專利名稱：裝備有氣體離子源的粒子光學(xué)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裝備有氣體離子源的粒子光學(xué)設(shè)備，所述氣體離子源包括其中裝配有直徑至多為20μm的出口光闌的光闌壁(diaphragmwa11)、具有用于產(chǎn)生電子束的電子發(fā)射表面的電子源、準(zhǔn)許氣體在所述光闌壁的第一側(cè)處進(jìn)入的氣體準(zhǔn)入裝置、導(dǎo)致在所述光闌壁的另一側(cè)處形成以更低氣體壓力的形式存在的真空的真空裝置、用于產(chǎn)生將所述電子束加速達(dá)到一定能量由此使得該電子束的電子在離子化體積空間(ionization volume)中對(duì)氣體進(jìn)行離子化的加速場(chǎng)的加速裝置、和用于產(chǎn)生從所述離子化體積空間中抽出所產(chǎn)生的氣體離子的抽出場(chǎng)的抽出(extraction)裝置。
本發(fā)明還涉及一種應(yīng)用于這種設(shè)備中的氣體離子源。
背景技術(shù)：
用于這種設(shè)備的氣體離子源在美國(guó)專利No.4,500,787中是已公知的。
現(xiàn)今，具有聚焦離子束的粒子光學(xué)設(shè)備例如應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中以便實(shí)現(xiàn)通過聚焦離子束對(duì)晶片進(jìn)行加工的目的。為此目的，離子源成像到晶片上成為所謂離子斑點(diǎn)。通過這種離子源實(shí)現(xiàn)的加工速度受到該離子斑點(diǎn)中的離子電流密度的限制。通過將明亮的離子源聚焦在離子斑點(diǎn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高離子電流密度。由此所希望的是，利用不會(huì)保持在加工的晶片后面的離子，如稀有氣體離子。
所述美國(guó)專利中描述的氣體離子源包括光闌壁，在所述光闌壁的第一側(cè)處設(shè)置了處于例如0.2巴的氣體壓力下的要進(jìn)行離子化的氣體。在光闌壁的另一側(cè)處設(shè)置了真空，或至少是具有更低氣體壓力的空間。出口光闌被裝配在光闌壁中，出口光闌氣體通過所述出口光闌流出并進(jìn)入真空內(nèi)。由電子源在光闌壁的真空側(cè)處產(chǎn)生的電子受到第一電場(chǎng)，加速場(chǎng)，的加速，且通過電子透鏡被聚焦，由此電子焦點(diǎn)位于緊鄰在光闌壁的真空側(cè)上的出口光闌前面的位置處。作為電子焦點(diǎn)中的電子與射出氣體原子之間產(chǎn)生撞擊的結(jié)果，使得現(xiàn)在在離子化體積空間中形成了氣體離子，所述離子化體積空間因此位于緊鄰出口光闌的位置處。離子化體積空間的體積由其中同時(shí)出現(xiàn)高電子密度且還出現(xiàn)高氣體密度的區(qū)域確定。在第二電場(chǎng)，抽出場(chǎng)，的幫助下從離子化體積空間中抽出離子，且所述離子隨后可在本質(zhì)上已公知的粒子光學(xué)裝置的幫助下成像并受到操控。
在所述美國(guó)專利中，描述了通過保持離子化體積空間較小而可獲得氣體離子源的高亮度的方式，原因在于亮度要不然受到等離子體和空間電荷效應(yīng)的限制。由于出口光闌具有至多20μm的橫截面的事實(shí)，使得獲得了因此需要的離子化體積空間的微小尺寸。這種小的出口光闌的結(jié)果在于，在光闌壁的真空側(cè)處僅有小的體積空間，在所述體積空間處的氣體壓力高到使得有相當(dāng)大的機(jī)會(huì)形成離子。此外，根據(jù)所述美國(guó)專利，電子束應(yīng)該具有高電流密度。
從所述美國(guó)專利中不能得到亮度大小，也不能得到所產(chǎn)生離子的能量散度。
現(xiàn)今，當(dāng)需要高亮度電子源時(shí)，通常利用電子源，如采用場(chǎng)致發(fā)射器、肖特基發(fā)射器或碳納米管的源。這些源具有小的電子發(fā)射表面。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員已公知地，這些源應(yīng)該通過具有小的像差的光學(xué)器件成像，尤其當(dāng)要在圖像中獲得相對(duì)較大的電流時(shí)。
然而，當(dāng)由離子化體積空間射出離子時(shí)，光學(xué)器件可能與由離子化體積空間射出的離子產(chǎn)生空間干涉，或光學(xué)器件中使用的電場(chǎng)可能產(chǎn)生干涉。結(jié)果是，可能無法任意小地選擇成像光學(xué)器件的焦距。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員已公知地，較大焦距與較小像差的結(jié)合是互相沖突的需求。
以垂直于從離子化體積空間中抽出離子的場(chǎng)的方式從側(cè)向?qū)㈦娮幼⑷腚x子化體積空間內(nèi)使獲得較小像差的問題更加嚴(yán)重。
因此，通過所述美國(guó)專利中所述的離子源將來自高亮度電子源的電子聚焦到離子體積空間上同時(shí)獲得高電子電流是存在問題的。
在那些通過聚焦離子束對(duì)工件(如晶片)進(jìn)行加工的工業(yè)分支中，粒子光學(xué)設(shè)備需要采用具有高亮度和低能量散度的氣體離子源。僅在那種情況下，才可使形成離子斑點(diǎn)的成像光學(xué)器件所導(dǎo)致形成的幾何像差和色像差較小，從而導(dǎo)致形成所需的較小的離子斑點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種具有開頭段落中所述的類型且裝備有可在低能量散度下實(shí)現(xiàn)比目前可得的亮度更高的亮度的氣體離子源的粒子光學(xué)設(shè)備。
為此目的，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的特征在于，電子發(fā)射表面位于光闌壁的氣體側(cè)處，且電子束在離子化體積空間的位置處的直徑小于30μm。
本發(fā)明基于所述離子源要顯示出高亮度則必須同時(shí)滿足多個(gè)邊界條件的觀點(diǎn)●在所述離子化體積空間中必須可獲得高電子電流密度。這可通過利用高亮度電子源，如場(chǎng)致發(fā)射源、肖特基源或碳納米管(CNT)而實(shí)現(xiàn)。
●用于將所述離子源聚焦到所述離子化體積空間上的任何光學(xué)器件的像差必須較小。
●同時(shí)，用于聚焦所述電子源的任何光學(xué)器件不可與射出的離子束產(chǎn)生空間干涉，用于這些光學(xué)器件中的任何電場(chǎng)也不可與所述射出的離子束產(chǎn)生干涉。
●應(yīng)該避免在所述離子化體積空間中產(chǎn)生等離子體和空間電荷效應(yīng)，這是因?yàn)檫@些效應(yīng)限制了亮度。這可通過在所述離子化體積空間上的高電場(chǎng)從所述離子化體積空間中抽出所述離子而實(shí)現(xiàn)。
●同時(shí)，在所述離子化體積空間上的電壓必須足夠小，這是因?yàn)檫@樣控制了所述離子源的能量散度。為了在所述離子化體積空間上將高場(chǎng)與低電壓結(jié)合起來，所述離子化體積空間必須較小。
●正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已公知地，必須在介于約50-1000eV之間的電子能量下在所述離子化體積空間處獲得所需高電子電流密度。電子與離子撞擊的離子化效率在50eV與300eV之間出現(xiàn)最大值。高于300eV，效率迅速下降，但這是起初出現(xiàn)的情況，到約1keV的能量時(shí)，這種下降的情況通過利用更高的電子能量導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)的電子亮度增加而得到了補(bǔ)償。因此，電子在所述離子化體積空間處應(yīng)該具有介于約50-1000eV之間的能量。
●由例如所述電子發(fā)射表面的機(jī)械移置/振動(dòng)，或通過磁或電雜散場(chǎng)所導(dǎo)致產(chǎn)生的任何干涉必須足夠小以便不會(huì)或幾乎不會(huì)使所述斑點(diǎn)降級(jí)。
結(jié)合上面提到的因素，本發(fā)明人想到了解決該問題的兩種相關(guān)方案在第一解決方案中，聚焦光學(xué)器件在所述離子化體積空間上形成了電子斑點(diǎn)。為了在所述離子化體積空間中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電子電流密度，這些光學(xué)器件應(yīng)該使所述電子源的電子發(fā)射表面成像，所述成像放大率使得所述電子發(fā)射表面的幾何圖像的尺寸可與由所述光學(xué)器件的像差所導(dǎo)致產(chǎn)生的盤的尺寸相比。
下面可結(jié)合包括一個(gè)透鏡的簡(jiǎn)單光學(xué)系統(tǒng)說明這種情況由所述源側(cè)的所述透鏡接收的開度角αin決定了由所述源接收的要被聚焦在電子斑點(diǎn)中的電子電流。在所述透鏡的另一側(cè)處的角度αout決定了像差，如球面像差。從所述源到所述電子斑點(diǎn)的放大率M等于M＝αin/αout。在給定αin下(因此，在所述電子斑點(diǎn)中成像的給定電流下)，高的放大率將導(dǎo)致幾何圖像起支配作用，從而導(dǎo)致產(chǎn)生低的電子電流密度。另一方面，在低放大率下(導(dǎo)致形成較大的αout值)，所述光學(xué)器件的像差起支配作用，導(dǎo)致產(chǎn)生低的電子電流密度。當(dāng)幾何圖像和像差起到同樣的支配作用時(shí)，出現(xiàn)最優(yōu)電子電流密度。
通過實(shí)驗(yàn)可以認(rèn)識(shí)到，對(duì)于最優(yōu)電子電流密度而言，應(yīng)該選擇例如0.1-10倍的放大率，導(dǎo)致產(chǎn)生例如5-500nm的電子斑點(diǎn)。
顯然，更小的像差導(dǎo)致產(chǎn)生更高的最優(yōu)電子電流密度。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已公知地，小的像差表明從所述透鏡到所述離子化體積空間的距離較小，例如1mm或更小。當(dāng)所述電子源和所述光學(xué)器件被置于光闌壁的真空側(cè)時(shí)，正如現(xiàn)有技術(shù)的離子源中的情況那樣，它們將妨礙從出口光闌射出的離子束。
通過將所述電子源和所述光學(xué)器件置于所述光闌壁的氣體側(cè)處，它們不會(huì)阻礙從所述出口光闌射出的離子。
在第二解決方案中，應(yīng)該可在離子化體積空間中獲得高亮度電子源的所有發(fā)射物，而不用使用聚焦光學(xué)器件。通過將具有小尺寸電子發(fā)射表面的高亮度電子源置于非常接近所述離子化體積空間的位置處，可能在氣體中實(shí)現(xiàn)高電子密度，而不用對(duì)所述束進(jìn)行聚焦。通過將這種電子發(fā)射表面放置在與所述離子化體積空間的距離為約10微米數(shù)量級(jí)的位置處，在所述離子化體積空間的位置處的所述束的直徑將不大于幾微米。通過這種方式，可獲得所有或幾乎所有來自所述電子發(fā)射表面的發(fā)射電流以便在離子化體積空間中實(shí)現(xiàn)離子化。
此處，所述電子源同樣必須被放置在所述光闌壁的氣體側(cè)處，這是因?yàn)樗鲭娮釉匆蝗粚⒎恋K射出的離子。
相關(guān)聯(lián)的觀點(diǎn)因此在于將高亮度電子源放置在光闌壁的氣體側(cè)上。所述電子源的這種位置避免對(duì)從出口光闌射出的離子產(chǎn)生機(jī)械阻礙，同時(shí)使得能夠在所述離子化體積空間中實(shí)現(xiàn)電子的高電流密度。
需要提到的是，電子源通常在均勻填充的電子束中發(fā)射出的電子的一部分，而且從其它表面區(qū)域中發(fā)射出電子的另一部分和/或發(fā)射出分布在不可用角度區(qū)域上(角度分布)的電子的另一部分。在本發(fā)明的描述中，從這些其它表面中發(fā)射出的電子或具有另一種角度分布的電子的發(fā)射過程被忽略，即使這些其它束中的總電流相對(duì)于總發(fā)射電流并非小到可忽略不計(jì)的程度。
加速場(chǎng)將電子加速到對(duì)于離子化而言最優(yōu)的能量，所述能量介于50eV與1000eV之間。所述抽出場(chǎng)沿與電子源的方向相反的方向?qū)⒆鳛殡x子化的結(jié)果而形成的離子抽出所述離子化體積空間。隨后可利用本質(zhì)上已公知的粒子光學(xué)元件對(duì)抽出所述離子化體積空間的離子進(jìn)行進(jìn)一步加速。
(2)在根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的實(shí)施例中，第二壁位于所述電子發(fā)射表面與所述光闌壁之間，入口光闌被裝配在所述第二壁中，通過所述入口光闌，被加速的電子到達(dá)所述要進(jìn)行離子化的氣體。
在該實(shí)施例的情況下，其中放置了所述電子源的空間可被抽空至真空或至少具有低于要在所述光闌壁與所述第二壁之間進(jìn)行離子化的氣體壓力的壓力。由所述加速場(chǎng)加速至例如50-1000eV的能量的電子被射入要通過所述第二壁中的所述入口光闌進(jìn)行離子化的氣體內(nèi)，且在該處對(duì)所述離子化體積空間中的氣體原子進(jìn)行離子化?？赏ㄟ^所述光闌壁與所述第二壁之間的小電壓差導(dǎo)致產(chǎn)生所述抽出場(chǎng)，但也可通過被施加在所述光闌壁的真空側(cè)處且延伸通過所述出口光闌的場(chǎng)導(dǎo)致產(chǎn)生所述抽出場(chǎng)，由此所述光闌壁和所述第二壁處于相同電位下。
該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于所述電子發(fā)射表面位于具有更低壓力的空間中，這簡(jiǎn)化了適當(dāng)電子源的選擇和構(gòu)造過程。
該實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于增加所述第二壁使得能夠獨(dú)立地控制所述加速場(chǎng)、所述抽出場(chǎng)和隨后的用于對(duì)從所述出口光闌射出的離子進(jìn)行進(jìn)一步加速的場(chǎng)。
(3)在根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例中，所述光闌壁與所述第二壁之間的距離小于1μm，且所述光闌壁與所述入口光闌壁中的光闌直徑小于1μm。
例如可在兩個(gè)傳導(dǎo)材料箔片中制造這種光闌，所述兩個(gè)傳導(dǎo)材料薄片彼此附接且通過例如光致抗蝕劑彼此分開以使得在要形成所述光闌的位置處存在腔體，同時(shí)所述腔體還被連接至其中一個(gè)所述箔片中的氣體入口。這可通過利用例如半導(dǎo)體工業(yè)中使用的MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)而實(shí)現(xiàn)。通過沿約垂直于所述箔片的軸線利用聚焦離子束穿過所述兩個(gè)箔片進(jìn)行鉆孔，形成了小的且適當(dāng)對(duì)齊的光闌。通過使所述氣體入口與氣體貯存裝置相連，所述光闌之間的空間隨后填充有要進(jìn)行離子化的氣體。
這使得有可能利用極小的離子化體積空間，使得在離子化體積空間上結(jié)合高抽出場(chǎng)和低電壓成為可能，導(dǎo)致產(chǎn)生所述離子源的所需低能量散度。
(4)在根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的又一個(gè)實(shí)施例中，所述抽出場(chǎng)的方向是可逆的，由此，對(duì)于沿該場(chǎng)的第一方向的情況而言，所產(chǎn)生的氣體離子被抽出，且對(duì)于沿該場(chǎng)的另一方向的情況而言，電子通過所述出口光闌被抽出。
盡管不是必須地，但在后一種情況下可停止氣體供應(yīng)。
通過例如改變電壓而改變抽出電場(chǎng)，源將根據(jù)選擇產(chǎn)生離子束或電子束。根據(jù)這種選擇，形成電子或離子的空間基本上是相同的。根據(jù)該實(shí)施例的源的優(yōu)點(diǎn)在于，通過這種方式，可構(gòu)造設(shè)備，由此使得可能通過僅一個(gè)柱例如通過靜電粒子光學(xué)裝置利用兩類粒子互換地形成圖像、進(jìn)行分析和/或進(jìn)行加工。
(5)在根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的又一個(gè)實(shí)施例中，所述電子源是場(chǎng)致發(fā)射源或肖特基源或碳納米管(CNT)電子源。
正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已公知地，這些類型的電子源呈現(xiàn)出高亮度，使得能夠在所述離子化體積空間中實(shí)現(xiàn)所需的高電子密度。
(6)在根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的再一個(gè)實(shí)施例中，所述抽出場(chǎng)導(dǎo)致在所述離子化體積空間上形成小于10V，優(yōu)選小于5V，更優(yōu)選小于1V的電壓差。
除了氣體離子源的高亮度以外，離子束具有低能量散度也是必要的以便能夠?qū)⑺鲭x子束聚焦在小的離子斑點(diǎn)內(nèi)，這是因?yàn)槌上窳Ｗ庸鈱W(xué)元件的色像差要不然將決定所述離子斑點(diǎn)的尺寸。在所述離子化體積空間上的電場(chǎng)導(dǎo)致在所述離子化體積空間上產(chǎn)生電壓差。通過調(diào)整該場(chǎng)以使得在所述離子化體積空間的位置處的場(chǎng)導(dǎo)致產(chǎn)生例如小于10V的電壓差，離子束的能量散度也將小于10eV，以使得可形成直徑并非由色像差決定而是例如由所述離子源的幾何圖像尺寸或光學(xué)器件的球面像差決定的離子斑點(diǎn)。
當(dāng)利用所述離子斑點(diǎn)的甚至更小的直徑時(shí)，可有必要將所述離子化體積空間上的電壓限制至甚至更低的值，例如小于5V或更優(yōu)選小于1V。
(7)在根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的又一個(gè)實(shí)施例中，要進(jìn)行離子化的氣體是稀有氣體。
利用稀有氣體的優(yōu)點(diǎn)在于，易于獲得具有高純度的稀有氣體，以使得在所述離子束中作為雜質(zhì)存在的其它離子更少。此外，稀有氣體原子通常不會(huì)保持在工件后面，離子束被聚焦到所述工件上。
(8)在根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的又一個(gè)實(shí)施例中，存在裝置以保持被抽出所述離子化體積空間的電流大約恒定。
在許多應(yīng)用情況中需要保持離子電流恒定。離開所述離子化體積空間的電流可以多種方式變化，例如通過改變電子束中的電流而實(shí)現(xiàn)。畢竟，所述離子化體積空間中的電子密度的增加會(huì)導(dǎo)致所產(chǎn)生離子的數(shù)量增加。然而，電子在所述光闌壁的位置處所具有的能量產(chǎn)生變化也將具有這種效應(yīng)，原因在于離子化的可能性取決于電子能量。被準(zhǔn)入氣體的氣體壓力產(chǎn)生變化也將具有這種效應(yīng)。
通過現(xiàn)在測(cè)量離子電流，或所述離子電流的至少固定部分，且利用該測(cè)量值改變影響離子產(chǎn)生過程的參數(shù)，可能保持離開所述離子源的電流恒定。
除了測(cè)量離開所述離子化體積空間的電流以外，還可利用對(duì)與所述電流相關(guān)的效應(yīng)進(jìn)行的測(cè)量。這種情況的一個(gè)實(shí)例是由于離子化產(chǎn)生的光效應(yīng)，正如所述美國(guó)專利所提及的那樣。
(9)在根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的又一個(gè)實(shí)施例中，電子被聚焦到所述離子化體積空間上。
當(dāng)通過適當(dāng)光學(xué)器件將電子電流聚焦在例如5-500nm的電子斑點(diǎn)中時(shí)，所述斑點(diǎn)中的電子電流密度可能很高。該實(shí)施例與直徑小于1μm的出口光闌與入口光闌相結(jié)合時(shí)尤其有吸引力。
(10)在根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的又一個(gè)實(shí)施例中，存在用于測(cè)量撞擊在所述第二壁上的所述電子電流的裝置，所述測(cè)量用于將所述電子束穩(wěn)定和/或聚焦和/或定位到所述第二壁中的所述光闌上。
由于離子電流隨著所述離子化體積空間中的電子電流的變化而改變，因此必須保持穩(wěn)定的電子電流。為了將所述電子束聚焦到所述光闌上，所述光學(xué)器件可包括透鏡和偏轉(zhuǎn)器。通過位于所述第二壁上的適當(dāng)結(jié)構(gòu)例如以所述第二壁中的所述光闌為中心的環(huán)狀結(jié)構(gòu)和/或部段，所述結(jié)構(gòu)與所述壁之間且所述結(jié)構(gòu)彼此之間電絕緣，所述電子束可被聚焦和集中在所述光闌上。
這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，通過在這種結(jié)構(gòu)上掃描所述電子束，可檢測(cè)并校正與例如該束的象散相關(guān)的信息。
(11)在根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的又一個(gè)實(shí)施例中，電子束作為穩(wěn)定發(fā)散的束處于所述電子發(fā)射表面與所述離子化體積空間之間，且所述電子發(fā)射表面位于與所述出口光闌相隔小于300μm的距離處。
該實(shí)施例描述了在所述電子發(fā)射表面與所述離子化體積空間之間未使用聚焦光學(xué)器件的情況。
通過將所述電子發(fā)射表面放置在接近所述離子化體積空間的位置處，可在所述離子化體積空間中獲得由所述電子發(fā)射表面產(chǎn)生的總電流，或所述總電流的相當(dāng)大部分。所述加速場(chǎng)將所述電子直接加速至所述離子化體積空間作為發(fā)散束。
不使用對(duì)所述電子束進(jìn)行聚焦的裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，這有助于在更大程度上實(shí)現(xiàn)氣體離子源的簡(jiǎn)單性和緊湊性。
(12)在根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例中，所述電子源的所述電子發(fā)射表面位于所述準(zhǔn)入氣體中。
所述離子化體積空間現(xiàn)在位于所述電子發(fā)射表面與所述出口光闌之間，但也可通過所述出口光闌延伸進(jìn)入所述真空空間內(nèi)。在所述光闌壁的氣體側(cè)處，施加所述加速場(chǎng)。在所述光闌壁的所述真空側(cè)處，施加所述抽出場(chǎng)，所述抽出場(chǎng)可延伸通過或可不延伸通過所述出口光闌。所述加速場(chǎng)和所述抽出場(chǎng)具有相反的方向(符號(hào))，這是因?yàn)樗黾铀賵?chǎng)必須對(duì)帶負(fù)電的離子進(jìn)行加速，且所述抽出場(chǎng)必須抽出帶正電的離子，二者都沿相同方向行進(jìn)。在所述離子化體積空間的所述第二電場(chǎng)大于所述第一電場(chǎng)的部分中，離子被抽出所述離子化體積空間。
應(yīng)該注意到，將所述電子發(fā)射表面放置在接近所述離子化體積空間的位置處的結(jié)果在于，該電子發(fā)射表面必須在氣體壓力相對(duì)較高的環(huán)境中進(jìn)行操作。在所述美國(guó)專利中，所引證的在所述離子化體積空間的位置處的氣體壓力具有0.1巴的數(shù)量級(jí)。在根據(jù)本發(fā)明的離子源中，在離子化體積空間的位置處，且由此同時(shí)在所述電子發(fā)射表面的位置處，的氣體壓力將具有與所述美國(guó)專利中引證的數(shù)量級(jí)可相比的數(shù)量級(jí)。
盡管通常的印象是，高亮度電子源如場(chǎng)致發(fā)射源將僅在高真空(壓力低于例如10-9毫巴)下發(fā)揮作用，這是因?yàn)橐蝗豢赡馨l(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象(arc-over)，這將損傷所述場(chǎng)致發(fā)射源，但發(fā)現(xiàn)如果所采用的電壓低于本領(lǐng)域技術(shù)人員已公知的帕邢曲線(Paschen curve)中的最小值的話，則不會(huì)發(fā)生這種閃絡(luò)現(xiàn)象。對(duì)于兩個(gè)電極之間的氣體的情況而言，帕邢曲線表示一方面氣體壓力與發(fā)生放電的距離的乘積與另一方面發(fā)生放電的閃絡(luò)電壓之間的關(guān)系。對(duì)于所有氣體而言，該關(guān)系證實(shí)最小值出現(xiàn)在200伏特與500伏特之間的電壓處。在場(chǎng)致發(fā)射源中的電壓低于該最小值的情況下，不發(fā)生氣體放電。
通過適當(dāng)選擇所述電子發(fā)射表面與所述光闌壁之間的距離，將電子加速至50伏特與300伏特之間的能量的加速場(chǎng)還可用作從所述場(chǎng)致發(fā)射源發(fā)射出電子所必要的場(chǎng)。
該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，場(chǎng)致發(fā)射源或碳納米管電子源是明亮的、具有較小的發(fā)射表面且便于小型化。


下面基于附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，由此使用相同的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的元件。為此目的圖1是根據(jù)本發(fā)明的離子源的示意圖，其中電子發(fā)射表面位子氣體中；圖2是根據(jù)本發(fā)明的離子源的示意圖，其中氣體被準(zhǔn)許進(jìn)入兩個(gè)壁之間；圖3是用于根據(jù)本發(fā)明的離子源中的微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖，其中電子被聚焦在離子化體積空間上；圖4是采用圖3所示的微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根據(jù)本發(fā)明的離子源的示意圖；和圖5是根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的離子源，其中電子發(fā)射表面4位于氣體中。圖中示出了其中具有出口光闌2的光闌壁1。出口光闌2的尺寸小于20μm。在光闌壁1的一側(cè)上，處于例如0.2巴壓力下的氣體被準(zhǔn)許進(jìn)入。在另一側(cè)上保持真空或至少更低的氣體壓力。其結(jié)果是，氣體將流出該準(zhǔn)許氣體進(jìn)入的空間、通過出口光闌2、進(jìn)入保持真空的空間內(nèi)。光闌壁1由導(dǎo)電材料如金屬制成，或具有導(dǎo)電表面。在緊鄰出口光闌2的位置處，設(shè)置了電子源例如具有電子發(fā)射表面4的場(chǎng)致發(fā)射源3。在場(chǎng)致發(fā)射源3與光闌壁1之間，由電壓源10產(chǎn)生了電位差。結(jié)果是，在電子發(fā)射表面4與光闌壁1之間存在第一電場(chǎng)。該第一電場(chǎng)沿光闌壁1的方向具體而言朝向出口光闌2對(duì)由電子發(fā)射表面4發(fā)射出的電子進(jìn)行加速。第一電壓源10的電壓被選定介于50伏特與300伏特之間，以使得在光闌壁1處的電子具有50eV至300eV的能量。結(jié)果是，射出氣體中的電子將導(dǎo)致在離子化體積空間20中進(jìn)行離子化過程。
電子束5的直徑在從電子發(fā)射表面4向出口光闌2移動(dòng)的過程中穩(wěn)定地增加。利用本質(zhì)上已公知的模擬程序和/或經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員有可能確定與電子發(fā)射表面4相隔不同距離的電子束5的直徑，且有可能選擇從電子發(fā)射表面4到出口光闌2的距離以使得電子束5在出口光闌2的位置處的直徑小于出口光闌2的直徑。
通常，電子發(fā)射表面4與出口光闌2之間的距離將必須小于約10倍的電子束5在出口光闌2的位置處的所需直徑。為了允許來自場(chǎng)致發(fā)射源3的發(fā)射電流的相當(dāng)大部分例如約一半落入出口光闌2的直徑內(nèi)，即落入至多20μm的直徑內(nèi)，電子束5在出口光闌2的位置處的直徑因此必須小于約30μm，且因此，場(chǎng)致發(fā)射源3的電子發(fā)射表面4將必須位于與出口光闌2相隔小于300μm的距離的位置處。按照這種方式，在離子化體積空間20內(nèi)可獲得場(chǎng)致發(fā)射源3的全部或至少相當(dāng)大部分的發(fā)射電流。
利用第二電壓源11將光闌壁1保持在一定的對(duì)地電壓下，結(jié)果是，在光闌壁1的真空側(cè)處，第二電場(chǎng)占據(jù)優(yōu)勢(shì)，所述第二電場(chǎng)的方向與第一電場(chǎng)的方向相反。作為該第二電場(chǎng)的結(jié)果，所產(chǎn)生的離子被抽出離子化體積空間20。此外，該場(chǎng)將使由場(chǎng)致發(fā)射源3發(fā)射出的電子受阻。結(jié)果是，電子能量將降低至低于約50eV，在所述能量下將不會(huì)或幾乎不會(huì)再發(fā)生離子化過程。結(jié)果是，離子化體積空間20的尺寸將受到限制。
有必要提到，盡管如前所述，出口光闌2的直徑為至多20μm，且電子發(fā)射表面4與光闌壁1之間的最大距離為300μm，但可能設(shè)想可應(yīng)用小得多的直徑和距離的實(shí)施例，尤其是當(dāng)利用場(chǎng)致發(fā)射源3作為電子源3時(shí)。當(dāng)由電壓源10產(chǎn)生的電場(chǎng)還被用于導(dǎo)致由場(chǎng)致發(fā)射器進(jìn)行場(chǎng)致發(fā)射時(shí)，電子發(fā)射表面4與光闌壁1之間的距離將通常必須被選擇以小于1μm，且出口光闌2的直徑也將必須具有相同數(shù)量級(jí)。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的離子源，由此氣體被準(zhǔn)許進(jìn)入兩個(gè)壁之間。在光闌壁1與場(chǎng)致發(fā)射源3之間，放置了第二壁6，且第二光闌7位于該第二壁6中。第一電壓源10導(dǎo)致在場(chǎng)致發(fā)射源3與該第二壁6之間形成第一電場(chǎng)，結(jié)果使得來自電子發(fā)射表面4的電子被加速并通過第二光闌7到達(dá)離子化區(qū)域20。同樣地，在這種情況下，電子束5的直徑在從電子發(fā)射表面4向出口光闌2移動(dòng)的過程中穩(wěn)定地增加，正如上面提到地。第二電壓源11導(dǎo)致在離子化體積空間20上形成第二電場(chǎng)，結(jié)果使得所產(chǎn)生的離子被抽出離子化體積空間20且通過光闌壁1中的光闌2到達(dá)真空空間。第三電壓源12對(duì)離子進(jìn)行進(jìn)一步加速，以使得可利用本質(zhì)上已公知的粒子光學(xué)裝置使離子源成像。
要進(jìn)行離子化的氣體被準(zhǔn)許進(jìn)入光闌壁1與第二壁6之間?，F(xiàn)在有可能對(duì)放置了場(chǎng)致發(fā)射源3的空間進(jìn)行抽真空，以使得場(chǎng)致發(fā)射源3所處的區(qū)域具有比在離子化體積空間20的位置處的壓力更低的壓力。
圖3示意性地示出了用于根據(jù)本發(fā)明的離子源中的微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中電子被聚焦在離子化體積空間上。
兩個(gè)傳導(dǎo)箔片101、102彼此附接且通過厚度為例如1μm的光致抗蝕劑層111彼此分開。光致抗蝕劑層未完全填充兩個(gè)箔片之間的空間，而是留下了開口的腔體112。分別在從半導(dǎo)體晶片上切割下來的半導(dǎo)體模片如Si3N4模片103、104上形成箔片101、102。箔片材料可以是金屬如Mo。模片為箔片提供了支承且還使得能夠生產(chǎn)箔片。采用光刻工藝在模片中形成凹部105、106、107和108。還在Si3N4模片上形成了由例如Mo制成的傳導(dǎo)層109、110。在箔片中，形成了兩組光闌，入口光闌120、出口光闌121，以及孔113和114，聚焦的電子束130通過所述入口光闌進(jìn)入腔體112，離子可通過所述出口光闌被射出腔體112，具有例如0.2巴的氣體壓力的氣體被準(zhǔn)許通過所述孔到達(dá)腔體。入口光闌和出口光闌都具有例如100nm的較小尺寸，而準(zhǔn)許氣體通過的孔可具有例如1μm的更大尺寸。
通過高亮度電子源，例如本質(zhì)上已公知的場(chǎng)致發(fā)射器、肖特基發(fā)射器或碳納米管電子發(fā)射器產(chǎn)生聚焦電子束130。通過電子光學(xué)器件領(lǐng)域的技術(shù)人員已公知的聚焦電子光學(xué)器件使所產(chǎn)生的電子得到加速且被聚焦在微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的入口光闌上。在入口光闌120與出口光闌121之間同時(shí)出現(xiàn)了高氣體壓力和高電子密度，由此形成了離子化體積空間122。施加在兩個(gè)箔片101、102之間的例如1V的較小電壓沿箔片102的方向?qū)π纬傻碾x子進(jìn)行加速，它們可通過出口光闌121離開腔體112，以朝向本質(zhì)上已公知的用于操控離子的粒子光學(xué)元件受到進(jìn)一步加速。通過出口孔121離開腔體112的束131包括離子和電子，但當(dāng)離子朝向用于操控離子的粒子光學(xué)元件被加速時(shí)，電子得到減速直至它們失去向前的動(dòng)量且例如被反射回傳導(dǎo)層110。
由于入口光闌和出口光闌具有例如50nm的較小尺寸，因此作為與箔片101、102之間距離的函數(shù)的腔體112外部的氣體壓力將極快地下降。此外，從腔體112流入模片外部的體積空間內(nèi)的氣體量極小，以使得即使當(dāng)利用容量有限的泵送裝置時(shí)，離子化體積空間仍限于箔片之間的區(qū)域，原因在于所需的高氣體壓力僅存在于箔片之間。這還表明在束131所進(jìn)入的體積空間中，氣體分子與離子之間不發(fā)生或僅以可忽略的方式發(fā)生電荷交換。這種電荷交換是所不希望的，原因在于這將導(dǎo)致所形成的離子束產(chǎn)生能量寬化。此外，在設(shè)置離子源一側(cè)的氣體壓力可易于被泵抽達(dá)到使得這些源可發(fā)揮作用的真空壓力。
為了準(zhǔn)許氣體到達(dá)孔113和114，Si3N4模片例如通過夾持和/或利用膠粘劑被例如附接在保持器之間，所述保持器被連接至氣體供應(yīng)裝置。通過這種方式，可在微觀腔體與氣體所在的宏觀空間之間形成橋。
應(yīng)該注意到，Si3N4模片不需要具有僅兩個(gè)孔以準(zhǔn)許氣體進(jìn)入。
正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚地，可在形成入口或出口光闌的位置周圍形成孔的環(huán)。此外，所述孔不需要是圓的，而是可具有任何形狀。還有可能僅在一個(gè)模片(模片103或模片104)中形成孔。
應(yīng)該注意到，利用晶片和在其上實(shí)施的光刻工藝制造小型粒子光學(xué)結(jié)構(gòu)如透鏡和偏轉(zhuǎn)器是已公知的。盡管圖中未示出，但構(gòu)想這種結(jié)構(gòu)可被包括在根據(jù)本發(fā)明的離子源中。
圖4示意性地示出了采用圖3所示的微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根據(jù)本發(fā)明的離子源。
圖4示出了可易于從例如FEI公司獲得的肖特基發(fā)射器400，所述肖特基發(fā)射器沿光軸401發(fā)射出電子束402。通過由于發(fā)射器400的尖端與抽出器(extractor)電極403之間的電壓差而導(dǎo)致形成的電場(chǎng)從肖特基發(fā)射器中抽出電子。從電子源的方向進(jìn)行觀察，由分段的板電極404形成的組合透鏡/偏轉(zhuǎn)器位于抽出器403后面，其中部段之間的電壓差導(dǎo)致產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)器作用且組合部段相對(duì)于抽出器電極403和電極405的電壓差導(dǎo)致產(chǎn)生透鏡作用。
應(yīng)該注意到，該分段電極404還可被用作象散校正裝置(stigmator)。
電極405還被連接至微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)410(圖3所示的微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu))的側(cè)部，在所述側(cè)部處電子進(jìn)入所述微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的另一側(cè)被連接至電極406。電極405與406之間且因此微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)箔片之間具有的例如1V的電壓導(dǎo)致在離子化體積空間上形成電場(chǎng)。電極405與406的連接使得與微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)410之間形成了真空密封，且氣體通過這些電極進(jìn)入并到達(dá)微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的腔體。電極408抽出在微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)410中形成的離子，導(dǎo)致形成從微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中發(fā)射出的離子束409。
圖5示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的粒子光學(xué)設(shè)備。
圖中示出了所謂的雙束設(shè)備，其中離子束510和電子束520被同時(shí)聚焦在放置在真空室502中的工件如半導(dǎo)體晶片501上。
應(yīng)該注意到，盡管這種設(shè)備是已公知的，但離子種類通常限于由液體金屬離子源如鎵產(chǎn)生的離子。
離子束510由離子柱511產(chǎn)生，所述離子柱包括根據(jù)本發(fā)明的離子源512、用于將離子束510聚焦到晶片501上的聚焦裝置如靜電透鏡513以及用于使離子束510在工件501上產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)且形成光柵的偏轉(zhuǎn)器514。所產(chǎn)生的離子，例如重稀有氣體如氙，可用于改變晶片。
電子束520由本質(zhì)上已公知的電子柱521產(chǎn)生，所述電子柱包括電子源522、靜電或磁透鏡523和偏轉(zhuǎn)器524。
離子柱511和電子柱521受到控制單元503的控制。
進(jìn)一步地，所述設(shè)備可包括用于檢測(cè)例如背散射電子的檢測(cè)器504，所述電子是由于在晶片上掃描的電子轟擊晶片而導(dǎo)致產(chǎn)生的，由此獲得晶片501的空間信息。通過將該信息提供給控制單元503，該控制單元可在屏幕505上產(chǎn)生由設(shè)備使用者觀察到的圖像。
可從離子柱511外部將離子源512中使用的氣體供給至離子源，但由于離開離子源中的出口和入口光闌的氣體量極少(由于光闌直徑較小的原因)，因此還可能在離子柱中包括氣體罐。
應(yīng)該清楚，在不偏離本發(fā)明范圍的條件下，多種變型和改變可應(yīng)用于上文所述的實(shí)施例中。
權(quán)利要求
1.一種裝備有氣體離子源的粒子光學(xué)設(shè)備，所述氣體離子源包括光闌壁(1)，具有至多20μm的直徑的出口光闌(2)被裝配在所述光闌壁中，具有用于產(chǎn)生電子束(5)的電子發(fā)射表面(4)的電子源(3)，準(zhǔn)許氣體在所述光闌壁(1)的第一側(cè)處進(jìn)入的氣體準(zhǔn)入裝置，導(dǎo)致在所述光闌壁(1)的另一側(cè)處形成以更低氣體壓力的形式存在的真空的真空裝置，用于產(chǎn)生將所述電子束(5)加速達(dá)到一定能量由此使得該電子束(5)的所述電子在離子化體積空間(20)中對(duì)所述氣體進(jìn)行離子化的加速場(chǎng)的加速裝置(10)，和用于產(chǎn)生從所述離子化體積空間(20)中抽出所產(chǎn)生的氣體離子的抽出場(chǎng)的抽出裝置(11)，其特征在于，所述電子發(fā)射表面(4)位于所述光闌壁(1)的所述氣體側(cè)處，并且所述電子束(5)在所述離子化體積空間(20)的位置處的直徑小于30μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粒子光學(xué)設(shè)備，其中第二壁(6)位于所述電子發(fā)射表面(4)與所述光闌壁(1)之間，入口光闌(7)被裝配在所述第二壁(6)中，通過所述入口光闌(7)，被加速的電子到達(dá)要進(jìn)行離子化的所述氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的粒子光學(xué)設(shè)備，其中所述光闌壁(1)與所述第二壁(6)之間的距離小于1μm，且所述光闌壁與所述第二壁中的光闌直徑小于1μm。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子光學(xué)設(shè)備，其中所述抽出場(chǎng)的方向是可逆的，由此，對(duì)于沿該場(chǎng)的第一方向的情況而言，所產(chǎn)生的氣體離子被抽出，且對(duì)于沿該場(chǎng)的另一方向的情況而言，電子通過所述出口光闌(2)被抽出。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子光學(xué)設(shè)備，其中所述電子源(3)是場(chǎng)致發(fā)射源或肖特基源或碳納米管電子源。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子光學(xué)設(shè)備，其中所述加速場(chǎng)和所述抽出場(chǎng)共同導(dǎo)致在所述離子化體積空間(20)上形成小于10V，優(yōu)選小于5V，更優(yōu)選小于1V的電壓差。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子光學(xué)設(shè)備，其中所述準(zhǔn)入氣體是稀有氣體。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子光學(xué)設(shè)備，其中存在裝置用以保持被抽出所述離子化體積空間(20)的電流大約恒定。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子光學(xué)設(shè)備，其中所述電子被聚焦到所述離子化體積空間(20)上。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子光學(xué)設(shè)備，其中提供了用于測(cè)量撞擊在所述第二壁(6)上的所述電子電流的裝置，所述測(cè)量用于將所述電子束穩(wěn)定和/或聚焦和/或定位到所述第二壁中的所述入口光闌(7)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的粒子光學(xué)設(shè)備，其中所述電子束在所述電子發(fā)射表面(4)與所述離子化體積空間(20)之間發(fā)散，且所述電子發(fā)射表面位于與所述出口光闌(2)相隔小于300μm的距離處。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的粒子光學(xué)設(shè)備，其中所述電子發(fā)射表面(4)位于所述準(zhǔn)入氣體中。
13.一種用于根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的粒子光學(xué)設(shè)備中的氣體離子源。
全文摘要
一種具有高亮度和低能量散度的電子撞擊氣體離子。通過從一側(cè)將電子注入較小的離子化體積空間(尺寸從小于1μm到幾十微米)且從另一側(cè)抽出離子而實(shí)現(xiàn)該高亮度。通過高亮度電子源如場(chǎng)致發(fā)射器或肖特基發(fā)射器產(chǎn)生被注射的電子。在一個(gè)實(shí)施例中，在源與離子化體積空間之間沒有光學(xué)器件的情況下，通過將場(chǎng)致發(fā)射器接近所述離子化體積空間(如30μm)放置而在所述離子化體積空間中實(shí)現(xiàn)所需高電子密度。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述源被成像到微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上。兩個(gè)例如50nm的小光闌被隔開例如1μm。電子通過這些光闌中的一個(gè)進(jìn)入，而離子通過另一個(gè)光闌離開所述離子化體積空間。例如通過用離子束鉆孔制造所述兩個(gè)光闌，從而導(dǎo)致形成兩個(gè)小的且適當(dāng)對(duì)齊的光闌。
文檔編號(hào)H01L21/265GK101026080SQ200710006000
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2007年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月22日
發(fā)明者P·克魯特, V·N·唐達(dá)雷 申請(qǐng)人:Fei公司