專利名稱：具有安裝在可移動安裝件中的電極的離子束加速設(shè)備的制作方法
具有安裝在可移動安裝件中 的電極的離子束加速i殳備
本發(fā)明涉及一種用于離子束加速的設(shè)備。更具體地，涉及一種 用在諸如賊射的離子束技術(shù)中的、用于低束電壓離子加速的設(shè)備。 另外，本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生帶電粒子束的設(shè)備。
離子束已經(jīng)被用在存儲介質(zhì)工業(yè)中的磁性薄膜器件以及微電子 工業(yè)中的部件的生產(chǎn)中許多年。具體地，離子束4皮用在石更盤驅(qū)動器 的薄膜磁頭的生產(chǎn)中。在存儲介質(zhì)工業(yè)中所使用的薄膜磁性傳感器 的制造中，層界面的質(zhì)量是重要的。
可以以多種方式^f吏用離子束來改變薄膜的結(jié)構(gòu)，例如，通過'減 射沉積、濺射蝕刻、打磨或表面平坦化。在該上下文中，認(rèn)為柵極
寬離子束源(gridded broad ion beam source )比非柵4及源更適合于揭二 供可用的單色離子束流。
在半導(dǎo)體中，薄膜和材料工業(yè)離子注入是用于將離子嵌入到材 料的晶格中以改變其電學(xué)屬性的一種已知技術(shù)。制造出的許多微器 件和納米器件依賴于薄膜界面的詳細(xì)性質(zhì)來提高操作效率。因此， 可以理解，在器件和薄膜制造技術(shù)中，產(chǎn)生原子級的平坦化表面 (atomically smooth surfaces )的能力4分;寅了重要角色。
在諸如石更盤驅(qū)動器讀》茲頭(hard disc drive read heads )的薄月莫》茲 性傳感器的制造中所使用的加工處理被廣泛地限定為兩個不同的階 段。第一階段涉及在平坦的晶片上形成傳感器，該階段通常稱為晶 片制造。這個階^殳，也稱為前端處理，圍繞著對圓形或方形晶片上的薄力莫的連續(xù)應(yīng)用和圖案4匕。該前端處^里<吏用平面外延或沉*積4支術(shù) 來構(gòu)建成為有源器件的納米結(jié)構(gòu)。該平面4支術(shù)構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)。該晶
片的大小不同，^旦最大的通常直徑約為200mm。
曰"曰ji^"迅"S奮i亍^r 風(fēng)刀r午夕'j ，久"j +刀害寸晶片開開^臺弟一 階段，該第二階段可以被稱為滑板制造(slider fabrication),或者被 稱為后端處理。這里，將晶片切割為多個條(稱為行條(rowbar)) 并將其組裝到壓^反上。后端處理納米才幾力cr工(nano-machine )垂直 于晶片平面的表面。前端處理和后端處理^^需要4氐功率離子打磨應(yīng) 用和高功率離子打磨應(yīng)用。
在典型的離子束源(或離子槍)中，通過將氣體或蒸汽導(dǎo)入低 壓方文電室來產(chǎn)生等離子體。對于直流源，該室包含熱的負(fù)才及和正才及， 其中，正極用于從等離子體中去除電子并將經(jīng)過一個屏柵極(screen grid)或多個屏才冊極的多余的正帶電離子送給到耙室，該靶室凈皮抽 到比放電室更低的氣壓。通過電子碰撞電離，在放電室中形成離子 并且離子通過隨才幾熱運動在離子4全的體內(nèi)運動。
更普遍使用高頻放電而不是通過電弧來激發(fā)現(xiàn)代的離子源。采 用范圍在約500 kHz至約60 MHz的射頻，盡管可更普遍采用范圍 在約13 MHz至約60 MHz的射頻。也存在4吏用孩史波激發(fā)的器件。
因此，該等離子體將呈現(xiàn)高于其所接觸的任一表面的電勢的正 等離子體電勢?？梢允褂秒姌O的各種配置，電極的電勢被單獨控制。 在多棚4及系統(tǒng)中， 一皮離子石並撞的第一電才及通常是正偏壓的，而第二 電極是負(fù)偏壓的。另 一柵極可以用于使從離子源發(fā)出的離子減速， 以提供具有或多或少均勻的能量的準(zhǔn)直的離子束。對于離子濺射， 將耙;故置在靶室中，在靶室中耙可以被離子束撞擊(通常以斜角)， 而襯底(材料將被濺射到其上)放置在濺射的材料可以撞擊到其上
5的位置。當(dāng)將要實施濺射蝕刻、打磨或表面平坦化時，將襯底放置 在離子束的^各徑中。
因此，在典型的離子槍中，到達(dá)多孔提取柵極組件(multi-aperture extraction grid assembly )的離子首先遇到正4扁壓的電才及。與該才冊才及 相關(guān)聯(lián)的是等離子體鞘(sheath)?？缭皆撉剩入x子體和柵極之間 的電勢差下降。該加速電勢會將鞘區(qū)域中的離子吸引到第 一柵極。 穿過該第 一柵-才及的孑L并進(jìn)入正偏壓的第 一斥冊才及和負(fù)偏壓的第二4冊才及 之間的空間的任何離子在強電場中劇烈加速。由于離子經(jīng)過第二柵 極中的孔并飛到接地的、導(dǎo)電的靶上，其穿過減速場。然后，該離 子到達(dá)接地的靶，其中，其能量等于正的第一4冊極的電勢加上鞘的 電勢。
因此，傳統(tǒng)的離子才全包括帶電粒子源，該帶電粒子源通過4冊極 對之間產(chǎn)生的、外部施加的電場被加速。傳統(tǒng)地，對于低能離子束 生成，使用三個柵極(盡管可以使用更多)，第一個^皮保持在正電勢， 第二個被保持在適合于給出最佳散度(divergence )的負(fù)電勢，而第 三個(如果存在的話)處于地電勢，即，在其中產(chǎn)生該束的室的電 勢。
對于生產(chǎn)薄膜磁性器件，該工藝限制是受限的衍射，使得難以 達(dá)到必要的離子束大小。隨著薄膜磁性器件變得更小，對該工藝的 限制變得更加苛求，并且難以實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)低能離子束。對于跨越一個 相對大的晶片面積需要高功率級的處理，存在許多呈現(xiàn)技術(shù)挑戰(zhàn)的 問題。 一個這樣的挑戰(zhàn)是這種應(yīng)用要求高集成的束電流和相對低的 束電壓。另一挑戰(zhàn)是束的散度特性需要非常好。這兩個屬性是難以 利用低于1000 V的束能量實現(xiàn)的，但使用英國專利申請0612915.9 和0622788.8 (通過引用的方式將它們結(jié)合到本文中)中所描述的才支 術(shù)成功地示范了這兩個屬性。對于在低束能下需要高打磨效率(milling rate )的處理，已知束 均勻性隨著加速器老化而衰減。對于均勻性衰減的一個重要原因是 加速器內(nèi)的柵極的移動所導(dǎo)致的加速器的物理不穩(wěn)定性。包括離子 加速器柵極的這些柵極具有對特定應(yīng)用優(yōu)選的各種參數(shù)。這些參數(shù) 中的一個是電極間分離，而另一個是孔對準(zhǔn)。電極間分離和/或孔對
動，導(dǎo)致束準(zhǔn)直的損失。這種擾動最終將對離子加速器執(zhí)行高功率 應(yīng)用和4氐功率應(yīng)用的能力造成負(fù)面影響。
柵極尺寸或安裝位置的扭曲起因于熱應(yīng)力(thermal stress )。盡 管在加速器上沒有非常大的熱負(fù)荷，但其基本上隔離在真空環(huán)境內(nèi)。 通過圍繞第一柵極的外部設(shè)置固定安裝件(mount)可以相對容易 地定位該第一4冊極；在真空內(nèi)的熱隔離環(huán)境中定位第二柵極和第三 柵極，從而可以只通過輻射來散熱。當(dāng)出現(xiàn)柵極的未對準(zhǔn)或扭曲時， 有必要暫停處理，使得可以重新調(diào)整這些柵極，導(dǎo)致了若干天的低 維護(hù)平均時間，這反過來導(dǎo)致了該處理設(shè)備的耗費大的停機時間。
為了便于參考，下文中將柵極稱為電極。
一個已知的用于散去來自電極的熱量并使扭曲最小化從而提高 維護(hù)平均時間的建議是在電極內(nèi)設(shè)置通道，可以使流體流過通道以 對電極進(jìn)行有效冷卻。盡管這些設(shè)置可以解決該問題，但對于許多 應(yīng)用來說，這被認(rèn)為是極其昂貴的。
本發(fā)明旨在解決與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)聯(lián)的這些問題并提供一種用于 產(chǎn)生由于電極上的熱致應(yīng)力而具有低束散度(divergence,發(fā)散)的 離子束的系統(tǒng)，其以節(jié)約成本的方式導(dǎo)致了電極的未對準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明的第 一個方面，提供了 一種用于使離子束加速的設(shè) 備，該設(shè)備包括安裝在可移動安裝件中的至少一個電極。在優(yōu)選配置中，該設(shè)備包括多個電極，多個電極中的至少一個電極被安裝在 可移動安裝件中。
在進(jìn)一步的優(yōu)選配置中，該設(shè)備包括第一電才及，具有從中穿 過的至少一個孔；第二電極，被定位為使得其鄰近于第一電極并與 第一電才及間隔開，并具有/人中穿過的至少一個孔；以及第三電才及， 被定位為使得其鄰近于第二電極并與第二電極間隔開，并具有從中 穿過的至少 一個孔，每個電極中的所述至少 一個孔與其他電極中的 相應(yīng)孔對準(zhǔn)；并且其中，第一電才及、第二電才及、及第三電才及中的至 少一個^皮安裝在可移動安裝件中。更優(yōu)選地，這些電極中的每一個 都被安裝在可移動安裝件中。
通過"可移動安裝件"，我們意味著安裝件可平移移動，即，安 裝件的位置(并因此該組件內(nèi)的電極)可以相對于該組件移動，和/ 或該運動可以是徑向的，也就是說，其可以向外膨脹以適應(yīng)電極中 的任何膨脹并從而防止其變形。
在存在多個電極的情況下，可移動安裝件可以使每個電極獨立 移動。
在存在多個可移動安裝件的情況下，對某些或全部的電扭/使用 的可移動安裝件使得即使在設(shè)備中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的影響下也能夠 達(dá)到恒定的束穩(wěn)定性和改善的束均勻性。這最終導(dǎo)致更長的維護(hù)平 均時間并縮短加速器的耗費大的停機時間。
在存在多個電極的情況下，配置可移動安裝件來保持所述多個 孔中的每一個的對準(zhǔn)，從而提供改善的孔對準(zhǔn)的穩(wěn)定性和電極間的 分離。
可以4吏用任何適合的可移動安裝件。在一種配置中，其可以是 熱隔離的安裝件。在優(yōu)選配置中，該安裝件是徑向運動的安裝件。
8從光學(xué)應(yīng)用中得知這種安裝件。在電極是上面詳細(xì)描述的第一、第 二、及第三電極的情況下，第一電極可以是束形成電極，第二電極 可以是纟是取電才及，以及第三電才及可以是4妄地電才及。附加i也或可替換 地，第一電極可以是發(fā)散靜電透鏡，而第三電極可以是聚焦靜電透 鏡。在這種配置中，設(shè)置了發(fā)散靜電透鏡和聚焦靜電透鏡，這導(dǎo)致 了高度準(zhǔn)直的束。
本發(fā)明的加速器可以用在用于產(chǎn)生帶電粒子束的設(shè)備中，并因 此根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種用于產(chǎn)生帶電粒子束的設(shè) 備，該設(shè)備包括等離子體室，用于在等離子體室中產(chǎn)生包括第一極
性的粒子和相反的第二極性的帶電粒子的等離子體的裝置；用于將 第 一極性的粒子限制在等離子體室中的裝置；以及根據(jù)上述第 一方 面的加速器，其中，第一電極與等離子體接觸。
下文中將參考附圖以實例的方式進(jìn)一 步描述本發(fā)明，其中

圖1是4艮據(jù)本發(fā)明的電才及配置的截面如圖1所示，本發(fā)明提供了三極管形式的離子加速器100。該 三極管配置包括第一束形成電極102、第二提取電極104、及被稱為 4姿地電4及的第三電才及106。所有電極都具有/人中穿過的孔，并且每 個孔都是平的并且具有關(guān)于孔中心的旋轉(zhuǎn)對稱或圓對稱。串聯(lián)地配 置這些電極使得這些電極的孔基本對準(zhǔn)。電極102、 104、及106被 安裝到加速器100的主體部分108上。
為了提供對抗加速器中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的穩(wěn)定性，利用安裝件 112、 113、及114將各個電才及安裝到加速器100的主體部分108上。 配置各個安裝件112、 113、或114來提供各個電極與加速器100的 主體部分108的熱隔離。才是取電才及104和4妄地電極106可以祐:;改置在真空環(huán)境(i者如真空室110)中，并與束形成電才及102熱隔離。 可替換地，所有三個電極都可以放置在真空環(huán)境中。
配置安裝件112、 113、及114，使得當(dāng)電極102、 104、及106
和主體部分變熱時，它們允許各個電才及相只于于4皮此以及相對于加速 器100的主體108徑向移動。在這點上，該安裝件^皮"i兌成具有兩個 自由度。這才羊的安裝件通常凈皮稱為徑向運動(radial kinematic )安裝 件。在電極和加速器變熱時，該安裝件允許電極徑向膨脹，這防止 了電纟及在熱致應(yīng)力的影響下變形。
該電4及或各個電4及可以具有任意適合的幾4可結(jié)構(gòu)并且可以是通 過引用結(jié)合到本文中的GB0612915.9和GB0622788.7中所描述的結(jié) 構(gòu)。該電才及可以包^"傾^l"的切去部分或非傾殺+的孔l侖廓。該孔可以 具有任意適合的形狀(諸如圓形)。
在本發(fā)明的優(yōu)選配置中，從加速器100中提取的最終束能(beam energy )由束形成電極102和接地電極106之間的電勢差所限定， 而束電流由束形成電極102和提取電極104之間的電勢差所限定。 假設(shè)接地電極106被固定在地電勢，則束形成電極102的電勢也是 固定的。因此，接著在束準(zhǔn)直(beam collimation)要求的限制下， 提取電極104的電勢可以被固定到所期望的任意值。這種類型的加 速器被稱為加速-減速加速器，這是因為束首先被強烈地加速，之 后^皮幾乎同樣強烈地延遲(減速)。
權(quán)利要求
1.一種用于使離子束加速的設(shè)備，包括安裝在可移動安裝件中的至少一個電極。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述設(shè)備包括多個電極， 所述多個電極中的至少一個電極被保持在可移動安裝件中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，包括第一電極，具有從其中穿過的至少一個孔；第二電極，被定位為使得其鄰近于所述第一電極并與所述 第一電4 l間隔開，并具有/人其中穿過的至少一個孔；以及第三電才及，#:定位為使得其鄰近于所述第二電極并與所述第二電極間隔開，并具有/人其中穿過的至少一個孔，每個電4及中的所述至少 一個孔與其〗也電4及中的相應(yīng)孔對 準(zhǔn)；并且其中，所述第一電極、所述第二電極、及所述第三電 極中的至少一個被安裝在可移動安裝件中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，每個電極都被安裝在可移 動安裝件中。
5. 才艮據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，配置可移動安裝件^吏得在 4吏用中每一個所述孔只于準(zhǔn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的設(shè)備，其中，所述安裝件 是熱隔離的安裝件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的設(shè)備，其中，所述安裝件 是徑向運動安裝件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括主體部， 并且其中，所述可移動安裝件被附著到所述主體部并與所述主 體4卩熱隔離。
9. 一種用于產(chǎn)生帶電粒子束的設(shè)備，包括等離子體室，用于在 所述等離子體室中產(chǎn)生等離子體的裝置，所述等離子體包括第 一極性的粒子和第二極性的相反帶電粒子；用于將所述第一招_ 性的粒子限制在所述等離子體室中的裝置；以及根據(jù)權(quán)利要求 l至9中任一項的加速器，其中，所述第一電極與所述等離子 體接觸。
全文摘要
一種用于使離子束加速的設(shè)備(100)，包括安裝在可移動安裝件(112、114)中的至少一個電極(102、104、106)。
文檔編號H01J37/15GK101542675SQ200880000419
公開日2009年9月23日 申請日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者安德魯·詹姆斯·蒂莫西·霍姆斯, 默文·霍華德·戴維斯 申請人:諾爾迪克技術(shù)服務(wù)有限公司