DE102008060270B4

DE102008060270B4 - Gasfeldionisations-Ionenquelle, Rasterladungsteilchenmikroskop, Einstellverfahren für die optische Achse und Probenbetrachtungsverfahren

Info

Publication number: DE102008060270B4
Application number: DE102008060270.1A
Authority: DE
Inventors: Tohru Ishitani; Yoichi Ose; Hiroyasu Shichi; Shinichi Matsubara; Tomihiro Hashizume; Muneyuki Fukuda
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2028-12-04
Also published as: JP2009164110A; JP2011238630A; JP4887344B2; DE102008060270A1; JP5194154B2; US20130087704A1; US20090152462A1

Abstract

Gasfeldionisations-Ionenquelle miteinem nadelförmigen Emitter (1); und miteiner Extraktionselektrode (3), die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters (1) ionisiert und extrahiert werden,dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionselektrode (3) in einen eine Blende bildenden Teil (3d) mit einer Blende, die die extrahierten Ionen durchlaufen, und in einen Basisteil (3c) aufgeteilt werden kann, an dem der die Blende bildende Teil angebracht ist,wobei der die Blende bildende Teil (3d) von der optischen Achse (20) der Ionen entfernt und darum herum gelegt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ladungsteilchenmikroskop zum Betrachten der Oberflächen von Proben wie Halbleiterelementen und neuen Materialien. Zum Beispiel betrifft die vorliegende Erfindung ein Rasterladungsteilchenmikroskop, bei dem als geladene Teilchen leichte Ionen verwendet werden, um mit hoher Auflösung und großer Tiefenschärfe flache Oberflächenuntersuchungen an Proben durchzuführen, und eine Gasfeldionisations-Ionenquelle zum Erzeugen von Ionen.
Die Nicht-Patent-Druckschrift 1 beschreibt eine Vorrichtung mit einem fokussierten Ionenstrahl (abgekürzt FIS), die mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle (abgekürzt GFIQ) versehen ist und bei der Wasserstoff- (H₂), Helium- (He), Neon- (Ne) und andere Gasionen verwendet werden. Im Gegensatz zu einem Gallium-Ionenstrahl (Ga: ein Metall) aus einer Flüssigmetall-Ionenquelle, der heutzutage oft verwendet wird, kontaminiert ein solcher fokussierter Ionenstrahl die Probe nicht mit Ga. Es wird auch angegeben, daß, da die Energieverteilung der Gasionen aus einer GFIQ schmal ist und die virtuelle Quellengröße der GFIQ klein, es damit möglich ist, einen schmaleren Strahl auszubilden als mit einem Ga-Ionenstrahl. Es wird des weiteren angegeben, daß die GFIQ bessere Ionenquelleneigenschaften aufweist, etwa eine höhere Winkelstromdichte, wenn ein feiner Vorsprung (im folgenden als Nanospitze bezeichnet) an der Spitze des Emitters ausgebildet wird (die Atome an der Spitze des Emitters auf eine wenige Atome reduziert werden). Das Phänomen, daß eine Nanospitze an der Spitze des Ionenemitters die Winkelionenstromdichte erhöht, ist auch in den Nicht-Patent-Druckschriften 2 und 3 und in der Patent-Druckschrift 1 beschrieben. Beispiele für die Herstellung einer solchen Nanospitze sind in der Patent-Druckschrift 2 und in den Nicht-Patent-Druckschriften 3 und 4 angegeben. In der Patent-Druckschrift 2 wird die Nanospitze durch eine Feldverdampfung des Emittermaterials Wolfram (W) ausgebildet. In den Nicht-Patent-Druckschriften 3 und 4 wird die Nanospitze aus einem zweiten Material ausgebildet, das sich vom ersten Metal oder dem Emittermaterial unterscheidet.
Die Nicht-Patent-Druckschrift 2 und die Patent-Druckschrift 2 beschreiben jeweils ein Rasterladungsteilchenmikroskop mit einer GFIQ, die Ionen des leichten Elements He emittiert. Hinsichtlich des Gewichts der eingestrahlten Teilchen ist ein He-Ion etwa 7000 mal schwerer als ein Elektron und etwa 17 mal leichter als ein Ga-Ion. Der Schaden, den die Probe durch ein He-Ion erleidet und der von davon abhängt, wie viel Impuls auf die Atome der Probe übertragen wird, ist daher größer als bei einem Elektron und kleiner als bei einem Ga-Ion. Darüberhinaus befinden sich die Anregungsbereiche für Sekundärelektronen, von denen aufgrund der in die Probe eindringenden eingestrahlten Teilchen Sekundärelektronen ausgesandt werden, näher an der Probenoberfläche als bei der Einstrahlung von Elektronen. Aufgrund dieser Eigenschaften ist eine Abbildung durch ein Rasterionenmikroskop (abgekürzt RIM) empfindlicher für Informationen von der Probenoberfläche als ein Rasterelektronenmikroskop (abgekürzt REM). Außerdem weist bei der Einstrahlung eines Ionenstrahls die Abbildung eine sehr große Tiefenschärfe auf, da Ionen viel schwerer sind als Elektronen und dadurch Beugungseffekte beim Fokussieren des Ionenstrahls vernachlässigbar sind.

Patent-Druckschrift 1: JP S5-885 242 A
Patent-Druckschrift 2: JP H07-192 669 A

Nicht-Patent-Druckschrift 1 : K. Edinger, V. Yun, J. Meingailis, J. Orloff und G. Magera, J. Vac. Sei. Technol. A 15 (No. 6) (1997) 2365
Nicht-Patent-Druckschrift 2: J. Morgan, J. Notte, R. Hill und B. Ward, Microscopy Today 14. Juli (2006) 24 Nicht-Patent-Druckschrift 3: H.-S. Kuo, l.-S. Hwang, T.-Y. Fu, Y.-C. Lin, C.-C. Chang und T. T. Tsong, 16. Int. Microscopy Congress (IMC16), Sapporo (2006) 1120
Nicht-Patent-Druckschrift 4: H.-S. Kuo, l.-S. Hwang, T.-Y. Fu, J.-Y. Wu, C.-C. Chang und T. T. Tsong, Nano Letters 4 (2004) 2379.

Eine Gasfeld-Ionenquelle, die mit Extraktionsblenden verschiedener Formen und Größen betrieben werden kann, ist in der Druckschrift US 2007/0 138 388 A1 offenbart.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben an der GFIQ ausführliche Untersuchungen durchgeführt und dabei folgendes festgestellt.
Idealerweise wird eine Nanospitze an der Spitze eines W-Emitters in der Richtung der axialen Orientierung <111 > ausgebildet. Um die Ionenemission davon zu prüfen oder die Richtung der Ionenemission davon anhand der optischen Achse des Rasterionenmikroskops einzustellen, wird ein Feldionenmikroskopmuster (Feldionenmikroskop: abgekürzt FIM) verwendet. Bei dieser Musterbetrachtung ist vorzugsweise der Blendendurchmesser der Extraktionselektrode so groß, daß ein Ionenstrahl mit einem Divergenz-Halbwinkel α von etwa 20 Grad die Blende passieren kann. Nach dem Einstellen mit Hilfe der optischen Achse wird jedoch der Druck des Gases für die Ionen (zum Beispiel He), das in den Emitterraum eingeführt wird, auf etwa 10^-2 bis 1 Pa erhöht, um die Winkelionenstromdichte (emittierter Ionenstrom pro Raumwinkeleinheit) zu erhöhen. Das eingeführte Gas wird durch differentielles Abpumpen durch die Blendenöffnung der Extraktionselektrode entfernt. Um die Gasmoleküldichte an der Spitze des Emitters hoch zu halten und gleichzeitig die Menge des Gases zu verringern, das ohne ionisiert zu werden wieder abgepumpt wird, ist der Blendendurchmesser vorzugsweise klein. Ein erstes Problem ergibt sich nun daraus, daß einerseits die Blende groß sein soll, damit die divergent emittierten Ionen die Blende gut passieren können, und daß andererseits zum differentiellen Abpumpen der Blendendurchmesser möglichst klein sein soll. Wenn die Nanospitze beschädigt wird, muß die Richtung der Ionenemission nach der Neubildung der Nanospitze erneut geprüft werden.
Zur Erhöhung des Ionenstroms ist es wichtig, die Dichte der Gasmoleküle an der Emitterspitze zu erhöhen. Da die Dichte n der Gasmoleküle pro Druckeinheit [Pa] umgekehrt proportional zur Gastemperatur [T] ist, wie es die folgende Formel zeigt, ist es wichtig, sowohl das Gas wie auch den Emitter zu kühlen: $n [Molek ü l e c m^{- 3} {Pa}^{- 1}] = 7,247 \times 10^{16 / T} [K]$
Die Einrichtung zum Kühlen enthält oft ein physikalisch vibrierendes Element, weshalb dann auch der Emitter vibriert. Die Vibrationen des Emitters stellen damit ein zweites Problem dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Stabilität einer Gasfeldionisations-Ionenquelle zu verbessern, um damit zum Beispiel ein Rasterladungsteilchenmikroskop mit großer Auflösung zu schaffen. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Einstellen der optischen Achse eines Rasterladungsteilchenmikroskops sowie ein Verfahren zum Betrachten einer Probe mit einem Rasterladungsteilchenmikroskop zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit der in den Patentansprüchen beschriebenen Gasfeldionisations-Ionenquelle bzw. dem in den Patentansprüchen beschriebenen Rasterladungsteilchenmikroskop sowie den entsprechend in den Ansprüchen beschriebenen Verfahren gelöst.
Die Gasfeldionisations-Ionenquelle der vorliegenden Erfindung ist somit dadurch gekennzeichnet, daß der Blendendurchmesser der Extraktionselektrode auf jeweils einen von zwei verschiedenen Werten eingestellt werden kann oder der Abstand von der Spitze des Emitters zur Extraktionselektrode auf jeweils einen von zwei verschiedenen Werten eingestellt werden kann.
Die Gasfeldionisations-Ionenquelle der vorliegenden Erfindung ist darüberhinaus dadurch gekennzeichnet, daß zum Abkühlen fester Stickstoff verwendet wird.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, daß nicht nur divergent emittierte Ionen die Blende der Extraktionselektrode passieren, sondern daß auch zum differentiellen Abpumpen der Durchmesser der Blende verkleinert werden kann. Es ist damit auch möglich, die physikalischen Vibrationen der Kühlvorrichtung zu verringern. Folglich können mit der vorliegenden Erfindung eine sehr stabile Gasfeldionisations-Ionenquelle und ein Rasterladungsteilchenmikroskop mit einer solchen GFIQ geschaffen werden.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch den Aufbau einer Gasfeldionisations-Ionenquelle (GFIQ);
2 eine Darstellung der Beziehung zwischen der Emitterspitze und dem Blendendurchmesser der Extraktionselektrode sowie das FIM-Muster davon;
3 eine Extraktionselektrode mit einer beweglichen flachen Elektrodenplatte mit in der gleichen Ebene ausgebildeten, sich in den Abmessungen unterscheidenden Blendenöffnungen;
4 eine Einrichtung zum Wechseln der Blende mit einem eine Blende bildenden Teil mit einer Blende, die die von der Extraktionselektrode extrahierten Ionen passieren, und mit einem Befestigungsteil, an dem der die Blende bildende Teil angebracht ist;
5 eine Extraktionselektrode, die in der Richtung der optischen Achse bewegt werden kann;
6 eine Gasfeldionisations-Ionenquelle, bei der als Kühlmittel fester Stickstoff verwendet wird;
7 eine Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem Kühler, durch den ein Kühlmittel, das durch Erstarren eines Kühlgases erhalten wird, weiter abgekühlt wird;
8 eine Darstellung zur Erläuterung einer Beschleunigungslinsenfunktion zwischen der Extraktionselektrode und der ersten Elektrode der Fokussierlinse; und
9 Kurven, die anzeigen, wie die Winkelvergrößerung M_ang der Beschleunigungslinse zwischen der Extraktionselektrode und der ersten Elektrode der Fokussierlinse von der Extraktionsspannung Vext abhängt.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem nadelförmigen Emitter als Anode und einer Extraktionselektrode, die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters ionisiert und extrahiert werden, wobei der Durchmesser der Aperturöffnung oder Blende der Extraktionselektrode, die von den extrahierten Ionen passiert wird, auf jeweils einen von wenigstens zwei verschiedenen Werten eingestellt werden kann.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem nadelförmigen Emitter als Anode und einer Extraktionselektrode, die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters ionisiert und extrahiert werden, wobei die Extraktionselektrode in einen eine Blende bildenden Teil mit einer Blende, die von den extrahierten Ionen passiert wird, und einen Basisteil getrennt werden kann, an dem der die Blende bildende Teil angebracht ist, wobei der die Blende bildende Teil entfernt oder um die optische Achse der Ionen angeordnet werden kann. Der die Blende bildende Teil kann bezüglich des Basisteils auch verschoben werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem nadelförmigen Emitter als Anode und einer Extraktionselektrode, die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters ionisiert und extrahiert werden, wobei der Abstand von der Spitze des Emitters zur Extraktionselektrode auf jeweils einen von wenigstens zwei verschiedenen Werten eingestellt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem nadelförmigen Emitter als Anode und einer Extraktionselektrode, die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters ionisiert und extrahiert werden, wobei das Kühlmittel zum Kühlen des Emitters eine feste Substanz ist, die durch Erstarren eines Kühlmittelgases erhalten wird, das bei Raumtemperatur und unter Atmosphärendruck im gasförmigen Zustand ist. Das Kühlgas kann Stickstoff sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Rasterladungsteilchenmikroskop mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle wie oben beschrieben; einem Linsensystem, durch das Ionen von der Ionenquelle beschleunigt und auf eine Probe fokussiert werden; eine Begrenzungsblendenplatte zum Begrenzen des Divergenzwinkels der Ionen, die auf die Probe fokussiert werden; und einen Detektor für geladene Teilchen, der die geladenen Teilchen erfaßt, die von der Probe emittiert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Einstellen der optischen Achse eines Rasterladungsteilchenmikroskops wie oben beschrieben, wobei der Winkelbereich der emittierten Ionen, die die Extraktionselektrode passieren können, beim Einstellen der optischen Achse der Gasfeldionisations-Ionenquelle größer und bei der Einstellung für die Verwendung des Rasterladungsteilchenmikroskops zum Betrachten einer Probe kleiner ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Betrachten einer Probe mit einem Rasterladungsteilchenmikroskop wie oben beschrieben, wobei der Winkelbereich der emittierten Ionen, die die Extraktionselektrode passieren können, beim Einstellen der optischen Achse der Gasfeldionisations-Ionenquelle größer und bei der Einstellung der optischen Achse für die Verwendung des Rasterladungsteilchenmikroskops zum Betrachten einer Probe kleiner ist.
Die Eigenschaften und Wirkungen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsformen mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben. Einige der Ausführungsformen können gegebenenfalls auch kombiniert werden.
Ausführungsform 1
Die 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Rasterladungsteilchenmikroskops mit einer GFIQ. Die vom Emitter 1 der GFIQ 4 emittierten Ionen 5 werden von einer Fokussierlinse 6 und einer Objektivlinse 12 auf eine Probe 14 fokussiert. Zwischen den beiden Linsen sind ein Strahldeflektor/Ausrichter 7, eine bewegliche Strahlbegrenzungsblendenplatte 8, eine Austastelektrode 9, eine Austaststrahlstopplatte 10 und ein Strahldeflektor 11 angeordnet. Die von der Probe 14 emittierten Sekundärelektronen 15 werden von einem Sekundärelektronendetektor 16 erfaßt. Eine Strahlsteuerung 17 steuert die GFIQ 4, die Fokussierlinse 6, die Objektivlinse 12, den oberen Strahldeflektor/Ausrichter 7, den unteren Strahldeflektor 11, den Sekundärelektronendetektor 16 und anderes. Ein PC 18 steuert die Strahlsteuerung 17 und verarbeitet/speichert verschiedene Daten. Eine Abbildungsanzeigeeinheit 19 zeigt die RIM-Abbildungen und Steuerelemente des PC 18 an.
Die 2A ist eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Emitterspitze und dem Durchmesser der Öffnung in der Extraktionselektrode. Die 2B zeigt ein Beispiel eines Feldionenmikroskopmusters (Feldionenmikroskop: abgekürzt FIM) eines W-Emitters <111>, bevor eine Nanospitze erzeugt wird. Die Hauptorientierungen <111> und <211> sind auf dem Muster markiert. Die Nanospitze wird in der Richtung der <111>-Orientierung erzeugt. Um diese Orientierung bei der Ausbildung zu überprüfen, erfolgt die Beobachtung der emittierten Ionen vorzugsweise in einem derart weiten Bereich um die Orientierung <111>, daß zumindest auch diejenigen Ionen zu beobachten sind, die in der Richtung der Orientierung <211> emittiert werden. Der Aperturwinkel θ zwischen den Orientierungen <hkl> und <h'k'l'> wird mit der folgenden Formel berechnet. Entsprechend ergibt sich der Winkel θ zwischen den Orientierungen <111> und <211> zu etwa 19,5 Grad. $cos θ = \frac{h h' + k k' + l l'}{{(h^{2} + k^{2} + l^{2})}^{1 / 2} {(h^{2} + k^{2} + l^{2})}^{1 / 2}}$
Wenn der Abstand s von der Emitterspitze zur Extraktionselektrode 5 mm beträgt, ist der erforderliche Blendendurchmesser d_apertur 2 x 5 x tan19,5° = 3,5 mm. Da der Divergenzwinkel für die Ionenemission nach dem Ausbilden der Nanospitze auf 1 Grad oder weniger zurückgeht, ist der Blendendurchmesser d_apertur ausreichend groß, wenn er nicht kleiner ist als 0,2 mm. Um die ausgestrahlte Winkelstromdichte zu erhöhen, wird das Gas für die Ionen (zum Beispiel He) bei einem Vakuum von etwa 10^-2 bis 10 Pa in den Raum mit der Nanospitze eingeführt. Nach der Extraktionselektrode befindet sich die Umgebung der Fokussierlinse, der Objektivlinse und der Probe in einem Hochvakuum. Für ein differentielles Abpumpen ist ein d_apertur = 0,2 mm ausreichend.
Bei der Festlegung des Abstandes s ist nicht nur der Divergenzwinkel der Ionenemission zu berücksichtigen, sondern auch, daß ein zu starkes Verkürzen des Abstands zu elektrischen Entladungen zwischen dem Emitter und der Extraktionselektrode führt und ein zu starkes Erhöhen des Abstandes zu Kollisionen zwischen den emittierten Ionen und den eingeführten He-Gasatomen (oder Molekülen). Solche Kollisionen verschlechtern die Strahlfokussierung des Rasterladungsteilchenmikroskops, da sich die emittierten Ionen nicht mehr geradlinig ausbreiten und die virtuelle Quellengröße der Ionenquelle deutlich zunimmt. Bei einer Gasmoleküldichte n und einem Gasmoleküldurchmesser σ läßt sich die mittlere freie Weglänge λ der emittierten Ionen aus der folgenden Formel berechnen: $λ = \frac{1}{\sqrt{2} n π σ^{2}}$
Für He-Moleküle (σ = 0,22 nm) läßt sich diese Formel unter Bezeichnung der Gastemperatur mit T [K] und des Drucks mit p [Pa] wie folgt umschreiben: $λ [c m] = 6,4 E - 3 \cdot (T / p)$
Für p = 5 Pa zum Beispiel ist λ bei Raumtemperatur (T = 273 K) und bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff (T = 77 K) gleich 3,5 mm bzw. gleich 1,0 mm.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Einrichtung zum Ändern des Blendendurchmessers d_apertur der Extraktionselektrode 3 vorgesehen. Das heißt, es ist eine feste Elektrode 3a mit einer großen Blendenöffnung (zum Beispiel mit einem Durchmesser von 6 mm) zusammen mit einer beweglichen flachen Elektrodenplatte 3b mit zwei Blendenöffnungen mit verschiedenen Durchmessern (d_apertur = 0,2 mm und d_apertur = 3,5 mm) in der gleichen Ebene vorgesehen (siehe 3). Der Mittelpunkt der großen Öffnung der festen Elektrode ist zu der optischen Achse 20 des Rasterladungsteilchenmikroskops ausgerichtet. Es ist möglich, die bewegliche flache Elektrodenplatte 3b von der Außenseite des Mikroskops mit Atmosphärendruck zu bewegen, wobei die bewegliche flache Elektrodenplatte 3b senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet bleibt. Selektiv kann dadurch entweder die große oder die kleine Öffnung der Elektrodenplatte 3b zu der optischen Achse 20 ausgerichtet werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind zwei Öffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern vorgesehen, es können jedoch auch drei oder mehr Öffnungen vorgesehen werden. Ein Erhöhen der Anzahl von Blendenöffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern erweitert unmittelbar die Möglichkeiten der Einstellung bei dem später noch beschriebenen differentiellen Abpumpen. Da an der Extraktionselektrode 3 eine hohe Spannung anliegt, wenn die GFIQ bei einem Rasterladungsteilchenmikroskop verwendet wird, ist die bewegliche flache Elektrodenplatte 3b von der Mikroskopsäule (in der Zeichnung nicht gezeigt) auf Massepotential isoliert.
Ausführungsform 2
Die im folgenden beschriebene Ausführungsform ist ein Rasterladungsteilchenmikroskop mit einer Einrichtung zum Ändern des Blendendurchmessers d_apertur der Extraktionselektrode 3, die sich von der entsprechenden Einrichtung der Ausführungsform 1 unterscheidet. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf das, was bei der vorliegenden Ausführungsform wesentlich ist.
Die Änderungseinrichtung ist bei der vorliegenden Ausführungsform im Aufbau den variablen Blenden ähnlich, wie sie bei Kameras und dergleichen verwendet werden. Eine Anzahl von Blendenplättchen wird so zusammengefügt, daß sie eine kreisförmige Öffnung umgeben, deren Durchmesser sich durch Ändern des Ausmaßes der Überlappung der einzelnen Blendenplättchen koaxial verändert. Mit einer solchen Einrichtung zum Ändern des Blendendurchmessers der Extraktionselektrode können nicht nur die emittierten Ionen in einem weiten Bereich durchgelassen werden, sondern es kann für das differentielle Pumpen der Durchmesser der Blende auch verkleinert werden.
Ausführungsform 3
Die vorliegende Ausführungsform ist ein Rasterladungsteilchenmikroskop mit einer Einrichtung zum Ändern des Blendendurchmessers d_apertur der Extraktionselektrode 3, die sich von den entsprechenden Einrichtungen der Ausführungsformen 1 und 2 unterscheidet. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf das, was bei der vorliegenden Ausführungsform wesentlich ist.
Wie in der 4 gezeigt, kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Änderungseinrichtung in einen die Blende bildenden Teil 3d mit einer Öffnung, durch die die Ionen laufen, die von der Extraktionseinrichtung extrahiert werden, und einen Befestigungsteil 3c getrennt werden, an dem der die Blende bildende Teil 3d angebracht ist. Der die Blende bildende Teil 3d kann zu der optischen Achse 20 hin und davon weg bewegt werden. Der die Blende bildende Teil 3d befindet sich in der mit dem Bezugszeichen 3d' bezeichneten Stellung, wenn er durch Verschieben auf dem Befestigungsteil 3c von der optischen Achse 20 weggezogen wird.
Ausführungsform 4
Wie bei den Ausführungsformen 1 bis 3 wird bei der vorliegenden Ausführungsform nicht nur das Problem gelöst, die emittierten Ionen weitgehend durchzulassen, sondern auch das, daß beim differentiellen Abpumpen der Durchmesser der Blende verringert werden soll. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird zur Lösung dieses Problems jedoch eine andere Vorgehensweise vorgesehen. Das heißt, daß die Extraktionselektrode 3 (d_apertur = 1 mm) mit einer Einrichtung versehen ist, mit der sie in axialer Richtung bewegt werden kann. Die folgende Beschreibung konzentriert sich darauf, was bei der vorliegenden Ausführungsform wesentlich ist.
Die 5 zeigt schematisch eine Extraktionselektrode, die in der Richtung der optischen Achse bewegt werden kann. Das Bezugszeichen 3' bezeichnet die gleiche Extraktionselektrode, nachdem sie bewegt wurde. Der Abstand s zwischen der Emitterspitze und der Blendenöffnung der Extraktionselektrode kann auf jeweils einen von zwei Werten 1 mm und 5 mm eingestellt werden. s = 1 mm entspricht einen halben Divergenzwinkel α für die Ionenemission von etwa 27 Grad, während s = 5 mm einem halben Divergenzwinkel α von etwa 6 Grad entspricht. Durch das Bewegen der Extraktionselektrode in der axialen Richtung ist es daher möglich, nicht nur die divergent emittierten Ionen weitgehend durchzulassen, sondern auch für das differentielle Abpumpen den Durchmesser der Blende zu verringern.
Wenn der Blendendurchmesser d_apertur der Extraktionselektrode 3 gleich 1 mm ist und der Abstand s = 1 mm, ist es möglich, nicht nur die divergent emittierten Ionen weitgehend durchzulassen, sondern auch für das differentielle Abpumpen den Durchmesser der Blende klein zu halten. Es können jedoch Entladungen zwischen der Emitterspitze und der Extraktionselektrode auftreten, wenn der Druck p des Gases für die Ionen erhöht wird, um die Leuchtkraft zu erhöhen. Mit s = 5 mm werden solche Entladungen verhindert. Wenn s jedoch zu groß ist, können die vom Emitter emittierten Ionen mit Gasmolekülen kollidieren, was zu unerwünschten Ergebnissen wie abgelenkten Bahnen und verringerter kinetischer Energie der Ionen führt. Eine Änderung von s hat bei gleichbleibendem Emitterpotential auch eine Änderung der Stärke des elektrischen Feldes an der Spitze des Emitters zur Folge. Da sich dadurch der Ionisationswirkungsgrad ändert, ändert sich auch der Ionenstrom. Um eine Änderung des Ionenstroms zu vermeiden, ist daher eine Modenauswahl für die Freigabe/Sperrung einer Einstellung der Extraktionsspannung vorgesehen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Abstand s zwischen Emitterspitze und Elektrode diskontinuierlich auf einen von zwei Werten, nämlich 1 oder 5 mm, eingestellt. Eine kontinuierliche Änderung ist jedoch vorzuziehen, da dann eine kontinuierliche Einstellung möglich ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Abstand s dadurch auf einen von zwei Werten eingestellt, daß die Extraktionselektrode in axialer Richtung bewegt wird. Der gleiche Effekt kann auch dadurch erhalten werden, daß bei feststehender Extraktionselektrode der Emitter in axialer Richtung bewegt wird.
Ausführungsform 5
Um einen hohen Ionenstrom zu erhalten, muß das Ionenmaterial, d.h. das eingeführte Gas, und auch der Ionenemitter gekühlt werden. He-Gas kann bis auf etwa 10 K abgekühlt werden. Die übliche Kühlvorrichtung dafür erzeugt jedoch physikalische Vibrationen, die auf den Emitter übertragen werden. Bei einer Vibration des Emitters vibriert der von dem Rasterladungsteilchenmikroskop auf die Probe eingestrahlte Strahlpunkt, mit der Folge einer verringerten Auflösung des Mikroskops. Es ist schwierig, die Übertragung der physikalischen Vibrationen von der Kühlvorrichtung auf den Emitter zu verhindern. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird daher fester Stickstoff (Erstarrungspunkt im Vakuum etwa 51 K) verwendet. Die folgende Beschreibung konzentriert sich darauf, was bei der vorliegenden Ausführungsform wesentlich ist.
Die 6 zeigt schematisch den Aufbau der Ionenquelle. In die Umgebung des Emitters 1 wird durch eine dünne Gaszuführleitung 33 ein Ionengas, nämlich He-Gas 32, eingeführt. Als Kühlmittel wird fester Stickstoff 34 verwendet. Dazu wird flüssiger Stickstoff 30 durch eine Zuführleitung 31 in den Kühlmittelraum 36 eingeführt, der dort zu festem Stickstoff 34 erstarrt, da der abdampfende Stickstoff durch die Abgasleitung 35 abgesaugt wird. Der feste Stickstoff in der evakuierten Umgebung kühlt den Emitter und das eingeführte Gas, wobei der feste Stickstoff die Wärme unter Sublimation aufnimmt. Dies ist sehr wirkungsvoll bei einer Verringerung der Vibrationen der Emitterspitze, da im Gegensatz zu flüssigem Stickstoff bei der Sublimation von festem Stickstoff keine Blasen entstehen, die physikalische Vibrationen hervorrufen. Um den Emitter ausreichend zu kühlen, werden vorzugsweise auch die Zuleitung 37 für die Emitterspannung, die Zuleitung 38 für die Steuerelektrodenspannung und die Extraktionselektrode 3 gekühlt. Außerdem wird für die Verbindung zwischen dem gekühlten Abschnitt und dem Abschnitt, der sich auf Raumtemperatur befindet, ein Material mit geringer Wärmeleitung verwendet und ein Strahlungsschirm gegen die Einstrahlung von Wärme durch thermische Strahlung von dem Abschnitt, der sich auf Raumtemperatur befindet, in den gekühlten Abschnitt vorgesehen. Eine solche Kühlvorrichtung ist im Vergleich zu einer He-Kühlvorrichtung zum Abkühlen auf etwa 10 K sehr kompakt und wenig aufwendig.
Das Kühlmittel der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß es durch Verfestigen eines Kühlmittelgases erhalten wird, das sich bei Raumtemperatur und unter Atmosphärendruck im gasförmigen Zustand befindet. Das Kühlmittelgas kann anstelle von Stickstoff (Schmelzpunkt 51 K und Siedepunkt 77 K bei Atmosphärendruck) zum Beispiel Wasserstoff (Schmelzpunkt: 14 K, Siedepunkt: 20 K), Neon (Schmelzpunkt: 24 K, Siedepunkt: 27 K), Sauerstoff (Schmelzpunkt: 54 K, Siedepunkt: 90 K), Argon (Schmelzpunkt: 84 K, Siedepunkt: 87 K), Methan (Schmelzpunkt: 90 K, Siedepunkt: 111 K) und dergleichen sein. Hinsichtlich der Kosten und der Sicherheit ist Stickstoff das beste Kühlmittel.
Ausführungsform 6
Bei der Ausführungsform 5 wird ein Kühlmittel verwendet, das durch Umwandeln eines Kühlmittelgases in den festen Zustand erhalten wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das feste Kühlmittel weiter abgekühlt. Die folgende Beschreibung konzentriert sich darauf, was bei der vorliegenden Ausführungsform wesentlich ist.
Die 7 zeigt schematisch eine Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem Kühler, bei dem ein erstarrtes Kühlmittel weiter abgekühlt wird. Das Kühlmittelgas ist im vorliegenden Beispiel Stickstoff. Zuerst wird flüssiger Stickstoff 30 durch die Zuführleitung 31 in den Kühlmittelraum 36 eingeführt. Im Kühlmittelraum 36 befindet sich der Kühlkopf 51 eines He-Kühlers 50. Damit verbundene metallene Kühlstäbe 52 erstrecken sich bis in den flüssigen Stickstoff hinein. Der flüssige Stickstoff wird in festen Stickstoff 30 umgewandelt, da der verdampfende Stickstoff durch die Abgasleitung 35 abgesaugt wird. Beim Einschalten des Kühlers wird dann der feste Stickstoff weiter auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes abgekühlt.
Zur Beobachtung mit dem Ionenmikroskop wird der Kühler eingeschaltet. Im Vergleich zum festen Stickstoff wird dadurch die Emittertemperatur weiter um etwa 20 K abgesenkt und die Helligkeit der Ionenquelle entsprechend erhöht. Der Kühler kann auch wieder abgeschaltet werden, um die auf ihn zurückzuführenden Vibrationen abzustellen, wenn mit dem Ionenmikroskop eine Beobachtung erfolgt.
Ausführungsform 7
Die vorliegende Ausführungsform wird anhand der 8 und 9 beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Richtung der Ionenemission von der Nanospitze des Emitters geprüft und unter Beobachtung eines Quasi-FIM-Musters zu der optischen Achse des Rasterionenmikroskops ausgerichtet.
Die vom Emitter 1 divergent emittierten Ionen 5 laufen durch die Fokussierlinse 6 (deren Linsenfunktion durch Setzen des Linsenpotentials V_L auf Masse abgeschaltet wird) und erreichen die bewegliche Strahlbegrenzungsblendenplatte 8. Der dort ankommende Ionenstrahl läuft zum Teil durch die bewegliche Strahlbegrenzungsblendenplatte 8. Mit den durchgelaufenen Ionen bestrahlt, gibt die Probe 8 Sekundärelektronen 15 ab. Die Sekundärelektronen 15 werden vom Sekundärelektronendetektor 16 erfaßt. Vor der beweglichen Strahlbegrenzungsblendenplatte 8 lenkt der Strahldeflektor/Ausrichter 7 den Strahl gemäß einem Abtastsignal aus. Ein mit diesem Abtastsignal synchronisiertes Signal und die vom Sekundärelektronendetektor 16 erfaßte Intensität werden als XY-Signal bzw. Z-Signal (Helligkeit) verwendet, um eine RIM-Abbildung zu erzeugen. Diese RIM-Abbildung wird auf der Abbildungsanzeigeeinheit 19 abgebildet. Die bewegliche Strahlbegrenzungsblendenplatte 8 kann in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse bewegt werden, so daß eine feine Einstellung der optischen Achse oder XY-Einstellung möglich ist. Außerdem kann der Blendendurchmesser davon aus verschiedenen Werten in einem großen Bereich ausgewählt werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Linsenfunktion der Objektivlinse 12 so eingestellt, daß der Auslenkungs-Drehpunkt des Strahldeflektors/Ausrichters 7 auf die Probe 14 projiziert wird. Aufgrund dieser Einstellung wird die Probe nicht vom Strahl abgetastet, obwohl der Strahldeflektor/Ausrichter 7 eine Auslenkung des Strahls durchführt. Statt dessen zeigt das RIM-Bild auf dem Bildschirm die Winkelintensitätsverteilung der emittierten Ionen an, wobei die X- und die Y-Achse die Emissionswinkel darstellen, die jeweils in der X- bzw. Y-Richtung gemessen werden. Eine FIM-Abbildung hat zwar prinzipiell eine derart hohe Auflösung, daß der Ionenemissionsbereich des Emitter auf Atomniveau projiziert werden kann, die beschriebene RIM-Abbildung entspricht jedoch einer eingeschränkten und unscharfen FIM-Abbildung, die den Ionenabstrahlungsraumwinkel abdeckt, der der Öffnung der beweglichen Strahlbegrenzungsblendenplatte 44 entspricht. Wenn die Abtastfunktion des Strahldeflektors/Ausrichters 7 abgeschaltet wird, erfolgt eine feine XY-Einstellung und Ausrichtungseinstellung des Strahldeflektors/Ausrichters 7 derart, daß die Ionenemissionsrichtung <111> für die Quasi-FIM-Abbildung durch den Mittelpunkt der Objektivlinse 12 und den Mittelpunkt der Öffnung der beweglichen Strahlbegrenzungsblendenplatte 8 läuft.
In der 8 ist die Fokussierlinse 8 eine elektrostatische Linse mit drei Elektroden (6a, 6b und 6c). Die beiden äußeren Elektroden befinden sich auf Massepotential. Zwischen der Extraktionselektrode 3 und der ersten Elektrode 6a der Fokussierlinse ergibt sich die Wirkung einer Ionenbeschleunigungslinse. Wenn mit α_o der Winkel der auf diese Linse einfallenden Ionen und mit α_i der Winkel der davon ausgehenden Ionen bezeichnet wird, kann der Winkelvergrößerungsfaktor Mang durch die folgende Formel angegeben werden: $M_{ang} = α_{i} / α_{o}$
Ohne Beschleuigungslinsenfunktion, das heißt wenn die Beschleunigungsspannung (V_acc) gleich der Extraktionsspannung (V_ext) ist, wird Mang gleich 1. Die 9 zeigt ein Beispiel für Kurven, die angeben, wie Mang von Vext abhängt, wenn die Ionenbeschleunigungsspannung V_acc bei 25 kV festgehalten wird und der Abstand Z_acc zwischen der Extraktionselektrode 3 und der ersten Elektrode 6a der Fokussierlinse bei 20 mm gehalten wird. Die Kurven sind für s = 3, 5 und 7 mm aufgetragen. Positive bzw. negative Werte für Mang geben an, daß die ausgehenden Ionen divergieren bzw. konvergieren. Wenn M_ang gleich Null ist, laufen die ausgehenden Ionen parallel zur optischen Achse. Daraus ergibt sich, daß der Strahldurchmesser an der beweglichen Strahlbegrenzungsblendenplatte 8 in Abhängigkeit von M_ang variiert, auch wenn die Fokussierlinse ausgeschaltet ist, da der Divergenzwinkel der Ionen 5, die vom Emitter emittiert werden, aufgrund der Beschleunigungslinsenfunktion mit dem Faktor Mang multipliziert wird. Das heißt, daß der optimale Blendendurchmesser der beweglichen Strahlbegrenzungsblendenplatte 8 in Abhängigkeit von diesen Werten variiert. Um die optische Achse einzustellen, wenn sich die GFIQ an dem Rasterladungsteilchenmikroskop befindet, oder um die Ausbildung oder Regeneration einer Nanospitze am Emitterende zu korrigieren/beobachten, wird V_acc herabgesetzt. Für den regulären Betrieb des Rasterladungsteilchenmikroskops danach wird V_acc wieder auf einem bestimmten Wert angehoben.
Für die Einstellung der optischen Achse des GFIQ im Rasterladungsteilchenmikroskop (zum Beispiel nach einer Reparatur der Emitterspitze) wird das Feldemissionsmuster beobachtet, während stärker divergent emittierte Ionen die Extraktionselektrode durchlaufen können. Wenn das Rasterladungsteilchenmikroskop zur Betrachtung einer Probe verwendet wird, werden weniger divergent emittierte Ionen durch die Extraktionselektrode gelassen. Durch diese Wahl der Einstellung ist es möglich, auf eine einfache und wirkungsvolle Weise sowohl eine sehr genaue Einstellung der optischen Achse durchzuführen als auch eine genaue Probenbetrachtung zu ermöglichen.

Claims

Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem nadelförmigen Emitter (1); und mit einer Extraktionselektrode (3), die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters (1) ionisiert und extrahiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionselektrode (3) in einen eine Blende bildenden Teil (3d) mit einer Blende, die die extrahierten Ionen durchlaufen, und in einen Basisteil (3c) aufgeteilt werden kann, an dem der die Blende bildende Teil angebracht ist, wobei der die Blende bildende Teil (3d) von der optischen Achse (20) der Ionen entfernt und darum herum gelegt werden kann.
Gasfeldionisations-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Blende bildende Teil (3d) bezüglich des Basisteils (3c) verschoben wird.
Gasfeldionisations-Ionenquelle mit einem nadelförmigen Emitter (1); und mit einer Extraktionselektrode (3), die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters (1) ionisiert und extrahiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (34) zum Kühlen des Emitters (1) im festen Zustand ist, der durch Erstarren eines Kühlmittelgases (30) erhalten wird, das sich bei Raumtemperatur und unter Atmosphärendruck im gasförmigen Zustand befindet.
Gasfeldionisations-Ionenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelgas (30) Stickstoff ist.
Rasterladungsteilchenmikroskop mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle (4) mit einem nadelförmigen Emitter (1) und mit einer Extraktionselektrode (3), die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters (1) ionisiert und extrahiert werden; einem Linsensystem (6, 12), durch das Ionen von der Innenquelle beschleunigt und auf eine Probe fokussiert werden; einer Begrenzungsblendenplatte (8) zum Begrenzen der Ionen, die auf die Probe fokussiert werden; und mit einem Detektor (16) für geladene Teilchen, um von der Probe emittierte geladene Teilchen zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionselektrode (3) in einen eine Blende bildenden Teil (3d) mit einer Blende, die die extrahierten Ionen durchlaufen, und in einen Basisteil (3c) aufgeteilt werden kann, an dem der die Blende bildende Teil angebracht ist, wobei der die Blende bildende Teil (3d) von der optischen Achse (20) der Ionen entfernt und darum herum gelegt werden kann.
Rasterladungsteilchenmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der die Blende bildende Teil (3d) bezüglich des Basisteils (3c) verschoben wird.
Rasterladungsteilchenmikroskop mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle (4) mit einem nadelförmigen Emitter (1) und mit einer Extraktionselektrode (3), die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters (1) ionisiert und extrahiert werden; einem Linsensystem (6, 12), durch das Ionen von der Ionenquelle beschleunigt und auf eine Probe fokussiert werden; einer Begrenzungsblendenplatte (8) zum Begrenzen der Ionen, die auf die Probe fokussiert werden; und mit einem Detektor (16) für geladene Teilchen, um von der Probe emittierte geladene Teilchen zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (34) zum Kühlen des Emitters im festen Zustand ist, der durch Erstarren eines Kühlmittelgases (30) erhalten wird, das sich bei Raumtemperatur und unter Atmosphärendruck im gasförmigen Zustand befindet.
Rasterladungsteilchenmikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelgas (30) Stickstoff ist.
Verfahren zum Einstellen der optischen Achse eines Rasterladungsteilchenmikroskops mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle (4) mit einem nadelförmigen Emitter (1) und mit einer Extraktionselektrode (3), die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters (1) ionisiert und extrahiert werden; einem Linsensystem (6, 12), durch das Ionen von der Ionenquelle beschleunigt und auf eine Probe fokussiert werden; einer Begrenzungsblendenplatte (8) zum Begrenzen der Ionen, die auf die Probe fokussiert werden; und mit einem Detektor (16) für geladene Teilchen, um von der Probe emittierte geladene Teilchen zu erfassen; dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbereich für emittierte Ionen, die die Extraktionselektrode (3) durchlaufen können, zum Einstellen der optischen Achse der Gasfeldionisations-Ionenquelle (4) größer eingestellt wird und bei der Einstellung für die Verwendung des Rasterladungsteilchenmikroskops zum Betrachten einer Probe kleiner eingestellt wird.
Verfahren zum Betrachten einer Probe unter Verwendung eines Rasterladungsteilchenmikroskops mit einer Gasfeldionisations-Ionenquelle (4) mit einem nadelförmigen Emitter (1) und mit einer Extraktionselektrode (3), die ein elektrisches Feld erzeugt, durch das Gasmoleküle an der Spitze des Emitters (1) ionisiert und extrahiert werden; einem Linsensystem (6, 12), durch das Ionen von der Ionenquelle beschleunigt und auf eine Probe fokussiert werden; einer Begrenzungsblendenplatte (8) zum Begrenzen der Ionen, die auf die Probe fokussiert werden; und mit einem Detektor (16) für geladene Teilchen, um von der Probe emittierte geladene Teilchen zu erfassen; dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelbereich für emittierte Ionen, die die Extraktionselektrode (3) durchlaufen können, zum Einstellen der optischen Achse der Gasfeldionisations-Ionenquelle (4) größer eingestellt wird und bei der Einstellung für die Verwendung des Rasterladungsteilchenmikroskops zum Betrachten der Probe kleiner eingestellt wird.