CN1084041C

CN1084041C - 粒子光学柱

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Publication number: CN1084041C
Application number: CN94194857A
Authority: CN
Inventors: 弗雷德里克·怀特·马丁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 2002-05-01
Anticipated expiration: 2014-11-18
Also published as: CN1142280A

Abstract

一种粒子束柱，包括一诸如液态金属离子源之类的针型离子源(1)、一个或多个圆透镜(2)、以及多个交错的四极透镜(14、16)。另外，一种离子束柱，包括一液态合金离子源(1)、交错的四极透镜(14、16)以及一维恩速度滤器(22)。这种柱产生了比只以静电透镜为基础的柱更精细聚焦的束，并且可以增加透镜小孔和允许更大的束流。

Description

粒子光学柱

美国政府对此发明及一定场合下的权利有一个已付清的特许，要求专利拥有者在由国家科学基金会授予的授权号ISI8521280的条款规定的合理条件下许可其他人。

本发明涉及离子光学领域，比如在用来形成精细聚焦的离子束的装置中，通常用于显微制造和显微分析的领域，比如半导体中的离子注入、材料的显微机械加工、离子束平版印刷术以及辅助离子显微技术。

在现有技术中，用于产生细束的装置一般包括一针型粒子源，该粒子源可以发射电子或使周围气体离子化，包括低温下的表面电离，或者最通常的是被含有所需离子的液态金属或合金所弄湿的针。在某些情况下，用单个透镜来形成非常小的源发射区的影像。利用靠近源的聚焦透镜或多个聚焦透镜可获得较大的密度。当采用几个透镜时，可以产生源的中间影像；而如果此中间影像位于诸如加速空隙或维恩滤器之类的离子光学组件的中心时，由组件产生的像差大大地减小了。然而，所有采用静电透镜的系统的聚焦能力受到这些透镜的色差以及由离子源发射的离子的不可避免的能量扩散的限制。最终焦点的整个宽度由下式给出：

d＝CadE/E

其中dE是离子中心能量E周围的能量扩散度，a是在最终聚焦处的整个会聚角，而C是色差系数。色差的第一阶取决于a，这与其他像差不同。比如，圆透镜的球面像差随a³的变化而变化。因此，第一阶色差在小透镜孔处是重要的，在那里球面像差已变得非常小，而在某些较大值的a处，第三阶球面像差将占主要部分。

静电系统的不能胜任的聚焦能力使离子光学装置受到限制，这在已有技术中是个长期存在的难题。在诸如显微机械加工的应用中，射流密度是最重要的。来自一液态金属离子源的射流由下式给出：

I＝Ba_sb_sr²

其中典型的数字是：亮度B＝10⁶A/sr-cm²，发射角a_s，b_s＝400毫弧度，有效源半径小于r＝100埃。由于有效源如此之小，束的尺寸由d给出而不是由源的几何影像给出。因此射流密度J由下式给出：

J＝I/d²＝B(ab/ab)(rE/CdE)²

由于在静电透镜中量值E/C基本恒定，因此据称“约为1A/cm²的最大射流密度在近期内不会有大的增加。即使包含四个电极的复杂静电透镜仅产生10A/cm²的最大值。为克服此长期存在的困难，本发明的一个目的是利用C＝0的消色差透镜来增加射流密度。

当希望遮盖较大的试样面积时，比如用于制造特殊用途的集成电路的无遮蔽离子注入中，是射流而不是射流密度变得重要。在1nA的射流下，在一单透镜系统中以10¹³离子/cm²的剂量写入一个4英寸晶片所需的时间约为一小时。在这种装置中，低射流已成为一个困难。在具有多个透镜的系统中也许可以获得较大的射流，这使得允许用较大值的a和b进行操作。然而，这种增加的角度引起了像差，会使聚焦束大于所希望的特征尺寸。对于小于色差与其他像差相等的直角的角度，消除色差会对任何给定的聚集束尺产生较大的工作角度和较大的射流。因此，本发明的一个目的是通过采用C＝0的完全消色差系统，产生较高的射流和允许以较高的写入速度进行显微制造。

根据本发明的一个方面，提供一种粒子光学柱，包括：(a)一个发射带电粒子的针型粒子源；(b)一个包括有一抽取电极的聚焦透镜，用于增加从所述粒子源收集的粒子流且本质上具有正色差；和(c)一对交错四极透镜，每个均具有八个交错排列的电极和磁极，并对通过其中的粒子产生一个电力和磁力，其中，将电力和磁力的比值选定为，使该对交错四极透镜产生的负色差同时在该粒子光学柱的两个主割面内抵消所有其他粒子光学部件的正色差。

根据本发明的另一方面，提供一种粒子光学柱，包括：(a)一个发射带电粒子的针型粒子源；(b)一个本质上具有正色差的抽取电极；和(c)一对交错四极透镜，每个均具有八个交错排列的电极和磁极，并对通过其中的粒子产生一个电力和磁力，其中，将电力和磁力的比值选定为，使该对交错四极透镜把通过其中的粒子会聚成一个粒子细束而不增加色差。

根据本发明的又一方面，提供一种形成精细聚焦的粒子束所用的粒子光学柱，包括：(a)一个发射带电粒子的针型粒子源；(b)多个本质上具有正色差的透镜；和(c)一对交错四极透镜，每个均具有八个交错排列的电极和磁极，并对通过其中的粒子产生一个电力和磁力，其中，将电力和磁力的比值选定为，使该对交错四极透镜产生的负色差同时在该粒子光学柱的两个主割面内抵消所有其他粒子光学部件的正色差。

一在离子注入领域中使用的用来去除由液态合金离子源产生的不需要的离子的物质分离离子束柱包括这样一个柱：一维恩速度滤器位于离子源之后。这样一个柱可以是短且非弯曲的，但也在最终聚焦中产生具有单原子数的离子。

消除色差同时允许在透镜内采用较大的孔，这样在给定的聚焦束焦点尺寸下可产生较大的束流。孔尺寸因此由较高阶的像差所限制，而不是由第一阶的色差所限制。

图1表示一个消色差离子束柱的断面图。图2表示一个交错的四极透镜的断面图。图3至图7是消色差柱的示意图，其中显示了在光学系统的两个主要部分的典型射线。图3表示含有一个不旋光的聚焦透镜有多个显著消色差的交错透镜的柱。在图4至图7中，采用在交错透镜中的负色差来改正柱中其他透镜的色差。在图4中，聚焦透镜将离子会聚成平行束。在图5中，聚焦透镜将离子会聚成交叉形成。图6显示了一个分离物质的消色差离子束柱15，而图7显示了一个分离物质的消色差系统，用来在高于透镜的柱中可行的能量下形成精细聚焦的束。

离子束柱的液态金属离子源1通常相对于附近的抽取电极8置于许多千伏的负电压下，抽取电极8典型地为一平表面，其上钻有一孔，以让离子束从中通过。正如在离子光学和电子光学中熟知的那样，这构成了一个具有发散的透镜作用的“小孔透镜”。有一连接至出口7的泵用来在离子源附近产生10^-8乇的真空。

一聚焦透镜系统2在抽取电极之外，如果适当调节，它可以将离子会聚成平行束。可以采用一个单个的聚焦透镜，但由于只在很窄的电压范围内离子的抽取才进行得很好，而且单个空隙的聚焦作用也需要固定的电压，因此输出的能量基本上是固定的。因此，双透镜聚焦系统可以用作提供可变化的离子能量的手段。电极8、9、10构成了一个这样的聚焦透镜系统，其中在三个电极之间的空隙5、6构成了两个圆的静电透镜。离子源和电极根据已有技术中熟知的方式由高压电源保持在所需的电势下。

离开聚焦透镜2的离子经过一漂移空间3而进入一交错的四极透镜系统4。多极偏转器11、13位于漂移空间内，它们能够将射流轴周围的任何方位的离子偏转到一平面内，在漂移空间内还有一由四个独立的不干涉的栅片组成的构成小孔的组件12，为清楚起见，图中只示出了一个。

如图2所示，交错的四极透镜包含有八个极，它们的中心在绕着束的方向在方位角上等间距隔开。这些极是交替的磁极17和电极18，从而构成了电的四极透镜和磁的四极透镜。极的45度间隔使两个透镜的四极力场具有叠合的主割面，而在单个平面的中心位置使透镜具有叠合的主平面。

在较佳实施例中，用铁磁性材料制成的并且其上围绕着线圈19的极17刚性地粘结至陶瓷定位架20，定位架20本身用来支承抗磁电极18。这个结构因此形成了两个互不干涉的安放着的四极，它们都能具有实现近乎完美的四极场所需的宽的极尖半径。鼠笼结构具有较窄的极尖，并且当它们由四极电压激励时必定引入不需要的多极场成分。

交错的透镜可用来形成具有可调节的电力与磁力之比的单个四极力场。根据已有技术中熟知的手段，通过测量电极电压和线圈电流，以及通过磁场强度和电场强度与此测量值的关系式，决定了力比R。

当电力调节到具有半个磁力幅值和相反方向从而使R＝-0.5时，交错的透镜变成对E的第一次是消色差的。这意味着它将一个点物体成像为一个点，该点在一个主割面内的宽度形式为：

d＝C₁adE/E+C₂a(dE/E)²

其中C₁＝0。

如果电力进一步增加，但不增加到大于磁力的幅度，交错的透镜变成了具有负值C₁的色差补偿透镜(V.M.Kelman和S.Ya.Yavor，Zuhrnal TekhnicheskoiFiziki 33(1963)368)。对于其他的力比，它起到具有正值C₁的正常透镜的作用。

在两个主割面内都能聚焦的最简单的透镜结构是双合透镜系统。上游的交错透镜14和下游的交错透镜16构成这种双合透镜。定位架15用来调节透镜的分离。由两个透镜组成的系统总是具有由两个透镜中心构成的单根轴线，并且只需要相对于输入束作为整体来调节双合透镜的角度，以起到正确的作用。双合透镜在其两个主割面具有不同的放大倍数，因此用来产生具有两个不同宽度的聚焦束，两者都很小。

如图3所示，如果聚焦透镜的所有电极设定到同样的电压，将不具有聚焦效果，因此不产生色差。功能元件由离子源1和抽取电极8组成，双合透镜系统4由交错的四极透镜组成。当交错的透镜设定于消色差的工作点时，没有由光学柱的最终聚焦透镜所引入的色差。因此在相同的束宽度下工作时，焦点小于由离子源、抽取电极和静电透镜组成的尺寸相似的系统，这个宽度由可调节的孔12设定。此宽度可以增加，这样当焦点尺寸相同时，含有交错透镜的柱产生了比含有静电透镜的柱更多的射流。

如图4所示，当聚焦透镜的电极接通到适当电压时，更多来自源的离子可以被导入交错的透镜4。来自LMIS的大多数射流发生于约14度的半角内。当从源到第一透镜空隙的距离为9毫米时，将形成约5毫米满宽度的平行束，只要第一透镜具有足够大的直径。

有可能增加的角度a_s和b_s在聚焦透镜中增加色差。为了消除正色差，调节交错的透镜的双合透镜以产生准确补偿的负色差，正如由焦点尺寸对调小的限定角度的小孔12处的离子能量E的不敏感性所决定。这种调节补偿了正的第一阶色差，包括在源和抽取器之间的空隙内的加速电极和加速场内的孔所形成的小孔透镜。小孔于是可以开到某点，在该点处剩下的高阶像差使聚焦束达到特定的焦点直径。进入聚焦焦点的射流从而相对于系统而增加，该系统不包括用来消除色差的交错四极透镜系统。

不是立刻就能看到具有两上独立主割面的交错透镜可以调节至补偿圆透镜的色差。而单个交错透镜不能，因为它在两个主割面内引入了符号相反的像差。然而，两个交错的透镜导入两个变量，给出系统的尺寸，可以解答用于两个主割面内的色差的联立线性方程。对于图4中的平行束几何形状，两个交错透镜的系数C_x、C_y必须满足

C_x/f_x ²＝C_y/f_y ²＝-C/h²

其中f_x、f_y是双合透镜4的焦距，h、C是圆透镜2的焦距和色差系数。在薄透镜的近似方程中，双合透镜的单个上游和下游透镜的会聚的主割面内的系数C_yu、C_xd由下式给出：

C_yu/f_u＝-(1+2s/v)vC/2h²，

C_xd/f_d＝-vC/2h²，

其中v是下游透镜的像距，在发散的割面内的系数由下式给出：

C_xu＝-C_yu，C_yd＝-C_xd

而且s是透镜的间距。当束不平行时，采用不同的表达式。薄透镜系数本身形式为：

C_yu/f_u＝(2R_u+1)/(2R_u+2)

C_xd/f_d＝(2R_d+1)/(2R_d+2)

这样，电磁力比R_u、R_d在给定交错透镜尺寸s、v和聚焦透镜参数C、h时可以计算。在最好的工作模式中，采用已有技术中那类能量供给，其中交错透镜的电和磁部分成正比变化，从而在固定R时使f变化。R_u和R_d设定在为所要补偿的透镜的C、h所计算的值处。然后根据已有技术中熟知的步骤通过改变四极双合透镜的两个透镜的f_u、f_d而获得聚焦。

亚微粒束尺寸的测量可以采用偏转器11、13或透镜4下游的一个偏转器来实现。宽度可以从将聚焦束扫过刀形边缘所需的偏转来决定。当光栅线小于束宽度时，一种避免了因离子束溅射而造成边缘破坏的方法是测量在薄试样的光栅扫过区域之外显微机械加工所需的电荷。在现有技术中不需要亚微粒测试试样的第三种方法是测量作为a函数的d。当通过使小孔12较小来产生单个射线时，偏转器11和13的相同且相对的布置使射线进入远离其轴线的交错透镜的小孔并因此具有较大值的a。当交错透镜被不适当调节时，产生了大的且容易测量的像差d。则在交错透镜中计算的磁电比可进行调整，以产生射线的最小色差而不是最小的焦点尺寸。

由多个交错透镜组成的系统可以设计成在两个主割面内的放大倍数是相等的。最简单的这种系统是三合透镜(L.R.Harriott，W.L. Brown以及D.L. Barr，J.Vac.Sci.Tech.B8(1990)1706)。三合透镜的缺点是操作复杂并且需要相当高精度的机械制造，这是必须的，以保证三个透镜的中心的位于一条直线上。

不需要用平行束来操作柱。聚焦透镜总的来说形成了离子源的中间影像，它可位于沿着柱的轴线的任何位置，包括离子源的上游和最终像平面的下游。柱因此构成了所谓的变焦距透镜，其中像的最小尺寸(从不计及像差的放大倍数决定)在中间影像的位置改变时发生变化。如图5所示，中间影像可以位于聚焦透镜与下一个透镜之间，在这种情况下，由于来自周边的射线横过系统的轴线，束是交叉的。

液态合金类型的离子源一次产生几种离子，并且需要物质分析，以便产生单一种类离子的聚焦束。如图6所示置于聚焦透镜和下一个下游透镜之间的维恩速度滤器22使不需要的离子偏离束的轴线，只允许具有给定电荷与质量之比的离子继续前进而不偏离。尽管在任何位置对中间影像都会发生这种偏转，从聚焦透镜产生发散的、平行的或会聚的束，在交叉21发生在维恩滤器22的中央时，柱的工作最佳，从而消除了由滤器产生的色差。

足够偏转而不会经过交错透镜小孔的离子完全从其形成的影像消失。尽管这种系统不能分离某个给定元件的靠得很近的同位素，比如镓(质量为69、71)，它们可用来分离由合金基离子源产生的间隔很宽的各种离子。比如合金Ni₄B₆产生Ni⁺²(电荷与质量比为30，产生32％)以及商业上重要的B⁺¹(电荷与质量比为10或11，产生为33％)。此系统包括一静电聚焦透镜和一交错的四极双合透镜，因此可用来从单个原子数形成最终影像23，以实现诸如显微制造和离子注入等目的。

物质分析一般必须在低E值下进行，因为大质量离子与高能量的结合需要比由空气冷却的电磁体产生的磁场更大的磁场。如果进行高能量物质分析，需要二极弯曲磁体，它将束以大曲率半径进行弯曲(Martin的美国专利4,555,666)。然而，在半导体内的离子注入需要300KV或更高的能量，以注入不足一微米深的区域。如图7所示，高电压源24、控制电子仪器25以及加速空隙26起到增加束能量的作用，而物镜27将离子聚焦成高能量的最终影像28。

当第二个中间影像23如图7所示置于加速空隙处时，使空隙产生的像差最小。物镜27可以是任何种类的透镜，电的、磁的或交错的四极子。交错四极子14、16的透镜系统4的电磁比被调节，以在多个透镜中在最小角度a、b处产生最小的焦点尺寸，从而利用其负色差来补偿所有其他离子光学组件的正色差。当这样使色差最小时，可以打开调定角度的小孔，直到高阶像差使焦点尺寸增加。包括离子源1、聚焦透镜2、交错的四极系统4、加速空隙26以及物镜27的柱因此在给定尺寸的最终焦点内产生增加的离子流。

最有用的构造包括低能量的交错四极透镜系统4，因为在这种透镜中的电力和磁力是方向相反的，从而需要比简单的透镜更高的场来达到同样的聚焦能力。如果交错透镜用低能源的粒子进行工作，或者它有一个小孔，则可减轻这个困难。如果物镜27是一个磁的四极两合透镜，而第二个透镜4是产生负色差的交错透镜，则可获得有用的系统。在此系统中，可使用物镜27来抵消由第二透镜4引起的不等的放大倍数，从而使系统的放大倍数在其两个主割面内是相等的。如果第二个透镜4是一个大的静电透镜，并且物镜27是具有小孔和短焦距的交错系统以产生负色差，则可获得另一个有用的系统。

这些粒子速柱的本质特征是具有多个交错的四极透镜，它们一起具有负的色差，并且可补偿柱内其他部件的正色差。

Claims

1、一种粒子光学柱，包括：

(a)一个发射带电粒子的针型粒子源；

(b)一个包括有一抽取电极的聚焦透镜，用于增加从所述粒子源收集的粒子流且本质上具有正色差；和

(c)一对交错四极透镜，每个均具有交错排列的四个电极和四个磁极，并对通过其中的粒子产生一个电力和磁力，其中，将电力和磁力的比值选定为。使该对交错四极透镜产生的负色差同时在该粒子光学柱的两个主割面内低消所有其他粒子光学部件的正色差。

2、如权利要求1所述的粒子光学柱，其特征在于，还包括位于离子源和交错四极透镜之间的维恩速度滤器，它用来产生单种物质的精细聚焦的粒子速。

3、如权利要求2中所述的粒子光学柱，其特征在于，还包括一个在维恩速度滤器内交叉的束，从而相对于其中的较宽的束经过维恩速度滤器的那种柱减上了像差。

4、一种粒子光学柱，包括：

(a)一个发射带电粒子的针型粒子源；

(b)一个本质上具有正色差的抽取电极；和

(c)一对交错四极透镜，每个均具有交错排列的四个电极和四个磁极，并对通过其中的粒子产生一个电力和磁力，其中，将电力和磁力的比值选定为，使该对交错四极透镜把通过其中的粒子会聚成一个粒子细束而不增加色差。

5、如权利要求4所述的粒子光学柱，其特征在于，还包括位于离子源与交错的四极透镜之间的维恩速度滤器，它产生单种物质的精细聚焦的粒子速。

6、如权利要求5所述的粒子光学柱，其特征在于，还包括一个在维恩速度滤器中交叉的束，从而减小了其中的宽束经过维恩速度滤器的柱的像差。

7、一种形成精细聚焦的粒子束所用的粒子光学柱，包括：

(a)一个发射带电粒子的针型粒子源；

(b)多个本质上具有正色差的透镜；和

(c)一对交错四极透镜，每个均具有交错排列的四个电极和四个磁极，并对通过其中的粒子产生一个电力和磁力，其中，将电力和磁力的比值选定为，使该对交错四极透镜产生的负色差同时在该粒子光学柱的两个主割面内抵消所有其他粒子光学部件的正色差。