(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子プローブ装置であって、
ａ．レーザビーム源と、
ｂ．ビームスプリッタであって、
（１）ビーム経路に沿って前記レーザビーム源からレーザビームを受け取ること、および
（２）前記レーザビームを、異なるサブビーム経路に沿って進むサブビームに分割することであって、前記異なるサブビーム経路が、原子プローブチャンバ内の試料に向かって方向付けられる、分割することを行うように載置される、ビームスプリッタと、を含み、
前記サブビームのうちの１つのみが、前記試料上に一度に入射する、原子プローブ装置。
【請求項２】
ａ．前記試料からのイオン蒸発を測定するように構成されたイオン検出器と、
ｂ．プロセッサであって、
（１）前記イオン検出器からのイオン蒸発測定値を受け取ること、および
（２）前記サブビームのうちの少なくとも１つのエネルギーを調整して、前記試料上に入射する全てのサブビームから生じる等しいイオン蒸発測定値を求めることを行うように構成された、プロセッサと、を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
１つ以上の減衰器を更に含み、各減衰器が、
ａ．前記プロセッサによって調整可能な減衰を有し、
ｂ．前記サブビーム経路のうちの１つに沿って載置されて、それに沿って進む前記サブビームを減衰させる、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
ａ．前記試料からのイオン蒸発を測定するように構成されたイオン検出器と、
ｂ．１つ以上の減衰器であって、各減衰器が、
（１）前記サブビーム経路のうちの１つに沿って載置されて、それに沿って進む前記サブビームを減衰させ、
（２）調整可能な減衰を有する、１つ以上の減衰器と、
ｃ．プロセッサであって、
（１）前記イオン検出器からのイオン蒸発測定値を受け取ること、および
（２）少なくとも１つの減衰器の前記減衰を調整して、前記試料上に入射する全てのサブビームから生じる等しいイオン蒸発測定値を求めることを行うように構成される、プロセッサと、を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記プロセッサが、前記レーザビームの前記エネルギーを調整するように構成されている、請求項２または４に記載の装置。
【請求項６】
前記サブビーム経路が、前記試料の周りで測定されたとき、少なくとも９０度の角度分離を有する、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記サブビームの前記サブビーム経路が、前記試料の周りで少なくとも実質的に等しい角度分離を有する、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
ａ．前記サブビーム経路が、前記ビーム経路に沿って前記試料の少なくとも一対の画像を提供し、
ｂ．前記試料の前記画像が、相互から離間されている、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記レーザビーム源と前記ビームスプリッタとの間にステアリングミラーをさらに含み、前記ステアリングミラーが、前記サブビーム経路の変更を行うように調整可能に再位置決め可能である、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記ステアリングミラーが、前記サブビームのうちのいずれかの選択された一方の前記サブビーム経路を前記試料上に選択的に方向付けるように再位置決め可能であり、そのような再位置決めが、他方のサブビームの前記サブビーム経路を前記試料から離して方向付ける、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記レーザビーム源と前記ビームスプリッタとの間にステアリングミラーをさらに含み、
ａ．各サブビーム経路が、前記ステアリングミラーと前記試料との間に対物レンズを含み、
ｂ．試料レンズの光学軸が、前記試料からオフセットされた場所で交差している、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
原子プローブデータを収集するための方法であって、
ａ．レーザビームを異なるサブビーム経路に沿って進むサブビームに分割するステップと、
ｂ．前記サブビームを原子プローブチャンバ内の試料に向かって方向付けるステップであって、前記サブビームのうちの１つのみが、前記試料上に一度に入射する、ステップと、を含む、方法。
【請求項１３】
経時的に、異なるサブビームを前記試料に入射させるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
ａ．前記試料の領域にわたって、各サブビームを走査するステップと、
ｂ．前記走査中に、前記試料からのイオン蒸発を監視するステップと、を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
原子プローブデータ収集装置であって、
ａ．レーザビーム源と、
ｂ．前記レーザビーム源からレーザビームを受け取るように載置されたステアリングミラーと、
ｃ．前記ステアリングミラーから前記レーザビームを受け取るように載置されたビームスプリッタであって、前記レーザビームを、異なるサブビーム経路に沿って試料に向かって進むサブビームに分割する、ビームスプリッタと、を含み、
ステアリング部材が、前記サブビームのうちの選択された一方を前記試料上に選択的に方向付けるように調整可能であり、そのような選択可能な方向が、他方のサブビームを前記試料から離して方向付ける、原子プローブデータ収集装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本文書は、一般に原子プローブに関連する発明に関し、より具体的には、試料の周りで複数の角度から原子プローブ試料にイオン化エネルギービームを提供する原子プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子プローブは、原子プローブ顕微鏡とも呼ばれ、試料を原子レベルで分析することを可能にするデバイスである。典型的な原子プローブは、試料台と検出器とを含む。典型的な分析の間、試料は試料台に載置され、試料の頂点近傍の静電場（検出器に最も近い表面および検出器に面する表面）が、表面原子を自発的にイオン化するのに必要な静電場（一般に、ナノメートル当たり５〜５０ボルトのオーダー）の約９０％になるように、正の電荷（例えば、ベースライン電圧）を試料に供給する。検出器は、試料の頂点（先端）から離間されており、かつ接地されているか、または負に帯電している。局所電極は、試料と検出器との間に位置し、試料と検出器との間に整列された開口部を有することができ、局所電極は、接地されていてもよく、または負に帯電していてもよい。（局所電極は、「局所電極」または「抽出電極」と称されることがあり、付加的に、原子プローブ内の電極が典型的には静電レンズとして働くため、「電極」という用語の代わりに「レンズ」という用語が使用されることがある）。エネルギービームパルス（例えば、レーザビームパルス、電子ビームパルス、イオンビームパルスなど）、正の電気パルス（ベースライン電圧より上）、および／または他のエネルギーパルス（例えば、ＲＦパルス）は、試料上の表面原子がイオン化する可能性を高めるために断続的に試料に供給される。代替的にまたは付加的に、前述のエネルギーパルス（複数可）と同期して負の電圧パルスを任意の局所電極に印加することができる。
【０００３】
時々、パルスは、試料の頂点付近の単一原子のイオン化を引き起こす。イオン化原子（複数可）は、試料の表面から分離または「蒸発」し、局所電極（存在する場合）内の開口部を通過し、検出器の表面、典型的にはマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）に衝突する。イオン化原子の元素同一性は、その飛行時間（ＴＯＦ）、試料の表面からイオンを遊離させるパルスと検出器に衝突する時間との間の時間を測定することによって決定することができる。イオンの速度（したがってそれらのＴＯＦ）は、イオン化原子の質量電荷比（ｍ／ｎ）に基づいて変化し、検出器に到達する時間がより短い軽いイオンおよび／またはより帯電したイオンである。イオンのＴＯＦは、イオンの質量対電荷比を示し、これは元素同一性を示すため、ＴＯＦは、イオン化原子の組成を特定するのに役立ち得る。更に、原子プローブは「点投影顕微鏡」として機能し、それによって試料表面上のイオン化原子の場所が検出器への原子の衝突の場所に対応し、それにより、試料上のイオン化原子の元の場所を決定することが可能になる。したがって、試料が蒸発するにつれて、試料の構成原子の３次元マップまたは画像を構築することができる。マップによって表される画像は、原子解像度および１００万倍を超える倍率を有する点投影であるが、マップ／画像データは、実質的に任意の配向で分析することができ、したがって、画像は、実際にはより多くの断層撮影とみなすことができる。原子プローブに関する更なる詳細は、例えば、米国特許第５，４４０，１２４号、米国特許第７，１５７，７０２号、米国特許第７，６５２，２６９号、米国特許第７，６８３，３１８号、米国特許第７，８８４，３２３号、米国特許第８，０７４，２９２号、米国特許第８，１５３，９６８号、米国特許第８，２７６，２１０号、米国特許第８，５１３，５９７号、米国特許第８，５７５，５４４号、および米国特許出願公開第２０１２／００８０５９６号、ならびに前述の文献において参照された特許および他の文献に見出すことができる。
【０００４】
イオン化を誘発するためのエネルギービーム、特にレーザビームの使用は、パルスレーザ原子プローブ（ＰＬＡＰ）顕微鏡法と呼ばれる原子プローブ顕微鏡法のサブカテゴリを生み出してますます普及している。この普及の高まりの主な原因は、超短パルス幅と高パルス繰り返し率の信頼性の高いレーザシステムの進歩によるものである。より短いパルス幅は、イオン化の瞬間をより正確に識別することを可能にし、それによりイオンの飛行時間をより高い分解能で識別することができる。パルス率が高いほどイオン化速度が速くなり、したがって試料の完全分析に要する時間が短くなる。しかし、パルスレーザ法は、試料の陰影部分よりも試料の直接照射部分で加熱される、レーザビームの不均一な試料の加熱によって生じる問題に直面する。したがって、サンプルの照射側の原子は、レーザによってより容易にイオン化され、照射部分でより大きな蒸発をもたらし、検出器によって生成された試料の画像にアーチファクトを生じさせる可能性がある。
【０００５】
米国特許第７，６５２，２６９号、米国特許第７，６８３，３１８号、および米国特許第８，１５３，９６８号は、試料から検出器まで進むイオンによって規定される「飛行円錐（ｆｌｉｇｈｔ  ｃｏｎｅ）」に可能な限り近い（しかし、その外にある）軸に沿ってレーザを試料上に方向付けることによって不均一な加熱の問題に対処し、これにより、試料の頂点をより完全にかつ均一に照射する。このアプローチは加熱の不均一の問題を低減させるが、不都合なことに、レーザが試料から遠くに載置される必要がある傾向があり、構成要素の振動、レーザ不完全性、熱膨張／収縮などによるレーザビームの「ドリフト」を増長させる。このようなドリフトは、頻繁で時間のかかる再整列と試料上へのレーザビームの再集束の必要性を生じさせる（例えば、米国特許出願公開第２０１０／０２８２９６４号参照）。上記の文献は、ドリフトが、試料の周りのレーザビームを周期的に走査し、その間に試料のイオン化速度を示すパラメータを監視することによって対処されることを提案している。イオン化速度が最大になると、これは典型的には試料頂点または頂点に近い領域が照射されていることを示す。したがって、レーザは、試料頂点上に定期的に再配列／再集束される。
【０００６】
不均一な加熱を低減させるための他のアプローチはおおいに不十分である。複数のレーザを使用して、複数の側部から同時に試料を照射することは、煩雑で実用的ではない。試料の反対側部にある２つのレーザの簡単な例を考えてみると、各々は、対応する対物レンズによって（典型的にはサブミクロンの）試料頂点上に集束されている。目標は、両方のレンズを介して同時にレーザパルスを送り、それによって試料の反対側部に同時にイオン化エネルギーを提供することである。レーザが上記の配列内より試料により接近して載置される間、それらのビームは、ドリフトを補償するために更に頻繁に掃引される必要がある。ビームの整列は、２次元（試料の高さおよび幅に対応する）で同時に制御されなければならない。更に、ビームが分析中の試料の領域の周りにしっかりと集束される場合には、各々は、ビーム焦点を能動的に制御しなければならない。パルスタイミング（レーザと電気の両方）もまた、パルスが正確に同じ時間に到着することを確実にするために制御される必要があり得る。少なくとも４つの変数を制御する必要があり、多くても７つの変数を制御する必要がある。単一の変数を走査するのにｔｓだけ時間がかかる場合（すなわち、その状態を決定し、所望の／最適値に調整する）、ｎ個の変数を走査するのに必要な最大時間はｔｓｎである。従来の２変数走査で最大５２＝２５秒の場合、等価粒度を有する４変数走査では、最大５４＝６２５秒が必要になる。これを更に延ばすと、７回の可変走査は、典型的な原子プローブ実験の期間よりも長い２００時間を要することがある。最終的に、走査された変数の数が２つまたは３つを超えて増加すると、走査が長くなりすぎて有用でなくなる可能性がある。
【０００７】
更に、同時マルチビームパルス化に必要とされる付加的な機器は、かなりのコストを招く。ビーム整列を変更するために必要なビームステアリングミラーは、特に高価（少なくとも２０１７年現在）であり、少なくとも１つのこのようなミラーが、各ビームに必要であるため、設備コストだけでマルチビームパルス化を抑制することができる。
【０００８】
複数の側部からのレーザビームで試料を同時にパルス化する別の課題は、光の波の性質から生じる。ビームが試料の同じ領域を照射すると、それらは、建設的にまたは破壊的に互いに干渉し、その結果、試料は、多すぎるまたは少なすぎるエネルギーを受け取る。光路が約５０〜１００ナノメートルの長さで変化する場合、ビームは、試料場所で完全な破壊的干渉と完全な積極的干渉との間で変化し、それによってプロセスを制御することが非常に困難になる可能性がある。
【０００９】
別の選択肢は、可能性のある干渉を排除するために、数ピコ秒だけ連続するパルスを遅延させることである。例えば、反対側部から試料に向かって進み、各パルスが、１ｐｓの時間幅を有する２つのレーザパルスを考える。パルスが数ピコ秒だけずらされていれば、これらは、試料に干渉することはできないが、時間的には十分に近いので、効果的に単一のパルスとして扱うことができる。（少なくとも、２０１７年の技術水準の機器を使用している場合、２０１７年時点では、原子検出器のタイミング分解能は５０ｐｓ程度であるため、それを下回る遅延は記録された質量スペクトルでは視認できない）。しかしながら、この配置は、なお、少なくとも４走査変数（ビーム整列のためのもの）あるので、実装するには望ましくない長い時間を要する場合がある。この配置はまた、上記の高い機器コストを被る。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、複数の角度（すなわち、試料の複数の側部）から原子プローブ試料にエネルギービーム、例えばレーザビームを提供し、前述の問題の少なくとも一部を少なくとも部分的に解決する原子プローブ配置を包含する。読者に本発明の有利な特徴のいくつかの基本的な理解を与えるために、読者の理解を助けるために添付の図面を参照しながら、その配置の好ましいバージョンの簡単な概要を以下に記載する（かつ、図面は、以下の「図面の簡単な説明」の項で簡単に説明する）。以下の考察は単なる要約に過ぎないので、好ましいバージョンに関する更なる詳細は、本文書の他の箇所に記載された詳細な説明に記載されていることが理解されるべきである。本明細書の最後に記載された請求項は、次に、排他的権利が保護されている本発明の様々なバージョンを定義する。
【００１１】
本発明の好ましいバージョンは、データのアーチファクトを除去するために不均一な試料加熱を排除する必要がないという認識を使用する。複数の選択された側部で同時に試料にエネルギービームを供給するのではなく、試料の選択された側部にエネルギーを逐次的に供給することができ、好ましくは、各側部がエネルギービームの複数のパルスを受け取ってから、次の側部がエネルギービームの複数のパルスを受け取る。アーチファクトを低減するために、側部が、十分に頻繁に切り替えられて、試料が、一方の側部から他方に大きく変形しないようにすべきである。一例として、典型的な原子プローブ試料上に原子層当たり約１０５個の原子が存在するので、各側部は、その後の側部が、同様にパルス化される前に、ほぼ１０５個の原子を蒸発させるのに十分なエネルギービームパルスを受け取り得る。これは、２０１７年現在の最先端の原子プローブの取得時間の約１０秒に相当する。
【００１２】
逐次的なビーム入力は、各ビームの走査変数を分離し、すなわち、所与の時間に使用されるビームの走査変数のみが走査される必要がある。ここで、全走査時間は、Ｌ＊ｔｓｐで与えられ、Ｌは、ビームの数であり、ｐは、ビームごとの変数の数である。上記の例から、各々２つの走査変数（ｘおよびｙ）を有する２つのビームを考える。このシステムを走査するのに必要な時間は、各変数に対して同じ５秒のｔｓ走査時間を仮定すると、２＊５２＝５０秒である。したがって、２つのビームシステムは、ビーム入力が同時にではなく逐次的提供される場合に、１０倍超速く走査することができる。
【００１３】
本発明のいくつかのバージョンはまた、好ましくは、得られたサブビームが複数の側部に供給されるように、単一のエネルギービーム源（例えば、レーザ）からエネルギービームを再度方向付けるおよび／または分割するエネルギービーム配置を使用し、それによって、複数のエネルギービーム源の必要性を排除する。例えば、エネルギービーム源がレーザである場合、レーザビームをビームスプリッタに供給して、ビームを異なるサブビーム経路に沿って進むサブビームに分割し、異なるサブビーム経路を原子プローブチャンバ内の試料に向かって同時に方向付ける。光学素子（ミラー、レンズ、ビーム強度調整器など）の適切な配置では、異なるサブビームを試料の異なる側部に方向付けることができるが、サブビームの選択された１つのみが、所定の時間試料を照射することできる。例えば、光学素子は、１つ以上のビームステアリングミラーの再位置決めがサブビームのうちの１つを試料上に選択的に載置することができ、他のビームが試料からわずかに離れて載置され、それにより、ミラー（複数可）は、異なるサブビームを試料上に連続的に載置することができるように載置することができる。別の例として、全てのサブビームをそれぞれ同時に試料のそれぞれの異なる側部に向かって方向付けることができ、異なるサブビームは、それらの経路内に載置されたビーム強度調整器（例えば、可変減衰器、機械的シャッタ、音響光学変調器、電気光学変調器、中性密度フィルター、波長板／偏光キューブ、または他のビーム遮断装置またはビーム減衰デバイス）によって、異なる時間に試料への透過から選択的に遮断されてもよい。異なるサブビームの経路に沿ったビーム強度調整器をまた、または代替的に使用して、例えば、各サブビームからほぼ等しい試料イオン化速度をより良好に達成するために、異なるサブビームの強度を調整することができ、それによって、異なる側部が同じ速度で侵食されるのをより確実にすることができる。
【００１４】
本発明の例示的なバージョンをより詳細に要約すると、図１および図４は、レーザビーム源１００と、ビーム経路に沿ったレーザビーム源１００からのレーザビームを受け取り、レーザビームを異なるサブビーム経路に沿って進むサブビームに分割するように載置されたビームスプリッタ１０２／２０２を含む原子プローブ配置を示す。これらの異なるサブビーム経路は、原子プローブチャンバ１０内の試料１２に向かって方向付けられる。しかしながら、ビームステアリングミラー１０４／２０４／２２６を調整することによって、サブビームのうちの１つだけが試料１２に一度に入射するので、第１の時間に、サブビームの第１のものが試料１２上に入射し、サブビームの第２のものは試料上に入射せず、第１の時間に続く第２の時間では、サブビームの第１のものは試料上に入射せず、サブビームの第２のものが試料１２上に入射する。したがって、ステアリングミラー（複数可）１０４／２０４／２２６が、サブビームのいずれかの選択された一方のサブビーム経路を選択的に試料上に方向付けるとき、そのような再位置決めは、他方のサブビームのサブビーム経路を試料から離して方向付ける。したがって、ビームステアリングミラー（複数可）１０４／２０４／２２６の簡単な再位置決めは、試料１２の異なる側部から連続的にイオン蒸発を実装する。図１および図４は、試料１２の反対側部に向かって方向付けられたサブビームを示しているが、サブビームは、試料の周りに互いに１８０度で配向される必要はない。異なる配置は、異なる数のサブビームが試料１２に方向付けられるように、および／またはサブビームが、試料の周りに異なって離間されるように（好ましくは、９０度を超えて、最も好ましくは、試料の周りに少なくとも実質的に等しい角度の分離を有する）光学素子（ミラー、レンズ、ビーム強度調整器など）の異なる場所および数を有することができる。
【００１５】
原子プローブ配置はまた、好ましくは、試料１２からのイオン蒸発を測定するように構成されたイオン検出器１４を含む。プロセッサ１０５／２０５は、イオン蒸発測定値を監視するように構成され、ビームステアリングミラー（複数可）１０４／２０４／２２６は、試料１２に入射するサブビームを試料１２の領域の周りに走査し、所望のイオン蒸発測定値（好ましくは最大イオン蒸発測定値）を有するサブビーム配向を求める。プロセッサ１０５／２０５は、サブビームのうちの少なくとも１つのエネルギーを調整して、試料１２に入射する全てのサブビームから生じる等しいイオン蒸発測定値を求めることができる。このようにして、試料１２は、全ての側部上で均一に浸食されるべきである。サブビームのエネルギーは、例えば、レーザビーム源１００の出力を調整することにより、またはサブビーム経路うちの１つに沿って載置されたビーム強度調整器（例えば、図４の可変減衰器２３６）を介してサブビームを減衰させることによって、調整することができ、ビーム強度調整器は、調整可能なサブビーム減衰を提供する。
【００１６】
本発明は、原子プローブデータを収集する方法も包含する。好ましい方法は、レーザビームを異なるサブビーム経路に沿って進むサブビームに分割するステップと、サブビームを原子プローブチャンバ１０内の試料１２に向かって方向付け、サブビームの１つのみが、一度に（そして、異なるサブビームが時間と共に試料１２に入射するようにして）試料１２上に入射させるステップと、を含む。この方法はまた、好ましくは、試料１２の領域にわたって各サブビームを走査し、走査中に試料１２からのイオン蒸発を監視するステップを含む。他の方法は、上述した原子プローブ配置によって実装されるステップの実施を更に包含する。
【００１７】
本発明の更なる利点、特徴、および目的は、添付の図面と併せて本明細書の残りの部分から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の概念を示す第１の例示的な原子プローブ配置の簡略化された概略図である。
【図２】（上部）図１のカメラ１２２によって見られる試料１２の概略図であり、（下部）図１のビームステアリングミラー１０４によって試料１２に交互に入射して移動するサブビームの対応する簡略化された概略図である。
【図３】イオン蒸発速度対サブビーム位置の例示的なプロットであり、サブビームの各々についてのイオン蒸発のピークを示す。
【図４】本発明の概念を示す第２の例示的な原子プローブ配置の簡略化した概略図である。
【図５】図４のカメラ２２２によって見られる試料１２の簡略化された概略図であり、図１のビームステアリングミラー２０４／２２６によって試料１２上に交互に位置決めされたサブビームを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の前述の例示的なバージョンをより詳細に説明する。これらのバージョンでは、単一のエネルギービーム源が複数のサブビームに分割されたエネルギービームを供給し、サブビームは連続的にエネルギーパルスを試料に供給する。以下の例では、エネルギービームは、光学素子（レンズ、ミラー、減衰器など）によって操作されるレーザビームによって例示されるが、本発明は、他のタイプの好適な操作要素によって操作される他のタイプのエネルギービームを使用することができることを理解されたい。
【００２０】
本発明の第１の例示的なバージョンの簡略化された概略図のための図１を参照すると、原子プローブ真空チャンバ１０は、試料１２および検出器１４を含む。チャンバ１０の外側に載置されたレーザ１００は、イオン化レーザエネルギーをチャンバ１０の壁内のビューポート１６を介して試料１２に供給する。レーザ１００の出力ビームの一部は、第１のビームスプリッタ１０２から反射され、残部（図示せず）は第１のビームスプリッタ１０２を通過し、ここでは図示または使用されない。次いで、反射されたビームは、原子プローブの制御システム１０５によって制御されて迅速かつ繊細に再位置決め可能なビームステアリングミラー１０４から反射する。次いで、ビームはビューポート１６を通過して第２のビームスプリッタ１０６で再び分割される（好ましくは等しいエネルギーのサブビームに）。次いで、１つのサブビームは、好ましくはサブビームを直径でわずか数ミクロンの狭い焦点にする対物レンズ１１２を介して、ミラー１０８および１１０によって試料１２に向かって方向付けられる。（ここでは、サブビームを物体に「向かって」方向付けることに言及する場合、これは、サブビームが物体の一般的な方向に配向されているが、必ずしも物体に入射する必要はないことを示すことを理解されたい。したがって、サブビームは、すぐに明らかになる理由により、試料１２に入射しなくてもよい。）他方のサブビームは、ミラー１１４、１１６、１１８によって対物レンズ１２０を介して試料１２に向かって（但し、必ずしも試料１２に入射する必要はない）同様に方向付けられ、また、好ましくは、そのサブビームは直径がわずか数ミクロンの狭い焦点にする。対物レンズ１１２および１２０の光学軸は、試料１２上で交差するのではなく、試料１２（ここでは試料１２のわずかに上）からわずかにオフセットしていることが好ましい。この配置では、チャンバ１０内の様々な光学素子（レンズおよびミラー）が好適に適所に固定され、試料１２は、マイクロ位置決めステージを使用して光学素子およびそれらのサブビーム経路に対して適切に位置決めされる。
【００２１】
２つのサブビーム経路を比較すると、経路に沿ったサブビーム反射の数が異なると、一方の経路のサブビームが他方のサブビームに対して反転される結果となる。それ以外の場合、両方の経路は、本質的に等価である。この反転は、図２に示す配置を達成するために使用され、この上部には、撮像光学系１２４を介して図１のカメラ１２２によって受け取られた試料１２の画像が示されており、試料１２が、サブビーム経路を介して反射して戻され（１つのビームが他のビームに対して反転される）、次に、第２のビームスプリッタ１０６で組み合わされるので、第１のビームスプリッタ１０２を介してカメラ１２２によって受け取られた画像は、一方の画像を他方の画像に対して反転させて、試料１２を２回示している。図２の下部は、ビームステアリングミラー１０４を適切な量だけ適切な方向に旋回させることによって得られるビーム整列を示し、左側に見られるように、第１のサブビームが試料１２と整列されると、第２のサブビームは、試料上を通過する。同様に、右側に示すように、第２のサブビームが試料１２と整列されると、第１のサブビームが試料を通過する。サブビームの両方がそれらの対物レンズの光軸に沿って整列するようにビームステアリングミラー１０４が配向されている場合、カメラ１２２によって受け取られる画像は、試料画像の間に載置されたレーザスポットを示す。
【００２２】
したがって、試料１２の異なる側部は、単一のレーザ１００および単一のビームステアリングミラー１０４を使用して照射されてもよい。より具体的には、ビームステアリングミラー１０４は、サブビームのうちの１つが、試料１２の側部の一方にある数のパルス、例えば、１原子層を除去するのに十分なパルスを供給するように位置決めすることができる。他方のサブビームは、試料１２に入射せず、したがって影響を及ぼさない。次に、ビームステアリングミラー１０４を再位置決めして、他方のサブビームが試料１２の他の側部にパルスを供給し、次いで、第１のサブビームが試料１２を失って効果がなくなる。
【００２３】
更に、ビームステアリングミラー１０４をより繊細に調整することによって、各サブビームは、試料１２に対して所望のように正確に整列され得る。これにより、各サブビームを試料１２の周りで独立して掃引することができ、原子プローブの制御システム１０５は、その間に試料のイオン化速度を示すパラメータを監視する（前述の米国特許第７，６５２，２６９号、米国特許第７，６８３，３１８号、および米国特許第８，１５３，９６８号で考察されるように）。各サブビームは、それ自体の独立したイオン化速度対ビーム位置特性を示し、２つのサブビームに対するイオン化速度対ビーム位置の例示的なプロットが図３に示されている。このプロットでは、プロット内のピークのＸＹ座標は、各サブビームの最も有効な場所／配向を反映する。理想的には、ピーク（すなわち最適イオン化速度）は、ほぼ同じ高さを有し、試料１２の両側部がほぼ同じ速度で蒸発することを意味する。これが自然に起こらない場合、原子プローブの制御システム１０５は、レーザ１００のエネルギーを調整することによって、および／またはその経路に沿って載置された可変減衰器（図示せず）を介してサブビームの一方もしくは両方のエネルギーを低減することによって、ピーク高さを調整することができる。
【００２４】
図４は、主に各サブビームにそれ自体のビームステアリングミラーが設けられている程度または範囲で、図２とは異なる本発明の別の例示的なバージョンを示す。チャンバ１０の外側に載置されたレーザ２００は、レーザエネルギーをチャンバ１０の壁内のビューポート１６を介して試料１２に供給する。レーザ２００の出力ビームの一部は、ビームスプリッタ２０２からビーム分割ステアリングミラー２０４に反射され、ビーム分割ステアリングミラー２０４は、レーザエネルギーのより大きな部分（例えば、６０％）を反射し、より小さな部分（例えば、４０％）を通過する。得られたサブビームは、可変減衰器２３６およびビューポート１６を通過し、対物レンズ２１２を介してミラー２０６、２０８、および２１０によって試料１２に向かって方向付けられる。ビーム分割ステアリングミラー２０４を通過したサブビームは、ビームステアリングミラー２２６によって受け取られ、これは、サブビームを、ビューポート１６を介してミラー２２８、２３０、および２３２に、対物レンズ２３４を介して試料１２に向かって方向付ける。カメラ２２０によって受け取られた画像は、図２の画像に類似している。
【００２５】
２つのビームステアリングミラー２０４および２２６は、パルス化（および走査）のために、受け取られたサブビームを試料１２のそれぞれの側部上に向かって各々方向付けるように独立して制御され、そうでなければそれらのサブビームを試料１２から離して方向付ける。試料上に入射するサブビームは独立して生成されるので、一方のサブビームのパルスエネルギーは、他方と異なることがあり、試料１２の反対側部の蒸発の程度が異なり、試料１２の不均一な浸食が生じる。この問題は、より弱いサブビームと同じイオン化速度を提供するために、より強いサブビームを減衰させることができる、ビーム分割ステアリングミラー２０４から反射されたより強いサブビームの経路内の可変減衰器２３６によって対処される。代替的にまたは付加的に、レーザ２００のエネルギーは、ビームステアリングミラー２０４からのサブビーム経路に沿ったパルス列が、ビームステアリングミラー２２６からのサブビーム経路に沿った以前のパルス列と同じイオン化速度を提供するように適合させることができる。更に別の選択肢として、ビーム分割ステアリングミラー２０４およびビームステアリングミラー２２６の両方から反射されるサブビームの経路内に可変減衰器を配置することができ、これは、ビーム分割ステアリングミラー２０４が、ほぼ等しい強度のサブビームを反射および透過する好ましい配置である。２つのビームステアリングミラー２０４および２２６の使用は、図１の原子プローブと比較して、図４の原子プローブにかなりの費用を追加し、したがって、単一のビームステアリングミラーを使用する配置が好ましい。
【００２６】
図４の配置はまた、前述の欠点に鑑みて、試料の反対側部の同時パルス化に簡単に使用することができる。このような配置では、干渉を防止するために２つのビーム間のわずかな遅延が必要となる場合あり、依然として原子プローブ動作中に効果的に１パルスとして扱うことができるように、互いの数ピコ秒以内に、両方のパルスが試料に到達することができる。サンプルのイオン化速度は、両方のビームの整列に同時に依存し、したがって、いかなる所与のレーザ走査も、ここでは少なくとも４つの変数を含み、潜在的に原子プローブ分析を大幅により複雑かつ時間のかかるものにする。
【００２７】
サブビーム経路は、任意の好適な数の光学素子を含むことができる。光学素子が、ミラー、ドーブプリズム、または画像を反転する他の要素である場合、各サブビーム経路に沿ったそれらの数および配置は、図２のものとは異なるカメラ画像を提供することができる。例えば、図１および図４の原子プローブ配置のサブビーム経路のうちの１つが、ミラーを追加または除去するように適合されている場合、カメラ１２２／２２２で受け取られた試料１２の画像は、互いに対して反転されない。試料画像が重なることを防ぐために、対物レンズ１１２および１２０の光学軸（図１の視点から見た場合）および対物レンズ２１２および２３４の光学軸（図４の視点から見た場合）は、ミラー１１０および１１８およびミラー２１０および２３２からのサブビームの軸に対してわずかな角度で整列させることができる（すなわち、一方のレンズは、その焦点軸が試料１２のわずかに後方に傾くように配向され、他方のレンズは、その焦点軸が試料１２のわずかに前方に傾くように配向されている）。これにより、カメラ１２２／２２２は、図５に示すように、試料１２の反対側部の一対の隣接する画像を受け取る。次いで、ビームステアリングミラー（複数可）１０４および２０４／２２６は、図２と同様の形態で、試料の一方の側部から他方へレーザビームを「反転」することができる。
【００２８】
本発明の他の変形も同様に可能である。一例として、全てのサブビームは試料に向かって方向付けられ得、その結果、一度に１つだけが試料上に入射するようにサブビーム経路内のビーム強度調整器がサブビームを選択的に遮断することができる以外、それらは、同時に試料上に入射する。この場合、任意のビームステアリングミラーは、ビーム切り替えと走査の両方の目的ではなく、走査目的のために単に使用される。ここで、ビーム強度調整器は、そこに入射するビームを完全に遮断することができる高速機械的シャッタ、音響光学変調器、および／または電気光学変調器の形態をとることが好ましい。音響光学変調器および電気光学変調器は、ビームをより迅速に、したがってより頻繁に切り替えることを有利に可能にする。音響光学変調器の切り替え速度（約１０ナノ秒）は、各レーザパルスについてサブビーム間を切り替えるのに実際には適切である（すなわち、サブビームは、必ずしもパルス列を透過する必要はない）。
【００２９】
別の例として、上述の原子プローブは、（同時にではないが）試料上に入射する３つ以上のビームを含むことができ、例えば、図１および図４の原子プローブの概念を拡張して、１つ以上の更なるビームスプリッタおよび／またはステアリングミラーを追加して３つ以上の入射サブビームを生成することを考える。好ましくは、複数のサブビームが連続的に試料上に入射する場合、それらは、ほぼ等しい程度の試料浸食をより確実にするために、試料の周りで少なくともほぼ等しい角度分離を有する。例として、図１および図４の２つのサブビームは、試料の周りで１８０度離れ、３つのサブビームは、好ましくは、試料の周りで１２０度離れて離間され、４つのサブビームは、好ましくは、試料の周りで９０度離れて離間される、等々である。各場合において、図３のイオン化速度対ビーム位置のプロットは、各入射ビームに対応するピークを示し、ビームが少なくとも実質的に類似したパルス列長を有すると仮定すると、等しいピーク高さは、各ビームからの等しい程度のイオン化（したがって等しい浸食）を示す。
【００３０】
上述の原子プローブ配置は、例えば上記の特許に記載されているような他の変形を実装することもできる。一例として、レーザ（複数可）または他のエネルギービーム供給源は、その外側ではなく、原子プローブチャンバ内に位置してもよい。別の例として、原子プローブ配置は、円錐形または扁平な局所電極、および予め整列された局所電極（原子プローブチャンバの真空中に挿入される前に試料と整列して固定された局所電極）のような様々な局所電極と互換性がある。局部電極が使用される場合、サブビームおよび局所電極は、局所電極がサブビームの使用を妨げないように載置されなければならない。更に、試料、サブビームおよび対電極は、マイクロ位置決めステージまたは他の位置決め装置の使用を介して原子プローブチャンバ内で全て適切に整列されなければならならず、実行可能ではあるが、これは複雑さを生じさせる可能性がある。
【００３１】
この文書では、測定値または他の値が、「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」、「約（ａｂｏｕｔ）」などの近似の類似用語で条件化されている場合、例えば、「約５０ｃｍ」など）、これは、上記の値から１０％の変動を指すとみなすことができる。したがって、「約５０ｃｍ」、「実質的に５０ｃｍ」、または「約５０ｃｍ」は、４５〜５５ｃｍを意味すると理解することができる。
【００３２】
試料の異なる側部にエネルギーが「順番に」「逐次的に」供給されていると言われている場合、順番を固定する必要はなく、すなわち、異なる側部が常に同じ順序でエネルギーを受け取る必要はないことが理解されるべきである。また、試料の「側部（ｓｉｄｅ）」は文字通り横側部である必要はなく（典型的には、試料の頂点にエネルギーが供給されることが一般的に望ましいので、文字通り横側部ではない）ことを理解されたい。この点において、「場所（ｌｏｃａｔｉｏｎ）」という用語は、「側部（ｓｉｄｅ）」と同義であるとみなすことができる。
【００３３】
上述した本発明のバージョンは、単なる例示に過ぎず、本発明はこれらのバージョンに限定されるものではない。むしろ、本発明に対する権利の範囲は、以下に述べる請求項によってのみ限定され、本発明は、これらの請求項の範囲内で文字通りまたは同等に置かれる全ての異なるバージョンを包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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