(57)【要約】      （修正有）【課題】外部ハウジングと、導電性チップと、作動ガスをチップ付近に供給するよう構成されたガス供給系と、チップを冷却するよう構成された冷却システムとを備えたイオン源、及び該イオン源を備えた荷電粒子ビームシステムを提供する。【解決手段】外部真空壁９０と、チップ３４と、作動ガスを内部ガス封じ込め容器４１に供給するガス供給系９２により構成され、ガス供給系９２は中空内部を有する熱伝導率の高い材料でできている第１管９４を有し、第１管９４の内面の少なくとも一部は化学ゲッター９７でコーティングされており、第１管９４は第１熱伝導体９５及びフレキシブル熱伝導体３２を介してデュワ５２に接続され、冷却される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部ハウジングと、
導電性チップと、
作動ガスを前記チップ付近に供給するよう構成され、且つ中空内部を有する第１管を含むガス供給系と、
前記チップを冷却するよう構成された冷却システムと
を備えたイオン源であって、化学的ゲッター材料が前記第１管の前記中空内部に設けられたイオン源。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン源において、前記ゲッター材料は前記第１管の内面の少なくとも一部にコーティングとして設けられるイオン源。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のイオン源において、前記冷却システムは前記第１管を冷却するよう構成されるイオン源。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン源において、前記第１管は熱伝導率の高い材料を含むイオン源。
【請求項５】
請求項４に記載のイオン源において、前記ガス供給系は熱伝導率の低い材料を含む第２管をさらに含むイオン源。
【請求項６】
請求項５に記載のイオン源において、前記第１管は前記第２管に取り付けられ、前記第２管は前記外部ハウジングに接続されるイオン源。
【請求項７】
請求項６に記載のイオン源において、前記冷却システムは前記第１管に接続されるイオン源。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のイオン源において、前記第１管は蛇腹形に形成されるイオン源。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のイオン源において、前記化学的ゲッターは、チタン、鉄、バリウム、アルミニウム、パラジウム、ジルコニウム、バナジウム、及びそれらの合金を含む材料の群からの少なくとも１つの材料を含むイオン源。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のイオン源において、前記外部ハウジング内にヒータをさらに備えたイオン源。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載のイオン源において、前記外部ハウジング内に配置された内部ハウジングをさらに備え、前記導電性チップは前記内部ハウジングに装着されるイオン源。
【請求項１２】
請求項１１に記載のイオン源において、前記第１管は、前記内部ハウジング内又は該内部ハウジング上で終端する終端部を有するイオン源。
【請求項１３】
請求項１２に記載のイオン源において、前記冷却システムは前記内部ハウジングの基部に接続されるイオン源。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のイオン源において、ガス浄化システムをさらに備えたイオン源。
【請求項１５】
請求項１４に記載のイオン源において、前記ガス浄化システムは汚染物質のイオン化によりガスを浄化するよう構成されるイオン源。
【請求項１６】
請求項１５に記載のイオン源において、前記ガス浄化システムは、電極及び該電極に電位を与える電圧源を含むイオン源。
【請求項１７】
請求項１の特徴を有するイオン源を備えたイオンビームシステムであって、対物レンズと、イオンビームを試料に集束させて該試料を集束イオンビームで走査するよう構成された偏向系とをさらに備えたイオンビームシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、荷電粒子ビームシステム、より詳細には、特に荷電粒子ビームシステム用のイオン源、各イオン源を備えた荷電粒子ビームシステム、及びさらにより詳細には、荷電粒子ビームシステム用のガス電界イオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子源、荷電粒子システム、及び荷電粒子システム及び荷電粒子源の作動方法は、試料特性の測定又は同定を含む多様な用途に、又は試料の調整に用いることが可能である。荷電粒子源は一般的に、荷電粒子ビームシステムの構成部品により、試料上に入射するよう方向付け可能な荷電粒子を生成する。試料と荷電粒子ビームとの相互作用による生成物を検出することで、試料像を生成可能又は試料特性を同定可能である。
【０００３】
以下の文献は、本開示と何らかの関連性がある先行技術を含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２０８８６１３号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第２１８２５４２号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１２／１１９０８６号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第２０６８３４３号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第２１１０８４３号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１２／１３２８０２号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１２／１９９７５８号明細書
【特許文献８】国際公開第２００７／０６７３１０号パンフレット
【特許文献９】国際公開第０８／１５２１３２号パンフレット
【特許文献１０】米国特許出願公開第２０１５／０００８３４１号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２０１５／０００８３３３号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第２０１５／０００８３４２号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２０１５／０００８３３４号明細書
【特許文献１４】米国特許出願公開第２０１５／０００８３３２号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１態様によれば、本開示は、外部ハウジングと、導電性チップと、ガス供給系とを備えたイオン源に関する。ガス供給系は、作動ガスをチップ付近に供給するよう構成することができる。ガス供給系は、中空内部を有する第１管を含む。化学的ゲッター材料が、管の中空内部に設けられる。イオン源は、チップを冷却するよう構成された冷却システムをさらに備える。
【０００６】
本開示のさらに別の態様によれば、ゲッター材料は、第１管の内面の少なくとも一部にコーティングとして設けられる。
【０００７】
本開示の別の態様によれば、冷却システムは第１管を冷却するよう構成される。
【０００８】
本開示の別の態様によれば、第１管は熱伝導率の高い材料を含む。
【０００９】
本開示のさらに別の態様によれば、ガス供給系は、熱伝導率の低い材料を含む第２管をさらに含む。特に第１管の熱伝導率は、第２管の熱伝導率の３倍以上であり得る。さらにより好ましくは、第１管の熱伝導率は、第２管の熱伝導率のオーダ以上であり得る。
【００１０】
本開示のさらに別の態様によれば、第１管は第２管に取り付けられ、第２管は外部ハウジングに接続される。
【００１１】
本開示のさらに別の態様によれば、冷却システムは上記第１管に接続される。
【００１２】
本開示のさらに別の態様によれば、第１管は蛇腹形に形成される。
【００１３】
本開示のさらに別の態様によれば、化学的ゲッターは、チタン、鉄、バリウム、アルミニウム、パラジウム、ジルコニウム、バナジウム、及びそれらの合金を含む材料の群からの少なくとも１つの材料を含む。商業的に知られたいくつかの特定の合金として、ＳＡＥＳ  Ｓｔ  １０１（Ｚｒ．８４−ＡＬ．１６）及びＳＡＥＳ  Ｓｔ  ７０７（Ｚｒ．７０−Ｖ．２４６−Ｆｅ．０５４）が挙げられる。ジルコニウム系は、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、Ｎ２、及びＮＯｘ等の多種多様なガス分子と非常によく反応して、本質的に非反応性の酸化物、炭化物、及び窒化物を形成する。
【００１４】
本開示のさらに別の態様によれば、イオン源は外部ハウジング内にヒータをさらに備える。
【００１５】
本開示のさらに別の態様によれば、イオン源は外部ハウジング内に配置された内部ハウジングをさらに備え、導電性チップは内部ハウジング内に装着される。
【００１６】
本開示のさらに別の態様によれば、第１管は内部ハウジング内又は内部ハウジング上で終端する終端部を有する。
【００１７】
本開示のさらに別の態様によれば、冷却システムは内部ハウジングの基部に接続される。
【００１８】
本開示のさらに別の態様によれば、イオン源はガス浄化システムをさらに有する。ガス浄化システムは、汚染物質の選択的イオン化によりガスを浄化するよう構成することができる。こうした目的で、ガス浄化システムは、電極及び電極に電位を与える電圧源を含むことができる。
【００１９】
別の一般的な態様によれば、本開示は、ハウジングと、ハウジング内のガス入口開口と、ハウジング内のガス出口開口と、電極と、当該電極に電位を与えるよう構成された電圧源とを備えたガス浄化システムに関する。
【００２０】
ガス浄化システムは、負電位又は接地電位を印加される第２電極を備えることができる。さらに、第２電極は化学的ゲッター材料を含み得る。
【００２１】
添付図面を参照して実施形態の詳細を以下で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】荷電粒子ビームシステムの機械的構成を断面図で示す。
【図２】図１の荷電粒子ビームシステムの粒子チャンバの拡大断面図を示す。
【図３】ガス電界イオン源の拡大断面図を示す。
【図４】ガス供給系を含む荷電粒子ビームシステムの概略図を示す。
【図５】ガス電界イオン源の別の実施形態の拡大断面図を示す。
【図６】ガス浄化システムの第１実施形態の原理概略図を示す。
【図７】ガス浄化システムの第２実施形態の原理概略図を示す。
【図８】ガス浄化システムの第３実施形態の原理概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１の荷電粒子ビームシステムは、重厚なテーブル５上に位置決めされ装着された試料チャンバ１０を備える。テーブル５は、花崗岩板又はコンクリート製の板であり得る。テーブル５自体は、図１に２つを示す複数の第１脚部３ａ及び３ｂに載る。第１脚部３ａ、３ｂは、床２に位置決めされるよう設計される。第１脚部３ａ、３ｂのそれぞれが、床からテーブル５への振動伝達を避けるべく、第１防振材４ａ、４ｂを含むか又は支承する。
【００２４】
試料チャンバ１０は、同じくそれぞれが第２防振材９ａ、９ｂを含むか又は支持する複数の第２脚部１８ａ、１８ｂを介してテーブル５に載る。これらの第２防振材９ａ、は、テーブル５から試料チャンバへの振動伝達を低減又は回避する役割を果たす。テーブル５のこうした振動は、テーブル５に強固に取り付けられたか又は装着された機械式真空ポンプ１７、例えばターボポンプから生じ得る。テーブル５の質量が大きいことにより、機械式ポンプ１７により発生した振動振幅は大幅に低減される。
【００２５】
機械式ポンプ１７は、試料チャンバ１０に機能的に接続される。この機能的接続のために、ポンプ１７の吸気口が、相互間に硬質管７又は小型真空フランジを有する２つのフレキシブルベロー部６、８を介して試料チャンバ１０に接続される。ポンプ１７から試料チャンバへの完全ラインは、「フレキシブルベロー部−硬質管−フレキシブルベロー部」の直列配置を形成する。この配置は、振動エネルギーをさらに減衰させる役割を果たし、且つテーブルからチャンバへ伝達される振動を低減する。チャンバの振動は、中間管の質量が大きい場合にさらに低減することができる。チャンバの振動は、ベロー又は管と接触するエネルギー吸収材がある場合にさらに低減可能である。チャンバ振動は、管及びベローに機械的共振があり、この力学的共振によりポンプ１７に起因する周波数の振動エネルギーが優先して吸収及び消散される場合にさらに低減可能である。
【００２６】
試料チャンバ１０は、真空気密ハウジング１９を有する。管状延長部１１が、試料チャンバ１０のハウジング１９に強固且つ離脱不能に装着される。管状延長部１１は、試料チャンバ１０を囲むハウジング１９の残りの部分に溶接された金属管により形成することができる。代替的に、管状延長部は、チャンバハウジング自体の一体部分であり得る。
【００２７】
管状延長部１１内には、荷電粒子カラム１２が装着される。したがって荷電粒子カラム１２は、図１には示さないレンズ、絞り、及びビーム走査系を含む。荷電粒子カラム１２の構成部品を試料チャンバ１０のハウジング１９の管状延長部内に直接装着することにより、荷電粒子カラムの構成部品と試料チャンバ１０内に配置された試料ステージ２０との間の機械的振動を回避又は少なくとも低減することができる。
【００２８】
試料チャンバのハウジング１９の管状延長部１１上には、荷電粒子源を含むモジュールが取り付けられる。このモジュールは、二軸式傾斜マウントの一部を形成する上部球面を有する下部ハウジング部１６を含む。さらに、この荷電粒子源モジュールは、荷電粒子エミッタが装着された上部ハウジング１５を含む。図示の場合、荷電粒子源はガス電界イオン源であり、荷電粒子エミッタ１４は導電性チップである。上部ハウジング１５は、二軸式傾斜マウントの第２部分を形成する球面部も有する。この傾斜マウントを用いて、荷電粒子エミッタ１４を保持する上部ハウジング部１５を荷電粒子カラム１２に対して２軸に関して傾斜させて、荷電粒子エミッタ１４が放出した荷電粒子の放出軸を荷電粒子カラム１２内に配置された荷電粒子構成部品により規定される光軸に位置合わせすることができる。
【００２９】
図２には、管状延長部を有する試料チャンバ１０のハウジング１９をより詳細に示す。管状部１１に装着された荷電粒子カラム１２は、複数の絞り２２、偏向系２３、及び対物レンズ２１を含み、これらにより荷電粒子ビームを試料に集束させて試料チャンバ１０の試料ステージ（ここでは図示せず）上に位置決めされ得る試料を走査することができる。荷電粒子ビームシステムがガス電界イオンビームシステムである場合、レンズ２１及び偏向系２２は、システムの構成部品に印加された異なる静電位に起因する静電力によりイオンに作用する静電構成部品である。さらに、荷電粒子カラム１２は、圧力制限開口２４及び第２圧力制限開口２５を含み、これらはエミッタチップ１４が位置決めされる真空領域と試料チャンバ１０との間の中間真空領域（中間カラム領域７０）を形成する。ガス電界イオン源のエミッタに最も近い荷電粒子カラム１２の構成部品は、集光レンズの一部を形成する電極２６であり、これに偏向器２７が続いて、ガス電界イオン源からのビームを試料チャンバ１０へのビーム伝播方向下方に続く荷電粒子光学構成部品により規定される光軸に位置合わせする。
【００３０】
荷電粒子ビームシステムが必ずしもガス電界イオンビームシステムとして構成されないことに留意されたい。異なる種類の荷電粒子源、例えばいわゆる液体金属イオン源又は電子源、特に電解放出電子源を用いた他の荷電粒子ビームシステムも可能である。
【００３１】
図３に、ガス電界イオン源の形態の小型イオン源の設計を示す。このガス電界イオン源は、二重入れ子状の絶縁体を有する設計となっている。これは、小型設計でありながらも、高電圧、可変ビームエネルギー、及びガス閉じ込めを提供する。この設計は複数の部分からなる。第１部分は、接地され且つフレキシブル熱伝導体３２、例えば銅リボン又は銅編組線により極低温冷却システムに直接連結され熱的に接続された、熱伝導性の（例えば銅）ベースプラットフォーム３１である。熱伝導体３２の可撓性により、ガス電界イオン源全体の傾斜及び振動搬送の最小化が可能である。編組線の熱伝導率は、定期的保守手順としてガス電界イオン源を加熱することも可能にする。
【００３２】
極低温冷却システムは、液体及び／固体窒素を充填したデュワであり得る。代替的に、極低温冷却システムは、固体窒素を充填したデュワであり得る。デュワは、デュワ及びベースプラットフォーム３１を加熱可能なヒータ７３ｃを含むことができる。代替的に、極低温冷却システムは、機械式冷蔵装置であり得る。
【００３３】
この接地されたベースプラットフォーム３１には、例えばアルミニウム又はサファイアでできた中央管状高電圧絶縁体３３が取り付けられ、これは、ガス電界イオンエミッタを形成する導電性チップ３４を機械的に支持する。中央管状絶縁体３３は、ベースプラットフォーム３１に対して３０ｋＶを超える電気絶縁を提供する。この中央絶縁体３３は、導電性チップ３４をガス電界イオン源として作動させるのに必要な高電圧を提供すると共にチップ３４を加熱するための加熱電流を供給するために、チップ３４に必然的に接続された高圧リード線３５、３６の接続用の１つ又は複数の開口を有する。
【００３４】
ベースプラットフォーム３１には、中央絶縁体３３を囲む外部管状円柱状絶縁体３７も取り付けられる。外部管状絶縁体３７は、引出電極３８を機械的に支持し、３０ｋＶより（大きい）超える電気絶縁ももたらす。引出電極３８は、設計上チップ３４の頂点部から短い距離（例えば、１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）にある小孔３９（例えば、直径１ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ）を有する設計となっている。ベースプラットフォーム３１と共に、中央絶縁体３３、外部円柱状絶縁体３７、及び引き出し電極３８は、内部ガス封じ込め容器４１を画定する。引出電極の孔３９における真空コンダクタンス（vacuum conduction）又はポンピング速度を比較的小さくして、内部ガス封じ込め容器４１の外側の領域と比べて導電性チップ３４の領域で比較的高い圧力を支持することができる。ガスが逃げる唯一の通路は、上記引出孔、ガス送出経路４０、及びポンピング弁４２である。ガス送出経路は、接地されたベースプラットフォーム３１を通して供給容器から内部ガス封じ込め容器４１へ通じる細管４０に通っている。ポンピング弁４２は、ベースプラットフォーム３１に装着することができるか、又はガス送出経路４０に組み込むことができる。
【００３５】
荷電粒子源の上記構成部品の全てが、ベースプラットフォーム３１上に支持され、ベースプラットフォーム３１は、外部真空容器の上側部分（図１の１５）に装着される硬質だが非熱伝導性の支持構造（図示せず）により機械的に支持される。外部真空容器の上側部分は、下部外部真空ハウジング（図１の１６）の対応する凸球面との凹球面の境界面により、最大５°の小さな角度まで傾斜させることができる。
【００３６】
内部ガス封じ込め容器内には、イオンゲッター４５が配置される。内部ガス封じ込め容器内の真空を改善するには、化学的ゲッター４５をガス封じ込め容器４１の内部に含む。これらの化学的ゲッター４５は、ガス電界イオン源のベーキング時に活性化される。ヒータ７３ｂが化学的ゲッター４５を加熱するために設けられる。化学的ゲッター４５を約２００℃の温度に２時間加熱する間、及びこれらの構成部品を冷却時に、化学的ゲッター４５は、Ｚｒ、Ｖ、Ｆｅ、及びＴｉ等の多くの化学的活性物質を残存させ、これらは多くの不要ガス種を効果的にポンピングする役割を果たす。ゲッターは、既存の部分、例えば円柱状絶縁体３７の表面に直接コーティングすることができるか、又は内部ガス封じ込め容器を形成する内面に取り付けられたリボン状の材料とすることができる。不純物と思われるものの中でも水素は極低温に冷却された表面により効果的にクライオポンプされないので、水素に関する化学的ゲッターのポンピング速度は重要である。内部ガス封じ込め容器４１内のこれらの化学的ゲッター４５は、送出されたヘリウム及びネオンガスのさらなる浄化にも非常に効果的である。希ガスであるヘリウム及びネオンは影響を受けないが、全ての不純物が効果的にポンピングされる。それらの周期的な再生中に、内部ガス封じ込め容器４１を外部ガス格納容器８１に接続する専用のバイパス弁４２（フラッパ型弁）を開くことにより、発生したガスを改善された方法でポンピング除去することができる。
【００３７】
内部ガス封じ込め容器４１は、外部容器壁（室温）からイオン源への放射熱伝達を最小化する放射シールドで囲むことができる。内部ガス封じ込め容器４１は、内部真空容器の外側からエミッタのチップ３４を直視可能にする光学的に透明な窓も含むことができる。外部真空容器の位置合わせされた窓が、カメラ又は高温計によるガス電界イオン源のエミッタチップの観察を可能にする。このようなカメラは、定期保守中にガス電界イオン源を検査するか又はその温度を監視することができる。これらの窓の一方又は両方が、有鉛ガラスを含み、内部から外部へのＸ線の放射伝達を最小化することができる。ベースプラットフォーム３１は、熱伝導率が高いので、熱電対等の温度センサにもよく適している。
【００３８】
ガス供給管４０は第１管４０ａ及び第２管４０ｂを含む。さらに、ガス供給管はヒータ７３ａを含み得る。第１管４０ａは、熱伝導率の高い材料、例えば無酸素銅でできている。第１管４０ａは、ベースプラットフォーム３１に接続され、したがって熱伝導体３２（フレキシブル銅編組線）及びベースプレート３１を介して冷却システム５２により冷却される。第１管４０ａの内部中空体積内に、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ等の化学的に活性なゲッター材料又はＴｉ−Ｆｅ−Ｖ等の非蒸発ゲッターが設けられる。ゲッター材料は、特にコーティングの形態で第１管４０ａの内面に設けることができる。代替的に、化学的ゲッターは、第１管４０ａの内面に取り付けられたリボン状材料として設けることができる。
【００３９】
第２管４０ｂは、管の肉厚を小さくした熱伝導率の比較的低い材料、例えばステンレス鋼からなる。第２管４０ｂを十分に小さな肉厚で構成することにより、第２管の熱伝導率は、第１管４０ａの熱伝導率の少なくとも１／３であり得る。この第２管４０ｂを介して、第１管４０ａは、環境温度にある外部ハウジング９０の壁に接続される。イオン源の動作中の第２管４０ｂの熱伝導率が低いので、比較的少量の熱しか環境から第１管４０ａに伝わらず、その結果として第１管４０ａは冷却システム５２により効率的に冷却され、したがって極低温に保たれる。第１管４０ａが極低温であることにより、その内壁面はクライオポンプ表面として働く。水蒸気、ＣＯ、Ｎ２等の第１管の温度を超える温度で沸点を有する望ましくないガス種は、管内面付近で凝縮されてそこで維持され、その化学的及び物理的結合によりそれらの温度で脱離する可能性が低いが、イオン源において作動ガスとして用いられる希ガスはクライオポンプされない。このようにして、第１及び第２管を通して内部ガス封じ込め容器４１に導かれたガスは、さらに浄化される。
【００４０】
例えば、環境温度に接触する第２管４０ｂの熱伝導率は、４５ワット毎メートルケルビン未満であり得る。例えば、第２管４０ｂは、炭素鋼、ステンレス鋼、又はテフロンを含み得る。炭素鋼は、４３ワット毎メートルケルビンの熱伝導率を有する比較的良好な断熱材である。ステンレス鋼は、１５ワット毎メートルケルビンの熱伝導率を有するさらに良好な断熱材である。テフロンは、わずか２ワット毎メートルケルビンの熱伝導率を有する別の断熱材である。例として、第２管４０ｂは、内径２．０ｍｍ、外径２．２ｍｍ、及び長さ４ｃｍの中空のステンレス鋼管とすることができる。この管の熱伝導率が低いことで、５０ｍＷの熱が管を通過している場合に２０２℃の温度降下が起こる（熱が管の温端部から管の冷端部へ移ることによる）。第２管４０ｂの絶縁特性を改善し且つ熱伝導率をさらに低下させるために、第２管は、より薄肉（例えば、厚さ０．１ｍｍ未満）に又はより長い長さ（４ｃｍを超える）にすることができる。
【００４１】
イオンガンのベースプラットフォーム３１（すなわち最低温部分）に接続された第１管４０ａに関しては、熱伝導率の比較的高い材料が選択される。第１管４０ａは、アルミニウム又はＯＦＨＣ銅を含むことができ、これらは１５０ワット毎メートルケルビン以上、又はＯＦＨＣ銅製である場合には４００ワット毎メートルケルビンの熱伝導率を与える。例として、第１管４０ａに関して内径２．０ｍｍ、外径２．２ｍｍ、及び長さ６ｃｍのＯＦＨＣ銅の中空管は、５０ｍＷの熱が管を通過している場合に１１℃の温度降下を起こす。第１管４０ａのこの部分の等温特性を改善するために、肉厚を厚くしてもよく（例えば、０．１ｍｍを超える）、又は長さを短くしてもよい（例えば、３ｃｍ未満）。
【００４２】
異なる材料の異なる管４０ａ、４０ｂの先の２例を組み合わせると、５０ｍＷの電力を伝送する直列の結合管が、約２１３℃の全体温度差をもたらすことが明らかである。これは、ベースプラットフォーム（８０ケルビン付近）と約２０℃の大気条件での外部容器（約２９３ケルビン）との間で望ましい温度差である。第１管４０ａが比較的低温となるので、上記材料例は望ましい。その一端と別端との間の温度差は、８０ケルビン〜約９１ケルビンとなる。これは、第１管４０ａの内面をクライオトラッピング及びクライオポンピングに非常に効果的なものにする。これとは対照的に、第２管４０ｂは、９１ケルビン〜２９３ケルビン（２０℃）というはるかに大きな温度降下を有する。これは、温かい周囲又は環境温度から内部の極低温への全体的な熱輸送の最小化に役立つ。他の設計変更として、異なる長さ、異なる肉厚、異なる材料、又は回旋形状（convoluted shapes）が挙げられ得る。
【００４３】
換言すれば、第１管４０ａ及び第２管４０ｂの材料及び幾何学的パラメータは、第１及び第２管に異なる材料を選択することにより、且つ／又は異なる管肉厚及び／又は管長を選択することにより、環境温度にある外部ハウジング９０と第１管４０ａの最低温部との間の完全温度降下の７０％以上、より好ましくは９０％以上が熱伝導率の比較的低い第２管４０ｂに沿って生じるよう構成される。第１及び第２管の相補的なこの構成により、環境温度にある外部ハウジング９０と第１管４０ａの最低温部との間の完全温度降下の３０％未満、より好ましくは１０％未満が第１管４０ａの部分に沿って生じることで、ガス電界イオン源の作動時に第１管４０ａ全体が極低温となる。
【００４４】
ガス電界イオン源は、エミッタチップ３４の幾何学的形状に基づいて設定された電圧で作動される。幾何学的形状として、平均コーン角及びエミッタチップ３４の平均曲率半径等の因子が挙げられる。
【００４５】
上記設計には、質量及び体積が小さいという利点がある。これらの両方が、熱サイクルの高速化、冷却負荷の低減、及び費用の低減、並びに複雑さの低減を可能にする。さらに、小型設計は、ガス電界イオン源を作動させる希ガスの迅速な変更を可能にする。特に、内部ガス封じ込め容器４１の小型設計は、ヘリウムでのガス電界イオン源の作動とネオンでのガス電界イオン源の作動との間で迅速な変更を可能にする。
【００４６】
理想的な動作条件下では、エミッタチップ３４の頂点部は（例えば、直径５０ｎｍ、１００ｎｍ、又は２００ｎｍの）略球状である。球面は、実際には球に似た一連の平面ファセットと表現する方が適切である。エミッタのチップ３４の頂点部付近では、端部形態は、単一の頂点で交わり三角錐を形成する３つの平面ファセットによく似ている。角錐の辺は比較的浅い角度（例えば、エミッタの軸に対して７０°〜８０°）であり得る。角錐の稜線及び頂点部は、原子レベルでやや丸みを帯びており、原子稜線（atom ridges）が一切ないか又は頂点部に原子が１つもない。
【００４７】
理想的な動作条件下では、正三角形を形成するエミッタ材料の３つの原子が頂点部にある。以下では「三量体」と称されるこれらの３つの原子は、最も突出し、したがって引出電極に対する正電圧（例えば、２０ｋＶ、３０ｋＶ、４０ｋＶ）がチップに印加されると最大電界を生成する。ヘリウム又はネオンガスの存在下では、中性原子がこれら３つの原子の真上で電界イオン化され得る。比較的高いガス圧（１０−２Ｔｏｒｒ又は１０−３Ｔｏｒｒの局所圧力）では、毎秒１０６又は１０７又は１０８個の速度でイオン化が起こり得る。理想的な状況下では、この安定したイオン流は、経時的に一定であり無限に持続する。
【００４８】
本明細書において単位Ｔｏｒｒを用いる限り、これをｍｂａｒで置き換えることができる。
【００４９】
実際には、ヘリウムでの動作時の典型的条件下では、イオン放出は１００ｐＡの放出電流を示すことができ、連続１０日以上持続することができ、ミリ秒又はそれよりも速い時間スケールにわたって約０．５％の上下変動を示す。放出電流の漸次的損失は、補正されなければ１日当たり１０％の割合で進行し得る。ヘリウム性能（又はヘリウムでの動作性能）は、９９．９９９０％又は９９．９９９９％又はさらに高い純度であり得るガスの純度に影響され、ヘリウムの存在下でのベース真空の品質は、２×１０−９Ｔｏｒｒ、１×１０−９Ｔｏｒｒ、５×１０−１０Ｔｏｒｒ又はそれ以上である。
【００５０】
供給されたネオンガス（例えば、Ｈ２、Ｈ２、Ｏ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等）中の不要原子は、ガス電界イオン源のチップへのネオンの到達可能性を妨げ、したがって短い時間スケール及び長い時間スケールの両方で放出を不安定にし得る。不要原子は、エミッタ材料の腐食を促してその形状を経時的に徐々に変化させることもでき、これは、イオン放出電流を漸減させ得ると共に最適な動作電圧を漸減させ得る。不要原子は、エミッタチップ３４の原子の１つ又は複数をより容易に電界蒸発させて急激な放出低下を引き起こすこともできる。したがって、ガス供給系の第１管４０ａの内壁面のクライオポンプ作用は、イオン源によるイオン放出の安定化に役立ち、さらにチップ３４の寿命の増加に役立つ。
【００５１】
図５は、ガス電界イオン源の代替的な実施形態を示す。図３における実施形態に関してすでに説明した構成部品に対応するガス電界イオン源の構成部品は、図３と同じ参照符号を有する。
【００５２】
保持構造９１を介して、ベースプラットフォーム３１は外部真空壁９０に装着される。外部真空壁９０は、環境温度、例えば室温にある。円柱状絶縁体３７を介して、引出電極３８はベースプラットフォーム３１に装着される。ベースプラットフォーム３１、円柱状絶縁体３７、及び引出電極３８により囲まれた空間は、この場合も内部ガス封じ込め容器４１を形成する。内部ガス封じ込め容器４１内では、ガス電界イオン源のチップ３４が内部円柱状絶縁体３３を介してベースプラットフォーム３１に装着される。
【００５３】
ベースプラットフォーム３１は、デュワ５２内に設けられたクライオジェンにより極低温に冷却される。熱は、ベースプラットフォーム３１からフレキシブル熱伝導体３２、例えば銅編組線の形態のコールドフィンガを介して、外部真空壁９０を通してデュワ５２へ導かれる。
【００５４】
ガス供給系９２は、ガス電界イオン源用の作動ガス、例えばヘリウム、ネオン、又はアルゴン等の希ガスを供給する。ガス供給系は、外部真空壁９０を通して真空空間８１へつながる第２管９３をさらに備える。この場合も、第２管９３は、管の肉厚を小さくしたステンレス鋼等の熱伝導率の低い材料でできている。真空空間内では、ガス供給系は、外部円柱状絶縁体３７及び第２管に接続された第１管９４を備える。第１管９４を介して、作動ガスが内部ガス封じ込め容器４１に供給される。この第１管９４は、無酸素銅等の熱伝導率の高い材料でできており、その内面を増加させるために蛇腹形態を有する。上述のように、第１管９４の内面は化学的ゲッター９７で少なくとも部分的にコーティングされる。
【００５５】
第１管９４を冷却するために、第１管は、第１熱伝導体９５及びフレキシブル熱伝導体３２を介してデュワ５２に接続される。
【００５６】
内部ガス封じ込め容器４１に導入されたガスの浄化の機能は、上記実施形態と同様に働く。水蒸気、ＣＯ、Ｎ２等の望ましくないガスは、第１管９４の内面がイオン源の動作中に極低温であることによりトラップ又はクライオポンプされる。ベークアウト中、第１管９４は、ヒータ７３ｃ、フレキシブル熱伝導体３２、及び熱伝導体９５を介して加熱され、トラップされたガスは蒸発してポンピング除去され得る。ベークアウト中、化学的ゲッターも残りの汚染物質を一部蒸発させるか又は埋める（buries）。
【００５７】
図４は、イオンビーム用の２つの異なる希ガスで、この特定の場合はヘリウム又はネオンで作動することができるガス電界イオン顕微鏡の原理を示す。ガス電界イオン顕微鏡は、顕微鏡のハウジング１９内に３つの真空領域を有する。第１真空領域は試料チャンバ１０であり、第２真空領域は中間カラム領域７０であり、第３真空領域はガス電界イオン源を収容する外部真空格納容器８１である。中間カラム領域７０は、外部ガス格納容器８１と試料チャンバ１０との間に位置決めされる。
【００５８】
前述のように、試料チャンバは、テーブル５（図４には図示せず）に搭載されたターボ分子ポンプ１７により排気される。外部ガス格納容器８１は、同じくテーブル５に搭載することができるターボ分子ポンプでもあり得る機械式ポンプ６０によっても排気される。外部ガス格納容器８１を排気する機械式ポンプ６０と外部ガス格納容器８１との間の接続は、ポンプ１７と試料チャンバとの間の接続のように設計することができ、すなわち、ポンプ６０と外部ガス格納容器８１との間の接続も、硬質管又は小型真空フランジを間に有する２つのフレキシブルベローを含むことができる。中間カラム領域７０は、第１圧力制限開口５４により外部ガス格納容器８１から分離される。同様に、中間カラム領域７０は、第２圧力制限開口５５により試料チャンバ１０から分離される。中間カラム領域７０は、イオンゲッターポンプ又は非蒸発ゲッターポンプであり得る中間カラムポンプ５６により排気される。これらの種類のポンプ５６は振動を発生させないので、これにより利点が得られる。
【００５９】
中間カラムポンプ５６は、制御部５９に接続されて制御される。制御部５９は、ガス電界イオン源の作動時及び／又は内部ガス封じ込め容器４１への希ガスの供給時にいつでも中間カラムポンプ５６をスイッチオフできるように中間カラムポンプ５６を作動させる。
【００６０】
中間カラム領域７０を排気する中間カラムポンプ５６は、フランジ７２を介して中間カラム領域に取り付けられる。フランジ７２には弁５７が設けられ、中間カラムポンプ５６の交換その他の整備が必要な場合、又は中間カラムポンプがスイッチオフされた場合、又は中間カラムポンプが中間カラム領域７０を排気すべきでない場合には、弁５７を閉じることができる。このようにして、中間カラム領域７０をガス抜きせずに中間カラムポンプ５６の交換又は整備が可能である。
【００６１】
中間カラムポンプ５６は、同じく制御部５９に接続されて制御されるヒータ５８を含む。ヒータ５８により、中間カラムポンプ５６を加熱して希ガス及び他の揮発性吸着物を中間カラムポンプ５６から放出し、これを洗浄することができる。加熱により、ポンピングされた吸着物を表面からより拡散させ且つより深く埋め、その後、さらなる吸着ポンピング機構のために表面を清浄にしておくこともできる。
【００６２】
外部ガス格納容器８１は、同じく制御部５９に接続された圧力測定装置８２を含む。制御部５９は、例えばソフトウェアプログラムを有するコンピュータにより、外部ガス格納容器８１内の圧力が所定の圧力値未満である場合、すなわち圧力測定装置８２の出力信号が所定の圧力値未満の外部ガス格納容器８１内の圧力を示す場合にのみ中間カラムポンプ５６をスイッチオンするよう構成される。このようにして、中間カラムポンプ５６の寿命を延ばすことができる。
【００６３】
図３に関連してすでに上述したように、外部ガス格納容器８１内にガス電界イオン源が配置される。図４には、内部ガス封じ込め容器４１を形成するガス電界イオン源の構成部品、すなわちベースプラットフォーム３１、外部管状絶縁体３７、引出孔３８を有する引出電極３８のみが示されている。図４には、内部ガス封じ込め容器４１内のゲッター４５も示されている。
【００６４】
図４には、同じく制御部５９に接続されて制御される駆動装置４３を有するフラッパ型弁４２も示されている。フラッパ型弁４２をその駆動装置４３により開くことができるのは、内部ガス封じ込め容器４１の急速排気が望まれる場合、例えばヘリウムイオンを発生させるためのヘリウムでの作動とネオンイオンビームを発生させるためのネオンでの作動との間でのガス電界イオン源の作動変更が望まれる場合である。さらに、イオン源がイオンビームを発生させないような動作休止時には、フラッパ型弁を開いて内部ガス封じ込め容器４１の真空を改善することもできる。
【００６５】
ガス電界イオン顕微鏡は、冷却装置、例えばエミッタチップ並びにガス供給管４０及びベースプラットフォーム３１を冷却するデュワ５２を備える。図４には、デュワとベースプラットフォーム３１又はガス供給管４０のような被冷却構成部品との間の熱的接続は図示されていない。デュワ５２は、外界からクライオゲンを充填されるよう構成されたデュワの内部チャンバを絶縁する真空ジャケットを含む。デュワジャケット弁及び真空ラインを介して、デュワジャケットは試料チャンバ１０に接続される。このようにして、真空ジャケット内の真空を試料チャンバの圧力で維持することができる。デュワジャケット弁を閉じることができるのは、プロセスガスが試料チャンバ内に位置決めされた試料に供給される場合、又はチャンバがガス抜きされる場合、又は概してチャンバ圧力が例えば１０−６Ｔｏｒｒの所定の圧力値を超える場合は常にである。デュワジャケット弁を閉じることにより、デュワジャケット内の凝集性ガスの蓄積を回避することができる。
【００６６】
図４に示すガス電界イオンビームシステムのガス供給系は、ヘリウムを含むもの及びネオンを含むものである２つのガス容器６１、６２を含む。両方のガス容器が、圧力調整機を有することで、圧力調整機の後のガス供給ラインにおける一定のガス圧を確保する。両方のガス供給ラインにおいて圧力調整機に続いて、各ガス供給ラインはリーク弁６３、６４を含む。リーク弁６３、６４は、ガス容器６１、６２から管４０への、したがって内部ガス封じ込め容器４１への各希ガスの一定のガス流を確保する。リーク弁６３、６４は、プロセスガス、すなわち流れを制御されるガスと接触する全ての構成部品が金属製であるよう構成されることが好ましい。このようにして、汚染物質でのプロセスガスの望ましくない汚染を回避するか又は少なくとも低減することができ、リーク弁６３、６４を含む管系をベークアウトすることができる。
【００６７】
ガス容器６１、６２から管４０へのガス流の方向で、両方のガス供給ラインが接続される。ガス流の方向で、結合されたガス供給ラインには浄化器６５及びガス弁６８が続き、その後にガス供給ラインは内部ガス封じ込め容器４１内で終わる管４０に接続される。図３及び図５を参照して上述したように、管４０は、管４０の終端部を形成し且つベースプラットフォーム３１に取り付けられた第１管４０ａと、外部真空壁９０に接続された第２管４０ｂとを含む。第１及び第２管４０ａ、４０ｂの両方が、管に通されたガスの望ましくない汚染を回避するために金属でできている。両方の管４０ａ、４０ｂが金属製であるにも関わらず、これらは第１管４０が第２管４０ｂよりもかなり高い熱伝導率を有するように異なる方法で構成される。第１管４０ａはベースプレート３１に接続されているので、第１管４０ａは、イオン源の動作中に極低温に冷却される。第１管４０ａは、蛇腹形に形成される。第１管４０ａの表面の少なくとも一部は、化学的ゲッター材料で覆われる。第２管４０は、第１管４０ａよりも熱伝導率の低い材料でできており、より薄い管壁を有する設計であることで、第２管４０ｂの熱伝導率を低く保つ。高熱伝導率及び低熱伝導率を有する好ましい材料は上記の通りである。
【００６８】
ガス供給ラインは、ガス供給ラインを真空チャンバ１０に直接接続するバイパス弁６７を有するバイパスライン６６を含む。
【００６９】
さらに、ガス供給管４０を加熱することができるヒータ７３ａが、ガス供給管４０に設けられる。
【００７０】
ガス電界イオンビームシステムを高いヘリウム又はネオンガス流量で数日間作動させる場合、ガス電界イオン源の動作は、クライオポンピング面、すなわちベースプラットフォーム３１、ガス供給管４０の第１管４０ａ、引出電極３８、絶縁体３３、３７、及びエミッタチップ３４を短時間ウォームアップするステップを含み得る。このウォームアップの結果として、蓄積した極低温吸着原子を脱離させてからターボ分子ポンプ１７、６０を介してポンピング除去することができる。外部ガス供給容器６１、６２からエミッタチップ４５の近くにヘリウム又はネオンガスのような希ガスを供給するガス送出管４０の第１管４０ａも、極低温に冷却される。これは、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２等の不純物を第１管４０ａの内面にクライオポンプさせることにより供給ガスを浄化する役割を果たす。ガス供給管４０の内面を洗浄するために、これをヒータ７３により高温に、他のクライオポンピング面と同様に少なくとも１００℃の温度に、より好ましくは１５０℃又はさらに２００℃に周期的に加熱することで、ターボポンプ６０、１７を介してこれらの蓄積した吸着物を放出及びポンピング除去させることができる。
【００７１】
ガス送出管４０は、１ｍｍ〜６ｍｍの内径を有する。ガス送出管４０は、外部ガス送出系を外部ガス格納容器８１の壁９０を通して内部ガス封じ込め容器４１に接続する。ガス送出管４０は、脱離ガスの排気を促進するためにバイパス弁６７を有する。バイパス弁６７は、脱離ガスが内部ガス封じ込め容器４１に多量にトラップされるのを防止する。バイパス弁６７は、完全に真空ハウジングの外部にあり得るか、又は内部ガス封じ込め容器４１に組み込まれる。
【００７２】
３つの技術のうちの１つにより、エミッタチップから吸着原子を定期的に除去することが有利であることが判明している。３つの技術のうちの１つは、内部ガス封じ込め容器４１を形成する構成部品を極低温に、例えば３００℃以上の温度に１分間以上保ちながら、エミッタチップ３４を定期的に加熱することである。エミッタチップ３４をこのように加熱することで、蓄積した吸着原子を熱的に励起して、それらが脱離し重要度の低い周囲表面に移動するようにすることができる。それらの表面は、主に低温である引出電極３８の表面であり、吸着原子を保持し、エミッタチップ３４への逆移動の可能性を低減する。
【００７３】
上述のように、ガス電界イオン源のエミッタチップに到達する少量の不要ガス原子が、放出ビームの強度を上下変動させるか、又は漸進的及び進行的に弱める可能性がある。これらの影響は、性能を最適化する目的及び作動手順に合わせて設計されるガスマニホールド（又はガス送出系）により弱めることができる。ガス送出系は、ヘリウム又はネオンガスとの使用に備えて洗浄プロセスとしてガス送出ラインを排気することを可能にするバイパス弁を含む。ガス供給ハードウエアは、ＵＨＶサービス用に設定された材料及び方法で準備される。ガス送出系は一体型ヒータを備え、一体型ヒータは、ガスマニホールドを１５０℃、２００℃、またさらには４００℃という高温まで８時間、１２時間、またさらには１６時間の範囲の長期間にわたり加熱して、いかなる真空汚染物質の脱離も助けることができる。この加熱時間の間、内部ガス封じ込め容器４１へのライン内の弁６８は閉じられ、試料チャンバ１０に至る管６６内のバイパス弁６７は開かれる。結果として、発生ガスは、その影響が小さい試料チャンバ１０へとポンピング除去される。ベーキングプロセスは、ガス供給系が大気にガス抜きされた後（例えば、容器交換又は弁交換等の保守活動の後）又は放出安定性レベルを改善する必要がある場合に繰り返し可能である。化学的に活性な浄化器６５をガス供給系の一部として組み込んで、一般的な不純物を低減こともできる。浄化器は、１００℃、２００℃、またさらには３００℃の高温で、又は室温若しくは任意所望の温度で浄化器専用のヒータにより高温作動可能である。浄化器のヒータは、６０Ｈｚ又は５０Ｈｚの磁界からの干渉がないように直流電源により電源供給可能である。ガス供給系は、精密リーク弁の下流の、但しガスが内部ガス格納容器へ送出される前の圧力を監視するために圧力計６９も含むことができる。ガス浄化器６５の代替的な実施形態を、図６〜図８を参照して以下で説明する。
【００７４】
ガス電界イオン源の内部ガス封じ込め容器は内蔵型の弁、「フラッパ型弁」４２を有し、フラッパ型弁は、開放時に、内部ガス封じ込め容器４１を外部ガス格納容器８１と接続し、内部ガス封じ込め容器の体積のポンピング速度を約１リットル／秒（唯一の開口が引出孔３９である場合）から追加弁が開放された場合の２２リットル／秒まで増加させる。この弁の使用は、安定したネオン放出に役立つ低いベース圧力を達成するのに役立ち得る。この弁の使用により、別のガス（例えばネオン）へ切り換える前に１つのガス（例えばヘリウム）をパージするのに要する時間を短縮することもできる。弁は、内部ガス封じ込め容器に直接装着することができるか、又はより遠隔に位置決めすることもできる。弁は、ガス送出ライン４０に組み込むこともできる。
【００７５】
内部ガス封じ込め容器は、フレキシブル熱伝導素子３２（図３に示す）を介して加熱及び冷却可能である。フレキシブル熱伝導素子の終端部は、極低温クーラに取り付けられたヒータ７３ｃである。デュワにクライオジェンが充填されると、デュワはガス電界イオン源を低温に保つ役割を果たす。デュワにクライオジェンが充填されていない場合、ヒータに電源供給してデュワ及び内部ガス封じ込め容器を形成する構成部品の両方を加熱することができる。この設計は、デュワ及び内部ガス封じ込め容器が熱的に緊密であり、これらの間で温度差を達成するのは単純なことではないので特に好都合である。これらの部分の両方をベーキングする間、所要電力は約２５ワットであり、達成温度はデュワ上で１３０℃、及び内部ガス封じ込め容器４１を形成する構成部品で１１０℃である。
【００７６】
ガス供給系の第１管４０ａ内の化学的ゲッターは、化学活性種をポンピングする化学的ゲッタリングに作用する。ゲッタリング効果は、一般的にはチタン又はタンタルの組み合わせでありゲッタイオンポンプにより新たに蒸発させられる反応物質への、活性種の結合により達成される。
【００７７】
図６は、ガスの選択的イオン化に基づくガス浄化器６５の第１実施形態を示す。ガス浄化器は、ガス入口１０１及びガス出口１０２を有する中空ハウジング１００を含む。ハウジング内には磁石１０３が配置され、入口１０１から出口１０２へ通じるガスの流れ方向に対して垂直な方向に磁界Ｂを与える。さらに、チタン等の化学的ゲッター材料でできた２つの接地電極１０５、１０６が設けられる。さらに中空ハウジング１００内には、複数のセル状電極１０４が設けられる。各セル状電極１０４は、その円柱軸を磁界の方向と平行な向きとした円柱形態である。
【００７８】
接地電極１０５、１０６の両方が電気的に接地され得る。セル状電極１０４には、接地電極１０５、１０６に対して数ｋＶ電位の正の高電圧が印加される。動作中、セル状電極と接地電極１０５、１０６との間の放電により電子を発生させる。磁界により、これらの電子はアノードセル内にトラップされる。ガスが浄化器の中空体積に通された場合、アノードセル内の分子−電子衝突により陽イオンが発生する。セル状電極１０４と接地電極１０５、１０６との間の電位差により、陽イオンは接地電極の方向に加速される。接地電極１０５、１０６は、同時に化学的ゲッターとしての役割を果たす。接地電極板１０５、１０６に当たる陽イオンは、化学的ゲッター、例えばチタンによりトラップされる。
【００７９】
ヘリウム及びネオン等の希ガスは、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＨ４、及びＮ２等の大抵の望ましくない化学ガス種よりもイオン化確率が著しく低いので、主にこれらの反応化学種は接地電極の化学的ゲッターによりトラップされて埋められる一方で、希ガスはできるだけ影響されずに浄化器を通ることができ、これはガスのかなりの浄化及び望ましくない反応ガス種の排除につながる。
【００８０】
セル状電極１４０の電位は、イオン化の選択性を最適化するよう調整することができる。
【００８１】
図７は、ガスの選択的イオン化に基づくガス浄化器６５の第２実施形態を示す。ガス浄化器は、この場合もガス入口２０１及びガス出口２０２を有する中空ハウジング２００を含む。さらに、加熱されたフィラメント２０６、加速グリッド電極２０７、及び接地電極２０５が、中空ハウジング２００内に設けられる。加速電極２０７にフィラメント２０６及び接地電極２０５に対して数１００ボルトの正電位を供給しながら、フィラメント２０６及び接地電極２０５を接地電位に保つことができる。接地電極２０５は、チタン等の化学的ゲッター材料でできている。
【００８２】
その加熱により、熱電子がフィラメント２０６により放出される。これらの熱電子は、加速電極２０７の電圧差により加速電極２０７の方向に加速される。加速電極を通るこうした電子は、その後減速される。中空体積内を移動するガス分子が、加速電極２０７と接地電極２０５との間の空間で電子と衝突し、一部陽イオン化される。正に帯電したイオンは、接地電極２０５の方向に加速され、接地電極の化学的ゲッター材料によりそこでトラップされる。
【００８３】
図６を参照して説明した実施形態のように、ヘリウム及びネオン原子等の希ガス原子は、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＨ４、及びＮ２等大抵の望ましくない化学ガス種よりもイオン化確率が著しく低いので、主にこれらの反応化学種は接地電極の化学的ゲッターによりトラップされて埋められる一方で、希ガスはできるだけ影響されずに浄化器を通ることができ、これはガスのかなりの浄化及び望ましくない反応ガス種の排除につながる。
【００８４】
加速電極２０７の電位は、イオン化の選択性を最適化するよう調整及び同調させることができる。
【００８５】
図８は、ガスの選択的イオン化に基づくガス浄化器６５の第３実施形態を示す。ガス浄化器は、この場合もガス入口３０１及びガス出口３０２を有する中空ハウジング３００を含む。さらに、極めて先鋭なエミッタ３０４のアレイが、入口３０１から出口３０２までのガス経路と一致して配置される。さらに、接地電極３０６が中空ハウジング３００内に設けられる。接地電極３０６は、チタン等の化学的ゲッター材料でできている。
【００８６】
エミッタ３０４は、接地電極３０６に対して１０ｋＶ以上の高い正電位でバイアスをかけられる。ガス分子又は原子がエミッタ３０４のアレイを通過すると、電界強度が高くなるエミッタのチップ付近において、ガス原子及びガス分子を電界イオン化によりイオン化することができる。正に帯電したイオンは、続いて接地電極３０６の方向に加速され、そこで接地電極の化学的ゲッター材料によりトラップされる。特定のガス種がエミッタ３０４のチップ頂点部付近でイオン化される可能性は、ガス種自体及びチップ頂点部付近の電界強度に強く依存する。イオン化される可能性は、他のガスよりも希ガスの方が低いので、エミッタ３０４と接地電極３０６との間の電圧を適切に同調させることによりイオン化の選択性を調整することができる。
【００８７】
図６〜図８を参照して説明した実施形態では、選択的イオン化は、大量の（a flood of）電子で又は電界イオン化を引き起こす高電界により達成される。さらに別の代替的な実施形態では、選択的イオン化は、大量の光子により、ある電位でバイアスをかけた２つの電極間の領域に高強度の光ビームを供給して光イオン化により発生したイオンを吸引除去することにより達成できる。この場合も、負電位を有する電極は、そこに衝突するイオンをトラップする化学的ゲッターを含む。同様のさらに別の代替的な実施形態では、大量のイオンを用いてイオン−分子衝突による選択的イオン化を引き起こすことができる。
【００８８】
希ガスと非希ガスとの間でイオン化の可能性に大きな差があるので、望ましくないガス又は非希ガスの９０％以上をガス流から除去でき、希ガスは１０％以下しかガス流から除去されない。
【００８９】
希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ）の容器６１、６２は、２５ｂａｒ〜１５０ｂａｒの範囲の典型的圧力で希ガスを提供することができる。希ガスは、通常は１ｐｐｍ〜１０ｐｐｍの範囲の割合で不純物を有する。
【００９０】
調整機に続くガス供給ラインにおいて、希ガスの圧力は通常は０．１ｂａｒ〜３ｂａｒである。
【００９１】
リーク弁６３、６４の下流のガス供給ラインにおける希ガスの圧力は、通常は０．０２５ｍｂａｒ〜３０ｍｂａｒである。
【００９２】
使用時には、ガス供給系から内部ガス封じ込め容器４１への希ガス流は、通常は３×１０−５ｍｂａｒリットル／秒〜４×１０−３ｍｂａｒリットル／秒である。
【００９３】
ガス供給管４０のガスコンダクタンスは、通常は０．００５リットル／秒〜０．０５リットル／秒の範囲である。
【００９４】
イオン源及びガス供給管の極低温冷却部の温度は、イオン放出モードでの動作時には通常は５０ケルビン〜７８ケルビンである。汚染物質の排除のためのベークアウト時には、内部ガス封じ込め容器を形成する構成部品及びそこに配置された構成部品の温度は、通常は１００℃〜２００℃の範囲である。
【００９５】
上述のように、ガス供給管４０は、希ガス中の不純物のゲッターポンピングを行う一体型ゲッターを含むことができる。
【００９６】
ガス供給系は、さらなる不純物の導入を回避するために全金属リーク弁を有することができる。このようにして、ガス供給系は、真空ポンピングなしで１０−８ｍｂａｒ／秒未満の圧力上昇をもたらす壁からの総アウトガス速度を有するように前洗浄され得る。ガス供給系は、その場合、総アウトガス速度が１×１０−４ｍｂａｒ／時未満の圧力上昇をもたらすように低いアウトガス特性を有し得る。
【００９７】
一実施形態では、ガス供給系は、面積当たりの総アウトガス速度がｑ＝２×１０−１１ｍｂａｒ／リットル／秒／ｃｍ２に相当するように低いアウトガス特性を有し得る。
【００９８】
別の実施形態では、ガス供給系は、少なくとも６時間の期間にわたり２００℃の温度でベーキングされるよう構成される。
【００９９】
さらに別の実施形態では、ガス供給系の圧力調整機は、その内面の洗浄を促進及び改善するために静電容量型圧力計を含む。ブルドン管を含むダイヤルゲージを備えた圧力調整機は回避される。
【０１００】
さらに別の実施形態では、ガス供給系は、圧力調整機を一切含まず、ガス容器から高圧が制御下のリーク弁に直接加えられる。
【０１０１】
洗浄方法において、ガス供給系の構成部品の内面は、０．３ｍｂａｒ〜３ｍｂａｒの範囲の圧力での酸素の存在下で１００℃〜２００℃の温度でベーキングされる。酸素の存在下でのこうしたベーキングにより、炭化水素が揮発して鋼が調質される。所望の低いアウトガス特性の達成に必要な程度まで、酸素の供給及び排気を交互に繰り返すことによりガス供給系を１００℃〜２００℃の温度でベーキングすることができる。このようにして、ガス供給系は真空パージされて、蓄積したアウトガス材料を放出することができる。
【図１】
2017188459.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
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