DE112016006118B4

DE112016006118B4 - Feldionisationsquelle, Ionenstrahlvorrichtung und Bestrahlungsverfahren

Info

Publication number: DE112016006118B4
Application number: DE112016006118.8T
Authority: DE
Inventors: Shinichi Matsubara; Hiroyasu Shichi; Tomihiro Hashizume; Yoshimi Kawanami
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2023-08-03
Anticipated expiration: 2036-02-06
Also published as: WO2017134817A1; CN108496238A; CN108496238B; DE112016006118T5; US10971329B2; US20190051491A1

Abstract

lonenstrahlvorrichtung, die aufweist:eine Gas-Feldionisationsquelle (1), die einen H+-Ionen, H2+-Ionen und H3+-Ionen enthaltenden Ionenstrahl (15) emittiert,eine Bestrahlungssäule (7), die eine Linse (71), welche von der Gas-Feldionisationsquelle emittierte Ionen fokussieren kann, und einen Ablenker (73, 74), der den Ionenstrahl (15) ablenken kann, aufweist,einen Probentisch (32), auf dem eine Probe (31), die mit dem durch die Bestrahlungssäule (7) laufenden Ionenstrahl (15) zu bestrahlen ist, angeordnet ist, undeine Probenkammer (3), die zumindest den Probentisch (32) aufnimmt, wobei die lonenstrahlvorrichtung einen Betriebszustand aufweist, bei dem eine lonenemission mit der zweiten von einer ersten und einer zweiten Extraktionsspannung hervorgerufen wird, wobei die erste Extraktionsspannung zu einem ersten Maximum (22) eines von einer Emitterspitze (11) der Gas-Feldionisationsquelle (1) extrahierten Ionenstroms führt und die zweite Extraktionsspannung zu einem zweiten Maximum (23) des Ionenstroms führt und höher ist als die erste Extraktionsspannung, so dass das Häufigkeitsverhältnis der H3+-Ionen unter den von der Emitterspitze (11) emittierten Ionenspezies am höchsten ist und die Energiebreite der H3+-Ionen im Ionenstrahl (15) geringer als die der H2+-Ionen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Feldionisationsquelle, eine Ionenstrahlvorrichtung und ein Bestrahlungsverfahren.
Technischer Hintergrund
Ein Elektronenstrahl wird durch eine elektromagnetische Linse fokussiert, um eine Probe zu bestrahlen und abzutasten, und die Detektion der von der Probe abgegebenen Sekundärelektronen ermöglicht dann die Betrachtung der Probenoberflächenstruktur. Dies wird als Rasterelektronenmikroskop bezeichnet. Ebenso wird ein Elektronenstrahl durch eine elektromagnetische Linse fokussiert, um eine Probe zu bestrahlen und abzutasten, und die Detektion der von der Probe abgegebenen sekundären geladenen Teilchen kann dann auch die Betrachtung der Probenoberflächenstruktur ermöglichen. Dies wird als Rasterionenmikroskop (nachstehend als „SIM“ abgekürzt) bezeichnet.
Ein bei SIM verwendeter Ionenquellentyp ist eine Gas-Feldionisationsquelle (nachstehend als „GFIS“ abgekürzt). Die GFIS war früher eine Metallemitterspitze mit einem Scheitelpunkt-Krümmungsradius im Bereich von 100 nm oder weniger, und es wird eine Hochspannung an die Emitterspitze angelegt, damit ein elektrisches Feld an der Spitze konzentriert wird. Dann wird ein Gas um den Scheitelpunkt (ionisiertes Gas) eingeleitet, so dass die Gasmoleküle im elektrischen Feld ionisiert werden und als Ionenstrahl extrahiert werden.
Beim SIM unter Verwendung einer GFIS (nachstehend als „GFIS-SIM“ abgekürzt) ist eine Vorrichtung, bei der ein Heliumionenstrahl oder ein Neonstrahl verwendet wird, allgemein üblich. Dies liegt daran, dass verglichen mit Flüssigmetall-Ionenquellen und Ionenquellen, bei denen ein Plasmaphänomen verwendet wird, der von einer GFIS abgegebene Ionenstrahl eine geringere Energiebreite aufweist, und dass die Lichtquelle klein ist, so dass der Ionenstrahl fein fokussiert werden kann.
Patentliteratur 1 offenbart ein Beispiel von Gas-Feldionisationsquellen, wobei eine in der Gas-Feldionisationsquelle enthaltene Emitterelektrode wenigstens eine aus einem einkristallinen Metall bestehende Basis und eine in einer Pyramidenform oder einer Kegelform gebildete Spitze aufweist, wobei die Extraktionsspannung für die Ionisation von Heliumgas auf wenigstens 10 kV gelegt wird.
Zitatliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: WO 2012/017789 A1
Im Artikel T.C. Clements, E.W. Müller, „Occurrence of H₃ ⁺ in the Field Ionization of Hydrogen“, J. Chem. Phys., Vol. 37, 1962, S. 2684-2687 werden Gasfeldionisationsquellen und die Häufigkeiten der an den Emitterstellen auftretenden Häufigkeiten von emittierten Wasserstoffionenspezies betrachtet. Weitere mit der vorliegenden Erfindung in Verbindung stehende Ionenstrahlvorrichtungen sind zudem in den Druckschriften DE 11 2013 001 363 T5 , JP 2007-73 534 A und DE 10 2014 112 044 A1 offenbart
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Heliumgas, das eine heute übliche Gasspezies ist, weist jedoch einen Nachteil auf. Die Energie ionisierten Heliums ist von allen Atomen am höchsten, weshalb am Emitterspitzen-Scheitelpunkt ein hohes elektrisches Feld erzeugt werden muss, um Ionen am Scheitelpunkt zu ionisieren. Überdies muss zur Gewährleistung einer ausreichenden Helligkeit für praktische GFIS-Anwendungen ein Ionenstrahl emittiert werden, während der Emitterspitzen-Scheitelpunkt von mehreren Atomen abgeschlossen ist. Eine für die Emission eines Ionenstrahls angelegte sehr hohe Extraktionsspannung führt jedoch infolge eines als Feldverdampfung bezeichneten Phänomens zu einem Verlust von Atomen am Emitterspitzen-Scheitelpunkt, wodurch die Ionenemission unmöglich gemacht wird. Dabei ist zur Wiederherstellung der ursprünglichen Helligkeit der GFIS Zeit erforderlich, um die Atomabschlussform und/oder die optischen Bedingungen der Vorrichtung wiederherzustellen.
Auch gehören Heliumionen zur Gruppe geringerer Masse von den von einer GFIS extrahierten Ionenspezies. Dennoch geschehen bei der Betrachtungsanwendung von GFIS-SIM Schäden an der Probe. Bei herkömmlichen Anforderungsspezifikationen war das Ausmaß einer Beschädigung unerheblich, in letzter Zeit wurden die Einflüsse von Schäden jedoch spürbar.
Um diesem Rechnung zu tragen, wird die Verwendung einer Wasserstoff-GFIS, die Wasserstoffionen mit einer geringen Masse emittiert, untersucht, um Schäden zu verringern, wenn eine Probe betrachtet wird, und auch die Ionisationsenergie zu verringern. Die herkömmliche Wasserstoff-GFIS weist jedoch einen Nachteil auf. Insbesondere ist bei der herkömmlichen Wasserstoff-GFIS die Energiebreite des Ionenstrahls theoretisch größer als bei Helium. Daher ergibt sich eine nachteilige Erhöhung der Betrachtungsauflösung oder der Bearbeitungsbreite.
Kurz gesagt, lassen sich durch die herkömmlichen Techniken keine zufrieden stellende Fokussierfähigkeit, wodurch die Betrachtungsauflösung und die Bearbeitungsbreite beeinflusst werden, Strahlstabilität und Verringerung von Schäden während der Bestrahlung erreichen, und die Gewährleistung der Kompatibilität zwischen ihnen ist problematisch.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Technik bereitzustellen, wodurch die Fokussierfähigkeit verbessert werden kann, welche die Betrachtungsauflösung und die Bearbeitungsbreite beeinflusst, die Strahlstabilität verbessert werden kann und Schäden während der Bestrahlung bei der Betrachtung und Bearbeitung einer Probenoberfläche mit einem Ionenstrahl verringert werden können.
Lösung des Problems
Die Ionenstrahlvorrichtung, die Gas-Feldionisationsquelle und das Bestrahlungsverfahren zum Lösen der vorstehend beschriebenen Aufgabe sind in den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen definiert. Weitere vorteilhafte Ausführungsmerkmale sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Dementsprechend kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Technik bereitgestellt werden, die eine Verbesserung der Fokussierfähigkeit, welche die Betrachtungsauflösung und die Bearbeitungsbreite beeinflusst, eine Verbesserung der Strahlstabilität und eine Verringerung von Schäden während einer Bestrahlung bei einer Betrachtung oder Bearbeitung einer Probenoberfläche durch einen Ionenstrahl ermöglicht.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht (ein Teilblockdiagramm) der Konfiguration einer Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2A eine schematische Schnittansicht eines Emitterelektroden-Scheitelpunkts der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle aus 1,
2B eine Graphik als Beispiel dienender Änderungen des Sondenstroms in Abhängigkeit von der Extraktionsspannung bei der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle aus 1,
2C eine schematische Schnittansicht eines Emitterelektroden-Scheitelpunkts einer Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle (wenn vier Scheitelpunktatome vorhanden sind), die von den Erfindern untersucht wurde,
2D eine Graphik als Beispiel dienender Änderungen des Sondenstroms in Abhängigkeit von der Extraktionsspannung bei der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle (wenn vier oder mehr Scheitelpunktatome vorhanden sind), die von den Erfindern untersucht wurde,
3A eine Graphik einer als Beispiel dienenden Messung der Energiebreite eines H₃ ⁺-Ionenstrahls,
3B eine Graphik einer als Beispiel dienenden Messung der Energiebreite eines H₂ ⁺-Ionenstrahls,
4A eine als Beispiel dienende Messung eines FIN-Bilds des Emitterelektroden-Scheitelpunkts,
4B eine als Beispiel dienende Messung eines FIN-Bilds des Emitterelektroden-Scheitelpunkts,
4C eine als Beispiel dienende Messung eines FIN-Bilds des Emitterelektroden-Scheitelpunkts,
4D eine als Beispiel dienende Messung eines FIN-Bilds des Emitterelektroden-Scheitelpunkts,
5 eine schematische Schnittansicht (Teilblockdiagramm) der Gesamtkonfiguration einer Ionenstrahlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
6A ein als Beispiel dienendes durch einen H₂ ⁺-Ionenstrahl erzeugtes Rasterionenbild,
6B ein als Beispiel dienendes durch einen Strahl, der H⁺-, H₂ ⁺- und H₃ ⁺-Ionenspezies enthält, erzeugtes Rasterionenbild,
6C ein als Beispiel dienendes durch einen Strahl, der H⁺- und H₂ ⁺-Ionenspezies enthält, erzeugtes Rasterionenbild,
6D eine teilweise vergrößerte Ansicht von 6B,
6E eine Graphik der Beziehung zwischen der Beschleunigungsspannung und dem Abstand der Randkontrasts, welche unter Verwendung der Ionenstrahlvorrichtung aus 5 erhalten wurde, und
7 ein als Beispiel dienendes durch die Verwendung eines H₃ ⁺-Ionenstrahls in der Ionenstrahlvorrichtung aus 5 erhaltenes SIM-Bild.

Beschreibung von Ausführungsformen
Die Erfinder haben die praktische Verwendung einer Vorrichtung, bei der ein Wasserstoffionenstrahl verwendet wird, untersucht. Dabei wurde nach dem Abschluss des Emitterspitzen-Scheitelpunkts durch ein einziges Atom und dem Einleiten von Wasserstoffgas ein Ionenstrom (Sondenstrom) gemessen. Dabei haben die Erfinder herausgefunden, dass innerhalb des Bereichs der Extraktionsspannung, bevor das Atom am Emitterspitzen-Scheitelpunkt infolge eines als Feldverdampfung bezeichneten Phänomens verschwindet, nach einem ersten Peak (einem ersten Maximum) ein zweiter Peak (ein zweites Maximum) auftritt. Ein solches Phänomen (ein Phänomen, bei dem ein zweiter Peak nach einem ersten Peak (einem ersten Maximum) auftritt) wurde nicht beobachtet, wenn der Emitterspitzen-Scheitelpunkt durch ein einziges Atom abgeschlossen war und Heliumgas eingeleitet wurde.
Das Phänomen wurde daher weiter analysiert. Dabei wurde herausgefunden, dass (1) vorherrschende Bestandteile des ersten Peaks H⁺ und H₂ ⁺ sind und der vorherrschende Bestandteil des zweiten Peaks H₃ ⁺ ist und dass (2) die Energiebreite von H₃ ⁺, das beim zweiten Peak vorherrschend ist, kleiner ist als die Energiebreite von H⁺ und H₂ ⁺, die beim zweiten Peak vorherrschend sind. Dies bedeutet, dass der H₃ ⁺-Strahl dünner gemacht werden kann als der H⁺- und H₂ ⁺-Strahl, d. h. eine hohe Auflösung bereitgestellt werden kann.
Bei herkömmlichen Verfahren werden die optischen Bedingungen so eingestellt, dass eine Bearbeitung und Betrachtung unter Verwendung von H⁺ und H₂ ⁺, welche den ersten Peak bilden, möglich sind, weshalb das Einstellen der Spannung nach dem ersten Peak in den meisten Fällen nicht betrachtet wird. Insbesondere liegt dies an einer Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, dass ein anderes Gas an der Emitterspitze haftet, wodurch der Ionenstrahlstrom verringert wird und/oder die Wahrscheinlichkeit einer Feldverdampfung des sich an den Emitterspitzen-Scheitelpunkt anlagernden jeweiligen Atoms vergrößert wird. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung neu und beruht auf Ergebnissen einer detaillierten Analyse eines Phänomens, das unter bisher nicht vorstellbaren Verwendungsbedingungen nicht entdeckt wurde.
Die vorliegende Erfindung wird nun detailliert beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise eine Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle wie nachstehend beschrieben konfiguriert, um eine Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme zu erhalten.
Insbesondere weist eine Gas-Feldionisationsquelle Folgendes auf: eine Emitterspitze mit einem nadelförmigen Scheitelpunkt, eine Extraktionselektrode, die eine Öffnung aufweist, die sich gegenüber der Emitterspitze und in einem Abstand von dieser befindet, eine Gaszufuhr-Rohrleitung zum Einbringen von Gas in den Bereich um die Emitterspitze, eine Einheit, die eine Spannung zwischen die Emitterspitze und die Extraktionselektrode legt und diese einstellt, um ein elektrisches Feld zur Ionisation des Gases zu erzeugen, und eine Einheit, welche die Emitterspitze kühlt. Bei der Gas-Feldionisationsquelle wird ein Wasserstoff enthaltendes Gas verwendet und werden von den Ionenspezies, die von der Emitterspitze emittiert werden, H₃ ⁺-Ionen am häufigsten emittiert, wodurch eine Lösung des erwähnten Problems erreicht wird.
Die Energiebreite der H₃ ⁺-Ionen ist geringer als jene der H₂ ⁺-Ionen, die bei den vorstehend beschriebenen typischen Bedingungen extrahiert werden. Durch die Verwendung der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle mit der Ionenstrahlvorrichtung können eine zufrieden stellende Betrachtungsauflösung und Bearbeitungsbreite bereitgestellt werden und kann eine Beschädigung während der Probenbetrachtung verglichen mit der Bestrahlung mit He-Ionen verringert werden und kann die für die Wiederherstellung der Scheitelpunktform des Emitters benötigte Zeit verglichen mit der Emission von He-Ionen verkürzt werden.
Ferner ist in Bezug auf H₃ ⁺-Ionen die Energie eines Wasserstoffatoms 2/3 jener eines H₂ ⁺-Ions bei der Bestrahlung mit der gleichen Beschleunigungsenergie, so dass abhängig von diesem Betrag, beispielsweise durch Mischung und/oder dergleichen, eine weitere Verringerung der Probenbeschädigung erwartet werden kann. Ferner können H₃ ⁺-Ionen, weil der H₃ ⁺-Ionenstrahl eine geringe Energiebreite aufweist, die gleiche Fokussierungsfähigkeit bei einer geringeren Beschleunigung als bei H₂ ⁺-Ionen bereitstellen. Dies ermöglicht eine Bestrahlung mit einer geringen Beschleunigung, was zu einer Minimierung der Probenbeschädigung führt.
Ferner haben die Erfinder ein neues Ionenemissionsverfahren entdeckt, bei dem das Emissionsverhältnis von H₃ ⁺-Ionen in der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle maximiert wird. Das Phänomen, bei dem H₃ ⁺-Ionen selbst emittiert werden, ist bereits bekannt, die Bedingungen, bei denen das Emissionsverhältnis von H₃ ⁺-Ionen in Wasserstoffionenspezies am höchsten wird, war jedoch bisher unbekannt. Diese Bedingungen bestehen darin, dass die Emitterspitze durch höchstens drei, am bevorzugtesten durch ein einziges Atom abgeschlossen wird und dass die Ionenquelle mit einer Ionenextraktionsspannung betrieben wird, die als eine Extraktionsspannung festgelegt wird, die ein zweites Maximum des Sondenstroms ergibt, um das Emissionsverhältnis von H₃ ⁺-Ionen zu verbessern. Das heißt, dass ein höherer Verbesserungseffekt erzeugt wird, wenn die Anzahl der Atome zwei statt drei ist und dass insbesondere die maximale Verbesserung des Emissionsverhältnisses erreicht wird, wenn die Spitze durch ein einziges Atom abgeschlossen ist.
Mit anderen Worten würden durch Installieren der Gas-Feldionisationsquelle gemäß der vorliegenden Erfindung die Ionenstrahl-Fokussierfähigkeit und die Stabilität einer mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung verbessert werden. Auch wird die Probenbeschädigung während der Betrachtung durch die Bestrahlung mit dem Ionenstrahl verringert. Ferner wird die Häufigkeit, mit der die Form des Emitterspitzen-Scheitelpunkts wiederhergestellt werden muss, verringert, um eine verbesserte Verwendbarkeit der Vorrichtung zu erreichen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Verwendung der anliegenden Zeichnung beschrieben.
Erste Ausführungsform
Eine Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die 1, 2, 3 und 4 beschrieben. Es sei bemerkt, dass die Anordnung der vorliegenden Anmeldung auch auf Anderes als die nachstehend beschriebenen Inhalte angewendet werden kann, ohne vom Schutzumfang und vom Gedanken der in der vorliegenden Anmeldung dargelegten Erfindung abzuweichen.
Eine Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle 1 weist Folgendes auf: eine Emitterelektrode (Emitterspitze) 11 mit einem nadelförmigen Scheitelpunkt, eine Extraktionselektrode 13 mit einer Öffnung, die sich gegenüber der Emitterelektrode 11 befindet, einen Kühler 4, der die Emitterelektrode 11 kühlt, eine Vakuumkammer 17, welche die Emitterelektrode 11 und die Extraktionselektrode 13 sowie eine erste Kühlstufe 412 und eine zweite Kühlstufe 413, die sich in einem Kühlkörper 41 des Kühlmechanismus 4 befinden, aufnimmt, eine Evakuierungseinheit 16, die mit der Vakuumkammer 17 verbunden ist, eine Gaszufuhreinheit (einen Gaseinleitmechanismus) 37, welche ein Wasserstoff enthaltendes Gas in die Vakuumkammer 17 einleitet, und eine Hochspannungsversorgung 111 zum Legen einer Spannung zwischen die Emitterelektrode 11 und die Extraktionselektrode 13, um ein elektrisches Feld zur positiven Ionisation von Gas um den Scheitelpunkt der Emitterelektrode 11 zu erzeugen. Die Elektroden können so ausgelegt sein, dass ihre Spannung unabhängig voneinander gesteuert werden kann, und die Extraktionsspannung zur Erzeugung des elektrischen Felds kann unabhängig von der Ionenstrahlbeschleunigung gesteuert werden.
Für die Emission eines Ionenstrahls 15 von der Emitterspitze 11 der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle 1 wird zunächst eine Hochspannung zwischen die Emitterspitze 11 und die Extraktionselektrode 13 gelegt. Ein elektrisches Feld wird durch Anlegen einer Hochspannung am Scheitelpunkt der Emitterspitze 11 fokussiert. Es wird angenommen, dass die Intensität des am Scheitelpunkt erzeugten elektrischen Felds für eine positive Ionisation von Wasserstoff ausreicht. In diesem Zustand wird die Gaszufuhreinheit 37 für das Einleiten von Wasserstoffgas in die Vakuumkammer 17 verwendet, woraufhin ein Wasserstoffionenstrahl vom Scheitelpunkt der Emitterspitze 11 emittiert wird. Es sei bemerkt, dass ein Bezugszeichen 161 eine Durchflussraten-Einstelleinheit angibt, dass ein Bezugszeichen 371 eine Gasdüse angibt, dass ein Bezugszeichen 374 eine Gasdurchflussraten-Einstelleinheit angibt, dass ein Bezugszeichen 376 einen Gaszylinder angibt, dass ein Bezugszeichen 415 eine Wärmestrahlungsabschirmung angibt und dass ein Bezugszeichen 416 eine Wärmetauschereinheit angibt.
Ferner ist eine in 2A dargestellte Scheitelpunktform 100 der Emitterelektrode 11 als ein Beispiel dargestellt, bei dem der Scheitelpunkt 5 der Emitterelektrode 11 durch ein einziges Atom abgeschlossen ist. Wenn der Scheitelpunkt der Emitterelektrode durch höchstens drei Atome abgeschlossen ist, wie vorstehend erläutert wurde und wie in Graphik 200 gezeigt ist, ändert sich der Sondenstromwert 24, der erhalten wird, wenn der von der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle 1 extrahierte Ionenstrahl 15 auf einen festen Abstrahlungswinkel begrenzt wird, abhängig vom Wert einer Extraktionsspannung, welche die Differenz zwischen der an die Emitterelektrode 11 und die Extraktionselektrode 13 angelegten Spannungen ist, wie in 2B dargestellt ist. Es sei bemerkt, dass ein Bezugszeichen 151 einen Sondenstrom angibt, ein Bezugszeichen 152 einen Grenz-Strahldivergenzwinkel angibt und dass ein Bezugszeichen 153 eine optische Achse angibt.
Der Wert des elektrischen Felds, das durch die zwischen die Emitterelektrode 11 und die Extraktionselektrode 13 gelegte Extraktionsspannung am Emitterelektroden-Scheitelpunkt erzeugt wird, hängt von der Form des Emitterelektroden-Scheitelpunkts, insbesondere vom Krümmungsradius und dergleichen, ab, selbst wenn der Wert der Extraktionsspannung gleich bleibt. Ferner wird das gemäß der Ausführungsform offenbarte Phänomen durch ein am Scheitelpunkt erzeugtes elektrisches Feld hervorgerufen. Wenngleich aus Gründen der Zweckmäßigkeit die experimentellen Ergebnisse, die bei der Überprüfung der Wirkungen der Ausführungsform erhalten wurden, d. h. jene, die in den Graphiken 200 und 201, die in den 2B und 2D dargestellt sind, in der Beschreibung verwendet werden, schränkt der hier dargestellte Absolutwert der Extraktionsspannung den Schutzumfang der Erfindung nicht ein, und es wird dadurch nicht vom Grundgedanken der Erfindung abgewichen.
Bei der in 2B dargestellten Graphik 200 hat der Sondenstromwert 24 ein erstes Maximum 22 bei einer Extraktionsspannung von etwa 10 kV und ein zweites Maximum 23 bei einer Extraktionsspannung von etwa 11,68 kV, welche höher ist als die Extraktionsspannung, die das Maximum (den Peak) 22 ergibt. Die Erfinder haben herausgefunden, dass das Emissionsverhältnis von H₃ ⁺-Ionen um die ein zweites Maximum ergebende Extraktionsspannung höher ist als bei den anderen Wasserstoffionen H⁺ und H₃ ⁺. Der vorstehende Begriff „um“ bezeichnet einen Spannungsbereich 21, der vorzugsweise 5 % oberhalb und unterhalb des Absolutwerts der ein zweites Maximum 23 ergebenden Extraktionsspannung liegt. Bei der Beispielgraphik 200 bedeutet dies, das eine Extraktionsspannung festgelegt wird, die in Bezug auf die Extraktionsspannung von 11,68 kV, die ein zweites Maximum ergibt, vorzugsweise von 11,1 kV bis 12,26 kV reicht.
Andererseits zeigt 2C ein Beispiel, bei dem ein Scheitelpunkt 6 der Emitterelektrode 11 durch wenigstens vier Atome abgeschlossen ist. In diesem Fall ändert sich der Sondenstromwert 24, der erhalten wird, wenn der von der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle extrahierte Ionenstrahl 15 auf einen festen Abstrahlungswinkel begrenzt wird, gegenüber dem Wert der Extraktionsspannung, der zwischen die Emitterelektrode und die Extraktionselektrode 13 gelegt wird, wie bei der in 2D dargestellten Beispielgraphik 201. Das heißt, dass der Sondenstromwert 24 das einzige Maximum (den einzigen Peak) 25 bei einer Extraktionsspannung von etwa 10 kV aufweist. Dabei wird anders als bei der in 2B dargestellten Beispielgraphik 200 die H₃ ⁺-Ionenemission nicht über alle Extraktionsspannungen in der Graphik beobachtet, so dass es kein Verhältnis gibt, dass jenes der anderen Wasserstoffionen H⁺ und H₂ ⁺ überschreitet. Ferner ist das H₂ ⁺-Emissionsverhältnis auf der Niederspannungsseite des Maximums 25 höher und nimmt das H⁺-Emissionsverhältnis auf der Hochspannungsseite zu. Es sei bemerkt, dass, je höher das Emissionsverhältnis des H₃ ⁺-Ionenstrahls um das zweite Maximum des Sondenstroms ist, umso geringer die Anzahl der Atome am Scheitelpunkt 6 ist. Insbesondere ist das Emissionsverhältnis bei zwei Atomen höher als bei drei Atomen und ist der Zustand, bei dem der Scheitelpunkt ein einziges Atom aufweist, am günstigsten, um das Emissionsverhältnis des H₃ ⁺-Ionenstrahls zu verbessern.
Ferner ist in der in 3A dargestellten Graphik 203 ein Beispiel der Energiebreite eines Ionenstrahls dargestellt, die um die Extraktionsspannung gemessen wird, welche dem Maximum 23 entspricht, bei dem das H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnis höher als bei den anderen Wasserstoffionen H⁺, H₂ ⁺ ist. Ähnlich zeigt die in 3B dargestellte Graphik 204 ein Beispiel der Energiebreite eines Ionenstrahls, die bei einer Extraktionsspannung gemessen wurde, die niedriger ist als die Extraktionsspannung, welche dem Maximum 25 entspricht, bei dem das H₂ ⁺-Ionenemissionsverhältnis am höchsten ist. Die Erfinder haben herausgefunden, dass wie beim in 3A dargestellten Beispiel der H₃ ⁺-Ionenstrahl eine geringere Energiebreite aufweist als jeder Strahl anderer Wasserstoffionen (H⁺- und H₂ ⁺-Ionen) . Mit anderen Worten kann bei der Ionenstrahlvorrichtung, die mit der den H₃ ⁺-Ionenstrahl emittierenden Gas-Feldionisationsquelle ausgerüstet ist, verglichen mit einer Ionenstrahlvorrichtung, die eine Gas-Feldionisations-Ionenqelle aufweist, welche einen Heliumionenstrahl emittiert, die Probenbeschädigung, die während der Betrachtung durch die Bestrahlung mit dem Ionenstrahl hervorgerufen wird, verringert werden, ohne dass eine Verschlechterung der Betrachtungsauflösung durch den Ionenstrahl und eine Erhöhung der Bearbeitungsbreite auftreten. Falls dabei der Anteil der H₃ ⁺-Ionen am auf die Probe gerichteten Ionenstrahl am höchsten ist, wird der Einfluss anderer Wasserstoffionen (H⁺- und H₂ ⁺-Ionen) im Strahl abgeschwächt, so dass dies für die Betrachtung und Bearbeitung besser geeignet ist.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich die Energiebreite des Ionenstrahls selbst im vorstehend beschriebenen Bereich ändert, wenn das H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnis hoch ist. Insbesondere wurde herausgefunden, dass der Ionenstrahl, der bei einem Extraktionsspannungswert extrahiert wird, der innerhalb eines Bereichs von 5 % unterhalb der Extraktionsspannung liegt, welche dem zweiten Maximum 23 entspricht, eine geringere Energiebreite aufweist als der Ionenstrahl, der bei einem Extraktionsspannungswert extrahiert wird, der innerhalb eines Bereichs von 5 % oberhalb der dem zweiten Maximum 23 entsprechenden Extraktionsspannung liegt. Demgemäß kann zur Verringerung der Probenbeschädigung durch die Bestrahlung mit dem Ionenstrahl während der Betrachtung, ohne die Betrachtungsauflösung zu verschlechtern und die Bearbeitungsbreite verglichen mit dem Heliumionenstrahl zu vergrößern, die Extraktionsspannung in einen Bereich 26 (2B) gelegt werden, der vorzugsweise 5 % unterhalb des Absolutwerts der dem zweiten Maximum 23 entsprechenden Extraktionsspannung liegt. Bei der in 2B dargestellten Beispielgraphik 200 bedeutet dies, das eine Extraktionsspannung festgelegt wird, die in Bezug auf die Extraktionsspannung von 11, 68 kV, die ein zweites Maximum ergibt, vorzugsweise von 11,1 kV bis 11,68 kV reicht.
Zur Verbesserung des H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnisses kann das Metall der Emitterelektrode 11 eine körperzentrierte kubische Gitterstruktur oder eine hexagonal dicht gepackte Struktur aufweisen. Beispielsweise kann ein Metall in der Art von Wolfram, Tantal, Molybdän, Niob, Rubidium, Ruthenium, Titan, Beryllium und dergleichen verwendet werden. Alternativ kann ein chemisch stark widerstandsfähiges Metall in der Art von Iridium, Tantal oder dergleichen für die Emitterelektrode verwendet werden. Die Verwendung eines chemisch stark widerstandsfähigen Metalls verzögert die Erosionswirkung des ionisierten Gases oder des im ionisierten Gas enthaltenen Verunreinigungsgases auf die Emitterelektrode, weshalb ein stabiler Betrieb der Ionenquelle erwartet werden kann. Die Erfinder haben das vorstehend beschriebene Phänomen unter Verwendung einer Emitterelektrode überprüft, wobei Wolfram entlang der langen Achse <111>-orientiert war.
Wenn kein Gas durch den Gaseinleitmechanismus 37 eingeleitet wird, wird das Innere der Vakuumkammer 17 der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle 1 bei einem Ultrahochvakuum von 10 Pa bis 7 Pa oder darunter gehalten. Damit das Ultrahochvakuum in der Vakuumkammer 17 erreicht wird, kann in den Startprozess der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle 1 eine Erwärmung der gesamten Vakuumkammer 17 auf wenigstens 100 Grad, d. h. ein Ausheizen, aufgenommen werden.
Die Tatsache, dass der Scheitelpunkt 5 durch ein einziges Atom abgeschlossen ist, bedeutet, dass ein Atom, das einen auf eine Probe oder dergleichen gerichteten Ionenstrahl emittiert, in der Metallkristallebene der Emitterelektrode vorhanden ist und angrenzend an das Atom kein anderes Atom in der Metallkristallebene existiert. Unter Umständen, die bei GFIS vorstellbar sind, sind an der Oberfläche der Emitterelektrode mehrere Ionenstrahlen emittierende Atome vorhanden und werden die Ionenstrahlen unter verschiedenen Winkeln von den jeweiligen Atomen emittiert. Es gibt ein Beispiel, bei dem Heliumionenstrahlen von drei auf der Kristalloberfläche einander benachbarten Atomen, beispielsweise vom <111>-orientierten Wolfram, emittiert werden. Im Schutzumfang der Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Atome, die Ionenstrahlen ähnlicher Stromstärken emittieren, einander nicht benachbart sind. Beispielsweise ist eine Ionenstrahlemission von einem Vorsprung, der an der Emitterelektrodenoberfläche durch Adsorption von Gasmolekülen an einer Position erzeugt ist, die von einem Atom getrennt ist, das einen Ionenstrahl emittiert, der auf eine Probe oder dergleichen zu richten ist, oder alternativ eine Ionenstrahlemission von einer Seitenfläche der Kristallebene auf der Schicht, die als nächstes unter der Schicht liegt, von der das betreffende Atom gehalten wird, vorstellbar, wobei ein solcher Fall auch im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Ferner weist in der nächstniederen Schicht der Kristallebene ein damit kombiniertes Atom angrenzend an das betreffende Atom keine an die Ebene angrenzenden Atome auf.
Die 4A bis 4D zeigen Atombilder einer Scheitelpunktform der Emitterelektrode 11, die durch eine als Feldionenmikroskopie (nachstehend als „FIM“ abgekürzt) bezeichnete Technik erhalten wurden. FIM-Bilder 301, 302, die in 4A bzw. 4B dargestellt sind, sind Beispiele, bei denen der Scheitelpunkt 5 durch ein einziges Atom abgeschlossen ist, das der Scheitelpunktform 100 der in 2A dargestellten Emitterelektrode 11 entspricht. Es wurde festgestellt, dass bei den vorstehend beschriebenen Spannungsbedingungen bei der Scheitelpunktform der vorstehend erwähnten Emitterelektrode 11 H₃ ⁺-Ionen mit einem hohen Anteil emittiert werden. Das heißt, dass festgestellt wurde, dass sich der Sondenstrom wie bei der in 2B dargestellten Beispielgraphik 200 in Abhängigkeit von der Extraktionsspannung ändert. Dabei emittiert ein Atom 52 einen Ionenstrom, der ausreichend niedriger ist als der von einem einzigen Atom 51 am Scheitelpunkt emittierte Ionenstrom, wobei selbst dann, wenn sich das Atom 52 an einer vom Atom 51 entfernten Stelle befindet, ein hoher Anteil von H₃ ⁺-Ionen vom Atom 51 emittiert werden kann.
Die FIM-Bilder 303, 304, die in 4C bzw. 4D dargestellt sind, sind Beispiele, bei denen der Scheitelpunkt 6 der Emitterelektrode 11 von wenigstens vier Atomen abgeschlossen ist, wobei dies der Scheitelpunktform 101 der in 2C dargestellten Emitterelektrode 11 entspricht. Es wurde festgestellt, dass es keine Spannungsbedingung gibt, bei der ein hoher Anteil von H₃ ⁺-Ionen bei der Scheitelpunktform der erwähnten Emitterelektrode 11 emittiert wird. Das heißt, dass festgestellt wurde, dass der Sondenstromwert 24 wie bei der in 2D dargestellten Beispielgraphik 201 von der Extraktionsspannung abhängt.
Zur Verbesserung des H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnisses kann der vom Scheitelpunkt 5 der Emitterelektrode 11 extrahierte Ionenstrom auf einen festen Grenz-Strahldivergenzwinkel 152 in Bezug auf die optische Achse 153 begrenzt werden (2A). Der auf den Grenz-Strahldivergenzwinkel 152 begrenzte Sondenstrom 151 kann versprechen, das H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnis gegenüber dem Fall, in dem keine Grenze auferlegt ist, zu verbessern. Der Betrag des Sondenstroms 151 entspricht dem Sondenstromwert 24. Vorzugsweise kann der Grenz-Strahldivergenzwinkel 152 5 mrad oder weniger betragen. Wenn die Extraktionsspannung beispielsweise festgelegt wird, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das eine Ionenstrahlemission vom Atom 51 mit einem hohen H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnis ermöglicht, ist das elektrische Feld an einer Stelle eines anderen Atoms in der Art des Atoms 52, das sich an einer anderen Stelle an derselben Spitze befindet, vom elektrischen Feld des Atoms 51 verschieden, so dass eine Ionenstrahlemission vom Atom 52 möglicherweise eine Emission mit einem niedrigen H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnis sein kann. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Strahlbegrenzung auf höchstens 5 mrad eine Verringerung der Mischung von H⁺-Ionen und H₂ ⁺-Ionen mit einem anderen Atom in der Art des Atoms 52 ermöglicht. Wenn ferner die Ionenstrahlemission nur vom Atom 51 betrachtet wird, wobei der Emissionswinkel der H⁺-Ionen und H₂ ⁺-Ionen größer als der Emissionswinkel der H₃ ⁺-Ionen ist, kann die Mischung von H⁺- und H₂ ⁺-Ionen durch Verringern des Grenz-Strahldivergenzwinkels reduziert werden. Überdies stimmt der Sondenstrom 151 mit dem Ionenstrahl 15 überein, wenn der Grenz-Strahldivergenzwinkel 152 groß genug ist.
Zum Erhöhen der Helligkeit des H₃ ⁺-Ionenstrahls wird vorzugsweise die Kühltemperatur des Kühlmechanismus 4 zur Abkühlung der Emitterspitze 11 eingestellt. Wenn der Sondenstrom wie bei diesem Beispiel erhalten wird, wird die Emitterelektrode auf etwa 40 K abgekühlt. Der Kühlmechanismus 4 kühlt das Innere der Wasserstoff-Feldionisationsquelle 1, der Emitterelektrode 11, der Extraktionselektrode 13 und dergleichen. Der Kühlmechanismus 4 kann beispielsweise einen mechanischen Kühler in der Art eines Kühlers vom Gifford-McMahon(GM)-Typ, von einem Pulsröhrentyp oder dergleichen oder alternativ ein Kühlmedium in der Art flüssigen Heliums, flüssigen Stickstoffs, festen Stickstoffs oder dergleichen verwenden. 1 zeigt eine als Beispiel dienende Konfiguration bei der Verwendung eines mechanischen Kühlers. Der mechanische Kühler weist einen Kühler 41 mit einer ersten Kühlstufe 412 und einer zweiten Kühlstufe 413 auf. Die Temperatur der zweiten Kühlstufe 413 wird durch die Wärmetauschereinheit 416 auf die Emitterelektrode 11, die Extraktionselektrode 13 und dergleichen übertragen, um sie zu kühlen.
Die erste Stufe 412, die eine niedrigere Kühltemperatur aufweist als die zweite Stufe, kann dafür ausgelegt sein, die Wärmestrahlungsabschirmung 415 zu kühlen. Die Wärmestrahlungsabschirmung 415 ist dafür ausgelegt, die zweite Kühlstufe und bevorzugter die Emitterelektrode 11 und die Extraktionselektrode 13 abzudecken. Die Strahlungsabschirmung 415 kann eine Verringerung des Einflusses der Wärmestrahlung von der Vakuumkammer 17 hervorrufen und dadurch eine wirksame Kühlung der zweiten Kühlstufe 413, der Emitterelektrode 11, der Extraktionselektrode 13 und dergleichen ermöglichen.
Die Wärmetauschereinheit 416 kann so ausgelegt sein, dass sie ein stark wärmeleitfähiges Metall in der Art von Kupfer, Silber, Gold und/oder dergleichen aufweist. Um den Einfluss der Wärmestrahlung zu vermindern, kann eine Oberflächenbehandlung, beispielsweise eine Goldplattierung und/oder dergleichen, angewendet werden, um die Oberfläche mit einem metallischen Glanz zu versehen. Falls sich durch den Kühlmechanismus 4 erzeugte Vibrationen zur Emitterelektrode 11 ausbreiten, wird dadurch eine Verringerung der Auflösung des Probenbetrachtungsbilds durch den Ionenstrahl und/oder dergleichen hervorgerufen. Daher kann die Wärmetauschereinheit 416 teilweise unter Verwendung einer flexiblen Komponente ausgelegt sein, die der Ausbreitung von Schwingungen einen Widerstand entgegengesetzt, beispielsweise unter Verwendung eines metallischen Litzendrahts und/oder dergleichen. Aus ähnlichen Gründen kann die Wärmetauschereinheit 416 so ausgelegt sein, dass die Kühleinheit 4 für das Abkühlen von Gas oder Flüssigkeit verwendet wird und das gekühlte Gas oder die gekühlte Flüssigkeit zur Wärmeübertragung auf die Emitterelektrode 11 und die Extraktionselektrode 13 umgewälzt wird. Bei einer solchen Konfiguration kann die Kühleinheit 4 in einem Abstand vom Vorrichtungskörper installiert sein.
Eine Temperatureinstelleinheit kann in der ersten Stufe 412, der zweiten Stufe 413 oder der Wärmetauschereinheit 416 bereitgestellt sein. Die Temperatureinstelleinheit wird verwendet, um die Temperatur der Emitterelektrode einzustellen und dadurch die Helligkeit des H₃ ⁺-Ionenstrahls zu erhöhen, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis während der Probenbetrachtung und der Durchsatz bei der Probenbearbeitung verbessert werden.
Zur Erhöhung der Helligkeit des H₃ ⁺-Ionenstrahls kann der Druck des in die Vakuumkammer 17 eingeleiteten Wasserstoffgases geeignet festgelegt werden. Wie verständlich sein wird, kann die Gesamtstärke des von der Emitterelektrode emittierten Ionenstroms entsprechend dem Gasdruckwert eingestellt werden und kann auch das H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnis bis zu einem gewissen Grad durch Einstellen des Gasdrucks eingestellt werden. Die Gaszufuhreinheit 37 weist die Gasdüse 371, die Gasdurchflussraten-Einstelleinheit 374 und den Gaszylinder 376 auf. Die Durchflussrate des Wasserstoffgases wird durch die Gasdurchflussraten-Einstelleinheit 374 vom Gaszylinder 376 eingestellt, und das Wasserstoffgas wird dadurch eingeleitet. Der Druck in der Vakuumkammer 17 wird durch ein Gleichgewicht zwischen der durch die Evakuierungseinheit 16 evakuierten Gasmenge und der Durchflussrate des eingeleiteten Wasserstoffgases festgelegt. Die Durchflussraten-Einstelleinheit 161 kann zwischen der Evakuierungseinheit 16 und der Vakuumkammer 17 angeordnet werden, um die Menge des evakuierten Gases einzustellen. Wasserstoffgas mit einer ausreichenden Reinheit erzeugt einen stabilen Betrieb der Ionenquelle. Daher kann ein Filter nach Bedarf zur Erhöhung der Reinheit des Wasserstoffgases verwendet werden.
Eine Wasserstoffgas enthaltende Gasmischung kann von der Gasdüse 371 in einen Bereich um die Emitterspitze eingeleitet werden. Beispielsweise kann eine Gasmischung von Neongas und Wasserstoffgas von der Gasdüse 371 eingeleitet werden. Weil beim vorstehenden Beispiel stark verschiedene Extraktionsspannungen erforderlich sind, um Neonionen und Wasserstoffionen von der Emitterelektrode zu emittieren, kann das Schalten zwischen der Wasserstoffionenemission und der Neonionenemission nur durch Schalten zwischen den Spannungen ausgeführt werden. Anders als Wasserstoffionen weisen Neonionen eine große Masse auf, weshalb sie durch die Sputterwirkung an der Probenoberfläche für eine Mikrobearbeitung einer Probe geeignet sind. Es sei bemerkt, dass das Schalten zwischen Ionen durch ein Schalten zwischen einzelnen Gasen an Stelle der als Beispiel angegebenen Gasmischung geschehen kann.
Ferner kann das im Gaszylinder 376 gespeicherte Gas eine Gasmischung aus Wasserstoffgas und einem anderen Gas sein. Die Speicherung der Gasmischung für das vorstehend beschriebene Schalten zwischen Ionen ist selbstverständlich, und die Sicherheit wird dadurch verbessert, dass eine Gasmischung mit einem Teildruck, der kleiner oder gleich der Explosionsgrenze von Wasserstoffgas ist, im Gaszylinder 376 gespeichert wird und das vorstehend beschriebene Filter verwendet wird, um Wasserstoffgas selektiv zuzuführen.
Es ist bevorzugt, wenn die Emitterelektrode 11 durch den Kühlmechanismus 4 gekühlt wird. Das Kühlen der Emitterelektrode 11 auf beispielsweise etwa 40 K ist für die Erhöhung der Stärke des Wasserstoffionenstroms und der Stabilität der Ionenemission bevorzugt. Ferner kann das H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnis durch ein Einstellen der Kühltemperatur in einem bestimmten Maße eingestellt werden.
Das Wasserstoffgas wird von der vorstehend beschriebenen Gaszufuhreinheit mit einem hohen Gasdruck in das gesamte Innere der Vakuumkammer 17 eingeleitet, woraufhin die Wärme durch das zwischen der Emitterelektrode und der Vakuumkammer 17 eingeleitete Wasserstoffgas ausgetauscht wird. Dies führt zu Nachteilen in der Art eines ungenügenden Kühlens der Emitterelektrode 11, einer Kondensation in der Vakuumkammer 17 und/oder dergleichen. Ferner führt ein hoher Gasdruck im gesamten optischen Weg des von der Emitterelektrode 11 emittierten Ionenstrahls 15 zu Nachteilen in der Art einer Streuung eines Teils des Ionenstrahls, woraus sich eine geringere Strahlfokussierungsfähigkeit ergibt, und/oder dergleichen. Deshalb wird der Druck des in die Vakuumkammer eingeleiteten Wasserstoffgases vorzugsweise in den Bereich von etwa 0,01 Pa gelegt.
Falls sich die Notwendigkeit ergibt, dass der Einleitungsdruck den vorstehend beschriebenen Gasdruck überschreitet, kann, wenngleich dies nicht dargestellt ist, eine die Emitterspitze 11 umgebende Innenwand innerhalb der Vakuumkammer 17 gebildet werden. Falls die Innenwand dabei so ausgelegt ist, dass sie die Extraktionselektrode 13 einschließt, so dass außer im Bereich des Lochs der Extraktionselektrode 13, wodurch der Ionenstrahl 15 hindurchtritt und das Wasserstoffgas von der Gasdüse 371 in das Innere der Innenwand eingeleitet wird, eine Luftdichtheit erhalten bleibt, kann hierdurch eine Erhöhung des Wasserstoffgasdrucks nur in der Umgebung der Emitterelektrode 11 ermöglicht werden. Eine solche Konfiguration ermöglicht eine Erhöhung des Gasdrucks um die Emitterelektrode bis in den Bereich von etwa 0, 1 - 1 Pa. Die vorstehend beschriebene Obergrenze beruht auf dem Entladungsphänomen, und der einleitbare Gasdruck hängt von der Potentialdifferenz zwischen der Emitterelektrode und einer auf dem Massepotential liegenden Komponente oder der Extraktionselektrode ab. Ferner kann die Innenwand durch den vorstehend beschriebenen Kühlmechanismus 4 gekühlt werden. Weil die Innenwand die Emitterelektrode 11 umgibt, kann der Einfluss der Wärmestrahlung von der Vakuumkammer 17 kleiner gemacht werden, solange die Innenwand ähnlich wie die Emitterelektrode 11 gekühlt wird. Ferner wird die Gesamtvakuumkammer 17 nicht notwendigerweise unter einem Ultrahochvakuum gehalten, solange das Innere der Innenwand unter einem Ultrahochvakuum gehalten wird.
Damit der Scheitelpunkt der Emitterspitze 11 durch höchstens drei und vorzugsweise ein einziges Atom abgeschlossen wird, kann ein Verfahren verwendet werden, bei dem die Emitterspitze 11 erwärmt wird. Ferner kann ähnlich zum Schärfen des Scheitelpunkts der Emitterspitze 11 ein Verfahren verwendet werden, bei dem ein Gas in der Art beispielsweise von O2, N2 und/oder dergleichen in die Vakuumkammer 17 eingeleitet wird, während die Emitterspitze 11 erwärmt wird. Ferner kann ähnlich zum Schärfen des Scheitelpunkts der Emitterspitze 11 ein Verfahren verwendet werden, bei dem ein Gas in der Art beispielsweise von O2, N2 und/oder dergleichen in die Vakuumkammer 17 eingeleitet wird, während eine Hochspannung zwischen die Emitterspitze 11 und die Extraktionselektrode 13 gelegt wird. Ferner kann ähnlich ein Verfahren verwendet werden, bei dem die Emitterspitze 11 als eine Nadel mit Wolfram als Hauptbestandteil gebildet wird und die Emitterspitze 11 erwärmt wird, nachdem ein Edelmetall beispielsweise in der Art von Iridium, Palladium, Platin und/oder dergleichen auf die Oberfläche der Emitterspitze 11 aufgedampft wurde.
Auf diese Weise kann gemäß der Ausführungsform eine Feldionisationsquelle bereitgestellt werden, wodurch die Fokussierfähigkeit verbessert werden kann, welche die Betrachtungsauflösung und die Bearbeitungsbreite beeinflusst, die Strahlstabilität verbessert werden kann und Beschädigungen während der Bestrahlung bei der Betrachtung und Bearbeitung einer Probenoberfläche mit einem Ionenstrahl verringert werden können.
Zweite Ausführungsform
Eine zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben. Es sei bemerkt, dass die Gegenstände/Bestandteile, die in der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, in dieser Ausführungsform jedoch nicht beschrieben werden, auch auf diese Ausführungsform angewendet werden können, es sei denn, dass andere Umstände vorliegen.
Eine Ionenstrahlvorrichtung 1000 weist die vorstehend beschriebene Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle 1, eine Bestrahlungssäule 7, eine Probenkammer 3 und andere Komponenten auf, wobei der von der vorstehend beschriebenen Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle 1 emittierte Ionenstrahl durch die Bestrahlungssäule 7 auf eine Probe 31 gerichtet wird, die sich auf einem Probentisch 32 innerhalb der Probenkammer 3 befindet. Von der Probe 31 abgegebene Sekundärteilchen werden durch einen Sekundärteilchendetektor 33 detektiert. Es sei bemerkt, dass die Ionenstrahlvorrichtung eine Komponente aufweisen kann, die zu einer Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl in der Lage ist.
Die Bestrahlungssäule 7 weist beispielsweise eine Fokussierlinse 71, eine Blende 72, einen ersten Ablenker 73, einen zweiten Ablenker 74, eine Objektivlinse 76, ein Massenfilter 78 und einen Faraday-Becher 79 auf. Der optische Entwurf für die Bestrahlung der Probe mit dem Ionenstrahl kann abhängig davon geändert werden, welche Fähigkeit hervorgehoben wird. Daher kann die Bestrahlungssäule 7 zusätzlich andere Elemente in der Art einer Linse zur Fokussierung des Ionenstrahls 15, eines Ablenkers und/oder dergleichen aufweisen und kann die Anordnungsreihenfolge geändert werden und kann ein Element fortgelassen werden.
Der Ionenstrahl wird durch die Fokussierlinse 71 fokussiert, und der Ionenstrahl 15 wird durch die Blende 72 als Sondenstrom 151 begrenzt, wobei er weiter durch die Objektivlinse 76 fokussiert wird, so dass er an der Probenoberfläche eine feine Form annimmt. Der erste Ablenker und der zweite Ablenker werden zur axialen Einstellung zur Verringerung von Aberrationen, wenn die Linse fokussiert, zur Abtastung der Probe mit dem Ionenstrahl und dergleichen verwendet.
Der Faraday-Becher 79 kann dafür ausgelegt sein, mit einem Strommessgerät 790 verbunden zu werden, das die Stärke des Ionenstrahlstroms misst. Ferner kann eine Steuervorrichtung 791 angeordnet werden, um die Hochspannungsversorgung 111 unter Verwendung der durch das Strommessgerät 790 gemessenen Ergebnisse zu steuern. Die Steuervorrichtung 791 kann dafür ausgelegt sein, für das automatische Einstellen der Ausgabe der Hochspannungsversorgung 111 innerhalb des Extraktionsspannungsbereichs verwendet zu werden, in dem das in der ersten Ausführungsform beschriebene H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnis hoch ist. Die Steuervorrichtung 791 kann dafür ausgelegt sein, beispielsweise unter Verwendung eines PCs, eines Mikrocomputers, einer elektronischen Schaltung und/oder dergleichen verwendet zu werden. Ferner kann die Steuervorrichtung 791 dafür ausgelegt sein, die Beziehung zwischen dem gemessenen Ionenstrahlstrom und der Extraktionsspannung auf einem Speichermedium festzuhalten. Sofern sich der Krümmungsradius des Scheitelpunkts der Emitterelektrode 11 und/oder dergleichen nicht erheblich ändert, wird erwartet, dass es keine erhebliche Änderung des Extraktionsspannungsbereichs gibt, in dem das in der ersten Ausführungsform beschriebene H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnis hoch ist.
Die 6A bis 6D zeigen als Beispiel dienende Rasterionenbilder mit gemischten Ionenspezies. Insbesondere wurde das dargestellte Rasterionenbild erhalten, während die Bahnkurven der Strahlen von H⁺-Ionen, H₂ ⁺-Ionen und H₃ ⁺-Ionen durch Ablenkung durch ein Magnetfeld getrennt wurden. 6A zeigt ein Beispiel, bei dem die Probe durch einen Ionenstrahl betrachtet wurde, der fast nur H₂ ⁺-Ionen enthielt. 6B zeigt ein Beispiel, bei dem die Probe durch einen Ionenstrahl betrachtet wurde, der eine Mischung von H⁺-, H₂ ⁺- und H₃ ⁺-Ionen enthielt. 6C zeigt ein Beispiel, bei dem die Probe durch einen Ionenstrahl betrachtet wurde, der eine Mischung von H⁺-Ionen und H₂ ⁺-Ionen enthielt. In 6 wird nur eine Spezies mit Probenrandkontrast betrachtet, wobei der Probenrandkontrast von H₂ ⁺-Ionen herrührt, während in 6B drei Spezies mit Probenrandkontrast betrachtet werden, wobei der Probenrandkontrast von H⁺-, H₂ ⁺- und H₃ ⁺-Ionen herrührt, und in 6C werden zwei Spezies mit Probenrandkontrast betrachtet, wobei der Probenrandkontrast von H⁺- und H₂ ⁺-Ionen herrührt. 6D zeigt einen vergrößerten Teil von 6B, wobei der Randkontrast der jeweiligen Ionen durch gepunktete Linien hervorgehoben ist.
Indem die Rasterionenbilder erhalten werden, während die Bahnkurven der jeweiligen Ionen wie vorstehend beschrieben durch ein Ablenkmagnetfeld getrennt werden, wird die Probenoberflächenstruktur auf mehrere Arten betrachtet. In den 6A bis 6D ist das Phänomen in einem Abschnitt ausgeprägt, in dem der Kontrast erhöht wird, beispielsweise in einem ungleichmäßigen Randabschnitt der Probe, was für die Schätzung eines Emissionsverhältnisses zwischen Ionenspezies geeignet ist. Eine Extraktionsspannung für ein hohes Emissionsverhältnis der H₃ ⁺-Ionen kann anhand des Kontrastverhältnisses bestimmt werden. An dieser Stufe wird für die Schätzung eines Häufigkeitsverhältnisses jeder Ionenspezies anhand des Kontrastverhältnisses von Randabschnitten vorzugsweise eine Differenz zwischen den Stärken der Sekundärelektronenemission durch jeweilige Ionenspezies berücksichtigt.
Anhand der Trennungslänge des Randkontrasts wird geschätzt, welcher Randkontrast durch welche Ionenspezies im Ionenstrahl hervorgerufen wird. Bei den H₃ ⁺-Ionen mit einem hohen Masse-/Ladungsverhältnis ist der Einfluss der Ablenkung durch ein Magnetfeld gering, und bei den H⁺-Ionen mit einem niedrigen Masse-/Ladungsverhältnis ist der Einfluss der Ablenkung durch ein Magnetfeld hoch. Beim Beispiel aus 6B kann anhand des Masse-/Ladungsverhältnisses geschätzt werden, dass ein Paarrandkontrast 81, 83 mit dem größten Trennungsabstand den H⁺- und den H₃ ⁺-Ionen entspricht und dass der Paarrandkontrast 82, 83 mit dem kleinsten Trennungsabstand den H₂ ⁺- und den H₃ ⁺-Ionen entspricht. Durch Ändern der Stärke des Ablenkmagnetfelds oder durch Ändern der Beschleunigung des Ionenstrahls wird auch der Randkontrastabstand zwischen den drei Spezies geändert. 6E zeigt ein Beispiel, bei dem die Ionenstrahlbeschleunigung geändert wird und der Abstand gemessen wird. Bei diesem Beispiel wird die Ionenstrahlbeschleunigung auf 30 kV, 20 kV bzw. 15 kV geändert. Wenn die Beschleunigungsspannung beim in 6B dargestellten Zustand verringert wird, nimmt der Einfluss des Ablenkmagnetfelds zu, wodurch der Abstand vergrößert wird. Selbst bei einer konstanten Beschleunigungsspannung wird der Abstand geändert, wenn sich das Ablenkmagnetfeld ändert. Hier entspricht der größte Abstand 84 den H⁺- und den H₃ ⁺-Ionen und entspricht der kleinste Abstand 86 den H₂ ⁺- und den H₃ ⁺-Ionen. Ein Zwischenabstand 85 entspricht den H⁺- und den H₂ ⁺-Ionen.
Falls der Ionenstrahl 15 einem unbeabsichtigten Magnetfeld ausgesetzt wird und mehrere Ionenspezies enthält, kann die vorstehend beschriebene Trennungswirkung möglicherweise die Probenoberflächenbetrachtung unterbinden. Um dies zu adressieren, umfassen die Materialien der Vakuumkammer 17 wünschenswerterweise Materialien, die eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen, die beispielsweise Permalloy, Reineisen und/oder dergleichen, um zu verhindern, dass der Ionenstrahl 15 durch unerwünschte Streumagnetfelder gestört wird. Ferner kann in der Nähe des optischen Wegs, entlang dem sich der Ionenstrahl 15 bewegt, d. h. innerhalb der Vakuumkammer 17, eine Komponente bereitgestellt werden, die aus Materialien besteht, welche eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen, um Streumagnetfelder zu verhindern. Alternativ kann außerhalb der Vakuumkammer 17 eine Vorrichtungsabdeckung bereitgestellt werden, die eine Funktion zum Unterdrücken von Streumagnetfeldern aufweist. Die vorstehend erwähnten drei Maßnahmen zum Verhindern von Streumagnetfeldern können bei Bedarf geeignet kombiniert werden.
Das Massenfilter 78 kann nach Bedarf angebracht werden. Das Massenfilter 78 soll spezifische Ionen durchlassen. Das Massenfilter 78 kann verwendet werden, um zu messen, wie viele von H₃ ⁺-Ionen verschiedene Ionen von der Ionenquelle emittiert werden. Beispielsweise kann das Massenfilter 78 verwendet werden, um zu messen, ob ein eingestellter Wert der Extraktionsspannung geeignet ist, um das H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnis zu erhöhen.
Das Massenfilter 78 kann wenigstens eines der ein Ablenkmagnetfeld erzeugenden Elemente aufweisen. Die H⁺-, H₂ ⁺- und H₃ ⁺-Ionen, deren Masse-/Ladungsverhältnisse voneinander verschieden sind, werden vom selben Ort und mit der gleichen Beschleunigung emittiert, und es wird erwartet, dass infolge eines elektrischen Ablenkfelds eine Ausrichtung der Bahnkurven der Ionenstrahlen erreicht wird, dass jedoch eine Trennung der Bahnkurven der Ionenstrahlen durch ein Ablenkmagnetfeld auftritt. Die Trennung der Bahnkurven kann verwendet werden, um das Emissionsverhältnis zwischen Ionenspezies zu messen.
Falls das Massenfilter 78 dafür ausgelegt ist, Aberrationen zu minimieren, kann es nicht nur zum Messen des H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnisses, sondern auch zum Herausfiltern unerwünschter Ionenspezies verwendet werden, um eine Bestrahlung mit einem hohen H₃ ⁺-Ionenemissionsverhältnis zu erreichen, während die Fokussierfähigkeit erhalten bleibt. Falls das Filter ferner nur darauf spezialisiert ist, zwischen H₃ ⁺-Ionen und den anderen Wasserstoffionen (H⁺-Ionen und H₂ ⁺-Ionen) zu trennen, kann das Auftreten der vorstehend beschriebenen Aberration minimiert werden. Auch kann ein Filter mit geringeren Kosten hergestellt werden. Typischerweise wird die Ablenkung von Ionen durch ein Magnetfeld umso größer, je niedriger das Masse-/Ladungsverhältnis ist. Auch lassen sich die Ionenspezies umso leichter trennen, je höher das Masse-/Ladungsverhältnis ist.
Es wird nicht unbedingt ein zweckgebundenes Massenfilter 78 für ein Ablenkmagnetfeld zur Ionenstrahltrennung verwendet. Beispielsweise kann ein Magnetfeld vom ersten Ablenker 73, vom zweiten Ablenker 74 und/oder von der Objektivlinse 76 in der Probenkammer 3 in den Raum zwischen der Probe 31 und diesen Bestandteilen einwirken gelassen werden. Bei einer hohen Ionenstrahlbeschleunigung, beispielsweise 10 kV oder darüber, wird für die Ablenkung eines Ionenstrahls aus praktischen Gründen häufig ein elektrisches Feld verwendet. Deshalb können der erste Ablenker 73 und der zweite Ablenker 74 dafür ausgelegt werden, auf herkömmliche Weise ein Ablenkfeld auf der Grundlage eines elektrischen Felds zu erzeugen, und kann ein dritter Ablenker dafür eingerichtet werden, ein Ablenkmagnetfeld für die Ionenstrahltrennung zu erzeugen. Ferner kann der erste Ablenker 73 oder der zweite Ablenker dafür ausgelegt sein, eine Überlappung des Magnetfelds und des elektrischen Felds zu ermöglichen.
Für die Einstellung der an das Massenfilter 78 und/oder die Emitterelektrode 11 und/oder dergleichen anzulegenden Extraktionsspannung wird der Anteil der H₃ ⁺-Ionen am Ionenstrahl im Interesse der Probenbetrachtung vorzugsweise auf wenigstens 80 % gelegt.
Herkömmlicherweise ist vorstellbar, dass (1) typischerweise eine Extraktionsspannung verwendet wird, die bewirkt, dass der Strom einen Spitzenwert (ein erstes Maximum) erreicht, oder (2) eine niedrigere Spannung verwendet wird als ein Spitzenwert, wobei eine Verringerung der Energiebreite erwartet wird. Das heißt, dass die Breite beim zweiten Peak viel geringer ist als beim ersten Peak, so dass für die Entdeckung detaillierte Experimente erforderlich waren. Ferner ist eine Anwendung eines Magnetfelds erforderlich, um Ionen mit unterschiedlichen Masse-/Ladungsverhältnissen zu identifizieren. Typischerweise ist die Verwendung eines Ablenkers, der ein Magnetfeld und/oder dergleichen erzeugt, im Ionenmikroskop jedoch unvorstellbar, weshalb dabei typischerweise eine Ablenkung mit einem elektrischen Feld und eine Elektrisches-Feld-Linse verwendet werden. Hier wurde durch Anwenden eines Magnetfelds für die Identifikation die in 6 dargestellte Identifikation erreicht.
Ferner wird erwartet, dass ähnlich wie beim Wasserstoffgas H₂ Gase N₂, O₂ zweiatomiger Moleküle ein ähnliches Phänomen hervorrufen. Ähnlich H₃ ⁺ können, falls N₂ und O₂ als N₃ ⁺ und O₃ ⁺ emittiert werden können, eine Verbesserung der Fokussierfähigkeit infolge einer Verringerung der Energiebreite gegenüber N₂ ⁺ und O₂ ⁺ und eine Erhöhung der Reaktivität zur Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit gegenüber N₂ ⁺ und O₂ ⁺ erwartet werden.
7 zeigt ein Beispiel, bei dem eine Probenoberfläche, die sich aus der Aufdampfung feiner Goldteilchen auf ein Kohlenstoffmatrixmaterial ergibt, unter der Bedingung betrachtet wird, dass der geschätzte Anteil von H₃ ⁺-Ionen am Ionenstrahl wenigstens 80 % beträgt. Es ist ersichtlich, dass eine zufrieden stellende Betrachtung der Probenoberfläche ohne Randkontrasttrennung erfolgen kann, wie in den 6B und 6C dargestellt ist. Für die Probenbetrachtung ist es empfehlenswert, wenn der auf die Probe gerichtete Ionenstrahl auf der Probenoberfläche einen Durchmesser von höchstens 10 nm aufweist.
Die Steuervorrichtung 791 kann so ausgelegt sein, dass sie eine Funktion aufweist, den Anteil einer Ionenspezies anhand eines Rasterionenbilds gemischter Ionenspezies zu schätzen, wie in den 6A bis 6D dargestellt ist. Durch automatisches Erhalten und Analysieren eines Rasterionenbilds des einem Ablenkmagnetfeld ausgesetzten Ionenstrahls 15, während die Extraktionsspannung durch die Steuervorrichtung 791 geändert wird, kann die Abhängigkeit des Verhältnisses zwischen gemischten Ionenspezies im Ionenstrahl von der Extraktionsspannung bestimmt werden. Die Steuervorrichtung 791 kann ferner eine Funktion aufweisen, die Hochspannungsversorgung 111 auf der Grundlage des bestimmten Ergebnisses zu steuern. Überdies kann die Ionenstrahlvorrichtung 1000 eine Anzeigefunktion 792 aufweisen. Die Ionenspezies, die mit dem höchsten Verhältnis emittiert wird, kann durch die Anzeigefunktion 792 angezeigt werden. Bei einer weiteren möglichen Konfiguration kann ein anderes Ion desselben Elements mit einem anderen Masse-/Ladungsverhältnis angezeigt werden, so dass der Benutzer es unter Verwendung der Steuervorrichtung 791 auswählen kann. Beispielsweise kann durch die Anzeigefunktion 792 angezeigt werden, mit welchem Verhältnis die H⁺-, H₂ ⁺- und H₃ ⁺-Ionen emittiert werden. Durch die Anzeigefunktion 792 kann auch angezeigt werden, welches Wasserstoffion mit dem höchsten Anteil emittiert wird.
Überdies kann das Schalten zwischen Ionen, die auf die Probe gerichtet werden sollen, durch Einstellen der an das Massenfilter 78 und/oder die Emitterelektode 11 und/oder dergleichen angelegten Extraktionsspannung geschehen. Ferner kann der Benutzer bei einer möglichen Konfiguration auswählen, welches Wasserstoffion mit dem höchsten Anteil zu emittieren ist. H⁺-, H₂ ⁺- und H₃ ⁺-Ionen weisen bei der gleichen Beschleunigungsenergie unterschiedliche Eindringtiefen auf. Deshalb kann durch die vorstehend beschriebene Schaltfunktion bei einer Ionenimplantation der Bereich der Eindringung in die Probe geändert werden, was bei der Herstellung elektronischer Vorrichtungen bei der Einstellung von Eigenschaften und dergleichen verwendbar ist. Abgesehen von der Einstellung der Extraktionsspannung können beispielsweise die Spannung einer Linse, der Winkel der Spitze und/oder dergleichen für die Steuerung verwendet werden.
Die Bestrahlungssäule 7 wird unter Verwendung einer Vakuumpumpe 77 evakuiert. Die Probenkammer 3 wird unter Verwendung einer Vakuumpumpe 34 evakuiert. Bei Bedarf kann eine differenzielle Evakuierungsstruktur zwischen der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle 1 und der Bestrahlungssäule 7 und zwischen der Bestrahlungssäule 7 und der Probenkammer 3 gebildet werden. Kurz gesagt, können beide Räume abgesehen von der Öffnung, durch welche der Ionenstrahl 15 hindurchtritt, dafür ausgelegt sein, die Luftdichtheit zu erhalten. Eine solche Konfiguration verhindert, dass das in die Probenkammer 3 eingeleitete Gas in die Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle strömt, wodurch die Menge des in die Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle strömenden Gases verringert wird und sein Einfluss abgeschwächt wird. Andererseits wird verhindert, dass das in die Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle 1 eingeleitete Gas in die Probenkammer 3 strömt, wodurch die Menge des in die Probenkammer 3 strömenden Gases verringert wird und sein Einfluss abgeschwächt wird.
Die Ionenstrahlvorrichtung 1000 kann dafür ausgelegt sein, auf einem Vorrichtungsträger 60 installiert zu werden, der beispielsweise einen Vibrationsabsorptionsmechanismus 61 und eine Basisplatte 62 aufweist, um zu verhindern, dass die Probenbetrachtung und die Bearbeitungswirkung durch Vibrationen der Emitterelektrode 11 der Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle 1, der in die Probenkammer 3 geladenen Probe 31 und/oder dergleichen verschlechtert werden. Der Vibrationsabsorptionsmechanismus 61 kann beispielsweise durch die Verwendung einer Luftfeder, einer metallischen Feder, eines gelartigen Materials, von Gummi und/oder dergleichen ausgelegt sein. Wenngleich dies nicht dargestellt ist, kann eine Vorrichtungsabdeckung angeordnet werden, um die gesamte Ionenstrahlvorrichtung 1000 oder einen Teil davon abzudecken. Die Vorrichtungsabdeckung kann vorzugsweise aus Materialien bestehen, die in der Lage sind, Luftschwingungen von außen zu blockieren oder abzuschwächen.
Ein Gaseinleitmechanismus 38 kann in der Probenkammer 3 bereitgestellt sein, um ein reaktives Gas oder ein Gas zum Verhindern, dass die Oberfläche der Probe 31 elektrisch aufgeladen wird, in den Bereich um die Probe 31 einzuleiten. Der Gaseinleitmechanismus 38 weist eine Gasdüse 381, eine Durchflussraten-Einstelleinheit 384 und einen Gaszylinder 386 auf. Für das reaktive Gas kann beispielsweise XeF2-Gas, H2O-Gas, ein halogenbasiertes Gas oder dergleichen verwendet werden, um das Ätzen der Probe 31 zu beschleunigen, und es kann ein TEOS-Gas, ein kohlenwasserstoffbasiertes Gas oder ein Gas, das ein Metall enthält, wie WF6-Gas oder dergleichen, zur Beschleunigung der Abscheidung verwendet werden. Bei der Probenbearbeitung unter Verwendung eines Gases zum Beschleunigen des Ätzens kann die Probenbearbeitung verglichen mit jener bei einer Ionenimplantation beschleunigt werden, wodurch eine Verringerung von Schäden an einem Substrat der Probe möglich ist.
In Kombination mit einer solchen Probenbearbeitung unter Verwendung verschiedener reaktiver Gase kann die Ionenstrahlvorrichtung dafür ausgelegt werden, beispielsweise eine Korrektur an verschiedenen beim Halbleiterprozess verwendeten typischen Photomasken, eine Korrektur von Photomasken, die beim EUV einsetzenden Halbleiterprozess verwendet werden, eine Korrektur einer bei der Nanodrucklithographie verwendeten Form und/oder dergleichen zu ermöglichen. Der H₃ ⁺-Ionenstrahl mit einer geringen Energiebreite für eine gute Fokussierfähigkeit ist für die Korrektur von Photomasken und Formen mit einer ähnlichen Größe wie die Struktur einer Halbleitervorrichtung ideal. Ferner kann die Ionenstrahlvorrichtung 100 dafür ausgelegt sein, eine Vorrichtung durch die Verwendung der Probenbearbeitung unter Verwendung eines reaktiven Gases und der Reaktivität des H₃ ⁺-Ionenstrahls selbst ohne Gaseinleitung zu erzeugen.
Die Probenkammer 3 wird durch die Vakuumpumpe 34 evakuiert. Für die Vakuumpumpe 34 kann beispielsweise eine Turbomolekularpumpe, eine Ionensputterpumpe, eine nicht evaporative Getter-Pumpe, eine Sublimationspumpe, eine Kryopumpe oder dergleichen verwendet werden. Diese Pumpen brauchen nicht notwendigerweise einzeln verwendet werden, sondern können zu zweien oder mehreren kombiniert werden. Ferner kann die Vorrichtung dafür ausgelegt sein, die Vakuumpumpe 34 zusammen mit dem vorstehend beschriebenen Gaseinleitmechanismus nur dann zu betreiben, wenn das Gas durch die Gasdüse 381 eingeleitet wird, oder es kann alternativ ein Ventil zwischen der Vakuumpumpe 34 und der Probenkammer 3 angeordnet werden, um das Ausmaß der Evakuierung einzustellen.
Wenngleich dies nicht dargestellt ist, kann eine Probenaustauschkammer in der Probenkammer 3 bereitgestellt sein. Falls die Probenaustauschkammer dafür ausgelegt ist, eine Vorevakuierung auszuführen, um die Probe 31 zu ersetzen, ermöglicht dies, dass der Vakuumverlust in der Probenkammer 3 beim Probenaustausch verringert wird.
Auf diese Weise können gemäß der Ausführungsform eine Ionenstrahlvorrichtung und ein Bestrahlungsverfahren (Betrachtungsverfahren und Bearbeitungsverfahren) bereitgestellt werden, wodurch eine hohe Betrachtungsauflösung, eine geringere Bearbeitungsbreite, eine ausgezeichnete Strahlstabilität und geringere Schäden während der Bestrahlung bei der Betrachtung und Bearbeitung einer Probenoberfläche durch einen Ionenstrahl bereitgestellt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Wasserstoffgas-Feldionisationsquelle
5: Scheitelpunkt
6: Scheitelpunkt
11: Emitterelektrode (Emitterspitze)
13: Extraktionselektrode
15: Ionenstrahl
16: Evakuierungseinheit
17: Vakuumkammer
21: Spannungsbereich
22: erstes Maximum
23: zweites Maximum
24: Sondenstromwert
25: Maximum
26: Spannungsbereich
100: Scheitelpunktform der Emitterelektrode 11
101: Scheitelpunktform der Emitterelektrode 11
111: Hochspannungsversorgung
151: Sondenstrom
152: Grenz-Strahldivergenzwinkel
153: optische Achse
161: Durchflussraten-Einstelleinheit
200: Graphik
201: Graphik
203: Graphik
204: Graphik
301: FIN-Bild
302: FIN-Bild
303: FIN-Bild
304: FIN-Bild
3: Probenkammer
31: Probe
32: Probentisch
33: Sekundärteilchendetektor
34: Vakuumpumpe
37: Gaseinleitmechanismus (Gaszufuhreinheit)
371: Gasdüse
374: Gasdurchflussraten-Einstelleinheit
376: Gaszylinder
38: Gaseinleitmechanismus
381: Gasdüse
384: Durchflussraten-Einstellmechanismus
386: Gaszylinder
4: Kühlmechanismus
41: Kühlkörper
412: erste Kühlstufe
413: zweite Kühlstufe
415: Wärmestrahlungsabschirmung
416: Wärmetauschereinheit
51: Atom
52: Atom
60: Vorrichtungsträger
61: Vibrationsabsorptionsmechanismus
62: Basisplatte
7: Bestrahlungssäule
71: Fokussierlinse
72: Blende
73: erster Ablenker
74: zweiter Ablenker
76: Objektivlinse
77: Vakuumpumpe
78: Massenfilter
79: Faraday-Becher
790: Strommessgerät
791: Steuervorrichtung
792: Anzeigefunktion
81: Probenrandkontrast bei H⁺-Ionen
82: Probenrandkontrast bei H₂ ⁺-Ionen
83: Probenrandkontrast bei H₃ ⁺-Ionen
84: Abstand
85: Abstand
86: Abstand
1000: Ionenstrahlvorrichtung

Claims

lonenstrahlvorrichtung, die aufweist: eine Gas-Feldionisationsquelle (1), die einen H⁺-Ionen, H₂ ⁺-Ionen und H₃ ⁺-Ionen enthaltenden Ionenstrahl (15) emittiert, eine Bestrahlungssäule (7), die eine Linse (71), welche von der Gas-Feldionisationsquelle emittierte Ionen fokussieren kann, und einen Ablenker (73, 74), der den Ionenstrahl (15) ablenken kann, aufweist, einen Probentisch (32), auf dem eine Probe (31), die mit dem durch die Bestrahlungssäule (7) laufenden Ionenstrahl (15) zu bestrahlen ist, angeordnet ist, und eine Probenkammer (3), die zumindest den Probentisch (32) aufnimmt, wobei die lonenstrahlvorrichtung einen Betriebszustand aufweist, bei dem eine lonenemission mit der zweiten von einer ersten und einer zweiten Extraktionsspannung hervorgerufen wird, wobei die erste Extraktionsspannung zu einem ersten Maximum (22) eines von einer Emitterspitze (11) der Gas-Feldionisationsquelle (1) extrahierten Ionenstroms führt und die zweite Extraktionsspannung zu einem zweiten Maximum (23) des Ionenstroms führt und höher ist als die erste Extraktionsspannung, so dass das Häufigkeitsverhältnis der H₃ ⁺-Ionen unter den von der Emitterspitze (11) emittierten Ionenspezies am höchsten ist und die Energiebreite der H₃ ⁺-Ionen im Ionenstrahl (15) geringer als die der H₂ ⁺-Ionen ist.
lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein Filter (78) aufweist, das emittierte H₃ ⁺-Ionen abhängig von der Ionenmasse selektiv durchlässt.
lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Filter (78) die Funktion aufweist, nur H₃ ⁺-Ionen selektiv durchzulassen.
lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Filter (78) eine Funktion aufweist, ein Magnetfeld zu erzeugen.
lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Funktion aufweist, eine Maske oder Form für die Nanodrucklithographie durch den Ionenstrahl (15) zu korrigieren.
lonenstrahlvorrichtung, die aufweist: eine Gas-Feldionisationsquelle (1), die einen Ionenstrahl (15) emittiert, der Ionen einer ersten, einer zweiten und einer dritten lonenspezies enthält, eine Bestrahlungssäule (7), die eine Linse (71), welche von der Gas-Feldionisationsquelle (1) emittierte Ionen fokussieren kann, und einen Ablenker (73, 74), der den Ionenstrahl (15) ablenken kann, aufweist, einen Probentisch (32), auf dem eine Probe (31), die mit dem durch die Bestrahlungssäule (7) laufenden Ionenstrahl (15) zu bestrahlen ist, angeordnet ist, und eine Probenkammer (3), die zumindest den Probentisch (32) aufnimmt, wobei die lonenstrahlvorrichtung einen Betriebszustand aufweist, bei dem eine lonenemission mit der zweiten von einer ersten und einer zweiten Extraktionsspannung hervorgerufen wird, wobei die erste Extraktionsspannung zu einem ersten Maximum (22) eines von einer Emitterspitze (11) der Gas-Feldionisationsquelle (1) extrahierten Ionenstroms führt und die zweite Extraktionsspannung zu einem zweiten Maximum (23) des Ionenstroms führt und höher ist als die erste Extraktionsspannung, so dass das Häufigkeitsverhältnis der Ionen der ersten lonenspezies unter den von der Emitterspitze (11) emittierten Ionenspezies am höchsten ist und die Energiebreite der Ionen der ersten lonenspezies im Ionenstrahl (15) geringer als die der Ionen der zweiten lonenspezies ist.
lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 6, die ferner ein Filter (78) aufweist, das emittierte Ionen abhängig von der lonenmasse selektiv durchlässt.
lonenstrahlvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Filter (78) eine Funktion aufweist, nur H₃ ⁺-Ionen selektiv durchzulassen.
Gas-Feldionisationsquelle (1), die aufweist: eine Emitterspitze (11) mit einem nadelförmigen Scheitelpunkt (5,6), eine Extraktionselektrode (13), die eine der Emitterspitze (11) gegenüberste- hende Öffnung aufweist und sich in einem Abstand von der Emitterspitze (11) befin- det, eine Gaszufuhr-Rohrleitung zur Zufuhr von Gas in einen Bereich um die Emitterspitze (11), eine Einheit (111), die eine Spannung zwischen die Emitterspitze (11) und die Extraktionselektrode (13) legt und diese einstellt, um ein elektrisches Feld zur Ionisation des Gases zu erzeugen, und eine Einheit (4), welche die Emitterspitze (11) kühlt, wobei das Gas ein Wasserstoff enthaltendes Gas ist und die Gas-Feldionisationsquelle (1) einen Betriebszustand hat, bei dem eine lonenemission mit der zweiten von einer ersten und einer zweiten Extraktionsspannung hervorgerufen wird, wobei die erste Extraktionsspannung zu einem ersten Maximum (22) eines von der Emitterspitze (11) extrahierten Ionenstroms führt und die zweite Extraktionsspannung zu einem zweiten Maximum (23) des Ionenstroms führt und höher ist als die erste Extraktionsspannung, so dass die lonenemission H+-Ionen, H₂ ⁺-Ionen und H₃ ⁺-Ionen enthält und das Häufigkeitsverhältnis der H₃ ⁺-Ionen unter den von der Emitterspitze (11) emittierten Ionenspezies am höchsten ist und die Energiebreite der H₃ ⁺-Ionen in der lonenemission geringer als die der H₂ ⁺-Ionen ist.
Gas-Feldionisationsquelle (1), die aufweist: eine Emitterspitze (11) mit einem nadelförmigen Scheitelpunkt (5,6), eine Extraktionselektrode (13), die eine der Emitterspitze (11) gegenüberste- hende Öffnung aufweist und sich in einem Abstand von der Emitterspitze (11) befin- det, eine Gaszufuhr-Rohrleitung zur Zufuhr von Gas in einen Bereich um die Emitterspitze (11), eine Einheit (111), die eine Spannung zwischen die Emitterspitze (11) und die Extraktionselektrode (13) legt, um ein elektrisches Feld zur Ionisation des Gases zu erzeugen, und eine Einheit (4), welche die Emitterspitze (11) kühlt, wobei das Gas ein Wasserstoff enthaltendes Gas ist und die Gas-Feldionisationsquelle (1) einen Betriebszustand hat, bei dem eine lonenemission mit der zweiten Extraktionsspannung von einer ersten und einer zweiten Extrakti- onsspannung hervorgerufen wird, wobei die erste Extraktionsspannung zu einen ersten Maximum (22) des von der Emitterspitze (11) extrahierten Ionenstroms führt und die zweite Extraktionsspannung zu einem zweiten Maximum (23) des Io- nenstroms führt und höher ist als die erste Extraktionsspannung, so dass die lonenemission Ionen einer ersten, einer zweiten und einer dritten lonenspezies enthält und das Häufigkeitsverhältnis der Ionen der ersten lonenspezies unter den von der Emitterspitze (11) emittierten Ionenspezies am höchsten ist und die Energiebreite der Ionen der ersten lonenspezies im Ionenstrahl (15) geringer als die der Ionen der zweiten lonenspezies ist.
Gas-Feldionisationsquelle nach Anspruch 10, wobei das Häufigkeitsverhältnis von H3+-Ionen wenigstens 80 % beträgt.
Gas-Feldionisationsquelle nach Anspruch 10, wobei der Scheitelpunkt (5) durch ein einziges Atom abgeschlossen ist.
Bestrahlungsverfahren, das aufweist: einen Schritt, bei dem eine Emitterspitze (11) einer Feldionisationsquelle (1) veranlasst wird, einen Ionenstrahl (15) zu emittieren, der H⁺-Ionen, H₂ ⁺-Ionen und H₃ ⁺-Ionen enthält, einen Schritt zum Bestrahlen einer Probe (31) mit dem Ionenstrahl (15), in- dem eine lonenemission mit der zweiten von einer ersten und einer zweiten Extraktionsspannung hervorgerufen wird, wobei die erste Extraktionsspannung zu einem ersten Maximum (22) eines von der Emitterspitze (11) extrahierten Ionenstroms führt und die zweite Extraktionsspannung zu einem zweiten Maximum (23) des Ionenstroms führt und höher ist als die erste Extraktionsspannung, so dass das Häufigkeitsverhältnis von H₃ ⁺-Ionen von den von der Emitterspitze (11) emittierten lonenspezies am höchsten ist und die Energiebreite der H₃ ⁺-Ionen im Ionenstrahl (15) geringer als die der H₂ ⁺-Ionen ist, und Betrachten oder Bearbeiten der Form, der Zusammensetzung und/oder des Potentials der Probe (31) unter Verwendung einer Reaktion, die durch Bestrahlung der Probe (31) mit dem Ionenstrahl (15) auftritt.