NL1021376C1

NL1021376C1 - Werkwijze voor het verkrijgen van een deeltjes-optische afbeelding van een sample in een deeltjes-optisch toestel.

Info

Publication number: NL1021376C1
Application number: NL1021376A
Authority: NL
Inventors: Remco Theodorus Johanne Geurts; Michael Frederick Hayles
Original assignee: Fei Co
Priority date: 2002-09-02
Filing date: 2002-09-02
Publication date: 2004-03-03
Also published as: JP2004134394A; US20040041094A1; JP4406545B2; EP1394834B1; DE60311371D1; EP1394834A3; EP1394834A2; DE60311371T2; US6888136B2

Description

» ' ' 1

Werkwijze voor het verkrijgen van een deeltjes-optische afbeelding van een sample in een deelljes-optisch toestel.

5 De uitvinding betreft een werkwijze voor het verkrijgen van een deeltjes-optische afbeelding van een sample in een deeltjes-optisch toestel. Tevens betreft de uitvinding een deeltjes-optisch toestel ingericht voor het uitvoeren van de werkwijze.

Bij het gebruik van relatief dikke samples (d.w.z. dikte in de orde van grootte van 10 0,1 mm) in deeltjes-optische toestellen zoals elektronenmicroscopen doet zich het probleem voor dat de te bestuderen details in het sample zich bevinden binnenin het materiaal van het sample. Een zodanige situatie kan zich b.v. voordoen bij een bacterie als sample waarvan men een detail aan een nader onderzoek wil onderwerpen met een (veel) sterkere vergroting van de elektronenmicroscoop. De gebruiker van het toestel vermoedt weliswaar dat zich een 15 van interesse zijnd detail op een gegeven plaats binnenin het sample bevindt, maar dit detail , l ligt begraven in de bulk van het materiaal en is daardoor niet toegankelijk voor ; elektronenoptische afbeelding met b.v. een Scannende Elektronen Microscoop (SEM). Het zou denkbaar zijn om te trachten het sample met een aparte bewerking buiten de elektronenmicroscoop zodanig open te leggen dat het van interesse zijnde detail bloot komt te 20 liggen, maar doordat dit detail veelal kleiner is dan de golflengte van het zichtbare licht onttrekt de bewerking daarvan zich aan de directe waarneming van de bewerker zodat bij het blootleggen het van interesse zijnde detail gemakkelijk gemist wordt of op een ongewenste wijze wordt blootgelegd. Bovendien is het zeer moeilijk en vaak onmogelijk om de juiste plaats voor het maken van de doorsnede te vinden.

25

De uitvinding beoogt een oplossing voor het bovengenoemde probleem te geven met een werkwijze waarmee op gecontroleerde wijze een doorsnede van het sample wordt blootgelegd waarin het van interesse zijnde detail zich bevindt, zodanig dat dit detail toegankelijk wordt voor deeltjesoptische afbeelding. Daartoe vertoont de werkwijze volgens 30 de uitvinding achtereenvolgens de volgende stappen: • het in een bevroren toestand gebrachte sample wordt in een vacuümomgeving onderworpen aan een milling-bewerking met een ionenbundel, waarbij in de vacuümomgeving voorzien is in een gekoeld tegenoppervlak, waarbij de temperatuur van het bevroren sample hoger is dan die van het tegenoppervlak, 2 door welke milling-bewerking een vooraf geselecteerde doorsnede van het sample wordt blootgelegd; • het temperatuurverschil tussen het sample en het tegenoppervlak wordt vergroot, door welke vergroting van temperatuurverschil sublimatie van de blootgelegde 5 sampledoorsnede wordt bewerkstelligd; • er wordt een afbeelding van ten minste een deel van de blootgelegde doorsnede van het sample gemaakt met behulp van een scannende gefocusseerde elektronenbundel.

Het sample kan in bevroren toestand worden gebracht door het eerst te verzadigen 10 met een vloeistof en het vervolgens af te koelen tot een temperatuur onder het vriespunt van de vloeistof. Door het bevriezen van het sample wordt bereikt dat een geheel gevulde matrix ontstaat waardoor bij verdere bewerking alle delen van het van interesse zijnde detail van het sample op hun oorspronkelijke plaats blijven en niet van vorm of structuur veranderen. Om dit te bereiken wordt het sample met hoge snelheid ingevroren.

15 Nadat door bestudering van een vrij oppervlak van het ingevroren sample of op enige andere wijze is vastgesteld in welk gebied van het sample het van interesse zijnde detail zich bevindt, wordt het betreffende gebied onderworpen aan een milling-bewerking met een ionenbundel teneinde het van interesse zijnde detail bloot te leggen en aldus toegankelijk te maken voor een SEM-afbeelding. Deze milling-bewerking vindt plaats in een 20 vacuümomgeving, d.w.z. een omgeving met een lage druk, typical 10‘6 mbar. In de vacuümomgeving is een gekoeld tegenoppervlak aangebracht voor het binden van de uit de gevulde matrix verdampte moleculen. Om deze binding mogelijk te maken is de temperatuur van het tegenoppervlak lager dan die van het sample, b.v. 20°C lager. Het tegenoppervlak kan de vorm hebben van een koelvinger die met b.v. vloeibaar stikstof op de gewenste 25 temperatuur gehouden wordt. Het millingproces kan handmatig gestuurd worden door de gebruiker of onder besturing van een computerprogramma.

Als het gebied met het van interesse zijnde detail door het millingproces blootgelegd is, wordt het van interesse zijnde detail met relatief geringe snelheid verder toegankelijk gemaakt voor SEM-afbeelding. Dit gebeurt doordat het temperatuurverschil tussen het 30 sample en het tegenoppervlak wordt vergroot, b.v. doordat de temperatuur van het sample wordt verhoogd. Hierdoor ontstaat sublimatie van de bevroren vloeistof in de blootgelegde sampledoorsnede. Door de relatief geringe snelheid van de sublimatie is het voor de gebruiker mogelijk om met hoge nauwkeurigheid het gewenste detail bloot te leggen en vervolgens af te beelden. Deze afbeelding vindt plaats met scannende gefocusseerde i Π O '5 O *7 c 3 elektronenbundel (SEM-afbeelding) om eroderende werking van de afbeeldende bundel op het van interesse zijnde detail te voorkomen. Voorts is het mogelijk om de plaats op het sample van waar de sublimatie moet plaats vinden te bepalen door de keuze van de plaats van het tegenoppervlak. Immers, het gebied vanwaar de sublimatie het meeste plaats vindt is het 5 gebied dat zich het dichtst bij het tegenoppervlak bevindt. Door dus het tegenoppervlak dicht bij het gewenste gebied te brengen kan in dat gebied de sublimatie bewerkstelligd worden.

In een voorkeursuitvoering van de uitvinding wordt de milling-bewerking met een ionenbundel waargenomen door afbeelding van ten minste een deel van de blootgelegde doorsnede van het sample met behulp van een scannende gefocusseerde elektronenbundel.

10 Op deze wijze kan de gebruiker het millingproces in detail volgen en desgewenst stoppen wanneer het proces de gewenste voortgang heeft bereikt.

In een andere voorkeursuitvoering van de uitvinding wordt het sublimatieproces waargenomen door afbeelding van ten minste een deel van de blootgelegde doorsnede van het sample met behulp van een scannende gefocusseerde elektronenbundel. Evenals bij het 15 millingproces kan op deze wijze de gebruiker het sublimatieproces in detail volgen en desgewenst stoppen wanneer het sublimatieproces de gewenste voortgang heeft bereikt.

In weer een ander voorkeursuitvoering van de uitvinding bevat het te bevriezen sample water. Het voordeel van water is dat deze vloeistof van nature al in veel preparaten voorkomt, zoals b.v. in biologische preparaten. Indien water daarin nog niet aanwezig is kan het sample met 20 water verzadigd worden voorafgaand aan het bevriezingsproces. Water dat vrijkomt bij het millingproces en bij het sublimatieproces laat zich gemakkelijk binden aan het tegenoppervlak met lagere temperatuur.

In een andere uitvoering van de uitvinding is de ionenbundel een gefocusseerde ionenbundel. Door het focusseren van de ionenbundel is het mogelijk op zeer precieze wijze 25 het te millen gebied te definiëren en desgewenst allerlei bijzondere vormen te geven, waardoor het millingproces in hoge mate beheersbaar wordt.

In weer een andere uitvoering van de uitvinding zijn de ionen in de ionenbundel zwaarder dan zuurstofatomen. Door de relatief grote massa van de ionen worden de zuurstofatomen uit het water (of een andere matrixvloeistof, zoals b.v. alcohol) gemakkelijk 30 losgeslagen waardoor een hoge snelheid van het millingproces wordt bereikt.

In een weer andere uitvoering van de uitvinding wordt de sublimatiesnelheid geregeld door variatie van de ruimtehoek waaronder het gekoelde tegenoppervlak vanuit het sample gezien wordt. Deze uitvoering is voordelig wanneer b.v. vloeibaar stikstof gebruikt wordt om het tegenoppervlak te koelen. De temperatuur van het tegenoppervlak wordt dan bepaald 4 door het kookpunt van de stikstof en is dus niet eenvoudig te regelen. Door verplaatsing van het tegenoppervlak naar het sample toe of er van weg wordt de genoemde ruimtehoek gevarieerd, dus de hoeveelheid weggevangen watermoleculen en daardoor de sublimatiesnelheid. Een nauwkeurige regeling van deze snelheid wordt hierdoor mogelijk.

5 In een weer andere uitvoering van de uitvinding worden na het maken van de afbeelding met behulp van een scannende gefocusseerde elektronenbundel opnieuw een ionenmilling-bewerking en opnieuw een sublimatieproces bewerkstelligd waarna opnieuw een afbeelding van ten minste een deel van de aldus opnieuw blootgelegde doorsnede van het sample wordt gemaakt met behulp van een scannende gefocusseerde elektronenbundel.

10 Op deze wijze is het mogelijk een serie van SEM-afbeeldingen te maken met een telkens enigszins opgeschoven erosiefront waarbij de tijd tussen twee opvolgende afbeeldingen kort is door de relatief hoge snelheid van het ionenmilling-proces en de afstand tussen twee afbeeldingsdoorsneden uiterst precies kan worden bepaald door de hoge nauwkeurigheid van het millingproces en van het sublimatieproces. Op deze wijze kan een drie-dimensionale 15 reconstructie met SEM-afbeeldingen worden gemaakt.

De uitvinding zal worden beschreven aan de hand van de figuren, waarbij gelijke verwijzingscijfers overeenkomstige delen aanduiden. Daarbij toont:

Figuur 1 : in schematische vorm een deeltjes-optisch toestel voor het uitvoeren van 20 de werkwijze volgens de uitvinding;

Figuur 2A : een weergave van een volgens de uitvinding te behandelen sample;

Figuur 2B : een dwarsdoorsnede langs de lijn A-A in Figuur 2A in het volgens de uitvinding te behandelen sample;

Figuur 3 : een illustratie van het effect van de ruimtehoek waaronder het 25 tegenoppervlak vanuit het sample gezien wordt.

In figuur 1 wordt in schematische vorm een deeltjes-optisch toestel voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding weergegeven. Het toestel wordt gevormd door een zogeheten Dual Beam systeem waarin twee deeltjes-optische kolommen 2 en 4 aanwezig 30 zijn, waarbij kolom 2 een ionen-optische kolom is en kolom 4 een elektronen-optische kolom. Beide kolommem 2 en 4 zijn aangebracht op een evacueerbare sampleruimte 6, waarin een samplestage 8 aanwezig is. Tevens is in de sampleruimte 6 voorzien in een gekoeld tegenoppervlak in de vorm van een koelvinger 10. De samplestage 8 en de koelvinger 10 kunnen op een gewenste lage temperatuur ingesteld worden door middel van - Ί tk

1 i ' ; O . U

5 een schematisch weergegeven koelinstallatie 12. De verbinding tussen koelinstallatie 12 en de samplestage 8 wordt schematisch weergegeven door koelleiding 14 en die tussen koelinstallatie 12 en koelvinger 10 door koelleiding 16. Op de samplestage bevindt zich het te behandelen sample 18.

5 Kolom 2 brengt een ionenbundel 20 voort die langs een optische as 22 verloopt;, deze ionenbundel 20 wordt met (niet weergegeven) deeltjeslenzen gefocusseerd op het sample 18. De gefocusseerde ionenbundel 20 kan met behulp van (niet weergegeven) scanspoelen een gewenst scanpatroon over een met deze ionenbundel te behandelen gebied van het sample 18 uitvoeren. Kolom 4 brengt een elektronenbundel 24 voort die langs een optische as 26 10 verloopt; deze elektronenbundel 24 wordt met (niet weergegeven) elektronenlenzen gefocusseerd op het sample 18. Tevens is kolom 4 op bekende wijze voorzien van (niet weergegeven) scanspoelen, zodanig dat op bekende wijze een SEM-afbeelding van het te behandelen en/of af te beelden gebied van het sample 8 gemaakt kan worden.

Het sample 18 wordt in bevroren toestand in de sampleruimte 6 gebracht en daar op 15 een gewenste lage temperatuur gehouden m.b.v. koelinstallatie 12 die de samplestage 8 koelt.

, I Het is ook mogelijk dat het sample in niet-bevroren toestand op de samplestage 8 geplaatst wordt waama het sample daar ter plaatse wordt bevroren. Om te zorgen dat de structuur van het sample niet aangetast wordt door het invriezen moet zorg gedragen worden voor een voldoend hoge invriessnelheid, b.v. 105 K/s. Aangenomen wordt dat het sample voor het 20 invriezen verzadigd was met water zodat het sample na invriezing bestaat uit het sample materiaal ingebed in een matrix van ijs. De temperatuur waarop het sample behandeld wordt hangt af van de toepassing; deze is b.v. de temperatuur van vloeibaar stikstof, die ongeveer -196°C is. Tegenover het sample 18 is de koelvinger 10 geplaatst die eveneens op een gewenste lage temperatuur gehouden wordt m.b.v. koelinstallatie 12. De temperatuur van de 25 koelvinger 10 kan afwijken van de temperatuur van het sample 8, zoals hieronder nader zal worden beschreven.

De milling-bewerking van het sample 8 zal nader worden beschreven aan de hand van de figuren 2A en 2B. In figuur 2A is een bovenaanzicht van de samplestage 8 met het sample 18 weergegeven. De behandeling van het sample volgens de uitvinding begint met de selectie 30 van een gebied 28 van het sample in welk gebied de gebruiker vermoedt dat zich een van interesse zijnd detail bevindt. Vervolgens wordt in dit gebied aan een milling-bewerking met ionenbundel 20 onderworpen, die als doel heeft het blootleggen van een doorsnede waarin zich van het van interesse zijnde detail zich bevindt. De ionen in de ionenbundel 20 zijn b.v. galliumionen, argonionen of andere ionen met een atoommassa die (veel) groter is dan die I ü 2. I x~J i 6 6 van zuurstof. Het effect van deze keuze is dat de milling-bewerking met relatief hoge snelheid verloopt doordat de zuurstofatomen van de ijsmatrix gemakkelijk worden losgeslagen door de veel zwaardere ionen. Tijdens het millen ligt de temperatuur van het sample typisch in de orde van grootte van -130°C en de temperatuur van de koelvinger 5 typisch in de orde van grootte van -150°C. De afstand van de top van de koelvinger tot het sample is typical 5 mm. Door de aanwezigheid van de koelvinger wordt tijdens de milling-bewerking het daarbij vrijkomende water gebonden gebonden aan de koelvinger waardoor voorkomen wordt dat door de ionen losgeslagen watermoleculen weer terugkeren naar het sample en daar het millingproces verstoren of vertragen. Een typische waarde voor de energie 10 van de ionen tijdens de milling-bewerking ligt in de orde van grootte van 30 tot 50 keV voor snel millen, voor fijnere bewerking bij het naderen van het van interesse zijnde detail is een typische waarde 5 keV. Een typische waarde voor de stroom in de ionenbundel ligt in de orde van grootte van 1 - 50 nA. De druk in de vacuümomgeving ligt bij de milling-bewerking typical in de orde van grootte van 10‘6mbar. Tijdens de millingbewerking wordt het proces 15 gevolgd door middel van SEM-afbeelding met behulp van de elektronenbundel 24.

In figuur 2A is met de lijn AA een dwarsdoorsnede van de met het millingproces gemaakte put aangegeven. Figuur 2B toont deze dwarsdoorsnede. In figuur 2B wordt het bovenoppervlak van het sample aangegeven met cijfer 30. De gefocusseerde ionenbundel wordt over het oppervlak van het voor milling geselecteerde gebied gescand, waarbij steeds 20 een deel van het volume van de put wordt verwijderd. Een zijwand 32 van de put vormt de bloot te leggen doorsnede van het sample die het van interesse zijnde detail bevat. De put heeft een zodanige vorm dat het mogelijk is om van het blootgelegde oppervlak 32 een SEM-opname te maken. Daartoe wordt voldoende materiaal verwijderd om het de elektronenbundel (in deze figuur symbolisch aangegeven met de optische as 26) mogelijk te 25 maken het af te beelden oppervlak aan te stralen onder een hoek die afbeelding mogelijk maakt, maar wordt vermeden meer materiaal weg te millen dan voor het maken van de SEM-afbeelding noodzakelijk is. Daardoor vertoont de wand 34 van de put het getoonde hellende verloop.

Wanneer men op grond van de tijdens de milling-bewerking gemaakte SEM-30 afbeeldingen vaststelt dat de milling-bewerking voldoende ver gevorderd is wordt de milling bewerking gestopt en kan de sublimatiefase beginnen. De sublimatiefase wordt in gang gezet doordat het temperatuurverschil tussen de koelvinger 10 en het sample 18 wordt vergroot, in het hier gebruikte getallenvoorbeeld wordt de temperatuur van het sample verhoogd van -130°C naar -100°C terwijl de temperatuur van de koelvinger 10 dezelfde waarde houdt. Met

I Π 9 1 3 7 R

7 de sublimatie wordt bereikt dat het verwijderen van materiaal van het oppervlak veel langzamer verloopt zodat een zeer beheerste voortgang van het blootleggen van het van interesse zijnde detail wordt bereikt. Tevens worden hiermee allerlei zeer fijne details blootgelegd doordat nog slechts de ijsmatrix verdampt en de omringende delen van het 5 sample behouden blijven doordat deze in de sublimatiefase niet meer blootgesteld zijn aan het ionenbombardement. Ook het sublimatieproces kan met behulp van SEM-afbeeldingen gevolgd worden totdat het van interesse zijnde detail zodanig is blootgelegd dat de uiteindelijk gewenste SEM-afbeelding gemaakt kan worden. Desgewenst is het mogelijk het proces te herhalen, d.w.z. dat door ionenmilling zoveel materiaal van wand 32 wordt 10 verwijderd dat een nieuwe wand 34 ontstaat, waarna weer een sublimatiefase in gang wordt gezet, een uiteindelijk gewenste SEM-afbeelding wordt gemaakt en verdere herhaling mogelijk is. Op deze wijze kan men door een groot aantal SEM-afbeeldingen van opvolgende doorsneden een drie-dimensionale representatie verkrijgen van het inwendige van het sample. Daarbij verloopt het gehele proces in één en hetzelfde deeltjes-optisch toestel waardoor in- en 15 uit het vacuüm brengen tussen de SEM-opnamen niet nodig is en aldus een aanzienlijke tijdwinst geboekt kan worden.

Figuur 3 illustreert de invloed van de positie van de koelvinger 10 t.o.v. het van interesse zijnde gebied 28 van het sample 18. Doordat de koelvinger (in deze figuur schematisch weergegeven door de top 10 daarvan) zich in de directe omgeving van gebied 28 20 bevindt zal de sublimatie hoofdzakelijk vanuit dit genoemde gebied plaats vinden. Dit wordt veroorzaakt doordat het koelend oppervlak vanuit dit gebied gezien wordt onder een relatief grote ruimtehoek die duidelijk groter is dan de ruimtehoek 38 waaronder een verwijderd gebied van het sample het koelend oppervlak 10 ziet.

Claims

1 Werkwijze voor het verkrijgen van een deeltjes-optische afbeelding van een sample in 5 een deeltjes-optisch toestel, waarin achtereenvolgens: • het in een bevroren toestand gebrachte sample (18) in een vacuümomgeving (6) wordt onderworpen aan een milling-bewerking met een ionenbundel (20), waarbij in de vacuümomgeving voorzien is in een gekoeld tegenoppervlak (10), waarbij de temperatuur van het bevroren sample hoger is dan die van het tegenoppervlak, 10 door welke milling-bewerking een vooraf geselecteerde doorsnede (32) van het sample wordt blootgelegd; • het temperatuurverschil tussen het sample en het tegenoppervlak wordt vergroot, door welke vergroting van het temperatuurverschil sublimatie van de bevroren vloeistof in de blootgelegde sampledoorsnede wordt bewerkstelligd; 15. een afbeelding van ten minste een deel van de blootgelegde doorsnede van het sample wordt gemaakt met behulp van een scannende gefocusseerde elektronenbundel (24).

2 Werkwijze volgens conclusie 1 waarin de milling-bewerking met een ionenbundel 20 (20) wordt waargenomen door afbeelding van ten minste een deel van de blootgelegde doorsnede (32) van het sample (18) met behulp van een scannende gefocusseerde elektronenbundel (24).

3 Werkwijze volgens conclusie 1 waarin het sublimatieproces wordt waargenomen door 25 afbeelding van ten minste een deel van de blootgelegde doorsnede (32) van het sample (18) met behulp van een scannende gefocusseerde elektronenbundel (24).

4 Werkwijze volgens conclusie 1 waarin het te bevriezen sample (18) water bevat.

30. Werkwijze volgens conclusie 1 waarin de ionenbundel een gefocusseerde ionenbundel is (20).

6 Werkwijze volgens conclusie 1 of 6 waarin de ionen in de ionenbundel zwaarder zijn dan zuurstofatomen. > n ·: ; ·-- /· r