可轉換的氣體團簇和原子離子槍的製作方法

2023-05-27 00:46:36

可轉換的氣體團簇和原子離子槍的製作方法
【專利摘要】在此提供了一種可轉換的離子槍，該離子槍包括：用於產生氣體團簇的一個氣體膨脹噴嘴(4)；用於電離這些氣體團簇和氣體原子的一個電離室；以及一個可變(優選地一個磁性扇區)質量選擇器(50)，該可變質量選擇器用於質量選擇這些電離氣體團簇和電離氣體原子以便產生在基本上包括電離氣體團簇與基本上包括電離氣體原子之間可變的一個離子束。優選地，該槍包括一個電浮式飛行管(52)用於調整在該質量選擇器內時的這些離子的能量。
【專利說明】可轉換的氣體團簇和原子離子槍
發明領域
[0001]本發明涉及離子槍的領域並且具體地說是可以產生可用於蝕刻表面以供表面分析的氣體團簇離子束的離子槍。本發明還涉及這類離子槍的用途和處理表面的方法。在優選的實施例中，本發明涉及離子束用於在分析一個表面(例如，通過XPS分析)之前或過程中清洗和/或蝕刻所述表面的用途。
【背景技術】
[0002]在通過以下技術如X射線光電子能譜(XPS)、俄歇電子能譜(AES)或二次離子質譜(SIMS)進行的表面分析中，例如，由離子槍產生的離子束、特別是氬離子束被廣泛地用於轟擊待分析的表面。這類束被用於，例如，在通過上述技術進行分析之前清洗具有汙染物的表面和/或蝕刻穿過表面層來顯現底層結構以便能進行該表面的深度剖析(depthprofiled)分析。難以產生具有足夠低能量的氬離子束以便避免在蝕刻過程中對一些類型的表面、尤其是具有有機材料的表面的損傷以及隨之發生的關於該表面的化學和分子信息的損失。為了避免上述損傷，已知的是要求使用具有非常低能量、典型地小於IOeV的粒子的離子束。使用一個簡單的氬離子束時這是不可能的，在這種離子束中由於空間電荷效應難以創建和聚焦這類低能量束。在此，術語氬離子束是指具有多個電離的獨立氬原子(Ar+)的束。
[0003]已經通過使用C6tl、或其他富勒烯的離子束，最初針對SMS並且最近針對XPS分析進行了改進。在GB 2386747A和US 2008/0042057A1中披露了使用C6tl離子束的裝置和方法。採用大分子的其他離子束，如暈苯離子束以及使用其他多環芳香烴(PAH)分子的離子束，也採用如GB2460855A中所描述的。這類大分子被產生為具有典型地IOkeV或更大的高能量，但在碰撞時碎裂成單獨地具有非常低能量的更小團簇和原子。然而，至少對於XPS分析而言，使用基於碳的離子束導致表面碳沉積，這種表面碳沉積可以停止蝕刻過程並且改變樣品的化學性質，從而導致錯誤的結果。還嘗試了採用金屬團簇的離子束，但是難以形成大的團簇。
[0004]一種替代途徑一直是使用通過電離和加速氬團簇所產生的離子束，這些氬團簇是通過氬氣穿過一個噴嘴的超音速膨脹而產生。以這種方式，可以容易地形成具有幾百氬原子至幾萬氬原子的團簇。這已被廣泛地用在SMS中並且在JP 08-122283 A、JP2008-116363 A以及WO 2009/131022中已經被提議用於XPS。然而，這種技術還沒有針對XPS中的應用進行商用開發，據認為這是由於產生具有恰當尺寸的氬團簇的聚焦束以便產生有用的蝕刻速率而不破壞樣品化學性質的工程困難。
[0005]惰性氣體團簇源大體上從20世紀70年代開始被廣泛使用(參見Hagena和Obert，膨脹超音速射流中的團簇形成:壓力、溫度、噴嘴尺寸以及試驗氣體的影響(ClusterFormation in Expanding Supersonic Jets:Effect of Pressure， Temperature， NozzleSize and Test Gas)，化學物理雜誌(The Journal of Chemical Physics) 1972 年 3 月第56卷第5期第1793頁)。商業上它們被用於拋光晶片。然而，這類商業開發的焦點一直在使用典型地大於150微米的相對大的膨脹噴嘴源來產生強電流離子束(例如，幾微安)上。這需要使用大的高速真空泵。具有幾千原子的大的惰性氣體團簇在這些晶片拋光應用中是典型地優選的。這類氣體團簇源通常不適合用於與如與表面分析系統(如XPS系統)一起使用的更小真空系統一起使用。
[0006]本發明是根據以上而做出的。

【發明內容】

[0007]根據本發明的一個方面，提供的是一種處理一個或多個表面的方法，該處理方法包括:
[0008]提供一個可轉換的離子槍，該離子槍在以下設定之間可轉換:用於產生基本上包括輻照一個表面用的電離氣體團簇的離子束的團簇模式設定，與用於產生基本上包括輻照一個表面用的電離氣體原子的離子束的原子模式設定；並且
[0009]選擇性地以該團簇模式操作該離子槍，從而基本上用電離氣體團簇輻照一個表面，或以該原子模式操作該離子槍，從而基本上用電離氣體原子輻照一個表面。
[0010]該方法還可以包括將該離子槍轉換至另一模式，然後以該另一模式操作該離子槍。以這種方式，可以操作該槍以便當在團簇模式中時基本上用電離氣體團簇輻照一個表面並且當在原子模式中時基本上用電離氣體原子輻照一個表面。根據本發明的該一個或多個表面的處理是優選地用於通過一種或多種表面分析方法進行的該一個或多個表面的分析。典型地，該處理可以包括一個表面清洗過程或一個表面蝕刻過程，例如，用於通過一種或多種表面分析方法進行的一個表面的深度剖析。以下描述這些表面分析方法的詳細內容。
[0011]根據本發明的另一個方面，提供的是一種可轉換的離子槍，該離子槍包括:
[0012]一個氣體膨脹噴嘴，該氣體膨脹噴嘴用於在氣體原子的存在下通過一種氣體穿過該噴嘴的膨脹來產生氣體團簇；
[0013]一個電離室，該電離室用於電離這些氣體團簇和氣體原子；
[0014]一個可變質量選擇器，該可變質量選擇器用於質量選擇這些電離氣體團簇和電離氣體原子以便產生在基本上包括電離氣體團簇與基本上包括電離氣體原子之間可變的離子束。
[0015]優選地，該離子槍包括一個磁性可變質量選擇器，如一個磁性扇區；以及一個電浮式離子光學裝置，該電浮式離子光學裝置優選地是一個電浮式飛行管，優選地至少部分地定位於該磁性可變質量選擇器內，用於調節在該磁性質量選擇器內的這些離子的能量。以下進一步詳細地描述這些和其他優選的特徵。
[0016]根據本發明的又另一個方面，提供的是一種可轉換的離子槍，該離子槍包括:
[0017]一個氣體膨脹噴嘴，該氣體膨脹噴嘴用於在氣體原子的存在下通過一種氣體穿過該噴嘴的膨脹來產生氣體團簇；
[0018]一個電離室，該電離室用於電離這些氣體團簇和氣體原子；
[0019]一個可變質量選擇器，該可變質量選擇器用於質量選擇這些電離氣體團簇和電離氣體原子以便產生包括具有選定質量的電離氣體團簇和/或電離氣體原子的離子束，其中該可變質量選擇器包括一個磁性可變質量選擇器和用於調節在該磁性質量選擇器內時這些離子的能量的一個電浮式離子光學裝置。
[0020]該浮式離子光學裝置是用於與這些離子的源能量相比調整這些離子的能量，例如，以使得在該磁性質量選擇器內它們可以具有在該磁性質量選擇器內的一個局部能量，該局部能量是不同於、優選地實質上不同於這些離子的源能量。該電浮式離子光學裝置優選地是至少部分地定位於該磁性可變質量選擇器內。
[0021]根據本發明的再另一個方面，提供的是一種可轉換的離子槍的用途，該離子槍具有可選擇的團簇模式和原子模式設定以便用一個離子束輻照一個表面，其中在該團簇模式中的用途產生基本上包括電離氣體團簇的一個離子束；並且在該原子模式中的用途產生基本上包括電離氣體原子的一個離子束。
[0022]根據本發明的多個另外方面，提供的是一種可轉換的離子槍，該離子槍在以下模式之間可轉換:用於產生基本上包括輻照一個表面用的電離氣體團簇的離子束的團簇模式，與用於產生基本上包括輻照一個表面用的電離氣體原子的離子束的原子模式，其中該離子槍具有以下各項中的一個或多個:
[0023]1.) 一個磁性可變質量選擇器以便選擇該離子束中的這些離子的質量；以及用於調節在該磁性質量選擇器內時這些離子的能量的一個電浮式離子光學裝置；
[0024]i1.) 一個金屬膨脹噴嘴；
[0025]ii1.) 一個微製造的金屬膨脹噴嘴；
[0026]iv.) 一個金屬膨脹噴嘴，其中一個孔口在直徑上不超過100微米。
[0027]根據本發明的多個另外方面，提供的是一種處理一個或多個表面的方法，該處理方法包括:
[0028]提供一個可轉換的離子槍，該離子槍在以下模式之間可轉換:用於產生基本上包括輻照一個表面用的電離氣體團簇的離子束的該可轉換的離子槍的團簇模式，與用於產生基本上包括輻照一個表面用的電離氣體原子的離子束的該可轉換的離子槍的原子模式；並且
[0029]使用該離子槍來以該團簇模式和/或原子模式輻照該一個或多個表面；
[0030]該方法具有以下中的一個或多個:
[0031]1.) 一個磁性可變質量選擇器以便選擇該離子束中的這些離子的質量；以及用於調節在該磁性質量選擇器內時這些離子的能量的一個電浮式離子光學裝置；
[0032]i1.) 一個金屬膨脹噴嘴；
[0033]ii1.) 一個微製造的金屬膨脹噴嘴；
[0034]iv.) 一個金屬膨脹噴嘴，其中一個孔口在直徑上不超過100微米。
[0035]V.)該氣體是氬；
[0036]v1.)在團簇模式中，在該離子束中的這些團簇具有在50至2000原子範圍內的尺寸下限；
[0037]vi1.)在團簇模式中，在該離子束中的這些團簇具有在I至50eV、更優選地I至IOeV範圍內的每原子能量；
[0038]vii1.)這些離子的源能量是5keV或更少。
[0039]在多個再另外的方面，本發明提供一種離子槍用於產生包括輻照一個表面用的電離氣體團簇的離子束，其中該離子槍具有以下各項中的一個或多個:[0040]1.) 一個磁性可變質量選擇器以便選擇該離子束中的這些離子的質量；以及用於調節在該磁性質量選擇器內時這些離子的能量的一個電浮式離子光學裝置；
[0041]i1.) 一個磁性可變質量選擇器，該磁性可變質量選擇器包括一個磁性扇區以便選擇該離子束中的這些離子的質量；以及用於調節在該磁性扇區內時這些離子的能量的一個電浮式飛行管；
[0042]ii1.)用於形成電離氣體團簇的一個金屬氣體膨脹噴嘴；
[0043]iv.)用於形成電離氣體團簇的一個微製造的金屬膨脹噴嘴；
[0044]V.)用於形成電離氣體團簇的一個金屬膨脹噴嘴，其中一個孔口在直徑上不超過100微米。
[0045]v1.)用於用5keV或更少的源能量形成這些離子的一個電離室。
[0046]仍然在多個再另外的方面，本發明提供一種處理一個或多個表面的方法，該處理方法包括:
[0047]提供一個離子槍用於產生包括輻照一個表面用的電離氣體團簇的離子束；並且
[0048]使用該離子槍來用電離團簇輻照該一個或多個表面；
[0049]該方法包括以下各項中的一個或多個:
[0050]1.)使用一個磁性可變質量選擇器和用於調節在該磁性可變質量選擇器內時這些離子的能量的一個電浮式離子光學裝置，來選擇該離子束中的這些離子的質量；
[0051]i1.)通過一個金屬膨脹噴嘴來形成這些離子；
[0052]ii1.)通過一個微製造的金屬膨脹噴嘴來形成這些離子；
[0053]iv.)通過一個膨脹噴嘴來形成這些離子，該膨脹噴嘴中一個孔口在直徑上不超過100微米。
[0054]V.)用5keV或更少的源能量形成這些離子。
[0055]該可轉換的離子槍是一個離子束源，該離子束源使得能夠通過獨立的質量和能量選擇來精密控制該離子束，以便將該束中的這些離子的每原子能量選擇為對於待蝕刻的樣品是最適當的能量。
[0056]有益地，本發明中使用的離子槍能夠產生廣泛不同類型的處理，因為它在以下兩項之間可轉換:產生具有電離氣體原子的一個束，典型地具有相對高的每原子能量(例如，至少500eV/原子)，與具有電離氣體團簇的一個束，典型地具有相對低的每原子能量(例如，不大於50eV/原子)。因此，有利地，本發明提供一種雙模式離子槍，該離子槍可以用於實現廣泛不同類型的表面處理。這樣避免現有技術中的這種需求:在一個或不同分析室中分別提供用於產生高能量清洗和/或蝕刻的高能量電離氣體原子的一個離子槍和用於產生低能量清洗和/或蝕刻的電離氣體團簇的一個離子槍。本發明因此通過只要求一個離子槍和通過只要求一個電源而降低了分析設備的成本。同時，本發明還提供以下能力:使獲得原子和團簇離子束的能力適應典型地在一個表面分析系統上可利用的有限空間。
[0057]這些電離氣體原子具有比這些電離氣體團簇更高的每原子能量，因為該團簇中的能量被分散於許多原子之間。用電離氣體原子輻照一個表面可以適合用於比用電離氣體團簇的輻照更強力的清洗和或更快的蝕刻，並且可以用在更堅硬的表面上，如不同類型的無機表面，例如金屬或金屬氧化物表面。這些電離氣體團簇可以適合用於更軟的表面和/或易於受到來自高能量輻照的化學損傷的表面，例如有機表面。可以被處理的有機表面可以包括，但不限於，聚合物類、生物材料類等。本發明因此還提供穿過具有軟質材料和硬質材料的一個多層結構進行深度剖析的能力。相比之下現有技術方法將要求兩個離子槍:用於這些硬質層用的高能量原子束的一個源和用於這些更軟的層用的低能量團簇束的一個單獨源。通常從成本或空間的角度來看，提供兩個離子束源是不可行的，並且因此，具有軟質材料和硬質材料的這類多層結構的準確分析在現有技術中是不可能的。
[0058]將該雙模式能力結合至一個單個可轉換的離子槍中提供給用戶穿過所有類型的材料的深度剖析的靈活性。例如，該可轉換的離子槍提供使用該氣體團簇離子束穿過「軟質」聚合物材料的深度剖析的一種新能力以及當要求允許穿過金屬質材料的更厚層剖析時切換至該原子離子束的能力。
[0059]從尺寸和成本的角度而言，本發明還具有以下優點:如果採用更小的團簇，可以提供一種有效和高效的離子源，並且因此，本發明的優選特徵涉及用於該氣體團簇離子束的具有選定的小尺寸的氣體團簇的產生和/或選擇。使用更小尺寸的團簇例如能在該源中使用一種更低的能量用於加速這些離子。例如，一個現有技術氬團簇離子槍典型地用10或20keV的源能量進行操作，而本發明可以用6keV或以下、或5keV或以下或4keV或以下的源能量進行操作，但仍具有高蝕刻效率。本發明的具體特徵在此方面是針對與現有技術相t匕，優先產生更小尺寸的團簇。有利噴嘴特徵的採用例如在此方面是有用的。
[0060]該電離氣體團簇的每原子能量還具有一個優選地低能量,例如優選地在I至50eV的範圍內，但可以使用I至lOOeV。優選地，該電離氣體團簇的每原子能量是不大於10eV，例如它是在I至IOeV的範圍內。一個電離氣體團簇的每原子能量在此意指一個團簇的能量除以該團簇中包含的原子的數量。一個電離氣體原子的每原子能量當然僅僅是該原子的倉tfi。
[0061]當在用於產生基本上包括輻照一個表面用的電離原子的束的該原子模式中操作時，該每原子能量典型地是在IOOeV至IOkeV的範圍內，例如在500eV至IOkeV的範圍內。該原子離子束中僅高能電離原子可以用於快速地蝕刻穿過較不敏感的樣品表面。
[0062]用這些電離氣體團簇和氣體原子輻照一個表面的作用典型地是處理這一個或多個表面以便改變這一個或多個表面。優選地，通過該輻照來處理這一個或多個表面以便從這一個或多個表面去除汙染和/或蝕刻這一個或多個表面。去除汙染(即清洗)優選地是在通過該表面分析方法進行分析之前進行。蝕刻意指去除一個或多個表面層並且蝕刻可用於，例如，通過該表面分析方法進行的深度剖析。可以在該表面分析方法過程中進行蝕刻。
[0063]用這些電離氣體團簇輻照的表面可以是與用電離氣體原子輻照的表面相同或不同的表面。作為一個實例，當在一個第一表面上進行一種表面分析方法時，具有厚厚的一層汙染的該第一表面可以經受在一種高能量清洗工藝中用電離氣體原子的輻照(即處於原子模式中的離子槍)以便去除該汙染，然後經受在一種更低能量蝕刻步驟中用電離氣體團簇的輻照(即處於團簇模式中的離子槍)。在要求一種更慢的、更溫和的蝕刻的情況下，使用氣體團簇的更低能量蝕刻步驟可以是有用的。可替代地，作為另一實例，該第一表面可以經受在一種更低能量清洗方法中用電離氣體團簇的輻照以便以一種非常受控制的方式去除該汙染從而將該汙染去除、但很少或沒有樣品被去除，然後經受用電離氣體原子的輻照以便實現該表面的迅速或更深的蝕刻。可替代地，作為另一實例，可以僅使用具有電離氣體原子的束來處理(例如清洗和/或蝕刻)該第一表面(例如在該第一表面具有一種更硬質材料的情況下)，並且可以使用具有電離氣體團簇的束來處理(例如清洗和/或蝕刻)與該第一表面不同的一個第二表面(例如在該第二表面具有一種比該第一材料更軟的材料的情況下)。因此，具有電離氣體團簇和電離氣體原子的這些束可以用於處理同一表面或不同表面。顯然該離子槍在任何時刻是以該團簇模式設定或原子模式設定(即，以團簇離子束模式或原子離子束模式)中的任一者進行操作。這些不同離子槍設定因此不能同時使用。
[0064]使用具有電離氣體原子的束可以是用於實現該表面的更快和/或更深的處理，例如，更快和/或更深的清洗和/或蝕刻。使用具有電離氣體原子的束可以是用於實現(例如)在具有某些無機材料的(例如)更硬基板上的處理。另一方面，使用具有電離氣體團簇的束可以是用於實現該表面的更慢和/或更淺的處理，例如，更快和/或更深的清洗和/或蝕刻。使用具有電離氣體團簇的束可以是用於實現(例如)在具有某些有機材料的(例如)更軟基板上的處理。
[0065]這一個或多個表面是被定位於減壓中，即真空環境，典型地在一個真空分析室內部，例如，一個高或超高(UHV)真空室。根據本發明的離子槍優選地是安裝於該真空室上以便引導一個離子束到該表面處。
[0066]該離子槍是適合用於處理一個或多個表面以便通過一種或多種表面分析方法進行分析。這些表面分析方法可以是任何表面分析方法，這些方法要求清洗一個表面和/或蝕刻一個表面以便進行所要求的分析。本發明尤其可用於其中要求表面的深度剖析的分析方法並且在對該表面進行分析的同時可以採用該離子束來蝕刻該表面。以這種方式，分析是在一個深度方向進行，從而得到隨著該表面的深度變化的化學信息(即深度剖析)。
[0067]適合的表面分析方法可以是以下各項中的一種或多種:X射線光電子能譜(XPS)、俄歇電子能譜(AES)、二次離子質譜(SMS)、紫外光電子能譜(UPS)以及本領域已知的其他方法。本發明尤其可用於XPS，並且更尤其可用於其中要求該表面的深度剖析的XPS，並且在對該表面進行XPS分析的同時可以採用該離子束來蝕刻該表面。
[0068]該離子槍中用於形成該氣體團簇離子束或原子氣體離子束所採用的氣體優選地是一種惰性氣體，例如像氦、氖、氬、氪或氙。最優選地，該氣體是氬。該氣體優選地不是一種含碳氣體，從而避免表面的碳汙染，表面的碳汙染是使用(例如)C6tl的現有技術離子槍的一個問題。可以使用的另一種可能的不含碳的氣體是氧(O2)。可以使用其他氣體。
[0069]該離子槍包括一個膨脹噴嘴，該膨脹噴嘴形成一個氣體團簇源的一部分以便從注入到它之中的氣體產生氣體團簇。該離子槍進一步包括一個電離室或電離器以便電離所形成的氣體團簇以及電離存在的單個氣體原子。
[0070]該團簇源通過該噴嘴產生氣體團簇，這些氣體團簇伴隨單個氣體原子，即還未形成團簇的原子。
[0071]該膨脹噴嘴是一個噴嘴，通過該噴嘴可以發生該氣體的超音速膨脹以便形成氣體團簇。該噴嘴因此具有一個進氣口和一個出氣口。如本領域中已知的，該噴嘴是通過一種氣體從該團簇源的在進口側上的一個加壓區域穿過該噴嘴到該團簇源的在出口側上的一個減壓區域中的膨脹來產生氣體團簇。該膨脹噴嘴具有一個孔，該氣體穿過該孔以便形成團簇，該孔優選地是具有直徑100微米或更小、更優選地90微米或更小、例如80或85微米的一個孔。優選地該孔具有大致上圓形的形狀。該噴嘴可以是，例如，一個錐形噴嘴(圓錐形噴嘴)、一個拉瓦爾(Iaval)噴嘴、或一個音速噴嘴，優選地是一個拉瓦爾噴嘴。該噴嘴可以是由玻璃或金屬製作的。優選地該噴嘴是由金屬製成。優選地，該噴嘴是微製造的以便在該噴嘴中產生一個非常小的、均勻形狀的孔。該噴嘴中的這樣一個非常小的、均勻形狀的孔改進了具有相對小尺寸外形(profile)的團簇的再現能力以便更有效率地利用這些團簇用於表面處理並且利用根據本發明的離子槍的離子光學部件和質量選擇器的特徵。與常規玻璃噴嘴相比，這樣一個噴嘴是一種改進，這些常規噴嘴可能遭受在製造過程中由於為了產生一個可接受的噴嘴的失敗嘗試而引起的材料消耗、以及一個噴嘴與另一個之間尺寸和形狀的更低均勻性。
[0072]對於該團簇模式中的工作，在該團簇源的加壓區域(即在該噴嘴的進口側上)中的壓力(進口壓力)優選地是在2至20巴、更優選地2至5巴的範圍內，但典型地據發現約3巴至4巴是高效的。對於該原子模式中的工作，該進口壓力可以是與用於該團簇模式中的工作相同並且該質量選擇器則僅選擇該離子束中的電離原子而不是電離團簇。然而，對於該原子模式中的工作，優選地是使用低於團簇形成時所處的進口壓力的一個進口壓力。優選地，用於原子模式工作的進口壓力是低於2巴，典型地低於I巴。在該噴嘴的出口側上，這些氣體團簇或原子被首先引入的減壓區域優選地是小於I毫巴(即1χ10_3巴)。
[0073]例如在該氣體團簇離子束用於XPS深度剖析的應用中，相對小的團簇是優選的(例如高達幾百原子，例如高達500原子每團簇)並且具有幾十nA的束電流足夠用於蝕刻大多數樣品。具有典型地小於100微米的一個更小噴嘴直徑在本發明中是優選的，已發現這種直徑優先地在氣體團簇離子束源中形成比現有技術噴嘴更小尺寸的團簇。以這種方式，具有更高比例的更小氣體團簇能使一個更有效的束用於蝕刻，因為該束具有更大數量的更小尺寸的團簇以及更少的更大團簇，這些更大團簇對於蝕刻不是那麼有效。使用這樣一種小尺寸噴嘴還具有以下優點:本發明的離子槍不要求在一個XPS系統上不切實際的大的泵並且因此降低了泵抽複雜性和成本。為了設計和產生可再現地定尺寸和成形的噴嘴，優選地採用一種微製造技術以便產生具有所要求的特徵的金屬噴嘴。因此通過使用可再現地定尺寸和成形的噴嘴還更加可再現地控制該團簇尺寸。可以採用一個簡單的錐形或圓錐形的「音速」噴嘴，但一個拋物線形拉瓦爾噴嘴是優選的。以這種方式，可以簡化這些差分泵抽要求並且降低成本，並且通過用這種噴嘴尺寸選擇一種適合的工作方案，可以針對小氣體團簇的產生來優化該離子槍源。
[0074]典型地由該團簇源產生一系列團簇尺寸。由該源產生的團簇尺寸可以是在從10至10，000原子或更多的範圍內。優選地電離氣體團簇是由該可變質量選擇器來選擇用於輸出在該離子束中，這些電離氣體團簇具有優選地至少50原子、更優選地至少100原子的團簇尺寸(即，所選擇的和傳送的團簇的最低尺寸)。有效的團簇尺寸下限的一個實例因此是200 (即，選擇具有200原子和更大的團簇)。該團簇尺寸下限優選地是不大於2000原子、更優選地不大於1000原子、仍然更優選地不大於500原子並且最優選地不大於400原子。因此，電離氣體團簇是由該可變質量選擇器來選擇用於輸出在該離子束中，這些電離氣體團簇具有所希望地在50-2000原子範圍內並且最令人希望地在50-400範圍內的尺寸下限。這樣確保選擇更小尺寸的團簇並且該小噴嘴尺寸確保存在更高比例的更小尺寸的團簇。在使用最優選的氣體(該氣體是氬)的情況下，上述團簇尺寸是尤其優選的尺寸。
[0075]一個電離室從這些團簇和/或原子形成離子。該電離室是如本領域中已知的一個典型的電離器。典型地該電離室包括一個或多個可加熱的燈絲，這些燈絲是負電偏壓的；以及一個陽極如該室本身，該陽極是正電偏壓至高電壓(例如2至20keV)以便使電子由該加熱的燈絲髮射而朝向該陽極並且因而電離存在的這些團簇和原子。產生的這些離子(團簇和原子)因此典型地是在2至20keV、優選地2至IOkeV範圍內的能量(在此被稱為源能量)下形成，但該能量可以是高於或低於這一範圍。當這些離子碰撞該樣品的表面時，在該表面如典型的情況是處於接地電位的情況下，該源能量界定這些離子的能量。這即是提供給它們適當的每原子能量用於清洗和/或蝕刻待處理的具體表面。一般能使該源能量低於現有技術中使用的源能量。優選地，這些離子的能量是6keV或更少、更優選地5keV或更少並且最優選地4keV或更少，例如在2至6keV、2至5keV或2至4keV的範圍內。使用更小尺寸的團簇使得能夠使用更低的能量並同時保持這些電離氣體團簇中足夠的每原子能量。這種減少的能量降低了電源的成本和尺寸。優選地在進入到該可變質量選擇器中之前，這些離子優選地是由一個引出透鏡從該電離室中引出並且通過一個聚光透鏡聚焦。
[0076]如在下文更詳細地描述，可以獨立於這些離子(團簇和原子)的質量(尺寸)的選擇來選擇這些離子的源能量。提供給這些離子的能量可以因此被選擇至一個希望值並且可以單獨地(即獨立地)選擇該質量從而來選擇電離團簇或原子的適當尺寸。因而可以通過該質量選擇器調整所希望的每原子能量，例如以將該離子束中團簇的每原子能量調整至具有典型地在IeV與50eV或更低之間的一個值。優選地，該離子的每原子能量是剛好大到足夠從該表面蝕刻離子，而不造成表面下的化學損傷。
[0077]磁性扇區被廣泛地用於質量選擇，並且尤其是當與靜電場相結合時(如在維恩過濾器(Wein filter)中)，可以得到良好的質量分辨。然而當與高質量一起工作、如遇到像氬團簇的惰性氣體團簇時，要求這類裝置是較大的，因為要實現質量選擇，它們需要使用大的電磁體。出於這個原因，以前的氬團簇離子源典型地使用了一個永磁體以便產生具有足夠強度的一個固定磁場來使氬原子和具有小尺寸的氬團簇偏轉並且選擇一個固定範圍的團簇尺寸。然而，具有永磁體的這類裝置不具有良好界定的質量選擇行為。此外，在這類情況下，該質量選擇是不可變的，或至少不獨立於被輸入到該磁場的這些離子的能量而可變，因為該磁體是永久的。
[0078]在本發明中，可以在該離子槍中使用一個質量選擇器(質量過濾器)以便針對待蝕刻的樣品選擇具有最適當尺寸的電離團簇和/或原子以實現該離子的所希望的每原子能量。該離子槍的質量選擇器是一個可變質量選擇器，這意指它可以獨立於被輸入至它的這些離子的源能量而改變由它選擇的質量。該可變質量選擇器用作一個過濾器以便選擇具有選定質量的電離氣體團簇和/或原子，該選定質量在此意指一個具體質量或更通常地一個質量範圍。
[0079]該可變質量選擇器可以選擇允許通過該質量選擇器的一個質量範圍的離子以使得選擇如在該離子槍的團簇模式中基本上包括電離氣體團簇的離子束；或該質量選擇器可以選擇一個質量範圍的離子以使得選擇如在該離子槍的原子模式中基本上包括電離氣體原子的離子束。這種靈活性程度在現有技術團簇離子槍中未實現。在團簇模式中，該離子束基本上包括電離團簇。以這種方式，不存在任何顯著量的電離原子，這減少了電離原子可能造成的任何損傷。在團簇模式中的離子束的電離原子含量，在該束通過該質量選擇器之後，可以是小於所有電離粒子的1%。在該原子離子模式中，該離子束基本上包括電離原子。在該原子離子束中一些電離團簇的存在不是問題。在包括一個磁場的優選的質量選擇器中選擇這些團簇離子或原子離子消除了可能另外造成非均勻剖析的任何不帶電荷的團簇或原子。中性原子和團簇的含量可以是小於該離子束的1%。
[0080]該可變質量選擇器優選地定位於該離子槍中，按離子飛行方向處於該團簇源和電離室的下遊。該可變質量選擇器進一步優選地定位於至少一個離子引出透鏡和至少一個聚光透鏡的下遊。該可變質量選擇器優選地定位於該真空室(例如UHV室)的外部，待輻照的表面定位於該真空室中。
[0081]該可變質量選擇器優選地可作為一個高通質量選擇器操作(即選擇處於或高於給定質量下限的質量)或可以是可作為一個帶通質量選擇器操作(即選擇在一個給定質量帶或具有質量上限和下限的範圍內的質量)。
[0082]在本發明中，優選的是使用一個磁性質量選擇器、更優選地一個磁性扇區、尤其一個短磁性扇區作為該可變質量選擇器。該磁性扇區優選地是可作為一個高通質量選擇器操作(即選擇處於或高於給定質量下限的質量)和/或可以是可作為一個帶通質量選擇器操作(即選擇在一個給定質量帶或具有質量上限和下限的範圍內的質量)。
[0083]優選地，該磁性扇區具有一個長度(即在離子飛行的方向上的長度)，該長度不會以顯著量增加在該離子槍內的離子飛行路徑，例如該磁性扇區的長度優選地不超過從該源(噴嘴進口)至該樣品的離子路徑長度的約一半、仍然更優選地不超過約三分之一。在一個實施例中例如，從該源至該樣品的離子路徑是約600mm，其中僅200mm是該磁性扇區的長度。更短的磁性扇區是有利的，因為氣體團簇不斷散落並且更短的路徑長度增加了完整的團簇到達該樣品表面的機率。在本發明中，由於針對這些團簇的更低質量方案(即，產生並且質量選擇了相對小的團簇)以及浮式飛行管的使用，短的磁性扇區長度是可能的。
[0084]該磁性扇區優選地包括一個電磁體、更優選地一個可編程電磁體。該磁性扇區因此優選地是可編程的以便改變它選擇的質量範圍。該磁性扇區的電磁體優選地可以由一個可變電源來控制或編程，該可變電源優選地是在電子控制之下，如計算機控制。以這種方式，該磁性扇區可以用作一個高通或帶通(優選地高通)質量過濾器以便消除低於一定尺寸的團簇和原子，即，用於在該團簇模式設定中的該離子槍的操作，其中該高通質量下限可以改變。通過在該高通過濾器中使用一個可編程的電磁體，還有可能在原子離子槍的更常規的模式中操作該槍。在其中例如使用一個永磁體來獲得高通過濾的離子槍中，不可能以這些雙模式進行操作。
[0085]該磁性扇區要求所選擇的離子遵循一個彎曲路徑。彎曲的程度是典型地較小的，例如I至5度、優選地1.5至4度並且最優選地是約2度。可以使用更大的角度，但將要求更長的磁性扇區或更高的磁場。使用一個典型地具有3mm的束孔口時，比這更低的角度將不允許中性物質被從該離子束中有效地消除。因此，優選地，該彎曲路徑具有在該扇區的入口與出口之間的例如1.5至4度的彎曲。使用一個扇區從而還有利地使得能從該束中去除中性氣體物質以使得它們不會輻照該表面。否則，中性物質可能造成在聚焦的和掃描的離子束區域之外的蝕刻。在本發明中,優選地該電磁體磁體能夠選擇例如在50至400氬原子範圍內的一個最小質量(即質量下限)。這樣一個團簇尺寸是小於已經典型地在別處使用的並且允許該離子源被設計成以比其他離子源低得多的離子能量工作，並同時保持用於蝕刻材料的表面所要求的相同的每原子能量。該離子槍的總體設計因此可以是更小和更便宜，例如具有一個更簡單的磁性扇區設計，因為這些源能量更低。典型地，本發明的離子槍可以在約4keV的離子能量下工作，這與典型地對於其他源的IOkeV或20keV形成對比。本發明中優選的質量選擇器因此可以是便宜的、簡單的以及可編程的。它還可以提供一個短的飛行路徑，該短的飛行路徑對於產生氣體團簇的有效離子束是顯著有益的，因為已知團族具有短壽命。
[0086]該可變質量選擇器優選地包括一個電浮式離子光學裝置，該電浮式離子光學裝置優選地是一個電浮式飛行管。在工作中將一個電壓施加至該變能量離子光學裝置以使得，與該質量選擇器的磁場結合，該質量選擇的更靈活的調整變成可能，並且從而可以實現以廣泛不同的團簇和原子模式的工作。該浮式離子光學裝置上的電壓是獨立於該源能量或電壓來選擇和施加。以這種方式該質量選擇器的磁場不必僅僅取決於這些離子的源能量，而是可以使用該浮式離子光學裝置來調節在該質量選擇器的磁場內的這些離子的能量，以便使一個更簡單的磁性質量選擇器設計能成為可能，例如具有更低的磁場。該浮式離子光學裝置因此減輕了對該磁性扇區中一個更高磁場或一個更長飛行路徑的需要。該浮式離子光學裝置優選地是至少部分地定位於該質量選擇器的磁場內，即優選地至少部分地在該質量選擇器內。更優選地，該浮式離子光學裝置是定位於該質量選擇器內並且基本上沿該磁性質量選擇器的長度延伸。以這種方式，該裝置可以基本上沿在該質量選擇器內的離子飛行路徑的長度控制該離子能量。
[0087]一個電浮式飛行管因此優選地用於該離子槍中，其中這些離子通過該浮式飛行管。該電浮式飛行管優選地是至少部分地定位於該質量選擇器的磁場內(優選地該磁性扇區)，即優選地至少部分地定位於該質量選擇器內，以使得隨著這些離子通過該磁場(扇區)，它們通過該浮式飛行管。更優選地，該浮式飛行管是定位於該磁性扇區內並且基本上沿該磁性扇區的長度延伸。該浮式飛行管優選地基本上沿在該磁性質量選擇器內部的這些離子的飛行路徑的長度延伸，例如其中該浮式飛行管基本上沿該磁性扇區的長度延伸。在工作中將一個電壓施加至該浮式飛行管以使得，與該質量選擇器的磁場結合，該質量選擇的更靈活的調整成為可能，並且從而可以實現以廣泛不同的團簇和原子模式的工作。該浮式飛行管的電壓是獨立於該源能量或電壓來選擇和施加。
[0088]以下在使用該磁性扇區的優選實施例的背景中更詳細地描述該浮式飛行管的用途。將該電壓施加至該浮式飛行管以便當這些離子通過該磁性扇區時改變這些離子的能量。該磁性扇區對離子的選擇取決於該離子能量和該磁場強度，這取決於由該磁性扇區的磁場引起的這些離子的偏轉度。產生的這些離子的源能量可以按另外的方式規定所要求的磁場的範圍，但該浮式飛行管可以改變在該磁場中時的這些離子的能量以便使得能使用一個簡單磁體，例如具有相對小範圍的磁場強度變化。例如，在該團簇模式中，當這些離子通過該磁性扇區時，施加至該浮式飛行管的電壓可以阻礙這些離子(即減少它們的能量)。這與該編程的磁場結合，對所選擇的質量範圍提供額外控制。在原子模式中，當這些離子通過該磁性扇區時，施加至該浮式飛行管的電壓可以使它們加速並且因此使在低電流下的空間電荷效應最小化。例如，對於一個給定離子源能量，使用該浮式飛行管來調節在它附近的離子能量時，與僅使用該磁性扇區形成對比，使用該磁性扇區的質量選擇可以在良好控制下在更寬範圍的質量內改變。
[0089]在一個已知的離子槍中，用一個特定源能量形成這些離子並且在該束被質量過濾時，該束將保持在這一能量。已知改變這些離子的能量是有益的以便優化該樣品蝕刻過程。然而，由於在隨後質量過濾的設計中缺乏靈活性，這是不可完全實現的。例如，如果要求一個高離子能量，則然後將必定要求一個大的磁場，這在實踐中、尤其是在有成本效益的方式中可能是難以實現的。在實踐中，不使用昂貴的磁性合金難以產生遠高於0.2特斯拉的磁場。相反，如果要求一個低離子能量，則然後將必定要求一個小的磁場，而這導致不良的質量選擇性能。精細地或快速地控制磁場強度也是複雜和昂貴的。本發明中使用一個浮式飛行管允許該離子槍獨立地改變這些離子的源能量和在該質量選擇器處的這些離子的能量以便優化離子能量和質量選擇。該浮式飛行管的使用因而使一個簡單的高通磁性扇區能與(例如)不同離子能量一起使用，同時保持獨立的質量選擇和在一個質量範圍上的質量選擇以便使該離子槍能選擇團簇或原子離子。
[0090]例如，選擇團簇或原子離子的能力將常規地要求該磁場強度中的大的變化，用一個小的且便宜的磁場這點是不容易實現的。然而，本發明使得能使用一個更簡單的、更小的磁場磁性扇區，該磁場磁性扇區具有例如適合於一束原子離子的質量選擇的一個更低磁強度，但因為該浮式離子光學裝置可以用於阻礙這些離子(減少它們的能量)，該磁場磁性扇區可以使得能使用同一磁性扇區來質量選擇一束團簇離子。使給定質量的離子經由給定角度偏轉所要求的磁場將標定(sclae)為該離子的能量的平方根。因此在本發明中，例如，這些離子可以在該飛行管中從4keV的源能量由該浮式飛行管阻礙至IkeV的能量，以使得僅需要沒有該浮式飛行管的情況下將要求的磁場強度的一半。這使得能例如在實踐中在該質量選擇器中使用小於0.2特斯拉的磁場強度。在實踐中這是一個相當大的益處，因為不使用昂貴的磁性合金難以產生高於0.2特斯拉的場。對於處理具有非常脆弱材料的表面可能要求的更大團簇而言，這種益處變得甚至更大。
[0091]雖然已經在此作為用於該質量選擇器的優選實施例描述了一個磁性扇區，將清楚的是可以使用其他類型的可變質量選擇器來進行本發明的變化，尤其是可作為一個高通或帶通質量過濾器操作的質量選擇器。以下是替代質量選擇器的實例，這些替代的質量選擇器可以取代該優選的磁性扇區，但與該磁性扇區相比具有各種缺點。可以使用一個維恩過濾器但要求另外的在可用空間中難以建造的靜電電極，以及附加的另外電子器件。可以使用，例如，如在質譜儀中使用的一個聚焦磁性扇區並且提供優異的質量分辨並且用作一個帶通質量過濾器。然而，這些對於本申請而言典型地太大和複雜，在本申請中一個高質通過濾器(high mass pass filter)是足夠的。可以使用一個RF四極過濾器但由於r.f.控制電子器件其製造和構建是相對昂貴的。此外它們對於高質量(例如高於500amu)不能很好地工作。一個飛行時間質量選擇器被用於SIMS的團簇源中，其中要求短的脈衝但不適合用於連續束。使用一個高通磁性扇區來形成該優選的質量選擇器是便宜、簡單以及可編程的。
[0092]該離子槍因此使用一個可變質量選擇器，該可變質量選擇器可以獨立於被輸入至該質量選擇器的這些離子的能量而改變由該質量選擇器選擇的質量，該可變質量選擇器優選地包括一個變能量離子光學裝置，該變能量離子光學裝置優選地是一個浮式飛行管。因此，該離子槍包括一個變能量離子光學設計，這種設計允許獨立於團簇尺寸而改變團簇能量，並且因此將這些碎裂的離子的能量(每原子能量)選擇為對於待蝕刻的樣品而言最適當的能量。
[0093]該離子槍優選地進一步包括常規離子光學部件以便使該離子束掃描經過一個表面(例如一對X-Y掃描電極)和/或使該離子束聚焦以便將該束帶到在待處理的表面處或附近的一個焦點和/或在該表面處實現所希望的離子束斑尺寸(例如一個物鏡透鏡)。
[0094]詳細說明
[0095]現將參照附圖通過非限制性實施例和實例來更詳細地描述本發明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0096]圖1示出從根據本發明的一個離子槍的側面的示意性視圖。
[0097]圖2示出從根據本發明的一個離子槍的氣體膨脹噴嘴的側面的示意性視圖。
[0098]圖3示出從該離子槍質量選擇器的區域中在圖1中所示的實施例的側面的擴大示意圖。
[0099]圖4示出從根據本發明的一個離子槍的側面的另一示意性視圖，其中示出了示意性的電源連接和控制。
[0100]圖5示出用常規氬離子束和使用根據本發明的一個離子槍的團簇離子束清洗汙染的PTFE表面的結果。
[0101]圖6示出使用根據本發明的一個離子槍用原子氬離子束在矽晶片的氧化表面上蝕刻和深度剖析的結果。
[0102]圖7示出在PTFE表面上蝕刻和深度剖析的結果。
【具體實施方式】
[0103]參見圖1，示出從根據本發明的離子槍I的側面的示意性視圖。使用中的離子槍通過凸緣22被固定至一個UHV分析室(未圖示)的一個埠，在這種情況下該凸緣是一個UHV康弗拉特(conflat)凸緣。在該UHV分析室中，一個樣品24位於離子槍I的貓準線中。該UHV室中的壓力是小於10_6毫巴並且例如對於XPS分析典型地是2xl0_7毫巴。該UHV室配置有分析工具以便使得能在樣品24上進行XPS和任選地AES和/或其他表面分析。根據本發明的離子槍與在一個高或超高真空環境上的使用完全兼容。在用於這種用途的優選實施例中，該離子槍是可烘烤的並且可以在使用之前與該真空室一起烘烤。
[0104]離子槍I總體上呈具有如現在描述地布置的一系列部件的柱體形式。該離子槍在它的上遊端具有一個高壓源室4並且通過呈進氣管2的形式的一個進氣口將氬氣(例如)從一個增壓氣缸(未圖示)引入至源室4中。氬是用於與該離子槍一起使用的優選氣體，但可以使用其他氣體並且還可以使用氣體的混合物。該進口和源室4中的氬的壓力是約4巴。在源室4的前壁8中是一個氣體膨脹噴嘴6，該噴嘴被成形和定尺寸以用於從源室4穿過該噴嘴的氬的超音速膨脹。該噴嘴是一個微製造的金屬噴嘴並且在圖3中更詳細地示出它的形狀。如圖3中所示的噴嘴6在源室4中在它的末端具有一個錐形進口 16和在一個泵抽的真空室10中終止的一個錐形出口 18，出口 18具有5度半角錐度。該進口和出口是由具有100微米直徑或更小的一個孔口 14來連接。在替代實施例中，可以使用其他形狀的噴嘴，如一個拉瓦爾噴嘴或一個音速噴嘴，後者是由一個開孔組成，該開孔沒有用於容納氣流的任何成形的區段。
[0105]該氬通過噴嘴6被膨脹至泵抽的真空室10中，該真空室是由一個真空泵(未圖示)連續抽氣至具有約0.5毫巴或更小的低真空，室10是經由抽氣孔口 12來抽氣。隨著氬膨脹穿過噴嘴6，該膨脹氣體快速冷卻並且形成了具有氬原子的團簇。隨著氣體通過其膨脹被加速至超音速，該氣體形成一個束，從而在與該噴嘴相距一段距離處創建了一個馬赫盤。就在該馬赫盤之前，使用經過精心設計以最小化對該超音速束的破壞的一個具有圓錐形外形的分離器20，從該膨脹束的中心引出團簇和非團簇的單個原子。
[0106]為了在該分析室中保持一個高真空，採用呈泵抽的真空室28形式的第二階段的差分泵抽，該泵抽的真空室是由一個真空泵(未圖示)連續泵抽至具有小於10_3毫巴、典型地4xl0_4毫巴的一個中度真空，室28是經由泵抽孔口 32來泵抽。在第二泵抽階段28之後，該束穿過一個準直器椎體34中的一個小孔口進入一個電離室38之中。電離室38，連同下游離子光學器件和質量選擇階段，經由泵抽孔口 33被連續泵抽至高真空，其中壓力是小於10_4毫巴並且典型地是10_5毫巴。
[0107]在電離室38中，通過以下方式將來自加熱的燈絲42的、熱產生的電子注入至該電離室中，即通過:使這些燈絲42在一個負電位(在這種情況下100伏特)相對於該室偏壓。該電離室中的這些團簇和這些單個氬原子中的一小部分從而通過電子碰撞被電離以便產生帶正電荷的離子。將4keV的正電壓施加至在其中產生這些離子的該電離室，並且這一正電壓決定當這些離子到達樣品24的表面時這些離子的最終能量。這一電壓因此稱為源電壓。在這種情況下由該離子束輻照的表面24被保持在接地電位。在以下這些實例中，將4keV用作該正離子源電壓但可以使用在2至20keV範圍內的電壓，儘管6keV或更少的電壓是優選的。具有寬範圍尺寸的氬團簇的離子以及具有單個氬原子的離子存在於該束中並且由一個引出電極或透鏡44從電離室38在該離子槍柱體中進一步向下遊引出，比電離室38稍微更負的一個電位被施加至該引出電極或透鏡。一旦被引出，這些離子由一個聚光透鏡46聚焦至具有3mm直徑的一個束孔口 48中，該孔口界定該離子束的有效尺寸。在操作中，如果需要，使用該聚光透鏡的散焦(de-focussing)可以允許該離子束流被減少。
[0108]該離子束然後進入大體上在50處指示的一個質量選擇器。該質量選擇器包括位於一個磁性扇區的磁場B內的一個電浮式飛行管52，該磁性扇區包括安裝於該離子槍的真空系統的外部的一個軟鐵磁體(未圖不)。磁場B被對齊為橫向於該離子束通過飛行管52的飛行方向。在圖1中磁場B是如由+符號指示被引導至圖紙之中。磁場B是可以通過安裝於該真空系統外部的一個電磁體54編程的,該電磁體產生橫向磁場。使用該電磁體來編程該磁性扇區以便使具有所選擇的質量的離子偏轉，以便如在下面更詳細描述地在一個選擇孔口 60處選擇基本上包括具有選定尺寸(質量)的氬團簇或基本上包括原子氬離子的一個束。
[0109]在現有技術設計中，其中一個束孔口和飛行管是處於接地電位，通過該飛行管的這些離子的能量將是處於由該源電壓界定的全部源能量。在這種離子光學設計中由磁場進行的任何質量選擇必須被設計成在這一能量下工作。相反，在本發明的設計中，可以將飛行管52浮動至獨立於該源電壓的一個電壓。在所示的實施例中，可以將界定束的孔口 48和飛行管52的所有區段浮動至獨立於該源電壓的一個電壓。典型地，為了選擇具有團簇的一個束，例如在要蝕刻一種「更軟的」聚合物材料的情況下，選擇將飛行管52浮動在比該源電壓小IkV的一個電壓下以便在該飛行管內產生具有IkeV能量的一個束(例如使用4keV的源電壓和3keV的飛行管電壓)。在這種配置中，這些團簇離子在比該源能量更低的能量下穿過飛行管52，從而使該質量選擇器的設計和它的光學器件更簡單。具體而言，通過降低這些團簇的能量，可以使用一個更低強度磁場以便實現對具有所要求的質量的團簇的選擇。可替代地，如果要求低源能量，那麼可以使用浮式飛行管52來加速這些離子用於質量選擇。使用該飛行管來適當地並且獨立於該源能量地調節該離子能量允許在該質量選擇器的設計中改進的靈活性。通過用一個更低電流(並且因此更低磁場)來編程電磁體54，可以選擇原子氬離子以便形成通過選擇孔口 60的束從而能蝕刻「更硬的」材料。總體上本發明的設計使得能使用一個更低強度磁場用於選擇團簇或原子離子，因為另外使用該浮式飛行管來調節該質量選擇器內的這些離子的能量，尤其是例如當選擇具有團簇的一個束時來減少這些離子的能量。而現有技術設計將要求不切實際的和昂貴的寬範圍的磁場掃描來實現類似的作用。現有技術質量選擇器設計將是不切實際的，因為要實現所要求的磁場，它們將是過大和過重的因而不能從一個典型XPS分析室上的一個埠安裝。產生更高磁場還可能要求使用更昂貴的磁性合金，這可能是花費高昂的。相反，本發明的質量選擇器可以是僅使用一個軟鐵磁體來實施。
[0110]參見圖3以便更詳細地示出該質量選擇，飛行管52形成該質量選擇器的一部分，並且安裝於該真空系統外部的磁性扇區(未圖不)的電磁體54產生一個橫向磁場B。在團簇模式中，該電磁體被編程以便使具有所選擇的質量(典型地具有高於200-2000原子的質量下限的一個質量)的團簇離子72的一個束經由2度的一個角度偏轉以便通過選擇孔口 60退出。具有更低質量的離子74被經由一個更大的角度偏轉並且不穿過選擇孔口60。具有更高質量的離子76被經由一個更小角度偏轉並且，如果足夠重，將不會穿過孔口60。類似地，將該2度偏轉結合至該離子槍柱體的設計中確保了中性團簇和原子(例如非電離的物質或由更大的團簇的碎裂形成的物質)將不會穿過孔口 60，因為它們未被該磁場偏轉。在沒有以這種方式去除中性物質的情況下，這類物質，如果具有足夠低的質量，將對該樣品造成顯著損傷。可能不會引起樣品損傷的具有高質量的中性物質仍可能導致該樣品的不均勻蝕刻，因為它們不能被偏轉電極掃描。使用一個永磁體作為該質量過濾器時這個重要益處是不可能的。在所示的實施例中描述的質量選擇器可以因此提供一個帶通過濾器。然而，如果被合適地設計，這種類型的過濾器的特性中的固有不對稱性允許這個磁性扇區有效地用作一個高通過濾器。在本申請中一個高通過濾器是比一個簡單的窄帶通過濾器更可取的，因為它產生一個更高的束流。
[0111]在穿過選擇孔口 60之後，經過質量選擇的離子穿過一對掃描偏轉器或偏轉電極62,64用於定位該束和/或在該樣品表面處執行該束的光柵或掃描功能並且最終穿過一個物鏡透鏡68以便使該束聚焦在樣品24處。在穿過該物鏡透鏡之後，該束的能量恢復至它的原始源電壓。
[0112]在一個工作模式中，一起使用偏轉器62、64和聚焦物鏡透鏡68以使該束以一種光柵圖案在樣品24的表面上聚焦和掃描以便確保在大於該束尺寸的一個弧坑(crater)上的均勻蝕刻。對於深度剖析，這種技術是比使用大面積的未聚焦的束更可取的，雖然這種未聚焦的束可以是適合於簡單應用如簡單清洗。
[0113]參見圖4，示出具有示意性電源連接的圖1的離子槍的部件。一個系統計算機(系統POlio經由一個電源接口 112控制用於這些部件的不同高壓電源114，該計算機是經由一個USB接口連接至該電源接口的。電源接口 112還控制到達該電磁體的磁性繞組的燈絲電流和磁體電流。
[0114]可以用於參見圖1至4描述的離子槍的每個工作模式的典型工作條件如下。[0115]氬團簇束模式:
[0116]進氣口壓力3.5巴
[0117]源能量電壓4，000V
[0118]引出透鏡電壓3，600V
[0119]聚光透鏡電壓3，500V
[0120]浮式飛行管電壓2，000V[0121 ] 物鏡透鏡電壓2，300V
[0122]電離能電壓-120V
[0123]扇區中的磁場 0.13特斯拉
[0124]原子氬束模式:
[0125]進氣口壓力0.6巴
[0126]源能量電壓4，000V
[0127]引出透鏡電壓3，000V
[0128]聚光透鏡電壓3，700V
[0129]浮式飛行管電壓OV
[0130]物鏡透鏡電壓2，300V
[0131]電離能電壓-70V
[0132]扇區中的磁場0.01特斯拉
[0133]在表面分析之前可以使用該離子槍來清洗一個表面或它可以被用於蝕刻一個樣品至所希望的深度。具體而言，該離子槍可以是適合用於深度剖析XPS測量，其中在該樣品表面的一個區域上進行XPS分析，而同時使用本發明的離子槍來蝕刻該區域中的這個表面以便增加該XPS分析的深度並且從而揭示該樣品在深度方向中的組成。本離子槍使得能夠通過一個團簇離子束或原子離子束的適當選擇來在軟質或硬質樣品上進行這樣的深度剖析。對於軟質材料，例如聚合物材料，用於蝕刻該表面而無對其的顯著損傷所要求的每原子能量典型地是從幾ev至幾十eV，而對於更硬的材料它可以是更高的並且可以選擇一個原子離子束。調整到達待蝕刻的材料的該離子能量的能力允許用戶優化針對待得到的化學信息的剖析。
[0134]以下實例說明本發明的不同操作。
[0135]實例I
[0136]為了說明它的有效性，從使用根據本發明的離子槍來蝕刻「按來樣的」一個PTFE聚合物樣品得到數據，該數據具有如圖5A所示的、示出該樣品的C-F2氟碳鍵連同該表面上的一層「外源碳」汙染的XPS譜。試圖用一個常規氬離子束(200eV)來去除這種表面汙染對該樣品造成如圖5B中所示化學損傷。然而，當用根據本發明的離子槍蝕刻該表面時，在團簇模式(源能量4keV ;最小團簇尺寸=200原子；最大每原子能量=20eV)中用一個團簇束蝕刻產生了如圖5C中所示的一個清潔的、未損傷的譜。
[0137]實例2
[0138]參見圖6，示出矽晶片上的XPS結果，其上最初具有一個氧化矽薄膜。圖6A示出在蝕刻之前，即在蝕刻時間=Os並且蝕刻水平=O時，來自該晶片的Si2p XPS掃描。蝕刻水平是與蝕刻的深度有關的任意單位，一旦通過使用一個校準樣品確定蝕刻速率，該蝕刻水平就可以被轉化成真實「深度」。在未蝕刻的晶片的掃描中，對於純的未氧化的矽(大峰)和氧化矽(小峰)可以看到單獨的峰。然後將離子槍設定至它的氬原子離子模式，並且在4keV的源能量下作為電離的單個氬原子的氬離子輻照該晶片的表面以便穿過該氧化矽表面膜進行深度剖析。如圖6B中所示，在178的蝕刻水平下，在該深度剖析完成之後該晶片的XPS譜顯示了僅未氧化的矽。圖6C中的XPS深度剖析示出該外源碳和該表面氧化物的逐漸去除。僅用一個團簇離子束穿過如矽和氧化矽這樣相對硬質材料的深度剖析將確實很慢。
[0139]實例3
[0140]參見圖7，示出使用該離子槍在它的團簇模式中用與實例I中相同的設定，在另一個非常精細的樣品，即PTFE基板上的一個氟聚合物膜上的深度剖析的XPS結果。眾所周知PTFE容易被離子束轟擊損傷。如圖7A中所示，在蝕刻之前和在該深度剖析過程中，觀察到一個良好分辨的氟聚合物譜，該譜示出該樣品化學性質的詳細信息。在蝕刻穿過該膜之後，觀察到如圖7B中所示的未損傷的PTFE基板的一個譜，該譜僅示出PTFE的C-F2鍵合的碳，其中沒有對應於任何斷裂的C-F或C-C鍵的峰。圖7C中所示的深度剖析示出穿過一個未損傷的氟聚合物膜至一個未損傷的PTFE膜中的轉變。
[0141]如在此使用的，包括權利要求在內，除非上下文另外說明，否則在此術語的單數形式應當理解為包括複數形式，並且反之亦然。例如，除非上下文另外說明，否則在此包括權利要求中的單數引用，如「一種」或「一個」是指「一個或多個」。
[0142]貫穿本說明書的描述和權利要求，詞語「包括」、「包含」、「具有」和「含有」以及這些詞語的變化形式(例如「包括(comprising) 」和「包含(comprises) 」等)表示「包括但不限於」並且不旨在(並且不會)排除其他部件。
[0143]應當理解的是，可以作出本發明的前述實施例的變化形式，同時仍落在本發明的範圍之內。除非另有說明，否則本說明書中披露的每個特徵可以由服務於相同、等同或類似目的的替代特徵來代替。因此，除非另有說明，否則所披露的每個特徵只是一個一般系列的等同或類似特徵中的一個實例。
[0144]使用在此提供的任何一個以及全部實例、或示例性語言(「例如」、「如」、「舉例而言」以及相似語言)，僅旨在更好地說明本發明並且不表示對本發明的範圍進行限制，除非另外要求。本說明書中的任何語言都不應當被理解為是在指示:任何未提出權利要求的元件是對本發明的實現至關重要的。
【權利要求】
1.一種可轉換的離子槍，包括: 一個氣體膨脹噴嘴，該氣體膨脹噴嘴用於在氣體原子的存在下通過一種氣體穿過該噴嘴的膨脹來產生氣體團簇； 一個電離室，該電離室用於電離這些氣體團簇和氣體原子； 一個可變質量選擇器，該可變質量選擇器用於質量選擇這些電離氣體團簇和電離氣體原子，以便產生在基本上包括電離氣體團簇與基本上包括電離氣體原子之間可變的離子束。
2.如權利要求1所述的可轉換的離子槍，其中該氣體膨脹噴嘴包括一個微製造的金屬膨脹噴嘴。
3.如權利要求1或2所述的可轉換的離子槍，其中該氣體膨脹噴嘴包括直徑不大於100微米的一個孔口。
4.如權利要求1或2所述的可轉換的離子槍，其中該可變質量選擇器包括一個磁性可變質量選擇器和用於調整在該磁性可變質量選擇器內的這些離子的能量的一個電浮式離子光學裝置。
5.如權利要求4所述的可轉換的離子槍，其中該電浮式離子光學裝置包括一個電浮式飛行管。
6.如權利要求4所述的可轉換的離子槍，其中該電浮式離子光學裝置是至少部分地定位於該磁性可變質量選擇器內。
7.如權利要求4所述的可轉換的離子槍，其中在該團簇模式中，將一個電壓施加至該浮式離子光學裝置以便當這些離子穿過該磁性扇區時阻礙這些離子，和/或在原子模式中，將一個電壓施加至該浮式離子光學裝置以便當這些離子穿過該磁性扇區時加速這些離子。
8.如權利要求4所述的可轉換的離子槍，其中該可變質量選擇器包括一個磁性可變質量選擇器，該磁性可變質量選擇器在使用中產生小於0.2特斯拉的一個磁場強度。
9.如權利要求1或2所述的可轉換的離子槍，其中這些離子是在6keV或更少的源能量下在該電離室中形成。
10.如權利要求1或2所述的可轉換的離子槍，其中可以獨立於該可變質量選擇器對這些離子的尺寸的選擇來選擇這些離子的源能量。
11.如權利要求1或2所述的可轉換的離子槍，其中在這些離子進入到該可變質量選擇器中之前，這些離子是由一個引出電極從該電離室中引出並且由一個聚光透鏡聚焦。
12.如權利要求1或2所述的可轉換的離子槍，其中該可變質量選擇器是能夠作為一個高通質量選擇器工作的。
13.如權利要求1或2所述的可轉換的離子槍，其中該可變質量選擇器包括具有一個可編程的電磁體的一個磁性扇區以便改變由該磁性扇區選擇的這些離子的質量範圍。
14.如權利要求13所述的可轉換的離子槍，其中該磁性扇區使這些質量選擇的離子遵循一個彎曲的路徑。
15.如權利要求14所述的可轉換的離子槍，其中該彎曲路徑具有在該磁性扇區的入口與出口之間的在I度與5度之間的一個彎曲。
【文檔編號】H01J37/08GK203466162SQ201190000794
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2011年10月10日 優先權日:2010年10月12日
【發明者】B.巴納德 申請人:Vg 系統有限公司