專(zhuān)利名稱(chēng)：分布式離子源加速鏡筒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶電粒子束系統(tǒng)且特別地在包括擴(kuò)展離子源的離子束系統(tǒng)中有用。
背景技術(shù)：
大約30年來(lái)，高分辨率聚焦離子束(FIB)已被證明對(duì)諸如顯微術(shù)、平版印刷術(shù)、微機(jī)械加工(離子銑削和材料沉積)以及摻雜劑注入的多種任務(wù)有用。多年來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于聚焦離子束應(yīng)用的許多離子源，包括氣相場(chǎng)電離、等離子體以及液態(tài)金屬。在到目前為止開(kāi)發(fā)的所有源中，液態(tài)金屬離子源(LMIS)已被證明是最有用的，并且現(xiàn)在被最廣泛地使用。液態(tài)金屬離子源的有用性基本上源自于其非常高的亮度，其允許在將電流保持在1 PA至10PA范圍內(nèi)的同時(shí)產(chǎn)生具有約IOnm的斑點(diǎn)尺寸的聚焦離子束。這些特性為聚焦離子束提供了必要的分辨率和離子電流以執(zhí)行一系列現(xiàn)有技術(shù)納米技術(shù)任務(wù)。盡管其被廣泛使用，但現(xiàn)有離子源具有妨礙朝著更廣泛的應(yīng)用和更高的分辨率的發(fā)展的限制。由于用液態(tài)金屬來(lái)潤(rùn)濕鎢尖端的需要，能夠在液態(tài)金屬離子源中實(shí)施的不同粒子物種的數(shù)目略微受到限制。( 是到目前為止使用的主要元素，雖然已展示了其它物種，包括Au、Al、Be和Cs。液態(tài)金屬離子源還遭受極大的能量發(fā)散，超過(guò)幾eV，這一般地被認(rèn)為歸因于在發(fā)射體的表面上非常小的發(fā)射區(qū)域附近發(fā)生的空間電荷效應(yīng)。此能量加寬導(dǎo)致形成聚焦離子束的聚焦光學(xué)裝置的色差，從而限制可實(shí)現(xiàn)的分辨率并迫使進(jìn)行射束電流與分辨率之間的權(quán)衡。氣相場(chǎng)電離源解決了這些問(wèn)題中的某些，因?yàn)槠淠軌蛴幂p元素進(jìn)行操作并具有較窄的能量發(fā)散，約leV，但是電流明顯更小，其不用重元素進(jìn)行工作，并且其操作起來(lái)更麻煩。等離子體源也克服了液態(tài)金屬離子源的某些問(wèn)題，但是其亮度比其它兩個(gè)源小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。關(guān)于液態(tài)金屬和氣相源的另一實(shí)際問(wèn)題是現(xiàn)有源具有高亮度所需的納米級(jí)有效源尺寸，被轉(zhuǎn)換成對(duì)源位置穩(wěn)定性的非常敏銳的靈敏度，這在聚焦離子束系統(tǒng)的構(gòu)造中變成問(wèn)題。[因此，需要一種用于產(chǎn)生離子且特別是適合于寬范的應(yīng)用的聚焦離子束的改進(jìn)的系統(tǒng)和策略，所述應(yīng)用例如為現(xiàn)場(chǎng)分析、材料沉積或注入、材料燒蝕。離子顯微術(shù)、次級(jí)離子質(zhì)譜法(SIMS)以及離子納米機(jī)械加工。用于“Magneto-optical Trap Ion Source” 的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào) 2008/(^96483描述了一種用于聚焦離子束系統(tǒng)的的磁光陷阱離子源。美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)2008/(^96483描述了一種包括磁光陷阱(MOT)、電離激光器以及提取元件的系統(tǒng)。磁光陷阱產(chǎn)生全域(population)或“云狀”的過(guò)冷中性原子。本文所使用的“過(guò)冷”意指比10毫開(kāi)爾文更冷。圖1示意性地示出典型MOT 100。激光束102減緩中性原子，并且具有沿著彼此相反的方向流動(dòng)的電流的電磁體104將中性原子捕獲在云106中。當(dāng)使用MOT作為磁光陷阱離子源(MOTIS)中的離子的源時(shí)，電離激光器使陷阱中的中性原子電離，并且該離子被電場(chǎng)提取且被以離子束的形式朝著靶加速。云中的冷溫度產(chǎn)生具有理論上允許有IOnm或以下的射束分辨率的優(yōu)良特性的離子束。從此源產(chǎn)生的電流取決于磁光陷阱的工作參數(shù)，并且可以在從應(yīng)要求的單個(gè)離子至超過(guò)ΙΟΟρΑ，是比使用常規(guī)離子源所可能的寬得多的范圍。另外，通過(guò)磁光陷阱的使用能夠被激光冷卻的大范圍的元素大大地?cái)U(kuò)展了能夠產(chǎn)生并聚焦至離子束的離子物種的類(lèi)型和范圍。圖9是示出在各種類(lèi)型的離子源中能夠使用哪些元素的周期表。在不引發(fā)結(jié)果得到的射束中的大的能量發(fā)散的情況下，難以將來(lái)自非點(diǎn)狀源的離子加速。離子源的空間范圍越大，越難以將離子聚焦至點(diǎn)。要求系統(tǒng)中的改進(jìn)以產(chǎn)生更小的探針尺寸并產(chǎn)生此類(lèi)系統(tǒng)理論上能夠產(chǎn)生的分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于形成聚焦帶電粒子束、特別是從擴(kuò)展離子源形成聚焦離子束的方法和設(shè)備。優(yōu)選實(shí)施例包括電極配置，其產(chǎn)生靜電電位以在保持低能量發(fā)散的同時(shí)將來(lái)自分布式離子源的離子加速至高達(dá)到幾十千伏特(kV)的能量。該電極配置在延長(zhǎng)的距離內(nèi)將離子加速。在某些實(shí)施例中，該電極配置減小使射束中的離子會(huì)聚或發(fā)散的靜電透鏡化(lensing)，使得離子基本上準(zhǔn)直地離開(kāi)電極。在其它實(shí)施例中，電極配置使射束會(huì)聚或發(fā)散，并且根據(jù)在給定應(yīng)用中使分辨率最優(yōu)化所要求的，能夠提供長(zhǎng)或短、正或負(fù)的焦距。前述內(nèi)容已相當(dāng)廣泛地概述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，以便可以更透徹地理解隨后的本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明。下面將描述本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到可以容易地利用所公開(kāi)的概念和特性實(shí)施例作為用于修改或設(shè)計(jì)用于執(zhí)行本發(fā)明的相同目的的其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)實(shí)現(xiàn)的是此類(lèi)等效構(gòu)造不脫離如隨附權(quán)利要求所闡述的本發(fā)明的精神和范圍。


為了更透徹地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在對(duì)結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述進(jìn)行參考，在附圖中
圖1示意性地示出用于中性離子的現(xiàn)有技術(shù)磁光陷阱。圖2示出本發(fā)明的磁光離子源和電極的優(yōu)選實(shí)施例。圖3示出與捕獲鉻原子并使其光子化有關(guān)的能級(jí)。圖4示出使離子束偏轉(zhuǎn)并使其聚焦到樣品上的離子光學(xué)鏡筒的各部分。圖5示出使用圖2的源和圖4中的離子光學(xué)鏡筒的各部分的本發(fā)明的優(yōu)選離子鏡筒。圖6A和6B是使用使用鉻離子源的本發(fā)明的實(shí)施例獲取的顯微照片。圖7A和7B是使用使用鋰離子源的本發(fā)明的實(shí)施例獲取的顯微照片。圖8是示出用于本發(fā)明的實(shí)施例的斑點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差寬度對(duì)比射束能量的圖表。圖9是被標(biāo)記以示出在不同類(lèi)型的離子源中能夠容易地使用哪些元素的周期表。
具體實(shí)施方式
在MOTIS中，能夠與離子束軸平行地或與該軸垂直地指引電離激光。如果電離激光被定向?yàn)榇怪庇陔x子束軸，則沿著垂直于射束軸的線產(chǎn)生離子，并且某些離子與光學(xué)軸的距離使得更加難以使離子聚焦到樣品上的點(diǎn)。如果電離激光被沿著射束軸定向，則沿著光學(xué)軸產(chǎn)生離子，但是由于跨越云存在電位梯度，所以在陷阱中的不同位置處產(chǎn)生的離子在其離開(kāi)陷阱時(shí)將具有不同的能量。具有不同能量的離子將在不同的位置處聚焦，亦即，射束將顯示出色差，使靶處的斑點(diǎn)尺寸擴(kuò)大，從而降低分辨率。由于帶電離子相互排斥，所以離子將獲取垂直于射束軸的速度分量，其使得在非常小的提取場(chǎng)處離子越來(lái)越難以聚焦。此機(jī)制設(shè)定關(guān)于通過(guò)在源區(qū)域中使用小電場(chǎng)能夠?qū)⒛芰堪l(fā)散和關(guān)聯(lián)色差減小到什么程度的下限。通過(guò)在離子源處保持小電場(chǎng)，能夠獲得小的能量發(fā)散和高分辨率。然而，如果離子將被加速至幾keV，則如在大多數(shù)聚焦離子束應(yīng)用中所要求的，則在MOT處的小場(chǎng)將要求或者加速在長(zhǎng)距離內(nèi)發(fā)生或者沿著射束路徑遠(yuǎn)離源的更強(qiáng)的電場(chǎng)。如果使用由良導(dǎo)體制成的常規(guī)靜電電極，加速將在長(zhǎng)距離內(nèi)發(fā)生，則這些電極的面積將必須約為將其分離的距離的平方，以便保證場(chǎng)均勻性。這不是優(yōu)選的，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中，電極結(jié)構(gòu)將是不切實(shí)際地大的。替代地，如果在較小距離內(nèi)將離子加速，則射束將經(jīng)歷強(qiáng)靜電透鏡化。如果透鏡化引發(fā)離子在靶之前沿著射束路徑達(dá)到焦點(diǎn)(所謂的‘交叉點(diǎn)(cross-over)’)，則離子間庫(kù)倫力將降低離子束的質(zhì)量且在射束被重新聚焦時(shí)再次地導(dǎo)致較大的斑點(diǎn)尺寸。雖然具有交叉點(diǎn)是不期望的，但在某些實(shí)施例中其是可接受的設(shè)計(jì)折衷。本發(fā)明的實(shí)施例解決了這些問(wèn)題并從擴(kuò)展離子源產(chǎn)生高分辨率射束。本發(fā)明的實(shí)施例提供一種電極結(jié)構(gòu)，其從源提取離子并將離子加速，優(yōu)選地至幾keV或幾十keV。在某些實(shí)施例中，來(lái)自源的離子優(yōu)選地是基本上準(zhǔn)直或平行的，亦即既不會(huì)聚也不發(fā)散?；旧蠝?zhǔn)直意味著在仍將離子加速至2000eV的同時(shí)，獲得大于正250mm或小于負(fù)250mm的焦距。在其它實(shí)施例中，在將離子束加速至2000eV的同時(shí)獲得大于正IOOOmm或小于負(fù)IOOOmm的焦距或大于正IOOOOmm或小于負(fù)IOOOOmm的焦距。在其它實(shí)施例中，電極可以充當(dāng)使射束在末級(jí)透鏡之前更強(qiáng)地發(fā)散的透鏡。在其它實(shí)施例中，電極可以充當(dāng)會(huì)聚透
^Mi ο在某些實(shí)施例中，通過(guò)提供跨越中性原子云的源電場(chǎng)和擴(kuò)展電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)改善的分辨率，所述擴(kuò)展電場(chǎng)在離子離開(kāi)源的區(qū)域之后繼續(xù)使其加速。通過(guò)使擴(kuò)展電場(chǎng)本質(zhì)上等于源場(chǎng)，能夠減小或消除等勢(shì)線的曲率，從而減小或消除透鏡化。用“本質(zhì)上等于”意指擴(kuò)展場(chǎng)強(qiáng)度在約30%內(nèi)、更優(yōu)選地在約20%內(nèi)、甚至更優(yōu)選地在約10%內(nèi)且最優(yōu)選地在約5%或以下內(nèi)與源場(chǎng)強(qiáng)度相同。在優(yōu)選實(shí)施例中，離子的源在兩個(gè)平面、優(yōu)選地圓盤(pán)形電極之間。這些電極的表面具有跨越該表面施加的均勻電位。該圓盤(pán)具有足夠大的直徑，使得此電位隨后產(chǎn)生用穿過(guò)圓盤(pán)的孔使離子朝著圓盤(pán)中的一個(gè)加速的均勻電場(chǎng)。具有孔的圓盤(pán)被稱(chēng)為提取電極。另一圓盤(pán)被稱(chēng)為源電極。兩個(gè)圓盤(pán)電極之間的區(qū)域被稱(chēng)為源區(qū)。在通過(guò)孔之后，離子進(jìn)入優(yōu)選地由長(zhǎng)管狀阻性(resistive)電極產(chǎn)生的擴(kuò)展場(chǎng)區(qū)。此電極可以包括例如由有限但低導(dǎo)電率的摻雜玻璃制成的管或在其內(nèi)或外表面上具有優(yōu)選地均勻的阻性涂層的絕緣管。當(dāng)在管的兩端施加電位時(shí)，阻性涂層沿著管的長(zhǎng)度提供均勻電場(chǎng)。管的長(zhǎng)度是圓盤(pán)間隔的長(zhǎng)度的許多倍。在優(yōu)選實(shí)施例中，管長(zhǎng)度是圓盤(pán)間隔的超過(guò)5倍，圓盤(pán)間隔的超過(guò)10倍，圓盤(pán)間隔的超過(guò)20倍或圓盤(pán)間隔的約25倍。通過(guò)在器件的整個(gè)長(zhǎng)度上保持小的均勻電場(chǎng)，可以保持源中的小能量發(fā)散并避免透鏡化。阻性元件的使用允許在沿著垂直于射束傳播的方向保持電極結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)產(chǎn)生均勻場(chǎng)。在另一實(shí)施例中，使用處于逐漸減小的電位的一系列電極來(lái)產(chǎn)生具有減小的透鏡化的近似均勻場(chǎng)。帶電粒子在電場(chǎng)徑向地不均勻時(shí)被聚焦，亦即沿著光學(xué)軸的電場(chǎng)不同于離軸電場(chǎng)，因此朝向射束的邊緣的離子被與軸上的離子不同地偏轉(zhuǎn)，使得離軸離子會(huì)聚或發(fā)散。聚焦例如通過(guò)電極中的孔周?chē)倪吘壭?yīng)發(fā)生。加速電極通過(guò)在大的距離內(nèi)散布電壓降并逐漸地將電位減小至接近于樣品的電位來(lái)減小或消除邊緣化。因此，優(yōu)選實(shí)施例由于其在保持低能量發(fā)散且在某些實(shí)施例中避免交叉點(diǎn)的同時(shí)將分布式離子源加速的能力而能夠提供比現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)更高的分辨率。其還可以應(yīng)用于其中離子源大于幾百納米的其它離子束系統(tǒng)。優(yōu)選實(shí)施例允許將鋰離子加速至高達(dá)10 keV或以上的能量，同時(shí)保持射束準(zhǔn)直和用于10 μ m離子源尺寸的小于0. 4 eV的源能量發(fā)散。在圖2中示出MOTIS 200的一個(gè)實(shí)施例的離子產(chǎn)生和加速區(qū)的示意圖。MOTIS 200包括MOT以捕獲并冷卻來(lái)自原子束的中性原子，諸如鉻或鋰原子。例如在美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)2008/(^96483中更詳細(xì)地描述了 M0TIS，其被通過(guò)引用結(jié)合到本文中。MOT是由六個(gè)激光束202 (示出4個(gè)，有進(jìn)入頁(yè)面和從頁(yè)面出來(lái)的未示出射束)與由一對(duì)相反取向的環(huán)狀強(qiáng)永久NdFeB磁體(未示出)形成的四極磁場(chǎng)的零點(diǎn)的交叉產(chǎn)生的。在一個(gè)實(shí)施例中，這些磁體具有75 mm的外徑和38 mm的內(nèi)徑、25 mm的厚度且Br = 1. 3 T。當(dāng)間隔開(kāi)215mm時(shí)，這些磁體產(chǎn)生沿著磁化軸為0. 16 T πΓ1的梯度且在垂直于此軸的平面內(nèi)為0. 08 T m 1的梯度。激光是由Ti = Sapphire激光器(未示出)的輸出的二次諧波發(fā)生產(chǎn)生的，其隨后被二極管泵浦固態(tài)激光器(未示出)泵浦。標(biāo)稱(chēng)地具有4mm的Ι/e2直徑的6個(gè)激光束中的每一個(gè)中的幾毫瓦足以產(chǎn)生原子陷阱。激光束被調(diào)諧為剛好在被用于冷卻的電子能躍遷級(jí)以下。圖3例如示出用于冷卻和光致電離的鉻中的相關(guān)能級(jí)。當(dāng)捕獲鉻離子時(shí)，激光束在425nm下被調(diào)諧為剛好在Cr 7S3- 7 P4躍遷以下。捕獲的冷鉻原子系綜或云204 —般地是球狀對(duì)稱(chēng)的，并具有近似高斯密度分布，根據(jù)磁場(chǎng)梯度和激光束強(qiáng)度、失調(diào)和對(duì)準(zhǔn)，其具有從50 μ m至500 μ m的標(biāo)準(zhǔn)偏差半徑。能夠通過(guò)關(guān)閉激光并允許原子暫時(shí)自由地膨脹來(lái)測(cè)量被捕獲原子的溫度。一個(gè)實(shí)施例中的從原子分布的膨脹速率推斷的溫度是100士 15 μ K。電離激光束206被通過(guò)MOT沿著離子束軸聚焦(軸向電離)并具有標(biāo)準(zhǔn)偏差5 μ m的本質(zhì)上高斯射束腰部(20 ym的Ι/e2直徑)。離子210在由相隔15mm的兩個(gè)平行板產(chǎn)生的電場(chǎng)中被提取，第一板即源電極220，由具有透明、導(dǎo)電涂層222的熔融二氧化硅窗口組成，導(dǎo)電涂層由諸如氧化銦錫(ITO)的材料制成。第二板即提取板2M包括約100 μ m厚且具有反射鋁涂層226的硅電極。提取板2M在中心處具有孔228，離子通過(guò)該孔。離子在加速電極(諸如阻性管230)中被加速至其最終能量，阻性管230的起點(diǎn)剛好在硅電極224的內(nèi)表面以下，并且其遠(yuǎn)端被接地。阻性管是已知的，并且可以例如使用摻雜玻璃或通過(guò)在絕緣玻璃管的內(nèi)側(cè)上提供阻性涂層來(lái)產(chǎn)生。例如在授予 Nagai 等人的"Electrostatic Lens and Method for Producing theSame” 的美國(guó)專(zhuān)利號(hào) 5，444，256 中和在授予 Laprade 的 “Conductive Tube for Use as aReflectron Lens”的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，154，086中描述了阻性管電極。在用于形成鉻離子射束的一個(gè)實(shí)施例中，管230為約沈5讓長(zhǎng)，具有約25mm的外徑和約125mm的內(nèi)徑?？? 具有4mm的直徑且管230的末端位于板224的內(nèi)表面以下0. 4mm處。在某些實(shí)施例中，可以將管230的近端電連接至板224的內(nèi)表面。在其它實(shí)施例中，可以將管230的近端連接到單獨(dú)的電源。在某些實(shí)施例中，施加于源電極220、提取電極2M和管230的相對(duì)末端的電壓被選擇為使得阻性管中的電場(chǎng)與源電極220與提取電極2M之間的均勻電場(chǎng)相同。由于這兩個(gè)區(qū)域中的場(chǎng)是相等的，并且由于反射鋁電極與阻性管的起點(diǎn)之間的距離是小的，所以當(dāng)離子從板之間的區(qū)域通過(guò)至阻性管中是，本質(zhì)上不存在透鏡化。然而，離子在其離開(kāi)阻性管時(shí)經(jīng)歷相對(duì)弱的發(fā)散透鏡。在一個(gè)實(shí)施例中，管出口與聚焦光學(xué)裝置之間的自由飛行距離小于100mm。因此，聚焦透鏡處的離子束直徑應(yīng)與源寬度的非常接近，其通常被設(shè)置為10 μ m。離子的加速由其中產(chǎn)生離子的原子系綜的區(qū)域與靶之間的電位差確定。管電極的遠(yuǎn)端通常處于與靶相同的電位，亦即處于接地電位，雖然施加于管電極的遠(yuǎn)端的電壓對(duì)于不同的應(yīng)用可能是不同的。電壓降的部分和因此的加速在源和提取電極之間發(fā)生且部分在提取電極與管230的遠(yuǎn)端之間發(fā)生。在一個(gè)實(shí)施例中，調(diào)整源和提取電極之間的距離、管電極的長(zhǎng)度與施加于電極的電壓以產(chǎn)生導(dǎo)致離開(kāi)加速電極的離子基本上被準(zhǔn)直的電場(chǎng)。技術(shù)人員能夠通過(guò)模擬、射線跟蹤、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)來(lái)容易地確定用于特定應(yīng)用的適當(dāng)電壓和尺寸。在上述系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)的一個(gè)應(yīng)用中，源電極220與提取電極2 之間的電壓是100V，因此，在電極之間平均中途上產(chǎn)生的離子通過(guò)孔228以50 eV的平均能量出現(xiàn)。管兩端的電壓是例如2000 V。源電極隨后被偏置至2100V，因此，提取電極和管230的頂部處的電壓是2000V，并且管230的遠(yuǎn)端被接地。在優(yōu)選實(shí)施例中，大部分離子加速在提取電極的外面和在加速電極中發(fā)生。在某些實(shí)施例中，超過(guò)50 %、超過(guò)75%、超過(guò)90%、超過(guò)95%或超過(guò)97. 5%的加速在提取電極外面發(fā)生。圖4示出優(yōu)選聚焦光學(xué)裝置400由三個(gè)部分組成雙軸雙極偏轉(zhuǎn)器402、三元件單透鏡404以及用于次級(jí)電子檢測(cè)的溝道電子倍增器406。優(yōu)選地在離子束路徑中不存在射束限制孔徑。在一個(gè)實(shí)施例中，由具有100V的范圍和50 μ s的設(shè)定時(shí)間的快速放大器來(lái)供應(yīng)偏轉(zhuǎn)板電壓402。放大器上的電壓范圍允許從幾納米直至幾毫米的射束偏轉(zhuǎn)。圖5示意性地示出體現(xiàn)本發(fā)明的聚焦離子束系統(tǒng)。離子是在MOTIS 502中的過(guò)冷原子系綜中產(chǎn)生的且在加速電極504中被加速至期望的能量以便對(duì)靶512進(jìn)行成像或處理。離子束506從加速電極504出現(xiàn)并被偏轉(zhuǎn)器508定位且在靶上進(jìn)行掃描。物鏡510(優(yōu)選地靜電單透鏡)使離子束506聚焦到靶512上，其被定位于樣品臺(tái)514、優(yōu)選地三軸精密臺(tái)上。次級(jí)帶電粒子520、即電子和離子是在受到離子束506的撞擊時(shí)從靶發(fā)射的，并且次級(jí)粒子被諸如閃爍器一光電倍增器或多通道板的粒子檢測(cè)器516檢測(cè)到。在一個(gè)實(shí)施例中，離子被投射到在^mm的工作距離(被定義為從透鏡的最近表面至靶的距離)處的包括微通道板和熒光屏的靶上或安裝在17mm的工作距離處的樣品臺(tái)上。對(duì)于0.2 pA離子束而言，次級(jí)離子從這些靶開(kāi)始計(jì)數(shù)直至2 X IO5 s—1。圖6A和6B示出本發(fā)明的實(shí)施例的使用具有10 μ m小孔的微通道板的鉻離子束以?xún)蓚€(gè)不同的放大倍率形成的圖像。射束能量是^eV且射束尺寸是250nm。圖像是300X300像素且是在90秒內(nèi)獲取的。板中的10 μ m小孔被清楚地分辨，顯示出良好的分辨率和對(duì)比度。圖7A和7B示出使用具有^ceV射束能的鋰離子束產(chǎn)生的板的兩個(gè)不同放大倍率下的圖像。雖然上述優(yōu)選實(shí)施例使用鉻源，但其它優(yōu)選實(shí)施例使用不同類(lèi)型的離子。MOTIS能夠使用在圖9中被指示為具有用于激光冷卻的適當(dāng)電子躍遷的元件、亦即能夠容易地在MOTIS中使用的元件中的任何一個(gè)。鋰源被認(rèn)為對(duì)形成離子束圖像特別有用。雖然上述優(yōu)選實(shí)施例使用MOT源，但本發(fā)明在使用擴(kuò)展源、亦即非點(diǎn)離子源的其它離子束系統(tǒng)中將是有用的，其中，虛擬離子源大于幾百納米。因此，本發(fā)明的一方面包括一種用于提供用于被指引到樣品臺(tái)上的樣品的聚焦離子束的離子的離子源，包括
源區(qū)，用于包含過(guò)冷中性原子；源電極，其在源區(qū)的一側(cè)上；
提取電極，其在形成源電極的源區(qū)的相對(duì)側(cè)上，提取電極具有孔，源電極和提取電極提供跨越源區(qū)具有源電場(chǎng)強(qiáng)度的源電場(chǎng)；
能量源，其用于使過(guò)冷中性原子中的至少某些電離以產(chǎn)生離子，該離子被源電場(chǎng)加速通過(guò)孔；以及
阻性管，其沿著管具有不同的電位以從提取電極中的孔接收離子并將離子加速。在某些實(shí)施例中，阻性管的一端處于與提取電極基本上相同的電位，并且其中，阻性管的另一端處于與靶基本上相同的電位。在某些實(shí)施例中，離開(kāi)阻性管的離子基本上被準(zhǔn)直。在某些實(shí)施例中，基本上準(zhǔn)直的離子是由使離子會(huì)聚或發(fā)散以提供大于250 mm、大于1000 mm或大于10，000 mm的量值的正或負(fù)離子焦距的提取電極和阻性管一起產(chǎn)生的。在某些實(shí)施例中，離子在源區(qū)中被加速且在阻性管中被進(jìn)一步加速，由阻性管中的電場(chǎng)引起的離子的能量變化是由源區(qū)中的電場(chǎng)引起的能量變化的至少10倍。在某些實(shí)施例中，源區(qū)包括用于減慢并捕獲中性原子的磁光陷阱。在某些實(shí)施例中，阻性管從提取電極的5mm內(nèi)且在遠(yuǎn)離源電極的方向的方向上延伸。在某些實(shí)施例中，阻性管包括具有阻性涂層的絕緣管。在某些實(shí)施例中，提取電極和阻性管一起將離子會(huì)聚或發(fā)散或提供大于50mm的量值的正或負(fù)離子焦距。本發(fā)明的某些實(shí)施例包括一種用于提供用于被指引到樣品臺(tái)上的樣品的聚焦離子束的離子的離子源，包括
源區(qū)，用于包含過(guò)冷中性原子；源電極，其在源區(qū)的一側(cè)上；
提取電極，其在形成源電極的源區(qū)的相對(duì)側(cè)上，提取電極具有孔，源電極和提取電極提供跨越源區(qū)具有源電場(chǎng)強(qiáng)度的源電場(chǎng)；能量源，其用于使過(guò)冷中性原子中的至少某些電離以產(chǎn)生離子，該離子被源電場(chǎng)加速通過(guò)孑L ；
至少一個(gè)擴(kuò)展電極，其提供從具有孔的該電極延伸的擴(kuò)展電場(chǎng)，擴(kuò)展電場(chǎng)的強(qiáng)度剛剛超過(guò)孔，與源電場(chǎng)的強(qiáng)度相差小于百分之三十，從而減小或消除了離子離開(kāi)源區(qū)時(shí)的聚焦效應(yīng)。在某些實(shí)施例中，源區(qū)包括用于減慢并捕獲中性原子的磁光陷阱。在某些實(shí)施例中，所述至少一個(gè)加速電極包括從提取電極附近延伸且遠(yuǎn)離源電極的阻性管。在某些實(shí)施例中，最接近于提取電極的阻性管的末端處的電位與作為提取電極的電位相差小于20%。在某些實(shí)施例中，最接近于提取電極的阻性管處于與提取電極大約相同的電位。在某些實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括用于使離子束聚焦到樣品上的離子聚焦透鏡，并且其中，距離提取電極最遠(yuǎn)的阻性管的電位末端處于與樣品近似相同的電位。在某些實(shí)施例中，所述至少一個(gè)加速電極包括一系列電極且還包括用于在電極變得更加遠(yuǎn)離源區(qū)時(shí)向該系列中的電極供應(yīng)逐漸減小的電壓的電壓源。在某些實(shí)施例中，本發(fā)明包括一種用于提供用于被指引到樣品臺(tái)上的樣品的聚焦離子束的離子的離子源，包括
源區(qū)，其用于提供離子；
一個(gè)或多個(gè)電極，其用于在擴(kuò)展源區(qū)處提供電位；提取電極，其具有孔，該提取電極提供用于從源區(qū)提取離子的電場(chǎng)；以及加速電極，其在沿著電極管的不同點(diǎn)處具有不同電位以便從提取電極中的孔接收離子并將該離子加速。在某些實(shí)施例中，所述加速電極在大于源區(qū)的尺寸的5倍的距離內(nèi)使離子加速。本發(fā)明還包括一種聚焦離子束系統(tǒng)，其包括上述離子源中的任何一個(gè)、用于使從源區(qū)提取的離子束偏轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)電極；以及用于將離子束聚焦到樣品保持器上的樣品上的聚焦透鏡。在某些實(shí)施例中，所述聚焦離子束系統(tǒng)不具有位于提取電極與樣品保持器之間的限束孔徑。雖然已詳細(xì)地描述了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)當(dāng)理解的是在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以在本文中進(jìn)行各種變更、替換和修改。此外，本申請(qǐng)的范圍并不意圖局限于本說(shuō)明書(shū)中所述的過(guò)程、機(jī)器、制品、物質(zhì)組成、裝置、方法和步驟的特定實(shí)施例。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地從本發(fā)明的公開(kāi)認(rèn)識(shí)到的，根據(jù)本發(fā)明，可以利用執(zhí)行與本文所述的相應(yīng)實(shí)施例基本上相同的功能或?qū)崿F(xiàn)基本上相同的結(jié)果的目前存在或稍后將開(kāi)發(fā)的過(guò)程、機(jī)器、制品、物質(zhì)組成、裝置、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求意圖在其范圍內(nèi)包括此類(lèi)過(guò)程、機(jī)器、制品、物質(zhì)組成、裝置、方法或步驟。
權(quán)利要求
1.一種用于提供用于被指引到樣品臺(tái)上的樣品的聚焦離子束的離子的離子源，包括源區(qū)，用于包含過(guò)冷中性原子；源電極，其在源區(qū)的一側(cè)上；提取電極，其在形成源電極的源區(qū)的相對(duì)側(cè)上，提取電極具有孔，源電極和提取電極提供跨越源區(qū)具有源電場(chǎng)強(qiáng)度的源電場(chǎng)；能量源，其用于使過(guò)冷中性原子中的至少某些電離以產(chǎn)生離子，該離子被源電場(chǎng)加速通過(guò)孔；以及阻性管，其沿著管具有不同的電位以從提取電極中的孔接收離子并將離子加速。
2.權(quán)利要求1的離子源，其中，所述阻性管的一端處于與提取電極基本上相同的電位，并且其中，所述阻性管的另一端處于與靶基本上相同的電位。
3.權(quán)利要求1的離子源，其中，離開(kāi)阻性管的離子基本上被準(zhǔn)直。
4.權(quán)利要求3的離子源，其中，所述提取電極和所述阻性管一起使粒子會(huì)聚或發(fā)散以提供大于250mm的量值的正或負(fù)離子焦距。
5.權(quán)利要求3的離子源，其中，所述提取電極和所述阻性管一起使粒子會(huì)聚或發(fā)散或提供大于IOOOmm的量值的正或負(fù)離子焦距。
6.權(quán)利要求1的離子源，其中，離子在源區(qū)中被加速并在阻性管內(nèi)被進(jìn)一步加速，由阻性管中的電場(chǎng)引起的離子的能量變化為由源區(qū)中的電場(chǎng)引起的能量變化的至少10倍。
7.權(quán)利要求1的離子源，其中，所述源區(qū)包括用于減慢并捕獲中性原子的磁光陷阱。
8.權(quán)利要求1的離子源，其中，所述阻性管從提取電極的5mm內(nèi)并在遠(yuǎn)離源電極的方向上延伸。
9.權(quán)利要求1的離子源，其中，所述阻性管包括具有阻性涂層的絕緣管。
10.權(quán)利要求1的離子源，其中，所述提取電極和所述阻性管一起使粒子會(huì)聚或發(fā)散或提供大于50mm的量值的正或負(fù)離子焦距。
11.一種聚焦離子束系統(tǒng)，包括權(quán)利要求1的離子源；偏轉(zhuǎn)電極，其用于使從源區(qū)提取的離子束偏轉(zhuǎn)；以及聚焦透鏡，其用于使離子束聚焦到樣品保持器上的樣品上。
12.權(quán)利要求11的聚焦離子束系統(tǒng)，其中，沒(méi)有射束限定孔徑被定位于提取電極與樣品保持器之間。
13.一種用于提供用于被指引到樣品臺(tái)上的樣品的聚焦離子束的離子的離子源，包括源區(qū)，用于包含過(guò)冷中性原子；源電極，其在源區(qū)的一側(cè)上；提取電極，其在形成源電極的源區(qū)的相對(duì)側(cè)上，提取電極具有孔，源電極和提取電極提供跨越源區(qū)具有源電場(chǎng)強(qiáng)度的源電場(chǎng)；能量源，其用于使過(guò)冷中性原子中的至少某些電離以產(chǎn)生離子，該離子被源電場(chǎng)加速通過(guò)孑L ；至少一個(gè)擴(kuò)展電極，其提供從具有孔的該電極延伸的擴(kuò)展電場(chǎng)，擴(kuò)展電場(chǎng)的強(qiáng)度剛剛超過(guò)孔，與源電場(chǎng)的強(qiáng)度相差小于百分之三十，從而減小或消除了離子離開(kāi)源區(qū)時(shí)的聚焦效應(yīng)。
14.權(quán)利要求13的離子源，其中，所述源區(qū)包括用于減慢并捕獲中性原子的磁光陷阱。
15.權(quán)利要求13的離子源，其中，所述至少一個(gè)加速電極包括從提取電極附近延伸且遠(yuǎn)離源電極的阻性管。
16.權(quán)利要求15的離子源，其中，所述阻性管包括具有阻性涂層的絕緣管。
17.權(quán)利要求15的離子源，其中，最接近于提取電極的阻性管的末端處的電位與提取電極的電位相差小于20%。
18.權(quán)利要求17的離子源，其中，最接近于提取電極的阻性管的末端處于與提取電極大約相同的電位。
19.權(quán)利要求15的離子源，其中，所述系統(tǒng)還包括用于使離子束聚焦到樣品上的離子聚焦透鏡，并且其中，距離提取電極最遠(yuǎn)的阻性管的末端處的電位處于與樣品近似相同的電位。
20.權(quán)利要求1的離子源，其中，所述至少一個(gè)加速電極包括一系列電極且還包括用于在電極變得更加遠(yuǎn)離源區(qū)時(shí)向該系列中的電極供應(yīng)逐漸減小的電壓的電壓源。
21.一種用于提供用于被指引到樣品臺(tái)上的樣品的聚焦離子束的離子的離子源，包括源區(qū)，其用于提供離子；一個(gè)或多個(gè)電極，其用于在擴(kuò)展源區(qū)處提供電位；提取電極，其具有孔，該提取電極提供用于從源區(qū)提取離子的電場(chǎng)；以及加速電極，其在沿著電極管的不同點(diǎn)處具有不同電位以便從提取電極中的孔接收離子并將該離子加速。
22.權(quán)利要求21的離子源，其中，所述加速電極是阻性管。
23.權(quán)利要求21的離子源，其中，離開(kāi)阻性管的離子基本上被準(zhǔn)直。
24.權(quán)利要求21的離子源，其中，離開(kāi)阻性管的離子束是發(fā)散的。
25.權(quán)利要求21的離子源，其中，所述加速電極在大于源區(qū)的尺寸5倍的距離內(nèi)將離子加速。
26.—種包括依照權(quán)利要求1所述的離子源的聚焦離子束系統(tǒng)。
全文摘要
離子束系統(tǒng)使用諸如阻性管的單獨(dú)加速電極來(lái)在保持?jǐn)U展、亦即分布式離子源處的低電場(chǎng)的同時(shí)將離子加速，從而改善分辨率?？梢允褂么殴庀葳遄鳛殡x子源。
文檔編號(hào)H01J37/04GK102598195SQ201080041464
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者A.V.斯蒂爾, B.J.克努夫曼, J.H.奧爾洛夫, J.J.麥克萊蘭 申請(qǐng)人:Fei公司, 美國(guó)商務(wù)部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和科技研究所