带电粒子能量滤波器的制作方法

专利名称：带电粒子能量滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及改进带电粒子束装置，以及更具体来说涉及用于改进这种装置中的射束质量和研磨(milling)质量的能量滤波器。
背景技术：
在聚焦离子束(FIB)系统中，离子从源被抽取，形成为射束，经过聚焦并且跨衬底扫描，以便形成特征的图像以研磨特征或者从气体环境沉积材料。当特征变得越来越小时，必须优化FIB系统以提供更高质量射束，该射束是较小的更聚焦射束点，其中电流的分布应当尽可能紧凑。若干因素降低FIB的电流分布的质量。对于使用液态金属离子源(LMIS)的离子柱，低至中等射束电流的降低射束质量的主要原因是色差。从液态金属离子源所发射的镓离子具有作为本征和粒子交互的组合的能量分布；后一分量通常称作Boersch效应。前者非常复杂，因为存在形成离子的若干不同机制。色差是不同能量的粒子通过离子柱中的透镜聚焦在不同位置的结果。色差引起射束电流分布随离子的能量扩展(ΛΕ)而改变。如果在直方图上绘制离子束中的离子的能量以示出在各能量值处的离子的发生频率，则图表将在“标称”能量值处具有峰值，对于峰值之上和之下的能量迅速降低，并且然后更缓慢地逐渐减小。图表逐渐减小的区域称作射束“尾部”。能量扩展ΛE通常作为“全宽半高”来测量，即，在峰值的任一侧上的最大峰值的一半处的点之间的能量。在典型镓液态金属离子源中，电流为I PA至数百ηΑ的射束中的能量扩展通常在来自源的1.5至2.5 μ A的发射电流处大约为5 eV。图1A-1C是示出射束能量尾部对光致抗蚀剂的离子束研磨的影响的显微照片。图1A-1C所示的特征使用射束电流为0.2 ηΑ的金硅离子源来研磨。图1A中，施加射束两秒，以便提供每cm2为4Χ IO14离 子的剂量。射束在正方形图案中移动，以便研磨一侧的中心正方形100 nm。具有离开峰值的能量的能量尾部的离子在离子柱中以不同方式偏转并且超出正方形之外，从而将光致抗蚀剂略微向外研磨成圆形102。图1B中，施加射束10秒，以便获得每cm2为2 X IO15离子的总离子剂量。具有特定能量值的离子的相对数量随特定能量值更远离标称射束值而减少。也就是说，离子的数量随能量值变得更远离标称值而变小。但是，当离子的总数增加时，具有更远离标称值的能量的离子的数量也将增加。研磨操作时间越长，则将看到能量尾部的更为向外的离子的更大影响。圆形102在图1B比在图1A中要宽，因为尾部中离标称值更远的离子因其增加的数量而具有增加的影响。图1C中，施加射束100秒以获得每cm2为2Χ1016Β 的总离子剂量，并且圆形102随更远离标称能量值的离子的数量增加而甚至更宽，并且影响更为可见。对于电子束成像系统，成像锐度是与来自源大小、衍射和球面像差的贡献相结合的聚焦柱中的色差的函数。色差与电子的能量扩展成比例，因此，如果能量滤波器用于电子束柱中，则可实现较小射束，由此改进成像锐度。—种类型的现有技术能量滤波器是“西肯”(chicane)双弯曲能量滤波器，其中带电粒子束通常通过沿柱向下串联的、通常位于上柱与最终透镜之间的四个双极偏转器轴外地并且然后又轴上地接合。在西肯的第二与第三偏转器之间，通常定位了刀口或圆孔口，以便分别阻止高通滤波器的标称能量之下或者带通滤波器的标称能量范围之内的离子通过。在任一种情况下，由于射束通过能量滤波器上方的透镜聚焦到孔口平面处的交叉，所以增加的空间电荷效应将不可避免地发生。这些效应增加射束的能量扩展-称作“Boersch效应”-以及射束的横向空间加宽-称作“Loeffler效应”。图2是包括四个双极元件202、204、206和208的现有技术西肯能量滤波器200的等距视图。对于适当的能量滤波，位于柱上方的透镜(在这里未示出)将带电粒子束聚焦到孔口部件210之内的孔口的平面的圆点(未示出)中。对于高通或低通能量滤波，孔口可以是刀口或缝隙。对于带通能量滤波，孔口可以是缝隙或圆孔。在现有技术的这些情况的任一个中，射束电流密度将通常在孔口处极高，因为射束沿扩散轴(在这个视图中为垂直的)以及垂直于扩散轴(在这个视图中为右上到左下)聚焦。因此，对于离子和电子束，强空间电荷交互可在孔口处或附近发生。对于离子束，这种高射束电流密度还将产生能量滤波器的带通外部的所有那些离子的孔口的不期望溅射。将四个元件202、204、206和208作为双极来激励，以便在孔口处提供所需射束偏移。在这个图示中，202、204、206和208已实现为八极，各具有八个单独可激励电极，这是现有技术中已知的对于较宽物理孔口来改进静电场均匀性的一般惯例，由此降低光学像差。在现有技术中，备选地已知将元件202、204、206和208实现为平行平坦静电电极对或者实现为四极。在现有技术西肯能量滤波器中，使射束聚焦在孔口平面，并且使具有最终射束中不期望的能量的那些离子碰撞孔口，由此阻止它们传递到最终透镜中。由于这些被阻止射束的高射束电流密度和能量(通常为能够高达30-40 keV的最终射束能量)，孔口的溅射可能是显著的，有时引起完全通过孔口的溅射孔。一旦发生这种情况，则带电粒子束系统必须打开以便更换被损坏的孔口。在某些FIB柱中,射束消隐器是单个偏转元件,这意味着不可能使射束被“共轭消隐”，“共轭消隐”会允许射束继续和消失，而在样本处没有任何射束运动。当使用单个偏转元件作为射束消隐器时，当射束在轴外偏转以便防止其到达样本时，射束同时在样本处移动，从而使射束暴露，并且由此研磨不是预计由射束来处理的区域。另外，在一些电流FIB柱中，一些粒子作为中子离开源，或者在最终透镜之前在柱中中性化。由于这些粒子不带电，所以它们无法聚焦到目标上，并且引起可导致不希望研磨或者图像对比度的损失的宽中性背景。因此，期望能够在射束进入最终透镜之前将这个背景从射束中去除。现有技术西肯滤波器在能量过滤孔口处采用圆焦点，并且受到空间电荷效应和孔口损坏的不利影响。因此，还需要一种能够降低对成像和研磨锐度以及孔口使用寿命的这些不利影响的能量滤波器。

发明内容
本发明的一个目的是解决现有技术的这些问题并且提供增强用于样本的研磨和/或成像的射束质量的系统和方法。按照本发明的优选实施例，向西肯能量滤波器的双极元件添加静电四极和六极激励将射束形成为西肯的第二与第三元件之间定位的孔口处的线焦点。申请人已经发现，这种添加通过使线焦点在孔口平面更尖锐和更直来进一步改进能量分辨率。在一些实施例中，西肯能量滤波器能够用作共轭消隐器。以上较为广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解下面对本发明的详细描述。下面将描述本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可易于用作修改或设计用于执行本发明相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员还应当知道，这类等效构造没有背离所附权利要求书所提出的本发明的精神和范围。


为了更透彻地理解本发明及其优点，现在参照以下结合附图的描述，附图包括:
图1A-1C是示出射束能量尾部的效应的显微照片；
图2是包括四个双极元件的现有技术西肯能量滤波器的等距视 图3是按照本发明的一个优选实施例、包括具有双极、四极和六极激励的四个八极元件的能量滤波器的等距视 图4是示出通过滤波器的带电粒子束通路的图3的能量滤波器的剖面等距视 图5是图3的能量滤波器的截面侧视 图6是具有扩大垂直轴的图5的能量滤波器的孔口区域的截面侧视 图7A和图7B是示出带通滤波器和高通滤波器的孔口区域的图5的能量滤波器的特写截面侧视 图8示出按照本发明的一个优选实施例的四元件西肯能量滤波器，其中如平行于能量扩散轴所观看到的，具有组合双极、四极和六极元件；
图9是按照本发明的一个优选实施例、在孔口处具有140 nm缝隙宽度和3.0 mm射束偏移的示范能量滤波器的所计算传输的图表；
图10是典型镓液态金属离子源的5.0 eV FffHM能量分布的图表；
图11是按照本发明的一个优选实施例、作为孔口缝隙宽度的函数的示范能量滤波器的FWHM传输和FWOM全能量范围的图表；
图12是采用具有5.0eV的未滤波FWHM能量扩展的镓LMIS的能量滤波器传输的图表； 图13是按照本发明的一个优选实施例的西肯能量滤波器的截面 图14A和图14B示出按照本发明的一个优选实施例、作为共轭射束消隐器进行操作的西肯能量滤波器；
图15示出按照本发明的一个优选实施例、作为双偏转射束扫描系统的一部分进行操作的西肯能量滤波器；
图16示出按照本发明的一个优选实施例、作为双偏转对准器进行操作的西肯能量滤波器；
图17是按照本发明的一个优选实施例、进行操作以测量能量滤波之前的射束电流的西肯能量滤波器；
图18是按照本发明的一个优选实施例、进行操作以测量能量滤波之后的射束电流的西肯能量滤波器；图19示出按照本发明、具有能量滤波器的带电粒子束系统；
图20示出包括五个八极的本发明的一个实施例的截面侧视图； 图21示出来自图20的截面A-A ；
图22示出来自图20的截面B-B ；以及 图23是示出本发明的优选方法的流程图。
具体实施例方式本发明的一些优选实施例包括四元件静电西肯能量滤波器，其中向双极元件新添加静电四极和六极激励。其它优选实施例包括五个元件，以便提供关于放大和射束电流的改进灵活性。四极元件优选地将射束形成为西肯的第二与第三元件之间定位的孔口处的线焦点。这个线焦点优选地为分别在能量滤波器的入口和出口处的入局和出局射束的直径的大约两倍长。线焦点基本上降低射束电流密度，将孔口溅射或污染降低若干数量级( <现有技术的溅射和污染的1/10)，并且将空间电荷效应降低若干数量级( <现有技术的1/10)。西肯的四个元件的每个可使用各具有八个单独激励电极的八极来实现。申请人通过大量带电粒子建模已经发现，向双极添加六极激励和四极激励通过使线焦点在孔口平面更尖锐和更直来进一步改进能量分辨率。因此，采用通常小于500 nm的窄缝隙孔口，低到数eV能量的能量滤波原则上是可能的。采用通常小于I μπι或小于3 ym的更宽孔口，可消除离子束的空间“尾部”，而没有对中心射束点的影响。本发明的优选实施例通过使激励能量滤波器并且进入最终透镜以聚焦到被成像或研磨的样本上的射束的能量分布变窄来改进成像和研磨锐度。这基本上消除射束的空间尾部，这产生更小、更高质量的射束。增加的空间电荷效应又增加射束的能量扩展和空间拓宽，基本上随结合线焦点代替现有技术西肯滤波器的圆焦点而降低。线焦点的电流密度比对于具有与本发明的线焦点的宽度相似的直径的圆焦点要低若干数量级。这个优点适用于尚子束和电子束系统。孔口的溅射和后续更换也基本上被降低，因为降低的射束电流密度成比例地降低孔口材料的溅射速率。这个优点在离子束系统中最显而易见，因为电子束没有溅开材料。但是，电子束系统确实具有孔口污染的问题。因此，孔口平面的低电流密度线焦点的使用可产生电子束系统中的能量滤波器的改进性能。实际上，(离子的)孔口溅射和(电子以及可能离子的)孔口污染在本文的论述中均可被认为是“孔口损坏”。处理因电流FIB柱中缺乏共轭消隐机制引起的未预计区域也通过使用能量滤波器的四个元件作为“扩展”射束消隐器来解决，“扩展”射束消隐器具有元件之间的适当时间延迟以考虑通过能量滤波器的飞行时间。按照电子方式，这可使用乘法数模转换器(DAC)以驱动电极电压并且然后调制参考电压以改变具有元件间时间延迟的全部四个光学元件的偏转强度来实现。这允许射束在轴上离开能量滤波器一直到射束在缝隙孔口上截断的点。可使在消隐射束的同时的孔口处的偏转足够大，以便避免孔口缝隙的溅射腐蚀。按照本发明的优选实施例的能量滤波器可自然地去除未被第一元件偏转并且因而直接向前传播以与孔口安装部件碰撞的中性粒子。按照本发明的一些优选实施例的能量滤波器包括其中射束在轴外偏转、通常为2至4 _的四元件西肯以及使用此后将射束退回到与入口轴共线的出口轴的缝隙的孔口。按照本发明的优选实施例的能量滤波器优选地具有如下规格:
I)具有双极、四极和(可选的)六极激励的全静电八极元件。
2)使对柱的(能量滤波器外部)整体第一阶光学器件的影响为最小。3)实际上，从柱第一阶光学器件的角度并且关于空间电荷射束拓宽没有交叉。4)共线光学器件:入口轴与出口轴相同。5)能量滤波孔口的线焦点。6)射束的共轭消隐的能力。7)到最终透镜(L2)中的双偏转射束对齐的能力。8)能量滤波器的最 终元件可兼作射束扫描的上偏转器。9)中性粒子可通过在能量滤波器中的孔口安装部件处将其阻塞而从射束中去除。并非所有实施例将提供所有有益效果。图3至图16中示出按照本发明的一个优选实施例来设计和操作的能量滤波器的各个实施例。图3是按照本发明的一个优选实施例、包括具有双极、四极和(可选的)六极激励的四个八极元件302、304、306和308的能量滤波器300的等距视图。孔口部件310包含可能是用于高通或低通能量滤波的刀口或者用于带通能量滤波的缝隙的孔口。不能使用圆形孔口，因为将射束形成为孔口的平面的线焦点。与图2的现有技术能量滤波器不同，按照本发明的一个优选实施例来设计的能量滤波器不要求将射束预先聚焦到孔口的平面中，因为所有第一阶聚焦通过施加到302、304、306和308的四极激励来执行。能量扩散轴在图3中是垂直的，并且元件304和306向上垂直地偏移等于通过302和304的双极激励的组合效果所引起(并且通过306和308的双极激励所消除)的射束偏移的量。大量带电粒子光学器件建模证明了对于一些情形(特别是涉及进入能量滤波器的较大射束直径的那些情况)向元件302、304、306和308添加六极激励的有益效果:这些激励降低源于元件302、304、306和308的入口和出口处的弥散场的这些元件的双极和四极组件的像差。图4是按照本发明的一个优选实施例的与能量滤波器300的图3对应的剖面等距视图，示出通过滤波器的带电粒子束通路。未滤波射束320沿轴402从左上部进入滤波器。元件302上的双极激励则使射束沿轴406向上偏转，而元件302上的四极激励沿垂直轴406聚焦射束，同时将射束沿水平轴404(在这个等距视图中为右上到左下)扩展到线焦点中。元件304的双极激励则使射束又偏转到与进入元件302相同的方向，但是通常相对原始射束轴偏移2至4 mm。304上的四极激励使射束沿垂直轴406略微散焦，同时使射束沿水平轴404极强地聚焦。这些偏转和聚焦的最终结果在于，到达孔口的射束与原始轴大致平行地移动但经过偏移，并且已经形成为宽水平线焦点(参见图7)。具有预期通带外部的能量的初始射束的那个部分将撞击缝隙孔口(在缝隙开口上方或下方)，由此被阻止通过能量滤波器并且传递到射束所成像或处理的目标上。具有预期射束能量的初始射束的那个部分将通过刀口或者经过缝隙，并且因而传递到最终透镜上以便聚焦到目标上。元件308和306的激励本质上分别对元件302和304的那些激励进行镜像。在优选实施例中，因能量滤波器而将没有显著的第一阶光学效果以及还有最小高阶像差。图5是按照图3和图4所述的本发明的一个优选实施例的能量滤波器300的截面侧视图。图5中能够更清楚地看到元件302和306的圆锥出口 502以及元件304和308和圆锥入口 504。这些圆锥特征可以可选地结合在一些实施例中，以便降低能量滤波器300所引起的像差。没有这些圆锥入口和出口，在302与304之间传递的射束520以及在306与308之间传递的射束均极接近单独电极而传递，并且因而暴露于八极元件302、304、306和308的弥散场。如图14A和B中能够更清楚地看到，通过使电极离射束更远，这些圆锥特征在增强能量滤波器光学性能方面会是有益的。图20中示出本发明的另一个实施例的使用端接板(termination plate)来降低八极的入口和出口的弥散场的影响的备选方法。图5中也可更清楚地看到元件304和306的横向偏移510。这种偏移使射束能够在轴上离开元件304，并且也在轴上进入元件306，在两种情况下均进一步降低像差。在优选实施例中，典型双极电压的范围可从-600至+600 V，典型四极电压从-250至+250 V，以及典型六极电压从-2.5至+2.5 V。元件302和308上的电压的幅值一般比元件304和306上的略大，因为在元件304和306内射束在垂直于扩散轴更大。因此，四极在聚焦射束时更为有效，因为四极的偏转力与离开光学元件的中心线的射束位移成比例。元件302、304、306和308优选地全部是静电的，以便避免不同离子质量的质量扩散效应。对于采用单元件单一同位素源的电子束柱或离子柱中的能量滤波器，磁性元件或者组合静电和磁性元件也处于本发明的范围之内，因为在这些情况下，质量扩散效应不成问题。可在元件304处或者在孔口部件310处阻止进入能量滤波器的中性粒子。图6是图5的孔口区域的截面侧视图，其中具有极扩大的垂直轴以更好地示出射束的偏移604。在优选实施例中，典型射束偏移可以是2至4 mm。作为一个不例,对于具有3.0 mm射束偏移和176 mm长的能量滤波器，孔口处的能量扩散为与30 keV的标称能量的每eV能量差大约111 nm。在优选实施例中，孔口部件310中的孔口 602能够是缝隙或刀□。图7A和图7B是分别取自SIMION射线跟踪程序的带通滤波器和高通滤波器的孔口区域附近的图5的特写截面侧视图。图7A示出具有孔口 710的带通滤波器702，孔口对于3.4 eV FffHM传输大约具有600 nm间隙。图7B示出具有刀口孔口 712的高通滤波器704，其中传输的减退(fall off)为4.0 eV(100%至0%传输)。图8示出按照本发明的一个优选实施例的四元件西肯能量滤波器，其中如与能量扩散轴平行地观看具有组合双极、四极和六极元件302、304、306和308。未滤波射束具有初始直径802，对应于200 μ m直径。能够看到302的四极激励用作负透镜，从而在射束在302与304之间传递时将其拓宽。304的相反极性四极激励则使射束恢复到平行，但是这时基本上更宽。在通过304之后，射束直径804这时大约为360 ym宽。306的四极激励则将射束又朝轴聚焦，之后接着在308的散焦动作，这使射束再次平行，并且射束直径806返回到其初始直径200 μπι。这个图示对应于平行输入射束和平行输出射束的情况，但是，发散或会聚进入和离开能量滤波器的射束的情况也处于本发明的范围之内，并且已使用射线跟踪软件来评估。图9是按照本发明的一个优选实施例、在孔口处具有140 nm缝隙宽度和3.0 mm射束偏移的示范能量滤波器的所计算传输的图表。全宽半高(FWHM)传输为1.22 eV，并且全宽零高(FWOM)为2.50 eV。因此，没有具有 ± 1.25 eV外部的能量的带电粒子将经过滤波器。空心正方形线902对应于高能滤波模式的刀口孔口的情况，而实心菱形线904对应于带通模式的140 nm缝隙孔口。在低能量侧(即，低于30000 eV)，两条线902和904重合。
图10是绘制为空心正方形线1002的典型镓液态金属离子源的5.0 eV FffHM能量分布的图表。在本领域中，LMIS源的FWHM能量分布的范围可从5.0至超过6.0 eV。还绘制的是取自图9的所传送能量分布线904以及从能量滤波器离开的经滤波镓射束的所产生能量分布线1004(实心三角形)。在能量滤波之后，射束能量扩展降低到了大约1.2 eVFWHM并且具有2.5 eV FWOM外部的零传输。总传输为初始射束电流的22.4%，因而有效源亮度降低四倍以上。在这个示例中，由于初始射束能量扩展Γ5.0 eV)是远比能量滤波器的能量扩展Γ1.2 eV)要大，所以所产生射束能量扩展1004与能量滤波器904的能量扩展几乎相同。在缝隙较宽、由此给予较宽的所传送FWHM(参见图11)的情况下，经滤波射束的能量扩展将比能量滤波器的能量扩展要小。图11是按照本发明的一个优选实施例、作为范围从最小140 nm直到750 nm的孔口缝隙宽度的函数的示范能量滤波器的FWHM传输1102和FWOM全能量范围1104的图表。FffHM 1102对于从 1.2 eV至 6.7 eV的这个范围近似线性改变，而FWOM 1104从 2.5 eV直至 8.0 eV近似线性改变。FWOM对应于在其外部将没有带电粒子由滤波器来传送的能量扩展。 图12是具有初始(未滤波)FWHM能量扩展为5.0 eV的镓LMIS的能量滤波器传输的图表。由于缩小孔口缝隙(参见图11)，所以所传送FWHM能量从右边的5.0 eV下降到最左边的 1.2 eV。由于能量滤波器不能改变离子能量，而是只阻止具有预期带通范围外部的能量的那些带电粒子，所以百分比传输从 88% (5.0 eV FffHM)下降到 22.4% Cl.2 eV)。这个传输降低对应于有效角强度和亮度的损失。为了保存射束电流，通常需要展开(openup)射束限定孔口，以便允许由相对于光轴具有较大初始角的源所发射的离子被传送到目标。但是，这则将增加色差和球形像差，部分偏移产生于能量滤波的射束大小改进。图13是按照本发明的一个优选实施例的西肯能量滤波器1300的截面图。在这个示例中，元件304、孔口部件310和元件306从302和308的轴偏移。在优选实施例中，这种偏移通常为2至3 mm。元件302、304、306和308中的电极1332的方位取向由八极1350示出。电极1332之间的间隙1334优选地为0.5 _ - 1.5 mm宽。在这个实施例中，长度1302、1304、1306和130 8分别相等；但是，这对于能量滤波器的正确操作不作要求。在302和306的出口以及在304和308的入口示出锥形体，以便允许偏转射束更远离任何物理电极通过，由此降低像差。活动缝隙孔口 1314位于能量滤波器的中间平面1312，如图所示。图14A和图14B示出按照本发明的一个优选实施例、作为共轭射束消隐器进行操作的西肯能量滤波器。图14A中，射束1402示为经过缝隙孔口 1410。这是正常能量滤波器操作模式，其中在这个视图中，在缝隙底部阻止较高能量离子，而在缝隙1410顶部阻止较低能量离子。具有标称传输能量附近的能量的离子经过通常为0.5 - 3.0 μ m宽的缝隙1410。图14B中，施加到302、304、306和308的双极激励降低了相同因子，以便在消隐射束时将射束1432保持在相同出口轴(与入口轴共线)。一旦射束1432在缝隙孔口 1410处充分向下移动以便阻止包括尾部的射束的全能量范围之上的所有离子，则消隐射束。图15示出按照本发明的一个优选实施例、作为双偏转射束扫描系统的一部分进行操作的西肯能量滤波器。滤波器的兀件308作为与下扫描偏转器1502和最终透镜1504结合的上扫描偏转器进行工作，以便跨样本表面1512移动射束1510。射束1510示为由通过透镜1504操纵射束1510供最佳扫描的双偏转扫描系统跨样本表面1512偏转。对于焦阑射束扫描(其中射束始终垂直于样本表面)，射束支承点将是透镜的后焦平面。图16示出按照本发明的一个优选实施例、作为双偏转对准器进行操作以将射束1610操纵到透镜1604的中心并且与透镜1604的光轴平行的西肯能量滤波器。在这种情况下，元件306和308作为双偏转对准器进行操作。这种对准能力使聚焦到样本上的射束的光学像差为最小。施加到元件306和308的双极激励在对准过程期间是动态的，并且在对准完成之后则是静态的。图17是按照本发明的一个优选实施例、进行操作以测量能量滤波之前的射束电流的西肯能量滤波器。元件302和304 (单独或者组合地)起作用以将射束1702朝位于缝隙孔口 1712之前的法拉第圆筒1710偏转。射束1702在元件302的膛内部以及元件304的电极6与7之间传递(如图13中看到)。法拉第圆筒1710所检测的电流表示能量滤波之前的射束电流。这个操作通常将在图14所示的射束消隐操作之后执行。图18是按照本发明的一个优选实施例、进行操作以测量能量滤波之后的射束电流的西肯能量滤波器。元件302和304 (单独或者组合地)起作用以通过缝隙孔口 1812使射束1802偏转。元件306和308 (单独或者组合地)起作用以将射束朝位于元件308附近的法拉第圆筒1804偏转，如图所示。法拉第圆筒1804所检测的电流表示能量滤波之后的射束电流。射束1802在元件302、304和306的膛内部以及元件308的第二与第三电极之间传递。法拉第圆筒1804所收集的电流与图17的法拉第圆筒1710所收集的电流的比率表示由能量滤波器传送的初始射束电流的分数。这个操作通常将在图14所示的射束消隐操作之后执行。图19示出按照本发明的优选实施例、具有离子束柱1902和能量滤波器1904的带电粒子射束系统1900。按照本发明的诸如以上所述之类的能量滤波器能够用于显著提高射束质量。离子束柱1902包括抽空外壳1906，其中设置有离子源1908、抽取器光学器件1910、能量滤波器1904、射束偏转器1914以及最终透镜1916。通常，离子源1908是提供镓离子束的液态金属离子源，但是能够使用诸如多尖点或其它等离子体源之类的其它离子。来自源1908的离子由抽取器光学器件1910来抽取并且形成为射束1920，以及射束1920然后经过能量滤波器1904。能量滤波器1904降低空间电荷效应和孔口损坏，并且在某些实施例中还能够用作共轭消隐器。射束偏转器1926扫描射束，射束然后由最终透镜1916聚焦到真空室1932中的样本台1934上的样本1930上。因此，射束1920能够通过例如按照已知方法的研磨、化学增强蚀刻、材料沉积或成像来修改样本。图20是包括五个八极的本发明的一个实施例的截面侧视图2000。八极2002、2010、2016、2024和2030优选地没有如同图4所示的第一实施例中那样的圆锥端。离子束沿柱轴2040进入八极2002，并且然后朝右侧弯曲，使得射束向右侧略微轴外地经过端接板2004中的中心孔。八极2002还开始由八极2010继续进行的线聚焦处理，以便在缝隙孔口区域2044中形成线焦点。射束向左侧略微轴外地经过端接板2008中的中心孔，并且然后进入八极2010，八极2010将射束偏转成与柱轴2040平行，但是偏移大致4 mm到轴2042上。射束则经过端接板2012中的中心孔，以便进入缝隙孔口区域2044。缝隙孔口区域2044由端接板2012和2014来限定，并且包含缝隙孔口(未示出)。离子束的一部分按照预期的射束能量分布的缩小量经过缝隙孔口。通常，500 nm宽的缝隙将传递来自液态金属离子源的典型5至6 eV FffHM能量扩展中的大约3.5 eV能量宽。
经过缝隙孔口的射束的那个部分则经过端接板2014中的中心孔，并且进入八极2016，八极2016使射束向左偏转，以便向左侧略微轴外地经过端接板2018中的中心孔，并且还将射束聚焦到八极2024的中心处的线焦点。八极2024的线焦点垂直于光轴2040以及缝隙孔口区域2044中的线焦点。在进入八极2024之前，射束向右侧略微轴外地经过端接板2022中的中心孔。八极2024将经过的离子束偏转并且聚焦到八极2030处的圆形射束剖面。八极2030则将离子聚焦到发散圆锥形射束中，该射束传递到柱的最终透镜、例如图19的透镜516中。备选操作模式允许测量经过缝隙孔口的射束电流，如同前一实施例的图18中那样。在这种备选模式中，八极2002和2010所执行的偏转和线聚焦未改变，但是八极2016仅用作弱偏转器，以便将射束沿轴2042操纵到位于框2046中的八极2024与2030之间的下法拉第圆筒2028中。到法拉第圆筒2028的入口通过端接板2026中的孔来形成，如图所示。框2046的下端还用作八极2030的端接板。端接板2004、2008、2012、2014、2018、2022、2026和框2046全部用于端接八极2002、2010、2016、2024和2030所产生的电场，以便降低可由具有双极、四极、六极和八极激励的八极的入口和出口处的扩展电场引起的光学像差。端接板2004与2008之间的分隔符2006指示可调整八极2002与2010之间的距离，以便优化能量滤波器与FIB柱的整体设计的集成以及优化能量滤波器的性能。端接板2018与2022之间的分隔符2020用作相似功能。图21示出图20中的截面A-A 2100，示出八极2002的八个电极。八极元件2102、2104、2106、2108、2110、2112、2114和2116各连接到独立可变高电压电源，以便使双极、四极和六极电场的产生能够实现上图20中所述的光学功能。电极之间的八个间隙2118实现电极之间的高电压隔离，其中的每个可处于通常在从-700 V至+700 V的范围的不同高电压。中心膛2120允许离子束经过八极，并且通常可具有范围从3至6 mm的直径。虽然对于八极2002示出截面A-A，但是其它四个八极2010、2016、2024和2030可具有相似或相同的电极配置。图22示出图20中的截面B-B 2200，图20示出端接板2008。中心孔2204允许在八极2010的入口处传递射束。当能量滤波器断开并且射束保持在轴2040上时，射束经过孔2206而不是孔2204。圆2208的半径对应于图20的轴2040与2042之间的距离。板2202中的另外七个孔使电场更为对称，对于单个孔2206，情况不是这样。能量滤波器的附加操作模式是当五个八极中的所有电极电压设置为O V时。这种模式允许离子束未偏转地经过滤波器并且继续沿柱向下传递到最终透镜、例如图19中的透镜516。这种模式的一个有益效果是以较高射束电流进行操作的能力，其中主导像差为球形而不是色差，并且因而能量滤波器将具有用于降低射束直径或者增加目标处的射束电流密度的有限有益效果。本领域的技术人员将会知道，存在用于聚焦离子束系统的许多可能配置，并且本发明并不局限于任何特定聚焦离子束系统。例如，偏转器1914可定位在最终透镜1916之下，或者初始聚焦透镜能够定位在能量滤波器510之前。虽然详细描述了离子束，但是本发明的实施例还能够允许使用其它带电粒子束、例如电子束或激光束。图23是示出实施本发明的方法的流程图2300。在步骤2302中，射束沿第一光轴进入能量滤波器。在步骤2304，射束从第一光轴偏转到第二光轴上。在一些实施例中，第二轴与第一光轴近似平行。光轴之间的间距优选地在2 _与4 _之间。使射束偏离第一光轴例如能够使用多个双极静电偏转器来执行。在步骤2306，将射束聚焦到集中于第二轴的缝隙孔口处的线焦点。在一些实施例中，将射束聚焦到线焦点中使用多个四极透镜来执行。在步骤2308，射束又偏转到第一光轴上。使射束偏离第二光轴例如能够使用多个双极静电偏转器来执行。在步骤2310，射束在能量滤波器的出口处聚焦到圆锥形射束中。射束可使用多个四极透镜来聚焦到圆射束中。在一些实施例中，使射束偏离第一光轴并且将射束聚焦到缝隙孔口处的线焦点中通过包括偏转器和四极透镜的共同光学元件来实现。在一些实施例中，使射束偏离第二光轴并且将射束聚焦到圆锥形射束中通过包括偏转器和四极透镜的共同光学元件来实现。本发明的一些实施例包括
用于带电粒子束系统的能量滤波器，包括:
用于传递经过能量滤波器的带电粒子束的入口和出口，所述带电粒子束被导向轴
上；
串行定位的至少四个偏转器，用于聚焦和偏转经过能量滤波器的带电粒子；以及 定位在两个偏转器之间的孔口；
其中施加到偏转器系列的双极激励能够用于将带电粒子束偏转到轴外并且然后偏转回轴上；以及
四极激励能够用于将带电粒子束形成为孔口处的线焦点。在一些实施例中，孔口是刀口孔口或者缝隙孔口。在一些实施例中，孔口是`横向测量1-3 μ m的缝隙孔口。在一些实施例中，孔口是跨缝隙测量500 nm以下的缝隙孔口。在一些实施例中，线焦点至少为分别在能量滤波器的入口和出口处的入局和出局射束的直径的两倍长。在一些实施例中，孔口定位在第二与第三偏转器之间。在一些实施例中，偏转器包括各具有八个单独激励电极的至少四个八极。在一些实施例中，八极全部是静电的。在一些实施例中，从柱第一阶光学器件的角度并且关于空间电荷射束拓宽，能量滤波器实际上没有提供交叉。在一些实施例中，能量滤波器的入口轴与出口轴是同轴的。在一些实施例中，能量滤波器包括用于射束的共轭消隐的能力。在一些实施例中，能量滤波器的最终元件兼作射束扫描的上偏转器。在一些实施例中，能量滤波器通过在能量滤波器的孔口安装部件处阻止中性粒子来从射束中将其去除。在一些实施例中，不要求将射束预先聚焦到孔口的平面中。本发明的一些实施例包括:
带电粒子系统，包括:
带电粒子的源；
带电粒子束透镜；以及 如上所述的能量滤波器。
本发明的一些实施例包括:
用于带电粒子束系统的能量滤波器，包括:
西肯类型能量滤波器，具有串行的至少四个偏转器，用于带电粒子束的双偏转，使得射束偏离其原始轴以经过能量滤波孔口，并且然后使经滤波射束又偏转到其原始轴；
其中至少四个偏转器能够进行双极、四极和六极激励；以及 四极激励用于将射束聚焦到能量滤波孔口处的线焦点中。一些实施例包括使用上述能量滤波器来处理样本的方法。在该方法中，通过使用能量滤波器的至少四个元件中的四个作为“扩展”射束消隐器来防止非预计区域的处理，“扩展”射束消隐器具有元件之间的适当时间延迟以考虑通过能量滤波器的飞行时间。在本发明的一些方法中，通过使用乘法数模转换器以驱动电极电压并且然后调制参考电压以改变具有元件间时间延迟的全部四个光学元件的偏转强度来实现射束消隐。本发明的一些实施例包括用于使用带电粒子束系统中的能量滤波器来对带电粒子束的能量分布进行滤波的方法，包括下列步骤:
引导射束沿第一光轴同轴进入能量滤波器；
使射束偏离第一光轴偏转到第二光轴上；将射束聚焦到集中于第二光轴上的缝隙孔口处的线焦点中；
使射束从第二光轴偏转到第三光轴上；以及 将射束在能量滤波器的出口处聚焦到圆锥形射束中。在一些实施例中，第三光轴与第一光轴重合，并且使射束从第二光轴偏转到第三光轴上包括使射束又定向到第一光轴上。在一些实施例中，第二光轴与第一光轴近似平行。在一些实施例中，第一与第二光轴之间的间距在2与4 mm之间。在一些实施例中，使射束偏离第一光轴通过大量双极静电偏转器来实现。在一些实施例中，使射束偏离第二光轴通过大量双极静电偏转器来实现。在一些实施例中，将射束聚焦到缝隙孔口处的线焦点中通过大量四极透镜来实现。在一些实施例中，将射束聚焦到圆锥形射束中通过多个四极透镜来实现。在一些实施例中，使射束偏离第一光轴并且将射束聚焦到缝隙孔口处的线焦点中通过包括偏转器和四极透镜两者的共同光学元件来实现。在一些实施例中，使射束偏离第二光轴并且将射束聚焦到圆锥形射束中通过包括偏转器和四极透镜两者的共同光学元件来实现。虽然本发明的以上描述主要针对设备，但是应当知道，使用要求保护的设备的方法也在本发明的范围之内。此外，应当知道，本发明的实施例能够经由计算机硬件或软件或者它们两者的组合来实现。方法能够通过使用标准编程技术的计算机程序-包括配置有计算机程序的计算机可读存储介质-来实现，其中这样配置的存储介质使计算机按照本说明书中所述的方法和附图通过特定和预定义方式进行操作。各程序可通过高级过程或面向对象的编程语言来实现，以便与计算机系统进行通信。但是，根据需要，程序能够通过汇编或机器语言来实现。在任何情况下，语言能够是编译或解释语言。此外，程序能够在为该目的而编程的专用集成电路上运行。
此外，方法可通过任何类型的计算平台来实现，包括但不限于个人计算机、微型计算机、主机、工作站、联网或分布式计算环境、独立、带电粒子工具或其它成像装置应有的或者与带电粒子工具或其它成像装置通信的计算机平台等。本发明的方面可通过存储介质或装置上存储的机器可读代码来实现，无论是可拆卸或者是计算平台应有的，例如硬盘、光读和/或写存储介质、RAM、ROM等，使得它是可编程计算机可读的，以用于在存储介质或装置由计算机读取时配置和操作计算机，以便执行本文所述的过程。此外，机器可读代码或者其部分可通过有线或无线网络来传送。当这类介质包含用于结合微处理器或其它数据处理器来实现上述步骤的指令或程序时，本文所述的本发明包括这些和其它各种类型的计算机可读存储介质。当按照本文所述的方法和技术来编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据，以便执行本文所述的功能，并且由此变换输入数据以生成输出数据。输出信息适用于诸如显示监视器之类的一个或多个输出装置。在本发明的优选实施例中，经变换的数据表示物理和有形对象，包括在显示器上产生物理和有形对象的特定可视描述。本发明具有广泛的适用性，并且能够提供在以上示例中所述及所示的许多有益效果。实施例在很大程度上将根据特定应用而改变，并且并不是每一个实施例都将提供全部有益效果以及满足本发明可实现的所有目标。适合与按照本发明的设备配合使用的粒子束系统例如是从本申请的受让人FEI公司可购买的。在以下论述和权利要求书中，术语“包括”和“包含”以可扩充的方式来使用，并且因此应当被解释为表示“包括但不限于”。术语“FIB”或“聚焦离子束”在本文中用于表示任何校准离子束，包括由离子光学器件所聚焦的射束以及成型离子束。在本说明书中没有特殊定义任何术语的意义上，目的在于，该术语将给予其平常的含意。附图意在帮助了解本发明，并且除非另加说明，否则没有按比例绘制。虽然详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，能够对本文所述的实施例进行各种改变、替换和变更，而没有背离所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围。此外，本申请的范围不是要局限于本说明书中所述的过程、机器、制造、物质成分、部件、方法及步骤的具体实施例。通过本发明的公开，本领域的技术人员将易于理解，按照本发明，可利用当前存在或以后开发的、执行与本文所述的对应实施例基本相同的功能或者实现与其基本相同的结果的过程、机器、制造、物质成分、部件、方法或步骤。相应地，所附权利要求书意在其范围内包括这类过程、机器、制造、物质成分、部件、方法或步骤。
权利要求
1.一种用于带电粒子束系统的能量滤波器，包括: 用于传递经过所述能量滤波器的带电粒子束的入口和出口，所述带电粒子束沿轴定向到所述能量滤波器中； 串行定位的至少四个偏转器，用于聚焦和偏转经过所述能量滤波器的带电粒子； 定位在两个所述偏转器之间的孔口； 其中施加到偏转器系列的双极激励能够用于将带电粒子束偏转到轴外并且然后偏转回轴上；以及 四极激励能够用于将所述带电粒子束形成为所述孔口处的线焦点。
2.按权利要求1所述的能量滤波器，其中，所述孔口是刀口孔口或缝隙孔口。
3.按权利要求2所述的能量滤波器，其中，所述孔口是横向测量1-3ym的缝隙孔口。
4.按权利要求2所述的能量滤波器，其中，所述孔口是跨所述缝隙测量500nm以下的缝隙孔口。
5.按权利要求1所述的能量滤波器，其中，所述线焦点至少为分别在所述能量滤波器的入口和出口处的入局和出局射束的直径的两倍长。
6.按权利要求1所述的能量滤波器，其中，所述孔口定位在所述第二与第三偏转器之间。
7.以上权利要求中的任一项所述的能量滤波器，其中，所述偏转器包括各具有八个单独激励电极的至少四个八极。
8.按权利要求7所述的能量滤波器，其中，所述八极全部是静电的。
9.以上权利要求中的 任一项所述的能量滤波器，其中，从柱第一阶光学器件的角度并且关于空间电荷射束拓宽，实际上不存在交叉。
10.以上权利要求中的任一项所述的能量滤波器，其中，所述能量滤波器的入口轴与所述出口轴是同轴的。
11.以上权利要求中的任一项所述的能量滤波器，还包括用于所述射束的共轭消隐的能力。
12.以上权利要求中的任一项所述的能量滤波器，其中，所述能量滤波器的最终元件可兼作射束扫描的上偏转器。
13.以上权利要求中的任一项所述的能量滤波器，其中，通过在所述能量滤波器中的孔口安装部件处阻止中性粒子从所述射束中将其去除。
14.以上权利要求中的任一项所述的能量滤波器，其中，不要求将所述射束预先聚焦到所述孔口的平面中。
15.一种带电粒子系统,包括: 带电粒子的源； 带电粒子束透镜；以及 如权利要求1所述的能量滤波器。
16.一种用于带电粒子束系统的能量滤波器，包括: 西肯类型能量滤波器，具有串行的至少四个偏转器，用于带电粒子束的双偏转，使得所述射束偏离其原始轴以经过能量滤波孔口，并且然后使经滤波射束偏转回其原始轴； 其中所述至少四个偏转器能够进行双极、四极和六极激励；以及所述四极激励用于将所述射束聚焦到所述能量滤波孔口处的线焦点中。
17.一种使用如权利要求1所述的能量滤波器来处理样本的方法，其中，通过使用所述能量滤波器的至少四个元件中的四个作为“扩展”射束消隐器来防止处理非预计区域，“扩展”射束消隐器具有元件之间的适当时间延迟以考虑通过所述能量滤波器的飞行时间。
18.按权利要求17所述的方法，其中，使用乘法数模转换器以驱动电极电压并且然后调制参考电压以改变具有元件间时间延迟的全部四个光学元件的偏转强度来实现射束消隐。
19.一种用于使用带电粒子束系统中的能量滤波器来对带电粒子束的能量分布进行滤波的方法，包括下列步骤: 引导射束沿第一光轴同轴进入所述能量滤波器； 使所述射束偏离所述第一光轴偏转到第二光轴上； 将所述射束聚焦到集中于所述第二光轴上的缝隙孔口处的线焦点中； 使所述射束从所述第二光轴偏转到第三光轴上；以及 将所述射束在所述能量滤波器的出口处聚焦到圆锥形射束中。
20.按权利要求19所述的方法，其中，所述第三光轴与所述第一光轴重合，并且使所述射束从所述第二光轴偏转到第三光轴上包括使所述射束又定向到所述第一光轴上。
21.按权利要求19所述的方法，其中，所述第二光轴与所述第一光轴近似平行。
22.按权利要求20所述的方法，其中，所述第一与第二光轴之间的间距在2与4mm之 间。
23.按权利要求19所述的方法，其中，使所述射束偏离所述第一光轴通过大量双极静电偏转器来实现。
24.按权利要求19所述的方法，其中，使所述射束偏离所述第二光轴通过大量双极静电偏转器来实现。
25.按权利要求19所述的方法，其中，将所述射束聚焦到缝隙孔口处的线焦点中通过大量四极透镜来实现。
26.按权利要求19所述的方法，其中，将所述射束聚焦到圆锥形射束中通过多个四极透镜来实现。
27.按权利要求19所述的方法，其中，使所述射束偏离所述第一光轴并且将所述射束聚焦到缝隙孔口处的线焦点中通过包括偏转器和四极透镜两者的共同光学元件来实现。
28.按权利要求19所述的方法，其中，使所述射束偏离所述第二光轴并且将所述射束聚焦到圆锥形射束中通过包括偏转器和四极透镜两者的共同光学元件来实现。
全文摘要
多元件静电西肯能量滤波器，其中向双极元件添加静电四极和六极激励。按照本发明的具有能够产生孔口处的线焦点的双极、四极和六极元件的组合的带电粒子能量滤波器降低空间电荷效应和孔口损坏。一个优选实施例允许滤波器充当共轭消隐系统。能量滤波器能够使能量扩展变窄，以便产生较小射束。
文档编号H01J49/46GK103094053SQ20121044253
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者N.W.帕克, W.休斯 申请人:Fei 公司