[发明专利]色差补偿的粒子束柱

说明书

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，比如用于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。利用靠近源的聚光透镜或多个聚光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。

静电系统的不能胜往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都产生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谋变得重要。在1 nA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英寸的饼式试样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。

包括液态金属离子源和多个静电透镜的离子束柱不能产生聚焦成像离子源的影像一样小的点的细束。相反，从源发射的离子的能量扩散使聚焦长度发生了变化，这使影像模糊而放大。这类色差是所有静电透镜和单独磁透镜的一个特性。消除此问题的粒流束由一针型离子源、多个静电透镜以及多个交错的四极透镜(它们是具有交替电和磁的极的8极透镜)组合而成，以形成交错的电和磁的四极透镜。通过调节电磁比，交错的透镜可以变成消色差的，从而柱的色差大大减小，或者可以具有负色差，从而完全消除柱的色差。

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。