-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft Ladungsteilchenmikroskope und Ionenmikroskope.
-
Stand der Technik
-
Die Strukturen an einer Probenoberfläche können dadurch betrachtet werden, daß etwa in einem Rasterelektronenmikroskop (abgekürzt REM) Elektronen auf eine Probe eingestrahlt und dabei zur Abtastung der Probe über die Probe geführt werden und die von der Probe abgegebenen sekundären geladenen Teilchen erfaßt werden. Auch mit einem Ionenstrahl, der in einem Rasterionenmikroskop (abgekürzt RIM) auf die Probe eingestrahlt und dabei zur Abtastung der Probe über diese geführt wird, und mit einer Erfassung der dabei von der Probe abgegebenen sekundären geladenen Teilchen können die Strukturen an der Probenoberfläche betrachtet werden. Wenn dabei die Probe mit einer Ionenart mit geringer Masse, etwa Wasserstoff oder Helium, bestrahlt wird, ist der Zerstäubungseffekt relativ schwach, was für die Betrachtung der Probe von Vorteil ist.
-
Mit einem Ionenstrahl können im Vergleich zu einem Elektronenstrahl auch mehr Informationen über die Probenoberfläche erhalten werden, da bei der Bestrahlung mit einem Ionenstrahl der Anregungsbereich für die sekundären geladenen Teilchen mehr an der Probenoberfläche lokalisiert ist. Bei einem Elektronenstrahl tritt außerdem aufgrund des Beugungseffekts eine Aberration auf, da die Wellennatur der Elektronen nicht vernachlässigt werden kann. Bei einem Ionenstrahl kann der Beugungseffekt dagegen ohne weiteres vernachlässigt werden, da Ionen um einiges schwerer sind als Elektronen.
-
Beim Bestrahlen einer Probe mit einem Elektronenstrahl können auch diejenigen Elektronen erfaßt werden, die die Probe durchdrungen haben, wodurch Informationen über die Struktur des Probeninneren erhalten werden. Auch beim Bestrahlen einer Probe mit einem Ionenstrahl können diejenigen Ionen erfaßt werden, die die Probe durchdrungen haben, und Informationen über die Struktur im Probeninneren erhalten werden. Eine solche Anordnung wird Transmissionsionenmikroskop genannt. Wenn dabei die Probe mit einer Ionenart mit geringer Masse, etwa Wasserstoff oder Helium, bestrahlt wird, ist das Transmissionsverhältnis relativ groß, was für die Betrachtung der Probe günstig ist.
-
Wenn dagegen eine Ionenart mit großer Masse wie Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Krypton, Xenon, Gallium oder Indium auf die Probe eingestrahlt wird, wird die Probe dabei vorzugsweise mittels des Zerstäubungseffekts bearbeitet. Insbesondere sind Vorrichtungen mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIS-Vorrichtungen) und einer Flüssigmetall-Ionenquelle (FMIQ) als Ionenstrahl-Bearbeitungsvorrichtungen bekannt. Die Gasionen von Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Krypton und Xenon können mit einer Plasma-Ionenquelle oder einer Gasfeldionenquelle erzeugt und auf die Probe eingestrahlt werden, um diese zu bearbeiten.
-
Für ein Ionenmikroskop, das hauptsächlich zur Probenbetrachtung vorgesehen ist, wird vorzugsweise eine Gasfeldionenquelle als Ionenquelle verwendet. Bei einer Gasfeldionenquelle wird ein Gas wie Wasserstoff oder Helium einer metallischen Emitterspitze zugeführt, deren distales Ende einen Krümmungsradius von etwa 100 nm aufweist, und eine hohe Spannung von etlichen Kilovolt und mehr an die Emitterspitze angelegt. Die Gasmoleküle werden in diesem Feld ionisiert und als Ionenstrahl extrahiert. Eine solche Ionenquelle ist dadurch charakterisiert, daß sie einen Ionenstrahl mit einer schmalen Energiebandbreite erzeugt. Außerdem ist die Quelle für die Erzeugung der Ionen so klein, daß ein mikroskopischer Ionenstrahl erzeugt werden kann.
-
Bei einem Ionenmikroskop zum Betrachten einer Probe mit einem hohen Signal-Rausch-Abstand ist es erforderlich, an der Probe einen Ionenstrahl mit einer großen elektrischen Stromdichte zu erhalten. Es ist daher erforderlich, die elektrische Stromdichte im Ionen-Abstrahlwinkel der Feldionisations-Ionenquelle zu erhöhen. Zur Erhöhung der elektrischen Stromdichte im Ionen-Abstrahlwinkel ist die Moleküldichte des die Ionen erzeugenden Gases (des Ionisationsgases) in der Umgebung der Emitterspitze zu erhöhen. Die Gasmoleküldichte pro Druckeinheit ist zur Temperatur des Gases umgekehrt proportional. Die Emitterspitze sollte daher auf eine extrem niedrige Temperatur heruntergekühlt werden, um die Temperatur des Gases um die Emitterspitze herabzusetzen. Dadurch kann die Moleküldichte des Ionisationsgases in der Umgebung der Emitterspitze erhöht werden. Der Druck des Ionisationsgases in der Umgebung der Emitterspitze kann auf einen Wert im Bereich von 10–2 Pa bis etwa 10 Pa gebracht werden.
-
Wenn der Druck des Ionisationsgases jedoch auf 1 Pa oder mehr ansteigt, kollidiert der Ionenstrahl mit den neutralen Gasmolekülen und wird dadurch neutralisiert. Der Ionenstrom nimmt dadurch wieder ab. Außerdem nimmt mit dem Ansteigen der Anzahl von Gasmolekülen in der Feldionisations-Ionenquelle auch die Häufigkeit zu, mit der Gasmoleküle, die gegen die eine vergleichsweise hohe Temperatur aufweisende Wand der Vakuumkammer prallen und dadurch selbst eine hohe Temperatur annehmen, anschließend gegen die Emitterspitze prallen. Dadurch steigt die Temperatur der Emitterspitze an, und der Ionenstrom nimmt ab. Deshalb wird die Feldionisations-Ionenquelle mit einer Gasionisationskammer versehen, die mechanisch die Emitterspitze umgibt. Die Gasionisationskammer wird unter Verwendung einer der Emitterspitze gegenüberliegenden Ionen-Extraktionselektrode ausgebildet.
-
Die Patent-Druckschrift 1 beschreibt eine Ionenquelle, deren Eigenschaften dadurch verbessert werden, daß am distalen Ende der Emitterspitze ein mikroskopischer Vorsprung ausgebildet wird. Bei der Nicht-Patent-Druckschrift 1 wird durch ein zweites Metall, das sich vom der Material der Emitterspitze unterscheidet, ein mikroskopischer Vorsprung am distalen Ende der Emitterspitze erzeugt. Die Nicht-Patent-Druckschrift 2 beschreibt ein Rasterionenmikroskop mit einer Gasfeldionenquelle, die Heliumionen emittiert.
-
Die Patent-Druckschrift 2 beschreibt ein Rasterladungsteilchenmikroskop mit einer Gasfeldionenquelle mit einer Extraktionselektrode, die in der Umgebung des distalen Endes eines Emitters ein elektrisches Feld zur Ionisation eines Gases erzeugt, mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen des Emitters, mit einem Linsensystem zum Fokussieren der von der Gasfeldionenquelle extrahierten Ionen, mit einem Strahldeflektor zum Auslenken des Ionenstrahls, mit einem Sekundärteilchendetektor zum Erfassen von Sekundärteilchen, und mit einer Bildanzeigevorrichtung zum Anzeigen einer Rasterionenmikroskopabbildung. Es ist auch beschrieben, daß der Strahl durch den Auslenkeffekt eines oberen Strahldeflektorausrichters über eine bewegliche Strahlbegrenzungsblende geschwenkt wird; und daß die an einem Monitor der Bildanzeigevorrichtung angezeigte Rasterionenmikroskopabbildung mit einem Signal erzeugt wird, das aus einem zu dem Abtastsignal synchronen XY-Signal und aus einem der Intensität der Sekundärelektronen entsprechenden Z-Signal (Luminanzsignal) zusammengesetzt wird. Des weiteren ist beschrieben, daß es zu der Rasterionenmikroskopabbildung auf dem Monitor-Bildschirm eine Äquivalenzabbildung gibt, die durch die Faltung und Verzerrung einer Feldionenmikroskopabbildung bei einem Ionenstrahl-Raumwinkel entsteht, der der Blendenöffnung der beweglichen Strahlbegrenzungsblende entspricht.
-
Die Patent-Druckschrift 3 beschreibt die Anordnung einer Oberflächenreinigungseinrichtung an einer Elektronenkanone oder einer Gallium-Flüssigmetall-Ionenquelle, die dazu verwendet wird, die amorphe Verunreinigungsschicht zu entfernen, die sich zum Beispiel an der Oberfläche von Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder an der Gallium-Oberfläche angelagert hat. Zur Oberflächenreinigung wird dabei ein reaktives Gas oder ein Aktivierungsmittel eingeführt. Es wird auch der Fall beschrieben, daß bei der Verwendung von Wasserstoff als reaktivem Gas eine Wasserstoff speichernde Legierung vorgesehen wird. Es wird jedoch kein Verfahren zum Zuführen von Gallium, dem Material für den Ionenstrahl, beschrieben.
-
Die Patent-Druckschrift 4 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestrahlung mit geladenen Teilchen, bei der in einer Gasfeldionenquelle ein nicht verdampfendes Gettermaterial Wasserstoff adsorbiert und der beim Aufheizen des nicht verdampfenden Gettermaterials freiwerdende Wasserstoff als Ionisationsgas verwendet wird.
-
Die Patent-Druckschrift 5 beschreibt einen Aufbau, bei dem eine Lösung, die eine ionische Flüssigkeit enthält, mit einer Elektrosprühtechnik in die Gasphase übergeführt wird. Nur die erforderlichen Ionen werden in das Innere einer Ionenquelle befördert, und die nicht für den Ionenstrahl benötigte ionische Flüssigkeit wird wieder gesammelt und erneut verwendet.
-
Liste der zitierten Druckschriften
-
Patent-Druckschriften
-
- Patent-Druckschrift 1: Veröffentlichung der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 58-85242
- Patent-Druckschrift 2: Veröffentlichung der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-140557
- Patent-Druckschrift 3: Japanische Patentanmeldung Nr. 2005-364657
- Patent-Druckschrift 4: Veröffentlichung der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 2009-163981
- Patent-Druckschrift 5: Veröffentlichung der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 2009-87594
-
Nicht-Patent-Druckschriften
-
- Nicht-Patent-Dokument 1: "Nano Letters" von H. S. Kuo, I. S. Hwang, T-Y. Fu, J. Y. Wu, C. C. Chang und T. T. Tsong (4, 2004, 2379)
- Nicht-Patent-Dokument 2: "Microscopy Today" von J. Morgan, J. Notte, R. Hill und B. Ward (14. Juli 2006, 24)
-
Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
-
Technische Probleme
-
Bei einer Gasfeldionenquelle mit einer Nanopyramidenstruktur am distalen Ende eines metallischen Emitters ergeben sich die folgenden Probleme. Die Ionenquelle ist dadurch charakterisiert, daß die abgegebenen Ionen aus der Nähe eines einzigen Atoms an der distalen Spitze der Nanopyramide kommen. Der Bereich, aus dem die Ionen abgegeben werden, ist daher sehr klein, und die Ionenemissionsquelle hat eine Größe von einem Nanometer oder weniger. Die Luminanz, das heißt der Strom pro Flächeneinheit oder pro Raumwinkeleinheit, ist daher sehr groß.
-
Wenn die Ionenemissionsquelle mit unveränderter Vergrößerung oder mit einem Reduktionsverhältnis von kleiner Eins oder so auf eine Probe fokussiert wird, wird ein Strahldurchmesser im Bereich von etwa 0,1 nm bis etwa 1 nm erhalten. Es ist mit anderen Worten eine Betrachtung mit der sehr guten Auflösung von etwa 0,1 nm bis etwa 1 nm möglich.
-
Andererseits ist es bei einem Ionenmikroskop zum Betrachten einer Probe mit einem hohen Signal-Rausch-Abstand erforderlich, an der Probe einen Ionenstrahl mit einer großen elektrischen Stromdichte zu erhalten. Dazu muß die elektrische Stromdichte im Ionen-Abstrahlwinkel der Gasfeldionenquelle erhöht werden. Zum Erhöhen der elektrischen Stromdichte im Ionen-Abstrahlwinkel ist die Moleküldichte des die Ionen erzeugenden Gases (des Ionisationsgases) in der Umgebung der Emitterspitze zu erhöhen. Die Gasmoleküldichte pro Druckeinheit ist zur Temperatur des Gases umgekehrt proportional. Die Emitterspitze sollte daher auf eine extrem niedrige Temperatur heruntergekühlt werden, um die Temperatur des Gases um die Emitterspitze herabzusetzen. Dadurch kann die Moleküldichte des Ionisationsgases in der Umgebung der Emitterspitze erhöht werden. Zur Erhöhung der Moleküldichte des die Ionen erzeugenden Gases (des Ionisationsgases) wird eine Gasionisationskammer vorgesehen, die mechanisch das Umfeld der Emitterspitze umgibt. Der Druck des Ionisationsgases um die Emitterspitze kann so auf einen Wert im Bereich von 10–2 Pa bis etwa 10 Pa gebracht werden.
-
Der gesamte Emissionsstrom einer Gasfeldionenquelle beträgt jedoch nur einige hundert Pikoampere. Bei der Zuführung des Ionisationsgases in das Umfeld der Emitterspitze wird nur eine kleine Menge des Gases in Ionen umgewandelt und das restliche Gas von einer Vakuumpumpe abgesaugt. Das Verhältnis, in dem das zu ionisierende Gas tatsächlich im Ionenstrahl verwendet wird, ist daher sehr klein. Die Rohmaterialausnutzung ist daher sehr schlecht. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß dies nicht nur unwirtschaftlich ist, sondern daß dadurch Ressourcen verschwendet werden und unnötig Energie verbraucht wird, was dem globalen Umweltschutz zuwiderläuft.
-
Wenn das Ionisationsgas ein reaktives Gas wie Wasserstoff ist, kann zwar eine Menge davon, die größer ist als die erforderliche Menge, in einer Hochdruck-Gasflasche in der Nähe der Vorrichtung gelagert werden, oder es wird als hochkonzentriertes Gas in einer Leitung zugeführt. Da das Gas letztendlich in die Luft abgegeben wird, ist es erforderlich, Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen. Dadurch steigen die Kosten für die Vorrichtung an. Dieses Problem wird besonders offensichtlich bei Gasfeldionenquellen, deren Gesamtemissionsstrom nur einige hundert Pikoampere beträgt, während bei Ionenquellen mit einem Gasplasma der Ionenstrom einige Mikroampere bis zu einigen Ampere betragen kann.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ladungsteilchenmikroskop und ein Ionenmikroskop zu schaffen, bei dem das Ionisationsgas gut ausgenutzt wird und die Wirtschaftlichkeit dadurch hoch ist.
-
Lösung der Probleme
-
Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Ladungsteilchenmikroskop mit einer Vakuumkammer, mit einer ersten Pumpe zum Evakuieren der Vakuumkammer, mit einer in der Vakuumkammer angeordneten Emitterspitze, mit einer gegenüber der Emitterspitze angeordneten Extraktionselektrode und mit einer Gaszuführeinrichtung zum Zuführen eines Gases zu der Emitterspitze. Die Gaszuführeinrichtung umfaßt dabei eine zweite Pumpe, die das Gas umwälzt, das an der Emitterspitze nicht verbraucht wird. Die zweite Pumpe umfaßt auch ein Gasadsorptionsmaterial, das das Gas adsorbiert.
-
Das Ladungsteilchenmikroskop umfaßt des weiteren eine Temperatursteuereinrichtung, die die Temperatur des Gasadsorptionsmaterials steuert.
-
Das Ladungsteilchenmikroskop umfaßt außerdem eine Einrichtung zum Aufheizen des Gasadsorptionsmaterials und eine Temperatursteuereinrichtung zum Kühlen des Gasadsorptionsmaterials.
-
Das Gas wird dabei bereits vorab vom Gasadsorptionsmaterial adsorbiert, bevor die erste Pumpe in Betrieb ist.
-
Das Gasadsorptionsmaterial ist ein nicht verdampfendes Gettermaterial.
-
Die Gaszuführeinrichtung umfaßt einen ersten Kanal, der ein Gaskanal ist, der sich von der Vakuumkammer zu einer ersten Vakuumkammer erstreckt, in der sich das Gasadsorptionsmaterial befindet, einen zweiten Kanal, der ein Gaskanal ist, der sich von der ersten Vakuumkammer zur Vakuumkammer erstreckt, und eine selektive Gasdurchlaßeinrichtung, die selektiv Gas in den zweiten Kanal durchläßt.
-
Vorzugsweise ist im ersten Kanal ein Ventil angeordnet.
-
Vorzugsweise ist im ersten Kanal und im zweiten Kanal ein Ventil angeordnet.
-
Vorzugsweise ist die erste Vakuumkammer mit einer dritten Pumpe versehen.
-
Vorzugsweise ist die selektive Gasdurchlaßeinrichtung eine selektive Wasserstoffdurchlaßeinrichtung.
-
Vorzugsweise ist das Gas Wasserstoff.
-
Vorzugsweise umfaßt das Gas zumindest eine der Gasarten Wasserstoff, Helium, Neon, Argon, Krypton und Xenon.
-
Vorzugsweise ist die Emitterspitze eine Nanopyramide.
-
Ein Ionenmikroskop umfaßt eine Vakuumkammer, eine erste Pumpe zum Evakuieren der Vakuumkammer, eine in der Vakuumkammer angeordnete Emitterspitze, eine gegenüber der Emitterspitze angeordnete Extraktionselektrode, eine Gaszuführeinrichtung zum Zuführen eines Gases zu der Emitterspitze, eine Fokussierlinse zum Fokussieren des von der Emitterspitze emittierten Ionenstrahls, einen Deflektor zum Auslenken des Ionenstrahls nach dem Durchlaufen der Fokussierlinse und einen Sekundärteilchendetektor, der die beim Bestrahlen einer Probe mit dem Ionenstrahl von der Probe abgegebenen Sekundärteilchen erfaßt. Die Gaszuführeinrichtung umfaßt dabei eine zweite Pumpe, die das Gas umwälzt, das an der Emitterspitze nicht verbraucht wird, wobei die zweite Pumpe ein Gasadsorptionsmaterial enthält, das das Gas adsorbiert.
-
Ein Ladungsteilchenmikroskop umfaßt eine Vakuumkammer, eine erste Pumpe zum Evakuieren der Vakuumkammer, eine in der Vakuumkammer angeordnete Emitterspitze, eine gegenüber der Emitterspitze angeordnete Extraktionselektrode, eine Gaszuführeinrichtung zum Zuführen eines Gases zu der Emitterspitze, eine Fokussierlinse zum Fokussieren des von der Emitterspitze emittierten Ionenstrahls, einen Deflektor zum Auslenken des Ionenstrahls nach dem Durchlaufen der Fokussierlinse und einen Sekundärteilchendetektor, der die beim Bestrahlen einer Probe mit dem Ionenstrahl von der Probe abgegebenen Sekundärteilchen erfaßt. An die Emitterspitze kann selektiv eine positive Spannung oder eine negative Spannung angelegt werden. Die Gaszuführeinrichtung umfaßt eine zweite Pumpe, die das Gas umwälzt, das an der Emitterspitze nicht verbraucht wird, wobei die zweite Pumpe ein Gasadsorptionsmaterial enthält, das das Gas adsorbiert.
-
Vorzugsweise umfaßt das Gas eine der Gasarten Wasserstoff und Helium und zumindest eine der Gasarten Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff und Sauerstoff.
-
Des weiteren ist eine Auswahleinrichtung vorgesehen zum Auswählen einer Betriebsart, bei der ein an der Emitterspitze erzeugter Ionenstrahl aus wenigstens einem der Gase Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff und Sauerstoff dazu verwendet wird, eine Probe zu bearbeiten, einer Betriebsart, bei der ein an der Emitterspitze erzeugter Ionenstrahl aus einem der Gase Wasserstoff und Helium dazu verwendet wird, eine Probe zu betrachten, und einer Betriebsart, bei der ein von der Emitterspitze ausgehender Elektronenstrahl dazu verwendet wird, eine Probe zu betrachten.
-
Wenn zwischen die Emitterspitze und eine Extraktionselektrode eine Spannung angelegt wird und ein Gas zu der Emitterspitze geführt wird, wird das Gas am distalen Ende der Emitterspitze ionisiert. Daraus entsteht der Ionenstrahl. Das Gas, das der Umgebung der Emitterspitze zugeführt und das nicht ionisiert wird, wird hier als das Gas bezeichnet, das an der Emitterspitze nicht verbraucht wird.
-
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
-
Mit der vorliegenden Erfindung wird die Ausnutzung des Ionisationsgases erhöht und die Wirtschaftlichkeit dadurch verbessert.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Beispiels für ein Ladungsteilchenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
2 zeigt ein Beispiel für eine Gasfeldionenquelle bei dem Ladungsteilchenmikroskop der vorliegenden Erfindung;
-
3 zeigt schematisch den Aufbau eines Steuersystems für ein Beispiel des Ladungsteilchenmikroskops der vorliegenden Erfindung;
-
4 zeigt ein Beispiel für eine Gasfeldionenquelle bei dem Ladungsteilchenmikroskop der vorliegenden Erfindung; und
-
5 zeigt ein Beispiel für das Ladungsteilchenmikroskop der vorliegenden Erfindung.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Gasfeldionenquelle mit einem Evakuierungsmechanismus für eine Vakuumkammer, mit einer nadelförmigen Emitterspitze, mit einer der Emitterspitze gegenüberliegenden Extraktionselektrode und mit einem Mechanismus zum Zuführen von Gas in die Umgebung der Emitterspitze in der Vakuumkammer. Das Gas wird im distalen Bereich des nadelförmigen Ionenemitters ionisiert und als Ionenstrahl extrahiert. Der Evakuierungsmechanismus und der Mechanismus zum Zuführen des Gases sind miteinander verbunden. Zwischen der Vakuumkammer und dem Mechanismus zum Zuführen des Gases ist ein Material angeordnet, das das Gas adsorbiert, das ionisiert werden soll.
-
Bei diesem Aufbau wird das Gas, das das Ionenquellenmaterial ist, dem Umfeld der Emitterspitze zugeführt, im distalen Bereich des nadelförmigen Ionenemitters ionisiert und als Ionenstrahl extrahiert. Durch das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases wird Gas, das nicht ionisiert wurde, adsorbiert und dann wieder als Gas desorbiert. Das Gas wird erneut in das Umfeld der Emitterspitze geführt, im distalen Bereich des nadelförmigen Ionenemitters ionisiert und als Ionenstrahl extrahiert. Dies hat den Vorteil, daß die Gasfeldionenquelle einen hohen Ausnutzungsgrad für das Ionisationsgas aufweist, wodurch sich die Wirtschaftlichkeit erhöht, was auch mit dem globalen Umweltschutz in Einklang steht.
-
Die Gasfeldionenquelle kann mit einer Temperatursteuerung für das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases versehen sein. Dadurch lassen sich die Adsorptionsmenge und die Desorptionsmenge steuern, so daß der Ausnutzungsgrad für das Ionisationsgas bei der Gasfeldionenquelle noch besser wird.
-
Die Gasfeldionenquelle kann mit einer Heizeinheit und mit einer Kühleinheit für das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases versehen sein. Dadurch kann das Ionisationsgas dadurch besser an der Gasfeldionenquelle ausgenutzt werden, daß durch Kühlen eine größere Gasmenge adsorbiert und durch Heizen eine größere Gasmenge desorbiert werden kann.
-
Bei der genannten Gasfeldionenquelle kann die Gasfeldionenquelle evakuiert werden, nachdem vorab zu ionisierendes Gas in dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierendes Gases gespeichert wurde. Das hat den Vorteil, daß die Gasfeldionenquelle eine lange Gebrauchsdauer aufweist und eine große Menge von Gas in die Vakuumeinheit eingeführt werden kann.
-
Bei der genannten Gasfeldionenquelle kann das Material zum Adsorbieren des zu ionisierendes Gases ein nicht verdampfendes Gettermaterial sein. Dadurch wird das Vakuum in der Vakuumkammer besser, es lagert sich weniger Verunreinigungsgas am nadelförmigen Ionenemitter an, der Ionenstrahl wird stabiler, und das Ionisationsgas wird besser ausgenutzt.
-
Bei der genannten Gasfeldionenquelle kann zwischen dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierendes Gases und der Emitterspitze ein Material angeordnet sein, das Gase nur selektiv durchläßt. Aus dem Gas, das von dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierendes Gases desorbiert wird, werden damit Verunreinigungsgase entfernt. Dadurch lagert sich weniger Verunreinigungsgas am nadelförmigen Ionenemitter an, der Ionenstrahl wird stabiler, und das Ionisationsgas wird besser ausgenutzt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nämlich als erste festgestellt, daß bei der Desorption von Gas von dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierendes Gases auch Verunreinigungsgas freigegeben wird, wovon die Stabilität des Ionenstrahls beeinträchtigt wird.
-
Bei der genannten Gasfeldionenquelle kann zwischen dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierendes Gases und der Vakuumkammer ein Vakuum-Absperrventil angeordnet sein. Dadurch wird verhindert, daß ein Verunreinigungsgas, das bei der Desorption von Gas von dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierendes Gases freigegeben wird, in die Vakuumkammer gelangt, so daß sich am nadelförmigen Ionenemitter weniger Verunreinigungsgas anlagert, der Ionenstrahl stabiler wird, und das Ionisationsgas besser ausgenutzt wird.
-
Bei der genannten Gasfeldionenquelle können zwischen dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierendes Gases und der Vakuumkammer auch zwei oder mehr Paare von Vakuum-Absperrventilen angeordnet sein. Wenn das eine Vakuum-Absperrventil, das sich zwischen dem Material und der Vakuumkammer befindet, geschlossen und das andere Vakuum-Absperrventil geöffnet wird, während Gas vom ersten Material zum Absorbieren des zu ionisierenden Gases desorbiert wird, bleibt das Vakuum in der Vakuumkammer erhalten, am nadelförmigen Ionenemitter lagert sich weniger Verunreinigungsgas an, der Ionenstrahl wird stabiler, und das Ionisationsgas wird besser ausgenutzt.
-
Bei der genannten Gasfeldionenquelle evakuiert eine Vakuumpumpe die Vakuumkammer, die durch das Vakuum-Absperrventil abgetrennt wird und die das Material zum Absorbieren des zu ionisierenden Gases aufnimmt. Verunreinigungsgas, das bei der Desorption von Gas von dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierendes Gases freigegeben wird, wird dadurch abgeführt, und das Vakuum in der Vakuumkammer bleibt erhalten.
-
Bei der genannten Gasfeldionenquelle umfaßt die Vakuumpumpe zum Evakuieren der Vakuumkammer eine Hochvakuumpumpe und eine Vorpumpe, und zwischen der Abgabeöffnung der Hochvakuumpumpe und der Ansaugöffnung der Vorpumpe befindet sich ein Material, das selektiv das Gas durchläßt, das ionisiert werden soll. Nach der Desorption von Gas von dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierendes Gases und dem Entfernen von Verunreinigungsgas wird das Gas dem Umfeld der Emitterspitze zugeführt und im distalen Bereich der nadelförmigen Emitterspitze ionisiert. Die sich dabei ergebenden Ionen werden als Ionenstrahl extrahiert. Dadurch ergibt sich eine Gasfeldionenquelle mit einer hohen Ausnutzung des Ionisationsgases.
-
Bei der genannten Gasfeldionenquelle ist Wasserstoff das zu ionisierende Gas. Dadurch ergibt sich eine Gasfeldionenquelle mit einer durch eine hohe Adsorptionswirkung und eine hohe Speicherwirkung guten Ausnutzung des Ionisationsgases. Beim Einstrahlen eines Wasserstoffionenstrahls auf eine Probe ist der Schaden an der Probe im Vergleich zu Helium und dergleichen geringer.
-
Bei der genannten Gasfeldionenquelle ist das distale Ende der Emitterspitze eine aus Atomen bestehende Nanopyramide. Das hat den Vorteil, daß durch den begrenzten Ionisationsbereich eine Ionenquelle mit hoher Luminanz erhalten wird und eine Betrachtung mit hoher Auflösung möglich ist. Da der Gesamt-Ionenstrom klein ist, wird durch die Umwälzung des Ionisationsgases eine Gasfeldionenquelle mit einer hohen Ausnutzung des Ionisationsgases erhalten.
-
Die Gasfeldionenquelle umfaßt eine nadelförmige Emitterspitze, an der Ionen erzeugt werden, eine der Emitterspitze gegenüberliegende Extraktionselektrode und eine in einer Vakuumkammer angeordnete Ionisationskammer, die die Emitterspitze umgibt. Von der nadelförmigen Emitterspitze wird ein Ionenstrahl extrahiert. Die Gasfeldionenquelle umfaßt des weiteren eine erste Vakuumpumpe, die in Verbindung mit der Vakuumkammer ein nicht verdampfendes Gettermaterial enthält, einen Mechanismus zum Aufheizen des nicht verdampfenden Gettermaterials, ein Vakuum-Absperrventil zwischen der Vakuumkammer und der ersten Vakuumpumpe, eine zweite Vakuumpumpe, die die vom Vakuum getrennte Vakuumpumpe evakuiert, und eine Leitung, die die Vakuumpumpe mit der Ionisationskammer verbindet. Die Gasfeldionenquelle umfaßt darüberhinaus eine selektiv wasserstoffdurchlässige Membran in der Mitte der Leitung. Die Gasfeldionenquelle weist damit eine hohe Ausnutzung des Ionisationsgases auf, ist wirtschaftlich und steht in Übereinstimmung mit dem Gedanken des globalen Umweltschutzes.
-
Ein Ladungsteilchenmikroskop umfaßt die genannte Gasfeldionenquelle, eine Fokussierlinse zum Fokussieren des von der Ionenquelle emittierten Ionenstrahls, einen Deflektor zum Auslenken des Ionenstrahls, der die Fokussierlinse durchlaufen hat, und einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen der von der Probe freigegebenen Sekundärteilchen. Das Ladungsteilchenmikroskop weist eine hohe Ausnutzung des Ionisationsgases auf, ist wirtschaftlich und steht in Übereinstimmung mit dem Gedanken des globalen Umweltschutzes.
-
Das Ladungsteilchenmikroskop ist dadurch charakterisiert, daß in der genannten Gasfeldionenquelle dem Umfeld der Emitterspitze ein Gas zugeführt wird, daß Gas, das an der Gasfeldionenquelle nicht ionisiert wurde, durch das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases adsorbiert wird, und daß das adsorbierte Gas wieder freigegeben und dem Umfeld der Emitterspitze zugeführt wird; wobei von der Gasfeldionenquelle ein Ionenstrahl extrahiert wird, der dazu verwendet wird, eine Probe zu betrachten oder zu untersuchen. Das Ladungsteilchenmikroskop weist damit eine hohe Ausnutzung des Ionisationsgases auf, ist wirtschaftlich, und auch der globale Umweltschutz ist berücksichtigt.
-
Ein Hybrid-Ladungsteilchenmikroskop umfaßt eine Hybrid-Teilchenquelle mit einer Emitterspitze, bei der das distale Ende eine aus Atomen bestehende Nanopyramide ist und bei der von der nadelförmigen Emitterspitze ein Ionenstrahl oder Elektronen extrahiert wird bzw. werden; ein optisches System zum Bestrahlen mit geladenen Teilchen, das die von der Hybrid-Teilchenquelle emittierten geladenen Teilchen zu einer Probe führt; einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen der von der Probe abgegebenen Sekundärteilchen; ein optisches Abbildungssystem für geladene Teilchen zum Abbilden der geladenen Teilchen, die die Probe durchlaufen haben; und eine Gaszuführleitung zum Zuführen von Gas in die Umgebung der Emitterspitze. Als Gas können wenigstens zwei Arten von Gas einschließlich einer der Gasarten Wasserstoff und Helium und einer der Gasarten Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff und Sauerstoff ausgewählt werden. Mit der nadelförmigen Emitterspitze kann selektiv entweder eine positive Hochspannungszuführung oder eine negative Hochspannungszuführung verbunden werden. Damit wird eine Vorrichtung zum Bestrahlen mit geladenen Teilchen geschaffen, bei der die Proben-Oberseite mit einem Wasserstoffionenstrahl oder einem Heliumionenstrahl betrachtet werden kann, die Probe mit einem Ionenstrahl aus Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff oder Sauerstoff bearbeitet werden kann und das Innere der Probe durch das Einstrahlen eines Elektronenstrahls auf die Probe und Erfassen der von der Probe durchgelassenen Elektronen untersucht werden kann. Bei der Verwendung einer Nanopyramiden-Emitterspitze können ein Ionenstrahl mit einem extrem kleinen Durchmesser und ein Elektronenstrahl mit einem extrem kleinen Durchmesser erhalten werden. Mit dem Ladungsteilchenmikroskop können damit Informationen über die Probe im Subnanometerbereich gewonnen werden.
-
Bei einer Hybrid-Ladungsteilchen-Bestrahlungsmikroskopie ist das distale Ende der Emitterspitze eine aus Atomen bestehenden Nanopyramide. Von der nadelförmigen Emitterspitze wird ein Ionenstrahl einer der Gasarten Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff und Sauerstoff extrahiert und auf eine Probe eingestrahlt, um die Probe zu bearbeiten. Zum Betrachten der Probenoberfläche wird von der nadelförmigen Emitterspitze ein Ionenstrahl aus einer der Gasarten Wasserstoff und Helium extrahiert. Von der nadelförmigen Emitterspitze können auch Elektronen extrahiert und auf die Probe eingestrahlt werden. Die Elektronen, die die Probe durchlaufen haben, werden abgebildet, um Informationen über das Innere der Probe zu erhalten. Es ist damit eine komplexe Probenanalyse auf der Basis einer Betrachtung der Probenoberfläche, einer Probenbearbeitung und einer Untersuchung des Probeninneren möglich. Bei der Verwendung einer Nanopyramiden-Emitterspitze ist eine Ladungsteilchenmikroskopie mit einer Probenanalyse auf der Basis eines Ionenstrahls mit einem extrem kleinen Durchmesser und eines Elektronenstrahls mit einem extrem kleinen Durchmesser möglich.
-
Ausführungsform 1
-
Anhand der 1 wird ein Beispiel für ein Ladungsteilchenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Als Ionenstrahlvorrichtung wird in einem ersten Beispiel ein Rasterionenmikroskop beschrieben. Das Rasterionenmikroskop dieses Beispiels umfaßt eine Gasfeldionenquelle 1, eine Säule 2 für das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem, eine Probenkammer 3 und einen Kühlmechanismus 4. Das Innere der Gasfeldionenquelle 1, der Säule 2 für das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem und der Probenkammer 3 bildet eine Vakuumkammer.
-
Der Aufbau der Gasfeldionenquelle 1 wird später beschrieben. In einer Vakuumkammer 68 befindet sich eine nadelförmige Emitterspitze 21, der eine Extraktionselektrode 24 gegenüberliegt, die eine Öffnung 27 zum Durchlassen von Ionen aufweist. Zur Erhöhung des Gasdrucks im Umfeld der Emitterspitze ist eine Ionisationskammer 15 ausgebildet.
-
Eine Ionenquellen-Evakuierungspumpe 12 evakuiert die Vakuumkammer 68 der Gasfeldionenquelle 1. Zwischen der Vakuumkammer 68 und der Ionenquellen-Evakuierungspumpe 12 ist ein Vakuum-Absperrventil 69 angeordnet. Mit der Vakuumkammer 68 der Gasfeldionenquelle 1 ist eine Vakuumkammer 71 verbunden, die ein nicht verdampfendes Gettermaterial 70 enthält, das als Material zur Adsorption des zu ionisierenden Gases dient. Für das nicht verdampfende Gettermaterial sind außerhalb der Vakuumkammer ein Heizmechanismus 72 und ein Kühlmechanismus 73 vorgesehen. Das Prinzip des Heizmechanismusses ist eine Widerstandsheizung oder eine Lampenheizung, der Kühlmechanismus enthält ein Kühlmittel oder ein Peltier-Element. Zwischen der Vakuumkammer 71 für das nicht verdampfende Gettermaterial 70 und der Vakuumkammer 68 ist ein Vakuum-Absperrventil 74 angeordnet. Die Vakuumkammer 71 für das nicht verdampfende Gettermaterial ist über eine Gasleitung 25 mit der Ionisationskammer 15 verbunden. Zwischen der Vakuumkammer 71 für das nicht verdampfende Gettermaterial 70 und der Ionisationskammer 15 ist ein Material 75 angeordnet, das selektiv nur das zu ionisierende Gas durchläßt, und zur Unterbrechung des Gasflusses ein Vakuum-Absperrventil 76 angeordnet. Mit der Vakuumkammer 71 für das nicht verdampfende Gettermaterial ist über ein Vakuum-Absperrventil 77 eine Vakuumpumpe 78 verbunden.
-
Die Gasfeldionenquelle 1 umfaßt des weiteren einen Kippmechanismus 61 zur Änderung der Neigung der Emitterspitze 21 mit einem piezoelektrischen Element. Der Kippmechanismus 61 ist an einer Emitterbasisbefestigung 64 angebracht. Damit kann die Richtung des distalen Endes der Emitterspitze genau auf die Ionenstrahl-Einstrahlungsachse 14A ausgerichtet werden. Mit dieser Winkel-Achsen-Einstellung ist der Vorteil verbunden, daß die Verzerrung des Ionenstrahls geringer wird.
-
Das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem umfaßt eine Fokussierlinse 5 zum Fokussieren der von der Gasfeldionenquelle 1 emittierten Ionen, eine erste bewegliche Blende 6 zum Begrenzen des Ionenstrahls 14 nach dem Durchlaufen der Fokussierlinse, einen ersten Deflektor 35 zum Auslenken oder Ausrichten des Ionenstrahls nach dem Durchlaufen der ersten Blende, einen zweiten Deflektor 7 zum Auslenken des Ionenstrahls nach dem Durchlaufen der ersten Blende, eine zweite Blende 36 zum Begrenzen des Ionenstrahls nach dem Durchlaufen der ersten Blende und eine Objektivlinse 8 zum Fokussieren des Ionenstrahls nach dem Durchlaufen der ersten Blende auf eine Probe.
-
Das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem kann auch einen Massenseparator enthalten, der nicht dargestellt ist. Auch kann ein Aufbau zum Verkippen der Fokussierlinse bezüglich der Ionenstrahl-Einstrahlungsachse 14A vorgesehen sein. Wenn der Kippmechanismus mit einem piezoelektrischen Element versehen ist, läßt er sich relativ kompakt ausgestalten.
-
Der erste Deflektor ist, wie später noch beschrieben wird, ein Deflektor, der den Ionenstrahl zu dem Zweck auslenkt, das Ionenabstrahlmuster der Emitterspitze zu erhalten. Der erste Deflektor bezeichnet einen Deflektor, der von der Ionenquelle in Richtung zur Probe zuerst kommt. Eine Vorrichtung zur Bestrahlung mit geladenen Teilchen kann einen Deflektor enthalten, der in der Richtung der optischen Achse im Vergleich zum ersten Deflektor kurz ist, zwischen dem ersten Deflektor und der Fokussierlinse angeordnet ist und der dazu verwendet wird, die Auslenkachse des Ionenstrahls einzustellen.
-
In der Probenkammer 3 befindet sich ein Probentisch 10, auf dem eine Probe 9 angeordnet ist, und der Sekundärteilchendetektor 11. Der Ionenstrahl 14 von der Gasfeldionenquelle 1 wird mittels des Ionenstrahl-Bestrahlungssystems auf die Probe 9 eingestrahlt. Der Sekundärteilchendetektor 11 erfaßt die von der Probe 9 abgegebenen Sekundärteilchen. Die vom Sekundärteilchendetektor 11 gemessene Signalgröße ist nahezu proportional zu dem Ionenstrahlstrom durch die zweite Blende 36.
-
Das Ionenmikroskop umfaßt im vorliegenden Beispiel des weiteren eine Probenkammer-Evakuierungspumpe 13 zum Evakuieren der Probenkammer 3. Außerdem gibt es eine Elektronenkanone zum Neutralisieren der Aufladung der Probe bei der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl und eine Gaskanone zum Abätzen oder zum Zuführen eines Abscheidegases in die Umgebung der Probe.
-
Über einen Vibrationsisolationsmechanismus 19 ist an einer auf einem Boden 20 angebrachten Gerätebrücke 17 eine Basisplatte 18 angebracht. Die Feldionisationsionenquelle 1, die Säule 2 und die Probenkammer 3 sind auf der Basisplatte 18 angeordnet.
-
Der Kühlmechanismus 4 kühlt des Innere der Feldionisationsionenquelle 1, die Emitterspitze 21 und die Extraktionselektrode 24. Bei der vorliegenden Ausführungsform verläuft innerhalb der Emitterbasisbefestigung 64 ein Kühlkanal. Wenn für den Kühlmechanismus 4 ein Gifford-McMahonkühler verwendet wird, ist auf dem Boden 20 eine (nicht gezeigte) Kompressor einheit (ein Kompressor) angeordnet, der als Arbeitsgas Helium verwendet. Damit keine Vibrationen von der Kompressoreinheit (dem Kompressor) über den Boden 20 zur Gerätebrücke 17 übertragen werden, ist zwischen der Gerätebrücke 17 und der Basisplatte 18 der Vibrationsisolationsmechanismus 19 angeordnet. Damit werden keine hochfrequenten Vibrationen vom Boden zur Feldionisationsionenquelle 1, zur Säule 2 für das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem und zur Vakuum-Probenkammer 3 übertragen. Über den Boden 20 werden daher auch keine Vibrationen von der Kompressoreinheit (dem Kompressor) zur Feldionisationsionenquelle 1, zur Säule 2 für das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem und zur Probenkammer 3 übertragen. Als Ursache für Vibrationen des Bodens 20 wurden hier der Kühler 40 und der Kompressor 16 genannt. Als Ursache für Vibrationen des Bodens 20 sind jedoch auch andere Quellen möglich.
-
Der Vibrationsisolationsmechanismus 19 kann aus einem vibrationsfesten Gummi, einer Feder, einem Dämpfungselement oder einer Kombination daraus bestehen.
-
Anhand der 2 werden die Komponenten in der Umgebung der Emitterspitze bei einem Beispiel der Gasfeldionenquelle 1 für das Ladungsteilchenmikroskop der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Die Gasfeldionenquelle 1 umfaßt im vorliegenden Beispiel eine Emitterspitze 21, zwei Filamente 22, eine Filamentbefestigung 23 und die Emitterbasisbefestigung 64. Die Emitterspitze 21 ist mit den Filamenten 22 verbunden. Die Filamentbefestigung 23 ist über einen Isolator und dergleichen dazwischen an der Emitterbasisbefestigung 64 angebracht. Dadurch kann an die Emitterspitze 21 eine hohe Spannung angelegt werden. Außerdem weist die Ionenquellen-Vakuumkammer 68 eine Aktuationsöffnung 67 auf, durch die der Ionenstrahl verläuft.
-
Die Feldionisationsionenquelle 1 des vorliegenden Beispiels umfaßt des weiteren die Extraktionselektrode 24, eine zylindrische Seitenwand 28 und eine Abschlußplatte 29. Die Extraktionselektrode 24 liegt der Emitterspitze 21 gegenüber und weist eine Öffnung 27 zum Durchlassen des Ionenstrahls 14 auf. An die Extraktionselektrode 24 kann eine hohe Spannung angelegt werden.
-
Die Seitenwand 28 und eine Abdeckplatte 29 umgeben die Emitterspitze 21. Der von der Extraktionselektrode 24, der Seitenwand 28, der Abdeckplatte 29, einem Isoliermaterial 63 und der Filamentbefestigung 23 umgebene Raum wird Ionisationskammer 15 für Gasmoleküle genannt. Die Ionisationskammer ist eine Kammer zum Erhöhen des Gasdrucks um die Emitterspitze und ist nicht auf die Elemente beschränkt, die die Wände der Kammer bilden.
-
Mit der Gasmolekül-Ionisationskammer 15 ist die Gaszuführleitung 25 verbunden. Durch die Gaszuführleitung 25 wird das zu ionisierende Gas (das Ionisationsgas) der Emitterspitze 21 zugeführt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das zu ionisierende Gas (das Ionisationsgas) Wasserstoff.
-
Mit Ausnahme der Öffnung 27 in der Extraktionselektrode 24 und der Gaszuführleitung 25 ist die Gasmolekül-Ionisationskammer 15 hermetisch abgeschlossen. Das durch die Gaszuführleitung 25 der Ionisationskammer 15 zugeführte Gas kann die Ionisationskammer 15 nur an der Öffnung 27 der Extraktionselektrode 24 und an der Gaszuführleitung 25 verlassen. Wenn die Öffnung 27 in der Extraktionselektrode 24 klein ist, ist die Gasmolekül-Ionisationskammer 15 nahezu hermetisch dicht abgeschlossen. Die Öffnung 27 in der Extraktionselektrode 24 ist zum Beispiel eine runde Öffnung mit einem Durchmesser von 0,3 mm. Wenn das Ionisationsgas durch die Gaszuführleitung 25 der Gasionisationskammer 15 zugeführt wird, ist der Gasdruck in der Gasionisationskammer 15 um mindestens eine Größenordnung größer als der Gasdruck in der Vakuumkammer. Das Ausmaß, in dem der Ionenstrahl im Vakuum mit Gas kollidiert und neutralisiert wird, nimmt entsprechend ab, so daß ein Ionenstrahl mit großem Strom erhalten wird. Der Durchmesser der Aktuationsöffnung 67 beträgt zum Beispiel 2 mm. Das Vakuum in der Vakuumkammer des Systems zur Bestrahlung mit Ionen, durch die der von der Ionenquelle emittierte Ionenstrahl läuft, kann damit verbessert werden. Entsprechend nimmt das Ausmaß ab, in dem der Ionenstrahl mit dem Gas in der Vakuumkammer des Systems zur Bestrahlung mit Ionen kollidiert und neutralisiert wird. Mit anderen Worten wird der Strom, der die Probe erreicht, größer. In der 2 ist der Kühlmechanismus für die Emitterspitze 21 nicht dargestellt.
-
Als nächstes werden der Aufbau der Emitterspitze 21 und ein Herstellungsverfahren dafür beschrieben. Am Anfang steht ein Wolframdraht mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 100 μm bis etwa 400 μm mit der axialen Azimutorientierung <111>. Das distale Ende dieses Wolframdrahtes wird angespitzt und dadurch eine Emitterspitze erhalten, deren Krümmungsradius am distalen Ende einige zehn Nanometer beträgt. In einer anderen Vakuumkammer wird auf das distale Ende der Emitterspitze Iridium aufgedampft. Durch Aufheizen auf eine hohe Temperatur werden Platinatome dazu gebracht, sich zum distalen Ende der Emitterspitze zu bewegen. Es entsteht eine Pyramidenstruktur aus Iridiumatomen in der Größenordnung eines Nanometers, die Nanopyramide genannt wird. Bei der Nanopyramide befindet sich in der Regel am distalen Ende ein Atom. Unter dem distalen Ende befinden sich eine Lage aus drei oder sechs Atomen und darunter eine Lage aus zehn oder mehr Atomen.
-
Bei dem vorliegenden Beispiel wird ein dünner Wolframdraht verwendet. Alternativ kann auch ein dünner Molybdändraht Verwendung finden. Bei dem vorliegenden Beispiel besteht die Beschichtung aus Iridium. Die Beschichtung kann aber auch aus Platin, Rhenium, Osmium, Palladium oder Rhodium bestehen.
-
Das Ausbilden der Nanopyramide am distalen Ende der Emitterspitze kann durch Feldverdampfen im Vakuum, Gasätzen, Bestrahlung mit einem Ionenstrahl und dergleichen erfolgen. Mit diesen Verfahren wird am distalen Ende eines Wolframdrahts oder eines Molybdändrahts eine Wolfram-Atom-Nanopyramide oder eine Molybdän-Atom-Nanopyramide ausgebildet. Wenn zum Beispiel ein <111>-Wolframdraht verwendet wird, befinden sich am distalen Ende drei Wolframatome. Eine ähnliche Nanopyramide kann durch Ätzen im Vakuum am distalen Ende eines dünnen Drahtes aus Platin, Iridium, Rhenium, Osmium, Palladium oder Rhodium ausgebildet werden. Die Emitterspitze mit einem distalen Aufbau in der Größenordnung von Atomen wird eine Nanospitze genannt.
-
Wie oben angegeben ist die Emitterspitze 21 der Gasfeldionenquelle der vorliegenden Ausführungsform eine Nanopyramide. Durch Einstellen der Intensität des elektrischen Feldes am distalen Ende der Emitterspitze 21 kann in der Umgebung des einen Atoms am distalen Ende der Emitterspitze ein Heliumion erzeugt werden. Der Bereich, von dem das Ion emittiert wird, das heißt der Bereich der Ionenemmissionsquelle ist ein extrem kleiner Bereich mit einer Größe von einem Nanometer oder weniger. Durch diese Erzeugung von Ionen in diesem sehr begrenzten Bereich beträgt der Strahldurchmesser 1 nm oder weniger. Der Stromwert pro Flächeneinheit oder pro Raumwinkeleinheit wird damit sehr groß. Dies ist für die Erhaltung eines Ionenstrahls mit einem sehr kleinen Durchmesser und einem großen Ionenstrom sehr wichtig.
-
Bei einer Nanopyramide mit einem Atom am distalen Ende aus Platin, Rhenium, Osmium, Iridium, Palladium oder Rhodium ist der pro Flächeneinheit oder pro Raumwinkeleinheit emittierte Strom, das heißt die Luminanz der Ionenquelle besonders groß. Dies ist dann von Vorteil, wenn der Strahldurchmesser auf der Probe in einem Ionenmikroskop klein sein soll oder der Strom groß sein soll. Wenn die Emitterspitze stark abgekühlt wird und die Gaszufuhr ausreichend ist, muß das distale Ende jedoch nicht immer aus einem Atom bestehen, sondern kann auch aus drei Atomen, sechs Atomen, sieben Atomen oder zehn Atomen sein. Trotzdem wird eine ausreichende Leistungsfähigkeit erhalten. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, damit mit einem distalen Ende mit einer Anzahl von Atomen, die gleich oder größer als vier und kleiner als zehn ist, die Luminanz der Ionenquelle hoch ist, die distalen Atome kaum verdampfen und eine stabiler Betrieb erhalten wird.
-
Die 3 zeigt ein Beispiel für ein Steuersystem für das Ionenmikroskop der 1. Das Steuersystem umfaßt eine Steuerung 91 für die Feldionisations-Ionenquelle zum Steuern der Gasfeldionenquelle 1, eine Kühlersteuerung 92 zur Steuerung des Kühlers 40, eine Temperatursteuerung 191 für den Heizmechanismus und den Kühlmechanismus des nicht verdampfenden Gettermaterials, eine Ventilsteuerung 192 zum Steuern des Öffnens und Schließens der Vakuum-Absperrventile 69, 74, 76 und 77 um die Gasfeldionenquelle, eine Linsensteuerung 93 zum Steuern der Fokussierlinse 5 und der Objektivlinse, eine erste Blendensteuerung 94 zum Steuern der beweglichen ersten Blende 6, eine erste Deflektorsteuerung 195 zum Steuern des ersten Deflektors, eine zweite Deflektorsteuerung 95 zum Steuern des zweiten Deflektors, eine Sekundärteilchendetektorsteuerung 96 zum Steuern des Sekundärteilchendetektors 11, eine Probentischsteuerung 97 zum Steuern des Probentisches 10, eine Pumpensteuerung 98 zum Steuern der Pumpe 13 zum Evakuieren der Probenkammer, und eine Berechnungs- und Verarbeitungsvorrichtung 99 mit einer Recheneinheit. Die Berechnungs- und Verarbeitungsvorrichtung 99 umfaßt auch eine Bildanzeigeeinheit. An der Bildanzeigeeinheit werden Abbildungen angezeigt, die aus dem Erfassungssignal des Sekundärteilchendetektors 11 erhalten werden, sowie an einer Eingabeeinrichtung eingegebene Informationen.
-
Der Probentisch 10 umfaßt einen Mechanismus zum geradlinigen Bewegen einer Probe 9 in zwei orthogonalen Richtungen in einer Probenanordnungsebene, einen Mechanismus zum geradlinigen Bewegen der Probe 9 in der Richtung senkrecht zu der Probenanordnungsebene und einen Mechanismus zum Drehen der Probe 9 in der Probenanordnungsebene. Der Probentisch 10 umfaßt des weiteren eine Kippvorrichtung zum Ändern des Einstrahlungswinkels des Ionenstrahls 14 bezüglich der Probe 9 durch Drehen der Probe 9 um eine Kippachse. Die Steuerung dieser Mechanismen erfolgt durch die Probentischsteuerung 97 gemäß den von der Berechnungs- und Verarbeitungsvorrichtung 99 erhaltenen Anweisungen.
-
Es wird nun die Arbeitsweise der Feldionisations-Ionenquelle des vorliegenden Beispiels beschrieben. Dabei wird angenommen, daß das Ionisationsgas Wasserstoff ist. Zuerst wird der Wasserstoff vollständig im nicht verdampfenden Gettermaterial 70 gespeichert. Danach wird die Pumpe 12 zum Evakuieren der Ionenquelle dazu verwendet, die Vakuumkammer 68 zu evakuieren. Das Vakuum-Absperrventil 74 zwischen der Vakuumkammer 71, die das nicht verdampfende Gettermaterial enthält, und der Vakuumkammer 68 ist dabei geschlossen.
-
Nach der Evakuierung wird nach dem Verstreichen einer genügend langen Zeit der Kühler 4 in Betrieb gesetzt. Die Emitterspitze 21 und die Extraktionselektrode 24 werden dadurch abgekühlt.
-
Dann wird das Vakuum-Absperrventil 69 geschlossen, das sich zwischen der Evakuierungspumpe 12 und der Vakuumkammer befindet. Das nicht verdampfende Gettermaterial wird anschließend aufgeheizt, damit das gespeicherte Wasserstoffgas desorbiert wird. Es wurde zuerst angenommen, daß das von dem nicht verdampfenden Gettermaterial oder einer anderen Wasserstoff speichernden Legierung desorbierte Wasserstoffgas ausreichen rein ist. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch festgestellt, daß, wenn ein gleichzeitig desorbiertes Verunreinigungsgas wie Sauerstoff oder Stickstoff in die Ionisationskammer gelangt, das Verunreinigungsgas an der Emitterspitze adsorbiert wird und der Wasserstoff-Ionenstrahl instabil wird. Das von dem nicht verdampfenden Gettermaterial oder einer anderen Wasserstoff speichernden Legierung desorbierte Gas wird deshalb in einer Membran 75 gereinigt, die selektiv nur Wasserstoff durchläßt, zum Beispiel in einer Palladiummembran. Das gereinigte Wasserstoffgas wird durch die Gaszuführleitung 25 in die Gasmolekül-Ionisationskammer 15 eingeführt. Durch das entsprechende Steuern der Temperatur des nicht verdampfenden Gettermaterials kann die Desorptionsmenge, das heißt der Druck des Wasserstoffgases in der Ionisationskammer eingestellt werden.
-
Wie oben erwähnt befindet sich in der Gasmolekül-Ionisationskammer ein sehr gutes Vakuum. Das Ausmaß, in dem der an der Emitterspitze 21 erzeugte Ionenstrahl in der Gasmolekül-Ionisationskammer mit Restgas kollidiert und dabei neutralisiert wird, ist daher klein. Es kann somit ein Ionenstrahl mit einem großen Strom erzeugt werden. Die Anzahl der auf hoher Temperatur befindlichen Wasserstoffgasmoleküle, die gegen die Extraktionselektrode prallen, ist ebenfalls gering. Die Kühltemperatur für die Emitterspitze und die Extraktionselektrode wird damit niedriger. Schließlich kann so ein Ionenstrahl mit einem großen Strom auf die Probe eingestrahlt werden.
-
An die Emitterspitze 21 und die Extraktionselektrode 24 wird eine Spannung angelegt. Am distalen Ende der Emitterspitze entsteht dadurch ein starkes elektrisches Feld. Durch das starke elektrische Feld wird der durch die Gaszuführleitung 25 zugeführte Wasserstoff zur Emitterspitze gezogen. Beim Erreichen der Umgebung des distalen Endes der Emitterspitze 21, an der das elektrische Feld am stärksten ist, wird der Wasserstoff durch das elektrische Feld ionisiert und ein Wasserstoff-Ionenstrahl erzeugt. Der Wasserstoff-Ionenstrahl wird durch die Öffnung 27 in der Extraktionselektrode 24 in das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem eingeführt.
-
Das in die Ionisationskammer eingeführte und nicht im Umfeld der Emitterspitze ionisierte Wasserstoffgas wird hier als Gas bezeichnet, das nicht an der Emitterspitze verbraucht wird.
-
Es wird nun die Arbeitsweise des Ionenstrahl-Bestrahlungssystems bei dem Ionenmikroskop des vorliegenden Beispiels beschrieben. Der Betrieb des Ionenstrahl-Bestrahlungssystems wird mit Anweisungen von der Berechnungs- und Verarbeitungsvorrichtung 99 gesteuert. Der an der Gasfeldionenquelle 1 erzeugte Ionenstrahl 14 wird an der Fokussierlinse 5 fokussiert, sein Strahldurchmesser wird von der strahlbegrenzenden Blende 6 begrenzt, und er wird von der Objektivlinse 8 konvergiert. Der konvergierte Strahl wird auf die Probe 9 auf dem Probentisch 10 eingestrahlt und dabei über die Probe geführt.
-
Die von der Probe freigegebenen Sekundärteilchen werden vom Sekundärteilchendetektor 11 erfaßt. Das Signal vom Sekundärteilchendetektor 11 ist luminanzmoduliert und wird der Berechnungs- und Verarbeitungsvorrichtung 99 zugeführt. Die Berechnungs- und Verarbeitungsvorrichtung 99 erzeugt eine Rasterionenmikroskopabbildung und zeigt sie an der Bildanzeigeeinheit an. Es ist damit eine hoch aufgelöste Betrachtung der Probenoberfläche möglich.
-
Der Massenseparator des Ionenstrahl-Bestrahlungssystems entfernt, wenn er aktiviert ist, molekulare Ionenstrahlen mit zwei oder mehr Wasserstoffatomen. Dadurch wird ein reiner Protonenstrahl auf die Probe eingestrahlt. Damit läßt sich der Durchmesser des Ionenstrahls verringern und eine höhere Auflösung erhalten.
-
Das Material der Vakuumkammern für die Feldionisations-Ionenquelle, das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem und die Probenkammer kann zu Abschirmung von äußeren Magnetfeldern ein magnetisches Material sein. Damit läßt sich der Durchmesser des Ionenstrahls verringern und eine höhere Auflösung erhalten.
-
Wenn die Vorrichtung keinen Kippmechanismus zum Verändern der Neigung der Emitterspitze aufweist, kann die Neigung der Fokussierlinse entsprechend der Richtung des vom distalen Ende der Emitterspitze emittierten Ionenstrahls eingestellt werden. Damit wird die von der Fokussierlinse verursachte Verzerrung des Ionenstrahls verringert, der Durchmesser des Ionenstrahls wird kleiner, und es kann eine höhere Auflösung erhalten werden. Ohne Kippmechanismus für die Emitterspitze 21 ist der Aufbau der Ionenquelle einfacher, und es kann eine kostengünstige Vorrichtung realisiert werden.
-
Die Betrachtung des Ionenemissionsmusters der Emitterspitze zum genauen Einstellen der Kipprichtung der Emitterspitze kann in einer anderen Vakuumvorrichtung erfolgen. Das Ergebnis der Einstellung kann dann auf die Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform übertragen werden. Dadurch kann der Kippmechanismus zum Verändern der Neigung der Emitterspitze weggelassen werden oder der Kippbereich eingeengt werden. Der Aufbau der Ionenquelle wird dadurch einfacher, und es kann eine kostengünstige Vorrichtung realisiert werden.
-
Ein Teil des Wasserstoffgases, das in die Gasmolekül-Ionisationskammer eingeführt wird, wird als Ionenstrahl auf die Probe eingestrahlt, fast alles von dem Wasserstoffgas wird jedoch von der Vakuumpumpe wieder abgesaugt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist zuerst das Vakuum-Absperrventil 76 zwischen der Vakuumkammer 71, in der sich das nicht verdampfende Gettermaterial 70 befindet, und der Ionisationskammer 15 geschlossen. Danach wird das Vakuum-Absperrventil 74 zwischen der Vakuumkammer 71, in der sich das nicht verdampfende Gettermaterial befindet, und der Vakuumkammer 68 für die Gasfeldionenquelle geöffnet. Das Vakuum-Absperrventil zwischen der Vakuumpumpe und der Vakuumkammer für die Gasfeldionenquelle ist dabei geschlossen. Dadurch wird das Wasserstoffgas, das sich in der Vakuumkammer befindet, von dem nicht verdampfenden Gettermaterial adsorbiert. Wenn das nicht verdampfende Gettermaterial gekühlt wird, ist die Adsorptionswirkung erhöht, und die Sammelwirkung für das Wasserstoffgas und auch dessen Ausnutzungsgrad ist besser. Dabei adsorbiert das nicht verdampfende Gettermaterial in der Vakuumkammer 71 jedoch nicht nur den Wasserstoff, sondern auch Verunreinigungsgase wie Stickstoff oder Sauerstoff. Mit anderen Worten wirkt die Vakuumkammer 71 wie eine Vakuumpumpe für die Vakuumkammer 68. Dadurch wird das Verunreinigungsgas nicht an der Emitterspitze 21 adsorbiert und der Ionenstrahl stabiler. Das Verunreinigungsgas wie Sauerstoff oder Stickstoff bleibt in der Vakuumkammer 71 mit dem nicht verdampfenden Gettermaterial und wird schließlich von der Vakuumpumpe abgeführt. Der Kühlmechanismus für das nicht verdampfende Gettermaterial ermöglicht einen schnellen Wechsel vom Aufheizen im Gasdesorptionsmodus zum Gasadsorptionsmodus. Dabei wird die zeitweise jeweils ausgeführte Wirkung verbessert.
-
Wenn die Sammlung des Wasserstoffs im nicht verdampfenden Gettermaterial vollständig ist, wird das Vakuum-Absperrventil 74 zwischen der Vakuumkammer, in der sich das nicht verdampfende Gettermaterial befindet, und der Vakuumkammer für die Gasfeldionenquelle geschlossen und das nicht verdampfende Gettermaterial aufgeheizt. Das adsorbierte Wasserstoffgas wird dadurch desorbiert. Wenn dabei auch die Vakuumkammer aufgeheizt wird, in der sich das nicht verdampfende Gettermaterial befindet, wird nur wenig Wasserstoffgas oder Verunreinigungsgas an der Wand der Vakuumkammer adsorbiert. Das Wasserstoffgas wird dadurch wirkungsvoller gesammelt. Wenn das gesammelte Wasserstoffgas schließlich in die Ionisationskammer eingeführt wird, wird ein Wasserstoff-Ionenstrahl emittiert. Es erfolgt damit eine Umwälzung des Wasserstoffgases. Das heißt, daß die Menge an Wasserstoffgas, die an die Luft abgegeben wird, kleiner wird, und daß ein Großteil davon als Wasserstoff-Ionenstrahl verwendet werden kann.
-
Der Durchmesser der Aktuationsöffnung 67 beträgt zum Beispiel nur 2 mm. Die Menge an Wasserstoffgas, die von der Ionenquelle in die Vakuumkammer des Ionenstrahl-Bestrahlungssystems übertritt, ist daher nur gering. Die Sammelwirkung für das Wasserstoffgas wird dadurch verbessert. Wenn die Durchlässigkeit der Aktuationsöffnung um wenigstens zwei Größenordnungen oder mehr unter der Durchlässigkeit der Sammelpumpe für das Wasserstoffgas liegt, ist eine wirkungsvolle Sammlung möglich.
-
Die beschriebene Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Gasfeldionenquelle eine hohe Ausnutzung des Ionisationsgases aufweist, die Wirtschaftlichkeit ausgezeichnet ist und der globale Umweltschutz berücksichtigt wird.
-
Bei der beschriebenen Ausführungsform kann durch die Temperatursteuerung für das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases die Adsorptionsmenge und die Desorptionsmenge gesteuert werden. Es wird damit eine Gasfeldionenquelle mit einer besseren Ausnutzung des Ionisationsgases geschaffen.
-
Da die beschriebene Ausführungsform die Heizeinheit und die Kühleinheit für das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases enthält, kann durch Aufheizen eine große Menge desorbiert und durch Kühlen eine große Menge adsorbiert werden. Die Gasfeldionenquelle weist damit eine bessere Ausnutzung des Ionisationsgases auf.
-
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird zuerst das zu ionisierende Gas in dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases gespeichert und dann erst die Gasfeldionenquelle evakuiert. Das hat den Vorteil, daß bei der Gasfeldionenquelle eine große Menge Gas in die Vakuumeinheit eingeführt werden kann und die Gebrauchsdauer der Gasfeldionenquelle lang ist.
-
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases ein nicht verdampfendes Gettermaterial. Dadurch wird das Vakuum in der Vakuumkammer besser. Auch lagert sich dadurch weniger Verunreinigungsgas am nadelförmigen Ionenemitter an, so daß der Ionenstrahl stabiler und die Ausnutzung des Ionisationsgases besser wird.
-
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist zwischen dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases und der Emitterspitze ein Material angeordnet, das selektiv nur das zu ionisierende Gas durchläßt. Aus dem Gas, das von dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases desorbiert wird, werden damit die Verunreinigungsgase entfernt. Damit wird eine Gasfeldionenquelle geschaffen, bei der sich weniger Verunreinigungsgase am nadelförmigen Ionenemitter anlagern, so daß der Ionenstrahl stabiler wird, und bei der das Ionisationsgas besser ausgenutzt wird. Es ist dies auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt haben, was in der Vergangenheit nicht diskutiert wurde, daß nämlich bei der Desorption der Gase von dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases auch Verunreinigungsgase freigesetzt werden, die die Stabilität des Ionenstrahls negativ beeinflussen.
-
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist zwischen dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases und der Vakuumkammer ein Vakuum-Absperrventil angeordnet. Verunreinigungsgas, das bei der Desorption des Gases von dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases freigesetzt wird, kann damit nicht in die Vakuumkammer gelangen. Damit wird eine Gasfeldionenquelle geschaffen, bei der sich weniger Verunreinigungsgase am nadelförmigen Ionenemitter anlagern, so daß der Ionenstrahl stabiler wird, und bei der das Ionisationsgas besser ausgenutzt wird.
-
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird das Vakuum-Absperrventil zur Abtrennung verwendet, und die Vakuumpumpe, die die Vakuumkammer evakuiert, in der sich das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases befindet, ist an der Innenseite des Ventils angeordnet. Das hat den Vorteil, daß das Verunreinigungsgas, das bei der Desorption des Gases von dem Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases freigesetzt wird, abgeführt wird und das Vakuum in der Vakuumkammer hoch bleibt.
-
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist das zu ionisierende Gas Wasserstoff. Die Adsorptionseffizienz ist daher hoch und damit auch die Speichereffizienz. Es wird damit eine Gasfeldionenquelle geschaffen, bei der das Ionisationsgas sehr gut genutzt wird. Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß bei der Einstrahlung eines Wasserstoff-Ionenstrahls im Vergleich zu Helium und dergleichen der Schaden an der Probe begrenzt ist.
-
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist das distale Ende der Emitterspitze der Gasfeldionenquelle eine aus Atomen bestehende Nanopyramide. Durch den begrenzten Ionisationsbereich ergibt sich eine Ionenquelle mit hoher Luminanz, und die Auflösung bei der Betrachtung der Probe ist hoch. Da der Gesamt-Ionenstrom klein ist, wird eine Gasfeldionenquelle mit einer hohen Ausnutzung des Ionisationsgases geschaffen, bei der das Ionisationsgas umgewälzt wird.
-
Bei der beschriebenen Ausführungsform umfaßt die Gasfeldionenquelle die nadelförmige Emitterspitze zum Erzeugen von Ionen, die Extraktionselektrode gegenüber der Emitterspitze und die Ionisationskammer, die in der Vakuumkammer die Emitterspitze umgibt. Der Ionenstrahl wird von der nadelförmigen Emitterspitze extrahiert. Die Gasfeldionenquelle umfaßt des weiteren die erste Vakuumpumpe, die mit der Vakuumkammer verbunden ist, in der sich das nicht verdampfende Gettermaterial befindet, den Mechanismus zum Aufheizen des nicht verdampfenden Gettermaterials, das Vakuum-Absperrventil zwischen der Vakuumkammer und der ersten Vakuumpumpe, die zweite Vakuumpumpe zum Evakuieren der das Vakuum einschließenden Vakuumpumpe und die Leitung zum Verbinden der Vakuumpumpe und der Ionisationskammer. Die Gasfeldionenquelle umfaßt schließlich noch die selektiv nur Wasserstoff durchlassende Membran in der Mitte der Leitung. Es wird damit eine Gasfeldionenquelle geschaffen, die das Ionisationsgas gut ausnutzt, die wirtschaftlich ist und bei der auch der Gedanke des globalen Umweltschutzes Berücksichtigung findet.
-
Bei der beschriebenen Ausführungsform umfaßt das Ladungsteilchenmikroskop die Gasfeldionenquelle, die Fokussierlinse zum Fokussieren des von der Ionenquelle emittierten Ionenstrahls, den Deflektor zum Auslenken des Ionenstrahls nach dem Durchlaufen der Fokussierlinse und den Sekundärteilchendetektor, der die beim Bestrahlen der Probe mit dem Ionenstrahl freigegebenen Sekundärteilchen erfaßt. Es wird damit ein Ladungsteilchenmikroskop geschaffen, bei dem das Ionisationsgas gut ausgenutzt wird, das wirtschaftlich ist und bei dem auch der globale Umweltschutz Berücksichtigung findet.
-
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist das Ladungsteilchenmikroskop dadurch charakterisiert, daß in der Gasfeldionenquelle ein Gas dem Umfeld der Emitterspitze zugeführt wird, wobei das Gas, das an der Gasfeldionenquelle nicht ionisiert wird, durch das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases adsorbiert wird. Das adsorbierte Gas wird später wieder freigegeben und erneut dem Umfeld der Emitterspitze zugeführt. Von der Gasfeldionenquelle wird ein Ionenstrahl extrahiert und zur Betrachtung oder Analyse einer Probe verwendet. Das Ladungsteilchenmikroskop bietet dadurch eine gute Ausnutzung des Ionisationsgases und eine hohe Wirtschaftlichkeit, wobei auch der globale Umweltschutz berücksichtigt wird.
-
Die vorliegende Ausführungsform wurde mit Bezug zu Wasserstoffgas beschrieben. Bei der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch jedes andere Gas verwendet werden, solange ein Material verwendet wird, das wirkungsvoll eines der Gase Sauerstoff, Stickstoff, Helium und Argon adsorbiert.
-
Ausführungsform 2
-
Anhand der 4 wird nun eine Ausführungsform beschrieben, bei der zumindest zwei Paare von Vakuum-Absperrventilen zwischen einer Vakuumkammer, die ein Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases enthält, und einer Vakuumkammer für die genannte Gasfeldionenquelle angeordnet sind.
-
Eine sich wiederholende Beschreibung von Elementen der Ausführungsform 1 wird dabei vermieden.
-
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist, wie auf der linken Seite der 4 dargestellt, zwischen der Vakuumkammer 71 für das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases und der Vakuumkammer der Gasfeldionenquelle ein Vakuum-Absperrventil 74 angeordnet. Das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases wird auf die gleiche Weise wie oben beschrieben verwendet. Das heißt, daß zum Desorbieren von gespeichertem Wasserstoffgas ein erstes nicht verdampfendes Gettermaterial 70 erhitzt wird, daß zum Reinigen des Wasserstoffgases eine Membran zum selektiven Durchlassen von Wasserstoff verwendet wird, und daß das Wasserstoffgas durch die Gaszuführleitung 25 in die Gasmolekül-Ionisationskammer 15 eingeleitet wird. Zum Erzeugen eines Wasserstoff-Ionenstrahls wird an die Emitterspitze 21 und die Extraktionselektrode 24 eine Spannung angelegt.
-
Das Vakuum-Absperrventil 74 zwischen der Vakuumkammer 71 für das Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases und der Vakuumkammer der Gasfeldionenquelle und ein Vakuum-Absperrventil 84, das zwischen einer Vakuumkammer 81 für ein zweites nicht verdampfendes Gettermaterial und der Vakuumkammer der Gasfeldionenquelle angeordnet ist, werden abwechselnd und wiederholt geöffnet und geschlossen. Mit anderen Worten ist das erste Vakuum-Absperrventil 74 zwischen der Vakuumkammer 71 für das erste Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases und der Vakuumkammer der Gasfeldionenquelle dann offen, wenn das erste nicht verdampfende Gettermaterial 70 als Vakuumpumpe wirkt. Das zweite nicht verdampfende Gettermaterial 80 befindet sich dabei im Wasserstoffgas-Desorptionsmodus, und das zweite Vakuum-Absperrventil 84 ist geschlossen. Wenn sich dagegen das erste nicht verdampfende Gettermaterial im Wasserstoffgas-Desorptionsmodus befindet, ist das erste Vakuum-Absperrventil 74 geschlossen. Wenn das zweite nicht verdampfende Gettermaterial als Vakuumpumpe wirkt, ist das zweite Vakuum-Absperrventil 84 offen.
-
Bei der vorliegenden Ausführungsform der Gasfeldionenquelle befinden sich zumindest zwei oder mehr Paare von Vakuum-Absperrventilen zwischen den Materialien zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases und der Vakuumkammer. Wenn Gas vom ersten Material zum Adsorbieren des zu ionisierenden Gases desorbiert wird, ist das Vakuum-Absperrventil zwischen dem Material und der Vakuumkammer geschlossen und das andere Vakuum-Absperrventil offen, so daß das Vakuum in der Vakuumkammer erhalten bleibt. Das hat den Vorteil, daß sich an dem nadelförmigen Ionenemitter der Gasfeldionenquelle weniger Verunreinigungsgas anlagert und der Ionenstrahl stabiler wird, und daß das Ionisationsgas besser ausgenutzt wird.
-
Mit der vorstehenden Ausführungsform wird eine Gasfeldionenquelle geschaffen, bei der das Ionisationsgas gut ausgenutzt wird, die wirtschaftlich ist und bei der auch der globale Umweltschutz Berücksichtigung findet.
-
Ausführungsform 3
-
Anhand der 5 wird ein Ladungsteilchenmikroskop mit einer Hybrid-Teilchenquelle beschrieben, die eine Emitterspitze umfaßt, bei der das distale Ende eine aus Atomen bestehende Nanopyramide ist und bei der von der nadelförmigen Emitterspitze ein Ionenstrahl oder Elektronen extrahiert werden. Es ist damit eine komplexe Probenanalyse auf der Basis einer Betrachtung der Probenoberfläche, einem Bearbeiten der Probe und einer Untersuchung des Probeninneren möglich.
-
Eine sich wiederholende Beschreibung von Elementen der Ausführungsformen 1 und 2 wird im folgenden vermieden.
-
Das Ladungsteilchenmikroskop der vorliegenden Ausführungsform umfaßt eine Hybrid-Teilchenquelle 301 mit einer Emitterspitze, bei der das distale Ende eine aus Atomen bestehende Nanopyramide ist und bei der von der nadelförmigen Emitterspitze ein Ionenstrahl oder Elektronen extrahiert werden, ein Hybrid-Bestrahlungssystem 302 zum Bestrahlen einer Probe mit einem Elektronenstrahl oder einem Ionenstrahl, einen Probentisch 303, einen Sekundärteilchendetektor 304 zum Erfassen der von der Probe freigegebenen Sekundärteilchen und ein optisches System 305 zum Abbilden der geladenen Teilchen, die die Probe durchlaufen haben. Selektiv kann an die Emitterspitze entweder eine positive Hochspannungsquelle oder eine negative Hochspannungsquelle angeschlossen werden. Wenn eine positive Hochspannung angelegt wird, kann ein positiver Ionenstrahl extrahiert werden. Wenn eine negative Hochspannung angelegt wird, kann von der Emitterspitze ein Elektronenstrahl extrahiert werden. Der Hybrid-Teilchenquelle können zumindest zwei oder mehr Arten von Gasen zugeführt werden. Die wenigstens zwei Gasarten umfassen einerseits Wasserstoff und Helium und andererseits Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff und Sauerstoff.
-
Bei dem vorliegenden Ladungsteilchenmikroskop wird ein Ionenstrahl aus einer der Gasarten Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff und Sauerstoff von der Emitterspitze extrahiert und auf die Probe eingestrahlt, um die Probe zu bearbeiten. Von der nadelförmigen Emitterspitze wird ein Wasserstoff- oder Helium-Ionenstrahl extrahiert, um die Probenoberfläche zu betrachten. Von der nadelförmigen Emitterspitze können auch Elektronen extrahiert und auf die Probe eingestrahlt werden. Die Elektronen, die die Probe durchlaufen haben, werden abgebildet, um Informationen über das Probeninnere zu erhalten. Es kann so eine komplexe Analyse der Probe durchgeführt werden, ohne daß die Probe der Luft ausgesetzt werden muß.
-
Das Ladungsteilchenmikroskop der vorliegenden Ausführungsform umfaßt eine Hybrid-Teilchenquelle mit einer Emitterspitze, bei der das distale Ende eine aus Atomen bestehende Nanopyramide ist und bei der von der nadelförmigen Emitterspitze ein Ionenstrahl oder Elektronen extrahiert werden, ein optisches Ladungsteilchen-Bestrahlungssystem zum Bestrahlen einer Probe mit den geladenen Teilchen, die von der Hybrid-Teilchenquelle emittiert werden, einen Sekundärteilchendetektor zum Erfassen der von der Probe freigegebenen Sekundärteilchen, ein optisches Ladungsteilchen-Abbildungssystem zum Abbilden der geladenen Teilchen, die die Probe durchlaufen haben, und eine Gaszuführleitung, durch die ein Gas der Umgebung der Emitterspitze zugeführt wird. Als Gas können zumindest zwei Gasarten ausgewählt werden, die einerseits Wasserstoff und Helium und andererseits Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff und Sauerstoff umfassen. An die nadelförmige Emitterspitze kann entweder eine positive Hochspannungsquelle oder eine negative Hochspannungsquelle angeschlossen werden. Damit wird ein Ladungsteilchenmikroskop geschaffen, bei dem mit einem Wasserstoffstrahl oder einem Heliumstrahl die Oberseite einer Probe betrachtet werden kann, die Probe mit einem Ionenstrahl einer der Gasarten Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff und Sauerstoff bearbeitet werden kann und das Probeninnere durch Einstrahlen eines Elektronenstrahls auf die Probe und Erfassen der von der Probe durchgelassenen Elektronen das Probeninnere untersucht werden kann. Mit der Nanopyramiden-Emitterspitze wird ein Ionenstrahl oder ein Elektronenstrahl mit einem extrem kleinen Durchmesser erhalten. Mit dem Ladungsteilchenmikroskop können damit Informationen über die Probe im Subnanometerbereich gewonnen werden.
-
Die vorstehende Ausführungsform umfaßt damit ein Hybrid-Ladungsteilchenmikroskop, bei dem das distale Ende der Emitterspitze eine aus Atomen bestehende Nanopyramide ist; bei dem von der nadelförmigen Emitterspitze ein Ionenstrahl aus einer der Gasarten Neon, Argon, Krypton, Xenon, Stickstoff und Sauerstoff extrahiert und zum Bearbeiten einer Probe auf die Probe eingestrahlt wird; bei dem von der nadelförmigen Emitterspitze ein Ionenstrahl aus Wasserstoff oder Helium extrahiert wird, um die Probenoberfläche zu betrachten, und bei dem von der nadelförmigen Emitterspitze Elektronen extrahiert und auf die Probe eingestrahlt werden, um die von der Probe durchgelassenen Elektronen abzubilden und Informationen über das Probeninnere zu erhalten. Es ist damit eine komplexe Probenanalyse auf der Basis einer Betrachtung der Probenoberfläche, einer Bearbeitung der Probe und einer Untersuchung des Probeninneren möglich. Mit einer Nanopyramiden-Emitterspitze ist eine Ladungsteilchenmikroskopie mit einer Probenanalyse auf der Basis eines Ionenstrahl mit einem extrem kleinen Durchmesser und eines Elektronenstrahls mit einem extrem kleinen Durchmesser möglich.
-
Beschreibung der Bezugszeichen
-
- 1 Gasfeldionenquelle, 2 Säule für das Ionenstrahl-Bestrahlungssystem, 3 Probenkammer, 4 Kühlmechanismus, 5 Fokussierlinse, 6 bewegliche Blende, 7 Deflektor, 8 Objektivlinse, 9 Probe, 10 Probentisch, 11 Sekundärteilchendetektor, 12 Pumpe zum Evakuieren der Ionenquelle, 13 Pumpe zum Evakuieren der Probenkammer, 14 Ionenstrahl, 14A optische Achse, 15 Gasmolekül-Ionisationskammer, 16 Kompressor, 17 Gerätebrücke, 18 Basisplatte, 19 Vibrationsisolationsmechanismus, 20 Boden, 21 Emitterspitze, 22 Filament, 23 Filamentbefestigung, 24 Extraktionselektrode, 25 Gaszuführleitung, 27 Öffnung, 28 Seitenwand, 29 Abdeckplatte, 35 erster Deflektor, 36 zweite Blende, 64 Emitterbasisbefestigung, 67 Aktuationsöffnung, 68 Vakuumkammer, 69 Vakuum-Absperrventil, 70 nicht verdampfendes Gettermaterial, 71 Vakuumkammer, 72 Heizmechanismus, 73 Kühlmechanismus, 74 Vakuum-Absperrventil, 75 Material zum selektiven Durchlassen des zu ionisierenden Gases, 76 Vakuum-Absperrventil, 77 Vakuum-Absperrventil, 78 Vakuumpumpe, 91 Steuerung für die Feldionisations-Ionenquelle, 92 Kühlersteuerung, 93 Linsensteuerung, 94 erste Blendensteuerung, 95 Ionenstrahl-Abtaststeuerung, 96 Sekundärteilchendetektorsteuerung, 97 Probentischsteuerung, 98 Vakuumpumpensteuerung, 99 Berechnungs- und Verarbeitungsvorrichtung, 195 erste Deflektorsteuerung, 196 Temperatursteuerung.
