KR20070086445A

KR20070086445A - 레이저 원자 탐침

Info

Publication number: KR20070086445A
Application number: KR1020077013947A
Authority: KR
Inventors: 죠셉 할 번톤; 토마스 에프. 켈리; 다니엘 알. 렌즈; 스코트 알버트 위너
Original assignee: 이메이고 사이언티픽 인스트루먼츠 코포레이션
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-08-27
Also published as: EP1842221A4; JP2008524634A; WO2006101558A2; US20100294928A1; CN101088137A; CN101088137B; WO2006101558A3; EP1842221A2

Abstract

본 발명의 원자 탐침은 분석될 표본을 보유할 수 있는 표본 장착대를 포함한다. 검출기는 표본 장착대로부터 이격된다. 검출기와 표본 장착대 사이에는 개구를 갖는 전극이 존재한다. 레이저는 개구면에 대해 영이 아닌 각도로 표본 장착대를 향해 레이저 빔을 방사하도록 배향되고, 개구면은 표본 장착대와 검출기 사이에 개구를 통해 형성된 이온 이동 경로에 수직하게 배향된다.

원자 탐침, 표본 장착대, 검출기, 로컬 전극, 레이저, 원자 탐침

Description

레이저 원자 탐침 {LASER ATOM PROBES}

본 발명은 일반적으로 원자 탐침 현미경으로도 알려진 원자 탐침에 관한 것이다.

원자 탐침(원자 탐침 현미경)은 표본들을 원자 수준에서 분석할 수 있게 하는 장치이다. 종래 원자 탐침의 기본적 형태는 이하의 형상을 취할 수 있다. 표본 장착대가 검출기, 일반적으로 마이크로채널 판(microchannel plate)과 지연선 애노드(delay line anode)로부터 이격된다. 표본은 표본 장착대 내에 놓이고, 표본 고정기의 전하(전압)는 표본의 표면상의 원자가 이온화하고 표본의 표면으로부터 "발산(evaporate)"하여 검출기로 이동하도록 검출기의 전하에 대해 적절하게 된다. 일반적으로 표본의 전압은, 펄스가 펄스의 시기와 함께 발산 이벤트를 유발하여, 발산의 시간을 적어도 대략적으로 결정하도록 펄스화 된다. 표본의 원자는 검출기로부터의 거리에 따라 이온화되는 경향이 있어(즉, 검출기에 가까운 원자가 우선 이온화됨), 표본은 팁부 또는 정점(검출기에 가장 가까운 영역)에서 우선적으로 원자를 잃게 되며, 상기 팁은 증발이 계속되기 때문에 점차 손상된다. 표본으로부터 검출기로의 이온화된 원자의 비행 시간의 측정은 이온의 질량/전하 비율의 결정(그에 따라 발산된 원자의 식별)을 가능하게 한다. 이온이 검출기에 충돌하는 위치를 측정하면 원자가 표본 상에 존재했을 때 이온화된 원자의 상대적 위치를 결정할 수 있다. 따라서, 시간에 대해 표본 내의 구성 원자의 식별 및 위치의 3차원 맵을 형성할 수 있다.

표본 내에 잠재적으로 수용된 원자의 수와 이러한 원자들을 수집하기 위해 요구되는 시간으로 인해, 표본은 종종 큰 물체의 견본으로 형성된다. 이러한 표본은 종종 상기 물체로부터 긴 코어를 제거하여 형성되며-이는 "마이크로팁"으로 지칭되기도 하며 적어도 일부의 깊이를 통해 견본이된 물체의 구조를 나타낸다. 따라서, 이러한 마이크로팁 견본은 견본의 보유기 내에서 검출기를 향해 연장하는 축과 통상 정렬되어, 수집된 원자가 견본이된 물체의 깊이 폭 구조를 나타낸다. 또한, 마이크로팁의 막대형 구조는 그 정점 주위에서 대전된 표본의 전계를 유리하게 집중시켜서, 정점으로부터의 발산을 강화한다. 또한, 마이크로팁은 표본을 따라 일련의 마이크로팁을 형성하도록 표본으로부터 물질을 기계적 및/또는 화학적으로 제거하여 형성된다. 예컨대, 다이싱 톱이 표본 상의 일련의 산과 골을 형성하도록 실리콘 웨이퍼 또는 다른 표본의 최상부에서 평행하게 이격된 라인을 따라 작동될 수 있다. 따라서, 다이싱 톱 및 표본은 서로에 대해 90도로 회전될 수 있으며, 다이싱 톱은 표본을 따라 이격된 평행한 라인을 따라 다시 작동될 수 있다. 이로 인해, 포커싱된 이온 빔 밀링 및/또는 화학적 에칭을 사용하는 것과 같이 추가적인 성형 후, 마이크로팁으로 작용하는, 웨이퍼 상에 형성된 일련의 기둥을 형성할 수 있다.

이온화(발산) 에너지는 전계에 의해 단독으로 전달될 필요는 없다. 또한, 종래의 원자 탐침은 원자 탐침을 가열하여 이온 발산을 유도하기 위해 표본에 레이저 펄스를 배향했으며, 다른 원자 탐침들은 발산 유도를 돕기 위해 표본과 검출기 사이에 대전된 반대 전극(중심 개구를 갖는 전극)을 사용했었다. 하지만, 그들의 작동 모드에도 불구하고, 원자 탐침은 복잡성, 데이터 정밀도 이슈 및 긴 설정 및 작동 시간(표본 준비를 위해 필요한 시간을 포함)을 겪어야 하여, 이러한 점에서의 하나 이상의 개선이 이득이 될 것이다.

또한, 발산율(Er), 즉 단위 펄스당 검출된 이온의 수는 원자 탐침 데이터 수집 공정을 제어/모니터링하는데 사용되는 주요 측정 기준이다. 발산율을 정확하게 모니터링하는 것이 실패하면 수집된 데이터가 너무 적거나 없게 되거나(Er이 너무 낮은 경우) 또는 너무 많은 이온화 이벤트가 검출된다(Er이 너무 높은 경우). 너무 많은 데이터가 (단위 시간 동안) 수집되면, 상기 데이터는 노이즈 또는 부정확성에 의해 오염될 수 있으며 또는 표본이 가해지는 로컬 전계의 증가로 인해 파괴될 수 있다.

도1은 본 발명에 따라 형성된 원자 탐침의 개략도이다.

도1A는 색지움 렌즈의 위치를 제어하도록 사용된 서버모터 제어 스테이지의 개략도이다.

도2는 본 발명에 따른 정밀한 빔 정렬을 도시한다.

도3은 본 발명에 따라 표본 상에 레이저 빔의 정렬하는 것을 도시한 순서도이다.

도4는 토모그래피 기술을 사용하는 레이저 빔의 정밀한 제어를 도시한 순서도이다.

레이저 원자 탐침이 도1에 도면 부호 100에 의해 개략적으로 도시된다. 레이저 원자 탐침(100)은 상부에 표본(104)이 장착되는 표본 장착대(102)와, 표본(104) 상의 소정의 마이크로팁(104a)으로부터 발산된 이온을 수용하는 대향 검출기(106)와, 표본 장착대(102)와 검출기(106) 사이에 위치된 전극(108)(또는 더 일반적으로는 로컬 전극)을 포함한다(이 부품들 모두는 도시되지 않은 진공 챔버 내에 위치된다). 본 발명에서, 표본(104)은 큰 대상물로부터 취해진 단일의 마이크로팁이 아니라 상술된 다이싱(dicing) 및/또는 에칭 공정에 의해 웨이퍼 상에 형성된 일련의 마이크로칩과 같은 공통 기판에 의해 결합된 일련의 마이크로팁인 것이 바람직하며, 이때 웨이퍼의 나머지 본체는 연결 기판의 역할을 한다. 그 후, 표본 장착대(102)는 표본(104) 상의 소정의 마이크로팁(104a)이 로컬 전극(108)의 개구(110) 내에 있거나 상기 개구에 근접하여 이격될 수 있도록 이동 가능하며, 이때, 마이크로팁(104a) 상의 정점 또는 다른 관심 영역(일 실시예에서)은 개구면(112)으로부터 대략 하나의 개구 반경의 거리에서 개구(110) 내의 중심에 위치된다[상기 개구면은 개구(110)의 입구를 형성한다].

그 후, 레이저 빔(114)은 개구면(112)[및/또는 표본(104)의 표면의 평면]에 대해 소정의 영이 아닌 각도로 마이크로팁(112) 상에 배향된다. 일 실시예에서, 5도 내지 15도의 각이 사용되고, 또 다른 상세한 예로서, 약 8도의 각이 사용된다. 종래의 레이저 원자 탐침 장치는 0도 각도로[즉, 개구면(112)과 표본(104)의 표면-사실상 본 기술의 이전 출원에서의 단독 팁에 평행하게] 빔을 조사하였으며, 로컬 전극을 사용하지도 않았다. 본원에서는 로컬 전극(108)이 사용되었다. 몇몇 예에서, 로컬 전극은 펄스화되지 않아 약간의 이온화 에너지를 제공하지만, 다른 예에서는 로컬 전극(108)이 펄스화될 수도 있다.

마이크로팁(104a)은 이온화 에너지 임계점의 상당 부분에 이르는 부스트 전압(boost voltage)으로 대전되고, 로컬 전극(108)은 대전되지 않아 기준 전위(datum potential)[즉, 접지 또는 검출기(106)와 표본(104)의 전위 사이의 소정의 다른 고정 전위]로 유지되도록 나머지 이온화 에너지는 이온 발생(ion depature)을 위한 타이밍 이벤트(timing event)를 제공하도록 펄스화 된다. 또한, 부스트 전압도 몇몇 실시예에서 펄스화 된다. 로컬 전극(108)이 기준 전위에 잔류하여 이온화 펄스를 제공하지 않기 때문에, 로컬 전극은 불필요한 것으로 보일 수도 있지만, 로컬 전극(108)이 제공되고 마이크로팁(104a)이 개구면(112)으로부터 개구(110) 직경의 대략 0.75 내지 3배의 거리만큼 떨어져 위치하거나 또는 개구(110)의 영역 내[즉, 개구(110)의 경계로부터 표본(104)으로 돌출된 실린더 내]에 위치되면, 로컬 전극(108)은 단일 마이크로팁(104a) 주위에 우선적으로 전계의 소정의 유용한 집중을 제공한다[그로 인해, 레이저 빔(114)의 진동을 위해 필요한 에너지가 감소된다]. 또한, 상기 거리 및 빔 각도를 가질 때, 마이크로팁(104a)은 종래의 0도 배향이 사용되던(측면 조사만이 제공되던) 것보다 레이저 빔(114)에 의해 더욱 균일하게 조사되고, 개구(110)에 대한 마이크로 팁의 위치 설정이 확인되 도록 로컬 전극(108)의 개구(110)(직경이 단지 5 내지 50 마이크로미터일 수 있음)를 통해 더욱 용이하게 결상된다.

레이저 빔(114)은 원자 탐침(100)의 진공 챔버 내에 위치된 레이저로부터 방사될 수 있지만, 상기 레이저는 원자 탐침의 진공 챔버 외측에 위치될 수도 있으며, 상술한 장치들에 따라 빔을 배향할 필요가 있을 때, 거울, 시준기, 렌즈 및/또는 다른 광학기들은 빔(114)의 방향을 재설정하고 빔을 포커싱한다.

일 실시예에서, 레이저 원자 탐침(100)은 다이오드-펌프식(diode-pumped) Ti:Sapphire 발진기(oscillator)를 갖는 레이저[미국 캘리포니아주 산타 클라라(Santa Clara, CA, U.S.A.)에 소재한 코히어런트 인크.(Coherent, Inc.)의 미라 옵티마 900-에프(Mira Optima 900-F) 공동을 갖는 상기 코이어런트 인크.의 베르디-브이5 펌프 레이저(Verdi-V5 pump laser)]를 갖는 미국 위스콘신주 매디슨(Madison, WI, U.S.A.)에 소재한 이메이고 사이언티픽 인스트루먼츠 코포레이션(Image Scientific Instruments Corporation)에 의해 생산된 로컬 전극 원자 탐침을 사용한다. 공동 덤퍼(cavity dumper)[코히어런트인크.의 펄스 스위치 공동 덤퍼(Pulse Switch cavity dumper)]가 펄스 에너지를 60nJ까지 증가시키고 반복률을 100KHz 내지 1MHz 범위까지 감소시키도록 사용된다. 이러한 부품들은 단지 예시적인 것이며, 동일하거나 상이한 출력이 가능한 다른 적절한 장비가 코히어런트 인크. 또는 미국 캘리포니아주 마운틴 뷰(Mountain View, CA, U.S.A.)에 소재한 스펙트라-피직스(Spectra-Physics)와 같은 다른 레이저 장비 공급자에 의해 판매된다. 상술된 코히어런트 인크.의 펄스 스위치 공동 덤퍼는 제2 및 제3 고조파 발생 기를 포함하며, 이는 본원에서 이후에 논의되는 방식으로 사용되는 것이 유리하다.

레이저 빔(114)은 일 실시예에서 1mm 미만의 직경으로 포커싱되며[마이크로팁(104a)에 수용될 때], 더욱 양호하게는 0.5mm 직경 미만으로 포커싱된다. 원자 탐침(100)의 일 실시예에서, 전술된 레이저는 마이크로팁(104a)에서 대략 0.02mm의 스폿 크기(빔 직경)을 달성하도록 포커싱된다. 상술된 바와 같이, 레이저는 제2 및 제3 고조파 발생기와 함께 사용되어, 자외선으로부터 근적외선 범위까지 빔(114)의 평균 파장을 조정할 수 있고, 상이한 재료의 표본(104) 내에서 이온화를 더 잘 유발하도록 상기 파장을 조절할 수 있다.

그러나 몇몇 경우에서 단일 파장이 표본(104) 내에 존재하는 모든 성분들 간의 효율적인 결합에 실패하면, 단일 파장은 표본(104) 내의 재료의 상이함으로 인해 효율적인 이온화를 도출하지 못한다. 그 결과, 다른 대안예에서의 전형적인 원자 탐침(100)은 다중 파장을 포함한 빔(114)을 사용한다. 효율적인 이온화는 표본(104) 상으로 빔(116)을 유도하는 다중 레이저를 사용하여 달성될 수 있지만, 이색성 거울 또는 다른 요소를 사용하여 다중 레이저들의 빔을 결합한 후에는 이러한 개별의 다중 레이저의 사용은 추가의 공간 또는 비용을 초래하고, 특히 다른 레이저 간의 펄스 타이밍을 동기화할 필요로 인해 더욱 복잡해진다. 따라서, 하나의 장치는 단일 레이저를 사용하여 빔(114)의 경로에 비선형 크리스털 또는 다른 고조파 발생 광학기를 개재하여 동일한 빔(114) 내에서 고조 파장을 발생시킨다. 본 발명을 예시하는 전형적인 원자 탐침에서, 레이저로부터의 빔은 첨부된 도면에는 도시되지 않은 비선형 크리스탈[예컨대, 리투아니아 빌니우스(Vilnius, Lithuania) 에 소재한 엑스마 포토닉스 컴포넌츠(EKSMA Photonics Components)의 비비오 크리스탈(BBO crystal)]로 포커싱된다. 이러한 크리스털은 제2 고조파의 생성을 가능하게 할 수 있고, 더 높은 고조파도 (가능하게는 빔을 따라 위치된 추가의 크리스털을 사용하여) 생성될 수 있다.

빔들이 로컬 전극 개구(110)에 진입하여 표본(104)에 충돌할 때 모든 빔들이 동일한 빔 직경으로 포커싱 되도록 색지움(achromatic) 렌즈/시준기 및/또는 다른 광학 부품들이 각각의 파장에 대해 포커싱하고 빔 직경을 조절하는데 사용될 수 있다. 레이저 빔(114)이 마이크로팁 표본(104)의 축에 최소한 대체로 평행하도록 배향된 편광의 평면을 갖는다면, 표본(104)으로의 더 양호한 레이저 파워 전달이 달성될 수 있다는 것이 예상된다.

요약하면, 레이저 빔(114)의 사용은 종래의 원자 탐침에 대해 상당한 조작상의 장점을 제공한다. 하나의 중요한 장점은 비전도성 표본(104)이 상당히 높은 부스트 전압과 과전압을 요구하기 때문에[그리고 이러한 더 높은 전압들의 전계는 표본(104) 상에 상당한 응력을 유발하여 기계적으로 파괴될 수 있기 때문에], 일반적으로 종래의 원자 탐침은 일반적으로 최소한 실질적으로 전도성인 표본(104)의 분석에 제한된다는 것이다. 레이저 빔(114)은 상당히 낮은 전압에서 작동될 수 있기 때문에, 레이저 원자 탐침(100)은 유기 표본(104)과 같이 상당한 비전도성 표본(104)에서의 분석도 가능하다. 관련된 장점으로서, 빔(114)을 발생하도록 사용된 레이저(또는 레이저들)의 파장(또는 파장들)은 비이질성(nonheterogeneous) 조성(예컨대, 전도성 및 비전도성 영역과 무기 또는 유기 영역 등을 모두 포함하는 표본)을 갖는 것을 포함하는 상이한 유형의 표본(104)들을 더욱 효율적으로 이온화하도록 구성될 수 있다.

또한, 적절한 레이저가 수 피코초(picosecond) 또는 수 펨토초(femtosecond) 단위의 폭을 갖는 펄스를 발생할 수 있다. 표본 이온화는 레이저 펄스의 매우 좁은 창에 대해 발생하기 때문에, 이온 발생 시기는 더 큰 정밀도로 지정될 수 있어, 종래의 원자 탐침에서보다 더 큰 질량 분해능(mass resolution)(500 질량 대 전하 단위에서 1 이상)이 가능하다. 또한, 펄스는 1kHz 내지 1MHz의 주파수로 발생될 수 있어, 매우 빠른 데이터 수집을 가능하게 한다.

하지만, 도1의 장치는 몇 가지 상당한 문제점, 특히 소정의 마이크로팁(104a) 상에 빔(114)의 초점을 정밀하게 맞추는 어려움을 나타낸다. 특히 주위 진동과, 원자 탐침 부품의 열팽창 및 수축 등으로 인해 빔(114)이 시간이 흐름에 따라 드리프트(drift)될 수 있기 때문에, 소정의 마이크로팁(104a)(그 자체가 수십 또는 수백 밀리미터의 직경을 가질 수 있음)의 정점 상에 빔(114)을 포커싱하는 것이 곤란할 수 있다. 소정의 마이크로팁(104a) 상에 빔(114)을 포커싱하는 유용한 방법은 아래와 같다.

우선, 빔(114)은 소정의 마이크로팁(104a)이 분석 위치[전술된 바와 같이 개구면(112)으로부터 개구(110)의 반경의 대략 0.75배 내지 3배 떨어진 로컬 전극(108)의 개구(110) 내에 배치되는 위치]에 위치될 때 소정의 마이크로팁(104a)의 정점이 놓이게 되는 대략적인 영역을 향해 빔을 유도함으로써 대략적으로 정렬된다. 이러한 유도는 상기 개구로부터 멀리 이동되는 표본 장착대(102)[및 표 본(104)과 표본 상의 임의의 마이크로팁(104a)]로 수행되며, (선택적으로) 로컬 전극(108)에 인접하게 위치된 포토 센서의 어레이(도시되지 않음)로 수행될 수 있다. 로컬 전극(108)에 인접한 표본(104)과 포토 센서 어레이의 교환이 표본 장착대(102)의 적절한 재위치 설정과 함께 용이하게 수행될 수 있도록 필요한 경우 표본 장착대(102)로부터 연장한다. 포토 센서 어레이는 빔(114)이 충돌하는 지점을 지정하는데 사용되어, 빔(114)의 경로가 기하학적으로 계산될 수 있다. 그 후, 소정의 마이크로팁(104a)이 분석 위치에 있을 때 빔의 경로가 소정의 마이크로팁(104a)의 정점의 의도된 위치를 교차하도록, 빔(114)은 적절하게 방향이 조절될 수 있다. 필요한 경우, 이러한 공정은 충돌 지점 및 빔의 경로를 시각화하기 위해 하나 이상의 긴 범위의 현미경(long-range microscope) 및 비디오 카메라[양호하게는, 이온 이동 축(116), 즉 마이크로팁(104a)으로부터 방사된 이온이 원자 탐침 미시 분석 중 따라서 이동하는 비행 원뿔의 축이기도 한 개구(110)의 축에 직교하도록 위치된 적어도 두 개의 현미경]를 사용하여 보조될 수 있다.

대략적인 빔 정렬이 완료된 후, 로컬 전극 개구(110)와의 표본(104)의 정렬이 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 표본 정렬의 한 방법은 대략적인 표본 정령을 위해 두 개의 직교 광학 현미경을 우선 사용하는 것이며, 필요한 경우, 정밀한 표본 정렬을 위해 계 이온 현미경 사용법(field ion microscopy)에 의한 대략적인 표본 정렬이 후속된다. 상기 대략적인 표본 정렬 공정은 아래와 같다.

1. 레이저가 꺼져있는지 또는 레이저의 빔(114)이 셔터로 닫혀있는지를 확인한다.

2. 소정의 마이크로팁(104a)이 로컬 전극 개구(110)와 대략적으로 정렬될 때까지 표본 장착대(102)를 이동시킨다.

3. [이온 이동 축(116)에 수직한 평면을 따르는] 표본(104)의 2축 이동을 이용하여, 소정의 마이크로팁(104a)이 이온 이동 축(116)을 따라 대체로 위치되도록 표본 장착대(102)를 이동시킨다. 개구면(112)의 일반적인 위치에서 이온 이동 축(116)에 대해 직교하도록 위치된 광학 현미경이 양 이동축을 따르는 정렬을 확인하는데 사용될 수 있다.

4. 그 후, 표본 장착대(102)는 소정의 마이크로팁(104a) 상의 정점 또는 다른 관심 영역이 개구면(112)에 대해 소정의 위치에 위치될 때까지[예컨대, 표본(104)의 정점이 개구면(112)으로부터 개구(110)의 반경에 0.75 내지 3배(일 실시예에서는 0.75배 내지 1.25배) 떨어져 위치 되도록] 이온 이동 축(116)에 평행하게 이동될 수 있다.

필요한 경우, 정밀한 표본 정렬이 아래와 같은 계 이온 현미경 사용법(FIM)을 사용하여 달성될 수 있다.

1. 화상 형성 가스(예컨대, 네온)가 원자 탐침(100)의 진공 챔버로 주입된다. 대략 5×10^-6mbar의 화상 가스압이면 일반적으로 충분하다.

2. 검출기(106)의 게인(gain)이 FIM에 대해 적절한 수준으로 조절된다.

3. 그 후, 소정의 마이크로팁(104a)의 정점의 화상이 검출기(106) 상에서 얻어질 수 있을 때까지, 전압이 표본 장착대(102)[그로 인해 표본(104)과 소정의 마 이크로팁(104a)]에 공급된다.

4. 소정의 마이크로팁(104a)은 차단되지 않은 화상이 검출기(106) 상에서 얻어질 때까지 개구면(112)의 두 축을 따라 이동된다. 소정의 마이크로팁(104a)이 정렬되지 않으면, 로컬 전극(108)이 화상의 일부를 폐색한다.

소정의 마이크로팁(104a) 상에서의 빔의 더욱 정밀한 정렬이 표본 정렬 후에 수행되는 것이 바람직하며, 빔(114)이 소정의 마이크로팁(104a)의 정점 또는 다른 관심 영역과 계속 정렬되는 것을 보장하기 위해 데이터 수집중에도 주기적으로 수행되는 것이 바람직하다.

정밀한 빔 정렬을 위한 예시적 제어 시스템이 도2에 도시되며, 도면 부호 300에 의해 일반적으로 지시된다. 데이터 수집 제어 시스템(302)은 비가공 데이터(304)를 원자 탐침(100)으로부터 수용하고, 상기 데이터(304)에 따라 표본 장착대(102)에[그에 따라, 표본(104)에] 인가되는 (DC) 표본 전압(306)을 조절한다. 이 데이터 수집 제어 루프는 정밀한 빔 정렬 공정을 통해 반복되고 계 이온화의 제어된 비율(Er=상수)을 얻도록 표본 전압(306)을 연속적으로 조절한다. 또한, 데이터 수집 제어 시스템(302)은 레이저를 활성화하는 트리거 진동(308)을 제공하고, 최종 레이저 빔 펄스의 발생 시간을 코드화한다. 데이터 수집 제어 시스템(302)의 제어 루프에 대해 동기적으로 또는 비동기적으로 작동하는 제2 제어 루프는 빔 정렬 제어 시스템(310)에 의해 수행된다. 빔 정렬 제어 시스템(310)은 비가공 및/또는 제어된 원자 탐침 데이터(312)를 데이터 수집 제어 시스템(302)으로부터 수용하고 화상 수집 하드웨어(316)[비디오 카메라 또는 진공 챔버 내의 표본(104)을 모니 터링하는 다른 광학 화상 장치]로부터 화상 데이터(314)도 수용하여, 빔 정렬 하드웨어(322)에 동작 명령을 제공한다[빔 정렬 하드웨어로부터 상태 피드백(320)을 수신한다]. 도면에 도시되지 않은 빔 정렬 하드웨어(322)는 레이저 빔(114)의 방향을 조절하기 위한 하나 이상의 액추에이터일 수 있으며, 레이저의 위치 및/또는 레이저 빔(114)의 경로를 따라 거울, 렌즈 또는 다른 광학기를 조절하는 액추에이터의 형태를 취할 수 있다.

빔 정렬 제어 시스템(310) 내에서, 원자 탐침 데이터(312)와 화상 데이터(314)는 레이저 빔(114)과 소정의 마이크로팁(104a) 사이의 상호 작용을 나타내고 레이저 빔(114)의 정렬을 정밀하게(그리고 자동적으로) 조절하기 위해 빔 정렬 제어 시스템(310)에 의해 사용되는 하나 이상의 다음과 같은 제어 파라미터를 발생하도록 조절될 수 있다.

(1) 발산율[검출기(106)에 의해 검출된 임의의 이온의 수집율]: 표본의 발산율은 레이저 빔(114)이 소정의 마이크로팁(104a)의 정점에 도달함에 따라, 증가되는데, 그 이유는 계 강도 역시 소정의 마이크로팁(104a)의 레이저 빔이 도달하는 영역에서 가장 강하여, 레이저 빔(114)이 소정의 마이크로팁(104a) 상에서 다른 지역이 아닌 정점에서 더욱 쉽게 이온화를 유발해야만 하기 때문이다. 따라서, 빔 정렬 제어 시스템(310)이 최대 발산율을 갖는 소정의 마이크로팁(104a) 상의 영역을 찾는다면, 이 영역이 표본 정점에 상응할 가능성이 크다.

(2) 표본(104)에 인가된 전압. 유사한 방식으로, 레이저 빔(114)이 소정의 마이크로팁(104a)의 정점에 도달하면, 더 낮은 표본 전압으로 발산을 유도할 수 있 다. 따라서, 빔 정렬 제어 시스템(310)이 발산이 표본(104) 상에서 최소 전압으로 유지될 수 있는 소정의 마이크로팁(104a) 사의 영역을 찾는다면, 이 영역이 표본 정점에 상응할 가능성이 크다.

(3) 검출된 이온의 질량 분해능. 이온의 도착 시간은 검출기(106)로부터 결정될 수 있으며, 이온 발생 시간을 알고 있으면, 이온의 질량/전하 비율은 이온의 식별을 가능하게 하기 위해 알려진 값과 양호하게 상호 연관되어야 한다. 하지만, 상기 발생 시간은 불확실하게 증가하기 때문에, 상호 연관이 감소된다. 레이저 원자 탐침(100)에서, 발생 시간 변화는 레이저 빔(114)의 열이 방산하기 위해 더 오랜 시간이 걸리는 경우(즉, 레이저 펄스의 유효 폭이 더 넓어지면) 증가되기 시작할 것이다. 열 방산의 민감도는 표본의 정점에서 가장 크기 때문에, 빔 정렬 제어 시스템(310)이 질량 분해능에서 가장 낮은 불확실성을 갖는 소정의 마이크로팁(104a) 상의 영역을 찾도록 레이저 빔(114)의 정렬을 조절하는 경우, 이 영역이 표본 정점에 상응하게 될 가능성이 크다.

(4) 신호 대 노이즈 비율. 질량 분해능[상기 항목 (3)]과 유사하게, 원자 탐침 데이터의 신호 대 노이즈 비율은 빔 정렬의 품질에 의해 제한된다. 레이저 빔(114)이 소정의 마이크로팁(104a)의 정점으로부터 벗어나면, 시기 적절한 발산이 감소되고 계획되지 않은 발산이 증가할 것이다. 그 결과, 빔(114)이 소정의 마이크로팁(104a)의 정점으로부터 벗어남에 따라, 신호 및 노이즈 플로어(floor)가 서로에 대해 접근하고, 빔(114)이 상기 정점에 접근함에 따라 분리될 것이다. 따라서, 빔 정렬 제어 시스템(310)이 가장 높은 신호 대 노이즈 비율을 갖는 소정의 마 이크로팁(104a) 상의 영역을 찾기 위해 레이저 빔(114)의 정렬을 조절하는 경우, 이 영역이 표본 정점에 상응하게 될 가능성이 크다.

(5) 표본으로부터 반사된 광. 화상 수집 하드웨어(316)[즉, 비디오 카메라 또는 진공 챔버 내에서 표본(104)을 모니터링하는 다른 광학 화상 장치]는 소정의 마이크로팁(104a)을 모니터링할 수 있다. 소정의 마이크로팁(104a)의 정점은 레이저 빔(114)에 의해 조사될 때 반사 및/또는 형광을 내는 더 큰 경향을 가질 것이다. 그 결과, 빔 정렬 제어 시스템(310)은 피크 강도(또는 다른 반사/발산 특성)를 갖는 소정의 마이크로팁(104a) 상의 영역을 찾기 위해 레이저 빔(114)의 정렬을 조절할 수 있으며, 그 결과 소정의 마이크로팁(104a)의 정점을 조사할 더 높은 가능성을 갖는다.

(6) 표본으로부터의 회절된 광. 회절된 광은 빔(114)을 초기에 정렬하기보다는 빔의 정렬을 유지하는데 더욱 유용하다. 본원에서, 소정의 마이크로팁(104a)에 의해 생성된 원거리 계(far-field) 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절 패턴은 화상 수집 하드웨어(316)에 의해 모니터링될 수 있으며, 빔 정렬 제어 시스템(310)은 일정한 회절 패턴을 유지하도록 레이저 빔(114)의 정렬을 조절할 수 있어, 이 위치에서 포커싱될 때 빔(114)이 소정의 마이크로팁(104a)의 정점과 정렬을 유지하는 것을 보장하는 것을 돕는다.

레이저 빔(114)과 소정의 마이크로팁(104a) 간의 상호 작용을 나타내며, 정렬을 보정(예컨대, 표본 전류, 온도 임피던스, 캐퍼시턴스)하도록 빔 정렬 제어 시스템(310)을 지시하는데 사용될 수 있는 다른 가능한 제어 파라미터(측정된 출력 파라미터 또는 간단히 파라미터라고도 지칭됨)가 존재한다. 또한, 빔 정렬 제어 시스템(310)이 소정의 마이크로팁(104a)의 정점을 더욱 빠르게 찾는 것을 더욱 양호하게 하기 위해, 빔 정렬 제어 시스템(310)은 이러한 변수들 중 하나 이상을 사용할 가능성이 있으며, 이때, 각각의 선택된 변수에는 적절한 가중치가 가해진다.

그 후, 레이저 빔(114)에 대한 하나의 정밀한 정렬 공정이 도3에 도시된 방식으로 진행된다. 우선, 단계 402에서 사용자는 대략적인 정렬이 수행되었다는 것을 빔 정렬 제어 시스템(310)에 대해 확인하여, 소정의 마이크로팁(104a)(또는 그 인접 영역)과 대략적으로 일치하는 경로를 따라 빔(114)이 유도되는 합당한 보장을 제공한다.

그 후 도3의 단계 404에서, 사용자는 빔(114)이 스윕하게 될 스윕 경로(sweep path)-소정의 마이크로팁(104a) 주위를 이동하는 빔 경로-를 지정한다[또는 빔 정렬 제어 시스템(310)이 이러한 진행 경로를 형성 또는 소환한다]. 빔 정렬 제어 시스템(310)은 몇몇 사전 형성된 정렬 기준, 즉 소정의 마이크로팁(104a)의 정점의 특징을 갖는 표준을 만족하는 지를 찾기 위해 전술된 제어 파라미터(도3의 단계 406 참조) 중 하나 이상을 동시에 모니터링할 것이다. 예컨대, 빔 정렬 제어 시스템(310)은 스윕 위치에 대해 파라미터(들)가 소정의 마이크로팁(104a)의 정점 상의 빔 충돌이 예상될 수 있는 범위 내의 값을 갖는지, 상기 파라미터(들)가 상기 스윕 경로를 따르는 위치가 이전 위치보다 소정의 마이크로팁(104a)의 정점에 더 가까운지, 및/또는 상기 파라미터(들)가 소정의 마이크로팁(104a)의 정점을 "최적으로" 나타내는지[예컨대, 스윕을 따르는 위치가 소정의 마이크로팁(104a)의 정 점을 지시하는 것으로 간주 될 수 있는 가장 높은 발산율을 갖는지]를 확인할 수 있다. 본질적으로는, 제어 파라미터(들)를 최적화하는 스윕을 따르는 위치를 식별하여, 소정의 마이크로팁(104a)의 정점에 근접한 것으로 믿어지는 이동 경로를 따르는 몇몇 지점 또는 세그먼트를 찾는 것이 목적이다.

스윕 영역은 매우 다양한 크기와 형상으로 가정될 수 있으며, 초기 스윕 영역은 로컬 전극 개구(110)의 직경과 비슷한 크기를 갖는 것이 바람직하다. 예로서, 스윕 영역은 대부분의 스윕 영역[그에 따라, 소정의 마이크로팁(104a)의 일부 영역]이 스윕되도록 나선형, 물결 모양 또는 지그재그 패턴으로 스윕될 수 있는 원형 또는 사각형 영역일 수 있다. 다르게는 이하 논의되는 바와 같이, 이동 영역은 좁은 레인으로 형성될 수 있으며, 스윕은 직선으로 스윕 영역을 따라 스윕하도록 일차원으로 간단하게 발생할 수 있다.

스윕 영역의 초기 스윕을 수행하면서, 빔 정렬 제어 시스템(310)은 정렬 기준을 만족하는[즉, 소정의 마이크로팁(104a)의 정점에 대한 후보 위치를 더 많이 보장할 것으로 보이는] 제어 파라미터를 갖는 스윕의 지점 또는 부분 집합(subset)을 식별할 것이다. 초기 스윕이 완료된 후, 빔 정렬 제어 시스템(310)은 초기 스윕 영역을 재형성하도록 다음 두 경로 중 한 경로를 취할 것이다(도3의 단계 408).

(1) 빔 정렬 제어 시스템(310)이 정렬 기준을 가장 잘 만족시키는 제어 파라미터를 갖는 스윕의 몇몇 부분집합들을 식별한 경우, 즉 몇몇 단일 위치["홈 위치"(home location)]가 스윕 영역을 따라 스윕된 모든 위치와 비교하여 최적인 제어 파라미터로 찾아진 경우, 또는 몇몇 지점들의 집합이 정렬 기준(예컨대, 가장 가능성 있는 제어 파라미터를 갖는 견본 위치의 10%)을 가정 근접하게 만족시키는 경우, 빔 정렬 제어 시스템(310)이 적어도 이러한 부분집합을 둘러싸도록 크기가 감소된 새로운 스윕 영역을 자동적으로 형성할 것이다. 예로서, 단일의 홈 최적 위치가 식별되면, 초기 스윕 영역의 크기의 50%이며 상기 홈 위치에 대해 중심에 위치되는 것이 바람직한 새로운 스윕 영역이 형성될 수 있다.

(2) 빔 정렬 제어 시스템(310)이 정렬 기준을 만족시키는 제어 파라미터를 갖는 스윕의 부분집합을 식별하지 못했다면, 예컨대, 스윕 영역을 따르는 모든 견본 위치가 10% 이상 서로로부터 벗어나지 않는 제어 파라미터를 갖는 경우, 스윕 영역은 감소하기보다는 증가할 수 있는데(예컨대, 그 경계는 50%까지 외부로 확장될 수 있다), 이것은 이러한 결과가 소정의 마이크로팁(104a)의 정점이 스윕 영역 내에 있지 않다는 것을 나타내는 것으로 간주될 수 있기 때문이다. 예컨대, 빔 정렬 제어 시스템(310)이 동일한 크기를 가지며 이온 이동 축(116)에 수직한 평면에서 소정 방향으로 제1 스윕 영역으로부터 오프셋되는 다른 초기 스윕 영역을 간단하게 형성할 수 있는 다른 방법도 가능하다. 이러한 스윕 영역이 정렬 기준을 만족하는 제어 파라미터를 갖는 적어도 하나의 위치를 초래하지 않는다면, 빔 정렬 제어 시스템(310)은 약간의 보장된 위치가 발견될 때까지 초기의 위치 주위에 스위 영역을 계속 형성할 수 있다.

스윕 영역이 단계 408에서 재형성될 때, 상기 공정은 단계 410으로 계속될 수 있으며, 빔(114)이 가로지른 경로가 더 가깝거나 또는 더 많은 별개의 공간을 갖는다는 점에서, 새로운 스윕 영역이 더 미세하거나(더 작은 스윕 경로의 경우) 또는 더 대략적인(더 큰 스윕 경로의 경우) 스윕 경로를 사용하는 빔(114)에 의해 스윕될 수 있다. 스윕 경로는 이전 스윕에서와 같은 형태를 취하는 것이 바람직한데, 즉 스윕 경로는 새로운 스윕 영역의 대부분의 영역을 커버하기 위해 단지 스케일이 축소 또는 확장된 동일한 물결 모양, 지그재그형, 나선형 등을 사용하는 것이 바람직하다. 새로운 스윕 중, 빔 정렬 제어 시스템(310)은 소정의 마이크로팁(104a)의 정점의 존재를 최적으로 지시하는 위치(들)를 찾기 위해 정렬 기준에 대해 제어 파라미터를 다시 모니터링한다. 새로운 스윕이 완료되면, 스윕 영역은 다시 재형성(수축 또는 팽창)되고 정렬 기준에 대해 모니터링된 제어 파라미터로 스윕된다. 상기 공정은 이러한 방법으로 연속적으로 반복되며, 이때 스윕 영역은 정렬 기준이 몇몇 사전 형성된 수준의 정확도를 만족할 때까지 홈(최적) 위치(들)에 대해 반복적으로 수축된다. 이러한 점이 발생될 때, 예컨대 식별된 홈 위치의 제어 파라미터가 후속 스위들 사이에서 크게 변하지 않을 때, 스위핑은 정지될 수 있으며 식별된 홈 위치가 소정의 마이크로팁(104a)의 정점에 상응하는 것으로 가정될 수 있다.

상술된 정밀한 빔 정렬 공정의 다양한 변형예들이 가능하다. 일 예로서, 빔 정렬 제어 시스템(310)은 제어 파라미터들이 정렬 기준상에서 수렴하면 스윕 경로를 따라 샘플링 비율이 증가할 수 있고, 발산이 발생하면 샘플링 비율이 감소될 수 있다. 또한, 스윕 영역 및/또는 스윕 경로는 발산이 발견되면 즉시 재형성될 수 있어, 스윕 영역이 수렴의 영역 주위로 즉시 재형성된다. 또한, 스윕 영역 및 스윕 경로는 매우 다양한 형태를 취할 수 있으며, 스윕 영역과 스윕 경로는 하나의 스윕으로부터 다음 스윕으로 동일한 형태를 취할 필요가 없는데, 예컨대 하나의 스윕은 X축을 따라 직선 라인의 형태를 취할 수 있고, 다른 스윕은 이전 스윕 내의 홈 위치 주위에 형성된 Y축을 따라 직선 라인의 형태를 취할 수 있다. 또한, 상기 공정이 동시에 발생할 수 있는데, 예컨대, 제어 파라미터의 플롯이 사용자에게 표시될 수 있어, 이 사용자는 다음 스윕을 위한 새로운 홈 위치를 수동으로 형성할 기회를 가질 수 있다.

정밀한 정렬이 달성되었을 때, 레이저 원자 탐침(100)은 데이터 수집을 시작할 수 있다. 표본(104)과 검출기(106)는 표본(104)의 이온화에 도움이 되는 수준으로 각각 대전될 수 있으며, 레이저 빔(114)은 이온화가 발생하는 충분한 에너지를 부가하도록 소정의 마이크로팁(104a) 상에서 펄스화될 수 있다. 레이저 빔(114)은 시간이 흐름에 따라 드리프트될 수 있기 때문에, 소정 수의 데이터 수집 사이클일 발생한 후 및/또는 소정의 파라미터(예컨대, 발산율, 질량 분해능)가 빔(114)이 마이크로팁(104a)의 소정 영역에서 더 이상 중심에 위치하지 않는다는 것을 지시하는 것으로 간주된 후, 상기 빔 정밀 정렬 공정은 데이터 수집 중 주기적으로 반복될 수 있다. 데이터 수집으로부터 얻어진 데이터가 많은 제어 파라미터를 발생하는데 사용되기 때문에, 데이터 획득은 이러한 정밀한 정렬 중 중단될 필요가 없다. 다르게 언급되었지만, 원자 탐침(100)으로부터의 데이터 수집은 빔(114)이 소정의 마이크로팁(104a)의 정점에서 계속 유도되는지와, 정렬 기준이 만족되지 않은 경우 스윕 영역이 형성될 수 있고 스위핑이 소정의 마이크로팁(104a)의 정점을 다시 찾기 위해 수행될 수 있는지를 확인하기 위해 수집된 데이 터가 정렬 기준에 대해 모니터링되는 표준 방식으로 진행될 수 있다.

상술되고 후술될 정밀한 정렬 기술에 대한 데이터 수집은 얼마나 정확하게 레이저 빔을 포커싱할 수 있는지를 결정하기 위한 예컨대, 소정 유형의 검출기로 사용한 출력 파라미터의 모니터링이라고 지칭된다. 파라미터들은 반사광, 검출된 이온의 질량 분해능, 표본 전류, 온도 등을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.

레이저 빔 초점 맞춤

레이저 빔이 표본에 정렬되면, 팁부에서 빔의 초점을 최적화하여 작동을 개선할 수 있다(정점에 대한 커플링을 증가시키고 주요부(shank)의 조명을 감소시켜 서멀 테일(thermal tail)과 표본 파괴의 기회 등을 감소시킨다). 이를 달성하기 위한 하나의 방법은 하나 이상의 출력 파라미터(예컨대, Er)를 모니터링하면서 레이저 빔 초점(Z)을 변화하는 것이다. 초점은 레이저원과 표본 사이에 개재된 렌즈[예컨대, 색지움 렌즈(achromat)]의 물리적 위치를 이동시켜 제어될 수 있다(도1A). 초점이 최적화되면, 빔 정렬 공정은 데이터를 수집하면서 반복 또는 계속될 수 있다.

이러한 단계들은 표본의 정점 상의 레이저 빔 초점 스폿(또는 다른 "스윕 스폿")의 정확한 배치가 더욱 증가될 필요가 있을 때, 반복적 방식으로 반복될 수 있다. 표본이 손상되거나 분석 중 다른 몇 가지 이유로 위치가 변화되면 공정은 반복될 수 있다.

토모그램 방법( Tomogram Method )

도4를 참조하면, 상기 루틴의 변경은 세 개의 제어 입력[빔 위치(X), 빔 위 치(Y) 또는 빔 초점(Z)]을 변화시키면서 하나 이상의 출력 파라미터를 모니터링하는 단계를 포함한다. 우선, 박스(501)에서, 표본은 전극에 물리적으로 정렬된다. 초점(Z=상수)은 박스(503)에서 설정될 수 있다. 박스(505)에서, 빔 위치(X, Y)는 출력 파라미터(예컨대 Er)를 측정하면서 래스터 방식으로 증가된다. 그 후, 박스(509)에서, 출력 파라미터(예컨대, Er)을 측정하면서, 초점(Z=Z+1)이 변화되고 빔 위치(X, Y)를 다시 증가시킨다.

이것은 컴퓨터 이용 토모그래피에 사용되는 공정, 즉 소정의 파라미터(예컨대, Er)의 값을 나타내는 데이터의 슬라이스 바이 슬라이스 어레이(slice by slice array)를 형성하는 단계와 유사하다. 빔 프로파일은 3차원으로 표본에 대해 효과적으로 맵핑된다. 빔 프로파일이 맵핑되면, 상기 데이터는 박스(507, 511)에서 조사되고 최적의 빔 위치(X, Y)와 빔 초점 설정(Z)을 찾는데 사용된다. 측정된 파라미터(예컨대, Er)의 절반 최대치에서의 전체 폭(FWHM)을 계산하여, 최적의 X-Y 스폿 위치가 초점(Z)의 함수로 찾아질 수 있다.

따라서, X, Y 및 Z 좌표 공간을 가정하면, 출력 파라미터는 레이저 빔에 대해 설정된 각각의 가능한 불연속 X, Y 및 Z에서 검출기에 의해 측정된다. 그 후, 출력 파라미터의 3-D 맵을 얻을 수 있다. 이 3-D 맵을 사용하여, 레이저 빔의 최적의 정렬 및 초점을 결정할 수 있다.

라이브 래스터 방법

다른 변형예는 음극선관(CRT) 텔레비전 스캔과 유사한 작은 X-Y 래스터를 실행하면서 실제 원자 탐침 데이터를 수집하는 단계를 포함한다. 레이저 빔과 표본 이 동일한 수준으로 정렬될 때, 빔은 데이터를 수집하면서 작은 X-Y 영역(명목상 25×25 마이크로미터) 내에서 래스터될 수 있어, 진동 및 드리프트 면역의 자동화된 X-Y 정렬을 초래한다. 표본을 "빗맞춘(miss)" 레이저 펄스는 데이터를 발생하지 않으며, 즉 레이저 펄스가 이온화 이벤트를 유발하지 않아, Er은 "정전(static)"(비 래스터식) 펄스 중 예측되는 것의 일부일 것이다. 이러한 래스터링은 출력 파라미터 정보의 "프레임"을 형성할 것이다. 새로운 프레임들은 이전의 프레임이 수집되었을 때 발생된다. 이러한 방식으로, 시간에 대한 출력 파라미터(예컨대, Er)를 도시하는 다중 프레임의 "이동"이 발생될 수 있다.

레이저 펄스 비율은 "정전"모드에 비해 높을 수 있는데, 즉 검출된 이온으로 초기 레이저 펄스를 완전히 둘러쌀 수 있는(deconvovle) 성능에 의해 제한된다. 레이저 펄스와 특정 펄스에 상응하는 검출된 이온과 합치할 수 있을 필요가 있다. 레이저는 비행 시간(time-of-flight)(TOF) 시계를 가동하고, 검출된 이온은 비행 시간 시계를 중지한다. 따라서, "멈춤"과 "개시"를 합치시킬 수 있을 필요가 있거나, 또는 TOF 측정이 부정확할 것이다.

각 X-Y 래스터 "프레임"은 완충될 수 있고 표시된 파라미터(예컨대, Er)의 이동 평균이 표시될 수 있다. 3-D 프로파일은 플롯팅될 수 있고 선택된 파라미터 피크는 감지될 수 있다. 소프트웨어는 상기 피크 상에서 자동 잠금(auto-lock)할 수 있으며 전극 재정렬에 대한 드리프트 또는 표본을 동적으로 보상할 수 있다.

이동 표본

다른 변형예는 빔과 전극을 위치시킨 후 최적의 위치로 표본을 이동하는 것 을 포함한다. 표본은 개별의 마이크로팁(또는, 마이크로팁의 어레이로부터 선택된 하나의 마이크로팁)을 전극에 대해 정확하게 위치 설정할 수 있는 3축 미시 위치 설정기 상에 통상 장착된다.

편광 조절

다른 변형예는 레이저 빔의 편광의 배향을 전환하는 것을 포함한다. 레이저 편광을 팁 축과 함께 배향하는 것은 전력 전달을 최대화할 수 있다. 이는 상기 빔이 팁 상에 포커싱이 된 후 수행되거나, 또는 빔의 초점을 맞추는 것과 동일한 방식으로 수행될 수 있다. 파라미터(예컨대, Er)는 빔 편광의 함수로서 모니터링될 수 있다. 편광의 최적의 정도가 소정의 표본에 대해 선택될 수 있다.

비점수차 레이저 펄스

본 발명의 다른 태양에 있어서, 광학기가 작은 스폿에 포커싱하도록 설계되면, 광학기는 예측 가능한 최대 범위까지 일반적으로 비점수차이다. 이것은 명목상 원형 대칭적으로 포커싱된 스폿을 초래한다. 일 실시예에서, 비점수차는 무점수차(stigmatic) 광학기와 함께 의도적으로 도입되었다. 간단하게 하기 위해, 단축의 비점수차가 고려된다. 이는 일 축을 따라 광학기의 초점 길이를 변화시키는 효과를 가질 것이다. 이 방식에서, 레이저 스폿은 팁축의 방향으로 가장 작은 스폿이 표본 평면에서 얻어지도록 포커싱될 수 있다. 그 후, 레이저 탐침은 표본의 장축에 수직한 방향으로 디포커싱될 것이다. 따라서, 레이저 정렬은 측방향으로의 오정렬에 덜 민감하게 될 것이다. 강도가 완전히 포커싱된 레이저 스폿 미만이면, 추가의 빔 에너지가 요구될 것이다.

기계적 구성

일 실시예에서, 3축(X, Y, Z) dc 서보모터 제어 스테이지가 색지움 렌즈(achromat)의 위치를 제어하기 위해 사용된다(도1A). 이것은 빔 위치의 매개물 분해능(medium resolution) X-Y 제어와 빔 초점의 정밀한 제어에 대한 매개물(medium)을 산출한다. 2축(피치 및 요) 압전기 제어식 짐벌(gimbal)이 빔 위치의 정밀한 X-Y 제어를 산출하기 위해 거울을 위치시키는데 사용된다.

레이저 원자 탐침(100)의 몇몇 실시예가 도면에 도시되었으며, 레이저 원자 탐침(100)의 가능한 특성과 이러한 특성이 조합될 수 있는 다양한 방법을 단순히 묘사하기 위해 상술되었다. 또한, 레이저 원자 탐침(100)의 변형된 예는 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다. 이러한 변형의 예시적 리스트는 아래와 같다.

첫째, 일정한 또는 펄스 방식으로 소정의 마이크로팁(104a)에 에너지를 제공하는 표본 장착대(102), 로컬 전극(108) 및 레이저 짐(114) 중 하나 이상을 갖는 원자 탐침(100)이 표본의 발산을 유도하는 매우 다양한 작동 모드가 가능하다. 레이저 빔(114)으로 달성 가능한 좁은 펄스 폭은 이온 발생 시간을 더욱 정밀하게 지정하는 것(따라서, 더 나은 질량 분해능을 초래하는 것)에 유용하기 때문에, 레이저 빔(114)이 펄스화되는 것이 바람직하지만, (이온화에 필요한 과전압을 제공하기 위해) 다른 부품들이 펄스화되는 레이저 빔(114)의 안정적인 작동이 가능하다. 비대전 로컬 전극으로 표본(104)을 소정의 부스트 전압으로 간단하게 대전한 후 레이저 빔(114)을 펄스화하여 이온화 펄스만을 제공하는 것이 바람직하지만, 로컬 전 극(108) 및/또는 표본 장착대(102) 중 어느 하나 또는 양자 모두에 가해질 수 있는 과전압(이온화) 진동을 갖는 진동 이온 빔(114)의 사용은 표본이 진동 사이의 시간에 대해 낮은 부스트 전압(그에 따라 낮은 계 및 낮은 기계적 응력)을 유지할 수 있어 정교한 표본(104)의 생존을 개선하고 (데이터 소실을 사실상 초래하는) 펄스 간의 의사 이온화 이벤트를 동시에 감소시키기 때문에, 소정 유형의 표본(104)에 유리할 수 있다.

둘째, 레이저 및 전자 빔(116)과 별도로, 전자기 스펙트럼의 상이한 범위에 에너지를 보유한 다른 빔이 사용될 수도 있다. 유사하게, 다른 형태의 에너지가 극초단파와 같은 부스트(비펄스식) 에너지를 분배하는데 사용될 수 있다.

본 발명은 상술된 양호한 실시예에 제한되지 않으며, 후속하는 청구항에 의해서만 제한되도록 의도되었다. 따라서, 본 발명은 사실상 또는 균등적으로 본원의 청구항의 범주 내에 있는 모든 다른 실시예를 포함한다.

Claims

원자 탐침이며,

분석될 표본이 장착될 수 있는 표본 장착대와,

상기 표본 장착대로부터 이격된 검출기와,

상기 표본 장착대와 검출기 사이에 위치하며, 내부에 개구가 형성된 로컬 전극과,

개구면에 대해 영이 아닌 각도로 상기 표본 장착대를 향해 레이저 빔을 방사하도록 배향된 레이저를 포함하고,

상기 개구면은 상기 표본 장착대와 검출기 사이의 개구를 통해 형성된 이온 이동 경로에 수직하게 배향된 원자 탐침.
제1항에 있어서, 상기 레이저는 상기 개구면에 대해 5도 내지 15도 각도로 표본 장착대를 향해 레이저 빔을 방사하도록 배향된 원자 탐침.
표본 장착대, 검출기 및 이들 사이에 위치된 로컬 전극을 포함하고, 로컬 전극 개구가 로컬 전극 내부에 형성되고, 상기 개구의 입구를 가로질러 형성된 개구면을 구비한 원자 탐침을 사용하여 원자 탐침 분석을 수행하는 방법이며,

a. 상부에 형성되고 상기 개구 내에 위치되지만 상기 개구의 반경과 관련한 거리만큼 상기 개구면으로부터 이격된 적어도 하나의 마이크로팁을 갖는 표본을 표 본 장착대 상에 제공하는 단계와,

b. 소정의 마이크로팁 상으로 상기 개구면에 대해 1도 내지 20도의 각도로 레이저 빔을 배향시키는 단계와,

c. 기준 전압으로 고정된 로컬 전극을 유지하면서

(1) 소정의 부스트 전압으로 표본을 대전하는 단계와,

(2) 소정의 마이크로팁으로부터 이온화를 유발하기 위해 레이저를 진동하는 단계를 포함하는 원자 탐침 분석 수행 방법.
제3항에 있어서, 상기 표본은 추가의 마이크로팁을 포함하고 제1 마이크로팁의 원자 탐침 미량 분석이 완료된 후 상기 개구에 의해 유발된 전계 내에 다른 마이크로팁을 위치시키도록 표본을 이동하는 단계를 더 포함하는 원자 탐침 분석 수행 방법.
제3항에 있어서, 상기 레이저 빔은 상기 개구면에 대해 5도 내지 15도 각도로 배향되는 원자 탐침 분석 수행 방법.
제3항에 있어서, 상기 거리는 상기 개구의 반경의 0.75배 내지 3배인 원자 탐침 분석 수행 방법.
제3항에 있어서, 상기 레이저 빔은 여기 에너지의 다중 파장을 포함하는 원 자 탐침 분석 수행 방법.
제3항에 있어서, 상기 부스트 전압은 펄스화되는 원자 탐침 분석 수행 방법.
표본 장착대에 장착된 표본 상으로 검출기를 갖는 원자 탐침의 레이저 빔을 포커싱하는 방법으로서, 상기 레이저 빔은 상기 표본 상에 초점(Z)을 갖는 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법이며,

(a) 상기 레이저 빔에 의한 상기 표본의 조사가 상기 초점(Z)에서 수행될 때, 상기 검출기의 적어도 하나의 출력 파라미터를 모니터링하는 단계와,

(b) 상기 레이저 빔의 초점(Z)을 변화시키고, 변화된 초점에서 단계 (a)를 반복하는 단계와,

(c) 초점의 범위에 대해 단계 (a)와 단계 (b)를 반복하는 단계와,

(d) 단계 (a)에서 상기 검출기에 의해 수집된 출력 파라미터 정보에 기초하여 최적의 초점을 결정하는 단계를 포함하는 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법.
제9항에 있어서, 상기 출력 파라미터는 검출된 펄스당 이온(Er)의 수인 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법.
표본 장착대에 장착된 표본 상으로 검출기를 갖는 원자 탐침의 레이저 빔을 포커싱하는 방법으로서, 상기 레이저 빔은 상기 표본 상에 초점(Z)을 가지며 X축 및 Y축을 따라 수평 및 수직으로 조준될 수 있는 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법이며,

(a) 상기 레이저 빔에 의한 상기 표본의 조사가 X, Y 및 Z 좌표 공간 전체에 수행될 때, 상기 검출기의 적어도 하나의 출력 파라미터를 모니터링하는 단계와,

(b) 단계 (a)에서 상기 검출기에 의해 수집된 출력 파라미터 정보를 기초로 최적의 초점을 결정하는 단계를 포함하는 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법.
제11항에 있어서, 상기 출력 파라미터는 펄스당 검출된 이온(Er)의 수인 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법.
표본 장착대에 장착된 표본 상으로 검출기를 갖는 원자 탐침의 레이저 빔을 포커싱하는 방법으로서, 상기 레이저 빔은 상기 표본 상에서 초점(Z)을 가지며 X축 및 Y축을 따라 수평 및 수직으로 조준될 수 있는 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법이며,

(a) 출력 파라미터정보의 프레임을 형성하기 위해 X 및 Y 좌표 각각에서 출력 파라미터를 수집하도록 상기 검출기를 사용하면서 X-Y 영역 내에 레이저 빔을 래스터링하는 단계와,

(b) 다중 프레임을 발생시키기 위해 단계 (a)를 반복하는 단계와,

(c) 상기 출력 파라미터의 일시적 이동을 발생시키고 상기 출력 파라미터 내 의 특성을 식별하기 위해 상기 프레임을 사용하는 단계를 포함하는 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법.
제13항에 있어서, 상기 레이저 빔은 상기 특성을 추적하도록 조준될 수 있는 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법.
표본 장착대에 장착된 표본 상으로 검출기를 갖는 원자 탐침의 레이저 빔을 포커싱하는 방법으로서, 상기 표본 장착대는 상기 레이저 빔에 대해 X축, Y축 및 Z축을 따라 이동 가능한 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법이며,

(a) 상기 레이저 빔에 의한 상기 표본의 조사가 X, Y 및 Z 좌표 공간 전체에서 수행될 때, 상기 검출기의 적어도 하나의 출력 파라미터를 모니터링하는 단계와,

(b) 단계 (a)에서 상기 검출기에 의해 수집된 출력 파라미터 정보를 기초로 최적의 초점을 결정하는 단계와,

(c) 상기 표본이 상기 최적의 초점 포인트에 있도록 상기 표본 장착대를 이동시키는 단계를 포함하는 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법.
제15항에 있어서, 상기 출력 파라미터는 펄스당 검출된 이온(Er)의 수인 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법.
표본 장착대에 장착된 표본 상으로 검출기를 갖는 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법으로서, 상기 레이저 빔은 편광을 갖는 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법이며,

(a) 상기 레이저 빔으로 상기 표본의 조사할 때, 상기 검출기의 적어도 하나의 출력 파라미터를 모니터링하는 단계와,

(b) 편광의 범위에 걸쳐 상기 레이저 빔의 편광을 변화시키는 단계와,

(c) 단계 (a) 및 단계 (b)에서 상기 검출기에 의해 수집된 출력 파라미터 정보를 기초로 최적의 편광을 결정하는 단계를 포함하는 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법.
제17항에 있어서, 상기 출력 파라미터는 펄스당 검출된 이온(Er)의 수인 원자 탐침의 레이저 빔의 포커싱 방법.
표본 장착대, 검출기 및 이들 사이에 위치된 로컬 전극을 포함하고, 로컬 전극 내부에 형성된 로컬 전극 개구를 구비하고, 상기 개구는 개구의 입구를 가로질러 형성된 개구면을 갖는 원자 탐침을 사용하여 원자 탐침 분석을 수행하는 방법이며,

a. 상부에 형성되고 상기 개구 내에 위치되지만 상기 개구의 반경과 관련한 거리만큼 상기 개구면으로부터 이격된 적어도 하나의 마이크로팁을 갖는 표본을 표본 장착대 상에 제공하는 단계와,

b. 의도적으로 도입된 비점수차를 갖는 레이저 빔을 상기 소정의 마이크로팁 상으로 상기 개구면에 대해 1도 내지 20도의 각도로 배향시키는 단계와,

c. 기준 전압으로 고정된 로컬 전극을 유지하면서,

(1) 소정의 부스트 전압으로 표본을 대전하는 단계와,

(2) 소정의 마이크로팁으로부터 이온화를 유발하기 위해 레이저를 펄스하는 단계를 포함하는 원자 탐침 분석 수행 방법.