專利名稱：離子源、系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及離子源、系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：
離子能夠使用例如液態(tài)金屬離子源或氣體場離子源而形成。在一些實例中，通過離子源形成的離子能夠用于確定被暴露于離子的樣品的某些特性，或修改樣品。在另外的實例中，通過離子源所形成的離子能夠用于確定離子源自身的某些特性。


發(fā)明內(nèi)容
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，所述氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生在樣品的表面具有10nm或更小的尺寸的斑點尺寸的離子束。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，所述氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生在樣品的表面具有3nm或更小的尺寸的斑點尺寸的離子束。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，所述氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生在樣品的表面具有1×109A/cm2sr或更大的亮度的離子束。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，所述氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生具有在樣品的表面具有5x108A/m2srV或更大的減小的亮度的離子束。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，所述氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生在樣品的表面具有5×10-21cm2sr或更小的etendue的離子束。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，所述氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生在樣品的表面具有1×10-16cm2srV或更小的減小的etendue的離子束。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源包括導(dǎo)電尖端。氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而在一周或更長的周期產(chǎn)生離子束而不從系統(tǒng)去除導(dǎo)電尖端。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而在一周或更長的周期以10小時或更小的總中斷時間產(chǎn)生離子束。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種能夠產(chǎn)生樣品的圖像的離子顯微鏡。樣品與離子顯微鏡不同，并且樣品的圖像具有3nm或更小的分辨率。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種能夠產(chǎn)生樣品的圖像的離子顯微鏡。樣品與離子顯微鏡不同，并且樣品的圖像具有10nm或更小的分辨率。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種具有0.25或更大的品質(zhì)因數(shù)的氣體場離子顯微鏡。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種具有25nm或更小的損壞測試值的離子顯微鏡。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種離子顯微鏡，所述離子顯微鏡包括具有20或更少的端層(terminal shelf)原子的導(dǎo)電尖端的離子源。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括具有從15°至45°的平均全錐角的導(dǎo)電尖端的氣體場離子源。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，所述氣體場離子源具有導(dǎo)電尖端，該導(dǎo)電尖端具有200nm或更小的平均曲率半徑。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種包括具有一或更多的端層原子的導(dǎo)電尖端的氣體場離子源。系統(tǒng)被配置，使得在系統(tǒng)的使用期間，一或更多的原子與氣體相互作用從而產(chǎn)生離子束，并且在到達(dá)樣品表面的離子束中70％或更多的離子通過氣體僅與一或多個原子的一個原子相互作用而產(chǎn)生。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括具有能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生離子束的導(dǎo)電尖端的氣體場離子源。所述系統(tǒng)還包括被配置的離子光學(xué)器件，使得在使用期間，至少部分離子束穿過離子光學(xué)器件。系統(tǒng)還包括與氣體場離子源耦合的移動機(jī)構(gòu)使得移動機(jī)構(gòu)可以平移導(dǎo)電尖端，傾斜導(dǎo)電尖端或兩者。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括能夠與氣體相互作用以產(chǎn)生離子束的離子源，離子束可以與樣品相互作用從而引起多種不同類型的粒子以離開樣品。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器以便探測多種不同類型的粒子的至少兩種類型的粒子。多種不同類型的粒子選自二次電子、俄歇(Auger)電子、二次離子、二次中性粒子、一次中性粒子、散射離子和光子。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起粒子離開樣品。粒子選自俄歇電子、二次離子、二次中性粒子、一次中性粒子、散射粒子和光子。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器，使得在使用期間，該至少一探測器探測至少一些粒子以便確定樣品的信息。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起粒子離開樣品。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器，使得在使用期間，該至少一探測器可以探測至少一些粒子。對于給定的被探測粒子，該至少一探測器根據(jù)所給定的被探測粒子的能量而產(chǎn)生信號。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起粒子離開樣品。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器，使得在使用期間，該至少一探測器可以探測至少一些粒子。對于給定的被探測的粒子，該至少一探測器根據(jù)所給定的被探測的粒子的軌跡的角度而產(chǎn)生信號。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起散射離子離開樣品。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器，使得在使用期間，至少一探測器能夠探測至少一些散射離子。系統(tǒng)還包括電連接至至少一探測器的電子處理器，使得在使用期間，電子處理器能夠根據(jù)被探測的散射離子而處理信息，以便確定樣品的信息。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起一次中性粒子離開樣品。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器，使得在使用期間，至少一探測器可以探測至少一些一次中性粒子。系統(tǒng)還包括電連接至至少一探測器的電子處理器，使得在使用期間，電子處理器能夠根據(jù)被探測的一次中性粒子而處理信息，以便確定樣品的信息。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起光子離開樣品。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器，使得在使用期間，至少一探測器能夠探測至少一些光子。系統(tǒng)還包括電連接至至少一探測器的電子處理器，使得在使用期間，電子處理器可以根據(jù)被探測的光子而處理信息，以便確定樣品的信息。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起二次離子離開樣品。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器，使得在使用期間，至少一探測器能夠探測至少一些二次離子。系統(tǒng)還包括電連接至至少一探測器的電子處理器，使得在使用期間，電子處理器可以根據(jù)被探測的二次離子而處理信息，以便確定樣品的信息。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起二次中性粒子離開樣品。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器，使得在使用期間，至少一探測器可以探測至少一些二次中性粒子。系統(tǒng)還包括電連接至至少一探測器的電子處理器，使得在使用期間，電子處理器可以根據(jù)被探測的二次中性粒子而處理信息，以便確定樣品的信息。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起俄歇電子離開樣品。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器，使得在使用期間，至少一探測器能夠探測至少一些俄歇電子。系統(tǒng)還包括電連接至至少一探測器的電子處理器，使得在使用期間，電子處理器可以根據(jù)被探測的俄歇電子而處理信息，以便確定樣品的信息。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起離子離開樣品。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器，使得在使用期間，至少一探測器能夠探測離子。離子束與樣品的相互作用能夠引起二次電子離開樣品，并且，當(dāng)離子束與樣品的相互作用引起二次電子離開樣品時，至少一探測器可以探測至少一些離子而不探測二次電子。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起中性粒子離開樣品。系統(tǒng)還包括至少一被配置的探測器，使得在使用期間，至少一探測器可以探測中性粒子。離子束與樣品的相互作用可以引起二次電子離開樣品，并且，當(dāng)離子束與樣品的相互作用引起二次電子離開樣品時，至少一探測器可以探測至少一些中性粒子而不探測二次電子。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生可以與樣品相互作用的離子束，以便引起光子離開樣品。系統(tǒng)還包括被配置的至少一探測器，使得在使用期間，至少一探測器可以探測光子。離子束與樣品的相互作用可以引起二次電子離開樣品，并且，當(dāng)離子束與樣品的相互作用引起二次電子離開樣品時，至少一探測器可以探測至少一些光子而不探測二次電子。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而在樣品的表面上產(chǎn)生具有10nm或更小的尺寸的斑點尺寸的離子束。系統(tǒng)還包括被配置的離子光學(xué)器件以便將離子束導(dǎo)向樣品的表面，離子光學(xué)器件具有至少一可調(diào)整的設(shè)置。當(dāng)可調(diào)整的離子光學(xué)器件的設(shè)置是第一設(shè)置時，離子束與樣品的第一位置相互作用。當(dāng)可調(diào)整的離子光學(xué)器件的設(shè)置是第二設(shè)置時，離子束與樣品的第二位置相互作用。離子光學(xué)器件的第一設(shè)置與離子光學(xué)器件的第二設(shè)置不同，并且樣品的第一位置與樣品的第二位置不同。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括氣體場離子源的系統(tǒng)，氣體場離子源能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生被導(dǎo)向樣品的離子束。系統(tǒng)還包括被配置的帶電粒子源，使得在使用期間，帶電粒子源提供導(dǎo)向樣品的帶電粒子束。氣體場離子源與帶電粒子源不同。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括使離子束與樣品相互作用從而引起多種不同類型的粒子離開樣品，并且探測多種不同類型的粒子的至少兩種類型粒子。多種不同類型的粒子選自二次電子、俄歇電子、二次粒子、二次中性粒子、一次中性粒子、散射離子和光子。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源相互作用而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用以便引起粒子離開樣品。粒子選自俄歇電子、二次離子、二次中性粒子、一次中性粒子、散射離子和光子。所述方法還包括探測至少一些粒子以便確定樣品的信息。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用以便引起粒子離開樣品。所述方法還包括根據(jù)通過探測器所探測的粒子的能量而從探測器產(chǎn)生信號。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用以便引起粒子離開樣品。所述方法還包括根據(jù)通過探測器所探測的粒子的軌跡的角度而從探測器產(chǎn)生信號。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用以便引起散射離子離開樣品。所述方法還包括探測至少一些散射離子，并且根據(jù)所探測的散射離子而確定樣品的信息。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用，以便引起一次中性離子離開樣品。所述方法還包括探測至少一些一次中性粒子，并且根據(jù)所探測的一次中性粒子而確定樣品的信息。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用，以便引起光子離開樣品。所述方法還包括探測至少一些光子，并且根據(jù)所探測的光子而確定樣品的信息。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用，以便引起二次離子離開樣品。所述方法還包括探測至少一些二次離子。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用，以便引起二次中性粒子離開樣品。所述方法還包括探測至少一些二次中性粒子或得自所述二次中性粒子的粒子。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用，以便引起俄歇電子離開樣品。所述方法還包括探測至少一些俄歇電子。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括形成氣體場離子源，并且，在形成氣體場離子源之后，將所述離子源設(shè)置于腔室中，以便提供氣體場離子系統(tǒng)。
在另一方面中，形成具有發(fā)射軸的離子源，并且在形成離子源之后，將離子源的發(fā)射軸與離子光學(xué)系統(tǒng)的入射軸對準(zhǔn)。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源相互作用而產(chǎn)生離子束，離子束在樣品的表面上具有10nm或更小的尺寸的斑點尺寸，并且將離子束從樣品表面上的第一位置移動至樣品表面上的第二位置，第一位置與第二位置不同。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源相互作用而產(chǎn)生離子束，并且將樣品與離子束接觸。所述方法還包括將樣品與來自帶電粒子源的帶電粒子束接觸。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用，以便引起粒子離開樣品。所述方法還包括探測至少一些粒子，并且根據(jù)所探測的粒子而確定樣品的結(jié)晶的信息。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且在樣品的一部分上引起電壓。所述方法還包括探測粒子從而確定樣品的電壓對比信息。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用，以便引起粒子離開樣品。樣品包括至少第一材料和第二材料。所述方法還包括根據(jù)粒子而區(qū)分第一和第二材料。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與活性氣體相互作用，以便促進(jìn)在樣品表面的化學(xué)反應(yīng)。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且使用離子束確定半導(dǎo)體物品(semiconductor article)的表面下信息。所述方法還包括根據(jù)表面下信息修改半導(dǎo)體物品。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且使用離子束確定半導(dǎo)體物品的信息。離子束在半導(dǎo)體物品的表面具有10nm或者更小的斑點尺寸。所述方法還包括根據(jù)所述信息修改半導(dǎo)體物品。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且使用離子束以便確定光刻掩模的信息。離子束在半導(dǎo)體物品的表面具有10nm或者更小的斑點尺寸。所述方法還包括根據(jù)所述信息修補(bǔ)光刻掩模。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括使用離子束構(gòu)圖樣品上的抗蝕劑。離子束在樣品上具有10nm或者更小的斑點尺寸。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與包括一特征的樣品相互作用。離子束在樣品的表面具有50nm或者更小的斑點尺寸。所述方法還包括確定該特征的尺寸。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源反應(yīng)而產(chǎn)生離子束，并且將離子束與樣品相互作用，以便引起粒子離開樣品。樣品具有包括第一和第二層的多疊層。所述方法還包括探測粒子以便確定第二層是否與第一層對準(zhǔn)。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括暴露樣品于聚焦離子束，并且通過將氣體與氣體場離子源相互作用而產(chǎn)生第二離子束。所述方法還包括暴露樣品于第二離子束。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括當(dāng)氣體場離子源存在于離子顯微鏡內(nèi)時，形成氣體場的導(dǎo)電尖端。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種包括離子源的系統(tǒng)。在第一模式中系統(tǒng)能夠成像離子源，并且在第二模式中系統(tǒng)能夠使用離子源搜集樣品的圖像。樣品與離子源不同。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種樣品操縱器，所述樣品操縱器包括外殼、被外殼所支撐的盤、被盤所支撐的構(gòu)件，構(gòu)件具有支柱和配置成支撐樣品的表面，和裝置。在第一模式中所述裝置接觸構(gòu)件從而移動樣品，并且在第二模式中裝置不與構(gòu)件接觸。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括氣體場離子源和樣品操縱器。樣品操縱器包括外殼、被外殼所支撐的盤、被盤所支撐的構(gòu)件，構(gòu)件具有支柱和配置成支撐樣品的表面，和裝置。在第一模式中裝置接觸構(gòu)件從而移動樣品，并且在第二模式中裝置不與構(gòu)件接觸。
在一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源相互作用而產(chǎn)生包含離子的第一束，并且從第一束去除非單荷電化學(xué)核素從而形成包含單荷電離子的第二束。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括能夠與氣體相互作用以產(chǎn)生束的氣體場離子源，所述束包含包括帶電化學(xué)核素的化學(xué)核素。系統(tǒng)還包括至少一被偏置的電極，所述被偏置的電極被配置以引起束中的化學(xué)核素的束路徑根據(jù)化學(xué)核素的電荷而發(fā)散。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源相互作用而產(chǎn)生離子，并且用離子濺射樣品。
在又一方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源相互作用而產(chǎn)生離子束，并且使用與氣體場離子源不同的系統(tǒng)產(chǎn)生電子束。所述方法還包括使用離子束和電子束兩者來調(diào)查樣品。
在另一方面中，本發(fā)明的特征為一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括能夠提供電子束的掃描電子顯微鏡。所述系統(tǒng)還包括能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生離子束的氣體場離子源。掃描電子顯微鏡和氣體場離子顯微鏡被定位，使得在使用期間，電子束和離子束都能夠用于調(diào)查樣品。
在另外的方面中，本發(fā)明的特征為一種方法，所述方法包括通過將氣體與氣體場離子源相互作用而產(chǎn)生第一離子束。第一離子束具有第一流。所述方法還包括使用具有第一流的第一離子束，以便制備用于調(diào)查樣品的氣體場離子源。所述方法還包括通過將氣體與氣體場離子源相互作用而產(chǎn)生第二離子束。第二離子束具有第二流。另外，所述方法包括使用第二離子束調(diào)查樣品。
實施例可以包括一或更多個下列的優(yōu)點。
在一些實施例中，離子源(例如氣體場離子源)可以在樣品的表面上提供相對小的斑點尺寸。使用這樣的離子源的離子顯微鏡(例如氣體場離子顯微鏡)可以，例如獲得具有相對高的分辨率的樣品的圖像。
在某些實施例中，離子源(例如氣體場離子源)可以具有相對高的亮度和/或相對高的減小的亮度。使用這樣的離子源的離子顯微鏡(例如氣體場離子顯微鏡)可以，例如在相對短的時間內(nèi)獲得樣品的良好的圖像質(zhì)量，這又可以增加可以成像大量樣品的速度。
在一些實施例中，離子源(例如氣體場離子源)可以對于給定的離子流(例如相對低的etendue)具有相對高的亮度。使用這樣的離子源的離子顯微鏡(例如氣體場離子顯微鏡)可以，例如用對于樣品的相對少的損傷獲得良好的樣品的圖像質(zhì)量。
在某些實施例中，氣體場離子顯微鏡可以具有相對高的可靠性。因而，例如，氣體場離子源可以被用于擴(kuò)展的時段而不替換氣體場離子源，這可以，例如，增加可以成像大量樣品的速度，減小與成像大量樣品相關(guān)的停歇時間，和/或減小于成像大量樣品相關(guān)的成本。
在一些實施例中，離子顯微鏡(例如氣體場離子顯微鏡)被配置，使得振動被基本上從離子源被解耦。這可以提高離子顯微鏡的能力，以便實現(xiàn)一或更多的上述優(yōu)點。
在某些實施例中，離子顯微鏡(例如氣體場離子顯微鏡)可以在相對高的溫度下操作而仍然提供一或更多的上述優(yōu)點。例如，液氮可以用作離子顯微鏡的冷卻劑。這可以減小與使用某些其它冷卻劑例如液氦相關(guān)的成本和/或復(fù)雜程度。這還可以減小與可以產(chǎn)生顯著振動的采用液氦冷卻劑的某些機(jī)械系統(tǒng)相關(guān)的潛在問題。
從說明書、附圖和權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將是明顯的。



圖1是離子顯微鏡系統(tǒng)的示意圖。
圖2是氣體場離子源的示意圖。
圖3是尖端頂點的實施例的放大側(cè)視圖的示意性圖。
圖4是圖3的尖端的放大側(cè)視圖的示意性圖。
圖5是氦離子顯微鏡系統(tǒng)的示意圖。
圖6是W(111)尖端的實施例的放大俯視圖的示意性圖。
圖7是圖6的W(111)尖端的放大側(cè)視圖的示意性圖。
圖8是是示出錐角測量的尖端的側(cè)視圖。
圖9是示出曲率半徑測量的尖端的側(cè)視圖。
圖10是示出制造尖端的方法的實施例的流程圖。
圖11A是尖端的支撐組件的實施例的透視圖。
圖11B是圖11A的支撐組件的仰視圖。
圖12是包括支撐尖端的Vogel座的支撐組件的實施例的側(cè)視圖。
圖13是氣體場離子源和離子光學(xué)器件的實施例的示意圖。
圖14是離子光學(xué)系統(tǒng)的實施例的示意圖。
圖15是多開口的孔徑的實施例的俯視圖。
圖16是多開口的孔徑的實施例的俯視圖。
圖17是氣體場離子顯微鏡尖端的移動機(jī)構(gòu)的實施例的截面圖。
圖18是Everhart-Thornley探測器的示意圖。
圖19是包括微通道板探測器的氣體場離子顯微鏡系統(tǒng)的部分的截面圖。
圖20A和20B是由碳表面所支撐的金島的側(cè)視圖和俯視圖。
圖20C是對于圖20A和20B的樣品，平均測量的二次電子的總豐度作為離子束位置函數(shù)的圖。
圖21是包括氣體傳遞系統(tǒng)的氣體場離子顯微鏡的部分的示意圖。
圖22是包括泛射式電子槍的氣體場離子顯微鏡的部分的示意圖。
圖23是包括表面下電荷層的樣品的示意圖。
圖24是用于減小樣品上的表面電荷的集電極的示意圖。
圖25是減小樣品上的表面電荷的泛射式電子槍設(shè)備的示意圖。
圖26是減小樣品上的表面電荷的、包括轉(zhuǎn)換板的泛射式電子槍設(shè)備的示意圖。
圖27A是具有設(shè)置在其中的正電荷層的樣品的示意性圖。
圖27B是具有設(shè)置與其中的正和負(fù)帶電層的樣品的示意性圖。
圖28是振動解耦樣品操縱器的實施例的示意圖。
圖29是振動解耦樣品操縱器的實施例的示意圖。
圖30是振動解耦樣品操縱器的實施例的示意圖。
圖31是用于分離粒子束中的離子和中性原子的靜電過濾系統(tǒng)的示意圖。
圖32是用于分離粒子束中的中性原子、單荷電離子、和雙荷電離子的靜電過濾系統(tǒng)的示意圖。
圖33是一種過濾系統(tǒng)的示意圖，所述過濾系統(tǒng)包括用于分離粒子束中的中性原子、單荷電離子、和雙荷電離子的電和磁場的無彌散序列。
圖34A是示出來自表面的氦離子散射圖案的實施例的示意圖。
圖34B是示出用在圖34A中的探測器所探測的被散射的氦離子的相對豐度的圖。
圖35A、35D和35G是示出使用不同的探測器來探測被散射的氦離子的、來自表面的氦離子散射圖案的相應(yīng)的實施例的示意圖。
圖35B、35E和35H分別是對于在圖35A、35D和G中所示出的系統(tǒng)的總被散射的氦離子產(chǎn)率的圖。
圖35C、35F和35I分別是用在圖35A、35D和35G中的探測器所探測的被散射的氦離子的相對豐度的圖。
圖36是示出包括用于測量來自樣品的散射離子的探測器的布置的氣體場離子顯微鏡的部分的示意圖。
圖37A-37D是導(dǎo)電尖端的掃描電子顯微鏡圖像。
圖38是導(dǎo)電尖端的表面的數(shù)字化表示。
圖39是在圖38中所示出的表面的斜度的斜度圖。
圖40是在其頂點具有作為端層的三聚體(trimer)的導(dǎo)電尖端的場離子顯微鏡圖像。
圖41是在其頂點具有作為端層的三聚體的導(dǎo)電尖端的掃描場離子顯微鏡圖像。
圖42是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖43是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖44是導(dǎo)電尖端的掃描場離子顯微鏡圖像。
圖45是在其頂點具有作為端層的三聚體的導(dǎo)電尖端的場離子顯微鏡圖像。
圖46是導(dǎo)電尖端的掃描電子顯微鏡圖像。
圖47是導(dǎo)電尖端的場離子顯微鏡圖像。
圖48是導(dǎo)電尖端的場離子顯微鏡圖像。
圖49是導(dǎo)電尖端的場離子顯微鏡圖像。
圖50是在其頂點具有作為端層的三聚體的導(dǎo)電尖端的掃描場離子顯微鏡圖像。
圖51是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖52是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖53是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖54是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖55是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖56是尖端的支撐的示意性圖。
圖57是尖端的支撐的示意性圖。
圖58是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖59A是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖59B是用掃描電子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖60是來自樣品的二次電子流的曲線圖。
圖61A是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖61B是用掃描電子顯微鏡獲得樣品的圖像。
圖62是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖63是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖64是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖65是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖66是配置成探測二次電子的探測器的配置的實施例。
圖67A是根據(jù)圖59A中的圖像的隨樣品位置變化的二次電子密度的曲線圖。
圖67B是根據(jù)圖59B中的圖像的隨樣品位置變化的二次電子密度的曲線圖。
圖68是用配置成探測氦離子和中性氦原子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖69A-69C是用配置成探測氦離子和中性氦原子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖70A是用配置成探測氦離子和中性氦原子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖70B是示出對于圖70A的圖像的離開樣品的氦離子和氦原子的角密度的極坐標(biāo)圖。
圖71A是用配置成探測氦離子和中性氦原子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖71B是示出對于圖71A的圖像的離開樣品的氦離子和氦原子的角密度的極坐標(biāo)圖。
圖72是用配置成探測氦離子和中性氦原子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖73是用配置成探測氦離子和中性氦原子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖74是用配置成探測光子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖75是用配置成探測二次電子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖76是圖75的部分圖像的擴(kuò)展圖。
圖77是圖像密度作為對于通過圖76的圖像的線掃描的像素位置的函數(shù)的圖。
圖78是數(shù)值縮放和平滑操作之后在圖77中所示出的數(shù)據(jù)的圖。
圖79是用配置成探測氦離子和中性氦原子的氦離子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖80是圖像密度作為通過圖79的部分圖像的線掃描的像素位置的函數(shù)的圖。
圖81是用掃描電子顯微鏡獲得的樣品的圖像。
圖82是圖像密度作為通過圖81的部分圖像的線掃描的像素位置的函數(shù)的圖。
在各圖中相似的參考標(biāo)號指示相似的元件。

具體實施例方式 概述 離子可以被產(chǎn)生并且用于樣品的成像和其它顯微鏡系統(tǒng)的應(yīng)用中?？梢杂糜跇悠贩治?例如成像)中的使用產(chǎn)生離子的氣體場離子源的顯微鏡系統(tǒng)被稱為氣體場離子顯微鏡。氣體場離子源是包括導(dǎo)電尖端(典型地具有10或更少原子的頂點)的一種裝置，通過將中性氣體核素攜帶至導(dǎo)電尖端的附近(例如在大約4至5埃的距離內(nèi))同時施加高正電位(例如相對于提取器(見下面的討論)1kV或更大)至導(dǎo)電尖端的頂點，該導(dǎo)電尖端可以用于離子化中性氣體核素從而產(chǎn)生離子(例如以離子束的形式)。
圖1示出了氣體場離子顯微鏡系統(tǒng)100的示意圖，氣體場離子顯微鏡系統(tǒng)100包括氣體源110、氣體場離子源120、離子光學(xué)器件130、樣品操縱器140、前側(cè)探測器150、后側(cè)探測器160、和通過通訊線172a-172f電連接至系統(tǒng)100的各種元件的電子控制系統(tǒng)170(例如電子處理器，例如計算機(jī))。樣品180被定位于離子光學(xué)器件130和探測器150、160之間的樣品操縱器140中/上。在使用期間，離子束192穿過離子光學(xué)器件130被導(dǎo)向樣品180的表面181，并且從離子束192與樣品180的相互作用所產(chǎn)生的粒子194通過探測器150和/或160測量。
通常，期望通過排空該系統(tǒng)而減小在系統(tǒng)100中某些不期望的化學(xué)核素的存在。典型地，系統(tǒng)100的不同的元件被保持在不同的背景壓力下。例如，氣體場離子源120可以被保持在大約10-10Torr的壓力下。當(dāng)氣體被引入氣體場離子源120時，背景壓力被升高至大約10-5Torr。離子光學(xué)器件130在將氣體引入氣體場離子源120之前被保持在大約10-8Torr的背景壓力下。當(dāng)氣體被引入時，離子光學(xué)器件130中的背景壓力典型地增加至大約10-7Torr。樣品180被定位于典型地保持在大約10-6Torr的背景壓力的腔室內(nèi)。該壓力不由于在氣體場離子源120中氣體的存在或不存在而顯著地變化。
如圖2中所示，氣體源110被配置，以便提供一或更多的氣體182至氣體場離子源120。如下面所詳細(xì)描述的，氣體源110可以被配置，以便以各種純度、流量、壓力、和溫度提供氣體。通常，由氣體源110所提供的氣體的至少之一是惰性氣體(氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe))，并且惰性氣體的離子期望的是離子束192中的主要成分。通常，如在樣品180的表面所測量的，隨著在系統(tǒng)110中的惰性氣體的壓力增加，離子束192中的離子流單調(diào)地增加。在某些實施例中，該關(guān)系可以被指數(shù)定律所描述，對于惰性氣體的一定壓力范圍，流通常按氣體壓力的比例增加。在工作期間，惰性氣體的壓力相鄰于尖端頂點(見下面的討論)典型地是10-2Torr或更小(例如10-3Torr或更小、10-4Torr或更小)，和/或10-7Torr或更大(例如10-6Torr或更大、10-5Torr或更大)。通常，期望使用相對高純度的氣體(例如，為了減小系統(tǒng)中不期望的化學(xué)核素的存在)。舉例而言，當(dāng)使用氦時，氦可以至少是99.99％純(例如，99.995％純、99.999％純、99.9995％純、99.9999％純)。相似地，當(dāng)使用其它惰性氣體時(Ne氣體、Ar氣體、Kr氣體、Xe氣體)，氣體的純度期望是高純度的商用等級。
選擇性地，除了惰性氣體之外氣體源110還可以提供一或更多的氣體。如下面更詳細(xì)地討論的，這樣的氣體的實例是氮氣。典型地當(dāng)添加的氣體可以以惰性氣體中的雜質(zhì)以上的水平存在時，添加的氣體仍然構(gòu)成由氣體源110所引入的整體氣體混合物的少數(shù)成分。舉例而言，在其中He氣和Ne氣通過氣體源110被引入氣體場離子源120的實施例中，整體氣體混合物可以包括20％或更少(例如15％或更少，12％或更少)的Ne，和/或1％或更多(例如3％或更多，8％或更多)的Ne。例如，在其中He氣和Ne氣通過氣體源110被引入的實施例中，整體氣體混合物可以包括5％至15％(例如從8％至12％，從9％至11％)的Ne。作為另一實例，在其中He氣和氮氣通過氣體源110被引入的實施例中，整體氣體混合物可以包括1％或更少(例如0.5％或更少，0.1％或更少)的氮，和/或0.01％或更多(例如0.05％或更多)的氮。例如，在其中He氣和氮氣通過氣體源110被引入的實施例中，整體氣體混合物可以包括0.01％至1％(例如從0.05％至0.5％，從0.08％至0.12％)的氮。在一些實施例中，添加的(多種)氣體在進(jìn)入系統(tǒng)100之前與惰性氣體混合(例如，通過使用氣體歧管，該氣體歧管混合氣體并且隨后通過單入口將混合物傳入系統(tǒng)100)。在某些實施例中，添加的(多種)氣體在進(jìn)入系統(tǒng)100之前不與惰性氣體混合(例如，單獨的入口用于將各氣體輸入系統(tǒng)100，但是單獨的入口足夠接近使得在所述氣體與氣體場離子源120中的任何元素相互作用之前就變得被混合)。
氣體場離子源120被配置，以便從氣體源110接收一或更多的氣體182并且從氣體182產(chǎn)生氣體離子。氣體場離子源120包括具有尖端頂點187的導(dǎo)電尖端186、提取器190和選擇性的抑制器188。典型地，從尖端頂點187至樣品180的表面181的距離(在圖2中未示出)是5cm或更長(例如10cm或更長，15cm或更長，20cm或更長，25cm或更長)，和/或100cm或更短(例如80cm或更短，60cm或更短，50Gm或更短)。例如，在某些實施例中，從尖端頂點187至樣品180的表面181的距離是從5cm至100Gm(例如從25cm至75cm，從40cm至60cm，從45cm至55cm)。
導(dǎo)電尖端186可以由各種材料形成。在某些實施例中，尖端186由金屬(例如，鎢(W)、鉭(Ta)，銥(Ir)、鐒(Rh)、鈮(Nb)、鉑(Pt)、鉬(Mo))形成。在某些實施例中，導(dǎo)電尖端186可以由合金形成。在一些實施例中，導(dǎo)電尖端186可以由不同的材料(例如，碳(C))形成。
在使用期間，尖端186相對于提取器190被正偏置(例如大約20kV)，提取器190相對于外部地被負(fù)或正偏置(例如，從-20kV至+50kV)，并且選擇性的抑制器188相對于尖端186被正或負(fù)地偏置(例如從-5kV至+5kV)。因為尖端186由導(dǎo)電材料形成，所以在尖端頂點187的尖端186的電場從尖端頂點187的表面指向外。由于尖端186的形狀，電場在尖端頂點187附近最強(qiáng)。尖端186的電場強(qiáng)度可以被調(diào)整，例如，通過改變施加至尖端186的正電壓。采用該配置，由氣體源110所提供的未被離子化的氣體原子182被離子化并且在尖端頂點187附近變?yōu)檎呻婋x子。該正荷電離子同時被正荷電尖端186排斥并且被負(fù)荷電提取器190所吸引，使得正荷電離子作為離子束192從尖端186被導(dǎo)入離子光學(xué)器件130。抑制器188輔助控制尖端186和提取器190之間的整體電場，并且因而控制正荷電離子從尖端186至離子光學(xué)器件130的軌跡，總之，尖端186和提取器190之間的總電場可以被調(diào)整，以便控制在尖端頂點187產(chǎn)生正荷電離子的速率，和正荷電離子從尖端186輸運至離子光學(xué)器件130的效率。
舉例而言，不期望被理論所束縛，認(rèn)為He離子可以如下產(chǎn)生。氣體場離子源120被配置，使得在尖端頂點187附近的尖端186的電場超過未被離子化的He氣原子182的離子化電場，并且尖端186被保持在相對低的溫度下。當(dāng)未被離子化的He氣原子182非常接近尖端頂點187時，He原子可以被尖端的電場所極化，在He原子182和尖端頂點187之間產(chǎn)生弱的吸引力。結(jié)果，He原子182可以接觸尖端頂點187并且保持對其的束縛(例如物理吸著)一些時間。在尖端頂點187附近，電場高到足以離子化被吸附至尖端頂點187上的He原子，產(chǎn)生正荷電He離子(例如以離子束的形式)。
圖3是尖端頂點187(由W(111)形成，見下面的討論)的示意性圖。尖端頂點187包括被布置得形成原子架的層。終端原子架由原子142形成。第二原子架由原子144形成，并且第三原子架由原子146形成。被氣體源110所傳送的中性氣體原子182存在于尖端頂點187附近。原子182由于尖端頂點187的電場而被極化，并且經(jīng)歷引起原子182向尖端頂點187移動的相對弱的吸引力，如原子182上的箭頭所指示。
根據(jù)尖端的電場的強(qiáng)度，在接近尖端頂點187的原子架中的各原子可以具有對應(yīng)的離子化盤148。離子化盤148是一空間區(qū)，其中闖入其中的中性He原子具有經(jīng)歷離子化的高概率。典型地，中性He原子的離子化通過從中性He原子至尖端頂點原子的電子隧道而出現(xiàn)。離子化盤148因而代表其中He離子產(chǎn)生的空間區(qū)，從該區(qū)中He離子出現(xiàn)。
具體尖端頂點原子的離子化盤148的尺寸取決于尖端頂點187的形狀和施加于尖端頂點187的電位。通常，He原子的離子化可以出現(xiàn)于局部電場超過He原子的離子化電位的相鄰于尖端頂點187的空間區(qū)中。因而，對于施加于尖端頂點187的大的電位，許多尖端原子將具有離子化盤。另外，尖端頂點187附近的局部電場取決于尖端頂點187的形狀。對于相對尖銳的尖端頂點，尖端頂點187附近的局部電場將相對高。對于相對鈍的尖端頂點，局部電場，既便在尖端頂點187附近也較小。
對應(yīng)于尖端頂點187的單個原子的離子化盤148在圖3中空間上相互分離。在一些實施例中，如果尖端頂點187的電場足夠大，則來自多于一原子的離子化盤(例如原子142)可以空間上交疊，產(chǎn)生跨過最接近于多個尖端頂點原子的空間區(qū)的較大的離子化盤。通過減小尖端頂點187的電場，可以減小離子化盤148所占據(jù)的空間的體積，并且可以實現(xiàn)圖3中所描述的幾何形狀，在所述幾何形狀中幾個尖端頂點原子分別具有其自己的單獨的、空間分離的離子化盤。因為，在許多情形，尖端頂點187的形狀在離子源120的使用期間不容易被變更，所以尖端頂點187附近的電場典型地通過調(diào)整施加于尖端頂點187的電位而被控制。
通過進(jìn)一步減小施加于尖端頂點187的電位，圖3中的一些離子化盤可以被消除。例如，尖端頂點187在第二原子架原子144附近不那么尖銳，并且通過減小施加于尖端頂點187的電位，在原子144附近的尖端頂點187的電場可以被減小，使得He原子的離子化在這些區(qū)中不以高概率出現(xiàn)。結(jié)果，對應(yīng)于原子144的離子化盤不再存在。但是，在端層原子142附近的尖端頂點187的電場可以仍然高到足以引起He原子離子化，并且因而對應(yīng)于原子142的離子化盤148保留。通過仔細(xì)地控制施加于尖端頂點187的電位，離子源120可以工作，使得僅對應(yīng)于端層原子142的離子化盤存在，并且對應(yīng)于端層原子的離子化盤在空間上相互分離。結(jié)果，在尖端頂點187附近被離子化的He原子通過在特定端層原子附近的離子化而被產(chǎn)生。
中性He原子留在離子化盤148內(nèi)越長則具有越高的經(jīng)歷離子化的概率。通過尖端頂點187的電場引入的He原子的極化，和引起被極化的He原子向尖端頂點移動的所述電場，還確保被極化的He原子保持束縛于尖端頂點187，增加了He原子182留在離子化盤148內(nèi)的時間量，并且增加了被極化的He原子隨著時間的離子化的概率。
被極化的He原子還可以從一位置沿尖端頂點187的表面移動至另一位置。因為被極化的He原子和尖端頂點187之間的吸引力取決于在被極化的He原子位置的尖端頂點187的電場的局部強(qiáng)度，所以被極化的He原子的運動趨向于向局部電場最強(qiáng)的尖端186的尖端頂點187的端部輸運原子(例如向端層142)。該被極化的He原子的輸運機(jī)制，與對于施加于尖端186的電位的控制相結(jié)合(例如，為了確保僅存在僅對應(yīng)于端層原子142的分立的離子化盤)，可以用于操作離子化源120，使得He離子束192通過氣體場離子源120而被產(chǎn)生，在離子源120在離子束中的單獨的He離子通過He氣體與端層原子142之一相互作用而被產(chǎn)生。離子束192因而包括多個來自各端層原子142的He離子，各He離子可以歸結(jié)于端層原子142之一的離子化。
如上所討論的，通常，離子化盤148的尺寸和形狀可以通過改變施加于尖端頂點187的電位而被修改，并且可以用合適大的施加的電位，使得相鄰的離子化盤148重疊，或者通過合適的小的施加的電位而保持空間上相互獨立。典型地，離子化盤148與尖端原子142、144、和146以大約0.4nm的距離間隔開。對應(yīng)于尖端原子的單獨的離子化盤典型地具有大約0.02nm的厚度，在沿連接給定盤和其對應(yīng)的原子的直線的方向上測量。離子化盤148典型地具有在垂直于連接給定盤和其對應(yīng)的原子的直線的方向上測量的直徑，該直徑大約是對應(yīng)的原子的直徑。
圖4示出了尖端頂點187的工作配置，其中施加于尖端186的電位產(chǎn)生3個離子化盤148，各離子化盤對應(yīng)于3個終端原子架原子142之一。一旦He離子在尖端頂點187的附近被產(chǎn)生，則由于大的正尖端電位，He離子被迅速地加速從尖端離開。He離子沿多個軌跡從尖端頂點187加速離開。在圖4中示出了兩個這樣的軌跡156。如在圖4中所描繪的，軌跡156對應(yīng)于中間端層原子軌跡分布的半峰全寬(FWHM)的左和右極限。這樣，如果軌跡156向后外推(例如沿線154)至中間端層原子的位置，則其界定中間端層原子的虛源152。虛源152的直徑典型地小于中間端層原子的直徑，并且可以比中間端層原子的直徑小得多(例如除以2或更大的因子，除以3或更大的因子，除以5或更大的因子，除以10或更大的因子)。相似的考慮適用于其它端層原子，并且各端層原子具有對應(yīng)的虛源尺寸。
端層原子的小的虛源尺寸可以提供許多優(yōu)點。例如，離子束192的小虛源尺寸和從其產(chǎn)生離子束192中的離子的離子化盤148的小的厚度可以幫助確保離子束192具有相對高的亮度和相對窄的離子能量分布。
不期望被理論所束縛，認(rèn)為使用過低的尖端溫度可以負(fù)面影響流穩(wěn)定性和/或增加來自尖端上的增加了的雜質(zhì)吸收的不利影響。通常，尖端186的溫度是5K或更大(例如10K或更大、25K或更大、50K或更大、75K或更大)，和/或100K或更小(例如90K或更小、80K或更小)。例如，尖端186的溫度可以從5K至100K(例如，從25K至90K，從50K至90K，從75K至80K)。尖端186的溫度可以通過帶冷卻劑(例如液氦或液氮)的熱電偶而獲得。替代地或附加地，尖端186可以使用低溫致冷器而被在熱學(xué)上冷卻。
認(rèn)為如果尖端186的溫度過低，則被吸收的He原子通過移動至尖端頂點187的終端原子架中的原子142而被輸運的速率被減小，使得每單位時間沒有足夠的He原子到達(dá)在那里它們可以被離子化的原子142。結(jié)果，當(dāng)尖端186的發(fā)射圖案被觀察時(例如，通過使用場離子顯微鏡(FIM)技術(shù)，或通過掃描FIM(SFIM)技術(shù))，來自單獨的端層原子的離子的豐度從相對高豐度到相對低的豐度交替(通常稱為閃爍)。例如，當(dāng)在某些時間在端層原子的附近沒有可以用于離子化的He原子時，這可以出現(xiàn)。隨著尖端186的溫度增加，He原子向尖端頂點187的端層原子的輸運速率增加，并且來自端層原子142的該交替高/低豐度的觀測被減小或消除。
還認(rèn)為如果尖端186的溫度過高，則極化的He原子將具有太高的動能從而不能保持被束縛在尖端186足夠長的時間以便保證在端層原子142附近的He原子的有效的離子化。這還可以導(dǎo)致當(dāng)使用FIM和/或SFIM成像技術(shù)觀察時來自端層原子的發(fā)射圖案的消失。結(jié)果，為了確保在各端層原子142的He離子化工藝從各端層原子142產(chǎn)生穩(wěn)定的離子流，尖端186的溫度被仔細(xì)地控制，以便減輕不期望的高和低的溫度效應(yīng)。
通常，離子光學(xué)器件130被配置，以便將離子束192導(dǎo)向樣品180的表面181上。如下面所更詳細(xì)地描述的，離子光學(xué)器件130可以例如聚焦、校準(zhǔn)、偏轉(zhuǎn)、加速、和/或減速束192中的離子。離子光學(xué)器件130還可以允許離子束192中的僅部分離子穿過離子光學(xué)器件130。通常，離子光學(xué)器件130包括如期望所配置的各種靜電和其它離子光學(xué)器件。通過操作離子光學(xué)器件130中的一或多個元件(例如，靜電偏轉(zhuǎn)器)的電場強(qiáng)度，He離子束192可以掃描過樣品180的表面181。例如，離子光學(xué)器件130可以包括在兩個正交方向偏轉(zhuǎn)離子束192的兩個偏轉(zhuǎn)器。所述偏轉(zhuǎn)器可以具有變化的電場強(qiáng)度，使得離子束192柵掃描(raster)過表面181的區(qū)。
當(dāng)離子束192撞擊到樣品180上時，可以產(chǎn)生各種不同類型的粒子194。這些粒子例如包括二次電子、俄歇電子、二次離子、二次中性粒子、一次中性粒子、散射離子和光子(例如X射線光子、IR光子、可見光子、UV光子)。探測器150和160被定位并且被配置，以便分別測量由He離子束192和樣品180之間的相互作用所造成的一或多個不同類型的粒子。如在圖1中所示出的，探測器150被定位，以便探測主要從樣品180的表面183生成的粒子194，且探測器160被定位，以便探測主要從樣品180的表面183生成的粒子194(例如透射的粒子)。如在下面所詳細(xì)描述的，通常，探測器的任何數(shù)量和配置可以被用于在此所公開的顯微鏡系統(tǒng)。在一些實施例中，多個探測器被使用，并且多個探測器的一些被配置，以便測量不同類型的粒子。在某些實施例中，探測器被配置，以便提供對于相同類型粒子的不同信息(例如粒子的能量、給定粒子的角分布，給定粒子的總豐度)。選擇性地，可以使用這樣的探測器布置的組合。
通常，通過探測器所測量的信息用于確定樣品180的信息。樣品180的典型的信息包括表面181的形貌信息、(樣品180的表面181和/或表面下的區(qū)的)的材料成分的信息、樣品180的晶向信息、表面181的電壓對比信息(因而電性能)、樣品180的表面下區(qū)的電壓對比信息、樣品180的光學(xué)性能，和/或樣品180的磁性能。典型地，該信息通過獲得一或多個樣品180的圖像而被確定。通過將離子束192柵掃描過表面181，樣品180的逐像素的信息可以在分立的步驟中獲得。探測器150和/或160可以被配置，以便探測各像素的一或多個不同類型的粒子194。典型地，像素是正方形的，盡管在一些實施例中，像素可以具有不同的形狀(例如矩形)。對應(yīng)于像素的邊的長度的像素尺寸可以是例如，從100pm至2μm(例如從1nm至1μm)。在一些實施例中，相鄰像素的位置可以被確定在至少200pm之內(nèi)(例如至至少100pm之內(nèi)，至至少75pm之內(nèi)，至至少50pm之內(nèi))。因而，系統(tǒng)的操作者可以確定所述束點的中心位置在至少200prm內(nèi)(例如至至少100pm之內(nèi)，至至少75pm之內(nèi)，至至少50pm之內(nèi))。在某些實施例中，樣品180的視場(field of view FOV)是200nm或更大(例如500nm或更大、1μm或更大、50μm或更大、100μm或更大、500μm或更大、1mm或更大、1.5mm或更大)，和/或25mm或更小(15mm或更小、10mm或更小、5mm或更小)。視場稱為離子顯微鏡所成像的樣品表面的區(qū)。
顯微鏡系統(tǒng)100的工作典型地通過電子控制系統(tǒng)170而被控制。例如，電子控制系統(tǒng)170可以被配置，以便控制通過氣體源110所提供的氣體、尖端186的溫度、尖端186的電位、提取器190的電位、抑制器188的電位、離子光學(xué)器件130的元件的設(shè)定、樣品操縱器140的位置，和/或探測器150和160的位置和設(shè)定。選擇性地，一或多個這些參數(shù)可以被手動控制(例如，通過與電子控制系統(tǒng)170集成的用戶界面)。另外地或替代地電子控制系統(tǒng)170可以被使用(例如，通過電子處理器，例如計算機(jī))，以便分析被探測器150和160所搜集的信息，并且提供樣品180的信息(例如形貌信息，材料成分信息，晶體信息，電壓對比信息，光學(xué)性能信息，磁信息)，這些信息可以選擇性地為圖像、圖、表、電子數(shù)據(jù)表等的形式。典型地，電子控制系統(tǒng)170包括用戶界面，其有顯示器或其它類型的輸出裝置、輸入裝置、和存儲介質(zhì)。
氦離子顯微鏡系統(tǒng) A.概述 圖5示出了He離子顯微鏡系統(tǒng)200的示意圖。顯微鏡系統(tǒng)200包括封閉He離子源和離子光學(xué)器件130的第一真空殼體202、和封閉樣品180和探測器150和160的第二真空殼體204。氣體源110通過傳送管228將He氣傳送至顯微鏡系統(tǒng)200。流量調(diào)節(jié)器230控制通過傳送管228的He氣的流量。He離子源包括貼附至尖端操縱器208的尖端186。He離子源還包括配置得將He離子從尖端186導(dǎo)入離子光學(xué)器件130的提取器190和抑制器188。離子光學(xué)器件130包括第一透鏡216、對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器220和222、孔徑224、像散校正器218、掃描偏轉(zhuǎn)器219和221、和第二透鏡226?？讖?24被定位于孔徑座234中。樣品180被安裝于第二真空殼體204內(nèi)的樣品操縱器140中/上。探測器150和160也被定位于第二真空殼體204內(nèi)且被配置，以便探測來自樣品180的粒子194。氣體源110、尖端操縱器208、提取器190、抑制器188、第一透鏡216、對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器220和222、孔徑座234、像散校正器218、掃描偏轉(zhuǎn)器219和221、樣品操縱器140、和/或探測器150和/或160典型地被電子控制系統(tǒng)170所控制。選擇性地，電子控制系統(tǒng)170還控制真空泵236和237，真空泵236和237被配置，以便提供真空殼體202和204內(nèi)部和離子光學(xué)器件130內(nèi)的減壓環(huán)境。
B.離子源 如上所述，通常，尖端186可以由任何合適的導(dǎo)電材料形成。在某些實施例中，尖端186可以由單晶材料形成，例如單晶金屬。典型地，尖端頂點187的端層原子的特定的單晶晶向與尖端186的縱軸對準(zhǔn)在3°或更小內(nèi)(例如，2°或更小內(nèi)，1°或更小內(nèi))。在一些實施例中，尖端186的頂點187可以終結(jié)于具有某些數(shù)量的原子的原子層(例如20個原子或更少，15個原子或更少，10個原子或更少，9個原子或更少，6個原子或更少，3個原子或更少)。例如，尖端186的頂點187可以由W(111)形成并且可以具有帶3個端層原子(三聚物)的端層。圖6和7分別示出了最靠近尖端頂點的W尖端186的兩個原子層的放大俯視圖和側(cè)視圖的示意性圖。端層，包括以三聚物布置的3個W原子302，且對應(yīng)于W的(111)面。不期望被理論所束縛，認(rèn)為該三聚物表面是優(yōu)越的(就其形成的容易性、再形成和穩(wěn)定性)，因為W(111)晶面的表面能量有利地支持由以等邊三角形布置從而形成三聚物的3個W原子所形成的端層。三聚物原子302被W原子304的第二層所支撐。
在一些實施例中，尖端186可以具有包括少于3個原子或多于3個原子的端層。例如，W(111)尖端可以具有包括2個原子的端層，或僅包括一個原子的端層。作為替代，W(111)尖端可以具有包括4或更多原子的端層(例如5或更多原子，6或更多原子，7或更多原子，8或更多原子，9或更多原子，10或更多原子，多于10個原子)。
替代地，或附加地，對應(yīng)于其它W晶向的尖端(例如W(112)、W(110)或W(100))可以被使用，并且這樣的尖端可以具有包括一或更多原子(例如2或更多原子、3或更多原子、4或更多原子、5或更多原子、6或更多原子、7或更多原子、8或更多原子、9或更多原子、10或更多原子、多于10個原子)的端層。
在一些實施例中，由單晶W之外的材料形成的尖端可以用于離子源(例如金屬的單晶，例如上述金屬之一的單晶)，并且這樣的尖端可以具有包括一或更多原子(例如2或更多原子、3或更多原子、4或更多原子、5或更多原子、6或更多原子、7或更多原子、8或更多原子、9或更多原子、10或更多原子、多于10個原子)的端層。
如下所述，尖端頂點187的形狀可以具有對于離子束的品質(zhì)的影響，這可以具有對于顯微鏡系統(tǒng)200的性能的影響。例如，當(dāng)從側(cè)面觀察時，尖端頂點187可以圍繞其縱軸對稱形貌成，或者可以圍繞其縱軸不對稱形貌成，在某些實施例中，從一或更多的側(cè)視圖，尖端頂點187可以圍繞其縱軸而對稱形貌成，并且，從一或更多的不同的側(cè)視圖，尖端187可以圍繞其縱軸而非對稱形貌成。圖8示出了相對于其縱軸308非對稱形貌成的典型尖端300的側(cè)視圖(以比在圖6和7中小得多的放大率)。從給定的側(cè)視圖，使用例如，平均全錐角和平均錐方向的參數(shù)，沿縱軸308尖端300非對稱形貌成的程度可以被量化。這些參數(shù)如下確定。
尖端300的圖像使用掃描電子顯微鏡(SEM)而獲得。圖8是這樣的圖像的示意性圖。尖端300包括頂點310和第二點312，兩個點都位于縱軸308上，點312沿縱軸308與頂點310間隔1μm。虛線314在圖8的平面中垂直于軸308延伸并且通過點312。線314與尖端300的輪廓線在點316和318相交。左錐角θl是在點316尖端300的輪廓線的切線和線320(通過點316并且平行于軸308延伸的虛線)之間的角度。相似地，右錐角θr是在點318尖端300的輪廓線的切線和線322(通過點318并且平行于軸308延伸的虛線)之間的角度。尖端300的全錐角是θl和θr的數(shù)值和。例如，對于其中θl的數(shù)值是21.3°并且θr的數(shù)值是11.6°的實施例中給定的側(cè)視圖，對于該側(cè)視圖的尖端300的輪廓線的全錐角是32.9°。因為尖端300可以在一側(cè)視圖中看來為對稱而在不同的側(cè)視圖中看來為非對稱，所以通常期望確定尖端300的平均全錐角。平均全錐角通過測量尖端300的8個不同的側(cè)視圖的全錐角而確定(各個對應(yīng)于對于尖端300的前一側(cè)視圖圍繞軸308以45°順序旋轉(zhuǎn)尖端300)，并且隨后計算因而獲得的8個全錐角的平均值，結(jié)果獲得平均全錐角。不期望被理論所束縛，認(rèn)為如果平均全錐角過小，則在尖端的使用期間可以出現(xiàn)電弧放電(例如，當(dāng)尖端300用于產(chǎn)生離子束192時)，并且由于在尖端300附近的大電場，通過He原子與在尖端的端層上的原子之外的尖端原子相互作用而產(chǎn)生的He離子可以出現(xiàn)。還認(rèn)為，如果平均全錐角過大，則可以減小可重復(fù)地再建尖端300的能力，并且在尖端300附近的電場可以過低以至于不可以可靠地離子化He原子并且產(chǎn)生穩(wěn)定的He離子流。在一些實施例中，尖端300的平均全錐角可以是45°或更小(例如42°或更小、40°或更小、35°或更小、32°或更小、31°或更小)，和/或平均全錐角可以是15°或更大(例如20°或更大、23°或更大、25°或更大、28°或更大、29°或更大)。例如，尖端300的平均全錐角可以是從27°至33°(例如從28°至32°，從29°至31°，30°)。在某些實施例中，8個全錐角測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差是平均全錐角的40％或更小(例如30％或更小、20％或更小、10％或更小)。
錐方向是θl和θr的數(shù)值之間的差的絕對值的一半。因而，例如，對于其中θl的數(shù)值是21.3°并且θr的數(shù)值是11.6°的實施例中給定的側(cè)視圖，錐方向是0.5*|21.3°-11.6°|，或4.9°。因為與上述對于平均全錐角的討論相同的理由，可以期望確定尖端的平均錐方向。該平均錐方向通過對于尖端300的8個不同的側(cè)視圖(各側(cè)視圖對應(yīng)于對于前一圖圍繞軸308以45°順序地旋轉(zhuǎn)尖端300)測量錐方向而確定，并且隨后計算8個錐方向測量的平均值，結(jié)果為平均錐方向。在一些實施例中，尖端300的平均錐方向可以是10°或更小(例如，9°或更小、8°或更小、7°或更小、6°或更小、5°或更小)，和/或尖端300的平均錐方向可以是0°或更大(例如1°或更大、2°或更大、3°或更大、4°或更大)。在某些實施例中，尖端300的平均錐方向是從0°至10°(例如，從1°至10°，從3°至10°，從6°至10°，從2°至8°，從4°至6°)。
尖端300還可以被其曲率半徑所表征，曲率半徑可以如下確定。圖9示出了尖端300的示意側(cè)視圖。在實踐中，該側(cè)視圖使用SEM獲得。在縱軸308的任一側(cè)，尖端300的輪廓線的斜率被測量。點324和326是在尖端300的表面上最接近于頂點310的點，在頂點310尖端300的輪廓線的斜率(分別由切線328和330所指示)分別具有1和-1的值(例如45°斜線)。垂直于軸308并且在圖9的平面中所測量的點324和軸308之間的距離是尖端300的左切線距離Tl。垂直于軸308并且在圖9的平面中所測量的點326和軸308之間的距離是尖端300的右切線距離Tr。左半徑R1按R1＝21/2·Tl計算，并且右半徑按Rr＝21/2·Tr計算。尖端300的曲率半徑R按Rl和Rr的平均值計算。因而，例如，在其中Tl是120nm并且Tr是43nm的實施例中，Rl是169nm，Rr是61nm，并且R是115nm。因為與上述對于平均全錐角的討論相同的理由，可以期望確定尖端的平均曲率半徑。平均曲率半徑通過對于尖端300的8個不同的側(cè)視圖(各側(cè)視圖對應(yīng)于對于前一圖圍繞軸308以45°順序地旋轉(zhuǎn)尖端300)測量曲率半徑而確定，并且隨后計算8個曲率半徑的平均值，結(jié)果為平均曲率半徑。不期望被理論所束縛，認(rèn)為如果平均曲率半徑過小，則在尖端的使用期間可以出現(xiàn)電弧放電和/或在尖端的端層上的原子之外的尖端原子的附近可以出現(xiàn)He氣的離子化。如果平均曲率半徑過大，則可以減小可重復(fù)地再建尖端300的能力，并且由于在尖端300附近的較低的電場強(qiáng)度，在尖端300附近的He原子的離子化速率可以被減小。在一些實施例中，尖端300的曲率半徑是200nm或更小(例如180nm或更小、170nm或更小、160nm或更小、150nm或更小、140nm或更小、130nm或更小)，和/或尖端300的平均曲率半徑是40nm或更大(例如50nm或更大、60nm或更大、70nm或更大、80nm或更大、90nm或更大、100nm或更大、110nm或更大)。例如，在一些實施例中，尖端300的平均曲率半徑是從40nm至200nm(例如，從50nm至190nm，從60nm至180nm，從70nm至170nm，從80nm至160nm)。在某些實施例中，8個曲率半徑測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差是平均曲率半徑的40％或更小(例如，30％或更小、20％或更小、10％或更小)。
圖10是制造具有三聚物的端原子層的W(111)尖端的工藝400的流程圖。在第一步驟402中，單晶W(111)前驅(qū)體線被貼附于支撐組件。典型地，W(111)前驅(qū)體線具有3mm或更小的直徑(例如2mm或更小、1mm或更小)，和/或0.2mm或更大的直徑(例如，0.3mm或更大、0.5mm或更大)。在一些實施例中，W(111)前驅(qū)體線具有從0.2mm至0.5mm的直徑(例如從0.3mm至0.4mm，0.25mm)。合適的前驅(qū)體線可以例如從FEI Beam Technology(Hillsboro，OR)獲得。
更普遍地，在一些實施例中，尖端前驅(qū)體可以是不同于線的形式。例如，尖端前驅(qū)體可以由導(dǎo)電材料形成，該導(dǎo)電材料具有以晶體結(jié)構(gòu)終止的突起。突起的端點可以是例如單晶結(jié)構(gòu)，并且可以由W(111)形成，或者由相似或不同的晶向的其它材料形成。
圖11A和11B分別示出了支撐組件520的實施例的透視圖和仰視圖。支撐組件520包括連接至支撐基體524的支柱522a和522b。支柱522a和522b被連接至加熱器線526a和526b，并且W(111)前驅(qū)體線528的長度(例如通過焊接)被連接至加熱器線526a和526b。支柱522a和522b可以被連接至輔助裝置，例如電流源(例如電源)，以便允許控制W(111)前驅(qū)體線528的溫度。
基體524提供了組件520的機(jī)械支撐并且通常由可以承受溫度循環(huán)的一或更多的材料形成，并且起電絕緣體的作用。例如，在一些實施例中，基體524由電絕緣材料形成，例如玻璃和/或硬聚合物和/或陶瓷。
支柱522a和522b通常由一或更多的導(dǎo)電材料形成。典型地，用于形成支柱522a和522b的材料被選擇，使得支柱522a和522b與基體524具有相似的熱膨脹系數(shù)，并且使得支柱522a和522b在前驅(qū)體線528的溫度循環(huán)期間保持固定在相對于基體524的適當(dāng)位置中。在一些實施例中，支柱522a和522b由包括鐵、鎳和鈷的合金形成?？梢孕纬芍е?22a和522b的市場上可以獲得的材料的實例是KOVARTM。
通常，加熱器線526a和526b由具有比前驅(qū)體線528更高的電阻率的一或更多的材料形成。例如，在一些實施例中，加熱器線526a和526b可以由例如鎢錸合金的材料形成。如下面所解釋的，當(dāng)電流(例如，從外部電源)通過該線時，加熱器線526a和526b發(fā)熱，并且在各尖端工藝步驟期間，該熱量可以被用于增加和/或控制前驅(qū)體線528的溫度。通常，加熱器線526a和526b的直徑和材料被選擇，以便確保在制造工藝期間對于前驅(qū)體線528的溫度控制可以被實現(xiàn)。在一些實施例中，加熱器線526a和526b具有例如從100μm至750μm的直徑。
基體524、支柱522a和522b、和加熱器線526a和526b的幾何特性通常可以按照期望選擇。例如，在一些實施例中，支柱522a和522b之間的距離可以是從1mm至10mm。
選擇性地，多于兩個支柱(例如3個支柱、4個支柱、5個支柱、6個支柱)可以被貼附于基體524，各支柱通過對應(yīng)的加熱器線被連接至前驅(qū)體線528。提供額外的支柱可以增加組件520的穩(wěn)定性和/或減小組件520對于機(jī)械振動的敏感性。
在一些實施例中，前驅(qū)體線528可以通過對于線施加了壓縮力的支撐組件而被固定在適當(dāng)位置中。例如，圖12示出了包括固定前驅(qū)體線528的Vogel座的典型的支撐組件520。合適的Vogel座可以在市場上從例如AP Tech(McMinnville，OR)獲得。支撐組件550包括支撐基體556和貼附于基體556的安裝臂552。為了固定前驅(qū)體線528，臂552被撬開并且隔離體(例如由熱解碳形成)554被插入臂之間的空間。前驅(qū)體線528隨后被插入隔離體554之間的開口，并且隨后安裝臂552被釋放。由于臂552的彈性，臂對于隔離體554和前驅(qū)體線528在由箭頭558和560所指示的方向上施加了壓縮力，由此將前驅(qū)體線528固定靠著隔離體554。線528、隔離體554、和臂552之間的靜摩擦力阻礙了這些元件的相對運動，確保線528保持固定在支撐組件550的適當(dāng)位置中。典型地，線528在臂552上方延伸例如1mm和5mm之間的距離。
基體556可以由相似于可以用于形成基體524的材料形成(例如，玻璃和/或硬聚合物和/或陶瓷)?；w556的材料典型地是可以承受溫度循環(huán)的電絕緣材料。
安裝臂552可以由一或更多的導(dǎo)電材料形成。用于形成臂552的材料也可以被選擇，使得基體556和臂552具有相似的熱膨脹系數(shù)，并且使得在前驅(qū)體線528的溫度循環(huán)期間，臂552相對于基體556保持固定于適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｔ谝恍嵤├?，?52由包括鐵、鎳和鈷的合金形成。形成臂552的市場上可以獲得的材料的實例是KOVARTM。
隔離體554由例如熱解碳的材料形成。合適的熱解碳隔離體可以從例如AP Tech(McMinnville，OR)獲得。熱解碳隔離體典型地由一系列彼此層疊的平碳片形成以便產(chǎn)生層狀結(jié)構(gòu)。通常，熱解碳的電阻率根據(jù)方向變化，碳的電阻率在垂直于片的方向上(例如在幾乎垂直于層疊片的平面的方向)比在沿平行于片的平面的方向上高。在安裝期間，隔離體554被取向，使得隔離體554的較高電阻的方向大致平行于由臂552所施加的壓縮力的方向(例如大致平行于箭頭558和560)。當(dāng)電流被引入臂552時，隔離體554由于其高電阻率而產(chǎn)生熱量。因而，隔離體554可以用作調(diào)整前驅(qū)體線528的溫度的加熱元件。
再次參考圖10，在第二步驟404中，前驅(qū)體線528在電化學(xué)浴中被蝕刻以便成形線528的尖端。通常，步驟404包括多個子步驟。
在蝕刻工藝中的第一子步驟可以選擇性地是清潔步驟，以便從線528去除表面污染物。該蝕刻工藝可以涉及將線528放置在電化學(xué)蝕刻溶液中并且暴露線528至交流(AC)電壓。例如，溶液可以是氫氧化鈉(NaOH)的1N溶液，并且可以使用1V的AC電壓。隨后，整個支撐組件(例如支撐組件520或550)可以被清潔(例如在水中的超聲波清潔)以便去除某些殘留的污染物。
在步驟404中下一子步驟是選擇性地施加抗蝕劑材料至線528的一部分。典型地，抗蝕劑材料被施加至線528的從線528的頂點開始的大約0.5的長度上?？刮g劑材料的施加可以被實現(xiàn)，例如，通過將抗蝕劑溶液滴放置在清潔的表面上并且將線528浸入抗蝕劑數(shù)次，允許抗蝕劑在數(shù)次施加之間稍微干燥。被施加的抗蝕劑限制了在后續(xù)的工藝步驟中被蝕刻的前驅(qū)體線528的量。因為前驅(qū)體線528上后續(xù)尖端的形成經(jīng)常跟隨通過蝕刻去除先前的尖端，所以抗蝕劑材料的使用允許在線被棄置之前在給定的前驅(qū)體線上形成大量尖端。各種不同的抗蝕劑材料可以被施加于前驅(qū)體線528。典型的抗蝕劑材料是化妝用的指甲油。在一些實施例中，可以使用多于一種抗蝕劑材料。但是，對于尖端形成工藝，抗蝕劑材料的使用是選擇性的，在一些實施例中，在制造工藝中進(jìn)行后續(xù)步驟之前，抗蝕劑材料可以不被施加于前驅(qū)體線528。
在步驟404中的下一子步驟是電化學(xué)蝕刻前驅(qū)體線528?？梢允褂酶鞣N電化學(xué)蝕刻工藝。在一些實施例中，使用了下列電化學(xué)蝕刻工藝。支撐組件被放置在蝕刻裝置中，該蝕刻裝置包括平移支撐組件的平移設(shè)備、盤、和延伸入盤的電極(例如不銹鋼電極)。蝕刻溶液被放置在盤中，使得溶液與電極接觸。支撐組件通過平移設(shè)備向盤降低直至線528上的抗蝕劑界面正好接觸蝕刻溶液。線528隨后被降低附加的量(例如0.2mm)進(jìn)入蝕刻溶液。
蝕刻溶液包括化學(xué)腐蝕線528的成分(例如NaOH)。在其中蝕刻溶液包含NaOH的實施例中，蝕刻溶液中NaOH的濃度可以被選擇，以便改變前驅(qū)體線528的腐蝕速率和溶液的化學(xué)環(huán)境。例如，在一些實施例中，NaOH的濃度可以是0.1M或更大(例如，0.2M或更大、0.5M或更大、0.6M或更大、0.8M或更大、1.0M或更大、1.2M或更大、1.4M或更大、1.6M或更大、2.0M或更大、2.5M或更大、3.0M或更大)、和/或10.0M或更小(例如、9.0M或更小、8.0M或更小、7.0M或更小、6.5M或更小、5.5M或更小、5.0M或更小、4.5M或更小、4.0M或更小)。在一些實施例中，NaOH的濃度從0.5M至10.0M(例如，從1.0M至9.0M，從1.5M至8.0M，從2.0M至7.0M，從2.0M至6.0M，從2.0M至3.0M)。
在某些實施例中，其它的腐蝕劑可以被添加至蝕刻溶液，替代或附加于NaOH。這樣的腐蝕劑的實例包括KOH(包括熔融的KOH)、HCl、H3PO4、H2SO4、KCN、和/或熔融的NaNO3。蝕刻溶液中的腐蝕劑可以根據(jù)其腐蝕由具體類型的材料形成的前驅(qū)體線的能力而選擇。例如，例如NaOH的蝕刻劑可以用于腐蝕由W形成的線。對于由例如Ir的不同材料形成的線，在蝕刻溶液中可以使用其它腐蝕劑。
在一些實施例中，蝕刻溶液可以包括相對小的量的表面活性劑。不期望被理論所束縛，認(rèn)為表面活性劑可以輔助提高前驅(qū)體線528的蝕刻的對稱性。適于該目的的表面活性劑包括例如PhotoFlo 200，可以從Eastman Kodak(Rochester，NY)獲得。通常在蝕刻溶液中表面活性劑的濃度是0.1體積％或更大(例如0.2體積％或更大、0.3體積％或更大、0.4體積％或更大)，和/或2體積％或更小(例如1體積％或更小、0.8體積％或更小、0.6體積％或更小)。
在一些實施例中，蝕刻工藝還可以在蝕刻溶液的攪動的情形進(jìn)行。蝕刻溶液被攪動的速率可以根據(jù)蝕刻的結(jié)果經(jīng)驗性地確定。
在蝕刻溶液中定位前驅(qū)體線528之后，外部電源被連接至線528和電極，并且跨過線528和電極施加電位，以便促進(jìn)線528的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。通常，電壓可以從或者是AC電源或者是直流(DC)電源被施加。所施加的電壓的大小通?？梢园雌谕贿x擇，根據(jù)產(chǎn)生均勻的被蝕刻的前驅(qū)體線528的大小的經(jīng)驗性確定。例如，在一些實施例中，被施加的電位的大小是3.0V或更大(例如3.2V或更大、3.5V或更大、4.0V或更大、5.0V或更大、10V或更大、15V或更大、20V或更大)，和/或50V或更小(例如，40V或更小、35V或更小、30V或更小、25V或更小)。在一些實施例中，被施加的電位的大小在3.0V和50V之間(例如，從3.5V至40V，從4.0V至30V，從4.5V至20V)。
施加于蝕刻溶液的AC脈沖的持續(xù)時間通?？梢詢?yōu)選改變從而提高受控的線528的蝕刻。例如，在一些實施例中，施加于蝕刻溶液的脈沖具有10ms或更長的持續(xù)時間(例如25ms或更長，50ms或更長，75ms或更長，100ms或更長，150ms或更長，200ms或更長，250ms或更長)，和/或1秒或更短(例如900ms或更短，800ms或更短，700ms或更短，650ms或更短，600ms或更短)。在一些實施例中，施加于蝕刻溶液的脈沖具有從10ms至1秒的持續(xù)時間(例如從10ms至900ms，從10ms至800ms，從10ms至700ms，從10ms至600ms)。
通常，持續(xù)時間和/或大小變化的脈沖可以被施加于蝕刻溶液從而引起與溶液接觸的線的區(qū)域中前驅(qū)體線528的腐蝕。典型地，在工藝期間，部分前驅(qū)體線528的端部掉入蝕刻溶液中，并且前驅(qū)體線528的被新暴露的蝕刻區(qū)在后續(xù)步驟中被進(jìn)一步處理。例如，合適的蝕刻方式包括大約100個大小5V的AC脈沖的初始施加，各脈沖具有大約580ms的持續(xù)時間。此后，施加大約60個脈沖的系列，各脈沖具有大約325ms的持續(xù)時間并且大小為5V。然后，具有持續(xù)時間35ms和大小5V的脈沖被施加，直至線528的端部掉入蝕刻溶液中。
在施加電脈沖至蝕刻溶液期間，前驅(qū)體線528的浸入深度可以被調(diào)整。典型地，蝕刻工藝導(dǎo)致形成前驅(qū)體線528的窄直徑區(qū)。調(diào)整線528的浸入深度可以幫助確保蝕刻溶液的彎液面被定位于接近窄直徑區(qū)的中點，這可以提高形成相對對稱的尖端的概率。隨著接近掉落點(例如，隨著窄直徑區(qū)變得非常小)，進(jìn)行浸入深度的調(diào)整，以便確保前驅(qū)體線528的端部不被突然折斷。前驅(qū)體線528的端部掉落之后，新被暴露的線528的尖端非常少地浸入蝕刻溶液并且施加另外的電脈沖。在一些實施例中，施加兩個電脈沖。舉例而言，第一電脈沖可以是從1V至10V(例如，從3V至7V，5V)持續(xù)時間從20ms至50ms(例如，從30ms至40ms，35ms)，并且第二脈沖可以從1V至10V(例如，從3V至7V，5V)，持續(xù)時間從10ms至25ms(例如，從15ms至20ms，17ms)。
支撐組件隨后從蝕刻裝置被去除，被漂洗(例如，用蒸餾水或去離子水)并且被干燥(例如在干燥的氮氣的流下)。
工藝400的下一步驟406是檢驗支撐組件(并且尤其線528被蝕刻的尖端)以便驗證被蝕刻的尖端具有合適的幾何形狀特征。如先前所討論的，例如，幾何形狀特征的測定包括獲得被蝕刻的尖端的輪廓圖像并且從輪廓圖像所獲得的數(shù)據(jù)計算各種幾何參數(shù)?？梢允褂美鏢EM進(jìn)行檢驗。線528的尖端的輪廓圖像可以以非常高的放大倍率獲得，例如65,000倍的放大倍率。測量的幾何參數(shù)可以例如包括平均尖端曲率半徑、平均錐方向、平均全錐角。在該情形，如果被蝕刻的尖端的形狀不合適，則可以通過將組件插回蝕刻裝置并且向盤降低線528的被蝕刻的尖端直至尖端正好接觸蝕刻溶液而稍稍再成形尖端。小量的電脈沖(例如從1至3個持續(xù)時間35ms且大小5V的脈沖)可以用于再成形線528的尖端。例如，如果線528的尖端的平均全錐角過小，則小量短持續(xù)時間的脈沖可以用于增加平均全錐角而不顯著地增加被蝕刻的尖端的平均半徑。這些另外的電脈沖的施加之后，尖端可以則在SEM中被重新檢驗以便驗證其已經(jīng)被正確地再成形。
隨后，在步驟408中，被蝕刻的線528的尖端的頂點的端層被形成為三聚物。該工藝通常涉及成像尖端(例如使用FIM或SFIM)和成形尖端(例如使用場蒸發(fā))。
在一些實施例中，步驟408包括在FIM中安裝支撐組件并且將FIM抽真空。線528的尖端被冷卻(例如，至液氮溫度)，并且He氣被提供至FIM(例如，以大約5×10-6Torr的壓力)。相對于提取器的正電位(例如，相對于提取器5kV或更大)被施加于線528的尖端，并且He原子與線528的尖端的頂點相互作用從而形成He離子。He離子被加速從線528的尖端的正荷電的頂點離開。探測器，例如選擇性地耦合至例如CCD相機(jī)的兩維成像裝置的磷光體屏，被定位于距離離子源的一選擇的距離，并且被取向為大致垂直于來自離子源的主離子束軌跡。碰撞離子引起磷光體屏發(fā)射光子，光子被CCD相機(jī)所探測。對應(yīng)于相對多數(shù)量的被探測的離子的圖像的區(qū)域?qū)⒈葘?yīng)于相對較少數(shù)量的被探測的離子的區(qū)域表現(xiàn)得更亮。He氣原子的離子化出現(xiàn)于線528的尖端的頂點處單獨的離子源原子附近。結(jié)果，被探測器所攝取的圖像對應(yīng)于離子源的發(fā)射圖案。更具體地，從探測器所獲得的圖像中的亮點對應(yīng)于離子源頂點的單獨的原子。因而，F(xiàn)IM圖像是原子解析的線528的尖端的頂點的圖像。根據(jù)FIM圖像，在離子源頂點的原子的晶體結(jié)構(gòu)、取向、和具體布置可以被確定。
如果線528的尖端的頂點的期望特性不存在，則尖端可以使用例如場蒸發(fā)而被成形。在場蒸發(fā)期間，線528的被蝕刻尖端的圖像在FIM探測器的焦點上并且在FIM中仍然存在He氣的背景壓力，尖端上的正電位被增加(例如，相對于提取器15kV或更大)直至所得的電場開始從局部電場最高的尖端上的位置去除W原子(和污染物原子)。原子被去除的速率被控制，以便避免原子團(tuán)被同時去除。通常，場蒸發(fā)在FIM發(fā)射圖像的檢測下持續(xù)，直至驗證了被蝕刻的尖端的表面處于正確的晶向，并且確定在尖端的端層沒有不期望的污染物。
在場蒸發(fā)之后，可以期望銳化尖端。為了銳化尖端，He氣被泵出FIM室，并且在線528的尖端的偏壓被改變?yōu)橄鄬τ诠驳貫樨?fù)，使得線528的尖端的頂點發(fā)射電子。響應(yīng)入射電子而產(chǎn)生光子的探測器，例如覆磷光體得玻璃屏被定位，以便截取來自尖端得電子。所產(chǎn)生的光子被合適的探測器(例如CCD裝置、光電倍增管、光電二極管、或其它類型的光子探測器)探測并且被用于監(jiān)視從尖端的電子發(fā)射。在一些實施例中，探測器可以直接耦合至光子產(chǎn)生裝置。在某些實施例中，探測器和光子產(chǎn)生裝置不被直接耦合。例如，例如鏡子的光學(xué)元件可以用于將所產(chǎn)生的光子導(dǎo)向至探測器。
施加于尖端的電壓偏置被調(diào)整，直至測量到期望的電子流(例如從25pA至75pA，從40pA至60pA，50pA)。尖端隨后被加熱至期望的溫度(例如從1000K至1700K，從1300K至1600K，1500K)，并且尖端被視覺監(jiān)測以便探測從尖端發(fā)射的響應(yīng)于電壓和熱的施加的光線。從尖端發(fā)出的光線可以被監(jiān)測，例如，使用定位的鏡子以便向合適的光探測器(例如CCI)裝置，光電倍增管、光電二極管、或其它類型的光探測器)反射被尖端所發(fā)射的光線)。熱量可以使用各種裝置被施加于尖端，例如電阻加熱裝置(例如燈絲加熱器)，輻射加熱裝置，感應(yīng)加熱裝置，或電子束。在光線首次從尖端出現(xiàn)之后的15秒至45秒(例如25秒至35秒，30秒)，被施加的電位和加熱裝置都被關(guān)閉，生產(chǎn)出具有三聚物作為其端原子層的線528。
選擇性地，氣體可以用于銳化尖端。例如，氧氣可以被引入FIM室以便提高圓化的W尖端表面的銳化。在He氣體從FIM室中被去除之后，銳化氣體(例如氧氣)被引入，并且尖端在氧氣以所選擇和壓力和時間存在下被加熱。例如，為了銳化圓化W尖端，首先將He泵出FIM室并且隨后尖端被加熱至1300K和1700K之間的溫度(例如1500K)。尖端被保持在1500K一至五分鐘之間。接著，氧氣可以在大約10-5Torr的壓力下被引入腔室，同時保持尖端的溫度大約2分鐘。隨著氧氣流入所述室的持續(xù)，尖端的溫度則減小至700K和1200K之間(例如1000K)，并且尖端被保持在該溫度大致兩分鐘。最后，對于腔室的氧氣供應(yīng)被關(guān)閉并且氧氣被泵出腔室直至其中的氧氣壓力小于10-7Torr。同時，尖端被冷卻至正常的工作溫度(例如在一些實施例中大致77K)并且He被重新引入至FIM室。當(dāng)尖端在FIM模式中被成像時，對應(yīng)于W(111)面的尖端頂上的W三聚物被觀察到。具有作為三聚物的端層的W(111)線可以隨后從FIM移走并且被存儲備用。
盡管前面描述了其中與系統(tǒng)200分離的FIM用于成像/成形線尖端頂點的實施例，但是，在一些實施例中，系統(tǒng)200可以用作FIM。在這樣的實施例中，通常根據(jù)在前面的段落中所描述的工藝，支撐組件被安裝在離子源內(nèi)并且系統(tǒng)200作為FIM工作。在一些實施例中，當(dāng)操作系統(tǒng)200在FIM模式中時，探測器可以被定位于樣品280被通常定位之處(即，樣品180不存在于其正常位置)。在某些實施例中，當(dāng)操作系統(tǒng)200在FIM模式中時，具有相對高的二次電子產(chǎn)率的平的樣品可以被定位于樣品180被通常定位之處，并且由He離子與平的樣品相互作用所產(chǎn)生的二次電子被探測，因為被探測的二次電子的強(qiáng)度通常與He離子入射至平的樣品上的強(qiáng)度成比例。
選擇性地，系統(tǒng)200可以在線尖端頂點的成像/成形工藝期間在SFIM模式中工作。在這樣的實施例中，所述工藝如在先前的段落中所描述的，除了對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器220和222用于將離子束柵掃描過孔徑224的表面從而產(chǎn)生線尖端的頂點的場發(fā)射圖案之外。穿過孔徑224的離子束的部分可以選擇性地被第二透鏡226聚焦，或者保持未被聚焦。在SFIM模式中，線尖端的圖像被逐像素地獲得，并且各被測量的像素強(qiáng)度對應(yīng)于被允許穿過孔徑224的離子束的部分。像素強(qiáng)度一起可以將尖端的場發(fā)射圖案以圖像，或者更普遍地，以多個電信號呈現(xiàn)。場發(fā)射圖案可以隨后被用于評定尖端的各種性能，以便確定其用于氣體場離子顯微鏡的適合性。在SFIM模式中，探測器可以如在先前的段落中所描述的定位并且是如在先前的段落中所描述的類型。選擇性地，探測器可以是空間集成的探測器，例如光電倍增管或光電二極管。
上述工藝通?？梢杂糜谑状武J化W尖端，并且還可以用于在離子顯微鏡系統(tǒng)內(nèi)W尖端的再銳化。這樣的再銳化可以在系統(tǒng)200中進(jìn)行，既便銳化W尖端的初始工藝在系統(tǒng)200之外的FIM中進(jìn)行。再銳化通常可以以與初始銳化相同的方式進(jìn)行，或者再銳化技術(shù)可以與初始銳化技術(shù)不同。在一些實施例中，為了評估再銳化是否是期望的，顯微鏡系統(tǒng)200可以被配置為在FIM和/或SFIM模式中工作，如上所述。根據(jù)一或更多的尖端的圖像，再銳化工藝可以被啟動或推遲。在某些實施例中，其它的標(biāo)準(zhǔn)可以被使用以便確定何時啟動再銳化。例如，如果從尖端測量的離子流在一段時間的工作之后落至建立的閾值之下時，可以啟動再銳化。
作為再銳化中的第一步驟，尖端可以被場蒸發(fā)以便去除接近尖端頂點的原子。例如，顯微鏡系統(tǒng)200可以被配置為在FIM和/或SFIM模式中工作，如上述所討論的，并且施加于尖端的電位可以被仔細(xì)地調(diào)整，以便產(chǎn)生受控的尖端原子的場蒸發(fā)。在場蒸發(fā)工藝期間，尖端的場發(fā)射圖案可以通過探測器(例如，磷耦合光子探測器，或配置為測量來自平樣品的二次電子發(fā)射的二次電子探測器)在FIM或SFIM模式中獲得，并且被監(jiān)測以便確定何時中斷場蒸發(fā)工藝。如之前，當(dāng)尖端的表面處于正確的晶向并且是干凈的時，該尖端可以被再銳化。
He氣被泵出顯微鏡系統(tǒng)200，直至背景He壓力小于大約10-7Torr。在一些實施例中，為了啟動再銳化，負(fù)電位被施加至尖端，以便在電子模式中操作顯微鏡系統(tǒng)200，并且尖端通過加熱如前面所描述的被銳化。在某些實施例中，例如氧氣的銳化氣體被引入顯微鏡系統(tǒng)200，并且尖端在氧存在下被加熱選定的時間，如先前所描述的。跟隨再銳化工藝，He氣被重新引入顯微鏡系統(tǒng)200，并且在系統(tǒng)配置為在FIM和/或SFIM模式中工作的情況下，再銳化的尖端的一或更多的圖像被攝取，以便驗證尖端頂點包括對應(yīng)于W(111)面的三聚物。
在一些實施例中，某些再銳化步驟可以通過電子控制系統(tǒng)170中的硬件和/或軟件而自動進(jìn)行。例如，在某些實施例中，應(yīng)用于圓化尖端的銳化工藝可以以自動方式進(jìn)行。電子控制系統(tǒng)170所實施的銳化工作步驟的實例如下所述。首先，控制系統(tǒng)170通過激活泵236和/或237而使得顯微鏡系統(tǒng)200抽真空并且冷卻尖端至液氮溫度。當(dāng)在顯微鏡系統(tǒng)200中的氣體的背景壓力小于被建立的閾值時，尖端通過控制系統(tǒng)170，通過對于支撐尖端的加熱線施加校準(zhǔn)的電流而被加熱至1500K。在1500K下兩分鐘之后，控制系統(tǒng)170通過打開氧氣源上的閥門而將氧氣引入顯微鏡系統(tǒng)200。閥門開口被調(diào)整，以便保持在顯微鏡系統(tǒng)200中大約10-5Torr的氧壓力。在另外的兩分鐘之后，尖端的溫度通過控制系統(tǒng)170，通過調(diào)節(jié)液氮冷卻劑進(jìn)入系統(tǒng)的流量而被減小至1100K。在1100K下兩分鐘之后，控制系統(tǒng)170關(guān)閉對于系統(tǒng)的氧氣供應(yīng)并且冷卻尖端至液氮溫度。在該情形，(由操作者測量的)尖端的FIM和/或SFIM圖像可以用于人工驗證在尖端的頂點的W(111)的存在。
不期望受到理論的束縛，認(rèn)為氧可以促進(jìn)作為尖端的端原子層的三聚物的形成。在某些實施例中，在FIM腔室中的氧氣的壓力可以是10-7Torr或更大(例如10-6Torr或更大、10-5Torr或更大、10-4Torr或更大)，和/或1 Torr或更小(例如，10-1Torr或更小、10-2Torr或更小、10-3Torr或更小)。在某些實施例中，F(xiàn)IM腔室中的氧氣的壓力可以是從10-8Torr至10-2Torr(例如，從10-7Torr至10-3Torr、從10-6Torr至10-4Torr)。其它的氣體和材料在尖端銳化期間也可以用于促進(jìn)作為端原子層的三聚物的形成。例如，比如鈀、鉑、金和/或銦的材料可以在再銳化之前被氣相沉積于圓化的尖端的表面上。認(rèn)為這些材料可以更可靠地促進(jìn)在尖端的頂點的三聚物的形成。
在一些實施例中，W尖端的銳化可以通過尖端的受控加熱來實現(xiàn)，而不施加場或故意地添加氧。例如，W尖端可以通過下列步驟被銳化1)在FIM腔室中安裝尖端；2)減小FIM腔室總的壓力；3)加熱尖端至1000K保持5分鐘；并且冷卻(例如至液氮溫度)。不期望受到理論的束縛，認(rèn)為作為氧化物存在于尖端上的氧的痕量可以有助于使用熱量銳化尖端。在某些實施例中，未被銳化的尖端可以被暴露于氧流，放置在基本無氧的環(huán)境中，并且通過受控的加熱被銳化。認(rèn)為該方法可以在尖端的表面上產(chǎn)生W氧化物，并且加熱時從W氧化物釋放的氧可以輔助尖端銳化工藝。
在一些實施例中，一或更多的附加氣體可以在尖端銳化期間存在。例如，在某些實施例中，氮氣可以存在。不期望受到理論的束縛，認(rèn)為氮氣可以有助于蝕刻尖端以便提供具有作為三聚物的端原子層的更為圓化的結(jié)構(gòu)；認(rèn)為這樣的結(jié)構(gòu)比較較小圓化的三聚物終結(jié)的尖端更為穩(wěn)定。通常，氮氣與氧氣同時被引入。在某些實施例中，在FIM腔室中的氮氣的壓力可以是10-8Torr或更大(例如，10-7Torr或更大)，和/或10-5Torr或更小(例如，10-6Torr)。在某些實施例中，在FIM腔室中的氮氣壓力可以從10-5Torr至10-8Torr(例如，從10-6Torr至10-7Torr)。
選擇性地，在形成三聚物并且輔助確保尖端銳化工藝是可重復(fù)的之后，施加于被銳化的尖端的正電位被增加，使得受控的尖端的場蒸發(fā)出現(xiàn)。在場蒸發(fā)尖端一段時間之后，尖端頂點再呈現(xiàn)為圓化的形狀。典型地，圓化的尖端產(chǎn)生相似于初始場蒸發(fā)步驟之后的尖端的發(fā)射圖案。然后，圓化的尖端再次在電子模式中被銳化，以便產(chǎn)生作為三聚物的端原子層(例如使用上述工藝)。在一些實施例中，為了增加被銳化的尖端的壽命和穩(wěn)定性，一或更多的三聚物可以使用場蒸發(fā)技術(shù)從被銳化的尖端被去除。例如，由3原子層形成的銳化尖端的最頂部的原子層可以被去除，以便展現(xiàn)下面的包括多于3個原子的原子層。新被暴露的原子層可以被進(jìn)一步場蒸發(fā)，以便在其頂點產(chǎn)生W原子三聚物。該新形成的三聚物，與在場蒸發(fā)期間形成的另外的三聚物一起，可以被蒸發(fā)。該工藝導(dǎo)致在其頂點附近逐層的尖端圓化。通過圓化尖端，靠近尖端頂點的電場梯度被減小，減小了在顯微鏡系統(tǒng)200工作時尖端原子經(jīng)歷場蒸發(fā)的概率，并且增加了尖端的穩(wěn)定性和壽命。
在工藝400的步驟410中，尖端186的頂點187在系統(tǒng)200內(nèi)被對準(zhǔn)。采用安裝在顯微鏡系統(tǒng)200中的支撐組件，使用一或更多的真空泵使得顯微鏡系統(tǒng)200抽真空，并且隨后熱量被施加于尖端187以便去除，例如氧化物、冷凝物、和/或任何其它的可以貼附至尖端表面的雜質(zhì)。典型地，例如，尖端186被加熱至900K或更高的溫度(例如，1000K或更高、1100K或更高)持續(xù)時間10s或更長(例如，30s或更長、60s或更長)。加熱還可以輔助再刻面尖端186，在雜質(zhì)的存在危及尖端的形狀的情形。
在尖端186由施加熱量引起輻射發(fā)光的情形，通過觀測從尖端186沿縱軸傳播的光(例如，通過插入比如鏡子的反射元件并且引導(dǎo)一部分的光至比如CCD相機(jī)的探測器)，則尖端與離子光學(xué)器件130的縱軸大致對準(zhǔn)。尖端186的位置和/或取向可以通過調(diào)整尖端操縱器208而被改變，以便引導(dǎo)光線從尖端186穿過離子光學(xué)器件130。
在該大致對準(zhǔn)工藝之后，顯微鏡系統(tǒng)200被配置，以便在FIM或SFIM模式中工作，通過減小在真空殼體202和204中的背景壓力，冷卻尖端186(例如，至大約液氮溫度)，并且經(jīng)由氣體源110將He氣體原子流引入尖端186附近的區(qū)。來自尖端186的He離子的場發(fā)射圖案的圖像通過合適配置的探測器而被測量，并且根據(jù)該圖像，尖端操縱器208被用于對準(zhǔn)場發(fā)射圖案與離子光學(xué)器件130的縱軸，使得尖端186的場發(fā)射圖案以縱軸為中心。通過改變施加于第一透鏡216的電位同時觀測尖端186的場發(fā)射圖案的感應(yīng)的調(diào)制，可以進(jìn)行定中心測試。如果被探測器所觀測到的場發(fā)射圖案的尺寸由于施加于透鏡216的電位而變化，但是圖案的中心的位置不變化，則尖端186與第一透鏡216的縱軸對準(zhǔn)。相反，如果尖端186的場發(fā)射圖案的中心位置響應(yīng)施加于第一透鏡216的電位而變化，則尖端186沒有以第一透鏡216的縱軸為中心。通過尖端操縱器208可以反復(fù)地重復(fù)尖端186的取向和位置的調(diào)整，直至尖端186與第一透鏡216的縱軸足夠好地對準(zhǔn)。典型地，該定中心測試進(jìn)行沒有孔徑224在位。
隨后可以進(jìn)行精細(xì)對準(zhǔn)工藝，以便確保通過He氣原子與尖端186的頂點187的三原子層的相互作用所產(chǎn)生的He離子穿過孔徑224。施加于偏轉(zhuǎn)器220和222的電位(見下面的討論)被調(diào)整，使得穿過孔徑224的離子束192中的He離子的70％或更多(例如75％或更多、80％或更多、85％或更多、90％或更多、95％或更多、97％或更多、99％或更多)經(jīng)由He氣體原子僅與尖端186的頂點的三個三聚物原子之一的相互作用而被產(chǎn)生。同時，施加于偏轉(zhuǎn)器220和222的電位的調(diào)整確保了孔徑224避免經(jīng)由He氣體原子與其它兩個三聚物原子相互作用所產(chǎn)生的離子束192中的He離子的50％或更多(例如，60％或更多、70％或更多、80％或更多、90％或更多、95％或更多、98％或更多)到達(dá)樣品180的表面181。作為該精細(xì)對準(zhǔn)工藝的結(jié)果，穿過孔徑224并且離開離子光學(xué)器件130的He離子束包括主要僅在尖端186的頂點的3個三聚物原子之一的附近被離子化的He原子。
再次參考圖10，尖端186與第一透鏡216的縱軸對準(zhǔn)的情形，并且He離子束被對準(zhǔn)，使得離子束192的一部分穿過孔徑224，顯微鏡系統(tǒng)200可以在工藝400的步驟412中在He離子模式中工作。在其中系統(tǒng)200在銳化期間被用于FIM模式中的實施例中，F(xiàn)IM探測器和/或其它FIM元件被移動，使得樣品180可以被定位以便暴露于離子束192。相對于提取器190為正的電位被施加于尖端186，并且He氣通過氣體源110被引入真空殼體202。通過氦氣體原子主要與尖端186的頂點的3個三聚物原子之一的相互作用所產(chǎn)生的He離子被離子光學(xué)器件130引導(dǎo)穿過孔徑224，并且被導(dǎo)至樣品180。
在一些實施例中，施加至尖端186的電位是5kV或更大(例如，10kV或更大、15kV或更大、20kV或更大)。在某些實施例中，施加于尖端186的電位是35kV或更小(例如，30kV或更小、25kV或更小)。例如，在一些實施例中，施加于尖端186的電位從5kV至35kV(例如，從10kV至30kV，從15kV至25kV)。
在一些實施例中，在顯微鏡系統(tǒng)200的工作期間，He氣壓力是10-8Torr或更大(例如，10-7Torr或更大、10-6Torr或更大、10-5Torr或更大)。在某些實施例中，在顯微鏡系統(tǒng)200中的He氣壓力是10-1Torr或更小(例如，10-2Torr或更小、10-3Torr或更小、10-4Torr或更小)。例如，在一些實施例中，在顯微鏡系統(tǒng)200中He氣壓力是從10-7Torr至10-1Torr(例如，從10-6Torr至10-2Torr，從10-5Torr至10-3Torr)。
為了驗證尖端186的完整性，通過在FIM或SFIM模式中操作顯微鏡系統(tǒng)200，從尖端186的場發(fā)射圖案可以被定期地監(jiān)測，如上面所討論的。如果在尖端頂點187三聚物結(jié)構(gòu)保持完整無缺，則尖端186可以繼續(xù)被用于提供離子束至顯微鏡系統(tǒng)200。但是，在某些環(huán)境下，尖端186的FIM或SFIM圖像可以展現(xiàn)在尖端頂點187上三聚物結(jié)構(gòu)不再完整無缺。在這種情形，尖端186可以首先被場蒸發(fā)，以便圓化尖端并且去除被損壞的三聚物結(jié)構(gòu)，并且隨后使用上述工藝原位再銳化(例如，不從顯微鏡系統(tǒng)200移除尖端186)。
來自尖端186的場發(fā)射圖案的監(jiān)測可以根據(jù)比如減小的性能(例如減小的離子流)，觀測到的圖像像差和/或誤差的標(biāo)準(zhǔn)，或其它預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)而自動進(jìn)行。為了攝取尖端186的FIM圖像，樣品180可以從其位置被去除，并且例如磷光體耦合的CCD探測器的探測器可以被放置在樣品180先前的位置。作為替代，具有相對高二次電子產(chǎn)率的平的樣品可以平移入位以替代樣品180，并且合適的探測器可以被定位和配置，以便探測由于He離子與樣品的相互作用而離開樣品的二次電子?？讖?24可以被去除(或大直徑開口225可以被選擇)使得由He氣體原子與尖端186的相互作用所產(chǎn)生的離子不被顯著地阻礙。這些操作可以以自動的方式進(jìn)行。
為了攝取尖端186的SFIM圖像，如對于FIM成像所述，探測器可以被引入，并且孔徑224可以被保持在適當(dāng)位置中。對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器220和222可以用于橫過孔徑224柵掃描尖端186的離子發(fā)射圖案從而獲得逐像素方式的尖端186的圖像。通過電子控制系統(tǒng)170，一或更多尖端186的圖像的獲得可以被自動化，電子控制系統(tǒng)170可以控制孔徑的布置，樣品和探測器的運動，和施加至尖端186和對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器220和222的電位。
參考圖13，上述對準(zhǔn)過程典型地對準(zhǔn)尖端186的縱軸207和離子光學(xué)器件130的縱軸132，使得在尖端186的頂點187的軸207和132之間的距離d小于2mm(例如小于1mm、小于500μm、小于200μm)。在一些實施例中，在尖端186的頂點187的軸207和132之間的角度是2°或更小(例如1°或更小、0.5°或更小、0.2°或更小)。
提取器190包括開口191。通常，可以按期望選擇提取器190和開口191的形狀。典型地，這些特征被選擇，以便確保He離子被有效地和可靠地導(dǎo)入離子光學(xué)器件130。例如，如在圖13中所示出的，提取器190具有在z方向測量的厚度te，在x方向測量的開口的寬度a，且被定位于在z方向從尖端186的頂點187測量的距離e。在一些實施例中，te是100μm或更長(例如500μm或更長、1mm或更長、2mm或更長)，和/或te是10mm或更短(例如7mm或更短，5mm或更短，3mm或更短)。在某些實施例中，尖端186的頂點187和提取器190之間的距離是10mm或更短(例如8mm或更短、6mm或更短，5mm或更短、4mm或更短、3mm或更短、2mm或更短，1mm或更短)。在一些實施例中，提取器190在+z方向上比尖端186定位得更遠(yuǎn)，如在圖13中所示。在某些實施例中，提取器190在-z方向上比尖端186定位得更遠(yuǎn)，如在圖13中所示出的。在這樣的實施例中，例如，尖端186穿過提取器190突出并且沿z軸在+z方向延伸得比提取器190更遠(yuǎn)。盡管提取器190在圖13中被顯示為具有具體的配置，但是更普遍地，提取器190可以是任何期望的設(shè)計。例如，在一些實施例中，開口191可以具有任何期望形狀的彎曲側(cè)。
提取器190通?？梢韵鄬τ诩舛?86被正或負(fù)地偏置。在一些實施例中，施加于提取器190的電位是相對于尖端186-10kV或更大(例如-5kV或更大、0kV或更大)，和/或20kV或更小(例如15kV或更小、10kV或更小)。
選擇性地，抑制器188還可以存在于尖端186附近。通過調(diào)整施加于抑制器188的電位，抑制器188可以用于例如改變尖端186附近的電場分布。與提取器190一起，抑制器188可以用于控制在尖端186所產(chǎn)生的He離子的軌跡。抑制器188具有在x方向上測量的開口寬度k，在z方向上測量的厚度ts，并且被定位為距尖端186的頂點在z方向上測量的距離s。在一些實施例中，k是3μm或更長(例如，4μm或更長、5μm或更長)和/或8μm或更短(例如7μm或更短、6μm或更短)。在某些實施例中，ts是500μm或更長(例如1mm或更長、2mm或更長)，和/或15mm或更短(例如10mm或更短、8mm或更短、6mm或更短、5mm或更短、4mm或更短)。在一些實施例中，s是5mm或更短(例如4mm或更短，3mm或更短，2mm或更短，1mm或更短)。在某些實施例中，如圖13中所示，抑制器188比尖端188更遠(yuǎn)地沿+z方向被定位。在一些實施例中，尖端18比抑制器188更遠(yuǎn)地在沿+z方向被定位，使得尖端186在+z方向上延伸通過抑制器188。
通常，顯微鏡系統(tǒng)200可以被配置，使得在通過提取器190之后，離子束192中的離子的能量可以按期望選擇。典型地，在通過入口開口133至離子光學(xué)器件130之后，離子束192中的離子的平均能量是5keV或更大(例如10keV或更大、20keV或更大、30keV或更大)和/或100keV或更小(例如90keV或更小、80keV或更小、60keV或更小、50keV或更小、40keV或更小、30keV或更小)。例如，在一些實施例中，在通過入口開口133之后，離子束192中的離子的平均能量從5keV至100keV(例如從10keV至90keV，從20keV至80keV)。例如，在期望探測透射通過樣品的離子的實施例中，可以使用較高的離子能量(例如50keV至100keV)。
此外，在某些實施例中，離子束192中的離子的能量可以被改變而不改變離子流。即，施加至尖端186的電位可以被調(diào)整以便修改離子束192的平均能量而不顯著改變來自離子束192的離子束流。
C.離子光學(xué)器件 參考圖14，離子束192從氣體場離子源120經(jīng)由入口開口133進(jìn)入離子光學(xué)器件130。離子束192首先通過第一透鏡216。第一透鏡216的位置和電位通常被選擇以便聚焦離子束192至跨接點C，點C的位置是距孔徑224在z方向測量的距離p。通常，第一透鏡216被定位為距入口開口133在z方向上測量的距離f。在一些實施例中，距離f是5mm或更大(例如，10mm或更大、15mm或更大)，和/或30mm或更小(例如，25mm或更小、20mm或更小)。
通常，第一透鏡216可以相對于尖端186被正或負(fù)偏置。在一些實施例中，施加于第一透鏡216的電位是相對于尖端186-30kV或更大(例如，-20kV或更大、-10kV或更大)，和/或40kV或更小(例如，30kV或更小、20kV或更小、15kV或更小、10kV或更小)。
通常，距離p可以是1mm或更大(例如，5mm或更大、10mm或更大)，和/或100mm或更小(例如，70mm或更小、50mm或更小、30mm或更小、20mm或更小)。改變點C的位置可以改變在孔徑224的位置的x和/或y方向的離子束192的尺寸，這可以選擇性地控制通過孔徑224的離子束192中的離子的份額。盡管在圖14中被示為被定位為在-z方向遠(yuǎn)于孔徑224，但是跨接點C可以在一些實施例中被定位為在+z方向遠(yuǎn)于孔徑224。
對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器220和222被配置，以便引導(dǎo)離子束192的一部分通過孔徑224和第二透鏡226。各種設(shè)計和/或器件可以用于建造該偏轉(zhuǎn)器。在一些實施例中，例如，偏轉(zhuǎn)器220和222可以各自是四極電極，兩個四極電極被串連設(shè)置。
偏轉(zhuǎn)器220和222可以各自在x和y兩個方向都偏轉(zhuǎn)He離子束192。施加于偏轉(zhuǎn)器220和222的電極的電位可以被調(diào)整，以便確保離子束192的一部分通過孔徑224和第二透鏡226。在某些實施例中，施加于偏轉(zhuǎn)器220和222的電位被調(diào)整，以便實現(xiàn)具體的對準(zhǔn)條件，并且隨后當(dāng)顯微鏡系統(tǒng)200工作時電位保持靜態(tài)。通過孔徑224的離子束192的對準(zhǔn)通過使用例如被配置的合適的探測器觀測離子束192而被評估，以便成像孔徑224。偏轉(zhuǎn)器220和/或222還可以被調(diào)整，使得通過孔徑224的離子束192的該部分與第二透鏡226的縱軸對準(zhǔn)。為了評估通過第二透鏡226的離子束192的對準(zhǔn)，施加于第二透鏡226的電位可以被改變(通常稱為擺動)并且在成像探測器上觀測到結(jié)果。如果，作為改變施加于第二透鏡226的電位的結(jié)果，離子束192的圖像改變尺寸而不改變位置，則離子束192通過第二透鏡226被對準(zhǔn)。如果離子束192的中心位置作為改變電位的結(jié)果而改變，則離子束192未與第二透鏡226對準(zhǔn)。在這種情形，施加于偏轉(zhuǎn)器222和/或220的電位可以被進(jìn)一步調(diào)整并且以反復(fù)的方式重復(fù)擺動測試，直至實現(xiàn)對準(zhǔn)。
通常，施加于對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器220和222的各種電極元件的電位可以按期望選擇，以便產(chǎn)生到相對于孔徑224和第二透鏡226兩者的特定位置的離子束192的偏轉(zhuǎn)。在偏轉(zhuǎn)器220和222中的各電極可以對于公共外接地被或者正或者負(fù)地偏置。通常，施加于任何電極的電位可以是相對于公共外接地100V或更小(例如75V或更小、50V或更小)和/或10V或更大(例如，25V或更大、40V或更大)。在工作期間，例如，施加于偏轉(zhuǎn)器220和222中任何電極的電位可以是相對于公共外接地從10V至100V(例如，從10V至75V、從10V至50V)。
孔徑224相對于離子束192被定位，以便允許離子束192中的部分離子通過孔徑224。典型地，孔徑224不具有被施加的電位。在一些實施例中，孔徑224中的開口225的在x方向上測量的寬度w是1μm或更大(例如2μm或更大、5μm或更大、10μm或更大、15μm或更大、20μm或更大、25μm或更大、30μm或更大)，和/或100μm或更小(例如，90μm或更小、80μm或更小、70μm或更小、60μm或更小、50μm或更小)。例如，在某些實施例中，w是從1μm至100μm(例如，從5μm至90μm，從15μm至50μm，從20μm至50μm)。在一些實施例中，在y方向測量的孔徑224中開口225的寬度是1μm或更大(例如2μm或更大、5μm或更大、10μm或更大、15μm或更大、20μm或更大、25μm或更大、30μm或更大)，和/或100μm或更小(例如，90μm或更小、80μm或更小、70μm或更小、60μm或更小、50μm或更小)。例如，在某些實施例中，w是從1μm至100μm(例如，從5μm至90μm、從15μm至50μm，從20μm至50μm)。
孔徑224被定位于孔徑支架234上。根據(jù)從電子控制系統(tǒng)170所接收的控制信號，孔徑支架234允許孔徑224在x-y平面上平移。在一些實施例中，孔徑支架234還可以允許孔徑224在z方向上沿離子光學(xué)器件130的縱軸平移。此外，在某些實施例中，孔徑支架234可以允許孔徑224對于x-y平面傾斜。傾斜孔徑224可以用于對準(zhǔn)孔徑224的縱軸與離子光學(xué)器件130的縱軸132。
在一些實施例中，孔徑224可以包括具有不同寬度w的多個開口。例如，圖15是包括多個開口225a-225g的盤形開口224a的俯視圖(沿z方向)?？讖?24a被配置，以便圍繞與孔徑224a的中心重合的樞軸點227旋轉(zhuǎn)。各開口225a-225g的中心被定位于距離樞軸點227相同距離處。因而通過旋轉(zhuǎn)孔徑盤224a可以選擇特定尺寸的孔徑開口，使得被選擇的開口被定位于離子束192的路徑中，并且隨后如果期望，平移孔徑盤224a，以便確保開口與離子束192正確地對準(zhǔn)。
圖16是包括延伸通過孔徑224b的多個開口229a-229e的棒形孔徑224b。孔徑尺寸可以通過選擇孔徑224b中的開口而被選擇。該選擇通過平移孔徑224b而在平行于箭頭221的方向進(jìn)行，以便對準(zhǔn)開口229a-229e之一與離子束192。
典型地，開口225a-225g和229a-229e具有可以按期望選擇的直徑。例如，在一些實施例中，任何所述開口的直徑可以是5μm或更大(例如，10μm或更大、25μm或更大、50μm或更大)和/或200μm或更小(例如，150μm或更小、100μm或更小)。在某些實施例中，開口225a-225g和/或229a-229e的直徑可以是從5μm至200μm(例如，5μm至150μm、5μm至100μm)。
在一些實施例中，孔徑之外的裝置可以被用于允許僅一部分的離子束192中的離子通過離子光學(xué)器件130并且撞擊在樣品180的表面上。例如，兩個垂直的縫隙可以沿離子束的飛行路徑被順序放置。
像散修正器218通常通過其形狀、沿離子束192的路徑的位置、和被施加的電位而被配置，以便減小或消除離子束192中的像散。盡管各種器件可以用于構(gòu)造像散修正器218，但是像散修正器218典型地是位于孔徑224與掃描偏轉(zhuǎn)器219和221之間的八極電極。典型地，八極像散修正器的8個電極被劃分為4個電極的2組，第一控制器配置為調(diào)整4個電極的電壓(例如，4個電極的第一組，相對于尖端186正偏置)和第二控制器調(diào)整另外4個電極的電壓(例如，4個電極的第二組，相對于尖端186負(fù)偏置)。來自第一和第二電極組的電極以交替的方式被布置，以便形成八極的部分，這里相鄰的部分具有相反符號的偏置電壓。電極的布置形成聚焦沿八極的縱軸傳播的離子束的尖端場，并且散焦離軸的離子束。
通常，八極的各電極可以被獨立地配置，并且因而像散修正器218允許對于離子束192的靈敏的控制。在一些實施例中，施加于像散修正器218的任何電極的電位，相對于公共外接地，可以是-30V或更大(例如，-20V或更大、-10V或更大、-5V或更大)，和/或30V或更小(例如，20V或更小、10V或更小、5V或更小)。
除了對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器220和222之外，離子光學(xué)器件130還包括掃描偏轉(zhuǎn)器219和221。掃描偏轉(zhuǎn)器219和221典型地位于像散修正器218和第二透鏡226之間，盡管通常，離子光學(xué)器件130內(nèi)掃描偏轉(zhuǎn)器219和221的其它布置也是可能的。
掃描偏轉(zhuǎn)器219和221被配置，以使離子束192掃描過樣品180的表面。偏轉(zhuǎn)器219，例如，可以被配置，以在x方向偏轉(zhuǎn)離子束192，并且偏轉(zhuǎn)器221可以被配置，以在y方向偏轉(zhuǎn)離子束192。由偏轉(zhuǎn)器219和221所產(chǎn)生的結(jié)合的偏轉(zhuǎn)可以定位離子束192于樣品180上的特定位置。
典型地，施加于偏轉(zhuǎn)器219和221的電位被調(diào)整，以產(chǎn)生離子束192的特定的偏轉(zhuǎn)。被施加的電位可以被系統(tǒng)性地變化，以使掃描束192柵掃描過一部分的樣品180。例如，在一些實施例中，施加于偏轉(zhuǎn)器221的電位以步進(jìn)方式以規(guī)則的間隔增加，在y方向以分立的步驟(例如，逐行)橫過樣品180偏轉(zhuǎn)離子束192。同時，施加于偏轉(zhuǎn)器219的電位以步進(jìn)方式被增加，在x方向以分立的步驟(例如，逐列)橫過樣品180偏轉(zhuǎn)離子束192。。施加于偏轉(zhuǎn)器221的電位增加的速率可以被選擇，使得一旦離子束192通過施加于偏轉(zhuǎn)器219的電位的步進(jìn)增加而完成橫過所有列的掃描，則離子束192在y方向被偏轉(zhuǎn)至新的行。對于各行，相同的遞增的電位增加的步進(jìn)模式可以施加于偏轉(zhuǎn)器219，以在x方向以分立的步驟掃過離子束192。
通常，掃描偏轉(zhuǎn)器219和/或221可以由多個電極形成。例如，在一些實施例中，掃描偏轉(zhuǎn)器219和/或221可以各自包括一對平行板電極。偏轉(zhuǎn)器219中的電極可以被取向，以在正交于由偏轉(zhuǎn)器221所產(chǎn)生的離子束192的偏轉(zhuǎn)的方向偏轉(zhuǎn)離子束192。
在某些實施例中，掃描偏轉(zhuǎn)器219和/或221可以是更為復(fù)雜的設(shè)計。例如，掃描偏轉(zhuǎn)器219和/或221可以包括四極電極和/或八極電極。這些電極可以分別被配置，以便提供在x-y平面中在單個方向上，或在x-y平面中多于一個方向上的離子束192的偏轉(zhuǎn)。
掃描偏轉(zhuǎn)器219和221中的各電極元件可以相對于公共外接地或者正或者負(fù)地偏置。通常，施加于各電極的電壓可以是-150V或更大(例如，-100V或更大、-50V或更大、-20V或更大)和/或150V或更小(例如，100V或更小、50V或更小、20V或更小)。在工作期間，例如，施加于偏轉(zhuǎn)器219和221中各電極的電壓可以是從-150V至150V(例如，從-100V至100V、從-50V至50V、從-20V至20V)。
通常，第二透鏡226的位置和電位被選擇，使得第二透鏡輔助聚焦離子束192至樣品180的表面181上。施加于第二透鏡226的電位通?？梢允窍鄬τ诠餐饨拥鼗蛘邽檎蛘邽樨?fù)。在某些實施例中，施加于第二透鏡226的電位是相對于公共外接地-50kV或更大(例如，-40kV或更大、-30kV或更大)，和/或40kV或更小(例如，30kV或更小、20kV或更小)。第二透鏡226與孔徑224間隔在z方向上測量的距離u。在一些實施例中，u是5cm或更大(例如，10cm或更大、15cm或更大)，和/或50cm或更小(例如，45Gm或更小、40cm或更小、35cm或更小、30cm或更小、25cm或更小、20cm或更小)。
第二透鏡226與樣品180間隔沿z軸測量的距離h(通常稱為工作距離)。在一些實施例中，h可以是2mm或更大(例如，5mm或更大、10mm或更大、15mm或更大、20mm或更大)和/或200mm或更小(例如，175mm或更小、150mm或更小、125mm或更小、100mm或更小、75mm或更小、65mm或更小、55mm或更小、45mm或更小)。在某些實施例中，h是從2mm至200mm(例如，從5mm至175mm，從10mm至150mm，從15mm至125mm，20mm至100mm)。典型地，通過改變施加于第二透鏡226的電位，h可以被調(diào)整，以調(diào)整透鏡226的聚焦平面，并且平移樣品180(通過樣品操縱器140)平移到透鏡226的新的聚焦平面中。顯微鏡系統(tǒng)200所允許的相對大的距離h提供了許多優(yōu)點。例如，具有表面突起的不平樣品可以使用顯微鏡系統(tǒng)研究。此外，樣品還可以相對于離子束192的主軸以大角度傾斜。例如，在一些實施例中，樣品180的表面181的法線和離子束192的主軸之間的角度是5°或更大(例如，10°或更大、20°或更大、30°或更大、40°或更大、50°或更大、60°或更大)和/或85°或更小(例如，80°或更小、75°或更小、70°或更小、65°或更小)。在某些實施例中，樣品180的表面181的法線和離子束192的主軸之間的角度是從5°至85°(例如，從10°至80°、從20°至70°、從30°至70°、從40°至60°)。另外，相對大的距離h還允許各種探測器和其它裝置被定位于非常接近表面181上的離子束192的入射區(qū)附近，并且可以允許探測以相對大范圍的立體角離開樣品的粒子。典型地，這允許較強(qiáng)信號的探測和多種不同類型的信號的探測(例如，使用不同類型的探測器)。
在一些實施例中，第二透鏡226被成形為具有10°或更大的半錐角的右角錐(例如，15°或更大、20°或更大、25°或更大)和/或50°或更小(例如，45°或更小、40°或更小、35°或更小)。在某些實施例中，第二透鏡226的半錐角是從10°至50°(例如，從15°至45°，從20°至40°)。相對小的透鏡226的半錐角提供了許多優(yōu)點，包括樣品180對于離子束192的傾斜角的較大范圍，和在其中探測器和其它裝置可以被定位的表面181上的入射束斑點附近的較大體積的自由空間。
如上面所討論的，典型地，基本上僅由通過He原子與尖端186的頂點187上三聚物原子之一的相互作用所產(chǎn)生的He離子通過孔徑224。但是，在一些實施例中，離子光學(xué)器件130(例如第一透鏡216和/或?qū)?zhǔn)偏轉(zhuǎn)器220、222和/或孔徑224)中的器件可以被設(shè)置，使得通過He原子與兩個三聚物原子相互作用所產(chǎn)生的He離子的大量部分通過孔徑224。這可以例如通過恰當(dāng)?shù)剡x擇施加于第一透鏡216和/或偏轉(zhuǎn)器220、222的電位，和/或通過改變孔徑224的尺寸(例如，如分別在圖15和16中所示出的，通過在孔輪或棒上選擇不同的孔開口)來實現(xiàn)。在某些實施例中，離子光學(xué)器件130中的器件(例如，第一透鏡216和/或?qū)?zhǔn)偏轉(zhuǎn)器220、222和/或孔徑224)可以被設(shè)置，使得經(jīng)由He氣體原子與所有3個三聚物原子相互作用所產(chǎn)生的相當(dāng)一部分的He離子通過孔徑224。這可以例如通過恰當(dāng)?shù)剡x擇施加于第一透鏡216和/或偏轉(zhuǎn)器220、222的電位，和/或通過改變孔徑224的尺寸(例如，如分別在圖15和16中所示出的，通過在孔徑輪或棒上選擇不同的孔徑開口)來實現(xiàn)。
選擇性地，一或更多的附加電極(例如，透鏡、偏轉(zhuǎn)器、和/或其它元件)可以沿離子光學(xué)器件130中離子束192的路徑被定位。附加的電極例如可以在第二透鏡226之后被定位，或可以被引入現(xiàn)有的元件之間。附加的元件可以相對于尖端186而被或者正或者負(fù)地偏置，以便進(jìn)行例如增加或減小離子光學(xué)器件130內(nèi)的離子束192中的離子能量和/或改變離子的軌跡的功能。例如，一或更多的加速電極可以被定位于樣品180附近，以便改變離子束192中的離子入射于樣品180上能量。
作為另一實例，離子光學(xué)器件130可以包括負(fù)偏置的(相對于公共外接地)柱襯管，以便增加離子束192中的離子在樣品180的表面181的能量。該管可以被偏置為相對于公共外接地-50kV或更大(例如，-25kV或更大、-15kV或更大、-10kV或更大)和/或-1kV或更小(例如，-3kV或更小、-5kV或更小)。通常，該管可以位于沿離子光學(xué)器件130的軸132的任何位置，例如，孔徑224和第二透鏡226之間。當(dāng)離子通過離子光學(xué)器件130時通過加速離子可以實現(xiàn)某些優(yōu)點，包括例如，減小相似荷電離子之間的相互作用的時間，這可以幫助減小離子束192的發(fā)散。
在一些實施例中，通過偏置樣品180，樣品180的表面181的離子束192中的離子的能量可以被增加或者被減小(例如，如果期望減小離子束192中的離子的能量，則正地配置，或如果期望增加離子束192中的離子的能量，則負(fù)地配置)。在離子束192的較大的入射角，由被偏置的樣品180所產(chǎn)生的電場的圓柱不對稱性可以產(chǎn)生棱鏡類效應(yīng)，其中離子束192中低能量的離子比高能量的離子在x和y方向被偏轉(zhuǎn)更大的量，導(dǎo)致在樣品180的表面181上離子束192的斑點尺寸增加以及其它潛在的不期望的后果。在一些實施例中，因而，樣品180被偏置以改變離子束192中的離子的能量，并且離子束192和表面181的法線之間的角度小于6°(例如，小于5°、小于4°、小于3°、小于1°)。
雖然已經(jīng)描述了離子光學(xué)器件的某些實施例，但是也可以使用離子光學(xué)器件的其它實施例。作為示例，已經(jīng)描述某些電極類型(例如八極電極)，一或更多的不同電極類型(例如四極電極)可以用于實現(xiàn)相同的效果。更普遍地，各種不同的離子光學(xué)系統(tǒng)可以用于顯微鏡系統(tǒng)200中。在一些實施例中，例如，離子光學(xué)器件130在偏轉(zhuǎn)器、孔徑和其它離子光學(xué)元件之外僅包括單個透鏡。在某些實施例中，離子光學(xué)器件130包括第一和第二透鏡，在第一和第二透鏡之間具有孔徑。
作為另一實例，在一些實施例中，離子光學(xué)器件包括第一透鏡、第二透鏡、和第一和第二透鏡之間的孔徑，沒有電極，并且離子光學(xué)器件被設(shè)計，使得第一透鏡可以減小離子束的發(fā)散(例如，使得離子束與離子光學(xué)系統(tǒng)的縱軸基本對準(zhǔn))，孔徑可以遮擋離子束的一部分通過孔徑，并且第二透鏡可以幫助將離子束在樣品的表面上聚焦為相對小的斑點尺寸。在這樣的實施例中，到達(dá)樣品表面的離子束中的離子可以主要通過He原子僅與三聚物的一個原子的相互作用所產(chǎn)生(例如如上所述)。在一些實施例中，幾乎相等數(shù)量的到達(dá)樣品表面的離子束中的離子經(jīng)由He原子與三聚物原子的每個原子的相互作用而產(chǎn)生。
作為另外的實例，在某些實施例中，離子光學(xué)器件包括第一透鏡、第二透鏡、第一和第二透鏡之間的孔徑、沒有電極、并且離子光學(xué)器件被設(shè)計，使得第一透鏡可以向孔徑中開口的中心聚焦離子束，孔徑可以允許被聚焦的離子束發(fā)散并且通過孔徑，并且第二透鏡可以幫助將離子束在樣品的表面上聚焦為相對小的斑點尺寸。在這樣的實施例中，到達(dá)樣品表面的離子束可以包括由氣體原子與三聚物的3個原子的每個相互作用所產(chǎn)生的幾乎相等數(shù)量的離子。如果尖端186的頂點包括多于3個原子(例如，5或更多個的原子、7或更多個的原子、9或更多個的原子)，則離子束可以包括經(jīng)由氣體原子與尖端186的頂點的各個原子的相互作用所產(chǎn)生的幾乎相等數(shù)量的離子。
作為又一實例，在一些實施例中，離子光學(xué)器件包括第一透鏡、第二透鏡、第一和第二透鏡之間的孔徑、沒有電極、并且離子光學(xué)器件被設(shè)計，使得第一透鏡可以減小離子束的發(fā)散并且向孔徑引導(dǎo)低發(fā)散的束，孔徑可以允許基本上所有離子束中的離子通過孔徑，并且第二透鏡可以幫助將離子束在樣品的表面上聚焦為相對小的斑點尺寸。在這樣的實施例中，到達(dá)樣品的表面的離子束可以包括通過氣體原子與三聚物中的3個原子的每個的相互作用所產(chǎn)生的幾乎相等數(shù)量的離子。如果尖端186的頂點的包括多于3個原子(例如，5或更多個的原子、7或更多個的原子、9或更多個的原子)，則離子束可以包括經(jīng)由氣體原子與尖端186的頂點的各個原子的相互作用所產(chǎn)生的幾乎相等數(shù)量的離子。
作為另一實例，在某些實施例中，離子光學(xué)器件包括第一透鏡、第二透鏡、第一和第二透鏡之間的孔徑、沒有電極、并且離子光學(xué)器件被設(shè)計，使得第一透鏡可以向孔徑部分地聚焦離子束，孔徑可以遮擋從其通過的離子束中的部分離子(但是仍然允許離子束中的離子的相對大的部分通過孔徑)，并且第二透鏡可以幫助將離子束在樣品的表面上聚焦為相對小的斑點尺寸。在這樣的實施例中，到達(dá)樣品的表面的離子束可以包括通過氣體原子與三聚物中的3個原子的每個的相互作用所產(chǎn)生的幾乎相等數(shù)量的離子。如果尖端186的頂點的包括多于3個原子(例如，5或更多個的原子、7或更多個的原子、9或更多個的原子)，則離子束可以包括經(jīng)由氣體原子與尖端186的頂點的各個原子的相互作用所產(chǎn)生的幾乎相等數(shù)量的離子。
D.尖端傾斜和平移機(jī)構(gòu) 尖端操縱器208被配置以便允許尖端186在x-y平面中的平移，和尖端186相對于離子光學(xué)器件130的軸132的傾斜。圖17是顯微鏡系統(tǒng)200的一部分的截面圖，顯微鏡系統(tǒng)200包括尖端186、支撐組件520和尖端操縱器的實施例。尖端操縱器208包括軸502、穹504、肩510和平移器514。平移器514連接至軸520，軸502形成所需的尺寸，以便通過開口516固定于肩510中。軸502還連接至基508，基508又連接至組件520。肩510通過表面512和513之間的靜摩擦力位于相對于穹504的固定的位置，并且平移器514通過表面518和519之間的靜摩擦力位于相對于肩510的固定的位置。
尖端操縱器208提供了尖端186在x-y平面中的平移。為了平移尖端206，高壓氣體被引入入口503。被引入入口503的高壓氣體可以是例如室內(nèi)空氣的氣體。典型地，氣體可以以50磅每平方英寸(psi)或更大的壓力被引入(例如，75psi或更大、100psi或更大、125psi或大)。作為引入高壓氣體的結(jié)果，力離開肩510的z方向上被施加于平移器514。施加的力減小了表面518和519之間的摩擦力(但是不減小為零)，并且通過施加x-y平面中的橫向力而允許平移器514相對于肩510再定位。當(dāng)平移器514被再定位時，尖端186在x-y平面中平移。當(dāng)尖端186在其新位置時，高壓氣體的提供被關(guān)閉并且通過使用一或更多的真空泵而使尖端操縱器208的內(nèi)部抽真空而重新建立表面518和519之間的強(qiáng)靜摩擦力。由于該再建強(qiáng)摩擦力，尖端186牢固地固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 尖端操縱器208還提供了尖端186對于離子光學(xué)器件130的傾斜。為了傾斜尖端186，高壓氣體被引入入口505。被引入入口505的高壓氣體可以是例如室內(nèi)空氣的氣體。典型地，氣體可以以50磅每平方英寸(psi)或更大的壓力被引入(例如，75psi或更大、100psi或更大、125psi或大)。作為引入高壓氣體的結(jié)果，力在離開穹504的-z方向被施加于肩510。被施加的力減小了表面512和513之間的摩擦力(但是不減小為零)。肩510可以隨后通過施加橫向力而對于穹504被再定位，以在由箭頭506所指示的方向平移肩510。肩510的平移對應(yīng)于沿穹504的曲面的相對運動。由于該運動，軸132和207之間的角度(對應(yīng)于尖端186的傾斜角)改變。當(dāng)尖端186的傾斜的調(diào)整完成時，高壓氣體的供給被關(guān)閉并且通過使尖端操縱器208的內(nèi)部抽真空，表面512和513之間的強(qiáng)靜電摩擦力被重新建立。由于該再建強(qiáng)摩擦力，尖端186牢固地固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 在一些實施例中，如在圖17中所示出的，尖端操縱器208被配置，使得穹504的曲率半徑的中心與尖端186的頂點的位置重合。結(jié)果，當(dāng)尖端186被傾斜，以便改變軸132和207之間的角度時，在x-y平面內(nèi)尖端186的平移不出現(xiàn)。結(jié)果，尖端操縱器208可以被用于對準(zhǔn)經(jīng)由氣體原子與尖端原子之一的相互作用所產(chǎn)生的離子的軌跡與第一透鏡216的縱軸，而不引起尖端186對于第一透鏡216的軸的平移。
在某些實施例中，尖端操縱器208可以被配置，以便允許圍繞附加軸的旋轉(zhuǎn)運動。例如，在圖17中所示出的實施例中，當(dāng)高壓氣體被引入入口503從而減小表面518和519之間的摩擦力并且允許平移器514在x-y平面中平移時，通過對于平移器514施加合適的扭矩，平移器514還可以圍繞軸207旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)可以獨立于，或添加于尖端186的平移和尖端186的傾斜調(diào)整而進(jìn)行。
E.樣品臺 再次參考圖5，顯微鏡系統(tǒng)200包括支撐和定位樣品180的樣品操縱器140。響應(yīng)于來自電子控制系統(tǒng)170的控制信號，樣品操縱器140可以在各x、y、和z方向平移樣品180。在一些實施例中，樣品操縱器140還可以響應(yīng)控制信號而在x-y平面中旋轉(zhuǎn)樣品180。此外，在某些實施例中，樣品操縱器140可以響應(yīng)于合適的控制信號將樣品180傾斜出x-y平面之外。各個這些自由度可以被獨立地調(diào)整，以便實現(xiàn)樣品180相對于離子束192的合適的取向。
如在下面所更為詳細(xì)地描述的，在一些實施例中，通過對于操縱器140施加相對小的電位，樣品操縱器140可以相對于公共外接地或者正或者負(fù)地偏置。例如，在一些實施例中，相對于公共外接地的5V或更大的正電位偏置(例如10V或更大、20V或更大、30V或更大、40V或更大、50V或更大)可以被施加于操縱器140，以便輔助避免正荷電He離子粘附到樣品180的表面181。在某些實施例中，相對于公共外接地-200V或更大的負(fù)電位偏置(例如，-150V或更大、-100V或更大、-50V或更大、-40V或更大、-30V或更大、-20V或更大、-10V或更大、-5V或更大)可以被施加于操縱器140，以便輔助例如加速二次電子(經(jīng)由離子與樣品180的相互作用而離開樣品180的表面181)離開樣品，確保二次電子可以被合適地配置的探測器所探測。通常，施加于操縱器140的電位可以根據(jù)所研究的具體材料、He離子流、和樣品的暴露時間而按需要選擇。
F.探測器 探測器150和160在圖5中被示意性地描繪，探測器150被定位以探測來自樣品180的表面181(其中離子束碰撞的表面)的粒子，并且探測器160被定位，以便探測來自樣品180的表面183的粒子。通常，各種不同的探測器可以在顯微鏡系統(tǒng)200中被采用以便探測不同的粒子，并且顯微鏡系統(tǒng)200可以典型地包括任何期望數(shù)量的探測器。各種探測器的配置可以根據(jù)被測量的粒子和測量條件而選擇。在一些實施例中，光譜解析探測器可以被使用。這樣的探測器能夠探測不同能量和/或波長的粒子，并且根據(jù)各被探測的粒子的能量和/或波長而解析粒子。在某些實施例中，光譜解析探測器包括能夠根據(jù)粒子的能量和/或波長而引導(dǎo)粒子至探測器的不同的區(qū)的器件部分。
下面描述某些典型的探測器和探測器的布置。
(i)Everhart-Thornley探測器 Everhart-Thornley(ET)探測器可以用于探測二次電子、離子、和/或中性粒子。圖18示出了ET探測器600的示意圖，ET探測器600包括粒子選擇器601、轉(zhuǎn)換材料602、支撐604、光子探測器606、和電壓源607和608。
粒子選擇器601由導(dǎo)電材料形成。在一些實施例中，例如，粒子選擇器601可以是金屬格柵或網(wǎng)，其具有小于大約30％(例如，小于25％、小于20％、小于10％、小于5％)的金屬填充因數(shù)。因為格柵主要的是開放空間，所以在格柵上碰撞的粒子可以相對未受阻礙地通過。
在某些實施例中，粒子選擇器601由金屬環(huán)或管形成。例如，粒子選擇器601可以是形狀基本為圓柱的環(huán)或管，具有允許粒子通過環(huán)或管的內(nèi)部開口。環(huán)或管可以由高導(dǎo)電金屬形成，例如銅或鋁。
更普遍地，粒子選擇器601可以由任何包括粒子通過的通道的開口電極結(jié)構(gòu)形成。粒子選擇器601可以由一或更多的電極形成，并且施加于一或更多電極的電位通常可以根據(jù)被測量的粒子的類型而按期望選擇。
轉(zhuǎn)換材料602由與荷電粒子(例如，粒子，電子)的相互作用時可以形成光子的材料形成。典型的材料包括磷光體材料和/或閃爍體材料(例如，結(jié)晶材料，例如釔鋁石榴石(YAG)和釔鋁磷酸鹽(YAP))。支撐604由對于由轉(zhuǎn)換材料602所形成的光子相對透明的材料形成。
在工作期間，電壓源607對于粒子選擇器601(由導(dǎo)電材料形成)施加相對小的大小的電壓(例如，500V或更小、例如從100V至500V)，并且電壓源608施加相對大的大小的電壓(例如5kV或更大、10kV或更大)至轉(zhuǎn)換材料602。在其中ET探測器用于測量來自樣品180的電子(例如，二次電子)的實施例中，施加于粒子選擇器601和轉(zhuǎn)換材料602的電壓的符號相對于樣品180是正的。在其中ET探測器用于測量來自樣品180的離子(例如，二次離子，散射離子)的實施例中，施加于粒子選擇器601和轉(zhuǎn)換材料602的電壓的符號相對于樣品180是負(fù)的。在某些實施例中，樣品180還可以被偏置(相對于公共外接地)，以便輔助將來自樣品180的粒子傳送至探測器600。例如，當(dāng)ET探測器用于從樣品180測量二次電子時，樣品可以相對于公共外接地被負(fù)偏置。施加負(fù)電位偏置至操縱器140可以尤為有用，例如，當(dāng)探測在樣品中的高縱橫比(例如深)洞或通孔中所產(chǎn)生的二次電子時。相對于公共外接地的負(fù)電位偏置可以輔助使得電子加速出于孔或通孔之外且離開樣品，使得電子的探測更為容易。在缺少負(fù)偏置時，許多二次電子可以在沿孔或通孔壁的點而重新進(jìn)入樣品，永遠(yuǎn)不逃逸孔或通孔而被探測。
樣品180可以被正偏置，例如，當(dāng)ET探測器用于測量來自樣品的粒子時。施加的偏置樣品的電位的大小可以是5V或更大(例如，10V或更大、15V或更大、20V或更大、30V或更大、50V或更大、100V或更大)。
來自樣品180的荷電粒子610(例如，電子或離子)被吸引至粒子選擇器601，通過粒子選擇器601，并且被加速向轉(zhuǎn)換材料602。荷電粒子610隨后與轉(zhuǎn)換材料602碰撞，產(chǎn)生光子612。光子612通過支撐604并且被光子探測器606所探測。
雖然已經(jīng)相對于測量荷電粒子描述了ET探測器的工作，但是ET探測器還可以用于探測中性粒子，因為，通常撞擊在轉(zhuǎn)換材料602上的粒子不必是荷電的以便產(chǎn)生光子。具體地，撞擊在轉(zhuǎn)換材料602上的來自樣品180的一次原子可以產(chǎn)生光子而被光子探測器606探測。光子探測器606可以是，例如光電倍增管(PMT)、二極管、二極管陣列、或CCD相機(jī)。
ET探測器可以定位于相對于樣品180的任何位置，以便探測中性或荷電粒子。典型地，例如，ET探測器被定位于相鄰于離子光學(xué)器件130的第二透鏡226。選擇性地，ET探測器還可以被定位，使得其向樣品180稍稍向下傾斜(例如，以在圖5中對于探測器150的描述相似的配置)。
在某些實施例中，ET探測器可以被定位于樣品180的表面183附近。這樣的配置可以是期望的，例如，當(dāng)尋求測量從表面183出現(xiàn)的來自樣品180的二次電子時(例如，在被透射通過樣品180之后)。在這樣的實施例中，ET探測器可以具有相似于在圖5中的探測器160的配置的配置。
(ii)光子探測器 為了探測通過離子與樣品180的相互作用所產(chǎn)生的光子，例如PMT的標(biāo)準(zhǔn)光子探測器可以被使用。如果從樣品180發(fā)出的光通量足夠大，則可以使用靈敏度較低的光子探測器，例如二極管、二極管陣列、和CCD相機(jī)。
在一些實施例中，光子探測器還可以包括各種可以被配置的光學(xué)元件，例如，以便隔離所關(guān)注的特定的光信號與其它光信號。例如，在某些實施例中，光子探測器可以包括例如濾波器的光學(xué)元件，以便在從樣品180發(fā)出的光子信號中選擇特定的波帶，這可以提供關(guān)于樣品180的材料成份的信息。濾光器可以，例如，遮擋不期望波長的光子(例如，通過吸收不期望波長的光子，通過反射不期望的波長的光子，通過偏轉(zhuǎn)不期望的波長的光子)。在一些實施例中，光學(xué)元件可以通過空間上發(fā)散不同的波長而提供頻譜解析(例如，測量由樣品180所產(chǎn)生的光譜)，(例如，比如一或更多光柵的衍射元件，和/或比如一或更多棱鏡的折射元件，和/或一或更多提供光子的波長解析探測的光譜儀系統(tǒng))。在一些實施例中，光子探測器可以包括比如波板和/或偏振器的偏振操縱元件。這些偏振操縱元件可以被配置，以便允許僅具有被選擇的偏振狀態(tài)的光子到達(dá)PMT，例如，允許從樣品180發(fā)出的光信號的偏振選擇探測(例如，為了輔助確定樣品180的晶向信息)。在某些實施例中，光子探測器還可以包括例如鏡子、透鏡、分束器的光學(xué)元件和用于重新定向和操縱入射光子(例如，為了增加被探測的光子的立體角)的其它元件。
通常，光子探測器可以被定位，以便在與樣品180的任何期望的角度和距離探測光子。例如，在某些實施例中，光子探測器可以被定位，以便探測從表面181(離子束192被入射的樣品180的表面)發(fā)出的光子，或從表面183(與離子束192被入射的表面相對的樣品180的表面)發(fā)出的光子。選擇性地，多個光子探測器可以被使用和配置，以便從樣品180的表面181(離子束撞擊的表面)，183(與離子束撞擊的相對側(cè)的表面)和/或其它表面探測光子。
對于一些樣品，光子根據(jù)在樣品180中出現(xiàn)的光學(xué)過程的選擇規(guī)則而在特定方向被散射，并且來自樣品180的光子產(chǎn)率的角度解析測量可以提供，例如，關(guān)于樣品180的材料成份信息。
(iii)微通道板探測器 在一些實施例中，微通道板探測器可以用于放大來自樣品180的二次電子、中性原子、或離子的流。微通道板典型地由例如熔融石英的材料形成，并且通常包括以陣列形式布置的大量小直徑的通道。粒子進(jìn)入單獨的通道并且與通道壁碰撞，產(chǎn)生自由電子。典型地，在粒子(中性原子、離子、或電子)與通道壁的碰撞時產(chǎn)生了多個自由電子。結(jié)果，對應(yīng)于輸入粒子信號的放大的級連電子信號離開微通道板。
微通道板基探測器(其可以包括一或更多的微通道板)可以被配置，以探測來自樣品180的離子、二次電子、和/或中性原子。從樣品180形成的中性粒子，和/或離子(例如二次離子和原子，散射離子和一次原子)通常離開樣品180的表面181(離子束撞擊的表面)。因而，配置得測量來自樣品180的中性粒子和/或離子的微通道板基探測器通常位于相似于在圖1和5中所描述的探測器150的位置的位置。但是，在某些實施例中，中性粒子和/或離子(例如透射的離子)可以被研究。在這樣的實施例中，微通道板基探測器可以位于相似于在圖1和5中的探測器160的位置的位置。二次電子可以或者從樣品180的表面181(離子束撞擊的表面)或者從樣品180的表面183(離子束撞擊的對側(cè)的表面)被探測，并且被配置得探測來自樣品180的二次電子的微通道板基探測器位于與在圖1和5中所描述的探測器150和/或160的位置相似的位置。
微通道板放大輸入粒子信號并且轉(zhuǎn)換輸入信號為輸出電子信號。為了視覺化輸出電子信號，微通道板基探測器還可以包括轉(zhuǎn)換材料、屏幕、光子探測器(見上面的描述)。
在一些實施例中，微通道板被直接固定于離子光學(xué)器件130的元件。圖19示出了直接安裝于第二透鏡226的微通道板探測器620的截面圖。第二透鏡226具有圓錐形狀，具有平坦的下表面622。探測器620直接安裝于表面622。當(dāng)樣品180被暴露于離子束192時，來自樣品180的離子、二次電子、和/或中性原子(共同地由箭頭624指示)可以被微通道板探測器620所探測。探測器620記錄與被探測的粒子流成比例的電流，其可以被傳送至電子控制系統(tǒng)170。
(iv)轉(zhuǎn)換板 在一些實施例中，轉(zhuǎn)換板可以被用于探測來自樣品180的離子(例如，散射離子，二次離子)或來自樣品180的中性粒子(例如，一次中性He原子)。典型地，轉(zhuǎn)換板可以由薄箔材料形成，當(dāng)被入射光子或原子撞擊時，具有高二次電子產(chǎn)率。這樣的材料的實例是鉑。二次電子產(chǎn)率產(chǎn)生容易被探測的二次電子的豐度，例如，通過被配置的合適的電子探測器，例如，如探測器150和/或160(圖1和5)。
(v)通道倍增器探測器 通道倍增器探測器也可以用于探測離開樣品180的例如電子、離子和中性原子的粒子。通道倍增器探測器通過放大通過以結(jié)合微通道板探測器所描述的相似的方式的多內(nèi)部碰撞來放大粒子信號而工作。通過測量由通道倍增器探測器輸出的放大的粒子信號，來自樣品180的相對弱的二次電子、離子、或中性原子通量的測量是可能的(例如，使用電子控制系統(tǒng)170)。當(dāng)測量來自樣品180的二次電子時，通道倍增器探測器可以定位于在圖1和5中所描述的探測器150和/或160相似的位置。典型地，對于來自樣品180的離子和/或中性粒子的測量，通道倍增器探測器定位于與圖1和5中所描述的探測器150的位置和/或160的位置相似的位置。
(vi)磷光體探測器 包括沉積于透明襯底頂上的磷光體材料的薄層的磷光體基探測器，和例如CCD相機(jī)、PMT、或一或更多二極管的光子探測器，可以用于探測來自樣品180的電子、離子和/或中性粒子。粒子撞擊磷光體層，從熒光體引起被光子探測器所探測的光子的發(fā)射。磷光體基探測器可以被布置在與在圖1和5中所描述的探測器150和/或160的位置相似的位置，取決于被測量的粒子的類型(見上述討論)。
(vii)固態(tài)探測器 固態(tài)探測器可以用于探測來自樣品180的二次電子、離子、和/或中性原子。固態(tài)探測器可以由例如硅的材料，或摻雜的硅材料形成的傳感器建造。當(dāng)入射粒子撞擊傳感器時，在傳感器材料中產(chǎn)生電子-空穴對，產(chǎn)生可以被電子控制系統(tǒng)170所探測的電流。由入射粒子所產(chǎn)生的電子-空穴對的數(shù)量，并且因而所產(chǎn)生的電流的對應(yīng)的大小，部分取決于粒子的能量。因而，固態(tài)探測器可以對于粒子的能量測量尤其有用，當(dāng)探測來自樣品180的高能粒子時(例如，散射的He離子和中性He原子)，這尤為有利。
(viii)閃爍體探測器 相似于磷光體基探測器，閃爍體基探測器包括響應(yīng)被入射粒子(例如電子、離子、或中性原子)撞擊而產(chǎn)生光子的閃爍體材料。合適的閃爍體材料包括，例如YAG和YAP。閃爍體基探測器中的光子產(chǎn)率取決于入射粒子的能量。結(jié)果，閃爍體探測器可以對于粒子的能量測量尤其有用，當(dāng)探測來自樣品180的高能粒子(例如，散射的He離子和中性He原子)時，這可以尤為有利。
(ix)離子的能量探測器 各種不同的探測器和探測方法可以被實施，以便測量來自樣品180的離子的能量(例如，散射的He離子)。靜電棱鏡探測器，其中電和/或磁場被用于偏轉(zhuǎn)入射離子，其中偏轉(zhuǎn)量取決于離子的能量，可以用于空間分離具有不同能量的離子。磁棱鏡探測器也可以用于根據(jù)離子的能量而空間分離離子。上述任何合適的探測器(例如，微通道板，通道倍增器，和其它)可以隨后用于探測被偏轉(zhuǎn)的離子。
四極探測器也可以被用于分析來自樣品180的離子的能量。在四極探測器中，四極內(nèi)的射頻(RP)場確保具有被選擇的質(zhì)量和能量的離子在四極內(nèi)沿直的，未被偏轉(zhuǎn)的軌跡傳播。具有不同質(zhì)量和/或能量的離子在四極內(nèi)沿彎曲的軌跡傳播。從四極分析器內(nèi)離子的被偏轉(zhuǎn)的位置，可以確定離子的能量。
在一些實施例中，通過沿離子的飛行路徑并且在探測器前放置正偏置的粒子選擇器(例如，導(dǎo)電材料的絲網(wǎng)或網(wǎng)格，或圓柱型金屬管或環(huán))，而可以確定離子能量。施加于粒子選擇器601的電位的大小可以初始時非常高(例如，確保避免來自樣品180的離子通過其的值)，并且當(dāng)使用合適的探測器探測離子時(見上述討論)，電位的大小可以被減小。作為粒子選擇器上電位偏置的大小的函數(shù)的到達(dá)探測器的離子的流可以被用于確定與離子能量相關(guān)的信息。
(x)電子的能量探測器 各種不同的探測器和探測方法可以被實施，以便測量來自樣品180的電子的能量(例如，二次電子)。棱鏡探測器可以用于空間分離具有不同能量的電子，在棱鏡探測器中，電和/或磁場被用于偏轉(zhuǎn)入射電子，其中偏轉(zhuǎn)量取決于電子的能量，。磁棱鏡探測器也可以用于空間分離具有不同能量的電子。上述任何合適的探測器則可以用于探測被偏轉(zhuǎn)的電子。
在一些實施例中，通過沿電子的飛行路徑并且在探測器前放置負(fù)偏置的粒子選擇器(例如，導(dǎo)電材料的絲網(wǎng)或網(wǎng)格，或圓柱型金屬管或環(huán))而可以確定電子能量。粒子選擇器601的電位的大小可以初始時非常高(例如，確保避免來自樣品180的電子通過其的值)，并且當(dāng)使用合適的探測器探測電子時(見上述討論)，電位的大小可以被減小。作為粒子選擇器上電位偏置的大小的函數(shù)的到達(dá)探測器的電子的流可以被用于確定電子能量的信息。
(xi)飛行時間探測器 上面公開的探測器還可以被配置，以便測量二次電子、離子、和中性原子的飛行時間的信息。為了進(jìn)行飛行時間探測，離子束192在脈沖模式工作。例如，通過迅速地改變施加于一或兩個偏轉(zhuǎn)器220和222的電位，離子束192可以被脈沖化。例如通過增加這些電位，離子束192可以從其在離子光學(xué)器件130中的通常路徑轉(zhuǎn)向，使得離子束192臨時被孔徑224遮擋。如果隨后偏轉(zhuǎn)器220和222的電位在被再次增加之前短時間恢復(fù)其正常值，則He離子的脈沖可以被傳送至樣品180。
同時，探測器150和160可以同步于來自電子控制系統(tǒng)170的時鐘信號，電子控制系統(tǒng)170基于施加于偏轉(zhuǎn)器220和/或222的電位的時間變化。結(jié)果，He離子脈沖發(fā)出和來自樣品180的粒子的探測之間的時間間隔可以被精確地測量。從關(guān)于離子光學(xué)器件130內(nèi)的He離子脈沖的傳播時間的已知信息，樣品180和探測器150和/或160之間被探測的粒子的飛行時間可以被確定。
(xii)角相關(guān)測量 除了測量來自樣品180的粒子的相對豐度和能量之外，角相關(guān)散射信息可以使用上面公開的探測器而獲得。典型地，為了獲得角相關(guān)信息，探測器固定于允許探測器在樣品180周圍的立體角的整個范圍內(nèi)運動的支架(例如，旋轉(zhuǎn)支架)。在對應(yīng)于特定立體角的相對于樣品180的給定的取向，記錄粒子的豐度和/或能量測量。探測器順序地在不同的立體角再定位并且重復(fù)進(jìn)行測量，以便確定所測量的量的角相關(guān)性。在一些實施例中，例如針孔的限制孔徑可以被放置在被散射的粒子的路徑中的探測器前，以便進(jìn)一步限制出現(xiàn)來自樣品180的粒子的測量的角度范圍。
G.工作參數(shù) 離子束192在樣品180的表面181上可以具有相對小的斑點尺寸。例如，在一些實施例中，樣品180的表面181上的離子束192的斑點尺寸可以具有10nm或更小的尺寸(例如，9nm或更小、8nm或更小、7nm或更小、6nm或更小、5nm或更小、4nm或更小、3nm或更小、2nm或更小、1nm或更小)。在某些實施例中，樣品180的表面181上離子束192的斑點尺寸可以具有0.05nm或更大的尺寸(例如，0.1nm或更大、0.2nm或更大、0.25nm或更大、0.5nm或更大、0.75nm或更大、1nm或更大、2nm或更大、3nm或更大)。在一些實施例中，表面181上離子束192的斑點尺寸具有從0.05至10nm的尺寸(例如，從0.1nm至10nm、0.2nm至10nm、0.25nm至3nm、0.25nm至1nm，0.1nm至0.5nm、0.1nm至0.2nm)。如在此所使用的，斑點尺寸如下參考圖20A-20C所確定。由金形成并且具有從50nm至2000nm尺寸的島1700被布置在碳表面1710上。例如，通過在碳表面上金的氣相沉積而形成金島。適于在此所描述的解析測量的包括沉積在碳上的金島的測量樣品，可以在市場上從例如Structure Probe Inc.(West Chester，PA)獲得。離子顯微鏡工作，使得它移動離子束192線性地掃過金島的一部分，以及金島一側(cè)上的碳表面的該部分(箭頭1730)。二次電子的強(qiáng)度作為離子束的位置的函數(shù)被測量(圖20C)。漸近線1740和1750被計算(或繪制)，對應(yīng)于碳和金的平均總豐度值，并且垂直線1760和1770被計算(或繪制)，分別對應(yīng)于總豐度是漸近線1740和1750的之間的豐度差的25％和75％的位置。離子顯微鏡200的斑點尺寸是線1760和1770之間的距離。
通常，樣品180的表面181的離子束192的流是1nA或更小(例如，100pA或更小、50pA或更小)，和/或0.1fA或更大(例如，1fA或更大、10fA或更大、50fA或更大、100fA或更大、1pA或更大、10pA或更大)。例如，在一些實施例中，樣品180的表面181處的離子束192的流是從0.1fA至1nA(例如，從10fA至100pA，從100fA至50pA)。在某些實施例中，當(dāng)成像樣品時可以期望使用相對低的束流。例如，在一些生物學(xué)和/或藥物學(xué)應(yīng)用中，為了在樣品中成像，使用低流可能更為重要(例如，為了減小損傷樣品的可能性)。在這樣的實施例中，一個流可以被用于制備使用的氣體場離子顯微鏡(例如，10fA或更大的流)，并且不同的流可以用于成像樣品(例如，小于1fA的流，例如0.1fA)。
通常，離子束192具有在樣品180的表面181處5eV或更小的能量擴(kuò)展度(例如，4eV或更小、3eV或更小、2eV或更小、1eV或更小、0.5eV或更小)。在一些實施例中，離子束192具有在樣品180的表面181處0.1eV或更大的能量擴(kuò)展度(例如，0.2eV或更大、0.3eV或更大、0.4eV或更大)。例如，離子束192可以具有在樣品180的表面181處從0.1eV至5eV的能量擴(kuò)展度(例如，從0.1eV至3eV，從0.1eV至1eV)。
離子束192在樣品180的表面181處可以具有相對高的亮度。例如，離子束192在樣品180的表面181可以具有1×109A/cm2sr的亮度(例如，1×1010A/cm2sr或更大、1×1011A/cm2sr或更大)。在一些實施例中，可以通過增加相鄰于尖端186的氣體壓力和/或減小尖端186的溫度而增加亮度。如在此所述，離子束的亮度如下測量。離子束192中離子軌跡的分布的FWHM在提取器190和第一透鏡216之間的間隔的區(qū)域中被在x和y兩個方向確定-在該區(qū)域凈電場相對小并且離子軌跡接近于直線。落在x和y兩個方向的FWHM寬度內(nèi)的總共100個離子軌跡從離子束192中的離子軌跡分布被隨機(jī)選擇。各個100個離子軌跡接近于直線，并且被投射回尖端頂點187。在沿z軸的特定點zt的軌跡的空間范圍通過在平行于x-y平面并且通過點zt的Zt平面中，構(gòu)造包圍所有向回傳播的軌跡與平面Zt的交叉點的最小直徑的圓來評估。最小直徑的圓的直徑是ds。典型地，對于越接近于尖端頂點187的點zt，ds越小并且對于越接近于樣品180的點zt，ds越大。在特定的點zt＝Z0，ds是最小值d0。即平行于x-y平面的平面中軌跡的空間范圍最小。在點Z0的最小直徑的圓的直徑d0被稱為顯微鏡系統(tǒng)200的虛源尺寸。接著，測量提取器190和第一透鏡216之間的離子束192的FWHM區(qū)中離子束192的發(fā)散和束流，如上面所討論的。最后，亮度被計算為束流除以虛源尺寸和離子束192的立體發(fā)散角的乘積。
離子束192在樣品180的表面181可以具有相對高的減小的亮度。例如，離子束192在樣品180的表面181可以具有5×108A/m2srV或更大的減小的亮度(例如，1×109A/m2srV或更大、1×1010A/m2srV或更大)。如在此所稱，離子束的減小的亮度是在束流被測量的位置、離子束的亮度除以離子束中的離子的平均能量。
離子束192在提取器190的遠(yuǎn)端193可以具有相對低的etendue。例如，離子束192在提取器190的遠(yuǎn)端193可以具有5×10-21cm2sr或更小的etendue(例如，1×10-22cm2sr或更小、1×10-23cm2sr或更小、1×10-23cm2sr或更小、1×10-24cm2sr或更小)。如在此所述，離子束的etendue被計算為亮度的倒數(shù)和束流的數(shù)學(xué)乘積。
離子束192在提取器190的遠(yuǎn)端193可以具有相對低的減小的etendue。例如，離子束192在提取器190的遠(yuǎn)端193可以具有1×10-16cm sr或更小的減小的etendue(例如，1×10-17cm2sr或更小、1×10-18cm2sr或更小、1×10-19cm2sr或更小)。離子束的減小的etendue是在束流被測量的位置、離子束的etendue和離子束中離子的平均能量電荷比(energy-to-charge)的乘積。
離子束192相對于樣品180的表面181可以具有相對低的角會聚。例如，在一些實施例中，離子束192的會聚的半角可以是5mrad或更小(例如，1mrad或更小、0.5mrad或更小、0.1mrad或更小)，和/或0.05mrad或更大。如在此所述，離子束的會聚半角如下確定。包括在碳襯底頂上的金島的樣品，如上面所描述的，被安裝在離子顯微鏡200中并且在z方向平移，使得離子束192的焦點的位置位于，盡可能地靠近沿金島的直徑的最高高度的點。離子束192隨后沿金島的直徑被直線平移并且離子束的聚焦的斑點的尺寸sf被測量，如上面所描述的。樣品隨后在+z方向被平移，距離子光學(xué)器件130離開sz＝1μm，并且離子束192沿金島的相同的直徑被線性平移，以便測量離子束192的散焦斑點尺寸sd。隨后會聚角η可以從聚焦和散焦的斑點尺寸、以及平移距離的測量用三角學(xué)方法確定為， 離子顯微鏡200的會聚半角是η/2。
離子顯微鏡200可以是高可靠性的。舉例而言，在一些實施例中，He離子源(尖端186、提取器190和選擇性的抑制器188)能夠持續(xù)地與氣體原子相互作用，以便在一周或更長的時間周期產(chǎn)生離子束(例如，2周或更長、一個月或更長、兩個月或更長)，沒有從系統(tǒng)去除尖端186。在一些實施例中，在He離子源持續(xù)地與氣體原子相互作用產(chǎn)生離子束的時間周期期間，在樣品180的表面181的離子束192的流變化了10％或更小(例如，5％或更小、1％或更小)每分鐘。
作為另一實例，在一些實施例中，氣體場離子源(尖端186，提取器190和選擇性的抑制器188)能夠持續(xù)地與氣體原子相互作用，以便在一周或更長的時間周期產(chǎn)生離子束(例如，2周或更長、一個月或更長、兩個月或更長)，總的中斷時間為10小時或更短(例如，5小時或更短、2小時或更短、1小時或更短)。在這樣的實施例中，氣體場離子源可以與氣體原子相互作用以便在整個時間周期持續(xù)地產(chǎn)生離子束(對應(yīng)于零小時的總中斷時間)，但這不是必需的。例如，在時間周期期間，可以存在氣體場離子顯微鏡不與氣體原子相互作用產(chǎn)生離子束的時間。這樣的時間周期對應(yīng)于中斷時間。在該時間周期中，這樣的中斷時間可以出現(xiàn)一次或多于一次(例如，2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次)。中斷可以是由于例如，計劃維修，意外的維修，和/或換班之間的停機(jī)(例如，通宵停機(jī))。在該時間周期期間，中斷時間的總和是總中斷時間。舉例而言，如果在時間周期期間有3次中斷，每次1小時，則總中斷時間是3小時。作為另一實例，如果在時間周期期間僅有1次中斷并且是3小時長，則總中斷時間是3小時。作為又一實例，如果在時間周期期間有2次中斷，第一次中斷的時間是1小時并且第二次中斷的時間是2小時，則總中斷時間是3小時。在一些實施例中，對于在時間周期期間當(dāng)氣體長離子源與氣體原子相互作用產(chǎn)生離子束的那些時間，在樣品180的表面181離子束192的流變化了10％或更小(例如，5％或更小、1％或更小)每分鐘。
離子顯微鏡200可以具有相對良好的分辨率。例如，在一些實施例中，離子顯微鏡200的分辨率可以是10nm或更小(例如，9nm或更小、8nm或更小、7nm或更小、6nm或更小、5nm或更小、4nm或更小、3nm或更小、2nm或更小、1nm或更小)。在某些實施例中，離子顯微鏡200的分辨率可以是0.05nm或更大(例如，0.1nm或更大、0.2nm或更大、0.25nm或更大、0.5nm或更大、0.75nm或更大、1nm或更大、2nm或更大、3nm或更大)。在一些實施例中，離子顯微鏡200的分辨率可以是從0.05nm至10nm(例如，從0.1nm至10nm、從0.2nm至10nm、從0.25nm至3nm、0.25nm至1nm、0.1nm至0.5nm、0.1nm至0.2nm)。如在此所使用的，離子束的分辨率是指從使用離子顯微鏡獲得的圖像可以被可靠地測量的最小特征的尺寸。特征的尺寸被可靠地測量，如果從在相似條件下獲得的特征的10個圖像，它可以在特征的實際尺寸的10％或更小的誤差內(nèi)被確定，并且具有小于特征的實際尺寸的小于5％的被測量尺寸的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
離子顯微鏡200可以被用于在相對短的時間周期中攝取良好質(zhì)量的圖像。例如，離子顯微鏡200可以具有0.25或更大的品質(zhì)因數(shù)(例如，0.5或更大、0.75或更大、1或更大、1.5或更大、2或更大)。如在此所述，品質(zhì)因數(shù)如下確定。一平坦的樣品(其一半由硅(Si)形成并且另一半由銅(Cu)形成，具有材料之間的為橫過樣品的直線的邊界)被定位使得邊界平行于y軸被取向。樣品通過再劃分樣品的表面為512像素乘512像素的x-y陣列而被逐像素地成像。測量期間每個像素的駐留時間是100ns。來自樣品的二次電子的總豐度被測量為樣品的表面上的離子束的位置的函數(shù)。對于對應(yīng)于樣品中的Si的圖像像素，確定了平均像素強(qiáng)度G1，以及來自Si像素強(qiáng)度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差SD1。對于對應(yīng)于樣品中的Cu的圖像像素，確定了平均像素強(qiáng)度G2，以及來自Cu像素強(qiáng)度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差SD2。品質(zhì)因數(shù)根據(jù)下列方程計算 當(dāng)被暴露于離子束192時，樣品180的表面181可以經(jīng)歷相對小的損傷。例如，根據(jù)損傷試驗，樣品180的表面181可以具有25nm或更小的值(例如，20nm或更小、15nm或更小、10nm或更小、5nm或更小)。如在此所述，損傷試驗如下進(jìn)行。當(dāng)使用10pA的樣品的離子束流和10nm或更小的樣品的離子束的斑點尺寸，將離子束逐像素地柵掃描過樣品的表面時，4平方μm視場的原子級平坦硅(99.99％純度)樣品被成像120秒。為了柵掃描的目的，4平方μm的視場被分解為512像素乘512像素的像素陣列。損傷試驗的值對應(yīng)于損傷試驗導(dǎo)致的蝕刻入硅樣品的成像部分的最大距離。
離子顯微鏡200可以具有相對大的聚焦深度。例如，在一些實施例中，離子顯微鏡200的聚焦深度可以是5nm或更大(例如，10nm或更大、100nm或更大、1μm或更大)，和/或200μm或更小(例如，100μm或更小、10μm或更小)，在一些實施例值，離子顯微鏡200的聚焦深度可以從200μm至5nm(例如，從500μm至5nm、從1mm至5nm)。如在此所使用的，離子束的聚焦深度以如下方式被測量。包括在碳襯底上形成的金島的樣品(如先前結(jié)合He離子束斑點尺寸的測量所討論的)被插入He離子顯微鏡，并且如上所述進(jìn)行He離子束斑點尺寸的測量。樣品的沿z軸位置重復(fù)地調(diào)整，使得產(chǎn)生最小的He離子束斑點尺寸的樣品的位置被確定。該沿z軸的位置被稱為zf。He離子束在zf的斑點尺寸被稱為ssf。樣品隨后沿-z方向相對于zf以增量平移。在連續(xù)地增量平移之后，進(jìn)行He離子束的斑點尺寸的測量(在用于確定zf的樣品上的相同位置)。當(dāng)被測量的He離子束斑點尺寸是2ssf時，樣品的平移被停止。該沿z軸的樣品的位置被稱為zu。然后，樣品沿+z方向相對于zu以增量平移，并且通過點Zf。在連續(xù)地增量平移之后，進(jìn)行He離子束的斑點尺寸的測量(在用于確定zf的樣品上的相同位置)。當(dāng)被測量的He離子束斑點尺寸是2ssf時，樣品的平移被停止。該沿z軸的樣品的位置被稱為zl。He離子顯微鏡的焦點深度df由df＝|zl-zu|計算。
在一些實施例中，如在此所公開的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以被用于辨別具有非常接近的原子量(Z值)的樣品中的元素，使用例如二次電子產(chǎn)率，散射離子豐度，和/或角度解析和能量解析的散射離子的探測。例如，在某些實施例中，氣體場離子顯微鏡可以用于辨別具有原子量(Z值)僅差別1的元素。
在某些實施例中，如在此所公開的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以用于辨別具有非常接近的質(zhì)量的樣品中的元素，例如，使用二次電子產(chǎn)率，散射離子豐度，和/或角度解析和能量解析的散射離子的探測。在某些實施例中，氣體場離子顯微鏡可以用于辨別具有僅差別1原子質(zhì)量單位或更小的質(zhì)量單位(例如，0.9原子質(zhì)量單位或更小、0.8原子質(zhì)量單位或更小、0.7原子質(zhì)量單位或更小、0.6原子質(zhì)量單位或更小、0.5原子質(zhì)量單位或更小、0.4原子質(zhì)量單位或更小、0.3原子質(zhì)量單位或更小、0.2原子質(zhì)量單位或更小、0.1原子質(zhì)量單位或更小)的質(zhì)量的元素。在一些實施例中，樣品可以具有由具有不同平均質(zhì)量的材料(例如合金)形成的疇。在這樣的實施例中，氣體場離子顯微鏡可以，例如，被用于辨別具有僅差別1原子質(zhì)量單位或更小的質(zhì)量單位(例如，0.9原子質(zhì)量單位或更小、0.8原子質(zhì)量單位或更小、0.7原子質(zhì)量單位或更小、0.6原子質(zhì)量單位或更小、0.5原子質(zhì)量單位或更小、0.4原子質(zhì)量單位或更小、0.3原子質(zhì)量單位或更小、0.2原子質(zhì)量單位或更小、0.1原子質(zhì)量單位或更小)的質(zhì)量的材料的疇。
H.選擇性特征 (i)高效氣體使用 在一些實施例中，對于尖端206的更為集中的He氣體的傳送可以增加顯微鏡系統(tǒng)200內(nèi)的He氣體的利用效率。典型地，未被離子化的He氣體原子可以進(jìn)入離子光學(xué)器件130，這可以增加離子束192中的離子的能量分布的寬度。另外，低能量的未被離子化的He氣體原子可以參加與高能量He離子的電荷交換相互作用，這也可以增加離子束192中的離子的能量分布的寬度。
因而，在一些實施例中，氣體傳送系統(tǒng)可以被設(shè)計為以更為對準(zhǔn)目標(biāo)的方式提供氣體(例如He氣體)至氣體場離子源120的尖端186，并且以更為有效的方式從系統(tǒng)去除未使用的氣體(例如，未被離子化的He氣體)。例如，圖21時包括氣體源110和真空泵734的氣體場離子顯微鏡的部分的示意圖。氣體源110包括長度q并且直徑n、終止于傳送噴嘴736的傳送管730，并且真空泵734包括入口部732。噴嘴736定位于距離尖端186的頂點187的距離g，并且入口部732定位于距離尖端186的頂點187的距離1。
在一些實施例中，g可以是10mm或更小(例如，9mm或更小、8mm或更小、7mm或更小)。典型地，g是3mm或更大(例如，4mm或更大、5mm或更大、6mm或更大)。例如，g可以是從3mm值10mm(例如，從4mm至9mm，從5mm至8mm)。
在某些實施例中，1可以是100mm或更小(例如，90mm或更小、80mm或更小、70mm或更小、60mm或更小、50mm或更小)。典型地，1是10mm或更大(例如，20mm或更大、30mm或更大、40mm或更大)。例如，1可以是從10mm至100mm(例如，從30mm至100mm、從40mm至80mm)。
在一些實施例中，在尖端186的頂點187的位置He氣體的局部壓力是10-5Torr或更大(例如，10-4Torr或更大、10-3Torr或更大、10-2Torr或更大、10-1Torr或更大、1Torr或更大)。同時，相對于采用He氣背景引入的系統(tǒng)，顯微鏡系統(tǒng)中的He氣的整體壓力可以被減小。例如，顯微鏡系統(tǒng)200中的整體He壓力可以是10-4Torr或更小(例如，10-5Torr或更小、10-6Torr或更小、10-7Torr或更小、10-8Torr或更小)。
在一些實施例中，距離1和入口部732的截面面積被選擇，使得真空泵734俘獲顯微鏡系統(tǒng)200的特定立體角內(nèi)的未被離子化的He原子。例如，對于定位于尖端186的頂點187的He原子，由入口732對向的立體角是5°或更大(例如，10°或更大、15°或更大、20°或更大、30°或更大、40°或更大)。
通常，傳送管703的長度q與管730的直徑n的比率可以被選擇，以便控制被傳送至尖端186的He氣原子的軌跡的分布。例如，在一些實施例中，比例q/n比可以是3或更大(例如，4或更大、5或更大、6或更大)和/或10或更小(例如，9或更小、8或更小、7或更小)。在某些實施例中，q/n比可以在3和10之間(例如，3和9之間、4和9之間、4和8之間、5和8之間、5和7之間)。
在一些實施例中，氣體傳送系統(tǒng)可以包括多于一個傳送管和噴嘴。例如，在某些實施例中，氣體傳送系統(tǒng)可以包括2個或更多的氣體傳送管(例如，3個或更多、4個或更多、5個或更多、6個或更多)。多個氣體傳送管的每個可以被定位以便以相對定向的方式傳送He氣至尖端186。作為使用多個氣體傳送管的結(jié)果，可以進(jìn)一步增加在尖端186的頂點187的位置的He氣的局部壓力。一或更多的真空泵可以被用于從顯微鏡系統(tǒng)200去除未被離子化的He氣。
在一些實施例中，氣體傳送管730可以被引入氣體的其它器件。例如，在某些實施例中，為了提取器190和/或抑制器188中的氣體傳送，氣體傳送管730可以由一或更多的通路形成(例如，2或更多的通路、4或更多的通路、6或更多的通路)。在一些實施例中，用于氣體傳送的一或更多的通路(例如，2或更多的通路、4或更多的通路、6或更多的通路)可以被設(shè)置于支撐尖端186的支柱中(例如，支柱522a/b和522)。舉例而言，在某些實施例中，提取器190可以包括用對于尖端186的氣體傳送的4個通路。通路可以被相等地分隔并且沿提取器190的周邊被徑向地布置，使得各通路的開口直接面對尖端186。各通路的長度對直徑比可以是相同的或不同的。
通過將氣體傳送管引入氣體顯微鏡200的其他元件可以實現(xiàn)許多優(yōu)點。例如，使用放置得用于氣體傳送的接近尖端186的金屬管730可以干擾尖端186附近的電場。將氣體傳送管引入顯微鏡系統(tǒng)的其他元件可以消除這樣的干擾。作為另一實例，尖端186附近的空間區(qū)典型地與操作顯微鏡系統(tǒng)200的電極和其它裝置擁擠。通過將氣體傳送管730引入系統(tǒng)的其它元件，可以減小尖端186附近的擁擠。
在一些實施例中，經(jīng)由傳送管730所傳送的He氣可以被預(yù)冷卻，使得當(dāng)進(jìn)入顯微鏡系統(tǒng)200時其接近于尖端186的工作溫度。例如，傳送管730的一部分可以被放置得與用于冷卻尖端186的冷卻劑(例如液氮)的供給容器接觸。作為該熱接觸的結(jié)果，通過管730傳送的He氣的被冷卻至與被引入定位尖端186的腔室之前的尖端186大致相同溫度。
(ii)表面電荷中和 通常，當(dāng)He離子入射至樣品的表面上時，二次電子離開樣品。許多二次電子離開樣品，導(dǎo)致表面具有凈的正電荷。樣品的表面上的過量的正電荷可以產(chǎn)生許多不期望的效應(yīng)。在一些實施例中，樣品的材料可以被正電荷所損壞。例如，某些材料是電荷敏感性的，并且在過量的正(或負(fù))電荷存在下可以劇烈地反應(yīng)(例如，爆炸)。
在某些實施例中，樣品的表面的正荷電可以限制探測器探測由于離子束與樣品相互作用而離開樣品的二次電子的能力。例如，樣品表面的正電荷和二次電子之間的吸引力可以減速電子，避免電子到達(dá)探測器。
在一些實施例中，樣品表面的正荷電可以引起不精確的離子束柵掃描。由樣品的表面的正電荷所產(chǎn)生的電場引起的入射的離子束的偏轉(zhuǎn)和減速可以減小入射離子的能量，并且以難于預(yù)計的方式改變其軌跡。
如果樣品的表面上的凈正電荷變得足夠大，則樣品的表面可以起He離子的靜電鏡的作用，在He離子到達(dá)樣品的表面之前，偏轉(zhuǎn)He離子從樣品的表面離開。
能夠傳送電子流至樣品的表面的讀數(shù)電子槍可以被用于抵消表面荷電效應(yīng)。圖22示出了包括配置得傳送電子束842至樣品180的表面181的讀數(shù)電子槍840的氣體場離子顯微鏡的部分，當(dāng)He離子束192被入射于表面181上時。表面181上的電子流可以，通常被控制，使得表面荷電效應(yīng)被電子束842平衡至希望的程度。
雖然圖22描述了離子束192和電子束842同時撞擊在樣品180的表面181上，但是也可以使用其它的方法。例如，在暴露表面181至He離子束192之前，讀數(shù)電子槍840可以被配置，以便傳送電子束842至樣品180，從而在樣品180的表面下區(qū)中產(chǎn)生電荷層846(圖23)。層846具有表面181下的平均深度m，并且層846具有在垂直于表面181的方向測量的厚度r。通常，深度m和厚度r，以及層846中的電子的密度，可以通過電子束842中的電子的能量，電子束842中的電子相對于表面181的入射角，和傳送至樣品180的總的電子劑量所控制。
在一些實施例中，當(dāng)入射在表面181上時，電子束842中的電子的平均能量是可調(diào)整的。例如，電子的平均能量可以是500eV或更大(例如，1keV或更大、2keV或更大)，和/或20keV或更小(例如，15keV或更小、10keV或更小)。例如，當(dāng)入射在表面181上時，電子束842中的電子的平均能量可以是從500eV至20keV(例如，從1keV至15keV、從2keV至10keV)。
電子束842中的電子相對于表面181的入射角δ對應(yīng)于電子束842的主軌跡850和表面181的法線848之間的角度。通常，δ是0°或更大(例如，10°或更大、20°或更大、和/或80°或更小(例如，70°或更小、60°或更小)。例如，δ可以是從0°至70°(例如，從0°至10°，從40°至60°). 在某些實施例中，傳送至樣品180的電子的總流是10pA或更大(例如，100pA或更大、1nA或更大、10nA或更大)，和/或100μA或更小(例如，10μA或更小、1μA或更小、500nA或更小、100nA或更小)。例如，傳送至樣品180的電子的總流可以是從10pA至1μA(例如，從100pA至100nA，從1nA至10nA)。
在一些實施例中，m是10nm或更大(例如，25nm或更大、50nm或更大、75nm或更大、100nm或更大)，和/或500nm或更小(例如，400nm或更小、300nm或更小、200nm)。例如，m可以是從10nm至500nm(例如，從25nm至500nm、從50nm至500nm、從75nm至400nm、從100nm至400nm)。
在某些實施例中，多個讀數(shù)電子槍可以被使用。例如，在一些實施例中，不同的讀數(shù)電子槍可以被用于將表面181的不同的部分暴露于電子。在某些實施例中，每個讀數(shù)電子槍可以被用于將表面181的相同的部分暴露于電子。選擇性地，不同的讀數(shù)電子槍可以在不同的時間工作。例如，一或更多的讀數(shù)電子槍可以被用于在表面181被暴露于He離子之前將表面181暴露于電子(例如，為了形成表面下電荷層)，而一或更多的不同的讀數(shù)電子槍可以被用于在表面181也被暴露于He離子時將表面181暴露于電子。在一些實施例中，所有的讀數(shù)電子槍可以被用于在表面181被暴露于He離子之前將表面181暴露于電子(例如，為了形成表面下電荷層)，而在某些實施例中所有的讀數(shù)電子槍可以用于當(dāng)表面181也被暴露于He離子時將表面181暴露于電子。其它的組合也可以被使用。
雖然已經(jīng)描述了其中使用讀數(shù)電子槍可以實現(xiàn)表面電荷中和的實施例，但是表面電荷的中和還可以使用集電極以收集被發(fā)射出的二次電子并且將其返還至樣品的表面從而減小表面的凈正電荷來實現(xiàn)。參考圖24，集電極852經(jīng)由導(dǎo)體854被連接至樣品180。當(dāng)樣品180被暴露于He離子束192時，從樣品180的表面181發(fā)射出的二次電子(被箭頭856所代表)入射到集電極852上。電子856隨后經(jīng)由導(dǎo)體854被傳送回表面181從而減小了表面181的正電荷。另外的集電極852可以被連接至樣品180以便提供進(jìn)一步的表面電荷中和。
在某些實施例中，可以使用一或更多的集電極和一或更多的讀數(shù)電子槍的組合。例如，一或更多的讀數(shù)電子槍可以用于在表面181被暴露于He離子之前將樣品180的表面181暴露于電子(例如，為了形成表面下電荷層)，并且一或更多的集電極可以被用于當(dāng)表面181被暴露于He離子時中和表面181的電荷。其它的組合也是可能的。
在一些實施例中，讀數(shù)電子槍840可以被配置，以便傳送非常低的能量的電子束842至樣品180。例如，束842中的電子可以具有大約50eV或更小的平均能量。低能量的電子具有低著陸(landing)能量，并且這限制了可以積聚在表面181上的負(fù)電荷的量。例如，如果電子束842中的平均電子能量是50eV，一旦樣品180充電至相對于公共地的-50eV的電位，則來自讀數(shù)電子槍840的電子不再著陸于樣品的表面上。結(jié)果，通過調(diào)整來自讀數(shù)電子槍840的低能電子的能量，樣品180的表面181上最大積聚的負(fù)電荷可以被控制。該方法可以被用于成像非導(dǎo)電材料，而沒有在非導(dǎo)電材料的頂部沉積導(dǎo)電材料層以便避免非導(dǎo)電材料的荷電。該方法的實例在圖25中被示出。離子束192被入射在樣品180的表面181上，樣品180是具有相對低的電導(dǎo)率的介電材料(例如，樣品180不是金屬)。樣品180被樣品操縱器140所支撐，樣品操縱器140被偏置為相對于顯微鏡系統(tǒng)200的公共外接地-600V的電位。施加于操縱器140的電位在樣品180的表面181產(chǎn)生電場。讀數(shù)電子槍840被配置，以便將包括具有500eV的平均能量的電子的電子束傳送至碰撞離子束192附近的表面181。最初，由于施加于操縱器140的偏壓所引起的表面181的電場導(dǎo)致來自讀數(shù)電子槍840的電子沿例如843a和843b的軌跡而偏轉(zhuǎn)-電子不著陸于表面181上。但是，隨著由于He離子的入射正電荷積聚在表面181上，樣品180變得正荷電，減小了被來自讀數(shù)電子槍840所經(jīng)歷的電場強(qiáng)度。當(dāng)樣品180的表面181上的電荷積聚至在表面的有效偏壓達(dá)到相對于公共地的-500V的點時，來自讀數(shù)電子槍840的電子可以著陸在表面181上并且中和其上的正電荷，遵循例如843c的軌跡。結(jié)果，通過控制施加于操縱器140的偏壓和由讀數(shù)電子槍840所傳送的電子的能量，在樣品180上的正電荷積聚可以被控制。樣品180，非導(dǎo)電材料，可以因而被成像而沒有表面電荷的積聚，否則由于表面荷電所導(dǎo)致的電壓對比效應(yīng)，表面電荷的積聚可以導(dǎo)致不期望的圖像對比。非導(dǎo)電和半導(dǎo)體材料的圖像可以被獲得而無需在樣品上沉積導(dǎo)電材料的層作為電荷耗散層。
在一些實施例中，讀數(shù)電子槍840可以被配置，以便傳送電子至具有負(fù)著陸能量的樣品180，即，在樣品表面上沒有正電荷存在時，電子根本不著陸于表面181上。當(dāng)由于入射He離子樣品180獲得表面電荷時，來自讀數(shù)電子槍840的電子開始著陸于表面181上，中和正電荷。結(jié)果，樣品180的表面181保持在幾乎未荷電的狀態(tài)。
在一些實施例中，轉(zhuǎn)換表面可以被用于產(chǎn)生二次電子，這可以隨后被用于中和積聚在樣品180的表面181的正電荷。例如，由具有高二次電荷產(chǎn)率的材料(例如，鉑)形成的轉(zhuǎn)換表面可以被定位于接近于樣品180。高能He離子和/或中性原子，離開樣品180，可以撞擊轉(zhuǎn)換表面，產(chǎn)生二次電子。所產(chǎn)生的二次電子由于在樣品180上積聚的正表面電荷而經(jīng)歷吸引力。結(jié)果，二次電子著陸于樣品表面上，中和正電荷并且減小由于表面電荷所引起的電場。結(jié)果，當(dāng)存在較大的表面正電荷的積聚時，二次電子被更強(qiáng)烈地吸引至樣品180的表面。這提供了減小表面電荷的自調(diào)節(jié)機(jī)制。
在一些實施例中，轉(zhuǎn)換板可以被直接安裝于離子光學(xué)器件130的元件，以便提供樣品180的表面電荷中和的二次電子。例如，在圖26中，轉(zhuǎn)換板845被貼附在第二透鏡226的表面。來自讀數(shù)電子槍840的電子842被導(dǎo)向入射于轉(zhuǎn)換板上，轉(zhuǎn)換板由具有高二次電子產(chǎn)率的材料形成。He離子束192被入射于樣品180的表面181上并且，隨著時間的過去，正電荷積聚在表面181上離子束192被入射的區(qū)中。從轉(zhuǎn)換板845所產(chǎn)生的二次電子847被吸引至具有過量正電荷的表面區(qū)并且著陸于這些區(qū)，中和過量的正電荷。一旦過量的表面電荷被消除，則更多的二次電子不再著陸于表面181上。結(jié)果，表面181可以被保持在準(zhǔn)中性狀態(tài)。
通常，讀數(shù)電子槍840可以被配置得或者連續(xù)或者間歇地工作。具體地，在間歇工作期間，讀數(shù)電子槍840可以以期望的速率打開和關(guān)閉。例如，在一些實施例中，讀數(shù)電子槍840可以被打開和關(guān)閉，以便以像素曝光速率提供樣品180的電荷中和。離子束192可以以分立的步驟柵掃描過樣品180的表面，以便暴露樣品表面的連續(xù)的部分。在各部分被暴露之后，讀數(shù)電子槍840可以被用于中和被暴露的區(qū)中的表面電荷。這對應(yīng)于以像素曝光速率的電荷中和。替代地，或添加地，讀數(shù)電子槍840可以用于以線掃描速率(例如，在樣品180的分立部分的整個線被暴露于離子束192之后)，和/或以幀速率(例如，在樣品180的分立部分的整個二維區(qū)被暴露于離子束192之后)進(jìn)行中和。
在一些實施例中，讀數(shù)電子槍840可以被用于改善來自樣品180的二次電子的探測的容易性。例如，讀數(shù)電子槍840可以被用于將電荷層(例如電荷層846)嵌入樣品180的體區(qū)內(nèi)。被嵌入的負(fù)電荷層引起樣品180的表面181的電場。由于樣品180與入射離子束192的相互作用產(chǎn)生的離開樣品180的二次電子由于被電荷層846所產(chǎn)生的電場而加速離開樣品180，使得通過合適地配置的探測器的二次電子的探測變得相對更為容易。
在圖27A和27B中示意性地示出了使用負(fù)電荷的被嵌入的層的使用的實例。在圖27A中，離子束192被入射于樣品180的表面181上。多個二次電子2012被產(chǎn)生在樣品180的開始的幾個納米內(nèi)。首先，許多二次電子作為自由電子2014而逃逸，自由電子2014可以被合適地配置的探測器所探測。但是隨著時間的過去，入射He離子注入樣品180內(nèi)，形成樣品180內(nèi)正荷電層2010。隨著在層2010內(nèi)凈正電荷的增加，二次電子2012向?qū)?010被增加地吸引，并且越來越少的二次電子201作為自由電子2014逃逸樣品180。結(jié)果，通過二次電子的探測的樣品180的成像可以變得越來越困難。
在圖27B中示出了該問題的解決方案。在圖27B中所示出的實施例中，讀數(shù)電子槍840(未示出)被用于嵌入負(fù)電荷的層2016(例如電子)于樣品180內(nèi)。被嵌入的負(fù)電荷的層相似于圖23中的層846。由于層2016，在樣品180中所產(chǎn)生的二次電子2021被加速離開樣品180，導(dǎo)致逃逸樣品180的所產(chǎn)生的二次電子2014的數(shù)量的增加，并且因而提高了來自樣品的被探測的二次電子信號。實際上，層2016作為二次電子的靜電鏡，提高了其可探測性。
通常，讀數(shù)電子槍840可以被用于在分析樣品之前在樣品中植入電子，和/或讀數(shù)電子槍840可以在成像樣品時被用于在樣品中注入電子。在一些實施例中，樣品可以以間隔(例如，規(guī)則的間隔)被暴露于來自讀數(shù)電子槍840的電子。這可以，例如，輔助保持相對一致的電荷水平。例如，樣品可以對應(yīng)于每像素駐留時間的時間周期(例如，100ns)被暴露于來自讀數(shù)電子槍840的電子。
(iii)振動解耦 由于真空泵、各種運動部件、和背景聲擾動所引起的機(jī)械振動可以影響氣體場離子顯微鏡系統(tǒng)200的某些性能參數(shù)(例如，圖像分辨率、在樣品180的離子束斑點尺寸、穩(wěn)定性)。在一些實施例中，樣品操縱器140可以被配置，以便解耦樣品180與其它系統(tǒng)200的部件，由此減小外部機(jī)械擾動的影響。圖28示出了包括被致動器908所支撐的引導(dǎo)針906的振動解耦樣品操縱器140，針906和致動器908分別位于臺904內(nèi)。支撐盤902被定位于臺904的頂部，并且支撐樣品180的摩擦多腳架900被放置在盤902頂部。
為了在x-y平面中移動樣品180，致動器908從電子控制系統(tǒng)170接收合適的信號并且開動引導(dǎo)針906。響應(yīng)于來自致動器908的信號，引導(dǎo)針906輕推樣品180和/或多腳架900，引起在x-y平面中的平移。
引導(dǎo)針906在其頂點的寬度j典型地被選擇為稍小于多腳架900中的孔910的直徑b。例如，j可以是1mm，并且b可以是1.1mm。另外，多腳架900和盤902被選擇，使得盤902和多腳架900之間的靜摩擦力大，但是可以通過引導(dǎo)針906由通過致動器908施加于樣品180的力所克服。引導(dǎo)針906由可以在被施加的應(yīng)力下變形的機(jī)械順應(yīng)材料形成以便減小對于樣品180的振動傳送，但是所述材料硬到足以對于樣品180傳送被致動器908所施加的力。
作為這些系統(tǒng)參數(shù)的結(jié)果，耦合進(jìn)入平臺904的機(jī)械振動可以被部分吸收并且被導(dǎo)向針906所消耗，使得多腳架900的振動很小或沒有。另外，如果導(dǎo)向針906不施加力至多腳架900，則導(dǎo)向針906優(yōu)先靠著多腳架900邊滑動，而不是導(dǎo)致多腳架900的振動。
在一些實施例中，導(dǎo)向針906可以具有基本矩形截面的形狀。當(dāng)多腳架900在x和/或y方向通過導(dǎo)向針906而平移時，矩形截面形狀可以輔助確保樣品180和/或多腳架900的旋轉(zhuǎn)不出現(xiàn)。如果樣品操縱器140相對于離子光學(xué)器件130的軸132傾斜(例如，使得離子束192以非垂直的角度入射在樣品180上)，則用于形成多腳架900和/或盤902的材料可以被選擇，使得在這些元件之間存在更高的靜摩擦力。替代地，或附加地，在某些實施例中，多腳架900和盤902可以被磁耦合，以便增加這些元件之間的靜摩擦力。磁場耦合可以被仔細(xì)地實施，以便確保磁場被局部化并且不干擾樣品180或撞擊離子束192。
當(dāng)針906不被致動時，導(dǎo)向針906可以被完全地與多腳架900脫離。例如，導(dǎo)向針906對于多腳架900施加力，引起多腳架900和樣品180在x-y平面中平移之后，針906的小反沖運動可以由電子控制系統(tǒng)170引起，這引入了導(dǎo)向針906和多腳架900之間的空間。結(jié)果，導(dǎo)向針906完全與多腳架900脫離，并且避免了通過針906的對于多腳架900的機(jī)械振動的耦合。
圖29描繪了顯微鏡系統(tǒng)的樣品夾持組件1510。樣品夾持組件1510減小了軸承的使用并且?guī)椭鷾p小工作期間在樣品中的低頻機(jī)械振動。組件1510包括具有插入樣品的開口1512的體1511。體1511通過可調(diào)整的連接器1522被連接至臂1518。臂1518使用夾鉗1520支撐樣品臺1514。樣品臺1514包括具有孔1524的表面盤1516。
組件1510可以被連接至離子顯微鏡，使得尖端186被指向樣品臺1514上的孔1524。體1511可以由例如硬化鋼、不銹鋼、磷青銅、和鈦的合適的剛性材料形成。體1511可以被確定尺寸和形狀，以便適應(yīng)應(yīng)用的具體需要。舉例而言，可以選擇體1511的尺寸和形狀用于在此所公開的顯微鏡系統(tǒng)。在工作期間，樣品可以通過開口1512被引入組件1510。
樣品臺1514通過連接至體1511的臂1518沿可調(diào)整的連接器1522支撐?？烧{(diào)整連接器1522允許臂1518的垂直運動。臂1518和樣品臺1514可以在垂直方向運動并且被鎖在特定的位置。連接器1522可以被氣動或真空控制，使得臂1518和臺1514可以被鎖緊在期望的垂直位置。連接器1522可以選擇性地包括其它類型的連接器。
樣品臺1514使用夾鉗1520被連接至臂1518。臂1518可以具有向內(nèi)延伸的軸，使得樣品臺1514的夾鉗1520可以扣緊軸。夾鉗1520可以被氣動或真空操作，使得臺1514被傾斜。夾鉗1520可以被控制，使得臺1514被傾斜至期望的位置。在一些實施例中，到達(dá)期望的位置之后，夾鉗1520可以被拉緊，使得樣品臺1514被鎖緊在期望的傾斜位置中。
樣品臺1514還包括具有開口1524的表面盤1516。樣品可以被放置在盤1516上并且樣品位置控制系統(tǒng)可以通過開口1524被引入以便移動盤1516的平面上的樣品。在某些實施例中，盤1516可以圍繞其中心旋轉(zhuǎn)以便按期望旋轉(zhuǎn)和移動位于盤的表面上的樣品。盤1516可以由合適的剛性材料形成，包括陶瓷、玻璃和聚合物。
圖30描繪了顯微鏡系統(tǒng)的樣品夾持組件。圖30的樣品夾持組件相似于圖29的樣品夾持組件，具有放置于盤1516的表面上的多腳架1600。多腳架1600可以具有允許其被定位于開口1524的頂上的支柱。選擇性地，多腳架1600可以具有在表面的部分上的開口。多腳架1600可以由合適的剛性材料形成，包括陶瓷、玻璃和聚合物。
在顯微鏡系統(tǒng)200的工作期間，樣品180可以在z方向上移動、傾斜，在x-y平面內(nèi)平移，和旋轉(zhuǎn)。如果樣品180被傾斜并且傾斜角(例如，離子束192和樣品180的表面的法線之間的角度)相對大，則被傾斜的樣品可能在顯微鏡系統(tǒng)200的整個視場上不聚焦。結(jié)果，在這些條件下獲得的樣品的圖像可以為焦點未對準(zhǔn)并且在中心和垂直于傾斜軸之外的區(qū)模糊。
這些可以通過當(dāng)將離子束192掃描過樣品180的表面時改變透鏡226的焦距而被補(bǔ)償。為了進(jìn)行該修正，樣品操縱器140可以傳輸樣品180的傾斜角信息至電子控制系統(tǒng)170。作為替代，傾斜角信息可以被系統(tǒng)操縱員通過用戶界面人工輸入。電子控制系統(tǒng)170可以根據(jù)樣品180的取向確定一組電壓修正，以便施加至第二透鏡226，從而當(dāng)將離子束掃描過傾斜的樣品180的表面時動態(tài)地改變透鏡226的焦距。
另外，傾斜的樣品的橫向尺寸由于在平表面上的傾斜的樣品的投影并且由于對于光學(xué)器件130的距離的差異而被扭曲。例如，傾斜的樣品表面的橫向尺寸可以展現(xiàn)比其實際值短，由于樣品180相對于離子束192的取向。另一實例是圖像的梯形失真扭曲。效應(yīng)是矩形特征被扭曲，使得矩形的圖像在其形狀上展示梯形失真。
這些可以通過當(dāng)將離子束192掃描過樣品180的表面時，調(diào)整掃描偏轉(zhuǎn)器219和221的掃描振幅而被補(bǔ)償。為了進(jìn)行該修正，電子控制系統(tǒng)170可以與上述相同的方式獲得關(guān)于樣品180的傾斜角的信息。電子控制系統(tǒng)170可以根據(jù)樣品180的傾斜確定施加于掃描偏轉(zhuǎn)器219和221的掃描振幅的調(diào)整，以便當(dāng)將離子束192掃描過傾斜的樣品180的表面時適應(yīng)離子束的偏轉(zhuǎn)，以便獲得傾斜的樣品180的表面的未扭曲的圖像。作為替代，這兩個扭曲效應(yīng)可以通過扭曲的圖像的數(shù)字操縱而被修正。
(iv)減小離子束中中性粒子和雙荷電離子的存在 如上面所討論的，中性粒子(例如，He原子)可以作為未離子化的中性原子從氣體場離子源120進(jìn)入顯微鏡系統(tǒng)200的離子光學(xué)器件130。這樣的中性粒子可以負(fù)面地影響顯微鏡系統(tǒng)的性能。因而，在一些實施例中，期望減小離子束192中的中性粒子的存在。雙荷電He離子(He2+)也可以被產(chǎn)生于氣體場離子源120中，或者通過在尖端186的附近的He原子雙離子化，或者通過He離子之間的碰撞。雙荷電He離子的聚焦特性與單荷電離子的聚焦特性不同，并且在離子束192中存在的雙荷電離子可以導(dǎo)致樣品180上較大的斑點尺寸和其它不期望的效應(yīng)。
減小離子束192中的中性粒子的數(shù)量的一方法涉及減小中性粒子進(jìn)入離子束的概率。這樣的方法可以涉及，例如，使用對于尖端186的定向氣體傳送(見上面的討論)以便減小在顯微鏡系統(tǒng)200中未被離子化的He氣體原子的總體存在。
減小離子束192中的中性粒子的數(shù)量的另一方法涉及在中性粒子存在于離子束192中之后從離子束中去除中性粒子。該方法可以涉及使用靜電透鏡元件來偏轉(zhuǎn)離子，在離子光學(xué)器件130中空間分離離子和中性粒子。例如，圖31示出了其中偏轉(zhuǎn)器220從離子光學(xué)器件130的縱軸132被偏置，并且其中附加的偏轉(zhuǎn)器223被布置的離子光學(xué)器件130。He離子束192包括He離子192a和He原子192b。為了分離He離子192a和He原子192b，施加于偏轉(zhuǎn)器223的電位被調(diào)整，以便引起在x方向中He離子192a的偏轉(zhuǎn)。He原子192b未受偏轉(zhuǎn)器223影響，并且因而未被偏轉(zhuǎn)。He原子192b隨后被收集器1016所截取，收集器1016避免He原子192b穿過孔224。施加于偏轉(zhuǎn)器220和222的電位也被調(diào)整，使得He離子192a的軌跡與縱軸132重新對準(zhǔn)，并且He離子192a的一部分穿過孔224并且作為離子束192入射在樣品180的表面181上。
其它的技術(shù)也可以用于從離子束中去除中性粒子。典型地，這樣的技術(shù)涉及使用電和/或磁場偏轉(zhuǎn)離子束中的離子，而不偏轉(zhuǎn)中性粒子。在一些實施例中，電和磁場的結(jié)合可以被使用，以便補(bǔ)償從在離子光學(xué)器件130中的離子偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致的離子的能量相關(guān)空間分離。另外，各種非對稱離子柱幾何形狀(例如，彎曲離子柱)可以被用于分離He原子和離子。
例如，在圖32中，離子光學(xué)器件130的彎曲柱配置可以被用于分離He原子、單荷電He離子、和雙荷電He離子。離子束192進(jìn)入光學(xué)器件130，沿相對于離子光學(xué)器件130的軸132傾斜的方向傳播。離子束192包括中性He原子、He+離子、和He2+離子。電位被施加于偏轉(zhuǎn)器223，偏轉(zhuǎn)離子束192中的He+離子，使得通過偏轉(zhuǎn)器223之后，He+離子沿軸132傳播，作為離子束192a。但是，中性原子在穿過偏轉(zhuǎn)器223時未被偏轉(zhuǎn)。中性原子因而與He+離子空間分離，提供被收集器1016b所截取的中性原子束192b。He2+離子比He+離子偏轉(zhuǎn)的程度更大，空間分離單和雙荷電離子，并且提供He2+離子的離子束192c。He2+離子束192c被收集器1016c所截取。結(jié)果，從離子光學(xué)器件130出現(xiàn)的離子束192a基本上僅包括He+離子。
圖33示出了分離He原子、He+離子、和He2+離子的離子光學(xué)系統(tǒng)的另一實施例。在圖33中示出的離子光學(xué)系統(tǒng)包括用于相互隔離He原子、He+離子、和He2+離子，并且對于粒子束不貢獻(xiàn)棱鏡類效應(yīng)的電和磁場的無分散的序列。離子光學(xué)系統(tǒng)包括3個偏轉(zhuǎn)器223a、223b和223c的系列，3個偏轉(zhuǎn)器223a、223b和223c的系列被配置，以便偏轉(zhuǎn)并且引導(dǎo)He+離子穿過離子光學(xué)器件130，使得基本上僅包括He+離子的離子束192a自離子光學(xué)器件130出現(xiàn)。中性原子束192b未被偏轉(zhuǎn)并且在各偏轉(zhuǎn)器之后的位置被收集器1016b所截取。雙荷電He離子比He+離子偏轉(zhuǎn)得更大，并且多個He2+束192c被收集器1016c所截取。結(jié)果，He原子、He+離子、和He2+離子被相互空間上分開，并且He+離子被導(dǎo)向樣品180，作為離子束192，而不期望的束成分被遮擋在離子光學(xué)器件130中。
在一些實施例中，磁場的使用可以導(dǎo)致具有相同電荷，但是對應(yīng)于由氣體源110引入的氣體的不同同位素的離子束192的離子的軌跡的空間分離。對于例如He的某些氣體，這些氣體具有占優(yōu)勢的自然出現(xiàn)的同位素(例如，大于90％相對豐度)，由于磁場的分離效應(yīng)典型地小。但是，對于具有2或更多自然出現(xiàn)的同位素并且缺少占優(yōu)勢的同位素的其它氣體，這樣的效應(yīng)可以更大。結(jié)果，在某些實施例中，同位素分離器(例如，用于避免不期望的同位素穿過離子光學(xué)器件130的長度的阻擋)可以被使用。在一些實施例中，被用于遮擋中性原子或雙荷電離子的收集器1016也可以用于遮擋離子束192中不期望的同位素。
粒子的類型 離子束與樣品的相互作用可以引起不同類型的粒子通過如下所述的各種相互作用而離開表面。這樣的粒子包括二次電子、俄歇電子、散射離子、一次中性粒子、X射線光子、IR光子、可見光子、UV光子、二次離子和二次中性粒子。一或更多類型的粒子可以被探測和分析，以便確定關(guān)于樣品的一或更多不同類型的信息。關(guān)于樣品的這樣類型的信息包括樣品的表面的形貌信息、樣品的表面的材料成份信息、樣品的表面下(sub-surface)區(qū)的材料成份信息、樣品的結(jié)晶信息、樣品表面的電壓對比信息、樣品的表面下區(qū)的電壓對比信息、樣品的磁信息、和樣品的光學(xué)信息。如在此所使用的，術(shù)語樣品的表面是指直至5nm或更小的深度的體積。
A.二次電子 二次電子，如在此所述，是從樣品核素發(fā)出并且具有小于50eV的能量的電子。通常，二次電子從樣品表面以多個角度和能量范圍發(fā)出。但是，最為關(guān)注的信息通常是二次電子的總豐度(與能量解析二次電子信息，或角度解析二次電子信息相比)，因為如下面所解釋的，二次電子的總豐度正是可以提供關(guān)于樣品表面的信息。
二次電子可以使用一或更多能夠探測電子的合適的探測器(見上述關(guān)于探測器的類型的討論)而被探測。如果使用多個探測器，則所有探測器可以都是相同類型的探測器，或者可以使用不同類型的探測器，并且通?？梢园雌谕慌渲谩Ｌ綔y器可以被配置，以便探測離開樣品180的表面181(離子束撞擊的表面)，樣品180的表面183(離子束撞擊的對側(cè)上的表面)或兩者(見上面關(guān)于探測器配置的討論)的二次電子。
被探測的二次電子信號可以被用于形成樣品的圖像。通常，離子束在樣品的表面的視場上被柵掃描，并且在各光柵步驟(對應(yīng)于圖像中的單獨的像素)中的二次電子信號通過一或更多的探測器被測量。通常，各探測器保持在相對于樣品的固定的位置，當(dāng)離子束在樣品的表面的視場上被柵掃描時。在某些實施例中，然而，一或更多的探測器可以相對于樣品移動。例如，如果單探測器被使用，則相對于樣品移動探測器可以產(chǎn)生樣品的角度相關(guān)信息。
在某些實施例中，探測二次電子總豐度可以提供關(guān)于樣品的形貌信息。在表面上的給定位置的二次電子總豐度通常取決于在該點相對于離子束的表面的斜度。通常，在相對于離子束的表面的斜度較大處(即，從表面法線測量的離子束的入射角較大處)二次電子的總豐度較高。因而，作為樣品表面上離子束的位置的函數(shù)的二次電子總豐度的改變，可以與表面斜度的改變相關(guān)，提供關(guān)于樣品的表面的形貌的信息。
在一些實施例中，探測二次電子的總豐度可以產(chǎn)生關(guān)于樣品的材料成份信息(例如，元素信息，化學(xué)環(huán)境信息)。在這樣的實施例中，信息主要涉及樣品的表面。通常，在給定的化學(xué)環(huán)境中的各元素或材料具有一特定的固有二次電子產(chǎn)率。結(jié)果，在表面上給定位置的二次電子的總豐度通常取決于在該位置存在的材料。因此，作為樣品的表面上的離子束的位置的函數(shù)的二次電子的總豐度的改變，可以與在樣品的表面所存在的元素和/或材料相關(guān)，提供樣品表面的材料成份信息。在某些實施例中，樣品中的具體材料可以根據(jù)來自樣品的二次電子產(chǎn)率的定量測量而被識別。例如，當(dāng)在受控的條件下被暴露于He離子束時，例如Al、Si、Ti、Fe、Ni、Pt和Au的材料具有已知的二次電子產(chǎn)率。離子顯微鏡(例如，氣體場粒子顯微鏡)可以根據(jù)對于各種材料的已知的二次電子產(chǎn)率而被校準(zhǔn)，以便識別被研究的樣品中的各種不同材料的存在和相對豐度。例如，在表I中示出了各種材料的二次電子產(chǎn)率。在He離子束垂直入射，和21keV的平均離子能量下測量該產(chǎn)率。在非垂直的入射角下，例如，在表I中所示出的產(chǎn)率典型地被對應(yīng)于在樣品的表面上的離子束的入射角的正切的倍增因子所調(diào)整。其它的實驗條件在下面所述的對應(yīng)的實例中描述。
表I 在某些實施例中，探測二次電子的總豐度可以產(chǎn)生電壓對比信息，這又可以提供關(guān)于樣品的表面的元素和/或材料的導(dǎo)電特性和/或電位的信息。在樣品的表面上的給定位置的二次電子的總豐度通常取決于在樣品的表面存在的材料的電特性。通常，當(dāng)被暴露于離子束時，隨著時間的過去，導(dǎo)電性較低的材料隨著時間的過去趨向于變?yōu)檎呻?，而?dāng)被暴露于離子束時，隨著時間的過去，導(dǎo)電性較高的材料隨著時間的過去變?yōu)檎呻姷内厔葺^低。因而，例如，對于導(dǎo)電性較低的材料隨著時間的過去，樣品表面的給定位置的二次電子總豐度趨向于減小(由于更多的表面荷電導(dǎo)致較少的二次電子逃逸樣品)，而對于導(dǎo)電性較高的材料隨著時間的過去樣品表面的給定位置的二次電子總豐度趨向于經(jīng)歷較小的減小(由于較少的表面荷電)。結(jié)果，作為樣品表面的離子束位置的函數(shù)的二次電子的總豐度的改變可以與該位置的材料的導(dǎo)電性相關(guān)，提供樣品表面的電壓對比信息。
表面下電壓對比效應(yīng)可以由變得嵌入樣品的表面下區(qū)內(nèi)的He離子所提供。如結(jié)合圖27A和27B所描繪的，表面下He離子可以避免在樣品中產(chǎn)生的二次電子逃逸樣品表面。因而，樣品的二次電子的對比可以歸因于由入射的He離子引起的樣品的表面下荷電。
由這些技術(shù)所提供的信息可以被用于半導(dǎo)體物品的離子束測試。例如，電壓對比測量可以用于確定，由于下述部分之間的電連接的存在或不存在，當(dāng)被暴露于離子束時電子裝置和/或電路的部分是否處于不同的電位，并且因而所述裝置和/或電路是否正確地工作。
在一些實施例中，探測二次電子的總豐度可以提供樣品的結(jié)晶信息。二次電子的總豐度可以根據(jù)離子束是否與樣品的晶體結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)而改變(例如，平行于描述晶格的單位矢量之一對準(zhǔn))。如果離子束與樣品的晶體結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)，則離子束中的離子可以通常貫穿進(jìn)入樣品內(nèi)的給定的距離而不與樣品原子碰撞的概率(通常稱為隧穿)相對高，導(dǎo)致較低的二次電子的總豐度。如果，另一方面，離子束未與晶體結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)，則離子束中的離子可以通常貫穿進(jìn)入樣品內(nèi)的給定的距離而不與樣品原子碰撞的概率相對低，導(dǎo)致較高的二次電子的總豐度。因而，作為樣品表面離子束位置的函數(shù)的二次電子的總豐度的改變可以與該位置的材料的結(jié)晶信息而相關(guān)。例如，可以存在樣品表面的區(qū)，其中二次電子的總豐度基本相同。這樣的區(qū)可以例如具有相同的晶向，并且區(qū)的尺寸可以提供晶粒尺寸和/或晶體尺寸信息(例如，在包括多取向的晶疇的多晶樣品中)，和/或可以提供關(guān)于樣品的應(yīng)變區(qū)的信息(是非晶或結(jié)晶)，因為對于給定的化學(xué)成份的材料的二次電子總豐度的大小(例如，元素成份，材料成份)可以取決于材料的應(yīng)變。
在某些實施例中，探測二次電子的豐度可以提供樣品的磁信息。二次電子的總豐度可以取決于相鄰于樣品表面的磁場的大小。在一些實施例中，例如，相鄰于樣品表面的磁場由于在樣品表面產(chǎn)生局部磁場的樣品內(nèi)的磁疇而改變。在某些實施例中，通過外部磁場源施加靜磁場，并且樣品內(nèi)的磁疇在樣品表面產(chǎn)生局部磁場，引起施加的外部磁場的變化。在任一情形，樣品表面的局部磁場的變化可以，例如，改變從樣品發(fā)射的二次電子的軌跡。二次電子軌跡的改變可以對應(yīng)于二次電子總豐度的增加，當(dāng)二次電子的軌跡被改變使得更多的二次電子被導(dǎo)向探測器時，或者二次電子軌跡的改變可以對應(yīng)于二次電子總豐度的減小，當(dāng)二次電子的軌跡被改變使得更多的二次電子被導(dǎo)向離開探測器時。
對于一些樣品，出現(xiàn)于樣品的二次電子圖像中的對比可以是由于上述二或更多的機(jī)制。換而言之，某些樣品的二次電子圖像可以包括部分由于樣品表面中的形貌變化、樣品表面中的材料成份變化、樣品表面中的電壓對比變化、樣品表面中的結(jié)晶變化、和/或樣品表面中的磁變化所引起的對比。因而，有利的是結(jié)合從測量二次電子總豐度所獲得的信息和從測量其它類型的粒子所獲得的信息可以，以便定性和/或定量地隔離一或更多的這些機(jī)制的貢獻(xiàn)。下面更為詳細(xì)地討論該可能性。
二次電子成像技術(shù)可以應(yīng)用于各種不同類型的樣品。這樣的材料的實例是半導(dǎo)體物品，例如構(gòu)圖的晶片，晶片可以包括，例如，被絕緣材料的基體所圍繞的多個導(dǎo)電體。二次電子成像技術(shù)可以被用于識別裝置中的缺陷，例如導(dǎo)體之間的不完全的電連接，和/或電路元件之間的電短路。更普遍地，二次電子成像技術(shù)可以被用于各種半導(dǎo)體物品的離子束測試應(yīng)用。選擇性地，該方法可以相似地用于掩模修理的目的。
可以使用二次電子成像技術(shù)的樣品類別的另一實例是金屬和合金。例如，包含例如合金的混合材料的樣品的圖像可以用于確定樣品中各材料的表面分布?？梢允褂枚坞娮映上窦夹g(shù)的樣品類別的又一實例是用于數(shù)據(jù)儲存的讀/寫結(jié)構(gòu)?？梢允褂枚坞娮映上窦夹g(shù)的材料類別的附加的實例是生物材料和制藥材料。
使用通過暴露于He離子束而產(chǎn)生的二次電子來成像樣品可以提供相對于通過其它技術(shù)(例如SEM)的二次電子成像的許多優(yōu)點。例如，樣品上的He離子束的斑點尺寸可以比來自SEM的電子束的斑點尺寸小。作為較小的斑點尺寸的結(jié)果，暴露于He離子束的樣品的區(qū)比SEM中被暴露的區(qū)被更為仔細(xì)地控制。
此外，通常，因為He離子比電子重，所以散射事件在樣品內(nèi)不像通過散射分散電子一樣容易地分散He離子。結(jié)果，入射在樣品的表面上的He離子與比SEM中的電子相比，可以在更小的相互作用體積中與樣品的相互作用。結(jié)果，在氣體場離子顯微鏡中(例如He離子顯微鏡)所探測的二次電子與具有相似的斑點尺寸的SEM中的二次電子相比，可以來自于更小的區(qū)域。結(jié)果，由He離子束所產(chǎn)生的二次電子與在SEM中所產(chǎn)生的二次電子相比，可以對應(yīng)于樣品表面的更為局部化的探詢(例如，具有較少的材料特性的橫向平均)。
另外，He離子源還提供了比電子源更大的焦點的深度。結(jié)果，使用離子顯微鏡獲得的樣品的圖像(例如，氣體場離子顯微鏡)與從SEM中的二次電子所獲得的可比較的圖像相比，可以示出沿垂直于樣品表面的方向測量的、聚焦的更大部分的樣品。
He離子束還可以提供樣品的二次電子圖像的更為靈敏的的對比機(jī)制，因為與當(dāng)由于電子束與樣品的相互作用而引起二次電子離開樣品表面時相比，當(dāng)由于離子束與樣品的相互作用而引起二次電子離開樣品時可以獲得的對于不同材料的二次電子產(chǎn)率的更大的范圍。典型地，例如，對于入射電子束，比如半導(dǎo)體和金屬的通用材料的二次電子產(chǎn)率從0.5至2.5變化。但是，對于暴露于He離子束的相同的材料的二次電子的產(chǎn)率可以從0.5至8變化。因而，使用氣體場離子顯微鏡(例如He離子顯微鏡)與可比較的SEM系統(tǒng)相比，可以更精確地從二次電子圖像進(jìn)行不同材料的識別。
B.俄歇電子 如在此所述，俄歇電子是如下產(chǎn)生的電子。原子內(nèi)殼層中的電子被去除從而形成空位，隨后由來自較高殼層的第二原子的電子填充空位伴隨著能量的釋放。該能量通過稱為俄歇電子的另一電子被釋放。通常，俄歇電子從樣品的表面以一范圍的角度和能量發(fā)射。但是，最為關(guān)注的信息通常是俄歇電子的能量(與角度解析俄歇電子信息相對比)，因為如下面所解釋的，俄歇電子的能量正是可以提供關(guān)于樣品表面的信息。俄歇電子可以使用一或更多的可以以能量解析方式探測電子的合適的探測器(見上面關(guān)于探測器的類型的討論)被探測。如果使用多個探測器，所有探測器都可以是相同類型的探測器，或者可以使用不同類型的探測器，并且可以通常按期望配置。探測器可以被配置，以便探測離開樣品180的表面181(離子束撞擊的表面)，樣品180的表面183(離子束撞擊的對側(cè)上的表面)或兩者(見上面關(guān)于探測器的配置)的俄歇電子。為了提高被探測的俄歇電子的信噪比，期望使用可以收集相對大的俄歇電子的立體角的探測器。附加地或者替代地，相鄰于樣品的表面的并且可以將電子導(dǎo)向探測器的電子收集光學(xué)器件(例如，靜電透鏡系統(tǒng))可以被使用(例如，為了增加俄歇電子的探測的有效立體角)。
通常，探測俄歇電子可以產(chǎn)生樣品的材料成份信息(例如，元素信息、化學(xué)環(huán)境信息)。在這樣的實施例中，信息占優(yōu)勢地相關(guān)于樣品的表面。通常，對于在給定的化學(xué)環(huán)境中的各元素或材料，由元素或材料發(fā)出的俄歇電子具有特定的能量或能帶。結(jié)果，在表面上給定位置俄歇電子的能量通常取決于在該位置存在的材料。因而，作為樣品表面上離子束的位置的函數(shù)的俄歇電子的能量的改變，可以與樣品表面存在的元素和/或材料的改變相關(guān)，提供樣品表面的材料成份信息。
俄歇電子成像技術(shù)可以被應(yīng)用于各種不同的類別的樣品。這樣的材料的類別的示例是半導(dǎo)體物品，例如構(gòu)圖的晶片，該晶片可以包括例如由絕緣材料的基體所圍繞的多個導(dǎo)電體。選擇性地，該方法可以相似地被用于掩模修理的目的?？梢允褂枚硇娮映上窦夹g(shù)的樣品類別的另一實例是金屬和合金。例如，包含例如合金的混合材料的樣品的圖像可以用于確定樣品中各材料的表面分布?？梢允褂枚硇娮映上窦夹g(shù)的又一實例是用于數(shù)據(jù)儲存的讀/寫結(jié)構(gòu)?？梢允褂枚硇娮映上窦夹g(shù)的材料類別的附加的實例是生物材料和制藥材料。
使用由于樣品和He離子束的相互作用而離開表面的俄歇電子來成像樣品相對于通過其它技術(shù)(例如SEM)的俄歇電子成像，可以提供許多優(yōu)點。例如，樣品上的He離子束的斑點尺寸可以比來自SEM的電子束的斑點尺寸小。由于較小的斑點尺寸，被暴露于He離子束的樣品的區(qū)比SEM中暴露的區(qū)被更為仔細(xì)地控制。
此外，通常，因為He離子比電子重，所以散射事件在樣品內(nèi)不像通過散射分散電子一樣容易分散He離子。結(jié)果，入射在樣品的表面上的He離子可以在比在SEM中的電子在更小的相互作用體積中與樣品相互作用。結(jié)果，在氣體場離子顯微鏡中(例如He離子顯微鏡)所探測的俄歇電子可以比從具有相似的斑點尺寸的SEM中的俄歇電子來自于更小的區(qū)。結(jié)果，由樣品和He離子束的交互作用而離開表面的俄歇電子與在SEM中所產(chǎn)生的俄歇電子相比，可以對應(yīng)于樣品表面的更為局部化的探詢(例如，具有較少的材料特性的橫向平均)。
另外，He離子源還提供了比電子源更大的焦點的深度。結(jié)果，使用離子顯微鏡獲得的樣品的圖像(例如，氣體場離子顯微鏡)與從SEM中的俄歇電子所獲得的可比較的圖像相比，可以示出沿垂直于樣品表面的方向測量的、聚焦的更大部分的樣品。
對于俄歇電子探測，與電子束相比，使用離子束的另一優(yōu)點是當(dāng)使用電子束時，俄歇電子在反向散射電子的基線上被探測，而使用離子束，反向散射電子不存在。結(jié)果，當(dāng)收集相對小量的俄歇電子時，可以獲得相對高的探測的俄歇電子的信噪比，這可以減小當(dāng)使用離子束時從樣品獲得相對良好質(zhì)量的俄歇電子頻譜所花費的時間量。
C.散射離子 如在此所述，當(dāng)來自離子束(例如，He離子)的離子與樣品相互作用時散射離子被產(chǎn)生，并且從樣品被散射同時留下離子(例如，He離子)。因為散射離子可以從樣品的表面下區(qū)移動到樣品的表面并且從樣品發(fā)射的概率非常低，所以散射離子通常提供樣品表面的信息。如下面所更為詳細(xì)的描述的，當(dāng)探測散射離子時，探測器的具體的布置通常取決于期望獲得的信息的類型。
在一些實施例中，樣品表面的形貌信息可以通過探測的散射離子而獲得。圖34A通常描繪了從表面的不同區(qū)探測散射離子，以便確定樣品表面的形貌信息的方法的實施例。具體地，圖34A示出了樣品7010，該樣品7010具有分別具有表面7013、7015和7017的區(qū)7012、7014和7016。散射圖案7020、7030和7040分別代表從表面7013、7015和7017散射的離子的角分布，當(dāng)離子束垂直地入射于其上時。如在圖34A中所示出的，各散射圖案7020、7030和7040是余弦型分布。圖34B描繪了來自于形貌效應(yīng)而由探測器7041和7050分別探測的散射離子的相對強(qiáng)度7042和7052的分布(分別是短劃線和點線)。因而，例如，假定樣品7010在其整個表面上由相同材料形成，來自探測器7041和7050的相對總豐度分布可以用于確定樣品7010的形貌。作為替代，假定樣品7010的形貌已知，則僅歸因于形貌的探測的對于散射離子的總豐度的貢獻(xiàn)(相對強(qiáng)度7042和7052)可以從探測的散射離子的總豐度中被去除，以便確定歸因于其它效應(yīng)(例如，改變橫過樣品7010的表面的材料)的對于探測的散射離子的總豐度的貢獻(xiàn)。盡管探測器可以相對于表面按期望定位，但是，在某些實施例中，對于在圖34A所示出的探測器系統(tǒng)，形貌信息從在大的散射角散射的He離子獲得。舉例而言，在一些實施例中，來自散射離子的形貌信息通過在相對于離子束的方向60°或更大(例如，65°或更大、70°或更大、75°或更大)的角度來探測散射離子而被確定。盡管圖34A描繪了兩個探測器的使用，但是在一些實施例中，單個探測器被使用(例如，探測器7041或探測器7050)。作為替代，在某些實施例中，多于2(例如3、4、5、6、7、8)個探測器可以被使用。通常，當(dāng)多個探測器被用于探測散射離子時，探測器對于其相對于樣品的表面的立體角相互等距離分開。相對于樣品表面對稱定位的多于2個探測器(例如，4個探測器)的使用可以允許探測相對于樣品表面的標(biāo)稱平面的兩個正交方向的表面特征。
圖35A-35I通常描繪了從表面的不同的區(qū)探測散射離子以便確定樣品表面的形貌信息的方法的各種實施例。具體地，圖35A、35D和35G分別示出了樣品8050，該樣品8050具有分別具有表面8053、8055、8057和8061的區(qū)8052、8054、8056和8058。如在圖35A、35D和35G中所示出的，表面8055和8059相對于表面8053、8057和8061傾斜。散射圖案8070、8090和80110代表分別自表面8053、8057和8061散射的離子的角分布，當(dāng)離子束垂直入射于其上時。如在圖35A、35D和35G中所示出的，各散射圖案8070、8090和80110是余弦型分布。散射圖案8080和80100代表從表面8055和8059散射的離子的角分布，當(dāng)離子束相對于區(qū)8054和8058垂直時。如在圖35A、35D和35G中所示出的，因為離子束未垂直入射于表面8055和8059上，所以散射圖案8080和80110的角分布不是余弦型分布。
圖35B和35C描繪了當(dāng)半球探測器(可以能夠角解析散射離子，頻譜解析散射離子，或兩者)80120被用于探測散射離子時，散射離子的總產(chǎn)率和被探測的散射離子的相對豐度。如在圖35C中所示出的，當(dāng)使用探測器80120時被探測的離子的相對豐度中存在陰影效應(yīng)。因而，例如，假定樣品8050在其整個表面上由相同材料形成，來自探測器80120的相對豐度分布可以被用于確定樣品8050的形貌。作為替代，假定已知樣品8050的形貌，則僅歸因于形貌的被探測的散射離子的對于總豐度的貢獻(xiàn)(圖35D中的相對豐度)可以從被探測的散射離子的總豐度中去除，以便確定歸因于其它效應(yīng)的對于被探測的散射離子的總豐度的貢獻(xiàn)(例如，改變橫過樣品8050的表面的材料)。
圖35E和35F描繪了當(dāng)對于散射離子具有相對小的接收角的頂探測器80130被用于探測散射離子時，散射離子的總產(chǎn)率和被探測的散射離子的相對豐度。如在圖35F中所示出的，因為進(jìn)入探測器80130的接收角的散射產(chǎn)率在區(qū)8054和8056顯著較小(盡管，如在圖35E中所示出的散射離子的總產(chǎn)率在這些區(qū)中較高)，散射離子的相對豐度在區(qū)8054和8056減小。因而，例如，假定樣品8050在其整個表面上由相同材料形成，則來自探測器80130的相對豐度分布可以被用于確定樣品8050的形貌。作為替代，假定已知樣品8050的形貌，則僅歸因于形貌的對于被探測的散射離子的總豐度的貢獻(xiàn)(圖35D中的相對豐度)可以從被探測的散射離子的總豐度中去除，以便確定歸因于其它效應(yīng)的對于被探測的散射離子的總豐度的貢獻(xiàn)(例如，改變橫過樣品8050的表面的材料)。
圖35H和35I描繪了當(dāng)對于散射離子具有相對大的接收角的頂探測器80140被用于探測被探測的離子時，散射離子的總產(chǎn)率和被探測的散射離子的相對豐度。如在圖35I中所示出的，通過選擇探測器80140的合適的接收角，被探測的散射離子的相對豐度在樣品上基本相同。被探測的散射離子的總豐度的改變將歸因于表面形貌改變之外的效應(yīng)(例如，改變橫過樣品8050的表面的材料)。
在某些實施例中，散射離子的探測可以被用于確定樣品表面的材料成份信息。一種這樣的方法涉及測量散射離子的總豐度。散射離子的總豐度可以使用單個探測器(例如半球探測器)來探測，該探測器被配置來探測離開樣品180的表面181(離子束撞擊的表面)的散射離子，或者使用多個探測器來探測，所述多個探測器被配置來探測離開樣品180的表面181(離子束以一角度和能量范圍撞擊樣品的表面的表面)的散射離子。通常，He離子的散射概率(并且因而散射的He離子的總豐度，假定沒有來自其它因素的影響，例如樣品表面中的形貌變化)與He離子從其散射的表面原子的原子序數(shù)(Z值)的平方成大致正比。因而，舉例而言，當(dāng)試圖區(qū)分半導(dǎo)體物品中的銅(原子序數(shù)29)線和硅(原子序數(shù)14)時，來自半導(dǎo)體物品的表面的銅原子的散射的He離子的總豐度是來自半導(dǎo)體物品的表面的硅原子的散射離子的總豐度的大約4倍。作為另一實例，當(dāng)試圖區(qū)分半導(dǎo)體物品中的鎢(原子序數(shù)74)栓和硅(原子序數(shù)14)時，來自半導(dǎo)體物品的表面的鎢原子的散射的He離子的總豐度是來自半導(dǎo)體物品的表面的硅原子的被散射He離子的總豐度的大約25倍。作為又一實例，當(dāng)試圖區(qū)分半導(dǎo)體物品中的金(原子序數(shù)79)區(qū)和硅(原子序數(shù)14)時，來自半導(dǎo)體物品的表面的金原子的散射的He離子的總豐度是來自半導(dǎo)體物品的表面的硅原子的散射離子的總豐度的大約25倍。作為另外的實例，當(dāng)試圖區(qū)分半導(dǎo)體物品中的銦(原子序數(shù)49)和硅(原子序數(shù)14)時，來自半導(dǎo)體物品的表面的銦原子的散射的He離子的總豐度是來自半導(dǎo)體物品的表面的硅原子的散射離子的總豐度的大約10倍。
通過探測散射的He離子(可以與總豐度探測結(jié)合使用或替代總豐度探測使用)確定樣品表面的材料成份信息的另一方法涉及以能量解析和角度解析方式測量散射的He離子。例如，如圖36中所示出的，第二透鏡226將Hc離子束192聚焦至樣品180的表面181上。He離子1102從表面181散射且由探測器1100探測。探測器1100被設(shè)計，以便對于探測器1100的接收角內(nèi)的各角ε，獲知各被探測的散射的He離子的角度和能量。通過測量散射的He離子的角度和能量，根據(jù)下列關(guān)系可以計算散射散射的He離子的表面的原子的質(zhì)量 其中Es是散射的He離子的能量，Ei是He離子的入射能量，MHe是He離子的質(zhì)量，θs是散射角，并且Ma是散射He離子的原子的質(zhì)量。
探測器1100可以，例如，是能量解析磷光體基探測器、能量解析閃爍體基探測器、固態(tài)探測器、能量解析靜電棱鏡基探測器、靜電棱鏡、能量解析ET探測器、或能量解析微通道。通常，期望探測器1100具有顯著的接收角。在一些實施例中，探測器是固定的(例如，環(huán)形探測器)。在某些實施例中，探測器1100可以掃過一立體角的范圍。盡管已經(jīng)描述了包括單個探測器的探測能量解析和角度解析的散射的He離子的系統(tǒng)，但是這樣的系統(tǒng)可以包含多(例如，2、3、4、5、6、7、8)個探測器。經(jīng)常，使用多個探測器是期望的，因為它可以允許探測的散射He離子的較大的接收角。
在一些實施例中，探測散射的He離子的總豐度可以提供樣品的結(jié)晶信息。散射的He離子的總豐度可以根據(jù)離子束是否與樣品的晶體結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)而改變。如果離子束與樣品的晶體結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)，則離子束中的離子通?？梢酝溉霕悠穬?nèi)的給定的距離而不與樣品原子進(jìn)行碰撞(通常稱為隧穿)的概率相對高，導(dǎo)致較低的散射的He離子的總豐度。如果，另一方面，離子束未與晶體結(jié)構(gòu)對準(zhǔn)，則離子束中的離子通?？梢酝溉霕悠穬?nèi)的給定的距離而不與樣品原子碰撞的概率相對低，導(dǎo)致較高的散射的He離子的總豐度。因而，作為樣品表面離子束位置的函數(shù)的散射的He離子的總豐度的改變可以與在該位置的材料的結(jié)晶信息相關(guān)。例如，可以存在樣品表面的區(qū)，其中散射的He離子的總豐度基本相同。這樣的區(qū)可以，例如，具有相同的晶向，并且區(qū)的尺寸可以提供晶粒尺寸和/或晶體尺寸信息(例如，在包括多取向的晶疇的多晶樣品中)，和/或可以提供關(guān)于樣品的應(yīng)變區(qū)的信息(是非晶或晶態(tài))，因為對于給定的化學(xué)成份(例如，元素成份，材料成份)的材料的散射的He離子總豐度的大小可以取決于材料的應(yīng)變。
替代地或附加地，樣品表面的結(jié)晶信息可以通過將表面的區(qū)暴露于離子束(而不柵掃描離子束)并且隨后測量散射的He離子的圖案(例如，相似于由于來自暴露于電子束的樣品表面的反向散射電子而獲得的菊池圖案而獲得。散射的He離子的圖案可以被分析，以便確定，例如，暴露于離子束的樣品表面位置的材料的取向、晶格間距、和/或晶體類型(例如，體心立方，面心立方)。
散射離子成像技術(shù)可以用于各種不同類型的樣品。這樣的材料的實例是半導(dǎo)體物品，例如被構(gòu)圖的晶片，該晶片可以包括，例如，被絕緣材料的基體所圍繞的多個導(dǎo)電體。散射離子成像技術(shù)可以被用于識別裝置中的缺陷，例如導(dǎo)體之間的不完全的電連接，和/或電路元件之間的電短路。選擇性地，該方法可以相似地用于掩模修理的目的?？梢允褂蒙⑸潆x子成像技術(shù)的樣品類別的另一實例是金屬和合金。例如，包含例如合金的混合材料的樣品的圖像可以用于確定樣品中各材料的表面分布?？梢允褂蒙⑸潆x子成像技術(shù)的又一實例是用于數(shù)據(jù)儲存的讀/寫結(jié)構(gòu)。可以使用散射離子成像技術(shù)的材料的類別的附加的實例是生物材料和制藥材料。
通常，當(dāng)樣品表面被暴露于在傳統(tǒng)SEM中所使用的類型的電子束時，散射離子不形成，并且因而沒有通過探測的散射的He離子可以獲得的結(jié)晶信息或材料成份信息用這樣的SEM可以獲得。這是在此所述的氣體場顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)相對于傳統(tǒng)SEM的顯著優(yōu)點。
在此所述的使用氣體場離子顯微鏡的散射離子的測量(例如，He離子顯微鏡)相對于傳統(tǒng)Rutherford反向散射測量裝置可以提供許多優(yōu)點。入射的He離子可以被聚焦的樣品的表面上的斑點尺寸可以顯著地小于傳統(tǒng)Rutherford反向散射測量裝置的斑點尺寸(典型的斑點尺寸是100μm至1mm或更大)，允許樣品的表面的材料成份信息比用傳統(tǒng)Rutherford反向散射裝置所實現(xiàn)的更為精確地局部化。此外，在此所述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)允許逐像素地柵掃描過樣品表面，而Rutherford反向散射測量裝置不具有該能力。這可以減小與在表面的各位置的樣品表面的材料成份信息相關(guān)的成本和/或復(fù)雜性。
D.一次中性粒子 如在此所述，一次中性粒子是當(dāng)離子束與樣品相互作用并且來自離子束的離子(例如，He離子)作為未荷電的中性粒子(例如，未荷電的He原子)離開樣品時產(chǎn)生的中性粒子。與散射的He離子相對比，一次He原子是相對靈敏的樣品的表面下區(qū)的探針。如在此所使用的，表面下區(qū)是樣品表面下5nm或更深的樣品的區(qū)(例如，樣品表面下10nm或更深、樣品表面下25nm或更深、樣品表面下50nm或更深)，和樣品表面下1000nm或更淺(例如，樣品表面下500nm或更淺、樣品表面下250nm或更淺、樣品表面下100nm或更淺)。通常，離子束的探測深度隨著離子能量的增加而增加。因而，為了確定樣品的較深的表面下信息，可以使用較高能量的離子束。通過以不同的離子束能量(探測深度)攝取樣品的多個He原子圖像，可以獲得材料成份信息的深度分布。在一些實施例中，X射線層析再建(tomographicreconstruction)算法和/或技術(shù)可以被應(yīng)用于深度相關(guān)信息以便進(jìn)行樣品的結(jié)構(gòu)的X射線層析再建。
通常，基于一次He原子的探測的材料成份信息可以使用總豐度探測、能量解析/角度解析，或兩者探測，使用如上述相對于散射的He離子的對應(yīng)技術(shù)所述的探測器布置，并且還使用如上述對于散射的He離子所描述的相同的數(shù)學(xué)關(guān)系而確定。但是，典型地，用于一次He原子的探測器能夠探測中性核素。這樣的探測器的實例包括微通道板、通道倍增器和閃爍器/PMT探測器。
一次中性粒子(例如，He原子)技術(shù)可以用于各種不同類型的樣品。這樣類型的材料的實例是半導(dǎo)體物品，例如被構(gòu)圖的晶片，晶片可以包括，例如，被絕緣材料的基體所圍繞的多個導(dǎo)電體。一次中性粒子技術(shù)可以被用于識別裝置中的缺陷，例如導(dǎo)體之間的不完全的電連接，和/或電路元件之間的電短路。選擇性地，該方法可以相似地用于掩模修理的目的。可以使用一次中性粒子成像技術(shù)的樣品類別的另一實例是金屬和合金。例如，包含例如合金的混合材料的樣品的圖像可以用于確定樣品中各材料的表面分布。可以使用一次中性粒子成像技術(shù)的又一實例是用于數(shù)據(jù)儲存的讀/寫結(jié)構(gòu)。可以使用一次中性粒子成像技術(shù)的材料類別的附加的實例是生物材料和制藥材料。
通常，當(dāng)樣品表面被暴露于在傳統(tǒng)SEM中所使用的類型的電子束時，一次中性粒子不形成，并且因而沒有通過探測的散射的He離子可以獲得的結(jié)晶信息或材料成份信息用這樣的SEM可以獲得。這是在此所述的氣體場顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)相對于傳統(tǒng)SEM的顯著優(yōu)點。
E.光子 典型的所關(guān)注的光子包括X射線光子、UV光子、可見光光子和IR光子。如在此所述，IR光子是具有大于700nm至100,000nm的波長的光子(例如，從1.2×10-5keV至1.7×10-3keV)，可見光光子是具有從大于400nm至700nm的波長的光子(例如，從1.8×10-3keV至3×10-3keV)，UV光子是具有大于10nm至400nm的波長的光子(例如，從3.1×10-3keV至125eV)并且X射線光子是具有從0.01nm至10nm的波長的光子(例如，從125eV至125keV)。通常，這樣的光子從樣品表面以一角度和能量/波長范圍發(fā)射。但是，最為關(guān)注的信息通常是光子的波長和/或能量(與角度解析光子信息相對比)，因為，如下面所解釋的，光子的波長和/或能量正是可以提供關(guān)于樣品表面的信息。光子可以使用一或更多的能夠以波長解析或能量解析方式探測光子的合適的探測器而被探測(見關(guān)于探測器類型的討論)。如果多個探測器被使用，則探測器可以全部是相同類型的探測器，或者可以使用不同類型的探測器，并且通?？梢园雌谕渲?。探測器可以被配置，以便探測離開樣品180的表面181(離子束撞擊的表面)，樣品180的表面183(從離子束碰撞的對側(cè)上的表面)或兩者(見上面關(guān)于探測器配置的討論)的光子。為了提高被探測的光子的信噪比，可以期望使用可以收集相對大的立體角的光子的探測器。附加地或替代地，系統(tǒng)可以包括相鄰于樣品的表面并且可以將光子導(dǎo)向可以被使用的探測器的一或更多的光學(xué)元件(例如，一或更多的透鏡、一或更多鏡子)(例如增加被探測的光子的探測的有效立體角)。
通常，探測光子的能量和/或波長可以產(chǎn)生樣品的材料成份信息(例如，元素信息、化學(xué)環(huán)境信息)。在這樣的實施例中，信息主要涉及樣品的表面。通常，對于在給定的化學(xué)環(huán)境中的各元素或材料，由元素或材料發(fā)出的光子具有特定的能量/能帶和波長/波帶。結(jié)果，從表面的給定位置發(fā)出的光子的能量和波長通常取決于在該位置所存在的材料。因而，光子的能量或波長的改變作為離子束在樣品表面上的位置的函數(shù)，可以與樣品的表面存在的元素和/或材料的改變相關(guān)，提供樣品的表面的材料成份信息。
替代地或附加地，探測光子，通過確定樣品材料的去激時間而可以獲得樣品的材料成份信息。這可以被實現(xiàn)，例如，通過使離子束脈沖化以便短時間使得樣品暴露于離子束，隨后測量探測光子所花費的時間，這相關(guān)于發(fā)射光子的樣品材料的去激時間。通常，在給定的化學(xué)環(huán)境中的各元素或材料具有特定的去激時間。
樣品的結(jié)晶信息可以使用結(jié)合偏振器的光子探測被獲得，因為光子的偏振可以取決于樣品中材料的晶向。因而，通過使用偏振器，由樣品發(fā)射的光子的偏振可以被確定，提供與樣品的晶向相關(guān)的信息。
通常，包含在被探測的光子中的信息將主要是樣品的表面的信息。但是，因為光子可以從樣品的表面下區(qū)逃逸，所以被探測的光子可以包含相關(guān)于樣品的表面下區(qū)的信息。因而，被探測的光子可以被用于確定樣品的光學(xué)特性。例如，通過操縱離子束中的離子的能量，并且因而其探測深度，并且確定對于被探測的光子的強(qiáng)度的相應(yīng)影響，可以研究樣品對于光子的透明度。作為離子能量(探測深度)函數(shù)的被探測的光子的強(qiáng)度可以產(chǎn)生關(guān)于樣品對于光子的透明度的信息。
光子成像技術(shù)可以用于各種不同類型的樣品。這樣的材料的實例是半導(dǎo)體物品，例如構(gòu)圖的晶片，該晶片可以包括，例如，被絕緣材料的基體所圍繞的多個導(dǎo)電體。光子成像技術(shù)可以被用于識別裝置中的缺陷，例如導(dǎo)體之間的不完全的電連接，和/或電路元件之間的電短路。選擇性地，該方法可以相似地用于掩模修理的目的?？梢允褂霉庾映上窦夹g(shù)的樣品類別的另一實例是金屬和合金。例如，包含例如合金的混合材料的樣品的圖像可以用于確定樣品中各材料的表面分布?？梢允褂霉庾映上窦夹g(shù)的又一實例是用于數(shù)據(jù)儲存的讀/寫結(jié)構(gòu)。可以使用光子成像技術(shù)的材料類別的附加實例是生物材料和制藥材料。
使用通過暴露于He離子束而產(chǎn)生的光子來成像樣品相對于通過其它技術(shù)的光子成像(例如SEM)，可以提供許多優(yōu)點。例如，樣品上的He離子束的斑點尺寸可以比來自SEM的電子束的斑點尺寸小。由于較小的斑點尺寸，暴露于He離子束的樣品的區(qū)比SEM中被暴露的區(qū)被更為仔細(xì)地控制。
此外，通常，因為He離子比電子重，所以散射事件在樣品內(nèi)不像通過散射分散電子一樣容易分散He離子。結(jié)果，入射在樣品的表面上的He離子可以比在SEM中的電子在更小的相互作用體積中與樣品相互作用。結(jié)果，氣體場離子顯微鏡中(例如He離子顯微鏡)所探測的光子可以比具有相似的斑點尺寸的SEM中的光子來自于更小的區(qū)。結(jié)果，由樣品和He離子束的相互作用所產(chǎn)生的光子比在SEM中所產(chǎn)生的光子可以對應(yīng)于樣品表面的更為局部化的探詢(例如，具有材料特性的較少橫向平均)。
另外，He離子源比電子源還提供更大的聚焦深度。結(jié)果，使用離子顯微鏡(例如，氣體場離子顯微鏡)獲得的樣品的圖像與從SEM中的光子獲得的可以對比的圖像相比，可以示出沿垂直于樣品表面的方向測量的、聚焦的樣品的較大的部分。
F.二次離子 如在此所述，二次離子是當(dāng)離子束與樣品相互作用以從樣品去除單原子或多原子核素時所形成的荷電狀態(tài)的離子。入射離子束和樣品之間的相互作用可以產(chǎn)生二次離子。典型地，當(dāng)使用質(zhì)量大于He的惰性氣體離子(Ar離子、Ne離子、Kr離子、Xe離子)時，該方法更為有效。
通過被探測的粒子的質(zhì)量的計算，來自樣品的二次離子的探測可以提供樣品的材料成份信息。通常，該信息對應(yīng)于樣品表面的材料。在一些實施例中，二次離子的質(zhì)量(離子化后)被確定，使用飛行時間和質(zhì)量解析探測器(例如四極質(zhì)量頻譜儀)的組合。這樣的二次離子的探測可以如下進(jìn)行。通過改變施加于離子光學(xué)器件中的離子光學(xué)元件的電位，離子束在脈沖模式工作。入射粒子的脈沖被入射在樣品的表面上。確定切換離子光學(xué)元件的電位以打開和關(guān)閉離子束的速率的時鐘信號也被用作探測器的參考時鐘信號(見上面關(guān)于探測器的討論)，在該方式中，二次離子從樣品至探測器的飛行時間可以被精確的確定。
根據(jù)被探測的二次離子的飛行時間，其移動的距離(例如，探測器和樣品之間的距離)、和其能量，粒子的質(zhì)量可以被計算，并且化學(xué)核素的類型(例如，原子)可以被識別。該信息用于確定樣品的材料成份信息。
二次離子成像技術(shù)可以應(yīng)用于各種不同類型的樣品。這樣的材料的實例是半導(dǎo)體物品，例如構(gòu)圖的晶片，該晶片可以包括，例如，被絕緣材料的基體所圍繞的多個導(dǎo)電體。二次離子成像技術(shù)可以被用于識別裝置中的缺陷，例如導(dǎo)體之間的不完全的電連接，和/或電路元件之間的電短路。選擇性地，該方法可以相似地用于掩模修理的目的?？梢允褂枚坞x子成像技術(shù)的樣品類別的另一實例是金屬和合金。例如，包含例如合金的混合材料的樣品的圖像可以用于確定樣品中各材料的表面分布?？梢允褂枚坞x子成像技術(shù)的又一實例是用于數(shù)據(jù)儲存的讀/寫結(jié)構(gòu)?？梢允褂枚坞x子成像技術(shù)的材料類別的附加實例是生物材料和制藥材料。
當(dāng)樣品表面被暴露于傳統(tǒng)SEM中所使用的類型的電子束中時，二次離子通常不產(chǎn)生，并且因而使用這樣的SEM不可以獲得通過被探測的二次離子可以獲得的材料成份的信息。這是在此所述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)相對于傳統(tǒng)SEM的顯著的優(yōu)點。
G.二次中性粒子 二次中性粒子是當(dāng)離子束與樣品相互作用以從樣品去除單原子或多原子核素而產(chǎn)生的未荷電的狀態(tài)的中性粒子。入射離子束和樣品之間的相互作用可以產(chǎn)生二次中性粒子。典型地，當(dāng)使用質(zhì)量大于He的惰性氣體離子(Ar離子、Ne離子、Kr離子、Xe離子)時，該方法更為有效。通常，為了評估可以從二次中性粒子獲得的信息，在探測之前，粒子被離子化(例如，通過激光誘發(fā)離子化、電子誘發(fā)離子化)。
通過被探測的粒子的質(zhì)量的計算，來自樣品的二次中性粒子(離子化后)的探測可以提供樣品的材料成份信息。通常，該信息對應(yīng)于樣品表面的材料。在一些實施例中，使用飛行時間和質(zhì)量解析探測器(例如四極質(zhì)量頻譜儀)的組合，確定二次中性粒子的質(zhì)量(離子化后)。這樣的中性粒子(離子化后)探測可以如下進(jìn)行。通過改變施加于離子光學(xué)器件中的離子光學(xué)元件的電位，離子束在脈沖模式工作。入射粒子的脈沖被入射在樣品的表面上。確定轉(zhuǎn)換離子化裝置(例如，激光、電子束)和/或離子光學(xué)元件的電位的速率的時鐘信號也被用作探測器的參考時鐘信號(見上面關(guān)于探測器的討論)，在該方式中，二次中性粒子從樣品至探測器的飛行時間(離子化后)可以被精確的確定。
根據(jù)被探測的二次離子的飛行時間，其移動的距離(例如，探測器和樣品之間的距離)，和其能量，可以計算粒子的質(zhì)量，并且可以識別化學(xué)核素的類型(例如原子)。該信息用于確定樣品的材料成份信息。
二次中性粒子成像技術(shù)可以應(yīng)用于各種不同類型的樣品。這樣的材料的實例是半導(dǎo)體物品，例如構(gòu)圖的晶片，該晶片可以包括，例如，被絕緣材料的基體所圍繞的多個導(dǎo)電體。二次中性粒子成像技術(shù)可以被用于識別裝置中的缺陷，例如導(dǎo)體之間的不完全的電連接，和/或電路元件之間的電短路。選擇性地，該方法可以相似地用于掩模修理的目的?？梢允褂枚沃行粤Ｗ映上窦夹g(shù)的樣品類別的另一實例是金屬和合金。例如，包含例如合金的混合材料的樣品的圖像可以用于確定樣品中各材料的表面分布?？梢允褂枚沃行粤Ｗ映上窦夹g(shù)的又一實例是用于數(shù)據(jù)儲存的讀/寫結(jié)構(gòu)。可以使用二次中性粒子成像技術(shù)的材料類別的附加實例是生物材料和制藥材料。
當(dāng)樣品表面被暴露于傳統(tǒng)SEM中所使用的類型的電子束中時，二次中性粒子通常不產(chǎn)生，并且因而使用這樣的SEM不可以獲得通過被探測的二次中性粒子可以獲得的材料成份的信息。這是在此所述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)相對于傳統(tǒng)SEM的顯著的優(yōu)點。
典型應(yīng)用 A.半導(dǎo)體制造 (i)概述 半導(dǎo)體制造典型地涉及制備包括被順序沉積并且處理以便形成集成電子電路、集成電路元件、和/或不同的微電子裝置的材料的多層的物品。這樣的物品典型地包含相對于彼此精確定位(例如，通常在幾個納米的量級上)的各種特征(例如，由導(dǎo)電材料形成的電路線，填充以非導(dǎo)電材料的阱、由電學(xué)上半導(dǎo)體材料形成的區(qū))。給定特征的位置、尺寸(長度、寬度、深度)、成份(化學(xué)成份)和相關(guān)的特性(導(dǎo)電性、晶向、磁特性)可以對于物品的性能具有重要的影響。例如，在某些實例中，如果一或更多的這些參數(shù)在恰當(dāng)?shù)姆秶鈺r，物品可以是不合格的，因為物品不可以按期望工作。結(jié)果，通常期望在半導(dǎo)體制造期間對于各步驟具有非常良好的控制，并且有利的是具有在制造工藝中的各步驟可以監(jiān)測半導(dǎo)體物品的制造的工具以便研究在半導(dǎo)體制造工藝的各階段一或更多特征的位置、尺寸、成份和相關(guān)特性。如在此所使用的，術(shù)語半導(dǎo)體物品是指在制造集成電子電路、集成電路元件、微電子裝置的工藝期間形成的集成電子電路、集成電路元件、微電子裝置或物品。在一些實施例中，半導(dǎo)體物品可以是平板顯示器或光電池的一部分。
半導(dǎo)體物品的區(qū)可以由不同類型的材料形成(導(dǎo)電、不導(dǎo)電、電學(xué)半導(dǎo)體)。典型的導(dǎo)電材料包括金屬，例如鋁、鉻、鎳、鉭、鈦、鎢、和包括一或更多的這些金屬的合金(例如鋁-銅合金)。典型的不導(dǎo)電材料包括一或更多的金屬的硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、磷化物、硅化物、硫化物(例如，硅化鎳、硼化碳、鉭鍺、氮化鉭、硅化鉭、氮化鉭硅、和氮化鈦)。典型的電學(xué)半導(dǎo)體材料包括硅、鍺、和砷化鎵。選擇性地，電學(xué)半導(dǎo)體材料可以被摻雜(p摻雜、n摻雜)以便提高材料的導(dǎo)電性。
如上所述，通常，半導(dǎo)體物品的制造涉及順序地沉積和處理材料的多層。給定的材料層的沉積/處理中典型的步驟包括成像物品(例如，確定要被形成的期望的特征應(yīng)當(dāng)被定位的位置)、沉積合適的材料(例如，導(dǎo)電材料、電學(xué)半導(dǎo)體材料、不導(dǎo)電材料)并且蝕刻以便從物品中的某些位置去除不必要的材料。經(jīng)常，光致抗蝕劑，例如聚合物光致抗蝕劑，被沉積/曝光于合適的輻射/選擇性地被蝕刻以便輔助控制給定特征的位置和尺寸。典型地，光致抗蝕劑在一或更多的后續(xù)工藝步驟中被去除，并且，通常，最終的半導(dǎo)體物品期望地不包含可感知量的光致抗蝕劑。
在此所描述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以被用于研究制造工藝中各種步驟(例如，各步驟)的半導(dǎo)體物品。具體地，通過探測和分析一種類型的粒子或多種不同類型的粒子(見上面的討論)，氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以被用于確定半導(dǎo)體物品的表面的形貌信息、半導(dǎo)體物品的表面的材料成份信息、半導(dǎo)體物品的表面下區(qū)的材料成份信息、半導(dǎo)體物品的結(jié)晶信息、半導(dǎo)體物品的表面的電壓對比信息、樣品的表面下區(qū)的電壓對比信息、半導(dǎo)體物品的磁信息、和/或半導(dǎo)體物品的光學(xué)信息。
使用在此所描述的離子顯微鏡或離子束可以提供各種不同的優(yōu)點，這通?？梢詼p小與半導(dǎo)體物品的制造相關(guān)的時間、成本和/或復(fù)雜度。與使用在此所描述的離子顯微鏡或離子束相關(guān)的典型的優(yōu)點包括相對高的分辨率、相對小的斑點尺寸、相對少的不期望的樣品損壞、相對少的不期望的材料沉積和/或注入、在相對短的時間內(nèi)相對高品質(zhì)的成像、相對高的生產(chǎn)量。
在下面討論半導(dǎo)體制造中的某些工藝的實例。
(ii)無掩模光刻 半導(dǎo)體物品典型地使用光刻工藝制備，光刻工藝涉及放置光致抗蝕劑的層(例如，聚合物光致抗蝕劑，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或環(huán)氧基光致抗蝕劑，烯丙基二乙二醇碳酸酯，或光敏玻璃)于表面上，構(gòu)圖所述材料，使得光致抗蝕劑的某些區(qū)對于蝕刻劑是抗蝕的(并且一些區(qū)對于蝕刻劑是不抗蝕的)，蝕刻材料的非抗蝕的區(qū)，沉積合適的材料(例如，一或更多導(dǎo)電材料，一或更多的非導(dǎo)電材料，一或更多的半導(dǎo)體材料)，并且選擇性地去除材料的不期望的區(qū)。典型地，構(gòu)圖步驟涉及將光致抗蝕劑暴露于合適的波長的輻射圖案，使得光致抗蝕劑的一些區(qū)是抗蝕的的而光致抗蝕劑的其它區(qū)是不抗蝕的。通過形成掩模圖像于光致抗蝕劑上或用掩模覆蓋光致抗蝕劑的某些區(qū)，并且通過掩模曝光光致抗蝕劑的未被覆蓋的區(qū)，而在光致抗蝕劑上形成輻射圖案。
但是，不是使用掩模以便在曝光于輻射之前覆蓋光致抗蝕劑的區(qū)，可以使用通過在此所描述的氣體原子與氣體場離子源(例如，He離子源)的相互作用所產(chǎn)生的離子束，以便照射來構(gòu)圖光致抗蝕劑，從而產(chǎn)生期望的抗蝕的區(qū)和不抗蝕的區(qū)。這可以被實現(xiàn)，例如，通過使離子束柵掃描過光致抗蝕劑，使得材料的期望的區(qū)被暴露于離子(例如，通過在期望光致抗蝕劑暴露于輻射的區(qū)上打開離子束并且通過在不期望光致抗蝕劑暴露于輻射的區(qū)上關(guān)閉離子束)。結(jié)果，半導(dǎo)體物品可以以無掩模工藝制造。
使用在此所公開的通過氣體原子與氣體場離子源(例如，He離子源)的相互作用所產(chǎn)生的離子束可以提供一或更多的下列優(yōu)點。如所述，可以進(jìn)行工藝而不使用掩模，這可以減小與半導(dǎo)體物品的制造相關(guān)的時間、成本和/或復(fù)雜度。離子束的相對大的焦點的深度可以允許構(gòu)圖相對厚的光致抗蝕劑材料(例如，2μm或更厚、5μm或更厚、10μm或更厚、和/或20μm或更薄)。用離子束可以實現(xiàn)的離子的相對深的穿透深度可以進(jìn)一步輔助處理相對厚的光致抗蝕劑材料，以及輔助以良好的品質(zhì)來處理更標(biāo)準(zhǔn)厚度的光致抗蝕劑材料。另外，離子束相對于通常采用電子束所實現(xiàn)的具有更高的分辨率，允許以較高的精度制造更小尺寸的特征。此外，光致抗蝕劑的離子束構(gòu)圖可以比光致抗蝕劑的電子束構(gòu)圖更快。
(iii)離子顯微鏡和聚焦的離子束的結(jié)合 聚焦離子束(FIB)通常在半導(dǎo)體物品的制造期間使用，以便獲得用于檢測的樣品。鎵(Ga)離子通常用于FIB?？梢詾榱烁鞣N原因來使用FIB，例如通過半導(dǎo)體物品的截面成像，電路編輯，半導(dǎo)體物品的故障分析、透射電子顯微鏡(TEM)的半導(dǎo)體物品樣品的制備和掩模修復(fù)。選擇性地，F(xiàn)IB可以被用于沉積一或更多的材料于樣品上(例如，作為化學(xué)氣相沉積工藝中的離子源)。典型地，F(xiàn)IB被用于從半導(dǎo)體物品通過濺射去除材料。例如，在一些實施例中，F(xiàn)IB被用于通過半導(dǎo)體物品切片以便暴露物品的截面，用于使用離子顯微鏡的后續(xù)的成像。在某些實施例中，F(xiàn)IB被用于從物品濺射掉材料以便在物品中形成溝槽或通路。該技術(shù)可以被用于，例如，暴露物品的表面下的物品的部分。離子顯微鏡可以隨后被用于沉積新材料，或蝕刻掉通過FIB暴露的現(xiàn)有的材料，使用氣體輔助化學(xué)技術(shù)。在一些實施例中，F(xiàn)IB還可以用作選擇性的濺射工具，以便去除半導(dǎo)體物品的部分，例如物品上的導(dǎo)電材料的部分。在某些實施例中，F(xiàn)IB被用于切掉樣品的部分，使得所述部分可以隨后被分析(例如，使用TEM)。
通常期望在樣品上精確地定位FIB。在此所描述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以被用于該目的。例如，具有FIB儀器和氣體場離子顯微鏡的橫梁(cross-beam)工具可以被使用，使得FIB的位置可以使用氣體場離子顯微鏡來確定而不移動樣品。采用這樣的工具，氣體場離子源可以被用于成像樣品并且提供可以用于精確地按期望定位FIB的信息。這樣的布置相對于使用SEM確定FIB的位置可以提供許多優(yōu)點。舉例而言，SEM的使用可以導(dǎo)致相鄰于樣品表面的磁場，這可以導(dǎo)致Ga離子的同位素分離，導(dǎo)致樣品上多于一個FIB的位置。在許多情形，該問題導(dǎo)致FIB和SEM被串連使用而不是同時使用。但是，相反，氣體場離子顯微鏡可以在沒有這樣的磁場下工作，由此消除了與Ga離子同位素分離相關(guān)的復(fù)雜性，同時也允許FIB和氣體場離子顯微鏡同時使用。這可以是期望的，例如，當(dāng)制備用于后續(xù)檢測的樣品(例如，用于TEM檢測)，其中可以期望樣品的厚度滿足相對嚴(yán)格的公差。使用氣體場離子顯微鏡(例如He離子顯微鏡)的附加的優(yōu)點是比典型地SEM所采用的具有較長的工作距離，而仍然保持非常好的分辨率，因為離子束具有比電子束小的虛源尺寸。這可以減輕對于結(jié)合FIB儀器和SEM的工具可以存在的某些空間限制。在此所描述的氣體場離子顯微鏡的又一優(yōu)點是可以獲得樣品的表面下的信息，這可以提高精確定位FIB的能力，而SEM通常不可以提供這樣的表面下信息。
(iv)氣體輔助化學(xué) 氣體輔助化學(xué)在半導(dǎo)體制造期間通常用于向給定的層添加材料和/或從給定的層去除材料。例如，氣體輔助化學(xué)可以用于半導(dǎo)體電路編輯，以修理在半導(dǎo)體物品中損壞或不正確地制造的電路。氣體輔助化學(xué)還可以用于光刻掩模修理，其中材料可以被添加至掩?；驈难谀１蝗コ?，以便修理由使用或不正確的制造所導(dǎo)致的缺陷。
所述工藝通常涉及將電子與活性氣體相互作用，以便形成可以隨后參加在半導(dǎo)體物品的表面的化學(xué)的反應(yīng)氣體，從而添加材料至表面，從表面去除材料，或兩者。典型地，電子產(chǎn)生為由Ga離子束與樣品的相互作用引起的二次電子，和/或電子產(chǎn)生為由電子束(例如，通過SEM產(chǎn)生的)與樣品的相互作用引起的二次電子。選擇性地，合適的泵系統(tǒng)可以用于去除表面化學(xué)的不期望的揮發(fā)性產(chǎn)物。
可以用于從表面去除材料的活性氣體的實例包括Cl2、O2、I2、XeF2、F2、CF4和H2O。舉例而言，在一些實施例中，通過電子與Cl2和/或O2的相互作用，并且允許所得的化學(xué)核素蝕刻表面區(qū)，由鉻、氧化鉻、氮化鉻和/或氮氧化鉻形成的表面區(qū)可以被至少部分去除。作為另一實例，在某些實施例中，通過電子與XeF2、F2和/或CF4的相互作用，并且允許所得的化學(xué)核素蝕刻表面區(qū)，由氮化鉭形成的表面區(qū)可以被至少部分去除。作為又一實例，在某些實施例中，通過電子與H2O和/或O2的相互作用，并且允許所得的化學(xué)核素蝕刻表面區(qū)而可以被至少部分去除由含碳材料形成的表面區(qū)。
可以用于在表面上沉積材料的活性氣體的實例是WF6(為了沉積W，例如W栓)。
在此所描述的通過氣體原子與氣體場離子源(例如，He離子源)的相互作用所產(chǎn)生的離子束可以被用于進(jìn)行氣體輔助化學(xué)。在這樣的工藝中，例如，由于離子束與樣品的相互作用離開樣品的二次電子可以是用于輔助化學(xué)的電子。使用這樣的離子束相對于使用Ga離子束可以提供幾個優(yōu)點。舉例而言，使用He離子束可以減小(例如，消除)不期望的離子注入，而不期望的Ga的注入是當(dāng)使用Ga離子束時的常見的問題。作為另一實例，氣體場離子束(例如，He離子束)相對于Ga離子束和/或入射電子束(例如，通過SEM所產(chǎn)生的入射電子束)可以提供改善的分辨率，這可以允許更為精確和/或可以控制的化學(xué)的使用。這可以，例如，減小(例如，消除)不期望的離子與樣品的某些部分的相互作用(例如，對于Ga離子束可以出現(xiàn)束分布具有延伸至樣品的不期望的區(qū)域的尾部，在那里Ga的注入可以對于半導(dǎo)體物品的性能產(chǎn)生問題)。
(v)濺射 在半導(dǎo)體物品的制造工藝中，可以期望在某些步驟期間去除材料。離子束可以用于該目的，其中離子束從樣品濺射材料。具體地，在此所描述的通過氣體原子與氣體場離子源的相互作用所產(chǎn)生的離子束可以用于濺射樣品。盡管He氣體離子可以被使用，但是典型地優(yōu)選使用更重的離子(例如，Ne氣體離子、Ar氣體離子、Kr氣體離子、Xe氣體離子)以便去除材料。在材料的去除期間，離子束被聚焦于要被去除的材料所處的樣品的區(qū)上。
使用離子束去除材料的優(yōu)點是可以以相對受控和/或精確的方式去除材料。另外的優(yōu)點是可以實現(xiàn)濺射而沒有不期望的離子的注入(例如，當(dāng)使用Ga離子濺射時經(jīng)常導(dǎo)致的，其中Ga注入是濺射的常見的不期望的副作用)。
(vi)空隙的探測 在半導(dǎo)體物品的制造期間，某些特征或?qū)又械目障犊梢员徊焕蚊渤?，在某些實施例中，空隙可以不期望地影響特征?或整個裝置的特性(例如，電、機(jī)械)。在某些實施例中，后續(xù)的工藝步驟可以打開空隙，并且空隙可以，例如，用液體和/或氣體成份填充。這可以引起下面的結(jié)構(gòu)的腐蝕，在周圍的晶片表面的粒子缺陷和/或殘留物缺陷。
舉例而言，在從WF6沉積W栓期間，TiNx保護(hù)層通常用于保護(hù)相鄰的介電材料(例如，摻雜硼和磷的硅玻璃)免于腐蝕(例如，來自于W形成期間釋放的HF)。TiNx層中的中斷可以導(dǎo)致顯著的空隙形成。作為另一實例，溝槽(例如，相對高的縱橫比的溝槽)中的材料(例如，介電材料)沉積可以導(dǎo)致瓶頸的形成和隨后的空隙形成。作為另外的實例，空隙形成可以出現(xiàn)在淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的介電填充期間。作為又一實例，空隙可以在材料的導(dǎo)電線(例如，銅線)的形成期間形成，這可以導(dǎo)致不期望地減小導(dǎo)電性。在一些情形，這樣的空隙可以導(dǎo)致期望導(dǎo)電之處缺乏導(dǎo)電。
通過利用其提供例如半導(dǎo)體物品的樣品的表面下信息的能力，如在此所描述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以被用于研究空隙形成。該特性可以在半導(dǎo)體物品制造期間使用，以便確定空隙的存在和/或位置。這是優(yōu)于使用電子束的獨特的優(yōu)點，因為電子束通常不提供此類的樣品表面下的信息。
(vii)重疊移動對準(zhǔn)(overlay shift registration) 重疊移動對準(zhǔn)通常是指將半導(dǎo)體物品的給定層的特征與半導(dǎo)體物品的不同層中的特征對準(zhǔn)。如上所述，半導(dǎo)體物品的形成通常涉及許多層的正確的形成。典型地，半導(dǎo)體物品包含遠(yuǎn)多于20層。經(jīng)常，各層可以包含多個不同的特征，各特征期望地以高精度定位，使得半導(dǎo)體物品可以正確地起作用。舉例而言，半導(dǎo)體物品可以包含側(cè)向特征，例如導(dǎo)電線，導(dǎo)電線在不同的層中并且通過通路相互連接。通常，期望使得半導(dǎo)體物品內(nèi)的特征相互對準(zhǔn)，以在100nm內(nèi)(例如，75nm、50nm、25nm、15nm、10nm、9nm、8nm、7nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm、1nm)。這些許多的特征的單個的未對準(zhǔn)可以導(dǎo)致整個半導(dǎo)體物品的無效。
重疊移動對準(zhǔn)通常使用測試結(jié)構(gòu)使用光學(xué)技術(shù)進(jìn)行，該測試結(jié)構(gòu)可以是μm尺寸的結(jié)構(gòu)(顯著大于微電子電路特征尺寸)。這樣，由于其占據(jù)的晶片空間量，光學(xué)測試結(jié)構(gòu)典型地不可以被放置晶片上的管芯內(nèi)。測試結(jié)構(gòu)可以被放置在，例如，接近晶片的邊緣，但是它們?nèi)匀徽紦?jù)晶片表面上的寶貴的空間。光學(xué)測試結(jié)構(gòu)也是昂貴的，因為其僅對于對準(zhǔn)的目的而被制造。最后，用于對準(zhǔn)的光學(xué)測試結(jié)構(gòu)的使用對于用其可以確定在不同層中的特征的對準(zhǔn)的精度有局限性。
在此所述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)以相對高的精度提供關(guān)于樣品的各種類型信息的能力(例如，形貌信息、表面的材料成份信息、表面下區(qū)的材料成份信息、結(jié)晶信息、表面的電壓對比信息、表面下區(qū)的電壓對比信息、磁信息、和光學(xué)信息)允許顯微鏡有利地在半導(dǎo)體物品的制造期間被使用，以便輔助確保裝置中的特征在裝置內(nèi)以高精度正確地定位并且具有正確的尺寸。具體地，He離子顯微鏡可以允許多層中的電路特征以比典型地可以使用光學(xué)測試結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的更高的分辨率對準(zhǔn)。此外，可以進(jìn)行重疊移動對準(zhǔn)，而不使用專用制造的測試結(jié)構(gòu)(例如，光學(xué)測試結(jié)構(gòu))，因為，例如，在此所描述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以成像例如半導(dǎo)體物品的樣品的表面下的特征。因而，可以避免被專用制造的測試結(jié)構(gòu)(例如，光學(xué)測試結(jié)構(gòu))所占據(jù)的晶片上的被浪費的空間，并且可以避免與包括這樣的測試結(jié)構(gòu)相關(guān)的成本和/或復(fù)雜度。
(vii)關(guān)鍵尺寸計量 關(guān)鍵尺寸計量是指對于裝置的性能可以具有關(guān)鍵影響的半導(dǎo)體物品中的特征的線性尺寸的測量。這樣的特征的實例可以包括線(例如，導(dǎo)電材料線，電學(xué)半導(dǎo)體材料線、不導(dǎo)電材料線)。半導(dǎo)體物品可以包含一或更多的具有20nm或更小(例如，10nm或更小、5nm或更小、4nm或更小、3nm或更小、2nm或更小、1nm或更小)的尺寸的特征。在一些實施例中，特征的尺寸被測量多次，以便提供關(guān)于特征尺寸的統(tǒng)計信息。關(guān)鍵尺寸測量經(jīng)常涉及，例如，例如晶片上的構(gòu)圖特征的長度的確定。晶片(包含多個管芯，各管芯形成半導(dǎo)體物品)可以從制造線被隨機(jī)選擇用于檢測，或者生產(chǎn)線上的所有晶片可以被檢測。成像儀器可以以相對高的通過速率用于測量被選擇的關(guān)鍵尺寸。如果被測量的關(guān)鍵尺寸沒有落在可接收的限制之內(nèi)，則晶片可以被拋棄。如果來源于特定的制造機(jī)器的多個樣品具有可接收的限制之外的關(guān)鍵尺寸，則該機(jī)器可以被停止使用，或其工作參數(shù)可以被改變。
在此公開的He離子顯微鏡系統(tǒng)可以用于關(guān)鍵尺寸的測量。具體地，He離子束可以在晶片的區(qū)上被柵掃描，并且晶片的所得圖像可以用于確定關(guān)鍵尺寸。對于關(guān)鍵尺寸測量，相對于SEM或其它檢測系統(tǒng)，He離子顯微鏡系統(tǒng)可以提供許多優(yōu)點。He離子顯微鏡圖像通常比可以對比的SEM圖像展示較小的邊緣模糊現(xiàn)象(通常，過多的信號，接近探測器的飽和點，由于具有接近平行于束的斜率的形貌特征而引起的提高的產(chǎn)率)。減小了的邊緣模糊現(xiàn)象是相對于電子與表面的相互作用的體積，He離子和樣品表面之間的較小的相互作用體積的結(jié)果。
另外，入射的He離子比可對比的入射電子束可以被聚焦到更小的斑點尺寸。較小的束斑點尺寸，與較小的相互作用的體積結(jié)合，導(dǎo)致具有比用SEM產(chǎn)生的圖像優(yōu)越的分辨率的樣品的圖像，和更為精確的樣品的關(guān)鍵尺寸的確定。
He離子束的焦點深度與SEM相比相對大。結(jié)果，當(dāng)使用離子束時，與電子束相比，變化深度的樣品特征的分辨率更為一致。因而，使用離子束可以以比使用電子束可以提供的更好和更一致的橫向分辨率提供各種樣品深度的信息。舉例而言，使用離子束可以實現(xiàn)比使用電子束可以實現(xiàn)的更好的關(guān)鍵尺寸分布。
此外，在其中至少部分根據(jù)二次電子獲得信息的實施例中，與電子束相比由離子束所提供的相對高的二次電子產(chǎn)率，可以導(dǎo)致對于給定流的相對高的信噪比。這可以又允許在相對短的時間周期內(nèi)獲得樣品的足夠的信息，增加了給定流的通過量。
使用散射的He離子可以進(jìn)行確定關(guān)鍵尺寸的樣品的成像。這提供了高分辨率距離確定之外的額外的材料信息的優(yōu)點。
在關(guān)鍵尺寸測量的離子顯微鏡系統(tǒng)的使用期間，讀數(shù)電子槍可以用于避免樣品表面的過量荷電(見上面的討論)。替代地或附加地，可以使用非常低的He離子流(例如，100fA或更小)。除了減小表面荷電和保持圖像保真度之外，低離子流的使用減小了對于某些光致抗蝕劑材料的離子束引入的損壞。
在一些實施例中，被選擇用于關(guān)鍵尺寸測量的晶片樣品可以首先需要被切片(例如，測量樣品的截面尺寸)。為了該目的，較重的氣體例如Ne和Ar可以被用在離子顯微鏡中以便形成可以用于切穿樣品的離子束。作為替代，Ga基FIB可以被用于切片樣品。然后，顯微鏡系統(tǒng)可以清除這些氣體并且He可以被引入，使得關(guān)鍵尺寸測量用He離子束進(jìn)行，避免在計量期間的樣品損壞。
(viii)線邊緣粗糙度和線寬粗糙度 線邊緣粗糙度通常是指半導(dǎo)體物品中的材料的線的邊緣的粗糙度，并且線寬粗糙度通常是指半導(dǎo)體物品中的材料的線的寬度的粗糙度。期望理解這些值以確定在給定的半導(dǎo)體物品中是否存在實際或潛在的問題。例如，如果由導(dǎo)電的材料形成的相鄰的線具有相互向外鼓出的邊緣，則線可以相互接觸而導(dǎo)致短路。期望理解線邊緣粗糙度和/或線寬粗糙度為5nm或更小(例如，4nm或更小、3nm或更小、2nm或更小、1nm或更小、0.9nm或更小、0.8nm或更小、0.7nm或更小、0.6nm或更小、0.5nm或更小)。在一些實施例中，線邊緣粗糙度和/或線邊緣寬度被測量多次，以便提供關(guān)于特征的尺寸的統(tǒng)計信息。另外，對于例如線邊緣粗糙度的參數(shù)的制造公差可以必須被控制在5nm或更小內(nèi)(例如，4nm或更小內(nèi)，3nm或更小內(nèi)，2nm或更小內(nèi)，1nm或更小內(nèi)，0.5nm或更小內(nèi)，0.1nm或更小內(nèi)，0.05nm或更小內(nèi)，0.01nm或更小內(nèi))。
當(dāng)確定線邊緣粗糙度和線寬粗糙度時，晶片可以從制造線被隨機(jī)選擇用于檢測，或者生產(chǎn)線上的所有晶片可以被檢測。成像儀器可以以相對高的通過速率測量線邊緣粗糙度和線寬粗糙度。如果線邊緣粗糙度和線寬粗糙度沒有落在可以接收的限制之內(nèi)，則晶片可以被拋棄。如果來源于特定的制造機(jī)器的多個樣品具有在可接收的限制之外的線邊緣粗糙度和線寬粗糙度，則該機(jī)器可以被停止使用，或其工作參數(shù)可以被改變。
在此所公開的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以用于線邊緣粗糙度和線寬粗糙度的計量。具體地，He離子束可以沿特征的長度被柵掃描，并且所得的信息可以被用于以相對高的精度確定線邊緣粗糙度和線寬粗糙度。
對于線邊緣粗糙度和線寬粗糙度的測量，相對于SEM和其它的檢測系統(tǒng)，He離子顯微鏡系統(tǒng)可以提供許多優(yōu)點。He離子顯微鏡圖像比可對比的SEM圖像通常展示較小的邊緣模糊現(xiàn)象(通常，過多的信號，接近探測器的飽和點，由于具有接近平行于束的斜率的形貌特征而引起的提高的產(chǎn)率)。減小了的邊緣模糊現(xiàn)象是相對于電子與表面的相互作用的He離子和樣品表面之間的較小的相互作用體積的結(jié)果。
另外，入射的He離子比可對比的入射電子束可以被聚焦于更小的斑點尺寸。較小的束斑點尺寸，與較小的相互作用體積結(jié)合，導(dǎo)致具有比用SEM所產(chǎn)生的圖像更為優(yōu)越的分辨率的樣品的圖像，和樣品的線邊緣粗糙度和線寬的粗糙度的更為精確的確定。
He離子束的焦點深度比SEM相對大。結(jié)果，當(dāng)使用離子束時，與電子束相比，不同深度的樣品特征的分辨率更為一致。因而，使用離子束可以以比使用電子束可以提供的更好和更一致的橫向分辨率提供各種樣品深度的信息。舉例而言，使用離子束可以實現(xiàn)比使用電子束可以實現(xiàn)的更好的線寬分布。
此外，在其中至少部分根據(jù)二次電子獲得信息的實施例中，與電子束相比，由離子束所提供的相對高的二次電子產(chǎn)率，可以導(dǎo)致對于給定流的相對高的信噪比。這可以，又允許在相對短的時間內(nèi)獲得樣品的足夠的信息，增加了給定流的通過量。
可以使用散射的He離子進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的確定的樣品的成像。這除了高分辨率距離確定之外還提供了材料信息的另外的優(yōu)點。
使用離子顯微鏡系統(tǒng)用于線邊緣粗糙度和線寬粗糙度測量期間，讀數(shù)電子槍可以用于避免樣品表面的過量的荷電(見上述的討論)。替代地或附加地，可以使用非常低的He離子束流(例如100fA或更小)。除了減小表面荷電并且保持圖像保真度之外，低離子流的使用減小了對于某些抗蝕劑材料的離子束引起的損壞。
在一些實施例中，被選擇用于線邊緣粗糙度和線寬粗糙度測量的晶片樣品可以首先需要被切片(例如，測量樣品的截面尺寸)。為了該目的，較重的氣體例如Ne和Ar可以與氣體場離子源相互作用以產(chǎn)生可以用于切穿樣品的離子束。然后，顯微鏡系統(tǒng)可以清除這些氣體并且He可以被引入，使得關(guān)鍵尺寸測量用He離子束進(jìn)行，避免在計量期間的樣品損壞。
(ix)電路編輯 如先前所討論的，形成半導(dǎo)體物品的工藝典型地涉及以期望的方式層壓許多不同的材料的層，并且在各層上進(jìn)行合適的工藝。通常，這涉及在給定的層上沉積材料和/或從給定從層上去除材料。最終的半導(dǎo)體物品包括在不同層中的許多不同的特征(例如，為了形成期望的電路)。通常，期望對于最終裝置特征被合適地對準(zhǔn)以便按期望地工作。對準(zhǔn)標(biāo)記通常用于半導(dǎo)體物品中以便輔助將給定層中的特征與不同層中的特征正確地對準(zhǔn)。但是，使用對準(zhǔn)標(biāo)記可以對于整個的制造工藝添加額外的步驟，和/或可以對于制造工藝引入其它復(fù)雜度或費用。此外，僅僅對準(zhǔn)標(biāo)記的存在就意味著存在不可以使用的半導(dǎo)體物品的面積和/或體積(例如，用于制造有用的器件)。
如上所述，離子束可以被用于研究材料的表面下的區(qū)。這個特性可以被用于確定在表面層下面的層中的某些特征的位置，允許在半導(dǎo)體物品的不同層中的特征按所期望被對準(zhǔn)而不使用對準(zhǔn)標(biāo)記。
在此所描述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以用于去除和/或沉積材料(例如，從電路)，例如，使用上述氣體輔助化學(xué)和/或濺射技術(shù)。使用離子顯微鏡進(jìn)行這些工藝的優(yōu)點是離子束還可以用于評估所得的產(chǎn)品以便確定，例如，是否期望的材料被正確地沉積或去除。這可以減小與裝置制造相關(guān)的成本和/或復(fù)雜度，和/或增加裝置制造的生產(chǎn)量。材料的去除和/或添加的能力可以被結(jié)合以便進(jìn)行表面下電路修理。為了修理表面下的缺陷，來自于裝置的材料首先被向下去除至暴露缺陷的深度。隨后缺陷通過或者對裝置添加材料或者從裝置去除材料而被修理。最后，裝置的重疊的層通過添加合適厚度的新材料而被逐層修理。
在此所描述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以提供電路編輯應(yīng)用的具體的優(yōu)點，包括小的斑點尺寸和低離子流，用于受控的和高精度的制造的裝置的編輯。
(x)掩模修理 半導(dǎo)體物品典型地使用光刻工藝制備，光刻工藝涉及放置光致抗蝕劑的層(例如，聚合物光致抗蝕劑，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或環(huán)氧基光致抗蝕劑、烯丙基二乙二醇碳酸酯、或光敏玻璃)于表面上，構(gòu)圖材料，使得光致抗蝕劑的某些區(qū)對于蝕刻劑是抗蝕的(并且一些區(qū)對于蝕刻劑是不抗蝕的)，蝕刻材料的非抗蝕區(qū)，沉積合適的材料(例如，一或更多的導(dǎo)電材料，一或更多的不導(dǎo)電材料，一或更多的半導(dǎo)體材料)，并且選擇性地去除材料的不期望的區(qū)。典型地，構(gòu)圖步驟涉及將光致抗蝕劑曝光于合適的波長的輻射圖案，使得光致抗蝕劑的一些區(qū)是抗蝕的并且光致抗蝕劑的其它的區(qū)是非抗蝕的。通過形成掩模的圖像于光致抗蝕劑上或用掩模覆蓋光致抗蝕劑的某些區(qū)，并且通過掩模曝光光致抗蝕劑的未被覆蓋的區(qū)，而可以在光致抗蝕劑上形成輻射圖案。
在半導(dǎo)體工業(yè)中用于制造集成電路和其他微電子裝置的光刻掩模可以是易碎的和/或昂貴的。另外，掩模制造工藝可以是耗時和/或精致的。在一些環(huán)境下，盡管在制造這樣的掩模期間典型地使用的小心，制造誤差產(chǎn)生掩模缺陷。在另外的環(huán)境下，掩模缺陷可以來自于處理和普通的使用。如果電路或其它裝置使用有缺陷的掩模生產(chǎn)，則電路或裝置可以不正確地工作。給定制造新掩模所需要的時間和費用，編輯有缺陷的掩模比制造整個的新掩模更為有成本效益。
掩模缺陷通常包括在不應(yīng)當(dāng)有材料的掩模的區(qū)中的掩模材料的過剩，和/或在材料應(yīng)當(dāng)存在處掩模材料的缺失。在任一情形中，在此所描述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)都可以用于檢測和/或修理掩模。
在一些實施例中，在此所公開的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以用于檢測掩模以便確定是否缺陷存在，并且，如果缺陷存在，缺陷在那里。在此所公開的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)所提供的各種有利的特征中的許多被期望地用于成像掩模。
在某些實施例中，除了在掩模修理期間成像掩模之外，在修理工藝期間，可以使用氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)。舉例而言，氣體場離子顯微鏡可以被用于相對于FIB定位掩模，使得FIB可以被用于使用氣體表面化學(xué)工藝和/或蝕刻工藝對掩模添加和/或從掩模去除材料，例如上面所描述的。作為另一實例，氣體場離子顯微鏡，除了初始成像掩模以便確定缺陷的存在和/或位置之外，可以用于使用氣體表面化學(xué)工藝和/或蝕刻工藝對掩模添加和/或從掩模去除材料，例如上面所描述的。選擇性地，氣體場離子顯微鏡可以被用于進(jìn)行某些修理步驟(添加材料，去除材料)而其它儀器(例如，F(xiàn)IB)被用于進(jìn)行其它修理步驟(添加材料、去除材料)。
(xi)缺陷檢測 通常，在制造半導(dǎo)體物品的工藝期間，為了潛在缺陷而檢測物品。典型地，檢測通常使用線上工具進(jìn)行，該線上工具總是運行并且被供給晶片并且是全自動的。工具經(jīng)常用于檢驗晶片的小的區(qū)是否存在缺陷將出現(xiàn)的區(qū)。該檢測在缺陷再檢查(見下面的討論)之前進(jìn)行。與確定給定的缺陷的準(zhǔn)確的性質(zhì)相對比，缺陷檢測的目標(biāo)典型地是確定是否缺陷可以存在。在缺陷檢測期間，晶片的區(qū)被分析，以便了解相對于相同晶片的其它區(qū)和/或其它晶片的區(qū)是否某些反常的特性(例如，電壓對比特性，形貌特性，材料特性)由樣品展示。典型地，對于潛在的缺陷，晶片上的坐標(biāo)(例如，X、Y坐標(biāo))被標(biāo)注，并且在缺陷再檢查期間晶片的所述位置被更為仔細(xì)地檢測。
如在此所述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子束)可以用于收集缺陷檢測期間樣品的信息。這樣的顯微鏡可以用于相對高的通過量和高質(zhì)量的缺陷檢測。由氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)所提供的不同的對比機(jī)制可以允許不同類型的缺陷的視覺化，并且以比使用光學(xué)成像技術(shù)通常所觀察到的更高的分辨率。
(xii)缺陷再檢查 通常，如果在缺陷檢測期間樣品被標(biāo)注為具有潛在的缺陷，則樣品隨后被提交至缺陷再檢查，其中具有潛在缺陷的樣品的特定區(qū)被研究以便確定缺陷的性質(zhì)。根據(jù)該信息，可以實施對于工藝的改進(jìn)以便減小最終產(chǎn)品中的缺陷的風(fēng)險。典型地，缺陷檢測比缺陷再檢查比以更低的速度和更高的放大倍率進(jìn)行，并且可以自動進(jìn)行或手動進(jìn)行，以便獲得關(guān)于一或更多缺陷的具體信息。所述信息用于試圖理解在缺陷再檢查期間為什么獲得異常的結(jié)果，和產(chǎn)生異常結(jié)果的缺陷的性質(zhì)和原因。
在此所述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以用于研究制造工藝中不同步驟(例如，每個步驟)的半導(dǎo)體物品。具體地，通過探測和分析一種類型的粒子或多種不同類型的粒子(見上面的討論)，氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以用于確定半導(dǎo)體物品的表面的形貌信息，半導(dǎo)體物品表面的材料成份信息，半導(dǎo)體物品的表面下區(qū)的材料成份信息，半導(dǎo)體物品的結(jié)晶信息，半導(dǎo)體物品表面的電壓對比信息，半導(dǎo)體物品的表面下區(qū)的電壓對比信息，半導(dǎo)體物品的磁信息，和/或半導(dǎo)體物品的光學(xué)信息。由He離子顯微鏡所提供的不同的對比機(jī)制可以允許否則使用SEM基技術(shù)不出現(xiàn)的缺陷的視覺化。
使用在此所述的離子顯微鏡或離子束可以提供各種不同的優(yōu)點，這通?？梢詼p小與半導(dǎo)體物品的制造相關(guān)的時間、成本和/或復(fù)雜度。與使用在此所述的離子顯微鏡或離子束相關(guān)的典型的優(yōu)點包括相對高的分辨率，相對小的斑點尺寸，相對少的不期望的樣品損壞，相對少的不期望的材料沉積和/或注入，在相對短的時間內(nèi)的相對高的成像質(zhì)量，相對高的通過量。
(xiii)電路試驗 在半導(dǎo)體物品的制造期間，物品的一或更多的特征的導(dǎo)電性和功能性可以被測試。該工藝通常涉及將特征暴露于荷電粒子并且隨后監(jiān)測電荷積聚的速率。開電路相對于閉電路以不同的速率荷電，允許開電路被識別并且考慮更為詳細(xì)的檢測。在此所述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以被用于使用離子束施加電荷至特征，和/或可以用于監(jiān)測是否電荷被泄漏掉(例如，通過監(jiān)測電壓對比信息)。選擇性地，讀數(shù)電子槍可以用于施加電荷(見上面的討論)，并且氣體場離子顯微鏡可以被用于監(jiān)測是否電荷被泄漏掉(例如，通過監(jiān)測電壓對比特性)。
B.金屬和合金腐蝕 He離子顯微鏡可以用于識別和檢驗各種裝置和材料中的金屬腐蝕。例如，在核電廠、軍事應(yīng)用、和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中所使用的金屬夾具和裝置由于其中使用它們的嚴(yán)酷的環(huán)境可以經(jīng)歷腐蝕。He離子顯微鏡可以用于根據(jù)裝置中氫(H)的相對豐度而建造這些和其它裝置的圖像，所述豐度作為可靠的腐蝕指示。
典型地，為了根據(jù)被散射的H離子或原子建造圖像，相對于入射的He離子束，這些離子或原子的探測器被定位于樣品的背側(cè)上。將樣品暴露于He離子從樣品內(nèi)產(chǎn)生被散射的H原子和離子，并且這些被散射的H原子和離子可以被探測和用于建造樣品的圖像。H豐度圖像可以隨后被用于評估樣品內(nèi)的腐蝕的程度。He離子束的小的斑點尺寸和相互作用體積可以導(dǎo)致高分辨率的樣品的H圖像被獲得而不損壞樣品。
C.數(shù)據(jù)存儲的讀/寫結(jié)構(gòu) 在例如硬盤的磁存儲裝置中所使用的讀/寫頭被制造至極高的公差并且必須在安裝之前檢測制造缺陷。這些裝置經(jīng)常具有非常高的縱橫比；這樣的裝置的短邊可以小至1nm。當(dāng)在檢測期間用于成像這些裝置時，He離子顯微鏡提供了許多優(yōu)點。在這些優(yōu)點之中有可以導(dǎo)致這些微小的裝置以高分辨率成像的小的斑點尺寸和相互作用體積，可以允許整個高縱橫比裝置沿其長尺寸的聚焦的成像的大的焦距深度，和通過散射的He離子和/或中性原子的測量提供的材料信息，它們可以用于確認(rèn)微小的電路元件被正確地連接。
D.生物技術(shù) 使用無損技術(shù)確定生物樣品的元素和/或化學(xué)成份信息經(jīng)常是期望的。生物樣品的實例包括組織、核酸、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類和細(xì)胞膜。
在此所述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以用于確定，例如，生物樣品的形貌信息，生物樣品的材料成份信息，生物樣品的表面下區(qū)的材料成份信息和/或生物樣品的結(jié)晶信息。例如，氣體場離子顯微鏡可以被用于成像免疫標(biāo)識的細(xì)胞和內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)。顯微鏡可以以該方式被使用同時提供在此所公開的某些優(yōu)點。
E.制藥 經(jīng)常，治療劑(例如，小分子藥品)形成晶體(例如，當(dāng)其由溶液產(chǎn)生時)。確定結(jié)晶的小分子的晶體結(jié)構(gòu)可以是期望的，因為這可以，例如，提供關(guān)于小分子的水合的信息，這又可以提供關(guān)于小分子的生物利用度的信息，在某些實例中，結(jié)晶信息可以原來是證明小分子實際上處于非晶(與結(jié)晶相對比)形式，這也可以影響小分子的生物利用度。
附加地或替代地，經(jīng)常期望使用無損技術(shù)確定生物樣品的元素和/或化學(xué)成份信息。
在此所描述的氣體場離子顯微鏡(例如，He離子顯微鏡)可以被用于確定，例如，生物樣品的形貌信息、生物樣品的表面的材料成份信息、生物樣品的表面下區(qū)的材料成份信息和/或生物樣品的結(jié)晶信息。顯微鏡可以以該方式被使用同時提供在此所公開的某些優(yōu)點。
計算機(jī)硬件和軟件 通常，上述任何分析方法都可以以計算機(jī)硬件或軟件，或兩者的結(jié)合而被實施。所述方法可以在計算機(jī)程序中使用標(biāo)準(zhǔn)編程技術(shù)而實施，根據(jù)在此所述的方法和圖。程序編碼被施加于輸入數(shù)據(jù)以便進(jìn)行在此所述的功能并且產(chǎn)生輸出信息。輸出信息被施加于一或更多的輸出裝置，例如顯示監(jiān)視器。各程序可以以高級別的過程或面向目標(biāo)的程序設(shè)計語言實施，以便與計算機(jī)系統(tǒng)溝通。但是，如果期望，程序也可以以匯編或機(jī)器語言被實施。在任一情形，所述語言可以是被編譯或被解釋的語言。此外，程序可以在對于該目的預(yù)編程的專用集成電路上運行。
各個這樣的計算機(jī)程序優(yōu)選存儲在可以被通用或?qū)Ｓ每删幊逃嬎銠C(jī)可讀取的存儲介質(zhì)或裝置(例如，ROM或磁盤)上，以便當(dāng)被計算機(jī)讀存儲介質(zhì)或裝置時配置和運行計算機(jī)，以便進(jìn)行在此所述的過程。在程序執(zhí)行期間計算機(jī)程序也可以駐留在高速緩沖存儲器或主儲存器中。分析方法也可以作為計算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)被實施，以計算機(jī)程序配置，其中這樣配置的存儲介質(zhì)引起計算機(jī)以具體和預(yù)定的方式運行從而進(jìn)行在此所述的功能。
其它實施例 盡管已經(jīng)描述了某些實施例，但是其它的實施例也是可能的。
舉例而言，SEM可以被用于一或更多的前述的實施例中與氣體場離子顯微鏡結(jié)合。例如，SEM可以用于產(chǎn)生二次電子，俄歇電子、X射線光子、IR光子、可見光子和/或UV光子。選擇性地，SEM可以用于提高氣體輔助化學(xué)。氣體場離子顯微鏡可以以在此所公開的任何運行模式配置，使得SEM和氣體場離子顯微鏡系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充功能。
作為另一實例，雖然公開了W(111)尖端，但是在尖端中也可以使用不同的W的結(jié)晶取向。例如，可以使用W(112)、W(110)或W(100)尖端。
作為又一實例，在一些實施例中，離子顯微鏡(例如，氣體場離子顯微鏡)可以包括合適的器件以便允許在線上使用的顯微鏡，用于樣品的分析，例如與半導(dǎo)體工業(yè)相關(guān)的樣品(例如，晶片樣品)。在某些實施例中，例如，離子顯微鏡可以用高速負(fù)載鎖(high-speed loadlock)對于標(biāo)準(zhǔn)尺寸的半導(dǎo)體晶片被自動化。在一些實施例中，該系統(tǒng)還可以包括晶片臺，該晶片臺能夠以高速將一部分的樣品晶片放置在離子顯微鏡下時。離子顯微鏡還可以包括掃描系統(tǒng)，該掃描系統(tǒng)能夠高速柵掃描計量圖案。選擇性地，離子顯微鏡還可以包括電荷中性化設(shè)計以便減小樣品的荷電。離子顯微鏡還可以包括晶片高度控制模塊以便調(diào)整工作距離。在某些實施例中，系統(tǒng)可以被配置，使得單獨的管芯(例如，具有50mm量級的長度)可以被成像。
實例 下列實例是示意性的，不試圖作為限制。
1. 由單晶W(111)形成的25mm長的發(fā)射器線(直徑250μm)從FEI公司(Hillsboro，OR)獲得。發(fā)射器線被切割為3mm并且放置在一邊。V形加熱器線如下制備。13mm長的多晶鎢線(直徑180μm)從Goodfellow(Devon，PA)獲得并且在蒸餾水中被聲處理清潔15分鐘以便去除碳?xì)埩粑锖推渌s質(zhì)。線在其中點被彎曲以便形成115度的角度。靠近“V”的頂點的區(qū)B被電化學(xué)蝕刻以準(zhǔn)備它用于在氫氧化鈉的1N水溶液中用施加的1V的AC電位和60Hz的頻率和大約15秒的時間焊接。加熱器線隨后從蝕刻溶液被去除，用蒸餾水沖洗，并且被干燥。
V形加熱器線被安裝在夾具中以便確保線的端部保持共面。發(fā)射器線被點焊接至加熱器線的V形頂點。隨后，加熱器線的兩端被點焊至在圖11A和11B中所示出的類型的支撐基的2個支柱。支撐基從AEI公司(Irvine，CA)獲得。所得的組件隨后在蒸餾水中被超聲清潔并且被干燥。
在支撐基上安裝發(fā)射器線和支撐基的清潔之后，發(fā)射器的端部被如下的電化學(xué)工藝蝕刻。首先，抗蝕劑材料(例如，從Revlon公司，New York，NY獲得的指甲油)被施加至發(fā)射器線的0.5mm的長度，從線的自由端開始。抗蝕劑的小滴被放置在清潔的玻璃顯微鏡載片的表面上，并且線浸入抗蝕劑溶液10次，允許抗蝕劑在各次浸入之間稍微干燥。小心保證抗蝕劑的上邊界是圓形，并且圓形的平面被保持垂直于線的軸。在發(fā)射器線的端部最后一次浸入抗蝕劑材料之后，線被允許在空氣中干燥1小時。
隨后貼附有抗蝕劑涂覆的發(fā)射器線的支撐基被貼附至蝕刻裝置，蝕刻裝置包括(a)垂直平移支撐基的平移設(shè)備；(b)盤；(c)延伸入盤的、由不銹鋼形成的對電極，以便最小化不期望的化學(xué)反應(yīng)。盤被填充以蝕刻溶液至一水平使得溶液與對電極接觸。在蝕刻裝置盤中存在大約150mL的溶液。支撐基的取向被調(diào)整以便確保發(fā)射器線的縱軸基本平行于垂直方向(例如，沿平移設(shè)備被提供用于支撐基的平移的方向)。隨后，支撐基使用平移設(shè)備向盤降低，直至被暴露的發(fā)射器線正好接觸蝕刻溶液。安裝于蝕刻裝置的高放大倍率的相機(jī)允許抗蝕劑層和蝕刻溶液表面容易被觀察，并且允許發(fā)射器線相對于溶液表面的精確定位。
隨后，線被另外降低0.2mm進(jìn)入蝕刻溶液。在該位置，發(fā)射器線的抗蝕劑涂覆的部分被完全浸入蝕刻溶液。
蝕刻溶液由150mL的2.5M水溶液NaOH構(gòu)成。為了便于潤濕，1滴表面活性劑(PhotoFlo200，從Eastman Kodak，Rochester，NY獲得)被添加至蝕刻溶液。在蝕刻工藝期間還采用了使用磁攪拌器輕柔地攪拌蝕刻溶液。
外部電源被連接至支撐基支柱和對電極。最大的電壓大小、脈沖持續(xù)時間、和外部電源的波形可以被控制，以便提供蝕刻裝置中的特定的蝕刻條件。
AC脈沖的序列以60Hz的頻率被施加至發(fā)射器線，以便促進(jìn)電化學(xué)蝕刻工藝。首先，100個持續(xù)時間580ms和大小10V的脈沖在總共5分鐘的時間窗口上被施加。被施加的脈沖的效果是增加蝕刻工藝的速率。浸入溶液中但是未被光致抗蝕劑材料覆蓋的發(fā)射器線的部分開始蝕刻掉。因為發(fā)射器線被定位，使得僅在光致抗蝕劑材料的邊緣的上方的線的小的未涂覆的區(qū)浸入在溶液中，所以觀察到該區(qū)中的發(fā)射器線的局部化的蝕刻。隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)展，由于蝕刻工藝該區(qū)中的線的直徑開始變窄。
接著，外部電源的脈沖持續(xù)時間被調(diào)整至325ms，并且在總共5分鐘的時間窗口上，6個該持續(xù)時間的脈沖被施加至發(fā)射器線。這些脈沖進(jìn)一步提高了電化學(xué)蝕刻工藝，導(dǎo)致發(fā)射器線的被蝕刻的區(qū)具有非常小的直徑。
最后，外部電源的脈沖持續(xù)時間被調(diào)整至35ms，并且單個脈沖被施加至發(fā)射器線，直至蝕刻完成并且發(fā)射器線的抗蝕劑涂覆的部分掉落進(jìn)入蝕刻溶液中。支撐基隨后從蝕刻裝置中移走，用蒸餾水漂洗，并且在氮流中干燥。
發(fā)射器線-仍然貼附于支撐基-隨后使用SEM檢查以便驗證被蝕刻的尖端具有合適的幾何形狀特征。在5keV工作并且具有3nm的探針尺寸的AMRAY Model 1860 SEM被用于成像發(fā)射器線尖端。支撐基被安裝在SEM的樣品區(qū)中，在配備了傾斜和旋轉(zhuǎn)操作臺的樣品操縱器上。從幾個不同的觀察角度和放大倍率獲得源的圖像，以便驗證尖端被基本正確地成形。
隨后SEM圖像被用于表征化平均全錐角，平均尖端半徑，和平均錐方向，如先前對于線的尖端的頂點的討論。用于這些測量的圖像取放大倍數(shù)65,000X，并且沿對于發(fā)射器線的軸成直角取向的視軸。使用SEM樣品操縱器調(diào)整發(fā)射器線的傾斜，以便確保發(fā)射器線對于視軸正交地取向。為了進(jìn)行尖端錐角、錐方向、和半徑的平均測量，SEM樣品操縱器被用于在連續(xù)的圖像之間旋轉(zhuǎn)尖端45°(圍繞發(fā)射器線的軸)。這產(chǎn)生尖端的一套8個圖像-每個來自不同的視角-其隨后用于確定尖端的錐角、曲率半徑、和錐方向。
在圖37A-37D中示出了8個視角的圖像的4個。各SEM圖像被數(shù)字化為位圖格式并且隨后采用使用MathCAD軟件包(PTC Inc.，Needham，MA)開發(fā)的定制算法分析。首先，各圖像通過施加Gaussian卷積算法被平滑，以便減小圖像噪聲，尤其是歸因于在成像期間出現(xiàn)的SEM的振動的噪聲。隨后根據(jù)閾值強(qiáng)度值的過濾步驟被施加于各圖像以便強(qiáng)調(diào)鎢尖端和黑背景之間的邊界。各圖像中的尖端邊界隨后被確定為非零強(qiáng)度(X，Y)點的組，其形成對應(yīng)于尖端的圖像像素和對應(yīng)于黑背景(例如，零強(qiáng)度)的圖像像素之間的界線。一組這樣的對于尖端的視圖之一的(X，Y)點在圖38中示出。對于尖端的8個視角的視圖的每個，確定相似的邊界點的組。
在計算給定的邊界曲線的斜率之前，平滑算法被施加于曲線以便確保曲線的局部斜率對于噪聲和其它小的信號變化相對不敏感。平滑算法由將原始(X，Y)數(shù)據(jù)點擬合為4階多項式構(gòu)成，這已被發(fā)現(xiàn)良好地描述尖端的形狀。平滑算法的效果是確保在頂點位置的任一側(cè)，該曲線的一階導(dǎo)數(shù)不被形狀的小的變化而過分地影響。
平滑步驟之后，對于各視圖使用有限差分算法沿邊界曲線在各X點計算斜率dY/dX。圖39示出了對于在圖38中所示出的邊界曲線的作為X的函數(shù)的沿邊界曲線的點的計算的斜率的圖。
對于尖端的特定視圖，對應(yīng)于該視圖的獲得零值的斜率的邊界曲線的位置被識別為尖端的頂點并且給出標(biāo)識Xapex。在邊界曲線上對應(yīng)于最接近于頂點的(X，Y)點、邊界曲線的斜率獲得的值為1的位置，被給予標(biāo)識X+1。在邊界曲線上對應(yīng)于最接近于頂點的(X，Y)點、邊界曲線的斜率獲得的值為-1的位置，被給出標(biāo)識X-1。
這些被測量的點隨后被用于確定尖端的幾何參數(shù)。在特定的視圖中尖端的左半徑被計算為X+1和Xapex的差的絕對值乘以1.414。在特定的視圖中尖端的右半徑被計算為X-1和Xapex的差的絕對值乘以1.414。隨后，根據(jù)左和右半徑的值，在特定的視圖中尖端的曲率半徑被計算為左半徑和右半徑值的平均。
對于尖端的8個視角的視圖的每個重復(fù)右半徑、左半徑、和尖端的曲率半徑的計算。平均尖端半徑隨后被計算為在所有的尖端的視圖中尖端曲率半徑的測量的平均。對于在圖37A-37D中所示出的尖端，平均尖端半徑被確定為62nm。
所有的尖端的左和右半徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差也被計算，并且被表示為平均尖端半徑的百分比。對于在圖37A-37D中所示出的尖端，偏心率被確定為11.9％。
在8個視角的視圖的每個中尖端的錐角也被確定。在對應(yīng)于各視圖的邊界曲線中，邊界曲線上的左和右切點分別位于尖端頂點左和右側(cè)上，在距離尖端頂點1μm的位置，沿Y方向測量，如先前所討論的。在特定的視圖中尖端的左錐角則被確定為在左切點的邊界曲線的切線和平行于Y軸并且延伸通過該左切點的線之間的角度。在特定的視圖中尖端的右錐角則被確定為右切點的邊界曲線的切線和平行于Y軸并且延伸通過右切點的線之間的角度。最后，全錐角被確定為左和右錐角的大小的和。
尖端的平均全錐角則通過計算來自尖端的8個視角的視圖的尖端的全錐角的8個測量的平均來確定。對于在圖37A-37D中所示出的尖端，例如，平均全錐角被確定為34.5°。
對于尖端的特定的視圖，錐方向被計算為左和右錐角的大小之間的差的絕對值的一半。對于尖端的8個視圖的每一個重復(fù)該確定產(chǎn)生尖端的錐方向的8個測量。尖端的平均錐方向則計算為這些8個錐方向的測量的平均。對于在圖37A-37B中所示出的尖端，平均錐方向被確定為2.1°。
一組根據(jù)平均尖端半徑、半徑偏心率、平均錐角、和平均錐方向測量的標(biāo)準(zhǔn)被用于確定是否給定的尖端被接受用于He離子顯微鏡。通常，這些標(biāo)準(zhǔn)如下。如果測量的平均錐角在15°和45°之間，尖端被接受使用，平均尖端半徑在35nm和110nm之間，尖端曲率半徑測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于30％，平均錐方向小于7°。最后，在圖37A-37D中所示出的尖端滿足這些標(biāo)準(zhǔn)中的每一個，并且這樣該尖端被接受用于He離子顯微鏡。
在尖端的幾何性能的驗證之后，尖端在定制的FIM中被檢測。FIM包括支撐尖端的支撐組件的安裝區(qū)，用于偏置尖端的高壓電源，相鄰于尖端的提取器，和記錄來自尖端的離子發(fā)射圖案的探測器。
提取器與尖端間隔5mm的距離并且具有10mm的開口。提取器被接地至外接地。探測器，即微通道板(MCP)和圖像增強(qiáng)器的組合(從BurleElectro-Optics Inc.，Sturbridge，MA獲得)被定位于距離提取器75mm的距離。
包括尖端的支撐組件被安裝在FIM中并且FIM室被抽真空至1×10-8Torr的背景壓力。尖端使用液氮作為冷卻劑被冷卻至77K。在溫度平衡之后，源被加熱至900K持續(xù)5分鐘以便釋放在工藝期間形成于尖端上的冷凝物或其它雜質(zhì)。尖端的加熱通過施加電流至加熱器線而被完成，尖端被焊接到該加熱器線。電流使用具有恒定功率能力的電源(Bertan Model IB-30A，可以從Spellman High Voltage Inc.，Hauppauge，NY獲得)而被施加。溫度測量使用光學(xué)高溫計(從Pyro Corporation，Windsor，NJ獲得)進(jìn)行。
接著，尖端隨后被再次冷卻至77K，并且FIM提取器被接地并且尖端相對于提取器被偏置為+5kV。高純度He氣(99.9999％純度)在1×10-5Torr的壓力下被引入FIM室。尖端偏置被逐漸以增量增加至+29kV直至在探測器上觀察到對應(yīng)于離開尖端的He離子的He離子的圖像。FIM發(fā)射圖案對應(yīng)于在尖端表面上的大約300個原子。根據(jù)FIM圖案，尖端的單晶成份和W(111)取向被驗證。
接著，尖端被銳化以在尖端頂點獲得端原子三聚物。氦氣從FIM室中被泵出直至在室中的背景壓力小于1.2×10-8Torr。尖端隨后被加熱，通過如上所述對于加熱器線的電流的施加，至1500K的溫度持續(xù)2分鐘。氧氣以1x10-5Torr的壓力被引入尖端附近的FIM室中。在2分鐘之后，尖端溫度被減小至1100K。在1100K的2分鐘之后，氧氣供給被關(guān)閉并且尖端允許被冷卻至大約77K。在冷卻期間，并且在氧氣供給被關(guān)閉后大約15分鐘，殘留的氧氣被泵出FIM室直至室中的背景壓力小于1.2×10-8Torr。
一旦被冷卻至液氮溫度，則提取器如上被偏置，并且尖端再次相對于提取器以+5kV被偏置。He氣以1×10-5Torr被引入FIM室，并且FIM被再次如上所述操作以便獲得尖端的He發(fā)射圖像。尖端的電壓被逐漸增加，直至尖端的FIM圖像被以尖端上的大約+18kV的電位偏置的探測器所俘獲。
被觀察到的FIM圖案包括吸附原子-尖端頂點的期望的三原子三聚物結(jié)構(gòu)的之外的多余的原子。吸附原子通過以+18kV的尖端偏置電位的場蒸發(fā)而被緩慢地去除。在場蒸發(fā)期間，尖端的圖像被定期地攝取和監(jiān)測以便確定何時停止場蒸發(fā)工藝。吸附原子被逐一去除直至觀察到尖端頂點的原子三聚物的清晰的FIM圖像。除了原子三聚物之外，3邊角錐的棱線也被清晰地觀察到。
原子三聚物通過尖端的進(jìn)一步的場蒸發(fā)而被緩慢地去除。通過緩慢地增加尖端偏置超出+18kV，三聚物原子被逐一去除，導(dǎo)致由探測器記錄的FIM圖像中觀察到的圓化的尖端。
尖端偏置電位被進(jìn)一步增加至+28kV。在該工藝期間尖端原子的場蒸發(fā)持續(xù)。在+28kV的偏置電位，在尖端的頂點獲得另一原子三聚物。第二三聚物的FIM圖像在圖40中示出。在獲得第二三聚物之后，尖端偏置電位被減小以便得到FIM發(fā)射圖案中最高的角強(qiáng)度。這出現(xiàn)在+23 kV的尖端偏置。最高的角強(qiáng)度通過調(diào)整尖端偏置以便獲得FIM發(fā)射圖案中被選擇的原子的最大的觀察亮度而被確定。通過隨著尖端的電位被調(diào)整，測量來自三聚物的Hc離子流，而驗證最高角發(fā)射強(qiáng)度出現(xiàn)的偏置。He離子流使用定位于He離子束路徑中的Faraday杯而被測量。
通過緩慢地增加尖端的電位大于+28kV并且從尖端頂點場蒸發(fā)原子，尖端隨后被鈍化為接近球面的端部形狀。場蒸發(fā)持續(xù)直至在+34kV的偏置電位在尖端的表面獲得另一原子三聚物。為了驗證尖端再建過程的可重復(fù)性，銳化工藝再被重復(fù)兩次以便在尖端頂點獲得新的原子三聚物。在兩次連續(xù)的三聚物再建之后，氦氣供給被關(guān)閉，被施加的尖端偏置被去除，尖端被允許加溫至室溫，并且FIM室壓力被緩慢地與大氣壓力平衡。仍然安裝在支撐組件中的尖端被存儲在架子上2周直至其被用于氦離子顯微鏡。
包括尖端的支撐組件被安裝在相似于圖1和5中所示出的系統(tǒng)的氦離子顯微鏡系統(tǒng)中。系統(tǒng)的元件如下配置。提取器被定位于距離尖端1mm，并且具有直徑3mm的開口。離子光學(xué)器件的第一透鏡被定位于距提取器30mm的距離。穿過第一透鏡之后，離子穿過對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器，對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器被配置為四極電極。具有直徑20μm的開口的孔徑進(jìn)一步沿離子的路徑被定位以便選擇性地屏蔽離子束的一部分。離子軌跡的交叉點被定位于孔徑前面50mm的距離。配置為八極電極的像散修正器被定位于孔徑之后，以便調(diào)整離子束的像散。配置為八極電極的掃描偏轉(zhuǎn)器被定位于像散修正器之后，以便允許離子束柵掃描過樣品的表面。第二透鏡被定位于距離孔徑150mm的距離，并且被用于將離子束聚焦于樣品的表面上。第二透鏡成形為平頭的右角錐，具有90°的全錐角。
最初，離子顯微鏡系統(tǒng)被抽真空，使得尖端區(qū)的基壓力是大約2×10-9Torr。尖端使用液氮被冷卻至大約80K。提取器被接地，并且相對于提取器+5kV的偏置被施加于尖端。
尖端通過施加8W的電源至加熱器線而被加熱，直至其視覺發(fā)光(對應(yīng)于大約1100K的尖端溫度)。從發(fā)光的尖端發(fā)出的光子從離子光學(xué)器件的側(cè)部被觀察到，使用對于垂直于離子光學(xué)器件的縱軸的平面以45°傾斜的鏡子。鏡子為該目的被引入離子光學(xué)器件，在正好在對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器下面的位置，經(jīng)由離子柱中的側(cè)口。尖端被傾斜并且重復(fù)地移動，直至發(fā)光的尖端粗略地沿離子光學(xué)器件的縱軸對準(zhǔn)。當(dāng)發(fā)光的尖端看上去為圓環(huán)點源時，實現(xiàn)了尖端與縱軸的合適的對準(zhǔn)。
尖端被允許冷卻同時保持尖端相對于提取器+5kV的電位偏置。一旦尖端已被冷卻至液氮溫度，則He氣以1×10-5Torr的壓力被引入尖端區(qū)。離子顯微鏡系統(tǒng)在SFIM模式中運行，如上所述，以便產(chǎn)生示出尖端的He離子發(fā)射圖案的圖像。圖像指示了至原子精度的尖端的形狀。對準(zhǔn)電極被用于將從尖端產(chǎn)生的離子束柵掃描過孔徑的表面。鋸齒電壓功能被施加于各對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器以便實現(xiàn)以10Hz幀速率的柵掃描，鋸齒功能相對于顯微鏡系統(tǒng)的公共外接地的最大電壓是150V。柵掃描圖案掃描橫過離子光學(xué)器件的軸的兩個正交方向的每個方向上的256個點。像散修正器和掃描偏轉(zhuǎn)器不用于該成像模式。
為了探測穿過該孔徑的離子，銅樣品被放置下第二透鏡下面，并且MCP探測器被正偏置(相對于公共外接地+300V)以便測量由于樣品和入射在樣品上的He離子之間的相互作用離開銅樣品的二次電子。探測器被定位于距樣品10mm的距離并且平行于樣品的平面取向。
探測系統(tǒng)在各柵掃描點取樣探測器信號并且產(chǎn)生尖端的SFIM圖像，所述圖像被顯示在監(jiān)視器上。為了有利于成像，離子柱中的第一透鏡的電位被設(shè)置為尖端偏置的77％。隨后，隨著尖端偏置增加，SFIM圖像保持粗略一致的放大倍率和強(qiáng)度。當(dāng)觀察SFIM圖像時，尖端偏置被緩慢地增加以便消除不期望的吸附原子并且產(chǎn)生在其頂點具有原子三聚物的尖端。該三聚物通過進(jìn)一步地增加尖端偏置電位而被去除以便引起尖端原子的場蒸發(fā)。場蒸發(fā)持續(xù)，直至在被施加的+23kV的尖端電位，新原子三聚物形成于尖端的頂點上。該尖端的所得的SFIM圖像在圖41中示出。
在對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器、像差修正器、掃描偏轉(zhuǎn)器、和第二透鏡關(guān)閉(例如，相對于顯微鏡系統(tǒng)的公共外接地的零電位)的情形，三聚物的一個原子被選擇并且尖端被傾斜和平移同時第一透鏡的強(qiáng)度被100V調(diào)制。顯微鏡系統(tǒng)在FIM中運行并且探測器收集尖端的FIM發(fā)射圖像。尖端被重復(fù)地傾斜和平移，直至當(dāng)?shù)谝煌哥R的強(qiáng)度被調(diào)制時，F(xiàn)IM圖像上的尖端的中心位置從一圖像至另一圖像未被改變。
接著，孔徑被放置入位并且施加于對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器的電位被調(diào)整以便控制離子束在孔徑的位置。透過孔徑的離子束部分由探測器成像，并且探測器圖像被用于重復(fù)地調(diào)整對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器。
掃描偏轉(zhuǎn)器被用于將透過孔徑的離子束柵掃描過樣品表面。樣品表面上的可以識別、高對比的特征(銅格柵)(部件號02299C-AB，從Structure ProbeInternational，West Chester，PA獲得)被放置在第二透鏡下面的離子束的路徑中，并且該特征的二次電子圖像使用上面討論的配置的探測器測量。
第二透鏡的強(qiáng)度被調(diào)整以便粗略地將離子束聚焦在樣品表面上；施加于第二透鏡的電位偏置是相對于公共外接地的大約15kV。聚焦的品質(zhì)從由探測器所記錄的樣品的圖像被視覺評估。離子束相對于第二透鏡的軸的對準(zhǔn)通過緩慢地調(diào)制第二透鏡的強(qiáng)度而被評估-以1Hz的頻率和第二透鏡的工作電壓的大約0.1％的調(diào)制幅度-并且觀察該特征的位移。在最后的透鏡中的離子束對準(zhǔn)通過調(diào)整對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器的電壓而被最佳化。當(dāng)由探測器測量的圖像的中心的位置在第二透鏡的強(qiáng)度的調(diào)制期間不顯著地改變時，對準(zhǔn)被最佳化。
然后，通過調(diào)整第二透鏡的強(qiáng)度，樣品以更高的放大倍率被成像，使得樣品的視場是大約2平方μm。通過調(diào)整像散修正器控制，焦點的非對稱性被最小化。這些控制被調(diào)整同時觀察圖像并且尤其是所有方向中的邊緣的尖銳度。當(dāng)聚焦的圖像的尖銳度在所有方向相同時，像散修正完成。典型地，不高于30伏特的電壓被施加至像散修正器以便實現(xiàn)該條件。在該點上，氦離子顯微鏡完全運轉(zhuǎn)的。
運轉(zhuǎn)的顯微鏡被用于成像各種樣品。通過測量二次電子記錄的樣品圖像在圖42和43中被示出。
成像條件包括廣泛范圍的束流(100pA至1fA)。束流通過幾種方法被控制。首先，使用電動孔徑機(jī)構(gòu)，具有不同直徑的孔的不同的孔徑被放置入位。孔徑機(jī)構(gòu)包括其直徑從5μm至100μm范圍的孔徑。第二，第一透鏡焦點強(qiáng)度被調(diào)整以便移動束交叉更接近于離子光學(xué)器件中的孔徑平面，使得較大的離子流到達(dá)樣品。相反，第一透鏡焦點強(qiáng)度被調(diào)整以便移動束離孔徑平面更遠(yuǎn)，使得較小的離子流穿過孔徑。第三，在尖端區(qū)中氦氣的壓力分別被增加或減小以便增加或減小離子束流。
束能量典型地對于最佳角強(qiáng)度選擇；束能量典型地在從17keV至30keV的范圍中。束能量響應(yīng)于改變尖端的形狀而隨時間而改變。
使用的探測器的類型，和探測器的設(shè)置根據(jù)用離子顯微鏡所檢驗的樣品的類型而被選擇。為了測量樣品的二次電子圖像，ET探測器被使用，具有以相對于公共外接地大約+300V偏置的金屬格柵。ET探測器內(nèi)部的閃爍體相對于外部地以+10kV被偏置，并且內(nèi)部PMT的增益被調(diào)整以便產(chǎn)生盡可能大的信號而不飽和。
MCP探測器(從Burle Electro-Optics，Sturbridge，MA獲得)也被用于探測來自樣品的二次電子和/或散射的He。MCP格柵、前面、背面可以每個相對于外部接地被偏置。探測器的增益通過相對于前端正地偏置MCP的背面而獲得。典型的增益電壓是1.5V。相鄰于背面的集電極板以相對于背面+50V被偏置。從集電極板，探測信號是在大的正電壓上疊加的小的變化的電流的形式。為了收集二次電子，前面和MCP的格柵被偏置為+300V。為了收集散射的He，前面和格柵被偏置為-300V。
柵掃描速度根據(jù)需要對于各樣品的最佳成像條件被調(diào)整。每像素的駐留時間的范圍是從100ns至500μs。對于較短的駐留時間，通過平均多次掃描來減小噪聲。這對于連續(xù)的線掃描，和對于連續(xù)的幀掃描進(jìn)行。
在圖42中示出的圖像是硅襯底上的多個碳納米管的圖像。圖像通過探測來自納米管的表面的二次電子而獲得。ET探測器被定位于距樣品8mm的距離并且距離子束離軸15mm，并且相對于樣品的平面以20°的角度取向。He離子束流是0.5pA并且平均離子能量是21keV。離子束以200μs每像素的駐留時間被柵掃描，并且總的圖像探測時間是200s。圖像的視場是4μm。
在圖43中所示出的圖像是硅襯底上的鋁支柱的圖像。圖像通過探測來自納米管表面的二次電子而獲得。上述類型的MCP探測器，在格柵和前面相對于外部接地以+300V被偏置的情形，定位于距樣品10mm的距離并且平行于樣品的平面取向。He離子束流是0.5pA并且平均離子能量是24keV。離子束以200μs每像素的駐留時間被柵掃描。樣品表面的視場是1μm，通過施加1V的最大電壓至掃描偏轉(zhuǎn)器來獲得。
在氦離子顯微鏡中采用該尖端的操作持續(xù)幾周的時間，而無需排放系統(tǒng)以便保養(yǎng)離子源。隨著三聚物原子被去除，或者故意地或者通過正常的使用，尖端的端部形狀變得更為球形，如在圖44中所示出的SFIM圖像中所示。根據(jù)需要進(jìn)行原位角錐再建(銳化)，通過使用最初在FIM中銳化尖端所進(jìn)行的相同的熱和氧配方。通常，各再建工藝消耗小于5分鐘的時間，并且除此之外，系統(tǒng)在這些周的期間是可用的?？傊?，尖端被再建多于8次。在圖45中示出了尖端頂點的再建的原子三聚物的圖像。
2. W(111)尖端被安裝在支撐組件中并且按照在實例1中所述的過程被電化學(xué)蝕刻。在圖46中示出了尖端的SEM圖像。根據(jù)在實例1中的過程進(jìn)行尖端的幾何特征化。對于該尖端，平均尖端半徑被確定為70nm。尖端根據(jù)在實例1中的標(biāo)準(zhǔn)而被接受使用。
驗證尖端的幾何形狀性能在可接受的限制之內(nèi)之后，包括被蝕刻的尖端的源組件被安裝在實例1中所述的FIM中。FIM的配置除了下述之外與實例1中所討論的相同。相對于提取器的在尖端上的電位被緩慢地增加至+21.8kV的電位。尖端原子的場蒸發(fā)隨著電位的增加而出現(xiàn)。在到達(dá)+21.8kV之后，尖端電位被減小至+19.67kV。在圖47中示出的尖端的FIM圖像用保持在該電位的尖端獲得。使用該圖像，尖端的單晶結(jié)構(gòu)和正確的取向被驗證。
接著，尖端被銳化以便產(chǎn)生頂點的原子三聚物。氦被泵出FIM室，并且尖端通過對于尖端施加4.3A的穩(wěn)定電流20秒而被加熱。傾斜的鏡子安裝在FIM柱中并且取角度以將沿柱軸傳播的光線改變方向至柱的側(cè)口，該鏡子被用于觀察尖端。沒有發(fā)光(例如，從尖端發(fā)射的光子)對于肉眼可見，這樣尖端被允許冷卻5分鐘。然后尖端通過施加4.4A的恒定電流至尖端20秒而被加熱。沒有發(fā)光對于肉眼可見，這樣尖端被允許冷卻5分鐘。然后尖端通過施加4.5A的恒定電流至尖端20秒而被加熱。沒有發(fā)光對于肉眼可見，這樣尖端被允許冷卻5分鐘。然后尖端通過施加4.6A的恒定電流至尖端20秒而被加熱。在該溫度，從尖端可以清楚地看到發(fā)光。因而，引起尖端發(fā)光所需的電流被確定為4.6A。源隨后被允許冷卻5分鐘。
接著，負(fù)偏置被施加于尖端同時監(jiān)測從尖端的電子發(fā)射流。使得偏置逐漸地更負(fù)，直至觀察到來自尖端的50pA的電子發(fā)射流。在該流的尖端的偏置是-1.98kV。在該偏置仍然施加于尖端的情況下，4.6A的加熱電流被施加于尖端。在大約20秒之后再次觀察到尖端發(fā)光。在觀察到尖端發(fā)光之后尖端的加熱再延長10秒。隨后從尖端去除施加于尖端的偏置電位和加熱電流，并且尖端被允許冷卻至液氮溫度。
一旦尖端已經(jīng)冷卻，則相對于提取器+5kV的正電位被施加至尖端。He氣以1×10-5Torr的壓力被引至FIM室尖端的附近。尖端頂點的FIM圖像如在實例1中所述被獲得。隨著偏置增加FIM圖像被看得更為清晰。圖48中的圖像在+13.92kV的尖端偏置下被觀察。該圖像示出了角錐的棱線和對應(yīng)于原子三聚物的明亮的中心頂點。
尖端上的一些發(fā)射原子是松散地結(jié)合的吸附原子并且用增加的電場強(qiáng)度通過尖端原子的場蒸發(fā)而被去除。尖端偏置被進(jìn)一步增加至+21.6kV，并且第一和第二三聚物通過的場蒸發(fā)而被去除。在到達(dá)該電位之后，尖端電位被減小至+18.86kV并且圖49中的FIM圖像被記錄。
根據(jù)在實例1中所確定的標(biāo)準(zhǔn)，尖端被確定為可用的并且從FIM去除。大約一個月之后，尖端被安裝入如在實例1中所述配置的氦離子顯微鏡中。三聚物如實例1中所描述的工藝被再建和蒸發(fā)多次，除了沒有使用氧氣之外。而是，三聚物再建工藝依靠施加特定的負(fù)電位偏置至尖端(以便產(chǎn)生50pA的電子發(fā)射流)，同時以施加于加熱器線的4.6A的電流加熱尖端，導(dǎo)致加熱器線的可見的發(fā)光持續(xù)20秒。尖端保持在氦離子顯微鏡中并且提供超過四周的使用，而無需排空系統(tǒng)以便維護(hù)尖端。在該期間，使用如上所述的涉及負(fù)施加的電位偏置和加熱的過程，尖端被再建多次。尖端的再建的三聚物的SFIM圖像在圖50中被示出。
使用具有該尖端的He離子顯微鏡所記錄的半導(dǎo)體樣品的圖像在圖51中被示出。樣品包括沉積于氧化硅襯底的表面上的鋁金屬。未知的涂層被沉積在各個這些材料的頂部。
1V的最大值的掃描電壓被引入于掃描偏轉(zhuǎn)器上以在樣品上產(chǎn)生10μm的視場。第一和第二透鏡、對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器和像散修正器的電位被調(diào)整，以便控制通過孔徑的He離子束的部分，且控制樣品位置的束焦點的質(zhì)量，如在實例1中所述。在成像期間樣品被傾斜和平移以便揭示側(cè)壁的三維性質(zhì)和細(xì)節(jié)。
圖51中所示出的圖像通過測量來自樣品表面的二次電子而被記錄。MCP探測器被定位于距樣品10mm的距離，并且平行于樣品的表面取向。MCP格柵和前面相對于公共外接地以+300V被偏置。He離子束流是4pA并且平均離子能量是21.5keV。總的圖像探測時間是30秒。
使用該尖端所攝取的另一半導(dǎo)體樣品的圖像在圖52中示出。樣品是具有由金屬形成的表面特征的多層半導(dǎo)體裝置。該圖像通過測量歸因于樣品與入射的He離子的相互作用而離開樣品的二次電子而被記錄。150V的最大掃描電壓被施加于掃描偏轉(zhuǎn)器以便在樣品表面產(chǎn)生1.35mm的視場。
樣品從俯視視角被觀察，這示出了樣品表面的許多特征。為了記錄圖像，具有相對于公共外接地以+300V偏置的格柵和前面MCP的探測器被定位于距樣品10mm的距離，并且平行于樣品的表面取向。He離子束流是15pA并且平均離子能量是21.5keV。離子束以每像素10μs的駐留時間被柵掃描。
3. 在該實例中尖端使用如在實例2中所述的過程在氦離子顯微鏡中被制備和對準(zhǔn)。尖端的幾何形狀特征化根據(jù)在實例1中的過程進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)而被接受使用。
通過直接或外推測量，可能以已知束流的和已知探測時間來獲得樣品的圖像。束流使用Faraday杯結(jié)合皮安培表(Model 487，Keithley Instruments，Cleveland，OH)而被精確地監(jiān)測。尖端區(qū)中的He壓力也使用Baynard Alpert型離子化測定儀器(可以從Varian Vacuum Inc，Lexington，MA獲得)而被仔細(xì)地監(jiān)測。在其中He離子流太低以至于不可以被精確地測量的狀態(tài)(例如，小于大約0.5pA)，離子流根據(jù)測量的He氣體壓力外推而被確定。典型地，He氣體壓力和He離子流相互線性成比例，并且一尖端之間的線性關(guān)系是一致的。
樣品是具有形貌特征的金格柵樣品(部件號02899G-AB，從StructureProbe International，West Chester，PA獲得)。樣品通過測量響應(yīng)入射He離子從樣品表面的二次電子發(fā)射而被成像。為了記錄圖像，40mm直徑的環(huán)形，chevron型MCP探測器(從Burle Electro-Optics，Sturbridge，MA獲得)被定位于距樣品10mm的距離，并且平行于樣品的表面取向。探測器占據(jù)大約1.8球面度的立體角并且相對于離子束對稱。探測器直接安裝在第二透鏡的底部，如在圖66中所示出的。MCP的前表面相對于公共外接地被正偏置(+300V)，并且還存在正偏置(相對于公共外接地)的內(nèi)部金屬格柵(+300V)。
平均離子能量是20keV。樣品的圖像分別用1pA、0.1pA和0.01pA的束流測量，并且分別在圖53、54和55中示出?？倛D像探測時間分別是33秒、33秒和61秒。
對于前兩個圖像(圖53和54)，圖像尺寸是1024×1024像素。對于第三個圖像(圖55)，圖像尺寸是512×512像素。在各圖像中，大約2V的最大掃描電壓被施加于掃描偏轉(zhuǎn)器以便在樣品表面產(chǎn)生20μm的視場。
為了確認(rèn)散射的氦離子和/或中性原子不顯著地貢獻(xiàn)于這些被記錄的圖像，格柵和MCP偏置電位被改變至-50V，而沒有信號被觀察到。這些圖像的噪聲成份被確認(rèn)為低于對于相同的流、相同的像素數(shù)量、和相同的總探測時間用樣品的SEM圖像所獲得的噪聲成份。
4. 尖端使用如實例1中所述的方法被安裝在支撐組件中并且被制造，除了在支撐組件中，貼附至源基的兩個支柱被相互相向地預(yù)彎曲，如在圖56中所示出的。該彎曲允許加熱器線橫越顯著較短的長度。加熱器線如在實例1中所述是具有180μm直徑的多晶鎢線。采用該彎曲的支柱，5mm的加熱器線長度被使用。較短的加熱器線長度的優(yōu)點是線的長度的剛度隨著線長度的減小而增加。發(fā)射器線如在實例1中所述以通常的方式固定。
較短的加熱器線的增加了的剛度通過施加相同的力至兩個不同的尖端而被觀察到，一個尖端被安裝在實例1中所述的類型的支撐組件中，并且另一個安裝在圖56中所示出的支撐組件中。響應(yīng)于被施加的力的兩個尖端的偏轉(zhuǎn)被比較。與實例1類型的支撐基相比，彎曲支柱支撐組件偏轉(zhuǎn)的量小6倍。結(jié)果，彎曲的支柱型支撐組件的自然振動頻率(大約4kHz)比實例1的支撐組件的自然振動頻率高大約2.5倍。在較高的頻率下，當(dāng)在顯著低于自然振動頻率的振動頻率被激勵時，支撐基和尖端一致地運動(例如，具有可以忽略的相移)。當(dāng)在He離子顯微鏡中實施時，在彎曲支柱源組件中相對低的尖端的振動減小了離子顯微鏡圖像具有可感知的圖像非自然信號，例如歸因于尖端振動的束著陸誤差的可能性。
5. 尖端根據(jù)在實例1中所述的過程被制備，除了使用了不同的加熱器線之外。在該實例中所使用的加熱器線具有比實例1中的加熱器的直徑大大約25％的直徑。較厚的加熱器線相對于振動運動較少順從，因為，通常，線的剛度隨著直徑增加而增加。另外，該較厚的加熱器線由鎢錸合金形成(74％鎢，26％錸)。所述合金線比實例1的鎢加熱器線具有顯著較高的電阻性；總加熱器線的電阻被測量為大約0.5歐姆。合適的鎢錸合金線從OmegaEngineering(Stamford，CT)獲得。
較厚的加熱器線增加了包括尖端的支撐組件的自然頻率，從大約1。5kHz(實例1)增加至大約2.2kHz(該實例)。當(dāng)在He離子顯微鏡中實施時，采用該加熱器線組件的源組件中相對低的尖端的振動減小了離子顯微鏡圖像具有可感知的圖像非自然信號，例如歸因于尖端振動的束著陸誤差的可能性。
6. 尖端通過如在實例1中所述的工藝形成，除了加熱器線被熱解碳塊(從MINTEQ International Pyrogenics Group，Easton，PA獲得)替代之外。源組件的支柱被相互相向彎曲并且被機(jī)械加工以便具有平行的平坦表面。為了安裝發(fā)射器線，支柱被撬開并且兩塊熱解碳被插入在支柱之間。發(fā)射器線被放置在所述碳塊之間并且隨后支柱被釋放。通過支柱施加至碳塊的壓力夾持塊和發(fā)射器線在支撐組件上的適當(dāng)位置，避免發(fā)射器線相對于支撐基的相對運動。在圖57中示出了支撐組件的一部分，包括彎曲的支柱、兩個碳塊、和發(fā)射器線。
熱解碳塊的尺寸被選擇，使得碳塊和發(fā)射器線處于受壓狀態(tài)。在沒有在適當(dāng)位置的碳塊的情形，彎曲支柱之間的間隔是1.5mm。碳塊每個具有沿兩個彎曲支柱之間的方向的700μm的長度。發(fā)射器線具有250μm的直徑。
熱解碳塊相對于彎曲支柱為了最大電阻和最小導(dǎo)熱性而取向(例如，熱解碳塊中的碳平面大致垂直于連接支柱的線取向)。支撐組件的電阻在1500K被測量為4.94歐姆，比實例1的支撐組件的電阻(0.56歐姆)大。加熱尖端至1500K所需的功率是6.4W(與加熱實例1中的尖端至1500K所需的大約11W相比)。尖端相對于源基被相對牢固地夾持，由于加熱器線的缺失。該支撐組件的振動頻率大于3kHz。
當(dāng)在氦離子顯微鏡中實施例時，在該源組件中尖端的相對低的振動-通過在尖端的任一側(cè)上施加于熱解碳塊的壓力而固定在位-減小了離子顯微鏡圖像具有可感知的圖像非自然信號，例如歸因于尖端振動的束著陸誤差的可能性。
7. 尖端按照如在實例1中所述的過程被制備，并且尖端的幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端在FIM中使用實例1中所述的過程被銳化。尖端隨后被安裝和配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 顯微鏡系統(tǒng)被配置以便測量由于樣品與入射的He離子的相互作用而離開樣品的二次電子。MCP探測器(相似于在實例3中所描述的探測器的配置)被用于記錄樣品圖像。
樣品是鋼，并且形狀是球面且成份均勻。He離子流是1.0pA并且平均離子能量是20keV。離子束以10μs每像素的駐留時間被柵掃描。施加于掃描偏轉(zhuǎn)器的最大電位(大約100V)在樣品表面產(chǎn)生大約1mm的視場。
樣品的圖像在圖58中示出。圖像反映了樣品的總二次電子產(chǎn)率的測量。圖像揭示了在右手邊緣的提高的二次電子產(chǎn)率。提高的產(chǎn)率來自接近樣品表面的離子束的增加的路徑長度，在樣品的表面二次電子可以逃逸。發(fā)現(xiàn)二次電子產(chǎn)率增加大致與sec(α)成比例，這里α代表入射的He離子束和樣品表面的法線之間的角度。
第二樣品的圖像在圖59A和59B中示出。圖59A中示出的樣品的成像條件與在該實例中結(jié)合第一樣品所討論的相同。
在20keV的能量，He離子束深深地穿透進(jìn)入樣品(大約100nm)才顯著地發(fā)散。結(jié)果，樣品圖像的邊緣示出相對窄的亮邊效應(yīng)(例如，減小了的邊緣模糊)。例如，在圖59A中的圖像從He離子顯微鏡被記錄，而在圖59B中的圖像使用標(biāo)準(zhǔn)SEM記錄。在兩個圖像中，信號都僅來自二次電子的測量。在圖59B中所示出的SEM圖像中，SEM在2keV電子束能量和30pA束流的成像條件下工作。
觀察到亮邊在He離子顯微鏡圖像中可識別地更窄，這相信是與入射的電子相比，在樣品表面He離子的較小的相互作用體積的結(jié)果。當(dāng)He離子束穿入樣品時，He離子束保持相對校準(zhǔn)。相反，SEM電子束在直接相鄰于樣品表面就產(chǎn)生顯著較寬的相互作用體積。結(jié)果，通過入射的電子束所產(chǎn)生的二次電子來自于從表面上的標(biāo)稱電子束的位置延伸幾個納米的表面區(qū)。結(jié)果，SEM的亮邊效應(yīng)顯著較寬，如通過視覺比較圖59A和59B中的圖像可以看到的。
為了數(shù)字比較這兩個圖像中的亮邊效應(yīng)，在各圖像中橫過公共邊特征進(jìn)行線掃描。結(jié)果在圖67A和67B中示出，其分別對應(yīng)于圖59A和59B。線掃描區(qū)是1像素寬50像素長。對應(yīng)于邊特征的線掃描中的強(qiáng)度峰，在SEM圖像中比在對應(yīng)的He離子顯微鏡圖像中，具有寬40％的半峰全寬(FWHM)。如上所述，在He離子顯微鏡圖像中觀察到的減小的邊寬度是相對于電子在樣品表面He離子的較小的相互作用體積的結(jié)果。
8. 尖端按照如實例1中所述的過程被制備，并且尖端幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端使用在實例1中所述的過程在FIM中被銳化。尖端隨后被安裝并且配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，其配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 顯微鏡系統(tǒng)被配置，以便測量由于樣品與入射的He離子的相互作用而離開樣品的二次電子。MCP探測器(如在實例3中所述)被用于記錄樣品圖像。
各種樣品被測量以便定量地確定許多材料的二次電子產(chǎn)率。各樣品由要被測試的材料的平坦片構(gòu)成。定位在樣品上方2mm的距離，是具有低填充因數(shù)(例如，大多數(shù)是開放空間)的金屬屏幕。皮安培表(Keithley InstrumentCorporation，Cleveland，OH)與Faraday杯結(jié)合被用于測量樣品流，F(xiàn)araday杯通過在各樣品的表面中機(jī)械加工溝槽而被集成入各樣品。
各實驗以通過定位He離子束的He離子流的測量而開始，使得He離子束入射在各樣品中的Faraday杯上。接著，將He離子束柵掃描過樣品，同時相對于公共外接地的可變偏置被施加至屏幕，并且來自樣品的二次電子流被測量。
He離子束被故意地散焦(至100nm的斑點尺寸)以便最小化污染或荷電的矯作物。屏幕偏置電位從-30V至+30V以增量被調(diào)整，并且對于各偏置電位進(jìn)行二次電子流的測量。各測量用22.5keV的He離子束能量和13pA的束流進(jìn)行。圖60中的圖示出了硅樣品的結(jié)果。
在圖的左邊，這里屏幕被負(fù)偏置，由于樣品與入射的He離子的相互作用而離開樣品的所有二次電子被返回至硅樣品。He離子束流和二次電子流大致相等，從而產(chǎn)生可忽略數(shù)量的自由二次離子和被散射的氦離子。在圖的右邊，這里屏幕被正偏置，由于樣品與入射的He離子的相互作用而離開樣品的所有二次電子加速離開樣品。測量的樣品流是He離子流和二次電子流的和。根據(jù)這些測量，對于22.5keV氦束入射(垂直入射)于平坦的硅樣品上的二次電子產(chǎn)率是大約(44-13)/13＝2.4。
對于各種材料在像素的測量條件下遵循相似的測量過程。結(jié)果歸總在下面的表中。
這些相對大的二次電子產(chǎn)率，和不同材料的廣泛范圍的值，導(dǎo)致了通常的觀察，即根據(jù)二次電子的探測的He離子顯微鏡圖像提供了區(qū)分不同材料的一種好的方法。舉例而言，圖61A是使用氦離子顯微鏡記錄的，襯底表面上對準(zhǔn)十字(alignment cross)的二次電子圖像。大約1.5V最大值的掃描電壓被引入于掃描偏轉(zhuǎn)器上以在樣品上產(chǎn)生15μm的視場。MCP探測器被定位于距樣品10mm的距離，并且平行于樣品的表面取向。MCP的格柵和前面相對于公共外接地以+300V被偏置。He離子束流是5pA并且平均離子能量是27keV。離子束以150μs每像素的駐留時間被柵掃描。
圖61B是取自相同特征的SEM二次電子圖像。SEM在實驗確定的最佳成像條件下工作，這些條件是2keV的電子束能量和30pA的束流。其它的束流、掃描速率、和束能量被嘗試，但是無一給出更好的對比。
He離子顯微鏡圖像示出了形成對準(zhǔn)十字的不同材料之間的更大的對比，因為入射的He離子束相對于入射的電子束在二次電子產(chǎn)率上的更大的差別。在對準(zhǔn)十字中的兩種材料可以容易地在圖61A的圖像中被視覺識別。但是，如在圖61B中所定性地觀察到的，對于SEM的入射電子束，兩種材料具有相似的二次電子產(chǎn)率。
9. 尖端按照如在實例1中所述的過程被制備，并且尖端的幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端在FIM中使用在實例1中所述的過程被銳化。尖端隨后被安裝并且配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 顯微鏡系統(tǒng)被配置，以便測量由于樣品與入射的He離子的相互作用而離開樣品的二次電子。MCP探測器(如在實例3中所述)被用于記錄樣品圖像。MCP的前端相對于公共外接地被偏置為+100V，其前面的格柵也如此。在該配置中，MCP能夠收集幾乎所有由于樣品與入射He離子的相互作用而離開樣品的二次電子，除了在被正偏置的樣品的區(qū)中產(chǎn)生的二次電子之外。這些電子由于正電位偏置而返回樣品而不是完全從樣品被解放并且被MCP所探測。
由于從入射的He離子束達(dá)到的正電荷，和離開的負(fù)電荷(二次電子)，樣品的區(qū)被正偏置。對于給定的He離子束流在樣品上引入的電壓偏置的大小取決于樣品被暴露的區(qū)的電容和/或電阻，相對于樣品的周邊部。這些差別導(dǎo)致不同的樣品區(qū)的不同的二次電子的收集，根據(jù)樣品的電容和/或電阻特性。被探測的二次電子收集的差別產(chǎn)生使用He離子顯微鏡記錄的樣品的圖像的對比。用這種方式，樣品的電特性根據(jù)二次電子圖像而被確定。
在圖62中，示出了樣品的二次電子圖像。樣品的特征是沉積于絕緣襯底的表面上的一組鋁線。最大值3V的掃描電壓被引入于掃描偏轉(zhuǎn)器上以便在樣品上產(chǎn)生30μm的視場。He離子束流是5pA并且平均離子能量是26keV。離子束以100μs每像素的駐留時間被柵掃描。
樣品圖像示出了一系列明亮的、周期性的鋁線。在這些亮線之間的空間為一系列暗線。圖像中的中間亮線示出了清楚的邊界，在此之外線是暗的。根據(jù)樣品的性質(zhì)，亮線對于地具有低電阻路徑，或可能相對于地具有非常高的電容，并且因而它們基本不因為He離子束的作用而被偏置。
暗線在He離子束的影響下被正偏置，并且因而這里產(chǎn)生的二次電子返回到樣品。為了確定是否該效應(yīng)歸因于暗線的電容或電阻特性，暗線在He離子束下被觀察一段時間。如果該效應(yīng)是電容性的，則線隨著時間的過去變得越來越暗。
對于中間的鋁線的從亮至暗的轉(zhuǎn)變可以指示例如線上的電斷開的存在。線的下面的明亮的部分可能不與上面的線的暗的部分完全電接觸。圖63示出了使用上述的測量配置記錄的另一樣品的圖像。樣品包括在硅襯底上由銅形成的線和其它特征。最小的特征是多個字母(“DRAIN”)的形式。在這些特征上的正電位偏置隨著時間圖像探測的進(jìn)程而增加，其證據(jù)是觀察到各字母的頂部展示出明亮而各字母的底部展示出暗。在該圖像中的柵掃描從頂部至底部進(jìn)行。結(jié)果，樣品的表面上的偏置機(jī)制主要是電容性的。
10. 尖端按照如在實例1中所述的過程被制備，并且尖端的幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端在FIM中使用在實例1中所述的過程被銳化。尖端隨后被安裝并且配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 顯微鏡系統(tǒng)被配置，以便測量由于樣品與入射的He離子的相互作用而離開樣品的二次電子。MCP探測器(如在實例3中所述)被用于記錄樣品圖像。MCP的前端相對于公共外接地被偏置為+300V，其前面的格柵也如此。在該配置中，測量的信號幾乎完全來自二次電子。這通過偏置MCP前端至-300V，不改變MCP增益，并且觀察測量的信號減小到接近于零而被驗證。
3V最大值的掃描電壓被引入于掃描偏轉(zhuǎn)器上以便在樣品上產(chǎn)生30μm的視場。He離子束流是10pA并且平均離子能量是22keV。離子束以100μs每像素的駐留時間被柵掃描。
包括3個不同的層的樣品被成像。最上面的金屬層由構(gòu)圖的線構(gòu)成，該線由銅形成。下一層由介電材料構(gòu)成。底部的層由另一由銅形成的不同構(gòu)圖的金屬層構(gòu)成。樣品的圖像在圖64中示出。圖像以亮白清楚地示出了最上面的金屬層圖案，疊加在對應(yīng)于底部(表面下)金屬層的灰圖像特征上。在該圖像中表面下金屬層看上去較為暗淡并且稍微模糊。
測量的信號是在樣品的表面通過散射的He離子和中性He原子兩者所產(chǎn)生的二次電子的結(jié)果。該評估通過負(fù)偏置MCP和屏幕并且注意幾乎沒有信號被探測到而被驗證。由于樣品與入射的He離子的相互作用而離開樣品的二次電子產(chǎn)生在圖64中的金屬層表面的圖像。表面下的金屬層的圖像被穿透進(jìn)入樣品并且變得中性化的He離子所產(chǎn)生。中性He原子從表面下層散射，并且其一部分返回至表面，在那里在其脫離時，它們產(chǎn)生二次電子。這說明了表面下特征的模糊和暗淡的圖像。
11. 尖端按照如在實例1中所述的過程被制備，并且尖端的幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端在FIM中使用在實例1中所述的過程被銳化。尖端隨后被安裝并且配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 顯微鏡系統(tǒng)被配置，以便測量由于樣品與入射的He離子的相互作用而離開樣品的二次電子。MCP探測器(如在實例3中所述)被用于記錄樣品圖像。MCP的前端相對于公共外接地被偏置為+300V，在其前面的格柵也如此。在該配置中，測量的信號幾乎完全來自二次電子。這通過偏置MCP前端至-300V，不改變MCP增益，并且觀察測量的信號減小到接近于零而被驗證。
15V最大值的掃描電壓被引入于掃描偏轉(zhuǎn)器上以便在樣品上產(chǎn)生150μm的視場。He離子束流是10pA并且平均離子能量是21.5keV。離子束以100μs每像素的駐留時間被柵掃描。
被成像的樣品由鎢焊接件構(gòu)成。鎢被加熱至其熔點之上并且隨后被冷卻，形成不同的晶疇，具有晶粒之間的陡峭的邊界。樣品通過測量由于樣品與入射的He離子的相互作用而離開樣品的二次電子而成像。
樣品的圖像在圖65中示出。圖像示出了截然不同的較亮和較暗的晶粒。重疊于該背景上的是跨過幾個晶粒的明亮的圖像特征。明亮的特征對應(yīng)于表面形貌起伏圖案，這提高了由于在此所公開的形貌效應(yīng)而產(chǎn)生的二次電子。各種晶粒的對比圖像強(qiáng)度歸因于晶疇相對于入射的He離子束的相對取向。當(dāng)特定的晶粒中鎢晶格被取向使得He離子束幾乎以平行于低指數(shù)晶體方向進(jìn)入時，在表面被散射的概率低，并且使得離子束深深地穿入顆粒。結(jié)果，在材料的表面的二次電子產(chǎn)率相對較低，并且晶粒在圖像中展示為較暗。反之，當(dāng)具體的晶粒中鎢晶格被取向使得He離子束入射在高指數(shù)結(jié)晶方向上時，在晶粒的表面被散射的概率高。結(jié)果，在材料的表面的二次電子產(chǎn)率相對較高，并且晶粒在圖像中看上去較明亮。
12. 尖端按照如在實例1中所述的過程被制備，并且尖端的幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端在FIM中使用在實例1中所述的過程被銳化。尖端隨后被安裝并且配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 顯微鏡系統(tǒng)被配置，以便測量由于樣品與入射的He離子的相互作用而離開樣品的二次電子。MCP探測器(如在實例3中所述)被用于記錄樣品圖像。MCP的前端相對于公共外接地被偏置為-100V，在其前面的格柵也如此。在該配置中，由于施加的負(fù)電位偏置，二次電子不到達(dá)MCP。通過MCP測量的信號來自入射于MCP的前面上的散射的He離子和中性He原子。
15V最大值的掃描電壓被引入于掃描偏轉(zhuǎn)器上以便在樣品上產(chǎn)生150μm的視場。He離子束流是10pA并且平均離子能量是21.5keV。離子束以100μs每像素的駐留時間被柵掃描。
被成像的樣品是也在實例11中被檢驗的鎢焊接樣品。如前所述，鎢焊接包括特定的晶疇，具有晶粒之間的陡峭的邊界。
樣品通過探測入射至MCP上的He原子和He離子的豐度而成像。使用該測量過程獲得的樣品的圖像在圖68中示出。圖像示出了明亮和暗淡的晶粒。對于特定的晶粒，如果晶粒中鎢晶格被取向使得He離子束沿相對低指數(shù)晶體方向入射時，存在He在晶粒的表面散射的低概率。結(jié)果，在散射出現(xiàn)之前離子束相對深地穿入晶粒。結(jié)果，He離子(或He中性原子，當(dāng)He離子與樣品中的電子結(jié)合時產(chǎn)生)較小可能離開樣品并且被MCP探測器所探測。在被記錄的圖像中，具有這些特性的晶粒展示為暗。
反之，如果晶粒中鎢晶格被取向使得He離子束沿相對高指數(shù)結(jié)晶方向入射時，存在在晶粒的表面He散射的高概率。結(jié)果，在散射之前離子束穿入晶粒平均相對淺。結(jié)果，He離子和/或中性He原子相對更可能離開樣品表面并且被MCP探測器所探測。因此在圖68中所示出的圖像中，相對于入射He離子束具有高指數(shù)晶向的晶粒展示更為明亮。
參考在圖65中所示出的圖像，在圖68的圖像中的形貌信息顯著地減小，因為圖像根據(jù)散射的He粒子而不是二次電子被記錄。具體地，出現(xiàn)在圖65中的圖像上的一系列亮線多數(shù)從圖68中的圖像被去除。形貌信息的缺失使得圖68中的圖像相對更容易解釋，尤其是在圖68中的被測量的強(qiáng)度被用于定量確定樣品中的晶疇的結(jié)晶特性(例如相對取向)的情形。
13. 尖端按照如在實例1中所述的過程被制備，并且尖端的幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端在FIM中使用在實例1中所述的過程被銳化。尖端隨后被安裝并且配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 顯微鏡系統(tǒng)被配置，以便測量響應(yīng)于入射的He離子的從樣品散射的He離子和中性He原子。探測器-縮小的MCP-被安裝在電動機(jī)的軸上。銅帶被用于覆蓋MCP的前面以便限制通過MCP的He離子和/或中性原子的測量。銅帶中的小圓孔允許散射的He離子和/或中性原子到達(dá)MCP，僅當(dāng)粒子落在窄的角度范圍之內(nèi)時。在該實例中，He離子和/或中性原子的測量被限制為對應(yīng)于0.01球面度的角度范圍。銅帶和MCP的前面相對于公共外接地被偏置為-100V，使得二次電子不進(jìn)入MCP探測器。
探測器被定位于距樣品30mm的距離。電機(jī)允許MCP探測器相對于樣品旋轉(zhuǎn)。以便在不同的角度的范圍探測離開樣品的He離子和/或中性原子。典型地，例如，電極允許MCP大約180°的旋轉(zhuǎn)。
樣品是直徑大約為1mm的銅球。電機(jī)相對于樣品定位，使得樣品沿電極軸的軸定位。銅球樣品，當(dāng)被暴露于He離子束時，由于樣品表面的形狀，以寬的角度范圍提供了散射He離子和中性原子。即通過將入射的He離子束掃描過樣品的表面，可以實現(xiàn)各種不同的入射角(例如，He離子束和樣品表面法線之間的角)。例如在銅球的中心，He離子束的入射角是0°。在球的邊緣(從He離子束的視角觀察)，入射角大約是90°。在銅球的中心和邊緣之間的中間位置，從簡單的三角學(xué)，入射角是大約30°。
樣品被定位在He離子束下，并且探測器相對于樣品被定位，如上所述。He離子束流是15pA，并且He離子束中的平均離子能量是25keV。100V的最大電壓被施加至掃描偏轉(zhuǎn)器以便在樣品表面產(chǎn)生1mm的視場。從顯微鏡系統(tǒng)的第二透鏡至樣品的距離(例如，工作距離)是75mm。這提供了允許MCP探測器相對于樣品旋轉(zhuǎn)的足夠的開放空間。
測量通過當(dāng)探測器掃過相對于樣品的半球弧的180°范圍的角度來記錄銅球的位置而進(jìn)行。He離子束有效地將樣品的表面劃分為兩側(cè)，且由于銅球的凸表面，散射的He離子和中性He粒子僅可以從探測器被定位的側(cè)被探測。結(jié)果，在圖69A中，樣品的圖像的強(qiáng)度分布看上去為新月形，具有對應(yīng)于探測器的位置的左邊上的亮區(qū)。樣品的右側(cè)相對暗，由于在該方向中離開樣品的表面的散射的He離子和中性He粒子，使得它們不被探測器所測量。
通過在各圖像之間增加探測器的角度而記錄了樣品的連續(xù)的圖像。總共獲得20個樣品的圖像，跨過探測器的掃描范圍。某些圖像不提供有用的信息，因為探測器被定位使得它遮擋入射的He離子束，防止He離子入射在樣品的表面上。在圖69B和69C中示出的圖像分別對應(yīng)于用定位于幾乎直接在樣品上方和在樣品的右側(cè)上的探測器記錄的樣品的圖像。在圖69C中，新月形強(qiáng)度分布被觀察到相似于在圖69A中所觀察到的分布線。
根據(jù)記錄的圖像的定性檢測，顯然樣品的形貌信息可以用在離軸位置的探測器測量的圖像確定(例如，圖69A和69C)。從這些測量獲得的信息可以與樣品的二次電子測量結(jié)合，例如，以便確定是否在二次電子圖像中所觀察到的圖像對比是由于樣品的表面形貌，還是由于另一對比機(jī)制，例如樣品荷電或材料成份。采用在已知位置的探測器，可以根據(jù)被記錄的圖像，區(qū)分樣品的表面上的隆起和凹陷。小探測器接收角和對于各記錄的圖像的探測器的已知位置還可以用于確定樣品的定量表面起伏信息(例如，高度)，通過測量圖像中表面特征的陰影長度并且利用入射He離子束相對于表面特征的已知的角度。
樣品的圖像還揭示了，根據(jù)探測器相對于樣品的取向，樣品的某些邊緣展示明亮的邊緣效果，而其它邊展示出暗淡的邊緣效應(yīng)(見圖69A，例如)。該信息被用于配置的探測器的設(shè)計以便從樣品減少形貌信息的測量。探測器設(shè)計平衡了探測角以便提供接近均勻的邊緣效應(yīng)。結(jié)果，例如銅球的樣品的圖像展示出均勻的亮度，強(qiáng)度的變化來自樣品中的材料差別。
從樣品記錄的圖像數(shù)據(jù)被分析以便確定樣品表面的被選擇的區(qū)域的強(qiáng)度如何隨著探測器被掃描而改變。強(qiáng)度的變化歸因于離開樣品表面的He離子和He中性原子的角分布，并且該分析提供了角分布的信息，這些信息有時被稱為發(fā)射波瓣。
圖70A示出用接近軸上的探測器記錄的采用入射He離子束的樣品的圖像，即探測器以大約0°的角度測量散射的He離子和中性He原子。由矩形框所指示的樣品表面的區(qū)，被隔離為一系列的圖像并且受到進(jìn)一步的分析。在圖70B中所示出的圖中，粗水平線示意性地表示樣品的表面，并且細(xì)垂直線表示入射的He離子束。點代表散射的He離子和中性He原子在不同的探測器位置的平均測量強(qiáng)度。點被繪制在極坐標(biāo)中，這里極坐標(biāo)的原點是樣品的表面上He離子束的入射點。給定點的角位置對應(yīng)于探測器的角位置，并且從原點至各點的徑向距離代表在特定角探測器位置的平均測量強(qiáng)度。分析每個對應(yīng)于不同的探測器位置的樣品的單獨的圖像，以便提供在圖70B中示出的角強(qiáng)度。各點對應(yīng)于在不同的探測器位置記錄的圖像。
點的極坐標(biāo)陣列形成了發(fā)射瓣圖。圖在形狀上基本是圓環(huán)形(除了離子束被探測器所遮擋的幾個失去的點之外)，并且對應(yīng)于圍繞原點的余弦分布。
在圖71A中，樣品的圖像用指示使用多樣品圖像分析的樣品表面的不同區(qū)的矩形框示出，以便確定來自樣品的散射的He離子和中性原子的角強(qiáng)度分布。在該情形，散射或反射角是相對于入射He離子束大約40°。
在圖71B中所示出的角發(fā)射強(qiáng)度的極坐標(biāo)圖以結(jié)合上述圖70B所述的方式構(gòu)造。在該角度的瓣的形狀指示散射/發(fā)射優(yōu)先被導(dǎo)向離開入射的He離子束。
該分析在樣品表面的各種不同的區(qū)上重復(fù)(對應(yīng)于各種不同的角度)，以便建造作為銅球樣品的角度的函數(shù)的散射的He離子和中性He原子的分布的相對完整的圖像。
14. 尖端按照如在實例1中所述的過程被制備，并且尖端的幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端在FIM中使用在實例1中所述的過程被銳化。尖端隨后被安裝并且配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 顯微鏡系統(tǒng)被配置，以便測量響應(yīng)于入射的He離子的從樣品散射的He離子和中性He原子。MCP探測器(如在實例3中所述)被用于記錄樣品圖像。MCP的前端相對于公共外接地被偏置為-300V，在其前面的格柵也如此。在該配置中，由于施加的負(fù)電位偏置二次電子不到達(dá)MCP。被MCP測量的信號來自入射于MCP的前面上的散射的He離子和中性He原子。從樣品的角度，MCP探測的He離子和He原子來自大約1.8球面度的立體角內(nèi)。立體角相對于入射束方位角對稱，如在圖66中所示出的。
從實例13，對于銅球觀察到的亮和暗邊緣效應(yīng)提供了關(guān)于探測器的設(shè)計和配置的信息，當(dāng)探測器用于通過測量散射的He離子和/或中性原子而成像樣品時，在測量的信號中減小了的形貌信息的量，并且更精確地反映了材料成份的差別而不是樣品的局部表面形貌的差別。對于在圖66中所示出的MCP探測器，根據(jù)散射的He離子和中性He原子的測量形成的圖像中的形貌信息的減小可以被觀察到，如果MCP被定位于距樣品大約25mm的工作距離。
包括不同材料的樣品可以隨后被成像并且材料被可靠地視覺上被相互區(qū)分。包括4種不同材料的樣品-鎳基層、碳涂層、銅格柵、和金線-使用He離子顯微鏡被成像。He離子束流是1.1pA并且平均He離子能量是18keV。4V的最大電壓被施加于掃描偏轉(zhuǎn)器以便實現(xiàn)在樣品表面的40μm的視場?？偟膱D像探測時間是90秒。
所得的圖像在圖72中示出。對于樣品中的4種不同材料的每個，觀察到不同的強(qiáng)度。這是下列事實的后果，即入射在特定材料上的He離子的散射幾率取決于材料的原子序數(shù)。在圖72中，甚至具有相似原子序數(shù)的材料也可以被區(qū)分。例如，銅(原子序數(shù)29)可以視覺上與鎳(原子序數(shù)28)區(qū)分。
圖73示出了包括在硅晶片下面的銅層的樣品的圖像，具有覆蓋晶片的氧化物層。圖像使用配置得探測散射的He離子和中性He原子的He離子顯微鏡系統(tǒng)而被測量，如較早前在該實施例中所述。樣品包括通過引導(dǎo)激光入射于樣品表面上而被產(chǎn)生的表面結(jié)構(gòu)特征。激光引起下面的銅層的爆炸性噴發(fā)。圖像的視覺檢測揭示了來自在樣品中存在的不同材料的圖像對比(例如，圖像強(qiáng)度變化)。從例如在圖73中的圖像的圖像，可以確定樣品中不同材料的分布。
15. 尖端按照如在實例1中所述的過程被制備，并且尖端的幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端在FIM中使用在實例1中所述的過程被銳化。尖端隨后被安裝并且配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 顯微鏡系統(tǒng)被配置，以便測量響應(yīng)于入射的He離子束而從樣品發(fā)射的光子。樣品的圖像從通過光電倍增管(model R6095，Hamamatsu PhotonicsK.K.，Toyooka，Japan)產(chǎn)生的信號來構(gòu)造。光電倍增管具有端向前(end-on)的窗口，相對高的量子效率，和從200nm至700nm的寬的頻譜響應(yīng)。管采用可以增加至1200V的信號增益運行，或至輸出信號到達(dá)信號鏈白噪聲水平而不過飽和的情形。光電倍增管被定位于距樣品15mm的距離并且面對樣品被取向，在該配置中，管對向大約2球面度的立體角。
氯化鈉(NaCl)的樣品使用光電倍增管探測器被成像。對于這些測量，He離子束流是10pA并且平均He離子能量是25keV。樣品用500μs每像素的駐留時間被柵掃描。150V的最大電壓被施加于掃描偏轉(zhuǎn)器以便產(chǎn)生樣品表面的1.35mm的視場。
樣品的圖像在圖74中示出。圖像對比(例如，圖像強(qiáng)度中的變化)在不同的NaCl晶體中顯見。光子在樣品中可以通過兩個不同的機(jī)制被產(chǎn)生。首先，光子可以通過相似于在SEM圖像中所觀察到的陰極發(fā)光的過程而被產(chǎn)生。在該機(jī)制中，樣品的原子被激勵至較高的能量狀態(tài)。光子在后續(xù)的去激勵過程中被發(fā)射。當(dāng)來自入射束的He離子返回至低層能量狀態(tài)時，光子被發(fā)射。
被暴露于He離子束并且從其發(fā)射的光子被探測的其它樣品包括塑料、閃爍體、和有機(jī)材料。
16. 尖端按照如在實例1中所述的過程被制備，并且尖端的幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端在FIM中使用在實例1中所述的過程被銳化。尖端隨后被安裝并且配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 尖端相對于提取器以+19kV被偏置，并且He氣以2×10-5Torr的壓力被引入尖端附近。Faraday杯被放置在第二透鏡之外，并且第一透鏡和對準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)器被用于聚焦束，使得基本上來源于尖端三聚物原子之一的所有He離子穿過孔徑(直徑600μm，定位于距尖端370mm)，并且來源于另外兩個尖端三聚物原子的基本所有的He離子被孔徑遮擋。在穿過孔徑之后，He離子束被第一透鏡聚焦入Faraday杯。在該配置中，像散修正器、掃描偏轉(zhuǎn)器、和第二透鏡被關(guān)閉。
來源于尖端原子的總He離子流使用皮安培表(model 487，KeithleyInstruments，Cleveland，OH)結(jié)合Faraday杯測量為300pA。Faraday杯是圓柱形金屬杯，具有大約6比1的深-直徑比。
此后，第一透鏡被關(guān)閉。在尖端產(chǎn)生的各He離子繼續(xù)以直線旅行，從尖端發(fā)散?？讖浇厝〈蠖鄶?shù)He離子束并且允許其僅少量中心部進(jìn)一步向下通過剩余的離子柱。穿過孔徑的He離子束的部分用Faraday杯測量，產(chǎn)生穿過孔徑的5pA的測量的He離子流。He離子束的角強(qiáng)度隨后被計算為穿過孔徑的He離子束流(5pA)除以就尖端的角度而言的孔徑的立體角。由尖端的頂點和孔徑形成的半錐角被計算為tan-1(0.300/370)＝0.046°＝8.1×10-4弧度。對應(yīng)的立體角被計算為2.1×10-6球面度(sr)。根據(jù)立體角，He離子束的角強(qiáng)度被確定為2.42μA/sr。
He離子源的亮度從He離子束的角強(qiáng)度和虛源尺寸確定。虛源尺寸通過檢驗在尖端的銳化期間記錄的尖端的FIM圖像而被估計。從該圖像，顯然對應(yīng)于尖端三聚物原子的單獨的離子化盤是不重疊的。此外，從鎢的結(jié)晶已知三聚物原子被隔開大約5埃。因此，實際的離子化盤被估計具有大約3埃的直徑。
虛源尺寸通常小于實際的離子化區(qū)。虛源尺寸使用先前所討論的通常的過程來確定一旦離子在離子源的電場區(qū)之外(例如，尖端和提取器附近的區(qū))，通過反向投射100個He離子的漸近線軌跡。反向投射軌跡移動得更加相互接近，直至其穿過其中它們相互在空間上最接近的空間的區(qū)，并且隨后，它們再次發(fā)散。反向投射的最接近的空間的圓直徑被界定為虛源尺寸。
作為上邊界，我們使用3埃的值作為虛源的直徑。在顯微鏡被配置以便允許僅起源于單個尖端原子的He離子束的部分穿過孔徑的情形，虛源尺寸可以顯著地較小。亮度被計算為角強(qiáng)度除以虛源尺寸的面積A，A＝π(D/2)2。離子源的亮度是3.4×109A/cm2sr。
減小的亮度被計算為亮度除以用于提取束的電壓(例如，施加至尖端的電壓偏置)。尖端對于提取器的電壓是19kV，并且該減小的亮度是1.8×109A/m2srV。
Etendue是He離子束的虛源尺寸和其角發(fā)散(作為立體角)的乘積的測量。使用上述確定的亮度，etendue被確定為1.5×10-21cm2sr。
減小的etendue是etendue乘以He離子束電壓。減小的etendue，根據(jù)上述計算的etendue，被確定為(使用+19kV的尖端偏置電壓)2.8×10-17cm2srV。
17. 尖端按照如在實例1中所述的過程被制備，并且尖端的幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端在FIM中使用在實例1中所述的過程被銳化。尖端隨后被安裝并且配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 顯微鏡系統(tǒng)被配置，以便使用ET探測器測量二次電子。探測器被定位于垂直距離樣品(平行于He離子束)10mm的距離，放置在橫向離樣品25mm，并且向樣品傾斜。ET屏幕相對于公共外接地以+300V的電位被偏置。
He離子束流是1pA，并且束中的平均離子能量是22keV。He離子束以100μs每像素的駐留時間被柵掃描過樣品的表面。100mV的最大電壓被施加于掃描偏轉(zhuǎn)器以便在樣品表面上產(chǎn)生1000nm的視場。
樣品包括形成于碳襯底的表面上的金島，并且從Structure Probe Inc.(West Chester，PA)獲得。使用上述測量配置記錄的樣品的圖像在圖75中被示出。被重疊于圖75中的圖像上的矩形所指示的樣品圖像的區(qū)被選擇，以便檢驗用He離子顯微鏡觀察到的邊緣對比的質(zhì)量。由矩形指示的區(qū)包括接近垂直的金邊。所述區(qū)包括20行，各行具有57個像素。被選擇的區(qū)的擴(kuò)展圖在圖76中示出。
被選擇的圖像區(qū)的各行被如下單獨地分析。首先，為了減小噪聲，各行用3像素的帶寬的Gaussian核使用MathCAD ksmoot函數(shù)(PTC Inc.，Needham，MA))而被平滑。圖77示出了曲線圖，其上繪制了特定線(線#14)在平滑之前(點)和平滑之后(曲線)的像素的強(qiáng)度值。垂直軸對應(yīng)于圖像強(qiáng)度，范圍從0(黑)至255(白)。水平軸對應(yīng)于像素號，范圍從0(左邊)至57(右邊)。
對于在圖像的被選擇的區(qū)中的各強(qiáng)度線掃描，左至右的亮至暗的轉(zhuǎn)變的中心通過找到強(qiáng)度線掃描的一階導(dǎo)數(shù)的最小值而被確定。對于具有左至右暗至亮的轉(zhuǎn)變的邊，轉(zhuǎn)變的中心通過確定強(qiáng)度掃描線的一階導(dǎo)數(shù)的最大值的位置而被找到。
各線隨后被修整以便包含正好21個像素。修正操作使得轉(zhuǎn)變點、該轉(zhuǎn)變點前的10個像素、和該轉(zhuǎn)變點后的10個像素被保留在各線中。在各被修整的線中開始的5個像素的強(qiáng)度值被一起平均并且平均值被識別為100％的值。在各被修整的線中最后的5個像素的強(qiáng)度值被一起平均并且平均值被識別為0％的值。來自各線掃描的平滑數(shù)據(jù)隨后根據(jù)100％和0％的值被重新調(diào)節(jié)。來自圖77的重新調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)在圖78中被示出。
參考圖78，75％和25％的值參考0％和100％的值而被確定。He離子束的斑點尺寸隨后被確定為25％和75％值之間沿水平軸的分離。根據(jù)在圖78中的數(shù)據(jù)，斑點尺寸被確定為3.0像素。像素尺寸使用在測量配置中的已知的視場和圖像中的像素數(shù)被轉(zhuǎn)換為納米。對于該測量，視場是641nm，并且跨過視場存在656個像素。He離子束的斑點尺寸因而被確定為2.93nm。這對于在圖像的選擇的區(qū)中的20線的各線被重復(fù)，并且所述結(jié)果被平均以便產(chǎn)生2.44nm的平均He離子束斑點尺寸。
18. 尖端按照如在實例1中所述的過程被制備，并且尖端的幾何形狀性能的特征化如在實例1中所述進(jìn)行。尖端根據(jù)實例1中的標(biāo)準(zhǔn)被接受使用。
尖端在FIM中使用在實例1中所述的過程被銳化。尖端隨后被安裝并且配置在He離子顯微鏡中。顯微鏡系統(tǒng)如在實例1中所述被配置，配置的改變?nèi)缦滤觥?br> 顯微鏡系統(tǒng)被配置，以便測量響應(yīng)于入射的He離子而離開樣品表面的散射的He離子和中性He原子。如在實例3中所述的MCP探測器被定位于距樣品10mm的距離。相對于外部地0V的電位偏置被施加于MCP格柵和前面。
He離子束流是1pA并且平均He離子束能量是26keV。He離子束以100μs每像素的駐留時間被柵掃描過樣品的表面。1.30V的最大電位被施加于掃描偏轉(zhuǎn)器以便在樣品表面產(chǎn)生13μm的視場。
樣品包括具有由多晶硅形成的表面特征的硅晶片襯底，其被認(rèn)知為Metrocal并且從Metroboost(Santa Clara，CA)獲得。樣品被取向使得He離子束以相對于樣品表面垂直的角度被入射。樣品相對于公共外接地被偏置為+19.4kV，使得入射離子束中的He離子以6.6keV的著陸能量到達(dá)樣品。樣品和MCP探測器之間的大的電場避免二次電子到達(dá)探測器?；旧纤须x開樣品的二次電子在該電場的影響下返回到樣品表面。結(jié)果，MCP探測器測量散射的He離子和中性原子。被探測器測量的中性He原子具有6.6keV的最大能量，而被探測器測量的He離子在其到達(dá)MCP時被加速至26keV的最大能量。
圖79示出了使用上述的測量配置記錄的樣品的圖像。樣品表面上的各種特征具有相對均勻的測量的強(qiáng)度，并且與襯底的強(qiáng)度不同。表面特征的邊緣的視覺檢測揭示了不存在明顯的亮邊效應(yīng)(例如，邊緣模糊)，該亮邊效應(yīng)可以導(dǎo)致信號鏈飽和并且可以使得邊緣的精確位置難于被發(fā)現(xiàn)。另外，不存在樣品表面上荷電的矯作物的視覺證據(jù)；這樣的矯作物如果存在，會作為圖像中的電壓對比而表現(xiàn)。
通過樣品的表面特征之一的水平線掃描在圖80中被示出。線掃描的水平軸示出像素號，并且垂直軸指示特定像素的被測量的圖像。為了比較的目的，相同的樣品被成像在Schottky場發(fā)射SEM中(AMRAY model 1860)，具有3keV的束能量和30pA的束流，以30,000X的放大倍率(對應(yīng)于大約13um的視場)。所得的圖像在圖81中示出，并且在圖80中掃描的通過相同特征的水平線掃描在圖82中示出。
圖82中的線掃描示出了顯著的亮邊效應(yīng)，并且被成像的表面特征的邊的信號鏈接近飽和。在表面特征的本體中，SEM線掃描不示出相對均勻的穩(wěn)定狀態(tài)的強(qiáng)度水平。而是，特征的本體中的強(qiáng)度水平到處或者增加或者減小，除了特征中心的小的區(qū)之外。最后，SEM線掃描的非對稱性指示了表面特征的取決于時間的荷電出現(xiàn)在SEM照射期間。比較起來，通過探測散射的He離子和中性原子所記錄的特征的線掃描圖像示出了顯著地被減小的邊效應(yīng)，并且沒有明顯的荷電矯作物。
也可以進(jìn)行樣品的表面上的特定特征的多次測量。如果進(jìn)行特征的多次測量，可能獲得關(guān)于被測量的特征的尺寸的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。例如，平均特征寬度、特征寬度的標(biāo)準(zhǔn)偏差、和/或特征的第一邊和/或第二邊的位置的平均和標(biāo)準(zhǔn)偏差可以被測量。Fourier法也可以用于分析一或更多的特征的邊的位置，以便確定對應(yīng)于邊緣形狀的空間波長的頻譜。
19.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡被配置以便在樣品的表面上暴露100μm2 FOV于He離子束，該He離子束具有1pA束流，20keV的平均離子能量，和FOV的0.1％的的樣品表面上的束斑點尺寸。
為了從樣品測量結(jié)晶信息，He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的FOV區(qū)。兩維探測器被用于攝取在各步驟來自于樣品表面的散射的He離子。各二維圖像對應(yīng)于樣品的表面上特定位置的菊池(Kikuchi)圖案。根據(jù)菊池圖案，樣品在該位置的晶體結(jié)構(gòu)、晶格間距和晶向可以被確定。通過在分立的步驟貫穿FOV測量菊池圖案，獲得了樣品表面晶體結(jié)構(gòu)的完整的圖。
為了從樣品測量形貌信息，探測器被配置以便測量響應(yīng)于入射He離子束從樣品產(chǎn)生的二次電子的總強(qiáng)度。He離子束在分立的步驟中被柵掃描過整個樣品表面的FOV區(qū)，并且二次電子的總強(qiáng)度被測量為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)。被測量的結(jié)晶信息隨后被用于去除樣品中的晶體結(jié)構(gòu)的變化引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的二次電子總強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平通過在樣品上He離子束對應(yīng)的位置的二次電子的修正的強(qiáng)度而被確定。形貌信息通過所述圖像被提供，所述圖像示出了FOV中樣品的表面起伏圖案。
20.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
為了從樣品測量結(jié)晶信息，He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的FOV區(qū)。探測器被用于測量作為樣品表面上的He離子束的位置的函數(shù)的散射的He離子的豐度。被測量的總豐度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中在特定的圖像像素的灰度水平通過在樣品上對應(yīng)的He離子束位置的He離子的總測量的豐度而被確定。樣品表面的不同取向的晶粒具有不同的散射的He離子的產(chǎn)率，并且該圖像將不同取向的晶粒顯示為不同的灰度水平。使用圖像中的信息，晶粒和晶粒邊界可以在樣品表面被識別。
為了從樣品測量形貌信息，總二次電子強(qiáng)度如實例19中所述被測量。被測量的結(jié)晶信息隨后被用于去除樣品中晶體結(jié)構(gòu)變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，這里特定圖像像素的灰度水平通過在樣品上對應(yīng)的He離子束位置二次電子被修正的強(qiáng)度而被確定。形貌信息通過所述圖像而被提供，所述圖像示出了FOV中樣品的表面起伏圖案。
21.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
為了從樣品測量結(jié)晶信息，He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的FOV區(qū)。探測器被用于測量作為樣品表面上的He離子束的位置的函數(shù)的散射的He離子的豐度。測量的總豐度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定的圖像像素的灰度水平通過在樣品上對應(yīng)的He離子束位置的He離子的總測量的豐度而被確定。樣品表面的不同取向的晶粒具有不同的散射的He離子的產(chǎn)率，并且該圖像將不同取向的晶粒顯示為不同的灰度水平。使用圖像中的信息，晶粒和晶粒邊界可以在樣品表面被識別。一旦樣品表面上的晶粒邊界被識別，則He離子束在樣品表面上從一晶粒至另一晶粒被掃描。在He離子束的各位置，二維探測器被用于攝取來自于樣品表面的散射的He離子的圖像。各二維圖像對應(yīng)于樣品表面的特定晶粒的菊池圖案。根據(jù)菊池圖案，晶粒的晶體結(jié)構(gòu)、晶格間距、和結(jié)晶取向可以被確定。通過貫穿FOV測量各晶粒而不是各像素的單菊池圖案，在較短的時間中獲得樣品表面晶體結(jié)構(gòu)的完整的圖。
為了從樣品測量形貌信息，總二次電子強(qiáng)度如實例19中所述被測量。被測量的結(jié)晶信息隨后被用于去除樣品中晶體結(jié)構(gòu)變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平通過在樣品上對應(yīng)的He離子束位置二次電子被修正的強(qiáng)度而被確定。形貌信息通過所述圖像而被提供，所述圖像示出了FOV中樣品的表面起伏圖案。
22.從樣品表面的形貌和結(jié)晶信息的測量 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
如在實例19中所述來自樣品的結(jié)晶信息被測量。
為了從樣品測量形貌信息，探測器被配置以便測量響應(yīng)于入射的He離子束而從樣品產(chǎn)生的二次電子的總強(qiáng)度。樣品相對于He離子束被傾斜，使得He離子束以非垂直的角度被入射至樣品的表面。He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的整個FOV區(qū)，并且二次電子的總強(qiáng)度被測量為樣品表面上He離子束位置的函數(shù)。被測量的結(jié)晶信息隨后被用于去除樣品中晶體結(jié)構(gòu)的變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平通過樣品上對應(yīng)的He離子束位置的被修正的二次電子的總強(qiáng)度而被確定。形貌信息通過所述圖像被提供，所述圖像示出了FOV中樣品的表面起伏圖案。相對于He離子束傾斜樣品可以揭示如果He離子束僅以垂直角度入射在樣品表面上則保持隱藏的形貌信息。
選擇性地，樣品傾斜可以隨后被調(diào)整，使得He離子束以不同的非垂直角度入射至樣品表面，并且He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的整個FOV區(qū)。二次電子的總強(qiáng)度被測量為樣品表面上He離子束位置的函數(shù)，并且被測量的結(jié)晶信息隨后被用于去除樣品中晶體結(jié)構(gòu)的變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總強(qiáng)度值被用于構(gòu)造對應(yīng)于He離子束的第二非垂直入射角度的樣品的第二灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平通過樣品上對應(yīng)的He離子束位置的被修正的二次電子的總強(qiáng)度而被確定。從在兩個不同的He離子束的入射角度測量的兩個圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
23.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
來自樣品的結(jié)晶信息如在實例20中所述的被測量。
為了從樣品測量形貌信息，來自樣品的二次電子的總強(qiáng)度如在實例22中所述被測量。被測量的結(jié)晶信息用于去除在各離子束的入射角、由樣品中的晶體結(jié)構(gòu)的變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例22中所述。從在不同的He離子束的入射角測量的兩個圖像信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
24.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
來自樣品的結(jié)晶信息如在實例21中所述的被測量。
為了從樣品測量形貌信息，來自樣品的二次電子的總強(qiáng)度如在實例22中所述被測量。被測量的結(jié)晶信息用于去除在各離子束的入射角、由樣品中的晶體結(jié)構(gòu)的變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例22中所述。從在不同的He離子束的入射角測量的兩個圖像信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
25.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
來自樣品的結(jié)晶信息如在實例19中所述的被測量。
為了從樣品測量形貌信息，2或更多的探測器，每個相對于樣品以不同的角度取向并且定位，被配置，以便測量響應(yīng)于入射的He離子束而從樣品產(chǎn)生的二次電子的總強(qiáng)度。He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的整個FOV區(qū)，并且二次電子的總強(qiáng)度作為樣品表面上He離子束位置的函數(shù)而被各個探測器測量。被測量的結(jié)晶信息隨后被用于去除樣品中晶體結(jié)構(gòu)的變化所引起的對于各探測器的二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總強(qiáng)度值被用于構(gòu)造一系列樣品的灰度圖像，各圖像對應(yīng)于探測器之一，其中特定圖像中的特定的圖像像素的灰度水平通過樣品上對應(yīng)的He離子束位置的被修正的二次電子的總強(qiáng)度而被確定。從被多個探測器所測量的圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
26.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
來自樣品的結(jié)晶信息如在實例20中所描述的被測量。為了測量來自樣品的形貌信息，來自樣品的二次電子的總強(qiáng)度如在實例25中所述被測量。被測量的結(jié)晶信息隨后被用于去除樣品中晶體結(jié)構(gòu)的變化所引起的對于各探測器的二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例25中所述。從被多個探測器所測量的圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
27.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
來自樣品的結(jié)晶信息如在實例21中所描述的被測量。
為了測量來自樣品的形貌信息，來自樣品的二次電子的總強(qiáng)度如在實例25中所述被測量。被測量的結(jié)晶信息隨后被用于去除樣品中晶體結(jié)構(gòu)的變化所引起的對于各探測器的二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例25中所述。從被多個探測器所測量的圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
28.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
來自樣品的結(jié)晶信息如在實例19中所描述的被測量。
為了測量來自樣品的形貌信息，配置以測量He離子的探測器被定位以便探測以大的散射角從樣品表面散射的He離子。He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的整個FOV區(qū)，并且He離子的總豐度通過探測器作為樣品表面上He離子束位置的函數(shù)被測量?？傌S度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平被樣品上對應(yīng)的He離子束位置的散射的He離子的總的被測量的豐度所確定。形貌信息被所述圖像提供，所述圖像示出了FOV中樣品的表面起伏圖案。
29.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
來自樣品的結(jié)晶信息如在實例20中所述的被測量。
來自樣品的形貌信息如實例28中所述的被測量。
30.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
來自樣品的結(jié)晶信息如在實例31中所述的被測量。
來自樣品的形貌信息如實例28中所述的被測量。
31.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
來自樣品的結(jié)晶信息如在實例19中所述的被測量。
為了測量來自樣品的形貌信息，配置以測量He離子的二或更多的探測器被定位，以便探測以大的散射角從樣品表面散射的He離子。He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的整個FOV區(qū)，并且He離子的總豐度通過探測器作為樣品表面上He離子束位置的函數(shù)被測量?？傌S度值被用于構(gòu)造對應(yīng)于各探測器的樣品的灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平被樣品上對應(yīng)的He離子束位置的散射的He離子的總的測量的豐度所確定。從被多個探測器所測量的圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
32.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
來自樣品的結(jié)晶信息如在實例20中所述的被測量。
來自樣品的形貌信息如實例31中所述的被測量。
33.從樣品測量形貌和結(jié)晶信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
來自樣品的結(jié)晶信息如在實例21中所述的被測量。
來自樣品的形貌信息如實例31中所述的被測量。
34.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
為了從樣品測量材料信息，配置以測量He離子的探測器被定位，以便探測從樣品被反向散射的He離子。He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的整個FOV區(qū)，并且被反向散射的He離子的總豐度被測量為樣品表面上He離子束位置的函數(shù)。被反向散射的He離子的總豐度的測量被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平通過樣品上對應(yīng)的He離子束位置的被反向散射的He離子的總測量的豐度而被確定。因為He離子的散射截面粗略地取決于散射原子的原子序數(shù)的平方，所以圖像中的強(qiáng)度可以用于定量地確定樣品的成份。
為了從樣品測量形貌信息，如在實例19中所述，二次電子的總強(qiáng)度作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)而被測量。被測量的材料信息隨后被用于去除樣品中的成份變化所引起的對于總二次電子強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平通過被修正的總強(qiáng)度值而被確定。形貌信息通過所述圖像被提供，所述圖像示出了FOV中樣品的表面起伏圖案。
35.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例34中所述。
為了從樣品測量形貌信息，如在實例22中所述，來自樣品的二次電子的總強(qiáng)度被測量。被測量的材料信息被用于去除在各離子束入射角、由樣品中的成份變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例22中所述。從在不同的He離子束的入射角測量的兩個圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
36.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例34中所述。
為了從樣品測量形貌信息，如在實例25中所述，來自樣品的二次電子的總強(qiáng)度被測量。被測量的材料信息被用于去除在各離子束入射角、由樣品中的成份變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例25中所述。從被多個探測器測量的圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
37.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例34中所述。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例28中所述。
38.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例34中所述。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例31中所述。
39.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
為了從樣品測量材料信息，配置以測量He離子的能量和角度解析探測器被定位，以便探測來自樣品的He。He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的整個FOV區(qū)，并且散射的He離子能量和角度被測量為樣品表面上He離子束位置的函數(shù)。從散射的He離子的平均角度和能量，可以確定散射原子的質(zhì)量，并且可以確定樣品的成份。
為了從樣品測量形貌信息，如在實例19中所述，二次電子的總強(qiáng)度作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)而被測量。被測量的材料信息隨后被用于去除樣品中的成份變化所引起的對于總二次電子強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平通過被修正的總強(qiáng)度值而被確定。形貌信息通過所述圖像被提供，所述圖像示出了FOV中樣品的表面起伏圖案。
40.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例39中所述。
為了從樣品測量形貌信息，如在實例22中所述，二次電子的總強(qiáng)度作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)而被測量。被測量的材料信息被用于去除在各離子束入射角、由樣品中的成份變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在圖22中所述。從不同的He離子束的入射角測量的兩個圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
41.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例39中所述。
為了從樣品測量形貌信息，如在實例25中所述，來自樣品的二次電子的總強(qiáng)度被測量。被測量的材料信息被用于去除在各離子束入射角、由樣品中的成份變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在圖25中所述。從被多個探測器所測量的圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
42.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例39中所述。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例28中所述。
43.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例39中所述。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例31中所述。
44.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
為了測量材料信息，x射線探測器可以被用于探測響應(yīng)入射的He離子束從樣品發(fā)射的x射線。He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的整個FOV區(qū)，并且x射線發(fā)射譜作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)而被測量。X射線譜中的某些發(fā)射線對于某些類型的原子是特有的，并且因而根據(jù)被測量的x射線譜，在各步驟樣品表面上的成份被確定。
為了從樣品測量形貌信息，如在實例19中所述，二次電子的總強(qiáng)度作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)而被測量。被測量的材料信息隨后被用于去除由樣品中成份變化所引起的對于總二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平通過被修正的總強(qiáng)度值而被確定。形貌信息被所述圖像提供，所述圖像示出了FOV中樣品的表面起伏圖案。
45.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例44中所述。
為了從樣品測量形貌信息，來自樣品的總二次電子強(qiáng)度被測量，如在實例22中所述。被測量的材料信息被用于去除在各離子束入射角、由樣品中的成份變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例22中所述。從不同的He離子束入射角測量的兩個圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
46.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例44中所示出的。
為了從樣品測量形貌信息，來自樣品的總二次電子強(qiáng)度被測量，如在實例25中所述。被測量的材料信息被用于去除在各探測器、由樣品中的成份變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例25中所述。從多個探測器測量的圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
47.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例44中所示出的。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例28中所示出的。
48.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例44中所示出的。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例31中所示出的。
49.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
為了測量材料信息，光子探測器可以被用于探測響應(yīng)于入射的He離子束從樣品發(fā)出的光子。He離子束在分立的步驟中被柵掃描過樣品表面的整個FOV區(qū)，并且光子發(fā)射譜作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)而被測量。頻譜中的某些發(fā)射線對于某些類型的原子是特有的，并且因此根據(jù)被測量的頻譜，在各步驟樣品表面上的成份被確定。
為了從樣品測量形貌信息，如在實例19中所述，二次電子的總強(qiáng)度作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)而被測量。被測量的材料信息隨后被用于去除由樣品中成份變化所引起的對于總二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平通過被修正的總強(qiáng)度值而被確定。形貌信息被所述圖像提供，所述圖像示出了FOV中樣品的表面起伏圖案。
50.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例49中所述。
為了從樣品測量形貌信息，來自樣品的總二次電子強(qiáng)度如在實例22中所述被測量。被測量的材料信息被用于去除在各離子束入射角、由樣品中成份變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例22中所述。從不同的He離子束入射角測量的兩個圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且被用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
51.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例49中所述。
為了從樣品測量形貌信息，來自樣品的總二次電子強(qiáng)度如在實例25中所述被測量。被測量的材料信息被用于去除在各探測器、由樣品中成份變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例25中所述。從多個探測器測量的圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且被用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
52.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例49中所述。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例28中所述。
53.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例49中所述。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例31中所述。
54.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
為了測量材料信息，俄歇電子探測器可以被用于探測響應(yīng)入射的He離子束從樣品發(fā)出的俄歇電子。He離子束在分立的步驟中被掃描過樣品表面的整個FOV區(qū)，并且俄歇電子發(fā)射譜作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)被測量。頻譜中的某些發(fā)射線對于某些類型的原子是特有的，并且因而根據(jù)被測量的頻譜，在各步驟樣品表面上的成份被確定。
為了從樣品測量形貌信息，二次電子的總強(qiáng)度作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)被測量，如在實例19中所述。被測量的材料信息隨后被用于去除由樣品中成份的變化所引起的對于總二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定圖像像素的灰度水平通過修正的總強(qiáng)度值而被確定。形貌信息通過所述圖像被提供，所述圖像示出了FOV中樣品的表面起伏圖案。
55.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例54中所述。
為了從樣品測量形貌信息，來自樣品的二次電子的總強(qiáng)度可以被測量，如在實例22中所述。被測量的材料信息被用于去除在各離子束入射角、由樣品中成份改變所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例22中所述。從不同的He離子束入射角測量的兩個圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
56.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例54中所述。
為了從樣品測量形貌信息，來自樣品的二次電子的總強(qiáng)度可以被測量，如在實例25中所述。被測量的材料信息被用于去除在各探測器、由樣品中成份改變所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的總二次電子強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例25中所述。從多個探測器測量的圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
57.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例54中所述。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例28中所述。
58.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例54中所述。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例31中所述。
59.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
為了測量材料信息，TOF探測器可以被用于探測響應(yīng)于入射的He離子束而從樣品發(fā)射的二次離子和/或原子。He離子束在分立的步驟中被柵掃描過整個樣品表面的FOV區(qū)，并且來自樣品180的二次離子和/或原子的飛行時間作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)被測量。根據(jù)被測量離子/原子的被測量的飛行時間，和TOF儀器中加速電極的已知電壓，被探測的粒子的質(zhì)量可以被計算并且可以確定粒子的身份。
為了從樣品測量形貌信息，二次電子的總強(qiáng)度作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)被測量，如在實例19中所述。被測量的材料信息隨后被用于去除樣品中的由樣品中成份的變化所引起的對于總二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的二次電子總強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，其中特定像素的灰度水平通過被修正的總強(qiáng)度值而被確定。形貌信息通過所述圖像被提供，所述圖像示出了FOV中樣品的表面起伏圖案。
60.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例59中所述。
為了從樣品測量形貌信息，二次電子的總強(qiáng)度作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)被測量，如在實例22中所述。被測量的材料信息隨后被用于去除樣品中的在各離子束的入射角、由樣品中成份的變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的二次電子總強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例22中所述。從不同的He離子束入射角測量的兩個圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且被用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
61.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例59中所述。
為了從樣品測量形貌信息，二次電子的總強(qiáng)度作為樣品表面上He離子束的位置的函數(shù)被測量，如在實例25中所述。被測量的材料信息隨后被用于去除樣品中的在各探測器、由樣品中成份的變化所引起的對于二次電子強(qiáng)度測量的貢獻(xiàn)。被修正的二次電子總強(qiáng)度值被用于構(gòu)造樣品的灰度圖像，如在實例25中所述。從多個探測器測量的圖像的信息可以隨后被結(jié)合并且被用于定量確定樣品表面的三維形貌信息。
62.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例59中所述。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例28中所述。
63.從樣品測量形貌和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例59中所述。
形貌信息可以從樣品被測量，如在實例31中所述。
64.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例44中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例19中所述。
65.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例44中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例20中所述。
66.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例44中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例21中所述。
67.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例49中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例19中所述。
68.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例49中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例20中所述。
69.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例49中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例21中所述。
70.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例54中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例19中所述。
71.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例54中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例20中所述。
72.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例54中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例21中所述。
73.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例59中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例19中所述。
74.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例59中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例20中所述。
75.從樣品測量結(jié)晶和材料信息 為了從樣品測量形貌和結(jié)晶信息，樣品在如在此所述的氣體場離子顯微鏡中被固定在樣品支架上的適當(dāng)位置。氣體場離子顯微鏡如在實例19中所述被配置。
材料信息可以從樣品被測量，如在實例59中所述。
結(jié)晶信息可以從樣品被測量，如在實例21中所述。
其它的實施例在權(quán)力要求中。
權(quán)利要求
1.一種離子顯微鏡，包括離子源，該離子源包括具有帶20個或更少的原子的端層的導(dǎo)電尖端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述端層具有15或更少的原子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述端層具有10或更少的原子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述端層具有6或更少的原子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述端層具有3或更少的原子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述端層具有3個原子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子顯微鏡具有25nm或更小的損傷試驗值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子顯微鏡具有0.25或更大的品質(zhì)因數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠產(chǎn)生樣品的圖像，所述樣品的圖像具有10nm或更小的分辨率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠在一周或更長的時間周期與氣體相互作用以便產(chǎn)生離子束，最大中斷時間為10小時或更小的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠在一周或更長的時間周期與氣體相互作用以便產(chǎn)生離子束，而不需從所述系統(tǒng)去除導(dǎo)電尖端。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠與氣體相互作用以便產(chǎn)生具有1×10-16cm2srV或更小的減小的etendue的離子束。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠與氣體相互作用以便產(chǎn)生具有5×10-21cm2srV或更小的etendue的離子束。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠與氣體相互作用以便產(chǎn)生在樣品的表面具有5×108A/m2srV或更大的減小的亮度的離子束。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠與氣體相互作用以便產(chǎn)生在樣品的表面具有1×109A/cm2srV或更大的亮度的離子束。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠與氣體相互作用以便產(chǎn)生在樣品的表面具有10nm或更小的尺寸的斑點尺寸的離子束。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠與氣體相互作用以便產(chǎn)生在樣品的表面具有1nA或更小的離子束流的離子束。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠與氣體相互作用以便產(chǎn)生在樣品的表面具有0.1fA或更大的流的離子束。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠與氣體相互作用以便產(chǎn)生在樣品的表面具有5eV或更小的能量散布的離子束。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，還包括所述樣品，其中所述樣品的表面距離所述導(dǎo)電尖端為5cm或更長。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子顯微鏡是氣體場離子顯微鏡。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子顯微鏡是氦離子顯微鏡。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子顯微鏡是掃描氣體場離子顯微鏡。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子顯微鏡是掃描氦離子顯微鏡。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，還包括離子光學(xué)器件，其中所述離子源能夠與氣體相互作用以便產(chǎn)生離子束，并且所述離子光學(xué)器件被配置，使得所述離子束中的至少一些離子在到達(dá)所述樣品之前穿過所述離子光學(xué)器件。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的離子顯微鏡，其中所述離子光學(xué)器件包括電極和孔徑，所述孔徑被配置以便避免離子束中的一些離子到達(dá)樣品的表面。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子顯微鏡包括耦合至所述離子源的機(jī)構(gòu)，使得所述機(jī)構(gòu)可以平移所述導(dǎo)電尖端、傾斜所述導(dǎo)電尖端、或兩者。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，所述導(dǎo)電尖端包括選自由鎢、碳、鉭、銥、錸、鈮、鉑和鉬的構(gòu)成的組的材料。
29.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述導(dǎo)電尖端是W(111)尖端。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的離子顯微鏡，其中所述W(111)尖端具有是三聚物的原子端層。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠與氣體相互作用以便產(chǎn)生離子束，并且到達(dá)樣品表面的所述離子束中70％或更多離子通過氣體與原子端層的單個原子的相互作用而產(chǎn)生。
32.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子顯微鏡包括熱耦合至所述離子源的冷卻劑源，使得在離子源的工作期間所述離子源的溫度是5K或更高。
33.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子顯微鏡包括熱耦合至所述離子源的低溫致冷源，使得在所述離子源的工作期間所述離子源的溫度是5K或更高。
34.根據(jù)權(quán)利要求1的離子顯微鏡，其中所述離子源能夠與氣體相互作用以便產(chǎn)生具有在樣品的表面的5mrad或更小的會聚半角的離子束。
35.一種系統(tǒng)，包括
氣體場離子源，包括具有從15°至45°的平均全錐角的導(dǎo)電尖端。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述平均全錐角是從20°至40°。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述平均全錐角是從25°至35°。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述平均全錐角是從28°至32°。
39.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端是具有縱軸的線的尖端，垂直于所述線的縱軸的所述線的尺寸是3mm或更小。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的系統(tǒng)，其中所述垂直于線的縱軸的尺寸是0.2mm或更大。
41.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述平均全錐角的標(biāo)準(zhǔn)偏差是所述平均全錐角的30％或更小。
42.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，所述導(dǎo)電尖端具有10°或更小的平均錐方向。
43.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述尖端包括在3°或更小內(nèi)與與所述導(dǎo)電尖端的縱軸對準(zhǔn)的單晶端層。
44.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端包括選自由鎢、碳、鉭、銥、錸、鈮、鉑和鉬的構(gòu)成的組的材料。
45.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端是鎢尖端。
46.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端是W(111)尖端。
47.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，還包括能夠在樣品上聚焦通過氣體與所述導(dǎo)電尖端的相互作用所產(chǎn)生的離子束的離子光學(xué)器件。
48.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是氣體場離子顯微鏡。
49.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是氦離子顯微鏡。
50.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是掃描離子顯微鏡。
51.根據(jù)權(quán)利要求35的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是掃描氦離子顯微鏡。
52.一種系統(tǒng)，包括
包括導(dǎo)電尖端的氣體場離子源，所述導(dǎo)電尖端具有200nm或更小的平均曲率半徑。
53.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有180nm或更小的平均曲率半徑。
54.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有170nm或更小的平均曲率半徑。
55.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有40nm或更大的平均曲率半徑。
56.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有從15°至45°的平均全錐角。
57.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電線是具有縱軸的線的尖端，垂直于所述線的縱軸的所述線的尺寸是3mm或更小。
58.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述垂直于線的縱軸的線的尺寸是0.2mm或更大。
59.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，所述導(dǎo)電尖端具有10°或更小的平均全錐角。
60.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述尖端包括與導(dǎo)電尖端的縱軸在3°或更小內(nèi)對準(zhǔn)的單晶端層。
61.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端包括選自由鎢、鉭、鉭、銥、錸、鈮、鉑和鉬構(gòu)成的組的材料。
62.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端是鎢尖端。
63.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端是W(111)尖端。
64.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，還包括能夠?qū)⑼ㄟ^氣體與所述導(dǎo)電尖端相互作用所產(chǎn)生的離子束聚焦于樣品上的離子光學(xué)器件。
65.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是氣體場離子顯微鏡。
66.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是氦離子顯微鏡。
67.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是掃描離子顯微鏡。
68.根據(jù)權(quán)利要求52的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是掃描氦離子顯微鏡。
69.一種系統(tǒng)，包括
氣體場離子源，包括具有包括一或更多原子的端層的導(dǎo)電尖端，
其中所述系統(tǒng)被配置，使得在所述系統(tǒng)的使用期間，所述一或更多的原子與氣體相互作用從而產(chǎn)生離子束，并且到達(dá)樣品表面的所述離子束中70％或更多的離子通過所述氣體與所述一或多個原子的僅一個原子相互作用而產(chǎn)生。
70.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中在使用期間，在到達(dá)樣品表面的所述離子束中75％或更多的離子通過所述氣體與所述一或多個原子的僅一個原子相互作用而產(chǎn)生。
71.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中在使用期間，在到達(dá)樣品表面的所述離子束中80％或更多的離子通過所述氣體與所述一或多個原子的僅一個原子相互作用而產(chǎn)生。
72.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中在使用期間，在到達(dá)樣品表面的所述離子束中85％或更多的離子通過所述氣體與所述一或多個原子的僅一個原子相互作用而產(chǎn)生。
73.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，還包含包括電極和孔徑的離子光學(xué)器件。
74.根據(jù)權(quán)利要求73的系統(tǒng)，其中所述孔徑是盤。
75.根據(jù)權(quán)利要求73的系統(tǒng)，其中所述孔徑具有多個開口。
76.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述端層包括20或更少的原子。
77.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述端層是三聚物。
78.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有200nm或更小的平均曲率半徑。
79.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有從15°至45°的平均全錐角。
80.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有10°或更小的平均錐方向。
81.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端包括端部，該端部包括與所述導(dǎo)電尖端的縱軸在3°或更小內(nèi)對準(zhǔn)的單晶。
82.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端包括選自由鎢、碳、鉭、銥、錸、鈮、鉑和鉬的構(gòu)成的組的材料。
83.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端是鎢尖端。
84.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端是W(111)尖端。
85.根據(jù)權(quán)利要求84的系統(tǒng)，其中所述端層是三聚物。
86.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是氣體場離子顯微鏡。
87.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是氦離子顯微鏡。
88.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是掃描離子顯微鏡。
89.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是掃描氦離子顯微鏡。
90.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，還包括一種機(jī)構(gòu)，所述氣體場離子源包括導(dǎo)電尖端，所述機(jī)構(gòu)被耦合至所述氣體場離子源，使得所述機(jī)構(gòu)可以平移所述導(dǎo)電尖端、傾斜所述導(dǎo)電尖端、或兩者。
91.根據(jù)權(quán)利要求90的系統(tǒng)，其中所述機(jī)構(gòu)包括曲面。
92.根據(jù)權(quán)利要求90的系統(tǒng)，其中所述機(jī)構(gòu)相對于所述孔徑傾斜所述離子源。
93.根據(jù)權(quán)利要求90的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端是W(111)尖端，并且所述端層是三聚物。
94.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是具有25nm或更小的損壞試驗值的氣體場離子顯微鏡。
95.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是具有0.25或更大的品質(zhì)因數(shù)的氣體場離子顯微鏡。
96.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是能夠產(chǎn)生樣品的圖像的氣體場離子顯微鏡，所述樣品的圖像具有10nm或更小的分辨率。
97.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述氣體場離子源能夠與所述氣體相互作用以便在一周或更長的時間周期產(chǎn)生離子束，最大中斷時間為10小時或更少。
98.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中氣體場離子源包括導(dǎo)電尖端，所述離子源能夠與氣體相互作用以便在一周或更長的時間周期產(chǎn)生離子束，而不需從所述系統(tǒng)中去除導(dǎo)電尖端。
99.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述離子源具有1×10-16cm2srV的減小的etendue。
100.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述離子束具有5×10-21cm2sr或更小的etendue。
根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面的5×108A/m2srV或更大的減小的亮度。
根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面的1×109A/cm2sr或更大的亮度。
根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面的10nm或更小尺寸的斑點尺寸。
根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面的1nA或更小的離子束流。
根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面的0.1fA或更大的離子束流。
根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面5eV或更小的能量散布。
根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，還包括所述樣品，其中所述氣體場離子源包括尖端，并且所述樣品的表面距所述尖端為5cm或更遠(yuǎn)。
根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，還包括熱耦合至氣體場離子源的冷卻劑源，使得在所述離子源的工作期間，所述離子源的溫度是5K或更高。
根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，還包括熱耦合至氣體場離子源的低溫致冷源，使得在所述離子源的工作期間，所述離子源的溫度是5K或更高。
110.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述離子源具有在樣品的表面5mrad或更小的會聚半角。
111.根據(jù)權(quán)利要求69的系統(tǒng)，其中所述氣體場離子源包括具有帶20或更少原子的端層的導(dǎo)電尖端。
112.一種系統(tǒng)，包括
包括能夠與氣體相互作用從而產(chǎn)生離子束的導(dǎo)電尖端的氣體場離子源；
離子光學(xué)器件，被配置使得在使用期間，至少部分離子束穿過所述離子光學(xué)器件；和
與所述氣體場離子源耦合的移動機(jī)構(gòu)，使得所述移動機(jī)構(gòu)可以平移所述導(dǎo)電尖端、傾斜所述導(dǎo)電尖端、或兩者。
113.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述移動機(jī)構(gòu)包括曲面。
114.根據(jù)權(quán)利要求113的系統(tǒng)，其中所述曲面是球面。
115.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述移動機(jī)構(gòu)傾斜所述導(dǎo)電尖端。
116.根據(jù)權(quán)利要求115的系統(tǒng)，其中所述移動機(jī)構(gòu)可以在兩個獨立的方向傾斜所述氣體場離子源。
117.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述移動機(jī)構(gòu)平移所述導(dǎo)電尖端。
118.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，還包括支撐，所述移動機(jī)構(gòu)安裝在所述支撐中。
119.根據(jù)權(quán)利要求118的系統(tǒng)，其中所述移動機(jī)構(gòu)包括曲面，并且所述支撐被配置以便相對于所述移動機(jī)構(gòu)的曲面移動。
120.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有包括一或更多原子的端層，并且在到達(dá)樣品表面的所述離子束中70％或更多的離子通過所述氣體僅與所述一或多個原子的一個原子相互作用而產(chǎn)生。
121.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子光學(xué)器件包括電極和孔徑。
122.根據(jù)權(quán)利要求121的系統(tǒng)，其中所述孔徑是盤。
123.根據(jù)權(quán)利要求121的系統(tǒng)，其中所述孔徑具有多個開口。
124.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有包括20或更少的原子的端層。
125.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有是三聚物的端層。
126.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有200nm或更小的平均曲率半徑。
127.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端具有15°至45°的平均全錐角。
128.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，所述導(dǎo)電尖端具有10°或更小的平均錐方向。
129.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端包括與所述導(dǎo)電尖端的縱軸在3°或更小內(nèi)對準(zhǔn)的單晶端層。
130.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端包括選自由鎢、碳、碳、銥、錸、鈮、鉑和鉬構(gòu)成的組的材料。
131.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端是鎢尖端。
132.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電尖端是W(111)尖端。
133.根據(jù)權(quán)利要求132的系統(tǒng)，其中所述W(111)尖端具有是三聚物的端層。
134.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是氣體場離子顯微鏡。
135.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是氦離子顯微鏡。
136.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是掃描離子顯微鏡。
137.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是掃描氦離子顯微鏡。
138.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是具有25nm或更小的損壞試驗值的氣體場離子顯微鏡。
139.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是具有0.25或更大的品質(zhì)因數(shù)的氣體場離子顯微鏡。
140.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是能夠產(chǎn)生樣品的圖像的氣體場離子顯微鏡，所述樣品的圖像具有10nm或更小的分辨率。
141.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子束可以在一周或更長的時間周期以10小時或更小的最大中斷時間工作。
142.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子顯微鏡包括離子源，所述離子源包括導(dǎo)電尖端，所述離子源能夠在一周或更長的時間周期產(chǎn)生離子，而不從所述系統(tǒng)去除所述導(dǎo)電尖端。
143.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子束具有1×10-16cm2srV或更小的減小的etendue。
144.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子束具有5×10-21cm2sr或更小的etendue。
145.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面的5×108A/m2srV的減小的亮度。
146.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面的1×109A/cm2srV的亮度。
147.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面的10nm或更小尺寸的斑點尺寸。
148.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面的1nA或更小的離子束流。
149.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子束流在樣品的表面是0.1fA或更大。
150.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面的5eV或更小的能量散布。
151.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，還包括樣品，其中所述氣體場離子源包括尖端，并且所述樣品的表面距離所述尖端為5cm或更遠(yuǎn)。
152.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，還包括熱耦合至所述氣體場離子源的冷卻劑源，使得在所述離子源的工作期間，所述離子源的溫度是5K或更高。
153.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，還包括熱耦合至所述氣體場離子源的低溫致冷源，使得在所述離子源的工作期間，所述離子源的溫度是5K或更高。
154.根據(jù)權(quán)利要求112的系統(tǒng)，其中所述離子束具有在樣品的表面的5mrad或更小的會聚半角。
155.根據(jù)權(quán)利要求112系統(tǒng)，其中所述氣體場離子源包括具有帶20或更少的原子的端層的導(dǎo)電尖端。
全文摘要
公開了離子源、系統(tǒng)和方法。
文檔編號G01N23/225GK101366095SQ200680051601
公開日2009年2月11日 申請日期2006年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月2日
發(fā)明者比利·W·沃德, 約翰·A·諾特四世, 路易斯·S·法卡斯三世, 蘭德爾·G·珀西瓦爾, 雷蒙德·希爾, 亞歷山大·格羅霍爾斯基, 理查德·科穆納爾 申請人:阿利斯公司