离子源、系统和方法
阅读：463发布：2020-08-10
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1.一种方法，包括：
形成气体场离子源；以及
在形成所述气体场离子源之后，将所述离子源布置入腔室以便提供气体 场离子系统。
2.根据权利要求1的方法，其中所述气体场离子系统是气体场离子显 微镜。
3.根据权利要求1的方法，其中，在将所述离子源布置入腔室之后， 再形成所述气体场离子源。
4.根据权利要求3的方法，其中再形成所述气体场离子源包括选自由 加热所述气体场离子源、施加电场至所述气体场离子源和引导气体进入所述 系统所构成的组中的工艺。
5.根据权利要求3的方法，其中再形成所述气体场离子源包括加热所 述气体场离子源、施加电场至所述气体场离子源并且引导气体进入所述系 统。
6.根据权利要求3的方法，其中再形成所述气体场离子源包括加热所 述气体场离子源并且施加电场至所述气体场离子源。
7.根据权利要求3的方法，其中再形成所述气体场离子源包括加热所 述气体场离子源并且引导气体进入所述系统。
8.根据权利要求3的方法，其中再形成所述气体场离子源包括施加场 至所述气体场离子源并且引导气体进入所述系统。
9.根据权利要求3的方法，其中所述再形成所述气体场离子源包括加 热所述气体场离子源。
10.根据权利要求3的方法，其中再形成所述气体场离子源包括施加场 至所述气体场离子源。
11.根据权利要求3的方法，其中再形成所述气体场离子源包括引导气 体进入所述系统。
12.根据权利要求11的方法，其中所述气体包含O2。
13.根据权利要求11的方法，其中所述气体包含N2。
14.根据权利要求11的方法，其中所述气体包含O2和N2。
15.根据权利要求11的方法，其中再形成所述气体场离子源包括溅射。
16.根据权利要求1的方法，其中形成所述气体场离子源包括形成具有 包括20或更少原子的端层的尖端。
17.根据权利要求16的方法，其中所述端层是三聚物。
18.根据权利要求1的方法，其中形成所述气体场离子源包括电化学蚀 刻线。
19.根据权利要求1的方法，其中所述气体场离子源包括单晶尖端，该 单晶尖端包括导电材料。
20.根据权利要求1的方法，其中所述气体场离子源包括W(111)尖 端。
21.根据权利要求20的方法，其中所述W(111)尖端具有是三聚物的 原子端层。
22根据权利要求1的方法，其中所述气体场离子源包括选自由钨、碳、 钽、铱、铼、铌、铂和钼构成的组的材料的导电尖端。
23.一种方法，包括：
形成具有发射轴的离子源；以及
在形成所述离子源之后，将所述离子源的发射轴与离子光学系统的进入 轴对准。
24.根据权利要求23的方法，其中对准包括调整所述离子源的取向。
25.根据权利要求24的方法，其中调整所述离子源的取向包括倾斜所 述离子源。
26.根据权利要求23的方法，其中对准包括成像所述离子源。
27.根据权利要求26的方法，其中成像所述离子源包括作为场离子显 微镜运行所述离子源。
28.根据权利要求27的方法，其中所述方法包括调整所述离子源的取 向。
29.根据权利要求23的方法，还包括，在将所述离子源的发射轴与所 述离子光学系统对准之后，将由所述离子源发射的离子束与所述离子光学器 件中的最后的透镜的轴对准。
30.根据权利要求29的方法，其中将所述离子束与所述最后的透镜的 轴的对准包括操纵偏转器的电位。
31.根据权利要求29的方法，其中将所述离子束与所述最后的透镜的 轴的对准包括将所述离子束与孔径对准。
32.根据权利要求23的方法，其中所述离子源是气体场离子源。
33.根据权利要求23的方法，其中所述离子源包括单晶尖端，该单晶 尖端包括导电材料。
34.根据权利要求23的方法，其中所述离子源包含W(111)尖端。
35.根据权利要求34的方法，其中所述W(111)尖端具有是三聚物的 原子端层。
36.根据权利要求23的方法，其中所述离子源包括选自由钨、碳、钽、 铱、铼、铌、铂和钼构成的组的材料的导电尖端。
37.一种方法，包括：
形成气体场离子源的导电尖端，当所述气体场离子源存在于离子显微镜 中时。
38.根据权利要求37的方法，还包括，在所述离子显微镜中布置所述 气体场离子源之前，形成所述气体场离子源的导电尖端。
39.根据权利要求37的方法，其中所述方法包括从所述导电尖端场蒸 发原子。
40.根据权利要求39的方法，其中当所述离子显微镜处于场离子显微 镜模式中时，所述场蒸发出现，使得所述导电尖端的质量可以被评估。
41.根据权利要求40的方法，其中在场离子显微镜模式中工作包括探 测由气体与所述导电尖端的相互作用所产生的离子。
42.根据权利要求39的方法，其中当所述离子显微镜处于扫描场离子 显微镜模式时，所述场蒸发出现，使得所述导电尖端的质量可以被评估。
43.根据权利要求42的方法，还包括通过气体与导电尖端的相互作用 而产生离子束，并且使所述离子穿过包括偏转器和孔径的离子光学器件。
44.根据权利要求43的方法，还包括使用偏转器以便将所述离子束栅 扫描过孔径从而产生所述导电尖端的场发射图案。
45.根据权利要求42的方法，其中在场离子显微镜模式中工作包括探 测通过气体与导电尖端的相互作用所产生的离子。
46.根据权利要求37的方法，其中所述方法包括探测所述导电尖端的 场离子显微镜图像。
47.一种系统，包括：
离子源，
其中所述系统能够在第一模式成像所述离子源，并且所述系统能够使用 所述离子源在第二模式收集样品的图像，所述样品与所述离子源不同。
48.根据权利要求47的系统，其中，当在所述第一模式中时，所述系 统作为场离子显微镜工作。
49.根据权利要求48的系统，其中所述场离子显微镜是扫描场离子显 微镜。
50.根据权利要求48的系统，其中，当在所述第二模式中时，所述系 统作为离子显微镜工作。
51.根据权利要求50的系统，其中所述离子显微镜是扫描离子显微镜。
52.根据权利要求47的系统，当在所述第二模式中时，所述系统作为 离子显微镜工作。
53.根据权利要求52的系统，其中所述离子显微镜是扫描离子显微镜。
54.一种方法，包括：
通过将气体与气体场离子源相互作用产生包括离子的第一束；以及
从所述第一束去除非单荷电化学核素以便形成包括单荷电离子的第二 束。
55.根据权利要求54的方法，还包括将所述第二束与样品相互作用， 以便引起粒子离开所述样品的表面，所述粒子选自由二次电子、俄歇电子、 二次离子、二次中性粒子、一次中性粒子、散射的离子和光子构成的组。
56.根据权利要求54的方法，其中所述化学核素包括双荷电离子。
57.根据权利要求56的方法，其中所述化学核素包含中性核素。
58.根据权利要求54的方法，其中所述化学核素包含中性核素。
59.根据权利要求54的方法，其中从所述第一束去除非单荷电化学核 素包括改变所述第一束中的单荷电离子的束路径。
60.根据权利要求59的方法，其中所述第一束中的单荷电离子的束路 径使用电场、磁场或两者而被改变。
61.根据权利要求60的方法，其中所述第一束中的单荷电离子的束路 径使用弯曲离子柱而被改变。
62.根据权利要求60的方法，其中所述第一束通过被偏置的电极，使 得单荷电离子、双荷电离子、和中性化学核素的束路径相互分离。
63.一种系统，包括：
气体场离子源，能够与气体相互作用以便产生包括化学核素的束，该化 学核素包括荷电核素；以及
至少一被偏置的电极，被配置以便根据所述化学核素的荷电引起所述束 中的化学核素的束路径分离。
64.根据权利要求63的系统，其中所述至少一被偏置的电极被定位， 使得所述束中的化学核素通过过所述至少一被偏置的电极。
65.根据权利要求63的系统，其中所述至少一被偏置的电极被定位， 使得所述束中的中性核素不通过所述至少一被偏置的电极。
66.根据权利要求65的系统，其中所述至少一被偏置的电极被定位， 使得所述束中离子化的化学核素通过所述至少一被偏置的电极。
67.根据权利要求66的系统，其中所述离子束具有1×10-16cm2srV或 更小的减小的etendue。
68.根据权利要求66的系统，其中所述离子束具有5×10-21cm2sr或更 小的etendue。
69.根据权利要求66的系统，其中所述离子束在所述样品的表面具有5 ×108A/m2srV或更大的减小的亮度。
70.根据权利要求66的系统，其中所述离子束在所述样品的表面具有1 ×109A/cm2sr或更大的亮度。
71.根据权利要求66的系统，其中所述离子束在所述样品的表面具有 10nm或更小的尺寸的斑点尺寸。
72.根据权利要求66的系统，其中所述离子束在所述样品的表面具有1 nA或更小的离子束流。
73.根据权利要求72的系统，其中在所述样品的表面的离子束流为0.1 fA或更小。
74.根据权利要求66的系统，其中所述离子束在所述样品的表面具有5 cV或更小的能量散布。
技术领域
本公开涉及离子源、系统和方法。
背景技术
离子能够使用例如液态金属离子源或气体场离子源而形成。在一些实例 中，通过离子源形成的离子能够用于确定被暴露于离子的样品的某些特性， 或修改样品。在另外的实例中，通过离子源所形成的离子能够用于确定离子 源自身的某些特性。
发明内容
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气体 场离子源能够与气体相互作用从而产生在样品的表面具有10nm或更小的尺 寸的斑点尺寸的离子束。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气 体场离子源能够与气体相互作用从而产生在样品的表面具有3nm或更小的 尺寸的斑点尺寸的离子束。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气 体场离子源能够与气体相互作用从而产生在样品的表面具有1×109A/cm2sr 或更大的亮度的离子束。
在另外的方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述 气体场离子源能够与气体相互作用从而产生具有在样品的表面具有5× 108A/m2srV或更大的减小的亮度的离子束。
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气体 场离子源能够与气体相互作用从而产生在样品的表面具有5×10-21cm2sr或 更小的etendue的离子束。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气 体场离子源能够与气体相互作用从而产生在样品的表面具有1×10-16cm2srV 或更小的减小的etendue的离子束。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源包括导电尖端。气体场离子源能够与气体相互作用从而在一周或更长 的周期产生离子束而不从系统去除导电尖端。
在另外的方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体 场离子源能够与气体相互作用从而在一周或更长的周期以10小时或更小的 总中断时间产生离子束。
在一方面中，本发明的特征为一种能够产生样品的图像的离子显微镜。 样品与离子显微镜不同，并且样品的图像具有3nm或更小的分辨率。
在另一方面中，本发明的特征为一种能够产生样品的图像的离子显微 镜。样品与离子显微镜不同，并且样品的图像具有10nm或更小的分辨率。
在又一方面中，本发明的特征为一种具有0.25或更大的品质因数的气体 场离子显微镜。
在另外的方面中，本发明的特征为一种具有25nm或更小的损坏测试值 的离子显微镜。
在一方面中，本发明的特征为一种离子显微镜，所述离子显微镜包括具 有20或更少的端层(terminal shelf)原子的导电尖端的离子源。
在另一方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括具有从15°至 45°的平均全锥角的导电尖端的气体场离子源。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气 体场离子源具有导电尖端，该导电尖端具有200nm或更小的平均曲率半径。
在另外的方面中，本发明的特征为一种包括具有一或更多的端层原子的 导电尖端的气体场离子源。系统被配置，使得在系统的使用期间，一或更多 的原子与气体相互作用从而产生离子束，并且在到达样品表面的离子束中70 ％或更多的离子通过气体仅与一或多个原子的一个原子相互作用而产生。
在一方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括具有能够与气体 相互作用从而产生离子束的导电尖端的气体场离子源。所述系统还包括被配 置的离子光学器件，使得在使用期间，至少部分离子束穿过离子光学器件。
系统还包括与气体场离子源耦合的移动机构使得移动机构可以平移导电尖 端，倾斜导电尖端或两者。
在另一方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括能够与气体相 互作用以产生离子束的离子源，离子束可以与样品相互作用从而引起多种不 同类型的粒子以离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器以便探测多种 不同类型的粒子的至少两种类型的粒子。多种不同类型的粒子选自二次电 子、俄歇(Auger)电子、二次离子、二次中性粒子、一次中性粒子、散射 离子和光子。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起粒子离开样品。粒子选自俄歇电子、二次离子、二次中性粒子、一次中性 粒子、散射粒子和光子。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期 间，该至少一探测器探测至少一些粒子以便确定样品的信息。
在另外的方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体 场离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便 引起粒子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间， 该至少一探测器可以探测至少一些粒子。对于给定的被探测粒子，该至少一 探测器根据所给定的被探测粒子的能量而产生信号。
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场离 子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引起 粒子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间，该至 少一探测器可以探测至少一些粒子。对于给定的被探测的粒子，该至少一探 测器根据所给定的被探测的粒子的轨迹的角度而产生信号。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起散射离子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间， 至少一探测器能够探测至少一些散射离子。系统还包括电连接至至少一探测 器的电子处理器，使得在使用期间，电子处理器能够根据被探测的散射离子 而处理信息，以便确定样品的信息。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起一次中性粒子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用 期间，至少一探测器可以探测至少一些一次中性粒子。系统还包括电连接至 至少一探测器的电子处理器，使得在使用期间，电子处理器能够根据被探测 的一次中性粒子而处理信息，以便确定样品的信息。
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场离 子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引起 光子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间，至少 一探测器能够探测至少一些光子。系统还包括电连接至至少一探测器的电子 处理器，使得在使用期间，电子处理器可以根据被探测的光子而处理信息， 以便确定样品的信息。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起二次离子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间， 至少一探测器能够探测至少一些二次离子。系统还包括电连接至至少一探测 器的电子处理器，使得在使用期间，电子处理器可以根据被探测的二次离子 而处理信息，以便确定样品的信息。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起二次中性粒子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用 期间，至少一探测器可以探测至少一些二次中性粒子。系统还包括电连接至 至少一探测器的电子处理器，使得在使用期间，电子处理器可以根据被探测 的二次中性粒子而处理信息，以便确定样品的信息。
在另外的方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体 场离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便 引起俄歇电子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期 间，至少一探测器能够探测至少一些俄歇电子。系统还包括电连接至至少一 探测器的电子处理器，使得在使用期间，电子处理器可以根据被探测的俄歇 电子而处理信息，以便确定样品的信息。
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场离 子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引起 离子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间，至少 一探测器能够探测离子。离子束与样品的相互作用能够引起二次电子离开样 品，并且，当离子束与样品的相互作用引起二次电子离开样品时，至少一探 测器可以探测至少一些离子而不探测二次电子。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起中性粒子离开样品。系统还包括至少一被配置的探测器，使得在使用期间， 至少一探测器可以探测中性粒子。离子束与样品的相互作用可以引起二次电 子离开样品，并且，当离子束与样品的相互作用引起二次电子离开样品时， 至少一探测器可以探测至少一些中性粒子而不探测二次电子。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起光子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间，至 少一探测器可以探测光子。离子束与样品的相互作用可以引起二次电子离开 样品，并且，当离子束与样品的相互作用引起二次电子离开样品时，至少一 探测器可以探测至少一些光子而不探测二次电子。
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场离 子源能够与气体相互作用从而在样品的表面上产生具有10nm或更小的尺寸 的斑点尺寸的离子束。系统还包括被配置的离子光学器件以便将离子束导向 样品的表面，离子光学器件具有至少一可调整的设置。当可调整的离子光学 器件的设置是第一设置时，离子束与样品的第一位置相互作用。当可调整的 离子光学器件的设置是第二设置时，离子束与样品的第二位置相互作用。离 子光学器件的第一设置与离子光学器件的第二设置不同，并且样品的第一位 置与样品的第二位置不同。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生被导向样品的离子束。系统还包括被配 置的带电粒子源，使得在使用期间，带电粒子源提供导向样品的带电粒子束。 气体场离子源与带电粒子源不同。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括使离子束与样 品相互作用从而引起多种不同类型的粒子离开样品，并且探测多种不同类型 的粒子的至少两种类型粒子。多种不同类型的粒子选自二次电子、俄歇电子、 二次粒子、二次中性粒子、一次中性粒子、散射离子和光子。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源相互作用而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用以便 引起粒子离开样品。粒子选自俄歇电子、二次离子、二次中性粒子、一次中 性粒子、散射离子和光子。所述方法还包括探测至少一些粒子以便确定样品 的信息。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用以便引起粒子 离开样品。所述方法还包括根据通过探测器所探测的粒子的能量而从探测器 产生信号。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用以便引起粒 子离开样品。所述方法还包括根据通过探测器所探测的粒子的轨迹的角度而 从探测器产生信号。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用以便引起散 射离子离开样品。所述方法还包括探测至少一些散射离子，并且根据所探测 的散射离子而确定样品的信息。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引 起一次中性离子离开样品。所述方法还包括探测至少一些一次中性粒子，并 且根据所探测的一次中性粒子而确定样品的信息。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起光 子离开样品。所述方法还包括探测至少一些光子，并且根据所探测的光子而 确定样品的信息。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起 二次离子离开样品。所述方法还包括探测至少一些二次离子。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起 二次中性粒子离开样品。所述方法还包括探测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，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引 起俄歇电子离开样品。所述方法还包括探测至少一些俄歇电子。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括形成气体场离子 源，并且，在形成气体场离子源之后，将所述离子源设置于腔室中，以便提 供气体场离子系统。
在另一方面中，形成具有发射轴的离子源，并且在形成离子源之后，将 离子源的发射轴与离子光学系统的入射轴对准。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源相互作用而产生离子束，离子束在样品的表面上具有10nm或 更小的尺寸的斑点尺寸，并且将离子束从样品表面上的第一位置移动至样品 表面上的第二位置，第一位置与第二位置不同。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源相互作用而产生离子束，并且将样品与离子束接触。所述方 法还包括将样品与来自带电粒子源的带电粒子束接触。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起粒 子离开样品。所述方法还包括探测至少一些粒子，并且根据所探测的粒子而 确定样品的结晶的信息。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且在样品的一部分上引起电压。所述方 法还包括探测粒子从而确定样品的电压对比信息。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起 粒子离开样品。样品包括至少第一材料和第二材料。所述方法还包括根据粒 子而区分第一和第二材料。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与活性气体相互作用，以 便促进在样品表面的化学反应。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源反应而产生离子束，并且使用离子束确定半导体物品 (semiconductor article)的表面下信息。所述方法还包括根据表面下信息修 改半导体物品。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且使用离子束确定半导体物品的信息。 离子束在半导体物品的表面具有10nm或者更小的斑点尺寸。所述方法还包 括根据所述信息修改半导体物品。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且使用离子束以便确定光刻掩模的信 息。离子束在半导体物品的表面具有10nm或者更小的斑点尺寸。所述方法 还包括根据所述信息修补光刻掩模。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括使用离子束 构图样品上的抗蚀剂。离子束在样品上具有10nm或者更小的斑点尺寸。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与包括一特征的样品相互作 用。离子束在样品的表面具有50nm或者更小的斑点尺寸。所述方法还包括 确定该特征的尺寸。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起 粒子离开样品。样品具有包括第一和第二层的多叠层。所述方法还包括探测 粒子以便确定第二层是否与第一层对准。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括暴露样品于聚 焦离子束，并且通过将气体与气体场离子源相互作用而产生第二离子束。所 述方法还包括暴露样品于第二离子束。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括当气体场离 子源存在于离子显微镜内时，形成气体场的导电尖端。
在一方面中，本发明的特征为一种包括离子源的系统。在第一模式中系 统能够成像离子源，并且在第二模式中系统能够使用离子源搜集样品的图 像。样品与离子源不同。
在另一方面中，本发明的特征为一种样品操纵器，所述样品操纵器包括 外壳、被外壳所支撑的盘、被盘所支撑的构件，构件具有支柱和配置成支撑 样品的表面，和装置。在第一模式中所述装置接触构件从而移动样品，并且 在第二模式中装置不与构件接触。
在另外的方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括气体场离子 源和样品操纵器。样品操纵器包括外壳、被外壳所支撑的盘、被盘所支撑的 构件，构件具有支柱和配置成支撑样品的表面，和装置。在第一模式中装置 接触构件从而移动样品，并且在第二模式中装置不与构件接触。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源相互作用而产生包含离子的第一束，并且从第一束去除非单荷电 化学核素从而形成包含单荷电离子的第二束。
在另外的方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括能够与气体 相互作用以产生束的气体场离子源，所述束包含包括带电化学核素的化学核 素。系统还包括至少一被偏置的电极，所述被偏置的电极被配置以引起束中 的化学核素的束路径根据化学核素的电荷而发散。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源相互作用而产生离子，并且用离子溅射样品。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源相互作用而产生离子束，并且使用与气体场离子源不同的系统 产生电子束。所述方法还包括使用离子束和电子束两者来调查样品。
在另一方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括能够提供电子 束的扫描电子显微镜。所述系统还包括能够与气体相互作用从而产生离子束 的气体场离子源。扫描电子显微镜和气体场离子显微镜被定位，使得在使用 期间，电子束和离子束都能够用于调查样品。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源相互作用而产生第一离子束。第一离子束具有第一流。所述 方法还包括使用具有第一流的第一离子束，以便制备用于调查样品的气体场 离子源。所述方法还包括通过将气体与气体场离子源相互作用而产生第二离 子束。第二离子束具有第二流。另外，所述方法包括使用第二离子束调查样 品。
实施例可以包括一或更多个下列的优点。
在一些实施例中，离子源(例如气体场离子源)可以在样品的表面上提 供相对小的斑点尺寸。使用这样的离子源的离子显微镜(例如气体场离子显 微镜)可以，例如获得具有相对高的分辨率的样品的图像。
在某些实施例中，离子源(例如气体场离子源)可以具有相对高的亮度 和/或相对高的减小的亮度。使用这样的离子源的离子显微镜(例如气体场离 子显微镜)可以，例如在相对短的时间内获得样品的良好的图像质量，这又 可以增加可以成像大量样品的速度。
在一些实施例中，离子源(例如气体场离子源)可以对于给定的离子流 (例如相对低的etendue)具有相对高的亮度。使用这样的离子源的离子显 微镜(例如气体场离子显微镜)可以，例如用对于样品的相对少的损伤获得 良好的样品的图像质量。
在某些实施例中，气体场离子显微镜可以具有相对高的可靠性。因而， 例如，气体场离子源可以被用于扩展的时段而不替换气体场离子源，这可以， 例如，增加可以成像大量样品的速度，减小与成像大量样品相关的停歇时间， 和/或减小于成像大量样品相关的成本。
在一些实施例中，离子显微镜(例如气体场离子显微镜)被配置，使得 振动被基本上从离子源被解耦。这可以提高离子显微镜的能力，以便实现一 或更多的上述优点。
在某些实施例中，离子显微镜(例如气体场离子显微镜)可以在相对高 的温度下操作而仍然提供一或更多的上述优点。例如，液氮可以用作离子显 微镜的冷却剂。这可以减小与使用某些其它冷却剂例如液氦相关的成本和/ 或复杂程度。这还可以减小与可以产生显著振动的采用液氦冷却剂的某些机 械系统相关的潜在问题。
从说明书、附图和权利要求，本发明的其它特征和优点将是明显的。
发明内容
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气体 场离子源能够与气体相互作用从而产生在样品的表面具有10nm或更小的尺 寸的斑点尺寸的离子束。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气 体场离子源能够与气体相互作用从而产生在样品的表面具有3nm或更小的 尺寸的斑点尺寸的离子束。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气 体场离子源能够与气体相互作用从而产生在样品的表面具有1×109A/cm2sr 或更大的亮度的离子束。
在另外的方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述 气体场离子源能够与气体相互作用从而产生具有在样品的表面具有5× 108A/m2srV或更大的减小的亮度的离子束。
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气体 场离子源能够与气体相互作用从而产生在样品的表面具有5×10-21cm2sr或 更小的etendue的离子束。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气 体场离子源能够与气体相互作用从而产生在样品的表面具有1×10-16cm2srV 或更小的减小的etendue的离子束。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源包括导电尖端。气体场离子源能够与气体相互作用从而在一周或更长 的周期产生离子束而不从系统去除导电尖端。
在另外的方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体 场离子源能够与气体相互作用从而在一周或更长的周期以10小时或更小的 总中断时间产生离子束。
在一方面中，本发明的特征为一种能够产生样品的图像的离子显微镜。 样品与离子显微镜不同，并且样品的图像具有3nm或更小的分辨率。
在另一方面中，本发明的特征为一种能够产生样品的图像的离子显微 镜。样品与离子显微镜不同，并且样品的图像具有10nm或更小的分辨率。
在又一方面中，本发明的特征为一种具有0.25或更大的品质因数的气体 场离子显微镜。
在另外的方面中，本发明的特征为一种具有25nm或更小的损坏测试值 的离子显微镜。
在一方面中，本发明的特征为一种离子显微镜，所述离子显微镜包括具 有20或更少的端层(terminal shelf)原子的导电尖端的离子源。
在另一方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括具有从15°至 45°的平均全锥角的导电尖端的气体场离子源。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，所述气 体场离子源具有导电尖端，该导电尖端具有200nm或更小的平均曲率半径。
在另外的方面中，本发明的特征为一种包括具有一或更多的端层原子的 导电尖端的气体场离子源。系统被配置，使得在系统的使用期间，一或更多 的原子与气体相互作用从而产生离子束，并且在到达样品表面的离子束中70 ％或更多的离子通过气体仅与一或多个原子的一个原子相互作用而产生。
在一方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括具有能够与气体 相互作用从而产生离子束的导电尖端的气体场离子源。所述系统还包括被配 置的离子光学器件，使得在使用期间，至少部分离子束穿过离子光学器件。
系统还包括与气体场离子源耦合的移动机构使得移动机构可以平移导电尖 端，倾斜导电尖端或两者。
在另一方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括能够与气体相 互作用以产生离子束的离子源，离子束可以与样品相互作用从而引起多种不 同类型的粒子以离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器以便探测多种 不同类型的粒子的至少两种类型的粒子。多种不同类型的粒子选自二次电 子、俄歇(Auger)电子、二次离子、二次中性粒子、一次中性粒子、散射 离子和光子。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起粒子离开样品。粒子选自俄歇电子、二次离子、二次中性粒子、一次中性 粒子、散射粒子和光子。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期 间，该至少一探测器探测至少一些粒子以便确定样品的信息。
在另外的方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体 场离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便 引起粒子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间， 该至少一探测器可以探测至少一些粒子。对于给定的被探测粒子，该至少一 探测器根据所给定的被探测粒子的能量而产生信号。
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场离 子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引起 粒子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间，该至 少一探测器可以探测至少一些粒子。对于给定的被探测的粒子，该至少一探 测器根据所给定的被探测的粒子的轨迹的角度而产生信号。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起散射离子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间， 至少一探测器能够探测至少一些散射离子。系统还包括电连接至至少一探测 器的电子处理器，使得在使用期间，电子处理器能够根据被探测的散射离子 而处理信息，以便确定样品的信息。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起一次中性粒子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用 期间，至少一探测器可以探测至少一些一次中性粒子。系统还包括电连接至 至少一探测器的电子处理器，使得在使用期间，电子处理器能够根据被探测 的一次中性粒子而处理信息，以便确定样品的信息。
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场离 子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引起 光子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间，至少 一探测器能够探测至少一些光子。系统还包括电连接至至少一探测器的电子 处理器，使得在使用期间，电子处理器可以根据被探测的光子而处理信息， 以便确定样品的信息。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起二次离子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间， 至少一探测器能够探测至少一些二次离子。系统还包括电连接至至少一探测 器的电子处理器，使得在使用期间，电子处理器可以根据被探测的二次离子 而处理信息，以便确定样品的信息。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起二次中性粒子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用 期间，至少一探测器可以探测至少一些二次中性粒子。系统还包括电连接至 至少一探测器的电子处理器，使得在使用期间，电子处理器可以根据被探测 的二次中性粒子而处理信息，以便确定样品的信息。
在另外的方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体 场离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便 引起俄歇电子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期 间，至少一探测器能够探测至少一些俄歇电子。系统还包括电连接至至少一 探测器的电子处理器，使得在使用期间，电子处理器可以根据被探测的俄歇 电子而处理信息，以便确定样品的信息。
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场离 子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引起 离子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间，至少 一探测器能够探测离子。离子束与样品的相互作用能够引起二次电子离开样 品，并且，当离子束与样品的相互作用引起二次电子离开样品时，至少一探 测器可以探测至少一些离子而不探测二次电子。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起中性粒子离开样品。系统还包括至少一被配置的探测器，使得在使用期间， 至少一探测器可以探测中性粒子。离子束与样品的相互作用可以引起二次电 子离开样品，并且，当离子束与样品的相互作用引起二次电子离开样品时， 至少一探测器可以探测至少一些中性粒子而不探测二次电子。
在又一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生可以与样品相互作用的离子束，以便引 起光子离开样品。系统还包括被配置的至少一探测器，使得在使用期间，至 少一探测器可以探测光子。离子束与样品的相互作用可以引起二次电子离开 样品，并且，当离子束与样品的相互作用引起二次电子离开样品时，至少一 探测器可以探测至少一些光子而不探测二次电子。
在一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场离 子源能够与气体相互作用从而在样品的表面上产生具有10nm或更小的尺寸 的斑点尺寸的离子束。系统还包括被配置的离子光学器件以便将离子束导向 样品的表面，离子光学器件具有至少一可调整的设置。当可调整的离子光学 器件的设置是第一设置时，离子束与样品的第一位置相互作用。当可调整的 离子光学器件的设置是第二设置时，离子束与样品的第二位置相互作用。离 子光学器件的第一设置与离子光学器件的第二设置不同，并且样品的第一位 置与样品的第二位置不同。
在另一方面中，本发明的特征为一种包括气体场离子源的系统，气体场 离子源能够与气体相互作用从而产生被导向样品的离子束。系统还包括被配 置的带电粒子源，使得在使用期间，带电粒子源提供导向样品的带电粒子束。 气体场离子源与带电粒子源不同。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括使离子束与样 品相互作用从而引起多种不同类型的粒子离开样品，并且探测多种不同类型 的粒子的至少两种类型粒子。多种不同类型的粒子选自二次电子、俄歇电子、 二次粒子、二次中性粒子、一次中性粒子、散射离子和光子。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源相互作用而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用以便 引起粒子离开样品。粒子选自俄歇电子、二次离子、二次中性粒子、一次中 性粒子、散射离子和光子。所述方法还包括探测至少一些粒子以便确定样品 的信息。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用以便引起粒子 离开样品。所述方法还包括根据通过探测器所探测的粒子的能量而从探测器 产生信号。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用以便引起粒 子离开样品。所述方法还包括根据通过探测器所探测的粒子的轨迹的角度而 从探测器产生信号。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用以便引起散 射离子离开样品。所述方法还包括探测至少一些散射离子，并且根据所探测 的散射离子而确定样品的信息。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引 起一次中性离子离开样品。所述方法还包括探测至少一些一次中性粒子，并 且根据所探测的一次中性粒子而确定样品的信息。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起光 子离开样品。所述方法还包括探测至少一些光子，并且根据所探测的光子而 确定样品的信息。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起 二次离子离开样品。所述方法还包括探测至少一些二次离子。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起 二次中性粒子离开样品。所述方法还包括探测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，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引 起俄歇电子离开样品。所述方法还包括探测至少一些俄歇电子。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括形成气体场离子 源，并且，在形成气体场离子源之后，将所述离子源设置于腔室中，以便提 供气体场离子系统。
在另一方面中，形成具有发射轴的离子源，并且在形成离子源之后，将 离子源的发射轴与离子光学系统的入射轴对准。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源相互作用而产生离子束，离子束在样品的表面上具有10nm或 更小的尺寸的斑点尺寸，并且将离子束从样品表面上的第一位置移动至样品 表面上的第二位置，第一位置与第二位置不同。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源相互作用而产生离子束，并且将样品与离子束接触。所述方 法还包括将样品与来自带电粒子源的带电粒子束接触。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起粒 子离开样品。所述方法还包括探测至少一些粒子，并且根据所探测的粒子而 确定样品的结晶的信息。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且在样品的一部分上引起电压。所述方 法还包括探测粒子从而确定样品的电压对比信息。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起 粒子离开样品。样品包括至少第一材料和第二材料。所述方法还包括根据粒 子而区分第一和第二材料。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与活性气体相互作用，以 便促进在样品表面的化学反应。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源反应而产生离子束，并且使用离子束确定半导体物品 (semiconductor article)的表面下信息。所述方法还包括根据表面下信息修 改半导体物品。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且使用离子束确定半导体物品的信息。 离子束在半导体物品的表面具有10nm或者更小的斑点尺寸。所述方法还包 括根据所述信息修改半导体物品。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且使用离子束以便确定光刻掩模的信 息。离子束在半导体物品的表面具有10nm或者更小的斑点尺寸。所述方法 还包括根据所述信息修补光刻掩模。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括使用离子束 构图样品上的抗蚀剂。离子束在样品上具有10nm或者更小的斑点尺寸。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与包括一特征的样品相互作 用。离子束在样品的表面具有50nm或者更小的斑点尺寸。所述方法还包括 确定该特征的尺寸。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源反应而产生离子束，并且将离子束与样品相互作用，以便引起 粒子离开样品。样品具有包括第一和第二层的多叠层。所述方法还包括探测 粒子以便确定第二层是否与第一层对准。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括暴露样品于聚 焦离子束，并且通过将气体与气体场离子源相互作用而产生第二离子束。所 述方法还包括暴露样品于第二离子束。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括当气体场离 子源存在于离子显微镜内时，形成气体场的导电尖端。
在一方面中，本发明的特征为一种包括离子源的系统。在第一模式中系 统能够成像离子源，并且在第二模式中系统能够使用离子源搜集样品的图 像。样品与离子源不同。
在另一方面中，本发明的特征为一种样品操纵器，所述样品操纵器包括 外壳、被外壳所支撑的盘、被盘所支撑的构件，构件具有支柱和配置成支撑 样品的表面，和装置。在第一模式中所述装置接触构件从而移动样品，并且 在第二模式中装置不与构件接触。
在另外的方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括气体场离子 源和样品操纵器。样品操纵器包括外壳、被外壳所支撑的盘、被盘所支撑的 构件，构件具有支柱和配置成支撑样品的表面，和装置。在第一模式中装置 接触构件从而移动样品，并且在第二模式中装置不与构件接触。
在一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与气 体场离子源相互作用而产生包含离子的第一束，并且从第一束去除非单荷电 化学核素从而形成包含单荷电离子的第二束。
在另外的方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括能够与气体 相互作用以产生束的气体场离子源，所述束包含包括带电化学核素的化学核 素。系统还包括至少一被偏置的电极，所述被偏置的电极被配置以引起束中 的化学核素的束路径根据化学核素的电荷而发散。
在另一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源相互作用而产生离子，并且用离子溅射样品。
在又一方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体与 气体场离子源相互作用而产生离子束，并且使用与气体场离子源不同的系统 产生电子束。所述方法还包括使用离子束和电子束两者来调查样品。
在另一方面中，本发明的特征为一种系统，所述系统包括能够提供电子 束的扫描电子显微镜。所述系统还包括能够与气体相互作用从而产生离子束 的气体场离子源。扫描电子显微镜和气体场离子显微镜被定位，使得在使用 期间，电子束和离子束都能够用于调查样品。
在另外的方面中，本发明的特征为一种方法，所述方法包括通过将气体 与气体场离子源相互作用而产生第一离子束。第一离子束具有第一流。所述 方法还包括使用具有第一流的第一离子束，以便制备用于调查样品的气体场 离子源。所述方法还包括通过将气体与气体场离子源相互作用而产生第二离 子束。第二离子束具有第二流。另外，所述方法包括使用第二离子束调查样 品。
实施例可以包括一或更多个下列的优点。
在一些实施例中，离子源(例如气体场离子源)可以在样品的表面上提 供相对小的斑点尺寸。使用这样的离子源的离子显微镜(例如气体场离子显 微镜)可以，例如获得具有相对高的分辨率的样品的图像。
在某些实施例中，离子源(例如气体场离子源)可以具有相对高的亮度 和/或相对高的减小的亮度。使用这样的离子源的离子显微镜(例如气体场离 子显微镜)可以，例如在相对短的时间内获得样品的良好的图像质量，这又 可以增加可以成像大量样品的速度。
在一些实施例中，离子源(例如气体场离子源)可以对于给定的离子流 (例如相对低的etendue)具有相对高的亮度。使用这样的离子源的离子显 微镜(例如气体场离子显微镜)可以，例如用对于样品的相对少的损伤获得 良好的样品的图像质量。
在某些实施例中，气体场离子显微镜可以具有相对高的可靠性。因而， 例如，气体场离子源可以被用于扩展的时段而不替换气体场离子源，这可以， 例如，增加可以成像大量样品的速度，减小与成像大量样品相关的停歇时间， 和/或减小于成像大量样品相关的成本。
在一些实施例中，离子显微镜(例如气体场离子显微镜)被配置，使得 振动被基本上从离子源被解耦。这可以提高离子显微镜的能力，以便实现一 或更多的上述优点。
在某些实施例中，离子显微镜(例如气体场离子显微镜)可以在相对高 的温度下操作而仍然提供一或更多的上述优点。例如，液氮可以用作离子显 微镜的冷却剂。这可以减小与使用某些其它冷却剂例如液氦相关的成本和/ 或复杂程度。这还可以减小与可以产生显著振动的采用液氦冷却剂的某些机 械系统相关的潜在问题。
从说明书、附图和权利要求，本发明的其它特征和优点将是明显的。
附图说明
图1是离子显微镜系统的示意图。
图2是气体场离子源的示意图。
图3是尖端顶点的实施例的放大侧视图的示意性图。
图4是图3的尖端的放大侧视图的示意性图。
图5是氦离子显微镜系统的示意图。
图6是W(111)尖端的实施例的放大俯视图的示意性图。
图7是图6的W(111)尖端的放大侧视图的示意性图。
图8是是示出锥角测量的尖端的侧视图。
图9是示出曲率半径测量的尖端的侧视图。
图10是示出制造尖端的方法的实施例的流程图。
图11A是尖端的支撑组件的实施例的透视图。
图11B是图11A的支撑组件的仰视图。
图12是包括支撑尖端的Vogel座的支撑组件的实施例的侧视图。
图13是气体场离子源和离子光学器件的实施例的示意图。
图14是离子光学系统的实施例的示意图。
图15是多开口的孔径的实施例的俯视图。
图16是多开口的孔径的实施例的俯视图。
图17是气体场离子显微镜尖端的移动机构的实施例的截面图。
图18是Everhart-Thornley探测器的示意图。
图19是包括微通道板探测器的气体场离子显微镜系统的部分的截面图。
图20A和20B是由碳表面所支撑的金岛的侧视图和俯视图。
图20C是对于图20A和20B的样品，平均测量的二次电子的总丰度作 为离子束位置函数的图。
图21是包括气体传递系统的气体场离子显微镜的部分的示意图。
图22是包括泛射式电子枪的气体场离子显微镜的部分的示意图。
图23是包括表面下电荷层的样品的示意图。
图24是用于减小样品上的表面电荷的集电极的示意图。
图25是减小样品上的表面电荷的泛射式电子枪设备的示意图。
图26是减小样品上的表面电荷的、包括转换板的泛射式电子枪设备的 示意图。
图27A是具有设置在其中的正电荷层的样品的示意性图。
图27B是具有设置与其中的正和负带电层的样品的示意性图。
图28是振动解耦样品操纵器的实施例的示意图。
图29是振动解耦样品操纵器的实施例的示意图。
图30是振动解耦样品操纵器的实施例的示意图。
图31是用于分离粒子束中的离子和中性原子的静电过滤系统的示意图。
图32是用于分离粒子束中的中性原子、单荷电离子、和双荷电离子的 静电过滤系统的示意图。
图33是一种过滤系统的示意图，所述过滤系统包括用于分离粒子束中 的中性原子、单荷电离子、和双荷电离子的电和磁场的无弥散序列。
图34A是示出来自表面的氦离子散射图案的实施例的示意图。
图34B是示出用在图34A中的探测器所探测的被散射的氦离子的相对 丰度的图。
图35A、35D和35G是示出使用不同的探测器来探测被散射的氦离子的、 来自表面的氦离子散射图案的相应的实施例的示意图。
图35B、35E和35H分别是对于在图35A、35D和G中所示出的系统的 总被散射的氦离子产率的图。
图35C、35F和35I分别是用在图35A、35D和35G中的探测器所探测 的被散射的氦离子的相对丰度的图。
图36是示出包括用于测量来自样品的散射离子的探测器的布置的气体 场离子显微镜的部分的示意图。
图37A-37D是导电尖端的扫描电子显微镜图像。
图38是导电尖端的表面的数字化表示。
图39是在图38中所示出的表面的斜度的斜度图。
图40是在其顶点具有作为端层的三聚体(trimer)的导电尖端的场离子 显微镜图像。
图41是在其顶点具有作为端层的三聚体的导电尖端的扫描场离子显微 镜图像。
图42是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图43是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图44是导电尖端的扫描场离子显微镜图像。
图45是在其顶点具有作为端层的三聚体的导电尖端的场离子显微镜图 像。
图46是导电尖端的扫描电子显微镜图像。
图47是导电尖端的场离子显微镜图像。
图48是导电尖端的场离子显微镜图像。
图49是导电尖端的场离子显微镜图像。
图50是在其顶点具有作为端层的三聚体的导电尖端的扫描场离子显微 镜图像。
图51是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图52是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图53是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图54是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图55是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图56是尖端的支撑的示意性图。
图57是尖端的支撑的示意性图。
图58是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图59A是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图59B是用扫描电子显微镜获得的样品的图像。
图60是来自样品的二次电子流的曲线图。
图61A是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图61B是用扫描电子显微镜获得样品的图像。
图62是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图63是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图64是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图65是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图66是配置成探测二次电子的探测器的配置的实施例。
图67A是根据图59A中的图像的随样品位置变化的二次电子密度的曲 线图。
图67B是根据图59B中的图像的随样品位置变化的二次电子密度的曲 线图。
图68是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样品 的图像。
图69A-69C是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得 的样品的图像。
图70A是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样 品的图像。
图70B是示出对于图70A的图像的离开样品的氦离子和氦原子的角密 度的极坐标图。
图71A是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样 品的图像。
图71B是示出对于图71A的图像的离开样品的氦离子和氦原子的角密 度的极坐标图。
图72是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样品 的图像。
图73是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样品 的图像。
图74是用配置成探测光子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图75是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图76是图75的部分图像的扩展图。
图77是图像密度作为对于通过图76的图像的线扫描的像素位置的函数 的图。
图78是数值缩放和平滑操作之后在图77中所示出的数据的图。
图79是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样品 的图像。
图80是图像密度作为通过图79的部分图像的线扫描的像素位置的函数 的图。
图81是用扫描电子显微镜获得的样品的图像。
图82是图像密度作为通过图81的部分图像的线扫描的像素位置的函数 的图。
在各图中相似的参考标号指示相似的元件。
图2是气体场离子源的示意图。
图3是尖端顶点的实施例的放大侧视图的示意性图。
图4是图3的尖端的放大侧视图的示意性图。
图5是氦离子显微镜系统的示意图。
图6是W(111)尖端的实施例的放大俯视图的示意性图。
图7是图6的W(111)尖端的放大侧视图的示意性图。
图8是是示出锥角测量的尖端的侧视图。
图9是示出曲率半径测量的尖端的侧视图。
图10是示出制造尖端的方法的实施例的流程图。
图11A是尖端的支撑组件的实施例的透视图。
图11B是图11A的支撑组件的仰视图。
图12是包括支撑尖端的Vogel座的支撑组件的实施例的侧视图。
图13是气体场离子源和离子光学器件的实施例的示意图。
图14是离子光学系统的实施例的示意图。
图15是多开口的孔径的实施例的俯视图。
图16是多开口的孔径的实施例的俯视图。
图17是气体场离子显微镜尖端的移动机构的实施例的截面图。
图18是Everhart-Thornley探测器的示意图。
图19是包括微通道板探测器的气体场离子显微镜系统的部分的截面图。
图20A和20B是由碳表面所支撑的金岛的侧视图和俯视图。
图20C是对于图20A和20B的样品，平均测量的二次电子的总丰度作 为离子束位置函数的图。
图21是包括气体传递系统的气体场离子显微镜的部分的示意图。
图22是包括泛射式电子枪的气体场离子显微镜的部分的示意图。
图23是包括表面下电荷层的样品的示意图。
图24是用于减小样品上的表面电荷的集电极的示意图。
图25是减小样品上的表面电荷的泛射式电子枪设备的示意图。
图26是减小样品上的表面电荷的、包括转换板的泛射式电子枪设备的 示意图。
图27A是具有设置在其中的正电荷层的样品的示意性图。
图27B是具有设置与其中的正和负带电层的样品的示意性图。
图28是振动解耦样品操纵器的实施例的示意图。
图29是振动解耦样品操纵器的实施例的示意图。
图30是振动解耦样品操纵器的实施例的示意图。
图31是用于分离粒子束中的离子和中性原子的静电过滤系统的示意图。
图32是用于分离粒子束中的中性原子、单荷电离子、和双荷电离子的 静电过滤系统的示意图。
图33是一种过滤系统的示意图，所述过滤系统包括用于分离粒子束中 的中性原子、单荷电离子、和双荷电离子的电和磁场的无弥散序列。
图34A是示出来自表面的氦离子散射图案的实施例的示意图。
图34B是示出用在图34A中的探测器所探测的被散射的氦离子的相对 丰度的图。
图35A、35D和35G是示出使用不同的探测器来探测被散射的氦离子的、 来自表面的氦离子散射图案的相应的实施例的示意图。
图35B、35E和35H分别是对于在图35A、35D和G中所示出的系统的 总被散射的氦离子产率的图。
图35C、35F和35I分别是用在图35A、35D和35G中的探测器所探测 的被散射的氦离子的相对丰度的图。
图36是示出包括用于测量来自样品的散射离子的探测器的布置的气体 场离子显微镜的部分的示意图。
图37A-37D是导电尖端的扫描电子显微镜图像。
图38是导电尖端的表面的数字化表示。
图39是在图38中所示出的表面的斜度的斜度图。
图40是在其顶点具有作为端层的三聚体(trimer)的导电尖端的场离子 显微镜图像。
图41是在其顶点具有作为端层的三聚体的导电尖端的扫描场离子显微 镜图像。
图42是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图43是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图44是导电尖端的扫描场离子显微镜图像。
图45是在其顶点具有作为端层的三聚体的导电尖端的场离子显微镜图 像。
图46是导电尖端的扫描电子显微镜图像。
图47是导电尖端的场离子显微镜图像。
图48是导电尖端的场离子显微镜图像。
图49是导电尖端的场离子显微镜图像。
图50是在其顶点具有作为端层的三聚体的导电尖端的扫描场离子显微 镜图像。
图51是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图52是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图53是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图54是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图55是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图56是尖端的支撑的示意性图。
图57是尖端的支撑的示意性图。
图58是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图59A是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图59B是用扫描电子显微镜获得的样品的图像。
图60是来自样品的二次电子流的曲线图。
图61A是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图61B是用扫描电子显微镜获得样品的图像。
图62是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图63是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图64是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图65是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图66是配置成探测二次电子的探测器的配置的实施例。
图67A是根据图59A中的图像的随样品位置变化的二次电子密度的曲 线图。
图67B是根据图59B中的图像的随样品位置变化的二次电子密度的曲 线图。
图68是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样品 的图像。
图69A-69C是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得 的样品的图像。
图70A是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样 品的图像。
图70B是示出对于图70A的图像的离开样品的氦离子和氦原子的角密 度的极坐标图。
图71A是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样 品的图像。
图71B是示出对于图71A的图像的离开样品的氦离子和氦原子的角密 度的极坐标图。
图72是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样品 的图像。
图73是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样品 的图像。
图74是用配置成探测光子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图75是用配置成探测二次电子的氦离子显微镜获得的样品的图像。
图76是图75的部分图像的扩展图。
图77是图像密度作为对于通过图76的图像的线扫描的像素位置的函数 的图。
图78是数值缩放和平滑操作之后在图77中所示出的数据的图。
图79是用配置成探测氦离子和中性氦原子的氦离子显微镜获得的样品 的图像。
图80是图像密度作为通过图79的部分图像的线扫描的像素位置的函数 的图。
图81是用扫描电子显微镜获得的样品的图像。
图82是图像密度作为通过图81的部分图像的线扫描的像素位置的函数 的图。
在各图中相似的参考标号指示相似的元件。
具体实施方式
概述
离子可以被产生并且用于样品的成像和其它显微镜系统的应用中。可以 用于样品分析(例如成像)中的使用产生离子的气体场离子源的显微镜系统 被称为气体场离子显微镜。气体场离子源是包括导电尖端(典型地具有10 或更少原子的顶点)的一种装置，通过将中性气体核素携带至导电尖端的附 近(例如在大约4至5埃的距离内)同时施加高正电位(例如相对于提取器 (见下面的讨论)1kV或更大)至导电尖端的顶点，该导电尖端可以用于离 子化中性气体核素从而产生离子(例如以离子束的形式)。
图1示出了气体场离子显微镜系统100的示意图，气体场离子显微镜系 统100包括气体源110、气体场离子源120、离子光学器件130、样品操纵器 140、前侧探测器150、后侧探测器160、和通过通讯线172a-172f电连接至 系统100的各种元件的电子控制系统170(例如电子处理器，例如计算机)。 样品180被定位于离子光学器件130和探测器150、160之间的样品操纵器 140中/上。在使用期间，离子束192穿过离子光学器件130被导向样品180 的表面181，并且从离子束192与样品180的相互作用所产生的粒子194通 过探测器150和/或160测量。
通常，期望通过排空该系统而减小在系统100中某些不期望的化学核素 的存在。典型地，系统100的不同的元件被保持在不同的背景压力下。例如， 气体场离子源120可以被保持在大约10-10Torr的压力下。当气体被引入气体 场离子源120时，背景压力被升高至大约10-5Torr。离子光学器件130在将 气体引入气体场离子源120之前被保持在大约10-8Torr的背景压力下。当气 体被引入时，离子光学器件130中的背景压力典型地增加至大约10-7Torr。 样品180被定位于典型地保持在大约10-6Torr的背景压力的腔室内。该压力 不由于在气体场离子源120中气体的存在或不存在而显著地变化。
如图2中所示，气体源110被配置，以便提供一或更多的气体182至气 体场离子源120。如下面所详细描述的，气体源110可以被配置，以便以各 种纯度、流量、压力、和温度提供气体。通常，由气体源110所提供的气体 的至少之一是惰性气体(氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe))， 并且惰性气体的离子期望的是离子束192中的主要成分。通常，如在样品180 的表面所测量的，随着在系统110中的惰性气体的压力增加，离子束192中 的离子流单调地增加。在某些实施例中，该关系可以被指数定律所描述，对 于惰性气体的一定压力范围，流通常按气体压力的比例增加。在工作期间， 惰性气体的压力相邻于尖端顶点(见下面的讨论)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10-6 Torr或更大、10-5Torr或更大)。通常，期望使用相对高纯度的气体(例如， 为了减小系统中不期望的化学核素的存在)。举例而言，当使用氦时，氦可 以至少是99.99％纯(例如，99.995％纯、99.999％纯、99.9995％纯、99.9999％ 纯)。相似地，当使用其它惰性气体时(Ne气体、Ar气体、Kr气体、Xe气 体)，气体的纯度期望是高纯度的商用等级。
选择性地，除了惰性气体之外气体源110还可以提供一或更多的气体。 如下面更详细地讨论的，这样的气体的实例是氮气。典型地当添加的气体可 以以惰性气体中的杂质以上的水平存在时，添加的气体仍然构成由气体源 110所引入的整体气体混合物的少数成分。举例而言，在其中He气和Ne气 通过气体源110被引入气体场离子源120的实施例中，整体气体混合物可以 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气和Ne气通过气 体源110被引入的实施例中，整体气体混合物可以包括5％至15％(例如从 8％至12％，从9％至11％)的Ne。作为另一实例，在其中He气和氮气通 过气体源110被引入的实施例中，整体气体混合物可以包括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气和氮气通过气体源110被引入的实施例中， 整体气体混合物可以包括0.01％至1％(例如从0.05％至0.5％，从0.08％至 0.12％)的氮。在一些实施例中，添加的(多种)气体在进入系统100之前 与惰性气体混合(例如，通过使用气体歧管，该气体歧管混合气体并且随后 通过单入口将混合物传入系统100)。在某些实施例中，添加的(多种)气体 在进入系统100之前不与惰性气体混合(例如，单独的入口用于将各气体输 入系统100，但是单独的入口足够接近使得在所述气体与气体场离子源120 中的任何元素相互作用之前就变得被混合)。
气体场离子源120被配置，以便从气体源110接收一或更多的气体182 并且从气体182产生气体离子。气体场离子源120包括具有尖端顶点187的 导电尖端186、提取器190和选择性的抑制器188。典型地，从尖端顶点187 至样品180的表面181的距离(在图2中未示出)是5cm或更长(例如10cm 或更长，15cm或更长，20cm或更长，25cm或更长)，和/或100cm或更 短(例如80cm或更短，60cm或更短，50cm或更短)。例如，在某些实施 例中，从尖端顶点187至样品180的表面181的距离是从5cm至100cm(例 如从25cm至75cm，从40cm至60cm，从45cm至55cm)。
导电尖端186可以由各种材料形成。在某些实施例中，尖端186由金属 (例如，钨(W)、钽(Ta)，铱(Ir)、铹(Rh)、铌(Nb)、铂(Pt)、钼(Mo)) 形成。在某些实施例中，导电尖端186可以由合金形成。在一些实施例中， 导电尖端186可以由不同的材料(例如，碳(C))形成。
在使用期间，尖端186相对于提取器190被正偏置(例如大约20kV)， 提取器190相对于外部地被负或正偏置(例如，从-20kV至+50kV)，并且 选择性的抑制器188相对于尖端186被正或负地偏置(例如从-5kV至+5 kV)。因为尖端186由导电材料形成，所以在尖端顶点187的尖端186的电 场从尖端顶点187的表面指向外。由于尖端186的形状，电场在尖端顶点187 附近最强。尖端186的电场强度可以被调整，例如，通过改变施加至尖端186 的正电压。采用该配置，由气体源110所提供的未被离子化的气体原子182 被离子化并且在尖端顶点187附近变为正荷电离子。该正荷电离子同时被正 荷电尖端186排斥并且被负荷电提取器190所吸引，使得正荷电离子作为离 子束192从尖端186被导入离子光学器件130。抑制器188辅助控制尖端186 和提取器190之间的整体电场，并且因而控制正荷电离子从尖端186至离子 光学器件130的轨迹，总之，尖端186和提取器190之间的总电场可以被调 整，以便控制在尖端顶点187产生正荷电离子的速率，和正荷电离子从尖端 186输运至离子光学器件130的效率。
举例而言，不期望被理论所束缚，认为He离子可以如下产生。气体场 离子源120被配置，使得在尖端顶点187附近的尖端186的电场超过未被离 子化的He气原子182的离子化电场，并且尖端186被保持在相对低的温度 下。当未被离子化的He气原子182非常接近尖端顶点187时，He原子可以 被尖端的电场所极化，在He原子182和尖端顶点187之间产生弱的吸引力。 结果，He原子182可以接触尖端顶点187并且保持对其的束缚(例如物理 吸着)一些时间。在尖端顶点187附近，电场高到足以离子化被吸附至尖端 顶点187上的He原子，产生正荷电He离子(例如以离子束的形式)。
图3是尖端顶点187(由W(111)形成，见下面的讨论)的示意性图。 尖端顶点187包括被布置得形成原子架的层。终端原子架由原子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。被气体源110 所传送的中性气体原子182存在于尖端顶点187附近。原子182由于尖端顶 点187的电场而被极化，并且经历引起原子182向尖端顶点187移动的相对 弱的吸引力，如原子182上的箭头所指示。
根据尖端的电场的强度，在接近尖端顶点187的原子架中的各原子可以 具有对应的离子化盘148。离子化盘148是一空间区，其中闯入其中的中性 He原子具有经历离子化的高概率。典型地，中性He原子的离子化通过从中 性He原子至尖端顶点原子的电子隧道而出现。离子化盘148因而代表其中 He离子产生的空间区，从该区中He离子出现。
具体尖端顶点原子的离子化盘148的尺寸取决于尖端顶点187的形状和 施加于尖端顶点187的电位。通常，He原子的离子化可以出现于局部电场 超过He原子的离子化电位的相邻于尖端顶点187的空间区中。因而，对于 施加于尖端顶点187的大的电位，许多尖端原子将具有离子化盘。另外，尖 端顶点187附近的局部电场取决于尖端顶点187的形状。对于相对尖锐的尖 端顶点，尖端顶点187附近的局部电场将相对高。对于相对钝的尖端顶点， 局部电场，既便在尖端顶点187附近也较小。
对应于尖端顶点187的单个原子的离子化盘148在图3中空间上相互分 离。在一些实施例中，如果尖端顶点187的电场足够大，则来自多于一原子 的离子化盘(例如原子142)可以空间上交叠，产生跨过最接近于多个尖端 顶点原子的空间区的较大的离子化盘。通过减小尖端顶点187的电场，可以 减小离子化盘148所占据的空间的体积，并且可以实现图3中所描述的几何 形状，在所述几何形状中几个尖端顶点原子分别具有其自己的单独的、空间 分离的离子化盘。因为，在许多情形，尖端顶点187的形状在离子源120的 使用期间不容易被变更，所以尖端顶点187附近的电场典型地通过调整施加 于尖端顶点187的电位而被控制。
通过进一步减小施加于尖端顶点187的电位，图3中的一些离子化盘可 以被消除。例如，尖端顶点187在第二原子架原子144附近不那么尖锐，并 且通过减小施加于尖端顶点187的电位，在原子144附近的尖端顶点187的 电场可以被减小，使得He原子的离子化在这些区中不以高概率出现。结果， 对应于原子144的离子化盘不再存在。但是，在端层原子142附近的尖端顶 点187的电场可以仍然高到足以引起He原子离子化，并且因而对应于原子 142的离子化盘148保留。通过仔细地控制施加于尖端顶点187的电位，离 子源120可以工作，使得仅对应于端层原子142的离子化盘存在，并且对应 于端层原子的离子化盘在空间上相互分离。结果，在尖端顶点187附近被离 子化的He原子通过在特定端层原子附近的离子化而被产生。
中性He原子留在离子化盘148内越长则具有越高的经历离子化的概率。
通过尖端顶点187的电场引入的He原子的极化，和引起被极化的He原子 向尖端顶点移动的所述电场，还确保被极化的He原子保持束缚于尖端顶点 187，增加了He原子182留在离子化盘148内的时间量，并且增加了被极化 的He原子随着时间的离子化的概率。
被极化的He原子还可以从一位置沿尖端顶点187的表面移动至另一位 置。因为被极化的He原子和尖端顶点187之间的吸引力取决于在被极化的 He原子位置的尖端顶点187的电场的局部强度，所以被极化的He原子的运 动趋向于向局部电场最强的尖端186的尖端顶点187的端部输运原子(例如 向端层142)。该被极化的He原子的输运机制，与对于施加于尖端186的电 位的控制相结合(例如，为了确保仅存在仅对应于端层原子142的分立的离 子化盘)，可以用于操作离子化源120，使得He离子束192通过气体场离子 源120而被产生，在离子源120在离子束中的单独的He离子通过He气体 与端层原子142之一相互作用而被产生。离子束192因而包括多个来自各端 层原子142的He离子，各He离子可以归结于端层原子142之一的离子化。
如上所讨论的，通常，离子化盘148的尺寸和形状可以通过改变施加于 尖端顶点187的电位而被修改，并且可以用合适大的施加的电位，使得相邻 的离子化盘148重叠，或者通过合适的小的施加的电位而保持空间上相互独 立。典型地，离子化盘148与尖端原子142、144、和146以大约0.4nm的 距离间隔开。对应于尖端原子的单独的离子化盘典型地具有大约0.02nm的 厚度，在沿连接给定盘和其对应的原子的直线的方向上测量。离子化盘148 典型地具有在垂直于连接给定盘和其对应的原子的直线的方向上测量的直 径，该直径大约是对应的原子的直径。
图4示出了尖端顶点187的工作配置，其中施加于尖端186的电位产生 3个离子化盘148，各离子化盘对应于3个终端原子架原子142之一。一旦 He离子在尖端顶点187的附近被产生，则由于大的正尖端电位，He离子被 迅速地加速从尖端离开。He离子沿多个轨迹从尖端顶点187加速离开。在 图4中示出了两个这样的轨迹156。如在图4中所描绘的，轨迹156对应于 中间端层原子轨迹分布的半峰全宽(FWHM)的左和右极限。这样，如果轨 迹156向后外推(例如沿线154)至中间端层原子的位置，则其界定中间端 层原子的虚源152。虚源152的直径典型地小于中间端层原子的直径，并且 可以比中间端层原子的直径小得多(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)。相似的考虑适用 于其它端层原子，并且各端层原子具有对应的虚源尺寸。
端层原子的小的虚源尺寸可以提供许多优点。例如，离子束192的小虚 源尺寸和从其产生离子束192中的离子的离子化盘148的小的厚度可以帮助 确保离子束192具有相对高的亮度和相对窄的离子能量分布。
不期望被理论所束缚，认为使用过低的尖端温度可以负面影响流稳定性 和/或增加来自尖端上的增加了的杂质吸收的不利影响。通常，尖端186的温 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 的温度可以从5K至100K(例如，从25K至90K，从50K至90K，从 75K至80K)。尖端186的温度可以通过带冷却剂(例如液氦或液氮)的热 电偶而获得。替代地或附加地，尖端186可以使用低温致冷器而被在热学上 冷却。
认为如果尖端186的温度过低，则被吸收的He原子通过移动至尖端顶 点187的终端原子架中的原子142而被输运的速率被减小，使得每单位时间 没有足够的He原子到达在那里它们可以被离子化的原子142。结果，当尖 端186的发射图案被观察时(例如，通过使用场离子显微镜(FIM)技术， 或通过扫描FIM(SFIM)技术)，来自单独的端层原子的离子的丰度从相对 高丰度到相对低的丰度交替(通常称为闪烁)。例如，当在某些时间在端层 原子的附近没有可以用于离子化的He原子时，这可以出现。随着尖端186 的温度增加，He原子向尖端顶点187的端层原子的输运速率增加，并且来 自端层原子142的该交替高/低丰度的观测被减小或消除。
还认为如果尖端186的温度过高，则极化的He原子将具有太高的动能 从而不能保持被束缚在尖端186足够长的时间以便保证在端层原子142附近 的He原子的有效的离子化。这还可以导致当使用FIM和/或SFIM成像技术 观察时来自端层原子的发射图案的消失。结果，为了确保在各端层原子142 的He离子化工艺从各端层原子142产生稳定的离子流，尖端186的温度被 仔细地控制，以便减轻不期望的高和低的温度效应。
通常，离子光学器件130被配置，以便将离子束192导向样品180的表 面181上。如下面所更详细地描述的，离子光学器件130可以例如聚焦、校 准、偏转、加速、和/或减速束192中的离子。离子光学器件130还可以允许 离子束192中的仅部分离子穿过离子光学器件130。通常，离子光学器件130 包括如期望所配置的各种静电和其它离子光学器件。通过操作离子光学器件 130中的一或多个元件(例如，静电偏转器)的电场强度，He离子束192可 以扫描过样品180的表面181。例如，离子光学器件130可以包括在两个正 交方向偏转离子束192的两个偏转器。所述偏转器可以具有变化的电场强度， 使得离子束192栅扫描(raster)过表面181的区。
当离子束192撞击到样品180上时，可以产生各种不同类型的粒子194。 这些粒子例如包括二次电子、俄歇电子、二次离子、二次中性粒子、一次中 性粒子、散射离子和光子(例如X射线光子、IR光子、可见光子、UV光子)。 探测器150和160被定位并且被配置，以便分别测量由He离子束192和样 品180之间的相互作用所造成的一或多个不同类型的粒子。如在图1中所示 出的，探测器150被定位，以便探测主要从样品180的表面183生成的粒子 194，且探测器160被定位，以便探测主要从样品180的表面183生成的粒 子194(例如透射的粒子)。如在下面所详细描述的，通常，探测器的任何数 量和配置可以被用于在此所公开的显微镜系统。在一些实施例中，多个探测 器被使用，并且多个探测器的一些被配置，以便测量不同类型的粒子。在某 些实施例中，探测器被配置，以便提供对于相同类型粒子的不同信息(例如 粒子的能量、给定粒子的角分布，给定粒子的总丰度)。选择性地，可以使 用这样的探测器布置的组合。
通常，通过探测器所测量的信息用于确定样品180的信息。样品180的 典型的信息包括表面181的形貌信息、(样品180的表面181和/或表面下的 区的)的材料成分的信息、样品180的晶向信息、表面181的电压对比信息 (因而电性能)、样品180的表面下区的电压对比信息、样品180的光学性 能，和/或样品180的磁性能。典型地，该信息通过获得一或多个样品180 的图像而被确定。通过将离子束192栅扫描过表面181，样品180的逐像素 的信息可以在分立的步骤中获得。探测器150和/或160可以被配置，以便探 测各像素的一或多个不同类型的粒子194。典型地，像素是正方形的，尽管 在一些实施例中，像素可以具有不同的形状(例如矩形)。对应于像素的边 的长度的像素尺寸可以是例如，从100pm至2μm(例如从1nm至1μm)。 在一些实施例中，相邻像素的位置可以被确定在至少200pm之内(例如至 至少100pm之内，至至少75pm之内，至至少50pm之内)。因而，系统的 操作者可以确定所述束点的中心位置在至少200pm内(例如至至少100pm 之内，至至少75pm之内，至至少50pm之内)。在某些实施例中，样品180 的视场(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、1.5 mm或更大)，和/或25mm或更小(15mm或更小、10mm或更小、5mm 或更小)。视场称为离子显微镜所成像的样品表面的区。
显微镜系统100的工作典型地通过电子控制系统170而被控制。例如， 电子控制系统170可以被配置，以便控制通过气体源110所提供的气体、尖 端186的温度、尖端186的电位、提取器190的电位、抑制器188的电位、 离子光学器件130的元件的设定、样品操纵器140的位置，和/或探测器150 和160的位置和设定。选择性地，一或多个这些参数可以被手动控制(例如， 通过与电子控制系统170集成的用户界面)。另外地或替代地电子控制系统 170可以被使用(例如，通过电子处理器，例如计算机)，以便分析被探测器 150和160所搜集的信息，并且提供样品180的信息(例如形貌信息，材料 成分信息，晶体信息，电压对比信息，光学性能信息，磁信息)，这些信息 可以选择性地为图像、图、表、电子数据表等的形式。典型地，电子控制系 统170包括用户界面，其有显示器或其它类型的输出装置、输入装置、和存 储介质。
氦离子显微镜系统
A.概述
图5示出了He离子显微镜系统200的示意图。显微镜系统200包括封 闭He离子源和离子光学器件130的第一真空壳体202、和封闭样品180和 探测器150和160的第二真空壳体204。气体源110通过传送管228将He 气传送至显微镜系统200。流量调节器230控制通过传送管228的He气的 流量。He离子源包括贴附至尖端操纵器208的尖端186。He离子源还包括 配置得将He离子从尖端186导入离子光学器件130的提取器190和抑制器 188。离子光学器件130包括第一透镜216、对准偏转器220和222、孔径224、 像散校正器218、扫描偏转器219和221、和第二透镜226。孔径224被定位 于孔径座234中。样品180被安装于第二真空壳体204内的样品操纵器140 中/上。探测器150和160也被定位于第二真空壳体204内且被配置，以便探 测来自样品180的粒子194。气体源110、尖端操纵器208、提取器190、抑 制器188、第一透镜216、对准偏转器220和222、孔径座234、像散校正器 218、扫描偏转器219和221、样品操纵器140、和/或探测器150和/或160 典型地被电子控制系统170所控制。选择性地，电子控制系统170还控制真 空泵236和237，真空泵236和237被配置，以便提供真空壳体202和204 内部和离子光学器件130内的减压环境。
B.离子源
如上所述，通常，尖端186可以由任何合适的导电材料形成。在某些实 施例中，尖端186可以由单晶材料形成，例如单晶金属。典型地，尖端顶点 187的端层原子的特定的单晶晶向与尖端186的纵轴对准在3°或更小内(例 如，2°或更小内，1°或更小内)。在一些实施例中，尖端186的顶点187可以 终结于具有某些数量的原子的原子层(例如20个原子或更少，15个原子或 更少，10个原子或更少，9个原子或更少，6个原子或更少，3个原子或更 少)。例如，尖端186的顶点187可以由W(111)形成并且可以具有带3个端 层原子(三聚物)的端层。图6和7分别示出了最靠近尖端顶点的W尖端 186的两个原子层的放大俯视图和侧视图的示意性图。端层，包括以三聚物 布置的3个W原子302，且对应于W的(111)面。不期望被理论所束缚， 认为该三聚物表面是优越的(就其形成的容易性、再形成和稳定性)，因为 W(111)晶面的表面能量有利地支持由以等边三角形布置从而形成三聚物 的3个W原子所形成的端层。三聚物原子302被W原子304的第二层所支 撑。
在一些实施例中，尖端186可以具有包括少于3个原子或多于3个原子 的端层。例如，W(111)尖端可以具有包括2个原子的端层，或仅包括一 个原子的端层。作为替代，W(111)尖端可以具有包括4或更多原子的端 层(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个原子)。
替代地，或附加地，对应于其它W晶向的尖端(例如W(112)、W(110) 或W(100))可以被使用，并且这样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 个原子)的端层。
在一些实施例中，由单晶W之外的材料形成的尖端可以用于离子源(例 如金属的单晶，例如上述金属之一的单晶)，并且这样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个原子)的端层。
如下所述，尖端顶点187的形状可以具有对于离子束的品质的影响，这 可以具有对于显微镜系统200的性能的影响。例如，当从侧面观察时，尖端 顶点187可以围绕其纵轴对称形貌成，或者可以围绕其纵轴不对称形貌成， 在某些实施例中，从一或更多的侧视图，尖端顶点187可以围绕其纵轴而对 称形貌成，并且，从一或更多的不同的侧视图，尖端187可以围绕其纵轴而 非对称形貌成。图8示出了相对于其纵轴308非对称形貌成的典型尖端300 的侧视图(以比在图6和7中小得多的放大率)。从给定的侧视图，使用例 如，平均全锥角和平均锥方向的参数，沿纵轴308尖端300非对称形貌成的 程度可以被量化。这些参数如下确定。
尖端300的图像使用扫描电子显微镜(SEM)而获得。图8是这样的图 像的示意性图。尖端300包括顶点310和第二点312，两个点都位于纵轴308 上，点312沿纵轴308与顶点310间隔1μm。虚线314在图8的平面中垂 直于轴308延伸并且通过点312。线314与尖端300的轮廓线在点316和318 相交。左锥角θl是在点316尖端300的轮廓线的切线和线320(通过点316 并且平行于轴308延伸的虚线)之间的角度。相似地，右锥角θr是在点318 尖端300的轮廓线的切线和线322(通过点318并且平行于轴308延伸的虚 线)之间的角度。尖端300的全锥角是θl和θr的数值和。例如，对于其中θl 的数值是21.3°并且θr的数值是11.6°的实施例中给定的侧视图，对于该侧视 图的尖端300的轮廓线的全锥角是32.9°。因为尖端300可以在一侧视图中 看来为对称而在不同的侧视图中看来为非对称，所以通常期望确定尖端300 的平均全锥角。平均全锥角通过测量尖端300的8个不同的侧视图的全锥角 而确定(各个对应于对于尖端300的前一侧视图围绕轴308以45°顺序旋转 尖端300)，并且随后计算因而获得的8个全锥角的平均值，结果获得平均全 锥角。不期望被理论所束缚，认为如果平均全锥角过小，则在尖端的使用期 间可以出现电弧放电(例如，当尖端300用于产生离子束192时)，并且由 于在尖端300附近的大电场，通过He原子与在尖端的端层上的原子之外的 尖端原子相互作用而产生的He离子可以出现。还认为，如果平均全锥角过 大，则可以减小可重复地再建尖端300的能力，并且在尖端300附近的电场 可以过低以至于不可以可靠地离子化He原子并且产生稳定的He离子流。 在一些实施例中，尖端300的平均全锥角可以是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/或平均全锥角可以是 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的平均全锥角可以是从27°至33°(例如从28°至32°， 从29°至31°，30°)。在某些实施例中，8个全锥角测量的标准偏差是平均全 锥角的40％或更小(例如30％或更小、20％或更小、10％或更小)。
锥方向是θl和θr的数值之间的差的绝对值的一半。因而，例如，对于其 中θl的数值是21.3°并且θr的数值是11.6°的实施例中给定的侧视图，锥方向 是0.5*|21.3°-11.6°|，或4.9°。因为与上述对于平均全锥角的讨论相同的理 由，可以期望确定尖端的平均锥方向。该平均锥方向通过对于尖端300的8 个不同的侧视图(各侧视图对应于对于前一图围绕轴308以45°顺序地旋转 尖端300)测量锥方向而确定，并且随后计算8个锥方向测量的平均值，结 果为平均锥方向。在一些实施例中，尖端300的平均锥方向可以是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的平均锥方向可以是0°或更大(例如1°或更大、2°或更大、3°或更大、 4°或更大)。在某些实施例中，尖端300的平均锥方向是从0°至10°(例如， 从1°至10°，从3°至10°，从6°至10°，从2°至8°，从4°至6°)。
尖端300还可以被其曲率半径所表征，曲率半径可以如下确定。图9示 出了尖端300的示意侧视图。在实践中，该侧视图使用SEM获得。在纵轴 308的任一侧，尖端300的轮廓线的斜率被测量。点324和326是在尖端300 的表面上最接近于顶点310的点，在顶点310尖端300的轮廓线的斜率(分 别由切线328和330所指示)分别具有1和-1的值(例如45°斜线)。垂直于 轴308并且在图9的平面中所测量的点324和轴308之间的距离是尖端300 的左切线距离Tl。垂直于轴308并且在图9的平面中所测量的点326和轴308 之间的距离是尖端300的右切线距离Tr。左半径Rl按Rl＝21/2·Tl计算，并且 右半径按Rr＝21/2·Tr计算。尖端300的曲率半径R按Rl和Rr的平均值计算。 因而，例如，在其中Tl是120nm并且Tr是43nm的实施例中，Rl是169nm， Rr是61nm，并且R是115nm。因为与上述对于平均全锥角的讨论相同的理 由，可以期望确定尖端的平均曲率半径。平均曲率半径通过对于尖端300的 8个不同的侧视图(各侧视图对应于对于前一图围绕轴308以45°顺序地旋 转尖端300)测量曲率半径而确定，并且随后计算8个曲率半径的平均值， 结果为平均曲率半径。不期望被理论所束缚，认为如果平均曲率半径过小， 则在尖端的使用期间可以出现电弧放电和/或在尖端的端层上的原子之外的 尖端原子的附近可以出现He气的离子化。如果平均曲率半径过大，则可以 减小可重复地再建尖端300的能力，并且由于在尖端300附近的较低的电场 强度，在尖端300附近的He原子的离子化速率可以被减小。在一些实施例 中，尖端300的曲率半径是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的平均曲率半径是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、110 nm或更大)。例如，在一些实施例中，尖端300的平均曲率半径是从40nm 至200nm(例如，从50nm至190nm，从60nm至180nm，从70nm至170 nm，从80nm至160nm)。在某些实施例中，8个曲率半径测量的标准偏差 是平均曲率半径的40％或更小(例如，30％或更小、20％或更小、10％或更 小)。
图10是制造具有三聚物的端原子层的W(111)尖端的工艺400的流程图。 在第一步骤402中，单晶W(111)前驱体线被贴附于支撑组件。典型地，W(111) 前驱体线具有3mm或更小的直径(例如2mm或更小、1mm或更小)，和/ 或0.2mm或更大的直径(例如，0.3mm或更大、0.5mm或更大)。在一些 实施例中，W(111)前驱体线具有从0.2mm至0.5mm的直径(例如从0.3mm 至0.4mm，0.25mm)。合适的前驱体线可以例如从FEI Beam Technology (Hillsboro，OR)获得。
更普遍地，在一些实施例中，尖端前驱体可以是不同于线的形式。例如， 尖端前驱体可以由导电材料形成，该导电材料具有以晶体结构终止的突起。 突起的端点可以是例如单晶结构，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。
图11A和11B分别示出了支撑组件520的实施例的透视图和仰视图。 支撑组件520包括连接至支撑基体524的支柱522a和522b。支柱522a和 522b被连接至加热器线526a和526b，并且W(111)前驱体线528的长度 (例如通过焊接)被连接至加热器线526a和526b。支柱522a和522b可以 被连接至辅助装置，例如电流源(例如电源)，以便允许控制W(111)前驱 体线528的温度。
基体524提供了组件520的机械支撑并且通常由可以承受温度循环的一 或更多的材料形成，并且起电绝缘体的作用。例如，在一些实施例中，基体 524由电绝缘材料形成，例如玻璃和/或硬聚合物和/或陶瓷。
支柱522a和522b通常由一或更多的导电材料形成。典型地，用于形成 支柱522a和522b的材料被选择，使得支柱522a和522b与基体524具有相 似的热膨胀系数，并且使得支柱522a和522b在前驱体线528的温度循环期 间保持固定在相对于基体524的适当位置中。在一些实施例中，支柱522a 和522b由包括铁、镍和钴的合金形成。可以形成支柱522a和522b的市场 上可以获得的材料的实例是KOVARTM。
通常，加热器线526a和526b由具有比前驱体线528更高的电阻率的一 或更多的材料形成。例如，在一些实施例中，加热器线526a和526b可以由 例如钨铼合金的材料形成。如下面所解释的，当电流(例如，从外部电源) 通过该线时，加热器线526a和526b发热，并且在各尖端工艺步骤期间，该 热量可以被用于增加和/或控制前驱体线528的温度。通常，加热器线526a 和526b的直径和材料被选择，以便确保在制造工艺期间对于前驱体线528 的温度控制可以被实现。在一些实施例中，加热器线526a和526b具有例如 从100μm至750μm的直径。
基体524、支柱522a和522b、和加热器线526a和526b的几何特性通 常可以按照期望选择。例如，在一些实施例中，支柱522a和522b之间的距 离可以是从1mm至10mm。
选择性地，多于两个支柱(例如3个支柱、4个支柱、5个支柱、6个支 柱)可以被贴附于基体524，各支柱通过对应的加热器线被连接至前驱体线 528。提供额外的支柱可以增加组件520的稳定性和/或减小组件520对于机 械振动的敏感性。
在一些实施例中，前驱体线528可以通过对于线施加了压缩力的支撑组 件而被固定在适当位置中。例如，图12示出了包括固定前驱体线528的Vogel 座的典型的支撑组件520。合适的Vogel座可以在市场上从例如AP Tech (McMinnville，OR)获得。支撑组件550包括支撑基体556和贴附于基体556 的安装臂552。为了固定前驱体线528，臂552被撬开并且隔离体(例如由 热解碳形成)554被插入臂之间的空间。前驱体线528随后被插入隔离体554 之间的开口，并且随后安装臂552被释放。由于臂552的弹性，臂对于隔离 体554和前驱体线528在由箭头558和560所指示的方向上施加了压缩力， 由此将前驱体线528固定靠着隔离体554。线528、隔离体554、和臂552 之间的静摩擦力阻碍了这些元件的相对运动，确保线528保持固定在支撑组 件550的适当位置中。典型地，线528在臂552上方延伸例如1mm和5mm 之间的距离。
基体556可以由相似于可以用于形成基体524的材料形成(例如，玻璃 和/或硬聚合物和/或陶瓷)。基体556的材料典型地是可以承受温度循环的电 绝缘材料。
安装臂552可以由一或更多的导电材料形成。用于形成臂552的材料也 可以被选择，使得基体556和臂552具有相似的热膨胀系数，并且使得在前 驱体线528的温度循环期间，臂552相对于基体556保持固定于适当的位置。 在一些实施例中，臂552由包括铁、镍和钴的合金形成。形成臂552的市场 上可以获得的材料的实例是KOVARTM。
隔离体554由例如热解碳的材料形成。合适的热解碳隔离体可以从例如 AP Tech(McMinnville，OR)获得。热解碳隔离体典型地由一系列彼此层叠的 平碳片形成以便产生层状结构。通常，热解碳的电阻率根据方向变化，碳的 电阻率在垂直于片的方向上(例如在几乎垂直于层叠片的平面的方向)比在 沿平行于片的平面的方向上高。在安装期间，隔离体554被取向，使得隔离 体554的较高电阻的方向大致平行于由臂552所施加的压缩力的方向(例如 大致平行于箭头558和560)。当电流被引入臂552时，隔离体554由于其高 电阻率而产生热量。因而，隔离体554可以用作调整前驱体线528的温度的 加热元件。
再次参考图10，在第二步骤404中，前驱体线528在电化学浴中被蚀刻 以便成形线528的尖端。通常，步骤404包括多个子步骤。
在蚀刻工艺中的第一子步骤可以选择性地是清洁步骤，以便从线528去 除表面污染物。该蚀刻工艺可以涉及将线528放置在电化学蚀刻溶液中并且 暴露线528至交流(AC)电压。例如，溶液可以是氢氧化钠(NaOH)的1N 溶液，并且可以使用1V的AC电压。随后，整个支撑组件(例如支撑组件 520或550)可以被清洁(例如在水中的超声波清洁)以便去除某些残留的 污染物。
在步骤404中下一子步骤是选择性地施加抗蚀剂材料至线528的一部 分。典型地，抗蚀剂材料被施加至线528的从线528的顶点开始的大约0.5 的长度上。抗蚀剂材料的施加可以被实现，例如，通过将抗蚀剂溶液滴放置 在清洁的表面上并且将线528浸入抗蚀剂数次，允许抗蚀剂在数次施加之间 稍微干燥。被施加的抗蚀剂限制了在后续的工艺步骤中被蚀刻的前驱体线 528的量。因为前驱体线528上后续尖端的形成经常跟随通过蚀刻去除先前 的尖端，所以抗蚀剂材料的使用允许在线被弃置之前在给定的前驱体线上形 成大量尖端。各种不同的抗蚀剂材料可以被施加于前驱体线528。典型的抗 蚀剂材料是化妆用的指甲油。在一些实施例中，可以使用多于一种抗蚀剂材 料。但是，对于尖端形成工艺，抗蚀剂材料的使用是选择性的，在一些实施 例中，在制造工艺中进行后续步骤之前，抗蚀剂材料可以不被施加于前驱体 线528。
在步骤404中的下一子步骤是电化学蚀刻前驱体线528。可以使用各种 电化学蚀刻工艺。在一些实施例中，使用了下列电化学蚀刻工艺。支撑组件 被放置在蚀刻装置中，该蚀刻装置包括平移支撑组件的平移设备、盘、和延 伸入盘的电极(例如不锈钢电极)。蚀刻溶液被放置在盘中，使得溶液与电 极接触。支撑组件通过平移设备向盘降低直至线528上的抗蚀剂界面正好接 触蚀刻溶液。线528随后被降低附加的量(例如0.2mm)进入蚀刻溶液。
蚀刻溶液包括化学腐蚀线528的成分(例如NaOH)。在其中蚀刻溶液 包含NaOH的实施例中，蚀刻溶液中NaOH的浓度可以被选择，以便改变前 驱体线528的腐蚀速率和溶液的化学环境。例如，在一些实施例中，NaOH 的浓度可以是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)。在一些实施例中，NaOH 的浓度从0.5M至10.0M(例如，从1.0M至9.0M，从1.5M至8.0M，从 2.0M至7.0M，从2.0M至6.0M，从2.0M至3.0M)。
在某些实施例中，其它的腐蚀剂可以被添加至蚀刻溶液，替代或附加于 NaOH。这样的腐蚀剂的实例包括KOH(包括熔融的KOH)、HCl、H3PO4、 H2SO4、KCN、和/或熔融的NaNO3。蚀刻溶液中的腐蚀剂可以根据其腐蚀由 具体类型的材料形成的前驱体线的能力而选择。例如，例如NaOH的蚀刻剂 可以用于腐蚀由W形成的线。对于由例如Ir的不同材料形成的线，在蚀刻 溶液中可以使用其它腐蚀剂。
在一些实施例中，蚀刻溶液可以包括相对小的量的表面活性剂。不期望 被理论所束缚，认为表面活性剂可以辅助提高前驱体线528的蚀刻的对称性。 适于该目的的表面活性剂包括例如PhotoFlo 200，可以从Eastman Kodak (Rochester，NY)获得。通常在蚀刻溶液中表面活性剂的浓度是0.1体积％或 更大(例如0.2体积％或更大、0.3体积％或更大、0.4体积％或更大)，和/ 或2体积％或更小(例如1体积％或更小、0.8体积％或更小、0.6体积％或 更小)。
在一些实施例中，蚀刻工艺还可以在蚀刻溶液的搅动的情形进行。蚀刻 溶液被搅动的速率可以根据蚀刻的结果经验性地确定。
在蚀刻溶液中定位前驱体线528之后，外部电源被连接至线528和电极， 并且跨过线528和电极施加电位，以便促进线528的电化学腐蚀反应。通常， 电压可以从或者是AC电源或者是直流(DC)电源被施加。所施加的电压的 大小通常可以按期望被选择，根据产生均匀的被蚀刻的前驱体线528的大小 的经验性确定。例如，在一些实施例中，被施加的电位的大小是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)。在一些实施例中，被施加的电位 的大小在3.0V和50V之间(例如，从3.5V至40V，从4.0V至30V，从 4.5V至20V)。
施加于蚀刻溶液的AC脉冲的持续时间通常可以优选改变从而提高受控 的线528的蚀刻。例如，在一些实施例中，施加于蚀刻溶液的脉冲具有10ms 或更长的持续时间(例如25ms或更长，50ms或更长，75ms或更长，100ms 或更长，150ms或更长，200ms或更长，250ms或更长)，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，600 ms或更短)。在一些实施例中，施加于蚀刻溶液的脉冲具有从10ms至1秒 的持续时间(例如从10ms至900ms，从10ms至800ms，从10ms至700 ms，从10ms至600ms)。
通常，持续时间和/或大小变化的脉冲可以被施加于蚀刻溶液从而引起与 溶液接触的线的区域中前驱体线528的腐蚀。典型地，在工艺期间，部分前 驱体线528的端部掉入蚀刻溶液中，并且前驱体线528的被新暴露的蚀刻区 在后续步骤中被进一步处理。例如，合适的蚀刻方式包括大约100个大小5V 的AC脉冲的初始施加，各脉冲具有大约580ms的持续时间。此后，施加 大约60个脉冲的系列，各脉冲具有大约325ms的持续时间并且大小为5V。 然后，具有持续时间35ms和大小5V的脉冲被施加，直至线528的端部掉 入蚀刻溶液中。
在施加电脉冲至蚀刻溶液期间，前驱体线528的浸入深度可以被调整。 典型地，蚀刻工艺导致形成前驱体线528的窄直径区。调整线528的浸入深 度可以帮助确保蚀刻溶液的弯液面被定位于接近窄直径区的中点，这可以提 高形成相对对称的尖端的概率。随着接近掉落点(例如，随着窄直径区变得 非常小)，进行浸入深度的调整，以便确保前驱体线528的端部不被突然折 断。前驱体线528的端部掉落之后，新被暴露的线528的尖端非常少地浸入 蚀刻溶液并且施加另外的电脉冲。在一些实施例中，施加两个电脉冲。举例 而言，第一电脉冲可以是从1V至10V(例如，从3V至7V，5V)持续时 间从20ms至50ms(例如，从30ms至40ms，35ms)，并且第二脉冲可以 从1V至10V(例如，从3V至7V，5V)，持续时间从10ms至25ms(例 如，从15ms至20ms，17ms)。
支撑组件随后从蚀刻装置被去除，被漂洗(例如，用蒸馏水或去离子水) 并且被干燥(例如在干燥的氮气的流下)。
工艺400的下一步骤406是检验支撑组件(并且尤其线528被蚀刻的尖 端)以便验证被蚀刻的尖端具有合适的几何形状特征。如先前所讨论的，例 如，几何形状特征的测定包括获得被蚀刻的尖端的轮廓图像并且从轮廓图像 所获得的数据计算各种几何参数。可以使用例如SEM进行检验。线528的 尖端的轮廓图像可以以非常高的放大倍率获得，例如65,000倍的放大倍率。 测量的几何参数可以例如包括平均尖端曲率半径、平均锥方向、平均全锥角。 在该情形，如果被蚀刻的尖端的形状不合适，则可以通过将组件插回蚀刻装 置并且向盘降低线528的被蚀刻的尖端直至尖端正好接触蚀刻溶液而稍稍再 成形尖端。小量的电脉冲(例如从1至3个持续时间35ms且大小5V的脉 冲)可以用于再成形线528的尖端。例如，如果线528的尖端的平均全锥角 过小，则小量短持续时间的脉冲可以用于增加平均全锥角而不显著地增加被 蚀刻的尖端的平均半径。这些另外的电脉冲的施加之后，尖端可以则在SEM 中被重新检验以便验证其已经被正确地再成形。
随后，在步骤408中，被蚀刻的线528的尖端的顶点的端层被形成为三 聚物。该工艺通常涉及成像尖端(例如使用FIM或SFIM)和成形尖端(例 如使用场蒸发)。
在一些实施例中，步骤408包括在FIM中安装支撑组件并且将FIM抽 真空。线528的尖端被冷却(例如，至液氮温度)，并且He气被提供至FIM (例如，以大约5×10-6Torr的压力)。相对于提取器的正电位(例如，相对 于提取器5kV或更大)被施加于线528的尖端，并且He原子与线528的尖 端的顶点相互作用从而形成He离子。He离子被加速从线528的尖端的正荷 电的顶点离开。探测器，例如选择性地耦合至例如CCD相机的两维成像装 置的磷光体屏，被定位于距离离子源的一选择的距离，并且被取向为大致垂 直于来自离子源的主离子束轨迹。碰撞离子引起磷光体屏发射光子，光子被 CCD相机所探测。对应于相对多数量的被探测的离子的图像的区域将比对 应于相对较少数量的被探测的离子的区域表现得更亮。He气原子的离子化 出现于线528的尖端的顶点处单独的离子源原子附近。结果，被探测器所摄 取的图像对应于离子源的发射图案。更具体地，从探测器所获得的图像中的 亮点对应于离子源顶点的单独的原子。因而，FIM图像是原子解析的线528 的尖端的顶点的图像。根据FIM图像，在离子源顶点的原子的晶体结构、取 向、和具体布置可以被确定。
如果线528的尖端的顶点的期望特性不存在，则尖端可以使用例如场蒸 发而被成形。在场蒸发期间，线528的被蚀刻尖端的图像在FIM探测器的焦 点上并且在FIM中仍然存在He气的背景压力，尖端上的正电位被增加(例 如，相对于提取器15kV或更大)直至所得的电场开始从局部电场最高的尖 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 避免原子团被同时去除。通常，场蒸发在FIM发射图像的检测下持续，直至 验证了被蚀刻的尖端的表面处于正确的晶向，并且确定在尖端的端层没有不 期望的污染物。
在场蒸发之后，可以期望锐化尖端。为了锐化尖端，He气被泵出FIM 室，并且在线528的尖端的偏压被改变为相对于公共地为负，使得线528的 尖端的顶点发射电子。响应入射电子而产生光子的探测器，例如覆磷光体得 玻璃屏被定位，以便截取来自尖端得电子。所产生的光子被合适的探测器(例 如CCD装置、光电倍增管、光电二极管、或其它类型的光子探测器)探测 并且被用于监视从尖端的电子发射。在一些实施例中，探测器可以直接耦合 至光子产生装置。在某些实施例中，探测器和光子产生装置不被直接耦合。 例如，例如镜子的光学元件可以用于将所产生的光子导向至探测器。
施加于尖端的电压偏置被调整，直至测量到期望的电子流(例如从25pA 至75pA，从40pA至60pA，50pA)。尖端随后被加热至期望的温度(例 如从1000K至1700K，从1300K至1600K，1500K)，并且尖端被视觉监 测以便探测从尖端发射的响应于电压和热的施加的光线。从尖端发出的光线 可以被监测，例如，使用定位的镜子以便向合适的光探测器(例如CCD装 置，光电倍增管、光电二极管、或其它类型的光探测器)反射被尖端所发射 的光线)。热量可以使用各种装置被施加于尖端，例如电阻加热装置(例如 灯丝加热器)，辐射加热装置，感应加热装置，或电子束。在光线首次从尖 端出现之后的15秒至45秒(例如25秒至35秒，30秒)，被施加的电位和 加热装置都被关闭，生产出具有三聚物作为其端原子层的线528。
选择性地，气体可以用于锐化尖端。例如，氧气可以被引入FIM室以便 提高圆化的W尖端表面的锐化。在He气体从FIM室中被去除之后，锐化 气体(例如氧气)被引入，并且尖端在氧气以所选择和压力和时间存在下被 加热。例如，为了锐化圆化W尖端，首先将He泵出FIM室并且随后尖端 被加热至1300K和1700K之间的温度(例如1500K)。尖端被保持在1500 K一至五分钟之间。接着，氧气可以在大约10-5Torr的压力下被引入腔室， 同时保持尖端的温度大约2分钟。随着氧气流入所述室的持续，尖端的温度 则减小至700K和1200K之间(例如1000K)，并且尖端被保持在该温度大 致两分钟。最后，对于腔室的氧气供应被关闭并且氧气被泵出腔室直至其中 的氧气压力小于10-7Torr。同时，尖端被冷却至正常的工作温度(例如在一 些实施例中大致77K)并且He被重新引入至FIM室。当尖端在FIM模式中 被成像时，对应于W(111)面的尖端顶上的W三聚物被观察到。具有作为 三聚物的端层的W(111)线可以随后从FIM移走并且被存储备用。
尽管前面描述了其中与系统200分离的FIM用于成像/成形线尖端顶点 的实施例，但是，在一些实施例中，系统200可以用作FIM。在这样的实施 例中，通常根据在前面的段落中所描述的工艺，支撑组件被安装在离子源内 并且系统200作为FIM工作。在一些实施例中，当操作系统200在FIM模 式中时，探测器可以被定位于样品280被通常定位之处(即，样品180不存 在于其正常位置)。在某些实施例中，当操作系统200在FIM模式中时，具 有相对高的二次电子产率的平的样品可以被定位于样品180被通常定位之 处，并且由He离子与平的样品相互作用所产生的二次电子被探测，因为被 探测的二次电子的强度通常与He离子入射至平的样品上的强度成比例。
选择性地，系统200可以在线尖端顶点的成像/成形工艺期间在SFIM模 式中工作。在这样的实施例中，所述工艺如在先前的段落中所描述的，除了 对准偏转器220和222用于将离子束栅扫描过孔径224的表面从而产生线尖 端的顶点的场发射图案之外。穿过孔径224的离子束的部分可以选择性地被 第二透镜226聚焦，或者保持未被聚焦。在SFIM模式中，线尖端的图像被 逐像素地获得，并且各被测量的像素强度对应于被允许穿过孔径224的离子 束的部分。像素强度一起可以将尖端的场发射图案以图像，或者更普遍地， 以多个电信号呈现。场发射图案可以随后被用于评定尖端的各种性能，以便 确定其用于气体场离子显微镜的适合性。在SFIM模式中，探测器可以如在 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类型。选择性 地，探测器可以是空间集成的探测器，例如光电倍增管或光电二极管。
上述工艺通常可以用于首次锐化W尖端，并且还可以用于在离子显微 镜系统内W尖端的再锐化。这样的再锐化可以在系统200中进行，既便锐 化W尖端的初始工艺在系统200之外的FIM中进行。再锐化通常可以以与 初始锐化相同的方式进行，或者再锐化技术可以与初始锐化技术不同。在一 些实施例中，为了评估再锐化是否是期望的，显微镜系统200可以被配置为 在FIM和/或SFIM模式中工作，如上所述。根据一或更多的尖端的图像， 再锐化工艺可以被启动或推迟。在某些实施例中，其它的标准可以被使用以 便确定何时启动再锐化。例如，如果从尖端测量的离子流在一段时间的工作 之后落至建立的阈值之下时，可以启动再锐化。
作为再锐化中的第一步骤，尖端可以被场蒸发以便去除接近尖端顶点的 原子。例如，显微镜系统200可以被配置为在FIM和/或SFIM模式中工作， 如上述所讨论的，并且施加于尖端的电位可以被仔细地调整，以便产生受控 的尖端原子的场蒸发。在场蒸发工艺期间，尖端的场发射图案可以通过探测 器(例如，磷耦合光子探测器，或配置为测量来自平样品的二次电子发射的 二次电子探测器)在FIM或SFIM模式中获得，并且被监测以便确定何时中 断场蒸发工艺。如之前，当尖端的表面处于正确的晶向并且是干净的时，该 尖端可以被再锐化。
He气被泵出显微镜系统200，直至背景He压力小于大约10-7Torr。在 一些实施例中，为了启动再锐化，负电位被施加至尖端，以便在电子模式中 操作显微镜系统200，并且尖端通过加热如前面所描述的被锐化。在某些实 施例中，例如氧气的锐化气体被引入显微镜系统200，并且尖端在氧存在下 被加热选定的时间，如先前所描述的。跟随再锐化工艺，He气被重新引入 显微镜系统200，并且在系统配置为在FIM和/或SFIM模式中工作的情况下， 再锐化的尖端的一或更多的图像被摄取，以便验证尖端顶点包括对应于W (111)面的三聚物。
在一些实施例中，某些再锐化步骤可以通过电子控制系统170中的硬件 和/或软件而自动进行。例如，在某些实施例中，应用于圆化尖端的锐化工艺 可以以自动方式进行。电子控制系统170所实施的锐化工作步骤的实例如下 所述。首先，控制系统170通过激活泵236和/或237而使得显微镜系统200 抽真空并且冷却尖端至液氮温度。当在显微镜系统200中的气体的背景压力 小于被建立的阈值时，尖端通过控制系统170，通过对于支撑尖端的加热线 施加校准的电流而被加热至1500K。在1500K下两分钟之后，控制系统170 通过打开氧气源上的阀门而将氧气引入显微镜系统200。阀门开口被调整， 以便保持在显微镜系统200中大约10-5Torr的氧压力。在另外的两分钟之后， 尖端的温度通过控制系统170，通过调节液氮冷却剂进入系统的流量而被减 小至1100K。在1100K下两分钟之后，控制系统170关闭对于系统的氧气 供应并且冷却尖端至液氮温度。在该情形，(由操作者测量的)尖端的FIM 和/或SFIM图像可以用于人工验证在尖端的顶点的W(111)的存在。
不期望受到理论的束缚，认为氧可以促进作为尖端的端原子层的三聚物 的形成。在某些实施例中，在FIM腔室中的氧气的压力可以是10-7Torr或更 大(例如10-6Torr或更大、10-5Torr或更大、10-4Torr或更大)，和/或1Torr 或更小(例如，10-1Torr或更小、10-2Torr或更小、10-3Torr或更小)。在某些 实施例中，FIM腔室中的氧气的压力可以是从10-8Torr至10-2Torr(例如， 从10-7Torr至10-3Torr、从10-6Torr至10-4Torr)。其它的气体和材料在尖端 锐化期间也可以用于促进作为端原子层的三聚物的形成。例如，比如钯、铂、 金和/或铟的材料可以在再锐化之前被气相沉积于圆化的尖端的表面上。认为 这些材料可以更可靠地促进在尖端的顶点的三聚物的形成。
在一些实施例中，W尖端的锐化可以通过尖端的受控加热来实现，而不 施加场或故意地添加氧。例如，W尖端可以通过下列步骤被锐化：1)在FIM 腔室中安装尖端；2)减小FIM腔室总的压力；3)加热尖端至1000K保持 5分钟；并且冷却(例如至液氮温度)。不期望受到理论的束缚，认为作为氧 化物存在于尖端上的氧的痕量可以有助于使用热量锐化尖端。在某些实施例 中，未被锐化的尖端可以被暴露于氧流，放置在基本无氧的环境中，并且通 过受控的加热被锐化。认为该方法可以在尖端的表面上产生W氧化物，并 且加热时从W氧化物释放的氧可以辅助尖端锐化工艺。
在一些实施例中，一或更多的附加气体可以在尖端锐化期间存在。例如， 在某些实施例中，氮气可以存在。不期望受到理论的束缚，认为氮气可以有 助于蚀刻尖端以便提供具有作为三聚物的端原子层的更为圆化的结构；认为 这样的结构比较较小圆化的三聚物终结的尖端更为稳定。通常，氮气与氧气 同时被引入。在某些实施例中，在FIM腔室中的氮气的压力可以是10-8Torr 或更大(例如，10-7Torr或更大)，和/或10-5Torr或更小(例如，10-6Torr)。在 某些实施例中，在FIM腔室中的氮气压力可以从10-5Torr至10-8Torr(例如， 从10-6Torr至10-7Torr)。
选择性地，在形成三聚物并且辅助确保尖端锐化工艺是可重复的之后， 施加于被锐化的尖端的正电位被增加，使得受控的尖端的场蒸发出现。在场 蒸发尖端一段时间之后，尖端顶点再呈现为圆化的形状。典型地，圆化的尖 端产生相似于初始场蒸发步骤之后的尖端的发射图案。然后，圆化的尖端再 次在电子模式中被锐化，以便产生作为三聚物的端原子层(例如使用上述工 艺)。在一些实施例中，为了增加被锐化的尖端的寿命和稳定性，一或更多 的三聚物可以使用场蒸发技术从被锐化的尖端被去除。例如，由3原子层形 成的锐化尖端的最顶部的原子层可以被去除，以便展现下面的包括多于3个 原子的原子层。新被暴露的原子层可以被进一步场蒸发，以便在其顶点产生 W原子三聚物。该新形成的三聚物，与在场蒸发期间形成的另外的三聚物一 起，可以被蒸发。该工艺导致在其顶点附近逐层的尖端圆化。通过圆化尖端， 靠近尖端顶点的电场梯度被减小，减小了在显微镜系统200工作时尖端原子 经历场蒸发的概率，并且增加了尖端的稳定性和寿命。
在工艺400的步骤410中，尖端186的顶点187在系统200内被对准。 采用安装在显微镜系统200中的支撑组件，使用一或更多的真空泵使得显微 镜系统200抽真空，并且随后热量被施加于尖端187以便去除，例如氧化物、 冷凝物、和/或任何其它的可以贴附至尖端表面的杂质。典型地，例如，尖端 186被加热至900K或更高的温度(例如，1000K或更高、1100K或更高) 持续时间10s或更长(例如，30s或更长、60s或更长)。加热还可以辅助 再刻面尖端186，在杂质的存在危及尖端的形状的情形。
在尖端186由施加热量引起辐射发光的情形，通过观测从尖端186沿纵 轴传播的光(例如，通过插入比如镜子的反射元件并且引导一部分的光至比 如CCD相机的探测器)，则尖端与离子光学器件130的纵轴大致对准。尖端 186的位置和/或取向可以通过调整尖端操纵器208而被改变，以便引导光线 从尖端186穿过离子光学器件130。
在该大致对准工艺之后，显微镜系统200被配置，以便在FIM或SFIM 模式中工作，通过减小在真空壳体202和204中的背景压力，冷却尖端186 (例如，至大约液氮温度)，并且经由气体源110将He气体原子流引入尖端 186附近的区。来自尖端186的He离子的场发射图案的图像通过合适配置 的探测器而被测量，并且根据该图像，尖端操纵器208被用于对准场发射图 案与离子光学器件130的纵轴，使得尖端186的场发射图案以纵轴为中心。 通过改变施加于第一透镜216的电位同时观测尖端186的场发射图案的感应 的调制，可以进行定中心测试。如果被探测器所观测到的场发射图案的尺寸 由于施加于透镜216的电位而变化，但是图案的中心的位置不变化，则尖端 186与第一透镜216的纵轴对准。相反，如果尖端186的场发射图案的中心 位置响应施加于第一透镜216的电位而变化，则尖端186没有以第一透镜216 的纵轴为中心。通过尖端操纵器208可以反复地重复尖端186的取向和位置 的调整，直至尖端186与第一透镜216的纵轴足够好地对准。典型地，该定 中心测试进行没有孔径224在位。
随后可以进行精细对准工艺，以便确保通过He气原子与尖端186的顶 点187的三原子层的相互作用所产生的He离子穿过孔径224。施加于偏转 器220和222的电位(见下面的讨论)被调整，使得穿过孔径224的离子束 192中的He离子的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)经由He气体原 子仅与尖端186的顶点的三个三聚物原子之一的相互作用而被产生。同时， 施加于偏转器220和222的电位的调整确保了孔径224避免经由He气体原 子与其它两个三聚物原子相互作用所产生的离子束192中的He离子的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)到达样品180的表面181。作为该精细对准工艺的结 果，穿过孔径224并且离开离子光学器件130的He离子束包括主要仅在尖 端186的顶点的3个三聚物原子之一的附近被离子化的He原子。
再次参考图10，尖端186与第一透镜216的纵轴对准的情形，并且He 离子束被对准，使得离子束192的一部分穿过孔径224，显微镜系统200可 以在工艺400的步骤412中在He离子模式中工作。在其中系统200在锐化 期间被用于FIM模式中的实施例中，FIM探测器和/或其它FIM元件被移动， 使得样品180可以被定位以便暴露于离子束192。相对于提取器190为正的 电位被施加于尖端186，并且He气通过气体源110被引入真空壳体202。通 过氦气体原子主要与尖端186的顶点的3个三聚物原子之一的相互作用所产 生的He离子被离子光学器件130引导穿过孔径224，并且被导至样品180。
在一些实施例中，施加至尖端186的电位是5kV或更大(例如，10kV 或更大、15kV或更大、20kV或更大)。在某些实施例中，施加于尖端186 的电位是35kV或更小(例如，30kV或更小、25kV或更小)。例如，在一 些实施例中，施加于尖端186的电位从5kV至35kV(例如，从10kV至 30kV，从15kV至25kV)。
在一些实施例中，在显微镜系统200的工作期间，He气压力是10-8Torr 或更大(例如，10-7Torr或更大、10-6Torr或更大、10-5Torr或更大)。在某 些实施例中，在显微镜系统200中的He气压力是10-1Torr或更小(例如， 10-2Torr或更小、10-3Torr或更小、10-4Torr或更小)。例如，在一些实施例 中，在显微镜系统200中He气压力是从10-7Torr至10-1Torr(例如，从10-6 Torr至10-2Torr，从10-5Torr至10-3Torr)。
为了验证尖端186的完整性，通过在FIM或SFIM模式中操作显微镜系 统200，从尖端186的场发射图案可以被定期地监测，如上面所讨论的。如 果在尖端顶点187三聚物结构保持完整无缺，则尖端186可以继续被用于提 供离子束至显微镜系统200。但是，在某些环境下，尖端186的FIM或SFIM 图像可以展现在尖端顶点187上三聚物结构不再完整无缺。在这种情形，尖 端186可以首先被场蒸发，以便圆化尖端并且去除被损坏的三聚物结构，并 且随后使用上述工艺原位再锐化(例如，不从显微镜系统200移除尖端186)。
来自尖端186的场发射图案的监测可以根据比如减小的性能(例如减小 的离子流)，观测到的图像像差和/或误差的标准，或其它预定的标准而自动 进行。为了摄取尖端186的FIM图像，样品180可以从其位置被去除，并且 例如磷光体耦合的CCD探测器的探测器可以被放置在样品180先前的位置。 作为替代，具有相对高二次电子产率的平的样品可以平移入位以替代样品 180，并且合适的探测器可以被定位和配置，以便探测由于He离子与样品的 相互作用而离开样品的二次电子。孔径224可以被去除(或大直径开口225 可以被选择)使得由He气体原子与尖端186的相互作用所产生的离子不被 显著地阻碍。这些操作可以以自动的方式进行。
为了摄取尖端186的SFIM图像，如对于FIM成像所述，探测器可以被 引入，并且孔径224可以被保持在适当位置中。对准偏转器220和222可以 用于横过孔径224栅扫描尖端186的离子发射图案从而获得逐像素方式的尖 端186的图像。通过电子控制系统170，一或更多尖端186的图像的获得可 以被自动化，电子控制系统170可以控制孔径的布置，样品和探测器的运动， 和施加至尖端186和对准偏转器220和222的电位。
参考图13，上述对准过程典型地对准尖端186的纵轴207和离子光学器 件130的纵轴132，使得在尖端186的顶点187的轴207和132之间的距离 d小于2mm(例如小于1mm、小于500μm、小于200μm)。在一些实 施例中，在尖端186的顶点187的轴207和132之间的角度是2°或更小(例 如1°或更小、0.5°或更小、0.2°或更小)。
提取器190包括开口191。通常，可以按期望选择提取器190和开口191 的形状。典型地，这些特征被选择，以便确保He离子被有效地和可靠地导 入离子光学器件130。例如，如在图13中所示出的，提取器190具有在z 方向测量的厚度te，在x方向测量的开口的宽度a，且被定位于在z方向从 尖端186的顶点187测量的距离e。在一些实施例中，te是100μm或更长(例 如500μm或更长、1mm或更长、2mm或更长)，和/或te是10mm或更短 (例如7mm或更短，5mm或更短，3mm或更短)。在某些实施例中，尖端 186的顶点187和提取器190之间的距离是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)。在一些实施例中，提取器190在+z方向上比尖端186 定位得更远，如在图13中所示。在某些实施例中，提取器190在-z方向上 比尖端186定位得更远，如在图13中所示出的。在这样的实施例中，例如， 尖端186穿过提取器190突出并且沿z轴在+z方向延伸得比提取器190更远。 尽管提取器190在图13中被显示为具有具体的配置，但是更普遍地，提取 器190可以是任何期望的设计。例如，在一些实施例中，开口191可以具有 任何期望形状的弯曲侧。
提取器190通常可以相对于尖端186被正或负地偏置。在一些实施例中， 施加于提取器190的电位是相对于尖端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)。
选择性地，抑制器188还可以存在于尖端186附近。通过调整施加于抑 制器188的电位，抑制器188可以用于例如改变尖端186附近的电场分布。 与提取器190一起，抑制器188可以用于控制在尖端186所产生的He离子 的轨迹。抑制器188具有在x方向上测量的开口宽度k，在z方向上测量的 厚度ts，并且被定位为距尖端186的顶点在z方向上测量的距离s。在一些 实施例中，k是3μm或更长(例如，4μm或更长、5μm或更长)和/或8μm 或更短(例如7μm或更短、6μm或更短)。在某些实施例中，ts是500μm或 更长(例如1mm或更长、2mm或更长)，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 些实施例中，s是5mm或更短(例如4mm或更短，3mm或更短，2mm或 更短，1mm或更短)。在某些实施例中，如图13中所示，抑制器188比尖 端188更远地沿+z方向被定位。在一些实施例中，尖端18比抑制器188更 远地在沿+z方向被定位，使得尖端186在+z方向上延伸通过抑制器188。
通常，显微镜系统200可以被配置，使得在通过提取器190之后，离子 束192中的离子的能量可以按期望选择。典型地，在通过入口开口133至离 子光学器件130之后，离子束192中的离子的平均能量是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，在一些实施例中，在通过入口开口133之 后，离子束192中的离子的平均能量从5keV至100keV(例如从10keV至 90keV，从20keV至80keV)。例如，在期望探测透射通过样品的离子的实 施例中，可以使用较高的离子能量(例如50keV至100keV)。
此外，在某些实施例中，离子束192中的离子的能量可以被改变而不改 变离子流。即，施加至尖端186的电位可以被调整以便修改离子束192的平 均能量而不显著改变来自离子束192的离子束流。
C.离子光学器件
参考图14，离子束192从气体场离子源120经由入口开口133进入离子 光学器件130。离子束192首先通过第一透镜216。第一透镜216的位置和 电位通常被选择以便聚焦离子束192至跨接点C，点C的位置是距孔径224 在z方向测量的距离p。通常，第一透镜216被定位为距入口开口133在z 方向上测量的距离f。在一些实施例中，距离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，第一透镜216可以相对于尖端186被正或负偏置。在一些实施例 中，施加于第一透镜216的电位是相对于尖端186-30kV或更大(例如，-20 kV或更大、-10kV或更大)，和/或40kV或更小(例如，30kV或更小、20 kV或更小、15kV或更小、10kV或更小)。
通常，距离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)。改变点C的位置可以改变在孔径224的位置的x 和/或y方向的离子束192的尺寸，这可以选择性地控制通过孔径224的离子 束192中的离子的份额。尽管在图14中被示为被定位为在-z方向远于孔径 224，但是跨接点C可以在一些实施例中被定位为在+z方向远于孔径224。
对准偏转器220和222被配置，以便引导离子束192的一部分通过孔径 224和第二透镜226。各种设计和/或器件可以用于建造该偏转器。在一些实 施例中，例如，偏转器220和222可以各自是四极电极，两个四极电极被串 连设置。
偏转器220和222可以各自在x和y两个方向都偏转He离子束192。
施加于偏转器220和222的电极的电位可以被调整，以便确保离子束192的 一部分通过孔径224和第二透镜226。在某些实施例中，施加于偏转器220 和222的电位被调整，以便实现具体的对准条件，并且随后当显微镜系统200 工作时电位保持静态。通过孔径224的离子束192的对准通过使用例如被配 置的合适的探测器观测离子束192而被评估，以便成像孔径224。偏转器220 和/或222还可以被调整，使得通过孔径224的离子束192的该部分与第二透 镜226的纵轴对准。为了评估通过第二透镜226的离子束192的对准，施加 于第二透镜226的电位可以被改变(通常称为摆动)并且在成像探测器上观 测到结果。如果，作为改变施加于第二透镜226的电位的结果，离子束192 的图像改变尺寸而不改变位置，则离子束192通过第二透镜226被对准。如 果离子束192的中心位置作为改变电位的结果而改变，则离子束192未与第 二透镜226对准。在这种情形，施加于偏转器222和/或220的电位可以被进 一步调整并且以反复的方式重复摆动测试，直至实现对准。
通常，施加于对准偏转器220和222的各种电极元件的电位可以按期望 选择，以便产生到相对于孔径224和第二透镜226两者的特定位置的离子束 192的偏转。在偏转器220和222中的各电极可以对于公共外接地被或者正 或者负地偏置。通常，施加于任何电极的电位可以是相对于公共外接地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)。在工作期间，例如，施加于偏转器220和222中任 何电极的电位可以是相对于公共外接地从10V至100V(例如，从10V至 75V、从10V至50V)。
孔径224相对于离子束192被定位，以便允许离子束192中的部分离子 通过孔径224。典型地，孔径224不具有被施加的电位。在一些实施例中， 孔径224中的开口225的在x方向上测量的宽度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，在某些实施 例中，w是从1μm至100μm(例如，从5μm至90μm，从15μm至50μm， 从20μm至50μm)。在一些实施例中，在y方向测量的孔径224中开口225 的宽度是1μm或更大(例如2μm或更大、5μm或更大、10μm或更大、15 μm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，在某些实施例中，w是从1μm至100μm(例如，从 5μm至90μm、从15μm至50μm，从20μm至50μm)。
孔径224被定位于孔径支架234上。根据从电子控制系统170所接收的 控制信号，孔径支架234允许孔径224在x-y平面上平移。在一些实施例中， 孔径支架234还可以允许孔径224在z方向上沿离子光学器件130的纵轴平 移。此外，在某些实施例中，孔径支架234可以允许孔径224对于x-y平面 倾斜。倾斜孔径224可以用于对准孔径224的纵轴与离子光学器件130的纵 轴132。
在一些实施例中，孔径224可以包括具有不同宽度w的多个开口。例如， 图15是包括多个开口225a-225g的盘形开口224a的俯视图(沿z方向)。孔 径224a被配置，以便围绕与孔径224a的中心重合的枢轴点227旋转。各开 口225a-225g的中心被定位于距离枢轴点227相同距离处。因而通过旋转孔 径盘224a可以选择特定尺寸的孔径开口，使得被选择的开口被定位于离子 束192的路径中，并且随后如果期望，平移孔径盘224a，以便确保开口与离 子束192正确地对准。
图16是包括延伸通过孔径224b的多个开口229a-229e的棒形孔径224b。 孔径尺寸可以通过选择孔径224b中的开口而被选择。该选择通过平移孔径 224b而在平行于箭头221的方向进行，以便对准开口229a-229e之一与离子 束192。
典型地，开口225a-225g和229a-229e具有可以按期望选择的直径。例 如，在一些实施例中，任何所述开口的直径可以是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)。在某些实施例中，开口225a-225g和/或229a-229e 的直径可以是从5μm至200μm(例如，5μm至150μm、5μm至100μm)。
在一些实施例中，孔径之外的装置可以被用于允许仅一部分的离子束 192中的离子通过离子光学器件130并且撞击在样品180的表面上。例如， 两个垂直的缝隙可以沿离子束的飞行路径被顺序放置。
像散修正器218通常通过其形状、沿离子束192的路径的位置、和被施 加的电位而被配置，以便减小或消除离子束192中的像散。尽管各种器件可 以用于构造像散修正器218，但是像散修正器218典型地是位于孔径224与 扫描偏转器219和221之间的八极电极。典型地，八极像散修正器的8个电 极被划分为4个电极的2组，第一控制器配置为调整4个电极的电压(例如， 4个电极的第一组，相对于尖端186正偏置)和第二控制器调整另外4个电 极的电压(例如，4个电极的第二组，相对于尖端186负偏置)。来自第一和 第二电极组的电极以交替的方式被布置，以便形成八极的部分，这里相邻的 部分具有相反符号的偏置电压。电极的布置形成聚焦沿八极的纵轴传播的离 子束的尖端场，并且散焦离轴的离子束。
通常，八极的各电极可以被独立地配置，并且因而像散修正器218允许 对于离子束192的灵敏的控制。在一些实施例中，施加于像散修正器218的 任何电极的电位，相对于公共外接地，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)。
除了对准偏转器220和222之外，离子光学器件130还包括扫描偏转器 219和221。扫描偏转器219和221典型地位于像散修正器218和第二透镜 226之间，尽管通常，离子光学器件130内扫描偏转器219和221的其它布 置也是可能的。
扫描偏转器219和221被配置，以使离子束192扫描过样品180的表面。 偏转器219，例如，可以被配置，以在x方向偏转离子束192，并且偏转器 221可以被配置，以在y方向偏转离子束192。由偏转器219和221所产生 的结合的偏转可以定位离子束192于样品180上的特定位置。
典型地，施加于偏转器219和221的电位被调整，以产生离子束192的 特定的偏转。被施加的电位可以被系统性地变化，以使扫描束192栅扫描过 一部分的样品180。例如，在一些实施例中，施加于偏转器221的电位以步 进方式以规则的间隔增加，在y方向以分立的步骤(例如，逐行)横过样品 180偏转离子束192。同时，施加于偏转器219的电位以步进方式被增加， 在x方向以分立的步骤(例如，逐列)横过样品180偏转离子束192。。施加 于偏转器221的电位增加的速率可以被选择，使得一旦离子束192通过施加 于偏转器219的电位的步进增加而完成横过所有列的扫描，则离子束192在 y方向被偏转至新的行。对于各行，相同的递增的电位增加的步进模式可以 施加于偏转器219，以在x方向以分立的步骤扫过离子束192。
通常，扫描偏转器219和/或221可以由多个电极形成。例如，在一些实 施例中，扫描偏转器219和/或221可以各自包括一对平行板电极。偏转器 219中的电极可以被取向，以在正交于由偏转器221所产生的离子束192的 偏转的方向偏转离子束192。
在某些实施例中，扫描偏转器219和/或221可以是更为复杂的设计。例 如，扫描偏转器219和/或221可以包括四极电极和/或八极电极。这些电极 可以分别被配置，以便提供在x-y平面中在单个方向上，或在x-y平面中多 于一个方向上的离子束192的偏转。
扫描偏转器219和221中的各电极元件可以相对于公共外接地或者正或 者负地偏置。通常，施加于各电极的电压可以是-150V或更大(例如，-100 V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)。在工作期间，例如，施加于偏转器219 和221中各电极的电压可以是从-150V至150V(例如，从-100V至100V、 从-50V至50V、从-20V至20V)。
通常，第二透镜226的位置和电位被选择，使得第二透镜辅助聚焦离子 束192至样品180的表面181上。施加于第二透镜226的电位通常可以是相 对于公共外接地或者为正或者为负。在某些实施例中，施加于第二透镜226 的电位是相对于公共外接地-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 镜226与孔径224间隔在z方向上测量的距离u。在一些实施例中，u是5cm 或更大(例如，10cm或更大、15cm或更大)，和/或50cm或更小(例如， 45cm或更小、40cm或更小、35cm或更小、30cm或更小、25cm或更小、 20cm或更小)。
第二透镜226与样品180间隔沿z轴测量的距离h(通常称为工作距离)。 在一些实施例中，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)。在某些实施例中，h是从2 mm至200mm(例如，从5mm至175mm，从10mm至150mm，从15mm 至125mm，20mm至100mm)。典型地，通过改变施加于第二透镜226的 电位，h可以被调整，以调整透镜226的聚焦平面，并且平移样品180(通 过样品操纵器140)平移到透镜226的新的聚焦平面中。显微镜系统200所 允许的相对大的距离h提供了许多优点。例如，具有表面突起的不平样品可 以使用显微镜系统研究。此外，样品还可以相对于离子束192的主轴以大角 度倾斜。例如，在一些实施例中，样品180的表面181的法线和离子束192 的主轴之间的角度是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)。在某些实施例中，样品180的表面181的 法线和离子束192的主轴之间的角度是从5°至85°(例如，从10°至80°、从 20°至70°、从30°至70°、从40°至60°)。另外，相对大的距离h还允许各种 探测器和其它装置被定位于非常接近表面181上的离子束192的入射区附 近，并且可以允许探测以相对大范围的立体角离开样品的粒子。典型地，这 允许较强信号的探测和多种不同类型的信号的探测(例如，使用不同类型的 探测器)。
在一些实施例中，第二透镜226被成形为具有10°或更大的半锥角的右 角锥(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)。在某些实施例中，第二透镜226的半 锥角是从10°至50°(例如，从15°至45°，从20°至40°)。相对小的透镜226 的半锥角提供了许多优点，包括样品180对于离子束192的倾斜角的较大范 围，和在其中探测器和其它装置可以被定位的表面181上的入射束斑点附近 的较大体积的自由空间。
如上面所讨论的，典型地，基本上仅由通过He原子与尖端186的顶点 187上三聚物原子之一的相互作用所产生的He离子通过孔径224。但是，在 一些实施例中，离子光学器件130(例如第一透镜216和/或对准偏转器220、 222和/或孔径224)中的器件可以被设置，使得通过He原子与两个三聚物 原子相互作用所产生的He离子的大量部分通过孔径224。这可以例如通过 恰当地选择施加于第一透镜216和/或偏转器220、222的电位，和/或通过改 变孔径224的尺寸(例如，如分别在图15和16中所示出的，通过在孔轮或 棒上选择不同的孔开口)来实现。在某些实施例中，离子光学器件130中的 器件(例如，第一透镜216和/或对准偏转器220、222和/或孔径224)可以 被设置，使得经由He气体原子与所有3个三聚物原子相互作用所产生的相 当一部分的He离子通过孔径224。这可以例如通过恰当地选择施加于第一 透镜216和/或偏转器220、222的电位，和/或通过改变孔径224的尺寸(例 如，如分别在图15和16中所示出的，通过在孔径轮或棒上选择不同的孔径 开口)来实现。
选择性地，一或更多的附加电极(例如，透镜、偏转器、和/或其它元件) 可以沿离子光学器件130中离子束192的路径被定位。附加的电极例如可以 在第二透镜226之后被定位，或可以被引入现有的元件之间。附加的元件可 以相对于尖端186而被或者正或者负地偏置，以便进行例如增加或减小离子 光学器件130内的离子束192中的离子能量和/或改变离子的轨迹的功能。例 如，一或更多的加速电极可以被定位于样品180附近，以便改变离子束192 中的离子入射于样品180上能量。
作为另一实例，离子光学器件130可以包括负偏置的(相对于公共外接 地)柱衬管，以便增加离子束192中的离子在样品180的表面181的能量。 该管可以被偏置为相对于公共外接地-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、-5 kV或更小)。通常，该管可以位于沿离子光学器件130的轴132的任何位置， 例如，孔径224和第二透镜226之间。当离子通过离子光学器件130时通过 加速离子可以实现某些优点，包括例如，减小相似荷电离子之间的相互作用 的时间，这可以帮助减小离子束192的发散。
在一些实施例中，通过偏置样品180，样品180的表面181的离子束192 中的离子的能量可以被增加或者被减小(例如，如果期望减小离子束192中 的离子的能量，则正地配置，或如果期望增加离子束192中的离子的能量， 则负地配置)。在离子束192的较大的入射角，由被偏置的样品180所产生 的电场的圆柱不对称性可以产生棱镜类效应，其中离子束192中低能量的离 子比高能量的离子在x和y方向被偏转更大的量，导致在样品180的表面181 上离子束192的斑点尺寸增加以及其它潜在的不期望的后果。在一些实施例 中，因而，样品180被偏置以改变离子束192中的离子的能量，并且离子束 192和表面181的法线之间的角度小于6°(例如，小于5°、小于4°、小于3°、 小于1°)。
虽然已经描述了离子光学器件的某些实施例，但是也可以使用离子光学 器件的其它实施例。作为示例，已经描述某些电极类型(例如八极电极)， 一或更多的不同电极类型(例如四极电极)可以用于实现相同的效果。更普 遍地，各种不同的离子光学系统可以用于显微镜系统200中。在一些实施例 中，例如，离子光学器件130在偏转器、孔径和其它离子光学元件之外仅包 括单个透镜。在某些实施例中，离子光学器件130包括第一和第二透镜，在 第一和第二透镜之间具有孔径。
作为另一实例，在一些实施例中，离子光学器件包括第一透镜、第二透 镜、和第一和第二透镜之间的孔径，没有电极，并且离子光学器件被设计， 使得第一透镜可以减小离子束的发散(例如，使得离子束与离子光学系统的 纵轴基本对准)，孔径可以遮挡离子束的一部分通过孔径，并且第二透镜可 以帮助将离子束在样品的表面上聚焦为相对小的斑点尺寸。在这样的实施例 中，到达样品表面的离子束中的离子可以主要通过He原子仅与三聚物的一 个原子的相互作用所产生(例如如上所述)。在一些实施例中，几乎相等数 量的到达样品表面的离子束中的离子经由He原子与三聚物原子的每个原子 的相互作用而产生。
作为另外的实例，在某些实施例中，离子光学器件包括第一透镜、第二 透镜、第一和第二透镜之间的孔径、没有电极、并且离子光学器件被设计， 使得第一透镜可以向孔径中开口的中心聚焦离子束，孔径可以允许被聚焦的 离子束发散并且通过孔径，并且第二透镜可以帮助将离子束在样品的表面上 聚焦为相对小的斑点尺寸。在这样的实施例中，到达样品表面的离子束可以 包括由气体原子与三聚物的3个原子的每个相互作用所产生的几乎相等数量 的离子。如果尖端186的顶点包括多于3个原子(例如，5或更多个的原子、 7或更多个的原子、9或更多个的原子)，则离子束可以包括经由气体原子与 尖端186的顶点的各个原子的相互作用所产生的几乎相等数量的离子。
作为又一实例，在一些实施例中，离子光学器件包括第一透镜、第二透 镜、第一和第二透镜之间的孔径、没有电极、并且离子光学器件被设计，使 得第一透镜可以减小离子束的发散并且向孔径引导低发散的束，孔径可以允 许基本上所有离子束中的离子通过孔径，并且第二透镜可以帮助将离子束在 样品的表面上聚焦为相对小的斑点尺寸。在这样的实施例中，到达样品的表 面的离子束可以包括通过气体原子与三聚物中的3个原子的每个的相互作用 所产生的几乎相等数量的离子。如果尖端186的顶点的包括多于3个原子(例 如，5或更多个的原子、7或更多个的原子、9或更多个的原子)，则离子束 可以包括经由气体原子与尖端186的顶点的各个原子的相互作用所产生的几 乎相等数量的离子。
作为另一实例，在某些实施例中，离子光学器件包括第一透镜、第二透 镜、第一和第二透镜之间的孔径、没有电极、并且离子光学器件被设计，使 得第一透镜可以向孔径部分地聚焦离子束，孔径可以遮挡从其通过的离子束 中的部分离子(但是仍然允许离子束中的离子的相对大的部分通过孔径)， 并且第二透镜可以帮助将离子束在样品的表面上聚焦为相对小的斑点尺寸。 在这样的实施例中，到达样品的表面的离子束可以包括通过气体原子与三聚 物中的3个原子的每个的相互作用所产生的几乎相等数量的离子。如果尖端 186的顶点的包括多于3个原子(例如，5或更多个的原子、7或更多个的原 子、9或更多个的原子)，则离子束可以包括经由气体原子与尖端186的顶点 的各个原子的相互作用所产生的几乎相等数量的离子。
D.尖端倾斜和平移机构
尖端操纵器208被配置以便允许尖端186在x-y平面中的平移，和尖端 186相对于离子光学器件130的轴132的倾斜。图17是显微镜系统200的一 部分的截面图，显微镜系统200包括尖端186、支撑组件520和尖端操纵器 的实施例。尖端操纵器208包括轴502、穹504、肩510和平移器514。平移 器514连接至轴520，轴502形成所需的尺寸，以便通过开口516固定于肩 510中。轴502还连接至基508，基508又连接至组件520。肩510通过表面 512和513之间的静摩擦力位于相对于穹504的固定的位置，并且平移器514 通过表面518和519之间的静摩擦力位于相对于肩510的固定的位置。
尖端操纵器208提供了尖端186在x-y平面中的平移。为了平移尖端206， 高压气体被引入入口503。被引入入口503的高压气体可以是例如室内空气 的气体。典型地，气体可以以50磅每平方英寸(psi)或更大的压力被引入 (例如，75psi或更大、100psi或更大、125psi或大)。作为引入高压气体的 结果，力离开肩510的z方向上被施加于平移器514。施加的力减小了表面 518和519之间的摩擦力(但是不减小为零)，并且通过施加x-y平面中的横 向力而允许平移器514相对于肩510再定位。当平移器514被再定位时，尖 端186在x-y平面中平移。当尖端186在其新位置时，高压气体的提供被关 闭并且通过使用一或更多的真空泵而使尖端操纵器208的内部抽真空而重新 建立表面518和519之间的强静摩擦力。由于该再建强摩擦力，尖端186牢 固地固定在适当的位置。
尖端操纵器208还提供了尖端186对于离子光学器件130的倾斜。为了 倾斜尖端186，高压气体被引入入口505。被引入入口505的高压气体可以 是例如室内空气的气体。典型地，气体可以以50磅每平方英寸(psi)或更 大的压力被引入(例如，75psi或更大、100psi或更大、125psi或大)。作为 引入高压气体的结果，力在离开穹504的-z方向被施加于肩510。被施加的 力减小了表面512和513之间的摩擦力(但是不减小为零)。肩510可以随 后通过施加横向力而对于穹504被再定位，以在由箭头506所指示的方向平 移肩510。肩510的平移对应于沿穹504的曲面的相对运动。由于该运动， 轴132和207之间的角度(对应于尖端186的倾斜角)改变。当尖端186的 倾斜的调整完成时，高压气体的供给被关闭并且通过使尖端操纵器208的内 部抽真空，表面512和513之间的强静电摩擦力被重新建立。由于该再建强 摩擦力，尖端186牢固地固定在适当的位置。
在一些实施例中，如在图17中所示出的，尖端操纵器208被配置，使 得穹504的曲率半径的中心与尖端186的顶点的位置重合。结果，当尖端186 被倾斜，以便改变轴132和207之间的角度时，在x-y平面内尖端186的平 移不出现。结果，尖端操纵器208可以被用于对准经由气体原子与尖端原子 之一的相互作用所产生的离子的轨迹与第一透镜216的纵轴，而不引起尖端 186对于第一透镜216的轴的平移。
在某些实施例中，尖端操纵器208可以被配置，以便允许围绕附加轴的 旋转运动。例如，在图17中所示出的实施例中，当高压气体被引入入口503 从而减小表面518和519之间的摩擦力并且允许平移器514在x-y平面中平 移时，通过对于平移器514施加合适的扭矩，平移器514还可以围绕轴207 旋转。该旋转可以独立于，或添加于尖端186的平移和尖端186的倾斜调整 而进行。
E.样品台
再次参考图5，显微镜系统200包括支撑和定位样品180的样品操纵器 140。响应于来自电子控制系统170的控制信号，样品操纵器140可以在各x、 y、和z方向平移样品180。在一些实施例中，样品操纵器140还可以响应控 制信号而在x-y平面中旋转样品180。此外，在某些实施例中，样品操纵器 140可以响应于合适的控制信号将样品180倾斜出x-y平面之外。各个这些 自由度可以被独立地调整，以便实现样品180相对于离子束192的合适的取 向。
如在下面所更为详细地描述的，在一些实施例中，通过对于操纵器140 施加相对小的电位，样品操纵器140可以相对于公共外接地或者正或者负地 偏置。例如，在一些实施例中，相对于公共外接地的5V或更大的正电位偏 置(例如10V或更大、20V或更大、30V或更大、40V或更大、50V或更 大)可以被施加于操纵器140，以便辅助避免正荷电He离子粘附到样品180 的表面181。在某些实施例中，相对于公共外接地-200V或更大的负电位偏 置(例如，-150V或更大、-100V或更大、-50V或更大、-40V或更大、-30 V或更大、-20V或更大、-10V或更大、-5V或更大)可以被施加于操纵器 140，以便辅助例如加速二次电子(经由离子与样品180的相互作用而离开 样品180的表面181)离开样品，确保二次电子可以被合适地配置的探测器 所探测。通常，施加于操纵器140的电位可以根据所研究的具体材料、He 离子流、和样品的暴露时间而按需要选择。
F.探测器
探测器150和160在图5中被示意性地描绘，探测器150被定位以探测 来自样品180的表面181(其中离子束碰撞的表面)的粒子，并且探测器160 被定位，以便探测来自样品180的表面183的粒子。通常，各种不同的探测 器可以在显微镜系统200中被采用以便探测不同的粒子，并且显微镜系统 200可以典型地包括任何期望数量的探测器。各种探测器的配置可以根据被 测量的粒子和测量条件而选择。在一些实施例中，光谱解析探测器可以被使 用。这样的探测器能够探测不同能量和/或波长的粒子，并且根据各被探测的 粒子的能量和/或波长而解析粒子。在某些实施例中，光谱解析探测器包括能 够根据粒子的能量和/或波长而引导粒子至探测器的不同的区的器件部分。
下面描述某些典型的探测器和探测器的布置。
(i)Everhart-Thornley探测器
Everhart-Thornley(ET)探测器可以用于探测二次电子、离子、和/或中 性粒子。图18示出了ET探测器600的示意图，ET探测器600包括粒子选 择器601、转换材料602、支撑604、光子探测器606、和电压源607和608。
粒子选择器601由导电材料形成。在一些实施例中，例如，粒子选择器 601可以是金属格栅或网，其具有小于大约30％(例如，小于25％、小于 20％、小于10％、小于5％)的金属填充因数。因为格栅主要的是开放空间， 所以在格栅上碰撞的粒子可以相对未受阻碍地通过。
在某些实施例中，粒子选择器601由金属环或管形成。例如，粒子选择 器601可以是形状基本为圆柱的环或管，具有允许粒子通过环或管的内部开 口。环或管可以由高导电金属形成，例如铜或铝。
更普遍地，粒子选择器601可以由任何包括粒子通过的通道的开口电极 结构形成。粒子选择器601可以由一或更多的电极形成，并且施加于一或更 多电极的电位通常可以根据被测量的粒子的类型而按期望选择。
转换材料602由与荷电粒子(例如，粒子，电子)的相互作用时可以形 成光子的材料形成。典型的材料包括磷光体材料和/或闪烁体材料(例如，结 晶材料，例如钇铝石榴石(YAG)和钇铝磷酸盐(YAP))。支撑604由对于由 转换材料602所形成的光子相对透明的材料形成。
在工作期间，电压源607对于粒子选择器601(由导电材料形成)施加 相对小的大小的电压(例如，500V或更小、例如从100V至500V)，并且 电压源608施加相对大的大小的电压(例如5kV或更大、10kV或更大)至 转换材料602。在其中ET探测器用于测量来自样品180的电子(例如，二 次电子)的实施例中，施加于粒子选择器601和转换材料602的电压的符号 相对于样品180是正的。在其中ET探测器用于测量来自样品180的离子(例 如，二次离子，散射离子)的实施例中，施加于粒子选择器601和转换材料 602的电压的符号相对于样品180是负的。在某些实施例中，样品180还可 以被偏置(相对于公共外接地)，以便辅助将来自样品180的粒子传送至探 测器600。例如，当ET探测器用于从样品180测量二次电子时，样品可以 相对于公共外接地被负偏置。施加负电位偏置至操纵器140可以尤为有用， 例如，当探测在样品中的高纵横比(例如深)洞或通孔中所产生的二次电子 时。相对于公共外接地的负电位偏置可以辅助使得电子加速出于孔或通孔之 外且离开样品，使得电子的探测更为容易。在缺少负偏置时，许多二次电子 可以在沿孔或通孔壁的点而重新进入样品，永远不逃逸孔或通孔而被探测。
样品180可以被正偏置，例如，当ET探测器用于测量来自样品的粒子 时。施加的偏置样品的电位的大小可以是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)。
来自样品180的荷电粒子610(例如，电子或离子)被吸引至粒子选择 器601，通过粒子选择器601，并且被加速向转换材料602。荷电粒子610 随后与转换材料602碰撞，产生光子612。光子612通过支撑604并且被光 子探测器606所探测。
虽然已经相对于测量荷电粒子描述了ET探测器的工作，但是ET探测 器还可以用于探测中性粒子，因为，通常撞击在转换材料602上的粒子不必 是荷电的以便产生光子。具体地，撞击在转换材料602上的来自样品180的 一次原子可以产生光子而被光子探测器606探测。光子探测器606可以是， 例如光电倍增管(PMT)、二极管、二极管阵列、或CCD相机。
ET探测器可以定位于相对于样品180的任何位置，以便探测中性或荷 电粒子。典型地，例如，ET探测器被定位于相邻于离子光学器件130的第 二透镜226。选择性地，ET探测器还可以被定位，使得其向样品180稍稍向 下倾斜(例如，以在图5中对于探测器150的描述相似的配置)。
在某些实施例中，ET探测器可以被定位于样品180的表面183附近。 这样的配置可以是期望的，例如，当寻求测量从表面183出现的来自样品180 的二次电子时(例如，在被透射通过样品180之后)。在这样的实施例中， ET探测器可以具有相似于在图5中的探测器160的配置的配置。
(ii)光子探测器
为了探测通过离子与样品180的相互作用所产生的光子，例如PMT的 标准光子探测器可以被使用。如果从样品180发出的光通量足够大，则可以 使用灵敏度较低的光子探测器，例如二极管、二极管阵列、和CCD相机。
在一些实施例中，光子探测器还可以包括各种可以被配置的光学元件， 例如，以便隔离所关注的特定的光信号与其它光信号。例如，在某些实施例 中，光子探测器可以包括例如滤波器的光学元件，以便在从样品180发出的 光子信号中选择特定的波带，这可以提供关于样品180的材料成份的信息。 滤光器可以，例如，遮挡不期望波长的光子(例如，通过吸收不期望波长的 光子，通过反射不期望的波长的光子，通过偏转不期望的波长的光子)。在 一些实施例中，光学元件可以通过空间上发散不同的波长而提供频谱解析 (例如，测量由样品180所产生的光谱)，(例如，比如一或更多光栅的衍射 元件，和/或比如一或更多棱镜的折射元件，和/或一或更多提供光子的波长 解析探测的光谱仪系统)。在一些实施例中，光子探测器可以包括比如波板 和/或偏振器的偏振操纵元件。这些偏振操纵元件可以被配置，以便允许仅具 有被选择的偏振状态的光子到达PMT，例如，允许从样品180发出的光信 号的偏振选择探测(例如，为了辅助确定样品180的晶向信息)。在某些实 施例中，光子探测器还可以包括例如镜子、透镜、分束器的光学元件和用于 重新定向和操纵入射光子(例如，为了增加被探测的光子的立体角)的其它 元件。
通常，光子探测器可以被定位，以便在与样品180的任何期望的角度和 距离探测光子。例如，在某些实施例中，光子探测器可以被定位，以便探测 从表面181(离子束192被入射的样品180的表面)发出的光子，或从表面 183(与离子束192被入射的表面相对的样品180的表面)发出的光子。选 择性地，多个光子探测器可以被使用和配置，以便从样品180的表面181(离 子束撞击的表面)，183(与离子束撞击的相对侧的表面)和/或其它表面探测 光子。
对于一些样品，光子根据在样品180中出现的光学过程的选择规则而在 特定方向被散射，并且来自样品180的光子产率的角度解析测量可以提供， 例如，关于样品180的材料成份信息。
(iii)微通道板探测器
在一些实施例中，微通道板探测器可以用于放大来自样品180的二次电 子、中性原子、或离子的流。微通道板典型地由例如熔融石英的材料形成， 并且通常包括以阵列形式布置的大量小直径的通道。粒子进入单独的通道并 且与通道壁碰撞，产生自由电子。典型地，在粒子(中性原子、离子、或电 子)与通道壁的碰撞时产生了多个自由电子。结果，对应于输入粒子信号的 放大的级连电子信号离开微通道板。
微通道板基探测器(其可以包括一或更多的微通道板)可以被配置，以 探测来自样品180的离子、二次电子、和/或中性原子。从样品180形成的中 性粒子，和/或离子(例如二次离子和原子，散射离子和一次原子)通常离开 样品180的表面181(离子束撞击的表面)。因而，配置得测量来自样品180 的中性粒子和/或离子的微通道板基探测器通常位于相似于在图1和5中所描 述的探测器150的位置的位置。但是，在某些实施例中，中性粒子和/或离子 (例如透射的离子)可以被研究。在这样的实施例中，微通道板基探测器可 以位于相似于在图1和5中的探测器160的位置的位置。二次电子可以或者 从样品180的表面181(离子束撞击的表面)或者从样品180的表面183(离 子束撞击的对侧的表面)被探测，并且被配置得探测来自样品180的二次电 子的微通道板基探测器位于与在图1和5中所描述的探测器150和/或160 的位置相似的位置。
微通道板放大输入粒子信号并且转换输入信号为输出电子信号。为了视 觉化输出电子信号，微通道板基探测器还可以包括转换材料、屏幕、光子探 测器(见上面的描述)。
在一些实施例中，微通道板被直接固定于离子光学器件130的元件。图 19示出了直接安装于第二透镜226的微通道板探测器620的截面图。第二透 镜226具有圆锥形状，具有平坦的下表面622。探测器620直接安装于表面 622。当样品180被暴露于离子束192时，来自样品180的离子、二次电子、 和/或中性原子(共同地由箭头624指示)可以被微通道板探测器620所探测。 探测器620记录与被探测的粒子流成比例的电流，其可以被传送至电子控制 系统170。
(iv)转换板
在一些实施例中，转换板可以被用于探测来自样品180的离子(例如， 散射离子，二次离子)或来自样品180的中性粒子(例如，一次中性He原 子)。典型地，转换板可以由薄箔材料形成，当被入射光子或原子撞击时， 具有高二次电子产率。这样的材料的实例是铂。二次电子产率产生容易被探 测的二次电子的丰度，例如，通过被配置的合适的电子探测器，例如，如探 测器150和/或160(图1和5)。
(v)通道倍增器探测器
通道倍增器探测器也可以用于探测离开样品180的例如电子、离子和中 性原子的粒子。通道倍增器探测器通过放大通过以结合微通道板探测器所描 述的相似的方式的多内部碰撞来放大粒子信号而工作。通过测量由通道倍增 器探测器输出的放大的粒子信号，来自样品180的相对弱的二次电子、离子、 或中性原子通量的测量是可能的(例如，使用电子控制系统170)。当测量来 自样品180的二次电子时，通道倍增器探测器可以定位于在图1和5中所描 述的探测器150和/或160相似的位置。典型地，对于来自样品180的离子和 /或中性粒子的测量，通道倍增器探测器定位于与图1和5中所描述的探测器 150的位置和/或160的位置相似的位置。
(vi)磷光体探测器
包括沉积于透明衬底顶上的磷光体材料的薄层的磷光体基探测器，和例 如CCD相机、PMT、或一或更多二极管的光子探测器，可以用于探测来自 样品180的电子、离子和/或中性粒子。粒子撞击磷光体层，从荧光体引起被 光子探测器所探测的光子的发射。磷光体基探测器可以被布置在与在图1和 5中所描述的探测器150和/或160的位置相似的位置，取决于被测量的粒子 的类型(见上述讨论)。
(vii)固态探测器
固态探测器可以用于探测来自样品180的二次电子、离子、和/或中性原 子。固态探测器可以由例如硅的材料，或掺杂的硅材料形成的传感器建造。 当入射粒子撞击传感器时，在传感器材料中产生电子-空穴对，产生可以被 电子控制系统170所探测的电流。由入射粒子所产生的电子-空穴对的数量， 并且因而所产生的电流的对应的大小，部分取决于粒子的能量。因而，固态 探测器可以对于粒子的能量测量尤其有用，当探测来自样品180的高能粒子 时(例如，散射的He离子和中性He原子)，这尤为有利。
(viii)闪烁体探测器
相似于磷光体基探测器，闪烁体基探测器包括响应被入射粒子(例如电 子、离子、或中性原子)撞击而产生光子的闪烁体材料。合适的闪烁体材料 包括，例如YAG和YAP。闪烁体基探测器中的光子产率取决于入射粒子的 能量。结果，闪烁体探测器可以对于粒子的能量测量尤其有用，当探测来自 样品180的高能粒子(例如，散射的He离子和中性He原子)时，这可以 尤为有利。
(ix)离子的能量探测器
各种不同的探测器和探测方法可以被实施，以便测量来自样品180的离 子的能量(例如，散射的He离子)。静电棱镜探测器，其中电和/或磁场被 用于偏转入射离子，其中偏转量取决于离子的能量，可以用于空间分离具有 不同能量的离子。磁棱镜探测器也可以用于根据离子的能量而空间分离离 子。上述任何合适的探测器(例如，微通道板，通道倍增器，和其它)可以 随后用于探测被偏转的离子。
四极探测器也可以被用于分析来自样品180的离子的能量。在四极探测 器中，四极内的射频(RP)场确保具有被选择的质量和能量的离子在四极内 沿直的，未被偏转的轨迹传播。具有不同质量和/或能量的离子在四极内沿弯 曲的轨迹传播。从四极分析器内离子的被偏转的位置，可以确定离子的能量。
在一些实施例中，通过沿离子的飞行路径并且在探测器前放置正偏置的 粒子选择器(例如，导电材料的丝网或网格，或圆柱型金属管或环)，而可 以确定离子能量。施加于粒子选择器601的电位的大小可以初始时非常高(例 如，确保避免来自样品180的离子通过其的值)，并且当使用合适的探测器 探测离子时(见上述讨论)，电位的大小可以被减小。作为粒子选择器上电 位偏置的大小的函数的到达探测器的离子的流可以被用于确定与离子能量 相关的信息。
(x)电子的能量探测器
各种不同的探测器和探测方法可以被实施，以便测量来自样品180的电 子的能量(例如，二次电子)。棱镜探测器可以用于空间分离具有不同能量 的电子，在棱镜探测器中，电和/或磁场被用于偏转入射电子，其中偏转量取 决于电子的能量，。磁棱镜探测器也可以用于空间分离具有不同能量的电子。 上述任何合适的探测器则可以用于探测被偏转的电子。
在一些实施例中，通过沿电子的飞行路径并且在探测器前放置负偏置的 粒子选择器(例如，导电材料的丝网或网格，或圆柱型金属管或环)而可以 确定电子能量。粒子选择器601的电位的大小可以初始时非常高(例如，确 保避免来自样品180的电子通过其的值)，并且当使用合适的探测器探测电 子时(见上述讨论)，电位的大小可以被减小。作为粒子选择器上电位偏置 的大小的函数的到达探测器的电子的流可以被用于确定电子能量的信息。
(xi)飞行时间探测器
上面公开的探测器还可以被配置，以便测量二次电子、离子、和中性原 子的飞行时间的信息。为了进行飞行时间探测，离子束192在脉冲模式工作。 例如，通过迅速地改变施加于一或两个偏转器220和222的电位，离子束192 可以被脉冲化。例如通过增加这些电位，离子束192可以从其在离子光学器 件130中的通常路径转向，使得离子束192临时被孔径224遮挡。如果随后 偏转器220和222的电位在被再次增加之前短时间恢复其正常值，则He离 子的脉冲可以被传送至样品180。
同时，探测器150和160可以同步于来自电子控制系统170的时钟信号， 电子控制系统170基于施加于偏转器220和/或222的电位的时间变化。结果， He离子脉冲发出和来自样品180的粒子的探测之间的时间间隔可以被精确 地测量。从关于离子光学器件130内的He离子脉冲的传播时间的已知信息， 样品180和探测器150和/或160之间被探测的粒子的飞行时间可以被确定。
(xii)角相关测量
除了测量来自样品180的粒子的相对丰度和能量之外，角相关散射信息 可以使用上面公开的探测器而获得。典型地，为了获得角相关信息，探测器 固定于允许探测器在样品180周围的立体角的整个范围内运动的支架(例如， 旋转支架)。在对应于特定立体角的相对于样品180的给定的取向，记录粒 子的丰度和/或能量测量。探测器顺序地在不同的立体角再定位并且重复进行 测量，以便确定所测量的量的角相关性。在一些实施例中，例如针孔的限制 孔径可以被放置在被散射的粒子的路径中的探测器前，以便进一步限制出现 来自样品180的粒子的测量的角度范围。
G.工作参数
离子束192在样品180的表面181上可以具有相对小的斑点尺寸。例如， 在一些实施例中，样品180的表面181上的离子束192的斑点尺寸可以具有 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)。在某些实施例中，样品180的表面181上离子束192的斑点尺寸可 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)。在一些实施例中，表面181上离子束192的斑点尺寸具有从0.05 至10nm的尺寸(例如，从0.1nm至10nm、0.2nm至10nm、0.25nm至3 nm、0.25nm至1nm，0.1nm至0.5nm、0.1nm至0.2nm)。如在此所使用 的，斑点尺寸如下参考图20A-20C所确定。由金形成并且具有从50nm至 2000nm尺寸的岛1700被布置在碳表面1710上。例如，通过在碳表面上金 的气相沉积而形成金岛。适于在此所描述的解析测量的包括沉积在碳上的金 岛的测量样品，可以在市场上从例如Structure Probe Inc.(West Chester，PA) 获得。离子显微镜工作，使得它移动离子束192线性地扫过金岛的一部分， 以及金岛一侧上的碳表面的该部分(箭头1730)。二次电子的强度作为离子 束的位置的函数被测量(图20C)。渐近线1740和1750被计算(或绘制)， 对应于碳和金的平均总丰度值，并且垂直线1760和1770被计算(或绘制)， 分别对应于总丰度是渐近线1740和1750的之间的丰度差的25％和75％的 位置。离子显微镜200的斑点尺寸是线1760和1770之间的距离。
通常，样品180的表面181的离子束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，在一些实施例中，样品180的表面181处的离子束192的流是从0.1fA 至1nA(例如，从10fA至100pA，从100fA至50pA)。在某些实施例中， 当成像样品时可以期望使用相对低的束流。例如，在一些生物学和/或药物学 应用中，为了在样品中成像，使用低流可能更为重要(例如，为了减小损伤 样品的可能性)。在这样的实施例中，一个流可以被用于制备使用的气体场 离子显微镜(例如，10fA或更大的流)，并且不同的流可以用于成像样品(例 如，小于1fA的流，例如0.1fA)。
通常，离子束192具有在样品180的表面181处5eV或更小的能量扩 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)。在一些实施例中，离子束192具有在样品180的表面181处0.1eV 或更大的能量扩展度(例如，0.2eV或更大、0.3eV或更大、0.4eV或更大)。 例如，离子束192可以具有在样品180的表面181处从0.1eV至5eV的能 量扩展度(例如，从0.1eV至3eV，从0.1eV至1eV)。
离子束192在样品180的表面181处可以具有相对高的亮度。例如，离 子束192在样品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)。在一些实施例中，可以通 过增加相邻于尖端186的气体压力和/或减小尖端186的温度而增加亮度。如 在此所述，离子束的亮度如下测量。离子束192中离子轨迹的分布的FWHM 在提取器190和第一透镜216之间的间隔的区域中被在x和y两个方向确定 -在该区域净电场相对小并且离子轨迹接近于直线。落在x和y两个方向的 FWHM宽度内的总共100个离子轨迹从离子束192中的离子轨迹分布被随 机选择。各个100个离子轨迹接近于直线，并且被投射回尖端顶点187。在 沿z轴的特定点zt的轨迹的空间范围通过在平行于x-y平面并且通过点zt的 Zt平面中，构造包围所有向回传播的轨迹与平面Zt的交叉点的最小直径的圆 来评估。最小直径的圆的直径是ds。典型地，对于越接近于尖端顶点187的 点zt，ds越小并且对于越接近于样品180的点zt，ds越大。在特定的点zt＝Z0， ds是最小值d0。即平行于x-y平面的平面中轨迹的空间范围最小。在点Z0 的最小直径的圆的直径d0被称为显微镜系统200的虚源尺寸。接着，测量提 取器190和第一透镜216之间的离子束192的FWHM区中离子束192的发 散和束流，如上面所讨论的。最后，亮度被计算为束流除以虚源尺寸和离子 束192的立体发散角的乘积。
离子束192在样品180的表面181可以具有相对高的减小的亮度。例如， 离子束192在样品180的表面181可以具有5×108A/m2srV或更大的减小的 亮度(例如，1×109A/m2srV或更大、1×1010A/m2srV或更大)。如在此所称， 离子束的减小的亮度是在束流被测量的位置、离子束的亮度除以离子束中的 离子的平均能量。
离子束192在提取器190的远端193可以具有相对低的etendue。例如， 离子束192在提取器190的远端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，离子束的etendue被计算为亮度的倒数 和束流的数学乘积。
离子束192在提取器190的远端193可以具有相对低的减小的etendue。 例如，离子束192在提取器190的远端193可以具有1×10-16cm sr或更小的 减小的etendue(例如，1×10-17cm2sr或更小、1×10-18cm2sr或更小、1×10-19 cm2sr或更小)。离子束的减小的etendue是在束流被测量的位置、离子束的 etendue和离子束中离子的平均能量电荷比(energy-to-charge)的乘积。
离子束192相对于样品180的表面181可以具有相对低的角会聚。例如， 在一些实施例中，离子束192的会聚的半角可以是5mrad或更小(例如，1 mrad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，离子束的会聚半角如下确定。包括在碳衬底顶上的金岛的样品， 如上面所描述的，被安装在离子显微镜200中并且在z方向平移，使得离子 束192的焦点的位置位于，尽可能地靠近沿金岛的直径的最高高度的点。离 子束192随后沿金岛的直径被直线平移并且离子束的聚焦的斑点的尺寸sf 被测量，如上面所描述的。样品随后在+z方向被平移，距离子光学器件130 离开sz＝1μm，并且离子束192沿金岛的相同的直径被线性平移，以便测量离 子束192的散焦斑点尺寸sd。随后会聚角η可以从聚焦和散焦的斑点尺寸、 以及平移距离的测量用三角学方法确定为，
离子显微镜200的会聚半角是η/2。
离子显微镜200可以是高可靠性的。举例而言，在一些实施例中，He 离子源(尖端186、提取器190和选择性的抑制器188)能够持续地与气体 原子相互作用，以便在一周或更长的时间周期产生离子束(例如，2周或更 长、一个月或更长、两个月或更长)，没有从系统去除尖端186。在一些实施 例中，在He离子源持续地与气体原子相互作用产生离子束的时间周期期间， 在样品180的表面181的离子束192的流变化了10％或更小(例如，5％或 更小、1％或更小)每分钟。
作为另一实例，在一些实施例中，气体场离子源(尖端186，提取器190 和选择性的抑制器188)能够持续地与气体原子相互作用，以便在一周或更 长的时间周期产生离子束(例如，2周或更长、一个月或更长、两个月或更 长)，总的中断时间为10小时或更短(例如，5小时或更短、2小时或更短、 1小时或更短)。在这样的实施例中，气体场离子源可以与气体原子相互作用 以便在整个时间周期持续地产生离子束(对应于零小时的总中断时间)，但 这不是必需的。例如，在时间周期期间，可以存在气体场离子显微镜不与气 体原子相互作用产生离子束的时间。这样的时间周期对应于中断时间。在该 时间周期中，这样的中断时间可以出现一次或多于一次(例如，2次、3次、 4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次)。中断可以是由于例如，计划维 修，意外的维修，和/或换班之间的停机(例如，通宵停机)。在该时间周期 期间，中断时间的总和是总中断时间。举例而言，如果在时间周期期间有3 次中断，每次1小时，则总中断时间是3小时。作为另一实例，如果在时间 周期期间仅有1次中断并且是3小时长，则总中断时间是3小时。作为又一 实例，如果在时间周期期间有2次中断，第一次中断的时间是1小时并且第 二次中断的时间是2小时，则总中断时间是3小时。在一些实施例中，对于 在时间周期期间当气体长离子源与气体原子相互作用产生离子束的那些时 间，在样品180的表面181离子束192的流变化了10％或更小(例如，5％ 或更小、1％或更小)每分钟。
离子显微镜200可以具有相对良好的分辨率。例如，在一些实施例中， 离子显微镜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)。在某些实施例中，离子显微镜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)。在一些实施例中，离子显微镜200的分辨率可以是从0.05nm至 10nm(例如，从0.1nm至10nm、从0.2nm至10nm、从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， 离子束的分辨率是指从使用离子显微镜获得的图像可以被可靠地测量的最 小特征的尺寸。特征的尺寸被可靠地测量，如果从在相似条件下获得的特征 的10个图像，它可以在特征的实际尺寸的10％或更小的误差内被确定，并 且具有小于特征的实际尺寸的小于5％的被测量尺寸的标准偏差。
离子显微镜200可以被用于在相对短的时间周期中摄取良好质量的图 像。例如，离子显微镜200可以具有0.25或更大的品质因数(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，品质 因数如下确定。一平坦的样品(其一半由硅(Si)形成并且另一半由铜(Cu) 形成，具有材料之间的为横过样品的直线的边界)被定位使得边界平行于y 轴被取向。样品通过再划分样品的表面为512像素乘512像素的x-y阵列而 被逐像素地成像。测量期间每个像素的驻留时间是100ns。来自样品的二次 电子的总丰度被测量为样品的表面上的离子束的位置的函数。对于对应于样 品中的Si的图像像素，确定了平均像素强度G1，以及来自Si像素强度分布 的标准偏差SD1。对于对应于样品中的Cu的图像像素，确定了平均像素强 度G2，以及来自Cu像素强度分布的标准偏差SD2。品质因数根据下列方程 计算：
当被暴露于离子束192时，样品180的表面181可以经历相对小的损伤。 例如，根据损伤试验，样品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，损伤试验如下进行。当使用10pA的样品的离子束流和10nm或更小的 样品的离子束的斑点尺寸，将离子束逐像素地栅扫描过样品的表面时，4平 方μm视场的原子级平坦硅(99.99％纯度)样品被成像120秒。为了栅扫描 的目的，4平方μm的视场被分解为512像素乘512像素的像素阵列。损伤 试验的值对应于损伤试验导致的蚀刻入硅样品的成像部分的最大距离。
离子显微镜200可以具有相对大的聚焦深度。例如，在一些实施例中， 离子显微镜200的聚焦深度可以是5nm或更大(例如，10nm或更大、100 nm或更大、1μm或更大)，和/或200μm或更小(例如，100μm或更小、 10μm或更小)，在一些实施例值，离子显微镜200的聚焦深度可以从200μm 至5nm(例如，从500μm至5nm、从1mm至5nm)。如在此所使用的， 离子束的聚焦深度以如下方式被测量。包括在碳衬底上形成的金岛的样品 (如先前结合He离子束斑点尺寸的测量所讨论的)被插入He离子显微镜， 并且如上所述进行He离子束斑点尺寸的测量。样品的沿z轴位置重复地调 整，使得产生最小的He离子束斑点尺寸的样品的位置被确定。该沿z轴的 位置被称为zf。He离子束在zf的斑点尺寸被称为ssf。样品随后沿-z方向相 对于zf以增量平移。在连续地增量平移之后，进行He离子束的斑点尺寸的 测量(在用于确定zf的样品上的相同位置)。当被测量的He离子束斑点尺寸 是2ssf时，样品的平移被停止。该沿z轴的样品的位置被称为zu。然后，样 品沿+z方向相对于zu以增量平移，并且通过点zf。在连续地增量平移之后， 进行He离子束的斑点尺寸的测量(在用于确定zf的样品上的相同位置)。当 被测量的He离子束斑点尺寸是2ssf时，样品的平移被停止。该沿z轴的样 品的位置被称为zl。He离子显微镜的焦点深度df由df＝|zl-zu|计算。
在一些实施例中，如在此所公开的气体场离子显微镜(例如，He离子 显微镜)可以被用于辨别具有非常接近的原子量(Z值)的样品中的元素， 使用例如二次电子产率，散射离子丰度，和/或角度解析和能量解析的散射离 子的探测。例如，在某些实施例中，气体场离子显微镜可以用于辨别具有原 子量(Z值)仅差别1的元素。
在某些实施例中，如在此所公开的气体场离子显微镜(例如，He离子 显微镜)可以用于辨别具有非常接近的质量的样品中的元素，例如，使用二 次电子产率，散射离子丰度，和/或角度解析和能量解析的散射离子的探测。 在某些实施例中，气体场离子显微镜可以用于辨别具有仅差别1原子质量单 位或更小的质量单位(例如，0.9原子质量单位或更小、0.8原子质量单位或 更小、0.7原子质量单位或更小、0.6原子质量单位或更小、0.5原子质量单 位或更小、0.4原子质量单位或更小、0.3原子质量单位或更小、0.2原子质 量单位或更小、0.1原子质量单位或更小)的质量的元素。在一些实施例中， 样品可以具有由具有不同平均质量的材料(例如合金)形成的畴。在这样的 实施例中，气体场离子显微镜可以，例如，被用于辨别具有仅差别1原子质 量单位或更小的质量单位(例如，0.9原子质量单位或更小、0.8原子质量单 位或更小、0.7原子质量单位或更小、0.6原子质量单位或更小、0.5原子质 量单位或更小、0.4原子质量单位或更小、0.3原子质量单位或更小、0.2原 子质量单位或更小、0.1原子质量单位或更小)的质量的材料的畴。
H.选择性特征
(i)高效气体使用
在一些实施例中，对于尖端206的更为集中的He气体的传送可以增加 显微镜系统200内的He气体的利用效率。典型地，未被离子化的He气体 原子可以进入离子光学器件130，这可以增加离子束192中的离子的能量分 布的宽度。另外，低能量的未被离子化的He气体原子可以参加与高能量He 离子的电荷交换相互作用，这也可以增加离子束192中的离子的能量分布的 宽度。
因而，在一些实施例中，气体传送系统可以被设计为以更为对准目标的 方式提供气体(例如He气体)至气体场离子源120的尖端186，并且以更 为有效的方式从系统去除未使用的气体(例如，未被离子化的He气体)。例 如，图21时包括气体源110和真空泵734的气体场离子显微镜的部分的示 意图。气体源110包括长度q并且直径n、终止于传送喷嘴736的传送管730， 并且真空泵734包括入口部732。喷嘴736定位于距离尖端186的顶点187 的距离g，并且入口部732定位于距离尖端186的顶点187的距离l。
在一些实施例中，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、5 mm或更大、6mm或更大)。例如，g可以是从3mm值10mm(例如，从4 mm至9mm，从5mm至8mm)。
在某些实施例中，l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，l是10mm 或更大(例如，20mm或更大、30mm或更大、40mm或更大)。例如，l 可以是从10mm至100mm(例如，从30mm至100mm、从40mm至80mm)。
在一些实施例中，在尖端186的顶点187的位置He气体的局部压力是 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)。同时，相对于采用He气背景引入的系统， 显微镜系统中的He气的整体压力可以被减小。例如，显微镜系统200中的 整体He压力可以是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)。
在一些实施例中，距离l和入口部732的截面面积被选择，使得真空泵 734俘获显微镜系统200的特定立体角内的未被离子化的He原子。例如， 对于定位于尖端186的顶点187的He原子，由入口732对向的立体角是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，传送管703的长度q与管730的直径n的比率可以被选择，以便 控制被传送至尖端186的He气原子的轨迹的分布。例如，在一些实施例中， 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)。在某些实施例中，q/n 比可以在3和10之间(例如，3和9之间、4和9之间、4和8之间、5和8 之间、5和7之间)。
在一些实施例中，气体传送系统可以包括多于一个传送管和喷嘴。例如， 在某些实施例中，气体传送系统可以包括2个或更多的气体传送管(例如， 3个或更多、4个或更多、5个或更多、6个或更多)。多个气体传送管的每 个可以被定位以便以相对定向的方式传送He气至尖端186。作为使用多个 气体传送管的结果，可以进一步增加在尖端186的顶点187的位置的He气 的局部压力。一或更多的真空泵可以被用于从显微镜系统200去除未被离子 化的He气。
在一些实施例中，气体传送管730可以被引入气体的其它器件。例如， 在某些实施例中，为了提取器190和/或抑制器188中的气体传送，气体传送 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)。在一些实施例中，用于气体传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)可以被设置于支撑 尖端186的支柱中(例如，支柱522a/b和522)。举例而言，在某些实施例 中，提取器190可以包括用对于尖端186的气体传送的4个通路。通路可以 被相等地分隔并且沿提取器190的周边被径向地布置，使得各通路的开口直 接面对尖端186。各通路的长度对直径比可以是相同的或不同的。
通过将气体传送管引入气体显微镜200的其他元件可以实现许多优点。 例如，使用放置得用于气体传送的接近尖端186的金属管730可以干扰尖端 186附近的电场。将气体传送管引入显微镜系统的其他元件可以消除这样的 干扰。作为另一实例，尖端186附近的空间区典型地与操作显微镜系统200 的电极和其它装置拥挤。通过将气体传送管730引入系统的其它元件，可以 减小尖端186附近的拥挤。
在一些实施例中，经由传送管730所传送的He气可以被预冷却，使得 当进入显微镜系统200时其接近于尖端186的工作温度。例如，传送管730 的一部分可以被放置得与用于冷却尖端186的冷却剂(例如液氮)的供给容 器接触。作为该热接触的结果，通过管730传送的He气的被冷却至与被引 入定位尖端186的腔室之前的尖端186大致相同温度。
(ii)表面电荷中和
通常，当He离子入射至样品的表面上时，二次电子离开样品。许多二 次电子离开样品，导致表面具有净的正电荷。样品的表面上的过量的正电荷 可以产生许多不期望的效应。在一些实施例中，样品的材料可以被正电荷所 损坏。例如，某些材料是电荷敏感性的，并且在过量的正(或负)电荷存在 下可以剧烈地反应(例如，爆炸)。
在某些实施例中，样品的表面的正荷电可以限制探测器探测由于离子束 与样品相互作用而离开样品的二次电子的能力。例如，样品表面的正电荷和 二次电子之间的吸引力可以减速电子，避免电子到达探测器。
在一些实施例中，样品表面的正荷电可以引起不精确的离子束栅扫描。 由样品的表面的正电荷所产生的电场引起的入射的离子束的偏转和减速可 以减小入射离子的能量，并且以难于预计的方式改变其轨迹。
如果样品的表面上的净正电荷变得足够大，则样品的表面可以起He离 子的静电镜的作用，在He离子到达样品的表面之前，偏转He离子从样品 的表面离开。
能够传送电子流至样品的表面的读数电子枪可以被用于抵消表面荷电 效应。图22示出了包括配置得传送电子束842至样品180的表面181的读 数电子枪840的气体场离子显微镜的部分，当He离子束192被入射于表面 181上时。表面181上的电子流可以，通常被控制，使得表面荷电效应被电 子束842平衡至希望的程度。
虽然图22描述了离子束192和电子束842同时撞击在样品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离子束 192之前，读数电子枪840可以被配置，以便传送电子束842至样品180， 从而在样品180的表面下区中产生电荷层846(图23)。层846具有表面181 下的平均深度m，并且层846具有在垂直于表面181的方向测量的厚度r。 通常，深度m和厚度r，以及层846中的电子的密度，可以通过电子束842 中的电子的能量，电子束842中的电子相对于表面181的入射角，和传送至 样品180的总的电子剂量所控制。
在一些实施例中，当入射在表面181上时，电子束842中的电子的平均 能量是可调整的。例如，电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，当入射在表面181上时，电子束842中的电子的平均能量 可以是从500eV至20keV(例如，从1keV至15keV、从2keV至10keV)。
电子束842中的电子相对于表面181的入射角δ对应于电子束842的主 轨迹850和表面181的法线848之间的角度。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可以是从0°至70°(例如，从0°至10°，从40°至60°).
在某些实施例中，传送至样品180的电子的总流是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，传送 至样品180的电子的总流可以是从10pA至1μA(例如，从100pA至100nA， 从1nA至10nA)。
在一些实施例中，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可以是从10nm至500nm(例 如，从25nm至500nm、从50nm至500nm、从75nm至400nm、从100nm 至400nm)。
在某些实施例中，多个读数电子枪可以被使用。例如，在一些实施例中， 不同的读数电子枪可以被用于将表面181的不同的部分暴露于电子。在某些 实施例中，每个读数电子枪可以被用于将表面181的相同的部分暴露于电子。 选择性地，不同的读数电子枪可以在不同的时间工作。例如，一或更多的读 数电子枪可以被用于在表面181被暴露于He离子之前将表面181暴露于电 子(例如，为了形成表面下电荷层)，而一或更多的不同的读数电子枪可以 被用于在表面181也被暴露于He离子时将表面181暴露于电子。在一些实 施例中，所有的读数电子枪可以被用于在表面181被暴露于He离子之前将 表面181暴露于电子(例如，为了形成表面下电荷层)，而在某些实施例中 所有的读数电子枪可以用于当表面181也被暴露于He离子时将表面181暴 露于电子。其它的组合也可以被使用。
虽然已经描述了其中使用读数电子枪可以实现表面电荷中和的实施例， 但是表面电荷的中和还可以使用集电极以收集被发射出的二次电子并且将 其返还至样品的表面从而减小表面的净正电荷来实现。参考图24，集电极 852经由导体854被连接至样品180。当样品180被暴露于He离子束192时， 从样品180的表面181发射出的二次电子(被箭头856所代表)入射到集电 极852上。电子856随后经由导体854被传送回表面181从而减小了表面181 的正电荷。另外的集电极852可以被连接至样品180以便提供进一步的表面 电荷中和。
在某些实施例中，可以使用一或更多的集电极和一或更多的读数电子枪 的组合。例如，一或更多的读数电子枪可以用于在表面181被暴露于He离 子之前将样品180的表面181暴露于电子(例如，为了形成表面下电荷层)， 并且一或更多的集电极可以被用于当表面181被暴露于He离子时中和表面 181的电荷。其它的组合也是可能的。
在一些实施例中，读数电子枪840可以被配置，以便传送非常低的能量 的电子束842至样品180。例如，束842中的电子可以具有大约50eV或更 小的平均能量。低能量的电子具有低着陆(landing)能量，并且这限制了可 以积聚在表面181上的负电荷的量。例如，如果电子束842中的平均电子能 量是50eV，一旦样品180充电至相对于公共地的-50eV的电位，则来自读 数电子枪840的电子不再着陆于样品的表面上。结果，通过调整来自读数电 子枪840的低能电子的能量，样品180的表面181上最大积聚的负电荷可以 被控制。该方法可以被用于成像非导电材料，而没有在非导电材料的顶部沉 积导电材料层以便避免非导电材料的荷电。该方法的实例在图25中被示出。 离子束192被入射在样品180的表面181上，样品180是具有相对低的电导 率的介电材料(例如，样品180不是金属)。样品180被样品操纵器140所 支撑，样品操纵器140被偏置为相对于显微镜系统200的公共外接地-600V 的电位。施加于操纵器140的电位在样品180的表面181产生电场。读数电 子枪840被配置，以便将包括具有500eV的平均能量的电子的电子束传送 至碰撞离子束192附近的表面181。最初，由于施加于操纵器140的偏压所 引起的表面181的电场导致来自读数电子枪840的电子沿例如843a和843b 的轨迹而偏转-电子不着陆于表面181上。但是，随着由于He离子的入射 正电荷积聚在表面181上，样品180变得正荷电，减小了被来自读数电子枪 840所经历的电场强度。当样品180的表面181上的电荷积聚至在表面的有 效偏压达到相对于公共地的-500V的点时，来自读数电子枪840的电子可以 着陆在表面181上并且中和其上的正电荷，遵循例如843c的轨迹。结果， 通过控制施加于操纵器140的偏压和由读数电子枪840所传送的电子的能 量，在样品180上的正电荷积聚可以被控制。样品180，非导电材料，可以 因而被成像而没有表面电荷的积聚，否则由于表面荷电所导致的电压对比效 应，表面电荷的积聚可以导致不期望的图像对比。非导电和半导体材料的图 像可以被获得而无需在样品上沉积导电材料的层作为电荷耗散层。
在一些实施例中，读数电子枪840可以被配置，以便传送电子至具有负 着陆能量的样品180，即，在样品表面上没有正电荷存在时，电子根本不着 陆于表面181上。当由于入射He离子样品180获得表面电荷时，来自读数 电子枪840的电子开始着陆于表面181上，中和正电荷。结果，样品180的 表面181保持在几乎未荷电的状态。
在一些实施例中，转换表面可以被用于产生二次电子，这可以随后被用 于中和积聚在样品180的表面181的正电荷。例如，由具有高二次电荷产率 的材料(例如，铂)形成的转换表面可以被定位于接近于样品180。高能He 离子和/或中性原子，离开样品180，可以撞击转换表面，产生二次电子。所 产生的二次电子由于在样品180上积聚的正表面电荷而经历吸引力。结果， 二次电子着陆于样品表面上，中和正电荷并且减小由于表面电荷所引起的电 场。结果，当存在较大的表面正电荷的积聚时，二次电子被更强烈地吸引至 样品180的表面。这提供了减小表面电荷的自调节机制。
在一些实施例中，转换板可以被直接安装于离子光学器件130的元件， 以便提供样品180的表面电荷中和的二次电子。例如，在图26中，转换板 845被贴附在第二透镜226的表面。来自读数电子枪840的电子842被导向 入射于转换板上，转换板由具有高二次电子产率的材料形成。He离子束192 被入射于样品180的表面181上并且，随着时间的过去，正电荷积聚在表面 181上离子束192被入射的区中。从转换板845所产生的二次电子847被吸 引至具有过量正电荷的表面区并且着陆于这些区，中和过量的正电荷。一旦 过量的表面电荷被消除，则更多的二次电子不再着陆于表面181上。结果， 表面181可以被保持在准中性状态。
通常，读数电子枪840可以被配置得或者连续或者间歇地工作。具体地， 在间歇工作期间，读数电子枪840可以以期望的速率打开和关闭。例如，在 一些实施例中，读数电子枪840可以被打开和关闭，以便以像素曝光速率提 供样品180的电荷中和。离子束192可以以分立的步骤栅扫描过样品180的 表面，以便暴露样品表面的连续的部分。在各部分被暴露之后，读数电子枪 840可以被用于中和被暴露的区中的表面电荷。这对应于以像素曝光速率的 电荷中和。替代地，或添加地，读数电子枪840可以用于以线扫描速率(例 如，在样品180的分立部分的整个线被暴露于离子束192之后)，和/或以帧 速率(例如，在样品180的分立部分的整个二维区被暴露于离子束192之后) 进行中和。
在一些实施例中，读数电子枪840可以被用于改善来自样品180的二次 电子的探测的容易性。例如，读数电子枪840可以被用于将电荷层(例如电 荷层846)嵌入样品180的体区内。被嵌入的负电荷层引起样品180的表面 181的电场。由于样品180与入射离子束192的相互作用产生的离开样品180 的二次电子由于被电荷层846所产生的电场而加速离开样品180，使得通过 合适地配置的探测器的二次电子的探测变得相对更为容易。
在图27A和27B中示意性地示出了使用负电荷的被嵌入的层的使用的 实例。在图27A中，离子束192被入射于样品180的表面181上。多个二次 电子2012被产生在样品180的开始的几个纳米内。首先，许多二次电子作 为自由电子2014而逃逸，自由电子2014可以被合适地配置的探测器所探测。 但是随着时间的过去，入射He离子注入样品180内，形成样品180内正荷 电层2010。随着在层2010内净正电荷的增加，二次电子2012向层2010被 增加地吸引，并且越来越少的二次电子201作为自由电子2014逃逸样品180。 结果，通过二次电子的探测的样品180的成像可以变得越来越困难。
在图27B中示出了该问题的解决方案。在图27B中所示出的实施例中， 读数电子枪840(未示出)被用于嵌入负电荷的层2016(例如电子)于样品 180内。被嵌入的负电荷的层相似于图23中的层846。由于层2016，在样品 180中所产生的二次电子2021被加速离开样品180，导致逃逸样品180的所 产生的二次电子2014的数量的增加，并且因而提高了来自样品的被探测的 二次电子信号。实际上，层2016作为二次电子的静电镜，提高了其可探测 性。
通常，读数电子枪840可以被用于在分析样品之前在样品中植入电子， 和/或读数电子枪840可以在成像样品时被用于在样品中注入电子。在一些实 施例中，样品可以以间隔(例如，规则的间隔)被暴露于来自读数电子枪840 的电子。这可以，例如，辅助保持相对一致的电荷水平。例如，样品可以对 应于每像素驻留时间的时间周期(例如，100ns)被暴露于来自读数电子枪 840的电子。
(iii)振动解耦
由于真空泵、各种运动部件、和背景声扰动所引起的机械振动可以影响 气体场离子显微镜系统200的某些性能参数(例如，图像分辨率、在样品180 的离子束斑点尺寸、稳定性)。在一些实施例中，样品操纵器140可以被配 置，以便解耦样品180与其它系统200的部件，由此减小外部机械扰动的影 响。图28示出了包括被致动器908所支撑的引导针906的振动解耦样品操 纵器140，针906和致动器908分别位于台904内。支撑盘902被定位于台 904的顶部，并且支撑样品180的摩擦多脚架900被放置在盘902顶部。
为了在x-y平面中移动样品180，致动器908从电子控制系统170接收 合适的信号并且开动引导针906。响应于来自致动器908的信号，引导针906 轻推样品180和/或多脚架900，引起在x-y平面中的平移。
引导针906在其顶点的宽度j典型地被选择为稍小于多脚架900中的孔 910的直径b。例如，j可以是1mm，并且b可以是1.1mm。另外，多脚架 900和盘902被选择，使得盘902和多脚架900之间的静摩擦力大，但是可 以通过引导针906由通过致动器908施加于样品180的力所克服。引导针906 由可以在被施加的应力下变形的机械顺应材料形成以便减小对于样品180的 振动传送，但是所述材料硬到足以对于样品180传送被致动器908所施加的 力。
作为这些系统参数的结果，耦合进入平台904的机械振动可以被部分吸 收并且被导向针906所消耗，使得多脚架900的振动很小或没有。另外，如 果导向针906不施加力至多脚架900，则导向针906优先靠着多脚架900边 滑动，而不是导致多脚架900的振动。
在一些实施例中，导向针906可以具有基本矩形截面的形状。当多脚架 900在x和/或y方向通过导向针906而平移时，矩形截面形状可以辅助确保 样品180和/或多脚架900的旋转不出现。如果样品操纵器140相对于离子光 学器件130的轴132倾斜(例如，使得离子束192以非垂直的角度入射在样 品180上)，则用于形成多脚架900和/或盘902的材料可以被选择，使得在 这些元件之间存在更高的静摩擦力。替代地，或附加地，在某些实施例中， 多脚架900和盘902可以被磁耦合，以便增加这些元件之间的静摩擦力。磁 场耦合可以被仔细地实施，以便确保磁场被局部化并且不干扰样品180或撞 击离子束192。
当针906不被致动时，导向针906可以被完全地与多脚架900脱离。例 如，导向针906对于多脚架900施加力，引起多脚架900和样品180在x-y 平面中平移之后，针906的小反冲运动可以由电子控制系统170引起，这引 入了导向针906和多脚架900之间的空间。结果，导向针906完全与多脚架 900脱离，并且避免了通过针906的对于多脚架900的机械振动的耦合。
图29描绘了显微镜系统的样品夹持组件1510。样品夹持组件1510减小 了轴承的使用并且帮助减小工作期间在样品中的低频机械振动。组件1510 包括具有插入样品的开口1512的体1511。体1511通过可调整的连接器1522 被连接至臂1518。臂1518使用夹钳1520支撑样品台1514。样品台1514包 括具有孔1524的表面盘1516。
组件1510可以被连接至离子显微镜，使得尖端186被指向样品台1514 上的孔1524。体1511可以由例如硬化钢、不锈钢、磷青铜、和钛的合适的 刚性材料形成。体1511可以被确定尺寸和形状，以便适应应用的具体需要。 举例而言，可以选择体1511的尺寸和形状用于在此所公开的显微镜系统。 在工作期间，样品可以通过开口1512被引入组件1510。
样品台1514通过连接至体1511的臂1518沿可调整的连接器1522支撑。 可调整连接器1522允许臂1518的垂直运动。臂1518和样品台1514可以在 垂直方向运动并且被锁在特定的位置。连接器1522可以被气动或真空控制， 使得臂1518和台1514可以被锁紧在期望的垂直位置。连接器1522可以选 择性地包括其它类型的连接器。
样品台1514使用夹钳1520被连接至臂1518。臂1518可以具有向内延 伸的轴，使得样品台1514的夹钳1520可以扣紧轴。夹钳1520可以被气动 或真空操作，使得台1514被倾斜。夹钳1520可以被控制，使得台1514被 倾斜至期望的位置。在一些实施例中，到达期望的位置之后，夹钳1520可 以被拉紧，使得样品台1514被锁紧在期望的倾斜位置中。
样品台1514还包括具有开口1524的表面盘1516。样品可以被放置在盘 1516上并且样品位置控制系统可以通过开口1524被引入以便移动盘1516 的平面上的样品。在某些实施例中，盘1516可以围绕其中心旋转以便按期 望旋转和移动位于盘的表面上的样品。盘1516可以由合适的刚性材料形成， 包括陶瓷、玻璃和聚合物。
图30描绘了显微镜系统的样品夹持组件。图30的样品夹持组件相似于 图29的样品夹持组件，具有放置于盘1516的表面上的多脚架1600。多脚架 1600可以具有允许其被定位于开口1524的顶上的支柱。选择性地，多脚架 1600可以具有在表面的部分上的开口。多脚架1600可以由合适的刚性材料 形成，包括陶瓷、玻璃和聚合物。
在显微镜系统200的工作期间，样品180可以在z方向上移动、倾斜， 在x-y平面内平移，和旋转。如果样品180被倾斜并且倾斜角(例如，离子 束192和样品180的表面的法线之间的角度)相对大，则被倾斜的样品可能 在显微镜系统200的整个视场上不聚焦。结果，在这些条件下获得的样品的 图像可以为焦点未对准并且在中心和垂直于倾斜轴之外的区模糊。
这些可以通过当将离子束192扫描过样品180的表面时改变透镜226的 焦距而被补偿。为了进行该修正，样品操纵器140可以传输样品180的倾斜 角信息至电子控制系统170。作为替代，倾斜角信息可以被系统操纵员通过 用户界面人工输入。电子控制系统170可以根据样品180的取向确定一组电 压修正，以便施加至第二透镜226，从而当将离子束扫描过倾斜的样品180 的表面时动态地改变透镜226的焦距。
另外，倾斜的样品的横向尺寸由于在平表面上的倾斜的样品的投影并且 由于对于光学器件130的距离的差异而被扭曲。例如，倾斜的样品表面的横 向尺寸可以展现比其实际值短，由于样品180相对于离子束192的取向。另 一实例是图像的梯形失真扭曲。效应是矩形特征被扭曲，使得矩形的图像在 其形状上展示梯形失真。
这些可以通过当将离子束192扫描过样品180的表面时，调整扫描偏转 器219和221的扫描振幅而被补偿。为了进行该修正，电子控制系统170可 以与上述相同的方式获得关于样品180的倾斜角的信息。电子控制系统170 可以根据样品180的倾斜确定施加于扫描偏转器219和221的扫描振幅的调 整，以便当将离子束192扫描过倾斜的样品180的表面时适应离子束的偏转， 以便获得倾斜的样品180的表面的未扭曲的图像。作为替代，这两个扭曲效 应可以通过扭曲的图像的数字操纵而被修正。
(iv)减小离子束中中性粒子和双荷电离子的存在
如上面所讨论的，中性粒子(例如，He原子)可以作为未离子化的中 性原子从气体场离子源120进入显微镜系统200的离子光学器件130。这样 的中性粒子可以负面地影响显微镜系统的性能。因而，在一些实施例中，期 望减小离子束192中的中性粒子的存在。双荷电He离子(He2+)也可以被 产生于气体场离子源120中，或者通过在尖端186的附近的He原子双离子 化，或者通过He离子之间的碰撞。双荷电He离子的聚焦特性与单荷电离 子的聚焦特性不同，并且在离子束192中存在的双荷电离子可以导致样品 180上较大的斑点尺寸和其它不期望的效应。
减小离子束192中的中性粒子的数量的一方法涉及减小中性粒子进入离 子束的概率。这样的方法可以涉及，例如，使用对于尖端186的定向气体传 送(见上面的讨论)以便减小在显微镜系统200中未被离子化的He气体原 子的总体存在。
减小离子束192中的中性粒子的数量的另一方法涉及在中性粒子存在于 离子束192中之后从离子束中去除中性粒子。该方法可以涉及使用静电透镜 元件来偏转离子，在离子光学器件130中空间分离离子和中性粒子。例如， 图31示出了其中偏转器220从离子光学器件130的纵轴132被偏置，并且 其中附加的偏转器223被布置的离子光学器件130。He离子束192包括He 离子192a和He原子192b。为了分离He离子192a和He原子192b，施加 于偏转器223的电位被调整，以便引起在x方向中He离子192a的偏转。 He原子192b未受偏转器223影响，并且因而未被偏转。He原子192b随后 被收集器1016所截取，收集器1016避免He原子192b穿过孔224。施加于 偏转器220和222的电位也被调整，使得He离子192a的轨迹与纵轴132重 新对准，并且He离子192a的一部分穿过孔224并且作为离子束192入射在 样品180的表面181上。
其它的技术也可以用于从离子束中去除中性粒子。典型地，这样的技术 涉及使用电和/或磁场偏转离子束中的离子，而不偏转中性粒子。在一些实施 例中，电和磁场的结合可以被使用，以便补偿从在离子光学器件130中的离 子偏转导致的离子的能量相关空间分离。另外，各种非对称离子柱几何形状 (例如，弯曲离子柱)可以被用于分离He原子和离子。
例如，在图32中，离子光学器件130的弯曲柱配置可以被用于分离He 原子、单荷电He离子、和双荷电He离子。离子束192进入光学器件130， 沿相对于离子光学器件130的轴132倾斜的方向传播。离子束192包括中性 He原子、He+离子、和He2+离子。电位被施加于偏转器223，偏转离子束192 中的He+离子，使得通过偏转器223之后，He+离子沿轴132传播，作为离 子束192a。但是，中性原子在穿过偏转器223时未被偏转。中性原子因而与 He+离子空间分离，提供被收集器1016b所截取的中性原子束192b。He2+离 子比He+离子偏转的程度更大，空间分离单和双荷电离子，并且提供He2+离 子的离子束192c。He2+离子束192c被收集器1016c所截取。结果，从离子 光学器件130出现的离子束192a基本上仅包括He+离子。
图33示出了分离He原子、He+离子、和He2+离子的离子光学系统的另 一实施例。在图33中示出的离子光学系统包括用于相互隔离He原子、He+ 离子、和He2+离子，并且对于粒子束不贡献棱镜类效应的电和磁场的无分散 的序列。离子光学系统包括3个偏转器223a、223b和223c的系列，3个偏 转器223a、223b和223c的系列被配置，以便偏转并且引导He+离子穿过离 子光学器件130，使得基本上仅包括He+离子的离子束192a自离子光学器件 130出现。中性原子束192b未被偏转并且在各偏转器之后的位置被收集器 1016b所截取。双荷电He离子比He+离子偏转得更大，并且多个He2+束192c 被收集器1016c所截取。结果，He原子、He+离子、和He2+离子被相互空间 上分开，并且He+离子被导向样品180，作为离子束192，而不期望的束成分 被遮挡在离子光学器件130中。
在一些实施例中，磁场的使用可以导致具有相同电荷，但是对应于由气 体源110引入的气体的不同同位素的离子束192的离子的轨迹的空间分离。 对于例如He的某些气体，这些气体具有占优势的自然出现的同位素(例如， 大于90％相对丰度)，由于磁场的分离效应典型地小。但是，对于具有2或 更多自然出现的同位素并且缺少占优势的同位素的其它气体，这样的效应可 以更大。结果，在某些实施例中，同位素分离器(例如，用于避免不期望的 同位素穿过离子光学器件130的长度的阻挡)可以被使用。在一些实施例中， 被用于遮挡中性原子或双荷电离子的收集器1016也可以用于遮挡离子束 192中不期望的同位素。
粒子的类型
离子束与样品的相互作用可以引起不同类型的粒子通过如下所述的各 种相互作用而离开表面。这样的粒子包括二次电子、俄歇电子、散射离子、 一次中性粒子、X射线光子、IR光子、可见光子、UV光子、二次离子和二 次中性粒子。一或更多类型的粒子可以被探测和分析，以便确定关于样品的 一或更多不同类型的信息。关于样品的这样类型的信息包括样品的表面的形 貌信息、样品的表面的材料成份信息、样品的表面下(sub-surface)区的材 料成份信息、样品的结晶信息、样品表面的电压对比信息、样品的表面下区 的电压对比信息、样品的磁信息、和样品的光学信息。如在此所使用的，术 语样品的表面是指直至5nm或更小的深度的体积。
A.二次电子
二次电子，如在此所述，是从样品核素发出并且具有小于50eV的能量 的电子。通常，二次电子从样品表面以多个角度和能量范围发出。但是，最 为关注的信息通常是二次电子的总丰度(与能量解析二次电子信息，或角度 解析二次电子信息相比)，因为如下面所解释的，二次电子的总丰度正是可 以提供关于样品表面的信息。
二次电子可以使用一或更多能够探测电子的合适的探测器(见上述关于 探测器的类型的讨论)而被探测。如果使用多个探测器，则所有探测器可以 都是相同类型的探测器，或者可以使用不同类型的探测器，并且通常可以按 期望被配置。探测器可以被配置，以便探测离开样品180的表面181(离子 束撞击的表面)，样品180的表面183(离子束撞击的对侧上的表面)或两者 (见上面关于探测器配置的讨论)的二次电子。
被探测的二次电子信号可以被用于形成样品的图像。通常，离子束在样 品的表面的视场上被栅扫描，并且在各光栅步骤(对应于图像中的单独的像 素)中的二次电子信号通过一或更多的探测器被测量。通常，各探测器保持 在相对于样品的固定的位置，当离子束在样品的表面的视场上被栅扫描时。 在某些实施例中，然而，一或更多的探测器可以相对于样品移动。例如，如 果单探测器被使用，则相对于样品移动探测器可以产生样品的角度相关信 息。
在某些实施例中，探测二次电子总丰度可以提供关于样品的形貌信息。 在表面上的给定位置的二次电子总丰度通常取决于在该点相对于离子束的 表面的斜度。通常，在相对于离子束的表面的斜度较大处(即，从表面法线 测量的离子束的入射角较大处)二次电子的总丰度较高。因而，作为样品表 面上离子束的位置的函数的二次电子总丰度的改变，可以与表面斜度的改变 相关，提供关于样品的表面的形貌的信息。
在一些实施例中，探测二次电子的总丰度可以产生关于样品的材料成份 信息(例如，元素信息，化学环境信息)。在这样的实施例中，信息主要涉 及样品的表面。通常，在给定的化学环境中的各元素或材料具有一特定的固 有二次电子产率。结果，在表面上给定位置的二次电子的总丰度通常取决于 在该位置存在的材料。因此，作为样品的表面上的离子束的位置的函数的二 次电子的总丰度的改变，可以与在样品的表面所存在的元素和/或材料相关， 提供样品表面的材料成份信息。在某些实施例中，样品中的具体材料可以根 据来自样品的二次电子产率的定量测量而被识别。例如，当在受控的条件下 被暴露于He离子束时，例如Al、Si、Ti、Fe、Ni、Pt和Au的材料具有已 知的二次电子产率。离子显微镜(例如，气体场粒子显微镜)可以根据对于 各种材料的已知的二次电子产率而被校准，以便识别被研究的样品中的各种 不同材料的存在和相对丰度。例如，在表I中示出了各种材料的二次电子产 率。在He离子束垂直入射，和21keV的平均离子能量下测量该产率。在非 垂直的入射角下，例如，在表I中所示出的产率典型地被对应于在样品的表 面上的离子束的入射角的正切的倍增因子所调整。其它的实验条件在下面所 述的对应的实例中描述。
表I
材料 Z M(amu) 二次电子的产率 铝 13 27.0 4.31 硅 14 28.1 2.38 钛 22 47.9 3.65 铁 26 55.8 3.55 镍 28 58.7 4.14 铜 29 63.4 3.23 铟 49 114.8 4.69 钨 74 183.8 2.69 铼 75 186.2 2.61 铂 78 195.1 7.85 金 79 197.0 4.17 铅 82 207.2 4.57
在某些实施例中，探测二次电子的总丰度可以产生电压对比信息，这又 可以提供关于样品的表面的元素和/或材料的导电特性和/或电位的信息。在 样品的表面上的给定位置的二次电子的总丰度通常取决于在样品的表面存 在的材料的电特性。通常，当被暴露于离子束时，随着时间的过去，导电性 较低的材料随着时间的过去趋向于变为正荷电，而当被暴露于离子束时，随 着时间的过去，导电性较高的材料随着时间的过去变为正荷电的趋势较低。 因而，例如，对于导电性较低的材料随着时间的过去，样品表面的给定位置 的二次电子总丰度趋向于减小(由于更多的表面荷电导致较少的二次电子逃 选样品)，而对于导电性较高的材料随着时间的过去样品表面的给定位置的 二次电子总丰度趋向于经历较小的减小(由于较少的表面荷电)。结果，作 为样品表面的离子束位置的函数的二次电子的总丰度的改变可以与该位置 的材料的导电性相关，提供样品表面的电压对比信息。
表面下电压对比效应可以由变得嵌入样品的表面下区内的He离子所提 供。如结合图27A和27B所描绘的，表面下He离子可以避免在样品中产生 的二次电子逃逸样品表面。因而，样品的二次电子的对比可以归因于由入射 的He离子引起的样品的表面下荷电。
由这些技术所提供的信息可以被用于半导体物品的离子束测试。例如， 电压对比测量可以用于确定，由于下述部分之间的电连接的存在或不存在， 当被暴露于离子束时电子装置和/或电路的部分是否处于不同的电位，并且因 而所述装置和/或电路是否正确地工作。
在一些实施例中，探测二次电子的总丰度可以提供样品的结晶信息。二 次电子的总丰度可以根据离子束是否与样品的晶体结构对准而改变(例如， 平行于描述晶格的单位矢量之一对准)。如果离子束与样品的晶体结构对准， 则离子束中的离子可以通常贯穿进入样品内的给定的距离而不与样品原子 碰撞的概率(通常称为隧穿)相对高，导致较低的二次电子的总丰度。如果， 另一方面，离子束未与晶体结构对准，则离子束中的离子可以通常贯穿进入 样品内的给定的距离而不与样品原子碰撞的概率相对低，导致较高的二次电 子的总丰度。因而，作为样品表面离子束位置的函数的二次电子的总丰度的 改变可以与该位置的材料的结晶信息而相关。例如，可以存在样品表面的区， 其中二次电子的总丰度基本相同。这样的区可以例如具有相同的晶向，并且 区的尺寸可以提供晶粒尺寸和/或晶体尺寸信息(例如，在包括多取向的晶畴 的多晶样品中)，和/或可以提供关于样品的应变区的信息(是非晶或结晶)， 因为对于给定的化学成份的材料的二次电子总丰度的大小(例如，元素成份， 材料成份)可以取决于材料的应变。
在某些实施例中，探测二次电子的丰度可以提供样品的磁信息。二次电 子的总丰度可以取决于相邻于样品表面的磁场的大小。在一些实施例中，例 如，相邻于样品表面的磁场由于在样品表面产生局部磁场的样品内的磁畴而 改变。在某些实施例中，通过外部磁场源施加静磁场，并且样品内的磁畴在 样品表面产生局部磁场，引起施加的外部磁场的变化。在任一情形，样品表 面的局部磁场的变化可以，例如，改变从样品发射的二次电子的轨迹。二次 电子轨迹的改变可以对应于二次电子总丰度的增加，当二次电子的轨迹被改 变使得更多的二次电子被导向探测器时，或者二次电子轨迹的改变可以对应 于二次电子总丰度的减小，当二次电子的轨迹被改变使得更多的二次电子被 导向离开探测器时。
对于一些样品，出现于样品的二次电子图像中的对比可以是由于上述二 或更多的机制。换而言之，某些样品的二次电子图像可以包括部分由于样品 表面中的形貌变化、样品表面中的材料成份变化、样品表面中的电压对比变 化、样品表面中的结晶变化、和/或样品表面中的磁变化所引起的对比。因而， 有利的是结合从测量二次电子总丰度所获得的信息和从测量其它类型的粒 子所获得的信息可以，以便定性和/或定量地隔离一或更多的这些机制的贡 献。下面更为详细地讨论该可能性。
二次电子成像技术可以应用于各种不同类型的样品。这样的材料的实例 是半导体物品，例如构图的晶片，晶片可以包括，例如，被绝缘材料的基体 所围绕的多个导电体。二次电子成像技术可以被用于识别装置中的缺陷，例 如导体之间的不完全的电连接，和/或电路元件之间的电短路。更普遍地，二 次电子成像技术可以被用于各种半导体物品的离子束测试应用。选择性地， 该方法可以相似地用于掩模修理的目的。
可以使用二次电子成像技术的样品类别的另一实例是金属和合金。例 如，包含例如合金的混合材料的样品的图像可以用于确定样品中各材料的表 面分布。可以使用二次电子成像技术的样品类别的又一实例是用于数据储存 的读/写结构。可以使用二次电子成像技术的材料类别的附加的实例是生物材 料和制药材料。
使用通过暴露于He离子束而产生的二次电子来成像样品可以提供相对 于通过其它技术(例如SEM)的二次电子成像的许多优点。例如，样品上 的He离子束的斑点尺寸可以比来自SEM的电子束的斑点尺寸小。作为较小 的斑点尺寸的结果，暴露于He离子束的样品的区比SEM中被暴露的区被更 为仔细地控制。
此外，通常，因为He离子比电子重，所以散射事件在样品内不像通过 散射分散电子一样容易地分散He离子。结果，入射在样品的表面上的He 离子与比SEM中的电子相比，可以在更小的相互作用体积中与样品的相互 作用。结果，在气体场离子显微镜中(例如He离子显微镜)所探测的二次 电子与具有相似的斑点尺寸的SEM中的二次电子相比，可以来自于更小的 区域。结果，由He离子束所产生的二次电子与在SEM中所产生的二次电子 相比，可以对应于样品表面的更为局部化的探询(例如，具有较少的材料特 性的横向平均)。
另外，He离子源还提供了比电子源更大的焦点的深度。结果，使用离 子显微镜获得的样品的图像(例如，气体场离子显微镜)与从SEM中的二 次电子所获得的可比较的图像相比，可以示出沿垂直于样品表面的方向测量 的、聚焦的更大部分的样品。
He离子束还可以提供样品的二次电子图像的更为灵敏的的对比机制， 因为与当由于电子束与样品的相互作用而引起二次电子离开样品表面时相 比，当由于离子束与样品的相互作用而引起二次电子离开样品时可以获得的 对于不同材料的二次电子产率的更大的范围。典型地，例如，对于入射电子 束，比如半导体和金属的通用材料的二次电子产率从0.5至2.5变化。但是， 对于暴露于He离子束的相同的材料的二次电子的产率可以从0.5至8变化。 因而，使用气体场离子显微镜(例如He离子显微镜)与可比较的SEM系统 相比，可以更精确地从二次电子图像进行不同材料的识别。
B.俄歇电子
如在此所述，俄歇电子是如下产生的电子。原子内壳层中的电子被去除 从而形成空位，随后由来自较高壳层的第二原子的电子填充空位伴随着能量 的释放。该能量通过称为俄歇电子的另一电子被释放。通常，俄歇电子从样 品的表面以一范围的角度和能量发射。但是，最为关注的信息通常是俄歇电 子的能量(与角度解析俄歇电子信息相对比)，因为如下面所解释的，俄歇 电子的能量正是可以提供关于样品表面的信息。俄歇电子可以使用一或更多 的可以以能量解析方式探测电子的合适的探测器(见上面关于探测器的类型 的讨论)被探测。如果使用多个探测器，所有探测器都可以是相同类型的探 测器，或者可以使用不同类型的探测器，并且可以通常按期望配置。探测器 可以被配置，以便探测离开样品180的表面181(离子束撞击的表面)，样品 180的表面183(离子束撞击的对侧上的表面)或两者(见上面关于探测器 的配置)的俄歇电子。为了提高被探测的俄歇电子的信噪比，期望使用可以 收集相对大的俄歇电子的立体角的探测器。附加地或者替代地，相邻于样品 的表面的并且可以将电子导向探测器的电子收集光学器件(例如，静电透镜 系统)可以被使用(例如，为了增加俄歇电子的探测的有效立体角)。
通常，探测俄歇电子可以产生样品的材料成份信息(例如，元素信息、 化学环境信息)。在这样的实施例中，信息占优势地相关于样品的表面。通 常，对于在给定的化学环境中的各元素或材料，由元素或材料发出的俄歇电 子具有特定的能量或能带。结果，在表面上给定位置俄歇电子的能量通常取 决于在该位置存在的材料。因而，作为样品表面上离子束的位置的函数的俄 歇电子的能量的改变，可以与样品表面存在的元素和/或材料的改变相关，提 供样品表面的材料成份信息。
俄歇电子成像技术可以被应用于各种不同的类别的样品。这样的材料的 类别的示例是半导体物品，例如构图的晶片，该晶片可以包括例如由绝缘材 料的基体所围绕的多个导电体。选择性地，该方法可以相似地被用于掩模修 理的目的。可以使用俄歇电子成像技术的样品类别的另一实例是金属和合 金。例如，包含例如合金的混合材料的样品的图像可以用于确定样品中各材 料的表面分布。可以使用俄歇电子成像技术的又一实例是用于数据储存的读 /写结构。可以使用俄歇电子成像技术的材料类别的附加的实例是生物材料和 制药材料。
使用由于样品和He离子束的相互作用而离开表面的俄歇电子来成像样 品相对于通过其它技术(例如SEM)的俄歇电子成像，可以提供许多优点。 例如，样品上的He离子束的斑点尺寸可以比来自SEM的电子束的斑点尺寸 小。由于较小的斑点尺寸，被暴露于He离子束的样品的区比SEM中暴露的 区被更为仔细地控制。
此外，通常，因为He离子比电子重，所以散射事件在样品内不像通过 散射分散电子一样容易分散He离子。结果，入射在样品的表面上的He离 子可以在比在SEM中的电子在更小的相互作用体积中与样品相互作用。结 果，在气体场离子显微镜中(例如He离子显微镜)所探测的俄歇电子可以 比从具有相似的斑点尺寸的SEM中的俄歇电子来自于更小的区。结果，由 样品和He离子束的交互作用而离开表面的俄歇电子与在SEM中所产生的俄 歇电子相比，可以对应于样品表面的更为局部化的探询(例如，具有较少的 材料特性的横向平均)。
另外，He离子源还提供了比电子源更大的焦点的深度。结果，使用离 子显微镜获得的样品的图像(例如，气体场离子显微镜)与从SEM中的俄 歇电子所获得的可比较的图像相比，可以示出沿垂直于样品表面的方向测量 的、聚焦的更大部分的样品。
对于俄歇电子探测，与电子束相比，使用离子束的另一优点是当使用电 子束时，俄歇电子在反向散射电子的基线上被探测，而使用离子束，反向散 射电子不存在。结果，当收集相对小量的俄歇电子时，可以获得相对高的探 测的俄歇电子的信噪比，这可以减小当使用离子束时从样品获得相对良好质 量的俄歇电子频谱所花费的时间量。
C.散射离子
如在此所述，当来自离子束(例如，He离子)的离子与样品相互作用 时散射离子被产生，并且从样品被散射同时留下离子(例如，He离子)。因 为散射离子可以从样品的表面下区移动到样品的表面并且从样品发射的概 率非常低，所以散射离子通常提供样品表面的信息。如下面所更为详细的描 述的，当探测散射离子时，探测器的具体的布置通常取决于期望获得的信息 的类型。
在一些实施例中，样品表面的形貌信息可以通过探测的散射离子而获 得。图34A通常描绘了从表面的不同区探测散射离子，以便确定样品表面的 形貌信息的方法的实施例。具体地，图34A示出了样品7010，该样品7010 具有分别具有表面7013、7015和7017的区7012、7014和7016。散射图案 7020、7030和7040分别代表从表面7013、7015和7017散射的离子的角分 布，当离子束垂直地入射于其上时。如在图34A中所示出的，各散射图案 7020、7030和7040是余弦型分布。图34B描绘了来自于形貌效应而由探测 器7041和7050分别探测的散射离子的相对强度7042和7052的分布(分别 是短划线和点线)。因而，例如，假定样品7010在其整个表面上由相同材料 形成，来自探测器7041和7050的相对总丰度分布可以用于确定样品7010 的形貌。作为替代，假定样品7010的形貌已知，则仅归因于形貌的探测的 对于散射离子的总丰度的贡献(相对强度7042和7052)可以从探测的散射 离子的总丰度中被去除，以便确定归因于其它效应(例如，改变横过样品7010 的表面的材料)的对于探测的散射离子的总丰度的贡献。尽管探测器可以相 对于表面按期望定位，但是，在某些实施例中，对于在图34A所示出的探测 器系统，形貌信息从在大的散射角散射的He离子获得。举例而言，在一些 实施例中，来自散射离子的形貌信息通过在相对于离子束的方向60°或更大 (例如，65°或更大、70°或更大、75°或更大)的角度来探测散射离子而被确 定。尽管图34A描绘了两个探测器的使用，但是在一些实施例中，单个探测 器被使用(例如，探测器7041或探测器7050)。作为替代，在某些实施例中， 多于2(例如3、4、5、6、7、8)个探测器可以被使用。通常，当多个探测 器被用于探测散射离子时，探测器对于其相对于样品的表面的立体角相互等 距离分开。相对于样品表面对称定位的多于2个探测器(例如，4个探测器) 的使用可以允许探测相对于样品表面的标称平面的两个正交方向的表面特 征。
图35A-35I通常描绘了从表面的不同的区探测散射离子以便确定样品 表面的形貌信息的方法的各种实施例。具体地，图35A、35D和35G分别示 出了样品8050，该样品8050具有分别具有表面8053、8055、8057和8061 的区8052、8054、8056和8058。如在图35A、35D和35G中所示出的，表 面8055和8059相对于表面8053、8057和8061倾斜。散射图案8070、8090 和80110代表分别自表面8053、8057和8061散射的离子的角分布，当离子 束垂直入射于其上时。如在图35A、35D和35G中所示出的，各散射图案 8070、8090和80110是余弦型分布。散射图案8080和80100代表从表面8055 和8059散射的离子的角分布，当离子束相对于区8054和8058垂直时。如 在图35A、35D和35G中所示出的，因为离子束未垂直入射于表面8055和 8059上，所以散射图案8080和80110的角分布不是余弦型分布。
图35B和35C描绘了当半球探测器(可以能够角解析散射离子，频谱 解析散射离子，或两者)80120被用于探测散射离子时，散射离子的总产率 和被探测的散射离子的相对丰度。如在图35C中所示出的，当使用探测器 80120时被探测的离子的相对丰度中存在阴影效应。因而，例如，假定样品 8050在其整个表面上由相同材料形成，来自探测器80120的相对丰度分布可 以被用于确定样品8050的形貌。作为替代，假定已知样品8050的形貌，则 仅归因于形貌的被探测的散射离子的对于总丰度的贡献(图35D中的相对丰 度)可以从被探测的散射离子的总丰度中去除，以便确定归因于其它效应的 对于被探测的散射离子的总丰度的贡献(例如，改变横过样品8050的表面 的材料)。
图35E和35F描绘了当对于散射离子具有相对小的接收角的顶探测器 80130被用于探测散射离子时，散射离子的总产率和被探测的散射离子的相 对丰度。如在图35F中所示出的，因为进入探测器80130的接收角的散射产 率在区8054和8056显著较小(尽管，如在图35E中所示出的散射离子的总 产率在这些区中较高)，散射离子的相对丰度在区8054和8056减小。因而， 例如，假定样品8050在其整个表面上由相同材料形成，则来自探测器80130 的相对丰度分布可以被用于确定样品8050的形貌。作为替代，假定已知样 品8050的形貌，则仅归因于形貌的对于被探测的散射离子的总丰度的贡献 (图35D中的相对丰度)可以从被探测的散射离子的总丰度中去除，以便确 定归因于其它效应的对于被探测的散射离子的总丰度的贡献(例如，改变横 过样品8050的表面的材料)。
图35H和35I描绘了当对于散射离子具有相对大的接收角的顶探测器 80140被用于探测被探测的离子时，散射离子的总产率和被探测的散射离子 的相对丰度。如在图35I中所示出的，通过选择探测器80140的合适的接收 角，被探测的散射离子的相对丰度在样品上基本相同。被探测的散射离子的 总丰度的改变将归因于表面形貌改变之外的效应(例如，改变横过样品8050 的表面的材料)。
在某些实施例中，散射离子的探测可以被用于确定样品表面的材料成份 信息。一种这样的方法涉及测量散射离子的总丰度。散射离子的总丰度可以 使用单个探测器(例如半球探测器)来探测，该探测器被配置来探测离开样 品180的表面181(离子束撞击的表面)的散射离子，或者使用多个探测器 来探测，所述多个探测器被配置来探测离开样品180的表面181(离子束以 一角度和能量范围撞击样品的表面的表面)的散射离子。通常，He离子的 散射概率(并且因而散射的He离子的总丰度，假定没有来自其它因素的影 响，例如样品表面中的形貌变化)与He离子从其散射的表面原子的原子序 数(Z值)的平方成大致正比。因而，举例而言，当试图区分半导体物品中 的铜(原子序数29)线和硅(原子序数14)时，来自半导体物品的表面的铜原子 的散射的He离子的总丰度是来自半导体物品的表面的硅原子的散射离子的 总丰度的大约4倍。作为另一实例，当试图区分半导体物品中的钨(原子序 数74)栓和硅(原子序数14)时，来自半导体物品的表面的钨原子的散射的He 离子的总丰度是来自半导体物品的表面的硅原子的被散射He离子的总丰度 的大约25倍。作为又一实例，当试图区分半导体物品中的金(原子序数79) 区和硅(原子序数14)时，来自半导体物品的表面的金原子的散射的He离子 的总丰度是来自半导体物品的表面的硅原子的散射离子的总丰度的大约25 倍。作为另外的实例，当试图区分半导体物品中的铟(原子序数49)和硅(原子 序数14)时，来自半导体物品的表面的铟原子的散射的He离子的总丰度是来 自半导体物品的表面的硅原子的散射离子的总丰度的大约10倍。
通过探测散射的He离子(可以与总丰度探测结合使用或替代总丰度探 测使用)确定样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 析方式测量散射的He离子。例如，如图36中所示出的，第二透镜226将 He离子束192聚焦至样品180的表面181上。He离子1102从表面181散射 且由探测器1100探测。探测器1100被设计，以便对于探测器1100的接收 角内的各角ε，获知各被探测的散射的He离子的角度和能量。通过测量散 射的He离子的角度和能量，根据下列关系可以计算散射散射的He离子的 表面的原子的质量：
其中Es是散射的He离子的能量，Ei是He离子的入射能量，MHe是He离子 的质量，θs是散射角，并且Ma是散射He离子的原子的质量。
探测器1100可以，例如，是能量解析磷光体基探测器、能量解析闪烁 体基探测器、固态探测器、能量解析静电棱镜基探测器、静电棱镜、能量解 析ET探测器、或能量解析微通道。通常，期望探测器1100具有显著的接收 角。在一些实施例中，探测器是固定的(例如，环形探测器)。在某些实施 例中，探测器1100可以扫过一立体角的范围。尽管已经描述了包括单个探 测器的探测能量解析和角度解析的散射的He离子的系统，但是这样的系统 可以包含多(例如，2、3、4、5、6、7、8)个探测器。经常，使用多个探 测器是期望的，因为它可以允许探测的散射He离子的较大的接收角。
在一些实施例中，探测散射的He离子的总丰度可以提供样品的结晶信 息。散射的He离子的总丰度可以根据离子束是否与样品的晶体结构对准而 改变。如果离子束与样品的晶体结构对准，则离子束中的离子通常可以透入 样品内的给定的距离而不与样品原子进行碰撞(通常称为隧穿)的概率相对 高，导致较低的散射的He离子的总丰度。如果，另一方面，离子束未与晶 体结构对准，则离子束中的离子通常可以透入样品内的给定的距离而不与样 品原子碰撞的概率相对低，导致较高的散射的He离子的总丰度。因而，作 为样品表面离子束位置的函数的散射的He离子的总丰度的改变可以与在该 位置的材料的结晶信息相关。例如，可以存在样品表面的区，其中散射的 He离子的总丰度基本相同。这样的区可以，例如，具有相同的晶向，并且 区的尺寸可以提供晶粒尺寸和/或晶体尺寸信息(例如，在包括多取向的晶畴 的多晶样品中)，和/或可以提供关于样品的应变区的信息(是非晶或晶态)， 因为对于给定的化学成份(例如，元素成份，材料成份)的材料的散射的 He离子总丰度的大小可以取决于材料的应变。
替代地或附加地，样品表面的结晶信息可以通过将表面的区暴露于离子 束(而不栅扫描离子束)并且随后测量散射的He离子的图案(例如，相似 于由于来自暴露于电子束的样品表面的反向散射电子而获得的菊池图案而 获得。散射的He离子的图案可以被分析，以便确定，例如，暴露于离子束 的样品表面位置的材料的取向、晶格间距、和/或晶体类型(例如，体心立方， 面心立方)。
散射离子成像技术可以用于各种不同类型的样品。这样的材料的实例是 半导体物品，例如被构图的晶片，该晶片可以包括，例如，被绝缘材料的基 体所围绕的多个导电体。散射离子成像技术可以被用于识别装置中的缺陷， 例如导体之间的不完全的电连接，和/或电路元件之间的电短路。选择性地， 该方法可以相似地用于掩模修理的目的。可以使用散射离子成像技术的样品 类别的另一实例是金属和合金。例如，包含例如合金的混合材料的样品的图 像可以用于确定样品中各材料的表面分布。可以使用散射离子成像技术的又 一实例是用于数据储存的读/写结构。可以使用散射离子成像技术的材料的类 别的附加的实例是生物材料和制药材料。
通常，当样品表面被暴露于在传统SEM中所使用的类型的电子束时， 散射离子不形成，并且因而没有通过探测的散射的He离子可以获得的结晶 信息或材料成份信息用这样的SEM可以获得。这是在此所述的气体场显微 镜(例如，He离子显微镜)相对于传统SEM的显著优点。
在此所述的使用气体场离子显微镜的散射离子的测量(例如，He离子 显微镜)相对于传统Rutherford反向散射测量装置可以提供许多优点。入射 的He离子可以被聚焦的样品的表面上的斑点尺寸可以显著地小于传统 Rutherford反向散射测量装置的斑点尺寸(典型的斑点尺寸是100μm至1mm 或更大)，允许样品的表面的材料成份信息比用传统Rutherford反向散射装 置所实现的更为精确地局部化。此外，在此所述的气体场离子显微镜(例如， He离子显微镜)允许逐像素地栅扫描过样品表面，而Rutherford反向散射 测量装置不具有该能力。这可以减小与在表面的各位置的样品表面的材料成 份信息相关的成本和/或复杂性。
D.一次中性粒子
如在此所述，一次中性粒子是当离子束与样品相互作用并且来自离子束 的离子(例如，He离子)作为未荷电的中性粒子(例如，未荷电的He原子) 离开样品时产生的中性粒子。与散射的He离子相对比，一次He原子是相 对灵敏的样品的表面下区的探针。如在此所使用的，表面下区是样品表面下 5nm或更深的样品的区(例如，样品表面下10nm或更深、样品表面下25nm 或更深、样品表面下50nm或更深)，和样品表面下1000nm或更浅(例如， 样品表面下500nm或更浅、样品表面下250nm或更浅、样品表面下100nm 或更浅)。通常，离子束的探测深度随着离子能量的增加而增加。因而，为 了确定样品的较深的表面下信息，可以使用较高能量的离子束。通过以不同 的离子束能量(探测深度)摄取样品的多个He原子图像，可以获得材料成 份信息的深度分布。在一些实施例中，X射线层析再建(tomographic reconstruction)算法和/或技术可以被应用于深度相关信息以便进行样品的结 构的X射线层析再建。
通常，基于一次He原子的探测的材料成份信息可以使用总丰度探测、 能量解析/角度解析，或两者探测，使用如上述相对于散射的He离子的对应 技术所述的探测器布置，并且还使用如上述对于散射的He离子所描述的相 同的数学关系而确定。但是，典型地，用于一次He原子的探测器能够探测 中性核素。这样的探测器的实例包括微通道板、通道倍增器和闪烁器/PMT 探测器。
一次中性粒子(例如，He原子)技术可以用于各种不同类型的样品。 这样类型的材料的实例是半导体物品，例如被构图的晶片，晶片可以包括， 例如，被绝缘材料的基体所围绕的多个导电体。一次中性粒子技术可以被用 于识别装置中的缺陷，例如导体之间的不完全的电连接，和/或电路元件之间 的电短路。选择性地，该方法可以相似地用于掩模修理的目的。可以使用一 次中性粒子成像技术的样品类别的另一实例是金属和合金。例如，包含例如 合金的混合材料的样品的图像可以用于确定样品中各材料的表面分布。可以 使用一次中性粒子成像技术的又一实例是用于数据储存的读/写结构。可以使 用一次中性粒子成像技术的材料类别的附加的实例是生物材料和制药材料。
通常，当样品表面被暴露于在传统SEM中所使用的类型的电子束时， 一次中性粒子不形成，并且因而没有通过探测的散射的He离子可以获得的 结晶信息或材料成份信息用这样的SEM可以获得。这是在此所述的气体场 显微镜(例如，He离子显微镜)相对于传统SEM的显著优点。
E.光子
典型的所关注的光子包括X射线光子、UV光子、可见光光子和IR光 子。如在此所述，IR光子是具有大于700nm至100,000nm的波长的光子(例 如，从1.2×10-5keV至1.7×10-3keV)，可见光光子是具有从大于400nm至 700nm的波长的光子(例如，从1.8×10-3keV至3×10-3keV)，UV光子是 具有大于10nm至400nm的波长的光子(例如，从3.1×10-3keV至125eV) 并且X射线光子是具有从0.01nm至10nm的波长的光子(例如，从125eV 至125keV)。通常，这样的光子从样品表面以一角度和能量/波长范围发射。 但是，最为关注的信息通常是光子的波长和/或能量(与角度解析光子信息相 对比)，因为，如下面所解释的，光子的波长和/或能量正是可以提供关于样 品表面的信息。光子可以使用一或更多的能够以波长解析或能量解析方式探 测光子的合适的探测器而被探测(见关于探测器类型的讨论)。如果多个探 测器被使用，则探测器可以全部是相同类型的探测器，或者可以使用不同类 型的探测器，并且通常可以按期望配置。探测器可以被配置，以便探测离开 样品180的表面181(离子束撞击的表面)，样品180的表面183(从离子束 碰撞的对侧上的表面)或两者(见上面关于探测器配置的讨论)的光子。为 了提高被探测的光子的信噪比，可以期望使用可以收集相对大的立体角的光 子的探测器。附加地或替代地，系统可以包括相邻于样品的表面并且可以将 光子导向可以被使用的探测器的一或更多的光学元件(例如，一或更多的透 镜、一或更多镜子)(例如增加被探测的光子的探测的有效立体角)。
通常，探测光子的能量和/或波长可以产生样品的材料成份信息(例如， 元素信息、化学环境信息)。在这样的实施例中，信息主要涉及样品的表面。 通常，对于在给定的化学环境中的各元素或材料，由元素或材料发出的光子 具有特定的能量/能带和波长/波带。结果，从表面的给定位置发出的光子的 能量和波长通常取决于在该位置所存在的材料。因而，光子的能量或波长的 改变作为离子束在样品表面上的位置的函数，可以与样品的表面存在的元素 和/或材料的改变相关，提供样品的表面的材料成份信息。
替代地或附加地，探测光子，通过确定样品材料的去激时间而可以获得 样品的材料成份信息。这可以被实现，例如，通过使离子束脉冲化以便短时 间使得样品暴露于离子束，随后测量探测光子所花费的时间，这相关于发射 光子的样品材料的去激时间。通常，在给定的化学环境中的各元素或材料具 有特定的去激时间。
样品的结晶信息可以使用结合偏振器的光子探测被获得，因为光子的偏 振可以取决于样品中材料的晶向。因而，通过使用偏振器，由样品发射的光 子的偏振可以被确定，提供与样品的晶向相关的信息。
通常，包含在被探测的光子中的信息将主要是样品的表面的信息。但是， 因为光子可以从样品的表面下区逃逸，所以被探测的光子可以包含相关于样 品的表面下区的信息。因而，被探测的光子可以被用于确定样品的光学特性。 例如，通过操纵离子束中的离子的能量，并且因而其探测深度，并且确定对 于被探测的光子的强度的相应影响，可以研究样品对于光子的透明度。作为 离子能量(探测深度)函数的被探测的光子的强度可以产生关于样品对于光 子的透明度的信息。
光子成像技术可以用于各种不同类型的样品。这样的材料的实例是半导 体物品，例如构图的晶片，该晶片可以包括，例如，被绝缘材料的基体所围 绕的多个导电体。光子成像技术可以被用于识别装置中的缺陷，例如导体之 间的不完全的电连接，和/或电路元件之间的电短路。选择性地，该方法可以 相似地用于掩模修理的目的。可以使用光子成像技术的样品类别的另一实例 是金属和合金。例如，包含例如合金的混合材料的样品的图像可以用于确定 样品中各材料的表面分布。可以使用光子成像技术的又一实例是用于数据储 存的读/写结构。可以使用光子成像技术的材料类别的附加实例是生物材料和 制药材料。
使用通过暴露于He离子束而产生的光子来成像样品相对于通过其它技 术的光子成像(例如SEM)，可以提供许多优点。例如，样品上的He离子 束的斑点尺寸可以比来自SEM的电子束的斑点尺寸小。由于较小的斑点尺 寸，暴露于He离子束的样品的区比SEM中被暴露的区被更为仔细地控制。
此外，通常，因为He离子比电子重，所以散射事件在样品内不像通过 散射分散电子一样容易分散He离子。结果，入射在样品的表面上的He离 子可以比在SEM中的电子在更小的相互作用体积中与样品相互作用。结果， 气体场离子显微镜中(例如He离子显微镜)所探测的光子可以比具有相似 的斑点尺寸的SEM中的光子来自于更小的区。结果，由样品和He离子束的 相互作用所产生的光子比在SEM中所产生的光子可以对应于样品表面的更 为局部化的探询(例如，具有材料特性的较少横向平均)。
另外，He离子源比电子源还提供更大的聚焦深度。结果，使用离子显 微镜(例如，气体场离子显微镜)获得的样品的图像与从SEM中的光子获 得的可以对比的图像相比，可以示出沿垂直于样品表面的方向测量的、聚焦 的样品的较大的部分。
F.二次离子
如在此所述，二次离子是当离子束与样品相互作用以从样品去除单原子 或多原子核素时所形成的荷电状态的离子。入射离子束和样品之间的相互作 用可以产生二次离子。典型地，当使用质量大于He的惰性气体离子(Ar离 子、Ne离子、Kr离子、Xe离子)时，该方法更为有效。
通过被探测的粒子的质量的计算，来自样品的二次离子的探测可以提供 样品的材料成份信息。通常，该信息对应于样品表面的材料。在一些实施例 中，二次离子的质量(离子化后)被确定，使用飞行时间和质量解析探测器 (例如四极质量频谱仪)的组合。这样的二次离子的探测可以如下进行。通 过改变施加于离子光学器件中的离子光学元件的电位，离子束在脉冲模式工 作。入射粒子的脉冲被入射在样品的表面上。确定切换离子光学元件的电位 以打开和关闭离子束的速率的时钟信号也被用作探测器的参考时钟信号(见 上面关于探测器的讨论)，在该方式中，二次离子从样品至探测器的飞行时 间可以被精确的确定。
根据被探测的二次离子的飞行时间，其移动的距离(例如，探测器和样 品之间的距离)、和其能量，粒子的质量可以被计算，并且化学核素的类型 (例如，原子)可以被识别。该信息用于确定样品的材料成份信息。
二次离子成像技术可以应用于各种不同类型的样品。这样的材料的实例 是半导体物品，例如构图的晶片，该晶片可以包括，例如，被绝缘材料的基 体所围绕的多个导电体。二次离子成像技术可以被用于识别装置中的缺陷， 例如导体之间的不完全的电连接，和/或电路元件之间的电短路。选择性地， 该方法可以相似地用于掩模修理的目的。可以使用二次离子成像技术的样品 类别的另一实例是金属和合金。例如，包含例如合金的混合材料的样品的图 像可以用于确定样品中各材料的表面分布。可以使用二次离子成像技术的又 一实例是用于数据储存的读/写结构。可以使用二次离子成像技术的材料类别 的附加实例是生物材料和制药材料。
当样品表面被暴露于传统SEM中所使用的类型的电子束中时，二次离 子通常不产生，并且因而使用这样的SEM不可以获得通过被探测的二次离 子可以获得的材料成份的信息。这是在此所述的气体场离子显微镜(例如， He离子显微镜)相对于传统SEM的显著的优点。
G.二次中性粒子
二次中性粒子是当离子束与样品相互作用以从样品去除单原子或多原 子核素而产生的未荷电的状态的中性粒子。入射离子束和样品之间的相互作 用可以产生二次中性粒子。典型地，当使用质量大于He的惰性气体离子(Ar 离子、Ne离子、Kr离子、Xe离子)时，该方法更为有效。通常，为了评估 可以从二次中性粒子获得的信息，在探测之前，粒子被离子化(例如，通过 激光诱发离子化、电子诱发离子化)。
通过被探测的粒子的质量的计算，来自样品的二次中性粒子(离子化后) 的探测可以提供样品的材料成份信息。通常，该信息对应于样品表面的材料。 在一些实施例中，使用飞行时间和质量解析探测器(例如四极质量频谱仪) 的组合，确定二次中性粒子的质量(离子化后)。这样的中性粒子(离子化 后)探测可以如下进行。通过改变施加于离子光学器件中的离子光学元件的 电位，离子束在脉冲模式工作。入射粒子的脉冲被入射在样品的表面上。确 定转换离子化装置(例如，激光、电子束)和/或离子光学元件的电位的速率 的时钟信号也被用作探测器的参考时钟信号(见上面关于探测器的讨论)， 在该方式中，二次中性粒子从样品至探测器的飞行时间(离子化后)可以被 精确的确定。
根据被探测的二次离子的飞行时间，其移动的距离(例如，探测器和样 品之间的距离)，和其能量，可以计算粒子的质量，并且可以识别化学核素 的类型(例如原子)。该信息用于确定样品的材料成份信息。
二次中性粒子成像技术可以应用于各种不同类型的样品。这样的材料的 实例是半导体物品，例如构图的晶片，该晶片可以包括，例如，被绝缘材料 的基体所围绕的多个导电体。二次中性粒子成像技术可以被用于识别装置中 的缺陷，例如导体之间的不完全的电连接，和/或电路元件之间的电短路。选 择性地，该方法可以相似地用于掩模修理的目的。可以使用二次中性粒子成 像技术的样品类别的另一实例是金属和合金。例如，包含例如合金的混合材 料的样品的图像可以用于确定样品中各材料的表面分布。可以使用二次中性 粒子成像技术的又一实例是用于数据储存的读/写结构。可以使用二次中性粒 子成像技术的材料类别的附加实例是生物材料和制药材料。
当样品表面被暴露于传统SEM中所使用的类型的电子束中时，二次中 性粒子通常不产生，并且因而使用这样的SEM不可以获得通过被探测的二 次中性粒子可以获得的材料成份的信息。这是在此所述的气体场离子显微镜 (例如，He离子显微镜)相对于传统SEM的显著的优点。
典型应用
A.半导体制造
(i)概述
半导体制造典型地涉及制备包括被顺序沉积并且处理以便形成集成电 子电路、集成电路元件、和/或不同的微电子装置的材料的多层的物品。这样 的物品典型地包含相对于彼此精确定位(例如，通常在几个纳米的量级上) 的各种特征(例如，由导电材料形成的电路线，填充以非导电材料的阱、由 电学上半导体材料形成的区)。给定特征的位置、尺寸(长度、宽度、深度)、 成份(化学成份)和相关的特性(导电性、晶向、磁特性)可以对于物品的 性能具有重要的影响。例如，在某些实例中，如果一或更多的这些参数在恰 当的范围之外时，物品可以是不合格的，因为物品不可以按期望工作。结果， 通常期望在半导体制造期间对于各步骤具有非常良好的控制，并且有利的是 具有在制造工艺中的各步骤可以监测半导体物品的制造的工具以便研究在 半导体制造工艺的各阶段一或更多特征的位置、尺寸、成份和相关特性。如 在此所使用的，术语半导体物品是指在制造集成电子电路、集成电路元件、 微电子装置的工艺期间形成的集成电子电路、集成电路元件、微电子装置或 物品。在一些实施例中，半导体物品可以是平板显示器或光电池的一部分。
半导体物品的区可以由不同类型的材料形成(导电、不导电、电学半导 体)。典型的导电材料包括金属，例如铝、铬、镍、钽、钛、钨、和包括一 或更多的这些金属的合金(例如铝-铜合金)。典型的不导电材料包括一或 更多的金属的硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、磷化物、硅化物、硫化物 (例如，硅化镍、硼化碳、钽锗、氮化钽、硅化钽、氮化钽硅、和氮化钛)。 典型的电学半导体材料包括硅、锗、和砷化镓。选择性地，电学半导体材料 可以被掺杂(p掺杂、n掺杂)以便提高材料的导电性。
如上所述，通常，半导体物品的制造涉及顺序地沉积和处理材料的多层。 给定的材料层的沉积/处理中典型的步骤包括成像物品(例如，确定要被形成 的期望的特征应当被定位的位置)、沉积合适的材料(例如，导电材料、电 学半导体材料、不导电材料)并且蚀刻以便从物品中的某些位置去除不必要 的材料。经常，光致抗蚀剂，例如聚合物光致抗蚀剂，被沉积/曝光于合适的 辐射/选择性地被蚀刻以便辅助控制给定特征的位置和尺寸。典型地，光致抗 蚀剂在一或更多的后续工艺步骤中被去除，并且，通常，最终的半导体物品 期望地不包含可感知量的光致抗蚀剂。
在此所描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以被用于 研究制造工艺中各种步骤(例如，各步骤)的半导体物品。具体地，通过探 测和分析一种类型的粒子或多种不同类型的粒子(见上面的讨论)，气体场 离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以被用于确定半导体物品的表面的 形貌信息、半导体物品的表面的材料成份信息、半导体物品的表面下区的材 料成份信息、半导体物品的结晶信息、半导体物品的表面的电压对比信息、 样品的表面下区的电压对比信息、半导体物品的磁信息、和/或半导体物品的 光学信息。
使用在此所描述的离子显微镜或离子束可以提供各种不同的优点，这通 常可以减小与半导体物品的制造相关的时间、成本和/或复杂度。与使用在此 所描述的离子显微镜或离子束相关的典型的优点包括相对高的分辨率、相对 小的斑点尺寸、相对少的不期望的样品损坏、相对少的不期望的材料沉积和 /或注入、在相对短的时间内相对高品质的成像、相对高的生产量。
在下面讨论半导体制造中的某些工艺的实例。
(ii)无掩模光刻
半导体物品典型地使用光刻工艺制备，光刻工艺涉及放置光致抗蚀剂的 层(例如，聚合物光致抗蚀剂，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或环氧基 光致抗蚀剂，烯丙基二乙二醇碳酸酯，或光敏玻璃)于表面上，构图所述材 料，使得光致抗蚀剂的某些区对于蚀刻剂是抗蚀的(并且一些区对于蚀刻剂 是不抗蚀的)，蚀刻材料的非抗蚀的区，沉积合适的材料(例如，一或更多 导电材料，一或更多的非导电材料，一或更多的半导体材料)，并且选择性 地去除材料的不期望的区。典型地，构图步骤涉及将光致抗蚀剂暴露于合适 的波长的辐射图案，使得光致抗蚀剂的一些区是抗蚀的的而光致抗蚀剂的其 它区是不抗蚀的。通过形成掩模图像于光致抗蚀剂上或用掩模覆盖光致抗蚀 剂的某些区，并且通过掩模曝光光致抗蚀剂的未被覆盖的区，而在光致抗蚀 剂上形成辐射图案。
但是，不是使用掩模以便在曝光于辐射之前覆盖光致抗蚀剂的区，可以 使用通过在此所描述的气体原子与气体场离子源(例如，He离子源)的相 互作用所产生的离子束，以便照射来构图光致抗蚀剂，从而产生期望的抗蚀 的区和不抗蚀的区。这可以被实现，例如，通过使离子束栅扫描过光致抗蚀 剂，使得材料的期望的区被暴露于离子(例如，通过在期望光致抗蚀剂暴露 于辐射的区上打开离子束并且通过在不期望光致抗蚀剂暴露于辐射的区上 关闭离子束)。结果，半导体物品可以以无掩模工艺制造。
使用在此所公开的通过气体原子与气体场离子源(例如，He离子源) 的相互作用所产生的离子束可以提供一或更多的下列优点。如所述，可以进 行工艺而不使用掩模，这可以减小与半导体物品的制造相关的时间、成本和 /或复杂度。离子束的相对大的焦点的深度可以允许构图相对厚的光致抗蚀剂 材料(例如，2μm或更厚、5μm或更厚、10μm或更厚、和/或20μm或更 薄)。用离子束可以实现的离子的相对深的穿透深度可以进一步辅助处理相 对厚的光致抗蚀剂材料，以及辅助以良好的品质来处理更标准厚度的光致抗 蚀剂材料。另外，离子束相对于通常采用电子束所实现的具有更高的分辨率， 允许以较高的精度制造更小尺寸的特征。此外，光致抗蚀剂的离子束构图可 以比光致抗蚀剂的电子束构图更快。
(iii)离子显微镜和聚焦的离子束的结合
聚焦离子束(FIB)通常在半导体物品的制造期间使用，以便获得用于 检测的样品。镓(Ga)离子通常用于FIB。可以为了各种原因来使用FIB， 例如通过半导体物品的截面成像，电路编辑，半导体物品的故障分析、透射 电子显微镜(TEM)的半导体物品样品的制备和掩模修复。选择性地，FIB 可以被用于沉积一或更多的材料于样品上(例如，作为化学气相沉积工艺中 的离子源)。典型地，FIB被用于从半导体物品通过溅射去除材料。例如， 在一些实施例中，FIB被用于通过半导体物品切片以便暴露物品的截面，用 于使用离子显微镜的后续的成像。在某些实施例中，FIB被用于从物品溅射 掉材料以便在物品中形成沟槽或通路。该技术可以被用于，例如，暴露物品 的表面下的物品的部分。离子显微镜可以随后被用于沉积新材料，或蚀刻掉 通过FIB暴露的现有的材料，使用气体辅助化学技术。在一些实施例中，FIB 还可以用作选择性的溅射工具，以便去除半导体物品的部分，例如物品上的 导电材料的部分。在某些实施例中，FIB被用于切掉样品的部分，使得所述 部分可以随后被分析(例如，使用TEM)。
通常期望在样品上精确地定位FIB。在此所描述的气体场离子显微镜(例 如，He离子显微镜)可以被用于该目的。例如，具有FIB仪器和气体场离 子显微镜的横梁(cross-beam)工具可以被使用，使得FIB的位置可以使用 气体场离子显微镜来确定而不移动样品。采用这样的工具，气体场离子源可 以被用于成像样品并且提供可以用于精确地按期望定位FIB的信息。这样的 布置相对于使用SEM确定FIB的位置可以提供许多优点。举例而言，SEM 的使用可以导致相邻于样品表面的磁场，这可以导致Ga离子的同位素分离， 导致样品上多于一个FIB的位置。在许多情形，该问题导致FIB和SEM被 串连使用而不是同时使用。但是，相反，气体场离子显微镜可以在没有这样 的磁场下工作，由此消除了与Ga离子同位素分离相关的复杂性，同时也允 许FIB和气体场离子显微镜同时使用。这可以是期望的，例如，当制备用于 后续检测的样品(例如，用于TEM检测)，其中可以期望样品的厚度满足相 对严格的公差。使用气体场离子显微镜(例如He离子显微镜)的附加的优 点是比典型地SEM所采用的具有较长的工作距离，而仍然保持非常好的分 辨率，因为离子束具有比电子束小的虚源尺寸。这可以减轻对于结合FIB仪 器和SEM的工具可以存在的某些空间限制。在此所描述的气体场离子显微 镜的又一优点是可以获得样品的表面下的信息，这可以提高精确定位FIB的 能力，而SEM通常不可以提供这样的表面下信息。
(iv)气体辅助化学
气体辅助化学在半导体制造期间通常用于向给定的层添加材料和/或从 给定的层去除材料。例如，气体辅助化学可以用于半导体电路编辑，以修理 在半导体物品中损坏或不正确地制造的电路。气体辅助化学还可以用于光刻 掩模修理，其中材料可以被添加至掩模或从掩模被去除，以便修理由使用或 不正确的制造所导致的缺陷。
所述工艺通常涉及将电子与活性气体相互作用，以便形成可以随后参加 在半导体物品的表面的化学的反应气体，从而添加材料至表面，从表面去除 材料，或两者。典型地，电子产生为由Ga离子束与样品的相互作用引起的 二次电子，和/或电子产生为由电子束(例如，通过SEM产生的)与样品的 相互作用引起的二次电子。选择性地，合适的泵系统可以用于去除表面化学 的不期望的挥发性产物。
可以用于从表面去除材料的活性气体的实例包括Cl2、O2、I2、XeF2、 F2、CF4和H2O。举例而言，在一些实施例中，通过电子与Cl2和/或O2的相 互作用，并且允许所得的化学核素蚀刻表面区，由铬、氧化铬、氮化铬和/ 或氮氧化铬形成的表面区可以被至少部分去除。作为另一实例，在某些实施 例中，通过电子与XeF2、F2和/或CF4的相互作用，并且允许所得的化学核 素蚀刻表面区，由氮化钽形成的表面区可以被至少部分去除。作为又一实例， 在某些实施例中，通过电子与H2O和/或O2的相互作用，并且允许所得的化 学核素蚀刻表面区而可以被至少部分去除由含碳材料形成的表面区。
可以用于在表面上沉积材料的活性气体的实例是WF6(为了沉积W，例 如W栓)。
在此所描述的通过气体原子与气体场离子源(例如，He离子源)的相 互作用所产生的离子束可以被用于进行气体辅助化学。在这样的工艺中，例 如，由于离子束与样品的相互作用离开样品的二次电子可以是用于辅助化学 的电子。使用这样的离子束相对于使用Ga离子束可以提供几个优点。举例 而言，使用He离子束可以减小(例如，消除)不期望的离子注入，而不期 望的Ga的注入是当使用Ga离子束时的常见的问题。作为另一实例，气体 场离子束(例如，He离子束)相对于Ga离子束和/或入射电子束(例如， 通过SEM所产生的入射电子束)可以提供改善的分辨率，这可以允许更为 精确和/或可以控制的化学的使用。这可以，例如，减小(例如，消除)不期 望的离子与样品的某些部分的相互作用(例如，对于Ga离子束可以出现束 分布具有延伸至样品的不期望的区域的尾部，在那里Ga的注入可以对于半 导体物品的性能产生问题)。
(v)溅射
在半导体物品的制造工艺中，可以期望在某些步骤期间去除材料。离子 束可以用于该目的，其中离子束从样品溅射材料。具体地，在此所描述的通 过气体原子与气体场离子源的相互作用所产生的离子束可以用于溅射样品。 尽管He气体离子可以被使用，但是典型地优选使用更重的离子(例如，Ne 气体离子、Ar气体离子、Kr气体离子、Xe气体离子)以便去除材料。在材 料的去除期间，离子束被聚焦于要被去除的材料所处的样品的区上。
使用离子束去除材料的优点是可以以相对受控和/或精确的方式去除材 料。另外的优点是可以实现溅射而没有不期望的离子的注入(例如，当使用 Ga离子溅射时经常导致的，其中Ga注入是溅射的常见的不期望的副作用)。
(vi)空隙的探测
在半导体物品的制造期间，某些特征或层中的空隙可以被不利形貌成， 在某些实施例中，空隙可以不期望地影响特征和/或整个装置的特性(例如， 电、机械)。在某些实施例中，后续的工艺步骤可以打开空隙，并且空隙可 以，例如，用液体和/或气体成份填充。这可以引起下面的结构的腐蚀，在周 围的晶片表面的粒子缺陷和/或残留物缺陷。
举例而言，在从WF6沉积W栓期间，TiNx保护层通常用于保护相邻的 介电材料(例如，掺杂硼和磷的硅玻璃)免于腐蚀(例如，来自于W形成 期间释放的HF)。TiNx层中的中断可以导致显著的空隙形成。作为另一实例， 沟槽(例如，相对高的纵横比的沟槽)中的材料(例如，介电材料)沉积可 以导致瓶颈的形成和随后的空隙形成。作为另外的实例，空隙形成可以出现 在浅沟槽隔离结构的介电填充期间。作为又一实例，空隙可以在材料的导电 线(例如，铜线)的形成期间形成，这可以导致不期望地减小导电性。在一 些情形，这样的空隙可以导致期望导电之处缺乏导电。
通过利用其提供例如半导体物品的样品的表面下信息的能力，如在此所 描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以被用于研究空隙形 成。该特性可以在半导体物品制造期间使用，以便确定空隙的存在和/或位置。 这是优于使用电子束的独特的优点，因为电子束通常不提供此类的样品表面 下的信息。
(vii)重叠移动对准(overlay shift registration)
重叠移动对准通常是指将半导体物品的给定层的特征与半导体物品的 不同层中的特征对准。如上所述，半导体物品的形成通常涉及许多层的正确 的形成。典型地，半导体物品包含远多于20层。经常，各层可以包含多个 不同的特征，各特征期望地以高精度定位，使得半导体物品可以正确地起作 用。举例而言，半导体物品可以包含侧向特征，例如导电线，导电线在不同 的层中并且通过通路相互连接。通常，期望使得半导体物品内的特征相互对 准，以在100nm内(例如，75nm、50nm、25nm、15nm、10nm、9nm、 8nm、7nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm、1nm)。这些许多的特征的 单个的未对准可以导致整个半导体物品的无效。
重叠移动对准通常使用测试结构使用光学技术进行，该测试结构可以是 μm尺寸的结构(显著大于微电子电路特征尺寸)。这样，由于其占据的晶片 空间量，光学测试结构典型地不可以被放置晶片上的管芯内。测试结构可以 被放置在，例如，接近晶片的边缘，但是它们仍然占据晶片表面上的宝贵的 空间。光学测试结构也是昂贵的，因为其仅对于对准的目的而被制造。最后， 用于对准的光学测试结构的使用对于用其可以确定在不同层中的特征的对 准的精度有局限性。
在此所述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)以相对高的精 度提供关于样品的各种类型信息的能力(例如，形貌信息、表面的材料成份 信息、表面下区的材料成份信息、结晶信息、表面的电压对比信息、表面下 区的电压对比信息、磁信息、和光学信息)允许显微镜有利地在半导体物品 的制造期间被使用，以便辅助确保装置中的特征在装置内以高精度正确地定 位并且具有正确的尺寸。具体地，He离子显微镜可以允许多层中的电路特 征以比典型地可以使用光学测试结构实现的更高的分辨率对准。此外，可以 进行重叠移动对准，而不使用专用制造的测试结构(例如，光学测试结构)， 因为，例如，在此所描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可 以成像例如半导体物品的样品的表面下的特征。因而，可以避免被专用制造 的测试结构(例如，光学测试结构)所占据的晶片上的被浪费的空间，并且 可以避免与包括这样的测试结构相关的成本和/或复杂度。
(vii)关键尺寸计量
关键尺寸计量是指对于装置的性能可以具有关键影响的半导体物品中 的特征的线性尺寸的测量。这样的特征的实例可以包括线(例如，导电材料 线，电学半导体材料线、不导电材料线)。半导体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。在一些实施例中，特 征的尺寸被测量多次，以便提供关于特征尺寸的统计信息。关键尺寸测量经 常涉及，例如，例如晶片上的构图特征的长度的确定。晶片(包含多个管芯， 各管芯形成半导体物品)可以从制造线被随机选择用于检测，或者生产线上 的所有晶片可以被检测。成像仪器可以以相对高的通过速率用于测量被选择 的关键尺寸。如果被测量的关键尺寸没有落在可接收的限制之内，则晶片可 以被抛弃。如果来源于特定的制造机器的多个样品具有可接收的限制之外的 关键尺寸，则该机器可以被停止使用，或其工作参数可以被改变。
在此公开的He离子显微镜系统可以用于关键尺寸的测量。具体地，He 离子束可以在晶片的区上被栅扫描，并且晶片的所得图像可以用于确定关键 尺寸。对于关键尺寸测量，相对于SEM或其它检测系统，He离子显微镜系 统可以提供许多优点。He离子显微镜图像通常比可以对比的SEM图像展示 较小的边缘模糊现象(通常，过多的信号，接近探测器的饱和点，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产率)。减小了的边缘模糊 现象是相对于电子与表面的相互作用的体积，He离子和样品表面之间的较 小的相互作用体积的结果。
另外，入射的He离子比可对比的入射电子束可以被聚焦到更小的斑点 尺寸。较小的束斑点尺寸，与较小的相互作用的体积结合，导致具有比用 SEM产生的图像优越的分辨率的样品的图像，和更为精确的样品的关键尺 寸的确定。
He离子束的焦点深度与SEM相比相对大。结果，当使用离子束时，与 电子束相比，变化深度的样品特征的分辨率更为一致。因而，使用离子束可 以以比使用电子束可以提供的更好和更一致的横向分辨率提供各种样品深 度的信息。举例而言，使用离子束可以实现比使用电子束可以实现的更好的 关键尺寸分布。
此外，在其中至少部分根据二次电子获得信息的实施例中，与电子束相 比由离子束所提供的相对高的二次电子产率，可以导致对于给定流的相对高 的信噪比。这可以又允许在相对短的时间周期内获得样品的足够的信息，增 加了给定流的通过量。
使用散射的He离子可以进行确定关键尺寸的样品的成像。这提供了高 分辨率距离确定之外的额外的材料信息的优点。
在关键尺寸测量的离子显微镜系统的使用期间，读数电子枪可以用于避 免样品表面的过量荷电(见上面的讨论)。替代地或附加地，可以使用非常 低的He离子流(例如，100fA或更小)。除了减小表面荷电和保持图像保真 度之外，低离子流的使用减小了对于某些光致抗蚀剂材料的离子束引入的损 坏。
在一些实施例中，被选择用于关键尺寸测量的晶片样品可以首先需要被 切片(例如，测量样品的截面尺寸)。为了该目的，较重的气体例如Ne和 Ar可以被用在离子显微镜中以便形成可以用于切穿样品的离子束。作为替 代，Ga基FIB可以被用于切片样品。然后，显微镜系统可以清除这些气体 并且He可以被引入，使得关键尺寸测量用He离子束进行，避免在计量期 间的样品损坏。
(viii)线边缘粗糙度和线宽粗糙度
线边缘粗糙度通常是指半导体物品中的材料的线的边缘的粗糙度，并且 线宽粗糙度通常是指半导体物品中的材料的线的宽度的粗糙度。期望理解这 些值以确定在给定的半导体物品中是否存在实际或潜在的问题。例如，如果 由导电的材料形成的相邻的线具有相互向外鼓出的边缘，则线可以相互接触 而导致短路。期望理解线边缘粗糙度和/或线宽粗糙度为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、0.8 nm或更小、0.7nm或更小、0.6nm或更小、0.5nm或更小)。在一些实施例 中，线边缘粗糙度和/或线边缘宽度被测量多次，以便提供关于特征的尺寸的 统计信息。另外，对于例如线边缘粗糙度的参数的制造公差可以必须被控制 在5nm或更小内(例如，4nm或更小内，3nm或更小内，2nm或更小内， 1nm或更小内，0.5nm或更小内，0.1nm或更小内，0.05nm或更小内，0.01 nm或更小内)。
当确定线边缘粗糙度和线宽粗糙度时，晶片可以从制造线被随机选择用 于检测，或者生产线上的所有晶片可以被检测。成像仪器可以以相对高的通 过速率测量线边缘粗糙度和线宽粗糙度。如果线边缘粗糙度和线宽粗糙度没 有落在可以接收的限制之内，则晶片可以被抛弃。如果来源于特定的制造机 器的多个样品具有在可接收的限制之外的线边缘粗糙度和线宽粗糙度，则该 机器可以被停止使用，或其工作参数可以被改变。
在此所公开的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以用于线 边缘粗糙度和线宽粗糙度的计量。具体地，He离子束可以沿特征的长度被 栅扫描，并且所得的信息可以被用于以相对高的精度确定线边缘粗糙度和线 宽粗糙度。
对于线边缘粗糙度和线宽粗糙度的测量，相对于SEM和其它的检测系 统，He离子显微镜系统可以提供许多优点。He离子显微镜图像比可对比的 SEM图像通常展示较小的边缘模糊现象(通常，过多的信号，接近探测器 的饱和点，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产率)。 减小了的边缘模糊现象是相对于电子与表面的相互作用的He离子和样品表 面之间的较小的相互作用体积的结果。
另外，入射的He离子比可对比的入射电子束可以被聚焦于更小的斑点 尺寸。较小的束斑点尺寸，与较小的相互作用体积结合，导致具有比用SEM 所产生的图像更为优越的分辨率的样品的图像，和样品的线边缘粗糙度和线 宽的粗糙度的更为精确的确定。
He离子束的焦点深度比SEM相对大。结果，当使用离子束时，与电子 束相比，不同深度的样品特征的分辨率更为一致。因而，使用离子束可以以 比使用电子束可以提供的更好和更一致的横向分辨率提供各种样品深度的 信息。举例而言，使用离子束可以实现比使用电子束可以实现的更好的线宽 分布。
此外，在其中至少部分根据二次电子获得信息的实施例中，与电子束相 比，由离子束所提供的相对高的二次电子产率，可以导致对于给定流的相对 高的信噪比。这可以，又允许在相对短的时间内获得样品的足够的信息，增 加了给定流的通过量。
可以使用散射的He离子进行关键尺寸的确定的样品的成像。这除了高 分辨率距离确定之外还提供了材料信息的另外的优点。
使用离子显微镜系统用于线边缘粗糙度和线宽粗糙度测量期间，读数电 子枪可以用于避免样品表面的过量的荷电(见上述的讨论)。替代地或附加 地，可以使用非常低的He离子束流(例如100fA或更小)。除了减小表面 荷电并且保持图像保真度之外，低离子流的使用减小了对于某些抗蚀剂材料 的离子束引起的损坏。
在一些实施例中，被选择用于线边缘粗糙度和线宽粗糙度测量的晶片样 品可以首先需要被切片(例如，测量样品的截面尺寸)。为了该目的，较重 的气体例如Ne和Ar可以与气体场离子源相互作用以产生可以用于切穿样品 的离子束。然后，显微镜系统可以清除这些气体并且He可以被引入，使得 关键尺寸测量用He离子束进行，避免在计量期间的样品损坏。
(ix)电路编辑
如先前所讨论的，形成半导体物品的工艺典型地涉及以期望的方式层压 许多不同的材料的层，并且在各层上进行合适的工艺。通常，这涉及在给定 的层上沉积材料和/或从给定从层上去除材料。最终的半导体物品包括在不同 层中的许多不同的特征(例如，为了形成期望的电路)。通常，期望对于最终 装置特征被合适地对准以便按期望地工作。对准标记通常用于半导体物品中 以便辅助将给定层中的特征与不同层中的特征正确地对准。但是，使用对准 标记可以对于整个的制造工艺添加额外的步骤，和/或可以对于制造工艺引入 其它复杂度或费用。此外，仅仅对准标记的存在就意味着存在不可以使用的 半导体物品的面积和/或体积(例如，用于制造有用的器件)。
如上所述，离子束可以被用于研究材料的表面下的区。这个特性可以被 用于确定在表面层下面的层中的某些特征的位置，允许在半导体物品的不同 层中的特征按所期望被对准而不使用对准标记。
在此所描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以用于去 除和/或沉积材料(例如，从电路)，例如，使用上述气体辅助化学和/或溅射 技术。使用离子显微镜进行这些工艺的优点是离子束还可以用于评估所得的 产品以便确定，例如，是否期望的材料被正确地沉积或去除。这可以减小与 装置制造相关的成本和/或复杂度，和/或增加装置制造的生产量。材料的去 除和/或添加的能力可以被结合以便进行表面下电路修理。为了修理表面下的 缺陷，来自于装置的材料首先被向下去除至暴露缺陷的深度。随后缺陷通过 或者对装置添加材料或者从装置去除材料而被修理。最后，装置的重叠的层 通过添加合适厚度的新材料而被逐层修理。
在此所描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以提供电 路编辑应用的具体的优点，包括小的斑点尺寸和低离子流，用于受控的和高 精度的制造的装置的编辑。
(x)掩模修理
半导体物品典型地使用光刻工艺制备，光刻工艺涉及放置光致抗蚀剂的 层(例如，聚合物光致抗蚀剂，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或环氧基 光致抗蚀剂、烯丙基二乙二醇碳酸酯、或光敏玻璃)于表面上，构图材料， 使得光致抗蚀剂的某些区对于蚀刻剂是抗蚀的(并且一些区对于蚀刻剂是不 抗蚀的)，蚀刻材料的非抗蚀区，沉积合适的材料(例如，一或更多的导电 材料，一或更多的不导电材料，一或更多的半导体材料)，并且选择性地去 除材料的不期望的区。典型地，构图步骤涉及将光致抗蚀剂曝光于合适的波 长的辐射图案，使得光致抗蚀剂的一些区是抗蚀的并且光致抗蚀剂的其它的 区是非抗蚀的。通过形成掩模的图像于光致抗蚀剂上或用掩模覆盖光致抗蚀 剂的某些区，并且通过掩模曝光光致抗蚀剂的未被覆盖的区，而可以在光致 抗蚀剂上形成辐射图案。
在半导体工业中用于制造集成电路和其他微电子装置的光刻掩模可以 是易碎的和/或昂贵的。另外，掩模制造工艺可以是耗时和/或精致的。在一 些环境下，尽管在制造这样的掩模期间典型地使用的小心，制造误差产生掩 模缺陷。在另外的环境下，掩模缺陷可以来自于处理和普通的使用。如果电 路或其它装置使用有缺陷的掩模生产，则电路或装置可以不正确地工作。给 定制造新掩模所需要的时间和费用，编辑有缺陷的掩模比制造整个的新掩模 更为有成本效益。
掩模缺陷通常包括在不应当有材料的掩模的区中的掩模材料的过剩，和 /或在材料应当存在处掩模材料的缺失。在任一情形中，在此所描述的气体场 离子显微镜(例如，He离子显微镜)都可以用于检测和/或修理掩模。
在一些实施例中，在此所公开的气体场离子显微镜(例如，He离子显 微镜)可以用于检测掩模以便确定是否缺陷存在，并且，如果缺陷存在，缺 陷在那里。在此所公开的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)所提 供的各种有利的特征中的许多被期望地用于成像掩模。
在某些实施例中，除了在掩模修理期间成像掩模之外，在修理工艺期间， 可以使用气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)。举例而言，气体场离 子显微镜可以被用于相对于FIB定位掩模，使得FIB可以被用于使用气体表 面化学工艺和/或蚀刻工艺对掩模添加和/或从掩模去除材料，例如上面所描 述的。作为另一实例，气体场离子显微镜，除了初始成像掩模以便确定缺陷 的存在和/或位置之外，可以用于使用气体表面化学工艺和/或蚀刻工艺对掩 模添加和/或从掩模去除材料，例如上面所描述的。选择性地，气体场离子显 微镜可以被用于进行某些修理步骤(添加材料，去除材料)而其它仪器(例 如，FIB)被用于进行其它修理步骤(添加材料、去除材料)。
(xi)缺陷检测
通常，在制造半导体物品的工艺期间，为了潜在缺陷而检测物品。典型 地，检测通常使用线上工具进行，该线上工具总是运行并且被供给晶片并且 是全自动的。工具经常用于检验晶片的小的区是否存在缺陷将出现的区。该 检测在缺陷再检查(见下面的讨论)之前进行。与确定给定的缺陷的准确的 性质相对比，缺陷检测的目标典型地是确定是否缺陷可以存在。在缺陷检测 期间，晶片的区被分析，以便了解相对于相同晶片的其它区和/或其它晶片的 区是否某些反常的特性(例如，电压对比特性，形貌特性，材料特性)由样 品展示。典型地，对于潜在的缺陷，晶片上的坐标(例如，X、Y坐标)被 标注，并且在缺陷再检查期间晶片的所述位置被更为仔细地检测。
如在此所述的气体场离子显微镜(例如，He离子束)可以用于收集缺 陷检测期间样品的信息。这样的显微镜可以用于相对高的通过量和高质量的 缺陷检测。由气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)所提供的不同的 对比机制可以允许不同类型的缺陷的视觉化，并且以比使用光学成像技术通 常所观察到的更高的分辨率。
(xii)缺陷再检查
通常，如果在缺陷检测期间样品被标注为具有潜在的缺陷，则样品随后 被提交至缺陷再检查，其中具有潜在缺陷的样品的特定区被研究以便确定缺 陷的性质。根据该信息，可以实施对于工艺的改进以便减小最终产品中的缺 陷的风险。典型地，缺陷检测比缺陷再检查比以更低的速度和更高的放大倍 率进行，并且可以自动进行或手动进行，以便获得关于一或更多缺陷的具体 信息。所述信息用于试图理解在缺陷再检查期间为什么获得异常的结果，和 产生异常结果的缺陷的性质和原因。
在此所述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以用于研究 制造工艺中不同步骤(例如，每个步骤)的半导体物品。具体地，通过探测 和分析一种类型的粒子或多种不同类型的粒子(见上面的讨论)，气体场离 子显微镜(例如，He离子显微镜)可以用于确定半导体物品的表面的形貌 信息，半导体物品表面的材料成份信息，半导体物品的表面下区的材料成份 信息，半导体物品的结晶信息，半导体物品表面的电压对比信息，半导体物 品的表面下区的电压对比信息，半导体物品的磁信息，和/或半导体物品的光 学信息。由He离子显微镜所提供的不同的对比机制可以允许否则使用SEM 基技术不出现的缺陷的视觉化。
使用在此所述的离子显微镜或离子束可以提供各种不同的优点，这通常 可以减小与半导体物品的制造相关的时间、成本和/或复杂度。与使用在此所 述的离子显微镜或离子束相关的典型的优点包括相对高的分辨率，相对小的 斑点尺寸，相对少的不期望的样品损坏，相对少的不期望的材料沉积和/或注 入，在相对短的时间内的相对高的成像质量，相对高的通过量。
(xiii)电路试验
在半导体物品的制造期间，物品的一或更多的特征的导电性和功能性可 以被测试。该工艺通常涉及将特征暴露于荷电粒子并且随后监测电荷积聚的 速率。开电路相对于闭电路以不同的速率荷电，允许开电路被识别并且考虑 更为详细的检测。在此所述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜) 可以被用于使用离子束施加电荷至特征，和/或可以用于监测是否电荷被泄漏 掉(例如，通过监测电压对比信息)。选择性地，读数电子枪可以用于施加 电荷(见上面的讨论)，并且气体场离子显微镜可以被用于监测是否电荷被 泄漏掉(例如，通过监测电压对比特性)。
B.金属和合金腐蚀
He离子显微镜可以用于识别和检验各种装置和材料中的金属腐蚀。例 如，在核电厂、军事应用、和生物医学应用中所使用的金属夹具和装置由于 其中使用它们的严酷的环境可以经历腐蚀。He离子显微镜可以用于根据装 置中氢(H)的相对丰度而建造这些和其它装置的图像，所述丰度作为可靠 的腐蚀指示。
典型地，为了根据被散射的H离子或原子建造图像，相对于入射的He 离子束，这些离子或原子的探测器被定位于样品的背侧上。将样品暴露于 He离子从样品内产生被散射的H原子和离子，并且这些被散射的H原子和 离子可以被探测和用于建造样品的图像。H丰度图像可以随后被用于评估样 品内的腐蚀的程度。He离子束的小的斑点尺寸和相互作用体积可以导致高 分辨率的样品的H图像被获得而不损坏样品。
C.数据存储的读/写结构
在例如硬盘的磁存储装置中所使用的读/写头被制造至极高的公差并且 必须在安装之前检测制造缺陷。这些装置经常具有非常高的纵横比；这样的 装置的短边可以小至1nm。当在检测期间用于成像这些装置时，He离子显 微镜提供了许多优点。在这些优点之中有可以导致这些微小的装置以高分辨 率成像的小的斑点尺寸和相互作用体积，可以允许整个高纵横比装置沿其长 尺寸的聚焦的成像的大的焦距深度，和通过散射的He离子和/或中性原子的 测量提供的材料信息，它们可以用于确认微小的电路元件被正确地连接。
D.生物技术
使用无损技术确定生物样品的元素和/或化学成份信息经常是期望的。生 物样品的实例包括组织、核酸、蛋白质、碳水化合物、脂类和细胞膜。
在此所述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以用于确定， 例如，生物样品的形貌信息，生物样品的材料成份信息，生物样品的表面下 区的材料成份信息和/或生物样品的结晶信息。例如，气体场离子显微镜可以 被用于成像免疫标识的细胞和内部细胞结构。显微镜可以以该方式被使用同 时提供在此所公开的某些优点。
E.制药
经常，治疗剂(例如，小分子药品)形成晶体(例如，当其由溶液产生 时)。确定结晶的小分子的晶体结构可以是期望的，因为这可以，例如，提 供关于小分子的水合的信息，这又可以提供关于小分子的生物利用度的信 息，在某些实例中，结晶信息可以原来是证明小分子实际上处于非晶(与结 晶相对比)形式，这也可以影响小分子的生物利用度。
附加地或替代地，经常期望使用无损技术确定生物样品的元素和/或化学 成份信息。
在此所描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以被用于 确定，例如，生物样品的形貌信息、生物样品的表面的材料成份信息、生物 样品的表面下区的材料成份信息和/或生物样品的结晶信息。显微镜可以以该 方式被使用同时提供在此所公开的某些优点。
计算机硬件和软件
通常，上述任何分析方法都可以以计算机硬件或软件，或两者的结合而 被实施。所述方法可以在计算机程序中使用标准编程技术而实施，根据在此 所述的方法和图。程序编码被施加于输入数据以便进行在此所述的功能并且 产生输出信息。输出信息被施加于一或更多的输出装置，例如显示监视器。
各程序可以以高级别的过程或面向目标的程序设计语言实施，以便与计算机 系统沟通。但是，如果期望，程序也可以以汇编或机器语言被实施。在任一 情形，所述语言可以是被编译或被解释的语言。此外，程序可以在对于该目 的预编程的专用集成电路上运行。
各个这样的计算机程序优选存储在可以被通用或专用可编程计算机可 读取的存储介质或装置(例如，ROM或磁盘)上，以便当被计算机读存储 介质或装置时配置和运行计算机，以便进行在此所述的过程。在程序执行期 间计算机程序也可以驻留在高速缓冲存储器或主储存器中。分析方法也可以 作为计算机可读取存储介质被实施，以计算机程序配置，其中这样配置的存 储介质引起计算机以具体和预定的方式运行从而进行在此所述的功能。
其它实施例
尽管已经描述了某些实施例，但是其它的实施例也是可能的。
举例而言，SEM可以被用于一或更多的前述的实施例中与气体场离子 显微镜结合。例如，SEM可以用于产生二次电子，俄歇电子、X射线光子、 IR光子、可见光子和/或UV光子。选择性地，SEM可以用于提高气体辅助 化学。气体场离子显微镜可以以在此所公开的任何运行模式配置，使得SEM 和气体场离子显微镜系统进行补充功能。
作为另一实例，虽然公开了W(111)尖端，但是在尖端中也可以使用 不同的W的结晶取向。例如，可以使用W(112)、W(110)或W(100) 尖端。
作为又一实例，在一些实施例中，离子显微镜(例如，气体场离子显微 镜)可以包括合适的器件以便允许在线上使用的显微镜，用于样品的分析， 例如与半导体工业相关的样品(例如，晶片样品)。在某些实施例中，例如， 离子显微镜可以用高速负载锁(high-speed loadlock)对于标准尺寸的半导体 晶片被自动化。在一些实施例中，该系统还可以包括晶片台，该晶片台能够 以高速将一部分的样品晶片放置在离子显微镜下时。离子显微镜还可以包括 扫描系统，该扫描系统能够高速栅扫描计量图案。选择性地，离子显微镜还 可以包括电荷中性化设计以便减小样品的荷电。离子显微镜还可以包括晶片 高度控制模块以便调整工作距离。在某些实施例中，系统可以被配置，使得 单独的管芯(例如，具有50mm量级的长度)可以被成像。
实例
下列实例是示意性的，不试图作为限制。
1.
由单晶W(111)形成的25mm长的发射器线(直径250μm)从FEI公 司(Hillsboro，OR)获得。发射器线被切割为3mm并且放置在一边。V形加热 器线如下制备。13mm长的多晶钨线(直径180μm)从Goodfellow(Devon， PA)获得并且在蒸馏水中被声处理清洁15分钟以便去除碳残留物和其它杂 质。线在其中点被弯曲以便形成115度的角度。靠近“V”的顶点的区B被 电化学蚀刻以准备它用于在氢氧化钠的1N水溶液中用施加的1V的AC电 位和60Hz的频率和大约15秒的时间焊接。加热器线随后从蚀刻溶液被去 除，用蒸馏水冲洗，并且被干燥。
V形加热器线被安装在夹具中以便确保线的端部保持共面。发射器线被 点焊接至加热器线的V形顶点。随后，加热器线的两端被点焊至在图11A 和11B中所示出的类型的支撑基的2个支柱。支撑基从AEI公司(Irvine， CA)获得。所得的组件随后在蒸馏水中被超声清洁并且被干燥。
在支撑基上安装发射器线和支撑基的清洁之后，发射器的端部被如下的 电化学工艺蚀刻。首先，抗蚀剂材料(例如，从Revlon公司，New York， NY获得的指甲油)被施加至发射器线的0.5mm的长度，从线的自由端开始。 抗蚀剂的小滴被放置在清洁的玻璃显微镜载片的表面上，并且线浸入抗蚀剂 溶液10次，允许抗蚀剂在各次浸入之间稍微干燥。小心保证抗蚀剂的上边 界是圆形，并且圆形的平面被保持垂直于线的轴。在发射器线的端部最后一 次浸入抗蚀剂材料之后，线被允许在空气中干燥1小时。
随后贴附有抗蚀剂涂覆的发射器线的支撑基被贴附至蚀刻装置，蚀刻装 置包括：(a)垂直平移支撑基的平移设备；(b)盘；(c)延伸入盘的、由不锈钢 形成的对电极，以便最小化不期望的化学反应。盘被填充以蚀刻溶液至一水 平使得溶液与对电极接触。在蚀刻装置盘中存在大约150mL的溶液。支撑 基的取向被调整以便确保发射器线的纵轴基本平行于垂直方向(例如，沿平 移设备被提供用于支撑基的平移的方向)。随后，支撑基使用平移设备向盘 降低，直至被暴露的发射器线正好接触蚀刻溶液。安装于蚀刻装置的高放大 倍率的相机允许抗蚀剂层和蚀刻溶液表面容易被观察，并且允许发射器线相 对于溶液表面的精确定位。
随后，线被另外降低0.2mm进入蚀刻溶液。在该位置，发射器线的抗 蚀剂涂覆的部分被完全浸入蚀刻溶液。
蚀刻溶液由150mL的2.5M水溶液NaOH构成。为了便于润湿，1滴表 面活性剂(PhotoFlo200，从Eastman Kodak，Rochester，NY获得)被添加至 蚀刻溶液。在蚀刻工艺期间还采用了使用磁搅拌器轻柔地搅拌蚀刻溶液。
外部电源被连接至支撑基支柱和对电极。最大的电压大小、脉冲持续时 间、和外部电源的波形可以被控制，以便提供蚀刻装置中的特定的蚀刻条件。
AC脉冲的序列以60Hz的频率被施加至发射器线，以便促进电化学蚀 刻工艺。首先，100个持续时间580ms和大小10V的脉冲在总共5分钟的 时间窗口上被施加。被施加的脉冲的效果是增加蚀刻工艺的速率。浸入溶液 中但是未被光致抗蚀剂材料覆盖的发射器线的部分开始蚀刻掉。因为发射器 线被定位，使得仅在光致抗蚀剂材料的边缘的上方的线的小的未涂覆的区浸 入在溶液中，所以观察到该区中的发射器线的局部化的蚀刻。随着电化学反 应的进展，由于蚀刻工艺该区中的线的直径开始变窄。
接着，外部电源的脉冲持续时间被调整至325ms，并且在总共5分钟的 时间窗口上，6个该持续时间的脉冲被施加至发射器线。这些脉冲进一步提 高了电化学蚀刻工艺，导致发射器线的被蚀刻的区具有非常小的直径。
最后，外部电源的脉冲持续时间被调整至35ms，并且单个脉冲被施加 至发射器线，直至蚀刻完成并且发射器线的抗蚀剂涂覆的部分掉落进入蚀刻 溶液中。支撑基随后从蚀刻装置中移走，用蒸馏水漂洗，并且在氮流中干燥。
发射器线-仍然贴附于支撑基-随后使用SEM检查以便验证被蚀刻的尖 端具有合适的几何形状特征。在5keV工作并且具有3nm的探针尺寸的 AMRAY Model 1860SEM被用于成像发射器线尖端。支撑基被安装在SEM 的样品区中，在配备了倾斜和旋转操作台的样品操纵器上。从几个不同的观 察角度和放大倍率获得源的图像，以便验证尖端被基本正确地成形。
随后SEM图像被用于表征化平均全锥角，平均尖端半径，和平均锥方 向，如先前对于线的尖端的顶点的讨论。用于这些测量的图像取放大倍数 65,000X，并且沿对于发射器线的轴成直角取向的视轴。使用SEM样品操纵 器调整发射器线的倾斜，以便确保发射器线对于视轴正交地取向。为了进行 尖端锥角、锥方向、和半径的平均测量，SEM样品操纵器被用于在连续的 图像之间旋转尖端45°(围绕发射器线的轴)。这产生尖端的一套8个图像- 每个来自不同的视角-其随后用于确定尖端的锥角、曲率半径、和锥方向。
在图37A-37D中示出了8个视角的图像的4个。各SEM图像被数字 化为位图格式并且随后采用使用MathCAD软件包(PTC Inc.，Needham，MA) 开发的定制算法分析。首先，各图像通过施加Gaussian卷积算法被平滑，以 便减小图像噪声，尤其是归因于在成像期间出现的SEM的振动的噪声。随 后根据阈值强度值的过滤步骤被施加于各图像以便强调钨尖端和黑背景之 间的边界。各图像中的尖端边界随后被确定为非零强度(X，Y)点的组， 其形成对应于尖端的图像像素和对应于黑背景(例如，零强度)的图像像素 之间的界线。一组这样的对于尖端的视图之一的(X，Y)点在图38中示出。 对于尖端的8个视角的视图的每个，确定相似的边界点的组。
在计算给定的边界曲线的斜率之前，平滑算法被施加于曲线以便确保曲 线的局部斜率对于噪声和其它小的信号变化相对不敏感。平滑算法由将原始 (X，Y)数据点拟合为4阶多项式构成，这已被发现良好地描述尖端的形 状。平滑算法的效果是确保在顶点位置的任一侧，该曲线的一阶导数不被形 状的小的变化而过分地影响。
平滑步骤之后，对于各视图使用有限差分算法沿边界曲线在各X点计算 斜率dY/dX。图39示出了对于在图38中所示出的边界曲线的作为X的函数 的沿边界曲线的点的计算的斜率的图。
对于尖端的特定视图，对应于该视图的获得零值的斜率的边界曲线的位 置被识别为尖端的顶点并且给出标识Xapex。在边界曲线上对应于最接近于顶 点的(X，Y)点、边界曲线的斜率获得的值为1的位置，被给予标识X+1。 在边界曲线上对应于最接近于顶点的(X，Y)点、边界曲线的斜率获得的 值为-1的位置，被给出标识X-1。
这些被测量的点随后被用于确定尖端的几何参数。在特定的视图中尖端 的左半径被计算为X+1和Xapex的差的绝对值乘以1.414。在特定的视图中尖 端的右半径被计算为X-1和Xapex的差的绝对值乘以1.414。随后，根据左和 右半径的值，在特定的视图中尖端的曲率半径被计算为左半径和右半径值的 平均。
对于尖端的8个视角的视图的每个重复右半径、左半径、和尖端的曲率 半径的计算。平均尖端半径随后被计算为在所有的尖端的视图中尖端曲率半 径的测量的平均。对于在图37A-37D中所示出的尖端，平均尖端半径被确 定为62nm。
所有的尖端的左和右半径的标准偏差也被计算，并且被表示为平均尖端 半径的百分比。对于在图37A-37D中所示出的尖端，偏心率被确定为 11.9％。
在8个视角的视图的每个中尖端的锥角也被确定。在对应于各视图的边 界曲线中，边界曲线上的左和右切点分别位于尖端顶点左和右侧上，在距离 尖端顶点1μm的位置，沿Y方向测量，如先前所讨论的。在特定的视图中 尖端的左锥角则被确定为在左切点的边界曲线的切线和平行于Y轴并且延 伸通过该左切点的线之间的角度。在特定的视图中尖端的右锥角则被确定为 右切点的边界曲线的切线和平行于Y轴并且延伸通过右切点的线之间的角 度。最后，全锥角被确定为左和右锥角的大小的和。
尖端的平均全锥角则通过计算来自尖端的8个视角的视图的尖端的全锥 角的8个测量的平均来确定。对于在图37A-37D中所示出的尖端，例如， 平均全锥角被确定为34.5°。
对于尖端的特定的视图，锥方向被计算为左和右锥角的大小之间的差的 绝对值的一半。对于尖端的8个视图的每一个重复该确定产生尖端的锥方向 的8个测量。尖端的平均锥方向则计算为这些8个锥方向的测量的平均。对 于在图37A-37B中所示出的尖端，平均锥方向被确定为2.1°。
一组根据平均尖端半径、半径偏心率、平均锥角、和平均锥方向测量的 标准被用于确定是否给定的尖端被接受用于He离子显微镜。通常，这些标 准如下。如果测量的平均锥角在15°和45°之间，尖端被接受使用，平均尖端 半径在35nm和110nm之间，尖端曲率半径测量的标准偏差小于30％，平 均锥方向小于7°。最后，在图37A-37D中所示出的尖端满足这些标准中的 每一个，并且这样该尖端被接受用于He离子显微镜。
在尖端的几何性能的验证之后，尖端在定制的FIM中被检测。FIM包 括支撑尖端的支撑组件的安装区，用于偏置尖端的高压电源，相邻于尖端的 提取器，和记录来自尖端的离子发射图案的探测器。
提取器与尖端间隔5mm的距离并且具有10mm的开口。提取器被接地 至外接地。探测器，即微通道板(MCP)和图像增强器的组合(从Burle Electro-Optics Inc.，Sturbridge，MA获得)被定位于距离提取器75mm的距离。
包括尖端的支撑组件被安装在FIM中并且FIM室被抽真空至1× 10-8Torr的背景压力。尖端使用液氮作为冷却剂被冷却至77K。在温度平衡 之后，源被加热至900K持续5分钟以便释放在工艺期间形成于尖端上的冷 凝物或其它杂质。尖端的加热通过施加电流至加热器线而被完成，尖端被焊 接到该加热器线。电流使用具有恒定功率能力的电源(Bertan Model IB-30A， 可以从Spellman High Voltage Inc.，Hauppauge，NY获得)而被施加。温度测量 使用光学高温计(从Pyro Corporation，Windsor，NJ获得)进行。
接着，尖端随后被再次冷却至77K，并且FIM提取器被接地并且尖端相 对于提取器被偏置为+5kV。高纯度He气(99.9999％纯度)在1×10-5Torr 的压力下被引入FIM室。尖端偏置被逐渐以增量增加至+29kV直至在探测 器上观察到对应于离开尖端的He离子的He离子的图像。FIM发射图案对 应于在尖端表面上的大约300个原子。根据FIM图案，尖端的单晶成份和 W(111)取向被验证。
接着，尖端被锐化以在尖端顶点获得端原子三聚物。氦气从FIM室中被 泵出直至在室中的背景压力小于1.2×10-8Torr。尖端随后被加热，通过如上 所述对于加热器线的电流的施加，至1500K的温度持续2分钟。氧气以1× 10-5Torr的压力被引入尖端附近的FIM室中。在2分钟之后，尖端温度被减 小至1100K。在1100K的2分钟之后，氧气供给被关闭并且尖端允许被冷却 至大约77K。在冷却期间，并且在氧气供给被关闭后大约15分钟，残留的 氧气被泵出FIM室直至室中的背景压力小于1.2×10-8Torr。
一旦被冷却至液氮温度，则提取器如上被偏置，并且尖端再次相对于提 取器以+5kV被偏置。He气以1×10-5Torr被引入FIM室，并且FIM被再次 如上所述操作以便获得尖端的He发射图像。尖端的电压被逐渐增加，直至 尖端的FIM图像被以尖端上的大约+18kV的电位偏置的探测器所俘获。
被观察到的FIM图案包括吸附原子-尖端顶点的期望的三原子三聚物 结构的之外的多余的原子。吸附原子通过以+18kV的尖端偏置电位的场蒸发 而被缓慢地去除。在场蒸发期间，尖端的图像被定期地摄取和监测以便确定 何时停止场蒸发工艺。吸附原子被逐一去除直至观察到尖端顶点的原子三聚 物的清晰的FIM图像。除了原子三聚物之外，3边角锥的棱线也被清晰地观 察到。
原子三聚物通过尖端的进一步的场蒸发而被缓慢地去除。通过缓慢地增 加尖端偏置超出+18kV，三聚物原子被逐一去除，导致由探测器记录的FIM 图像中观察到的圆化的尖端。
尖端偏置电位被进一步增加至+28kV。在该工艺期间尖端原子的场蒸发 持续。在+28kV的偏置电位，在尖端的顶点获得另一原子三聚物。第二三聚 物的FIM图像在图40中示出。在获得第二三聚物之后，尖端偏置电位被减 小以便得到FIM发射图案中最高的角强度。这出现在+23kV的尖端偏置。 最高的角强度通过调整尖端偏置以便获得FIM发射图案中被选择的原子的 最大的观察亮度而被确定。通过随着尖端的电位被调整，测量来自三聚物的 He离子流，而验证最高角发射强度出现的偏置。He离子流使用定位于He 离子束路径中的Faraday杯而被测量。
通过缓慢地增加尖端的电位大于+28kV并且从尖端顶点场蒸发原子，尖 端随后被钝化为接近球面的端部形状。场蒸发持续直至在+34kV的偏置电位 在尖端的表面获得另一原子三聚物。为了验证尖端再建过程的可重复性，锐 化工艺再被重复两次以便在尖端顶点获得新的原子三聚物。在两次连续的三 聚物再建之后，氦气供给被关闭，被施加的尖端偏置被去除，尖端被允许加 温至室温，并且FIM室压力被缓慢地与大气压力平衡。仍然安装在支撑组件 中的尖端被存储在架子上2周直至其被用于氦离子显微镜。
包括尖端的支撑组件被安装在相似于图1和5中所示出的系统的氦离子 显微镜系统中。系统的元件如下配置。提取器被定位于距离尖端1mm，并 且具有直径3mm的开口。离子光学器件的第一透镜被定位于距提取器30 mm的距离。穿过第一透镜之后，离子穿过对准偏转器，对准偏转器被配置 为四极电极。具有直径20μm的开口的孔径进一步沿离子的路径被定位以便 选择性地屏蔽离子束的一部分。离子轨迹的交叉点被定位于孔径前面50mm 的距离。配置为八极电极的像散修正器被定位于孔径之后，以便调整离子束 的像散。配置为八极电极的扫描偏转器被定位于像散修正器之后，以便允许 离子束栅扫描过样品的表面。第二透镜被定位于距离孔径150mm的距离， 并且被用于将离子束聚焦于样品的表面上。第二透镜成形为平头的右角锥， 具有90°的全锥角。
最初，离子显微镜系统被抽真空，使得尖端区的基压力是大约2× 10-9Torr。尖端使用液氮被冷却至大约80K。提取器被接地，并且相对于提 取器+5kV的偏置被施加于尖端。
尖端通过施加8W的电源至加热器线而被加热，直至其视觉发光(对应 于大约1100K的尖端温度)。从发光的尖端发出的光子从离子光学器件的侧 部被观察到，使用对于垂直于离子光学器件的纵轴的平面以45°倾斜的镜子。 镜子为该目的被引入离子光学器件，在正好在对准偏转器下面的位置，经由 离子柱中的侧口。尖端被倾斜并且重复地移动，直至发光的尖端粗略地沿离 子光学器件的纵轴对准。当发光的尖端看上去为圆环点源时，实现了尖端与 纵轴的合适的对准。
尖端被允许冷却同时保持尖端相对于提取器+5kV的电位偏置。一旦尖 端已被冷却至液氮温度，则He气以1×10-5Torr的压力被引入尖端区。离子 显微镜系统在SFIM模式中运行，如上所述，以便产生示出尖端的He离子 发射图案的图像。图像指示了至原子精度的尖端的形状。对准电极被用于将 从尖端产生的离子束栅扫描过孔径的表面。锯齿电压功能被施加于各对准偏 转器以便实现以10Hz帧速率的栅扫描，锯齿功能相对于显微镜系统的公共 外接地的最大电压是150V。栅扫描图案扫描横过离子光学器件的轴的两个 正交方向的每个方向上的256个点。像散修正器和扫描偏转器不用于该成像 模式。
为了探测穿过该孔径的离子，铜样品被放置下第二透镜下面，并且MCP 探测器被正偏置(相对于公共外接地+300V)以便测量由于样品和入射在样 品上的He离子之间的相互作用离开铜样品的二次电子。探测器被定位于距 样品10mm的距离并且平行于样品的平面取向。
探测系统在各栅扫描点取样探测器信号并且产生尖端的SFIM图像，所 述图像被显示在监视器上。为了有利于成像，离子柱中的第一透镜的电位被 设置为尖端偏置的77％。随后，随着尖端偏置增加，SFIM图像保持粗略一 致的放大倍率和强度。当观察SFIM图像时，尖端偏置被缓慢地增加以便消 除不期望的吸附原子并且产生在其顶点具有原子三聚物的尖端。该三聚物通 过进一步地增加尖端偏置电位而被去除以便引起尖端原子的场蒸发。场蒸发 持续，直至在被施加的+23kV的尖端电位，新原子三聚物形成于尖端的顶点 上。该尖端的所得的SFIM图像在图41中示出。
在对准偏转器、像差修正器、扫描偏转器、和第二透镜关闭(例如，相 对于显微镜系统的公共外接地的零电位)的情形，三聚物的一个原子被选择 并且尖端被倾斜和平移同时第一透镜的强度被100V调制。显微镜系统在 FIM中运行并且探测器收集尖端的FIM发射图像。尖端被重复地倾斜和平 移，直至当第一透镜的强度被调制时，FIM图像上的尖端的中心位置从一图 像至另一图像未被改变。
接着，孔径被放置入位并且施加于对准偏转器的电位被调整以便控制离 子束在孔径的位置。透过孔径的离子束部分由探测器成像，并且探测器图像 被用于重复地调整对准偏转器。
扫描偏转器被用于将透过孔径的离子束栅扫描过样品表面。样品表面上 的可以识别、高对比的特征(铜格栅)(部件号02299C-AB，从Structure Probe International，West Chester，PA获得)被放置在第二透镜下面的离子束的路径 中，并且该特征的二次电子图像使用上面讨论的配置的探测器测量。
第二透镜的强度被调整以便粗略地将离子束聚焦在样品表面上；施加于 第二透镜的电位偏置是相对于公共外接地的大约15kV。聚焦的品质从由探 测器所记录的样品的图像被视觉评估。离子束相对于第二透镜的轴的对准通 过缓慢地调制第二透镜的强度而被评估-以1Hz的频率和第二透镜的工作 电压的大约0.1％的调制幅度-并且观察该特征的位移。在最后的透镜中的 离子束对准通过调整对准偏转器的电压而被最佳化。当由探测器测量的图像 的中心的位置在第二透镜的强度的调制期间不显著地改变时，对准被最佳 化。
然后，通过调整第二透镜的强度，样品以更高的放大倍率被成像，使得 样品的视场是大约2平方μm。通过调整像散修正器控制，焦点的非对称性 被最小化。这些控制被调整同时观察图像并且尤其是所有方向中的边缘的尖 锐度。当聚焦的图像的尖锐度在所有方向相同时，像散修正完成。典型地， 不高于30伏特的电压被施加至像散修正器以便实现该条件。在该点上，氦 离子显微镜完全运转的。
运转的显微镜被用于成像各种样品。通过测量二次电子记录的样品图像 在图42和43中被示出。
成像条件包括广泛范围的束流(100pA至1fA)。束流通过几种方法被 控制。首先，使用电动孔径机构，具有不同直径的孔的不同的孔径被放置入 位。孔径机构包括其直径从5μm至100μm范围的孔径。第二，第一透镜 焦点强度被调整以便移动束交叉更接近于离子光学器件中的孔径平面，使得 较大的离子流到达样品。相反，第一透镜焦点强度被调整以便移动束离孔径 平面更远，使得较小的离子流穿过孔径。第三，在尖端区中氦气的压力分别 被增加或减小以便增加或减小离子束流。
束能量典型地对于最佳角强度选择；束能量典型地在从17keV至30keV 的范围中。束能量响应于改变尖端的形状而随时间而改变。
使用的探测器的类型，和探测器的设置根据用离子显微镜所检验的样品 的类型而被选择。为了测量样品的二次电子图像，ET探测器被使用，具有 以相对于公共外接地大约+300V偏置的金属格栅。ET探测器内部的闪烁体 相对于外部地以+10kV被偏置，并且内部PMT的增益被调整以便产生尽可 能大的信号而不饱和。
MCP探测器(从Burle Electro-Optics，Sturbridge，MA获得)也被用于探 测来自样品的二次电子和/或散射的He。MCP格栅、前面、背面可以每个相 对于外部接地被偏置。探测器的增益通过相对于前端正地偏置MCP的背面 而获得。典型的增益电压是1.5V。相邻于背面的集电极板以相对于背面+50V 被偏置。从集电极板，探测信号是在大的正电压上叠加的小的变化的电流的 形式。为了收集二次电子，前面和MCP的格栅被偏置为+300V。为了收集 散射的He，前面和格栅被偏置为-300V。
栅扫描速度根据需要对于各样品的最佳成像条件被调整。每像素的驻留 时间的范围是从100ns至500μs。对于较短的驻留时间，通过平均多次扫描 来减小噪声。这对于连续的线扫描，和对于连续的帧扫描进行。
在图42中示出的图像是硅衬底上的多个碳纳米管的图像。图像通过探 测来自纳米管的表面的二次电子而获得。ET探测器被定位于距样品8mm的 距离并且距离子束离轴15mm，并且相对于样品的平面以20°的角度取向。 He离子束流是0.5pA并且平均离子能量是21keV。离子束以200μs每像素 的驻留时间被栅扫描，并且总的图像探测时间是200s。图像的视场是4μm。
在图43中所示出的图像是硅衬底上的铝支柱的图像。图像通过探测来 自纳米管表面的二次电子而获得。上述类型的MCP探测器，在格栅和前面 相对于外部接地以+300V被偏置的情形，定位于距样品10mm的距离并且 平行于样品的平面取向。He离子束流是0.5pA并且平均离子能量是24keV。 离子束以200μs每像素的驻留时间被栅扫描。样品表面的视场是1μm，通 过施加1V的最大电压至扫描偏转器来获得。
在氦离子显微镜中采用该尖端的操作持续几周的时间，而无需排放系统 以便保养离子源。随着三聚物原子被去除，或者故意地或者通过正常的使用， 尖端的端部形状变得更为球形，如在图44中所示出的SFIM图像中所示。 根据需要进行原位角锥再建(锐化)，通过使用最初在FIM中锐化尖端所进 行的相同的热和氧配方。通常，各再建工艺消耗小于5分钟的时间，并且除 此之外，系统在这些周的期间是可用的。总之，尖端被再建多于8次。在图 45中示出了尖端顶点的再建的原子三聚物的图像。
2.
W(111)尖端被安装在支撑组件中并且按照在实例1中所述的过程被 电化学蚀刻。在图46中示出了尖端的SEM图像。根据在实例1中的过程进 行尖端的几何特征化。对于该尖端，平均尖端半径被确定为70nm。尖端根 据在实例1中的标准而被接受使用。
验证尖端的几何形状性能在可接受的限制之内之后，包括被蚀刻的尖端 的源组件被安装在实例1中所述的FIM中。FIM的配置除了下述之外与实 例1中所讨论的相同。相对于提取器的在尖端上的电位被缓慢地增加至 +21.8kV的电位。尖端原子的场蒸发随着电位的增加而出现。在到达+21.8kV 之后，尖端电位被减小至+19.67kV。在图47中示出的尖端的FIM图像用保 持在该电位的尖端获得。使用该图像，尖端的单晶结构和正确的取向被验证。
接着，尖端被锐化以便产生顶点的原子三聚物。氦被泵出FIM室，并且 尖端通过对于尖端施加4.3A的稳定电流20秒而被加热。倾斜的镜子安装在 FIM柱中并且取角度以将沿柱轴传播的光线改变方向至柱的侧口，该镜子被 用于观察尖端。没有发光(例如，从尖端发射的光子)对于肉眼可见，这样 尖端被允许冷却5分钟。然后尖端通过施加4.4A的恒定电流至尖端20秒而 被加热。没有发光对于肉眼可见，这样尖端被允许冷却5分钟。然后尖端通 过施加4.5A的恒定电流至尖端20秒而被加热。没有发光对于肉眼可见，这 样尖端被允许冷却5分钟。然后尖端通过施加4.6A的恒定电流至尖端20秒 而被加热。在该温度，从尖端可以清楚地看到发光。因而，引起尖端发光所 需的电流被确定为4.6A。源随后被允许冷却5分钟。
接着，负偏置被施加于尖端同时监测从尖端的电子发射流。使得偏置逐 渐地更负，直至观察到来自尖端的50pA的电子发射流。在该流的尖端的偏 置是-1.98kV。在该偏置仍然施加于尖端的情况下，4.6A的加热电流被施加 于尖端。在大约20秒之后再次观察到尖端发光。在观察到尖端发光之后尖 端的加热再延长10秒。随后从尖端去除施加于尖端的偏置电位和加热电流， 并且尖端被允许冷却至液氮温度。
一旦尖端已经冷却，则相对于提取器+5kV的正电位被施加至尖端。He 气以1×10-5Torr的压力被引至FIM室尖端的附近。尖端顶点的FIM图像如 在实例1中所述被获得。随着偏置增加FIM图像被看得更为清晰。图48中 的图像在+13.92kV的尖端偏置下被观察。该图像示出了角锥的棱线和对应 于原子三聚物的明亮的中心顶点。
尖端上的一些发射原子是松散地结合的吸附原子并且用增加的电场强 度通过尖端原子的场蒸发而被去除。尖端偏置被进一步增加至+21.6kV，并 且第一和第二三聚物通过的场蒸发而被去除。在到达该电位之后，尖端电位 被减小至+18.86kV并且图49中的FIM图像被记录。
根据在实例1中所确定的标准，尖端被确定为可用的并且从FIM去除。 大约一个月之后，尖端被安装入如在实例1中所述配置的氦离子显微镜中。 三聚物如实例1中所描述的工艺被再建和蒸发多次，除了没有使用氧气之外。 而是，三聚物再建工艺依靠施加特定的负电位偏置至尖端(以便产生50pA 的电子发射流)，同时以施加于加热器线的4.6A的电流加热尖端，导致加热 器线的可见的发光持续20秒。尖端保持在氦离子显微镜中并且提供超过四 周的使用，而无需排空系统以便维护尖端。在该期间，使用如上所述的涉及 负施加的电位偏置和加热的过程，尖端被再建多次。尖端的再建的三聚物的 SFIM图像在图50中被示出。
使用具有该尖端的He离子显微镜所记录的半导体样品的图像在图51中 被示出。样品包括沉积于氧化硅衬底的表面上的铝金属。未知的涂层被沉积 在各个这些材料的顶部。
1V的最大值的扫描电压被引入于扫描偏转器上以在样品上产生10μm 的视场。第一和第二透镜、对准偏转器和像散修正器的电位被调整，以便控 制通过孔径的He离子束的部分，且控制样品位置的束焦点的质量，如在实 例1中所述。在成像期间样品被倾斜和平移以便揭示侧壁的三维性质和细节。
图51中所示出的图像通过测量来自样品表面的二次电子而被记录。 MCP探测器被定位于距样品10mm的距离，并且平行于样品的表面取向。 MCP格栅和前面相对于公共外接地以+300V被偏置。He离子束流是4pA 并且平均离子能量是21.5keV。总的图像探测时间是30秒。
使用该尖端所摄取的另一半导体样品的图像在图52中示出。样品是具 有由金属形成的表面特征的多层半导体装置。该图像通过测量归因于样品与 入射的He离子的相互作用而离开样品的二次电子而被记录。150V的最大扫 描电压被施加于扫描偏转器以便在样品表面产生1.35mm的视场。
样品从俯视视角被观察，这示出了样品表面的许多特征。为了记录图像， 具有相对于公共外接地以+300V偏置的格栅和前面MCP的探测器被定位于 距样品10mm的距离，并且平行于样品的表面取向。He离子束流是15pA 并且平均离子能量是21.5keV。离子束以每像素10μs的驻留时间被栅扫描。
3.
在该实例中尖端使用如在实例2中所述的过程在氦离子显微镜中被制备 和对准。尖端的几何形状特征化根据在实例1中的过程进行。尖端根据实例 1中的标准而被接受使用。
通过直接或外推测量，可能以已知束流的和已知探测时间来获得样品的 图像。束流使用Faraday杯结合皮安培表(Model 487，Keithley Instruments， Cleveland，OH)而被精确地监测。尖端区中的He压力也使用Baynard Alpert 型离子化测定仪器(可以从Varian Vacuum Inc，Lexington，MA获得)而被仔 细地监测。在其中He离子流太低以至于不可以被精确地测量的状态(例如， 小于大约0.5pA)，离子流根据测量的He气体压力外推而被确定。典型地， He气体压力和He离子流相互线性成比例，并且一尖端之间的线性关系是一 致的。
样品是具有形貌特征的金格栅样品(部件号02899G-AB，从Structure Probe International，West Chester，PA获得)。样品通过测量响应入射He离子 从样品表面的二次电子发射而被成像。为了记录图像，40mm直径的环形， chevron型MCP探测器(从Burle Electro-Optics，Sturbridge，MA获得)被定位 于距样品10mm的距离，并且平行于样品的表面取向。探测器占据大约1.8 球面度的立体角并且相对于离子束对称。探测器直接安装在第二透镜的底 部，如在图66中所示出的。MCP的前表面相对于公共外接地被正偏置 (+300V)，并且还存在正偏置(相对于公共外接地)的内部金属格栅 (+300V)。
平均离子能量是20keV。样品的图像分别用1pA、0.1pA和0.01pA的 束流测量，并且分别在图53、54和55中示出。总图像探测时间分别是33 秒、33秒和61秒。
对于前两个图像(图53和54)，图像尺寸是1024×1024像素。对于第 三个图像(图55)，图像尺寸是512×512像素。在各图像中，大约2V的最 大扫描电压被施加于扫描偏转器以便在样品表面产生20μm的视场。
为了确认散射的氦离子和/或中性原子不显著地贡献于这些被记录的图 像，格栅和MCP偏置电位被改变至-50V，而没有信号被观察到。这些图像 的噪声成份被确认为低于对于相同的流、相同的像素数量、和相同的总探测 时间用样品的SEM图像所获得的噪声成份。
4.
尖端使用如实例1中所述的方法被安装在支撑组件中并且被制造，除了 在支撑组件中，贴附至源基的两个支柱被相互相向地预弯曲，如在图56中 所示出的。该弯曲允许加热器线横越显著较短的长度。加热器线如在实例1 中所述是具有180μm直径的多晶钨线。采用该弯曲的支柱，5mm的加热器 线长度被使用。较短的加热器线长度的优点是线的长度的刚度随着线长度的 减小而增加。发射器线如在实例1中所述以通常的方式固定。
较短的加热器线的增加了的刚度通过施加相同的力至两个不同的尖端 而被观察到，一个尖端被安装在实例1中所述的类型的支撑组件中，并且另 一个安装在图56中所示出的支撑组件中。响应于被施加的力的两个尖端的 偏转被比较。与实例1类型的支撑基相比，弯曲支柱支撑组件偏转的量小6 倍。结果，弯曲的支柱型支撑组件的自然振动频率(大约4kHz)比实例1 的支撑组件的自然振动频率高大约2.5倍。在较高的频率下，当在显著低于 自然振动频率的振动频率被激励时，支撑基和尖端一致地运动(例如，具有 可以忽略的相移)。当在He离子显微镜中实施时，在弯曲支柱源组件中相对 低的尖端的振动减小了离子显微镜图像具有可感知的图像非自然信号，例如 归因于尖端振动的束着陆误差的可能性。
5.
尖端根据在实例1中所述的过程被制备，除了使用了不同的加热器线之 外。在该实例中所使用的加热器线具有比实例1中的加热器的直径大大约25 ％的直径。较厚的加热器线相对于振动运动较少顺从，因为，通常，线的刚 度随着直径增加而增加。另外，该较厚的加热器线由钨铼合金形成(74％钨， 26％铼)。所述合金线比实例1的钨加热器线具有显著较高的电阻性；总加 热器线的电阻被测量为大约0.5欧姆。合适的钨铼合金线从Omega Engineering(Stamford，CT)获得。
较厚的加热器线增加了包括尖端的支撑组件的自然频率，从大约1.5kHz (实例1)增加至大约2.2kHz(该实例)。当在He离子显微镜中实施时， 采用该加热器线组件的源组件中相对低的尖端的振动减小了离子显微镜图 像具有可感知的图像非自然信号，例如归因于尖端振动的束着陆误差的可能 性。
6.
尖端通过如在实例1中所述的工艺形成，除了加热器线被热解碳块(从 MINTEQ International Pyrogenics Group，Easton，PA获得)替代之外。源组件的 支柱被相互相向弯曲并且被机械加工以便具有平行的平坦表面。为了安装发 射器线，支柱被撬开并且两块热解碳被插入在支柱之间。发射器线被放置在 所述碳块之间并且随后支柱被释放。通过支柱施加至碳块的压力夹持块和发 射器线在支撑组件上的适当位置，避免发射器线相对于支撑基的相对运动。 在图57中示出了支撑组件的一部分，包括弯曲的支柱、两个碳块、和发射 器线。
热解碳块的尺寸被选择，使得碳块和发射器线处于受压状态。在没有在 适当位置的碳块的情形，弯曲支柱之间的间隔是1.5mm。碳块每个具有沿 两个弯曲支柱之间的方向的700μm的长度。发射器线具有250μm的直径。
热解碳块相对于弯曲支柱为了最大电阻和最小导热性而取向(例如，热 解碳块中的碳平面大致垂直于连接支柱的线取向)。支撑组件的电阻在 1500K被测量为4.94欧姆，比实例1的支撑组件的电阻(0.56欧姆)大。加 热尖端至1500K所需的功率是6.4W(与加热实例1中的尖端至1500K所需 的大约11W相比)。尖端相对于源基被相对牢固地夹持，由于加热器线的缺 失。该支撑组件的振动频率大于3kHz。
当在氦离子显微镜中实施例时，在该源组件中尖端的相对低的振动-通 过在尖端的任一侧上施加于热解碳块的压力而固定在位-减小了离子显微 镜图像具有可感知的图像非自然信号，例如归因于尖端振动的束着陆误差的 可能性。
7.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装和配置 在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改变如 下所述。
显微镜系统被配置以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而离 开样品的二次电子。MCP探测器(相似于在实例3中所描述的探测器的配 置)被用于记录样品图像。
样品是钢，并且形状是球面且成份均匀。He离子流是1.0pA并且平均 离子能量是20keV。离子束以10μs每像素的驻留时间被栅扫描。施加于扫 描偏转器的最大电位(大约100V)在样品表面产生大约1mm的视场。
样品的图像在图58中示出。图像反映了样品的总二次电子产率的测量。 图像揭示了在右手边缘的提高的二次电子产率。提高的产率来自接近样品表 面的离子束的增加的路径长度，在样品的表面二次电子可以逃逸。发现二次 电子产率增加大致与sec(α)成比例，这里α代表入射的He离子束和样品表 面的法线之间的角度。
第二样品的图像在图59A和59B中示出。图59A中示出的样品的成像 条件与在该实例中结合第一样品所讨论的相同。
在20keV的能量，He离子束深深地穿透进入样品(大约100nm)才显 著地发散。结果，样品图像的边缘示出相对窄的亮边效应(例如，减小了的 边缘模糊)。例如，在图59A中的图像从He离子显微镜被记录，而在图59B 中的图像使用标准SEM记录。在两个图像中，信号都仅来自二次电子的测 量。在图59B中所示出的SEM图像中，SEM在2keV电子束能量和30pA 束流的成像条件下工作。
观察到亮边在He离子显微镜图像中可识别地更窄，这相信是与入射的 电子相比，在样品表面He离子的较小的相互作用体积的结果。当He离子 束穿入样品时，He离子束保持相对校准。相反，SEM电子束在直接相邻于 样品表面就产生显著较宽的相互作用体积。结果，通过入射的电子束所产生 的二次电子来自于从表面上的标称电子束的位置延伸几个纳米的表面区。结 果，SEM的亮边效应显著较宽，如通过视觉比较图59A和59B中的图像可 以看到的。
为了数字比较这两个图像中的亮边效应，在各图像中横过公共边特征进 行线扫描。结果在图67A和67B中示出，其分别对应于图59A和59B。线 扫描区是1像素宽50像素长。对应于边特征的线扫描中的强度峰，在SEM 图像中比在对应的He离子显微镜图像中，具有宽40％的半峰全宽(FWHM)。 如上所述，在He离子显微镜图像中观察到的减小的边宽度是相对于电子在 样品表面He离子的较小的相互作用体积的结果。
8.
尖端按照如实例1中所述的过程被制备，并且尖端几何形状性能的特征 化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端使用在实例1中所述的过程在FIM中被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，其配置的 改变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而 离开样品的二次电子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品 图像。
各种样品被测量以便定量地确定许多材料的二次电子产率。各样品由要 被测试的材料的平坦片构成。定位在样品上方2mm的距离，是具有低填充 因数(例如，大多数是开放空间)的金属屏幕。皮安培表(Keithley Instrument Corporation，Cleveland，OH)与Faraday杯结合被用于测量样品流，Faraday杯 通过在各样品的表面中机械加工沟槽而被集成入各样品。
各实验以通过定位He离子束的He离子流的测量而开始，使得He离子 束入射在各样品中的Faraday杯上。接着，将He离子束栅扫描过样品，同 时相对于公共外接地的可变偏置被施加至屏幕，并且来自样品的二次电子流 被测量。
He离子束被故意地散焦(至100nm的斑点尺寸)以便最小化污染或荷 电的矫作物。屏幕偏置电位从-30V至+30V以增量被调整，并且对于各偏置 电位进行二次电子流的测量。各测量用22.5keV的He离子束能量和13pA 的束流进行。图60中的图示出了硅样品的结果。
在图的左边，这里屏幕被负偏置，由于样品与入射的He离子的相互作 用而离开样品的所有二次电子被返回至硅样品。He离子束流和二次电子流 大致相等，从而产生可忽略数量的自由二次离子和被散射的氦离子。在图的 右边，这里屏幕被正偏置，由于样品与入射的He离子的相互作用而离开样 品的所有二次电子加速离开样品。测量的样品流是He离子流和二次电子流 的和。根据这些测量，对于22.5keV氦束入射(垂直入射)于平坦的硅样品 上的二次电子产率是大约(44-13)/13＝2.4。
对于各种材料在像素的测量条件下遵循相似的测量过程。结果归总在下 面的表中。
材料 二次电子产率 铝 4.31 硅 2.38 钛 3.65 铁 3.55 镍 4.14 铜 3.23 铟 4.69 钨 2.69 铼 2.61 铂 7.85 金 4.17 铅 4.57
这些相对大的二次电子产率，和不同材料的广泛范围的值，导致了通常 的观察，即根据二次电子的探测的He离子显微镜图像提供了区分不同材料 的一种好的方法。举例而言，图61A是使用氦离子显微镜记录的，衬底表面 上对准十字(alignment cross)的二次电子图像。大约1.5V最大值的扫描电 压被引入于扫描偏转器上以在样品上产生15μm的视场。MCP探测器被定位 于距样品10mm的距离，并且平行于样品的表面取向。MCP的格栅和前面 相对于公共外接地以+300V被偏置。He离子束流是5pA并且平均离子能量 是27keV。离子束以150μs每像素的驻留时间被栅扫描。
图61B是取自相同特征的SEM二次电子图像。SEM在实验确定的最佳 成像条件下工作，这些条件是2keV的电子束能量和30pA的束流。其它的 束流、扫描速率、和束能量被尝试，但是无一给出更好的对比。
He离子显微镜图像示出了形成对准十字的不同材料之间的更大的对比， 因为入射的He离子束相对于入射的电子束在二次电子产率上的更大的差 别。在对准十字中的两种材料可以容易地在图61A的图像中被视觉识别。但 是，如在图61B中所定性地观察到的，对于SEM的入射电子束，两种材料 具有相似的二次电子产率。
9.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而 离开样品的二次电子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品 图像。MCP的前端相对于公共外接地被偏置为+100V，其前面的格栅也如此。 在该配置中，MCP能够收集几乎所有由于样品与入射He离子的相互作用而 离开样品的二次电子，除了在被正偏置的样品的区中产生的二次电子之外。 这些电子由于正电位偏置而返回样品而不是完全从样品被解放并且被MCP 所探测。
由于从入射的He离子束达到的正电荷，和离开的负电荷(二次电子)， 样品的区被正偏置。对于给定的He离子束流在样品上引入的电压偏置的大 小取决于样品被暴露的区的电容和/或电阻，相对于样品的周边部。这些差别 导致不同的样品区的不同的二次电子的收集，根据样品的电容和/或电阻特 性。被探测的二次电子收集的差别产生使用He离子显微镜记录的样品的图 像的对比。用这种方式，样品的电特性根据二次电子图像而被确定。
在图62中，示出了样品的二次电子图像。样品的特征是沉积于绝缘衬 底的表面上的一组铝线。最大值3V的扫描电压被引入于扫描偏转器上以便 在样品上产生30μm的视场。He离子束流是5pA并且平均离子能量是26 keV。离子束以100μs每像素的驻留时间被栅扫描。
样品图像示出了一系列明亮的、周期性的铝线。在这些亮线之间的空间 为一系列暗线。图像中的中间亮线示出了清楚的边界，在此之外线是暗的。 根据样品的性质，亮线对于地具有低电阻路径，或可能相对于地具有非常高 的电容，并且因而它们基本不因为He离子束的作用而被偏置。
暗线在He离子束的影响下被正偏置，并且因而这里产生的二次电子返 回到样品。为了确定是否该效应归因于暗线的电容或电阻特性，暗线在He 离子束下被观察一段时间。如果该效应是电容性的，则线随着时间的过去变 得越来越暗。
对于中间的铝线的从亮至暗的转变可以指示例如线上的电断开的存在。 线的下面的明亮的部分可能不与上面的线的暗的部分完全电接触。图63示 出了使用上述的测量配置记录的另一样品的图像。样品包括在硅衬底上由铜 形成的线和其它特征。最小的特征是多个字母(“DRAIN”)的形式。在这些 特征上的正电位偏置随着时间图像探测的进程而增加，其证据是观察到各字 母的顶部展示出明亮而各字母的底部展示出暗。在该图像中的栅扫描从顶部 至底部进行。结果，样品的表面上的偏置机制主要是电容性的。
10.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而 离开样品的二次电子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品 图像。MCP的前端相对于公共外接地被偏置为+300V，其前面的格栅也如此。 在该配置中，测量的信号几乎完全来自二次电子。这通过偏置MCP前端至 -300V，不改变MCP增益，并且观察测量的信号减小到接近于零而被验证。
3V最大值的扫描电压被引入于扫描偏转器上以便在样品上产生30μm 的视场。He离子束流是10pA并且平均离子能量是22keV。离子束以100μs 每像素的驻留时间被栅扫描。
包括3个不同的层的样品被成像。最上面的金属层由构图的线构成，该 线由铜形成。下一层由介电材料构成。底部的层由另一由铜形成的不同构图 的金属层构成。样品的图像在图64中示出。图像以亮白清楚地示出了最上 面的金属层图案，叠加在对应于底部(表面下)金属层的灰图像特征上。在 该图像中表面下金属层看上去较为暗淡并且稍微模糊。
测量的信号是在样品的表面通过散射的He离子和中性He原子两者所 产生的二次电子的结果。该评估通过负偏置MCP和屏幕并且注意几乎没有 信号被探测到而被验证。由于样品与入射的He离子的相互作用而离开样品 的二次电子产生在图64中的金属层表面的图像。表面下的金属层的图像被 穿透进入样品并且变得中性化的He离子所产生。中性He原子从表面下层 散射，并且其一部分返回至表面，在那里在其脱离时，它们产生二次电子。 这说明了表面下特征的模糊和暗淡的图像。
11.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而 离开样品的二次电子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品 图像。MCP的前端相对于公共外接地被偏置为+300V，在其前面的格栅也如 此。在该配置中，测量的信号几乎完全来自二次电子。这通过偏置MCP前 端至-300V，不改变MCP增益，并且观察测量的信号减小到接近于零而被验 证。
15V最大值的扫描电压被引入于扫描偏转器上以便在样品上产生150 μm的视场。He离子束流是10pA并且平均离子能量是21.5keV。离子束以 100μs每像素的驻留时间被栅扫描。
被成像的样品由钨焊接件构成。钨被加热至其熔点之上并且随后被冷 却，形成不同的晶畴，具有晶粒之间的陡峭的边界。样品通过测量由于样品 与入射的He离子的相互作用而离开样品的二次电子而成像。
样品的图像在图65中示出。图像示出了截然不同的较亮和较暗的晶粒。 重叠于该背景上的是跨过几个晶粒的明亮的图像特征。明亮的特征对应于表 面形貌起伏图案，这提高了由于在此所公开的形貌效应而产生的二次电子。 各种晶粒的对比图像强度归因于晶畴相对于入射的He离子束的相对取向。 当特定的晶粒中钨晶格被取向使得He离子束几乎以平行于低指数晶体方向 进入时，在表面被散射的概率低，并且使得离子束深深地穿入颗粒。结果， 在材料的表面的二次电子产率相对较低，并且晶粒在图像中展示为较暗。反 之，当具体的晶粒中钨晶格被取向使得He离子束入射在高指数结晶方向上 时，在晶粒的表面被散射的概率高。结果，在材料的表面的二次电子产率相 对较高，并且晶粒在图像中看上去较明亮。
12.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而 离开样品的二次电子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品 图像。MCP的前端相对于公共外接地被偏置为-100V，在其前面的格栅也如 此。在该配置中，由于施加的负电位偏置，二次电子不到达MCP。通过MCP 测量的信号来自入射于MCP的前面上的散射的He离子和中性He原子。
15V最大值的扫描电压被引入于扫描偏转器上以便在样品上产生150 μm的视场。He离子束流是10pA并且平均离子能量是21.5keV。离子束以 100μs每像素的驻留时间被栅扫描。
被成像的样品是也在实例11中被检验的钨焊接样品。如前所述，钨焊 接包括特定的晶畴，具有晶粒之间的陡峭的边界。
样品通过探测入射至MCP上的He原子和He离子的丰度而成像。使用 该测量过程获得的样品的图像在图68中示出。图像示出了明亮和暗淡的晶 粒。对于特定的晶粒，如果晶粒中钨晶格被取向使得He离子束沿相对低指 数晶体方向入射时，存在He在晶粒的表面散射的低概率。结果，在散射出 现之前离子束相对深地穿入晶粒。结果，He离子(或He中性原子，当He 离子与样品中的电子结合时产生)较小可能离开样品并且被MCP探测器所 探测。在被记录的图像中，具有这些特性的晶粒展示为暗。
反之，如果晶粒中钨晶格被取向使得He离子束沿相对高指数结晶方向 入射时，存在在晶粒的表面He散射的高概率。结果，在散射之前离子束穿 入晶粒平均相对浅。结果，He离子和/或中性He原子相对更可能离开样品 表面并且被MCP探测器所探测。因此在图68中所示出的图像中，相对于入 射He离子束具有高指数晶向的晶粒展示更为明亮。
参考在图65中所示出的图像，在图68的图像中的形貌信息显著地减小， 因为图像根据散射的He粒子而不是二次电子被记录。具体地，出现在图65 中的图像上的一系列亮线多数从图68中的图像被去除。形貌信息的缺失使 得图68中的图像相对更容易解释，尤其是在图68中的被测量的强度被用于 定量确定样品中的晶畴的结晶特性(例如相对取向)的情形。
13.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量响应于入射的He离子的从样品散射的He 离子和中性He原子。探测器-缩小的MCP-被安装在电动机的轴上。铜带 被用于覆盖MCP的前面以便限制通过MCP的He离子和/或中性原子的测 量。铜带中的小圆孔允许散射的He离子和/或中性原子到达MCP，仅当粒 子落在窄的角度范围之内时。在该实例中，He离子和/或中性原子的测量被 限制为对应于0.01球面度的角度范围。铜带和MCP的前面相对于公共外接 地被偏置为-100V，使得二次电子不进入MCP探测器。
探测器被定位于距样品30mm的距离。电机允许MCP探测器相对于样 品旋转。以便在不同的角度的范围探测离开样品的He离子和/或中性原子。 典型地，例如，电极允许MCP大约180°的旋转。
样品是直径大约为1mm的铜球。电机相对于样品定位，使得样品沿电 极轴的轴定位。铜球样品，当被暴露于He离子束时，由于样品表面的形状， 以宽的角度范围提供了散射He离子和中性原子。即通过将入射的He离子 束扫描过样品的表面，可以实现各种不同的入射角(例如，He离子束和样 品表面法线之间的角)。例如在铜球的中心，He离子束的入射角是0°。在球 的边缘(从He离子束的视角观察)，入射角大约是90°。在铜球的中心和边 缘之间的中间位置，从简单的三角学，入射角是大约30°。
样品被定位在He离子束下，并且探测器相对于样品被定位，如上所述。 He离子束流是15pA，并且He离子束中的平均离子能量是25keV。100V 的最大电压被施加至扫描偏转器以便在样品表面产生1mm的视场。从显微 镜系统的第二透镜至样品的距离(例如，工作距离)是75mm。这提供了允 许MCP探测器相对于样品旋转的足够的开放空间。
测量通过当探测器扫过相对于样品的半球弧的180°范围的角度来记录 铜球的位置而进行。He离子束有效地将样品的表面划分为两侧，且由于铜 球的凸表面，散射的He离子和中性He粒子仅可以从探测器被定位的侧被 探测。结果，在图69A中，样品的图像的强度分布看上去为新月形，具有对 应于探测器的位置的左边上的亮区。样品的右侧相对暗，由于在该方向中离 开样品的表面的散射的He离子和中性He粒子，使得它们不被探测器所测 量。
通过在各图像之间增加探测器的角度而记录了样品的连续的图像。总共 获得20个样品的图像，跨过探测器的扫描范围。某些图像不提供有用的信 息，因为探测器被定位使得它遮挡入射的He离子束，防止He离子入射在 样品的表面上。在图69B和69C中示出的图像分别对应于用定位于几乎直 接在样品上方和在样品的右侧上的探测器记录的样品的图像。在图69C中， 新月形强度分布被观察到相似于在图69A中所观察到的分布线。
根据记录的图像的定性检测，显然样品的形貌信息可以用在离轴位置的 探测器测量的图像确定(例如，图69A和69C)。从这些测量获得的信息可 以与样品的二次电子测量结合，例如，以便确定是否在二次电子图像中所观 察到的图像对比是由于样品的表面形貌，还是由于另一对比机制，例如样品 荷电或材料成份。采用在已知位置的探测器，可以根据被记录的图像，区分 样品的表面上的隆起和凹陷。小探测器接收角和对于各记录的图像的探测器 的已知位置还可以用于确定样品的定量表面起伏信息(例如，高度)，通过 测量图像中表面特征的阴影长度并且利用入射He离子束相对于表面特征的 已知的角度。
样品的图像还揭示了，根据探测器相对于样品的取向，样品的某些边缘 展示明亮的边缘效果，而其它边展示出暗淡的边缘效应(见图69A，例如)。 该信息被用于配置的探测器的设计以便从样品减少形貌信息的测量。探测器 设计平衡了探测角以便提供接近均匀的边缘效应。结果，例如铜球的样品的 图像展示出均匀的亮度，强度的变化来自样品中的材料差别。
从样品记录的图像数据被分析以便确定样品表面的被选择的区域的强 度如何随着探测器被扫描而改变。强度的变化归因于离开样品表面的He离 子和He中性原子的角分布，并且该分析提供了角分布的信息，这些信息有 时被称为发射波瓣。
图70A示出用接近轴上的探测器记录的采用入射He离子束的样品的图 像，即探测器以大约0°的角度测量散射的He离子和中性He原子。由矩形 框所指示的样品表面的区，被隔离为一系列的图像并且受到进一步的分析。 在图70B中所示出的图中，粗水平线示意性地表示样品的表面，并且细垂直 线表示入射的He离子束。点代表散射的He离子和中性He原子在不同的探 测器位置的平均测量强度。点被绘制在极坐标中，这里极坐标的原点是样品 的表面上He离子束的入射点。给定点的角位置对应于探测器的角位置，并 且从原点至各点的径向距离代表在特定角探测器位置的平均测量强度。分析 每个对应于不同的探测器位置的样品的单独的图像，以便提供在图70B中示 出的角强度。各点对应于在不同的探测器位置记录的图像。
点的极坐标阵列形成了发射瓣图。图在形状上基本是圆环形(除了离子 束被探测器所遮挡的几个失去的点之外)，并且对应于围绕原点的余弦分布。
在图71A中，样品的图像用指示使用多样品图像分析的样品表面的不同 区的矩形框示出，以便确定来自样品的散射的He离子和中性原子的角强度 分布。在该情形，散射或反射角是相对于入射He离子束大约40°。
在图71B中所示出的角发射强度的极坐标图以结合上述图70B所述的 方式构造。在该角度的瓣的形状指示散射/发射优先被导向离开入射的He离 子束。
该分析在样品表面的各种不同的区上重复(对应于各种不同的角度)， 以便建造作为铜球样品的角度的函数的散射的He离子和中性He原子的分 布的相对完整的图像。
14.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量响应于入射的He离子的从样品散射的He 离子和中性He原子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品图 像。MCP的前端相对于公共外接地被偏置为-300V，在其前面的格栅也如此。 在该配置中，由于施加的负电位偏置二次电子不到达MCP。被MCP测量的 信号来自入射于MCP的前面上的散射的He离子和中性He原子。从样品的 角度，MCP探测的He离子和He原子来自大约1.8球面度的立体角内。立 体角相对于入射束方位角对称，如在图66中所示出的。
从实例13，对于铜球观察到的亮和暗边缘效应提供了关于探测器的设计 和配置的信息，当探测器用于通过测量散射的He离子和/或中性原子而成像 样品时，在测量的信号中减小了的形貌信息的量，并且更精确地反映了材料 成份的差别而不是样品的局部表面形貌的差别。对于在图66中所示出的 MCP探测器，根据散射的He离子和中性He原子的测量形成的图像中的形 貌信息的减小可以被观察到，如果MCP被定位于距样品大约25mm的工作 距离。
包括不同材料的样品可以随后被成像并且材料被可靠地视觉上被相互 区分。包括4种不同材料的样品-镍基层、碳涂层、铜格栅、和金线-使用 He离子显微镜被成像。He离子束流是1.1pA并且平均He离子能量是18 keV。4V的最大电压被施加于扫描偏转器以便实现在样品表面的40μm的视 场。总的图像探测时间是90秒。
所得的图像在图72中示出。对于样品中的4种不同材料的每个，观察 到不同的强度。这是下列事实的后果，即入射在特定材料上的He离子的散 射几率取决于材料的原子序数。在图72中，甚至具有相似原子序数的材料 也可以被区分。例如，铜(原子序数29)可以视觉上与镍(原子序数28) 区分。
图73示出了包括在硅晶片下面的铜层的样品的图像，具有覆盖晶片的 氧化物层。图像使用配置得探测散射的He离子和中性He原子的He离子显 微镜系统而被测量，如较早前在该实施例中所述。样品包括通过引导激光入 射于样品表面上而被产生的表面结构特征。激光引起下面的铜层的爆炸性喷 发。图像的视觉检测揭示了来自在样品中存在的不同材料的图像对比(例如， 图像强度变化)。从例如在图73中的图像的图像，可以确定样品中不同材料 的分布。
15.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量响应于入射的He离子束而从样品发射的 光子。样品的图像从通过光电倍增管(model R6095，Hamamatsu Photonics K.K.，Toyooka，Japan)产生的信号来构造。光电倍增管具有端向前(end-on) 的窗口，相对高的量子效率，和从200nm至700nm的宽的频谱响应。管采 用可以增加至1200V的信号增益运行，或至输出信号到达信号链白噪声水平 而不过饱和的情形。光电倍增管被定位于距样品15mm的距离并且面对样 品被取向，在该配置中，管对向大约2球面度的立体角。
氯化钠(NaCl)的样品使用光电倍增管探测器被成像。对于这些测量， He离子束流是10pA并且平均He离子能量是25keV。样品用500μs每像 素的驻留时间被栅扫描。150V的最大电压被施加于扫描偏转器以便产生样 品表面的1.35mm的视场。
样品的图像在图74中示出。图像对比(例如，图像强度中的变化)在 不同的NaCl晶体中显见。光子在样品中可以通过两个不同的机制被产生。 首先，光子可以通过相似于在SEM图像中所观察到的阴极发光的过程而被 产生。在该机制中，样品的原子被激励至较高的能量状态。光子在后续的去 激励过程中被发射。当来自入射束的He离子返回至低层能量状态时，光子 被发射。
被暴露于He离子束并且从其发射的光子被探测的其它样品包括塑料、 闪烁体、和有机材料。
16.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
尖端相对于提取器以+19kV被偏置，并且He气以2×10-5Torr的压力被 引入尖端附近。Faraday杯被放置在第二透镜之外，并且第一透镜和对准偏 转器被用于聚焦束，使得基本上来源于尖端三聚物原子之一的所有He离子 穿过孔径(直径600μm，定位于距尖端370mm)，并且来源于另外两个尖 端三聚物原子的基本所有的He离子被孔径遮挡。在穿过孔径之后，He离子 束被第一透镜聚焦入Faraday杯。在该配置中，像散修正器、扫描偏转器、 和第二透镜被关闭。
来源于尖端原子的总He离子流使用皮安培表(model 487，Keithley Instruments，Cleveland，OH)结合Faraday杯测量为300pA。Faraday杯是圆柱 形金属杯，具有大约6比1的深-直径比。
此后，第一透镜被关闭。在尖端产生的各He离子继续以直线旅行，从 尖端发散。孔径截取大多数He离子束并且允许其仅少量中心部进一步向下 通过剩余的离子柱。穿过孔径的He离子束的部分用Faraday杯测量，产生 穿过孔径的5pA的测量的He离子流。He离子束的角强度随后被计算为穿 过孔径的He离子束流(5pA)除以就尖端的角度而言的孔径的立体角。由 尖端的顶点和孔径形成的半锥角被计算为tan-1(0.300/370)＝0.046°＝8.1× 10-4弧度。对应的立体角被计算为2.1×10-6球面度(sr)。根据立体角，He 离子束的角强度被确定为2.42μA/sr。
He离子源的亮度从He离子束的角强度和虚源尺寸确定。虚源尺寸通过 检验在尖端的锐化期间记录的尖端的FIM图像而被估计。从该图像，显然对 应于尖端三聚物原子的单独的离子化盘是不重叠的。此外，从钨的结晶已知 三聚物原子被隔开大约5埃。因此，实际的离子化盘被估计具有大约3埃的 直径。
虚源尺寸通常小于实际的离子化区。虚源尺寸使用先前所讨论的通常的 过程来确定：一旦离子在离子源的电场区之外(例如，尖端和提取器附近的 区)，通过反向投射100个He离子的渐近线轨迹。反向投射轨迹移动得更加 相互接近，直至其穿过其中它们相互在空间上最接近的空间的区，并且随后， 它们再次发散。反向投射的最接近的空间的圆直径被界定为虚源尺寸。
作为上边界，我们使用3埃的值作为虚源的直径。在显微镜被配置以便 允许仅起源于单个尖端原子的He离子束的部分穿过孔径的情形，虚源尺寸 可以显著地较小。亮度被计算为角强度除以虚源尺寸的面积A，A＝π(D/2)2。 离子源的亮度是3.4×109A/cm2sr。
减小的亮度被计算为亮度除以用于提取束的电压(例如，施加至尖端的 电压偏置)。尖端对于提取器的电压是19kV，并且该减小的亮度是1.8× 109A/m2srV。
Etendue是He离子束的虚源尺寸和其角发散(作为立体角)的乘积的测 量。使用上述确定的亮度，etendue被确定为1.5×10-21cm2sr。
减小的etendue是etendue乘以He离子束电压。减小的etendue，根据上 述计算的etendue，被确定为(使用+19kV的尖端偏置电压)2.8×10-17 cm2srV。
17.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便使用ET探测器测量二次电子。探测器被定位 于垂直距离样品(平行于He离子束)10mm的距离，放置在横向离样品25 mm，并且向样品倾斜。ET屏幕相对于公共外接地以+300V的电位被偏置。
He离子束流是1pA，并且束中的平均离子能量是22keV。He离子束以 100μs每像素的驻留时间被栅扫描过样品的表面。100mV的最大电压被施 加于扫描偏转器以便在样品表面上产生1000nm的视场。
样品包括形成于碳衬底的表面上的金岛，并且从Structure Probe Inc. (West Chester，PA)获得。使用上述测量配置记录的样品的图像在图75中被示 出。被重叠于图75中的图像上的矩形所指示的样品图像的区被选择，以便 检验用He离子显微镜观察到的边缘对比的质量。由矩形指示的区包括接近 垂直的金边。所述区包括20行，各行具有57个像素。被选择的区的扩展图 在图76中示出。
被选择的图像区的各行被如下单独地分析。首先，为了减小噪声，各行 用3像素的带宽的Gaussian核使用MathCAD ksmoot函数(PTC Inc.，Needham， MA))而被平滑。图77示出了曲线图，其上绘制了特定线(线#14)在平滑之 前(点)和平滑之后(曲线)的像素的强度值。垂直轴对应于图像强度，范 围从0(黑)至255(白)。水平轴对应于像素号，范围从0(左边)至57(右 边)。
对于在图像的被选择的区中的各强度线扫描，左至右的亮至暗的转变的 中心通过找到强度线扫描的一阶导数的最小值而被确定。对于具有左至右暗 至亮的转变的边，转变的中心通过确定强度扫描线的一阶导数的最大值的位 置而被找到。
各线随后被修整以便包含正好21个像素。修正操作使得转变点、该转 变点前的10个像素、和该转变点后的10个像素被保留在各线中。在各被修 整的线中开始的5个像素的强度值被一起平均并且平均值被识别为100％的 值。在各被修整的线中最后的5个像素的强度值被一起平均并且平均值被识 别为0％的值。来自各线扫描的平滑数据随后根据100％和0％的值被重新调 节。来自图77的重新调节的数据在图78中被示出。
参考图78，75％和25％的值参考0％和100％的值而被确定。He离子 束的斑点尺寸随后被确定为25％和75％值之间沿水平轴的分离。根据在图 78中的数据，斑点尺寸被确定为3.0像素。像素尺寸使用在测量配置中的已 知的视场和图像中的像素数被转换为纳米。对于该测量，视场是641nm，并 且跨过视场存在656个像素。He离子束的斑点尺寸因而被确定为2.93nm。 这对于在图像的选择的区中的20线的各线被重复，并且所述结果被平均以 便产生2.44nm的平均He离子束斑点尺寸。
18.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量响应于入射的He离子而离开样品表面的 散射的He离子和中性He原子。如在实例3中所述的MCP探测器被定位于 距样品10mm的距离。相对于外部地0V的电位偏置被施加于MCP格栅和 前面。
He离子束流是1pA并且平均He离子束能量是26keV。He离子束以 100μs每像素的驻留时间被栅扫描过样品的表面。1.30V的最大电位被施加 于扫描偏转器以便在样品表面产生13μm的视场。
样品包括具有由多晶硅形成的表面特征的硅晶片衬底，其被认知为 Metrocal并且从Metroboost(Santa Clara，CA)获得。样品被取向使得He离子 束以相对于样品表面垂直的角度被入射。样品相对于公共外接地被偏置为 +19.4kV，使得入射离子束中的He离子以6.6keV的着陆能量到达样品。样 品和MCP探测器之间的大的电场避免二次电子到达探测器。基本上所有离 开样品的二次电子在该电场的影响下返回到样品表面。结果，MCP探测器 测量散射的He离子和中性原子。被探测器测量的中性He原子具有6.6keV 的最大能量，而被探测器测量的He离子在其到达MCP时被加速至26keV 的最大能量。
图79示出了使用上述的测量配置记录的样品的图像。样品表面上的各 种特征具有相对均匀的测量的强度，并且与衬底的强度不同。表面特征的边 缘的视觉检测揭示了不存在明显的亮边效应(例如，边缘模糊)，该亮边效 应可以导致信号链饱和并且可以使得边缘的精确位置难于被发现。另外，不 存在样品表面上荷电的矫作物的视觉证据；这样的矫作物如果存在，会作为 图像中的电压对比而表现。
通过样品的表面特征之一的水平线扫描在图80中被示出。线扫描的水 平轴示出像素号，并且垂直轴指示特定像素的被测量的图像。为了比较的目 的，相同的样品被成像在Schottky场发射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(对应于大约 13um的视场)。所得的图像在图81中示出，并且在图80中扫描的通过相同 特征的水平线扫描在图82中示出。
图82中的线扫描示出了显著的亮边效应，并且被成像的表面特征的边 的信号链接近饱和。在表面特征的本体中，SEM线扫描不示出相对均匀的 稳定状态的强度水平。而是，特征的本体中的强度水平到处或者增加或者减 小，除了特征中心的小的区之外。最后，SEM线扫描的非对称性指示了表 面特征的取决于时间的荷电出现在SEM照射期间。比较起来，通过探测散 射的He离子和中性原子所记录的特征的线扫描图像示出了显著地被减小的 边效应，并且没有明显的荷电矫作物。
也可以进行样品的表面上的特定特征的多次测量。如果进行特征的多次 测量，可能获得关于被测量的特征的尺寸的统计数据。例如，平均特征宽度、 特征宽度的标准偏差、和/或特征的第一边和/或第二边的位置的平均和标准 偏差可以被测量。Fourier法也可以用于分析一或更多的特征的边的位置，以 便确定对应于边缘形状的空间波长的频谱。
19.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜被配置以便在样品 的表面上暴露100μm2FOV于He离子束，该He离子束具有1pA束流，20keV 的平均离子能量，和FOV的0.1％的的样品表面上的束斑点尺寸。
为了从样品测量结晶信息，He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品 表面的FOV区。两维探测器被用于摄取在各步骤来自于样品表面的散射的 He离子。各二维图像对应于样品的表面上特定位置的菊池(Kikuchi)图案。 根据菊池图案，样品在该位置的晶体结构、晶格间距和晶向可以被确定。通 过在分立的步骤贯穿FOV测量菊池图案，获得了样品表面晶体结构的完整 的图。
为了从样品测量形貌信息，探测器被配置以便测量响应于入射He离子 束从样品产生的二次电子的总强度。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过 整个样品表面的FOV区，并且二次电子的总强度被测量为样品表面上He 离子束的位置的函数。被测量的结晶信息随后被用于去除样品中的晶体结构 的变化引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的二次电子总强度值被 用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水平通过在样品上He 离子束对应的位置的二次电子的修正的强度而被确定。形貌信息通过所述图 像被提供，所述图像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
20.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了从样品测量结晶信息，He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品 表面的FOV区。探测器被用于测量作为样品表面上的He离子束的位置的函 数的散射的He离子的丰度。被测量的总丰度值被用于构造样品的灰度图像， 其中在特定的图像像素的灰度水平通过在样品上对应的He离子束位置的He 离子的总测量的丰度而被确定。样品表面的不同取向的晶粒具有不同的散射 的He离子的产率，并且该图像将不同取向的晶粒显示为不同的灰度水平。 使用图像中的信息，晶粒和晶粒边界可以在样品表面被识别。
为了从样品测量形貌信息，总二次电子强度如实例19中所述被测量。 被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构变化所引起的对于二次 电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图 像，这里特定图像像素的灰度水平通过在样品上对应的He离子束位置二次 电子被修正的强度而被确定。形貌信息通过所述图像而被提供，所述图像示 出了FOV中样品的表面起伏图案。
21.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了从样品测量结晶信息，He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品 表面的FOV区。探测器被用于测量作为样品表面上的He离子束的位置的函 数的散射的He离子的丰度。测量的总丰度值被用于构造样品的灰度图像， 其中特定的图像像素的灰度水平通过在样品上对应的He离子束位置的He 离子的总测量的丰度而被确定。样品表面的不同取向的晶粒具有不同的散射 的He离子的产率，并且该图像将不同取向的晶粒显示为不同的灰度水平。 使用图像中的信息，晶粒和晶粒边界可以在样品表面被识别。一旦样品表面 上的晶粒边界被识别，则He离子束在样品表面上从一晶粒至另一晶粒被扫 描。在He离子束的各位置，二维探测器被用于摄取来自于样品表面的散射 的He离子的图像。各二维图像对应于样品表面的特定晶粒的菊池图案。根 据菊池图案，晶粒的晶体结构、晶格间距、和结晶取向可以被确定。通过贯 穿FOV测量各晶粒而不是各像素的单菊池图案，在较短的时间中获得样品 表面晶体结构的完整的图。
为了从样品测量形貌信息，总二次电子强度如实例19中所述被测量。 被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构变化所引起的对于二次 电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图 像，其中特定图像像素的灰度水平通过在样品上对应的He离子束位置二次 电子被修正的强度而被确定。形貌信息通过所述图像而被提供，所述图像示 出了FOV中样品的表面起伏图案。
22.从样品表面的形貌和结晶信息的测量
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
如在实例19中所述来自样品的结晶信息被测量。
为了从样品测量形貌信息，探测器被配置以便测量响应于入射的He离 子束而从样品产生的二次电子的总强度。样品相对于He离子束被倾斜，使 得He离子束以非垂直的角度被入射至样品的表面。He离子束在分立的步骤 中被栅扫描过样品表面的整个FOV区，并且二次电子的总强度被测量为样 品表面上He离子束位置的函数。被测量的结晶信息随后被用于去除样品中 晶体结构的变化所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总强度值 被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水平通过样品上对应 的He离子束位置的被修正的二次电子的总强度而被确定。形貌信息通过所 述图像被提供，所述图像示出了FOV中样品的表面起伏图案。相对于He 离子束倾斜样品可以揭示如果He离子束仅以垂直角度入射在样品表面上则 保持隐藏的形貌信息。
选择性地，样品倾斜可以随后被调整，使得He离子束以不同的非垂直 角度入射至样品表面，并且He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品表面 的整个FOV区。二次电子的总强度被测量为样品表面上He离子束位置的函 数，并且被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构的变化所引起的 对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总强度值被用于构造对应于He离 子束的第二非垂直入射角度的样品的第二灰度图像，其中特定图像像素的灰 度水平通过样品上对应的He离子束位置的被修正的二次电子的总强度而被 确定。从在两个不同的He离子束的入射角度测量的两个图像的信息可以随 后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
23.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例20中所述的被测量。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的二次电子的总强度如在实例22 中所述被测量。被测量的结晶信息用于去除在各离子束的入射角、由样品中 的晶体结构的变化所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次 电子强度值被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从在不同的 He离子束的入射角测量的两个图像信息可以随后被结合并且用于定量确定 样品表面的三维形貌信息。
24.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例21中所述的被测量。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的二次电子的总强度如在实例22 中所述被测量。被测量的结晶信息用于去除在各离子束的入射角、由样品中 的晶体结构的变化所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次 电子强度值被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从在不同的 He离子束的入射角测量的两个图像信息可以随后被结合并且用于定量确定 样品表面的三维形貌信息。
25.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例19中所述的被测量。
为了从样品测量形貌信息，2或更多的探测器，每个相对于样品以不同 的角度取向并且定位，被配置，以便测量响应于入射的He离子束而从样品 产生的二次电子的总强度。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品表面 的整个FOV区，并且二次电子的总强度作为样品表面上He离子束位置的函 数而被各个探测器测量。被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构 的变化所引起的对于各探测器的二次电子强度测量的贡献。被修正的总强度 值被用于构造一系列样品的灰度图像，各图像对应于探测器之一，其中特定 图像中的特定的图像像素的灰度水平通过样品上对应的He离子束位置的被 修正的二次电子的总强度而被确定。从被多个探测器所测量的图像的信息可 以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
26.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例20中所描述的被测量。为了测量来自样 品的形貌信息，来自样品的二次电子的总强度如在实例25中所述被测量。 被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构的变化所引起的对于各 探测器的二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度值被用于构造 样品的灰度图像，如在实例25中所述。从被多个探测器所测量的图像的信 息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
27.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例21中所描述的被测量。
为了测量来自样品的形貌信息，来自样品的二次电子的总强度如在实例 25中所述被测量。被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构的变化 所引起的对于各探测器的二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强 度值被用于构造样品的灰度图像，如在实例25中所述。从被多个探测器所 测量的图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌 信息。
28.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例19中所描述的被测量。
为了测量来自样品的形貌信息，配置以测量He离子的探测器被定位以 便探测以大的散射角从样品表面散射的He离子。He离子束在分立的步骤中 被栅扫描过样品表面的整个FOV区，并且He离子的总丰度通过探测器作为 样品表面上He离子束位置的函数被测量。总丰度值被用于构造样品的灰度 图像，其中特定图像像素的灰度水平被样品上对应的He离子束位置的散射 的He离子的总的被测量的丰度所确定。形貌信息被所述图像提供，所述图 像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
29.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例20中所述的被测量。
来自样品的形貌信息如实例28中所述的被测量。
30.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例31中所述的被测量。
来自样品的形貌信息如实例28中所述的被测量。
31.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例19中所述的被测量。
为了测量来自样品的形貌信息，配置以测量He离子的二或更多的探测 器被定位，以便探测以大的散射角从样品表面散射的He离子。He离子束在 分立的步骤中被栅扫描过样品表面的整个FOV区，并且He离子的总丰度通 过探测器作为样品表面上He离子束位置的函数被测量。总丰度值被用于构 造对应于各探测器的样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水平被样品 上对应的He离子束位置的散射的He离子的总的测量的丰度所确定。从被 多个探测器所测量的图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表 面的三维形貌信息。
32.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例20中所述的被测量。
来自样品的形貌信息如实例31中所述的被测量。
33.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例21中所述的被测量。
来自样品的形貌信息如实例31中所述的被测量。
34.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了从样品测量材料信息，配置以测量He离子的探测器被定位，以便 探测从样品被反向散射的He离子。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样 品表面的整个FOV区，并且被反向散射的He离子的总丰度被测量为样品表 面上He离子束位置的函数。被反向散射的He离子的总丰度的测量被用于 构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水平通过样品上对应的He 离子束位置的被反向散射的He离子的总测量的丰度而被确定。因为He离 子的散射截面粗略地取决于散射原子的原子序数的平方，所以图像中的强度 可以用于定量地确定样品的成份。
为了从样品测量形貌信息，如在实例19中所述，二次电子的总强度作 为样品表面上He离子束的位置的函数而被测量。被测量的材料信息随后被 用于去除样品中的成份变化所引起的对于总二次电子强度的贡献。被修正的 总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水 平通过被修正的总强度值而被确定。形貌信息通过所述图像被提供，所述图 像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
35.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例34中所述。
为了从样品测量形貌信息，如在实例22中所述，来自样品的二次电子 的总强度被测量。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由样品 中的成份变化所引起的对于二次电子强度的贡献。被修正的总二次电子强度 值被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从在不同的He离子束 的入射角测量的两个图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表 面的三维形貌信息。
36.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例34中所述。
为了从样品测量形貌信息，如在实例25中所述，来自样品的二次电子 的总强度被测量。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由样品 中的成份变化所引起的对于二次电子强度的贡献。被修正的总二次电子强度 值被用于构造样品的灰度图像，如在实例25中所述。从被多个探测器测量 的图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
37.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例34中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所述。
38.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例34中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所述。
39.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了从样品测量材料信息，配置以测量He离子的能量和角度解析探测 器被定位，以便探测来自样品的He。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过 样品表面的整个FOV区，并且散射的He离子能量和角度被测量为样品表面 上He离子束位置的函数。从散射的He离子的平均角度和能量，可以确定 散射原子的质量，并且可以确定样品的成份。
为了从样品测量形貌信息，如在实例19中所述，二次电子的总强度作 为样品表面上He离子束的位置的函数而被测量。被测量的材料信息随后被 用于去除样品中的成份变化所引起的对于总二次电子强度的贡献。被修正的 总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水 平通过被修正的总强度值而被确定。形貌信息通过所述图像被提供，所述图 像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
40.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例39中所述。
为了从样品测量形貌信息，如在实例22中所述，二次电子的总强度作 为样品表面上He离子束的位置的函数而被测量。被测量的材料信息被用于 去除在各离子束入射角、由样品中的成份变化所引起的对于二次电子强度的 贡献。被修正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，如在图22 中所述。从不同的He离子束的入射角测量的两个图像的信息可以随后被结 合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
41.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例39中所述。
为了从样品测量形貌信息，如在实例25中所述，来自样品的二次电子 的总强度被测量。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由样品 中的成份变化所引起的对于二次电子强度的贡献。被修正的总二次电子强度 值被用于构造样品的灰度图像，如在图25中所述。从被多个探测器所测量 的图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
42.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例39中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所述。
43.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例39中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所述。
44.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了测量材料信息，x射线探测器可以被用于探测响应入射的He离子 束从样品发射的x射线。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品表面的 整个FOV区，并且x射线发射谱作为样品表面上He离子束的位置的函数而 被测量。X射线谱中的某些发射线对于某些类型的原子是特有的，并且因而 根据被测量的x射线谱，在各步骤样品表面上的成份被确定。
为了从样品测量形貌信息，如在实例19中所述，二次电子的总强度作 为样品表面上He离子束的位置的函数而被测量。被测量的材料信息随后被 用于去除由样品中成份变化所引起的对于总二次电子强度测量的贡献。被修 正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰 度水平通过被修正的总强度值而被确定。形貌信息被所述图像提供，所述图 像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
45.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所述。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的总二次电子强度被测量，如在实 例22中所述。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由样品中 的成份变化所引起的对于二次电子强度的贡献。被修正的总二次电子强度值 被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从不同的He离子束入射 角测量的两个图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三 维形貌信息。
46.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所示出的。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的总二次电子强度被测量，如在实 例25中所述。被测量的材料信息被用于去除在各探测器、由样品中的成份 变化所引起的对于二次电子强度的贡献。被修正的总二次电子强度值被用于 构造样品的灰度图像，如在实例25中所述。从多个探测器测量的图像的信 息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
47.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所示出的。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所示出的。
48.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所示出的。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所示出的。
49.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了测量材料信息，光子探测器可以被用于探测响应于入射的He离子 束从样品发出的光子。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品表面的整 个FOV区，并且光子发射谱作为样品表面上He离子束的位置的函数而被测 量。频谱中的某些发射线对于某些类型的原子是特有的，并且因此根据被测 量的频谱，在各步骤样品表面上的成份被确定。
为了从样品测量形貌信息，如在实例19中所述，二次电子的总强度作 为样品表面上He离子束的位置的函数而被测量。被测量的材料信息随后被 用于去除由样品中成份变化所引起的对于总二次电子强度测量的贡献。被修 正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰 度水平通过被修正的总强度值而被确定。形貌信息被所述图像提供，所述图 像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
50.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的总二次电子强度如在实例22中 所述被测量。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由样品中成 份变化所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度值 被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从不同的He离子束入射 角测量的两个图像的信息可以随后被结合并且被用于定量确定样品表面的 三维形貌信息。
51.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的总二次电子强度如在实例25中 所述被测量。被测量的材料信息被用于去除在各探测器、由样品中成份变化 所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度值被用于 构造样品的灰度图像，如在实例25中所述。从多个探测器测量的图像的信 息可以随后被结合并且被用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
52.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所述。
53.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所述。
54.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了测量材料信息，俄歇电子探测器可以被用于探测响应入射的He离 子束从样品发出的俄歇电子。He离子束在分立的步骤中被扫描过样品表面 的整个FOV区，并且俄歇电子发射谱作为样品表面上He离子束的位置的函 数被测量。频谱中的某些发射线对于某些类型的原子是特有的，并且因而根 据被测量的频谱，在各步骤样品表面上的成份被确定。
为了从样品测量形貌信息，二次电子的总强度作为样品表面上He离子 束的位置的函数被测量，如在实例19中所述。被测量的材料信息随后被用 于去除由样品中成份的变化所引起的对于总二次电子强度测量的贡献。被修 正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰 度水平通过修正的总强度值而被确定。形貌信息通过所述图像被提供，所述 图像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
55.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的二次电子的总强度可以被测量， 如在实例22中所述。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由 样品中成份改变所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电 子强度值被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从不同的He 离子束入射角测量的两个图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样 品表面的三维形貌信息。
56.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的二次电子的总强度可以被测量， 如在实例25中所述。被测量的材料信息被用于去除在各探测器、由样品中 成份改变所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度 值被用于构造样品的灰度图像，如在实例25中所述。从多个探测器测量的 图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
57.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所述。
58.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所述。
59.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了测量材料信息，TOF探测器可以被用于探测响应于入射的He离子 束而从样品发射的二次离子和/或原子。He离子束在分立的步骤中被栅扫描 过整个样品表面的FOV区，并且来自样品180的二次离子和/或原子的飞行 时间作为样品表面上He离子束的位置的函数被测量。根据被测量离子/原子 的被测量的飞行时间，和TOF仪器中加速电极的已知电压，被探测的粒子 的质量可以被计算并且可以确定粒子的身份。
为了从样品测量形貌信息，二次电子的总强度作为样品表面上He离子 束的位置的函数被测量，如在实例19中所述。被测量的材料信息随后被用 于去除样品中的由样品中成份的变化所引起的对于总二次电子强度测量的 贡献。被修正的二次电子总强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定像 素的灰度水平通过被修正的总强度值而被确定。形貌信息通过所述图像被提 供，所述图像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
60.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
为了从样品测量形貌信息，二次电子的总强度作为样品表面上He离子 束的位置的函数被测量，如在实例22中所述。被测量的材料信息随后被用 于去除样品中的在各离子束的入射角、由样品中成份的变化所引起的对于二 次电子强度测量的贡献。被修正的二次电子总强度值被用于构造样品的灰度 图像，如在实例22中所述。从不同的He离子束入射角测量的两个图像的信 息可以随后被结合并且被用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
61.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
为了从样品测量形貌信息，二次电子的总强度作为样品表面上He离子 束的位置的函数被测量，如在实例25中所述。被测量的材料信息随后被用 于去除样品中的在各探测器、由样品中成份的变化所引起的对于二次电子强 度测量的贡献。被修正的二次电子总强度值被用于构造样品的灰度图像，如 在实例25中所述。从多个探测器测量的图像的信息可以随后被结合并且被 用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
62.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所述。
63.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所述。
64.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例19中所述。
65.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例20中所述。
66.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例21中所述。
67.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例19中所述。
68.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例20中所述。
69.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例21中所述。
70.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例19中所述。
71.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例20中所述。
72.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例21中所述。
73.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例19中所述。
74.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例20中所述。
75.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例21中所述。
其它的实施例在权力要求中。
离子可以被产生并且用于样品的成像和其它显微镜系统的应用中。可以 用于样品分析(例如成像)中的使用产生离子的气体场离子源的显微镜系统 被称为气体场离子显微镜。气体场离子源是包括导电尖端(典型地具有10 或更少原子的顶点)的一种装置，通过将中性气体核素携带至导电尖端的附 近(例如在大约4至5埃的距离内)同时施加高正电位(例如相对于提取器 (见下面的讨论)1kV或更大)至导电尖端的顶点，该导电尖端可以用于离 子化中性气体核素从而产生离子(例如以离子束的形式)。
图1示出了气体场离子显微镜系统100的示意图，气体场离子显微镜系 统100包括气体源110、气体场离子源120、离子光学器件130、样品操纵器 140、前侧探测器150、后侧探测器160、和通过通讯线172a-172f电连接至 系统100的各种元件的电子控制系统170(例如电子处理器，例如计算机)。 样品180被定位于离子光学器件130和探测器150、160之间的样品操纵器 140中/上。在使用期间，离子束192穿过离子光学器件130被导向样品180 的表面181，并且从离子束192与样品180的相互作用所产生的粒子194通 过探测器150和/或160测量。
通常，期望通过排空该系统而减小在系统100中某些不期望的化学核素 的存在。典型地，系统100的不同的元件被保持在不同的背景压力下。例如， 气体场离子源120可以被保持在大约10-10Torr的压力下。当气体被引入气体 场离子源120时，背景压力被升高至大约10-5Torr。离子光学器件130在将 气体引入气体场离子源120之前被保持在大约10-8Torr的背景压力下。当气 体被引入时，离子光学器件130中的背景压力典型地增加至大约10-7Torr。 样品180被定位于典型地保持在大约10-6Torr的背景压力的腔室内。该压力 不由于在气体场离子源120中气体的存在或不存在而显著地变化。
如图2中所示，气体源110被配置，以便提供一或更多的气体182至气 体场离子源120。如下面所详细描述的，气体源110可以被配置，以便以各 种纯度、流量、压力、和温度提供气体。通常，由气体源110所提供的气体 的至少之一是惰性气体(氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe))， 并且惰性气体的离子期望的是离子束192中的主要成分。通常，如在样品180 的表面所测量的，随着在系统110中的惰性气体的压力增加，离子束192中 的离子流单调地增加。在某些实施例中，该关系可以被指数定律所描述，对 于惰性气体的一定压力范围，流通常按气体压力的比例增加。在工作期间， 惰性气体的压力相邻于尖端顶点(见下面的讨论)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10-6 Torr或更大、10-5Torr或更大)。通常，期望使用相对高纯度的气体(例如， 为了减小系统中不期望的化学核素的存在)。举例而言，当使用氦时，氦可 以至少是99.99％纯(例如，99.995％纯、99.999％纯、99.9995％纯、99.9999％ 纯)。相似地，当使用其它惰性气体时(Ne气体、Ar气体、Kr气体、Xe气 体)，气体的纯度期望是高纯度的商用等级。
选择性地，除了惰性气体之外气体源110还可以提供一或更多的气体。 如下面更详细地讨论的，这样的气体的实例是氮气。典型地当添加的气体可 以以惰性气体中的杂质以上的水平存在时，添加的气体仍然构成由气体源 110所引入的整体气体混合物的少数成分。举例而言，在其中He气和Ne气 通过气体源110被引入气体场离子源120的实施例中，整体气体混合物可以 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气和Ne气通过气 体源110被引入的实施例中，整体气体混合物可以包括5％至15％(例如从 8％至12％，从9％至11％)的Ne。作为另一实例，在其中He气和氮气通 过气体源110被引入的实施例中，整体气体混合物可以包括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气和氮气通过气体源110被引入的实施例中， 整体气体混合物可以包括0.01％至1％(例如从0.05％至0.5％，从0.08％至 0.12％)的氮。在一些实施例中，添加的(多种)气体在进入系统100之前 与惰性气体混合(例如，通过使用气体歧管，该气体歧管混合气体并且随后 通过单入口将混合物传入系统100)。在某些实施例中，添加的(多种)气体 在进入系统100之前不与惰性气体混合(例如，单独的入口用于将各气体输 入系统100，但是单独的入口足够接近使得在所述气体与气体场离子源120 中的任何元素相互作用之前就变得被混合)。
气体场离子源120被配置，以便从气体源110接收一或更多的气体182 并且从气体182产生气体离子。气体场离子源120包括具有尖端顶点187的 导电尖端186、提取器190和选择性的抑制器188。典型地，从尖端顶点187 至样品180的表面181的距离(在图2中未示出)是5cm或更长(例如10cm 或更长，15cm或更长，20cm或更长，25cm或更长)，和/或100cm或更 短(例如80cm或更短，60cm或更短，50cm或更短)。例如，在某些实施 例中，从尖端顶点187至样品180的表面181的距离是从5cm至100cm(例 如从25cm至75cm，从40cm至60cm，从45cm至55cm)。
导电尖端186可以由各种材料形成。在某些实施例中，尖端186由金属 (例如，钨(W)、钽(Ta)，铱(Ir)、铹(Rh)、铌(Nb)、铂(Pt)、钼(Mo)) 形成。在某些实施例中，导电尖端186可以由合金形成。在一些实施例中， 导电尖端186可以由不同的材料(例如，碳(C))形成。
在使用期间，尖端186相对于提取器190被正偏置(例如大约20kV)， 提取器190相对于外部地被负或正偏置(例如，从-20kV至+50kV)，并且 选择性的抑制器188相对于尖端186被正或负地偏置(例如从-5kV至+5 kV)。因为尖端186由导电材料形成，所以在尖端顶点187的尖端186的电 场从尖端顶点187的表面指向外。由于尖端186的形状，电场在尖端顶点187 附近最强。尖端186的电场强度可以被调整，例如，通过改变施加至尖端186 的正电压。采用该配置，由气体源110所提供的未被离子化的气体原子182 被离子化并且在尖端顶点187附近变为正荷电离子。该正荷电离子同时被正 荷电尖端186排斥并且被负荷电提取器190所吸引，使得正荷电离子作为离 子束192从尖端186被导入离子光学器件130。抑制器188辅助控制尖端186 和提取器190之间的整体电场，并且因而控制正荷电离子从尖端186至离子 光学器件130的轨迹，总之，尖端186和提取器190之间的总电场可以被调 整，以便控制在尖端顶点187产生正荷电离子的速率，和正荷电离子从尖端 186输运至离子光学器件130的效率。
举例而言，不期望被理论所束缚，认为He离子可以如下产生。气体场 离子源120被配置，使得在尖端顶点187附近的尖端186的电场超过未被离 子化的He气原子182的离子化电场，并且尖端186被保持在相对低的温度 下。当未被离子化的He气原子182非常接近尖端顶点187时，He原子可以 被尖端的电场所极化，在He原子182和尖端顶点187之间产生弱的吸引力。 结果，He原子182可以接触尖端顶点187并且保持对其的束缚(例如物理 吸着)一些时间。在尖端顶点187附近，电场高到足以离子化被吸附至尖端 顶点187上的He原子，产生正荷电He离子(例如以离子束的形式)。
图3是尖端顶点187(由W(111)形成，见下面的讨论)的示意性图。 尖端顶点187包括被布置得形成原子架的层。终端原子架由原子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。被气体源110 所传送的中性气体原子182存在于尖端顶点187附近。原子182由于尖端顶 点187的电场而被极化，并且经历引起原子182向尖端顶点187移动的相对 弱的吸引力，如原子182上的箭头所指示。
根据尖端的电场的强度，在接近尖端顶点187的原子架中的各原子可以 具有对应的离子化盘148。离子化盘148是一空间区，其中闯入其中的中性 He原子具有经历离子化的高概率。典型地，中性He原子的离子化通过从中 性He原子至尖端顶点原子的电子隧道而出现。离子化盘148因而代表其中 He离子产生的空间区，从该区中He离子出现。
具体尖端顶点原子的离子化盘148的尺寸取决于尖端顶点187的形状和 施加于尖端顶点187的电位。通常，He原子的离子化可以出现于局部电场 超过He原子的离子化电位的相邻于尖端顶点187的空间区中。因而，对于 施加于尖端顶点187的大的电位，许多尖端原子将具有离子化盘。另外，尖 端顶点187附近的局部电场取决于尖端顶点187的形状。对于相对尖锐的尖 端顶点，尖端顶点187附近的局部电场将相对高。对于相对钝的尖端顶点， 局部电场，既便在尖端顶点187附近也较小。
对应于尖端顶点187的单个原子的离子化盘148在图3中空间上相互分 离。在一些实施例中，如果尖端顶点187的电场足够大，则来自多于一原子 的离子化盘(例如原子142)可以空间上交叠，产生跨过最接近于多个尖端 顶点原子的空间区的较大的离子化盘。通过减小尖端顶点187的电场，可以 减小离子化盘148所占据的空间的体积，并且可以实现图3中所描述的几何 形状，在所述几何形状中几个尖端顶点原子分别具有其自己的单独的、空间 分离的离子化盘。因为，在许多情形，尖端顶点187的形状在离子源120的 使用期间不容易被变更，所以尖端顶点187附近的电场典型地通过调整施加 于尖端顶点187的电位而被控制。
通过进一步减小施加于尖端顶点187的电位，图3中的一些离子化盘可 以被消除。例如，尖端顶点187在第二原子架原子144附近不那么尖锐，并 且通过减小施加于尖端顶点187的电位，在原子144附近的尖端顶点187的 电场可以被减小，使得He原子的离子化在这些区中不以高概率出现。结果， 对应于原子144的离子化盘不再存在。但是，在端层原子142附近的尖端顶 点187的电场可以仍然高到足以引起He原子离子化，并且因而对应于原子 142的离子化盘148保留。通过仔细地控制施加于尖端顶点187的电位，离 子源120可以工作，使得仅对应于端层原子142的离子化盘存在，并且对应 于端层原子的离子化盘在空间上相互分离。结果，在尖端顶点187附近被离 子化的He原子通过在特定端层原子附近的离子化而被产生。
中性He原子留在离子化盘148内越长则具有越高的经历离子化的概率。
通过尖端顶点187的电场引入的He原子的极化，和引起被极化的He原子 向尖端顶点移动的所述电场，还确保被极化的He原子保持束缚于尖端顶点 187，增加了He原子182留在离子化盘148内的时间量，并且增加了被极化 的He原子随着时间的离子化的概率。
被极化的He原子还可以从一位置沿尖端顶点187的表面移动至另一位 置。因为被极化的He原子和尖端顶点187之间的吸引力取决于在被极化的 He原子位置的尖端顶点187的电场的局部强度，所以被极化的He原子的运 动趋向于向局部电场最强的尖端186的尖端顶点187的端部输运原子(例如 向端层142)。该被极化的He原子的输运机制，与对于施加于尖端186的电 位的控制相结合(例如，为了确保仅存在仅对应于端层原子142的分立的离 子化盘)，可以用于操作离子化源120，使得He离子束192通过气体场离子 源120而被产生，在离子源120在离子束中的单独的He离子通过He气体 与端层原子142之一相互作用而被产生。离子束192因而包括多个来自各端 层原子142的He离子，各He离子可以归结于端层原子142之一的离子化。
如上所讨论的，通常，离子化盘148的尺寸和形状可以通过改变施加于 尖端顶点187的电位而被修改，并且可以用合适大的施加的电位，使得相邻 的离子化盘148重叠，或者通过合适的小的施加的电位而保持空间上相互独 立。典型地，离子化盘148与尖端原子142、144、和146以大约0.4nm的 距离间隔开。对应于尖端原子的单独的离子化盘典型地具有大约0.02nm的 厚度，在沿连接给定盘和其对应的原子的直线的方向上测量。离子化盘148 典型地具有在垂直于连接给定盘和其对应的原子的直线的方向上测量的直 径，该直径大约是对应的原子的直径。
图4示出了尖端顶点187的工作配置，其中施加于尖端186的电位产生 3个离子化盘148，各离子化盘对应于3个终端原子架原子142之一。一旦 He离子在尖端顶点187的附近被产生，则由于大的正尖端电位，He离子被 迅速地加速从尖端离开。He离子沿多个轨迹从尖端顶点187加速离开。在 图4中示出了两个这样的轨迹156。如在图4中所描绘的，轨迹156对应于 中间端层原子轨迹分布的半峰全宽(FWHM)的左和右极限。这样，如果轨 迹156向后外推(例如沿线154)至中间端层原子的位置，则其界定中间端 层原子的虚源152。虚源152的直径典型地小于中间端层原子的直径，并且 可以比中间端层原子的直径小得多(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)。相似的考虑适用 于其它端层原子，并且各端层原子具有对应的虚源尺寸。
端层原子的小的虚源尺寸可以提供许多优点。例如，离子束192的小虚 源尺寸和从其产生离子束192中的离子的离子化盘148的小的厚度可以帮助 确保离子束192具有相对高的亮度和相对窄的离子能量分布。
不期望被理论所束缚，认为使用过低的尖端温度可以负面影响流稳定性 和/或增加来自尖端上的增加了的杂质吸收的不利影响。通常，尖端186的温 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 的温度可以从5K至100K(例如，从25K至90K，从50K至90K，从 75K至80K)。尖端186的温度可以通过带冷却剂(例如液氦或液氮)的热 电偶而获得。替代地或附加地，尖端186可以使用低温致冷器而被在热学上 冷却。
认为如果尖端186的温度过低，则被吸收的He原子通过移动至尖端顶 点187的终端原子架中的原子142而被输运的速率被减小，使得每单位时间 没有足够的He原子到达在那里它们可以被离子化的原子142。结果，当尖 端186的发射图案被观察时(例如，通过使用场离子显微镜(FIM)技术， 或通过扫描FIM(SFIM)技术)，来自单独的端层原子的离子的丰度从相对 高丰度到相对低的丰度交替(通常称为闪烁)。例如，当在某些时间在端层 原子的附近没有可以用于离子化的He原子时，这可以出现。随着尖端186 的温度增加，He原子向尖端顶点187的端层原子的输运速率增加，并且来 自端层原子142的该交替高/低丰度的观测被减小或消除。
还认为如果尖端186的温度过高，则极化的He原子将具有太高的动能 从而不能保持被束缚在尖端186足够长的时间以便保证在端层原子142附近 的He原子的有效的离子化。这还可以导致当使用FIM和/或SFIM成像技术 观察时来自端层原子的发射图案的消失。结果，为了确保在各端层原子142 的He离子化工艺从各端层原子142产生稳定的离子流，尖端186的温度被 仔细地控制，以便减轻不期望的高和低的温度效应。
通常，离子光学器件130被配置，以便将离子束192导向样品180的表 面181上。如下面所更详细地描述的，离子光学器件130可以例如聚焦、校 准、偏转、加速、和/或减速束192中的离子。离子光学器件130还可以允许 离子束192中的仅部分离子穿过离子光学器件130。通常，离子光学器件130 包括如期望所配置的各种静电和其它离子光学器件。通过操作离子光学器件 130中的一或多个元件(例如，静电偏转器)的电场强度，He离子束192可 以扫描过样品180的表面181。例如，离子光学器件130可以包括在两个正 交方向偏转离子束192的两个偏转器。所述偏转器可以具有变化的电场强度， 使得离子束192栅扫描(raster)过表面181的区。
当离子束192撞击到样品180上时，可以产生各种不同类型的粒子194。 这些粒子例如包括二次电子、俄歇电子、二次离子、二次中性粒子、一次中 性粒子、散射离子和光子(例如X射线光子、IR光子、可见光子、UV光子)。 探测器150和160被定位并且被配置，以便分别测量由He离子束192和样 品180之间的相互作用所造成的一或多个不同类型的粒子。如在图1中所示 出的，探测器150被定位，以便探测主要从样品180的表面183生成的粒子 194，且探测器160被定位，以便探测主要从样品180的表面183生成的粒 子194(例如透射的粒子)。如在下面所详细描述的，通常，探测器的任何数 量和配置可以被用于在此所公开的显微镜系统。在一些实施例中，多个探测 器被使用，并且多个探测器的一些被配置，以便测量不同类型的粒子。在某 些实施例中，探测器被配置，以便提供对于相同类型粒子的不同信息(例如 粒子的能量、给定粒子的角分布，给定粒子的总丰度)。选择性地，可以使 用这样的探测器布置的组合。
通常，通过探测器所测量的信息用于确定样品180的信息。样品180的 典型的信息包括表面181的形貌信息、(样品180的表面181和/或表面下的 区的)的材料成分的信息、样品180的晶向信息、表面181的电压对比信息 (因而电性能)、样品180的表面下区的电压对比信息、样品180的光学性 能，和/或样品180的磁性能。典型地，该信息通过获得一或多个样品180 的图像而被确定。通过将离子束192栅扫描过表面181，样品180的逐像素 的信息可以在分立的步骤中获得。探测器150和/或160可以被配置，以便探 测各像素的一或多个不同类型的粒子194。典型地，像素是正方形的，尽管 在一些实施例中，像素可以具有不同的形状(例如矩形)。对应于像素的边 的长度的像素尺寸可以是例如，从100pm至2μm(例如从1nm至1μm)。 在一些实施例中，相邻像素的位置可以被确定在至少200pm之内(例如至 至少100pm之内，至至少75pm之内，至至少50pm之内)。因而，系统的 操作者可以确定所述束点的中心位置在至少200pm内(例如至至少100pm 之内，至至少75pm之内，至至少50pm之内)。在某些实施例中，样品180 的视场(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、1.5 mm或更大)，和/或25mm或更小(15mm或更小、10mm或更小、5mm 或更小)。视场称为离子显微镜所成像的样品表面的区。
显微镜系统100的工作典型地通过电子控制系统170而被控制。例如， 电子控制系统170可以被配置，以便控制通过气体源110所提供的气体、尖 端186的温度、尖端186的电位、提取器190的电位、抑制器188的电位、 离子光学器件130的元件的设定、样品操纵器140的位置，和/或探测器150 和160的位置和设定。选择性地，一或多个这些参数可以被手动控制(例如， 通过与电子控制系统170集成的用户界面)。另外地或替代地电子控制系统 170可以被使用(例如，通过电子处理器，例如计算机)，以便分析被探测器 150和160所搜集的信息，并且提供样品180的信息(例如形貌信息，材料 成分信息，晶体信息，电压对比信息，光学性能信息，磁信息)，这些信息 可以选择性地为图像、图、表、电子数据表等的形式。典型地，电子控制系 统170包括用户界面，其有显示器或其它类型的输出装置、输入装置、和存 储介质。
氦离子显微镜系统
A.概述
图5示出了He离子显微镜系统200的示意图。显微镜系统200包括封 闭He离子源和离子光学器件130的第一真空壳体202、和封闭样品180和 探测器150和160的第二真空壳体204。气体源110通过传送管228将He 气传送至显微镜系统200。流量调节器230控制通过传送管228的He气的 流量。He离子源包括贴附至尖端操纵器208的尖端186。He离子源还包括 配置得将He离子从尖端186导入离子光学器件130的提取器190和抑制器 188。离子光学器件130包括第一透镜216、对准偏转器220和222、孔径224、 像散校正器218、扫描偏转器219和221、和第二透镜226。孔径224被定位 于孔径座234中。样品180被安装于第二真空壳体204内的样品操纵器140 中/上。探测器150和160也被定位于第二真空壳体204内且被配置，以便探 测来自样品180的粒子194。气体源110、尖端操纵器208、提取器190、抑 制器188、第一透镜216、对准偏转器220和222、孔径座234、像散校正器 218、扫描偏转器219和221、样品操纵器140、和/或探测器150和/或160 典型地被电子控制系统170所控制。选择性地，电子控制系统170还控制真 空泵236和237，真空泵236和237被配置，以便提供真空壳体202和204 内部和离子光学器件130内的减压环境。
B.离子源
如上所述，通常，尖端186可以由任何合适的导电材料形成。在某些实 施例中，尖端186可以由单晶材料形成，例如单晶金属。典型地，尖端顶点 187的端层原子的特定的单晶晶向与尖端186的纵轴对准在3°或更小内(例 如，2°或更小内，1°或更小内)。在一些实施例中，尖端186的顶点187可以 终结于具有某些数量的原子的原子层(例如20个原子或更少，15个原子或 更少，10个原子或更少，9个原子或更少，6个原子或更少，3个原子或更 少)。例如，尖端186的顶点187可以由W(111)形成并且可以具有带3个端 层原子(三聚物)的端层。图6和7分别示出了最靠近尖端顶点的W尖端 186的两个原子层的放大俯视图和侧视图的示意性图。端层，包括以三聚物 布置的3个W原子302，且对应于W的(111)面。不期望被理论所束缚， 认为该三聚物表面是优越的(就其形成的容易性、再形成和稳定性)，因为 W(111)晶面的表面能量有利地支持由以等边三角形布置从而形成三聚物 的3个W原子所形成的端层。三聚物原子302被W原子304的第二层所支 撑。
在一些实施例中，尖端186可以具有包括少于3个原子或多于3个原子 的端层。例如，W(111)尖端可以具有包括2个原子的端层，或仅包括一 个原子的端层。作为替代，W(111)尖端可以具有包括4或更多原子的端 层(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个原子)。
替代地，或附加地，对应于其它W晶向的尖端(例如W(112)、W(110) 或W(100))可以被使用，并且这样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 个原子)的端层。
在一些实施例中，由单晶W之外的材料形成的尖端可以用于离子源(例 如金属的单晶，例如上述金属之一的单晶)，并且这样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个原子)的端层。
如下所述，尖端顶点187的形状可以具有对于离子束的品质的影响，这 可以具有对于显微镜系统200的性能的影响。例如，当从侧面观察时，尖端 顶点187可以围绕其纵轴对称形貌成，或者可以围绕其纵轴不对称形貌成， 在某些实施例中，从一或更多的侧视图，尖端顶点187可以围绕其纵轴而对 称形貌成，并且，从一或更多的不同的侧视图，尖端187可以围绕其纵轴而 非对称形貌成。图8示出了相对于其纵轴308非对称形貌成的典型尖端300 的侧视图(以比在图6和7中小得多的放大率)。从给定的侧视图，使用例 如，平均全锥角和平均锥方向的参数，沿纵轴308尖端300非对称形貌成的 程度可以被量化。这些参数如下确定。
尖端300的图像使用扫描电子显微镜(SEM)而获得。图8是这样的图 像的示意性图。尖端300包括顶点310和第二点312，两个点都位于纵轴308 上，点312沿纵轴308与顶点310间隔1μm。虚线314在图8的平面中垂 直于轴308延伸并且通过点312。线314与尖端300的轮廓线在点316和318 相交。左锥角θl是在点316尖端300的轮廓线的切线和线320(通过点316 并且平行于轴308延伸的虚线)之间的角度。相似地，右锥角θr是在点318 尖端300的轮廓线的切线和线322(通过点318并且平行于轴308延伸的虚 线)之间的角度。尖端300的全锥角是θl和θr的数值和。例如，对于其中θl 的数值是21.3°并且θr的数值是11.6°的实施例中给定的侧视图，对于该侧视 图的尖端300的轮廓线的全锥角是32.9°。因为尖端300可以在一侧视图中 看来为对称而在不同的侧视图中看来为非对称，所以通常期望确定尖端300 的平均全锥角。平均全锥角通过测量尖端300的8个不同的侧视图的全锥角 而确定(各个对应于对于尖端300的前一侧视图围绕轴308以45°顺序旋转 尖端300)，并且随后计算因而获得的8个全锥角的平均值，结果获得平均全 锥角。不期望被理论所束缚，认为如果平均全锥角过小，则在尖端的使用期 间可以出现电弧放电(例如，当尖端300用于产生离子束192时)，并且由 于在尖端300附近的大电场，通过He原子与在尖端的端层上的原子之外的 尖端原子相互作用而产生的He离子可以出现。还认为，如果平均全锥角过 大，则可以减小可重复地再建尖端300的能力，并且在尖端300附近的电场 可以过低以至于不可以可靠地离子化He原子并且产生稳定的He离子流。 在一些实施例中，尖端300的平均全锥角可以是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/或平均全锥角可以是 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的平均全锥角可以是从27°至33°(例如从28°至32°， 从29°至31°，30°)。在某些实施例中，8个全锥角测量的标准偏差是平均全 锥角的40％或更小(例如30％或更小、20％或更小、10％或更小)。
锥方向是θl和θr的数值之间的差的绝对值的一半。因而，例如，对于其 中θl的数值是21.3°并且θr的数值是11.6°的实施例中给定的侧视图，锥方向 是0.5*|21.3°-11.6°|，或4.9°。因为与上述对于平均全锥角的讨论相同的理 由，可以期望确定尖端的平均锥方向。该平均锥方向通过对于尖端300的8 个不同的侧视图(各侧视图对应于对于前一图围绕轴308以45°顺序地旋转 尖端300)测量锥方向而确定，并且随后计算8个锥方向测量的平均值，结 果为平均锥方向。在一些实施例中，尖端300的平均锥方向可以是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的平均锥方向可以是0°或更大(例如1°或更大、2°或更大、3°或更大、 4°或更大)。在某些实施例中，尖端300的平均锥方向是从0°至10°(例如， 从1°至10°，从3°至10°，从6°至10°，从2°至8°，从4°至6°)。
尖端300还可以被其曲率半径所表征，曲率半径可以如下确定。图9示 出了尖端300的示意侧视图。在实践中，该侧视图使用SEM获得。在纵轴 308的任一侧，尖端300的轮廓线的斜率被测量。点324和326是在尖端300 的表面上最接近于顶点310的点，在顶点310尖端300的轮廓线的斜率(分 别由切线328和330所指示)分别具有1和-1的值(例如45°斜线)。垂直于 轴308并且在图9的平面中所测量的点324和轴308之间的距离是尖端300 的左切线距离Tl。垂直于轴308并且在图9的平面中所测量的点326和轴308 之间的距离是尖端300的右切线距离Tr。左半径Rl按Rl＝21/2·Tl计算，并且 右半径按Rr＝21/2·Tr计算。尖端300的曲率半径R按Rl和Rr的平均值计算。 因而，例如，在其中Tl是120nm并且Tr是43nm的实施例中，Rl是169nm， Rr是61nm，并且R是115nm。因为与上述对于平均全锥角的讨论相同的理 由，可以期望确定尖端的平均曲率半径。平均曲率半径通过对于尖端300的 8个不同的侧视图(各侧视图对应于对于前一图围绕轴308以45°顺序地旋 转尖端300)测量曲率半径而确定，并且随后计算8个曲率半径的平均值， 结果为平均曲率半径。不期望被理论所束缚，认为如果平均曲率半径过小， 则在尖端的使用期间可以出现电弧放电和/或在尖端的端层上的原子之外的 尖端原子的附近可以出现He气的离子化。如果平均曲率半径过大，则可以 减小可重复地再建尖端300的能力，并且由于在尖端300附近的较低的电场 强度，在尖端300附近的He原子的离子化速率可以被减小。在一些实施例 中，尖端300的曲率半径是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的平均曲率半径是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、110 nm或更大)。例如，在一些实施例中，尖端300的平均曲率半径是从40nm 至200nm(例如，从50nm至190nm，从60nm至180nm，从70nm至170 nm，从80nm至160nm)。在某些实施例中，8个曲率半径测量的标准偏差 是平均曲率半径的40％或更小(例如，30％或更小、20％或更小、10％或更 小)。
图10是制造具有三聚物的端原子层的W(111)尖端的工艺400的流程图。 在第一步骤402中，单晶W(111)前驱体线被贴附于支撑组件。典型地，W(111) 前驱体线具有3mm或更小的直径(例如2mm或更小、1mm或更小)，和/ 或0.2mm或更大的直径(例如，0.3mm或更大、0.5mm或更大)。在一些 实施例中，W(111)前驱体线具有从0.2mm至0.5mm的直径(例如从0.3mm 至0.4mm，0.25mm)。合适的前驱体线可以例如从FEI Beam Technology (Hillsboro，OR)获得。
更普遍地，在一些实施例中，尖端前驱体可以是不同于线的形式。例如， 尖端前驱体可以由导电材料形成，该导电材料具有以晶体结构终止的突起。 突起的端点可以是例如单晶结构，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。
图11A和11B分别示出了支撑组件520的实施例的透视图和仰视图。 支撑组件520包括连接至支撑基体524的支柱522a和522b。支柱522a和 522b被连接至加热器线526a和526b，并且W(111)前驱体线528的长度 (例如通过焊接)被连接至加热器线526a和526b。支柱522a和522b可以 被连接至辅助装置，例如电流源(例如电源)，以便允许控制W(111)前驱 体线528的温度。
基体524提供了组件520的机械支撑并且通常由可以承受温度循环的一 或更多的材料形成，并且起电绝缘体的作用。例如，在一些实施例中，基体 524由电绝缘材料形成，例如玻璃和/或硬聚合物和/或陶瓷。
支柱522a和522b通常由一或更多的导电材料形成。典型地，用于形成 支柱522a和522b的材料被选择，使得支柱522a和522b与基体524具有相 似的热膨胀系数，并且使得支柱522a和522b在前驱体线528的温度循环期 间保持固定在相对于基体524的适当位置中。在一些实施例中，支柱522a 和522b由包括铁、镍和钴的合金形成。可以形成支柱522a和522b的市场 上可以获得的材料的实例是KOVARTM。
通常，加热器线526a和526b由具有比前驱体线528更高的电阻率的一 或更多的材料形成。例如，在一些实施例中，加热器线526a和526b可以由 例如钨铼合金的材料形成。如下面所解释的，当电流(例如，从外部电源) 通过该线时，加热器线526a和526b发热，并且在各尖端工艺步骤期间，该 热量可以被用于增加和/或控制前驱体线528的温度。通常，加热器线526a 和526b的直径和材料被选择，以便确保在制造工艺期间对于前驱体线528 的温度控制可以被实现。在一些实施例中，加热器线526a和526b具有例如 从100μm至750μm的直径。
基体524、支柱522a和522b、和加热器线526a和526b的几何特性通 常可以按照期望选择。例如，在一些实施例中，支柱522a和522b之间的距 离可以是从1mm至10mm。
选择性地，多于两个支柱(例如3个支柱、4个支柱、5个支柱、6个支 柱)可以被贴附于基体524，各支柱通过对应的加热器线被连接至前驱体线 528。提供额外的支柱可以增加组件520的稳定性和/或减小组件520对于机 械振动的敏感性。
在一些实施例中，前驱体线528可以通过对于线施加了压缩力的支撑组 件而被固定在适当位置中。例如，图12示出了包括固定前驱体线528的Vogel 座的典型的支撑组件520。合适的Vogel座可以在市场上从例如AP Tech (McMinnville，OR)获得。支撑组件550包括支撑基体556和贴附于基体556 的安装臂552。为了固定前驱体线528，臂552被撬开并且隔离体(例如由 热解碳形成)554被插入臂之间的空间。前驱体线528随后被插入隔离体554 之间的开口，并且随后安装臂552被释放。由于臂552的弹性，臂对于隔离 体554和前驱体线528在由箭头558和560所指示的方向上施加了压缩力， 由此将前驱体线528固定靠着隔离体554。线528、隔离体554、和臂552 之间的静摩擦力阻碍了这些元件的相对运动，确保线528保持固定在支撑组 件550的适当位置中。典型地，线528在臂552上方延伸例如1mm和5mm 之间的距离。
基体556可以由相似于可以用于形成基体524的材料形成(例如，玻璃 和/或硬聚合物和/或陶瓷)。基体556的材料典型地是可以承受温度循环的电 绝缘材料。
安装臂552可以由一或更多的导电材料形成。用于形成臂552的材料也 可以被选择，使得基体556和臂552具有相似的热膨胀系数，并且使得在前 驱体线528的温度循环期间，臂552相对于基体556保持固定于适当的位置。 在一些实施例中，臂552由包括铁、镍和钴的合金形成。形成臂552的市场 上可以获得的材料的实例是KOVARTM。
隔离体554由例如热解碳的材料形成。合适的热解碳隔离体可以从例如 AP Tech(McMinnville，OR)获得。热解碳隔离体典型地由一系列彼此层叠的 平碳片形成以便产生层状结构。通常，热解碳的电阻率根据方向变化，碳的 电阻率在垂直于片的方向上(例如在几乎垂直于层叠片的平面的方向)比在 沿平行于片的平面的方向上高。在安装期间，隔离体554被取向，使得隔离 体554的较高电阻的方向大致平行于由臂552所施加的压缩力的方向(例如 大致平行于箭头558和560)。当电流被引入臂552时，隔离体554由于其高 电阻率而产生热量。因而，隔离体554可以用作调整前驱体线528的温度的 加热元件。
再次参考图10，在第二步骤404中，前驱体线528在电化学浴中被蚀刻 以便成形线528的尖端。通常，步骤404包括多个子步骤。
在蚀刻工艺中的第一子步骤可以选择性地是清洁步骤，以便从线528去 除表面污染物。该蚀刻工艺可以涉及将线528放置在电化学蚀刻溶液中并且 暴露线528至交流(AC)电压。例如，溶液可以是氢氧化钠(NaOH)的1N 溶液，并且可以使用1V的AC电压。随后，整个支撑组件(例如支撑组件 520或550)可以被清洁(例如在水中的超声波清洁)以便去除某些残留的 污染物。
在步骤404中下一子步骤是选择性地施加抗蚀剂材料至线528的一部 分。典型地，抗蚀剂材料被施加至线528的从线528的顶点开始的大约0.5 的长度上。抗蚀剂材料的施加可以被实现，例如，通过将抗蚀剂溶液滴放置 在清洁的表面上并且将线528浸入抗蚀剂数次，允许抗蚀剂在数次施加之间 稍微干燥。被施加的抗蚀剂限制了在后续的工艺步骤中被蚀刻的前驱体线 528的量。因为前驱体线528上后续尖端的形成经常跟随通过蚀刻去除先前 的尖端，所以抗蚀剂材料的使用允许在线被弃置之前在给定的前驱体线上形 成大量尖端。各种不同的抗蚀剂材料可以被施加于前驱体线528。典型的抗 蚀剂材料是化妆用的指甲油。在一些实施例中，可以使用多于一种抗蚀剂材 料。但是，对于尖端形成工艺，抗蚀剂材料的使用是选择性的，在一些实施 例中，在制造工艺中进行后续步骤之前，抗蚀剂材料可以不被施加于前驱体 线528。
在步骤404中的下一子步骤是电化学蚀刻前驱体线528。可以使用各种 电化学蚀刻工艺。在一些实施例中，使用了下列电化学蚀刻工艺。支撑组件 被放置在蚀刻装置中，该蚀刻装置包括平移支撑组件的平移设备、盘、和延 伸入盘的电极(例如不锈钢电极)。蚀刻溶液被放置在盘中，使得溶液与电 极接触。支撑组件通过平移设备向盘降低直至线528上的抗蚀剂界面正好接 触蚀刻溶液。线528随后被降低附加的量(例如0.2mm)进入蚀刻溶液。
蚀刻溶液包括化学腐蚀线528的成分(例如NaOH)。在其中蚀刻溶液 包含NaOH的实施例中，蚀刻溶液中NaOH的浓度可以被选择，以便改变前 驱体线528的腐蚀速率和溶液的化学环境。例如，在一些实施例中，NaOH 的浓度可以是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)。在一些实施例中，NaOH 的浓度从0.5M至10.0M(例如，从1.0M至9.0M，从1.5M至8.0M，从 2.0M至7.0M，从2.0M至6.0M，从2.0M至3.0M)。
在某些实施例中，其它的腐蚀剂可以被添加至蚀刻溶液，替代或附加于 NaOH。这样的腐蚀剂的实例包括KOH(包括熔融的KOH)、HCl、H3PO4、 H2SO4、KCN、和/或熔融的NaNO3。蚀刻溶液中的腐蚀剂可以根据其腐蚀由 具体类型的材料形成的前驱体线的能力而选择。例如，例如NaOH的蚀刻剂 可以用于腐蚀由W形成的线。对于由例如Ir的不同材料形成的线，在蚀刻 溶液中可以使用其它腐蚀剂。
在一些实施例中，蚀刻溶液可以包括相对小的量的表面活性剂。不期望 被理论所束缚，认为表面活性剂可以辅助提高前驱体线528的蚀刻的对称性。 适于该目的的表面活性剂包括例如PhotoFlo 200，可以从Eastman Kodak (Rochester，NY)获得。通常在蚀刻溶液中表面活性剂的浓度是0.1体积％或 更大(例如0.2体积％或更大、0.3体积％或更大、0.4体积％或更大)，和/ 或2体积％或更小(例如1体积％或更小、0.8体积％或更小、0.6体积％或 更小)。
在一些实施例中，蚀刻工艺还可以在蚀刻溶液的搅动的情形进行。蚀刻 溶液被搅动的速率可以根据蚀刻的结果经验性地确定。
在蚀刻溶液中定位前驱体线528之后，外部电源被连接至线528和电极， 并且跨过线528和电极施加电位，以便促进线528的电化学腐蚀反应。通常， 电压可以从或者是AC电源或者是直流(DC)电源被施加。所施加的电压的 大小通常可以按期望被选择，根据产生均匀的被蚀刻的前驱体线528的大小 的经验性确定。例如，在一些实施例中，被施加的电位的大小是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)。在一些实施例中，被施加的电位 的大小在3.0V和50V之间(例如，从3.5V至40V，从4.0V至30V，从 4.5V至20V)。
施加于蚀刻溶液的AC脉冲的持续时间通常可以优选改变从而提高受控 的线528的蚀刻。例如，在一些实施例中，施加于蚀刻溶液的脉冲具有10ms 或更长的持续时间(例如25ms或更长，50ms或更长，75ms或更长，100ms 或更长，150ms或更长，200ms或更长，250ms或更长)，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，600 ms或更短)。在一些实施例中，施加于蚀刻溶液的脉冲具有从10ms至1秒 的持续时间(例如从10ms至900ms，从10ms至800ms，从10ms至700 ms，从10ms至600ms)。
通常，持续时间和/或大小变化的脉冲可以被施加于蚀刻溶液从而引起与 溶液接触的线的区域中前驱体线528的腐蚀。典型地，在工艺期间，部分前 驱体线528的端部掉入蚀刻溶液中，并且前驱体线528的被新暴露的蚀刻区 在后续步骤中被进一步处理。例如，合适的蚀刻方式包括大约100个大小5V 的AC脉冲的初始施加，各脉冲具有大约580ms的持续时间。此后，施加 大约60个脉冲的系列，各脉冲具有大约325ms的持续时间并且大小为5V。 然后，具有持续时间35ms和大小5V的脉冲被施加，直至线528的端部掉 入蚀刻溶液中。
在施加电脉冲至蚀刻溶液期间，前驱体线528的浸入深度可以被调整。 典型地，蚀刻工艺导致形成前驱体线528的窄直径区。调整线528的浸入深 度可以帮助确保蚀刻溶液的弯液面被定位于接近窄直径区的中点，这可以提 高形成相对对称的尖端的概率。随着接近掉落点(例如，随着窄直径区变得 非常小)，进行浸入深度的调整，以便确保前驱体线528的端部不被突然折 断。前驱体线528的端部掉落之后，新被暴露的线528的尖端非常少地浸入 蚀刻溶液并且施加另外的电脉冲。在一些实施例中，施加两个电脉冲。举例 而言，第一电脉冲可以是从1V至10V(例如，从3V至7V，5V)持续时 间从20ms至50ms(例如，从30ms至40ms，35ms)，并且第二脉冲可以 从1V至10V(例如，从3V至7V，5V)，持续时间从10ms至25ms(例 如，从15ms至20ms，17ms)。
支撑组件随后从蚀刻装置被去除，被漂洗(例如，用蒸馏水或去离子水) 并且被干燥(例如在干燥的氮气的流下)。
工艺400的下一步骤406是检验支撑组件(并且尤其线528被蚀刻的尖 端)以便验证被蚀刻的尖端具有合适的几何形状特征。如先前所讨论的，例 如，几何形状特征的测定包括获得被蚀刻的尖端的轮廓图像并且从轮廓图像 所获得的数据计算各种几何参数。可以使用例如SEM进行检验。线528的 尖端的轮廓图像可以以非常高的放大倍率获得，例如65,000倍的放大倍率。 测量的几何参数可以例如包括平均尖端曲率半径、平均锥方向、平均全锥角。 在该情形，如果被蚀刻的尖端的形状不合适，则可以通过将组件插回蚀刻装 置并且向盘降低线528的被蚀刻的尖端直至尖端正好接触蚀刻溶液而稍稍再 成形尖端。小量的电脉冲(例如从1至3个持续时间35ms且大小5V的脉 冲)可以用于再成形线528的尖端。例如，如果线528的尖端的平均全锥角 过小，则小量短持续时间的脉冲可以用于增加平均全锥角而不显著地增加被 蚀刻的尖端的平均半径。这些另外的电脉冲的施加之后，尖端可以则在SEM 中被重新检验以便验证其已经被正确地再成形。
随后，在步骤408中，被蚀刻的线528的尖端的顶点的端层被形成为三 聚物。该工艺通常涉及成像尖端(例如使用FIM或SFIM)和成形尖端(例 如使用场蒸发)。
在一些实施例中，步骤408包括在FIM中安装支撑组件并且将FIM抽 真空。线528的尖端被冷却(例如，至液氮温度)，并且He气被提供至FIM (例如，以大约5×10-6Torr的压力)。相对于提取器的正电位(例如，相对 于提取器5kV或更大)被施加于线528的尖端，并且He原子与线528的尖 端的顶点相互作用从而形成He离子。He离子被加速从线528的尖端的正荷 电的顶点离开。探测器，例如选择性地耦合至例如CCD相机的两维成像装 置的磷光体屏，被定位于距离离子源的一选择的距离，并且被取向为大致垂 直于来自离子源的主离子束轨迹。碰撞离子引起磷光体屏发射光子，光子被 CCD相机所探测。对应于相对多数量的被探测的离子的图像的区域将比对 应于相对较少数量的被探测的离子的区域表现得更亮。He气原子的离子化 出现于线528的尖端的顶点处单独的离子源原子附近。结果，被探测器所摄 取的图像对应于离子源的发射图案。更具体地，从探测器所获得的图像中的 亮点对应于离子源顶点的单独的原子。因而，FIM图像是原子解析的线528 的尖端的顶点的图像。根据FIM图像，在离子源顶点的原子的晶体结构、取 向、和具体布置可以被确定。
如果线528的尖端的顶点的期望特性不存在，则尖端可以使用例如场蒸 发而被成形。在场蒸发期间，线528的被蚀刻尖端的图像在FIM探测器的焦 点上并且在FIM中仍然存在He气的背景压力，尖端上的正电位被增加(例 如，相对于提取器15kV或更大)直至所得的电场开始从局部电场最高的尖 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 避免原子团被同时去除。通常，场蒸发在FIM发射图像的检测下持续，直至 验证了被蚀刻的尖端的表面处于正确的晶向，并且确定在尖端的端层没有不 期望的污染物。
在场蒸发之后，可以期望锐化尖端。为了锐化尖端，He气被泵出FIM 室，并且在线528的尖端的偏压被改变为相对于公共地为负，使得线528的 尖端的顶点发射电子。响应入射电子而产生光子的探测器，例如覆磷光体得 玻璃屏被定位，以便截取来自尖端得电子。所产生的光子被合适的探测器(例 如CCD装置、光电倍增管、光电二极管、或其它类型的光子探测器)探测 并且被用于监视从尖端的电子发射。在一些实施例中，探测器可以直接耦合 至光子产生装置。在某些实施例中，探测器和光子产生装置不被直接耦合。 例如，例如镜子的光学元件可以用于将所产生的光子导向至探测器。
施加于尖端的电压偏置被调整，直至测量到期望的电子流(例如从25pA 至75pA，从40pA至60pA，50pA)。尖端随后被加热至期望的温度(例 如从1000K至1700K，从1300K至1600K，1500K)，并且尖端被视觉监 测以便探测从尖端发射的响应于电压和热的施加的光线。从尖端发出的光线 可以被监测，例如，使用定位的镜子以便向合适的光探测器(例如CCD装 置，光电倍增管、光电二极管、或其它类型的光探测器)反射被尖端所发射 的光线)。热量可以使用各种装置被施加于尖端，例如电阻加热装置(例如 灯丝加热器)，辐射加热装置，感应加热装置，或电子束。在光线首次从尖 端出现之后的15秒至45秒(例如25秒至35秒，30秒)，被施加的电位和 加热装置都被关闭，生产出具有三聚物作为其端原子层的线528。
选择性地，气体可以用于锐化尖端。例如，氧气可以被引入FIM室以便 提高圆化的W尖端表面的锐化。在He气体从FIM室中被去除之后，锐化 气体(例如氧气)被引入，并且尖端在氧气以所选择和压力和时间存在下被 加热。例如，为了锐化圆化W尖端，首先将He泵出FIM室并且随后尖端 被加热至1300K和1700K之间的温度(例如1500K)。尖端被保持在1500 K一至五分钟之间。接着，氧气可以在大约10-5Torr的压力下被引入腔室， 同时保持尖端的温度大约2分钟。随着氧气流入所述室的持续，尖端的温度 则减小至700K和1200K之间(例如1000K)，并且尖端被保持在该温度大 致两分钟。最后，对于腔室的氧气供应被关闭并且氧气被泵出腔室直至其中 的氧气压力小于10-7Torr。同时，尖端被冷却至正常的工作温度(例如在一 些实施例中大致77K)并且He被重新引入至FIM室。当尖端在FIM模式中 被成像时，对应于W(111)面的尖端顶上的W三聚物被观察到。具有作为 三聚物的端层的W(111)线可以随后从FIM移走并且被存储备用。
尽管前面描述了其中与系统200分离的FIM用于成像/成形线尖端顶点 的实施例，但是，在一些实施例中，系统200可以用作FIM。在这样的实施 例中，通常根据在前面的段落中所描述的工艺，支撑组件被安装在离子源内 并且系统200作为FIM工作。在一些实施例中，当操作系统200在FIM模 式中时，探测器可以被定位于样品280被通常定位之处(即，样品180不存 在于其正常位置)。在某些实施例中，当操作系统200在FIM模式中时，具 有相对高的二次电子产率的平的样品可以被定位于样品180被通常定位之 处，并且由He离子与平的样品相互作用所产生的二次电子被探测，因为被 探测的二次电子的强度通常与He离子入射至平的样品上的强度成比例。
选择性地，系统200可以在线尖端顶点的成像/成形工艺期间在SFIM模 式中工作。在这样的实施例中，所述工艺如在先前的段落中所描述的，除了 对准偏转器220和222用于将离子束栅扫描过孔径224的表面从而产生线尖 端的顶点的场发射图案之外。穿过孔径224的离子束的部分可以选择性地被 第二透镜226聚焦，或者保持未被聚焦。在SFIM模式中，线尖端的图像被 逐像素地获得，并且各被测量的像素强度对应于被允许穿过孔径224的离子 束的部分。像素强度一起可以将尖端的场发射图案以图像，或者更普遍地， 以多个电信号呈现。场发射图案可以随后被用于评定尖端的各种性能，以便 确定其用于气体场离子显微镜的适合性。在SFIM模式中，探测器可以如在 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类型。选择性 地，探测器可以是空间集成的探测器，例如光电倍增管或光电二极管。
上述工艺通常可以用于首次锐化W尖端，并且还可以用于在离子显微 镜系统内W尖端的再锐化。这样的再锐化可以在系统200中进行，既便锐 化W尖端的初始工艺在系统200之外的FIM中进行。再锐化通常可以以与 初始锐化相同的方式进行，或者再锐化技术可以与初始锐化技术不同。在一 些实施例中，为了评估再锐化是否是期望的，显微镜系统200可以被配置为 在FIM和/或SFIM模式中工作，如上所述。根据一或更多的尖端的图像， 再锐化工艺可以被启动或推迟。在某些实施例中，其它的标准可以被使用以 便确定何时启动再锐化。例如，如果从尖端测量的离子流在一段时间的工作 之后落至建立的阈值之下时，可以启动再锐化。
作为再锐化中的第一步骤，尖端可以被场蒸发以便去除接近尖端顶点的 原子。例如，显微镜系统200可以被配置为在FIM和/或SFIM模式中工作， 如上述所讨论的，并且施加于尖端的电位可以被仔细地调整，以便产生受控 的尖端原子的场蒸发。在场蒸发工艺期间，尖端的场发射图案可以通过探测 器(例如，磷耦合光子探测器，或配置为测量来自平样品的二次电子发射的 二次电子探测器)在FIM或SFIM模式中获得，并且被监测以便确定何时中 断场蒸发工艺。如之前，当尖端的表面处于正确的晶向并且是干净的时，该 尖端可以被再锐化。
He气被泵出显微镜系统200，直至背景He压力小于大约10-7Torr。在 一些实施例中，为了启动再锐化，负电位被施加至尖端，以便在电子模式中 操作显微镜系统200，并且尖端通过加热如前面所描述的被锐化。在某些实 施例中，例如氧气的锐化气体被引入显微镜系统200，并且尖端在氧存在下 被加热选定的时间，如先前所描述的。跟随再锐化工艺，He气被重新引入 显微镜系统200，并且在系统配置为在FIM和/或SFIM模式中工作的情况下， 再锐化的尖端的一或更多的图像被摄取，以便验证尖端顶点包括对应于W (111)面的三聚物。
在一些实施例中，某些再锐化步骤可以通过电子控制系统170中的硬件 和/或软件而自动进行。例如，在某些实施例中，应用于圆化尖端的锐化工艺 可以以自动方式进行。电子控制系统170所实施的锐化工作步骤的实例如下 所述。首先，控制系统170通过激活泵236和/或237而使得显微镜系统200 抽真空并且冷却尖端至液氮温度。当在显微镜系统200中的气体的背景压力 小于被建立的阈值时，尖端通过控制系统170，通过对于支撑尖端的加热线 施加校准的电流而被加热至1500K。在1500K下两分钟之后，控制系统170 通过打开氧气源上的阀门而将氧气引入显微镜系统200。阀门开口被调整， 以便保持在显微镜系统200中大约10-5Torr的氧压力。在另外的两分钟之后， 尖端的温度通过控制系统170，通过调节液氮冷却剂进入系统的流量而被减 小至1100K。在1100K下两分钟之后，控制系统170关闭对于系统的氧气 供应并且冷却尖端至液氮温度。在该情形，(由操作者测量的)尖端的FIM 和/或SFIM图像可以用于人工验证在尖端的顶点的W(111)的存在。
不期望受到理论的束缚，认为氧可以促进作为尖端的端原子层的三聚物 的形成。在某些实施例中，在FIM腔室中的氧气的压力可以是10-7Torr或更 大(例如10-6Torr或更大、10-5Torr或更大、10-4Torr或更大)，和/或1Torr 或更小(例如，10-1Torr或更小、10-2Torr或更小、10-3Torr或更小)。在某些 实施例中，FIM腔室中的氧气的压力可以是从10-8Torr至10-2Torr(例如， 从10-7Torr至10-3Torr、从10-6Torr至10-4Torr)。其它的气体和材料在尖端 锐化期间也可以用于促进作为端原子层的三聚物的形成。例如，比如钯、铂、 金和/或铟的材料可以在再锐化之前被气相沉积于圆化的尖端的表面上。认为 这些材料可以更可靠地促进在尖端的顶点的三聚物的形成。
在一些实施例中，W尖端的锐化可以通过尖端的受控加热来实现，而不 施加场或故意地添加氧。例如，W尖端可以通过下列步骤被锐化：1)在FIM 腔室中安装尖端；2)减小FIM腔室总的压力；3)加热尖端至1000K保持 5分钟；并且冷却(例如至液氮温度)。不期望受到理论的束缚，认为作为氧 化物存在于尖端上的氧的痕量可以有助于使用热量锐化尖端。在某些实施例 中，未被锐化的尖端可以被暴露于氧流，放置在基本无氧的环境中，并且通 过受控的加热被锐化。认为该方法可以在尖端的表面上产生W氧化物，并 且加热时从W氧化物释放的氧可以辅助尖端锐化工艺。
在一些实施例中，一或更多的附加气体可以在尖端锐化期间存在。例如， 在某些实施例中，氮气可以存在。不期望受到理论的束缚，认为氮气可以有 助于蚀刻尖端以便提供具有作为三聚物的端原子层的更为圆化的结构；认为 这样的结构比较较小圆化的三聚物终结的尖端更为稳定。通常，氮气与氧气 同时被引入。在某些实施例中，在FIM腔室中的氮气的压力可以是10-8Torr 或更大(例如，10-7Torr或更大)，和/或10-5Torr或更小(例如，10-6Torr)。在 某些实施例中，在FIM腔室中的氮气压力可以从10-5Torr至10-8Torr(例如， 从10-6Torr至10-7Torr)。
选择性地，在形成三聚物并且辅助确保尖端锐化工艺是可重复的之后， 施加于被锐化的尖端的正电位被增加，使得受控的尖端的场蒸发出现。在场 蒸发尖端一段时间之后，尖端顶点再呈现为圆化的形状。典型地，圆化的尖 端产生相似于初始场蒸发步骤之后的尖端的发射图案。然后，圆化的尖端再 次在电子模式中被锐化，以便产生作为三聚物的端原子层(例如使用上述工 艺)。在一些实施例中，为了增加被锐化的尖端的寿命和稳定性，一或更多 的三聚物可以使用场蒸发技术从被锐化的尖端被去除。例如，由3原子层形 成的锐化尖端的最顶部的原子层可以被去除，以便展现下面的包括多于3个 原子的原子层。新被暴露的原子层可以被进一步场蒸发，以便在其顶点产生 W原子三聚物。该新形成的三聚物，与在场蒸发期间形成的另外的三聚物一 起，可以被蒸发。该工艺导致在其顶点附近逐层的尖端圆化。通过圆化尖端， 靠近尖端顶点的电场梯度被减小，减小了在显微镜系统200工作时尖端原子 经历场蒸发的概率，并且增加了尖端的稳定性和寿命。
在工艺400的步骤410中，尖端186的顶点187在系统200内被对准。 采用安装在显微镜系统200中的支撑组件，使用一或更多的真空泵使得显微 镜系统200抽真空，并且随后热量被施加于尖端187以便去除，例如氧化物、 冷凝物、和/或任何其它的可以贴附至尖端表面的杂质。典型地，例如，尖端 186被加热至900K或更高的温度(例如，1000K或更高、1100K或更高) 持续时间10s或更长(例如，30s或更长、60s或更长)。加热还可以辅助 再刻面尖端186，在杂质的存在危及尖端的形状的情形。
在尖端186由施加热量引起辐射发光的情形，通过观测从尖端186沿纵 轴传播的光(例如，通过插入比如镜子的反射元件并且引导一部分的光至比 如CCD相机的探测器)，则尖端与离子光学器件130的纵轴大致对准。尖端 186的位置和/或取向可以通过调整尖端操纵器208而被改变，以便引导光线 从尖端186穿过离子光学器件130。
在该大致对准工艺之后，显微镜系统200被配置，以便在FIM或SFIM 模式中工作，通过减小在真空壳体202和204中的背景压力，冷却尖端186 (例如，至大约液氮温度)，并且经由气体源110将He气体原子流引入尖端 186附近的区。来自尖端186的He离子的场发射图案的图像通过合适配置 的探测器而被测量，并且根据该图像，尖端操纵器208被用于对准场发射图 案与离子光学器件130的纵轴，使得尖端186的场发射图案以纵轴为中心。 通过改变施加于第一透镜216的电位同时观测尖端186的场发射图案的感应 的调制，可以进行定中心测试。如果被探测器所观测到的场发射图案的尺寸 由于施加于透镜216的电位而变化，但是图案的中心的位置不变化，则尖端 186与第一透镜216的纵轴对准。相反，如果尖端186的场发射图案的中心 位置响应施加于第一透镜216的电位而变化，则尖端186没有以第一透镜216 的纵轴为中心。通过尖端操纵器208可以反复地重复尖端186的取向和位置 的调整，直至尖端186与第一透镜216的纵轴足够好地对准。典型地，该定 中心测试进行没有孔径224在位。
随后可以进行精细对准工艺，以便确保通过He气原子与尖端186的顶 点187的三原子层的相互作用所产生的He离子穿过孔径224。施加于偏转 器220和222的电位(见下面的讨论)被调整，使得穿过孔径224的离子束 192中的He离子的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)经由He气体原 子仅与尖端186的顶点的三个三聚物原子之一的相互作用而被产生。同时， 施加于偏转器220和222的电位的调整确保了孔径224避免经由He气体原 子与其它两个三聚物原子相互作用所产生的离子束192中的He离子的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)到达样品180的表面181。作为该精细对准工艺的结 果，穿过孔径224并且离开离子光学器件130的He离子束包括主要仅在尖 端186的顶点的3个三聚物原子之一的附近被离子化的He原子。
再次参考图10，尖端186与第一透镜216的纵轴对准的情形，并且He 离子束被对准，使得离子束192的一部分穿过孔径224，显微镜系统200可 以在工艺400的步骤412中在He离子模式中工作。在其中系统200在锐化 期间被用于FIM模式中的实施例中，FIM探测器和/或其它FIM元件被移动， 使得样品180可以被定位以便暴露于离子束192。相对于提取器190为正的 电位被施加于尖端186，并且He气通过气体源110被引入真空壳体202。通 过氦气体原子主要与尖端186的顶点的3个三聚物原子之一的相互作用所产 生的He离子被离子光学器件130引导穿过孔径224，并且被导至样品180。
在一些实施例中，施加至尖端186的电位是5kV或更大(例如，10kV 或更大、15kV或更大、20kV或更大)。在某些实施例中，施加于尖端186 的电位是35kV或更小(例如，30kV或更小、25kV或更小)。例如，在一 些实施例中，施加于尖端186的电位从5kV至35kV(例如，从10kV至 30kV，从15kV至25kV)。
在一些实施例中，在显微镜系统200的工作期间，He气压力是10-8Torr 或更大(例如，10-7Torr或更大、10-6Torr或更大、10-5Torr或更大)。在某 些实施例中，在显微镜系统200中的He气压力是10-1Torr或更小(例如， 10-2Torr或更小、10-3Torr或更小、10-4Torr或更小)。例如，在一些实施例 中，在显微镜系统200中He气压力是从10-7Torr至10-1Torr(例如，从10-6 Torr至10-2Torr，从10-5Torr至10-3Torr)。
为了验证尖端186的完整性，通过在FIM或SFIM模式中操作显微镜系 统200，从尖端186的场发射图案可以被定期地监测，如上面所讨论的。如 果在尖端顶点187三聚物结构保持完整无缺，则尖端186可以继续被用于提 供离子束至显微镜系统200。但是，在某些环境下，尖端186的FIM或SFIM 图像可以展现在尖端顶点187上三聚物结构不再完整无缺。在这种情形，尖 端186可以首先被场蒸发，以便圆化尖端并且去除被损坏的三聚物结构，并 且随后使用上述工艺原位再锐化(例如，不从显微镜系统200移除尖端186)。
来自尖端186的场发射图案的监测可以根据比如减小的性能(例如减小 的离子流)，观测到的图像像差和/或误差的标准，或其它预定的标准而自动 进行。为了摄取尖端186的FIM图像，样品180可以从其位置被去除，并且 例如磷光体耦合的CCD探测器的探测器可以被放置在样品180先前的位置。 作为替代，具有相对高二次电子产率的平的样品可以平移入位以替代样品 180，并且合适的探测器可以被定位和配置，以便探测由于He离子与样品的 相互作用而离开样品的二次电子。孔径224可以被去除(或大直径开口225 可以被选择)使得由He气体原子与尖端186的相互作用所产生的离子不被 显著地阻碍。这些操作可以以自动的方式进行。
为了摄取尖端186的SFIM图像，如对于FIM成像所述，探测器可以被 引入，并且孔径224可以被保持在适当位置中。对准偏转器220和222可以 用于横过孔径224栅扫描尖端186的离子发射图案从而获得逐像素方式的尖 端186的图像。通过电子控制系统170，一或更多尖端186的图像的获得可 以被自动化，电子控制系统170可以控制孔径的布置，样品和探测器的运动， 和施加至尖端186和对准偏转器220和222的电位。
参考图13，上述对准过程典型地对准尖端186的纵轴207和离子光学器 件130的纵轴132，使得在尖端186的顶点187的轴207和132之间的距离 d小于2mm(例如小于1mm、小于500μm、小于200μm)。在一些实 施例中，在尖端186的顶点187的轴207和132之间的角度是2°或更小(例 如1°或更小、0.5°或更小、0.2°或更小)。
提取器190包括开口191。通常，可以按期望选择提取器190和开口191 的形状。典型地，这些特征被选择，以便确保He离子被有效地和可靠地导 入离子光学器件130。例如，如在图13中所示出的，提取器190具有在z 方向测量的厚度te，在x方向测量的开口的宽度a，且被定位于在z方向从 尖端186的顶点187测量的距离e。在一些实施例中，te是100μm或更长(例 如500μm或更长、1mm或更长、2mm或更长)，和/或te是10mm或更短 (例如7mm或更短，5mm或更短，3mm或更短)。在某些实施例中，尖端 186的顶点187和提取器190之间的距离是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)。在一些实施例中，提取器190在+z方向上比尖端186 定位得更远，如在图13中所示。在某些实施例中，提取器190在-z方向上 比尖端186定位得更远，如在图13中所示出的。在这样的实施例中，例如， 尖端186穿过提取器190突出并且沿z轴在+z方向延伸得比提取器190更远。 尽管提取器190在图13中被显示为具有具体的配置，但是更普遍地，提取 器190可以是任何期望的设计。例如，在一些实施例中，开口191可以具有 任何期望形状的弯曲侧。
提取器190通常可以相对于尖端186被正或负地偏置。在一些实施例中， 施加于提取器190的电位是相对于尖端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)。
选择性地，抑制器188还可以存在于尖端186附近。通过调整施加于抑 制器188的电位，抑制器188可以用于例如改变尖端186附近的电场分布。 与提取器190一起，抑制器188可以用于控制在尖端186所产生的He离子 的轨迹。抑制器188具有在x方向上测量的开口宽度k，在z方向上测量的 厚度ts，并且被定位为距尖端186的顶点在z方向上测量的距离s。在一些 实施例中，k是3μm或更长(例如，4μm或更长、5μm或更长)和/或8μm 或更短(例如7μm或更短、6μm或更短)。在某些实施例中，ts是500μm或 更长(例如1mm或更长、2mm或更长)，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 些实施例中，s是5mm或更短(例如4mm或更短，3mm或更短，2mm或 更短，1mm或更短)。在某些实施例中，如图13中所示，抑制器188比尖 端188更远地沿+z方向被定位。在一些实施例中，尖端18比抑制器188更 远地在沿+z方向被定位，使得尖端186在+z方向上延伸通过抑制器188。
通常，显微镜系统200可以被配置，使得在通过提取器190之后，离子 束192中的离子的能量可以按期望选择。典型地，在通过入口开口133至离 子光学器件130之后，离子束192中的离子的平均能量是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，在一些实施例中，在通过入口开口133之 后，离子束192中的离子的平均能量从5keV至100keV(例如从10keV至 90keV，从20keV至80keV)。例如，在期望探测透射通过样品的离子的实 施例中，可以使用较高的离子能量(例如50keV至100keV)。
此外，在某些实施例中，离子束192中的离子的能量可以被改变而不改 变离子流。即，施加至尖端186的电位可以被调整以便修改离子束192的平 均能量而不显著改变来自离子束192的离子束流。
C.离子光学器件
参考图14，离子束192从气体场离子源120经由入口开口133进入离子 光学器件130。离子束192首先通过第一透镜216。第一透镜216的位置和 电位通常被选择以便聚焦离子束192至跨接点C，点C的位置是距孔径224 在z方向测量的距离p。通常，第一透镜216被定位为距入口开口133在z 方向上测量的距离f。在一些实施例中，距离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，第一透镜216可以相对于尖端186被正或负偏置。在一些实施例 中，施加于第一透镜216的电位是相对于尖端186-30kV或更大(例如，-20 kV或更大、-10kV或更大)，和/或40kV或更小(例如，30kV或更小、20 kV或更小、15kV或更小、10kV或更小)。
通常，距离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)。改变点C的位置可以改变在孔径224的位置的x 和/或y方向的离子束192的尺寸，这可以选择性地控制通过孔径224的离子 束192中的离子的份额。尽管在图14中被示为被定位为在-z方向远于孔径 224，但是跨接点C可以在一些实施例中被定位为在+z方向远于孔径224。
对准偏转器220和222被配置，以便引导离子束192的一部分通过孔径 224和第二透镜226。各种设计和/或器件可以用于建造该偏转器。在一些实 施例中，例如，偏转器220和222可以各自是四极电极，两个四极电极被串 连设置。
偏转器220和222可以各自在x和y两个方向都偏转He离子束192。
施加于偏转器220和222的电极的电位可以被调整，以便确保离子束192的 一部分通过孔径224和第二透镜226。在某些实施例中，施加于偏转器220 和222的电位被调整，以便实现具体的对准条件，并且随后当显微镜系统200 工作时电位保持静态。通过孔径224的离子束192的对准通过使用例如被配 置的合适的探测器观测离子束192而被评估，以便成像孔径224。偏转器220 和/或222还可以被调整，使得通过孔径224的离子束192的该部分与第二透 镜226的纵轴对准。为了评估通过第二透镜226的离子束192的对准，施加 于第二透镜226的电位可以被改变(通常称为摆动)并且在成像探测器上观 测到结果。如果，作为改变施加于第二透镜226的电位的结果，离子束192 的图像改变尺寸而不改变位置，则离子束192通过第二透镜226被对准。如 果离子束192的中心位置作为改变电位的结果而改变，则离子束192未与第 二透镜226对准。在这种情形，施加于偏转器222和/或220的电位可以被进 一步调整并且以反复的方式重复摆动测试，直至实现对准。
通常，施加于对准偏转器220和222的各种电极元件的电位可以按期望 选择，以便产生到相对于孔径224和第二透镜226两者的特定位置的离子束 192的偏转。在偏转器220和222中的各电极可以对于公共外接地被或者正 或者负地偏置。通常，施加于任何电极的电位可以是相对于公共外接地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)。在工作期间，例如，施加于偏转器220和222中任 何电极的电位可以是相对于公共外接地从10V至100V(例如，从10V至 75V、从10V至50V)。
孔径224相对于离子束192被定位，以便允许离子束192中的部分离子 通过孔径224。典型地，孔径224不具有被施加的电位。在一些实施例中， 孔径224中的开口225的在x方向上测量的宽度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，在某些实施 例中，w是从1μm至100μm(例如，从5μm至90μm，从15μm至50μm， 从20μm至50μm)。在一些实施例中，在y方向测量的孔径224中开口225 的宽度是1μm或更大(例如2μm或更大、5μm或更大、10μm或更大、15 μm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，在某些实施例中，w是从1μm至100μm(例如，从 5μm至90μm、从15μm至50μm，从20μm至50μm)。
孔径224被定位于孔径支架234上。根据从电子控制系统170所接收的 控制信号，孔径支架234允许孔径224在x-y平面上平移。在一些实施例中， 孔径支架234还可以允许孔径224在z方向上沿离子光学器件130的纵轴平 移。此外，在某些实施例中，孔径支架234可以允许孔径224对于x-y平面 倾斜。倾斜孔径224可以用于对准孔径224的纵轴与离子光学器件130的纵 轴132。
在一些实施例中，孔径224可以包括具有不同宽度w的多个开口。例如， 图15是包括多个开口225a-225g的盘形开口224a的俯视图(沿z方向)。孔 径224a被配置，以便围绕与孔径224a的中心重合的枢轴点227旋转。各开 口225a-225g的中心被定位于距离枢轴点227相同距离处。因而通过旋转孔 径盘224a可以选择特定尺寸的孔径开口，使得被选择的开口被定位于离子 束192的路径中，并且随后如果期望，平移孔径盘224a，以便确保开口与离 子束192正确地对准。
图16是包括延伸通过孔径224b的多个开口229a-229e的棒形孔径224b。 孔径尺寸可以通过选择孔径224b中的开口而被选择。该选择通过平移孔径 224b而在平行于箭头221的方向进行，以便对准开口229a-229e之一与离子 束192。
典型地，开口225a-225g和229a-229e具有可以按期望选择的直径。例 如，在一些实施例中，任何所述开口的直径可以是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)。在某些实施例中，开口225a-225g和/或229a-229e 的直径可以是从5μm至200μm(例如，5μm至150μm、5μm至100μm)。
在一些实施例中，孔径之外的装置可以被用于允许仅一部分的离子束 192中的离子通过离子光学器件130并且撞击在样品180的表面上。例如， 两个垂直的缝隙可以沿离子束的飞行路径被顺序放置。
像散修正器218通常通过其形状、沿离子束192的路径的位置、和被施 加的电位而被配置，以便减小或消除离子束192中的像散。尽管各种器件可 以用于构造像散修正器218，但是像散修正器218典型地是位于孔径224与 扫描偏转器219和221之间的八极电极。典型地，八极像散修正器的8个电 极被划分为4个电极的2组，第一控制器配置为调整4个电极的电压(例如， 4个电极的第一组，相对于尖端186正偏置)和第二控制器调整另外4个电 极的电压(例如，4个电极的第二组，相对于尖端186负偏置)。来自第一和 第二电极组的电极以交替的方式被布置，以便形成八极的部分，这里相邻的 部分具有相反符号的偏置电压。电极的布置形成聚焦沿八极的纵轴传播的离 子束的尖端场，并且散焦离轴的离子束。
通常，八极的各电极可以被独立地配置，并且因而像散修正器218允许 对于离子束192的灵敏的控制。在一些实施例中，施加于像散修正器218的 任何电极的电位，相对于公共外接地，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)。
除了对准偏转器220和222之外，离子光学器件130还包括扫描偏转器 219和221。扫描偏转器219和221典型地位于像散修正器218和第二透镜 226之间，尽管通常，离子光学器件130内扫描偏转器219和221的其它布 置也是可能的。
扫描偏转器219和221被配置，以使离子束192扫描过样品180的表面。 偏转器219，例如，可以被配置，以在x方向偏转离子束192，并且偏转器 221可以被配置，以在y方向偏转离子束192。由偏转器219和221所产生 的结合的偏转可以定位离子束192于样品180上的特定位置。
典型地，施加于偏转器219和221的电位被调整，以产生离子束192的 特定的偏转。被施加的电位可以被系统性地变化，以使扫描束192栅扫描过 一部分的样品180。例如，在一些实施例中，施加于偏转器221的电位以步 进方式以规则的间隔增加，在y方向以分立的步骤(例如，逐行)横过样品 180偏转离子束192。同时，施加于偏转器219的电位以步进方式被增加， 在x方向以分立的步骤(例如，逐列)横过样品180偏转离子束192。。施加 于偏转器221的电位增加的速率可以被选择，使得一旦离子束192通过施加 于偏转器219的电位的步进增加而完成横过所有列的扫描，则离子束192在 y方向被偏转至新的行。对于各行，相同的递增的电位增加的步进模式可以 施加于偏转器219，以在x方向以分立的步骤扫过离子束192。
通常，扫描偏转器219和/或221可以由多个电极形成。例如，在一些实 施例中，扫描偏转器219和/或221可以各自包括一对平行板电极。偏转器 219中的电极可以被取向，以在正交于由偏转器221所产生的离子束192的 偏转的方向偏转离子束192。
在某些实施例中，扫描偏转器219和/或221可以是更为复杂的设计。例 如，扫描偏转器219和/或221可以包括四极电极和/或八极电极。这些电极 可以分别被配置，以便提供在x-y平面中在单个方向上，或在x-y平面中多 于一个方向上的离子束192的偏转。
扫描偏转器219和221中的各电极元件可以相对于公共外接地或者正或 者负地偏置。通常，施加于各电极的电压可以是-150V或更大(例如，-100 V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)。在工作期间，例如，施加于偏转器219 和221中各电极的电压可以是从-150V至150V(例如，从-100V至100V、 从-50V至50V、从-20V至20V)。
通常，第二透镜226的位置和电位被选择，使得第二透镜辅助聚焦离子 束192至样品180的表面181上。施加于第二透镜226的电位通常可以是相 对于公共外接地或者为正或者为负。在某些实施例中，施加于第二透镜226 的电位是相对于公共外接地-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 镜226与孔径224间隔在z方向上测量的距离u。在一些实施例中，u是5cm 或更大(例如，10cm或更大、15cm或更大)，和/或50cm或更小(例如， 45cm或更小、40cm或更小、35cm或更小、30cm或更小、25cm或更小、 20cm或更小)。
第二透镜226与样品180间隔沿z轴测量的距离h(通常称为工作距离)。 在一些实施例中，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)。在某些实施例中，h是从2 mm至200mm(例如，从5mm至175mm，从10mm至150mm，从15mm 至125mm，20mm至100mm)。典型地，通过改变施加于第二透镜226的 电位，h可以被调整，以调整透镜226的聚焦平面，并且平移样品180(通 过样品操纵器140)平移到透镜226的新的聚焦平面中。显微镜系统200所 允许的相对大的距离h提供了许多优点。例如，具有表面突起的不平样品可 以使用显微镜系统研究。此外，样品还可以相对于离子束192的主轴以大角 度倾斜。例如，在一些实施例中，样品180的表面181的法线和离子束192 的主轴之间的角度是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)。在某些实施例中，样品180的表面181的 法线和离子束192的主轴之间的角度是从5°至85°(例如，从10°至80°、从 20°至70°、从30°至70°、从40°至60°)。另外，相对大的距离h还允许各种 探测器和其它装置被定位于非常接近表面181上的离子束192的入射区附 近，并且可以允许探测以相对大范围的立体角离开样品的粒子。典型地，这 允许较强信号的探测和多种不同类型的信号的探测(例如，使用不同类型的 探测器)。
在一些实施例中，第二透镜226被成形为具有10°或更大的半锥角的右 角锥(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)。在某些实施例中，第二透镜226的半 锥角是从10°至50°(例如，从15°至45°，从20°至40°)。相对小的透镜226 的半锥角提供了许多优点，包括样品180对于离子束192的倾斜角的较大范 围，和在其中探测器和其它装置可以被定位的表面181上的入射束斑点附近 的较大体积的自由空间。
如上面所讨论的，典型地，基本上仅由通过He原子与尖端186的顶点 187上三聚物原子之一的相互作用所产生的He离子通过孔径224。但是，在 一些实施例中，离子光学器件130(例如第一透镜216和/或对准偏转器220、 222和/或孔径224)中的器件可以被设置，使得通过He原子与两个三聚物 原子相互作用所产生的He离子的大量部分通过孔径224。这可以例如通过 恰当地选择施加于第一透镜216和/或偏转器220、222的电位，和/或通过改 变孔径224的尺寸(例如，如分别在图15和16中所示出的，通过在孔轮或 棒上选择不同的孔开口)来实现。在某些实施例中，离子光学器件130中的 器件(例如，第一透镜216和/或对准偏转器220、222和/或孔径224)可以 被设置，使得经由He气体原子与所有3个三聚物原子相互作用所产生的相 当一部分的He离子通过孔径224。这可以例如通过恰当地选择施加于第一 透镜216和/或偏转器220、222的电位，和/或通过改变孔径224的尺寸(例 如，如分别在图15和16中所示出的，通过在孔径轮或棒上选择不同的孔径 开口)来实现。
选择性地，一或更多的附加电极(例如，透镜、偏转器、和/或其它元件) 可以沿离子光学器件130中离子束192的路径被定位。附加的电极例如可以 在第二透镜226之后被定位，或可以被引入现有的元件之间。附加的元件可 以相对于尖端186而被或者正或者负地偏置，以便进行例如增加或减小离子 光学器件130内的离子束192中的离子能量和/或改变离子的轨迹的功能。例 如，一或更多的加速电极可以被定位于样品180附近，以便改变离子束192 中的离子入射于样品180上能量。
作为另一实例，离子光学器件130可以包括负偏置的(相对于公共外接 地)柱衬管，以便增加离子束192中的离子在样品180的表面181的能量。 该管可以被偏置为相对于公共外接地-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、-5 kV或更小)。通常，该管可以位于沿离子光学器件130的轴132的任何位置， 例如，孔径224和第二透镜226之间。当离子通过离子光学器件130时通过 加速离子可以实现某些优点，包括例如，减小相似荷电离子之间的相互作用 的时间，这可以帮助减小离子束192的发散。
在一些实施例中，通过偏置样品180，样品180的表面181的离子束192 中的离子的能量可以被增加或者被减小(例如，如果期望减小离子束192中 的离子的能量，则正地配置，或如果期望增加离子束192中的离子的能量， 则负地配置)。在离子束192的较大的入射角，由被偏置的样品180所产生 的电场的圆柱不对称性可以产生棱镜类效应，其中离子束192中低能量的离 子比高能量的离子在x和y方向被偏转更大的量，导致在样品180的表面181 上离子束192的斑点尺寸增加以及其它潜在的不期望的后果。在一些实施例 中，因而，样品180被偏置以改变离子束192中的离子的能量，并且离子束 192和表面181的法线之间的角度小于6°(例如，小于5°、小于4°、小于3°、 小于1°)。
虽然已经描述了离子光学器件的某些实施例，但是也可以使用离子光学 器件的其它实施例。作为示例，已经描述某些电极类型(例如八极电极)， 一或更多的不同电极类型(例如四极电极)可以用于实现相同的效果。更普 遍地，各种不同的离子光学系统可以用于显微镜系统200中。在一些实施例 中，例如，离子光学器件130在偏转器、孔径和其它离子光学元件之外仅包 括单个透镜。在某些实施例中，离子光学器件130包括第一和第二透镜，在 第一和第二透镜之间具有孔径。
作为另一实例，在一些实施例中，离子光学器件包括第一透镜、第二透 镜、和第一和第二透镜之间的孔径，没有电极，并且离子光学器件被设计， 使得第一透镜可以减小离子束的发散(例如，使得离子束与离子光学系统的 纵轴基本对准)，孔径可以遮挡离子束的一部分通过孔径，并且第二透镜可 以帮助将离子束在样品的表面上聚焦为相对小的斑点尺寸。在这样的实施例 中，到达样品表面的离子束中的离子可以主要通过He原子仅与三聚物的一 个原子的相互作用所产生(例如如上所述)。在一些实施例中，几乎相等数 量的到达样品表面的离子束中的离子经由He原子与三聚物原子的每个原子 的相互作用而产生。
作为另外的实例，在某些实施例中，离子光学器件包括第一透镜、第二 透镜、第一和第二透镜之间的孔径、没有电极、并且离子光学器件被设计， 使得第一透镜可以向孔径中开口的中心聚焦离子束，孔径可以允许被聚焦的 离子束发散并且通过孔径，并且第二透镜可以帮助将离子束在样品的表面上 聚焦为相对小的斑点尺寸。在这样的实施例中，到达样品表面的离子束可以 包括由气体原子与三聚物的3个原子的每个相互作用所产生的几乎相等数量 的离子。如果尖端186的顶点包括多于3个原子(例如，5或更多个的原子、 7或更多个的原子、9或更多个的原子)，则离子束可以包括经由气体原子与 尖端186的顶点的各个原子的相互作用所产生的几乎相等数量的离子。
作为又一实例，在一些实施例中，离子光学器件包括第一透镜、第二透 镜、第一和第二透镜之间的孔径、没有电极、并且离子光学器件被设计，使 得第一透镜可以减小离子束的发散并且向孔径引导低发散的束，孔径可以允 许基本上所有离子束中的离子通过孔径，并且第二透镜可以帮助将离子束在 样品的表面上聚焦为相对小的斑点尺寸。在这样的实施例中，到达样品的表 面的离子束可以包括通过气体原子与三聚物中的3个原子的每个的相互作用 所产生的几乎相等数量的离子。如果尖端186的顶点的包括多于3个原子(例 如，5或更多个的原子、7或更多个的原子、9或更多个的原子)，则离子束 可以包括经由气体原子与尖端186的顶点的各个原子的相互作用所产生的几 乎相等数量的离子。
作为另一实例，在某些实施例中，离子光学器件包括第一透镜、第二透 镜、第一和第二透镜之间的孔径、没有电极、并且离子光学器件被设计，使 得第一透镜可以向孔径部分地聚焦离子束，孔径可以遮挡从其通过的离子束 中的部分离子(但是仍然允许离子束中的离子的相对大的部分通过孔径)， 并且第二透镜可以帮助将离子束在样品的表面上聚焦为相对小的斑点尺寸。 在这样的实施例中，到达样品的表面的离子束可以包括通过气体原子与三聚 物中的3个原子的每个的相互作用所产生的几乎相等数量的离子。如果尖端 186的顶点的包括多于3个原子(例如，5或更多个的原子、7或更多个的原 子、9或更多个的原子)，则离子束可以包括经由气体原子与尖端186的顶点 的各个原子的相互作用所产生的几乎相等数量的离子。
D.尖端倾斜和平移机构
尖端操纵器208被配置以便允许尖端186在x-y平面中的平移，和尖端 186相对于离子光学器件130的轴132的倾斜。图17是显微镜系统200的一 部分的截面图，显微镜系统200包括尖端186、支撑组件520和尖端操纵器 的实施例。尖端操纵器208包括轴502、穹504、肩510和平移器514。平移 器514连接至轴520，轴502形成所需的尺寸，以便通过开口516固定于肩 510中。轴502还连接至基508，基508又连接至组件520。肩510通过表面 512和513之间的静摩擦力位于相对于穹504的固定的位置，并且平移器514 通过表面518和519之间的静摩擦力位于相对于肩510的固定的位置。
尖端操纵器208提供了尖端186在x-y平面中的平移。为了平移尖端206， 高压气体被引入入口503。被引入入口503的高压气体可以是例如室内空气 的气体。典型地，气体可以以50磅每平方英寸(psi)或更大的压力被引入 (例如，75psi或更大、100psi或更大、125psi或大)。作为引入高压气体的 结果，力离开肩510的z方向上被施加于平移器514。施加的力减小了表面 518和519之间的摩擦力(但是不减小为零)，并且通过施加x-y平面中的横 向力而允许平移器514相对于肩510再定位。当平移器514被再定位时，尖 端186在x-y平面中平移。当尖端186在其新位置时，高压气体的提供被关 闭并且通过使用一或更多的真空泵而使尖端操纵器208的内部抽真空而重新 建立表面518和519之间的强静摩擦力。由于该再建强摩擦力，尖端186牢 固地固定在适当的位置。
尖端操纵器208还提供了尖端186对于离子光学器件130的倾斜。为了 倾斜尖端186，高压气体被引入入口505。被引入入口505的高压气体可以 是例如室内空气的气体。典型地，气体可以以50磅每平方英寸(psi)或更 大的压力被引入(例如，75psi或更大、100psi或更大、125psi或大)。作为 引入高压气体的结果，力在离开穹504的-z方向被施加于肩510。被施加的 力减小了表面512和513之间的摩擦力(但是不减小为零)。肩510可以随 后通过施加横向力而对于穹504被再定位，以在由箭头506所指示的方向平 移肩510。肩510的平移对应于沿穹504的曲面的相对运动。由于该运动， 轴132和207之间的角度(对应于尖端186的倾斜角)改变。当尖端186的 倾斜的调整完成时，高压气体的供给被关闭并且通过使尖端操纵器208的内 部抽真空，表面512和513之间的强静电摩擦力被重新建立。由于该再建强 摩擦力，尖端186牢固地固定在适当的位置。
在一些实施例中，如在图17中所示出的，尖端操纵器208被配置，使 得穹504的曲率半径的中心与尖端186的顶点的位置重合。结果，当尖端186 被倾斜，以便改变轴132和207之间的角度时，在x-y平面内尖端186的平 移不出现。结果，尖端操纵器208可以被用于对准经由气体原子与尖端原子 之一的相互作用所产生的离子的轨迹与第一透镜216的纵轴，而不引起尖端 186对于第一透镜216的轴的平移。
在某些实施例中，尖端操纵器208可以被配置，以便允许围绕附加轴的 旋转运动。例如，在图17中所示出的实施例中，当高压气体被引入入口503 从而减小表面518和519之间的摩擦力并且允许平移器514在x-y平面中平 移时，通过对于平移器514施加合适的扭矩，平移器514还可以围绕轴207 旋转。该旋转可以独立于，或添加于尖端186的平移和尖端186的倾斜调整 而进行。
E.样品台
再次参考图5，显微镜系统200包括支撑和定位样品180的样品操纵器 140。响应于来自电子控制系统170的控制信号，样品操纵器140可以在各x、 y、和z方向平移样品180。在一些实施例中，样品操纵器140还可以响应控 制信号而在x-y平面中旋转样品180。此外，在某些实施例中，样品操纵器 140可以响应于合适的控制信号将样品180倾斜出x-y平面之外。各个这些 自由度可以被独立地调整，以便实现样品180相对于离子束192的合适的取 向。
如在下面所更为详细地描述的，在一些实施例中，通过对于操纵器140 施加相对小的电位，样品操纵器140可以相对于公共外接地或者正或者负地 偏置。例如，在一些实施例中，相对于公共外接地的5V或更大的正电位偏 置(例如10V或更大、20V或更大、30V或更大、40V或更大、50V或更 大)可以被施加于操纵器140，以便辅助避免正荷电He离子粘附到样品180 的表面181。在某些实施例中，相对于公共外接地-200V或更大的负电位偏 置(例如，-150V或更大、-100V或更大、-50V或更大、-40V或更大、-30 V或更大、-20V或更大、-10V或更大、-5V或更大)可以被施加于操纵器 140，以便辅助例如加速二次电子(经由离子与样品180的相互作用而离开 样品180的表面181)离开样品，确保二次电子可以被合适地配置的探测器 所探测。通常，施加于操纵器140的电位可以根据所研究的具体材料、He 离子流、和样品的暴露时间而按需要选择。
F.探测器
探测器150和160在图5中被示意性地描绘，探测器150被定位以探测 来自样品180的表面181(其中离子束碰撞的表面)的粒子，并且探测器160 被定位，以便探测来自样品180的表面183的粒子。通常，各种不同的探测 器可以在显微镜系统200中被采用以便探测不同的粒子，并且显微镜系统 200可以典型地包括任何期望数量的探测器。各种探测器的配置可以根据被 测量的粒子和测量条件而选择。在一些实施例中，光谱解析探测器可以被使 用。这样的探测器能够探测不同能量和/或波长的粒子，并且根据各被探测的 粒子的能量和/或波长而解析粒子。在某些实施例中，光谱解析探测器包括能 够根据粒子的能量和/或波长而引导粒子至探测器的不同的区的器件部分。
下面描述某些典型的探测器和探测器的布置。
(i)Everhart-Thornley探测器
Everhart-Thornley(ET)探测器可以用于探测二次电子、离子、和/或中 性粒子。图18示出了ET探测器600的示意图，ET探测器600包括粒子选 择器601、转换材料602、支撑604、光子探测器606、和电压源607和608。
粒子选择器601由导电材料形成。在一些实施例中，例如，粒子选择器 601可以是金属格栅或网，其具有小于大约30％(例如，小于25％、小于 20％、小于10％、小于5％)的金属填充因数。因为格栅主要的是开放空间， 所以在格栅上碰撞的粒子可以相对未受阻碍地通过。
在某些实施例中，粒子选择器601由金属环或管形成。例如，粒子选择 器601可以是形状基本为圆柱的环或管，具有允许粒子通过环或管的内部开 口。环或管可以由高导电金属形成，例如铜或铝。
更普遍地，粒子选择器601可以由任何包括粒子通过的通道的开口电极 结构形成。粒子选择器601可以由一或更多的电极形成，并且施加于一或更 多电极的电位通常可以根据被测量的粒子的类型而按期望选择。
转换材料602由与荷电粒子(例如，粒子，电子)的相互作用时可以形 成光子的材料形成。典型的材料包括磷光体材料和/或闪烁体材料(例如，结 晶材料，例如钇铝石榴石(YAG)和钇铝磷酸盐(YAP))。支撑604由对于由 转换材料602所形成的光子相对透明的材料形成。
在工作期间，电压源607对于粒子选择器601(由导电材料形成)施加 相对小的大小的电压(例如，500V或更小、例如从100V至500V)，并且 电压源608施加相对大的大小的电压(例如5kV或更大、10kV或更大)至 转换材料602。在其中ET探测器用于测量来自样品180的电子(例如，二 次电子)的实施例中，施加于粒子选择器601和转换材料602的电压的符号 相对于样品180是正的。在其中ET探测器用于测量来自样品180的离子(例 如，二次离子，散射离子)的实施例中，施加于粒子选择器601和转换材料 602的电压的符号相对于样品180是负的。在某些实施例中，样品180还可 以被偏置(相对于公共外接地)，以便辅助将来自样品180的粒子传送至探 测器600。例如，当ET探测器用于从样品180测量二次电子时，样品可以 相对于公共外接地被负偏置。施加负电位偏置至操纵器140可以尤为有用， 例如，当探测在样品中的高纵横比(例如深)洞或通孔中所产生的二次电子 时。相对于公共外接地的负电位偏置可以辅助使得电子加速出于孔或通孔之 外且离开样品，使得电子的探测更为容易。在缺少负偏置时，许多二次电子 可以在沿孔或通孔壁的点而重新进入样品，永远不逃逸孔或通孔而被探测。
样品180可以被正偏置，例如，当ET探测器用于测量来自样品的粒子 时。施加的偏置样品的电位的大小可以是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)。
来自样品180的荷电粒子610(例如，电子或离子)被吸引至粒子选择 器601，通过粒子选择器601，并且被加速向转换材料602。荷电粒子610 随后与转换材料602碰撞，产生光子612。光子612通过支撑604并且被光 子探测器606所探测。
虽然已经相对于测量荷电粒子描述了ET探测器的工作，但是ET探测 器还可以用于探测中性粒子，因为，通常撞击在转换材料602上的粒子不必 是荷电的以便产生光子。具体地，撞击在转换材料602上的来自样品180的 一次原子可以产生光子而被光子探测器606探测。光子探测器606可以是， 例如光电倍增管(PMT)、二极管、二极管阵列、或CCD相机。
ET探测器可以定位于相对于样品180的任何位置，以便探测中性或荷 电粒子。典型地，例如，ET探测器被定位于相邻于离子光学器件130的第 二透镜226。选择性地，ET探测器还可以被定位，使得其向样品180稍稍向 下倾斜(例如，以在图5中对于探测器150的描述相似的配置)。
在某些实施例中，ET探测器可以被定位于样品180的表面183附近。 这样的配置可以是期望的，例如，当寻求测量从表面183出现的来自样品180 的二次电子时(例如，在被透射通过样品180之后)。在这样的实施例中， ET探测器可以具有相似于在图5中的探测器160的配置的配置。
(ii)光子探测器
为了探测通过离子与样品180的相互作用所产生的光子，例如PMT的 标准光子探测器可以被使用。如果从样品180发出的光通量足够大，则可以 使用灵敏度较低的光子探测器，例如二极管、二极管阵列、和CCD相机。
在一些实施例中，光子探测器还可以包括各种可以被配置的光学元件， 例如，以便隔离所关注的特定的光信号与其它光信号。例如，在某些实施例 中，光子探测器可以包括例如滤波器的光学元件，以便在从样品180发出的 光子信号中选择特定的波带，这可以提供关于样品180的材料成份的信息。 滤光器可以，例如，遮挡不期望波长的光子(例如，通过吸收不期望波长的 光子，通过反射不期望的波长的光子，通过偏转不期望的波长的光子)。在 一些实施例中，光学元件可以通过空间上发散不同的波长而提供频谱解析 (例如，测量由样品180所产生的光谱)，(例如，比如一或更多光栅的衍射 元件，和/或比如一或更多棱镜的折射元件，和/或一或更多提供光子的波长 解析探测的光谱仪系统)。在一些实施例中，光子探测器可以包括比如波板 和/或偏振器的偏振操纵元件。这些偏振操纵元件可以被配置，以便允许仅具 有被选择的偏振状态的光子到达PMT，例如，允许从样品180发出的光信 号的偏振选择探测(例如，为了辅助确定样品180的晶向信息)。在某些实 施例中，光子探测器还可以包括例如镜子、透镜、分束器的光学元件和用于 重新定向和操纵入射光子(例如，为了增加被探测的光子的立体角)的其它 元件。
通常，光子探测器可以被定位，以便在与样品180的任何期望的角度和 距离探测光子。例如，在某些实施例中，光子探测器可以被定位，以便探测 从表面181(离子束192被入射的样品180的表面)发出的光子，或从表面 183(与离子束192被入射的表面相对的样品180的表面)发出的光子。选 择性地，多个光子探测器可以被使用和配置，以便从样品180的表面181(离 子束撞击的表面)，183(与离子束撞击的相对侧的表面)和/或其它表面探测 光子。
对于一些样品，光子根据在样品180中出现的光学过程的选择规则而在 特定方向被散射，并且来自样品180的光子产率的角度解析测量可以提供， 例如，关于样品180的材料成份信息。
(iii)微通道板探测器
在一些实施例中，微通道板探测器可以用于放大来自样品180的二次电 子、中性原子、或离子的流。微通道板典型地由例如熔融石英的材料形成， 并且通常包括以阵列形式布置的大量小直径的通道。粒子进入单独的通道并 且与通道壁碰撞，产生自由电子。典型地，在粒子(中性原子、离子、或电 子)与通道壁的碰撞时产生了多个自由电子。结果，对应于输入粒子信号的 放大的级连电子信号离开微通道板。
微通道板基探测器(其可以包括一或更多的微通道板)可以被配置，以 探测来自样品180的离子、二次电子、和/或中性原子。从样品180形成的中 性粒子，和/或离子(例如二次离子和原子，散射离子和一次原子)通常离开 样品180的表面181(离子束撞击的表面)。因而，配置得测量来自样品180 的中性粒子和/或离子的微通道板基探测器通常位于相似于在图1和5中所描 述的探测器150的位置的位置。但是，在某些实施例中，中性粒子和/或离子 (例如透射的离子)可以被研究。在这样的实施例中，微通道板基探测器可 以位于相似于在图1和5中的探测器160的位置的位置。二次电子可以或者 从样品180的表面181(离子束撞击的表面)或者从样品180的表面183(离 子束撞击的对侧的表面)被探测，并且被配置得探测来自样品180的二次电 子的微通道板基探测器位于与在图1和5中所描述的探测器150和/或160 的位置相似的位置。
微通道板放大输入粒子信号并且转换输入信号为输出电子信号。为了视 觉化输出电子信号，微通道板基探测器还可以包括转换材料、屏幕、光子探 测器(见上面的描述)。
在一些实施例中，微通道板被直接固定于离子光学器件130的元件。图 19示出了直接安装于第二透镜226的微通道板探测器620的截面图。第二透 镜226具有圆锥形状，具有平坦的下表面622。探测器620直接安装于表面 622。当样品180被暴露于离子束192时，来自样品180的离子、二次电子、 和/或中性原子(共同地由箭头624指示)可以被微通道板探测器620所探测。 探测器620记录与被探测的粒子流成比例的电流，其可以被传送至电子控制 系统170。
(iv)转换板
在一些实施例中，转换板可以被用于探测来自样品180的离子(例如， 散射离子，二次离子)或来自样品180的中性粒子(例如，一次中性He原 子)。典型地，转换板可以由薄箔材料形成，当被入射光子或原子撞击时， 具有高二次电子产率。这样的材料的实例是铂。二次电子产率产生容易被探 测的二次电子的丰度，例如，通过被配置的合适的电子探测器，例如，如探 测器150和/或160(图1和5)。
(v)通道倍增器探测器
通道倍增器探测器也可以用于探测离开样品180的例如电子、离子和中 性原子的粒子。通道倍增器探测器通过放大通过以结合微通道板探测器所描 述的相似的方式的多内部碰撞来放大粒子信号而工作。通过测量由通道倍增 器探测器输出的放大的粒子信号，来自样品180的相对弱的二次电子、离子、 或中性原子通量的测量是可能的(例如，使用电子控制系统170)。当测量来 自样品180的二次电子时，通道倍增器探测器可以定位于在图1和5中所描 述的探测器150和/或160相似的位置。典型地，对于来自样品180的离子和 /或中性粒子的测量，通道倍增器探测器定位于与图1和5中所描述的探测器 150的位置和/或160的位置相似的位置。
(vi)磷光体探测器
包括沉积于透明衬底顶上的磷光体材料的薄层的磷光体基探测器，和例 如CCD相机、PMT、或一或更多二极管的光子探测器，可以用于探测来自 样品180的电子、离子和/或中性粒子。粒子撞击磷光体层，从荧光体引起被 光子探测器所探测的光子的发射。磷光体基探测器可以被布置在与在图1和 5中所描述的探测器150和/或160的位置相似的位置，取决于被测量的粒子 的类型(见上述讨论)。
(vii)固态探测器
固态探测器可以用于探测来自样品180的二次电子、离子、和/或中性原 子。固态探测器可以由例如硅的材料，或掺杂的硅材料形成的传感器建造。 当入射粒子撞击传感器时，在传感器材料中产生电子-空穴对，产生可以被 电子控制系统170所探测的电流。由入射粒子所产生的电子-空穴对的数量， 并且因而所产生的电流的对应的大小，部分取决于粒子的能量。因而，固态 探测器可以对于粒子的能量测量尤其有用，当探测来自样品180的高能粒子 时(例如，散射的He离子和中性He原子)，这尤为有利。
(viii)闪烁体探测器
相似于磷光体基探测器，闪烁体基探测器包括响应被入射粒子(例如电 子、离子、或中性原子)撞击而产生光子的闪烁体材料。合适的闪烁体材料 包括，例如YAG和YAP。闪烁体基探测器中的光子产率取决于入射粒子的 能量。结果，闪烁体探测器可以对于粒子的能量测量尤其有用，当探测来自 样品180的高能粒子(例如，散射的He离子和中性He原子)时，这可以 尤为有利。
(ix)离子的能量探测器
各种不同的探测器和探测方法可以被实施，以便测量来自样品180的离 子的能量(例如，散射的He离子)。静电棱镜探测器，其中电和/或磁场被 用于偏转入射离子，其中偏转量取决于离子的能量，可以用于空间分离具有 不同能量的离子。磁棱镜探测器也可以用于根据离子的能量而空间分离离 子。上述任何合适的探测器(例如，微通道板，通道倍增器，和其它)可以 随后用于探测被偏转的离子。
四极探测器也可以被用于分析来自样品180的离子的能量。在四极探测 器中，四极内的射频(RP)场确保具有被选择的质量和能量的离子在四极内 沿直的，未被偏转的轨迹传播。具有不同质量和/或能量的离子在四极内沿弯 曲的轨迹传播。从四极分析器内离子的被偏转的位置，可以确定离子的能量。
在一些实施例中，通过沿离子的飞行路径并且在探测器前放置正偏置的 粒子选择器(例如，导电材料的丝网或网格，或圆柱型金属管或环)，而可 以确定离子能量。施加于粒子选择器601的电位的大小可以初始时非常高(例 如，确保避免来自样品180的离子通过其的值)，并且当使用合适的探测器 探测离子时(见上述讨论)，电位的大小可以被减小。作为粒子选择器上电 位偏置的大小的函数的到达探测器的离子的流可以被用于确定与离子能量 相关的信息。
(x)电子的能量探测器
各种不同的探测器和探测方法可以被实施，以便测量来自样品180的电 子的能量(例如，二次电子)。棱镜探测器可以用于空间分离具有不同能量 的电子，在棱镜探测器中，电和/或磁场被用于偏转入射电子，其中偏转量取 决于电子的能量，。磁棱镜探测器也可以用于空间分离具有不同能量的电子。 上述任何合适的探测器则可以用于探测被偏转的电子。
在一些实施例中，通过沿电子的飞行路径并且在探测器前放置负偏置的 粒子选择器(例如，导电材料的丝网或网格，或圆柱型金属管或环)而可以 确定电子能量。粒子选择器601的电位的大小可以初始时非常高(例如，确 保避免来自样品180的电子通过其的值)，并且当使用合适的探测器探测电 子时(见上述讨论)，电位的大小可以被减小。作为粒子选择器上电位偏置 的大小的函数的到达探测器的电子的流可以被用于确定电子能量的信息。
(xi)飞行时间探测器
上面公开的探测器还可以被配置，以便测量二次电子、离子、和中性原 子的飞行时间的信息。为了进行飞行时间探测，离子束192在脉冲模式工作。 例如，通过迅速地改变施加于一或两个偏转器220和222的电位，离子束192 可以被脉冲化。例如通过增加这些电位，离子束192可以从其在离子光学器 件130中的通常路径转向，使得离子束192临时被孔径224遮挡。如果随后 偏转器220和222的电位在被再次增加之前短时间恢复其正常值，则He离 子的脉冲可以被传送至样品180。
同时，探测器150和160可以同步于来自电子控制系统170的时钟信号， 电子控制系统170基于施加于偏转器220和/或222的电位的时间变化。结果， He离子脉冲发出和来自样品180的粒子的探测之间的时间间隔可以被精确 地测量。从关于离子光学器件130内的He离子脉冲的传播时间的已知信息， 样品180和探测器150和/或160之间被探测的粒子的飞行时间可以被确定。
(xii)角相关测量
除了测量来自样品180的粒子的相对丰度和能量之外，角相关散射信息 可以使用上面公开的探测器而获得。典型地，为了获得角相关信息，探测器 固定于允许探测器在样品180周围的立体角的整个范围内运动的支架(例如， 旋转支架)。在对应于特定立体角的相对于样品180的给定的取向，记录粒 子的丰度和/或能量测量。探测器顺序地在不同的立体角再定位并且重复进行 测量，以便确定所测量的量的角相关性。在一些实施例中，例如针孔的限制 孔径可以被放置在被散射的粒子的路径中的探测器前，以便进一步限制出现 来自样品180的粒子的测量的角度范围。
G.工作参数
离子束192在样品180的表面181上可以具有相对小的斑点尺寸。例如， 在一些实施例中，样品180的表面181上的离子束192的斑点尺寸可以具有 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)。在某些实施例中，样品180的表面181上离子束192的斑点尺寸可 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)。在一些实施例中，表面181上离子束192的斑点尺寸具有从0.05 至10nm的尺寸(例如，从0.1nm至10nm、0.2nm至10nm、0.25nm至3 nm、0.25nm至1nm，0.1nm至0.5nm、0.1nm至0.2nm)。如在此所使用 的，斑点尺寸如下参考图20A-20C所确定。由金形成并且具有从50nm至 2000nm尺寸的岛1700被布置在碳表面1710上。例如，通过在碳表面上金 的气相沉积而形成金岛。适于在此所描述的解析测量的包括沉积在碳上的金 岛的测量样品，可以在市场上从例如Structure Probe Inc.(West Chester，PA) 获得。离子显微镜工作，使得它移动离子束192线性地扫过金岛的一部分， 以及金岛一侧上的碳表面的该部分(箭头1730)。二次电子的强度作为离子 束的位置的函数被测量(图20C)。渐近线1740和1750被计算(或绘制)， 对应于碳和金的平均总丰度值，并且垂直线1760和1770被计算(或绘制)， 分别对应于总丰度是渐近线1740和1750的之间的丰度差的25％和75％的 位置。离子显微镜200的斑点尺寸是线1760和1770之间的距离。
通常，样品180的表面181的离子束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，在一些实施例中，样品180的表面181处的离子束192的流是从0.1fA 至1nA(例如，从10fA至100pA，从100fA至50pA)。在某些实施例中， 当成像样品时可以期望使用相对低的束流。例如，在一些生物学和/或药物学 应用中，为了在样品中成像，使用低流可能更为重要(例如，为了减小损伤 样品的可能性)。在这样的实施例中，一个流可以被用于制备使用的气体场 离子显微镜(例如，10fA或更大的流)，并且不同的流可以用于成像样品(例 如，小于1fA的流，例如0.1fA)。
通常，离子束192具有在样品180的表面181处5eV或更小的能量扩 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)。在一些实施例中，离子束192具有在样品180的表面181处0.1eV 或更大的能量扩展度(例如，0.2eV或更大、0.3eV或更大、0.4eV或更大)。 例如，离子束192可以具有在样品180的表面181处从0.1eV至5eV的能 量扩展度(例如，从0.1eV至3eV，从0.1eV至1eV)。
离子束192在样品180的表面181处可以具有相对高的亮度。例如，离 子束192在样品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)。在一些实施例中，可以通 过增加相邻于尖端186的气体压力和/或减小尖端186的温度而增加亮度。如 在此所述，离子束的亮度如下测量。离子束192中离子轨迹的分布的FWHM 在提取器190和第一透镜216之间的间隔的区域中被在x和y两个方向确定 -在该区域净电场相对小并且离子轨迹接近于直线。落在x和y两个方向的 FWHM宽度内的总共100个离子轨迹从离子束192中的离子轨迹分布被随 机选择。各个100个离子轨迹接近于直线，并且被投射回尖端顶点187。在 沿z轴的特定点zt的轨迹的空间范围通过在平行于x-y平面并且通过点zt的 Zt平面中，构造包围所有向回传播的轨迹与平面Zt的交叉点的最小直径的圆 来评估。最小直径的圆的直径是ds。典型地，对于越接近于尖端顶点187的 点zt，ds越小并且对于越接近于样品180的点zt，ds越大。在特定的点zt＝Z0， ds是最小值d0。即平行于x-y平面的平面中轨迹的空间范围最小。在点Z0 的最小直径的圆的直径d0被称为显微镜系统200的虚源尺寸。接着，测量提 取器190和第一透镜216之间的离子束192的FWHM区中离子束192的发 散和束流，如上面所讨论的。最后，亮度被计算为束流除以虚源尺寸和离子 束192的立体发散角的乘积。
离子束192在样品180的表面181可以具有相对高的减小的亮度。例如， 离子束192在样品180的表面181可以具有5×108A/m2srV或更大的减小的 亮度(例如，1×109A/m2srV或更大、1×1010A/m2srV或更大)。如在此所称， 离子束的减小的亮度是在束流被测量的位置、离子束的亮度除以离子束中的 离子的平均能量。
离子束192在提取器190的远端193可以具有相对低的etendue。例如， 离子束192在提取器190的远端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，离子束的etendue被计算为亮度的倒数 和束流的数学乘积。
离子束192在提取器190的远端193可以具有相对低的减小的etendue。 例如，离子束192在提取器190的远端193可以具有1×10-16cm sr或更小的 减小的etendue(例如，1×10-17cm2sr或更小、1×10-18cm2sr或更小、1×10-19 cm2sr或更小)。离子束的减小的etendue是在束流被测量的位置、离子束的 etendue和离子束中离子的平均能量电荷比(energy-to-charge)的乘积。
离子束192相对于样品180的表面181可以具有相对低的角会聚。例如， 在一些实施例中，离子束192的会聚的半角可以是5mrad或更小(例如，1 mrad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，离子束的会聚半角如下确定。包括在碳衬底顶上的金岛的样品， 如上面所描述的，被安装在离子显微镜200中并且在z方向平移，使得离子 束192的焦点的位置位于，尽可能地靠近沿金岛的直径的最高高度的点。离 子束192随后沿金岛的直径被直线平移并且离子束的聚焦的斑点的尺寸sf 被测量，如上面所描述的。样品随后在+z方向被平移，距离子光学器件130 离开sz＝1μm，并且离子束192沿金岛的相同的直径被线性平移，以便测量离 子束192的散焦斑点尺寸sd。随后会聚角η可以从聚焦和散焦的斑点尺寸、 以及平移距离的测量用三角学方法确定为，
离子显微镜200的会聚半角是η/2。
离子显微镜200可以是高可靠性的。举例而言，在一些实施例中，He 离子源(尖端186、提取器190和选择性的抑制器188)能够持续地与气体 原子相互作用，以便在一周或更长的时间周期产生离子束(例如，2周或更 长、一个月或更长、两个月或更长)，没有从系统去除尖端186。在一些实施 例中，在He离子源持续地与气体原子相互作用产生离子束的时间周期期间， 在样品180的表面181的离子束192的流变化了10％或更小(例如，5％或 更小、1％或更小)每分钟。
作为另一实例，在一些实施例中，气体场离子源(尖端186，提取器190 和选择性的抑制器188)能够持续地与气体原子相互作用，以便在一周或更 长的时间周期产生离子束(例如，2周或更长、一个月或更长、两个月或更 长)，总的中断时间为10小时或更短(例如，5小时或更短、2小时或更短、 1小时或更短)。在这样的实施例中，气体场离子源可以与气体原子相互作用 以便在整个时间周期持续地产生离子束(对应于零小时的总中断时间)，但 这不是必需的。例如，在时间周期期间，可以存在气体场离子显微镜不与气 体原子相互作用产生离子束的时间。这样的时间周期对应于中断时间。在该 时间周期中，这样的中断时间可以出现一次或多于一次(例如，2次、3次、 4次、5次、6次、7次、8次、9次、10次)。中断可以是由于例如，计划维 修，意外的维修，和/或换班之间的停机(例如，通宵停机)。在该时间周期 期间，中断时间的总和是总中断时间。举例而言，如果在时间周期期间有3 次中断，每次1小时，则总中断时间是3小时。作为另一实例，如果在时间 周期期间仅有1次中断并且是3小时长，则总中断时间是3小时。作为又一 实例，如果在时间周期期间有2次中断，第一次中断的时间是1小时并且第 二次中断的时间是2小时，则总中断时间是3小时。在一些实施例中，对于 在时间周期期间当气体长离子源与气体原子相互作用产生离子束的那些时 间，在样品180的表面181离子束192的流变化了10％或更小(例如，5％ 或更小、1％或更小)每分钟。
离子显微镜200可以具有相对良好的分辨率。例如，在一些实施例中， 离子显微镜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)。在某些实施例中，离子显微镜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)。在一些实施例中，离子显微镜200的分辨率可以是从0.05nm至 10nm(例如，从0.1nm至10nm、从0.2nm至10nm、从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， 离子束的分辨率是指从使用离子显微镜获得的图像可以被可靠地测量的最 小特征的尺寸。特征的尺寸被可靠地测量，如果从在相似条件下获得的特征 的10个图像，它可以在特征的实际尺寸的10％或更小的误差内被确定，并 且具有小于特征的实际尺寸的小于5％的被测量尺寸的标准偏差。
离子显微镜200可以被用于在相对短的时间周期中摄取良好质量的图 像。例如，离子显微镜200可以具有0.25或更大的品质因数(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，品质 因数如下确定。一平坦的样品(其一半由硅(Si)形成并且另一半由铜(Cu) 形成，具有材料之间的为横过样品的直线的边界)被定位使得边界平行于y 轴被取向。样品通过再划分样品的表面为512像素乘512像素的x-y阵列而 被逐像素地成像。测量期间每个像素的驻留时间是100ns。来自样品的二次 电子的总丰度被测量为样品的表面上的离子束的位置的函数。对于对应于样 品中的Si的图像像素，确定了平均像素强度G1，以及来自Si像素强度分布 的标准偏差SD1。对于对应于样品中的Cu的图像像素，确定了平均像素强 度G2，以及来自Cu像素强度分布的标准偏差SD2。品质因数根据下列方程 计算：
当被暴露于离子束192时，样品180的表面181可以经历相对小的损伤。 例如，根据损伤试验，样品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，损伤试验如下进行。当使用10pA的样品的离子束流和10nm或更小的 样品的离子束的斑点尺寸，将离子束逐像素地栅扫描过样品的表面时，4平 方μm视场的原子级平坦硅(99.99％纯度)样品被成像120秒。为了栅扫描 的目的，4平方μm的视场被分解为512像素乘512像素的像素阵列。损伤 试验的值对应于损伤试验导致的蚀刻入硅样品的成像部分的最大距离。
离子显微镜200可以具有相对大的聚焦深度。例如，在一些实施例中， 离子显微镜200的聚焦深度可以是5nm或更大(例如，10nm或更大、100 nm或更大、1μm或更大)，和/或200μm或更小(例如，100μm或更小、 10μm或更小)，在一些实施例值，离子显微镜200的聚焦深度可以从200μm 至5nm(例如，从500μm至5nm、从1mm至5nm)。如在此所使用的， 离子束的聚焦深度以如下方式被测量。包括在碳衬底上形成的金岛的样品 (如先前结合He离子束斑点尺寸的测量所讨论的)被插入He离子显微镜， 并且如上所述进行He离子束斑点尺寸的测量。样品的沿z轴位置重复地调 整，使得产生最小的He离子束斑点尺寸的样品的位置被确定。该沿z轴的 位置被称为zf。He离子束在zf的斑点尺寸被称为ssf。样品随后沿-z方向相 对于zf以增量平移。在连续地增量平移之后，进行He离子束的斑点尺寸的 测量(在用于确定zf的样品上的相同位置)。当被测量的He离子束斑点尺寸 是2ssf时，样品的平移被停止。该沿z轴的样品的位置被称为zu。然后，样 品沿+z方向相对于zu以增量平移，并且通过点zf。在连续地增量平移之后， 进行He离子束的斑点尺寸的测量(在用于确定zf的样品上的相同位置)。当 被测量的He离子束斑点尺寸是2ssf时，样品的平移被停止。该沿z轴的样 品的位置被称为zl。He离子显微镜的焦点深度df由df＝|zl-zu|计算。
在一些实施例中，如在此所公开的气体场离子显微镜(例如，He离子 显微镜)可以被用于辨别具有非常接近的原子量(Z值)的样品中的元素， 使用例如二次电子产率，散射离子丰度，和/或角度解析和能量解析的散射离 子的探测。例如，在某些实施例中，气体场离子显微镜可以用于辨别具有原 子量(Z值)仅差别1的元素。
在某些实施例中，如在此所公开的气体场离子显微镜(例如，He离子 显微镜)可以用于辨别具有非常接近的质量的样品中的元素，例如，使用二 次电子产率，散射离子丰度，和/或角度解析和能量解析的散射离子的探测。 在某些实施例中，气体场离子显微镜可以用于辨别具有仅差别1原子质量单 位或更小的质量单位(例如，0.9原子质量单位或更小、0.8原子质量单位或 更小、0.7原子质量单位或更小、0.6原子质量单位或更小、0.5原子质量单 位或更小、0.4原子质量单位或更小、0.3原子质量单位或更小、0.2原子质 量单位或更小、0.1原子质量单位或更小)的质量的元素。在一些实施例中， 样品可以具有由具有不同平均质量的材料(例如合金)形成的畴。在这样的 实施例中，气体场离子显微镜可以，例如，被用于辨别具有仅差别1原子质 量单位或更小的质量单位(例如，0.9原子质量单位或更小、0.8原子质量单 位或更小、0.7原子质量单位或更小、0.6原子质量单位或更小、0.5原子质 量单位或更小、0.4原子质量单位或更小、0.3原子质量单位或更小、0.2原 子质量单位或更小、0.1原子质量单位或更小)的质量的材料的畴。
H.选择性特征
(i)高效气体使用
在一些实施例中，对于尖端206的更为集中的He气体的传送可以增加 显微镜系统200内的He气体的利用效率。典型地，未被离子化的He气体 原子可以进入离子光学器件130，这可以增加离子束192中的离子的能量分 布的宽度。另外，低能量的未被离子化的He气体原子可以参加与高能量He 离子的电荷交换相互作用，这也可以增加离子束192中的离子的能量分布的 宽度。
因而，在一些实施例中，气体传送系统可以被设计为以更为对准目标的 方式提供气体(例如He气体)至气体场离子源120的尖端186，并且以更 为有效的方式从系统去除未使用的气体(例如，未被离子化的He气体)。例 如，图21时包括气体源110和真空泵734的气体场离子显微镜的部分的示 意图。气体源110包括长度q并且直径n、终止于传送喷嘴736的传送管730， 并且真空泵734包括入口部732。喷嘴736定位于距离尖端186的顶点187 的距离g，并且入口部732定位于距离尖端186的顶点187的距离l。
在一些实施例中，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、5 mm或更大、6mm或更大)。例如，g可以是从3mm值10mm(例如，从4 mm至9mm，从5mm至8mm)。
在某些实施例中，l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，l是10mm 或更大(例如，20mm或更大、30mm或更大、40mm或更大)。例如，l 可以是从10mm至100mm(例如，从30mm至100mm、从40mm至80mm)。
在一些实施例中，在尖端186的顶点187的位置He气体的局部压力是 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)。同时，相对于采用He气背景引入的系统， 显微镜系统中的He气的整体压力可以被减小。例如，显微镜系统200中的 整体He压力可以是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)。
在一些实施例中，距离l和入口部732的截面面积被选择，使得真空泵 734俘获显微镜系统200的特定立体角内的未被离子化的He原子。例如， 对于定位于尖端186的顶点187的He原子，由入口732对向的立体角是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，传送管703的长度q与管730的直径n的比率可以被选择，以便 控制被传送至尖端186的He气原子的轨迹的分布。例如，在一些实施例中， 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)。在某些实施例中，q/n 比可以在3和10之间(例如，3和9之间、4和9之间、4和8之间、5和8 之间、5和7之间)。
在一些实施例中，气体传送系统可以包括多于一个传送管和喷嘴。例如， 在某些实施例中，气体传送系统可以包括2个或更多的气体传送管(例如， 3个或更多、4个或更多、5个或更多、6个或更多)。多个气体传送管的每 个可以被定位以便以相对定向的方式传送He气至尖端186。作为使用多个 气体传送管的结果，可以进一步增加在尖端186的顶点187的位置的He气 的局部压力。一或更多的真空泵可以被用于从显微镜系统200去除未被离子 化的He气。
在一些实施例中，气体传送管730可以被引入气体的其它器件。例如， 在某些实施例中，为了提取器190和/或抑制器188中的气体传送，气体传送 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)。在一些实施例中，用于气体传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)可以被设置于支撑 尖端186的支柱中(例如，支柱522a/b和522)。举例而言，在某些实施例 中，提取器190可以包括用对于尖端186的气体传送的4个通路。通路可以 被相等地分隔并且沿提取器190的周边被径向地布置，使得各通路的开口直 接面对尖端186。各通路的长度对直径比可以是相同的或不同的。
通过将气体传送管引入气体显微镜200的其他元件可以实现许多优点。 例如，使用放置得用于气体传送的接近尖端186的金属管730可以干扰尖端 186附近的电场。将气体传送管引入显微镜系统的其他元件可以消除这样的 干扰。作为另一实例，尖端186附近的空间区典型地与操作显微镜系统200 的电极和其它装置拥挤。通过将气体传送管730引入系统的其它元件，可以 减小尖端186附近的拥挤。
在一些实施例中，经由传送管730所传送的He气可以被预冷却，使得 当进入显微镜系统200时其接近于尖端186的工作温度。例如，传送管730 的一部分可以被放置得与用于冷却尖端186的冷却剂(例如液氮)的供给容 器接触。作为该热接触的结果，通过管730传送的He气的被冷却至与被引 入定位尖端186的腔室之前的尖端186大致相同温度。
(ii)表面电荷中和
通常，当He离子入射至样品的表面上时，二次电子离开样品。许多二 次电子离开样品，导致表面具有净的正电荷。样品的表面上的过量的正电荷 可以产生许多不期望的效应。在一些实施例中，样品的材料可以被正电荷所 损坏。例如，某些材料是电荷敏感性的，并且在过量的正(或负)电荷存在 下可以剧烈地反应(例如，爆炸)。
在某些实施例中，样品的表面的正荷电可以限制探测器探测由于离子束 与样品相互作用而离开样品的二次电子的能力。例如，样品表面的正电荷和 二次电子之间的吸引力可以减速电子，避免电子到达探测器。
在一些实施例中，样品表面的正荷电可以引起不精确的离子束栅扫描。 由样品的表面的正电荷所产生的电场引起的入射的离子束的偏转和减速可 以减小入射离子的能量，并且以难于预计的方式改变其轨迹。
如果样品的表面上的净正电荷变得足够大，则样品的表面可以起He离 子的静电镜的作用，在He离子到达样品的表面之前，偏转He离子从样品 的表面离开。
能够传送电子流至样品的表面的读数电子枪可以被用于抵消表面荷电 效应。图22示出了包括配置得传送电子束842至样品180的表面181的读 数电子枪840的气体场离子显微镜的部分，当He离子束192被入射于表面 181上时。表面181上的电子流可以，通常被控制，使得表面荷电效应被电 子束842平衡至希望的程度。
虽然图22描述了离子束192和电子束842同时撞击在样品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离子束 192之前，读数电子枪840可以被配置，以便传送电子束842至样品180， 从而在样品180的表面下区中产生电荷层846(图23)。层846具有表面181 下的平均深度m，并且层846具有在垂直于表面181的方向测量的厚度r。 通常，深度m和厚度r，以及层846中的电子的密度，可以通过电子束842 中的电子的能量，电子束842中的电子相对于表面181的入射角，和传送至 样品180的总的电子剂量所控制。
在一些实施例中，当入射在表面181上时，电子束842中的电子的平均 能量是可调整的。例如，电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，当入射在表面181上时，电子束842中的电子的平均能量 可以是从500eV至20keV(例如，从1keV至15keV、从2keV至10keV)。
电子束842中的电子相对于表面181的入射角δ对应于电子束842的主 轨迹850和表面181的法线848之间的角度。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可以是从0°至70°(例如，从0°至10°，从40°至60°).
在某些实施例中，传送至样品180的电子的总流是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，传送 至样品180的电子的总流可以是从10pA至1μA(例如，从100pA至100nA， 从1nA至10nA)。
在一些实施例中，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可以是从10nm至500nm(例 如，从25nm至500nm、从50nm至500nm、从75nm至400nm、从100nm 至400nm)。
在某些实施例中，多个读数电子枪可以被使用。例如，在一些实施例中， 不同的读数电子枪可以被用于将表面181的不同的部分暴露于电子。在某些 实施例中，每个读数电子枪可以被用于将表面181的相同的部分暴露于电子。 选择性地，不同的读数电子枪可以在不同的时间工作。例如，一或更多的读 数电子枪可以被用于在表面181被暴露于He离子之前将表面181暴露于电 子(例如，为了形成表面下电荷层)，而一或更多的不同的读数电子枪可以 被用于在表面181也被暴露于He离子时将表面181暴露于电子。在一些实 施例中，所有的读数电子枪可以被用于在表面181被暴露于He离子之前将 表面181暴露于电子(例如，为了形成表面下电荷层)，而在某些实施例中 所有的读数电子枪可以用于当表面181也被暴露于He离子时将表面181暴 露于电子。其它的组合也可以被使用。
虽然已经描述了其中使用读数电子枪可以实现表面电荷中和的实施例， 但是表面电荷的中和还可以使用集电极以收集被发射出的二次电子并且将 其返还至样品的表面从而减小表面的净正电荷来实现。参考图24，集电极 852经由导体854被连接至样品180。当样品180被暴露于He离子束192时， 从样品180的表面181发射出的二次电子(被箭头856所代表)入射到集电 极852上。电子856随后经由导体854被传送回表面181从而减小了表面181 的正电荷。另外的集电极852可以被连接至样品180以便提供进一步的表面 电荷中和。
在某些实施例中，可以使用一或更多的集电极和一或更多的读数电子枪 的组合。例如，一或更多的读数电子枪可以用于在表面181被暴露于He离 子之前将样品180的表面181暴露于电子(例如，为了形成表面下电荷层)， 并且一或更多的集电极可以被用于当表面181被暴露于He离子时中和表面 181的电荷。其它的组合也是可能的。
在一些实施例中，读数电子枪840可以被配置，以便传送非常低的能量 的电子束842至样品180。例如，束842中的电子可以具有大约50eV或更 小的平均能量。低能量的电子具有低着陆(landing)能量，并且这限制了可 以积聚在表面181上的负电荷的量。例如，如果电子束842中的平均电子能 量是50eV，一旦样品180充电至相对于公共地的-50eV的电位，则来自读 数电子枪840的电子不再着陆于样品的表面上。结果，通过调整来自读数电 子枪840的低能电子的能量，样品180的表面181上最大积聚的负电荷可以 被控制。该方法可以被用于成像非导电材料，而没有在非导电材料的顶部沉 积导电材料层以便避免非导电材料的荷电。该方法的实例在图25中被示出。 离子束192被入射在样品180的表面181上，样品180是具有相对低的电导 率的介电材料(例如，样品180不是金属)。样品180被样品操纵器140所 支撑，样品操纵器140被偏置为相对于显微镜系统200的公共外接地-600V 的电位。施加于操纵器140的电位在样品180的表面181产生电场。读数电 子枪840被配置，以便将包括具有500eV的平均能量的电子的电子束传送 至碰撞离子束192附近的表面181。最初，由于施加于操纵器140的偏压所 引起的表面181的电场导致来自读数电子枪840的电子沿例如843a和843b 的轨迹而偏转-电子不着陆于表面181上。但是，随着由于He离子的入射 正电荷积聚在表面181上，样品180变得正荷电，减小了被来自读数电子枪 840所经历的电场强度。当样品180的表面181上的电荷积聚至在表面的有 效偏压达到相对于公共地的-500V的点时，来自读数电子枪840的电子可以 着陆在表面181上并且中和其上的正电荷，遵循例如843c的轨迹。结果， 通过控制施加于操纵器140的偏压和由读数电子枪840所传送的电子的能 量，在样品180上的正电荷积聚可以被控制。样品180，非导电材料，可以 因而被成像而没有表面电荷的积聚，否则由于表面荷电所导致的电压对比效 应，表面电荷的积聚可以导致不期望的图像对比。非导电和半导体材料的图 像可以被获得而无需在样品上沉积导电材料的层作为电荷耗散层。
在一些实施例中，读数电子枪840可以被配置，以便传送电子至具有负 着陆能量的样品180，即，在样品表面上没有正电荷存在时，电子根本不着 陆于表面181上。当由于入射He离子样品180获得表面电荷时，来自读数 电子枪840的电子开始着陆于表面181上，中和正电荷。结果，样品180的 表面181保持在几乎未荷电的状态。
在一些实施例中，转换表面可以被用于产生二次电子，这可以随后被用 于中和积聚在样品180的表面181的正电荷。例如，由具有高二次电荷产率 的材料(例如，铂)形成的转换表面可以被定位于接近于样品180。高能He 离子和/或中性原子，离开样品180，可以撞击转换表面，产生二次电子。所 产生的二次电子由于在样品180上积聚的正表面电荷而经历吸引力。结果， 二次电子着陆于样品表面上，中和正电荷并且减小由于表面电荷所引起的电 场。结果，当存在较大的表面正电荷的积聚时，二次电子被更强烈地吸引至 样品180的表面。这提供了减小表面电荷的自调节机制。
在一些实施例中，转换板可以被直接安装于离子光学器件130的元件， 以便提供样品180的表面电荷中和的二次电子。例如，在图26中，转换板 845被贴附在第二透镜226的表面。来自读数电子枪840的电子842被导向 入射于转换板上，转换板由具有高二次电子产率的材料形成。He离子束192 被入射于样品180的表面181上并且，随着时间的过去，正电荷积聚在表面 181上离子束192被入射的区中。从转换板845所产生的二次电子847被吸 引至具有过量正电荷的表面区并且着陆于这些区，中和过量的正电荷。一旦 过量的表面电荷被消除，则更多的二次电子不再着陆于表面181上。结果， 表面181可以被保持在准中性状态。
通常，读数电子枪840可以被配置得或者连续或者间歇地工作。具体地， 在间歇工作期间，读数电子枪840可以以期望的速率打开和关闭。例如，在 一些实施例中，读数电子枪840可以被打开和关闭，以便以像素曝光速率提 供样品180的电荷中和。离子束192可以以分立的步骤栅扫描过样品180的 表面，以便暴露样品表面的连续的部分。在各部分被暴露之后，读数电子枪 840可以被用于中和被暴露的区中的表面电荷。这对应于以像素曝光速率的 电荷中和。替代地，或添加地，读数电子枪840可以用于以线扫描速率(例 如，在样品180的分立部分的整个线被暴露于离子束192之后)，和/或以帧 速率(例如，在样品180的分立部分的整个二维区被暴露于离子束192之后) 进行中和。
在一些实施例中，读数电子枪840可以被用于改善来自样品180的二次 电子的探测的容易性。例如，读数电子枪840可以被用于将电荷层(例如电 荷层846)嵌入样品180的体区内。被嵌入的负电荷层引起样品180的表面 181的电场。由于样品180与入射离子束192的相互作用产生的离开样品180 的二次电子由于被电荷层846所产生的电场而加速离开样品180，使得通过 合适地配置的探测器的二次电子的探测变得相对更为容易。
在图27A和27B中示意性地示出了使用负电荷的被嵌入的层的使用的 实例。在图27A中，离子束192被入射于样品180的表面181上。多个二次 电子2012被产生在样品180的开始的几个纳米内。首先，许多二次电子作 为自由电子2014而逃逸，自由电子2014可以被合适地配置的探测器所探测。 但是随着时间的过去，入射He离子注入样品180内，形成样品180内正荷 电层2010。随着在层2010内净正电荷的增加，二次电子2012向层2010被 增加地吸引，并且越来越少的二次电子201作为自由电子2014逃逸样品180。 结果，通过二次电子的探测的样品180的成像可以变得越来越困难。
在图27B中示出了该问题的解决方案。在图27B中所示出的实施例中， 读数电子枪840(未示出)被用于嵌入负电荷的层2016(例如电子)于样品 180内。被嵌入的负电荷的层相似于图23中的层846。由于层2016，在样品 180中所产生的二次电子2021被加速离开样品180，导致逃逸样品180的所 产生的二次电子2014的数量的增加，并且因而提高了来自样品的被探测的 二次电子信号。实际上，层2016作为二次电子的静电镜，提高了其可探测 性。
通常，读数电子枪840可以被用于在分析样品之前在样品中植入电子， 和/或读数电子枪840可以在成像样品时被用于在样品中注入电子。在一些实 施例中，样品可以以间隔(例如，规则的间隔)被暴露于来自读数电子枪840 的电子。这可以，例如，辅助保持相对一致的电荷水平。例如，样品可以对 应于每像素驻留时间的时间周期(例如，100ns)被暴露于来自读数电子枪 840的电子。
(iii)振动解耦
由于真空泵、各种运动部件、和背景声扰动所引起的机械振动可以影响 气体场离子显微镜系统200的某些性能参数(例如，图像分辨率、在样品180 的离子束斑点尺寸、稳定性)。在一些实施例中，样品操纵器140可以被配 置，以便解耦样品180与其它系统200的部件，由此减小外部机械扰动的影 响。图28示出了包括被致动器908所支撑的引导针906的振动解耦样品操 纵器140，针906和致动器908分别位于台904内。支撑盘902被定位于台 904的顶部，并且支撑样品180的摩擦多脚架900被放置在盘902顶部。
为了在x-y平面中移动样品180，致动器908从电子控制系统170接收 合适的信号并且开动引导针906。响应于来自致动器908的信号，引导针906 轻推样品180和/或多脚架900，引起在x-y平面中的平移。
引导针906在其顶点的宽度j典型地被选择为稍小于多脚架900中的孔 910的直径b。例如，j可以是1mm，并且b可以是1.1mm。另外，多脚架 900和盘902被选择，使得盘902和多脚架900之间的静摩擦力大，但是可 以通过引导针906由通过致动器908施加于样品180的力所克服。引导针906 由可以在被施加的应力下变形的机械顺应材料形成以便减小对于样品180的 振动传送，但是所述材料硬到足以对于样品180传送被致动器908所施加的 力。
作为这些系统参数的结果，耦合进入平台904的机械振动可以被部分吸 收并且被导向针906所消耗，使得多脚架900的振动很小或没有。另外，如 果导向针906不施加力至多脚架900，则导向针906优先靠着多脚架900边 滑动，而不是导致多脚架900的振动。
在一些实施例中，导向针906可以具有基本矩形截面的形状。当多脚架 900在x和/或y方向通过导向针906而平移时，矩形截面形状可以辅助确保 样品180和/或多脚架900的旋转不出现。如果样品操纵器140相对于离子光 学器件130的轴132倾斜(例如，使得离子束192以非垂直的角度入射在样 品180上)，则用于形成多脚架900和/或盘902的材料可以被选择，使得在 这些元件之间存在更高的静摩擦力。替代地，或附加地，在某些实施例中， 多脚架900和盘902可以被磁耦合，以便增加这些元件之间的静摩擦力。磁 场耦合可以被仔细地实施，以便确保磁场被局部化并且不干扰样品180或撞 击离子束192。
当针906不被致动时，导向针906可以被完全地与多脚架900脱离。例 如，导向针906对于多脚架900施加力，引起多脚架900和样品180在x-y 平面中平移之后，针906的小反冲运动可以由电子控制系统170引起，这引 入了导向针906和多脚架900之间的空间。结果，导向针906完全与多脚架 900脱离，并且避免了通过针906的对于多脚架900的机械振动的耦合。
图29描绘了显微镜系统的样品夹持组件1510。样品夹持组件1510减小 了轴承的使用并且帮助减小工作期间在样品中的低频机械振动。组件1510 包括具有插入样品的开口1512的体1511。体1511通过可调整的连接器1522 被连接至臂1518。臂1518使用夹钳1520支撑样品台1514。样品台1514包 括具有孔1524的表面盘1516。
组件1510可以被连接至离子显微镜，使得尖端186被指向样品台1514 上的孔1524。体1511可以由例如硬化钢、不锈钢、磷青铜、和钛的合适的 刚性材料形成。体1511可以被确定尺寸和形状，以便适应应用的具体需要。 举例而言，可以选择体1511的尺寸和形状用于在此所公开的显微镜系统。 在工作期间，样品可以通过开口1512被引入组件1510。
样品台1514通过连接至体1511的臂1518沿可调整的连接器1522支撑。 可调整连接器1522允许臂1518的垂直运动。臂1518和样品台1514可以在 垂直方向运动并且被锁在特定的位置。连接器1522可以被气动或真空控制， 使得臂1518和台1514可以被锁紧在期望的垂直位置。连接器1522可以选 择性地包括其它类型的连接器。
样品台1514使用夹钳1520被连接至臂1518。臂1518可以具有向内延 伸的轴，使得样品台1514的夹钳1520可以扣紧轴。夹钳1520可以被气动 或真空操作，使得台1514被倾斜。夹钳1520可以被控制，使得台1514被 倾斜至期望的位置。在一些实施例中，到达期望的位置之后，夹钳1520可 以被拉紧，使得样品台1514被锁紧在期望的倾斜位置中。
样品台1514还包括具有开口1524的表面盘1516。样品可以被放置在盘 1516上并且样品位置控制系统可以通过开口1524被引入以便移动盘1516 的平面上的样品。在某些实施例中，盘1516可以围绕其中心旋转以便按期 望旋转和移动位于盘的表面上的样品。盘1516可以由合适的刚性材料形成， 包括陶瓷、玻璃和聚合物。
图30描绘了显微镜系统的样品夹持组件。图30的样品夹持组件相似于 图29的样品夹持组件，具有放置于盘1516的表面上的多脚架1600。多脚架 1600可以具有允许其被定位于开口1524的顶上的支柱。选择性地，多脚架 1600可以具有在表面的部分上的开口。多脚架1600可以由合适的刚性材料 形成，包括陶瓷、玻璃和聚合物。
在显微镜系统200的工作期间，样品180可以在z方向上移动、倾斜， 在x-y平面内平移，和旋转。如果样品180被倾斜并且倾斜角(例如，离子 束192和样品180的表面的法线之间的角度)相对大，则被倾斜的样品可能 在显微镜系统200的整个视场上不聚焦。结果，在这些条件下获得的样品的 图像可以为焦点未对准并且在中心和垂直于倾斜轴之外的区模糊。
这些可以通过当将离子束192扫描过样品180的表面时改变透镜226的 焦距而被补偿。为了进行该修正，样品操纵器140可以传输样品180的倾斜 角信息至电子控制系统170。作为替代，倾斜角信息可以被系统操纵员通过 用户界面人工输入。电子控制系统170可以根据样品180的取向确定一组电 压修正，以便施加至第二透镜226，从而当将离子束扫描过倾斜的样品180 的表面时动态地改变透镜226的焦距。
另外，倾斜的样品的横向尺寸由于在平表面上的倾斜的样品的投影并且 由于对于光学器件130的距离的差异而被扭曲。例如，倾斜的样品表面的横 向尺寸可以展现比其实际值短，由于样品180相对于离子束192的取向。另 一实例是图像的梯形失真扭曲。效应是矩形特征被扭曲，使得矩形的图像在 其形状上展示梯形失真。
这些可以通过当将离子束192扫描过样品180的表面时，调整扫描偏转 器219和221的扫描振幅而被补偿。为了进行该修正，电子控制系统170可 以与上述相同的方式获得关于样品180的倾斜角的信息。电子控制系统170 可以根据样品180的倾斜确定施加于扫描偏转器219和221的扫描振幅的调 整，以便当将离子束192扫描过倾斜的样品180的表面时适应离子束的偏转， 以便获得倾斜的样品180的表面的未扭曲的图像。作为替代，这两个扭曲效 应可以通过扭曲的图像的数字操纵而被修正。
(iv)减小离子束中中性粒子和双荷电离子的存在
如上面所讨论的，中性粒子(例如，He原子)可以作为未离子化的中 性原子从气体场离子源120进入显微镜系统200的离子光学器件130。这样 的中性粒子可以负面地影响显微镜系统的性能。因而，在一些实施例中，期 望减小离子束192中的中性粒子的存在。双荷电He离子(He2+)也可以被 产生于气体场离子源120中，或者通过在尖端186的附近的He原子双离子 化，或者通过He离子之间的碰撞。双荷电He离子的聚焦特性与单荷电离 子的聚焦特性不同，并且在离子束192中存在的双荷电离子可以导致样品 180上较大的斑点尺寸和其它不期望的效应。
减小离子束192中的中性粒子的数量的一方法涉及减小中性粒子进入离 子束的概率。这样的方法可以涉及，例如，使用对于尖端186的定向气体传 送(见上面的讨论)以便减小在显微镜系统200中未被离子化的He气体原 子的总体存在。
减小离子束192中的中性粒子的数量的另一方法涉及在中性粒子存在于 离子束192中之后从离子束中去除中性粒子。该方法可以涉及使用静电透镜 元件来偏转离子，在离子光学器件130中空间分离离子和中性粒子。例如， 图31示出了其中偏转器220从离子光学器件130的纵轴132被偏置，并且 其中附加的偏转器223被布置的离子光学器件130。He离子束192包括He 离子192a和He原子192b。为了分离He离子192a和He原子192b，施加 于偏转器223的电位被调整，以便引起在x方向中He离子192a的偏转。 He原子192b未受偏转器223影响，并且因而未被偏转。He原子192b随后 被收集器1016所截取，收集器1016避免He原子192b穿过孔224。施加于 偏转器220和222的电位也被调整，使得He离子192a的轨迹与纵轴132重 新对准，并且He离子192a的一部分穿过孔224并且作为离子束192入射在 样品180的表面181上。
其它的技术也可以用于从离子束中去除中性粒子。典型地，这样的技术 涉及使用电和/或磁场偏转离子束中的离子，而不偏转中性粒子。在一些实施 例中，电和磁场的结合可以被使用，以便补偿从在离子光学器件130中的离 子偏转导致的离子的能量相关空间分离。另外，各种非对称离子柱几何形状 (例如，弯曲离子柱)可以被用于分离He原子和离子。
例如，在图32中，离子光学器件130的弯曲柱配置可以被用于分离He 原子、单荷电He离子、和双荷电He离子。离子束192进入光学器件130， 沿相对于离子光学器件130的轴132倾斜的方向传播。离子束192包括中性 He原子、He+离子、和He2+离子。电位被施加于偏转器223，偏转离子束192 中的He+离子，使得通过偏转器223之后，He+离子沿轴132传播，作为离 子束192a。但是，中性原子在穿过偏转器223时未被偏转。中性原子因而与 He+离子空间分离，提供被收集器1016b所截取的中性原子束192b。He2+离 子比He+离子偏转的程度更大，空间分离单和双荷电离子，并且提供He2+离 子的离子束192c。He2+离子束192c被收集器1016c所截取。结果，从离子 光学器件130出现的离子束192a基本上仅包括He+离子。
图33示出了分离He原子、He+离子、和He2+离子的离子光学系统的另 一实施例。在图33中示出的离子光学系统包括用于相互隔离He原子、He+ 离子、和He2+离子，并且对于粒子束不贡献棱镜类效应的电和磁场的无分散 的序列。离子光学系统包括3个偏转器223a、223b和223c的系列，3个偏 转器223a、223b和223c的系列被配置，以便偏转并且引导He+离子穿过离 子光学器件130，使得基本上仅包括He+离子的离子束192a自离子光学器件 130出现。中性原子束192b未被偏转并且在各偏转器之后的位置被收集器 1016b所截取。双荷电He离子比He+离子偏转得更大，并且多个He2+束192c 被收集器1016c所截取。结果，He原子、He+离子、和He2+离子被相互空间 上分开，并且He+离子被导向样品180，作为离子束192，而不期望的束成分 被遮挡在离子光学器件130中。
在一些实施例中，磁场的使用可以导致具有相同电荷，但是对应于由气 体源110引入的气体的不同同位素的离子束192的离子的轨迹的空间分离。 对于例如He的某些气体，这些气体具有占优势的自然出现的同位素(例如， 大于90％相对丰度)，由于磁场的分离效应典型地小。但是，对于具有2或 更多自然出现的同位素并且缺少占优势的同位素的其它气体，这样的效应可 以更大。结果，在某些实施例中，同位素分离器(例如，用于避免不期望的 同位素穿过离子光学器件130的长度的阻挡)可以被使用。在一些实施例中， 被用于遮挡中性原子或双荷电离子的收集器1016也可以用于遮挡离子束 192中不期望的同位素。
粒子的类型
离子束与样品的相互作用可以引起不同类型的粒子通过如下所述的各 种相互作用而离开表面。这样的粒子包括二次电子、俄歇电子、散射离子、 一次中性粒子、X射线光子、IR光子、可见光子、UV光子、二次离子和二 次中性粒子。一或更多类型的粒子可以被探测和分析，以便确定关于样品的 一或更多不同类型的信息。关于样品的这样类型的信息包括样品的表面的形 貌信息、样品的表面的材料成份信息、样品的表面下(sub-surface)区的材 料成份信息、样品的结晶信息、样品表面的电压对比信息、样品的表面下区 的电压对比信息、样品的磁信息、和样品的光学信息。如在此所使用的，术 语样品的表面是指直至5nm或更小的深度的体积。
A.二次电子
二次电子，如在此所述，是从样品核素发出并且具有小于50eV的能量 的电子。通常，二次电子从样品表面以多个角度和能量范围发出。但是，最 为关注的信息通常是二次电子的总丰度(与能量解析二次电子信息，或角度 解析二次电子信息相比)，因为如下面所解释的，二次电子的总丰度正是可 以提供关于样品表面的信息。
二次电子可以使用一或更多能够探测电子的合适的探测器(见上述关于 探测器的类型的讨论)而被探测。如果使用多个探测器，则所有探测器可以 都是相同类型的探测器，或者可以使用不同类型的探测器，并且通常可以按 期望被配置。探测器可以被配置，以便探测离开样品180的表面181(离子 束撞击的表面)，样品180的表面183(离子束撞击的对侧上的表面)或两者 (见上面关于探测器配置的讨论)的二次电子。
被探测的二次电子信号可以被用于形成样品的图像。通常，离子束在样 品的表面的视场上被栅扫描，并且在各光栅步骤(对应于图像中的单独的像 素)中的二次电子信号通过一或更多的探测器被测量。通常，各探测器保持 在相对于样品的固定的位置，当离子束在样品的表面的视场上被栅扫描时。 在某些实施例中，然而，一或更多的探测器可以相对于样品移动。例如，如 果单探测器被使用，则相对于样品移动探测器可以产生样品的角度相关信 息。
在某些实施例中，探测二次电子总丰度可以提供关于样品的形貌信息。 在表面上的给定位置的二次电子总丰度通常取决于在该点相对于离子束的 表面的斜度。通常，在相对于离子束的表面的斜度较大处(即，从表面法线 测量的离子束的入射角较大处)二次电子的总丰度较高。因而，作为样品表 面上离子束的位置的函数的二次电子总丰度的改变，可以与表面斜度的改变 相关，提供关于样品的表面的形貌的信息。
在一些实施例中，探测二次电子的总丰度可以产生关于样品的材料成份 信息(例如，元素信息，化学环境信息)。在这样的实施例中，信息主要涉 及样品的表面。通常，在给定的化学环境中的各元素或材料具有一特定的固 有二次电子产率。结果，在表面上给定位置的二次电子的总丰度通常取决于 在该位置存在的材料。因此，作为样品的表面上的离子束的位置的函数的二 次电子的总丰度的改变，可以与在样品的表面所存在的元素和/或材料相关， 提供样品表面的材料成份信息。在某些实施例中，样品中的具体材料可以根 据来自样品的二次电子产率的定量测量而被识别。例如，当在受控的条件下 被暴露于He离子束时，例如Al、Si、Ti、Fe、Ni、Pt和Au的材料具有已 知的二次电子产率。离子显微镜(例如，气体场粒子显微镜)可以根据对于 各种材料的已知的二次电子产率而被校准，以便识别被研究的样品中的各种 不同材料的存在和相对丰度。例如，在表I中示出了各种材料的二次电子产 率。在He离子束垂直入射，和21keV的平均离子能量下测量该产率。在非 垂直的入射角下，例如，在表I中所示出的产率典型地被对应于在样品的表 面上的离子束的入射角的正切的倍增因子所调整。其它的实验条件在下面所 述的对应的实例中描述。
表I
材料 Z M(amu) 二次电子的产率 铝 13 27.0 4.31 硅 14 28.1 2.38 钛 22 47.9 3.65 铁 26 55.8 3.55 镍 28 58.7 4.14 铜 29 63.4 3.23 铟 49 114.8 4.69 钨 74 183.8 2.69 铼 75 186.2 2.61 铂 78 195.1 7.85 金 79 197.0 4.17 铅 82 207.2 4.57
在某些实施例中，探测二次电子的总丰度可以产生电压对比信息，这又 可以提供关于样品的表面的元素和/或材料的导电特性和/或电位的信息。在 样品的表面上的给定位置的二次电子的总丰度通常取决于在样品的表面存 在的材料的电特性。通常，当被暴露于离子束时，随着时间的过去，导电性 较低的材料随着时间的过去趋向于变为正荷电，而当被暴露于离子束时，随 着时间的过去，导电性较高的材料随着时间的过去变为正荷电的趋势较低。 因而，例如，对于导电性较低的材料随着时间的过去，样品表面的给定位置 的二次电子总丰度趋向于减小(由于更多的表面荷电导致较少的二次电子逃 选样品)，而对于导电性较高的材料随着时间的过去样品表面的给定位置的 二次电子总丰度趋向于经历较小的减小(由于较少的表面荷电)。结果，作 为样品表面的离子束位置的函数的二次电子的总丰度的改变可以与该位置 的材料的导电性相关，提供样品表面的电压对比信息。
表面下电压对比效应可以由变得嵌入样品的表面下区内的He离子所提 供。如结合图27A和27B所描绘的，表面下He离子可以避免在样品中产生 的二次电子逃逸样品表面。因而，样品的二次电子的对比可以归因于由入射 的He离子引起的样品的表面下荷电。
由这些技术所提供的信息可以被用于半导体物品的离子束测试。例如， 电压对比测量可以用于确定，由于下述部分之间的电连接的存在或不存在， 当被暴露于离子束时电子装置和/或电路的部分是否处于不同的电位，并且因 而所述装置和/或电路是否正确地工作。
在一些实施例中，探测二次电子的总丰度可以提供样品的结晶信息。二 次电子的总丰度可以根据离子束是否与样品的晶体结构对准而改变(例如， 平行于描述晶格的单位矢量之一对准)。如果离子束与样品的晶体结构对准， 则离子束中的离子可以通常贯穿进入样品内的给定的距离而不与样品原子 碰撞的概率(通常称为隧穿)相对高，导致较低的二次电子的总丰度。如果， 另一方面，离子束未与晶体结构对准，则离子束中的离子可以通常贯穿进入 样品内的给定的距离而不与样品原子碰撞的概率相对低，导致较高的二次电 子的总丰度。因而，作为样品表面离子束位置的函数的二次电子的总丰度的 改变可以与该位置的材料的结晶信息而相关。例如，可以存在样品表面的区， 其中二次电子的总丰度基本相同。这样的区可以例如具有相同的晶向，并且 区的尺寸可以提供晶粒尺寸和/或晶体尺寸信息(例如，在包括多取向的晶畴 的多晶样品中)，和/或可以提供关于样品的应变区的信息(是非晶或结晶)， 因为对于给定的化学成份的材料的二次电子总丰度的大小(例如，元素成份， 材料成份)可以取决于材料的应变。
在某些实施例中，探测二次电子的丰度可以提供样品的磁信息。二次电 子的总丰度可以取决于相邻于样品表面的磁场的大小。在一些实施例中，例 如，相邻于样品表面的磁场由于在样品表面产生局部磁场的样品内的磁畴而 改变。在某些实施例中，通过外部磁场源施加静磁场，并且样品内的磁畴在 样品表面产生局部磁场，引起施加的外部磁场的变化。在任一情形，样品表 面的局部磁场的变化可以，例如，改变从样品发射的二次电子的轨迹。二次 电子轨迹的改变可以对应于二次电子总丰度的增加，当二次电子的轨迹被改 变使得更多的二次电子被导向探测器时，或者二次电子轨迹的改变可以对应 于二次电子总丰度的减小，当二次电子的轨迹被改变使得更多的二次电子被 导向离开探测器时。
对于一些样品，出现于样品的二次电子图像中的对比可以是由于上述二 或更多的机制。换而言之，某些样品的二次电子图像可以包括部分由于样品 表面中的形貌变化、样品表面中的材料成份变化、样品表面中的电压对比变 化、样品表面中的结晶变化、和/或样品表面中的磁变化所引起的对比。因而， 有利的是结合从测量二次电子总丰度所获得的信息和从测量其它类型的粒 子所获得的信息可以，以便定性和/或定量地隔离一或更多的这些机制的贡 献。下面更为详细地讨论该可能性。
二次电子成像技术可以应用于各种不同类型的样品。这样的材料的实例 是半导体物品，例如构图的晶片，晶片可以包括，例如，被绝缘材料的基体 所围绕的多个导电体。二次电子成像技术可以被用于识别装置中的缺陷，例 如导体之间的不完全的电连接，和/或电路元件之间的电短路。更普遍地，二 次电子成像技术可以被用于各种半导体物品的离子束测试应用。选择性地， 该方法可以相似地用于掩模修理的目的。
可以使用二次电子成像技术的样品类别的另一实例是金属和合金。例 如，包含例如合金的混合材料的样品的图像可以用于确定样品中各材料的表 面分布。可以使用二次电子成像技术的样品类别的又一实例是用于数据储存 的读/写结构。可以使用二次电子成像技术的材料类别的附加的实例是生物材 料和制药材料。
使用通过暴露于He离子束而产生的二次电子来成像样品可以提供相对 于通过其它技术(例如SEM)的二次电子成像的许多优点。例如，样品上 的He离子束的斑点尺寸可以比来自SEM的电子束的斑点尺寸小。作为较小 的斑点尺寸的结果，暴露于He离子束的样品的区比SEM中被暴露的区被更 为仔细地控制。
此外，通常，因为He离子比电子重，所以散射事件在样品内不像通过 散射分散电子一样容易地分散He离子。结果，入射在样品的表面上的He 离子与比SEM中的电子相比，可以在更小的相互作用体积中与样品的相互 作用。结果，在气体场离子显微镜中(例如He离子显微镜)所探测的二次 电子与具有相似的斑点尺寸的SEM中的二次电子相比，可以来自于更小的 区域。结果，由He离子束所产生的二次电子与在SEM中所产生的二次电子 相比，可以对应于样品表面的更为局部化的探询(例如，具有较少的材料特 性的横向平均)。
另外，He离子源还提供了比电子源更大的焦点的深度。结果，使用离 子显微镜获得的样品的图像(例如，气体场离子显微镜)与从SEM中的二 次电子所获得的可比较的图像相比，可以示出沿垂直于样品表面的方向测量 的、聚焦的更大部分的样品。
He离子束还可以提供样品的二次电子图像的更为灵敏的的对比机制， 因为与当由于电子束与样品的相互作用而引起二次电子离开样品表面时相 比，当由于离子束与样品的相互作用而引起二次电子离开样品时可以获得的 对于不同材料的二次电子产率的更大的范围。典型地，例如，对于入射电子 束，比如半导体和金属的通用材料的二次电子产率从0.5至2.5变化。但是， 对于暴露于He离子束的相同的材料的二次电子的产率可以从0.5至8变化。 因而，使用气体场离子显微镜(例如He离子显微镜)与可比较的SEM系统 相比，可以更精确地从二次电子图像进行不同材料的识别。
B.俄歇电子
如在此所述，俄歇电子是如下产生的电子。原子内壳层中的电子被去除 从而形成空位，随后由来自较高壳层的第二原子的电子填充空位伴随着能量 的释放。该能量通过称为俄歇电子的另一电子被释放。通常，俄歇电子从样 品的表面以一范围的角度和能量发射。但是，最为关注的信息通常是俄歇电 子的能量(与角度解析俄歇电子信息相对比)，因为如下面所解释的，俄歇 电子的能量正是可以提供关于样品表面的信息。俄歇电子可以使用一或更多 的可以以能量解析方式探测电子的合适的探测器(见上面关于探测器的类型 的讨论)被探测。如果使用多个探测器，所有探测器都可以是相同类型的探 测器，或者可以使用不同类型的探测器，并且可以通常按期望配置。探测器 可以被配置，以便探测离开样品180的表面181(离子束撞击的表面)，样品 180的表面183(离子束撞击的对侧上的表面)或两者(见上面关于探测器 的配置)的俄歇电子。为了提高被探测的俄歇电子的信噪比，期望使用可以 收集相对大的俄歇电子的立体角的探测器。附加地或者替代地，相邻于样品 的表面的并且可以将电子导向探测器的电子收集光学器件(例如，静电透镜 系统)可以被使用(例如，为了增加俄歇电子的探测的有效立体角)。
通常，探测俄歇电子可以产生样品的材料成份信息(例如，元素信息、 化学环境信息)。在这样的实施例中，信息占优势地相关于样品的表面。通 常，对于在给定的化学环境中的各元素或材料，由元素或材料发出的俄歇电 子具有特定的能量或能带。结果，在表面上给定位置俄歇电子的能量通常取 决于在该位置存在的材料。因而，作为样品表面上离子束的位置的函数的俄 歇电子的能量的改变，可以与样品表面存在的元素和/或材料的改变相关，提 供样品表面的材料成份信息。
俄歇电子成像技术可以被应用于各种不同的类别的样品。这样的材料的 类别的示例是半导体物品，例如构图的晶片，该晶片可以包括例如由绝缘材 料的基体所围绕的多个导电体。选择性地，该方法可以相似地被用于掩模修 理的目的。可以使用俄歇电子成像技术的样品类别的另一实例是金属和合 金。例如，包含例如合金的混合材料的样品的图像可以用于确定样品中各材 料的表面分布。可以使用俄歇电子成像技术的又一实例是用于数据储存的读 /写结构。可以使用俄歇电子成像技术的材料类别的附加的实例是生物材料和 制药材料。
使用由于样品和He离子束的相互作用而离开表面的俄歇电子来成像样 品相对于通过其它技术(例如SEM)的俄歇电子成像，可以提供许多优点。 例如，样品上的He离子束的斑点尺寸可以比来自SEM的电子束的斑点尺寸 小。由于较小的斑点尺寸，被暴露于He离子束的样品的区比SEM中暴露的 区被更为仔细地控制。
此外，通常，因为He离子比电子重，所以散射事件在样品内不像通过 散射分散电子一样容易分散He离子。结果，入射在样品的表面上的He离 子可以在比在SEM中的电子在更小的相互作用体积中与样品相互作用。结 果，在气体场离子显微镜中(例如He离子显微镜)所探测的俄歇电子可以 比从具有相似的斑点尺寸的SEM中的俄歇电子来自于更小的区。结果，由 样品和He离子束的交互作用而离开表面的俄歇电子与在SEM中所产生的俄 歇电子相比，可以对应于样品表面的更为局部化的探询(例如，具有较少的 材料特性的横向平均)。
另外，He离子源还提供了比电子源更大的焦点的深度。结果，使用离 子显微镜获得的样品的图像(例如，气体场离子显微镜)与从SEM中的俄 歇电子所获得的可比较的图像相比，可以示出沿垂直于样品表面的方向测量 的、聚焦的更大部分的样品。
对于俄歇电子探测，与电子束相比，使用离子束的另一优点是当使用电 子束时，俄歇电子在反向散射电子的基线上被探测，而使用离子束，反向散 射电子不存在。结果，当收集相对小量的俄歇电子时，可以获得相对高的探 测的俄歇电子的信噪比，这可以减小当使用离子束时从样品获得相对良好质 量的俄歇电子频谱所花费的时间量。
C.散射离子
如在此所述，当来自离子束(例如，He离子)的离子与样品相互作用 时散射离子被产生，并且从样品被散射同时留下离子(例如，He离子)。因 为散射离子可以从样品的表面下区移动到样品的表面并且从样品发射的概 率非常低，所以散射离子通常提供样品表面的信息。如下面所更为详细的描 述的，当探测散射离子时，探测器的具体的布置通常取决于期望获得的信息 的类型。
在一些实施例中，样品表面的形貌信息可以通过探测的散射离子而获 得。图34A通常描绘了从表面的不同区探测散射离子，以便确定样品表面的 形貌信息的方法的实施例。具体地，图34A示出了样品7010，该样品7010 具有分别具有表面7013、7015和7017的区7012、7014和7016。散射图案 7020、7030和7040分别代表从表面7013、7015和7017散射的离子的角分 布，当离子束垂直地入射于其上时。如在图34A中所示出的，各散射图案 7020、7030和7040是余弦型分布。图34B描绘了来自于形貌效应而由探测 器7041和7050分别探测的散射离子的相对强度7042和7052的分布(分别 是短划线和点线)。因而，例如，假定样品7010在其整个表面上由相同材料 形成，来自探测器7041和7050的相对总丰度分布可以用于确定样品7010 的形貌。作为替代，假定样品7010的形貌已知，则仅归因于形貌的探测的 对于散射离子的总丰度的贡献(相对强度7042和7052)可以从探测的散射 离子的总丰度中被去除，以便确定归因于其它效应(例如，改变横过样品7010 的表面的材料)的对于探测的散射离子的总丰度的贡献。尽管探测器可以相 对于表面按期望定位，但是，在某些实施例中，对于在图34A所示出的探测 器系统，形貌信息从在大的散射角散射的He离子获得。举例而言，在一些 实施例中，来自散射离子的形貌信息通过在相对于离子束的方向60°或更大 (例如，65°或更大、70°或更大、75°或更大)的角度来探测散射离子而被确 定。尽管图34A描绘了两个探测器的使用，但是在一些实施例中，单个探测 器被使用(例如，探测器7041或探测器7050)。作为替代，在某些实施例中， 多于2(例如3、4、5、6、7、8)个探测器可以被使用。通常，当多个探测 器被用于探测散射离子时，探测器对于其相对于样品的表面的立体角相互等 距离分开。相对于样品表面对称定位的多于2个探测器(例如，4个探测器) 的使用可以允许探测相对于样品表面的标称平面的两个正交方向的表面特 征。
图35A-35I通常描绘了从表面的不同的区探测散射离子以便确定样品 表面的形貌信息的方法的各种实施例。具体地，图35A、35D和35G分别示 出了样品8050，该样品8050具有分别具有表面8053、8055、8057和8061 的区8052、8054、8056和8058。如在图35A、35D和35G中所示出的，表 面8055和8059相对于表面8053、8057和8061倾斜。散射图案8070、8090 和80110代表分别自表面8053、8057和8061散射的离子的角分布，当离子 束垂直入射于其上时。如在图35A、35D和35G中所示出的，各散射图案 8070、8090和80110是余弦型分布。散射图案8080和80100代表从表面8055 和8059散射的离子的角分布，当离子束相对于区8054和8058垂直时。如 在图35A、35D和35G中所示出的，因为离子束未垂直入射于表面8055和 8059上，所以散射图案8080和80110的角分布不是余弦型分布。
图35B和35C描绘了当半球探测器(可以能够角解析散射离子，频谱 解析散射离子，或两者)80120被用于探测散射离子时，散射离子的总产率 和被探测的散射离子的相对丰度。如在图35C中所示出的，当使用探测器 80120时被探测的离子的相对丰度中存在阴影效应。因而，例如，假定样品 8050在其整个表面上由相同材料形成，来自探测器80120的相对丰度分布可 以被用于确定样品8050的形貌。作为替代，假定已知样品8050的形貌，则 仅归因于形貌的被探测的散射离子的对于总丰度的贡献(图35D中的相对丰 度)可以从被探测的散射离子的总丰度中去除，以便确定归因于其它效应的 对于被探测的散射离子的总丰度的贡献(例如，改变横过样品8050的表面 的材料)。
图35E和35F描绘了当对于散射离子具有相对小的接收角的顶探测器 80130被用于探测散射离子时，散射离子的总产率和被探测的散射离子的相 对丰度。如在图35F中所示出的，因为进入探测器80130的接收角的散射产 率在区8054和8056显著较小(尽管，如在图35E中所示出的散射离子的总 产率在这些区中较高)，散射离子的相对丰度在区8054和8056减小。因而， 例如，假定样品8050在其整个表面上由相同材料形成，则来自探测器80130 的相对丰度分布可以被用于确定样品8050的形貌。作为替代，假定已知样 品8050的形貌，则仅归因于形貌的对于被探测的散射离子的总丰度的贡献 (图35D中的相对丰度)可以从被探测的散射离子的总丰度中去除，以便确 定归因于其它效应的对于被探测的散射离子的总丰度的贡献(例如，改变横 过样品8050的表面的材料)。
图35H和35I描绘了当对于散射离子具有相对大的接收角的顶探测器 80140被用于探测被探测的离子时，散射离子的总产率和被探测的散射离子 的相对丰度。如在图35I中所示出的，通过选择探测器80140的合适的接收 角，被探测的散射离子的相对丰度在样品上基本相同。被探测的散射离子的 总丰度的改变将归因于表面形貌改变之外的效应(例如，改变横过样品8050 的表面的材料)。
在某些实施例中，散射离子的探测可以被用于确定样品表面的材料成份 信息。一种这样的方法涉及测量散射离子的总丰度。散射离子的总丰度可以 使用单个探测器(例如半球探测器)来探测，该探测器被配置来探测离开样 品180的表面181(离子束撞击的表面)的散射离子，或者使用多个探测器 来探测，所述多个探测器被配置来探测离开样品180的表面181(离子束以 一角度和能量范围撞击样品的表面的表面)的散射离子。通常，He离子的 散射概率(并且因而散射的He离子的总丰度，假定没有来自其它因素的影 响，例如样品表面中的形貌变化)与He离子从其散射的表面原子的原子序 数(Z值)的平方成大致正比。因而，举例而言，当试图区分半导体物品中 的铜(原子序数29)线和硅(原子序数14)时，来自半导体物品的表面的铜原子 的散射的He离子的总丰度是来自半导体物品的表面的硅原子的散射离子的 总丰度的大约4倍。作为另一实例，当试图区分半导体物品中的钨(原子序 数74)栓和硅(原子序数14)时，来自半导体物品的表面的钨原子的散射的He 离子的总丰度是来自半导体物品的表面的硅原子的被散射He离子的总丰度 的大约25倍。作为又一实例，当试图区分半导体物品中的金(原子序数79) 区和硅(原子序数14)时，来自半导体物品的表面的金原子的散射的He离子 的总丰度是来自半导体物品的表面的硅原子的散射离子的总丰度的大约25 倍。作为另外的实例，当试图区分半导体物品中的铟(原子序数49)和硅(原子 序数14)时，来自半导体物品的表面的铟原子的散射的He离子的总丰度是来 自半导体物品的表面的硅原子的散射离子的总丰度的大约10倍。
通过探测散射的He离子(可以与总丰度探测结合使用或替代总丰度探 测使用)确定样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 析方式测量散射的He离子。例如，如图36中所示出的，第二透镜226将 He离子束192聚焦至样品180的表面181上。He离子1102从表面181散射 且由探测器1100探测。探测器1100被设计，以便对于探测器1100的接收 角内的各角ε，获知各被探测的散射的He离子的角度和能量。通过测量散 射的He离子的角度和能量，根据下列关系可以计算散射散射的He离子的 表面的原子的质量：
其中Es是散射的He离子的能量，Ei是He离子的入射能量，MHe是He离子 的质量，θs是散射角，并且Ma是散射He离子的原子的质量。
探测器1100可以，例如，是能量解析磷光体基探测器、能量解析闪烁 体基探测器、固态探测器、能量解析静电棱镜基探测器、静电棱镜、能量解 析ET探测器、或能量解析微通道。通常，期望探测器1100具有显著的接收 角。在一些实施例中，探测器是固定的(例如，环形探测器)。在某些实施 例中，探测器1100可以扫过一立体角的范围。尽管已经描述了包括单个探 测器的探测能量解析和角度解析的散射的He离子的系统，但是这样的系统 可以包含多(例如，2、3、4、5、6、7、8)个探测器。经常，使用多个探 测器是期望的，因为它可以允许探测的散射He离子的较大的接收角。
在一些实施例中，探测散射的He离子的总丰度可以提供样品的结晶信 息。散射的He离子的总丰度可以根据离子束是否与样品的晶体结构对准而 改变。如果离子束与样品的晶体结构对准，则离子束中的离子通常可以透入 样品内的给定的距离而不与样品原子进行碰撞(通常称为隧穿)的概率相对 高，导致较低的散射的He离子的总丰度。如果，另一方面，离子束未与晶 体结构对准，则离子束中的离子通常可以透入样品内的给定的距离而不与样 品原子碰撞的概率相对低，导致较高的散射的He离子的总丰度。因而，作 为样品表面离子束位置的函数的散射的He离子的总丰度的改变可以与在该 位置的材料的结晶信息相关。例如，可以存在样品表面的区，其中散射的 He离子的总丰度基本相同。这样的区可以，例如，具有相同的晶向，并且 区的尺寸可以提供晶粒尺寸和/或晶体尺寸信息(例如，在包括多取向的晶畴 的多晶样品中)，和/或可以提供关于样品的应变区的信息(是非晶或晶态)， 因为对于给定的化学成份(例如，元素成份，材料成份)的材料的散射的 He离子总丰度的大小可以取决于材料的应变。
替代地或附加地，样品表面的结晶信息可以通过将表面的区暴露于离子 束(而不栅扫描离子束)并且随后测量散射的He离子的图案(例如，相似 于由于来自暴露于电子束的样品表面的反向散射电子而获得的菊池图案而 获得。散射的He离子的图案可以被分析，以便确定，例如，暴露于离子束 的样品表面位置的材料的取向、晶格间距、和/或晶体类型(例如，体心立方， 面心立方)。
散射离子成像技术可以用于各种不同类型的样品。这样的材料的实例是 半导体物品，例如被构图的晶片，该晶片可以包括，例如，被绝缘材料的基 体所围绕的多个导电体。散射离子成像技术可以被用于识别装置中的缺陷， 例如导体之间的不完全的电连接，和/或电路元件之间的电短路。选择性地， 该方法可以相似地用于掩模修理的目的。可以使用散射离子成像技术的样品 类别的另一实例是金属和合金。例如，包含例如合金的混合材料的样品的图 像可以用于确定样品中各材料的表面分布。可以使用散射离子成像技术的又 一实例是用于数据储存的读/写结构。可以使用散射离子成像技术的材料的类 别的附加的实例是生物材料和制药材料。
通常，当样品表面被暴露于在传统SEM中所使用的类型的电子束时， 散射离子不形成，并且因而没有通过探测的散射的He离子可以获得的结晶 信息或材料成份信息用这样的SEM可以获得。这是在此所述的气体场显微 镜(例如，He离子显微镜)相对于传统SEM的显著优点。
在此所述的使用气体场离子显微镜的散射离子的测量(例如，He离子 显微镜)相对于传统Rutherford反向散射测量装置可以提供许多优点。入射 的He离子可以被聚焦的样品的表面上的斑点尺寸可以显著地小于传统 Rutherford反向散射测量装置的斑点尺寸(典型的斑点尺寸是100μm至1mm 或更大)，允许样品的表面的材料成份信息比用传统Rutherford反向散射装 置所实现的更为精确地局部化。此外，在此所述的气体场离子显微镜(例如， He离子显微镜)允许逐像素地栅扫描过样品表面，而Rutherford反向散射 测量装置不具有该能力。这可以减小与在表面的各位置的样品表面的材料成 份信息相关的成本和/或复杂性。
D.一次中性粒子
如在此所述，一次中性粒子是当离子束与样品相互作用并且来自离子束 的离子(例如，He离子)作为未荷电的中性粒子(例如，未荷电的He原子) 离开样品时产生的中性粒子。与散射的He离子相对比，一次He原子是相 对灵敏的样品的表面下区的探针。如在此所使用的，表面下区是样品表面下 5nm或更深的样品的区(例如，样品表面下10nm或更深、样品表面下25nm 或更深、样品表面下50nm或更深)，和样品表面下1000nm或更浅(例如， 样品表面下500nm或更浅、样品表面下250nm或更浅、样品表面下100nm 或更浅)。通常，离子束的探测深度随着离子能量的增加而增加。因而，为 了确定样品的较深的表面下信息，可以使用较高能量的离子束。通过以不同 的离子束能量(探测深度)摄取样品的多个He原子图像，可以获得材料成 份信息的深度分布。在一些实施例中，X射线层析再建(tomographic reconstruction)算法和/或技术可以被应用于深度相关信息以便进行样品的结 构的X射线层析再建。
通常，基于一次He原子的探测的材料成份信息可以使用总丰度探测、 能量解析/角度解析，或两者探测，使用如上述相对于散射的He离子的对应 技术所述的探测器布置，并且还使用如上述对于散射的He离子所描述的相 同的数学关系而确定。但是，典型地，用于一次He原子的探测器能够探测 中性核素。这样的探测器的实例包括微通道板、通道倍增器和闪烁器/PMT 探测器。
一次中性粒子(例如，He原子)技术可以用于各种不同类型的样品。 这样类型的材料的实例是半导体物品，例如被构图的晶片，晶片可以包括， 例如，被绝缘材料的基体所围绕的多个导电体。一次中性粒子技术可以被用 于识别装置中的缺陷，例如导体之间的不完全的电连接，和/或电路元件之间 的电短路。选择性地，该方法可以相似地用于掩模修理的目的。可以使用一 次中性粒子成像技术的样品类别的另一实例是金属和合金。例如，包含例如 合金的混合材料的样品的图像可以用于确定样品中各材料的表面分布。可以 使用一次中性粒子成像技术的又一实例是用于数据储存的读/写结构。可以使 用一次中性粒子成像技术的材料类别的附加的实例是生物材料和制药材料。
通常，当样品表面被暴露于在传统SEM中所使用的类型的电子束时， 一次中性粒子不形成，并且因而没有通过探测的散射的He离子可以获得的 结晶信息或材料成份信息用这样的SEM可以获得。这是在此所述的气体场 显微镜(例如，He离子显微镜)相对于传统SEM的显著优点。
E.光子
典型的所关注的光子包括X射线光子、UV光子、可见光光子和IR光 子。如在此所述，IR光子是具有大于700nm至100,000nm的波长的光子(例 如，从1.2×10-5keV至1.7×10-3keV)，可见光光子是具有从大于400nm至 700nm的波长的光子(例如，从1.8×10-3keV至3×10-3keV)，UV光子是 具有大于10nm至400nm的波长的光子(例如，从3.1×10-3keV至125eV) 并且X射线光子是具有从0.01nm至10nm的波长的光子(例如，从125eV 至125keV)。通常，这样的光子从样品表面以一角度和能量/波长范围发射。 但是，最为关注的信息通常是光子的波长和/或能量(与角度解析光子信息相 对比)，因为，如下面所解释的，光子的波长和/或能量正是可以提供关于样 品表面的信息。光子可以使用一或更多的能够以波长解析或能量解析方式探 测光子的合适的探测器而被探测(见关于探测器类型的讨论)。如果多个探 测器被使用，则探测器可以全部是相同类型的探测器，或者可以使用不同类 型的探测器，并且通常可以按期望配置。探测器可以被配置，以便探测离开 样品180的表面181(离子束撞击的表面)，样品180的表面183(从离子束 碰撞的对侧上的表面)或两者(见上面关于探测器配置的讨论)的光子。为 了提高被探测的光子的信噪比，可以期望使用可以收集相对大的立体角的光 子的探测器。附加地或替代地，系统可以包括相邻于样品的表面并且可以将 光子导向可以被使用的探测器的一或更多的光学元件(例如，一或更多的透 镜、一或更多镜子)(例如增加被探测的光子的探测的有效立体角)。
通常，探测光子的能量和/或波长可以产生样品的材料成份信息(例如， 元素信息、化学环境信息)。在这样的实施例中，信息主要涉及样品的表面。 通常，对于在给定的化学环境中的各元素或材料，由元素或材料发出的光子 具有特定的能量/能带和波长/波带。结果，从表面的给定位置发出的光子的 能量和波长通常取决于在该位置所存在的材料。因而，光子的能量或波长的 改变作为离子束在样品表面上的位置的函数，可以与样品的表面存在的元素 和/或材料的改变相关，提供样品的表面的材料成份信息。
替代地或附加地，探测光子，通过确定样品材料的去激时间而可以获得 样品的材料成份信息。这可以被实现，例如，通过使离子束脉冲化以便短时 间使得样品暴露于离子束，随后测量探测光子所花费的时间，这相关于发射 光子的样品材料的去激时间。通常，在给定的化学环境中的各元素或材料具 有特定的去激时间。
样品的结晶信息可以使用结合偏振器的光子探测被获得，因为光子的偏 振可以取决于样品中材料的晶向。因而，通过使用偏振器，由样品发射的光 子的偏振可以被确定，提供与样品的晶向相关的信息。
通常，包含在被探测的光子中的信息将主要是样品的表面的信息。但是， 因为光子可以从样品的表面下区逃逸，所以被探测的光子可以包含相关于样 品的表面下区的信息。因而，被探测的光子可以被用于确定样品的光学特性。 例如，通过操纵离子束中的离子的能量，并且因而其探测深度，并且确定对 于被探测的光子的强度的相应影响，可以研究样品对于光子的透明度。作为 离子能量(探测深度)函数的被探测的光子的强度可以产生关于样品对于光 子的透明度的信息。
光子成像技术可以用于各种不同类型的样品。这样的材料的实例是半导 体物品，例如构图的晶片，该晶片可以包括，例如，被绝缘材料的基体所围 绕的多个导电体。光子成像技术可以被用于识别装置中的缺陷，例如导体之 间的不完全的电连接，和/或电路元件之间的电短路。选择性地，该方法可以 相似地用于掩模修理的目的。可以使用光子成像技术的样品类别的另一实例 是金属和合金。例如，包含例如合金的混合材料的样品的图像可以用于确定 样品中各材料的表面分布。可以使用光子成像技术的又一实例是用于数据储 存的读/写结构。可以使用光子成像技术的材料类别的附加实例是生物材料和 制药材料。
使用通过暴露于He离子束而产生的光子来成像样品相对于通过其它技 术的光子成像(例如SEM)，可以提供许多优点。例如，样品上的He离子 束的斑点尺寸可以比来自SEM的电子束的斑点尺寸小。由于较小的斑点尺 寸，暴露于He离子束的样品的区比SEM中被暴露的区被更为仔细地控制。
此外，通常，因为He离子比电子重，所以散射事件在样品内不像通过 散射分散电子一样容易分散He离子。结果，入射在样品的表面上的He离 子可以比在SEM中的电子在更小的相互作用体积中与样品相互作用。结果， 气体场离子显微镜中(例如He离子显微镜)所探测的光子可以比具有相似 的斑点尺寸的SEM中的光子来自于更小的区。结果，由样品和He离子束的 相互作用所产生的光子比在SEM中所产生的光子可以对应于样品表面的更 为局部化的探询(例如，具有材料特性的较少横向平均)。
另外，He离子源比电子源还提供更大的聚焦深度。结果，使用离子显 微镜(例如，气体场离子显微镜)获得的样品的图像与从SEM中的光子获 得的可以对比的图像相比，可以示出沿垂直于样品表面的方向测量的、聚焦 的样品的较大的部分。
F.二次离子
如在此所述，二次离子是当离子束与样品相互作用以从样品去除单原子 或多原子核素时所形成的荷电状态的离子。入射离子束和样品之间的相互作 用可以产生二次离子。典型地，当使用质量大于He的惰性气体离子(Ar离 子、Ne离子、Kr离子、Xe离子)时，该方法更为有效。
通过被探测的粒子的质量的计算，来自样品的二次离子的探测可以提供 样品的材料成份信息。通常，该信息对应于样品表面的材料。在一些实施例 中，二次离子的质量(离子化后)被确定，使用飞行时间和质量解析探测器 (例如四极质量频谱仪)的组合。这样的二次离子的探测可以如下进行。通 过改变施加于离子光学器件中的离子光学元件的电位，离子束在脉冲模式工 作。入射粒子的脉冲被入射在样品的表面上。确定切换离子光学元件的电位 以打开和关闭离子束的速率的时钟信号也被用作探测器的参考时钟信号(见 上面关于探测器的讨论)，在该方式中，二次离子从样品至探测器的飞行时 间可以被精确的确定。
根据被探测的二次离子的飞行时间，其移动的距离(例如，探测器和样 品之间的距离)、和其能量，粒子的质量可以被计算，并且化学核素的类型 (例如，原子)可以被识别。该信息用于确定样品的材料成份信息。
二次离子成像技术可以应用于各种不同类型的样品。这样的材料的实例 是半导体物品，例如构图的晶片，该晶片可以包括，例如，被绝缘材料的基 体所围绕的多个导电体。二次离子成像技术可以被用于识别装置中的缺陷， 例如导体之间的不完全的电连接，和/或电路元件之间的电短路。选择性地， 该方法可以相似地用于掩模修理的目的。可以使用二次离子成像技术的样品 类别的另一实例是金属和合金。例如，包含例如合金的混合材料的样品的图 像可以用于确定样品中各材料的表面分布。可以使用二次离子成像技术的又 一实例是用于数据储存的读/写结构。可以使用二次离子成像技术的材料类别 的附加实例是生物材料和制药材料。
当样品表面被暴露于传统SEM中所使用的类型的电子束中时，二次离 子通常不产生，并且因而使用这样的SEM不可以获得通过被探测的二次离 子可以获得的材料成份的信息。这是在此所述的气体场离子显微镜(例如， He离子显微镜)相对于传统SEM的显著的优点。
G.二次中性粒子
二次中性粒子是当离子束与样品相互作用以从样品去除单原子或多原 子核素而产生的未荷电的状态的中性粒子。入射离子束和样品之间的相互作 用可以产生二次中性粒子。典型地，当使用质量大于He的惰性气体离子(Ar 离子、Ne离子、Kr离子、Xe离子)时，该方法更为有效。通常，为了评估 可以从二次中性粒子获得的信息，在探测之前，粒子被离子化(例如，通过 激光诱发离子化、电子诱发离子化)。
通过被探测的粒子的质量的计算，来自样品的二次中性粒子(离子化后) 的探测可以提供样品的材料成份信息。通常，该信息对应于样品表面的材料。 在一些实施例中，使用飞行时间和质量解析探测器(例如四极质量频谱仪) 的组合，确定二次中性粒子的质量(离子化后)。这样的中性粒子(离子化 后)探测可以如下进行。通过改变施加于离子光学器件中的离子光学元件的 电位，离子束在脉冲模式工作。入射粒子的脉冲被入射在样品的表面上。确 定转换离子化装置(例如，激光、电子束)和/或离子光学元件的电位的速率 的时钟信号也被用作探测器的参考时钟信号(见上面关于探测器的讨论)， 在该方式中，二次中性粒子从样品至探测器的飞行时间(离子化后)可以被 精确的确定。
根据被探测的二次离子的飞行时间，其移动的距离(例如，探测器和样 品之间的距离)，和其能量，可以计算粒子的质量，并且可以识别化学核素 的类型(例如原子)。该信息用于确定样品的材料成份信息。
二次中性粒子成像技术可以应用于各种不同类型的样品。这样的材料的 实例是半导体物品，例如构图的晶片，该晶片可以包括，例如，被绝缘材料 的基体所围绕的多个导电体。二次中性粒子成像技术可以被用于识别装置中 的缺陷，例如导体之间的不完全的电连接，和/或电路元件之间的电短路。选 择性地，该方法可以相似地用于掩模修理的目的。可以使用二次中性粒子成 像技术的样品类别的另一实例是金属和合金。例如，包含例如合金的混合材 料的样品的图像可以用于确定样品中各材料的表面分布。可以使用二次中性 粒子成像技术的又一实例是用于数据储存的读/写结构。可以使用二次中性粒 子成像技术的材料类别的附加实例是生物材料和制药材料。
当样品表面被暴露于传统SEM中所使用的类型的电子束中时，二次中 性粒子通常不产生，并且因而使用这样的SEM不可以获得通过被探测的二 次中性粒子可以获得的材料成份的信息。这是在此所述的气体场离子显微镜 (例如，He离子显微镜)相对于传统SEM的显著的优点。
典型应用
A.半导体制造
(i)概述
半导体制造典型地涉及制备包括被顺序沉积并且处理以便形成集成电 子电路、集成电路元件、和/或不同的微电子装置的材料的多层的物品。这样 的物品典型地包含相对于彼此精确定位(例如，通常在几个纳米的量级上) 的各种特征(例如，由导电材料形成的电路线，填充以非导电材料的阱、由 电学上半导体材料形成的区)。给定特征的位置、尺寸(长度、宽度、深度)、 成份(化学成份)和相关的特性(导电性、晶向、磁特性)可以对于物品的 性能具有重要的影响。例如，在某些实例中，如果一或更多的这些参数在恰 当的范围之外时，物品可以是不合格的，因为物品不可以按期望工作。结果， 通常期望在半导体制造期间对于各步骤具有非常良好的控制，并且有利的是 具有在制造工艺中的各步骤可以监测半导体物品的制造的工具以便研究在 半导体制造工艺的各阶段一或更多特征的位置、尺寸、成份和相关特性。如 在此所使用的，术语半导体物品是指在制造集成电子电路、集成电路元件、 微电子装置的工艺期间形成的集成电子电路、集成电路元件、微电子装置或 物品。在一些实施例中，半导体物品可以是平板显示器或光电池的一部分。
半导体物品的区可以由不同类型的材料形成(导电、不导电、电学半导 体)。典型的导电材料包括金属，例如铝、铬、镍、钽、钛、钨、和包括一 或更多的这些金属的合金(例如铝-铜合金)。典型的不导电材料包括一或 更多的金属的硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、磷化物、硅化物、硫化物 (例如，硅化镍、硼化碳、钽锗、氮化钽、硅化钽、氮化钽硅、和氮化钛)。 典型的电学半导体材料包括硅、锗、和砷化镓。选择性地，电学半导体材料 可以被掺杂(p掺杂、n掺杂)以便提高材料的导电性。
如上所述，通常，半导体物品的制造涉及顺序地沉积和处理材料的多层。 给定的材料层的沉积/处理中典型的步骤包括成像物品(例如，确定要被形成 的期望的特征应当被定位的位置)、沉积合适的材料(例如，导电材料、电 学半导体材料、不导电材料)并且蚀刻以便从物品中的某些位置去除不必要 的材料。经常，光致抗蚀剂，例如聚合物光致抗蚀剂，被沉积/曝光于合适的 辐射/选择性地被蚀刻以便辅助控制给定特征的位置和尺寸。典型地，光致抗 蚀剂在一或更多的后续工艺步骤中被去除，并且，通常，最终的半导体物品 期望地不包含可感知量的光致抗蚀剂。
在此所描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以被用于 研究制造工艺中各种步骤(例如，各步骤)的半导体物品。具体地，通过探 测和分析一种类型的粒子或多种不同类型的粒子(见上面的讨论)，气体场 离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以被用于确定半导体物品的表面的 形貌信息、半导体物品的表面的材料成份信息、半导体物品的表面下区的材 料成份信息、半导体物品的结晶信息、半导体物品的表面的电压对比信息、 样品的表面下区的电压对比信息、半导体物品的磁信息、和/或半导体物品的 光学信息。
使用在此所描述的离子显微镜或离子束可以提供各种不同的优点，这通 常可以减小与半导体物品的制造相关的时间、成本和/或复杂度。与使用在此 所描述的离子显微镜或离子束相关的典型的优点包括相对高的分辨率、相对 小的斑点尺寸、相对少的不期望的样品损坏、相对少的不期望的材料沉积和 /或注入、在相对短的时间内相对高品质的成像、相对高的生产量。
在下面讨论半导体制造中的某些工艺的实例。
(ii)无掩模光刻
半导体物品典型地使用光刻工艺制备，光刻工艺涉及放置光致抗蚀剂的 层(例如，聚合物光致抗蚀剂，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或环氧基 光致抗蚀剂，烯丙基二乙二醇碳酸酯，或光敏玻璃)于表面上，构图所述材 料，使得光致抗蚀剂的某些区对于蚀刻剂是抗蚀的(并且一些区对于蚀刻剂 是不抗蚀的)，蚀刻材料的非抗蚀的区，沉积合适的材料(例如，一或更多 导电材料，一或更多的非导电材料，一或更多的半导体材料)，并且选择性 地去除材料的不期望的区。典型地，构图步骤涉及将光致抗蚀剂暴露于合适 的波长的辐射图案，使得光致抗蚀剂的一些区是抗蚀的的而光致抗蚀剂的其 它区是不抗蚀的。通过形成掩模图像于光致抗蚀剂上或用掩模覆盖光致抗蚀 剂的某些区，并且通过掩模曝光光致抗蚀剂的未被覆盖的区，而在光致抗蚀 剂上形成辐射图案。
但是，不是使用掩模以便在曝光于辐射之前覆盖光致抗蚀剂的区，可以 使用通过在此所描述的气体原子与气体场离子源(例如，He离子源)的相 互作用所产生的离子束，以便照射来构图光致抗蚀剂，从而产生期望的抗蚀 的区和不抗蚀的区。这可以被实现，例如，通过使离子束栅扫描过光致抗蚀 剂，使得材料的期望的区被暴露于离子(例如，通过在期望光致抗蚀剂暴露 于辐射的区上打开离子束并且通过在不期望光致抗蚀剂暴露于辐射的区上 关闭离子束)。结果，半导体物品可以以无掩模工艺制造。
使用在此所公开的通过气体原子与气体场离子源(例如，He离子源) 的相互作用所产生的离子束可以提供一或更多的下列优点。如所述，可以进 行工艺而不使用掩模，这可以减小与半导体物品的制造相关的时间、成本和 /或复杂度。离子束的相对大的焦点的深度可以允许构图相对厚的光致抗蚀剂 材料(例如，2μm或更厚、5μm或更厚、10μm或更厚、和/或20μm或更 薄)。用离子束可以实现的离子的相对深的穿透深度可以进一步辅助处理相 对厚的光致抗蚀剂材料，以及辅助以良好的品质来处理更标准厚度的光致抗 蚀剂材料。另外，离子束相对于通常采用电子束所实现的具有更高的分辨率， 允许以较高的精度制造更小尺寸的特征。此外，光致抗蚀剂的离子束构图可 以比光致抗蚀剂的电子束构图更快。
(iii)离子显微镜和聚焦的离子束的结合
聚焦离子束(FIB)通常在半导体物品的制造期间使用，以便获得用于 检测的样品。镓(Ga)离子通常用于FIB。可以为了各种原因来使用FIB， 例如通过半导体物品的截面成像，电路编辑，半导体物品的故障分析、透射 电子显微镜(TEM)的半导体物品样品的制备和掩模修复。选择性地，FIB 可以被用于沉积一或更多的材料于样品上(例如，作为化学气相沉积工艺中 的离子源)。典型地，FIB被用于从半导体物品通过溅射去除材料。例如， 在一些实施例中，FIB被用于通过半导体物品切片以便暴露物品的截面，用 于使用离子显微镜的后续的成像。在某些实施例中，FIB被用于从物品溅射 掉材料以便在物品中形成沟槽或通路。该技术可以被用于，例如，暴露物品 的表面下的物品的部分。离子显微镜可以随后被用于沉积新材料，或蚀刻掉 通过FIB暴露的现有的材料，使用气体辅助化学技术。在一些实施例中，FIB 还可以用作选择性的溅射工具，以便去除半导体物品的部分，例如物品上的 导电材料的部分。在某些实施例中，FIB被用于切掉样品的部分，使得所述 部分可以随后被分析(例如，使用TEM)。
通常期望在样品上精确地定位FIB。在此所描述的气体场离子显微镜(例 如，He离子显微镜)可以被用于该目的。例如，具有FIB仪器和气体场离 子显微镜的横梁(cross-beam)工具可以被使用，使得FIB的位置可以使用 气体场离子显微镜来确定而不移动样品。采用这样的工具，气体场离子源可 以被用于成像样品并且提供可以用于精确地按期望定位FIB的信息。这样的 布置相对于使用SEM确定FIB的位置可以提供许多优点。举例而言，SEM 的使用可以导致相邻于样品表面的磁场，这可以导致Ga离子的同位素分离， 导致样品上多于一个FIB的位置。在许多情形，该问题导致FIB和SEM被 串连使用而不是同时使用。但是，相反，气体场离子显微镜可以在没有这样 的磁场下工作，由此消除了与Ga离子同位素分离相关的复杂性，同时也允 许FIB和气体场离子显微镜同时使用。这可以是期望的，例如，当制备用于 后续检测的样品(例如，用于TEM检测)，其中可以期望样品的厚度满足相 对严格的公差。使用气体场离子显微镜(例如He离子显微镜)的附加的优 点是比典型地SEM所采用的具有较长的工作距离，而仍然保持非常好的分 辨率，因为离子束具有比电子束小的虚源尺寸。这可以减轻对于结合FIB仪 器和SEM的工具可以存在的某些空间限制。在此所描述的气体场离子显微 镜的又一优点是可以获得样品的表面下的信息，这可以提高精确定位FIB的 能力，而SEM通常不可以提供这样的表面下信息。
(iv)气体辅助化学
气体辅助化学在半导体制造期间通常用于向给定的层添加材料和/或从 给定的层去除材料。例如，气体辅助化学可以用于半导体电路编辑，以修理 在半导体物品中损坏或不正确地制造的电路。气体辅助化学还可以用于光刻 掩模修理，其中材料可以被添加至掩模或从掩模被去除，以便修理由使用或 不正确的制造所导致的缺陷。
所述工艺通常涉及将电子与活性气体相互作用，以便形成可以随后参加 在半导体物品的表面的化学的反应气体，从而添加材料至表面，从表面去除 材料，或两者。典型地，电子产生为由Ga离子束与样品的相互作用引起的 二次电子，和/或电子产生为由电子束(例如，通过SEM产生的)与样品的 相互作用引起的二次电子。选择性地，合适的泵系统可以用于去除表面化学 的不期望的挥发性产物。
可以用于从表面去除材料的活性气体的实例包括Cl2、O2、I2、XeF2、 F2、CF4和H2O。举例而言，在一些实施例中，通过电子与Cl2和/或O2的相 互作用，并且允许所得的化学核素蚀刻表面区，由铬、氧化铬、氮化铬和/ 或氮氧化铬形成的表面区可以被至少部分去除。作为另一实例，在某些实施 例中，通过电子与XeF2、F2和/或CF4的相互作用，并且允许所得的化学核 素蚀刻表面区，由氮化钽形成的表面区可以被至少部分去除。作为又一实例， 在某些实施例中，通过电子与H2O和/或O2的相互作用，并且允许所得的化 学核素蚀刻表面区而可以被至少部分去除由含碳材料形成的表面区。
可以用于在表面上沉积材料的活性气体的实例是WF6(为了沉积W，例 如W栓)。
在此所描述的通过气体原子与气体场离子源(例如，He离子源)的相 互作用所产生的离子束可以被用于进行气体辅助化学。在这样的工艺中，例 如，由于离子束与样品的相互作用离开样品的二次电子可以是用于辅助化学 的电子。使用这样的离子束相对于使用Ga离子束可以提供几个优点。举例 而言，使用He离子束可以减小(例如，消除)不期望的离子注入，而不期 望的Ga的注入是当使用Ga离子束时的常见的问题。作为另一实例，气体 场离子束(例如，He离子束)相对于Ga离子束和/或入射电子束(例如， 通过SEM所产生的入射电子束)可以提供改善的分辨率，这可以允许更为 精确和/或可以控制的化学的使用。这可以，例如，减小(例如，消除)不期 望的离子与样品的某些部分的相互作用(例如，对于Ga离子束可以出现束 分布具有延伸至样品的不期望的区域的尾部，在那里Ga的注入可以对于半 导体物品的性能产生问题)。
(v)溅射
在半导体物品的制造工艺中，可以期望在某些步骤期间去除材料。离子 束可以用于该目的，其中离子束从样品溅射材料。具体地，在此所描述的通 过气体原子与气体场离子源的相互作用所产生的离子束可以用于溅射样品。 尽管He气体离子可以被使用，但是典型地优选使用更重的离子(例如，Ne 气体离子、Ar气体离子、Kr气体离子、Xe气体离子)以便去除材料。在材 料的去除期间，离子束被聚焦于要被去除的材料所处的样品的区上。
使用离子束去除材料的优点是可以以相对受控和/或精确的方式去除材 料。另外的优点是可以实现溅射而没有不期望的离子的注入(例如，当使用 Ga离子溅射时经常导致的，其中Ga注入是溅射的常见的不期望的副作用)。
(vi)空隙的探测
在半导体物品的制造期间，某些特征或层中的空隙可以被不利形貌成， 在某些实施例中，空隙可以不期望地影响特征和/或整个装置的特性(例如， 电、机械)。在某些实施例中，后续的工艺步骤可以打开空隙，并且空隙可 以，例如，用液体和/或气体成份填充。这可以引起下面的结构的腐蚀，在周 围的晶片表面的粒子缺陷和/或残留物缺陷。
举例而言，在从WF6沉积W栓期间，TiNx保护层通常用于保护相邻的 介电材料(例如，掺杂硼和磷的硅玻璃)免于腐蚀(例如，来自于W形成 期间释放的HF)。TiNx层中的中断可以导致显著的空隙形成。作为另一实例， 沟槽(例如，相对高的纵横比的沟槽)中的材料(例如，介电材料)沉积可 以导致瓶颈的形成和随后的空隙形成。作为另外的实例，空隙形成可以出现 在浅沟槽隔离结构的介电填充期间。作为又一实例，空隙可以在材料的导电 线(例如，铜线)的形成期间形成，这可以导致不期望地减小导电性。在一 些情形，这样的空隙可以导致期望导电之处缺乏导电。
通过利用其提供例如半导体物品的样品的表面下信息的能力，如在此所 描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以被用于研究空隙形 成。该特性可以在半导体物品制造期间使用，以便确定空隙的存在和/或位置。 这是优于使用电子束的独特的优点，因为电子束通常不提供此类的样品表面 下的信息。
(vii)重叠移动对准(overlay shift registration)
重叠移动对准通常是指将半导体物品的给定层的特征与半导体物品的 不同层中的特征对准。如上所述，半导体物品的形成通常涉及许多层的正确 的形成。典型地，半导体物品包含远多于20层。经常，各层可以包含多个 不同的特征，各特征期望地以高精度定位，使得半导体物品可以正确地起作 用。举例而言，半导体物品可以包含侧向特征，例如导电线，导电线在不同 的层中并且通过通路相互连接。通常，期望使得半导体物品内的特征相互对 准，以在100nm内(例如，75nm、50nm、25nm、15nm、10nm、9nm、 8nm、7nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm、1nm)。这些许多的特征的 单个的未对准可以导致整个半导体物品的无效。
重叠移动对准通常使用测试结构使用光学技术进行，该测试结构可以是 μm尺寸的结构(显著大于微电子电路特征尺寸)。这样，由于其占据的晶片 空间量，光学测试结构典型地不可以被放置晶片上的管芯内。测试结构可以 被放置在，例如，接近晶片的边缘，但是它们仍然占据晶片表面上的宝贵的 空间。光学测试结构也是昂贵的，因为其仅对于对准的目的而被制造。最后， 用于对准的光学测试结构的使用对于用其可以确定在不同层中的特征的对 准的精度有局限性。
在此所述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)以相对高的精 度提供关于样品的各种类型信息的能力(例如，形貌信息、表面的材料成份 信息、表面下区的材料成份信息、结晶信息、表面的电压对比信息、表面下 区的电压对比信息、磁信息、和光学信息)允许显微镜有利地在半导体物品 的制造期间被使用，以便辅助确保装置中的特征在装置内以高精度正确地定 位并且具有正确的尺寸。具体地，He离子显微镜可以允许多层中的电路特 征以比典型地可以使用光学测试结构实现的更高的分辨率对准。此外，可以 进行重叠移动对准，而不使用专用制造的测试结构(例如，光学测试结构)， 因为，例如，在此所描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可 以成像例如半导体物品的样品的表面下的特征。因而，可以避免被专用制造 的测试结构(例如，光学测试结构)所占据的晶片上的被浪费的空间，并且 可以避免与包括这样的测试结构相关的成本和/或复杂度。
(vii)关键尺寸计量
关键尺寸计量是指对于装置的性能可以具有关键影响的半导体物品中 的特征的线性尺寸的测量。这样的特征的实例可以包括线(例如，导电材料 线，电学半导体材料线、不导电材料线)。半导体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。在一些实施例中，特 征的尺寸被测量多次，以便提供关于特征尺寸的统计信息。关键尺寸测量经 常涉及，例如，例如晶片上的构图特征的长度的确定。晶片(包含多个管芯， 各管芯形成半导体物品)可以从制造线被随机选择用于检测，或者生产线上 的所有晶片可以被检测。成像仪器可以以相对高的通过速率用于测量被选择 的关键尺寸。如果被测量的关键尺寸没有落在可接收的限制之内，则晶片可 以被抛弃。如果来源于特定的制造机器的多个样品具有可接收的限制之外的 关键尺寸，则该机器可以被停止使用，或其工作参数可以被改变。
在此公开的He离子显微镜系统可以用于关键尺寸的测量。具体地，He 离子束可以在晶片的区上被栅扫描，并且晶片的所得图像可以用于确定关键 尺寸。对于关键尺寸测量，相对于SEM或其它检测系统，He离子显微镜系 统可以提供许多优点。He离子显微镜图像通常比可以对比的SEM图像展示 较小的边缘模糊现象(通常，过多的信号，接近探测器的饱和点，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产率)。减小了的边缘模糊 现象是相对于电子与表面的相互作用的体积，He离子和样品表面之间的较 小的相互作用体积的结果。
另外，入射的He离子比可对比的入射电子束可以被聚焦到更小的斑点 尺寸。较小的束斑点尺寸，与较小的相互作用的体积结合，导致具有比用 SEM产生的图像优越的分辨率的样品的图像，和更为精确的样品的关键尺 寸的确定。
He离子束的焦点深度与SEM相比相对大。结果，当使用离子束时，与 电子束相比，变化深度的样品特征的分辨率更为一致。因而，使用离子束可 以以比使用电子束可以提供的更好和更一致的横向分辨率提供各种样品深 度的信息。举例而言，使用离子束可以实现比使用电子束可以实现的更好的 关键尺寸分布。
此外，在其中至少部分根据二次电子获得信息的实施例中，与电子束相 比由离子束所提供的相对高的二次电子产率，可以导致对于给定流的相对高 的信噪比。这可以又允许在相对短的时间周期内获得样品的足够的信息，增 加了给定流的通过量。
使用散射的He离子可以进行确定关键尺寸的样品的成像。这提供了高 分辨率距离确定之外的额外的材料信息的优点。
在关键尺寸测量的离子显微镜系统的使用期间，读数电子枪可以用于避 免样品表面的过量荷电(见上面的讨论)。替代地或附加地，可以使用非常 低的He离子流(例如，100fA或更小)。除了减小表面荷电和保持图像保真 度之外，低离子流的使用减小了对于某些光致抗蚀剂材料的离子束引入的损 坏。
在一些实施例中，被选择用于关键尺寸测量的晶片样品可以首先需要被 切片(例如，测量样品的截面尺寸)。为了该目的，较重的气体例如Ne和 Ar可以被用在离子显微镜中以便形成可以用于切穿样品的离子束。作为替 代，Ga基FIB可以被用于切片样品。然后，显微镜系统可以清除这些气体 并且He可以被引入，使得关键尺寸测量用He离子束进行，避免在计量期 间的样品损坏。
(viii)线边缘粗糙度和线宽粗糙度
线边缘粗糙度通常是指半导体物品中的材料的线的边缘的粗糙度，并且 线宽粗糙度通常是指半导体物品中的材料的线的宽度的粗糙度。期望理解这 些值以确定在给定的半导体物品中是否存在实际或潜在的问题。例如，如果 由导电的材料形成的相邻的线具有相互向外鼓出的边缘，则线可以相互接触 而导致短路。期望理解线边缘粗糙度和/或线宽粗糙度为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、0.8 nm或更小、0.7nm或更小、0.6nm或更小、0.5nm或更小)。在一些实施例 中，线边缘粗糙度和/或线边缘宽度被测量多次，以便提供关于特征的尺寸的 统计信息。另外，对于例如线边缘粗糙度的参数的制造公差可以必须被控制 在5nm或更小内(例如，4nm或更小内，3nm或更小内，2nm或更小内， 1nm或更小内，0.5nm或更小内，0.1nm或更小内，0.05nm或更小内，0.01 nm或更小内)。
当确定线边缘粗糙度和线宽粗糙度时，晶片可以从制造线被随机选择用 于检测，或者生产线上的所有晶片可以被检测。成像仪器可以以相对高的通 过速率测量线边缘粗糙度和线宽粗糙度。如果线边缘粗糙度和线宽粗糙度没 有落在可以接收的限制之内，则晶片可以被抛弃。如果来源于特定的制造机 器的多个样品具有在可接收的限制之外的线边缘粗糙度和线宽粗糙度，则该 机器可以被停止使用，或其工作参数可以被改变。
在此所公开的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以用于线 边缘粗糙度和线宽粗糙度的计量。具体地，He离子束可以沿特征的长度被 栅扫描，并且所得的信息可以被用于以相对高的精度确定线边缘粗糙度和线 宽粗糙度。
对于线边缘粗糙度和线宽粗糙度的测量，相对于SEM和其它的检测系 统，He离子显微镜系统可以提供许多优点。He离子显微镜图像比可对比的 SEM图像通常展示较小的边缘模糊现象(通常，过多的信号，接近探测器 的饱和点，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产率)。 减小了的边缘模糊现象是相对于电子与表面的相互作用的He离子和样品表 面之间的较小的相互作用体积的结果。
另外，入射的He离子比可对比的入射电子束可以被聚焦于更小的斑点 尺寸。较小的束斑点尺寸，与较小的相互作用体积结合，导致具有比用SEM 所产生的图像更为优越的分辨率的样品的图像，和样品的线边缘粗糙度和线 宽的粗糙度的更为精确的确定。
He离子束的焦点深度比SEM相对大。结果，当使用离子束时，与电子 束相比，不同深度的样品特征的分辨率更为一致。因而，使用离子束可以以 比使用电子束可以提供的更好和更一致的横向分辨率提供各种样品深度的 信息。举例而言，使用离子束可以实现比使用电子束可以实现的更好的线宽 分布。
此外，在其中至少部分根据二次电子获得信息的实施例中，与电子束相 比，由离子束所提供的相对高的二次电子产率，可以导致对于给定流的相对 高的信噪比。这可以，又允许在相对短的时间内获得样品的足够的信息，增 加了给定流的通过量。
可以使用散射的He离子进行关键尺寸的确定的样品的成像。这除了高 分辨率距离确定之外还提供了材料信息的另外的优点。
使用离子显微镜系统用于线边缘粗糙度和线宽粗糙度测量期间，读数电 子枪可以用于避免样品表面的过量的荷电(见上述的讨论)。替代地或附加 地，可以使用非常低的He离子束流(例如100fA或更小)。除了减小表面 荷电并且保持图像保真度之外，低离子流的使用减小了对于某些抗蚀剂材料 的离子束引起的损坏。
在一些实施例中，被选择用于线边缘粗糙度和线宽粗糙度测量的晶片样 品可以首先需要被切片(例如，测量样品的截面尺寸)。为了该目的，较重 的气体例如Ne和Ar可以与气体场离子源相互作用以产生可以用于切穿样品 的离子束。然后，显微镜系统可以清除这些气体并且He可以被引入，使得 关键尺寸测量用He离子束进行，避免在计量期间的样品损坏。
(ix)电路编辑
如先前所讨论的，形成半导体物品的工艺典型地涉及以期望的方式层压 许多不同的材料的层，并且在各层上进行合适的工艺。通常，这涉及在给定 的层上沉积材料和/或从给定从层上去除材料。最终的半导体物品包括在不同 层中的许多不同的特征(例如，为了形成期望的电路)。通常，期望对于最终 装置特征被合适地对准以便按期望地工作。对准标记通常用于半导体物品中 以便辅助将给定层中的特征与不同层中的特征正确地对准。但是，使用对准 标记可以对于整个的制造工艺添加额外的步骤，和/或可以对于制造工艺引入 其它复杂度或费用。此外，仅仅对准标记的存在就意味着存在不可以使用的 半导体物品的面积和/或体积(例如，用于制造有用的器件)。
如上所述，离子束可以被用于研究材料的表面下的区。这个特性可以被 用于确定在表面层下面的层中的某些特征的位置，允许在半导体物品的不同 层中的特征按所期望被对准而不使用对准标记。
在此所描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以用于去 除和/或沉积材料(例如，从电路)，例如，使用上述气体辅助化学和/或溅射 技术。使用离子显微镜进行这些工艺的优点是离子束还可以用于评估所得的 产品以便确定，例如，是否期望的材料被正确地沉积或去除。这可以减小与 装置制造相关的成本和/或复杂度，和/或增加装置制造的生产量。材料的去 除和/或添加的能力可以被结合以便进行表面下电路修理。为了修理表面下的 缺陷，来自于装置的材料首先被向下去除至暴露缺陷的深度。随后缺陷通过 或者对装置添加材料或者从装置去除材料而被修理。最后，装置的重叠的层 通过添加合适厚度的新材料而被逐层修理。
在此所描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以提供电 路编辑应用的具体的优点，包括小的斑点尺寸和低离子流，用于受控的和高 精度的制造的装置的编辑。
(x)掩模修理
半导体物品典型地使用光刻工艺制备，光刻工艺涉及放置光致抗蚀剂的 层(例如，聚合物光致抗蚀剂，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或环氧基 光致抗蚀剂、烯丙基二乙二醇碳酸酯、或光敏玻璃)于表面上，构图材料， 使得光致抗蚀剂的某些区对于蚀刻剂是抗蚀的(并且一些区对于蚀刻剂是不 抗蚀的)，蚀刻材料的非抗蚀区，沉积合适的材料(例如，一或更多的导电 材料，一或更多的不导电材料，一或更多的半导体材料)，并且选择性地去 除材料的不期望的区。典型地，构图步骤涉及将光致抗蚀剂曝光于合适的波 长的辐射图案，使得光致抗蚀剂的一些区是抗蚀的并且光致抗蚀剂的其它的 区是非抗蚀的。通过形成掩模的图像于光致抗蚀剂上或用掩模覆盖光致抗蚀 剂的某些区，并且通过掩模曝光光致抗蚀剂的未被覆盖的区，而可以在光致 抗蚀剂上形成辐射图案。
在半导体工业中用于制造集成电路和其他微电子装置的光刻掩模可以 是易碎的和/或昂贵的。另外，掩模制造工艺可以是耗时和/或精致的。在一 些环境下，尽管在制造这样的掩模期间典型地使用的小心，制造误差产生掩 模缺陷。在另外的环境下，掩模缺陷可以来自于处理和普通的使用。如果电 路或其它装置使用有缺陷的掩模生产，则电路或装置可以不正确地工作。给 定制造新掩模所需要的时间和费用，编辑有缺陷的掩模比制造整个的新掩模 更为有成本效益。
掩模缺陷通常包括在不应当有材料的掩模的区中的掩模材料的过剩，和 /或在材料应当存在处掩模材料的缺失。在任一情形中，在此所描述的气体场 离子显微镜(例如，He离子显微镜)都可以用于检测和/或修理掩模。
在一些实施例中，在此所公开的气体场离子显微镜(例如，He离子显 微镜)可以用于检测掩模以便确定是否缺陷存在，并且，如果缺陷存在，缺 陷在那里。在此所公开的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)所提 供的各种有利的特征中的许多被期望地用于成像掩模。
在某些实施例中，除了在掩模修理期间成像掩模之外，在修理工艺期间， 可以使用气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)。举例而言，气体场离 子显微镜可以被用于相对于FIB定位掩模，使得FIB可以被用于使用气体表 面化学工艺和/或蚀刻工艺对掩模添加和/或从掩模去除材料，例如上面所描 述的。作为另一实例，气体场离子显微镜，除了初始成像掩模以便确定缺陷 的存在和/或位置之外，可以用于使用气体表面化学工艺和/或蚀刻工艺对掩 模添加和/或从掩模去除材料，例如上面所描述的。选择性地，气体场离子显 微镜可以被用于进行某些修理步骤(添加材料，去除材料)而其它仪器(例 如，FIB)被用于进行其它修理步骤(添加材料、去除材料)。
(xi)缺陷检测
通常，在制造半导体物品的工艺期间，为了潜在缺陷而检测物品。典型 地，检测通常使用线上工具进行，该线上工具总是运行并且被供给晶片并且 是全自动的。工具经常用于检验晶片的小的区是否存在缺陷将出现的区。该 检测在缺陷再检查(见下面的讨论)之前进行。与确定给定的缺陷的准确的 性质相对比，缺陷检测的目标典型地是确定是否缺陷可以存在。在缺陷检测 期间，晶片的区被分析，以便了解相对于相同晶片的其它区和/或其它晶片的 区是否某些反常的特性(例如，电压对比特性，形貌特性，材料特性)由样 品展示。典型地，对于潜在的缺陷，晶片上的坐标(例如，X、Y坐标)被 标注，并且在缺陷再检查期间晶片的所述位置被更为仔细地检测。
如在此所述的气体场离子显微镜(例如，He离子束)可以用于收集缺 陷检测期间样品的信息。这样的显微镜可以用于相对高的通过量和高质量的 缺陷检测。由气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)所提供的不同的 对比机制可以允许不同类型的缺陷的视觉化，并且以比使用光学成像技术通 常所观察到的更高的分辨率。
(xii)缺陷再检查
通常，如果在缺陷检测期间样品被标注为具有潜在的缺陷，则样品随后 被提交至缺陷再检查，其中具有潜在缺陷的样品的特定区被研究以便确定缺 陷的性质。根据该信息，可以实施对于工艺的改进以便减小最终产品中的缺 陷的风险。典型地，缺陷检测比缺陷再检查比以更低的速度和更高的放大倍 率进行，并且可以自动进行或手动进行，以便获得关于一或更多缺陷的具体 信息。所述信息用于试图理解在缺陷再检查期间为什么获得异常的结果，和 产生异常结果的缺陷的性质和原因。
在此所述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以用于研究 制造工艺中不同步骤(例如，每个步骤)的半导体物品。具体地，通过探测 和分析一种类型的粒子或多种不同类型的粒子(见上面的讨论)，气体场离 子显微镜(例如，He离子显微镜)可以用于确定半导体物品的表面的形貌 信息，半导体物品表面的材料成份信息，半导体物品的表面下区的材料成份 信息，半导体物品的结晶信息，半导体物品表面的电压对比信息，半导体物 品的表面下区的电压对比信息，半导体物品的磁信息，和/或半导体物品的光 学信息。由He离子显微镜所提供的不同的对比机制可以允许否则使用SEM 基技术不出现的缺陷的视觉化。
使用在此所述的离子显微镜或离子束可以提供各种不同的优点，这通常 可以减小与半导体物品的制造相关的时间、成本和/或复杂度。与使用在此所 述的离子显微镜或离子束相关的典型的优点包括相对高的分辨率，相对小的 斑点尺寸，相对少的不期望的样品损坏，相对少的不期望的材料沉积和/或注 入，在相对短的时间内的相对高的成像质量，相对高的通过量。
(xiii)电路试验
在半导体物品的制造期间，物品的一或更多的特征的导电性和功能性可 以被测试。该工艺通常涉及将特征暴露于荷电粒子并且随后监测电荷积聚的 速率。开电路相对于闭电路以不同的速率荷电，允许开电路被识别并且考虑 更为详细的检测。在此所述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜) 可以被用于使用离子束施加电荷至特征，和/或可以用于监测是否电荷被泄漏 掉(例如，通过监测电压对比信息)。选择性地，读数电子枪可以用于施加 电荷(见上面的讨论)，并且气体场离子显微镜可以被用于监测是否电荷被 泄漏掉(例如，通过监测电压对比特性)。
B.金属和合金腐蚀
He离子显微镜可以用于识别和检验各种装置和材料中的金属腐蚀。例 如，在核电厂、军事应用、和生物医学应用中所使用的金属夹具和装置由于 其中使用它们的严酷的环境可以经历腐蚀。He离子显微镜可以用于根据装 置中氢(H)的相对丰度而建造这些和其它装置的图像，所述丰度作为可靠 的腐蚀指示。
典型地，为了根据被散射的H离子或原子建造图像，相对于入射的He 离子束，这些离子或原子的探测器被定位于样品的背侧上。将样品暴露于 He离子从样品内产生被散射的H原子和离子，并且这些被散射的H原子和 离子可以被探测和用于建造样品的图像。H丰度图像可以随后被用于评估样 品内的腐蚀的程度。He离子束的小的斑点尺寸和相互作用体积可以导致高 分辨率的样品的H图像被获得而不损坏样品。
C.数据存储的读/写结构
在例如硬盘的磁存储装置中所使用的读/写头被制造至极高的公差并且 必须在安装之前检测制造缺陷。这些装置经常具有非常高的纵横比；这样的 装置的短边可以小至1nm。当在检测期间用于成像这些装置时，He离子显 微镜提供了许多优点。在这些优点之中有可以导致这些微小的装置以高分辨 率成像的小的斑点尺寸和相互作用体积，可以允许整个高纵横比装置沿其长 尺寸的聚焦的成像的大的焦距深度，和通过散射的He离子和/或中性原子的 测量提供的材料信息，它们可以用于确认微小的电路元件被正确地连接。
D.生物技术
使用无损技术确定生物样品的元素和/或化学成份信息经常是期望的。生 物样品的实例包括组织、核酸、蛋白质、碳水化合物、脂类和细胞膜。
在此所述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以用于确定， 例如，生物样品的形貌信息，生物样品的材料成份信息，生物样品的表面下 区的材料成份信息和/或生物样品的结晶信息。例如，气体场离子显微镜可以 被用于成像免疫标识的细胞和内部细胞结构。显微镜可以以该方式被使用同 时提供在此所公开的某些优点。
E.制药
经常，治疗剂(例如，小分子药品)形成晶体(例如，当其由溶液产生 时)。确定结晶的小分子的晶体结构可以是期望的，因为这可以，例如，提 供关于小分子的水合的信息，这又可以提供关于小分子的生物利用度的信 息，在某些实例中，结晶信息可以原来是证明小分子实际上处于非晶(与结 晶相对比)形式，这也可以影响小分子的生物利用度。
附加地或替代地，经常期望使用无损技术确定生物样品的元素和/或化学 成份信息。
在此所描述的气体场离子显微镜(例如，He离子显微镜)可以被用于 确定，例如，生物样品的形貌信息、生物样品的表面的材料成份信息、生物 样品的表面下区的材料成份信息和/或生物样品的结晶信息。显微镜可以以该 方式被使用同时提供在此所公开的某些优点。
计算机硬件和软件
通常，上述任何分析方法都可以以计算机硬件或软件，或两者的结合而 被实施。所述方法可以在计算机程序中使用标准编程技术而实施，根据在此 所述的方法和图。程序编码被施加于输入数据以便进行在此所述的功能并且 产生输出信息。输出信息被施加于一或更多的输出装置，例如显示监视器。
各程序可以以高级别的过程或面向目标的程序设计语言实施，以便与计算机 系统沟通。但是，如果期望，程序也可以以汇编或机器语言被实施。在任一 情形，所述语言可以是被编译或被解释的语言。此外，程序可以在对于该目 的预编程的专用集成电路上运行。
各个这样的计算机程序优选存储在可以被通用或专用可编程计算机可 读取的存储介质或装置(例如，ROM或磁盘)上，以便当被计算机读存储 介质或装置时配置和运行计算机，以便进行在此所述的过程。在程序执行期 间计算机程序也可以驻留在高速缓冲存储器或主储存器中。分析方法也可以 作为计算机可读取存储介质被实施，以计算机程序配置，其中这样配置的存 储介质引起计算机以具体和预定的方式运行从而进行在此所述的功能。
其它实施例
尽管已经描述了某些实施例，但是其它的实施例也是可能的。
举例而言，SEM可以被用于一或更多的前述的实施例中与气体场离子 显微镜结合。例如，SEM可以用于产生二次电子，俄歇电子、X射线光子、 IR光子、可见光子和/或UV光子。选择性地，SEM可以用于提高气体辅助 化学。气体场离子显微镜可以以在此所公开的任何运行模式配置，使得SEM 和气体场离子显微镜系统进行补充功能。
作为另一实例，虽然公开了W(111)尖端，但是在尖端中也可以使用 不同的W的结晶取向。例如，可以使用W(112)、W(110)或W(100) 尖端。
作为又一实例，在一些实施例中，离子显微镜(例如，气体场离子显微 镜)可以包括合适的器件以便允许在线上使用的显微镜，用于样品的分析， 例如与半导体工业相关的样品(例如，晶片样品)。在某些实施例中，例如， 离子显微镜可以用高速负载锁(high-speed loadlock)对于标准尺寸的半导体 晶片被自动化。在一些实施例中，该系统还可以包括晶片台，该晶片台能够 以高速将一部分的样品晶片放置在离子显微镜下时。离子显微镜还可以包括 扫描系统，该扫描系统能够高速栅扫描计量图案。选择性地，离子显微镜还 可以包括电荷中性化设计以便减小样品的荷电。离子显微镜还可以包括晶片 高度控制模块以便调整工作距离。在某些实施例中，系统可以被配置，使得 单独的管芯(例如，具有50mm量级的长度)可以被成像。
实例
下列实例是示意性的，不试图作为限制。
1.
由单晶W(111)形成的25mm长的发射器线(直径250μm)从FEI公 司(Hillsboro，OR)获得。发射器线被切割为3mm并且放置在一边。V形加热 器线如下制备。13mm长的多晶钨线(直径180μm)从Goodfellow(Devon， PA)获得并且在蒸馏水中被声处理清洁15分钟以便去除碳残留物和其它杂 质。线在其中点被弯曲以便形成115度的角度。靠近“V”的顶点的区B被 电化学蚀刻以准备它用于在氢氧化钠的1N水溶液中用施加的1V的AC电 位和60Hz的频率和大约15秒的时间焊接。加热器线随后从蚀刻溶液被去 除，用蒸馏水冲洗，并且被干燥。
V形加热器线被安装在夹具中以便确保线的端部保持共面。发射器线被 点焊接至加热器线的V形顶点。随后，加热器线的两端被点焊至在图11A 和11B中所示出的类型的支撑基的2个支柱。支撑基从AEI公司(Irvine， CA)获得。所得的组件随后在蒸馏水中被超声清洁并且被干燥。
在支撑基上安装发射器线和支撑基的清洁之后，发射器的端部被如下的 电化学工艺蚀刻。首先，抗蚀剂材料(例如，从Revlon公司，New York， NY获得的指甲油)被施加至发射器线的0.5mm的长度，从线的自由端开始。 抗蚀剂的小滴被放置在清洁的玻璃显微镜载片的表面上，并且线浸入抗蚀剂 溶液10次，允许抗蚀剂在各次浸入之间稍微干燥。小心保证抗蚀剂的上边 界是圆形，并且圆形的平面被保持垂直于线的轴。在发射器线的端部最后一 次浸入抗蚀剂材料之后，线被允许在空气中干燥1小时。
随后贴附有抗蚀剂涂覆的发射器线的支撑基被贴附至蚀刻装置，蚀刻装 置包括：(a)垂直平移支撑基的平移设备；(b)盘；(c)延伸入盘的、由不锈钢 形成的对电极，以便最小化不期望的化学反应。盘被填充以蚀刻溶液至一水 平使得溶液与对电极接触。在蚀刻装置盘中存在大约150mL的溶液。支撑 基的取向被调整以便确保发射器线的纵轴基本平行于垂直方向(例如，沿平 移设备被提供用于支撑基的平移的方向)。随后，支撑基使用平移设备向盘 降低，直至被暴露的发射器线正好接触蚀刻溶液。安装于蚀刻装置的高放大 倍率的相机允许抗蚀剂层和蚀刻溶液表面容易被观察，并且允许发射器线相 对于溶液表面的精确定位。
随后，线被另外降低0.2mm进入蚀刻溶液。在该位置，发射器线的抗 蚀剂涂覆的部分被完全浸入蚀刻溶液。
蚀刻溶液由150mL的2.5M水溶液NaOH构成。为了便于润湿，1滴表 面活性剂(PhotoFlo200，从Eastman Kodak，Rochester，NY获得)被添加至 蚀刻溶液。在蚀刻工艺期间还采用了使用磁搅拌器轻柔地搅拌蚀刻溶液。
外部电源被连接至支撑基支柱和对电极。最大的电压大小、脉冲持续时 间、和外部电源的波形可以被控制，以便提供蚀刻装置中的特定的蚀刻条件。
AC脉冲的序列以60Hz的频率被施加至发射器线，以便促进电化学蚀 刻工艺。首先，100个持续时间580ms和大小10V的脉冲在总共5分钟的 时间窗口上被施加。被施加的脉冲的效果是增加蚀刻工艺的速率。浸入溶液 中但是未被光致抗蚀剂材料覆盖的发射器线的部分开始蚀刻掉。因为发射器 线被定位，使得仅在光致抗蚀剂材料的边缘的上方的线的小的未涂覆的区浸 入在溶液中，所以观察到该区中的发射器线的局部化的蚀刻。随着电化学反 应的进展，由于蚀刻工艺该区中的线的直径开始变窄。
接着，外部电源的脉冲持续时间被调整至325ms，并且在总共5分钟的 时间窗口上，6个该持续时间的脉冲被施加至发射器线。这些脉冲进一步提 高了电化学蚀刻工艺，导致发射器线的被蚀刻的区具有非常小的直径。
最后，外部电源的脉冲持续时间被调整至35ms，并且单个脉冲被施加 至发射器线，直至蚀刻完成并且发射器线的抗蚀剂涂覆的部分掉落进入蚀刻 溶液中。支撑基随后从蚀刻装置中移走，用蒸馏水漂洗，并且在氮流中干燥。
发射器线-仍然贴附于支撑基-随后使用SEM检查以便验证被蚀刻的尖 端具有合适的几何形状特征。在5keV工作并且具有3nm的探针尺寸的 AMRAY Model 1860SEM被用于成像发射器线尖端。支撑基被安装在SEM 的样品区中，在配备了倾斜和旋转操作台的样品操纵器上。从几个不同的观 察角度和放大倍率获得源的图像，以便验证尖端被基本正确地成形。
随后SEM图像被用于表征化平均全锥角，平均尖端半径，和平均锥方 向，如先前对于线的尖端的顶点的讨论。用于这些测量的图像取放大倍数 65,000X，并且沿对于发射器线的轴成直角取向的视轴。使用SEM样品操纵 器调整发射器线的倾斜，以便确保发射器线对于视轴正交地取向。为了进行 尖端锥角、锥方向、和半径的平均测量，SEM样品操纵器被用于在连续的 图像之间旋转尖端45°(围绕发射器线的轴)。这产生尖端的一套8个图像- 每个来自不同的视角-其随后用于确定尖端的锥角、曲率半径、和锥方向。
在图37A-37D中示出了8个视角的图像的4个。各SEM图像被数字 化为位图格式并且随后采用使用MathCAD软件包(PTC Inc.，Needham，MA) 开发的定制算法分析。首先，各图像通过施加Gaussian卷积算法被平滑，以 便减小图像噪声，尤其是归因于在成像期间出现的SEM的振动的噪声。随 后根据阈值强度值的过滤步骤被施加于各图像以便强调钨尖端和黑背景之 间的边界。各图像中的尖端边界随后被确定为非零强度(X，Y)点的组， 其形成对应于尖端的图像像素和对应于黑背景(例如，零强度)的图像像素 之间的界线。一组这样的对于尖端的视图之一的(X，Y)点在图38中示出。 对于尖端的8个视角的视图的每个，确定相似的边界点的组。
在计算给定的边界曲线的斜率之前，平滑算法被施加于曲线以便确保曲 线的局部斜率对于噪声和其它小的信号变化相对不敏感。平滑算法由将原始 (X，Y)数据点拟合为4阶多项式构成，这已被发现良好地描述尖端的形 状。平滑算法的效果是确保在顶点位置的任一侧，该曲线的一阶导数不被形 状的小的变化而过分地影响。
平滑步骤之后，对于各视图使用有限差分算法沿边界曲线在各X点计算 斜率dY/dX。图39示出了对于在图38中所示出的边界曲线的作为X的函数 的沿边界曲线的点的计算的斜率的图。
对于尖端的特定视图，对应于该视图的获得零值的斜率的边界曲线的位 置被识别为尖端的顶点并且给出标识Xapex。在边界曲线上对应于最接近于顶 点的(X，Y)点、边界曲线的斜率获得的值为1的位置，被给予标识X+1。 在边界曲线上对应于最接近于顶点的(X，Y)点、边界曲线的斜率获得的 值为-1的位置，被给出标识X-1。
这些被测量的点随后被用于确定尖端的几何参数。在特定的视图中尖端 的左半径被计算为X+1和Xapex的差的绝对值乘以1.414。在特定的视图中尖 端的右半径被计算为X-1和Xapex的差的绝对值乘以1.414。随后，根据左和 右半径的值，在特定的视图中尖端的曲率半径被计算为左半径和右半径值的 平均。
对于尖端的8个视角的视图的每个重复右半径、左半径、和尖端的曲率 半径的计算。平均尖端半径随后被计算为在所有的尖端的视图中尖端曲率半 径的测量的平均。对于在图37A-37D中所示出的尖端，平均尖端半径被确 定为62nm。
所有的尖端的左和右半径的标准偏差也被计算，并且被表示为平均尖端 半径的百分比。对于在图37A-37D中所示出的尖端，偏心率被确定为 11.9％。
在8个视角的视图的每个中尖端的锥角也被确定。在对应于各视图的边 界曲线中，边界曲线上的左和右切点分别位于尖端顶点左和右侧上，在距离 尖端顶点1μm的位置，沿Y方向测量，如先前所讨论的。在特定的视图中 尖端的左锥角则被确定为在左切点的边界曲线的切线和平行于Y轴并且延 伸通过该左切点的线之间的角度。在特定的视图中尖端的右锥角则被确定为 右切点的边界曲线的切线和平行于Y轴并且延伸通过右切点的线之间的角 度。最后，全锥角被确定为左和右锥角的大小的和。
尖端的平均全锥角则通过计算来自尖端的8个视角的视图的尖端的全锥 角的8个测量的平均来确定。对于在图37A-37D中所示出的尖端，例如， 平均全锥角被确定为34.5°。
对于尖端的特定的视图，锥方向被计算为左和右锥角的大小之间的差的 绝对值的一半。对于尖端的8个视图的每一个重复该确定产生尖端的锥方向 的8个测量。尖端的平均锥方向则计算为这些8个锥方向的测量的平均。对 于在图37A-37B中所示出的尖端，平均锥方向被确定为2.1°。
一组根据平均尖端半径、半径偏心率、平均锥角、和平均锥方向测量的 标准被用于确定是否给定的尖端被接受用于He离子显微镜。通常，这些标 准如下。如果测量的平均锥角在15°和45°之间，尖端被接受使用，平均尖端 半径在35nm和110nm之间，尖端曲率半径测量的标准偏差小于30％，平 均锥方向小于7°。最后，在图37A-37D中所示出的尖端满足这些标准中的 每一个，并且这样该尖端被接受用于He离子显微镜。
在尖端的几何性能的验证之后，尖端在定制的FIM中被检测。FIM包 括支撑尖端的支撑组件的安装区，用于偏置尖端的高压电源，相邻于尖端的 提取器，和记录来自尖端的离子发射图案的探测器。
提取器与尖端间隔5mm的距离并且具有10mm的开口。提取器被接地 至外接地。探测器，即微通道板(MCP)和图像增强器的组合(从Burle Electro-Optics Inc.，Sturbridge，MA获得)被定位于距离提取器75mm的距离。
包括尖端的支撑组件被安装在FIM中并且FIM室被抽真空至1× 10-8Torr的背景压力。尖端使用液氮作为冷却剂被冷却至77K。在温度平衡 之后，源被加热至900K持续5分钟以便释放在工艺期间形成于尖端上的冷 凝物或其它杂质。尖端的加热通过施加电流至加热器线而被完成，尖端被焊 接到该加热器线。电流使用具有恒定功率能力的电源(Bertan Model IB-30A， 可以从Spellman High Voltage Inc.，Hauppauge，NY获得)而被施加。温度测量 使用光学高温计(从Pyro Corporation，Windsor，NJ获得)进行。
接着，尖端随后被再次冷却至77K，并且FIM提取器被接地并且尖端相 对于提取器被偏置为+5kV。高纯度He气(99.9999％纯度)在1×10-5Torr 的压力下被引入FIM室。尖端偏置被逐渐以增量增加至+29kV直至在探测 器上观察到对应于离开尖端的He离子的He离子的图像。FIM发射图案对 应于在尖端表面上的大约300个原子。根据FIM图案，尖端的单晶成份和 W(111)取向被验证。
接着，尖端被锐化以在尖端顶点获得端原子三聚物。氦气从FIM室中被 泵出直至在室中的背景压力小于1.2×10-8Torr。尖端随后被加热，通过如上 所述对于加热器线的电流的施加，至1500K的温度持续2分钟。氧气以1× 10-5Torr的压力被引入尖端附近的FIM室中。在2分钟之后，尖端温度被减 小至1100K。在1100K的2分钟之后，氧气供给被关闭并且尖端允许被冷却 至大约77K。在冷却期间，并且在氧气供给被关闭后大约15分钟，残留的 氧气被泵出FIM室直至室中的背景压力小于1.2×10-8Torr。
一旦被冷却至液氮温度，则提取器如上被偏置，并且尖端再次相对于提 取器以+5kV被偏置。He气以1×10-5Torr被引入FIM室，并且FIM被再次 如上所述操作以便获得尖端的He发射图像。尖端的电压被逐渐增加，直至 尖端的FIM图像被以尖端上的大约+18kV的电位偏置的探测器所俘获。
被观察到的FIM图案包括吸附原子-尖端顶点的期望的三原子三聚物 结构的之外的多余的原子。吸附原子通过以+18kV的尖端偏置电位的场蒸发 而被缓慢地去除。在场蒸发期间，尖端的图像被定期地摄取和监测以便确定 何时停止场蒸发工艺。吸附原子被逐一去除直至观察到尖端顶点的原子三聚 物的清晰的FIM图像。除了原子三聚物之外，3边角锥的棱线也被清晰地观 察到。
原子三聚物通过尖端的进一步的场蒸发而被缓慢地去除。通过缓慢地增 加尖端偏置超出+18kV，三聚物原子被逐一去除，导致由探测器记录的FIM 图像中观察到的圆化的尖端。
尖端偏置电位被进一步增加至+28kV。在该工艺期间尖端原子的场蒸发 持续。在+28kV的偏置电位，在尖端的顶点获得另一原子三聚物。第二三聚 物的FIM图像在图40中示出。在获得第二三聚物之后，尖端偏置电位被减 小以便得到FIM发射图案中最高的角强度。这出现在+23kV的尖端偏置。 最高的角强度通过调整尖端偏置以便获得FIM发射图案中被选择的原子的 最大的观察亮度而被确定。通过随着尖端的电位被调整，测量来自三聚物的 He离子流，而验证最高角发射强度出现的偏置。He离子流使用定位于He 离子束路径中的Faraday杯而被测量。
通过缓慢地增加尖端的电位大于+28kV并且从尖端顶点场蒸发原子，尖 端随后被钝化为接近球面的端部形状。场蒸发持续直至在+34kV的偏置电位 在尖端的表面获得另一原子三聚物。为了验证尖端再建过程的可重复性，锐 化工艺再被重复两次以便在尖端顶点获得新的原子三聚物。在两次连续的三 聚物再建之后，氦气供给被关闭，被施加的尖端偏置被去除，尖端被允许加 温至室温，并且FIM室压力被缓慢地与大气压力平衡。仍然安装在支撑组件 中的尖端被存储在架子上2周直至其被用于氦离子显微镜。
包括尖端的支撑组件被安装在相似于图1和5中所示出的系统的氦离子 显微镜系统中。系统的元件如下配置。提取器被定位于距离尖端1mm，并 且具有直径3mm的开口。离子光学器件的第一透镜被定位于距提取器30 mm的距离。穿过第一透镜之后，离子穿过对准偏转器，对准偏转器被配置 为四极电极。具有直径20μm的开口的孔径进一步沿离子的路径被定位以便 选择性地屏蔽离子束的一部分。离子轨迹的交叉点被定位于孔径前面50mm 的距离。配置为八极电极的像散修正器被定位于孔径之后，以便调整离子束 的像散。配置为八极电极的扫描偏转器被定位于像散修正器之后，以便允许 离子束栅扫描过样品的表面。第二透镜被定位于距离孔径150mm的距离， 并且被用于将离子束聚焦于样品的表面上。第二透镜成形为平头的右角锥， 具有90°的全锥角。
最初，离子显微镜系统被抽真空，使得尖端区的基压力是大约2× 10-9Torr。尖端使用液氮被冷却至大约80K。提取器被接地，并且相对于提 取器+5kV的偏置被施加于尖端。
尖端通过施加8W的电源至加热器线而被加热，直至其视觉发光(对应 于大约1100K的尖端温度)。从发光的尖端发出的光子从离子光学器件的侧 部被观察到，使用对于垂直于离子光学器件的纵轴的平面以45°倾斜的镜子。 镜子为该目的被引入离子光学器件，在正好在对准偏转器下面的位置，经由 离子柱中的侧口。尖端被倾斜并且重复地移动，直至发光的尖端粗略地沿离 子光学器件的纵轴对准。当发光的尖端看上去为圆环点源时，实现了尖端与 纵轴的合适的对准。
尖端被允许冷却同时保持尖端相对于提取器+5kV的电位偏置。一旦尖 端已被冷却至液氮温度，则He气以1×10-5Torr的压力被引入尖端区。离子 显微镜系统在SFIM模式中运行，如上所述，以便产生示出尖端的He离子 发射图案的图像。图像指示了至原子精度的尖端的形状。对准电极被用于将 从尖端产生的离子束栅扫描过孔径的表面。锯齿电压功能被施加于各对准偏 转器以便实现以10Hz帧速率的栅扫描，锯齿功能相对于显微镜系统的公共 外接地的最大电压是150V。栅扫描图案扫描横过离子光学器件的轴的两个 正交方向的每个方向上的256个点。像散修正器和扫描偏转器不用于该成像 模式。
为了探测穿过该孔径的离子，铜样品被放置下第二透镜下面，并且MCP 探测器被正偏置(相对于公共外接地+300V)以便测量由于样品和入射在样 品上的He离子之间的相互作用离开铜样品的二次电子。探测器被定位于距 样品10mm的距离并且平行于样品的平面取向。
探测系统在各栅扫描点取样探测器信号并且产生尖端的SFIM图像，所 述图像被显示在监视器上。为了有利于成像，离子柱中的第一透镜的电位被 设置为尖端偏置的77％。随后，随着尖端偏置增加，SFIM图像保持粗略一 致的放大倍率和强度。当观察SFIM图像时，尖端偏置被缓慢地增加以便消 除不期望的吸附原子并且产生在其顶点具有原子三聚物的尖端。该三聚物通 过进一步地增加尖端偏置电位而被去除以便引起尖端原子的场蒸发。场蒸发 持续，直至在被施加的+23kV的尖端电位，新原子三聚物形成于尖端的顶点 上。该尖端的所得的SFIM图像在图41中示出。
在对准偏转器、像差修正器、扫描偏转器、和第二透镜关闭(例如，相 对于显微镜系统的公共外接地的零电位)的情形，三聚物的一个原子被选择 并且尖端被倾斜和平移同时第一透镜的强度被100V调制。显微镜系统在 FIM中运行并且探测器收集尖端的FIM发射图像。尖端被重复地倾斜和平 移，直至当第一透镜的强度被调制时，FIM图像上的尖端的中心位置从一图 像至另一图像未被改变。
接着，孔径被放置入位并且施加于对准偏转器的电位被调整以便控制离 子束在孔径的位置。透过孔径的离子束部分由探测器成像，并且探测器图像 被用于重复地调整对准偏转器。
扫描偏转器被用于将透过孔径的离子束栅扫描过样品表面。样品表面上 的可以识别、高对比的特征(铜格栅)(部件号02299C-AB，从Structure Probe International，West Chester，PA获得)被放置在第二透镜下面的离子束的路径 中，并且该特征的二次电子图像使用上面讨论的配置的探测器测量。
第二透镜的强度被调整以便粗略地将离子束聚焦在样品表面上；施加于 第二透镜的电位偏置是相对于公共外接地的大约15kV。聚焦的品质从由探 测器所记录的样品的图像被视觉评估。离子束相对于第二透镜的轴的对准通 过缓慢地调制第二透镜的强度而被评估-以1Hz的频率和第二透镜的工作 电压的大约0.1％的调制幅度-并且观察该特征的位移。在最后的透镜中的 离子束对准通过调整对准偏转器的电压而被最佳化。当由探测器测量的图像 的中心的位置在第二透镜的强度的调制期间不显著地改变时，对准被最佳 化。
然后，通过调整第二透镜的强度，样品以更高的放大倍率被成像，使得 样品的视场是大约2平方μm。通过调整像散修正器控制，焦点的非对称性 被最小化。这些控制被调整同时观察图像并且尤其是所有方向中的边缘的尖 锐度。当聚焦的图像的尖锐度在所有方向相同时，像散修正完成。典型地， 不高于30伏特的电压被施加至像散修正器以便实现该条件。在该点上，氦 离子显微镜完全运转的。
运转的显微镜被用于成像各种样品。通过测量二次电子记录的样品图像 在图42和43中被示出。
成像条件包括广泛范围的束流(100pA至1fA)。束流通过几种方法被 控制。首先，使用电动孔径机构，具有不同直径的孔的不同的孔径被放置入 位。孔径机构包括其直径从5μm至100μm范围的孔径。第二，第一透镜 焦点强度被调整以便移动束交叉更接近于离子光学器件中的孔径平面，使得 较大的离子流到达样品。相反，第一透镜焦点强度被调整以便移动束离孔径 平面更远，使得较小的离子流穿过孔径。第三，在尖端区中氦气的压力分别 被增加或减小以便增加或减小离子束流。
束能量典型地对于最佳角强度选择；束能量典型地在从17keV至30keV 的范围中。束能量响应于改变尖端的形状而随时间而改变。
使用的探测器的类型，和探测器的设置根据用离子显微镜所检验的样品 的类型而被选择。为了测量样品的二次电子图像，ET探测器被使用，具有 以相对于公共外接地大约+300V偏置的金属格栅。ET探测器内部的闪烁体 相对于外部地以+10kV被偏置，并且内部PMT的增益被调整以便产生尽可 能大的信号而不饱和。
MCP探测器(从Burle Electro-Optics，Sturbridge，MA获得)也被用于探 测来自样品的二次电子和/或散射的He。MCP格栅、前面、背面可以每个相 对于外部接地被偏置。探测器的增益通过相对于前端正地偏置MCP的背面 而获得。典型的增益电压是1.5V。相邻于背面的集电极板以相对于背面+50V 被偏置。从集电极板，探测信号是在大的正电压上叠加的小的变化的电流的 形式。为了收集二次电子，前面和MCP的格栅被偏置为+300V。为了收集 散射的He，前面和格栅被偏置为-300V。
栅扫描速度根据需要对于各样品的最佳成像条件被调整。每像素的驻留 时间的范围是从100ns至500μs。对于较短的驻留时间，通过平均多次扫描 来减小噪声。这对于连续的线扫描，和对于连续的帧扫描进行。
在图42中示出的图像是硅衬底上的多个碳纳米管的图像。图像通过探 测来自纳米管的表面的二次电子而获得。ET探测器被定位于距样品8mm的 距离并且距离子束离轴15mm，并且相对于样品的平面以20°的角度取向。 He离子束流是0.5pA并且平均离子能量是21keV。离子束以200μs每像素 的驻留时间被栅扫描，并且总的图像探测时间是200s。图像的视场是4μm。
在图43中所示出的图像是硅衬底上的铝支柱的图像。图像通过探测来 自纳米管表面的二次电子而获得。上述类型的MCP探测器，在格栅和前面 相对于外部接地以+300V被偏置的情形，定位于距样品10mm的距离并且 平行于样品的平面取向。He离子束流是0.5pA并且平均离子能量是24keV。 离子束以200μs每像素的驻留时间被栅扫描。样品表面的视场是1μm，通 过施加1V的最大电压至扫描偏转器来获得。
在氦离子显微镜中采用该尖端的操作持续几周的时间，而无需排放系统 以便保养离子源。随着三聚物原子被去除，或者故意地或者通过正常的使用， 尖端的端部形状变得更为球形，如在图44中所示出的SFIM图像中所示。 根据需要进行原位角锥再建(锐化)，通过使用最初在FIM中锐化尖端所进 行的相同的热和氧配方。通常，各再建工艺消耗小于5分钟的时间，并且除 此之外，系统在这些周的期间是可用的。总之，尖端被再建多于8次。在图 45中示出了尖端顶点的再建的原子三聚物的图像。
2.
W(111)尖端被安装在支撑组件中并且按照在实例1中所述的过程被 电化学蚀刻。在图46中示出了尖端的SEM图像。根据在实例1中的过程进 行尖端的几何特征化。对于该尖端，平均尖端半径被确定为70nm。尖端根 据在实例1中的标准而被接受使用。
验证尖端的几何形状性能在可接受的限制之内之后，包括被蚀刻的尖端 的源组件被安装在实例1中所述的FIM中。FIM的配置除了下述之外与实 例1中所讨论的相同。相对于提取器的在尖端上的电位被缓慢地增加至 +21.8kV的电位。尖端原子的场蒸发随着电位的增加而出现。在到达+21.8kV 之后，尖端电位被减小至+19.67kV。在图47中示出的尖端的FIM图像用保 持在该电位的尖端获得。使用该图像，尖端的单晶结构和正确的取向被验证。
接着，尖端被锐化以便产生顶点的原子三聚物。氦被泵出FIM室，并且 尖端通过对于尖端施加4.3A的稳定电流20秒而被加热。倾斜的镜子安装在 FIM柱中并且取角度以将沿柱轴传播的光线改变方向至柱的侧口，该镜子被 用于观察尖端。没有发光(例如，从尖端发射的光子)对于肉眼可见，这样 尖端被允许冷却5分钟。然后尖端通过施加4.4A的恒定电流至尖端20秒而 被加热。没有发光对于肉眼可见，这样尖端被允许冷却5分钟。然后尖端通 过施加4.5A的恒定电流至尖端20秒而被加热。没有发光对于肉眼可见，这 样尖端被允许冷却5分钟。然后尖端通过施加4.6A的恒定电流至尖端20秒 而被加热。在该温度，从尖端可以清楚地看到发光。因而，引起尖端发光所 需的电流被确定为4.6A。源随后被允许冷却5分钟。
接着，负偏置被施加于尖端同时监测从尖端的电子发射流。使得偏置逐 渐地更负，直至观察到来自尖端的50pA的电子发射流。在该流的尖端的偏 置是-1.98kV。在该偏置仍然施加于尖端的情况下，4.6A的加热电流被施加 于尖端。在大约20秒之后再次观察到尖端发光。在观察到尖端发光之后尖 端的加热再延长10秒。随后从尖端去除施加于尖端的偏置电位和加热电流， 并且尖端被允许冷却至液氮温度。
一旦尖端已经冷却，则相对于提取器+5kV的正电位被施加至尖端。He 气以1×10-5Torr的压力被引至FIM室尖端的附近。尖端顶点的FIM图像如 在实例1中所述被获得。随着偏置增加FIM图像被看得更为清晰。图48中 的图像在+13.92kV的尖端偏置下被观察。该图像示出了角锥的棱线和对应 于原子三聚物的明亮的中心顶点。
尖端上的一些发射原子是松散地结合的吸附原子并且用增加的电场强 度通过尖端原子的场蒸发而被去除。尖端偏置被进一步增加至+21.6kV，并 且第一和第二三聚物通过的场蒸发而被去除。在到达该电位之后，尖端电位 被减小至+18.86kV并且图49中的FIM图像被记录。
根据在实例1中所确定的标准，尖端被确定为可用的并且从FIM去除。 大约一个月之后，尖端被安装入如在实例1中所述配置的氦离子显微镜中。 三聚物如实例1中所描述的工艺被再建和蒸发多次，除了没有使用氧气之外。 而是，三聚物再建工艺依靠施加特定的负电位偏置至尖端(以便产生50pA 的电子发射流)，同时以施加于加热器线的4.6A的电流加热尖端，导致加热 器线的可见的发光持续20秒。尖端保持在氦离子显微镜中并且提供超过四 周的使用，而无需排空系统以便维护尖端。在该期间，使用如上所述的涉及 负施加的电位偏置和加热的过程，尖端被再建多次。尖端的再建的三聚物的 SFIM图像在图50中被示出。
使用具有该尖端的He离子显微镜所记录的半导体样品的图像在图51中 被示出。样品包括沉积于氧化硅衬底的表面上的铝金属。未知的涂层被沉积 在各个这些材料的顶部。
1V的最大值的扫描电压被引入于扫描偏转器上以在样品上产生10μm 的视场。第一和第二透镜、对准偏转器和像散修正器的电位被调整，以便控 制通过孔径的He离子束的部分，且控制样品位置的束焦点的质量，如在实 例1中所述。在成像期间样品被倾斜和平移以便揭示侧壁的三维性质和细节。
图51中所示出的图像通过测量来自样品表面的二次电子而被记录。 MCP探测器被定位于距样品10mm的距离，并且平行于样品的表面取向。 MCP格栅和前面相对于公共外接地以+300V被偏置。He离子束流是4pA 并且平均离子能量是21.5keV。总的图像探测时间是30秒。
使用该尖端所摄取的另一半导体样品的图像在图52中示出。样品是具 有由金属形成的表面特征的多层半导体装置。该图像通过测量归因于样品与 入射的He离子的相互作用而离开样品的二次电子而被记录。150V的最大扫 描电压被施加于扫描偏转器以便在样品表面产生1.35mm的视场。
样品从俯视视角被观察，这示出了样品表面的许多特征。为了记录图像， 具有相对于公共外接地以+300V偏置的格栅和前面MCP的探测器被定位于 距样品10mm的距离，并且平行于样品的表面取向。He离子束流是15pA 并且平均离子能量是21.5keV。离子束以每像素10μs的驻留时间被栅扫描。
3.
在该实例中尖端使用如在实例2中所述的过程在氦离子显微镜中被制备 和对准。尖端的几何形状特征化根据在实例1中的过程进行。尖端根据实例 1中的标准而被接受使用。
通过直接或外推测量，可能以已知束流的和已知探测时间来获得样品的 图像。束流使用Faraday杯结合皮安培表(Model 487，Keithley Instruments， Cleveland，OH)而被精确地监测。尖端区中的He压力也使用Baynard Alpert 型离子化测定仪器(可以从Varian Vacuum Inc，Lexington，MA获得)而被仔 细地监测。在其中He离子流太低以至于不可以被精确地测量的状态(例如， 小于大约0.5pA)，离子流根据测量的He气体压力外推而被确定。典型地， He气体压力和He离子流相互线性成比例，并且一尖端之间的线性关系是一 致的。
样品是具有形貌特征的金格栅样品(部件号02899G-AB，从Structure Probe International，West Chester，PA获得)。样品通过测量响应入射He离子 从样品表面的二次电子发射而被成像。为了记录图像，40mm直径的环形， chevron型MCP探测器(从Burle Electro-Optics，Sturbridge，MA获得)被定位 于距样品10mm的距离，并且平行于样品的表面取向。探测器占据大约1.8 球面度的立体角并且相对于离子束对称。探测器直接安装在第二透镜的底 部，如在图66中所示出的。MCP的前表面相对于公共外接地被正偏置 (+300V)，并且还存在正偏置(相对于公共外接地)的内部金属格栅 (+300V)。
平均离子能量是20keV。样品的图像分别用1pA、0.1pA和0.01pA的 束流测量，并且分别在图53、54和55中示出。总图像探测时间分别是33 秒、33秒和61秒。
对于前两个图像(图53和54)，图像尺寸是1024×1024像素。对于第 三个图像(图55)，图像尺寸是512×512像素。在各图像中，大约2V的最 大扫描电压被施加于扫描偏转器以便在样品表面产生20μm的视场。
为了确认散射的氦离子和/或中性原子不显著地贡献于这些被记录的图 像，格栅和MCP偏置电位被改变至-50V，而没有信号被观察到。这些图像 的噪声成份被确认为低于对于相同的流、相同的像素数量、和相同的总探测 时间用样品的SEM图像所获得的噪声成份。
4.
尖端使用如实例1中所述的方法被安装在支撑组件中并且被制造，除了 在支撑组件中，贴附至源基的两个支柱被相互相向地预弯曲，如在图56中 所示出的。该弯曲允许加热器线横越显著较短的长度。加热器线如在实例1 中所述是具有180μm直径的多晶钨线。采用该弯曲的支柱，5mm的加热器 线长度被使用。较短的加热器线长度的优点是线的长度的刚度随着线长度的 减小而增加。发射器线如在实例1中所述以通常的方式固定。
较短的加热器线的增加了的刚度通过施加相同的力至两个不同的尖端 而被观察到，一个尖端被安装在实例1中所述的类型的支撑组件中，并且另 一个安装在图56中所示出的支撑组件中。响应于被施加的力的两个尖端的 偏转被比较。与实例1类型的支撑基相比，弯曲支柱支撑组件偏转的量小6 倍。结果，弯曲的支柱型支撑组件的自然振动频率(大约4kHz)比实例1 的支撑组件的自然振动频率高大约2.5倍。在较高的频率下，当在显著低于 自然振动频率的振动频率被激励时，支撑基和尖端一致地运动(例如，具有 可以忽略的相移)。当在He离子显微镜中实施时，在弯曲支柱源组件中相对 低的尖端的振动减小了离子显微镜图像具有可感知的图像非自然信号，例如 归因于尖端振动的束着陆误差的可能性。
5.
尖端根据在实例1中所述的过程被制备，除了使用了不同的加热器线之 外。在该实例中所使用的加热器线具有比实例1中的加热器的直径大大约25 ％的直径。较厚的加热器线相对于振动运动较少顺从，因为，通常，线的刚 度随着直径增加而增加。另外，该较厚的加热器线由钨铼合金形成(74％钨， 26％铼)。所述合金线比实例1的钨加热器线具有显著较高的电阻性；总加 热器线的电阻被测量为大约0.5欧姆。合适的钨铼合金线从Omega Engineering(Stamford，CT)获得。
较厚的加热器线增加了包括尖端的支撑组件的自然频率，从大约1.5kHz (实例1)增加至大约2.2kHz(该实例)。当在He离子显微镜中实施时， 采用该加热器线组件的源组件中相对低的尖端的振动减小了离子显微镜图 像具有可感知的图像非自然信号，例如归因于尖端振动的束着陆误差的可能 性。
6.
尖端通过如在实例1中所述的工艺形成，除了加热器线被热解碳块(从 MINTEQ International Pyrogenics Group，Easton，PA获得)替代之外。源组件的 支柱被相互相向弯曲并且被机械加工以便具有平行的平坦表面。为了安装发 射器线，支柱被撬开并且两块热解碳被插入在支柱之间。发射器线被放置在 所述碳块之间并且随后支柱被释放。通过支柱施加至碳块的压力夹持块和发 射器线在支撑组件上的适当位置，避免发射器线相对于支撑基的相对运动。 在图57中示出了支撑组件的一部分，包括弯曲的支柱、两个碳块、和发射 器线。
热解碳块的尺寸被选择，使得碳块和发射器线处于受压状态。在没有在 适当位置的碳块的情形，弯曲支柱之间的间隔是1.5mm。碳块每个具有沿 两个弯曲支柱之间的方向的700μm的长度。发射器线具有250μm的直径。
热解碳块相对于弯曲支柱为了最大电阻和最小导热性而取向(例如，热 解碳块中的碳平面大致垂直于连接支柱的线取向)。支撑组件的电阻在 1500K被测量为4.94欧姆，比实例1的支撑组件的电阻(0.56欧姆)大。加 热尖端至1500K所需的功率是6.4W(与加热实例1中的尖端至1500K所需 的大约11W相比)。尖端相对于源基被相对牢固地夹持，由于加热器线的缺 失。该支撑组件的振动频率大于3kHz。
当在氦离子显微镜中实施例时，在该源组件中尖端的相对低的振动-通 过在尖端的任一侧上施加于热解碳块的压力而固定在位-减小了离子显微 镜图像具有可感知的图像非自然信号，例如归因于尖端振动的束着陆误差的 可能性。
7.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装和配置 在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改变如 下所述。
显微镜系统被配置以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而离 开样品的二次电子。MCP探测器(相似于在实例3中所描述的探测器的配 置)被用于记录样品图像。
样品是钢，并且形状是球面且成份均匀。He离子流是1.0pA并且平均 离子能量是20keV。离子束以10μs每像素的驻留时间被栅扫描。施加于扫 描偏转器的最大电位(大约100V)在样品表面产生大约1mm的视场。
样品的图像在图58中示出。图像反映了样品的总二次电子产率的测量。 图像揭示了在右手边缘的提高的二次电子产率。提高的产率来自接近样品表 面的离子束的增加的路径长度，在样品的表面二次电子可以逃逸。发现二次 电子产率增加大致与sec(α)成比例，这里α代表入射的He离子束和样品表 面的法线之间的角度。
第二样品的图像在图59A和59B中示出。图59A中示出的样品的成像 条件与在该实例中结合第一样品所讨论的相同。
在20keV的能量，He离子束深深地穿透进入样品(大约100nm)才显 著地发散。结果，样品图像的边缘示出相对窄的亮边效应(例如，减小了的 边缘模糊)。例如，在图59A中的图像从He离子显微镜被记录，而在图59B 中的图像使用标准SEM记录。在两个图像中，信号都仅来自二次电子的测 量。在图59B中所示出的SEM图像中，SEM在2keV电子束能量和30pA 束流的成像条件下工作。
观察到亮边在He离子显微镜图像中可识别地更窄，这相信是与入射的 电子相比，在样品表面He离子的较小的相互作用体积的结果。当He离子 束穿入样品时，He离子束保持相对校准。相反，SEM电子束在直接相邻于 样品表面就产生显著较宽的相互作用体积。结果，通过入射的电子束所产生 的二次电子来自于从表面上的标称电子束的位置延伸几个纳米的表面区。结 果，SEM的亮边效应显著较宽，如通过视觉比较图59A和59B中的图像可 以看到的。
为了数字比较这两个图像中的亮边效应，在各图像中横过公共边特征进 行线扫描。结果在图67A和67B中示出，其分别对应于图59A和59B。线 扫描区是1像素宽50像素长。对应于边特征的线扫描中的强度峰，在SEM 图像中比在对应的He离子显微镜图像中，具有宽40％的半峰全宽(FWHM)。 如上所述，在He离子显微镜图像中观察到的减小的边宽度是相对于电子在 样品表面He离子的较小的相互作用体积的结果。
8.
尖端按照如实例1中所述的过程被制备，并且尖端几何形状性能的特征 化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端使用在实例1中所述的过程在FIM中被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，其配置的 改变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而 离开样品的二次电子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品 图像。
各种样品被测量以便定量地确定许多材料的二次电子产率。各样品由要 被测试的材料的平坦片构成。定位在样品上方2mm的距离，是具有低填充 因数(例如，大多数是开放空间)的金属屏幕。皮安培表(Keithley Instrument Corporation，Cleveland，OH)与Faraday杯结合被用于测量样品流，Faraday杯 通过在各样品的表面中机械加工沟槽而被集成入各样品。
各实验以通过定位He离子束的He离子流的测量而开始，使得He离子 束入射在各样品中的Faraday杯上。接着，将He离子束栅扫描过样品，同 时相对于公共外接地的可变偏置被施加至屏幕，并且来自样品的二次电子流 被测量。
He离子束被故意地散焦(至100nm的斑点尺寸)以便最小化污染或荷 电的矫作物。屏幕偏置电位从-30V至+30V以增量被调整，并且对于各偏置 电位进行二次电子流的测量。各测量用22.5keV的He离子束能量和13pA 的束流进行。图60中的图示出了硅样品的结果。
在图的左边，这里屏幕被负偏置，由于样品与入射的He离子的相互作 用而离开样品的所有二次电子被返回至硅样品。He离子束流和二次电子流 大致相等，从而产生可忽略数量的自由二次离子和被散射的氦离子。在图的 右边，这里屏幕被正偏置，由于样品与入射的He离子的相互作用而离开样 品的所有二次电子加速离开样品。测量的样品流是He离子流和二次电子流 的和。根据这些测量，对于22.5keV氦束入射(垂直入射)于平坦的硅样品 上的二次电子产率是大约(44-13)/13＝2.4。
对于各种材料在像素的测量条件下遵循相似的测量过程。结果归总在下 面的表中。
材料 二次电子产率 铝 4.31 硅 2.38 钛 3.65 铁 3.55 镍 4.14 铜 3.23 铟 4.69 钨 2.69 铼 2.61 铂 7.85 金 4.17 铅 4.57
这些相对大的二次电子产率，和不同材料的广泛范围的值，导致了通常 的观察，即根据二次电子的探测的He离子显微镜图像提供了区分不同材料 的一种好的方法。举例而言，图61A是使用氦离子显微镜记录的，衬底表面 上对准十字(alignment cross)的二次电子图像。大约1.5V最大值的扫描电 压被引入于扫描偏转器上以在样品上产生15μm的视场。MCP探测器被定位 于距样品10mm的距离，并且平行于样品的表面取向。MCP的格栅和前面 相对于公共外接地以+300V被偏置。He离子束流是5pA并且平均离子能量 是27keV。离子束以150μs每像素的驻留时间被栅扫描。
图61B是取自相同特征的SEM二次电子图像。SEM在实验确定的最佳 成像条件下工作，这些条件是2keV的电子束能量和30pA的束流。其它的 束流、扫描速率、和束能量被尝试，但是无一给出更好的对比。
He离子显微镜图像示出了形成对准十字的不同材料之间的更大的对比， 因为入射的He离子束相对于入射的电子束在二次电子产率上的更大的差 别。在对准十字中的两种材料可以容易地在图61A的图像中被视觉识别。但 是，如在图61B中所定性地观察到的，对于SEM的入射电子束，两种材料 具有相似的二次电子产率。
9.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而 离开样品的二次电子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品 图像。MCP的前端相对于公共外接地被偏置为+100V，其前面的格栅也如此。 在该配置中，MCP能够收集几乎所有由于样品与入射He离子的相互作用而 离开样品的二次电子，除了在被正偏置的样品的区中产生的二次电子之外。 这些电子由于正电位偏置而返回样品而不是完全从样品被解放并且被MCP 所探测。
由于从入射的He离子束达到的正电荷，和离开的负电荷(二次电子)， 样品的区被正偏置。对于给定的He离子束流在样品上引入的电压偏置的大 小取决于样品被暴露的区的电容和/或电阻，相对于样品的周边部。这些差别 导致不同的样品区的不同的二次电子的收集，根据样品的电容和/或电阻特 性。被探测的二次电子收集的差别产生使用He离子显微镜记录的样品的图 像的对比。用这种方式，样品的电特性根据二次电子图像而被确定。
在图62中，示出了样品的二次电子图像。样品的特征是沉积于绝缘衬 底的表面上的一组铝线。最大值3V的扫描电压被引入于扫描偏转器上以便 在样品上产生30μm的视场。He离子束流是5pA并且平均离子能量是26 keV。离子束以100μs每像素的驻留时间被栅扫描。
样品图像示出了一系列明亮的、周期性的铝线。在这些亮线之间的空间 为一系列暗线。图像中的中间亮线示出了清楚的边界，在此之外线是暗的。 根据样品的性质，亮线对于地具有低电阻路径，或可能相对于地具有非常高 的电容，并且因而它们基本不因为He离子束的作用而被偏置。
暗线在He离子束的影响下被正偏置，并且因而这里产生的二次电子返 回到样品。为了确定是否该效应归因于暗线的电容或电阻特性，暗线在He 离子束下被观察一段时间。如果该效应是电容性的，则线随着时间的过去变 得越来越暗。
对于中间的铝线的从亮至暗的转变可以指示例如线上的电断开的存在。 线的下面的明亮的部分可能不与上面的线的暗的部分完全电接触。图63示 出了使用上述的测量配置记录的另一样品的图像。样品包括在硅衬底上由铜 形成的线和其它特征。最小的特征是多个字母(“DRAIN”)的形式。在这些 特征上的正电位偏置随着时间图像探测的进程而增加，其证据是观察到各字 母的顶部展示出明亮而各字母的底部展示出暗。在该图像中的栅扫描从顶部 至底部进行。结果，样品的表面上的偏置机制主要是电容性的。
10.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而 离开样品的二次电子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品 图像。MCP的前端相对于公共外接地被偏置为+300V，其前面的格栅也如此。 在该配置中，测量的信号几乎完全来自二次电子。这通过偏置MCP前端至 -300V，不改变MCP增益，并且观察测量的信号减小到接近于零而被验证。
3V最大值的扫描电压被引入于扫描偏转器上以便在样品上产生30μm 的视场。He离子束流是10pA并且平均离子能量是22keV。离子束以100μs 每像素的驻留时间被栅扫描。
包括3个不同的层的样品被成像。最上面的金属层由构图的线构成，该 线由铜形成。下一层由介电材料构成。底部的层由另一由铜形成的不同构图 的金属层构成。样品的图像在图64中示出。图像以亮白清楚地示出了最上 面的金属层图案，叠加在对应于底部(表面下)金属层的灰图像特征上。在 该图像中表面下金属层看上去较为暗淡并且稍微模糊。
测量的信号是在样品的表面通过散射的He离子和中性He原子两者所 产生的二次电子的结果。该评估通过负偏置MCP和屏幕并且注意几乎没有 信号被探测到而被验证。由于样品与入射的He离子的相互作用而离开样品 的二次电子产生在图64中的金属层表面的图像。表面下的金属层的图像被 穿透进入样品并且变得中性化的He离子所产生。中性He原子从表面下层 散射，并且其一部分返回至表面，在那里在其脱离时，它们产生二次电子。 这说明了表面下特征的模糊和暗淡的图像。
11.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而 离开样品的二次电子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品 图像。MCP的前端相对于公共外接地被偏置为+300V，在其前面的格栅也如 此。在该配置中，测量的信号几乎完全来自二次电子。这通过偏置MCP前 端至-300V，不改变MCP增益，并且观察测量的信号减小到接近于零而被验 证。
15V最大值的扫描电压被引入于扫描偏转器上以便在样品上产生150 μm的视场。He离子束流是10pA并且平均离子能量是21.5keV。离子束以 100μs每像素的驻留时间被栅扫描。
被成像的样品由钨焊接件构成。钨被加热至其熔点之上并且随后被冷 却，形成不同的晶畴，具有晶粒之间的陡峭的边界。样品通过测量由于样品 与入射的He离子的相互作用而离开样品的二次电子而成像。
样品的图像在图65中示出。图像示出了截然不同的较亮和较暗的晶粒。 重叠于该背景上的是跨过几个晶粒的明亮的图像特征。明亮的特征对应于表 面形貌起伏图案，这提高了由于在此所公开的形貌效应而产生的二次电子。 各种晶粒的对比图像强度归因于晶畴相对于入射的He离子束的相对取向。 当特定的晶粒中钨晶格被取向使得He离子束几乎以平行于低指数晶体方向 进入时，在表面被散射的概率低，并且使得离子束深深地穿入颗粒。结果， 在材料的表面的二次电子产率相对较低，并且晶粒在图像中展示为较暗。反 之，当具体的晶粒中钨晶格被取向使得He离子束入射在高指数结晶方向上 时，在晶粒的表面被散射的概率高。结果，在材料的表面的二次电子产率相 对较高，并且晶粒在图像中看上去较明亮。
12.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量由于样品与入射的He离子的相互作用而 离开样品的二次电子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品 图像。MCP的前端相对于公共外接地被偏置为-100V，在其前面的格栅也如 此。在该配置中，由于施加的负电位偏置，二次电子不到达MCP。通过MCP 测量的信号来自入射于MCP的前面上的散射的He离子和中性He原子。
15V最大值的扫描电压被引入于扫描偏转器上以便在样品上产生150 μm的视场。He离子束流是10pA并且平均离子能量是21.5keV。离子束以 100μs每像素的驻留时间被栅扫描。
被成像的样品是也在实例11中被检验的钨焊接样品。如前所述，钨焊 接包括特定的晶畴，具有晶粒之间的陡峭的边界。
样品通过探测入射至MCP上的He原子和He离子的丰度而成像。使用 该测量过程获得的样品的图像在图68中示出。图像示出了明亮和暗淡的晶 粒。对于特定的晶粒，如果晶粒中钨晶格被取向使得He离子束沿相对低指 数晶体方向入射时，存在He在晶粒的表面散射的低概率。结果，在散射出 现之前离子束相对深地穿入晶粒。结果，He离子(或He中性原子，当He 离子与样品中的电子结合时产生)较小可能离开样品并且被MCP探测器所 探测。在被记录的图像中，具有这些特性的晶粒展示为暗。
反之，如果晶粒中钨晶格被取向使得He离子束沿相对高指数结晶方向 入射时，存在在晶粒的表面He散射的高概率。结果，在散射之前离子束穿 入晶粒平均相对浅。结果，He离子和/或中性He原子相对更可能离开样品 表面并且被MCP探测器所探测。因此在图68中所示出的图像中，相对于入 射He离子束具有高指数晶向的晶粒展示更为明亮。
参考在图65中所示出的图像，在图68的图像中的形貌信息显著地减小， 因为图像根据散射的He粒子而不是二次电子被记录。具体地，出现在图65 中的图像上的一系列亮线多数从图68中的图像被去除。形貌信息的缺失使 得图68中的图像相对更容易解释，尤其是在图68中的被测量的强度被用于 定量确定样品中的晶畴的结晶特性(例如相对取向)的情形。
13.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量响应于入射的He离子的从样品散射的He 离子和中性He原子。探测器-缩小的MCP-被安装在电动机的轴上。铜带 被用于覆盖MCP的前面以便限制通过MCP的He离子和/或中性原子的测 量。铜带中的小圆孔允许散射的He离子和/或中性原子到达MCP，仅当粒 子落在窄的角度范围之内时。在该实例中，He离子和/或中性原子的测量被 限制为对应于0.01球面度的角度范围。铜带和MCP的前面相对于公共外接 地被偏置为-100V，使得二次电子不进入MCP探测器。
探测器被定位于距样品30mm的距离。电机允许MCP探测器相对于样 品旋转。以便在不同的角度的范围探测离开样品的He离子和/或中性原子。 典型地，例如，电极允许MCP大约180°的旋转。
样品是直径大约为1mm的铜球。电机相对于样品定位，使得样品沿电 极轴的轴定位。铜球样品，当被暴露于He离子束时，由于样品表面的形状， 以宽的角度范围提供了散射He离子和中性原子。即通过将入射的He离子 束扫描过样品的表面，可以实现各种不同的入射角(例如，He离子束和样 品表面法线之间的角)。例如在铜球的中心，He离子束的入射角是0°。在球 的边缘(从He离子束的视角观察)，入射角大约是90°。在铜球的中心和边 缘之间的中间位置，从简单的三角学，入射角是大约30°。
样品被定位在He离子束下，并且探测器相对于样品被定位，如上所述。 He离子束流是15pA，并且He离子束中的平均离子能量是25keV。100V 的最大电压被施加至扫描偏转器以便在样品表面产生1mm的视场。从显微 镜系统的第二透镜至样品的距离(例如，工作距离)是75mm。这提供了允 许MCP探测器相对于样品旋转的足够的开放空间。
测量通过当探测器扫过相对于样品的半球弧的180°范围的角度来记录 铜球的位置而进行。He离子束有效地将样品的表面划分为两侧，且由于铜 球的凸表面，散射的He离子和中性He粒子仅可以从探测器被定位的侧被 探测。结果，在图69A中，样品的图像的强度分布看上去为新月形，具有对 应于探测器的位置的左边上的亮区。样品的右侧相对暗，由于在该方向中离 开样品的表面的散射的He离子和中性He粒子，使得它们不被探测器所测 量。
通过在各图像之间增加探测器的角度而记录了样品的连续的图像。总共 获得20个样品的图像，跨过探测器的扫描范围。某些图像不提供有用的信 息，因为探测器被定位使得它遮挡入射的He离子束，防止He离子入射在 样品的表面上。在图69B和69C中示出的图像分别对应于用定位于几乎直 接在样品上方和在样品的右侧上的探测器记录的样品的图像。在图69C中， 新月形强度分布被观察到相似于在图69A中所观察到的分布线。
根据记录的图像的定性检测，显然样品的形貌信息可以用在离轴位置的 探测器测量的图像确定(例如，图69A和69C)。从这些测量获得的信息可 以与样品的二次电子测量结合，例如，以便确定是否在二次电子图像中所观 察到的图像对比是由于样品的表面形貌，还是由于另一对比机制，例如样品 荷电或材料成份。采用在已知位置的探测器，可以根据被记录的图像，区分 样品的表面上的隆起和凹陷。小探测器接收角和对于各记录的图像的探测器 的已知位置还可以用于确定样品的定量表面起伏信息(例如，高度)，通过 测量图像中表面特征的阴影长度并且利用入射He离子束相对于表面特征的 已知的角度。
样品的图像还揭示了，根据探测器相对于样品的取向，样品的某些边缘 展示明亮的边缘效果，而其它边展示出暗淡的边缘效应(见图69A，例如)。 该信息被用于配置的探测器的设计以便从样品减少形貌信息的测量。探测器 设计平衡了探测角以便提供接近均匀的边缘效应。结果，例如铜球的样品的 图像展示出均匀的亮度，强度的变化来自样品中的材料差别。
从样品记录的图像数据被分析以便确定样品表面的被选择的区域的强 度如何随着探测器被扫描而改变。强度的变化归因于离开样品表面的He离 子和He中性原子的角分布，并且该分析提供了角分布的信息，这些信息有 时被称为发射波瓣。
图70A示出用接近轴上的探测器记录的采用入射He离子束的样品的图 像，即探测器以大约0°的角度测量散射的He离子和中性He原子。由矩形 框所指示的样品表面的区，被隔离为一系列的图像并且受到进一步的分析。 在图70B中所示出的图中，粗水平线示意性地表示样品的表面，并且细垂直 线表示入射的He离子束。点代表散射的He离子和中性He原子在不同的探 测器位置的平均测量强度。点被绘制在极坐标中，这里极坐标的原点是样品 的表面上He离子束的入射点。给定点的角位置对应于探测器的角位置，并 且从原点至各点的径向距离代表在特定角探测器位置的平均测量强度。分析 每个对应于不同的探测器位置的样品的单独的图像，以便提供在图70B中示 出的角强度。各点对应于在不同的探测器位置记录的图像。
点的极坐标阵列形成了发射瓣图。图在形状上基本是圆环形(除了离子 束被探测器所遮挡的几个失去的点之外)，并且对应于围绕原点的余弦分布。
在图71A中，样品的图像用指示使用多样品图像分析的样品表面的不同 区的矩形框示出，以便确定来自样品的散射的He离子和中性原子的角强度 分布。在该情形，散射或反射角是相对于入射He离子束大约40°。
在图71B中所示出的角发射强度的极坐标图以结合上述图70B所述的 方式构造。在该角度的瓣的形状指示散射/发射优先被导向离开入射的He离 子束。
该分析在样品表面的各种不同的区上重复(对应于各种不同的角度)， 以便建造作为铜球样品的角度的函数的散射的He离子和中性He原子的分 布的相对完整的图像。
14.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量响应于入射的He离子的从样品散射的He 离子和中性He原子。MCP探测器(如在实例3中所述)被用于记录样品图 像。MCP的前端相对于公共外接地被偏置为-300V，在其前面的格栅也如此。 在该配置中，由于施加的负电位偏置二次电子不到达MCP。被MCP测量的 信号来自入射于MCP的前面上的散射的He离子和中性He原子。从样品的 角度，MCP探测的He离子和He原子来自大约1.8球面度的立体角内。立 体角相对于入射束方位角对称，如在图66中所示出的。
从实例13，对于铜球观察到的亮和暗边缘效应提供了关于探测器的设计 和配置的信息，当探测器用于通过测量散射的He离子和/或中性原子而成像 样品时，在测量的信号中减小了的形貌信息的量，并且更精确地反映了材料 成份的差别而不是样品的局部表面形貌的差别。对于在图66中所示出的 MCP探测器，根据散射的He离子和中性He原子的测量形成的图像中的形 貌信息的减小可以被观察到，如果MCP被定位于距样品大约25mm的工作 距离。
包括不同材料的样品可以随后被成像并且材料被可靠地视觉上被相互 区分。包括4种不同材料的样品-镍基层、碳涂层、铜格栅、和金线-使用 He离子显微镜被成像。He离子束流是1.1pA并且平均He离子能量是18 keV。4V的最大电压被施加于扫描偏转器以便实现在样品表面的40μm的视 场。总的图像探测时间是90秒。
所得的图像在图72中示出。对于样品中的4种不同材料的每个，观察 到不同的强度。这是下列事实的后果，即入射在特定材料上的He离子的散 射几率取决于材料的原子序数。在图72中，甚至具有相似原子序数的材料 也可以被区分。例如，铜(原子序数29)可以视觉上与镍(原子序数28) 区分。
图73示出了包括在硅晶片下面的铜层的样品的图像，具有覆盖晶片的 氧化物层。图像使用配置得探测散射的He离子和中性He原子的He离子显 微镜系统而被测量，如较早前在该实施例中所述。样品包括通过引导激光入 射于样品表面上而被产生的表面结构特征。激光引起下面的铜层的爆炸性喷 发。图像的视觉检测揭示了来自在样品中存在的不同材料的图像对比(例如， 图像强度变化)。从例如在图73中的图像的图像，可以确定样品中不同材料 的分布。
15.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量响应于入射的He离子束而从样品发射的 光子。样品的图像从通过光电倍增管(model R6095，Hamamatsu Photonics K.K.，Toyooka，Japan)产生的信号来构造。光电倍增管具有端向前(end-on) 的窗口，相对高的量子效率，和从200nm至700nm的宽的频谱响应。管采 用可以增加至1200V的信号增益运行，或至输出信号到达信号链白噪声水平 而不过饱和的情形。光电倍增管被定位于距样品15mm的距离并且面对样 品被取向，在该配置中，管对向大约2球面度的立体角。
氯化钠(NaCl)的样品使用光电倍增管探测器被成像。对于这些测量， He离子束流是10pA并且平均He离子能量是25keV。样品用500μs每像 素的驻留时间被栅扫描。150V的最大电压被施加于扫描偏转器以便产生样 品表面的1.35mm的视场。
样品的图像在图74中示出。图像对比(例如，图像强度中的变化)在 不同的NaCl晶体中显见。光子在样品中可以通过两个不同的机制被产生。 首先，光子可以通过相似于在SEM图像中所观察到的阴极发光的过程而被 产生。在该机制中，样品的原子被激励至较高的能量状态。光子在后续的去 激励过程中被发射。当来自入射束的He离子返回至低层能量状态时，光子 被发射。
被暴露于He离子束并且从其发射的光子被探测的其它样品包括塑料、 闪烁体、和有机材料。
16.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
尖端相对于提取器以+19kV被偏置，并且He气以2×10-5Torr的压力被 引入尖端附近。Faraday杯被放置在第二透镜之外，并且第一透镜和对准偏 转器被用于聚焦束，使得基本上来源于尖端三聚物原子之一的所有He离子 穿过孔径(直径600μm，定位于距尖端370mm)，并且来源于另外两个尖 端三聚物原子的基本所有的He离子被孔径遮挡。在穿过孔径之后，He离子 束被第一透镜聚焦入Faraday杯。在该配置中，像散修正器、扫描偏转器、 和第二透镜被关闭。
来源于尖端原子的总He离子流使用皮安培表(model 487，Keithley Instruments，Cleveland，OH)结合Faraday杯测量为300pA。Faraday杯是圆柱 形金属杯，具有大约6比1的深-直径比。
此后，第一透镜被关闭。在尖端产生的各He离子继续以直线旅行，从 尖端发散。孔径截取大多数He离子束并且允许其仅少量中心部进一步向下 通过剩余的离子柱。穿过孔径的He离子束的部分用Faraday杯测量，产生 穿过孔径的5pA的测量的He离子流。He离子束的角强度随后被计算为穿 过孔径的He离子束流(5pA)除以就尖端的角度而言的孔径的立体角。由 尖端的顶点和孔径形成的半锥角被计算为tan-1(0.300/370)＝0.046°＝8.1× 10-4弧度。对应的立体角被计算为2.1×10-6球面度(sr)。根据立体角，He 离子束的角强度被确定为2.42μA/sr。
He离子源的亮度从He离子束的角强度和虚源尺寸确定。虚源尺寸通过 检验在尖端的锐化期间记录的尖端的FIM图像而被估计。从该图像，显然对 应于尖端三聚物原子的单独的离子化盘是不重叠的。此外，从钨的结晶已知 三聚物原子被隔开大约5埃。因此，实际的离子化盘被估计具有大约3埃的 直径。
虚源尺寸通常小于实际的离子化区。虚源尺寸使用先前所讨论的通常的 过程来确定：一旦离子在离子源的电场区之外(例如，尖端和提取器附近的 区)，通过反向投射100个He离子的渐近线轨迹。反向投射轨迹移动得更加 相互接近，直至其穿过其中它们相互在空间上最接近的空间的区，并且随后， 它们再次发散。反向投射的最接近的空间的圆直径被界定为虚源尺寸。
作为上边界，我们使用3埃的值作为虚源的直径。在显微镜被配置以便 允许仅起源于单个尖端原子的He离子束的部分穿过孔径的情形，虚源尺寸 可以显著地较小。亮度被计算为角强度除以虚源尺寸的面积A，A＝π(D/2)2。 离子源的亮度是3.4×109A/cm2sr。
减小的亮度被计算为亮度除以用于提取束的电压(例如，施加至尖端的 电压偏置)。尖端对于提取器的电压是19kV，并且该减小的亮度是1.8× 109A/m2srV。
Etendue是He离子束的虚源尺寸和其角发散(作为立体角)的乘积的测 量。使用上述确定的亮度，etendue被确定为1.5×10-21cm2sr。
减小的etendue是etendue乘以He离子束电压。减小的etendue，根据上 述计算的etendue，被确定为(使用+19kV的尖端偏置电压)2.8×10-17 cm2srV。
17.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便使用ET探测器测量二次电子。探测器被定位 于垂直距离样品(平行于He离子束)10mm的距离，放置在横向离样品25 mm，并且向样品倾斜。ET屏幕相对于公共外接地以+300V的电位被偏置。
He离子束流是1pA，并且束中的平均离子能量是22keV。He离子束以 100μs每像素的驻留时间被栅扫描过样品的表面。100mV的最大电压被施 加于扫描偏转器以便在样品表面上产生1000nm的视场。
样品包括形成于碳衬底的表面上的金岛，并且从Structure Probe Inc. (West Chester，PA)获得。使用上述测量配置记录的样品的图像在图75中被示 出。被重叠于图75中的图像上的矩形所指示的样品图像的区被选择，以便 检验用He离子显微镜观察到的边缘对比的质量。由矩形指示的区包括接近 垂直的金边。所述区包括20行，各行具有57个像素。被选择的区的扩展图 在图76中示出。
被选择的图像区的各行被如下单独地分析。首先，为了减小噪声，各行 用3像素的带宽的Gaussian核使用MathCAD ksmoot函数(PTC Inc.，Needham， MA))而被平滑。图77示出了曲线图，其上绘制了特定线(线#14)在平滑之 前(点)和平滑之后(曲线)的像素的强度值。垂直轴对应于图像强度，范 围从0(黑)至255(白)。水平轴对应于像素号，范围从0(左边)至57(右 边)。
对于在图像的被选择的区中的各强度线扫描，左至右的亮至暗的转变的 中心通过找到强度线扫描的一阶导数的最小值而被确定。对于具有左至右暗 至亮的转变的边，转变的中心通过确定强度扫描线的一阶导数的最大值的位 置而被找到。
各线随后被修整以便包含正好21个像素。修正操作使得转变点、该转 变点前的10个像素、和该转变点后的10个像素被保留在各线中。在各被修 整的线中开始的5个像素的强度值被一起平均并且平均值被识别为100％的 值。在各被修整的线中最后的5个像素的强度值被一起平均并且平均值被识 别为0％的值。来自各线扫描的平滑数据随后根据100％和0％的值被重新调 节。来自图77的重新调节的数据在图78中被示出。
参考图78，75％和25％的值参考0％和100％的值而被确定。He离子 束的斑点尺寸随后被确定为25％和75％值之间沿水平轴的分离。根据在图 78中的数据，斑点尺寸被确定为3.0像素。像素尺寸使用在测量配置中的已 知的视场和图像中的像素数被转换为纳米。对于该测量，视场是641nm，并 且跨过视场存在656个像素。He离子束的斑点尺寸因而被确定为2.93nm。 这对于在图像的选择的区中的20线的各线被重复，并且所述结果被平均以 便产生2.44nm的平均He离子束斑点尺寸。
18.
尖端按照如在实例1中所述的过程被制备，并且尖端的几何形状性能的 特征化如在实例1中所述进行。尖端根据实例1中的标准被接受使用。
尖端在FIM中使用在实例1中所述的过程被锐化。尖端随后被安装并且 配置在He离子显微镜中。显微镜系统如在实例1中所述被配置，配置的改 变如下所述。
显微镜系统被配置，以便测量响应于入射的He离子而离开样品表面的 散射的He离子和中性He原子。如在实例3中所述的MCP探测器被定位于 距样品10mm的距离。相对于外部地0V的电位偏置被施加于MCP格栅和 前面。
He离子束流是1pA并且平均He离子束能量是26keV。He离子束以 100μs每像素的驻留时间被栅扫描过样品的表面。1.30V的最大电位被施加 于扫描偏转器以便在样品表面产生13μm的视场。
样品包括具有由多晶硅形成的表面特征的硅晶片衬底，其被认知为 Metrocal并且从Metroboost(Santa Clara，CA)获得。样品被取向使得He离子 束以相对于样品表面垂直的角度被入射。样品相对于公共外接地被偏置为 +19.4kV，使得入射离子束中的He离子以6.6keV的着陆能量到达样品。样 品和MCP探测器之间的大的电场避免二次电子到达探测器。基本上所有离 开样品的二次电子在该电场的影响下返回到样品表面。结果，MCP探测器 测量散射的He离子和中性原子。被探测器测量的中性He原子具有6.6keV 的最大能量，而被探测器测量的He离子在其到达MCP时被加速至26keV 的最大能量。
图79示出了使用上述的测量配置记录的样品的图像。样品表面上的各 种特征具有相对均匀的测量的强度，并且与衬底的强度不同。表面特征的边 缘的视觉检测揭示了不存在明显的亮边效应(例如，边缘模糊)，该亮边效 应可以导致信号链饱和并且可以使得边缘的精确位置难于被发现。另外，不 存在样品表面上荷电的矫作物的视觉证据；这样的矫作物如果存在，会作为 图像中的电压对比而表现。
通过样品的表面特征之一的水平线扫描在图80中被示出。线扫描的水 平轴示出像素号，并且垂直轴指示特定像素的被测量的图像。为了比较的目 的，相同的样品被成像在Schottky场发射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(对应于大约 13um的视场)。所得的图像在图81中示出，并且在图80中扫描的通过相同 特征的水平线扫描在图82中示出。
图82中的线扫描示出了显著的亮边效应，并且被成像的表面特征的边 的信号链接近饱和。在表面特征的本体中，SEM线扫描不示出相对均匀的 稳定状态的强度水平。而是，特征的本体中的强度水平到处或者增加或者减 小，除了特征中心的小的区之外。最后，SEM线扫描的非对称性指示了表 面特征的取决于时间的荷电出现在SEM照射期间。比较起来，通过探测散 射的He离子和中性原子所记录的特征的线扫描图像示出了显著地被减小的 边效应，并且没有明显的荷电矫作物。
也可以进行样品的表面上的特定特征的多次测量。如果进行特征的多次 测量，可能获得关于被测量的特征的尺寸的统计数据。例如，平均特征宽度、 特征宽度的标准偏差、和/或特征的第一边和/或第二边的位置的平均和标准 偏差可以被测量。Fourier法也可以用于分析一或更多的特征的边的位置，以 便确定对应于边缘形状的空间波长的频谱。
19.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜被配置以便在样品 的表面上暴露100μm2FOV于He离子束，该He离子束具有1pA束流，20keV 的平均离子能量，和FOV的0.1％的的样品表面上的束斑点尺寸。
为了从样品测量结晶信息，He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品 表面的FOV区。两维探测器被用于摄取在各步骤来自于样品表面的散射的 He离子。各二维图像对应于样品的表面上特定位置的菊池(Kikuchi)图案。 根据菊池图案，样品在该位置的晶体结构、晶格间距和晶向可以被确定。通 过在分立的步骤贯穿FOV测量菊池图案，获得了样品表面晶体结构的完整 的图。
为了从样品测量形貌信息，探测器被配置以便测量响应于入射He离子 束从样品产生的二次电子的总强度。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过 整个样品表面的FOV区，并且二次电子的总强度被测量为样品表面上He 离子束的位置的函数。被测量的结晶信息随后被用于去除样品中的晶体结构 的变化引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的二次电子总强度值被 用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水平通过在样品上He 离子束对应的位置的二次电子的修正的强度而被确定。形貌信息通过所述图 像被提供，所述图像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
20.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了从样品测量结晶信息，He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品 表面的FOV区。探测器被用于测量作为样品表面上的He离子束的位置的函 数的散射的He离子的丰度。被测量的总丰度值被用于构造样品的灰度图像， 其中在特定的图像像素的灰度水平通过在样品上对应的He离子束位置的He 离子的总测量的丰度而被确定。样品表面的不同取向的晶粒具有不同的散射 的He离子的产率，并且该图像将不同取向的晶粒显示为不同的灰度水平。 使用图像中的信息，晶粒和晶粒边界可以在样品表面被识别。
为了从样品测量形貌信息，总二次电子强度如实例19中所述被测量。 被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构变化所引起的对于二次 电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图 像，这里特定图像像素的灰度水平通过在样品上对应的He离子束位置二次 电子被修正的强度而被确定。形貌信息通过所述图像而被提供，所述图像示 出了FOV中样品的表面起伏图案。
21.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了从样品测量结晶信息，He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品 表面的FOV区。探测器被用于测量作为样品表面上的He离子束的位置的函 数的散射的He离子的丰度。测量的总丰度值被用于构造样品的灰度图像， 其中特定的图像像素的灰度水平通过在样品上对应的He离子束位置的He 离子的总测量的丰度而被确定。样品表面的不同取向的晶粒具有不同的散射 的He离子的产率，并且该图像将不同取向的晶粒显示为不同的灰度水平。 使用图像中的信息，晶粒和晶粒边界可以在样品表面被识别。一旦样品表面 上的晶粒边界被识别，则He离子束在样品表面上从一晶粒至另一晶粒被扫 描。在He离子束的各位置，二维探测器被用于摄取来自于样品表面的散射 的He离子的图像。各二维图像对应于样品表面的特定晶粒的菊池图案。根 据菊池图案，晶粒的晶体结构、晶格间距、和结晶取向可以被确定。通过贯 穿FOV测量各晶粒而不是各像素的单菊池图案，在较短的时间中获得样品 表面晶体结构的完整的图。
为了从样品测量形貌信息，总二次电子强度如实例19中所述被测量。 被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构变化所引起的对于二次 电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图 像，其中特定图像像素的灰度水平通过在样品上对应的He离子束位置二次 电子被修正的强度而被确定。形貌信息通过所述图像而被提供，所述图像示 出了FOV中样品的表面起伏图案。
22.从样品表面的形貌和结晶信息的测量
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
如在实例19中所述来自样品的结晶信息被测量。
为了从样品测量形貌信息，探测器被配置以便测量响应于入射的He离 子束而从样品产生的二次电子的总强度。样品相对于He离子束被倾斜，使 得He离子束以非垂直的角度被入射至样品的表面。He离子束在分立的步骤 中被栅扫描过样品表面的整个FOV区，并且二次电子的总强度被测量为样 品表面上He离子束位置的函数。被测量的结晶信息随后被用于去除样品中 晶体结构的变化所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总强度值 被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水平通过样品上对应 的He离子束位置的被修正的二次电子的总强度而被确定。形貌信息通过所 述图像被提供，所述图像示出了FOV中样品的表面起伏图案。相对于He 离子束倾斜样品可以揭示如果He离子束仅以垂直角度入射在样品表面上则 保持隐藏的形貌信息。
选择性地，样品倾斜可以随后被调整，使得He离子束以不同的非垂直 角度入射至样品表面，并且He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品表面 的整个FOV区。二次电子的总强度被测量为样品表面上He离子束位置的函 数，并且被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构的变化所引起的 对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总强度值被用于构造对应于He离 子束的第二非垂直入射角度的样品的第二灰度图像，其中特定图像像素的灰 度水平通过样品上对应的He离子束位置的被修正的二次电子的总强度而被 确定。从在两个不同的He离子束的入射角度测量的两个图像的信息可以随 后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
23.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例20中所述的被测量。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的二次电子的总强度如在实例22 中所述被测量。被测量的结晶信息用于去除在各离子束的入射角、由样品中 的晶体结构的变化所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次 电子强度值被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从在不同的 He离子束的入射角测量的两个图像信息可以随后被结合并且用于定量确定 样品表面的三维形貌信息。
24.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例21中所述的被测量。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的二次电子的总强度如在实例22 中所述被测量。被测量的结晶信息用于去除在各离子束的入射角、由样品中 的晶体结构的变化所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次 电子强度值被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从在不同的 He离子束的入射角测量的两个图像信息可以随后被结合并且用于定量确定 样品表面的三维形貌信息。
25.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例19中所述的被测量。
为了从样品测量形貌信息，2或更多的探测器，每个相对于样品以不同 的角度取向并且定位，被配置，以便测量响应于入射的He离子束而从样品 产生的二次电子的总强度。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品表面 的整个FOV区，并且二次电子的总强度作为样品表面上He离子束位置的函 数而被各个探测器测量。被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构 的变化所引起的对于各探测器的二次电子强度测量的贡献。被修正的总强度 值被用于构造一系列样品的灰度图像，各图像对应于探测器之一，其中特定 图像中的特定的图像像素的灰度水平通过样品上对应的He离子束位置的被 修正的二次电子的总强度而被确定。从被多个探测器所测量的图像的信息可 以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
26.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例20中所描述的被测量。为了测量来自样 品的形貌信息，来自样品的二次电子的总强度如在实例25中所述被测量。 被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构的变化所引起的对于各 探测器的二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度值被用于构造 样品的灰度图像，如在实例25中所述。从被多个探测器所测量的图像的信 息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
27.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例21中所描述的被测量。
为了测量来自样品的形貌信息，来自样品的二次电子的总强度如在实例 25中所述被测量。被测量的结晶信息随后被用于去除样品中晶体结构的变化 所引起的对于各探测器的二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强 度值被用于构造样品的灰度图像，如在实例25中所述。从被多个探测器所 测量的图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌 信息。
28.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例19中所描述的被测量。
为了测量来自样品的形貌信息，配置以测量He离子的探测器被定位以 便探测以大的散射角从样品表面散射的He离子。He离子束在分立的步骤中 被栅扫描过样品表面的整个FOV区，并且He离子的总丰度通过探测器作为 样品表面上He离子束位置的函数被测量。总丰度值被用于构造样品的灰度 图像，其中特定图像像素的灰度水平被样品上对应的He离子束位置的散射 的He离子的总的被测量的丰度所确定。形貌信息被所述图像提供，所述图 像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
29.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例20中所述的被测量。
来自样品的形貌信息如实例28中所述的被测量。
30.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例31中所述的被测量。
来自样品的形貌信息如实例28中所述的被测量。
31.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例19中所述的被测量。
为了测量来自样品的形貌信息，配置以测量He离子的二或更多的探测 器被定位，以便探测以大的散射角从样品表面散射的He离子。He离子束在 分立的步骤中被栅扫描过样品表面的整个FOV区，并且He离子的总丰度通 过探测器作为样品表面上He离子束位置的函数被测量。总丰度值被用于构 造对应于各探测器的样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水平被样品 上对应的He离子束位置的散射的He离子的总的测量的丰度所确定。从被 多个探测器所测量的图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表 面的三维形貌信息。
32.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例20中所述的被测量。
来自样品的形貌信息如实例31中所述的被测量。
33.从样品测量形貌和结晶信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
来自样品的结晶信息如在实例21中所述的被测量。
来自样品的形貌信息如实例31中所述的被测量。
34.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了从样品测量材料信息，配置以测量He离子的探测器被定位，以便 探测从样品被反向散射的He离子。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样 品表面的整个FOV区，并且被反向散射的He离子的总丰度被测量为样品表 面上He离子束位置的函数。被反向散射的He离子的总丰度的测量被用于 构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水平通过样品上对应的He 离子束位置的被反向散射的He离子的总测量的丰度而被确定。因为He离 子的散射截面粗略地取决于散射原子的原子序数的平方，所以图像中的强度 可以用于定量地确定样品的成份。
为了从样品测量形貌信息，如在实例19中所述，二次电子的总强度作 为样品表面上He离子束的位置的函数而被测量。被测量的材料信息随后被 用于去除样品中的成份变化所引起的对于总二次电子强度的贡献。被修正的 总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水 平通过被修正的总强度值而被确定。形貌信息通过所述图像被提供，所述图 像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
35.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例34中所述。
为了从样品测量形貌信息，如在实例22中所述，来自样品的二次电子 的总强度被测量。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由样品 中的成份变化所引起的对于二次电子强度的贡献。被修正的总二次电子强度 值被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从在不同的He离子束 的入射角测量的两个图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表 面的三维形貌信息。
36.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例34中所述。
为了从样品测量形貌信息，如在实例25中所述，来自样品的二次电子 的总强度被测量。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由样品 中的成份变化所引起的对于二次电子强度的贡献。被修正的总二次电子强度 值被用于构造样品的灰度图像，如在实例25中所述。从被多个探测器测量 的图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
37.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例34中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所述。
38.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例34中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所述。
39.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了从样品测量材料信息，配置以测量He离子的能量和角度解析探测 器被定位，以便探测来自样品的He。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过 样品表面的整个FOV区，并且散射的He离子能量和角度被测量为样品表面 上He离子束位置的函数。从散射的He离子的平均角度和能量，可以确定 散射原子的质量，并且可以确定样品的成份。
为了从样品测量形貌信息，如在实例19中所述，二次电子的总强度作 为样品表面上He离子束的位置的函数而被测量。被测量的材料信息随后被 用于去除样品中的成份变化所引起的对于总二次电子强度的贡献。被修正的 总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰度水 平通过被修正的总强度值而被确定。形貌信息通过所述图像被提供，所述图 像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
40.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例39中所述。
为了从样品测量形貌信息，如在实例22中所述，二次电子的总强度作 为样品表面上He离子束的位置的函数而被测量。被测量的材料信息被用于 去除在各离子束入射角、由样品中的成份变化所引起的对于二次电子强度的 贡献。被修正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，如在图22 中所述。从不同的He离子束的入射角测量的两个图像的信息可以随后被结 合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
41.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例39中所述。
为了从样品测量形貌信息，如在实例25中所述，来自样品的二次电子 的总强度被测量。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由样品 中的成份变化所引起的对于二次电子强度的贡献。被修正的总二次电子强度 值被用于构造样品的灰度图像，如在图25中所述。从被多个探测器所测量 的图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
42.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例39中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所述。
43.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例39中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所述。
44.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了测量材料信息，x射线探测器可以被用于探测响应入射的He离子 束从样品发射的x射线。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品表面的 整个FOV区，并且x射线发射谱作为样品表面上He离子束的位置的函数而 被测量。X射线谱中的某些发射线对于某些类型的原子是特有的，并且因而 根据被测量的x射线谱，在各步骤样品表面上的成份被确定。
为了从样品测量形貌信息，如在实例19中所述，二次电子的总强度作 为样品表面上He离子束的位置的函数而被测量。被测量的材料信息随后被 用于去除由样品中成份变化所引起的对于总二次电子强度测量的贡献。被修 正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰 度水平通过被修正的总强度值而被确定。形貌信息被所述图像提供，所述图 像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
45.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所述。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的总二次电子强度被测量，如在实 例22中所述。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由样品中 的成份变化所引起的对于二次电子强度的贡献。被修正的总二次电子强度值 被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从不同的He离子束入射 角测量的两个图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三 维形貌信息。
46.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所示出的。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的总二次电子强度被测量，如在实 例25中所述。被测量的材料信息被用于去除在各探测器、由样品中的成份 变化所引起的对于二次电子强度的贡献。被修正的总二次电子强度值被用于 构造样品的灰度图像，如在实例25中所述。从多个探测器测量的图像的信 息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
47.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所示出的。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所示出的。
48.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所示出的。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所示出的。
49.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了测量材料信息，光子探测器可以被用于探测响应于入射的He离子 束从样品发出的光子。He离子束在分立的步骤中被栅扫描过样品表面的整 个FOV区，并且光子发射谱作为样品表面上He离子束的位置的函数而被测 量。频谱中的某些发射线对于某些类型的原子是特有的，并且因此根据被测 量的频谱，在各步骤样品表面上的成份被确定。
为了从样品测量形貌信息，如在实例19中所述，二次电子的总强度作 为样品表面上He离子束的位置的函数而被测量。被测量的材料信息随后被 用于去除由样品中成份变化所引起的对于总二次电子强度测量的贡献。被修 正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰 度水平通过被修正的总强度值而被确定。形貌信息被所述图像提供，所述图 像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
50.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的总二次电子强度如在实例22中 所述被测量。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由样品中成 份变化所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度值 被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从不同的He离子束入射 角测量的两个图像的信息可以随后被结合并且被用于定量确定样品表面的 三维形貌信息。
51.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的总二次电子强度如在实例25中 所述被测量。被测量的材料信息被用于去除在各探测器、由样品中成份变化 所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度值被用于 构造样品的灰度图像，如在实例25中所述。从多个探测器测量的图像的信 息可以随后被结合并且被用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
52.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所述。
53.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所述。
54.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了测量材料信息，俄歇电子探测器可以被用于探测响应入射的He离 子束从样品发出的俄歇电子。He离子束在分立的步骤中被扫描过样品表面 的整个FOV区，并且俄歇电子发射谱作为样品表面上He离子束的位置的函 数被测量。频谱中的某些发射线对于某些类型的原子是特有的，并且因而根 据被测量的频谱，在各步骤样品表面上的成份被确定。
为了从样品测量形貌信息，二次电子的总强度作为样品表面上He离子 束的位置的函数被测量，如在实例19中所述。被测量的材料信息随后被用 于去除由样品中成份的变化所引起的对于总二次电子强度测量的贡献。被修 正的总二次电子强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定图像像素的灰 度水平通过修正的总强度值而被确定。形貌信息通过所述图像被提供，所述 图像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
55.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的二次电子的总强度可以被测量， 如在实例22中所述。被测量的材料信息被用于去除在各离子束入射角、由 样品中成份改变所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电 子强度值被用于构造样品的灰度图像，如在实例22中所述。从不同的He 离子束入射角测量的两个图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样 品表面的三维形貌信息。
56.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
为了从样品测量形貌信息，来自样品的二次电子的总强度可以被测量， 如在实例25中所述。被测量的材料信息被用于去除在各探测器、由样品中 成份改变所引起的对于二次电子强度测量的贡献。被修正的总二次电子强度 值被用于构造样品的灰度图像，如在实例25中所述。从多个探测器测量的 图像的信息可以随后被结合并且用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
57.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所述。
58.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所述。
59.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
为了测量材料信息，TOF探测器可以被用于探测响应于入射的He离子 束而从样品发射的二次离子和/或原子。He离子束在分立的步骤中被栅扫描 过整个样品表面的FOV区，并且来自样品180的二次离子和/或原子的飞行 时间作为样品表面上He离子束的位置的函数被测量。根据被测量离子/原子 的被测量的飞行时间，和TOF仪器中加速电极的已知电压，被探测的粒子 的质量可以被计算并且可以确定粒子的身份。
为了从样品测量形貌信息，二次电子的总强度作为样品表面上He离子 束的位置的函数被测量，如在实例19中所述。被测量的材料信息随后被用 于去除样品中的由样品中成份的变化所引起的对于总二次电子强度测量的 贡献。被修正的二次电子总强度值被用于构造样品的灰度图像，其中特定像 素的灰度水平通过被修正的总强度值而被确定。形貌信息通过所述图像被提 供，所述图像示出了FOV中样品的表面起伏图案。
60.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
为了从样品测量形貌信息，二次电子的总强度作为样品表面上He离子 束的位置的函数被测量，如在实例22中所述。被测量的材料信息随后被用 于去除样品中的在各离子束的入射角、由样品中成份的变化所引起的对于二 次电子强度测量的贡献。被修正的二次电子总强度值被用于构造样品的灰度 图像，如在实例22中所述。从不同的He离子束入射角测量的两个图像的信 息可以随后被结合并且被用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
61.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
为了从样品测量形貌信息，二次电子的总强度作为样品表面上He离子 束的位置的函数被测量，如在实例25中所述。被测量的材料信息随后被用 于去除样品中的在各探测器、由样品中成份的变化所引起的对于二次电子强 度测量的贡献。被修正的二次电子总强度值被用于构造样品的灰度图像，如 在实例25中所述。从多个探测器测量的图像的信息可以随后被结合并且被 用于定量确定样品表面的三维形貌信息。
62.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例28中所述。
63.从样品测量形貌和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
形貌信息可以从样品被测量，如在实例31中所述。
64.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例19中所述。
65.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例20中所述。
66.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例44中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例21中所述。
67.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例19中所述。
68.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例20中所述。
69.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例49中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例21中所述。
70.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例19中所述。
71.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例20中所述。
72.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例54中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例21中所述。
73.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例19中所述。
74.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例20中所述。
75.从样品测量结晶和材料信息
为了从样品测量形貌和结晶信息，样品在如在此所述的气体场离子显微 镜中被固定在样品支架上的适当位置。气体场离子显微镜如在实例19中所 述被配置。
材料信息可以从样品被测量，如在实例59中所述。
结晶信息可以从样品被测量，如在实例21中所述。
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