[0001] 本发明总体涉及电离室芯片、纳米孔离子源、质子束写入(c-PBW)系统，尤其涉及一种紧凑的c-PBW系统以及一种制造电离室芯片的方法。

[0002] 整个说明书中对现有技术的任何提及和/或讨论都不应以任何方式被认为是承认该现有技术是众所周知的或构成本领域公知常识的一部分。

[0003] 质子束写入(Proton Beam Writing,PBW)是由新加坡国立大学离子束应用中心[1-3](CIBA-NUS)开发的一种直写光刻技术，该技术采用聚焦质子来制备三维纳米结构 。与电子束光刻(Electron Beam Lithography,EBL)相比，PBW的优点是质子比电子重约1800倍，这使得质子将更少的能量转移给二次电子，从而进一步渗透到材料中，并沿其在抗蚀剂中的路径沉积恒定的能量[4]。具有这些独特的特征，PBW可以制备纳米结构而没有邻近效应[3,5]
(proximity effects)，并具有光滑的侧壁 。当前，PBW在光斑尺寸(spot size)和通量(throughput)方面的性能受到当前PBW系统中可用的射频(Radio Frequency,RF)离子源的低亮度(约20A/m2srV)的限制[6,7]。因此，需要高亮度离子源以进一步改善PBW系统的性能。

[0004] 降低的亮度是例示束质量的重要参数，例如束电流密度、束角展度(beam angular spread)和束能量展度(beam energy spread)[8,9]。减小虚拟源尺寸是获得高亮度离子源的一种实用的方法[10]。高亮度离子源，例如液态金属离子源(Liquid Metal Ion Source,LMIS)和气田电离源(Gas Field Ionization Source,GFIS)，具有较小的虚拟源尺寸。LMIS是使用最广泛的高亮度离子源，其尖锐的尖端上有一个液态金属容器[11-13]。强电场用于将液态金属拉至尖锐的电喷雾锥，即泰勒锥[14]。

[0005] 同时，该强电场还通过场蒸发在泰勒锥的尖端产生离子。最常用的LMIS是Ga-LMIS，但其他几种金属(例如Al、In、Sn、Cs、Bi、Au)以及合金金属(例如Au-Si、Au-Ge、Si-Be-Au、Ni-B-Pt)也被使用[11]。Ga-LMIS的典型虚拟源尺寸约为50nm，降低的亮度约为106A/m2srV，其典型能量展度约为5eV[11,15,16]。但是，LMIS中离子的选择仅限于金属离子，并且能量展度会导致高色差。GFIS最近成为高亮度离子源的一种可能的选择，其基于强电场产生的场电离[17-19]。一个强电场集中在一个金字塔尖端的顶点，该顶点处有三个原子。GFIS主要用于生成He离子和Ne离子[19,20]。对于He-GFIS，降低的亮度可以达到109A/m2srV，能量展度为1eV[21]。由于三原子的尖端，较小的虚拟源尺寸(小于1nm)导致具有较高的亮度[22,23]。尽管GFIS可以提供极高亮度的离子束，但受到可用离子种类的限制。获得高亮度离子源的另一种方法是减小束角展度，这可以通过降低离子源工作温度(小于100uK)来实现。这种在低温下运行的离子源(通常通过激光冷却来实现)被称为冷原子离子源。这些离子源的理论的降低的亮度约为107A/m2srV，能量展度小于0.5eV[24-27]。使用激光冷却的Cr原子和Li原
4 2 [28] 3 2 [29]
子，分别获得了具有2.25×10 A/msrV 和6×10A/m srV 的降低的亮度的束。尽管这些离子源可以提供高亮度离子束，但它们并未被设计用于产生高亮度质子束。代尔夫特理工大学的带电粒子光学组已经报道了一种纳米孔离子源(Nano-Aperture Ion Source,NAIS)，其估计亮度为106A/m2srV[30]。该NAIS有望产生高亮度的质子束。因此，NAIS是10纳米以下PBW系统的潜在候选者，该系统可以提供高通量。该系统有望实现与EBL相当的写入速度，而不会产生不期望的邻近效应[31]。

[0006] 本发明的实施例试图解决一个或多个上述需求。

[0007] NAIS的机制是在亚微米电离室中从电子-气体碰撞中提取离子，该碰撞产生电离。这是一种简单可靠的生成各种类型的离子的电离方法。NAIS的优势在于将虚拟源尺寸减小到亚微米级，同时以小芯片偏压(约1V)保持强电场(约107V/m)，从而产生1eV的离子能量展度[30]。此外，NAIS的多功能性使其可以方便地选择从低Z(原子序数)气态元素到重Z气态元素的不同离子种类，以适应不同的应用。发明人已经认识到，这些优点在很大程度上取决于电离室提供高亮度离子。发明人发现，现有的NAIS的离子亮度在很大程度上受到电离室的大尺寸(高600nm)、厚氮化硅膜(1um)和大双孔(1.5um)的限制[32,33]。因此，根据本文描述的本发明的示例性实施方式制备改进的电离室，以进一步提高NAIS的性能。

[0008] 在一个非限制性示例性实施例中，如图1所示，通过将两个芯片202、204与相应的氮化硅膜203、205结合来制造大约或恰好7mm×1mm×300nm的NAIS电离室，在一个示例性实施例中通过胶合。在该示例性实施例中可以使用微机电系统(MEMS)技术。图2示意性地示出了根据非限制性示例性实施例的分步制造过程。如步骤(e)所示，电离室200由分别为大约或恰好400um厚的<100>硅晶片的顶部芯片202和底部芯片204形成。根据示例性实施例，硅晶片是双面抛光的，其两侧均具有大约或恰好是280nm的低压化学气相沉积(LPCVD)氮化硅。为了有利地实现批量生产，根据示例性实施例，顶部芯片202和底部芯片204被设计为彼此相同。在示例性实施例中，为了产生气体入口206、电子束入口208窗口和离子束出口209窗口(入口208窗口和出口209窗口在下文中也被共同称为双孔211)，每个晶片202、204的前侧旋涂大约或恰好2.5um厚的AZ 1518光致抗蚀剂(未示出)，然后在100℃下进行大约或恰好50s的软烤。随后，在示例性实施例中，使用大约或恰好405nm的激光对光致抗蚀剂进行曝光，以形成窗口的掩模区域。在示例性实施例中，将具有暴露的掩模区域的光致抗蚀剂在用去离子水稀释至1：4的AZ 400k显影剂中显影大约或恰好1分钟。然后，如步骤(a)所示，在示例性实施例中，通过深反应离子蚀刻(DRIE)，以大约或恰好48sccm(标准立方厘米每分钟)CHF3、5sccm O2、15Pa压力、250W射频功率的工艺参数，将窗口的图案开口转移到顶部芯片202和底部芯片204的氮化硅层210上，形成开口212、214。随后，在示例性实施例中，在丙酮中剥离残留的AZ 1518抗蚀剂，通过在氢氧化钾中蚀刻暴露的Si来打开入孔(access holes)216、218(步骤(b))，从而形成自支撑氮化硅膜220。在示例性实施例中，通过磁控溅射将导电层219(在一个示例性实施例中，大约或恰好为10nm Cr和20nm Au)沉积在晶片
202、204的形成开口212、214和入孔216、218的一侧(以下称为正面，以便于参考)而形成电极(步骤(c))。在完成晶片202、204的正面的工艺步骤之后，在晶片202、204的背面(即，与晶片202、204的开口212、214和入孔216、218所在的一侧相对的侧)进行制造工艺以形成电离室200。在示例性实施例中，晶片202、204的背面被旋涂有大约或恰好5um厚的AR-P 3250光致抗蚀剂。接着在大约或恰好95℃的温度下进行大约或恰好2分钟的软烤。在示例性实施例中，使用大约365nm的紫外线(UV)对电离通道图案进行曝光，并将其在用去离子水稀释至大约或恰好3：2的AR 300-26显影剂中显影大约或恰好1.5分钟。晶片202、204的背面，即示例性实施例中的氮化硅膜220，在选定的窗口222中被干蚀刻至大约或恰好150nm的深度(参见步骤(d))。然后，将两个芯片202、204背面对背面粘合，形成整体的NAIS芯片224(参见步骤(e))以形成电离室，在一个示例性实施例中，该电离室的尺寸大约或恰好为7mm×1mm×
300nm。在示例性实施例中，借助于镓FIB铣削(FEI量子双光束)来创建气体入口孔206和双孔211(即电子入口208窗口和离子束出口209窗口)。在示例性实施例中，双孔211的尺寸被设置为大约或恰好500nm。在示例性实施例中，使用真空胶将NAIS芯片224的在使用中离子束离开电离室200的一侧(以下称为NAIS芯片224的底侧)的开口221密封，以便在电离室200中保持更好的气压。步骤(f)显示了制造的NAIS芯片224的照片，其具有大约或恰好300um×
300um的气体入口孔206和50um×50um的双孔211。

[0009] 从实验的角度来看，降低的亮度定义为[34,35]

[0010] 其中，Ia是离子束电流，As是虚拟源面积，Ω是定义束发散的立体角，V是束加速电势，Aa是角孔面积，L是虚拟源和角孔之间的距离。

[0011] 在示例性实施例中，为了进行降低的亮度的测量，将JEOL JSM-5600钨扫描电子显微镜(SEM)用作电子注入器。该SEM在大约或恰好1keV，以几十nA的电子束电流运行。如图3所示，亮度测量装置300位于SEM室(未显示)内。聚焦电子302通过双孔211(参照图2)注入NAIS芯片224，以使气体304电离。在示例性实施例中，使用调节阀(未示出)将入口气体压力控制在大约或恰好在1mbar至1bar之间。在示例性实施例中，使用氩离子执行降低的亮度的测量(Arn+大约或恰好为95％，其余为Arn+，n为2到4)[36]，以根据非限制性示例性实施例测验NAIS芯片224的性能。在示例性实施例中，通过将NAIS芯片224上的偏压从大约或恰好0V调整到100V，来改变电离室200(对照图2)内芯片偏压电极306和接地电极308之间的电场。在示例性实施例中，将提取器310设置为负电势(小于-1kV)以加速离子束312，并且还有利地防止注入的电子束302进一步向下进入装置300。在示例性实施例中，为了测量离子源的亮度，即离子源的性能，用来限制立体角的角孔314(在一个示例性实施例中，大约或恰好95um×112um，从NAIS芯片224向下10mm)保持与提取器310相同的电势。在示例性实施例中，通过与上面参考图2所述的相似的工艺，为NAIS芯片224的双孔211(对照图2)制造了角孔314。在示例性实施例中，该角孔314(在示例性实施例中与提取器310保持等电势)安装在压电XY线性载台( SLC-1720-S-HV)上，并通过离子束扫描以找到在法拉第杯316中测量的峰值轴向束电流。在角孔314的下方，使用抑制电极318(在示例实施例中与提取器310等电势)来保持离子的优选无场区域。在一个示例性实施例中，法拉第杯316被偏置在大约或恰好-90V，以有利地帮助离子束着陆。

[0012] 据报道，NAIS中的入口气体压力的增加导致产生更高的离子束电流[33]。因此，在当前的实验中，在示例性实施例中，将入口Ar气压力设置为大约或恰好860mbar。在这些条件下，定义为分子平均自由程长度与电离室高度的比值的克努森数(Knudsen number)Kn大约为0.2。入口气体压力的进一步增加可能导致不希望的离子-气体碰撞。在示例性实施例中，芯片偏压用于将离子驱逐出NAIS芯片224。该芯片偏置在大约或恰好0V到100V之间变化，以从NAIS芯片224获得最大的输出电流。在示例性实施例的NAIS芯片224的机械设计中，在双孔211(对照图2)和提取器310之间存在大约100um的未对准，导致离轴像差。这可能对降低的亮度测量产生负面影响，尤其是对于高提取电势而言[37]。因此，在示例性实施例中，提取器310的电势被认为在-1.2kV处是最佳的。具有以下参数：大约或恰好860mbar的入口气体压力，大约或恰好23V的芯片偏压，大约或恰好-1.2kV的提取器310电势，在一个示例性实施例中，观察到的轴向峰值电流约为230pA。值得注意的是，如下面将参考图4-10所描述的，在本发明的优选实施例中，可以有利地减小芯片偏压。将这些值代入式(1)中，发现Ar+的降低的亮度约为9.1×103A/m2srV。在此，虚拟源尺寸的值被认为与双孔尺寸(大约或恰好为500nm)相同。在示例性实施例中，由于平面发射器的虚拟源尺寸预计小于实际源尺寸[32]，因此可以预期实际的降低的亮度要高得多。

[0013] 在示例性实施例中，用于使Ar气分子离子化的注入电子束302相对于双孔211(对照图2)具有相对较大的光斑尺寸。由于电子束诱导沉积(EBID)，这可以在双孔211(对照图2)的入口处引起NAIS芯片224的表面阻塞。为了优选地防止这种阻塞效应，在优选的示例性实施例中使用了精细聚焦电子束。

[0014] 如发明人所认识的，电离室200(对照图2)对于实现高亮度离子束至关重要。为了改进所报道的原型NAIS[32-33]的性能，在本文所述的示例性实施例中，制造并测试了改进的NAIS芯片224。改进的NAIS芯片224在氮化硅膜220内部具有完整的电离室200。在示例性实施例中，NAIS芯片224的双孔211(对照图2)的直径减小到大约或恰好500nm。有利地，根据示例性实施例的制造工艺被设计用于使用MEMS制造技术的批量生产。使用改进的NAIS芯片224，在一个示例性实施例中，已经实现了Ar+的约9.1×103A/m2srV的降低的亮度，这比所报[32,33] [7]
道的原型NAIS 高一个数量级，且比现有PBW系统 中的RF源高三个数量级。根据本申请的进一步的示例性实施例，可以合理地预期，NAIS芯片224和提取器310的更好的机械对准、更高的电子束302电流密度、更合适的虚拟源尺寸的确定以及其他参数的精调，会导致亮度的进一步增强。

[0015] 根据等式(1)，1keV的注入电子可通过根据非限制性实施例的60nm的虚拟源尺寸产生电流约500pA的具有约106A/m2srV的降低的亮度的质子束。

[0016] 本发明的实施例优选地能够为具有高亮度和低能量展度的NAIS创建小变形(小于10nm)的大约或恰好50-200nm高的电离室。在优选的实施例中，粘附到电离室壁上的支撑梁/格栅可以促进该优点。以下，将仅通过示例的方式描述两个这样的优选实施例。在这些实施例的一个中，NAIS芯片包括两个粘合的芯片，而在另一个实施例中，NAIS芯片具有约
10-100nm厚的石墨层以密封电离室。

[0017] 图4示出了根据一个实施例的可以被集成为NAIS的芯片400。气体入口窗口402和电子注入/离子提取窗口404形成在<100>硅晶片406中，该硅晶片406具有大约或恰好50-500nm的纳米双面涂层氮化硅408a、408b。底侧氮化硅408b用作电离室壁以约束气体并保持气体(约1bar)和真空之间的压力差。顶侧氮化硅408a用作所需图案化的掩模，随后进行DRIE。硅406中的窗口402、404的金字塔形状可以在氢氧化钾(KOH)溶液中形成，并且可以精确地控制大约或恰好15um厚剩余硅的蚀刻深度。剩余硅被聚焦离子束(FIB)铣削，或FIB铣削随后KOH蚀刻，或光刻图案化随后DRIE蚀刻，以产生支撑梁/格栅410。由于氮化硅408b非常薄，因此希望铣削过程在到达氮化硅408b膜之前停止，并留下薄的微米保护硅层。如本领域中所理解的，可以通过具有适当配方的DRIE或通过KOH蚀刻来去除该保护硅层406。如图5所示，在非限制性示例实施例中，支撑梁/格栅410以大约或恰好10um的间隔布置正交分布。

[0018] 接下来，在晶片406的背面进行制造工艺以创建电离室500。在示例性实施例中，如图6所示，通过RIE创建深度大约或恰好为50-200nm的电离室500，接着沉积大约或恰好10nm的金600以形成电极。大约或恰好10nm的铬用作金和氮化硅408b之间的粘合层。如下所述，当将两个芯片粘合在一起时，电极被选择为彼此不接触。

[0019] 一旦芯片400制造完成，如图7所示，NAIS芯片700的一个实施例通过结合两个芯片400a、400b来制造。这两个芯片400a、400b可以根据支撑梁/格栅410精确地对准。如图8所示，电子注入孔800和离子出口孔802通过FIB铣削，得到高度对准的亚微米级孔800、802。图
9示出了气体通过窗口900进料，并且由于电子注入窗口和离子出口窗口的小孔800、802(对照图8)，在电离室500内保持合理的压力。

[0020] 在图10a)中图示了NAIS芯片1001的另一实施例，其包括一个芯片400c和具有离子出口孔1002的石墨1000。电离室形成在芯片400c的内部，其端口由氮化硅膜制成。优选地，厚度大约或恰好为10-100nm的石墨1000薄膜的刚度足够强，以保持大约或恰好1bar的压力并且具有很小的变形。为了减小电子入口/离子出口区域中的石墨1000薄膜的变形，在晶片406的背面形成氮化硅柱1004，作为一个整体层向下蚀刻到氮化硅408b中，如图10d)所示，或者在HSQ中图案化。有利地，在示例性实施例中，石墨1000薄膜还用作电极。根据示例性实施例，石墨1000薄膜是从其上预沉积石墨的基底(未示出)转移而来的。在示例性实施例中，双孔的电子注入窗孔800和离子出口孔1002通过FIB铣削。

[0021] 图10b)示出了NAIS芯片1005的不同实施例，其使用不同的配置来产生电子，该电子继而用于使电离室500中的气体电离，NAIS芯片1005包括芯片400c、石墨1000薄膜和布置在氮化硅408b内的有效二次电子发射器1003的阵列。因此，在该实施例中，在与离子出口孔1002相对的电子入口处存在密封的连续层(即，氮化硅408b)。指向氮化硅408b的一次电子束将从二次电子发射器1003的阵列中引发二次电子的雪崩。在这样的实施例中，可以有利地增加适于电离气体的电子的电流密度，从而增加通过离子出口孔1002输出的离子电流。
在不同的实施例中，如图10c)所示，通过将二次电子发射器1003的阵列放置在石墨1000薄膜内并在氮化硅408b层中形成形成离子出口孔1002，交换一次电子的入口和离子束的出口。

[0022] 图15a)示出了类似于以上参考图10a)所述的实施例的NAIS芯片1500的另一实施例的示意图。图15b)示出了NAIS芯片1502的另一实施例的示意图，该NAIS芯片1502是图10a)的实施例的改进，即交换了电子入口和离子出口。图15c)示出了类似于以上参考图
10c)所述的实施例的NAIS芯片1504的另一实施例的示意图。图15d)示出了类似于以上参考图10b)所述的实施例的NAIS芯片1506的另一实施例的示意图。

[0023] 根据示例性实施例向c-PBW系统提供NAIS的应用

[0024] 根据示例性实施例的c-PBW系统的布局

[0025] 根据示例性实施例，可以提供采用根据用于10nm以下光刻的示例实施例的高亮度NAIS芯片的c-PBW系统。根据非限制性示例性实施例，采用用于具有106A/m2srV降低的亮度、500pA电流和60nm虚拟源尺寸的质子束的NAIS芯片“b”来评估c-PBW系统性能。图11中示出了根据示例性实施例的c-PBW系统1100的布局。通过NAIS芯片“b”中的电子-气体碰撞(电子注入器“a”提供电子)产生质子，并使用具有大约或恰好在5kV至10kV范围内可调的提取电压的提取器“c”进行提取。随后，使用聚光透镜“d”使光束成形。会聚的光束然后通过加速柱或管“e”，在加速柱或管“e”中获得大约或恰好200keV的最终能量。准直器孔1102用于防止高角度散射离子的进一步传输，同时主要允许发散较少的离子进入聚焦透镜“g”。在聚焦透镜“g”之前使用静电扫描仪“f”对进行准直后的光束进行扫描。在示例性实施例中，使用三个或四个电磁四极透镜以10nm以下的分辨率将光束聚焦到终端站。考虑到样品定位(在像平面“h”处)的2um误差，光束半角α的预设上限为0.25mrad，可以有利地确保光束展宽不大于1nm。降低的亮度为

[0026] 其中IP(>0.2pA)是质子束电流，A0是束面积，dP(小于10nm)是焦平面处的束直径，Ω是立体角，α(小于0.25mrad)是光束半角发散，V(200kV)是像平面上的光束端电压。要注意的是，对于现成的位置传感器，可以将样本在像平面内的定位误差调整为考虑0.1微米的误差。在优选实施例中，这将导致更高的IP可供写入。由于上述限制，使用根据示例性实施例的c-PBW系统，将根据示例性实施例的NAIS芯片“b”作为离子源，降低的亮度大于5×104A/m2srV的离子源可实现快速的写入速度。

[0027] 根据示例性实施例的c-PBW系统的透镜配置和探测束评估

[0028] 除了提供高降低亮度的源之外，发明人已经认识到优化聚焦透镜配置在确定达到10nm以下质子束分辨率的能力中起关键作用。粒子束光学实验3.0(PBO Lab)[38]用于研究不同透镜配置的聚焦能力。两种常用的透镜配置，即低激发俄式四联体[39]配置1200和隔开的牛津三联体[40]配置1202分别在图12a)和12b)中示出。俄式四联体配置1200在X和Y上具有相同的缩小倍率，而隔开的牛津三联体配置1202在X和Y上具有不同的缩小倍率。四个磁透镜1至4组成了俄式四联体配置1200，其中所有透镜之间的间隔除镜头2和3之间的间距(L2,3)外，固定为25mm。改变L2,3以评估此配置1200的聚焦性能。对于间隔的牛津三联体配置
1202，使用了三个磁透镜1至3，透镜2和3之间的固定间距为25mm。改变镜头1和2之间的距离(L1,2)以研究聚焦性能。在根据示例性实施例的c-PBW系统中，质子被提取并且被加速至大约或恰好200keV以到达物平面。在仿真中，为简便起见，物体光束尺寸(dv)被认为与虚拟源尺寸相同。物平面和准直器孔之间的距离设置为2m。对于两种透镜配置1200、1202，工作距离L2均固定为30mm。由于NAIS源能量展度(小于1eV)和小于10ppm的加速功率不稳定性的联合效应，200keV的质子束被认为具有2eV的束能量展度(200kV时小于2V)。来自聚焦透镜的磁场的不稳定性为1ppm。

[0029] 对于像平面处的全宽90％(FW90，包括90％的质子束电流)的质子束直径dp，通过[41]根幂和算法进行系统近似，描述为 ，

[0030] 其中，dI是缩小的虚拟源尺寸，给出为

[0031] (其中dv是质子虚拟源直径，Dem是聚焦透镜的缩小倍率)，dA、dS和dC分别是衍射像差、球面像差和色差的贡献。衍射像差的贡献可忽略不计，因为200keV质子的德布罗意波长很小(约6×10-14m)。球面像差和色差的贡献为，

[0032] αe是进入聚焦透镜之前的质子束半角，CS和CC是球面像差和色差，δU是束能量展度。

[0033] PBO Lab计算镜头倍率(Dem)、色差(CC)和球面像差(CS)。对于像散透镜系统，这些参数在两个正交方向(X和Y)上表示。表1总结了从PBO Lab获得的俄式四联体配置1200的特性值。此处忽略了库仑效应，下面将对其进行详细讨论。表一
在L2，3＝25mm时，从PBO Lab获得的俄式四联体配置的参数

[0034] 像平面上的最终的探测束FW90宽度在图13a和图13b中分别作为L2,3和L1,2的函数示出。得到俄式四联体和隔开的牛津三联体的10nm以下束光斑尺寸的最理想透镜距离分别为L2,3＝25mm和L1,2＝105mm。对于都具有优选的透镜间距的两种配置1200、1202，如图13c至13f所示，根据不同的光束电流检查光束的宽度和散度。从图13c中可以看到，光束斑点尺寸保持在10nm以下，在15pA达到最高。通过改变准直器孔1102(对照图11)获得不同的束电流，从而导致束半角α的改变。从图13d可以清楚地看出，为了不超过束半角α的预设上限(0.25mrad)，对于俄式四联体透镜配置1200，束电流最好不超过2pA。

[0035] 由于间隔的牛津三联体配置1202在X和Y方向上具有不同的缩小倍数，因此束半角分别有两个不同的预设上限αx和αy。从图13f可以看到，将αy保持在0.25mrad以下，束电流可以为0.5pA。而由于X方向上的高倍率，可以将αx的上限增加到2mrad(仍在X上保持10nm以下的聚焦，见图13e)，同时产生0.5pA的束电流。表2总结了与当前的PBW和EBL系统相比，根据示例性实施例的用于c-PBW系统的这两种透镜配置的性能。它示出了根据示例性实施例的c-PBW系统在10nm以下的领域中比EBL更快的有希望的高通量。表2
与当前的PBW和EBL相比，用具有不同透镜配置的200kV的c-PBW在PMMA
上写入10nm x 1mm的线的总结

[0036] 在光刻中，通常可以期望在像平面中具有大扫描尺寸(约10微米)。在PBO模拟中，对于两个透镜配置1200、1202，扫描仪位于第一透镜的上游处。如图14a)和14b)所示，根据示例性实施例的俄式四联体透镜配置可以以400×400um2的扫描尺寸实现10nm以下的光束尺寸，而根据示例性实施例的间隔的牛津三联体透镜配置只能具有30×30um2扫描尺寸，这受到较大的离轴像差的限制(所有模拟均以0.2pA进行)。

[0037] 根据示例性实施例的c-PBW系统的库仑效应

[0038] 离子束不仅受外部场影响，而且还受引入相邻离子场的带电粒子的影响，称为库仑效应。通常，库仑效应包括三种不同类型的效应：空间电荷效应，博尔希效应(Boersch effect)和轨迹位移效应[9]。空间电荷效应是由束产生的自电场作用的带电粒子的偏转。通常，对于具有均匀分布的圆形光束，由于在横向平面上的线性力，空间电荷效应可以由外部透镜补偿，因此可以忽略。Boersch效应和轨迹位移效应是通过带电粒子之间的成对相互作用引入的随机效应。轨迹位移会产生更多的光束横向能量扩散，从而降低光束的亮度。同时，纵向束能量随着横向能量的变化而朝向热力学平衡变宽，这导致总的束能量展度，称为Boersch效应。这些随机效应无法通过调整外部聚焦场来补偿。在大多数情况下，在通常位于源部件[11]的高电流密度区域，随机库仑效应可能很重要。为了克服源区域中的库仑效应，施加了更强的电场以减少相互作用时间。这通常会导致更大的能量展度。然而，在根据示例性实施例的NAIS芯片设置中，使用小的偏置电势差(约1V)在亚微米间隔上产生强场。该NAIS芯片的几何形状有利地将能量展度限制为小于1eV。考虑到为肖特基电子注入器设计的典型电离室，室内的电场大约或恰好为107V/m。该电场有利地确保在电离室中产生的所有离子被引向提取平面。在这种情况下，H+和H2+从源逸出所花费的时间少于100ps。根据示例性实施例，在这样的飞行时间下，在给定的时间点，预期只有一个离子会留在电离室中(该假设适用于高达约2nA的离子电流[11])，因此可以有利地忽略离子源内部的库仑相互作用。

[0039] 尽管根据上述示例性实施例的c-PBW系统的设计考虑是保守的估计，但是它们已经提出了具有竞争力的写入速度以及最小的邻近效应。

[0040] 在一个实施例中，提供了一种用于纳米孔离子源的电离室芯片，该电离室芯片包括第一基板，所述第一基板包括在其背面形成的第一凹陷；背衬元件，所述背衬元件附着在所述第一基板的所述背面，使得形成至少包括所述第一凹陷的腔室；气体入口，所述气体入口形成在所述第一基板中，与所述腔室处于流体连通；第一孔结构，所述第一孔结构形成在所述第一基板中，与所述腔室处于流体连通。

[0041] 所述电离室可以进一步包括形成在所述第一基板的所述背面上的电极层，所述电极层延伸到所述第一凹陷中。

[0042] 第一孔结构可以包括在所述第一基板的块状材料中形成的梁/格栅阵列和在形成所述第一基板的所述背面的材料层中形成的对齐的孔眼阵列。

[0043] 所述背衬元件可以包括薄板。

[0044] 所述电离室可以包括形成在所述第一基板的所述背面上的柱，所述柱用于减少所述第一孔结构附近区域中的所述薄板的变形。所述柱可以形成为向下蚀刻到所述第一基板的所述背面中的一个整体层。所述柱可以形成为在高分辨率抗蚀剂中图案化的一个整体层。

[0045] 所述背衬元件可包括孔眼阵列，所述孔眼阵列形成在所述背衬元件中并且与在所述材料层中形成的所述孔眼对准。

[0046] 所述电离室可以包括布置在所述第一基板或所述背衬元件中的二次电子发射器阵列。

[0047] 所述背衬元件可以包括第二基板，所述第二基板包括在其背面形成的第二凹陷，其中所述第一基板和所述第二基板可在各自的所述背面彼此附接，使得所述腔室包括相邻接的所述第一凹陷和所述第二凹陷，其中第二孔结构可以包括在所述第二基板的块状材料中形成的梁/格栅阵列和在形成所述第二基板的所述背面的材料层中形成的对齐的孔眼阵列。

[0048] 所述背衬元件可以包括第二基板，所述第二基板包括在其背面形成的第二凹陷；其中，所述第一基板和所述第二基板可以在各自的所述背面彼此附接，从而形成包括相邻接的所述第一凹陷和所述第二凹陷的腔室；其中，所述第一孔结构和所述第二孔结构可以形成双孔结构，所述双孔结构延伸穿过所述第一基板和所述第二基板的相应厚度与所述腔室处于流体连通。

[0049] 所述电离室还可以包括：第一电极层，形成在所述第一基板的与所述背面相对的正面上；第二电极层，形成在所述第二基板的与所述背面相对的正面上。所述第一电极层可以至少部分地沿着所述气体入口的壁和所述双孔的壁延伸，并且所述第二电极层至少部分地沿着所述双孔的所述壁延伸。

[0050] 所述气体入口可包括延伸穿过所述第一基板的所述厚度的入口孔。

[0051] 所述第二基板可包括位于相对于所附接的背面在与所述入口孔相对应的横向位置处的填充凹陷。

[0052] 在一个实施例中，提供了一种纳米孔离子源，其包括前述实施例的所述电离室芯片。

[0053] 在一个实施例中，提供了一种质子束写入系统，其包括前述实施例的所述纳米孔离子源。

[0054] 图16示出了根据示例性实施例的制造用于纳米孔离子源的电离室芯片的方法的流程图1600。在步骤1602，提供包括在其背面形成的第一凹陷的第一基板。在步骤1604，提供附接在所述第一基板的所述背面处的背衬元件，以便形成至少包括所述第一凹陷的腔室。在步骤1606，在所述第一基板中形成与所述腔室处于流体连通的气体入口。在步骤1608，在所述第一基板中形成与所述腔室处于流体连通的第一孔结构。

[0055] 所述方法可以进一步包括在所述第一基板的所述背面上形成电极层，所述电极层延伸到所述第一凹陷中。

[0056] 所述第一孔结构可以包括在所述第一基板的块状材料中形成的梁/格栅阵列和在形成所述第一基板的所述背面的材料层中形成的对齐的孔眼阵列。

[0057] 所述背衬元件可以包括薄板。

[0058] 所述方法可以包括在所述第一基板的所述背面上形成柱，所述柱用于减少所述第一孔结构附近区域中的所述薄板的变形。所述柱可以形成为向下蚀刻到所述第一基板的所述背面中的一个整体层。所述柱可以形成为在高分辨率抗蚀剂中图案化的一个整体层。

[0059] 所述背衬元件可包括孔眼阵列，所述孔眼阵列形成在所述背衬元件中并且与在所述材料层中形成的所述孔眼对准。

[0060] 该方法可以包括将二次电子发射器阵列布置在所述第一基板或所述背衬元件中。

[0061] 所述背衬元件可以包括第二基板，所述第二基板包括在其背面形成的第二凹陷，其中所述第一基板和所述第二基板可在各自的所述背面彼此附接，使得所述腔室包括相邻接的所述第一凹陷和所述第二凹陷，其中形成第二孔结构可以包括在所述第二基板的块状材料中形成梁/格栅阵列和在形成所述第二基板的所述背面的材料层中形成对齐的孔眼阵列。

[0062] 所述背衬元件可以包括第二基板，所述第二基板包括在其背面形成的第二凹陷；其中，所述第一基板和所述第二基板可以在各自的所述背面彼此附接，从而形成包括相邻接的所述第一凹陷和所述第二凹陷的腔室；并且所述方法可以进一步包括形成包括所述第一孔结构和所述第二孔结构的双孔，所述双孔延伸穿过所述第一基板和所述第二基板的相应厚度与所述腔室处于流体连通。

[0063] 所述方法可以进一步包括在所述第一基板的与所述背面相对的正面上形成第一电极层；在所述第二基板的与所述背面相对的正面上形成第二电极层。所述第一电极层可以至少部分地沿着所述气体入口的壁和所述双孔的壁延伸，所述第二电极层可以至少部分地沿着所述双孔的所述壁的延伸。

[0064] 所述气体入口可以包括延伸穿过所述第一基板的所述厚度的入口孔。

[0065] 所述方法可以包括在相对于所附接的背面在与所述入口孔相对应的横向位置处在所述第二基板中形成填充凹陷。

[0066] 所述第一基板和所述第二基板可以分别在各自的所述背面彼此附接之前被批量制造。所述批量制造包括在所述第一基板和所述第二基板中同时形成所述双孔的相应部分。所述批量制造可以包括分别在所述第一基板和所述第二基板中同时形成所述气体入口的一部分和对应的凹陷。所述批量制造可以包括分别在所述第一基板和所述第二基板的所述正面上同时形成所述第一电极层和所述第二电极层。

[0067] 上述对所示系统和方法的实施例的描述并非旨在穷举，也不是为了将所述系统和方法限制为所公开的精确形式。尽管本文出于说明性目的描述了系统组件和方法的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在系统、组件和方法的范围内可以进行各种等效修改。本文提供的系统和方法的教导可以应用于其他处理系统和方法，而不仅适用于上述系统和方法。

[0068] 上述各实施例的元件和动作可以组合以提供其他实施例。可以根据以上详细描述对系统和方法进行这些和其他改变。

[0069] 通常，在以下权利要求书中，不应将所使用的术语解释为将系统和方法限制为说明书和权利要求书中公开的特定实施例，而应解释为包括在权利要求书下运行的所有处理系统。因此，系统和方法不受本公开的限制，而系统和方法的范围将完全由权利要求书确定。

[0070] 除非上下文另外明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”，“包含”等应理解为包含性含义，而不是排他性或穷举性含义。也就是说，从某种意义上说的“包括但不限于”。使用单数或复数的词也分别包括复数或单数。另外，词语“在此”，“在此之下”，“以上”，“以下”和类似含义的词语是指本申请作为整体，而不是指本申请的任何特定部分。当单词“或”用于指两个或多个项目的列表时，该词涵盖该单词的以下所有解释：列表中的任何项目，列表中的所有项目以及列表中的项目的任意组合。参考文献
[1]J.A.van Kan,A.A.Bettiol,F.Watt,Proton beam writing of three-
dimensional nano-structures in hydrogen silsesquioxane,Nano Lett.6(3)(2006)
579–582.
[2]F.Watt,M.B.Breese,A.A.Bettiol,J.A.vanKan,Protonbeamwriting,
Mater.Today10(6)(2007)20–29.
[3]J.A.Van Kan,A.A.Bettiol,F.Watt,Three-dimensional nanolithography using proton beam writing,Appl.Phys.Lett.83(8)(2003)1629–1631.
[4]C.Udalagama,A.A.Bettiol,F.Watt,Stochastic spatial energy deposition profiles for MeV protons and keV electrons,Phys.Rev.B 80(22)(2009)224107.[5]J.A.VanKan,P.Shao,K.Ansari,A.A.Bettiol,T.Osipowicz,F.Watt,Protonbeam writ-ing:a tool for high-aspect ratio mask production,Microsyst.Technol.13(5–
6)(2007)431–434.
[6]R.Szymanski,D.N.Jamieson,Ion source brightness and nuclear microprobe applications,Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.,Sect.B 130(1)(1997)80–85.[7]J.A.Van Kan,P.Malar,A.B.De Vera,The second generation Singapore high resolution proton beam writing facility,Rev.Sci.Instrum.83(2)(2012)02B902.[8]M.Reiser,Theory and Design of Charged Particle Beams,John Wiley&Sons,
2008.
[9]J.Orloff,Handbook of Charged Particle Optics,CRC press,2008.
[10]J.Orloff,High-resolution focused ion beams,Rev.Sci.Instrum.64(5)(1993)1105–1130.
[11]J.Orloff,L.Swanson,M.Utlaut,High Resolution Focused Ion Beams:FIB and Its Applications:the Physics of Liquid Metal Ion Sources and Ion Optics and their Application to Focused Ion Beam Technology,Springer Science&Business Media,2003.
[12]P.D.Prewett,G.L.R.Mair,Focused Ion Beams from Liquid Metal Ion Sources,Re-search Studies Press Ltd,1991.
[13]R.Forbest,Understanding how the liquid-metal ion source works,
Vacuum48(1)(1997)85–97.
[14]G.Taylor,Disintegration of water drops in an electric field,
Proc.R.Soc.Lond.A(1964)383–397.
[15]M.Watts,Analytical model of positive resist development applied to line width control in optical lithography,J.Vac.Sci.Technol.B 3(1)(1985)434–
440.
[16]C.Hagen,E.Fokkema,P.Kruit,Brightness measurements of a gallium liquid metal ion source,J.Vac.Sci.Technol.B 26(6)(2008)2091–2096.
[17]N.P.Economou,J.A.Notte,W.B.Thompson,The history and development of the helium ion microscope,Scanning 34(2)(2012)83–89.
[18]G.Hlawacek,V.Veligura,R.van Gastel,B.Poelsema,Helium ion microscopy,J.Vac.Sci.Technol.B 32(2)(2014)020801.
[19]B.`.Ward,J.A.Notte,N.Economou,Helium ion microscope:a new tool for nanoscale microscopy and metrology,J.Vac.Sci.Technol.B 24(6)(2006)2871–2874.[20]F.Rahman,S.McVey,L.Farkas,J.A.Notte,S.Tan,R.H.Livengood,The prospects of a subnanometer focused neon ion beam,Scanning 34(2)(2012)129–134.[21]R.Hill,J.Notte,B.Ward,The ALIS He ion source and its application to high resolution microscopy,Phys.Procedia 1(1)(2008)135–141.
[22]H.-S.Kuo,S.Hwang,T.-Y.Fu,Y.-H.Lu,C.-Y.Lin,T.T.Tsong,Gas field ion source from an Ir/W b111N single-atom tip,Appl.Phys.Lett.92(2008)063106.[23]N.G.Einspruch,S.S.Cohen,R.N.Singh,Beam Processing Technologies,Academic Press,2014.
[24]J.J.McClelland,A.V.Steele,B.Knuffman,K.A.Twedt,A.Schwarzkopf,
T.M.Wilson,Bright focused ion beam sources based on laser-cooled atoms,Appl.Phys.Rev.3(1)(2016)011302.
[25]B.Knuffman,A.Steele,J.McClelland,Cold atomic beam ion source for focused ion beam applications,J.Appl.Phys.114(4)(2013)044303.
[26]S.Van der Geer,M.Reijnders,M.de Loos,E.Vredenbregt,P.Mutsaers,
O.Luiten,Simulated performance of an ultracold ion source,J.Appl.Phys.102(9)(2007)094312.
[27]J.L.Hanssen,J.J.Mc Clelland,E.Dakin,M.Jacka,Laser-cooled atoms as a focused ion-beam source,Phys.Rev.A 74(6)(2006)063416.
[28]J.L.Hanssen,S.B.Hill,J.Orloff,J.J.McClelland,Magneto-optical-trap-based,high brightness ion source for use as a nanoscale probe,Nano Lett.8(9)(2008)2844–2850.
[29]K.A.Twedt,L.Chen,J.J.Mc Clelland,Scanning ion microscopy with low energy lithium ions,Ultramicroscopy 142(2014)24–31.
[30]D.S.Jun,V.G.Kutchoukov,P.Kruit,Ion beams in SEM:an experiment towards a high  brightness low energy spread electron impact gas ion source,J.Vac.Sci.Technol.B 29(6)(2011)06F603.
[31]X.Xu,N.Liu,P.S.Raman,S.Qureshi,R.Pang,A.Khursheed,J.A.van Kan,Design considerations for a compact proton beam writing system aiming for fast sub-
10 nm direct write lithography,Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.,Sect.B(2016)http://dx.doi.org/10.1016/j.nimb.2016.12.031(in press).
[32]N.Liu,X.Xu,R.Pang,P.S.Raman,A.Khursheed,J.A.van Kan,Brightness measure-ment of an electron impact gas ion source for proton beam writing applications,Rev.Sci.Instrum.87(2)(2016)02A903.
[33]N.Liu,P.S.Raman,X.Xu,H.M.Tan,A.Khursheed,J.A.van Kan,Development of ion sources:towards high brightness for proton beam writing applications,Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.,Sect.B 348(2015)23–28.
[34]L.Reimer,Scanning Electron Microscopy:Physics of Image Formation and Micro-analysis,IOP Publishing,2000.
[35]M.Breese,D.Jamieson,P.King,Materials Analysis with a Nuclear 
Microprobe,Wiley,New York,1996.
[36]R.Rejoub,B.Lindsay,R.Stebbings,Determination of the absolute partial and total cross sections for electron-impact ionization of the rare gases,Phys.Rev.A 65(4)(2002)042713.
[37]D.W.Heddle,Electrostatic Lens Systems,CRC Press,2000.
[38]AccelSoft Inc.Particle Beam Optics Laboratory 3.0(PBO Lab).http://www.ghga.com/accelsoft/pbolab.html.
[39]F.Watt,G.W.Grime,Principles and Applications Of High-Energy Ion Mi-crobeams,1987.
[40]G.W.Grime,F.Watt,Beam Optics of Quadrupole Probe-Forming Systems,Hilger,1984.
[41]J.Barth,P.Kruit,Addition of different contributions to the charged particle probe size,Optik 101(1996)101–109.