TW201820372A - 自電荷載體產生空間抽取電荷載體之裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種用於自一電荷載體產生空間抽取電荷載體之裝置，其包括含有用於使該等電荷載體通過之至少一個開口之一第一電極，其中該開口在該第一電極之一第一表面中具有一第一表面面積，該第一表面面積小於該開口在該第一電極之一第二表面中之一第二表面面積。在此情形中，該第一表面係背對該電荷載體產生空間的該第一電極之表面，且該第二表面係面向該電荷載體產生空間的該第一電極之表面。該第一電極至少在毗鄰於該至少一個開口之橫向區域中係導電的，且在用於在該裝置之操作期間使電荷載體沿粒子放電方向加速離開該電荷載體產生空間的該裝置之所有電極中，該第一電極係位於沿該粒子放電方向距該電荷載體產生空間最小距離處之電極。

Description

自電荷載體產生空間抽取電荷載體之裝置

本發明係關於一種用於自一電荷載體產生空間抽取電荷載體之裝置，在該裝置之情形中，與來自先前技術之對應裝置之情形中相比，自藉助於電荷載體機械加工的一基板之表面反向散射之一材料之沈積在某些區域中較少且因此允許一較長使用壽命。

電荷載體之定向粒子束(舉例而言離子束或電子束)係藉由自一電荷載體產生空間(舉例而言一電漿)抽取電荷載體(亦即離子或電子)而在一粒子束源中產生，其中粒子在離開粒子束源之後在空間中沿一粒子放電方向以一定向方式且以一束形狀移動。出於此目的，使用用於抽取電荷載體之一或多個裝置，該等裝置各自由一或多個電極組成且自電荷產生空間抽取粒子且使該等粒子加速並且視情況沿一預設定方向偏轉該等粒子。在此情形中，每一電極具有至少一個開口，待抽取之電荷載體(粒子)穿過該至少一個開口。特定而言，為產生具有高達1 m之一束寬度之寬束，電極具有一柵格形狀使得每一電極係電荷載體可穿過之複數個開口之一機械(實體或材料)互連。此等電極稱為柵格電極。所得個別粒子部分束亦可視情況相對於彼此定向。在此情形中，一電極(通常)係一平面組件，該電極之橫向尺寸係其厚度(亦即其沿粒子放電方向之範圍)之諸多倍，且該電極具有沿厚度方向跨越組件之整個厚度延伸且允許電荷載體穿過組件之至少一個開口。根據先前技術，該至少一個開口係跨越組件之整個厚度具有大約相同大小(亦即在垂直於粒子放電方向之所有厚度平面中具有相同表面面積)之一開口。一般而言，開口在電極中呈一圓柱形孔形式。電極在至少某些區域中包括一導電材料，可將一電位施加至該材料使得可抽取且加速電荷載體或可阻擋粒子部分束。一般而言，此一電極由一導電材料(舉例而言石墨)製成。 諸如US 4,523,971 B、DE 10 2004 002 508 A1或US 7,285,788 B2中所闡述，在用於抽取電荷載體之一裝置中，通常將複數個電極沿粒子放電方向以彼此間隔之一距離一個接一個地配置於適當位置中，個別電極之開口彼此對應使得在將一對應電位施加至個別電極時，電荷載體可作為粒子部分束穿過電極之開口。此意指，穿過在電極中彼此對應之開口之一配置之粒子形成一粒子總束之一部分束，該粒子總束由用於抽取電荷載體之裝置產生。此等粒子部分束稱作細光束。一般而言，使用至少三個電極，該至少三個電極根據其功能稱作一電漿、螢幕或束電極、稱作一加速電極及稱作一接地電極。然而，亦可將其他電極配置於用於抽取電荷載體之裝置中，舉例而言以便影響所產生粒子總束之放電方向。 粒子束舉例而言用於離子束或電子束機械加工系統，尤其用於機械加工一基板之表面。在此情形中，表面之拓撲或表面之其他物理或化學性質(諸如吸濕性質)可藉由照射表面之粒子來更改。特定而言，在濺鍍及離子束蝕刻之情形中，藉助於照射基板之表面之粒子，自基板之表面剝蝕材料，經剝蝕材料粒子亦朝向粒子束源移動且能夠被沈積於電極上。特定而言，若絕緣或半導電材料沈積於電極上及/或若所沈積粒子僅形成不良黏合層(其隨時間剝落)，則在具有一高電位差之電極之間發生電閃燃(稱為電弧放電)。由於此等放電，電極之間的電位差抵消，且顯著地干擾電荷載體之抽取。由於無法控制此等放電，因此用於抽取電荷載體之裝置之使用壽命大幅度減少(舉例而言)至標準使用壽命之僅10％。 因此由本發明處理之問題係阻礙電弧放電之形成，且因此顯著增加用於抽取電荷載體之裝置之使用壽命。

由如技術方案1之用於自一電荷載體產生空間抽取電荷載體之一裝置解決此問題。可在附屬技術方案中找到含有相依性參考之較佳開發及實施例。 根據本發明最佳化之用於自一電荷載體產生空間抽取電荷載體之裝置含有具有至少一個開口之一第一電極，電荷載體可沿粒子放電方向穿過該至少一個開口。該第一電極至少在毗鄰於該至少一個開口之橫向區域中係導電的，且與視情況沿粒子放電方向配置於該第一電極前面或後面之其他電極電絕緣。第一電極係沿循該裝置之彼電極之粒子放電方向之第一個電極，其中在裝置之操作期間，電荷載體之抽取發生在電荷載體產生空間之表面層上(舉例而言電漿表面層上)。此意指，當用於抽取電荷載體之裝置含有在操作期間被施加一電位之複數個電極時，此電位允許電荷載體沿粒子放電方向加速離開電荷載體產生空間，則配置於距該電荷載體產生空間最小距離處之該等電極中之彼電極係本申請案之意義內之第一電極。該第一電極之該至少一個開口在該第一電極之一第一表面中具有一第一表面面積，該第一表面面積小於該開口在該第一電極之一第二表面中之一第二表面面積。在此情形中，該第一表面係背對該電荷載體產生空間的該第一電極之表面，且該第二表面係面向該電荷載體產生空間的該第一電極之表面。 較佳地，在穿過該開口之每一剖面平面中，該至少一個開口在該第一電極之該第一表面上的該開口之該邊界線上具有一第一點。在此情形中，一剖面平面係一平面，其沿電荷載體穿過開口(粒子放電方向)之方向延伸且與開口交叉並且延伸穿過第一表面中之開口之中心使得藉由兩個內部面曲線劃界剖面平面中之開口內部面。一「內部面曲線」理解為意指在剖面平面中自第一電極之第一表面遠至第一電極之第二表面的開口之內部面在剖面平面中在開口之兩個側中之一者上之形狀。在此情形中，第一表面中之開口之中心係開口之幾何重心。一第一內部面曲線自第一點延伸遠至第一電極之第二表面。第一點位於距第一表面中之開口之中心一第一距離處，而此開口之第一內部面曲線(此曲線連接至剖面平面中之第一點)上之所有其他點皆位於距中心法線大於或等於第一距離之一距離處。因此在每一情形中，第一距離皆係此開口之第一內部面曲線上之所有點至中心法線之間的最小距離，此曲線連接至剖面平面中之第一點。該中心法線係該第一表面之法線或沿該第一表面中的該開口之該中心與該第一表面相切之平面之法線。第一內部面曲線之所有點中之至少某些位於大於第一距離之一距離處。此同樣適用於剖面平面中之開口之第二內部面曲線。在每一情形中，較佳地內部面曲線之所有點之至少50％、更佳地內部面曲線之所有點之90％且最佳地除第一點之外的內部面曲線中之所有點皆處於距中心法線大於第一距離之一距離處。此意指，剖面平面中之一內部面曲線之所有額外點中之複數個額外點位於距中心法線大於第一距離之一距離處。此確保由被電荷載體機械加工之一基板反向散射之材料粒子無法到達且無法沈積於第一電極之至少一個開口之內部面上，或僅可在一有限程度上如此做。因此達成至少一個開口之內部面之至少部分相對於自基板表面反向散射之材料粒子之一遮蔽。即使在位於距中心法線大於第一距離之一距離處的一內部面曲線之一小比例之點之情形中亦存在此效應，但該等點在一內部面曲線之所有點中之比例愈大該效應甚至愈大。 在垂直於粒子放電方向延伸之一平面中，至少一個開口具有任何所要形狀。因此形狀可係圓形、卵圓形、橢圓形、三角形、多邊形或不規則形且針對不同開口不同。較佳地，一開口之形狀在自第一電極之第一表面至第二表面的該開口之範圍內實質上不改變。在此情形中，「實質上[…]不」舉例而言意指維持開口之一橢圓形狀，但主軸之長度與次軸之長度之比率在開口之範圍內可變化。 若用於抽取電荷載體之裝置含有複數個電極，則所有電極具有彼此對應之開口。在本申請案之意義內，不同電極中之「對應開口」理解為意指當將一電位對應地施加至個別電極時垂直於粒子放電方向配置於不同位置中之開口適用於允許電荷載體穿過不同電極之彼此對應開口作為一粒子束或粒子部分束。在此情形中，可根據本申請案將額外電極沿粒子放電方向配置第一電極前面或後面。除根據本申請案之第一電極之外，額外電極亦可具有以與第一電極中之至少一個開口相同之方式形成之至少一個開口。 一般而言，一種用於抽取電荷載體之裝置包括至少兩個電極，在裝置之操作期間將不同電位施加至該至少兩個電極。因此可舉例而言將對應於電荷載體之電荷之一高電位施加至接近且屏蔽電荷載體產生空間之一電極(螢幕電極)。此意指，當待藉助於裝置自電荷載體產生空間抽取之電荷載體係帶正電荷離子時，則電位係一正電位，而針對負離子或電子作為電荷載體，電位係一負電位。一電位至螢幕電極之施加亦可間接地經由電荷載體產生空間中之一額外電極進行。另一電極(其用於使電荷載體沿粒子放電方向加速離開電荷載體產生空間(加速電極)且係根據本申請案之第一電極)具有一電位(其具有與電荷載體之電荷相反之電荷)施加至其，從而導致兩個電極之間的一大電位差。 在一較佳實施例中，一連接線在該開口之該第一點與位於該第一電極之該第二表面上的該開口的該邊界線上之一第二點之間延伸，在相對於該中心法線以大於0°之一角度穿過該開口之剖面平面中，該第二點位於屬於該第一點之該第一內部面曲線上。在此情形中，角度小於90°。更佳地，角度係處於自1°至35°之範圍中。 較佳地，在第一剖面平面中，該第一電極之該開口之至少一個內部面曲線至多與該相關聯連接線接觸，但並不與該線交叉。此意指，在剖面平面中，開口之該內部面曲線上之每一點位於相關聯連接線上或位於在並不面向中心法線的連接線之側上距其一距離處。更佳地，此適用於每一剖面平面中之開口之所有內部面曲線。因此，開口之內部面在任何剖面平面中皆不超出剖面平面中之各別連接線。 在選擇角度時，必須在以下兩項之間找到一最佳角度：首先，開口之內部面相對於自一基板反向散射之材料粒子之遮蔽(對於此一大角度係有利的)，與其次，第一電極之機械穩定性(對於此一小角度係有利的)。此外，在柵格電極之情形中，第一柵格電極之第二表面上之毗鄰開口之間的距離(及因此用於抽取電荷載體之裝置之透明度)係影響角度之最大大小之一準則。針對其中使用用於抽取電荷載體之裝置之一機械加工設備之已知大小(特定而言由電荷載體機械加工之一基板之一表面區域之一大小)，可針對連接線計算第一電極之第一表面距基板之表面之一距離、第一電極之一厚度或一高度及剖面平面中之第一電極之開口在第一電極之第一表面上之一開口寬度、一第一角度使得針對大於或等於該第一角度之所有角度達成開口之內部面之一遮蔽，該遮蔽幾乎完整或至少足夠大以克服先前技術之缺點。第一電極之開口在第一電極之第一表面上的開口寬度係距第一表面中之開口之中心之第一距離與一第二距離之總和，該第二距離具有位於第一電極之第一表面上之特定開口之邊界線上及剖面平面中之開口之第二內部面曲線上之一點。下文將參考圖式更詳細地闡述用於計算第一角度之實例。 較佳地，至少一個內部面曲線之該等點距該中心法線之該距離在該第一電極之該第一表面與該第一電極之該第二表面之間增加。更佳地，該距離連續增加。 在一尤其較佳實施例，該第一電極之該開口之至少一個內部面曲線沿一直線在該第一電極之該第一表面與該第二表面之間延伸。亦即，在穿過第一電極之相關聯剖面平面，開口之內部面(至少在開口之一個側上)係自第一表面延伸至第二表面之一直線。 另一選擇係，開口之至少一個內部面曲線亦可具有一不同形狀。舉例而言，內部面曲線之一點(其與第一點不同且經定位比同一內部面曲線之另一點更接近於第一表面)距中心法線之距離可大於該其他點距中心法線之距離。因此，開口在剖面中可舉例而言具有一凸出形狀。 另一替代方案在於開口之內部面之一階梯形形狀使得此內部面曲線之點距中心法線之距離在第一電極之一所定義厚度區域內保持相同且然後朝向第一電極之另一厚度區域迅速或逐步改變。在此情形中，第一電極之一厚度區域係沿粒子放電方向自一第一厚度平面延伸遠至一第二厚度平面且鄰接開口的第一電極之一區域。一厚度平面係垂直於粒子放電方向延伸且配置於第一電極之第一表面與第二表面之間的一平面。 若第一電極具有用於使電荷載體通過之大量開口，亦即第一電極係如上文所闡述之一柵格電極，則較佳地每一開口如上文所闡述經形成。不同開口可以不同方式形成，亦即特定而言在垂直於粒子放電方向延伸之一平面中可具有不同形狀、不同第一及/或第二距離、連接線之不同角度及/或開口之內部面之不同形狀。 根據本發明之用於抽取電荷載體之裝置具有相對於根據先前技術之用於抽取電荷載體之一裝置之使用壽命延長10倍至30倍之一使用壽命。 在下文中，將參考實施例及圖式闡明本發明，其中個別組件及元件未按比例展示。

圖1係用於自一粒子束源(3)之一電荷載體產生空間(2)抽取電荷載體之一裝置(1)之一示意性剖面圖。電荷載體產生空間(2)舉例而言係產生於粒子束源(3)之一外殼(31)內之一電漿。在此情形中，可使用電容性、電感性或基於微波之程序來產生電漿。亦可使用用於提供電荷載體產生空間(2)中之電荷載體之熱絲源或其他選項。舉例而言，可使用電子槍或離子槍。可自由地選擇電荷載體產生空間(2)之特定組態，前提係用於抽取電荷載體之裝置(1)上存在一充足電荷載體供應。將用於抽取電荷載體之裝置(1)配置於粒子束源(3)中或粒子束源(3)上，且在裝置(1)之操作期間將一或多個電位施加至該裝置(1)。亦可將用於自相同電荷載體產生空間抽取電荷載體之複數個裝置配置於一粒子束源中或一粒子束源上。 用於抽取電荷載體之裝置(1)通常由複數個電極組成，但含有至少一個用於抽取電荷載體之電極，給該電極施加與待抽取之電荷載體之電位相反之一高電位。在圖1中所展示之實例中，用於抽取電荷載體之裝置(1)含有柵格電極，特定而言一螢幕電極(10)、一第一電極(11)及一接地電極(12)。上文所提及之柵格電極以此次序沿粒子放電方向一個接一個地配置使得自電荷載體產生空間(2)觀看電荷載體首先通過螢幕電極(10)、然後通過第一電極(11)且最後通過接地電極(12)。使用螢幕電極(10)來相對於周圍環境屏蔽電荷載體產生空間(2)中之電漿，且在操作中將對應於待抽取之電荷載體之電荷之一高電位(舉例而言，+1000 V正離子)施加至該螢幕電極(10)。在螢幕電極(10)處，自電荷載體產生空間(2)抽取電荷載體發生在電荷載體產生空間(2)之表面層上。使用第一電極(11)來使待抽取之電荷載體加速，且將具有與待抽取之電荷載體之電荷相反之電荷之一電位(例如-100 V正離子)施加至該第一電極(11)。接地電極(12)連接至接地。因此，在螢幕電極(10)與第一電極(11)之間存在一大電位差，舉例而言1100 V。 每一柵格電極具有延伸越過各別柵格電極之整個厚度或高度之大量開口(101、111、121)，該高度沿在圖1中由虛線箭頭指示之粒子放電方向定義。 所抽取電荷載體穿過彼此對應於螢幕電極(10)、第一電極(11)及接地電極(12)之開口(101、111、121)作為沿粒子放電方向之一粒子部分束並且形成照射一基板(4)之表面(41)且機械加工該表面之一粒子束。個別柵格電極可係完全平坦的或以一方式經形成具有一半徑使得個別粒子部分束亦可聚焦或散焦直至該等部分束照射基板表面(41)為止。在本申請案之意義內，「機械加工」基板表面(41)被理解為特定而言意指其中材料自基板表面(41)剝蝕之製程，舉例而言濺鍍或離子束蝕刻。在此情形中，經剝蝕材料粒子亦自基板表面(41)朝向用於抽取電荷載體之裝置(1)反向散射，此由連續箭頭展示。柵格電極由(舉例而言)石墨組成，自基板表面(41)反向散射之(例如)矽(Si)不良地黏合至該等柵格電極。 參考圖2，更詳細地闡釋第一電極(11)之開口之特殊設計。出於此目的，圖2展示來自根據本發明之用於抽取電荷載體之裝置(1)之一細節，該細節在每一情形中僅具有電極(10、11、12)之兩個開口(101、111、121)。螢幕電極(10)中之開口(101)及接地電極(12)中之開口(121)係根據先前技術而形成且在垂直於粒子放電方向之一平面中具有一圓形形狀及一圓柱形三維形狀。因此，此一開口(101、121)之內部面曲線上之所有點大約位於距該開口(101、121)之整個範圍內之一中心法線相同距離處。相比而言，第一電極(11)中之開口(111)具有一不同形狀：在所展示之實施例中，開口(111)具有一截錐之三維形狀。此等開口(111)中之每一者自第一電極(11)之一第一表面(112)延伸遠至第一電極(11)之一第二表面(113)。第一表面(112)背對電荷載體產生空間(2)且面向基板表面(41)，而第二表面(113)面向電荷載體產生空間(2)且背對基板表面(41)。因此，此一開口(111)在第一表面(112)上具有一第一表面面積(A₁ )，該第一表面面積(A₁ )小於第二表面(113)上之一第二表面面積(A₂ )。此外，在所展示之情形中，第一表面面積(A₁ )小於此開口在其他厚度平面中具有之所有其他表面面積。在此情形中，一厚度平面係垂直於粒子放電方向(圖2中之虛線箭頭)延伸之一平面且配置於第一表面(112)與第二表面(113)之間。換言之：未配置於第一表面(112)上的此一開口(111)之內部面曲線之點位於比配置於第一表面(112)上的內部面曲線之點距一中心法線一更大距離處。因此，自基板表面(41)朝向電極(10、11、12)移動(由圖2中之實線箭頭展示)之經剝蝕材料粒子主要沈積於接地電極(12)的面向基板表面(41)之表面上且沈積於接地電極(12)中之開口(121)之內部面以及螢幕電極(10)中之開口(101)之內部面上，但僅在一減少程度上沈積於第一電極(11)之開口(111)之內部面上。 為進一步圖解說明第一電極(11)中之開口(111)之設計，圖3A係第一電極之第二表面(113)及一特定開口(111)之一平面圖，且圖3B係該開口(111)在沿著線A-A’穿過第一電極(11)截取之剖面中之一顯著放大圖。 在第一表面上，開口(111)具有一第一邊界線(115)，且在第二表面(113)上具有一第二邊界線(116)。在所展示之情形中，平面圖中之開口(111)在所有厚度平面中皆係圓形的，圓形面之中心位於沿粒子放電方向之一直線上使得開口(111)具有劃界一截錐之一橫向表面之一內部面(114)。在圖3A中，僅標記第一表面上之開口(111)之中心(M)。在第一表面上，開口(111)具有由第一邊界線(115)定界之具有一第一表面面積之一圓形面，且在第二表面(113)上具有由第二邊界線(116)定界之具有一第二表面面積之一圓形面。第一表面面積(其對應於圖3A中之白色內部圓圈)小於第二表面面積(其對應於圖3A中之白色內部圓圈以及帶陰影圓形環)，且係開口(111)在不同厚度平面中所具有之所有圓形面之最小表面面積。沿著延伸穿過第一表面上之開口(111)之中心(M)之交叉線A-A’，四個點(P₁ 至P₄ )位於開口(111)之內部面(114)上。第一點(P₁ )及第三點(P₃ )位於第一邊界線(115)上，而第二點(P₂ )及第四點(P₄ )位於第二邊界線(116)上。 在沿著線A-A’穿過開口(111)截取之剖面(其在圖3B中展示)中，連接垂直於剖面平面延伸且與第一表面(112)平行之厚度平面中之開口(111)之所有圓形面之中心的直線與中心法線(m)重合。中心法線(m)在第一表面(112)係如情形所展示之一平面時係第一表面(112)之法線，或在第一表面係一彎曲面時係第一表面之切線之法線，中心法線(m)在第一表面(112)上之開口(111)之中心(M)中。舉例而言當開口具有一傾斜截錐之三維形狀時，亦可設想其中開口之中心並非上下地位於所有厚度平面中之中心法線(m)上之情形。在剖面中，重新標記第一點至第四點(P₁ 至P₄ )。開口(111)之內部面在剖面中在第一點(P₁ )與第二點(P₂ )之間劃界一第一內部面曲線(114₁ )，而開口(111)之內部面在第三點(P₃ )與第四點(P₄ )劃界一第二內部面曲線(114₂ )。在所展示之情形中，第一內部面曲線(114₁ )及第二內部面曲線(114₂ )分別沿著自第一點(P₁ )至第二點(P₂ )及自第三點(P₃ )至第四點(P₄ )之一直線之延伸。在所展示之情形中，第一點(P₁ )與第二點(P₂ )之間的連接線(v)與第一內部面曲線(114₁ )重合，連接線(v)以一角度α延伸至中心法線(m)。亦可在第三點(P₃ )與第四點(P₄ )之間產生一連接線(圖3B中未展示)，該線可相對於中心法線(m)以與α相同之角度或以與α不同之一角度延伸。針對所展示之形成開口(111)之同心圓之情形，兩個角度係相同的。然而，內部面曲線亦可具有一不同形狀，舉例而言一階梯形或彎曲形狀，但開口之一內部面曲線上之每一點較佳地位於第一點(P₁ )與第二點(P₂ )之間或第三點(P₃ )與第四點(P₄ )之間的連接線上或者比對應連接線距中心法線更遠。 第一點(P₁ )位於距第一表面(112)中之開口(111)之中心(M)一第一距離(d₁ )處，而第三點(P₃ )位於距第一表面(112)中之開口(111)之中心(M)一第二距離(d₂ )處。在所展示之形成開口(111)之同心圓之情形中，第一距離(d₁ )等於第二距離(d₂ )。第一內部面曲線(114₁ )上之每一額外點(P_i )位於距中心法線(m)一距離(d_i )處，該距離(d_i )大於或等於第一距離(d₁ )，所有點(P_i )中之至少一半位於一較大距離(d_i )處。在所展示之情形中，所有點(P_i )皆位於大於第一距離(d₁ )之一距離(d_i )處。此同樣適用於第二內部面曲線(114₂ )：在此情形中，位於第二內部面曲線(114₂ )上之所有點(P_j )皆位於距中心法線(m)一距離(d_j )處，該距離(d_j )大於或等於第二距離(d₂ )，所有點(P_j )中之至少一半位於大於第二距離(d₂ )之一距離(d_j )處。在所展示之情形中，位於第一或第二內部面曲線(114₁ 、114₂ )上且並非第一點或第二點(P₁ 、P₂ )之所有點(P_i 、P_j )皆處於距中心法線(m)大於第一距離或第二距離(d₁ 、d₂ )之一距離(d_i 、d_j )處。 參考圖4B及圖5，闡釋一第一角度α₁ 之計算，第一角度α₁ 確保在極大程度上直至幾乎完全遮蔽第一電極之至少一個開口之內部面。第一角度α₁ 係連接線之角度α之最小大小，前提係開口之內部面曲線並不與該連接線交叉。在每一情形中，起動含有柵格電極之用於抽取電荷載體之一裝置。所指示之計算係對來自基板表面之材料之剝蝕之一高斯量變曲線之估計。在此點處，再次應注意，內部面曲線具有小於第一角度α₁ 之一角度之開口亦已經允許遮蔽開口之內部面之部分且允許因此用於抽取電荷載體之裝置之使用壽命之一改良。 參考圖4B，針對其中由粒子束機械加工一基板表面之一小區域之情形闡釋一第一角度α₁ 之計算。出於此目的，用於抽取電荷載體之裝置(1)呈(柵格)電極(10、11、12)之一聚焦總成之形式，如圖4A中示意性地展示。展示螢幕電極(10)、第一電極(11)及接地電極(12)，該等電極不係平坦的而係彎曲的。在所展示之剖面中，電極(10、11、12)各自表示自一圓形環之一切口，電極之內部半徑等於、小於或大於各別電極(10、11、12)的面向一基板(4)之一第一表面距基板(4)之表面(41)之距離且該等電極具有同一中心，該中心位於基板(4)上沿粒子放電方向在基板前方或後方。由於用於抽取電荷載體之裝置(1)之電極(10、11、12)之球面幾何形狀，產生一經聚焦粒子束，藉助於該經聚焦粒子束可執行對基板表面(41)之小表面面積機械加工。 圖4B中之示意圖僅展示具有一開口(111)之第一電極(11)，已忽略電極之曲率且此處未展示，且基板(4)具有由粒子束(其由用於抽取電荷載體之裝置產生)機械加工的基板表面(41)之一區域(411)，其中粒子束之大約90％之粒子照射於該區域(411)中。該區域(411)相對較小，舉例而言其具有10 mm之一寬度b。第一電極(11)之第一表面(112)位於距基板表面(41)一距離a₁₁ 處，舉例而言距離a₁₁ 係處於自60 mm 至110 mm之一範圍中。第一電極(11)具有處於0.2 mm至3 mm之範圍中之一高度h₁₁ 。第一電極(11)中之開口(111)在第一表面(112)上具有一下部開口寬度(w_u )且在第二表面(113)上具有一上部開口寬度(w_o )。在每一特定剖面平面中，開口寬度被理解為意指第一內部面曲線上之一特定點距中心法線(m)之距離與第二內部面曲線上之另一特定點距中心法線(m)之距離之總和，該兩個特定點位於垂直於中心法線且垂直於剖面平面延伸之一個厚度平面上。亦即，下部開口寬度(w_u )係第一距離(d₁ )與第二距離(d₂ )之總和，而上部開口寬度(w_o )係第二點距中心法線(m)之距離與第四點距中心法線(m)之距離之總和。在其中開口(111)在所有厚度平面中始終呈一圓形之形狀之情形中，開口寬度係特定厚度平面中之開口(111)之直徑。 假設配置於基板表面(41)與第一電極(11)之間的電極具有開口，該等開口之開口寬度足夠大以允許大部分經反向散射材料粒子(由實線箭頭展示)穿過，第一角度α₁ 計算如下：(1)。 因此，一距離a₁₁ = 62 mm、一寬度b = 10 mm且一下部開口寬度w_u = 1.5 mm得出5.3°之一第一角度α₁ 。根據公式(2) w_o =(2) 一高度h₁₁ = 1 mm 因此得出一上部開口寬度w_o = 1.69 mm。 在內部面曲線之一直線形狀之情形中，可因此防止所有經反向散射材料粒子之大約90％之沈積。 參考圖5，闡釋針對其中由粒子束機械加工一基板表面之一大區域之情形第一角度之計算。在此情形中，粒子束未藉由用於抽取電荷載體之裝置之平面電極聚焦，且因此來自粒子束源之粒子部分束彼此平行地照射基板(4)之表面(41)。由於經機械加工區域(411)極大(舉例而言具有150 mm之一寬度b)，因此第一角度α₁ 不再如圖4B中之情形一樣由經機械加工區域(411)之大小判定，而係由藉助於配置於第一電極(11)與基板(4)之間的電極之經反向散射材料粒子(在圖5由實線箭頭展示)之幾何陰影判定。在實施例中，此係接地電極(12)。接地電極(12)中之開口(121)具有一開口寬度w₁₂ ，開口寬度w₁₂ 在開口(121)之整個範圍內自接地電極(12)之一第一表面(122)遠至接地電極(12)之一第二表面(123)幾乎恆定。接地電極(12)之第一表面(122)面向基板(4)，而接地電極(12)之第二表面(123)面向第一電極(11)。接地電極(12)之第一表面(122)位於距基板表面(41)之一距離a₁₂ 處，距離a₁₂ 舉例而言係處於60 mm至110 mm之一範圍中。第一電極(11)之第一表面(112)位於距接地電極(12)之第二表面(123)一距離a₂₁ 處，距離a₂₁ 舉例而言係處於1 mm至5 mm之一範圍中。第一電極(11)具有一高度h₁₁ ，且接地電極(12)具有一高度h₁₂ ，高度h₁₁ 及高度h₁₂ 各自係處於1 mm至3 mm之範圍中。第一電極(11)中之開口(111)在第一表面(112)上具有一下部開口寬度(w_u )且在第二表面(113)上具有一上部開口寬度(w_o )。如參考圖4B所闡述定義開口寬度。 因此如下計算第一角度α₁ ： α₁ = arctan(3)。 因此，一距離a₂₁ = 3 mm、一高度h₁₂ = 1 mm、一開口寬度w₁₂ = 2 mm且一下部開口寬度w_u = 1.1 mm 得出一第一角度α₁ 係21.2°。根據已參考圖4B制定之公式(2)，一高度h₁₁ = 1 mm得出一上部開口寬度w_o = 1.875 mm。 在內部面曲線之一直線形狀之情形中，可因此防止沈積所有經反向散射材料粒子中之大部分使得用於抽取電荷載體之裝置之使用壽命在此大大地延長。 基於圖6，現在示意性地圖解說明用於組態用於自一電荷載體產生空間抽取電荷載體之一裝置之另一選項，在該選項中減少材料在一柵格電極之開口之內部面上之沈積。出於此目的，圖6展示一裝置(1a)，其再次含有一螢幕電極(10)、一第一電極(11a)及一接地電極(12)。在此情形中，螢幕電極(10)具有具一開口寬度w₁₀ 之至少一個開口(101)，第一電極(11a)具有具一開口寬度w_11a 之至少一個開口(111a)，且接地電極(12)具有具一開口寬度w₁₂ 之至少一個開口(121)。所有開口(101、111a、121)具有一圓柱形三維形狀使得開口(101、111a、121)中之每一者之開口寬度在每一開口之整個範圍內跨越每一電極(10、11a、12)之厚度幾乎恆定。為減少或防止經反向散射材料粒子在第一電極(11a)之開口(111a)之內部面上之一沈積，第一電極(11a)之開口(111a)之開口寬度w_11a 相對於螢幕電極(10)及接地電極(12)中之對應開口(101、121)之開口寬度(w₁₀ 、w₁₂ )係擴大的。換言之：w_11a ＞ w₁₀ 且w_11a ＞ w₁₂ 。因此，經反向散射材料粒子主要沈積於接地電極(12)的面向基板(4)之表面上及分別螢幕電極(10)及接地電極(12)中之開口(101、121)之內部面上。在此情形中根據以下公式(4)或(5)計算第一電極(11a)之開口(111a)之最小開口寬度w_11amin ： 針對基板表面(41)之小表面面積機械加工之情形使用一經聚焦粒子束： w_11amin = w₁₂ + (b + w₁₂ )(4) 針對基板表面(41)之大表面面積機械加工之情形使用平行粒子部分束： w_11amin = w₁₂ (5) 其中b係經機械加工表面區域(411)之寬度，a₁₂ 係接地電極(12)的面向基板(4)之表面距基板(4)之距離，a₂₁ 係接地電極(12)的面向第一電極(11a)之表面與第一電極(11a)的面向接地電極(12)之表面之間的距離，h₁₂ 係接地電極(12)之高度，且h_11a 係第一電極(11a)之高度。 因此，第一電極(11a)中之開口(111a)之開口寬度w_11a 必須係擴大的或相反地，接地電極(12)中之開口(121)之開口寬度w₁₂ 必須製成為較小的，以此一方式使得接地電極(12)確保第一電極(11a)之開口(111a)之內部面之屏蔽。在此情形中，將對開口寬度w₁₂ 及w_11a 進行選擇使得首先確保第一電極(11a)之機械穩定性，且接地電極(12)中之不同開口(121)之間的距離不會過大，並且因此用於抽取電荷載體之裝置(1a)之透明度不會過度限制。 圖7A至圖7C及圖8係圖解說明用於防止形成電弧放電之其他選項之示意圖。在此等變體中，並未相對於先前技術改變第一電極中之開口之幾何形狀(亦即開口寬度及三維形狀)，而是另外地減少材料粒子在第一電極之開口之內部面上之沈積，或防止沈積自開口之內部面剝落且因此防止沈積促進電弧放電或至少在循環中再次移除經沈積材料粒子。 在圖7A至圖7C中，示意性地展示用於組態用於抽取電荷載體之裝置之三個額外選項，在該等選項中減少或防止材料粒子在第一電極之開口之內部面上之沈積及/或經沈積材料之剝落。 出於此目的，圖7A中所展示之用於抽取電荷載體之裝置(1b)包括一第一電極(11b)，該第一電極具有具標準三維形狀及標準尺寸之開口但經設計以便實質上比一習用電極(諸如螢幕電極(10)及接地電極(12))薄。舉例而言，由石墨製成之電極(特定而言柵格電極)通常具有介於1 mm與3 mm之間的一厚度。相比而言，由金屬(舉例而言由鉬或鎢)製成之電極可實質上較薄，舉例而言經形成僅具有介於180 µm與200 µm之間的一厚度。因此，較少經反向散射材料可沈積於第一電極(11b)之開口(111b)之內部面上，且因此最小化該等沈積剝落之風險及經剝落粒子之效應。 圖7B中展示另一選項。在此情形中，用於抽取電荷載體之裝置(1c)之第一電極(11c)由一材料組成，自基板表面反向散射之材料至該材料之黏合比至標準電極材料之黏合好，或該材料與自基板表面反向散射之材料化學反應。一般而言，由石墨製作用於自一電荷載體產生空間抽取電荷載體之一裝置之電極，此乃因此材料相對於一物理或化學侵蝕具有一低剝蝕速率且因此具有一長使用壽命。然而，通常使用離子束機械加工之大多數材料(舉例而言矽(Si))黏合不良，因此導致剝落且導致藉此促進之電弧放電。然而，若第一電極(11c) (其至少部分地被螢幕電極(10)及接地電極(12)屏蔽以抵抗一直接物理及化學侵蝕)係由另一材料製作(舉例而言，諸如鉬或鎢之一金屬)，則經反向散射矽較佳地黏合至該材料或甚至與該材料形成一化學結合，其亦不易於剝落。 在圖7C中所展示之實施例中，用於抽取電荷載體之裝置(1d)包括一第一電極(1d)，該第一電極(1d)如同其他電極(10、12)一樣由石墨組成，但至少在開口(111d)之內部面上塗佈有另一材料(117)。自基板表面反向散射之材料(例如Si)較佳地黏合至該其他材料(117) (舉例而言鉬或鎢)，或該其他材料(117)與自基板表面反向散射之材料化學反應且形成較佳地黏合至第一電極(11d)之石墨材料之一材料。較佳地，在此情形中，所有電極(10、11d、12)之對應開口具有相同開口寬度。 在參考圖7A至圖7C所闡述之情形中，減少或防止已自基板表面反向散射且沈積於第一電極(11b至11d)之開口之內部面上之材料之剝落，且因此在一程度上防止或延遲電弧放電之形成使得滿足對用於抽取電荷載體之裝置(1b至1d)之使用壽命之要求。 參考圖8，下文中闡述一方法，使用該方法來減少第一電極之開口之內部面上之沈積或減少此等沈積之負面效應。出於此目的，允許一額外氣體進入至離子束源中，此藉助於化學反應改變沈積於第一電極中之開口之內部面上之材料。在圖8之示意圖中，用於自電荷載體產生空間(2)抽取電荷載體之裝置(1e)具備一螢幕電極(10)、一第一電極(11e)及一接地電極(12)。第一電極(11e)之開口(111e)之內部面上沈積有已自經機械加工基板表面反向散射之材料(118)。一額外氣體(5)饋送至用於抽取電荷載體之裝置(1e)中。額外氣體(5)係與經沈積材料(118)反應且在此情形中形成一氣體或一化學化合物之一氣體，該經形成氣體或化學化合物比原始經沈積材料(118)更好地黏合至第一電極(11e)之材料。舉例而言，額外氣體可係N₂ ，N₂ 與沈積於第一電極(11e)之開口(111e)之內部面上之矽(Si)反應且形成固態氮化矽(SiN)。該氮化矽再次比經反向散射矽更好地黏合至第一電極(11e)之材料且同時形成第一電極(11e)之一表面，與黏合至第一電極(11e)之原始電極材料相比額外經反向散射矽更好地黏合至該表面。若一氣體係藉由額外氣體(5)與經沈積材料(118)之反應而形成，則該可藉助於泵被吸出。藉由實例之方式，使用一含氟氣體(例如SF₆ 、CF₄ 、NF₃ 或CHF₃ )作為一額外氣體，該額外氣體沈積於第一電極(11e)之開口(111e)之內部面上之經反向散射矽(Si)反應且形成氣態氟化矽(SiF)。額外氣體(5)舉例而言可呈離子形式且在電荷載體產生空間(2)中與用於機械加工一基板表面之電荷載體一起產生且由用於自電荷載體產生空間(2)抽取電荷載體之裝置(1e)抽取並且供應至經沈積材料(118)。然而，亦可單獨地饋入額外氣體(5)。額外氣體(5)可在機械加工一基板之製程期間饋入及/或在兩個機械加工製程之間的間隔饋入使得藉由化學反應連續地或不時地(亦即週期性地)移除或改變經沈積材料(118)。 藉由實例之方式，提及以下值：當週期性地饋入額外氣體(5)時，另一選擇係，在無額外氣體(5)之情況下執行一通常機械加工製程達12小時之一週期，且用SF₆ 作為額外氣體(5) (在體積上佔機械加工系統中總氣流之30％)來執行一機械加工製程達2分鐘。因此，與通常機械加工氣體(例如Ar)相比額外氣體(5)在一循環之整個持續時間內以每千份之範圍被添加。 若在機械加工一基板之製程期間供應額外氣體(5)，則該氣體亦到達基板之表面，其中若適用則該氣體輔助基板之機械加工。因此，一含氟額外氣體(5)可在例如藉助於Ar離子之離子束蝕刻矽或含矽化合物期間促成一化學組件剝蝕基板材料，且因此增加蝕刻速率。此外，額外氣體(5)亦可減少到達用於自基板表面抽取電荷載體之裝置(1e)之材料粒子之量，此乃因舉例而言額外氣體(5)在經反向散射材料粒子實際到達裝置(1e)之前與經反向散射材料粒子反應。 所有上文所提及之用於減少或防止電弧放電之選項中之某些亦可彼此組合，前提係該等選項並不相互排斥。

1‧‧‧裝置/用於抽取電荷載體之裝置
1a‧‧‧裝置/用於抽取電荷載體之裝置
1b‧‧‧裝置/用於抽取電荷載體之裝置
1c‧‧‧裝置/用於抽取電荷載體之裝置
1d‧‧‧裝置/用於抽取電荷載體之裝置
1e‧‧‧裝置
2‧‧‧電荷載體產生空間
3‧‧‧粒子束源
4‧‧‧基板
5‧‧‧額外氣體/含氟額外氣體
10‧‧‧螢幕電極
11‧‧‧第一電極
11a‧‧‧第一電極
11b‧‧‧第一電極
11c‧‧‧第一電極
11d‧‧‧第一電極/電極
11e‧‧‧第一電極
12‧‧‧接地電極
31‧‧‧外殼
41‧‧‧基板表面/表面
101‧‧‧開口/螢幕電極中之開口
111‧‧‧開口/第一電極中之開口
111a‧‧‧開口
111b‧‧‧開口
111c‧‧‧開口
111d‧‧‧開口
111e‧‧‧開口
112‧‧‧第一表面/第一電極之第一表面
113‧‧‧第二表面/第一電極之第二表面
114‧‧‧內部面/一開口之內部面
114₁‧‧‧第一內部面曲線
114₂‧‧‧第二內部面曲線
115‧‧‧第一邊界線/第一表面上之開口之邊界線
116‧‧‧第二邊界線/第二表面上之開口之邊界線
117‧‧‧材料/開口之內部面上之塗佈材料
118‧‧‧經沈積材料/材料/開口之內部面上之經反向散射材料之沈積物
121‧‧‧開口/接地電極中之開口
122‧‧‧第一表面/接地電極之第一表面
123‧‧‧第二表面/接地電極之第二表面
411‧‧‧區域/經機械加工區域/經機械加工表面區域
A-A’‧‧‧交叉線/線
A₁‧‧‧第一表面面積
A₂‧‧‧第二表面面積
a₁₁‧‧‧距離/第一電極之第一表面距基板表面之距離
a₁₂‧‧‧距離/接地電極之第一表面距基板表面之距離
a₂₁‧‧‧距離/接地電極之第二表面距第一電極之第一表面之距離
b‧‧‧寬度
d₁‧‧‧第一距離
d₂‧‧‧第二距離
d_i‧‧‧距離/點P_i距中心法線之距離
d_j‧‧‧距離/點P_j距中心法線之距離
h₁₁‧‧‧高度/第一電極之高度
h_11a‧‧‧第一電極之高度
h₁₂‧‧‧高度/接地電極之高度
M‧‧‧第一表面上之開口之中心/中心
m‧‧‧中心法線
P₁‧‧‧第一點/點
P₂‧‧‧第二點/點
P₃‧‧‧第三點/點
P₄‧‧‧第四點/點
P_i‧‧‧額外點/點/第一內部面曲線上之點
P_j‧‧‧點/第二內部面曲線上之點
v‧‧‧連接線/第一點與第三點之連接線
w₁₀‧‧‧開口寬度/螢幕電極中之開口之開口寬度
w_11a‧‧‧開口寬度/第一電極中之開口之開口寬度
w₁₂‧‧‧開口寬度/接地電極中之開口之開口寬度
w_o‧‧‧上部開口寬度/第一電極中之開口在第一表面上之開口寬度
w_u‧‧‧下部開口寬度/第一電極中之開口在第二表面上之開口寬度
α‧‧‧角度/連接線與中心法線之間的角度
α₁‧‧‧第一角度

在圖式中： 圖1係具有三個柵格電極之一第一實施例中之根據本發明之裝置一示意性剖面圖， 圖2係來自圖1用以圖解說明第一電極之組態之一細節， 圖3A 係來自圖2之第一電極之一開口之一平面圖， 圖3B係來自圖3A之開口在沿著線A-A’截取之剖面中之一放大圖， 圖4A 係根據本發明之一聚焦裝置之一示意圖，該聚焦裝置用於抽取電荷載體之裝置使得由粒子束機械加工一基板表面之一小區域， 圖4B係圖4A中之裝置之第一角度之計算之一示意性圖解說明， 圖5係對針對其中由粒子束機械加工一基板表面之一大區域之情形第一角度之計算之一示意性圖解說明， 圖6係用於組態用於自一電荷載體產生空間抽取電荷載體之一裝置之另一選項之一示意圖，在該選項中材料在一柵格電極之開口之內部面上之沈積減少， 圖7A至圖7C係圖解說明用於組態第一電極之其他選項之示意圖，藉助於該等選項可減少或防止電弧放電之形成，且 圖8係一方法之一示意圖，藉助於該方法可減少經反向散射材料之沈積或可防止該經反向散射材料之剝落。

Claims (11)

1. 一種用於自一電荷載體產生空間抽取電荷載體之裝置，其包括具有至少一個開口之一第一電極，該等電荷載體可穿過該至少一個開口，該第一電極至少在毗鄰於該至少一個開口之橫向區域中係導電的，且在用於在該裝置之操作期間使該等電荷載體沿一粒子放電方向加速離開該電荷載體產生空間的該裝置之所有電極中，該第一電極係配置於沿於該粒子放電方向距該電荷載體產生空間最小距離處之彼一電極，其中該第一電極之該開口在該第一電極之一第一表面中具有一第一表面面積，該第一表面面積小於該開口在該第一電極之一第二表面中之一第二表面面積，該第一表面係背對該電荷載體產生空間的該第一電極之彼表面，且該第二表面係面向該電荷載體產生空間的該第一電極之彼表面。
2. 如請求項1之裝置，其中，在穿過該第一電極之該開口之每一剖面平面中，該第一電極之該第一表面上的該開口之邊界線上之一第一點距該第一表面中的該開口之中心具有一第一距離，且位於該開口之一第一內部面曲線上之所有其他點距中心法線具有大於或等於該第一距離之一距離，該第一內部面曲線連接至該剖面平面中之該第一點，其中所有該等點中之至少某些具有大於該第一距離之一距離，且其中該中心法線係該第一表面之法線或沿該第一表面中的該開口之該中心與該第一表面相切之平面之法線。
3. 如請求項1或請求項2之裝置，其中該開口在垂直於該粒子放電方向延伸之平面中之形狀在自該第一電極之該第一表面至該第二表面的該開口之範圍內實質上不改變。
4. 如請求項2之裝置，其中一連接線在該開口之該第一點與位於該第一電極之該第二表面上的該開口之該邊界線上之一第二點之間延伸，在相對於該中心法線以大於0°之一角度穿過該開口之剖面平面中，該第二點位於連接至該第一點之該內部面曲線上。
5. 如請求項4之裝置，其中該角度係處於自1°至35°之範圍中。
6. 如請求項4或請求項5之裝置，其中在該剖面平面中，該第一電極之該開口之至少一個內部面曲線至多與該相關聯連接線接觸，但並不與該線交叉。
7. 如請求項6之裝置，其中在每一剖面平面中，該開口之每一內部面曲線至多與該相關聯連接線接觸，但並不與該線交叉。
8. 如請求項2之裝置，其中至少一個內部面曲線之該等點距該中心法線之該距離在該第一電極之該第一表面與該第一電極之該第二表面之間增加。
9. 如請求項8之裝置，其中該等點距該中心法線之該距離連續增加。
10. 如請求項9之裝置，其中該第一電極之該開口之至少一個內部面曲線沿一直線在該第一電極之該第一表面與該第二表面之間延伸。
11. 如請求項1或請求項2之裝置，其中該第一電極具有用於使電荷載體通過之大量開口，且所有開口皆係如請求項1而形成。