专利名称：用于离子源的发射器及其生产方法
技术领域：
本发明涉及用于离子源的发射器，特别是用于液态金属离子源(LMIS)或液态金属合金离子源(LMAIS)的发射器。本发明还涉及生产这样的发射器的方法。
背景技术：
聚焦离子束(FIB)技术是用于半导体工业的重要工具。聚焦离子束用于失效分析、透射电子显微镜试样制备以及对电路和掩模的修改。FIB微纳米制造可以用于降低传统制造技术(特别是光刻、刻蚀和注入)中所需的复杂性，所述复杂性必需满足在同一衬底上制造不同元件的各种要求。
FIB技术的成功应当分别归功于液态金属离子源(LMIS)和液态金属合金离子源(LMAIS)。下文中，仅对LMIS或仅对LMAIS的分别引用也应当理解为对另一种离子源的引用，除非明显只表示LMIS或LMAIS之一。现有三种LMIS基本设计，即针式发射器、毛细管式发射器和多孔发射器。图8中示出了针式发射器和毛细管式发射器的示意图以便进行对比。
在针式发射器中，将通常由W、Ta、Ti或Ni制成的微小发夹(针尖)和灯丝用作发射器(参见图7的左侧)。用液态金属源材料浸湿发射器并装载到其中以提供液态金属贮器。为了浸湿液态金属源，必需以液体形式提供源材料。为此可以使用电阻加热器或电子束加热器。然后，在高真空下(约10-7Torr)将发射器浸入加热的液态金属中。在工作时，向灯丝供给电流从而使之受到电阻式加热。被加热的液态金属向针尖流动。然后在针尖与引出电极之间施加高电压。由于针尖处的电场强度很高，液体源材料更小的尖端形成所谓的泰勒锥(Taylor cone)，从泰勒锥发射离子。从而由源材料产生稳定的离子束。显然，针尖的尖端应当形成发射器的最热点，以使液态金属离子基本产生于尖端处。
下面将参考图8A和图8B对针式发射器进行更详细的说明。图8A和图8B是现有技术的针式液态金属离子源的示意图。发射器包括针尖10、灯丝11和支撑物50。通常，支撑物50安装到陶瓷基座并为灯丝11提供电端子。灯丝11在两个支撑物之间延伸并具有类似弧形的形状。针尖10在弧形的顶点处连到灯丝11。如图8B所示，针尖10通过焊接技术例如电点焊(electrical spot-welding)连到灯丝11，以形成焊点15。因此，对针尖10的加热只是间接进行的，热量必需由灯丝11经过焊点16传递到针尖10。因此不能确保针尖10的尖端确实是发射器的最热部分。这样可能降低发射器的效率。此外，必需对针尖10的贮器部分额外加热，以使液态金属材料从贮器蒸发。这样，缩短了离子源的寿命，并增加了试样和离子束装置的污染。
已知的第二类LMIS是毛细管式或贮器式发射器。毛细管式发射器的示例示于图7的右侧以及图9中。对于毛细管式设计，发射器模块10由带有小型源金属贮器30的两个金属板组成。每个板的一侧精确地加工有尖锐的刃口。薄层材料溅射沉积到两个板之一的其他三个侧面作为隔离器；当将两个发射器半部夹紧时，两个刃口之间留下约1μm的狭缝17。此外，设有加热器40用于加热源材料以使之处于液态。液态源材料流经这个微型通道17，在狭缝17的出口处形成曲率半径在1μm量级的自由表面。在发射器与直接位于其前方的引出电极之间施加电位差，在其产生的强电场作用下，由于静电力和表面张力的共同效果，液态金属的自由表面接近局部不稳定性条件。产生了凸出的尖端即泰勒锥。当电场达到约109V/m的值时，尖端处的原子发生自然电离，由电场释放出具有推力的离子喷射，从尖端蒸发的原子被电离，而电子被液态金属堆由隧道效应丢弃。
但是，这种毛细管式发射器的结构及其制造都比较复杂。此外，毛细管式发射器需要很高的加热电流。
因此，希望提供一种用于液态金属离子源或液态金属合金离子源的改进的发射器。
发明内容
考虑到上述原因，本发明提供了一种用于液态金属离子源的发射器，它包括导线，所述导线包括基本弯曲的部分和表面，其中至少部分导线表面在所述基本弯曲的部分处变尖以形成发射器尖端。此外，还提供了制造用于液态金属离子源的发射器的方法，所述方法包括提供导线的步骤，以及将导线的部分表面变尖以形成发射器尖端的步骤。
根据从属权利要求、说明书和附图将明白本发明的更多优点、特征、方面和细节。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于液态金属离子源的发射器。在本文中，应当理解，术语液态金属离子源包括液态金属离子源和液态金属合金离子源。此外，发射器包括具有基本弯曲的部分的导线。通常，这个基本弯曲的部分是U形或V形，并可以通过弯曲导线来形成。在本文中，导线应当理解为细长的导电元件，特别是由例如钨、钽、钛或镍的金属制成的。此外，导线在U形或V形的基本弯曲的部分的尖端一侧变尖，使至少部分导线表面是削尖的。这样，在U形或V形的基本弯曲的部分的尖端一侧形成发射器尖端。
上述发射器具有简单的结构，特别是与毛细管式发射器相比，因为它大体上只包括适当成形的导线。因此，上述发射器形成了一种可以称为无针发射器的新型LMIS或LMAIS。换句话说，通过上述发射器的设计不必进行将针尖焊接到灯丝的操作，并从而克服了与此相关的问题。特别是，上述发射器具有改善的温度分布，因为发射器尖端是导线的一部分并因此受到了直接加热。从而可以防止源材料从贮器的不期望的蒸发，并从而提高了发射器的寿命并减少了对离子束装置和试样的污染。此外，可以加热发射器的尖端，使得已经形成于导线表面上的腐蚀层能够在使用发射器之前蒸发。此外，具有上述特性的发射器特别适合于具有高熔点的源材料。由于这种发射器的温度分布，减少了这些具有高熔点的材料带来的加热问题。根据另一个方面，发射器的具体设计还使发射器可以装载具有较差浸湿性的合金。上述发射器具有朝向发射器尖端连续平稳升高的温度分布。由于这种温度分布，发射器甚至可以装载具有较差浸湿性的合金，例如In-Ga、Pb-Sn、Er-FeNiCr、Pr-Si。
根据另一种实施例，导线的尖端一侧变尖的部分形成非对称的锥形。开口或锥角通常在从50°到130°的范围内。更通常使用的是90°到110°的锥角，其中98°的锥角对应于泰勒锥的理论值。如果发射器尖端选用上述范围内的锥角，则有助于或便于形成泰勒锥。
根据本发明的另一种实施例，变尖部分中的导线宽度小于变尖部分外部的导线宽度。这样，变尖部分中导线的电阻高于导线其余部分。结果，导线在变尖部分更热，从而确保了导线的变尖部分(即发射器尖端)是发射器的最热部分。这进一步提高了发射器的寿命并进一步减少了从贮器蒸发的源材料造成的污染。
根据另一种实施例，导线表面上至少在部分变尖部分处形成有微通道。通常，这些微通道以例如缠绕、弯曲或扭曲的方式朝向发射器尖端的尖端一侧延伸。这提高了离子束的稳定性，因为微通道将源材料即液态金属或液态金属合金从贮器导向发射器尖端。在工作过程中，液态金属或液态金属合金从贮器经过微通道流入发射器尖端处形成的泰勒锥。
根据本发明的另一种实施例，发射器具有用于保持源材料(即液态金属或液态金属合金)的贮器。通常，贮器形成于U形或V形的基本弯曲部分的两支之间。
根据另一种实施例，导线的两支之间的角ξ在1°≤ξ≤25°范围内。选自此范围内的角ξ便于用源材料135浸湿贮器部分130并装载到其中。此外，两支可以形成为彼此基本相同并关于发射器尖端对称布置。特别是，两支可以具有相同的长度、厚度和外部形状。如果两支基本相同，则发射器尖端不会由于各支部分的热膨胀而产生横向偏移，因为一个支部分的热膨胀由相反支部分的热膨胀弥补了。因此，两支部分的热膨胀只会使发射器尖端沿光轴移动。
根据本发明的另一种实施例，提供了一种液态金属离子源。液态金属离子源包括导线，导线包括基本弯曲的部分和表面，其中至少部分导线表面在所述基本弯曲的部分处变尖以形成发射器尖端，其中发射器的贮器部分包括液态金属；以及用于从发射器引出离子的引出电极。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于制造液态金属离子源或液态金属合金离子源所用发射器的方法。该方法包括提供导线的步骤和将导线在基本弯曲的部分中的部分变尖的步骤。这样，在导线的基本弯曲的部分的尖端处形成发射器尖端。通常，导线是通过对导线表面的模制、磨削或刻蚀变尖的。但是，其他合适的方法也可以用于在基本弯曲的部分的尖端一侧产生变尖的部分。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于产生离子束的方法。此方法包括下列步骤在带电粒子束装置中提供具有发射器的液态金属离子源，所述发射器包括导线，所述导线包括基本弯曲的部分和表面；其中至少部分导线表面在所述基本弯曲的部分处变尖以形成发射器尖端，其中发射器的贮器部分包括液态金属、以及用于从发射器释放离子的引出电极，向所述导线施加电流，并在所述液态金属与所述引出电极之间施加电压以从所述液态金属释放离子产生离子束。
下面的说明书中将参考附图对本发明的上述某些方面和其他更具体的方面进行说明并给出部分示例。其中图1示出了根据本发明一种实施例的发射器。
图2示出了根据本发明一种实施例的发射器尖端的放大图。
图3示出了根据本发明一种实施例的发射器的制造方法的步骤。
图4示出了根据本发明一种实施例的发射器的另一制造方法的步骤。
图5A到图5C示出了对根据本发明一种实施例的发射器进行装载的方法的步骤。
图6是使用了根据本发明一种实施例的发射器的液态金属离子源的示意图。
图7是示出根据现有技术的液态金属离子源的示意图。
图8A和图8B是根据现有技术的针式液态金属离子源的示意图。
图9是根据现有技术的毛细管式液态金属离子源的示意图。
具体实施例方式
现在将要具体涉及到本发明的各种实施例，附图中图示了这些实施例中的一个或多个示例。每个示例是为了对本发明进行说明而提供的，不意味着对本发明的限制。例如，作为一种实施例的一部分而图示或说明的特征可以用在其他实施例上或与之结合从而产生另外的实施例。本发明意在包括这些改变和变化。
图1的左侧示出了根据本发明一种实施例的发射器100。发射器100包括基本上以弯曲方式延伸的金属导线110，所述弯曲方式使导线110具有基本上U形或V形的部分115。通常，导线110由钨、钽、钛或镍制成。导线110在V形部分115处变尖以形成变尖的部分125。通常，变尖的部分125通过例如模制、磨削、刻蚀或微加工形成于导线110的外表面120处。除了V形部分115，导线110还包括可以安装到支撑物(未示出)的灯丝部分140、145。通常，这些支撑物也作为导线110所用的电端子，以便可以将电流施加到发射器100。用于保持一定量源材料(即液态金属或液态金属合金)的贮器部分130形成于V形部分的左支140与右支145之间。
图1的右侧示出了V形部分115的放大视图。其中示出了发射器的装载情况，即源材料135位于贮器部分130中。通常，贮器部分的体积为5mm3或更小，例如在1mm3和5mm3之间。因此，贮器部分适于保持的源材料135的量相当于多达5mm3。此外，锥角φ在50°≤φ≤130°的范围内，通常在90°≤φ≤110°范围内。在图1所示的具体实施例中，锥角φ等于98°，因为98°是泰勒锥的理论值。这样便于在发射器工作期间由液态金属或液态金属合金形成泰勒锥。图1还示出了另一个角ξ。这个角度ξ由灯丝部分140、145之间的角度限定。应当明白，角ξ是个近似或平均的角度，因为灯丝140、145可以具有一定的曲率。此外，应当明白，角ξ只限定于相当接近发射器尖端(即变尖的部分125)的区域中，因为灯丝部分140、145可以横向弯曲以便将灯丝部分140、145固定到各个支撑物(未示出)。通常，角ξ在1°≤ξ≤25°范围内。选自此范围内的角ξ便于用源材料135浸湿贮器部分130并装载到其中。
由图1的右侧，另一个明显的特征是变尖的部分125内部导线的宽度W小于变尖的部分125以外导线部分的宽度。由于变尖的部分125内部导线的截面缩小，变尖的部分125内部的电阻高于导线110的其余部分。当电流施加到导线110时，变尖的部分125和发射器尖端因此加热到超过导线的其余部分。因此，发射器尖端成为导线110的最热部分，从而在发射器上获得几乎理想的温度分布。由于改善了发射器的温度分布，从贮器蒸发的源材料减至最少，从而增加了发射器的寿命并减少了蒸发的源材料对离子源装置和试样的污染。
图2示出根据本发明另一种实施例的发射器尖端的放大图。其中，导线110表面上在贮器部分130与变尖的部分125的尖端一侧之间设有微通道127。微通道127从贮器部分130向发射器尖端一侧围绕变尖的部分125缠绕。在发射器工作期间，微通道127便于液态金属或液态金属合金135朝向尖端一侧形成的泰勒锥流动。这样，实现了源材料稳定流入泰勒锥，提高了离子束的稳定性。
接下来将参考图3对制造这样的发射器进行说明。图3示出了用于形成变尖的部分125的工具的截面图。该工具包括具有凹陷210的模具200，凹陷210形成与期望的发射器尖端相反的形状。此外，该工具包括适于装入凹陷210中的冲模250。通过在模具100上设置导线110形成变尖的部分125。通过例如向导线110施加电流来加热导线110，使导线材料变软，可以模制。然后，将冲模250向下压到导线110上并将可以模制的导线材料压入凹陷210中。这样，导线材料呈现出凹陷210的形状，并在导线表面上形成变尖的部分125。此外，冲模250可以向下压到从凹陷210推开导线材料的程度。结果，这样产生的变尖的部分125的宽度小于导线110的其余部分。
现在参考图4对根据本发明制造发射器的另一种方法进行说明。其中，将导线110弯曲使之基本为U形或V形。将导线110夹在车床的卡盘400中。车床卡盘400具有旋转轴AL，导线110沿轴线精确放置。因此，当导线110围绕轴线AL以转速ω1旋转时，不发生横向弯曲，即垂直于旋转轴AL的弯曲。此外，设置磨床300对导线110的U形或V形部分进行磨削。研磨轮320安装到磨床300的轴310上。轴310和研磨轮320可以围绕轴线AG以转速ω2旋转。
为了在导线110的尖端产生变尖的部分125，车床卡盘400、导线110和研磨轮320分别以转速ω1和ω2旋转。之后，研磨轮320的表面325与导线110的外表面在将要变尖的部分125处接触。通过磨削去除导线110的表面材料，使得导线110的外表面在U形或V形部分处变尖。这样，沿旋转轴AL看去，导线110的尖端是锥形。但是，由于弯曲导线的表面形状，锥形是非对称的。由图4明显可见，开口或锥角φ取决于导线的旋转轴AL与磨床的旋转轴AG之间的角度θ。其关系为θ＝90°-φ/2通常采用50°≤φ≤130°范围内的锥角，以使角度θ通常在25°到55°范围内。发射器尖端的锥形便于在发射器尖端形成泰勒锥，也便于源材料从贮器部分流到泰勒锥。由于泰勒锥的锥角理论值为98°，发射器尖端的通常锥角在90°≤φ≤110°范围内，使角度θ通常在35°到45°范围内。当然，可以采用98°的锥角，即泰勒锥的理论值，并且特别便于在发射器尖端处形成泰勒锥。因此，角度θ将是41°(41°＝90°-49°)。通过上述方法，可以通过简单的方式生产具有各种开口角度的LMIS和LMAIS发射器。但是，部件的组装和焊接处理不必通过上述方法实施。
根据用于制造根据本发明的发射器的第三种方法，发射器尖端处的变尖的部分125是通过刻蚀导线材料形成的。例如，如果用钨作为导线材料，则可以使用NaOH来刻蚀钨导线。
应当明白，可以用上述方法的任意组合来制造根据本发明的发射器。例如，可以用模制方法对发射器进行预处理，并通过磨削来精加工。或者，可以通过刻蚀对发射器进行预处理，并通过磨削来精加工。
图5A到图5C示出了对根据本发明一种实施例的发射器进行装载的方法的步骤。在图5A中，提供了根据本发明一种实施例的发射器100。向发射器100施加电流将发射器加热到适当的温度。此外，提供了加热的熔炼坩锅500，它盛有液态的源材料510。源材料510是液态金属或液态金属合金，熔炼的确切温度取决于源材料。如图5B所示，发射器100的尖端当时浸在液态源材料510中。因此，贮器130也可以浸入。由于毛细作用力，发射器100中装载了源材料510，即导线110的V形部分被源材料浸湿，并在导线110两支之间的贮器部分中形成了源材料的贮器135。由于浸湿的特性取决于导线110的温度和合金的温度，所以可以通过控制熔炼温度和导线温度来对导线的浸湿进行精确控制。对这些温度的控制可以通过经过导线110的加热电流以及对熔炼坩锅500的温度控制来进行。特别是，可以控制使发射器100上不要装载太多的源材料。在发射器100装载源材料后，将发射器从熔炼坩锅500取出，见图5C。当然，上述装载方法是在真空中完成的，通常是优于5×10-7Torr的高真空。
图6是使用了根据本发明一种实施例的发射器100的液态金属离子源700的示意图。发射器100的两个灯丝部分140、145形成为彼此基本一样，并且关于发射器尖端对称布置。特别是，灯丝部分具有相同的长度、厚度和其他形状。因此，发射器尖端不会由于灯丝部分的热膨胀而发生横向偏移，因为一个灯丝部分140的热膨胀被相反的灯丝部分145的热膨胀抵消了。这样，灯丝部分140、145的热膨胀只会造成发射器尖端沿光轴向上或向下移动。导线110的两个灯丝部分140、145分别安装到支撑物150、155。支撑物150、155还提供电端子以使得可以向导线110施加电流。从而可以对导线110进行电阻加热。此外，发射器100装载有灯丝部分140、145之间的贮器部分130中容纳的源材料135。此外，还设有引出电极600，其中在引出电极600与源材料135之间施加有电压。当然，这只是一种形式上的示意，因为电压通常是施加在引出电极与支撑物150之间的。由于所施加的电压，源材料135在发射器尖端处形成泰勒锥。
为了从发射器100释放出源材料135的离子，通过支撑物150、155向导线110施加电流。导线110加热，其中，发射器尖端成为导线110最热的部分，因为其截面较小。源材料135从贮器部分向发射器尖端流动。蒸发的源材料原子在泰勒锥的尖端处电离并由引出电极600朝向试样(未示出)加速。这样，由图6所示的LMIS或LMAIS形成了离子束。当然，上述液态金属离子源700可以用于带电粒子束装置中产生离子束，例如用于FIB操作。
根据另一个方面，发射器非常适用于半导体制造处理中特别关心的含Si合金。例如，欧洲专利申请No.04017894.9中说明了使用二元合金PrSi的液态金属合金离子源，其全文通过引用而结合于此。在欧洲专利申请No.04017894.9中说明，二元合金PrSi的优势是因为这样的离子源产生的只有Pr和Si以及少量离子群和分子离子。根据本发明实施例的发射器可以有利于用于PrSi离子源。为此，在钽发射器或镍发射器的贮器130中提供二元合金PrSi作为源材料。尽管对PrSi进行了说明，但是应当理解，根据本发明的发射器也可有利于用于难加工材料，如InGa、PbSn、ErFeNiCr。当然，本发明也完全适用于LMIS通常所用的材料，如Ga或类似物。
尽管已经对本发明进行了详细说明，但是本领域技术人员应当明白，不脱离所附权利要求的精神和范围，可以对本发明作出各种改变。
权利要求
1.一种用于液态金属离子源的发射(100)，包括导线(110)，所述导线包括基本弯曲的部分(115)和表面(120)；其中，所述导线表面(120)的至少一部分(125)在所述基本弯曲的部分(115)处变尖以形成发射器尖端。
2.根据权利要求1所述的发射器(100)，其中，所述导线表面(120)的变尖的部分(125)是所述导线(110)的外表面。
3.根据权利要求1所述的发射器(100)，其中，当沿所述发射器(100)的光轴看去时，所述变尖的部分(125)形成锥形。
4.根据权利要求3所述的发射器(100)，其中，锥角φ在50°≤φ≤130°的范围内。
5.根据权利要求4所述的发射器(100)，其中所述锥角φ等于98°。
6.根据权利要求1所述的发射器(100)，其中，在所述变尖的部分(125)中所述导线(110)的直径(W)小于在所述变尖的部分(125)之外所述导线(110)的直径。
7.根据权利要求1所述的发射器(100)，其中，在所述导线表面(120)上至少在部分所述V形部分(115)处提供微通道(127)。
8.根据权利要求1所述的发射器(100)，其中，所述导线(110)还具有灯丝部分(140、145)用于将所述导线(110)与支撑装(150)相连接。
9.根据权利要求8所述的发射器(100)，其中，所述灯丝部分(140、145)形成为彼此基本上相同，并关于所述发射器尖端对称布置。
10.根据权利要求8所述的发射器(100)，其中，所述灯丝部分(140、145)之间的角度ξ在1°≤ξ≤25°范围内。
11.根据权利要求1所述的发射器(100)，还具有用于保持源材料(135)的贮器部分(130)，所述贮器部分(130)形成于所述灯丝部分(140、145)之间。
12.根据权利要求1所述的发射器(100)，其中，所述导线(110)是金属导线或线形的导体材料。
13.根据权利要求12所述的发射器(100)，其中，所述导线由钨、钽、钛或镍制成。
14.根据权利要求1所述的发射器(100)，其中，所述发射器(100)是用于含Si成分合金的液态金属合金离子源。
15.根据权利要求13所述的发射器(100)，其中，所述发射器(100)是用于二元合金PrSi的液态金属合金离子源。
16.一种液态金属离子源(700)，包括发射器(100)，所述发射器(100)包括导线(110)，所述导线包括基本弯曲的部分(115)和表面(120)；其中，所述导线表面(120)的至少一部分(125)在所述基本弯曲的部分(115)处变尖以形成发射器尖端，其中，所述发射器的贮器部分(130)包括液态金属(135)，以及用于从所述发射器(100)释放出离子的引出电极(600)。
17.根据权利要求16所述的液态金属离子源，其中，所述发射器(100)根据权利要求1到15中的任一项进行设置。
18.一种带电粒子束装置，包括根据权利要求16所述的液态金属离子源(700)。
19.一种制造用于液态金属离子源的发射器的方法，包括下列步骤(a)提供导线，(b)将所述导线的部分表面变尖以形成发射器尖端。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述变尖包括模制。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述变尖包括磨削。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述变尖包括刻蚀。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，所述变尖包括微加工。
24.一种产生离子束的方法，包括下列步骤(a)在带电粒子束装置中提供液态金属离子源(700)，所述液态金属离子源(700)包括发射器(100)，所述发射器(100)包括导线(110)，所述导线包括基本弯曲的部分(115)和表面(120)；其中，所述导线表面(120)的至少一部分(125)在所述基本弯曲的部分(115)处变尖以形成发射器尖端，其中，所述发射器的贮器部分(130)包括液态金属(135)、以及用于从所述发射器(100)引出离子的引出电极(600)，(b)向所述导线(100)施加电流，以及(c)在所述液态金属(135)与所述引出电极(600)之间施加电压以从所述液态金属(135)引出离子而产生离子束。
全文摘要
本发明提供了一种用于液态金属离子源的发射器(100)，所述发射器包括导线(100)，所述导线包括基本弯曲的部分(115)和表面(120)；其中，导线表面(120)至少一部分(125)在所述基本弯曲的部分(115)处变尖以形成发射器尖端。此外，还提供了用于这种发射器的制造方法。
文档编号H01J9/02GK1909147SQ200610099530
公开日2007年2月7日 申请日期2006年7月26日 优先权日2005年7月27日
发明者沃夫冈·皮尔茨, 罗萨尔·比斯彻夫 申请人:Ict半导体集成电路测试有限公司