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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenbearbeitungsvorrichtung und insbesondere eine Ionenbearbeitungsvorrichtung mit einem Kühlmechanismus.
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Stand der Technik
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Typische Beispiele für Methoden zum Herstellen von Proben für REMs umfassen das Gefrierbrechen, die Mikrotomie und das mechanische Polieren. Diese Methoden sind für relativ kleine und feste Proben gut geeignet. Beim Gefrierbrechen ist es jedoch schwierig, die gewünschte Betrachtungsfläche zu erhalten, und es ist auch schwierig, einen glatten Schnitt zu erhalten. Bei der Mikrotomie wird der Probenschnitt mit einem Messer ausgeführt, wobei es schwierig ist, bei einer relativ weichen Probe wegen der auftretenden Spannungen einen glatten Schnitt zu erhalten, weshalb dieses Verfahren nur von Personen mit viel Erfahrung ausgeführt werden kann.
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Beim mechanischen Polieren wird ein Probenabschnitt in der Regel in Kunstharz eingebettet und mit Wasser oder einem Schmiermittel poliert. Bei einer relativ kleinen und weichen Probe ist es schwierig, die Probe in das Kunstharz einzubetten und zu polieren, und es ist schwierig, das mechanische Polieren an einer Probe auszuführen, die nicht mit Wasser in Berührung kommen sollte.
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In der letzten Zeit wurden Verfahren zum spannungsfreien Herstellen eines Probenschnitts mit einem Ionenstrahl allgemein üblich. Zum Herstellen eines Probenschnitts durch Bestrahlen einer Probe mit einem Ionenstrahl wurden Ionenbearbeitungsvorrichtungen und Ionenbearbeitungsverfahren vorgeschlagen, bei denen auf der Oberseite der Probe in einer evakuierten Probenkammer eine Abschirmung aus einem Material mit einer geringen Absputterneigung angeordnet wird, ein Teil von etwa 50 bis 200 μm der Probe an der Endfläche der Abschirmung freiliegt und die Probe an der Oberseite (der Seite der Abschirmung) mit einem Ionenstrahl bestrahlt wird, wobei das physikalische Absputterphänomen dazu verwendet wird, um Atome von der Probenoberfläche abzusputtern und um längs der Endfläche der Abschirmung eine bearbeitete Oberfläche zu erhalten, ohne daß Spannungen auftreten.
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Bei einer Probe für ein Elektronenrastermikroskop werden für die Bedingungen der Ionenbearbeitung oft eine Beschleunigungsspannung von etwa 10 kV oder weniger und ein Ionenstrahlstrom von etwa 200 μA oder weniger verwendet. Dabei entsteht an der Probe bei der Einstrahlung des Ionenstrahls eine Wärmemenge von etwa 2 J/s oder weniger. Da jedoch der Bereich der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl die Hälfte der Breite der bearbeiteten Probenfläche von etwa 300 μm betragen kann und die Bearbeitungszeit mehrere Stunden übersteigen kann, ist der Temperaturanstieg bei der Ionenbearbeitung einer Probe mit einem niedrigen Schmelzpunkt, etwa einem Polymermaterial, nicht vernachlässigbar.
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Um den Temperaturanstieg zu begrenzen, wird nach der Patent-Druckschrift 1 mit der Abschirmung zum Kühlen der Abschirmung ein Flechtdraht verbunden. Die Patent-Druckschrift 2 beschreibt ein Herstellungsverfahren für einen Probenabschnitt, bei dem zwischen der Abschirmung und der Probe eine Strahlungsplatte angeordnet wird, so daß die bei der Einstrahlung des Ionenstrahls erzeugte Wärme auf den Probenhalter übertragen wird.
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Liste der zitierten Druckschriften
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Patent-Druckschriften
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- Patent-Druckschrift 1: JP 2009-145050 A
- Patent-Druckschrift 2: JP 2007-248368 A
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Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
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Technisches Problem
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Der durch die Vorgehensweisen nach den Patent-Druckschriften 1 und 2 hervorgerufene Wärmeübertragungseffekt hängt vom Temperaturunterschied an der Kontaktstelle zwischen dem Kühlmechanismus und der Probe, der Oberflächenrauhigkeit der Kontaktfläche und der thermischen Leitfähigkeit der Probenhalterung ab. Bei einer Probe, die sich unter Wärmeeinwirkung verformt oder gegen Erwärmung empfindlich ist, ist die Wärmeübertragung bei dem Verfahren mit der Strahlungsplatte gering und der Wärmeübertragungseffekt klein. Bei einer Unterkühlung kann sich die Probe verformen oder brechen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ionenbearbeitungsvorrichtung zum Emittieren eines Ionenstrahls auf eine Probe zum Bearbeiten der Probe zu schaffen, die in der Lage ist, die Temperatur der Probe unabhängig von Verformungen und dergleichen der mit dem Ionenstrahl bestrahlten Probe sehr genau zu steuern.
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Im folgenden wird eine solche Ionenbearbeitungsvorrichtung beschrieben, bei der die Probenbearbeitung mit einem Ionenstrahl in der richtigen Temperaturumgebung erfolgen kann.
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Lösung des Problems
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Bei einer Ausführungsform zur Lösung der obigen Aufgabe umfaßt eine Ionenbearbeitungsvorrichtung mit einem Probentisch zur Aufnahme der mit einem Ionenstrahl zu bestrahlenden Probe zumindest eines der folgenden Elemente: Ein Abschirmungshalteelement zum Halten einer Abschirmung zum Abschirmen der Probe gegen den Ionenstrahl, während ein Teil der Probe dem Ionenstrahl ausgesetzt ist; einen Verschiebemechanismus zum Verschieben der Oberfläche des Probentisches, die mit der Probe in Kontakt ist, entsprechend einer Verformung der Probe während der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl, wobei der Verschiebemechanismus einen Temperatursteuermechanismus zum Steuern der Temperatur des Abschirmungshalteelements und/oder des Probentisches umfaßt; und/oder ein Probenhalteelement zwischen der Abschirmung und der Probe, wobei sich das Probenhalteelement entsprechend der Verformung der Probe bei der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl verformt.
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Bei einer anderen Ausführungsform zur Lösung der obigen Aufgabe umfaßt eine Ionenbearbeitungsvorrichtung mit einem Probentisch zur Aufnahme der mit einem Ionenstrahl zu bestrahlenden Probe ein Thermometer an der Oberfläche des Probentisches, die mit der Probe in Kontakt steht, und/oder ein Thermometer an der Oberfläche der Abschirmung, die mit der Probe in Kontakt steht, wobei die Abschirmung die Probe gegen den Ionenstrahl abschirmt, während ein Teil der Probe dem Ionenstrahl ausgesetzt ist; und einen Temperatursteuermechanismus zum Steuern der Temperatur des Probentisches und/oder der Abschirmung, wobei mit dem Temperatursteuermechanismus die Temperatur des Probentisches und/oder der Abschirmung entsprechend dem Ergebnis der Temperaturmessung mit dem Thermometer eingestellt wird.
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Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
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Mit den oben angegebenen Merkmalen kann die Probenbearbeitung mit einem Ionenstrahl in der passenden Temperaturumgebung erfolgen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer Ionenbearbeitungsvorrichtung mit einem Mechanismus zum Erhöhen der Adhäsion zwischen einer Abschirmung und einer Probe und mit einem Kühlmechanismus zum Abkühlen der Abschirmung.
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2 ist eine Darstellung einer anderen Ausführungsform eines Probentisches mit einem Mechanismus zum Erhöhen der Adhäsion zwischen der Abschirmung und der Probe.
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3 ist eine Darstellung der Position und der Art der Anbringung des Probenhalters bei einer Ausführungsform.
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4 zeigt Beispiele von Probenhaltern mit Mikroporen.
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5 ist eine Darstellung eines Beispiels, bei dem zwischen der Abschirmung und der Probe ein Element mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit angeordnet ist.
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6 ist eine Darstellung eines Beispiels, bei dem die zu bearbeitende Probe mit einem Element mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit abgedeckt ist.
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7 ist eine Darstellung eines Beispiels, bei dem eine pulvrige Probe mit einer Paste befestigt und bearbeitet wird.
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8 ist eine Darstellung einer Ionenbearbeitungsvorrichtung mit einer Temperatursteuerung.
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9 stellt ein Steuersystem für eine Ionenbearbeitungsvorrichtung mit einer Temperatursteuerung dar.
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10 ist ein Flußdiagramm für einen Temperatursteuerprozeß.
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11 ist eine Darstellung einer Ionenbearbeitungsvorrichtung mit einer Temperatursteuerung.
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12 ist eine Darstellung der Position und der Art der Anbringung des Probenhalters bei einer Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die im folgenden beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf eine Ionenbearbeitungsvorrichtung und ein Probenkühlverfahren, mit der bzw. mit dem der Temperaturanstieg der Probe bei der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl zuverlässig dadurch begrenzt werden kann, daß eine Abschirmung und dergleichen, die mit einen Teil des Ionenstrahl bestrahlt wird und die mit einer Hauptfläche der Probe in Kontakt steht, gekühlt wird. Wenn eine Probe mit einem niedrigen Schmelzpunkt, etwa ein Polymermaterial, mit der Ionenbearbeitungsvorrichtung bearbeitet wird, ist es wünschenswert, den Einfluß der Wärme auf die Probe bei der Einstrahlung des Ionenstrahls und den Einfluß des Schrumpfens der Probe bei einer Unterkühlung der Probe in Betracht zu ziehen. Wenn die Probe schrumpft, wird der Kontakt zwischen der Abschirmung, die ein Temperaturübertragungsmedium für den Kühlmechanismus darstellt, und der Probe schlechter, wodurch die Kühlwirkung abnimmt.
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Die im folgenden beschriebenen Ausführungsformen umfassen eine Ionenbearbeitungsvorrichtung mit einem Abschirmungskühlmechanismus, bei dem flüssiger Stickstoff und dergleichen dazu verwendet wird, den durch den Ionenstrahl verursachten Anstieg der Temperatur der Probe zu begrenzen und damit eine thermische Beschädigung der Probe zu verhindern.
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Die im folgenden beschriebenen Ausführungsformen umfassen bei der Verwendung der Ionenbearbeitungsvorrichtung eine Probenvorbehandlung zum Einbringen eines Materials mit einer guten thermischen Leitfähigkeit (etwa ein Metall, eine ionische Flüssigkeit oder eine Paste) zwischen die Abschirmung und die Abschirmung, damit die Wärme an der bearbeiteten Fläche der Probe wirkungsvoll zu der Abschirmung abgeleitet wird und ein Erweichen der Probe aufgrund einer thermischen Schädigung und dergleichen verhindert wird.
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Zweitens umfassen die Ausführungsformen das Vorsehen einer Probe und eines Probentischhaltemechanismusses, wobei am Probentisch der Ionenbearbeitungsvorrichtung ein elastisches Element wie eine Feder dazu verwendet wird, die Probe mit der Abschirmung in Kontakt zu bringen, damit die Probe und die Abschirmung ausreichend miteinander in Kontakt stehen und die Probe auch dann gekühlt werden kann, wenn die Probe beim Abkühlen schrumpft. Die Ausführungsformen umfassen auch einen Halter für die Abschirmung, der elastisch ist und der es ermöglicht, daß die Probe und die Abschirmung auch dann ausreichend miteinander in Kontakt stehen, wenn die Probe beim Abkühlen schrumpft, und einen Probenhalter, der zwischen der Probe und der Abschirmung angeordnet ist, der Mikroporen aufweist, die eine ionische Flüssigkeit enthalten, und der in der Lage ist, die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen, so daß der Probenhalter die durch den Ionenstrahl in der Probe entstehende Wärme wirkungsvoll auf die Abschirmung ableiten kann.
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Die Ausführungsformen umfassen des weiteren eine Ionenbearbeitungsvorrichtung mit Heizvorrichtungen zum Aufheizen der Abschirmung und der Probe und Steuerungen für die Heizvorrichtungen sowie einen Temperatursensor für die Abschirmung sowie eine Steuerung für den Temperatursensor, so daß die zu bearbeitende Oberfläche der Probe bei einer Temperatur bearbeitet wird, die auf einem festgelegten Wert gehalten wird.
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Bei diesen Ausgestaltungen kann während der Bearbeitung und beim Kühlen der Probe ein ausreichender Kontakt zwischen der Probe und der Abschirmung auf der Kühlseite erhalten werden, und die durch den Ionenstrahl in der Probe entstehende Wärme wird wirkungsvoll zur Abschirmung abgeführt, wodurch thermische Schäden an der Probe durch den Ionenstrahl vermieden werden.
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Im folgenden werden bestimmte Ausgestaltungen der Ionenbearbeitungsvorrichtung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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Die 1 ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer Ionenbearbeitungsvorrichtung. Bei der Ionenbearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist an einer Abschirmungshalterung 2 eine Abschirmung 1 mit einer Abschirmungs-Befestigungsschraube 3 befestigt. Eine an einem Probentisch 4 angebrachte Probe 5 ist zusammen mit dem Probentisch 4 an einer Probentischhalterung 6 befestigt. Die Oberseite der Probe 5 steht mit der Unterseite der Abschirmung 1 mit einem Probenhalter 7 dazwischen in engem Kontakt. Die Abschirmung 1 dient dazu, die Probe 5 gegen den Ionenstrahl 16 abzuschirmen, während ein Teil der Probe 5 mit dem Ionenstrahl 16 bestrahlt wird.
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Die Abschirmung 1 steht mit einer Abschirmungskühlplatte 8 in Kontakt, und über einen Flechtdraht 10 kühlt flüssiger Stickstoff 9 die Abschirmung 1, den Probenhalter 7 und die Probe 5. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Kühlmechanismus (ein Temperatursteuermechanismus) vorgesehen, der den Probentisch 4 und/oder die Abschirmungshalterung 2 (das Abschirmungshalteelement) kühlt. Der Probenhalter 7 (das Probenhalteelement) ist elastisch, und die Adhäsion zwischen der Oberseite der Probe 5 und der Unterseite der Abschirmung 1 bleibt durch den Probenhalter 7 auch dann erhalten, wenn die Probe 5 beim Abkühlen ihr Volumen ändert. Auch wenn die Probe 5 beim Abkühlen eine Schrumpfverformung erleidet oder sich bei der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl 16 ausdehnt, folgt die Oberfläche des Probenhalters 7, die mit der Probe 5 in Kontakt steht, der Verformung, so daß eine hohe Adhäsion erhalten bleibt.
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Der Probenhalter 7 weist Mikroporen auf, die ein Material 20 mit einer guten thermischen Leitfähigkeit, etwa eine ionische Flüssigkeit, enthalten. Deren Oberflächenspannung erhöht die Adhäsion zwischen der Oberseite der Probe 5 und der Unterseite der Abschirmung 1. In der Abschirmungshalterung 2 ist eine Abschirmungshalterungsnut 11 ausgebildet, die eine elastische Funktion aufweist. Wenn die am Probentisch 4 befestigte Probe 5 nach oben gedrückt und mit der Abschirmung 1 in Kontakt gebracht wird, erhöht die Elastizität der Abschirmungshalterungsnut 11 die Adhäsion zwischen der Abschirmung 1 und der Probe 5. Die Nut 11 dient zur Verformung der Abschirmungshalterung 2 mit einer Positionsverschiebung der Abschirmung 1, wobei die Verformung derart erfolgt, daß der Stützpunkt dafür am Boden der Nut 11 oder in der Umgebung davon liegt.
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Der Probentisch 4 weist einen Schlitz 12 auf, in dem eine Befestigungsschraube 14 mit einer Feder 13 angeordnet ist. Im Probentisch 4 ist eine Probentischnut 15 ausgebildet, und die Befestigungsschraube 14 verläuft durch die Probentischnut 15. Beim Anziehen der Befestigungsschraube 14 hebt sich der Probentisch 4 in der Richtung des Pfeiles in der 1, wodurch die Adhäsion zwischen der Abschirmung 1 und der Probe 5 verbessert wird. Durch das Verbessern der Adhäsion zwischen der Abschirmung 1 und der Probe 5 auf diese Weise kann die Wärme der Probe 5, die sich aufgrund des Ionenstrahls 16 auf der Kühlseite der Abschirmung 1 angesammelt hat, auch dann wirkungsvoll abgegeben werden, wenn sich das Volumen der Probe 5 beim Abkühlen verändert. Die Feder 13 wirkt derart, daß die Oberfläche des Probentisches 4, die mit der Probe in Kontakt steht, einer Verformung der Probe folgt (auf die Probe drückt), so daß unabhängig von einer Verformung der Probe 5 zwischen dem Probentisch 4 und der Probe 5 eine hohe Adhäsion erhalten bleibt.
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Die 2 zeigt ein anderes Beispiel für den Probentisch 4 der 1. Der Probentisch 4 steht mit dem Probenhalter 7 dazwischen mit der Abschirmung 1 in Kontakt. Zwischen dem Probentisch 4 zum Befestigen der Probe 5 und der Probe 5 ist eine Probentischdruckplatte 17 angeordnet. Der Schlitz 12 ist in der Unterseite des Probentisches 4 ausgebildet und die Befestigungsschraube 14 mit der Feder 13 darin angeordnet. Beim Anziehen der Befestigungsschraube 14 wird aufgrund der Elastizität der Feder 13 die Probentischdruckplatte 17 zur Abschirmung 1 hin angehoben, wodurch die Adhäsion zwischen der Oberseite der Probe 5 und der Unterseite der Abschirmung 1 mit dem Probenhalter 7 dazwischen verbessert wird. Durch die Verbesserung der Adhäsion zwischen der Abschirmung 1 und der Probe 5 auf diese Weise kann die durch den Ionenstrahl 16 erzeugte Wärme in der Probe 5, die sich auf der Kühlseite der Abschirmung 1 ansammelt, auch dann wirkungsvoll abgeführt werden, wenn sich das Volumen der Probe 5 beim Abkühlen verändert.
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Die 3 ist eine Detailansicht der Abschirmung 1 bei der Verwendung des Probenhalters 7 der 1 oder 2. Der Probenhalter 7 ist zwischen der Probe 5 und der Abschirmung 1 angeordnet. Um die Bearbeitungszeit für die Probe 5 zu verkürzen und eine Wiederabscheidung (bei der von der Oberfläche der Probe 5 durch den Ionenstrahl 16 abgesputterte Teilchen sich wieder auf der bearbeiteten Oberfläche der Probe 5 ablagern) und Probleme wie eine Karbonisierung der ionischen Flüssigkeit im Probenhalter 7 durch die Wärme des Ionenstrahls 16 zu vermeiden, wird der Probenhalter 7 bündig mit dem Endabschnitt 18 der Abschirmung 1 ausgerichtet.
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Nahe dem Endabschnitt 18 der Abschirmung 1 ist eine Abschirmungsnut 19 ausgebildet, und die im Probenhalter 7 ausgebildeten Mikroporen und die ionische Flüssigkeit in den Mikroporen treten in die Abschirmungsnut 19 ein, wenn die Abschirmung 1 und der Probenhalter 7 in Kontakt gebracht werden. Im Ergebnis werden durch die Oberflächenspannung der ionischen Flüssigkeit die Abschirmung 1 und der Probenhalter 7 derart aneinander befestigt, daß der Probenhalter 7 nicht über den Endabschnitt 18 der Abschirmung 1 zu der Vorderseite vorsteht, die bearbeitet wird.
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Alternativ kann die Abschirmungsnut 19 der 3 über den ganzen Endabschnitt einer Maske ausgebildet werden, wie es in der 12 gezeigt ist, statt nur in der Nähe des Endabschnitts 18 der Abschirmung 1 ausgebildet zu werden. Durch die Ausbildung der Abschirmungsnut über den ganzen Endabschnitt der Maske (mit dem Ausbilden von Nuten an den Seiten einer quadratischen Maske) wird die Adhäsion zwischen der Abschirmung 1 und dem Probenhalter 7 weiter erhöht, und es kann verhindert werden, daß die ionische Flüssigkeit, mit der der Probenhalter 7 gefüllt ist, zur bearbeiteten Oberfläche der Probe oder den umgebenden Komponenten vordringt.
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Die 4 zeigt beispielhaft die Mikroporen im Probenhalter 7. Es kann ein Material (ein poröses Element) mit Mikroporen in der Art eines Mikrogitternetzes verwendet werden, wie es bei der Betrachtung mit einem Transmissionselektronenmikroskop Verwendung findet. Durch das Füllen der Mikroporen mit einer ionischen Flüssigkeit, die im Vakuum nicht verdampft, kann die Adhäsion zwischen der Abschirmung 1, die als Medium zum Übertragen der Temperatur vom Kühlmechanismus dient, und der Probe 5 hoch gehalten werden.
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Die in der 4 gezeigten Mikrogitternetze werden an der Oberfläche einem Ätzen, etwa einem Plasmaätzen, unterworfen, so daß die Benetzbarkeit der Netzoberfläche verbessert wird, und es wird eine ionische Flüssigkeit mit einer niedrigen Oberflächenspannung verwendet, so daß die ionische Flüssigkeit leicht in die kleinen Gitterzwischenräume eindringt, weshalb erwartet werden kann, daß dadurch die Adhäsion zwischen der Abschirmung 1 und dem Probenhalter 7 weiter verbessert wird.
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Die 5 zeigt ein Beispiel, bei dem die Probe 5 und ein Material 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit in Kontakt mit der Probe 5 an der Oberseite des Probentisches 4 angeordnet sind. Durch das Material 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit zwischen der Probe 5 und der Abschirmung 1 wird die Wärme von der Probe 5, deren Temperatur durch den Ionenstrahl 16 angestiegen ist, an die Abschirmung 1 abgegeben. Das Material 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit zwischen der Probe 5 und der Abschirmung 1 ist vorzugsweise ein metallisches Material (ein Metallblech, eine Metallfolie oder metallisches Pulver zum Beispiel), eine ionische Flüssigkeit, die im Vakuum im flüssigen Zustand bleibt, oder ein pastöses Material wie Kohlenstoffpaste oder Silberpaste. Durch das Material 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit zwischen der Probe 5 und der Abschirmung 1 wird auch die Wirksamkeit des Festhaltens der Probe 5 oder des Schutzes der Probe 5 erhöht. Wenn die Oberseite der Probe 5, die mit der Abschirmung 1 in direkten Kontakt kommt, eine unregelmäßige Oberfläche ist, wird eine ionische Flüssigkeit, Kohlenstoffpaste oder Silberpaste auf die Oberseite der Probe 5 gegeben, um die Unregelmäßigkeiten an der Oberseite zu kompensieren und die Adhäsion an der Abschirmung 1 zu erhöhen, wodurch auch Verarbeitungsdefekte verringert werden können, etwa durch die Bearbeitung entstandene Streifen. Wenn eine ionische Flüssigkeit verwendet wird, kann dadurch eine gute bearbeitete Oberfläche erhalten werden, daß die ionische Flüssigkeit nur an dem Abschnitt angewendet wird, der von der Abschirmung 1 abgeschirmt wird, so daß keine ionische Flüssigkeit in dem Bereich vorhanden ist, der direkt mit dem Ionenstrahl 16 bestrahlt wird, wodurch eine Karbonisierung der ionischen Flüssigkeit durch die Wärme des Ionenstrahls 16 verhindert wird.
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Die 6 zeigt ein Beispiel für die Ionenbearbeitung einer Probe 5, die mit einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit abgedeckt ist. Im folgenden wird ein Proben-Vorbehandlungsverfahren für eine Probe mit schlechter thermischer Leitfähigkeit oder eine Probe mit einer relativ großen Dicke beschrieben.
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Die gesamte Probe 5 ist mit Ausnahme der zu bearbeitenden Fläche mit dem Material 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit bedeckt, und die Probe 5 ist mit Klebstoff oder einer Paste aus Befestigungsmaterial an einem relativ stabilen Element wie einer Platte 21 befestigt und wird so gehalten. Das Material 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit, das die gesamte Probe 5 bedeckt, ist wie bei der 5 vorzugsweise ein metallisches Material (ein Metallblech, eine Metallfolie oder metallisches Pulver zum Beispiel), eine ionische Flüssigkeit, die im Vakuum im flüssigen Zustand bleibt, oder ein pastöses Material wie Kohlenstoffpaste oder Silberpaste. Es ist daher zu erwarten, daß die Wärme von der gesamten Probe 5 wirkungsvoll zur Abschirmung 1 abgegeben wird.
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Die 7 zeigt ein Beispiel, bei dem eine kleine Probe der Ionenbearbeitung unterworfen wird. Bei diesem Beispiel ist die kleine Probe eine pulvrige Probe 22. Die pulvrige Probe 22 wird mit einem Kunstharz oder einem Pastenmaterial 23 vermischt und mit dem Material 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit bedeckt, und die Probe 5 wird mit Klebstoff oder einer Paste aus Befestigungsmaterial an einem relativ stabilen Element wie der Platte 21 befestigt und so gehalten. Das Material 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit, das die gesamte Probe 5 bedeckt, ist vorzugsweise ein metallisches Material (ein Metallblech oder eine Metallfolie zum Beispiel). Es ist daher zu erwarten, daß die Wärme von der gesamten Probe 5 wirkungsvoll zur Abschirmung 1 abgegeben wird. Durch das Bedecken der ganzen Probe 5 ist auch zu erwarten, daß die Probe 5 gut befestigt ist oder gut festgehalten wird.
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Zweite Ausführungsform
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Die 8 ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer Ionenbearbeitungsvorrichtung mit einer Abschirmung 1 und einem Probentischkühlmechanismus zum Steuern der Probentemperatur. Die Ionenbearbeitungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform umfaßt eine Ionenquelle 24, eine Probenkammer 25, eine Vakuumpumpe 26 und eine Probenbühne 27.
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Die Ionenbearbeitungsvorrichtung ist eine Proben-Vorbehandlungsvorrichtung zum Erzeugen von Ionen an der Ionenquelle 24 und zum Aussenden eines Ionenstrahls 16 zu einer Probe 5 von der Ionenquelle 24, um Atome von der Probenoberfläche abzusputtern und um damit die Probe 5 zu glätten, ohne daß Spannungen erzeugt werden. Die Ionenbearbeitungsvorrichtung wird hauptsächlich als Vorrichtung zum Vorbehandeln einer Probe verwendet, die mit einem Elektronenmikroskop betrachtet werden soll.
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Die in der 8 gezeigte Ionenbearbeitungsvorrichtung ist zusätzlich zu dem Probentisch 4 und der Probe 5 an der Probenbühne 27 mit einer Abschirmungskühlplatte 8 an der Abschirmung 1 versehen, die an der Oberseite der Probe 5 angeordnet ist. Die Abschirmungskühlplatte 8 und ein Dewar 28 für flüssigen Stickstoff sind durch einen Flechtdraht 29 (einen Elektroden-Gitterdraht oder einem Geflecht in Drahtform zum Beispiel) verbunden, und die Abschirmung 1 wird über den Flechtdraht 29 direkt durch den flüssigen Stickstoff 9 im Dewar 28 gekühlt.
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Die Abschirmungskühlplatte 8 ist über einen Flechtdraht 31 auch mit einer Heizvorrichtung 30 verbunden. Die Heizvorrichtung 30 ist über eine Leitung 33 mit einer Steuerung 32 verbunden. Die Heizvorrichtung 30 kann über den Flechtdraht 31 die Abschirmung 1 aufheizen. Die Abschirmung 1 ist mit einem Temperatursensor 34 (einem Thermometer) versehen, der über eine Leitung 35 mit der Steuerung 32 verbunden ist.
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Das vom Temperatursensor 34 erfaßte Signal (die Temperaturinformation über die Abschirmung) wird über die Leitung 35 zur Steuerung 32 geführt. An einem Bedienfeld 36 kann der Benutzer vorab die Temperatur am Bearbeitungsabschnitt der Probe festlegen (vom Benutzer festgelegte Temperatur (= gewünschte Temperatur an der Bearbeitungsfläche der Probe)). Diese Einstellinformation wird über eine Leitung 37, eine Hauptsteuerung 38 und eine Leitung 39 zu der Steuerung 32 geführt. Die Steuerung 32 vergleicht die vom Temperatursensor 34 gemessene Temperatur (gemessene Temperatur + Kalibrierwert (Einzelheiten darüber werden anhand der 9 erläutert)) mit der vom Benutzer eingestellten Temperatur und stellt fest, ob die Heizvorrichtung angesteuert werden soll oder nicht. Wenn die Heizvorrichtung angesteuert werden soll, wird über die Leitung 33 ein Signal für die entsprechende Anweisung an die Heizvorrichtung 30 gesendet.
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Bei der in der 8 gezeigten Ionenbearbeitungsvorrichtung ist neben dem Mechanismus zum direkten Kühlen der Abschirmung 1 auch noch der Probentisch 4 zum Anbringen der Probe 5 mit einer Funktion versehen, die der des Kühlmechanismus der Abschirmung 1 entspricht. An der Unterseite des Probentisches 4 ist eine Probentischkühlplatte 40 angeordnet, die mit dem Probentisch 4 in direktem Kontakt steht. Die Probentischkühlplatte 40 und der Dewar 28 für flüssigen Stickstoff sind über einen Flechtdraht 41 verbunden. Der Probentisch 4 wird ähnlich wie bei der Kühlung der Abschirmung 1 über den Flechtdraht 41 von dem flüssigen Stickstoff 9 im Dewar 28 gekühlt.
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Die Probentischkühlplatte 40 ist über einen Flechtdraht 43 mit einer Heizvorrichtung 42 verbunden. Die Heizvorrichtung 42 ist über eine Leitung 44 mit einer Steuerung 43 verbunden. Die Heizvorrichtung 42 kann über den Flechtdraht 43 den Probentisch 4 aufheizen. Der Probentisch 4 ist mit einem Temperatursensor 46 versehen, der über eine Leitung 47 mit der Steuerung 43 verbunden ist.
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Das vom Temperatursensor 45 erfaßte Signal (die Temperaturinformation über den Probentisch) wird über die Leitung 47 zur Steuerung 43 geführt. Ähnlich wie bei der Temperatursteuerung für die Abschirmung werden vom Benutzer festgelegte Temperaturinformationen, die vom Benutzer am Bedienfeld 36 eingegeben wurden, über die Leitung 37, die Hauptsteuerung 38 und die Leitung 44 zur Steuerung 43 geführt. Die Steuerung 43 vergleicht die vom Temperatursensor 46 gemessene Temperatur (gemessene Temperatur + Kalibrierwert (Einzelheiten darüber werden anhand der 9 erläutert)) mit der vom Benutzer eingestellten Temperatur und stellt fest, ob die Heizvorrichtung angesteuert werden soll oder nicht. Wenn die Heizvorrichtung angesteuert werden soll, wird über eine Leitung 45 ein Signal für die entsprechende Anweisung an die Heizvorrichtung 42 gesendet.
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Die in der 8 gezeigte Ionenbearbeitungsvorrichtung umfaßt einen Thermometer an der mit der Probe in Kontakt stehenden Oberfläche des Probentisches und/oder an der mit der Probe in Kontakt stehenden Oberfläche der Abschirmung. Die Abschirmung schirmt die Probe gegen den Ionenstrahl ab, wobei ein Teil der Probe dem Ionenstrahl ausgesetzt wird, und der Temperatursteuermechanismus (die Steuerung) für die Temperatur des Probentisches und/oder die Temperatur der Abschirmung steuert die Temperatur des Probentisches bzw. der Abschirmung entsprechend dem Ergebnis der Temperaturmessung mit dem Thermometer. Im folgenden werden anhand der 9 und 10 Beispiele für die vom Temperatursteuermechanismus (der Steuerung 32, der Steuerung 43) ausgeführte Temperatursteuerung genauer beschrieben.
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Der Dewar 28 für flüssigen Stickstoff ist mit einem Flüssigkeitspegelsensor 48 versehen. Wenn der Pegel des flüssigen Stickstoffs 9 im Dewar 28 unter einen vorgegebenen Wert fällt, sendet der Flüssigkeitspegelsensor 48 ein Signal, das diesen Zustand anzeigt, über eine Leitung 49 zu der Hauptsteuerung 38. Die Hauptsteuerung 38 schaltet dann über eine Leitung 50 eine LED 51 ein, wodurch der Benutzer weiß, wann er wieder flüssigen Stickstoff nachfüllen muß.
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Da die Abschirmung 1 und der Probentisch 4 direkt durch den flüssigen Stickstoff 9 gekühlt werden, wird die Zeitspanne zum Abkühlen der Probe 5 kürzer als wenn nur die Abschirmung 1 oder der Probentisch 4 gekühlt werden. Da die Abschirmung 1 und der Probentisch 4 jeweils mit einem eigenen Temperatursteuermechanismus versehen sind und außerdem jeweils einen Mechanismus zum getrennten Aufheizen der Abschirmung 1 und des Probentisches 4 aufweisen, kann die Temperatursteuerung wirkungsvoller und in kürzerer Zeit erfolgen als in dem Fall, daß die Temperatursteuerung der Probe 5 mit einem Aufheizen der Abschirmung 1 oder des Probentisches 4 erfolgt, insbesondere nach dem Ende der Probenbearbeitung bis zur Rückkehr der Probentemperatur auf den Normalwert.
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Die 9 ist eine schematische Darstellung von Einzelheiten der Temperatursteuerung der 8 und der Gesamtsteuerung der peripheren Mechanismen. Wie in der Detailansicht der Umgebung eines Temperatursensors gezeigt, kann der Temperatursensor 34, wenn er vom Ionenstrahl 16 abgesputtert wird, keine korrekten Temperaturinformationen ausgeben, und auch dann nicht, wenn eine Wiederabscheidung, eine streifige Bearbeitung und dergleichen auftreten, so daß es schwierig ist, den Temperatursensor 34 direkt im Bearbeitungsbereich der Probe 5 anzuordnen, der im Mittelpunkt des Ionenstrahls 16 liegt.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform ist deshalb der Temperatursensor 34 über der Probe 5 an der Unterseite der Abschirmung 1 an einer Stelle angebracht, die vom Mittelpunkt des Ionenstrahls 16 zur Abschirmung 1 hin verschoben ist. Es ergibt sich dabei eine Differenz zwischen der Temperatur (der gemessenen Temperatur), die an der Position des Temperatursensors 34 erfaßt wird, und der Temperatur an der bearbeiteten Fläche der Probe. Diese Temperaturdifferenz variiert in Abhängigkeit von den Bedingungen für die Probenbearbeitung, etwa dem Material der Probe 5 und dem Ionenstrahl 16 (wie der Beschleunigungsspannung und dem Ionenstrahlstrom), der auf die Probe 5 emittiert wird. Die Temperaturdifferenz für den Fall der Bearbeitung unter bestimmten Bedingungen wird daher als Kalibrierwert in der Steuerung gespeichert und zu der Temperatur (gemessenen Temperatur) hinzuaddiert, die vom Temperatursensor 1 34 erfaßt wurde, um die Temperatur an der bearbeiteten Stelle der Probe zu erhalten.
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Gleichermaßen ist der Temperatursensor 46 unter der Probe 5 an der Oberseite des Probentisches 4 an einer Stelle angeordnet, die vom Mittelpunkt des Ionenstrahls 16 zum Probentisch 4 hin verschoben ist, um einen nachteiligen Einfluß des Ionenstrahls 16 auf den Betrieb des Temperatursensors 46 zu vermeiden. Es ergibt sich dabei eine Differenz zwischen der Temperatur (der gemessenen Temperatur), die an der Position des Temperatursensors 46 erfaßt wird, und der Temperatur an der bearbeiteten Stelle der Probe. Es wird daher wie beim Temperatursensor 34 vorab ein Kalibrierwert festgelegt.
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Da der Kalibrierwert in Abhängigkeit von der Art der Probe und den Bearbeitungsbedingungen (Beschleunigungsspannung, Ionenstrahlstrom usw.) variiert, werden die Kalibrierwerte für die einzelnen Kombinationen aus der Art der Probe und der Bearbeitungsbedingungen vorab in einem nicht gezeigten Speichermedium gespeichert. Auf der Basis einer Auswahl der Art der Probe und der Bearbeitungsbedingungen kann dann ein Kalibrierwert ausgelesen werden. Das Ausgangssignal des Thermometers ist dann der Wert, der durch Addieren des Kalibrierwerts zum Meßwert erhalten wird. Alternativ kann in einem Speichermedium eine arithmetische Operation mit den Bearbeitungsbedingungen und dergleichen als Parameter gespeichert werden und auf der Basis einer Auswahl der Bearbeitungsbedingungen (Auswahl der Parameter) ein Kalibrierwert berechnet werden. Das Ausgangssignal des Thermometers ist dann der Wert, der durch Addieren des Kalibrierwerts zum Meßwert erhalten wird.
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Die Steuerung 32 und die Steuerung 43 vergleicht dem Meßwert + den Kalibrierwert, wobei der Meßwert vom Temperatursensor 34 oder vom Temperatursensor 2 46 gemessen wird, mit der festgelegten Temperatur (der vom Benutzer festgelegten Temperatur), die vom Benutzer vorab am Bedienfeld 36 eingegeben wurde, und stellt fest, ob die Heizvorrichtung ein- oder ausgeschaltet werden soll. (Einzelheiten der Feststellung der Steuerung zum Ein/Ausschalten der Heizvorrichtung werden anhand der 10 erläutert.) Wenn die Heizvorrichtung eingeschaltet wird, wird die Probe 5 von der Heizvorrichtung gesteuert aufgeheizt. Wenn die Heizvorrichtung abgeschaltet ist, wird die Probe 5 mit dem flüssigen Stickstoff 9 gekühlt. Die Kühlung der Probe 5 durch den flüssigen Stickstoff 9 ist immer an, gleichgültig ob die Heizvorrichtung eingeschaltet oder ausgeschaltet ist. Wenn der Dewar 28 für den flüssigen Stickstoff mit dem Flüssigkeitspegelsensor 48 versehen ist und der flüssige Stickstoff im Dewar 28 unter einen vorgegebenen Pegel sinkt, sendet der Flüssigkeitspegelsensor 48 ein Signal an die Steuerung, die ihrerseits ein Signal zum Einschalten der LED 51 ausgibt, so daß der Benutzer eine Nachricht erhält, daß flüssiger Stickstoff 9 nachzufüllen ist.
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Die 10 zeigt in der Form eines Flußdiagramms Details der Heizvorrichtungssteuerung, die von der Hauptsteuerung und den Steuerungen 1 und 2 der 9 ausgeführt wird. Die Temperatursensoren messen die Temperaturen der Abschirmung 1 und des Probentisches 4 und addieren zu den gemessenen Temperaturen (den Temperaturen der Abschirmung und des Probentisches) die Kalibrierwerte. Die gemessenen Temperaturen + die Kalibrierwerte werden mit den vom Benutzer am Bedienfeld eingestellten Temperaturen verglichen. Wenn die ”gemessene Temperatur + Kalibrierwert = vom Benutzer eingestellte Temperatur” ist, wird die Heizvorrichtung eingeschaltet, um die Temperatur der Heizung konstant zu halten, und die Temperatur der Abschirmung 1 und des Probentisches 4 wird zusammen mit der Kühlung durch den flüssigen Stickstoff gesteuert. Wenn die ”gemessene Temperatur + Kalibrierwert < vom Benutzer eingestellte Temperatur” ist, wird die Heizvorrichtung mit einer auf eine hohe Temperatur gestellten Heiztemperatur eingeschaltet, und die Temperatur der Abschirmung 1 und des Probentisches 4 wird zusammen mit der Kühlung durch den flüssigen Stickstoff gesteuert. Wenn die ”gemessene Temperatur + Kalibrierwert > vom Benutzer eingestellte Temperaturv ist, wird die Heizvorrichtung abgeschaltet und die Temperatur der Abschirmung 1 und des Probentisches 4 durch die Kühlung mit dem flüssigen Stickstoff gesteuert. Die Steuerung mit dem Flußdiagramm der 10 wird wiederholt, um das ”gemessene Temperatur + Kalibrierwert = vom Benutzer eingestellte Temperatur” zu erhalten.
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Die 11 ist eine Darstellung eines Beispiels für eine Ionenbearbeitungsvorrichtung mit einem Temperatursteuermechanismus. Die in der 11 gezeigte Ionenbearbeitungsvorrichtung umfaßt eine Abschirmungskühlplatte 8 an der Oberseite der Abschirmung 1, eine Einrichtung zum Kühlen der Probe 5 mit flüssigem Stickstoff 9 über einen Flechtdraht 29, eine Einrichtung zum Kühlen der Probe 5 mit flüssigen Stickstoff 9 über eine Probentischkühlplatte 40 an der Unterseite des Probentisches 4 und einen Flechtdraht 41, eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur der Probe 5 mit einer Heizvorrichtung 30 über die Abschirmungskühlplatte 8 und einen Flechtdraht 31 und eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur der Probe 5 mit einer Heizvorrichtung 42 über die Probentischkühlplatte 40 und einen Flechtdraht 43.
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Bei dem in der 11 gezeigten Beispiel ist an der Oberseite und der Unterseite der Probe jeweils ein Material 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit derart angeordnet, daß es mit der Abschirmung 1 bzw. dem Probentisch 4 in direktem Kontakt steht. Durch das Anbringen der Materialien 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit an der Probe wird das Kühlen der Probe 5 mit dem flüssigen Stickstoff 9 und die Temperatursteuerung der Probe 5 mit den Heizvorrichtungen verbessert. Die Materialien 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit können wie in der 4 elastische Probenhalter 7 mit Mikroporen sein, und die Mikroporen der Probenhalter 7 können mit den Materialien 20 mit hoher thermischer Leitfähigkeit, etwa einer ionischen Flüssigkeit, gefüllt sein. Durch das Füllen der Mikroporen mit ionischer Flüssigkeit kann die Adhäsion zwischen der Probe 5 und der Abschirmung 1 und die Adhäsion zwischen der Probe 5 und dem Probentisch 4 verbessert werden, wodurch die Kühlwirkung und die Wirksamkeit der Temperatursteuerung erhöht werden. Die Ionenbearbeitungsvorrichtung und die Proben-Vorbehandlungsverfahren der 6 und 7 können kombiniert werden, wodurch die Kühlwirkung und die Wirksamkeit der Temperatursteuerung an der Oberseite und der Unterseite der Probe 5 verbessert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Abschirmungshalterung
- 3
- Abschirmungs-Befestigungsschraube
- 4
- Probentisch
- 5
- Probe
- 6
- Probentischhalterung
- 7
- Probenhalter
- 8
- Abschirmungskühlplatte
- 9
- flüssiger Stickstoff
- 10
- Flechtdraht
- 11
- Abschirmungshalterungsnut
- 12
- Schlitz
- 13
- Feder
- 14
- Befestigungsschraube
- 15
- Probentischnut
- 16
- Ionenstrahl
- 17
- Probentischdruckplatte
- 18
- Endabschnitt der Abschirmung
- 19
- Abschirmungsnut
- 20
- Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit
- 21
- Platte
- 22
- pulvrige Probe
- 23
- Kunstharz oder Pastenmaterial
- 24
- Ionenquelle
- 25
- Probenkammer
- 26
- Vakuumpumpe
- 27
- Probenbühne
- 28
- Dewar für flüssigen Stickstoff
- 29
- Flechtdraht 1
- 30
- Heizvorrichtung 1
- 31
- Flechtdraht 2
- 32
- Steuerung 1
- 33
- Leitung 5
- 34
- Temperatursensor 1
- 35
- Leitung 1
- 36
- Bedienfeld
- 37
- Leitung 7
- 38
- Hauptsteuerung
- 39
- Leitung 3
- 40
- Probentischkühlplatte
- 41
- Flechtdraht 4
- 42
- Heizvorrichtung 2
- 43
- Flechtdraht 3
- 44
- Leitung 4
- 45
- Leitung 6
- 46
- Temperatursensor 2
- 47
- Leitung 2
- 48
- Flüssigkeitspegelsensor
- 49
- Leitung 9
- 50
- Leitung 8
- 51
- LED
- 52
- Bearbeitungsabschnitt
