CN103151233A - 结合具有可选择离子的聚焦离子束柱使用的感应耦合等离子体离子源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结合具有可选择离子的聚焦离子束柱使用的感应耦合等离子体离子源。在等离子体腔中具有多种气体的感应耦合等离子体源向聚焦的柱提供多个离子种类。滤质器允许选择特定离子种类以及在各个种类之间快速地改变。

Description

结合具有可选择离子的聚焦离子束柱使用的感应耦合等离子体离子源

技术领域

本发明涉及带电离子束加工系统，且具体地涉及具有可选择离子种类的带电离子束系统。

背景技术

聚焦离子束（FIB）系统用于集成电路制造和纳米技术中的各种应用中，以形成和改变微米级和纳米级的结构。FIB系统能够使用各种源来产生离子。例如，液态金属离子源（LMIS）能够提供高分辨率的加工（即，小的斑点尺寸），但是通常产生低的束电流。

使用镓LMIS的典型系统能够提供五至七个纳米的横向分辨率。这种系统广泛地用于微米级至纳米级尺度的材料特征形成和处理。镓LMIS包括涂覆有镓层的尖针。当电场被施加到液态镓以从该源中提取离子时，该针保持在高温下。

具有镓LMIS的FIB系统例如能够用于以高精度来成像、研磨、沉积和分析。研磨或显微机加工包括移除该表面处或该表面附近的大量材料。研磨能够在不具有蚀刻辅助气体的情况下以动量传递加工（所谓的溅射）的方式被执行，或者在使用蚀刻辅助气体的情况下以所谓的化学辅助离子束蚀刻的加工的方式被执行。转让给本发明的受让人的美国专利No. 5,188,705描述了一种化学辅助离子束蚀刻加工。在化学辅助离子束蚀刻中，蚀刻增强气体在存在离子束的情况下反应以与表面材料结合，从而形成不稳定的复合物。在FIB沉积中，前体气体（例如，有机金属复合物）在存在离子束的情况下分解，以将材料沉积到目标表面上。

在上文描述的全部加工中，束中镓离子的功能在于提供能量，以用于通过溅射使得工件上的颗粒物理移位或者激活粘附到表面上的分子的化学反应。镓自身通常并不参与该反应。镓用于该束中，这是因为镓的特性（例如，熔点、电离能量和质量）使其适于形成为与通常使用的工件材料相互作用的窄束。使用镓LMIS具有以下缺点。镓原子注入到工件中，并且在许多应用中产生了不想要的副作用，例如改变了工件的不透明性或电气特性。镓还在轰击区域中破坏了晶体结构。同样，为了产生十分窄的束，来自LMIS的束的电流必须保持相对较低，这意味着低的蚀刻速率以及更长的加工时间。

虽然期望对于不同的应用使用不同的离子种类，但是液态金属离子源在其能够产生的离子类型方面受到限制。仅能够使用具有合适熔点、电离能量和质量的金属种类，因而这限制了从LMIS中可用的离子种类。虽然还期望能够对于不同的加工步骤快速地改变离子种类，但是改变LMIS的离子种类需要从真空腔中移除该源并且将其用不同的源替换，这必须经历费时的准备过程。存在提供不止一种金属的离子的液态金属合金源。从这种源获得的可用的离子类型局限于形成了具有合适特性的合金的金属组合。一些液态金属合金系统（例如，在Parker等人的名称为“Method for Repairing Semiconductor Masks & Reticles”的美国专利No. 5,165,954中描述的那样）结合这样的滤质器使用，所述滤质器将不同种类的离子分离，使得撞击目标物的束包括单个种类。

一些类型的滤质器，例如ExB滤质器或“Wien滤质器”，使用电场以及与该电场垂直的磁场，该电场和磁场使得选定质量和能量的离子通过滤质器，而具有其他质量或能量的离子被偏转到屏障物中。ExB滤质器的偏转取决于离子的能量，然而在束中始终具有一些能量变化，因此该滤质器在该系统中引入色差、使得束散开并且降低了束的分辨率。滤质器内的不均匀场也有助于束的像差。

等离子体离子源离子化等离子体腔中的气体，并且提取离子以形成被聚焦在工件上的束。等离子体离子源（例如，在Coath和Long发表的“A High-Brightness Duoplasmatron Ion Source Microprobe Secondary Ion Mass Spectroscopy,” Rev. Sci. Instruments 66(2), p. 1018 (1995)中描述的双等离子体发射器等离子体离子源）已经被用作离子束系统的离子源，尤其用于质谱分析和离子注入的应用中。由于从等离子体腔提取的离子的能量分散，因此双等离子体源的离子不能够像来自LMIS的离子那样聚焦到那么小的斑点上。双等离子体发射器离子源例如用于在大面积上注入离子或用于飞行时间质谱分析。在飞行时间质谱分析中，主束中的离子使得来自表面的离子溅射，并且每个溅射离子的质量由溅射离子到达检测器所需的时间来确定。为了获得精确的测量，有必要精确地知道主束中的离子何时撞击该表面。许多气体种类包括具有稍微不同质量的多种同位素，并且由于主束中的不同同位素将在不同的时间到达样本，因此滤质被用于分离同位素，使得单个同位素在精确知道的时间到达该样本。

近年来，感应耦合等离子体（ICP）离子源已经开始用于FIB系统中。ICP源中的创新在于具有降低的色差，允许更高分辨率的加工，这创造了用于离子束加工（包括成像）的新机会。

许多不同类型的气体能够用于等离子体离子源中，以提供各种离子种类，使得这些离子种类能够针对不同应用被优化。例如，氦离子对于成像或光学抛光是有用的，而氙离子提供了用于批量加工的相对高的研磨速率。等离子体离子源能够产生许多不同种类的离子并且具有大的电流，但是束分辨率受限制。当使用者想要改变等离子体源中的离子种类时，必需从等离子体腔移除第一气体并且将其替换为第二气体。被转让给本发明的受让人并且以引用的方式结合到本文的名称为“Multi-Source Plasma Focused Ion Beam System”的美国专利公布No. 2009/0309018中描述了一种系统，该系统用于将多种气体提供到等离子体腔，以提供用于执行不同的带电离子束操作的不同离子种类。不幸的是，该系统可能要花费长达30分钟来从等离子体腔移除一种气体以及将其用第二气体充满。用于等离子体离子源的气体入口通常具有小开口，气体通过该小开口被供应，以保持等离子体腔中的压力。由于气体被十分缓慢地使用，因此用于补充气体的小开口是很小的。这使得针对许多应用来改变气体将花费不可接受的长时间，所述许多应用使用不同的加工气体来顺序地加工工件。

图1示出了用于结合FIB系统（例如，在美国专利公布No.2009/0309018中描述的FIB系统）使用的典型的现有技术ICP离子源100。气体从外部供气管线104通过气体过滤器106然后被提供到具有限流部110的毛细管件108，最后提供到源管103内的等离子体腔102。能量由天线线圈114从RF电源113输送到等离子体腔102中，并且离子由提取器电极120通过源电极118中的源电极孔116来提取。分离的法拉第屏蔽121降低了线圈114与腔102中的等离子体之间的电容耦合，在腔102中降低了所提取的离子的能量分散。电源113优选地以“平衡”的方式驱动天线114，也就是说，天线上的电相移被调节以减少对等离子体电势的调制，如在Keller等人的名称为“Magnetically enhanced, inductively coupled plasma source for a focused ion beam system”的美国专利公布No. 20080017319中所述的那样，该专利公布被转让给本发明的受让人并且以引用的方式结合到本文。平衡天线优选地提供了等离子体内的射频能量场的零点，这降低了从等离子体腔102提取的离子的能量分散。

被引导进出等离子体腔102的气体通过毛细管件（在源管件103的顶部）中的限流部110以及源电极118中的孔116（通常，直径小于? mm）。通过阀123连接到供气管线104的泵122通过毛细管件108和供气管线104从等离子体腔102移除气体。离子柱泵（未示出）通过源电极孔116从等离子体腔102提取气体。多个气源（例如，气体存储装置130A、气体存储装置130B、气体存储装置130C、气体存储装置130D）通过相应阀131A至131D将气体供应到供气管线104中。束电压源132将高电压供应到腔102中的等离子体，并且提取电压源134将电压供应到提取电极120。提取的离子和电子由聚焦电极136来聚焦。聚焦的柱和样品腔的附加细节未被示出。

为了从等离子体腔的内部移除气体，供气管线104如所示地被泵吸，以便在毛细管件108中的限流部110上方移除源管中的气体。FIB系统在源电极118下方的容积还使用主腔真空泵（未示出）来适当地施加泵吸。

由于源电极孔116和限流部110都具有小直径并且相应地具有相当低的气体传导，因此不可能从源管103的内部快速地泵吸出。这是缺点，尤其对于生产FIB系统来说，在该FIB系统中有时期望执行利用了不同离子种类的顺序加工步骤。首先，在基础压力足够低至引入第二加工气体之前，可能花费长得多的时间来从源管103中泵吸出第一加工气体。气体的不充分清扫可能在整个离子化中导致对等离子体的污染。名称为“Methods and Structures for Rapid Switching between Different Process Gases in an Inductively-Coupled Plasma (ICP) Ion Source”的美国专利申请No. 13/182,187描述了这样的等离子体腔设计，通过提供用于气体进出真空腔的另选路径，该等离子体腔设计提供了等离子体源中的气体的快速更换。

因此，提供不同离子种类的高分辨率束受到了长的气体更换时间的限制，或者在金属合金源的情况下，金属存在于合金中，这些金属通常受到基于材料相容性来形成这种合金的能力的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种FIB系统，该FIB系统用于在不同离子种类之间进行快速切换。

根据本发明的优选实施方式，为FIB柱提供了一种ICP离子源。该等离子体离子源包含不止一种类型的气体，以提供不同种类的离子。包括了聚焦束的离子种类通过使用滤质器从离开该源的多个离子种类中被选取。

前述内容已经相当宽泛地勾勒出本发明的特征和技术优势，以便能够更好地理解本发明的后述的详细说明。本发明的附加特征和优势将在下文被描述。本领域技术人员应当理解的是，所公开的概念和具体实施方式能够容易地用作用于实施本发明的相同目的而修改或设计的其他结构的基础。本领域技术人员还应当认识到的是，这种等同结构不偏离由所附权利要求书阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更透彻地理解本发明及其优势，现将结合附图参考下述说明，在附图中：

图1示出了使用ICP离子源的现有技术FIB系统的截面示意图。

图2A示出了FIB系统的第一实施方式的截面示意图，所述FIB系统使用ICP离子源，并且具有用于选择撞击样品的离子种类的滤质器。图2B示出了FIB系统的第二实施方式的截面示意图，所述FIB系统使用ICP离子源，并且具有用于选择撞击该样品的离子种类的滤质器。

图3示出了使用像差校正Wien ExB滤质器的一种滤质器的实施方式。

图4示出了使用两个静电极片的滤质器的实施方式，每个静电极片具有单独的电连接。

图5示出了用于本发明的一些实施方式中的ExB滤质器的实施方式的立体的四分之一剖视图。

图6示出了沿图5的剖面线C-C的侧视剖面图，其示出了用于本发明的一些实施方式的ExB滤质器的磁路。

图7示出了根据本发明的优选方法的流程图。

具体实施方式

优选的实施方式包括ICP离子源以及滤质器，该ICP离子源在其中具有多个气体种类，所述滤质器用于从提取自该源的多个离子种类中选取离子种类以便以聚焦离子束的方式撞击目标物。优选的实施方式提供了用于几乎不受限制的各种应用中的十分宽范围的质量和束电流选择。这不同于例如飞行时间质谱分析中的滤质方面，在飞行时间质谱分析中，单个种类选自稍微不同质量的多个同位素。ICP源和滤质器的组合提供对这样的问题的解决方案，所述问题是：提供高分辨率束，并且还提供在可选择的离子种类中的宽泛选择之间的快速切换。滤质器允许不同种类的离子在束的形成期间离开该源，其中选择特定的种类，而其他种类则借助滤质器被拒绝。由于在操作期间多种气体存在于等离子体中，因此借助于改变滤质器的构造从而能够在少于一分钟、少于一秒钟、少于0.5秒、或少于0.1秒内快速地改变离子种类。

优选的滤质器是Wien滤质器，也称为ExB滤质器，这是因为束行进通过具有磁场以及与该磁场垂直的电场的区域。还能够使用其他类型的滤质器，例如四极滤质器（quadrupole）、扇形仪表装置或球形电容器。ICP等离子体源和ExB滤质器在结合以混合的源气体的情况下提供了一种用于同时产生包括了来自全部源气体的离子的等离子体的方法。气体能够按照来自预混合气体源的固定比或者按照来自单独气体源的可选择比从而被引入到等离子体腔中。等离子体腔中的混合气体不是污染的结果，也不是同一元素的不同同位素的结果，而是包括不同元素，每种元素在等离子体中具有足够的量以形成用于加工工件的束。

虽然ExB滤质器已知将在束中引入色差以及其他像差，但是申请人已经发现，离开IPC等离子体源的离子之中的能量变化相当小，使得在经过滤质的束和聚焦的柱中引入的像差是小的，由此提供小的斑点尺寸以及高分辨率的加工。优选的ICP产生同一种类的离子，其能量分散小于40 eV、更优选地小于20 eV、并且最优选地小于6 eV。ICP等离子体源、滤质器和离子柱的组合能够提供这样的离子束，该离子束的斑点尺寸（或光点直径）小于1微米、小于500 nm、小于100 nm或小于50 nm。由ICP和滤质器的组合在工件处提供的束电流通常在1 pA和10 μA之间。在一个实施方式中，ICP等离子体源和滤质器的组合能够提供具有10 μA电流并且斑点尺寸小于200 μm、小于500 nm或小于100 nm的束。在另一实施方式中，ICP等离子体源和滤质器的组合能够提供具有1 μA电流、并且斑点尺寸小于500 nm、小于100 nm或小于50 nm的束。在另一实施方式中，ICP等离子体源和滤质器的组合能够提供具有10 nA电流、并且斑点尺寸小于200 nm、小于100 nm或小于25 nm的束。在另一实施方式中，ICP等离子体源和滤质器的组合能够提供具有1 pA电流、并且斑点尺寸小于20 nm、小于10 nm或小于5 nm的束。通过源中的透镜模式操作、分离的法拉第屏蔽（split faraday shield）和平衡天线以及用于减少滤质器中的像差的各种技术来改善束分辨率。取决于具体应用所需的分辨率，并非全部的分辨率增强特征都要用于每个实施方式中。

ExB滤质器允许选择或拒绝来自混合源的一个离子种类，以实施通过使用特定离子（例如，光离子、重离子、惰性离子或反应离子）受益的具体操作。一个实施方式使用了十分轻的离子、中等重量离子和重离子（例如，氖、氩和氙）的混合气体，这允许宽范围的离子质量以覆盖宽泛的应用范围。

一些实施方式设置成使这些气体的成分和/或比例通过如下方式来加以控制，所述方式为：使离散气体在被引入到等离子体源中之前处在公共空间中，从而在外面预先混合。然后，公共空间借助供气管线被连接到离子源。在其他实施方式中，气体连接到来自多个单独气体源的供气管线，每个气体源都盛装单个气体种类。实施方式允许宽范围的功率和压力设置，这可以优选地增加一个期望种类相比于另一种类的性能，同时借助于使用滤质器仍然保持离子种类选择能力。例如，不同的气体（例如，氧气和氙气）能够以可变化学当量比混合，并且通过在不同的功率和压力工况下的操作被进一步优化。通常，气压的下限由对应于最受限制的气体的高电压击穿的压力来限定。由帕邢（Paschen）通过详尽的表征良好地建立了：存在用于许多特定气体种类的唯一功率和压力关系。该关系限定了：在规定电压下并且在将不会导致气体的高电压击穿的一定压力范围内的该气体的可接受操作范围。本领域技术人员将认识到，对于宽范围的气体种类或在同一等离子体源内的气体种类的组合而言，可实现源气体、操作压力和功率设置的各种组合，并且这些组合优选地通过滤质而能够被选择，或者通过精细调节功率和压力并且结合进一步滤质而能够被选择。

在上述示例中，最受限制的气体是氙气，在高电压击穿发生之前，该氙气具有大约1300毫巴（mbar）的最小入口压力需求。相反地，氧气具有大约500毫巴的低得多的限制值。此外，存在基于源气体种类的最小功率设置，该最小功率设置对于形成并保持等离子体是必要的。例如，氙气能够将等离子体保持在低至15 W的输入功率，而氧气需要大约150 W的最小输入功率。人们能够与进一步滤质一起来操作氙气和氧气的混合物，或者简单地通过精细调节功率和压力参数而能够独立地操作氙气和氧气的混合物。用于操作这种源气体组合的功率和压力的典型范围能够在500毫巴至3000毫巴的压力下从25 W至1000 W变化。更优选的功率和压力范围能够是从100 W至600 W以及从1000毫巴至2000毫巴。或相反地，25 W至100 W的功率设置以及1500毫巴至2000毫巴的压力设置会导致能够优选地即使在存在氧气的情况下也仅产生氙气等离子体的能力，而不会帕邢击穿（Paschen breakdown）。在任何情况下，存在滤质器允许在等离子体束的任何不想要成分被提取并聚焦之后允许该不想要成分被移除。已经从轻离子种类（例如，氖）、到中等重量离子种类（例如，氩）直至重离子种类（例如，氙）的范围演示了宽范围源气体种类的操作。还已经演示了诸如氮气和氧气的其他源气体。因此，应当可以借助所述的方法以这些气体的任何组合来操作等离子体源和滤质器。因此，对从快速材料移除到轻离子成像的不同应用来说，该实施方式允许更大的多样性、精确的选择以及便于操作。使用上述信息作为教导，本领域技术人员能够选择用于各种气体组合的合适功率和压力关系。

与多种气体如何被供应到等离子体腔无关，这些实施方式提供了对离子种类的直接选择，否则，可能需要对源气体的更换，以便改变用于特定操作所需的离子种类。

一些实施方式的益处在于，能够传输许多气体混合物，而不管这些气体混合物是预混合的还是在供气管线或等离子体腔中现场混合的。这类似于在一个源组件中操作多个合金源的能力。例如，气体源能够提供可以是氦气和氙气的混合物，而另一气源能够提供可以是氢气和氧气的混合物。在一些实施方式中，能够设置一个或多个滤质器，以使多个离子种类经过，从而例如用于由轻离子同时成像以及由重离子研磨，如Rue等人的名称为“Navigation and Sample Processing Using an Ion Source Containing both Low-Mass and High-Mass Species”美国专利申请No. 13/223,276中所述的那样，该专利申请被转让给本发明的受让人并且以引用的方式结合到本文。

一些实施方式的附加益处在于，ICP源能够传送极宽范围的束电流的能力，由此具有的进一步优势在于：可用的质量及其相当不同的成像和研磨特征的宽广分布。

申请人已经演示了将空气用作等离子体腔中的气体的实施方式的能力。等离子体主要包括氮离子，而其余部分则主要包括氧离子，还具有的小部分的其他元素是氩和氦。

图2A示出了本发明的FIB系统200。系统200类似于图1的系统100，其中在离子源下方添加有滤质器202。如图1中所示的那样，优选的等离子体源包括分离的法拉第屏蔽121，以减少天线和等离子体之间的电容耦合并且减少所提取的离子的能量分散。优选的等离子体源还包括以平衡的方式被驱动的天线114，该天线调节其上的相移，以最小化或消除等离子体电势的射频调制。滤质器202优选地是ExB滤质器，但是能够使用其他类型的滤质器。滤质器202包括：提供电场的电极204；设置在纸平面上方和下方的磁体（未示出），该磁体提供交叉磁场。连接器206提供至电极204的电连接，并且提供机械连接以调节电极204的位置。这些场能够被调节，以选择穿过该滤质器而不偏转以及穿过束路径中的孔的离子的质量；具有所选择质量之外的质量的离子将会偏转并且将不会穿过该孔。虽然滤质器202被示意性地示出，但是滤质器可包括具有沿束轴线分开的不止一个E x B场区域的更复杂的滤质器或复合滤质器。阀131A至131D被调节，以将期望的气体混合物提供到供气管线104中，以向等离子体腔106提供气体。不同于其中单种气体通常在任何时刻被供应到等离子体腔102的现有技术，在本发明的实施方式中，阀131A至131D中的多个能够同时被打开，以同时向等离子体腔提供多个气体种类。阀131A至131D优选地是控制进入气体入口104中的气体的比率的计量阀。

图2B类似于图2A，不同之处在于，气体源130A至130D中的一些通过阀131A至131D输送到混合空间210中，在该混合空间中，气体在被传送经过阀212进入到供气管线104以及进入到等离子体腔102之前被预混合。气体源130E直接输送到供气管线104中。在各个实施方式中，能够结合任何数量的单个气体源和混合空间。另选地，混合气体源210能够在另一位置被制备，并且连接到阀212，从而在FIB系统中省除气体源130A至130E。

滤质器202例如能够包括如图3所示并且在名为“Aberration Corrected Wien ExB Mass Filter with Removal of Neutrals from the Beam”的美国专利申请No. 13/089,991中更详细地描述的滤质器，该专利申请被转让给本发明的受让人并且以引用的方式结合到本文。图3示出了具有像差校正滤质器304的离子柱302，该像差校正滤质器具有两级，即：上部ExB滤质器306U和下部ExB滤质器306L。离子312由提取电极315从ICP等离子体腔313抽吸出。

然后，离子312由上部透镜348会聚成大致平行的束310。在完全平行的束310中，束310中的单独离子轨迹可能被推断回到沿光轴380负无穷大处的虚拟源（未示出）。“大致平行”的束是这样的束，其中虚拟源不必在负无穷大处，但是推断的离子轨迹与离子柱302的总长相比，在比源末端（上方或下方）要远至少三倍的位置处仍与光轴380相交。上部ExB滤质器306U包括电极314U、场终止板316U和磁场源（未示出）。

电极314U在附图的平面中产生用箭头320U表示的电场（从左侧的正电极314U指向在右侧的负电极314U，从而对正离子产生向右的电场力）。磁场源产生从纸面向外的磁场，其用圆322U表示（对正离子产生向左的磁力）。下部ExB滤质器306L包括电极314L、场终止板316L以及磁场源（未示出）。电极314L在附图的平面上产生由箭头320L指示的电场，该电场320L与上部ExB滤质器306U中的电场320U方向相反但大小相等。下部ExB滤质器306L中的磁场源产生由十字叉322L表示的进入到纸面里的磁场，该磁场322L与上部ExB滤质器306U中的磁场322U方向相反但大小相等。下部ExB滤质器306L与上部ExB滤质器306U对称，通常具有相同的结构（旋转180°并且对称轴线偏移以一定距离326），并且产生相反方向以及相等大小的电场和磁场。

离子312包括所示的四个不同离子种类：低质量离子330；中低质量离子332；中高质量离子334；以及高质量离子336。低质量离子330、中高质量离子334以及高质量离子336都撞击质量分离孔板340，因而不穿过孔342从而向下到达下部透镜344。中低质量离子332能够穿过上部ExB滤质器306U和下部ExB滤质器306L，如所示的那样。于是，离子332穿过质量分离孔342，并且由下部透镜344聚焦到基质表面112上。在现有技术中，ExB通常被调节以使得期望离子（在该示例中，中低质量离子）穿过而不偏转。在图3的实施方式中，期望的离子偏转以穿过孔342，并且一些不想要的离子（在该示例中，中上质量离子334）以及中性粒子不偏转并且撞击孔板340。其他不想要的离子则偏转太多（低质量离子330）或太少（高质量离子336），因而不能穿过孔342。

中性粒子346并不由ExB滤质器304中的电场和磁场偏转，且因此径直穿过从而撞击质量分离孔板340，这是因为孔板340中的孔洞342（限定ExB滤质器304的离开轴线）与ExB滤质器304的进入轴线380以距离326偏移。虽然图3的示意图并没有特别澄清不存在用于不由透镜348偏转的中性粒子至基质112的路径，但是实际系统的几何尺寸借助本领域熟知的各种手段（例如，在至上部ExB滤质器306U的进口处的孔、和/或在滤质器304下方的柱中的某个位置处的孔）消除了这种路径。通常，场终止板316U和316L可以构造成具有用于供离子束进出的开口，这些开口也足够小，以便用作孔。由于撞击孔板340的离子不聚焦到一点上，因此由离子溅射引起的孔板上的损耗散布在宽广的区域上。因此，孔板340不太可能具有由被阻挡的离子溅射通过该板的不想要孔，因此孔板340将更长久地使用。

在优选的实施方式中，上部ExB滤质器306U和下部ExB滤质器306L是在名称为“Wide Aperture Wien ExB Mass Filter”的美国专利申请13/089,875中描述的类型，该专利申请被转让给本发明的受让人并且以引用的方式结合到本文。这种ExB滤质器包括延伸超过孔以降低边缘效应的磁极，并且提供了具有平行和垂直于磁场的分量的可调节电场。该可调节电场能够补偿物理电极的非理想构造，以提供宽的光学孔。在一些实施方式中，该可调节电场还能够提供用于X-Y束偏转的能力，这能够用于束准直。在一些实施方式中，该可调节电场还能够提供束像散（beam stigmation），这能够用于校正由滤质器引发的一些像差。

图4示出了使用两个静电极片430R和430L的滤质器400的实施方式，每个静电极片都具有单独的电连接。ExB滤质器306U和306L中的每个都能够包括具有如图4所示的设计的ExB滤质器。束的运动被认为大致沿Z轴（垂直于附图平面）。第一电极430R定位在+X轴上与Y轴（竖直中心线）具有距离LX1处，具有施加的电压VA。第二电极430L定位在-X轴上与Y轴具有距离-LX1处，具有施加的电压VC。电极面平行于Y-Z平面取向。VA和VC的值能够基于标准Wien滤质器操作考虑（见下述）被选择。

存在两个磁极404U和404L，这两个磁极定位成其极表面平行于X-Z平面，并且位于+Y和-Y轴上的位置±LY处。磁极面延伸超过由导电板和磁极片限定的区域。线圈和/或永磁体能够给极片404U和404L赋能，从而产生平行于Y轴的磁场。极片404U和404L由铁素体或某种类似的电阻性磁材料制成，其电阻通常在10⁶至10⁸欧姆-cm之间。上部（+Y轴）磁极具有两个电连接，一个在+X端（VB1）并且另一个在-X端（VB4）。下部（-Y轴）磁极也具有两个电连接，一个在+X端（VD1）并且另一个在-X端（VD4）。如在美国专利申请13/089,875中描述的那样，电压能够被施加到这些磁极片，以校正由滤质器中的交叉电场和磁场引起的像散。还能够在磁极上施加电压，以便沿平行于电场的方向或沿平行于磁场的方向提供束的静电偏转，该偏转能够用于使柱中的束准直。

本发明的一些实施方式包括如图5和图6所示并且在名称为“Method and Structure for Controlling Magnetic Field Distributions in an ExB Wien Filter”的美国专利申请No. 13/111,634中描述的滤质器，该专利申请被转让给本发明的受让人并且以引用的方式结合到本文。图5和图6的滤质器提供了一种这样结构和方法，所述结构和方法用于机械地调节磁场分布以及入口孔和出口孔，以在电场和磁场之间实现更好匹配，由此在ExB滤质器的整个长度上（包括在端盖附近以及在入口孔和出口孔内）使相反的电场力和磁力相等。

如在美国专利申请No. 13/111,634中描述的那样，气隙磁阻与磁轭磁阻的比应当等于泄漏磁阻（即，极片的边缘与端盖之间的磁阻）与隔块的磁阻的比。该设计借助端盖中的磁性垫片以及端环中的磁性插塞垫片来提供这些比的更接近匹配，由此与可能仅借助于隔块或端盖所用的材料选择来实现的情况相比，在ExB的整个长度上提供了满足所需B/E比的灵活性。

图5是能够用于本发明的实施方式中的ExB滤质器500的立体四分之一剖视图。截面C-C在图6中被示出。磁极片502被附接到陶瓷绝缘体504，该陶瓷绝缘体被附接到磁体506，通常是钕铁硼合金（NdFeB）或钐钴（SmCo）合金磁体、或其他类似的高强度永磁体。在落入本发明范围内的另选实施方式中，电磁线圈能够替代此处所示的永磁体506。永磁体506（通常成对，在剖视图500中仅一个可见）被附接到磁轭508，该磁轭通常包括相对高饱和度的磁性材料，例如铁镍合金（例如，NiFe43或NiFe48）。

在图5中，待被质量分离的离子束会通过安装到入口端盖522上的入口环530中的孔524进入滤质器500。各质量分离的离子束会通过安装到出口端盖526上的出口环532中的出口孔528离开滤质器500。通常，未被选择的离子种类（即，离子束中不想被聚焦到样品上的那些种类）的角度偏转将会沿E场轴线（从图5的左下部至右上部）偏转。在大多数情况下，该偏转将足够小，以致未被选择的离子束将穿过出口孔528，以由ExB滤质器下方的质量分离孔（未示出）阻挡。被选择的离子束将大致穿过出口孔528的中心，并接着穿过质量分离孔以聚焦在样本上。执行离子束的质量分离的磁场被产生在两个极片502的内表面之间。这些“气隙场”624在图6中被示出。

垂直于B场624（图6），在一对电极542之间建立电场，在所示的优选实施方式中，该对电极由推靠在绝缘体546上的安装螺钉544（螺纹连接到磁轭508）向内挤压。通过径向向外延伸穿过磁轭508和壳体518中的间隙孔并且在外端具有防电晕球554的杆548，实现至电极542的电连接。所示的电极和极片构造对应于在1988年12月6日公告的美国专利No. 4,789,787中所示的构造（参见其图4A和4B），该专利以引用的方式结合到本文。入口端盖522具有加厚的外环592。外环592具有径向槽550，该径向槽用于增加外环的轴向磁阻。磁性垫片590能够被插入到槽550中，以减少外环592的轴向磁阻。由于垫片590的数量、位置和导磁率能够被机械调节，因此可在宽范围内以小的增量来改变外环592的磁阻，由此与在现有技术的ExB滤质器中的调节相比，实现了对端盖磁阻的要精细得多的调节。类似的考虑被应用于具有加厚外环594和磁性垫片596的出口端盖526中的径向槽556。

借助于将端盖522和526以及磁轭518挤压到一起的夹持环520（由螺钉557保持向下），壳体518包围磁轭508。在ExB滤质器下方的是X-Y束偏转器582，其用于校正从ExB滤质器500出现的束偏转误差。与常规滤质器相比，滤质器500提供了B场和E场分布的接近得多的匹配。该更好的匹配由机械可变的磁阻来实现。

图6是滤质器500的侧视截面C-C，其图示了显示本发明优选实施方式的ExB滤质器的磁路。箭头602-634描述了在间隙、磁性材料和磁体内的磁通分布。B场624通过穿过ExB滤质器的离子束被“看到”，并且在离子上产生磁力，该磁力与两个电极542（其中一个在图5中示出）之间的E场引起的力方向相反并且大小相似或相同。磁通622和626位于极片502和磁轭508之间，并且穿过磁体506和绝缘体504。在入口端盖522和入口环530内，磁通602和606始终流向左侧，对应于围绕磁路外侧流动的返回磁通以及至磁体506的外端的连接泄漏磁通628和630两者的方向。类似地，在出口端盖526和出口环532内，磁通608和612也始终流向左侧，对应于围绕磁路外侧流动的返回磁通以及至磁体506的外端的连接泄漏磁通632和634两者的方向。磁通614和618连接在入口端盖522和磁轭508之间，穿过端盖522的外环592以及径向槽550内的任何磁性垫片590。磁通616和620连接在出口端盖526和磁轭508之间，穿过端盖526的外环594并且还穿过径向槽556内的任何磁性垫片596。

现考虑入口环530中的入口孔524内的B场。不同于上述现有技术的滤质器，在根据本发明的滤质器中，在入口孔和出口孔内的磁场的取向和大小能够被调节，以匹配电场和磁场，由此在ExB滤质器的整个长度上使相反的电场力和磁力相等。如图6所示磁性垫片590的数量、位置和导磁率能够被调节以抵消入口孔524内的B场，因此在孔524上示出为无磁通。

如上所述，入口端盖522和入口环530的功能在于理想地按照沿ExB滤质器的轴线的距离的函数的大致相同的减少速率来终止B场以及E场，由此保持正确的B/E比。由于入口端盖522和入口环530具有良好的导电性，所以E场趋于相当急剧地终止，并且一般在孔524内大致无E场。为了正确的ExB操作，B场强度应当与E场成比例（在轴线上的任何部位都具有相同比率），使得B场应当在孔524内也降低至大约为零的强度。类似的考虑适用于在安装到端盖526上的出口环532中的孔528内的B场。不同于上述现有技术的滤质器，在本发明的优选实施方式中，入口孔和出口孔524、528内的B场能够与E场成比例地降低至大约为零的强度。使用本文所述的本发明以及用于制造入口端盖522、出口端盖526、入口环530、出口环532、磁性垫片590和磁性垫片596的合适材料选择，现在可以将入口孔524和出口孔528内的B场抵消至小于极片502之间的间隙中的最大B场的百分之一。用于端盖、环和垫片的示例性合适材料包括具有中等导磁率的材料，例如400系列不锈钢，尤其是合金SS430。

滤质器500使得能够获得一种用于在ExB入口和出口处实现E场和B场的良好匹配的机械方法和结构。更好的匹配降低了ExB滤质器的像差，并且还实现了离开滤质器的更好束准直，如本领域技术人员熟知的那样。FIB系统的优选实施方式能够包括具有如图3至图6所示的滤质器中的特征的任何组合的滤质器。

图7示出了根据本发明的优选方法。在步骤702，等离子体腔填充以气体混合物。例如，气体能够包括氦气和氙气，其中氦气能够用于成像和光学抛光，而氙气会提供用于批量加工的相对高的研磨速率。这些气体能够在容器中预混合，这些气体能够来自不同的容器，或者这两者的任何组合。在步骤704，等离子体在等离子体腔中被点燃。在步骤706，第一电压被施加到滤质器的电极，以在滤质器中产生电场，并且第一电流被施加到电磁体，以在质量场中产生磁场，该磁场垂直于电场。磁场和电场被调整，以使得第一离子种类穿过并且使得其他离子种类偏转到阻挡结构中。

在步骤708，电压被施加到提取器电极，以从等离子体腔提取离子。在步骤710，通过使得被提取的第一离子种类聚焦来加工工件。当多个种类的离子从等离子体源被提取时，滤质器将仅使得第一离子种类穿过以加工该工件。被选择用于加工工件的离子能够是非反应性离子，该非反应性离子通过溅射（将动量传递到基质）来移除材料，或者该离子能够激活前体气体以蚀刻或沉积材料。另选地，束中的离子自身能够是反应性的并且能够进行蚀刻而不溅射。例如，束中的离子能够具有不足以用于溅射材料的能量，但是能够具有足以与基质材料启动化学反应以形成不稳定复合物（或化合物）的能量。这种低能量反应性离子降低了对工件的损坏，并且能够从工件选择性地移除特定材料。在其他实施方式中，反应性离子能够具有足以溅射以及引发化学反应的能量。离子种类能够执行的操作包括成像、精细研磨、粗糙研磨或沉积。

当样品加工的一个步骤被完成时，在步骤712中，提取电压从提取电极被移除。在判定块714中，确定加工是否完成。如果需要附加加工，那么该过程返回至块706。如果需要不同的离子种类用于下一操作，那么第二电压被施加到滤质器的电极，以在滤质器中产生第二电场，并且第二电流被施加到电磁体，以在质量场（mass field）中产生第二磁场，以选择第二离子种类。在步骤710中，使用第二离子种类来加工工件。在每个加工步骤期间多个离子种类从ICP离子源被提取，但是仅选定种类穿过滤质器并且撞击在工件上。

在判定块714中，如果确定需要附加加工步骤，那么该过程在步骤706中重复。如果需要不同的离子种类用于下一操作，那么第三电压被施加到滤质器的电极，以在滤质器中产生第三电场，并且第三电流被施加到电磁体，以在质量场中产生第三磁场，以选择第三离子种类。在步骤710中，使用第三离子种类来加工工件。虽然在每个加工步骤中，在每个加工步骤期间多个离子种类从ICP离子源被提取，但是仅选定种类穿过滤质器并且撞击在工件上。如果有必要，附加气体种类能够从单种气体或混合气体的气源被添加到等离子体腔。

如上所述，在一些实施方式中，通过调节功率和等离子体腔中的气体压力使得气体混合物中的一个或多个种类形成等离子体并且该气体混合物中的一个或多个种类不形成等离子体，从而能够在不使用滤质器的情况下选择离子种类。在这种实施方式中，滤质器仍能够用于防止离开等离子体腔的不想要成分到达样本。腔中气体的压力和/或功率能够被改变，以改变用于等离子体的气体，由此改变能够被提取的离子类型。在一些实施方式中，通过等离子体腔中的气体压力以及感应地应用到等离子体腔中的射频功率来控制哪些气体形成等离子体，从而控制所产生的离子。例如，借助具有感应耦合的等离子体离子源的聚焦离子束系统来加工工件的方法能够包括：提供包括多种气体的等离子体腔；将来自天线的射频功率感应耦合到等离子体腔中，所述射频功率足以保持所述多种气体中的至少一种的第一组的等离子体，并且不足以保持所述多种气体中的至少一种的第二组的等离子体；提取来自等离子体腔的第一组的离子；以及将所提取的离子聚焦在工件上。一些实施方式还包括构造滤质器，以使得来自第一组的一种或多种气体穿过，并且使得除了来自第一组的所述一种或多种气体之外的离子停止。

一些实施方式还包括改变感应耦合到等离子体腔中的射频功率，或改变等离子体腔中的一种或多种气体的压力，使得第一组中的至少一种气体不会形成等离子体，或使得第二组中的一种或多种气体形成等离子体。一些实施方式还包括从等离子体腔中提取与第一组的离子不同的一组离子。

根据本发明的一些实施方式，带电粒子束系统包括：感应耦合的等离子体离子源；一种或多种气源，其用于将多种气体提供到等离子体离子源，以从等离子体离子源同时产生多个离子种类；滤质器，所述滤质器用于从由等离子体离子源产生的多个离子种类选择离子种类；以及聚焦光学器件，以在目标物处产生选定离子种类的聚焦束，所述束在所述目标物处具有亚微米直径。

在带电粒子束系统的一些实施方式中，滤质器包括ExB滤质器。并且在一些实施方式中，滤质器包括像差校正ExB滤质器。在一些实施方式中，像差校正ExB滤质器具有多级，包括第一ExB滤质器级和至少第二ExB滤质器级。

在带电粒子束系统的一些实施方式中，感应耦合的等离子体离子源包括分离的法拉第屏蔽。在一些实施方式中，感应耦合的等离子体离子源包括平衡天线。在一些实施方式中，一个或多个气体种类包括两个气体种类。

在带电粒子束系统的一些实施方式中，滤质器包括至少两个静电极片，每个静电极片具有单独的电连接。在一些实施方式中，滤质器还包括能够机械调节的磁场分布以及入口孔和出口孔。在一些实施方式中，滤质器还包括至少两个磁极，每个磁极具有两个电连接，在每个磁极的每端处具有一个电连接。

在带电粒子束系统的一些实施方式中，聚焦光学器件在10 μA的束电流下将经滤质的离子束聚焦到小于100 nm的斑点尺寸。在一些实施方式中，聚焦光学器件在1 μA的束电流下将经滤质的离子束聚焦到小于50 nm的斑点尺寸。在一些实施方式中，聚焦光学器件在10 nA的束电流下将经滤质的离子束聚焦到小于25 nm的斑点尺寸。

根据本发明的一些实施方式，借助具有感应耦合的等离子体离子源的聚焦离子束系统来加工工件的方法包括：从感应耦合的等离子体离子源的等离子体腔同时提取多个离子种类；配置滤质器，以从等离子体腔提取的多个离子种类中选择一个离子种类；将所选择的一个离子种类聚焦到工件上，以在工件上执行第一加工；配置滤质器，以从等离子体腔提取的多个离子种类中选择另一离子种类；以及将所述另一离子种类聚焦到工件上，以在工件上执行第二加工。

在借助具有感应耦合的等离子体离子源的聚焦离子束系统来加工工件的方法的一些实施方式中，滤质器包括ExB滤质器，并且配置所述滤质器包括：施加特定电压到所述滤质器的电极，以及施加特定电流到所述滤质器的电磁体。

在一些实施方式中，从感应耦合的等离子体离子源的等离子体腔同时提取多个离子种类包括：从具有分离的法拉第屏蔽的感应耦合的等离子体离子源的等离子体腔同时提取多个离子种类。在一些实施方式中，从感应耦合的等离子体离子源的等离子体腔同时提取多个离子种类包括：从具有平衡天线的感应耦合的等离子体离子源的等离子体腔同时提取多个离子种类。在一些实施方式中，同时提取多个离子种类包括提取氦和氩；配置滤质器以从等离子体腔提取的多个离子种类中选择一个离子种类包括配置所述滤质器以选择氩离子；并且将所选择的一个离子种类聚焦到工件上以在工件上执行第一加工包括将具有大于1 μA的电流的氩离子束聚焦到具有小于50 nm的直径的斑点上。

在一些实施方式中，配置滤质器以从等离子体腔提取的多个离子种类中选择一个离子种类、或者配置滤质器以从等离子体腔提取的多个离子种类中选择另一离子种类、或者配置滤质器以从等离子体腔提取的多个离子种类中选择又一离子种类包括：配置所述滤质器以选择不止一个离子种类。

根据本发明的一些实施方式，借助具有感应耦合的等离子体离子源的聚焦离子束系统来加工工件的方法包括：提供包括多种气体的等离子体腔；将来自天线的射频功率感应耦合到等离子体腔中，所述射频功率足以保持所述多种气体中的至少一种的第一组的等离子体，并且不足以保持所述多种气体中的至少一种的第二组的等离子体；提取来自所述等离子体腔的所述第一组的离子；以及，将所提取的离子聚焦在工件上。

在一些实施方式中，借助具有感应耦合的等离子体离子源的聚焦离子束系统来加工工件的方法还包括：配置滤质器，以使得来自所述第一组的一种或多种气体穿过，并且使除了来自所述第一组的所述一种或多种气体之外的离子停止。并且在一些实施方式中，借助具有感应耦合的等离子体离子源的聚焦离子束系统来加工工件的方法还包括：改变感应耦合到所述等离子体腔中的射频功率，或者改变所述等离子体腔中的一种或多种气体的压力，使得第一组中的至少一种气体不会形成等离子体，或使得第二组中的一种或多种气体形成等离子体。在一些实施方式中，所述方法还包括：从所述等离子体腔中提取与所述第一组的离子不同的一组离子。

虽然已经详细地描述了本发明及其优势，但是应当理解的是，在不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，在此能够作出各种变化、替换和修改。此外，本申请的范围不旨在局限于说明书中描述的过程、机械、制造、物质成分、装置、方法和步骤的具体实施方式。如本领域普通技术人员从本发明的公开内容将能够容易理解的那样，根据本发明能够使用与本文所述的相应实施方式执行大致相同功能或实现大致相同结果的过程、机械、制造、物质成分、装置、方法和步骤，不管它们是目前存在的还是将来研究出的。因此，所附权利要求书在其范围内旨在包括这种过程、机械、制造、物质成分、装置、方法或步骤。

Claims (23)

1.一种带电粒子束系统，所述带电粒子束系统包括：

感应耦合的等离子体离子源；

一种或多种气体源，其用于将多种气体提供到所述等离子体离子源，以从所述等离子体离子源同时产生多个离子种类；

滤质器，所述滤质器用于从由所述等离子体离子源产生的多个离子种类选择离子种类；以及

聚焦光学器件，所述聚焦光学器件在目标物处产生选定离子种类的聚焦束，所述束在所述目标物处具有亚微米的直径。

2.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，所述滤质器包括ExB滤质器。

3.根据权利要求1或2所述的带电粒子束系统，其中，所述感应耦合的等离子体离子源包括分离的法拉第屏蔽。

4.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子束系统，其中，所述感应耦合的等离子体离子源包括平衡天线。

5.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子束系统，其中，所述一个或多个气体种类包括两个气体种类。

6.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子束系统，其中，所述滤质器包括像差校正ExB滤质器。

7.根据权利要求6所述的带电粒子束系统，其中，所述像差校正ExB滤质器具有多级，包括第一ExB滤质器级和至少第二ExB滤质器级。

8.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子束系统，其中，所述滤质器包括至少两个静电极片，每个静电极片具有单独的电连接。

9.根据前述权利要求中任一项所述的带电粒子束系统，其中，所述滤质器还包括能够机械调节的磁场分布以及入口孔和出口孔。

10.根据权利要求9所述的带电粒子束系统，其中，所述滤质器还包括至少两个磁极，每个磁极具有两个电连接，在每个磁极的每端处具有一个电连接。

11.根据前述权利要求中任一项所述的带电离子束系统，其中，所述聚焦光学器件在10 μA的束电流下将经滤质的离子束聚焦到小于100 nm的斑点尺寸。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的带电粒子束系统，其中，所述聚焦光学器件在1 μA的束电流下将经滤质的离子束聚焦到小于50 nm的斑点尺寸。

13.根据权利要求1至10中任一项所述的带电粒子束系统，其中，所述聚焦光学器件在10 nA的束电流下将经滤质的离子束聚焦到小于25 nm的斑点尺寸。

14.一种借助具有感应耦合的等离子体离子源的聚焦离子束系统来加工工件的方法，所述方法包括：

从感应耦合的等离子体离子源的等离子体腔同时提取多个离子种类；

配置滤质器，以从所述等离子体腔提取的多个离子种类中选择一个离子种类；

将所选择的一个离子种类聚焦到工件上，以在该工件上执行第一加工；

配置滤质器，以从所述等离子体腔提取的多个离子种类中选择另一离子种类；以及

将所述另一离子种类聚焦到工件上，以在所述工件上执行第二加工。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述滤质器包括ExB滤质器，并且其中配置所述滤质器包括：施加特定电压到所述滤质器的电极，以及施加特定电流到所述滤质器的电磁体。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，从所述感应耦合的等离子体离子源的等离子体腔同时提取多个离子种类包括：从具有分离的法拉第屏蔽的感应耦合的等离子体离子源的等离子体腔同时提取多个离子种类。

17.根据权利要求14或15所述的方法，其中，从所述感应耦合的等离子体离子源的等离子体腔同时提取多个离子种类包括：从具有平衡天线的感应耦合的等离子体离子源的等离子体腔同时提取多个离子种类。

18.根据权利要求14或15所述的方法，其中：

同时提取多个离子种类包括提取氦和氩；

配置滤质器以从所述等离子体腔提取的多个离子种类中选择一个离子种类包括：配置所述滤质器以选择氩离子；并且

将所选择的一个离子种类聚焦到工件上以在所述工件上执行第一加工包括：将具有大于1 μA的电流的氩离子束聚焦到具有小于50 nm的直径的斑点上。

19.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中，配置滤质器以从所述等离子体腔提取的多个离子种类中选择一个离子种类、或者配置滤质器以从所述等离子体腔提取的多个离子种类中选择另一离子种类包括：配置所述滤质器以选择不止一个离子种类。

20.一种借助具有感应耦合的等离子体离子源的聚焦离子束系统来加工工件的方法，所述方法包括：

提供包括多种气体的等离子体腔；

将来自天线的射频功率感应耦合到所述等离子体腔中，所述射频功率足以保持所述多种气体中的至少一种的第一组的等离子体，并且不足以保持来自所述多种气体中的至少一种的第二组的等离子体；

提取来自所述等离子体腔的所述第一组的离子；以及

将所提取的离子聚焦在工件上。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括：配置滤质器，以使得来自所述第一组的一种或多种气体穿过，并且使得除了来自所述第一组的所述一种或多种气体之外的离子停止。

22.根据权利要求20或21所述的方法，还包括：改变感应耦合到所述等离子体腔中的射频功率，或改变所述等离子体腔中的一种或多种气体的压力，使得所述第一组中的至少一种气体不会形成等离子体，或使得所述第二组中的一种或多种气体形成等离子体。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括：从所述等离子体腔中提取与所述第一组的离子不同的一组离子。

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