aus der Gasfeldionenquelle (1) extrahierten Ionenstrahls auf eine Probe (9),einer beweglichen Strahlbegrenzungsöffnung (6), die den Öffnungswinkel des Ionenstrahls auf die Objektivlinse (8) begrenzt,einem Probentisch (10), auf dem die Probe (9) befestigt wird, undeinem Vakuumbehälter (68), in dem die Gasfeldionenquelle (1), die Objektivlinse (8), die Strahlbegrenzungsöffnung (6) und der Probentisch (10) untergebracht sind,wobei die Gasfeldionenquelle (1) eine Emitterspitze (21) zum Erzeugen von Ionen, einen Emittersockel (64), auf dem die Emitterspitze (21) ruht, eine Ionisationskammer (15) mit einer Extraktionselektrode (24), die der Emitterspitze (21) gegenüberliegend angeordnet und so beschaffen ist, dass sie die Emitterspitze (21) umgibt, und ein Gaszufuhrrohr (25) zum Zuführen von Gas in die Nähe der Emitterspitze (21) aufweist,gekennzeichnet durch einen Mechanismus, der ein berührungsloses Zusammenwirken zwischen dem Emittersockel (64) und dem Vakuumbehälter (68) bewirkt, um Schwankungen in der Positionsbeziehung des Emittersockels (64) im Verhältnis zum Vakuumbehälter (68) zu unterdrücken.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ionenstrahlvorrichtung wie zum Beispiel ein Ionenmikroskop oder eine Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, eine zusammengesetzte Vorrichtung aus einer Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung und einem Ionenmikroskop und eine zusammengesetzte Vorrichtung aus einem Ionenmikroskop und einem Elektronenmikroskop. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Analyse- oder Prüfvorrichtung, bei der ein Ionenmikroskop und ein Elektronenmikroskop zur Anwendung kommen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Wenn eine Probe bestrahlt wird, während sie mit Elektronen abgetastet wird und aus der Probe freigesetzte sekundär geladene Teilchen erfasst werden, kann die Struktur der Oberfläche der Probe beobachtet werden. Dies wird als Rasterelektronenmikroskop bezeichnet (im Folgenden abgekürzt als REM). Andererseits kann, ebenfalls durch Bestrahlen einer Probe, während sie mit einem Ionenstrahl abgetastet wird und aus der Probe freigesetzte sekundär geladene Teilchen erfasst werden, die Struktur der Probenoberfläche beobachtet werden. Dies wird als Rasterionenmikroskop bezeichnet (im Folgenden abgekürzt als RIM). Insbesondere wenn eine Probe mit einer Ionenspezies mit geringer Masse wie zum Beispiel Wasserstoff oder Helium bestrahlt wird, wird die Sputterwirkung relativ gering, und es wird möglich, eine Probe zu beobachten.
  • Außerdem ist der Ionenstrahl empfindlicher für Informationen auf einer Probenoberfläche als ein Elektronenstrahl. Der Grund ist der, dass ein Anregungsbereich sekundär geladener Teilchen in der Probenoberfläche lokal größer ist als bei Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl. In dem Elektronenstrahl, da seine Natur als Wellen von Elektronen nicht ignoriert werden kann, wird durch den Beugungseffekt eine Aberration verursacht.- Andererseits kann, weil der Ionenstrahl schwerer ist als Elektronen, der Beugungseffekt ignoriert werden.
  • Durch Bestrahlen einer Probe mit einem Ionenstrahl und Erfassen von durch die Probe hindurchtretenden Ionen können auch Informationen über die Struktur im Inneren der Probe erhalten werden. Dies wird als Transmissions-Ionenmikroskop bezeichnet. Insbesondere nimmt durch Bestrahlen einer Probe mit einer Ionenspezies mit einer geringen Masse wie zum Beispiel Wasserstoff oder Helium das Durchtrittsverhältnis durch die Probe zu und ist für die Beobachtung besser.
  • Andererseits ist es bei Bestrahlung einer Probe mit einer Ionenspezies mit höherer Masse wie zum Beispiel Argon, Xenon oder Gallium vorzuziehen, die Probe mittels Sputterwirkung zu bearbeiten. Insbesondere ist eine Vorrichtung mit einem fokussierten Ionenstrahl (im Folgenden abgekürzt als FIB), die eine Flüssigmetall-Ionenquelle (im Folgenden abgekürzt als LMIS) aufweist, als Ionenstrahlprozessor bekannt. In den vergangenen Jahren ist auch eine kombinierte FIB-REM-Vorrichtung aus einem Rasterelektronenmikroskop (REM) mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB) verwendet worden. In der FIB-REM-Vorrichtung kann durch Bilden einer quadratischen Öffnung an einer gewünschten Stelle durch Bestrahlung mit einem FIB ein Schnitt mittels REM untersucht werden. Eine Probe kann auch durch Erzeugen eines Gasions von Argon, Xenon oder dergleichen durch eine Plasmaionenquelle oder eine Gasfeldionenquelle und Bestrahlen der Probe mit dem Gasion bearbeitet werden.
  • In dem Ionenmikroskop ist die Ionenquelle vorzugsweise eine Gasfeldionenquelle. Die Gasfeldionenquelle liefert ein Gas wie Wasserstoff, Helium oder dergleichen zu einer Metallemitterspitze mit einem Spitzenkrümmungsradius von etwa 100 nm, legt eine Hochspannung von wenigen Kilovolt oder mehr an die Emitterspitze an, um Gasmoleküle zu ionisieren, und extrahiert das Resultierende als einen Ionenstrahl. Als charakteristische Besonderheit kann die Ionenquelle einen Ionenstrahl mit einer schmalen Energiebreite erzeugen, und da die Größe der Ionenerzeugungsquelle gering ist, kann sie einen feinen Ionenstrahl erzeugen.
  • In dem Ionenmikroskop muss zum Beobachten einer Probe mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis ein Ionenstrahl hoher Stromdichte auf der Probe erhalten werden. Zu diesem Zweck ist eine hohe Ionenstrahlungs-Winkelstromdichte der Ionisationsionenquelle erforderlich. Um eine hohe Ionenstrahlungs-Winkelstromdichte zu erzielen, reicht es aus, die Moleküldichte des Ionenmaterialgases (Ionisationsgas) in der Nähe der Emitterspitze zu erhöhen. Die Gasmoleküldichte pro Druckeinheit ist umgekehrt proportional zur Temperatur des Gases. Folglich reicht es aus, die Emitterspitze auf eine sehr niedrige Temperatur zu kühlen und die Temperatur des Gases in der Umgebung der Emitterspitze auf eine niedrige Temperatur zu senken. Dadurch kann die Moleküldichte des Ionisationsgases in der Nähe der Emitterspitze erhöht werden. Der Druck des Ionisationsgases in der Umgebung der Emitterspitze kann zum Beispiel auf etwa 10-2 bis 10 Pa eingestellt werden.
  • Wenn jedoch der Druck des Ionenmaterialgases auf 1 Pa oder höher eingestellt wird, kollidiert der Ionenstrahl mit neutralem Gas, und der Ionenstrom nimmt ab. Wird die Anzahl der Gasmoleküle in der Feldionenquelle zu groß, nimmt die Frequenz zu, mit der Gasmoleküle mit der Wand eines Hochtemperatur-Vakuumbehälters kollidieren und es zu einer Hochtemperaturkollision mit der Emitterspitze kommt. Dadurch steigt die Temperatur der Emitterspitze und der Ionenstrom nimmt ab. Folglich ist die Feldionenquelle mit einer Ionisationskammer versehen, die die Emitterspitze mechanisch umgibt. Die Ionisationskammer wird durch Verwendung einer Ionenextraktionselektrode gebildet, die so angeordnet ist, dass sie der Emitterspitze gegenüberliegt.
  • Patentreferenz 1 beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Ionenquellencharakteristik durch Bilden eines kleinen Vorsprungs am Ende der Emitterspitze. Nicht-Patentreferenz 1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung des kleinen Vorsprungs am Ende der Emitterspitze durch Verwendung eines zweiten Metalls, das sich von dem Material der Emitterspitze unterscheidet. Nicht-Patentreferenz 2 beschreibt ein Rasterionenmikroskop mit einer Gasfeldionenquelle für ionenemittierendes Helium.
  • Patentreferenz 2 beschreibt ein Verfahren zur Bereitstellung einer Vielzahl von Stützelementen zur Verhinderung von Schwingungen an voneinander entfernten Positionen in Umfangsrichtung einer Seitenwand eines Vakuumbehälters einer Ionenquelle, die von der Innenseite der Seitenwand zur Ionenquelle verlaufen und deren Länge von der Außenseite eingestellt werden kann, um ein Wärmeisoliermaterial zwischen dem inneren Ende jedes der Stützelemente und der Kontaktfläche zu durchdringen und im Sandwich einzuschließen, um die Ionenquelle zusammenzupressen, wodurch Schwingungen der Ionenquelle verhindert werden. Der Zustrom von Wärme von den Stützelementen zur Ionenquelle wird jedoch nicht berücksichtigt.
  • Patentreferenz 3 beschreibt ein Verfahren, um eine kugelförmige Vorrichtung an einer vorbestimmten Position über einem supraleitenden Material schweben zu lassen, wenn die kugelförmige Vorrichtung der Einwirkung von Licht ausgesetzt wird.
  • Patentreferenz 4 beschreibt eine Flüssigmetall-Ionenquelle mit einem nadelförmigen Element als Ionenemitter, einer Extraktionselektrode und einer Beschleunigungselektrode, wobei eine Öffnung, die von einem extrahierten Ion durchsetzt wird, auf der dem nadelförmigen Element der Beschleunigungselektrode gegenüberliegenden Seite vorgesehen ist, und ein Abschirmelement zur Verhinderung dessen vorgesehen ist, dass durch Kollision der extrahierten Ionen miteinander oder mit der Beschleunigungselektrode erzeugte Sputterteilchen das nadelförmige Element erreichen.
  • Patentreferenz 5 beschreibt eine Elektronenstrahlvorrichtung mit einer beweglichen Membran, die von einem Durchgang für einen Elektronenstrahl eingesetzt werden kann, wobei eine Reservekammer, die mit dem Elektronenstrahlvorrichtungskörper im Vakuum verbunden ist und mit einer Schleuse abgetrennt werden kann, sowie Mittel zum Evakuieren der Reservekammer vorgesehen sind, und die bewegliche Membran wird zur Reservekammer hin bewegt, ohne den Elektronenstrahlvorrichtungskörper der Atmosphäre auszusetzen, und kann ausgewechselt werden. Bei der Vorrichtung kann die bewegliche Membran, wenn sie verunreinigt ist, leicht ausgewechselt oder gereinigt werden, ohne den Elektronenstrahlvorrichtungskörper der Atmosphäre auszusetzen.
  • Patentreferenz 6 beschreibt eine Ladungsteilchenstrahlvorrichtung, die kleiner ausgeführt ist, indem eine nicht verdampfbare Getter-Pumpe und keine Ionenpumpe als Hauptabsaugeinrichtung für die Elektronenquelle verwendet wird.
  • Patentreferenz 7 beschreibt eine Gasfeldionenquelle mit einem Umschalter zum Verbinden eines Hochspannungs-Zuleitungsdrahtes für die Extraktionselektrode mit einem Hochspannungs-Zuleitungsdraht für die Emitterspitze. In der Gasfeldionenquelle kann nach der Zwangsentladung zwischen der Außenwand der Ionenquelle und der Emitterspitze, das heißt dem so genannten Konditionierungsprozess, eine Entladung zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode verhindert werden.
  • Patentreferenz 8 beschreibt eine Vorrichtung zur Beobachtung und Analyse eines Fehlers, eines Fremdkörpers oder dergleichen durch Bilden einer quadratischen Öffnung nahe einer ungewöhnlichen Stelle in einer Probe mit einem FIB und Beobachten des Schnitts der quadratischen Öffnung mit einer REM-Vorrichtung.
  • Patentreferenz 7 beschreibt ein Verfahren zum Extrahieren einer kleinen Probe für die Beobachtung mit einem Transmissions-Elektronenmikroskop aus einer Gesamtprobe durch Verwendung eines FIB und einer Sonde.
  • Zugehörige Unterlagen
  • Patentdokumente
    • Patentreferenz 1: Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP S58-85242 A
    • Patentreferenz 2: Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP H07-282 759 A
    • Patentreferenz 3: Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 2001 / 167 999 A
    • Patentreferenz 4: Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 2003 / 123 569 A
    • Patentreferenz 5: Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP H0-428 6843 A
    • Patentreferenz 6: Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 2007 / 311 117 A
    • Patentreferenz 7: Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 2002 / 150 990 A
    • Patentreferenz 8: WO99 / 05506 A1 US 2008/0217555 A1 offenbart ein Ionenmikroskop mit den Merkmalen im Oberbegriff der vorliegenden unabhängigen Ansprüche. Weitere Beispiele herkömmlicher Ionenmikroskope sind in US 4644205 A und US 2008/0142702 A1 angegeben.
  • Nicht-Patentreferenzen
  • Nicht-Patentreferenz 1: H.-S. Kuo, I.-S. Hwang, T.-Y. Fu, J.-Y. Wu, C.-C. Chang, and T. T. Tsong, Nano Letters 4 (2004), S. 2379 Nicht-Patentreferenz 2: J. Morgan, J. Notte, R. Hill, and B. Ward, Microscopy Today, July 14, (2006), S. 24
  • Die Verwendung von nicht-verdampfbaren Getterbeschichtungen (NEG) bzw. -materialien als sogenannte nicht-verdampfbare Getterpumpen ist im Prinzip bekannt. Beispiele dafür sind die Publikationen Pfeiffer Vacuum, „Nicht verdampfbare Getterbeschichtung (NEG)“, URL: https://www.pfeiffer-vacuum.com/de/produkte/vakuumerzeugung/neg/ und C.N.Herbeaux et al., „Vacuum conditioning of the SOLEIL storage ring with extensive use of NEG coating", EPAC. Vol. 8. 2008.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • MIT DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
  • Bei einer Gasfeldionenquelle mit einer Nanopyramidenstruktur an der Spitze eines herkömmlichen Metallemitters bestehen die folgenden Herausforderungen. Die Besonderheit der Ionenquelle ist die Verwendung eines Ions, das aus der Nähe eines Atoms an der Spitze der Nanopyramide freigesetzt wird. Das heißt, die Region, aus der das Ion freigesetzt wird, ist klein, und die Ionenlichtquelle hat eine geringe Größe von einem Nanometer oder weniger. Folglich kann durch Fokussieren der Ionenlichtquelle auf eine Probe mit derselben Vergrößerung oder Erhöhen des Untersetzungsverhältnisses auf etwa 1/2 die Charakteristik der Ionenquelle maximal genutzt werden. Bei einer herkömmlichen Gallium-Flüssigmetall-Ionenquelle wird die Abmessung der Ionenlichtquelle auf etwa 50 nm geschätzt. Um einen Strahldurchmesser von 5 nm auf einer Probe zu erhalten, muss daher das Untersetzungsverhältnis auf 1/10 oder weniger eingestellt werden. In diesem Fall wird die Schwingung der Emitterspitze in der Ionenquelle auf 1/10 oder weniger auf der Probe verringert. Auch wenn zum Beispiel die Emitterspitze um 10 nm schwingt, beträgt die Schwingung eines Strahlflecks auf der Probe 1 nm oder weniger. Daher ist der Einfluss der Schwingung der Emitterspitze auf den Strahldurchmesser von 5 nm gering. In dem Beispiel ist das Untersetzungsverhältnis jedoch relativ groß und beträgt etwa 1 zu 1/2.
  • Daher wird, wenn das Untersetzungsverhältnis 1/2 beträgt, eine Schwingung von 10 nm an der Emitterspitze zu einer Schwingung von 5 nm auf einer Probe, d.h. die Schwingung der Probe bezogen auf den Strahldurchmesser ist groß. Das heißt, um zum Beispiel eine Auflösung von 0,2 nm zu realisieren, muss die Schwingung der Emitterspitze auf maximal 0,1 nm oder weniger eingestellt werden. Die herkömmliche Ionenquelle ist vom Gesichtspunkt der Verhinderung von Schwingungen an der Emitterspitze nicht immer ausreichend.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben besondere Aufmerksamkeit darauf gelegt, dass eine leichte Schwingung an der Emitterspitze die Auflösung eines Beobachtungsbildes verschlechtert. Von diesem Gesichtspunkt her wurde versucht, Schwingungen der Ionenquelle durch ein Stützelement von der Seitenwand eines Vakuumbehälters einer Ionenquelle zu verhindern. Der Zustrom von Wärme zur Ionenquelle über das Stützelement wird jedoch nicht berücksichtigt. Es gibt ein Problem, dass die Helligkeit der Ionenquelle aufgrund des Anstiegs der Temperatur der Ionenquelle abnimmt. Es gibt ein weiteres Problem, dass sich das Stützelement durch Kühlen der Ionenquelle verformt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass durch Aufrechterhaltung der niedrigen Temperatur der Ionenlichtquelle und Lösung des Problems der Verformung des Stützelementes durch das Kühlen die Leistung der Ionenquelle maximal genutzt werden kann.
  • Wie vorstehend beschrieben, ionisiert die Gasfeldionenquelle Gas wie Helium oder dergleichen mit einer scharfen Emitterspitze und extrahiert das Resultierende als einen Ionenstrahl. Enthalten die Gasmoleküle Verunreinigungen, tritt der Fall auf, dass die Verunreinigungen in der Nähe der Emitterspitze ansetzen und haften bleiben. Wenn das Helium, das sich der Emitterspitze nähert, ionisiert wird, nimmt die Zufuhr von Helium zur Spitze der Nanopyramide ab und der Ionenstrahlstrom verringert sich. Das heißt, das Vorhandensein von verunreinigtem Gas macht den Ionenstrahlstrom instabil. Vom Gesichtspunkt der Verringerung von verunreinigtem Gas zur Emitterspitze her ist die herkömmliche Ionenquelle nicht immer ausreichend. Insbesondere das bei Bestrahlung einer Strahlbegrenzungsöffnung oder dergleichen mit einem Ionenstrahl erzeugte Gas wird nicht ausreichend berücksichtigt.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Problem dahingehend festgestellt, dass verunreinigtes Gas oder dergleichen in Gas, das bei Bestrahlung einer Begrenzungsöffnung oder dergleichen mit einem Ionenstrahl erzeugt wird, von einer Probenkammerseite zu einem Ionenquellen-Vakuumbehälter strömendes Gas oder ein der Ionenquelle zugeführtes Ionenmaterialgas am Ende der Emitterspitze haften bleibt und den Ionenstrahlstrom instabil macht.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Ionenstrahlvorrichtung zur Realisierung einer hochauflösenden Probenbeobachtung durch Verringerung der Schwingung der Emitterspitze für eine Gasfeldionenquelle und die Bereitstellung einer Ionenstrahlvorrichtung mit einem stabilen Ionenstrahl und die Realisierung einer Probenbeobachtung ohne Helligkeitsschwankungen in einem Beobachtungsbild.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Beobachten eines Schnitts mit einem Ionenmikroskop und eines Schnittbeobachtungsverfahrens durch Bearbeitung einer Probe mit einem Ionenstrahl zum Bilden eines Schnitts und anstelle einer Vorrichtung zum Beobachten eines Schnitts mit einem Elektronenmikroskop das Bilden eines Schnitts durch Bearbeitung mit einem Ionenstrahl und Beobachten des Schnitts mit einem Ionenmikroskop.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung, die in der Lage ist, eine Probenbeobachtung mit einem Ionenmikroskop, eine Probenbeobachtung mit einem Elektronenmikroskop und eine Elementanalyse mit einer einzigen Vorrichtung durchzuführen, einer Analysevorrichtung zum Beobachten und Untersuchen eines Fehlers, eines Fremdkörpers oder dergleichen und einer Prüfvorrichtung.
  • MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
  • Nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Ionenstrahlvorrichtung eine Gasfeldionenquelle zum Erzeugen eines Ionenstrahls, eine Ionenlinse zum Fokussieren eines aus der Gasfeldionenquelle extrahierten Ionenstrahls auf eine Probe, eine bewegliche Strahlbegrenzungsöffnung, die den Öffnungswinkel des Ionenstrahls auf die Ionenlinse begrenzt, einen Probentisch, auf dem die Probe befestigt wird, und einen Vakuumbehälter, in dem die Gasfeldionenquelle, die Ionenlinse, die Strahlbegrenzungsöffnung, der Probentisch und dergleichen untergebracht sind. Die Gasfeldionenquelle weist eine Emitterspitze zum Erzeugen von Ionen, einen Emittersockel, auf dem die Emitterspitze ruht, eine Ionisationskammer mit einer Extraktionselektrode, die der Emitterspitze gegenüberliegend angeordnet und so beschaffen ist, dass sie die Emitterspitze umgibt, und ein Gaszufuhrrohr zum Zuführen von Gas in die Nähe der Emitterspitze auf, und ein Mechanismus, der ein berührungsloses magnetisches Zusammenwirken zwischen dem Emittersockel und dem Vakuumbehälter bewirkt, ist vorgesehen.
  • Nach der Erfindung besteht in der Ionenstrahlvorrichtung ein Teil des Emittersockels aus einem supraleitenden Material.
  • Nach der Erfindung weisen in der Ionenstrahlvorrichtung, wenn die Strahlbegrenzungsöffnung eine Öffnung in einer Platte ist, die Bestrahlungsrichtung eines Ionenstrahls und eine Senkrechte zu der Platte eine Neigungsbeziehung zueinander auf.
  • WIRKUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung stellt die Ionenstrahlvorrichtung zur Realisierung einer hochauflösenden Probenbeobachtung durch Verringern der Schwingung der Emitterspitze für eine Gasfeldionenquelle bereit. Eine Ionenstrahlvorrichtung zur Realisierung einer Probenbeobachtung ohne Helligkeitsschwankungen in einem Beobachtungsbild mit einem stabilen Ionenstrahl wird bereitgestellt.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines ersten Beispiels für ein Ionenmikroskop nach der vorliegenden Erfindung.
    • 2 zeigt ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Steuerungssystems des ersten Beispiels für das Ionenmikroskop nach der vorliegenden Erfindung.
    • 3 zeigt ein schematisches Strukturdiagramm einer Kühlvorrichtung einer Gasfeldionenquelle in dem ersten Beispiel für das Ionenmikroskop nach der Erfindung.
    • 4 zeigt ein schematisches Strukturdiagramm der Gasfeldionenquelle in dem ersten Beispiel für das Ionenmikroskop nach der Erfindung.
    • 5 zeigt einen Querschnitt einer Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen der Gasfeldionenquelle in dem ersten Beispiel für das Ionenmikroskop nach der Erfindung.
    • 6 zeigt ein schematisches Strukturdiagramm der Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen der Gasfeldionenquelle in dem ersten Beispiel für das Ionenmikroskop nach der Erfindung.
    • 7 zeigt ein schematisches Strukturdiagramm einer Ionisationskammer in der Gasfeldionenquelle in dem ersten Beispiel für das Ionenmikroskop nach der Erfindung.
    • 8 zeigt ein schematisches Konfigurationsdiagramm der Neigung einer Strahlbegrenzungsöffnung in dem ersten Beispiel für das Ionenmikroskop nach der Erfindung.
    • 9 zeigt ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Ionisationsmaterial-Reinigungsvorrichtung in dem ersten Beispiel für das Ionenmikroskop nach der Erfindung.
    • 10 zeigt ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines zweiten Beispiels für ein Ionenmikroskop nach der Erfindung.
    • 11 zeigt ein schematisches Strukturdiagramm einer Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen der Gasfeldionenquelle in dem zweiten Beispiel für das Ionenmikroskop nach der Erfindung.
    • 12 zeigt ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines dritten Beispiels für das Ionenmikroskop nach der Erfindung.
    • 13A zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebs einer Vorrichtung zum Trennen eines Drahtes (im verbundenen Zustand) am Rand einer Ionisationskammer einer Gasfeldionenquelle in einem vierten Beispiel für das Ionenmikroskop nach der Erfindung.
    • 13B zeigt ein Diagramm zur Erläuterung des Betriebs einer Vorrichtung zum Trennen eines Drahtes (im getrennten Zustand) am Rand der Ionisationskammer der Gasfeldionenquelle in dem vierten Beispiel für das Ionenmikroskop nach der Erfindung.
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Beispiel einer Ionenstrahlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Im Folgenden wird ein erstes Beispiel eines Rasterionenmikroskops als eine Ionenstrahlvorrichtung beschrieben. Das Rasterionenmikroskop in dem Beispiel weist eine Gasfeldionenquelle 1, eine Ionenstrahl-Bestrahlungssystemsäule 2, eine Probenkammer 3 und eine Kühlvorrichtung 4 auf. Die lonenstrahl-Bestrahlungssystemsäule 2 und die Probenkammer 3 werden im Vakuum gehalten. Das Ionenstrahlbestrahlungssystem weist eine elektrostatische Kondensorlinse 5, eine Strahlbegrenzungsöffnung 6, eine Strahlabtastelektrode 7 und eine elektrostatische Objektivlinse 8 auf. In der Probenkammer 3 sind ein Probentisch 10, auf dem eine Probe 9 befestigt wird, und ein Sekundärteilchendetektor 11 vorgesehen. Die Probe 9 wird über das Ionenstrahlbestrahlungssystem mit einem Ionenstrahl 14 aus der Gasfeldionenquelle 1 bestrahlt. Ein Sekundärteilchenstrahl von der Probe 9 wird durch den Sekundärteilchendetektor 11 erfasst. Auch wenn nicht gezeigt, sind eine Elektronenkanone zum Neutralisieren der Ladung der mit dem Ionenstrahl bestrahlten Probe und eine Gaskanone zum Zuführen von Ätz- oder Abscheidungsgas nahe an die Probe vorgesehen.
  • Die Kühlvorrichtung 4 weist ein Kühlaggregat 40 zum Kühlen der Gasfeldionenquelle 1 auf. Bei dem Ionenmikroskop in dem Beispiel ist eine Mittelachse 40A des Kühlaggregats 40 parallel zu einer optischen Achse 14A des Ionenstrahlbestrahlungssystems angeordnet.
  • Das Ionenmikroskop in dem Beispiel weist weiter eine Ionenquellen-Evakuierungspumpe 12 zum Evakuieren der Gasfeldionenquelle 1 und eine Probenkammer-Evakuierungspumpe 13 zum Evakuieren der Probenkammer 3 auf.
  • Auf einem auf dem Boden 20 angeordneten Vorrichtungsgestell 17 ist über eine Vorrichtung 19 zur Verhinderung von Schwingungen eine Grundplatte 18 angeordnet. Die Gasfeldionenquelle 1, die Säule 2 und die Probenkammer 3 werden von der Grundplatte 18 getragen.
  • Das Vorrichtungsgestell 17 ist mit einem Stützpfeiler 103 versehen. Das Kühlaggregat 40 ruht auf dem Stützpfeiler 103. Die Schwingung des Kühlaggregats 40 wird über den Stützpfeiler 103 auf das Vorrichtungsgestell 17 übertragen. Die Schwingung des Kühlaggregats 40 jedoch, die durch die Vorrichtung 19 zur Verhinderung von Schwingungen verringert wird, wird auf die Grundplatte 18 übertragen.
  • Auf dem Boden 20 ist eine Kompressoreinheit (Kompressor) 16 installiert, die zum Beispiel mit Heliumgas als Betriebsgas arbeitet. Heliumgas mit hohem Druck wird dem Kühlaggregat 4, zum Beispiel vom Gifford-McMahon-Typ (GM-Typ) über ein Rohr 111 zugeführt. Wenn das Heliumgas mit hohem Druck periodisch im Kühlaggregat vom GM-Typ expandiert, wird Kälte erzeugt. Das Heliumgas mit niedrigem Druck, das expandiert wird und dann einen niedrigen Druck aufweist, wird von der Kompressoreinheit über ein Rohr 112 gesammelt.
  • Die Schwingung der Kompressoreinheit (Kompressor) 16 wird über den Boden 20 auf das Vorrichtungsgestell 17 übertragen. Die Vorrichtung 19 zur Verhinderung von Schwingungen ist zwischen dem Vorrichtungsgestell 17 und der Grundplatte 18 angeordnet, und es ist charakteristisch, dass die hochfrequenten Schwingungen des Bodens nicht ohne weiteres auf die Gasfeldionenquelle 1, die Ionenstrahl-Bestrahlungssystemsäule 2, die Vakuumprobenkammer 3 und dergleichen übertragen wird. Daher ist es charakteristisch, dass die Schwingung der Kompressoreinheit (Kompressor) 16 nicht ohne weiteres über den Boden 20 auf die Gasfeldionenquelle 1, die Ionenstrahl-Bestrahlungssystemsäule 2 und die Probenkammer 3 übertragen wird. In der vorstehenden Beschreibung sind das Kühlaggregat 40 und der Kompressor 16 die Ursache für das Schwingen des Bodens 20. Die Ursache für das Schwingen des Bodens 20 ist jedoch nicht auf die vorstehenden Gründe beschränkt.
  • Die Vorrichtung 19 zur Verhinderung von Schwingungen kann ein schwingungsdämpfender Gummi, eine Feder, ein Dämpfungselement oder eine Kombination davon sein. Die Grundplatte 18 ist mit einem Stützpfeiler 104 versehen. Das Unterteil der Kühlvorrichtung 4 ruht auf dem Stützpfeiler 104, der später anhand von 3 beschrieben wird.
  • Obwohl die Vorrichtung 19 zur Verhinderung von Schwingungen in dem Beispiel auf dem Vorrichtungsgestell 17 vorgesehen ist, kann die Vorrichtung 19 zur Verhinderung von Schwingungen auch für das Bein des Vorrichtungsgestells 17 vorgesehen sein. Die Vorrichtung 19 zur Verhinderung von Schwingungen kann sowohl auf dem Gestell 17 als auch für das Bein des Vorrichtungsgestells 17 vorgesehen sein.
  • 2 zeigt ein Beispiel eines Steuerungssystems für das Ionenmikroskop nach der vorliegenden, in 1 gezeigten Erfindung. Das Steuerungssystem in dem Beispiel weist eine Gasfeldionenquellen-Steuerung 91 zur Steuerung der Gasfeldionenquelle 1, eine Kühlaggregatsteuerung 92 zur Steuerung des Kühlaggregats 40, eine Linsensteuerung 93 zur Steuerung der Kondensorlinse 5, eine Steuerung für die Strahlbegrenzungsöffnung 94 zur Steuerung der Strahlbegrenzungsöffnung 6, eine Ionenstrahl-Abtaststeuerung 95 zur Steuerung der Strahlabtastelektrode 7, eine Sekundärteilchendetektorsteuerung 96 zur Steuerung des Sekundärteilchendetektors 11, eine Probentischsteuerung 97 zur Steuerung des Probentischs 10, eine Evakuierungspumpensteuerung 98 zur Steuerung der Probenkammer-Evakuierungspumpe 13 und einen Computerprozessor 99 zur Durchführung verschiedener Rechenoperationen auf. Der Computerprozessor 99 weist eine Bildanzeigeeinheit auf. Auf der Bildanzeigeeinheit werden die von einem Detektionssignal des Sekundärteilchendetektors 11 erzeugten Bilder und die mit Eingabeeinrichtungen eingegebenen Informationen angezeigt.
  • Der Probentisch 10 weist einen Mechanismus zum linearen Bewegen der Probe 9 in zwei orthogonalen Richtungen in der Probenbefestigungsebene, einen Mechanismus zum linearen Bewegen der Probe 9 in einer zur Probenbefestigungsebene senkrechten Richtung und einen Mechanismus zum Drehen der Probe 9 in der Probenbefestigungsebene auf. Weiter verfügt der Probentisch 10 über eine Neigungsfunktion, mit der der Bestrahlungswinkel des Ionenstrahls 14 zur Probe 9 durch Drehen der Probe 9 um die Neigungsachse variiert werden kann. Die Steuerung erfolgt durch die Probentischsteuerung 97 entsprechend einem Befehl von dem Computerprozessor 99.
  • Der Betrieb des Ionenstrahlbestrahlungssystems des Ionenmikroskops in dem Beispiel wird beschrieben. Der Betrieb des Ionenstrahlbestrahlungssystems wird durch einen Befehl von dem Computerprozessor 99 gesteuert. Der von der Gasfeldionenquelle 1 erzeugte Ionenstrahl 14 wird durch die Kondensorlinse 5 gebündelt, sein Strahldurchmesser wird durch die Strahlbegrenzungsöffnung 6 begrenzt, und der resultierende Strahl wird durch die Objektivlinse 8 gebündelt. Der gebündelte Strahl wird ausgesendet, um die Oberfläche der Probe 9 auf dem Probentisch 10 abzutasten.
  • Aus der Probe freigesetzte Sekundärteilchen werden mit dem Sekundärteilchendetektor 11 erfasst. Das Signal des Sekundärteilchendetektors 11 wird einer Helligkeitsmodulation unterzogen, und das resultierende Signal wird an den Computerprozessor 99 gesendet. Der Computerprozessor 99 erzeugt ein Rasterionenmikroskopbild und zeigt es auf der Bildanzeigeeinheit an. Auf diese Weise kann die hochauflösende Beobachtung der Probenoberfläche realisiert werden.
  • 3 zeigt ein Beispiel der Konfiguration der Gasfeldionenquelle 1 und ihrer Kühlvorrichtung 4 in dem Ionenmikroskop nach der in 1 gezeigten Erfindung. Die Gasfeldionenquelle 1 und eine Vorrichtung 70 zur Verhinderung von Schwingungen der Emitterspitze wird ausführlich anhand von 4 beschrieben. Die Kühlvorrichtung 4 wird hier beschrieben. In dem Beispiel wird als Kühlvorrichtung 4 der Gasfeldionenquelle 1 eine Kühlvorrichtung verwendet, die durch Kombination des Kühlaggregats 40 vom GM-Typ und eines Heliumgastopfes 43 erhalten wird. Die Mittelachse des Kühlaggregats vom GM-Typ ist parallel zur optischen Achse des Ionenstrahlbestrahlungssystems angeordnet, die die Emitterspitze 21 des Ionenmikroskops durchsetzt. Mit dieser Konfiguration können sowohl eine Verbesserung der Konvergenz des Ionenstrahls als auch eine Verbesserung der Kühlfunktion erreicht werden.
  • Das Kühlaggregat 40 vom GM-Typ weist einen Gerätekörper 41, eine erste Kühlstufe 42A und eine zweite Kühlstufe 42B auf. Der Körper 41 ruht auf dem Stützpfeiler 103. Die erste und zweite Kühlstufe 42A und 42B sind am Körper 41 aufgehängt.
  • Der Außendurchmesser der ersten Kühlstufe 42A ist größer als der der zweiten Kühlstufe 42B. Die Kühlleistung der ersten Kühlstufe 42A beträgt etwa 5 W, die der zweiten Kühlstufe 42B etwa 0,2 W. Die erste Kühlstufe 42A wird auf etwa 50 K gekühlt. Die zweite Kühlstufe 42B kann auf 4 K gekühlt werden.
  • Das obere Ende der ersten Kühlstufe 42A ist von einem Balg 69 umgeben. Das untere Ende der ersten Kühlstufe 42A und die zweite Kühlstufe 42B sind von dem gasdichten Topf 43 umgeben. Der Topf 43 weist einen Teil 43A mit einem größeren Durchmesser, der so beschaffen ist, dass er die erste Kühlstufe 42A umgibt, und einen Teil 43B mit einem kleineren Durchmesser auf, der so beschaffen ist, dass er die zweite Kühlstufe 42B umgibt. Der Topf 43 ruht auf dem Stützpfeiler 104. Der Stützpfeiler 104 wird von der Grundplatte 18 getragen, wie in 1 gezeigt.
  • Jeder der Balgen 69 und der Topf 43 weist eine mit Heliumgas 46 als Wärmeleitmedium gefüllte abgedichtete Struktur auf. Die beiden Kühlstufen 42A und 42B sind von dem Heliumgas 46 umgeben, stehen aber nicht in Berührung mit dem Topf 43. Anstelle von Heliumgas kann auch Neongas oder Wasserstoff verwendet werden.
  • In dem Kühlaggregat 40 vom GM-Typ wird die erste Kühlstufe 42A auf etwa 50 K gekühlt. Folglich wird das Heliumgas 46 in der Umgebung der ersten Kühlstufe 42A auf etwa 70 K gekühlt. Die zweite Kühlstufe 42B wird auf 4 K gekühlt. Das Heliumgas 46 in der Umgebung der zweiten Kühlstufe 428 wird auf etwa 6 K gekühlt. Auf diese Weise wird das untere Ende des Topfes 43 auf etwa 6 K gekühlt.
  • Die Schwingung des Körpers 41 des Kühlaggregats 40 vom GM-Typ wird auf den Stützpfeiler 103 und die beiden Kühlstufen 42A und 42B übertragen. Die auf die Kühlstufen 42A und 42B übertragene Schwingung wird in dem Heliumgas 46 gedämpft. Auch wenn die Kühlstufen 42A und 42B in dem Kühlaggregat vom GM-Typ schwingen, wird aufgrund des Vorhandenseins des Heliumgases in der Mitte Wärme geleitet, aber die mechanischen Schwingungen werden gedämpft. Folglich pflanzen sich die Schwingungen nicht ohne weiteres auf den abgedichteten Topf 43 fort, der in der ersten und zweiten Stufe 41 und 42 gekühlt wird. Insbesondere hochfrequente Schwingungen werden nicht ohne weiteres übertragen. Daher ist ein Effekt der, dass die mechanische Schwingung des Topfes 43 weit stärker als die Schwingung der Kühlstufen 42A und 42B des Kühlaggregats vom GM-Typ gedämpft wird.
  • Wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, wird die Schwingung des Kompressors 16 über den Boden 20 auf das Vorrichtungsgestell 17 übertragen, wobei eine Übertragung auf die Grundplatte 18 durch die Vorrichtung 19 zur Verhinderung von Schwingungen verhindert wird. Daher wird die Schwingung des Kompressors 16 nicht auf den Stützpfeiler 104 und den Topf 43 übertragen.
  • Das untere Ende des Topfes 43 ist mit einem Kühlungsleitstab 53 aus Kupfer verbunden, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein Gaszufuhrrohr 25 ist in dem Kühlungsleitstab 53 vorgesehen. Der Kühlungsleitstab 53 ist von einem Kühlungsleitrohr 57 aus Kupfer umgeben. In dem Beispiel ist eine nicht gezeigte Abschirmung zur Verringerung der Wärmestrahlung mit dem Teil 43A, das den größeren Durchmesser aufweist, des Topfes 43 verbunden, und der Strahlungsschutzschild ist mit dem Kühlungsleitrohr 57 aus Kupfer verbunden. Daher werden der Kühlungsleitstab 53 und das Kühlungsleitrohr 57 immer auf derselben Temperatur gehalten wie der Topf 43.
  • Obwohl in dem Beispiel das Kühlaggregat 40 vom GM-Typ verwendet wird, kann an seiner Stelle auch ein Pulsrohr- oder Stirling-Kühlaggregat verwendet werden. Obwohl das Kühlaggregat in dem Beispiel zwei Kühlstufen aufweist, kann das Kühlaggregat auch nur eine einzelne Kühlstufe aufweisen. Die Anzahl der Kühlstufen ist nicht begrenzt.
  • Anhand von 4 werden ein Beispiel für die Konfiguration der Gasfeldionenquelle, der Vorrichtung 70 zur Verhinderung von Schwingungen der Emitterspitze und der Umgebung des Ionenmikroskops nach der Erfindung im Detail beschrieben. 5 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-B in 4. Die Gasfeldionenquelle in dem Beispiel weist die Emitterspitze 21, einen Emittersockel 64, eine Extraktionselektrode 24 und eine elektrostatische Linse 59 auf. Die Extraktionselektrode 24 weist eine Öffnung auf, die von einem Ionenstrahl durchsetzt wird. In dem Beispiel weist die elektrostatische Linse 59 drei Elektroden mit jeweils einer mittigen Öffnung auf. Die Emitterspitze 21 ist so angeordnet, dass sie der Extraktionselektrode 24 gegenüberliegt.
  • Unter der elektrostatischen Linse 59 sind eine Abtastablenkelektrode 301, eine Lochmaske 302, ein Verschluss 303 und ein Sekundärteilchendetektor 305 vorgesehen. Ein Ionenstrahl verläuft entlang einer Mittellinie 306 des Ionenbestrahlungssystems.
  • Die Emitterspitze 21 hängt an einem oberen Flansch 51, und der Auflagerteil der Emitterspitze 21 weist einen beweglichen Aufbau auf. Andererseits ist die Extraktionselektrode 24 fest an einem Vakuumbehälter 68 angebracht. Der Vakuumbehälter 68 ist eine obere Struktur der in 1 gezeigten Säule.
  • Die Emitterspitze 21 ist auf einem Saphirsockel 52 gelagert. Der Saphirsockel 52 ist über einen Kupferlitzendraht 54 mit dem Kühlungsleitstab 53 verbunden. Die Extraktionselektrode 24 ist auf einem Saphirsockel 55 gelagert. Der Saphirsockel 55 ist über einen Kupferlitzendraht 56 mit dem Kühlungsleitstab 53 verbunden. Daher wird durch die Emitterspitze 21, den Saphirsockel 52, den Kupferlitzendraht 54, den Kühlungsleitstab 53 und den Topf 43 ein Wärmeleitpfad gebildet. In gleicher Weise wird durch die Extraktionselektrode 24, den Saphirsockel 55, den Kupferlitzendraht 56, den Kühlungsleitstab 53 und den Topf 43 ein Wärmeleitpfad gebildet.
  • Die Kühlvorrichtung weist eine Kälteerzeugungseinrichtung auf, die Kälte erzeugt, indem zuerst ein von der Kompressoreinheit erzeugtes Hochdruckgas expandiert wird, und eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze 21 als ein durch ein zweites Gas wie Heliumgas zu kühlendes Element in dem Topf 43, der durch die Kälte der Kälteerzeugungseinrichtung gekühlt wird.
  • Ein Strahlungsschutzschild 58 ist so vorgesehen, dass es die Emitterspitze 21 und die Extraktionselektrode 24 umgibt. Das Strahlungsschutzschild 58 verringert den Wärmezustrom durch Wärmestrahlung in die Extraktionselektrode 24 und die Ionisationskammer. Das Strahlungsschutzschild 58 ist mit dem Kühlungsleitrohr 57 verbunden. Eine Elektrode 60, die der Extraktionselektrode 24 von den drei Elektroden der elektrostatischen Linse 59 am nächsten ist, ist mit dem Strahlungsschutzschild 58 verbunden. Ein Wärmeleitpfad wird durch die Elektrode 60, das Strahlungsschutzschild 58, das Kühlungsleitrohr 57, das Strahlungsschutzschild und den Topf 43 gebildet.
  • In dem Beispiel sind die Saphirsockel 52 und 55 und der Kühlungsleitstab 53 über verformbare Kupferlitzendrähte 54 und 56 verbunden. Der Kupferlitzendraht 54 hat die Aufgabe, den durch die Emitterspitze 21, den Saphirsockel 52 und den Kühlungsleitstab 53 gebildeten Wärmeleitpfad aufrechtzuerhalten, auch wenn sich die Position der Emitterspitze 21 verschiebt. Außerdem verhindert der hoch flexible Kupferlitzendraht 54, dass hochfrequente Schwingungen über den Kühlungsleitstab 53 auf den Saphirsockel 52 und die Emitterspitze 21 übertragen werden. Der Kupferlitzendraht 56 verhindert, dass hochfrequente Schwingungen über den Kühlungsleitstab 53 auf den Saphirsockel 55 und die Extraktionselektrode 24 übertragen werden. Der Kupferlitzendraht 54 als Wärmeleitmittel ist nicht auf Kupfer begrenzt, sondern ein flexibles Element, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und Schwingungen nicht ohne weiteres überträgt, zum Beispiel ein Silberlitzendraht, kann ebenfalls verwendet werden.
  • Die Vorrichtung ist, wie bereits beschrieben, so aufgebaut, dass die Schwingungen vom Boden und die Schwingung des Kühlaggregats gedämpft und auf die Emitterspitze übertragen werden. Um jedoch die spezifischen Besonderheiten der Ionenquelle optimal zu nutzen, wird auch die folgende Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen bereitgestellt. Insbesondere ist ein diamagnetischer Block 71 in einen Teil des Emittersockels 64 eingesteckt, der mit dem Saphirsockel 52 verbunden ist, und ein ringförmiger Elektromagnet 72 ist um den diamagnetischen Block 71 herum angeordnet. Der diamagnetische Block 71 besteht vorzugsweise aus einer Substanz, die Diamagnetismus bei sehr niedrigen Temperaturen aufweist, zum Beispiel Er3Ni. Der ringförmige Elektromagnet ist mit einem Stützelement 73 an dem Vakuumbehälter 68 befestigt. Wenn der Elektromagnet 72 eingeschaltet ist, wirkt eine Abstoßungskraft als magnetische Wechselwirkung zwischen dem Elektromagneten 72 und dem diamagnetischen Block 71, und eine Kraft zur Fixierung des diamagnetischen Blocks 71 an dem Elektromagneten wirkt. Die Position des ringförmigen Elektromagneten 72 kann durch Betätigen eines Drehknopfes 74 von der Außenseite des Vakuumbehälters eingestellt werden, und die Position der Emitterspitze kann eingestellt werden. Der diamagnetische Block 71 und der ringförmige Elektromagnet 72 sind nicht in Berührung miteinander, und es wird keine Wärme durch Wärmeleitung auf die Emitterspitze übertragen. Folglich wird die Emitterspitze 21 bei sehr niedriger Temperatur gehalten, und es gibt einen Effekt, dass der Ionenstrom von der Emitterspitze erhöht werden kann.
  • Anstelle des Elektromagneten nach der Ausführungsform kann ein Permanentmagnet um den diamagnetischen Block herum angeordnet werden.
  • Wenn der Elektromagnet in dem Beispiel durch eine supraleitende Spule gebildet ist, wird die Emitterspitze durch ein stärkeres Magnetfeld sicher fixiert. In diesem Fall ist der supraleitende Block mit dem Strahlungsschutzschild 58 verbunden, das gekühlt wird, und der supraleitende Block wird auf einen supraleitenden Zustand gekühlt. Weiter wird für das Stützelement 73 ein Material mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel glasfaserverstärkter Kunststoff, ein PEEK-Material oder dergleichen verwendet. Durch Verwendung eines solchen Materials wird die Wärmeübertragung auf das Supraleitermaterial verringert, und der supraleitende Zustand wird aufrechterhalten.
  • In dem vorstehenden Beispiel wirkt die Kraft zur Fixierung der Emitterspitze in einer Richtung senkrecht zur Ionenstrahl-Extraktionsrichtung. In diesem Fall wird eine Ionenstrahlvorrichtung insbesondere mit verbesserter Auflösung eines Ionenbilds realisiert. Alternativ können der diamagnetische Block 71 und der Elektromagnet 72 wie in 5 gezeigt angeordnet werden, so dass die Kraft zur Fixierung der Emitterspitze 21 in der Richtung parallel zur Ionenstrahl-Extraktionsrichtung wirkt. In diesem Fall wird der Abstand zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode konstant gehalten, und eine Wirkung dahingehend, dass der stabile Ionenstrahlstrom erhalten wird, wird erreicht. Durch Kombination dieser beiden Fälle wird eine festere Fixierung der Emitterspitze realisiert, und die Wirkungen beider Fälle können erreicht werden.
  • Mit der Ausführungsform wird eine sehr niedrige Temperatur der Emitterspitze realisiert, die Gasfeldionenquelle, die einen Ionenstrahl mit stärkerem Strom erzeugen kann, wird bereitgestellt, und darüber hinaus wird ein Effekt erzielt, dass das Ionenmikroskop zur Realisierung der hochauflösenden Beobachtung bereitgestellt wird.
  • Obwohl die Extraktionselektrode in dem Beispiel an dem Vakuumbehälter in der Gasfeldionenquelle befestigt ist, ist die Emitterspitze im Verhältnis zur Extraktionselektrode beweglich. Folglich können die Positionseinstellung der Emitterspitze im Verhältnis zur Öffnung der Extraktionselektrode und die Achseneinstellung der Emitterspitze im Verhältnis zum optischen System so erfolgen, dass ein feiner Ionenstrahl erzeugt werden kann.
  • Der Emittersockel in der Beschreibung bezeichnet ein Element oder ein Teil des Elementes zum Stützen der Emitterspitze gegenüber dem Vakuumbehälter. Der Begriff „berührungslos“ im Falle der Fixierung des Emittersockels in berührungsloser Weise bedeutet, dass nicht immer ein Element, das in Berührungskontakt steht, nötig ist, um die Fixierkraft zu erzeugen. Auch wenn es ein Element gibt, das zum Beispiel zum Zwecke der Spannungsversorgung oder zum Anschluss eines Drahtes, nicht aber für die Fixierungskraft in Berührungskontakt steht, wird der Zustand als „berührungslos“ definiert.
  • Die Achseneinstellung der Emitterspitze wird beschrieben. Durch Bewegen des Verschlusses 302 wird eine in dem Verschluss 302 vorgesehene Öffnung gegenüber der Mittelachse 306 des Ionenstrahlbestrahlungssystems verschoben. Der durch die Emitterspitze 21 erzeugte Ionenstrahl 14 durchsetzt die elektrostatische Linse 59, die Abtastablenkelektrode 301 und weiter eine Öffnung in der Lochmaske 302 und kollidiert mit dem Verschluss 302. Aus dem Verschluss 302 werden Sekundärteilchen 304 wie etwa Sekundärelektronen erzeugt. Die Sekundärteilchen 304 werden von dem Sekundärteilchendetektor 304 erfasst, und ein Sekundärteilchenbild kann erhalten werden. Durch Vorsehen kleiner Vorsprünge im oberen Teil des Verschlusses 302 kann ein Ionenstrahlungsdiagramm der Emitterspitze in dem Sekundärteilchenbild beobachtet werden. Ein Ionenstrahlungsdiagramm kann auch durch Bilden feiner Löcher, mechanisches Abtasten der Lochmaske 302 in zwei Richtungen senkrecht zum Ionenstrahl und Erfassen der Sekundärteilchen beobachtet werden, die erzeugt werden, wenn eine andere Verschlussplatte mit dem Ionenstrahl bestrahlt wird, der die Lochmaske 302 durchsetzt.
  • Bei der Beobachtung des Ionenstrahlungsdiagramms in dieser Weise werden die Position und der Winkel der Emitterspitze eingestellt. Nach der Achseneinstellung der Emitterspitze wird der Verschluss 302 bewegt. Mit der Bewegung durchsetzt der Ionenstrahl die Öffnung in dem Verschluss 302. Zusätzlich kann eine bewegliche Strahlungsdiagramm-Beobachtungsvorrichtung 303 verwendet werden. Im Einzelnen wird die bewegliche Strahlungsdiagramm-Beobachtungsvorrichtung 303 bewegt, um die in der beweglichen Strahlungsdiagramm-Beobachtungsvorrichtung 303 gebildete Öffnung gegenüber der Mittelachse 306 des Ionenstrahlbestrahlungssystems zu verschieben. In der beweglichen Strahlungsdiagramm-Beobachtungsvorrichtung 303 ist ein Ionenbilddetektor 307 angeordnet, der aus einer Mikrokanalplatte und einer fluoreszierenden Platte besteht. Ein Bild der fluoreszierenden Platte kann mit einem unter dem Ionenbilddetektor 307 angeordneten Spiegel beobachtet werden. Das heißt, die Ionenstrahl-Strahlungsrichtung und das Strahlungsdiagramm können beobachtet werden. Nach Abschluss der Beobachtung wird die Öffnung in der beweglichen Strahlungsdiagramm-Beobachtungsvorrichtung 303 wieder in die Mittelachse 306 des Ionenstrahlbestrahlungssystems zurückgebracht, damit der Ionenstrahl passieren kann.
  • Unter Bezugnahme auf 7 wird die Konfiguration der Gasfeldionenquelle des Ionenmikroskops nach der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Ein weiteres Beispiel des vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Fixieren der Emitterspitze 21 in berührungsloser Weise wird beschrieben. Die Gasfeldionenquelle in dem Beispiel weist die Emitterspitze 21, ein Paar Filamente 22, eine Filamenthalterung 23, eine Stützstange 26 und den Emittersockel 64 auf. Die Emitterspitze 21 ist an den Filamenten 22 befestigt. Die Filamente 22 sind an der Stützstange 26 befestigt. Die Stützstange 26 ruht auf der Filamenthalterung 23. Die Filamenthalterung 23 ist an dem Emittersockel 64 befestigt. Der Emittersockel 64 ist an dem oberen Flansch 51 angebracht, wie in 4 gezeigt. Der Emittersockel 64 und das Strahlungsschutzschild 58 oder der Vakuumbehälter 68 sind mit einem Balg 61 verbunden.
  • Wie bereits beschrieben, ist die Vorrichtung so aufgebaut, dass die Schwingungen vom Boden und die Schwingung des Kühlaggregats nicht auf die Emitterspitze übertragen werden. Um die spezifischen Besonderheiten der Ionenquelle jedoch optimal zu nutzen, ist auch die folgende Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen vorgesehen. Im Einzelnen ist ein supraleitender Block 75 in einen Teil des Emittersockels 64 eingesteckt, der mit dem Saphirsockel 52 verbunden ist, und der ringförmige Elektromagnet 72 ist um den Halbleiterblock 75 herum angeordnet. Der ringförmige Elektromagnet ist mit dem Stützelement 73 an dem Vakuumbehälter 68 befestigt. Die Position des ringförmigen Elektromagneten 72 kann durch Betätigen des Drehknopfes 74 von der Außenseite des Vakuumbehälters eingestellt werden.
  • Die Gasfeldionenquelle in dem Beispiel weist weiter die Extraktionselektrode 24, ein zylinderförmiges Widerstandsheizelement 30, eine zylindrische Seitenwand 28 und eine obere Platte 29 auf. Die Extraktionselektrode 24 weist eine Öffnung 27 auf, die so angeordnet ist, dass sie der Emitterspitze 21 gegenüberliegt und von dem Ionenstrahl 14 durchsetzt wird. Ein Isoliermaterial 63 ist an der oberen Platte 29 angebracht. Ein Balg 62 ist zwischen dem Isoliermaterial 63 und der Filamenthalterung 23 angebracht.
  • Die Seitenwand 28 und die obere Platte 29 umgeben die Emitterspitze 21. Der von der Extraktionselektrode 24, der Seitenwand 28, dem Balg 62, dem Isoliermaterial 63 und den Filamenten 23 umgebene Raum wird als Ionisationskammer 15 bezeichnet.
  • An die Ionisationskammer 15 ist das Gaszufuhrrohr 25 angeschlossen. Mit dem Gaszufuhrrohr 25 wird ein Ionenmaterialgas (ionisierbares Gas) zur Emitterspitze 21 geleitet. Das Ionenmaterialgas (ionisierbares Gas) ist Helium oder Wasserstoff.
  • Die Ionisationskammer 15 ist bis auf die Öffnung 27 in der Extraktionselektrode 24 und das Gaszufuhrrohr 25 geschlossen. Das über das Gaszufuhrrohr 25 in die Ionisationskammer geleitete Gas tritt aus dem Bereich nur an der Öffnung 27 in der Extraktionselektrode 24 und über das Gaszufuhrrohr 25 aus. Durch ausreichende Verringerung des Durchmessers der Öffnung 27 in der Extraktionselektrode 24 können eine hohe Luftdichtheit und eine hohe Dichtleistung in der Ionisationskammer aufrechterhalten werden. Der Durchmesser der Öffnung 27 in der Extraktionselektrode 24 beträgt zum Beispiel 0,2 mm oder weniger. Wenn das ionisierbare Gas mit dem Gaszufuhrrohr 25 in die Ionisationskammer 15 geleitet wird, wird daher der Gasdruck in der Ionisationskammer 15 um mindestens eine Stelle höher als in dem Vakuumbehälter. Das Verhältnis, mit dem der Ionenstrahl mit dem Gas im Vakuum und neutralisiert wird, wird daher verringert, und ein Ionenstrahl mit hohem Strom kann erzeugt werden. Auch wenn in der Ionisationskammer eine Leitungsöffnung gebildet wird, die kleiner als die Öffnung in der Extraktionselektrode ist, gehen die Wirkungen der vorliegenden Erfindung nicht verloren.
  • Das Widerstandsheizelement 30 wird zur Durchführung des Entgasungsprozesses auf der Extraktionselektrode 24, der Seitenwand 28 und dergleichen verwendet. Durch Erwärmen der Extraktionselektrode 24, der Seitenwand 28 und dergleichen wird das Entgasen beschleunigt. Das Widerstandsheizelement 30 ist an der Außenseite der Ionisationskammer 15 angeordnet. Auch wenn das Widerstandsheizelement selbst den Entgasungsvorgang durchführt, erfolgt dies daher auf der Außenseite der Ionisationskammer, so dass die Innenseite der Ionisationskammer unter hohem Vakuum gehalten werden kann.
  • Obwohl in dem Beispiel das Widerstandsheizelement für den Entgasungsvorgang verwendet wird, kann anstelle des Widerstandsheizelements eine Wärmelampe verwendet werden. Weil eine Wärmelampe die Extraktionselektrode 24 in berührungsloser Weise erwärmen kann, kann die Peripherie der Extraktionselektrode vereinfacht werden. Weil bei der Wärmelampe keine Hochspannung angelegt werden muss, ist außerdem der Aufbau der Stromquelle für die Wärmelampe einfach. Anstelle des Widerstandsheizelements kann weiter ein inaktives Gas mit hoher Temperatur über das Gaszufuhrrohr 25 zugeführt werden, um die Extraktionselektrode, die Seitenwand und dergleichen zu erwärmen und um den Entgasungsvorgang durchzuführen. In diesem Fall kann eine Gasheizvorrichtung auf Erdpotenzial eingestellt werden. Weiter wird der Aufbau der Peripherie der Extraktionselektrode einfach, und ein Draht und eine Stromquelle sind nicht nötig.
  • Mit dem an der Probenkammer 3 und der Pumpe 13 zum Evakuieren der Probenkammer angebrachten Widerstandsheizelement können die Probenkammer 3 und die Pumpe 13 zum Evakuieren der Probenkammer auf etwa 200 °C erwärmt werden, und der Vakuumgrad in der Probenkammer 3 kann auf maximal 10-7 Pa eingestellt werden. Durch den Betrieb wird, wenn eine Probe mit einem Ionenstrahl bestrahlt wird, eine Verunreinigung der Oberfläche der Probe vermieden, und die Oberfläche der Probe kann ausgezeichnet beobachtet werden. Weil bei Bestrahlung der Oberfläche einer Probe mit einem Strahl von Helium- oder Wasserstoffionen das Wachstum von Ablagerungen durch Verunreinigungen schnell verläuft, kann bei dem herkömmlichen Verfahren der Fall eintreten, dass die Beobachtung der Probenoberfläche schwierig wird. Folglich werden die Probenkammer 3 und die Pumpe 13 zum Evakuieren der Probenkammer einer Erwärmung im Vakuumzustand ausgesetzt, und das auf Kohlenwasserstoff basierende Restgas im Vakuum der Probenkammer 3 wird auf eine sehr geringe Menge reduziert. Als Ergebnis kann der größte Teil der Oberfläche der Probe mit hoher Auflösung beobachtet werden.
  • Als Nächstes wird der Betrieb der Gasfeldionenquelle in dem Beispiel beschrieben. Der Vakuumbehälter wird mit der Ionenquellen-Evakuierungspumpe 12 evakuiert. Mit dem Widerstandsheizelement 30 wird der Entgasungsprozess der Extraktionselektrode 24, der Seitenwand 28 und der oberen Platte 29 durchgeführt. Im Einzelnen wird das Entgasen durch Erwärmen der Extraktionselektrode 24, der Seitenwand 28 und der oberen Platte 29 durchgeführt. Gleichzeitig kann ein weiteres Widerstandsheizelement auf der Außenseite des Vakuumbehälters angeordnet sein, um den Vakuumbehälter zu erwärmen. Mit diesem Aufbau verbessert sich der Vakuumgrad im Vakuumbehälter, und die Temperatur des Restgases nimmt ab. Durch den Betrieb kann die zeitliche Stabilität des Ionenemissionsstroms verbessert werden.
  • Nach Abschluss des Entgasungsvorgangs wird das Erwärmen mit dem Widerstandsheizelement 30 beendet. Nach Verstreichen von ausreichend Zeit wird das Kühlaggregat eingeschaltet. Durch den Betrieb werden die Emitterspitze 21, die Extraktionselektrode 24, das Strahlungsschutzschild 58 und dergleichen gekühlt. Als Nächstes wird Ionisationsgas durch das Gaszufuhrrohr 25 in die Ionisationskammer 15 eingeleitet. Das Ionisationsgas ist Helium oder Wasserstoff. Für die Beschreibung wird angenommen, dass Helium als Ionisationsgas verwendet wird. Wie vorstehend beschrieben, ist der Vakuumgrad in der Ionisationskammer hoch. Daher nimmt das Verhältnis ab, mit dem der von der Emitterspitze 21 erzeugte Ionenstrahl mit dem Restgas in der Ionisationskammer kollidiert und neutralisiert wird. Folglich kann ein Ionenstrahl mit hohem Strom erzeugt werden. Die Anzahl der Heliumgasmoleküle mit hoher Temperatur, , die mit der Extraktionselektrode kollidieren, nimmt ab. Dies kann die Kühltemperatur der Emitterspitze und der Extraktionselektrode senken. Daher kann der Ionenstrahl mit hohem Strom auf eine Probe emittiert werden.
  • Als Nächstes wird Spannung an die Emitterspitze 21 und die Extraktionselektrode 24 angelegt. Am Ende der Emitterspitze wird ein starkes elektrisches Feld erzeugt. Der größte Teil des aus dem Gaszufuhrrohr 25 eingeleiteten Heliums wird von dem starken elektrischen Feld zur Vorderseite der Emitterspitze gezogen. Das Helium erreicht nahezu das Ende der Emitterspitze, wo das elektrische Feld am stärksten ist. Das Helium ionisiert, und ein Helium-Ionenstrahl wird erzeugt. Der Helium-Ionenstrahl wird über die Öffnung 27 in der Extraktionselektrode 24 zum Ionenstrahlbestrahlungssystem geleitet.
  • Das Verfahren zum Fixieren der Emitterspitze, das heißt eine Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen mit einem supraleitenden Block in einem Teil der mit dem Saphirsockel 52 verbundenen Emitterspitzenhalterung, wird später beschrieben.
  • Als Nächstes werden der Aufbau der Emitterspitze 21 und das Verfahren zur Herstellung derselben beschrieben. Zuerst wird ein Wolframdraht mit einem Durchmesser von etwa 100 bis 400 µm und der Achsenrichtung <111> vorbereitet, und seine Spitze wird geschärft. Als Ergebnis wird die Emitterspitze erhalten, deren Ende einen Krümmungsradius von etwa 10 nm aufweist. Am Ende der Emitterspitze wird Platin mittels Vakuumabscheidung in einem anderen Vakuumbehälter aufgebracht. Als Nächstes wird das Platinatom durch Hochtemperaturerwärmung an das Ende der Emitterspitze gebracht. Als Ergebnis wird durch das Platinatom eine pyramidenförmige Struktur im Nanometerbereich gebildet. Diese Struktur wird als Nanopyramide bezeichnet. Die Nanopyramide weist normalerweise ein Atom an ihrem Ende, eine Schicht von drei oder sechs Atomen unter dem einen Atom und eine Schicht von zehn oder mehr Atomen unter der Schicht auf.
  • Obwohl in dem Beispiel ein dünner Wolframdraht verwendet wird, kann auch ein dünner Draht aus Molybdän verwendet werden. Obwohl in dem Beispiel eine Beschichtung aus Platin verwendet wird, kann auch eine Beschichtung aus Iridium, Rhenium, Osmium, Palladium, Rhodium oder dergleichen verwendet werden.
  • Im Falle der Verwendung von Helium als Ionisationsgas ist es wichtig, dass die Verdampfungsintensität eines Metalls höher ist als die elektrische Feldstärke, bei der Helium ionisiert. Daher wird eine Beschichtung aus Platin, Rhenium, Osmium oder Iridium bevorzugt. Bei Verwendung von Wasserstoff als Ionisationsgas wird eine Beschichtung aus Platin, Rhenium, Osmium, Palladium, Rhodium oder Iridium bevorzugt. Obwohl die Beschichtung aus einem der Metalle durch Vakuumabscheidung gebildet werden kann, kann sie auch durch Lösungsbeschichten gebildet werden.
  • Als weiteres Verfahren zur Bildung der Nanopyramide am Ende der Emitterspitze können auch das Feldverdampfen im Vakuum, die Ionenstrahlbestrahlung oder dergleichen verwendet werden. Mit jedem dieser Verfahren kann die Wolfram- oder Molybdänatompyramide am Ende des Wolfram- oder Molybdändrahtes gebildet werden. Bei Verwendung eines Wolframdrahtes mit der Struktur <111> wird das Ende durch drei Wolframatome gebildet.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist die Charakteristik der Emitterspitze 21 der Gasfeldionenquelle nach der vorliegenden Erfindung die Nanopyramide. Durch Einstellen der elektrischen Feldstärke am Ende der Emitterspitze 21 kann ein Heliumion nahe dem einen Atom am Ende der Emitterspitze erzeugt werden. Daher ist ein Bereich, aus dem ein Ion emittiert wird, das heißt eine Ionenlichtquelle, ein sehr schmaler Bereich von einem Nanometer oder weniger. Durch Erzeugen eines Ions aus dem sehr begrenzten Bereich wie vorstehend beschrieben kann ein Strahldurchmesser von 1 nm oder weniger realisiert werden. Folglich werden die Flächeneinheit der Ionenquelle und der Stromwert pro Raumwinkel groß. Dies ist eine wichtige Charakteristik zur Erzielung eines Ionenstrahls mit hohem Strom und einem sehr kleinen Durchmesser auf der Probe.
  • Insbesondere bei der Ablagerung von Platin auf Wolfram wird eine Nanopyramidenstruktur mit einem Atom am Ende stabil gebildet. In diesem Fall konzentriert sich die Erzeugungsstelle des Heliumions nahe dem einen Atom am Ende. Im Falle von drei Atomen am Ende des Wolframdrahtes <111> verteilt sich die Erzeugungsstelle des Heliumions auf Stellen nahe den drei Atomen. Daher wird der Strom, der von der Flächeneinheit/dem Raumwinkel in der Ionenquelle mit der Nanopyramidenstruktur aus Platin, in der das Heliumgas konzentriert dem einen Atom zugeführt wird, größer. Das heißt, die Emitterspitze, bei der Platin auf Wolfram abgelagert ist, erzeugt Effekte der Art, dass der Strahldurchmesser auf der Probe des Ionenmikroskops verringert und der Strom erhöht wird. Auch wenn Rhenium, Osmium, Iridium, Palladium, Rhodium oder dergleichen verwendet wird, kann in dem Fall, in dem eine Nanopyramide mit einem Atom an ihrem Ende gebildet wird, der von der Flächeneinheit/dem Raumwinkel emittiert Strom erhöht werden. Daher wird vorzugsweise der Durchmesser des Strahls auf der Probe des Ionenmikroskops verringert oder der Strom wird erhöht.
  • 8 zeigt eine Ionenstrahlvorrichtung in Zusammenhang mit der Verringerung der Haftung von Desorptionsgas aus einer Strahlbegrenzungsöffnung an der Emitterspitze. Wie bereits beschrieben, wird der von der Gasfeldionenquelle 1 erzeugte Ionenstrahl 14 durch die Kondensorlinse 5 gebündelt, der Strahldurchmesser wird durch die Strahlbegrenzungsöffnung 6 begrenzt, und der resultierende Strahl wird durch die Objektivlinse 8 fokussiert. Der fokussierte Strahl wird ausgesendet, um die Probe 9 auf dem Probentisch 10 abzutasten. Bei dem herkömmlichen Ionenmikroskop wird aus dem Gesichtspunkt der Haftung von Gas, das beim Emittieren eines Ionenstrahls erzeugt wird, an einer Strahlbegrenzungsöffnung oder dergleichen an der Emitterspitze und der Verschlechterung der Stabilität des Ionenstrahlstroms keine hinreichende Maßnahme eingesetzt. Das heißt, die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Problem dahingehend festgestellt, dass Desorptionsmoleküle, die erzeugt werden, wenn die Strahlbegrenzungsöffnung oder dergleichen mit einem Ionenstrahl bestrahlt wird, am Ende der Emitterspitze anhaften und den Ionenstrahlstrom instabil machen. Insbesondere wenn Helium, das den am Ende der Emitterspitze haftenden Molekülen nahekommt, ionisiert wird, wird die Zufuhr von Helium zur Spitze der Nanopyramide verringert, und der Ionenstrahlstrom nimmt ab. Das heißt, das Vorhandensein von verunreinigtem Gas macht den Ionenstrahlstrom instabil.
  • Wenn die Strahlbegrenzungsöffnung eine in einer Platte 500 gebildete Öffnung ist, weisen nach der vorliegenden Erfindung eine Strahlungsrichtung 501 eines Ionenstrahls und eine Senkrechte 502 zu der Platte eine Neigungsbeziehung zueinander auf, wie in 8 gezeigt. Bei diesem Aufbau fliegen die meisten der Desorptionsmoleküle 503, die erzeugt werden, wenn die Strahlbegrenzungsöffnung 500 mit dem Ionenstrahl 14 bestrahlt wird, nicht zur Emitterspitze 21, und die an der Emitterspitze 21 anhaftenden Moleküle nehmen dramatisch ab. Daher wird die Ionenstrahlvorrichtung mit einem stabilen Ionenstrahlstrom bereitgestellt, der eine Probenbeobachtung ohne Helligkeitsschwankungen in einem Beobachtungsbild ermöglicht. Insbesondere wurde festgestellt, dass kaum verunreinigte Gasmoleküle an der Emitterspitze anhaften und der Ionenstrahlstrom stabilisiert wird, wenn der Winkel zwischen der Strahlungsrichtung des Ionenstrahls und der Senkrechten der Platte auf 45 Grad oder mehr eingestellt wird.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben auch festgestellt, dass es besonders effektiv ist, wenn der Vakuumgrad in dem Vakuumbehälter mit der Strahlbegrenzungsöffnung auf 10-7 Pa oder weniger eingestellt wird, und zwar aus dem Gesichtspunkt heraus, dass das an der Strahlbegrenzungsöffnung haftende verunreinigte Gas desorbiert wird. Der Vakuumbehälter mit der Strahlbegrenzungsöffnung weist ein Trockenheizelement 504 auf, das auf etwa 200 °C erwärmt werden kann. Durch Trocknen des Vakuumbehälters bei gleichzeitiger Evakuierung kann der Vakuumgrad auf 10-7 Pa oder weniger eingestellt werden. Es ist effektiver, wenn die Platte 500 der Strahlbegrenzungsöffnung mit Plasma auf einen Zustand gereinigt wird, bei dem anhaftende Moleküle verringert werden. Eine Vakuumpumpe 505 zum Absaugen des Vakuumbehälters mit der Strahlbegrenzungsöffnung ist vorzugsweise eine Edelgaspumpe, eine Ionenpumpe, eine nicht verdampfbare Getter-Pumpe oder dergleichen. Insbesondere ein Evakuierungssystem, in dem keine Turbomolekularpumpe oder Kreiselpumpe zum Einsatz kommt, bewirkt, dass die Schwingung der Emitterspitze verringert und ein Bild mit hoher Auflösung erhalten wird.
  • Bevor ein Element mit geringer Masse wie zum Beispiel Helium oder Wasserstoff als ein Ionenstrahl extrahiert wird, wird ein Element mit großer Masse wie zum Beispiel Neon, Argon, Krypton, Xenon oder dergleichen als ein Ionenstrahl extrahiert, und der extrahierte Strahl wird zur Strahlbegrenzungsöffnung emittiert. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass auf diese Weise die meisten der an der Strahlbegrenzungsöffnung anhaftenden Verunreinigungen desorbiert werden, und im Falle des Emittierens eines Elements mit geringer Masse wie zum Beispiel Helium oder Wasserstoff als einen Ionenstrahl nimmt das von der Strahlbegrenzungsöffnung desorbierte verunreinigte Gas ab. Das heißt, die Ionenstrahlvorrichtung mit einem stabilen Ionenstrahlstrom, der eine Probenbeobachtung ohne Helligkeitsschwankungen in einem Beobachtungsbild ermöglicht, wird bereitgestellt.
  • Als Nächstes wird anhand von 9 ein Beispiel für die Beachtung eines Phänomens beschrieben, dass die Verunreinigungen in dem der Umgebung der Emitterspitze zugeführten Ionisationsgas den Ionenstrom instabil machen. Die Reinheit des Gases für die Zuführung des Ionisationsgases der Ionenquelle ist hoch, und die Konzentration der Verunreinigungen liegt in der Größenordnung von 1/105. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Problem festgestellt, dass eine geringe Menge enthaltenen verunreinigten Gases am Ende der Emitterspitze anhaftet und den Ionenstrahlstrom instabil macht. Daher ist bei der Ausführungsform, wie in 9 gezeigt, ein Pufferbehälter 511 für die Reinigung der Ionenquelle vorgesehen, der ein nicht verdampfbares Getter-Material enthält. Um den Pufferbehälter herum sind ein Trockenheizelement 512, das den gesamten Pufferbehälter auf etwa 200 °C erwärmen kann, und ein Aktivierungsheizelement 514 vorgesehen, das ein nicht verdampfbares Getter-Material 513 auf 500 °C erwärmen kann. Ein Schaltventil 516 ist zwischen dem Pufferbehälter 511 und einer lonenmaterialgasflasche 515 vorgesehen, und ein Schaltventil 518 ist zwischen dem Pufferbehälter 511 und einer Vakuumpumpe 517 vorgesehen.
  • Als Nächstes wird eine Methode zur Verwendung des Pufferbehälters für die Reinigung der Ionenquelle beschrieben. Zuerst wird das Ventil 518 zwischen dem Pufferbehälter 511 und der Vakuumpumpe 517 geöffnet, um den Pufferbehälter 511 zu evakuieren. Danach wird der gesamte Pufferbehälter auf etwa 200 °C erwärmt, und das auf der Behälterwandung adsorbierte verunreinigte Gas wird abgesaugt.
  • Sofort nach Abschluss des Erwärmens wird das nicht verdampfbare Getter-Material 513 auf 500 °C erwärmt. Das nicht verdampfbare Getter-Material 513 wird aktiviert, und Gasmoleküle werden adsorbiert. Bei Verwendung des Ionenmaterialgases als inaktives Gas wie zum Beispiel Helium oder Argon wird das Gas nicht adsorbiert. Als Nächstes wird das Ventil zwischen dem Pufferbehälter und der Vakuumpumpe geschlossen, und das Ventil 516 zwischen dem Pufferbehälter und der Gasflasche 515 wird geöffnet. Nach Speichern einer bestimmten Menge des Ionenmaterialgases in dem Pufferbehälter wird das Ventil 516 geschlossen. Das in dem Ionenquellenmaterial enthaltene verunreinigte Gas wird auf dem nicht verdampfbaren Getter-Material adsorbiert, und das Ionenquellenmaterialgas wird gereinigt. Die Gasdurchflussrate wird mit einem Durchflussregelventil geregelt, und das resultierende Gas wird in die Ionenquelle eingeleitet. Genau genommen wird das Gas in die Umgebung der Emitterspitze 21 in der Ionisationskammer eingeleitet. Die an der Emitterspitze 21 anhaftenden verunreinigten Gasmoleküle nehmen dramatisch ab, der Ionenstrahlstrom wird stabil und eine Ionenstrahlvorrichtung, die eine Probenbeobachtung ohne Helligkeitsschwankungen in einem Beobachtungsbild ermöglicht, wird bereitgestellt.
  • In 7 wird das nicht verdampfbare Getter-Material für die Ionisationskammer verwendet. In der Ausführungsform ist ein Getter-Material 520 auf der Wand angeordnet, mit der das aus dem Ionenmaterialgaszufuhrrohr 25 austretende Gas kollidiert. Das Heizelement 30 ist an der Außenwand der Ionisationskammer angebracht. Vor der Einleitung des Ionisationsgases wird das nicht verdampfbare Getter-Material 520 erwärmt und aktiviert. Die Emitterspitze ist mit einer Abdeckung 521 zur Verhinderung von Verunreinigungen versehen, so dass das aus dem nicht verdampfbaren Getter-Material freigesetzte verunreinigte Gas direkt zur Emitterspitze 21 gelangt. Die Ionenquelle wird auf eine sehr niedrige Temperatur gekühlt, und danach wird das Ionisationsgas aus dem Ionisationsmaterialgaszufuhrrohr 25 zugeführt. Auf diese Weise nehmen die an der Emitterspitze anhaftenden verunreinigten Gasmoleküle dramatisch ab, der Ionenstrahlstrom wird stabil und die Ionenstrahlvorrichtung, die eine Probenbeobachtung ohne Helligkeitsschwankungen in einem Beobachtungsbild ermöglicht, wird bereitgestellt.
  • In gleicher Weise haben die Erfinder ein Problem festgestellt, dass das aus dem Probenkammer-Vakuumbehälter in den Vakuumbehälter der Ionenquelle strömende verunreinigte Gas an dem Ende der Emitterspitze anhaftet und den Ionenstrahlstrom instabil macht. Der Vakuumgrad wird mit einer Edelgaspumpe, einer Ionenpumpe und einer nicht verdampfbaren Getter-Pumpe auf 10-7 Pa eingestellt, und das in den Vakuumbehälter der Ionenquelle strömende verunreinigte Gas wird möglichst weitgehend reduziert. Als Ergebnis nehmen die an der Emitterspitze anhaftenden verunreinigten Gasmoleküle dramatisch ab, der Ionenstrahlstrom wird stabil und die Ionenstrahlvorrichtung, die eine Probenbeobachtung ohne Helligkeitsschwankungen in einem Beobachtungsbild ermöglicht, wird bereitgestellt.
  • Die Ionenquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass sie Ionen verwendet, die aus der Nachbarschaft eines Atoms am Ende der Nanopyramide freigesetzt werden. Das heißt, die Region, aus der das Ion freigesetzt wird, ist klein, und die Ionenlichtquelle hat eine Größe von einem Nanometer oder weniger. Folglich kann, wenn die Ionenlichtquelle mit derselben Vergrößerung auf die Probe fokussiert wird und das Untersetzungsverhältnis auf etwa 1/2 eingestellt wird, die Charakteristik der Ionenquelle maximal genutzt werden. Bei der herkömmlichen Gallium-Flüssigmetall-Ionenquelle wird die Abmessung der Ionenlichtquelle auf etwa 50 nm geschätzt. Um einen Strahldurchmesser von 5 nm auf einer Probe zu erhalten, muss daher das Untersetzungsverhältnis auf 1/10 oder weniger eingestellt werden. In diesem Fall wird die Schwingung der Emitterspitze in der Ionenquelle auf 1/10 oder weniger auf der Probe verringert. Auch wenn zum Beispiel die Emitterspitze um 10 nm schwingt, beträgt die Schwingung des Strahlflecks auf der Probe 1 nm oder weniger.
  • Daher ist der Einfluss der Schwingung der Emitterspitze auf den Strahldurchmesser von 5 nm gering. In dem Beispiel ist das Untersetzungsverhältnis jedoch relativ groß und beträgt etwa 1 zu 1/2. Daher wird, wenn das Untersetzungsverhältnis 1/2 beträgt, eine Schwingung von 10 nm an der Emitterspitze zu einer Schwingung von 5 nm auf der Probe, und die Schwingung der Probe bezogen auf den Strahldurchmesser ist groß. Das heißt, um zum Beispiel eine Auflösung von 0,2 nm zu realisieren, muss die Schwingung der Emitterspitze auf maximal 0,1 nm oder weniger eingestellt werden. Die herkömmliche Ionenquelle ist vom Gesichtspunkt der Verhinderung von Schwingungen am Ende der Emitterspitze nicht immer zufriedenstellend.
  • Um dieses Problem anzugehen, wird in der vorliegenden Erfindung die in 1 gezeigte Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen bereitgestellt. Das heißt, die Vorrichtung 19 zur Verhinderung von Schwingungen verhindert, dass die Schwingung des Kühlaggregats 40 und des Kompressors 16 ohne weiteres auf die Gasfeldionenquelle 1, die Ionenstrahl-Bestrahlungssystemsäule 2 und die Probenkammer 3 übertragen wird. Die Schwingung des Kompressors 16 wird nicht ohne weiteres auf den Topf 43 und den Probentisch 10 übertragen.
  • Weiter wird, wie in 7 gezeigt, in der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen mit dem supraleitenden Block 75 in einem Teil des Emittersockels 64 bereitgestellt, der mit dem Saphirsockel 52 verbunden ist. Der ringförmige Elektromagnet 72 ist um den supraleitenden Block herum angeordnet und mit dem Stützelement 73 an dem Vakuumbehälter befestigt. Zuerst wird der Elektromagnet bei einer Temperatur betrieben, bei der kein supraleitender Zustand erreicht wird. Wenn die Emitterspitze gekühlt wird, wird der supraleitende Block in den supraleitenden Zustand versetzt. Schließlich tritt in dem supraleitenden Block ein so genannter Pinning-Effekt der Fixierung des Magnetfelds von dem Elektromagneten auf. Der supraleitende Block 75 und der ringförmige Elektromagnet 72 sind in berührungsloser Weise fixiert, und die Schwingung der am Ende des supraleitenden Blocks 75 angebrachten Emitterspitze wird verhindert. Die Position des ringförmigen Elektromagneten kann von der Außenseite des Vakuumbehälters eingestellt werden, und die Position der Emitterspitze kann eingestellt werden. Der supraleitende Block und der ringförmige Elektromagnet sind nicht in Berührung miteinander, und es wird keine Wärme durch Wärmeleitung auf die Emitterspitze übertragen. Folglich kommt es zu dem Effekt, dass die Emitterspitze bei sehr niedriger Temperatur gehalten wird und der Strom von der Emitterspitze erhöht werden kann.
  • Wenn der Elektromagnet nach der vorliegenden Erfindung durch eine supraleitende Spule gebildet ist, wird die Emitterspitze durch ein stärkeres Magnetfeld sicher fixiert. Anstelle des ringförmigen Elektromagneten kann ein Permanentmagnet um den supraleitenden Block herum angeordnet werden.
  • Mehrere Elektromagnete können um den supraleitenden Block 75 herum angeordnet werden. Durch Regelung der Magnetfeldintensität der mehreren Elektromagneten kann die Position der Emitterspitzenhalterung gesteuert werden.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann nach der vorliegenden Erfindung durch Erzeugen eines Ionenstrahls mit einem sehr geringen Durchmesser und Verhinderung der Schwingung der Emitterspitze eine hochauflösende Beobachtung einer Probenoberfläche realisiert werden. Weil der Luftabschluss in der Ionisationskammer in der Ionenquelle hoch ist und weil der Vakuumgrad auf der Außenseite der Ionisationskammer hoch ist, ist das Verhältnis niedrig, mit dem der Ionenstrahl mit dem Gas im Vakuum kollidiert und neutralisiert wird. Daher wird ein Effekt dahingehend erzielt, dass eine Probe mit einem Ionenstrahl mit hohem Strom bestrahlt werden kann. Die Anzahl der Heliumgasmoleküle mit hoher Temperatur, die mit der Extraktionselektrode kollidieren, nimmt ab, die Kühltemperatur der Emitterspitze und der Extraktionselektrode kann verringert werden und der Effekt wird erzielt, dass eine Probe mit einem Ionenstrahl mit hohem Strom bestrahlt werden kann.
  • Wird die Nanopyramide durch ein unerwartetes Entladungsphänomen oder dergleichen beschädigt, wird die Emitterspitze für etwa 30 Minuten erwärmt (etwa 1.000 °C). Durch den Betrieb kann die Nanopyramide reproduziert werden. Das heißt, die Emitterspitze kann ohne weiteres repariert werden. Folglich kann ein praktisches Ionenmikroskop realisiert werden.
  • Der Abstand zwischen der Spitze der Objektivlinse 8 und der Oberfläche der Probe 9 wird als Arbeitsabstand bezeichnet. Ist der Arbeitsabstand auf einen Wert von weniger als 2 mm in der Ionenstrahlvorrichtung eingestellt, wird die Auflösung geringer als 0,2 nm und die Super- oder Überauflösung wird realisiert. Weil üblicherweise ein Galliumion oder dergleichen verwendet wird, gibt es Bedenken, dass Sputterteilchen von der Probe die Objektivlinse verunreinigen und der normale Betrieb beeinträchtigt wird. Bei dem Ionenmikroskop nach der vorliegenden Erfindung sind diese Bedenken geringer, und die Superauflösung kann realisiert werden.
  • Bei der Gasfeldionenquelle und der Ionenstrahlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird, wie vorstehend beschrieben, die Schwingung von der Kühlvorrichtung nicht ohne weiteres auf die Emitterspitze übertragen. Weil der Mechanismus zum Fixieren des Emittersockels vorgesehen ist, wird das Schwingen der Emitterspitze verhindert, und die hochauflösende Beobachtung wird ermöglicht.
  • Weiter nimmt bei der Gasfeldionenquelle nach der vorliegenden Erfindung durch ausreichende Reduzierung der Öffnung 27 in der Extraktionselektrode 24 die Dichtleistung der Ionisationskammer zu, und ein hoher Gasdruck in der Ionisationskammer kann realisiert werden. Folglich wird eine Ionenemission mit hohem Strom realisiert.
  • Bei der Gasfeldionenquelle nach der vorliegenden Erfindung ist der Wärmeleitpfad von der Kühlvorrichtung 4 zur Emitterspitze 21 vorgesehen, so dass eine sehr niedrige Temperatur des Emitters realisiert werden kann. Folglich wird ein Ionenstrahl mit hohem Strom erhalten. Bei der Gasfeldionenquelle nach der Erfindung weisen die Extraktionselektrode eine feste Struktur und die Emitterspitze eine bewegliche Struktur auf, und die Emitterspitze und die Extraktionselektrode sind über ein verformbares Material miteinander verbunden. Daher können eine einfachere Einstellung der Achse der Emitterspitze und ein stärkerer Ionenstrom realisiert werden.
  • Unter Bezugnahme auf 10 wird ein zweites Beispiel des Ionenmikroskops nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Ionenmikroskop nach dem zweiten Beispiel unterscheidet sich von dem ersten Beispiel im Hinblick auf den Aufbau der Kühlvorrichtung 4 für die Gasfeldionenquelle 1. Die Kühlvorrichtung 4 wird jetzt beschrieben. Die Kühlvorrichtung 4 nach dem zweiten Beispiel weist eine Vakuumkammer 81 und einen Kühltank 82 auf. Die Vakuumkammer 81 wird durch einen Vakuumbehälter mit einem Kühltank 82 darin gebildet. Die Vakuumkammer 81 und der Kühltank 82 stehen nicht in Berührung miteinander. Daher werden Schwingungen und Wärme zwischen der Vakuumkammer 81 und dem Kühltank 82 kaum übertragen.
  • Der Kühltank 82 weist eine Evakuierungsöffnung 83 auf. Die Evakuierungsöffnung 83 ist mit einer nicht gezeigten Vakuumpumpe verbunden. Der Kühlungsleitstab 53 aus Kupfer ist in ähnlicher Weise wie bei dem in 3 gezeigten ersten Beispiel mit dem Kühltank 82 verbunden. Wie bei der in 3 und 4 gezeigten Kühlvorrichtung wird auch bei dem zweiten Beispiel ein Wärmeleitpfad durch die Emitterspitze 21, den Saphirsockel 52, den Kupferlitzendraht 54, den Kühlungsleitstab 53 und den Kühltank 82 gebildet. In gleicher Weise wird ein Wärmeleitpfad durch die Extraktionselektrode 24, den Saphirsockel 55, den Kupferlitzendraht 56, den Kühlungsleitstab 53 und den Kühltank 82 gebildet. Der Kupferlitzendraht 54 weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Das Material ist nicht auf Kupfer beschränkt, sondern ein Element wie zum Beispiel Silberlitzendraht kann ebenfalls verwendet werden, solange es flexibel ist und Schwingungen nicht ohne weiteres übertragt.
  • Zuerst wird flüssiger Stickstoff in den Kühltank 82 eingeleitet, um die Innenseite des Kühltanks über die Evakuierungsöffnung 83 zu evakuieren. Dies senkt die Temperatur des flüssigen Stickstoffs. Der flüssige Stickstoff verfestigt sich und wird zu festen Stickstoff 84.
  • Nachdem sich der flüssige Stickstoff vollständig verfestigt hat, wird in dem Beispiel die an die Evakuierungsöffnung 83 angeschlossene Vakuumpumpe abgeschaltet, und ein Ionenstrahl wird von der Emitterspitze 21 erzeugt. Wenn die Vakuumpumpe abgeschaltet wird, treten keine mechanische Schwingungen der Vakuumpumpe auf.
  • Beim Erzeugen eines Ionenstrahls wird Wärme über den Wärmeleitpfad übertragen, der die Emitterspitze 21, die Extraktionselektrode 24 und den Kühltank 82 verbindet. Der feste Stickstoff im Kühltank 82 sublimiert oder schmilzt. In dem Beispiel kann zum Kühlen der Emitterspitze 21 und der Extraktionselektrode 24 latente Wärme wie zum Beispiel Sublimationswärme oder Schmelzwärme verwendet werden.
  • Bevor der gesamte feste Stickstoff flüssig wird und zu sieden beginnt, wird die an die Evakuierungsöffnung 83 angeschlossene Vakuumpumpe eingeschaltet, um den Kühltank 82 zu evakuieren. Durch den Betrieb sinkt die Temperatur des flüssigen Stickstoffs und er verfestigt sich. Nachdem sich der gesamte flüssige Stickstoff verfestigt hat, wird die an die Evakuierungsöffnung 83 angeschlossene Vakuumpumpe abgeschaltet. Durch Wiederholen des Vorgangs kann die Temperatur des Stickstoffs im Kühltank 82 immer im Bereich des Schmelzpunktes von Stickstoff gehalten werden. Die Temperatur des Stickstoffs im Kühltank 82 ist immer niedriger als der Siedepunkt. Daher treten keine durch das Sieden des flüssigen Stickstoffs verursachten Schwingungen auf. Auf diese Weise verursacht die Kühlvorrichtung in dem Beispiel keine mechanischen Schwingungen. Folglich ist eine hochauflösende Beobachtung möglich.
  • In dem Beispiel wird zur Steuerung des Betriebs der an die Evakuierungsöffnung 83 angeschlossenen Vakuumpumpe die Temperatur des Stickstoffs im Kühltank 82 gemessen. Erreicht die Temperatur des Stickstoffs zum Beispiel eine bestimmte Temperatur über dem Schmelzpunkt, wird die an die Evakuierungsöffnung 83 angeschlossene Vakuumpumpe eingeschaltet. Erreicht die Temperatur des Stickstoffs eine bestimmte Temperatur unter dem Schmelzpunkt, wird die an die Evakuierungsöffnung 83 angeschlossene Vakuumpumpe abgeschaltet. Anstelle der Temperatur des Stickstoffs im Kühltank 82 kann der Vakuumgrad gemessen werden, und der Betrieb der an die Evakuierungsöffnung 83 angeschlossenen Vakuumpumpe kann entsprechend dem gemessenen Vakuumgrad gesteuert werden.
  • In dem Beispiel wird durch Evakuieren des Kühltanks 82 der flüssige Stickstoff im Kühltank 82 gekühlt. Dabei wird jedoch gasförmiger Stickstoff abgesaugt, und der Stickstoff nimmt im Lauf der Zeit ab. Durch Verwendung des Kühlaggregats kann der feste Stickstoff im Kühltank 82 gekühlt werden. Als Ergebnis kann die Abnahme des Stickstoffs verhindert werden. Vorzugsweise wird während des Betriebs des Kühlaggregats die Erzeugung eines Ionenstrahls durch die Gasfeldionenquelle 1 gestoppt. Das heißt, mit der Ionenquelle nach der Ausführungsform wird ein Ionenmikroskop bereitgestellt, das eine Verringerung der mechanischen Schwingungen realisiert und die hochauflösende Beobachtung ermöglicht.
  • Über dem auf dem Boden 20 angebrachten Vorrichtungsgestell 17 ist die Grundplatte 18 mittels der Vorrichtung 19 zur Verhinderung von Schwingungen angebracht. Die Grundplatte 18 trägt die Gasfeldionenquelle 1, die Säule 2 und die Probenkammer 3.
  • Das Vorrichtungsgestell 17 ist mit einem Stützpfeiler 85 versehen. Auf dem Stützpfeiler 85 ist die Evakuierungsöffnung 83 des Kühltanks 82 gelagert. Der Stützpfeiler 85 und die Vakuumkammer 81 sind über einen Balg 86 miteinander verbunden. Die Grundplatte 18 ist mit einem Stützpfeiler 87 versehen. Die Vakuumkammer 81 ist auf dem Stützpfeiler 87 gelagert und hängt gleichzeitig über den Balg 86 am Stützpfeiler 85.
  • Der Balg 86 verringert die Übertragung hochfrequenter Schwingungen. Auch wenn Schwingungen vom Boden 20 über das Vorrichtungsgestell 17 auf den Stützpfeiler 85 übertragen werden, werden sie daher durch den Balg 86 verringert. Folglich werden über den Stützpfeiler 85 kaum Schwingungen vom Boden 20 auf die Vakuumkammer 81 übertragen. Die Schwingungen vom Boden 20 werden auf das Vorrichtungsgestell 17 übertragen. Die Schwingungen vom Boden 20 werden jedoch durch die Vorrichtung 19 zur Verhinderung von Schwingungen kaum auf die Grundplatte 18 übertragen. Daher werden die Schwingungen vom Boden 20 über den Stützpfeiler 87 kaum auf die Vakuumkammer 81 übertragen.
  • Wie vorstehend beschrieben, werden in dem Beispiel Schwingungen vom Boden 20 nicht auf die Vakuumkammer 81 und den Kühltank 82 übertragen. Daher werden die Schwingungen vom Boden 20 über die Kühlvorrichtung 4 nicht auf die Gasfeldionenquelle 1, die Ionenstrahl-Bestrahlungssystemsäule 2 und die Probenkammer 3 übertragen.
  • In einigen herkömmlichen Verfahren werden die Schwingungen eines Tanks mit flüssigem Stickstoff berücksichtigt. Die Übertragung der Schwingungen des Tanks auf die Vakuumkammer und ein Einfluss der Schwingungen auf einen Ionenstrahl sind aber nicht hinreichend untersucht. Nach der vorliegenden Erfindung werden die Schwingungen des Kühltanks 82 nicht ohne weiteres auf die Vakuumkammer 81 übertragen. Weil die Schwingungen vom Boden 20 über die Vakuumkammer 81 und den Kühltank 82 verringert werden, wird ein hochauflösendes Ionenstrahlmikroskop bereitgestellt.
  • Obwohl in dem Beispiel Stickstoff in den Kühltank 82 gefüllt wird, können auch Neon, Sauerstoff, Argon, Methan, Wasserstoff oder dergleichen mit Ausnahme von Stickstoff verwendet werden. Insbesondere bei Verwendung von festem Neon kann eine niedrige Temperatur realisiert werden, die geeignet ist, um einen Helium- oder Wasserstoff-Ionenstrahl mit hohem Strom zu erzeugen.
  • 11 zeigt die Emitterspitzen-Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen nach der Ausführungsform. Bei der Ausführungsform ist eine Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen, in der eine Vielzahl von Permanentmagneten 530 angeordnet ist, in einem Teil des Emittersockels 64 vorgesehen. Ein supraleitender Block 531 ist um die Permanentmagnete 530 herum angeordnet und an der Seitenwand 28 der Ionisationskammers befestigt. Da die Emitterspitze, das heißt die Ionisationskammer gekühlt wird, wird der supraleitende Block 531 in einen supraleitenden Zustand versetzt. Schließlich tritt in dem supraleitenden Block ein so genannter Pinning-Effekt der Fixierung des Magnetfelds von dem Elektromagneten 530 auf. Der supraleitende Block 531 und der Permanentmagnet 530 sind in berührungsloser Weise fixiert, und die Schwingung der am Ende des Emittersockels 64 angebrachten Emitterspitze wird verhindert. Weil der supraleitende Block mit der Ionisationskammer-Seitenwand 28, die eine sehr niedrige Temperatur aufweist, verbunden ist, trägt die Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen keine große Wärmemenge zu der Emitterspitze bei. Folglich wird die Emitterspitze bei einer sehr niedrigen Temperatur gehalten, und es gibt einen Effekt, dass der Ionenstrahlstrom von der Emitterspitze erhöht werden kann.
  • Bei der Ausführungsform wird durch Anordnen des supraleitenden Blocks in dem Emittersockel 64 und Anordnen eines Permanentmagneten auf der Seitenwand 28 der Ionisationskammer ein ähnlicher Effekt erzielt.
  • Auch wenn nicht gezeigt, ist eine magnetische Abschirmung an der Emitterspitzenhalterung 23 angeordnet, damit das Magnetfeld des Permanentmagneten keinen Einfluss auf die Kreisbahn des Ionenstrahls hat. Als Ergebnis können sowohl die Verhinderung von Schwingungen der Emitterspitze als auch die Nichtbeeinflussung der Kreisbahn des Ionenstrahls realisiert werden.
  • Wie vorstehend beschrieben, werden bei der Gasfeldionenquelle und der Ionenstrahlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung Schwingungen nicht ohne weiteres von der Kühlvorrichtung auf die Emitterspitze übertragen. Weil der Mechanismus zum Fixieren des Emittersockels vorgesehen ist, wird das Schwingen der Emitterspitze verhindert, und die hochauflösende Beobachtung wird realisiert.
  • Unter Bezugnahme auf 12 wird ein drittes Beispiel des Ionenmikroskops nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das Ionenmikroskop nach dem dritten Beispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten ersten Beispiel im Hinblick auf den Aufbau der Kühlvorrichtung 4 für die Gasfeldionenquelle 1. Die Kühlvorrichtung 4 wird jetzt beschrieben. Die Kühlvorrichtung 4 nach dem dritten Beispiel ist vom Heliumkreislauftyp.
  • Die Kühlvorrichtung 4 in dem Beispiel kühlt Heliumgas als Kältemittel mit einem Kühlaggregat 401 vom GM-Typ und Wärmeaustauschern 402, 405, 410 und 414 und lässt das Gas durch eine Kompressoreinheit 400 zirkulieren. Das von einem Kompressor 403 verdichtete Heliumgas mit einem Druck von 0,9 MPa und einer Temperatur von 300 K bei Normaltemperatur strömt über ein Rohr 409 in den Wärmeaustauscher 402, durchläuft einen Wärmeaustausch mit einem zurückströmenden Heliumgas niedriger Temperatur, das nachstehend beschrieben wird, und wird auf eine Temperatur von etwa 60 K gekühlt. Das gekühlte Heliumgas wird durch ein Rohr 403 in einem isolierten Wärmeaustauschrohr 404 transportiert und strömt in den nahe der Gasfeldionenquelle 1 angeordneten Wärmeaustauscher 405. Ein thermisch mit dem Wärmeaustauscher 405 integrierter Wärmeleiter 406 wird auf eine Temperatur von etwa 65 K gekühlt und kühlt das vorstehend beschriebene Strahlungsschutzschild und dergleichen. Das erwärmte Heliumgas strömt aus dem Wärmeaustauscher 405, strömt über das Rohr 407 in den thermisch mit einer ersten Kühlstufe 408 in dem Kühlaggregat 401 vom GM-Typ integrierten Wärmeaustauscher 409, wird auf eine Temperatur von etwa 50 K gekühlt und strömt in den Wärmeaustauscher 410. Das Heliumgas durchläuft einen Wärmeaustausch mit einem zurückströmenden Heliumgas niedriger Temperatur, das nachstehend beschrieben wird, und wird auf eine Temperatur von etwa 15 K gekühlt. Danach strömt das gekühlte Gas in einen thermisch mit einer zweiten Kühlstufe 402 in dem Kühlaggregat 401 vom GM-Typ integrierten Wärmeaustauscher 412, wird auf eine Temperatur von etwa 9 K gekühlt, durch ein Rohr 413 in dem Wärmeaustauschrohr 404 transportiert, strömt in den nahe der Gasfeldionenquelle 1 angeordneten Wärmeaustauscher 414 und kühlt den Kühlungsleitstab 53, der als Wärmeleiter thermisch mit dem Wärmeaustauscher 414 verbunden ist, auf eine Temperatur von etwa 10 K. Das durch den Wärmeaustauscher 414 erwärmte Heliumgas strömt über ein Rohr 415 nacheinander in die Wärmeaustauscher 410 und 402, durchläuft einen Wärmeaustausch mit dem vorstehend beschriebenen Heliumgas auf eine Temperatur von etwa 275 K bei nahezu normaler Temperatur, und das resultierende Gas wird von der Kompressoreinheit 400 über das Rohr 415 gesammelt. Der vorstehend beschriebene Tieftemperaturteil ist in einem Vakuumisoliergefäß 416 untergebracht und, auch wenn nicht gezeigt, adiabatisch mit dem Wärmeaustauschrohr 404 verbunden. Auch wenn nicht gezeigt, verhindert der Tieftemperaturteil das Eindringen von Wärme durch Strahlungswärme von einem Raumtemperaturteil durch eine Strahlungsschutzschildplatte, ein mehrlagiges Isoliermaterial oder dergleichen in dem Vakuumisoliergefäß 416.
  • Das Wärmeaustauschrohr 404 ist durch den Boden 20 oder ein auf dem Boden 20 angebrachtes Stützelement 417 sicher befestigt. Obwohl nicht gezeigt, sind die Rohre 403, 407, 413 und 415, die durch ein Wärmeisolierelement aus glasfaserverstärktem Kunststoff als Wärmeisoliermaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit fest in dem Wärmeaustauschrohr 404 gelagert sind, auch am Boden 20 fest abgestützt. Nahe der Gasfeldionenquelle 1 ist das Wärmeaustauschrohr 404 durch die Grundplatte 18 fest gelagert. Obwohl nicht gezeigt, sind in gleicher Weise die Rohre 403, 407, 413 und 415, die durch ein Wärmeisolierelement aus glasfaserverstärktem Kunststoff als Wärmeisoliermaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit fest in dem Wärmeaustauschrohr 404 gelagert sind, auch durch die Grundplatte 18 fest abgestützt.
  • Die Kühlvorrichtung weist eine Kälteerzeugungseinrichtung auf, die Kälte erzeugt, indem zuerst ein von der Kompressoreinheit 16 erzeugtes Hochdruckgas expandiert wird, und eine Kühlvorrichtung zum Kühlen mit der Kälte der Kälteerzeugungseinrichtung und zum Kühlen eines zu kühlenden Elements mit einem Heliumgas als ein zweites umlaufendes Kältemittel, das von der Kompressoreinheit 400 umgewälzt wird.
  • Der Kühlungsleitstab 53 ist über den verformbaren Kupferlitzendraht 54 und den Saphirsockel mit der Emitterspitze 21 verbunden. Als Ergebnis wird die Kühlung der Emitterspitze 21 realisiert. In der Ausführungsform ist das Kühlaggregat vom GM-Typ eine Ursache von Schwingungen des Bodens. Die Gasfeldionenquelle 1, die Ionenstrahl-Bestrahlungssystemsäule 2, die Vakuumprobenkammer 3 und dergleichen sind jedoch getrennt von dem GM-Kühlaggregat angeordnet. Weiter sind die Rohre 403, 407, 413 und 415, die mit den nahe der Gasfeldionenquelle 1 angeordneten Wärmeaustauschern 405 und 414 verbunden sind, durch den Boden 20 und die Grundplatte 18, die kaum schwingen, fest abgestützt und schwingen nicht. Darüber hinaus sind sie gegenüber dem Boden schwingungsgedämpft, so dass ein System mit sehr geringer Übertragung von mechanischen Schwingungen erhalten wird.
  • Um jedoch die spezifischen Besonderheiten der Ionenquelle optimal zu nutzen, wird die folgende in 11 gezeigte Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen bereitgestellt. Permanentmagnete sind an mehreren Stellen am Rand des Emittersockels angeordnet, und ein supraleitender Block ist um die Permanentmagnete herum angeordnet. Der supraleitende Block ist an der Seitenwand der Ionisationskammer befestigt. In diesem Fall geht der supraleitende Block in einen supraleitenden Zustand, wenn die Ionisationskammer gekühlt wird.
  • Zuerst wird die Position der Emitterspitze bei einer Temperatur eingestellt, bei der kein supraleitender Zustand erreicht wird. Wenn die Emitterspitze gekühlt wird, wird der supraleitende Block in den supraleitenden Zustand versetzt. Schließlich tritt in dem supraleitenden Block ein so genannter Pinning-Effekt der Fixierung des Magnetfelds von den Permanentmagneten auf. Die Emitterspitzenhalterung, in der die Permanentmagnete angeordnet sind, ist in berührungsloser Weise fixiert, und die Schwingung der am Ende der Emitterspitzenhalterung angebrachten Emitterspitze wird verhindert. Weil der supraleitende Block mit der Ionisationskammer-Seitenwand 28, die eine sehr niedrige Temperatur aufweist, verbunden ist, trägt die Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen keine große Wärmemenge zu der Emitterspitze bei. Folglich wird die Emitterspitze bei einer sehr niedrigen Temperatur gehalten, und es gibt einen Effekt, dass der Ionenstrahlstrom von der Emitterspitze erhöht werden kann. Durch Anordnen des supraleitenden Blocks in dem Emittersockel, Anordnen von Permanentmagneten rund um den supraleitenden Block und Befestigen der Permanentmagneten an der Seitenwand der Ionisationskammer wird ein ähnlicher Effekt erhalten.
  • Wie vorstehend beschrieben, werden bei der Gasfeldionenquelle und der Ionenstrahlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung Schwingungen von der Kühlvorrichtung nicht ohne weiteres auf die Emitterspitze übertragen. Weil der Mechanismus zum Fixieren des Emittersockels vorgesehen ist, wird das Schwingen der Emitterspitze verhindert, und die hochauflösende Beobachtung wird realisiert.
  • Weiter haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass Geräusche des Kompressors 16 oder 400 die Gasfeldionenquelle 1 schwingen lassen und die Auflösung verschlechtern. Folglich ist in dem Beispiel ein Deckel 417 zur räumlichen Trennung des Kompressors und der Gasfeldionenquelle vorgesehen. Mit dem Deckel 417 kann der Einfluss von Schwingungen aufgrund der Geräusche des Kompressors verringert werden. Als Ergebnis wird die hochauflösende Beobachtung realisiert. Auch bei den in 1, 7 und 8 gezeigten Beispielen kann ein Deckel vorgesehen werden, um den Einfluss von Schwingungen aufgrund der Geräusche des Kompressors zu verringern.
  • Obwohl das zweite Heliumgas in der Ausführungsform mit dem Heliumkompressor 400 umgewälzt wird, wird ein ähnlicher Effekt erzielt, indem, auch wenn nicht gezeigt, die Rohre 111 und 112 des Heliumkompressors 16 über ein Durchflussregelventil und die Rohre 409 und 416 ebenfalls über ein Durchflussregelventil miteinander verbunden werden, umlaufendes Heliumgas als zweites Heliumgas, das Teil des Heliumgases aus dem Heliumkompressor 16 ist, in das Rohr 409 eingeleitet wird und das Gas über das Rohr 416 von dem Heliumkompressor 16 gesammelt wird.
  • Obwohl in dem Beispiel das Kühlaggregat 40 vom GM-Typ verwendet wird, kann an seiner Stelle auch ein Pulsrohr- oder Stirling-Kühlaggregat verwendet werden. Obwohl das Kühlaggregat in dem Beispiel zwei Kühlstufen aufweist, kann das Kühlaggregat auch nur eine einzelne Kühlstufe aufweisen. Die Anzahl der Kühlstufen ist nicht begrenzt. Wenn zum Beispiel ein Kühlaggregat mit Heliumkreislauf mit einer klein dimensionierten Stirling-Kühlung mit einer Kühlstufe verwendet wird, deren niedrigste Kühltemperatur 50 K beträgt, kann eine kompakte, preiswerte Ionenstrahlvorrichtung realisiert werden. In diesem Fall kann Neongas oder Wasserstoff anstelle von Heliumgas verwendet werden.
  • Unter Bezugnahme auf 13A und 13B wird ein viertes Beispiel des Ionenmikroskops nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Aufbau einer Ionisationskammer einer Gasfeldionenquelle wird jetzt beschrieben. Die Ausführungsform ist durch die Verdrahtungsstruktur der Ionisationskammer gekennzeichnet. Die Gasfeldionenquelle weist eine Heizelement-Stromquelle 134 zum Erwärmen der Emitterspitze 21, eine Hochspannungsstromquelle 135 zum Anlegen der Beschleunigungsspannung zur Beschleunigung der Ionen an die Emitterspitze 21, eine Extraktionsstromquelle 141 zum Anlegen der Extraktionsspannung zur Extraktion der Ionen an die Extraktionselektrode 24 und eine Heizelement-Stromquelle 142 zum Erwärmen des Widerstandsheizelements 30 auf.
  • Die Heizelement-Stromquellen 134 und 143 können auf 10 V eingestellt werden, die Hochspannungsstromquelle 135 auf 30 kV und die Extraktionsstromquelle 141 auf 3 kv.
  • Wie in 13B gezeigt, sind das Filament 22 und die Hochspannungsstromquelle 135 über eine dicke Leitung 133 aus Kupfer und eine dünne Leitung 136 aus einem Hochtemperatur-Supraleitermaterial verbunden. Das Filament 22 und die Heizelement-Stromquelle 134 sind über die dicke Leitung 133 aus Kupfer miteinander verbunden. Das Widerstandsheizelement 30 und die Heizelement-Stromquelle 142 sind über eine dünne Leitung 138 aus Kupfer und eine dünne Leitung 139 aus einem Hochtemperatur-Supraleitermaterial miteinander verbunden. Die Extraktionselektrode 24 und das Widerstandsheizelement 30 weisen dasselbe Potenzial auf.
  • Die dicke Leitung 133 aus Kupfer ist mit einer Trennvorrichtung 137 versehen. Die Trennvorrichtung 137 weist einen beweglichen Mechanismus auf und bewegt sich zwischen zwei Positionen - einer Trennposition, in der die dicke Leitung 133 aus Kupfer von dem Filament 22 abgetrennt ist, und eine Verbindungsposition, in der die dicke Leitung 133 aus Kupfer mit dem Filament 22 verbunden ist. Die dicke Leitung 138 aus Kupfer ist mit einer Trennvorrichtung 140 versehen. Die Trennvorrichtung 140 weist einen beweglichen Mechanismus auf und bewegt sich zwischen Positionen - einer Trennposition, in der die dicke Leitung 138 aus Kupfer von dem Widerstandsheizelement 30 abgetrennt ist, und eine Verbindungsposition, in der die dicke Leitung 138 aus Kupfer mit dem Widerstandsheizelement 30 verbunden ist. 13A zeigt einen Zustand, in dem sich beide Trennvorrichtungen 137 und 140 in den Verbindungspositionen befinden, und 13B zeigt einen Zustand, in dem sich beide Trennvorrichtungen 137 und 140 in den Trennpositionen befinden. Wenn die Trennvorrichtungen 137 und 140 in den Trennpositionen sind, kann verhindert werden, dass über die dicken Leitungen 133 bzw. 139 aus Kupfer Wärme in das Filament 22 und die Extraktionsstromquelle 141 fließt. Die Trennvorrichtungen 137 und 140 können von der Außenseite des Vakuumbehälters betätigt werden.
  • In dem Beispiel ist ein Schaltventil zum Öffnen/ Schließen der Ionisationskammer 15 vorgesehen. Das Schaltventil weist ein Abdeckelement 34 auf. 13A zeigt einen Zustand, in dem das Abdeckelement 34 geöffnet ist, und 13B zeigt einen Zustand, in dem das Abdeckelement 34 geschlossen ist.
  • Der Betrieb der Gasfeldionenquelle in dem Beispiel wird beschrieben. Zuerst wird, wie in 13A gezeigt, eine Grobabsaugung in einem Zustand durchgeführt, in dem das Abdeckelement 34 der Ionisationskammer 15 geöffnet ist. Weil das Abdeckelement 34 der Ionisationskammer 15 geöffnet ist, wird die Grobabsaugung der Ionisationskammer 15 in kurzer Zeit abgeschlossen.
  • Danach wird durch Erwärmen der Extraktionselektrode 24, der Seitenwand 28 und der oberen Platte 29 mit dem Widerstandsheizelement 30 auf der Außenseite der Seitenwand der Ionisationskammer 15 ein Entgasungsvorgang durchgeführt. Nach Abschluss des Entgasungsvorgangs wird, wie in 13B gezeigt, die Trennvorrichtung 140 in die Trennposition gebracht. Auf diese Weise wird verhindert, dass über die dicke Leitung 138 aus Kupfer Wärme in die Ionisationskammer 15 fließt.
  • Das Abdeckelement 34 der Ionisationskammer 15 ist geschlossen, und Helium wird aus dem Gaszufuhrrohr 25 zugeführt. Hochspannung wird an die Emitterspitze 21 angelegt, und die Extraktionsspannung wird an die Extraktionselektrode 24 angelegt. Wenn ein Ionenstrahl aus dem Ende der Emitterspitze 21 erzeugt wird, wird die Trennvorrichtung 137 in die Trennposition gebracht. Auf diese Weise wird verhindert, dass über die dicke Leitung 133 aus Kupfer Wärme in die Ionisationskammer 15 fließt. Befindet sich die Trennvorrichtung 137 in der Trennposition, wird die Beschleunigungsspannung von der Hochspannungsstromquelle 135 nicht über die dicke Leitung 133 aus Kupfer an das Filament 22 angelegt, sondern wird über die dünne Leitung 137 aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial an das Filament 22 angelegt. Befindet sich die Trennvorrichtung 140 in der Trennposition, wird die Extraktionsspannung von der Extraktionsstromquelle 141 nicht über die dicke Leitung 138 aus Kupfer an die Extraktionsstromquelle 141 angelegt, sondern wird über die dünne Leitung 139 aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial an das Filament 22 angelegt. Das Filament 22 und die Extraktionsstromquelle 141 sind immer mit den dünnen Leitungen 136 bzw. 139 aus einem Hochtemperatur-Supraleitermaterial verbunden. Daher besteht die Möglichkeit, dass über die dünnen Leitungen 136 und 139 aus Edelstahl Wärme in die Ionisationskammer 15 fließt. Der Querschnitt der dünnen Leitungen 136 und 139 aus Edelstahl ist jedoch hinreichend klein, so dass die über die dünnen Leitungen 136 und 139 aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial übertragene Wärmemenge hinreichend gering ist.
  • Mit der Verdrahtungsstruktur in dem Beispiel kann der Wärmezustrom aus dem Kupferdraht in die Ionisationskammer 15 verhindert werden. Folglich können die Emitterspitze und die Extraktionselektrode auf der gewünschten Temperatur gehalten werden. Das heißt, eine Verbesserung der Helligkeit der Ionenquelle und ein höherer Strom des Ionenstrahls können erreicht werden. Außerdem wird die hochauflösende Beobachtung realisiert.
  • Obwohl in der Ausführungsform die dicke Leitung aus Kupfer verwendet wird, kann auch ein ultrafeiner Draht aus Hochtemperatur-Supraleitermaterial verwendet werden. In diesem Fall ist der elektrische Widerstand bei sehr niedrigen Temperaturen sehr gering, so dass der ultrafeine Draht ausreicht, um den Filamentstrom weiterzuleiten. Ein Effekt dahingehend wird erzielt, dass der Wärmezustrom zur Ionisationskammer 15 vermieden werden kann, auch wenn der Draht nicht mit der Trennvorrichtung abgetrennt wird.
  • In dem Beispiel kann durch Ausrüsten der Ionisationskammer 15 mit dem Abdeckelement 34, auch wenn die Abmessung der Öffnung in der Extraktionselektrode verringert wird, die Leitfähigkeit zum Zeitpunkt der Grobabsaugung erhöht werden. Durch Verringern der Abmessung der Öffnung in der Extraktionselektrode kann die Dichtleistung der Ionisationskammer 15 erhöht werden. Hiermit wird ein höheres Vakuum in der Ionisationskammer 15 realisiert, und ein Ionenstrahl mit höherem Strom kann erhalten werden.
  • Die vorstehend beschriebene Verdrahtungsstruktur kann auch bei den in 1, 10 und 12 gezeigten Beispielen angewendet werden.
  • Das vorstehend beschriebene Rästerionenmikroskop erhält ein Abtastionenbild, indem es eine Abtastung mit einem Ionenstrahl durch die Ionenstrahlabtastelektrode durchführt. In diesem Fall neigt sich jedoch der Ionenstrahl, wenn er die Ionenlinse durchsetzt, so dass der Ionenstrahl verzerrt wird. Folglich besteht ein Problem darin, dass der Strahldurchmesser groß ist. Anstelle der Durchführung der Abtastung mit dem Ionenstrahl kann der Probentisch zum Abtasten in zwei orthogonalen Richtungen mechanisch bewegt werden. In diesem Fall kann durch Erfassen von aus einer Probe freigesetzten Sekundärteilchen und Durchführen einer Helligkeitsmodulation an den Sekundärteilchen ein Abtastionenbild auf der Bildanzeigeeinrichtung eines Computerprozessors erhalten werden. Das heißt, eine hochauflösende Beobachtung von weniger als 0,5 nm einer Probenoberfläche wird realisiert. In diesem Fall kann ein Ionenstrahl immer in derselben Richtung bezogen auf die Objektivlinse gehalten werden, so dass die Verzerrung des Ionenstrahls relativ klein ist.
  • Dies kann realisiert werden, indem zum Beispiel ein Probentisch verwendet wird, der durch Kombination einer ersten und einer zweiten Bühne erhalten wird. Die erste Bühne ist eine in vier Achsen bewegliche Bühne, die um wenige Zentimeter bewegt werden kann und sich zum Beispiel in zwei senkrechten Richtungen (X- und Y-Richtungen) einer Ebene und in einer Höhenrichtung (Z-Richtung) sowie schräg (T-Richtung) bewegen kann. Die zweite Bühne ist eine biaxial bewegliche Bühne, die um wenige Mikrometer bewegt werden kann und sich zum Beispiel in zwei senkrechten Richtungen (X- und Y-Richtungen) einer Ebene bewegen kann.
  • Der Probentisch ist zum Beispiel so aufgebaut, dass die von einem Piezoelement angetriebene zweite Bühne auf der von einem Elektromotor angetriebenen ersten Bühne angeordnet ist. Beim Abrufen einer Probenbeobachtungsposition oder dergleichen wird die Probe mit der ersten Bühne bewegt. Bei der hochauflösenden Beobachtung erfolgt die Feinbewegung der Probe mit der zweiten Bühne. Mit dem Aufbau wird ein Ionenmikroskop bereitgestellt, das für eine ultrahoch auflösende Beobachtung geeignet ist.
  • Das Rasterionenmikroskop ist vorstehend als ein Beispiel der Ionenstrahlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Die Ionenstrahlvorrichtung nach der Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf das Rasterionenmikroskop, sondern kann auch auf ein Transmissions-Ionenmikroskop und eine Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung angewendet werden.
  • Als Nächstes wird die Vakuumpumpe 12 zum Evakuieren der Gasfeldionenquelle beschrieben. Die Vakuumpumpe 12 ist vorzugsweise aus einer Kombination einer nicht verdampfbaren Getter-Pumpe und einer Ionenpumpe, einer Kombination einer nicht verdampfbaren Getter-Pumpe und einer Edelgaspumpe oder einer Kombination einer nicht verdampfbaren Getter-Pumpe und einer Excel-Pumpe aufgebaut. Eine Sublimationspumpe kann ebenfalls verwendet werden. Es ist festgestellt worden, dass durch Verwendung einer dieser Pumpen der Einfluss von Schwingungen der Vakuumpumpe 12 verringert werden kann und eine hochauflösende Beobachtung realisiert wird. Es ist festgestellt worden, dass bei Verwendung einer Turbomolekularpumpe als Vakuumpumpe 12 die Schwingungen der Turbomolekularpumpe manchmal die Beobachtung einer Probe mit einem Ionenstrahl stören. Es ist auch festgestellt worden, dass selbst wenn eine Turbomolekularpumpe an dem Vakuumbehälter einer der Ionenstrahlvorrichtungen angebracht ist, durch Abschalten der Turbomolekularpumpe zum . Zeitpunkt der Beobachtung einer Probe mit einem Ionenstrahl eine hochauflösende Beobachtung möglich ist. Das heißt, nach der vorliegenden Erfindung wird, obwohl eine Hauptevakuierungspumpe zum Zeitpunkt der Beobachtung einer Probe mit einem Ionenstrahl aus einer Kombination einer nicht verdampfbaren Getter-Pumpe und einer Ionenpumpe, einer Kombination einer nicht verdampfbaren Getter-Pumpe und einer Edelgaspumpe oder einer Kombination einer nicht verdampfbaren Getter-Pumpe und einer Excel-Pumpe aufgebaut ist, selbst wenn eine Turbomolekularpumpe angebracht ist, der Zweck der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt.
  • Die nicht verdampfbare Getter-Pumpe ist eine Vakuumpumpe aus einer Legierung, die Gas absorbiert, wenn sie durch Erwärmen aktiviert wird. Bei Verwendung von Helium als Ionisationsgas der Gasfeldionenquelle liegt eine relativ große Menge Helium in dem Vakuumbehälter vor. Die nicht verdampfbare Getter-Pumpe saugt jedoch kaum Helium ab. Das heißt, die Getter-Oberfläche ist nicht durch Absorptionsgasmoleküle gesättigt. Folglich ist die Betriebszeit der nicht verdampfbaren Getter-Pumpe ausreichend lang. Dies ist ein Vorteil bei Kombination des Helium-Ionenmikroskops und der nicht verdampfbaren Getter-Pumpe. Weil das verunreinigte Gas im Vakuumbehälter abnimmt, wird auch ein Effekt erzielt, dass der Ionenfreisetzungsstrom stabil wird.
  • Obwohl die nicht verdampfbare Getter-Pumpe das Restgas außer Helium mit hoher Absauggeschwindigkeit absaugt, bleibt nur durch das Absaugen Helium in der Ionenquelle zurück. Dadurch wird der Vakuumgrad unzureichend und die Gasfeldionenquelle arbeitet nicht normal. Zur Lösung dieses Problems wird eine Ionenpumpe oder Edelgaspumpe mit hoher Absauggeschwindigkeit für inaktives Gas in Kombination mit der nicht verdampfbaren Getter-Pumpe verwendet. Wenn nur eine Ionenpumpe oder Edelgaspumpe verwendet wird, ist die Absauggeschwindigkeit unzureichend. Nach der vorliegenden Erfindung kann durch Kombination der nicht verdampfbaren Getter-Pumpe und der Ionenpumpe oder Edelgaspumpe die kompakte, preiswerte Vakuumpumpe 12 erhalten werden. Als die Vakuumpumpe 12 kann auch eine Pumpe verwendet werden, die durch Kombination einer Getter-Pumpe oder einer Titan-Sublimationspumpe erhalten wird, die Metall wie zum Beispiel Titan durch Erwärmen verdampft, Gasmoleküle mit einem Metallfilm absorbiert und absaugt.
  • Obwohl aufgrund der unzureichenden Berücksichtigung von mechanischen Schwingungen in den herkömmlichen Verfahren keine ausreichende Leistung des Ionenmikroskops erzielt wird, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Verringerung der mechanischen Schwingungen und stellt die Gasfeldionenquelle und das Ionenmikroskop bereit, mit denen eine hochauflösende Beobachtung durchgeführt werden kann.
  • Als Nächstes wird die Probenkammer-Evakuierungspumpe 13 zum Evakuieren der Probenkammer 3 beschrieben. Als Probenkammer-Evakuierungspumpe 13 kann eine Getter-Pumpe, eine Titan-Sublimationspumpe, eine nicht verdampfbare Getter-Pumpe, eine Ionenpumpe, eine Edelgaspumpe, eine Excel-Pumpe oder dergleichen verwendet werden. Es ist festgestellt worden, dass durch Verwendung einer dieser Pumpen der Einfluss von Schwingungen der Probenkammer-Evakuierungspumpe 13 verringert werden kann und eine hochauflösende Beobachtung realisiert wird.
  • Eine Turbomolekularpumpe kann als Probenkammer-Evakuierungspumpe 13 verwendet werden. Es ist jedoch aufwändig, einen Aufbau zur Verringerung der Schwingungen einer Vorrichtung zu realisieren. Es ist festgestellt worden, dass selbst wenn eine Turbomolekularpumpe in einer Probenkammer angebracht ist, durch Abschalten der Turbomolekularpumpe zum Zeitpunkt der Beobachtung einer Probe mit einem Ionenstrahl eine hochauflösende Beobachtung möglich ist. Nach der vorliegenden Erfindung ist eine Hauptevakuierungspumpe in der Probenkammer zum Zeitpunkt der Beobachtung einer Probe mit einem Ionenstrahl aus einer Kombination einer nicht verdampfbaren Getter-Pumpe und einer Ionenpumpe, einer Kombination einer nicht verdampfbaren Getter-Pumpe und einer Edelgaspumpe oder einer Kombination einer nicht verdampfbaren Getter-Pumpe und einer Excel-Pumpe aufgebaut. Selbst wenn eine Turbomolekularpumpe als eine Vorrichtungskomponente angebracht und zur Erzielung eines groben Vakuums aus der Atmosphäre verwendet wird, wird der Zweck der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt.
  • Das Rasterelektronenmikroskop kann durch Verwendung der Turbomolekularpumpe relativ leicht eine Auflösung von 0,5 nm oder weniger realisieren. Bei einem Ionenmikroskop mit einer Gasfeldionenquelle ist das Untersetzungsverhältnis eines Ionenstrahls von der Ionenlichtquelle zu einer Probe relativ groß und beträgt etwa 1 zu 0,5. Folglich können die spezifischen Besonderheiten der Ionenquelle optimal genutzt werden. Die Schwingungen des Ionenemitters werden jedoch auf einer Probe reproduziert, ohne kaum verringert zu werden, so dass eine sorgfältige Messung, die mehr als eine Schwingungsmessung in einem herkömmlichen Rasterelektronenmikroskop oder dergleichen ist, nötig ist.
  • Bei den herkömmlichen Verfahren wird die Tatsache berücksichtigt, dass die Schwingungen der Probenkammer-Evakuierungspumpe einen Einfluss auf den Probentisch ausüben, aber die Tatsache, dass die Schwingungen der Probenkammer-Evakuierungspumpe auch einen Einfluss auf den Ionenemitter ausüben, wird nicht berücksichtigt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben daher festgestellt, dass die Schwingungen der Probenkammer-Evakuierungspumpe einen schwerwiegenden Einfluss auf den Ionenemitter ausüben. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben überlegt, als Probenkammer-Evakuierungspumpe vorzugsweise eine schwingungsfreie Vakuumpumpe als eine Hauptpumpe zu verwenden, zum Beispiel eine Getter-Pumpe, eine Titan-Sublimationspumpe, eine nicht verdampfbare Getter-Pumpe, eine Ionenpumpe, eine Edelgaspumpe oder eine Excel-Pumpe. Mit der Hauptpumpe werden die Schwingungen des Ionenemitters verringert, und eine hochauflösende Beobachtung wird realisiert.
  • Es besteht die Möglichkeit, dass die in dem Beispiel verwendete Kompressoreinheit (Kompressor) für das Gas des Kühlaggregats oder die Kompressoreinheit (Kompressor) zum Umwälzen des Heliums zu einer Geräuschquelle wird. Diese Geräusche können das Ionenmikroskop manchmal in Schwingung versetzen. Daher wird nach der vorliegenden Erfindung durch Anbringen einer Abdeckung an der Gaskompressoreinheit (Kompressor) wie in dem in 9 gezeigten Beispiel verhindert, dass durch die Gaskompressoreinheit erzeugte Geräusche nach außen übertragen werden. Anstelle der Abdeckung kann eine Geräuschdämmplatte vorgesehen werden. Die Kompressoreinheit (Kompressor) kann in einem anderen Raum aufgestellt werden. Mit diesem Aufbau werden durch Geräusche verursachte Schwingungen verringert, und eine hochauflösende Beobachtung wird realisiert.
  • Nicht verdampfbares Getter-Material kann in der Ionisationskammer angeordnet werden. Mit diesem Aufbau befindet sich das Innere der Ionisationskammer im Hochvakuum, und eine sehr stabile Ionenemission wird realisiert. Alternativ lässt man das nicht verdampfbare Getter-Material oder die Wasserstoff-Speicherlegierung Wasserstoff absorbieren und erwärmt diese anschließend. Durch Verwendung des durch das Erwärmen freigesetzten Wasserstoffs als Ionisationsgas ist es nicht nötig, Gas aus dem Gaszufuhrrohr 25 zuzuführen. Eine kompakte und sichere Gaszufuhrvorrichtung kann realisiert werden.
  • Nicht verdampfbares Getter-Material kann im Gaszufuhrrohr 25 angeordnet werden. Verunreinigtes Gas in dem durch das Gaszufuhrrohr 25 zugeführten Gas wird durch das nicht verdampfbare Getter-Material reduziert. Folglich wird der Ionenemissionsstrom stabil.
  • Nach der Erfindung wird Helium oder Wasserstoff als das Ionisationsgas verwendet, das über das Gaszufuhrrohr 25 der Ionisationskammer 15 zugeführt wird. Als Ionisationsgas können auch Neon, Sauerstoff, Argon, Krypton, Xenon oder dergleichen verwendet werden. Insbesondere bei Verwendung von Neon, Sauerstoff, Argon, Krypton, Xenon oder dergleichen wird ein Effekt dahingehend erzielt, dass eine Probenbearbeitungsvorrichtung oder eine Probenanalysevorrichtung bereitgestellt wird.
  • Ein Massenspektrometer kann in der Probenkammer 3 vorgesehen werden. Das Massenspektrometer führt Massenanalysen an von einer Probe emittierten Sekundärionen oder Energieanalysen an von einer Probe emittierten Auger-Elektronen durch. Die Analysen erleichtern die Probenelementanalysen, und die Probenbeobachtung und die Elementanalyse mit dem Ionenmikroskop können mit einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden.
  • Bei dem Ionenmikroskop nach der vorliegenden Erfindung können durch Anlegen einer hohen negativen Spannung an die Emitterspitze Elektronen auch aus der Emitterspitze extrahiert werden. Eine Probe wird mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, und von der Probe emittierte Röntgen- oder Auger-Elektronen werden erfasst. Die Erfassung erleichtert die Probenelementanalyse, und die Probenbeobachtung und die Elementanalyse mit hoher Auflösung mit dem Ionenmikroskop können mit einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden.
  • In diesem Fall können einen Ibnenbild mit einer Auflösung von 1 nm oder weniger und ein Elementanalysenbild seitlich nebeneinander oder überlappend angezeigt werden. Durch die Anzeige kann die Probenoberfläche vorzugsweise einer Charakterisierung unterzogen werden.
  • Wenn eine Verbundlinse, die durch Kombination einer Magnetfeldlinse und eine elektrostatischen Linse erhalten wird, als Objektivlinse zum Fokussieren eines Elektronenstrahls verwendet wird, kann ein Elektronenstrahl auf einen Strahl mit hohem Strom mit sehr geringem Durchmesser fokussiert werden, so dass eine Elementanalyse mit hoher räumlicher Auflösung und hoher Empfindlichkeit realisiert wird.
  • Obwohl die Störung eines externen Magnetfelds in der herkömmlichen Ionenstrahlvorrichtung nicht berücksichtigt ist, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass es bei Fokussierung eines Ionenstrahls auf einen Wert unter 0,5 nm sinnvoll ist, das Magnetfeld abzuschirmen. Folglich kann durch Bilden der Gasfeldionenquelle, des Ionenstrahlbestrahlungssystems und der Vakuumkammer in der Probenkammer aus reinem Eisen oder Permalloy eine ultrahohe Auflösung erreicht werden. Eine Platte als magnetische Abschirmung kann in den Vakuumbehälter eingesetzt werden.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass die Strukturabmessungen einer Halbleiterprobe mit hoher Präzision gemessen werden können, wenn die Ionenstrahl-Beschleunigungsspannung auf 50 kV oder höher eingestellt wird. Weil die Sputterausbeute einer Probe mit einem Ionenstrahl abnimmt, wird das Ausmaß der Zerstörung der Probe gering, und die Präzision der Dimensionsmessung verbessert sich.
  • Insbesondere wenn Wasserstoff als Ionisationsgas verwendet wird, nimmt die Sputterausbeute ab, und die Präzision der Dimensionsmessung verbessert sich.
  • Wie vorstehend beschrieben, stellt die vorliegende Erfindung eine Analysevorrichtung, die sich zur Messung struktureller Abmessungen einer Probe mit einem Ionenstrahl eignet, und eine Längenmessvorrichtung oder eine Prüfvorrichtung mit einem Ionenstrahl bereit.
  • Weil der Tiefenschärfebereich eines mit der vorliegenden Erfindung erhaltenen Bildes tiefer als bei der Messung mit einem herkömmlichen Elektronenstrahl ist, können Messungen mit höherer Präzision durchgeführt werden. Insbesondere bei Verwendung von Wasserstoff als Ionisationsgas ist der Umfang des Ätzens der Probenoberfläche geringer, und Messungen mit höherer Präzision können durchgeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Längenmessvorrichtung oder eine Prüfvorrichtung mit einem Ionenstrahl bereit, die sich zur Messung struktureller Abmessungen einer Probe eignet.
  • Anstelle einer Vorrichtung zum Bilden eines Schnitts durch Bearbeiten einer Probe mit einem Ionenstrahl und Beobachten des Schnitts mit einem Elektronenmikroskop kann die Erfindung eine Vorrichtung zum Bilden eines Schnitts durch Bearbeiten einer Probe mit einem Ionenstrahl und Beobachten des Schnitts mit einem Ionenmikroskop und ein Schnittbeobachtungsverfahren bereitstellen.
  • Die Erfindung kann eine Vorrichtung, die in der Lage ist, eine Probenbeobachtung mit einem Ionenmikroskop, eine Probenbeobachtung mit einem Elektronenmikroskop und eine Elementanalyse mit einer einzigen Vorrichtung durchzuführen, eine Analysevorrichtung zum Beobachten und Untersuchen eines Fehlers, eines Fremdkörpers oder dergleichen und eine Prüfvorrichtung bereitstellen.
  • Das Ionenmikroskop realisiert eine ultrahohe Auflösung. Üblicherweise wird jedoch der Einfluss der Herstellung oder Zerstörung einer Oberfläche einer Halbleiterprobe durch Ionenstrahlbestrahlung bei Verwendung einer Ionenstrahlvorrichtung als Vorrichtung zum Messen struktureller Abmessungen bei einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterprobe oder einer Prüfvorrichtung im Vergleich zu dem Fall der Elektronenstrahlbestrahlung nicht berücksichtigt. Wenn zum Beispiel die Energie eines Ionenstrahls auf weniger als 1 keV eingestellt ist, ist das Verhältnis gering, dass eine Probe verändert wird, und im Vergleich mit dem Fall, bei dem die Energie eines Ionenstrahls auf 20 keV eingestellt ist, verbessert sich die Präzision der Dimensionsmessung. In diesem Fall wird auch ein Effekt dahingehend erzielt, dass die Kosten der Vorrichtung niedriger werden. Im Gegensatz dazu kann, wenn die Beschleunigungsspannung auf 50 kV oder höher eingestellt ist, die Beobachtungsauflösung weiter als in dem Fall erhöht worden, wo die Beschleunigungsspannung niedrig ist.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass durch Einstellen der Ionenstrahl-Beschleunigungsspannung auf 200 kV oder höher, Verringern des Strahldurchmessers auf 0,2 nm oder weniger, Bestrahlen einer Probe mit dem resultierenden Ionenstrahl und Energieanalyse von Ionen, die nach dem Rutherford-Prinzip von der Probe rückgestreut werden, eine dreidimensionale Struktur einschließlich einer Ebene eines Probenelements und die Tiefe in Atomeinheiten gemessen werden kann. Bei einer herkömmlichen Vorrichtung nach dem Prinzip der Rutherford-Rückstreuung ist der lonenstrahldurchmesser groß, und es ist schwierig, eine dreidimensionale Messung in der atomaren Ordnung durchzuführen. Durch Anwendung der vorliegenden Erfindung kann jedoch die dreidimensionale Messung in der atomaren Ordnung realisiert werden. Durch Einstellen der Ionenstrahl-Beschleunigungsspannung auf 500 kV oder höher, Verringern des Strahldurchmessers auf 0,2 nm oder weniger, Bestrahlen einer Probe mit dem Ionenstrahl und Energieanalyse eines von der Probe freigesetzten Röntgenstrahls kann eine zweidimensionale Analyse eines Probenelements durchgeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt die folgende Gasfeldionenquelle, ein Ionenmikroskop und eine Ionenstrahlvorrichtung.
    • (1) Eine Gasfeldionenquelle mit einem Vakuumbehälter, einer Evakuierungsvorrichtung, einer Emitterspitze als nadelförmige Anode und einer Extraktionselektrode als Kathode, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, wobei eine Halterung der Emitterspitze und die Extraktionselektrode durch ein formveränderbares Bauteil verbunden sind, und einer Ionisationskammer, in der die Emitterspitze nahezu umgeben ist von mindestens der Halterung der Emitterspitze, der Extraktionselektrode und das formveränderbare Bauteil in dem Vakuumbehälter verformbar ist, praktisch ohne den Vakuumbehälter zu berühren.
    • (2) Die Gasfeldionenquelle nach (1), wobei beim Einleiten des Gasmoleküls in die Ionisationskammer der Gasdruck in der Ionisationskammer um mindestens eine Stelle gegenüber dem Druck in der Vakuumkammer erhöht werden kann.
    • (3) Die Gasfeldionenquelle nach (1), wobei die Halterung der Emitterspitze mit einem weiteren formveränderbaren Bauteil mit dem Vakuumbehälter verbunden ist.
    • (4) Die Gasfeldionenquelle nach einem der Aspekte (1) bis (3), wobei das formveränderbare Bauteil ein Balg ist.
    • (5) Die Gasfeldionenquelle nach (4), wobei der kleinste Durchmesser des Balgs zwischen der Emitterspitzenhalterung und dem Extraktionselement kleiner ist als der maximale Durchmesser des Balgs zwischen der Emitterspitzenhalterung und dem Vakuumbehälter.
    • (6) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einem Ionenstrahlvorrichtungskörper einschließlich einer Gasfeldionenquelle mit einem Vakuumbehälter, einer Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, einer Emitterspitze als nadelförmige Anode, einer Extraktionselektrode als Kathode, einer Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, einem Linsensystem zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, einer Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einem Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe emittierten Sekundärteilchen, einer Grundplatte, auf der der Ionenstrahlvorrichtungskörper angebracht ist, und einem Gestell zur Lagerung der Grundplatte, wobei eine Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen zwischen dem Ionenstrahlvorrichtungskörper und der Grundplatte vorgesehen ist, die Kühlvorrichtung von einem Boden, auf dem die Ionenstrahlvorrichtung angebracht ist, oder einer am Gestell der Ionenstrahlvorrichtung befestigten Tragvorrichtung getragen wird, und weiter eine Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen zwischen dem Kühlaggregat und dem Vakuumbehälter vorgesehen ist.
    • (7) Die Ionenstrahlvorrichtung nach (6), wobei die Kühlvorrichtung eine Kälteerzeugungseinrichtung aufweist, die Kälte erzeugt, indem von der Kompressoreinheit erzeugtes Hochdruckgas expandiert wird, und ein Kühlaggregat zum Kühlen der Probenbühne durch die Kälte der Kälteerzeugungseinrichtung.
    • (8) Die Ionenstrahlvorrichtung nach (6), wobei die Kühlvorrichtung eine Kälteerzeugungseinrichtung aufweist, die Kälte erzeugt, indem zuerst von der Kompressoreinheit erzeugtes Hochdruckgas expandiert wird, und eine Kühleinrichtung zum Kühlen eines Elements, das mit dem Gas gekühlt werden soll, das durch die Kälte der Kälteerzeugungseinrichtung gekühlt wird.
    • (9) Die Ionenstrahlvorrichtung nach (6), wobei die Kühlvorrichtung eine Kälteerzeugungseinrichtung aufweist, die Kälte erzeugt, indem zuerst von der Kompressoreinheit erzeugtes Hochdruckgas expandiert wird, und eine Kühleinrichtung zum Kühlen eines Elements, das mit einem zweiten Hochdruckgas gekühlt werden soll, das durch die Kälte der Kälteerzeugungseinrichtung gekühlt wird.
    • (10) Die Ionenstrahlvorrichtung nach (6), wobei die Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen zwischen dem Kühlaggregat und dem Vakuumbehälter mindestens eine Vorrichtung zur Verhinderung der Übertragung von Schwingungen durch Helium- oder Neongas umfasst.
    • (11) Die Ionenstrahlvorrichtung nach (6), wobei mindestens ein formveränderbares Bauteil zwischen der Kühlstufe der Kühlvorrichtung und einer Emitterspitze vorgesehen ist.
    • (12) Die Ionenstrahlvorrichtung nach (6), wobei die Kühlvorrichtung eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Kältemittels ist, das durch Überführen eines Kältemittelgases, das bei Normaltemperatur an der Atmosphäre in einem gasförmigen Zustand ist, in einen flüssigen oder festen Zustand in einem Vakuumbehälter erhalten wird, wobei der Vakuumbehälter unter sandwichartigem Einschluss mindestens eines Bauteils zur Verhinderung von Schwingungen mit einem Vakuumbehälter der Ionenstrahlvorrichtung verbunden ist und eine durch das Kältemittel gekühlte Stelle und die Emitterspitze unter sandwichartigem Einschluss mindestens eines formveränderbaren Bauteils verbunden sind.
    • (13) Die Gasfeldionenquelle nach (12), wobei eine Vorrichtung zum Verändern der Leitfähigkeit zum Evakuieren der Ionenkammer ein Ventil ist, das von der Außenseite des Vakuumbehälters betätigt werden kann, und mechanisch von einer Wandstruktur der Ionisationskammer abgelöst werden kann.
    • (14) Die Gasfeldionenquelle nach (1), weiter aufweisend ein Widerstandsheizelement, das die Ionisationskammer erwärmen kann, wobei das Widerstandsheizelement durch Betätigen mindestens eines einer Vielzahl von mit dem Widerstandsheizelement verbundenen elektrischen Drähten von der Außenseite des Vakuums mechanisch abgetrennt werden kann.
    • (15) Die Gasfeldionenquelle nach (1), wobei das Kältemittel in der Kühlvorrichtung ein Kältemittel ist, das durch Überführen eines Kältemittelgases, das bei Normaltemperatur an der Atmosphäre in einem gasförmigen Zustand ist, in einen festen Zustand erhalten wird.
    • (16) Ein Ionenmikroskop mit der Gasfeldionenquelle nach einem der Aspekte (1) bis (5) oder (13) bis (15), einem Linsensystem zum Fokussieren eines aus der Gasfeldionenquelle extrahierten Ionenstrahls, einem Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von Sekundärteilchen und einer Bildanzeigeeinheit zum Anzeigen eines Ionenmikroskopbildes. Die vorliegende Erfindung beschreibt das folgende Ionenmikroskop, eine Ionenstrahlvorrichtung und eine Ionenstrahl-Prüfvorrichtung.
    • (17) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine EvakuierungsVorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, eine Linse und eine Objektivlinse zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe emittierten Sekundärteilchen, wobei der Abstand vom Ende der Objektivlinse bis zur Oberfläche der Probe auf einen Wert unter 2 mm verkürzt wird und der Ionenstrahldurchmesser auf einen Wert unter 0,2 nm verringert wird.
    • (18) Ein Ionenmikroskop mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, ein Linsensystem zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe freigesetzten Sekundärteilchen, wobei die Probenkammer auf etwa 200 °C erwärmt werden kann, um den Vakuumgrad in der Probenkammer auf maximal 10-7 Pa zu erhöhen.
    • (19) Ein Ionenmikroskop mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, ein Linsensystem zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe, einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe freigesetzten Sekundärteilchen und eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Probenkammer, wobei eine Hauptvakuumpumpe zum Evakuieren der Probenkammer bei der Beobachtung mit dem Ionenmikroskop eine Sublimationspumpe, eine nicht verdampfbare Getter-Pumpe, eine Ionenpumpe, eine Edelgaspumpe oder eine Excel-Pumpe umfasst.
    • (20) Ein Ionenmikroskop mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Gasfeldionenquelle, ein Linsensystem zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe freigesetzten Sekundärteilchen, wobei eine Hauptvakuumpumpe zum Evakuieren der Gasfeldionenquelle bei der Beobachtung mit dem Ionenmikroskop eine Sublimationspumpe, eine nicht verdampfbare Getter-Pumpe, eine Ionenpumpe, eine Edelgaspumpe oder eine Excel-Pumpe umfasst.
    • (21) Ein Ionenmikroskop mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode, eine Extraktionselektrode als Kathode, einen Behälter mit einer kryogenen Flüssigkeit für eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze, eine Vakuumpumpe zum Evakuieren des Behälters mit der kryogenen Flüssigkeit und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Gasfeldionenquelle, ein Linsensystem zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe freigesetzten Sekundärteilchen, wobei eine Steuerung zur Regelung der Temperatur des Behälters mit der kryogenen Flüssigkeit durch Regelung des Betriebs der Vakuumpumpe durch Messung des Vakuumgrads in dem Behälter mit der kryogenen Flüssigkeit oder Temperaturmessung vorgesehen ist.
    • (22) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode, eine Extraktionselektrode als Kathode, ein Behälter mit einer kryogenen Flüssigkeit für eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze, eine Vakuumpumpe zum Evakuieren des Behälters mit der kryogenen Flüssigkeit und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, ein Linsensystem zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe freigesetzten Sekundärteilchen, wobei die Kühlvorrichtung ein Kühlaggregat zum Kühlen einer Stufe des Kühlaggregats mit Kälte der Kälteerzeugungseinrichtung ist, die Kälte durch Expandieren eines von einer Kompressoreinheit erzeugten Hochdruckgases erzeugt, und Geräusche von der Kompressoreinheit für das Gas reduziert werden, indem die Kompressoreinheit zum Erzeugen des Hochdruckgases mit einer Abdeckung versehen wird.
    • (23) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine.Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode, eine Extraktionselektrode als Kathode, einen Behälter mit einer kryogenen Flüssigkeit für eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze, eine Vakuumpumpe zum Evakuieren des Behälters mit der kryogenen Flüssigkeit und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, ein Linsensystem zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, einen Probentisch mit mindestens zwei Arten von Bewegungsmechanismen in mindestens zwei Richtungen in einer mit einem Ionenstrahl bestrahlten Ebene, eine Probenkammer zur Aufnahme einer auf dem Probentisch befestigten Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe freigesetzten Sekundärteilchen, wobei der Probentisch mechanisch in zwei orthogonalen Richtungen bewegt wird, die von der Probe freigesetzten Sekundärteilchen erfasst werden und ein Ionenmikroskopbild erhalten wird.
    • (24) Die Ionenstrahlvorrichtung nach (23), wobei der Probentisch mit mindestens zwei Arten von Bewegungsmechanismen in mindestens zwei Richtungen in einer mit dem Ionenstrahl bestrahlten Ebene mindestens eine Bühne mit einem Piezoelement-Antriebsmechanismus aufweist und die Auflösung des Ionenmikroskopbildes weniger als 0,5 nm beträgt.
    • (25) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze, ein Gaszufuhrrohr und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, ein Linsensystem zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe, einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe freigesetzten Sekundärteilchen und eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Probenkammer, wobei ein nicht verdampfbares Getter-Material unter Verwendung eines inaktiven Gases wie Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon oder dergleichen in einem Zufuhrrohr angeordnet ist.
    • (26) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Gasfeldionenquelle, eine Linse und eine Objektivlinse zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe emittierten Sekundärteilchen, wobei durch Anlegen einer hohen negativen Spannung an die Emitterspitze, Extrahieren von Elektronen aus der Emitterspitze, Bestrahlen einer Probe mit den Elektronen und Erfassen von aus der Probe emittierten Röntgen- oder Augen-Elektronen eine Elementanalyse durchgeführt werden kann und ein Rasterionenbild mit einer Auflösung von 1 nm oder weniger und ein Elementanalysebild seitlich nebeneinander oder überlappend angezeigt werden.
    • (27) Eine Ionenstrahl-Prüfvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Gasfeldionenquelle, eine Linse und eine Objektivlinse zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls und eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe, zum Erfassen von aus der Probe freigesetzten Sekundärteilchen und zum Messen struktureller Abmessungen einer Probenoberfläche, wobei die Beschleunigungsspannung für den Ionenstrahl auf 50 kV oder höher eingestellt wird und eine strukturelle Abmessung auf einer Halbleiterprobe gemessen wird.
    • (28) Die Ionenstrahl-Prüfvorrichtung nach (27), wobei Wasserstoffgas verwendet wird.
    • (29) Eine Ionenstrahl-Prüfvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Gasfeldionenquelle, eine Linse und eine Objektivlinse zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls und eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe, zum Erfassen von aus der Probe freigesetzten Sekundärteilchen und zum Messen struktureller Abmessungen einer Probenoberfläche, wobei die Energie des Ionenstrahls auf weniger als 1 keV eingestellt wird.
    • (30) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode, eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, eine Vakuumpumpe zum Evakuieren der Gasfeldionenquelle, eine Linse und eine Objektivlinse zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe emittierten Sekundärteilchen, wobei eine negative Hochspannung an die Emitterspitze angelegt wird, um Elektronen aus der Emitterspitze zu extrahieren, die Elektronen durch eine Verbundobjektivlinse, die durch Kombination einer Magnetfeldlinse und einer elektrostatischen Linse erhalten wird, hindurchtreten gelassen und auf die Probe emittiert werden, aus der Probe freigesetzte Röntgen- oder Auger-Elektronen erfasst werden und eine Elementanalyse durchgeführt werden kann.
    • (31) Ein Elementanalyseverfahren unter Verwendung einer Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, eine Linse und eine Objektivlinse zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe emittierten Sekundärteilchen, wobei die Beschleunigungsspannung für den Ionenstrahl auf 200 kV oder höher eingestellt wird, der Strahldurchmesser auf 0,2 nm oder weniger verringert wird, die Probe mit dem resultierenden Ionenstrahl bestrahlt wird, Ionen, die nach dem Rutherford-Prinzip von der Probe rückgestreut werden, einer Energieanalyse unterzogen werden und eine dreidimensionale Struktur einschließlich einer Ebene und der Tiefe eines Probenelements in Atomeinheiten gemessen wird.
    • (32) Ein Probenelementanalyseverfahren unter Verwendung einer Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, eine Linse und eine Objektivlinse zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe emittierten Sekundärteilchen, wobei 500 kV oder höher eingestellt wird, der Strahldurchmesser auf 0,2 nm oder weniger verringert wird, die Probe mit dem resultierenden Ionenstrahl bestrahlt wird, von der Probe freigesetzte Röntgenstrahlen einer Energieanalyse unterzogen werden und eine zweidimensionale Elementanalyse durchgeführt wird.
    • (33) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, eine Linse und eine Objektivlinse zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe emittierten Sekundärteilchen, wobei die Emitterspitze auf 50 K oder weniger gekühlt wird, die Vergrößerung einer Projektion der aus der Emitterspitze freigesetzten Ionen auf die Probe auf weniger als 0,2 eingestellt wird und die Schwingung einer relativen Position zwischen der Emitterspitze und der Probe auf 0,1 nm oder weniger eingestellt wird, wodurch die Auflösung des Rasterionenbildes auf 0,2 nm oder weniger eingestellt wird.
    • (34) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle, aufweisend einen Vakuumbehälter, eine Evakuierungsvorrichtung, in dem Vakuumbehälter, eine Emitterspitze als nadelförmige Anode und eine Extraktionselektrode als Kathode, eine Vorrichtung zum Kühlen der Emitterspitze und dergleichen, in der ein Gasmolekül nahe an das Ende der Emitterspitze geleitet wird und das Gasmolekül am Ende der Emitterspitze mit einem elektrischen Feld ionisiert wird, eine Linse und eine Objektivlinse zum Fokussieren eines aus der Emitterspitze extrahierten Ionenstrahls, eine Probenkammer zur Aufnahme einer Probe und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von aus der Probe emittierten Sekundärteilchen, wobei der Probentisch seitlich eingeführt wird und einen Aufbau aufweist, dessen Ende mit eine Wandfläche der Probenkammer in Berührung steht.
    • (35) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle zum Erzeugen eines Ionenstrahls, einem Ionenbestrahlungssystem zur Leitung des Ionenstrahls von der Gasfeldionenquelle auf die Probe, einem Vakuumbehälter zur Aufnahme der Gasfeldionenquelle und des Ionenbestrahlungssystems, einer Probenkammer mit einem Probentisch zur Aufnahme einer Probe und einer Kühlvorrichtung vom Gaskreislauftyp zum Kühlen der Gasfeldionenquelle, wobei die Kühlvorrichtung ein Kühlaggregat, ein Rohr zur Verbindung des Kühlaggregats und der Gasfeldionenquelle, einen Wärmeaustauscher für das Rohr und einen Umwälzkompressor zum Umwälzen des flüssigen Heliums in dem Rohr aufweist und das Rohr durch einen Boden oder ein Stützelement fest abgestützt ist.
    • (36) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle zum Erzeugen eines Ionenstrahls, einem Ionenbestrahlungssystem zum Leiten des Ionenstrahls von der Gasfeldionenquelle auf die Probe, einem Vakuumbehälter zur Aufnahme der Gasfeldionenquelle und des Ionenbestrahlungssystems, einer Probenkammer mit einem Probentisch zur Aufnahme einer Probe und einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Gasfeldionenquelle, wobei die Kühlvorrichtung eine Kälteerzeugungseinrichtung aufweist, die Kälte erzeugt, indem zuerst von einer Kompressoreinheit erzeugtes Hochdruckgas expandiert wird, und eine Kühleinrichtung zum Kühlen eines Elements, das mit Heliumgas als zweites bewegliches Kältemittel gekühlt werden soll, das mit der Kompressoreinheit umgewälzt wird.
    • (37) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle zum Erzeugen eines Ionenstrahls, einem Ionenbestrahlungssystem zum Leiten des Ionenstrahls von der Gasfeldionenquelle auf die Probe, einem Vakuumbehälter zur Aufnahme der Gasfeldionenquelle und des Ionenbestrahlungssystems, einer Probenkammer mit einem Probentisch zur Aufnahme einer Probe, einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Gasfeldionenquelle und einer Grundplatte zur Aufnahme der Feldionenquelle, des Vakuumbehälters und der Probenkammer, wobei der Ionenstrahl-Strahlungsweg mit einer magnetischen Abschirmung versehen ist.
    • (38) Eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionenquelle zum Erzeugen eines Ionenstrahls, einem Ionenbestrahlungssystem zum Leiten des Ionenstrahls von der Gasfeldionenquelle auf die Probe, einem Vakuumbehälter zur Aufnahme der Gasfeldionenquelle und des Ionenbestrahlungssystems, einer Probenkammer mit einem Probentisch zur Aufnahme einer Probe, einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Gasfeldionenquelle und einer Grundplatte zur Aufnahme der Gasfeldionenquelle, des Vakuumbehälters und der Probenkammer, wobei das Hauptmaterial der Vakuumkammer einer Gasfeldionenquelle, des Ionenstrahlbestrahlungssystems und der Probenkammer Eisen oder Permalloy ist und die Auflösung des Rasterionenbildes 0,5 nm oder weniger beträgt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gasfeldionenquelle
    2
    Ionenstrahl-Bestrahlungssystemsäule
    3
    Probenkammer
    4
    Kühlvorrichtung
    5
    Kondensorlinse
    6
    Strahlbegrenzungsöffnung
    7
    Strahlabtastelektrode
    8
    Objektivlinse
    9
    Probe
    10
    Probentisch
    11
    Sekundärteilchendetektor
    12
    Ionenquellen-Evakuierungspumpe
    13
    Probenkammer-Evakuierungspumpe
    14
    Ionenstrahl
    14A
    optische Achse
    15
    Ionisationskammer
    16
    Kompressor
    17
    Vorrichtungsgestell
    18
    Grundplatte
    19
    Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen
    20
    Boden
    21
    Emitterspitze
    22
    Filament
    23
    Filamenthalterung
    24
    Extraktionselektrode
    25
    Gaszufuhrrohr
    26
    Stützstange
    27
    Öffnung
    28
    Seitenwand
    29
    obere Platte
    30
    Widerstandsheizelement
    31
    Öffnung
    32
    Abdeckelement
    33
    Betätigungsstange
    34
    Abdeckelement
    40
    Kühlaggregat
    40A
    Mittelachse
    41
    Gerätekörper
    42A, 42B
    Bühnen
    43
    Topf
    46
    Heliumgas
    51
    oberer Flansch
    52
    Saphirsockel
    53
    Kühlungsleitstab
    54
    Kupferlitzendraht
    55
    Saphirsockel
    56
    Kupferlitzendraht
    57
    Kühlungsleitrohr
    58
    Strahlungsschutzschild
    59
    elektrostatische Linse
    60
    Elektrode
    61, 62
    Balgen
    63
    Isoliermaterial
    64
    Emittersockel
    68
    Vakuumbehälter
    69
    Balgen
    70
    Vorrichtung zur Verhinderung von Schwingungen
    71
    diamagnetischer Block
    72
    ringförmiger Elektromagnet
    73
    Stützelement
    74
    Drehknopf
    75
    supraleitender Block
    81
    Kammer für flüssigen oder festen Stickstoff
    82
    Tank für flüssigen oder festen Stickstoff
    83
    Evakuierungsöffnung
    84
    fester Stickstoff
    85
    Stützpfeiler
    86
    Balgen
    87
    Stützpfeiler
    91
    Gasfeldionenquellen-Steuerung
    92
    Kühlaggregatsteuerung
    93
    Linsensteuerung
    94
    Steuerung für die Strahlbegrenzungsöffnung
    95
    Ionenstrahl-Abtaststeuerung
    96
    Sekundärteilchendetektorsteuerung
    97
    Probentischsteuerung
    98
    Evakuierungspumpensteuerung
    99
    Computerprozessor
    101
    Oberflächenplatte
    102
    Bein zur Verhinderung von Schwingungen
    103, 104
    Stützpfeiler
    133
    elektrische Leitung
    134
    Stromquelle
    135
    Hochspannungsstromquelle
    136
    dünne Leitung aus Edelstahl
    137
    Trennvorrichtung
    138
    dicke Leitung aus Kupfer
    139
    dünne Leitung aus Edelstahl
    140
    Trennvorrichtung
    141
    Ionenextraktionselektrode
    142
    Stromquelle
    301
    Abtastablenkelektrode
    302
    Lochmaske
    303
    bewegliche Strahlungsdiagramm-Beobachtungsvorrichtung
    304
    Sekundärteilchen
    305
    Sekundärteilchendetektor

Claims (19)

  1. Ionenstrahlvorrichtung mit: einer Gasfeldionenquelle (1) zum Erzeugen eines Ionenstrahls, einer Objektivlinse (8) zum Fokussieren eines aus der Gasfeldionenquelle (1) extrahierten Ionenstrahls auf eine Probe (9), einer beweglichen Strahlbegrenzungsöffnung (6), die den Öffnungswinkel des Ionenstrahls auf die Objektivlinse (8) begrenzt, einem Probentisch (10), auf dem die Probe (9) befestigt wird, und einem Vakuumbehälter (68), in dem die Gasfeldionenquelle (1), die Objektivlinse (8), die Strahlbegrenzungsöffnung (6) und der Probentisch (10) untergebracht sind, wobei die Gasfeldionenquelle (1) eine Emitterspitze (21) zum Erzeugen von Ionen, einen Emittersockel (64), auf dem die Emitterspitze (21) ruht, eine Ionisationskammer (15) mit einer Extraktionselektrode (24), die der Emitterspitze (21) gegenüberliegend angeordnet und so beschaffen ist, dass sie die Emitterspitze (21) umgibt, und ein Gaszufuhrrohr (25) zum Zuführen von Gas in die Nähe der Emitterspitze (21) aufweist, gekennzeichnet durch einen Mechanismus, der ein berührungsloses Zusammenwirken zwischen dem Emittersockel (64) und dem Vakuumbehälter (68) bewirkt, um Schwankungen in der Positionsbeziehung des Emittersockels (64) im Verhältnis zum Vakuumbehälter (68) zu unterdrücken.
  2. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das berührungslose Zusammenwirken in einer lonenstrahl-Extraktionsrichtung oder einer Richtung nahezu senkrecht zur lonenstrahl-Extraktionsrichtung stattfindet.
  3. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das berührungslose Zusammenwirken ein magnetisches Zusammenwirken zwischen dem Emittersockel (64) und dem Vakuumbehälter (68) ist.
  4. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 3, wobei mindestens ein Teil des Emittersockels (64) aus einem diamagnetischen Material besteht.
  5. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das magnetische Zusammenwirken durch einen Elektromagneten aus einem supraleitenden Material erzeugt wird.
  6. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil des Emittersockels (64) aus einem supraleitenden Material besteht.
  7. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 6, die dazu ausgelegt ist, vor der Extraktion des Ionenstrahls durch Kühlen eines Teils des Emittersockels (64) diesen Teil in einen supraleitenden Zustand zu versetzen.
  8. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 6, wobei ein an dem Vakuumbehälter (68) befestigter Permanentmagnet (530) um den Emittersockel (64) herum angeordnet ist.
  9. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Permanentmagnet (530) mindestens an einem Teil des Emittersockels (64) und ein an dem Vakuumbehälter (68) befestigter Volumen-Supraleiter (75; 531) um den Emittersockel (64) herum angeordnet sind.
  10. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Permanentmagnet (530) auf dem Emittersockel (64) und ein Volumen-Supraleiter (75; 531) an einer Seitenwand (28) der Ionisationskammer (15) angeordnet sind.
  11. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Volumen-Supraleiter (75; 531) auf dem Emittersockel (64) und ein Permanentmagnet (530) an einer Seitenwand (28) der Ionisationskammer (15) angeordnet sind.
  12. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 6, wobei eine Position des Emittersockels (64) durch eine Vorrichtung zur Regelung der Magnetfeldintensitätsverteilung am Rand des Emittersockels (64) gesteuert wird.
  13. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vorrichtung zur Regelung der Magnetfeldintensitätsverteilung eine Vorrichtung zur Regelung der Magnetfeldintensitäten mehrerer Elektromagneten ist, die um den Emittersockel (64) herum angeordnet sind.
  14. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gasfeldionenquelle (1) weiter ein mit der Emitterspitze (21) verbundenes Filament (22), eine Stromquelle (134) zur Spannungsversorgung des Filaments (22) und einen das Filament (22) mit der Stromquelle (134) verbindenden Draht (133) aufweist und mindestens ein Teil eines Drahtes (133) in der Gasfeldionenquelle (1) aus einem supraleitenden Material besteht.
  15. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gasfeldionenquelle (1) eine Heizeinrichtung (30) zum Erwärmen der Ionisationskammer (15), eine Heizstromquelle (142) zur Versorgung der Heizeinrichtung (30) und einen die Heizeinrichtung (30) mit der Heizstromquelle (142) verbindenden Draht (138) aufweist und mindestens ein Teil des Drahtes (138) in der Gasfeldionenquelle (1) aus einem supraleitenden Material besteht.
  16. Ionenstrahlvorrichtung mit: einer Gasfeldionenquelle (1) zum Erzeugen eines Ionenstrahls, einer Objektivlinse (8) zum Fokussieren eines aus der Gasfeldionenquelle (1) extrahierten Ionenstrahls auf eine Probe (9), einer beweglichen Strahlbegrenzungsöffnung (6), die den Öffnungswinkel des Ionenstrahls auf die Objektivlinse (8) begrenzt, einem Probentisch (10), auf dem die Probe (9) befestigt wird, und einem Vakuumbehälter (68), in dem die Gasfeldionenquelle (1), die Objektivlinse (8), die Strahlbegrenzungsöffnung (6) und der Probentisch (10) untergebracht sind, wobei die Gasfeldionenquelle (1) eine Emitterspitze (21) zum Erzeugen von Ionen, einen Emittersockel (64), auf dem die Emitterspitze (21) ruht, eine Ionisationskammer (15) mit einer Extraktionselektrode (24), die der Emitterspitze (21) gegenüberliegend angeordnet und so beschaffen ist, dass sie die Emitterspitze (21) umgibt, und ein Gaszufuhrrohr (25) zum Zuführen von Gas in die Nähe der Emitterspitze (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbegrenzungsöffnung (6) eine Öffnung in einer Platte (500) ist, und ein vorbestimmter Neigungswinkel von mindestens 45 Grad durch die Bestrahlungsrichtung (501) des Ionenstrahls und eine Senkrechte (502) zu der Platte (500) gebildet wird, und die lonenstrahlvorrichtung dazu ausgelegt ist, lonenstrahlen mit Gasmolekülen mit mindestens zwei Arten von Massenzahlen so zu emittieren, dass das Gasmolekül mit der höheren Massenzahl vor dem Gasmolekül mit der niedrigeren Massenzahl emittiert wird, um die Probe (9) zu beobachten.
  17. lonenstrahlvorrichtung mit: einer Gasfeldionenquelle (1) zum Erzeugen eines Ionenstrahls, einer Objektivlinse (8) zum Fokussieren eines aus der Gasfeldionenquelle (1) extrahierten Ionenstrahls auf eine Probe (9), einer Strahlbegrenzungsöffnung (6), die den Öffnungswinkel des lonenstrahls auf die Objektivlinse (8) begrenzt, einem Probentisch (10), auf dem die Probe (9) befestigt wird, und einem Vakuumbehälter (68), in dem die Gasfeldionenquelle (1), die Objektivlinse (8), die Strahlbegrenzungsöffnung (6), der Probentisch (10) und dergleichen untergebracht sind, wobei die Gasfeldionenquelle (1) eine Emitterspitze (21) zum Erzeugen von Ionen, einen Emittersockel (64), auf dem die Emitterspitze (21) ruht, eine Ionisationskammer (15) mit einer Extraktionselektrode (24), die der Emitterspitze (21) gegenüberliegend angeordnet und so beschaffen ist, dass sie die Emitterspitze (21) umgibt, und ein Gaszufuhrrohr (25) zum Zuführen von Gas in die Nähe der Emitterspitze (21) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Vakuumpumpen (13) zum Evakuieren einer Vakuumkammer (3), in der sich die Strahlbegrenzungsöffnung (6) befindet, eine ein nicht verdampfbares Getter-Material verwendende Pumpe ist, der Druck des lonisationsgases in der Umgebung der Emitterspitze (21) auf etwa 10-2 bis 10 Pa eingestellt ist und wenigstens eines der Gase Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon in die Ionisationskammer (15) eingeführt ist.
  18. lonenstrahlvorrichtung mit: einer Gasfeldionenquelle (1) zum Erzeugen eines Ionenstrahls, einer Objektivlinse (8) zum Fokussieren eines aus der Gasfeldionenquelle (1) extrahierten Ionenstrahls auf eine Probe (9), einer Strahlbegrenzungsöffnung (6), die den Öffnungswinkel des lonenstrahls auf die Objektivlinse (8) begrenzt, einem Probentisch (10), auf dem die Probe (9) befestigt wird, und einem Vakuumbehälter (68), in dem die Gasfeldionenquelle (1), die Objektivlinse (8), die Strahlbegrenzungsöffnung (6) und der Probentisch (10) untergebracht sind, wobei die Gasfeldionenquelle (1) eine Emitterspitze (21) zum Erzeugen von Ionen, einen Emittersockel (64), auf dem die Emitterspitze (21) ruht, eine Ionisationskammer (15) mit einer Extraktionselektrode (24), die der Emitterspitze (21) gegenüberliegend angeordnet und so beschaffen ist, dass sie die Emitterspitze (21) umgibt, und ein Gaszufuhrrohr (25) zum Zuführen von Gas in die Nähe der Emitterspitze (21) aufweist, die Ionisationskammer (15) die Extraktionselektrode (24), eine verbindungsmäßig am Rand der Extraktionselektrode (24) vorgesehene Seitenwand (28) und eine verbindungsmäßig am anderen Ende der Seitenwand (28) vorgesehene obere Platte (29) aufweist, die Extraktionselektrode (24) eine Öffnung (27) aufweist, die so angeordnet ist, dass sie der Emitterspitze (21) gegenüberliegt und von einem Ionenstrahl von der Emitterspitze (21) durchsetzt wird, die Ionisationskammer (15) bis auf die Öffnung (27) in der Extraktionselektrode (24) und das Gaszufuhrrohr (25) geschlossen ist und an der Außenseite eine Heizvorrichtung (30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisationskammer (15) ein nicht verdampfbares Getter-Material enthält, das im Gaszufuhrrohr (25) angeordnet ist, das zur Zufuhr wenigstens eines der Gase Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon in die Ionisationskammer (15) ausgelegt ist.
  19. lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 18, wobei eine Gaszufuhrleitung, die an das Gaszufuhrrohr (25) angeschlossen ist, mit einem Behälter (511) versehen ist, der ein nicht verdampfbares Getter-Material (513) enthält, und der Behälter (511) an eine Evakuierungspumpe (517) angeschlossen ist.
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