EP2168136A2 - Source micronique d'émission ionique - Google Patents

Source micronique d'émission ionique

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Publication number
EP2168136A2
EP2168136A2 EP08828202A EP08828202A EP2168136A2 EP 2168136 A2 EP2168136 A2 EP 2168136A2 EP 08828202 A EP08828202 A EP 08828202A EP 08828202 A EP08828202 A EP 08828202A EP 2168136 A2 EP2168136 A2 EP 2168136A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
needle
electrode
tip
cavity
extraction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08828202A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Sudraud
Olivier Salord
Arnaud Houel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Orsay Physics SA
Original Assignee
Orsay Physics SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Orsay Physics SA filed Critical Orsay Physics SA
Publication of EP2168136A2 publication Critical patent/EP2168136A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/26—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field effect ion sources, thermionic ion sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources

Definitions

  • the present invention relates to a micronic source of ionic emission.
  • the field of the invention is that of the emission of ions focused from a point or quasi-point source.
  • the material to be ionized is supplied to the source in the liquid phase in the form of pure elements or compounds often including metal elements.
  • LMIS abbreviation of the English term “Liquid Metal Ion Source”
  • FIB abbreviation of the English expression " Focused Ion Beam”
  • This technology makes it possible to produce a sub-micron sized ion probe with a current density of several A / cm 2 . It is used in particular in microelectronics for various tasks: - failure analysis of integrated circuits,
  • Some sources may have a relatively long life (greater than 1000 ⁇ A.h) but they only target materials that have a low saturation vapor pressure at their melting temperature. These materials are therefore limited to a few metals and some metal alloys and gallium is a preferred metal.
  • the article "Characteristics of a gallium liquid metal field emission ion source" J. Phys. D: Appl. Phys., 13 (1980), pp. 1747-1755 discloses an ion source provided for ionizing this metal.
  • This source comprises a transmission member arranged under an extraction member which takes the form of a discoidal electrode pierced at its center.
  • the emitter is a tank at the top of which protrudes the apex of a tungsten tip disposed therein.
  • This tip is metallic because the ionization field is obtained by applying a relatively high voltage (4 to 10 kV) between this tip and the disc electrode.
  • gallium makes it possible to obtain a very good spatial resolution (of the order of about ten nanometers), its secondary ion emission efficiency is low, thus reducing the faculty of using it for quantitative analyzes.
  • more conventional assay systems using reactive species to achieve high secondary ion yield have low spatial resolution.
  • Cesium which is one of the most chemically reactive metals, significantly increases the emission yield of negative secondary ions.
  • Industrial SIMS systems use conventional Cs sources (usually of surface ionization type) but the brightness of these ion sources is low and therefore can not be compared to that of Gallium LMIS sources.
  • the violent reactivity of cesium makes it difficult to handle.
  • all attempts to produce cesium-based LMIS sources have been confined to research laboratories because they have not reached a level of reliability sufficient for industrial applications.
  • the energy measurement of the ions emitted with a potential-delay analyzer reveals an energy dispersion of 110 eV at the width at half-height. This dispersion would be due to the participation of gas phase field ionization and field desorption at the apex of the tip. Ion sources with such wide energy dispersion are not suitable for use in industrial systems because the focus of the ion beam is considerably limited by chromatic aberrations.
  • US 4, 488, 045 discloses an ion source which comprises a reservoir.
  • This tank has a tip projecting at its apex. It comprises a cavity having an exhaust port (the end of the capillary) opening at the tip.
  • the tip is electrically conductive. Indeed, an extraction voltage is applied between the tip and an extraction electrode.
  • JP 59 054156 discloses an electrode structure for an ion beam generator of field emission type.
  • the electrode is conductive.
  • EP 0 706 199 significantly improved this situation by providing a source provided with an insulating refractory ceramic needle, thus eliminating the electroerosion phenomenon. This improvement, however, is not sufficient to obtain a lifetime compatible with industrial constraints because the problem of the evaporation rate which has not yet been solved limits both the service life and the compositions that can be used with this type of tip.
  • the present invention thus has as its first object a micronic source of ionic emission having a considerably extended lifetime and allowing to use a very large variety of active or inactive compositions.
  • the ionic emission device comprises an emission member which comprises a hollow needle, this needle having an insulating tip which projects at its apex; moreover this needle comprises a cavity having an exhaust port which opens at the tip.
  • the composition to be ionized is in the cavity, which provides several advantages. In the first place, this arrangement considerably limits the evaporation of this composition. This results in a significant increase in the life of the source. In addition, it becomes possible to include in this composition elements with a high saturating vapor pressure at their melting point. Secondly, the use of a cavity for storing the composition makes it possible to use very reactive elements, especially liquid solutions at ambient temperature such as acids, bases or dissolved salts.
  • the needle is also electrically insulating.
  • the invention has its best performance when the sensitive elements have micron or submicron dimensions.
  • the surface of the exchange section between the cavity and the outside of the needle is less than 100 ⁇ m.
  • the largest dimension of the tip is preferably less than 50 microns.
  • the tip is disposed in the cavity in coaxial configuration with the needle.
  • the tip is secured to the apex of the needle.
  • the volume of the composition that can be stored in the cavity is very small.
  • a support in which is fixed the base of the hollow needle.
  • the support comprises a reservoir which communicates with the supply orifice that the cavity presents. This feed port opens at the base of the needle.
  • the device comprises a means for heating the needle. Similarly, it comprises a heating means of the support.
  • it further comprises a pierced extraction electrode mechanically connected to the needle.
  • a second object of the present invention is to increase the heating uniformity of the needle.
  • the device comprises a cylindrical metal sleeve mechanically connected to this needle.
  • a third object of the present invention is to allow fine adjustment of the emission current and efficient regulation of this current.
  • a first electrode electrically conductive and isolated from the needle then acts as regulation electrode the device comprises a voltage supply of this plate.
  • the needle is made of a refractory insulating material.
  • the invention also relates to a focused ion emission process by means of a device comprising an emission needle and an extraction electrode, this needle having an electrically insulating emission tip which projects at its apex and is associated with an extraction electrode, the needle further comprising a cavity having an exhaust port opening at the tip, the method comprising applying an extraction voltage to said extraction electrode; in addition, this device comprising a regulation electrode, the method comprises the application of a regulation voltage to this control electrode. It is of primary interest of the present invention to provide novel sources of high gloss, long lived point ions using liquid ionic compounds consisting of mixtures, e.g., mixtures of molten salts, acids, and the like. or bases but not limited to these.
  • FIG. 1 represents a sectional view of a first embodiment of a hollow needle
  • FIG. 2 represents a sectional view of a second embodiment of a hollow needle
  • FIG. 3 represents a variant of this second embodiment
  • FIG. 4 represents a schematic sectional view of an ion emission device
  • - Figure 5 shows a partial view of a variant of this device
  • - Figure 6 shows a partial view of a second variant of this device.
  • a hollow needle 10 is in the form of a capillary, the inner conduit of this capillary constituting a cavity 11 intended to receive the composition subjected to ionization.
  • This capillary is similar to crucibles used in microelectronics for ultrasonic or thermo-compression wiring. It is preferably electrically insulating.
  • the base 12 of the needle 10 (bottom in the figure) is shown open but could be closed if it turns out that the volume of the cavity 11 is sufficient to store the required amount of composition.
  • the cavity 11 opens at the apex of the needle 10 through a circular exhaust orifice 14 whose diameter is less than a few tens of microns.
  • a cylindrical rod 15 of insulating refractory material whose diameter is smaller than that of the exhaust orifice is arranged in the cavity 11. Its upper end forming a tip 16 protrudes with respect to the apex 13 of the needle 10 This rod is held in position so that its axis substantially coincides with that of the needle 10 by any appropriate means, an adhesive point 17 for example.
  • the diameter of the cylindrical rod 15 also allows a partial closure of the exhaust port 14 by providing an exchange section between the cavity and the outside which is of micron or submicron dimension, in order to limit the The surface of the exchange section is preferably less than 100 ⁇ m.
  • the tip 16 has the function of stabilizing the Taylor cone well known to those skilled in the art, cone whose theoretical value of the half angle of inclination with reference to its axis is 49.3 °. It is thus machined so that it also forms a cone whose half-angle angle of inclination is preferably less than or equal to 60 °.
  • a preferred machining technique of this tip 16 is focused ion beam assisted etching. This technique can shape the upper end of the rod 15 of alumina to define the tip 16 of micron or submicron dimension (height less than 10 microns) with a high spatial resolution, of the order of a few nanometers.
  • a second embodiment of a tip at the apex of a hollow needle is exposed.
  • the body of the needle 20 is the same as in the previous case so that here it also has a cavity 21 which opens at its apex 23 through an exhaust port 24.
  • a tip 26 is shaped on the apex 23 of the needle.
  • This operation is preferably performed by a deposition technique assisted by a focused ion or electron beam, chemical vapor deposition, hereinafter called CVD (for the English expression “Chemical Vapor Deposition”) for example.
  • CVD chemical vapor deposition
  • This technique also makes it possible to achieve a partial closure 27 of the exhaust port 24 by providing an exchange section between the cavity and the outside which is of micron or submicron size, in order to limit the evaporation at the of the point 26.
  • the surface of the section is of micron or submicron size, in order to limit the evaporation at the of the point 26.
  • 2 exchange is preferably less than 100 microns.
  • the needle 30 again includes an internal cavity 31 which opens at its apex 33 through an exhaust port 34.
  • the tip 36 here takes the form of a tripod resting on the apex 33 of the needle. It is also performed by CVD deposition assisted by a focused ion or electron beam.
  • the cavities of the needles above have a reduced volume, often insufficient for most applications. It is therefore expected, within a transmission member, an additional reservoir to increase the amount of stored composition.
  • the needle 41 (shown without its tip) is fitted in a sealed manner in a metal support 42 itself fixed on a base 43 of insulating material.
  • This support 42 comprises a reservoir 44 which communicates with the base of the needle 41, this base thus acting as an inlet for the cavity 45 of this needle.
  • a heating element 47 such as a coaxial heating cable is helically wound around the part of the needle 41 which protrudes from the support 42.
  • This cable heater 47 is optionally extended on the upper part of the support 42.
  • a cylindrical sleeve 48 surrounds all or part of the cable 47. Its function is, on the one hand, to standardize the heating and, on the other hand to act as than the thermal shield with respect to the radiation emitted by the hot source, namely the needle 41 and the support 42.
  • the heating cable 47 comprises a resistive core coated with an insulator, this insulator being itself trapped in a conductive outer sheath. At one end of the cable, the core is connected to a first crossing 50 while at its other end, the core and the outer sheath are connected to a second crossing 51. Thus, the potential of the sheath is set to the potential Vref reference.
  • the two bushings 50, 51 are also connected to a heating supply 52.
  • the support 42 has a constriction 55 below the heating cable 47, so that its lower part is at a relatively low temperature to maintain a powder in the solid state.
  • the device further comprises an extraction member.
  • This ion extraction member comprises a second cylindrical tube 70 fixed to the plate 61.
  • This second tube 70 is provided with centering screws 72a, 72b which bear on the plate 61 so that one can accurately position its axis relative to that of the support 42 and the needle 41.
  • a second electrode 73 closes the second tube 70 except that it is pierced at its center to clear the ion emission cone 75. It is secured to this tube so that it can undergo axial translation of the tube. limited amplitude.
  • complementary threads are provided at the relevant ends of the second tube 70 and the second electrode 73.
  • the second tube 70 is connected to an extraction power supply 74 which is provided to apply to it a positive or negative potential with respect to the reference potential Vref. It is thus possible to emit negative or positive ions.
  • the device comprises a regulating member.
  • This member comprises a first cylindrical tube 60 fixed to a plate 61.
  • This first tube 60 is provided with centering screws 62a, 62b which bear on the base 43 so that one can precisely position its axis relative to that of the support 42 and needle 41.
  • An electrode 63 closes off this first tube 60 except that it is pierced at its center to disengage the apex of the needle 41. It is secured to this tube so that it can undergo axial translation. limited amplitude.
  • complementary threads are provided at the relevant ends of the first tube 60 and the first electrode 63.
  • the regulator plays primarily a role of heat shield.
  • control power supply 64 which is provided to apply a positive or negative potential between 0 and 2000V relative to the reference potential Vref.
  • a variant of the device is presented in which the apex of the needle 81 is now slightly set back from the first electrode or extraction electrode 82 and the second electrode 83 is disposed above this electrode, its central opening constituting an acceptance diaphragm 84.
  • the supply of the second electrode 83 delivers here a positive or negative voltage of between 300 and 1000 V with respect to the potential of the first extraction electrode 82. This voltage allows the suppression of the secondary particles emitted on the acceptance diaphragm 84 through a portion of the cone 85.
  • the apex of the needle 91 is now in front of the first electrode or control electrode 92.
  • the second electrode or extraction electrode 93 is disposed above this electrode 92, likewise the third electrode or electrode 94 is disposed above the electrode 93.
  • the central opening of the electrode 94 constitutes an acceptance diaphragm 95.
  • the first electrode 92 is connected to the regulating power supply 64 which makes it possible to apply to it a positive or negative potential between 0 and 2000V relative to the reference potential Vref.
  • the second electrode 93 is connected to an extraction power supply 74 which is provided to apply to it a positive or negative potential with respect to the reference potential Vref. It is thus possible to emit negative or positive ions.
  • the third electrode 94 is connected to an additional power supply not shown in FIGS. 4 and 6, here delivering a positive or negative voltage of between 300 and 1000V. This voltage allows the removal of the secondary particles emitted on the acceptance diaphragm
  • the device detailed so far is suitable for the implementation of a focused ionic emission process, this device comprising a transmission needle, an extraction electrode and a control electrode. It applies that the needle has an additional reservoir or does not include, although in the latter case it does not benefit from the advantages of the device outlined above.
  • the method essentially comprises applying an extraction voltage to the extraction electrode and a regulating voltage to the control electrode.
  • compositions having a wide range of saturation vapor pressures at their melting temperature, compositions including acids, bases and mixtures of ionic compounds such as dissolved salts.

Landscapes

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'émission ionique comprenant un organe d'émission qui comporte une aiguille creuse (10) isolante, cette aiguille creuse présentant une pointe électriquement isolante (16) qui fait saillie à son apex (13). De plus, cette aiguille (10) comporte une cavité (11) présentant un orifice d'échappement (14) qui débouche au voisinage de la pointe (16). L'invention vise également un procédé d'émission ionique focalisée comportant le dispositif d'émission précédant et une électrode d'extraction, procédé comprenant l'application d'une tension d'extraction sur cette électrode d'extraction. De plus, le dispositif comportant une électrode de régulation, le procédé comprend l'application d'une tension de régulation à cette électrode.

Description

Source micronique d'émission ionique
La présente invention concerne une source micronique d'émission ionique.
Le domaine de l'invention est celui de l'émission d'ions focalisés à partir d'une source ponctuelle ou quasi-ponctuelle. Le matériau à ioniser est fourni à la source en phase liquide sous la forme d'éléments purs ou de composés incluant souvent des éléments métalliques.
Les applications industrielles des sources ioniques liquides métalliques, ci-après LMIS (abréviation de l'expression anglaise « Liquid Métal Ion Source »), sont maintenant dominées par la technologie des faisceaux d'ions focalisés dite FIB (abréviation dé l'expression anglaise « Focused Ion Beam »). Cette technologie permet de produire une sonde ionique de taille sub-micronique offrant une densité de courant de plusieurs A/cm2. Elle est employée notamment dans la microélectronique pour différentes tâches : - analyse de défaillance de circuits intégrés,
- modification ou reconfiguration de dispositifs présentant des dimensions sub-microniques tels que les circuits intégrés ou les masques utilisés en photo- lithographie,
- réalisation directe de dispositifs par gravure ou par dépôt assisté, - analyse de composition chimique par spectrométrie de masse d'ions secondaires.
Certaines sources peuvent offrir une durée de vie relativement longue (supérieure à 1 000 μA.h) mais elles visent uniquement les matériaux qui présentent une faible tension de vapeur saturante à leur température de fusion. Ces matériaux sont donc limités à quelques métaux et à quelques alliages métalliques et le gallium fait figure de métal privilégié.
Ainsi, l'article « Characteristics of a gallium liquid métal field émission ion source » J. Phys. D : Appl. Phys., 13 (1980), pp 1747 - 1755 décrit une source ionique prévue pour ioniser ce métal. Cette source comporte un organe d'émission agencé sous un organe d'extraction qui prend la forme d'une électrode discoïdale percée en son centre. L'organe d'émission se présente comme un réservoir au sommet duquel fait saillie l'apex d'une pointe en tungstène disposée en son sein. Cette pointe est métallique car le champ d'ionisation est obtenu par l'application d'une tension électrique relativement élevée (4 à 10 kV) entre cette pointe et l'électrode discoïdale. II convient d'autre part de revenir sur la technique d'analyse par spectrométrie de masse d'ions secondaires ci-après SIMS (abréviation de l'expression anglaise « Secondary Ions Mass Spectrometry ») qui constitue un débouché important pour les sources LMIS. L'inconvénient d'éléments tels que le Gallium est l'absence de réactivité chimique entre les espèces du faisceau primaire formé et l'échantillon pulvérisé (bombardement ionique).
En effet, si le gallium permet d'obtenir une très bonne résolution spatiale (de l'ordre de la dizaine de nanomètres), son rendement d'émission d'ions secondaires est faible, réduisant par la même la faculté de l'utiliser pour les analyses quantitatives. A contrario, les systèmes d'analyse plus classiques utilisant des espèces réactives pour atteindre un rendement d'ions secondaires élevé ont une faible résolution spatiale.
En particulier, le Césium (Cs) qui est l'un des métaux les plus réactifs chimiquement augmente considérablement le rendement d'émission des ions secondaires négatifs. Les systèmes SIMS industriels utilisent des sources Cs classiques (généralement de type ionisation de surface) mais la brillance de ces sources ioniques est faible et ne peut donc pas être comparée à celle des sources LMIS au Gallium. En outre, la réactivité violente du Césium fait qu'il est difficile à manipuler. Il s'ensuit que toutes les tentatives de réalisation de sources LMIS Césium ont été cantonnées aux laboratoires de recherche car elles n'ont pas atteint un niveau de fiabilité suffisant pour des applications industrielles.
Il n'est donc pas possible de bénéficier des phénomènes qui se développent lors du bombardement ionique réactif non focalisé employé notamment dans la gravure ionique réactive. Cette faible réactivité chimique limite le taux de pulvérisation et d'ionisation des différentes cibles. A titre indicatif, ce taux de pulvérisation varie de 1 à 4 atomes pulvérisés par ion incident pour une tension d'accélération de l'ordre de 30 kV. Le défaut de recombinaison gazeuse au point d'impact du faisceau empêche une évacuation efficace des atomes pulvérisés. Cela conduit souvent à une redéposition au voisinage de ce point d'impact, ce qui est à l'origine de nombreuses difficultés. En premier lieu, lorsque les atomes pulvérisés sont électriquement conducteurs, des connections parasites peuvent apparaître sur la cible. En second lieu, le facteur de forme relativement faible (de l'ordre de 6/1) du fait de la redéposition restreint sévèrement la résolution des motifs gravés. En résumé, on dispose d'une part de sources à faible rendement d'ions secondaires et à forte résolution spatiale et d'autre part de sources à fort rendement d'ions secondaires mais à faible résolution spatiale.
Une tentative pour résoudre les problèmes liés à la réactivité chimique des métaux alcalins a été décrite dans l'article « Lithium ion émission from a liquid métal source of LiNO3 », A.E. Bell et al, International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, 88 (1989), pp 56-68. Cet article rapporte des expériences avec des sources ioniques similaires aux sources LMIS. Les métaux sont remplacés par des composés chimiques contenant ces métaux. En particulier, un faisceau d'ions Li+ est produit avec une source utilisant un sel liquide, ici le nitrate de lithium (LiNO3). La source est une aiguille métallique recouverte de ce sel en fusion. Les expériences ont mis en évidence la génération de bulles de gaz au niveau de l'aiguille et une évaporation très rapide du sel en fusion. La mesure énergétique des ions émis avec un analyseur à potentiel retardateur révèle une dispersion énergétique de 110 eV à la largeur à mi-hauteur. Cette dispersion serait due à la participation de l'ionisation de champ de la phase gazeuse et de la désorption de champ à l'apex de la pointe. Des sources ioniques avec une dispersion énergétique aussi large ne sont pas adaptées pour une utilisation dans des systèmes industriels car la focalisation du faisceau d'ions est considérablement limité par les aberrations chromatiques.
Ces sources ont des durées de vie très courtes. En effet, la pointe métallique est soumise au phénomène d'électroérosion. En outre, la vitesse d'évaporation du réservoir est très élevée du fait de la grande tension de vapeur saturante du sel chauffé à l'état liquide. Par ailleurs, plusieurs sources connues font appel à une pointe électriquement conductrice comme organe d'émission.
Ainsi, le document US 4, 488, 045 décrit une source d'ions qui comporte un réservoir. Ce réservoir présente une pointe faisant saillie à son apex. Il comporte une cavité présentant un orifice d'échappement (l'extrémité du capillaire) débouchant au niveau de la pointe. La pointe est électriquement conductrice. En effet, une tension d'extraction est appliquée entre la pointe et une électrode d'extraction.
Le document JP 59 054156 divulgue une structure d'électrode pour un générateur de faisceau d'ions du type émission à effet de champ. L'électrode est conductrice. Le document EP 0 706 199 a significativement amélioré cette situation en proposant une source pourvue d'une aiguille en céramique réfractaire isolante, supprimant ainsi le phénomène d'électroérosion. Cette amélioration n'est toutefois pas suffisante pour obtenir une durée de vie compatible avec les contraintes industrielles car le problème de la vitesse d'évaporation qui n'a toujours pas été résolu limite tant la durée de vie que les compositions qui peuvent être utilisées avec ce type de pointe.
La présente invention a ainsi pour premier objet une source micronique d'émission ionique présentant une durée de vie considérablement étendue et permettant d'utiliser une très grande variété de compositions actives ou inactives.
Selon l'invention, le dispositif d'émission ionique comprend un organe d'émission qui comporte une aiguille creuse, cette aiguille présentant une pointe isolante qui fait saillie à son apex ; de plus cette aiguille comporte une cavité présentant un orifice d'échappement qui débouche au niveau de la pointe. Ainsi, la composition destinée à être ionisée figure dans la cavité, ce qui procure plusieurs avantages. En premier lieu, cet agencement limite considérablement l'évaporation de cette composition. Il s'ensuit une augmentation sensible de la durée de vie de la source. De plus, il devient possible d'inclure dans cette composition des éléments à forte tension de vapeur saturante à leur point de fusion. En second lieu, le recours à une cavité pour stocker la composition permet d'employer des éléments très réactifs, notamment des solutions liquides à température ambiante tels que des acides, des bases ou des sels dissous.
Il est par ailleurs préférable que l'aiguille soit elle aussi électriquement isolante.
L'invention présente ses meilleures performances lorsque les éléments sensibles présentent des dimensions microniques ou submicroniques.
Ainsi, il est souhaitable que la surface de la section d'échange entre la cavité et l'extérieur de l'aiguille soit inférieure à 100 μm . De même, la plus grande dimension de la pointe (son diamètre généralement) est de préférence inférieure à 50 μm.
Selon un premier mode de réalisation, la pointe est disposée dans la cavité en configuration coaxiale à l'aiguille.
Selon un deuxième mode de réalisation, la pointe est solidaire de l'apex de l'aiguille. Cependant, lorsque l'aiguille est de petite taille, le volume de la composition que l'on peut stocker dans la cavité est très réduit.
Ainsi de préférence est additionné à l'organe d'émission un support dans lequel est fixé la base de l'aiguille creuse. Le support comporte un réservoir qui communique avec l'orifice d'alimentation que présente la cavité. Cette orifice d'alimentation débouche à la base de l'aiguille.
Pour favoriser l'émission de certaines compositions, avantageusement, le dispositif comporte un moyen de chauffage de l'aiguille. De même, il comporte un moyen de chauffage du support.
Tout comme dans l'état de l'art, il comprend de plus une électrode d'extraction percée mécaniquement lié à l'aiguille.
Un second objet de la présente invention est d'augmenter l'uniformité de chauffage de l'aiguille. Ainsi, selon une caractéristique additionnelle, le dispositif comprend une manchon cylindrique métallique mécaniquement liée à cette aiguille.
Par ailleurs, on assiste couramment à des fluctuactions du courant d'émission de ce type de sources.
Un troisième objet de la présente invention est de permettre un ajustement fin du courant d'émission et une régulation performante de ce courant.
Ainsi, une première électrode électriquement conductrice et isolée de l'aiguille joue alors le rôle d'électrode de régulation, le dispositif comporte une alimentation de tension de cette plaque. Pour augmenter la versatilité du dispositif, l'aiguille est réalisée dans un matériau isolant réfractaire.
L'invention vise également un procédé d'émission ionique focalisée au moyen d'un dispositif comportant une aiguille d'émission et une électrode d'extraction, cette aiguille présentant une pointe d'émission électriquement isolante qui fait saillie à son apex et étant associée à une électrode d'extraction, l'aiguille comportant de plus une cavité qui présente un orifice d'échappement débouchant au niveau de la pointe, procédé comprenant l'application d'une tension d'extraction sur cette électrode d'extraction ; de plus, ce dispositif comportant une électrode de régulation, le procédé comprend l'application d'une tension de régulation à cette électrode de régulation. C'est un intérêt primordial de la présente invention que de fournir de nouvelles sources d'ions ponctuelles de grande brillance et de grande durée de vie en utilisant des composés ioniques liquides constitués de mélanges, par exemple de mélanges de sels fondus, d'acides ou de bases mais ne se limitant pas à ceux-ci.
C'est un autre intérêt de la présente invention que de fournir de nouvelles sources d'ions ponctuelles de grande brillance et de grande durée de vie permettant de recourir à des composés ayant une pression de vapeur élevée à leur température de fusion. C'est un autre intérêt de la présente invention que de fournir de nouvelles sources d'ions ponctuelles de grande brillance et de grande durée de vie utilisant des composés ioniques liquides qui soient adaptés à la production d'un large spectre d'espèces ioniques de très grande réactivité chimique incluant les métaux alcalins et les halogènes. C'est un autre intérêt de la présente invention que de fournir de nouvelles sources d'ions ponctuelles de grande brillance et de grande durée de vie utilisant des composés ioniques liquides qui aient des ions préexistants pour une émission ponctuelle d'ions positifs ou négatifs.
C'est encore un intérêt supplémentaire de la présente invention que de pouvoir équiper des systèmes FIB améliorés qui soient adaptés à de telles nouvelles sources d'ions ponctuelles de grandes brillances et de grande durée de vie pour produire des faisceaux de nouvelles espèces ioniques réactives avec une haute résolution et des tailles de sondes sub-microniques et nanométriques. De tels systèmes étant compatibles avec des applications industrielles. Les nouvelles caractéristiques spécifiques de cette invention sont mises en avant dans les revendications de la présente invention. L'invention elle-même, cependant, ainsi que d'autres intérêts, objets et avantages qui en découlent, peuvent être mieux compris en se référant à la description détaillée qui suit de la réalisation préférentielle illustrée à lire conjointement avec le dessin l'accompagnant dans lequel :
- la figure 1 représente une vue en coupe d'un premier mode de réalisation d'une aiguille creuse,
- la figure 2 représente une vue en coupe d'un deuxième mode de réalisation d'une aiguille creuse, - la figure 3 représente une variante de ce deuxième mode de réalisation, - la figure 4 représente une vue schématique en coupe d'un dispositif d'émission ionique,
- la figure 5 représente une vue partielle d'une variante de ce dispositif, et - la figure 6 représente une vue partielle d'une deuxième variante de ce dispositif.
Suivant un premier mode de réalisation, en considérant la figure 1 , une aiguille creuse 10 se présente comme un capillaire, le conduit interne de ce capillaire constituant une cavité 11 destinée à recevoir la composition soumise à ionisation. Ce capillaire est analogue aux creusets utilisés en microélectronique pour le câblage par ultrasons ou par thermo-compression. Il est de préférence électriquement isolant.
La base 12 de l'aiguille 10 (en bas sur la figure) est représentée ouverte mais elle pourrait être fermée s'il s'avérait que le volume de la cavité 11 soit suffisant pour stocker la quantité requise de composition.
La cavité 11 débouche à l'apex de l'aiguille 10 par un orifice d'échappement 14 circulaire dont le diamètre est inférieur à quelques dizaines de microns.
Une tige cylindrique 15 en matériau réfractaire isolant dont le diamètre est inférieur à celui de l'orifice d'échappement est agencée dans la cavité 11. Son extrémité supérieure formant une pointe 16 fait saillie par rapport à l'apex 13 de l'aiguille 10. Cette tige est maintenue en position de sorte que son axe coïncide sensiblement avec celui de l'aiguille 10 par tout moyen approprié, un point de colle 17 par exemple. Le diamètre de la tige cylindrique 15 permet par ailleurs de réaliser une obturation partielle de l'orifice d'échappement 14 en ménageant une section d'échange entre la cavité et l'extérieur qui soit de dimension micronique ou submicronique, ceci afin de limiter l'évaporation au niveau de la pointe 16. La surface de la section d'échange est de préférence inférieure à 100 μm . La pointe 16 a pour fonction de stabiliser le cône de Taylor bien connu de l'homme du métier, cône dont la valeur théorique du demi-angle d'inclinaison par référence à son axe est 49,3°. Elle est donc usinée de sorte qu'elle forme elle-aussi un cône dont le demi-angle angle d'inclinaison est de préférence inférieur ou égal à 60°. Une technique d'usinage préférentielle de cette pointe 16 est la gravure assistée par faisceau d'ions focalisé. Cette technique permet de façonner l'extrémité supérieure de la tige 15 en alumine pour définir la pointe 16 de dimension micronique ou submicronique (hauteur inférieure à 10 μm) avec une grande résolution spatiale, de l'ordre de quelques nanomètres.
En référence à la figure 2, un second mode de réalisation d'une pointe à l'apex d'une aiguille creuse est exposé. Le corps de l'aiguille 20 est le même que dans le cas précédent si bien qu'ici aussi il présente une cavité 21 qui débouche à son apex 23 par un orifice d'échappement 24.
Une pointe 26 est conformée sur l'apex 23 de l'aiguille. Cette opération est réalisée préférentiellement par une technique de dépôt assisté par un faisceau d'ions ou d'électrons focalisé, dépôt chimique en phase vapeur ci-après appelé CVD (pour l'expression anglaise « Chemical Vapor Déposition ») par exemple.
Cette technique permet par ailleurs de réaliser une obturation partielle 27 de l'orifice d'échappement 24 en ménageant une section d'échange entre la cavité et l'extérieur qui soit de dimension micronique ou submicronique, ceci afin de limiter l'évaporation au niveau de la pointe 26. La surface de la section
2 d'échange est de préférence inférieure à 100 μm .
En référence à la figure 3, une variante du mode de réalisation précédent est détaillée. L'aiguille 30 comprend là encore une cavité interne 31 qui débouche à son apex 33 par un orifice d'échappement 34. La pointe 36 prend ici la forme d'un trépied en appui sur l'apex 33 de l'aiguille. Elle est également réalisée par dépôt CVD assisté par un faisceau d'ions ou d'électrons focalisé.
Les cavités des aiguilles ci-dessus présentent un volume réduit, souvent insuffisant pour la plupart des applications. On prévoit donc, au sein d'un organe d'émission, un réservoir additionnel pour augmenter la quantité de composition stockée.
En référence à la figure 4, l'aiguille 41 (représentée sans sa pointe) est emmanchée de façon étanche dans un support métallique 42 lui-même fixé sur un socle 43 en matériau isolant. Ce support 42 comporte un réservoir 44 qui communique avec la base de l'aiguille 41, cette base jouant ainsi le rôle d'orifice d'admission pour la cavité 45 de cette aiguille.
Lorsque la capacité du réservoir 44 est suffisante, celui-ci est fermé approximativement au niveau du socle 43. Si, par contre, le volume cumulé de la cavité 45 et de ce réservoir 44 s'avère encore insuffisant, on prévoit un réservoir additionnel 46 symbolisé par un cercle en pointillé sur la figure. Le moyen de raccorder les deux réservoirs 44, 46 n'est pas plus détaillé car il fait partie des connaissances générales de l'homme du métier.
Pour le cas où la composition à ioniser ne serait pas liquide à température ambiante, un élément de chauffage 47 tel qu'un câble chauffant coaxial est enroulé en hélice autour de la partie de l'aiguille 41 qui fait saillie du support 42. Ce câble chauffant 47 se prolonge éventuellement sur la partie supérieure du support 42. Un manchon cylindrique 48 entoure tout ou partie du câble 47. Il a pour fonction, d'une part d'uniformiser le chauffage et, d'autre part d'agir en tant que bouclier thermique vis-à-vis des radiations émises par la source chaude, à savoir l'aiguille 41 et le support 42.
Le câble chauffant 47 comporte une âme résistive enrobée d'un isolant, cet isolant étant lui-même prisonnier d'une gaine externe conductrice. A une extrémité du câble, l'âme est connectée à une première traversée 50 tandis qu'à son autre extrémité, l'âme et la gaine externe sont connectées à une deuxième traversée 51. Ainsi, le potentiel de la gaine est fixé au potentiel de référence Vref. Les deux traversées 50, 51 sont par ailleurs raccordées à une alimentation de chauffage 52.
Le support 42 présente un rétrécissement 55 en dessous du câble chauffant 47, de sorte que sa partie basse soit à une température relativement basse permettant de conserver une poudre à l'état solide.
En sus de l'organe d'émission décrit ci-dessus, le dispositif comprend encore un organe d'extraction.
Cet organe d'extraction des ions comprend un second tube cylindrique 70 fixé à la platine 61. Ce second tube 70 est muni de vis de centrage 72a, 72b qui prennent appui sur la platine 61 de sorte que l'on puisse positionner précisément son axe par rapport à celui du support 42 et de l'aiguille 41.
Une seconde électrode 73 vient obturer ce second tube 70 si ce n'est qu'elle est percée en son centre pour dégager le cône d'émission ionique 75. Elle est assujettie à ce tube de sorte qu'elle puisse subir une translation axiale d'amplitude limitée. Pour ce faire, à titre d'exemple, on prévoit des filetages complémentaires aux extrémités concernées du second tube 70 et de la seconde électrode 73.
Le second tube 70 est raccordé à une alimentation électrique d'extraction 74 qui est prévue pour lui appliquer un potentiel positif ou négatif par rapport au potentiel de référence Vref. Il est ainsi possible d'émettre des ions négatifs ou positifs. En sus de l'organe d'émission et de l'organe d'extraction décrit ci- dessus, le dispositif comporte un organe de régulation. Cet organe comprend un premier tube cylindrique 60 fixé à une platine 61. Ce premier tube 60 est muni de vis de centrage 62a, 62b qui prennent appui sur le socle 43 de sorte que l'on puisse positionner précisément son axe par rapport à celui du support 42 et de l'aiguille 41.
Une électrode 63 vient obturer ce premier tube 60 si ce n'est qu'elle est percée en son centre pour dégager l'apex de l'aiguille 41. Elle est assujettie à ce tube de sorte qu'elle puisse subir une translation axiale d'amplitude limitée. Pour ce faire, à titre d'exemple, on prévoit des filetages complémentaires aux extrémités concernées du premier tube 60 et de la première électrode 63.
L'organe de régulation joue en premier lieu un rôle d'écran thermique.
Il peut en second lieu jouer le rôle d'une électrode de régulation électrostatique. Pour ce faire, il est raccordé à une alimentation électrique de régulation 64 qui est prévue pour lui appliquer un potentiel positif ou négatif compris entre 0 et 2000V par rapport au potentiel de référence Vref.
Pour plus de détails, on pourra se reporter au document précité EP 0 706 199.
En référence à la figure 5, une variante du dispositif est présentée dans laquelle l'apex de l'aiguille 81 est maintenant légèrement en retrait de la première électrode ou électrode d'extraction 82 et la deuxième électrode 83 est disposée au-dessus de cette électrode, son ouverture centrale constituant un diaphragme d'acceptance 84.
L'alimentation de la deuxième électrode 83 délivre ici une tension positive ou négative comprise entre 300 et 1 000 V par rapport au potentiel de la première électrode d'extraction 82. Cette tension permet la suppression des particules secondaires émises sur le diaphragme d'acceptance 84 par une partie du cône 85.
En référence à la figure 6, une seconde variante du dispositif est présentée dans laquelle une troisième électode est additionnée à la configuration présentée en figure 4.
L'apex de l'aiguille 91 est maintenant à l'avant de la première électrode ou électrode de régulation 92. La seconde électrode ou électrode d'extraction 93 est disposée au-dessus de cette électrode 92, de même la troisième électrode ou électrode de suppression 94 est disposée au-dessus de l'électrode 93.
L'ouverture centrale de l'électrode 94 constitue un diaphragme d'acceptance 95. La première électrode 92 est reliée à l'alimentation électrique de régulation 64 qui permet de lui appliquer un potentiel positif ou négatif compris entre 0 et 2000V par rapport au potentiel de référence Vref.
La seconde électrode 93 est raccordée à une alimentation électrique d'extraction 74 qui est prévue pour lui appliquer un potentiel positif ou négatif par rapport au potentiel de référence Vref. Il est ainsi possible d'émettre des ions négatifs ou positifs.
La troisième électrode 94 est raccordée à une alimentation électrique supplémentaire non représentée sur les figures 4 et 6 délivrant ici une tension positive ou négative comprise entre 300 et 1000V. Cette tension permet la suppression des particules secondaires émises sur le diaphragme d'acceptance
95 par une partie du cône 96.
Le dispositif détaillé jusqu'à présent est adapté à la mise en œuvre d'un procédé d'émission ionique focalisé, ce dispositif comportant une aiguille d'émission, une électrode d'extraction et une électrode de régulation. Il s'applique que l'aiguille comporte une réservoir additionnel ou n'en comporte pas, bien que dans ce dernier cas on ne bénéficie pas des avantages du dispositif soulignés plus haut.
Le procédé consiste essentiellement à appliquer une tension d'extraction sur l'électrode d'extraction et une tension de régulation sur l'électrode de régulation.
Il est particulièrement adapté aux compositions liquides présentant une large gamme de pressions de vapeurs saturantes à leur température de fusion, compositions incluant des acides, des bases et des mélanges de composés ioniques tels que des sels dissous.
On mentionnera pour terminer que la présente invention permet d'émettre des protons avec une très bonne brillance, ce qui est pratiquement impossible à réaliser avec une source LMIS conventionnelle. Or de nombreuses applications, notamment dans la microanalyse, sont concernées : - microscopie protonique,
- lithographie ionique (pas d'effet de proximité pour les résines à forte sensibilité),
- analyse locale Rutherford des rétrodiffusés dite RBS (pour l'expression anglaise « Rutherford Back Scattering »), - analyse de rayons X induits par des particules dite PIXE (pour l'expression anglaise « Protons Induced X-ray Emission »). Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis eu égard à leur caractère concret. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, toute étape ou tout moyen décrit peut être remplacé par une étape ou un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS
1) Dispositif d'émission ionique comprenant un organe d'émission qui comporte une aiguille (10, 20, 30, 41 , 81 , 91), cette aiguille présentant une pointe électriquement isolante (16, 26, 36) qui fait saillie à son apex
(13, 23, 33), caractérisé en ce que ladite aiguille (10, 20, 30, 41 , 81 , 91) comporte une cavité (11, 21, 31, 45) présentant un orifice d'échappement (14, 24, 34) qui débouche au niveau de ladite pointe (16, 26, 36).
2) Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite aiguille (10, 20, 30, 41 , 81 , 91) est électriquement isolante.
3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface de la section d'échange entre ladite cavité (11 , 21 ,
31 , 45) et l'extérieur de ladite aiguille (10, 20, 30, 41 , 81 ,91) est inférieure à lOO μm2.
4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plus grande dimension de ladite pointe (16, 26, 36) est inférieure à 50 μm.
5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite pointe (15, 16) est disposée dans ladite cavité (11).
6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite pointe (26, 36) est solidaire de l'apex (23, 33) de l'aiguille (20, 30).
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit organe d'émission comporte un support (42) dans lequel est fixée la base de ladite aiguille (41), ladite cavité (45) présentant un orifice d'alimentation qui débouche à la base de ladite aiguille (41), ledit support (42) comportant un réservoir (44, 46) qui communique avec cet orifice d'alimentation. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir (46) fermé communiquant avec ledit orifice d'alimentation.
9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de chauffage (47) de ladite aiguille (41).
10) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de chauffage (47) dudit support (42).
11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une électrode d'extraction percée (73, 82, 93) qui est mécaniquement centrée par rapport à ladite aiguille (41 , 81 , 91).
12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une électrode de régulation percée (63, 92) qui est mécaniquement centrée par rapport à ladite aiguille (41, 91).
13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une électrode de suppression (83, 94) percée qui est mécaniquement centrée par rapport à ladite aiguille (81, 91), cette électrode (83, 94) collectant les particules secondaires émises par la partie du cône (85, 96) intéragissant avec ladite électrode de suppression (83, 94).
14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un organe d'émission qui comporte une aiguille (10, 20, 30, 41 , 81 ,91), cette aiguille présentant une pointe (16, 26, 36), caractérisé en ce que ladite aiguille (10, 20, 30, 41 , 81 ,91) et la dite pointe (16, 26, 36) sont réalisées dans un matériau réfractaire.
15) Procédé d'émission ionique focalisée au moyen d'un dispositif comportant une aiguille (10, 20, 30, 41 , 81 , 91), cette aiguille présentant une pointe d'émission (16, 26, 36) électriquement isolante qui fait saillie à son apex et étant associée à une électrode d'extraction (73, 93), ladite aiguille (10, 20, 30, 41 , 81 , 91 ) comportant une cavité (11 , 21 , 31 , 45) qui présente un orifice d'échappement (14, 24, 34) débouchant au niveau de ladite pointe (16, 26, 36), procédé comprenant l'application d'une tension d'extraction sur cette électrode d'extraction (82, 93), caractérisé en ce que, le dispositif comportant de plus une électrode de suppression (83, 94), il comprend l'application d'une tension de suppression à cette électrode de suppression (83, 94).
16) Procédé d'émission ionique focalisée au moyen d'un dispositif comportant une aiguille (10, 20, 30, 41 , 81 , 91), cette aiguille présentant une pointe d'émission (16, 26, 36) électriquement isolante qui fait saillie à son apex et étant associée à une électrode d'extraction (93), ladite aiguille (10, 20, 30, 41 , 81 , 91) comportant une cavité (11 , 21 , 31, 45) qui présente un orifice d'échappement (14, 24, 34) débouchant au niveau de ladite pointe (16, 26, 36), procédé comprenant l'application d'une tension d'extraction sur cette électrode d'extraction (93), caractérisé en ce que, le dispositif comportant de plus une électrode de suppression (94) et une électrode de régulation (92), il comprend l'application d'une tension de suppression à cette électrode de suppression (94) et l'application d'une tension de régulation à cette électrode de régulation (92).
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