專利名稱：用于離子源的發(fā)射器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于離子源的發(fā)射器，并且更具體地，涉及用于液態(tài)金屬合金離子源(LMAIS)的發(fā)射器。本發(fā)明還涉及制造這種發(fā)射器的方法。
背景技術(shù)：
聚焦離子束(FIB)技術(shù)是半導(dǎo)體工業(yè)的一種重要工具。聚焦離子束被用于失效分析、透射電子顯微鏡樣品制備、以及電路和掩模修改。FIB微米和納米制造可用于降低傳統(tǒng)制造技術(shù)中所需的復(fù)雜性，特別是光刻、腐蝕和注入，傳統(tǒng)的制造技術(shù)對(duì)同一襯底上制造的不同部件必須符合各種要求。
FIB技術(shù)的成功是由于液態(tài)金屬離子源(LMIS)的發(fā)明。在LMIS中，通常由W、Ta、Ti或Ni制成的細(xì)小發(fā)針(hairpin)和細(xì)絲被用作發(fā)射器(參見(jiàn)圖6的左手側(cè))。并且已知有采用或不采用發(fā)針或多孔發(fā)射器的儲(chǔ)存型發(fā)射器(reservoir type emitters)。毛細(xì)管型發(fā)射器如圖6的右手側(cè)所示。
發(fā)射器由源材料浸潤(rùn)和承載。為了也在離子源工作期間浸潤(rùn)，源材料必須以液態(tài)的形式來(lái)提供。為此，可以使用電阻加熱器或電子束加熱器。然后在發(fā)射器頂端和對(duì)置電極之間施加高壓。由于在發(fā)射器頂端處的高電場(chǎng)強(qiáng)度，在發(fā)射器頂端處形成液態(tài)源材料的更小的頂端，并由之發(fā)射離子。從而，由源材料產(chǎn)生穩(wěn)定的離子束。
然而，源材料必須滿足幾個(gè)物理和化學(xué)要求。重要的是源材料是金屬的、具有較低的熔點(diǎn)和較低的蒸汽壓。然而，尤其重要的是源材料相對(duì)于細(xì)絲材料具有良好的浸潤(rùn)性能。
稀土金屬?gòu)V泛地用于激光和光通信應(yīng)用中。在稀土中，由于對(duì)應(yīng)于二氧化硅光纖中的最小吸收和色散的波長(zhǎng)的1.3微米的發(fā)射，鐠(Pr)引起了很大的關(guān)注。并且，Pr被用在Si或GaAs半導(dǎo)體中。具體地，DE10039327A1描述了Pr2O3用作MOSFET中的柵氧化物，以進(jìn)一步減小柵長(zhǎng)度。并且，F(xiàn).Machalett等人在“Praseodymium alloyion source for focused ion beam implantation insuperconductors”，Rev.Sci.Instrum.67(3)，1996中報(bào)道了Pr離子在高Tc超導(dǎo)體中的注入以形成Josephson結(jié)。
然而、S.Papadopoulos在“A study of the liquid Pr-ion source”，Phys.D，20(1987)，p.1302中報(bào)道了在接近于熔點(diǎn)的溫度下液態(tài)Pr對(duì)鎢的不良浸潤(rùn)。并且當(dāng)暴露于空氣時(shí)，液態(tài)Pr快速地氧化成Pr2O3，已知為最難熔的物質(zhì)之一。
因此，“Praseodymium alloy ion source for focused ion beamimplantation in superconductors”，Rev.Sci.Instrum.67(3)，1996的作者們采用三元合金Au-Si-Pr作為源材料。然而，Au是半導(dǎo)體工業(yè)的不合適的源材料由于其快速擴(kuò)散，Au很快地分散在半導(dǎo)體材料中并以不可控制的方式改變導(dǎo)電性。
L.C.Chao等人在“Rare earth focused ion beam implantationutilizing Er and Pr liquid alloy ion sources”，J.Vac.Sci.Technol.B17(6)，Nov/Dec 1999中描述了采用鎢線上的二元合金PrPt和PrAg的LMAIS。然而，這些源材料也會(huì)將Pt或Ag雜質(zhì)引入到半導(dǎo)體材料中。
最后，EP0620582描述對(duì)于Co離子源使用二元合金CoPr。然而，在該申請(qǐng)中，Pr只用于降低熔點(diǎn)。
因此，本發(fā)明的目的是克服與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的至少一部分缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
該目的可以通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)射器和根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法而解決。
由從屬權(quán)利要求、說(shuō)明書(shū)和附圖可以證明本發(fā)明的進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)、特征、方面和細(xì)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供用于離子源的發(fā)射器，其中所述發(fā)射器包括二元合金PrSi作為源材料。因而，根據(jù)本發(fā)明的該方面，離子源只產(chǎn)生Pr和Si離子以及少量的簇(cluster)和分子離子。因此，在采用該離子源產(chǎn)生的離子束進(jìn)行處理時(shí)，沒(méi)有雜質(zhì)會(huì)被引入到半導(dǎo)體材料中。并且，Pr離子比Si離子重得多。因此，當(dāng)構(gòu)造半導(dǎo)體表面時(shí)，Pr可以被用于快速的表面剝蝕，而較輕的Si離子可以被用于精細(xì)的剝蝕。因而，二元合金PrSi允許采用單一離子源進(jìn)行快速且精細(xì)的表面剝蝕。最后，與純Pr相比，二元合金PrSi在暴露于空氣時(shí)足夠穩(wěn)定，使得PrSi離子源可以被容易地制造和安裝。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，發(fā)射器包括優(yōu)選地由鎢或鉭制成的細(xì)絲和發(fā)針。細(xì)絲/發(fā)針涂敷有一層硅，該涂敷優(yōu)選地由濺射來(lái)進(jìn)行。該硅涂敷改善了細(xì)絲/發(fā)針材料相對(duì)于PrSi的浸潤(rùn)性能，使得發(fā)射器由PrSi源材料容易地浸潤(rùn)和承載。尤其是，浸潤(rùn)所需的溫度比在細(xì)絲/發(fā)針上涂敷硅層時(shí)低很多。并且，對(duì)于該涂敷層，硅的使用保證了即使當(dāng)發(fā)射來(lái)自涂層的材料時(shí)，也沒(méi)有雜質(zhì)被引入硅半導(dǎo)體材料中。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，硅涂敷層具有100納米到1500納米范圍內(nèi)的厚度。這保證了保持細(xì)絲/發(fā)針的微結(jié)構(gòu)。尤其是，硅涂敷層足夠薄，使得在細(xì)絲/發(fā)針上形成用于輸送液態(tài)源材料至發(fā)射器頂端的微槽沒(méi)有被阻塞。另一方面，硅涂敷層足夠厚，使得細(xì)絲/發(fā)針的材料被完全涂敷，并在操作時(shí)也保持被涂敷。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造用于離子源的發(fā)射器的方法。根據(jù)該制造方法，提供細(xì)絲/發(fā)針，以熔融(液態(tài))狀態(tài)提供二元合金PrSi，采用所述液態(tài)PrSi浸潤(rùn)細(xì)絲/發(fā)針，最后，所述細(xì)絲/發(fā)針承載所述液態(tài)PrSi的液滴。


在下文的描述中將描述本發(fā)明的一些上述或其它更多的細(xì)節(jié)方面，具體地參照附圖來(lái)說(shuō)明。其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的發(fā)射器的特性曲線。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施方式產(chǎn)生的離子束質(zhì)譜。
圖3表示圖2所示的質(zhì)譜的較下部分的放大圖。
圖4表示根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的發(fā)射器特性曲線。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施方式的發(fā)射器特性曲線。
圖6表示細(xì)絲和發(fā)針型發(fā)射器和毛細(xì)管型發(fā)射器。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施方式1細(xì)絲和發(fā)針由0.2毫米厚的鎢線制作，然后彼此點(diǎn)焊在一起。發(fā)針的頂端被折疊，并產(chǎn)生朝著頂端延伸的微槽，用于向頂端輸送液態(tài)源材料。隨后，在細(xì)絲和發(fā)針上濺射700納米厚的硅涂敷層。
PrSi源材料提供有11％Si和89％Pr。它在直接加熱的鉭坩堝內(nèi)在高真空下熔化。共晶PrSi合金具有732℃的熔點(diǎn)。共晶PrSi合金的優(yōu)點(diǎn)是熔點(diǎn)比所有其它比例的Pr和Si低。并且，該比例的Pr和Si也將在離子束中被恒定地維持，使得沒(méi)有組分在其它組分之前被完全消耗。
然后，預(yù)加熱的經(jīng)涂敷的細(xì)絲和發(fā)針與共晶PrSi熔體接觸。由于粘聚性，液態(tài)PrSi材料開(kāi)始流動(dòng)到細(xì)絲和發(fā)針上，從而在細(xì)絲和發(fā)針上形成液態(tài)PrSi的薄層。因而，經(jīng)涂敷的細(xì)絲和發(fā)針由液態(tài)PrSi合金浸潤(rùn)。隨后，浸潤(rùn)的細(xì)絲和發(fā)針承載液態(tài)PrSi的液滴。典型地，液滴具有大約1到3立方毫米的體積。在732℃到1100℃的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)和承載。
本發(fā)明的該實(shí)施方式的特性曲線如圖1所示。其中，方塊表示當(dāng)提取電壓增加時(shí)的束流，而圓表示當(dāng)提取電壓減小時(shí)的束流。
圖1中的束流特性不是太陡峭，使得源的束流可以有效地控制在1μA至30μA的范圍內(nèi)。并且，離子源的起動(dòng)電壓非常適中。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施方式的PrSi發(fā)射器的質(zhì)譜。其中示出了141Pr1+和141Pr2+離子形成主要份數(shù)，如同由二元合金中Pr和Si的比例預(yù)見(jiàn)的那樣。并且28Si1+和28Si2+離子是主要的Si離子物質(zhì)。
圖3表示圖2的質(zhì)譜的更加差異化的分析，給出了離子束中所含的離子物質(zhì)較小份數(shù)的放大圖。其中，也可以清楚地看到Si線的29Si2+和30Si2+離子。并且在離子束中包含離子化的28Si21+分子。除此之外，在離子束中還包含PrSi1+、PrSi2+甚至PrSi21+分子。應(yīng)當(dāng)注意只存在著單一的141Pr同位素。
實(shí)施方式2細(xì)絲和發(fā)針由0.2毫米厚的鎢線制作，然后彼此點(diǎn)焊在一起。發(fā)針的頂端被折疊，并產(chǎn)生朝著頂端延伸的微槽，用于向頂端輸送液態(tài)源材料。隨后，在細(xì)絲/發(fā)針上濺射500納米厚的硅涂敷層。
PrSi源材料提供有11％Si和89％Pr。它在直接加熱的鎢坩堝內(nèi)在高真空下熔化。
然后，預(yù)加熱的經(jīng)涂敷的細(xì)絲和發(fā)針與共晶PrSi熔體接觸。由于粘聚性，液態(tài)PrSi材料開(kāi)始流動(dòng)到細(xì)絲和發(fā)針上，從而在細(xì)絲和發(fā)針上形成液態(tài)PrSi的薄層。因而，經(jīng)涂敷的細(xì)絲和發(fā)針由液態(tài)PrSi合金浸潤(rùn)。隨后，浸潤(rùn)的細(xì)絲和發(fā)針承載液態(tài)PrSi的液滴。典型地，液滴具有大約1到3立方毫米的體積。在732℃到1100℃的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)和承載。
采用3.0A的加熱電流在1×10-6托的真空下加熱發(fā)射器。施加3.0kV到4.0kV范圍內(nèi)的提取電壓，以產(chǎn)生5μA到30μA范圍內(nèi)的發(fā)射電流。第二實(shí)施方式的質(zhì)譜幾乎與圖2和3中所示的相同。
在第一PrSi承載的大部分由于離子發(fā)射而消耗之后，實(shí)現(xiàn)相同發(fā)射器的第二次承載。采用3.2A的加熱電流在8×10-6托的真空下加熱發(fā)射器。施加2.8kV到3.8kV范圍內(nèi)的提取電壓，以產(chǎn)生3μA到20μA范圍內(nèi)的發(fā)射電流。第二次承載的質(zhì)譜幾乎與圖2和3中所示的相同。
因而，舉例說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的發(fā)射器可以被重新使用。
實(shí)施方式3細(xì)絲和發(fā)針由0.2毫米厚的鎢線制作，然后彼此點(diǎn)焊在一起。發(fā)針的頂端被折疊，并產(chǎn)生朝著頂端延伸的微槽，用于向頂端輸送液態(tài)源材料。隨后，在細(xì)絲/發(fā)針上蒸發(fā)300納米厚的金涂敷層。
PrSi源材料提供有11％Si和89％Pr。它在直接加熱的鉭坩堝內(nèi)在高真空下熔化。然后，預(yù)加熱的經(jīng)涂敷的細(xì)絲和發(fā)針與共晶PrSi熔體接觸。由于粘聚性，液態(tài)PrSi材料開(kāi)始流動(dòng)到細(xì)絲和發(fā)針上，因而在細(xì)絲和發(fā)針上形成液態(tài)PrSi的薄層。因而，經(jīng)涂敷的細(xì)絲和發(fā)針由液態(tài)PrSi合金浸潤(rùn)。隨后，浸潤(rùn)的細(xì)絲和發(fā)針承載液態(tài)PrSi的液滴。典型地，液滴具有大約1到3立方毫米的體積。在732℃到1100℃的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)和承載。
本發(fā)明的第三實(shí)施方式的特性曲線如圖4所示。其中，方塊表示當(dāng)提取電壓增加時(shí)的束流，而圓表示當(dāng)提取電壓減小時(shí)的束流。圖4所示的束流特性幾乎是線性的，使得離子源的束流可以有效地控制在5μA至30μA的范圍內(nèi)。然而，離子源的起動(dòng)電壓高于第一實(shí)施方式。
實(shí)施方式4細(xì)絲和發(fā)針由0.2毫米厚的鎢線制作，然后彼此點(diǎn)焊在一起。發(fā)針的頂端被折疊，并產(chǎn)生朝著頂端延伸的微槽，用于向頂端輸送液態(tài)源材料。隨后，在細(xì)絲/發(fā)針上蒸發(fā)500納米厚的金涂敷層。
PrSi源材料提供有11％Si和89％Pr。它在直接加熱的鉭坩堝內(nèi)在高真空下熔化。然后，預(yù)加熱的經(jīng)涂敷的細(xì)絲和發(fā)針與共晶PrSi熔體接觸。由于粘聚性，液態(tài)PrSi材料開(kāi)始流動(dòng)到細(xì)絲和發(fā)針上，因而在細(xì)絲和發(fā)針上形成液態(tài)PrSi的薄層。因而，經(jīng)涂敷的細(xì)絲和發(fā)針由液態(tài)PrSi合金浸潤(rùn)。隨后，浸潤(rùn)的細(xì)絲和發(fā)針承載液態(tài)PrSi的液滴。典型地，液滴具有大約1到3立方毫米的體積。在732℃到1100℃的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)和承載。
本發(fā)明的第三實(shí)施方式的特性曲線如圖5所示。其中，方塊表示當(dāng)提取電壓增加時(shí)的束流，而圓表示當(dāng)提取電壓減小時(shí)的束流。圖5所示的束流特性不是陡峭的，使得離子源的束流可以有效地控制在2.5μA至30μA的范圍內(nèi)。然而，離子源的起動(dòng)電壓高于第三實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種用于離子源的發(fā)射器，其中所述發(fā)射器包括二元合金PrSi。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中該P(yáng)rSi二元合金的形式是PrxSi1-x，x＝0.89±0.10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的發(fā)射器，其中該P(yáng)rSi二元合金是共晶的。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的發(fā)射器，其中所述發(fā)射器是細(xì)絲和發(fā)針型、具有發(fā)針的儲(chǔ)存型、沒(méi)有發(fā)針的儲(chǔ)存型或多孔型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)射器，其中所述細(xì)絲和/或發(fā)針由鎢、鉭、鈦或鎳制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的發(fā)射器，其中所述細(xì)絲和/或發(fā)針涂敷有中間層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)射器，其中所述中間層包括硅作為主要的組分。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)射器，其中所述中間層包括金作為主要的組分。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)射器，其中所述發(fā)射器是多孔型，顆粒在處理前涂敷有Si或Au。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的發(fā)射器，其中所述中間層的厚度在100納米到1500納米的范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求6至8或10中任一項(xiàng)所述的發(fā)射器，其中所述中間層具有300納米、500納米或700納米的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的發(fā)射器，其中所述發(fā)針和細(xì)絲包括沿著朝向針頂端的方向延伸的微槽。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的發(fā)射器，其中所述微槽由腐蝕或研磨產(chǎn)生。
14.一種制造用于離子源的發(fā)射器的方法，包括以下步驟提供細(xì)絲和發(fā)針；提供PrSi的熔體；由所述PrSi的熔體浸潤(rùn)所述細(xì)絲和發(fā)針；在所述細(xì)絲和發(fā)針已經(jīng)由所述PrSi熔體浸潤(rùn)之后，使所述細(xì)絲和發(fā)針承載所述PrSi熔體的液滴。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中熔融的PrSi二元合金的形式是PrxSi1-x，x＝0.89±0.10。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其中熔融的PrSi二元合金是共晶的。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求14至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述細(xì)絲和發(fā)針由鎢、鉭、鈦或鎳制成。
18.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項(xiàng)所述的方法，其中在所述細(xì)絲和知發(fā)針的浸潤(rùn)之前，所述細(xì)絲和發(fā)針涂敷有中間層。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述中間層包括硅或金作為主要的組分。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述中間層的厚度在100納米到1500納米的范圍內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18至20中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述中間層具有300納米、500納米或700納米的厚度。
22.根據(jù)權(quán)利要求18至21中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述中間層的材料通過(guò)濺射或蒸發(fā)在所述細(xì)絲和發(fā)針上產(chǎn)生。
23.根據(jù)權(quán)利要求14至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述細(xì)絲和發(fā)針的浸潤(rùn)和承載在732℃至1100℃范圍內(nèi)的溫度實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
提供一種用于離子源的發(fā)射器，尤其用于液態(tài)金屬合金離子源(LMAIS)。該發(fā)射器包括二元合金PrSi作為源材料。
文檔編號(hào)H01J27/02GK1737987SQ200510088410
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月28日
發(fā)明者沃爾夫?qū)て柶? 洛塔爾·比索夫 申請(qǐng)人:Ict半導(dǎo)體集成電路測(cè)試有限公司