DE112013001363B4 - Ionenstrahlvorrichtung mit einer Ionenquelle für die Gasfeldionisation - Google Patents

Ionenstrahlvorrichtung mit einer Ionenquelle für die Gasfeldionisation Download PDF

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    • H01J2237/0807—Gas field ion sources [GFIS]

Abstract

Ionenstrahlvorrichtung, umfassend:eine Ionenquelle (100, 100') für die Gasfeldionisation zur Erzeugung eines Ionenstrahls (5);eine Probenstation (101) zum Halten einer Probe (8);ein Linsensystem (102), das den von der Ionenquelle (100, 100') für die Gasfeldionisation emittierten Ionenstrahl (5) so fokussiert, dass der Ionenstrahl auf die Probe (8) gerichtet ist;ein Ablenksystem (103), das die Ionen so ablenkt, dass die Bestrahlungsposition des Ionenstrahls (5) auf der Probe (8) veränderbar ist;einen Sekundärteilchendetektor (104) zur Erfassung von Sekundärteilchen, die von der Probe (8) emittiert werden;eine Bildverarbeitungseinheit (110) zur Erzeugung eines Betrachtungsbildes der Probe (8) durch Verwendung der Erfassungsergebnisse des Sekundärteilchendetektors (104); undeine Steuerungseinheit (120) zur Steuerung des Linsensystems und des Ablenksystems, um die Bestrahlungsposition des Ionenstrahls (5) einzustellen,wobei die Ionenquelle (100, 100') für die Gasfeldionisation folgendes umfasst:eine Emitterelektrode (1, 1') mit einem nadelförmigen Scheitelpunkt, der mit einem Mikrovorsprung versehen ist, wobei am Scheitelpunkt des Mikrovorsprungs ein Einzelatom oder ein Trimer vorliegt;eine Extraktionselektrode (2) mit einer Öffnung an einer Position, die sich in Scheitelpunktrichtung im Abstand von der Emitterelektrode (1, 1') befindet;eine Gaszufuhreinheit (3) zum Zuführen von Gas in die Nähe des Scheitelpunkts der Emitterelektrode (1, 1');eine Gasdrucksteuerungseinheit (92) zur Steuerung des Drucks des Gases; undeine Extraktionsspannung-Anlegeeinheit (4) zur Erzeugung eines elektrischen Felds zur Ionisierung des Gases in der Nähe des Scheitelpunkts der Emitterelektrode (1, 1') durch Anlegen einer Extraktionsspannung zwischen der Emitterelektrode (1, 1') und der Extraktionselektrode (2);gekennzeichnet durch eine Ionenquellen-Steuerungseinheit (90, 90'), die eine solche Steuerung vornimmt, dass ein Ionenstrahl (5) in mindestens zwei Betriebszuständen emittiert wird, die einen ersten Betriebszustand (2000, 2010) umfassen, bei dem beim Anlegen einer ersten Extraktionsspannung (VI) und Einstellen des Gasdrucks auf einen ersten Gasdruck Ionen aus einer ersten Ionenemissionsregion am Scheitelpunkt der Emitterelektrode (1, 1') emittiert werden, sowie einen zweiten Betriebszustand (2003, 2011), bei dem beim Anlegen einer zweiten Extraktionsspannung (V2), die höher als die erste Extraktionsspannung (V1) ist, und beim Einstellen des Gasdrucks auf einen zweiten Gasdruck, der höher als der erste Gasdruck ist, Ionen aus einer zweiten Ionenemissionsregion, die größer als die erste Ionenemissionsregion ist, emittiert werden, wobei der Ionenstrahl (5) so gesteuert wird, dass der Ionenstrahlstrom auf der Probe (8) im zweiten Betriebszustand (2003, 2011) größer als der Ionenstrahlstrom auf der Probe (8) im ersten Betriebszustand (2000, 2010) ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenquelle für die Gasfeldionisation und eine Ionenstrahlvorrichtung unter Verwendung dieser Ionenquelle.
  • Stand der Technik
  • Das Patentdokument 1 beschreibt eine Ionenquelle für die Gasfeldionisation (Gasfeldionenquelle, abgekürzt: GFIS) mit hoher Leuchtdichte (Luminanz), die mit einem Mikrovorsprung an einem Scheitelpunkt einer Emitterelektrode bereitgestellt wird. Ferner wird eine Vorrichtung mit einem fokussierten Ionenstrahl (abgekürzt: FIB) beschrieben, in der die Ionenquelle so installiert ist, dass ein Strahl von Gasionen von Wasserstoff (H2), Helium (He), Neon (Ne) und dergleichen gebildet wird.
  • Im Unterschied zu einer fokussierten Gallium-Ionenstrahlvorrichtung (Ga: Metall) (abgekürzt: Ga-FIB), die sich von einer flüssigen Metallionenquelle (abgekürzt: LMIS) ableitet, die derzeit häufig verwendet wird, hat diese fokussierte Gasionenstrahlvorrichtung (abgekürzt: Gas-FIB) den Vorteil, dass auf einer Probe keine Verunreinigung mit Ga hervorgerufen wird. Da ferner die GFIS eine enge Energiebreite von Gasionen, die daraus extrahiert werden, aufweist und da sich eine geringe Größe der Ionenerzeugungsquelle ergibt, kann im Vergleich zur Ga-FIB ein feinerer Strahl erzeugt werden.
  • Diese Gas-FIB-Vorrichtung wird in Form eines Rasterionenmikroskops mit hoher Auflösung verwendet. Mit anderen Worten, die Vorrichtung erzeugt ein Bild einer Probe, indem Sekundärteilchen erfasst werden, die von der Probe synchron mit einem Ionenabtastvorgang auf der Probe emittiert werden.
  • Das Patentdokument 2 beschreibt ein Verfahren zur Einstellung einer Extraktionsspannung und eines Gasdrucks beim Bilden einer Scheitelpunktstruktur einer Emitterelektrode in der GFIS.
  • Das Patentdokument 3 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Zufuhrgas und eine Extraktionsspannung einem Schaltvorgang unterzogen werden, um zwischen den Arten von Emissionsionen in der GFIS zu schalten.
  • Literaturverzeichnis
  • Patentdokumente
    • Patentdokument 1: japanische Offenlegungsschrift JP H7-192669 A
    • Patentdokument 2: japanische Offenlegungsschrift JP H7-272652 A
    • Patentdokument 3: japanische Offenlegungsschrift JP 2009/187950 A (entsprechend US 2009/0200484 A1 , von der der Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgeht).
  • Weiterer Stand der Technik ist in DE 11 2010 004 053 T5 , US 2011/0233401 A1 , DE 10 2012 109 961 B4 , US 7 601 953 B2 , DE 11 2011 1026 43 T5 und DE 11 2011 100 476 T5 offenbart.
  • Zusammenfassende Darstellung der Erfindung Erfindungsgemäß zu lösende Aufgaben
  • Obgleich ein Rasterionenmikroskop unter Verwendung einer Ionenquelle für die Gasfeldionisation es ermöglicht, einen Mikrobereich mit hoher Auflösung ohne Verunreinigung einer Probe zu betrachten, benötigt das Mikroskop eine Einrichtung zur Erhöhung eines Ionenstrahlstroms auf der Probe, wenn versucht wird, eine Analyse mit einem hohen SNR-Wert (Signal-Rausch-Verhältnis) und ein Hochgeschwindigeitsverfahren auf der Probe durchzuführen. Als maximaler Wert dieses Ionenstrahlstroms sind etwa einige 10 bis 100 nA, die in der Ga-FIB verwendet werden, erstrebenswert. Da jedoch bei einer herkömmlichen Ionenquelle für die Gasfeldionisation der gesamte Ionenemissionsstrom vom Scheitelpunkt der Emitterelektrode nur einige nA oder weniger beträgt, gelingt es nicht, das vorerwähnte Bedürfnis zu befriedigen.
  • In diesem Fall wird die Ionenquelle für die Gasfeldionisation in einem Bereich verwendet, bei dem ein Ionenemissionsstrom vom Scheitelpunkt der Emitterelektrode einer Sättigung in Bezug zur Erhöhung der Extraktionsspannung unterliegt, und der Ionenemissionsstrom zum Zeitpunkt der Sättigung wird durch den Gasdruck, der in der Nähe der Emitterelektrode erzeugt wird, begrenzt. Aus diesem Grund wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem der elektrische Strom durch einfaches Erhöhen des Drucks des Zufuhrgases erhöht wird. Jedoch verursachen in diesem Verfahren Gasverunreinigungen im Zufuhrgas, die an der Emitterelektrode adsorbiert werden, leicht eine Elektrofeldverdampfung des Elektrodenmaterials, was dazu führt, dass die Scheitelpunktstruktur der Emitterelektrode innerhalb von kurzer Zeit beschädigt wird. Daher muss bei diesem Verfahren nach Erhöhung des Ionenemissionsstroms die Scheitelpunktstruktur der Emitterelektrode jedes Mal erneuert werden, was es schwierig macht, die Größe des Ionenstrahlstroms häufig zu ändern.
  • Angesichts dieser Probleme hat es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe gemacht, einen hohen Ionenstrahlstrom zu erzeugen und dabei die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Emitterelektrode zu unterdrücken.
  • Mittel zur Lösung der Probleme
  • Die Erfindung löst die vorerwähnten Probleme mit einer Ionenstrahlvorrichtung nach den beiliegenden Patentansprüchen. Die Ionenstrahlvorrichtung umfasst eine Ionenquelle für die Gasfeldionisation, die einen Ionenstrahl mit mindestens zwei Betriebszuständen emittiert, die einen ersten Betriebszustand umfassen, bei dem dann, wenn eine erste Extraktionsspannung angelegt wird, wobei der Druck eines Ionisationsgases auf einen ersten Gasdruck eingestellt wird, Ionen aus einer ersten Ionenemissionsregion eines Scheitelpunkts einer Emitterelektrode emittiert werden, sowie einen zweiten Betriebszustand, bei dem dann, wenn eine zweite Extraktionsspannung, die höher als die erste Extraktionsspannung ist, angelegt wird, wobei der Druck des Gases auf einen zweiten Gasdruck, der höher als der erste Gasdruck ist, eingestellt wird, Ionen aus einer zweiten Ionenemissionsregion, die größer als der erste Ionenemissionsbereich ist, emittiert werden.
  • Wirkungen der Erfindung
  • Da erfindungsgemäß ein höherer Ionenstrahlstrom bei Unterdrückung der Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Emitterelektrode erzielt werden kann, wird es möglich, eine Mikroregion einer Probe in stabiler Weise zu betrachten und eine Analyse mit einem hohen SNR-Wert sowie ein Hochgeschwindigkeitsverfahren durchzuführen.
  • Figurenliste
    • 1A ist ein Strom/Spannungs-Kenngrößendiagramm, das ein Umschalten von Betriebszuständen in einer erfindungsgemäßen Ionenquelle für die Gasfeldionisation zeigt, wobei ein Ionenemissionsstrom pro Einheitsregion (Stromdichte) einer Emitterelektrode relativ zu einer Extraktionsspannung dargestellt ist.
    • 1B ist ein Strom/Spannungs-Kenngrößendiagramm, das ein Umschalten von Betriebszuständen in eine erfindungsgemäße Ionenquelle der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Ionenemissionsstrom aus dem gesamten Scheitelpunkt der Emitterelektrode relativ zu einer Extraktionsspannung dargestellt ist.
    • 2 ist ein vollständiges Blockdiagramm einer Ionenquelle für die Gasfeldionisation gemäß der Ausführungsform 1.
    • Die 3A, 3B und 3C zeigen Veränderungen in einer Ionenemissionsregion in der Ionenquelle für die Gasfeldionisation gemäß der Ausführungsform 1. 3A zeigt einen Zustand einer Kleinregionemission. 3B zeigt einen Zustand einer Großregionemission. 3C zeigt einen veränderten Zustand der Großregionemission.
    • Die 4A, 4B, 4C und 4D zeigen Veränderungen in einer Ionenemissionsregion der Ionenquelle für die Gasfeldionisation gemäß der Ausführungsform 2. 4A zeigt einen Zustand einer Kleinregionemission von Ar-Ionen. 4B zeigt einen Zustand einer Großregionemission von Ar-Ionen. 4C zeigt einen veränderten Zustand der Großregionemission von Ar-Ionen. 4D zeigt einen Zustand, bei dem eine Kleinregionemission von He-Ionen und eine Großregionemission von Ar-Ionen gleichzeitig stattfinden.
    • 5A ist ein Strom/Spannungs-Kenngrößendiagramm, das ein Umschalten von Betriebszuständen in einer Ionenquelle für die Gasfeldionisation gemäß der Ausführungsform 2 zeigt, wobei ein Ionenemissionsstrom pro Einheitsregion (Stromdichte) einer Emitterelektrode relativ zu einer Extraktionsspannung, die der Dichte eines Stroms entspricht, dargestellt ist.
    • 5B ist ein Strom/Spannungs-Kenngrößendiagramm, das ein Umschalten der Betriebszustände in einer Ionenquelle für die Gasfeldionisation gemäß der Ausführungsform 2 zeigt, wobei ein Ionenemissionsstrom vom gesamten Scheitelpunkt der Emitterelektrode relativ zu einer Extraktionsspannung dargestellt ist.
    • 6 ist ein gesamtes Blockdiagramm einer Ionenquelle für die Gasfeldionisation gemäß Ausführungsform 3.
    • 7 ist ein gesamtes Blockdiagramm eines Rasterionenmikroskops gemäß Ausführungsform 4.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Zunächst werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen die grundlegenden Konzepte der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • Kleinregionemission und Großregionemission
  • Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 die Beziehung zwischen der Extraktionsspannung und dem Ionenstrom erläutert. 1 ist ein Strom/Spannungs-Kenngrößendiagramm (das Diagramm ist in schematischer Weise im doppelten logarithmischen Maßstab dargestellt), das ein Umschalten von Betriebszuständen in einer Ionenquelle für die Gasfeldionisation zeigt. In 1A ist eine Extraktionsspannung, die zwischen einer Emitterelektrode und einer Extraktionselektrode anzulegen ist, auf der Abszisse aufgetragen, und die Dichte eines Ionenemissionsstroms von der Emitterelektrode ist auf der Ordinate aufgetragen. Die Dichte eines Ionenemissionsstroms bezieht sich auf einen Wert, der durch Division des Ionenemissionsstroms durch eine Fläche, aus der Ionen am Scheitelpunkt der Emitterelektrode emittiert werden, erhalten wird, was einen Ionenemissionsstrom pro Einheitsfläche der Emitterelektrode wiedergibt. Dabei stellt die Linie 1000 einen Fall dar, bei dem der Gasdruck in der Nähe der Emitterelektrode normal eingestellt ist. Wenn die Extraktionsspannung erhöht wird, erfolgt eine Ionenemission für eine Zeitspanne nur aus einer begrenzten kleinen Region, da am Scheitelpunkt der Emitterelektrode ein Mikrovorsprung vorhanden ist. Dieser Betriebszustand wird als Kleinregion-Emissionszustand bezeichnet. Diese Kleinregion wird in Abhängigkeit von der Struktur des Mikrovorsprungs festgelegt und typischerweise durch ein Einzelatom oder ein Trimeres wiedergegeben. Wenn die Extraktionsspannung weiter erhöht wird, wird die Dichte des Ionenstroms in einen Zustand mit einer geringen Erhöhungsrate relativ zum erhöhten Betrag der Extraktionsspannung gebracht, d.h. es wird ein so genanntes Sättigungsniveau erreicht. Dieses Sättigungsniveau wird durch den Gasdruck in der Nähe der Emitterelektrode festgelegt. Normalerweise wird eine Extraktionsspannung an einem Betriebspunkt 2000 unmittelbar, nachdem die Dichte des Ionenstrahls und der gesamte Strombetrag Sättigungsniveaus erreicht haben, verwendet. Dabei bezieht sich das Sättigungsniveau auf einen Zustand, bei dem in 1B bei Erhöhung der Extraktionsspannung die Steigerungsrate des gesamten Strombetrags relativ zum erhöhten Betrag der Extraktionsspannung kleiner wird (Zustand, der durch einen Graph auf einer Seite, bei der die Extraktionsspannung V höher als die Spannung am Betriebspunkt 2000 ist, angegeben wird). Durch Verwendung der Extraktionsspannung unmittelbar nach Erreichen des Sättigungsniveaus kann die Stromdichte einen höheren Wert erreichen, wobei die Extraktionsspannung so nieder wie möglich gehalten wird. Dadurch wird es ermöglicht, dass die Gestalt des Scheitelpunkts der Emitterelektrode kaum beschädigt wird. Wenn die Extraktionsspannung von diesem Punkt aus weiter erhöht wird, startet eine Ionenemission an einem Bereich, der von der kleinen Region abweicht, mit dem Ergebnis, dass die Dichte des Ionenstroms abzunehmen beginnt. Dieser Betriebszustand wird als „Großregion-Emissionszustand“ bezeichnet. In 1B ist die Extraktionsspannung auf der Abszisse aufgetragen, und der Ionenemissionsstrom aus dem gesamten Scheitelpunkt der Emitterelektrode ist auf der Ordinate aufgetragen. Auch bei der gleichen Einstellung des Gasdrucks wird eine Linie 1100 nicht gesenkt, selbst wenn eine Großregion-Emission stattfindet. Wenn die Extraktionsspannung konstant ist, wir der gesamte Ionenemissionsstrom durch den Gasdruck festgelegt. Wenn die Menge an Ionen, die pro Einheitsregion emittiert werden, sich über die Region, aus der Ionen emittiert werden (nachstehend als „Ionenemissionsregion“ bezeichnet), ansammelt, wird der gesamte Ionenemissionsstrom erhalten.
  • Zerstörung des Mikrovorsprungs aufgrund des Gasanstiegs bei Kleinregionemission
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 1 die Beziehung zwischen dem Druck eines Ionisationsgases, das in die Nähe der Emitterelektrode gebracht wird, und einem Ionenstrom erläutert. Wenn der Gasdruck konstant ist, werden die Stromdichte und der gesamte Strombetrag durch die Extraktionsspannung festgelegt. Wenn sich jedoch der Gasdruck ändert, ändern sich diese Faktoren in entsprechender Weise. Die Linie 1001 von 1A und die Linie 1101 von 1B zeigen einen Zustand, bei dem der Gasdruck in der Nähe der Emitterelektrode im Vergleich zum Normalzustand verringert ist. Wenn die Abfolge von einem Betriebspunkt 2000 entsprechend der Kleinregionemission zu einem Betriebspunkt 2001 mit der gleichen Extraktionsspannung abläuft, werden die Dichte des Ionenemissionsstroms und der gesamte Ionenemissionsstrom verringert. Da die Übergänge zwischen diesen Betriebspunkten in reversibler Weise erfolgen können, werden sie zur Einstellung des Ionenstrahlstroms, der zur Bestrahlung einer Probe durch ein ionenoptisches System dient, verwendet.
  • Die Linie 1002 von 1A und die Linie 1102 von 1B zeigen Zustände, bei denen der Gasdruck in der Nähe der Emitterelektrode im Vergleich zum Normalzustand erhöht ist. Wenn die Abfolge vom Betriebspunkt 2000 entsprechend der Kleinregionemission zu einem Betriebspunkt 2002 mit der gleichen Extraktionsspannung abläuft, nehmen die Dichte des Ionenemissionsstroms und der gesamte Ionenemissionsstrom zu. Dabei wird jedoch der Mikrovorsprung am Scheitelpunkt der Emitterelektrode bald beschädigt, was zur Beendigung der Ionenemission führt. Der Grund hierfür ist folgender: Wenn der Gasdruck steigt, werden Gasverunreinigungen, die im Zufuhrgas enthalten sind, leicht an der Emitterelektrode adsorbiert, so dass die Möglichkeit einer Elektrofeldverdampfung von Material der Emitterelektrode zunimmt. Infolgedessen muss bei einem Verfahren, bei dem in einfacher Weise der Gasdruck erhöht wird, nachdem der Ionenemissionsstrom erhöht worden ist, die Scheitelpunktstruktur der Emitterelektrode jedes Mal erneuert werden, was es schwierig macht, die Größe des Ionenstrahlstroms häufig zu verändern.
  • Funktion der Gasdruckzunahme bei Großregionemission
  • Um erfindungsgemäß den Ionenemissionsstrom zu erhöhen, wird der Gasdruck erhöht, nachdem der Großregion-Emissionszustand durch Erhöhung der Extraktionsspannung erreicht worden ist. Dieser Vorgang entspricht einem Weg für den Ablauf vom Betriebspunkt 2000 zum Betriebspunkt 2003 in 1A und 1B. Da bei Anwendung dieses Verfahrens die Kleinregion am Scheitelpunkt der Emitterelektrode nicht beschädigt wird, wird es möglich, den Ionenemissionsstrom reversibel zu verändern. Insbesondere dann, wenn der Gasdruck auf den gleichen Zustand erhöht wird (durch die Linien 1002 und 1102 angegebener Zustand), wird es im Zustand, bei dem die Emitterelektrode beim herkömmlichen Verfahren unter Erhöhung des Ionenstroms leicht beschädigt wird, oder bei einem höheren Zustand, möglich, die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Emitterelektrode durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verringern. Wenn daher ein derartiger Betriebszustand mit einem hohen Strom einmal erreicht worden ist, wird es möglich, den Ionenstrahlstrom zu verringern, ohne dass die Notwendigkeit besteht, anschließend die Emitterelektrode zu erneuern.
  • Der Grund hierfür lässt sich unter Bezugnahme auf 1A erklären. Beim Betriebspunkt 2003 ist die Stromdichte der Emissionsionen im Wesentlichen die gleiche wie beim normalen Betriebspunkt 2000. Außerdem ist die Stromdichte beim Betriebspunkt 2003 geringer als die Stromdichte beim Betriebspunkt 2002, der einem Zustand entspricht, bei dem die Emitterelektrode leicht beschädigt wird. Der Großteil des in die Nähe der Emitterelektrode zuzuführenden Gases wird an deren Peripherie ionisiert und reduziert, bevor die Ionenemissionsregion am Scheitelpunkt der Emitterelektrode erreicht wird. In gleicher Weise wird eine Gasverunreinigung, die in dem in die Nähe der Emitterelektrode zuzuführenden Gas enthalten ist, ebenfalls an der Peripherie der Elektrode ionisiert und reduziert, bevor die Ionenemissionsregion am Scheitelpunkt der Emitterelektrode erreicht wird. Daher bleibt die Gasumgebung in der Ionenemissionsregion am Scheitelpunkt der Emitterelektrode, d.h. in der Nähe des Mikrovorsprungs, zwischen dem Betriebspunkt 2000 und dem Betriebspunkt 2003 fast unverändert, so dass Ereignisse, die innerhalb einer kurzen Zeit zu einer Schädigung des Mikrovorsprungs führen, nicht auftreten. Mit anderen Worten, die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Emitterelektrode hängt vom Verhältnis zwischen dem Gasdruck und der Größe der Ionenemissionsregion ab, d.h. von der adsorbierten Gasmenge, die durch die Ionisation pro Einheitsregion der Ionenemissionsregion verbraucht wird (oder von der adsorbierten Gasmenge, die pro Einheitsregion der Ionenemissionsregion zugeführt wird). Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird durch Steuerung der Extraktionsspannung, die die Größe der Ionenemissionsregion im Zusammenwirken mit dem Gasdruck festlegt, die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Emitterelektrode verringert. Wie beim Betriebspunkt 2003 von 1B dargestellt ist, kann durch Erhöhen des Gasdrucks im Großregion-Emissionszustand der gesamte Ionenstrom erhöht werden, während die Wahrscheinlichkeit einer Verkürzung der Lebensdauer des Mikrovorsprungs der Emitterelektrode verringert wird.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass es beim Übergang zwischen dem Betriebspunkt 2000 und dem Betriebspunkt 2003 wesentlich ist, die Extraktionsspannung und den Gasdruck zu steuern, damit die Dichte des Ionenemissionsstroms nicht ansteigt.
  • Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Figuren Ausführungsformen einer Ionenquelle für die Gasfeldionisation und einer Ionenstrahlvorrichtung unter Verwendung dieser Ionenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. In der nachstehenden Beschreibung umfasst die Ionenstrahlvorrichtung beispielsweise ein Ionenmikroskop, eine Ionenstrahl-Bearbeitungs-Beobachtungsvorrichtung, eine kombinierte Vorrichtung aus einer Ionenstrahl-Bearbeitungs-Beobachtungsvorrichtung und einem Ionenmikroskop, eine kombinierte Vorrichtung aus einem Ionenmikroskop und einem Elektronenmikroskop und eine Analysen-Inspektionsvorrichtung, mit der ein Ionenmikroskop und ein Elektronenmikroskop kombiniert sind. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die vorerwähnten Vorrichtungen beschränkt, sofern es sich bei der entsprechenden Vorrichtung um eine Ionenstrahlvorrichtung unter Verwendung einer Ionenquelle für die Gasfeldionisation handelt.
  • Ausführungsform 1
  • Grundlegende Konfiguration und grundlegender Betrieb einer Ionenquelle
  • 2 zeigt ein vollständiges Blockdiagramm für eine Ionenquelle für die Gasfeldionisation gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Nachstehend werden unter Bezugnahme auf 2 eine grundlegende Konfiguration und grundlegende Betriebsweisen der Ionenquelle erläutert. Beim zentralen Teil einer Ionenquelle 100 für die Gasfeldionisation handelt es sich um eine Emitterelektrode 1 mit einem nadelförmigen Scheitelpunkt und um eine Extraktionselektrode 2, die in der Mitte eine Öffnung aufweist, die an einer Position im Abstand vom Scheitelpunkt angeordnet ist. Die Elektroden befinden sich in einem Vakuumbehälter 10. In der Nähe des Scheitelpunkts der Emitterelektrode 1 wird ein zu ionisierendes Gas zugeführt. Der Druck dieses Gases wird durch einen Betriebsabgleich zwischen einem Gaszufuhrsystem 3 und einem Gasabsaugsystem 11 eingestellt. Das Gaszufuhrsystem 3 umfasst eine Gasquelle und ein Gaseinleitungsrohr. Das Gasabsaugsystem 11 umfasst eine Vakuumpumpe und ein Gasabsaugrohr. Außerdem wird der Betrieb des Gaszufuhrsystems 3 und des Gasabsaugsystems 11 durch eine Gasdruck-Steuerungseinheit 92 gesteuert. Wenn eine hohe Spannung (wobei die Seite der Emitterelektrode 1 die positive Seite darstellt) zwischen der Emitterelektrode 1 und der Extraktionselektrode 2 durch eine Extraktionsspannung-Anlegeeinheit 4 angelegt wird, findet eine Gasionisation bei einem bestimmten Schwellenwert oder darüber statt, so dass ein Ionenstrahl 5 aus dem Scheitelpunkt der Emitterelektrode 1 emittiert wird. Wenn die Ausdehnung des Ionenstrahls 5 groß ist, wird ein Teil des Ionenstrahls 5 an der Außenseite bei seiner Passage durch eine Ionenquellenapertur 6, die in der Mitte eine Öffnung aufweist, begrenzt. Ein Ionenstrahl-Steuerungssystem 90 steuert die gesamte Ionenquelle, einschließlich die Extraktionsspannung-Anlegeeinheit 4, das Gaszufuhrsystem 3 und das Gasabsaugsystem 11, und steuert auch Eingabe/Ausgabe-Vorgänge zu und von anderen Vorrichtungen und zum und vom Benutzer. Es ist darauf hinzuweisen, dass Halterungsteile für die Emitterelektrode 1 und die Extraktionselektrode 2, der Vakuumabsaugebereich, ein Kühlbereich, ein Hochspannungs-Isolatorbereich und dergleichen keiner Erläuterung bedürfen, weswegen diese Teile nicht beschrieben werden. Das Ionenquellensteuerungssystem 90 und die entsprechenden Steuerungseinheiten, die hier enthalten sind, können aus ausschließlich benutzten Leiterplatten in Form von Hardware bestehen oder sie können in Programmen bestehen, die von einem Rechner, der mit der Ionenstrahlvorrichtung verbunden ist, ausgeführt werden.
  • Zustand der Ionenemission
  • Nachstehend wird ein Zustand beschrieben, bei dem der Zustand einer Ionenemission am Scheitelpunkt der Emitterelektrode gemäß der Extraktionsspannung verändert wird. Die Emitterelektrode 1 der vorliegenden Ausführungsform umfasst als Grundmaterial Wolfram (W), das in eine nadelförmige Gestalt gebracht ist und mit Iridium (Ir) beschichtet ist, wobei eine Nano-Pyramidenstruktur mit einer Pyramidengestalt am Scheitelpunkt der Nadel durch Glühen ausgebildet ist. Das dabei erhaltene Material wird verwendet. Außerdem wird als zu ionisierendes Gas Neon (Ne) verwendet. Der äußerste Scheitelpunkt der Emitterelektrode 1 besteht in einem Einzelatom. Die 3A bis 3C sind schematische Ansichten zur Darstellung typischer Zustände der Ionenemission aus dem Emitter 1. Bei steigender Extraktionsspannung verläuft die Abfolge vom Zustand von 3A bis zum Zustand von 3C über den Zustand von 3B. 3A zeigt einen Kleinregion-Emissionszustand, der unter Bezugnahme auf 1 erklärt wird. Die Ionenemissionsregion entspricht einem einzelnen Atom. 3B zeigt einen der Großregion-Emissionszustände, die unter Bezugnahme auf 1 erläutert werden. In diesem Zustand werden Ionen nicht nur aus dem Einzelatom am Scheitelpunkt emittiert, sondern auch aus peripheren Atomen. 3C zeigt einen Großregion-Emissionszustand für den Fall, dass die Extraktionsspannung weiter erhöht wird. In diesem Zustand werden Ionen nicht mehr aus dem Einzelatombereich am Scheitelpunkt emittiert. Der Grund hierfür ist, dass das elektrische Feld im Zentrum zu stark wird und daher die Ionisationsbedingungen nicht mehr erfüllt werden. In der vorliegenden Ausführungsform werden der in 3A dargestellte Zustand und der in 3B dargestellte Zustand als Ionenquelle verwendet.
  • Zusammenwirken von Extraktionsspannung und Gasdruck
  • Nachstehend wird ein Steuerungsvorgang beschrieben, bei dem die Extraktionsspannung und der Gasdruck in gegenseitigem Zusammenwirken gesteuert werden, was eines der Merkmale der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Im Ionenquellen-Steuerungssystem 90 werden eine normale Extraktionsspannung, die dem Kleinregion-Emissionszustand von 3A entspricht, und eine Extraktionsspannung, die dem Großregion-Emissionszustand von 3B entspricht und die höher als die Extraktionsspannung in dem in 3A dargestellten Zustand ist, im Speicher 93 gespeichert. Beispielsweise wird im Fall des Großregion-Emissionszustands von 3B eine Emissionsregion gebildet, die etwa 10-fach größer als der in 3A dargestellte Zustand ist. Als Betriebszustände der Gasdruck-Steuerungseinheit 92, die das Betriebsgleichgewicht zwischen dem Gaszufuhrsystem 3 zum Festlegen eines Gasdrucks in der Nähe des Scheitelpunkts der Emitterelektrode 1 und dem Gasabsaugsystem 11 steuert, werden im Speicher 94 ein Zustand eines ersten Gasdrucks und ein Zustand eines zweiten Gasdrucks, der höher als der erste Gasdruck ist, gespeichert. Nachstehend wird der erste Gasdruck gelegentlich als normaler Gasdruck bezeichnet. Beispielsweise beträgt in der vorliegenden Ausführungsform der zweite Gasdruck etwa das 10-fache des ersten Gasdrucks. Im Speicher 95 für den Ionenemissionszustand wird eine Kombination aus der normalen Extraktionsspannung und dem normalen Gasdruck als Normalmodus gespeichert. Außerdem wird darin ein hoher Strommodus, eine Kombination aus hoher Extraktionsspannung und hohem Gasdruck, gespeichert. Eine Abfolge, die sich auf einen Übergang zwischen den Ionenemissionsmodi, die im Speicher 95 gespeichert sind, bezieht, wird im Speicher 96 gespeichert. Wenn dabei Instruktionen für einen Ionenemissionszustand vom Benutzer oder einer anderen Vorrichtung an das Ionenquellen-Steuerungssystem ausgegeben werden, führt ein Steuerungssystem-Hauptkörper Auslesevorgänge aus den entsprechenden Speichern 93 bis 96 durch und steuert in entsprechender Weise die Extraktionsspannung-Anlegeeinheit 4, das Gaszufuhrsystem 3 und das Gasabsaugsystem 11. Die Steuerungsvorgänge des Gaszufuhrsystems 3 und des Gasabsaugsystems 11 werden durch die Gasdruck-Steuerungseinheit 92 durchgeführt.
  • Beim Übergang vom Normalmodus zum Großstrommodus wird ein Steuerungsvorgang durchgeführt, bei dem nach Erhöhung der Extraktionsspannung der Gasdruck angehoben wird. Dagegen wird beim Übergang vom Großstrommodus zum Normalmodus nach Senkung des Gasdrucks die Extraktionsspannung verringert.
  • Der Übergang zwischen dem Normalmodus und dem Großstrommodus entspricht einem Übergang zwischen den Betriebspunkten 2000 und 2003 in 1A. Dabei werden die Extraktionsspannung und der Gasdruck in gegenseitigem Zusammenwirken so gesteuert, dass ein Anstieg der Dichte des Ionenemissionsstroms in der Ionenemissionsregion am Scheitelpunkt der Emitterelektrode über das Normalniveau hinaus verhindert wird. Speziell werden die Extraktionsspannung und der Gasdruck im gegenseitigen Zusammenwirken so gesteuert, dass verhindert wird, dass die Dichte des Ionenemissionsstroms die vorgegebene adsorbierte Gasmenge (oder die adsorbierte Gasmenge, die pro Einheitsregion der Ionenemissionsregion zugeführt wird), die durch Ionisation pro Einheitsregion in der Ionenemissionsregion verbraucht wird, übersteigt. Vorzugsweise werden die Extraktionsspannung und der Gasdruck im gegenseitigen Zusammenwirken so gesteuert, dass die Stromdichte niedriger als die maximale Stromdichte beim Gasdruck im Zustand am Betriebspunkt 2000 eingestellt wird. Grundlegende Regeln bestehen darin, die Spannung erst nach Absenken des Gasdrucks zu verändern, wenn ein Übergang vom hohen Modus des Gasdrucks vorgenommen wird, und die Spannung zuerst zu verändern, wenn ein Übergang von einem niedrigen Modus des Gasdrucks durchgeführt wird.
  • Nachstehend werden diese Regeln unter Bezugnahme auf 1A erläutert. Eine Region 3000 wird als eine Region in einem Diagramm definiert, die vom Betriebspunkt 2000 vor dem Übergang, dem Betriebspunkt 2003, der als Übergangsabschluss dient, und den Extraktionsspannungswerten V1 und V2, die durch diese Betriebspunkte spezifiziert werden, umgeben ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden zumindest während einer Periode, bei der die Extraktionsspannung einen Übergang von V1 nach V2 ausführt, die Extraktionsspannung und der Gasdruck so gesteuert, dass der Betriebszustand einen Übergang ausführen kann, bei dem er sich nur innerhalb der Region 3000 bewegt. Mit anderen Worten, werden zumindest während der Periode, in der die Extraktionsspannung einen Übergang von H1 nach H2 ausführt, die Extraktionsspannung und der Gasdruck so gesteuert, dass die Stromdichte niedriger als jeder der Betriebszustände werden kann, die auf einem Liniensegment, das den Betriebspunkt 2000 mit dem Betriebspunkt 2003 verbindet, liegen. Insbesondere kann der Übergang über einen Weg erfolgen, der in 1A mit dem Pfeil 3001 gekennzeichnet ist, oder er kann über einen Weg erfolgen, der mit dem Pfeil 3002 gekennzeichnet ist. Der Weg vom Pfeil 3001 entspricht einem Zustand, bei dem der Gasdruck nach Erhöhen der Extraktionsspannung so erhöht wird, dass der Übergang vom Betriebspunkt 2003 zum Betriebspunkt 2000 erfolgt, oder einen Zustand, bei dem die Extraktionsspannung nach Senken des Gasdrucks verringert wird, so dass der Übergang vom Betriebspunkt 2003 zum Betriebspunkt 2000 erfolgt. Der Pfeil 3002 stellt einen Zustand dar, bei dem die Extraktionsspannung und der Gasdruck im Zusammenwirken miteinander gesteuert werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Weg durch diese Beispiele nicht speziell beschränkt wird.
  • Der vorerwähnte entsprechende Steuerungsvorgang macht es möglich, einen Anstieg der Dichte des Ionenemissionsstroms in der Kleinregion der Emitterelektrode 1 über das Normalniveau zu verhindern, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung des Mikrovorsprungs der Emitterelektrode 1 verringert wird. Durch Anwendung des vorerwähnten charakteristischen Steuerungsverfahrens wird es möglich, Ionen in einem hohen Strom zu extrahieren, während die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Nano-Pyramidenstruktur, die einen Mikrovorsprung und ein Einzelatom am Scheitelpunkt der Emitterelektrode 1 umfasst, verringert wird. Durch Verwendung dieser Ionenquelle in einer Ionenstrahlvorrichtung, z.B. einem Rasterionenmikroskop oder dergleichen, wird es möglich, einen Ionenstrom bei einer Reflexionsionenanalyse oder dergleichen einzustellen und infolgedessen ein Signal mit einem hohen SNR-Wert zu erhalten.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass vorstehend im Hinblick auf die Erläuterung der Großstrommodus und der Normalmodus beispielhaft vorgestellt wurden. Es können jedoch beliebige Modi herangezogen werden, sofern die beiden Zustände, in denen die Werte für den Ionenstrahlstrom sich voneinander unterscheiden, bereitgestellt werden, wobei der vorerwähnte Großstrommodus als Normalmodus und der vorerwähnte Normalmodus als Kleinstrommodus definiert werden. Obgleich vorstehend nur zwei Modi erläutert wurden, ist die Anzahl der Modi nicht auf zwei begrenzt. Es können beliebige stufenweise Modi entsprechend dem Betrag des Ionenstrahlstroms bereitgestellt werden.
  • Material für die Begrenzungsapertur
  • Nachstehend wird das Material für die Ionenquellenapertur als weiteres charakteristisches Merkmal der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht das Material für die Ionenquellenapertur 6 im Wesentlichen aus dem gleichen Material wie für die Oberfläche der Emitterelektrode 1. Insbesondere wird Ir als Material für die Ionenquellenapertur 6 verwendet. Wenn ein Ionenstrahl von hohem Strom extrahiert wird, wie es im Fall der vorliegenden Ausführungsform zutrifft, wird der Öffnungswinkel des Ionenstrahls 5 größer, so dass die Wahrscheinlichkeit eines Stoßes auf die Ionenquellenapertur 6 größer wird. Wenn Ionen auf die Ionenquellenapertur 6 gerichtet werden, kommt es zu einer Sputter-Zerstäubung, wenngleich in geringem Maß, und die Materialteilchen der Ionenquellenapertur 6, die zerstäubt worden sind, werden auch in Richtung der Emitterelektrode 1 gestreut. Auf lange Sicht bewirkt dies, dass die Scheitelpunktkonfiguration der Emitterelektrode 1 deformiert wird, mit dem Ergebnis, dass die Ionenemission möglicherweise instabil wird. Da bei der vorliegenden Ausführungsform die Ionenquellenapertur aus Ir gefertigt ist, handelt es sich bei den zerstörten Teilchen, die auf die Emitterelektrode 1 auftreffen, um Ir-Teilchen. Die Oberfläche der Emitterelektrode 1 besteht ursprünglich aus Ir. Selbst wenn daher überschüssiges Ir daran haftet, kann die Nanopyramidenstruktur, die die gleiche wie die ursprüngliche Struktur ist, durch Durchführung eines entsprechenden Glühvorgangs erneuert werden. Somit ist es möglich, eine weitere Wirkung zu erreichen, die dazu führt, dass eine Instabilität der Ionenemission, die durch ein Zerstäuben der Ionenquellenapertur hervorgerufen wird, unterdrückt werden kann.
  • Zusätzliche Feststellungen
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass in der vorstehenden Erläuterung dargelegt wird, dass der Zustand von 3C nicht angewandt werden soll, da eine hohe Aberration verursacht wird, wenn der Ionenstrahl 5 aus der Ionenquelle 100 für die Gasfeldionisation durch ein ionenoptisches System oder dergleichen, das als folgende Stufe angeschlossen ist, fokussiert wird. Da jedoch die virtuelle Quelle (virtuelle Lichtquelle) in diesem Zustand nicht notwendigerweise groß ist, kann dieser Zustand herangezogen werden, um einen weiteren hohen Strom zu erhalten, sofern der zulässige Grad des zu verwendenden ionenoptischen Systems hoch ist. Die virtuelle Quelle (virtuelle Lichtquelle) bezieht sich auf einen Bereich, der besonders eng wird, wenn eine Gruppe von Bahnen der von der Emitteroberfläche emittierten Ionen sich in die entgegengesetzte Richtung ausbreitet, wobei der Bereich kleiner als die Fläche der Emitteroberfläche ist. Normalerweise kann der kleinste Strahldurchmesser erreicht werden, wenn ein optisches System eine virtuelle Lichtquelle mit einer Linse auf eine Probe projiziert. Außerdem bezieht sich die Tatsache, dass der zulässige Grad des ionenoptischen Systems hoch ist, auf einen Zustand, bei dem aufgrund der geringen äußeren Achsenaberration, z.B. einer sphärischen Aberration oder dergleichen, selbst dann, wenn ein Ionenstrahl mit einem breiten Öffnungswinkel einfällt, die sich daraus ergebenden Einflüsse sich nicht auf den Ionenstrahldurchmesser auf einer Probe auswirken. Mit anderen Worten, dieser Fall bezieht sich auf einen Zustand, bei dem die Größen- und Farbaberration der virtuellen Lichtquelle die Hauptursachen darstellen, die den Strahldurchmesser festlegen.
  • Obgleich bei der vorstehenden Erläuterung Ne als zu ionisierendes Gas verwendet wird, können auch andere Gase verwendet werden. Jedoch wird es im Fall von Helium (He), das im Vergleich zu Ne ein höheres elektrisches Ionisationsfeld aufweist, schwierig, die in den 3B und 3C dargestellten Zustände zu erreichen, es sei denn, das System wird bei einer äußerst niedrigen Temperatur betrieben. Da dabei unabhängig vom Gasdruck eine elektrische Feldverdampfung hervorgerufen wird, kommt es zu einem Bruch des Scheitelpunkts der Emitterelektrode. Um daher die für die vorliegende Ausführungsform charakteristische Wirkung zu erreichen, wird im Fall der Verwendung eines einzelnen Gases ein Gas wie Argon (Ar), Krypton (Kr), Wasserstoff (H2) oder dergleichen, die Gase mit einem im Vergleich zu Ne niedrigeren elektrischen Ionisationsfeld darstellen, vorzugsweise verwendet. Bei Betrieb des Systems bei einer äußerst niedrigen Temperatur kann jedoch der Zustand von 3B auch bei Verwendung von Helium (He) realisiert und somit die vorliegende Erfindung verwirklicht werden.
  • Beispiel 2
  • Grundlegende Konfiguration und grundlegender Betrieb der Ionenquelle
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Ionenquelle für die Gasfeldionisation erläutert, bei der eine Mehrzahl von Arten von Mischgasen als zu ionisierende Gase verwendet wird. Insbesondere werden eine Mehrzahl von Gasarten mit verschiedenen Extraktionsspannungen, die eine Ionisation hervorrufen können, zur Bildung eines Ionisationsgases vermischt. Speziell wird ein Mischgas aus Ar und He als zu ionisierendes Gas verwendet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die gesamte Konfiguration der Ionenquelle für die Gasfeldionisation grundlegend die gleiche wie bei der ersten, in 2 dargestellten Ausführungsform ist. In der folgenden Beschreibung unterbleibt daher die Erläuterung von Teilen, die die gleichen wie bei der Ausführungsform 1 sind.
  • Ionenemissionszustand
  • 4 ist eine schematische Darstellung verschiedener Ionenemissionszustände gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 4 entspricht der Ausführungsform 1 von 3. Unter Bezugnahme auf 4 werden in der folgenden Beschreibung Fälle erläutert, bei denen der Zustand der Ionenemission am Scheitelpunkt der Emitterelektrode sich in Reaktion auf die Extraktionsspannung ändert. Bei steigender Extraktionsspannung verläuft die Abfolge in der Reihenfolge der Zustände A, B, C und D von 4. Der in 4A dargestellte Zustand stellt einen Kleinregion-Emissionszustand von Ar-Ionen dar. Der in 4B dargestellte Zustand ist ein Großregion-Emissionszustand von Ar-Ionen, wobei eine schwache Emission vom Scheitelpunkt des Emitterchips, der als Ionenemissionsregion im Zustand von 4A dient, ausgeht. Der in 4C dargestellte Zustand ist ein Großregion-Emissionszustand von Ar-Ionen, wobei jedoch keine Emission vom Scheitelpunkt des Emitterchips, der als Ionenemissionsregion im Zustand von 4A dient, ausgeht. Der in 4D dargestellte Zustand ist ein Zustand, bei dem ein Kleinregion-Emissionszustand von He-Ionen und ein Großregion-Emissionszustand von Ar-Ionen gleichzeitig gegeben sind. In diesem Zustand wird es durch Abblocken von Ar-Ionen, die von der Peripherie des Scheitels der Emitterspitze emittiert werden, mittels der Ionenquellenapertur 6 möglich, nur He-Ionen als Strahl zu extrahieren.
  • Zusammenwirken von Extraktionsspannung und Gasdruck
  • Die folgende Beschreibung erläutert ein Steuerungsverfahren, bei dem die Extraktionsspannung und der Gasdruck in der vorliegenden Ausführungsform in gegenseitigem Zusammenwirken gesteuert werden.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform werden drei Betriebszustände gespeichert. Diese werden als ein Ar-Normalmodus, ein Ar-Großstrommodus und ein He-Normalmodus bezeichnet. Als Einstellungen für die Extraktionsspannung werden drei Modi gespeichert, d.h. „normal“, „mittel“ und „hoch“. In Bezug auf die Einstellungen des Gasdrucks werden zwei Modi gespeichert, nämlich „normal“ und „hoch“. 5 zeigt eine Strom-Spannungs-Kenngrößendarstellung, die diese drei Betriebsmodi zeigt. Diese entsprechen 1 von Ausführungsform 1.
  • Der Betriebspunkt 2010 von 5 zeigt den Ar-Normalmodus. Dieser Modus entspricht einem Zustand, bei dem die Extraktionsspannung auf „normal“ und der Gasdruck auf „normal“ eingestellt sind. Der Zustand der Ionenemission ist in 4A dargestellt. Der Betriebspunkt 2011 von 5 zeigt den Ar-Großstrommodus. Dieser Modus entspricht einem Zustand, bei dem die Extraktionsspannung auf „mittel“ und der Gasdruck auf „hoch“ eingestellt sind. Dieser Zustand der Ionenemission ist in 4B dargestellt. Der Betriebspunkt 2012 von 5 zeigt den He-Normalmodus. Dieser Modus entspricht einem Zustand, bei dem die Extraktionsspannung auf „hoch“ und der Gasdruck auf „normal“ eingestellt sind. Wenn diese Betriebszustände miteinander in 5A verglichen werden, wird festgestellt, dass bei jedem der Zustände verhindert wird, dass die Dichte des Ionenstroms am Scheitelpunkt des Mikrovorsprungs, der als Ionenemissionsregion dient, zunimmt, so dass eine Schädigung des Mikrovorsprungs verhindert wird. Wenn andererseits diese Betriebszustände in 5B miteinander verglichen werden, wird festgestellt, dass nur im Fall des Betriebspunkts 2011, d.h. dem Ar-Großstrommodus, ein hoher Ionenstrom erzielt wird.
  • Die Übergänge unter den entsprechenden Modi entsprechen den Übergängen unter den entsprechenden Betriebspunkten 2010, 2011 und 2012 in 5A. Es ist darauf hinzuweisen, dass ein Übergang direkt vom Zustand von 2010 zum Zustand von 2012 erfolgen kann, ohne dass der Zustand von 2011 durchlaufen wird. In diesem Fall werden die Extraktionsspannung und der Gasdruck im Zusammenwirken miteinander so gesteuert, dass verhindert wird, dass die Dichte des Ionenemissionsstroms in der Ionenemissionsregion des Scheitelpunkts der Emitterelektrode 1 über das Normalniveau hinaus ansteigt. Speziell werden mit dem Ziel zu verhindern, dass die Dichte des Ionenemissionsstroms die vorgegebene Adsorptionsgasmenge, die durch die Ionisation pro Einheitsregion der Ionenemissionsregion verbraucht wird (oder die Adsorptionsgasmenge, die pro Einheitsregion der Ionenemissionsregion zugeführt wird) übersteigt, die Extraktionsspannung und der Gasdruck in gegenseitigem Zusammenwirken gesteuert. Vorzugsweise können die Extraktionsspannung und der Gasdruck im Zusammenwirken miteinander so gesteuert werden, dass die Dichte nicht mehr als die maximale Stromdichte beim Gasdruck im Zustand des Betriebspunkts 2010 beträgt. Nachstehend werden grundlegende Regeln erläutert: Wenn ein Übergang vom hohen Modus des Gasdrucks erfolgt, wird erst nach Verringern des Gasdrucks die Spannung verändert, und wenn ein Übergang von einem niedrigen Modus des Gasdrucks erfolgt, wird zuerst die Spannung verändert.
  • Diese Regeln werden gemäß 5A erläutert. Zunächst wird der Übergang vom Zustand 2010 zum Zustand 2011 erläutert. Eine Region 3010 ist als eine Region in einem Diagramm definiert, die durch den Betriebspunkt 2010 vor einem Übergang, den Betriebspunkt 2011, der als Übergangsende dient, und die Extraktionsspannungswerte V1 und V2, die durch diese Betriebspunkte spezifiziert werden, umgeben ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden zumindest während einer Periode, in der die Extraktionsspannung einem Übergang von V1 nach V2 unterliegt, die Extraktionsspannung und der Gasdruck so gesteuert, dass es möglich wird, dass die Betriebszustände einem Übergang unterliegen, wobei sie sich nur innerhalb der Region 3010 bewegen. Mit anderen Worten, es werden zumindest während der Periode, bei der die Extraktionsspannung einem Übergang von V1 nach V2 unterliegt, die Extraktionsspannung und der Gasdruck so gesteuert, dass die Stromdichte niedriger wird als bei den jeweiligen Betriebszuständen, die sich auf einem Liniensegment befinden, das den Betriebspunkt 2010 mit dem Betriebspunkt 2011 verbindet. Gleiches gilt für den Übergang vom Zustand 2011 zum Zustand 2010.
  • Nachstehend wird der Übergang vom Zustand 2011 zum Zustand 2012 erläutert. Eine Region 3011 ist als eine Region auf einem Diagramm definiert, die vom Betriebspunkt 2011 vor dem Übergang, dem Betriebspunkt 2012, der als Übergangsende dient, und den Extraktionsspannungswerten V2 und V3, die durch diese Betriebspunkte spezifiziert werden, umgeben ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden zumindest während einer Periode, bei der die Extraktionsspannung einem Übergang von V1 zu V2 unterliegt, die Extraktionsspannung und der Gasdruck so gesteuert, dass es dem Betriebszustand ermöglicht wird, einen Übergang auszuführen, indem er sich nur innerhalb der Region 3011 bewegt. Mit anderen Worten, zumindest während der Periode, bei der die Extraktionsspannung einem Übergang von V2 zu V3 unterliegt, werden die Extraktionsspannung und der Gasdruck so gesteuert, dass die Stromdichte niedriger als bei jedem der Betriebszustände sein kann, die sich auf einem Liniensegment befinden, das den Betriebspunkt 2011 mit dem Betriebspunkt 2012 verbindet. Dies gilt gleichermaßen für den Übergang vom Zustand 2012 zum Zustand 2011.
  • Nachstehend wird der Übergang vom Zustand 2010 zum Zustand 2012 erläutert. Auf die gleiche Weise wie beim vorstehend erwähnten Beispiel werden auch in diesem Fall zumindest während einer Periode, bei der die Extraktionsspannung einem Übergang von V1 zu V3 unterliegt, die Extraktionsspannung und der Gasdruck so gesteuert, dass der Betriebszustand einem Übergang unterliegt, wobei er sich nur innerhalb der Region bewegt, die durch den Betriebspunkt 2010 vor dem Übergang, dem Betriebspunkt 2012 des Übergangsendes und den Extraktionsspannungen V1 und V3, die durch diese Betriebspunkte festgelegt werden, umgeben ist. Mit anderen Worten, es werden zumindest während der Periode, bei der die Extraktionsspannung einem Übergang von V1 nach V3 unterliegt, die Extraktionsspannung und der Gasdruck so gesteuert, dass die Stromdichte niedriger wird als bei jedem der Betriebszustände, die sich auf einem Liniensegment befinden, das den Betriebspunkt 2010 mit dem Betriebspunkt 2012 verbindet. Es ist darauf hinzuweisen, dass im Fall des Übergangs vom Zustand 2010 zum Zustand 2012 aufgrund der vorerwähnten beiden Beispiele festgestellt wurde, dass der Übergang innerhalb der Region 3010 und der Region 3011 bewirkt, dass die Emitterelektrode kaum beschädigt wird. Daher können zumindest während der Periode, bei der die Extraktionsspannung einem Übergang von V1 nach V3 unterliegt, die Extraktionsspannung und der Gasdruck so gesteuert werden, dass es dem Betriebszustand ermöglicht wird, einen Übergang auszuführen, wobei er sich nur innerhalb der Region 3010 und der Region 3011 bewegt. Gleiches gilt für den Übergang vom Zustand 2012 zum Zustand 2010.
  • Ferner kann in Bezug auf den vorerwähnten Übergang auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 jeder Weg innerhalb der Region 3010 und der Region 3011 eingeschlagen werden. Nachdem beispielsweise einer der Parameter Extraktionsspannung und Gasdruck gesteuert worden ist, kann ein Übergang durch Steuerung des anderen Parameters vorgenommen werden, oder die Extraktionsspannung und der Gasdruck können im Zusammenwirken miteinander gesteuert werden.
  • Durch Anwendung der vorerwähnten Steuerungsverfahren wird es möglich, Ionen in einem großen Strom zu extrahieren, während die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung des Mikrovorsprungs des Scheitelpunkts der Emitterelektrode 1, d.h. einer Nanopyramiden-Konfiguration, die bei der vorliegenden Ausführungsform ein Einzelatom umfasst, unterdrückt wird. Insbesondere wird es durch Verwendung eines gemischten Gases möglich, selektiv Stromwerte einer Mehrzahl von Ionenstrahlen mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem variabel veränderten Zustand zu verwenden. Da Ar-Ionen schwer sind, wie es in der vorliegenden Ausführungsform der Fall ist, eignen sich diese Ionen für die maschinelle Bearbeitung, und wenn diese Ionenquelle für ein Ionenmikroskop verwendet wird, ist es möglich, eine maschinelle Hochgeschwindigkeitsbearbeitung vorzunehmen, indem man den Ar-Ionenstrom einstellt, und ferner ist es möglich, eine Mikroregion unter Verwendung von He-Ionen zu betrachten. Daher kann die Ionenstrahlvorrichtung betrieben werden, indem man die Betriebsarten zwischen einem maschinellen Bearbeitungsmodus und einem Betrachtungsmodus umschaltet.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass zu Erläuterungszwecken der Ar-Normalmodus, der Ar-Großstrommodus und der He-Normalmodus als Beispiele aufgeführt und erörtert werden. Es können jedoch beliebige Modi herangezogen werden, sofern eine Mehrzahl von Zuständen mit unterschiedlichen Ionenstrahl-Stromwerten bereitgestellt werden kann. Der vorerwähnte Ar-Großstrommodus kann als ein Ar-Normalmodus definiert werden, und der vorerwähnte Ar-Normalmodus und der He-Normalmodus können als ein Ar-Kleinstrommodus bzw. als ein He-Kleinstrommodus definiert werden. Obgleich in der vorstehenden Erläuterung nur die drei Modi erwähnt wurden, ist die Anzahl der Modi nicht notwendigerweise auf drei beschränkt, vielmehr können entsprechend dem Ionenstrahl-Strombetrag stufenweise Modi bereitgestellt werden.
  • Zusätzliche Gesichtspunkte
  • Ferner wurde in der vorstehenden Erläuterung festgelegt, dass der Zustand von 4C nicht herangezogen werden sollte, da eine hohe Aberration hervorgerufen wird, wenn der Ionenstrahl 5 von der Ionenquelle 100 für die Gasfeldionisation durch ein optisches System oder dergleichen, das mit der anschließenden Stufe verbunden ist, fokussiert wird. Da jedoch die virtuelle Quelle (virtuelle Lichtquelle) in diesem Zustand nicht notwendigerweise groß ist, kann dieser Zustand dazu herangezogen werden, einen weiteren starken Strom zu erzielen, sofern der zulässige Grad des zu verwendenden ionenoptischen Systems hoch ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass die virtuelle Quelle (virtuelle Lichtquelle) und der zulässige Grad des ionenoptischen Systems die gleichen Bedeutungen wie bei der Darlegung der Ausführungsform 1 besitzen.
  • Ausführungsform 3
  • Grundlegende Konfiguration und grundlegender Betrieb der Ionenquelle
  • 6 zeigt die Gesamtkonfiguration einer Ionenquelle für die Gasfeldionisation gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die grundlegende Konfiguration und der grundlegende Betrieb sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform, die in 2 dargestellt ist. Jedoch bestehen Unterschiede darin, dass der Scheitelpunkt der Emitterelektrode 1' aus einem Trimeren besteht und dass ein Ionenquellen-Steuerungssystem 90' auch das Emitter-Treiberssystem 50 steuert. Eine ausführliche Beschreibung hierfür folgt später. In der nachstehenden Beschreibung werden Erläuterungen von Teilen, die die gleichen wie bei der Ausführungsform 1 sind, weggelassen.
  • Zustand der Ionenemission
  • Als Emitterelektrode 1' wird bei der vorliegenden Ausführungsform ein Material verwendet, bei dem Wolfram (W) als Grundmaterial zu einer nadelförmigen Gestalt ausgebildet ist, wobei deren Scheitelpunkt eine vorgegebene Gestalt besitzt. In der nachstehenden Beschreibung wird kurz eine Abfolge von Verfahren zur Bildung der W-Nadel erläutert. Zunächst wird nach dem Ätzen der Peripherie des Scheitelpunkts durch Anlegen eines elektrischen Felds in Sauerstoff (O2) das zur Schärfung herangezogen wird, der Scheitelpunkt allmählich durch Elektrofeld-Verdampfung einem Abschälvorgang unterworfen, indem man ein elektrisches Feld unter Vakuum oder in einem Edelgas anlegt. Das Formgebungsverfahren wird beendet, wenn der Scheitelpunkt eine geeignete Krümmung aufweist, wobei der Scheitelpunkt aus einem Trimeren besteht. Der typische Zustand einer Ionenemission aus diesem Emitter 1' ist grundlegend der gleiche, wie bei den 3A bis 3C gezeigt ist. Der einzige Unterschied besteht darin, dass im Kleinregion-Emissionszustand von 3A die Ionenemissionsregion aus einem Einzel- und nicht aus einem Trimeren besteht. Wenn die Ionenemission aus dieser Ionenquelle in einem ionenoptischen System, das in einer nachfolgenden Stufe anzuschließen ist, verwendet wird, wird eine Anpassung der Mittelachse der Ionenemissionsregion (Trimer) zur Achse des ionenoptischen Systems nicht durchgeführt. Da die einzelnen Ionenemissionsregionen des Trimeren im Kleinregion-Emissionszustand vollkommen voneinander getrennt sind, entspricht das Zentrum des Emitters einem Bereich ohne Ionenemission. Wenn die Apertur im ionenoptischen System enger gemacht wird, gelangt kein Ionenstrahl auf eine Probe. Daher wird normalerweise die Richtung der Emitterelektrode 1' so verändert, dass die Emission von einem Atom des Trimeren auf die Achse des ionenoptischen Systems ausgerichtet wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Veränderung der Richtung durch eine Kombination von Bewegungen eines Kardanmechanismus und eines horizontalen Mikrobewegungsmechanismus, die nicht dargestellt sind, durchgeführt wird. Andererseits überlappen sich im Großregion-Emissionszustand Ionenemissionsregionen von einer Mehrzahl von Atomen miteinander. Um die Apertur des ionenoptischen Systems zu erweitern, um möglichst viel elektrischen Strom auf eine Probe zu bringen, ist es bevorzugt, dass die Mittelachse des Emitters mit der Mittelachse des ionenoptischen Systems zusammenfällt.
  • Zusammenwirken von Extraktionsspannung, Gasdruck und Richtung
  • Nachstehend wird ein Verfahren erläutert, bei dem die Steuerung der Extraktionsspannung und des Gasdrucks sowie der Richtung der Emitterelektrode im Zusammenwirken miteinander vorgenommen werden, was eines der Merkmale der vorliegenden Ausführungsform darstellt. In einem Ionenquellen-Steuerungssystem 90' werden eine normale Extraktionsspannung, die dem Kleinregion-Emissionszustand von 3A entspricht, und eine Extraktionsspannung, die dem Großregion-Emissionszustand von 3B entspricht und die höher als die Extraktionsspannung in dem in 3A dargestellten Zustand ist, im Speicher 93 gespeichert. Beispielsweise entsteht in der vorliegenden Ausführungsform im Fall eines Großregion-Emissionszustands von 3B eine Emissionsregion, die 10-fach größer als der in 3A dargestellte Zustand ist. Als Betriebszustände der Gas-Steuerungseinheit 92, die das Betriebsgleichgewicht zwischen dem Gaszufuhrsystem 3 zur Bestimmung eines Gasdrucks in der Nähe des Scheitelpunkts der Emitterelektrode 1' und dem Gasabsaugsystem 11 steuert, werden ein Zustand eines ersten Gasdrucks und ein Zustand eines zweiten Gasdrucks, der höher als der erste Gasdruck ist, im Speicher 94 gespeichert. Nachstehend wird der erste Gasdruck gelegentlich als normaler Gasdruck bezeichnet. Beispielsweise ist bei der vorliegenden Ausführungsform der zweite Gasdruck etwa 10-fach höher als der erste Gasdruck. Als Betriebszustände des Emitter-Treibersystems 50 zur Bestimmung der Richtung der Emitterelektrode 1' werden ein Zustand mit einer Neigung, die gemäß einem Atom des Apex-Trimeren der Emitterelektrode 1' festgelegt ist, und ein Zustand ohne Neigung, der gemäß der Mittelachse des Scheitelpunkts der Emitterelektrode 1' festgelegt ist, in einem Speicher 97 gespeichert. In einem Speicher 98 für den Ionenemissionszustand werden Kombinationen einer normalen Extraktionsspannung und eines normalen Gasdrucks als Normalmodus und die Richtung bei der Neigung als Normalmodus gespeichert. Außerdem werden darin Kombinationen aus einer hohen Extraktionsspannung und einem hohen Gasdruck als Großstrommodus und die Richtung bei fehlender Neigung als Großstrommodus gespeichert. Die Abfolge in Bezug auf die Übergänge zwischen den im Speicher 98 zu speichernden Ionenemissionszuständen wird im Speicher 99 gespeichert. Wenn dabei eine Spezifikation für den Ionenemissionszustand vom Anwender oder von einer weiteren Vorrichtung an das Ionenquellen-Steuerungssystem 90' ausgegeben wird, führt eine Steuerungssystem-Haupteinheit 91' einen Lesevorgang in den entsprechenden Speichern 93 bis 99 durch, so dass die entsprechenden Steuerungsvorgänge zur Steuerung der Extraktionsspannung-Anlegeeinheit 4, des Gaszufuhrsystems 3, des Gasabsaugsystems 11 und des Emitter-Treiberssystems 50 durchgeführt werden. Die Steuerungsverfahren des Gaszufuhrsystems 3 und des Gasabsaugsystems 11 werden von der Gasdruck-Steuerungseinheit 92 durchgeführt.
  • Auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform wird beim Übergang vom Normalmodus zum Großstrommodus ein Steuerungsvorgang so durchgeführt, dass nach Anheben der Extraktionsspannung der Gasdruck gesteigert wird. Im Gegensatz dazu wird beim Übergang vom Großstrommodus zum Normalmodus nach Senken des Gasdrucks die Extraktionsspannung verringert. Der Übergang zwischen dem Normalmodus und dem Großstrommodus entspricht dem Übergang zwischen den Betriebspunkten 2000 und 2003 in 1A. Dabei werden die Extraktionsspannung und der Gasdruck im gegenseitigen Zusammenwirken so gesteuert, dass verhindert wird, dass die Dichte des Ionenemissionsstroms in der Ionenemissionsregion am Scheitelpunkt der Emitterelektrode 1' über das Normalniveau ansteigt. Insbesondere wird die Dichte des Ionenemissionsstroms vorgegeben. Die Extraktionsspannung und der Gasdruck werden in gegenseitigem Zusammenwirken so gesteuert, dass verhindert wird, dass die Dichte des Ionenemissionsstroms die vorgegebene adsorbierte Gasmenge pro Einheitsregion in der Ionenemissionsregion übersteigt. Vorzugsweise werden die Extraktionsspannung und der Gasdruck im gegenseitigen Zusammenwirken so gesteuert, dass die Stromdichte so eingestellt wird, dass sie niedriger als die maximale Stromdichte beim Gasdruck im Zustand des Betriebspunktes 2000 ist. Nachstehend werden grundlegende Regeln erläutert. Wenn ein Übergang von einem hohen Modus des Gasdrucks stattfindet, wird zunächst der Gasdruck gesenkt und anschließend die Spannung verändert; wenn ein Übergang von einem niederen Modus des Gasdrucks stattfindet, wird zunächst die Spannung verändert. In Bezug auf die vorerwähnten zusammenwirkenden Betriebsweisen zwischen der Extraktionsspannung und dem Gasdruck laufen die gleichen Vorgänge wie bei der Ausführungsform 1 ab. Zusätzlich zu den Vorgängen von Ausführungsform 1 wird in der vorliegenden Ausführungsform auch die Richtung des Emitterchips im Zusammenwirken mit diesen Parametern gesteuert. Bei dieser Konfiguration lässt sich der Vorgang der Einstellung der Richtung des Emitterchips vornehmen, so dass eine Optimierung auf den Mikrostrahl im Fall des Kleinregion-Emissionszustands und auch eine Optimierung auf dem großen Stromstrahl im Fall des Großregion-Emissionszustands leicht durchgeführwerden kann, indem man lediglich die Einstellung des Modus des Betriebszustands der Ionenquelle vornimmt.
  • Durch Anwendung dieser entsprechenden Steuerungsvorgänge wird es aufgrund der Tatsache, dass die Dichte des Ionenemissionsstroms in der Kleinregion der Emitterelektrode 1' nicht über das Normalniveau ansteigen kann, möglich, die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung des Mikrovorsprungs der Emitterelektrode 1' zu verringern.
  • Außerdem wird es möglich, Ionen in einem großen Strom zu extrahieren, während die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung des Mikrovorsprungs, der das Scheitelpunkt-Trimer der Emitterelektrode 1' einschließt, verringert wird. Ferner wird im Normalmodus die Ionenemission von einem Atom des Trimeren automatisch gewählt. Durch Verwendung dieser Ionenquelle für eine Ionenstrahlvorrichtung, z.B. für ein Rasterionenmikroskop oder dergleichen, wird es möglich, einen Ionenstrom in einer Reflexionsionenanalyse oder dergleichen einzustellen und infolgedessen ein Signal mit einem hohen SNR-Wert zu erhalten.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass zu Erläuterungszwecken der Großstrommodus und der Normalmodus beispielhaft dargelegt und erörtert werden. Jedoch können beliebige Modi herangezogen werden, sofern zwei Zustände mit verschiedenen Ionenstrahl-Stromwerten bereitgestellt werden können. Der vorerwähnte Großstrommodus kann als Normalmodus definiert werden und der vorerwähnte Normalmodus kann als Kleinstrom-Modus definiert werden. Ferner umfasst die Erläuterung zwar nur die Anwendung von zwei Modi, wobei die Anzahl der Modi aber nicht notwendigerweise auf zwei begrenzt ist. Es können entsprechend dem Ionenstrahl-Strombetrag Modi mit stufenweiser Einstellung bereitgestellt werden.
  • Zusätzliche Gesichtspunkte
  • Außerdem wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Richtung der Emitterelektrode 1' so eingestellt, dass sie nicht geneigt ist. Jedoch kann sie auch in einem geneigten Zustand verwendet werden. Da in diesem Fall das Stromzentrum des Ionenstrahls 5 geneigt ist, ist es notwendig, das Auftreten einer Aberration in einem ionenoptischen System, das in der anschließenden Stufe der Ionenquelle zu installieren ist, zu berücksichtigen.
  • Ausführungsform 4
  • Grundlegende Konfiguration und grundlegender Betrieb eines Ionenmikroskops
  • 7 zeigt ein gesamtes Blockdiagramm eines Rasterionenmikroskops gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die grundlegende Konfiguration eines Rasterionenmikroskops 200 ist die gleiche wie bei einem fokussierenden Ionenstrahlapparat (FIB-Apparat) mit einer maximalen Beschleunigungsspannung von 40 kV, die für eine Gallium-Flüssigmetall-Ionenquelle (Ga-LMIS) erzeugt wird, wobei die Ionenquelle durch die Ionenquelle 100 für die Gasfeldionisation gemäß der ersten Ausführungsform ersetzt wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass in Bezug auf die Ionenquelle 100 für die Gasfeldionisation Teile, die für die Erläuterung nicht notwendig sind, in der Zeichnung weggelassen sind. In der nachstehenden Beschreibung werden Erläuterungen von Teilen, die auch in der Ausführungsform 1 vorliegen, weggelassen.
  • Im Rasterionenmikroskop 200 wird ein Ionenstrahl 5 von Ne, der aus der Ionenquelle 100 für die Gasfeldionisation emittiert worden ist, so gestaltet, dass er auf ein ionenoptisches System 300 auftrifft. Der Ionenstrahl 5, der durch dieses ionenoptische System 300 beschleunigt, fokussiert und abgelenkt worden ist, wird auf die Probe 8, die auf einer Probenstation 101 montiert ist, gerichtet. Sekundärelektronen 7, die aus der Probe 8 durch die Bestrahlung mit dem Ionenstrahl 5 erzeugt worden sind, werden durch einen Sekundärelektronendetektor 104 erfasst. Außerdem kann ein Rückstreu-Ionendetektor (wenngleich in der Zeichnung nicht dargestellt) zum Erfassen von rückgestreuten Ionen installiert sein. Teilchen, die den Zustand der Probe wiedergeben und die durch Bestrahlung mit dem Ionenstrahl erhalten werden, wie Sekundärelektronen, rückgestreute Ionen oder dergleichen, werden zusammen als Sekundärteilchen bezeichnet. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Passagebereich des Ionenstrahls 5 grundlegend evakuiert ist.
  • Beim ionenoptischen System 300 werden Teile, die sich auf die Beschleunigung, Fokussierung und Achseneinstellung beziehen, und die Begrenzung des Öffnungswinkels des Ionenstrahls 5 durch eine Linsensystem-Treibereinheit 105 gesteuert. Außerdem werden beim ionenoptischen System 300 Teile, die sich auf die Ablenkung und Abtastung des Ionenstrahls 5 auf der Probe beziehen, durch die Ablenksystem-Treibereinheit 106 gesteuert. Die Bildverarbeitungseinheit 110 erzeugt ein Sekundärelektronen-Betrachtungsbild durch Erstellen eines Intensitätssignals von Sekundärelektronen 7 aus dem Sekundärelektronendetektor 104 und ein Abtastsignal der Ablenksystem-Treibereinheit 106, die in entsprechender Weise miteinander verbunden sind.
  • Ein Mikroskopsteuerungssystem 120 steuert das gesamte Rasterionenmikroskop 200, einschließlich des Ionenquellen-Steuerungssystems 90, der Linsensystem-Treibereinheit 105, der Ablenksystem-Treibereinheit 106 und der Bildverarbeitungseinheit 110 und steuert auch eine Eingabe/Ausgabe von einer anderen Vorrichtung oder vom Benutzer. Beispielsweise liest das Mikroskopsteuerungssystem 120 ein Sekundärelektronen-Betrachtungsbild aus der Bildverarbeitungseinheit 110 aus und stellt das erhaltene Bild auf einem Bildschirm (nicht abgebildet) dar. Das Mikroskopsteuerungssystem 120 steuert die Ablenkssystem-Treibereinheit 106, um den Ionenstrahl 5 auf eine Position am Bildschirm, die vom Benutzer angegeben wird, zu richten.
  • Zusammenwirken zwischen dem Ionenquellenbetriebsmodus und den optischen Bedingungen
  • Im Mikroskopsteuerungssystem 120 werden eine Mehrzahl von Ionenemissionszuständen, die an das Ionenquellen-Steuerungssystem 90 auszugeben sind, in einem Speicher 122 gespeichert. Eine Mehrzahl von Fokussierungszuständen, die der Linsensteuereinheit mitzuteilen sind, sind im Speicher 123 gespeichert. Strahlzustände, die durch Kombinationen zwischen dem Ionenemissionszustand und den Fokussierungszuständen repräsentiert werden, sind im Speicher 124 gespeichert. Die Abfolge in Bezug auf Übergänge zwischen den im Speicher 124 gespeicherten Strahlzuständen ist im Speicher 125 gespeichert. Wenn dabei eine Angabe in Bezug auf den Strahlzustand an das Mikroskopsteuerungssystem 120 vom Benutzer oder einer anderen Vorrichtung ausgegeben wird, führt die Mikroskopsteuerungssystem-Haupteinheit 121 einen Lesevorgang in den entsprechenden Speichern 122 bis 125 durch, um in geeigneter Weise das Ionenquellen-Steuerungssystem 90 und die Linsensystem-Treibereinheit 105 zu steuern.
  • Wenn beispielsweise eine Probe 8 mit hoher Auflösung betrachtet wird, wird die Ionenquelle bei einem normalen Gasdruck im Kleinregion-Emissionszustand betrieben und im ionenoptischen System wird der Öffnungswinkel des Ionenstrahls 5 durch die minimale Apertur begrenzt. Wenn ferner von der Probe 8 rückgestreute Ionen mit hohem SNR-Wert (durch einen nicht abgebildeten Detektor für rückgestreute Ionen) erfasst werden, wird aufgrund der Tatsache, dass der Strom des Ionenstrahls 5 verstärkt werden muss, die Ionenquelle in den Großregion-Emissionszustand umgeschaltet und mit einem erhöhten Gasdruck betrieben und ferner wird im ionenoptischen System die maximale Apertur eingestellt, so dass die Begrenzung des Öffnungswinkels des Ionenstrahls 5 verringert wird. Wenn die Ionenquelle auf den Großregion-Emissionszustand eingestellt wird, müssen aufgrund der Tatsache, dass die Extraktionsspannung verändert wird, wobei auch die Position der virtuellen Quelle (virtuellen Lichtquelle) verändert wird, die Betriebsbedingungen des Linsensystems innerhalb des ionenoptischen Systems 300 ebenfalls geändert werden. Außerdem wird angenommen, dass je nach den Erfordernissen einer Analyse die Beschleunigungsspannung gleichzeitig zu senken ist, wobei in diesem Fall die Anpassungsbedingungen der ionenoptischen Achse im Zusammenwirken damit geändert werden müssen. Ferner wird angenommen, dass je nach den Erfordernissen einer Analyse die Stromdichteverteilung des Ionenstrahls 5 auf der Probe 8 einheitlich zu gestalten ist, wobei in diesem Fall der Fokussierungszustand nicht auf einen normalen Fokussierungszustand einzustellen ist, bei dem die virtuelle Quelle der Ionenquelle auf die Probe 8 projiziert wird, sondern auf einen Fokussierungszustand, bei dem eines der Bilder der Begrenzungsaperturen im ionenoptischen System 300 auf die Probe 8 projiziert wird. Insgesamt ist das Mikroskopsteuerungssystem 120 der vorliegenden Ausführungsform so konstruiert, dass entsprechend dem Betriebszustand der Ionenquelle, der durch den Gasdruck und durch die Extraktionsspannung festgelegt wird, der Betriebszustand des ionenoptischen Systems umgeschaltet wird. Mit anderen Worten, der Betriebszustand des ionenoptischen Systems wird so gesteuert, dass der Ionenstrahlstrom auf der Probe im Zusammenwirken mit dem Umschalten des Betriebszustands der Ionenquelle auf ein Maximum eingestellt wird.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, den Strom des Ionenstrahls 5, den Strahldurchmesser und dergleichen je nach den Erfordernissen der Betrachtung mit hoher Auflösung, der Analyse mit hohem SNR-Wert und dergleichen zu verändern, ohne dass eine Schädigung des Mikrovorsprungs des Scheitelpunkts der Emitterelektrode 1 hervorgerufen wird. Obgleich die Betriebsbedingungen des ionenoptischen Systems Parameter umfassen, die miteinander in einem komplizierten Zusammenhang stehen, wird es möglich, zwischen diesen Betriebszuständen umzuschalten, wobei sie weiterhin in geeigneter Weise miteinander zusammenwirken. Infolgedessen kann die Funktionsfähigkeit beim Umschalten der Betriebszustände der Ionenquelle verbessert werden.
  • Zusätzliche Gesichtspunkte
  • Beim Rasterionenmikroskop der vorliegenden Ausführungsform ist das Mikroskopsteuerungssystem 120 so konstruiert, dass es die Steuerung der Ionenquelle und die Steuerung des ionenoptischen Systems im Zusammenwirken miteinander steuert. Die Funktionen des Mikroskopsteuerungssystems 120 können ferner so erweitert werden, dass Veränderungen an den Einstellungen des Sekundärelektronendetektors und anderer Detektoren (die nicht abgebildet sind) und andere Funktionen im Zusammenwirken miteinander gesteuert werden.
  • Außerdem wird beim Rasterionenmikroskop gemäß der vorliegenden Ausführungsform Ne als zu ionisierendes Gas verwendet. Wenn jedoch ein schweres Gas, wie Kr oder dergleichen, verwendet wird, lässt sich ein Ionenstrahl erzeugen, der für eine maschinelle Bearbeitung geeignet ist. Da bei der vorliegenden Ausführungsform in freier Weise gegebenenfalls der Strom, der Strahldurchmesser oder ähnliche Parameter des Ionenstrahls verändert werden können, ist es möglich, eine Betrachtungsvorrichtung mit maschineller Bearbeitung an Stelle einer maschinellen Bearbeitungsvorrichtung unter Verwendung einer Flüssigmetall-Ionenquelle, z.B. Ga-FIB oder dergleichen, zu verwenden.
  • Zusätzliche Gesichtspunkte in Bezug auf sämtliche Ausführungsformen
  • Bei der vorstehend beschriebenen Ionenquelle für die Gasfeldionisation wird eine derartige Emitterelektrode, bei der der Ionenemissionszustand einen Übergang von A nach C von 3 oder 4 über B entsprechend dem Anstieg der Extraktionsspannung ausführt, herangezogen. Außerdem werden vorwiegend die Zustände von A und B verwendet. Im Fall einer Emitterelektrode mit einer steilen Gestalt an der Außenseite der Ionenemissionsregion (Einzelatom oder Trimer) am Scheitelpunkt liegt in einigen Fällen kein Zustand B vor. Wie vorstehend ausgeführt, wird der Zustand C nicht notwendigerweise vollständig verwendet, wobei die Emitterelektrode im Zustand B vorzugsweise eingesetzt wird. Der Grund hierfür ist, dass ein Teil mit einer geringeren Aberration im ionenoptischen System vorwiegend verwendet werden kann, so dass die Fokussierungseigenschaften in hohem Maße aufrechterhalten werden können, selbst wenn ein Ionenstrahl mit einem großen Strom verwendet wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1'
    Emitterelektrode
    2
    Extraktionselektrode
    3
    Gaszufuhrsystem
    4
    Extraktionsspannung-Anlegeeinheit
    5
    Ionenstrahl
    6
    Ionenquellenapertur
    7
    Sekundärelektron
    8
    Probe
    10
    Vakuumbehälter
    11
    Gasabsaugsystem
    90, 90'
    Ionenquellen-Steuerungssystem
    91, 91'
    Steuerungssystem-Hauptkörpereinheit
    92
    Gasdruck-Steuerungseinheit
    100, 100'
    Ionenquelle für die Gasfeldionisation
    101
    Probenstation
    102
    Linsensystem
    103
    Ablenksystem
    104
    Sekundärelektronendetektor
    105
    Linsensystem-Treibereinheit
    106
    Ablenksystem-Treibereinheit
    110
    Bildverarbeitungseinheit
    120
    Mikroskopsteuerungssystem
    121
    Mikroskopsteuerungssystem-Hauptkörpereinheit
    200
    Rasterionenmikroskop
    300
    Ionenoptik

Claims (6)

  1. Ionenstrahlvorrichtung, umfassend: eine Ionenquelle (100, 100') für die Gasfeldionisation zur Erzeugung eines Ionenstrahls (5); eine Probenstation (101) zum Halten einer Probe (8); ein Linsensystem (102), das den von der Ionenquelle (100, 100') für die Gasfeldionisation emittierten Ionenstrahl (5) so fokussiert, dass der Ionenstrahl auf die Probe (8) gerichtet ist; ein Ablenksystem (103), das die Ionen so ablenkt, dass die Bestrahlungsposition des Ionenstrahls (5) auf der Probe (8) veränderbar ist; einen Sekundärteilchendetektor (104) zur Erfassung von Sekundärteilchen, die von der Probe (8) emittiert werden; eine Bildverarbeitungseinheit (110) zur Erzeugung eines Betrachtungsbildes der Probe (8) durch Verwendung der Erfassungsergebnisse des Sekundärteilchendetektors (104); und eine Steuerungseinheit (120) zur Steuerung des Linsensystems und des Ablenksystems, um die Bestrahlungsposition des Ionenstrahls (5) einzustellen, wobei die Ionenquelle (100, 100') für die Gasfeldionisation folgendes umfasst: eine Emitterelektrode (1, 1') mit einem nadelförmigen Scheitelpunkt, der mit einem Mikrovorsprung versehen ist, wobei am Scheitelpunkt des Mikrovorsprungs ein Einzelatom oder ein Trimer vorliegt; eine Extraktionselektrode (2) mit einer Öffnung an einer Position, die sich in Scheitelpunktrichtung im Abstand von der Emitterelektrode (1, 1') befindet; eine Gaszufuhreinheit (3) zum Zuführen von Gas in die Nähe des Scheitelpunkts der Emitterelektrode (1, 1'); eine Gasdrucksteuerungseinheit (92) zur Steuerung des Drucks des Gases; und eine Extraktionsspannung-Anlegeeinheit (4) zur Erzeugung eines elektrischen Felds zur Ionisierung des Gases in der Nähe des Scheitelpunkts der Emitterelektrode (1, 1') durch Anlegen einer Extraktionsspannung zwischen der Emitterelektrode (1, 1') und der Extraktionselektrode (2); gekennzeichnet durch eine Ionenquellen-Steuerungseinheit (90, 90'), die eine solche Steuerung vornimmt, dass ein Ionenstrahl (5) in mindestens zwei Betriebszuständen emittiert wird, die einen ersten Betriebszustand (2000, 2010) umfassen, bei dem beim Anlegen einer ersten Extraktionsspannung (VI) und Einstellen des Gasdrucks auf einen ersten Gasdruck Ionen aus einer ersten Ionenemissionsregion am Scheitelpunkt der Emitterelektrode (1, 1') emittiert werden, sowie einen zweiten Betriebszustand (2003, 2011), bei dem beim Anlegen einer zweiten Extraktionsspannung (V2), die höher als die erste Extraktionsspannung (V1) ist, und beim Einstellen des Gasdrucks auf einen zweiten Gasdruck, der höher als der erste Gasdruck ist, Ionen aus einer zweiten Ionenemissionsregion, die größer als die erste Ionenemissionsregion ist, emittiert werden, wobei der Ionenstrahl (5) so gesteuert wird, dass der Ionenstrahlstrom auf der Probe (8) im zweiten Betriebszustand (2003, 2011) größer als der Ionenstrahlstrom auf der Probe (8) im ersten Betriebszustand (2000, 2010) ist.
  2. Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei beim Umschalten vom ersten Betriebszustand (2000, 2010) zum zweiten Betriebszustand (2003, 2011) nach Erhöhen der Extraktionsspannung der Gasdruck erhöht wird.
  3. Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei beim Umschalten vom zweiten Betriebszustand (2003, 2011) zum ersten Betriebszustand (2000, 2010) nach Senken des Gasdrucks die Extraktionsspannung gesenkt wird.
  4. Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Mikrovorsprung am Scheitelpunkt der Emitterelektrode (1, 1') in der Ionenstrahlvorrichtung regeneriert werden kann und eine Apertur (6) zur Begrenzung eines Teils von Ionen, die aus der Emitterelektrode (1, 1') emittiert werden, installiert ist, wobei die Apertur (6) aus einem Material besteht, das das gleiche ist, wie das Material für die Oberfläche der Emitterelektrode (1, 1').
  5. Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich beim Gas um ein Mischgas handelt, das vorwiegend aus zwei oder mehr Arten von Gasen zusammengesetzt ist, und ein Steuerungsvorgang durchgeführt wird, um den Ionenstrahl (5) in einem dritten Betriebszustand (2012) zu emittieren, bei dem eine dritte Extraktionsspannung (V3) angelegt wird, die höher als die zweite Extraktionsspannung (V2) ist, wobei der Gasdruck auf einen dritten Gasdruck eingestellt wird, der geringer als der zweite Gasdruck ist.
  6. Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Emitter-Treibereinheit (50) zur Veränderung der Richtung der Emitterelektrode (1'), wobei beim Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand (2000, 2010) und dem zweiten Betriebszustand (2003, 2011) die Ionenquellen-Steuerungseinheit (90') einen solchen Steuerungsvorgang durchführt, dass die Richtung der Emitterelektrode (1') verändert wird.
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