JP2021522657A - マルチビーム二次イオン質量スぺクトロメトリデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、一次イオンビームデバイスと、試料が複数の一次イオンビームにより衝撃を与えられたことに起因して試料から放たれた二次イオンを収集し、質量フィルタし、続いて検出するための手段とを備える二次イオン質量スぺクトロメータを提供する。スぺクトロメータは、試料の表面をスキャンするため複数の一次イオンビームを並列に使用することで注目される。

Description

本発明は、試料の分析またはイメージングなどの用途における使用のための二次イオン質量スぺクトロメトリデバイスの分野に存する。特に、本発明は、複数の一次イオンビームを使用する二次イオン質量スぺクトロメトリデバイスに係る。

分析目的およびイメージング目的のために二次イオン質量スぺクトロメトリ、ＳＩＭＳ、デバイスを使用することが知られている。ＳＩＭＳは、試料の化学分析およびイメージングを実行するために広く使用されそして極めて強力な技術を代表する。イメージングＳＩＭＳは、材料科学、生物学、宇宙化学、および地球科学を含むが限定されない多くの分野において欠くことができない分析手段になった。

知られているＳＩＭＳデバイスでは、単一の集束一次イオンビームが、試料の表面を照明するために使用される。これにより、材料が試料からスパッタされ、これが試料に由来する局所的な二次イオン放射を作り出す。これらの二次イオンは、様々な種類のスぺクトロメータにより分析されることがある。一般に、二次イオンは、それらの質量対電荷比に従って最初にフィルタされ、次いでそれに応じて検出され、分類されまたは撮像される。

高分解能イメージングＳＩＭＳにおける現在の最先端は、５０ｎｍまでの高い空間分解能性能を有するＣａｍｅｃａ（ＴＭ） ＮａｎｏＳＩＭＳ ５０である。もう１つのＳＩＭＳ技術は、いくつかの特定の一次イオン種に関してやはり５０ｎｍまでの横方向分解能を実現することができ、飛行時間型ＳＩＭＳ、ＴＯＦ−ＳＩＭＳ、として知られている。これらの知られているシステムの両方において、主な欠点は、高分解能イメージングが、ピコアンペア以下のオーダーの非常に低い一次イオン電流を通常意味する非常に小さなサイズのイオンプローブを必要とし、そして分析のエリアが小さな視野、ＦＯＶ、に一般に限定されることである。例えば、ＮａｎｏＳＩＭＳの最大ＦＯＶは、８０×８０μｍ^２である。利用される小さな一次イオン電流は、長い取得時間につながり、そして小さなＦＯＶは、試料の表面のモザイク画像を形成するために一緒にステッチされるべき多くの画像を必要とし、ステッチングエラーおよび画像間の強度バラツキにつながる。これらの問題は、ＮａｎｏＳＩＭＳ（またはＴＯＦ−ＳＩＭＳ）を高分解能大エリアイメージングまたは３Ｄ再構成にとって不向きにさせる。大エリアイメージングが特に関心のあるものである１つの用途は、生体システム、例えば、ラットの脳全体のマッピングである。このような脳部分について関心のある典型的なエリアは、例えば、１ｍｍ^２のサイズを有するだろう。高分解能イメージング技術を用いて撮像されるために、組織は、５０×５０μｍ^２の４００個のタイルでスキャンされるはずである。各々のタイルが（最小のプローブではない）１００ｎｍプローブサイズに相当する５１２×５１２ピクセルからなり、５ｍｓ／ｐｉｘｅｌのピクセル当たりのドウェル時間を用いる場合には、各々のタイル画像は、２１．８分かかり、その時には完全な組織のスキャニング時間は、１つの完全な表面画像のためだけに１４５時間（６日間）かかる。計測器は、このような長期間にわたって一次イオン電流、等に関して安定なままではないだろうことに留意しなければならない。最低１０層で、試料の数層の取得（スキャン）の３Ｄ再構成に関して、全取得時間は、連続動作の６０日間に相当する。分析時間を短縮する唯一の知られている方法は、これまでのところ、一次イオン電流を大きくするために高輝度イオン源の開発を通して、そして小さなプローブサイズを保つことによるものであった。結論として、許容可能な時間で、すなわち高いスループットをもたらすより大きいエリアまたは３Ｄイメージング用の高分解能イメージングＳＩＭＳを実行できるデバイスは、現在のところ見当たらない。

先行技術の欠点のうちの少なくともいくつかを克服するデバイスを提示することが本発明の目的である。特に、高い横方向分解能分析のための可能性を維持しながら、高いスループットを実現することができる二次イオン質量スぺクトロメトリデバイスを提示することが本発明の目的である。

本発明の第１の態様によれば、二次イオン質量スぺクトロメータが提供される。スぺクトロメータは、一次イオンビームデバイスと、試料が複数の一次イオンビームにより衝撃を与えられたことに起因して試料から放たれた二次イオンを収集し、質量フィルタリングし、続いて検出するための手段とを備える。一次イオンビームデバイスは、放射面から同時に少なくとも２つの一次イオンビームを放射するため、および各々の一次イオンビームを前記試料上の別個の場所へガイドするための手段を備える。

一次イオンビームデバイスは、第１の一次イオンビームを発生するための１つの一次イオン源と、少なくとも２つのアパーチャを備えるアパーチャプレートとを好ましく備えることができ、配置は、第１の一次イオンビームが試料上に各々のアパーチャの像を投影し、これにより各々のアパーチャに対して１つの第２の一次イオンビームを発生するようなものである。好ましくは、アパーチャプレートは、前記放射面を規定することができる。

本発明の一態様によれば、二次イオン質量スぺクトロメータが提供される。スぺクトロメータは、一次イオンビームデバイスと、試料が複数の一次イオンビームにより衝撃を与えられたことに起因して試料から放たれた二次イオンを収集し、質量フィルタリングし、続いて検出するための手段とを備える。スぺクトロメータは、一次イオンビームデバイスが、第１の一次イオンビームを発生するための１つの一次イオン源と、少なくとも２つのアパーチャを備えるアパーチャプレートとを備え、配置が、第１の一次イオンビームが試料上に各々のアパーチャの像を投影し、これにより各々のアパーチャに対して１つの第２の一次イオンビームを発生するようなものであること、およびスぺクトロメータが各々の第２の一次イオンビームを前記試料上の別個の場所へガイドするための手段を備えることが注目される。

好ましくは、アパーチャプレートは、第１の一次イオンビームの伝播方向に一般に垂直である平面内に広がることができる。前記アパーチャの直径は、好ましくは１００μｍよりも小さくてもよい。さらに好ましくは、前記アパーチャの直径は、５０μｍよりも小さいまたは２０μｍよりも小さくてもよい。

一次イオンビームデバイスは、前記アパーチャプレートの均一なイオンビーム照明を行うように好ましく構成されることがある。

前記アパーチャプレート内のアパーチャが、第１の近傍に関して相互に等距離であることがさらに好ましいことがある。好ましくは、アパーチャは、規則的な正方形グリッドに従って互いに対して整列されることがある。

好ましくは、一次イオンビームガイディング手段は、少なくとも１つのレンズを備えることができる。前記レンズは、静電レンズを好ましく備えることができる。

一次イオンビームガイディング手段は、各々の第２の一次イオンビームに対して１つのレンズを好ましくは備えることができる。前記レンズは、静電レンズを好ましく備えることができる。

好ましくは、ガイディング手段は、試料のエリア上で一次イオンビームをスキャンするために構成されることがある。

ガイディング手段は、前記イオンビームの軌跡に衝撃を与える少なくとも１つの電場を発生するように構成された偏向器プレートのセットを好ましく備えることができ、電場の強度および方向は前記イオンビームの偏向を決定し、ガイディング手段は、試料の前記エリア上に前記イオンビームの所定のスキャニングパターンを発生するために、前記電場の強度および方向を決定するための制御ユニットをさらに好ましく備えることができる。偏向器プレートのセットは、少なくとも２つの偏向器プレートを好ましく備えることができる。

好ましくは、スぺクトロメータは、二重集束セクタスぺクトロメータであってもよく、質量フィルタリング手段は、静電セクタと磁気セクタとを備えることができる。

あるいは、スぺクトロメータは、飛行時間型スぺクトロメータであってもよい。

好ましくは、検出手段は、ファラデーカップ、電子増倍器（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）、チャネル電子増倍器、蛍光スクリーンおよび電荷結合デバイス、ＣＣＤ、カメラに結合されたマイクロチャネルプレート、ＭＣＰ、または抵抗型アノードエンコーダもしくは遅延線エンコーダなどのアノード読出しに結合されたＭＣＰのうちのいずれかを備えることができる。

本発明のもう１つの態様によれば、本発明の実施形態による二次イオン質量スぺクトロメータを使用して試料の表面の画像を得るための方法が提供される。方法は、以下のステップ：
− 前記少なくとも２つの一次イオンビームを前記試料の表面上の少なくとも２つの対応する場所の第１のセットへ向けるステップ；
− 前記検出手段を使用して、前記試料の表面上の少なくとも２つの場所の第１のセットの表現を得、メモリ素子に前記表現を記憶するステップ；
− 前記少なくとも２つの一次イオンビームを前記試料の表面上の少なくとも２つの対応する場所の第２のセットへ向けるステップ；
− 前記検出手段を使用して、前記試料の表面上の少なくとも２つの場所の第２のセットの表現を得、メモリ素子に前記表現を記憶するステップ；
− 前記試料の表面上の所定のエリアの表現が得られ、記憶されるまで先のステップを繰り返すステップ
を含む。

提案されたデバイスは、優れた横方向分解能を実現しながら、分析速度、これゆえ二次イオン質量スぺクトロメータ分析またはイメージング用途におけるスループットを大きくすることを可能にする。これは、並列に撮像されるべき、または分析されるべき試料を照射するための複数の類似の一次イオンビームを使用することにより実現される。試料の所与の表面エリアをスキャンするまたはラスタするための時間は、知られている単一の一次イオンビームＳＩＭＳデバイスと比較してＮ分の１であり、ここでＮは使用される一次イオンビームの数である。所与の瞬間に、試料の表面上の多数（Ｎ個）の点が、試料またはイオンビームのいずれをも動かさずに分析される。脳組織の先の例を取ると、試料が１００個のビームによりラスタされるとすると、分析時間は、１００分の１に短くなり、２Ｄ画像に関してほぼ１．５時間になり、そして３Ｄ再構成は、半日に短縮されるだろう。結果として、現在非現実的に見える分析が、本発明の態様を使用して数時間内に実現可能である。

本発明のいくつかの実施形態が、発明の範囲を限定しない図により図示される。

本発明の好ましい実施形態によるデバイスの略図である。 本発明の好ましい実施形態による多数の一次イオンビームを生成するためのイオンビームデバイスを図示する。 本発明の好ましい実施形態による多数の一次イオンビームを生成するためのイオンビームデバイスを図示する。 本発明の好ましい実施形態による多数の一次イオンビームを生成するためのイオンビームデバイスを図示する。 本発明の好ましい実施形態による多数の一次イオンビームを生成するためのイオンビームデバイスを図示する。 単一の一次イオンビームを使用する試料表面上のスキャニング経路を図示する。 複数の等距離の一次イオンビームを使用する試料表面上のスキャニング経路を図示する。 本発明の好ましい実施形態によるデバイスの略図である。 本発明の好ましい実施形態によるデバイスの詳細の略図である。 本発明の好ましい実施形態によるデバイスを使用して得られた実験的なイメージング結果を示す図である。 本発明の好ましい実施形態によるデバイスを使用して得られた実験的なイメージング結果を示す図である。

このセクションは、好ましい実施形態および図に基づいてさらに詳細に本発明を説明する。類似の参照番号が、本発明の異なる実施形態の全体を通して類似の概念または同じ概念を説明するために使用される。例えば、参照記号１００および２００は、本発明による二次イオン質量スぺクトロメトリデバイスの２つの異なる実施形態をそれぞれ示している。

本明細書において説明される具体的な実施形態に関して説明する特徴は、逆が明示的に述べられない限り他の実施形態の特徴と組み合わせられてもよいことに留意されたい。本技術において一般に知られている特徴は、本発明に特有である特徴に焦点を当てるために明示的には述べられない。例えば、本発明による二次イオン質量スぺクトロメトリデバイスは、電源が図に明示的に言及されていないまたは説明に言及されていないとしても、電源により明らかに電力を供給される。図１は、本発明の第１の実施形態による二次イオン質量スぺクトロメトリ、ＳＩＭＳ、デバイス１００の例示を提供する。ＳＩＭＳデバイスは、画像表現を提供するためにまたは試料１０を分析するために使用される。ＳＩＭＳデバイス１００は、イオンビーム放射面１１２を備えた一次イオン源１１０を備え、このイオンビーム放射面から２つの一次イオンビーム１６２が試料の方向へと放射される。図１の例が２つの一次イオンビームを示しているとは言え、これは例に過ぎない。説明する概念は、一次イオン源から放射されるより多くの一次イオンビームに直接に拡張する。ガイディング手段１２０が、静電レンズにより図示され、この例では２つの一次イオンビーム１６２を試料１０の表面上の２つの対応する点へと集束させるために使用される。試料は、ガイディング手段１２０が適切な図示されていない保持手段により適所に保持されるときに、図示されていない試料ホルダにより保持される。

一次イオン源デバイスは、知られている一次イオン源デバイスにおけるように、主に（Ｃｓ^＋イオンの形態の）セシウムおよび（Ｏ⁻またはＯ_２ ^＋イオンの形態の）酸素を使用するが、任意の他のイオンビームが同様にうまく使用されることがある。一次イオン１６２は、垂直入射からかすり入射までの範囲の任意の入射角で試料１０に当たる。各々のイオンは、典型的に２００ｅＶから４０ｋｅＶまでの範囲であるエネルギーで試料に達する。一次イオンは、試料表面上で様々な現象を発生し、そして特に、一次イオンは表面原子を排出する。結果として、一次ビームは、試料表面にクレータ（ｃｒａｔｅｒ）を徐々に掘り、試料から生じる二次イオン１３０が試料からスパッタされる。ＳＩＭＳデバイスは、適切な収集手段１３５によりこれらの二次イオンを収集し、この収集手段は、好ましい方向へと、例えば、デバイスの質量フィルタリング手段または分析手段に向けて、二次イオンを加速するおよび／またはガイドする電磁場を発生するために構成された電極を使用する、例えば、システムを備える。実際に、ＳＩＭＳデバイスは、さらにその上、二次イオンの質量対電荷比に従って二次イオンをフィルタするための分析手段１４０と、フィルタされた二次イオンを可視化し計数するためのイメージング／検出手段１５０とを備える。検出手段は、例えば、ファラデーカップ、電子増倍器、チャネル電子増倍器、蛍光スクリーンおよび電荷結合デバイス、ＣＣＤ、カメラに結合されたマイクロチャネルプレート、ＭＣＰ、または抵抗型アノードエンコーダもしくは遅延線エンコーダなどのアノード読出しに結合されたＭＣＰを備える本技術において知られた任意のこのような手段であってもよい。

収集手段、フィルタリング手段および検出手段１３５、１４０、１５０は、二次イオンカラムを作り上げる。このような二次イオンカラムは、無収差（ｓｔｉｇｍａｔｉｃ）特性を有するような方法で設計されることがある。すなわち、二次イオンが放射される試料の表面上の各々のエリア、好ましくは点に関して、一意的にマッチングする対応するエリア、好ましくは点が、対応する検出した二次イオンの使用により撮像される。各々の対象点からの情報が、この対象点に対応する一意の画像点に表示される。いくつかのアーキテクチャが、二次イオンカラムの質量フィルタリング手段を現実化するために本技術において知られている。これらは、例えば、飛行時間型システム、または磁気セクタによる二次イオン軌跡を追う静電セクタを備える二重集束磁気セクタスぺクトロメータを含む。これらの良く知られた質量フィルタリングアーキテクチャの機能は、本発明の文脈では詳細には説明されない。

図２ａ−図２ｄは、それぞれ多数の一次イオンビーム２６２、２６２’、２６２ ’ ’および２６２’ ’ ’を発生することができる一次イオン源デバイスの様々な実施形態を示す。図２ａでは、一次イオン源２６０が、第１の一次イオンビーム２６１を発生するために使用され、そして複数のアパーチャを有するアパーチャプレートが、放射面２１２を規定する。これにより、単一の第１の一次イオンビーム２６１が等しい複数の第２の一次イオンビーム２６２へと分割され、これらが次いで図示されていない試料に向けてガイディング手段２２０を使用して向けられる。この実施形態は、単一の一次イオン源および単一の一次イオンカラムを使用する。二次イオンカラムとの類推によって、一次イオンカラムは、光学系に類似し、ここではフォトンがイオンにより置き換えられるだろう。様々なデバイスがビーム伝播に影響を及ぼす：静電レンズ、ダイアフラム、スリット、スティグメータ、および偏向器。

図２ｂでは、一次イオン源２６０’が、第１の一次イオンビーム２６１’を発生するために使用され、そして複数のアパーチャを有するアパーチャプレートが、放射面２１２’を規定する。これにより、単一の第１の一次イオンビーム２６１’が等しい複数の第２の一次イオンビーム２６２’へと分割される。この実施形態は、単一の一次イオン源、および第２の一次イオンビーム２６２’当たり１つで複数の専用の一次イオンカラムを使用し、第２の一次イオンビーム２６２’が次いで図示されていない試料に向けてガイディング手段２２０’を使用して向けられる。

図２ｃでは、複数の一次イオン源２６０’’が複数の第１の一次イオンビーム２６１’’を発生するために使用される。この実施形態は、第１の一次イオンビーム２６１’’当たり１つで複数の専用の一次イオンカラムを使用する。複数の一次イオンカラムが、放射面２１２’’を規定し、そして第２の一次イオンビーム２６２’’が第１の一次イオンビーム２６１’’に対応する。ビームは次いで図示されていない試料に向けてガイディング手段２２０’’を使用して向けられる。

図２ｄでは、複数の一次イオン源２６０’’’が複数の第１の一次イオンビーム２６１’’’を発生するために使用され、これが次いで、共通放射面２１２’’を規定する単一の一次イオンカラムへと供給される。第２の一次イオンビーム２６２’’’は第１の一次イオンビーム２６１’’’に対応する。ビームは次いで図示されていない試料に向けてガイディング手段２２０’’’を使用して向けられる。この実施形態は、複数の一次イオン源および単一の一次イオンカラムを使用する。

図３は、知られている単一の一次イオンビーム源と比較して、図２に与えられた実装形態のうちのいずれかによる一次イオンビームデバイスを使用する利点を示す。図３ａでは、正方形試料が知られている単一の一次イオンビーム源によってスキャンされる。一次イオンビームは、最初に左上に向けられ、そして試料の全ての表面をスキャンするために右下まで曲がりくねって下がる。比較で、図３ｂは、先の図に示したように、同じ試料表面上で、平行で同時に多数の一次イオンビーム１６２、２６２、２６２’、２６２’’または２６２’’’をスキャンすることの効果を示す。各々の一次ビームは、ビーム間の相対的な距離が保たれながら試料のより小さなエリアをスキャンする。明らかに、スキャン時間は、係数Ｎだけ短縮され、ここでＮは一次ビームの数である。

図４では、本発明によるＳＩＭＳデバイス２００のもう１つの実施形態が示される。一次イオンビームデバイス２１０は、図２ａに示した一般的なアーキテクチャにしたがう。一次イオンビームデバイス２１０は、単一の第１の一次イオンビーム２６１を発生するための１つの一次イオン源２６０、およびこの非限定的な例では、２つのアパーチャまたはスルーホール２１４を備えるアパーチャプレート２１２を備える。配置は、第１の一次イオンビーム２６１がアパーチャプレート２１４の裏側を均一に照明するようなものである。これにより、各々のアパーチャ２１４の像が、試料１０の方向にそのように発生した第２の一次イオンビーム２６２により投影される。各々のアパーチャ２１４は、１つの第２の一次ビーム２６２を生じさせる。アパーチャプレートは、デバイス２００の動作中にアパーチャが受けるイオン照射を考慮して耐久性を提供する材料で好ましく作られる。アパーチャは、例えば、モリブデン、タンタル、またはタングステンで作られてもよい。ガイディング手段２２０が、静電レンズにより図示され、これはこの例では、２つの一次イオンビーム２６２を試料１０の表面上の２つの対応する点へと集束させるために使用される。ガイディング手段２２０が適切な図示されていない保持手段により適所に保持されるときに、試料は、図示されていない試料ホルダにより保持される。ＳＩＭＳデバイスは、適切な収集手段２３５によりこれらの二次イオンを収集する。ＳＩＭＳデバイスは、二次イオンの質量対電荷比に従って二次イオンをフィルタするための分析手段２４０と、フィルタされた二次イオンを可視化しそして計数するためのイメージング／検出手段２５０とをさらに備える。検出手段は、例えば、ファラデーカップ、電子増倍器、チャネル電子増倍器、蛍光スクリーンおよび電荷結合デバイス、ＣＣＤ、カメラに結合されたマイクロチャネルプレート、ＭＣＰ、または抵抗型アノードエンコーダもしくは遅延線エンコーダなどのアノード読出しに結合されたＭＣＰを含め、本技術において知られている任意のこのような手段であってもよい。

アパーチャプレートのアパーチャが小さいほど、試料上の各々の一次イオンビームの直径が小さく、これゆえ、イメージングに関する分解能が高い。この手法を採用することにより、１００ｎｍ以上良好な分解能が実現された。好ましくは、高輝度イオン源、すなわち、小さな仮想イオン源サイズおよび大きな放射電流を有するイオン源、小さなアパーチャ、すなわち、１００μｍよりも小さな直径を有するアパーチャ、および限定された収差しか持たない高度な集束光学系が使用されることがある。

異なるイメージング分解能が、異なる直径のアパーチャを有する異なるアパーチャプレートを採用することにより実現されることがある。試料を照明するために異なる複数の密に配置された一次イオンビームを有する様々なイメージングのセットアップが、これゆえ同じ計測器を使用して実現可能であり、単一の一次イオンカラムを特徴づける。

図５は、図２ａに示した一般的なアーキテクチャにしたがう一次イオンビームデバイス３１０のもう１つの実施形態を示す。一次イオンビームデバイス３１０は、単一の第１の一次イオンビーム３６１を発生するための１つの一次イオン源３６０と、この非限定的な例では、９個のアパーチャまたはスルーホール３１４を備えるアパーチャプレート３１２とを備える。配置は、第１の一次イオンビーム３６１がアパーチャプレート３１４の裏側を均一に照明するようなものである。これにより、各々のアパーチャ３１４の像が、試料１０の方向にこのように発生された第２の一次イオンビーム３６２により投影される。各々のアパーチャ３１４が、１つの第２の一次ビーム３６２を生じさせる。ガイディング手段３２０は、この例では９個の一次イオンビーム３６２を試料１０の表面上の９個の対応する点の上へと集束させるために使用される静電レンズを備える。試料は、図示されていない試料ホルダにより保持される。ガイディング手段３２０は、電場を発生するための偏向板３２２をさらに備える。電場は、試料１０上の関心のあるエリアの上へと第２の一次イオンビーム３６２の位置を決めそして所定のパターンに従って関心のあるこのエリアの全体にわたり第２の一次イオンビーム３６２をスキャンするために制御ユニット３２４によって制御される。制御ユニットは、例えば、ソフトウェアプログラムにより構成されて、説明された特徴を提供し、前記偏向板３２２と機能的にインタフェースされる中央処理装置、ＣＰＵ、を備える。これは、試料の表面上で、平行で同時にビームをスキャンすることを可能にする、多数のビーム３６２の方向を制御するための１つの非限定な方法を示す。

以下では、実験セットアップの説明が、本発明のさらなる非限定的な例の実施形態により与えられる。知られている単一ビームＳＩＭＳデバイスは、図２ａのアーキテクチャに従ってマルチホールアパーチャプレートを含むように変更された。当然のことながら、本発明は、このような変更された既存のスぺクトロメータデバイスに限定されない。Ｃａｍｅｃａ（ＴＭ） ＩＭＳ ＸＦ計測器は、ＳＩＭＳイメージングにおいてマルチイオンビームの概念実証を行うために特に便利であり、その理由はこれらが通常独立に実装される動作の２つのモード：マルチスコープモードおよびマイクロプローブモードを有するためである。マイクロプローブモードでは、精細に集束された一次ビーム（数百ｎｍから数μｍ）が、試料表面にわたりラスタされ、一方でスぺクトロメータを通して送られた二次イオンが一次ビームの位置とともに電気的に相関され、そしておよそプローブサイズの空間分解能を有する画像が得られる。マルチスコープモードでは、一次ビームは、はるかに広く（４０μｍ以上）、すべての点が、視野、ＦＯＶ、内でリアルタイムで同時に撮像され、取得時間を極めて速くする。画像分解能は、マイクロプローブモードでの分解能よりも低い二次光学系により限定される。

同時に両方のモードを組み合わせると、新たなハイブリッドモードが作り出され、これがマルチホールアパーチャプレートを用いてマルチイオンビーム系を発生することを可能にする。マルチスコープモードを使用することにより、一次光学系が、ケラー照明モードに調整され、試料の上にマルチホールアパーチャの像を作る。複数の第２の一次イオンビームが、これゆえ作り出され、そして試料にガイドされ、第２の一次イオンビームの数Ｎがマルチホールアパーチャプレートの穴の数Ｎに対応する。加えて、無収差の二次光学系は、位置感度のある検出器、例えば、蛍光スクリーン、ＣＣＤカメラ、抵抗型アノードエンコーダ、遅延線検出器、または類似物などの適切な読出し手段に結合されたＭＣＰ上に、複数の一次イオンビームによる照射に起因して試料により放射される複数の二次イオンビームを集束させ、これが試料により空間に放射される各々の質量フィルタされた二次イオンビームの寄与を再現する。マイクロプローブ能力は、ビームラスタの機能を提供し、それで一次光学系内で発生されそして試料上に集束されたマルチイオンビームが、１つのマイクロプローブと正確に同じ方法で、同時に試料の上でスキャンされることがある。

マルチスコープモードがオンであるときには、アパーチャプレートが均一に照明され（ケラー照明）、アパーチャの縮小された像が、試料上へと投影される。単純な円形の穴を有する標準的なアパーチャがいくつかの小さな穴を有するアパーチャプレートにより置き換えられる場合には、マイクロプローブモードのように、試料にわたりスキャンされ得るいくつかのマイクロビームが発生され、試料の上に集束される。

セットアップは、標準ＭＣＰおよび高速ディジタルカメラに結合された蛍光スクリーンを備える変更した検出システムを有するＣａｍｅｃａ（ＴＭ） ＩＭＳ ４Ｆ／６Ｆ計測器から成る。カメラは、ＥＯ Ｅｄｍｕｎｄ（ＴＭ）製の、モデルＥＯ−０８１３Ｃ １／３２２ＣＣＤカラーＵＳＢカメラ（１／３”、１０２４ピクセル、４．６５×４．６５μｍのピクセルのサイズ、８ビットピクセル深度、１−３０ｆｐｓ、０．８メガピクセルの分解能）である。カップリングレンズは、直径２５ｍｍ、１：１．３（ｆｓｔｏｐ＝１／３）のＣｏｍｐｕｔａｒ（ＴＭ） ＴＶレンズである。検出システムは、その時にはＭＣＰ／ＦＳに加えてレンズ／カメラの組合せである。１５０μｍＦＯＶに対してＭＣＰ／ＰＳシステムの固有の分解能は、４００ｎｍである。ダイナミックレンジは、２５６であり、８ビットカメラにより限定される。システムの効率は、５０％よりも小さく、ＭＣＰ有用エリアにより主に限定される。

このシステムで変えられることがあるパラメータは、マイクロチャネルプレートに印加される電位、およびカメラのセッティング、例えば、時間フレーム、カラーマネージメント、等である。この検出システムを用いた画像の取得は、短い時間フレーム（３０ｆ／ｓ）からより長い露出（１ｆ／ｓ）まで変わり得る。二次イオンの高いフルエンスのために、第１の選択肢は、物理的な現象を極めて正確に表現するが、二次電流が１０^４ｃ／ｓ未満であるときには、時間露出が各々のピクセルの情報を十分に蓄積するためにより長くされるべきであり、画像が完全に再現され得る。しかしながら、画像の各々のピクセルの時間露出を大きくするためのもう１つの方法は、ラスタ周波数を変更することである。標準ＩＭＳ ４Ｆ／６Ｆは、２０ｋＨｚまたは２ｋＨｚの間で選択する可能性がある。例えば、フレームレートを最小にすること、１秒の露出時間、およびより低いスキャニング周波数（２ｋＨｚ）を使用すること、カメラの緑のコントラストを高めること、およびマイクロチャネルプレートのゲインを大きくすることにより、毎秒数千カウントで濃く明瞭な画像を撮ることが可能である。

マルチホールアパーチャの設計に関係するケラー照明におけるビームの主パラメータは、ビームの均一性および強度である。

実験は、Ｃａｍｅｃａ ＩＭＳ ４Ｆで行われ、そこではケラー照明モードでデュオプラズマトロン（Ｄｕｏｐｌａｓｍａｔｒｏｎ）源から来る酸素ビーム（Ｏ_２ ^＋）を特徴づけることが可能であった。イオンは、１０ｋＶで引き出され、試料ホルダが４．５ｋＶでバイアスされ、したがって試料上でのイオンの衝撃エネルギーは、５．５ｋｅＶであった。Ｃａｍｅｃａ ＩＭＳ ＸＦ計測器においてケラー照明を得るための標準プロセスは、電流を最適化する一次カラムのアライメントおよび後に、カラムの中央レンズの電圧をゼロに低下させそしてアパーチャを整列することを必要とする。中央レンズがオフにされると、中間画像が発生されず、線はアパーチャプレートまで擬似平行のままであり、したがってアパーチャの像がガイディング手段を実装している集束レンズを用いて被検査物の上に生成される。わずかに動かすことにより、集束レンズの電圧は、ある範囲内でビーム直径を調節することが可能である。（ポジティブモードにおいて）イマージョンレンズにより引き出されるスパッタされた二次イオンは、チャネルプレート上にスぺクトロメータを通して集束され、試料の拡大された画像がスクリーン上で観察される。

Ｃａｍｅｃａ計測器の標準アパーチャは、通常モリブデンで作られ、薄い金箔またはＣｕＢｅ箔により守られたダイアフラムホルダ上に据え付けられたあるプロファイルを有する円形アパーチャから成る。

アパーチャホルダへと導入されたアパーチャは、ステンレス鋼の単一の薄い箔に設計され、１番目は２００μｍのアパーチャであり、２番目は５０μｍ直径の９個の穴を有し、中心間で１５０μｍ離れた３×３の行列に配置されたマルチホールアパーチャであり、３番目のものは２０μｍ直径の９個の穴を有し、中心間で１００μｍ離れた３×３の行列にやはり配置されている。考慮すべきパラメータは、イオンのスキャッタリングを回避するためのアパーチャ直径と箔の厚さとの間の比率である。標準アパーチャは、１：１の比率を有する。穴のサイズは、先の測定を考慮して、スクリーン上の画像を見るために十分な電流があることを確実にするように選択された。

Ｃａｍｅｃａ ＩＭＳ ４Ｆに加えて、マルチホールアパーチャが、マルチイオンビームＳＩＭＳイメージングの概念実証を完結させるためにＣａｍｅｃａ ＩＭＳ ６Ｆにも据え付けられた。アパーチャは、１０ｋＶで引き出されたセシウムビームを用いたケラーモードで照明され、そして試料ホルダが４．５ｋＶで常にエネルギーを与えられ、したがって、イオンの平均エネルギーは５．５ｋｅＶであった。異なるアパーチャを有するグリッドの像が、０から５０×５０μｍ^２までのラスタサイズに対して^１３３Ｃｓ^＋二次イオンを検出するように調整されたスぺクトロメータを用いて取得され、そしてクレータが、プロファイルメータを用いて後に分析されたＩｎＰ中のアパーチャの３つのセットに対して作られた。

図６ａは、ラスタが１５×１５μｍ^２であったときの、説明された実験セットアップを使用してＭＣＰ検出器の後ろのＣＣＤカメラで得られた画像を示す。この例では、サイズ２０μｍの９個のアパーチャを有するアパーチャプレートが、^１３３Ｃｓ^＋を検出するＡｌＣｕグリッドを撮像するために使用された。一次イオン電流は２０ｐＡであり、二次イオン電流は２×１０^３ｃ／ｓであった。ラスタサイズは、１８μｍに等しい試料上のスポット間の距離よりも小さく、これが、輝点間の（二次イオン信号がない）暗黒空間を説明する。図６ｂは、９個の一次イオンビームに曝されたエリアのプロファイルメータによる測定であり、９個の正方形クレータを示している。両方の図は、９個のビームを用いたラスタが、１つのビームのようにまったく同じに働くこと、そしてクレータが平坦な底部を有する正方形であることを示している。ラスタサイズが大きくなるにつれ、試料のエリアは、完全に覆われるようになり、そしてＡｌＣｕグリッドの像がスクリーン上に得られる。

結果は、マルチイオンビームが、完全な計測器、一次光学系および二次光学系をわたって成功裏に送られることを示している。アパーチャプレート内のアパーチャの実際の数、ならびにそれらの寸法が、それらの使用を見出す用途に依存することに留意されたい。これらのパラメータは、本発明の範囲から逸脱せずに当業者により定められてもよい。

本発明の範囲内の様々な変更および修正が当業者には明らかであるので、具体的な好ましい実施形態の詳細な説明が、単に例示として与えられることが理解されるはずである。保護の範囲は、以下の特許請求の範囲のセットにより規定される。

Claims (13)

1. 一次イオンビームデバイス（１１０、２１０、３１０）と、試料（１０）が複数の一次イオンビーム（１６２、２６２、３６２）により衝撃を与えられたことに起因して試料から放たれた二次イオン（１３０、２３０）を収集し（１３５、２３５）、質量フィルタリングし（１４０、２４０）、続いて検出する（１５０、２５０）ための手段とを備える二次イオン質量スぺクトロメータ（１００、２００）であって、
   一次イオンビームデバイス（１１０、２１０、３１０）が、第１の一次イオンビーム（２６１、３６１）を発生するための１つの一次イオン源（２６０、３６０）と、少なくとも２つのアパーチャ（２１４、３１４）を備えるアパーチャプレート（２１２、３１２）とを備え、配置が、第１の一次イオンビームが試料上に各々のアパーチャの像を投影し、これにより各々のアパーチャ（２１４、３１４）に対して１つの第２の一次イオンビーム（２６２、３６２）を発生するようなものであること、およびスぺクトロメータが各々の第２の一次イオンビーム（２６２、３６２）を前記試料上の別個の場所へガイドするための手段を備えることを特徴とする、二次イオン質量スぺクトロメータ。
2. 前記アパーチャプレートが、第１の一次イオンビームの伝播方向に垂直である平面内に広がる、請求項１に記載のスぺクトロメータ。
3. 前記一次イオンビームデバイスが、前記アパーチャプレートの均一なイオンビーム照明を行うように構成される、請求項１または２に記載のスぺクトロメータ。
4. 前記アパーチャプレート内のアパーチャが、相互に等距離である、請求項１から３のいずれか一項に記載のスぺクトロメータ。
5. 前記アパーチャの直径が、１００μｍよりも小さい、請求項１から４のいずれか一項に記載のスぺクトロメータ。
6. 前記一次イオンビームガイディング手段が、少なくとも１つのレンズを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のスぺクトロメータ。
7. 前記一次イオンビームガイディング手段が、各々の第２の一次イオンビームに対して１つのレンズを備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のスぺクトロメータ。
8. 前記ガイディング手段が、試料のエリア上で一次イオンビームをスキャンするために構成される、請求項１から７のいずれか一項に記載のスぺクトロメータ。
9. ガイディング手段（２３０）が、前記イオンビームの軌跡に衝撃を与える少なくとも１つの電場を発生するように構成された偏向器プレート（３２２）のセットを備え、電場の強度および方向は前記イオンビームの偏向を決定し、ガイディング手段が、試料の前記エリア上に前記イオンビームの所定のスキャニングパターンを発生するために、前記電場の強度および方向を決定するための制御ユニット（３２４）をさらに備える、請求項８に記載のスぺクトロメータ。
10. スぺクトロメータが、二重集束磁気セクタスぺクトロメータであり、質量フィルタリング手段が静電セクタと磁気セクタとを備える、請求項１から９のいずれか一項に記載のスぺクトロメータ。
11. スぺクトロメータが、飛行時間型スぺクトロメータである、請求項１から９のいずれか一項に記載のスぺクトロメータ。
12. 検出手段が、ファラデーカップ、電子増倍器、チャネル電子増倍器、蛍光スクリーンおよび電荷結合デバイス、ＣＣＤ、カメラに結合されたマイクロチャネルプレート、ＭＣＰ、または抵抗型アノードエンコーダもしくは遅延線エンコーダなどのアノード読出しに結合されたＭＣＰのうちのいずれかを備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のスぺクトロメータ。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の二次イオン質量スぺクトロメータを使用して試料の表面の画像を得るための方法であって、以下のステップ、
    − 前記少なくとも２つの一次イオンビームを前記試料の表面上の少なくとも２つの対応する場所の第１のセットへ向けるステップ、
    − 前記検出手段を使用して、前記試料の表面上の少なくとも２つの場所の第１のセットの表現を得、メモリ素子に前記表現を記憶するステップ、
    − 前記少なくとも２つの一次イオンビームを前記試料の表面上の少なくとも２つの対応する場所の第２のセットへ向けるステップ、
    − 前記検出手段を使用して、前記試料の表面上の少なくとも２つの場所の第２のセットの表現を得、メモリ素子に前記表現を記憶するステップ、
    − 前記試料の表面上の所定のエリアの表現が得られ、記憶されるまで先のステップを繰り返すステップ
    を含む、方法。

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