Способ и устройство для направления пучка нейтральных частиц

Способ и устройство для направления пучка нейтральных частиц

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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 CH₄, 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.

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 N₁ 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.

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_Acc, обычно равным, например, от около 1 кВ до 70 кВ (но не ограничиваясь этим диапазоном - возможны значения V_Acc 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_Acc), 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_Acc). Для других зарядовых состояний газовых кластерных ионов и ускоряющих потенциалов энергия, полученная при ускорении, в пересчете на кластер, составляет q·V_Acc 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.

Для гомогенного газового кластерного иона, содержащего N мономеров и имеющего зарядовое состояние q, ускоренного разностью потенциалов электрического поля V_Aсс вольт, кластер будет иметь энергию, приблизительно равную q·V_Acc/N_I эВ на мономер, где N_I - 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_Acc/N_I эВ в газовый кластерный ион. Эта энергия относительно невелика по сравнению с полной энергией газового кластерного иона (q·V_Acc) 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_Acc/N_I 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_Acc/N_I эВ. Для небольших газовых кластерных ионов энергия столкновения с мономерами остаточного газа, вероятно, подвергнет сильной и по