CN117293005A - 聚焦离子束系统和方法 - Google Patents

Abstract

聚焦离子束系统和方法。提供了一种用于修改样品或工件表面的离子束系统，该系统包括：用于产生离子的离子源；离子束聚焦柱，该离子束聚焦柱被配置为引导从该离子源接收的离子以形成离子束，并将该离子束朝目标区域聚焦；以及样品台，该样品台用于接收要修改的样品或工件并用于将样品或工件表面定位在目标区域，其中离子束聚焦柱包括孔径板，该孔径板具有非圆形射束限制孔径，该非圆形射束限制孔径被配置为限制离子束穿过该非圆形射束限制孔径的范围；以及多极像差补偿器，该多极像差补偿器被配置为向离子束施加四重像散以补偿由离子束聚焦柱中的一个或多个透镜产生的球面像差。多极像差补偿器可以是被配置为产生八极场的多极元件。提供了使用离子束修改样品或工件的相应方法。

Description

聚焦离子束系统和方法

技术领域

本发明涉及聚焦离子束(FIB)系统和操作聚焦离子束系统的方法。特别地，这些系统和方法提供了增加的切削和铣削性能。

背景技术

用于创建微观特征的方法和系统涉及使精细聚焦的离子束在样品的目标表面上扫描以研磨、蚀刻或沉积材料。研磨包括通过离子的撞击直接去除材料。该过程称为溅射。在材料的沉积中，将诸如有机金属化合物的气体朝向离子束在样品表面上的撞击点引导。气体在离子束存在的情况下分解，以将材料添加到样品表面。

FIB系统类似于扫描电子显微镜或透射电子显微镜，只不过不是将电子束引导到样品，而是将离子束引导到样品。聚焦离子束铣削用于许多微制造工业(包括半导体工业)、和微机电系统(MEMS)的制造。该技术可以用于这些或其他工业中的加工和制造，或用于分析合成结构的结构。

后者的示例是用于透射电子显微镜(TEM)分析的样品制备。样品制备使用聚焦离子束系统来去除表面或层，或蚀刻通道，然后通过电子束对通道成像。因为TEM需要薄样品，所以样品制备可能是必要的。聚焦的离子束可以用于研磨和使样品中的感兴趣区域暴露。半导体材料中的晶界或缺陷可以被铣削以使用于TEM分析的感兴趣区域暴露。此外，在SEM或TEM分析中，有时需要使材料的横截面暴露以用于分析。

在MEMS的制造中，FIB可以用于去除材料以限定MEMS的特征。这样的系统具有尺寸为微米或更小数量级且可能低至纳米大小的特征。

一般来说，用于聚焦离子束的较高射束电流密度导致材料被更快地去除，而较低的电流可以更精确地聚焦。

本申请人提出的US 6,949,756 B2涉及一种提供具有低电流密度和清晰边缘的成形离子束的聚焦离子束系统。成形离子束由两透镜成像离子聚焦柱和两个透镜之间的成形孔径提供。两个透镜中的第二个透镜在样品上的目标平面处形成成形孔径的图像。成形离子束的电流密度降低，使得蚀刻或沉积速率不受吸附的气体分子耗尽的限制。可以增加总射束电流以增加蚀刻速率和沉积速率。射束的大小或直径大于未成形射束，并且具有基本上均匀的电流密度分布以及清晰边缘分辨率。这种射束可以横跨目标表面步进，以在大面积上产生均匀的蚀刻或沉积。

也由本申请人提出的US 9，679，742 B2描述了一种用于优化成形工作射束的方法，该成形工作射束具有用于进行精确切割的清晰边缘和用于较快加工的高电流射束。离子束被引导穿过工作孔径，并且离子束参数被优化以提供产生清晰边缘分辨率的离子束分布。

由本申请人进一步提出的US 6，977，386 B2描述了用于从具有清晰边缘的矩形、椭圆形和半椭圆形孔径产生具有期望几何形状的成形射束光斑的改进的角孔径方案。通过将矩形或椭圆形孔径偏移到离子束轴并结合欠焦，可以获得较清晰的射束边缘。清晰边缘可以用于精密铣削应用，并且欠焦允许射束足够大从而具有足够的电流或电流密度以用于有效的铣削。

这些现有技术使用各种孔径和散焦来提供具有清晰边缘的离子束。然而，期望通过增加离子束电流来提高铣削性能和产量。当使用孔径时，球面像差阻止对射束电流的增加。

发明内容

本发明提供了一种用于修饰样品或工件表面的离子束系统，该系统包括：用于产生离子的离子源；离子束聚焦柱，该离子束聚焦柱被配置为引导从离子源接收的离子以形成离子束，并将离子束朝目标区域聚焦；以及样品台，该样品台用于接收要修改的样品或工件并用于将样品或工件表面定位在目标区域，其中离子束聚焦柱包括孔径板，该孔径板具有非圆形射束限制孔径，该非圆形射束限制孔径被配置为限制离子束穿过该非圆形射束限制孔径的横向范围；以及多极像差补偿器，该多极像差补偿器被配置为向离子束施加四重像散以补偿球面像差，诸如由离子束聚焦柱的一个或多个透镜产生的球面像差。非圆形射束限制孔径可以是细长孔径或槽形孔径，将射束限制为小光斑大小。通过使孔径变细长，孔径具有主要尺寸和次要尺寸。射束的前边缘优选是次要尺寸的前边缘。主要尺寸允许使用增加的射束流。当射束通过聚焦柱向下聚焦到小光斑时，传统上，三阶球面像差可能导致主光斑大小尺寸和次光斑大小尺寸之间的相互依赖，使得较大的主要尺寸大小阻止实现次要尺寸中的最佳光斑大小。多极像差补偿器可以向离子束提供四重像散，以补偿该三阶像差并防止或限制如在样品或工件表面处成像的次要尺寸中的聚焦光斑的像差。多极像差补偿器应用四重像散来使射束成形，以补偿三阶球面像差。优选地，使用细长的孔径形状，使得可以在维持射束次要尺寸的同时供应增加的电流，从而维持加工的精度。增加的电流导致从样品中去除材料的速率增加，从而使产量增加。

像散是通常与人眼相关联的光学效应。在人眼中，眼睛晶状体的不同曲率或眼睛的形状导致光不聚焦到单个点，而是例如基于垂直方向和水平方向上的不同曲率聚焦到两个点。在离子束系统中，产生类似的效应，并且可以被认为是沿着线向图像添加拉伸和挤压效应。二重像散具有相同的效应，但是在两个正交的方向上，并且三重像散在围绕方位角方向的三个均匀分布的角度上具有这种效应。此处使用的四重像散在围绕方位角方向的四个均匀分布的角度上具有这种效应，但是对称性使得这看起来好像是围绕方位角方向的八个均匀分布的角度。

多极像差补偿器可以是被配置为产生八极场的多极元件。多极元件优选为八极元件或具有多于八极(诸如12极或16极)的多极元件。替代地，多极像差校正器可以包括堆叠的多个多极元件或子元件，以提供诸如八极场等的对应效应。例如，可以将两个八极子元件堆叠以形成16极元件来产生八极场。多极元件中的极的数目优选为偶数。非圆形射束限制孔径可以是槽形孔径，诸如基本上矩形孔径。基本上矩形孔径可以具有圆角，但是圆角的半径远小于边长。圆角可能是在制造小大小孔径上的限制的结果。替代地，非圆形射束限制孔径可以采取如下所述的其他形状。

多极像差补偿器优选地位于沿着离子束路径在最终聚焦透镜之前的位置，例如，使得在离子束到达最终聚焦之前施加四重像散。其他位置也是可能的，诸如在第一透镜与最终聚焦透镜之间的任何位置，或者在由于来自最终聚焦透镜的球面像差而开始发生射束展宽之前。

离子束聚焦柱对离子源成像。成形孔径允许实现沿一个方向的大像角，同时限制沿另一个方向的像角。成形孔径限制一个方向上的球面像差，但另一个方向上的大像角需要像差补偿器。像差补偿器可以被认为是沿着对角线方向补偿像差。

非圆形射束限制孔径可以具有平行于离子束的扫描方向的第一尺寸和正交于离子束的扫描方向的第二尺寸，并且其中四重像散与孔径的第一尺寸方向对准。

多极像差补偿器可以包括八个或更多个极，并且具有相同极性的一对极可以沿着第一尺寸方向相对地布置。对于由金属离子或其他带正电荷的离子形成的离子束，极沿着第一尺寸相对地布置，并且可以被配置为提供正电压场。一般来说，这对极上的电压应该与离子束中离子上的电荷相同。换句话说，孔的长轴优选地对准多极元件的一对相对的正极板中从一个极板到另一个极板的方向。对于多极元件，极将具有交替的极性。对于八极元件，每个极将分别围绕方位角轴彼此成45°布置。沿着孔的长轴对准的极可以优选地延伸至与孔的长轴成大约22.5°。

非圆形射束限制孔径可以是椭圆形孔径、卵圆形孔径或基本上矩形的孔径。优选地，孔径是细长的或槽形的。

非圆形射束限制孔径可以是基本上矩形的孔径，并且多极像差补偿器可以包括沿着平行于矩形的长边方向的方向相对布置的相同极性的一对极。矩形孔径的长中心线可以沿着一对极之间的方向居中。

非圆形射束限制孔径可以是椭圆形孔径，并且多极像差补偿器可以包括沿着平行于椭圆形孔径的主轴方向的方向相对布置的相同极性的一对极。椭圆形孔径的长中心线可以沿着一对极之间的方向居中。对应的考虑因素可以应用于卵圆形孔径。

离子束系统可以进一步包括射束偏转器系统，该射束偏转器系统被配置为使离子束偏转并使离子束横跨目标区域移动。偏转器系统可以被配置为使离子束横跨目标区域沿第一扫描方向移动，并且非圆形孔径可以被布置成使其主要尺寸对准，使得目标区域处的离子束主要尺寸平行于第一扫描方向。非圆形孔可以被布置成使得离子束在目标区域中具有次要尺寸，并且偏转器系统可以被配置为使离子束横跨目标区域移动，离子束的前边缘对应于次要尺寸，即，具有次要尺寸的宽度。

偏转器系统可以被配置为使离子束横跨目标区域进行光栅扫描，并且目标区域处的离子束的主要尺寸可以平行于光栅扫描的扫描线方向。

离子束系统可以进一步包括多极像差补偿器控制器，该多极像差补偿器控制器被配置为向多极像差补偿器施加电压以对离子束诱导四重像散。当使用八极场时，会出现四重像散。

离子束聚焦柱可以包括第一透镜和第二透镜，该第一透镜被布置成收集由离子源产生的离子以形成离子束，并且该第二透镜被布置成使离子束朝向目标平面聚焦。孔径板可以被定位成在第一透镜与第二透镜之间的离子束路径中提供细长的射束限制孔径。多极像差补偿器可以定位在孔径板与第二透镜之间。

第二透镜可以被配置为使离子束朝向目标区域聚焦。正是这种具有较高射束电流和细长射束横截面的聚焦可能导致三阶球面像差，从而提供了交叉尺寸之间的光斑大小的相互依赖性。多极像差补偿器被配置为提供四重像散以消除或减少该球面像差。

离子束系统可以被配置用于离子束铣削、气体辅助铣削或沉积。

本发明进一步提供了一种使用离子束修饰样品或工件的方法，该方法包括：将具有要修饰的表面的样品或工件定位在目标区域；从离子源生成离子；使用离子束聚焦柱中的透镜从该离子形成离子束；通过引导该射束穿过非圆形孔径来限制该离子束的范围；使用多极像差补偿器对孔径受限离子束诱导或施加四重像散，以补偿由离子束聚焦柱中的一个或多个透镜导致的离子束的球面像差；以及将离子束引导到目标平面以修改样品或工件表面。

使用多极像差补偿器来诱导四重像散的步骤包括使用多极元件来产生八极场。四重像散可以在离子束到达最终聚焦透镜之前施加到离子束。

该方法可以进一步包括将离子束相对于样品或工件表面移动以使离子束横跨该表面扫描，其中非圆形孔径具有平行于离子束的扫描方向的第一尺寸方向和正交于离子束的扫描方向的第二尺寸方向。四重像散可以与孔径的第一尺寸方向对准。

多极像差补偿器可以包括沿第一尺寸方向相对布置的相同极性的一对极。优选地，对于金属离子，沿着第一尺寸方向布置的极的极性是正的。

非圆形射束限制孔径可以是椭圆形孔径、卵圆形孔径或基本上矩形的孔径。优选地，孔径是细长的，诸如形成槽形孔径。

非圆形射束限制孔径可以是基本上矩形的孔径，并且多极像差补偿器可以包括沿着平行于矩形的长边方向的方向相对布置的相同极性的一对极。矩形孔径的长中心线可以沿着一对极之间的方向居中。

非圆形射束限制孔径可以是椭圆形孔径，并且多极像差补偿器可以包括沿着平行于椭圆形孔径的主轴方向的方向相对布置的相同极性的一对极。椭圆形孔径的长中心线可以沿着一对极之间的方向居中。对应的考虑可以应用于卵圆形孔径。

补偿球面像差可以包括使用多极像差补偿器将四重像散赋予离子束，其中四重像散与孔径的细长方向对准。在没有补偿的情况下，较大的主要尺寸会引起次要尺寸的像差。这可以防止次要尺寸中的光斑大小像期望的那样小。该补偿减少或消除正交尺寸之间光斑大小的相互依赖性。

该方法可以进一步包括使离子束偏转以使离子束横跨目标区域沿第一扫描方向移动。非圆形孔径可以布置成使其主要尺寸对准，使得目标区域处的离子束主要尺寸平行于第一扫描方向。该方法可以进一步包括使离子束横跨目标区域移动，离子束的前边缘对应于离子束的次要尺寸。

该方法可以进一步包括使离子束横跨目标区域进行光栅扫描，其中目标区域处的离子束的主要尺寸可以平行于光栅扫描的扫描线方向。

多极像差补偿器控制器向多极像差补偿器施加电压，以诱导离子束的四重像散。在例如八个极两端施加电压的步骤产生八极场。

该方法可以进一步包括：执行对准步骤以确定施加到八极或多极元件的电压，从而优化八极场以补偿球面像差。

该方法可进一步包括：调谐多极像差补偿器以使离子束的边缘在扫描方向上的清晰度最大化。调谐可以包括以下任一项：调节施加到多极像差补偿器的极的电压；以及调节多极像差补偿器的横向和/或旋转位置。替代地，离子束位置可以被调节以通过多极像差补偿器具有最佳的球面像差补偿。

本发明可以进一步包括离子束研磨、气体辅助研磨或沉积的方法，该方法包括上述任何步骤。

本发明进一步提供了使用本文描述的系统和方法来铣削、切割或蚀刻样品。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施方案和现有技术的方面，其中：

图1是根据本发明的聚焦离子束系统的示意图；

图2A和图2B分别是横跨样品的圆形区域的圆形离子束光斑和矩形离子束光斑铣削或蚀刻的示意图；

图3是比较细长射束限制孔径和圆形射束限制孔径的示意图；

图4示出当使射束流加倍并穿过椭圆形孔径时，圆形离子束光斑将如何经历三阶像差；

图5是根据本发明的FIB系统的聚焦柱的光学布置的示意图；

图6示出当离子束电流增加时，八极场提供的像差补偿如何限制光斑宽度的像差；

图7是八极场的示意图，示出八极场相对于孔径方向的方向；

图8A、图8B和图8C分别是四极场及其对圆形射束的影响、由八极元件产生的八极场及其四重像散效应以及由16极元件产生的八极场的图；

图9A至图9C分别是穿过圆形孔径的传统射束、穿过矩形孔径的射束和穿过矩形孔径的射束的光斑密度图，其中像差补偿由八极场提供；并且

图10是根据本发明的使用离子束修改样品的方法的步骤流程图。

具体实施方式

图1是聚焦离子束系统100的示意图。系统100包括在使用中被抽空的腔室。腔室100包括：颈部部分110，离子源102位于该颈部部分中；加工部分120，样品或工件108在该加工部分中被加工(例如，被铣削或被蚀刻)。离子源102可以是液态金属离子源(LMIS)，诸如镓离子源。同样在腔室的颈部部分110中是离子聚焦柱104，该离子聚集柱将来自离子源的离子聚焦成射束。聚焦柱可以包括用于将射束成形并聚焦成良好受限的射束的各种静电透镜和孔径。朝向颈部部分110的基部或在腔室的加工部分120的入口处设置偏转板106或偏转电极。当离子朝向样品移动时，偏转板106或电极操纵离子束105的传播方向，使得可以使离子束105横跨样品或工件扫描。在腔室的加工部分中，工件或样品108显示在可移动台112上。可移动台112被配置用于将样品相对于腔室且还相对于离子束移动。举例来说，可使用可移动载台112来实现样本与离子束的粗略对准，使得样本上的所关注区域在很大程度上与离子束的入射一致。偏转板106横跨要加工的较宽的感兴趣区域的部分执行对离子束105的精确控制。可移动台112可以提供样品在两个方向(诸如平面中的x方向和y方向)上的移动。可移动台112还可以提供平面内旋转运动，诸如将样品与偏转板提供的离子束的扫描方向对准所需的旋转运动。

离子泵130被设置用于将腔室排空。设置与颈部110和处理部分120的连接，使得离子泵运行以将腔室的每个部分一起排空。还设置泵送系统140用于排空腔室120的加工部分。真空控制器150控制离子泵130和泵送系统140两者。

聚焦离子束系统还需要连接到离子源102的高压电源160来产生离子。高压电源也连接到离子聚焦柱。离子源102可以具有由诸如钨的惰性材料制成的尖端。尖端延伸到类似于针的尖端的细点。尖端的大小非常小，使得尖端处的电场非常高。例如，尖端的大小可以是纳米数量级，并且尖端处的电场可以是每厘米1×10⁸伏的数量级。靠近尖端设置为离子束提供离子的材料源。诸如镓离子的离子流向尖端的端部并被尖端处的高电场电离。聚焦柱中的电极还提供高电压来使离子加速。此处从高电压源160施加的电压可以在1keV至50keV的范围内，诸如30keV。在离子束聚焦柱中也施加高电压。电位差将离子朝向样品和可移动台112引导。

射束控制器170连接到离子聚焦柱中的电极，并且还连接到偏转板106。射束控制器被配置为控制偏转板上的电压，以改变离子束撞击样品的位置，从而使离子束横跨样品扫描或移动。例如，可以在样品上对离子束进行光栅扫描，或者可以使离子束以另一种期望的图案横跨样品移动。因此，射束控制器可以包括图案发生器，该图案发生器用于在偏转板上施加电压以沿第一方向(诸如x方向)扫描射束，然后沿y方向步进并且再次沿x方向扫描，以便形成光栅扫描。在图1中，偏转板106被示出为设置成在离子束穿过离子束聚焦柱之后作用在离子束上。然而，在其他实施方案中，偏转板106可以被设置成在离子束穿过聚焦柱104的最终透镜之前作用在离子束上，如将在稍后讨论的。在一些实施方案中，由离子束在样品上扫描的图案可以由用户通过联接到射束控制器170的用户接口直接控制或者由已经编程到控制器中的预定路径直接控制。

在腔室的加工部分120中，可以设置气体源180和成像系统185。气体源180可以设置在腔室的该部分的侧面处并且布置成将气体朝向样品引导。气体源可以包括将气体引导到样品的输送管。输送管包括用于控制气体的供应的阀。气体源180用于沉积或用于增强蚀刻或铣削。当期望将材料沉积在样品的蚀刻或研磨区域上时，气体被释放并吸附到位于暴露位置处的样品的表面上。出于蚀刻或研磨的目的，气态材料可以凝结在样品表面上，并且当被离子束照射时可以增强入射位置处的蚀刻或研磨。

该腔室进一步包括通向该腔室的加工部分120的门190。该门允许进入腔室，使得样品或工件可以插入到腔室中以用于加工。气体阀192可以设置在腔室的颈部部分110与腔室的加工部分120之间。当打开门190以密封离子源102和聚焦柱104时，可以关闭气体阀192。

可以操作真空控制器140和气源180以在腔室中提供朝向样品引导的期望的蒸汽通量，以用于对材料进行蚀刻或沉积。

如上所述，高压电源160在聚焦柱中提供电压以使离子加速和聚焦。当离子撞击样品或工件时，离子的能量可能引发附着在表面的气体之间的反应，并增加材料的去除。替代地，通过离子去除材料可以留下暴露的表面，气体分子可以附着到该暴露的表面。

真空系统将腔室抽真空至1.3x10^-5帕(1x10^-7托)与6.7x10^-2帕(5x10^-4托)之间的压力。该压力通过从气体源180排放气体而稍微升高，从而提供大约1.3x10^-3帕(1x10^-5托)的压力。

成像系统185设置在腔室的加工部分120中，并且可以包括：电子倍增器，该电子倍增器用于检测二次发射；和视频相机，该视频相机用于在工件被加工时捕获工件的图像。在一些实施方案中，该设备可以包括电子显微镜，该电子显微镜用于在加工操作之间对样品成像。

本发明旨在提高现有技术的铣削性能在US 6,949,756 B2、US 9,679,742 B2和US6,977,386 B2中描述的现有技术方法描述了调整射束形状以向离子束提供清晰边缘以用于更精确的铣削和蚀刻应用的方法。然而，清晰边缘的产生可能导致射束电流和铣削速率的降低。期望提高铣削和蚀刻性能，使得更大量的材料被更快地去除，例如，同时维持离子束的清晰边缘。

传统上，聚焦离子束切割或铣削是用聚焦对称光斑进行的。在这种情况下，从样品或工件表面去除材料的速度受限于光斑的宽度(我们可以将其描述为dx)。图2A示出宽度为dx的对称光斑在样品的工件上沿方向Y移动。在圆形区域200上对光斑进行光栅扫描，使得在图中，当前扫描位置上方的区域已经通过离子束加工以去除材料。当前扫描位置下方的区域尚未被铣削或蚀刻。

对于给定的光斑大小，去除的材料量和去除速度受到用于该光斑的射束流的限制。然而，在不增加光斑大小的情况下增加电流会导致电流密度增加，并导致离子束例如由于射束展宽而产生不太精确的切割。

增加电流并因此增加材料去除率的可能性是增加光斑大小，使得可以供应更多的离子束电流而不增加电流密度和损失精度。例如，通过使射束拉长，射束宽度dx得以维持，但是由于射束在Y方向上的增加，可以施加更多的电流。例如，图2B中示出矩形射束光斑，该矩形射束光斑例如在其前边缘处维持射束宽dx，但是在射束横跨样品移动的方向(Y)上具有增加的尺寸。

为了以这种方式使射束成形，使用了形成细长射束的孔径。例如，如图3所示，可以使用矩形孔径，其中孔径大小增加到长度Wy，而孔径的宽度维持在Wx。

在聚焦离子束系统中，如对于电子显微镜和光学系统，像差可以限制实际可以实现的光斑大小和形状。在聚焦离子束系统中，色像差和球面像差是限制因素。与传统光学器件类似，色像差是具有不同能量的离子被透镜聚焦不同量的结果。一般来说，对于离子束系统，由离子源和聚焦柱产生的离子具有明确定义的窄能量范围。球面像差是光学器件(诸如透镜)根据离子是靠近透镜中心轴还是远离透镜中心轴而聚焦不同量的离子的结果。此处，当提及光学器件时，我们是指离子束聚焦和成形部件，而不是用于对射束进行聚焦和成形的部件。

对于离子束，当聚焦到光斑时，圆对称射束可能表现出球面像差，这将光斑大小限制为直径d的圆盘，由下式给出

其中Cs是球面像差系数，并且α是从透镜到离子轴的射束的半角/会聚角。

将其扩展为细长射束，射束的两个交叉方向x、y上的像差导致由下式给出的光斑大小：

x＝C_sα(α²+β²)和y＝C_sβ(α²+β²)

其中α和β是射束从透镜到离子轴在各自的x方向和y方向上的半角/会聚角。

x＝C_sαβ²项提出了问题，因为它将细长射束的两个交叉方向上的射束流联系起来。也就是说，射束的x尺寸不仅由α决定，而且还由β(在y方向上的角度)决定。这意味着通过在一个方向(即，y方向)上扩展射束尺寸来增加射束电流将导致在另一个方向(即，x方向)上的像差。在类似的方面，图4示出将射束改变为椭圆形并将电流增加到2倍的效果。在图4中，左图示出向下聚焦到40nm直径的圆形光斑的传统圆形光斑。在右图中，射束已经穿过了椭圆孔径，并且电流增加到2倍。球面像差导致射束在x和y方向上扩散，这将导致离子束精度的降低。

本发明提出使用八极场来补偿三阶球面像差C_S。它通过提供抵消或补偿三阶像差A₃来实现这一点，三阶像差是由八极场提供的四重像散引起的。也就是说，以同样的方式，四极场可以用于将离子束聚焦成线，例如通过在+x和-x方向上提供聚焦效果，而在+y和-y方向上提供散焦，八极场提供围绕射束轴或方位角方向每45度的聚焦或拉伸效果。聚焦的实际方向将取决于八极场与孔径之间的相对旋转取向，并且将在后面的段落中更详细地解释。在下文中，我们描述四重像散如何为在x和y方向上具有不同尺寸的射束提供对三阶球面像差的补偿。

x和y的三阶像差由和/>给出。将前面关于S的等式相对于x和y进行积分，并加上由八极场的四重像散像差提供的三阶像差A₃，得到

如果八极像散像差的大小被设置为A₃＝C_S/3，则等式简化为

关于α和β微分允许我们获得x和y中的最小光斑大小，x和y中的最小光斑大小由下式给出：

和/>

因此，可以使用产生四重像散A₃的八极场来消除两个交叉方向上的聚焦光斑大小之间的相互依赖性。如果我们参考前面段落中的等式A，我们可以以另一种方式考虑这一点。通过设定关系式A₃＝C_S/3来自C_sα²β²项的并且由八极场的四重像散引起的三阶像差可以用来平衡并因此补偿由A₃α²β²项引起的三阶球面像差。

在不包括由八极提供的像散的情况下(即，当A₃＝0)，等式B中的x值将包括附加项C_sαβ²。对于细长孔径，β＞＞α导致该附加项对于细长孔径或槽孔径变得非常大。例如，对于细长孔径，在β为α的5倍的情况下，x方向上的最小射束尺寸可以扩展到球形射束的25倍。像散补偿基本上消除了该项。然而，应该注意的是，当应用八极场来产生球面像差的补偿时，对于给定的射束尺寸，x方向上的射束的大小可以稍微增加到4/3倍(即，大约增加30％)，但是可以实现更好的整体控制。

图5示出用于执行本发明的离子束聚焦柱的光学部件的实施方案。离子束聚焦柱包括第一透镜210和第二透镜235以及其他光学部件。离子束聚焦柱例如可以是图1所示的离子束聚焦柱104。

离子在对应于图1中离子源102的离子源205处产生。离开离子源205的离子以一定的角度射出。第一透镜210聚焦入射在透镜上的范围内的离子。第一透镜使离子趋向会聚并且取决于该第一透镜的焦距，在柱中没有其他部件的情况下，可以使离子聚焦在靠近第二透镜235的平面上。孔径板具有孔径215。孔径可以具有非圆形形状，诸如细长或槽形状。孔径将形成离子束的离子限制在一定角度范围内。该孔径用于限制射束大小，并因此设置样品表面处的光斑大小或形状。接下来在聚焦柱中提供静电八极元件220。优选地，八极元件在最终透镜235之前沿着方位角方向设置，或者在离子束被最终透镜充分聚焦从而发生球面像差之前设置。八极元件220包括围绕环的交替极性的八个电极，如图5左侧的八极元件的平面图所示。换句话说，施加的电压是静态的，但是对于紧邻的电极，电压的极性是相反的。因此，围绕环从1到8连续地对电极进行编号意味着，例如，偶数编号的电极具有正极性，而奇数编号的电极具有负极性。如上所述，八极元件220提供八极场以产生射束的四重像散。四重像散提供了上面讨论的球面像差补偿。替代地，可以使用也提供四重像散的其它多极元件或多极元件的组合。这种像散对于低阶多极元件是不可能的，但是对于高阶多极元件，例如12极或16极多极元件是可能的。替代地，四重像散可以通过沿方位角方向串联堆叠多极元件来提供。例如，可以将两个八极元件堆叠以形成16极元件来产生八极场。在一些实施方案中，离子束聚焦柱可以包括用于其他射束调节目的的八极元件。在这种情况下，可以向八极元件提供附加控制，以结合其其他射束调节功能产生三阶像差补偿。该附加控制可以包括产生像差补偿和调节功能所需的控制电压的叠加。

图5所示离子束路径中的下一个部件是偏转器组件230，该偏转器组件用于使离子束偏转，使得离子束入射到样品或工件上的期望位置。偏转器组件230可以使离子束横跨样品扫描，诸如通过横跨表面进行光栅扫描。聚焦柱中的第二透镜235在偏转器230之后。第二透镜将离子束聚焦到样品或工件表面上或附近的小光斑大小。

图5示出离子束聚焦柱的一个实施方案，但是其他实施方案也是可能的。例如，图1示出在离子束聚焦柱之后的偏转板106，因此将设置在第二或聚焦透镜235之后。这不同于图5的实施方案，在图5中偏转板230或偏转组件设置在第二透镜235之前。此外，偏转板或组件可以包括或带有消像散器。在传统的聚焦离子束铣削系统中使用消像散器来将椭圆形射束校正为更理想的圆形射束。在本发明中，离子束可以是椭圆形或矩形的，但是仍然可以提供消像散器以调节或拉伸射束的尺寸。离子束聚焦柱可以进一步包括用于射束校正和操纵的其他特征，诸如其他多极静电装置、电磁多极装置和孔径。

我们现在结合示例性实施方案中使用的控制电压进一步描述图4和图6的曲线图。我们已经相对于图1讨论了离子束聚焦系统所需的一些电压。图5示出本发明所需的八极元件220需要具有从一个电极到下一个电极交替的极性的电压。典型地，此处所需的电压幅值将为10V。施加到八极电极的实际电压将由设置期间的优化步骤确定。例如，当八极元件电压变化时，可以对测试件成像，直到在蚀刻测试件时出现最小像差和最清晰的切割边缘为止。如果八极元件提供进一步的射束调节功能，诸如使射束偏转的偶极子，则可以向八极元件的选定电极施加额外的电压，以将偶极子场叠加到八极场上。

在一个实施方案中，非圆形射束限制孔径215可以是尺寸为40μm x 80μm的矩形槽。40μm设置主扫描方向上的射束宽度，并且80μm设置沿射束扫描方向的射束长度。这些射束尺寸与第二透镜235的光焦度结合确定样品表面处的光斑大小。对于此处提供的槽尺寸，样品处的光斑大小的最小尺寸为40nm。图6的左图示出传统的圆形射束。图6的左边的光斑大小与图4的光斑大小相同。图6的右图与图4的右图相似，除了图4中的射束电流已经增加到2倍，而在图6中，射束已经穿过矩形孔径并且应用了像差补偿。如图6所示，八极场提供的像差补偿防止光斑在垂直于扫描方向的方向上扩散。换句话说，即使电流增加，像差补偿也将光斑宽度保持在期望的40nm。扫描方向上的光斑宽度确实有一些增加的宽度，但这不太重要，因为它在扫描射束的路径上。离子束的这些像差部分所入射到的材料将可能在离子束沿着该材料扫描时被去除。该技术允许在蚀刻或铣削材料上维持清晰的边缘，同时还增加了产量。

本发明轻松实现了射束流的加倍。可以为这种布置提供的射束流是nA数量级。与传统的切削和铣削技术相比，射束电流增加到2倍至3倍，这将使铣削产量增加到2倍至3倍。换句话说，与传统布置相比，在给定的时间间隔内可以去除2倍至3倍量的材料。

根据本发明的像差补偿允许将槽孔径与在槽伸长方向上施加的增加电流一起使用，而不会不利地影响射束质量。因此，因为可以使用较高的射束流而不会增加切削方向上的光斑大小，所以可以实现增加的铣削产量。

图7至图9被提供为八极场与其他场相比的可视化，并且示出对细长射束形状的影响。

图7的左图是由八极元件产生的八极场的示意图。类似的八极场可以由较高多重性元件(诸如12极元件)产生。如上所述，八极元件的八个电极具有施加到其的静态电压，但是当您围绕八极元件移动时，电压的极性从一个电极到下一个电极交替正负。每个电极上的电压大小可以基本上相同。图7中还示出两个示例性细长孔径，即基本上矩形孔径和椭圆形孔径。如所示出的，对于基本上矩形的孔径，孔径的角可以是圆的。每个孔径的细长轴或中心线与Y方向对准，Y方向是射束的扫描方向，如图2A和图2B所示。对于椭圆形孔径，Y方向对应于椭圆的主轴。对于矩形孔径，Y方向平行于矩形的长边，并且在矩形的长边之间等间距。八极元件被通电或偏置，使得对准Y方向的相对的电极具有正极性。对于八极元件，每个电极具有与方位角轴或射束轴成45°角的范围。正电极末端和负电极在相对于y方向22.5°处开始。图7还示出八极场的场线。在背离电极移动时，场减小。八极场的对角线处的四个暗区域表示最大负场的区域。顶部、底部、左侧和右侧极端是最大正场区域。我们假设离子束中的离子是金属离子且因此带正电荷。正场与Y方向对准。如果离子是负的，那么与Y方向对准的电极应该是负的。

图8A和图8B提供了产生四极场的四极元件与产生八极场的八极元件的比较。如前所述，八极场产生四重像散。这在图8B中用箭头表示，箭头示出相对于矩形孔径的像散效果。图8A示出由四极元件产生的两倍像散以用于比较。在图8A中，二重像散将具有圆形横截面的射束转换为矩形射束。

图8C示出16极元件如何产生八极场。此处，不是从一个电极极到下一个电极极交替极性，而是每个电极极被处于零伏的电极分开。因此，极周围的电压模式可以是+V、0、-V、0、+V、0、-V、0、+V、0、-V、0、+V、0、-V和0。同样，对于八极元件，沿着孔的纵轴对准的极对于正离子将是+V。

以类似的方式，可以使用其它多极。例如，对于12极元件或其他多极元件，可以用为与孔的相对端对准的极提供相同极性的电压来激励极，而其他极提供交替的极性。也可以使用具有其他数量的极的多极，并且可以使用元件的极周围的电压分布。对于具有大于八个极点的多极，可以通过旋转极点/电极上的最大正电压和负电压的位置来调整场的旋转定位。在其他实施方案中，多极元件可以由堆叠的电极构成，使得第一电极平面沿着方位角方向堆叠在第二电极平面的顶部上。例如，两个八极元件或子元件可以以22.5°的角度偏移进行堆叠，以形成16极元件。这也可以提供最大电压和最小电压的相对旋转定位。

在这些情况中的每一种情况下，由八极场产生的像散在平行于矩形孔径的短边和长边的方向上提供减小射束范围的力(挤压)，并且在对角线方向上提供拉伸力。未被补偿的球面像差的影响将导致离子束聚焦柱的一个或多个透镜过度聚焦射束的极端，从而导致目标平面处的模糊。此处提供的像差补偿在相反的方向上作用，拉伸射束的极端，诸如在对角线处，以补偿过度聚焦。

图9A至图9C是光斑密度图。图9A是穿过圆形孔径的传统1nA射束的光斑密度图。光斑在射束的中心显示出最高的电流密度，并且可以具有高斯电流密度分布。图9B是已经穿过矩形孔径的射束的光斑密度图，矩形孔径的长度增加到图9A的孔径的五倍。电流也增加到5.6nA。正如在聚焦点中可以看到的，在水平方向上有显著的射束扩展。因此，当用于垂直方向上的铣削时，它不会提供清晰的切削边缘。图9C示出与图9B的光斑密度图相比增加八极场的效果。此处使用相同的孔径和电流，但是八极场补偿球面像差，为光斑或射束提供清晰的边缘，以用于精确铣削。

虽然图9B至图9C与矩形孔径有关，但已经穿过椭圆形孔径的射束的光斑密度图是相似的。

图10是根据本发明的使用离子束修改样品或工件的方法的流程图。修改可以包括对样品或工件进行铣削或蚀刻。该方法包括在步骤710处将具有要修改的表面的样品或工件定位在目标区域处。定位可以包括将工件的样品放置在可移动台112上，并调整可移动台的位置，使得要修改的样品或工件的区域位于离子束将入射的目标区域处。该方法进一步包括在步骤720处从离子源诸如从离子源102或205产生离子。在步骤730处，使用离子束聚焦透镜形成离子束，以使从源发散的离子至少部分会聚或聚焦。在步骤740处，离子束的至少一部分穿过孔径以限制射束的范围，其中孔径具有非圆形形状，诸如细长槽形状。在步骤750处，离子束穿过多极像差补偿器，例如八极元件，以诱导四重像散像差以补偿离子束的球面像差。在步骤760处，离子束被导向目标平面以修改样品或工件表面。引导可以通过偏转器系统或偏转器板来使离子束横跨表面扫描。

本领域技术人员将容易理解，可以对上述离子束系统进行各种修改和变更。可以在不脱离所附权利要求的范围的情况下作出修改。例如，可以改变八极元件和非圆形射束限制孔径的位置。射束限制孔径的大小和精确形状也可以改变。

Claims (16)

1.一种用于修改样品或工件表面的离子束系统，所述系统包括：

用于生成离子的离子源；

离子束聚焦柱，所述离子束聚焦柱被配置为引导从所述离子源接收的离子以形成离子束，并将所述离子束朝目标区域聚焦；和

样品台，所述样品台用于接收要修改的样品或工件，并用于将所述样品或工件表面定位在所述目标区域处，

其中所述离子束聚焦柱包括：

孔径板，所述孔径板具有非圆形射束限制孔径，所述非圆形射束限制孔径被配置为限制离子束穿过所述孔径板的范围；和

多极像差补偿器，所述多极像差补偿器被配置为向所述离子束施加四重像散，以补偿由所述离子束聚焦柱中的一个或多个透镜产生的球面像差。

2.根据权利要求1所述的离子束系统，其中所述多极像差补偿器是被配置为产生八极场的多极元件。

3.根据权利要求2所述的离子束系统，其中所述多极元件是八极元件、具有多于八极诸如12极或16极的多极元件，或者包括被配置为产生八极场的多个多极元件。

4.根据任意前述权利要求所述的离子束系统，其中所述多极像差补偿器位于沿着所述离子束路径在最终聚焦透镜之前的位置。

5.根据任意前述权利要求所述的离子束系统，其中所述非圆形射束限制孔径具有平行于所述离子束的扫描方向的第一尺寸和正交于所述离子束的扫描方向的第二尺寸，并且其中所述四重像散与所述孔径的所述第一尺寸对准。

6.根据权利要求5所述的离子束系统，其中所述多极像差补偿器包括八个或更多个极，并且沿着所述第一尺寸相对布置的一对所述极被配置为以相同极性偏置。

7.根据任意前述权利要求所述的离子束系统，其中所述非圆形射束限制孔径是细长孔径，诸如椭圆形孔径、卵圆形孔径或基本上矩形孔径。

8.根据权利要求7所述的离子束系统，其中：

所述非圆形射束限制孔径是基本上矩形孔径，并且所述多极像差补偿器包括沿平行于所述矩形的长边方向的方向相对布置的相同极性的一对极；或者

所述非圆形射束限制孔径是椭圆形或卵圆形孔径，并且所述多极像差补偿器包括沿平行于所述椭圆形或卵圆形孔径的主轴方向的方向相对布置的相同极性的一对极。

9.根据任意前述权利要求所述的离子束系统，进一步包括射束偏转器系统，所述射束偏转器系统被配置为使所述离子束偏转并使所述离子束横跨所述目标区域移动。

10.根据权利要求9所述的离子束系统，其中，所述偏转器系统被配置为使所述离子束横跨所述目标区域沿第一扫描方向移动，并且所述非圆形孔径被布置成使所述非圆形孔径的主要尺寸对准，使得所述目标区域处的所述离子束主要尺寸平行于所述第一扫描方向。

11.根据权利要求10所述的离子束系统，其中，所述非圆形孔径被布置成使得所述离子束在所述目标区域中具有次要尺寸，并且所述偏转器系统被配置为以对应于所述次要尺寸的前边缘使所述离子束横跨所述目标区域移动。

12.根据权利要求10或11中任一项所述的离子束系统，其中所述偏转器系统被配置为使所述离子束横跨所述目标区域进行光栅扫描，并且所述目标区域处的所述离子束的所述主要尺寸平行于所述光栅扫描的扫描线方向。

13.一种使用离子束修改样品或工件的方法，所述方法包括：

将具有要修改的表面的样品或工件定位在目标区域处；

从离子源生成离子；

使用离子束聚焦柱中的透镜从所述离子形成离子束；

通过引导所述射束穿过非圆形孔径来限制所述离子束的范围；

使用多极像差补偿器对孔径受限离子束诱导四重像散，以补偿由所述离子束聚焦柱中的一个或多个透镜对所述离子束产生的球面像差；以及

将所述离子束引导到所述目标平面以修改所述样品或工件表面。

14.根据权利要求13所述的方法，其中使用多极像差补偿器来诱导四重像散像差包括使用多极元件来产生八极场。

15.根据权利要求13或14所述的方法，进一步包括相对于所述样品或工件表面移动所述离子束以使所述离子束横跨所述表面扫描，其中所述非圆形孔径具有平行于所述离子束的扫描方向的第一尺寸方向和正交于所述离子束的扫描方向的第二尺寸方向，并且其中四重像散与所述孔径的第一尺寸方向对准。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，所述非圆形射束限制孔径是椭圆形孔径、卵圆形孔径或基本上矩形孔径。