СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПУЧКА НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
METHOD AND DEVICE FOR DIRECTING NEUTRAL PARTICLES BEAM

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение, в общем, относится к способу и устройству управления или направления пучка нейтральных частиц в обрабатывающем пучком нейтральных частиц инструменте или в другом устройстве. Более конкретно, изобретение относится к управлению, направлению или выравниванию ускоренного пучка нейтральных частиц, полученного из ускоренного пучка газовых кластерных ионов (GCIB). Пучок нейтральных частиц предпочтительно является ускоренным пучком нейтральных мономеров, полученным из пучка газовых кластерных ионов.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Долгое время ионы считались наиболее предпочтительными для использования во многих процессах, поскольку их электрический заряд облегчает манипулирование ими посредством электростатического и магнитного полей. Это дает большую гибкость при обработке. Однако в некоторых приложениях заряд, присущий любому иону (включая газовые кластерные ионы в пучке газовых кластерных ионов), может производить нежелательные эффекты на обрабатываемых поверхностях. Пучок газовых кластерных ионов имеет явное преимущество перед обычными ионными пучками в том, что газовый кластерный ион с единичным или небольшим множественным зарядом обеспечивает возможность переноса и управления гораздо большим массовым потоком (кластер может состоять из сотен или тысяч молекул) по сравнению с обычным ионом (ионизированным единичным атомом, молекулой или фрагментом молекулы). В частности, в случае изолирующих материалов, обработанные с использованием ионов поверхности часто подвергаются вызванному зарядом разрушению, происходящему в результате мгновенного разряжения поглощенных зарядов или возникновения разрушающих материал механических напряжений, вызванных электрическим полем (происходящего, опять-таки, из-за поглощенных зарядов). Во многих таких случаях пучки газовых кластерных ионов имеют преимущество благодаря их относительно низкому заряду на массу, но иногда они не могут устранить проблему заряда мишени. Кроме того, пучки ионов от умеренной до высокой интенсивности тока страдают от вызванной зарядом значительной дефокусировки пучка, которая имеет тенденцию замедлять перенос хорошо сфокусированного пучка на большие расстояния. В этом случае газовые кластерные ионы также имеют преимущество, благодаря их более низкому заряду на массу относительно традиционных ионных пучков, но они не полностью устраняют проблему переноса пучка с объемным зарядом.
Некоторые способы и устройства образования пучков нейтральных частиц, полученных из ускоренных пучков газовых кластерных ионов, и широкий диапазон применений таких пучков описаны в американской патентной публикации US 2012-0045615 A1 того же правообладателя, содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
Пучки нейтральных частиц, полученные из ускоренных пучков газовых кластерных ионов, полностью избегают проблем, происходящих из переноса зарядов к изделию, а также проблем, связанных с переносом заряженных пучков на длинные расстояния. Тем не менее, трудность работы с пучками нейтральных частиц состоит в том, что ими непросто манипулировать с помощью электростатического и магнитного полей. Поэтому такие процессы, как выравнивание пучка, центровка пучка и сканирование пучка, гораздо труднее для осуществления при применении пучков нейтральных частиц. Часто даже небольшие смещения исходной газовой кластерной струи, из которой нейтрализацией ускоренного пучка газовых кластерных ионов может быть образован пучок нейтральных частиц, могут привести к тому, что пучок нейтральных частиц не будет должным образом выровнен относительно оси пучка и изделия. Даже когда исходный пучок должным образом выровнен благодаря выверенной конструкции или регулировке, небольшие изменения позиционирования или выравнивания находящихся ниже по потоку элементов на оси пучка, которые могут возникать при плановой очистке оборудования или другого технического обслуживанию, могут привести к смещению, которое сложно исправить из-за относительной трудности манипулирования пучком нейтральных частиц.
В случае ионных пучков отклонение и сканирование пучка можно легко осуществить с помощью электростатических или магнитных отражателей и сканирующих элементов на оси пучка. До настоящего времени пучки нейтральных частиц были ограничены для использования механического сканирования изделия стационарным пучком для того, чтобы достичь равномерного сканирования изделий больших, чем размеры пучка.
Таким образом, целью данного изобретения является обеспечение способов и устройства для коррекции углового смещения пучка нейтральных частиц, полученного из пучка газовых кластерных ионов.
Другой целью настоящего изобретения является обеспечение способов и устройства для осуществления отклонения пучка нейтральных частиц, полученного из пучка газовых кластерных ионов.
Дополнительной целью настоящего изобретения является обеспечение способов и устройства для сканирования пучка нейтральных частиц, полученного из пучка газовых кластерных ионов, относительно изделия или иного объекта.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
При формировании пучка нейтральных частиц образуется обычный пучок газовых кластерных ионов, после чего газовые кластерные ионы ускоряются до желаемой энергии. Затем ускоренные газовые кластерные ионы подвергают диссоциации или частичной диссоциации, используя не загрязняющие способы, на нейтральные частицы и заряженные частицы. Нейтральные частицы могут быть нейтральными кластерами и/или нейтральными мономерами, предпочтительно нейтральными мономерами. После диссоциации исходные заряды, которые формировали газовые кластерные ионы, удаляют из пучка, оставляя ускоренный нейтральный пучок, который, как было показано, является превосходным для многих требований обработки изделий.
Во время ускорения газовых кластерных ионов и до основной диссоциации, которая обеспечивает нейтральные частицы, пучок является по существу пучком газовых кластерных ионов, которым можно манипулировать с помощью электростатических полей. В этот период, до превращения в нейтральный пучок, манипулируя пучком электростатически, можно влиять на траекторию ионов, обеспечивая выравнивание, отклонение или сканирование. Формируемые таким образом траектории становятся последующими траекториями пучка нейтральных частиц, полученного из пучка газовых кластерных ионов после диссоциации и отделения заряженных участков.
Обеспеченные таким образом изменения траектории дают средство корректировки угловых смещений исходного пучка газовых кластерных ионов или струи нейтрального газа, обеспечивая отклонения пучка нейтральных частиц и/или обеспечивая сканирование пучка нейтральных частиц.
4
Термины ''GCIB'', ''пучок газовых кластерных ионов'' и ''газовый кластерный ион'', которые использованы здесь, предназначены для охвата не только ионизированных пучков и ионов, но также ускоренных пучков и ионов, зарядовое состояние которых было частично модифицировано (в том числе, нейтрализовано) после их ускорения. Термины ''GCIB'' и ''пучок газовых кластерных ионов'' предназначены для охвата всех пучков, содержащих ускоренные газовые кластерные ионы, даже если они могут также содержать некластерные частицы. Термин ''нейтральный пучок'', который использован здесь, предназначен для обозначения пучка нейтральных газовых кластеров и/или нейтральных мономеров, полученный из ускоренного пучка газовых кластерных ионов, и при этом упомянутое ускорение происходит из ускорения пучка газовых кластерных ионов. Термин ''мономер'', который использован здесь, относится в равной степени как к единственному атому, так и к единственной молекуле. Термины ''атом'', ''молекула'' и ''мономер'' могут быть взаимозаменяемы и все относятся к соответствующему мономеру, характерному для рассматриваемого газа (или к компоненту кластера, или к компоненту кластерного иона, или к атому или молекуле). Например, на одноатомный газ, подобный аргону, можно ссылаться в терминах атомов, молекул или мономеров, и каждый из этих терминов обозначает единственный атом. Аналогично, для двухатомного газа, подобного азоту, на него можно ссылаться в терминах атомов, молекул или мономеров, при этом каждый термин обозначает двухатомную молекулу. Кроме того, на молекулярный газ, подобный CH, можно ссылаться в терминах атома, молекулы или мономера, при этом каждый термин обозначает пятиатомную молекулу и так далее. Эти договоренности используют для упрощения общих обсуждений газов, газовых кластеров или газовых кластерных ионов вне зависимости от того, являются ли они в газовой форме одноатомными, двухатомными или молекулярными.
Один вариант осуществления изобретения обеспечивает устройство управления направлением пучка нейтральных частиц, полученного из пучка газовых кластерных ионов с исходным путем, сформированным в ионном источнике, который имеет выходную апертуру, окружающую исходный путь, содержащее: a) ускоряющий электрод, разнесенный от выходной апертуры, причем упомянутый ускоряющий электрод имеет апертуру, окружающую исходный путь; при этом ускоряющий электрод и его апертура наклонены под первым углом наклона вдоль первой оси наклона относительно исходного пути пучка газовых кластерных ионов; дополнительно при этом ускоряющий электрод электрически смещен относительно ионного источника для ускорения пучка газовых кластерных ионов в области между выходной апертурой ионного источника и апертурой ускоряющего электрода; и при этом еще дополнительно упомянутый первый угол наклона приводит к отклонению пучка газовых кластерных ионов от исходного пути вдоль первого отклоненного пути; b) пространство дрейфа отклоненного пучка газовых кластерных ионов, в которой происходит диссоциация газовых кластерных ионов в ускоренном пучке газовых кластерных ионов с образованием ускоренных нейтральных частиц; и c) средство отделения ионов от нейтральных частиц для удаления ионов с пути отклоненного пучка, так что ускоренные нейтральные частицы движутся по пути отклоненного пучка в виде пучка нейтральных частиц.
Ускоряющий электрод может быть разнесен от выходной апертуры на расстояние, достаточное для обеспечения возможности наклона ускоряющего электрода. Первая ось наклона может проходить через исходный путь. Первый угол наклона относительно исходного пути может быть меньше 90 градусов и/или больше 70 градусов. Первый угол наклона можно контролируемо изменять, и результирующее отклонение пучка газовых кластерных ионов может изменять.
Ускоряющий электрод и его апертура могут быть наклонены под вторым углом наклона вдоль второй оси наклона относительно исходного пути пучка газовых кластерных ионов, и результирующее отклонение будет являться сложным отклонением. Отклонение может обеспечивать выравнивание или центровку пучка нейтральных частиц. Второй угол наклона можно управляемо изменять, и результирующее отклонение пучка газовых кластерных ионов является изменяемым.
Первый угол наклона и второй угол наклона, каждый, могут управляемо изменяться, а первая и вторая оси наклона могут быть различны. Первая и вторая оси наклона могут быть перпендикулярны друг другу и исходному пути. Устройство может дополнительно содержать средство управления первым и вторым углами наклона для получения пучка нейтральных частиц с растровым сканированием.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает способ создания отклонения пучка нейтральных частиц, полученного из пучка газовых кластерных ионов с исходным путем, сформированным в ионном источнике, который имеет выходную апертуру, окружающую исходный путь, содержащий этапы: a) обеспечение ускоряющего электрода, разнесенного от выходной апертуры, причем упомянутый ускоряющий электрод имеет апертуру, окружающую исходный путь; b) электрическое смещение ускоряющего электрода относительно ионного источника для обеспечения области ускорения пучка газовых кластерных ионов между выходной апертурой ионного источника и апертурой ускоряющего электрода; c) первый наклон ускоряющего электрода и его апертуры на первый угол наклона вдоль первой оси наклона относительно исходного пути пучка газовых кластерных ионов, причем пучок газовых кластерных ионов отклоняется от исходного пути вдоль первого отклоненного пути; d) обеспечение пространства дрейфа для отклоненного пучка газовых кластерных ионов, в которой происходит диссоциация газовых кластерных ионов в ускоренном пучке газовых кластерных ионов с образованием ускоренных нейтральных частиц; и e) отделение ионов от нейтральных частиц для удаления ионов с пути отклоненного пучка, что позволяет ускоренным нейтральным частицам следовать по пути отклоненного пучка в виде пучка нейтральных частиц.
Ускоряющий электрод может быть разнесен от выходной апертуры на расстояние, достаточное для обеспечения возможности наклона ускоряющего электрода. Первая ось наклона может проходить через исходный путь. Первый угол наклона может составлять менее 90 градусов и более 70 градусов относительно исходного пути. Первый угол наклона можно управляемо изменять, и результирующее отклонение пучка газовых кластерных ионов можно изменять. Способ может дополнительно содержать этап второго наклона ускоряющего электрода и его апертуры на второй угол наклона вдоль второй оси наклона относительно исходного пути пучка газовых кластерных ионов, создавая результирующее отклонение, являющееся сложным отклонением. Второй угол наклона может составлять менее 90 градусов и более 70 градусов относительно исходного пути. Отклонение может выравнивать или центровать пучок нейтральных частиц. Второй угол наклона можно управляемо изменять, и результирующее отклонение пучка газовых кластерных ионов можно изменять. Первый угол наклона и второй угол наклона каждый можно управляемо изменять, и первая и вторая оси наклона могут быть различными. Причем первая и вторая оси наклона могут быть перпендикулярны друг другу и исходному пути. Способ может дополнительно содержать этап регулируемого управления первым и вторым углами наклона для получения сканируемого пучка нейтральных частиц. Способ может дополнительно содержать этап регулируемого управления первым и вторым углами наклона для получения пучка нейтральных частиц, сканируемого в двух измерениях.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 представляет собой схематически проиллюстрированные элементы устройства 1100 обработки пучком газовых кластерных ионов (GCIB) для обработки изделия с использованием пучка газовых кластерных ионов;
Фигура 2 представляет собой схематически проиллюстрированные элементы другого устройства 1200 обработки пучком газовых кластерных ионов для обработки изделий с использованием пучка газовых кластерных ионов, при этом применяют сканирование ионного пучка и манипулирование изделием;
Фигура 3 представляет собой схему устройства 1300 обработки пучком нейтральных частиц, которое использует электростатические отклоняющие пластины для отделения заряженного и незаряженного пучков;
Фигура 4 представляет собой схему устройства 1400 обработки пучком нейтральных частиц, использующего для измерения пучка нейтральных частиц тепловой датчик;
Фигура 5 представляет собой схему упрощенного устройства 1500 обработки пучком нейтральных частиц согласно варианту осуществления изобретения;
Фигура 6 представляет собой схему 600, которая иллюстрирует идею, лежащую в основе вариантов осуществления изобретения, позволяющую механически управлять пучком нейтральных частиц;
Фигуры 7A и 7B представляют собой две ортогональных проекции узла 700 наклоняемого заземляющего электрода, используемого в варианте осуществления изобретения; и
Фигура 8 представляет собой схему устройства 1550 обработки пучком нейтральных частиц, которое может применяться в вариантах осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ СПОСОБОВ И ПРИМЕРНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Пучки обычных ионов высоких энергий, ускоренных электрически заряженных атомов или молекул широко используются для формирования переходов полупроводниковых устройств, для модификации поверхностей путем распыления и травления, а также для изменения свойств тонких пленок. В отличие от обычных ионов, газовые кластерные ионы образованы из кластеров с большим числом (обычно разброс составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч со средним значением в несколько тысяч) слабо связанных атомов или молекул веществ, газообразных при стандартной температуре и давлении (обычно это кислород, азот или инертный газ, такой как, например, аргон, но для образования газовых кластерных ионов может использоваться любой конденсирующийся газ), причем каждый кластер несет один или более электрических зарядов, и кластеры ускоряют вместе с большой разностью электрических потенциалов (порядка примерно от 3 кВ до 70 кВ и более) до высоких полных энергий. После того, как газовые кластерные ионы были образованы и ускорены, их зарядовые состояния могут меняться или становятся измененными (даже нейтрализованными) при столкновениях с другими кластерными ионами, другими нейтральными кластерами или остаточными частицами газа, и поэтому они могут распадаться или можно вызвать их распад на меньшие кластерные ионы или на мономерные ионы и/или на нейтрализованные меньшие кластеры и нейтрализованные мономеры, но образующиеся в результате кластерные ионы, нейтральные кластеры и мономерные ионы, и нейтральные мономеры имеют тенденцию поддерживать сравнительно высокие скорости и энергии, поскольку они были ускорены большой разницей электрических потенциалов, а энергия ускоренных газовых кластерных ионов распределилась между фрагментами.
Поскольку энергии отдельных атомов внутри большого газового кластерного иона очень небольшие, обычно от нескольких эВ до нескольких десятков эВ, во время столкновения большинство атомов проникает в поверхность мишени только через несколько атомных слоев. Это неглубокое проникновение (обычно от нескольких нанометров до примерно десяти нанометров, в зависимости от ускорения пучка) сталкивающихся атомов означает, следовательно, что вся энергия, переносимая целым кластерным ионом, рассеивается в чрезвычайно малом объеме в очень тонком слое поверхности за период времени меньше микросекунды. В этом их отличие от обычных ионных пучков, когда проникновение в материал составляет иногда несколько сотен нанометров, вызывая изменения и модификацию вещества глубоко под поверхностью материала. Из-за высокой полной энергии газового кластерного иона и экстремально малого объема взаимодействия, поглощенная плотность энергии в месте столкновения гораздо больше, чем в случае бомбардировки обычными ионами. Соответственно, модификация поверхности с помощью пучков газовых кластерных ионов приводит к образованию меньшей области смешения атомов, и поэтому их использование в качестве пучков для травления для профилирования по глубине на аналитическом оборудовании. Обработка поверхности пучком нейтральных частиц позволяет выполнять еще более тонкую модификацию поверхности при меньшем поверхностном электрическом заряде.
1
Когда ускоренные газовые кластерные ионы подвергнуты полной диссоциации и нейтрализованы, образующиеся в результате нейтральные мономеры будут иметь энергии, приблизительно равные полной энергии исходного газового кластерного иона, разделенной на число N мономеров из мономеров, содержащих исходный газовый кластерный ион в момент его ускорения. Такие диссоциированные нейтральные мономеры будут иметь энергии примерно от 1 эВ до десятков и даже нескольких тысяч эВ, в зависимости от начальной энергии ускорения газового кластерного иона и от размера газового кластерного иона в момент ускорения.
Пучки газовых кластерных ионов образуют и переносят с целями облучения изделия по известным технологиям. Из уровня техники известны различные типы держателей для удержания объекта на пути пучка газовых кластерных ионов для облучения и манипулирования объектом для обеспечения облучения множества участков объекта. Пучки нейтральных частиц могут быть образованы и перенесены с целями облучения изделия по технологиям, описываемым здесь.
В различных вариантах осуществления настоящего изобретения могут применять способ и систему пучка высокой чистоты для получения из ускоренного пучка газовых кластерных ионов ускоренного нейтрального газового кластерного и/или предпочтительно пучка мономеров, который может применяться для обработки многих типов поверхностей и тонких приповерхностных слоев и который во многих областях применения показывает превосходные характеристики по сравнению со стандартной обработкой пучками газовых кластерных ионов. Устройство на пучках нейтральных частиц может обеспечить хорошо сфокусированные, ускоренные, интенсивные пучки нейтральных мономеров, частицы которых имеют энергии в диапазоне от 1 эВ до нескольких тысяч эВ. До настоящего момента считалось, что этот энергетический диапазон нельзя использовать на практике в простом, сравнительно недорогом устройстве для формирования интенсивных пучков нейтральных частиц.
Эти ускоренные пучки нейтральных частиц образуются вначале формированием обычного ускоренного пучка газовых кластерных ионов, затем его частичной или почти полной диссоциацией такими способами и операциями, которые не вносят в пучок примесей, затем отделением оставшихся заряженных участков пучка от нейтрального участка и последующим использованием получающегося пучка нейтральных частиц для обработки изделия. В зависимости от степени диссоциации газовых кластерных ионов полученный пучок нейтральных частиц может быть смесью нейтральных газовых мономеров и газовых кластеров или может по существу полностью или почти полностью состоять из нейтральных газовых мономеров. Предпочтительно, чтобы пучок ускоренных нейтральных частиц являлся полностью диссоциированным пучком нейтральных мономеров.
Преимущество пучков нейтральных частиц, которые могут быть получены способами и устройством по данному раскрытию, состоит в том, что их можно использовать для обработки электроизолирующих материалов без разрушения материала из-за заряда поверхности таких материалов пучком, переносящим заряды, как это обычно происходит при использовании ионизированных пучков, включая пучки газовых кластерных ионов. Например, в некоторых областях применения ионы часто способствуют повреждению или разрушению зарядом тонких диэлектрических пленок, таких как оксиды, нитриды и т.д. Использование пучков нейтральных частиц обеспечивает возможность успешной обработки лучом полимеров, диэлектриков и/или других электроизолирующих или имеющих высокое электрическое удельное сопротивление материалов, покрытий и пленок в применениях, когда ионные пучки могут оказывать нежелательные побочные поверхностные эффекты или другие зарядовые эффекты. Примеры включают в себя (без ограничения) обработку антикоррозионных покрытий, сшивание посредством облучения и/или полимеризацию органических пленок. Дополнительные примеры включают в себя обработку пучком нейтральных частиц стекла, полимеров и керамических материалов, а также тонкопленочные диэлектрические покрытия, такие как оксиды, нитриды, стекла и т.д.
Другим преимуществом пучков ускоренных нейтральных мономеров, полученных из пучков ускоренных газовых кластерных ионов, при использовании их для модификации поверхностей является то, что они формируют гораздо меньший разрушенный слой на обрабатываемой поверхности по сравнению даже с пучками газовых кластерных ионов, используемыми таким же образом.
Поскольку исходный пучок газовых кластерных ионов, из которого способами и устройством по данному раскрытию могут быть сформированы пучки нейтральных частиц, содержит ионы, его легко ускорить до желаемой энергии и легко сфокусировать с использованием обычных ионно-пучковых технологий. При последующей диссоциации и отделении заряженных ионов от нейтральных частиц, частицы пучка нейтральных частиц обычно сохраняют свои сфокусированные траектории и могут быть успешно перенесены на значительные расстояния.
Когда нейтральные газовые кластеры в струе ионизируются при бомбардировке электронами, они нагреваются и/или возбуждаются. Это может привести к последующему испарению мономеров из ионизированного газового кластера после ускорения при прохождении дальше по оси пучка. Кроме того, столкновения газовых кластерных ионов с остаточными молекулами газа в областях ионизатора, ускорителя и оси пучка также нагревают и возбуждают газовые кластерные ионы и могут привести к дополнительному последующему выделению мономеров из газовых кластерных ионов после ускорения. Когда эти механизмы выделения мономеров вызваны бомбардировкой электронами и/или столкновением с остаточными молекулами (и/или другими газовыми кластерами) того же газа, из которого были образованы пучки газовых кластерных ионов, процессы диссоциации, которые приводят к выделению мономеров, не вносят в пучок загрязнений.
Существуют другие механизмы, которые могут применяться для диссоциации (или для вызова выделения мономеров из) газовых кластерных ионов в пучке газовых кластерных ионов без внесения загрязнений в пучок. Некоторые из этих механизмов могут также использоваться для диссоциации нейтральных газовых кластеров в нейтральном пучке газовых кластеров. Одним механизмом является облучение пучка газовых кластерных ионов лазером с использованием инфракрасной или иной энергии лазера. Лазерный нагрев газовых кластерных ионов в облученном лазером пучке газовых кластерных ионов приводит к возбуждению и/или нагреву газовых кластерных ионов и вызывает последующее выделение мономеров из пучка. Другим механизмом является пропускание пучка через термически нагретую трубу так, что излучаемые тепловые фотоны соударяются с газовыми кластерными ионами в пучке. Нагрев газовых кластерных ионов, вызванный излучаемой тепловой энергией в трубе, приводит к возбуждению и/или нагреву газовых кластерных ионов и к последующему выделению мономеров из пучка. В другом механизме пересечение пучка газовых кластерных ионов газовой струей того же газа или смеси, что и исходный газ, используемый при формировании пучка газовых кластерных ионов (или другого газа, не вносящего загрязнений), приводит к столкновениям мономеров газа в газовой струе с газовыми кластерами в ионном пучке с возбуждением и/или нагревом газовых кластерных ионов в пучке и последующим выделением мономеров из возбужденных газовых кластерных ионов. Удастся ли избежать загрязнения пучка при столкновении с другими веществами, полностью зависит от того, осуществляется ли для диссоциации и/или фрагментации пучка газовых кластерных ионов бомбардировка электронами во время первоначальной ионизации и/или столкновения (с другими кластерными ионами или с остаточными молекулами того же газа(ов), что и используемый для формирования пучка газовых кластерных ионов) внутри пучка, и/или лазерного или теплового излучения, и/или столкновения с пересекаемой струей не вносящего загрязнений газа.
Acc
Acc
Acc
Acc
Acc
Когда нейтральная газовая кластерная струя из сопла проходит через область ионизации, куда электроны направляются для ионизации кластеров, кластер может оставаться неионизированным или может приобрести зарядовое состояние q, равное единичному заряду или более (при испускании электронов из кластера, вызванном падающим электроном). Условия работы ионизатора влияют на вероятность того, что газовый кластер приобретет конкретное зарядовое состояние с более мощными характеристиками ионизатора, приводящими к большей вероятности того, что будет достигнуто более высокое зарядовое состояние. Более мощные характеристики ионизатора, приводящие к большей эффективности ионизации, могут возникать при увеличении потока электронов и/или увеличении (ограниченном) энергии электронов. Как только газовый кластер ионизирован, его обычно выводят из ионизатора, фокусируют в пучок и ускоряют при прохождении через электрическое поле. Величину ускорения газового кластерного иона можно легко регулировать, управляя величиной ускоряющего электрического поля. Типичные имеющиеся в продаже инструменты для обработки пучком газовых кластерных ионов обычно обеспечивают ускорение газовых кластерных ионов электрическим полем с регулируемым ускоряющим потенциалом V, обычно равным, например, от около 1 кВ до 70 кВ (но не ограничиваясь этим диапазоном - возможны значения V вплоть до 200 кВ или даже больше). Таким образом, газовый кластерный ион с единичным зарядом достигает энергии в диапазоне от 1 до 70 кэВ (или более, если используют большие V), а многозарядный (например, без ограничения, имеющий зарядовое состояние q=3 электронных заряда) газовый кластерный ион достигает энергии в диапазоне от 3 до 210 кэВ (или более для больших V). Для других зарядовых состояний газовых кластерных ионов и ускоряющих потенциалов энергия, полученная при ускорении, в пересчете на кластер, составляет q·V эВ. Для данного ионизатора с заданной эффективностью ионизации газовые кластерные ионы будут иметь распределение зарядовых состояний от нуля (не ионизированные) до большего числа, такого как, например, 6 (или даже более с большей эффективностью ионизатора), и наиболее вероятные и средние значения распределения зарядовых состояний также увеличиваются с увеличением эффективности ионизатора (большего потока и/или энергии электронов). Большая эффективность ионизатора приводит также к увеличению числа газовых кластерных ионов, образовавшихся в ионизаторе. Во многих случаях эффективность обработки пучком газовых кластерных ионов увеличивается, когда работа ионизатора с высокой эффективностью приводит к увеличению тока пучка газовых кластерных ионов. Обратная сторона такого способа состоит в том, что множественные зарядные состояния, которые могут возникать на газовых кластерных ионах среднего размера, могут увеличивать образование кратеров и/или образование этими ионами шероховатостей, и зачастую эти эффекты действуют непродуктивно на реализацию обработки. Поэтому во многих способах обработки поверхности пучком газовых кластерных ионов при выборе рабочих параметров ионизатора следует учитывать больше требований, чем просто максимизацию тока пучка. В некоторых процессах может применяться ''ячейка давления'' (смотри патент США 7060989, авторы Swenson et al. (Свенсон и др.)), для обеспечения возможности работы ионизатора не только с высокой эффективностью ионизации, но и с получением приемлемых характеристик обработки пучком за счет уменьшения энергии пучка газовыми соударениями в ''ячейке давления'' при повышенном давлении.
В случае пучков нейтральных частиц не существует никакой обратной стороны работы ионизатора с высокой эффективностью - на самом деле, такая работа иногда является предпочтительной. Когда ионизатор работает с высокой эффективностью, в газовых кластерных ионах, полученных в ионизаторе, может возникать широкий диапазон зарядовых состояний. Это приводит к широкому диапазону скоростей газовых кластерных ионов в области вывода пучка между ионизатором и ускоряющим электродом, а также дальше по течению пучка. Это может приводить к увеличенной частоте столкновений между и среди газовых кластерных ионов в пучке, которое обычно приводит к более высокой степени фрагментации самых больших газовых кластерных ионов. Такая фрагментация может приводить к перераспределению размеров кластеров в пучке, вызывая сдвиг в сторону меньших размеров кластера. Эти фрагменты кластеров сохраняют энергию пропорционально их новому размеру (N) и таким образом становятся менее энергетическими, при этом по существу сохраняя скорость, приданную ускорением исходного недиссоциированного газового кластерного иона. Изменение энергии с сохранением скорости после столкновений было экспериментально подтверждено (как, например, сообщено Toyoda, N. et al. (Тойода и др.), ''Зависимость размера кластеров от распределений энергии и скорости газовых кластерных ионов после столкновений с остаточным газом'', Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Research B 257 (2007), pp. 662-665). Фрагментация может также привести к перераспределению зарядов во фрагментах кластера. Некоторые незаряженные фрагменты, вероятно, будут, а многозарядные кластерные ионы могут фрагментироваться на несколько заряженных газовых кластерных ионов и, возможно, на некоторые незаряженные фрагменты. Изобретателям понятно, что конструкция фокусирующих полей в ионизаторе и в области вывода могут улучшать фокусировку меньших газовых кластерных ионов и мономерных ионов, увеличивая вероятность столкновения с газовыми кластерными ионами большего размера в области вывода пучка и дальше по течению пучка, внося таким образом вклад в диссоциацию и/или фрагментацию газовых кластерных ионов.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения остаточное давление газа в ионизаторе, в области ускорения и на оси пучка можно необязательно устанавливать так, чтобы получить давление большее, чем используется обычно для хорошего переноса пучка газовых кластерных ионов. Это может приводить к дополнительному выделению мономеров из газовых кластерных ионов (помимо того, которое происходит из-за нагрева и/или возбуждения при начальном событии ионизации газового кластера). Давление можно установить таким, чтобы газовые кластерные ионы имели достаточно короткую длину свободного пробега и достаточно длинный путь пролета между ионизатором и изделием, на которой они должны подвергаться множественным столкновениям с молекулами остаточного газа.
Aсс
Acc
I
I
Acc
I
Acc
Acc
I
Acc
I
Для гомогенного газового кластерного иона, содержащего N мономеров и имеющего зарядовое состояние q, ускоренного разностью потенциалов электрического поля V вольт, кластер будет иметь энергию, приблизительно равную q·V/N эВ на мономер, где N - число мономеров в кластерном ионе в момент ускорения. За исключением газовых кластерных ионов наименьшего размера, столкновение такого иона с остаточными мономерами того же газа, что и источник газового кластера, приведет к дополнительному внесению приблизительно q·V/N эВ в газовый кластерный ион. Эта энергия относительно невелика по сравнению с полной энергией газового кластерного иона (q·V) и обычно приводит к возбуждению или нагреву кластера и последующему выделению мономеров из кластера. Считается, что такие столкновения кластеров большего размера с остаточным газом редко фрагментируют кластер, а скорее нагревают и/или возбуждают его, вызывая выделение мономеров при испарении или похожими способами. Вне зависимости от источника возбуждения, вызывающего выделению мономера или мономеров из газового кластерного иона, выделившийся мономер(ы) имеет приблизительно одинаковую энергию в пересчете на частицу, q·V/N эВ, и сохраняют приблизительно ту же скорость и траекторию, что и газовый кластерный ион, из которого они выделились. Когда происходят такие выделения мономеров из газового кластерного иона, являются ли они результатом возбуждения или нагрева благодаря исходному событию ионизации, столкновения или при нагреве излучением, заряд с большой вероятностью остается на большем остаточном газовом кластерном ионе. Таким образом, после серии выделений мономеров большой газовый кластерный ион может уменьшиться до облака мономеров, движущихся совместно с, возможно, меньшим кластерным ионом фонового газа (или, возможно, с несколькими, если также произошла фрагментация). Все совместно движущиеся мономеры, следующие по исходной траектории пучка, имеют приблизительно ту же скорость, что и исходный газовый кластерный ион, и каждый имеет энергию, равную приблизительно q·V/N эВ. Для небольших газовых кластерных ионов энергия столкновения с мономерами остаточного газа, вероятно, подвергнет сильной и полной диссоциации небольшой газовый кластер, и непонятно, продолжат ли в таких случаях результирующие мономеры перемещаться с пучком или будут выведены из пучка.
До того, как пучок газовых кластерных ионов достигнет изделия, оставшиеся заряженные частицы (особенно газовые кластерные ионы небольшого и среднего размера и некоторые заряженные мономеры, но также включающие любые оставшиеся большие газовые кластерные ионы) в пучке отделяют от нейтральной части пучка, оставляя для обработки изделия только пучок нейтральных частиц.
При обычном режиме работы доля энергии нейтральных компонентов пучка относительно энергии всего (заряженного плюс нейтрального) пучка, переданная обрабатываемой мишени, находится в диапазоне от 5% до 95%, так что способами и устройством отделения эта часть кинетической энергии всего ускоренного заряженного пучка может быть передана мишени в виде пучка нейтральных частиц.
Acc
Acc
Диссоциация газовых кластерных ионов и получение, таким образом, пучка нейтральных мономеров высокой энергии облегчается следующим 1) Работа при более высоких ускоряющих напряжениях. Это увеличивает q·V/N для любого заданного размера кластера; 2) Работа при высокой эффективности ионизатора. Это увеличивает q·V/N для любого заданного размера кластера за счет увеличения q и увеличивает количество столкновений кластерных ионов друг с другом в области вывода пучка благодаря различиям зарядовых состояний между кластерами; 3) Работа при высоком давлении в ионизаторе, в области ускорения или на оси пучка или использование пересекающей пучок газовой струи, или более длинного пути пучка, причем все из которых увеличивают вероятность столкновений газовых кластерных ионов любого заданного размера с остаточным газом; 4) Работа при лазерном облучении или нагревании пучка тепловым излучением, что непосредственно способствует выделению мономеров из газовых кластерных ионов; 5) Работа при более сильном потоке газа из сопла, что увеличивает перенос газа, кластеризованного и, возможно, некластеризованного, на траекторию пучка газовых кластерных ионов, что увеличивает число столкновений, приводящих к большему выделению мономеров.
Aсс
Acc
Acc
Acc
Acc
G
N
N
G
2
2
-19
2
2
2
2
2
2
Измерения пучка нейтральных частиц не могут быть выполнены методами измерения, традиционными для пучков газовых кластерных ионов. Для облегчения дозиметрии при облучении изделия пучком нейтральных частиц используется датчик мощности пучка нейтральных частиц. Датчик пучка нейтральных частиц представляет собой тепловой датчик, пересекающий пучок (или, необязательно, известный образец пучка). Скорость повышения температуры датчика связана с потоком энергии, возникающим при облучении датчика энергетическим пучком. Тепловые измерения должны выполняться в ограниченном диапазоне температур датчика, чтобы избежать ошибок из-за теплового переоблучения энергией, падающей на датчик. При обработке пучком газовых кластерных ионов мощность пучка (Ватт) равна току пучка (ампер), умноженному на V, ускоряющее напряжение пучка. Когда изделие облучают пучком газовых кластерных ионов определенное количество времени (секунды), энергия (Джоули), принятая изделием, определяется как произведение мощности пучка на время облучения. Обрабатывающее влияние такого пучка, когда происходит обработка протяженной площади, распределяется по всей площади (например, см). Для ионных пучков обычно принято указывать дозу обработки в облучаемых ионах/см, причем ионы в момент ускорения имеют или считаются имеющими среднее зарядовое состояние q и считаются ускоренными разностью потенциалов V вольт, так что каждый ион переносит энергию q·V эВ (1 эВ равен приблизительно 1,6×10Джоулей). Таким образом, доза ионного пучка со средним зарядовым состоянием q, ускоренного разностью потенциалов V, указанная в ионах/см, соответствует легко вычисляемой энергетической дозе, выражаемой в Джоулях/см. Для ускоренного пучка нейтральных частиц, полученного из ускоренного пучка газовых кластерных ионов, такого как используемый здесь, значение q в момент ускорения и значение V одинаковы для обоих из упомянутых (образованного позднее и отделенного) заряженного и незаряженного частей пучка. Мощность двух частей (нейтральной и заряженной) пучка газовых кластерных ионов делится пропорционально массе на каждую часть пучка. Таким образом, для пучков ускоренных нейтральных частиц, таких как применяемые здесь, при облучении одинаковых площадей одинаковые промежутки времени энергетическая доза (Джоулей/см), внесенная пучком нейтральных частиц, безусловно меньше энергетической дозы, внесенной полным пучком газовых кластерных ионов. Используя тепловой датчик для измерения мощности полного пучка газовых кластерных ионов P и мощности пучка нейтральных частиц P (которая обычно оказывается равной примерно от 5% до 95% мощности полного пучка газовых кластерных ионов), можно вычислить коэффициент компенсации для использования в дозиметрии обработки пучком нейтральных частиц. Когда P равен a·P, тогда коэффициент компенсации k=1/a. Таким образом, если изделие обрабатывают пучком нейтральных частиц, полученным из пучка газовых кластерных ионов, продолжительность времени для воздействия должна быть в k раз больше продолжительности обработки полным пучком газовых кластерных ионов (включающим заряженные и нейтральные части пучка), требуемого для достижения дозы D ионов/см, тогда энергетические дозы, внесенные на изделие как пучком нейтральных частиц, так и полным пучком газовых кластерных ионов, одинаковые (хотя могут быть и разные, благодаря количественным разностям эффектов обработки из-за отличий размеров частиц в двух пучках). Как использовано здесь, доза обработки пучком нейтральных частиц, скомпенсированная таким образом, иногда описывается как имеющая единицы энергии/см, что эквивалентно дозе D ионов/см.
Использование пучка нейтральных частиц, полученного из пучка газовых кластерных ионов, в комбинации с тепловым датчиком мощности для дозиметрии во многих случаях имеет преимущества по сравнению с использованием полного пучка газовых кластерных ионов или пересеченного, или отклоненного участка, который неизбежно содержит смесь газовых кластерных ионов и нейтральных газовых кластеров и/или нейтральных мономеров и который обычно измеряют с целями дозиметрии при помощи традиционного измерения пучка. Некоторые преимущества являются следующими:
1) Дозиметрия пучка нейтральных частиц может быть более точной, когда используется тепловой датчик для дозиметрии, поскольку измеряется полная мощность пучка. Когда в дозиметрии пучка газовых кластерных ионов выполняется традиционное измерение пучка, измеряется и применяется для дозиметрии только вклад ионизированной части пучка. Временные и происходящие при настройке изменения рабочих условий устройства на пучке газовых кластерных ионов могут привести к изменению доли нейтральных мономеров и нейтральных кластеров в пучке газовых кластерных ионов. Эти изменения могут привести к менее управляемым изменениям в процессе, если дозиметрия проводится традиционным измерением пучка.
2) Пучком нейтральных частиц можно обрабатывать любой материал, включая хорошо изолирующие материалы и другие материалы, которые могут разрушаться из-за электрических зарядовых эффектов, без необходимости обеспечения источника нейтрализующих мишень электронов для предотвращения заряда изделия из-за заряда, перенесенного на изделие ионизированным пучком. При применении обычного пучка газовых кластерных ионов нейтрализация мишени для уменьшения заряда редко бывает полной, и сам источник нейтрализующих электронов часто вызывает такие проблемы, как нагрев изделия, загрязнение при испарении или разбрызгивание в источнике электронов и т.д. Поскольку пучок нейтральных частиц не переносит заряд на изделие, эти проблемы уменьшаются.
3) Нет необходимости в дополнительном устройстве, таком как магнит высокой прочности с большой апертурой, для отделения энергетических мономерных ионов от пучка нейтральных частиц. В случае обычного пучка газовых кластерных ионов высок риск того, что энергетические мономерные ионы (и другие небольшие кластерные ионы) будут перенесены на изделие, куда они могут проникнуть, вызывая глубокое разрушение, и обычно для отделения таких частиц от пучка обычно необходим дорогой магнитный фильтр. В случае устройства на пучке нейтральных частиц, отделение всех ионов от пучка для получения пучка нейтральных частиц по существу удаляет все мономерные ионы.
В последующем описании для простоты ссылочные позиции с ранее описанных фигур могут появляться на последующих фигурах без объяснения. Аналогично, детали, описанные в отношении предыдущих фигур, могут появляться на следующих фигурах без ссылочных позиций или дополнительного объяснения. В таких случаях детали с подобными номерами являются подобными деталями и имеют описанные ранее признаки и функции, и изображение показанных на данной фигуре деталей без ссылочных позиций относится к подобным деталям, имеющим те же функции, что и такие же детали, проиллюстрированные на обсуждавшихся ранее пронумерованных фигурах.
f
A
S
Acc
Acc
Сейчас будет сделана ссылка на фигуру 1, которая показывает схематическую конфигурацию устройства 1100 обработки пучком газовых кластерных ионов. Сосуд 1102 низкого давления имеет три проточно соединенные камеры: сопловую камеру 1104, ионизирующую/ускоряющую камеру 1106 и обрабатывающую камеру 1108. Эти три камеры вакуумируют соответственно вакуумными насосами 1146a, 1146b и 1146c. Сжатый конденсируемый исходный газ 1112 (например, аргон), хранящийся в цилиндре 1111 для хранения газа, протекает через газовый дозирующий клапан 1113 и подающую трубу 1114 в камеру 1116 заторможенного потока. Давление (обычно несколько атмосфер) в камере 1116 заторможенного потока вызывает выброс газа в вакуум с по существу более низким давлением через сопло 1110, что приводит к образованию сверхзвуковой газовой струи 1118. Охлаждение, происходящее из-за расширения струи, вызывает конденсацию части газовой струи 1118 в кластеры, каждый состоящий из от нескольких единиц до нескольких тысяч слабо связанных атомов или молекул. Газораспределительная апертура 1120 применяется для управления потоком газа в находящиеся ниже по потоку камеры путем частичного отделения несконденсировавшихся молекул газа от кластерной струи. Избыточное давление в находящихся ниже по потоку камерах может приносить вред, мешая переносу газовых кластерных ионов и управлению высокими напряжениями, которые могут применяться для формирования и переноса пучка. Подходящие конденсируемые исходные газы 1112 включают в себя, но не ограничиваются этим, аргон и другие конденсируемые благородные газы, азот, углекислый газ, кислород и многие другие газы и/или смеси газов. После формирования газовых кластеров в сверхзвуковой газовой струе 1118, по меньшей мере часть газовых кластеров ионизируется ионизатором 1122, который обычно является электронно-ударным ионизатором, который производит электроны посредством тепловой эмиссии из одной или более нитей 1124 накала (или из других подходящих источников электронов) и ускоряет и направляет электроны, позволяя им сталкиваться с газовыми кластерами в газовой струе 1118. Соударения электронов с кластерами газа выбрасывают электроны из некоторой части газовых кластеров, заставляя эти кластеры становиться положительно ионизированными. Некоторые кластеры могут иметь больше одного выброшенного электрона и становиться многократно ионизированными. Управление числом электронов и их энергиями после ускорения обычно влияет на число актов ионизации и на соотношение множественных и однократно ионизированных газовых кластеров. Ограничительный электрод 1142 и заземляющий электрод 1144 выводят кластерные ионы из выходной апертуры 1126 ионизатора, ускоряют их до желаемой энергии (обычно ускоряющей разностью потенциалов от нескольких сотен В до нескольких десятков кВ) и фокусируют их с образованием пучка 1128 газовых кластерных ионов. Как будет показано ниже, ограничительный электрод 1142 строго не требуется и может быть исключен. Область, которую пучок 1128 газовых кластерных ионов пересекает между выходной апертурой 1126 ионизатора и ограничительным электродом 1142, называется областью вывода. Ось (определенная у сопла 1110) струи 1118 сверхзвукового газа, содержащая газовые кластеры, по существу такая же, как и ось 1154 пучка 1128 газовых кластерных ионов. Источник 1136 питания накала подает напряжение V накала для нагрева нити 1124 накала ионизатора. Источник 1134 питания анода подает напряжение V анода для ускорения тепловых электронов, испущенных нитью 1124 накала, чтобы заставить тепловые электроны облучать содержащую кластеры газовую струю 1118 для получения кластерных ионов. Источник 1138 питания ограничительного электрода подает ограничительное напряжение V (порядка от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт) для смещения ограничительного электрода 1142 (если он применяется). Когда ограничительный электрод 1142 исключен, как описано ниже, источник 1138 питания ограничительного электрода также может исключаться. Источник 1140 питания ускорителя подает ускоряющее напряжение V для смещения ионизатора 1122 относительно ограничительного электрода 1142 и заземляющего электрода 1144 так, чтобы полный ускоряющий потенциал пучка газовых кластерных ионов был равен V. Ограничительный электрод 1142 служит для вывода ионов из выходной апертуры 1126 ионизатора 1122 и для предотвращения входа в ионизатор 1122 нежелательных электронов из нисходящего потока и для формирования сфокусированного пучка 1128 газовых кластерных ионов.
Изделие 1160, которое может быть (например) медицинским устройством, полупроводниковым материалом, оптическим элементом или другим изделием, которое необходимо обработать пучком газовых кластерных ионов, удерживается в держателе 1162 изделия, который располагает изделие на пути пучка 1128 газовых кластерных ионов. Держатель изделия прикреплен к, но электрически изолирован от камеры 1108 обработки электрическим изолятором 1164. Таким образом, пучок 1128 газовых кластерных ионов, попадающий на изделие 1160 и на держатель 1162 изделия, протекает по электрическому проводу 1168 к процессору 1170 дозы. Затвор 1172 пучка управляет переносом пучка 1128 газовых кластерных ионов вдоль оси 1154 к изделию 1160. Затвор 1172 пучка обычно имеет открытое состояние и закрытое состояние, которое управляется соединением (мостиком) 1174, которое может быть (например) электрическим, механическим или электромеханическим. Процессор 1170 дозы управляет открытым/закрытым состоянием затвора 1172 пучка для управления дозой пучка газовых кластерных ионов, принятой изделием 1160 и держателем 1162 изделия. Во время работы процессор 1170 дозы открывает затвор 1172 пучка для запуска облучения изделия 1160 пучком газовых кластерных ионов. Процессор 1170 дозы обычно суммирует электрический ток пучка газовых кластерных ионов, поступающий на изделие 1160 и держатель 1162 изделия, для вычисления поглощенной дозы облучения пучка газовых кластерных ионов. При заданной дозе процессор 1170 дозы закрывает затвор 1172 пучка, завершая обработку по достижении заданной дозы.
Фигура 2 показывает схематические иллюстративные элементы другого устройства 1200 обработки пучком газовых кластерных ионов для обработки изделия с использованием пучка газовых кластерных ионов, в котором применяют сканирование ионного пучка и манипулирование изделием. Изделие 1160, которое нужно обработать устройством 1200 обработки пучками газовых кластерных ионов, удерживается на держателе 1202 изделия, расположенном на пути пучка 1128 газовых кластерных ионов. Чтобы осуществить равномерную обработку изделия 1160, держатель изделия 1202 выполнен с возможностью манипулирования изделием 1160, которое может потребоваться для равномерной обработки.
Любые поверхности изделий, являющиеся неплоскими, например, сферические или чашеобразные, скругленные, неправильной формы или другой неплоской конфигурации, могут быть ориентированы в диапазоне углов относительно падающего пучка для получения оптимальной обработки поверхностей изделия пучком газовых кластерных ионов. Держатель 1202 изделия может быть полностью шарнирным для ориентирования всех обрабатываемых неплоских поверхностей с подходящим выравниванием относительно пучка 1128 газовых кластерных ионов для обеспечения оптимизации и равномерности обработки. Более конкретно, когда обрабатываемое изделие 1160 является неплоским, держатель 1202 изделия может поворачиваться вращательным движением 1210 и шарнирно поворачиваться шарнирным движением 1212 с помощью шарнирного/поворотного механизма 1204. Шарнирный/поворотный механизм 1204 может обеспечить вращение изделия на 360 градусов вокруг продольной оси 1206 (которая коаксиальна оси 1154 пучка 1128 газовых кластерных ионов) и достаточное шарнирное вращение вокруг оси 1208, перпендикулярной оси 1206, чтобы удерживать поверхность изделия в желаемом диапазоне падающего пучка.
При определенных условиях, в зависимости от размера изделия 1160, для обеспечения равномерного облучение большого изделия может быть желательна сканирующая система. Хотя часто это не является необходимым при обработке пучком газовых кластерных ионов, могут использоваться две пары ортогонально ориентированных электростатических сканирующих пластин 1130 и 1132 для получения растрового или другого рисунка сканирования по протяженной обрабатываемой области. Когда осуществляется такое сканирование пучком, напряжения сигнала развертки по оси X на пару сканирующих пластин 1132 по паре проводов 1159 и напряжения сигнала развертки по оси Y на пару сканирующих пластин 1130 по паре проводов 1158 подают генератором 1156 развертки. Напряжения сигналов развертки обычно представляют собой треугольные волны различных частот, которые вызывают преобразование пучка 1128 газовых кластерных ионов в сканирующий пучок 1148 газовых кластерных ионов, который сканирует всю поверхность изделия 1160. Апертура 1214, ограничивающая сканирующий пучок, ограничивает область сканирования. Апертура 1214, ограничивающая сканирующий пучок, является электропроводной и электрически подключена к стенке сосуда 1102 низкого давления и поддерживается опорным элементом 1220. Держатель изделия 1202 электрически подключен гибким электрическим проводом 1222 к цилиндру 1216 Фарадея, который окружает изделие 1160 и держатель 1202 изделия и собирает весь ток, проходящий через окружающую апертуру 1214. Держатель 1202 изделия электрически изолирован от шарнирного/поворотного механизма 1204, а цилиндр 1216 Фарадея электрически изолирован и установлен на сосуде 1102 низкого давления с помощью изоляторов 1218. Следовательно, весь ток сканирующего пучка 1148 газовых кластерных ионов, проходящего через окружающую пучок апертуру 1214, собирается в цилиндре 1216 Фарадея и по электрическому проводу 1224 течет на процессор 1170 дозы. При работе процессор 1170 дозы открывает затвор 1172 пучка для запуска облучения изделия 1160 пучком газовых кластерных ионов. Процессор 1170 дозы обычно суммирует электрический ток пучка газовых кластерных ионов, поступающий на изделие 1160, держатель 1202 изделия и цилиндр 1216 Фарадея для вычисления поглощенной дозы облучения пучком газовых кластерных ионов на единицу площади. При заданной дозе процессор 1170 дозы закрывает затвор 1172 пучка, останавливая обработку по достижении заданной дозы. Во время поглощения заданной дозы изделием 1160 можно манипулировать с помощью шарнирного/поворотного механизма 1204, чтобы обеспечить обработку всех желаемых поверхностей.
-5
-3
-3
14
2
Acc
D
D
D
D
B
B
D
B
B
D
B
D
D
D
B
Фигура 3 представляет собой схему устройства 1300 примерного типа для обработки пучком нейтральных частиц, которое может применяться для обработки пучком нейтральных частиц согласно вариантам осуществления изобретения. В нем используются электростатические отклоняющие пластины для сепарации заряженных и незаряженных частей пучка газовых кластерных ионов. Области ионизатора и ускорителя и области обработки изделия окружает камера 1107 вывода пучка. Камера 1107 вывода пучка имеет высокую проводимость, поэтому давление в ней распределено по существу равномерно. Вакуумный насос 1146b откачивает камеру 1107 вывода пучка. Газ втекает в камеру 1107 вывода пучка в форме кластеризованного и некластеризованного газа, переносимого газовой струей 1118, и в форме дополнительного некластеризованного газа, который протекает через газораспределительную апертуру 1120. Датчик 1330 давления передает данные по давлению из камеры 1107 вывода пучка по электрическому кабелю 1332 на контроллер 1334 датчика давления, который измеряет и отображает давление в камере 1107 вывода пучка. Давление в камере 1107 вывода пучка зависит от соотношения потока газа в камере 1107 вывода пучка и скорости откачки вакуумного насоса 1146b. За счет выбора диаметра газораспределительной апертуры 1120, потока исходного газа 1112 через сопло 1110 и скорости откачки вакуумного насоса 1146b, давление PB в камере 1107 вывода пучка выравнивается с давлением, определяемым конструкцией и потоком через сопло. Путь пролета пучка от заземляющего электрода 1144 до держателя изделия 1162 составляет, например, 100 см. За счет конструкции и регулировки PB может составлять приблизительно 6×10 торр (8×10 Па). Поэтому произведение давления на длину пути пучка равно приблизительно 6×10 торр-см (0,8 Па×см), и толщина газовой мишени для пучка равна приблизительно 1,94×10 молекул газа/см, что считается эффективным для диссоциации газовых кластерных ионов в пучке 1128 газовых кластерных ионов. V может составлять, например, 30кВ, и пучок 1128 газовых кластерных ионов ускоряется этим напряжением. Пара отклоняющих пластин (1302 и 1304) расположена около оси 1154 пучка 1128 газовых кластерных ионов. Источник 1306 питания отражателя подает положительный отклоняющий потенциал V на отклоняющую пластину 1302 по электрическому проводу 1308. Отклоняющая пластина 1304 подключена к заземляющему устройству электрическим проводом 1312 и через датчик/дисплей 1310 тока. Источником 1306 питания отражателя можно управлять вручную. V на отклоняющей пластине 1304 может быть отрегулировано в диапазоне от нуля до напряжения, необходимого для полного отклонения ионизированной части 1316 пучка 1128 газовых кластерных ионов (например, несколько тысяч вольт). Когда ионизированная часть 1316 пучка 1128 газовых кластерных ионов отклоняется на отклоняющую пластину 1304, результирующий ток I протекает по электрическому проводу 1312 и на датчик/дисплей 1310 тока для отображения. Когда V равно нулю, пучок 1128 газовых кластерных ионов не отражается и поступает на изделие 1160 и на держатель 1162 изделия. Ток I пучка газовых кластерных ионов собирается на изделии 1160 и на держателе 1162 изделия и протекает по электрическому проводу 1168 и через датчик/дисплей 1320 тока на заземляющее устройство. I отображается на датчике/дисплее 1320 тока. Затвор 1172 пучка управляются через соединение 1338 контроллером 1336 затвора пучка. Контроллер 1336 затвора пучка можно вручную или электрически или механически установить на определенное время для открытия затвора 1172 пучка на заданный интервал времени. Во время работы устанавливают V, равное нулю, и измеряют ток пучка I, попадающий на держатель изделия. Из предыдущего опыта, для заданной процедуры обработки пучком газовых кластерных ионов начальный период времени облучения для заданного процесса определяется на основе измеренного тока пучка, I. V повышают до тех пор, пока весь измеряемый ток пучка не перейдет из I в I, и I не перестанет расти с увеличением V. В этот момент пучок 1314 нейтральных частиц, содержащий энергетические диссоциированные компоненты исходного пучка 1128 газовых кластерных ионов, облучает держатель 1162 изделия. Затвор 1172 пучка затем закрывают, и изделие 1160 размещают на держателе 1162 изделия с помощью традиционного средства загрузки изделия (не показано). Затвор 1172 пучка открывают на заданную начальную продолжительность облучения. После интервала облучения изделие можно исследовать, а период времени обработки отрегулировать как необходимо, чтобы откалибровать длительность обработки пучком нейтральных частиц на основе измеренного тока I пучка газовых кластерных ионов. После такого процесса калибровки можно обрабатывать дополнительные изделия, используя откалиброванную длительность экспозиции.
Нейтральный пучок 1314 содержит воспроизводимую долю начальной энергии ускоренного пучка 1128 газовых кластерных ионов. Оставшаяся ионизированная часть 1316 исходного пучка 1128 газовых кластерных ионов удаляется из пучка 1314 нейтральных частиц и собирается на заземленной отклоняющей пластине 1304. Ионизированная часть 1316, которая удаляется из пучка 1314 нейтральных частиц, может содержать мономерные ионы и газовые кластерные ионы, включая газовые кластерные ионы среднего размера. Из-за механизмов испарения мономеров за счет нагрева кластера во время процесса ионизации, столкновений внутри пучка, столкновений в остаточном газе и по другим причинам (все они приводят к эрозии кластеров) нейтральный пучок по существу состоит из нейтральных мономеров, тогда как отделенные заряженные частицы в большинстве своем являются кластерными ионами. Изобретатели подтвердили это соответствующими измерениями, включающими в себя повторную ионизацию пучка нейтральных частиц и измерение отношения заряда к массе результирующих ионов. Как будет показано ниже, определенные превосходные результаты были получены при обработке изделий таким пучком нейтральных частиц.
B
D
D
D
B
D
D
D
D
B
D
D
B
D
B
D
Фигура 4 представляет собой схему устройства 1400 обработки пучком нейтральных частиц, которое может, например, использоваться при образовании пучков нейтральных частиц, которые могут применяться в вариантах осуществления изобретения. В нем для измерений пучка нейтральных частиц используют тепловой датчик. Тепловой датчик 1402 прикрепляется с помощью крепления 1404, обладающего низкой удельной теплопроводностью, к вращающемуся опорному кронштейну 1410, прикрепленному к шарниру 1412. Привод 1408 перемещает тепловой датчик 1402 с помощью реверсивного вращательного движения 1416 между положениями, которые пересекают нейтральный пучок 1314 или пучок 1128 газовых кластерных ионов, и исходным положением, обозначенным позицией 1414, когда тепловой датчик 1402 не пересекает никакой пучок. Когда тепловой датчик 1402 находится в исходном положении (обозначенном позицией 1414), пучок 1128 газовых кластерных ионов или пучок 1314 нейтральных частиц продолжается вдоль пути 1406 для облучения изделия 1160 и/или держателя 1162 изделия. Контроллер 1420 теплового датчика управляет позиционированием теплового датчика 1402 и осуществляет обработку сигнала, вырабатываемого тепловым датчиком 1402. Тепловой датчик 1402 сообщается с контроллером 1420 теплового датчика электрическим кабелем 1418. Контроллер 1420 теплового датчика сообщается с дозиметрическим контроллером 1432 электрическим кабелем 1428. Устройство 1424 измерения тока пучка измеряет ток I пучка, протекающий по электрическому проводу 1168, когда пучок 1128 газовых кластерных ионов попадает на изделие 1160 и/или на держатель 1162 изделия. Устройство 1424 измерения тока пучка передает сигнал измерения тока пучка дозиметрическому контроллеру 1432 по электрическому кабелю 1426. Дозиметрический контроллер 1432 управляет открытым и закрытым состояниями затвора 1172 пучка управляющими сигналами, переданными через соединение 1434. Дозиметрический контроллер 1432 управляет источником 1440 питания отражателя через электрический кабель 1442 и может управлять отклоняющим напряжением Vв диапазоне от нуля до положительных значений, достаточных для полного отклонения ионизированной части 1316 пучка 1128 газовых кластерных ионов на отклоняющую пластину 1304. Когда ионизированная часть 1316 пучка 1128 газовых кластерных ионов попадает на отклоняющую пластину 1304, результирующий ток I измеряется датчиком 1422 тока и подается на дозиметрический контроллер 1432 по электрическому кабелю 1430. Во время работы дозиметрический контроллер 1432 устанавливает тепловой датчик 1402 в исходное положение 1414, открывает затвор 1172 пучка и задает V равным нулю, так что полный пучок 1128 газовых кластерных ионов попадает на держатель 1162 изделия и/или на изделие 1160. Дозиметрический контроллер 1432 записывает ток пучка I, переданный с устройства 1424 измерения тока пучка. Затем дозиметрический контроллер 1432 перемещает тепловой датчик 1402 из исходного положения 1414, чтобы он пересекал пучок 1128 газовых кластерных ионов, с помощью команд, переданных контроллером 1420 теплового датчика. Контроллер 1420 теплового датчика измеряет поток энергии пучка 1128 газовых кластерных ионов посредством вычисления на основе теплоемкости датчика и измеренной скорости повышения температуры теплового датчика 1402 во время повышения его температуры от заданной температуры измерения (например, 70 градусов C), и передает вычисленное значение потока энергии пучка дозиметрическому контроллеру 1432, который затем вычисляет калибровку потока энергии пучка, измеренного тепловым датчиком 1402, и соответствующего тока пучка, измеренного устройством 1424 измерения тока пучка. Дозиметрический контроллер 1432 затем устанавливает тепловой датчик 1402 в исходное положение 1414, позволяя ему охлаждаться, и подает команду приложить положительное напряжение V к отклоняющей пластине 1302 до тех пор, пока весь ток I благодаря ионизированной части пучка 1128 газовых кластерных ионов не будет передан на отклоняющую пластину 1304. Датчик 1422 тока измеряет соответствующий I и передает его значение дозиметрическому контроллеру 1432. Дозиметрический контроллер также перемещает тепловой датчик 1402 из исходного положения 1414 для пересечения с пучком 1314 нейтральных частиц с помощью команд, поступающих от контроллера 1420 теплового датчика. Контроллер 1420 теплового датчика измеряет поток энергии пучка 1314 нейтральных частиц, используя определенный ранее калибровочный коэффициент и скорость повышения температуры теплового датчика 1402, поскольку его температура повышается до заданной температуры измерения и передает значение потока энергии пучка нейтральных частиц на дозиметрический контроллер 1432. Дозиметрический контроллер 1432 вычисляет долю пучка нейтральных частиц, которая является отношением теплового измерения датчиком 1402 потока энергии пучка 1314 нейтральных частиц к тепловому измерению датчиком 1402 потока энергии полного пучка 1128 газовых кластерных ионов. При обычной работе достигается доля пучка нейтральных частиц примерно от около 5% до около 95%. До начала обработки дозиметрический контроллер 1432 также измеряет ток I и определяет соотношение токов между исходными значениями I и I. Во время обработки мгновенный результат измерения I, умноженный на исходное соотношение I/I, может использоваться в качестве замещающей переменной для непрерывного измерения I и применяется дозиметрическим контроллером 1432 для дозиметрии во время управления обработкой. Таким образом, дозиметрический контроллер 1432 может компенсировать любые флуктуации пучка во время обработки изделия, как если бы было доступно измерение фактического тока полного пучка 1128 газовых кластерных ионов. Дозиметрический контроллер использует долю пучка нейтральных частиц для вычисления требуемого периода времени обработки для конкретного процесса обработки. Во время процесса период времени обработки можно отрегулировать на основе откалиброванного значения измерения Iдля коррекции каких-либо флуктуаций пучка во время процесса.
Acc
Acc.
Acc
Фигура 5 представляет собой схему несколько упрощенного устройства 1500 обработки пучком нейтральных частиц, которое может, например, использоваться для образования отклоненных, выровненных или сканируемых пучков нейтральных частиц, которые могут применяться в вариантах осуществления изобретения. Оно идентично устройству 1400 обработки пучком нейтральных частиц, показанному ранее, только с упрощенной применяемой схемой вывода и ускорения на выходе ионизатора. Упрощением устройства 1500 обработки пучком нейтральных частиц является то, что исключены источник 1138 питания ограничительного электрода и ограничительный электрод 1142 (оба показаны на фигуре 4, устройство 1400 обработки пучком нейтральных частиц). Возвращаясь к фигуре 5, в отсутствие ограничительного электрода для вывода ионов из ионизатора 1122 и для ускорения газовых кластерных ионов, и для формирования пучка 1128 газовых кластерных ионов служит заземляющий электрод 1144. Источник 1140 питания ускорителя подает ускоряющее напряжение V для электрического смещения ионизатора 1122 относительно заземляющего электрода 1144 так, чтобы получить полный ускоряющий потенциал пучка газовых кластерных ионов, равное V При исключении ограничительного электрода 1142 (фиг. 4) и источника питания 1138 для его смещения (фиг.4), система 1500 обработки пучком нейтральных частиц несколько упрощается по сравнению с системой 1400 обработки пучком нейтральных частиц, при этом несколько более сложной становится токовая нагрузка источника питания 1140 ускорителя, подающего V.
Фигура 6 представляет собой схему 600, показывающую идею, лежащую в основе вариантов осуществления изобретения, позволяющих механически управлять пучком нейтральных частиц в устройстве обработки пучком нейтральных частиц, похожем на упрощенное устройство 1500 обработки пучком нейтральных частиц, показанное ранее на фигуре 5. Обращаясь снова к фигуре 6, показана часть упрощенного устройства обработки пучком нейтральных частиц. Газовая струя 1118 входит в ионизатор 1122, где она ионизируется с образованием проходящего вдоль пути 606 (или 606') пучка газовых кластерных ионов, который выводится из выходной апертуры 1126 ионизатора электрическим полем между выходной апертурой 1126 ионизатора и заземляющим электродом 1144'. Хотя это и не показано, ионизатор 1122 и выходная апертура 1126 ионизатора электрически смещены, как показано на предыдущей фигуре 5. Заземляющий электрод 1144' заземлен, как и заземляющий электрод 1144 на предыдущей фигуре 5. Возвращаясь к фигуре 6, заземляющий электрод 1144' похож на показанный ранее заземляющий электрод 1144, за исключением того, что он незначительно наклонен относительно пути 606 газовых кластерных ионов на угол 602 наклона, составляющий меньше 90 градусов. Искажение электрического поля между выходной апертурой 1126 ионизатора и заземляющим электродом 1144' вызывает отклонение газовых кластерных ионов, которые иначе следовали бы по пути 606 на путь 606' с результирующим углом 604 отклонения пучка больше нуля градусов. При изменении угла 602 наклона, изменяется угол 604 отклонения пучка, причем когда угол 604 увеличивается, угол 602 уменьшается. Возвращаясь к фигуре 6, по мере того как угол 602 наклона уменьшается от 90 градусов, угол 604 отклонения пучка газовых кластерных ионов увеличивается и пучок газовых кластерных ионов становится пучком 1128' газовых кластерных ионов, отклоненным от исходного пучка 1128 газовых кластерных ионов. Угол 602 наклона предпочтительно составляет менее 90 градусов и более 70 градусов относительно исходного пути. В пространстве дрейфа между заземляющим электродом 1144' и парой отклоняющих пластин (1302 и 1304) происходит диссоциация отклоненного ускоренного пучка 1128' газовых кластерных ионов. Хотя это и не показано на фигуре 6, пара отклоняющих пластин (1302 и 1304) электрически смещены, как показано ранее на фигуре 5. Возвращаясь опять к фигуре 6, по мере того как пучок 1128' газовых кластерных ионов плюс отделенные нейтральные частицы проходят между парой отклоняющих пластин 1302 и 1304, ионизированная часть 1316 пучка 1128' газовых кластерных ионов отклоняется на отклоняющую пластину 1304, и переносится отклоненный пучок 1314' нейтральных частиц, свободный от заряженных частиц. Путь отклоненного пучка 1314' нейтральных частиц отклоняется от пути пучка 1314 нейтральных частиц, что происходит, когда угол 602 наклона заземляющего электрода 1144' составляет 90 градусов.
Фигуры 7A и 7B представляют собой два ортогональных вида наклоняющего узла 700 заземляющего электрода, который совместим с упрощенным устройством 1500 обработки пучком нейтральных частиц, показанным на фигуре 5.
Фигура 7A представляет собой вид в разрезе, если смотреть вдоль направления пути газовых кластерных ионов 606 от ионизатора в направлении изделия ниже по потоку. Наклонный заземляющий электрод 702 установлен в карданной структуре в опоре 704 наклонного заземляющего электрода. Наклонный заземляющий электрод 702 может наклоняться вокруг первой оси 710 наклона, которая может быть горизонтальной осью, а также вокруг второй оси 716 наклона, которая может быть вертикальной осью. Оси 710 и 716 предпочтительно, но не обязательно, ортогональны друг другу. Первый привод 708 наклона обеспечивает первое вращательное движение 712 для наклона карданного кольца 706 и наклонного заземляющего электрода вокруг первой оси 710 наклона. Второй привод 714 наклона обеспечивает второе вращательное движение 718 для наклона наклонного заземляющего электрода вокруг второй оси 716 наклона относительно карданного кольца 706. Первый привод 708 наклона и второй привод 714 наклона могут приводиться в движение независимо или одновременно для наклона вокруг одной или обеих из осей 710 и 716 наклона. Приводы 708 и 714 наклона один или оба могут приводиться в движение вручную или приводиться в движение управляемой системой, такой как шаговый двигатель с электронным управлением. При приведении в движение вручную сложный угол наклона, полученный при сложных вращательных движениях 712 и 718, приводит к особенному наклону наклонного заземляющего электрода 702. При приведении в движение управляемыми шаговыми двигателями (или их эквивалентами) вращательные движения 712 и 718 могут быть периодическими и производить непрерывно изменяющийся сложный наклон наклонного заземляющего электрода 702 для сканирования пучка.
Фигура 7B представляет собой вид в разрезе, ортогональный виду 7A, и показана в разрезе. Путь газовых кластерных ионов 606 (выделившихся из расположенного выше по потоку ионизатора, который не показан на этом виде) входит в апертуру 720 заземляющего электрода и уходит в виде ускоренного пучка 1128 газовых кластерных ионов. В зависимости от углов наклона, получающихся в результате вращательного движения 712, ускоренный пучок газовых кластерных ионов может также уходить в виде отклоненных пучков газовых кластерных ионов 1128' или 1128'' (например). В зависимости от углов наклона, получающихся в результате вращательного движения 718, ускоренный пучок газовых кластерных ионов может уходить в направлении находящегося ниже по потоку пучка 1128, 1128' или 1128'' газовых кластерных ионов, но также отклоненным в плоскости или вне плоскости листа на сложный угол отклонения. Когда вращательные движения 712 и 718 являются периодическими и производят непрерывно изменяющийся сложный наклон наклонного заземляющего электрода 702, происходит сканирование пучка. Когда входящие газовые кластерные ионы 606 незначительно смещены относительно требуемого находящего ниже по потоку пути перемещения пучка, обозначенного путем перемещения пучка 1128 газовых кластерных ионов, для наклонного заземляющего электрода 702 могут быть применены небольшие угловые регулировки для выравнивания выходящего пучка относительно желаемого пути перемещения пучка 1128 газовых кластерных ионов.
Фигура 8 представляет собой схему устройства 1550 обработки пучком нейтральных частиц, которое может, например, использоваться для образования пучков нейтральных частиц, которые могут применяться в вариантах осуществления изобретения. Узел 700 наклонного заземляющего электрода содержит наклонный заземляющий электрод 702. Сложные наклонные движения 1556 позволяют направлять находящийся ниже по потоку пучок 1128 газовых кластерных ионов вдоль желаемого пути 1510 или по другим путям перемещения (например, 1508) для выравнивания находящегося ниже по потоку пути, как требуется. Датчик находящегося ниже по потоку пучка нейтральных частиц, например, тепловой датчик 1402, имеющий небольшую чувствительную область 1512, может использоваться для выравнивания находящегося ниже по потоку пучка 1314 нейтральных частиц к изделию 1160 или другой выбранной точке.
Таким образом, способ и устройство управления направлением пучка нейтральных частиц, полученного из пучка газовых кластерных ионов, включает в себя ускоряющий электрод, имеющий апертуру, окружающую путь пучка для части пучка газовых кластерных ионов, и монтажное устройство для обеспечения наклона электрода в полярных координатах относительно пути пучка. Электрод устанавливается для наклона вдоль одной или двух осей, которые в общем случае ортогональны пути пучка, и оси могут быть ортогональны друг другу. Наклон электрода может быть точно управляемым электрически для обеспечения сканирования пучка и выравнивания пучка, или же обеспечения отклонения части из пучка газовых кластерных ионов. В часть пучка нейтральных частиц может быть помещен тепловой датчик для измерения мощности пучка. Область датчика, экспонируемая пучком нейтральных частиц, может быть ограничена средством выравнивания пучка.
Хотя изобретение было описано на чертежах в первую очередь в виде способов и устройства для выравнивания пучка нейтральных частиц, изобретателям понятно, что использование повторяющихся отклонений (вызванных наклоном электрода вокруг одной или более осей) результирующего пучка нейтральных частиц может использоваться для сканирования пучком нейтральных частиц протяженной области, и изобретение предназначено также для таких применений.
Хотя изобретение было описано относительно различных вариантов осуществления, следует осознавать, что данное изобретение предусматривает также широкое разнообразие дополнительных и других вариантов осуществления в пределах сущности и объема изобретения.