DE112011104535B4

DE112011104535B4 - Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen

Info

Publication number: DE112011104535B4
Application number: DE112011104535.2T
Authority: DE
Inventors: Noriaki Arai
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: WO2012086419A1; JPWO2012086419A1; US20130264496A1; DE112011104535T5; US8835884B2; JP5462958B2

Abstract

Ein Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen, umfassend: eine Spitze; eine Extraktionselektrode mit einem zentralen Loch, welches koaxial zu der Spitze ist; einen zwischen der Spitze und der Extraktionselektrode angeordneten Ionenkollektor, wobei der Ionenkollektor ein zentrales Loch hat, das koaxial zu der Spitze ist; eine Vakuumkammer, die in sich die Spitze, die Extraktionselektrode und den Ionenkollektor aufnimmt; ein Kühlgerät zum Kühlen der Spitze; ein Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät, welches ultraviolettes Licht oder infrarotes Licht zum Bestrahlen der Spitze erzeugt; und einen Lichtleiter zum Führen des von dem Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät erzeugten ultravioletten Lichts oder infraroten Lichts in Richtung der Spitze, wobei der Lichtleiter koaxial zu der Spitze angeordnet ist, wobei die Extraktionselektrode eine umfängliche geneigte Oberfläche hat, die um ihr zentrales Loch ausgebildet ist, und das ultraviolette Licht oder das infrarote Licht von dem Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät so ausgerichtet ist, dass es nach dem Bestrahlen der Umgebung der Spitze und einer Reflexion durch die geneigte Oberfläche erneut die Spitze bestrahlt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Emissionsquelle für geladene Teilchen mit einer nadelförmigen Elektrode, die auf eine ultraniedrige Temperatur gekühlt ist, sowie ein Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen.
Stand der Technik
Als Elektronenkanone für ein Elektronenmikroskop sind eine thermoionische Quelle, eine Schottky Elektronenquelle und eine Kaltkathoden-Feldemissionsquelle und Ähnliches bekannt. Unter derartigen Elektronenquellen ist die Kaltkathoden-Feldemissionsquelle die monochromatischste Elektronenquelle mit der höchsten Brillanz, und sie wird für ein Elektronenmikroskop mit ultrahoher Auflösung verwendet. Die Kaltkathoden-Feldemissionsquelle verwendet eine nadelförmige Wolframspritze in einem unbeheizten Zustand, um ein elektrisches Feld mit hoher Intensität zu erzeugen und emittiert so aufgrund des Tunneleffekts Elektronen.
Typischerweise ist die Energiebreite eines Elektronenstrahls bei Raumtemperatur größer oder gleich 200 meV (Halbwertsbreite), selbst bei idealer, reiner Oberfläche. Wenn jedoch eine Elektronenquelle bei ultraniedrigen Temperaturen verwendet wird, kann die Energiebreite des Elektronenstrahls verringert werden. Beispielweise beträgt die Energiebreite bei Raumtemperatur (300 K) ungefähr 200 meV, wenn die Elektronenquelle eine Wolframspitze verwendet, die Energiebreite bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff (ungefähr 77 K) liegt jedoch bei ungefähr 120 meV, und diejenige bei der Temperatur von flüssigem Wasserstoff (ungefähr 21 K) liegt bei ungefähr 110 meV. Dies bedeutet, dass bei ultrageringen Temperaturen die Energiebreite auf ungefähr die Hälfte des Werts bei Raumtemperatur verringert werden kann. Dementsprechend werden chromatische Aberrationen einer in dem optischen System des Elektronenmikroskops erzeugten Linse um die Hälfte reduziert. Ein Elektronenstrahl kann daher auf einen geringeren optischen Strahldurchmesser reduziert werden.
Ferner ist als Ionenkanone für ein Ionenmikroskop eine Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS) bekannt. In der Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle wird typischerweise in einem Endbereich einer nadelförmigen Elektrode (Spitze), die auf einer ultraniedrigen Temperatur gehalten wird, die kleiner oder gleich der Temperatur von flüssigem Stickstoff ist, ein starkes elektrisches Feld erzeugt, ähnlich der Kaltkathoden-Feldemissionsquelle. Ein Quellengas wird in die Umgebung der Spitze geleitet, so dass das Quellengas durch den Tunneleffekt der Elektronen zwischen der Spritze und den Gasmolekülen ionisiert wird. Als Quellengas wird ein Edelgas verwendet. In den letzten Jahren hat ein Helium-Ionenmikroskop Aufmerksamkeit erregt, welches Helium-Ionen als Sonde verwendet. Da Helium-Ionen schwerer als Elektronen sind, ist es möglich, die Wellenlänge zu reduzieren und die Brechungsaberrationen zu verringern. So kann ein Mikroskop erreicht werden, das in der Auflösung und in der Tiefenschärfe einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) weit überlegen ist.
Es sei bemerkt, dass die an eine Spitze einer Ionenkanone angelegte Spannung typischerweise eine positive Spannung ist, die derjenigen einer Elektronenkanone entgegengesetzt ist. Ionen werden also bei negativem Potenzial bezogen auf die Spitze emittiert, Elektronen werden dagegen bei positiven Potenzialen relativ zu der Spitze emittiert.
Für ein Gerät mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB) wurden bisher durch Gallium typisierte Flüssigmetall-Ionen verwendet. Wenn anstelle der Flüssigmetall-Ionen jedoch Neon (Ne), Argon (Ar) oder Ähnliches verwendet wird, ist es möglich, einen präzisen Sputter-Prozess mit geringen Schäden durchzuführen.
Patentliteratur 1 offenbart ein Reinigungsverfahren, welches einen ultravioletten Laser zur Vermeidung von Adsorption des Restgases auf einer Elektronenquelle in einem Vakuum verwendet. Patentliteratur 2 offenbart eine Technologie für ein Mikroskop mit einer darauf montierten, im Handel erhältlichen Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS), die eine Laserquelle zum Bestrahlen der Spitze umfasst, um an der Oberfläche des Emitters absorbierte Atome zu entfernen.
Zitateliste
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP Patentveröffentlichung JP H11-7913 A (1999)
Patentliteratur 2: US-Patent US 2008/02 17 555 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problems
Wenn eine Spitze für eine für eine lange Zeit im Ultrahoch-Vakuum verwendet wird, adsorbiert das Restgas (hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid) in dem Ultrahoch-Vakuum auf der Spitze, wodurch ein Rauschen in dem emittierten Strom ansteigt, die Stärke des Stroms mit der Zeit abnimmt, und dergleichen. Die Zuverlässigkeit als Tastsonde geht daher verloren. Um daher eine Kontamination der Spitze durch adsorbiertes Gas zu vermeiden, ist es notwendig, die Spitze zu reinigen.
Bisher wird die Spitze in einer Elektronenkanone, die eine Kaltkathoden-Feldemissionsquelle verwendet, durch ein kurzfristiges Heizen durch einen eingeleiteten Strom gereinigt (flashing). Ein schnelles Überführen einer Spitze von einer ultraniedrigen Temperatur auf eine hohe Temperatur ist jedoch unerwünscht, da dadurch ein Bruch der Spitze oder ein Abstumpfen des Endes der Spitze durch die thermische Belastung verursacht werden könnte. Wenn ferner ein flashing durchgeführt wird, muss die Emission von geladenen Teilchen für eine relativ lange Zeit unterbrochen werden.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Emissionskanone für geladene Teilchen bereitzustellen, in welcher die Reinigung einer Spitze möglich ist, ohne den Betrieb der Emissionskanone für geladene Teilchen für eine lange Zeit zu unterbrechen und ohne die Spitze aufzuheizen.
Lösung des Problems
Eine Emissionskanone für geladene Teilchen nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Spitze; eine Extraktionselektrode mit einem zentralen Loch, welches koaxial zu der Spitze angeordnet ist; einen Ionenkollektor, der zwischen der Spitze und der Extraktionselektrode angeordnet ist, wobei der Ionenkollektor ein zentrales Loch hat, welches koaxial mit der Spitze angeordnet ist; eine Vakuumkammer, die die Spitze, die Extraktionselektrode und den Ionenkollektor aufnimmt; ein Kühlgerät zum Kühlen der Spitze; und ein Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät, welches ultraviolettes Licht oder infrarotes Licht zum Bestrahlen der Spitze erzeugt.
Das Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät erzeugt ultraviolettes Licht oder infrarotes Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge zum Desorbieren eines auf der Spitze adsorbierten Moleküls durch eine Photonen-stimulierte Desorption, oder zum Desorbieren eines auf der Spitze adsorbierten Moleküls durch Photonen-stimulierte Desorption und Ionisation des desorbierten Moleküls.
Das Reinigung-Lichtbestrahlungsgerät verwendet eine Lampenlichtquelle, welche Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum erzeugt, oder eine Laserquelle, die ein gepulstes Licht erzeugt.
Wenn eine Lampenlichtquelle verwendet wird, wird das adsorbierte Gas der Photonen-stimulierten Desorption unterworfen und anschließend wird das desorbierte Molekül abgesaugt oder ionisiert und von einem Ionenkollektor gefangen. Wenn eine Laserquelle verwendet wird, wird die Spitze mit Licht mit einer Pulsweist von Femtosekunden bestrahlt und einem Licht mit einer Intensität von der Größenordnung von 10¹⁰ W/cm², so dass die Spitze durch die Photonen-stimulierte Desorption und REMPI (Resonance Enhanced Multi Photon Ionisation) gereinigt wird.
Vorteile der Erfindung
Gemäß der Emissionskanone für geladene Teilchen nach der vorliegenden Erfindung wird eine Reinigung der Spitze möglich, ohne den Betrieb der Emissionskanone für geladene Teilchen für eine lange Zeit zu unterbrechen, und ohne die Spitze zu heizen.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine Ansicht, welche den Aufbau eines Hauptteils eines ersten Beispiels für ein Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach der vorliegenden Erfindung in einem Querschnitt illustriert.
2 ist eine Ansicht, die beispielhaft den Aufbau der Umgebung einer Spitze einer Emissionskanone für geladene Teilchen für das Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach der vorliegenden Erfindung illustriert.
3 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Hauptteils eines zweiten Beispiels des Geräts für einen Strahl von geladenen Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Querschnitt illustriert.
4 ist eine schematische Ansicht, die einen Adsorptionsprozess von Restgas-Molekülen auf die Spitze der Emissionskanone für geladene Teilchen des Geräts für einen Strahl von geladenen Teilchen nach der vorliegenden Erfindung, eine Photonenstimulierte Desportion der adsorbierten Moleküle und eine Ionisation der desorbierten Moleküle illustriert.
5A ist eine Ansicht, in welcher eine beispielhafte Atomanordnung einer Nano-Pyramidenstruktur an einem Ende der Spitze der Emissionskanone für geladene Teilchen aus der Richtung des Endes der Spitze betrachtet wird.
5B ist eine Ansicht, in welcher eine beispielhafte Atomanordnung der Nano-Pyramidenstruktur am Ende der Spitze der Emissionskanone für geladene Teilchen seitlich von der Spitze aus betrachtet wird.
5C ist eine Ansicht, welche einen Zustand illustriert, in welchem dann, wenn eine Emissionskanone für geladene Teilchen als eine Kaltkathoden-Feldemissionsquelle verwendet wird, Tunnelelektroden von einem einzelnen Atom im Scheitel der Nano-Pyramide am Ende der Spitze emittiert werden.
5D ist eine Ansicht, welche einen Zustand illustriert, in dem eine Emissionskanone für geladene Teilchen als Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS) verwendet wird, ein Quellengas auf die Nano-Pyramide am Ende der Spitze springt und an dem einzelnen Atom im Scheitelpunkt einer Feldionisation unterworfen wird.
6A ist eine schematische Ansicht, die einen Fall illustriert, in dem ein zwei-atomiges Molekül auf dem Scheitel der Nano-Pyramidenstruktur an dem Ende der Spitze adsorbiert wird.
6B ist eine schematische Ansicht, welche das Ende der Nano-Pyramide illustriert, die durch die Wirkung einer aufgrund des Einflusses von Adsorption auf der Nano-Pyramidenstruktur am Ende der Spitze verringerten Feldverdampfungsspannung beschädigt wurde.
6C ist eine schematische Ansicht, welche die Bildung einer Nano-Pyramide illustriert, welche durch adsorbiertes Gas auf der Nano-Pyramidenstruktur am Ende der Spitze behindert wird.
7A ist eine erläuternde Ansicht, welche den Betrieb eines Ionenkollektors illustriert, wenn die Emissionskanone für geladene Teilchen nach der vorliegenden Erfindung als Elektronenkanone verwendet wird.
7B ist eine erläuternde Ansicht, welche den Betrieb eines Ionenkollektors illustriert, wenn die Emissionskanone für geladene Teilchen nach der vorliegenden Erfindung als Ionenkanone verwendet wird.
8 ist eine Ansicht, die ein Beispiel illustriert, in welchem eine hohle optische Faser dazu verwendet wird, infrarotes Licht oder ultraviolettes Licht zum Ende der Spitze in der Emissionskanone für geladene Teilchen nach der vorliegenden Erfindung zu führen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein erstes Beispiel eines Geräts für einen Strahl von geladenen Teilchen nach der vorliegenden Erfindung wird Bezug nehmend auf 1 beschrieben. Das Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vakuumkammer 10, eine Vakuumkammer 11 für ein optisches System und eine Probenkammer 12, und umfasst ferner eine Steuereinheit 303 für die Stromversorgung, einen Steuercomputer 301 und eine Display-Vorrichtung 302. Die Vakuumkammer 10 hat eine darauf montierte Vakuumpumpe 180 und ein Kühlgerät 130. Ferner sind um die Vakuumkammer 10 herum ein Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät 170 und ein Gasversorgungsgerät 140 vorgesehen. Eine Vakuumpumpe 181 ist an der Unterseite der Probenkammer 12 montiert.
Im Folgenden wird der Teil des Geräts für einen Strahl für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel außer der Vakuumkammer 11 für das optische System und der Probenkammer 12 als eine Emissionskanone für geladene Teilchen bezeichnet. Die Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel kann als Elektronenkanone oder als Ionenkanone verwendet werden. Insbesondere kann die Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel als Kaltkathoden-Feldemissionsquelle verwendet werden, die bei einer ultraniedrigen Temperatur arbeitet, oder als eine Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS). Ferner kann die Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel auch als Ionenquelle eines fokussierten Ionenstrahlgeräts (FIB) verwendet werden.
Wenn die Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel als eine Elektronenkanone verwendet wird, kann ein elektronenoptisches System in der Vakuumkammer 11 für das optische System vorgesehen sein, und in der Probenkammer 12 kann eine Probenbühne vorgesehen sein. Entsprechend wird ein Elektronenmikroskop mit ultrahoher Auflösung gebildet. Wenn die Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel als Ionenkanone verwendet wird, kann ein ionenoptisches System in der Vakuumkammer 11 für das optische System vorgesehen sein und in der Probenkammer 12 kann eine Probenbühne für ein Ionenmikroskop oder einen fokussierten Ionenstrahl vorgesehen sein. Dadurch wird ein Ionenmikroskop oder ein fokussiertes Ionenstrahlgerät (FIB) gebildet.
Das Innere der Vakuumkammer 10 ist von der Vakuumpumpe 180 evakuiert. Entsprechend kann ein hohes Vakuum von der Größenordnung von 10^–6 Pa oder weniger auf einfache Weise in der Vakuumkammer 10 erzeugt werden. Wenn die Emissionskanone für geladene Teilchen jedoch einer thermischen Behandlung (Ausheizen) unterworfen wird, kann auch ein ultrahohes Vakuum von der Größenordnung von 10^–8 Pa oder weniger erreicht werden. Die thermische Behandlung (Ausheizen) ist ein Vorgang zum Entgasen das adsorbierten Gases und des auf den Teilen, die die Emissionskanone für geladene Teilchen bilden, adsorbierten Gases in der Vakuumkammer 10.
Eine Trägerstruktur 107 ist an einer Decke 10A der Vakuumkammer 10 vorgesehen. Die Trägerstruktur 107 hat einen Flansch-Bereich 107A und einen zylindrischen Bereich 107B. Der Flansch-Bereich 107A der Trägerstruktur 107 wird von der Oberseite der Decke 10A der Vakuumkammer 10 getragen. Ein Dichtungselement 109, wie beispielsweise ein O-Ring, ist zwischen der Unterseite des Flansch-Bereichs 107A der Trägerstruktur 107 und der Oberseite der Decke 10A der Vakuumkammer 10 befestigt. Der zylindrische Bereich der 107B der Trägerstruktur 107 ist in ein Loch 10B der Decke 10A der Vakuumkammer 10 eingesteckt.
Ein Halter 114 ist am unteren Ende des zylindrischen Bereichs 107B der Trägerstruktur 107 über eine thermische Isolationsstruktur 113 befestigt, welche dazwischen angeordnet ist. Auf dem Halter 114 ist ein Isolator 115 einer Spitze, ein Ionenkollektor 116, welcher aus Metall hergestellt ist, und eine Extraktionselektrode 118 montiert. Eine Spitze 117 ist an dem Isolator 115 der Spitze befestigt. In dem vorliegenden Beispiel bilden der Halter 114, der Isolator 115 der Spitze, der Spitze 117, der Ionenkollektor 116, und die Extraktionselektrode 118 eine Spitzeneinheit 100. Die thermische Isolationsstruktur 113 und die Spitzeneinheit 100 werden in einem Zustand gehalten, in welchem sie an der Trägerstruktur 107 hängen. Die Struktur und die Betätigung der Spitzeneinheit 100 werden später detailliert Bezug nehmend auf 2 beschrieben.
Der Innendurchmesser des Lochs 10B der Decke 10A der Vakuumkammer 10 ist größer als der Außendurchmesser des zylindrischen Bereichs 107B der Trägerstruktur 107. Die Trägerstruktur 107 kann bezogen auf die Vakuumkammer 10 über eine Strecke in der horizontalen Richtung bewegt werden, welche dem Unterschied der Durchmesser entspricht. Eine Schraube 108 zur Bewegung der Spitze liegt an der außenumfänglichen Oberfläche des Flansch-Bereichs 107A der Trägerstruktur 107 an. Die Schraube 108 wird gedreht, um in die radiale Richtung bewegt zu werden, wodurch die Trägerstruktur 107 relativ zu der Vakuumkammer 10 in die horizontale Richtung bewegt wird. Dadurch kann die optische Achse der Spitze fluchtend mit der Mittelachse 10C der Vakuumkammer 10 angeordnet werden.
Die Decke 10A der Vakuumkammer 10 und der Außenumfang der thermischen Isolationsstruktur 113 sind über Bälge 110 verbunden. Die Bälge 110 sind so angeordnet, dass sie den zylindrischen Bereich 107B der Trägerstruktur 107 umgeben. Die Bälge 110 dichten einen Spalt zwischen der Unterseite des Flansch-Bereichs 107A der Trägerstruktur 107 und der Oberseite der Decke 10A der Vakuumkammer 10 ab.
Eine isolierte Durchführung 111 für Hochspannung ist an der Trägerstruktur 107 befestigt. Ein elektrischer Draht 112, der mit der Steuereinheit 303 für die Stromversorgung verbunden ist, wird über die isolierte Durchführung 111 für die Hochspannung in die Vakuumkammer 10 eingeführt, und ein Ende des elektrischen Drahts 112 ist mit der Spitze 117 verbunden. Eine Hochspannung (maximal ungefähr ±40 kV) wird über den elektrischen Draht an der Spitze 117 angelegt. Es sei bemerkt, dass der Ionenkollektor 116 und die Extraktionselektrode 118 über elektrische Drähte mit der Steuereinheit 303 für die Stromversorgung verbunden sind. Die gewünschten Hochspannungen werden über die elektrischen Drähte an dem Ionenkollektor 116 und der Extraktionselektrode 118 angelegt.
Die Temperatur des Flansch-Bereichs 107A der Trägerstruktur 107 ist die Raumtemperatur, die Spitze 117 wird jedoch auf eine ultraniedrige Temperatur gekühlt. Die thermische Isolationsstruktur 113 ist so aufgebaut, dass Wärme von außen nicht über die Trägerstruktur 107 zur Spitze 117 fließen kann. Die thermische Isolationsstruktur wird durch einen Metallzylinder mit einer geringen Dicke (ungefähr 0,3 mm) oder durch eine Mehrzahl von zylindrischen Röhren aus dünnem Metall gebildet, um die Menge der einfließenden Wärme zu reduzieren. Als Material für die Isolationsstruktur 113 kann ein Super-Invar mit geringer thermischer Leitfähigkeit und niedrigem linearem Expanisonskoeffizient verwendet werden. Demnach kann eine thermische Schrumpfung der Vakuumkammer 10 in der Richtung der Mittelachsenlinie 10C praktisch auf ein vernachlässigbares Niveau reduziert werden. Als das Material für die thermische Isolationsstruktur 113 können ferner beispielsweise auch Alumina oder eine Keramik mit geringer thermischer Leitfähigkeit und niedrigem linearem Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden. Ferner kann als Material für die thermische Isolationsstruktur 113 ein wärmebeständiges Plastik verwendet werden, welches beständig gegen thermische Behandlung (Ausheizen) ist, beispielsweise kann Polytetrafluoroethylen (PTFE) oder Polyphenylensulfid (PPS) verwendet werden, solche Materialien sind jedoch nicht geeignet, wenn eine mechanische Festigkeit erforderlich ist.
Der Abstand zwischen dem zylindrischen Bereich 107B der Trägerstruktur 107 und dem Isolator 115 der Spitze wird auf eine Größe eingestellt, die für die thermische Isolation notwendig ist, so dass Wärme von außen nicht über die Trägerstruktur 107 zur Spitze 117 übertragen werden kann. In diesem Beispiel beträgt der Abstand zwischen dem zylindrischen Bereich 107B der Trägerstruktur 107 und dem Isolator 115 der Spitze ungefähr 100 mm. Obwohl die Möglichkeit besteht, dass Wärme von außen über den elektrischen Draht 112 zu der Spitze 117 übertragen werden kann, kann dieser Wärmeeintrag durch die Verwendung eines dünnen Drahts als elektrischer Draht 112 vermieden werden.
Der Kühlmechanismus der Spitze 117 wird im Folgenden beschrieben. Das Kühlgerät 130 umfasst einen Hauptkörperbereich, der eine mechanische Oszillation erzeugt, und ein kaltes Ende 131, in welchem das von dem Hauptkörperbereich bereitgestellte Kühlgas zirkuliert. In dem vorliegenden Beispiel ist der Hauptkörperbereich des Kühlgeräts 130 außerhalb der Vakuumkammer 10 angeordnet, und das kalte Ende 131 ist innerhalb der Vakuumkammer 10 angeordnet. Das innere Ende des kalten Endes 131 ist mit dem Halter 114 über einen Netzdraht 134 verbunden. Der Netzdraht 134 kann aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet werden, beispielsweise aus sauerstofffreiem Kupfer. Da die mechanische Oszillation des Hauptkörperbereichs des Kühlgeräts 130 durch den Netzdraht 134 gedämpft wird, wird die Oszillation nicht auf die Spitze 117 übertragen.
Um einen Elektronenstrahl mit einer schmalen Energiebreite oder einen Ionenstrahl mit hoher Brillanz zu erzeugen, ist es nötig, die Spitze auf eine ultraniedrige Temperatur herunter zu kühlen, vorzugsweise auf eine Temperatur, die kleiner oder gleich der Temperatur von flüssigem Stickstoff von 77 K ist. In dem vorliegenden Beispiel beträgt die Kühlkapazität des Kühlgeräts 130 ungefähr 10 W bei 70 K, und die Spitze 117 kann auf ungefähr 70 K heruntergekühlt werden.
Das Lichtbestrahlungs-Gerät 170 zum Reinigung der Spitze wird nun beschrieben. Das Reinigungs-Lichtbestrahlungs-Gerät 170 erzeugt Bestrahlungslicht zum Reinigen der Spitze. Das Bestrahlungslicht zum Reinigen der Spitze hat die Funktion, eine Photonen-stimulierte Desorption der auf der Spitze adsorbierten Moleküle zu verursachen und ferner die desorbierten Moleküle, welche die Photonen-stimulierte Desorption erfahren haben, zu ionisieren. Zur reinigenden Bestrahlung wird infrarotes Licht oder ultraviolettes Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge und Intensität verwendet. Als eine Infrarot-Quelle, welche infrarotes Licht erzeugt, kann eine Infrarotlampe oder eine Infrarot-Laserquelle verwendet werden. Als Ultraviolett-Quelle, welche ultraviolettes Licht erzeugt, kann eine Ultraviolett-Vakuumlampe oder ein ultravioletter Laser verwendet werden. Als eine ultraviolette Vakuumlampe kann eine Deuterium-Lampe verwendet werden.
Ein Lichtleiter 171 ist mit dem Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät 170 verbunden. Der Lichtleiter 171 kann ein hohler Lichtleiter sein. Der Lichtleiter 171 erstreckt sich entlang einer Mittelachsenlinie der Trägerstruktur 107 und der thermischen Isolationsstruktur 113, und sein inneres Ende durchdringt den Isolator 115 der Spitze und ist zum Ende der Spitze 117 hin ausgerichtet. Die Mittelachsenlinie des Lichtleiters 171, also die optische Achse des Lichtleiters 171, ist entlang der optischen Achse eines Elektronenstrahls oder eines von der Spitze 117 erzeugten Ionenstrahls ausgerichtet. Daher sind die Mittelachsenlinie des Lichtleiters 171 und die optische Achse des Elektronenstrahls oder des Ionenstrahls koaxial zueinander angeordnet. Falls die Mittelachsenlinie 10C der Vakuumkammer 10 die Z-Achse ist, sind die Mittelachsenlinie des Lichtleiters 171 und die optische Achse des Elektronenstrahls oder des Ionenstrahls entlang der Z-Achse ausgerichtet.
Das infrarote Licht oder das ultraviolette Licht aus dem Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät 170 bestrahlt das Ende der Spitze 117 über den Lichtleiter 171. Durch die Verwendung des Lichtleiters 171 kann vermieden werden, dass eine Optik wie beispielsweise ein optisches Fenster oder Linsen direkt auf der Vakuumkammer montiert werden müssen.
Die Trägerstruktur 107 bildet in sich ein Loch 107C zur Durchführung des Lichtleiters 171. Zum Abdichten einer Lücke zwischen dem Lichtleiter 171 und dem Loch 107C der Trägerstruktur 107 kann ein im Handel erhältlicher Vakuum-Dichtflansch verwendet werden. Die Dichtstruktur für das Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät 170 und der Lichtleiter 171 werden später Bezug nehmend auf 8 beschrieben. Als das Material für den Lichtleiter 171 kann Quarz, also ein isolierendes Material, verwendet werden. Daher wird durch den Lichtleiter 171 eine elektrische Isolation zwischen dem Isolator 115 der Spitze und der Trägerstruktur 107, die auf dem Erdpotenzial liegt, ermöglicht.
Eine Gasversorgungsröhre 141 ist mit dem Gasversorgungsgerät 141 verbunden. Die Gasversorgungsröhre 141 ist in der Vakuumkammer 10 angeordnet, und ihr inneres Ende liegt einem Bereich des Endes der Spitze 117 gegenüber. Das Innere des Gasversorgungsgeräts 140 ist mit Zylindern für hochreines Gas sowie mit Ventilen und einem Reiniger zum Steuern der Gaszylinder ausgestattet. Als Reiniger kann eine im Handel erhältliche, chemisch aktive Legierung als Getter-Material verwendet werden. Dadurch kann die Konzentration von Verunreinigungen auf ein Niveau von 1 ppb reduziert werden. So kann ein Gas mit entfernten Verunreinigungen von dem Gasversorgungsgerät 140 über die Gasversorgungsröhre 141 in die Vakuumkammer 10 eingeleitet werden.
Wenn die Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel als Ionenkanone verwendet wird, wird durch das Gasversorgungsgerät 140 ein Quellengas eingespeist. Als Quellengas wird normalerweise ein Edelgas wie Helium (He), Neon (Ne) oder Argon (Ar) verwendet. Es kann jedoch auch ein anderes Gas verwendet werden, solange dieses mit einer geringeren Feldstärke ionisiert wird als die für die Feldverdampfung des Spitzen-Materials notwendige Feldstärke. Beispielsweise können Wasserstoff (H₂), Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂), oder Ähnliches verwendet werden. In den letzten Jahren wurde ein Heliumionenmikroskop kommerziell verfügbar, welches ein Mikroskop mit hoher Auflösung ist und das Rasterelektronenmikroskop ersetzt. In dem Heliumionenmikroskop wird Helium (He) als Sondengas verwendet. Ferner kann durch die Verwendung von H₂-Ionen oder H-Ionen als Sondengas ein Mikroskop mit geringer Schadwirkung und hoher Auflösung realisiert werden.
Der Druck des eingespeisten Quellengases liegt bei ungefähr 0,01 bis 0,1 Pa. Die Konzentration der Verunreinigungen in dem eingespeisten Quellengas wird in dem Ultrahoch-Vakuum von der Ordnung von 10^–11 bis 10^–10 Pa auf ihren Partialdruck reduziert.
Wenn die Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel als Elektronenkanone verwendet wird, ist das Gasversorgungsgerät 140 eigentlich nicht notwendig. Um jedoch gezielt das Ende der Spitze abstumpfen und schärfen zu können (inklusive der Bildung einer Nano-Pyramide), können auch Sauerstoff (O₂) oder Stickstoff (N₂) oder ein daraus bestehendes Mischgas mithilfe das Gasversorgungsgeräts 140 eingespeist werden.
Die Vakuumkammer 10 hat ein Loch 10D, welches in ihrer Bodenwand ausgebildet ist. Ein Strahl von geladenen Teilchen 100A wird von der Spitze 117 erzeugt und über das Loch 10D in der Bodenwand der Vakuumkammer 10 in die Vakuumkammer 11 für das optische System eingespeist.
Dieses Loch 10D ist mit einem daran befestigten Ventil 151 ausgestattet. Das Ventil 151 ist mit einer Unterseite der Bodenwand der Vakuumkammer 10 verbunden, also an der Decke der Vakuumkammer 11 für das optische System. Das Ventil 151 ist dazu ausgelegt, die Vakuumkammer 10 und die Vakuumkammer 11 für das optische System im geöffneten Zustand miteinander zu verbinden und die Vakuumkammer 10 und die Vakuumkammer 11 für das optische System im geschlossenen Zustand zu trennen. Das Öffnen und Schließen des Ventils 151 wird durch eine Ventiltreibergerät 150 gesteuert. Das Ventiltreibergerät 150 wird über die Steuereinheit 303 für die Stromversorgung gesteuert.
Ein optisches System 201 ist in der Vakuumkammer 11 für das optische System vorgesehen. Das optische System kann im Wesentlichen ein elektronenoptisches System oder ein ionenoptisches System sein, und Linsen (nicht dargestellt) oder eine Ausricht-Vorrichtung zum Schärfen oder Steuern der Trajektorie des Strahls von geladenen Teilchen 100A umfassen. Ferner umfasst das optische System 201 des vorliegenden Beispiels eine Öffnung 202 und einen Strahl-Abblender 203. Die Öffnung 202 hat ein Loch mit einem kleinen Durchmesser und ist dazu ausgelegt, einen vorgegebenen Divergenzwinkel und eine Stromstärke des Strahls von geladenen Teilchen durch teilweises Blockieren des Strahls von geladenen Teilchen zu erreichen. Der Strahl-Abblender 203 hat die Funktion, den Strahl von geladenen Teilchen 100A elektromagnetisch oder elektrostatisch umzulenken. Die Öffnung 202 und der Strahl-Abblender 203 haben ferner die Funktion, gestreute Elektronen oder gestreute Ionen wie unten beschrieben zu reduzieren.
In der Probenkammer 12 ist eine Probenbühne 206 vorgesehen, und darauf ist eine Probe 205 angeordnet. Das Innere der Vakuumkammer 11 für das optische System und die Probenkammer 12 sind durch die Vakuumpumpe 181 evakuiert.
Der Steuercomputer 301 steuert die Anwendung von Hochspannung auf die jeweiligen Elektronen der Emissionskanonen für geladene Teilchen, die Evakuation der Vakuumkammern 10, 11 und 12 und Ähnliches. Ferner steuert der Steuercomputer 301 insgesamt das Kühlgerät 130, das Gasversorgungsgerät 140, das Ventiltreibegerät 150, das Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät 170, das elektronen-/ionenoptische System 201 und die Probenbühne 206. Die Displayvorrichtung 302 stellt ein GUI (Graphical User Interface) dar. Der Steuercomputer 301 ist mit der Steuereinheit 303 für die Stromversorgung verbunden und kann sämtliche vorgenannten Steuervorgänge einzeln oder automatisch aufgrund eines im Voraus vorbereiteten Programms betreiben.
Der Aufbau des Hauptteils der Emissionskanone für geladene Teilchen nach der vorliegenden Erfindung wird Bezug nehmend auf 2 beschrieben. Die Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel umfasst eine zylindrische Haltevorrichtung 114, den scheibenförmigen Isolator 115 der Spitze, die an seinem unteren Ende befestigt ist, zwei Elektroden 120, die von dem Isolator 115 der Spitze getragen werden, ein Wolfram-Haarnadelfilament 121, welches mit den Elektroden verschweißt ist, und die mit dem Ende des Haarnadelfilaments 121 verschweißte Spitze 117. Über den elektrischen Draht 112 wird an die Spitze 117 eine Hochspannung angelegt. Die Emissionskanone für geladene Teilchen aus dem vorliegenden Beispiel umfasst ferner einen Ionenkollektor 116, der aus Metall gebildet ist und der mit dem Außenumfang des Isolators 115 der Spitze verbunden ist, sowie eine Extraktionselektrode 118, die mit der außenumfänglichen Oberfläche der Halterung 114 verbunden ist.
In der Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel bilden die Halterung 114, der Isolator 115 der Spitze, die beiden Elektroden 120, das Wolfram-Haarnadelfilament 121, die Spitze 117 und die Extraktionselektrode 118 eine Spitzeneinheit. In der Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel ist die Spitzeneinheit so zusammengebaut, dass die Mittelachsenlinie der Spitze 117 mit der Mittelachsenlinie des scheibenförmigen Isolators 115 der Spitze zusammenfällt. Beim Zusammenbau der Spitzeneinheit sind die Spitze 117 und der Isolator 115 der Spitze mit dem Filament 121, welches daran befestigt ist, konzentrisch in den Halter 114 eingesteckt, so dass die zwei Mittelachsenlinien miteinander fluchten.
In der Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel ist der Lichtleiter 171 entlang der Mittelachsenlinie 10C der Vakuumkammer 10 angeordnet. Der Lichtleiter 171 hat eine an seinem Ende befestigte Metallkappe. Der Isolator 115 der Spitze hat ein Loch 115A, das in seiner Mitte ausgebildet ist. Die Metallkappe des Endes des Lichtleiters 171 steht im Eingriff mit dem Loch 115A. Wenn die Metallkappe an dem Ende des Lichtleiters 171 befestigt ist, kann der Lichtleiter 171 in einem Zustand befestigt werden, in welchem die optische Achse des Lichtleiters 171 mit der Mittelachsenlinie 10C der Vakuumkammer 10 übereinstimmt. Da die Spitze 117 und der Lichtleiter 171 auf diese Weise koaxial zueinander angeordnet sind, liegen die Bauteile, welche die Spitzeneinheit bilden, symmetrisch zu der Mittelachsenlinie 10C. Es ist daher nicht möglich, dass die Achsen der Bauteile, welche die Spitzeneinheit bilden, voneinander abweichen, selbst bei ultraniedrigen Temperaturen.
Durch eine thermische Ausdehnung oder ein thermisches Schrumpfen kann nicht nur eine Verschiebung in der Z-Achsen-Richtung, sondern auch eine Verschiebung in zwei zu der Z-Achse orthogonalen Richtungen (die als X-Achse und Y-Achse bezeichnet werden) auftreten. Wenn jedoch eine Verschiebung in der X-Achse und eine Verschiebung in der Y-Achse koaxial auftreten, würde dies nicht zu Abweichungen der Achsen führen. Selbst wenn eine Verschiebung in der Richtung der Z-Achse auftritt, hätte dies keinen Einfluss auf das optische System zur Bestrahlung für das Reinigungs-Bestrahlungslicht aus dem Lichtleiter 171.
Der Ionenkollektor 116 hat ein Loch 116A, welches in seiner Unterseite ausgebildet ist. Die Extraktionselektrode 118 hat ein Loch 118A, welches in ihrer Bodenseite ausgebildet ist. Eine umfängliche, abgeschrägte Oberfläche 118B ist um das Loch 118A herum ausgebildet. Falls der Innendurchmesser ⌀ des Lochs 118A in der Bodenseite der Extraktionselektrode 118 0,5 mm beträgt, und der Abstand zwischen der Spitze 117 und dem Loch 118A der Extraktionselektrode 118 10 mm beträgt, würde der Winkel θ, der zwischen der geneigten Oberfläche 118B und der horizontalen Ebene entsteht, 2° betragen. Es sei bemerkt, dass der Außendurchmesser ⌀ der Spitze 117 ungefähr 0,1 mm beträgt.
Der Lichtleiter 171, die Spitze 117, das Loch 116A des Ionenkollektors 116 und das Loch 118A der Extraktionselektrode 118 sind koaxial zueinander angeordnet. In anderen Worten sind sie entlang der Mittelachsenlinie 10C der Vakuumkammer 10 angeordnet. Das Reinigungs-Bestrahlungslicht 862, welches von dem Ende des Lichtleiters 171 emittiert wird, bestrahlt zunächst die Spitze 117 von ihrer Rückseite und wird ferner von der abgeschrägten Oberfläche 118B reflektiert. Das reflektierte Licht 863 bestrahlt die Spitze 117 von der Unterseite der Spitze 117 aus.
Um das reflektierte Licht 863 zu erhalten, sollte der Durchmesser des von dem Ende des Lichtleiters 171 emittierten Lichtstrahls des Reinigungs-Bestrahlungslichts 862 größer als der Durchmesser des Lochs 118A der Extraktionselektrode 118 sein (ungefähr 0,5 mm). Nach dem vorliegenden Beispiel kann das Ende der Spitze 117 mit dem von dem Ende des Lichtleiters 171 emittierten Lichtstrahl des Reinigungs-Bestrahlungslichts 862 ohne Konvergenz bestrahlt werden. Zudem kann die Spitze 117 auch mit dem reflektierten Licht 863 mit einem größeren Fokusdurchmesser als der Außenumfang (ungefähr 0,1 mm) der Spitze 117 bestrahlt werden, wobei die Lichtintensität im Wesentlichen beibehalten wird.
Insbesondere dann, wenn das Bestrahlungslicht von dem Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät 170 ein Laserstrahl ist, ist die Bündelungsdichte hoch. Der Strahldurchmesser des von dem Ende des Lichtleiters 171 emittierten Reinigungs-Bestrahlungslichts 862 ist daher im Wesentlichen identisch zu dem Innendurchmesser des Lichtleiters 171. Zudem ist auch der Strahlungsdurchmesser des von der abgeschrägten Oberfläche 118B reflektierten Lichts im Wesentlichen identisch zu dem Innendurchmesser des Lichtleiters 171. Das Ende der Spitze 117 wird daher zuverlässig aus allen Richtungen mit dem Bestrahlungslicht bestrahlt.
Der Halter 114 und der Isolator 115 der Spitze sind aus isolierenden Materialien gebildet. Da der Halter 114 und der Isolator 115 der Spitze auf eine ultraniedrige Temperatur gekühlt werden, werden Keramiken mit hoher thermischer Leitfähigkeit, insbesondere Aluminiumnitird oder Saphir, verwendet.
Die Extraktionselektrode 118 kann aus einem einzelnen Element gebildet werden, kann jedoch auch aus einer kombinierten Struktur aus einer Scheibe und einem Zylinder gebildet werden. Wenn die Extraktionselektrode 118 aus einem einzelnen Element gebildet ist, kann die Extraktionselektrode 118 unter der Verwendung von Aluminium gebildet werden und die Oberfläche oder die geneigte Oberfläche 118B kann als eine Spiegelfläche ausgestaltet werden. Ferner kann die Oberfläche oder die geneigte Oberfläche 118B der Extraktionselektrode durch Dampfabscheidung, Beschichtung oder Ionenbeschichtung beschichtet werden. Das Beschichtungsmaterial kann Aluminium sein, es kann jedoch auch ein Edelmetall wie Gold (Au), Silber (Ag) oder Platin (Pt) verwendet werden. Solche Edelmetalle haben eine geringere Reflektivität als Aluminium. Da jedoch H₂ physikalisch bei ultraniedrigen Temperaturen auf Edelmetallen adsorbiert, kann das adsorbierte H₂ leicht durch Stimulation mit Photonen desorbiert werden.
In einem Beispiel, welches der Erfinder der vorliegenden Erfindung ausgeführt hat, konnte die Reflektivität der geneigten Oberfläche 118B der Extraktionselektrode 118 auf 30 bis 40% reduziert werden, wenn diese mit Gold (Au) beschichtet war. Die Verringerung der Reflektivität konnte jedoch durch eine Anpassung der Intensität des infraroten Lichts oder des ultravioletten Lichts kompensiert werden, welches als Reinigungs-Bestrahlungslicht verwendet wurde.
Wenn die Extraktionselektrode 118 aus einer kombinierten Struktur aus einer Scheibe und einem Zylinder gebildet wird, kann die Scheibe, welche den Hauptteil der Extraktionselektrode 118 bildet, aus sauerstofffreiem Kupfer gebildet werden. In diesem Fall wird ein Loch in der Scheibe ausgebildet und die geneigte Fläche 118B wird um das Loch herum gebildet. Die geneigte Fläche 118B kann durch eine Dampfabscheidung von Aluminium nach dem Polieren des Grundmaterials aus sauerstofffreiem Kupfer ausgestaltet werden. Dadurch kann eine Reflektiviät von 90% oder mehr erreicht werden. Es sei bemerkt, dass die geneigte Oberfläche 118B auch mit einem Edelmetall beschichtet werden kann. Wie oben beschrieben, wird H₂ bei ultraniedrigen Temperaturen physikalisch auf einem Edelmetall adsorbiert. Das adsorbierte H₂ wird daher leicht durch Photonenstimulation desorbierbar sein. Das Material der Spitze 117 wird später Bezug nehmend auf 5A und 5B beschrieben.
Ein zweites Beispiel eines Geräts für einen Strahl von geladenen Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung wird Bezug nehmend auf 3 beschrieben. Hier wird der Hauptteil des Geräts für einen Strahl von geladenen Teilchen, insbesondere ein Bereich der Emissionskanone für geladene Teilchen, detailliert beschrieben. Der Aufbau des Geräts für einen Strahl von geladenen Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel ist im Wesentlichen der gleiche wie derjenige des ersten Beispiels aus 1, unterscheidet sich jedoch von diesem ersten Beispiel dadurch, dass die Extraktionselektrode von der Spitzeneinheit getrennt ist. Dies ist dann zu bevorzugen, wenn Bedarf für eine gewisse Leistungsfähigkeit des optischen Systems der Emissionskanone für geladene Teilchen oder Bedarf für eine Leistungsfähigkeit der elektrischen Isolation der Extraktionselektrode gegenüber der Spitze besteht, so dass die Extraktionselektrode im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel bei höheren Spannungen benutzt werden kann.
Die Trägerstruktur 107 ist an der Decke 10A der Vakuumkammer 10 vorgesehen. Der Halter 114 ist an dem unteren Ende des zylindrischen Bereichs 107B der Trägerstruktur 107 mit der dazwischen angeordneten thermischen Isolationsstruktur 113 befestigt. Aus dem Halter 114 sind der Isolator 115 der Spitze und der aus Metall gebildete Ionenkollektor 116 montiert. Die Spitze 117 ist mit dem Isolator 115 der Spitze verbunden. In dem vorliegenden Beispiel bilden der Halter 114, der Isolator 115 der Spitze, die Spitze 117 und der Ionenkollektor 116 eine Spitzeneinheit 101. Die Spitzeneinheit 101 nach dem vorliegenden Beispiel umfasst keine Extraktionselektrode. Die thermische Isolationsstruktur 113 und die Spitzeneinheit 101 werden in einem Zustand gehalten, in welchem sie an der Trägerstruktur 107 aufgehängt sind.
Eine Extraktionselektrode 119 wird von einer thermischen und elektrischen Isolationsstruktur 145 gehalten, die an der Bodenwand der Vakuumkammer 10 befestigt ist. Die thermische und elektrische Isolationsstruktur 145 hat eine zylindrische Form und ihr Inneres kann mit einem optischen System der Emissionskanone für geladen Teilchen ausgestattet sein. Es sei bemerkt, dass das optische System der Emissionskanone für geladene Teilchen eine elektrostatische Linse, eine elektromagnetische Linse oder Ähnliches zum Bündeln des Strahls von geladenen Teilchen 100A umfasst, und dass seine optische Achse mit der Mittelachsenlinie 10C der Vakuumkammer 10 fluchtend verläuft.
Die Extraktionselektrode 119 kann aus einem einzelnen Element gebildet sein, kann jedoch auch aus einer kombinierten Struktur aus einer Scheibe und einem Zylinder gebildet sein. Im Folgenden erfolgt die Beschreibung unter der Annahme, dass die Extraktionselektrode aus einer kombinierten Struktur aus einer Scheibe und einem Zylinder besteht. Die Extraktionselektrode 119 hat eine kreisförmige Metallelektrode und ein zylindrisches Element, welches die Elektrode trägt. Die Metallelektrode hat in ihrem Zentrum ein Loch, und um das Loch herum ist eine umfängliche, geneigte, Oberfläche 119B ausgebildet. Das Trägerelement ist aus einem elektrischen Isolationsmaterial gebildet. Der Lichtleiter 171, die Spitze 117, der Ionenkollektor 116 und die Extraktionselektrode 119 sind koaxial zueinander angeordnet. Das heißt, dass sie entlang der Mittelachsenlinie 10C der Vakuumkammer 10 angeordnet sind.
Eine isolierte Hochspannungsdurchführung 160 ist in der Vakuumkammer 10 montiert. Ein elektrischer Draht, der zur Stromversorgung mit der Steuereinheit 303 verbunden ist (siehe 1), wird über die isolierte Hochspannungsdurchführung 160 in die Vakuumkammer 10 geführt, und eines seiner Enden ist mit der Metallelektrode der Extraktionselektrode 119 verbunden. Eine gewünschte Hochspannung kann über den elektrischen Draht 161 an die Metallelektrode angelegt werden.
Das Gasversorgungsgerät 140 ist auf der Vakuumkammer 10 montiert. Die Gasversorgungsröhre 141 außerhalb der Vakuumkammer 10 und eine Gasversorgungsröhre 142 innerhalb der Vakuumkammer 10 sind mit dem Gasversorgungsgerät 140 verbunden.
Der Kühlmechanismus für die Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel wird nun beschrieben. Das Kühlgerät 130 umfasst einen Hauptkörperbereich und kalte Enden 131 und 132. In dem vorliegenden Beispiel sind zwei kalte Enden 131 und 132 vorgesehen. Der Hauptkörperbereich des Kühlgeräts 130 ist außerhalb der Vakuumkammer 10 angeordnet, und die kalten Enden 131 und 132 sind innerhalb der Vakuumkammer 10 angeordnet. Das erste, innere kalte Ende 131 ist für geringe Temperaturen vorgesehen und das zweite, äußere kalte Ende 132 ist für hohe Temperaturen vorgesehen. Das zweite kalte Ende 132 ist so ausgebildet, dass es das erste kalte Ende 131 bedeckt und hat die Funktion eines Wärmeschilds zur Verringerung von Wärmeabstrahlung auf das erste kalte Ende 131.
Das erste kalte Ende 131 ist zum Kühlen der Spitze 117 ausgelegt. Das innere Ende des ersten kalten Endes 131 ist über den Netzdraht 134 mit dem Halter 114 verbunden.
Das innere Ende des zweiten kalten Endes 132 ist über den Netzdraht 135 mit der Extraktionselektrode 119 verbunden. In dem vorliegenden Beispiel ist die Extraktionselektrode 119 nicht mit dem Halter 114 verbunden. Stattdessen ist die Extraktionselektrode 119 mit dem zweiten kalten Ende 132 verbunden. Die Extraktionselektrode 119 ist daher direkt durch das zweite kalte Ende 132 gekühlt. In dem vorliegenden Beispiel ist die Extraktionselektrode 119 in der Nähe der Spitze 117 ausgebildet, und zwar als Fläche, welche der Spitze 117 gegenüber liegt. Daher wird die Extraktionselektrode 119 im Hinblick darauf gekühlt, dass gleichzeitig Wärmestrahlung zu der Spitze 117 reduziert wird. Die Metallelektrode der Extraktionselektrode 119 hat eine Kreisform und in ihrer Mitte ein Loch und die thermische und elektrische Isolationsstruktur 145 hat eine zylindrische Form, so dass selbst dann, wenn es durch die Kühlung zu einem thermischen Schrumpfen kommt, keine Achsabweichungen auftreten.
Ferner ist das innere Ende des zweiten kalten Endes 132 innerhalb der Vakuumkammer 10 über den Netzdraht 136 mit der Gasversorgungsröhre 142 verbunden. Die Gasversorgungsröhre 142 hat eine Länge, die für die thermische Isolation notwendig ist, und eine hinreichend kleine Querschnittsfläche für den Wärmeübertragungsweg. In dem vorliegenden Beispiel wird die Gasversorgungsröhre 142 gekühlt. Gas, ungefähr bei Raumtemperatur, welches von dem Gasversorgungsgerät 140 bereitgestellt wird, kann nach dem Herunterkühlen auf eine geringe Temperatur so eingespeist werden. Daher ist es möglich, eine direkte Kollision von Gas mit ungefähr der Raumtemperatur mit der Spitze 117 oder mit anderen Bauteilen, die eine ultrageringe Temperatur haben, zu vermeiden, wodurch ansonsten eine thermische Last erzeugt würde. Die Netzdrähte 134, 135 und 136 können beispielsweise mit Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise sauerstofffreiem Kupfer, Kupfernetzdrähten oder Graphitplättchen hergestellt sein.
Das Kühlgerät 130 nach dem vorliegenden Beispiel kann ein im Handel erhältliches, zweistufiges Kühlgerät sein. Es ist akzeptabel, solange ein Kühlgerät verwendet wird, welches sowohl die Kühlmittelgastemperatur des kalten Endes 131 an der Niedrigtemperaturseite, als auch die Kühlmittelgastemperatur des kalten Endes 132 an der Hochtemperaturseite vorgehen kann. In dem Kühlgerät 130 nach dem vorliegenden Beispiel wird das zweite kalte Ende 132 als Wärmeschild vorgesehen. Es ist daher möglich, die thermische Last auf das für geringe Temperatur vorgesehene erste kalte Ende zu reduzieren. Die Temperatur des ersten kalten Endes 131 kann daher weiter reduziert werden. Es sei bemerkt, dass dies akzeptabel ist, solange die Tieftemperaturstufe des Kühlgeräts nach dem vorliegenden Beispiel eine Kühlleistung bei 20 K von ungefähr 2 W hat.
In dem Kühlgerät nach dem vorliegenden Beispiel kann die Temperatur der Spitze 117 auf eine ultraniedrige Temperatur von ungefähr 20 K eingestellt werden, wodurch eine Verringerung der Energiebreite und eine Vergrößerung der Brillanz des Strahls von geladenen Teilchen ermöglicht wird.
In der Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel kann die Mittelachsenlinie der Spitzen-einheit 101, also die Mittelachsenlinie der Spitze 117, durch den Bewegungsmechanismus der Spitze mit der Mittelachsenlinie 10C der Vakuumkammer 10 zur Überlagerung gebracht werden, der auf der Trägerstruktur 107 vorgesehen ist. Es ist daher möglich, eine Reflexion des Reinigungs-Bestrahlungslichts durch die Metallelektrode der Extraktionselektrode 119 selbst bei ultraniedriger Temperatur zu ermöglichen, so dass das reflektierte Licht das Ende der Spitze 117 bestrahlt. Es sei bemerkt, dass das in 3 dargestellte Kühlgerät auch für die Emissionskanone in 1 verwendet werden kann.
Eine Verunreinigung und die Reinigung der Spitze werden Bezug nehmend auf 4 beschrieben. 4 illustriert eine vergrößerte Ansicht des Endbereichs der Spitze 117. Ein Schaft 117A der Spitze hat ursprünglich eine zylindrische Form, ist jedoch mit einem nadelförmigen Endbereich 117 ausgestattet, der durch Ätzen durch elektrolytisches Polieren ausgebildet ist. In dem vorliegenden Beispiel ist ein Scheitel 117B des Engbereichs 117C der Spitze aus einem einzelnen Atom gebildet. Die Atomanordnung im Scheitel 117B wird später beschrieben.
In einer Vakuumatmosphäre in der Vakuumkammer 10 sind unvermeidlich Restgasmoleküle 451 vorhanden. Der Hauptteil der Gasmoleküle, die aus der ultrahohen Vakuumatmosphäre der Vakuumkammer entfernt werden müssen, sind Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO). Einige der Restgasmoleküle 451 werden mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit auf der Spitze adsorbiert, wenn sie sich für eine lange Zeit im Vakuum bewegt haben. In dem vorliegenden Beispiel wird die Spitze auf eine ultrageringe Temperatur gekühlt. Das adsorbierte Gas wird daher leicht von der Spitze eingefangen. Auf diese Weise haften die adsorbierten Moleküle 452, 453 und 454 am Schaft 117A, dem Endbereich 117C und dem Scheitel 117B der Spitze. Einige der adsorbierten Moleküle 452, die auf ihrem Schaft 117A der Spitze adsorbiert sind, bewegen sich auch in den Endbereich 117C, wenn sie nach der Adsorption eine Anregung erfahren. Wenn die Spitze auf diese Weise mit den adsorbierten Molekülen 452, 453 und 454 kontaminiert ist, tritt im Verlauf der Zeit ein Anstieg des Rauschens im emittierten Strom und ein Abfall der gesamten Stromstärke ein. Es ist daher notwendig, die auf der Spitze adsorbierten Moleküle 452, 453 und 454 zu entfernen.
Nach der vorliegenden Erfindung werden der Schaft 117A und der Endbereich 117C der Spitze mit dem Reinigungs-Bestrahlungslicht 862 von dem Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät 170 bestrahlt. Für das Bestrahlungslicht 862 wird ultraviolettes Licht oder infrarotes Licht in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich verwendet. Die Spitze wird von ihrer Rückseite aus mit dem Bestrahlungslicht 862 sowie mit dem von der Extraktionselektrode 118 oder 119 reflektierten Licht 863 bestrahlt.
Wenn die adsorbierten Moleküle 452, 453 und 454 auf dem Schaft 117A, und der Endbereich 117C der Spitze das Bestrahlungslicht 862 oder das reflektierte Licht 863 absorbieren, werden die Bindungen zwischen den adsorbierten Molekülen und den die Spitze formenden Atomen gelöst. Dadurch werden die adsorbierten Moleküle 453 durch Photonen-stimulierte Desorption zu desorbierten Molekülen 456.
Die desorbierten Moleküle 456 sollten unmittelbar entfernt werden. Wenn die desorbierten Moleküle vorhanden wären, wäre es schwierig, das ultrahohe Vakuum in der Vakuumkammer aufrecht zu erhalten. Zudem wird zum Wiederherstellen der ultrahohen Vakuumatmosphäre in der Vakuumkammer Zeit benötigt. Ferner besteht die Möglichkeit, dass die desorbierten Gasmoleküle erneut auf der Spitze adsorbiert werden, während sie im Vakuum schweben.
Nach der vorliegenden Erfindung wird bewirkt, dass die desorbierten Moleküle 456 durch ein Element um die Spitze bei ultrageringer Temperatur gefangen werden, wobei eine Funktion genutzt wird, die derjenigen einer Kältepumpe ähnelt, oder die desorbierten Moleküle 456 werden von der Vakuumpumpe 180 abgesaugt. Ferner kann nach der vorliegenden Erfindung bewirkt werden, dass die adsorbierten Moleküle 452 und 454 desorbiert werden und anschließend durch das Bestrahlungslicht 862 oder das reflektierte Licht 863 ionisiert werden. Ionen 457 und 458 werden durch Absorption durch den Ionenkollektor 116 entfernt. Es sei bemerkt, dass die Ionisation der desorbierten Moleküle durch eine resonanzverstärkte Multiphotonen-Ionisation (REMPI) oder nicht-resonante Multiphotonen-Ionisation (NRMPI) erfolgen kann. Dies wird später beschrieben. Die Funktion des Ionenkollektors 116 wird Bezug nehmend auf 7A und 7B beschrieben.
Als nächstes wird eine Lichtquelle für das Bestrahlungslicht zum Reinigen der Spitze beschrieben. Für eine Photonen-stimulierte Desorption der adsorbierten Moleküle k infrarotes Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge und Intensität verwendet werden. Als eine Lichtquelle für das infrarote Licht können eine Infrarotlampe oder eine Infrarot-Laserquelle verwendet werden. Beispielweise kann eine Infrarot-Laserquelle verwendet werden, die infrarotes Licht mit einer Peak-Ausgangsleistung von der Größenordnung von MW/cm² und einer Wellenlänge von 1 μm oder mehr erzeugt. Durch die Infrarot-Bestrahlung können Schwingungen der auf der Spitze adsorbierten Moleküle, oder auf die Bindungen zwischen der Spitzenoberfläche und den adsorbierten Molekülen bezogene Schwingungen, angeregt werden. Das infrarote Licht hat eine Wellenlänge, die größer ist als diejenige des ultravioletten Lichts. Die Materialien für das optische System sind daher nicht stark eingeschränkt. Es ist daher möglich, die Wellenlänge und die Lichtintensität so auszuwählen, dass sie für die Desorption und das Abtrennen von H₂ und CO geeignet sind.
Für die Photonen-stimulierte Desorption der adsorbierten Moleküle kann ultraviolettes Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge und Intensität verwendet werden. Als eine Lichtquelle für das ultraviolette Licht ist eine im Handel erhältliche, ultraviolette Vakuumlampe die einfachste und zu geringen Kosten verfügbare Lösung. Als die ultraviolette Vakuumlampe kann eine Deuteriumlampe verwendet werden. Eine Deuteriumlampe erzeugt intensives ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 120 bis 160 nm, und eine Intensität von einigen 10 μW/cm² bis einigen mW/cm² kann leicht erreicht werden. Wenn daher die Spitze kontinuierlich von einer Deuteriumlampe bestrahlt wird, kann bewirkt werden, dass H₂ und CO von der Spitze desorbieren. Das Bestrahlungslicht der ultravioletten Vakuumlampe ist aber kaum gebündelt. Es ist daher vorhersehbar, dass die Intensität des das Ende der Spitze bestrahlenden Lichts abnehmen wird, so dass eine relativ lange Foto-Bestrahlungszeit benötigt wird. Es ist daher zu bevorzugen, eine Laserquelle als Ultraviolettquelle zu verwenden.
H₂ und CO können durch einen ArF-Laser zur Photonen-stimulierten Desorption angeregt werden. Beispielsweise ist es bekannt, dass H₂ durch einen ArF Excimerlaser mit einigen 10 μJ/cm² und einer Wellenlänge von 193 nm (6,3 eV) einer Photonen-stimulierten Desorption unterworfen werden kann, und dass CO selbst dann desorbiert werden kann, wenn ein ArF Excimerlaser von der Größenordnung von einigen mJ/cm² und mit einer Energie von 6,4 eV oder weniger verwendet wird. Daher kann erreicht werden, dass eine hinreichende Photonen-stimulierte Desorption selbst dann auftritt, wenn ultraviolettes Licht mit ungefähr 200 nm verwendet wird. Beispielsweise kann ein ArF Laser (193 nm) oder ein KrF Laser (248 nm) verwendet werden. Auf diese Weise können Moleküle, die eine Photonen-stimulierte Desorption ausgeführt haben, durch Absaugung durch die Vakuumpumpe oder durch Fangen durch ein gekühltes Element wie oben beschrieben entfernt werden.
Für die Ionisation der desorbierten Moleküle kann eine ultraviolette Laserquelle verwendet werden. Die Ionisationsenergien von H₂ und CO sind bekannt und liegen jeweils ungefähr bei 15,4 eV und 14,0 eV. Um derartige Moleküle direkt durch einen Ein-Photonen-Prozess zu ionisieren, ist im Vakuum ultraviolettes Licht mit Wellenlängen von 80,5 nm und 88,6 nm nötig, was den jeweiligen Ionisationsenergien entspricht. Ultraviolettes Licht mit derartig kurzen Wellenlängen kann jedoch mit herkömmlichen Verfahren nur schwierig gewonnen werden, da beispielsweise für das optische System spezielle Materialien benötigt werden.
Nach der vorliegenden Erfindung werden daher die desorbierten Moleküle durch resonanzverstärkte Multi-Photonen-Ionisation (REMPI) oder nicht-resonante Multi-Photonen-Ionisation (NRMPI) ionisiert. REMPI ist ein Verfahren, in dem ein verdünntes Gas im Vakuum mit hoher Effizienz gezielt ionisiert wird. In dem vorliegenden Beispiel werden die desorbierten Moleküle mit ultraviolettem Licht bestrahlt, das eine Resonanz-Absorptionswellenlänge hat, die der Art des Gases entspricht, so dass die desorbierten Moleküle gezielt ionisiert werden können. Das NRMPI Verfahren ist dazu ausgelegt, verschiedene Arten von desorbierten Molekülen unspezifisch durch Bestrahlung der desorbierten Moleküle mit ultraviolettem Licht zu ionisieren, welches eine nicht-resonante Absorptionswellenlänge hat.
Wenn durch die Ionisation der desorbierten Moleküle ein positiverer Reinigungsvorgang durchgeführt werden soll, ist es nötig, zusätzlich zur Reinigung durch die Photonen-stimulierte Desorption als Lichtquelle für das Reinigungs-Bestrahlungslicht eine Lichtquelle zu verwenden, die das Bestrahlungslicht zur Durchführung der Photonen-stimulierten Desorption der desorbierten Moleküle erzeugt, sowie eine Lichtquelle zu verwenden, welche das Bestrahlungslicht zum Ionisieren der desorbierten Moleküle erzeugt. Die Lichtquelle für das Reinigungs-Bestrahlungslicht kann dazu ausgelegt sein, zwischen einer Mehrzahl von Laserquellen umzuschalten, in denen Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen oszillieren, oder zwischen einer Lampenlichtquelle und zumindest einer oder mehreren Laserquellen umzuschalten.
Wenn die Lichtquelle des Reinigungs-Lichtbestrahlungslichts zwischen Laserquellen mit einer Mehrzahl von Wellenlängen umgeschaltet wird, oder die Wellenlänge durchgescannt wird, ist es möglich, das der Wellenlange entsprechende desorbierte Gas zu entfernen. Es ist daher möglich, nicht nur eine Photonen-stimulierte Desorption der adsorbierten Moleküle zu bewirken, sondern auch die desorbierten Moleküle durch resonanzverstärkte Multi-Photonen-Ionisation (REMPI) oder nicht-resonante Multi-Photonen-Ionisation (NRMPI) zu ionisieren.
Beispielsweise ist es möglich, eine Photonen-stimulierte Desorption der adsorbierten Moleküle und Ionisation der desorbierten Moleküle durchzuführen, indem ein wellenlängen-verstimmbarer Laser, beispielsweise ein Farbstoff-Laser (eine Wellenlänge zwischen 380 und 1.000 nm), ein Titan-Saphir-Laser (670 bis 1.130 nm), oder ein Nd:YAG-Laser (1.064 nm), verwendet wird. Wenn eine solche Laserquelle verwendet wird, wird die Photonen-stimulierte Desorption von H₂ und CO durchgeführt, indem eine Infrarot-Wellenlänge verwendet wird, und die Ionisation von H₂ und CO wird durchgeführt, indem eine Ultraviolett-Wellenlänge verwendet wird. Um die ultraviolette Wellenlänge zu erzeugen, kann ein nicht-lineares optisches Phänomen verwendet werden, welches einen nicht-linearen optischen Kristall nutzt.
Beispielsweise ist es möglich, H₂ und CO zu ionisieren, wenn die Wellenlänge zwischen zwei Wellenlängen umgeschaltet wird, oder die Wellenlänge durchgescannt wird. Alternativ ist es auch möglich, Oberschwingungen eines wellenlängen-stimmbaren Lasers zu verwenden und resonanzverstärkte Multi-Photonen-Ionisation (REMPI) eines Drei-Photonen-Absorptionsprozesses durchzuführen, wobei ultraviolettes Licht von ungefähr 201 nm und 230 nm verwendet wird, was den jeweiligen Resonanz-Absorptionswellenlängen entspricht.
Da ein Laserstrahl von der Laserquelle gebündelt ist, ist es möglich, die Intensität des von der Extraktionselektrode 118 reflektierten Strahls am besten auszunutzen. Ferner ist es auch möglich, eine Photonen-stimulierte Desorption und Vibrationsanregung zwischen den adsorbierten Gasmolekülen und der Spitzenoberfläche, abhängig von der Art der adsorbierten Gasmoleküle, effizient durchzuführen.
Wenn eine Emissionskanone für geladene Teilchen als eine Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS) verwendet wird, wird ein Edelgas mit ungefähr 0,01 bis 0,1 Pa als Quellengas in die Umgebung der Spitze eingespeist. Es ist bekannt, dass ein Edelgas in der Größenordnung von 10^–5 Pa durch Laserlicht mit einer Intensität von der Größenordnung von 10¹⁴ W/cm² ionisiert wird. Die Anzahl der erzeugten Ionen ist proportional zur molekularen Dichte. Wenn daher ein Quellengas von ungefähr 0,1 Pa eingespeist wird, besteht eine Möglichkeit, dass Ionen durch intensives ultraviolettes Licht von etwa 10¹⁰ W/cm² erzeugt werden. Daher ist es notwendig, die Ionisation in der Gasphase in Bereichen zu vermeiden, die außerhalb des Bereichs des Spitzenendes liegen. Zu diesem Zweck ist es besser, die Verwendung von ultraviolettem Licht mit hoher Intensität zu vermeiden. Ferner können dann, wenn ultraviolettes Licht mit einer hohen Intensität verwendet wird, Probleme der Solarisation des optischen Pfads und der Ablation des mit dem Licht bestrahlten Elements auftreten. Wenn Ablation oder Solarisation auftreten, treten Probleme wie eine Verringerung der Bestrahlungsintensität mit der Zeit, eine Verringerung der Reflektivität der Extraktionselektrode, eine Kontamination der Spitze mir gestreutem Metall und eine Verringerung der elektrischen Isolationseigenschaften auf.
Um derartige Probleme zu lösen, kann ein Laserstrahl mit einer ultrakurzen Pulsweite von der Größenordnung von Femtosekunden (also von mehreren 100 Femtosekunden oder weniger) verwendet werden. Eine Technologie zum Betreiben eines Laserstrahls mit ultrakurzer Pulsweite von der Größenordnung von Femtosekunden wird eine in den letzten Jahren verfügbar gewordene Technologie durch einen Q switch typisiert. Diese Technologie gewinnt einen Laserstrahl mit hoher Intensität (hoher Photonendichte) durch Verschmelzung kleiner Laserausgaben in einer kurzen Zeit. Beispielsweise ist die Ablation vernachlässigbar, wenn ein Laserstrahl von 100 mJ/cm² oder weniger mit einer Pulsweite von Femtosekunden verwendet wird.
Wenn eine allgemein verfügbare Laserquelle mit einem ultrakurzen Puls von 100 Femtosekunden und einer Ausgangsleistung von 1 mJ/cm² verwendet wird, kann leicht eine hohe Peak-Intensität von 10¹⁰ W/cm² und einer Lichtintensität von ungefähr 30 μJ/Puls erreicht werden. Die Desorption der desorbierten Gasmoleküle und Ionisation durch resonanzverstärkte Multi-Photonen-Ionisation (REMPI) oder nicht-resonante Multi-Photonen-Ionisation (NRMPI) kann durchgeführt werden.
Zudem ist zu beachten, dass dadurch, dass die typischerweise über eine Größenordnung von Nanosekunden durchgeführte resonanzverstärkte Multi-Photonen-Ionisation (REMPI) über eine Größenordnung von Femtosekunden mit ungefähr der gleichen Lichtintensität durchgeführt wird, eine Multi-Photonen-Absorption auch in Anregungsniveaus mit kürzerer Lebensdauer auftritt, was zu einer verbesserten Ionisationseffizienz führt. Bei dieser Lichtintensität tritt keine Ablation auf, und die Spitze und andere Elemente daher nicht beschädigt, und ferner tritt auch keine unerwünschte Ionisation des Edelgases auf.
Obwohl oben ein Fall beschrieben wurde, in dem eine Emissionskanone für geladene Teilchen als Ionenkanone verwendet wurde, kann ein derartiges Verfahren auch auf einen Fall angewandt werden, in dem eine Emissionskanone für geladene Teilchen als Elektronenkanone verwendet wird.
Wenn die Wellenlänge und die Ausgangsleistung des Laserstrahls angepasst werden, wird es auch möglich, eine Photonen-stimulierte Desorption und Ionisation von anderen Restgasen als H₂ und CO durchzuführen. Dies ist akzeptabel, solange eine Lampenlichtquelle oder eine Laserlichtquelle gewählt wird, die den Aufbau der verwendeten Emissionskanone für geladene Teilchen berücksichtigt und im Kostenrahmen liegt.
Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, unerwünschte adsorbierte Moleküle ohne die Anwendung von Wärme und ohne Beschädigung des Basismaterials der Spitze zu entfernen, indem ultraviolettes Licht oder infrarotes Licht verwendet wird. Es ist daher möglich, eine kohärente Emissionsquelle für geladene Teilchen mit einer hohen Brillanz zu erhalten.
5A ist eine Ansicht, die schematisch eine Atomanordnung illustriert, wenn ein Scheitel des Endbereichs der Spitze aus einer Richtung der Mittelachsenlinie der Spitze betrachtet wird. 5B ist eine Ansicht, die schematisch eine Atomanordnung illustriert, wenn der Scheitel des Endbereichs der Spitze von einer Seitenfläche der Spitze aus betrachtet wird. In den Figuren sind die Atome schematisch als Kreise dargestellt, um die Atomanordnung zu verstehen. Zudem ist jede zweite Atomschicht schraffiert. Wie in den Zeichnungen dargestellt, hat der Scheitel des Endbereichs der Spitze eine Nano-Pyramidenstruktur mit einer Dreieckspyramide, und der Scheitel der Pyramide ist aus einem einzelnen Atom 540 gebildet. Mit der Spitze nach dem vorliegenden Beispiel wird daher eine Punktlichtquelle im wahrsten Sinne des Wortes gebildet. Mit einer solchen Ein-Atom-Emissionsquelle ist es möglich, eine höhere Brillanz zu erreichen als mit einer typischen Emissionsquelle für geladene Teilchen.
Der Scheitel der Spitze einer typischen Emissionsquelle für geladene Teilchen wird durch eine Atomanordnungsebene der vierten oder fünften Schicht, gezählt von dem einzelnen Atom 540 an der Spitze, ausgebildet, wie dies durch eine Kontur 541 einer Linie aus Strichen und Punkten gezeigt ist. Der Scheitel einer typischen Spitze ist daher durch eine Atomanordnung gebildet, die den Scheitelbereich der Nano-Pyramidenstruktur ausschließt und ihr Krümmungsradius liegt bei einigen 100 bis 1.000 Å.
Eine Spitze mit einer Nano-Pyramidenstruktur hat eine vorspringende Form, so dass eines ihrer Enden ein einziges Atom bis mehrere Atome hat, und wurde bereits vor langer Zeit als Verfahren zur Mikrofabrikation eines Tasters eines Raster-Tunnelmikroskops (STM) oder zur Verbesserung der Brillanz einer Elektronenquelle untersucht. Eine Spitze ist aus einer Metallnadel gebildet. Als das Grundmaterial der Spitze können Wolfram (W), Molybdän (Mo), Iridium (Ir), Rhenium (Re) oder Kohlenstoff (C) verwendet werden, die Metalle mit hohem Schmelzpunkt sind. Insbesondere können im Fall einer Elektronenquelle eine Kohlenstoff-Nanoröhre oder Diamant als Grundmaterial für die Spitze verwendet werden. Solche Metallelemente sind gegenüber der Entfernung von Verunreinigungen oder der Ausbildung von starken elektrischen Feldern durch plötzliches Heizen auf hohe Temperatur unempfindlich. Ferner kann der Endbereich der Spitze sowohl mit Gold (Au), Silber (Ag), Platin (Pt), Palladium (Pt), Rhodium (Rh), Iridium (Ir) Ruthenium (Ru) oder Osmium (Os) beschichtet werden. Solch ein Edelmetall wird auch zur Vermeidung von Oxidation und als Material zum Bilden einer Nano-Pyramide verwendet. Insbesondere ist H₂ dafür bekannt, dass es bei ultrageringer Temperatur physikalisch auf einem Edelmetall adsorbiert. Daher ist es vorteilhaft, dass dann, wenn ein Edelmetall verwendet wird, eine Photonen-stimulierte Desorption von H₂ leicht zu erreichen ist.
Für die Emissionskanone für geladene Teilchen nach der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise eine Spitze mit Nano-Pyramidenstruktur verwendet, die nur Wolfram enthält. Ein Verfahren zum Herstellen einer Spitze mit einer Nano-Pyramidenstruktur, die nur Wolfram enthält, ist bereits bekannt.
Ein Fall, in welchem eine Ein-Atom-Emissionsquelle als Kaltkathoden-Feldemissionsquelle verwendet wird, wird Bezug nehmend auf 5C beschrieben. In diesem Fall werden von dem einzelnen Atom 540 im Scheitel mit dem stärksten elektrischen Feld Tunnelelektronen 542 emittiert. Daher kann ein Elektronenstrahl mit hoher Richtgenauigkeit, gleichmäßiger Energie und hoher Brillanz emittiert werden.
Ein Fall, in dem eine Ein-Atom-Emissionsquelle als Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS) verwendet wird, wird Bezug nehmend auf 5D beschrieben. In diesem Fall kollidiert ein Quellengas 543 mit der Oberfläche der Spitze bei ultraniedriger Temperatur, hüpft unter Energieverlust und erfährt anschließend auf dem einzelnen Atom 540 im Scheitel mit dem stärksten elektrischen Feld eine Feldionisation. Ein Ion 544 des Quellengases wird von dem einzelnen Atom 540 im Scheitel extrahiert. Auf diese Weise kann ein Strahl von geladenen Teilchen mit hoher Brillanz emittiert werden.
En Fall, in welchem das adsorbierte Molekül in der Umgebung des Scheitels der Nano-Pyramidenstruktur haftet, wird Bezug nehmend auf 6A, 6B und 6C beschrieben. Wie in 6A dargestellt, besteht im Fall einer Emissionsquelle für geladene Teilchen mit einer Nano-Pyramidenstruktur die Möglichkeit, dass ein andersartiges adsorbiertes Molekül 646 im Scheitel der Nano-Pyramidenstruktur angeordnet ist. In diesem Fall ist die Emission von geladenen Teilchen instabil. Insbesondere wird in einer Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS) eine Bindung durch die Bewegung von Elektronen zwischen den Atomen 645, die die Nano-Pyramidenstruktur bilden, und den adsorbierten Molekülen 646, oder durch die Polarisation der adsorbierten Moleküle 646, geschwächt.
Dann nimmt, wie in 6B dargestellt, eine Feldverdampfungsspannung durch den Einfluss der Adsorption ab, und das Ende der Nano-Pyramide wird so beschädigt. Es gibt auch Fälle, in denen die Atome 657, die die Nano-Pyramide bilden, verbleiben, in denen jedoch die Nano-Pyramide als Ergebnis einer in einer Atomgruppe 648 aufgetretenen Feldverdampfung beschädigt wird.
Eine Nano-Pyramidenstruktur wird durch die Bewegung von Atomen eines gegebenen Grundmaterials auf die Spitzenoberfläche oder durch die Bewegung andersartiger Atome, die durch Dampfabscheidung oder Metallisierung aufgebracht wurden, gebildet. Wie in 6C gezeigt, wird die Bewegung (Migration) von Atomen zur Bildung des Scheitels behindert oder unterbrochen, wenn auf Atomen 649, die den Endbereich der Spitze bilden, adsorbierte Moleküle 650 vorhanden sind. Daher ist es unmöglich, in diesem Fall einen Scheitel aus einem einzigen Atom zu bilden.
Im Folgenden werden die Hochspannungen Bezug nehmend auf 7A beschrieben, die an die Spitze 117, den Ionenkollektor 116 und die Extraktionselektrode 118 angelegt werden, sowie die Streu-Elektronen in dem Fall, in dem die Emissionskanone für geladene Teilchen nach dem vorliegenden Beispiel als Elektronenkanone verwendet wird. Eine Hochspannungsstromversorgung 313 ist mit der Spitze 117 verbunden, und Hochspannungsstromversorgungen 311 und 312 sind jeweils mit dem Ionenkollektor 116 und der Extraktionselektrode 118 verbunden. Wie Bezug nehmend auf 1 beschrieben, werden die Hochspannungsstromversorgungen 311, 312 und 313 durch die Steuereinheit 303 für die Stromversorgung gebildet.
Im Fall einer Elektronenkanone wird das Potenzial der Extraktionselektrode 118 auf ein höheres (positives) Potenzial gelegt als das Potenzial der Spitze 117. Ein Elektronenstrahl von der Spitze 117 wird von der Extraktionselektrode 118 extrahiert und wird durch das Loch 118A der Extraktionselektrode 118 zur Vakuumkammer 11 für das optische System geführt.
Wenn beispielsweise ultraviolettes Licht eine Wellenlange von 120 nm hat, beträgt seine Photonenenergie 10,3 eV, was ein Wert ist, der höher als die gewöhnliche Energie (ungefähr 7 eV) zum Ionisieren von Metallen ist. Fotoelektronen werden so durch ultraviolettes Licht erzeugt. Wenn die Extraktionselektrode 118 mit Aluminium mit einer niedrigeren Ionisationsenergie (ungefähr 6 eV) beschichtet ist, werden Fotoelektronen sogar als Reaktion auf ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 200 nm emittiert. Ferner werden durch REMPI Ionen erzeugt.
Wie in den Figuren gezeigt, besteht die Möglichkeit, dass Fotoelektronen 701 (die durch Kreise mit „–” Zeichen in der Zeichnung dargestellt sind) angeregt werden, wenn ein Element im Lichtweg mit ultraviolettem Licht 865 aus dem Lichtleiter 171 bestrahlt wird. Die Fotoelektronen 701 werden in die Richtung der Extraktionselektrode 118 beschleunigt, die auf einem höheren (positiven) Potenzial liegt als die Spitze. Die Fotoelektronen 701 kollidierten mit Molekülen, die einer Photonen-stimulierten Desorption unterworfen waren, und ionisieren die Moleküle. Dadurch werden Ionen 711 des desorbierten Moleküls erzeugt (in der Figur dargestellt durch Kreise mit „+” Zeichen). Es sei bemerkt, dass auch durch resonanzverstärkte Multi-Photonen-Ionisation (REMPI) oder durch nicht-resonante Multi-Photonen-Ionisation (NRMPI) Ionen 711 erzeugt werden.
Ohne den Ionenkollektor 116 werden die Ionen 711 durch die auf einem negativen Potenzial liegende Spitze 117 nach unten gezogen. Daher kollidieren die Ionen 711 mit der Spitze 117, und führen zu einem Bruch des Endes der Spitze 117. Insbesondere ist ein Bruch der Nano-Pyramidenstruktur fatal. Im Fall einer Elektronenkanone werden die Ionen 711 von dem Ionenkollektor 116 eingefangen. Daher wird das Potenzial des Ionenkollektors 116 auf ein geringeres Potenzial gelegt als das Potenzial der Spitze 117. Es gilt also Extraktionselektronenpotenzial > Spitzenpotenzial > Ionenkollektorpotenzial.
Ferner werden die zwischen dem Isolator 115 der Spitze und dem Ionenkollektor 116 erzeugten Fotoelektronen 701 zurück in die Richtung der Spitze 117 oder des Haarnadelfundaments 121 geschoben, und zwar durch ein elektrisches Feld des Ionenkollektors 116, und dann absorbiert. Wenn der Ionenkollektor 116 daher auf einem Potenzial liegt, welches geringer als das Potenzial der Spitze 117 ist, ist es möglich, die Fotoelektronen 701 zu reduzieren, die zu der Erzeugung der Ionen 701 beitragen.
Einige der Fotoelektronen 701 treten durch das Loch 118A der Extraktionselektrode 118 und werden Elektronen außerhalb des als Sonde verwendeten Elektronenstrahls, also Streu-Elektronen. Wenn die Streu-Elektronen 702 über das Loch 10D der Vakuumkammer 10 in die Vakuumkammer 11 für das optische System dringen, und so eine Probe bestrahlen, wird ein von der Probe gewonnenes Informationssignal erzeugt und ferner wird auf einem Bild Rauschen erzeugt. Wenn jedoch das Ventil 151 geschlossen ist, können die Streu-Elektronen 702 die Vakuumkammer 11 für das optische System oder die Probe nicht beeinflussen. Wenn die Probe fotoempfindlich gegenüber ultraviolettem Licht ist, wie beispielsweise ein Fotolack, kann das Ventil 151 in ähnlicher Weise geschlossen werden. Dadurch ist es möglich, Umstände zu vermeiden, in welchen ultraviolettes Licht die Probe bestrahlt.
Wenn die Probe 205 nicht lichtempfindlich gegenüber ultraviolettem Licht 865 ist (also nicht davon beschädigt wird), muss das Ventil 151 geschlossen werden. In diesem Fall werden die Streu-Elektronen 702 durch die Öffnung 202 reduziert. Wenn ferner der Strahl-Ausblender 203 betätigt wird, ist es möglich, die Streu-Elektronen 702 abzulenken und so die Bestrahlung der Probe 205 mit den Streu-Elektronen 702 zu vermeiden.
Wie oben beschrieben, ist nach der vorliegenden Erfindung die Reinigung der Spitze durch Lichtbestrahlung auch dann möglich, wenn die Elektronenkanone in Betrieb ist. Wenn jedoch die Spitze ständig gereinigt wird, während die Elektronenkanone in Betrieb ist, ist es auch nötig, das Ventil 151 ständig zu öffnen und zu schließen, den Strahl-Ausblender 203 zu betätigen, und Ähnliches, und zwar jedes Mal, was nicht vorteilhaft ist. Die Spitze wird daher vorzugsweise periodisch in vorgegebenen Zyklen gereinigt.
Nach dem Betrag in Langmuir (1 Langmuir ist die Stärke der Adsorption einer ein-atomigen Schicht von Restgas auf der Oberfläche in einer Sekunde in einem Vakuum von 1,33 × 10^–4 Pa), die ein Index für die Adsorptionsstärke in einem Vakuum ist, werden 3,7 Stunden benötigt, bis sich in einem Vakuum von 10^–8 Pa eine ein-atomige Schicht adsorbiert. Daher kann der Spitzen-Reinigungszyklus auf eine kürzere Zeit eingestellt werden als alle 3,7 Stunden. Beispielsweise kann der Spitzen-Reinigungszyklus auf alle 3 Stunden eingestellt werden. Der Spitzen-Reinigungszyklus kann auf zumindest einmal in einigen Stunden eingestellt werden.
Typischerweise ermöglicht die Laseroszillation eines ultrakurzen Pulses eine Emissionswiederholungsrate von 10 Hz oder mehr. Selbst wenn Emissionen einige zehn Male benötigt werden, beträgt die für die Reinigung der Spitze benötigte Zeit nur einige Sekunden. Die für einen Reinigungsvorgang einer einzelnen Spitze benötigte Zeit beträgt ungefähr einige Sekunden. Während dem Spitzen-Reinigungsvorgang kann daher nur eine Hochspannung der Elektronenkanone vorübergehend unterbrochen werden. Dadurch kann die Erzeugung von Fotoelektronen und gestreuten Elektronen minimiert werden. Es sei bemerkt, dass in diesem Fall das Ventil 151 geschlossen werden kann, um die Bestrahlung der Probe 205 mit gestreuten Elektronen und ultraviolettem Licht zu vermeiden, wie dies oben beschrieben ist.
Wenn die Spitzenreinigung durchgeführt wird, wird selbst dann die Arbeitszeit des Geräts nicht in starkem Maße behindert, wenn während der Reinigung die an die Emissionskanone für geladene Teilchen angelegte Hochspannung abgeschaltet und das Ventil 151 geschlossen wird.
Reinigungszyklen, die Bestrahlungslicht mit ultraviolettem Licht, die Pulsweite, das Ein-/Ausschalten der Hochspannung und Ähnliches werden von dem Steuercomputer 301 gesteuert. Diese Parameter und Ablaufpläne für die Reinigung werden von dem Steuercomputer 301 gespeichert und ausgeführt.
Wenn eine hohe Spannung abgeschaltet und dann wieder angeschaltet wird, treten Fälle auf, in denen eine lange Zeitspanne zum Stabilisieren der Ausgabe der Stromversorgung benötigt wird. In solchen Fällen ist es nötig, Ionen durch die Ausführung einer Reinigung sofort auszuführen, wobei die Spannungen der Hochspannungsstromversorgungen eingeschaltet bleiben.
Die in dem Steuerungsrechner 301 registrierten Spannungen können daher an die Hochspannungsstromversorgungen 311 bis 313 angelegt werden. Es sei bemerkt, dass dieses Verfahren auch in einem Fall angewandt werden kann, in welchem eine Lampenlichtquelle verwendet wird, welche ultraviolettes Licht mit einer ultrakurzen Wellenlänge erzeugt, die eine höhere Photonenenergie hat als die Energie (ungefähr 7 eV oder mehr) zum Ionisieren eines Metallelements, oder in einem Fall, in dem die Extraktionselektrode 118 mit Aluminium (ungefähr 6 eV) mit geringerer Ionisationsenergie beschichtet ist, und Fotoelektronen, angeregt durch ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 200 nm, emittieren kann, sowie in einem Fall, in dem Ionen durch REMPI erzeugt werden.
Die Beschreibung der an die Spitze 177, den Ionenkollektor 116 und die Extraktionselektrode 118 angelegten Hochspannung sowie der Streu-Ionen in dem Fall, in dem die Emissionskanone für geladene Teilchen nach der vorliegenden Erfindung als eine Ionenkanone wie eine Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS) verwendet wird, erfolgt Bezug nehmend auf 7B. Eine Hochspannungsstromversorgung 323 ist mit der Spitze 117 verbunden, und Hochspannungsstromversorgungen 321 und 322 sind jeweils mit dem Ionenkollektor 116 und der Extraktionselektrode 118 verbunden. Im Fall einer Ionenkanone wird das Potenzial der Spitze 117 auf ein höheres (positives) Potenzial gelegt als das Potenzial der Extraktionselektrode 118.
Also gilt Spitzenpotenzial > Ionenkollektorpotenzial > Extraktionselektrodenpotenzial.
Ein Quellengas wird von einem starken elektrischen Feld ionisiert, welches im Endbereich der Spitze 117 erzeugt wird. Ionen des Quellengases werden von der Extraktionselektrode 118 extrahiert und durch das Loch 118A der Extraktionselektrode 118 in die Vakuumkammer 11 für das optische System geleitet.
Wie im Fall der Elektronenkanone besteht die Möglichkeit, dass Fotoelektronen 701 (als Kreise mit „–” Zeichen in der Figur dargestellt) angeregt werden, wenn ein im Weg befindliches Element mit ultraviolettem Licht 865 aus dem Lichtleiter 171 bestrahlt wird. In der Ionenkanone werden die Fotoelektronen 701 in die Richtung der Spitze 117 beschleunigt. Die Fotoelektronen 701 kollidieren mit den adsorbierten Molekülen, die eine Photonen-stimulierte Desorption durchgeführt haben, und ionisieren diese Moleküle. Dadurch werden Ionen 701 (durch Kreise mit „+” Zeichen in der Figur dargestellt) der desorbierten Moleküle erzeugt. Es sei bemerkt, dass die Ionen 711 auch durch resonanz-verstärkte Multi-Photonen-Ionisation (REMPI) oder nicht-resonante Multi-Photonen-Ionisation (NRMPI) erzeugt werden. Zudem umfassen die Ionen 711 diejenigen, die durch Kollision zwischen dem Quellengas und den Fotoelektronen 701 erzeugt werden.
In der Ionenkanone besteht nicht die Möglichkeit, dass die Ionen 711 (durch Kreise mit „+” Zeichen in der Figur dargestellt) der desorbierten Moleküle in Richtung der Spitze 711 angezogen werden. Es besteht daher keine Gefahr, dass die Ionen 711 der desorbierten Moleküle mit der Spitze 117 kollidieren und die Spitze 117 beschädigen. In der Ionenkanone wird der Ionenkollektor 116 auf ein geringeres Potenzial gelegt als die Spitze 117. Die Ionen 711 der desorbierten Moleküle werden in Richtung der Extraktionselektrode 118, die das geringste Potenzial hat, oder des Ionenkollektors 116, der das zweitgeringste Potenzial hat, angezogen und eingefangen.
Wie im Fall der Elektronenkanone werden zwischen dem Isolator 115 der Spitze und dem Ionenkollektor 116 erzeugte Fotoelektronen 701 zurück in die Richtung der Spitze 117 oder des Haarnadel-Filaments 121 geschoben, und zwar durch das elektrische Feld des Ionenkollektors 116, und dann absorbiert. Es ist daher möglich, die Fotoelektronen 701 zu reduzieren, die zur Erzeugung der Ionen 711 beitragen, wenn ein Potenzial auf dem Ionenkollektor 116 angewandt wird, das geringer als das Potenzial der Spitze 117 ist. Zudem werden Sekundärelektronen 703 erzeugt, da die von der Extraktionselektrode 118 erzeugten Fotoelektronen mit dem Ionenkollektor 116 kollidieren. Solche Sekundärelektronen 703 werden von der Spitze 117 oder dem Ionenkollektor 116 absorbiert und verschwinden auf diese Weise.
Einige der Ionen 711 dringen durch das Loch 118A der Extraktionselektrode 118 und werden so Streu-Ionen 712. Wie im Fall der Elektronenkanone, können die Streu-Ionen 712 die Vakuumkammer 11 für das optische System oder die Probe jedoch nicht beeinflussen, wenn das Ventil 151 geschlossen ist. Wenn die Probe gegenüber ultraviolettem Licht lichtempfindlich ist, kann das Ventil 151 ebenfalls geschlossen werden. Dadurch ist es möglich, eine Bestrahlung der Probe mit ultraviolettem Licht zu vermeiden.
Wenn die Probe 205 nicht gegenüber ultraviolettem Licht 865 lichtempfindlich ist, muss das Ventil 151 nicht geschlossen werden. In diesem Fall werden die Streu-Ionen 712 durch eine Öffnung 202 reduziert. Wenn zudem der Strahl-Ausblender 203 betätigt wird, ist es möglich, die Streu-Ionen 712 abzulenken, und so eine Bestrahlung der Probe 205 mit den Streu-Ionen 712 zu vermeiden.
In der Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS) wird ein Verfahren zum Durchführen einer geringfügigen Evakuation während des Flusses des Quellengases, oder ein Verfahren zum Einkapseln des Quellengases in einen Bereich um die Spitze verwendet, und keine Evakuation erfolgt. Daher ist die Menge der erzeugten Ionen vergleichsweise größer als im Fall der Elektronenkanone. In der Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS) ist daher nicht nur ein Photonen-stimulierter Desorptionsprozess, sondern auch ein Ionisationsprozess für die Reinigung der Spitze besonders effektiv.
Die Ionisation des Quellengases wurde bereits beschrieben. Die Ionisation eines in dem Quellengas enthaltenen Verunreinigungsgases wird im Folgenden untersucht. Ein in dem Quellengas enthaltenes Verunreinigungsgas wird mit einer geringeren Feldstärke ionisiert als diejenige eines Edelgases. Wenn daher ein elektrisches Feld mit hoher Intensität in der Umgebung der Spitze erzeugt wird, kann das Verunreinigungsgas nicht auf der Spitze adsorbiert werden. Es soll beispielsweise davon ausgegangen werden, dass das Edelgas Helium ist und das Verunreinigungsgas Wasserstoff ist. Die Feldstärke für die Ionisation von Helium liegt bei ungefähr 4,4 V/A, und die Feldstärke für die Ionisation von Wasserstoff liegt bei 2,2 V/A, was die Hälfte der Feldstärke für Helium ist. Es ist daher unmöglich, dass Wasserstoff auf der Spitze adsorbiert.
Wenn jedoch die Feldstärke für die Ionisation in der Umgebung der Spitze zur Verringerung des Ionenstroms reduziert wird, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass das Verunreinigungsgas in der Umgebung des Endes der Spitze adsorbiert wird. Ferner besteht dann, wenn die Ionenkanone gestoppt wird, ein Problem dahingehend, dass eine Adsorption des Verunreinigungsgases auftritt, wodurch die Emissionsstelle eines Ionnenstrahls verschoben würde oder die Stabilität verloren ginge. Nach der vorliegenden Erfindung wird nun daher ein Spitzenreinigungsvorgang durchgeführt, ohne den Betrieb der Ionenkanone zu unterbrechen.
Die Spitze wird jedoch vorzugsweise nicht ständig während des Betriebs der Ionenkanone gereinigt. Dies ist das Gleiche wie im Fall der Elektronenkanone. Die Spitze wird daher in vorgegebenen Zyklen wie im Fall der Elektronenkanone gereinigt.
Wenn die Spitzenreinigung durchgeführt wird, kann eine negative Spannung nur auf den Ionenkollektor angewandt werden, und die Spitze und die Extraktionselektrode können auf ein Erdpotenzial gelegt werden. Alternativ kann eine, bezogen auf das an den Ionenkollektor angelegte Potenzial, positive Spannung an die Spitze und die Extraktionselektrode angelegt werden. Es ist auch möglich, einen Laserstrahl oder einen Lampenstrahl mit einer vorgegebenen Wiederholungsfrequenz jedes Mal kurz vor dem Umschalten einer Ionenkanone aus einem abgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand zu emittieren.
Das Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät 170 und der Lichtleiter 171 nach dem vorliegenden Beispiel werden Bezug nehmend auf 8 beschrieben. Wenn ein Laserstrahl mit hoher Intensität von einer Laserquelle erzeugt wird, treten Probleme der Solarisation eines optischen Pfads und der Ablation des mit dem Strahl bestrahlten Elements auf. Wenn Ablation oder Solarisation auftreten, treten auch Probleme wie ein Abfall der Bestrahlungsintensität über die Zeit, ein Abfall der Reflektivität der Extraktionselektrode, eine Verunreinigung der Spitze mit Streu-Material und ein Abfall der elektrischen Isolationseigenschaften auf. Das Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät 170 und die Lichtleiter 171 in dem vorliegenden Beispiel sind dazu ausgelegt, das Entstehen von Solarisation zu vermeiden.
Das Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät 170 nach dem vorliegenden Beispiel umfasst eine abgedichtete Kammer 170B und eine Laserquelle 170A, die darin angeordnet ist. Die abgedichtete Kammer 170B hat in sich getrockneten Stickstoff eingeschlossen, um eine Dämpfung des ultravioletten Lichts zu vermeiden. Als Lichtleiter 171 können ein im Handel erhältlicher Lichtleiter oder ein Lichtleiterbündel aus mit Wasserstoff oder Fluor dotiertem Quarzglas verwendet werden. In dem vorliegenden Beispiel wird insbesondere ein hohler Lichtleiter 171 als Lichtleiter 171 verwendet. Ein Fall, in dem eine ultraviolette Laserquelle als Laserquelle 170A verwendet wird, wird nun beschrieben.
Wie in den Fig.en dargestellt, wird ein ultravioletter Laserstrahl 866 aus der ultravioletten Laserquelle 170A von einer geeigneten Linseneinheit (nicht dargestellt) geformt und über ein Eintrittsfenster 172 für ultraviolettes Licht, welches aus Quarzglas oder Calciumfluorid gebildet ist, zu dem Endbereich des hohlen Lichtleiters 171 geleitet. Das Eintrittsfenster 152 für ultraviolettes Licht wird durch ein hermetisches Abdichten des Endbereichs des hohlen Lichtleiters 171 mit Calciumfluorid erreicht. Ein Raum 171B in dem hohlen Lichtleiter 171 ist vollständig gegen den Innenraum des Reinigungs-Lichtbestrahlungsgeräts 170 abgedichtet.
Ein Loch in der Trägerstruktur 107, die auf der Decke der Vakuumkammer 10 vorgesehen ist, ist mit einem Vakuumflansch 173 ausgestattet. Der hohle Lichtleiter 171 und der Vakuumflansch 173 sind hermetisch integriert, und der Vakuumflansch 173 ist über eine Balgdichtung wie einen Conflat-Flansch an der Vakuumkammer 10 befestigt. Der hohle Lichtleiter 171 hat einen Lichtleiter-Ausgangsanschluss 171A, der an seinem unteren Ende ausgebildet ist. Der Lichtleiter-Ausgangsanschluss 171A öffnet sich über den Isolator 115 der Spitze in die Vakuumatmosphäre der Vakuumkammer 10. Ein Raum 171B in dem hohlen Lichtleiter 171 ist daher mit dem Inneren der Vakuumkammer 10 verbunden. Der Innenraum des hohlen Lichtleiters 171 wird daher wie der Innenraum der Vakuumkammer 10 unter hohem Vakuum gehalten. Es ist daher möglich, die Dämpfung des sich durch den hohlen Lichtleiter 171 ausbreitenden ultravioletten Lichts zu reduzieren. Wie oben beschrieben, kann in dem vorliegenden Beispiel die Erzeugung von Solarisation vermieden werden.
Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Spitze, die als Emissionsquelle für geladene Teilchen verwendet wird, bei einer ultraniedrigen Temperatur zu halten und die Spitze ohne die Anwendung von Hitze bei ultraniedriger Temperatur effizient zu reinigen. Daher ist es möglich, die Zeit zu minimieren, in welcher die Emissionskanone für geladene Teilchen den Betrieb unterbricht, und einen stabilen Sondenstrahl von geladenen Teilchen mit einer geringen Energiebreite und hoher Brillanz ohne Fluktuation und Rauschen zu erzeugen.
Ferner kann die vorliegende Erfindung ein Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen mit hoher Energieauflösung und räumlich kleiner Probengröße bereitstellen, wie beispielsweise ein hochauflösendes Elektronenmikroskop oder Ionenmikroskop, ein lithografisches Gerät, welches geladene Teilchen verwendet, oder ein Spektrometer.
Wenn ferner eine Emissionsquelle für geladene Teilchen bei ultraniedriger Temperatur mit Reinigungsmitteln ausgestattet ist, wird es möglich, eine Kaltkathoden-Feldemissionsquelle oder ein Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS) zu verwenden, wofür bisher ein Vakuumdruck benötigt wurde, der kleiner oder gleich dem Druck eines Ultrahoch-Vakuums benötigt war, und zwar bei einem Vakuumdruck, der höher ist als derjenige eines Ultrahoch-Vakuums.
Daher ist ein Ausheizen der Emissionskanone für geladene Teilchen, wie es zum Realisieren eines Ultrahoch-Vakuums notwendig ist, nicht mehr nötig, und die Emissionskanone für geladene Teilchen kann daher kurzfristig selbst dann benutzt werden, wenn ihr Inneres der Atmosphäre ausgesetzt war. Eine Ausfallzeit des Geräts für einen Strahl von geladenen Teilchen kann daher minimiert werden.
Obwohl die Beispiele der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurden, ist es für den Fachmann leicht verständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorgenannten Beispiele beschränkt ist, und innerhalb des Bereichs der Ansprüche verschiedene Modifikationen möglich sind.

Claims

Ein Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen, umfassend: eine Spitze; eine Extraktionselektrode mit einem zentralen Loch, welches koaxial zu der Spitze ist; einen zwischen der Spitze und der Extraktionselektrode angeordneten Ionenkollektor, wobei der Ionenkollektor ein zentrales Loch hat, das koaxial zu der Spitze ist; eine Vakuumkammer, die in sich die Spitze, die Extraktionselektrode und den Ionenkollektor aufnimmt; ein Kühlgerät zum Kühlen der Spitze; ein Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät, welches ultraviolettes Licht oder infrarotes Licht zum Bestrahlen der Spitze erzeugt; und einen Lichtleiter zum Führen des von dem Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät erzeugten ultravioletten Lichts oder infraroten Lichts in Richtung der Spitze, wobei der Lichtleiter koaxial zu der Spitze angeordnet ist, wobei die Extraktionselektrode eine umfängliche geneigte Oberfläche hat, die um ihr zentrales Loch ausgebildet ist, und das ultraviolette Licht oder das infrarote Licht von dem Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät so ausgerichtet ist, dass es nach dem Bestrahlen der Umgebung der Spitze und einer Reflexion durch die geneigte Oberfläche erneut die Spitze bestrahlt.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, wobei der Lichtleiter ein hohler Lichtleiter ist und ein Inneres des hohlen Lichtleiters evakuiert ist.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, wobei die Vakuumkammer in ein Loch zum Durchtritt eines von der Spitze erzeugten Strahls von geladenen Teilchen und ein Ventil zum Öffnen oder Schließen des Lochs hat, und das Ventil geschlossen wird, wenn von dem Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät ultraviolettes Licht oder infrarotes Licht emittiert wird.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Strahl-Ausblender, welcher einen von der Spitze erzeugten Strahl von geladenen Teilchen ablenkt, wobei der Ausblender betätigt wird, wenn von dem Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät ultraviolettes Licht oder infrarotes Licht emittiert wird.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, wobei das Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät eine Infrarot-Laserquelle hat, welche einen Infrarot-Laserstrahl mit einem Peak-Output von der Größenordnung von MW/cm² und eine Wellenlänge von 1 μm oder mehr hat.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, wobei das Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät eine ultraviolette Lampe hat, die ultraviolettes Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum von einer Wellenlänge von 400 nm oder weniger erzeugt.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, wobei das Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät eine ultraviolette Laserquelle hat, die einen Ultraviolett-Laserstrahl mit einer Pulsweite von der Größenordnung von Femto-Sekunden und einer Wellenlänge von 400 nm oder weniger bei einer Ausgangsleistung von 10 GW/cm² oder weniger hat.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, wobei das Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät eine Lichtbestrahlung durch abwechselndes Umschalten zwischen Licht mit einer ersten Wellenlänge zum Desorbieren eines auf der Spitze adsorbierten Moleküls durch Photonen-stimulierte Desorption und Licht mit einer zweiten Wellenlänge zum Ionisieren des durch Bestrahlung mit dem Licht mit der ersten Wellenlänge desorbierten Moleküls ausführt.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, wobei das Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät in vorgegebenen Zyklen die Spitze mit ultraviolettem Licht oder infrarotem Licht bestrahlt.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, wobei die Ionisation des desorbierten Moleküls durch resonanzverstärkte Multi-Photonen-Ionisation (REMPI) oder nicht-resonante Multi-Photonen-Ionisation (NRMPI) durchgeführt wird.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, wobei vorgesehen ist, dass ein Potenzial der Extraktionselektrode Ve beträgt, ein Potenzial der Spitze Vt beträgt und ein Potenzial des Ionenkollektors Vic beträgt, die Emissionskanone für geladene Teilchen als Kaltkathoden-Feldemissionsquelle ausgelegt ist, und wobei die Potenziale so eingestellt ist, dass Ve > Vt > Vic.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, wobei vorgesehen ist, dass ein Potenzial der Spitze Vt beträgt, ein Potenzial des Ionenkollektors Vic beträgt, und ein Potenzial der Extraktionselektrode Ve beträgt, die Emissionskanone für geladene Teilchen als Gasfeld-Ionisations-Ionenquelle (GFIS) ausgelegt ist und wobei die Potenziale so eingestellt sind, dass Vt > Vic > Ve.
Gerät für einen Strahl von geladenen Teilchen nach Anspruch 1, wobei der Lichtleiter einen ersten, der Spitze gegenüberliegenden Endbereich und einen zweiten, mit dem außerhalb der Vakuumkammer angeordneten Reinigungs-Lichtbestrahlungsgerät verbundenen Endbereich hat, und der zweite Endbereich hermetisch abgedichtet ist und ein darauf ausgebildetes optisches Fenster umfasst, in welches das ultraviolette Licht oder das infrarote Licht einfällt.