[发明专利]结合具有可选择离子的聚焦离子束柱使用的感应耦合等离子体离子源

说明书

技术领域

本发明涉及带电离子束加工系统，且具体地涉及具有可选择离子种类的带电离子束系统。

背景技术

聚焦离子束（FIB）系统用于集成电路制造和纳米技术中的各种应用中，以形成和改变微米级和纳米级的结构。FIB系统能够使用各种源来产生离子。例如，液态金属离子源（LMIS）能够提供高分辨率的加工（即，小的斑点尺寸），但是通常产生低的束电流。

使用镓LMIS的典型系统能够提供五至七个纳米的横向分辨率。这种系统广泛地用于微米级至纳米级尺度的材料特征形成和处理。镓LMIS包括涂覆有镓层的尖针。当电场被施加到液态镓以从该源中提取离子时，该针保持在高温下。

具有镓LMIS的FIB系统例如能够用于以高精度来成像、研磨、沉积和分析。研磨或显微机加工包括移除该表面处或该表面附近的大量材料。研磨能够在不具有蚀刻辅助气体的情况下以动量传递加工（所谓的溅射）的方式被执行，或者在使用蚀刻辅助气体的情况下以所谓的化学辅助离子束蚀刻的加工的方式被执行。转让给本发明的受让人的美国专利No. 5,188,705描述了一种化学辅助离子束蚀刻加工。在化学辅助离子束蚀刻中，蚀刻增强气体在存在离子束的情况下反应以与表面材料结合，从而形成不稳定的复合物。在FIB沉积中，前体气体（例如，有机金属复合物）在存在离子束的情况下分解，以将材料沉积到目标表面上。

在上文描述的全部加工中，束中镓离子的功能在于提供能量，以用于通过溅射使得工件上的颗粒物理移位或者激活粘附到表面上的分子的化学反应。镓自身通常并不参与该反应。镓用于该束中，这是因为镓的特性（例如，熔点、电离能量和质量）使其适于形成为与通常使用的工件材料相互作用的窄束。使用镓LMIS具有以下缺点。镓原子注入到工件中，并且在许多应用中产生了不想要的副作用，例如改变了工件的不透明性或电气特性。镓还在轰击区域中破坏了晶体结构。同样，为了产生十分窄的束，来自LMIS的束的电流必须保持相对较低，这意味着低的蚀刻速率以及更长的加工时间。

虽然期望对于不同的应用使用不同的离子种类，但是液态金属离子源在其能够产生的离子类型方面受到限制。仅能够使用具有合适熔点、电离能量和质量的金属种类，因而这限制了从LMIS中可用的离子种类。虽然还期望能够对于不同的加工步骤快速地改变离子种类，但是改变LMIS的离子种类需要从真空腔中移除该源并且将其用不同的源替换，这必须经历费时的准备过程。存在提供不止一种金属的离子的液态金属合金源。从这种源获得的可用的离子类型局限于形成了具有合适特性的合金的金属组合。一些液态金属合金系统（例如，在Parker等人的名称为“Method for Repairing Semiconductor Masks & Reticles”的美国专利No. 5,165,954中描述的那样）结合这样的滤质器使用，所述滤质器将不同种类的离子分离，使得撞击目标物的束包括单个种类。

一些类型的滤质器，例如ExB滤质器或“Wien滤质器”，使用电场以及与该电场垂直的磁场，该电场和磁场使得选定质量和能量的离子通过滤质器，而具有其他质量或能量的离子被偏转到屏障物中。ExB滤质器的偏转取决于离子的能量，然而在束中始终具有一些能量变化，因此该滤质器在该系统中引入色差、使得束散开并且降低了束的分辨率。滤质器内的不均匀场也有助于束的像差。

等离子体离子源离子化等离子体腔中的气体，并且提取离子以形成被聚焦在工件上的束。等离子体离子源（例如，在Coath和Long发表的“A High-Brightness Duoplasmatron Ion Source Microprobe Secondary Ion Mass Spectroscopy,” Rev. Sci. Instruments 66(2), p. 1018 (1995)中描述的双等离子体发射器等离子体离子源）已经被用作离子束系统的离子源，尤其用于质谱分析和离子注入的应用中。由于从等离子体腔提取的离子的能量分散，因此双等离子体源的离子不能够像来自LMIS的离子那样聚焦到那么小的斑点上。双等离子体发射器离子源例如用于在大面积上注入离子或用于飞行时间质谱分析。在飞行时间质谱分析中，主束中的离子使得来自表面的离子溅射，并且每个溅射离子的质量由溅射离子到达检测器所需的时间来确定。为了获得精确的测量，有必要精确地知道主束中的离子何时撞击该表面。许多气体种类包括具有稍微不同质量的多种同位素，并且由于主束中的不同同位素将在不同的时间到达样本，因此滤质被用于分离同位素，使得单个同位素在精确知道的时间到达该样本。