DE112010002774T5

DE112010002774T5 - Ionenmikroskop

Info

Publication number: DE112010002774T5
Application number: DE112010002774T
Authority: DE
Inventors: Norihide Saho; Hiroyuki Tanaka; Yoichi Ose; Noriaki Arai; Hiroyasu Shichi
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2010-06-04
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2030-06-05
Also published as: JP5033844B2; WO2011001600A1; JP2011014245A; DE112010002774B4; US8455841B2; US20120097863A1

Abstract

Es wird eine sehr stabile Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem großen Strom und ein Ionenmikroskop mit hoher Auflösung beschrieben. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ionenmikroskop mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle, bei dem die Kältemaschine zum Kühlen der Gasfeldionisations-Ionenquelle unabhängig vom Hauptkörper des Ionenmikroskops angeordnet ist und das einen Kühlmechanismus für einen Kühlmittel-Leitungskreis enthält, in dem ein Kühlmittel zwischen der Gasfeldionisations-Ionenquelle und der Kältemaschine zirkuliert. Damit ist es möglich, die mechanischen Vibrationen der Kältemaschine zu verringern, die auf die Gasfeldionisations-Ionenquelle übertragen werden, und sowohl eine Verbesserung bei der Helligkeit der Ionenquelle als auch eine Verbesserung bei der Fokussierung des Ionenstrahls zu erreichen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasfeldionisations-Ionenquelle zum Erzeugen von Ionen und ein Ionenmikroskop zum Betrachten der Oberfläche und des Inneren einer Probe eines Halbleiter-Bauelements, von neuen Materialien und dergleichen. Die Erfindung betrifft auch ein Kombiinstrument aus einer Ionenstrahl-Verarbeitungsvorrichtung und dem Ionenmikroskop und ein Kombiinstrument aus dem Ionenmikroskop und einem Elektronenmikroskop. Die Erfindung betrifft darüberhinaus ein Analyse- und Untersuchungssystem, bei dem das Ionenmikroskop und das Elektronenmikroskop verwendet werden.
STAND DER TECHNIK
Die Oberflächenstruktur einer Probe kann durch Einstrahlen von Elektronen auf die Probe und Erfassen der sekundären geladenen Teilchen, die beim Abtasten emittiert werden, betrachtet werden. Das Instrument dafür wird Rasterelektronenmikroskop genannt (im folgenden mit REM abgekürzt). Die Oberfläche der Probe kann auch durch Bestrahlen mit einem Ionenstrahl und Erfassen der von der Probe beim Abtasten emittierten sekundären geladenen Teilchen betrachtet werden. Das Instrument dafür wird Rasterionenmikroskop genannt (im folgenden mit RIM abgekürzt). Dabei ist es günstig, wenn die Probe durch Bestrahlen mit Ionen geringer Masse betrachtet wird, etwa von Wasserstoff oder Helium, so daß der Sputtereffekt klein ist. Der Bereich, in dem durch das Eindringen von Wasserstoff- oder Heliumionen in die Oberfläche der Proben Sekundärelektronen angeregt werden, wird in Abhängigkeit von der Probenoberfläche im Vergleich zur Elektronenbestrahlung lokalisiert, so daß ein unter Verwendung von Wasserstoff- oder Heliumionen erhaltenes RIM-Bild mehr Informationen über die Oberfläche der Probe enthält als ein REM-Bild. Da unter dem Gesichtspunkt eines Mikroskops Ionen schwerer sind als Elektronen, kann bei der Strahlfokussierung der Beugungseffekt vernachlässigt werden, so daß eine Abbildung mit einer sehr großen Tiefenschärfe erhalten wird.
Wenn die Probe mit einem Elektronen- oder Ionenstrahl bestrahlt wird und die Elektronen oder Ionen erfaßt werden, die die Probe durchsetzt haben, können Informationen über die innere Struktur der Probe erhalten werden. Das Instrument dafür wird Transmissionselektronenmikroskop bzw. Transmissionsionenmikroskop genannt. Besonders bei der Bestrahlung der Probe mit Ionen geringer Masse wie Wasserstoff oder Helium ist die Transmissionsrate an der Probe hoch, so daß die Betrachtung damit erleichtert ist.
Es wird erwartet, daß eine Gasfeldionisations-Ionenquelle einen feinen Strahl erzeugt, da die Energieverteilung der Ionen schmal ist und die Quelle zur Erzeugung der Ionen klein ist, so daß es eine Ionenquelle darstellt, die für das genannte Rasterionenmikroskop und Transmissionsionenmikroskop geeignet ist.
Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. S58-85242 (PATENT-DRUCKSCHRIFT 1) beschreibt, daß eine Ionenquelle mit guten Eigenschaften erhalten wird, wenn bei einer Gasfeldionisations-Ionenquelle eine Emitterspitze verwendet wird, die an ihrem Ende mit einem kleinen Vorsprung versehen ist.
In ”H.-S. Kuo, I.-S. Hwang, T.-Y. Fu, J.-Y. Wu, C.-C. Chang und T. T. Tsong, Nano Letters 4 (2004) 2379 (NICHT-PATENT-DRUCKSCHRIFT 1)” ist beschrieben, wie der kleine Vorsprung an der Emitterspitze unter Verwendung eines vom Material der Emitterspitze verschiedenen zweiten Metalls hergestellt wird. Durch das Ausbilden einer Atom-Nanopyramidenstruktur an der Emitterspitze wird eine Ionenquelle mit hoher Strahlkraft erhalten.
In ”J. Morgan, J. Notte, R. Hill und B. Ward, Microscopy Today, 14. Juli (2006) 24 (NICHT-PATENT-DRUCKSCHRIFT 2)” ist ein Rasterionenmikroskop beschrieben, das mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle versehen ist, die Heliumionen emittiert.
Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H03-74454 (PATENT-DRUCKSCHRIFT 2) beschreibt einen Mechanismus, bei dem eine Ionisationskammer in einer Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem Balg versehen ist. Die Ionisationskammer steht über eine Vakuumprobenkammerwand mit der Raumtemperatur in Kontakt, und es wird nicht erwähnt, daß das in die Ionisationskammer eingeführte Gas die Vakuumprobenkammerwand entlangstreicht, die auf hoher Temperatur ist. Es wird auch nicht angegeben, daß die Emitterspitze gekippt ist.
Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. S62-114226 (PATENT-DRUCKSCHRIFT 3) beschreibt einen Richtungseinstellmechanismus für eine Gasfeldionisations Ionenquelle, die eine Änderung der Axialrichtung der Ionenquelle ermöglicht. Dabei steht jedoch die Ionisationskammer über eine Vakuumprobenkammerwand mit der Raumtemperatur in Kontakt, und es wird nicht erwähnt, daß das in die Ionisationskammer eingeführte Gas die Vakuumprobenkammerwand entlangstreicht, die auf hoher Temperatur ist. Bei einer Änderung der Axialrichtung der Ionenquelle wird auch die Extraktionselektrode gekippt.
Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H01-221847 (PATENT-DRUCKSCHRIFT 4) beschreibt einen Auswahlschalter für die Verbindung der Hochspannungs-Einführungsleitung für eine Extraktionselektrode mit der Hochspannungs-Einführungsleitung für die Emitterspitze und auch eine Gasfeldionisations-Ionenquelle, bei der eine elektrische Entladung zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode durch eine Behandlung mit einer erzwungenen elektrischen Entladung zwischen der Außenwand der Ionenquelle und der Emitterspitze, einer sogenannten Konditionierungsbehandlung, vermieden wird.
Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H08-203461 (PATENT-DRUCKSCHRIFT 5) beschreibt den Aufbau einer Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen mit einem Vibrationen verhindernden Einsatz zwischen einem Gerätefuß und einer Basisplatte, an der der Hauptkörper der Vorrichtung für einen Strahl geladener Teilchen angebracht ist. Es gibt jedoch keine Angaben über einen Kühlmechanismus für eine Quelle der geladenen Teilchen.
Durch Bestrahlen mit dem Ionenstrahl kann die Probe auch exakt bearbeitet werden. Bei diesem Vorgang werden die die Probe bildenden Teilchen durch Ionensputtern von der Probe entfernt. Für diesen Prozeß wird ein fokussierter Ionenstrahl (im folgenden FIB genannt) von einer Flüssigmetall-Ionenquelle (im folgenden LMIS genannt) verwendet. In den letzten Jahren wurde auch von einem FIB-REM Gebrauch gemacht, einer aus einem REM und dem fokussierten Ionenstrahl zusammengesetzten Maschine. Mit dieser FIB-REM-Vorrichtung kann der Querschnitt eines rechteckigen Lochs, das an der gewünschten Stelle durch Emission des FIB ausgebildet wurde, mit dem REM betrachtet werden.
Zum Beispiel beschreibt die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-150990 (PATENT-DRUCKSCHRIFT 6) eine Vorrichtung zum Betrachten von Defekten, Fremdstoffen und dergleichen und zum Analysieren durch Ausbilden eines geneigten Lochs in der Nähe eines nicht normalen Abschnitts einer Probe mittels FIB und Betrachten eines Querschnitts des Lochs mit dem REM.
Die internationale PCT-Veröffentlichung WO 99/05506 (PATENT-DRUCKSCHRIFT 7) beschreibt eine Technologie, bei der ein FIB und eine Sonde dazu verwendet werden, von einer größeren Probe eine kleine Probe zu entnehmen, die dann durch ein Transmissionselektronenmikroskop betrachtet werden kann.
Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H09-312210 (PATENT-DRUCKSCHRIFT 8) beschreibt eine Kühltechnik, bei der der zu kühlende Körper eines supraleitenden Magneten und eine Kältemaschine voneinander getrennt sind, wobei die beiden Teile über eine abnehmbare isolierte Vakuumleitung thermisch verbunden sind. Es ist jedoch nicht angegeben, wie die beim Betrieb der Kältemaschine entstehenden Vibrationen bei diesem Aufbau verhindert werden sollen.
Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H04-230880 (PATENT-DRUCKSCHRIFT 9) beschreibt einen Aufbau, bei dem eine Hochfrequenz-Aufnahmespule für NMR der zu kühlende Körper ist und dieser zu kühlende Körper im Vakuum thermisch mit einer Kühlstufe verbunden ist, die mit einem Kühlmittel gekühlt wird. Dieser Druckschrift ist jedoch kein Aufbau zu entnehmen, bei dem der Vakuumraum, der den zu kühlenden Körper enthält, und der Vakuumraum mit der Kühlstufe mittels einer Trennwand hermetisch voneinander getrennt sind.
ZITIERLISTE
PATENTLITERATUR

PATENT-DRUCKSCHRIFT 1: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. S58-85242
PATENT-DRUCKSCHRIFT 2: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H03-74454
PATENT-DRUCKSCHRIFT 3: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. S62-114226
PATENT-DRUCKSCHRIFT 4: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H01-221847
PATENT-DRUCKSCHRIFT 5: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H08-203461
PATENT-DRUCKSCHRIFT 6: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-150990
PATENT-DRUCKSCHRIFT 7: Internationale PCT-Veröffentlichung WO 99/05506
PATENT-DRUCKSCHRIFT 8: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H09-312210
PATENT-DRUCKSCHRIFT 9: Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. H04-230880

NICHT-PATENTLITERATUR

NICHT-PATENT-DRUCKSCHRIFT 1: H.-S. Kuo, I.-S. Hwang, T.-Y. Fu, J.-Y. Wu, C.-C. Chang und T. T. Tsong, Nano Letters 4 (2004) 2379
NICHT-PATENT-DRUCKSCHRIFT 2: J. Morgan, J. Notte, R. Hill und B. Ward, Microscopy Today, 14. Juli (2006) 24

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben genau untersucht, wie bei einem Ionenmikroskop mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle ein großer Strom und eine hohe Stabilität erhalten werden können.
Mit einem Ionenmikroskop mit einer Feldionisations-Ionenquelle kann eine Probe mit einem hohen Signal/Rausch-Verhältnis betrachtet werden, wenn ein Ionenstrahl mit einer großen Stromdichte auf die Probe gebracht werden kann. Um auf der Probe eine größere Stromdichte zu erhalten, ist es besser, wenn die Stromdichte im Ionen-Abstrahlwinkel der Feldionisations-Ionenquelle größer ist. Um die Stromdichte im Ionen-Abstrahlwinkel zu erhöhen, muß die Emitterspitze auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt werden, und der Gasdruck des Ionenmaterials um die Emitterspitze wird auf etwa 10^–2 bis 10 Pa erhöht.
Wenn jedoch der Gasdruck des Ionenmaterials auf 1 Pa oder mehr angehoben wird, wird der auf das neutrale Gas treffende Ionenstrahl neutralisiert, und der Ionenstrom nimmt ab. Wenn die Zahl der Gasmoleküle innerhalb der Feldionisations-Ionenquelle zunimmt, haben die auf die Wand des Vakuumbehälters, deren Temperatur über der der Emitterspitze liegt, auftreffenden Gasmoleküle beim späteren Auftreffen auf die Emitterspitze eine hohe Temperatur, so daß die Temperatur der Emitterspitze ansteigt, was zur Folge hat, daß der Ionenstrom abnimmt.
Bei einem Aufbau, der die Umgebung der Emitterspitze mechanisch umgibt, das heißt bei der Anordnung einer Gasionisationskammer mit einer Ionenextraktionselektrode und dergleichen als Wand können der Umgebung der Emitterspitze Gasmoleküle mit einer sehr niedrigen Temperatur zugeführt werden. Die Gasionisationskammer und die Emitterspitze weisen dabei einen feststehenden Aufbau auf.
Eine Emitterspitze mit einem Nanopyramidenaufbau mit einem kleinen Vorsprung an der Spitze weist jedoch einen Emissionswinkel für den Ionenstrahl von nur etwa einem Grad auf. Es ist daher erforderlich, den Ionenstrahl auf die Probe zu richten. Wenn die Richtung der Emitterspitze mechanisch eingestellt und dabei die Emitterspitze gekippt wird, wird auch die Richtung der Extraktionselektrode gekippt, da die Gasionisationskammer einen feststehenden Aufbau hat. Bereits ein leichtes Verkippen der Extraktionselektrode beeinflußt jedoch die Fokussierung des Ionenstrahls. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben somit herausgefunden, daß dadurch die Auflösung bei der Betrachtung der Probe abnimmt.
Ein Ionenmikroskop mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle enthält oft eine Kühleinrichtung für die Emitterspitze, etwa eine mechanische Kältemaschine, die mechanische Vibrationen erzeugt, so daß auch die Emitterspitze vibriert. Wenn die Emitterspitze vibriert, vibriert auch der Ionenstrahl, mit der Folge, daß die Auflösung bei der Betrachtung der Probe abnimmt. Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ionenmikroskop zu schaffen, bei dem durch eine Verringerung der mechanischen Vibrationen der Emitterspitze die Betrachtung einer Probe mit einer hohen Auflösung möglich ist.
Wenn es erforderlich ist, den Ionenstrahl auf die Probe zu richten, wird die Emitterspitze durch mechanisches Einstellen der Richtung der Emitterspitze gekippt. Die Erfinder haben jedoch herausgefunden, daß, wenn die Gasionisationskammer einen beweglichen Aufbau hat und der Kühlmechanismus mechanisch mit der Gasionisationskammer verbunden ist, es aufgrund des Gewichts des Kühlmechanismusses schwierig ist, mechanisch die Richtung der Emitterspitze einzustellen. Auch nimmt die Auflösung bei der Betrachtung der Probe ab. Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine leichte Einstellung der Richtung der Emitterspitze zu ermöglich und sowohl eine Verbesserung in der Helligkeit der Ionenquelle durch eine Kühlung der Emitterspitze mit wenig Vibrationen als auch eine Verbesserung bei der Fokussierung des Ionenstrahls durch Einstellen der Richtung der Emitterspitze zu erreichen.
Damit die Gasfeldionisations-Ionenquelle einen großen Ionenstrom abgibt, ist es wichtig, die Dichte der Gasmoleküle in der Nähe der Spitze zu erhöhen. Die Dichte der Gasmoleküle pro Druckeinheit ist umgekehrt proportional zu der Gastemperatur, weshalb es wichtig ist, sowohl das Gas als auch die Emitterspitze zu kühlen. Wenn jedoch die Ionisationskammer für die Gasmoleküle, die die Gasmoleküle enthält, mittels Wärmeleitung von dem kalten Kühlkopf der Kältemaschine gekühlt wird, wobei die Temperatur meist über einen guten Wärmeleiter in der Form eines Kühlfingers abgesenkt wird, können die Ionisationskammer für die Gasmoleküle und die in der Ionisationskammer für die Gasmoleküle befindliche Emitterspitze nicht auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt werden, wenn der Kühlfinger lang ist. Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Temperatur der Ionisationskammer für die Gasmoleküle und der Emitterspitze auf eine sehr niedrige Temperatur abzusenken.
Bei der Gasfeldionisations-Ionenquelle sammeln sich die Verunreinigungsmoleküle in der Vorrichtung im laufenden Betrieb an der Emitterspitze an, so daß irgendwann kein großer Ionenstrom mehr erhalten wird. Bei dem dadurch periodisch erforderlichen Auswechseln der Emitterspitze gegen eine neue Spitze wird die Temperatur im Inneren der Vorrichtung auf Raumtemperatur erhöht und die Vorrichtung dann bei Atmosphärendruck geöffnet. Da dabei aus der Atmosphäre Verunreinigungen in die Vorrichtung gelangen, müssen die Emitterspitze und das Innere der Vorrichtung einschließlich einem Teil des Kühlmechanismusses zum Kühlen der Emitterspitze bei einer hohen Temperatur von etwa 300 Grad C ausgeheizt werden. Der Kühlmechanismus enthält jedoch oft wenig hitzebeständige Elemente wie Mylar für die Folie zur Reflexion von Wärmestrahlung, das sich unter dem Einfluß der Wärme beim Ausheizen verändert, wobei sich die thermischen Isolationseigenschaften verändern. Dadurch wird die Kühlleistung herabgesetzt, und die Emitterspitze erreicht keine sehr niedrigen Temperaturen mehr. Eine vierte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, zu verhindern, daß sich die Hitzebeständigkeit des Kühlmechanismusses beim Ausheizen verschlechtert.
Die zum Abkühlen der Emitterspitze auf eine sehr niedrige Temperatur erforderliche Zeit wird sehr lange, wenn der Kühlmechanismus und die zu kühlenden Elemente eine große Masse haben. Als Kältemaschine, die einen Teil des Kühlmechanismusses bildet, wird oft eine kleine Kältemaschine geringer Leistung verwendet, um die Vibrationen im Betrieb zu verringern. Die Erfinder haben herausgefunden, daß es deshalb lange dauert, bis die Vorrichtung abgekühlt ist, so daß der Start der Vorrichtung lange dauert und sich die Betriebszeit der Vorrichtung verringert. Eine fünfte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Kühlzeit für die Emitterspitze zu verringern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft das Vorsehen einer Gasfeldionisations-Ionenquelle, mit der ein großer Strom erhalten wird und die stabil betrieben werden kann, sowie eines Ionenmikroskops mit einer hohen Auflösung und großen Tiefenschärfe.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft das Vorsehen einer Vorrichtung zum Bearbeiten einer Probe mit einem Ionenstrahl, um einen Querschnitt auszubilden, wobei der Querschnitt mit einem Ionenmikroskop betrachtet wird, sowie eines Querschnitt-Betrachtungsverfahrens.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrifft das Vorsehen eines Analysators und einer Untersuchungsvorrichtung, die allein zum Betrachten einer Probe mit einem Ionenmikroskop verwendet werden können, um eine Probe mit einem Elektronenmikroskop zu betrachten und eine Elementanalyse durchzuführen, und um Defekte, Fremdstoffe usw. zu betrachten und zu analysieren.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ionenmikroskop mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle, wobei der Kühlmittelkreislauf eines Kühlmechanismusses so angeordnet ist, daß eine Kältemaschine zum Kühlen der Gasfeldionisations-Ionenquelle unabhängig von Hauptkörper des Ionenmikroskops angeordnet ist und das Kühlmittel zwischen der Gasfeldionisations-Ionenquelle und der Kältemaschine zirkuliert. Die erwähnten ersten bis fünften Punkte, die die Erfinder herausgefunden haben, und die Aufgaben der Erfindung sind voneinander unabhängig. Die in einem Anspruch beschriebene Erfindung betrifft daher nicht notwendigerweise alle Punkte und Aufgaben. Die vorliegende Beschreibung enthält auch technische Ideen, die jeweils nur einen Teil der obigen Punkte und Aufgaben betreffen.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung werden die mechanischen Vibrationen der Kältemaschine, die zu der Gasfeldionisations-Ionenquelle übertragen werden, verringert, und es werden Verbesserungen sowohl in der Helligkeit der Ionenquelle als auch bei der Fokussierung des Ionenstrahls erreicht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Ionenmikroskops gemäß Ausführungsform 1.
2 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zum Steuern des Ionenmikroskops der Ausführungsform 1.
3 zeigt schematisch den Aufbau der Feldionisations-Ionenquelle gemäß Ausführungsform 1.
4 ist eine schematische Ansicht der Umgebung der Emitterspitze bei der Feldionisations-Ionenquelle der Ausführungsform 1.
5 zeigt schematisch eine Ansicht der Umgebung der Emitterspitze vor einem Kippen der Emitterspitze bei der Feldionisations-Ionenquelle der Ausführungsform 1.
6 zeigt schematisch eine Ansicht der Umgebung der Emitterspitze nach dem Kippen der Emitterspitze bei der Feldionisations-Ionenquelle der Ausführungsform 1.
7 zeigt schematisch den Aufbau eines Ionenmikroskops gemäß Ausführungsform 2.
8 zeigt schematisch den Aufbau eines Ionenmikroskops gemäß Ausführungsform 3.
9 ist eine Schnittansicht einer Transferleitung bei der Ausführungsform 3.
10 ist eine Schnittansicht eines anderen Beispiels für eine Transferleitung.
11 zeigt schematisch den Aufbau eines Ionenmikroskops gemäß Ausführungsform 4.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform umfaßt ein Ionenmikroskop mit einer Feldionisations-Ionenquelle mit einer Emitterspitze mit einem nadelförmigen Ende, einer Ionisationskammer, in der sich die Emitterspitze befindet, einer Leitung zum Zuführen von Gasmolekülen zu der Umgebung der Emitterspitze und einer Extraktionselektrode zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, um die Gasmoleküle in der Umgebung der Emitterspitze zu ionisieren; mit einem Probentisch, auf dem eine Probe angeordnet wird; mit einer Linse zum Fokussieren des Ionenstrahls von der Gasfeldionisations-Ionenquelle auf die Probe; mit einer Basis zum Befestigen der Feldionisations-Ionenquelle, des Probentisches und der Linse; mit einem Gerätefuß; mit einem Vibrationen dämpfenden Mechanismus zwischen der Basis und dem Gerätefuß; mit einem Kühlwärmeleiter, der zum Teil thermisch mit der Feldionisations-Ionenquelle verbunden ist; mit einem Wärmetauscher, der thermisch mit dem Kühlwärmeleiter verbunden ist; mit einer von der Basis unabhängigen Kältemaschine; mit einer Zweiwegeleitung zum Zirkulieren eines Kühlmittels zwischen dem Wärmetauscher und der Kältemaschine; und mit einer vakuumisolierten Leitung, die zumindest einen Teil der Zweiwegeleitung aufnimmt, wobei das eine Ende der vakuumisolierten Leitung an der Basis angebracht ist.
Die Ausführungsform umfaßt auch ein Ionenmikroskop mit einer ersten Zweiwegeleitung, in der Kühlmittel für sehr niedrige Temperaturen zum Kühlen der Feldionisations-Ionenquelle fließt; und mit einer zweiten Zweiwegeleitung, die so angeordnet ist, daß sie die erste Zweiwegeleitung thermisch abschirmt und in der ein Kühlmittel mit einer Temperatur fließt, die höher ist als die des Kühlmittels für sehr niedrige Temperaturen.
Die Ausführungsform umfaßt auch ein Ionenmikroskop, bei dem das eine Ende der vakuumisolierten Leitung, das an der Basis angebracht ist, mit einer Trennwand versehen ist, durch die der Kühlwärmeleiter verläuft, wobei der Wärmetauscher in der vakuumisolierten Leitung angeordnet ist und von der Feldionisations-Ionenquelle vakuumisoliert ist. Vorzugsweise weist die Vakuum-Trennwand eine Wabenstruktur auf.
Die Ausführungsform umfaßt auch ein Ionenmikroskop mit einer Basisbefestigung zum Halten der Emitterspitze und einem verformbaren mechanischen Element zur Verbindung der Basisbefestigung mit der Extraktionselektrode, wobei die Ionisationskammer aus wenigstens der Basisbefestigung, der Extraktionselektrode und dem verformbaren mechanischen Element besteht und beweglich ist.
Die Ausführungsform umfaßt auch ein Ionenmikroskop, bei dem die vakuumisolierte Leitung in wenigstens zwei Leitungsabschnitte aufgeteilt ist, wobei der eine Abschnitt der vakuumisolierten Leitung an der Basis angebracht ist und der andere am Gerätefuß und die beiden Abschnitte der vakuumisolierten Leitung über einen Balg vakuumverbunden sind.
Die Ausführungsform umfaßt auch ein Ionenmikroskop, bei dem die vakuumisolierte Leitung einen Leitungskreis für flüssigen Stickstoff beinhaltet, um das Innere der vakuumisolierten Leitung zu kühlen. Vorzugsweise sind der Leitungskreis für den flüssigen Stickstoff und die Zweiwegeleitung thermisch zusammen in den vakuumisolierten Behälter integriert.
Die Ausführungsform umfaßt auch ein Ionenmikroskop, bei dem das eine Ende der vakuumisolierten Leitung, das an der Basis angebracht ist, mit der Trennwand versehen ist, durch die die Zweiwegeleitung verläuft, wobei das Innere der vakuumisolierten Leitung von der Feldionisations-Ionenquelle vakuumisoliert ist.
Die Ausführungsform umfaßt auch ein Ionenmikroskop, bei dem ein Kühlmittel in der Zweiwegeleitung zirkuliert, wenn der Vakuumbehälter mit der Feldionisations-Ionenquelle, dem Probentisch und der Linse ausgeheizt wird.
Bei der Ausführungsform ist zwischen einer Basisplatte, an der der Hauptkörper des Ionenmikroskops angebracht ist, und dem Gerätefuß ein Vibrationen dämpfender Mechanismus angeordnet; an einem ersten Haltemechanismus, der am Boden, auf dem der Gerätefuß angeordnet ist, oder an der Basisplatte befestigt ist, ist ein Kühlmechanismus zum Kühlen der Gasfeldionisations-Ionenquelle aufgehängt; und an einem zweiten Haltemechanismus, der starr am Hauptkörper des Ionenmikroskops angebracht ist, um mechanische Vibrationen der Gasfeldionisations-Ionenquelle zu vermeiden, ist ein Kühlmechanismus aufgehängt, der thermisch mit einem Kühlelement für die Emitterspitze gekoppelt ist, wodurch die Betrachtung einer Probe mit hoher Auflösung möglich ist.
Bei der Ausführungsform ist zwischen einer Basisplatte, an der der Hauptkörper des Ionenmikroskops angebracht ist, und dem Gerätefuß ein Vibrationen dämpfender Mechanismus angeordnet; an einem ersten Haltemechanismus, der am Boden, auf dem der Gerätefuß angeordnet ist, oder an der Basisplatte befestigt ist, ist ein Kühlmechanismus zum Kühlen der Gasfeldionisations-Ionenquelle aufgehängt; und an einem zweiten Haltemechanismus, der starr am Hauptkörper des Ionenmikroskops angebracht ist, ist ein Kühlmechanismus aufgehängt, der thermisch mit einem Kühlelement für die Emitterspitze gekoppelt ist; zwischen den Befestigungsabschnitten der beiden Kühlmechanismen ist ein Vibrationen dämpfender Mechanismus angeordnet; und die Masse des zweiten Haltemechanismusses, der starr am Hauptkörper des Ionenmikroskops angebracht ist, sowie die Masse des Kühlmechanismusses am Haltemechanismus sind herabgesetzt, wodurch sowohl eine Verbesserung in der Helligkeit der Ionenquelle durch die Kühlung der Emitterspitze mit geringen Vibrationen als auch eine Verbesserung bei der Fokussierung des Ionenstrahls durch eine Einstellung der Richtung der Emitterspitze erreicht wird.
Bei der Ausführungsform umfaßt der Mechanismus zum Kühlen der Emitterspitze der Ionisationskammer für die Gasmoleküle auf eine sehr niedrige Temperatur durch den Wärmetauscher das Zuführen eines Kühlmediums auf sehr niedriger Temperatur zum Kühlmechanismus für das Kühlen der Gasfeldionisations-Ionenquelle und der Ionisationskammer für die Gasmoleküle mit der Emitterspitze darin, wodurch die Emitterspitze eine sehr niedrige Temperatur annehmen kann.
Bei der Ausführungsform ist der Raum zwischen dem Kühlmechanismus für das Kühlen der Gasfeldionisations-Ionenquelle und einem Vakuumbehälter mit der Emitterspitze darin hermetisch durch eine Trennwand isoliert, und es ist ein Mechanismus zum Abkühlen durch Zirkulieren einer Kühlmittels im Kühlmechanismus beim Ausheizen des Inneren des Vakuumbehälters vorgesehen, wodurch eine Verschlechterung der Hitzebeständigkeit der Kühlmechanismusses beim Ausheizen vermieden wird.
Bei der Ausführungsform ist zusätzlich ein zweiter Kühlmechanismus vorgesehen, der einen Leitungskreis zum Zuführen und Zirkulieren eines flüssigen Kühlmittels wie flüssigem Stickstoff enthält und der die Kühlung unterstützt. Der zweite Kühlmechanismus ist mit dem Kühlmechanismus zum Kühlen der Gasfeldionisations-Ionenquelle kombiniert, damit die Emitterspitze in kurzer Zeit abgekühlt werden kann.
Mit der vorliegenden Ausführungsform werden eine Gasfeldionisations-Ionenquelle, bei der mechanische Vibrationen verringert sind und sowohl die Helligkeit der Ionenquelle als auch die Fokussierung des Ionenstrahls verbessert sind, und ein Ionenmikroskop mit hoher Auflösung geschaffen.
Mit der vorliegenden Ausführungsform werden eine Gasfeldionisations-Ionenquelle, bei der die Emitterspitze eine sehr niedrige Temperatur aufweist und einen Ionenstrahl mit einem großen Strom abgibt, sowie ein Ionenmikroskop mit hoher Auflösung geschaffen.
Mit der vorliegenden Ausführungsform werden eine Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem Kühlmechanismus mit geringem Gewicht und leichter Einstellung der Richtung der Emitterspitze der Ionenquelle und damit einer verbesserten Fokussierung des Ionenstrahls durch die Einstellung der Richtung der Emitterspitze sowie ein Ionenmikroskop mit hoher Auflösung geschaffen.
Mit der vorliegenden Ausführungsform werden eine Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem Kühlmechanismus, dessen Kühlleistung nach dem Ausheizen nicht schlechter ist, sowie ein Ionenmikroskop mit hoher Auflösung geschaffen.
Mit der vorliegenden Ausführungsform werden eine Gasfeldionisations-Ionenquelle, bei der die effektive Betriebszeit der Vorrichtung durch eine Verringerung der Abkühlzeit der Vorrichtung höher ist, sowie ein Ionenmikroskop mit hoher Auflösung geschaffen.
Diese und andere neue Merkmale und Auswirkungen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen dienen vor allem dem leichteren Verständnis der Erfindung und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein. Die einzelnen Ausführungsformen können gegebenenfalls kombiniert werden, wobei die Kombinationen ebenfalls in der Beschreibung eingeschlossen sind.
Ausführungsform 1:
Die 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Ionenmikroskops bei dieser Ausführungsform. Die Vorrichtung umfaßt eine Gasfeldionisations-Ionenquelle 1, einen Säule 2 für ein Ionenstrahl-Bestrahlungssystem, eine Vakuum-Probenkammer 3 und dergleichen. Die Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 ist mit dem Endabschnitt 420 einer Transferleitung 404 verbunden, die eines der einen Kühlmechanismus 100 bildenden Elemente ist.
Die Säule 2 für das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem enthält eine Kondensorlinse 5 vom elektrostatischen Typ, eine den Strahl begrenzende Blendenöffnung 6, eine Strahlabtastelektrode 7, eine Objektivlinse 8 vom elektrostatischen Typ und dergleichen. Die Vakuum-Probenkammer 3 enthält einen Probentisch 10, auf dem eine Probe 9 angebracht wird, einen Sekundärteilchendetektor 11 und dergleichen. Die Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 ist mit einer Vakuumpumpe 12 für die Ionenquelle und die Vakuum-Probenkammer 3 mit einer Vakuumpumpe 13 für die Probenkammer versehen. Das Innere der Säule 2 für das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem wird unter einem Vakuum gehalten.
Auf dem Boden 20 ist eine Kompressoreinheit (ein Kompressor) 16 angeordnet, dessen Arbeitsgas Helium ist. Die Kompressoreinheit 16 führt über eine Leitung 101 und eine Leitung 102 einer Kältemaschine 401 von Gifford-McMahon-Typ (GM-Typ) Helium unter hohem Druck zu. Das unter hohem Druck stehende Heliumgas wird in der Kältemaschine vom GM-Typ periodisch expandiert, wobei Kälte entsteht, und das bei der Expansion entstehende Niederdruck-Heliumgas wird durch die Leitung 101 wieder zu der Kompressoreinheit geführt.
Das Heliumgas, das Arbeitsgas, das im Betrieb zum Kühlmittel wird, wird durch die Kältemaschine 401 vom GM-Typ, einen Wärmetauscher 410, einen Wärmetauscher 412 und einen Wärmetauscher 402 gekühlt. Eine Kompressoreinheit 400 läßt das Heliumgas zirkulieren. Das auf Normaltemperatur (300 K) und 0,9 MPa befindliche Heliumgas, das von der Kompressoreinheit 400 unter Druck gesetzt wird, strömt durch einen Wärmetauscher 409 in den Wärmetauscher 402 und wird durch den Austausch der Wärme mit dem zurückkehrenden Niedrigtemperatur-Heliumgas, das noch beschrieben wird, auf etwa 60 K abgekühlt. Das abgekühlte Heliumgas wird durch eine Leitung 403 in der wärmeisolierten Transferleitung 404 zu einem Wärmetauscher 405 befördert, der sich in der Nähe der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 befindet.
Hier kühlt es einen Kühlleiter 406, der thermisch mit dem Wärmetauscher 405 gekoppelt ist, auf eine Temperatur von etwa 65 K zum Kühlen eines Strahlungsschildes 58 und dergleichen ab. Das erwärmte Heliumgas fließt aus dem Wärmetauscher 405 heraus und durch eine Leitung 407 in den Wärmetauscher 409, der thermisch mit der ersten Kühlstufe 408 der Kältemaschine 401 vom GM-Typ gekoppelt ist, wird auf eine Temperatur von etwa 50 K gekühlt und fließt dann in den Wärmetauscher 410.
Durch den Wärmeaustausch mit dem rückströmenden Niedertemperatur-Heliumgas, das noch beschrieben wird, wird es auf eine Temperatur von etwa 15 K abgekühlt und strömt dann in einen Wärmetauscher 412, der thermisch Bestandteil einer zweiten Kühlstufe 411 der Kältemaschine 401 vom GM-Typ ist, wird dort auf eine Temperatur von etwa 9 K gekühlt und anschließend durch eine Leitung 413 in der Transferleitung 404 zu einem Wärmetauscher 414 transportiert, der in der Nähe der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 angeordnet ist.
Hier kühlt es einen Kühlleiterstab 53, der ein guter Wärmeleiter ist und der thermisch mit dem Wärmetauscher 414 verbunden ist, auf eine Temperatur von etwa 10 K ab. Das Heliumgas, das sich im Wärmetauscher 414 erwärmt hat, fließt dann durch eine Leitung 415 nacheinander in die Wärmetauscher 410 und 402 und tauscht mit dem oben genannten Heliumgas Wärme aus, um im wesentlichen Normaltemperatur (275 K) anzunehmen, und wird durch die Leitung 415 wieder zur Kompressoreinheit 400 geführt.
Es ist zwar nicht gezeigt, der beschriebene Niedertemperaturabschnitt befindet sich jedoch in einem vakuumisolierten Behälter 416 und ist adiabatisch mit der Transferleitung 404 verbunden. Im vakuumisolierten Behälter 415 wird das Eindringen von Strahlungswärme vom Raumtemperaturabschnitt in den Niedertemperaturabschnitt durch eine (nicht gezeigte) Strahlungsabschirmplatte oder ein laminiertes wärmeisolierendes Material verhindert.
Die Transferleitung 404 ist durch eine Halterung 417 fest am Boden 20 angebracht. Die Leitung 403, die Leitung 407, die Leitung 413 und die Leitung 415 sind in der Transferleitung 404 durch einen (nicht gezeigten) mit Glasfaser gefüllten Kunststoff-Wärmeisolator fest angeordnet, einem wärmeisolierenden Material mit einem geringen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit, und sind damit auch fest am Boden 20 angebracht.
In der Umgebung der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 ist die Transferleitung 404 fest an einer Halterung 418 angebracht, die an einer Basisplatte 18 befestigt ist. Gleichermaßen werden, auch wenn dies nicht dargestellt ist, die Leitung 403, die Leitung 407, die Leitung 413 und die Leitung 415 in der Transferleitung 404 durch den mit Glasfaser gefüllten Kunststoff-Wärmeisolator festgehalten, einem wärmeisolierenden Material mit einem geringen Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit, und sind mittels eines elastischen Körpers 419 aus zum Beispiel Gummi elastisch an der Halterung 418 angebracht.
Ein Flansch 421 am Endabschnitt 420 der Transferleitung 404 ist fest an einer Halterung 422 angebracht, die fest an der Wand des Vakuumbehälters der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 angebracht ist. Die Leitung 403, die Leitung 407, die Leitung 413 und die Leitung 415, die durch die beschriebene Anordnung in der Transferleitung 404 festgehalten werden, werden somit auch von der Wand des Vakuumbehälters der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 festgehalten, und es ist möglich, die Vibrationen dieser Leitungsgruppe mit den Vibrationen der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 zu synchronisieren.
Das heißt, daß der Kühlmechanismus 100 aus einer Kälte erzeugenden Einrichtung, die durch Expandieren des ersten Hochdruckgases von der Kompressoreinheit 16 Kälte erzeugt, und einem Kühlmechanismus besteht, der mit der Kälte der Kälte erzeugenden Einrichtung gekühlt wird und einen zu kühlenden Körper mit Heliumgas kühlt, das ein zweites, sich bewegendes Kühlmittel ist, das von der Kompressoreinheit 400 umgewälzt wird. Der Kühlleiterstab 53 ist mit der Emitterspitze 21 über ein verformbares Kupferdrahtgeflecht 54 und eine Saphirbasis verbunden. Damit werden eine Vibrationsverhinderung und eine Kühlung der Emitterspitze 21 verwirklicht.
Bei der vorliegenden Ausführungsform läßt die Kältemaschine vom GM-Typ den Boden vibrieren, die Gasfeldionisations-Ionenquelle 1, die Säule 2 für das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem und die Vakuum-Probenkammer 3 sind jedoch von der GM-Kältemaschine isoliert. Die Leitung 403, die Leitung 407, die Leitung 413 und die Leitung 415, die mit dem Wärmetauscher 405 und dem Wärmetauscher 414 verbunden sind, die in der Nähe der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 angeordnet sind, werden fest am Boden 20 und der Basisplatte 18 gehalten, die im wesentlichen vibrationsfrei sind und nicht vibrieren, und sie sind gegen den Boden vibrationsisoliert, so daß sich ein System ergibt, bei dem extrem wenig mechanische Vibrationen übertragen werden. Die Basisplatte 18 ist an einem Gerätefuß 17 angebracht, und die Gasfeldionisations-Ionenquelle 1, die Säule 2 für das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem und die Vakuum-Probenkammer 3 sind an der Basisplatte 18 befestigt. Zwischen dem Gerätefuß 17 und der Basisplatte 18 befindet sich ein Vibrationen dämpfender Mechanismus 19, so daß keine hochfrequenten Vibrationen vom Boden auf die Gasfeldionisations-Ionenquelle 1, die Säule 2 für das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem und die Vakuum-Probenkammer 3 übertragen werden. Mit anderen Worten werden die mechanischen Vibrationen durch die Gasfeldionisations-Ionenquelle der vorliegenden Ausführungsform verringert, so daß eine Gasfeldionisations-Ionenquelle und ein Ionenmikroskop mit hoher Auflösung verwirklicht werden.
Schall von der Kompressoreinheit 16 oder der Kompressoreinheit 400, die Heliumgas zu der Kältemaschine 401 vom GM-Typ schicken, versetzt die Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 in Vibrationen und verschlechtert gelegentlich deren Auflösung. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist daher eine Geräteabdeckung 423 vorgesehen, die den Kompressor und die Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 räumlich voneinander trennt. Der Kompressor der Kältemaschine wird damit schallisoliert und der Einfluß von Vibrationen weiter herabgesetzt, so daß eine Gasfeldionisations-Ionenquelle und ein Ionenmikroskop mit hoher Auflösung verwirklicht werden. Dieser Effekt ist bei allen Ausführungsformen mit einem Kompressor vorhanden.
Die Kompressoreinheit 400 wird bei dieser Ausführungsform dazu verwendet, das zweite Heliumgas umzuwälzen, der gleiche Effekt kann auch dadurch erreicht werden, daß die Leitung 101 und die Leitung 102 der Kompressoreinheit 16 über ein Durchflußmengen-Einstellventil mit dem Wärmetauscher 409 und der Leitung 415 verbunden werden, so daß ein Teil des Heliumgases von der Kompressoreinheit 16 als zweites Heliumgas dem Wärmetauscher 409 zugeführt wird und das Heliumgas durch die Leitung 415 zur Kompressoreinheit 16 zurückgeführt wird. Auf diese Weise wird der Kühlmechanismus 100 ausgeführt.
Die 2 zeigt eine Vorrichtung (auch Abschnitt genannt) zum Steuern des Ionenmikroskops bei der vorliegenden Ausführungsform. Diese Steuervorrichtung umfaßt eine Steuervorrichtung 91 für die Feldionisations-Ionenquelle, eine Steuervorrichtung 92 für den Kühlmechanismus, eine Linsen-Steuervorrichtung 93, eine Steuervorrichtung 94 für die strahlbegrenzende Blendenöffnung, eine Steuervorrichtung 95 für die Abtastung mit dem Ionenstrahl, eine Steuervorrichtung 96 für den Sekundärelektronendetektor, eine Probentisch-Steuervorrichtung 97, eine Vakuumpumpen-Steuervorrichtung 98 und eine arithmetische Verarbeitungseinheit 99 und dergleichen. Die arithmetische Verarbeitungseinheit 99 ist mit einem Bildanzeigeabschnitt zum Darstellen des aus dem Signal des Sekundärteilchendetektors 11 erzeugten Bildes und der an einer Informationseingabeeinrichtung und dergleichen eingegebenen Informationen versehen. Der Probentisch 10 ist mit einem Mechanismus für eine lineare Bewegung in zueinander senkrechten Richtungen in der Probenbefestigungsfläche, einem Mechanismus für eine lineare Bewegung in der Richtung senkrecht zur Probenbefestigungsfläche, einem Drehmechanismus für eine Drehung in der Probenbefestigungsfläche und einer Kippfunktion zum Verändern des Einstrahlungswinkels des Ionenstrahls 14 auf die Probe 9 durch Drehen um eine Kippachse versehen, wobei die Steuerung von der Probentisch-Steuervorrichtung 97 gemäß den Befehlen erfolgt, die von der arithmetischen Verarbeitungseinheit 99 ausgesendet werden.
Die 3 zeigt schematisch den Aufbau der Feldionisations-Ionenquelle bei dieser Ausführungsform und die 4 schematisch den Aufbau einer Feldionisations-Ionenquelle mit einem Kühlmechanismus zum Kühlen der Emitterspitze der Feldionisations-Ionenquelle dieser Ausführungsform. Die Feldionisations-Ionenquelle umfaßt einen Vakuumbehälter. Die Emitterspitze 21 ist am Vakuumbehälter 51 derart aufgehängt, daß sie horizontal in zwei zueinander senkrechten Richtungen und in vertikaler Richtung verstellt werden kann, wobei der Aufbau derart beweglich ist, daß der Winkel der Emitterspitze eingestellt werden kann. Die Extraktionselektrode 24 ist bezüglich des Vakuumbehälters feststehend ausgebildet. Die Filamentbefestigung 23 wird von einer Saphirbasis 52 isoliert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind der Kühlleiterstab 53 und die Saphirbasis 52 mittels eines verformbaren mechanischen Elements wie dem hochflexiblen Kupferdrahtgeflecht 54 miteinander verbunden, wodurch die Emitterspitze 21 beweglich bleibt und die Übertragung von hochfrequenten Vibrationen im Vergleich zu einer Verbindung durch ein starres mechanisches Element verringert ist. Die Gasfeldionisations-Ionenquelle mit diesem Kühlmechanismus hat daher die Eigenschaft, daß die mechanischen Vibrationen an der Emitterspitze verringert sind. Die Extraktionselektrode 24 hat zwar bezüglich des Vakuumbehälters hinsichtlich der Verringerung der Übertragung von Vibrationen von der Kältemaschine einen feststehenden Aufbau, die Saphirbasis 55, an der die Extraktionselektrode angebracht ist, und das vordere Ende des Kühlleiterstabes 53 mit guter Wärmeleitung sind jedoch auch über ein verformbares Kupferdrahtgeflecht 56 miteinander verbunden. Es wird somit ein Ionenmikroskop mit hoher Auflösung verwirklicht.
Mit dem Strahlungsschild 58 der 3 ist über den Kupfer-Kühlleiter 406 ein nicht gezeigter Strahlungsschild verbunden. Dieser Kühlleiter 406 ist in der Nähe der Emitterspitze angebracht und deckt den Kühlleiterstab 53 ab. Der Strahlungsschild 58 umgibt die Gasmolekül-Ionisationskammer mit der Emitterspitze und verringert die Erwärmung der Gasmolekül-Ionisationskammer durch Wärmestrahlung. Der Strahlungsschild 58 ist in der Richtung angebracht, in der der Ionenstrahl von der Gasmolekül-Ionisationskammer herausgeführt wird, und mit wenigstens einer der Elektroden der elektrostatischen Linse 59 gegenüber der Gasmolekül-Ionisationskammer verbunden. In der Zeichnung besteht die elektrostatische Linse aus drei Elektroden, und die Elektrode 60, die der Gasmolekül-Ionisationskammer am nächsten liegt, ist mit dem Strahlungsschild 58 verbunden und wird gekühlt.
Die 4 zeigt schematisch die Umgebung der Emitterspitze der Feldionisations-Ionenquelle bei dieser Ausführungsform. Die Umgebung der Emitterspitze der Feldionisations-Ionenquelle umfaßt. die Emitterspitze 21, ein Filament 22, eine Filamentbefestigung 23, die Extraktionselektrode 24, eine Gaszuführleitung 25 und einen verformbaren Balg B 62. Die Emitterspitze 21 ist am Filament 22 befestigt. Beide Enden des Filaments 22 sind an einem Haltestab 31 der Filamentbefestigung angebracht.
Die Extraktionselektrode 24 ist gegenüber der Emitterspitze 21 angeordnet und weist eine Blendenöffnung 27 auf, durch die der Ionenstrahl 14 läuft. Mit der Extraktionselektrode 24 sind eine zylindrische Seitenwand 28 und eine Abschlußplatte 29 verbunden, die die Emitterspitze 21 umgeben. Am Umfang der zylindrischen Seitenwand ist ein zylindrisches laminiertes wärmeisolierendes Material 30 angebracht.
Die von der Extraktionselektrode, der Seitenwand und der Abschlußplatte umgebene Kammer wird hier Gasmolekül-Ionisationskammer genannt. Durch die Gaszuführleitung 25 wird das zu ionisierende Gas wie Helium oder Wasserstoff der Gasmolekül-Ionisationskammer zugeführt. Mit einer Durchflußmengen-Einstellvorrichtung 40 wird eine vorgegebene Durchflußmenge für das zu ionisierende Gas eingestellt. In der Zeichnung ist es zwar nicht zu sehen, die Gaszuführleitung 25 steht jedoch mit dem Kühlleiter 406 in Kontakt und mit dem Kühlleiterstab 53 in thermischen Kontakt. Das zu ionisierende Gas wird dadurch auf die Temperatur des Kühlleiterstabes 53 abgekühlt, bevor es in die Gasmolekül-Ionisationskammer geleitet wird.
Die Filamentbefestigung ist an einer Emitterbasisbefestigung 64 angebracht und die Emitterbasisbefestigung 64 mittels eines verformbaren Balgs A 61 am Vakuumbehälter 51.
Die 5 und 6 zeigen schematisch die Umgebung der Emitterspitze der Feldionisations-Ionenquelle vor und nach einem Verkippen der Emitterspitze. Beim Kippen der Emitterspitze verformen sich der Balg A 61 und der Balg B 62. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der minimale Durchmesser des Balgs B zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode kleiner als der maximale Durchmesser des Balgs A zwischen der Emitterspitzen-Basisbefestigung und dem Vakuumbehälter. Der Aufbau hat damit die Form eines umgekehrten Dreiecks mit der Emitterspitze an der Spitze, so daß die Vibrationen an der Emitterspitze geringer sind.
Bei diesem Aufbau in der Form eines umgekehrten Dreiecks ist die Emitterspitze 21 über den verformbaren Balg B 62 und ein Isoliermaterial 63 mit der Extraktionselektrode 24 verbunden. Die Emitterspitze 21 kann daher bewegt und auch gekippt werden, wobei die Emitterspitze immer von der Extraktionselektrode 24 umgeben ist und wobei außer durch die Blendenöffnung 27 der Extraktionselektrode und die Gaszuführleitung 25 kein Helium austreten kann. Der Grund dafür ist die Verbindung der Emitterspitze 21 mit der Extraktionselektrode 24 über den dazwischen angeordneten verformbaren Balg B 62, wodurch die Gasdichtigkeit der Gasmolekül-Ionisationskammer verbessert wird.
Im folgenden wird die Herstellung der Emitterspitze beschrieben. Die Emitterspitze ist ein Wolframdraht mit einem Durchmesser von etwa 100 bis 400 μm und einer Orientierung in Axialrichtung von <111>, wobei das Ende zugespitzt ist und einen Krümmungsradius von einigen zehn nm aufweist. In einem anderen Vakuumbehälter wird im Vakuum Iridium auf der Emitterspitze abgeschieden. Durch Aufheizen auf eine hohe Temperatur werden dann Platinatome zur Emitterspitze gebracht, wobei die Platinatome eine Pyramide in Nanometergröße ausbilden. Die Spitze dieser Nanopyramide besteht aus einem Atom und die Lage darunter aus drei oder sechs Atomen. Darunter befindet sich eine Lage mit zehn oder mehr Atomen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden ein dünner Wolframdraht und Platin verwendet, es kann jedoch auch ein dünner Molybdändraht verwendet werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde Platin aufgebracht, es können jedoch auch Iridium, Rhenium, Osmium, Palladium, Rhodium und dergleichen verwendet werden. Wenn das zu ionisierende Gas Helium ist, ist es wichtig, daß die Verdampfungsintensität des Metalls größer ist als die Intensität des elektrischen Feldes bei der Ionisation des Heliums, so daß Platin, Rhenium, Osmium und Iridium geeignet sind. Wenn Wasserstoff verwendet wird, sind Platin, Rhenium, Osmium, Palladium, Rhodium und Iridium geeignet.
Im folgenden wird der Betrieb dieser Ionenquelle beschrieben. Nachdem in der 4 ein Vakuum erzeugt wurde, werden die Extraktionselektrode 24, die Seitenwand 28 und die Abschlußplatte 29 durch das laminierte wärmeisolierende Material 30 an der Außenseite der Seitenwand der Gasmolekül-Ionisationskammer auf zum Beispiel eine Temperatur von 300 Grad C aufgeheizt und damit aufgeheizt und entgast. Gleichzeitig wird auch der Balg A 61 durch ein anderes Widerstandsheizgerät in der Atmosphäre aufgeheizt, so daß das Vakuum des Balgs A 61 besser wird und die Konzentration an Restgasen abnimmt. Dadurch wird erreicht, daß der Ionenemissionsstrom für eine gewisse Zeit stabil bleibt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das laminierte wärmeisolierende Material 30 an der Außenseite der Gasmolekül-Ionisationskammer angebracht. Im Vergleich zu einer Anordnung des laminierten wärmeisolierenden Materials 30 innen braucht daher das Widerstandsheizgerät selbst nicht ausgegast werden, und das Vakuum in der Gasmolekül-Ionisationskammer wird besser.
Wie in der 1 gezeigt, sind am Endabschnitt 420 der Transferleitung 404 die Räume, die mit den beiden Seiten einer Vakuum-Trennwand 26 in Kontakt stehen, durch zum Beispiel eine hitzefeste Vakuum-Trennwand 26 aus Edelstahl hermetisch isoliert. Beim Ausheizen liegt der Raum auf der Seite der Ionenquellenkammer auf Atmosphärendruck und wird auf der Ausheiztemperatur von 300 Grad C gehalten. Dadurch steigen die Temperaturen des Wärmetauschers 405 und des Wärmetauschers 414 am Endabschnitt 420 über den Kühlleiterstab 53 und den Kühlleiter 406 gegenüber der Ausheizkammer an. Da die Komponenten in der Transferleitung 404 durch eine Verbindung wie durch Schweißen, Silberlöten und dergleichen verbunden sind, werden sie durch das Ausheizen nicht beeinflußt. Da jedoch das laminierte wärmeisolierende Material 30 gegen die Strahlungswärme um diese Komponenten aus einem Material besteht, bei dem auf einer dünnen Polyesterfolie Aluminium aufgedampft ist, wird es bei der Ausheiztemperatur thermisch zersetzt und kann nicht mehr thermisch isolieren. Deshalb erfolgt unter der Steuerung der Steuervorrichtung 92 für den Kühlmechanismus beim Ausheizen eine Kühlung, um zu verhindern, daß die Temperaturen des Wärmetauschers 405 und des Wärmetauschers 414 ansteigen und um das laminierte wärmeisolierende Material auf 120 Grad C oder darunter abzukühlen. Das laminierte wärmeisolierende Material 30 verändert sich also nicht, und die Gasmolekül-Ionisationskammer kann nach dem Ausheizen auf die vorgegebene tiefe Temperatur abgekühlt werden.
Nach einer bestimmten Zeit wird das Aufheizen der Gasmolekül-Ionisationskammer und des Vakuumbehälters gestoppt, der Kühlmechanismus wird jedoch weiter betrieben, um die Emitterspitze, die Extraktionselektrode und den Strahlungsschild abzukühlen. Durch die Gaszuführleitung 25 wird das zu ionisierende Gas wie Helium oder Wasserstoff in die Gasmolekül-Ionisationskammer eingeführt. Wenn die Blendenöffnung 27 der Extraktionselektrode einen Durchmesser von 0,2 mm oder weniger hat, kann der Gasdruck in der Gasmolekül-Ionisationskammer um eine Größenordnung oder mehr über dem des Vakuumbehälters außerhalb der Ionisationskammer liegen. Die Wahrscheinlichkeit, daß der Ionenstrahl im Vakuum auf Gasmoleküle trifft, ist dadurch geringer, so daß die Probe mit einem großen Ionenstrahlstrom bestrahlt werden kann. Die Zahl an Helium-Gasmolekülen auf hoher Temperatur, die auf die Extraktionselektrode treffen, nimmt ab, so daß die Temperatur der Emitterspitze und der Extraktionselektrode niedriger ist und ein großer Ionenstrahlstrom auf die Probe eingestrahlt werden kann.
Beim Anlegen einer Spannung an die Emitterspitze 21 und die Extraktionselektrode 24 bildet sich an der Emitterspitze ein starkes elektrisches Feld. Durch das starke elektrische Feld wird eine große Zahl von Heliumatomen von der Oberfläche der Emitterspitze angezogen und gelangt in die Nähe der Emitterspitze, in der das elektrische Feld am stärksten ist. Durch das elektrische Feld wird das Helium ionisiert, und der entstehende Ionenstrahl wird durch die Blendenöffnung in der Extraktionselektrode abgezogen. Die Intensität des elektrischen Feldes sorgt dafür, daß die Heliumionen an der Emitterspitze in der Nähe des einen Atoms an der Spitze der Nanopyramide erzeugt werden. Mit anderen Worten werden die Ionen in einem sehr begrenzten Raum erzeugt, so daß der pro Flächeneinheit und Raumwinkel erzeugte Strom hoch ist. Für die Erzeugung eines großen Ionenstrahlstroms mit einem kleinen Durchmesser auf der Probe ist dies wichtig.
In der 3 läuft der Ionenstrahl 14 nach der Linse durch eine Abtastablenkelektrode 301 und ein kleines Loch in einer Blendenplatte 302 und trifft auf einen beweglichen Verschluß 303. Am beweglichen Verschluß werden beim Abrastern mit dem Ionenstrahl erzeugte Sekundärteilchen 304 wie Sekundärelektronen von einem Sekundärteilchendetektor 305 erfaßt, um ein Sekundärteilchenbild zu erzeugen, und es kann das Ionenabstrahlmuster der Emitterspitze beobachtet werden. Die Position und der Winkel der Emitterspitze werden unter Beobachtung des Ionenabstrahlmusters eingestellt. Anhand des Ionenabstrahlmusters können auch der Weg des Ionenstrahls oder die Position einer Blendenöffnung ausgewählt und eingestellt werden, die der Ionenstrahl von dem einen Atom aus durchläuft. Wenn die Pyramidenspitze aus drei oder sechs Atomen besteht, laufen die Ionen aus der Umgebung eines der Atome durch die Blendenöffnung, und der Weg des Ionenstrahl oder die Position der Blendenöffnung werden entsprechend eingestellt. Der gleiche Effekt wird auch mit dem Sekundärteilchenbild durch das Erfassen der von der Blendenplatte 302 emittierten Sekundärteilchen mit einem Sekundärteilchendetektor erhalten. Ein klares Muster läßt sich besonders dann erhalten, wenn am beweglichen Verschluß zur Beobachtung des Sekundärteilchenbildes ein feiner Vorsprung ausgebildet ist. Nach der Einstellung wird der Verschluß 303 geöffnet, damit ihn der Ionenstrahl passieren kann.
Bei der Feldionisations-Ionenquelle der vorliegenden Ausführungsform weist die Gasmolekül-Ionisationskammer eine hohe Gasdichtigkeit auf, so daß das Vakuum an der Außenseite der Gasmolekül-Ionisationskammer gut ist und der Ionenstrahl im Vakuum auf nur wenig Gas trifft und kaum neutralisiert wird, so daß ein großer Ionenstrahlstrom zur Probe gelangt. Die Zahl der Helium-Gasmoleküle hoher Temperatur, die auf die Extraktionselektrode auftreffen, ist klein, so daß die Temperaturen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode niedrig sind und ein großer Ionenstrahlstrom auf die Probe eingestrahlt werden kann.
Wenn die Nanopyramide durch eine unerwartete Entladung und dergleichen beschädigt wird, kann sie leicht durch Aufheizen (auf etwa 1000 Grad C) der Emitterspitze für etwa 30 Minuten wieder hergestellt werden. Wenn der Schaden dadurch nicht behoben werden kann, wird anstelle der beschädigten Emitterspitze eine normale Emitterspitze verwendet.
Anhand der 1 wird der Betrieb des Ionenstrahl-Bestrahlungssystems beschrieben. Der Betrieb des Ionenstrahl-Bestrahlungssystems wird durch Befehle von der arithmetischen Verarbeitungseinheit 99 gesteuert. Zuerst wird der von der Emitterspitze der Ionenquelle emittierte Ionenstrahl 14 durch die Objektivlinse 8, die Kondensorlinse 5 und die Strahlbegrenzungs-Blendenöffnung 6 auf die Probe 9 fokussiert, die sich auf dem Probentisch 10 befindet. An der Probe wird dadurch ein feiner, punktartiger Strahl erhalten. Der Strom ist mit einigen pA zwar klein, dabei beträgt der Strahldurchmesser jedoch nur 1 nm oder weniger. Beim Abtasten mit diesem feinen Ionenstrahl mittels der Ionenstrahl-Abtastelektrode 7 werden die von der Probe emittierten Sekundärelektronen und dergleichen vom Sekundärteilchendetektor 11 erfaßt und die Helligkeit davon ermittelt. An der Bildanzeigeeinrichtung der arithmetischen Verarbeitungseinheit 99 wird auf diese Weise ein Rasterionenmikroskopbild erhalten. Die Probenoberfläche läßt sich so mit hoher Auflösung betrachten.
Die Feldionisations-Ionenquelle dieser Ausführungsform hat die Eigenschaft, daß die aus der Umgebung eines Atoms an der Spitze der Nanopyramide emittierten Ionen verwendet werden. Der Bereich, aus dem die Ionen emittiert werden, ist daher klein, und die Ionenquelle ist einen Nanometer oder weniger klein. Die Eigenschaften der Ionenquelle können daher beim Fokussieren der Ionenquelle auf die Probe bei der gleichen Vergrößerung oder bei einer Erhöhung der Reduktionsrate auf etwa die Hälfte maximal ausgenutzt werden. Die Größe der Lichtquelle einer herkömmlichen Gallium-Flüssigmetall-Ionenquelle beträgt dagegen etwa 50 nm, so daß die Reduktionsrate auf ein Zehntel oder weniger festgelegt werden muß, um an der Probe einen Strahldurchmesser von 5 nm oder weniger zu erhalten. Im diesem Fall werden die Vibrationen an der Emitterspitze der Ionenquelle an der Probe auf ein Zehntel oder weniger reduziert. Wenn zum Beispiel die Emitterspitze 10 nm vibriert, entspricht das auf der Probe 1 nm oder weniger, so daß der Einfluß auf einen Strahldurchmesser von 5 nm vernachlässigbar ist. Bei der Ionenquelle der vorliegenden Ausführungsform werden jedoch Vibrationen von 10 nm bei einer Reduktionsrate von 1/2 auf der Probe zu 5 nm, was im Verhältnis zum Strahldurchmesser viel ist. Bei einer herkömmlichen Vorrichtung ist das nicht gut, und die Probenoberfläche kann nicht gut betrachtet werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden jedoch Maßnahmen gegen die Vibrationen getroffen, so daß die Leistungsfähigkeit der Ionenquelle erhalten bleibt und eine Betrachtung der Probenoberfläche mit hoher Auflösung möglich ist.
Der Abstand vom Ende der Oblektivlinse 8 zur Oberfläche der Probe 9 wird Arbeitsabstand genannt, und wenn er weniger als 2 mm beträgt, läßt sich eine ultrahohe Auflösung von weniger als 0,5 nm realisieren. Herkömmlich werden Galliumionen und dergleichen verwendet, und es wurde befürchtet, daß von der Probe abgesputterte Teilchen die Objektivlinse kontaminieren und den Normalbetrieb stören. Diese Befürchtung trifft jedoch bei dem Ionenmikroskop der vorliegenden Ausführungsform nicht zu, so daß eine ultrahohe Auflösung erhalten wird.
Die Extraktionselektrode der Feldionisations-Ionenquelle der vorliegenden Ausführungsform ist am Vakuumbehälter befestigt, die Emitterspitze ist jedoch bezüglich der Extraktionselektrode beweglich, da die Emitterspitzenbefestigung über ein Kupferdrahtgeflecht erfolgt. Entsprechend ist eine Positionseinstellung der Emitterspitze auf die Blendenöffnung der Extraktionselektrode und eine Achseneinstellung des optischen Systems möglich, so daß ein feinerer Strahl ausgebildet werden kann.
Wenn die Vakuum-Probenkammer und die Probenkammer-Vakuumpumpe auf etwa 200 Grad C aufgeheizt werden können und das Vakuum in der Probenkammer auf 10^–7 Pa oder weniger eingestellt werden kann, tritt im wesentlichen keine Kontamination auf, wenn der Ionenstrahl auf die Probe eingestrahlt wird, und die Probenoberfläche kann gut betrachtet werden. Bei einem herkömmlichen REM wächst die Kontaminationsschicht durch die Bestrahlung mit Helium- oder Wasserstoffionen schnell, und die Betrachtung der Probenoberfläche wird gelegentlich schwierig. Wenn jedoch die Vakuum-Probenkammer und die Probenkammer-Vakuumpumpe im Vakuum ausgeheizt werden, befindet sich nur wenig Restgas auf Kohlenwasserstoffbasis in der Vakuum-Probenkammer, und die Oberseite der Probe kann mit hoher Auflösung betrachtet werden. Als Probenkammer-Vakuumpumpe kann eine Turbomolekularpumpe, eine Sublimationspumpe, eine nicht verdampfende Getterpumpe, eine Ionenpumpe oder eine Nobelpumpe verwendet werden. Wenn als Haupt-Vakuumpumpe eine Sublimationspumpe, eine nicht verdampfende Getterpumpe, eine Ionenpumpe, eine Nobelpumpe oder eine Excelpumpe verwendet wird, läßt sich relativ leicht ein Ultrahochvakuum von 10^–7 Pa und besser erreichen, und die Oberseite der Probe kann mit hoher Auflösung betrachtet werden, ohne daß dies von mechanischen Vibrationen stark beeinträchtigt wird. Gleichzeitig kann auch dann der gleiche Effekt erhalten werden, wenn eine Turbomolekularpumpe in Betrieb ist, wenn die Haupt-Vakuumpumpe eine Sublimationspumpe, eine nicht verdampfende Getterpumpe, eine Ionenpumpe, eine Nobelpumpe oder eine Excelpumpe ist. Der Effekt kann ausgedehnt werden, wenn die Beine der Gerätefüße 17 mit einem Vibrationen dämpfenden Mechanismus versehen sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Boden durch die Kältemaschine vom GM-Typ des Kühlmechanismusses in Vibrationen versetzt, die Gasfeldionisations-Ionenquelle 1, die Säule 2 für das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem und die Vakuum-Probenkammer 3 sind jedoch von der GM-Kältemaschine isoliert angeordnet. Die Leitungen 403, 407, 413 und 415 sind vibrationsfrei, da sie mit dem Wärmetauscher 405 und dem Wärmetauscher 414 verbunden sind, die in der Umgebung der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 am vorderen Ende der Transferleitung angeordnet sind und fest am Boden 20 und an der Basisplatte 18 angebracht sind, die im wesentlichen nicht vibriert. Da sie gegenüber dem Boden vibrationsisoliert sind, werden extrem wenig mechanische Vibrationen übertragen. Da die Leitungen und die Wärmetauscher fest an der Vakuum-Trennwand der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 angebracht sind, werden die relativen Vibrationen der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 beseitigt und die mechanischen Vibrationen verringert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Vakuum-Trennwand 26 vorgesehen, und beim Ausheizen erfolgt unter der Kontrolle der Steuervorrichtung 92 für den Kühlmechanismus eine Kühlung durch den Kühlmechanismus 100, wobei das laminierte wärmeisolierende Material auf eine Temperatur von 120 Grad C oder darunter abgekühlt wird, so daß die Gasmolekül-Ionisationskammer nach dem Ausheizen auf die vorgegebene niedrige Temperatur abgekühlt werden kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Vakuum-Trennwand 26 eine Wabenstruktur auf, damit der Wärmeübertragungsabstand groß ist, damit keine Wärme von der Raumtemperatur eindringt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird für den Kühlmechanismus eine Kältemaschine vom GM-Typ verwendet. Der gleiche Effekt wird jedoch auch mit einer Impulsrohr-Kältemaschine, einer Kältemaschine vom Stirling-Typ, einer elektronischen Kältemaschine oder einer Kältemaschine vom Expansionsturbinentyp erhalten.
Ausführungsform 2:
Die 7 zeigt schematisch den Aufbau eines Ionenmikroskops bei dieser Ausführungsform. Im folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede zur Ausführungsform 1 beschrieben.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird, um das Gewicht der Transferleitung 404 zu verringern, das auf der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 lastet, die schwere Transferleitung 404 in vertikaler Richtung angehoben, und der Transferleitungsabschnitt 430 in der Mitte ist an einer Öffnung 27 befestigt, die fest mit dem Gerätefuß 17 verbunden ist, der direkt mit dem Boden 20 in Verbindung steht, und die den größten Teil des Gewichts der Transferleitung aufnimmt. Der Transferleitungsabschnitt 431 am vorderen Endabschnitt des Transferleitungsabschnitts 430 ist an einer Halterung 432 befestigt, die an der Basisplatte 18 befestigt ist, bei der die vom Boden 20 kommenden Vibrationen vom Vibrationen dämpfenden Mechanismus 19 beseitigt werden. Die vakuumisolierten Räume sind durch Vibrationen dämpfende Bälge 433 angeschlossen. Am vorderen Endabschnitt des Vibrationen dämpfenden Balgs 433 ist ein Vibrationen dämpfender Balg 434 angeordnet, damit die vakuumisolierten Räume verbunden werden können. Ein Kühlwärmeleiter 435 und ein Kühlwärmeleiter 436, deren Endabschnitte thermisch mit dem Wärmetauscher 405 und dem Wärmetauscher 414 gekoppelt sind, und andere Enden werden luftdicht durch die Vakuum-Trennwand 26 geführt, um die Wärmeabschirmplatte 58 und die Gasionenkammer zu kühlen. Um den auf eine sehr tiefe Temperatur zu kühlenden Kühlwärmeleiter 436 ist eine Strahlungsabschirmplatte 437 angeordnet, die das Eindringen der Raumtemperaturwärme in die Transferleitung 404 verhindert. Die Strahlungsabschirmplatte 437 ist thermisch mit dem Niedertemperatur-Kühlwärmeleiter 435 gekoppelt. Das Material für die meisten Abschnitte der obigen Elemente mit Ausnahme der luftdicht durch die Vakuum-Trennwand 26 geführten Abschnitte ist wegen der Gewichtsreduzierung Aluminium. Der Abstand zwischen der Halterung 417 und der Öffnung 27 beträgt in der Regel einige Meter, und die Transferleitung 404, deren zur Atmosphäre zeigende Außenseite aus Edelstahl besteht, hat ein Gesamtgewicht von einigen zehn Kilogramm. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen der Halterung 432 und der Halterung 422 etwa 0,5 Meter, und das Gewicht der Transferleitung, das auf den beiden Halterungen lastet, beträgt einige Kilogramm, so daß damit eine Gewichtsverringerung erreicht wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Gewicht des Kühlmechanismusses, das auf der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 mit der darin eingebauten Emitterspitze lastet, verringert, so daß der Winkel des Transferleitungsabschnitts 431, der an der Halterung 432 befestigt ist, mittels des Balgs 434 frei verändert werden kann. Es wird somit eine Gasfeldionisations-Ionenquelle geschaffen, bei der die Fokussierung des Ionenstrahls durch Einstellen der Richtung der Emitterspitze verbessert ist, und damit ein Ionenmikroskop mit hoher Auflösung erhalten.
Ausführungsform 3:
Bei dieser Ausführungsform kann die Emitterspitze schnell vom Zustand normaler Temperatur abgekühlt werden. Anhand der 8 und 9 werden hauptsächlich die Unterschiede zu den Ausführungsformen 1 und 2 beschrieben.
Über ein Ventil 501 wird flüssiger Stickstoff, ein flüssiges Kühlmittel, aus einem Behälter 500 für flüssigen Stickstoff einer Leitung 502 zugeführt. Der flüssige Stickstoff fließt durch die Leitung 403, die thermisch mit einer Strahlungsabschirmleitung 503 mit einer Temperatur von 80 K im wärmeisolierten Vakuumraum der Transferleitung 404 gekoppelt ist, und die Leitung 502, die mindestens zum Teil mit einem Lot 507 oder dergleichen thermisch angeschlossen ist. Dabei wird das Arbeitsgas Helium, das durch den Körper und in der Leitung 403 fließt, abgekühlt, wodurch auch die Strahlungsabschirmleitung 503 mitgekühlt wird, die eine große Wärmekapazität aufweist. Das vordere Ende der Leitung 502 ist am vorderen Ende der Transferleitung 404 U-förmig umgebogen, und der Stickstoff fließt durch eine Verbindungsleitung 504 in den Vakuumbehälter 416 zurück und für einen Wärmeaustausch in einen Wärmetauscher 505 und wird anschließend über ein Ventil 506 in die Atmosphäre abgegeben. Den Wärmetauscher 505 durchströmt ein Mischfluß aus dem flüssigen Stickstoff, der auf niedriger Temperatur ist, und von verdampftem Stickstoffgas und kühlt das zurückkehrende Helium, das durch die Leitung 415 strömt, wodurch der Wärmetauscher 410 und der Wärmetauscher 402, die im Anfangszustand des Abkühlens eine große Wärmekapazität haben, schnell auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs von –186 Grad C abgekühlt werden. Auf diese Weise wird die Anfangskühlung der Transferleitung 404, des Wärmetauschers 410 und des Wärmetauschers 402 ausgeführt, und gleichzeitig erfolgt die Anfangskühlung des Heliumgases in der Leitung 403 und der Leitung 413. Der Wärmetauscher 405 und der Wärmetauscher 414 werden damit schnell auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs abgekühlt, und der Kühlleiter 435 und der Kühlleiter 436 werden bei der Anfangskühlung ebenfalls in kurzer Zeit auf die Temperatur des flüssigen Stickstoffs abgekühlt, so daß die Emitterspitze in kurzer Zeit abgekühlt wird. Der Raum 508 und der Raum 509 in der Transferleitung 404 sind vakuumisolierte Räume.
Nach Abschluß der Anfangskühlung wird die Zufuhr des flüssigen Stickstoffs vom Behälter 500 für flüssigen Stickstoff gestoppt, das Ventil 501 wird geschlossen, und wenn kein flüssiger Stickstoff mehr in der Leitung 502 ist, wird auch das Ventil 506 geschlossen. Bei der weiteren Abkühlung durch die Kältemaschine 401 vom GM-Typ erreicht das Heliumgas in der Leitung 415 die sehr niedrige Temperatur von etwa 5 K, der Wärmetauscher 505 wird gekühlt, das restliche Stickstoffgas in der Leitung für flüssigen Stickstoff koaguliert, das Innere des Leitungskreises gelangt unter Vakuum, und das Eindringen von Wärme vom Raumtemperaturabschnitt durch Konvektion und Wärmeleitung des Gases wird beendet. Damit ist die thermische Isolierung komplett.
Die 10 zeigt eine andere Ausführungsform der Transferleitung 508. Die Ausführungsform der 10 unterscheidet sich von der der 9 darin, daß die Wärmeabschirmleitung 503 der 9 in der 10 aus einer Wärmeabschirmleitung 511 und einer Wärmeabschirmleitung 512 besteht, die einen Raum 510 bilden, wobei im Raum 510 Heliumgas oder Wasserstoffgas als wärmeleitendes Medium eingeschlossen ist und der Raum 510 eine Leitung 502, eine Leitung 507, eine Leitung 407 und eine Leitung 504 enthält. Der Wärmeaustausch zwischen der Leitung 502 und der Leitung 507 erfolgt zwischen den Leitungen im vakuumisolierten Behälter, so daß es nicht erforderlich ist, einen eigenen Wärmetauscher vorzusehen. Der erforderliche Platz wird dadurch kleiner, und auch die Kosten werden reduziert, da kein eigener Wärmetauscher benötigt wird. Die Wärmeabschirmleitung 511 und die Wärmeabschirmleitung 512 werden von dem flüssigen Stickstoff oder dem auf niedriger Temperatur befindlichen Heliumgas in der Leitung über das eingeschlossene wärmeleitende Medium wie Heliumgas oder Wasserstoffgas gekühlt. Die Leitung 413 und die Leitung 415 sind im vakuumisolierten Raum 513 angeordnet. Auch der Raum 514 ist ein vakuumisolierter Raum.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein zweiter Kühlmechanismus vorgesehen, der den Leitungskreis zum Zirkulieren des flüssigen Stickstoffs enthält und der die Kühlung über dessen Kühlwärme bewirkt, so daß die Kühlzeit für die Emitterspitze kurz ist, ohne daß die Kühlleistung der Kältemaschine dafür erhöht werden muß. Die Betriebszeit der Vorrichtung wird dadurch länger.
Ausführungsform 4:
Anhand der 11 werden im folgenden hauptsächlich die Unterschiede zu den Ausführungsformen 1 bis 3 erläutert.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das Heliumgas in den Leitungen 413 und 415, die durch die Vakuum-Trennwand 26 verlaufen, zu einem Wärmetauscher 600 geführt und dadurch der Wärmetauscher 600 auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt. Der Wärmetauscher 600 ist über das verformbare Kupferdrahtgeflecht 54 und die Saphirbasis mit der Emitterspitze 21 verbunden. Dadurch wird die Emitterspitze 21 gekühlt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Wärmetauscher 600 in der Nähe der Emitterspitze 21 mit dem Heliumgas aus der Leitung 413 gekühlt, so daß im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Emitterspitze 21 über den Kühlwärmeleiter 436 der 7 gekühlt wird, der Temperaturanstieg durch den thermischen Widerstand des Kühlwärmeleiters 436 entfällt, so daß die Emitterspitze 21 auf eine niedrige Temperatur gekühlt werden kann.
Wenn das Heliumgas in der Nähe der Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 durch die Leitung 413 und die Leitung 415 strömt, die beide durch die Vakuum-Trennwand 26 verlaufen, werden durch den Fluß des Heliumgases Vibrationen erzeugt, die ein Vibrieren der Emitterspitze 21 verursachen können. Die Temperatur des Heliumgases in der Leitung 413 und der Leitung 415 beträgt jedoch nur etwa 5 K, und die Geschwindigkeit des Gasflusses in den Leitungen ist ausreichend gering, so daß die kinetische Energie des Flusses, die dem Quadrat der Fließgeschwindigkeit proportional ist, nur klein ist, und durch den Fluß keine Vibrationen ausgelöst werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Gasfeldionisations-Ionenquelle 1 auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung kann bei Analysegeräten zum Messen der strukturellen Größen einer Probe durch einen Ionenstrahl, einer Längenmeßvorrichtung mit einem Ionenstrahl oder einer Untersuchungsvorrichtung verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann auch bei einem Kombiinstrument aus einer Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung und einem Ionenmikroskop für eine hohe Auflösung oder einem Kombiinstrument aus einem Elektronenmikroskop und einem Ionenmikroskop für hohe Auflösungen verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann bei einer Vorrichtung verwendet werden, die mit einem Ionenstrahl eine Probe bearbeitet und dabei einen Querschnitt ausbildet, der durch ein Ionenmikroskop betrachtet wird, und auch für ein Querschnitt-Betrachtungsverfahren. Die vorliegende Erfindung kann schließlich auch für eine Analysevorrichtung und eine Untersuchungsvorrichtung verwendet werden, die jeweils allein verwendet werden, um eine Probe mit einem Ionenmikroskop oder mit einem Elektronenmikroskop zu betrachten und eine Elementanalyse durchzuführen oder um Defekte, Fremdstoffe usw. zu analysieren.
Bezugszeichenliste

1: Gasfeldionisations-Ionenquelle
2: Säule für Ionenstrahl-Bestrahlungssystem
3: Vakuum-Probenkammer
5: Kondensorlinse
6: strahlbegrenzende Blendenöffnung
7: Strahlabtastelektrode
8: Objektivlinse
9: Probe
10: Probentisch
11: Sekundärteilchendetektor
12: Ionenquellen-Vakuumpumpe
13: Probenkammer-Vakuumpumpe
14: Ionenstrahl
15: Gasmolekül-Ionisationskammer
16: Kompressoreinheit
17: Gerätefuß
18: Basisplatte
19: Vibrationen dämpfender Mechanismus
21: Emitterspitze
22: Filament
23: Filamentbefestigung
24: Extraktionselektrode
25: Gaszuführleitung
26: Vakuum-Trennwand
27: Öffnung
28: Seitenwand
29: Abdeckplatte
30: laminiertes wärmeisolierendes Material
51: Vakuumbehälter
52, 55: Saphirbasis
53: Kühlleiterstab
54, 56: Kupferdrahtgeflecht
60: Elektrode
61: Balg A
62: Balg B
92: Steuervorrichtung für Kühlmechanismus
93: Linsen-Steuervorrichtung
94: Steuervorrichtung für strahlbegrenzende Blendenöffnung
95: Steuervorrichtung für die Ionenstrahlabtastung
96: Steuervorrichtung für Sekundärelektronendetektor
97: Probentisch-Steuervorrichtung
98: Steuervorrichtung für Vakuumpumpen
101, 102, 403, 407, 413, 415, 502, 504: Leitung
103: Haltepfosten
400: Kompressoreinheit
401: Kältemaschine vom GM-Typ
402, 405, 409, 410, 412, 600: Wärmetauscher
404: Transferleitung
406: Kühlleiter
432: Halterung
433, 434: Balg
500: Behälter für flüssigen Stickstoff
506: Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 58-85242 [0005]
JP 03-74454 [0008]
JP 62-114226 [0009]
JP 01-221847 [0010]
JP 08-203461 [0011]
JP 2002-150990 [0013]
WO 99/05506 [0014]
JP 09-312210 [0015]
JP 04-230880 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H.-S. Kuo, I.-S. Hwang, T.-Y. Fu, J.-Y. Wu, C.-C. Chang und T. T. Tsong, Nano Letters 4 (2004) 2379 [0006]
J. Morgan, J. Notte, R. Hill und B. Ward, Microscopy Today, 14. Juli (2006) 24 [0007]

Claims

Ionenmikroskop mit einer Feldionisations-Ionenquelle mit einer Emitterspitze mit einem nadelförmigen Ende, einer Ionisationskammer, in der sich die Emitterspitze befindet, einer Leitung zum Zuführen von Gasmolekülen in die Umgebung der Emitterspitze, und mit einer Extraktionselektrode zum Erzeugen eines elektrischen Feldes zum Ionisieren der Gasmoleküle in der Umgebung der Emitterspitze; mit einem Probentisch, auf dem sich eine Probe befindet; einer Linse zum Fokussieren des Ionenstrahls von der Gasfeldionisations-Ionenquelle auf die Probe; einer Basis zum Anbringen der Feldionisations-Ionenquelle, des Probentisches und der Linse; einem Gerätefuß; und mit einem Vibrationen dämpfenden Mechanismus zwischen der Basis und dem Gerätefuß; wobei das Ionenmikroskop umfaßt einen Kühlwärmeleiter, der thermisch zum Teil mit der Feldionisations-Ionenquelle verbunden ist; einen Wärmetauscher, der thermisch mit dem Kühlwärmeleiter verbunden ist; eine Kältemaschine, die von der Basis unabhängig ist; eine Zweiwegeleitung zum Zirkulieren eines Kühlmittels zwischen dem Wärmetauscher und der Kältemaschine; und eine vakuumisolierte Leitung, die wenigstens einen Teil der Zweiwegeleitung aufnimmt, wobei das eine Ende der vakuumisolierten Leitung an der Basis angebracht ist.
Ionenmikroskop nach Anspruch 1, mit einer ersten Zweiwegeleitung, durch die zum Kühlen der Feldionisations-Ionenquelle ein Kühlmittel mit sehr niedriger Temperatur fließt, und mit einer zweiten Zweiwegeleitung, die so angeordnet ist, daß sie die erste Zweiwegeleitung thermisch abschirmt und durch die ein Kühlmittel fließt, dessen Temperatur höher ist als die des Kühlmittels mit sehr niedriger Temperatur.
Ionenmikroskop nach Anspruch 1, wobei das eine Ende der vakuumisolierten Leitung, das an der Basis angebracht ist, mit einer Trennwand versehen ist, durch die der Kühlwärmeleiter verläuft, wobei der Wärmetauscher in der vakuumisolierten Leitung angeordnet ist und der Wärmetauscher von der Feldionisations-Ionenquelle vakuumisoliert ist.
Ionenmikroskop nach Anspruch 3, wobei die Vakuum-Trennwand eine Wabenstruktur aufweist.
Ionenmikroskop nach Anspruch 1, mit einer Basisbefestigung zum Anbringen der Emitterspitze, und mit einem verformbaren mechanischen Element zum Verbinden der Basisbefestigung und der Extraktionselektrode, wobei die Ionisationskammer wenigstens die Basisbefestigung, die Extraktionselektrode und das verformbare mechanische Element enthält und beweglich ist.
Ionenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die vakuumisolierte Leitung wenigstens zwei Leitungen umfaßt, wobei eine der vakuumisolierten Leitungen an der Basis angebracht ist und die andere am Gerätefuß und zwischen den beiden vakuumisolierten Leitungen über einen Balg eine Vakuumverbindung besteht.
Ionenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die vakuumisolierte Leitung einen Leitungskreis für flüssigen Stickstoff umfaßt, mit dem das Innere der vakuumisolierten Leitung gekühlt wird.
Ionenmikroskop nach Anspruch 7, wobei der Leitungskreis für flüssigen Stickstoff und die Zweiwegeleitung im vakuumisolierten Behälter thermisch gekoppelt sind.
Ionenmikroskop nach Anspruch 1, wobei das eine Ende der vakuumisolierten Leitung, das an der Basis angebracht ist, mit der Trennwand versehen ist, durch die die Zweiwegeleitung verläuft, und wobei das Innere der vakuumisolierten Leitung von der Feldionisations-Ionenquelle vakuumisoliert ist.
Ionenmikroskop nach Anspruch 1, wobei in einem Betriebsmodus in der Zweiwegeleitung ein Kühlmittel zirkuliert, wenn ein Vakuumbehälter, der die Feldionisations-Ionenquelle, den Probentisch und die Linse enthält, ausgeheizt wird.