Brevet FR2801137A1 — publié le 20010518

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention consiste à optimiser un dispositif à faisceau de particules chargées, tel qu'un dispositif à faisceau ionique focalisé (FIB) et en particulier à optimiser l'aberration chromatique dans un faisceau ionique focalisé en utilisant un filtre à énergie. ARRIERE-PLAN Des systèmes à faisceau Ionique focalisé (FIB) à base d'une source d'ions à métal liquide (LMIS) sont un outil important, parfois indispensable, dans de nombreuses branches de la sciences et de l'industrie, en particulier dans I'industrie des semiconducteurs. Les applications des systèmes à faisceau ionique focalisé actuels incluent modification d'un dispositif, analyse de défaillance, création de points de test, réparation de masque de photogravure, lithographie sans masque, préparation d'un échantillon pour microscope électronique à transmission (TEM), microscopie ionique à balayage et spectros- copie de masse d'ions secondaires. Des applications actuelles des systèmes à faisceau ionique focalisé nécessitent une haute résolution, c'est-à-dire un petit diamètre de faisceau et une haute densité de courant. Comme cela est bien connu, la partie centrale d'un système à faisceau ionique focalisé est la colonne, qui est constituée d'une source d'ions à métal liquide et de composants optiques pour particules chargées qui procèdent à l'extraction, au transport, à la déviation et à la focali- sation du faisceau ionique. Des systèmes à faisceau ionique focalisé sont bien connus, voir par exemple le brevet US n0 5 825 035 qui est incorporé ici à titre de référence. La résolution d'une colonne conventionnelle pour la plus grande partie des plages d'intensité de faisceau utiles est limitée sous forme d'une aberration chromatique due à l'important étalement de l'énergie de la source d'ions à métal liquide qui s'étale sur une plage de 5eV-IOeV. Étant donné que l'étalement de l'énergie est intrinsèque dans des sources d'ions à métal liquide, il n'y a pas de moyen efficace pour réduire davantage l'étalement d'énergie par accord de l'émission de la source d'ions à métal liquide. En général, ce sont les caractéristiques de la colonne qui dominent l'ensemble des perfor- mances d'un système à faisceau ionique focalisé. Par conséquent l'étalement intrinsèque de l'énergie de la source d'ions à métal liquide affecte significative- ment les performances d'un système à faisceau ionique focalisé conventionnel. RÉSUMÉ Conformément à la présente invention, on fait passer un faisceau de particules chargées à travers un filtre à énergie pour réduire l'aberration chromatique. On utilise une source de particules chargées, telle qu'une source d'ions à métal liquide pour produire des particules chargées. Un filtre à énergie placé en aval de la source de particules chargées réduit l'étalement de l'énergie du faisceau de particules chargées en ne laissant passer que les particules chargées qui sont à l'intérieur d'une plage d'énergie désirée. En réduisant l'énergie du faisceau de particules chargées, on réduit l'aberration chromatique du système, augmentant ainsi la densité de courant du faisceau. Le filtre à énergie peut être par exemple un filtre Wien que l'on optimise aux fins de filtrage de l'énergie. Par exemple, le filtre à énergie peut utiliser une structure quadrupolaire entre deux pièces polaires magnétiques, produi- sant ainsi un champ électrique quadrupolaire combiné et un champ électrique dipolaire à l'intérieur d'un champ magnétique. La structure quadrupolaire peut consister en quatre surfaces hyperboliques ou, par exemple, quatre surfaces cylindriques dont les axes sont orientés parallèlement à la direction de la trajectoire du faisceau de particules chargées. En appliquant correctement des tensions sur la structure quadrupolaire, on peut générer un champ électrique quadrupolaire et un champ électrique dipolaire combinés qui vont agir en tant filtre à énergie désiré. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les caractéristiques, aspects et avantages ci-dessus de la présente inven- tion, ainsi que d'autres, seront mieux compris avec la description suivante, les revendications jointes et les Figures jointes, sur lesquelles: - La Figure 1 représente une colonne à faisceau ionique focalisé de haute résolution, de haute densité de courant, qui comporte un filtre à énergie conforme à une forme de réalisation de la présente invention; - La Figure 2 représente un filtre Wien conventionnel utilisé comme dispositif de filtrage par la vitesse; - La Figure 3 représente la courbe de la dispersion en fonction du champ électrique dans un filtre Wien conventionnel; La Figure 4 représente la courbe de la dispersion en fonction du champ électrique dans un filtre Wien conventionnel si l'on abaisse l'énergie du faisceau à 5 keV; La Figure 5 représente un filtre à énergie du type Wien qui peut s'utiliser comme filtre à énergie représenté sur la Figure 1 conformément à une forme de réalisation de la présente invention; - La Figure 6 représente la courbe de la dispersion en fonction du champ électrique pour le filtre à énergie représenté sur la Figure 5; La Figure 7 représente la courbe de la composante du champ électrique selon la direction x pour le filtre à énergie représenté sur la Figure 5. DESCRIPTION DÉTAILLÉE La Figure 1 représente une colonne à faisceau ionique focalisé 100 de haute résolution, de haute densité de courant, qui inclut un filtre à énergie 102 conforme à une forme de réalisation de la présente invention. Comme représenté sur la Figure 1, une colonne à faisceau ionique focalisé 100 comporte une source d'ions à métal liquide 104 (par exemple une source d'ions à métal liquide à base de gallium), un extracteur 106, une lentille formant condenseur 108, une ouverture 110 de sélection du faisceau et une lentille formant objectif 112. La colonne à faisceau ionique focalisé 100 focalise un faisceau ionique 1 4 sur une cible 1 16. Le fltre à énergie 102 est placé n'importe o entre la lentille formant condenseur 108 et l'ouverture de sélection du faisceau et peut, par exemple, être un filtre Wien présentant une ouverture de filtre 103 et optimisé pour filtrer de l'énergie. Dans une colonne à faisceau ionique focalisé conventionnelle, I'aberration chromatique peut s'exprimer sous la forme: AU dc =aCc (I) U o dc est l'aberration chromatique; c et le demi-angle d'admission qui est déterminé par l'ouverture limitant l'intensité du courant dans le faisceau et qui est une valeur fixe pour une intensité de courant dans le faisceau donnée; Cc est le coefficient d'aberration chromatique de la colonne du côté objet; AU est l'étalement de l'énergie du faisceau; et U est l'énergie du faisceau. Selon l'équation (1), une façon intuitive de réduire l'aberration chromatique consiste à augmenter l'énergie U du faisceau. Toutefois, en pratique, il y a de nombreuses difficultés pour augmenter de façon simple l'énergie U du faisceau pour réduire l'aberration chromatique. Par exemple, parfois une énergie trop élevée du faisceau n'est pas souhaitable ou est même nuisible dans de nombreuses applications. Augmenter l'énergie du faisceau nécessite souvent des alimentations en puissance plus importantes et plus coûteuses, des exi- gences plus strictes concernant les isolants et des jeux plus importants entre les éléments optiques. Des jeux plus importants entre les éléments optiques se traduisent habituellement en un coefficient d'aberration chromatique Cc plus grand, ce qui accroît l'aberration chromatique au lieu de la réduire. Conformément à la présente invention, on ajoute à la colonne à faisceau ionique focalisé 100 un filtre à énergie 102 qui commande l'étalement de l'énergie du faisceau ionique en laissant une plage spécifique d'énergie des ions pour suivre leur trajectoire d'origine et en éliminant les ions présentant l'énergie indésirable. En conséquence l'étalement de l'énergie AU de l'équation (1) est réduit, ce qui réduit l'aberration chromatique dc. À première vue, il peut sembler que l'addition du filtre à énergie réduise l'étalement de l'énergie AU en sacrifiant l'intensité du courant dans le faisceau (ou intensité angulaire) et qu'il ne soit donc pas possible de réduire l'aberration chromatique du fait que le demi-angle d'admission a doit être augmenté pour maintenir la même intensité du courant dans le faisceau. Toutefois, en créant une dispersion de l'énergie dans une direction, le taux de réduction de l'étalement de l'énergie AU est supérieur au taux d'augmentation du demi-angle d'admission ca. Supposons qu'après filtrage de l'énergie, l'étalement de l'énergie soit AU, alors l'aberration chromatique dc pour l'intensité du courant dans le faisceau devient: d' =a F-4! U' c U (2) AU,) U U 11 faut noter que le demi-angle d'admission devient xx/AU/ AUl pour conserver la même intensité du courant dans le faisceau puisque l'intensité du courant dans le faisceau est proportionnelle à cO2. L'équation (2) nous indique que l'aberration chromatique dc est réduite N/AU/AU' fois en ce qui concerne un ion produit par une colonne à faisceau ionique focalisé non filtré par un filtre à énergie. Par conséquent, par exemple, si AUi = l eV, AU = 5eV, alors l'aberration chromatique dc du faisceau ionique filtré par le filtre à énergie est 2, 24 fois inférieure à celle du faisceau ionique non filtré par un filtre à énergie. Pour une situation dominée par l'aberration chromatique telle que celle que l'on trouve avec une colonne à faisceau ionique focalisé, la réso- lution finale du système sera approximativement améliorée du même facteur. Du fait que la colonne à faisceau ionique focalisé 100 bénéficie d'une aberration chromatique réduite, la colonne à faisceau ionique focalisé 1 00 bénéficie également d'une densité de courant améliorée. Pour un système dominé par l'aberration chromatique, si nous utilisons l'aberration chromatique dc pour représenter la dimension totale du faisceau, la densité de courant sur la cible 1 1 6 pour une intensité I du courant dans le faisceau est I _4I (3) Après filtrage de l'énergie, l'aberration chromatique dc est /AU/AU' pour la même intensité de courant 1. Par conséquent] devient: 4r AU Jd,2 AU (4) En d'autres termes, la densité de courant est améliorée d'un facteur AU/AU. Comme discuté ci-dessus, le filtre à énergie 1 02 peut être un filtre Wien. Des filtres Wien sont conventionnellement utilisés dans des colonnes à faisceau ionique focalisé en tant que séparateur de masses. Pour davantage d'infor- mation concernant les filtres Wien utilisés en tant que séparateur de masses, voir les brevets US n 5 189 303 et 4 789 787, I'un et l'autre incorporés ici à titre de référence. La Figure 2 représente un filtre Wien conventionnel 120 qui est un dispositif de filtrage par la vitesse qui utilise un champ électrique E créé entre deux plaques 122, 124 présentant des tensions +/V/2 et -V/2 respec- tivement, et un champ magnétique perpendiculaire B créé entre deux pièces polaires magnétiques 126, 128. Les pièces polaires magnétiques 1 26, 128 peuvent être, par exemple, des aimants permanents, des bobines électriques, ou une combinaison d'aimants permanents et de bobines électriques. La direction du faisceau ionique passant à travers le filtre Wien 120 est perpendiculaire aux plans de E et B. Des ions de masses et de charges différ- entes sont déviés différemment. La condition pour que des ions de vitesse v passent à travers le filtre Wien 120 sans être déviés (condition de passage rectiligne) est E = vB (5) Lorsque la condition de passage rectiligne pour la masse est maintenue la déviation des ions de masse m + Am lorsqu'ils quittentle filtre Wien 120 s'en déduit sous la forme: Ax = (L2/2XE/2VXAm/m) (6) o L est la longueur du filtre et V est la tension d'accélération des ions. Le principe de la séparation de masses qui apparaît dans l'équation (6) a été exploité de façon extensive dans les filtres Wien traditionnels utilisés dans des colonnes à faisceau ionique focalisé. Toutefois le filtre Wien traditionnel n'utilise qu'un seul aspect de sa capacité de filtrage, c'est-à-dire le filtrage de masses. L'autre aspect de la capacité de filtrage, qui est utilisé conformément à la présente invention, est le filtrage de l'énergie d'un faisceau. Pour apprécier pleinement la conception d'un filtre conçu en tant que filtre à énergie, il est utile de discuter du fonctionnement d'un filtre Wien conventionnel 120, tel que celui représenté sur la Figure 2. Pour un filtre Wien à champ uniforme conventionnel dans lequel E et B sont constants, la dispersion spatiale des ions lorsqu'ils quittent le filtre selon la direction x du système de coordonnées représenté sur la Figure 2 est: Ax=AU 1 - o(qEL) (7 qE L 2U o q est la charge des ions et U est l'énergie du faisceau. Il n'y a pas de dispersion selon les directions y et z. La Figure 3 représente la courbe de la dispersion Ax en microns (Ftm) en fonction du champ électrique E, o l'énergie du faisceau U = 30keV, I'étalement de l'énergie AU = 5eV, et la longueur du filtre Wien L = 50 mm, 100 mm, 150 mm et 200 mm. Comme représenté sur la Figure 3, la dispersion Ax est très faible pour ce type de filtre Wien et pour cette plage d'énergie. Par conséquent un filtre Wien traditionnel 120 ne convient pas comme filtre à énergie dans la présente invention du fait qu'une ouverture de filtre inférieure à quelques microns est difficile à obtenir et ne durerait pas longtemps par suite de l'effet de l'attaque du faisceau ionique. De même l'intensité du courant dans le faisceau qui peut passer à travers le filtre serait extrêmement faible pour une colonne en mode absence d'un point de convergence. Une solution consiste à abaisser l'énergie du faisceau U à l'intérieur du filtre Wien 120 en portant à un potentiel flottant particulier les électrodes du filtre 1 22, 124 situées aux ouvertures (non représentées) d'entrée et de sortie du filtre pour ralentir le faisceau ionique. La Figure 4 représente la courbe de la dispersion Ax en fonction du champ électrique E lorsque l'énergie U du faisceau est abaissée à 5keV avec une valeur de l'étalement de l'énergie AU= eV. Comme représenté sur la Figure 4, la dispersion Ax augmente dramati- quement. Toutefois cette valeur de la dispersion peut ne pas être encore suffisamment importante pour des faisceaux en mode absence d'un point de convergence. En outre la conception optique de la colonne à faisceau ionique focalisé est plus compliquée du fait du ralentissement du faisceau ionique par le filtre à énergie. La Figure 5 représente un filtre à énergie de type Wien 140 qui peut s'utiliser en tant que filtre à énergie 102 dans une colonne à faisceau ionique focalisé 1 00 conformément à une forme de réalisation de la présente inven- tion. Du fait que la dispersion spatiale due à l'étalement de l'énergie de 5- lOeV est habituellement beaucoup plus faible que la dispersion spatiale due aux masses différentes, la conception géométrique et l'intensité de champ utilisées avec un filtre à énergie 140 sont très différentes de celles utilisées pour un filtre Wien conventionnel 120 utilisé en tant que séparateur de masses. Par conséquent un filtre 140 convient tout à fait aux fins de filtrage de l'énergie du fait qu'il peut créer des dispersions importantes. Comme représenté sur la Figure 5, le champ électrique dans le filtre 140 est créé par une structure quadrupolaire 142 placée entre deux pièces polaires magnétiques 144, 146 qui se font face. Les pièces polaires 144, 146 peuvent avoir par exemple une longueur de 100 mm et une largeur de 10 mm mais, bien entendu, on peut utiliser toute longueur et largeur appropriée. De façon idéale, ce sont quatre surfaces hyperboliques que l'on utilise pour générer un champ quadrupolaire parfait à l'intérieur du champ magnétique. Pour des i15 raisons pratiques, on utilise quatre cylindres 148, 149, 150 et 151 du fait qu'ils ont des surfaces cylindriques qui sont proches d'une forme hyperbolique et sont faciles à fabriquer. Les cylindres 148-151 ont chacun un rayon r d'environ 0,01 à 10 mm, par exemple 1,5 mm. Les cylindres 148 et 151 et les cylindres 149 et 150 sont séparés par une distance d d'environ I à 30 mm, par exemple 6 mm. Des surfaces cylindriques 148-151 peuvent se fabriquer à partir de tout matériau conducteur, par exemple acier ou tout autre matériau approprié. Bien entendu, si on le désire, les cylindres 148-1 51 peuvent avoir tout rayon r approprié et toute distance de séparation d appropriée. En outre chaque cylindre individuel 148-1 51 peut avoir un rayon différent. Par conséquent la structure quadrupolaire 142 peut être ou non symétrique. En outre, il faut comprendre que bien que le filtre à énergie 140 soit décrit comme ayant une structure quadrupolaire, on peut utiliser d'autres types de structure qui donnent un champ électrique non linéaire, par exemple une structure octopolaire. En utilisant une structure quadrupolaire 142 et en appliquant correc- tement des tensions Vi, V2, V3, et V4 aux cylindres 148, 149, 150, et 151 respectivement, on peut générer une combinaison d'un champ quadrupolaire et d'un champ dipolaire décrite par l'équation: E = Eo 1 + i --- 5'- (8) ( L) L ( L'élément a est un paramètre sans dimension. Pour la situation comportant un tel champ électrique et un champ magnétique B = By, on peut en déduire les formules suivantes: Ax = AU qELq- cos,qEq L pour a 4U 414U' ' 2U AU qE(L a qE L qEOL Ax = 2aU / L - qE0 U 2 4U)>2U (1 L'équation (9) est semblable à l'équation (7) du fait qu'elle est également une fonction périodique, ce qui n'est pas très souhaitable en termes de valeur de la dispersion. L'équation (10 O) donne entre Ax et Eo une relation linéaire qui est meilleure que l'équation (9). Toutefois le cas le meilleur est donné par l'équation (1 1) qui montre une relation exponentielle. La Figure 6 représente la courbe de la dispersion ax en fonction du champ électrique Eo pour a>qEoL/2U et a = 100, 300 et 600, o l'étalement de l'énergie AU = 5eV, l'énergie du faisceau U = 30keV, L = 300 mm, chacun des cylindres 148-151 a un rayon r = 1,5 mm et ces cylindres sont séparés d'une distance de = 6 mm. Comme représenté sur la Figure 6, la dispersion Ax peut être très grande si a est suffisamment grand et si Eo est appropriée. En pratique, l'ouverture de sélection du faisceau pour la plus grande intensité de courant dans le faisceau, à la fois en mode présence d'un point de convergence et absence d'un point de convergence est typiquement inférieure à 1 mm en rayon. Par conséquent, s'il faut réduire l'étalement de l'énergie à 1 eV et si le rayon de l'ouverture du filtre Wien est 0, 1 mm, alors la dispersion Ax nécessaire pour un étalement de l'énergie AU = 5eV est inférieure à 0,5 mm. Conformément à la Figure 6, le filtre à énergie du type quadrupole 140 représenté sur la Figure 5 peut donner le résultat désiré si a = 600 Eo = 34V/mm, et L = 300 mm. Pour réaliser ces valeurs de a et Eo, les tensions sur les cylindres 1 48, I 49, 1 50 et 1 5 1 de la structure quadrupolaire 1 52 sont estimées aux valeurs Vi = 1 75V, V2 + - V, V3 = -5V et V4 -85V, respectivement. L'intensité du champ magnétique est 0,1 1 9 Tesla. La Figure 7 représente la courbe de la compo- sante du champ électrique selon la direction x pour les tensions cidessus. Bien que l'on ait décrit la présente invention en liaison avec des formes de réalisation spécifiques, l'homme de l'art reconnaîtra que différentes substitutions, modifications et combinaisons des formes de réalisation peuvent être apportées après examen du présent descriptif. Les formes de réalisation spécifiques décrites ci-dessus ne le sont qu'à titre d'illustration. Différentes adaptations et modifications peuvent être apportées sans s'écarter de l'objet de l'invention. Par exemple différents types de filtre à énergie, autres qu'un filtre du type Wien quadrupolaire, peuvent être utilisés conformément à la présente invention. En outre, bien que la présente invention soit décrite comme utilisée avec un faisceau ionique, il faut comprendre que la présente invention peut être utilisée avec tout faisceau de particules chargées y compris un faisceau électronique. L'esprit et l'objet de la présente invention ne doivent pas être limités à la description ci-dessus. Il R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS 1. Appareil à faisceau de particules chargées comportant une source (104) de particules chargées; un filtre à énergie (102) situé en aval de ladite source de particules chargées, ledit filtre à énergie réduisant l'étalement de l'énergie du faisceau de particules chargées en laissant passer une plage spécifique d'énergie de particules chargées et en dispersant les plages d'énergie indésirables. 2. L'appareil de la revendication 1, dans lequel lesdites particules char- gées sont des ions. 3. L'appareil de la revendication 2, dans lequel ladite source(l 04) de particules chargées est une source d'ions, ledit appareil comportant en outre - une lentille formant condenseur en aval de ladite source d'ions; une ouverture (1 1 0) de sélection du faisceau en aval de ladite lentille formant condenseur; et - ledit filtre à énergie est disposé entre ladite lentille formant condenseur (108) et ladite ouverture (1 10) de sélection du faisceau. 4. L'appareil de revendication 1, dans lequel ledit filtre à énergie est un filtre à énergie du type Wien. 5. L'appareil de revendication 4, dans lequel ledit filtre à énergie de type Wien comporte: - deux pièces polaires magnétiques (1 44, 146) qui produisent entre elles un champ magnétique; et - une structure quadrupolaire (1 42) qui produit un champ électrique quadrupolaire à l'intérieur dudit champ magnétique. 6. L'appareil de la revendication 5, dans lequel ladite structure quadru- polaire (142) comporte une première structure cylindrique (1 48) à une première tension, une seconde structure cylindrique (1 49) à une seconde tension, une troisième structure cylindrique (l 50) à une troisième tension et une quatrième structure cylindrique (1l51) à une quatrième tension, chacun desdits premier, second, troisième, quatrième cylindres ayant un axe orienté selon la même direction, la trajectoire dudit faisceau de particules chargées étant orientée selon la même direction que les axes desdites première, seconde, troisième et quatrième structures cylindriques. 7. L'appareil de la revendication 6, dans lequel lesdites première, seconde, troisième et quatrième tensions sont différentes. 8. L'appareil de la revendication 5, dans lequel ladite structure quadru- polaire comporte quatre surfaces hyperboliques, chaque surface hyperbolique étant à une tension respective. 9. L'appareil de la revendication 5, dans lequel ladite structure quadru- polaire produit une combinaison d'un champ électrique quadrupolaire d'un champ électrique dipolaire. 1 O. L'appareil de la revendication 5, dans lequel la structure quadru- polaire produit un champ électrique décrit par 1E- E (I ax). ax. E=Eo 1+ x--Y o l'élément a est un paramètre sans dimension et L est la longueur du premier, du second, du troisième et du quatrième cylindres. ! 1. L'appareil de la revendication 1, dans lequel ledit filtre à énergie crée une dispersion de l'énergie dans une direction telle que le taux de réduc- tion de l'étalement de l'énergie est supérieur au taux d'accroissement du demi- angle d'admission. 12. Procédé comportant les étapes consistant à: - produire des particules chargées; - faire passer lesdites particules chargées dans un filtre à énergie; et - focaliser sur une cible lesdites particules chargées ( 116), filtrées dans un filtre à énergie; - dans le cas duquel ledit passage dans un filtre à énergie permet à un étalement désiré de l'énergie de traverser jusqu'à ladite cible, améliorant ainsi la résolution des particules chargées focalisées. 13. Le procédé de la revendication 1, dans lequel le passage dans un filtre à énergie comporte les étapes consistant à: - produire un champ magnétique qui est perpendiculaire à la direction de la trajectoire des particules chargées produites; et - produire un champ électrique qui est perpendiculaire à la direction de la trajectoire des particules chargées produites. 1 4. Le procédé de la revendication 13, dans lequel le champ électrique est une combinaison d'un champ quadrupolaire et d'un champ dipolaire. 1 5. Le procédé de la revendication 12, dans lequel la production de particules chargées consiste en la production d'ions. 1 6. Appareil formant filtre à énergie pour filtrer des particules chargées dont l'énergie se trouve sur une plage indésirable, ledit appareil comportant: - des pièces polaires magnétiques (1 44, 1 46) se faisant face et générant un champ magnétique qui est perpendiculaire à la direction de la trajectoire desdites particules chargées; - une structure quadrupolaire (l 42) générant un champ électrique quadrupolaire. 17. L'appareil de la revendication 1 6, dans lequel ladite structure quadrupolaire comporte quatre structures hyperboliques, chaque structure hyperbolique présentant une tension respective. i 8. L'appareil de la revendication 1 6, dans lequel ladite structure quadrupolaire comporte quatre structures cylindriques, chacune desdites structures cylindriques ayant un axe orienté parallèlement à la direction de la trajectoire desdites particules chargées, chaque structure cylindrique présentant une tension respective. 1 9. L'appareil de la revendication 16, dans lequel ladite structure quadrupolaire génère une combinaison d'un champ électrique quadrupolaire et d'un champ électrique dipolaire.