专利名称：用于离子束应用的改进的离子探测器的制作方法
技术领域：
本发明的技术领域是聚焦离子束设备领域。
背景技术：
现有的技术和存在的问题聚焦离子束(Focused Ion Beam(FIB))设备产生带正电的离子的携带能量的聚焦束(下面称为原离子束(一次离子束，primary ionbeam)或者原离子(一次离子，primary ions))，可以用来成像或者改变显微结构。当使原离子束在样品表面上扫描时，从该表面上溅出一种二次粒子(secondary particles)电子、离子和中性物质。
在商业化的FIB设备中，一部分带电二次粒子被偏转到检测器，通常是微通道板(microchannel plate(MCP))或者闪烁体型检测器(scintillator-type detector)，在那里放大和测量信号。为了建立图像，将测量到的二次信号强度转换为灰度级颜色，显示在屏幕上。
当使用MCP检测器时，取决于检测哪一种二次粒子，通常有两种成像模式可用。在电子模式中，对MCP加以正电压，以吸引二次电子(二次粒子被MCP排斥而不被收集)。在离子模式下，对MCP加以负偏压，从而收集二次离子(MCP排斥而不收集二次电子)。
图1图示了典型的FIB设备在电子模式下的操作。FIB设备10(示意性地图示了离子源、聚焦光学系统和使射束在工件(或者样品)5上扫描的偏转线圈)产生离子束50。离子束50撞击工件上的一点，生成电子14和二次离子12。
相对于工件，偏压源22对检测器20施以正偏压以吸引电子(从而排斥二次离子)。检测器20可以是传统的微通道板或者其它任何带电粒子检测系统。可选地，工件5可被偏压到方便的值。
在图中的左侧，电子源55可用于生成电子，电子可以将工件上累积的电荷中和。这在电子模式下是不使用的。
图2图解了另一种标准模式，也就是粒子模式。在离子模式中，检测器20相对于工件被施以负偏压，从而将二次粒子向检测器吸引。
离子束由带正电的离子组成，因此在FIB处理过程中会在工件上累积净正电荷。正电荷在工件的各种不同位置的累积可能会由于静电放电(electrostatic discharge(ESD))导致损害。为了防止ESD损害，可以将电子流导向工件以中和这样的电荷累积。在此例中，电子源55(又称为泛射电子枪(flood gun))，将电子泛流(flood ofelectrons)射向工件5以将电荷积累中和。
与电子模式相比，离子模式具有一些特别的优点。与电子模式相比，离子模式对材料组分的差异一般具有更好的敏感度。另外，可以在使用离子模式的同时将样品表面暴露于电子泛流，以将来自一次离子束的正电荷积累中和掉。相反，在电荷中和期间不能使用电子模式，因为泛射电子会被吸引到MCP，从而淹没二次电子信号。
对于可能会受到一次射束的电荷积累的损害的样品，离子模式是必需的。
但是，离子模式的一个严重局限在于总信号强度。一次射束产生的二次离子的数量大大低于二次电子的数量，因此离子模式的信噪比与电子模式相比较差。特别是，当一次射束小时(低于大约20pA)，二次离子的数量会低到使得离子模式不实用的程度。
然而，在半导体工业中，对射束感应的电荷造成的损害有越来越多的关注。现代的集成电路(IC)具有更小然而更为精致脆弱的结构、新型的建构(比如SOI)以及新型的材料(比如低k电介质)。所有这些因素使得现代的IC更容易受到电荷的损伤，因此有必要使射束电流保持在低水平，并在FIB处理过程中利用电荷中和。
很清楚，改进现有的离子检测方案的手段会增强FIB技术的能力。
发明内容
本发明涉及使用电荷(信号)放大技术来改善在离子模式中检测到的净信号的聚焦离子束设备。
本发明的一个特征是将二次离子吸引到倍增电极。该倍增电极平均来说对于每个撞击它的二次离子发射多于一个的电子。
本发明的另一个特征是由检测器收集从所述倍增电极发射的电子，从而提高检测到的信号的量。
本发明的另一个特征是从所述倍增电极发射的电子被吸引到闪烁体(scintillator)，该闪烁体平均来说响应于每一个撞击它的二次电子发射一个或者多个光子。
本发明的又一个特征是光子束穿过二次粒子烟流(plume ofparticles)，使得从工件溅出的至少部分中性原子离子化。
图1部分示意性地图解了现有技术的在电子模式下工作的FIB系统的局部剖面图；图2部分示意性地图解了现有技术的在离子模式下工作的FIB系统的局部剖面图；图3部分写实、部分示意性地图解了本发明的第一实施例；图4图解了图3的实施例的细节；图5图解了本发明的另一个实施例的细节；图6图解了本发明的离子化中性粒子的另一个实施例。
具体实施例方式
图3的剖面解了本发明的一种方案，该方案向FIB检测器硬件添加了转换倍增极(conversion dynode)30。该转换倍增极最好是截锥体形状(可以具有非金属镀层)，关于一次射束50成一定方位角地延伸，位于MCP附近。虚线35指出了倍增极30的前部的路径。在传统的剖面图中，线35会直接穿过，但是那样会妨碍MCP。相反，为了更加清楚地呈现，在剖面平面的前面写实地图示了图中的前部。
倍增极的材料具有低功函数，使得电子容易释放。市场上可获得的光电倍增器在合适的倍增电极上使用镀层。
图3图示了系统在离子模式下的操作，电子源55生成电子以中和样品上残留的正电荷。
转换倍增极30由电源32相对于样品被施以负偏压，同时，MCP由电源22相对于转换倍增极施以正偏压(但是相对于样品不一定是正偏压)。一次射束在样品5表面产生的二次离子因此会被向转换倍增极吸引并加速。当离子撞击转换倍增极时，就会从倍增极表面产生二次电子，如图4所示。这些二次电子会被吸引到MCP，在这里二次电子被收集和检测，这样就增大了检测器中的总电流。
图4图解了图3的系统的细节，其中图示了电极30，其被偏压以吸引离子12，发射许多二次电子，二次电子被二者之间的相对来说为正的偏压吸引到检测器20。
在倍增极处由每个输入的离子产生的二次电子的数量取决于许多因素，这包括倍增极的偏压、离子的电荷和质量，以及倍增极的表面组成。可以调整这些因素以使每个入射离子释放的电子的数量最大化，从而在到达FIB的主MCP检测器之前对可获得的信号实现了初始放大。
图3图示了一个用于说明的实施例，其中对现有的FIB硬件添加了转换倍增极，但是其它的配置也是可能的。
本发明的一种变型是用闪烁体/光电倍增器或者闪烁体/CCD检测器替换MCP，如图5所示。闪烁体膜上的薄金属镀层42允许施加偏压以吸引电子，同时足够薄以允许电子穿过而到达另一侧的闪烁体膜。当电子撞击闪烁体膜40时，发射光子，光子然后被光电倍增器或者CCD阵列45检测到。这种特定的布置尽管在物理上比图4所示更为复杂，但其优点在于平均来说撞击闪烁体膜的每一个电子产生多个光子。这样，信号被进一步放大。
目前可以从一些FIB制造商获得闪烁体型检测器。但是，这些器件不适合离子检测，因为薄金属膜容易受入射离子的损害。如图5所示的转换倍增极/闪烁体组合允许间接地检测离子而不对闪烁体造成损害，因为离子被膜42上的偏压推斥，并在转换倍增极上首先被转换为电子。
另一个实施例是如图6所示增加离子化电磁辐射。在这种配置中，可见光、UV或者X射线光子形式的离子化辐射束被导向样品表面附近，拦截由一次射束溅射的中性粒子。光子不应撞击样品5的表面，因为光子可能会损伤样品表面，并且/或者干扰射束50在样品表面上的位置所提供的几何数据。因为中性物质包括大量的喷射二次烟流，即使中性物质中被离子化的部分相对较少，这种离子化以采集这些在其它情况下会废弃的粒子的方法也可以使信号显著增强，尤其是当与上述转换倍增极结合使用的时候。
本发明的另一个实施例是调整MCP和转换倍增极的几何形状和电压，以同时吸引所有的带电粒子。在这种情况下，MCP被相对于样品施以正偏压(以吸引电子)，转换倍增极则相对于样品来说被施以负偏压(以吸引正离子)。中性粒子的光致电离产生正离子和电子，正离子和电子然后被分别吸引到转换倍增极和MCP。该实施例可以被视为一种通用检测器，因为其具有吸引和检测二次烟流的所有主要组分的能力。注意，所有二次粒子都最终被转换为电子，在MCP处被检测。
为了方便起见，上述说明是针对FIB技术进行的，但是本发明也可以应用于其中必须检测离子的其它技术，包括二次离子质谱分析法((Secondary Ion Mass Spectrometry(SIMS))和飞行时间质谱分析法(Time-Of-Flight(TOF)mass spectrometry)。在每一种情况下，离子的低电流束撞击电极，该电极平均来说每个入射离子发射多于一个的二次电子。然后，或者在如图4所示的单阶段过程中，或者在如图5所示的利用二次电子到光子的二次转换的双阶段过程中，检测所述二次电子。
尽管上面就有限数量的实施例对本发明进行了说明，但是本领域的普通技术人员会认识到在所附权利要求的实质范围内，可以以各种不同的方式实施本发明。
权利要求
1.一种离子束系统，包括用于生成一次离子束并将其导向样品的射束生成器；用于检测由所述一次离子束从所述样品散射出来的二次粒子的至少一个检测器；设置为接收从所述样品散射的离子的转换电极，该转换电极被配置为对于每一个撞击它的离子发射多于一个的二次电子，二次电子的数量与入射离子的数量通过一个倍增因子而相关；其中，所述转换电极相对于所述样品的偏压被施以负偏压，而所述检测器相对于所述转换电极被施以正偏压，从而，从所述样品散射出来、由所述转换电极接收的第一数量的离子发射出所述第一数量乘以所述倍增因子的二次电子，这些二次电子被吸引到所述检测器。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述检测器关于所述一次射束成一定方位角地设置，所述转换电极关于所述检测器成一定方位角地设置。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述转换电极为截锥体形状，并对正所述一次射束。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述检测器是电检测器，其响应于电子对它的撞击而产生电信号。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述检测器关于所述一次射束成一定方位角地设置，所述转换电极关于所述检测器成一定角度地设置。
6.如权利要求4所述的系统，其中所述转换电极为截锥体形状，并对正所述一次射束。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述检测器是二阶段检测器，其包括响应于电子的撞击发射光子的闪烁体材料，以及响应于所述光子产生电信号的光电检测器。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述检测器包括在所述闪烁体前表面上的一层导电材料，从而，施加在所述导电材料上的相对于所述转换电极的正偏压将所述二次电子吸引到所述闪烁体。
9.如权利要求1所述的系统，还包括离子化光子源，所述离子化光子被引导通过从所述样品散射出来的二次粒子烟流，从而，所述二次粒子烟流中的至少部分中性粒子被离子化。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述检测器是电检测器，其响应于电子对它的撞击而产生电信号。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述检测器关于所述一次射束成一定方位角地设置，所述转换电极关于所述检测器成一定角度地设置。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述转换电极为截锥体形状，并对正所述一次射束。
13.如权利要求9所述的系统，其中所述检测器是二阶段检测器，其包括响应于电子的撞击发射光子的闪烁体材料，以及响应于所述光子产生电信号的光电检测器。
14.如权利要求13所述的系统，其中所述检测器包括在所述闪烁体前表面上的一层导电材料，从而，施加在所述导电材料上的相对于所述转换电极的正偏压将所述二次电子吸引到所述闪烁体。
15.一种用于检测离子束的系统，包括用于检测电子的至少一个检测器；设置为接收所述离子束的转换电极，该转换电极被配置为对于每一个撞击它的离子发射多于一个的二次电子，二次电子的数量与入射离子的数量通过一个倍增因子而相关；其中，所述转换电极被偏压以吸引所述离子束，所述检测器相对于所述转换电极被施以正偏压，从而，由所述转换电极接收的第一数量的离子发射出所述第一数量乘以所述倍增因子的二次电子，这些二次电子被吸引到所述检测器。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述检测器是电检测器，其响应于电子对它的撞击而产生电信号。
17.如权利要求15所述的系统，其中所述检测器是二阶段检测器，其包括响应于电子的撞击发射光子的闪烁体材料，以及响应于所述光子产生电信号的光电检测器。
18.如权利要求17所述的系统，其中所述检测器包括在所述闪烁体前表面上的一层导电材料，从而，施加在所述导电材料上的相对于所述转换电极的正偏压将所述二次电子吸引到所述闪烁体。
全文摘要
本申请涉及用于离子束应用的改进的离子探测器。通过使用一种倍增系统，改善对由离子束的作用从样品散射出来的弱离子流的检测。在该倍增系统中，转换电极将入射离子转换为被倍增因子倍增了的数量的二次电子，这些二次电子通过合适的偏压被吸引到电子检测器。在一种方案中，检测器是一种二阶段系统，其中，二次电子撞击闪烁体，闪烁体发射的光子在光电检测器比如光电倍增器或者CCD中被检测。
文档编号G01N23/225GK1773268SQ200510124608
公开日2006年5月17日 申请日期2005年11月9日 优先权日2004年11月10日
发明者斯蒂芬·B·赫尔什贝因, 纳伦德尔·拉纳, 查德·鲁, 迈克尔·R·西尔弗斯 申请人:国际商业机器公司