專利名稱：從射束中去除了中性粒子的像差校正維恩ExB濾質(zhì)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聚焦離子束系統(tǒng)，尤其涉及具有生成多個離子種類(species)的離子源的聚焦離子束系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一些聚焦離子束(FIB)鏡筒旨在供發(fā)射多個離子種類的離子源采用。為了選擇這些離子種類中的僅一種用于待聚焦到襯底上的射束，所述FIB鏡筒通常將包括濾質(zhì)器。一 種類型的濾質(zhì)器(“維恩(Wien)過濾器”)采用交叉的電場和磁場(ExB)使不需要的離子種類離軸偏轉(zhuǎn)，由此使它們撞擊質(zhì)量分離隙孔，并且也被稱為“ExB過濾器”。ExB過濾器根據(jù)本領(lǐng)域公知的原理工作交叉的電場和磁場(兩者大體垂直于通過濾質(zhì)器的射束方向)在橫切射束運動的相反方向上誘發(fā)作用于射束內(nèi)的離子上的力。這兩個力的相對強度是由電場和磁場強度確定的，所述強度由激勵電極和磁極的電壓源和電流源控制。圖I是聚焦離子束(FIB)鏡筒104內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)維恩(ExB)濾質(zhì)器102的側(cè)視剖面圖，所述聚焦離子束(FIB)鏡筒包括結(jié)合以將離子束聚焦到襯底表面112上的上透鏡106和下透鏡108。三個不同離子種類的離子110被示為由源尖端114發(fā)射，所述發(fā)射是由施加在源尖端114和提取器電極(未示出)之間的電壓誘發(fā)的。這一源結(jié)構(gòu)是液體金屬離子源(LMIS)中的結(jié)構(gòu)特有的，然而在現(xiàn)有技術(shù)中可以采用其他類型的離子源。然后，通過上透鏡106將離子110聚焦到質(zhì)量分離隙孔122的平面120內(nèi)。維恩過濾器102包括生成靜電場的電極130以及諸如線圈或永磁體(磁極將處于圖I的平面的前面和后面)的磁場源(未示出)。維恩過濾器102使低質(zhì)量離子136和高質(zhì)量離子138離軸偏轉(zhuǎn)，使中間質(zhì)量離子140大部分未偏轉(zhuǎn)。然后這些中間質(zhì)量離子140穿過隙孔122，并由下透鏡108聚焦到襯底表面112上。如下面的公式所示，對于相同的射束能量而言，低質(zhì)量離子136比高質(zhì)量離子138具有更高的速度。由于對于所有的離子(具有相同的電荷)而言，電力都是相同的，而磁力與速度成正比，因而磁場將使較快的低質(zhì)量離子136比較慢的高質(zhì)量離子138更大偏轉(zhuǎn)——因此較低質(zhì)量離子沿磁力的方向(向左)偏轉(zhuǎn)而高質(zhì)量離子沿電力的方向(向右)偏轉(zhuǎn)。對于中間質(zhì)量離子140而言，電力和磁力被平衡(S卩，沿相反方向具有相等的幅度)，從而不產(chǎn)生凈力。在圖I中，電場142在附圖平面中是水平的(從左邊的正電極130指向右邊的負(fù)電極130，使作用于正離子上的電力朝右)，而磁場144垂直于附圖平面并指向所述平面之外(使作用于正離子上的磁力朝左)。如果離子源114正發(fā)射多個具有不同電荷質(zhì)量比的離子種類，那么有可能將所述電場142和磁場144的強度設(shè)置成使得一個離子種類可以未偏轉(zhuǎn)地穿過所述ExB濾質(zhì)器一在圖I中，這一種類為中間質(zhì)量離子140。如圖所示，低質(zhì)量離子136和聞質(zhì)量尚子138分別向左和向右偏轉(zhuǎn)。只有中間質(zhì)量尚子140穿過質(zhì)量分尚隙孔122，然后由下透鏡108聚焦到襯底表面112上。在ExB濾質(zhì)器102的頂部和底部，場終止板150將電場和磁場均截斷，由此降低邊緣場(fringe-field)像差。為了更好地理解ExB過濾器誘發(fā)的像差，圖2示出了與圖I中的相同的二透鏡鏡筒104和現(xiàn)有技術(shù)ExB濾質(zhì)器102，但是去除了質(zhì)量分離隙孔板120 (參見圖I)。注意，由于維恩過濾器的偏轉(zhuǎn)，使三個不同種類(高質(zhì)量、中間質(zhì)量和低質(zhì)量)的離子聚焦到襯底上的三個不同位置。由于色像差，所述ExB過濾器也將使具有相同的質(zhì)量但是具有不同的能量的離子不同地偏轉(zhuǎn)。在沒有隙孔板122的情況下，如圖所示，所有的離子都將傳到襯底表面112。所述ExB過濾器使低質(zhì)量離子136在下透鏡的平面上向左偏轉(zhuǎn)而使高質(zhì)量離子138在該平面上向右偏轉(zhuǎn)。由上透鏡106的聚焦效應(yīng)和ExB濾質(zhì)器102的質(zhì)量分離效應(yīng)相結(jié)合形成的三個交叉(crossover)(低質(zhì)量交叉236、中間質(zhì)量交叉240和高質(zhì)量交叉238)形成了由下透鏡108成像到襯底112上的“虛源”。由于所述ExB過濾器使這三個虛源在空間上分離，因而如圖所示，它們在襯底112上的三個相應(yīng)的圖像也是分離的——襯底112上的分離距離是由透鏡108從(所去除的)質(zhì)量分離隙孔120的平面上的交叉236、240和238的對應(yīng)分離而縮小的。類似地，ExB的色像差引起具有相同質(zhì)量但是具有不同的能量的離子的分離。這可以從ExB過濾器處的離子速度的(非相對論)方程看出
1A m V2 = n e V =離子的能量
V= sqrt ( 2 n e V / m)=離子的速度 其中
m=離子質(zhì)量 V=離子速度
n =離子電荷狀態(tài)(1=單電離，2=雙電離) e=基本電荷
V=電子槍中的加速電勢。如果ExB過濾器中的兩個場是
E =電場
B =磁場
那么，作用于以速度V穿過所述過濾器的離子上的凈力將為
FA=F% + r^ = n e [ E - (v/c) B ]
其中
F ^ = n e E
F磁=-n e (v/c) B (在方向上與F電相反)。因此，實際上將所述維恩過濾器看作是速度過濾器。由于不同質(zhì)量(和相同標(biāo)稱能量)的離子將具有不同的速度(較低質(zhì)量較快，較高質(zhì)量較慢)，因而通常將維恩過濾器用作(和稱為)“濾質(zhì)器”。然而，即使對于單一離子種類而言，由于任何類型的離子源所發(fā)射的離子的固有能量擴展(圍繞標(biāo)稱能量)——例如來自液體金屬離子源的能量擴展通常具有大約5eV的FWHM能量擴展，因而將存在速度的擴展。由于這些能量擴展導(dǎo)致的射束上的彌散效應(yīng)引起色像差，這在不被校正的情況下將使襯底上的聚焦射束模糊。圖I所示的離子束鏡筒的另一缺點在于其包括射束交叉，即射束路徑中的其中離子與光軸相交的點。所述交叉具有三個有害影響1)由于在交叉本身處使粒子更加靠近到一起，因而提高了靜電斥力，2)形成交叉一般使射束直徑在整個鏡筒范圍內(nèi)更小(在與沒有交叉的情況下的射束直徑相比時)，從而也增大空間電荷效應(yīng)，以及3)在未透過的離子束的撞擊點處提高了質(zhì)量分離隙孔的濺射，因為這些射束被聚焦在所述隙孔的平面處(例如，在交叉236和238處)，由此提高了射束電流密度并因此提高了垂直于質(zhì)量分離隙孔的平面的濺射速率(即，聚焦的非選定射束比未聚焦的非選定射束更快地濺射通過所述隙孔)。交叉處的靜電斥力使射束擴展，從而降低了襯底表面處的射束電流密度。在所述交叉處，發(fā)生兩種獨立的靜電斥力效應(yīng)
1)Boersch效應(yīng)——這是由于軸向射束散射而導(dǎo)致的射束能量擴展。實質(zhì)上，一個離子以另一個離子為代價獲得能量；
2)Loeffler效應(yīng)-這是帶電粒子的側(cè)向散射，從而引起最終的焦斑更大和/或更
加模糊。 下面更詳細(xì)描述的“Achromatic two-stage ExB mass filter for a focusedion beam column with collimated beam”，Teichert, J.和Tiunov，M. A. , Meas. Sci.Technol. 4 (1993) pp. 754-763描述了一種與準(zhǔn)直射束一起釆用的具有降低的色像差的兩級濾質(zhì)器。圖I所示的鏡筒的另一問題在于未聚焦的中性粒子能夠抵達(dá)襯底表面112。離子源偶然也發(fā)射中性粒子，而其他中性粒子可能由在源尖端114和濾質(zhì)器102之間發(fā)生的氣體-離子碰撞產(chǎn)生。在圖I的鏡筒中，這些中性粒子中的一些將穿過隙孔122并抵達(dá)襯底。由于中性粒子不對聚焦透鏡的場做出響應(yīng)，因而不受隙孔板阻擋的中性粒子擴展在襯底表面112的通常比聚焦離子束掃描的區(qū)域大得多的區(qū)域上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進的用于帶電粒子束系統(tǒng)的濾質(zhì)器。一種用于離子束系統(tǒng)的濾質(zhì)器包括至少兩級并且降低了色像差。一個實施例包括兩個對稱級，所述兩個級降低或者消除了色像差以及入口和出口邊緣場像差。實施例也可以防止中性粒子抵達(dá)樣本表面，以及消除射束路徑中的交叉。在一個實施例中，所述過濾器能夠使來自生成多個種類的源的單一離子種類通過。在其他實施例中，所述過濾器能夠降低質(zhì)量分離隙孔的濺射。上文相當(dāng)寬泛地概括了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)勢，從而可以更好地理解以下對本發(fā)明的詳細(xì)說明。在下文中將描述本發(fā)明的額外特征和優(yōu)點。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識至IJ，可以容易地利用所公開的理念和具體實施例作為基礎(chǔ)來修改出或者設(shè)計出其他結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)本發(fā)明的相同目的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員也應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這樣的等同構(gòu)造并不背離所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的精神和范圍。


為了更加透徹地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在將參考結(jié)合附圖給出的以下說明，其中
圖I是二透鏡聚焦離子束(FIB)鏡筒內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)維恩ExB濾質(zhì)器的示意性側(cè)視剖面圖。圖2是來自圖I的去除了質(zhì)量分離隙孔使得所有的離子種類均透射至襯底的現(xiàn)有FIB鏡筒的剖面圖。
圖3是本發(fā)明的實施例的示意性側(cè)視剖面圖，所述實施例具有二透鏡FIB鏡筒，所述鏡筒具有雙偏轉(zhuǎn)像差校正ExB維恩濾質(zhì)器。圖4是來自圖3的二透鏡FIB鏡筒的示意性側(cè)視剖面圖，其示出了透射離子束的橫向位移。圖5是來自圖3的二透鏡FIB鏡筒的示意性側(cè)視剖面圖，其中去除了質(zhì)量分離隙孔使得所有的離子種類均透射至襯底。圖6是具有雙偏轉(zhuǎn)ExB濾質(zhì)器的二透鏡鏡筒的示意性側(cè)視剖面圖，其示出了所透射的具有靜電偏轉(zhuǎn)誤差E1-E4的離子束的軌跡。圖7是具有雙偏轉(zhuǎn)ExB濾質(zhì)器的二透鏡鏡筒的示意性側(cè)視剖面圖，其示出了所透射的具有磁偏轉(zhuǎn)誤差M1-M4的離子束的軌跡。
圖8示出了本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施例。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例相較于典型的現(xiàn)有技術(shù)離子束系統(tǒng)能夠提供一個或多個優(yōu)點。并非所有的實施例都將提供全部的益處。本發(fā)明的一些實施例提供了校正色像差的ExB濾質(zhì)器。本發(fā)明的一些實施例防止了來自射束的中性粒子抵達(dá)襯底。本發(fā)明的一些實施例消除了對離子鏡筒內(nèi)的射束交叉的需要。本發(fā)明的一些實施例校正了由入口和出口電場和磁場誘發(fā)的射束像差。一些實施例降低了質(zhì)量分離隙孔的濺射。本發(fā)明的一些實施例通過如下步驟來校正色像差使射束首先沿一個方向離軸偏轉(zhuǎn)，然后使所述射束沿相反的方向偏轉(zhuǎn)回來使得射束平行于且通常偏離其原始路徑地離開過濾器，由此基本上消除色像差(與處于所述濾質(zhì)器下面的聚焦光學(xué)器件結(jié)合起作用)，如下面所解釋。這種射束偏轉(zhuǎn)消除了任何通過所述濾質(zhì)器的直接路徑，因而防止了中性粒子抵達(dá)襯底。本發(fā)明的一些實施例包括兩個ExB過濾器，每一過濾器包括一級濾質(zhì)器。文中采用的術(shù)語“濾質(zhì)器”或“ExB過濾器”可以根據(jù)上下文指代多級過濾器中的單級或者指代多級過濾器。而且，術(shù)語“濾質(zhì)器”也覆蓋了按照速度或能量進行過濾的過濾器。在很多聚焦離子束(FIB)應(yīng)用中期望在襯底表面處實現(xiàn)最大化的電流密度。如上所述，射束電流密度可能因射束路徑中的交叉處的提高空間電荷散射而降低。圖3-7示出了不包括交叉因此能夠提高射束電流密度的FIB鏡筒設(shè)計。在一個實施例中，一種包括濾質(zhì)器的離子束鏡筒包括用于提供不同質(zhì)量的離子的離子源；用于使來自離子源的離子首先沿第一軸形成射束的第一透鏡；提供遠(yuǎn)離第一軸的第一射束偏轉(zhuǎn)的第一濾質(zhì)器級；提供與所述第一射束偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)相反的第二射束偏轉(zhuǎn)的第二濾質(zhì)器級；用于使來自第二濾質(zhì)器級的少于全部離子通過的質(zhì)量分離隙孔；用于接收來自所述第二濾質(zhì)器的離子并將這些離子聚焦到襯底表面上的第二透鏡，所述第二濾質(zhì)器級基本上消除了來自第一濾質(zhì)器級的色像差。圖3示出了具有像差校正濾質(zhì)器304的離子鏡筒302，所述濾質(zhì)器具有兩級即上ExB過濾器306U和下ExB過濾器306L。如圖I和圖2中的那樣，離子110從離子源尖端114發(fā)射。這一源結(jié)構(gòu)是液體金屬離子源(LMIS)中的結(jié)構(gòu)特有的，然而在本發(fā)明中可以采用其他類型的離子源。然后通過上透鏡106將離子110聚焦成基本平行的射束310。在完全平行的射束310中，可以將射束310內(nèi)的各離子軌跡外推回到沿光軸380處于負(fù)無窮大的虛源(未示出)?！盎酒叫械摹鄙涫侨缦碌纳涫撋涫奶撛次幢靥幱谪?fù)無窮大，但是該射束的外推離子軌跡仍然在如下的位置與光軸380交叉，該位置與源尖端(上方或下方)的距離是離子鏡筒302的全長的至少三倍。上ExB過濾器306U包括電極314U、場終止板316U和磁場源(未示出)。電極314U生成由箭頭320U指示的處于附圖平面內(nèi)的電場(從左邊的正電極314U指向右邊的負(fù)電極314U——使作用于正離子上的電力朝右)。磁場源生成由圓圈322U指示的從附圖出來的磁場(使作用于正離子上的磁力朝左)。下ExB過濾器306L包括電極314L、場終止板316L和磁場源(未示出)。電極314L生成由箭頭320L指示的處于附圖平面內(nèi)的電場，其與上ExB過濾器306U中的電場320U方向相反、幅度相等。下ExB過濾器306L中的磁場源生成由叉322L指示的進入附圖內(nèi)的磁場，其與上ExB過濾器306U中的磁場322U方向相反、幅度相等。下ExB過濾器306L與上ExB過濾器306U對稱，典型地具有等同的結(jié)構(gòu)(旋轉(zhuǎn)180°并且對稱軸偏移了與圖4中的偏移量402和404之和對應(yīng)的距離326)并且生成方向相反、幅度相等的電場和磁場。離子110包括如圖所示的四個不同離子種類低質(zhì)量離子330、較低中間質(zhì)量離子332、較高中間質(zhì)量離子334和高質(zhì)量離子336。低質(zhì)量離子330、較高中間質(zhì)量離子334和高質(zhì)量離子336撞擊質(zhì)量分離隙孔板340，且未向下穿過隙孔342到下透鏡108。如圖所示，較低中間質(zhì)量離子332既穿過了上ExB過濾器306U又穿過了下ExB過濾器306L。然后離子332穿過質(zhì)量分離隙孔342，并由下透鏡108聚焦到襯底表面112上。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常對ExB過濾器進行調(diào)諧以使期望的離子(在這一例子中為較低中間質(zhì)量)在無偏轉(zhuǎn)的情況下通過。在圖3的實施例中，使期望的離子偏轉(zhuǎn)以穿過隙孔342，而一些不期望的離子(在這一例子中為較高中間質(zhì)量334)連同中性粒子未偏轉(zhuǎn)并且撞擊隙孔板340。其他不期望的離子偏轉(zhuǎn)得太多(低質(zhì)量330)或者偏轉(zhuǎn)得太少(高質(zhì)量336)而無法穿過隙孔342。中性粒子346未被ExB濾質(zhì)器304中的電場和磁場偏轉(zhuǎn)，因而徑直穿過，從而撞擊質(zhì)量分離隙孔板340，因為隙孔板340中的孔342 (其限定了 ExB過濾器304的出射軸)從ExB過濾器304的入射軸380偏移了距離326。盡管圖3的示意圖沒有表明對于未受透鏡106偏轉(zhuǎn)的中性粒子而言不存在到襯底112的路徑，但是實際系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的各種裝置而消除了這樣的路徑，諸如處于上ExB過濾器306U的入口處的隙孔和/或處于濾質(zhì)器304下面的鏡筒內(nèi)某處的隙孔。通常，可以為場終止板316U和316L配置供離子束進入和離開所經(jīng)過的開口，所述開口小到足以充當(dāng)隙孔。由于沖擊隙孔板340的離子未被聚焦到一點上，因而由離子濺射引起的隙孔板上的磨損在較寬的區(qū)域上擴展。因此，隙孔板340不太可能具有不需要的由受到阻擋的離子濺射穿過所述板的孔，因而隙孔板340將持續(xù)更長。圖4只示出了較低中間質(zhì)量離子332的路徑，該路徑在穿過上ExB 306U時向左位移了量A 402，并且在穿過下ExB 306L時位移了相同的量A 404。位移402和404的結(jié)合為2A，使得射束332能夠穿過隙孔342 (其也偏移了距離2A)，因此進入下透鏡108以被聚焦到襯底表面112上。如圖所示，上ExB濾質(zhì)器306U和下ExB濾質(zhì)器306L是等同的，被定位成相對于彼此具有圍繞二重旋轉(zhuǎn)對稱軸406的180°旋轉(zhuǎn)。對稱軸406既垂直于上ExB306U的軸，又垂直于質(zhì)量分離方向(平行于E場320U)，并且沿所述質(zhì)量分離方向從上ExB306U的軸偏移了距離A 404。因此，較低中間質(zhì)量離子332在上ExB 306U的中心線上進入上ExB 306U，并且在下ExB 306L的中心線上離開下ExB 306L。
本發(fā)明的雙濾質(zhì)器配置與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于將幾個關(guān)鍵設(shè)計元素結(jié)合到一起，一些所述設(shè)計要素是現(xiàn)有技術(shù)中未發(fā)現(xiàn)的，如圖4所示
I)隙孔板340中的質(zhì)量分離隙孔342從濾質(zhì)器304的入射軸向側(cè)面偏移了距離2A。2)濾質(zhì)器304具有旋轉(zhuǎn)對稱軸406，該軸與濾質(zhì)器304的入射軸和出射軸二者均偏移了距離A。3)使下ExB過濾器306L圍繞對稱軸406相對于上ExB濾質(zhì)器旋轉(zhuǎn)180°，因此通過對稱性，在離子束穿過上ExB 306U時誘發(fā)的任何像差傾向于在離子束以基本相反方向穿過下ExB 306L時得到消除(由于兩個ExB過濾器306U和306L的180°相對取向)。相對于上ExB 306U的對稱軸，離子束沿軸進入并且以離軸距離A 404離開。相對于下ExB 306L的對稱軸，射束以相同的離軸距離A 402進入但是沿軸離開。4)下ExB過濾器306L的軸相對于上ExB過濾器306U的軸偏移，使得離子束沿上ExB 306U的對稱軸進入并且沿下ExB 306L的對稱軸離開。
5)在濾質(zhì)器內(nèi)或者在濾質(zhì)器下方不存在交叉，由此降低了空間電荷效應(yīng)和隙孔濺射。在現(xiàn)有技術(shù)中，在包括多個ExB元件的濾質(zhì)器中，各個ExB元件的對稱軸不如圖4所示的那樣偏移，并且各個ExB元件不按照180°相對取向定位以通過采用旋轉(zhuǎn)對稱性來消除像差。包括多個ExB元件的現(xiàn)有技術(shù)濾質(zhì)器的特征在于將多個ExB元件(和質(zhì)量分離隙孔)全部安裝在同一軸上而在它們之間無相對的旋轉(zhuǎn)定位。在“Achromatic two-stage Ex B mass filter for a focused ion beam column with collimated beam，，，Teichert,J 和 Tiunov, M. A. , Meas. Sci. Technol. 4 (1993) pp. 754-763 中提供了包括多個ExB元件的現(xiàn)有技術(shù)濾質(zhì)器的例子，其中所述兩個ExB元件的特征在于
I)無它們的入射和出射對稱軸的相對偏移。2)無所述ExB元件的180°相對取向。3)沿所述對稱軸在所述兩個ExB元件之間可變的射束隙孔一這一隙孔將傾向于阻擋一些軌跡。4)在兩個ExB元件之間的像散校正裝置以校正兩個ExB元件的聚焦效應(yīng)。5)無質(zhì)量分離隙孔的偏移，其中兩個ExB元件和所述質(zhì)量分離隙孔全部是同軸的。Teichert的文章包含了詳細(xì)的像差公式以及對組合ExB濾質(zhì)器的像差的計算，但是沒有提及采用基本對稱性(旋轉(zhuǎn)對稱性和ExB軸的偏移)來降低這些像差。而是考慮了諸如“極靴縫隙的最佳值、極靴寬度、電極寬度以及電極之間的縫隙(第3章第2段)”的設(shè)計特性。位于兩個ExB元件之間的像散校正裝置補償兩個ExB元件的聚焦效應(yīng)。在一個實施例中，硅-金合金液體金屬離子源(LMIS) 114可以生成分別具有1/28、2/28、1/(2*28)、1/197、2/197、1/(2*197)、2/(3*197)、I/(197+28) ,2/(197+28)、2/(2*197+28)和2/(3*197+28)(以基本電荷/原子質(zhì)量單位為單位)的電荷質(zhì)量比的Si+、Si++、Si2+、Au+、Au++、Au2+、Au3++、AuSi+、AuSi++、Au2Si++ 和 Au3Si++ 離子。上 ExB 過濾器 306U 包括分離了大約IOmm的如下電極314U，在所述電極之間具有大約6000V的電勢差以生成大約600V/mm的電場強度。磁場強度322U大約為4500高斯。電極314U和314L的長度可以是平行于射束軸32mm。下ExB過濾器306L的配置等同于上ExB過濾器306U的配置，但是電場和磁場幅度相等且極性相反。圖5示出了與圖3所示的FIB鏡筒類似的FIB鏡筒，但是去除了質(zhì)量分離隙孔板以使得所有的離子(低質(zhì)量、較低中間質(zhì)量、較高中間質(zhì)量和高質(zhì)量)能夠進入下透鏡并被聚焦到襯底上——這一圖示使得能夠更好地理解色像差的校正(可以將其與圖2相對于圖I相比)。由于從下ExB 314L出現(xiàn)的所有離子看起來都從同一虛源(在負(fù)無窮大)發(fā)散，因而所有離子將與圖3中的較低中間質(zhì)量離子一樣被聚焦到襯底上的相同位置(忽略下透鏡中的像差效應(yīng))。這也意味著所有的較低中間質(zhì)量離子不管其能量如何也將被聚焦到襯底上的相同位置，由此消除了由ExB維恩濾質(zhì)器誘發(fā)的色像差。也就是說，不僅不同質(zhì)量的離子被聚焦到襯底112上的同一斑點(在沒有質(zhì)量分離隙孔的 情況下)，而且相同質(zhì)量和不同能量的離子也被聚焦到襯底112的同一斑點(忽略透鏡108中的像差效應(yīng))。因此，將圖5中的襯底處的射束位置與圖2中的射束位置進行比較也示出了雙偏轉(zhuǎn)ExB過濾器的色像差校正作用。對于“基本平行的”射束330、332、334和336的情況而言，虛源與尖端114 (上方或下方)的距離將等于鏡筒302的長度的幾倍，但是同一情形成立——所有的射束都將具有相同的虛源位置并因此將聚焦到襯底112上的同一斑點。因此，本發(fā)明的雙偏轉(zhuǎn)ExB維恩過濾器通過使所有射束(具有各種質(zhì)量和/或能量)的虛源保持在與具有標(biāo)稱質(zhì)量和能量的射束(在這一例子中為較低中間質(zhì)量離子342)的虛源相同的位置而校正了離子束中的色像差。盡管在現(xiàn)有技術(shù)中采用終止板來降低ExB過濾器之外的電場和磁場，但是在ExB過濾器的入口和出口處仍然存在偶然的場變化，其將對射束生成不利影響。系統(tǒng)諸如圖3-5中所示的采用多個ExB過濾器的系統(tǒng)能夠降低這些不期望的場對射束的影響。在圖6-7中示出了較低中間質(zhì)量軌跡和ExB過濾器的這一對稱性水平的重要性。圖6和圖7示出了圖3和圖4的系統(tǒng)中的可能的靜電和磁偏轉(zhuǎn)誤差的來源和校正。圖6示出了從處于頂部的離子源114向下穿過濾質(zhì)器304、然后由下透鏡108聚焦到襯底表面112上的較低中間質(zhì)量離子332的軌跡(彎曲中心線)。在所有的ExB濾質(zhì)器中，存在入口和出口區(qū)域，在所述區(qū)域內(nèi)電場和磁場從零變?yōu)镋xB區(qū)域內(nèi)的場強。在這些區(qū)域內(nèi)，場從中央?yún)^(qū)域(具有電場和磁場)到ExB過濾器的外部(這里電場和磁場大約為零)盡可能驟然終止一般是有利的——這是采用場終止板(諸如圖I和圖2中的板150以及圖3-7中的板316U和316L)而實現(xiàn)的。然而，盡管利用所述終止板，在這一區(qū)域內(nèi)仍然存在由下面幾個原因誘發(fā)的像差I(lǐng))電場和磁場并非以正好相同的比率終止，因此誘發(fā)了作用于離子上的不適當(dāng)?shù)膬袅?，以?)場被彎曲(即，E場不平行于圖1-7的平面或者B場不垂直于所述平面)，從而導(dǎo)致平面外射束偏轉(zhuǎn)。在圖6中示出了由于上ExB 306U和下ExB 306L中的電場而導(dǎo)致的四個示范性射束偏轉(zhuǎn)誤差E1-E4。像差E1-E4可能源自于上述各種起因。在上ExB 306U中，入口處的誤差El向左，而出口處的誤差E2向右。在下ExB中，入口處的誤差E3向左，而出口處的誤差E4向右?，F(xiàn)在，考慮上ExB濾質(zhì)器306U和下ExB濾質(zhì)器306L之間的圍繞圖4所示的二重旋轉(zhuǎn)對稱軸406的基本旋轉(zhuǎn)對稱性。假設(shè)上ExB濾質(zhì)器和下ExB濾質(zhì)器制造得非常精確并且具有等同的設(shè)計，那么可以忽略由加工誤差或電壓誤差誘發(fā)的像差并假設(shè)所有誤差對于上ExB濾質(zhì)器和下ExB濾質(zhì)器的入口和出口處的電場和磁場分布至關(guān)重要。通過對稱性，我們將預(yù)期以下關(guān)系成立
E4 = -ElE3 = -E2
于是，穿過本發(fā)明的雙偏轉(zhuǎn)ExB濾質(zhì)器的由于電場誤差引起的總射束像差將為
El + E2 + E3 + E4 = El + E2 + (-E2) + (-EI) = O
因而，對于一階(忽略組合誤差)，由于濾質(zhì)器304的總體對稱性而消除由上ExB過濾器和下ExB過濾器的入口和出口處的電場誤差誘發(fā)的像差，所述濾質(zhì)器304包括其間具有精確2A偏移量的上ExB 306U和下ExB 306L,所述2A偏移量正好對應(yīng)于進入上ExB 306U的尚子和尚開下ExB 306L的尚子之間的射束偏轉(zhuǎn)。圖7是由上ExB 306U和下ExB 306L中的磁場導(dǎo)致的示范性射束偏轉(zhuǎn)誤差M1-M4 的類似圖示。在上ExB中，入口處的誤差Ml向右，而出口處的誤差M2向下朝右。在下ExB中，入口處的誤差M3向上朝左，而出口處的誤差M4向左。再次上ExB過濾器和下ExB過濾器的組件的基本二重旋轉(zhuǎn)對稱性使得以下關(guān)系成立
M4 = -MlM3 = -M2
使得穿過本發(fā)明的雙偏轉(zhuǎn)ExB濾質(zhì)器的由于磁場誤差引起的總射束像差將為
Ml + M2 + M3 + M4 = Ml + M2 + (-M2) + (-Ml) = 0
因而，對于一階(忽略組合誤差)，也消除由上ExB過濾器和下ExB過濾器的入口和出口處的磁場誤差M1-M4誘發(fā)的像差，正如圖6中的電場誘發(fā)誤差E1-E4的情況一樣。因此，本發(fā)明的雙偏轉(zhuǎn)ExB濾質(zhì)器實施例可以提供相對于現(xiàn)有技術(shù)的以下關(guān)鍵優(yōu)
占-
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I)以平行或基本平行的射束工作而不要求射束交叉。2)從離開濾質(zhì)器的射束中去除了中性粒子。3)通過保持穿過濾質(zhì)器的所有離子的虛源位置而消除了色像差。4)降低了由電場和磁場終止誤差誘發(fā)的入口和出口像差。5)由于離子束電流密度的擴展而降低了質(zhì)量分離隙孔的濺射。6)由于缺少交叉而降低了空間電荷射束能量和空間展寬。圖8示出了本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施例。在步驟802中，提供了生成具有不同質(zhì)量的離子的離子源。在步驟804中，使來自離子源的離子形成射束。在步驟806中，使離子沿第一方向偏轉(zhuǎn)，所述偏轉(zhuǎn)對于具有不同質(zhì)量的離子存在差異。在步驟808中，使離子沿第二方向偏轉(zhuǎn)，所述偏轉(zhuǎn)對于不同質(zhì)量的離子存在差異，不同質(zhì)量的離子沿第一方向的不同偏轉(zhuǎn)與不同質(zhì)量的離子沿第二方向的偏轉(zhuǎn)差異消除，使得不同質(zhì)量的離子在經(jīng)過兩次偏轉(zhuǎn)之后沿相同的方向行進。盡管描述了兩個實施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地認(rèn)識到所述濾質(zhì)器可以包括不同的場終止板的設(shè)計和概念、不同的生成磁場的方法(永磁體和/或電磁體)以及不同的極靴配置(參見與本發(fā)明同時提交的并且轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的“Wide ApertureWien ExB mass filter，，)。盡管所描述的實施例將離子源與發(fā)射器尖端一起采用，但是本發(fā)明的實施例也可以運用不具有發(fā)射器尖端的離子源，諸如等離子體離子源。
圖3和圖4的實施例示出了射束和不具有射束交叉的離子鏡筒，在本發(fā)明的實施例中也可以采用其中射束具有一個或多個交叉的鏡筒。此外，根據(jù)本發(fā)明一些實施例也可以將不具有交叉的射束與單個ExB過濾器一起采用。盡管所描述的實施例采用了兩個ExB過濾器，但是可以采用額外的過濾器。例如，可以采用四個過濾器以提供這樣的射束，所述射束沿著與該射束進入第一過濾器相同的軸離開第四過濾器。也可以采用三個過濾器，其中所述三個過濾器的累積效果是提供與進入第一過濾器的射束平行的射束，最終射束與原始射束偏移或者未偏移。盡管描述了 ExB過濾器，但是也可以采用其他類型的過濾器，諸如球形或圓柱形電容器。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種包括濾質(zhì)器的離子束鏡筒包括用于提供不同的電荷質(zhì)量比的離子的離子源；用于將來自所述離子源的離子首先沿第一軸形成射束的第一透鏡；提供遠(yuǎn)離所述第一軸的第一射束偏轉(zhuǎn)的第一濾質(zhì)器級，所述第一射束偏轉(zhuǎn)取決于所述射束中的每一離子的電荷質(zhì)量比，所述第一軸是所述第一濾質(zhì)器級的對稱軸；旋轉(zhuǎn)對稱軸， 所述旋轉(zhuǎn)對稱軸的取向既垂直于所述第一軸又垂直于所述第一射束偏轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)對稱軸平行于所述第一射束偏轉(zhuǎn)進行偏移；圍繞所述旋轉(zhuǎn)對稱軸180度定位的第二濾質(zhì)器級，所述第二濾質(zhì)器級的對稱軸為第二軸，所述第二濾質(zhì)器級提供與所述第一射束偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)相反的第二射束偏轉(zhuǎn)，對于離開所述第二濾質(zhì)器級的不同電荷質(zhì)量比的離子之一而言，第一和第二濾質(zhì)器級的偏轉(zhuǎn)的結(jié)合等于第一和第二軸之間的位移；用于使來自所述第二濾質(zhì)器級的少于所有離子通過的質(zhì)量分離隙孔，所述質(zhì)量分離隙孔以所述第二軸為中心；以及第二透鏡，接收來自所述第二濾質(zhì)器的離子并將這些離子聚焦到襯底表面上，所述第二濾質(zhì)器級在襯底表面上基本消除了來自所述第一濾質(zhì)器級的色像差。根據(jù)本發(fā)明一些實施例，所述第一濾質(zhì)器級和所述第二濾質(zhì)器級為ExB過濾器。根據(jù)本發(fā)明一些實施例，所述離子源為液體金屬離子源。根據(jù)本發(fā)明一些實施例，所述離子源為等離子體離子源。根據(jù)本發(fā)明一些實施例，所述離子按照基本平行的射束進入所述第一濾質(zhì)器級。根據(jù)本發(fā)明一些實施例，所述第二透鏡級聚焦來自位于無限遠(yuǎn)的虛源的不同能量的尚子。根據(jù)本發(fā)明一些實施例，所述第二濾質(zhì)器級基本消除了來自所述第一濾質(zhì)器級的邊緣場像差。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種提供來自提供不同質(zhì)量的離子的離子源的離子的射束的方法包括提供來自離子源的具有不同質(zhì)量的離子；使所述離子形成射束；使所述離子沿第一方向偏轉(zhuǎn)，所述偏轉(zhuǎn)對于不同質(zhì)量的離子存在差異；以及使所述離子沿第二方向偏轉(zhuǎn)，所述偏轉(zhuǎn)對于不同質(zhì)量的離子存在差異，不同質(zhì)量的離子沿所述第一方向的不同偏轉(zhuǎn)與不同質(zhì)量的離子沿所述第二方向的偏轉(zhuǎn)差異消除，使得不同質(zhì)量的離子在兩次偏轉(zhuǎn)之后沿相同的方向行進。根據(jù)本發(fā)明一些實施例，使所述離子沿第一方向偏轉(zhuǎn)包括使所述離子穿過第一ExB濾質(zhì)器，并且其中使所述離子沿第二方向偏轉(zhuǎn)包括使所述離子穿過第二 ExB濾質(zhì)器。根據(jù)本發(fā)明一些實施例，所述方法還包括使一些離子穿過隙孔同時阻擋其他離子，所述隙孔的中心從所述第一 ExB過濾器的光軸偏移。
盡管已詳細(xì)描述了本發(fā)明及其優(yōu)點，但是應(yīng)當(dāng)理解在不背離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以在這里做出各種變化、替代和更改。此外，本申請的范圍并非旨在限于說明書中描述的所述過程、機器、制造、物質(zhì)成分、裝置、方法和步驟的具體實施例。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將從本發(fā)明的公開容易地認(rèn)識到，根據(jù)本發(fā)明可以利用當(dāng) 前存在的或者以后將開發(fā)的與在這里描述的對應(yīng)實施例執(zhí)行基本相同的功能或者獲得基本相同的結(jié)果的過程、機器、制造、物質(zhì)成分、裝置、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求旨在將這樣的過程、機器、制造、物質(zhì)成分、裝置、方法或步驟均包含在其范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種包括濾質(zhì)器的離子束鏡筒，包括 用于提供不同電荷質(zhì)量比的離子的離子源； 用于使來自所述離子源的離子首先沿第一軸形成射束的第一透鏡； 第一濾質(zhì)器級，提供遠(yuǎn)離所述第一軸的第一射束偏轉(zhuǎn)，所述第一射束偏轉(zhuǎn)取決于所述射束中的每一離子的電荷質(zhì)量比，所述第一軸是所述第一濾質(zhì)器級的對稱軸； 旋轉(zhuǎn)對稱軸，所述旋轉(zhuǎn)對稱軸的取向既垂直于所述第一軸又垂直于所述第一射束偏轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)對稱軸平行于所述第一射束偏轉(zhuǎn)進行偏移； 圍繞所述旋轉(zhuǎn)對稱軸180度定位的第二濾質(zhì)器級，所述第二濾質(zhì)器級的對稱軸為第二軸，所述第二濾質(zhì)器級提供與所述第一射束偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)相反的第二射束偏轉(zhuǎn)，對于離開所述第二濾質(zhì)器級的不同電荷質(zhì)量比的離子之一而言，第一和第二濾質(zhì)器級的偏轉(zhuǎn)的結(jié)合等于第一和第二軸之間的位移； 用于使來自所述第二濾質(zhì)器級的少于所有離子通過的質(zhì)量分離隙孔，所述質(zhì)量分離隙孔以所述第二軸為中心；以及 第二透鏡，接收來自所述第二濾質(zhì)器的離子并將這些離子聚焦到襯底表面上， 所述第二濾質(zhì)器級在所述襯底表面上基本消除了來自所述第一濾質(zhì)器級的色像差。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離子束鏡筒，其中所述第一濾質(zhì)器級和所述第二濾質(zhì)器級為ExB過濾器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的離子束鏡筒，其中所述離子源為液體金屬離子源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求3所述的離子束鏡筒，其中所述離子源為等離子體離子源。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項所述的離子束鏡筒，其中所述離子按照基本平行的射束進入所述第一濾質(zhì)器級。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項所述的離子束鏡筒，其中所述第二透鏡級聚焦來自位于無限遠(yuǎn)的虛源的不同能量的離子。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任何一項所述的離子束鏡筒，其中所述第二濾質(zhì)器級基本消除了來自所述第一濾質(zhì)器級的邊緣場像差。
8.一種提供離子射束的方法，所述離子來自提供不同質(zhì)量的離子的離子源，所述方法包括 提供來自離子源的具有不同質(zhì)量的離子； 使所述離子形成射束； 使所述離子沿第一方向偏轉(zhuǎn)，所述偏轉(zhuǎn)對于不同質(zhì)量的離子存在差異；以及使所述離子沿第二方向偏轉(zhuǎn)，所述偏轉(zhuǎn)對于不同質(zhì)量的離子存在差異，不同質(zhì)量的離子沿所述第一方向的不同偏轉(zhuǎn)與不同質(zhì)量的離子沿所述第二方向的偏轉(zhuǎn)差異消除，使得不同質(zhì)量的離子在兩次偏轉(zhuǎn)之后沿相同的方向行進。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中使所述離子沿第一方向偏轉(zhuǎn)包括使所述離子穿過第一 ExB濾質(zhì)器，并且其中使所述離子沿第二方向偏轉(zhuǎn)包括使所述離子穿過第二 ExB濾質(zhì)器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的方法，還包括使一些離子穿過隙孔同時阻擋其他離子，所述隙孔的中心從所述第一 ExB過濾器的光軸偏移。
全文摘要
本發(fā)明涉及從射束中去除了中性粒子的像差校正維恩ExB濾質(zhì)器。一種用于離子束系統(tǒng)的濾質(zhì)器包括至少兩級并且降低色像差。一個實施例包括兩個對稱濾質(zhì)器級，所述兩個對稱濾質(zhì)器級的結(jié)合降低或者消除了色像差以及入口和出口邊緣場誤差。實施例也可以防止中性粒子抵達(dá)樣本表面以及避免射束路徑中的交叉。在一個實施例中，所述過濾器能夠使來自生成多個種類的源的單一離子種類通過。在其他實施例中，所述過濾器能夠使具有一定能量范圍的單一離子種類通過并將所述多能量離子聚焦到襯底表面上的同一點。
文檔編號H01J37/10GK102737932SQ201210107940
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者D.塔格爾, M.W.烏特勞特, N.W.帕克 申請人:Fei 公司