DE112014007059T5

DE112014007059T5 - Ionenstrahlvorrichtung

Info

Publication number: DE112014007059T5
Application number: DE112014007059.9T
Authority: DE
Inventors: Yoshimi Kawanami; Hiroyuki Muto
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2017-07-06
Also published as: JPWO2016084162A1; US10304656B2; WO2016084162A1; US20170323764A1; JP6378360B2

Abstract

In dieser Erfindung werden Vibrationen, die von einem Kühlmechanismus einer Kältemaschine zur Kühlung einer Emitterspitze erzeugt werden, so weit wie möglich daran gehindert, zur Emitterspitze übertragen zu werden, während die Kühlleistung des Kühlmechanismus erheblich erhöht wird. Die Ionenstrahlvorrichtung (10) ist ausgerüstet mit: einem Ionenquellengehäuse (22), das mit einer Emitterspitze (45) versehen ist und eine Ionenquellenkammer (27) definiert, die mit einem Ionisierungsgas oder Gasmolekülen versorgt wird; einen Gastopf (51), der so in der Ionenquellenkammer (27) angeordnet ist, dass er mit der Emitterspitze (45) thermisch verbunden ist, und so aufgenommen wird, dass er mit einer Kühlstufe (57) einer Kältemaschine (52) keinen direkten physischen Kontakt hat; und ein Abstandsstück (59), das auf der Umfangsfläche der im Gastopf (51) aufgenommenen Kühlstufe (57) vorgesehen ist und die Umfangsfläche der Kühlstufe (57) und die Innenumfangsfläche des Kühltopfs (51) auf einen bestimmten Abstand hält.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ionenstrahlvorrichtung, die ein Ionenmikroskop, eine ionenstrahlverarbeitende Beobachtungsvorrichtung und dergleichen umfasst, eine Kältemaschine zur Kühlung einer Emitterspitze einer Ionenquelle in der Ionenstrahlvorrichtung, und ein Verfahren zur Montage eines Kühlmechanismus an die Ionenstrahlvorrichtung.
Stand der Technik
Es ist möglich, die Oberflächenstruktur einer Probe durch abtastendes Bestrahlen der Probe mit einem Elektronenstrahl und Erkennen der dabei von der Probe freigesetzten Sekundärladungsteilchen zu beobachten. Ein Beispiel für solch eine Elektronenstrahlvorrichtung ist ein Rasterelektronenmikroskop (nachstehend auch als REM bezeichnet).
Es ist auch möglich, die Oberflächenstruktur einer Probe durch abtastendes Bestrahlen der Probe mit einem Ionenstrahl anstelle eines Elektronenstrahl und Erkennen der dabei von der Probe freigesetzten Sekundärladungsteilchen zu beobachten. Ein Beispiel für solche Ionenstrahlvorrichtungen ist ein Rasterionenmikroskop (nachstehend auch als RIM bezeichnet). Insbesondere, wenn in einer Ionenstrahlvorrichtung wie einem Rasterionenmikroskop die Probe mit einem Ionenstrahl bestrahlt wird, der Ionenarten mit einer leichten Masse verwendet, wie z. B. Wasserstoff und Helium, nimmt der Sputterbetrieb vergleichsweise ab, was für die Beobachtung der Probe vorteilhaft ist.
Als Ionenquelle solch einer Ionenstrahlvorrichtung wird bevorzugt eine Gasfeld-Ionenquelle verwendet. Die Gasfeld-Ionenquelle ist eine Ionenquelle, die durch ein von einer Emitterspitze hergestelltes elektrisches Feld ein Gas ionisiert und einen Ionenstrahl erzeugt. Die Gasfeld-Ionenquelle weist eine Gasionisierungskammer auf, die eine nadelförmige Emitterspitze enthält, an welche eine Hochspannung angelegt werden kann, und der Gasionisierungskammer wird über eine Gasversorgungsleitung aus einer Gasquelle ein Ionisierungsgas (Ionen-Rohgas) zugeführt.
Wenn die von der Gasversorgungsleitung zugeführten Ionisierungsgase (oder Gasmoleküle) in der Gasfeld-Ionenquelle sich einem distalen Ende der nadelförmigen Emitterspitze nähern, an der die Hochspannung anliegt und ein starkes elektrisches Feld erzeugt wird, tunneln Elektronen in den Gasen (Gasmolekülen) aufgrund eines Quantentunneleffekts durch eine Potenzialbarriere, die durch das starke elektrische Feld reduziert wird, und die Gase (Gasmoleküle) werden als positive Ionen freigesetzt. Diese freigesetzten Ionen werden in der Ionenstrahlvorrichtung als Ionenstrahl verwendet.
Die Gasfeld-Ionenquelle ist in der Lage, einen Ionenstrahl mit enger Energiebreite zu erzeugen. Zudem ist die Größe der Ionenerzeugungsquelle gering, weshalb es möglich ist, einen feinen Ionenstrahl zu erzeugen.
In einer Ionenstrahlvorrichtung mit dem Rasterionenmikroskop ist es jedoch erforderlich, einen Ionenstrahl mit hoher Stromdichte zu erhalten, um die Probe mit einem hohem Signal-Rausch-Verhältnis zu beobachten. Dazu ist es notwendig, eine Ionenstrahlungswinkelstromdichte der Gasfeld-Ionenquelle zu erhöhen. Um diese Ionenstrahlungswinkelstromdichte zu erhöhen, kann eine Molekulardichte des Ionisierungsgases in der Nachbarschaft der Emitterspitze erhöht werden.
Dabei ist eine Gasmoleküldichte pro Druckeinheit umgekehrt proportional zur Temperatur des Gases. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die Emitterspitze auf Tieftemperatur zu kühlen und die Temperatur des Ionisierungsgases in der Nachbarschaft der Emitterspitze zu senken. Durch Kühlen der Emitterspitze auf Tieftemperatur ist es daher möglich, die Molekulardichte des Ionisierungsgases in der Nachbarschaft der Emitterspitze zu erhöhen.
Um eine Probe in der Ionenstrahlvorrichtung mit dem Rasterionenmikroskop mit hoher Auslösung zu beobachten, ist es zudem erforderlich, zu verhindern, dass Vibrationen einer Kältemaschine, die ein Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus ist, der die Emitterspitze auf Tieftemperatur kühlt, zur Emitterspitze übertragen werden. Daher offenbart PTL 1 als Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus, der mit einer Funktion ausgestattet ist, die die Übertragung der Vibrationen, die von einer Kältemaschine erzeugt werden, zur Emitterspitze einer Gasfeld-Ionenquelle verhindert, einen Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus, in welchem eine mechanische Kältemaschine mit einem Heliumgastopf kombiniert ist. Im Heliumgastopf wird als Kühlmittelgas zum Kühlen der Gasfeld-Ionenquelle ein Heliumgas (Inertgas) gespeichert.
Liste der Bezugsliteratur
Patentliteratur

PTL 1: WO 2009/147894

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat umfangreiche Untersuchungen an einer Ionenstrahlvorrichtung durchgeführt, die mit einem Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus versehen ist, um eine Emitterspitze auf Tieftemperatur zu kühlen und die Übertragung der von einer Kältemaschine verursachten Vibrationen zur Emitterspitze zu verhindern, und ist zu den folgenden Erkenntnissen gekommen.
Im Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus, der in PTL 1 offenbart wird, bestand die Möglichkeit, dass ein Gastopf, der Kälte zur Emitterspitze überträgt, und eine Kühlstufe der Kühlmaschine beim Zusammenbau eines Vakuumbehälters des Vorrichtungshauptkörpers und der Kühlmaschine in direkten physischen Kontakt miteinander kommen. Wenn der Gastopf und die Kühlstufe der Kühlmaschine in direkten physischen Kontakt miteinander gebracht werden, wird daher auch die Vibration des Hauptkörpers der Kühlmaschine zum Gastopf übertragen. Allgemein ist der Gastopf starr, das heißt, mechanisch fest am Vakuumbehälter angebracht, der eine Gasionisierungskammer der Ionenstrahlvorrichtung bildet, sodass ihre Lagebeziehung sich nicht ändert. Wenn der Gastopf vibriert, vibriert daher auch der Vakuumbehälter in Reaktion darauf. Zudem sind auch der Vakuumbehälter und die Emitterspitze der Gasfeld-Ionenquelle starr aneinander befestigt, und daher vibriert auch die Emitterspitze, wenn der Vakuumbehälter vibriert. Wenn die Emitterspitze deshalb vibriert, ist es daher nicht möglich, einen ausreichend konvergenten Ionenstrahl freizusetzen, wodurch es nicht möglich ist, eine Beobachtung mit einer hohen Auflösung durchzuführen.
Um dieses Problem zu verhindern, ist es notwendig, einen Spalt (Zwischenraum) zwischen dem Gastopf und der Kühlstufe der Kältemaschine zu vergrößern, damit der Topf und die Kühlstufe keinen direkten physischen Kontakt miteinander haben. Wenn der Spalt zwischen dem Gastopf und der Kühlstufe groß ist, wird der Gastopf jedoch nicht ausreichend durch die Kühlstufe gekühlt.
Da der Gastopf und die Emitterspitze thermisch miteinander verbunden sind, wird die Emitterspitze ebenfalls nicht ausreichend gekühlt, wenn der Gastopf nicht ausreichend gekühlt wird. Wenn die Emitterspitze nicht ausreichend gekühlt wird, ist es nicht möglich, die Temperatur des Ionisierungsgases in der Nachbarschaft der Emitterspitze auf Tieftemperatur zu senken. Und wenn die Temperatur des Ionisierungsgases in der Nachbarschaft der Emitterspitze nicht auf Tieftemperatur gesenkt werden kann, nimmt die Molekulardichte des Ionisierungsgases in der Nachbarschaft der Emitterspitze ab. Deshalb kann die Ionenstrahlungswinkelstromdichte nicht erhöht werden, und es ist nicht möglich, auf der Probe den Ionenstrahl mit hoher Stromstärke zu erhalten, weshalb es nicht möglich ist, die Probe in einer Ionenstrahlvorrichtung wie dem Rasterionenmikroskop mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis zu beobachten.
Die vorliegende Erfindung hat verschiedene Probleme der herkömmlichen Ionenstrahlvorrichtung auf der Basis der obigen Erkenntnisse in Bezug auf den Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus gelöst, und eine ihrer Aufgaben ist die Bereitstellung einer Ionenstrahlvorrichtung, die so weit wie möglich verhindert, dass Vibrationen, die von einer Kältemaschine in einem Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus erzeugt werden, zu einer Ionenquelle übertragen werden, und die eine erhebliche Erhöhung der Kühlleistung des Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus ermöglicht.
Lösung des Problems
Eine Ionenstrahlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Ionenquellengehäuse, das mit einer Emitterspitze versehen ist, um Ionen zu erzeugen, und eine Ionenquellenkammer definiert, die mit einem Ionisierungsgas oder Gasmolekülen versorgt wird; einen Kühltopf, der derart in der Ionenquellenkammer angeordnet ist, dass er mit der Emitterspitze thermisch verbunden ist und eine Kühlstufe einer Kältemaschine ohne direkten physischen Kontakt aufnimmt; und ein Abstandsstück, das eine Umfangsfläche der Kühlstufe und eine Innenumfangsfläche des Kühltopfs auf einen bestimmten Abstand hält.
Ferner umfasst eine Kältemaschine zur Verwendung in einer Ionenstrahlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung folgendes: eine Kühlstufe, die ohne direkten physischen Kontakt in einem Kühltopf aufgenommen wird, der in der Ionenquellenkammer angeordnet ist und mit der Emitterspitze thermisch verbunden ist, um den Kühltopf über ein Wärmeleitmittel zu kühlen; und ein Abstandsstück, das eine Umfangsfläche der Kühlstufe und eine Innenumfangsfläche des Kühltopfs auf einen bestimmten Abstand hält.
Ferner umfasst ein Montageverfahren für eine Kältemaschine zur Verwendung in einer Ionenstrahlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung folgendes: Einbauen einer Kühlstufe zur Kühlung eines Kühltopfs in den Kühltopf, der derart in der Ionenquellenkammer angeordnet ist, dass er mit der Emitterspitze thermisch verbunden ist, wobei ein Abstandsstück im Normaltemperaturzustand gehalten wird und das Abstandsstück aus einen Material konfiguriert ist, dessen Volumen in einem Kühlzustand im Vergleich zum Normaltemperaturzustand schrumpft; und Versetzen des im Kühltopf aufgenommenen Abstandsstücks in einen Kühlzustand, um eine Umfangsfläche des Abstandsstücks von einer Innenumfangsfläche des Kühltopfs zu trennen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung gemäß ist es möglich, einen Spalt zwischen einem Gastopf und der Kühlstufe ohne direkten physischen Kontakt zwischen dem Gastopf als Kühltopf und der Kühlstufe der Kältemaschine eng einzustellen und die Position des Gastopfs in Bezug auf die Kühlstufe zu halten. Dadurch ist es möglich, die Vibrationsübertragung von der Kühlstufe über den Gastopf zur Emitterspitze so weit wie möglich zu reduzieren und die Kühlung des Gastopfs durch die Kühlstufe wirksam durchzuführen, wodurch die Kühlleistung in der Emitterspitze und in der Nachbarschaft der Emitterspitze erhöht wird.
Dadurch ist es möglich, die folgenden Wirkungen für die Ionenstrahlvorrichtung zu erreichen:

(1) Die Untersuchung der Probe mit der Ionenstrahlvorrichtung kann mit einem höheren Empfindlichkeitsgrad durchgeführt werden.
(2) Die Reproduzierbarkeit eines Fehlers in Untersuchungsergebnissen kann erhöht werden.

Weitere Aufgaben, Konfigurationen und Wirkungen gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Konfigurationszeichnung eines Rasterionenmikroskops als Ionenstrahlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine partiell vergrößerte Ansicht einer Kühlstufeneinheit und eines Gastopfs, die einen Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus des in 1 dargestellten Rasterionenmikroskops bilden.
3 ist eine Darstellung, die die Kühlstufeneinheit und den Gastopf im getrennten Zustand darstellt, bevor sie wie in 2 gezeigt zusammengebaut sind.
4 ist eine Darstellung, in der die Kühlstufeneinheit und der Gastopf, die in 3 gezeigt werden, im zusammengebauten Zustand sind.
5(a) bis 5(c) sind erläuternde Darstellungen einer Kühlstufeneinheit, in welcher als Vergleichsbeispiel bezüglich der Positionierung der Rippe und des Gastopfs kein Abstandsstück installiert ist.
6(a) und 6(b) sind Ansichten zum Vergleich eines Normaltemperaturzustands mit einem Kühlzustand in der Kühlstufeneinheit und im Gastopf, die in 2 dargestellt sind.
7(a) und 7(b) sind Konfigurationszeichnungen eines modifizierten Beispiels einer Baugruppe, die durch Verbinden einer Rippe mit einer Kühlstufe erhalten wird.
8 ist eine Konfigurationszeichnung eines Kühlmechanismus, der einen Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus umfasst.
9(a) bis 9(c) sind erläuternde Darstellungen eines Betriebszustands eines Kühlmechanismus als Vergleichsbeispiel ohne Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus.
10 ist eine schematische Konfigurationszeichnung eines Rasterionenmikroskops als Ionenstrahlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorlegenden Erfindung.
11 ist eine partiell vergrößerte Ansicht einer Kühlstufeneinheit und eines Gastopfs, die einen Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus der in 10 dargestellten Ionenstrahlvorrichtung bilden.
12 ist eine Darstellung, die die Kühlstufeneinheit und den Gastopf im getrennten Zustand darstellt, bevor sie wie in 11 gezeigt zusammengebaut sind.
13(a) und 13(b) sind Ansichten zum Vergleich eines Normaltemperaturzustands in der Kühlstufeneinheit und im Gastopf, die in 11 dargestellt sind, mit einem Kühlzustand.
14(a) und 14(b) sind Konfigurationszeichnungen eines modifizierten Beispiels einer Baugruppe, die durch Verbinden einer Rippe mit einer Kühlstufe erhalten wird.
15 ist eine Konfigurationszeichnung eines Beispiels einer Ionenstrahlvorrichtung, in der ein Rasterionenmikroskop mit einem Massenspektrometer kombiniert ist.
16 ist eine Konfigurationszeichnung eines anderen Beispiels der in 15 gezeigten Ionenstrahlvorrichtung, in der das Rasterionenmikroskop mit dem Massenspektrometer kombiniert ist.
Beschreibung der Ausführungsformen
Zunächst werden Eigenschaften einer Ionenstrahlvorrichtung beschrieben, bevor näher auf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingegangen wird.
Eine Ionenstrahlvorrichtung ist im Vergleich zu einer Elektronenstrahlvorrichtung, die einen Elektronenstrahl verwendet, wie z. B. ein REM, der Oberflächeninformation einer Probe gegenüber empfindlicher. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein Erregungsbereich der Sekundärladungsteilchen bei der Bestrahlung mit einem Ionenstrahl auf der Probenoberfläche lokal begrenzter ist als bei der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl. Zudem kann ein Beugungseffekt des Ionenstrahls in der Ionenstrahlvorrichtung ignoriert werden. Da es nicht möglich ist, eine Welleneigenschaft des Elektrons zu ignorieren, wird im Elektronenstrahl aufgrund des Beugungseffekts eine Aberration erzeugt. Beim Ionenstrahl kann die Welleneigenschaft dagegen ignoriert werden, da Ionen eine schwerere Masse haben als Elektronen.
Ein Beispiel für eine Ionenstrahlvorrichtung, die diese Eigenschaft nutzt, ist ein Rasterionenmikroskop. Das Rasterionenmikroskop ist eine Vorrichtung, die eine Oberflächenstruktur einer Probe beobachtet, indem sie die Probe mit einem Ionenstrahl abtastend bestrahlt und von der Probe freigesetzte Sekundärladungsteilchen erkennt. Insbesondere, wenn die Probe mit Ionenarten mit einer leichten Masse, wie z. B. Wasserstoff und Helium, bestrahlt wird, nimmt der Sputterbetrieb vergleichsweise ab, was für die Beobachtung der Probe vorzuziehen ist.
Ein weiteres Beispiel für eine Ionenstrahlvorrichtung ist ein Transmissionsionenmikroskop. Das Transmissionsionenmikroskop ist eine Vorrichtung, die in der Lage ist, Information zu erhalten, die eine innere Struktur einer Probe wiedergibt, indem sie die Probe mit einem Ionenstrahl bestrahlt und durch die Probe durchgelassene Ionen erkennt. Das Transmissionsionenmikroskop ist bei Bestrahlung der Probe mit Ionenarten, die eine leichter Masse haben, wie z. B. Wasserstoff und Helium, zur Beobachtung der Probe am besten geeignet, wenn ein Anteil der durch die Probe durchgelassenen Ionen hoch ist.
Die Ionenfeinstrahlvorrichtung (nachstehend auch als FIB abgekürzt) ist ein weiteres Beispiel für eine Ionenstrahlvorrichtung. Die Ionenfeinstrahlvorrichtung ist im Gegensatz dazu eine Vorrichtung, die einen Sputtervorgang verwendet, wobei sie die Probe mit Ionenarten bestrahlt, die eine schwere Masse haben, wie z. B. Argon, Xenon und Gallium, die zur Verarbeitung der Probe durch einen Sputtervorgang vorzuziehen sind. Als ionenfeinstrahlverarbeitende Beobachtungsvorrichtung ist insbesondere eine Ionenfeinstrahlvorrichtung (FIB) bekannt, die als Ionenquelle zur Erzeugung eines Ionenstrahls eine Flüssigmetall-Ionenquelle (nachstehend auch als LMIS abgekürzt) verwendet.
Zusätzlich wurde in den letzten Jahren auch eine FIB-REM-Vorrichtung verwendet, was eine Vorrichtung ist, die durch Kombinieren eines Rasterelektronenmikroskops (REM) mit der Ionenfeinstrahlvorrichtung (FIB) erhalten wird. Die FIB-REM-Vorrichtung kann durch Bestrahlen der Probe mit einem Feinstrahl (fokussierter Ionenstrahl (FIB)) an einem gewünschten Punkt ein Viereckloch in einer Probe herstellen und eine REM-Beobachtung eines Querschnitts der Probe durchführen. In der FIB-REM-Vorrichtung ist eine Ionenquelle nicht auf die Flüssigmetall-Ionenquelle beschränkt, und die Probe kann auch durch Erzeugen eines Gasions wie z. B. Argon und Xenon und Bestrahlen der Probe mit dem erzeugten Gasion unter Verwendung einer Plasmaionenquelle oder einer Gasfeldionisationsionenquelle als Ionenquelle verarbeitet werden.
Die vorliegende Erfindung ist sowohl auf eine derartige Ionenstrahlvorrichtung mit einem Ionenmikroskop und einer ionenstrahlverarbeitenden Beobachtungsvorrichtung als auch auf eine kombinierte Ionenstrahlvorrichtung anwendbar, in der die Ionenstrahlvorrichtung mit einer ionenstrahlverarbeitenden Beobachtungsvorrichtung kombiniert ist. Ferner ist die vorliegende Erfindung auch auf Ionenstrahlvorrichtungen anwendbar, in denen eine Ionenstrahlvorrichtung und eine andere Vorrichtung als die Ionenstrahlvorrichtung miteinander kombiniert sind, wie z. B. eine Analyse- und Prüfvorrichtung, die durch Anwenden eines Ionenmikroskops und eines Elektronenmikroskops erhalten wird, eine Vorrichtung, die durch Kombinieren eines Ionenmikroskops mit einem Massenspektrometer erhalten wird, und eine Vorrichtung, die durch Kombinieren eines Ionenmikroskops mit einem Elektronenmikroskop und einem Massenspektrometer erhalten wird.
Nachstehend werden Ionenstrahlvorrichtungen, in welchen derartige Ionenstrahlvorrichtungen miteinander kombiniert sind, und Ionenstrahlvorrichtungen, in welchen Ionenstrahlvorrichtungen mit anderen Vorrichtungen als Ionenstrahlvorrichtungen kombiniert sind, zusammengenommen als Ionenstrahlvorrichtungen bezeichnet. Demnach beschränkt sich die Ionenstrahlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Vorrichtungen, solange die Ionenstrahlvorrichtung eine Vorrichtung ist, die eine Ionenquelle verwendet, und insbesondere eine Vorrichtung, die eine Gasfeld-Ionenquelle verwendet.
Bezugnehmend auf Ausführungsformen der Ionenstrahlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, folgt eine beispielhafte Beschreibung eines Rasterionenmikroskops, das eine Art Ionenstrahlvorrichtung ist, einer in der Ionenstrahlvorrichtung verwendeten Kältemaschine, und eines Verfahrens zur Montage des Kühlmechanismus an die Ionenstrahlvorrichtung, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Die Zeichnungen dienen allein dem besseren Verständnis und schränken spezifische Konfigurationen der Ionenstrahlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, des Kühlmechanismus der Vorrichtung und dergleichen oder die Arten der Ionenstrahlvorrichtung keineswegs ein, und begrenzen den Umfang der Ansprüche nicht unnötig.
<Erste Ausführungsform>
1 ist eine schematische Konfigurationszeichnung eines Rasterionenmikroskops als Ionenstrahlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine partiell vergrößerte Ansicht einer Kühlstufeneinheit und eines Gastopfs, die einen Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus des in 1 dargestellten Rasterionenmikroskops bilden.
3 ist eine Darstellung, die die Kühlstufeneinheit und den Gastopf im getrennten Zustand zeigt, bevor sie wie in 2 gezeigt im zusammengebauten Zustand sind.
4 ist eine Darstellung, in der die Kühlstufeneinheit und der Gastopf, die in 3 gezeigt werden, im zusammengebauten Zustand sind.
Wie in der Zeichnung dargestellt, umfasst ein Rasterionenmikroskop 10 als Ionenstrahlvorrichtung eine Ionenquelle 20, um einen Ionenstrahl 21 zu erzeugen, eine Säule (Linsentubus) 30, die mit einem Bestrahlungssystem 31 versehen ist, eine Probenkammer 40, in welcher eine Probe 41 als Beobachtungsobjekt angeordnet ist, einen Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus 50 (nachstehend auch als Kühlmechanismus 50 abgekürzt), um die Ionenquelle 20 zu kühlen, und ein Steuergerät 90, um die Steuerung jeder Einheit des Mikroskops durchzuführen.
Im dargestellten Beispiel sind die Probenkammer 40 und die Säule 30 dazu konfiguriert, durch einen Vakuumbehälter 32 integriert zu werden. Darüber hinaus dient der Vakuumbehälter 32 auch als Probenkammergehäuse, und die Säule bildet zusammen mit einem Ionenquellengehäuse 22 der Ionenquelle 20 einen Vorrichtungshauptkörper 11 der Ionenstrahlvorrichtung 10. Der Vakuumbehälter 32, das heißt, der Vorrichtungshauptkörper 11 der Ionenstrahlvorrichtung 10 ist auf eine Grundplatte 15 montiert, die von einem Sockel 13 getragen wird, der mit einem dazwischen liegenden vibrationsdämpfenden Mechanismus 14 auf einem Boden 12 angeordnet ist.
Der vibrationsdämpfende Mechanismus 14 ist zum Beispiel aus einem vibrationsdämpfendem Gummi, einer Feder, einem Dämpfer oder einer Kombination daraus konfiguriert. Der vibrationsdämpfende Mechanismus 14 dämpft Vibrationen, die über den Sockel 13 vom Boden 12 zur Grundplatte 15 übertragen werden. Dadurch werden Vibrationen, die vom Boden 12 zum Vorrichtungshauptkörper 11 übertragen werden, auf ein Niveau reduziert, das beim praktischen Gebrauch des Rasterionenmikroskops 10 kein Problem verursacht.
Das Innere des Vakuumbehälters 32, der die Probenkammer 40 und die Säule 30 enthält, wird unter Vakuum gehalten. Zu diesem Zweck ist der Vakuumbehälter 32 mit einem Vakuumsaugsystem 33 zum Absaugen der Atmosphäre im Behälter verbunden. Im dargestellten Beispiel ist das Vakuumsaugsystem 33 so konfiguriert, dass eine Vakuumsaugvorrichtung 34 wie z. B. eine Vakuumpumpe über ein Vakuumsaugrohr 35 mit einer in der Grundplatte 15 gebildeten Absaugöffnung des Vakuumbehälters 32 verbunden ist. In diesem Fall ist auch das Vakuumsaugsystem 33 zum Beispiel in einem mittleren Abschnitt des Vakuumsaugrohrs 35 oder in einem Verbindungsabschnitt mit der Vakuumsaugvorrichtung 34 oder der Grundplatte 15 mit einem vibrationsdämpfenden Mechanismus (nicht dargestellt) versehen, zum Beispiel ein dämpfendes Element wie ein Balg oder eine Dichtung. Dadurch werden auch betriebsbedingte Vibrationen der Vakuumsaugvorrichtung 34, die über das Vakuumsaugrohr 35 zur Grundplatte 15 und zum Vorrichtungshauptkörper 11 übertragen werden, auf ein Niveau reduziert, das beim praktischen Gebrauch des Rasterionenmikroskops 10 kein Problem verursacht.
Die dargestellte Ausführungsform ist so konfiguriert, dass die Probenkammer 40 und die Säule 30 zur Aufnahme des Bestrahlungssystems 31 in der Dickenrichtung der Grundplatte 15 auf integrierte Weise im Vakuumbehälter 32 vertikal angeordnet sind.
Die Probenkammer 40 ist mit einer Probenbühne 42 versehen, auf welcher eine Probe 41 platziert ist, um in der Probenkammer 40 bewegt zu werden, und mit einem Sekundärteilchendetektor 43, der Sekundärteilchen erkennt, die aufgrund der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl 21 von der Probe 41 erzeugt werden. Zusätzlich ist in einer Umfangswand des Probenkammerteils des Vakuumbehälters 32 eine Probenlade- und -entnahmeöffnung (nicht dargestellt) gebildet. Die Probenlade- und -entnahmeöffnung ist normalerweise durch einen Deckel zum Schließen oder Öffnen der Öffnung luftdicht verschlossen. Die Probe 41 als Beobachtungsgegenstand wird durch die Probenlade- und -entnahmeöffnung in die Probenkammer 40 gelegt oder aus dieser entnommen.
Die Probenbühne 42 umfasst eine Montagefläche, auf der die geladene Probe 41 montiert ist, und einen Antriebsmechanismus, der die Bewegung (einschließlich der Drehung und Neigung) der Montagefläche bewirkt. Die Probenbühne 42 verschiebt eine Ionenstrahl-Bestrahlungsposition und ändert eine Bestrahlungsrichtung an der montierten Probe 41 in Reaktion auf die Bewegung der Montagefläche. Der Sekundärteilchendetektor 43 erkennt das Sekundärteilchen, das aufgrund der Bestrahlung mit dem Ionenstrahl 21 von der Probe 41 erzeugt wird, und gibt ein Erkennungssignal an eine Bilderzeugungseinheit im Steuergerät 90 aus.
Das Bestrahlungssystem 31 umfasst eine Linse, eine Ablenkeinrichtung und dergleichen, um den von der Ionenquelle 20 freigesetzten Ionenstrahl 21 zu fokussieren und abtastend zu bewegen. Im dargestellten Beispiel ist das Bestrahlungssystem 31 im Vakuumbehälter 32 über der Probenkammer 40, das heißt, in der Säule 30 feststehend so angeordnet, dass seine optische Achse in der Dickenrichtung der Grundplatte 15 verläuft, die senkrecht zur Plattenfläche der Grundplatte 15 ist. Das Bestrahlungssystem 31 betreibt die Linsen und die Ablenkeinheit auf der Basis eines von der Bestrahlungssteuerung im Steuergerät 90 empfangenen Steuersignals derart, dass der von der Ionenquelle 20 erzeugte Ionenstrahl 21 eine gewünschte Position auf der Oberfläche der auf der Probenbühne 42 montierten Probe bestrahlt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird als Ionenquelle 20 zur Erzeugung des Ionenstrahls 21 eine Gasfeld-Ionenquelle (nachstehend auch als Gasionenquelle abgekürzt) verwendet. Die Gasionenquelle 20 ist derart konfiguriert, dass ihr Ionenquellengehäuse 22 integral so am Vakuumbehälter 32 befestigt ist, dass eine optische Achse des erzeugten Ionenstrahls 21 koaxial zur optischen Achse des Bestrahlungssystems 31 ist. Im dargestellten Beispiel umfasst das Ionenquellengehäuse 22 einen die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23, der mit einem oberen Teil des Vakuumbehälters 32 verbunden ist, und einen den Topf enthaltenden Gehäuseteil (Kühlmechanismus-Gehäuseteil) 24, der von einer Seitenfläche des die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteils 23 in eine horizontale Richtung vorspringt, um parallel zur Plattenfläche der Grundplatte 15 zu sein. Dadurch wird eine Gasionisierungskammer 25 im Inneren des die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteils 23 gebildet, und eine Topfkammer 26 wird im Inneren des den Topf enthaltenden Gehäuseteils 24 gebildet. Die zwei Kammern 25 und 26 sind normalerweise über eine Verbindungsöffnung 28 im Verbindungsabschnitt zwischen dem die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 und dem den Topfenthaltenden Gehäuseteil 24 miteinander verbunden, und eine integrierte Ionenquellenkammer 27 ist konfiguriert, indem die beiden Kammern 25 und 26 miteinander kombiniert sind. Ferner ist ein vorspringendes Ende des den Topf enthaltenden Gehäuseteils 24 in der horizontalen Richtung offen, wodurch eine Kühlmechanismus-Montageöffnung 29 gebildet wird. Die Ionenquellenkammer 27 und das Innere der Säule 30 des Vakuumbehälters 32 sind nur über ein Durchgangsloch 37 miteinander verbunden, das in einer Trennwand 36 gebildet ist, die beide Kammern definiert. Das Durchgangsloch 37 durchdringt die Trennwand 36 an einer Stelle, die der optischen Achse des Bestrahlungssystems 31 entspricht.
In der vorliegenden Ausführungsform gilt die Beschreibung übrigens für die Konfiguration, in welcher eine Verlaufsrichtung der Topfkammer 26 im den Topf enthaltenden Gehäuseteil 24 und eine Öffnungsrichtung der Kühlmechanismus-Montageöffnung 29 horizontal sind, die Verlaufsrichtung und die Öffnungsrichtung sind jedoch nicht unbedingt auf die horizontale Richtung beschränkt. Zum Beispiel können beide Richtungen als vertikale Richtung konfiguriert sein.
Die Gasionenquelle 20 umfasst eine Emitterspitze 45 und eine Extraktionselektrode 46 in der Gasionisierungskammer 25 des Ionenquellengehäuses 22. Ein Gasversorgungsrohr 48 zur Zuführung eines Ionisierungsgases aus einer Gasquelle 47 und ein Vakuumsaugrohr 39 eines Vakuumsaugsystems 49 zum Vakuumsaugen der Atmosphäre in der Ionenquellenkammer 27 sind dazu konfiguriert, miteinander in Verbindung stehend mit der Gasionisierungskammer 25 verbunden zu sein.
Die Emitterspitze 45 ist aus einer nadelförmigen Elektrode konfiguriert, an die eine Hochspannung angelegt werden kann. Die Emitterspitze 45 ist mit einer Gasionenquellen-Steuereinheit im Steuergerät 90 verbunden, sodass die Hochspannung unter der Steuerung der Gasionenquellen-Steuereinheit angelegt und ein starkes elektrisches Feld von der nadelförmigen Elektrode erzeugt werden kann. Wenn die Gasmoleküle des Ionisierungsgases sich nähern, tunneln Elektronen in den Gasmolekülen aufgrund eines Quantentunneleffekts durch eine Potenzialbarriere, die durch das starke elektrische Feld der nadelförmigen Elektrode der Emitterspitze 45 reduziert wird, wodurch die Emitterspitze 45 positive Ionen erzeugt. Die Extraktionselektrode 46 ist mit der Gasionenquellen-Steuereinheit im Steuergerät 90 verbunden und extrahiert die von der Emitterspitze 45 erzeugten positiven Ionen, sodass sie als Ionenstrahl freigesetzt werden, wenn unter der Steuerung der Gasionenquellen-Steuereinheit eine Extraktionsspannung angelegt wird. Die Emitterspitze 45 und die Extraktionselektrode 46 sind im die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 derart feststehend angeordnet, dass der freigesetzte Ionenstrahl 21 koaxial zum Durchgangsloch 37 der Trennwand 36 und zur optischen Achse des Bestrahlungssystems 31 ist. Das Ionisierungsgas, das der Ionenquellenkammer 27 durch das Gasversorgungsrohr 48 zugeführt wird, kann aus Gasmolekülen bestehen.
Ein vibrationsdämpfender Mechanismus, der ein dämpfendes Element wie z. B. einen Balg oder eine Dichtung verwendet, ist auch in der Mute des Gasversorgungsrohrs 48, einem Verbindungsteil davon und dergleichen vorgesehen. Dadurch werden auch betriebsbedingte Vibrationen der Gasquelle 47 des Ionisierungsgases, die das Gasversorgungsrohr 48 zum Ionenquellengehäuse 22 übertragen werden, auf ein Niveau reduziert, das beim praktischen Gebrauch des Rasterionenmikroskops 11 kein Problem verursacht. Dementsprechend ist ein vibrationsdämpfender Mechanismus, der ein dämpfendes Element wie z. B. einen Balg oder eine Dichtung verwendet, auch in der Mute des Vakuumsaugrohrs 39, einem Verbindungsteil davon und dergleichen angeordnet. Dadurch werden auch betriebsbedingte Vibrationen einer Vakuumsaugvorrichtung 38, die über das Vakuumsaugrohr 39 zum Ionenquellengehäuse 22 übertragen werden, auf ein Niveau reduziert, das beim praktischen Gebrauch des Rasterionenmikroskops 11 kein Problem verursacht. Die Vakuumsaugvorrichtung 39, die das Vakuumsaugen in der Ionenquellenkammer 27 durchführt, kann übrigens mit der Vakuumsaugvorrichtung 34, die das Saugen im Vakuumbehälter 32 durchführt, gemeinsam genutzt werden.
Der von der Emitterspitze 45 der Gasionenquelle 20 erzeugte und von der Extraktionselektrode 46 freigesetzte Ionenstrahl 21 tritt über das Durchgangsloch 37 in den Vakuumbehälter 32 ein, wird durch das Bestrahlungssystem 31 auf geeignete Weise fokussiert, abgelenkt oder abtastend bewegt, und bestrahlt einen Beobachtungspunkt auf der Probe 40, die auf der Probenbühne 42 in der Probenkammer 40 montiert ist. Dabei werden Sekundärladungsteilchen, die durch die Bestrahlung mit dem Ionenstrahl 21 vom Beobachtungspunkt auf der Probe 40 freigesetzt werden, vom Sekundärteilchendetektor 43 erkannt, und auf der Basis des Erkennungssignals vom Sekundärteilchendetektor 43 wird in der Bilderzeugungseinheit des Steuergeräts 90 ein Beobachtungsbild eines Bestrahlungspunkts des Ionenstrahls erzeugt. Das Steuergerät 90 bewirkt die Anzeige dieses erzeugten Beobachtungsbilds auf einer Anzeigeeinheit eines Ein- und Ausgabegeräts 91, um es visuell erkennbar zu machen.
Ein Gastopf 51 des Kühlmechanismus (Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus) 50 ist in der Topfkammer 26 der Ionenquellenkammer 27 untergebracht. Bevor auf die Beschreibung der Anordnung des Gastopfs 51 in der Topfkammer 26 eingegangen wird, folgt zunächst eine Beschreibung der Gesamtkonfiguration des Kühlmechanismus 50 im Rasterionenmikroskop 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Der Kühlmechanismus 50 kühlt die Emitterspitze 45 auf eine Tieftemperatur, um die Molekulardichte des Ionisierungsgases im Gasionisierungskammer 25 – Teil in der Nachbarschaft der Emitterspitze 45 zu erhöhen, und senkt die Temperatur des Ionisierungsgases in der Nachbarschaft der Emitterspitze 45. Der Kühlmechanismus 50 ist aus einem Kühlmechanismus konfiguriert, in welchem eine mechanische Kältemaschine 52 mit dem Gastopf 51 kombiniert ist.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Gifford-McMahon-Kühler (GM-Kühler) als Kältemaschine 52 des Kühlmechanismus 50 verwendet. Ohne auf den GM-Kühler beschränkt zu sein, kann als mechanische Kältemaschine 52 auch ein Pulsröhrenkühler, ein Stirling-Kühler oder dergleichen verwendet werden.
Die Kältemaschine 52 umfasst einen Kältemaschinenhauptkörper 53 und einen Verdichter 54, und der Kältemaschinenhauptkörper 53 und der Verdichter 54 sind über eine Hochdruckleitung 55 und eine Niederdruckleitung 56 miteinander verbunden. Die Kältemaschine 52 weist eine Struktur auf, in welcher durch periodisches Expandieren eines Hochdruckarbeitsgases im Kältemaschinenhauptkörper 53 Kälte erzeugt wird.
Der Verdichter 54 verdichtet das zum Beispiel aus einem Heliumgas bestehende Arbeitsgas auf einen Hochdruckzustand und führt dem Kältemaschinenhauptkörper 53 das verdichtete Gas über die Hochdruckleitung 55 zu. Das Arbeitsgas, das einen niedrigeren Druck aufweist, nachdem es im Kältemaschinenhauptkörper 53 zur Kälteerzeugung genutzt wurde, wird über die Niederdruckleitung 56 im Verdichter 54 gesammelt. Das gesammelte Arbeitsgas wird erneut vom Verdichter 54 verdichtet.
Der Kältemaschinenhauptkörper 53 umfasst zum Beispiel einen Zylinder (nicht dargestellt), in welchem ein hin und her beweglicher Verdrängerkolben mit integriertem Kältespeicher installiert ist, ein Verdrängerkolben-Antriebsmittel (nicht dargestellt), das die Hin- und Herbewegung des Verdrängerkolbens bewirkt, und einen Ventilmechanismus, der das Innere des Zylinders der Bewegung des Verdrängerkolbens im Zylinder entsprechend mit der Hochdruckleitung 55 oder der Niederdruckleitung 56 verbindet, um das Ein- und Ausströmen des Arbeitsgases zu bewirken. Ferner ist ein Teil, das eine vom Verdrängerkolben definierte Expansionskammerseite im Zylinder enthält, so konfiguriert, dass er als Kühlstufe 57 zur Kühlung einer Wärmelast stangenförmig von einer Gehäusefläche vorspringt.
Im dargestellten Beispiel weist die Kühlstufe 57 die Form einer gestuften Stange auf, wobei eine Stufe 57b, deren Außenform, in der Achsrichtung gesehen, kleiner ist als eine Außenform einer Basis 57a, koaxial von der Basis 57a vorspringt, die von einer Gehäusefläche des Kältemaschinenhauptkörpers 53 vorspringt. Eine distale Endseite der Kühlstufe 57 ist die am stärksten kühlende Seite, und daher ist eine Basis 58a einer Rippe 58 koaxial an ein distales Ende 57c der Kühlstufe 57 befestigt. Die Rippe 58 ist aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit (Wärmeableitungsfähigkeit) geformt, zum Beispiel aus sauerstofffreiem Kupfer, um eine Vergrößerung der Fläche der am stärksten kühlenden Seite der Kühlstufe 57 zu erreichen. Gleichzeitig ist eine Außenform der Rippe 58 vertikal zur Achsrichtung, in der Achsrichtung der Kühlstufe 57 gesehen, größer als die Außenform der Stufe 57b der Kühlstufe 57, und hat einen größeren Durchmesser.
Ferner ist an einer Umfangsfläche der Stufe 57b der Kühlstufe 57 ein Abstandsstück 59 angebracht, das den Umfang der Stufe 57b umgibt. Wenn das Abstandsstück 59 sich in einem an die Stufe 57b montierten Zustand befindet, ist es mit einer Außenumfangskante geformt, die in einer Radialrichtung, bezogen auf die Radialrichtung, die die Achse der Kühlstufe 57 zum Zentrum hat, weiter nach außen vorspringt als eine Außenumfangskante der Rippe 58.
Was die konkrete Form des Abstandsstücks anbetrifft, ist es übrigens möglich, verschiedene konkrete Formen des Abstandsstücks 59 zu verwenden, zum Beispiel ein rohrförmiges Abstandsstück, das die gesamte Umfangsfläche der Stufe 57b der Kühlstufe 57 umgibt, eine Abstandsstück-Anordnung, die durch Anordnen mehrerer Abstandsstücke Seite an Seite in einem vorbestimmten Abstand entlang einer Umfangsrichtung der Stufe 57b erhalten wird, sodass die Umfangsfläche der Stufe 57b partiell umgeben wird, und dergleichen.
Was die konkrete Form der Außenumfangskante anbetrifft, wenn das Abstandsstück 59 in einem an die Stufe 57b der Kühlstufe 57 montierten Zustand in der Achsrichtung gesehen wird, ist es zudem möglich, verschiedene Formen der Außenumfangskante zu verwenden, selbst wenn das Abstandsstück 59 das rohrförmige Abstandsstück ist, zum Beispiel eine kreisförmige Außenumfangskante, die mindestens in Bezug auf die Außenumfangskante der Rippe 58 im gesamten Bereich entlang ihres Umfangs vorspringt, eine mehreckige Form, wobei die Ecken der Außenumfangskante mindestens in Bezug auf die Außenumfangskante der Rippe 58 nur partiell an mehreren Punkten entlang ihres Umfang vorspringen, usw.
In der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass als Abstandsstück 59 das rohrförmige Abstandsstück verwendet wird, das in einem Zustand, in dem es an die Stufe 57b der Kühlstufe 57 montiert ist, die gesamte Umfangsfläche des Stufe 57b umgibt, und dessen Außenumfangskante in der Radialrichtung über den gesamten Bereich entlang ihres Umfangs werter nach außen vorspringt als die jeweilige Außenumfangskante der Basis 57a und der Rippe 58. Nachstehend wird die Kühlstufe 57 in dem Zustand, in welchem sie mit der Rippe 58 und dem Abstandsstück 59 zusammengebaut ist, als Kühlstufeneinheit 60 bezeichnet.
Ferner weist das Abstandsstück 59 in der vorliegenden Ausführungsform eine wärmeisolierende Eigenschaft und außerdem eine größenbezogene Temperaturreversibilität auf, wobei das Abstandsstück 59 sich zusammenzieht und sein Volumen im Vergleich zu einem Normaltemperaturzustand abnimmt, wenn es von der Normaltemperatur (die zum Beispiel einer Raumtemperatur eines Raums entspricht, in dem das Rasterionenmikroskop 10 angeordnet ist) gekühlt wird, und bei Rückkehr zur Normaltemperatur im Wesentlichen wieder die gleiche Größe annimmt. Daher weist auch die Größe der Außenumfangskante des Abstandsstücks 59, in seiner Achsrichtung gesehen, eine Temperaturreversibilität auf, wobei die Außenumfangskante sich im Vergleich zum Normaltemperaturzustand zusammenzieht, wenn sie gekühlt wird, und wieder ihre Originalgröße annimmt, wenn sie zur Normaltemperatur zurückkehrt. Das obige Abstandsstück 59 ist aus einem porösen Material konfiguriert, zum Beispiel geschäumtes Harz.
Bezogen auf eine Radialrichtung, die eine Achse der Kühlstufeneinheit 60 zum Zentrum hat, ist die Umfangsfläche eines mit einem Abstandsstück versehenen Teils 60a der Kühlstufeneinheit 60 dazu konfiguriert, bei Normaltemperatur im gesamten Bereich entlang ihres Umfangs mehr als eine Umfangsfläche eines Rippenteils 60b der Kühlstufeneinheit 60 in einer Radialrichtung nach außen vorzuspringen.
Der Gastopf 51 umfasst einen Topfhauptkörper 61, der eine Form eines mit einem Boden versehenen Zylinders hat, dessen eines Ende geschlossen ist und dessen anderes Ende offen ist, und weist eine derartige Struktur auf, dass der Topfhauptkörper 61 eine Stufenkammer 62 enthält, die in der Lage ist, die Rippe 58 der Kühlstufeneinheit 60 und die mit dem Abstandsstück 59 versehene Stufe 57b der Kühlstufe 57 aufzunehmen. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Länge, in einer Axialrichtung, der Stufenkammer 62 auf geeignete Weise länger eingestellt als eine Länge, die erhalten wird, indem eine Länge einer Axialrichtung des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a in der Kühlstufeneinheit 60 (Länge, in einer Axialrichtung, der Stufe 57b der Kühlstufe 57, auf der das Abstandsstück 59 montiert ist) mit einer Länge, in einer Axialrichtung, der Rippenteils 60b (Länge, in einer Axialrichtung, der Rippe 58, die an der Stufe 57b der Kühlstufe 57 befestigt ist) addiert wird. Daher ist sie derart konfiguriert, dass es möglich ist, in einem Zustand, in welchem die Kühlstufeneinheit 60 in der Stufenkammer 62 untergebracht ist, zwischen einem distalen Endteil der Rippe 58 in der Axialrichtung und einem Boden 61 der Aufnahmekammer einen Endseitenspalt g1 (siehe 2) zu bilden.
Im dargestellten Beispiel ist sie zudem so konfiguriert, dass auch ein Teil der Basis 57a, die von der Gehäusefläche des Kältemaschinenhauptkörpers 53 vorspringt, in der Stufenkammer 62 des Topfhauptkörpers 61 aufgenommen wird. Daher ist eine Außenform des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a vertikal zur Axialrichtung, in der Achsrichtung der Kühlstufeneinheit 60 gesehen, größer als eine Außenform der Basis 57a vertikal zur Achsrichtung, und eine Außenform des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a springt in der Radialrichtung im gesamten Bereich entlang ihres Umfangs mehr nach außen vor als eine Außenumfangskante der Basis 57a. Wenn die von der Gehäusefläche des Kältemaschinenhauptkörpers 53 vorspringende Basis 57a überhaupt nicht in der Stufenkammer 62 des Topfhauptkörpers 61 aufgenommen wird, kommt die Basis 57a jedoch kaure mit einer Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 in Kontakt, die als Wandfläche der Stufenkammer 62 dient. Deshalb ist die Konfiguration, in der die Außenumfangskante des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a in der Radialrichtung mehr nach außen vorspringt als die Außenumfangskante der Basis 57a, nicht unentbehrlich.
Ferner ist eine Querschnittsform der Stufenkammer 62 vertikal zur Achse eine Querschnittsform, die keine Stufe aufweist und im gesamten Bereich entlang der Axialrichtung einheitlich ist, und eine Querschnittsform, die einer Außenumfangsflächenform des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a der Kühlstufeneinheit 60 entspricht. Eine Größe dieser Querschnittsform (Länge der Stufenkammer 62 in der Radialrichtung) ist auf eine Größe eingestellt, die in einem Normaltemperaturzustand, das heißt, wenn die Außenumfangskante des Abstandsstücks 59 in der Kühlstufeneinheit 60 in einem nicht zusammengezogenen Zustand ist, den Kontakt mit dem mit dem Abstandsstück versehenen Teil 60a der Kühlstufeneinheit 60 ermöglicht. Dadurch ist die Kühlstufeneinheit 60 in der dargestellten Ausführugsform derart konfiguriert, dass sie im Normaltemperaturzustand den Kontakt des Abstandsstücks 59 mit der als Wandfläche der Stufenkammer 62 dienenden Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 bewirkt, die Kühlstufeneinheit 60 in dem Zustand, in dem sie in der Stufenkammer 62 aufgenommen wird, koaxial zum Topfhauptkörper 61 ist, und zwischen der Außenumfangskante des Rippenteils 60b der Kühlstufeneinheit 60 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 ein Spalt g2 (siehe 2) gebildet wird. Eine Spaltlänge des Spalts g2 muss nicht unbedingt im gesamten Bereich um den Umfang des Rippenteils 60b herum die gleiche Länge haben.
Demnach wird zwischen dem Rippenteil 60b der Kühlstufeneinheit 60 und einem bodenseitigen Hauptkörperteil 61a des Topfhauptkörpers 61 ein kontaktloser Raum 67 mit dem Spalt g1 und g2 gebildet. Zudem wird auch ein Spalt g3 (siehe 2) zwischen der Umfangsfläche der Basis 57a und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 gebildet, wenn die Umfangsfläche der von der Gehäusefläche des Kältemaschinenhauptkörpers 53 vorspringenden Basis 57a und die Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 übereinanderliegen.
Der Topfhauptkörper 61 ist dazu konfiguriert, zusammengebaut zu werden, indem ein bodenseitiges Hauptkörperteil 61a, das einen Abschnitt zur Aufnahme des Rippenteils 60b der Kühlstufeneinheit 60 aufweist, mit einem öffnungsseitigen Hauptkörperteil 61b verbunden wird, der einen Abschnitt zur Aufnahme des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a der zu integrierenden Kühlstufeneinheit 60 aufweist.
Der bodenseitige Hauptkörperteil 61a ist aus einem wärmeleitenden Material konfiguriert, der öffnungsseitige Hauptkörperteil 61a ist jedoch aus einem wärmeisolierenden Material konfiguriert (Material, dessen Wärmeleitfähigkeit wesentlich geringer ist als die des bodenseitigen Hauptkörperteils 61a). Dadurch ist er derart konfiguriert, dass ein Teil des Gastopfs 51, der durch die Rippe 58 gekühlt wird, welche an der Stufe 57b der Kühlstufe 57 befestigt ist, und die am stärksten kühlende Seite der Kühlstufe 57 auf den bodenseitigen Hauptkörperteil 61a beschränkt werden können. Gleichzeitig erfolgt der Wärmeeintritt von außen in den gekühlten bodenseitigen Hauptkörperteil 61a auch über den aus dem wärmeisolierenden Material bestehenden öffnungsseitigen Hauptkörperteil 61b, weshalb er durch den öffnungsseitigen Hauptkörperteil 61b isoliert und reduziert werden kann. Dadurch wird die Geschwindigkeit der durch die Kühlstufe 57 durchgeführten Kühlung des bodenseitigen Hauptkörperteils 61a des Gastopfs 51 erhöht, und eine Verbesserung der Kühlleistung wird erreicht.
Der Kühlmechanismus 50 wird eingebaut, indem der Rippenteil 60b und der mit dem Abstandsstück versehene Teil 60a der Kühlstufeneinheit 60 von einer Öffnung auf der anderen Seite des Topfhauptkörpers 61 des Gastopfs 51 aus eingeführt wird, um in der Stufenkammer 62 so aufgenommen zu werden, dass die Kühlstufeneinheit 60 und der Gastopf 51 koaxial sind, und der Gastopf 51 mit dem Kältemaschinenhauptkörper 53 integral verbunden ist. Wenn die Kühlstufeneinheit 60 angeordnet wird, um in der Stufenkammer 62 aufgenommen zu werden, kann nur die Außenumfangskante des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a der Kühlstufeneinheit 60 mit der Innenumfangsfläche des Gastopfs 51 in Kontakt sein, und andere Teile der Umfangsfläche einschließlich des Rippenteils 60b der Kühlstufeneinheit 60 können keinen Kontakt mit der Innenumfangsfläche des Gastopfs 51 haben.
Andererseits ist der bodenseitige Hauptkörperteil 61a des Topfhauptkörpers 61, der aus einem wärmeleitenden Material konfiguriert ist, über einen Kälteleitmechanismus 70 mit der Emitterspitze 45 thermisch verbunden, die in dem die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 des Ionenquellengehäuses 22 angeordnet ist.
Der Kälteleitmechanismus 70 weist zum Beispiel ein goldplattiertes Kupferdrahtnetz auf, und der Kälteleitmechanismus 70 selbst kann durch Verformen des Kupferdrahtnetzes verformt, z. B. umgeknickt oder verbogen werden. Selbst wenn die relative Anordnung zwischen dem bodenseitigen Hauptkörperteil 61a des Topfhauptkörpers 61 und der Emitterspitze 45 leicht abweicht, ist es denn Kälteleitmechanismus 70 daher möglich, die Abweichung zu absorbieren und die Verbindung des den bodenseitigen Hauptkörperteils 61a mit der Emitterspitze 45 zu erhalten, ohne beschädigt zu werden, da das Kupfernetz sich verformt.
Die Verbindung zwischen dem Gastopf 51 und dem Kältemaschinenhauptkörper 53 erfolgt durch einen schlauchförmigen Balg 63, der streckbar ist. In einem Zustand, in dem er mit der Kühlstufeneinheit 60 auf einer Achse liegt, weist der schlauchförmige Balg 63 eine Ionenumfangsfläche auf, die der Umfangsfläche der Basis 57a in einem bestimmten Abstand gegenüberliegt, ohne mit der Umfangsfläche der Basis 57a in Kontakt zu kommen. Der schlauchförmige Balg 63 weist auf einer Endseite einen Topfverbindungsrahmen 65 auf, der mit einem am anderen Ende des Topfhauptkörpers 61 des Gastopfs 51 integral geformten Befestigungsflansch 64 verbindbar ist. Die andere Endseite des schlauchförmigen Balgs 63 ist luftdicht am Kältemaschinenhauptkörper 53 befestigt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Gastopf 51 durch die Kühlmechanismus-Montageöffnung 29 des Ionenquellengehäuses 22 im den Topf enthaltenden Gehäuseteil 24 angeordnet, bevor der Gastopf 51 und der Kältemaschinenhauptkörper 53 durch dem schlauchförmigen Balg 63 miteinander verbunden sind. Zum Beispiel wird ein Zustand hergestellt, in welchem der Befestigungsflansch 64 des Topfhauptkörpers 61 unter Verwendung eines Dichtelements wie z. B. einer Dichtung luftdicht an einen Befestigungsflansch 66 befestigt ist, der am vorspringenden Ende des den Topfenthaltenden Gehäuseteils 24 gebildet ist. Demgegenüber wird das andere Ende des schlauchförmigen Balgs 63 luftdicht am Kältemaschinenhauptkörper 53 angebracht, und der Zustand, in dem er mit der Kühlstufeneinheit 60 auf einer Achse liegt, wird hergestellt. Die Verbindung des Gastopfs 5I mit dem Kältemaschinenhauptkörper 53 wird demnach durchgeführt, indem der Topfverbindungsrahmen 65 des im Voraus an den Kältemaschinenhauptkörper 53 befestigten schlauchförmigen Balgs 63 mithilfe eines Dichtelements (nicht dargestellt) luftdicht mit dem Befestigungsflansch 64 des Topfhauptkörpers 61 oder mit dem Befestigungsflansch 66 des den Topfenthaltenden Gehäuseteils 24 verbunden wird. Dabei werden das Rippenteil 60b und der mit dem Abstandsstück versehene Teil 60a der Kühlstufeneinheit 60 durch eine Öffnung auf der anderen Endseite des Topfhauptkörpers 61 derart in der Stufenkammer 62 des Gastopfs 51 angeordnet, dass sie koaxial zum Gastopf 51 sind.
In dem Zustand, in dem der Topfverbindungsrahmen 65 des schlauchförmigen Balgs 63 luftdicht mit dem Befestigungsflansch 64 des Topfhauptkörpers 61 oder mit dem Befestigungsflansch 66 des den Topfenthaltenden Gehäuseteils 24 verbunden ist, wird zwischen der Ionenumfangsfläche des schlauchförmigen Balgs 63 und der Umfangsfläche der vom der Gehäusefläche des Kältemaschinenhauptkörpers 53 vorspringenden Basis 57a ein von der Außenatmosphäre (Atmosphäre des Raums, in dem das Rasterionenmikroskop 10 angeordnet ist) luftdicht abgeschlossener vibrationsunterdrückender Raum 68 gebildet, und in der Stufenkammer 62 wird der kontaktlose Raum 67 gebildet.
Danach wird im kontaktlosen Raum 67 ein Wärmeleitmittel gespeichert, und im vibrationsunterdrückenden Raum 68 wird ein vibrationsdämpfendes Mittel gespeichert. Wenn in der vorliegenden Ausführungsform der bodenseitige Hauptkörperteil 61a des Topfhauptkörpers 61 durch die Kühlstufeneinheit 60 gekühlt wird, sind der kontaktlose Raum 67 und der vibrationsunterdrückenden Raum 68 im Gastopf 51 aufgrund der Schrumpfung des Abstandsstücks 59 miteinander verbunden, weshalb als Wärmeleitmittel und als vibrationsdämpfendes Mittel dasselbe Gas verwendet wird, zum Beispiel ein Heliumgas. Dem kontaktlosen Raum 67 und dem vibrationsunterdrückenden Raum 68 wird dasselbe Heliumgas zugeführt, das jeweils in beiden Räume 67, 68 separat von dem Heliumgas gespeichert wird, das der Gasionisierungskammer 25 als Ionisierungsgas zugeführt wird. Nachstehend werden das Wärmeleitmittel und das vibrationsdämpfende Mittel, die aus demselben Heliumgas bestehen, zusammengenommen als Wärmeleitmittel 69 bezeichnet.
Was die Zuführung des Wärmeleitmittels 69 in jeden der zwei Räume 67 und 68 anbetrifft, ist die vorliegende Erfindung derart konfiguriert, dass das Heliumgas auch dem anderen Raum zugeführt wird, wenn es nur einem der zwei Räume 67 und 68 zugeführt wird. Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform ist das auf der Stufe 57b der Kühlstufe 57 angebrachte Abstandsstück 59 aus dem geschäumten Harz konfiguriert, und seine Umfangsfläche ist eine Flache mit Unebenheiten mikroskopischer Größe, die zahlreiche Mikroporen aufweist, weshalb das Wärmeleitmittel der anderen Seite durch die Mikroporen zugeführt werden kann, indem das es nur einem der beiden Räume 67 und 68 zugeführt wird, auch wenn die Umfangsfläche des Abstandsstücks 59 im Normaltemperaturzustand im gesamten Bereich entlang der Umfangsrichtung mit der Innenumfangsfläche des öffnungsseitigen Hauptkörperteils 61b des Topfhauptkörpers 61 in Kontakt ist. Im dargestellten Beispiel steht ein (nicht dargestelltes) separates Gasversorgungsrohr, das mit derselben Heliumgas-Gasquelle 47 verbunden ist wie das Gasversorgungsrohr 48, mit dem vibrationsunterdrückenden Raum 68 im Gastopf 51 in Verbindung, wodurch das Speichern des Wärmeleitmittels 69 im kontaktlosen Raum 67 und im vibrationsunterdrückenden Raum 68 ermöglicht wird.
Andererseits ist der Kältemaschinenhauptkörper 53 auf einem Stützfuß 83 montiert, der von der Grundplatte 15 getrennt ist, auf welcher der Vorrichtungshauptkörper 11 des Rasterionenmikroskops 10 derart montiert ist, dass die Achsrichtung der stangenförmig vorspringenden Kühlstufeneinheit 60 mit einer Höhenposition der Kühlmechanismus-Montageöffnung 29 ausgerichtet ist, die im den Topfenthaltenden Gehäuseteil 24 des Ionenquellengehäuses 22 vorgesehen ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Öffnungsrichtung der Kühlmechanismus-Montageöffnung 29 im Ionenquellengehäuse 22 in der horizontalen Richtung orientiert, wenn die Ausrichtung des Vorrichtungshauptkörpers 11 horizontal ist. Daher ist auch der Kältemaschinenhauptkörper 53 derart auf dem Stützfuß 83 montiert, dass die Achsrichtung der dem Kältemaschinenhauptkörper 53 gegenüberliegenden Kühlstufeneinheit 60 horizontal ist. Wenn die Aufnahmerichtung des Gastopfs 51 (Richtung der Kühlmechanismus-Montageöffnung 29) im den Topf enthaltenden Gehäuseteil 24 der Ionenquellengehäuses 22 geändert wird, ändert sich auch die Montageausrichtung des Kältemaschinenhauptkörpers 53 auf dem Stützfuß 83 dementsprechend.
Der Stützfuß 83 weist eine Struktur auf, die einen Sockel 84, einen Ständer 85 und einen Positionier- und Feststellmechanismus 87 umfasst. Der Ständer 85 steht auf dem Sockel 84 und hat eine Länge, die einer Höhenposition des den Topf enthaltenden Gehäuseteils 23 des Rasterionenmikroskops 10 entspricht. Der Positionierungs- und Feststellmechanismus 87 umfasst ein Befestigungsteil 88, an welches der Kältemaschinenhauptkörper 53 montiert ist, und ist am Befestigungsteil 86 des Ständers 85 befestigt. Der Positionier- und Feststellmechanismus 87 weist eine Struktur auf, welche die Anhebung, Drehung oder Neigung des Befestigungsteils 88 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs ermöglicht, und die in der Lage ist, die Feineinstellung des Ausrichtungszustands des am Befestigungsteil 88 montierten Kältemaschinenhauptkörpers 53 in einem Toleranzbereich auf der Basis des vorbestimmten Bereichs durchzuführen.
Bezugnehmend auf 1 bis 6, folgt als Nächstes eine Beschreibung des im Rasterionenmikroskop 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorgesehenen Kühlmechanismus 50, die die Positionierung der Rippe 58 und des Gastopfs 51 beim Zusammenbau des Kühlmechanismus 50 durch das Abstandsstück 59 betrifft.
3 entspricht einem Zustand, in dem die Kühlstufeneinheit 60, in welcher die Rippe 58 mit der Kühlstufe 57 verbunden ist, und der Gastopf 51, der am die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 des Ionenquellengehäuses 22 angebracht ist, noch nicht zusammengebaut sind.
In 3 zeigt der dargestellte Pfeil die Einbaurichtung an, in der das Rippenteil 60b und der mit dem Abstandsstück versehene Teil 60a der Kühlstufeneinheit 60 durch die Öffnung auf einer Endseite des Gastopfkörpers 61 des Gastopfs 51 eingeführt und in der Stufenkammer 62 derart angeordnet werden, dass die Kühlstufeneinheit 60 und der Gastopf 51 koaxial sind. Dieser Einbauvorgang der Kühlstufeneinheit 60 in die Stufenkammer 62 des Gastopfs 51 wird bei Normaltemperatur durchgeführt.
4 entspricht einem Zustand, nachdem die Kühlstufeneinheit 60, in welcher die Rippe 58 mit der Kühlstufe 57 verbunden ist, und der Gastopf 51, der am die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 des Ionenquellengehäuses 22 angebracht ist, zusammengebaut worden sind. Der kontaktlose Raum 67 und der vibrationsunterdrückende Raum 68, die durch den Zusammenbau gebildet werden, sind im dargestellten Zustand noch nicht mit dem Wärmeleitmittel 69 gefällt. Das Abstandsstück 59 bleibt deshalb im Normaltemperaturzustand, ohne gekühlt zu werden. Das Ionenquellengehäuse 22, an welches der Gastopf 51 vor dem Zusammenbau starr befestigt wurde, ist in 3 und 4 nicht dargestellt.
Beim Einbau der Kühlstufeneinheit 60 in die die Stufenkammer 62 des Gastopfs 51, wie in 3 gezeigt, kommt nur der mit dem Abstandsstück versehene Teil 60a der Kühlstufeneinheit 60 mit dem Topfhauptkörper 61 in Kontakt, und in der vorliegenden Ausführungsform kommt beim Einbau in den Topfhauptkörper 61 nur die Außenumfangskante des rohrförmigen Abstandsstücks 59 im nicht zusammengezogenen Zustand in ihrem gesamten Umfangsbereich mit der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61, die der Wandfläche der Stufenkammer 62 entspricht, in Kontakt und wird durch diese gestützt. Dadurch ist es möglich, die Kühlstufeneinheit 60 koaxial zum Topfhauptkörper 61 anzuordnen, der die Stufenkammer 62 bildet. Das heißt, die Kühlstufeneinheit 60 kann in der Stufenkammer 62 angeordnet werden, ohne dass ihre Achse von der Achse des Topfhauptkörpers 61 abweicht oder in Bezug auf diese geneigt ist.
Ferner wird in einem Zustand, in dem die Außenumfangskante des Abstandsstücks 59 in einem nicht zusammengezogenen Zustand im gesamten Bereich entlang ihres Umfangs mit der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61, die der Wandfläche der Stufenkammer 62 entspricht, in Kontakt ist und von dieser gestützt wird, der Topfverbindungsrahmen 65 durch ein Dichtelement wie eine Dichtung (nicht dargestellt) mit dem Befestigungsflansch 64 des Topfhauptkörpers 61 oder dem Befestigungsflansch 66 des den Topf enthaltenden Gehäuseteils 24 luftdicht verbunden, weshalb die Koaxialität der Kühlstufeneinheit 60 und des Topfhauptkörpers 61 auch durch diese Verbindung nicht kompromittiert wird.
Und selbst, wenn die Größe der Form der Außenumfangskante des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a, in der Achsrichtung der Kühlstufeneinheit 60 gesehen, kleiner ist als die Größe der Ionenumfangsform der Stufenkammer 62, in der Achsrichtung des Topfhauptkörpers 61 gesehen, kann nur die Außenumfangskante des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a der Kühlstufeneinheit 60 mit der Innenumfangsfläche des Gastopfs 51 in Kontakt sein, und andere Umfangsflächen, einschließlich der des Rippenteils 60b der Kühlstufeneinheit 60, haben keinen Kontakt mit der Innenumfangsfläche des Gastopfs 51. Selbst, wenn nur ein Teil des Abstandsstücks 59 auf diese Weise entlang seines Umfangs mit der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 in Kontakt ist, die der Wandfläche der Stufenkammer 62 entspricht, reguliert der in Kontakt befindliche Teil des Abstandsstücks 59 den Kontakt zwischen dem anderen Teil der Kühlstufeneinheit 60 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61. In diesem Fall wird nur das Kontaktteil des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a der Kühlstufeneinheit 60 durch die Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 gestützt, doch ein Neigungswinkel θ, der durch die Neigung der Achse des Topfhauptkörpers 61 in Bezug auf die Achse der Kühlstufeneinheit 60 ausgedrückt wird, wird zuverlässig auf einen Wert reduziert, der kleiner ist als ein Wert, wenn der Teil des Abstandsstücks 59, der dem Kontaktteil des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a entspricht, mit der Innenumfangsfläche der Stufenkammer 62 in Kontakt ist.
Der Fall, in dem die Größe der Form der Außenumfangskante des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a, in der Achsrichtung des Kühlstufeneinheit 60 gesehen, kleiner ist als die Größe der Ionenumfangsform der Stufenkammer 62, in der Achsrichtung des Topfhauptkörpers 61 gesehen, trifft auf einen Fall zu, in dem die Form der Außenumfangskante des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a, in der Achsrichtung der Kühlstufeneinheit 60 gesehen, der Ionenumfangsform der Stufenkammer 62, in der Achsrichtung des Topfhauptkörpers 61 gesehen, entspricht, einen Fall, in dem beide Formen verschieden sind, und dergleichen.
5(a) bis 5(c) sind erläuternde Darstellungen einer Kühlstufeneinheit, in welcher kein Abstandsstück installiert ist, als Vergleichsbeispiel bezüglich der Positionierung der Rippe und des Gastopfs.
5(a) entspricht einem Zustand, in dem die Kältemaschine 60, in welcher die Rippe 58 mit der Kühlstufe 57 verbunden ist, und der Gastopf 51, der am die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 des Ionenquellengehäuses 22 befestigt ist, noch nicht zusammengebaut sind. In 5(a) zeigt der dargestellte Pfeil eine Einbaurichtung an, in der die Kühlstufeneinheit 60 in die Stufenkammer 62 des Gastopfs 51 eingeführt wird. 5(b) und 5(c) entsprechen Zuständen, nachdem die Kältemaschine 60, in welcher die Rippe 58 mit der Kühlstufe 57 verbunden ist, und der Gastopf 51, der am die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 des Ionenquellengehäuses 22 befestigt ist, zusammengebaut worden sind. Die jeweiligen Einheiten weisen die gleiche Konfiguration wie der in 1 bis 3 dargestellte Kühlmechanismus 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf, mit der Ausnahme, dass das Abstandsstück 59 nicht vorgesehen ist, und sind daher mit denselben Bezugszeichen versehen, und ihre jeweilige Beschreibung wird ausgelassen.
In der Kühlstufeneinheit 60 dieses Vergleichsbeispiels, die aus einer Baugruppe konfiguriert ist, in welcher die Rippe 58 mit der Kühlstufe 57 verbunden ist und kein Abstandsstück 59 vorgesehen ist, wird zwischen der Außenumfangsfläche der Kühlstufeneinheit 60 und der Innenumfangsfläche des Gastopfs 51 ein Zwischenraum gebildet, dessen Länge der Summe der Länge eines nicht mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60a' und der Länge des Rippenteils 60b in der Achsrichtung entspricht. Daher wird die Toleranz in Bezug auf die Exzentrizität der Kühlstufeneinheit 60 in der Stufenkammer 62 und der Neigung der Kühlstufeneinheit 60 in der Stufenkammer 62, die durch den Neigungswinkel θ ausgedrückt wird, größer als notwendig.
Selbst, wenn die Kühlstufeneinheit 60 in Bezug auf die die Stufenkammer 62 so positioniert ist, dass die Kühlstufeneinheit 60 koaxial zum Gastopf 51 ist und vor dem Zusammenbau der Kältemaschine 60 und des Gastopfs 51 der Zwischenraum zwischen der Außenumfangsfläche der Kühlstufeneinheit 60 und der Innenumfangsfläche des Gastopfs 51 gebildet wird, ist die Toleranz in Bezug auf die Exzentrizität und Neigung der Kühlstufeneinheit 60 größer als notwendig. Beim Verbinden des Topfverbindungsrahmens 65 mit dem Topfhauptkörper 61 oder mit dem Befestigungsflansch 64, 66 des den Topf enthaltenden Gehäuseteils 24 kann es deshalb vorkommen, dass die Kühlstufeneinheit 60 in der Stufenkammer 62 exzentrisch ist oder die Kühlstufeneinheit 60 geneigt ist, wie in 5(b) und 5(c) gezeigt, wodurch der Rippenteil 60b mit der Innenumfangsfläche der Stufenkammer 62 in Kontakt gebracht wird.
Im Rasterionenmikroskop 10 wird bei der Montage des Kühlmechanismus 50 nur eine bestimmte Menge des Wärmeleitmittels 69 in einen Raum des Gastopfs 51 mit der integrierten Kühlstufe 57 gefüllt, nachdem der Einbau der Kältemaschine 60, in welcher die Rippe 58 mit der Kühlstufe 57 verbunden ist, in den Gastopf 51, der am die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 des Ionenquellengehäuses 22 befestigt ist, abgeschlossen ist. Selbst, wenn das Abstandsstück 59 als das rohrförmige Abstandsstück 59 konfiguriert ist, das im gesamten Bereich entlang seiner Umfangsrichtung mit der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 in Kontakt ist, wie in der vorliegenden Ausführungsform, ist es dabei möglich, das Wärmeleitmittel 69 in den Raum auf der anderen Seite zu füllen, indem das Wärmeleitmittel 69 in einen der zwei Räume 67, 68 gefüllt wird, da das Abstandsstück 59 aus dem wärmeisolierenden porösen Material geformt ist. Wenn das Wärmeleitmittel 69 zum Beispiel in den vibrationsunterdrückenden Raum 68 gefüllt wird, kann das Wärmeleitmittel 69 selbst dann, wenn das rohrförmige Abstandsstück 59 im gesamten Bereich entlang seiner Umfangsrichtung mit der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 in Kontakt ist, über die Mikroporen im Abstandsstück 59 dem kontaktlosen Raum 67 im inneren Teil des Gastopfs 51 zugeführt werden. 2 entspricht der Kühlstufeneinheit 60 und dem Gastopf 51 in einen Zustand, in dem das Wärmeleitmittel 69 in den kontaktlosen Raum 67 und vibrationsunterdrückenden Raum 68 gefüllt wurde und dort gespeichert wird.
Im Kühlmechanismus 50 des Rasterionenmikroskops 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, der auf diese Weise zusammengebaut wurde, zieht sich das Abstandsstück 59 zusammen, wenn es gekühlt wird, sodass sein Volumen im Vergleich zum Normaltemperaturzustand kleiner wird. Die Außenumfangskante der Umfangsfläche des Abstandsstücks 59, die mit der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 in Kontakt gebracht wurde, trennt sich dann von der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61, und die Kühlstufeneinheit 60 hat im gesamten Bereich entlang ihres Umfangs keinen direkten physischen Kontakt mehr mit der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61. Dadurch wird zwischen der Kühlstufeneinheit 60 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 ein Zwischenraum S gebildet (siehe 6(a) und 6(b)).
Die Kühlung wird mit der Kälte der Kühlstufeneinheit 60 der Kältemaschine 52 durchgeführt, um die Emitterspitze 45 zur Erzeugung des Ionenstrahls 21 zu kühlen. Daher wird die Kühlung bei der Betriebstemperatur der Ionenstrahlvorrichtung während der Kühlung durchgeführt. Die Betriebstemperatur der Ionenstrahlvorrichtung entspricht zum Beispiel einer Kühltemperatur der Emitterspitze, die einer Spitze des Ionenstroms entsprechend eingestellt ist (zum Beispiel mehrere K oder mehrere zehn K bei Helium als Ionisierungsgas).
6(a) und 6(b) sind Ansichten zum Vergleich eines Normaltemperaturzustands mit einem Kühlzustand in der Kühlstufeneinheit und im Gastopf, die in 2 dargestellt sind. 6(a) stellt die Kühlstufeneinheit und den Gastopf im Normaltemperaturzustand dar, und 6(b) stellt die Kühlstufeneinheit und den Gastopf im Kühlzustand dar.
Wenn nach dem Einbau der Kältemaschine 60 in den Gastopf 51 die Außenumfangsfläche der Kühlstufeneinheit 60 und die Innenumfangsfläche des Gastopfs 51 miteinander in Kontakt sind, ist die Innenumfangsfläche des Gastopfs 51 in der vorliegenden Ausführungsform nur mit dem Abstandsstück 59 auf der Außenumfangsfläche der Kühlstufeneinheit 60 in Kontakt. In einem Zustand, in dem das Rasterionenmikroskop 10 in Gebrauch ist und die Kältemaschine 52 in Betrieb ist, wird durch die Kontraktion des Abstandsstücks 59 zwischen der Kühlstufeneinheit 60 und dem Gastopf 51, deren relative Position nach dem Einbau feststehend ist, der Zwischenraum S zwischen der Außenumfangsfläche der Kühlstufeneinheit 60 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 im gesamten Bereich entlang der Umfangsrichtung zuverlässig hergestellt. Zugleich ist es nicht erforderlich, beim Einbau der Kältemaschine 60 in das Ionenquellengehäuse 22 in einem Schritt der Positionierung der Kühlstufeneinheit 60 in Bezug auf die Stufenkammer 62 den Kontakt zwischen dem Rippenteil 60b der Kühlstufeneinheit 60 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 zu berücksichtigen, wie in 5(a) bis 5(c) dargestellt. Dadurch wird die Montagearbeit bei der Montage der Kältemaschine 60 in das Ionenquellengehäuse 22 einfach und effizient.
Konkret kann die Lagebeziehung zwischen der Außenumfangskante der Rippe 58 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 etwa einer durch das Abstandsstück 59 bestimmten Größe des Zwischenraums S entsprechend eingestellt werden. Selbst, wenn die Kühlstufeneinheit 60 angeordnet ist, um in der Stufenkammer 62 des Gastopfs 51 aufgenommen zu werden, ist es zudem möglich, zu verhindern, dass zwischen der Kühlstufeneinheit 60 und dem Gastopf 51 ein Neigungswinkel θ gebildet wird, der über dem Toleranzbereich liegt. Dadurch wird der Zwischenraum S zwischen der Außenumfangsfläche der Kühlstufeneinheit 60 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 im gesamten Bereich entlang ihres Umfangs zuverlässig hergestellt, und es ist möglich, einen direkten physischen Kontakt zwischen der Rippe 58 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 zu verhindern. Es ist auch möglich, den Spalt g2 zwischen der Außenumfangskante der Rippe 58 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 genauer als bisher zu entwerfen, indem die Größe der Form der Außenumfangskante des Abstandsstücks 59, in dessen Achsrichtung gesehen, im Normaltemperaturzustand und im Kühlstand gesteuert wird, obwohl es nicht möglich ist, den Zustand nach dem Einbau der Kältemaschine 60 in das Ionenquellengehäuse 22 visuell zu bestätigen.
Darüber hinaus weist das Abstandsstück 59 des Kühlmechanismus 50 eine Temperaturreversibilität auf, wodurch das Abstandsstück 59 bei der Rückkehr zur Normaltemperatur wieder seine Originalgröße annimmt. Wenn die Kältemaschine 60 zum Beispiel aus dem Vorrichtungshauptkörper 11 mit integriertem Ionenquellengehäuse 22 ausgebaut wird, um die Kältemaschine 52 zu warten, oder wenn das Ionenquellengehäuse 22 von der Kältemaschine 52 und dem Vakuumbehälter 32 abgenommen wird, um die Emitterspitze 45 auszutauschen, kann das Abstandsstück 59 nach der Durchführung solcher Arbeiten beim Wiedereinbau in die Kältemaschine 60 oder in das Ionenquellengehäuse 22 wiederverwendet werden.
Außerdem werden durch diese Konfiguration des Kühlmechanismus 50, die einen direkten physischen Kontakt zwischen der Rippe 58 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 verhindert, Vibrationen der Emitterspitze 45 verhindert, da Vibrationen vom Kühlmechanismus 50 zur Emitterspitze 45 nicht zum Ionenquellengehäuse 22 übertragen werden, mit welchem die Emitterspitze 45 und der Gastopf 51 des Kühlmechanismus 50 starr verbunden sind.
Die Vibrationen, die dabei vom Kühlmechanismus 50 über das Ionenquellengehäuse 22 zur Emitterspitze 45 übertragen werden können, sind hauptsächlich die Vibration, die vom Kältemaschinenhauptkörper 53 der Kältemaschine 52 erzeugt wird, die Vibration des Verdichters 54, die über die Hochdruckleitung 55 und die Niederdruckleitung 56 zum Kältemaschinenhauptkörper 53 übertragen wird, und die Vibration vom Boden 12, die über den Stützfuß 83 und den Positionierungs- und Feststellmechanismus 87 zum Kältemaschinenhauptkörper 53 übertragen wird. Die Vibration vom Kältemaschinenhauptkörper 53 ist eine selbsterzeugte mechanische Vibration, die hauptsächlich durch die schnelle Hin- und Herbewegung des Verdrängerkolbens im Zylinder verursacht wird. Die Vibration vom Verdichter 54 ist auch in der Vibration vom Boden 12 enthalten. Diese beiden Vibrationsarten sind Vibrationen, die vom Kältemaschinenhauptkörper 53 übertragen werden. Wenn das Rasterionenmikroskop 10 in Gebrauch ist, wird die Kältemaschine 52 betrieben, wobei das Abstandsstück 59 sich aufgrund der von der Kühlstufeneinheit 60 erzeugten Kälte zusammenzieht, die Kühlstufeneinheit 60 an ihrem distalen Ende im gesamten Bereich entlang ihres Umfangs keinen direkten physischen Kontakt mit der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 hat, zwischen der Kühlstufeneinheit 60 und dem Aufnahmekammerboden 61a des Topfhauptkörpers 61 der Endseitenspalt g1 gebildet wird, und zwischen der Kühlstufeneinheit 60 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 der Zwischenraum S gebildet wird. Daher wird die vom Kältemaschinenhauptkörper 53 übertragene Vibration nicht zum Gastopf 51 übertragen, das heißt, nicht über die Kühlstufeneinheit 60 und insbesondere über deren Rippe 58 zum Ionenquellengehäuse 22 übertragen. Da der Kältemaschinenhauptkörper 53 und das Ionenquellengehäuse 22 über den Balg 63, der dazwischen angeordnet ist, nur indirekten physischen Kontakt miteinander haben, wird die vom Kältemaschinenhauptkörper 53 übertragene Vibration durch die Elastizität und Streckbarkeit des Balgs 63 und das Wärmeleitmittel 69, das im vibrationsunterdrückenden Raum 68 im Balg 63 als vibrationsdämpfendes Mittel gespeichert wird, auf ein Niveau reduziert, das beim praktischen Gebrauch kein Problem verursacht.
Die genannten Ursachen der Vibrationen, die vom Kältemaschinenhauptkörper 53 übertragen werden, sind nur beispielhaft, und die Vibrationsquellen sind nicht darauf beschränkt. Zudem wurde als Mechanismus zum Reduzieren der vom Kältemaschinenhauptkörper 53 übertragenen Vibration als Beispiel der den Topf enthaltende Gehäuseteil 24 beschrieben, bei dem die Aufnahmerichtung der Kühlstufeneinheit 60 der Kältemaschine 52 in die die Stufenkammer 62 horizontal ist, die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf eine Ionenstrahlvorrichtung anwendbar, die einen den Topf enthaltenden Gehäuseteil 24 aufweist, bei dem die Aufnahmerichtung der Kühlstufeneinheit 60 anders als horizontal ist.
Bei Gebrauch des Rasterionenmikroskops 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Vibration vom Kältemaschinenhauptkörper 53 daher nicht zum Gastopf 51 übertragen, der starr am Ionenquellengehäuse 22 angebracht ist, und deshalb liegt kein Problem vor, dass die Emitterspitze 45 vibriert und der Ionenstrahl 21 nicht fokussiert werden kann. Zudem besteht keine Notwendigkeit, den Spalt zwischen dem Gastopf 5l und der Kühlstufeneinheit 60, das heißt, zwischen der Rippe 58 und der Ionenumfangsfläche des Gastopfs 51, größer einzustellen als notwendig, um den Kontakt zwischen beiden zu verhindern. Deshalb ist es nicht erforderlich, den Spalt g2 zwischen der Ionenumfangsfläche des Gastopfs 51 und der Außenumfangskante der Rippe 52 weit einzustellen, um zu verhindern, dass die Vibration vom Kältemaschinenhauptkörper 53 über den Gastopf 51 zum Ionenquellengehäuse 22 und zur Emitterspitze 45 übertragen wird, wodurch es möglich ist, zu verhindern, dass die Kühlleistung des Ionisierungsgases abnimmt und die Kühltemperatur der Emitterspitze 45 die ursprüngliche Kühltemperatur der Kältemaschine 52 nicht erreicht.
Als Nächstes wird die Kühlleistung des Rasterionenmikroskops 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform Bezug nehmend auf 2 beschrieben.
In der Kältemaschine 52 wird ein distales Endteil der Stufe 57b der Kühlstufe 57 zu einem kalten Tieftemperaturteil. Daher ist beim Kühlen des Gastopfs 51 mit dem Wärmeleitmittel 64 (sic) die Kühlwirkung auf den Gastopf 51 umso besser, je größer die Fläche des Tieftemperaturteils ist. Deshalb ist die Rippe 58 mit dem distalen Ende der Kühlstufe 57 verbunden, um die Oberfläche des Tieftemperaturteils der Kühlstufe 57 zu vergrößern. Ferner ist der Gastopf 51 so konfiguriert, dass der bodenseitige Hauptkörperteil 61a aus dem wärmeleitenden Material hergestellt ist und der öffnungsseitige Hauptkörperteil 61b aus dem wärmeisolierenden Material besteht, um einen ein Kühlhauptteil auf den bodenseitigen Hauptkörperteil 61a aus dem wärmeleitenden Material zu beschränken, und der Wärmeeintritt in den durch die Rippe 58 gekühlten öffnungsseitigen Hauptkörperteil 61b wird durch das wärmeisolierenden Material des öffnungsseitigen Hauptkörperteils 61b reduziert.
Ferner ist es wünschenswert, den Endseitenspalt g1 zwischen der Rippe 58 und dem Aufnahmekammerboden 61c des Topfhauptkörpers 61 in der Vibrationsrichtung groß einzustellen, um zu verhindern, dass Vibrationen vom Kältemaschinenhauptkörper 53, und insbesondere die Vibration, die durch die schnelle Hin- und Herbewegung des Verdrängerkolbens im Zylinder erzeugt wird, zum Gastopf 51 übertragen wird. Wenn der Endseitenspalt g1 groß eingestellt wird, nimmt jedoch die Kühlleistung der Rippe 58 in Bezug auf den Aufnahmekammerboden 61c des Topfhauptkörpers 61 ab. Um die Kühlleistung zu erhöhen, ist es daher wünschenswert, den Seitenflächenspalt g2 zwischen der Rippe 58 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 möglichst eng einzustellen, um solch eine Abnahme in der Kühlleistung der Rippe 58 in Bezug auf den Aufnahmekammerboden 61c des Topfhauptkörpers 61 zu kompensieren. Zu diesen Zweck ist es möglich, die Lagebeziehung zwischen der Außenumfangskante der Rippe 58 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 der Größe des Zwischenraums S entsprechend festzulegen, der in der vorliegenden Ausführungsform durch das Abstandsstück 59 bestimmt wird, wodurch es möglich ist, den Seitenflächenspalt g2 auf einfache und präzise Weise zu verengen.
Demnach ist der Gastopf 51 dazu konfiguriert, den Seitenflächenspalt g2 zu verengen, um einen Kühlgegenstand auf den bodenseitige Hauptkörperteil 61a einzuengen, und um vor einem Wärmeeintritt von außen durch den öffnungsseitigen Hauptkörperteil 61b geschützt zu sein, um die Kälte der Rippe 58 effektiv zur Kühlung nutzen zu können.
Was die Kühlleistung der Kühlstufeneinheit 60 in Bezug auf den Gastopf 51 anbetrifft, ist es zudem möglich, eine weitere Verbesserung in der Kühlleistung zu erreichen, indem die Rippe 58 wie in 7(a) und 7(b) gezeigt mit der Kühlstufe 57 verbunden wird.
7(a) und 7(b) sind Konfigurationszeichnungen eines modifizierten Beispiels der Baugruppe, die durch Verbinden der Rippe mit der Kühlstufe erhalten wird. In der Beschreibung einer Konfiguration dieser Baugruppe werden gleiche Komponenten wie die in der Baugruppe, die in 3 dargestellt ist, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, und deren detaillierte Beschreibung wird ausgelassen.
Bei der Baugruppe, in der die Kühlstufeneinheit 60 erhalten wird, indem die Rippe 58 mit der Kühlstufe 57 verbunden wird, wird die Kühlleistung der Kühlstufeneinheit 60 in Bezug auf den Gastopf 51 umso mehr erhöht, je größer die Kontaktfläche ist, das heißt, je besser der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zwischen beiden Verbindungsflächen ist. Beide Verbindungsflächen sind jedoch Flächen, die mikroskopisch gesehen nicht völlig flach, sondern uneben sind. Vertiefungen in den unebenen Flächen haben deshalb keinen Kontakt miteinander, wenn die Kühlstufe 57 und die Rippe 58 einfach aneinandergefügt werden, wodurch die Kontaktfläche abnimmt.
Daher ist die in 7(a) dargestellte Kühlstufeneinheit 60 derart konfiguriert, dass ein Wärmeleitblech 95, das aus einem weichen Material besteht und eine gute Wärmeleitung aufweist, wie z. B. Indium, zwischen der Kühlstufe 57 und der Rippe 58 angeordnet wird, bevor die Kühlstufe 57 mit der Rippe 58 verbunden wird. Wenn die Rippe 58 mit der Kühlstufe 57 verbunden wird, verformt sich das Wärmeleitblech 95, um die jeweiligen Vertiefungen in beiden Verbindungsflächen zu füllen, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmeleitung zwischen beiden Verbindungsflächen erhöht wird.
Demgegenüber wird in der Kühlstufeneinheit 60, die 7(b) gezeigt wird, auf einer Fläche der mit der Kühlstufe 57 zu verbindenden Rippe 58 eine Wärmeleitschicht 96 geformt, die aus einem weichen Material besteht und eine gute Wärmeleitung hat, wie z. B. eine Goldplattierung. Wenn die Rippe 58 mit der Kühlstufe 57 verbunden wird, verformt sich die Wärmeleitschicht 96, um die jeweiligen Vertiefungen in beiden Verbindungsflächen zu füllen, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmeleitung zwischen beiden Verbindungsflächen erhöht wird.
Zudem ist es möglich, die Kühlleistung der Kühlstufeneinheit 60 in Bezug auf den Gastopf 51 weiter zu erhöhen, indem im Kühlmechanismus 50 ein Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus 100 vorgesehen wird, der die jeweilige Speichermenge des Wärmeleitmittels 69 im vibrationsunterdrückenden Raum 68 und im kontaktlosen Raum 67 anpasst, wie in 8 dargestellt.
8 ist eine Konfigurationszeichnung eines Kühlmechanismus, der einen Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus aufweist.
9(a) bis 9(c) sind erläuternde Darstellungen eines Betriebszustands eines Kühlmechanismus als Vergleichsbeispiel, der keinen Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus aufweist.
In der Beschreibung einer Konfiguration des Kühlmechanismus, der den Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform aufweist, werden gleiche Komponenten wie die in der Konfiguration des Kühlmechanismus, die in 2 dargestellt ist, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, und ihre detaillierte Beschreibung wird ausgelassen.
Wie in 8 gezeigt, umfasst der Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus 100 einen Wärmeleitmittel-Zuleitmechanismus 101, der dem vibrationsunterdrückenden Raum 68 und dem kontaktlosen Raum 67 des Kühlmechanismus 50 jeweils Wärmeleitmittel 69 zuführt, das darin gespeichert wird, und einen Wärmeleitmittel-Ableitmechanismus 102, der das gespeicherte Wärmeleitmittel 69 jeweils aus dem vibrationsunterdrückenden Raum 68 und dem kontaktlosen Raum 67 des Kühlmechanismus 50 auslässt.
Der Wärmeleitmittel-Zuleitmechanismus 101 umfasst eine Wärmeleitmittelquelle 103 und einen Regler 104, und ist über einen vibrationsdämpfenden Mechanismus (nicht dargestellt) mit einem im Topfverbindungsrahmen 65 geformten Wärmeleitmittelkanal 105 verbunden. Der Wärmeleitmittel-Ableitmechanismus 102 andererseits umfasst ein Rückschlagventil 106 und einen Druckmesser 107, und ist über einen vibrationsdämpfenden Mechanismus (nicht dargestellt) mit einem Wärmeleitmittelauslass 108 verbunden, der im Topfverbindungsrahmen 65 gebildet ist.
Wenn im Rasterionenmikroskop 10, das in 1 dargestellt ist, zum Beispiel eine Erhitzung durchgeführt wurde, um die Emitterspitze 45 zu schärfen, wird die Wärme der Emitterspitze 45 vom Kälteleitmechanismus 70 durch das wärmeleitende Material im Gastopf 51 zum bodenseitigen Hauptkörperteil 61a des Topfhauptkörpers 61 übertragen, wodurch das Wärmeleitmittel 69, das im kontaktlosen Raum 67 des Kühlmechanismus 50 und im mit dem kontaktlosen Raum 67 verbundenen vibrationsunterdrückenden Raum 68 gespeichert ist, erwärmt wird. Dadurch dehnt sich das jeweilige Wärmeleitmittel 69 im kontaktlosen Raum 67 und im vibrationsunterdrückenden Raum 64 (sic) aus, und sein Volumen nimmt zu. Dabei verformt sich der Balg 63 des Kühlmechanismus 50, um aus einem in 9(a) gezeigten Ausgangszustand gestreckt zu werden, wie in 9(b) gezeigt, und die Kühlstufeneinheit 60 wird aus der Stufenkammer 62 herausgezogen. Dadurch ändert sich die Lagebeziehung zwischen der Rippe 58 und dem aus dem wärmeleitenden Material bestehenden Aufnahmekammerboden 61c des Topfhauptkörpers 61 des Gastopfs 51 derart, dass sie voneinander getrennt werden, sodass es nicht mehr möglich ist, die Kühlung effektiv durchzuführen.
Wenn die Kühlung durch den Kühlmechanismus 50 bei Raumtemperatur einsetzt, zieht sich das im kontaktlosen Raum 67 und im vibrationsunterdrückenden Raum 68 gespeicherte Wärmeleitmittel 69 außerdem zusammen und verliert an Volumen, wenn die Temperatur des Gastopfs 51 gekühlt wird. Dabei verformt sich der Balg 63 des Kühlmechanismus 50, um aus dem in 9(a) gezeigten Ausgangszustand zusammengezogen zu werden, wie in 9(c) gezeigt, und die Kühlstufeneinheit 60 wird zum inneren Teil der Stufenkammer 62 zurückgezogen. Dadurch ändert sich die Lagebeziehung zwischen der Rippe 58 und dem Aufnahmekammerboden 61c des Topfhauptkörpers 61 derart, dass sie sich nähern, wodurch der Spalt g1 zwischen der Rippe 58 und dem Aufnahmekammerboden 61c des Gastopfs 51 kleiner wird. Wenn kein Spalt g1 gebildet wird, sodass die Rippe 58 und der Aufnahmekammerboden 61c des Gastopf 51 miteinander in Kontakt kommen, wird die Vibration vom der Kältemaschine 60 zum Gastopf 51 übertragen, wodurch eine Vibration der Emitterspitze 45 im Ionenquellengehäuse 22 verursacht wird.
Der Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus 100 passt eine durch solch eine Druckänderung des Wärmeleitmittels 69 bedingte Schwankung der Kühlstufeneinheit 60 an, indem er die Menge des jeweiligen Wärmeleitmittels 69 im kontaktlosen Raum 67 und im vibrationsunterdrückenden Raum 68 so anpasst, dass der Druck des Wärmeleitmittels 69 konstant bleibt.
Das heißt, wenn Anzeichen dafür bestehen, dass der Balg 63 sich verformt, um gestreckt zu werden, und die Kühlstufeneinheit 60 aus der Stufenkammer 62 herausgezogen wird, wie in 9(b) gezeigt, lässt der Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus 100 das Wärmeleitmittel 69 dem erhöhten Volumen entsprechend aus dem Wärmeleitmittel-Ableitmechanismus 102 aus. Wenn andererseits Anzeichen dafür bestehen, dass der Balg 63 sich verformt, um zusammengezogen zu werden, und die Kühlstufeneinheit 60 in die die Stufenkammer 62 zurückgezogen wird, wie in 9(c) gezeigt, führt der Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus 100 das Wärmeleitmittel 69 dem reduzierten Volumen entsprechend aus dem Wärmeleitmittel-Zuleitmechanismus 101 zu.
Auf diese Weise wird im Kühlmechanismus 50, der den Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus 100 einschließt, die Lagebeziehung zum Aufnahmekammerboden 61a des Topfhauptkörpers 61 unabhängig von Temperaturschwankungen des Wärmeleitmittels 69 in einem bestimmten Zustand gehalten, wie in 8 gezeigt, wodurch eine weitere Verbesserung der Kühlleistung des Kühlmechanismus 50 erreicht wird.
Zweite Ausführungsform
Die Beschreibung eines Rasterionenmikroskops 10' als Ionenstrahlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung folgt Bezug nehmend 10 bis 13(b). Einheiten, die die gleiche oder eine ähnliche Konfiguration wie im Rasterionenmikroskop 10 gemäß der ersten Ausführungsform haben, werden in den Zeichnungen der Beschreibung mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und die redundante Beschreibung wird ausgelassen.
10 ist eine schematische Konfigurationszeichnung des Rasterionenmikroskops als Ionenstrahlvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine partiell vergrößerte Ansicht einer Kühlstufeneinheit und eines Gastopfs, die einen Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus der in 10 dargestellten Ionenstrahlvorrichtung bilden.
12 ist eine Darstellung, die die Kühlstufeneinheit und den Gastopf im getrennten Zustand zeigt, bevor sie wie in 11 zusammengebaut sind.
13(a) und 13(b) sind Ansichten zum Vergleich eines Normaltemperaturzustands mit einem Kühlzustand in der Kühlstufeneinheit und im Gastopf, die in 11 dargestellt sind.
Wie in 10 gezeigt, unterscheidet sich das Rasterionenmikroskop 10' gemäß der vorliegenden Ausführungsform vom Rasterionenmikroskop 10 gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform darin, dass die Ionenquellenkammer 27 des die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteils 23 durch eine Strahlenabschirmung 111 in einen inneren Raum 27i, in dem die Emitterspitze 45 aufgenommen wird, und einen äußeren Raum 27o in dessen Umgebung aufgeteilt wird, und dass die Gasionisierungskammer 25 durch diesen definierten Raum 27i gebildet wird. Dadurch wird im Rasterionenmikroskop 10' gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Gasionisierungskammer 25, die den Kühlgegenstand des Kühlmechanismus 50 darstellt, im Vergleich zum in 1 dargestellten Rasterionenmikroskop 10, in welchem das Innere der Ionenquellenkammer 27 der Gasionisierungskammer 25 entspricht, verkleinert.
Abgesehen davon, dass die Gasionisierungskammer 25 im inneren der Ionenquellenkammer 27 durch die Strahlenabschirmung 111 definiert wird, unterscheidet sich das Rasterionenmikroskop 10' gemäß der vorliegenden Ausführungsform vom Rasterionenmikroskop 10 gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform dann, dass als Kältemaschine 52 des Kühlmechanismus 50 zum Beispiel eine Kältemaschine 52 mit einem zweistufigen Kühlsystem verwendet wird, das einen großen und einen kleinen Zylinder aufweist, in welchem ein hin und her beweglicher Verdrängerkolben mit integriertem Kältespeicher angeordnet ist, und dass die Kühlstufeneinheit 60 dazu konfiguriert ist, einen hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteil 60H, der die Strahlenabschirmung 111 auf eine Tieftemperatur kühlt, und einen niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteil 60L aufzuweisen, der die Emitterspitze 45 auf eine Tieftemperatur kühlt, die niedriger als die der Strahlenabschirmung 111 ist.
Wie in 10 gezeigt, ist die Strahlenabschirmung 111 in der vorliegenden Ausführungsform so am Ionenquellengehäuse 22 befestigt, dass sie in einer Freisetzungsrichtung des Ionenstrahls 21 offen ist und die Emitterspitze 45 im die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 umgibt. Die Strahlenabschirmung 111 ist zum Beispiel aus einem goldplattierten Kupfernetz oder dergleichen konfiguriert und verhindert den Wärmeeintritt von außen in die Gasionisierungskammer 25. Ein Ende des Gasversorgungsrohrs 48 zur Zuführung eines Ionisierungsgases durchläuft den Raum 27o und ist im Raum 27i offen, um den als Gasionisierungskammer 25 dienenden Raum 27i mit dem Ionisierungsgas oder Gasmolekülen zu versorgen. Zudem ist in der Strahlenabschirmung 111 ein Durchgangsloch 112 gebildet, das dem Kälteleitmechanismus 70, der die Kälte, die von der Kühlstufeneinheit 60 des Kühlmechanismus 50 erzeugt wird, zur Emitterspitze 45 überträgt, den kontaktlosen Durchgang ermöglicht.
Andererseits weist die Kühlstufeneinheit 60 in der vorliegenden Ausführungsform eine derartige Struktur auf, dass die Kühlstufeneinheit 60 der zweistufigen Kältemaschine 52 des Kühlsystems 50 entsprechend durch koaxiales Verbinden des hochtemperaturseitigen und des niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60H und 60L gebildet wird, und auch der Topfhauptkörper 61 des Gastopfs 51 weist eine Struktur auf, die die koaxiale Verbindung des hochtemperaturseitigen und des niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60H und 60L aufrechterhält.
Wie in 11 bis 13(b) dargestellt, sind die Kühlstufeneinheitsteile 60H und 60L derart konfiguriert, dass eine Größe des niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60L auf einer distalen Endseite, die im kleinen niedertemperaturseitigen Zylinder eine Stufe 57bL mit einer Expansionskammerseite aufweist, kleiner als eine Größe des niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60L auf einer proximalen Endseite ist, die im großen hochtemperaturseitigen Zylinder eine Stufe 57bH mit einer Expansionskammerseite aufweist. Ferner sind die jeweiligen Kühlstufeneinheitsteile 60H und 60L so konfiguriert, dass die Rippe 58 (58H oder 58L) in der Axialrichtung gesehen eine größere Außenform als die Stufe 57b (57bH oder 57bL) aufweist.
Darüber hinaus ist ein mit dem Abstandsstück versehener Teil 60aH, der mit einem rohrförmigen Abstandsstück 59H versehen ist, das eine Umfangsfläche der Stufe 57bH im gesamten Bereich entlang des Umfangs der Stufe 57bH des hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60H umgibt, derart konfiguriert, dass seine Außenform senkrecht zur Achsrichtung, entlang seiner Axialrichtung gesehen, größer ist als der Rippenteil 60bH, und eine Außenumfangskante des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60aH im gesamten Bereich entlang seines Umfangs mehr als eine Außenumfangskante des Rippenteils 60bH in der Radialrichtung nach außen vorspringt. Dementsprechend ist ein mit dem Abstandsstück versehener Teil 60aL, der mit einem rohrförmigen Abstandsstück 59L versehen ist, das eine Umfangsfläche der Stufe 57bL im gesamten Bereich entlang des Umfangs der Stufe 57bL des niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60L umgibt, derart konfiguriert, dass seine Außenform senkrecht zur Achsrichtung, entlang seiner Axialrichtung gesehen, größer ist als der Rippenteil 60bL, und eine Außenumfangskante des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60aL im gesamten Bereich entlang seines Umfangs mehr als eine Außenumfangskante des Rippenteils 60bL in der Radialrichtung nach außen vorsprigt. Ferner ist der Rippenteil 60H des hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60H derart konfiguriert, dass seine Außenform senkrecht zur Achsrichtung, entlang seiner Axialrichtung gesehen, größer ist als der Rippenteil 60bL des niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60L, und die Außenumfangskante des Rippenteils 60bH im gesamten Bereich entlang seines Umfangs mehr als die Außenumfangskante des Rippenteils 60bL in der Radialrichtung nach außen vorspringt. Die oben beschriebenen Abstandsstücke 59H und 59L sind aus einem porösen Material konfiguriert, zum Beispiel geschäumtes Harz.
Der Topfhauptkörper 61 des Gastopfs 51, der durch koaxiales Verbinden des hochtemperaturseitigen und des niedertemperaturseitigen Topfhauptkörperteils 61H und 61L erhalten wird, weist die Form eines mit einem Boden versehenen Zylinders auf, dessen eines Ende geschlossen ist und dessen anderes Ende offen ist, und ist derart konfiguriert, dass der hochtemperaturseitige Topfhauptkörperteil 61H, der den hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteil 60H auf der einen Endseite enthält, und der niedertemperaturseitige Topfhauptkörperteil 61L, der den niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteil 60L auf der anderen Endseite enthält, über einen gestuften Teil 116 integriert sind. Ferner ist im Topfhauptkörperteil 61H die hochtemperaturseitige Stufenkammer 62H gebildet.
Eine Querschnittsform der hochtemperaturseitigen Stufenkammer 62H vertikal zur Achse ist eine Querschnittsform, die keine Stufe aufweist und im gesamten Bereich entlang der Axialrichtung einheitlich ist, und ist eine Querschnittsform, die einer Außenumfangsflächenform des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60aH des hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60H entsprechend geformt ist. Eine Größe dieser Querschnittsform (Länge der hochtemperaturseitigen Stufenkammer 62H in der Radialrichtung) ist auf eine Größe eingestellt, die in einem Normaltemperaturzustand, das heißt, wenn die Außenumfangskante des Abstandsstücks 59H in der Kühlstufeneinheit 60 in einem nicht zusammengezogenen Zustand ist, den Kontakt mit dem mit dem Abstandsstück versehenen Teil 60aH des hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60H ermöglicht. Zusätzlich ist eine Länge der hochtemperaturseitigen Stufenkammer 62H in der Axialrichtung auf geeignete Weise länger eingestellt als eine Länge, die erhalten wird, indem eine Länge, in der Axialrichtung, des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60aH mit einer Länge, in der Axialrichtung, des Rippenteils 60bH in der Axialrichtung im hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteil 60H addiert wird.
Die niedertemperaturseitige Stufenkammer 62L ist koaxial zur hochtemperaturseitigen Stufenkammer 62H geformt und mit der hochtemperaturseitigen Stufenkammer 62H verbunden. Eine Querschnittsform der niedertemperaturseitigen Stufenkammer 62L vertikal zur Achse ist eine Querschnittsform, die keine Stufe aufweist und im gesamten Bereich entlang der Axialrichtung einheitlich ist, und ist eine Querschnittsform, die einer Außenumfangsflächenform des mit dem Abstandsstück versehenen Teils 60aL des hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60L entsprechend geformt ist. Eine Größe dieser Querschnittsform (Länge der niedertemperaturseitigen Stufenkammer 62L in der Radialrichtung) ist auf eine Größe eingestellt, die in einem Normaltemperaturzustand, das heißt, wenn die Außenumfangskante des niedertemperaturseitigen Abstandsstücks 59L in einem nicht zusammengezogenen Zustand ist, den Kontakt mit dem mit dem Abstandsstück versehenen Teil 60aL des niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60L ermöglicht. Ferner ist eine Länge der niedertemperaturseitigen Stufenkammer 62L in der Axialrichtung auf geeignete Weise länger eingestellt als eine Länge des Rippenteils 60bL des hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60L in der Axialrichtung.
Zusätzlich ist eine Länge der Stufenkammer 62, die im Topfhauptkörperteil 61 gebildet ist und die hochtemperaturseitige Stufenkammer 62H und die niedertemperaturseitige Stufenkammer 62L einschließt, in der Axialrichtung auf geeignete Weise länger eingestellt als eine Länge, die erhalten wird, indem die Länge des hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60H in der Axialrichtung mit der Länge des niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60L in der Axialrichtung addiert wird.
Jedes der Topfhauptkörperteile 61H und 61L ist dazu konfiguriert, entlang der Axialrichtung koaxial miteinander integriert zu werden, indem das aus einem wärmeisolierenden Material geformte öffnungsseitige Hauptkörperteil 61b (61bH, 61bH) mit dem aus dem wärmeleitenden Material geformte bodenseitigen Hauptkörperteil 61a (61aH, 61aH) verbunden wird.
Dadurch wird zwischen dem Rippenteil 60bH des hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60H und dem bodenseitigen (querseitigen) Hauptkörperteil 61aH des Topfhauptkörperteils 61H der hochtemperaturseitige kontaktlose Raum 67H gebildet. Zusätzlich wird zwischen dem Rippenteil 60bL des niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60L und dem bodenseitigen Hauptkörperteil 61aL des Topfhauptkörperteils 61L der niedertemperaturseitige kontaktlose Raum 67L gebildet. Das Wärmeleitmittel 69 wird im hochtemperaturseitigen kontaktlosen Raum 67H und im niedertemperaturseitigen kontaktlosen Raum 67L gespeichert. Ferner wird im Gastopf 51 der bodenseitige Hauptkörperteil 61aH des hochtemperaturseitigen Topfhauptkörperteils 61H des Topfhauptkörpers 61 durch die Kälte des Rippenteils 60bH des hochtemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60H auf Tieftemperatur gekühlt, und der bodenseitige Hauptkörperteil 61aL des niedertemperaturseitigen Topfhauptkörperteils 61L des Topfhauptkörpers 61 wird durch die Kälte des Rippenteils 60bL des niedertemperaturseitigen Kühlstufeneinheitsteils 60L auf eine noch niedrigere Tieftemperatur gekühlt.
Der aus dem wärmeleitenden Material geformte bodenseitige Hauptkörperteil 61aH des hochtemperaturseitigen Topfhauptkörperteils 61H des Topfhauptkörpers 61 ist über einen hochtemperaturseitigen Kälteleitmechanismus 70H, der zum Beispiel ein goldplattiertes Kupfernetz einschließt, mit der Strahlenabschirmung 111, die im die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 des Ionenquellengehäuses 22 angeordnet ist, thermisch verbunden. Zusätzlich ist der aus dem wärmeleitenden Material geformte bodenseitige Hauptkörperteil 61aL des niedertemperaturseitigen Topfhauptkörperteils 61L des Topfhauptkörpers 61 über einen niedertemperaturseitigen Kälteleitmechanismus 70L mit der Emitterspitze 45, die in dem die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 des Ionenquellengehäuses 22 angeordnet ist, thermisch verbunden.
Was den Kühlmechanismus 50 anbetrifft, werden im Falle des Rasterionenmikroskops 10' gemäß der vorliegenden Ausführungsform hinsichtlich des Einbaus des Kühlmechanismus 50, der Positionierung der Rippe 58 und des Gastopfs 51, die dabei durch das Abstandsstück 59 durchgeführt wird, und der Kühlleistung des Rasterionenmikroskops 10' ähnliche Vorteile und Wirkungen wie beim Rasterionenmikroskop 10 gemäß der ersten Ausführungsform erreicht.
Beispielsweise ist es wünschenswert, einen Endseitenspalt g1H zwischen der Rippe 58H und dem gestuften Teil 116 des Topfhauptkörpers 61 und einen Endseitenspalt g1L zwischen der Rippe 58L und dem Aufnahmekammerboden 61c des Topfhauptkörpers 61 in der Vibrationsrichtung groß einzustellen, um zu verhindern, dass Vibrationen vom Kältemaschinenhauptkörper 53, und insbesondere die Vibration, die durch die schnelle Hin- und Herbewegung des Verdrängerkolbens im Zylinder erzeugt wird, zum Gastopf 51 übertragen wird. Wenn die Endseitenspalte g1H und g1L groß eingestellt sind, nimmt die jeweilige Kühlleistung der Rippen 58H und 58L in Bezug auf den gestuften Teil 116 und den Aufnahmekammerboden 61c des Topfhauptkörpers 61 jedoch ab. Daher ist es zur Erhöhung der Kühlleistung wünschenswert, einen Seitenflächenspalt g2H oder g2L zwischen der Rippe 58H oder 58L und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 möglichst eng einzustellen, um solch eine Abnahme in der Kühlleistung der Rippen 58H und 58L in Bezug auf den gestuften Teil 116 und den Aufnahmekammerboden 61c des Topfhauptkörpers 61 zu kompensieren. Zu diesem Zweck ist es möglich, die Lagebeziehung zwischen der Außenumfangskante der Rippe 58 und der Innenumfangsfläche des Topfhauptkörpers 61 der Größe des Zwischenraums S entsprechend festzulegen, der in der vorliegenden Ausführungsform durch das Abstandsstück 59 bestimmt wird, wodurch es möglich ist, den Seitenflächenspalt g2 auf einfache und präzise Weise zu verengen.
Im dargestellten Beispiel wurde der Fall beschrieben, dass für beide Abstandsstücke 59H und 59L das gleiche Material verwendet wird, doch das Material des Abstandsstücks 59 kann beim hochtemperaturseitigen Abstandsstück 59H und beim niedertemperaturseitigen Abstandsstück 59L verschieden sein. Zusätzlich kann eine spezifische Form des Abstandsstücks 59 wie z. B. das rohrförmige Abstandsstück oder eine Abstandsstück-Anordnung, oder eine Form der Außenumfangskante, in der Achsrichtung gesehen, wie z. B. eine kreisförmige oder mehreckige Form, beim hochtemperaturseitigen Abstandsstück 59H und beim niedertemperaturseitigen Abstandsstück 59L verschieden sein.
14(a) und 14(b) sind Konfigurationszeichnungen eines modifizierten Beispiels einer Baugruppe, die durch Verbinden einer Rippe mit einer Kühlstufe erhalten wird. In der Beschreibung einer Konfiguration dieser Baugruppe werden gleiche Komponenten wie die in der Baugruppe, die in 7(a), 7(b) und 12 dargestellt ist, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet, und deren detaillierte Beschreibung wird ausgelassen.
Die in 14(a) dargestellte Kühlstufeneinheit 60 ist so konfiguriert, dass ein Wärmeleitblech 95 (95H, 95L), das aus einem weichen Material besteht und eine gute Wärmeleitung hat, wie z. B. Indium, zwischen der Stufe 57b (57bH, 57bL) und der Rippe 58 (58H, 58L) angeordnet wird, bevor die Stufe 57b mit der Rippe 58 verbunden wird. Wenn die Rippe 58 mit der Kühlstufe 57b verbunden wird, verformt sich das Wärmeleitblech 95, um die jeweiligen Vertiefungen in beiden Verbindungsflächen zu füllen, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmeleitung zwischen beiden Verbindungsflächen erhöht wird.
Demgegenüber wird in der Kühlstufeneinheit 60, die in 14(b) gezeigt wird, auf einer Fläche der mit der Kühlstufe 57b (57bH, 57bL) zu verbindenden Rippe 58 (58H, 58L) eine Wärmeleitschicht 96 (96H, 96L) geformt, die aus einem weichen Material besteht und eine gute Wärmeleitung hat, wie z. B. eine Goldplattierung. Wenn die Rippe 58 mit der Kühlstufe 57 verbunden wird, verformt sich die Wärmeleitschicht 96, um die jeweiligen Vertiefungen in beiden Verbindungsflächen zu füllen, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmeleitung zwischen beiden Verbindungsflächen erhöht wird.
Dritte Ausführungsform
Bezugnehmend auf die Zeichnungen wird nun eine Ionenstrahlvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsformen beschrieben, die eine Ionenstrahlvorrichtung betrifft, die mit einer anderen Vorrichtung kombiniert ist, zum Beispiel eine Ionenstrahlvorrichtung, in welcher als optionale Einrichtung Massenspektrometer 121 am Vakuumbehälter 32 des in 1 bis 4 gezeigten Rasterionenmikroskops 10 gemäß der ersten Ausführungsform angebracht ist. Beschreibungen, die mit der des in 1 bis 4 gezeigten Rasterionenmikroskops 10 übereinstimmen, werden im Folgenden ausgelassen.
15 ist eine Konfigurationszeichnung eines Beispiels einer Ionenstrahlvorrichtung, in welcher ein Rasterionenmikroskop mit einem Massenspektrometer kombiniert ist.
Wie in 15 dargestellt, ist in der Ionenstrahlvorrichtung, in welcher zum Beispiel das Massenspektrometer 121 als optionale Einrichtung am Vakuumbehälter 32 des in 1 gezeigten Rasterionenmikroskops 10 angebracht ist, der auf dem Sockel 13 montierte Vorrichtungshauptkörper 11 des Rasterionenmikroskops 10 in einem Neigungswinkel θ geneigt, da eine Position des Schwerpunkts des Vorrichtungshauptkörpers 11 des Rasterionenmikroskops 10 sich gegenüber der Position des Schwerpunkts in der Standardkonfiguration, in der das Massenspektrometer 121 nicht vorgesehen ist, geändert hat.
Auch in diesem Fall ist das Rasterionenmikroskop 10, das die Ionenstrahlvorrichtung darstellt, mit dem Positionierungs- und Feststellmechanismus 87 versehen, das die Feineinstellung eines Ausrichtungszustands des auf dem Befestigungsteil 88 montierten Kältemaschinenhauptkörpers 53 innerhalb eines Toleranzbereichs ermöglicht, wodurch der Ausrichtungszustand des Kältemaschinenhauptkörpers 53 auf dem Sockel 83 so eingestellt werden kann, dass eine Richtung der Kühlstufeneinheit 60 der Kältemaschine 52 koaxial mit einer Aufnahmerichtung des Gastopfs 51 ist, indem ein Befestigungswinkel des Befestigungsteils 88 einer durch die Neigung des Vorrichtungshauptkörpers 11 bedingten Änderung der Aufnahmerichtung des Gastopfs 51 (Richtung der Kühlmechanismus-Montageöffnung 29) im den Topfenthaltenden Gehäuseteil 24 des Ionenquellengehäuses 22 entsprechend angepasst wird.
Wenn der Vorrichtungshauptkörper der Ionenstrahlvorrichtung geneigt ist, werden hinsichtlich der Montage der Kühlmechanismus 50, der Positionierung der Rippe 58 und des Gastopfs 51, die bei der Montage durch das Abstandsstück 59 durchgeführt wird, und der Kühlleistung des Rasterionenmikroskop 10 die gleichen Vorteile und Wirkungen erreicht wie beim Rasterionenmikroskop 10, das in 1 dargestellt ist.
16 ist eine Konfigurationszeichnung eines anderen Beispiels der in 15 gezeigten Ionenstrahlvorrichtung, in der das Rasterionenmikroskop mit dem Massenspektrometer kombiniert ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Aufnahmerichtungseinstell- und Feststellmechanismus 89 vorgesehen, der in der Lage ist, in einem Verbindungsabschnitt zwischen dem die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 und dem den Topf enthaltenden Gehäuseteil 24 im Ionenquellengehäuse 22 des Rasterionenmikroskops 10 die Feineinstellung der Aufnahmerichtung des Gastopfs 51 (Richtung der Kühlmechanismus-Montageöffnung 29) im den Topfenthaltenden Gehäuseteil 24 des Ionenquellengehäuses 22 innerhalb eines Toleranzbereichs in Bezug auf den die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 durchzuführen.
Auch in der vorliegenden Ausführungsform werden hinsichtlich der Montage des Kühlmechanismus 50, der Positionierung der Rippe 58 und des Gastopfs 51, die bei der Montage durch das Abstandsstück 59 durchgeführt wird, und der Kühlleistung des Rasterionenmikroskop 10 die gleichen Vorteile und Wirkungen erreicht wie beim in 1 dargestellten Rasterionenmikroskop 10, wenn der Vorrichtungshauptkörper der Ionenstrahlvorrichtung geneigt wird.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Kälteleitmechanismus 70 zudem mit einem goldplattierten Kupfernetz konfiguriert und kann durch Verformen des Kupferdrahtnetzes verformt, z. B. umgeknickt oder verbogen werden, weshalb der Kälteleitmechanismus 70 sich verformt, z. B. geknickt oder gebogen wird, wenn die Aufnahmerichtung des Gastopfs 51 in Bezug auf den die Ionenquelle enthaltenden Gehäuseteil 23 geändert wird. Dadurch wird die Übertragung der Kälte nicht durch Abtrennung des Kälteleitmechanismus 70 oder dergleichen unterbrochen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht nur auf die spezifischen Konfigurationen der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Im Fall der Abstandsstück-Anordnung, in welcher mehrere Abstandsstücke nebeneinander in einem vorbestimmten Abstand entlang der Umfangsrichtung der Stufe 57b angeordnet sind, um die Umfangsfläche der Stufe 57b partiell zu umgeben, können die Abstandsstücke zum Beispiel auch auf der Innenumfangsfläche des Gastopfs 51 vorgesehen sein.
Ferner müssen die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht unabhängig voneinander realisiert werden, sondern mehrere Ausführungsformen können gleichzeitig angewandt werden, ohne den Umfang der Ansprüche einzuschränken.
Bezugszeichenliste

10: Rasterionenmikroskop
11: Vorrichtungshauptkörper
12: Boden
13: Sockel
14: vibrationsdämpfender Mechanismus
15: Bodenplatte
20: Ionenquelle (Gasionenquelle)
21: Ionenstrahl
22: Ionenquellengehäuse
23: Ionenquelle enthaltender Gehäuseteil
24: Gastopf enthaltender Gehäuseteil (Kühlmechanismus-Aufnahmeteil)
25: Gasionisierungskammer
26: Topfkammer
27: Ionenquellenkammer
28: Verbindungsöffnung
29: Kühlmechanismus-Montageöffnung
30: Säule (Linsentubus)
31: Bestrahlungssystem
32: Vakuumbehälter
33: Vakuumsaugsystem
34: Vakuumsaugvorrichtung
35: Vakuumsaugrohr
36: Trennwand
37: Durchgangsloch
38: Vakuumsaugvorrichtung
39: Vakuumsaugrohr
40: Probenkammer
41: Probe
42: Probenbühne
43: Sekundärteilchendetektor
45: Emitterspitze
46: Extraktionselektrode
47: Gasquelle
48: Gasversorgungsrohr
49: Vakuumsaugsystem
50: Ionenstrahlvorrichtungskühlmechanismus (Kühlmechanismus)
51: Gastopf
52: Kältemaschine
53: Kältemaschinenhauptkörper
54: Verdichter
55: Hochdruckleitung
56: Niederdruckleitung
57: Kühlstufe
57a: Basis
57b: Stufe
57c: distales Stufenende
58: Rippe
58a: Basis
59: Abstandsstück
60: Kühlstufeneinheit
60a: mit Abstandsstück versehener Teil
60b: Rippenteil
61: Topfhauptkörper
61a: bodenseitiger Hauptkörperteil
61b: öffnungsseitiger Hauptkörperteil
61c: Aufnahmekammerboden
62: Stufenkammer
63: Balg
64: Befestigungsflansch
65: Topfverbindungsrahmen
66: Befestigungsflansch
67: kontaktloser Raum
68: vibrationsunterdrückender Raum
69: Wärmeleitmittel
70: Kälteleitmechanismus
83: Stützfuß
84: Sockel
85: Ständer
86: Befestigungsplatte
87: Positionierungs- und Feststellmechanismus
88: Befestigungsteil
89: Aufnahmerichtungseinstell- und Feststellmechanismus
90: Steuergerät
91: Eingabe/Ausgabegerät
95: Wärmeleitblech
96: Wärmeleitschicht
100: Wärmeleitmittel-Anpassungsmechanismus
101: Wärmeleitmittel-Zuleitmechanismus
102: Wärmeleitmittel-Ableitmechanismus
103: Wärmeleitmittelquelle
104: Regler
105: Wärmeleitmittelkanal
106: Rückschlagventil
107: Druckmesser
108: Wärmeleitmittelauslass
111: Strahlenabschirmung
112: Durchgangsloch
116: gestufter Teil
121: Massenspektrometer

Alle Veröffentlichungen, Patente und Patentanmeldungen, die hier angeführt wurden, sind durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier aufgenommen.

Claims

Ionenstrahlvorrichtung, umfassend: ein Ionenquellengehäuse, das mit einer Emitterspitze versehen ist, um Ionen zu erzeugen, und eine Ionenquellenkammer definiert, die mit einem Ionisierungsgas oder Gasmolekülen versorgt wird; einen Kühltopf, der derart in der Ionenquellenkammer angeordnet ist, dass er mit der Emitterspitze thermisch verbunden ist und eine Kühlstufe einer Kältemaschine ohne direkten physischen Kontakt aufnimmt; und ein Abstandsstück, das eine Umfangsfläche der Kühlstufe und eine Innenumfangsfläche des Kühltopfs auf einen bestimmten Abstand hält.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Abstandsstück so konfiguriert ist, dass die Form seiner Außenumfangskante, in einer Aufnahmerichtung des Kühltopfs gesehen, sich in einem Kühlzustand im Vergleich zum Normaltemperaturzustand verformt, indem sie sich zusammenzieht.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Abstandsstück aus einem Material konfiguriert ist, dessen Volumen im Kühlzustand im Vergleich zum Normaltemperaturzustand schrumpft.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Material ein poröses Material ist.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Abstandsstück auf einer Umfangsfläche der Kühlstufe angeordnet ist.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Rippe derart an der Kühlstufe angeordnet ist, dass sie keinen direkten physischen Kontakt mit dem Kühltopf hat, und der Topf durch ein Wärmeleitmittel gekühlt wird, das um die Rippe herum vorhanden ist.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Topf einen wärmeleitenden Teil und einen wärmeisolierenden Teil aufweist und zusammengebaut wird, indem beide Teile entlang einer Aufnahmerichtung der Kühlstufe so miteinander verbunden werden, dass der wärmeleitende Teil in einem inneren Teil der Ionenquellenkammer dem wärmeisolierenden Teil gegenüberliegt, und der wärmeleitende Teil in der Ionenquellenkammer der Emitterspitze gegenüber angeordnet ist, ohne außerhalb der Ionenquellenkammer freizuliegen.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Teil des Kühltopfs, der der Rippe gegenüberliegt, aus dem wärmeleitenden Teil besteht.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 6, wobei ein Abstand zwischen der Rippe und einer Innenumfangsfläche des Topfs, die senkrecht zu einer Vibrationsrichtung der Kühlstufe ist, größer ist als ein Abstand zwischen der Rippe und einer Innenumfangsfläche des Topfs, die parallel zur Vibrationsrichtung der Kühlstufe ist.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 7, wobei an einer Verbindungsstelle zwischen der Kühlstufe und der Rippe eine weiche Schicht oder ein weiches Blech aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, um eine Glättung mindestens einer der Verbindungsflächen der Kühlstufe und der Rippe zu erreichen.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die weiche Schicht eine goldplattierte Schicht ist und das weiche Blech ein Wärmeleitblech ist.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, außerdem umfassend: einen Einstellmechanismus, um einen Winkel der Kältemaschine in Bezug auf eine Bodenfläche oder einen Winkel zwischen dem Ionenquellenkammer-Teil des Ionenquellengehäuses, in welchem der Topfenthalten ist, und dem Ionenquellenkammer-Teil, in welchem die Emitterspitze enthalten ist, einem Neigungswinkel des Ionenquellengehäuses entsprechend einzustellen.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Topf mit einem Wärmeleitmittel-Versorgungsmechanismus versehen ist, um dem Topf Wärmeleitmittel zuzuführen, und mit einem Wärmeleitmittel-Auslassmechanismus, um Wärmeleitmittel aus dem Inneren des Topfs auszulassen.
Ionenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Kühlstufen und Abstandsstücken vorgesehen sind.
Kältemaschine zur Verwendung in einer Ionenstrahlvorrichtung, die eine Emitterspitze zur Erzeugung von Ionen in einer Ionenquellenkammer umfasst, die durch ein Ionenquellengehäuse definiert wird und mit einem Ionisierungsgas oder Gasmolekülen versorgt wird, wobei die Kältemaschine umfasst: eine Kühlstufe, die ohne direkten physischen Kontakt in einem Kühltopf aufgenommen wird, der in der Ionenquellenkammer angeordnet ist und mit der Emitterspitze thermisch verbunden ist, um den Kühltopf über ein Wärmeleitmittel zu kühlen; und ein Abstandsstück, das eine Umfangsfläche der Kühlstufe und eine Innenumfangsfläche des Kühltopfs auf einen bestimmten Abstand hält.
Kältemaschine nach Anspruch 15, wobei das Abstandsstück aus einem Material konfiguriert ist, dessen Volumen in einem Kühlzustand im Vergleich zu einem Normaltemperaturzustand schrumpft.
Kältemaschine nach Anspruch 16, wobei das Material ein poröses Material ist.
Kältemaschine nach Anspruch 15, wobei das Abstandsstück auf der Umfangsfläche der Kühlstufe angeordnet ist.
Kältemaschine nach Anspruch 15, wobei eine Rippe derart in der Kühlstufe angeordnet ist, dass sie mit dem Kühltopf keinen direkten physischen Kontakt hat, und der Topf über ein Wärmeleitmittel gekühlt wird, das um die Rippe herum vorhanden ist.
Kältemaschine nach Anspruch 15, wobei eine Vielzahl von Kühlstufen und Abstandsstücken vorgesehen sind.
Montageverfahren für eine Kältemaschine zur Verwendung in einer Ionenstrahlvorrichtung, die eine Emitterspitze zur Erzeugung von Ionen in einer Ionenquellenkammer umfasst, die durch ein Ionenquellengehäuse definiert wird und mit einem Ionisierungsgas oder Gasmolekülen versorgt wird, wobei das Verfahren umfasst: Einbauen einer Kühlstufe zur Kühlung eines Kühltopfs in den Kühltopf, der derart in der Ionenquellenkammer angeordnet ist, dass er mit der Emitterspitze thermisch verbunden ist, wobei ein Abstandsstück im Normaltemperaturzustand gehalten wird und das Abstandsstück aus einem Material konfiguriert ist, dessen Volumen in einem Kühlzustand im Vergleich zum Normaltemperaturzustand schrumpft; und Versetzen des im Kühltopf aufgenommenen Abstandsstücks in einen Kühlzustand, um eine Umfangsfläche des Abstandsstücks von einer Innenumfangsfläche des Kühltopfs zu trennen.