JP6165110B2 - Charged particle beam system - Google Patents

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    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
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Description

本開示は、荷電粒子ビームシステム、荷電粒子ビームシステム用の荷電粒子源、特にガス電界イオン源及び荷電粒子ビームシステムの作動方法に関する。   The present disclosure relates to charged particle beam systems, charged particle sources for charged particle beam systems, in particular gas field ion sources and methods of operating charged particle beam systems.

荷電粒子源、荷電粒子システム、及び荷電粒子システム及び荷電粒子源の作動方法は、試料特性の計測又は同定を含む多様な用途、又は試料の調整に用いることが可能である。荷電粒子源は一般的に、荷電粒子ビームシステムの構成部品により、試料上に入射するよう方向付け可能な荷電粒子を生成する。試料と荷電粒子ビームとの相互作用による生成物を検出することで、試料像を生成可能又は試料特性を同定可能である。   Charged particle sources, charged particle systems, and methods of operating charged particle systems and charged particle sources can be used for a variety of applications, including sample property measurement or identification, or for sample preparation. A charged particle source typically generates charged particles that can be directed to be incident on a sample by components of a charged particle beam system. By detecting a product resulting from the interaction between the sample and the charged particle beam, a sample image can be generated or the sample characteristics can be identified.

以下の文献は、本開示と何らかの関連性がある先行技術を含んでいる。 The following documents contain prior art that has some relevance to the present disclosure.

欧州特許出願公開第2088613号明細書European Patent Application No. 2088613 欧州特許出願公開第2182542号明細書European Patent Application Publication No. 2218542 米国特許出願公開第2012119086号明細書US Patent Application Publication No. 2012119086 欧州特許出願公開第2068343号明細書European Patent Application No. 2068343 欧州特許出願公開第2110843号明細書European Patent Application No. 2110843 米国特許出願公開第2012132802号明細書US Patent Application Publication No. 2012132802 米国特許出願公開第2012199758号明細書US Patent Application Publication No. 2012199758 国際公開第2007067310号パンフレットInternational Publication No. 2007067310 Pamphlet 国際公開第08152132パンフレットInternational Publication No. 08152132 Pamphlet

第1態様によれば、本開示は荷電粒子ビームシステムに関する。荷電粒子ビームシステムは荷電粒子ビーム源と、荷電粒子カラムと、試料チャンバと、荷電粒子カラム、荷電粒子ビーム源及び試料チャンバの内部又はそれらのいずれか1つに配置された複数の電動装置と、電気的な交流電圧力を電気的な直流電圧に変換する少なくとも1つの第1変換器とを有する。第1変換器は、荷電粒子ビーム源、荷電粒子カラム及び前記荷電粒子チャンバの何れかから距離をおいて配置され、複数の電動装置の全ての素子は、荷電粒子ビーム源が作動している間に作動される場合、変換器から供給される直流電圧によりもっぱら動力供給されるよう構成される。   According to a first aspect, the present disclosure is directed to a charged particle beam system. The charged particle beam system includes a charged particle beam source, a charged particle column, a sample chamber, a plurality of electric devices disposed in or inside the charged particle column, the charged particle beam source and the sample chamber, And at least one first converter for converting an electrical AC voltage force into an electrical DC voltage. The first transducer is disposed at a distance from any one of the charged particle beam source, the charged particle column, and the charged particle chamber, and all the elements of the plurality of electric devices are operated while the charged particle beam source is operating. When operated, the power supply is configured exclusively by a DC voltage supplied from the converter.

1つの実施形態において、第1変換器と、荷電粒子ビーム源、荷電粒子カラム及び試料チャンバの各々との間の最短距離は、少なくとも2メートルとする。   In one embodiment, the shortest distance between the first transducer and each of the charged particle beam source, charged particle column, and sample chamber is at least 2 meters.

更なる実施形態において、システムは更に第2変換器を有する。第2変換器は荷電粒子源に印加される高電圧を提供するよう構成され、第2変換器は第1変換器の出力直流電圧を前記高電圧に変換する。   In a further embodiment, the system further comprises a second transducer. The second converter is configured to provide a high voltage applied to the charged particle source, and the second converter converts the output DC voltage of the first converter to the high voltage.

また更なる実施形態において、荷電粒子ビームシステムは更に、試料チャンバと、その上に試料チャンバが位置する高質量を有するテーブルと、テーブルとテーブルがその上に位置する床との間の第1防振システムと、前記テーブルと前記試料チャンバとの間に配置された第2防振システムとを有する。第1機械式真空ポンプは前記テーブルに配置可能であり、少なくとも1つのフレキシブルベローを経て、第1真空領域に接続可能である。   In still further embodiments, the charged particle beam system further includes a first barrier between the sample chamber, the high mass table on which the sample chamber is located, and the table and the floor on which the table is located. And a second vibration isolation system disposed between the table and the sample chamber. The first mechanical vacuum pump can be disposed on the table and can be connected to the first vacuum region via at least one flexible bellows.

また更なる実施形態において、少なくとも1つのフレキシブルベローは、第1フレキシブルベロー部と、第2フレキシブルベロー部と、第1フレキシブルベロー部と第2フレキシブルベロー部との間の硬質管又はフランジとを有する。   In still further embodiments, the at least one flexible bellows includes a first flexible bellows portion, a second flexible bellows portion, and a rigid tube or flange between the first flexible bellows portion and the second flexible bellows portion. .

また更なる実施形態において、テーブルは石又はコンクリート製のプレートを有する。   In a still further embodiment, the table has a stone or concrete plate.

また更なる実施形態において、粒子源はガス電界イオン源を有する。   In still further embodiments, the particle source comprises a gas field ion source.

また更なる実施形態において、荷電粒子ビーム源は希ガス電界イオンビーム源であり、荷電粒子ビームシステムは、更に第1真空領域及び第2真空領域を規定するハウジングを有する。希ガス電界イオンビーム源は第1真空領域内に配置される。第1機械式真空ポンプは機能的に第1真空領域に接続される。イオンゲッタポンプは荷電粒子ビームカラムに、ガス供給系は第1真空領域に接続可能である。ガス供給系は希ガスを希ガス電界イオンビーム源に供給するよう構成可能である。   In still further embodiments, the charged particle beam source is a noble gas field ion beam source, and the charged particle beam system further includes a housing defining a first vacuum region and a second vacuum region. A noble gas field ion beam source is disposed in the first vacuum region. The first mechanical vacuum pump is functionally connected to the first vacuum region. The ion getter pump can be connected to the charged particle beam column, and the gas supply system can be connected to the first vacuum region. The gas supply system can be configured to supply a rare gas to a rare gas field ion beam source.

また更なる実施形態において、荷電粒子ビームカラムは、第1真空領域と第1真空領域に隣接する試料チャンバとの間に位置する。   In yet further embodiments, the charged particle beam column is located between the first vacuum region and the sample chamber adjacent to the first vacuum region.

更なる実施形態において、荷電粒子ビームシステムは更に制御部を有し、制御部は、希ガス電界イオンビーム源がイオンビームを生成する場合にイオンゲッタポンプをスイッチオフするよう構成される。   In a further embodiment, the charged particle beam system further comprises a controller configured to switch off the ion getter pump when the noble gas field ion beam source generates the ion beam.

また更なる実施形態において、制御部は更に、第1真空領域内の圧力が規定の圧力値を下回った場合にのみイオンゲッタポンプをスイッチオンするよう構成される。   In still further embodiments, the controller is further configured to switch on the ion getter pump only when the pressure in the first vacuum region falls below a specified pressure value.

また更なる実施形態において、荷電粒子ビームシステムは更にヒータ及び制御部を有する。制御部は、イオンゲッタポンプから希ガスの原子を放出すべくヒータを加熱するよう構成される。   In still further embodiments, the charged particle beam system further comprises a heater and a controller. The controller is configured to heat the heater to release noble gas atoms from the ion getter pump.

また更なる実施形態において、荷電粒子ビームシステムは更に、前記イオンゲッタポンプが前記荷電粒子ビームシステムと接続されたフランジ、該フランジ内で前記イオンゲッタポンプと前記荷電粒子ビームカラムとの間に配置された弁とを有する。   In yet a further embodiment, the charged particle beam system further includes a flange in which the ion getter pump is connected to the charged particle beam system, and the ion getter pump is disposed between the ion getter pump and the charged particle beam column in the flange. And have a valve.

また更なる実施形態において、荷電粒子ビームは更に第1ハウジングを有する。第1ハウジング内には、荷電粒子ビーム源、試料チャンバの内部に移動可能に配置された試料ステージ、荷電粒子ビーム源と試料ステージとの間に配置されたイオン光学系及び開口板が配置される。第1ハウジングは、試料チャンバの管状部分に直接取り付け可能であり、管状部分は試料チャンバの一体部分を形成可能である。イオン光学系及び開口板は、前記管状部分の内部に取り付け可能である。   In still further embodiments, the charged particle beam further has a first housing. In the first housing, a charged particle beam source, a sample stage movably arranged inside the sample chamber, an ion optical system and an aperture plate arranged between the charged particle beam source and the sample stage are arranged. . The first housing can be directly attached to the tubular portion of the sample chamber, and the tubular portion can form an integral part of the sample chamber. The ion optical system and the aperture plate can be attached to the inside of the tubular portion.

また更なる実施形態において、荷電粒子ビームシステムは更に、荷電粒子源が内部に配置された第1ハウジングを有する。第1ハウジングは、可傾マウントの第1部分及び光軸を規定する荷電粒子光学部品を有する第2ハウジングを有する。第2ハウジングは可傾マウントの第2部分を有する。第2部分は、第1ハウジングを第2ハウジングに対して傾斜可能とすべく、可傾マウントの第1部分に対応可能であるよう構成される。可傾マウントの第1部分及び第2部分は、空気軸受を形成するよう構成可能である。第1ハウジングを第2ハウジングに対して傾斜運動可能とさせるモータ駆動が提供可能である。また、モータ駆動及び空気軸受への空気供給を制御すべく構成可能なコントローラを装備可能である。   In still further embodiments, the charged particle beam system further comprises a first housing having a charged particle source disposed therein. The first housing has a second housing having a first portion of the tiltable mount and a charged particle optic defining an optical axis. The second housing has a second portion of the tiltable mount. The second portion is configured to accommodate the first portion of the tiltable mount to allow the first housing to tilt relative to the second housing. The first and second portions of the tiltable mount can be configured to form an air bearing. A motor drive can be provided that allows the first housing to tilt relative to the second housing. It can also be equipped with a controller that can be configured to control motor drive and air supply to the air bearing.

また更なる実施形態において、荷電粒子ビームシステムは更に計測装置を有する。計測装置は、第1ハウジングの第2ハウジングに対する傾斜位置を計測し、記憶するよう構成される。 In still further embodiments, the charged particle beam system further comprises a measurement device. The measuring device is configured to measure and store the tilt position of the first housing relative to the second housing.

また荷電粒子ビームシステムの更なる実施形態において、コントローラはモータ駆動による第1ハウジングの傾斜運動を制御し、前もって記憶された傾斜位置にホルダを整復するよう構成可能である。 Also in a further embodiment of the charged particle beam system, the controller can be configured to control the tilting movement of the first housing driven by a motor and to reduce the holder to a previously stored tilt position.

また荷電粒子ビームシステムの更なる実施形態において、コントローラは更に、計測装置により、前もって記憶された傾斜位置に達しているとの信号が提供された場合、空気軸受への空気供給を停止するよう構成可能である。   In a further embodiment of the charged particle beam system, the controller is further configured to stop the air supply to the air bearing when the measurement device provides a signal that a pre-stored tilt position has been reached. Is possible.

また更なる実施形態において、荷電粒子ビームシステムは更に、モータ駆動で作動可能に構成された移動可能なペグを有する。レセプタクルは第1ハウジングに接続可能であり、ペグは該レセプタクルに接触するよう構成される。コントローラは更に、空気軸受への空気供給がスイッチオフされた場合、モータ駆動をペグとレセプタクルとの間の接触を解く方向に駆動するよう構成可能である。   In yet further embodiments, the charged particle beam system further comprises a movable peg configured to be motor driven. The receptacle is connectable to the first housing and the peg is configured to contact the receptacle. The controller can be further configured to drive the motor drive in a direction that releases the contact between the peg and the receptacle when the air supply to the air bearing is switched off.

また更なる実施形態において、荷電粒子ビームシステムは更に、1つ以上のガス類を荷電粒子ビーム源へと供給するガス供給系を有する。ガス供給系はリーク弁を有し、このリーク弁を介して一定のガス流量が提供される。リーク弁に作用して、このリーク弁を介して一定のガス流量を変更するよう構成されたアクチュエータを装備可能であり、及び荷電粒子ビーム源におけるガス圧を計測し、出力信号を生成するよう構成されたセンサを装備可能である。コントローラはアクチュエータの動きを制御し、リーク弁を介して前記センサの出力信号に基づいてガス流量を変更するよう構成可能である。またコントローラは更に、ユーザの特定の相互作用の後でのみアクチュエータの動きを制御するよう構成可能である。   In yet further embodiments, the charged particle beam system further comprises a gas supply system that supplies one or more gases to the charged particle beam source. The gas supply system has a leak valve, and a constant gas flow rate is provided through the leak valve. Actuates a leak valve and can be equipped with an actuator configured to change a constant gas flow rate through the leak valve, and measures the gas pressure in the charged particle beam source and generates an output signal Can be equipped. The controller can be configured to control the movement of the actuator and change the gas flow rate based on the output signal of the sensor via a leak valve. The controller can also be configured to control the movement of the actuator only after a specific user interaction.

本発明の別の態様は荷電粒子ビームシステムに関し、荷電粒子ビームシステムは、荷電粒子ビーム源、荷電粒子ビームカラム、試料チャンバ、高質量を有し、その上に試料チャンバが位置するテーブル、テーブルとテーブルがその上に位置する床との間の第1防振システム、前記テーブルと前記試料チャンバとの間に配置される第2防振システム、試料チャンバ、荷電粒子源及び荷電粒子カラムの少なくとも1つに機能的に接続される、少なくとも1つの真空ポンプを有する。少なくとも1つの真空ポンプは前記テーブルに配置可能である。真空ポンプは、試料チャンバ、荷電粒子源及び荷電粒子カラムの少なくとも1つに、少なくとも1つのフレキシブルベローを介して接続可能である。   Another aspect of the present invention relates to a charged particle beam system, the charged particle beam system having a charged particle beam source, a charged particle beam column, a sample chamber, a high mass on which the sample chamber is located, a table, and At least one of a first anti-vibration system between the table on which the table is located, a second anti-vibration system disposed between the table and the sample chamber, a sample chamber, a charged particle source and a charged particle column; Having at least one vacuum pump operatively connected to one. At least one vacuum pump can be disposed on the table. The vacuum pump is connectable to at least one of the sample chamber, charged particle source, and charged particle column via at least one flexible bellows.

本発明の別の態様は荷電粒子ビームシステムに関し、荷電粒子ビームシステムは、荷電粒子ビーム源、荷電粒子源が内部に取り付けられた第1ハウジング、第2ハウジングを有する試料チャンバ、試料チャンバの内部に移動可能に配置された試料ステージ、荷電粒子ビーム源と試料ステージとの間に位置するイオン光学系及び開口板を有する。第1ハウジングは、第2ハウジングの管状部分に直接取り付け可能であり、管状部分は第2ハウジングの一体部分を形成可能である。イオン光学系及び開口板は、管状部分の内部に取り付け可能である。   Another aspect of the present invention relates to a charged particle beam system, the charged particle beam system including a charged particle beam source, a first housing in which the charged particle source is mounted, a sample chamber having a second housing, and an interior of the sample chamber. A sample stage movably arranged, an ion optical system positioned between the charged particle beam source and the sample stage, and an aperture plate are included. The first housing can be directly attached to the tubular portion of the second housing, and the tubular portion can form an integral part of the second housing. The ion optical system and the aperture plate can be attached to the inside of the tubular portion.

本発明の別の態様は荷電粒子ビームシステムに関し、荷電粒子ビームシステムはチップ頂点部を有する導電性チップ及び導電性チップを把持するホルダを有する。ホルダは可傾マウントの第1部分を有することが可能である。光軸を規定する荷電粒子光学部品を有するハウジングは、可傾マウントの第2部分を有することが可能である。第2部分は、ホルダをハウジングに対して傾斜可能とすべく、可傾マウントの第1部分に対応して構成される。可傾マウントの第1部分及び第2部分は、空気軸受を形成するよう構成可能である。ホルダにハウジングに対する傾斜運動を与えるよう構成されたモータ駆動は、モータ駆動及び空気軸受への空気供給を制御すべく構成されたコントローラも装備可能である。   Another aspect of the present invention relates to a charged particle beam system, the charged particle beam system having a conductive tip having a tip apex and a holder for holding the conductive tip. The holder can have a first portion of a tiltable mount. The housing with the charged particle optic defining the optical axis can have a second portion of the tiltable mount. The second portion is configured to correspond to the first portion of the tiltable mount so that the holder can be tilted with respect to the housing. The first and second portions of the tiltable mount can be configured to form an air bearing. The motor drive configured to provide the holder with a tilting motion with respect to the housing can also be equipped with a controller configured to control the motor drive and the air supply to the air bearing.

本発明の別の態様はガス電界イオン源に関し、ガス電界イオン源はハウジング、ハウジングの内部に配置され導電性チップ、1つ以上のガス類をハウジングへと供給するガス供給系を有する。ガス供給系はリーク弁を有し、このリーク弁を介して一定のガス流量が提供される。更に、リーク弁に作用して、このリーク弁を介して一定のガス流量を変更するよう構成されたアクチュエータを装備可能である。更に、ハウジング内のガス圧を計測し、出力信号を生成するよう構成されたセンサ、リーク弁を介して該センサの出力信号に基づいてガス流量を変更すべく、アクチュエータの動きを制御するよう構成されたコントローラを装備可能である。コントローラは、ユーザの特定の相互作用の後でのみアクチュエータの動きを制御するよう構成可能である。   Another aspect of the present invention relates to a gas field ion source, which includes a housing, a conductive chip disposed within the housing, and a gas supply system for supplying one or more gases to the housing. The gas supply system has a leak valve, and a constant gas flow rate is provided through the leak valve. Furthermore, an actuator configured to act on the leak valve and change a constant gas flow rate through the leak valve can be provided. Furthermore, a sensor configured to measure the gas pressure in the housing and generate an output signal, and configured to control the movement of the actuator to change the gas flow rate based on the output signal of the sensor via a leak valve Can be equipped. The controller can be configured to control the movement of the actuator only after a specific user interaction.

実施形態に関して、添付の図面を参照して以下に詳述する。   Embodiments are described in detail below with reference to the accompanying drawings.

荷電粒子ビームシステムの機械的構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the mechanical structure of a charged particle beam system. 図1の荷電粒子ビームシステムの粒子チャンバの拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the particle | grain chamber of the charged particle beam system of FIG. ガス電界イオン源の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of a gas field ion source. 真空系を含む荷電粒子ビームシステムの概略図である。1 is a schematic diagram of a charged particle beam system including a vacuum system. ガス電界イオン源の外部ハウジングの3次元的表現図である。It is a three-dimensional representation of the external housing of the gas field ion source. ネオンのような希ガスで作動されるガス電界イオン源の洗浄プロセスにおける多様なステップを示すフローチャートである。FIG. 6 is a flow chart illustrating various steps in a cleaning process for a gas field ion source operated with a noble gas such as neon. チップ頂点部の調整を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows adjustment of a chip | tip vertex part. モータ作動されるリーク弁の斜視図である。It is a perspective view of a leak valve operated by a motor. ガス電界イオン源用の空気流の調整に関するフローチャートである。6 is a flow chart relating to adjustment of air flow for a gas field ion source. 電気的構成を備えたガス電界イオンビームシステムの原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the gas field ion beam system provided with the electrical configuration. A及びBは、ガス電界イオン源のエミッタチップの像を示す図である。A and B are diagrams showing images of an emitter tip of a gas field ion source. 熱シールドを備えるガス電界イオン源の断面図である。It is sectional drawing of a gas field ion source provided with a heat shield. ガス交換可能な熱シールドの実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows embodiment of the heat shield which can exchange gas. ガス交換可能な熱シールドの実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows embodiment of the heat shield which can exchange gas.

図1の荷電粒子ビームシステム1は、重く堅牢なテーブル5上に位置して取り付けられた試料チャンバ10を有する。テーブル5は石材プレートまたはコンクリート製のプレートとすることが可能である。テーブル5自体は、複数本の第1脚部3a, 3b上に置かれ、第1脚部3a及び3bのうちの2本が図1に示される。第1脚部3a, 3bは、床2上に位置するよう設計される。各第1脚部3a, 3bは、床からテーブル5への振動伝達をさけるべく、第1防振材4a, 4bを含むか又は支承する。   The charged particle beam system 1 of FIG. 1 has a sample chamber 10 mounted on a heavy and sturdy table 5. The table 5 can be a stone plate or a concrete plate. The table 5 itself is placed on a plurality of first legs 3a and 3b, and two of the first legs 3a and 3b are shown in FIG. The first legs 3a, 3b are designed to be located on the floor 2. Each first leg 3a, 3b includes or supports a first vibration isolator 4a, 4b in order to avoid vibration transmission from the floor to the table 5.

試料チャンバ10は、複数本の第2脚部18a, 18bを介してテーブル5上に置かれる。各第2脚部18a, 18bも又、第2防振材9a, 9bを含むか又は支承する。これらの防振材9a, 9bは、テーブル5から試料チャンバへの振動伝達を低減するか又は防止する役割を果たす。テーブル5のこうした振動は、例えばテーブル5に固定的に接続されるか又は取り付けられたターボポンプ等である機械式真空ポンプ17に由来する可能性がある。テーブル5が大質量であるために、機械式ポンプ17により発生した振動振幅が大幅に低減される。   The sample chamber 10 is placed on the table 5 via a plurality of second legs 18a, 18b. Each second leg 18a, 18b also includes or supports a second vibration isolator 9a, 9b. These vibration damping materials 9a and 9b serve to reduce or prevent vibration transmission from the table 5 to the sample chamber. Such vibrations of the table 5 may originate from a mechanical vacuum pump 17, such as a turbo pump that is fixedly connected to or attached to the table 5, for example. Since the table 5 has a large mass, the vibration amplitude generated by the mechanical pump 17 is greatly reduced.

機械式ポンプ17は機能的に試料チャンバ10に接続される。この機能接続のために、ポンプ17の吸気口は2つのフレキシブルベロー部6, 8を介して硬質管7と接続するか、又は両フレキシブルベロー部の間のコンパクトな真空フランジと接続し、試料チャンバ10に至る。ポンプ17から試料チャンバへの完全ラインは、「フレキシブルベロー部-硬質管-フレキシブルベロー部」の一連の配置を形成する。この配置は更に振動エネルギーを減衰し、テーブルからチャンバへ伝達される振動を低減する役割を果たす。チャンバの振動は、中間管の質量が大きい場合に更に低減可能であり、ベロー又は管と接触するエネルギー吸収材がある場合に更に低減可能である。チャンバの振動は、管及びベローに力学的共振があり、この力学的共振によりポンプ17に起因する周波数の振動エネルギーが優先して吸収及び消散される場合に更に低減可能である。   A mechanical pump 17 is functionally connected to the sample chamber 10. For this functional connection, the inlet of the pump 17 is connected to the rigid tube 7 via two flexible bellows 6, 8 or to a compact vacuum flange between the two flexible bellows, and the sample chamber Up to 10. The complete line from the pump 17 to the sample chamber forms a series of “flexible bellows-rigid tube-flexible bellows” arrangement. This arrangement further damps vibration energy and serves to reduce vibration transmitted from the table to the chamber. Chamber vibration can be further reduced when the mass of the intermediate tube is large, and can be further reduced when there is an energy absorber in contact with the bellows or tube. Chamber vibration can be further reduced if there is a mechanical resonance in the tube and bellows, and this mechanical resonance preferentially absorbs and dissipates vibration energy at frequencies due to the pump 17.

以下に述べる特別の実施形態において、荷電粒子ビームシステムは1つを上回る機械式ポンプ、特に2つのターボ分子ポンプを有することが可能である。像の品質に対する振動の影響を低減する手段として、両ターボ分子ポンプ(又は2つを上回るターボ分子ポンプがある場合にはその全て)はフレキシブルベローの連続する対により荷電粒子ビームシステムに接続される。荷電粒子ビームシステムは、チャンバ用の1つとガン用の1つの、2つのターボ分子ポンプを有することが可能である。   In the particular embodiment described below, the charged particle beam system can have more than one mechanical pump, in particular two turbomolecular pumps. As a means of reducing the effects of vibration on image quality, both turbomolecular pumps (or all if more than two turbomolecular pumps) are connected to the charged particle beam system by successive pairs of flexible bellows. . The charged particle beam system can have two turbomolecular pumps, one for the chamber and one for the gun.

ダブルベロー配置により、ポンプの回転周波数に伴う振動(例えば900 Hz又は1kHz及びその高調波)が顕微鏡に伝達することが防止される。ターボポンプ自体は、その大質量及び備わっている減衰能力の故に選択された巨大な石材プラットフォーム(テーブル5)に固定的に取り付けられる。この石材プラットフォームは、石材上で計測可能な振動をナノメータ又はサブナノメータレベルにまで低減する役割を果たす。顕微鏡への振動伝達は、その間に硬質管を備えた2つの連続するベロー配列により更に低減される。試料チャンバ10又は荷電粒子源において計測されるターボ振動は通常、サブナノメータ又はサブオングストロームのレベルである。このように、適正なポンピング速度(例えば毎秒200リットルの真空ポンピング速度以上)を、不利に像の品質を低下させずに達成可能である。   The double bellows arrangement prevents vibrations associated with the rotational frequency of the pump (eg 900 Hz or 1 kHz and its harmonics) from being transmitted to the microscope. The turbo pump itself is fixedly attached to a huge stone platform (table 5) selected because of its large mass and the damping capacity provided. This stone platform serves to reduce the measurable vibrations on the stone to the nanometer or sub-nanometer level. Vibration transmission to the microscope is further reduced by two successive bellows arrangements with a rigid tube in between. Turbo vibration measured in the sample chamber 10 or charged particle source is typically at the sub-nanometer or sub-angstrom level. In this way, an appropriate pumping speed (eg, a vacuum pumping speed of 200 liters per second or more) can be achieved without adversely degrading image quality.

試料チャンバ10は真空気密ハウジング19を有する。管状延長部11は、固定的及び分離不可能に試料チャンバ10のハウジング19に取り付けられる。管状延長部11は、試料チャンバ10を包囲するハウジング19の残部に溶接された金属管により形成可能である。代替的に、管状延長部をチャンバハウジング自体の一体部分とすることも可能である。   The sample chamber 10 has a vacuum tight housing 19. The tubular extension 11 is fixedly and non-separably attached to the housing 19 of the sample chamber 10. The tubular extension 11 can be formed by a metal tube welded to the remainder of the housing 19 that surrounds the sample chamber 10. Alternatively, the tubular extension can be an integral part of the chamber housing itself.

管状延長部11の内部には荷電粒子カラム12が取り付けられる。従って荷電粒子カラム12は、レンズ、絞り、及び図1では示されていないビーム走査系を有する。荷電粒子カラム12の構成部品を、試料チャンバ10のハウジング19の管状延長部の内部に直接取り付けることにより、荷電粒子カラムの構成部品と試料チャンバ10の内部に配置された試料ステージ20との間の機械的振動を避けるか又は少なくとも低減可能である。   A charged particle column 12 is attached inside the tubular extension 11. Thus, the charged particle column 12 has a lens, a diaphragm, and a beam scanning system not shown in FIG. By attaching the components of the charged particle column 12 directly inside the tubular extension of the housing 19 of the sample chamber 10, the components between the charged particle column and the sample stage 20 disposed inside the sample chamber 10 Mechanical vibration can be avoided or at least reduced.

試料チャンバのハウジング19の管状延長部11上には、荷電粒子源を含むモジュールが接続される。このモジュールは、上部球状面を有する下部ハウジング部16を有する。上部球状面は二軸式傾斜マウントの一部分を形成する。更に、この源モジュールは上部ハウジング15を有し、上部ハウジング15内に荷電粒子エミッタが取り付けられる。図示のケースにおいて、荷電粒子源はガス電界イオン源であり、荷電粒子エミッタ14は導電性チップである。上部ハウジング15は又、二軸式傾斜マウントの第2部分を形成する球状面部分を有する。この傾斜マウントの助けにより、荷電粒子エミッタ14を把持する上部ハウジング部分15は、二軸回りに荷電粒子カラム12に対して傾斜可能であり、荷電粒子エミッタ14により放出される荷電粒子の放出軸を、荷電粒子カラム12の内部に配置された荷電粒子構成部品により規定される光軸に整列させる。   Connected to the tubular extension 11 of the sample chamber housing 19 is a module containing a charged particle source. The module has a lower housing part 16 having an upper spherical surface. The upper spherical surface forms part of a biaxial tilt mount. Furthermore, the source module has an upper housing 15 in which a charged particle emitter is mounted. In the case shown, the charged particle source is a gas field ion source and the charged particle emitter 14 is a conductive tip. The upper housing 15 also has a spherical surface portion that forms the second portion of the biaxial tilt mount. With the help of this tilting mount, the upper housing part 15 holding the charged particle emitter 14 can be tilted with respect to the charged particle column 12 about two axes and the emission axis of the charged particles emitted by the charged particle emitter 14 can be adjusted. And aligned with the optical axis defined by the charged particle components disposed within the charged particle column 12.

傾斜マウントは空気軸として設計可能であり、上部ハウジング15の球状面又は下部ハウジング16の球状面が小さなチャネル(図示されず)を有し、そのチャネルを介して空気流を提供可能であり、空気流が上部ハウジングを揚げ、上部ハウジングは下部ハウジングに対して容易に移動可能であるよう設計される。空気流を停止することにより、上部ハウジング及び下部ハウジングは上部ハウジングと下部ハウジングとの間の強力な摩擦力により共に把持される。   The tilt mount can be designed as an air shaft, the spherical surface of the upper housing 15 or the spherical surface of the lower housing 16 has a small channel (not shown) through which air flow can be provided, The flow lifts the upper housing, and the upper housing is designed to be easily movable relative to the lower housing. By stopping the air flow, the upper housing and the lower housing are gripped together by a strong frictional force between the upper housing and the lower housing.

図2において、管状延長部を備えた試料チャンバ10のハウジング19が詳細に示される。管状部分11内に取り付けられた荷電粒子カラム12は、複数の絞り22、偏向系23及び対物レンズ21を有する。対物レンズ21により、荷電粒子ビームは試料チャンバ10の内部の試料ステージ(図示されず)上に位置可能な試料上に集束し、試料全域を走査可能である。荷電粒子ビームシステムがガス電界イオンビームシステムである場合、レンズ21及び偏向系23は静電部品であり、システムの構成部品に印加された異なる静電位に起因する静電力でイオンに作用する。更に、荷電粒子カラム12は第1圧力制限開口24及び第2圧力制限開口25を有し、これらはエミッタチップ14及び試料チャンバ10が位置する真空領域の間に中間真空領域(中間カラム領域70)を形成する。ガス電界イオン源のエミッタ近傍の荷電粒子カラム12の構成部品は、偏向器27へ続く集光レンズの一部を形成する電極26である。この場合偏向器27は、ガス電界イオン源からのビームを、試料チャンバ10へのビーム伝播の方向に下方へ続く荷電粒子光学部品により規定された光軸に合わせる。   In FIG. 2, the housing 19 of the sample chamber 10 with a tubular extension is shown in detail. The charged particle column 12 mounted in the tubular portion 11 has a plurality of diaphragms 22, a deflection system 23, and an objective lens 21. The objective lens 21 allows the charged particle beam to be focused on a sample that can be positioned on a sample stage (not shown) inside the sample chamber 10, and the entire sample can be scanned. If the charged particle beam system is a gas field ion beam system, the lens 21 and the deflection system 23 are electrostatic components that act on the ions with electrostatic forces due to different electrostatic potentials applied to the system components. Furthermore, the charged particle column 12 has a first pressure limiting opening 24 and a second pressure limiting opening 25, which are intermediate vacuum regions (intermediate column regions 70) between the vacuum region in which the emitter tip 14 and the sample chamber 10 are located. Form. The component of the charged particle column 12 in the vicinity of the emitter of the gas field ion source is an electrode 26 that forms part of the condenser lens that follows the deflector 27. In this case, the deflector 27 aligns the beam from the gas field ion source with the optical axis defined by the charged particle optic that continues downward in the direction of beam propagation into the sample chamber 10.

図3にはコンパクトなガス電界イオン源の設計が示される。このガス電界イオン源は二重にネストされた絶縁体を備えて設計される。これによりコンパクトな設計でありつつ、同時に依然として高い電圧と可変ビームエネルギー、及びガス格納容器が提供される。設計は複数の部分から構成される。第1部分は、熱伝導性(例えば銅)のベースプラットフォーム31である。ベースプラットフォーム31はアース接続され、極低温冷却システム52に直結され、例えば銅リボン又は銅編組線等のフレキシブル熱伝導体32により、極低温冷却システム52に熱的接続される。熱伝導体32の弾性により、ガス電界イオン源全体が傾斜可能となり、いかなる振動伝達をも最小化可能である。編組線の熱伝導性により、定期的メンテナンスの手順としてガス電界イオン源をも加熱可能である。   FIG. 3 shows a compact gas field ion source design. This gas field ion source is designed with doubly nested insulators. This provides a compact design while still providing a high voltage and variable beam energy and gas containment. The design consists of multiple parts. The first part is a thermally conductive (eg copper) base platform 31. The base platform 31 is grounded and directly connected to the cryogenic cooling system 52 and is thermally connected to the cryogenic cooling system 52 by a flexible thermal conductor 32 such as a copper ribbon or copper braided wire. Due to the elasticity of the thermal conductor 32, the entire gas field ion source can be tilted and any vibration transmission can be minimized. Due to the thermal conductivity of the braided wire, the gas field ion source can also be heated as a routine maintenance procedure.

極低温冷却システムは、液体窒素及び/又は固体窒素を満たしたデュワとすることが可能である。代替的に、極低温冷却システムは固体窒素を満たしたデュワとすることが可能である。デュワはヒータ73cを有し、ヒータ73cによりデュワ及びベースプラットフォーム31を加熱可能である。代替的に、極低温冷却システムは機械式冷蔵装置とすることも可能である。   The cryogenic cooling system can be a dewar filled with liquid nitrogen and / or solid nitrogen. Alternatively, the cryogenic cooling system can be a dewar filled with solid nitrogen. The dewar has a heater 73c, and the dewar and the base platform 31 can be heated by the heater 73c. Alternatively, the cryogenic cooling system can be a mechanical refrigeration device.

このアース接続されたベースプラットフォーム31には、中央管状高電圧絶縁体33が接続される。中央管状高電圧絶縁体33は例えばアルミナ又はサファイア製とし、ガス電界イオンエミッタを形成する導電性チップ34を機械的に支承する。中央管状絶縁体33はベースプラットフォーム31に関して30 kVを上回る電気絶縁を提供する。この中央絶縁体33は、高電圧リード線35, 36を接続するための1つ以上の開放部を有し、高電圧リード線35, 36は導電性チップ34に接続する必要がある。導電性チップ34は、ガス電界イオン源としてチップ34を作動させるために必要な高電圧を提供し、またチップ34の加熱用の加熱電流も供給する。   A central tubular high voltage insulator 33 is connected to the grounded base platform 31. The central tubular high voltage insulator 33 is made of alumina or sapphire, for example, and mechanically supports a conductive tip 34 forming a gas field ion emitter. The central tubular insulator 33 provides electrical insulation above 30 kV with respect to the base platform 31. The central insulator 33 has one or more open portions for connecting the high voltage lead wires 35 and 36, and the high voltage lead wires 35 and 36 need to be connected to the conductive chip 34. The conductive tip 34 provides the high voltage necessary to operate the tip 34 as a gas field ion source and also provides a heating current for heating the tip 34.

またベースプラットフォーム31には、外部管状及び円柱状絶縁体37も接続され、外部管状及び円柱状絶縁体37は中央絶縁体33を包囲する。外部管状絶縁体37は引出電極38を機械的に支承し、30 kV以上の(を超える)電気絶縁も又提供する。   An external tubular and cylindrical insulator 37 is also connected to the base platform 31, and the external tubular and cylindrical insulator 37 surrounds the central insulator 33. The outer tubular insulator 37 mechanically supports the extraction electrode 38 and also provides electrical insulation above (and beyond) 30 kV.

引出電極38は小孔39(例えば直径1 mm, 3 mm, 5 mm)を備えて設計され、小孔39は設計により、チップ34の頂点部から僅かの距離(例えば1 mm, 3 mm, 5 mm)にある。ベースプラットフォーム31、中央絶縁体33、外部円柱状絶縁体37及び引出電極38が共同で内部ガス封じ込め容器41を規定する。引出電極の孔39を介する真空誘導又はポンピング速度を比較的小さくして、内部ガス封じ込め容器41の外側領域と比較して高い、導電性チップ34の領域内の圧力を支承する。ガスが出る唯一の経路は、前述の引出孔、ガス送出経路40及びポンピング弁42である。ガス送出経路40は、供給底部からアース接続されたベースプラットフォーム31を貫いて内部ガス封じ込め容器41に至る細管40を介する。ポンピング弁42はベースプラットフォーム31上に取り付け可能であるか又はガス送出経路40に合体可能である。   The extraction electrode 38 is designed with a small hole 39 (for example, a diameter of 1 mm, 3 mm, 5 mm), and the small hole 39 is designed to be a small distance (for example, 1 mm, 3 mm, 5 mm). The base platform 31, the central insulator 33, the outer cylindrical insulator 37 and the extraction electrode 38 jointly define the inner gas containment vessel 41. The vacuum induction or pumping rate through the extraction electrode hole 39 is relatively small to support a higher pressure in the region of the conductive tip 34 compared to the outer region of the internal gas containment vessel 41. The only paths through which gas exits are the aforementioned extraction holes, gas delivery path 40 and pumping valve 42. The gas delivery path 40 passes through a narrow tube 40 that extends from the bottom of the supply to the internal gas containment container 41 through the grounded base platform 31. The pumping valve 42 can be mounted on the base platform 31 or can be incorporated into the gas delivery path 40.

荷電粒子源の上述の全ての構成部品は、ベースプラットフォーム31上に支承され、ベースプラットフォーム31は硬質ではあるが熱非伝導性の支承構造(図示されず)により機械的に支承される。支承構造は外部真空容器(図1の15)の上部分に取り付けられる。外部真空容器の上部分は、5度までの小さい角度で凹型球状面の接触面により傾斜可能であり、凹型球状面は、外部真空ハウジングの下部(図1の16)の凸型球状面に対応する。   All the above-mentioned components of the charged particle source are supported on a base platform 31, which is mechanically supported by a rigid but thermally non-conductive bearing structure (not shown). The support structure is attached to the upper part of the external vacuum vessel (15 in FIG. 1). The upper part of the external vacuum vessel can be tilted by the contact surface of the concave spherical surface at a small angle of up to 5 degrees, and the concave spherical surface corresponds to the convex spherical surface of the lower part of the external vacuum housing (16 in FIG. 1). To do.

内部ガス封じ込め容器の内部にはイオンゲッタ45が配置される。内部ガス封じ込め容器内の真空を改善するには、化学的ゲッタ剤45をガス封じ込め容器41の内部に含む。これらの化学的ゲッタ剤45は、ガス電界イオン源をベーキングする際に活性化される。ヒータ73bは化学的ゲッタ剤45を加熱するために備えられる。化学的ゲッタ剤45を約200°Cまで2時間加熱する間、及びこれら構成部品の冷却時に、化学的ゲッタ剤45は多くの化学的活性剤、例えばZr, V, Fe及びTi等を残存させ、これらは多くの不要ガス種を効果的にポンプで排気する役割を果たす。ゲッタ剤は現存部分、例えば外部円柱状絶縁体37の表面に直接被覆可能であり、又はリボン状材料として、内部ガス封じ込め容器を形成する内部表面に接着可能である。あり得る不純物の中で、水素は極低温の冷却面によっては効果的にクライオポンプされないため、水素用の化学的ゲッタ剤のポンピング速度が重要である。内部ガス封じ込め容器41内の化学的ゲッタ剤45は又、搬送されたヘリウム及びネオンガスの更なる不純物に対して非常に効果的である。希ガスであるヘリウム及びネオンは影響を受けないが、全ての不純物は効果的にポンプで排気される。これらが周期的に再生される間、目的のために作成されたバイパス弁42(フラッパ型弁)を開放することで、改善された方法でポンプにより発生ガスを排気可能であり、バイパス弁42は内部ガス封じ込め容器41を外部ガス格納容器81に接続する。   An ion getter 45 is disposed inside the internal gas containment vessel. In order to improve the vacuum in the internal gas containment vessel, a chemical getter agent 45 is included inside the gas containment vessel 41. These chemical getter agents 45 are activated when baking the gas field ion source. The heater 73b is provided to heat the chemical getter agent 45. While the chemical getter 45 is heated to about 200 ° C. for 2 hours and when these components are cooled, the chemical getter 45 leaves many chemical activators such as Zr, V, Fe and Ti remaining. These serve to effectively pump out many unnecessary gas species with a pump. The getter agent can be coated directly on the existing part, for example the surface of the outer cylindrical insulator 37, or can be adhered as a ribbon-like material to the inner surface forming the inner gas containment vessel. Among possible impurities, pumping rate of chemical getter agent for hydrogen is important because hydrogen is not cryopumped effectively by cryogenic cooling surfaces. The chemical getter agent 45 in the internal gas containment vessel 41 is also very effective against further impurities of the transported helium and neon gases. The noble gases helium and neon are not affected, but all impurities are effectively pumped out. While these are periodically regenerated, the generated gas can be exhausted by the pump in an improved manner by opening the bypass valve 42 (flapper type valve) created for the purpose. The internal gas containment container 41 is connected to the external gas storage container 81.

以下に詳述されるように、ガス供給管40はヒータ73aを有することが可能である。内部ガス封じ込め容器41は放射シールドにより包囲可能であり、放射シールドは外部容器壁(室温)からイオン源への放射熱伝達を最小化する。内部ガス封じ込め容器41は又光学的に透明な窓を有することが可能であり、光学的に透明な窓により、内部真空容器の外側からエミッタのチップ34上が直視可能になる。外部真空容器内で窓が整列しているため、カメラ又は高温度計により、ガス電界イオン源のエミッタチップを観察可能である。こうしたカメラにより、定期保守の間に源を点検し、源の温度をモニタ可能である。これらの窓の一方又は両方を鉛入りガラスとすることが可能で、内部から外部へのX線の放射伝達を最小化する。ベースプラットフォーム31はその高い熱伝導性のために、熱電対のような温度センサ用にも最適である。   As will be described in detail below, the gas supply pipe 40 can have a heater 73a. The inner gas containment vessel 41 can be surrounded by a radiation shield that minimizes radiant heat transfer from the outer vessel wall (room temperature) to the ion source. The internal gas containment vessel 41 can also have an optically transparent window that allows the emitter chip 34 to be viewed directly from the outside of the internal vacuum vessel. Since the windows are aligned in the external vacuum vessel, the emitter tip of the gas field ion source can be observed with a camera or a thermometer. With such a camera, the source can be inspected and the source temperature monitored during routine maintenance. One or both of these windows can be leaded glass, minimizing X-ray radiation transfer from the inside to the outside. The base platform 31 is also ideal for temperature sensors such as thermocouples due to its high thermal conductivity.

ガス電界イオン源はエミッタチップ34の幾何学的形状に基づいて確立される電圧で作動される。幾何学的形状とは、エミッタチップ34の平均円錐角度及び平均の曲率半径といった要素を含む。   The gas field ion source is operated with a voltage established based on the geometry of the emitter tip 34. The geometric shape includes elements such as the average cone angle and average radius of curvature of the emitter tip 34.

上述の設計には、質量及び体積が小さいことの利点がある。質量及び体積が小さいため熱循環が早まり、冷却負荷が低減可能となり、費用及び複雑性が低減される。更に、設計がコンパクトであるため、ガス電界イオン源を作動する希ガスを迅速に交換可能である。特に内部ガス封じ込め容器41がコンパクトな設計であるため、ガス電界イオン源のヘリウムによる作動とネオンによる作動を迅速に変更できる。   The above design has the advantage of low mass and volume. The low mass and volume speeds up heat circulation, reduces the cooling load, and reduces cost and complexity. Furthermore, because of the compact design, the noble gas that operates the gas field ion source can be quickly replaced. In particular, since the internal gas containment vessel 41 has a compact design, the operation of the gas field ion source with helium and the operation with neon can be quickly changed.

理想的な作動状態下では、エミッタチップ34の頂点部は概球状である(例えば、直径50、 100、又は200 nm)。球状面は実際には一連の小平面として描写する方がふさわしく、これら一連の小平面が球面に近似する。エミッタのチップ34の頂点部近傍において、より良好には端部形状を3つの小平面により近似させる。これらの小平面は一つの頂点で交わり、3面の角錐を形成する。角錐端部は、比較的浅い角度(例えばエミッタ軸に対して70度又は80度)とすることが可能である。角錐の稜線及び頂点部は原子レベルでやや丸みを帯び、単一原子の稜線が無いか又は単一原子が頂点部に無い。   Under ideal operating conditions, the apex of the emitter tip 34 is generally spherical (eg, 50, 100, or 200 nm in diameter). A spherical surface is actually better described as a series of facets, and these series of facets approximate a spherical surface. In the vicinity of the apex of the emitter tip 34, the end shape is more preferably approximated by three facets. These facets intersect at one vertex to form a three-sided pyramid. The pyramid end can be at a relatively shallow angle (eg, 70 or 80 degrees with respect to the emitter axis). The pyramid ridges and vertices are slightly rounded at the atomic level, with no single atom ridges or no single atoms at the vertices.

理想的な作動状態下では、頂点部にエミッタ材料の3つの原子が存在して正三角形を形成する。これら3つの原子(今後は「三量体」と称する)は最も突出するため、引出電極に対する正電圧(例えば20 kV, 30 kV, 40 kV)がチップに印加される場合に最も大きな電界を生成する。ヘリウム又はネオンガスが存在する場合、中性原子はこれら3つの原子の真上で電界イオン化可能である。比較的高いガス圧(局所圧で10-2 Torr又は10-3 Torr)では、毎秒106又は107又は108イオンの割合で、イオン化可能である。理想的な状況下では、このイオンの安定した流れは時間が経過しても一定であり、無期限に持続する。 Under ideal operating conditions, three atoms of emitter material are present at the apex to form an equilateral triangle. These three atoms (hereafter referred to as “trimers”) are the most prominent, so they generate the largest electric field when a positive voltage (eg 20 kV, 30 kV, 40 kV) is applied to the extraction electrode. To do. In the presence of helium or neon gas, neutral atoms can be field ionized directly above these three atoms. At relatively high gas pressures (10 -2 Torr or 10 -3 Torr at local pressure), ionization is possible at a rate of 10 6 or 10 7 or 10 8 ions per second. Under ideal circumstances, this stable flow of ions is constant over time and lasts indefinitely.

実際には、ヘリウムで作動する場合の典型的状態下でイオン放出は100 pAの放出電流を示すことが可能で、これは連続10日以上継続可能であり、ミリ秒又はより早い時間スケールで0.5%程度上下変動する。放出電流の漸進的損失は、もし修正されない場合、一日当たり10%の割合で進行可能である。ヘリウムの性能(又はヘリウムによる作動の性能)はガスの純度の影響をやや受ける。ガスの純度は99.9990%又は99.9999%又は更に良好化可能であり、ヘリウムが存在していない場合の基本真空の質は、典型的には2 x 10-9 Torr, 1 x 10-9 Torr, 5 x 10-10 Torr又はこれらを上回るものとする。 In practice, under typical conditions when operating with helium, ion emission can exhibit an emission current of 100 pA, which can continue for more than 10 consecutive days, 0.5 ms on a millisecond or earlier time scale. Fluctuates up and down by about%. The gradual loss of emission current can proceed at a rate of 10% per day if not corrected. The performance of helium (or the performance of operation with helium) is somewhat affected by the purity of the gas. Gas purity can be 99.9990% or 99.9999% or better, and the basic vacuum quality in the absence of helium is typically 2 x 10-9 Torr, 1 x 10-9 Torr, 5 x 10 -10 Torr or above.

本明細書で使用するTorr単位の範囲は、mbar単位により代替可能である。   As used herein, the range of Torr units can be replaced by mbar units.

ガス電界イオン源がネオンにより作動される場合、ヘリウムにより作動された場合の状態と比較していくつか複雑な点がある。一つには、ネオンイオンは遥かに巨大であり、従ってヘリウムの場合の50倍の割合でスパッタリングが発生可能である。ネオンイオンが表面近傍を打つと、スパッタされた原子が負の電荷を帯び(例えば負の二次イオン)、このような原子が加速してエミッタ34へ戻る可能性があり、エミッタ34の破損が引き起こされる。また一つには、市販のヘリウムガスの純度と同レベル(例えば純度99.9999%)のネオンガスが市販されていない。これら純度の効果については後述する。しかし最も顕著なのは、エミッタ34がネオンにより作動された場合、エミッタ34はやや低減された電圧で作動する必要があることである。例えば、ヘリウムに対して40 kVが最適であるとすると、同一のエミッタチップは30 kVでネオンの最適放出電流を発生する。このように電圧が低減されると電界も同様に低減され、不要 原子(不完全な真空による残余ガス又はガス供給における不純物)が、より高い率でエミッタ34に到達可能となる。電界強度が僅か25%低減されると、指数関数的により多くの数のこれら不要原子(ヘリウムでもネオンでもない)がエミッタに到達可能となる。これらの不要原子(例えばH2, N2, O2, CO, CO2, H2O等)はガス電界イオン源のチップへの、ネオンの到達可能性を阻害する可能性があり、従って短期及び長期の時間スケール双方で放出不安定性を引き起こす。また、不要原子はエミッタ材料の腐食を促進し、時間の経過と共に徐々にエミッタの形状を変化させるため、イオン放出電流を徐々に低減させ、最適な作動電圧を徐々に低減させる可能性がある。また、不要原子はエミッタチップ34の1つ以上の原子をより容易に電界蒸発させ、急激な放出低下を引き起こす可能性がある。 When a gas field ion source is operated with neon, there are some complications compared to the situation when operated with helium. For one thing, neon ions are much larger and can therefore sputter at a rate 50 times that of helium. When neon ions strike near the surface, the sputtered atoms are negatively charged (for example, negative secondary ions), and these atoms may accelerate back to the emitter 34, causing damage to the emitter 34. Is caused. On the other hand, neon gas having the same level as that of commercially available helium gas (for example, purity 99.9999%) is not commercially available. The effect of these purity will be described later. Most notably, however, when emitter 34 is activated by neon, emitter 34 needs to operate at a somewhat reduced voltage. For example, if 40 kV is optimal for helium, the same emitter tip will generate an optimal neon emission current at 30 kV. When the voltage is reduced in this manner, the electric field is similarly reduced, and unnecessary atoms (residual gas due to incomplete vacuum or impurities in the gas supply) can reach the emitter 34 at a higher rate. If the field strength is reduced by only 25%, an exponentially higher number of these unwanted atoms (not helium or neon) can reach the emitter. These unwanted atoms (eg, H 2 , N 2 , O 2 , CO, CO 2 , H 2 O, etc.) can hinder the reach of neon to the tip of the gas field ion source, and therefore short-term And release instability on both long time scales. In addition, unnecessary atoms promote the corrosion of the emitter material and gradually change the shape of the emitter with time, so that the ion emission current may be gradually reduced and the optimum operating voltage may be gradually reduced. Also, unwanted atoms can more easily cause field evaporation of one or more atoms in the emitter tip 34 and cause a sudden drop in emission.

安定したネオンビーム又はネオンよりも質量の大きい原子を有する希ガスイオンのビームを生成するためには、引出電極の成分が極めて重要であり、特にエミッタに面した表面が重要である。ガス電界イオン源のチップ34は、小孔39を施された隣接する引出電極38に極めて接近するよう構成される。イオン源34のチップ及び引出電極38は、これらに印加される電圧を有する。電圧の差異は、エミッタチップ34の頂点部近傍で極めて大きな電界を起こす原因となる。引出電極38の成分は、ネオンビームにより感知できる程度にはスパッタされない素材で、負イオンを形成しない例えば炭素、鉄、モリブデン、チタニウム、バナジウム、タンタル等の材料製とする。また、チップ34に面した引出電極38表面の成分は、た易く洗浄可能で、超高真空での気体放出速度が低い材料(例えばステンレススチール又は無酸素銅)とする。また表面も平滑(機械的な研磨又電解研磨により実現される)化可能で、鏡状仕上げとする。特にエミッタのチップ34に最も近接する表面は鏡状仕上げとする。また、引出電極38のエミッタチップ34に面する表面の材料は、極めて低い負の二次イオンスパッタイールドを有することが可能である(例えば金、酸化物を含有しない他の材料、ニッケル等)。負の二次イオンのスパッタイールドが低いと、加速されてエミッタに戻りエミッタの破損を引き起こす(又は破損する衝撃を引き起こす)負の二次イオンが生成される頻度 が低減される。二次電子イールドは、入射ネオンイオン毎に10-5の低さとすることが可能である。 In order to generate a stable neon beam or a beam of rare gas ions having atoms with a mass greater than that of neon, the composition of the extraction electrode is very important, in particular the surface facing the emitter. The tip 34 of the gas field ion source is configured to be very close to the adjacent extraction electrode 38 provided with a small hole 39. The tip of the ion source 34 and the extraction electrode 38 have a voltage applied to them. The voltage difference causes an extremely large electric field in the vicinity of the apex of the emitter tip 34. The component of the extraction electrode 38 is a material that is not sputtered to the extent that it can be detected by a neon beam, and is made of a material such as carbon, iron, molybdenum, titanium, vanadium, and tantalum that does not form negative ions. Further, the component on the surface of the extraction electrode 38 facing the tip 34 is made of a material (for example, stainless steel or oxygen-free copper) that can be easily cleaned and has a low gas release rate in ultra-high vacuum. Also, the surface can be smoothed (realized by mechanical polishing or electrolytic polishing) and has a mirror finish. In particular, the surface closest to the emitter tip 34 has a mirror finish. Also, the material of the surface of the extraction electrode 38 facing the emitter tip 34 can have a very low negative secondary ion sputtering yield (eg gold, other materials not containing oxides, nickel, etc.). A low negative secondary ion sputter yield reduces the frequency with which negative secondary ions are generated that are accelerated and return to the emitter to cause (or cause impact to break) the emitter. The secondary electron yield can be as low as 10 -5 for each incident neon ion.

安定したネオンビームを生成するため、引出電極38の形状を的確なものにすることがいくつかの理由から非常に重要である。特に引出孔39の形状が重要である。引出電極内の孔にはいくつかの設計基準があり、最適な形状は矛盾し合ういくつかのニーズのバランスによる。第一に、孔を比較的小さくして、イオン化ガス(ヘリウム又はネオン)を封じ込めるため、10-2 Torr及び10-3 Torr間の範囲の比較的高い圧力で、希ガスをエミッタチップ34の頂点部近傍の内部ガス封じ込め容器41内に保持し、内部ガス封じ込め容器41の外側では圧力を10-5 Torr及び10-7 Torr間の範囲にまで顕著に降下可能とする。内部ガス封じ込め容器41の外側の圧力を低減することは、所望の高エネルギーイオンが低エネルギーの中性気体原子で散乱する割合を最小化するために重要である。散乱は不所望なビームテールを引き起こし、いくらかのイオンが中性化可能とさえなる原因となる。従って、引出電極38における孔39の真空コンダクタンスが重要である。真空コンダクタンスは毎秒のリットル単位で計測され、孔39の一方の側(内部)から孔39のもう一方の側(外部)へ、圧力がどのように低下するかを決定する基準スケールである。 In order to generate a stable neon beam, it is very important for several reasons to make the shape of the extraction electrode 38 accurate. In particular, the shape of the extraction hole 39 is important. There are several design criteria for the holes in the extraction electrode, and the optimal shape depends on a balance of conflicting needs. First, to make the pores relatively small and contain the ionized gas (helium or neon), the noble gas is allowed to reach the apex of the emitter tip 34 at a relatively high pressure in the range between 10 −2 Torr and 10 −3 Torr. It is held in the internal gas containment container 41 in the vicinity of the portion, and the pressure can be remarkably lowered to the range between 10 −5 Torr and 10 −7 Torr outside the internal gas containment container 41. Reducing the pressure outside the inner gas containment vessel 41 is important to minimize the rate at which desired high energy ions are scattered by low energy neutral gas atoms. Scattering causes unwanted beam tails and causes some ions to even become neutral. Therefore, the vacuum conductance of the hole 39 in the extraction electrode 38 is important. The vacuum conductance is measured in liters per second and is a reference scale that determines how the pressure drops from one side of the hole 39 (inside) to the other side of the hole 39 (outside).

また、もし引出電極38の孔39が大き過ぎると、ガス電界イオン源のエミッタチップ34は、より温度の高い表面に放射的にさらされる。ガス電界イオン源のエミッタチップ34及び引出電極38は、-210° C及び-190°Cの間の範囲の極低温で保持される。引出電極38における孔39が大き過ぎる場合、ガス電界イオン源のエミッタチップ34は、極低温に冷却されておらず、むしろ室温(例えば+20° C)であるより大きな表面領域に温められる。通常、極低温の冷却表面は効果的に不要ガス原子をトラップし、温かい表面はガス原子を効果的にはトラップできない。   Also, if the hole 39 in the extraction electrode 38 is too large, the emitter tip 34 of the gas field ion source is exposed radiatively to a higher temperature surface. The emitter tip 34 and extraction electrode 38 of the gas field ion source are held at a cryogenic temperature in the range between -210 ° C and -190 ° C. If the hole 39 in the extraction electrode 38 is too large, the emitter tip 34 of the gas field ion source is not cooled to cryogenic temperature, but rather is warmed to a larger surface area that is at room temperature (eg, + 20 ° C.). Usually, a cryogenic cooling surface effectively traps unwanted gas atoms, while a warm surface cannot effectively trap gas atoms.

しかし、引出電極38の孔39を小さくし過ぎないことを要求する反対の理由がある。例えば、もし孔39が小さ過ぎると、孔を製造し、孔が機能すべき高真空、高電界を支承するために必要なレベルでこの孔を清潔に保つことが、挑戦と言える程困難になる。また、エミッタのチップ34は、引出電極38における孔39に対して、引出孔39の直径の10%以内で中心に位置すべきである。従って、もし孔が小さ過ぎると、エミッタのチップ34に対して対称に位置させることが困難になる。   However, there is an opposite reason for requiring that the hole 39 of the extraction electrode 38 not be too small. For example, if the hole 39 is too small, it can be challenging to produce the hole and keep it clean at the level necessary to support the high vacuum and high electric field at which the hole should function. . Also, the emitter tip 34 should be centered within 10% of the diameter of the extraction hole 39 relative to the hole 39 in the extraction electrode 38. Therefore, if the hole is too small, it will be difficult to position it symmetrically with respect to the tip 34 of the emitter.

また、引出孔の角度広がりは、イオンエミッタのチップ34の頂点部に対して小さ過ぎてはならない。別の表現をすれば、エミッタのチップ34から見た引出孔39の立体角はある特定のサイズである。この要求はイオン放出のパターンに由来する。エミッタのチップ34自体は、かなり狭い円錐状で、2度の半円錐角度を備えたイオンを放出する。しかし、著しくより大きな角度の不要放出があるのは普通であり、エミッタ形状の特性で、エミッタ軸に対して20度の高い不要放出はごく当然である。そして、引出電極38に対する破損、及びエミッタのチップ34を破損する恐れのある負の二次イオンの生成を避けるため、これら放出イオンが引出電極38を打たないことが望まれる。また不要なイオン放出は、エミッタに移動しエミッタのチップからのイオン放出を不安定にする恐れのある、いかなる吸着物をも脱離する役割を果たす可能性もある。従って、引出電極38における孔39の角度広がり、及びエミッタのチップ34と引出電極38との間の距離は、孔の角度が約20度又はそれを上回る角度となるよう選択される。   Also, the angular spread of the extraction hole should not be too small with respect to the apex of the tip 34 of the ion emitter. In other words, the solid angle of the extraction hole 39 viewed from the emitter tip 34 is of a certain size. This requirement stems from the pattern of ion release. The emitter tip 34 itself is a fairly narrow cone and emits ions with a half cone angle of 2 degrees. However, it is normal that there is a significantly larger angle of unwanted emission, and due to the nature of the emitter shape, the unwanted emission as high as 20 degrees with respect to the emitter axis is quite natural. In order to avoid damage to the extraction electrode 38 and generation of negative secondary ions that may damage the emitter tip 34, it is desirable that these emitted ions do not strike the extraction electrode 38. Unwanted ion emission can also serve to desorb any adsorbate that can migrate to the emitter and destabilize ion emission from the emitter tip. Accordingly, the angular spread of the hole 39 in the extraction electrode 38 and the distance between the emitter tip 34 and the extraction electrode 38 are selected such that the hole angle is about 20 degrees or more.

内部ガス封じ込め容器41が非常に良好な基本真空を有すること、又はそれと同様に内部ガス封じ込め容器41に不要吸着原子(例えば、ヘリウム又はネオンのような所望される作動希ガス以外の原子及び分子)が無いことには、何らかの重要性が認められる。こうした不要原子及び分子にはH2, N2, H2O, O2, CO, NO, CO2等がある。説明として挙げると、内部ガス封じ込め容器41内の基本真空圧力は、内部ガス封じ込め容器へのガス供給、特にヘリウム及びネオンガスの供給が停止された際に、内部ガス封じ込め容器内部で計測される圧力である。所望される圧力は10-10 Torr又はそれよりも良好な圧力であろう。4 x 10-10 Torrの圧力で、同時に背景ガス圧力が低い場合、当初清浄であった表面が不要吸着原子により1つの単分子層の厚みにまで被覆される所要時間は約1時間であろう。こうした吸着原子により、イオン源の不安定性が引き起こされるため、最大限に可能な基本真空の達成が意図される。この目的を達成すべく、ガス電界イオン源のハウジング全体は、超高真空(UHV)手段で洗浄されるよう構成される。そしてガス電界イオン源のチップ34が収容される内部ガス封じ込め容器41は、UHVサービス用に構成及び準備される。 The internal gas containment vessel 41 has a very good basic vacuum, or similarly unwanted adsorbed atoms (eg atoms and molecules other than the desired working noble gas such as helium or neon) in the internal gas containment vessel 41 There is some importance in the absence of. Such unnecessary atoms and molecules include H 2 , N 2 , H 2 O, O 2 , CO, NO, CO 2 and the like. By way of illustration, the basic vacuum pressure in the internal gas containment vessel 41 is the pressure measured inside the internal gas containment vessel when the gas supply to the internal gas containment vessel, particularly the supply of helium and neon gas, is stopped. is there. The desired pressure will be 10- 10 Torr or better pressure than that. If the background gas pressure is low at the same time at a pressure of 4 x 10 -10 Torr, the time required for the originally clean surface to be covered with unwanted adsorbed atoms to a single monolayer thickness would be about 1 hour. . These adsorbed atoms cause instability of the ion source and are therefore intended to achieve the maximum possible basic vacuum. To achieve this goal, the entire housing of the gas field ion source is configured to be cleaned with ultra high vacuum (UHV) means. The internal gas containment vessel 41 in which the gas field ion source chip 34 is accommodated is constructed and prepared for UHV service.

図4はガス電界イオン顕微鏡を示す。ガス電界イオン顕微鏡はイオンビーム用に2つの異なる希ガスにより作動可能であり、この特別なケースにおいて、ヘリウム又はネオンにより作動される。ガス電界イオン顕微鏡は、顕微鏡のハウジング19の内部に3つの真空領域を有する。第1真空領域は試料チャンバ10、第2真空領域は中間カラム領域70及び第3真空領域は外部真空格納容器81であり、ガス電界イオン源は外部真空格納容器81内に収容される。中間カラム領域70は外部ガス格納容器81と試料チャンバ10との間に位置する。   FIG. 4 shows a gas field ion microscope. The gas field ion microscope can be operated with two different noble gases for the ion beam, and in this special case is operated with helium or neon. The gas field ion microscope has three vacuum regions inside the microscope housing 19. The first vacuum region is the sample chamber 10, the second vacuum region is the intermediate column region 70, and the third vacuum region is the external vacuum storage container 81, and the gas field ion source is accommodated in the external vacuum storage container 81. The intermediate column region 70 is located between the external gas storage container 81 and the sample chamber 10.

事前に述べたように、試料チャンバはターボ分子ポンプ17により排気され、ターボ分子ポンプ17はテーブル5上に取り付けられる(図4には示されず)。外部ガス格納容器81も又、機械式ポンプ60により排気される。機械式ポンプ60も、テーブル5上に又取り付け可能なターボ分子ポンプとすることが可能である。外部ガス格納容器81を排気する機械式ポンプ60との間の接続は、ポンプ17と試料チャンバとの間の接続のように設計可能、すなわちポンプ60と外部ガス格納容器81との間の接続も、硬質管を備えた2つのフレキシブルベロー、又はそれらフレキシブルベロー間にコンパクトな真空フランジを有することが可能である。   As previously mentioned, the sample chamber is evacuated by the turbomolecular pump 17, which is mounted on the table 5 (not shown in FIG. 4). The external gas storage container 81 is also exhausted by the mechanical pump 60. The mechanical pump 60 can also be a turbomolecular pump that can also be mounted on the table 5. The connection between the mechanical pump 60 evacuating the external gas containment 81 can be designed like a connection between the pump 17 and the sample chamber, i.e. the connection between the pump 60 and the external gas containment 81 is also It is possible to have two flexible bellows with a rigid tube or a compact vacuum flange between the flexible bellows.

中間カラム領域70は、第1圧力制限開口54により外部ガス格納容器81から分離される。同様の方法で、中間カラム領域70は試料チャンバ10から第2圧力制限開口55により分離される。中間カラム領域70はイオンゲッタポンプ56により排気される。これにより、イオンゲッタポンプ56がいかなる振動をも発生しないという利点がある。   The intermediate column region 70 is separated from the external gas storage container 81 by the first pressure limiting opening 54. In a similar manner, the intermediate column region 70 is separated from the sample chamber 10 by the second pressure limiting opening 55. The intermediate column region 70 is evacuated by the ion getter pump 56. This has the advantage that the ion getter pump 56 does not generate any vibration.

イオンゲッタポンプ56は制御部59に接続されて制御される。制御部59は、ガス電界イオン源が作動されるか及び/又は希ガスが内部ガス封じ込め容器41に供給される場合には、常にイオンゲッタポンプ56がスイッチオフされるよう、イオンゲッタポンプ56を作動する。   The ion getter pump 56 is connected to the control unit 59 and controlled. The controller 59 turns the ion getter pump 56 so that the ion getter pump 56 is always switched off when the gas field ion source is activated and / or noble gas is supplied to the internal gas containment vessel 41. Operate.

中間カラム領域70を排気するイオンゲッタポンプ56は、フランジ72を経て中間カラム領域に接続する。フランジ72には弁57が備えられ、弁57は、イオンゲッタポンプ56を交換する又はさもなければ保守点検する必要がある、又はイオンゲッタポンプがスイッチオフされるかイオンゲッタポンプが中間カラム領域70を排気してはならない場合等に閉鎖可能である。このようにして。イオンゲッタポンプ56の交換又は保守点検は中間カラム領域70を大気にすることなく可能である。   An ion getter pump 56 that exhausts the intermediate column region 70 is connected to the intermediate column region via a flange 72. The flange 72 is provided with a valve 57 that may need to be replaced or otherwise serviced, or that the ion getter pump is switched off or the ion getter pump is in the middle column region 70. It can be closed when the air must not be exhausted. In this way. Replacement or maintenance of the ion getter pump 56 is possible without the intermediate column region 70 being in the atmosphere.

イオンゲッタポンプ56はヒータ58を有し、ヒータ58も又制御部59に接続されて制御される。ヒータ58によりイオンゲッタポンプ56を加熱可能であり、希ガス及び他の吸着物をイオンゲッタポンプ56から放出してイオンゲッタポンプ56を浄化する。   The ion getter pump 56 has a heater 58, and the heater 58 is also connected to the control unit 59 and controlled. The ion getter pump 56 can be heated by the heater 58, and the rare gas and other adsorbed substances are discharged from the ion getter pump 56 to purify the ion getter pump 56.

外部ガス格納容器81は圧力計測装置82を有する。圧力計測装置82も又制御部59に接続する。制御部59は、例えば外部ガス格納容器81の内部の圧力が所定の圧力値を下回った場合、すなわち圧力計測装置82のアウトプット信号が、外部ガス格納容器81内の圧力が所定の圧力値を下回ったと示す場合にのみ、イオンゲッタポンプ56をスイッチオンするソフトウエアプログラムを備えたコンピュータにより構成される。このようにして、イオンゲッタポンプ56の寿命が延長可能である。   The external gas storage container 81 has a pressure measuring device 82. The pressure measuring device 82 is also connected to the control unit 59. For example, when the internal pressure of the external gas storage container 81 falls below a predetermined pressure value, that is, the output signal of the pressure measuring device 82 indicates that the pressure in the external gas storage container 81 has a predetermined pressure value. Only when it is shown that it has fallen below, it is constituted by a computer having a software program for switching on the ion getter pump 56. In this way, the life of the ion getter pump 56 can be extended.

図3に関連してすでに上述したように、外部ガス格納容器81の内部にはガス電界イオン源が配置される。図4では、内部ガス封じ込め容器41を形成するガス電界イオン源の構成部品、すなわちベースプラットフォーム31、外部管状絶縁体37及び引出孔39を備えた引出電極38のみが示される。図4に示されるように、ゲッタ45は内部ガス封じ込め容器41の内部にある。   As already described above with reference to FIG. 3, a gas field ion source is disposed inside the external gas storage container 81. In FIG. 4, only the components of the gas field ion source forming the inner gas containment vessel 41, ie, the extraction electrode 38 with the base platform 31, the outer tubular insulator 37 and the extraction hole 39 are shown. As shown in FIG. 4, the getter 45 is inside the internal gas containment vessel 41.

図4には、駆動装置43を備えたフラッパ型弁42も示される。駆動装置43も又制御部59に接続されて制御される。フラッパ型弁42は、内部ガス封じ込め容器41をすばやく排気することが要求された場合、例えばヘリウムイオンビームを生成するヘリウムによる作動と、ネオンイオンビームを生成するネオンによる作動との間でガス電界イオン源の作動変更が要求された場合、フラッパ型弁42を開放可能である。   FIG. 4 also shows a flapper valve 42 having a drive device 43. The driving device 43 is also connected to the control unit 59 and controlled. The flapper type valve 42 can be used for gas field ions, for example, between an operation with helium that generates a helium ion beam and an operation with neon that generates a neon ion beam, when it is required to quickly evacuate the internal gas containment vessel 41. The flapper type valve 42 can be opened when a change in source operation is required.

ガス電界イオン顕微鏡は冷却装置、例えばエミッタチップ、ガス供給管40及びベースプラットフォーム31を冷却するデュワ52を有する。図4にはデュワ52と、ベースプラットフォーム31又はガス供給管40のような冷却される構成部品との間の熱的な接続は示されていない。デュワ52は、クライオジェンで充填されるよう構成されたデュワの内部チャンバを、外界から絶縁する真空ジャケットを有する。デュワジャケット弁及び真空ラインを経て、デュワジャケットは試料チャンバ10に接続する。このようにして、真空ジャケット内の真空を試料チャンバの圧力で保持可能である。デュワジャケット弁は以下の場合に閉鎖可能である。すなわち、いかなる処理ガスが試料チャンバ内の試料に供給される場合、チャンバが大気とされる場合、又は一般的にチャンバ圧力が所定の圧力値、例えば10-6 Torrを上回る場合である。デュワジャケット弁を閉鎖することにより、デュワジャケット内に凝縮性ガスが蓄積するのを防止可能である。 The gas field ion microscope has a cooling device such as an emitter tip, a gas supply pipe 40 and a dewar 52 for cooling the base platform 31. FIG. 4 does not show the thermal connection between the dewar 52 and the components to be cooled, such as the base platform 31 or the gas supply line 40. The dewar 52 has a vacuum jacket that insulates the internal chamber of the dewar that is configured to be filled with cryogen from the outside. The dewar jacket is connected to the sample chamber 10 via a dewar jacket valve and a vacuum line. In this way, the vacuum in the vacuum jacket can be maintained at the pressure of the sample chamber. The dewar jacket valve can be closed in the following cases. That is, any process gas is supplied to the sample in the sample chamber, the chamber is atmospheric, or generally the chamber pressure exceeds a predetermined pressure value, eg, 10 −6 Torr. By closing the dewar jacket valve, it is possible to prevent the condensation gas from accumulating in the dewar jacket.

図4に示されたガス電界イオンビームシステムのガス供給系は、2つのガス容器61, 62を有し、1つの容器はヘリウムを、もう1つの容器はネオンを含む。両ガス容器は圧力調整機を有し、圧力調整機以降のガス供給ライン内で一定のガス圧力を確保する。圧力調整機以降の両ガス供給ラインに続いて、各ガス供給ラインはリーク弁63, 64を有する。リーク弁63, 64は、ガス容器61, 62から管40へ、対応する希ガスの一定のガス流を確保し、それにより内部ガス封じ込め容器41内への対応する希ガスの一定のガス流を確保する。   The gas supply system of the gas field ion beam system shown in FIG. 4 has two gas containers 61 and 62, one container containing helium and the other container containing neon. Both gas containers have a pressure regulator and ensure a constant gas pressure in the gas supply line after the pressure regulator. Each gas supply line has leak valves 63 and 64 following both gas supply lines after the pressure regulator. The leak valves 63, 64 ensure a constant gas flow of the corresponding noble gas from the gas containers 61, 62 to the pipe 40, thereby providing a constant gas flow of the corresponding noble gas into the internal gas containment vessel 41. Secure.

ガス容器61, 62からの管40へのガス流の方向で両ガス供給ラインが接続される。ガス流の方向に続いて、結合されたガス供給ラインで浄化器65及びガス弁68が続き、その後ガス供給ラインは内部ガス封じ込め容器41内で終了する管40に接続される。   Both gas supply lines are connected in the direction of gas flow from the gas containers 61, 62 to the pipe 40. Following the direction of gas flow, a purifier 65 and a gas valve 68 follow in a combined gas supply line, which is then connected to a tube 40 that terminates in an internal gas containment vessel 41.

ガス供給ラインは、ガス供給ラインを真空チャンバ10に直結するバイパス弁67を備えたバイパスライン66を有する。   The gas supply line has a bypass line 66 including a bypass valve 67 that directly connects the gas supply line to the vacuum chamber 10.

更に、ヒータ73aがガス供給管40上に備えられ、ヒータ73aによりガス供給管40を加熱可能である。   Further, a heater 73a is provided on the gas supply pipe 40, and the gas supply pipe 40 can be heated by the heater 73a.

ガス電界イオンビームシステムが数日間、高いヘリウム又はネオンガス流により作動されている場合、ガス電界イオン源の作動はクライオポンピング面、すなわちベースプラットフォーム31、ガス供給管40、引出電極38、絶縁体33, 37及びエミッタチップ34を短時間ウォームアップ可能なステップを含むことが可能である。このウォーミングアップの結果、蓄積された低温吸着原子を脱離可能であり、その後ターボ分子ポンプ17, 60を経て排気可能である。ヘリウム又はネオンガスのような希ガスを、外部のガス供給容器61, 62からエミッタチップ34の近傍へ供給するガス送出管40も又、極低温に冷却可能である。これにより、H2O, CO, CO2, N2, O2等の不純物を管40の表面上にクライオポンプ可能となり、供給されたガスを浄化する役割を果たす。ガス供給管40の表面を浄化するために、ガス供給管40は、他のクライオポンピング面が少なくとも100°C、より好適には150°C又は更に200°Cまで加熱されるのと同様に、ヒータ73により定期的に高温まで加熱可能であり、これらの蓄積吸着物を放出可能であり、ターボポンプ60, 17を介して排気可能である。 If the gas field ion beam system is operated with a high helium or neon gas flow for several days, the operation of the gas field ion source is a cryopumping surface, i.e., base platform 31, gas supply tube 40, extraction electrode 38, insulator 33, It is possible to include a step that can warm up 37 and emitter tip 34 for a short time. As a result of this warming up, the accumulated low-temperature adsorbed atoms can be desorbed and then exhausted through the turbo molecular pumps 17 and 60. The gas delivery pipe 40 that supplies a rare gas such as helium or neon gas from the external gas supply containers 61 and 62 to the vicinity of the emitter tip 34 can also be cooled to a cryogenic temperature. As a result, impurities such as H 2 O, CO, CO 2 , N 2 , and O 2 can be cryopumped on the surface of the tube 40, and the supplied gas is purified. In order to clean the surface of the gas supply pipe 40, the gas supply pipe 40 is similar to the other cryopumping surfaces being heated to at least 100 ° C, more preferably 150 ° C or even 200 ° C. The heater 73 can be periodically heated to a high temperature, and these accumulated adsorbates can be discharged, and can be exhausted through the turbo pumps 60 and 17.

ガス送出管40は1 mmと6 mmの間の内径を有する。ガス送出管40は、外部ガス格納容器81の壁面を介して外部ガス送出系を内部ガス封じ込め容器41にまで接続する。ガス送出管40はバイパス弁67を有し、脱離ガスの排気を促進する。バイパス弁67は、脱離ガスが内部ガス封じ込め容器41内で大規模にトラップされることを防止する。バイパス弁67は完全に真空ハウジングの外に位置可能であり、又は内部ガス封じ込め容器41内に一体化される。   The gas delivery tube 40 has an inner diameter between 1 mm and 6 mm. The gas delivery pipe 40 connects the external gas delivery system to the internal gas containment container 41 through the wall surface of the external gas storage container 81. The gas delivery pipe 40 has a bypass valve 67 and promotes exhaust of desorbed gas. The bypass valve 67 prevents the desorbed gas from being trapped on a large scale in the internal gas containment vessel 41. The bypass valve 67 can be located completely outside the vacuum housing or is integrated within the internal gas containment vessel 41.

3つの技術のうちの1つにより、エミッタチップから吸着原子を定期的に除去することが有効であると判明している。3つの技術のうちの1つは、エミッタチップ34を定期的に、例えば300° C以上で1分以上加熱し、同時に内部ガス封じ込め容器41を形成する構成部品を極低温に保つことである。エミッタチップ34をこのように加熱することで、蓄積された吸着原子を熱励起させ、これらの吸着原子が脱離し、重要度がより低い周囲の表面に移動する。そうした表面は、主として引出電極38の冷却表面であり、吸着原子を保持し、エミッタチップ34に移動して戻る可能性を低減する。   It has proven effective to periodically remove adsorbed atoms from the emitter tip by one of three techniques. One of the three techniques is to periodically heat the emitter tip 34, for example, at 300 ° C. or higher for 1 minute or longer, while keeping the components forming the internal gas containment vessel 41 at a cryogenic temperature. By heating the emitter tip 34 in this manner, the accumulated adsorbed atoms are thermally excited, and these adsorbed atoms are desorbed and moved to a surrounding surface of lower importance. Such a surface is primarily the cooling surface of the extraction electrode 38, holding adsorbed atoms and reducing the possibility of moving back to the emitter tip 34.

代替的に、エミッタチップ34の加熱に替えてエミッタチップ上に集束される強烈な光線を使用し、蓄積された吸着原子を光脱離させることでエミッタチップ34を清浄な、安定したイオン放出に適した状態に残すことが可能である。   Alternatively, instead of heating the emitter tip 34, an intense light beam focused on the emitter tip is used to desorb the accumulated adsorbed atoms, thereby making the emitter tip 34 clean and stable ion emission. It is possible to leave it in a suitable state.

更に代替的に、エミッタチップ34と引出電極38との間の電圧差を増やし、電界により蓄積された吸着原子を脱離可能である。例えば、エミッタチップ34と引出電極との間の電圧差がガス電界イオン源の作動間に、ネオン放出用に通常30 kVであるとすると、電界を32 kV、より好適には35 kV又は40 kVまで増加可能であり、吸着物の放出を引き起こす。   Further alternatively, the adsorbed atoms accumulated by the electric field can be desorbed by increasing the voltage difference between the emitter tip 34 and the extraction electrode 38. For example, if the voltage difference between the emitter tip 34 and the extraction electrode is typically 30 kV for neon emission during operation of the gas field ion source, the electric field is 32 kV, more preferably 35 kV or 40 kV. Can be increased to cause the release of adsorbate.

これら上述の3つの技術のうちの1つに対する必要性は、放出パターンを観察し、個々の吸着物の影響を見ることで査定可能である。またこれら3つの技術のうちの1つに対する必要性は、エミッタのチップ34からの放出がいかに不安定か観察することでも査定可能である。   The need for one of these three above-mentioned techniques can be assessed by observing the release pattern and looking at the effects of individual adsorbates. The need for one of these three techniques can also be assessed by observing how unstable the emission from the emitter tip 34 is.

エミッタチップの各電界イオン顕微鏡の像は図11a及び図11bに示される。図11aは中央三量体放出パターンを示す。三量体原子が最も明るいが、非三量体原子放出サイトも可視である。通常、ガンの傾斜はこれら3つの中央放出ビームの1つが下部のイオンカラムに向けられるよう調整される。理想的な作動の間、放出パターンは時間が経過しても非常に安定し、一定である。しかし、真空状態又はガス純度が理想的ではないと、不所望な原子又は分子がエミッタ上に吸着する可能性があり、これは図11bにより大きな明るいスポットとして示される。これらの放出パターンは、こうした吸着分子又は原子の変化を待ち受けるべく、定期的にモニタ可能である。不所望な吸着原子は三量体原子上、又は非三量体原始のうちの1つの原子上、又は異なる部位に位置する可能性がある。吸着物の影響により三量体からの放出電流が低減されるか、又は吸着物がそこに残存すると同時に放出電流が増加する。従って、既述の技術は吸着物が取り除かれるまで適用可能であり、放出パターンが本来の所望される外観をとる。   Images of each field ion microscope of the emitter tip are shown in FIGS. 11a and 11b. FIG. 11a shows the central trimer release pattern. Trimeric atoms are brightest, but non-trimeric atom emission sites are also visible. Typically, the gun tilt is adjusted so that one of these three central emission beams is directed to the lower ion column. During ideal operation, the release pattern is very stable and constant over time. However, if the vacuum or gas purity is not ideal, unwanted atoms or molecules may be adsorbed onto the emitter, which is shown as a larger bright spot in FIG. 11b. These emission patterns can be monitored periodically to await these adsorbed molecule or atom changes. Undesirable adsorbed atoms may be located on trimer atoms, on one of the non-trimer primitives, or at different sites. The emission current from the trimer is reduced by the influence of the adsorbate, or the emission current increases at the same time as the adsorbate remains there. Thus, the described technique can be applied until the adsorbate is removed and the release pattern takes on the original desired appearance.

上述のように、少量の不要ガス原子がガス電界イオン源のエミッタチップに到達しても、放出ビームの強度が上下変動するか、又は漸進的及び進行的に弱まる可能性がある。これらの影響はガスマニホールド(又はガス送出系)により低下可能である。ガスマニホールドは、性能を最適化する目的、及び作動手順のために設計される。ガス送出系はバイパス弁を含む。バイパス弁は、ヘリウム又はネオンガスでガス送出ラインを使用する準備段階での浄化プロセスとして、ガス送出ラインを排気可能にする。ガス送出ハードウエアは、UHVサービス用に確立された材料及び方法を備えて準備される。ガス送出系は一体型ヒータを備える。一体型ヒータは、ガスマニホールドを150° C, 200° C又更には400° Cという高温まで8時間、12時間又更には16時間という長い時間範囲で加熱可能であり、いかなる真空汚染物質の脱離をも助長する。この加熱時間の間、内部ガス封じ込め容器41へのライン中の弁68は閉鎖され、試料チャンバ10に至る管66中のバイパス弁67は開放される。その結果、発生ガスの影響がそれほど顕著ではない試料チャンバ10へと、ポンプにより発生ガスが排気される。ベーキングプロセスは、ガスマニホールドが大気にさらされた後(例えば容器又は弁交換等の保守活動の後)、又は放出安定性レベルを改善する必要がある場合に繰り返し可能である。化学的に活性である浄化器65も、普通の不純物を低減するためのガスマニホールドの一部分として組み入れ可能である。浄化器は、100°C, 200°C又更には300° Cの高温、室温又はいかなる所望の温度へ浄化器専用のヒータにより加熱されて作動可能である。浄化器のヒータへは直流電源により動力供給可能であり、60 Hz又は50 Hzの磁界からは何ら干渉を受けない。ガスマニホールドは又圧力計58を有することが可能であり、精密なリーク弁から下流ではあるが、ガスが内部ガス封じ込め容器に搬送される以前の圧力をモニタする。   As described above, even if a small amount of unwanted gas atoms reach the emitter tip of the gas field ion source, the intensity of the emitted beam may fluctuate up or down, or may gradually and progressively weaken. These effects can be reduced by the gas manifold (or gas delivery system). The gas manifold is designed for performance optimization purposes and operating procedures. The gas delivery system includes a bypass valve. The bypass valve allows the gas delivery line to be evacuated as a purification process in the preparatory stage of using the gas delivery line with helium or neon gas. Gas delivery hardware is prepared with materials and methods established for UHV services. The gas delivery system includes an integrated heater. The integrated heater can heat the gas manifold to temperatures as high as 150 ° C, 200 ° C, or even 400 ° C for as long as 8 hours, 12 hours, or even 16 hours, and remove any vacuum contaminants. Also promote separation. During this heating time, the valve 68 in the line to the internal gas containment vessel 41 is closed and the bypass valve 67 in the tube 66 leading to the sample chamber 10 is opened. As a result, the generated gas is exhausted by the pump to the sample chamber 10 where the influence of the generated gas is not so remarkable. The baking process can be repeated after the gas manifold has been exposed to the atmosphere (e.g., after maintenance activities such as container or valve replacement) or when it is necessary to improve the emission stability level. A chemically active purifier 65 can also be incorporated as part of the gas manifold to reduce common impurities. The purifier can be operated by being heated to a high temperature of 100 ° C, 200 ° C or even 300 ° C, room temperature or any desired temperature by a heater dedicated to the purifier. The heater of the purifier can be powered by a DC power supply and does not receive any interference from a 60 Hz or 50 Hz magnetic field. The gas manifold can also have a pressure gauge 58 to monitor the pressure before the gas is transferred to the internal gas containment vessel, although downstream from the precision leak valve.

ガス電界イオン源の内部ガス封じ込め容器は内蔵型の弁、「フラッパ型弁」42を有する。フラッパ型弁が開放されると、内部ガス封じ込め容器41は外部ガス格納容器81と接続され、内部ガス封じ込め容器の体積のポンピング速度が、毎秒1リットル(引出孔39を介してのみの開放である場合)から追加弁が開放された場合の毎秒22リットルにまで増加可能である。この弁を使用することで低い基底圧の達成を助長可能であり、低い基底圧により安定したネオン放出を助長可能である。この弁を使用することで、別のガス(例えばネオン)へ切り換える前に1つのガス(例えばヘリウム)をパージするために要求される時間を短縮可能である。弁は内部ガス封じ込め容器に直接取り付け可能であり、又はより離れて位置することも可能である。弁は又、ガス送出ライン40に組み込み可能である。   The internal gas containment vessel of the gas field ion source has a built-in valve, “flapper type valve” 42. When the flapper type valve is opened, the internal gas containment vessel 41 is connected to the external gas containment vessel 81, and the volume pumping speed of the internal gas containment vessel is 1 liter per second (open only through the extraction hole 39). To 22 liters per second when the additional valve is opened. By using this valve, it is possible to promote the achievement of a low basal pressure, and it is possible to promote a stable neon release by a low basal pressure. Using this valve can reduce the time required to purge one gas (eg, helium) before switching to another gas (eg, neon). The valve can be attached directly to the internal gas containment vessel or can be located further away. The valve can also be incorporated into the gas delivery line 40.

ガス供給容器から内部ガス封じ込め容器へのガス送出管としての役割を果たす極低温接続も装備可能である。この利点として、内部ガス封じ込め容器への接続が減少し、運転における接続及び切り離しがより容易になる。他の利点として、ヘリウム又はネオンガス内のいかなる不純物もクライオポンピングすべく、ガス経路が適切に冷却されることがある。他の利点として、デュワが加熱される際に、ガス送出管40が適切に加熱され、不純物を脱離することがある。   A cryogenic connection that serves as a gas delivery tube from the gas supply vessel to the internal gas containment vessel can also be provided. As an advantage, the connection to the internal gas containment vessel is reduced, making it easier to connect and disconnect in operation. Another advantage is that the gas path is properly cooled to cryopump any impurities in the helium or neon gas. Another advantage is that when the dewar is heated, the gas delivery tube 40 is properly heated to desorb impurities.

内部ガス封じ込め容器は、フレキシブル熱伝導素子32(図3に示される)を介して加熱及び冷却可能である。フレキシブル熱伝導素子の終端部は、極低温クーラに取り付けられたヒータ73cである。デュワがクライオジェンで充填されると、デュワはガス電界イオン源を冷却状態に保つ役割を果たす。デュワがクライオジェンで充填されていない場合、ヒータに動力が供給可能であり、デュワ及び内部ガス封じ込め容器を形成する構成部品の双方を加熱する。このような設計は、デュワ及び内部ガス封じ込め容器が熱的に密な関係にあり、これらの間で温度差を達成するのは単純な事項ではないために特に好適である。これら両部分をベーキングする間、要求される電力は約25ワットであり、達成される温度はデュワ上で130° C、及び内部ガス封じ込め容器41を形成する構成部品で110° Cである。   The internal gas containment vessel can be heated and cooled via a flexible heat conducting element 32 (shown in FIG. 3). The end of the flexible heat conducting element is a heater 73c attached to the cryogenic cooler. When the dewar is filled with cryogen, the dewar serves to keep the gas field ion source cool. When the dewar is not filled with cryogen, the heater can be powered and heats both the dewar and the components that form the internal gas containment vessel. Such a design is particularly suitable because the dewar and the internal gas containment are in a thermally tight relationship and achieving a temperature difference between them is not a simple matter. During baking of both parts, the required power is about 25 watts, and the temperature achieved is 130 ° C. on the dewar and 110 ° C. for the components forming the internal gas containment vessel 41.

試料の帯電に起因する像内の電荷による乱れを低減するため、電子ビームを供給するフラッドガンを備えることが可能であり、フラッドガンは1 keVを超える、1.5 keVを超える又は2 keVさえ超える範囲の比較的高いエネルギーを許容する。多数の試料における電荷による乱れを軽減するためには、より高いエネルギーが望ましい。   To reduce disturbance due to charge in the image due to specimen charging, it is possible to have a flood gun that supplies an electron beam, the flood gun is in the range above 1 keV, above 1.5 keV or even above 2 keV Of relatively high energy. Higher energy is desirable to reduce charge disturbances in multiple samples.

像の品質上での振動の影響を低減する手段としては、1つ以上のターボ分子ポンプをイオンゲッタポンプで置き換える。ターボ分子ポンプは一般的に高価である。また内部に回転部品を有するため、ターボ分子部品により荷電粒子ビームシステムに対して振動が加えられ、像の品質が低下しがちである。費用を低減し、ターボ振動を除去するための1つの方法は、ゲッタイオンポンプ(akaイオンポンプ)を選択し、1つ以上のターボ分子ポンプを取り替える。ゲッタイオンポンプ(又はイオンゲッタポンプ)は2つのポンピング機構に基づく。第1の方法は、科学的に活性な種をポンプにより排気する化学的ゲッタリングである。第2の方法は直接原子を埋めるものである。第2の方法は、希ガス原子を含めいかなるガス分子に対しても機能する。一方第1の方法は、希ガス原子が化学的に不活性であるため、希ガス原子に対しては機能しない。ゲッタリング効果は、活性種の反応物質への結合により達成され、通常は、ゲッタイオンポンプにより新たに蒸発させられるチタニウム又はタンタルの組み合わせである。分子をイオン化し(電子衝撃により)、結果として得られた、3 keV又は5 keV又は10 keVのエネルギーまでの大きな電界を備えたイオンを加速することにより、原子を直接埋めることが可能である。その後、イオンは隣接面(チタニウム又はタンタル)を打ち、10から100 nmの典型的な深度にまで埋め込まれる。埋め込まれると、ガス種はもはや真空容器に戻ることはできない。直接埋めることにはスパッタリング効果が伴う。スパッタリング効果において、化学的に未反応のチタニウム又はタンタル分子がスパッタされ、それに続く化学的ゲッタリングが可能となる。しかし、イオンポンプはヘリウム及びネオン等の希ガスに対するポンピング速度が限られると知られている。理由としては、(1)ヘリウム及びネオンが化学的に比較的不活性であり、従って直接埋めることで最も効果的にポンプにより排気される。(2)ヘリウム及びネオンはイオン化エネルギーが高いため、容易にイオン化されない。及び(3)ヘリウム及びネオンはその移動性のため、埋められた状態から徐々に放散可能であり、表面の腐食が進行する。希ガス環境でイオンゲッタポンプの寿命が限られるという欠点を克服するために、ガス電界イオン源が作動している場合など、存在するガスが主として希ガスである場合には、イオンゲッタポンプをスイッチオフ可能である。代替的に、ゲッタイオンポンプはターボポンプと組み合わせて作動可能であり、その場合イオンゲッタポンプは、荷電粒子ビームカラム内の小さな中間真空スペースのみを排気し、イオンゲッタポンプへのガス負荷は絞りにより制限される。   One means of reducing the effects of vibration on image quality is to replace one or more turbomolecular pumps with ion getter pumps. Turbomolecular pumps are generally expensive. Further, since the rotating part is included inside, the charged particle beam system is vibrated by the turbo molecular part, and the image quality tends to be deteriorated. One way to reduce costs and eliminate turbo vibration is to select a getter ion pump (aka ion pump) and replace one or more turbo molecular pumps. Getter ion pumps (or ion getter pumps) are based on two pumping mechanisms. The first method is chemical gettering in which scientifically active species are pumped out. The second method directly embeds atoms. The second method works for any gas molecule, including noble gas atoms. On the other hand, the first method does not work for rare gas atoms because the rare gas atoms are chemically inert. The gettering effect is achieved by the binding of the active species to the reactants and is usually a combination of titanium or tantalum that is freshly evaporated by a getter ion pump. It is possible to directly fill the atoms by ionizing the molecules (by electron impact) and accelerating the resulting ions with large electric fields up to 3 keV or 5 keV or 10 keV energies. Thereafter, the ions strike adjacent surfaces (titanium or tantalum) and are implanted to a typical depth of 10 to 100 nm. Once embedded, the gas species can no longer return to the vacuum vessel. Direct filling is accompanied by a sputtering effect. In the sputtering effect, chemically unreacted titanium or tantalum molecules are sputtered, allowing subsequent chemical gettering. However, ion pumps are known to have limited pumping rates for noble gases such as helium and neon. The reasons are: (1) Helium and neon are chemically relatively inert and are therefore most effectively evacuated by the pump by direct filling. (2) Since helium and neon have high ionization energy, they are not easily ionized. And (3) Because of its mobility, helium and neon can be gradually dissipated from the buried state, and surface corrosion proceeds. To overcome the shortcomings of limited life of ion getter pumps in rare gas environments, switch ion getter pumps when the gas present is primarily rare gases, such as when a gas field ion source is operating. It can be turned off. Alternatively, the getter ion pump can be operated in combination with a turbo pump, in which case the ion getter pump evacuates only a small intermediate vacuum space in the charged particle beam column and the gas load on the ion getter pump is limited by throttling. Limited.

ガス電界イオン源をベークアウトして所望の真空レベルを達成する場合、図6に関して述べる特定の時間順序に従うことが有益である。第1ステップ610において、外部真空ハウジング、内部ガス封じ込め容器41及びガス電界イオン源のエミッタチップの全てが、少なくとも100 °C、より好適には150°C又更に好適には200°Cにさえなる高温に加熱される。この加熱は、同時に全ての構成部品に対して実行可能である。しかし、加熱プロセスが第一にステップ611で完了する場合、外部真空ハウジングは室温にまで冷却可能である。外部真空容器がクールダウンする時間中、内部ガス封じ込め容器41及びガス電界イオン源のエミッタチップ等の内部構成部品は継続して加熱される。それから、外部真空ハウジングがステップ612において室温までクールダウン完了した後に、内部ガス封じ込め容器を形成する構成部品が極低温にまで冷却され、同時にガス電界イオン源のチップ34の加熱は依然として継続される。その後ステップ613において、内部ガス封じ込め容器を形成する構成部品が極低温にまで冷却完了された後に、イオンエミッタの加熱が中止され、ガス電界イオン源のチップ34が極低温に保持される。他の温度対時間計画では、ガス電界イオン源のチップが材料の吸着を引き起こす可能性がある。なぜなら、周囲の表面からこれら材料が脱離するためである。   When baking out a gas field ion source to achieve a desired vacuum level, it is beneficial to follow a specific time sequence as described with respect to FIG. In the first step 610, the outer vacuum housing, the inner gas containment vessel 41 and the emitter tip of the gas field ion source are all at least 100 ° C, more preferably 150 ° C or even more preferably 200 ° C. Heated to high temperature. This heating can be performed on all components at the same time. However, if the heating process is first completed at step 611, the external vacuum housing can be cooled to room temperature. During the time that the external vacuum vessel cools down, internal components such as the internal gas containment vessel 41 and the emitter tip of the gas field ion source are continuously heated. Then, after the outer vacuum housing has been cooled down to room temperature in step 612, the components forming the inner gas containment vessel are cooled to cryogenic temperatures, while heating of the gas field ion source tip 34 is still continued. Thereafter, in step 613, after the components forming the internal gas containment vessel have been cooled to cryogenic temperatures, the ion emitter heating is discontinued and the gas field ion source tip 34 is held at cryogenic temperatures. In other temperature versus time schemes, gas field ion source tips can cause material adsorption. This is because these materials are detached from the surrounding surface.

制御部59は、例えば対応するソフトウエアコードにより多様なヒータ73a, 73b, 73c, 58を制御し、エミッタチップの供給ラインを介する加熱電流を、上述の加熱及び冷却計画を確実に実行するよう構成可能である。   The control unit 59 is configured to control various heaters 73a, 73b, 73c, 58, for example, by corresponding software codes, and to reliably execute the heating and cooling plans described above by using the heating current through the emitter chip supply line. Is possible.

像振動として表れる可能性のあるビームランディングエラーは、例えば、イオンビームが誤った場所に着陸する原因となる磁界及び電界を変更する時間を除去することで低減可能である。通常、イオン顕微鏡及び電子顕微鏡は、標準の60 Hz及び50 Hz電力系により動力供給される。これら「交流」電源は、制御電子装置上で小さなリプル電圧を偶然に生成することがあり、これらのリプル電圧により不所望なビームランディングエラーが引き起こされる可能性がある。例えばビームハンドル電極上で60リプルの5 mVが発生すると、ビームが時変的に望ましい目標から逸れる原因となる。代替的に、「交流」電源は磁界を生成可能であり、この磁界は直接荷電粒子ビームに対して力を行使可能であり、再び時変ランディングエラーを引き起こす。例えば、50 Hz磁界で振幅5ミリガウスである場合、1nmを超える時変のランディングエラーを引き起こす可能性がある。一般にこれら「交流」電源は、顕微鏡に含まれサポートする個々の構成部品に電力を供給する。構成部品の例としては、ターボポンプ、イオンポンプ、真空計、ヒータ、機械的ステージモータ、高電圧供給系、フィラメントヒータ、ピコ電流計、チャンバ照明、検出器、電子フラッドガン、カメラ、直流低電圧供給系等を含む。これらのシステムのほとんどは、交流電源入力なくしては使用不可能である。言い換えれば、等しく機能する直流電源を電源とする同等物は一般的には市販されていない。しかし、交流電源を電源とする部品ソース(50 Hz又は60 Hz)を3メートル以内に有さないガス電界イオン顕微鏡の設計が望ましいとされてきた。これは以下の2つの方法で達成可能である。第一に、顕微鏡の3メートル以内に位置する全ての構成部品は、直流電源又は空気圧式アクチュエータによってのみ作動可能であるよう設計、特定又は変更可能である。第二に、交流電源を必要とし、(例えば直流電源等の)代替品の無い少数の構成部品は、顕微鏡から少なくとも2メートル、より好適には3メートルを超えた距離をおいて配置可能である。例えばガス電界イオン顕微鏡は、直流から直流変圧器により局所的に生成された高電圧を有することが可能である。加熱素子の中には直流電源により作動される素子もある。また、顕微鏡の作動時に交流ヒータを停止可能であれば、使用可能な交流ヒータもある。顧客は、操作卓(専用の交流電源コンピュータ及びモニタを備えた)を、自らの志向に従って顕微鏡の近く又は遠くに位置させることを選択可能である。   Beam landing errors that can appear as image vibrations can be reduced, for example, by removing the time to change the magnetic and electric fields that cause the ion beam to land in the wrong location. Typically, ion and electron microscopes are powered by standard 60 Hz and 50 Hz power systems. These “alternating current” power supplies can accidentally generate small ripple voltages on the control electronics, and these ripple voltages can cause unwanted beam landing errors. For example, the occurrence of 60 ripple of 5 mV on the beam handle electrode will cause the beam to deviate from the desired target in a time-varying manner. Alternatively, an “alternating current” power supply can generate a magnetic field that can exert a force directly on the charged particle beam, again causing a time-varying landing error. For example, a 50 Hz magnetic field with an amplitude of 5 milligauss can cause a time-varying landing error exceeding 1 nm. In general, these “alternating current” power supplies provide power to the individual components that are included and supported in the microscope. Examples of components include turbo pump, ion pump, vacuum gauge, heater, mechanical stage motor, high voltage supply system, filament heater, pico ammeter, chamber illumination, detector, electronic flood gun, camera, DC low voltage Includes supply systems. Most of these systems cannot be used without an AC power input. In other words, an equivalent that uses a DC power source that functions equally as a power source is generally not commercially available. However, it has been desirable to design a gas field ion microscope that does not have a component source (50 Hz or 60 Hz) powered by an AC power source within 3 meters. This can be achieved in the following two ways. First, all components located within 3 meters of the microscope can be designed, specified or modified so that they can only be operated by a DC power supply or a pneumatic actuator. Second, a small number of components that require an AC power source and have no replacement (eg, DC power source) can be placed at a distance of at least 2 meters, more preferably more than 3 meters from the microscope. . For example, a gas field ion microscope can have a high voltage generated locally from a direct current by a direct current transformer. Some heating elements are operated by a DC power source. There is also an AC heater that can be used if the AC heater can be stopped when the microscope is operated. The customer can choose to place the console (with a dedicated AC power computer and monitor) near or far from the microscope according to his / her preference.

試料チャンバ10の内部の試料ステージ20は、5軸式モータ制御ステージであり、高い繰返精度(2ミクロン未満)、低ドリフト(毎分10 nm未満)及び低振動(< 1 nm)を備える。ステージの軸は(チャンバ取付面19から試料への順で)、傾斜軸、X軸、Y軸、回転軸及びZ軸である。傾斜軸は-5度の限界から0度(ガス電界イオン源ビームが試料を直交方向に打つ)、+54度(ガリウムビームが試料を直交方向に打つ)、限界の+56度まで試料を傾斜可能である。全ての上軸の全ての重量を備えて、この広範な傾斜範囲を達成するためには、最小限の正味の力を備えた相当のトルクが要求される。傾斜軸は従来の真空領域の外側にある、密閉型ロータリーフィードスルーを備えた直流モータ又はステッパモータにより駆動される。全ての上軸はピエゾセラミックアクチュエータにより作動され、ピエゾセラミックアクチュエータは非常に高い剛性(振動低減のため)、及び動力供給されていない場合での生来の遮断性能を有する。   The sample stage 20 inside the sample chamber 10 is a 5-axis motor control stage with high repeatability (less than 2 microns), low drift (less than 10 nm per minute) and low vibration (<1 nm). The axes of the stage (in order from the chamber mounting surface 19 to the sample) are the tilt axis, the X axis, the Y axis, the rotation axis, and the Z axis. Tilt axis tilts the sample from the limit of -5 degrees to 0 degrees (gas field ion source beam strikes the sample in the orthogonal direction), +54 degrees (gallium beam strikes the sample in the orthogonal direction), and the limit of +56 degrees Is possible. In order to achieve this wide range of tilt with the full weight of all upper shafts, a considerable torque with minimal net force is required. The tilt axis is driven by a DC motor or stepper motor with a hermetic rotary feedthrough outside the conventional vacuum region. All upper shafts are actuated by piezoceramic actuators, which have very high rigidity (to reduce vibrations) and inherent blocking performance when not powered.

図5に示されるように、ガス電界イオン源はモータ駆動機構により傾斜可能である。機構は、動きが完了した際に駆動機構を接続解除し、振動を低減するよう構成される。説明として挙げると、ガス電界イオン源は小さい角度(典型的にはX又はY方向に1, 2又は3度)ほど傾斜可能であり、カラムに対してイオン源を傾斜する。一つには、エミッタの正確な形状が容易に制御できない場合、この傾斜が必要とされる。一つには、通常3つのイオンビームは約1度の分離角を備えるエミッタの頂点部から発せられるため、このような傾斜を要求可能である。発せられるイオンビームの1つはイオンカラムの軸へと下に向けることが可能であり、最も優れた性能を発揮する。ガス電界イオン源を傾斜させることで、選択されたイオンビームをこのように方向付けできる。上述のとおり、又図5にも示されるように、ガス電界イオン源のハウジングは2つの部分、すなわち上部分15及び下部分16を有する。ハウジングの上部分15は、対応するハウジングに固定された下部分16の凸型球状面と組合う凹型球状面により傾斜を強制される。球状面の中心はエミッタチップの頂点部の位置と一致し、従ってエミッタチップの頂点部と中心を共有する傾斜の動きをとるよう配置される。上部球状面及び下部球状面の接触面は十分な摩擦力を提供し、2つの部分は機械的に極めて硬質で、測定可能ないかなる相対振動からも免れている。   As shown in FIG. 5, the gas field ion source can be tilted by a motor drive mechanism. The mechanism is configured to disconnect the drive mechanism when movement is complete to reduce vibration. By way of illustration, a gas field ion source can be tilted by a small angle (typically 1, 2 or 3 degrees in the X or Y direction), tilting the ion source relative to the column. For one, this tilt is required when the exact shape of the emitter cannot be easily controlled. For one thing, such tilting can be required because usually three ion beams are emitted from the apex of the emitter with a separation angle of about 1 degree. One of the emitted ion beams can be directed down to the axis of the ion column and provides the best performance. By tilting the gas field ion source, the selected ion beam can be directed in this way. As mentioned above, and also shown in FIG. 5, the gas field ion source housing has two parts, an upper part 15 and a lower part 16. The upper portion 15 of the housing is forced to tilt by a concave spherical surface that mates with the convex spherical surface of the lower portion 16 fixed to the corresponding housing. The center of the spherical surface coincides with the position of the apex of the emitter tip and is therefore arranged to take a tilting motion sharing the center with the apex of the emitter tip. The contact surfaces of the upper and lower spherical surfaces provide sufficient frictional forces and the two parts are mechanically extremely hard and free from any measurable relative vibration.

図5に示されたシステムにおいて、上部ハウジング15はモータ駆動の傾斜機構により下部ハウジング16に対して傾斜する。傾斜駆動機構は、下部ハウジング16に固定されたガントリ701により構成され、下部ハウジング16はハウジングの上部分15内のレセプタクルの内部に収まるペグを移動させる。ペグはモータ702, 703の2つの直交軸(X傾斜及びY傾斜用)により移動されるため、レセプタクルの縁部と接触し、上部ハウジング15が所望の方向に移動する。2つの球状面の相対傾斜は、空気軸受の作動によっても可能である。所望の傾斜が達成された後、空気軸受が無力化され、ペグは後退方向に移動し、もはやレセプタクルの縁部と接触しなくなる。このようにして、動きがもはや所望されていない場合、モータ駆動軸(及び軸が導入する可能性のある振動)が完全に接続解除される。従って、モータ702, 703は所望の場合に傾斜効果を提供するが、サービスが完了するとモータ702, 703が接続解除される。また、上部ハウジング15(傾斜部分)に傾斜計705が装備され、傾斜計705が重力の方向に対する上部ハウジング15の傾斜を厳密に測定することも特筆に価する。傾斜計により、2方向(X方向及びY方向)への傾斜角が、オペレータとガン傾斜モータを制御する制御部へと提供される。これにより上部ハウジングが傾斜可能となり、それに従ってイオンガンが1つの位置から別の位置へと移動し、再び戻るという傾斜運動が可能になる。傾斜計705は又、内部(垂直から丁度4度の総傾斜に限定可能)を破損する可能性のある過剰な傾斜角(例えばX方向に+3度及びY方向に+3度)を防止する。また、固定カメラの視線及び固定電気接点に基づく定期的な源メンテナンス実施の必要がある場合には、上部ハウジング15は標準の傾斜角に戻ることが可能である。   In the system shown in FIG. 5, the upper housing 15 is tilted relative to the lower housing 16 by a motor driven tilt mechanism. The tilt drive mechanism is constituted by a gantry 701 fixed to the lower housing 16, and the lower housing 16 moves a peg that fits inside the receptacle in the upper portion 15 of the housing. Since the peg is moved by two orthogonal axes of the motors 702 and 703 (for X tilt and Y tilt), the peg contacts the edge of the receptacle and the upper housing 15 moves in a desired direction. The relative inclination of the two spherical surfaces is also possible by the action of an air bearing. After the desired tilt is achieved, the air bearing is disabled and the peg moves backward and no longer contacts the edge of the receptacle. In this way, when movement is no longer desired, the motor drive shaft (and any vibration that the shaft may introduce) is completely disconnected. Thus, the motors 702, 703 provide a tilt effect when desired, but the motors 702, 703 are disconnected when service is complete. It is also worthy to note that the upper housing 15 (inclined portion) is equipped with an inclinometer 705 and the inclinometer 705 measures the inclination of the upper housing 15 with respect to the direction of gravity. The inclinometer provides tilt angles in two directions (X direction and Y direction) to the controller that controls the operator and the gun tilt motor. This allows the upper housing to tilt and allows the tilting movement of the ion gun to move from one position to another and back again accordingly. The inclinometer 705 also prevents excessive tilt angles (eg +3 degrees in the X direction and +3 degrees in the Y direction) that can break the interior (can be limited to a total tilt of just 4 degrees from the vertical). . In addition, the upper housing 15 can return to the standard tilt angle when periodic source maintenance needs to be performed based on the line of sight of the fixed camera and the fixed electrical contacts.

上部ハウジングの傾斜調整プロセスを、図7を参照して説明する。第1ステップ801において、上部ハウジング15の重力の方向に対して実際に調整された傾斜位置が、傾斜計705により提供された実計測値を読み出すことで記憶される。次のステップ802において制御部59は、上部ハウジング15と下部ハウジング16との間の2つの球状面の間の空気軸受への空気供給をスイッチオンする。その後、傾斜駆動装置702; 703が作動されるステップ803が続き、同時に下部ハウジング16に対する上部ハウジング15の新たに調整された傾斜位置に関して、傾斜計705が所望の読み出し出力を提供するまで、傾斜計705による実計測値の読み出しが継続される。新たな位置に達すると、ステップ804において上部ハウジング15と下部ハウジング16との間の空気軸受への空気供給が停止される。ステップ805において駆動装置702, 703は、ペグがレセプタクルと接続解除するまで、新たな傾斜位置に達するために必要とされる移動と比較して、反対の方向へと移動するよう制御される。その後ガス電界イオンビームシステムは、ステップ806で上部ハウジング15により作動可能であり、上部ハウジング15は下部ハウジングに対して新たな傾斜位置にある。   The process of adjusting the inclination of the upper housing will be described with reference to FIG. In the first step 801, the inclination position actually adjusted with respect to the direction of gravity of the upper housing 15 is stored by reading out the actual measurement value provided by the inclinometer 705. In the next step 802, the control unit 59 switches on the air supply to the air bearing between the two spherical surfaces between the upper housing 15 and the lower housing 16. This is followed by step 803 in which the tilt drive 702; 703 is activated, at the same time until the inclinometer 705 provides the desired readout output for the newly adjusted tilt position of the upper housing 15 relative to the lower housing 16. Reading of the actual measurement value by 705 is continued. When the new position is reached, air supply to the air bearing between the upper housing 15 and the lower housing 16 is stopped in step 804. In step 805, the drives 702, 703 are controlled to move in the opposite direction as compared to the movement required to reach the new tilt position until the peg disconnects from the receptacle. The gas field ion beam system can then be actuated by the upper housing 15 at step 806, which is in a new tilted position with respect to the lower housing.

古い傾斜位置が記憶されているため、所望の場合には、新たに上述のプロセスを、傾斜計705が再び古い傾斜位置に達したと示すアウトプット信号を提供するまで、しかし駆動装置702, 703を反対方向に移動させ、古い傾斜位置へと再調整可能である。このプロセスは、ガス電界イオン源のチップを再建する際に使用可能である。通常チップの再建は、試料の像を記録するため又は試料を処理するためにシステムを作動する場合とは異なるエミッタチップの向きで実行される。   Since the old tilt position is remembered, if desired, the new process described above is repeated until the inclinometer 705 provides an output signal indicating that the old tilt position has been reached again, but the drives 702, 703. Can be moved in the opposite direction and readjusted to the old tilt position. This process can be used in rebuilding the tip of a gas field ion source. Typically, tip reconstruction is performed with a different emitter tip orientation than when operating the system to record an image of the sample or to process the sample.

説明として挙げると、ガス電界イオンビームシステムは、衝突するイオンビームのために試料を離れる粒子を検出することで試料の像を生成可能であり、サブナノメータの精度でこれらの試料を操作及び変更可能である。従って、集束イオンビームの意図する到着位置においてエラーが無いよう、イオン顕微鏡を作動可能であることが重要である。こうしたランディングエラーは極めて小さく(例えば100 nm未満、10 nm未満又は1 nmさえ下回る)することが可能であるが、小さくとも依然として機器の作動に対して悪影響を及ぼす。ガス電界イオンビームシステムを安定作動させるため、エミッタチップ近傍でのガスイオン化のための希ガスを適切な分量で確保すべきである。適切な希ガス圧力を確保するために、ガス供給系はリーク弁63, 64(図4に示され、詳細には図8に示される)を有する。リーク弁63, 64はオペレータに手動調整されるか、又はモータ駆動の制御系により調整される。どちらにしても、調整は事前に確立されたテーブル値に基づいて確立される。テーブル値は、機械的に作動ガス圧を目標値に調整すること(例えばノブ902又はモータ位置を手動で回転させる)に関連する。図9に示されるように、ガス圧は外部ガス封じ込め容器81内に位置する計器82又はガスマニホールド(図4に示されたガス送出系)内に位置する計器69により評価可能である。そしてどちらにしても、顕微鏡が最高の精度での作動に到達するまで調整を延期可能である。言い換えれば、正常の制御ループは、精密作業の間には中断可能である。例えば、もしガス圧が容認可能範囲を超えたとすると、制御部59はコンピュータインターフェイスを経てオペレータに表示906(例えば「ガス圧が目標から外れています」とのメッセージ)、又は緑から赤に変化可能なライトインジケータを提供可能である。そして、オペレータは現在の顕微鏡作動が修正アクションを許容するか、又はこのアクションを延期すべきかを決定できる。参照用に挙げれば、顕微鏡作動における正常のガス圧は、圧力計82により2.0 x10-6Torrから2.1 x 10-6Torrまでの範囲で読み出される。もし圧力がこの範囲の外側になった場合、進行中のプロセスの同一性又は一貫性に影響が及ぶ可能性がある。しかし修正アクションが、進行中の作業の複製忠実度に対してより深刻な影響を及ぼす可能性がある。従って図9に示されるように、制御部59はステップ908において、針弁63又は64を介するガス流の修正がその時点で望ましいと確認するユーザ相互作用907を受信完了した後でのみ、モータ904を作動するよう構成される。 As an illustration, the gas field ion beam system can generate sample images by detecting particles leaving the sample due to impinging ion beams, and can manipulate and modify these samples with sub-nanometer accuracy It is. Therefore, it is important to be able to operate the ion microscope so that there is no error at the intended arrival position of the focused ion beam. These landing errors can be very small (eg, less than 100 nm, less than 10 nm, or even less than 1 nm), but even if small, they still have a negative impact on instrument operation. In order to stably operate the gas field ion beam system, an appropriate amount of rare gas for gas ionization in the vicinity of the emitter tip should be secured. In order to ensure proper noble gas pressure, the gas supply system has leak valves 63, 64 (shown in FIG. 4 and in detail in FIG. 8). The leak valves 63 and 64 are manually adjusted by an operator or adjusted by a motor-driven control system. In either case, adjustments are established based on pre-established table values. The table value is associated with mechanically adjusting the working gas pressure to the target value (eg, manually rotating knob 902 or motor position). As shown in FIG. 9, the gas pressure can be evaluated by a meter 82 located in the external gas containment vessel 81 or a meter 69 located in the gas manifold (gas delivery system shown in FIG. 4). Either way, the adjustment can be postponed until the microscope has reached maximum accuracy. In other words, a normal control loop can be interrupted during precision work. For example, if the gas pressure exceeds an acceptable range, the controller 59 can display 906 to the operator via the computer interface (eg, a message “Gas pressure is out of target”) or can change from green to red. A simple light indicator can be provided. The operator can then determine if the current microscope operation allows a corrective action or if this action should be postponed. Taking for reference, normal gas pressure in the microscope operation is read in the range of the pressure gauge 82 from 2.0 x10- 6 Torr to 2.1 x 10 -6 Torr. If the pressure goes outside this range, it may affect the identity or consistency of the ongoing process. However, corrective actions can have a more serious impact on the replication fidelity of ongoing work. Thus, as shown in FIG. 9, the controller 59, at step 908, only after having received a user interaction 907 that confirms that a modification of gas flow through the needle valve 63 or 64 is desired at that time, the motor 904. Configured to operate.

適切な位置のリーク弁は、市販される手動精密リーク弁とすることが可能であり、ガス電界イオンビームシステム内に組み込まれる。図3に関連して上述したように、1つのリーク弁63をヘリウムガス送出系用に装備可能であり、1つのリーク弁64をネオンガス送出系用に装備可能である。リーク弁63, 64は更なる修正を施さずに手動作動され、校正表を備える。校正表は、一般的に所望されるガス圧とこれらの圧力を達成するために対応するノブの回転を示す。モータ駆動リーク弁の代替実施形態が図8に示される。このモータ駆動リーク弁は市販の手動リーク弁63, 64に基づく。リーク弁のハウジング部903には、スピンドル905を備えた駆動モータ904が接続される。スピンドル905は、手動リーク弁の手動調整ノブ902上で作動する。   The leak valve in the proper position can be a commercially available manual precision leak valve and is incorporated into the gas field ion beam system. As described above in connection with FIG. 3, one leak valve 63 can be equipped for the helium gas delivery system and one leak valve 64 can be equipped for the neon gas delivery system. Leak valves 63, 64 are manually operated without further modification and are provided with a calibration table. The calibration table generally indicates the desired gas pressure and the corresponding knob rotation to achieve these pressures. An alternative embodiment of a motor driven leak valve is shown in FIG. This motor driven leak valve is based on commercially available manual leak valves 63,64. A drive motor 904 having a spindle 905 is connected to the housing portion 903 of the leak valve. The spindle 905 operates on a manual adjustment knob 902 of the manual leak valve.

代替的に、手動リーク弁のノブ機構を全く無しで済ますことが可能であり、ピエゾセラミックアクチュエータで代替可能である。または更に代替的に、手動リーク弁のノブ機構を無しで済ますことが可能であり、カム式駆動機構で代替可能である。   Alternatively, the manual leak valve knob mechanism can be dispensed with entirely, and a piezoceramic actuator can be substituted. Alternatively, or alternatively, a manual leak valve knob mechanism can be dispensed with, and a cam drive mechanism can be substituted.

図10はガス電界イオンビームシステムの実施形態の電気的構成を示す。上述のように荷電粒子ビームシステムは、イオンエミッタを備えた荷電粒子源を有する。イオンエミッタは、導電性チップ34、引出電極38、及び減速又は加速電極110を有する。ビーム伝播の方向へ下方にビーム偏向系112が続く。ビーム偏向系により、イオンビームは自身の伝播方向に垂直な方向に偏向可能であり、試料ステージ20上に位置する試料の表面全域のイオンビームを走査する。更に、荷電粒子ビームシステムは対物レンズを有する。対物レンズは数個の電極107,108,109を有し、イオンビームをステージ20上に位置する試料の表面上に集束する。   FIG. 10 shows the electrical configuration of an embodiment of a gas field ion beam system. As described above, the charged particle beam system has a charged particle source with an ion emitter. The ion emitter has a conductive tip 34, an extraction electrode 38, and a deceleration or acceleration electrode 110. A beam deflection system 112 continues downward in the direction of beam propagation. By the beam deflection system, the ion beam can be deflected in a direction perpendicular to its propagation direction, and the ion beam is scanned over the entire surface of the sample located on the sample stage 20. Furthermore, the charged particle beam system has an objective lens. The objective lens has several electrodes 107, 108 and 109 and focuses the ion beam onto the surface of the sample located on the stage 20.

対物レンズの電極107,108,109の対称性により規定される光軸125に対して試料を位置するため、試料ステージ20は数個の軸に沿って及び/又は数個の軸の回りに移動可能である。典型的には、試料ステージ20は移動用に4つ又は5つの自由軸を有する。これら5つの軸は、通常は光軸125に垂直な線形移動、光軸125に沿う線形移動、光軸125に垂直な軸の回りの傾斜又は回転、及び光軸125の回りの回転である。移動を駆動するため、対応する個数のモータ駆動装置がステージ20に配置され、そのうちの駆動装置105, 106が図10に示される。   In order to position the sample with respect to the optical axis 125 defined by the symmetry of the electrodes 107, 108, 109 of the objective lens, the sample stage 20 is movable along several axes and / or around several axes. Typically, the sample stage 20 has four or five free axes for movement. These five axes are typically linear movement perpendicular to the optical axis 125, linear movement along the optical axis 125, tilt or rotation about an axis perpendicular to the optical axis 125, and rotation around the optical axis 125. In order to drive the movement, a corresponding number of motor drives are arranged on the stage 20, of which the drives 105, 106 are shown in FIG.

電動モータ105, 106に加えて、システムはリーク弁用のアクチュエータ115、フラッパ型弁用のアクチュエータ116、真空ポンプ17、イオンゲッタポンプ56、ヒータ73a, 73b, 73c等である複数の追加の電動構成部品を有する。荷電粒子ビームシステムの作動の間に作動する必要があるかもしれないこれら駆動装置の全てに電源供給するため、これら電動装置は交流直流変換器114の出力電力により動力供給される。交流直流変換器114自体は、通常の50Hz又は60Hz電源113により動力供給される。この交流直流変換器114は、最も近接する荷電粒子ビームシステムのイオン光学構成部品から数メートル、例えば少なくとも2メートル離れて位置するよう構成される。従って、荷電粒子ビームシステム内又は荷電粒子ビームシステムに直接取り付けられ、荷電粒子ビームシステムの従来の作動中に作動可能である電動構成部品の全ては、交流直流変換器114の直流出力に動力供給されるよう構成される。更に、エミッタ34、引出電極38、加速及び減速電極110、レンズ電極107,108及び偏向系112に印加される高電圧を生成するため、直流直流電圧変換器118が装備される。直流直流電圧変換器118は、交流直流変換器114の入力直流電圧出力から、数個の異なる高電圧を生成するよう構成される。直流直流変換器118の多様な出力信号は、対応する供給ケーブル又は電力供給ライン119 - 124により、荷電粒子ビームシステムの対応する電極へと導かれる。   In addition to the electric motors 105, 106, the system includes a plurality of additional electric configurations, including an actuator 115 for a leak valve, an actuator 116 for a flapper valve, a vacuum pump 17, an ion getter pump 56, heaters 73a, 73b, 73c, etc. Have parts. These motorized devices are powered by the output power of the AC to DC converter 114 to power all of these drives that may need to operate during operation of the charged particle beam system. The AC / DC converter 114 itself is powered by a normal 50 Hz or 60 Hz power supply 113. The AC / DC converter 114 is configured to be located a few meters, for example at least 2 meters away from the ion optical components of the closest charged particle beam system. Thus, all of the motorized components that are attached in or directly to the charged particle beam system and are operable during conventional operation of the charged particle beam system are powered to the DC output of the AC to DC converter 114. Configured to In addition, a DC / DC voltage converter 118 is provided to generate a high voltage to be applied to the emitter 34, extraction electrode 38, acceleration and deceleration electrode 110, lens electrodes 107, 108 and deflection system 112. The DC / DC voltage converter 118 is configured to generate several different high voltages from the input DC voltage output of the AC / DC converter 114. The various output signals of the DC / DC converter 118 are directed to corresponding electrodes of the charged particle beam system by corresponding supply cables or power supply lines 119-124.

上述の電気構想は、荷電粒子ビームシステムに近接し、交流電圧で駆動され、荷電粒子ビームシステムの作動中に作動される必要がある電気装置を避けるものである。この電気構想により、交流電源供給の50 Hz又は60 Hzの周波数に伴う障害を大幅に低減可能である。   The electrical concept described above avoids electrical devices that are in close proximity to the charged particle beam system and are driven with an alternating voltage and need to be activated during operation of the charged particle beam system. This electrical concept can greatly reduce the obstacles associated with the 50 Hz or 60 Hz frequency of the AC power supply.

図12は、放射シールド803を備えるガス電界イオン源の断面図である。ガス電界イオン源の設計は、図3に関連して上述されたガス電界イオン源と非常に類似する。またこの場合、源はエミッタチップ34を把持する内部円柱状絶縁体33と、内部絶縁体33を包囲し、孔39を備えた引出電極38を把持する外部円柱状絶縁体37を有する。外部真空壁801と外部円柱状電極37との間のスペースは、外部ガス格納容器81を形成し、外部円柱状電極に包囲されたスペースは、内部ガス封じ込め容器41を形成する。外部真空壁801のような室温の構成部品からの放射熱伝達を最小化するため、外部円柱状電極37及び引出電極38は放射シールド803により包囲される。放射シールド803は通常、カバー810及び円柱の基底側に基部812を備えた円柱管により形成可能である。放射シールドは研磨された金でめっきされ、放射線吸収を最小化する。放射シールドはベースプレート801に接続されるため、放射シールドも又、極低温にまで冷却される。代替的に、放射シールドもデュワのような冷却システムへの専用の冷却接続を有することが可能である。しかし缶状の放射シールドは、放射シールドで包囲された領域と放射シールドの外側の領域との間でガス移送が必要である場合には有用性に劣る。   FIG. 12 is a cross-sectional view of a gas field ion source that includes a radiation shield 803. The design of the gas field ion source is very similar to the gas field ion source described above in connection with FIG. Further, in this case, the source has an inner cylindrical insulator 33 that holds the emitter tip 34 and an outer cylindrical insulator 37 that surrounds the inner insulator 33 and holds the extraction electrode 38 having the hole 39. The space between the external vacuum wall 801 and the external cylindrical electrode 37 forms an external gas storage container 81, and the space surrounded by the external cylindrical electrode forms an internal gas containment container 41. In order to minimize radiant heat transfer from room temperature components such as the external vacuum wall 801, the outer cylindrical electrode 37 and the extraction electrode 38 are surrounded by a radiation shield 803. The radiation shield 803 can usually be formed by a cover 810 and a cylindrical tube having a base 812 on the base side of the cylinder. The radiation shield is plated with polished gold to minimize radiation absorption. Since the radiation shield is connected to the base plate 801, the radiation shield is also cooled to a very low temperature. Alternatively, the radiation shield can also have a dedicated cooling connection to a cooling system such as Dewar. However, a can-shaped radiation shield is less useful when gas transfer is required between the area surrounded by the radiation shield and the area outside the radiation shield.

図13a及び13bは熱シールドの断面図を示す。熱シールドは、放射シールドの内部と外部の領域間でガス交換を達成可能である。図13aにおいて、放射シールドは同心円シリンダ805, 806を有し、両者は高い放射反射性外表面を備えた金属製とする。両シリンダは複数の孔807, 808を有する。内部シリンダ806内の孔807は、外部シリンダ805内の孔808に対して回転方向にオフセットして配置される。孔の幅、両シリンダ805, 806の間隔、及び両シリンダにおける孔の間のオフセット角度は、外部シリンダ805の外側から内部シリンダ806の内側を直視できないよう選択される。従って、外部シリンダ805の孔を通るいかなる放射も、内部シリンダ806の残存材料部分上に衝突する。   Figures 13a and 13b show cross-sectional views of the heat shield. The heat shield can achieve gas exchange between areas inside and outside the radiation shield. In FIG. 13a, the radiation shield has concentric cylinders 805, 806, both made of metal with a high radiation reflective outer surface. Both cylinders have a plurality of holes 807,808. The hole 807 in the inner cylinder 806 is arranged offset in the rotational direction with respect to the hole 808 in the outer cylinder 805. The width of the hole, the distance between the cylinders 805 and 806, and the offset angle between the holes in both cylinders are selected so that the inside of the inner cylinder 806 cannot be seen directly from the outside of the outer cylinder 805. Thus, any radiation that passes through the holes in the outer cylinder 805 impinges on the remaining material portion of the inner cylinder 806.

図13bの実施形態は複数のスラブ809を有する。スラブ809は円柱状に配置され、各スラブは、シリンダ軸811から半径方向に0度及び90度とは異なる角度で傾斜する。またこの実施形態において、スラブ809に包囲された円柱状領域の外側から内側への放射の直視は、ほぼないか、又は最小限である。   The embodiment of FIG. 13 b has a plurality of slabs 809. The slabs 809 are arranged in a cylindrical shape, and each slab is inclined at an angle different from 0 degrees and 90 degrees in the radial direction from the cylinder shaft 811. Also in this embodiment, the direct view of radiation from the outside to the inside of the cylindrical region surrounded by the slab 809 is nearly or minimal.

図13a及び図13bの両実施形態において、孔807, 808又はスラブ809の間を介して、熱シールドの内側から熱シールドの外側へ、又は反対方向へガスが流動可能であり、同時に熱シールドにより包囲された領域の外側から領域内への放射熱伝達は、熱シールドにより強く低減される。   In both the embodiments of FIGS. 13a and 13b, gas can flow from the inside of the heat shield to the outside of the heat shield, or in the opposite direction, between the holes 807, 808 or the slab 809, at the same time by the heat shield. Radiative heat transfer from outside the enclosed area into the area is strongly reduced by the heat shield.

上述の開示は、以下のように要約可能である。
ガス電界イオン源を作動するプロセスのいくつかの実施形態において、ガス電界イオン源は、イオン源にいかなる電圧が印加される前に最初に加熱可能であり、不所望ないかなる原子及び分子を脱離する。作動時のガス電界イオン源は極低温(例えば90 Kelvin未満)に冷却されるため、これにより大量の原子及び分子を除去する。加熱は例えば数秒といった短時間とすることが可能であるが、例えば500ケルビン又はそれを上回る数百ケルビンの温度とされたい。
ガス電界イオン源を作動するプロセスのいくつかの実施形態において、ガス電界イオン源は、最適動作電圧で源が作動することが要求されていない場合には、エミッタチップと引出電極との間に印加される最大許容電圧で作動可能である。この「スタンドバイ電圧」を典型的に、エミッタチップの電界蒸発を引き起こす電圧のすぐ下の電圧とすることが可能である。これにより、吸着原子の分極を最大限とし、従って吸着原子の移動性を最小化する役割を果たすことが可能である。その結果、吸着原子がエミッタチップの頂点部に向かって移動する機会を低減する。
いくつかの実施形態においては、ガス電界イオン源が不所望な原子による影響を最も受け易くなる可能性がある。そのため、ガス電界イオン源は極低温の冷却面により包囲可能であり、さもなければイオン源のガス電界のエミッタに到達可能である、いかなる吸着原子の熱的脱離の可能性を最小化する。
ガス電界イオン源を作動するプロセスのいくつかの実施形態において、極低温の冷却面は定期的に加熱又は光刺激可能であり、吸着原子又は分子を脱離する。加熱プロセスの間、ガス電界イオン源は、エミッタチップと引出電極との間の電圧を強く低減することで閉鎖されるべきである。
ガス電界イオン源を作動するプロセスのいくつかの実施形態において、準備ステップとして、真空容器及びガス送出系は高温まで加熱可能であり、脱ガスを促進し、表面及び容積汚染を動態化する。これは、他の揮発ガスと組み合わせた部分真空下で実施可能である。
ガス電界イオン源を作動するプロセスのいくつかの実施形態において、準備ステップとして、真空容器及びガス送出系は電界研磨可能であり、表面積を最小化する。
ガス電界イオン源のいくつかの実施形態において、ガン領域は、例えば市販のSAESゲッタ剤等の化学的ゲッタ剤を装備可能であり、不所望なガス種に対して高い排気性能を提供する。この化学的ゲッタ剤は、所望のガス種が希ガスである場合に非常に効果的である。なぜなら、希ガスはポンプにより排気されないためである。化学的ゲッタ剤は又、ポンプにより水素を排気するために非常に効果的である。なぜならこのガス種は、極低温法によってはポンプにより効果的に排気されないためである。ゲッタ剤が化学的に活性である場合、ガス電界イオン源は通常加熱され、ガス電界イオン源は無力化可能である。
ガス電界イオン源のいくつかの実施形態において、ガス送出管は極低温トラップを通過可能であり、不純物の凝結を引き起こす。いくつかの実施形態において、ガス送出系のこうした部分は弁を有することが可能であり、パージを可能にする。
ガス電界イオン源のいくつかの実施形態において、ガス送出系は浄化器を有することが可能である。浄化器は加熱されるか又は加熱されない化学的ゲッタ剤を含み、不所望ないかなる原子又は分子を化学的にトラップする。
ガス電界イオン源のいくつかの実施形態において、ガス送出系はバイパスを有し、不所望な原子及び分子を含む内容物は最終ガン領域以外の容器内にパージ可能である。
ガス電界イオン源のいくつかの実施形態において、ガス電界イオン源の領域はイオンポンプを装備可能であり、不所望なガス原子をポンプにより排気する。またイオンポンプは、所望されるガスが搬送される場合には無力化可能であり、ガス供給のスタンドバイの間には有効化可能である。
ガス電界イオン源のいくつかの実施形態において、真空容器はSAESゲッタ剤に類似する非蒸発性ゲッタ剤のコンフォーマルコーティングを装備可能である。
ガス電界イオン源のいくつかの実施形態において、真空容器は、チタンサブリメーションポンプのような水素ポンプゲッタを装備可能である。
ガス電界イオン源を作動するプロセスのいくつかの実施形態において、ガス電界イオン源は、コンディションを促進させるか又は表面を準備させるための間に作動可能である。コンディション調整下で、イオン源はエネルギッシュで高次に分極された中性原子のボンバードを介し、吸着ガス原子をパージ可能である。またコンディション調整の間、ガス電界イオン源の作動中にイオンビームがその上に衝突可能である引出電極、サプレッサ電極、レンズ電極及び他の表面は、吸着原子又は化学的に付着した原子を除去し、洗浄可能である。コンディショニングステップは、プロセスの加速が所望される場合、より重いガス種により実行可能である。
The above disclosure can be summarized as follows.
In some embodiments of the process for operating a gas field ion source, the gas field ion source can be initially heated before any voltage is applied to the ion source to desorb any undesired atoms and molecules. To do. In operation, the gas field ion source is cooled to a very low temperature (eg, less than 90 Kelvin), thereby removing large quantities of atoms and molecules. Heating can be as short as, for example, a few seconds, but should be at a temperature of, for example, 500 Kelvin or several hundred Kelvin above.
In some embodiments of the process for operating the gas field ion source, the gas field ion source is applied between the emitter tip and the extraction electrode if the source is not required to operate at an optimum operating voltage. It is possible to operate at the maximum allowable voltage. This “standby voltage” can typically be just below the voltage that causes field evaporation of the emitter tip. This can serve to maximize the polarization of the adsorbed atoms and thus minimize the mobility of the adsorbed atoms. As a result, the opportunity for adsorbed atoms to move toward the apex of the emitter tip is reduced.
In some embodiments, the gas field ion source may be most susceptible to unwanted atoms. As such, the gas field ion source can be surrounded by a cryogenic cooling surface, minimizing the possibility of thermal desorption of any adsorbed atoms that could otherwise reach the emitter of the gas field of the ion source.
In some embodiments of the process for operating a gas field ion source, the cryogenic cooling surface can be periodically heated or photostimulated to desorb adsorbed atoms or molecules. During the heating process, the gas field ion source should be closed by strongly reducing the voltage between the emitter tip and the extraction electrode.
In some embodiments of the process of operating a gas field ion source, as a preparatory step, the vacuum vessel and gas delivery system can be heated to high temperatures to facilitate degassing and to mobilize surface and volume contamination. This can be done under partial vacuum combined with other volatile gases.
In some embodiments of the process for operating a gas field ion source, as a preparatory step, the vacuum vessel and gas delivery system can be electropolished to minimize surface area.
In some embodiments of the gas field ion source, the gun region can be equipped with a chemical getter agent, such as, for example, a commercially available SAES getter agent, providing high exhaust performance for undesired gas species. This chemical getter agent is very effective when the desired gas species is a noble gas. This is because the rare gas is not exhausted by the pump. Chemical getter agents are also very effective for pumping out hydrogen with a pump. This is because this gas species is not effectively exhausted by the pump by the cryogenic method. When the getter agent is chemically active, the gas field ion source is usually heated and the gas field ion source can be disabled.
In some embodiments of the gas field ion source, the gas delivery tube can pass through a cryogenic trap, causing the condensation of impurities. In some embodiments, such portions of the gas delivery system can have a valve, allowing purge.
In some embodiments of the gas field ion source, the gas delivery system can have a purifier. The purifier contains a chemical getter agent that is heated or not heated, and chemically traps any unwanted atoms or molecules.
In some embodiments of the gas field ion source, the gas delivery system has a bypass and the contents containing unwanted atoms and molecules can be purged into a container other than the final gun region.
In some embodiments of the gas field ion source, the region of the gas field ion source can be equipped with an ion pump to pump out undesired gas atoms. Also, the ion pump can be disabled when the desired gas is transported and can be enabled during the gas supply standby.
In some embodiments of the gas field ion source, the vacuum vessel can be equipped with a non-evaporable getter agent conformal coating similar to the SAES getter agent.
In some embodiments of the gas field ion source, the vacuum vessel can be equipped with a hydrogen pump getter, such as a titanium sublimation pump.
In some embodiments of the process of operating the gas field ion source, the gas field ion source is operable during conditions or to prepare the surface. Under conditioned conditions, the ion source can purge adsorbed gas atoms via energetic and highly polarized neutral atom bombardments. Also during conditioning, the extraction electrode, suppressor electrode, lens electrode and other surfaces on which the ion beam can collide during operation of the gas field ion source remove adsorbed atoms or chemically attached atoms. It is washable. The conditioning step can be performed with heavier gas species if acceleration of the process is desired.

上述の記載においては、異なる発明の態様の特徴を組み合わせて開示している。本発明の範囲はこうした特徴の組合せに限定されることを意図しておらず、もっぱら以下の請求項により規定されると理解されたい。   In the above description, features of different aspects of the invention are disclosed in combination. It is to be understood that the scope of the present invention is not intended to be limited to such a combination of features, but is defined solely by the following claims.

Claims (3)

荷電粒子ビームシステムであって、
荷電粒子ビーム源と、
荷電粒子カラムと、
試料チャンバと
前記荷電粒子カラム、前記荷電粒子ビーム源及び前記試料チャンバの内部又はそれらのいずれか1つに配置された複数の電動装置と、
電気的な交流電圧力を電気的な直流電圧に変換する少なくとも1つの第1変換器と
を有し、
前記複数の電動装置は、イオンゲッターポンプ及びターボポンプからなるグループから選択された少なくとも一つの装置を備え、
前記第1変換器は、前記荷電粒子ビーム源、前記荷電粒子カラム及び前記試料チャンバの何れかから距離をおいて配置され、
前記複数の電動装置の全ての素子は、前記荷電粒子ビーム源が作動している間に作動される場合、前記第1変換器から供給される前記直流電圧によりもっぱら動力供給されるよう構成された荷電粒子ビームシステム。
A charged particle beam system,
A charged particle beam source;
A charged particle column;
A sample chamber, the charged particle column, the charged particle beam source, and a plurality of electric devices arranged inside or any one of the sample chamber;
At least one first converter for converting an electrical AC voltage force into an electrical DC voltage;
The plurality of electric devices include at least one device selected from the group consisting of an ion getter pump and a turbo pump,
The first transducer is disposed at a distance from any of the charged particle beam source, the charged particle column and the sample chamber;
All elements of the plurality of motorized devices are configured to be powered solely by the DC voltage supplied from the first converter when activated while the charged particle beam source is in operation. Charged particle beam system.
請求項1に記載の荷電粒子ビームシステムであって、前記第1変換器と、前記荷電粒子ビーム源、前記荷電粒子カラム及び前記試料チャンバの各々との間の最短距離は少なくとも2メートルである荷電粒子ビームシステム。   The charged particle beam system of claim 1, wherein the shortest distance between the first transducer and each of the charged particle beam source, the charged particle column, and the sample chamber is at least 2 meters. Particle beam system. 請求項1又は2に記載の荷電粒子ビームシステムであって、該システムは更に第2変換器を有し、該第2変換器は前記荷電粒子ビーム源に印加される高電圧を提供するよう構成され、前記第2変換器は、前記第1変換器の出力直流電圧を前記高電圧に変換する荷電粒子ビームシステム。
3. The charged particle beam system according to claim 1 or 2, further comprising a second transducer, the second transducer being configured to provide a high voltage applied to the charged particle beam source. And the second converter converts the output DC voltage of the first converter into the high voltage.
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