JP2008524634A - レーザアトムプローブ - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
1.レーザがオフである、又はそのビーム114が遮蔽されていることを確認する。
2.所要の微小先端104aが局所電極アパーチャ110とおおよそ位置合わせされるまで試料マウント102を移動する。
3.試料104の2軸平行移動(イオン移動軸116に対して直角な平面に沿った)を用いて、所要の微小先端104aがイオン移動軸116にほぼ沿って置かれるように試料マウント102を移動する。アパーチャ平面112の一般的位置においてイオン移動軸116に対して直交して置かれた光学顕微鏡を用いて、平行移動の両方の軸に沿った位置合わせを検証することができる。
4.続いて、所要の微小先端104a上の関心のある頂点又は他の区域がアパーチャ平面112に対して望ましい位置に置かれるまで、イオン移動軸116に対して平行に試料マウント102を移動させることができる(例えば、試料104の頂点がアパーチャ110の半径の0.75〜3.0倍(一実施形態では0.75〜1.25倍の間)だけアパーチャ平面112から離れて置かれるようにする)。
必要であれば、精密な試料の位置合わせは、電界イオン顕微鏡法(FIM)を用いて果たすことができる。
1.アトムプローブ100の真空チャンバ内に結像ガス(例えばネオン)を導入する。通常、およそ5×10-6mbarの結像ガス気圧で十分である。
2.検出器106のゲインをFIMに対して適切なレベルに調節する。
3.続いて、検出器106上に所要の微小先端104aの頂点のイメージを得ることができるまで試料マウント102(従って試料104及び所要の微小先端104a)に電圧を供給する。
4.検出器106上に障害のないイメージが得られるまでアパーチャ平面112の2軸に沿って所要の微小先端104aを平行移動する。所要の微小先端104aが位置ずれしている場合には、局所電極108はイメージの一部を塞ぐことになる。
レーザビームが試料に位置合わせされると、先端でのビームの合焦を最適化することによって動作を改善(頂点への結合を強化し、シャンクの照射を低減し、従って熱尾引き、試料破損の可能性等を低減)することが可能である。これを行うための1つの方法は、1つ又はそれ以上の出力パラメータ(例えばEr)を監視しながらレーザビーム焦点(Z)を変化させることである。焦点は、レーザ源と試料との間に介在するレンズ(例えばアクロマート)の物理的な位置を移動することによって制御することができる(図1A)。焦点が最適化されると、ビーム位置合わせプロセスは、データ収集と共に繰り返し、又は継続することができる。
図4を参照すると、上記ルーチンの変形形態は、3つの制御入力(ビーム位置(X)、ビーム位置(Y)、又はビーム焦点(Z))を変化させながら1つ又はそれ以上の出力パラメータを監視する段階を含む。まずボックス501において、試料は、物理的に電極に位置合わせされる。ボックス503において焦点(Z=定数)を設定することができる。ボックス505で、出力パラメータ(例えばEr)を計測しながらビーム位置(Xの次にY)がラスター方式で増分される。次いで、ボックス509で、出力パラメータ(例えばEr)を計測しながら焦点(Z=Z+1)が変更され、同様にビーム位置(Xの次にY)を増分(又はラスター化)する。
別の変形形態は、実際のアトムプローブデータを収集しながら、陰極管(CRT)テレビジョンスキャンに類似した小さなX−Yラスターを実行する段階を含む。レーザビームと試料があるレベルで位置合わせされると、ビームは、データ収集中に小さなX−Y領域(公称25×25ミクロン)内でラスター化することができ、この結果、振動及びドリフトに影響されない自動X−Y位置合わせとなる。試料を「失う」レーザパルスはデータを生成せず、すなわちこれらはイオン化事象を引き起こさず、従って、Erは「静的」(非ラスター化)パルス化の間に期待されるものの一部となる。このラスター化は、出力パラメータ情報の「フレーム」を形成することになる。新しいフレームは、前のフレームが取り込まれると発生する。このようにして、経時的な出力パラメータ(Er等)を示す複数フレームの「動画」を生成することができる。
別の変形形態は、ビーム及び電極を位置付けて、試料を最適位置に移動させる段階を含む。試料は通常、電極に対する個々の微小先端(又は微小先端配列から選ばれた1つ)の正確な位置付けを可能にする3軸マイクロポジショナ上に取り付けられる。
別の変形形態は、レーザビームの偏光の向きを変える段階を含む。先端軸に対してレーザの偏光を配向することにより、パワー伝送を最大にすることができる。これは、ビームが先端に合焦された後に行うことができ、又はビームを合焦する同じ方式で行うことができる。パラメータ(例えばEr)は、ビーム偏光の関数として監視することができる。所与の試料に対し最適な偏光度を選択することができる。
本発明の別の態様では、光学体が小さなスポットに合焦するように設計された場合には、これらの光学体は一般的に実施可能な最大範囲まで非点収差がある。この結果、公称円対称な合焦スポットを生じる。一実施形態では、無非点収差光学体を用いて意図的に非点収差が導入される。簡略化のために、単一軸の非点収差を考える。これは、1つの軸に沿って光学体の焦点距離を変化させる作用を有することになる。この方法で、先端軸方向にあるレーザの最小スポットが試料平面において得られるようにレーザスポットを合焦することができる。次いで、レーザプローブは、試料の長手軸に対して直角の方向に焦点ぼけされることになる。この結果、レーザの位置合わせは横方向の位置ずれに対して敏感ではなくなる。強度は、完全に合焦されたレーザスポットよりも小さくなり、従って追加のビームエネルギーが必要になる。
一実施形態では、3軸(X,Y,Z)dcサーボモータ制御ステージを利用してアクロマートレンズ(図1A)の位置を制御する。これによって、中程度の分解能のビーム位置X−Y制御及び中程度から精密なビーム焦点制御がもたらされる。2軸(ピッチ及びヨー)ピエゾ電気制御ジンバルを用いて、ミラーを配置し、精密なビーム位置X−Y制御が得られる。
Claims (19)
- 分析されることになる試料を取り付けることができる試料マウントと、
前記試料マウントから離間して配置された検出器と、
前記試料マウントと前記検出器との間に置かれ、アパーチャが形成された局所電極と、
前記アパーチャの平面に対して非ゼロ角度で前記試料マウントに向けてレーザビームを放出するように配向されたレーザと、
を備え、前記アパーチャ平面が、前記試料マウントと前記検出器との間で前記アパーチャを通って定められるイオン進行経路に対し直角方向に配向される、
ことを特徴とするアトムプローブ。 - 前記レーザが、前記アパーチャ平面に対して5〜15度の角度で前記試料マウントに向けてレーザビームを放出するように配向される、請求項1に記載のアトムプローブ。
- 試料マウント、検出器、及びこれらの間に置かれた局所電極を有するアトムプローブを用いてアトムプローブ分析を実施する方法であって、前記局所電極内には局所電極アパーチャが形成され、該アパーチャの入口を横断してアパーチャ平面が定められ、前記方法が、
a.少なくとも1つの微小先端が上に形成され、前記アパーチャ内で前記アパーチャの半径に関連する距離だけ前記アパーチャ平面から離れて置かれた試料を前記試料マウント上に提供する段階と、
b.前記所要の微小先端上に前記アパーチャ平面に対して1〜20度の角度でレーザビームを配向する段階と、
c.前記局所電極を基準電圧に固定して保持する間に、
(1)前記試料を所要のブースト電圧に荷電して、
(2)前記レーザをパルス化して前記所要の微小先端からイオン化を誘起する、
段階と、
を含む方法。 - 前記試料が追加の微小先端を含み、前記第1の微小先端のアトムプローブ微量分析が完了した後、前記試料を更に移動させて、前記微小先端の別のものを前記アパーチャによって誘起される電界内に置くようにする、請求項3に記載の方法。
- 前記レーザビームが前記アパーチャ平面に対して5〜15度の角度で配向される、請求項3に記載の方法。
- 前記距離が前記アパーチャ半径の0.75倍から3.0倍の間にある、請求項3に記載の方法。
- 前記レーザビームが複数波長の励起エネルギーを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記ブースト電圧がパルス化される請求項3に記載の方法。
- アトムプローブのレーザビームを試料マウント上に取り付けられた試料上に合焦させる方法であって、前記アトムプローブが検出器を有し、前記レーザビームが前記試料上に焦点(Z)を有し、前記方法が、
(a)前記レーザビームによる前記試料の照射が前記焦点(Z)において行われるときに、前記検出器の少なくとも1つの出力パラメータを監視する段階と、
(b)前記レーザビームの焦点(Z)を変更し、変更された焦点で前記段階(a)を繰り返す段階と、
(c)ある範囲の焦点に対して段階(a)〜(b)を繰り返す段階と、
(d)前記段階(a)において前記検出器によって取り込まれた前記出力パラメータの情報に基づいて最適焦点を決定する段階と、
を含む方法。 - 前記出力パラメータがパルス当たりの検出されたイオンの数(Er)である、請求項9に記載の方法。
- アトムプローブのレーザビームを試料マウント上に取り付けられた試料上に合焦する方法であって、前記アトムプローブは検出器を有し、前記レーザビームが前記試料上に焦点(Z)を有し、X軸及びY軸に沿って水平及び垂直方向に照準することが可能であり、前記方法が、
(a)前記レーザビームによる前記試料の照射がX、Y、及びZ座標空間にわたって行われるときに、前記検出器の少なくとも1つの出力パラメータを監視する段階と、
(b)前記段階(a)において前記検出器によって取り込まれた前記出力パラメータの情報に基づいて最適焦点を決定する段階と、
を含む方法。 - 前記出力パラメータがパルス当たりの検出されたイオンの数(Er)である、請求項11に記載の方法。
- アトムプローブのレーザビームを試料マウント上に装着された試料上に合焦する方法であって、前記アトムプローブは検出器を有し、前記レーザビームが前記試料上に焦点(Z)を有し、X軸及びY軸に沿って水平及び垂直方向に照準することが可能であり、前記方法が、
(a)前記検出器を用いて各X及びY座標における出力パラメータを収集して出力パラメータ情報のフレームを形成しながら、X−Y領域において前記レーザビームをラスター化する段階と、
(b)前記段階(a)を繰り返して複数のフレームを発生する段階と、
(c)前記フレームを用いて、前記出力パラメータの時間動画を生成し、前記出力パラメータにおいて特徴部を同定する段階と、
を含む方法。 - 前記レーザビームが前記特徴部を追跡するように照準される、請求項13に記載の方法。
- アトムプローブのレーザビームを試料マウント上に取り付けられた試料上に合焦する方法であって、前記アトムプローブは検出器を有し、前記試料マウントは前記レーザビームに対してX、Y、及びZ軸に沿って可動であり、前記方法が、
(a)前記レーザビームによる前記試料の照射がX、Y、及びZ座標空間にわたって行われるときに、前記検出器の少なくとも1つの出力パラメータを監視する段階と、
(b)前記段階(a)において前記検出器によって取り込まれた前記出力パラメータの情報に基づいて最適焦点を決定する段階と、
(c)前記試料が前記最適焦点にあるように前記試料マウントを移動させる段階と、
を含む方法。 - 前記出力パラメータがパルス当たりの検出されたイオンの数(Er)である、請求項15に記載の方法。
- アトムプローブのレーザビームを試料マウント上に取り付けられた試料上に調節する方法であって、前記アトムプローブは検出器を有し、前記レーザビームが偏光を有し、前記方法が、
(a)前記レーザビームによる前記試料の照射が行われるときに、前記検出器の少なくとも1つの出力パラメータを監視する段階と、
(b)ある範囲の偏光にわたって前記レーザビームの偏光を変える段階と、
(c)前記段階(a)〜(b)において前記検出器によって取り込まれた前記出力パラメータ情報に基づいて最適偏光を決定する段階と、
を含む方法。 - 前記出力パラメータがパルス当たりの検出されたイオンの数(Er)である、請求項17に記載の方法。
- 試料マウント、検出器、及びこれらの間に置かれた局所電極を有するアトムプローブを用いてアトムプローブ分析を実施する方法であって、前記局所電極内には局所電極アパーチャが形成され、該アパーチャの入口を横断してアパーチャ平面が定められ、前記方法が、
a.少なくとも1つの微小先端が上に形成され、前記アパーチャ内で前記アパーチャの半径に関連する距離だけ前記アパーチャ平面から離れて置かれた試料を前記試料マウント上に提供する段階と、
b.前記所要の微小先端上に前記アパーチャ平面に対して1〜20度の角度で意図的に非点収差が導入されたレーザビームを配向する段階と、
c.前記局所電極を基準電圧に固定して保持する間に、
(1)前記試料を所要のブースト電圧に荷電して、
(2)前記レーザをパルス化して前記所要の微小先端からイオン化を誘起する、
段階と、
を含む方法。
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