DE112014003782T5

DE112014003782T5 - lonenstrahlvorrichtung und Emitterspitzenausformverfahren

Info

Publication number: DE112014003782T5
Application number: DE112014003782.6T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Muto; Hiroyasu Shichi; Shinichi Matsubara; Yoshimi Kawanami
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2016-05-25
Also published as: JP6166376B2; US9761407B2; JPWO2015053301A1; US20160225575A1; WO2015053301A1

Abstract

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ionenstrahlvorrichtung zu schaffen, mit der am vorderen Ende der Emitterspitze stabil eine Nanopyramide mit einem Atom an der Spitze ausgebildet werden kann, auch wenn für die Betrachtung einer Probe mit einem großen Rauschabstand die Kühltemperatur herabgesetzt wird. Bei der vorliegenden Erfindung hält die Ionenstrahlvorrichtung, bei der ein an einer elektrischen Feldionisierungsgasionenquelle erzeugter Ionenstrahl auf die Probe eingestrahlt wird, um die Probe zu betrachten oder zu bearbeiten, die Temperatur der Emitterspitze auf einer zweiten Temperatur, die höher ist als eine erste Temperatur zum Erzeugen des Ionenstrahls und niedriger als die Raumtemperatur, und stellt die Extraktionsspannung auf eine zweite Spannung ein, die höher ist die erste Spannung zum Erzeugen des Ionenstrahls, um eine Feldverdampfung von Atomen am vorderen Ende der Emitterspitze zu bewirken und um am vorderen Ende der Emitterspitze eine Nanopyramide mit einem Atom an der Spitze auszubilden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenstrahlvorrichtung und ein Emitterspitzenausformverfahren. Zum Beispiel betrifft die Erfindung eine Ionenstrahlvorrichtung, etwa ein Ionenmikroskop, und eine Ionenstrahl-Bearbeitungs- und Betrachtungsvorrichtung, eine aus einer Ionenstrahl-Bearbeitungs- und Betrachtungsvorrichtung und einem Ionenmikroskop zusammengesetzte Vorrichtung, oder eine aus einem Ionenmikroskop und einem Elektronenmikroskop zusammengesetzte Vorrichtung. Die Erfindung betrifft auch eine Analyse- und Untersuchungsvorrichtung mit einem Ionenmikroskop und einem Elektronenmikroskop. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausformen der Emitterspitze in diesen Ionenstrahlvorrichtungen.
Stand der Technik
Die Oberflächenstruktur einer Probe kann dadurch betrachtet werden, daß ein Elektronenstrahl über die Probe geführt wird und die dabei von der Probe emittierten sekundären Ladungsteilchen erfaßt werden. Die Vorrichtung dafür wird Rasterelektronenmikroskop genannt (im folgenden zu ”REM” abgekürzt). Die Oberflächenstruktur einer Probe kann auch dadurch betrachtet werden, daß ein Ionenstrahl über die Probe geführt wird und die dabei von der Probe emittierten sekundären Ladungsteilchen erfaßt werden. Die Vorrichtung dafür wird Rasterionenmikroskop genannt (im folgenden zu ”RIM” abgekürzt). Wenn dabei die Probe mit einer Ionenart mit geringer Masse bestrahlt wird, etwa mit Wasserstoff- oder Helium-Ionen, ist die Zerstäubungswirkung relativ gering. Diese Ionenarten werden daher zur Betrachtung der Probe bevorzugt.
Bevorzugt wird als Ionenquelle für das Ionenmikroskop eine Gasfeldionisationsionenquelle verwendet. Bei einer Gasfeldionisationsionenquelle wird zum Erzeugen des Ionenstrahls ein Gas durch das elektrische Feld an einer Emitterspitze ionisiert. Die Ionenquelle umfaßt eine Gasionisationskammer mit einer nadelförmigen Emitterspitze, an die eine hohe Spannung angelegt werden kann, während der Gasionisationskammer an einer Gaszuführung von einer Gasquelle ein Ionisationsgas zugeführt wird. Wenn das an der Gaszuführung zugeführte Ionisationsgas (oder ein Gasmolekül) in die Nähe der Spitze des nadelförmigen Emitters kommt, an die eine hohe Spannung angelegt wird, so daß ein hohes elektrisches Feld entsteht, tunnelt ein Elektron vom Gas (Gasmolekül) durch die vom elektrischen Feld herabgesetzte Potentialbarriere, so daß das Gas in ein positives Ion umgewandelt und emittiert wird. Auf diese Weise entsteht der Ionenstrahl. Die Gasfeldionisationsionenquelle kann einen Ionenstrahl mit einer schmalen Energiebreite erzeugen. Da außerdem die Ionenerzeugungsquelle klein ist, kann ein feiner Ionenstrahl erzeugt werden.
Um eine Probe mit einem großen Rauschabstand mit einem Ionenmikroskop zu betrachten, ist es erforderlich, einen Ionenstrahl mit einer hohen Stromdichte an der Probe zu erhalten. Dazu ist es erforderlich, die Stromdichte der Feldionisationsionenquelle im Ionenabstrahlwinkel zu erhöhen. Zum Erhöhen der Stromdichte im Ionenabstrahlwinkel kann die molekulare Dichte des Ionisationsgases (Ionenmaterialgases) in der Nähe der Emitterspitze erhöht werden. Die molekulare Dichte eines Gases pro Druckeinheit ist umgekehrt proportional zur Temperatur des Gases. Die Temperatur des Gases um die Emitterspitze kann durch Kühlen der Emitterspitze auf extrem niedrige Temperaturwerte herabgesetzt werden. Auf diese Weise kann die molekulare Dichte des Ionisationsgases in der Umgebung der Emitterspitze erhöht werden. Es ist auch möglich, die molekulare Dichte des Ionisationsgases in der Umgebung der Emitterspitze durch Erhöhen des Drucks des Ionisationsgases in der Umgebung der Emitterspitze zu erhöhen. Zum Beispiel beträgt der Druck des Ionisationsgases in der Nähe der Emitterspitze etwa 10^–2 bis 10 Pa.
In der PTL 1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem an der Spitze eines Wolfram-Emitters Platin aufgedampft wird und dann durch Aufheizen auf eine hohe Temperatur die Platinatome an das vordere Ende der Emitterspitze befördert werden, wodurch im Nanometerbereich eine Pyramidenstruktur (die ”Nanopyramide” genannt wird) aus Platinatomen ausgebildet wird. Es wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Nanopyramide durch eine Feldverdampfung der Emitterspitze im Vakuum ausgebildet wird, sowie ein Verfahren, bei dem die Nanopyramide durch eine Bestrahlung mit einem Ionenstrahl ausgebildet wird.
Liste der zitierten Druckschriften
Patent-Druckschriften

PTL 1: WO 2009/147894

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
Technisches Problem
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung führten intensive Studien zur Ausbildung einer Nanopyramide an einer Emitterspitze durch, mit den folgenden Ergebnissen.
Die PTL 1 beschreibt ein Beispiel, bei dem auf eine Wolframspitze eine Platinbeschichtung aufgebracht wird und durch Aufheizen auf eine hohe Temperatur Platinatome dazu gebracht werden, zum vorderen Ende der Emitterspitze zu wandern. Dadurch entsteht eine Nanopyramide mit einem Atom an der Spitze, einer Lage aus 3 oder 6 Atomen darunter und einer Lage von 10 oder mehr Atomen wiederum darunter. Bei diesem Verfahren zum Ausbilden einer Nanopyramide befindet sich an der Emitterspitze jedoch nicht immer nur ein Atom. Die Emitterspitze kann am vorderen Ende ein oder mehrere, das heißt eine Mehrzahl von Atomen umfassen. Wenn sich am vorderen Ende der Emitterspitze eine Mehrzahl von Atomen befindet, wird ein Teil dieser Atome an der Spitze durch eine Feldverdampfung entfernt, so daß nur ein Atom an der Spitze verbleibt. Im Ergebnis wird am vorderen Ende der Emitterspitze eine Nanopyramide mit einem Atom an der Spitze ausgebildet.
Um eine Probe mit einem hohen Rauschabstand zu betrachten, kann die Kühltemperatur herabgesetzt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß, wenn die Kühltemperatur herabgesetzt wird, beim Wegblasen eines Teils der Atome vom vorderen Ende der Emitterspitze durch die Feldverdampfung die folgenden Probleme auftreten.
Ein Problem liegt darin, daß, wenn die Kühltemperatur niedrig ist, es schwieriger wird, nur einen Teil der Atome an der Spitze durch die Feldverdampfung zu entfernen. Bei niedriger Kühltemperatur ist zum Entfernen der Atome an der Spitze durch die Feldverdampfung eine größere Energie erforderlich. Wenn die Kühltemperatur herabgesetzt wird und die Bindungsfestigkeit der Atome an der Spitze zu groß ist, verdampfen die Atome an der Spitze, die entfernt werden sollen, nicht und verbleiben. Wenn eine höhere Energie als üblich angelegt wird, verdampfen dann alle Atome plötzlich, und das Atom, das an der Spitze verbleiben sollte, ist auch weg.
Ein anderes Problem ist, daß wegen der bei niedrigerer Kühltemperatur erforderlichen höheren Energie zum Entfernen der Atome an der Spitze durch die Feldverdampfung eine elektrische Entladung zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode auftritt, bevor die Atome an der Spitze verdampfen, und die Emitterspitze selbst verschwindet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ionenstrahlvorrichtung zu schaffen, mit der stabil eine Nanopyramide mit einem Atom an der Spitze an der Emitterspitze ausgebildet werden kann, auch wenn für die Betrachtung einer Probe mit einem großen Rauschabstand die Kühltemperatur herabgesetzt wird.
Lösung des Problems
Die Erfindung betrifft eine Ionenstrahlvorrichtung zum Bestrahlen einer Probe mit einem Ionenstrahl, der an einer Gasfeldionisationsionenquelle erzeugt wird, bei der zum Ausbilden einer Nanopyramide an der Emitterspitze mit einem Atom an der Spitze die Atome am vorderen Ende der Emitterspitze dadurch im Feld verdampft werden, daß die Extraktionsspannung auf eine zweite Spannung eingestellt wird, die größer ist als eine erste Spannung zum Erzeugen des Ionenstrahls, während die Temperatur der Emitterspitze auf einer zweiten Temperatur gehalten wird, die höher ist als eine erste Temperatur zum Erzeugen des Ionenstrahls und die unter der Raumtemperatur liegt, wodurch die Atome am vorderen Ende der Emitterspitze auf ein Atom reduziert werden.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Ionenstrahlvorrichtung zum Bestrahlen einer Probe mit einem Ionenstrahl, der an einer Gasfeldionisationsionenquelle erzeugt wird, wobei die Vorrichtung einen Mechanismus zum Anheben der Temperatur umfaßt, mit dem die Temperatur der Emitterspitze, die von einem Kühlmechanismus gekühlt wird, erhöht werden kann, wenn an der Emitterspitze eine Nanopyramide mit einem Atom an der Spitze ausgebildet wird.
Das heißt, daß zum Beispiel durch Steuern der Temperatur der gekühlten Emitterspitze durch den Temperaturanhebemechanismus und den Kühlmechanismus die Bindungsfestigkeit der Atome am vorderen Ende einer Emitterspitze mit einer Mehrzahl von Atomen verändert werden kann. Die Bindungsfestigkeit der einzelnen Atome wird durch Einstellen der Temperatur an der Emitterspitze auf eine Temperatur, die größer ist als die Temperatur zum Zeitpunkt des Ionisierens des Ionisationsgases, herabgesetzt, so daß die Atome im Feld einzeln nacheinander mit einer niedrigen Energie verdampft werden können, bei der keine elektrische Entladung auftritt. Im Ergebnis verbleibt nur das eine Atom an der Spitze, das am stärksten mit der Emitterspitze verbunden ist. Das ionisierte Gas kann zwar auch durch Ionisieren des Ionisationsgases in einem Zustand mit einer hohen Temperatur an der Emitterspitze als Ionenstrahl extrahiert werden, aus den im folgenden beschriebenen Gründen wird jedoch der Temperaturanhebemechanismus abgeschaltet, nachdem an der Emitterspitze ein Atom übrig geblieben ist, so daß die Temperatur an der Emitterspitze wieder sinkt. Einer der Gründe ist, daß bei niedriger Temperatur der Emitterspitze die Bindungsfestigkeit des Atoms an der Spitze höher und damit die Lebensdauer des Atoms am vorderen Ende der Emitterspitze größer ist. Ein anderer Grund ist, daß bei niedriger Temperatur der Emitterspitze die Probe mit einem größeren Rauschabstand betrachtet werden kann. Bei niedriger Temperatur der Emitterspitze nimmt die Temperatur des Gases in der Umgebung der Emitterspitze ab. Die molekulare Gasdichte pro Druckeinheit ist umgekehrt proportional zur Temperatur des Gases, weshalb bei abnehmender Temperatur des Gases in der Umgebung der Emitterspitze die molekulare Dichte des Ionisationsgases in der Umgebung der Emitterspitze zunimmt. Wenn die molekulare Dichte des Ionisationsgases in der Umgebung der Emitterspitze zunimmt, steigt die Stromdichte im Ionenabstrahlwinkel an, so daß an der Probe ein Ionenstrahl mit einer hohen Stromdichte erhalten wird. Wenn an der Probe ein Ionenstrahl mit einer hohen Stromdichte erhalten wird, kann die Probe mit einem großen Rauschabstand betrachtet werden. Deshalb wird der Temperaturanhebemechanismus abgeschaltet, wenn sich am vorderen Ende der Emitterspitze noch ein Atom befindet, und die Emitterspitze abgekühlt, bis die Temperatur an der Emitterspitze auf die Temperatur für die Ionisierung des Ionisationsgases abgesunken ist.
Auf diese Weise kann an der Emitterspitze unabhängig von der Kühltemperatur stabil eine Nanopyramide mit einem Atom an der Spitze ausgebildet werden. Da die Ausbildung der Emitterspitze unabhängig von der Kühltemperatur erfolgt, kann die Temperatur beim Ionisieren des Ionisationsgases auf die gewünschte Temperatur abgesenkt werden, so daß die Probe mit einem großen Rauschabstand betrachtet werden kann.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Ionenstrahlvorrichtung geschaffen, mit der stabil an der Emitterspitze eine Nanopyramide mit einem Atom an der Spitze ausgebildet wird, auch wenn für die Betrachtung einer Probe mit einem großen Rauschabstand die Kühltemperatur herabgesetzt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Ansicht des schematischen Aufbaus einer ersten Ausführungsform einer Ionenstrahlvorrichtung bei einem Beispiel 1.
2 zeigt eine Ansicht eines ersten Beispiels für die Anordnung der Atome an der Spitze eines Emitters.
3 zeigt eine Ansicht eines zweiten Beispiels für die Anordnung der Atome an der Spitze eines Emitters.
4 zeigt eine Ansicht eines dritten Beispiels für die Anordnung der Atome an der Spitze eines Emitters.
5 zeigt eine Ansicht des schematischen Aufbaus einer zweiten Ausführungsform einer Ionenstrahlvorrichtung bei einem Beispiel 2.
6 zeigt eine Ansicht des schematischen Aufbaus einer dritten Ausführungsform einer Ionenstrahlvorrichtung bei einem Beispiel 3.
Beschreibung von Ausführungsformen
Mit der im folgenden beschriebenen Ionenstrahlvorrichtung können im Vergleich zu einer Vorrichtung mit einem Elektronenstrahl mehr Informationen über die Oberfläche einer Probe erhalten werden. Der Grund dafür ist, daß der Anregungsbereich für sekundäre Ladungsteilchen an der Oberfläche der Probe stärker lokalisiert ist als bei der Einstrahlung eines Elektronenstrahls. Bei einem Elektronenstrahl können außerdem die Eigenschaften der Elektronenwelle nicht ignoriert werden, so daß aufgrund des Beugungseffekts eine Aberration auftritt. Ionen sind schwerer als Elektronen, so daß hier der Beugungseffekt ignoriert werden kann.
Eine Ionenstrahlvorrichtung mit diesen Eigenschaften ist zum Beispiel ein Rasterionenmikroskop. Ein Rasterionenmikroskop ist eine Vorrichtung zum Betrachten der Struktur an der Oberfläche einer Probe durch Bestrahlen der Probe mit einem Ionenstrahl, wobei der Ionenstrahl über die Probe geführt wird, und zum Erfassen der dabei von der Probe emittierten sekundären Ladungsteilchen. Wenn die Probe mit einer Ionenart mit einer geringen Masse wie Wasserstoff oder Helium bestrahlt wird, ist der Zerstäubungseffekt relativ gering, weshalb zur Betrachtung einer Probe solche Ionen bevorzugt werden.
Durch Bestrahlen einer Probe mit einem Ionenstrahl und Erfassen der Ionen, die die Probe durchlaufen haben, können auch Informationen über das Innere der Probe erhalten werden. Die Vorrichtung dafür wird ”Transmissionsionenmikroskop” genannt. Wenn die Probe dabei mit einer Ionenart mit einer geringen Masse wie Wasserstoff oder Helium bestrahlt wird, ist der Anteil der Ionen, die die Probe durchlaufen, hoch, weshalb zur Betrachtung einer Probe solche Ionen bevorzugt werden.
Für die Bearbeitung einer Probe durch die Zerstäubungswirkung wird dagegen die Probe mit einer Ionenart mit einer großen Masse bestrahlt, etwa mit Argon, Xenon oder Gallium. Als Ionenstrahl-Bearbeitungs- und Betrachtungsvorrichtung wird dabei eine Vorrichtung mit einem fokussierten Ionenstrahl (im folgenden zu ”FIS” abgekürzt) mit einer Flüssigmetall-Ionenquelle (im folgenden zu ”FMIQ” abgekürzt) verwendet. Neuerdings wird auch eine FIS-REM-Vorrichtung verwendet, die ein Rasterelektronenmikroskop (REM) und eine Vorrichtung mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIS) enthält. Bei der FIS-REM-Vorrichtung wird an der gewünschten Stelle durch Bestrahlen mit einem FIS ein quadratisches Loch ausgebildet, woraufhin der Querschnitt an der Stelle mit dem REM betrachtet wird. Die Probenbearbeitung kann auch durch Erzeugen der Gasionen von Argon, Xenon und dergleichen durch eine Plasmaionenquelle oder eine Gasfeldionisationsionenquelle und Bestrahlen der Probe mit den Gasionen erfolgen.
Die Erfindung kann bei einem Ionenmikroskop, einer Ionenstrahl-Bearbeitungs- und Betrachtungsvorrichtung, einer aus einer Ionenstrahl-Bearbeitungs- und Betrachtungsvorrichtung und einem Ionenmikroskop zusammengesetzten Vorrichtung und einer aus einem Ionenmikroskop und einem Elektronenmikroskop zusammengesetzten Vorrichtung angewendet werden. Die Erfindung kann auch bei einer Analyse- und Untersuchungsvorrichtung mit einem Ionenmikroskop und einem Elektronenmikroskop angewendet werden. Diese Vorrichtungen werden insgesamt als ”Ionenstrahlvorrichtungen” bezeichnet. Die Ionenstrahlvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben genannten Vorrichtungen beschränkt, solange es eine Ionenstrahlvorrichtung mit einer Gasfeldionisationsionenquelle ist.
Als Ausführungsbeispiel wird eine Ionenstrahlvorrichtung zum Bestrahlen einer Probe mit einem an einer Gasfeldionisationsionenquelle erzeugten Ionenstrahl beschrieben, wobei die Gasfeldionisationsionenquelle eine als Anode dienende Emitterspitze, eine als Kathode dienende Extraktionselektrode, eine Vakuumkammer zur Aufnahme wenigstens der Emitterspitze, einen Gaseinführabschnitt zum Zuführen von Gas durch einen Gaszuführanschluß in den Raum zwischen dem Spitzenabschnitt der Emitterspitze und der Extraktionselektrode, einen Gasabführabschnitt zum Abführen von Gas durch eine Vakuumpumpe über einen Gasabführanschluß, einen Kühlmechanismus zum Kühlen der Gasfeldionisationsionenquelle und einen Temperaturanhebemechanismus zum Erhöhen der Temperatur der vom Kühlmechanismus gekühlten Emitterspitze umfaßt.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist der Temperaturanhebemechanismus eine Heizvorrichtung. Der optimale Wert für die Kühltemperatur oder die angehobene Temperatur oder die optimalen Werte für die Kühltemperatur und die angehobene Temperatur hängen von dem verwendeten Ionisationsgas, dem Aufbau der Feldionisationsionenquelle und dergleichen ab. Die Temperatur wird in manchen Fällen nicht nur zum Abkühlen und zum Anheben der Temperatur auf zwei Werte festgesetzt, sondern manchmal auch mit einem gegebenen Temperaturgradienten kontinuierlich verändert oder auf verschiedene Temperaturen verändert.
Bei dem Ausführungsbeispiel sind der Gasabführanschluß oder der Gaszuführanschluß an einem Aufbau angeordnet, der sich auf Massepotential befindet.
Im folgenden werden die oben genannten und andere neue Eigenschaften und Auswirkungen anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen dienen im übrigen nur dem Verständnis der Erfindung und sind nicht dafür vorgesehen, den Umfang der Rechte einzuschränken.
Dabei wird auf die Darstellung eines Vakuumabsaugsystems zum Evakuieren des Vakuumkessels mit einer Vakuumpumpe, einem Ventil und dergleichen und eines Probentisches zum Anordnen oder Bewegen der Probe verzichtet.
Auch wird auf die Darstellung einer Fokussierlinse, einer Objektivlinse, eines Strahldeflektors/Ausrichters, einer Austastelektrode und der Stromversorgung für den Strahldeflektor verzichtet.
Darüberhinaus wird auf die Darstellung eines Abbildungsausbildungsabschnitts zum Erzeugen einer Abbildung auf der Basis des von einem Detektor ausgegebenen Signals verzichtet.
Beispiel 1
Anhand der 1 wird eine erste Ausführungsform der Ionenstrahlvorrichtung erläutert.
Die Ionenstrahlvorrichtung umfaßt eine Ionenquellenkammer 5 mit einer Emitterspitze 1, einer Extraktionselektrode 2, einer Gaszuführleitung 4, einem Gasabführanschluß 52, einem Kühlmechanismus 60, einem Kühlleitungsmechanismus 61 und einem Temperaturanhebemechanismus 62, mit einer Ionenquellenkammer-Vakuumabsaugpumpe (nicht gezeigt) zum Evakuieren der Ionenquellenkammer 5, einer Gasquelle 15 für ein Ionisationsgas, einer Beschleunigungsenergieversorgung 7 zum Anlegen einer Spannung an die Emitterspitze 1, einer Extraktionsenergieversorgung 8 zum Anlegen einer Spannung an die Extraktionselektrode 2, und mit einem Vakuumkessel 10. Die Gaszuführleitung 4 und der Verbindungsanschluß an der Ionenquellenkammer 5 werden insgesamt als ”Gaseinführabschnitt” bezeichnet. Bei dem vorliegenden Beispiel wird außerdem der Gasabführanschluß 52 als ”Gasabführabschnitt” bezeichnet. Die Ionenquellenkammer 5 und der Vakuumkessel 10 sind miteinander über einen Öffnungsabschnitt 18 verbunden. Die Ionenquelle ist eine Gasfeldionisationsionenquelle (im folgenden zu ”Gasionenquelle” abgekürzt), die das Ionisationsgas von der Gasquelle 15 durch die Gaszuführleitung 4 zu der Gasionisationskammer 6 mit der Emitterspitze 1 in der Form einer Nadel leitet, an die eine hohe Spannung angelegt werden kann. Wenn das durch die Gaszuführleitung 4 zugeführte Ionisationsgas (oder die Gasmoleküle) in die Nähe der Spitze der nadelförmigen Emitterspitze 1 gelangt, an der eine hohe Spannung anliegt, so daß ein starkes elektrisches Feld entsteht, tunneln Elektronen aus dem Gas (den Gasmolekülen) durch die vom elektrischen Feld erniedrigte Potentialbarriere, so daß das Gas in positive Ionen umgewandelt und emittiert wird. Auf diese Weise entsteht an der Gasionenquelle oder Ionenquelle der Ionenstrahl.
Damit die Temperatur der vom Kühlmechanismus 60 gekühlten Emitterspitze 1 wirkungsvoll angehoben werden kann, wird der Temperaturanhebemechanismus 62 vorzugsweise nahe an der Emitterspitze 1 angeordnet. Bei dem vorliegenden Beispiel befindet sich der Temperaturanhebemechanismus 62 auf der Seite der Emitterspitze 1, auf der sich auch der Kühlleitermechanismus 61 befindet. Als Temperaturanhebemechanismus 62 kann zum Beispiel eine Heizvorrichtung und dergleichen verwendet werden. Als Temperaturanhebemechanismus 62 wird daher eine solche Heizvorrichtung beschrieben. Bei der Emitterspitze 1 ist auf einer Wolframspitze eine Platin- oder Iridiumbeschichtung aufgebracht. Die Emitterspitze 1 ist nicht auf eine solche Kombination beschränkt, sie kann zum Beispiel auch aus der in der PTL 1 beschriebenen Kombination bestehen.
Wenn der Kühlmechanismus 60 ein mechanischer Kühler ist, wird als Temperaturanhebemechanismus 62 keine Heizvorrichtung, sondern nur ein Temperaturmeßmechanismus verwendet, und die Temperatur kann einfach dadurch ansteigen, daß der Kühlmechanismus 60 abgeschaltet wird. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß der Aufbau ohne die Heizvorrichtung und die Energieversorgung dafür einfacher wird. Welche Vorgehensweise gewählt wird, hängt von dem jeweiligen Verwendungszweck ab.
An die Emitterspitze 1 wird von der Beschleunigungsenergieversorgung 7 eine Spannung angelegt, und an die Extraktionselektrode 2 wird von der Extraktionsenergieversorgung 8 eine Spannung angelegt. Das Potential der Ionenquellenkammer 5 wird unabhängig vom Betrieb der Ionenstrahlvorrichtung immer auf Massepotential (GND) gehalten. Die Ionenquellenkammer 5 ist ein Vakuumkessel, der die Emitterspitze 1 umgibt. Bei dem vorliegenden Beispiel dient der von der Ionenquellenkammer 5 umschlossene Raum auch als Gasionisationskammer 6, in dem das Gas ionisiert wird. Bei dem vorliegenden Beispiel ist die Gasionisationskammer 6 ein Aufbau, der von einem oder von mehreren Elementen gebildet wird, die zumindest die Emitterspitze 1 umgeben und in den ein Gas eingeführt wird.
Die von der Emitterspitze 1 emittierten Ionen werden von einer Fokussierlinse 70 und einer Objektivlinse 71 auf eine Probe 72 fokussiert. Zwischen den beiden Linsen befinden sich ein Strahldeflektor/Ausrichter 73, eine bewegliche Strahlbegrenzungsblende 74, eine Austastelektrode 75, eine Austaststrahlauftreffplatte 76 und ein Strahldeflektor 77. Von der Probe 72 emittierte Sekundärelektronen werden von einem Sekundärelektronendetektor 78 erfaßt. Eine Steuereinheit 79 steuert den Temperaturanhebemechanismus 62, die Beschleunigungsenergieversorgung 7, die Extraktionsenergieversorgung 8, die Fokussierlinse 70, die Objektivlinse 71, den Strahldeflektor/Ausrichter 73, die bewegliche Strahlbegrenzungsblende 74, die Austastelektrode 75, den Strahldeflektor 77, den Sekundärelektronendetektor 78 und so weiter. Die Steuereinheit 79 kann von einer dafür bestimmten Leiterplatte als Hardware oder von einem Programm gebildet werden, das von einem Computer (nicht gezeigt) ausgeführt wird, der mit der Ionenstrahlvorrichtung verbunden ist. Bei dem vorliegenden Beispiel ist der Vakuumkessel 10 mit nur einem Luftabführanschluß 80 versehen, er kann jedoch auch eine Anzahl von Luftabführanschlüssen 80 aufweisen.
Anhand der 1 bis 4 wird nun ein Verfahren zum Ausbilden einer Nanopyramide an der Emitterspitze mit einem Atom an der Spitze beschrieben.
Um die Atomanordnung im Spitzenabschnitt der Emitterspitze zu betrachten, werden die von der Emitterspitze 1 emittierten Ionen vom Strahldeflektor/Ausrichter 73 rasterförmig ausgelenkt. Wenn mit der Fokussierlinse 70 der Fokussierzustand des Ionenstrahls eingestellt wird, können die Atome 83 im Spitzenabschnitt der Emitterspitze wie in der in der 2 gezeigten Abbildung 81 (simulierte FIM-Abbildung) betrachtet werden. Das Gesichtsfeld 82 wird von der Größe des Öffnungsabschnitts im optischen System für den Ionenstrahl bestimmt. Die 2 zeigt ein Beispiel für eine Atomanordnung, bei der Spitzenabschnitt der Emitterspitze aus drei Atomen besteht.
Es wird nun das Verfahren beschrieben, mit dem zwei der drei Atome am vorderen Ende der Emitterspitze 1 durch eine Feldverdampfung entfernt werden, so daß nur das eine Atom übrigbleibt, dessen Bindung mit der Emitterspitze am stärksten ist. Zuerst wird durch Einschalten der Heizvorrichtung des Temperaturanhebemechanismusses 62, um eine Aufheizung zu bewirken, die Temperatur der Emitterspitze 1 auf eine Temperatur angehoben, die höher ist als die Temperatur zum Zeitpunkt der Ionisierung des Ionisationsgases. Daraufhin wird die Ausgangsspannung der Extraktionsenergieversorgung 8 herabgesetzt, und der Unterschied im Potential zwischen der Emitterspitze 1 und der Extraktionselektrode 2 wird allmählich erhöht. Im Ergebnis wird das Atom, das von den drei Atomen in der 2 die schwächste Bindung aufweist, durch eine Feldverdampfung entfernt, wodurch die Atomanordnung in eine Atomanordnung umgewandelt wird, bei der der Spitzenabschnitt der Emitterspitze aus zwei Atomen besteht, wie es in der 3 gezeigt ist. Wenn die Ausgangsspannung der Extraktionsenergieversorgung 8 weiter herabgesetzt wird und der Unterschied im Potential zwischen der Emitterspitze 1 und der Extraktionselektrode 2 weiter erhöht wird, wird durch die Feldverdampfung das Atom entfernt, das die zweitschwächste Bindung aufweist, wodurch die Atomanordnung in eine Atomanordnung umgewandelt wird, bei der der Spitzenabschnitt der Emitterspitze aus einem Atom besteht, wie es in der 4 gezeigt ist. Schließlich wird die Heizvorrichtung des Temperaturanhebemechanismusses 62 wieder abgeschaltet, und die Temperatur der Emitterspitze 1 wird wieder zu der Temperatur zum Zeitpunkt der Ionisierung des Ionisationsgases. Danach wird die Ausgangsspannung der Extraktionsenergieversorgung 8 so eingestellt, daß die Helligkeit der Abbildung 81 (der simulierten FIM-Abbildung) den optimalen Wert aufweist.
Beispiel 2
Anhand der 5 wird eine zweite Ausführungsform der Ionenstrahlvorrichtung erläutert. Im folgenden werden hauptsächlich die sich vom Beispiel 1 unterscheidenden Punkte beschrieben, und die Beschreibung von gleichen Teilen wird weggelassen.
In der 5 ist nur die Ionenquellenkammer 5 gezeigt. Bei dem vorliegenden Beispiel ist eine Strahlungsabschirmung 12 vorgesehen. Bei dem vorliegenden Beispiel bildet der von der Ionenquellenkammer 5, einer Linsenelektrode 3 und der Strahlungsabschirmung 12 umgebene Raum die Gasionisationskammer 6, in der das Gas ionisiert wird. Für die Strahlungsabschirmung 12 ist eine Gaszuführleitung 4 vorgesehen, und auch die Strahlungsabschirmung 12 befindet sich auf Massepotential (GND). Die Gaszuführleitung 4 kann direkt an der Strahlungsabschirmung 12 befestigt sein oder an einem anderen Element, es ist dabei jedoch wichtig, daß sich die Strahlungsabschirmung 12 auf Massepotential (GND) befindet. Die Strahlungsabschirmung 12 ist mit dem Kühlleitermechanismus 61 verbunden und wird auf eine niedrige Temperatur abgekühlt. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit einer Kollision des ionisierten Gases mit der Wandfläche der Ionenquellenkammer 5, die sich auf Raumtemperatur befindet, herabgesetzt werden. Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit, daß sich die Temperatur der Emitterspitze 1 durch auf die Emitterspitze 1 auftreffendes ionisiertes Gas erhöht, dessen Temperatur durch eine Kollision mit der Wandfläche der Ionenquellenkammer 5 erhöht ist.
Auch wenn es in der Zeichnung nicht gezeigt ist, ist das Ausbilden der Gasionisationskammer 6 mit der Strahlungsabschirmung nicht auf das vorliegende Beispiel beschränkt, sondern kann in verschiedenen Formen realisiert werden. Zum Beispiel kann in der Ionenquellenkammer 5 eine Strahlungsabschirmung 12, die einen geschlossene Raum bildet, angeordnet und als Gasionisationskammer 6 verwendet werden, oder die Extraktionselektrode 2 wird ebenfalls gekühlt, und so weiter.
Beispiel 3
Anhand der 6 wird eine dritte Ausführungsform der Ionenstrahlvorrichtung erläutert. Im folgenden werden hauptsächlich die sich vom Beispiel 1 unterscheidenden Punkte beschrieben, und die Beschreibung von gleichen Teilen wird weggelassen.
In der 6 ist nur die Ionenquellenkammer 5 gezeigt. Bei dem vorliegenden Beispiel wird der Temperaturanhebemechanismus 62 von einer Gegeninduktionsschaltung gebildet. Die Emitterspitze 1 wird elektrisch von der Wechselstromversorgung 91 aufgeheizt, wobei durch einen Transformator 90 die Isolierung der Emitterspitze 1 aufrecht erhalten wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform befindet sich die Heizkomponente nicht im Vakuum, so daß sich im Vakuum kein Aufbau befindet, der zu einer Emissionsquelle für Verunreinigungsgas werden kann.
Auch wenn es in der Zeichnung nicht gezeigt ist, kann auch eine Konfiguration vorgesehen werden, bei der eine Strahlungsabschirmung 12 wie beim Beispiel 2 hinzugefügt wird.
Beispiel 4
Bei diesem Beispiel wird die Erfindung von Beispiel 1 durch Hinzufügen einer ergänzenden Beschreibung genauer beschrieben.
Zuerst wird ein Verfahren zum Betrachten des vorderen Endes der Emitterspitze 1 beschrieben. Das allgemein übliche Verfahren besteht darin, daß die von der Emitterspitze emittierten Ionen beschleunigt werden wie sie sind und mit den Ionen eine MKP (Mikrokanalplatte) bestrahlt wird, wobei das Lichtmuster eines Flureszenzschirms an der Rückseite der MKP betrachtet wird. Dabei werden die Ionen in Elektronen und Licht umgewandelt. Dieses Verfahren wird ”FIM (Feldionenmikroskop)” genannt. Das emittierte Lichtmuster wird ”FIM-Abbildung” genannt. Jedes einzelne Atom am vorderen Ende der Emitterspitze erzeugt in der FIM-Abbildung einen Lichtemissionspunkt, so daß die FIM-Abbildung die Atomanordnung am vorderen Ende der Emitterspitze wiedergibt.
Bei der in Beispiel 1 beschriebenen Ionenstrahlvorrichtung kann eine der FIM-Abbildung entsprechende Abbildung erhalten werden, ohne daß dazu eine MKP angeordnet werden muß. Diese Abbildung wird ”simulierte FIM-Abbildung” oder ”Raster-FIM-Abbildung” genannt. Dies wird wieder anhand der 1 erläutert. Der an der Emitterspitze 1 erzeugte Ionenstrahl erreicht dabei die Objektivlinse 71 in einem Zustand, bei dem für jedes Atom an der Spitze ein Ionenstrahl abgestrahlt wird.
Wenn an der Objektivlinse 71 eine MKP angeordnet wird, wird die obige FIM-Abbildung erhalten. Hier wird jedoch der von der Emitterspitze 1 emittierte Ionenstrahl mit dem Strahldeflektor/Ausrichter 73 rasterförmig ausgelenkt. Die obere Öffnung der Objektivlinse 71 spielt dabei die Rolle einer Blende, weshalb die Intensität des zu der Seite der Probe 72 der Objektivlinse 71 durchgelassenen Ionenstrahls dem entspricht, wenn ein Teil der FIM-Abbildung durch die Blende betrachtet wird. Die Intensität des durchgelassenen Ionenstrahls kann unter Verwendung eines homogenen Materials als Probe 72 und Erfassen der vom Material emittierten Sekundärelektronen mit dem Sekundärelektronendetektor 78 bestimmt werden. Wenn unter Verwendung der Steuereinheit 79 entsprechend der Abtastposition und der Intensität des durchgelassenen Ionenstrahls eine zweidimensionale Abbildung erzeugt wird, ist diese Abbildung eine zu der FIM-Abbildung äquivalente Abbildung, das heißt sie ist eine simulierte FIM-Abbildung oder eine Raster-FIM-Abbildung. Der zu sehende Bereich und die Auflösung hängen von der Größe der verwendeten Blende und der Einstellung der Fokussierlinse 70 ab.
Es wird nun ein Verfahren zum leichten Erstellen der Raster-FIM-Abbildung durch Einstellen der Stärke der Fokussierlinse 70 beschrieben. Dabei wird die Ausbreitung der Komponente eines beliebigen Atoms in dem von der Emitterspitze 1 emittierten Ionenstrahl größer gemacht als der Durchmesser der Blende an der Objektivlinse 71. Der Grund dafür ist, daß, wenn die Ausbreitung der Emission von einem Atom kleiner ist als der Durchmesser der Blende, sie nicht von der Emission von einem benachbarten Atom unterschieden werden kann. Das heißt, die Auflösung ist dann nicht ausreichend. Wenn jedoch die Ausbreitung der Emission von einem Atom groß ist, wird die FIM-Abbildung vergrößert, weshalb es erforderlich ist, eine Einstellung derart durchzuführen, daß das jeweilige Atom nicht außerhalb des Betrachtungsbereichs der FIM-Abbildung liegt, der anhand der Raster-FIM-Abbildung der 2 beschrieben wird. Die 2 zeigt einen Zustand, in dem die Fokussierlinse 70 mittel eingestellt ist. Wenn die Stärke der Fokussierlinse 70 aus diesem Zustand erhöht wird, nimmt die Ausbreitung des Ionenstrahls ab, und die Größe der Ionenabbildung 83 der Atome an der Spitze der Emitterspitze nimmt hinsichtlich des maximalen Abbildungsbereichs 81, der vom Abtastbereich bestimmt wird, ab, während der Überlappungsbereich größer wird, so daß im Ergebnis die Atome nicht voneinander unterschieden werden können. Die Größe des Gesichtsfelds 82, die von der Öffnung der Blende (zum Beispiel der Öffnung der Fokussierlinse 70) über dem Deflektor bestimmt wird, verringert sich ebenfalls. Wenn dagegen die Stärke der Fokussierlinse 70 herabgesetzt wird, nimmt die Ausbreitung des Ionenstrahls zu, weshalb die Größe der Ionenabbildung 83 der Atome an der Spitze der Emitterspitze und die Größe des Gesichtsfelds 82 ebenfalls zunehmen, mit dem Ergebnis, daß der maximale Abbildungsbereich 81 überschritten wird. Bei der üblichen Vorgehensweise wird bei diesem Beispiel die Stärke der Fokussierlinse 70 so eingestellt, daß die Ionenstrahlen zwischen der Fokussierlinse 70 und der Objektivlinse 71 im wesentlichen parallel verlaufen, damit die Stromdichte des Ionenstrahls auf der Probe maximal wird. Damit die FIM-Abbildung wie oben beschrieben erhalten wird, wird die Stärke der Fokussierlinse 70 leicht herabgesetzt.
Die Gestaltung der Spitzenform der Emitterspitze 1 durch die Feldverdampfung, das heißt die Entfernung von überschüssigen Atomen, erfolgt während der Betrachtung der Spitzenform mit der FIM-Abbildung. Alternativ erfolgen die Gestaltung und die Betrachtung abwechselnd. Vorzugsweise werden sowohl die Gestaltung als auch die Betrachtung einmal oder mehrmals wiederholt. Um die Feldverdampfung durchzuführen, wird die Extraktionsspannung (die Spannung zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode) auf einen Wert eingestellt, der größer ist als die sogenannte Spannung für die beste Abbildung (die Extraktionsspannung für Strahlbedingungen, mit denen die Abbildung mit der höchsten Auflösung erhalten werden kann), weshalb die FIM-Abbildung leicht defokussiert ist. Wenn die Extraktionsspannung auf die Spannung für die beste Abbildung eingestellt ist, ist der Zustand der Atome an der Emitterspitze 1 klar ersichtlich. Wenn die Gestaltung durch die Feldverdampfung und die Betrachtung der FIM-Abbildung wiederholt werden, kann die Extraktionsspannung so gesteuert werden, daß die Spannung bei der Betrachtung der FIM-Abbildung auf die Spannung für die beste Abbildung eingestellt ist, und daß bei der Gestaltung durch die Feldverdampfung die Spannung auf eine Spannung (zweite Spannung) eingestellt ist, die größer ist als die Spannung (erste Spannung) für die beste Abbildung. Zur Betrachtung der FIM-Abbildung ist das Ionisationsgas erforderlich, während die Feldverdampfung auch ohne Ionisationsgas durchgeführt werden kann.
Bei dem vorliegenden Beispiel wird als Ionisationsgas Helium verwendet. Der Gasdruck beträgt 0,02 Pa. Die Temperatur der Emitterspitze 1 wird für die Erzeugung des Ionenstrahls mit der vorliegenden Ionenstrahlvorrichtung (im folgenden als ”Betriebstemperatur” (erste Temperatur) bezeichnet) auf 40 K eingestellt. Diese Temperatur ist die niedrigste Temperatur, die mit der Kühlvorrichtung bei dem für dieses Beispiel beschriebenen Experiment erhalten werden kann; unter diesen Bedingungen wird die höchste Stromdichte für den Ionenstrahl erhalten. Demgegenüber wird die Temperatur bei der Entfernung der überschüssigen Atome von der Emitterspitze 1 durch die Feldverdampfung auf eine Temperatur (zweite Temperatur) eingestellt, die höher ist als die erste Temperatur, das heißt sie wird auf 60 K eingestellt. Auch wenn die Temperatur nur um etwa 10 K erhöht wird, lassen sich die überschüssigen Atome leichter entfernen, bei einer Erhöhung der Temperatur um etwa 20 K ist der Effekt jedoch noch klarer. Wenn die Temperatur noch weiter erhöht wird, tritt keine Verbesserung des Effekts mehr ein. Wenn die Temperatur zu stark erhöht wird, nimmt der Ionenstrahlstrom ab, und es kann keine FIM-Abbildung mehr erhalten werden, weshalb der Anstieg der Temperatur vorzugsweise auf etwa 40 K beschränkt wird. Wenn die Temperatur auf 100 K oder höher eingestellt wird, ist der Ionenstrahl zu schwach, und die FIM-Abbildung kann nicht mehr in Echtzeit erhalten werden. Um gleichzeitig die Aufnahme der FIM-Abbildung und die Gestaltung durch die Feldverdampfung wie oben beschrieben durchzuführen, ist es erforderlich, die Temperatur bei der Feldverdampfung auf eine Temperatur einzustellen, die niedriger ist als die Betriebsgrenztemperatur der Emitterspitze, bei der die FIM-Abbildung noch aufgenommen werden kann. Alternativ kann auch in dem Fall, daß die Aufnahme der FIM-Abbildung und die Gestaltung durch die Feldverdampfung abwechselnd durchgeführt werden, zur Vermeidung der Temperaturänderungszeit die Temperatur bei der Feldverdampfung auf eine Temperatur eingestellt werden, die unter der Betriebsgrenztemperatur der Emitterspitze liegt, mit der die FIM-Abbildung noch aufgenommen werden kann.
Es ist auch möglich, die FIM-Abbildung nicht gleichzeitig mit der Entfernung der überschüssigen Atome durch die Feldverdampfung zu betrachten. In einem solchen Fall gibt es im Prinzip auch dann keine Probleme, wenn die Temperatur auf etwa Raumtemperatur angehoben wird. Während die für die Entfernung der überschüssigen Atome erforderliche Zeit einige Minuten bis zu einigen zehn Minuten beträgt, dauert es mehrere Stunden bis zu einem halben Tag, um die Temperatur nach dem Anheben auf Raumtemperatur wieder auf die Betriebstemperatur abzusenken, weshalb eine solche Vorgehensweise nicht praktikabel ist. Vorzugsweise ist daher die Temperatur bei der Durchführung der Feldverdampfung niedriger als die Raumtemperatur. Nach der Entfernung der überschüssigen Atome durch die Feldverdampfung ohne gleichzeitige Betrachtung der FIM-Abbildung wird die FIM-Abbildung vorzugsweise wenigstens einmal aufgenommen. Der Grund dafür ist, daß die Entfernung ungenügend sein kann oder das Atom an der Spitze durch eine übermäßige Entfernung verloren gegangen sein kann. Wenn die Entfernung ungenügend ist, ist es nur erforderlich, die Behandlung noch einmal durchzuführen. Wenn jedoch die Atome übermäßig entfernt wurden, ist es erforderlich, eine Behandlung durchzuführen, bei der die Grundform der Emitterspitze erneut ausgebildet wird.
Die Emitterspitze sollte unabhängig davon, was passiert, nicht zu glühen beginnen (700 bis 800°C oder höher). Wenn nämlich die Temperatur 500 bis 600°C übersteigt, ändert sich die Struktur an der Spitze aufgrund einer Diffusion der Oberflächenatome. Das Aufheizen auf eine solch hohe Temperatur (dritte Temperatur) erfolgt nur dann, wenn die Grundform der Emitterspitze ausgebildet wird. Wie im Beispiel 1 beschrieben, wird dadurch die Struktur einer Pyramide mit einem Atom an der Spitze erhalten. Hin und wieder verbleibt an der Spitze auch mehr als ein Atom, weshalb es erforderlich ist, eine Maßnahme zum Entfernen der überschüssigen Atome durchzuführen. Bei dem im vorliegenden Beispiel beschriebenen Verfahren werden die überschüssigen Atome von der Spitze entfernt, die nach der Ausbildung der Grundform durch Aufheizen auf eine hohe Temperatur an der Emitterspitze verbleiben, weshalb die Emitterspitze bei dem vorliegenden Beispiel nicht auf Raumtemperatur oder höher aufgeheizt werden sollte.
Die Grundform des vorderen Endes der Emitterspitze umfaßt den Aufbau und die relative Anordnung einer Anzahl von Facetten. Jede Facette hat eine bestimmte Orientierung, und wenn die Facetten ausreichend groß sind, ergibt sich ein Polyeder. Die Grenzlinie zwischen benachbarten Facetten ist eine Kante, und der Abschnitt, in dem sich die Kanten treffen, bildet die Spitze.
Die Ionenstrahlvorrichtung des vorliegenden Beispiels kann auch bei einer Kühlung mit flüssigem Stickstoff und einer Betriebstemperatur von 80 K einen Helium-Ionenstrahl ausbilden. Bei einer solchen Betriebstemperatur tritt das Phänomen, daß die überschüssigen Atome schwer zu entfernen sind, nicht auf. Erst dann, wenn die Vorrichtung bei einer Betriebstemperatur verwendet wird, die unter der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff liegt, muß der Gegenstand der vorliegenden Anmeldung berücksichtigt werden. Bei der Ionenstrahlvorrichtung des vorliegenden Beispiels wird die Emitterspitze, damit die Betriebstemperatur unter der Temperatur des flüssigen Stickstoffs liegt, durch einen mechanischen Kühler gekühlt, der so modifiziert wurde, daß die Vibrationen verringert sind.
Bei der oben beschriebenen Ionenstrahlvorrichtung des vorliegenden Beispiels wird im allgemeinen bei der Betrachtung der FIM-Abbildung oder der Ausformung der Emitterspitze durch die Feldverdampfung der Gasdruck des Ionisationsgases auf den gleichen Wert eingestellt wie bei der Erzeugung des Ionenstrahls (im folgenden als ”Betriebsgasdruck” (erster Druck) bezeichnet). Es hat sich jedoch gezeigt, daß, wenn eine Erhöhung des Gasdrucks auf einen Druck (zweiten Druck), der höher ist als der Betriebsgasdruck, mit einer Erhöhung der Temperatur der Emitterspitze wie oben beschrieben kombiniert wird, die überschüssigen Atome in kürzerer Zeit entfernt werden können. Zum Beispiel wird durch Einstellen des Gasdrucks auf 0,2 Pa, was um eine Größenordnung über dem Betriebsgasdruck von 0,02 Pa liegt, die Gestaltungszeit auf einen Bruchteil verkürzt. Bei einer Vorrichtung, bei der die Einstellzeit für den Gasdruck kurz ist, wird vorzugsweise dieses Verfahren angewendet.
Die Temperatur, bei der die überschüssigen Atome an der Emitterspitze schwer zu entfernen sind, und der erhöhte Temperaturpegel, der für die Verbesserung der Entfernung erforderlich ist, können von der Art des Ionisationsgases abhängen. Wenn als Hauptkomponente des Ionisationsgases wie bei dem vorliegenden Beispiel Helium verwendet wird, sind die überschüssigen Atome schwer zu entfernen, wenn die Betriebstemperatur unter etwa 60 K liegt. Mit dem beschriebenen Verfahren können auch dann die überschüssigen Atome leicht entfernt werden, wenn die Betriebstemperatur unter etwa 60 K liegt.
Wenn als Hauptkomponente des Ionisationsgases dagegen Wasserstoff verwendet wird, sind die überschüssigen Atome schwer zu entfernen, wenn die Betriebstemperatur unter etwa 50 K liegt. Eine FIM-Abbildung kann bis hoch zu 120 K aufgenommen werden. Mit dem beschriebenen Verfahren können auch dann die überschüssigen Atome leicht entfernt werden, wenn die Betriebstemperatur unter etwa 50 K liegt.
Das in dem vorliegenden Beispiel beschriebene Verfahren ist mit einer Änderung einiger Bedingungen auch dann effektiv, wenn ein anderes Ionisationsgas verwendet wird.
Bezugszeichenliste

1: Emitterspitze
2: Extraktionselektrode
4: Gaszuführleitung
5: Ionenquellenkammer
6: Gasionisationskammer
7: Beschleunigungsenergieversorgung
8: Extraktionsenergieversorgung
10: Vakuumkessel
12: Strahlungsabschirmung
15: Gasquelle
18: Öffnungsabschnitt
52: Gasabführanschluß
60: Kühlmechanismus
61: Kühlleitungsmechanismus
62: Temperaturanhebemechanismus
70: Fokussierlinse
71: Objektivlinse
72: Probe
73: Strahldeflektor/Ausrichter
74: bewegliche Strahlbegrenzungsblende
75: Austastelektrode
76: Austaststrahlauftreffplatte
77: Strahldeflektor
78: Sekundärelektronendetektor
79: Steuereinheit
80: Luftabführanschluß
81: Abbildung
82: Gesichtsfeld
83: Atome im Spitzenabschnitt der Emitterspitze
90: Transformator
91: Wechselstromenergieversorgung

Claims

Emitterspitzenausformverfahren als Verfahren zum Ausformen der Emitterspitze in einer Gasfeldionisationsionenquelle mit einer Emitterspitze, die als Anode dient, einer Extraktionselektrode, die als Kathode dient, und mit einem Gaszuführanschluß zum Zuführen eines Gases in die Umgebung der Emitterspitze, und zum Erzeugen eines Ionenstrahls durch Ionisieren des Gases bei einem ersten Druck durch Einstellen der Extraktionsspannung zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode auf eine erste Spannung in einem Zustand, in dem sich die Temperatur der Emitterspitze auf einer ersten Temperatur befindet, wobei die Atome am vorderen Ende der Emitterspitze durch einen Feldverdampfungsschritt, bei dem die Atome am vorderen Ende der Emitterspitze durch Einstellen der Extraktionsspannung auf eine zweite Spannung, die höher ist als die erste Spannung, während die Temperatur de Emitterspitze bei einer zweiten Temperatur gehalten wird, die höher ist als die erste Temperatur und niedriger als die Raumtemperatur, einer Feldverdampfung unterzogen werden, bis auf ein Atom reduziert werden.
Emitterspitzenausformverfahren nach Anspruch 1, wobei des weiteren ein Betrachtungsschritt durchgeführt wird, um eine FIM-Abbildung des vorderen Endes der Emitterspitze zu erhalten, und wobei der Feldverdampfungsschritt und der Betrachtungsschritt einmal oder mehrmals wiederholt werden.
Emitterspitzenausformverfahren nach Anspruch 2, wobei die zweite Temperatur höher ist als die erste Temperatur und niedriger als die Betriebsgrenztemperatur der Emitterspitze, mit der noch eine FIM-Abbildung aufgenommen werden kann.
Emitterspitzenausformverfahren nach Anspruch 3, wobei der Unterschied zwischen der Betriebsgrenztemperatur der Emitterspitze, mit der noch eine FIM-Abbildung aufgenommen werden kann, und der ersten Temperatur innerhalb von 40 K liegt.
Emitterspitzenausformverfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausgestaltung und relative Anordnung von Facetten im Spitzenabschnitt der Emitterspitze durch Aufheizen auf eine dritte Temperatur durchgeführt werden, die höher ist als die Raumtemperatur.
Emitterspitzenausformverfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Temperatur unter dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff liegt.
Emitterspitzenausformverfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Durchführung des Feldverdampfungsschritts der Druck des Gases auf einen zweiten Druck eingestellt wird, der höher ist als der erste Druck.
Emitterspitzenausformverfahren nach Anspruch 2, wobei die FIM-Abbildung eine zweidimensionale Abbildung ist, die durch Auslenken des Ionenstrahls auf eine Blende durch einen Deflektor, Erfassen der Intensität des an der Blende durchgelassenen Ionenstrahls und Verbinden der Abtastposition und der Intensität des durchgelassenen Ionenstrahls erhalten wird, wobei die Ausbreitung der von einem beliebigen Atom an der Emitterspitze emittierten Komponente im Ionenstrahl größer ist als die Öffnung der Blende.
Emitterspitzenausformverfahren nach Anspruch 1, wobei die Hauptkomponente des Gases Helium ist, die erste Temperatur 60 K oder niedriger ist, und die zweite Temperatur 60 K oder höher und niedriger als 100 K ist.
Emitterspitzenausformverfahren nach Anspruch 1, wobei die Hauptkomponente des Gases Wasserstoff ist, die erste Temperatur 50 K oder niedriger ist, und die zweite Temperatur 50 K oder höher und niedriger als 120 K ist.
Ionenstrahlvorrichtung mit einer Emitterspitze, die als Anode dient; einer Extraktionselektrode, die als Kathode dient; einem Gaszuführanschluß zum Zuführen eines Gas in die Umgebung der Emitterspitze; und mit einem Steuerabschnitt, der die Temperatur der Emitterspitze und die Spannung an der Extraktionselektrode steuert, wobei bei der Erzeugung eines Ionenstrahls durch Ionisieren des Gases der Steuerabschnitt die Temperatur der Emitterspitze auf eine erste Temperatur und die zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode angelegte Spannung auf eine erste Spannung einstellt, wobei der Druck des Gases auf einen ersten Druck eingestellt ist, und wobei bei einer Reduzierung der Atome am vorderen Ende der Emitterspitze auf ein Atom der Steuerabschnitt die Extraktionsspannung auf eine zweite Spannung einstellt, die höher ist als die erste Spannung, während die Temperatur der Emitterspitze auf einer zweiten Temperatur gehalten wird, die höher als die erste Temperatur und niedriger als die Raumtemperatur ist, wodurch die Atome am vorderen Ende der Emitterspitze einer Feldverdampfung unterzogen werden.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Steuerabschnitt eine FIM-Abbildung des vorderen Endes der Emitterspitze aufnimmt und die Feldverdampfung und die Aufnahme der FIM-Abbildung einmal oder mehrmals wiederholt.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die zweite Temperatur höher ist als die erste Temperatur und niedriger als die Betriebsgrenztemperatur der Emitterspitze, mit der noch eine FIM-Abbildung aufgenommen werden kann.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Unterschied zwischen der Betriebsgrenztemperatur der Emitterspitze, mit der noch eine FIM-Abbildung aufgenommen werden kann, und der ersten Temperatur innerhalb von 40 K liegt.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Ausgestaltung und relative Anordnung von Facetten im Spitzenabschnitt der Emitterspitze durch Aufheizen auf eine dritte Temperatur durchgeführt werden, die höher ist als die Raumtemperatur.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die erste Temperatur unter dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff liegt.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 11, wobei bei der Feldverdampfung der Atome am vorderen Ende der Emitterspitze der Druck des Gases auf einen zweiten Druck eingestellt wird, der höher ist als der erste Druck.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die FIM-Abbildung eine zweidimensionale Abbildung ist, die durch Auslenken des Ionenstrahls auf eine Blende durch einen Deflektor, Erfassen der Intensität des an der Blende durchgelassenen Ionenstrahls und Verbinden der Abtastposition und der Intensität des durchgelassenen Ionenstrahls erhalten wird, wobei die Ausbreitung der von einem beliebigen Atom an der Emitterspitze emittierten Komponente im Ionenstrahl größer ist als die Öffnung der Blende.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Hauptkomponente des Gases Helium ist, die erste Temperatur 60 K oder niedriger ist, und die zweite Temperatur 60 K oder höher und niedriger als 100 K ist.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Hauptkomponente des Gases Wasserstoff ist, die erste Temperatur 50 K oder niedriger ist, und die zweite Temperatur 50 K oder höher und niedriger als 120 K ist.