帶電粒子束系統的製作方法

2023-11-04 14:48:19 1

本公開涉及一種帶電粒子束系統，並且更具體地涉及一種離子源，特別是用於帶電粒子束系統、包括各自的離子源的帶電粒子束系統，並且更特別地，涉及一種用於帶電粒子束系統的氣體場離子源。

背景技術：

帶電粒子源、帶電粒子系統以及帶電粒子系統和源的操作方法可以用於各種應用，包括測量或識別樣品性質或修飾樣品。帶電粒子源典型地產生帶電粒子束，可以通過帶電粒子束系統的部件將帶電粒子束引導為入射到樣品上。通過探測帶電粒子束與樣品的相互作用產物，可以生成樣品的圖像或識別樣品的性質。

下面的文件包含與本公開有一定相關性的現有技術：ep2088613a1、ep2182542a1、us2012119086、ep2068343a1、ep2110843a1、us2012132802、us2012199758、wo2007067310、wo08152132a2、us20150008341a1、us20150008333a1、us20150008342a1、us20150008334a1以及us20150008332a1。

技術實現要素：

根據第一方面，本公開涉及一種離子源，包括外殼、導電尖端以及氣體供應系統。氣體供應系統可以配置為將操作氣體供應到尖端的附近。氣體供應系統包括具有中空內部的第一管。在管的中空內部中提供化學吸氣劑材料。離子源還包括配置為冷卻尖端的冷卻系統。

根據本公開的其他方面，吸氣劑材料提供為第一管的內表面的至少一部分的塗層。

根據本公開的另一方面，冷卻系統配置為冷卻第一管。

根據本公開的另一方面，第一管包括具有高熱導率的材料。

根據本公開的其他方面，氣體供應系統還包括第二管，第二管包括低熱導率的材料。特別地，第一管的熱導率可以為第二管的熱導率的三倍或更大。更加優選地，第一管的熱導率可以比第二管的熱導率大一個數量級或更多。

根據本公開的其他方面，第一管附接到第二管，並且第二管連接到外殼。

根據本公開的其他方面，冷卻系統連接到所述第一管。

根據本公開的其他方面，第一管形成為波紋管形狀。

根據本公開的其他方面，化學吸氣劑包括選自包括以下材料的組的至少一種材料：鈦、鐵、鋇、鋁、鈀、鋯、釩及其合金。商業上已知的一些特定的合金包括saesst101(zr0.84-al0.16)和saesst707(zr0.70-v0.246-fe0.054)。鋯基系統與多種多樣的氣體分子有反應活性，例如h2、co、co2、o2、n2以及nox，以形成基本無反應活性的氧化物、碳化物以及氮化物。

根據本公開的其他方面，離子源還包括外殼內的加熱器。

根據本公開的其他方面，離子源還包括設置在外殼內的內殼，其中導電尖端安裝在內殼內。

根據本公開的其他方面，第一管具有終止在內殼中或終止在內殼處的終止部分。

根據本公開的其他方面，冷卻系統連接到內殼的基部部分。

根據本公開的其他方面，離子源還包括氣體淨化系統。氣體淨化系統可以配置為通過汙染物的選擇性電離來淨化氣體。為此目的，氣體淨化系統可以包括電極和向電極提供電勢的電壓供應源。

根據另一總體方面，本公開涉及一種氣體淨化系統，包括殼、殼內的進氣口、殼內的出氣口、電極以及配置為向所述電極供應電勢的電壓供應源。

氣體淨化系統可以包括第二電極，向第二電機施加負電勢或接地電勢。此外，第二電極可以包括化學吸氣劑材料。

附圖說明

後文中將參考附圖描述實施例的細節，

圖1示出了帶電粒子束系統的機械裝配的截面圖；

圖2示出了圖1的帶電粒子束系統的粒子室的放大截面圖；

圖3示出了氣體場離子源的放大截面圖；

圖4示出了包含氣體供應系統的帶電粒子束系統的簡圖；

圖5示出了氣體場離子源的另一實施例的放大截面圖；

圖6示出了用於氣體淨化系統的第一實施例的原理簡圖；

圖7示出了用於氣體淨化系統的第二實施例的原理簡圖；

圖8示出了用於氣體淨化系統的第三實施例的原理簡圖。

具體實施方式

圖1中的帶電粒子束系統包括樣品室10，樣品室10設置且安裝在沉重的臺5上。臺5可以為花崗石板或混凝土製成的板。臺5自身置於若干第一支柱3a和3b上，在圖1中示出支柱中的兩個。第一支柱3a、3b設計為置於底板2上。第一支柱3a、3b中的每一個包括或支承第一振動隔離構件4a、4b，以免振動從底板傳遞到臺5。

樣品室10經由若干第二支柱18a、18b置於臺5上，第二支柱18a、18b也各包括或支承第二振動隔離構件9a、9b。這些第二振動隔離構件9a、9b起減小或避免振動從臺5傳遞到樣品室的作用。臺5的這樣的振動可能源自於機械真空泵17(例如渦輪泵)，機械真空泵17堅固地附接到臺5或安裝在臺5上。由於臺5的質量大，大大減小了由機械泵17產生的振動幅度。

機械泵17功能上連接到樣品室10。為此功能連接，經由兩個柔性波紋管部分6、8以及兩個柔性波紋管部分之間的剛性管7或緊湊真空法蘭，將泵17的吸入口連接到樣品室10。從泵17到樣品室的完整線形成「柔性波紋管部分-剛性管-柔性波紋管部分」的一系列布置。此布置起進一步衰減振動能量的作用，並且減小從臺傳遞到室的振動。當中間管的質量大時，可以進一步減小室的振動。如果存在與波紋管或管接觸的能量吸收材料，可以進一步減小室的振動。如果存在管和波紋管的機械共振，其優選地吸收和發散由泵17造成的頻率的振動能量，則可以進一步減小室的振動。

樣品室10具有真空密封的殼19。管狀延伸部11堅固地且不可拆卸地安裝到樣品室10的殼19。管狀延伸部11可以由焊接到殼19圍繞樣品室10的其餘部分的金屬管形成。可替代地，管狀延伸部可以為室殼自身的集成部分。

管狀延伸部11內安裝帶電粒子柱12。帶電粒子柱12從而包括圖1中未示出的透鏡、光圈以及束掃描系統。通過將帶電粒子柱12的部件直接安裝在樣品室10的殼19的管狀延伸部內，可以避免或至少減小帶電粒子柱的部件與設置在樣品室10內的樣品臺20之間的機械振動。

在樣品室的殼19的管狀延伸部11上，附接包括帶電粒子源的模塊。此模塊包括下殼部分16，下殼部分16具有上球形表面，上球形表面形成雙軸傾斜安裝的一個部分。此外，此源模塊包括上殼15，帶電粒子發射器安裝在上殼15中。在所示的情況中，帶電粒子源為氣體場離子源且帶電粒子發射器14為導電尖端。上殼15還具有形成雙軸傾斜安裝的第二部分的球形表面部分。在此傾斜安裝的輔助下，固定帶電粒子發射器14的上殼部分15可以繞兩個軸相對於帶電粒子柱12傾斜，以將由帶電粒子發射器14發射的帶電粒子的發射軸對準到由設置在帶電粒子柱12內的帶電粒子部件限定的光學軸。

在圖2中，更詳細示出了具有管狀延伸部的樣品室10的殼19。安裝在管狀部分11中的帶電粒子柱12包括幾個光圈22、偏轉系統23以及物鏡21，用幾個光圈22、偏轉系統23以及物鏡21可以將帶電粒子束聚焦的到樣品上且在樣品上掃描，樣品可以定位在樣品室10中的樣品臺(此處未示出)上。在帶電粒子束系統為氣體場離子束系統的情況下，透鏡21和偏轉系統22為靜電部件，靜電部件通過由於施加到系統的部件的不同靜電電勢產生的靜電力作用於離子。此外，帶電粒子柱12包括第一壓強限制孔徑24和第二壓強限制孔徑25，其形成其中設置發射器尖端14的真空區域與樣品室10之間的中間真空區域(中柱區域70)。帶電粒子柱12的最接近於氣體場離子源的發射器的部件為電極26，電極26形成聚光透鏡(condenserlens)的一部分，其後是偏轉器27，偏轉器27用於將來自氣體場離子源的束對準至隨著向下在束傳播到樣品室10的方向上的帶電粒子光學部件限定的光學軸。

應注意的是，帶電粒子束系統不必配置為氣體場離子束系統。可能有使用不同種類的帶電粒子源(例如所謂的液態金屬離子源或電子源，特別是場發射電子源)的其他帶電粒子束系統。

在圖3中，示出了氣體場離子源形式的緊湊離子源的設計。用雙嵌套絕緣體(doublenestedinsulators)設計此氣體場離子源。這是一種緊湊設計，同時仍提供高電壓、可變束能量以及氣體容納體(containment)。該設計由幾個部分構成。第一部分為導熱(例如，銅)基部平臺31，基部平臺31接地且通過柔性熱導體32(例如銅帶或銅編織帶)直接連接到並熱力連接到低溫冷卻系統。熱導體32的柔性允許完整的氣體場離子源傾斜，並且最小化任何振動傳輸。銅編織帶的熱導率還允許其加熱氣體場離子源作為周期性維護程序。

低溫冷卻系統可以為填充有液態和/或固態氮的杜瓦瓶(dewar)。可替代地，低溫冷卻系統可以為填充有固態氮的杜瓦瓶。杜瓦瓶可以包括加熱器73c，可以用加熱器73c加熱杜瓦瓶和基部平臺31。可替代地，低溫冷卻系統可以為機械冷庫(refrigerator)。

附接到此接地的基部平臺31的是中央管裝高電壓絕緣體33，例如由氧化鋁或藍寶石製成，其機械地支承形成氣體場離子發射器的導電尖端34。中央管狀絕緣體33提供相對於基部平臺31的超過30kv的電隔離。此中央絕緣體33具有用於連接高電壓導線35、36的一個或多個開口，高電壓導線35、36必要地連接到導電尖端34，用於提供操作作為氣體場離子源的尖端34的必要高電壓，並且也供應用於加熱尖端34的加熱電流。

還附接到基部平臺31的是圍繞中央絕緣體33的外管狀且圓柱形絕緣體37。外管狀絕緣體37機械地支承引出電極(extractorelectrode)38，並且還提供多於(超過)30kv的電絕緣。引出電極38設計為具有小孔39(例如，1mm、3mm、5mm直徑)，其特意為距尖端34的頂點小的距離(例如，1mm、3mm、5mm)。基部平臺31、中央絕緣體33、外圓柱形絕緣體37以及引出電極38一同限定內部氣體限制容器41。穿過引出電極的孔39的真空傳導或泵送速度可以相對地小，以支持導電尖端34的區域中相比於內部氣體限制容器41之外的區域的相對高的壓強。氣體逸出的唯一通路是前面提到的引出孔，和氣體遞送路徑40以及泵閥42。氣體遞送路徑穿過從供應瓶通過接地的基部平臺31到內部氣體限制容器41的小管40。泵閥42可以安裝在基部平臺31上，或集成到氣體遞送路徑40中。

帶電粒子源的全部上面提到的部件支承在基部平臺31上，基部平臺31由剛性而不導熱的支承結構(未示出)機械地支承，支承結構安裝到外部真空容器(圖1中的15)的上部分。通過凹面球形表面與對應的下外部真空殼(圖1中的16)中的凸面球形表面的界面，外部真空容器的上部分允許傾斜上至5度的小角度。

在內部氣體限制容器內設置離子吸氣劑45。憑藉氣體限制容器41的內部中包含化學吸氣劑45，獲得內部氣體限制容器中的改善的真空。在烘烤氣體場離子源時激活這些化學吸氣劑45。提供加熱器73b以加熱化學吸氣劑45。在將化學吸氣劑45加熱到約200℃的溫度2小時和一經冷卻這些部件，化學吸氣劑45留下許多有化學活性的材料(例如zr、v、fe以及ti等)，有化學活性的材料起有效地泵吸許多寄生氣體種類的作用。吸氣劑可以直接塗覆到現有部分(例如外圓柱形絕緣體37)的表面上，或它們可以為附接到形成內部氣體限制容器的內部表面的帶狀材料。化學吸氣劑對於氫氣的的泵吸速度是重要的，因為在相似雜質中，氫氣不能通過冷卻到低溫溫度的表面有效地製冷泵吸。內部氣體限制容器41中的這些化學吸氣劑45對於遞送的氦氣和氖氣的進一步淨化也很有效。作為惰性氣體，氦氣和氖氣不受影響，但全部雜質被有效地泵吸。在它們的周期性再生期間，通過打開特意製造的旁路閥42(擋板閥)能夠以改善的方式泵走釋出氣體，旁路閥42將內部氣體限制容器41連接到外部氣體容納體81。

內部氣體限制容器41可以由輻射屏蔽件圍繞，輻射屏蔽件最小化從外部容器壁(室溫)到離子源的輻射傳熱。內部氣體限制容器41還可以含有光學透明窗，光學透明窗允許從內部真空容器之外到發射器的尖端34的直接視線。外部真空容器中對準的窗允許相機或高溫計觀察氣體場離子源的發射器尖端。這樣的相機可以在周期性維護期間檢查源，或監視其溫度。這些窗中的一個或兩者可以包含含鉛玻璃，以最小化x射線從內部到外部的輻射傳輸。由於其高熱導率，基部平臺31也適用溫度傳感器，例如熱電偶。

氣體供應管40包括第一管40a和第二管40b。此外，氣體供應管可以包括加熱器73a。第一管40a由高熱導率材料製成，例如無氧銅。第一管40a連接到基部平臺31，並且相應地經由熱導體32(柔性銅編織帶)和基部平臺31由冷卻系統52冷卻。在第一管40a的內部中空容積內提供化學活性吸氣劑材料(例如ti，ni，pd)或非蒸散型(non-evaporable)吸氣劑(例如ti-fe-v)。特別地能夠以第一管40a的內表面上的塗層的形式提供吸氣劑材料。可替代地，化學吸氣劑可以提供為附接到第一管40a的內部表面的帶狀材料。

第二管40b由具有相對低熱導率的材料構成，例如不鏽鋼，具有小的管壁厚。通過將第二管40b配置為具有足夠小的壁厚，第二管的熱導率可以比第一管40a的熱導率小至少1/3。經由此第二管40b，第一管40a連接到處於環境溫度的外殼90的壁。由於第二管40b的低熱導率，在離子源的操作期間，僅相對少量的熱量從環境傳導到第一管40a，因此第一管40a由冷卻系統52充分冷卻並且因此保持在低的低溫溫度。由於第一管40a的低溫溫度，它的內壁表面充當低溫泵吸表面。具有高於第一管溫度的沸點的溫度的不期望的氣體種類(例如水蒸氣、co、n2)變得凝結在內管表面的附近並且保持在該處，並且由於它們的化學和物理結合在這些溫度不太可能解吸，而用作離子源中的操作氣體的惰性氣體並不被低溫泵吸。以此方式，進一步淨化了引導穿過第一管和第二管到內部氣體限制容器41中的氣體。

例如，接觸環境溫度的第二管40b的熱導率可以低於45瓦特每米開爾文(wattspermeterkelvin)。例如第二管40b可以包括碳鋼、不鏽鋼或特氟龍。碳鋼是相對好的熱絕緣體，其具有43瓦特每米開爾文的熱導率。不鏽鋼是甚至更好的熱絕緣體，其具有15瓦特每米開爾文的熱導率。特氟龍是另一種熱絕緣體，其具有僅2瓦特每米開爾文的熱導率。作為示例，第二管40b可以為中空不鏽鋼管，其具有2.0mm內直徑和2.2mm外直徑以及4cm長度。如果有50mw的熱量穿過，此管的低熱導率將導致202℃的溫度下降(由於熱量由管的較暖端傳到其較冷端)。為了改善絕緣性質且進一步降低第二管40b的熱導率，第二管可以由更薄壁製成(例如，小於0.1mm厚度)或製成更長的長度(大於4cm)。

對於連接到離子槍的基部平臺31(即，最冷部分)的第一管40a，選擇具有相對高熱導率的材料。第一管40a可以包括鋁或無氧高導電性(ofhc)銅，其提供150瓦特每米開爾文或更高的熱導率，或如果由ofhc銅製成，甚至400瓦特每米開爾文。作為示例，如果有50mw的熱量穿過，用於第一管40a的具有2.0mm內直徑和2.2mm外直徑且具有6cm的長度的ofhc銅的中空管將導致11℃的溫度下降。為改善第一管40a的此部分的等溫性質，壁厚可以制為更厚(例如，大於0.1mm)或長度可以制為更短(例如，少於3cm)。

結合不同材料的不同管40a、40b的前面兩個示例，在傳輸的50mw的功率情況下串聯結合的管將產生約213℃的總溫度差。這是基部平臺(接近80開爾文)到約20℃(約293開爾文)的大氣條件的外部容器之間的期望的溫度差。由於第一管40a將相對冷，上面的示例材料是所期望的。其一端與另一端之間的溫度差將為從80開爾文到約91開爾文。這使得第一管40a的內表面對於低溫捕獲和低溫泵吸非常有效。與之相反，第二管40b具有從91開爾文到293開爾文(20℃)的大得多的溫度下降。這起到最小化溫暖常溫或環境溫度到內部低溫溫度的總熱量傳輸的作用。其他設計變化可以包含不同長度、不同壁厚、不同材料或捲曲的形狀。

換而言之，通過對於第一管和第二管選擇不同材料和/或通過選擇管壁的不同厚度和/或管長度，將第一管40a和第二管40b的材料和幾何參數配置為，環境溫度的外殼90與第一管40a的最冷的部分之間的整個溫度下降的70％或更多(更優選地90％或更多)呈現為沿著相對低熱導率的第二管40b；由於以互補的方式配置第一管和第二管，環境溫度的外殼90與第一管40a的最冷部分之間的整個溫度下降的少於30％(更優選地少於10％)呈現為沿著第一管40a的部分，使得當氣體場離子源操作時，整個第一管40a在低溫溫度。

在基於發射器尖端34的幾何形狀建立的電壓，操作氣體場離子源。幾何形狀包含例如發射器尖端34的平均錐角度和平均曲率半徑的因素。

上面提到的設計具有質量小和容積小的優點。這些都允許較快熱循環和降低冷卻負載，和降低成本以及降低的複雜度。此外，緊湊設計允許操作氣體場離子源的惰性氣體的快速更換。特別是內部氣體限制容器41的緊湊設計允許用氦氣操作氣體場離子源和用氖氣操作氣體場離子源之間的快速更換。

在理想操作條件下，發射器尖端34的頂點大致為球形(例如，具有50、100或200nm直徑)。球形表面事實上更好地描述為近似球形的一系列平面分面。接近發射器的尖端34的頂點，端部形狀由三個平面分面更好地近似，三個平面分面相交在形成三面稜錐的單個頂點處。稜錐邊緣可以成相對淺的角度(例如，相對於發射器的軸70或80度)。稜錐的脊和頂點在原子級稍成圓形，使得不存在單個原子的脊或不存在頂點處的單個原子。

在理想操作條件下，存在頂點處有發射器材料的三個原子，其形成等邊三角形。當相對於引出電極的正電壓(例如，20kv、30kv、40kv)施加到尖端時，這些三個原子(後文中稱為「三聚體(trimer)」)最為突出，並且因此產生最大電場。在氦氣或氖氣存在下，中性原子可以在這些三個原子之上場電離。在相對高的氣體壓強(在局部壓強10-2託(torr)或10-3託)，電離能夠以106或107或108離子每秒的速率發生。在理想條件下，離子的此穩定流隨時間不變，且無限期地持續。

在本說明書的範圍內使用了單位託(torr)，其可以用毫巴(mbar)替代。

現實中，在當用氦氣操作的典型條件下，離子發射可以表現100pa的發射的電流，並且其可以持續10天或更多連續的天，並且在毫秒或更快的時間尺度上呈現0.5％數量級的上下波動。如果不校正，可以產生每天10％的速度的發射電流的逐漸損耗。氦氣性能(或用氦氣操作的性能)稍受氣體純度的影響，氣體純度可以為99.9990％或99.9999％純度或甚至更好，並且沒有氦氣情況下的基部真空的質量典型地為2×10-9託、1×10-9託、5×10-10託或甚至更好。

所供應的氖氣氣體中的寄生原子(例如，h2、n2、o2、co、co2、h2o等)能干擾達到氣體場離子源的尖端的氖氣的可用性，並且因此能導致發射短時間尺度和長時間尺度兩者上的不穩定性。寄生原子還能促進發射器材料的蝕刻，使得其隨著時間逐漸改變其形狀，這能逐漸降低離子發射電流，並且逐漸降低最優操作電壓。寄生原子還能導致發射器尖端34的原子中的一個或多個更易於場蒸發，導致突然發射下降。因此，氣體供應系統的第一管40a的內壁表面的低溫泵吸效應起穩定離子源的離子發射的作用，並且此外起增加尖端34的壽命的作用。

圖5示出了氣體場離子源的可替代的實施例。氣體場離子源中對應於已經相對於圖3中的實施例描述的部件的部件具有與圖3中相同的附圖標記。

基部平臺31經由固定結構91安裝到外真空壁90。外真空壁90處於環境溫度，例如，室溫。引出電極38經由圓柱形絕緣體37安裝到基部平臺31。由基部平臺31、圓柱形絕緣體37以及引出電極38圍封的空間又形成內部氣體限制容器41。在內部氣體限制容器41內，氣體場離子源的尖端34經由內圓柱形絕緣體33安裝到基部平臺31。

由杜瓦瓶52中提供的製冷劑來低溫冷卻基部平臺31。熱量從基部平臺31經由柔性熱導體32形式的冷的指狀物(例如銅編織帶)穿過外真空壁90傳導到杜瓦瓶52。

氣體供應系統92提供氣體場離子源的操作氣體，即惰性氣體(例如氦氣、氖氣或氬氣)。氣體供應系統還包括第二管93，第二管93引導穿過外真空壁90到真空空間81中。再一次地，第二管93由具有薄管壁的低熱導率的材料(例如不鏽鋼)製成。在真空空間內，氣體供應系統包括第一管94，第一管94連接到外圓柱形絕緣體37且連接到第二管。經由第一管94將操作氣體供應到內部氣體限制容器41中。此第一管94由具有高熱導率的材料(例如無氧銅)製成，並且其具有波紋管形狀，以增加其內表面。第一管94的內表面至少部分地塗覆有如上所述的化學吸氣劑97。

為了冷卻第一管94，第一管經由經由第一熱導體95和柔性熱導體32連接到杜瓦瓶52。

淨化引入到內部氣體限制容器41的氣體的功能以與上面描述的實施例相同的方式工作。通過第一管94的內表面捕獲或低溫泵吸不期望的氣體(例如水蒸氣、co、n2)，第一管94在離子源的操作期間處於低溫溫度。在烘烤除氣(bake-out)期間，經由加熱器73c、柔性熱導體32以及熱導體95加熱第一管94，並且捕獲的氣體被蒸發或可以被泵走。在烘烤除氣期間，化學吸氣劑也部分蒸發或埋藏剩餘的汙染物。

圖4示出了氣體場離子顯微鏡的原理，能夠以用於離子束的兩種不同惰性氣體來操作氣體場離子顯微鏡，在此特定情況下，或者用氦氣或者用氖氣。在顯微鏡的殼19內，氣體場離子顯微鏡具有三個真空區域。第一真空區域為樣品室10，第二真空區域為中柱區域70，並且第三真空區域為外真空容納體81，外真空容納體81中容納氣體場離子源。中柱區域70定位在外氣體容納體81與樣品室10之間。

如前所述，通過渦輪分子泵17排空樣品室，渦輪分子泵17安裝在臺5(圖4中未示出)上。還通過機械泵60排空外氣體容納體81，機械泵60也可以為渦輪分子泵且也可以安裝在臺5上。排空外氣體容納體81的機械泵60之間的連接可以設計為類似泵17與樣品室之間的連接，即，泵60與外氣體容納體81之間的連接也可以包括兩個柔性波紋管以及兩個柔性波紋管之間的剛性管或緊湊真空法蘭。通過第一壓強限制孔徑54將中柱區域70與外氣體容納體81分離。以相似的方式通過第二壓強限制孔徑55將中柱區域70與樣品室10分離。通過中柱泵56排空中柱區域70，中柱泵56可以為離子吸氣劑泵或非蒸散型吸氣劑泵。由於這些種類的泵56不產生任何振動，這提供優點。

中柱泵56連接到控制器59且由控制器59控制。控制器59操作中柱泵56，使得可以在操作氣體場離子源和/或將惰性氣體提供到內部氣體限制容器41的任意時間關閉中柱泵56。

排空中柱區域70的中柱泵56經由法蘭72附接到中柱區域。在法蘭72中，提供閥57，如果中柱泵56需要交換或其他維護，或如果關閉中柱泵，或如果中柱泵不應排空中柱區域70，可以關閉閥57。以此方式，可以在不排氣中柱區域70的情況下進行中柱泵56的交換或維護。

中柱泵56包括加熱器58，加熱器58也連接到控制器59且由控制器59控制。通過加熱器58，可以加熱中柱泵56，以從中柱泵56釋放惰性氣體和其他揮發性被吸附物以將其清潔。加熱也可以使得泵吸的被吸附物從表面更多擴散且更深地埋藏，並且之後留下更清潔的表面用於進一步吸附泵吸機構。

外氣體容納體81包括壓強測量裝置82，壓強測量裝置82也連接到控制器59。例如通過具有軟體程序的計算機將控制器59配置為僅如果外氣體容納體81內的壓強低於預定壓強值(即，當壓強測量裝置82的輸出信號指示外氣體容納體81中的壓強低於預定壓強值)才打開中柱泵56。以此方式，中柱泵56的壽命可以延長。

如上面已經關於圖3描述的，在外氣體容納體81內設置氣體場離子源。在圖4中，僅示出了氣體場離子源形成內部氣體限制容器41的部件，即基部平臺31、外管狀絕緣體37以及具有引出孔39的引出電極38。圖4中還示出了內部氣體限制容器41內的吸氣劑45。

圖4中還示出了擋板閥42，擋板閥42具有其驅動器43，驅動器43也連接到控制器59且由控制器59控制。如果期望內部氣體限制容器41的快速排空(例如如果期望氣體場離子源的操作在用氦氣操作以產生氦離子束與用氖氣操作以產生氖離子束之間改變)，可以通過其驅動器43打開擋板閥42。此外，當離子源以不產生離子束的方式不操作時，也可以打開擋板閥以提供內部氣體限制容器41的改善的真空。

氣體場離子顯微鏡包括冷卻裝置(例如杜瓦瓶52)，用冷卻裝置冷卻發射器尖端和氣體供應管40以及基部平臺31。圖4中未示出的是杜瓦瓶52與冷卻的部件(如基部平臺31或氣體供應管40)之間的熱連接。杜瓦瓶52包括真空護套，以將配置為填充有製冷劑的杜瓦瓶的內室與外部世界隔離。經由杜瓦瓶護套閥和真空管線將杜瓦瓶護套連接到樣品室10。以此方式，真空護套中的真空可以保持在樣品室的壓強下。如果任何工藝氣體提供到設置在樣品室中的樣品，如果將室排氣，或通常當室壓強高於預定壓強值(例如10-6託)時，可以關閉杜瓦瓶護套閥。通過關閉杜瓦瓶護套閥，可以避免杜瓦瓶護套中的可凝結氣體的累積。

圖4中所示的氣體場離子束系統的氣體供應系統包括兩個氣體瓶61、62，一個包括氦氣且一個包括氖氣。兩個氣體瓶都具有壓強調節器，以確保氣體供應管線中壓強調節器之後的不變的氣體壓強。在壓強調節器之後在兩個氣體供應管線中，每個氣體供應管線包括洩露閥63、64。洩露閥63、64確保從氣體瓶61、62到管40且相應地到內部氣體限制容器41中的各自的惰性氣體的不變的氣體流。優選地配置洩露閥63、64，使得與工藝氣體(即，要控制流動的氣體)接觸的全部部件由金屬製成。以此方式，可以避免或至少降低工藝氣體受汙染物的不期望的汙染，並且可以烘烤除氣包含洩露閥63、64的管系統。

在氣體流從氣體瓶61、62到管40的方向上連接兩個氣體供應管線。隨著氣體流的方向，在結合的氣體供應管線中，隨後是在氣體供應管線連接到管40之前的淨化器65和氣體閥68，管40終止在內部氣體限制容器41中。如上面參考圖3和圖5所描述的，管40包括第一管40a和第二管40b，第一管40a形成管40的終止部分且附接到基部平臺31，第二管40b連接到外真空壁90。第一管和第二管40a、40b兩者都由金屬製成，以避免引導通過管的氣體的不期望的汙染。雖然管40a、40b兩者都由金屬製成，它們以不同的方式配置，使得第一管40a具有比第二管40b顯著地更高的熱導率。由於第一管40a連接到基部平臺31，在離子源操作期間，第一管40a冷卻到低溫溫度。第一管40a形成為波紋管形狀。用化學吸氣劑材料覆蓋第一管40a的表面的至少一部分。第二管40由較低導熱率的材料製成且設計有比第一管40a更薄的管壁，以將第二管40b的熱導率保持為低的。上面描述了具有高熱導率和低熱導率的優選的材料。

氣體供應管線包括具有旁路閥67的旁路管線66，以直接連接氣體供應管線與真空室10。

此外，在氣體供應管40上提供加熱器73a，可以用加熱器73a加熱氣體供應管40。

當用高氦氣氣體流或氖氣氣體流操作氣體場離子束系統幾天時，氣體場離子源的操作可以包含允許低溫泵吸表面(即，基部平臺31、氣體供應管40的第一管40a、引出電極38、絕緣體33、37以及發射器尖端34)短暫地暖化的步驟。由於此暖化，可以解吸且然後經由渦輪分子泵17、60泵走累積的低溫吸附的原子。還低溫地冷卻氣體遞送管40的第一管40a，氣體遞送管40將惰性氣體(像氦氣或氖氣氣體)從外部氣體供應瓶61、62供應到發射器尖端34附近。通過允許雜質(例如h2o、co、co2、n2、o2等)低溫泵吸到第一管40a的內表面上，這起到淨化供應的氣體的作用。為清潔氣體供應的管40的內表面，可以通過加熱器73將管周期性地加熱到高的溫度，類似於將其他低溫泵吸表面加熱到至少100℃的溫度，更優選地到150℃或甚至200℃，以允許釋放且經由渦輪泵60、17泵走這些累積的被吸附物。

氣體遞送管40具有1mm與6mm之間的內直徑。氣體遞送管40連接外部氣體遞送系統穿過外部氣體容納體81的壁90一直到內部氣體限制容器41。氣體遞送管40具有旁路閥67，以便排放解吸的氣體。旁路閥67防止解吸的氣體被大部分困於內部氣體限制容器41中。旁路閥67可以完全處於真空殼外部，或集成到內部氣體限制容器41中。

結果已經證明，通過三種技術中的一種周期性地清除發射器尖端的的吸附原子是有利的。三種技術中的一種是周期性地將發射器尖端34加熱到例如300℃或更高的溫度持續1分鐘或更久，同時將形成內部氣體限制容器41的部件保持在低溫溫度。發射器尖端34的此加熱可以使得累積的吸附的原子熱激發，使得它們解吸並且轉移到較不關鍵的周圍表面。那些表面，主要是冷卻的引出電極38的表面，將保留所述原子並降低轉移回到發射器尖端34的可能性。

如上所述，到達氣體場離子源的發射器尖端處的小量的寄生氣體原子可導致發射的束強度上下波動或逐漸和漸進地變小。可以通過設計為最優化性能的目的和操作程序的氣體多支管(或氣體供應系統)減小這些影響。氣體供應系統包含旁路閥，旁路閥允許排空氣體供應管線，作為它們在氦氣或氖氣氣體情況下的用途的準備的清潔過程。用對於uhv服務良好建立的材料和方法準備氣體供應硬體。氣體供應系統裝備有集成的加熱器，加熱器可以將氣體供應系統加熱到高的溫度(例如150℃、200℃或甚至400℃)，持續長的時間(範圍在8小時、12小時或甚至16小時)，以幫助解吸任何真空汙染物。在此加熱時間期間，將到內部氣體限制容器41的管線中的閥68關閉，並且將引向樣品室10的導管66中的旁路閥67打開。因此，將釋出氣體泵走到樣品室，在該處其影響不顯著。在氣體供應系統排氣到大氣(例如，在維護活動之後，例如瓶更換，或閥更換)或當發射穩定等級需要改善時，可以重複烘烤過程。化學活性淨化器65也可以整合為氣體供應系統的一部分以減少共同的雜質。通過淨化器的專用加熱器，可以在熱的溫度(100℃、200℃或甚至300℃)或者室溫或者任意期望的溫度操作淨化器。淨化器的加熱器可以由直流電源供電，從而不存在來自60hz或50hz磁場的幹擾。氣體供應系統還可以包括壓強計69，以監測精密洩露閥下遊但在氣體遞送到內部氣體限制體之前的壓強。在下文中參考圖6-圖8描述了氣體淨化器65的可替代的實施例。

氣體場離子源的內部氣體限制容器具有內置的閥，「擋板閥」42，當打開時，連接內部氣體限制容器41與外氣體容納體81，並且當附加的閥打開時允許內部氣體限制容器的容積的泵速度從約1升/秒(當僅有的開口通過引出孔39)提高到22升/秒。此閥的使用可以幫助實現低基部壓強，其可以幫助穩定的氖氣排放。此閥的使用還可以加速在切換到一種氣體(例如，氖氣)之前排淨另一種氣體(例如，氦氣)所需的時間。所述閥可以直接安裝到內部氣體限制容器，或者其可以設置得更遠。所述閥還可以整合到氣體遞送管線40中。

可以通過柔性導熱元件32(圖3中所示)加熱和冷卻內部氣體限制容器。柔性導熱元件的末端為安裝到低溫冷卻器的加熱器73c。當杜瓦瓶填充有製冷劑時，其起到保持氣體場離子源冷卻的作用。當杜瓦瓶未填充有製冷劑時，可以供電加熱器以加熱杜瓦瓶和形成內部氣體限制容器的部件兩者。此設計為尤其有利，因為杜瓦瓶和內部氣體限制容器熱學上緊密，並且實現它們之間的溫度差並非易事。在烘烤這些部分期間，所需功率約為25瓦特，並且實現的溫度為保溫瓶上的130℃，和形成內部氣體限制容器41的部件的110℃。

氣體供應系統的第一管40a中的化學吸氣劑通過化學吸氣來操作，以泵吸化學活性物質。通過活性物質到反應活性材料的鍵合實現吸氣效應，反應活性材料通常為由吸氣劑離子泵新近蒸發的鈦或鉭的結合。

圖6示出了基於氣體的選擇性電離的氣體淨化器65的第一實施例。氣體淨化器包括具有進氣口101和出氣口102的中空殼100。在殼內設置磁體103，磁體103提供在與從進氣口101引到出氣口102的氣體的流動方向垂直的方向上的磁場b。此外，提供由化學吸氣劑材料(例如鈦)製成的兩個接地電極105、106。還在中空殼100內提供幾個單元電極(cellularelectrode)104。每個單元電極104為圓柱形形狀，其圓柱軸定向為平行於磁場的方向。

接地電極105、106可以電接地。向單元電極104施加相對於接地電極105、106的幾kv電勢的正的高電壓。在操作期間，由單元電極與接地電極105、106之間的放電產生電子。由於磁場，這些電子被捕獲在陽極單元(anodecell)內。如果將氣體引導通過淨化器的中空容積，通過陽極單元內的分子電子碰撞產生陽離子。由於單元電極104與接地電極105、106之間的電勢差，陽離子在向接地電極的方向上加速。接地電極105、106同時充當化學吸氣劑。撞擊接地電極板105、106的陽離子被化學吸氣劑(例如，鈦)捕獲。

由於惰性氣體(例如氦氣和氖氣)比大多數不期望的化學氣體種類(例如o2、h2o、co、ch4和n2)具有顯著較低的電離可能性，這些反應活性的化學物質主要被接地電極的化學吸氣劑捕獲且埋藏，而惰性氣體可以最大程度上不受影響地穿過淨化器，導致氣體的可觀的淨化和不期望的反應活性氣體物質的消除。

可以將單元電極104的電勢調整為最優化電離的選擇性。

圖7示出了基於氣體的選擇性電離的氣體淨化器65的第二實施例。再次地，氣體淨化器包括具有進氣口201和出氣口202的中空殼200。此外，在中空殼200內提供加熱的燈絲206、加速柵格電極207以及接地電極205。燈絲206和接地電極205可以保持在接地電勢，而加速電極207提供有相對於燈絲206和接地電極205的幾百伏特的正電勢。接地電極205由化學吸氣劑材料(例如鈦)製成。

由於其加熱，由燈絲206發射熱電離電子。通過加速電極207的電壓差將這些熱電離電子向加速電極207的方向上加速。通過加速電極的這樣的電子之後被減速。移動穿過中空容積的氣體分子在加速電極207與接地電極205之間的空間中與電子碰撞，並且部分地正電離。帶正電的離子被向接地電極205的方向上加速，並且在該處被接地電極的化學吸氣劑材料捕獲。

如同參考圖6描述的實施例中，由於惰性氣體原子(例如氦氣和氖氣原子)比大多數不期望的化學氣體種類(例如o2、h2o、co、ch4和n2)具有顯著較低的電離可能性，這些反應活性的化學物質主要被接地電極205的化學吸氣劑捕獲，而惰性氣體可以在最大程度上不受影響地經過淨化器，導致氣體的可觀的淨化和不期望的反應活性氣體物質的消除。

可以將加速電極207的電勢調整並微調為最優化電離選擇性。

圖8示出了基於氣體的選擇性電離的氣體淨化器65的第三實施例。再次地，氣體淨化器包括具有進氣口301和出氣口302的中空殼300。此外，極尖銳的發射器304的陣列設置為符合從進氣口301到出氣口302的氣體路徑。此外，在中空殼300內提供接地電極306。接地電極306由化學吸氣劑材料(例如鈦)製成。

用相對於接地電極306的10kv或更高的高正電勢施加偏壓於發射器304。隨著氣體分子或原子穿過發射器304的陣列，在電場強度增強的發射器的尖端的附近，由於電場電離，可以電離氣體原子和氣體分子。然後將帶正電的離子向接地電極306的方向上加速，並且在該處被接地電極的化學吸氣劑材料捕獲。特定氣體種類在發射器304的尖端頂點的附近電離的可能性強烈依賴於氣體種類自身和尖端頂點附近的電場強度。由於惰性氣體的電離可能性小於任何其他氣體，通過適當微調發射器304與接地電極306之間的電壓，可以微調電離的選擇性。

在參考圖6至圖8描述的實施例中，用大量電子或通過導致場電離的高電場實現選擇性電離。在其他可替代的實施例中，可以通過在兩個電極之間的區域中提供具有高強度的光束，兩個電極偏置有某電勢以吸走由光電離產生的離子，從而通過大量光子，實現選擇性電離。再次地，具有負電勢的電極包含化學吸氣劑，以捕獲撞擊到其上的離子。在相似的其他可替代的實施例中，可以用大量離子來由於離子分子碰撞來導致選擇性電離。

由於惰性氣體與非惰性氣體之間獲得電離的可能性上的大的差異，可以將90％或更多的不期望的或非惰性氣體離子從氣體流中移除，僅從氣體流中移除10％或更少的惰性氣體。

惰性氣體(he、ne、ar)的瓶61、62可以在25巴至150巴的範圍中的典型壓強提供惰性氣體。惰性氣體典型地具有1ppm與10ppm之間的比例的雜質。

在氣體供應管線中調節器之後，惰性氣體的壓強典型地為0.1至3巴。

氣體供應管線中洩露閥63、64下遊的惰性氣體的壓強典型地在0.025毫巴至30毫巴的範圍內。

在使用中，出於氣體供應系統到內部氣體限制容器41中的惰性氣體流典型地在3×10-5毫巴升/秒至4×10-3毫巴升/秒的範圍內。

氣體供應管40的氣體傳導典型地在0.005升/秒與0.05升/秒之間的範圍內。

當在離子發射模式操作時，離子源和氣體供應管的低溫冷卻的部分的溫度典型地在50至78開爾文的範圍內。當為消除汙染物烘烤除氣時，形成內部氣體限制容器的部件和其中設置的部件的溫度典型地在100℃至200℃的範圍內。

如上所述，氣體供應管40可以包含集成的吸氣劑，以提供惰性氣體內的雜質的吸氣泵吸。

氣體供應系統可以具有全金屬的洩露閥，以避免引入附加的雜質。以此方式，可以使氣體供應系統變得預清潔，使得其具有從壁的總除氣速率，從壁的總除氣速率在沒有真空泵作用的情況下導致小於10-8毫巴/秒的壓強上升。則氣體供應系統可以具有降低的除氣特性，使得總除氣速率產生小於1×10-4毫巴/小時的壓強上升。

在實施例中，氣體供應系統可以具有降低的除氣特性，使得每面積的總除氣速率對應於q＝2×10-11毫巴升/秒/平方釐米。

在另一實施例中，氣體供應系統配置為在200℃的溫度烘烤至少6小時的持續時間。

在又另一個實施例中，氣體供應系統的壓強調節器包含電容式壓強計，以促進和改善其內表面的清潔。避免包括有波登管(bourdontube)的度盤式表(dialgauge)的壓強調節器。

在又另一個實施例中，氣體供應系統根本不包括任何壓強調節器，並且來自氣體瓶的高壓強直接施加到受控的洩露閥。

在清潔方法中，在0.3毫巴至3毫巴範圍內的壓強的氧氣的存在下，在100℃與200℃之間的溫度烘烤氣體供應系統的部件的內表面。通過氧氣存在下的這樣的烘烤，揮發掉任何碳氫化合物，並且調節鋼。在實現期望的低除氣性質的所需程度上，可以通過以重複的方式交替地供應氧氣和排空，在100℃與200℃之間的溫度烘烤氣體供應系統。以此方式，可以使氣體供應系統變得真空排淨，以釋放任何累積的除氣材料。