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特許6758755改良された画像化ガスを用いる荷電粒子ビームシステムおよびその使用方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6758755
(24)【登録日】2020年9月4日
(45)【発行日】2020年9月23日
(54)【発明の名称】改良された画像化ガスを用いる荷電粒子ビームシステムおよびその使用方法
(51)【国際特許分類】
H01J 37/28 20060101AFI20200910BHJP
H01J 37/244 20060101ALI20200910BHJP
H01J 37/16 20060101ALI20200910BHJP
H01J 37/18 20060101ALI20200910BHJP
【ＦＩ】
H01J37/28 B
H01J37/244
H01J37/16
H01J37/18
【請求項の数】23
【外国語出願】
【全頁数】26
(21)【出願番号】特願2016-97239(P2016-97239)
(22)【出願日】2016年5月13日
(65)【公開番号】特開2016-219412(P2016-219412A)
(43)【公開日】2016年12月22日
【審査請求日】2019年4月18日
(31)【優先権主張番号】14/715,432
(32)【優先日】2015年5月18日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】501419107
【氏名又は名称】エフ・イ−・アイ・カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100103171
【弁理士】
【氏名又は名称】雨貝 正彦
(72)【発明者】
【氏名】トビー・シェンリー
(72)【発明者】
【氏名】ジョン・スコット
(72)【発明者】
【氏名】ミロス・トス
【審査官】
大門 清
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００９−２４５９３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１０−１１４０８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−１０４４７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１０−５１８５８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１２／００９１３３７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２０１４−０５６７８５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｊ ３７／２８
Ｈ０１Ｊ ３７／１６
Ｈ０１Ｊ ３７／１８
Ｈ０１Ｊ ３７／２０
Ｈ０１Ｊ ３７／２４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
加工物の荷電粒子ビーム画像を形成する方法であって、
加工物表面を荷電粒子ビームで走査することであり、前記荷電粒子ビームが、２次電子の放出を引き起こして、前記走査に沿った点において２次電子信号を生成することと、
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している前記２次電子を加速させることによって前記２次電子信号を増幅することであり、前記２次電子が、前記ＣＨ３ＣＨ２ＯＨのイオン化カスケードを開始させることと、
増幅された画像化信号を検出することと、
前記増幅された画像化信号から前記加工物の画像を形成することと
を含む方法。
加工物表面を荷電粒子ビームで走査することであり、前記荷電粒子ビームが、２次電子の放出を引き起こして、前記走査に沿った点において２次電子信号を生成することと、
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している前記２次電子を加速させることによって前記２次電子信号を増幅することであり、前記２次電子が、前記ＣＨ３ＣＨ２ＯＨのイオン化カスケードを開始させることと、
増幅された画像化信号を検出することと、
前記増幅された画像化信号から前記加工物の画像を形成することと
を含む方法。
【請求項2】
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している前記２次電子を加速させることが、少なくとも０．０１トル（０．０１３ミリバール）の圧力を有するＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している前記２次電子を加速させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している前記２次電子を加速させることが、１．０トル（１．５ミリバール）から５０トル（６７ミリバール）の間の圧力を有するＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している前記２次電子を加速させることを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項4】
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している前記２次電子を加速させることが、前記２次電子信号を少なくとも５００倍に増幅するのには十分だが、前記ＣＨ３ＣＨ２ＯＨの分解を引き起こすのには不十分な大きさの電位によって前記２次電子を加速させることを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している前記２次電子を加速させることが、５０Ｖから１０００Ｖの間の電位によって前記２次電子を加速させることを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している前記２次電子を加速させることが、約１ｍｍから約２００ｍｍの間の距離にわたって前記２次電子を加速させることを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
加工物を画像化する荷電粒子ビーム・システムであって、
前記加工物に照射する荷電粒子の１次ビームを生成する荷電粒子源と、
前記荷電粒子を前記加工物上で集束させる集束レンズと、
前記荷電粒子ビームによる前記加工物照射によって生成された２次電子を加速させる電極と、
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む前駆体ガスの源と、
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを封入する容器であり、前記電極が、前記ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ中を通過している前記２次電子を加速させて、前記ＣＨ３ＣＨ２ＯＨをイオン化カスケードによってイオン化し、それによって検出用の２次電子の数を増幅する容器と、
前記容器と前記荷電粒子源との間に配置された圧力制限絞りであり、前記荷電粒子ビーム源を前記容器内よりも低い圧力に維持するように構成された圧力制限絞りと
を備える荷電粒子ビーム・システム。
前記加工物に照射する荷電粒子の１次ビームを生成する荷電粒子源と、
前記荷電粒子を前記加工物上で集束させる集束レンズと、
前記荷電粒子ビームによる前記加工物照射によって生成された２次電子を加速させる電極と、
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む前駆体ガスの源と、
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを封入する容器であり、前記電極が、前記ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ中を通過している前記２次電子を加速させて、前記ＣＨ３ＣＨ２ＯＨをイオン化カスケードによってイオン化し、それによって検出用の２次電子の数を増幅する容器と、
前記容器と前記荷電粒子源との間に配置された圧力制限絞りであり、前記荷電粒子ビーム源を前記容器内よりも低い圧力に維持するように構成された圧力制限絞りと
を備える荷電粒子ビーム・システム。
【請求項8】
前記ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを封入する前記容器が試料室を含む、請求項７に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項9】
前記ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを封入する前記容器が、試料室の内側に配置された環境セルを含む、請求項７に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項10】
前記電極と前記加工物の間に５０Ｖから１０００Ｖの間の電位差を与える電源をさらに備える、請求項７から９のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項11】
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを封入する前記容器が、０．０１トル（０．０１３ミリバール）から５０トル（６７ミリバール）の間の圧力のＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む、請求項７から１０のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項12】
前記電極に接続された電流増幅器と、
前記電流増幅器とアースの間に接続された電流検出器と
をさらに備える、請求項７から１１のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
前記電流増幅器とアースの間に接続された電流検出器と
をさらに備える、請求項７から１１のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項13】
加工物の表面から２次電子を発生させ、前記２次電子を増幅および検出する方法であって、
（ａ）ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む画像化ガスを室内に供給することと、
（ｂ）前記画像化ガスが存在する適当なガス圧下で、前記加工物の表面を、前記加工物の表面から２次電子を放出させるのに十分なエネルギーを有する荷電粒子ビームで走査することと、
（ｃ）前記２次電子をＣＨ３ＣＨ２ＯＨガス分子に衝突させ、負電荷キャリアを生成させるのに十分な強さを有する電場によって、前記２次電子を加速させることであり、前記負電荷キャリアが、続いて、別のＣＨ３ＣＨ２ＯＨガス分子との複数回の衝突によって追加の負電荷キャリアを生成することができ、その結果、負電荷キャリアの数が元の２次電子の数よりも多くなり、かつ負電荷キャリアの数が元の２次電子の数に比例し、前記電場の強さが、前記ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ中での致命的な放電またはアーク発生を回避するのに十分な弱いものであることと、
（ｄ）電子およびイオン化されたガス分子に由来する電流を検出し、それによって前記加工物の表面から放出された２次電子の数に比例した信号を検出することと
を含む方法。
（ａ）ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む画像化ガスを室内に供給することと、
（ｂ）前記画像化ガスが存在する適当なガス圧下で、前記加工物の表面を、前記加工物の表面から２次電子を放出させるのに十分なエネルギーを有する荷電粒子ビームで走査することと、
（ｃ）前記２次電子をＣＨ３ＣＨ２ＯＨガス分子に衝突させ、負電荷キャリアを生成させるのに十分な強さを有する電場によって、前記２次電子を加速させることであり、前記負電荷キャリアが、続いて、別のＣＨ３ＣＨ２ＯＨガス分子との複数回の衝突によって追加の負電荷キャリアを生成することができ、その結果、負電荷キャリアの数が元の２次電子の数よりも多くなり、かつ負電荷キャリアの数が元の２次電子の数に比例し、前記電場の強さが、前記ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ中での致命的な放電またはアーク発生を回避するのに十分な弱いものであることと、
（ｄ）電子およびイオン化されたガス分子に由来する電流を検出し、それによって前記加工物の表面から放出された２次電子の数に比例した信号を検出することと
を含む方法。
【請求項14】
前記加工物が、有機液体または有機溶媒を含み、前記方法が、検出された前記電流に基づいて画像を生成することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記画像が、前記加工物に沿った前記有機液体または有機溶媒の濡れ挙動を示す、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記加工物の表面を走査する前に、前記室内の前記加工物上でＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースの化学蒸着ステップを実施することをさらに含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項17】
前記加工物の表面を走査中に、前記室内の前記加工物上でＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースの化学蒸着ステップを実施することをさらに含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項18】
前記加工物の表面を走査する前に、前記室内の前記加工物上でＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースの触媒反応ステップを実施することをさらに含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項19】
前記加工物の表面を走査中に、前記室内の前記加工物上でＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースの触媒反応ステップを実施することをさらに含む、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項20】
前記荷電粒子ビームが、約１キロ電子ボルトから約５０キロ電子ボルトまでの範囲内のエネルギーを有する電子ビームである、請求項１３から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項21】
前記ガス圧が、約０．０１トルから約１０トルまでの範囲内にある、請求項１３から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項22】
前記電場が、５０Ｖから１０００Ｖの間の電位差を含む、請求項１３から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項23】
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む画像化ガスを供給することが、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨとＮＨ３との混合物を供給することを含む、請求項１３から２２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は荷電粒子ビーム画像化に関し、詳細には、改良された画像化ガスを使用した画像化に関する。
【背景技術】
【0002】
走査電子顕微鏡（「ＳＥＭ」）では、調査対象の試料の領域を１次電子ビームで走査する。電子が試料に衝突した際に解放されるエネルギーによって、Ｘ線および２次電子が放出される。これらのＸ線および２次電子の量およびエネルギーは、試料の性質、構造および組成に関する情報を提供する。用語「試料」は伝統的に、荷電粒子ビーム・システム内で処理または観察されている任意の加工物を指すために使用されており、本明細書で使用されるとき、この用語は一切の加工物を含み、より大きな母集団を代表するものとして使用されている試料だけに限定されない。本明細書で使用されるとき、用語「２次電子」は、後方散乱した１次電子ならびに試料から生じた低エネルギーの電子を含む。２次電子を検出するため、ＳＥＭはしばしば、１つまたは複数の電子検出器を備える。
【0003】
試料がガス環境中に維持される電子顕微鏡の一型が、高圧走査電子顕微鏡（Ｈｉｇｈ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（ＨＰＳＥＭ）または環境制御型（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ）走査電子顕微鏡である。このようなシステムは例えば、Ｍａｎｃｕｓｏ他の「Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ ａ Ｇａｓｅｏｕｓ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ」という名称の米国特許第４，７８５，１８２号明細書に記載されている。一例が、ＦＥＩ ＣｏｍｐａｎｙのＱｕａｎｔａ ６００ ＥＳＥＭ（登録商標）高圧ＳＥＭである。
【0004】
ＨＰＳＥＭでは、試料が、典型的には０．０１トル（０．０１３ミリバール）から５０トル（６５ミリバール）の間、より典型的には１トル（１．３ミリバール）から１０トル（１３ミリバール）の間の圧力を有するガス雰囲気中に維持される。この高ガス圧の領域は、集束カラム内を高真空に維持する１つまたは複数の圧力制限絞り（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｌｉｍｉｔｉｎｇ ａｐｅｒｔｕｒｅ）によって試料領域だけに限定される。対照的に、従来のＳＥＭでは、試料が、これよりもかなり低い圧力、典型的には１０−５トル（１．３×１０−５ミリバール）未満の圧力の真空中に置かれる。
【0005】
ＨＰＳＥＭでは、２次電子が通常、「ガス・イオン化カスケード増幅（ｇａｓ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｃａｓｃａｄｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」または「ガス・カスケード増幅」として知られるプロセスを使用して検出される。このプロセスでは、電場によって２次荷電粒子を加速させ、加速した２次荷電粒子が、画像化ガス中のガス分子と衝突して追加の荷電粒子を生成し、それらの追加の荷電粒子が、別のガス分子と衝突して更なる追加の荷電粒子を生み出す。このカスケードが継続すると、ついには、大幅に増加した荷電粒子が、検出器電極で電流として検出される。いくつかの実施形態では、試料表面からのそれぞれの２次電子が、ガス圧および電極構成に応じて、例えば２０個超、１００個超または１，０００個超の追加の電子を発生させる。いくつかの実施形態では、ガス・カスケード中に発生した正のガス・イオンまたは光子を電子の代わりに検出し、それらのイオンまたは光子を使用して画像を生成する。本明細書で使用されるとき、用語「ガス・カスケード増幅画像化」は、これらの３種類の画像化信号の任意の組合せを使用して生成された画像を指す。本明細書で使用されるとき、用語「ガス・カスケード検出器」は、これらの３種類の画像化信号の任意の組合せを検出する目的に使用することができる検出器を指す。
【0006】
従来のＳＥＭと比べたときのＨＰＳＥＭの１つの利点は、ＨＰＳＥＭが、生体試料などの湿った試料および従来のＳＥＭの高真空条件下では画像化するのが難しいと思われる他の試料の電子−光学画像を形成する可能性を提供する点である。ＨＰＳＥＭは、試料をその自然な状態に維持する可能性を提供する。従来のＳＥＭを使用する研究では通常は必要な不利な乾燥、凍結または真空コーティングに試料をさらす必要がない。ＨＰＳＥＭの他の利点は、イオン化された画像化ガスが、プラスチック、セラミック、ガラスなどの絶縁性試料上に蓄積する傾向がある電荷の中和を容易にする点である。
【0007】
ＨＰＳＥＭでは湿った生体試料を観察することができるが、このような観察にまつわる問題が依然として存在する。例えば、水和した材料を室温または体温で観察するときには、水が凝縮して試料室内の全表面に付着する傾向がある。このような凝縮は、ＨＰＳＥＭの動作を妨害したり、ならびに腐食および汚染を引き起こしたりすることがある。
【0008】
電子ビーム、イオン・ビームなどの荷電粒子ビームを使用して化学反応を誘起し、それによって試料をエッチングしまたは試料上に材料を付着させることもできる。このようなプロセスは例えば、Ｍｕｃｉｌ他の「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」という名称の米国特許第６，７５３，５３８号明細書に記載されている。基板の存在下で荷電粒子ビームが処理ガスと相互作用して化学反応を生み出すこのプロセスは、「ビーム・ケミストリ（ｂｅａｍ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）」と呼ばれる。本明細書で使用されるとき、用語「処理」は、エッチングおよび付着などの試料表面を改変する処理ならびに画像化の両方を含む。用語「処理ガス」は、画像化に使用されるガス、または荷電粒子ビームとともに使用されて試料を改変するガスを含むために使用される。用語「画像化ガス」は、ガス・カスケード増幅画像化に使用されるガスを含むために使用される。ガスのこれらの種類は相互排除ではなく、一部のガスは、試料を改変する目的と画像を形成する目的の両方で使用される。例えば、水蒸気は、炭素を含む試料をエッチングする目的に使用することができ、また、他の材料を含む試料の画像を形成する目的にも使用することができる。
【0009】
ガス画像化に対する既存のＨＰＳＥＭおよびＶＰＳＥＭツールの適用可能性は一般に、以下のようないくつかの因子によって部分的に制限される。第１に、高真空ＳＥＭに比べて２次電子（ＳＥ）画像品質が低いことである。この問題は、（高真空ＳＥ検出器によって使用されている増幅器に比べて）ガス・カスケードが、ＳＥ画像化信号の劣った増幅器であることの結果である。第２に、非水性環境中の液体および動的プロセスの高品質画像化に対して使用することができる画像化ガスがないことである。第３は、Ｈ２ＯおよびＮＨ３などの低揮発性（「粘着性（ｓｔｉｃｋｙ）」）の画像化ガスを頻繁に使用する真空システム内に存在する残留汚染物質によって引き起こされる問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】米国特許第４，７８５，１８２号明細書
【特許文献2】米国特許第６，７５３，５３８号明細書
【特許文献3】米国特許第８，９２１，８１１号明細書
【特許文献4】米国特許第６，９７２，４１２号明細書
【特許文献5】米国特許第７，５４１，５８０号明細書
【特許文献6】米国特許第７，７９１，０２０号明細書
【特許文献7】米国特許第６，４５２，３１５号明細書
【特許文献8】米国特許第５，８５１，４１３号明細書
【特許文献9】米国特許第５，４３５，８５０号明細書
【非特許文献】
【0011】
【非特許文献1】Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ、４３４４巻（２００１年）、８３５ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明の目的は、ガス・カスケード増幅ともに使用する画像化ガスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0013】
改良された画像化ガスを用いたガス増幅を使用する荷電粒子ビーム画像化および測定システムが提供される。このシステムは、荷電粒子ビームを加工物に導く荷電粒子ビーム源と、荷電粒子を加工物上で集束させる集束レンズと、荷電粒子ビームによる加工物照射または他のガス・カスケード検出方式によって生成された２次電子を加速させる電極とを含む。このガス画像化は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ（エタノール）蒸気を含む改良された画像化ガスを封入する高圧走査電子顕微鏡（ＨＰＳＥＭ）室内で実行されることが好ましい。環境制御型の室を使用することもできる。
【0014】
この電極は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ中を通過している２次電子を加速させ、それによって、検出用の２次電子を増幅するイオン化カスケードを生じさせる。改良された画像化ガスを使用する最適な構成が提供され、有機液体および有機溶媒ならびに他の非水性環境またはプロセス、特にＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む非水性環境またはプロセスの画像化研究を実施する技法が提供される。有機液体または有機溶媒、化学蒸着プロセスおよび触媒反応プロセスを含む、非水性環境の高分解能画像化研究を実施する方法も提供される。非水性環境中での濡れ挙動（ｗｅｔｔｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ）を研究する方法が提供される。
【0015】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなりおおまかに概説した。以下では、本発明の追加の特徴および追加の利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造体を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造体は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。
【0016】
次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、以下の説明および添付図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】環境セル（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｅｌｌ）を有する、本発明のいくつかの実施形態を実施する目的に使用することができるシステムの略図である。
【図2a】ガス注入およびガス排出を調整することによって試料室内のガス圧を平衡させる方法を示す流れ図である。
【図2b】ガス注入およびガス排出を調整することによって試料室内のガス圧を平衡させる方法を示す流れ図である。
【図3】本発明のいくつかの実施形態に従って使用されるデュアル・ビーム・システムの略図である。
【図4a】改良されたガス画像化とＣＶＤとを使用するプロセスの流れ図である。
【図4b】改良されたガス画像化と触媒反応とを使用するプロセスの流れ図である。
【図4c】改良されたガス画像化を使用して、有機液体または有機溶媒およびそれらの濡れ挙動を研究するプロセスの流れ図である。
【図5a】本明細書に記載されたとおりに構成されたＣＨ３ＣＨ２ＯＨのガス増幅と先行技術の画像化ガスのそれとを比較した、環境型光収率分光法（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐｈｏｔｏｙｉｅｌｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（ＥＰＹＳ）データを示す一連のグラフである。
【図5b】本明細書に記載されたとおりに構成されたＣＨ３ＣＨ２ＯＨのガス増幅と先行技術の画像化ガスのそれとを比較した、環境型光収率分光法（ＥＰＹＳ）データを示す一連のグラフである。
【図5c】本明細書に記載されたとおりに構成されたＣＨ３ＣＨ２ＯＨのガス増幅と先行技術の画像化ガスのそれとを比較した、環境型光収率分光法（ＥＰＹＳ）データを示す一連のグラフである。
【図6】ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを使用した本発明のシステムによる意図されていない炭素付着をＨ２ＯおよびＮＨ３との比較で調べるために撮影された拡大された一連の画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
高圧または可変圧力ＳＥＭを使用して実施される画像化または測定システムおよび画像化または測定方法が提供される。これらのシステムおよび方法は、改良された画像化ガスを使用し、ガス・カスケード増幅向けに構成されている。加工物の表面から２次電子を発生させ、それらの２次電子を増幅および検出する装置も提供される。非水性環境中の液体および動的プロセスの高品質画像化に対して使用することができる画像化ガスが提供される。好ましい装置は、圧力制限絞りを有する真空エンベロープ（ｖａｃｕｕｍ ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を備え、真空エンベロープ内には荷電粒子ビーム源が位置し、この荷電粒子ビーム源は荷電粒子ビームを放出することができる。集束レンズが、この荷電粒子ビームを、圧力制限絞りを通して可変圧力室内へ導き、次いで、真空エンベロープの外側に配置された試料プラットホームに向かって導く。この可変圧力室には、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨまたはその混合物が画像化ガスとして供給される。この室は、ガス中に置かれた試料を、試料の表面を荷電粒子ビームにさらすことができるような態様で、少なくとも０．０１トルの圧力に維持することができることが好ましい。本発明は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨをＨＰＳＥＭ／ＶＰＳＥＭ画像化ガスとして使用することによって、および、典型的な画像化ガスよりも低い圧力で使用することができ、かつ画像化のための十分なガス・カスケード増幅を提供するシステムを提供することによって、先行技術のシステムに存在するある種の問題を軽減する。
【0019】
他の実施形態はさらに、高分解能画像を生成する走査電子顕微鏡を提供する。この走査電子顕微鏡は、圧力制限絞りを有する真空エンベロープと、真空エンベロープ内に位置し、電子ビームを放出することができる電子ビーム源とを含む。真空エンベロープ内に位置する集束レンズは、電子ビーム源によって放出された電子ビームを、圧力制限絞りを通り抜けるように導くことができる。電子ビーム走査装置が、圧力制限絞りを横切ってビームを走査する。真空エンベロープの外側には試料セルまたは試料室が配置され、この試料セルまたは試料室は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ画像化ガス中に置かれた試料を、試料の表面を電子ビームにさらすことができるような態様で、少なくとも０．０１トルの圧力に維持することができる。
【0020】
真空エンベロープの外側には電極が配置され、この電極は通常、試料プラットホーム上に位置する試料の表面から電子ビームにさらされて放出された２次電子がこの電極と接触することができるような態様で、試料プラットホームから約１から２００ｍｍの間の範囲内に配置される。この電極とアースとの間に電圧源が接続され、この電圧原は、電極と試料プラットホームの間の電位差を、約５０ボルト超かつ約１０００ボルト未満に維持することができる。試料の表面から放出された２次電子を電場によって加速させるため、電極電位は試料プラットホーム電位に対して正であり、この電場は、放出された２次電子をガス分子に衝突させ、負の電荷キャリアを生成させるのに十分な強さを有し、それらの負電荷キャリアは続いて、別のガス分子との複数回の衝突によって追加の負電荷キャリアを生成することができ、その結果、負電荷キャリアの数が元の２次電子の数よりも多くなり、かつ負電荷キャリアの数が元の２次電子の数に比例し、電場の強さは、致命的な放電またはアーク発生を回避するのに十分な弱いものであり、電流増幅器が電極に接続され、電流増幅器とアースの間に電流検出器が接続される。
【0021】
加工物の表面から２次電子を発生させ、それらの２次電子を増幅および検出する方法も提供される。好ましい方法は、画像化ガスとしてＣＨ３ＣＨ２ＯＨが供給された適当なガス圧下で、試料の表面を走査することを含む。この走査は、試料の表面から２次電子を放出させる十分なエネルギーを有する荷電粒子ビームを用いて実行される。それらの２次電子を、それらの２次電子をガス分子と衝突させ、負電荷キャリアを生成するのに十分な強さの電場によって加速させる。それらの負電荷キャリアは続いて、別のＣＨ３ＣＨ２ＯＨガス分子との複数回の衝突によって追加の負電荷キャリアを生成することができ、その結果、負電荷キャリアの数が元の２次電子の数よりも多くなり、かつ負電荷キャリアの数が元の２次電子の数に比例し、電場の強さは、致命的な放電またはアーク発生を回避するのに十分な弱いものである。電子およびイオン化されたＣＨ３ＣＨ２ＯＨガス分子から生じた電流を検出し、それによって、試料の表面から放出された２次電子の数に比例した信号を検出する。
【0022】
図１は、画像化ガスを満たすことができる環境セルまたは試料セル１０４を使用するシステムであって、ピンホール磁気対物集束レンズ１０２と試料室１０３とを有する粒子−光学装置１００を備え、試料室１０３が、試料ステージ１０８上の試料１０６を比較的に高い圧力に維持するための試料セル１０４をその内部に有するシステムを示す。真空エンベロープ１０１内に粒子源（図示せず）が位置する。この粒子源は、１次電子ビーム１１０を供給し、１次電子ビーム１１０は、上圧力制限絞り（ＰＬＡ）１１２および錐体１１６の底の下ＰＬＡ１１４を通過する。ＰＬＡはそれぞれ、真空エンベロープ１０１に近い方の低圧側、およびエンベロープ１０１から遠い方の高圧側を有する。排気用のダクト１５０を有する多段ＰＬＡが示されているが、いくつかの実施形態は、ＰＬＡを１つだけ含み、ダクト１５０を持たないことに留意されたい。錐体１１６は、セル１０４内のガス中を通過する電子ビーム１１０の経路を短くする。試料から放出された２次電子１２０は、セル１０４内に構築され、環境セル１０４内での検出を可能にするように配置された２次電子検出器１２２によって検出される。
【0023】
このシステムは、試料ステージから離れて配置された検出器１２２を使用する。この実施形態では検出器１２２が示されているが、他の実施形態では、複数の現象を検出するガス・カスケード検出器を含む、適当な任意のガス・カスケード検出器を使用することができる。検出器１２２と試料の間の距離は、試料を出た電子とガスとが衝突して電子電流を大幅に増幅する十分な電子経路を提供する。例えば、試料を出たそれぞれの電子について、典型的には３００個超、５００個超または１０００個超の電子が検出器１２２に到達する。この荷電粒子源は、５００ｅＶから５０ｋｅＶの間で操作され１ｐＡから１００ｎＡの間の電流を有する電子ビームであることが好ましい。いくつかの実施形態では、この電子ビームが、２０ｋｅＶのエネルギーおよび約２ｎＡのビーム電流を有する。言うまでもなく、これらのパラメータは用途に応じて変更することができる。検出器１２２は、約５０Ｖから約４００Ｖの範囲内でバイアスされることが好ましいが、例えば４２５Ｖ、４５０Ｖなど４００Ｖよりもわずかに高くすることができ、それによって、検出器１２２は、ガス・カスケード内の電荷の流れによって誘起された電流を検出して画像を形成する。他の実施形態では、光子検出器を使用して、カスケードから放出された光子を検出し、ガス・カスケード増幅画像化システムを使用して画像を形成することができる。光子は、ガス中の、またはシステムの内部表面と接触した、励起したイオン、フラグメント（ｆｒａｇｍｅｎｔｓ）または中性粒子（ｎｅｕｔｒａｌｓ）によって放出される。
【0024】
ガス注入口１２４およびガス排出口１２６が、試料セル１０４内の処理ガスまたは画像化ガスの流量および圧力を調節する。ガス注入口１２４を通して、前駆体ガスまたは画像化ガスの源を供給することができる。この実施形態では、画像化ガスが、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ（エタノール蒸気）またはその混合物である。ガス排出口１２６は、リーク弁１２８を介してポンプ（図示せず）に接続される。弁１２８による制御されたリーク、および試料室１０３の容積に比べて相対的に小さなセル１０４の容積は、例えばＨＰＳＥＭビーム・ケミストリ・モードとＨＰＳＥＭ画像化モードとを切り換える、異なる処理ガス間の高速切換えを提供する。粒子−光学装置１００は、比較的に高い圧力、すなわち２０トル（２６ミリバール）よりも高い圧力で機能することができる。粒子−光学装置１００は、５０トル（６５ミリバール）以上の圧力でも機能することができる。いくつかの実施形態では、セル１０４内の圧力が５０ミリトルよりも高く、試料室１０３内の圧力が１０ミリトルよりも低い。
【0025】
針の形態で示されているが、リングまたはプレートなどさまざまな形状寸法を有することもできる２次電子検出器１２２は、２次電子を引きつけるため、通常は５０Ｖ、好ましくは１００Ｖ、より好ましくは３００Ｖ超、最も好ましくは約５００ボルトに電気的にバイアスされる。２次電子は、試料１０６と２次電子検出器１２２の間のガス分子と衝突して、２次電子信号を増幅するイオン化カスケードを生じさせる。針として示されているが、検出器１２２は他の形態をとることもできる。
【0026】
他の高圧荷電粒子システムでは、検出器が、Ｔｏｔｈ他の「Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許第８，９２１，８１１号明細書、Ｓｃｈｏｌｔｚ他の「Ｐａｒｔｉｃｌｅ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｍｅａｎｓ」という名称の米国特許第６，９７２，４１２号明細書、またはＫｎｏｗｌｅｓ他の「Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ」という名称の米国特許第７，５４１，５８０号明細書に記載されている検出器などの１つまたは複数の円形プレートを備えることができる。これらの特許は全て、本発明の譲受人に譲渡されており、参照によって本明細書に組み込まれる。このような検出器は高圧での効率が低いため、それらの検出器は、図１に示された実施形態の圧力よりも低い圧力で改良された特性を示し、したがって、公知の他の画像化ガスの圧力よりも低い圧力での性能に優れる本明細書に記載されたＣＨ３ＣＨ２ＯＨ画像化方式とともに使用すると、これらの検出器は、強化された利点を引き出す可能性がある。このような代替検出器は、電場と磁場の組合せを使用して、２次電子経路長を増大させることができ、それによって、試料１０６と検出器の間の短い距離でガス信号増幅を増大させることができる。錐体１１６と錐体の外側に配置された２次電子検出器１２２のこの構成との組合せは、十分な２次電子信号増幅を提供する十分な２次電子経路がガスの中を通り、同時に、ガスの中を通る１次電子経路が短く維持されることを可能にする。試料から検出器までの２次電子経路は通常、１から２００ｍｍの間であり、２ｍｍよりも長いことが好ましい。好ましい一変形実施形態ではこの経路が約１０ｍｍであり、好ましい他の変形実施形態ではこの経路が約１３．５ｍｍである。光学的に透明な窓１３４によって、ユーザは、窓１３４と試料１０６の間に配置されたレンズ１３６を使用した光学顕微鏡（図示せず）を通して試料を観察することができる。光学窓１３４は、システム１００が広い視野を提供し、同時に、短いガス経路長およびカラム内への低いガス漏れ率を依然として提供することを可能にし、このことは、分解能および画像信号対雑音比を向上させ、腐食性ガスからカラムを保護する。
【0027】
ガス注入口１２４は、試料セル１０４内へ加圧下でガスを送る。ガス注入口１２４は、１つまたは複数の処理ガス・フィード１４４、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む画像化ガス・フィード１４６などの複数のガス・フィード間の高速切換えを可能にする弁装置１４０を含む。ダクト１５０は、ＰＬＡ１１４を通過したガスの排出を可能にし、それによって下カラムの圧力を上ＰＬＡ１１２よりも高い圧力に維持するのを助ける。従来のＨＰＳＥＭ／ＶＰＳＥＭのステージまたはセル１０４がその中に置かれた低圧ＳＥＭのステージとすることができるステージ１４８は、試料セルを支持し、ＰＬＡ１１４が電子ビーム１１０の軸と整列するようにセル１０４の位置を調整することを可能にする。一方、試料ステージ１０８は、セル１０４内での試料１０６の移動を可能にして、試料１０６上の関心の領域を電子ビーム１１０の下に配置することができるようにする。Ｖｉｔｏｎ ＯリングまたはＴｅｆｌｏｎシールなどのシール１５２が、セル１０４のガスが試料室１０３に入ることを防ぐレンズ１０２とセル１０４の間の気密シールを提供することが好ましい。シール１５２を、副室と試料室１０３の間のガス流絞りの働きをするより小さな隙間によって提供される非気密シールとすることもできる。
【0028】
本発明は、セルの内部でガス・カスケード検出器を使用することだけに限定されない。ＰＬＡの周囲に配置されたガス・ルミネセンス検出器またはスルー・ザ・レンズ方式の検出器など、他のタイプの検出器を使用することもできる。スルー・ザ・レンズ方式の検出器では、電圧を印加して、２次粒子を最終レンズを通して引き入れる。引き入れられた２次粒子は、マルチチャンネル・プレートまたはシンチレータ光電子増倍管などの光軸上の（ｏｎ−ａｘｉｓ）または光軸から外れた（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）収集システムによって検出することができる。図１は、１次ビーム軸から離れる方向へ２次電子を偏向させて検出器１５６内へ導き、同時に１次ビーム１１０を偏差なしで通過させるウィーンフィルタ（Ｗｉｅｎ ｆｉｌｔｅｒ）などの任意選択の２次電子偏向器１５４を示す。さらに、この検出器を、例えばＭａｎｃｕｓｏ他の「Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｉｎ ａ Ｇａｓｅｏｕｓ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ」という名称の米国特許第４，７８５，１８２号明細書、Ｓｃｈｏｌｔｚ他の「Ｐａｒｔｉｃｌｅ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｍｅａｎｓ」という名称の米国特許第６，９７２，４１２号明細書、Ｕｎｃｏｖｓｋｙ他の「Ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ Ｇａｓ Ｃａｓｃａｄｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」という名称の米国特許第７，７９１，０２０号明細書に記載されている、ガス・カスケード増幅を使用する他の適当なシステムの検出器とすることもできる。これらの特許は、本発明の譲受人に譲渡されており、参照によって本明細書に組み込まれる。
【0029】
いくつかの実施形態は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを使用して画像化することに加えて、記載された試料セルと同様の試料セルを使用して、前駆体ガスを使用した荷電粒子ビーム処理を実行する。このセルは通常、荷電粒子ビーム・システムの試料室内に配置されるが、試料室自体をセルとして構築することもできる。圧力制限絞りが、セルの外側をより低い圧力に維持する。従来の高真空ＳＥＭ室の内側にセルを配置してＨＰＳＥＭ処理能力を提供すること、または、ＨＰＳＥＭ試料室の内側にセルを配置して、より高い圧力能力および腐食性ガスを使用する能力を提供することができる。ビーム・ケミストリに対してＨＰＳＥＭを使用することにはいくつかの利点がある。比較的に低い前駆体分子束が基板に到着する速度（ｒａｔｅ）によって処理速度（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒａｔｅ）が制限される高真空ＳＥＭビーム・ケミストリ処理とは違い、高電子束のＨＳＰＥＭ内での処理はそのようには制限されない。その上、ＨＰＳＥＭは、処理中に電荷中和を提供する。いくつかの処理ガスを用いると、１次ビーム電流密度を変化させることによって、試料に対する効果をエッチングから付着に変化させることができる。その上、セルのバックグラウンド圧力を測定することによって、試料にかかる圧力を明確に測定することができる。
【0030】
複数のガスを同時に使用すると有利な用途は数多くある。例えば、１種類のガスを使用してビーム・ケミストリ付着またはビーム・ケミストリ・エッチングを実施し、その間に、第２のガスを追加して、画像化を改良し、帯電アーチファクトを抑制することができる。例えば、ＸｅＦ２を前駆体ガスとして使用して、ＳｉＯ２試料を電子ビーム誘起エッチングすることができ、このエッチング・ガスにＣＨ３ＣＨ２ＯＨを追加して、ガス・カスケード増幅画像化を改良し、試料の帯電を低減させることができる。他の例では、Ｗ（ＣＯ）６蒸気を前駆体ガスとして使用してＷを電子ビーム誘起付着させることができ、この付着ガスにＣＨ３ＣＨ２ＯＨを追加して、ガス・カスケード増幅画像化を改良することができる。いくつかの用途では、１種類のガスを供給してエッチングを実施し、それと同時に別のガスを供給して、付着を実施することができる。第３のガス、このケースではＣＨ３ＣＨ２ＯＨをエッチングおよび付着ガスに追加して、画像化を改良することができる。
【0031】
本明細書の技法の大部分は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ、すなわちエタノール蒸気を画像化ガスとして、時に処理ガスとして使用することに留意されたい。先行技術のシステムでは、ＮＨ３が、最も効率的なＨＰＳＥＭ画像化ガスであり、わずかの差でＨ２Ｏがこれに続くと考えられていたが、本明細書において構成されたＣＨ３ＣＨ２ＯＨのガス増幅効率が、ＮＨ３のそれを１桁以上上回ることを本発明の発明者は発見した。画像化ガスとして使用されたＣＨ３ＣＨ２ＯＨは、少なくとも２つの点で、より優れた増幅器である。第１に、ある条件下では、ガス利得（ｇａｓ ｇａｉｎ）が、ＮＨ３（およびＨ２Ｏ）のそれよりも大きい。第２に、ある条件下では、このガスが分解する前に到達しうる最終的な利得も、ＮＨ３（およびＨ２Ｏ）のそれよりも大きい。ＨＰＳＥＭ内で、環境型光収率分光法（ＥＰＹＳ）をさらに使用して、エタノールの優れた増幅挙動が測定された。ＥＰＹＳでは、ＨＰＳＥＭ内において２次電子が増幅されるのとちょうど同じにように、ガス・カスケード中で光電子が増幅される。しかしながら、ＥＰＹＳは、後方散乱電子および１次電子を含まず、そのため、１次電子および後方散乱成分を含まない、低エネルギー電子のガス増幅効率の直接測定を可能にする。
【0032】
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ分子はＨ２ＯおよびＮＨ３よりも大きく、したがって、Ｈ２ＯおよびＮＨ３よりも程度の大きなビーム散乱を引き起こすことにも留意されたい。しかしながら、ビーム散乱は、ガス中の電子ビーム経路長を最小化することによって抑制することができ、ＶＰＳＥＭ／ＨＰＳＥＭ画像品質は通常、ビーム散乱ではなくむしろガス・カスケード増幅によって制限されることが分かっている。
【0033】
上で論じたとおり、ＨＰＳＥＭ／ＶＰＳＥＭは、電子によって開始されたガス・カスケード電流を使用して画像を生成する。下式に示されているように、１次電子（ＰＥ）および後方散乱電子（ＢＳＥ）は全体のカスケード電流に寄与するが、２次電子からの寄与（Ｉδ）だけが、位相幾何学的（ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ）なコントラスト情報を供給する。
【0034】
ＩΣ＝Ｉ０＋Ｉη＋Ｉδ （１）上式で、ＩΣは、ＥＳＥＭの試料−検出器ギャップにわたって測定された全体のガス・カスケード電流であり、Ｉ０およびＩηはそれぞれ、ＰＥおよびＢＳＥによって生じた寄与分である。トポグラフィック（ｔｏｐｏｇｒａｈｉｃ）な画像コントラストはＩδの値によって決定される。より高エネルギーのＰＥおよびＢＳＥが存在するため、ＥＳＥＭを用いてＩδを直接に測定することは難しい。しかしながら、Ｉδ＋Ｉηの値（本明細書ではＩδ＋ηで示す）を決定することは可能であり、この値を、ガス増幅効率を研究する指標として使用することができる。この値Ｉδ＋ηを、ＥＰＹＳで生成された増幅された光電流（ＩＰ）と比較することができる。ＩＰは、高エネルギーの電子からの寄与を含まず、試料ステージを流れる正イオン（ＰＩ）電流として直接に測定されたものである。これらの２つの値Ｉδ＋ηとＩＰの差を、電子エネルギーの関数であるそれぞれのガスの非弾性散乱断面（ｉｎｅｌａｓｔｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎ）の変動によるものと考えることができる。
【0035】
ＥＰＹＳでは、ＥＰＹＳガス・カスケードをトリガする初期電子エネルギー分布が、ＥＳＥＭにおける低エネルギー２次電子のエネルギー分布に似ているため、全整色照射時に生成されたＩＰ電流が、本発明の発明者によって実施されたＥＳＥＭ測定に対する相補的データを与える。両方の場合に、ガス・カスケード増幅電流を、検出器バイアスおよびガス圧の関数としてプロットすることができる。０．５、１および５トルにおけるパンクロマチックＥＰＹＳデータからの値の対数プロットがそれぞれ、図５（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示されている。それぞれのケースでビームおよび試料のパラメータは全く同じである（ビーム・エネルギー２０ｋｅＶ、ビーム電流２．０６ｎＡ、試料−検出器ギャップ１３．４７ｍｍ）。達成された最大ＩＰは、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ蒸気１トル、４４０Ｖでの６０ｎＡ超であった。これは、それぞれＨ２ＯおよびＮＨ３中で生成された最適化された３０ｎＡおよび２８ｎＡを上回っている。しかしながら、圧力が増大するにつれてエタノールの効率は急速に低下し、約５トルを超えると一般にＨ２Ｏの方が優れた増幅媒体となる。とはいえ、酸化を受けやすい材料の処理、有機液体の画像化などＨ２Ｏに対して敏感な用途では、よりいっそう高い圧力でもＣＨ３ＣＨ２ＯＨの方が優れていると考えられることがある。
【0036】
図２Ａおよび２Ｂは、本発明の例示的な実施形態に基づくシステムを動作させる方法を示す。図２Ａのステップ４００は、セルの内壁表面を加熱して、試料セルの表面温度を試料の表面温度よりも高く維持すること、および任意選択で試料ステージを通して試料を加熱することを含む。ステップ４０２で、第１の処理ガスまたは第１の画像化ガスを、第１のガス注入流量で、ガス注入口を通して試料セル内へ送達する。このステップでは、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを画像化ガスとして使用することができる。ステップ４０４で、このガスを、第１のガス除去流量で試料室から除去する。このガスは、セルに接続されたガス排出口を通して除去する。このガス排出口は、圧力制限絞り以外の出口であることが好ましい。このガスは例えば、リーク弁を介してガス排出口に接続された粗引きポンプ（ｒｏｕｇｈｉｎｇ ｐｕｍｐ）によって除去することができる。ガス注入流量、ガス除去流量、および圧力制限絞りを通したセルからカラム内への流量によって、セル内の平衡圧力を決定する。高蒸気圧ガス源に対しては、ステップ４０４を、ステップ４０２と同時に開始することができ、低蒸気圧源に対しては、出口弁が開かれる前のある時間の間、ガスがセルに流入することを許し、それによってセル内の圧力がより急速に増大することを可能にすることができる。
【0037】
ステップ４０６で、第１のガス注入流量および第１のガス除去流量を変化させて、荷電粒子ビーム集束カラム内の圧力よりも高い、試料セル内の所望の平衡圧力を達成する。システムが特徴づけられた後に、特定の平衡圧力を達成するのに必要な弁の位置が分かることがあり、初期設定後の調整を省略することが可能であることがある。あるいは、入口弁および出口弁をコンピュータ制御して、所望の平衡圧力を生み出すこともできる。ステップ４０８で、荷電粒子のビーム、好ましくは電子のビームを、荷電粒子ビーム集束カラムおよび圧力制限絞りを通して導いて、セル内の試料を処理する。
【0038】
任意の処理ステージにおいて、ガスは、複数のガスまたは複数のガス分子種を含むことができる。例えば、電子ビーム誘起付着は、３．５Ｐａのスチレン分圧、２２．５Ｐａの窒素分圧を使用することができる。これらのガスは同時に試料室に送達することができる。流量はニードル弁を使用して制御することができる。最初に、Ｎ２流量制御弁を調整して、使用された基板の帯電を安定させるのに必要な圧力であるおよそ２２．５Ｐａの定常状態試料室圧力を達成する。次いで、スチレン流量制御弁を開いて、およそ２６Ｐａまで全体の圧力を高める。
【0039】
１つの処理段階が完了した後、別の処理ステップのためにガスを入れ換えることができる。ステップ４１０で、セル内へのガスの送達を終了させる。その際、ＰＬＡおよび／またはガス出口を通したセルからのガスの除去は継続する。ステップ４１２で、任意選択で、ガスが除去されているときに、セルの内部表面からのガス分子の脱離を助けるために、セルの内壁、試料またはその両方の温度を高めることができる。図２Ｂの任意選択のステップ４１６で、以前のガスの残部をセルから浄化するのをさらに助けるため、洗浄ガス（ｓｃｒｕｂｂｅｒ ｇａｓ）、例えばＮ２をガス入口を通して供給する。任意選択で、ステップ４１８で、セル内のプラズマによってセルの内部表面を洗浄する。プラズマは、セルを迅速に洗浄することができ、ガスを切り換えるのに必要な時間を短縮することができる。プラズマ洗浄は当技術分野において知られており、例えば米国特許第６，４５２，３１５号明細書およびＰｒｏｃ．ＳＰＩＥ、４３４４巻（２００１年）、８３５ページに記載されている。
【0040】
ステップ４２０で、ガス入口弁に第２のガスを導入する。ステップ４２２で、試料セルからガスを、第１のガスの除去流量で除去し続ける。ステップ４２０で第１のガスから第２のガスに切り換えた後、ステップ４２４は、第２のガス注入流量および第２のガス除去流量を変化させて、荷電粒子ビーム集束カラム内の圧力よりも高い、試料セル内の第２のガスの平衡圧力を達成することを含む。ステップ４２６で、荷電粒子ビームを試料に向かって導く。ステップ４２０は、本明細書に記載されたＣＨ３ＣＨ２ＯＨ画像化ガスまたはその混合物を送達することを伴うことが好ましく、ステップ４２６は、荷電粒子ビームを使用して試料の画像を形成することを伴うことができる。
【0041】
上に記載したさまざまなステップの順序およびそれらのうちの使用されるステップは、使用されるガスによって異なる。例えば、より高い吸着エネルギーを有する分子は、より長い除去時間、ならびにセル壁の加熱、洗浄ガス操作またはプラズマ洗浄操作を必要とすることがある。いくつかの変形例では、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨなどの比較的に不活性なガスが、セル加熱もまたは浄化ガスも必要としない。
【0042】
本発明を、非限局的な処理、すなわち、荷電粒子ビームによって誘起されたものではない、ビーム衝突点に隣接するエリアに限定されないエッチングまたは付着、に対して使用することもできる。前駆体の熱分解に必要な温度よりも高い試料温度を設定すると、試料の付着またはエッチングが起こる。この処理は、例えば多ステップ・プロセスの１つのステップとして有用であることがあり、それによって単一の真空室内でのより完全な処理を可能にする。単一の真空室内での処理は、複数のガス抜きおよび排気ステップにおいて固有の非効率性、ならびに試料が真空室を出るときに導入される汚染を排除する。
【0043】
図３は、垂直に装着されたＳＥＭカラムと垂直から約５２度の角度に装着された集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）カラムとを備える、本発明の他の実施形態を実施するのに適した典型的なデュアル・ビーム・システム５１０を示す。適当なデュアル・ビーム・システムは例えば、本出願の譲受人である、米オレゴン州ＨｉｌｌｓｂｏｒｏのＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。適当なハードウェアの一例を以下に示すが、本発明は、特定のタイプのハードウェアで実現されることに限定されない。
【0044】
デュアル・ビーム・システム５１０は、走査電子顕微鏡５４１と、電源および制御ユニット５４５を備える。真空エンベロープ５５３の内側から電子ビーム５４３が導かれる。電子ビーム５４３は、陰極５５２と陽極５５４の間に電圧を印加することによって陰極５５２から放出される。電子ビーム５４３は、集光レンズ５５６および対物レンズ５５８によって微細なスポットに集束する。電子ビーム５４３は、少なくとも１つの圧力制限絞り５５５を通過し、電子ビーム５４３は、偏向コイル５６０によって試料を２次元的に走査する。集光レンズ５５６、対物レンズ５５８および偏向コイル５６０の動作は電源および制御ユニット５４５によって制御される。
【0045】
電子ビーム５４３は、可変圧力室５２６内の可動式Ｘ−Ｙステージ５２５上にある基板５２２の表面に焦束させることができる。この変形例では、可変圧力室５２６が顕微鏡の試料室５２６であり、試料室５２６は、上で説明した試料セル１０４などの試料セルとともに、またはそのような試料セルなしで使用することができる。ステージ５２５は、熱導管５２８によってステージ５２５に接続された液体窒素源またはペルチエ冷却器などの冷却器５２７に接続されていることが好ましい。使用時、電子ビーム中の電子が基板５２２に衝突すると、２次電子が放出される。それらの２次電子は、後に論じる２次電子検出器５４０によって検出される。ＴＥＭ試料ホルダ５２４およびステージ５２５の下に位置するＳＴＥＭ検出器５６２は、ＴＥＭ試料ホルダ上に装着された試料を透過した電子を集めることができる。
【0046】
デュアル・ビーム・システム５１０は集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム５１１をさらに含み、ＦＩＢシステム５１１は、上部ネック部分５１２を有する排気された室を含み、上部ネック部分５１２内にはイオン源５１４および集束カラム５１６が位置し、集束カラム５１６は、引出し電極および静電光学系を含む。集束カラム５１６の軸は、電子カラムの軸から５２度傾いていることが好ましい。イオン・カラム５１２は、イオン源５１４、引出し電極５１５、集束要素５１７、偏向要素５２０および集束イオン・ビーム５１８を含む。イオン源５１４を出たイオン・ビーム５１８は、カラム５１６を通過し、５２０に概略的に示された静電偏向手段間を通り抜けて、可変圧力室５２６内の可動Ｘ−Ｙステージ５２５上の基板５２２、例えば半導体デバイスまたは他の加工物もしくは試料を含む基板５２２に向かって進む。
【0047】
加工物または試料から試料を抜き取り、ＴＥＭ試料ホルダへ移動させることができるように、ステージ５２５はさらに、１つまたは複数のＴＥＭ試料ホルダ５２４を支持することができる。ステージ５２５は、水平面（ＸおよびＹ軸）内で移動することができ、かつ垂直に（Ｚ軸）移動することができることが好ましい。ステージ５２５はさらに約６０度傾くことができ、Ｚ軸を軸に回転することができる。いくつかの実施形態では、別個のＴＥＭ試料ステージ（図示せず）を使用することができる。このようなＴＥＭ試料ステージもＸ、ＹおよびＺ軸に沿って可動であることが好ましい。Ｘ−Ｙステージ５２５上に基板５２２を挿入するため、および内部ガス供給リザーバが使用される場合には内部ガス供給リザーバの整備作業のために、扉５６１が開かれる。システムが真空状態にある場合に開かないように、この扉はインタロックされる。
【0048】
ネック部分５１２を排気するためにイオン・ポンプ５６８が使用される。可変圧力室５２６は、真空コントローラ５３２の制御の下、ターボ分子および機械ポンピング・システム５３０によって排気される。この真空システムは、付着ステップの後にガス画像化ステップを実施するなどの特定のシナリオで実施されるプロセスおよびステップに応じて、低圧と高圧の間の真空を可変圧力室５２６内に提供する。真空圧力動作に対しては、可変圧力室５２６内の圧力を、約１０−７トルおよび１０−４トルなどの真空圧力から変化させることができることが好ましいが、典型的なＳＥＭに対しては、エッチング支援ガス、エッチング遅延ガスまたは付着前駆体ガスを使用する場合、１０−５トル未満であることが好ましい。ＨＰＳＥＭ／ＶＰＳＥＭ動作に対しては、本明細書に記載されたＨＰＳＥＭガス画像化プロセスで使用される０．０１トルから５０トルなどの圧力まで、室５２６をさらに調整することができ、ガス画像化プロセスに対してはこの圧力が１トルから１０トルの間であることが好ましく、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨの使用は５トルまでに制限されることが好ましいが、これよりも高い圧力をＣＨ３ＣＨ２ＯＨとともに使用することもできる。このより高い圧力は、本明細書に記載された改良されたガス増幅に先立つことができるが、特に酸化を受けやすい有機液体または材料を試料が含む場合に、より少ない腐食およびより少ない試料相互作用の利点を依然として達成する。
【0049】
イオン・ビーム５１８にエネルギーを与え集束させるため、高電圧電源は、イオン・ビーム集束カラム５１６内の電極に適当な加速電圧を印加する。イオン・ビームが基板５２２に当たると、材料がスパッタリングされる。すなわち試料から材料が物理的に追い出される。あるいは、イオン・ビーム５１８が前駆体ガスを分解して、材料を付着させることもできる。
【0050】
液体金属イオン源５１４ならびに約１ｋｅＶから６０ｋｅＶのイオン・ビーム５１８を形成しそれを試料に向かって導くイオン・ビーム集束カラム５１６内の適当な電極に高圧電源５３４が接続されている。パターン発生器５３８によって提供される所定のパターンに従って動作する偏向コントローラおよび増幅器５３６が偏向板５２０に結合されており、それによって、対応するパターンを基板５２２の上面に描くようにイオン・ビーム５１８を手動または自動で制御することができる。いくつかのシステムでは、当技術分野ではよく知られているように、偏向板が、最後のレンズの前に置かれる。イオン・ビーム集束カラム５１６内のビーム・ブランキング（ｂｌａｎｋｉｎｇ）電極（図示せず）は、ブランキング・コントローラ（図示せず）がブランキング電極にブランキング電圧を印加したときに、イオン・ビーム５１８を、基板５２２ではなくブランキング絞り（図示せず）に衝突させる。
【0051】
液体金属イオン源５１４は通常、ガリウムの金属イオン・ビームを提供する。イオン・ミリング、強化されたエッチング、材料付着によって基板５２２を改変するため、または基板５２２を画像化するために、源を通常、基板５２２の位置における幅が１／１０マイクロメートル未満のビームに集束させることができる。
【0052】
適当にバイアスされたエバーハート・ソーンリー（Ｅｖｅｒｈａｒｔ Ｔｈｏｒｎｌｅｙ）検出器またはマルチチャンネル・プレートなどの荷電粒子検出器５４０が、２次イオンまたは２次電子の放出を検出す目的に使用される。ガス・カスケード検出器が含まれ、このガス・カスケード検出器は、同じ検出器５４０または別個の構造体とすることができ、本明細書に記載された任意のガス・カスケード検出器とすることができる。検出器５４０はビデオ回路５４２に接続され、ビデオ回路５４２は、ビデオ・モニタ５４４に駆動信号を供給し、ビデオ・モニタ５４４はコントローラ５１９から偏向信号を受け取り、これによってガス・カスケード増幅画像化システムを形成する。このようなシステムはさらに、その結果生じたデータを処理するディジタル信号処理プロセッサと、観察および分析するために受け取った画像データを操作するビデオ回路に結合された局所データ記憶装置とを含むことができる。可変圧力室５２６内における荷電粒子検出器５４０の位置は実施形態によって変更することができる。例えば、荷電粒子検出器５４０はイオン・ビームと同軸とすることができ、イオン・ビームが通り抜けることを可能にする穴を含むことができる。他の実施形態では、最終レンズを通過させ、次いで集めるために軸から逸らした２次粒子を集めることができる。
【0053】
米テキサス州ＤａｌｌａｓのＯｍｎｉｐｒｏｂｅ，Ｉｎｃ．のＡｕｔｏＰｒｏｂｅ ２００（商標）、またはドイツＲｅｕｔｌｉｎｇｅｎのＫｌｅｉｎｄｉｅｋ ＮａｎｏｔｅｃｈｎｉｋのＭｏｄｅｌ ＭＭ３Ａなどのマイクロマニピュレータ（ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）５４７は、真空室内の物体を正確に移動させることができる。真空室内に配置された部分５４９のＸ、Ｙ、Ｚおよびθ制御を提供するため、マイクロマニピュレータ５４７は、真空室の外側に配置された精密電動機５４８を備えることができる。小さな物体を操作するため、マイクロマニピュレータ５４７に、細いプローブ５５０などの別のエンド・エフェクタを取り付けることができる。
【0054】
ガス注入口１２４およびガス排出口１２６は、可変圧力室５２６内の処理ガスまたは画像化ガスの流量および圧力を調整する。ガス注入口１２４を通して前駆体ガスまたは画像化ガスの源が供給される。この実施形態では、供給される画像化ガスが、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨまたはその混合物である。いくつかの実施形態はさらに、１種または数種の処理ガスを使用する進行中のプロセスに対して、画像化ガスとしてＣＨ３ＣＨ２ＯＨが含まれる複数のガスを同時に使用することを可能にする。このような状況では、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨが、画像化ガスと処理ガスの２重の役割を有することもある。ガス排出口１２６は、リーク弁１２８を介して粗引きポンプ（図示せず）に接続される。ガス注入口１２４は、１つまたは複数の処理ガス・フィード１４４、画像化ガス・フィード１４６などの複数のガス・フィード間の高速切換えを可能にする弁装置１４０を含む。ガス注入口１２４は、可変圧力室５２６内へ延びて、ガス蒸気を導入し基板５２２に向かって導くことができる。本発明の譲受人に譲渡されたＣａｓｅｌｌａ他の「Ｇａｓ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」という名称の米国特許第５，８５１，４１３号明細書は適当なガス送達システム５４６を記載している。別のガス送達システムが、やはり本発明の譲受人に譲渡されたＲａｓｍｕｓｓｅｎの「Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許第５，４３５，８５０号明細書に記載されている。例えば、エッチングを強化するためにヨウ素を送達することができ、または金属を付着させるために金属有機化合物を送達することができる。
【0055】
システム・コントローラ５１９は、デュアル・ビーム・システム５１０のさまざまな部分の動作を制御する。従来のユーザ・インタフェース（図示せず）にコマンドを入力することにより、ユーザは、システム・コントローラ５１９を介して、イオン・ビーム５１８または電子ビーム５４３で所望のとおりに走査することができる。あるいは、システム・コントローラ５１９は、プログラムされた命令に従って、デュアル・ビーム・システム５１０を制御することができる。いくつかの実施形態では、このガス・カスケード増幅画像化システムが、関心の領域を自動的に識別する、米マサチューセッツ州ＮａｔｉｃｋのＣｏｇｎｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているソフトウェアなどの画像認識ソフトウェアを含み、このシステムは、本発明に従って試料を手動でまたは自動的に抜き取ることができる。
【0056】
本発明の実施形態は、ガス−試料反応を比較的に受動的に観察する目的にビームが使用される用途にも適している。本明細書に開示された画像化ガス技法は、他の画像化ガスならプロセスを妨害し腐食を生じさせる非水性環境中の液体および動的プロセスの画像化において特に有用である。その例には、化学蒸着（ＣＶＤ）および金属有機化学蒸着（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＭＯＣＶＤ）の場合のような付着前駆体の熱分解、および反応が熱によって開始される触媒反応プロセスが含まれる。
【0057】
図４ａは、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースのＣＶＤとともに使用することができる改良されたガス画像化を使用するプロセスの流れ図である。ＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースのＣＶＤとは、ガス反応物がＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含むことを意味する。ＣＨ３ＣＨ２ＯＨと混合することができる第２のガス反応物の例はＨ２である。ＣＨ３ＣＨ２ＯＨと混合することができる第３のガスはＡｒである。示されたプロセス６００はボックス６０２から始まり、ボックス６０２で、可変圧力室内に加工物を装填する。この可変圧力室は、本明細書に記載された環境セルのうちの１つの環境セル、または試料室、例えば図３に示された実施形態の試料室とすることができる。プラットホーム、加工物、室および壁の温度および圧力は独立して制御されることが好ましく、関係するそれぞれのガスの分圧も独立して制御されることが好ましい。次に、ボックス６０４で、このＣＶＤプロセスを、好ましくは反応物ガスの定常流を維持しながら実施する。このステップにおけるＣＶＤは、当技術分野で知られているＣＶＤプロセスに従って実施され、所望の圧力のガスの定常流が、室内を通過してリーク弁から外に出るまで維持される。ＣＶＤの間、ガス圧は通常、０．０１ミリバールから９００ミリバールの間にあり、温度は、３００℃から１０００℃の間にある。また、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースのＣＶＤについて論じたが、画像化ガスとしてのＣＨ３ＣＨ２ＯＨの使用は、この文脈において、大部分の有機または非水性ＣＶＤ合成プロセスに対して有用であり、ここで記載したＣＶＤの代わりにそれらのプロセスを使用することもできる。
【0058】
次に、ボックス６０６で、画像化の準備のために温度および圧力を調整する。それぞれのガスの濃度を調整することもできる。いくつかの変形実施形態では、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ蒸気の濃度が既に画像化に対して十分であり、ＣＶＤと同じ濃度で画像化が実施される。通常は、温度が下げられ、圧力が、より高くまたはより低く調整されるが、これは限定を意味するものではなく、いくつかのプロセスでは、ＣＶＤと同じ条件で画像化が実行される。最適な画像化は通常、７００℃未満の温度、０．１ミリバールから１０ミリバールの範囲のガス圧で実行される。ある種のＣＶＤプロセスは、進捗状況を判断するためにＣＶＤ中にＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースの画像化を実施しながら実行することもできる。この画像化は、断続的または連続的な画像化とすることができ、この画像化を使用して、成長している材料の動画を生成することができる。画像化の準備はさらに、可変圧力室内で加工物を移動させることを含むことができるが、室から加工物を取り出すことは含まないことが好ましい。いくつかのプロセスでは、室を排気し、排気後にＣＨ３ＣＨ２ＯＨ画像化ガスを追加することができるが、これは必要な場合にのみ実行され、好ましいプロセスは単に、（室の排気は実施せず、）例えば反応物混合物中の他のガスの供給を止め、供給されるＣＨ３ＣＨ２ＯＨの圧力を高めることによって、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨの濃度を調整するだけである。ボックス６０８で、本明細書に記載されたとおりに構成された粒子ビーム検出装置およびガス・カスケード検出装置のうちの１つの検出装置を使用して、画像化を、本明細書に記載されたとおりに実施する。この画像化の結果に基づいて、このプロセスを反復的に繰り返して、所望のＣＶＤ結果を得ることができる。
【0059】
図４ｂは、改良されたガス画像化を使用して、触媒反応またはその結果を研究するプロセスの流れ図である。プロセス６２０はボックス６２２から始まり、ボックス６２２で、可変圧力室内に加工物を装填する。この可変圧力室は、本明細書に記載された環境セルまたは試料室とすることができる。プラットホーム、加工物、室および壁の温度および圧力は独立して制御されることが好ましく、関係するそれぞれのガスの分圧または少なくともガス・フィード体積も独立して制御されることが好ましい。次に、ボックス６２４で、触媒反応プロセスを、好ましくは反応物ガスの定常流を維持しながら実施する。このステップにおける触媒反応は、当技術分野で知られている触媒反応プロセスに従って実施され、所望の圧力のガスの定常流が、室内を通過してリーク弁から外に出るまで維持される。触媒反応の間、ガス圧は通常、０．０１ミリバールから９００ミリバールの間にあり、温度は、１００℃から１０００℃の間にある。触媒反応の研究で使用されるガスは、ＣＯ、Ｈ２、Ｏ２、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ、Ａｒ、ＮＨ３、Ｎ２およびＨ２Ｏを含む。触媒反応の研究で使用される試料は、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｍｏおよび広範囲の酸化物を含む。試料はしばしば、複合材料、ナノ粒子、またはナノ構造化された（ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ）表面である。次に、ボックス６２６で、画像化の準備のために温度および圧力を調整する。濃度を調整することもできる。いくつかの変形実施形態では、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ蒸気の濃度が既に画像化に対して十分であり、触媒反応と同じ濃度で画像化が実施される。画像化は、反応物ガスのガス流速または空間速度を遅くして実施することが好ましい。ある種の触媒反応プロセスは、進捗状況を判断するために、触媒反応中にＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースの画像化を断続的に実施しながら実行することもできる。画像化の準備はさらに、可変圧力室内で加工物を移動させることを含むことができるが、室から加工物を取り出すことは含まないことが好ましい。いくつかのプロセスでは、室を排気し、排気後にＣＨ３ＣＨ２ＯＨ画像化ガスを追加することができるが、これは必要な場合にのみ実行され、好ましいプロセスは単に、（室の排気は実施せず、）例えば反応物混合物中の他のガスの供給を止め、供給されるＣＨ３ＣＨ２ＯＨの圧力を高めることによって、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨの濃度を調整するだけである。ボックス６２８で、本明細書に記載されたとおりに構成された粒子ビーム検出装置およびガス・カスケード検出装置のうちの１つの検出装置を使用して、画像化を、本明細書に記載されたとおりに実施する。
【0060】
図４ｃは、改良されたガス画像化を使用して、有機液体または有機溶媒およびそれらの濡れ挙動を研究するプロセスの流れ図である。プロセス６４０はボックス６４２から始まり、ボックス６４２で、試料と相互作用する有機液体または有機溶媒の挙動の研究を実施するために、可変圧力室内に試料を装填する。任意選択で、この有機溶媒または有機液体はステップ６４２で供給することができ、または続くステップ６４６で供給することもできる。この可変圧力室は、本明細書に記載された環境セルまたは試料室とすることができる。次に、ボックス６４４で、所望の研究のために温度および圧力を調整する。所望の濃度の一種または数種のガスを供給することもできる。溶媒または液体の画像化は通常、−１００℃から１０℃の間の試料温度および１ミリバールから２０ミリバールの範囲の有機蒸気圧を必要とする。次に、ボックス６４６で、任意選択で、所望の研究を実施するのに必要な有機液体または有機溶媒を供給する。このステップは、注入器を使用して液体もしくはガスを追加すること、または、試料の温度を、研究で使用する有機蒸気の凝縮温度まで下げ、研究で使用する有機蒸気の分圧を下げることを含むことができる。さらに、いくつかの変形実施形態では、研究したい有機成分が原試料中に存在し、研究したい相互作用を反応物ガスが提供する。このステップは、反応が起こるのを所望の時間、待つことを含むことができ、または、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースの画像化のための調整が実施されたらすぐにステップ６４８に移ることもできる。一部のプロセスは、画像化を実施するのに、温度、圧力またはさまざまなガス濃度の調整を必要としないが、別のプロセスは、ボックス６４８で、これらの条件のうちの任意の条件を調整する。ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ以外の有機液体または有機溶媒の研究中に、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ蒸気を可変圧力室内に注入して、画像化を改良することができる。あるいは、液相のＣＨ３ＣＨ２ＯＨをこの有機溶媒または液体として使用し、同時に、そのＣＨ３ＣＨ２ＯＨ蒸気を画像化に対して使用することもできる。ボックス６５０で、本明細書に記載されたとおりに構成された粒子ビーム検出装置およびガス・カスケード検出装置のうちの１つの検出装置を使用して、画像化を、本明細書に記載されたとおりに実施する。この画像化を、ボックス６４４で生成された条件での有機液体または有機溶媒の挙動の進行中観察とすることもできる。本明細書に記載された技法は、以前のガス画像化システムでは観察できないプロセスに対する、濡れ挙動を含むこのような挙動の高分解能研究を提供する目的に有益に使用される。
【0061】
図５ａ〜ｃは、本明細書に記載されたとおりに構成されたＣＨ３ＣＨ２ＯＨのガス増幅と先行技術の画像化ガスのそれとを比較した、環境型光収率分光法（ＥＰＹＳ）データを示す一連のプロットである。示されたプロットは、増幅が起こるレートの変化を、検出器バイアスの全範囲にわたって示している。低圧力および低電圧（図の（ｉ）と記された領域）では、イオンは効率的に分離されるが、長い平均自由行程および達成される低い運動エネルギーのため、増幅はほとんど起こらない。電圧を増大させると（ｉｉ）、電流は、指数関数的な増大を示し、これは、タウンゼンド・ガス・コンデンサ・モデル（Ｔｏｗｎｓｅｎｄ ｇａｓ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｍｏｄｅｌ）で典型的である。低圧力および高電圧では（ｉｉｉ）、増幅率（ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）が比較的に小さく、表面の正イオンによって生成された電子の数の逆数にゆっくりと近づくため、フィードバックの効果が観測可能である。増幅が大きく（かつ急速に増大し）、フィードバックが小さいとき、フィードバックからのＩΣに対する寄与は、分解に近い小さな電圧範囲にわたって非常に急速に高まり、そのため、１〜１０トルの高電圧では、それは容易には観察されない。その代わりに、高圧力では、図５ｃの（ｉｖ）と記された領域に示されているように、ガス分子による電子掃気および弾性散乱が０Ｖにおいて観察され、それに続いて、検出器バイアスの増大につれて、イオンの分離および捕集、次いで標準タウンゼンド・カスケード増幅が観察される。
【0062】
図６（ａ）〜（ｆ）は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを使用した本発明のシステムによる意図されていない炭素付着をＨ２ＯおよびＮＨ３との比較で調べるために撮影された拡大された一連の画像を示す。試料上でのＣＨ３ＣＨ２ＯＨの電子ビーム誘起解離に起因する意図されていない炭素付着の可能性を調べるため、本発明の発明者は、記載されたＨＰＳＥＭ装置内でこれらの３種類の全てのガスを使用した実験を実施した。ある種の条件下では、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨが、炭素電子ビーム誘起付着（ＥＢＩＤ）前駆体の働きをしうることに留意されたい。しかしながら、室温では、本明細書に記載された条件でのＣ付着速度は無視できることが分かった。さらに、この前駆体は揮発性が非常に高く、したがって、真空システムから（Ｈ２Ｏに比べて）迅速に排出される。Ｈ２Ｏ、ＮＨ３およびＣＨ３ＣＨ２ＯＨ中での画像化に従って撮影された拡大された画像がそれぞれ、図６（ａ）〜（ｂ）、６（ｃ）〜（ｄ）および６（ｅ）〜（ｆ）に示されている。ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ中での高倍率の照射によってもコントラストの変化は起こらなかった。このことは、本明細書に記載された技法に従って使用されたときに炭素付着がほとんどまたは全く起こらないことを示している。
【0063】
以下は、本開示に基づく非限定的な特定の実施形態である。
【0064】
第１の実施形態は、加工物の荷電粒子ビーム画像を形成する方法であって、加工物表面を荷電粒子ビームで走査することであり、荷電粒子ビームが、２次電子の放出を引き起こして、走査に沿った点において２次電子信号を生成することと、
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している２次電子を加速させることによって２次電子信号を増幅することであり、２次電子が、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨのイオン化カスケードを開始させることと、
増幅された画像化信号を検出することと、
増幅された画像化信号から加工物の画像を形成することと
を含む方法である。
【0065】
第２の実施形態は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している２次電子を加速させることが、少なくとも０．０１トル（０．０１３ミリバール）の圧力を有するＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している２次電子を加速させることを含む、第１の実施形態の方法である。
【0066】
第３の実施形態は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している２次電子を加速させることが、１．０トル（１．５ミリバール）から５０トル（６７ミリバール）の間の圧力を有するＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している２次電子を加速させることを含む、第１または第２の実施形態の方法である。
【0067】
第４の実施形態は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している２次電子を加速させることが、２次電子信号を少なくとも５００倍に増幅するのには十分だが、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨの分解を引き起こすのには不十分な大きさの電位によって２次電子を加速させることを含む、第１から第３の実施形態のうちのいずれかの実施形態の方法である。
【0068】
第５の実施形態は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している２次電子を加速させることが、５０Ｖから１０００Ｖの間の電位によって２次電子を加速させることを含む、第１から第４の実施形態のうちのいずれかの実施形態の方法である。
【0069】
第６の実施形態は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む領域を通過している２次電子を加速させることが、約１ｍｍから約２００ｍｍの間の距離にわたって２次電子を加速させることを含む、第１から第５の実施形態のうちのいずれかの実施形態の方法である。
【0070】
第７の実施形態は、加工物を画像化する荷電粒子ビーム・システムであって、加工物に照射する荷電粒子の１次ビームを生成する荷電粒子源と、
荷電粒子を加工物上で集束させる集束レンズと、
荷電粒子ビームによる加工物照射によって生成された２次電子を加速させる電極と、
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを封入する容器であり、電極が、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ中を通過している２次電子を加速させて、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨをイオン化カスケードによってイオン化し、それによって検出用の２次電子の数を増幅する容器と、
容器と荷電粒子源との間に配置された圧力制限絞りであり、荷電粒子ビーム源を容器内よりも低い圧力に維持するように構成された圧力制限絞りと
を備える荷電粒子ビーム・システムである。
【0071】
第８の実施形態は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを封入する容器が試料室を含む、第７の実施形態のシステムである。
【0072】
第９の実施形態は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを封入する容器が、試料室の内側に配置された環境セルを含む、第７または第８の実施形態のシステムである。
【0073】
第１０の実施形態は、電極と加工物の間に５０Ｖから１０００Ｖの間の電位差を与える電源をさらに備える、第７から第９の実施形態のうちのいずれかの実施形態のシステムである。
【0074】
第１１の実施形態は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを封入する容器が、０．０１トル（０．０１３ミリバール）から５０トル（６７ミリバール）の間の圧力のＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む、第７から第１０の実施形態のうちのいずれかの実施形態のシステムである。
【0075】
第１２の実施形態は、電極に接続された電流増幅器と、
電流増幅器とアースの間に接続された電流検出器と
をさらに備える、第７から第１１の実施形態のうちのいずれかの実施形態のシステムである。
【0076】
第１３の実施形態は、加工物の表面から２次電子を発生させ、２次電子を増幅および検出する方法であって、（ａ）ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む画像化ガスを室内に供給することと、
（ｂ）画像化ガスが存在する適当なガス圧下で、加工物の表面を、加工物の表面から２次電子を放出させるのに十分なエネルギーを有する荷電粒子ビームで走査することと、
（ｃ）２次電子をＣＨ３ＣＨ２ＯＨガス分子に衝突させ、負電荷キャリアを生成させるのに十分な強さを有する電場によって、２次電子を加速させることであり、負電荷キャリアが、続いて、別のＣＨ３ＣＨ２ＯＨガス分子との複数回の衝突によって追加の負電荷キャリアを生成することができ、その結果、負電荷キャリアの数が元の２次電子の数よりも多くなり、かつ負電荷キャリアの数が元の２次電子の数に比例し、電場の強さが、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ中での致命的な放電またはアーク発生を回避するのに十分な弱いものであることと、
（ｄ）電子およびイオン化されたガス分子に由来する電流を検出し、それによって加工物の表面から放出された２次電子の数に比例した信号を検出することと
を含む方法である。
【0077】
第１４の実施形態は、加工物が、有機液体または有機溶媒を含み、この方法が、検出された電流に基づいて画像を生成することをさらに含む、第１３の実施形態の方法である。
【0078】
第１５の実施形態は、画像が、加工物に沿った有機液体または有機溶媒の濡れ挙動を示す、第１４または第１５の実施形態の方法である。
【0079】
第１６の実施形態は、加工物の表面を走査する前に、室内の加工物上でＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースの化学蒸着ステップを実施することをさらに含む、第１３から第１５の実施形態のうちのいずれかの実施形態の方法である。
【0080】
第１７の実施形態は、加工物の表面を走査中に、室内の加工物上でＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースの化学蒸着ステップを実施することをさらに含む、第１３から第１６の実施形態のうちのいずれかの実施形態の方法である。
【0081】
第１８の実施形態は、加工物の表面を走査する前に、室内の加工物上でＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースの触媒反応ステップを実施することをさらに含む、第１３から第１７の実施形態のうちのいずれかの実施形態の方法である。
【0082】
第１９の実施形態は、加工物の表面を走査中に、室内の加工物上でＣＨ３ＣＨ２ＯＨベースの触媒反応ステップを実施することをさらに含む、第１３から第１８の実施形態のうちのいずれかの実施形態の方法である。
【0083】
第２０の実施形態は、荷電粒子ビームが、約１キロ電子ボルトから約５０キロ電子ボルトまでの範囲内のエネルギーを有する電子ビームである、第１３から第１９の実施形態のうちのいずれかの実施形態の方法である。
【0084】
第２１の実施形態は、ガス圧が、約０．０１トルから約１０トルまでの範囲内にある、第１３から第２０の実施形態のうちのいずれかの実施形態の方法である。
【0085】
第２２の実施形態は、電場が、５０Ｖから１０００Ｖの間の電位差を含む、第１３から第２１の実施形態のうちのいずれかの実施形態の方法である。
【0086】
第２３の実施形態は、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨを含む画像化ガスを供給することが、ＣＨ３ＣＨ２ＯＨとＮＨ３との混合物を供給することを含む、第１３から第２２の実施形態のうちのいずれかの実施形態の方法である。
【0087】
特許請求項の任意の要素に対する用語「任意選択で」の使用は、その主題要素が不可欠であること、あるいはその主題要素が不可欠ではないことを意味することが意図されている。これらの選択肢はともに、その特許請求項の範囲に含まれることが意図されている。本開示の実施形態の特徴を導入するための用語「〜ことができる（ｍａｙ）」の使用（例えば、「一実施形態では、その部品をはめ歯に接続することができる（Ｉｎ ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｗｉｄｇｅｔ ｍａｙ ｂｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ａ ｃｏｇ）」）は、前記特徴を記載している実施形態は本発明の範囲に含まれるとみなされること、および本明細書は、このような実施形態を肯定的に記載していると解釈すべきであることを意味することが意図されている。しかしながら、実施形態の特徴を導入するための用語「〜ことができる（ｍａｙ）」の使用は、前記特徴を記載していない実施形態が本発明の範囲に含まれないとみなされることを示しているものではない。さらに、実施形態のさまざまな特徴が複数形で記載されるが（例えば、付着表面（ａｔｔａｃｈｅｍｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅｓ）、限局された引付け部位（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ ｓｉｔｅｓ）など）、そうではないと明示されていない限り、前記特徴を単数で有する実施形態（例えば、１つの付着表面（ｏｎｅ ａｔｔａｃｈｅｍｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ）、限局された引付け部位（ｏｎｅ ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ａｔｔｒａｃｔｉｖｅ ｓｉｔｅ）など）も、単独で、または他の単数もしくは複数の特徴と組み合わされて、本発明の範囲に含まれることが企図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」などのより幅広い（ｂｒｏａｄｅｒ）用語の使用は、「〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」、「本質的に〜からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」、「実質的に〜からなる（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」などのより幅の狭い（ｎａｒｒｏｗｅｒ）用語の支持を提供すると理解すべきである。
【0088】
本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。
【0089】
したがって、保護の範囲は、以上の説明によっては限定されず、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。保護の範囲は、特許請求項の主題の全ての等価物を含む。いずれの特許請求項も、本発明の一実施形態として本明細書に組み込まれている。したがって、特許請求項は追加の説明であり、本発明の実施形態への追加である。「発明を実施するための形態」の項での参照文献の議論は、特にそれが本出願の優先日後の公告日を有する参照文献である場合、その文献が、本発明の先行技術であることを認めるものではない。
【符号の説明】
【0090】
１００ 粒子−光学装置１０１ 真空エンベロープ
１０２ ピンホール磁気対物レンズ
１０３ 試料室
１０４ 試料セル
１０６ 試料
１０８ ステージ
１２２ ２次電子検出器
１２８ リーク弁
１４０ 弁装置