CN103456588B - 聚焦离子束系统及改进聚焦粒子束加工的方法 - Google Patents

聚焦离子束系统及改进聚焦粒子束加工的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103456588B
CN103456588B CN201310211268.5A CN201310211268A CN103456588B CN 103456588 B CN103456588 B CN 103456588B CN 201310211268 A CN201310211268 A CN 201310211268A CN 103456588 B CN103456588 B CN 103456588B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pressure
middle vacuum
room
ion beam
vacuum room
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310211268.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103456588A (zh
Inventor
T.米勒
S.克罗格
S.张
M.马佐斯
A.格劳佩拉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FEI Co
Original Assignee
FEI Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FEI Co filed Critical FEI Co
Publication of CN103456588A publication Critical patent/CN103456588A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103456588B publication Critical patent/CN103456588B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/026—Means for avoiding or neutralising unwanted electrical charges on tube components
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/08—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/10—Lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/16—Vessels; Containers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/18—Vacuum locks ; Means for obtaining or maintaining the desired pressure within the vessel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/18—Vacuum locks ; Means for obtaining or maintaining the desired pressure within the vessel
    • H01J37/185—Means for transferring objects between different enclosures of different pressure or atmosphere
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/3002—Details
    • H01J37/3007—Electron or ion-optical systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/317—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation
    • H01J37/3171—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation for ion implantation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/04—Means for controlling the discharge
    • H01J2237/049—Focusing means
    • H01J2237/0492—Lens systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/18—Vacuum control means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/18—Vacuum control means
    • H01J2237/188—Differential pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/317—Processing objects on a microscale
    • H01J2237/31701—Ion implantation
    • H01J2237/31706—Ion implantation characterised by the area treated
    • H01J2237/3171—Ion implantation characterised by the area treated patterned
    • H01J2237/31713—Focused ion beam
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
    • H01J2237/317—Processing objects on a microscale
    • H01J2237/31749—Focused ion beam

Abstract

申请人已发现，使用等离子体源的离子束系统中由高能离子与中性气体分子之间的电荷交换性相互作用产生的活跃中性粒子到达样本。这些活跃中性粒子产生了离开束冲击点的二次电子。解决这个问题的方法包括在该等离子源下方的多个差分泵送室以减少使这些离子与气体相互作用的机会。

Description

聚焦离子束系统及改进聚焦粒子束加工的方法
技术领域
本发明涉及使用等离子体离子源的并且能够在工件上形成亚微米斑点的聚焦离子束系统。
背景技术
聚焦离子束系统用于制造或改变微观或纳米观结构。一些聚焦离子束（FIB）柱使用等离子体离子源，如U.S.专利号7,241,361中所述的电感耦合等离子体（ICP）源，其被转让给本发明的受让人。使用如以上所述的等离子体离子源的聚焦离子束系统比使用液态金属离子源的系统具有若干个优点。例如，等离子体离子源能够提供更高的亮度并减少能量发散。等离子体离子源能提供各种离子种类，其中一些具有更高的溅射率并且不污染样本。
图1示意性地示出了根据U.S.专利号7,241,361中所述的现有技术的ICP系统。系统100包括带有等离子体离子源的离子束柱102，该离子束柱包括等离子室104，该等离子室经进气口106通过毛细管或流量限制器向该等离子室供应一种或多种气体。线圈107通过阻抗匹配电路耦合到射频（RF）源（未示出），以供应能量使该等离子室104内的气体离子化。系统100优选地包括减少该离子束内的离子的能量发散的装置。这种装置可以包括分开的法拉第屏蔽以减少天线和该等离子体或平衡天线之间的电容耦合。通过引出电极105将离子化的气体原子或分子从等离子室104引出来，该引出电极通过孔径108拉出离子，该引出电极用作将该等离子体电性地偏置到高电势（其大于10,000 V）的源电极。离子朝向位于可调台112上的工件110加速。离子束系统通常还包括用于熄灭该离子束的束熄灭装置130、用于定位该束的束偏转器132、以及用于照准或聚焦离子化的分子的束的聚焦透镜134。
典型地，仅该等离子室内很小百分比的原子或分子被离子化。中性原子可以通过该孔径（从该孔径引出这些离子）扩散。然而，这些中性原子具有很低的能量，因为该引出电极没有使它们加速。已认为极少数低能中性原子到达该工件，因为它们从该孔径朝任意方向扩散，与光学柱的元件碰撞，并且被真空泵清除。
聚焦离子束系统还用于通过从工件蚀刻材料或将材料沉积在工件上形成微观结构。这些离子可以通过溅射，也就是从该离子到该工件内的原子的动量传递，将材料从表面清除。这些离子还可以激活前驱气体，这种前驱气体在存在该离子束的情况下分解以沉积材料或与靶材料形成一种挥发性化合物以加强靶的蚀刻。离子束系统还经常包括用于注入前驱气体140的进气口和用于将前驱气体的流引向该工件表面的针状体142。
聚焦离子束系统通常还包括二次电子150，如Everhart-Thornley检测器，用于随着离子束扫描样本表面和该离子束冲击产生二次电子而形成影像。通过所检测到的二次离子的数量确定在各点的影像对比度。申请人已发现由来自等离子体源的离子束形成的二次电子影像可以具有出乎意料地差的对比度。因此，需要一种收集更高质量的二次电子影像和产生更高分辨率蚀刻或沉积的改进的装置和方法。
发明内容
本发明的目标是改进使用等离子体离子源的聚焦离子束系统的加工。
申请人已发现高能离子和中性气体之间的碰撞产生冲击工件的高动能中性粒子，由此劣化了成像和加工。通过减少这些高能离子与从等离子室扩散出来的气体的接触，减少了到达样本表面的高动能中性离子的数量，改进了离子束成像和加工。在一个实施例中，一系列差分泵送室通过减少该离子束遇到的气体的量减少了高能离子和中性气体之间的碰撞的数量，由此减少了冲击该工件的高动能中性粒子的产生。
为了可以更好地理解以下本发明的详细说明，前述内容已相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点。下文将说明本发明的附加特征和优点。本领域的普通技术人员应认识到可以容易地利用所披露的概念和具体实施例，作为用于进行本发明的相同目的而修改或设计其他结构的基础。本领域的普通技术人员还应意识到这种等效构造不脱离所附权利要求书中所述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更加彻底理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下说明，其中：
图1示出了具有等离子体源的现有技术离子束系统的示意图。
图2示出了本发明的一个四室实施例的示意图。
图3示出了本发明的另一个实施例的示意图。
图4是本发明的一个实施例的流程图。
具体实施例
离子被引出电极和负极加速，以高动能离开该离子室。这些离子形成束并且在聚集柱内聚焦，从而在工件上成细小的斑点。该束通常使用静电偏转器横穿样本表面被扫描。中性原子也通过孔径逃逸，但大多数低速中性气体粒子与该柱内的元件碰撞并且认为极少数到达工件。
通过调查使用等离子体离子源产生的二次电子影像内的差对比度的原因，申请人已发现差对比度是由“活跃中性粒子”引起的。当带有相当可观能量的离子与该束路径内的气体分子以一种发生电荷交换的方式相互作用时产生“活跃中性粒子”。至少一些这些“活跃中性粒子”具有一个从原始离子的轨迹变化而来的最小轨迹变化，并且因为它们不能被聚焦或偏转，以一条直线行进到样本表面上。
这些活跃中性粒子与样本的冲击释放出二次电子，但是因为这些中性原子没有与离子束一起被聚焦或被扫描，该二次电子电流从该样本的广大区域被发射出来。来自这些活跃中性粒子的二次电子电流构成在来自该束冲击点的二次电子信号之上检测到的“噪声”。该噪声减小了该离子束影像的对比度并且可以足够强从而能够消除该信号。这些活跃中性粒子还引起溅射，并且，若该室内存在前驱气体，该前驱气体的分解引起偏离该离子束冲击点的蚀刻或沉积。
使用等离子体离子源的聚焦离子束系统过去通常不用于高精度的制造，因为来自该等离子体源等离子体的离子的高能量发散使得难于形成小斑点。例如在U.S.专利申请号8,053,725中所述的等离子体离子源可以提供离子束，在该离子束内，离子具有低能量发散。该等离子体离子源比液态金属离子源更通用并且可以产生更高精度的减小的束电流或高束电流。例如，等离子体离子源可以产生具有小于约10 eV的能量发散的束、和在约2 pA电流小于约25 nm的斑点尺寸。随着使用等离子体离子源的高分辨率FIB的发展，申请人已生产了一种用于之前为液态金属离子源保留的应用中的系统。因为带有该等离子体离子源的FIB的高分辨率产生可能的新的应用，出现了之前未遇到过的新问题。降低的影像分辨率的问题为一个这种问题。
在图1的系统中，通过孔径108从该等离子体源泄露出来的一些中性粒子可以穿过到达离子束柱102。等离子室内的气体压力通常在约10-3 mbar和约1 mbar之间变化，为从该离子源引出的离子和中性粒子之间的碰撞提供了充足机会，因此产生沿该离子束柱指向的活跃中性粒子。
由该引出电极105引出并且被该等离子体和该聚焦柱之间的电势差加速的离子与那些粒子碰撞并且有些被中性化，但保留大部分它们的能量和它们的朝向该工件的动量。那些活跃中性粒子到达该工件110。因为中性粒子不对聚焦透镜134的场作出响应，没有被孔径板120挡住的中性粒子被发散在该工件表面110的区域上，通常，这是一个比该聚焦离子束扫描的区域大得多的区域。虽然之前已认为极少数中性原子到达该试样表面，好像由这些高能离子的中性化产生的活跃中性粒子的确以足够产生不利影响的数量到达该表面。
图2示出了本发明的一个实施例的示意图，该实施例包括使用等离子室201的聚焦离子束柱200。未示出该等离子体离子源和该离子束柱的元件，但它们与图1中所示的元件类似。等离子体气体源202（高压气体源）通过流量限制器204（如毛细管或针阀）连接到等离子室201上，该流量限制器限制进入等离子室201的气体流并且将等离子室201的压力降至通常在10-3 mbar和1 mbar之间。术语“流量限制器204”可以与术语“孔径”互换，孔径等效地限制进入该等离子室的气体流。离子通过示意性地显示为图2中的管的出口孔径205离开等离子室201。出口孔径205具有足够容纳所需离子电流的足够大的直径，并且在一些实施例中，该直径可以接近2 mm。在一些实施例中，该出口孔径被电性地偏置到高电压以偏置该等离子体。
离子通过该出口孔径205离开等离子室201并穿过到达第一中间抽空的真空室206。中性原子也从出口孔径205扩散出来并进入第一中间抽空的真空室206。在朝该试样的方向具有巨大动量的高能离子和缺乏能量的扩散中性气体之间的碰撞引起电荷交换，该电荷交换导致在该试样的方向具有巨大动量的活跃中性粒子。通过减少该等离子室和该试样之间的气体的总量，减少了碰撞的数量并产生更少的活跃中性粒子。
产生活跃中性粒子的概率的度量为高能离子和中性气体粒子之间的碰撞的数量和该高能离子获得来自该中性气体的电荷的概率之积。碰撞的概率取决于该束穿过的区域内的气体压力和穿过该区域的路径长度。本发明的实施例通过迅速降低该压力以缩短穿过更高压力区域的路径长度而减少了压力和路径长度之积的总和。本发明的实施例在该束路径中提供了多个被压力限制孔径隔开的差分泵送室，以减小随该束进一步从该等离子室获得的气体压力。虽然理想上该等离子体下方的第一真空室会被排空至所希望的压力以清除所有气体，但实际上由于对泵送速度和对通过这些孔径的气体的扩散的实际限制，需要多个室。进一步地，很难从高压区域过渡到有一个大尺寸的孔径的低压区域。
在一个优选实施例中，该压力乘以该路径长度之积的总和小于3E-3 mbar*mm，优选地小于3E-4 mbar*mm，并且最优选地小于3E-5 mbar*mm。产生活跃中性粒子的概率是很多因素的复杂函数，但出于某些合理的假设，对于从柱向下发出的每个离子而言，如所述方式实现的压力长度的乘积因此优选地导致中性粒子产生的概率被降低为小于1%、更优选地小于0.1%、并且最优选小于0.01%。活跃中性粒子达到该试样的概率取决于产生不产生偏转的活跃中性粒子的碰撞的概率。这种概率还取决于高能离子的能量。多个碰撞还可以在确定多少个活跃中性粒子到达该试样上发挥作用。进一步复杂之处在于，对于入射离子和靶中性气体种类的每种组合，会导致一个不同的概率。
中间真空室206被能够处理惰性气体的大容量泵208（该泵可能是一个涡轮泵）泵送并且能够将该室206保持在约10-5 mbar至10-6 mbar。然后，该离子束和一些中性气体分子通过差分泵送孔径（DPA）209从真空室206到达第二中间抽空的真空室210。该孔径的长度优选地大于两倍该直径，以便可以在该第一中间抽空的真空室206和该第二中间抽空的真空室210之间实现足够的真空差。
使用第二涡轮泵212抽空真空室210，这保持优选地小于10-6 mbar、更优选地小于10-7 mbar的真空。该离子束和极少数中性气体分子从中间真空室210通过第二DPA 213到达最后的使用离子泵216抽空的真空室214，该泵能够实现一个优选地在1E-8 mbar至5E-7 mbar范围内的非常高质量的真空。DPA 213通常是一个直径1或2毫米并且长若干毫米的管。
中间抽空的真空室214是这些中间真空室中最长的，其允许该束将大多数时间花费在最高质量真空环境下，进一步减小活跃中性粒子形成的概率。该离子气体束通过通常带有1或2毫米直径的最后的DPA 217离开真空室214进入样本室218。在加工过程中，如大功率涡轮泵220的抽空系统在该样本真空室218内保持优选地小于1*10-5 mbar、更优选地小于1*10-6 mbar，以及甚至更优选地小于或等于约5*10-7 mbar的真空。
该样本室218内的压力通常大于前一个真空室214中的压力。当该样本室被打开以插入或移除工件时，通过使用前驱气体或被吸收到表面上的气体的去吸收可能提高该样本室218内的压力。当样本室218被打开露在大气下以插入工件时，可以包括阀以密封真空室214。
根据本发明的一个实施例，该等离子体气体源202被设置在相对压力P0下。优选地，该等离子室201的压力P1小于P0。甚至更优选地，中间真空室206的压力P2小于P1，并且中间真空室的压力P3小于P2。在某些实施例中，根据加工条件，真空室214的压力P4可以或者大于或者小于P3。最后，基于加工条件，样本室218的压力优选地或者大于或者小于P4。
本领域的普通技术人员将容易意识到该离子束柱的部件，如聚焦透镜、束偏转器、以及束熄灭装置，可以被放在所述不同的中间室中的任意一个室处。优选地，所述最后聚焦透镜朝真空室214的底部放置，因为当该最后透镜到样本距离最小时实现最佳斑点尺寸。
图3示出了根据本发明的方法的电感耦合等离子体（ICP）离子束柱300的一个实施例的示意图。在这个系统中，两个中间抽空的真空室306和308而不是上述三个被串联使用。离子通过示意性地显示为图2中的管的出口孔径314离开等离子室201。出口孔径314具有足够容纳所需离子电流的足够大的直径，在一些实施例中，该直径可以接近2 mm。在一些实施例中，该出口孔径被电性地偏置到高电压，以偏置该等离子体。离子穿过到达第一中间抽空的真空室306。中性原子也从出口孔径314扩散出来并进入第一中间抽空的真空室306。
第一中间抽空的真空室306附接到泵322上，该泵优选是能够处理惰性气体并且能够将该第一中间抽空的真空室306保持在约10-5 mbar至10-6 mbar的大容量泵。然后，该离子束和一些中性气体分子从第一中间抽空的真空室306通过DPA 316到达使用离子泵324抽空的第二中间抽空的真空室308。第二中间抽空的真空室308是这些中间真空室中最长的，其允许该束将大多数时间花费在最高质量真空环境下，进一步减小了活跃中性粒子形成的概率。该离子气体束通过最后的DPA 318离开第二中间抽空的真空室308进入样本室218。要指出的是，术语“差分泵送孔径”贯穿以上记载使用，但不意图对本发明进行限制。术语“DPA”可以与许多类型孔径（如电导限制孔径或压力限制孔径）互换。
要进一步指出的是，在图3中所示的实施例中，中间抽空的真空室306和308以及它们各自的出口孔径和泵的设置可以与图2中所示的三个室中的两个的任一组合一样。优选地，在该等离子体气体源202处的压力是最高的，并且该压力随离子穿过每个室而下降。在某些实施例中，根据加工条件，该样本室218处的压力大于在第二中间抽空的真空室308处的压力。
图4为在使用等离子体离子源的聚焦离子束柱内改进离子束加工的一个实施例的流程图。在步骤402中，能量被施加到该等离子室内的气体上，使一些气体分子离子化以产生等离子体。因为供应到该等离子室的气体通常在非常高的压力下，所以等离子室通常具有在10-3 mbar至1 mbar之间的压力。在步骤404中，使用引出电极通过孔径将离子化的原子或分子从该等离子室引出到第一真空室内。此时，一些中性原子也扩散通过该引出孔径进入该第一真空室。这些中性原子具有很低的能量，因为它们没有被该引出电极加速。据信这些低能中性粒子在该真空室内朝任意方向扩散并且不沿该引出电极产生的离子束柱继续。
泵送该第一真空室以将该压力降低至10-5 mbar和10-6.mbar之间。通过降低该真空室内的压力，该离子束需要穿过的更少中性气体分子，因此减少了离子化原子和中性分子之间的碰撞的可能性。该第一真空室被配置成优选地尽可能短，以在步骤406中穿过压力限制孔径进入第二真空室前进一步减少离子与中性分子碰撞的机会。若使用涡轮泵用于抽空，该压力限制孔径使之有可能将该第二真空室的压力进一步降低至通常在5*10-7 mbar至1*10-7 mbar的范围内，甚至进一步地若使用离子泵用于抽空，可降低至5*10-8 mbar。
若使用超过两个真空室，条件步骤408重复步骤406，其中进一步降低每个后续真空室内的压力，其目标是使该压力变得尽可能低并且减少可用于产生活跃中性粒子的碰撞的中性分子的数量。该最后真空室通常具有最低压力并且通常比之前的真空室更长以允许该离子束将最长时间花费在最低压力环境下，在这种环境下的与中性分子的碰撞的可能性最小。
在步骤410中，该束穿过压力限制孔径进入样本室，在步骤412，其用于在该样本室中加工工件。该最后真空室和该样本室之间的压力限制孔径使之有可能在该样本室内具有更高的压力，若使用前驱气体，这就会发生，然而仍在该最后真空室内保持非常低的压力。要指出的是，这些离子可以如前述那样在上述中间真空室中任意一个内聚焦，但是在到达该样本室前，但是尽可能接近该样本，优选地在该最后中间真空室处完成最终的探针形成聚焦。
一旦完成该工件的加工，则完成该方法。
本发明的实施例可以比典型的现有技术ICP离子束系统提供一个或多个优点。所有这些实施例的主要优点是减少了随该离子束沿该离子引出区域和该样本表面之间的离子束柱传递产生的中性粒子的数量。
那些ICP离子技术领域内的普通技术人员将认识到上述多真空室系统使之有可能在距离该离子源最小距离内实现很高的真空，而很高的真空环境通过减少当该离子束向下朝该柱行进时与中性气体分子的离子碰撞的概率来减少到达该工件的“活跃中性粒子”的数量。
在某些实施例中，可以在如扫描电子显微镜（SEM）/ICP-FIB系统的双束系统中使用以上所述多个真空室。在这种配置中，特别期望的是缓解中性粒子产生，因为由该FIB生成的二次电子可能损害SEM成像。
本领域技术人员将认识到所述本发明不限于电感耦合等离子体源。上述本发明可以和其他等离子体源一起使用，如基于电子回旋共振（ECR）的等离子体源。
根据本发明的一些实施例，一种带电粒子束系统包括用于容纳等离子体的等离子室；用于将该等离子体偏置到至少10,000 V电压的源电极；用于从该等离子室引出离子的引出电极；用于将这些离子聚焦到指向该工件的束中的聚焦透镜；用于容纳工件的样本室，该样本室连接到真空泵；以及第一中间真空室，该第一中间真空室在一端连接到该等离子室并且在另一端通过差分泵送孔径连接到该样本室或连接到一个或多个附加中间真空室，该第一中间真空室连接到真空泵，该第一或所述一个或多个附加中间真空室减少了该离子束与中性气体粒子的碰撞，由此减少了冲击该工件的活跃中性粒子的产生。
在一些实施例中，该带电粒子束流系统进一步包括至少一个在该第一中间真空室和该样本室之间的附加中间真空室，该至少一个附加中间真空室各自被连接到真空泵并且被差分泵送孔径与其前面的和后面的室隔开。在一些实施例中，这些附加中间真空室各自具有比其前面紧接的中间真空室更低的压力。在一些实施例中，这些附加中间真空室各自具有小于前面紧接的中间真空室的压力的1/10的更低的压力。
在一些实施例中，该第一中间真空室具有比该等离子室内的压力低至少5倍的压力。在一些实施例中，从该第一中间真空室引出来的差分泵送孔径是它的直径的至少两倍长。在一些实施例中，该样本室具有比前面紧接的中间真空室更高的压力。
在一些实施例中，该压力乘以穿过这些中间真空室中的每一个以及该样本室的路径长度之积的总和小于3 × 10-3 mbar*mm。在一些实施例中，该压力乘以穿过这些中间真空室中的每一个以及该样本室的路径长度之积的总和小于3 × 10-5 mbar*mm。
在一些实施例中，活跃中性粒子产生的概率小于1%。在一些实施例中，活跃中性粒子产生的概率小于0.01%。在一些实施例中，该带电粒子束系统进一步包括将从该等离子室发射出来的离子的能量发散减小到小于10 eV的装置。
根据本发明的一些实施例，一种通过减少冲击到工件上的活跃中性粒子的数量来改进使用等离子体离子源的离子束加工的方法，包括将能量施加到等离子室内的气体以产生等离子体，该等离子室被保持在第一压力下；将离子从该等离子室引入到第一中间真空室内，该第一中间真空室被保持在低于该等离子室内的压力的压力下；通过差分泵送孔径将离子传递到样本室内；以及将离子聚焦在工件上以用这些聚焦的离子加工该工件。
在一些实施例中，该方法进一步包括传递离子通过一个或多个附加中间真空室，该一个或多个附加中间真空室各自内的压力低于该之前中间真空室内的压力。在一些实施例中，该压力乘以穿过这些中间真空室中的每一个以及该样本室的路径长度之积小于3 × 10-3 mbar*mm。在一些实施例中，该压力乘以穿过这些中间真空室中的每一个以及该样本室的路径长度之积小于3 × 10-5 mbar*mm。
在一些实施例中，从该第一中间真空室到该工件的活跃中性粒子产生的概率小于1%。在一些实施例中，从该第一中间真空室到该工件的活跃中性粒子产生的概率小于0.01%。在一些实施例中，该第一中间真空室被保持在10-5 mbar和10-6 mbar之间的压力下并且所述附加中间真空室中的后续之一被保持在10-6 mbar和10-7 mbar之间的压力下。在一些实施例中，将离子从该等离子室引入到第一中间真空室内包括引出具有小于10 eV的能量发散的离子。
虽然已经详细说明了本发明及其优点，但应理解，在不脱离所附权利要求书定义的本发明的精神和范围的情况下，此处可以做出各种变化、替代方案和更改。此外，本申请的范围并非旨在局限于在本说明书中所说明的工艺、机器、制造物、物质的组合物、手段、方法以及步骤的具体实施例。如本领域的普通技术人员将从本发明的披露轻易认识到的，可以根据本发明利用现有的或往后要开发的、实质性地执行相同功能或实质性地实现和所述相对应实施例相同结果的事项、方式、方法或步骤的工艺、机械、生产、组合。相应地，所附权利要求书是旨在于它们的范围内包括此类工艺、机器、制造物、物质的组合物、手段、方法或步骤。

Claims (19)

1.一种聚焦离子束系统，包括聚焦离子束柱，所述聚焦离子束柱包括：
用于容纳等离子体的等离子室；
用于将该等离子体偏置的源电极；
用于从该等离子室引出离子和将离子向工件加速的引出电极；
用于将离子聚焦成在工件上形成亚微米斑点的束的聚焦透镜；
用于容纳该工件的样本室，该样本室连接到真空泵；以及
第一中间真空室，该第一中间真空室在一端连接到该等离子室上并且连接到真空泵；
第二中间真空室，该第二中间真空室连接到真空泵；
第一差分泵送孔径，该第一差分泵送孔径连接所述第一中间真空室和所述第二中间真空室；以及
第二差分泵送孔径，该第二差分泵送孔径将所述第二中间真空室连接到该样本室或连接到一个或多个附加中间真空室，
其中，在运行中，聚焦离子束从所述第一中间真空室穿过到达所述第二中间真空室，再到达所述样本室。
2.如权利要求1所述的聚焦离子束系统，其中，这些附加中间真空室各自具有的压力低于直接在其前面的中间真空室的压力。
3.如权利要求2所述的聚焦离子束系统，其中，这些附加中间真空室各自具有的压力低于直接在其前面的中间真空室的压力的1/10。
4.如权利要求1至2中任意一项所述的聚焦离子束系统，其中，该第一中间真空室具有的压力比该等离子室内的压力低至少五倍。
5.如权利要求1至2中任意一项所述的聚焦离子束系统，其中，从该第一中间真空室引出的第一差分泵送孔径长达其直径的至少两倍。
6.如权利要求1至2中任意一项所述的聚焦离子束系统，其中，该样本室具有的压力高于直接在其前面的中间真空室的压力。
7.如权利要求1至2中任意一项所述的聚焦离子束系统，其中，
第一、第二、以及一个或多个附加中间真空室的每个和所述样本室具有压力；
具有穿过第一、第二、以及一个或多个附加中间真空室的每个和所述样本室的路径长度；以及
该压力乘以第一、第二、以及一个或多个附加中间真空室和所述样本室的路径长度之积的总和是小于3 × 10-3 mbar*mm。
8.如权利要求7所述的聚焦离子束系统，其中，该压力乘以第一、第二、以及一个或多个附加中间真空室和样本室的路径长度之积的总和是小于3 × 10-5 mbar*mm。
9.如权利要求1至2中任意一项所述的聚焦离子束系统，其中，活跃中性粒子产生的概率小于1%。
10.如权利要求1至2中任意一项所述的聚焦离子束系统，其中，活跃中性粒子产生的概率小于0.01%。
11.如权利要求1至2中任意一项所述的聚焦离子束系统，进一步包括用于将从该等离子室发射出来的离子的能量发散减小到小于10 eV的装置。
12. 如权利要求1所述的聚焦离子束系统，其中所述第一差分泵送孔径和所述第二差分泵送孔径具有的直径足够容纳所需离子电流，以及足够保持由所述第一和第二差分泵送孔径连接的腔室之间的压差。
13.一种通过减少冲击到工件上的活跃中性粒子的数量来改进使用等离子体离子源的聚焦离子束加工的方法，该方法包括：
将能量施加到等离子室内的气体以产生等离子体，该等离子室被保持在第一压力下；
将离子从该等离子室引入到第一中间真空室内，该第一中间真空室被保持在低于所述第一压力的第二压力下；
在聚焦离子束柱内将离子形成为离子束，所述聚焦离子束柱包括所述第一中间真空室，第二中间真空室，第一差分泵送孔径，以及第二差分泵送孔径；
令离子束从所述第一中间真空室穿过所述第一差分泵送孔径进入所述第二中间真空室，所述第二中间真空室保持在低于所述第二压力的第三压力下，
令离子束穿过所述第二差分泵送孔径进入到样本室内；并且使用位于所述聚焦离子束柱内的聚焦透镜将离子束聚焦为样本室内的工件上的亚微米斑点，所述样本室具有第四压力，以及
利用聚焦离子束加工工件。
14.如权利要求13所述的方法，其中，（i）第二压力与穿过第一中间真空室的路径长度之积，（ii）第三压力与穿过第二中间真空室的路径长度之积，与（iii）第四压力与穿过样本室的路径长度之积的和小于3 × 10-3 mbar*mm。
15.如权利要求13所述的方法，其中，（i）第二压力与穿过第一中间真空室的路径长度之积，（ii）第三压力与穿过第二中间真空室的路径长度之积，与（iii）第四压力与穿过样本室的路径长度之积的和小于3 × 10-5 mbar*mm。
16.如权利要求13所述的方法，其中，从该第一中间真空室到该工件的活跃中性粒子产生的概率小于1%。
17.如权利要求13所述的方法，其中，从该第一中间真空室到该工件的活跃中性粒子产生的概率小于0.01%。
18.如权利要求13所述的方法，其中，该第一中间真空室保持在10-5 mbar和10-6 mbar之间的压力下并且第二中间真空室保持在10-6 mbar和10-7 mbar之间的压力下。
19.如权利要求13所述的方法，其中，将离子从该等离子室引入到第一中间真空室内包括引入具有小于10 eV的能量发散的离子。
CN201310211268.5A 2012-05-31 2013-05-31 聚焦离子束系统及改进聚焦粒子束加工的方法 Active CN103456588B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261653930P 2012-05-31 2012-05-31
US61/653930 2012-05-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103456588A CN103456588A (zh) 2013-12-18
CN103456588B true CN103456588B (zh) 2016-09-07

Family

ID=48520813

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310211268.5A Active CN103456588B (zh) 2012-05-31 2013-05-31 聚焦离子束系统及改进聚焦粒子束加工的方法

Country Status (4)

Country Link
US (2) US9105438B2 (zh)
EP (1) EP2669925B1 (zh)
JP (1) JP6238570B2 (zh)
CN (1) CN103456588B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5481401B2 (ja) * 2011-01-14 2014-04-23 株式会社日立ハイテクノロジーズ 走査電子顕微鏡
JP6584786B2 (ja) * 2015-02-13 2019-10-02 株式会社日立ハイテクノロジーズ プラズマイオン源および荷電粒子ビーム装置
DE102018203096B9 (de) * 2018-03-01 2020-02-27 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Drucksystems für eine Vorrichtung zum Abbilden, Analysieren und/oder Bearbeiten eines Objekts und Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens
CN109243952B (zh) * 2018-10-26 2024-02-27 长沙埃福思科技有限公司 双真空室离子束修形加工系统及修形加工方法
US11469072B2 (en) * 2021-02-17 2022-10-11 ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft für Halbleiterprüftechnik mbH Charged particle beam apparatus, scanning electron microscope, and method of operating a charged particle beam apparatus

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5313067A (en) * 1992-05-27 1994-05-17 Iowa State University Research Foundation, Inc. Ion processing apparatus including plasma ion source and mass spectrometer for ion deposition, ion implantation, or isotope separation
US5652427A (en) * 1994-02-28 1997-07-29 Analytica Of Branford Multipole ion guide for mass spectrometry
US7858926B1 (en) * 2002-05-31 2010-12-28 Perkinelmer Health Sciences, Inc. Mass spectrometry with segmented RF multiple ion guides in various pressure regions
US8087379B2 (en) * 2004-08-27 2012-01-03 Fei Company Localized plasma processing

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5288900A (en) * 1976-01-19 1977-07-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ion beam machine tool
US4670685A (en) 1986-04-14 1987-06-02 Hughes Aircraft Company Liquid metal ion source and alloy for ion emission of multiple ionic species
DE4018954A1 (de) 1989-06-15 1991-01-03 Mitsubishi Electric Corp Trockenaetzgeraet
GB9105073D0 (en) 1991-03-11 1991-04-24 Vg Instr Group Isotopic-ratio plasma mass spectrometer
US5188705A (en) 1991-04-15 1993-02-23 Fei Company Method of semiconductor device manufacture
JPH05326452A (ja) * 1991-06-10 1993-12-10 Kawasaki Steel Corp プラズマ処理装置及び方法
GB9820210D0 (en) 1998-09-16 1998-11-11 Vg Elemental Limited Means for removing unwanted ions from an ion transport system and mass spectrometer
US7169625B2 (en) 2003-07-25 2007-01-30 Applied Materials, Inc. Method for automatic determination of semiconductor plasma chamber matching and source of fault by comprehensive plasma monitoring
EP1515359A1 (en) * 2003-09-12 2005-03-16 ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft für Halbleiterprüftechnik mbH Chamber with low electron stimulated desorption
WO2005060602A2 (en) * 2003-12-12 2005-07-07 Semequip, Inc. Controlling the flow of vapors sublimated from solids
US7241361B2 (en) 2004-02-20 2007-07-10 Fei Company Magnetically enhanced, inductively coupled plasma source for a focused ion beam system
JP4751635B2 (ja) * 2005-04-13 2011-08-17 株式会社日立ハイテクノロジーズ 磁界重畳型電子銃
JP4878135B2 (ja) 2005-08-31 2012-02-15 エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 荷電粒子ビーム装置及び試料加工方法
US8076650B2 (en) 2006-07-14 2011-12-13 Fei Company Multi-source plasma focused ion beam system
US8507850B2 (en) * 2007-05-31 2013-08-13 Perkinelmer Health Sciences, Inc. Multipole ion guide interface for reduced background noise in mass spectrometry
US8749053B2 (en) * 2009-06-23 2014-06-10 Intevac, Inc. Plasma grid implant system for use in solar cell fabrications
US8053725B2 (en) 2009-06-29 2011-11-08 Fei Company Beam quality in FIB systems
US8253118B2 (en) 2009-10-14 2012-08-28 Fei Company Charged particle beam system having multiple user-selectable operating modes
EP2341525B1 (en) 2009-12-30 2013-10-23 FEI Company Plasma source for charged particle beam system
US8124942B2 (en) 2010-02-16 2012-02-28 Fei Company Plasma igniter for an inductively coupled plasma ion source
EP2612342B1 (en) 2010-08-31 2018-08-22 FEI Company Navigation and sample processing using an ion source containing both low-mass and high-mass species
JP6219019B2 (ja) 2011-02-25 2017-10-25 エフ・イ−・アイ・カンパニー 荷電粒子ビーム・システムにおいて大電流モードと小電流モードとを高速に切り替える方法
US8294093B1 (en) 2011-04-15 2012-10-23 Fei Company Wide aperature wien ExB mass filter
US8283629B1 (en) 2011-04-15 2012-10-09 Fei Company Aberration-corrected wien ExB mass filter with removal of neutrals from the Beam
US8835866B2 (en) 2011-05-19 2014-09-16 Fei Company Method and structure for controlling magnetic field distributions in an ExB Wien filter
US8728587B2 (en) 2011-06-24 2014-05-20 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Closed loop process control of plasma processed materials
US8633452B2 (en) 2011-07-13 2014-01-21 Fei Company Methods and structures for rapid switching between different process gases in an inductively-coupled plasma (ICP) ion source
US9111715B2 (en) 2011-11-08 2015-08-18 Fei Company Charged particle energy filter
US8716673B2 (en) 2011-11-29 2014-05-06 Fei Company Inductively coupled plasma source as an electron beam source for spectroscopic analysis
US8822913B2 (en) 2011-12-06 2014-09-02 Fei Company Inductively-coupled plasma ion source for use with a focused ion beam column with selectable ions
US9275823B2 (en) 2012-03-21 2016-03-01 Fei Company Multiple gas injection system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5313067A (en) * 1992-05-27 1994-05-17 Iowa State University Research Foundation, Inc. Ion processing apparatus including plasma ion source and mass spectrometer for ion deposition, ion implantation, or isotope separation
US5652427A (en) * 1994-02-28 1997-07-29 Analytica Of Branford Multipole ion guide for mass spectrometry
US7858926B1 (en) * 2002-05-31 2010-12-28 Perkinelmer Health Sciences, Inc. Mass spectrometry with segmented RF multiple ion guides in various pressure regions
US8087379B2 (en) * 2004-08-27 2012-01-03 Fei Company Localized plasma processing

Also Published As

Publication number Publication date
US9105438B2 (en) 2015-08-11
EP2669925B1 (en) 2020-08-26
US20130320229A1 (en) 2013-12-05
JP6238570B2 (ja) 2017-11-29
JP2013251258A (ja) 2013-12-12
US9691583B2 (en) 2017-06-27
CN103456588A (zh) 2013-12-18
EP2669925A2 (en) 2013-12-04
EP2669925A3 (en) 2015-03-04
US20150380204A1 (en) 2015-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5586118B2 (ja) 荷電粒子ビームシステムの操作方法
US9478388B2 (en) Switchable gas cluster and atomic ion gun, and method of surface processing using the gun
CN103456588B (zh) 聚焦离子束系统及改进聚焦粒子束加工的方法
JP6128746B2 (ja) イオンビームカラム
JP6238978B2 (ja) 多種イオン源
JP2013120750A (ja) 選択可能なイオンを有する集束イオン・ビーム・カラム用の誘導結合プラズマ・イオン源
EP1826809A1 (en) Particle-optical apparatus equipped with a gas ion source
JP2002517885A (ja) イオン注入器用の加速および分析アーキテクチャー
EP2787523B1 (en) Low energy ion milling or deposition
US8993982B2 (en) Switchable ion gun with improved gas inlet arrangement
TWI744961B (zh) 離子植入系統及其方法
CN108140537B (zh) 质谱分析装置
CN113016051B (zh) 离子植入设备、离子植入器及静电过滤器
EP0094473B1 (en) Apparatus and method for producing a stream of ions
JP2007066796A (ja) ガスクラスターイオンビーム装置
US10455683B2 (en) Ion throughput pump and method
WO2005027175A1 (en) Chamber with low electron stimulated desorption
JP2022540469A (ja) 高電流イオン注入装置及び高電流イオン注入装置を用いたイオンビーム制御方法
CN110612595B (zh) 离子检测装置及质谱分析装置
WO2010029929A1 (ja) イオン照射装置

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant