Диагностический способ и устройство для определения характеристик нейтрального пучка и управления процессом с их помощью

Предложены устройство и способ определения характеристик пучка частиц, при которых обеспечивают прием пучка частиц в центральной области кожуха с пониженным давлением; воздействуют принятым пучком на ударную пластину для пучка, которая термически изолирована от кожуха; измеряют изменение температуры ударной пластины для пучка за счет воздействия пучка измеряют изменение давления в кожухе за счет приема пучка; и обрабатывают измеренное изменение температуры и измеренное изменение давления, чтобы определить характеристики пучка. Технический результат - улучшение дозиметрии для управления обработкой детали. 3 н. и 21 з.п.ф-лы, 8 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение, в целом, относится к диагностическим способам и устройству для определения характеристик ускоренного нейтрального пучка (который может быть диссоциированным или частично диссоциированным), получаемого из ускоренного ионного пучка газовых кластеров (GCIB). Дополнительно, оно относится к способам и устройствам для управления дозиметрией при обработке детали облучением ускоренным нейтральным пучком (который может быть диссоциированным или частично диссоциированным), полученным из ускоренного ионного пучка газовых кластеров.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ионы долгое время приветствовались для многих процессов, поскольку их электрический заряд облегчает манипулирование ими посредством электростатического и магнитного полей. Они обладают большой гибкостью при обработке. Однако, при некоторых применениях заряд, свойственный любому иону (в том числе, ионам газовых кластеров в GCIB), может создавать нежелательные эффекты на обработанных поверхностях. По сравнению с традиционными ионными пучками GCIB обладает явным преимуществом в том, что ион газового кластера с одиночным или малыми многочисленными зарядами позволяют транспортировать и управлять намного большим массовым потоком (кластер может состоять из сотен или тысяч молекул) по сравнению с традиционным ионом (одиночным ионизированным атомом, молекулой или молекулярным фрагментом). В частности, в случае изолирующих материалов поверхности, обрабатываемые с использованием ионов, часто страдают от вызываемых ионами повреждений, являющихся результатом быстрого разряда накопленных зарядов или создания повреждающих, вызываемых электрическим полем напряжений в материале (опять же в результате накопленных зарядов.) Во многих таких случаях GCIB обладают преимуществом, благодаря их относительно низкому заряду на единицу массы, но в некоторых случаях проблема целевого заряда не может быть исключена. Дополнительно, пучки ионов с умеренным-высоким током могут страдать значительной пространственной расфокусировкой пучка, вызванной пространственным зарядом, которая имеет тенденцию не позволять транспортировку хорошо сфокусированного пучка на большие расстояния. Опять же, благодаря их более низкому заряду на единицу массы по сравнению с традиционными ионными пучками, GCIB имеют преимущество, но они не исключают полностью проблему транспортирования пространственного заряда.

Дополнительный случай необходимости или возможности возникает из того факта, что хотя использование пучков нейтральных молекул или атомов обеспечивает преимущество при некоторых применениях, связанных с обработкой поверхности, и при пространственном транспортировании пучка, не имеющего заряда, обычно не получается легко и экономически выгодно создавать интенсивные пучки нейтральных молекул или атомов за исключением случая выпуска струй форсункой, где энергии обычно имеют порядок нескольких миллиэлектрон-вольт на каждый атом или молекулу и, таким образом, ограничивают возможности обработки. Большее количество энергетически нейтральных частиц может быть выгодным или необходимым при многих применениях, например, когда желательно разрушить поверхность или обработать подповерхностные связи на небольшую глубину, чтобы облегчить очистку, травление, сглаживание, осаждение, аморфизацию или создать поверхностные химические эффекты. В таких случаях часто могут быть полезны энергии порядка от нескольких эВ до нескольких тысяч эВ на каждую частицу. Здесь раскрываются способы и устройства формирования таких нейтральных пучков посредством формирования сначала ускоренного заряженного GCIB и затем нейтрализации или организации нейтрализации, по меньшей мере, части пучка и разделения заряженных и разряженных частей. Хотя обработка с помощью GCIB успешно использовалась для многих применений, в новых и существующих применениях существуют потребности, не полностью удовлетворяемые GCIB или другими способами и устройствами на существующем уровне техники, и в которых ускоренные нейтральные пучки могут обеспечить превосходные результаты. Например, во многих ситуациях, хотя GCIB может создавать весьма заметное сглаживание на уровне атомов первоначально несколько шероховатой поверхности, окончательное сглаживание, которое может быть достигнуто, является часто меньшим, чем требуемая гладкость, и в других ситуациях процесс GCIB может привести в результате к загрублению умеренно гладких поверхностей, вместо того сгладить их дополнительно.

Исторически, когда для обработки изделий использовались традиционные ионные пучки и GCIB, повторяемость результатов обработки достигалась при использовании способа дозиметрии процесса, использующего результат измерения электрического тока пучка в детали, интегрируемый во времени, и учете размера обработанной области, чтобы определить дозу в ионах/см². Управляя дозой (ионы/см²) и энергией пучка, в большинстве процессов достигается хорошая повторяемость. Часто для достижения требуемых результатов процесса (таких как ограничение температурных расширений изделия и направление падения пучка во время обработки и т.д.) следует также управлять и другими факторами, но доза в ионах/см² и энергия пучка часто являются основными параметрами обработки, которыми управляют, чтобы привести к повторяемым результатам.

В случае нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков, поскольку частицы пучка не заряжены, их поток не может быть определен измерением тока и, таким образом, когда приемлемые результаты обработки зависят от управления точностью дозы, для обработки требуется какой-то другой способ дозиметрии.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в обеспечении диагностических способов и устройств для определения характеристик нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является обеспечение диагностических способов и устройств для определения характеристик нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков в той степени, которая позволяет более точную дозиметрию процесса, приводящую в результате к повторяемой обработке детали.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на использование совокупности датчиков и измерений, сделанных этими датчиками, которые объединяются, чтобы определить характеристики нейтрального пучка или диссоциированного нейтрального пучка способом, позволяющим улучшить дозиметрию для управления обработкой детали.

Пучки энергетических традиционных ионов, ускоренных электрически заряженных атомов или молекул широко используются для формирования соединений полупроводниковых устройств, модификации поверхности напылением и модификации свойств тонких пленок. В отличие от традиционных ионов, ионы газовых кластеров формируются из кластеров с большими количествами (имеющих типичное распределение от нескольких сотен до нескольких тысяч со средним значением несколько тысяч) слабо связанных атомов или молекул материалов, являющихся газообразными в условиях стандартной температуры и давления (обычно кислород, азот или любой инертный газ, такой как, например, аргон, но для создания ионов газовых кластеров может использоваться любой конденсируемый газ), причем каждый кластер совместно использует один или более электрических зарядов и ионы ускоряются вместе посредством больших электрических разностей потенциалов (порядка от приблизительно 3 кВ до приблизительно 70 кВ или больше), чтобы иметь высокие общие энергии. После того, как ионы газовых кластеров были сформированы и ускорены, состояние их зарядов может изменяться или становиться измененным (даже нейтрализованным) и они могут фрагментироваться или их могут стимулировать к фрагментированию на более мелкие кластерные ионы или на ионы мономеров и/или нейтрализованные более мелкие кластеры и нейтрализованные мономеры, но они имеют тенденцию сохранять относительно высокие скорости и энергии, полученные в результате их ускорения большими электрическими разностями потенциалов, с энергией, распределяемой по фрагментам.

Будучи слабо связанными, ионы газовых кластеров (или нейтральных газовых кластеров) распадаются при столкновении с поверхностью и полная энергия ускоренного иона газового кластера распределяется между составляющими атомами. Из-за этого распределения энергии мономеры в кластерах индивидуально являются намного менее энергетическими (после распада), чем в случае подобно ускоренных традиционных ионов, и в результате атомы проникают на гораздо меньшую глубину, несмотря на высокую общую энергию ускоренного газового кластера. Термины "GCIB" и "ионный пучок газового кластера", как они используются здесь, предназначены охватывать не только ионизированные пучки и ионы, но также пучки, в которых часть частиц не ионизирована. Термины "GCIB" и "ионный пучок газовых кластеров" предназначены охватывать все пучки, содержащие ионы газовых кластеров, даже при том, что они могут также содержать некластеризованные ионы и/или нейтральные частицы. Термин "нейтральный пучок", как он используется здесь, предназначен означать пучок нейтральных газовых кластеров и/или нейтральных мономеров, полученных из ускоренного пучка газовых кластеров, и в котором ускорение является результатом ускорения ионного пучка газовых кластеров. Термин "диссоциированный нейтральный пучок", как он используется здесь, предназначен означать пучок, состоящий, по существу, из ускоренных нейтральных мономеров, полученных из ускоренного ионного пучка газовых кластеров, и в котором ускорение явилось результатом ускорения ионов газовых кластеров. Термин "мономер", как он используется здесь, относится в равной степени к одиночному атому или к одиночной молекуле. Термины "атом", "молекула" и "мономер" могут использоваться взаимозаменяемо и все вместе относиться к соответствующему мономеру, который является характеристикой рассматриваемого газа (компонентом кластера или компонентом кластерного иона или атомом или молекулой). Например, одноатомный газ, подобный аргону, может упоминаться как атом, молекула или мономер и каждый из этих терминов означает одиночный атом. Аналогично, в случае двухатомного газа, такого как азот, он может упоминаться как атомы, молекулы или мономеры и каждый термин означает двухатомную молекулу.

Кроме того, молекулярный газ, подобный CO₂, может упоминаться как атомы, молекулы или мономеры и каждый термин означает трехатомную молекулу и т.д. Такие условные обозначения используются, чтобы упростить универсальные обсуждения газов и газовых кластеров или ионов газовых кластеров, независимо от того, являются они одноатомными, двухатомными или молекулярными в их газообразной форме.

Когда ускоренный ион газового кластера полностью диссоциирован и нейтрализован, результирующие нейтральные мономеры имеют энергии, приблизительно равные общей энергии первоначального ускоренного иона газового кластера, поделенной на количество N₁ мономеров, которые содержат первоначальный ион газового кластера в то время, когда он ускорялся. Такие диссоциированные нейтральные мономеры обладают энергиями порядка от приблизительно 1 эВ до десятков или даже гораздо больше, чем несколько тысяч эВ, в зависимости от первоначальной ускоряющей энергии иона газового кластера и размера газового кластера во время ускорения. Результаты обработки такими диссоциированными нейтрализованными ускоренными мономерами зависят как от количества таких мономеров, которые ударяют по заданной площади поверхности обрабатываемой детали, так и энергии, связанной с таким мономером.

Ионные пучки газовых кластеров формируются и транспортируются для целей облучения обрабатываемой детали в соответствии с известными технологиями. Специалистам в данной области техники известны различные типы держателей, чтобы держать объект на пути GCIB для облучения и для того, чтобы манипулировать объектом для облучения многочисленных участков объекта. Нейтральные пучки и диссоциированные нейтральные пучки могут формироваться и транспортироваться для целей облучения обрабатываемой детали в соответствии с упоминаемыми здесь технологиями.

Настоящее изобретение может использовать способ и систему с высокой чистотой пучка, чтобы получить из ускоренного ионного пучка газовых кластеров ускоренный пучок нейтральных газовых кластеров и/или предпочтительно мономеров, который может использоваться для множества типов поверхностной и неглубокой подповерхностной обработки материалов и который пригоден для многих применений с превосходными характеристиками по сравнению с традиционной обработкой GCIB. Он может обеспечить хорошо сфокусированные, ускоренные, интенсивные пучки нейтральных мономеров с частицами, имеющими энергии в диапазоне от приблизительно 1 эВ вплоть до нескольких тысяч эВ. Этот диапазон является диапазоном энергий, в котором было непрактичным с помощью простого, относительно недорогого устройства формировать интенсивные нейтральные пучки.

Эти ускоренные нейтральные пучки формируются посредством формирования сначала традиционного ускоренного GCIB, затем частичной или, по существу, полной диссоциации его способами и рабочими условиями, которые не вносят загрязнений в пучок, затем отделения остающихся заряженных частей пучка от нейтральной части, и использования в дальнейшем результирующего ускоренного нейтрального пучка для обработки детали. В зависимости от степени диссоциации ионов газовых кластеров, полученный нейтральный пучок может быть смесью нейтральных газовых мономеров и газовых кластеров или может, по существу, состоять полностью или почти полностью из нейтральных газовых мономеров. Предпочтительно, ускоренный нейтральный пучок является диссоциированным нейтральным пучком, поскольку известно, что присутствие кластеров меньших размеров в нейтральных пучках может создавать эффекты, нежелательные при некоторых применениях.

Преимущество нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков, которые могут создаваться способами и устройством, соответствующими настоящему изобретению, состоит в том, что они могут использоваться для обработки электроизоляционных материалов, не повреждая материал из-за заряда поверхностей таких материалов зарядами, переносимыми пучком, как это обычно происходит для всех ионизированных пучков, в том числе, для GCIB. Например, при применениях для полупроводников и других видов электронной обработки, ионы часто способствуют повреждению или разрушающему заряду тонких диэлектрических пленок, таких как оксиды, нитриды и т.д. Использование нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков может способствовать успешной обработке пучком полимеров, диэлектриков и/или других электроизолирующих или высокорезистивных материалов, покрытий и пленок при других применениях, где ионные пучки могут создавать нежелательные побочные эффекты за счет поверхностных эффектов или других эффектов, связанных с зарядом. Примерами являются (без ограничения) обработка стойких к коррозии покрытий и образование поперечных связей под действием излучения и/или полимеризация органических пленок. В других примерах вызванные нейтральным пучком изменения полимерных или других диэлектрических материалов (например, стерилизация, сглаживание, улучшение поверхностной биологической совместимости и улучшение скрепления и/или управления скоростями вымывания лекарственных средств) могут позволить использование таких материалов в медицинских устройствах для имплантирования и/или других медицинских/хирургических применений. Дополнительные примеры содержат обработку нейтральным пучком стекла, полимеров и керамического биокультурного лабораторного оборудования и/или поверхностей для взятия экологических проб, где такие пучки могут использоваться для улучшения поверхностных характеристик, таких как, например, шероховатость, гладкость, гидрофильность и биосовместимость.

Поскольку исходный GCIB, из которого ускоренный нейтральный пучок или диссоциированный нейтральный пучок может быть сформирован описанными здесь способами и устройствами содержит ионы, он легко ускоряется до требуемой энергии и легко фокусируется, используя традиционные технологии ионного пучка. При последовательной диссоциации и отделении заряженных ионов от нейтральных частиц, частицы нейтрального пучка имеют тенденцию сохранять свои сфокусированные траектории и могут транспортироваться на большие расстояния с хорошим эффектом.

Когда нейтральные газовые кластеры в струе ионизируются бомбардировкой электронами, они становятся нагретыми и/или возбужденными. Это может привести в результате к последующему испарению мономеров из ионизированных газовых кластеров после ускорения по мере того, как движутся по траектории пучка. Дополнительно, столкновения ионов газовых кластеров с фоновыми газовыми молекулами в ионизаторе, ускорителе и областях траектории пучка также нагревают и возбуждают ионы газовых кластеров и могут приводить в результате к дополнительному последующему развитию мономеров из ионов газовых кластеров после ускорения. Когда эти механизмы развития мономеров вызываются электронной бомбардировкой и/или столкновением с фоновыми газовыми молекулами (и/или другими газовыми кластерами) того же самого газа, из которого был сформирован GCIB, никакое загрязнение в пучок процессами диссоциации, приводящее к развитию мономеров, не вносится.

Существуют другие механизмы, которые могут использоваться для диссоциации (или вызвать развитие мономеров из) ионов газовых кластеров в GCIB, не вводя загрязнение в пучок. Некоторые из этих механизмов могут также использоваться для диссоциации нейтральных газовых кластеров в нейтральном пучке газовых кластеров. Одним из механизмов является лазерное облучение ионного пучка-кластеров, используя инфракрасную или другую лазерную энергию. Вызванное лазером нагревание ионов газовых кластеров в GCIB, облучаемом лазером, приводит в результате к возбуждению и/или нагреванию ионов газовых кластеров и вызывает последующее развитие мономеров из пучка. В другом механизме пучок пропускается через термически нагреваемую трубу, так чтобы излучаемые фотоны тепловой энергии воздействовали на ионы газовых кластеров в пучке. Индуцированное нагревание ионов газовых кластеров излучаемой тепловой энергией в трубе приводит в результате к возбуждению и/или нагреванию ионов газовых кластеров и вызывает последующее развитие мономеров из пучка. В другом механизме пересечение ионного пучка газовых кластеров газовой струей того же самого газа или смеси, в зависимости от того, какой исходный газ используется при формировании GCIB, (или другой незагрязняющий газ), приводит в результате к столкновениям мономеров газа в газовой струе с газовыми кластерами в ионном пучке и/или нагреванию ионов газовых кластеров в пучке и последующему развитию мономеров из возбужденных ионов газовых кластеров. Завися исключительно от бомбардировки электронами во время начальной ионизации и/или от столкновений (с другими ионами кластеров или с фоновыми газовыми молекулами того же самого газа(-ов), которые используются для формирования GCIB) внутри пучка и/или лазерного или теплового излучения и/или столкновений с пересекающей струей незагрязненного газа, чтобы произвести диссоциацию GCIB и/или фрагментацию, избегают загрязнения пучка за счет столкновений с другими материалами.

По мере того, как газовая струя нейтральных кластеров из сопла проходит через ионизирующую область, где электроны направляются так, чтобы ионизировать кластеры, кластер может оставаться неионизированным или может получить состояние заряда, q, от одного или более зарядов (за счет выбивания электронов из кластера падающим электроном). Рабочие условия ионизатора влияют на вероятность того, что газовый кластер примет конкретное состояние заряда, и при более интенсивных условиях ионизатора приводят в результате к большей вероятности, что будет достигнуто более высокое состояние заряда. Более интенсивные условия ионизатора, приводящие к более высокой эффективности ионизации, могут являться результатом более высокого электронного потока и/или более высокой (в определенных рамках) энергии электронов. Когда газовый кластер ионизирован, он обычно извлекается из ионизатора, фокусируется в пучок и ускоряется, падая через электрическое поле. Величина ускорения иона газового кластера легко управляется посредством управления величиной ускоряющегося электрического поля. Типичные коммерческие инструменты для обработки посредством GCIB обычно обеспечивают для ионов газовых кластеров, которые должны ускоряться электрическим полем, имеют регулируемый ускоряющий потенциал, V_Acc, обычно, например, от приблизительно 1 кВ до 70 кВ (но не ограничиваясь этим диапазоном - может быть осуществимо V_Acc до 200 кВ или даже больше). Таким образом, отдельно заряженный ион газового кластера достигает энергии в диапазоне от 1 до 70 кэВ (или больше, если используется большее V_Acc) и умноженный заряженный (например, без ограничения, состояние заряда, q=3 зарядам электрона) ион газового кластера достигает энергии в диапазоне от 3 до 210 кэВ (или больше для более высокого V_Acc). Для других состояний заряда иона газового кластера и ускоряющих потенциалов ускоренная энергия на кластер составляет qV_Acc эВ. Для данного ионизатора с заданной эффективностью ионизации ионы газовых кластеров будут иметь распределение состояний заряда от нуля (не ионизированы) до более высокого числа, такого как, например, 6 (или при более высокой эффективности ионизатора даже больше), и наиболее вероятные и средние значения распределения состояния заряда также увеличиваются с увеличение эффективности ионизатора (более высокий поток электронов и/или энергия). Более высокая эффективность ионизатора также приводит к повышенным количествам ионов газовых кластеров, формируемых в ионизаторе. Во многих случаях увеличение производительности обработки GCIB при работе ионизатора с высокой эффективностью приводит в результате к увеличенному току GCIB. Оборотной стороной такой операции является то, что многочисленные состояния заряда, которые могут возникать для ионов газовых кластеров промежуточных размеров, могут увеличивать кратер и/или загрублять формирование границы этими ионами и часто такие эффекты могут работать контрпроизводительно намеченной обработке. Таким образом, для многих средств GCIB-обработки поверхности выбор рабочих параметров ионизатора имеет тенденцию учитывать больше соображений, а не только максимизацию тока пучка. В некоторых процессах, использование "датчика давления" (смотрите патент США 7 060 989, Swenson и др.) может позволить работу ионизатора с высокой эффективностью ионизации, все еще получая приемлемые характеристики обработки пучком, замедляя энергию пучка столкновениями газа в "датчике давления" с поднятым давлением.

При настоящем изобретении в работе ионизатора с высокой эффективностью нет никаких недостатков - на деле, такой режим является предпочтительным. Когда ионизатор работает с высокой эффективностью, возможен широкий диапазон состояний заряда ионов газовых кластеров, созданных ионизатором. Это приводит в результате к широкому диапазону скоростей ионов газовых кластеров в области извлечения между ионизатором и ускоряющими электродами пучка, и также после пучка. Это может приводить в результате к повышенной частоте столкновений между и среди ионов газовых кластеров в пучке, что обычно приводит к повышенной степени фрагментации самых больших ионов газовых кластеры. Такая фрагментация может приводить к перераспределению размеров кластеров в пучке, отклоняя его в направлении кластеров меньшего размера. Эти фрагменты кластеров сохраняют энергию, пропорциональную их новому размеру (N) и поэтому становятся менее энергетическими, сохраняя, в то же время, по существу, ускоренную скорость начального иона нефрагментированного газового кластера. Изменение энергии с сохранением скорости после столкновений было экспериментально проверено (как, например, сообщается в работе Toyoda, N. и др. "Cluster size dependence on energy and velocity distributions of gas cluster ions after collisions with residual gas," Nucl. Instr. & Meth. in Phys. Research B 257 (2007), pp 662-665). Фрагментация может также приводить к перераспределению зарядов во фрагментах кластеров. Результатом, вероятно, могут быть некоторые незаряженные фрагменты и мультизаряженные ионы газовых кластеров могут фрагментироваться на несколько заряженных ионов газовых кластеров и, возможно, нескольких незаряженных фрагментов. Изобретатели понимают, что проект фокусирующих полей в ионизаторе и области извлечения может улучшить фокусировку малых ионов газовых кластеров и ионов мономеров, чтобы увеличить вероятность столкновения с большими ионами газовых кластеров в области извлечения пучка и после прохождения пучком этой области, способствуя, таким образом, диссоциации и/или фрагментации ионов газовых кластеров.

В варианте осуществления настоящего изобретения давление фонового газа в ионизаторе, ускоряющей области и траектории пучка может дополнительно быть организовано так, чтобы иметь более высокое давление, чем то, которое обычно используется для хорошего прохождения GCIB. Это может привести в результате к дополнительному развитию мономеров из ионов газовых кластеров (сверх тех, которые являются результатом нагревания и/или возбуждения вследствие начального события ионизации газового кластера). Давление может быть организовано таким образом, чтобы ионы газовых кластеров имели достаточно короткую среднюю длину свободного пробега и достаточно длинную траекторию пролета между ионизатором и обрабатываемой деталью, на которой они должны подвергаться многочисленным столкновениям с молекулами фонового газа.

Для однородного иона газового кластера, содержащего N мономеров и имеющего состояние заряда q и который был ускорен за счет падения напряжения электрического поля V_Acc В, кластеры будут иметь энергию приблизительно qV_Acc/N_I эВ на мономер, где N_I - количество мономеров в ионе кластера во время ускорения. За исключением самых малых ионов газовых кластеры, столкновение такого иона с мономером фонового газа того же самого газа, что и исходный газ кластера, будет приводить к дополнительному внесению приблизительно qV_Acc/N_I эВ в ион кластера. Эта энергия относительно мала по сравнению с общей энергией иона газового кластера (qV_Acc) и обычно приводит к возбуждению или нагреванию кластера и к последующему развитию мономеров из кластера. Считается, что такие столкновения больших кластеров с фоновым газом редко фрагментируют кластеры, а скорее нагревает и/или возбуждают его, что приводит в результате к развитию мономеров за счет испарения или подобных механизмов. Независимо от источника возбуждения, который приводит к развитию мономера или мономеров из иона газового кластера, развитый мономер(-ы) имеет приблизительно одну и ту же энергию на частицу, равную qV_Acc/N_I эВ, и сохраняет приблизительно ту же самую скорость и траекторию, что и ион газового кластера, из которого они развиваются. Когда такое развитие мономера происходит из иона газового кластера, независимо от того, за счет возбуждения или нагревания благодаря первоначальному событию ионизации, столкновению или лучевому нагреванию, заряд имеет высокую вероятность оставаться с большим остаточным ионом газового кластера. Таким образом, после последовательности развития мономеров большой ион газового кластера может быть уменьшен до облака совместно движущихся мономеров, возможно, с меньшим ионом остаточного газового кластера (или, возможно, нескольких ионов, если также произошла фрагментация). Совместно движущиеся мономеры, следующие первоначальной траектории пучка, все имеют приблизительно ту же самую скорость, что и оригинальный ион газового кластера, и каждый из них обладает энергией, приблизительно равной qV_Acc/N_i эВ. Для малых ионов газовых кластеров энергия столкновения с мономером фонового газа, вероятно, должна полностью и очень активно диссоциировать малый газовый кластер и сомнительно, продолжают ли в таких случаях результирующие мономеры двигаться вместе с пучком или теряются из пучка.

Прежде чем GCIB достигнет обрабатываемой детали, остающиеся заряженные частицы (ионы газовых кластеров, в частности, ионы газовых кластеров малого и промежуточного размеров и некоторые заряженные мономеры, а также содержащие любые остающиеся большие ионы газовых кластеров) в пучке отделяются от нейтральной части пучка, оставляя только нейтральный пучок для обработки детали.

При типичной работе доли мощности, подаваемая к цели обработки в компонентах нейтрального пучка относительно мощности полного (заряженного плюс нейтрального) пучка, находится в диапазоне приблизительно от 5% до 95%, так что посредством способов и устройства разделения, соответствующих настоящему изобретению, возможно подавать эту часть кинетической энергии полного ускоренного заряженного пучка к цели в качестве нейтрального пучка.

Диссоциация ионов газовых кластеров и, таким образом, производство нейтрального пучка мономеров высокой энергии облегчается при следующих условиях: 1) Работа с повышенными ускоряющими напряжениями. Это увеличивает qV_Acc/N для любого заданного размера кластера. 2) Работа с высокой эффективностью ионизатора. Это увеличивает qV_Acc/N для любого заданного размера кластера, увеличивая q, и увеличивает столкновение ионов-кластеров в области извлечения за счет различий состояний заряда между кластерами. 3) Работа в области высокой ионизации, ускорения или давления на пути прохождения пучка или работа с газовой струей, пересекающей пучок, или с увеличенной длиной пути прохождения пучка, которые все увеличивают вероятность столкновений фонового газа с ионами газовых кластеров любого заданного размера. 4) Работа с лазерным облучением или тепловым нагреванием пучка, которые напрямую способствуют развитие мономеров из ионов газовых кластеров; и 5) Работа с повышенным газовым потоком сопла, которая увеличивает транспортировку газа, кластеризованного и, возможно, некластеризованного, по траектории GCIB, что увеличивает столкновения, приводящие в результате к большему развитию мономеров.

Измерение нейтрального пучка не может делаться посредством измерения тока, хотя это удобно для ионных пучков газовых кластеров. В одном из вариантов осуществления используется датчик мощности нейтрального пучка, чтобы облегчить дозиметрию при облучении обрабатываемой детали нейтральным пучком. Датчик нейтрального пучка является тепловым датчиком, установленным в пучке (или, как вариант, известной выборке пучка). Скорость нарастания температуры датчика связывается с потоком энергии, являющимся результатом облучения датчика энергетическим пучком. Тепловые измерения должны делаться в ограниченном диапазоне температур датчика, чтобы минимизировать ошибки из-за теплового переизлучения энергии, падающей на датчик. Для процесса GCIB мощность пучка (ватты) равна току пучка (амперы), умноженному на V_ACC, являющееся ускоряющим напряжением пучка. Когда GCIB облучает обрабатываемую деталь в течение некоторого периода времени (секунды), энергия (джоули), принятая обрабатываемой деталью, является произведением мощности пучка и времени облучения. Результаты обработки таким пучком, когда он обрабатывает большую площадь, распределяются по площади (например, выраженной в см²). Для ионных пучков традиционно было удобным указывать дозу обработки в терминах излучаемых ионов/см², где известно или предполагается, что ионы имеют во время ускорения среднее состояние заряда q и ускоряются разностью потенциалов V_Acc, так чтобы каждый ион нес энергию qV_Acc эВ (эВ - приблизительно равен 1,6⋅10^-19 джоулей). Таким образом, доза ионного пучка для среднего состояния заряда q, ускоренного V_Acc и определенная в ионы/см² соответствует легко вычисляемой дозе энергии, выраженной в джоулях/см². Для ускоренного нейтрального пучка, полученного из ускоренного GCIB, как он используется в настоящем изобретении, значение q во время ускорения и значение V_Acc являются одинаковыми для обеих (позже сформированных и разделенных) заряженных и незаряженных частей пучка. Мощность в двух частях (нейтральной и заряженной) GCIB делится пропорционально массе в каждой части пучка. Таким образом, для ускоренного нейтрального пучка, как он используется в изобретении, когда равные площади облучаются в течение равного времени, доза энергии (джоуль/см²), внесенная нейтральным пучком, будет обязательно меньше, чем доза энергии, внесенная полным GCIB. При использовании теплового датчика для измерения мощности при полном GCIB P_G и мощности в нейтральном пучке P_N (которая, как обычно считают, составляет приблизительно от 5 % до 95 % мощности полного GCIB) можно вычислить коэффициент компенсации для использования при дозиметрии для обработки нейтральным пучком. Когда P_N равна aP_G, то тогда коэффициент компенсации k = 1/a. Таким образом, если деталь обрабатывается, используя нейтральный пучок, полученный из GCIB, продолжительность времени делается в k раз большей, чем длительность обработки для полного GCIB (содержащего заряженные и нейтральные части пучка), требующаяся, чтобы достигнуть дозы D ионов/см², то есть, дозы энергии, падающей на обрабатываемую деталь как нейтрального пучка, так и полного GCIB, вместе являются одинаковыми (хотя результаты могут отличаться из-за качественных различий эффектов обработки благодаря различиям в размерах частиц в двух пучках). Технологическая доза нейтрального пучка, как она используется здесь, скомпенсированная таким способом, иногда описывается как имеющая эквивалентную энергию/см² дозы D ионы/см². Из-за небольших различий в ионизаторах или соплах газовых струй, распределение размеров кластеров в источнике и распределение состояния заряда в ионизированной газовой струе перед ускорением могут иногда варьироваться от настройки к настройке и от одного технологического инструмента к другому. Для многих процессов описанный выше способ дозиметрии обеспечивает соответствующую повторяемость процесса. Для некоторых других процессов эти вариации в аппаратурном обеспечении могут приводить в результате к нежелательно большой вариации процесса и отсутствию повторяемости. В таких случаях желательно получение более полных характеристик нейтрального пучка или диссоциированного нейтрального пучка.

В таких случаях более полная характеристика пучка обеспечивает точность, требуемую для повышенной повторяемости процесса. В варианте осуществления, описанном ниже, диагностический способ и устройство для получения полных характеристик нейтрального пучка или диссоциированного нейтрального пучка обеспечивают как точное измерение потока ускоренных нейтральных частиц в пучке, так и среднюю энергию на каждую ускоренную нейтральную частицу. В случае диссоциированного нейтрального пучка это соответствует потоку ускоренных нейтральных мономеров и средней энергии на каждый ускоренный нейтральный мономер. Различные другие свойства заряженных и незаряженных, ускоренных и неускоренных частей основополагающего GCIB определяются технологией и могут использоваться для гарантии повторяемости применений обработки детали нейтральными пучками и диссоциированными нейтральными пучками.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

ФИГ. 1 - элементы устройства 1100 обработки с помощью GCIB для обработки детали с использованием GCIB;

Фиг. 2 - элементы другого устройства 1200 обработки с помощью GCIB для обработки детали с использованием GCIB, в котором используется сканирование ионного пучка и манипулирование обрабатываемой деталью;

Фиг. 3 - устройство 1300 обработки с помощью нейтрального пучка, соответствующее варианту осуществления изобретения, которое использует электростатические пластины отклонения, чтобы разделить заряженные и незаряженные пучки;

Фиг. 4 - устройство 1400 обработки с помощью нейтрального пучка, соответствующее варианту осуществления изобретения, использующее тепловой датчик для измерения нейтрального пучка;

Фиг. 5 - сенсорное устройство 1500 для диагностики и измерения с использованием нейтрального пучка в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

Фиг. 6 - устройство 1600 обработки с использованием нейтрального пучка, соответствующее варианту осуществления изобретения, используемое для диагностики и измерения с помощью нейтрального пучка, показанное в диагностической конфигурации пучка; и

Фиг. 7 - устройство 1680 обработки с использованием нейтрального пучка, соответствующее варианту осуществления изобретения, используемое для диагностики и измерения с помощью нейтрального пучка, показанное в конфигурации для обработки детали.

Фиг. 8A и 8B - примерная калибровочная кривая преобразователей давления, сформированных как часть способов, соответствующих изобретению.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В последующем описании для упрощения ссылочные позиции из ранее описанных чертежей могут появляться в далее описываемых чертежах без обсуждения. Аналогично, позиции, обсужденные со ссылкой на более ранние чертежи, могут появляться на последующих чертежах без ссылочных позиций или дополнительного описания. В таких случаях позиции с подобными номерами являются схожими позициями и имеют ранее описанные признаки и функции, и представление позиций без позиционных ссылок, показанных на настоящем чертеже, относится к подобным позициям, имеющим те же самые функции, что и подобные позиции, показанные на ранее обсуждавшихся нумерованных чертежах.

Теперь, на фиг. 1 представлена схематичная конфигурация устройства 1100 GCIB-обработки. Сосуд 1102 низкого давления имеет три соединенных посредством текучей среды камеры: камера 1104 сопла, камера 1106 ионизации/ускорения и камера 1108 обработки. Три камеры откачаны вакуумными насосами 1146a, 1146b, и 1146c, соответственно. Герметизированный конденсируемый исходный газ 1112 (например, аргон), хранящийся в газовом баллоне 1111 для хранения, проходит через измерительный газовый вентиль 1113 и трубу 1114 подачи в камеру 1116 заторможенного потока. Давление (обычно несколько атмосфер) в камере 1116 заторможенного потока приводит в результате к выпуску газа в вакуум с существенно более низким давлением через сопло 1110, приводя в результате к формированию сверхзвуковой газовой струи 1118. Охлаждение, возникающее в результате расширения в струе, заставляет часть газовой струи 1118 конденсироваться в кластеры, каждый из которых содержит от нескольких до нескольких тысяч слабо связанных атомов или молекул. Апертура 1120 газового скиммера используется для управления газовым потоком в последующих по ходу камерах, частично отделяя газовые молекулы, которые не конденсировались в кластерную струю из струи кластеров. Чрезмерное давление в последующих камерах может быть вредным при взаимодействии с транспортированием ионов газовых кластеров и взаимодействии с управлением высокими напряжениями, которые могут использоваться для формирования пучка и транспортирования. Соответствующие конденсируемые исходные газы 1112 содержат, в частности, аргон и другие конденсируемые благородные газы, азот, двуокись углерода, кислород и многие другие газы и/или смеси газов. После формирования газовых кластеров в сверхзвуковой газовой струе 1118, по меньшей мере часть газовых кластеров ионизируется в ионизаторе 1122, который обычно является ионизатором с электронным ударом, создающим электроны посредством теплового излучения одной или более раскаленных нитей 1124 (или из других соответствующих источников электронов) и ускоряет и направляет электроны, позволяя им сталкиваться с газовыми кластерами в газовой струе 1118. Соударения с газовыми кластерами выбивают электроны из некоторых частей газовых кластеров, заставляя эти кластеры становиться положительно ионизированными. Некоторые кластеры могут иметь более одного выбитого электрона и могут становиться мультиионизированными. Управление количеством электронов и их энергией после ускорения обычно влияет на количество ионизаций, которые могут происходить, и на отношение между многократной и однократной ионизациями газовых кластеров. Ударный электрод 142 и заземленный электрод 1144 извлекают кластерные ионы из апертуры 1126 выхода ионизатора, ускоряют их до желаемой энергии (обычно с помощью ускоряющих потенциалов от нескольких сотен вольт до нескольких десятков квольт), и фокусируют, чтобы сформировать GCIB 1128. Область, которую GCIB 1128 пересекает между апертурой 1126 выхода ионизатора и ударным электродом 1142, упоминается как "область извлечения". Ось (определенная в сопле 1110) сверхзвуковой газовой струи 1118, содержащей газовые кластеры, является, по существу, той же самой, что и ось 1154 для GCIB 1128. Источник 1136 питание накалов обеспечивает напряжение V_f накала, чтобы нагреть нить 1124 ионизатора. Источник 1134 анодного электропитания обеспечивает анодное напряжение V_A для ускорения термоэлектронов, испускаемых нитью 1124, чтобы заставить термоэлектроны облучать газовую струю 1118, содержащую кластеры, для создания кластерных ионов. Источник 1138 электропитания ударной сетки обеспечивает ударное напряжение V_s (порядка от нескольких сотен до нескольких тысяч вольт), чтобы создать смещение ударного электрода 1142. Источник 1140 электропитания ускорителя подает ускоряющее напряжение V_Acc для смещения ионизатора 1122 относительно ударного электрода 1142 и заземленного электрода 1144, чтобы получить в результате общий ускоряющий потенциал GCIB, равный V_Acc. Ударный электрод 1142 служит для извлечения ионов из апертуры 1126 выхода ионизатора 1122 и предотвращения попадания нежелательных электронов в ионизатор 1122 после его прохождения и формирования сфокусированного GCIB 1128.

Обрабатываемая деталь 1160, которая может (например) быть медицинским устройством, полупроводниковым материалом, оптическим элементом или другой обрабатываемой деталью, которая должна обрабатываться посредством GCIB, удерживается в держателе 1162 обрабатываемой детали, который располагает обрабатываемую деталь на пути прохождения GCIB 1128. Держатель обрабатываемой детали прикрепляется, но электрически изолирован от камеры 1108 обработки электрическим изолятором 1164. Таким образом, GCIB 1128, ударяющий по обрабатываемой детали 1160 и держателю 1162 обрабатываемой детали проходит через электрический вывод 1168 к процессору 1170 дозы. Затвор 1172 пучка управляет прохождением GCIB 1128 вдоль оси 1154 к обрабатываемой детали 1160. Затвор 1172 пучка обычно имеет открытое состояние и закрытое состояние, которые управляются звеном связи 1174, который может быть (например) электрическим, механическим или электромеханическим. Процессор 1170 дозы управляет открытым/закрытым состоянием затвора 1172 пучка, чтобы управлять дозой GCIB, принимаемой обрабатываемой деталью 1160 и держателем 1162 обрабатываемой детали. При работе процессор 1170 дозы открывает затвор 1172 пучка, чтобы инициировать облучение обрабатываемой детали 1160пучком GCIB. Процессор 1170 дозы обычно интегрирует электрический ток GCIB, достигающий обрабатываемой детали 1160 и держателя 1162 обрабатываемой детали, чтобы вычислить накопленную дозу облучения GCIB. При достижении заданной дозы процессор 1170 дозы закрывает затвор 1172 пучка, прекращая обработку.

На фиг. 2 показаны элементы другого устройства 1200 GCIB-обработки для обработки обрабатываемой детали, используя GCIB, в котором используется сканирование ионного пучка и манипулирование обрабатываемой деталью. Обрабатываемая деталь 1160, который должна обрабатываться устройством 1200 GCIB-обработки, удерживается на держателе 1202 обрабатываемой детали, расположенной на пути прохождения GCIB 1128. Чтобы осуществить равномерную обработку обрабатываемой детали 1160, разработан держатель 1202 обрабатываемой детали, чтобы манипулировать обрабатываемой деталью 1160 так, как может потребоваться для равномерной обработки.

Любые поверхности обрабатываемой детали, являющиеся неплоскими, например, сферическими или чашеподобными, округленными, неправильными или имеющими другую неплоскую конфигурацию, могут быть ориентированы в пределах диапазона углов относительно падения пучка, чтобы получить оптимальную GCIB-обработку поверхностей обрабатываемой детали. Держатель обрабатываемой детали 1202 может быть полностью шарнирным для ориентации всех неплоских поверхностей, которые должны обрабатываться при соответствующем выравнивании с GCIB 1128, чтобы обеспечить оптимизацию и однородность обработки. Более конкретно, когда обрабатываемая деталь 1160 является неплоской, держатель 1202 обрабатываемой детали может поворачиваться посредством вращательного движения 1210 и сочленяться при шарнирном движении 1212 шарнирным механизмом/механизмом вращения 1204. Шарнирный механизм/механизм вращения 1204 может позволить вращение устройства на 360 градусов вокруг продольной оси 1206 (которая коаксиальна оси 1154 GCIB 1128), и достаточное шарнирное сочленение вокруг оси 1208, перпендикулярной к оси 1206, чтобы поддерживать поверхность обрабатываемой детали в пределах желаемого диапазона угла падения пучка.

При определенных условиях, в зависимости от размера обрабатываемой детали 1160, система сканирования может быть желательна для создания равномерного облучения большой обрабатываемой детали. Хотя часто нет необходимости в GCIB-обработке, две пары ортогонально ориентированных пластин 1130 и 1132 электростатического сканирования могут использоваться, для создания растра или другой структуры сканирования по расширенной области обработки. Когда такое сканирование пучком выполняется, генератор 1156 сканирования обеспечивает напряжения сигнала сканирования по оси X на пару пластин 1132 сканирования через пару 1159 выводов и напряжения сигнала сканирования по оси Y на пару пластин 1130 сканирования через пару 1158 выводов. Напряжения сигналов сканирования обычно имеют треугольную форму с различной частотой, которые заставляют GCIB 1128 преобразовываться в сканированный GCIB 1148, который сканирует всю поверхность обрабатываемой детали 1160. Сканированная, определяемая пучком апертура 1214 определяет сканированную площадь. Сканированная, определяемая пучком апертура 1214 является электрически проводящей и электрически соединяется с сосудом 1102 низкого давления и поддерживается опорным элементом 1220. Держатель 1202 обрабатываемой детали электрически соединяется через гибкий электрический вывод 1222 с цилиндром 1216 Фарадея, окружающим обрабатываемую деталь 1160 и держатель 1202 обрабатываемой детали, и собирает весь ток, проходящий через сканированную, определяющую ток апертуру 1214. Держатель 1202 обрабатываемой детали электрически изолируется от шарнирного механизма/механизма вращения 1204 и цилиндр 1216 Фарадея электрически изолируется от сосуда 1102 низкого давления и монтируется на нем изоляторами 1218. Соответственно, весь ток от сканированного GCIB 1148, который проходит через сканированную определяющую пучок апертуру 1214, собирается в цилиндре 1216 Фарадея и протекает через электрический вывод 1224 к процессору 1170 дозы. При работе процессор 1170 дозы открывает затвор 1172 пучка, чтобы начать облучение пучком GCIB обрабатываемой детали 1160. Процессор 1170 дозы обычно интегрирует электрический ток GCIB, достигающий обрабатываемой детали 1160 и держателя 1202 обрабатываемой детали и цилиндра 1216 Фарадея, чтобы вычислить накопленную дозу облучения GCIB на единицу площади. При заданной дозе процессор 1170 дозы закрывает затвор 1172 пучка, прекращая обработку, когда достигнута заданная доза. Во время накопления заданной дозы обрабатываемая деталь 1160 может манипулироваться шарнирным вращающимся механизмом 1204, чтобы обеспечить обработку всех желаемых поверхностей.

На фиг. 3 схематически представлено устройство 1300 обработки нейтральным пучком примерного типа, которое может использоваться для обработки нейтральным пучком в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Оно использует пластины электростатического отклонения, чтобы разделить заряженные и незаряженные части GCIB. Камера 1107 на пути пучка окружает ионизатор и области ускорителя и области обработки обрабатываемой детали. Камера 1107 на пути пучка обладает высокой проводимостью и поэтому давление, по существу, равномерно по ней. Вакуумный насос 1146b откачивает камеру 1107 на пути пучка. Газ протекает в камеру 1107 на пути пучка в форме кластеризованного и некластеризованного газа, транспортируемого газовой струей 1118 и в форме дополнительного некластеризованного газа, который вытекает через апертуру 1120 газового скиммера. Датчик 1330 давления передает данные давления передач от камеры 1107 на пути пучка через электрический кабель 1332 к контроллеру 1334 датчика давления, который измеряет и отображает давление в камере 1107 на пути пучка. Давление в камере 1107 на пути пучка зависит от баланса газового потока в камере 1107 на пути пучка и скорости качания вакуумного насоса 1146b. Выбирая диаметр апертуры 1120 газового скиммера, поток исходного газа 1112 через сопло 1110 и скорость качания вакуумного насоса 1146b, давление в камере 1107 на пути пучка выравнивается при давлении P_B, определяемом конструкцией и потоком через сопло. Длина пути прохождения пучка от заземленного электрода 1144 к держателю 1162 обрабатываемой детали, равна, например, 100 см. За счет конструкции и регулировки P_B может равняться приблизительно 6×10^-5 Торр (8×10^-3 Па). Таким образом произведение давления и длины траектории пучка составляет приблизительно 6×10^-3 Торр-см (0,8 Па-см), и целевая толщина газа для пучка равна приблизительно 1,94×10¹⁴ газовых молекул на см², которая рассматривается как эффективная для диссоциации ионов газовых кластеров в GCIB 1128. V_Acc может равняться, например, 30 кВ и GCIB 1128 ускоряется этим потенциалом. Пара отклоняющих пластин (1302 и 1304) располагается вокруг оси 1154 GCIB 1128. Источник 1306 электропитания дефлектора обеспечивает положительное отклоняющее напряжение V_D на отклоняющей пластине 1302 через электрический вывод 1308. Отклоняющая пластина 1304 соединяется с электрическим заземлением электрическим выводом 1312 и через датчик тока/дисплей 1310. Источник 1306 электропитания дефлектора может управляться вручную. V_D может регулироваться от нуля до напряжения, достаточного, чтобы полностью отклонить ионизированную часть 1316 пучка GCIB 1128 к отклоняющей пластине 1304 (например, несколько тысяч вольт). Когда ионизированная часть 1316 пучка GCIB 1128 отклоняется к отклоняющей пластине 1304, результирующий ток I_D протекает через электрический вывод 1312 и датчик тока/дисплей 1310 для индикации. Когда V_D равно нулю, пучок GCIB 1128 не отклоняется и проходит к обрабатываемой детали 1160 и держателю 1162 обрабатываемой детали. Ток I_B пучка GCIB собирается на обрабатываемой детали 1160 и держателе 1162 обрабатываемой детали и протекает через электрический вывод 1168 и датчик тока/дисплей 1320 к электрическому заземлению. I_B индицируется датчиком тока/дисплеем 1320. Затвор 1172 пучка управляется звеном связи 1338 с помощью контроллера 1336 затвора пучка 1336. Контроллер 1336 затвора пучка может быть ручным или может быть электрически или механически синхронизироваться на заданное значение, чтобы открывать затвор 1172 пучка на заданное время. При использовании V_D устанавливается на ноль и измеряется ток I_B пучка, ударяющего по держателю обрабатываемой детали. На основе предшествующего опыта для заданного способа рецепта процесса GCIB, начальное время облучения для данного процесса определяется на основе измеренного тока I_B. V_D увеличивается до тех пор, пока весь измеренный ток пучка не перейдет из I_B в I_D и I_D больше не будет увеличиваться с увеличением V_D. В этой точке нейтральный пучок 1314, содержащий энергетические диссоциированные компоненты начального GCIB 1128, облучает держатель 1162 обрабатываемой детали. Затвор 1172 пучка затем закрывается и обрабатываемая деталь 1160 помещается в держателе 1162 обрабатываемой детали традиционными средствами загрузки обрабатываемой детали (не показаны). Затвор 1172 пучка открывается на заданное начальное времени. После интервала облучения обрабатываемая деталь может быть исследована и время обработки регулируется по мере необходимости, чтобы калибровать продолжительность обработки нейтральным пучком, основываясь на измеренном токе I_B пучка GCIB. Вслед за таким процессом калибровки дополнительные детали могут обрабатываться, используя калиброванную продолжительность экспозиции.

Нейтральный пучок 1314 содержит повторяемую часть начальной энергии ускоренного GCIB 1128. Остальная ионизированная часть 1316 первоначального пучка GCIB 1128 удалена из нейтрального пучка 1314 и собирается заземленной отклоняющей пластиной 1304. Ионизированная часть 1316, которая удаляется из нейтрального пучка 1314, может содержать ионы мономеров и ионы газовых кластеров, в том числе, ионы газовых кластеров промежуточных размеров. Благодаря механизмам испарения мономеров за счет нагревания кластеров во время процесса ионизации, столкновениям внутри пучка, столкновениям с фоновым газом и другим причинам (которые все приводят к эрозии кластеров), нейтральный пучок, по существу, состоит из нейтральных мономеров, в то время как отделенные заряженные частицы являются, преимущественно, ионами кластеров. Изобретатели подтвердили это соответствующими измерениями, которые содержат повторную ионизацию нейтрального пучка и измерение отношения заряда к массе результирующих ионов.

На фиг. 4 схематично показано устройство 1400 обработки нейтральным пучком, которое может применяться, например, при формировании нейтральных пучков, которые могут использоваться в вариантах осуществления изобретения. Для измерения нейтрального пучка оно использует тепловой датчик. Тепловой датчик 1402 крепится через приспособление 1404 с низкой удельной теплопроводностью к вращающемуся опорному рычагу 1410, прикрепленному к стержню 1412. Привод 1408 перемещает тепловой датчик 1402 посредством реверсивного вращательного движения 1416 между положениями, которое пересекает нейтральный пучок 1314 или пучок GCIB 1128, и положением парковки, указанным позицией 1414, где тепловой датчик 1402 не пересекает никакой пучок. Когда тепловой датчик 1402 находится в припаркованном положении (обозначено как 1414) пучок GCIB 1128 или нейтральный пучок 1314 продолжает движение вдоль пути 1406 для облучения обрабатываемой детали 1160 и/или держателя обрабатываемой детали 1162. Контроллер 1420 теплового датчика управляет расположением теплового датчика 1402 и выполняет обработку сигнала, сформированного тепловым датчиком 1402. Тепловой датчик 1402 осуществляет связь с контроллером 1420 теплового датчика 1420 через электрический кабель 1418. Контроллер теплового датчика 1420 осуществляет связь с контроллером 1432 дозиметрии через электрический кабель 1428. Устройство 1424 измерения тока пучка измеряет ток I_B пучка, протекающий через электрический вывод 1168, когда пучок GCIB 1128 ударяет по обрабатываемой детали 1160 и/или держателю 1162 обрабатываемой детали. Устройство 1424 измерения тока пучка передает измеренный сигнал тока пучка дозиметрическому контроллеру 1432 через электрический кабель 1426. Дозиметрический контроллер 1432 управляет установкой открытого и закрытого состояний для затвора 1172 пучка управляющими сигналами, передаваемыми через соединительное звено 1434. Дозиметрический контроллер 1432 управляет источником 1440 электропитания дефлектора через электрический кабель 1442 и может управлять отклоняющим напряжением V_D между значениями напряжения от нуля и до положительного значения, соответствующего полному отклонению ионизированной части 1316 пучка GCIB 1128 к отклоняющей пластине 1304. Когда ионизированная часть 1316 пучка GCIB 1128 ударяет по отклоняющей пластине 1304, результирующий ток I_D измеряется датчиком тока 1422 и передается дозиметрическому контроллеру 1432 через электрический кабель 1430. При работе дозиметрический контроллер 1432 устанавливает тепловой датчик 1402 в положение 1414 парковки, открывает затвор 1172 пучка, устанавливает V_D равным нулю, так чтобы полный пучок GCIB 1128 попадал на держатель 1162 обрабатываемой детали 1162 и/или на обрабатываемую деталь 1160. Дозиметрический контроллер 1432 записывает ток I_B пучка, передаваемый от устройства 1424 измерения тока пучка. Дозиметрический контроллер 1432 затем перемещает тепловой датчик 1402 из положения 1414 парковки в положение, в котором он пересекает пучок GCIB 1128, по командам, передаваемым через контроллер 1420 теплового датчика. Контроллер 1420 теплового датчика измеряет энергию потока пучка GCIB 1128, вычисляя ее на основе теплоемкости датчика элемента и измеренной скорости повышения температуры теплового датчика 1402 по мере того, как его температура повышается сверх заданной измеренной температуры (например, 70 градусов Цельсия), и передает вычисленный поток энергии пучка на дозиметрический контроллер 1432, который затем вычисляет калибровку потока энергии пучка, измеренного тепловым датчиком 1402, и соответствующий ток пучка, измеренный устройством 1424 измерения тока пучка. Дозиметрический контроллер 1432 затем паркует тепловой датчик 1402 в положении 1414 парковки, позволяя ему охладиться, и дает команды на приложение положительного V_D к отклоняющей пластине 1302, пока весь текущий ток I_D за счет ионизированной части пучка GCIB 1128 не будет перенесен к отклоняющей пластине 1304. Датчик 1422 тока измеряет соответствующий I_D и передает его дозиметрическому контроллеру 1432. Дозиметрический контроллер также перемещает тепловой датчик 1402 из положения 1414 парковки в положение, в котором он пересекает нейтральный пучок 1314, по командам, переданными через контроллер теплового датчика 1420. Контроллер теплового датчика 1420 измеряет поток энергии пучка для нейтрального пучка 1314, используя ранее определенный коэффициент калибровки и коэффициент роста температуры теплового датчика 1402 по мере роста его температуры сверх заданной температуры измерения, и передает энергию пучка нейтрального потока дозиметрическому контроллеру 1432. Дозиметрический контроллер 1432 вычисляет долю нейтрального пучка, которая является отношением результата измерения температуры потока энергии нейтрального пучка 1314 года к результату измерения температуры полного потока энергии пучка 1128 GCIB тепловым датчиком 1402. При типичной работе достигается доля нейтрального пучка от приблизительно 5% до приблизительно 95%. Прежде чем начать обработку, дозиметрический контроллер 1432 также измеряет ток I_D и определяет отношение токов между начальными значениями I_B и I_D. Во время обработки мгновенный результат измерения I_D, умноженный на начальное отношение I_B/I_D, может использоваться в качестве основы для непрерывного измерения I_B и для дозиметрии во время управления обработкой дозиметрическим контроллером 1432. Таким образом, дозиметрический контроллер 1432 может компенсировать любую флюктуацию пучка во время обработки детали, так же, как если бы было доступно фактическое измерение тока пучка для полного пучка GCIB 1128. Дозиметрический регулятор использует долю нейтрального пучка, чтобы вычислить требуемое время обработки для конкретного процесса обработки пучком. Во время процесса время обработки может быть отрегулировано, основываясь на калиброванном результате измерения I_D для коррекции любой флюктуации пучка во время процесса.

На фиг. 5 схематично представлено сенсорное устройство 1500 для диагностики и измерений с помощью нейтрального пучка, соответствующее варианту осуществления изобретения. Сенсорное устройство 1500 имеет многочисленные датчики и может использоваться для измерения характеристик ионного пучка или нейтрального пучка. При использовании оно выравнивается с осью 1154 пучка 1514. Пучок 1514 может быть, например, GCIB, нейтральным пучком, или диссоциированным нейтральным пучком. Корпус сенсорного устройства 1500 является цилиндром 1502 Фарадея, имеющим внутреннюю часть 1504 и входную апертуру 1536. Пучок 1514 поступает в цилиндр 1502 Фарадея через входную апертуру 1536 и падает на ударную пластину 1516. Металлическая ударная пластина 1516 является электропроводящей и теплопроводящий и обладает теплоемкостью. Ударная пластина 1516 электрически и термически соединяется с цилиндром 1502 Фарадея, который образует корпус сенсорного устройства 1500 с одним или более электропроводящим и теплопроводящим основанием(-ями) 1518a и 1518b (два показаны для примера, но не для ограничения; здесь далее ссылочные позиции 1518a и 1518b указаны, чтобы представить одно или более оснований). Основания 1518a и 1518b являются металлическими и сконструированы так, чтобы иметь низкое электрическое сопротивление и умеренное тепловое сопротивление (относящееся к параллельному соединению всех оснований), а также служить для механической поддержки ударной пластины 1516. По сравнению с одним или более основаниями 1518a и 1518b, ударная пластина 1516 и цилиндр 1502 Фарадея оба имеют очень высокую удельную теплопроводность. Предпочтительно часть цилиндра 1502 Фарадея, к которой крепятся основания 1518a и 1518b, является массивной, чтобы иметь теплоемкость, поглощающую тепло с небольшим изменением температуры. Внешняя часть цилиндра 1502 Фарадея может подвергаться воздействию атмосферы и, таким образом, получать выгоду от охлаждения внешней атмосферой. Как вариант, который не показан, цилиндр 1502 Фарадея может активно охлаждаться или иметь регулируемую температуру, чтобы поддерживать его температуру на фиксированном значении, например, 25 градусов Цельсия. Пучок 1514, входящий через входную апертуру 1536, является падающим на ударную пластину 1516. Если пучок 1514 содержит ионы (GCIB), то ток пучка I_B собирается ударной пластиной 1516 и цилиндром 1502 Фарадея и может проходить через электрический вывод 1512 к внешней системе измерения тока пучка. Если пучок 1514 является нейтральным пучком или диссоциированным нейтральным пучком, то собирается нулевой ток I_B пучка. Таким образом, функция цилиндра Фарадея сенсорного устройства 1500 не требуется для нейтрального пучка или диссоциированного нейтрального пучка и определение характеристик и электрический вывод 1512 и связанное с ним устройство для измерения тока I_B пучка не требуются. Приведенное здесь описание предполагает, что может быть желательным, чтобы то же самое устройство было способно измерять пучок, содержащий ионы, и, таким образом, описывает (дополнительную) функцию цилиндра Фарадея и функции измерения тока пучка сенсорного устройства 1500. Кинетическая энергия пучка 1514 рассеивается в ударной пластине 1516 и преобразуется в теплоту, повышая температуру ударной пластины 1516. Теплота от ударной пластины с повышенной температурой проходит через одно или более оснований 1518a, 1518b к корпусу цилиндра 1502 Фарадея сенсорного устройства 1500, создавая падение температуры на основаниях 1518a и 1518b. Температурный датчик 1520, который обычно является термопарой или термоэлементом (но может быть и другим типом датчика, таким как терморезистор или резистивный датчик температуры RTD) термически соединяется, но электрически изолируется от ударной пластины 1516 электрически изолирующим клеевым слоем 1522. Другой температурный датчик 1530, который обычно является термопарой (но может быть другим типом датчика, таким как терморезистор, термоэлемент, или RTD), термически соединяется, но электрически изолируется от корпуса цилиндра 1502 Фарадея сенсорного устройства 1500 электрически изолирующим липким слоем 1532. В одном примерной конфигурация температурный датчик 1520 является горячим спаем термопары или термоэлемента и температурный датчик 1530 является холодным спаем той же самой термопары или термоэлемента. Электрический кабель 1524, имеющий удельную теплопроводность, незначительную по сравнению с теплопроводностью основания 1518, соединяет температурные датчики 1520 и 1530 посредством электрически изолированного ввода 1526 с внешним кабелем 1528, чтобы передавать информацию о температуре от двух температурных датчиков к внешней измерительной системе. Равновесная разность температуры, измеренной температурным датчиком 1520 и температурным датчиком 1530, является критерием мощности, рассеиваемой в ударной пластине 1516 за счет энергетического пучка 1514. Теплоемкость ударной пластины 1516 и тепловое сопротивление оснований 1518a и 1518b (относящееся к параллельному соединению их всех) определяют постоянную времени температурного переходного процесса, происходящего, когда пучок 1514 рассеивает свою кинетическую энергию в ударной пластине 1516 - эта постоянная времени обычно выбирается при проектировании, так чтобы она была от небольшой части секунды до нескольких секунд, в зависимости от необходимости. Пучок 1514 передает массу во внутреннюю часть 1504 цилиндра 1502 Фарадея. Любые газовые кластеры или ионы газовых кластеров, которые могут присутствовать в пучке 1514, становятся полностью диссоциированными при их падении на ударную пластину 1516 и вместе с любыми мономерами, которые могут присутствовать в пучке 1514, высвобождаются во внутреннюю часть 1504 цилиндра 1502 Фарадея, повышая давление во внутренней части 1504 цилиндра 1502 Фарадея. Преобразователь 1506 давления посредством текучей среды соединяется с внутренней частью 1504 цилиндра 1502 Фарадея и прикрепляется к нему с помощью электрически изолированного фланца 1508. Преобразователь 1506 давления измеряет давление во внутренней части 1504 цилиндра 1502 Фарадея. Давление во внутренней части 1504 цилиндра 1502 Фарадея является мерой потока массы в цилиндр 1502 Фарадея за счет пучка 1514. В работе сенсорное устройство 1500 действует вместе с внутренней частью 1504 цилиндра 1502 Фарадея в условиях вакуума. Функция измерения мощности пучка сенсорного устройства 1500 может быть калибрована, размещая сенсорное устройство 1500 в условиях вакуума и направляя инфракрасный лазерный пучок с известной мощностью пучка (или другого калиброванного источник радиоактивной энергии) на ударную пластину (чтобы моделировать рассеяние мощности за счет ускоренного пучка).

На фиг. 6 схематично представлено устройство 1600 обработки нейтральным пучком, соответствующее варианту осуществления изобретения, использующее сенсорное устройство 1500 для диагностики и измерений с помощью нейтрального пуска и показанное в конфигурации диагностики с использованием пучка. Сенсорное устройство 1500 располагается коаксиально с осью 1154 пучка 1514. Сенсорное устройство прикрепляется к камере 1107 по ходу пучка сосуда 1102 низкого давления с помощью электроизолирующего фланца 1656 на отверстии, которое позволяет передачу пучка 1514 в сенсорное устройство 1500. Формируется ускоренный пучок 1128 GCIB. Пара электростатических отклоняющих пластин 1602 располагается вокруг оси 1154. Источник 1636 отклоняющего электропитания обеспечивает управляемое отклоняющее напряжение V_D. Электрический вывод 1638 прикладывает отклоняющее напряжение V_D между отклоняющими пластинами 1602. Когда V_D равно нулю, проходящий далее пучок 1514 является пучком 1128 GCIB. Когда V_D является достаточно большим (в зависимости от энергии пучка и геометрии отклоняющей пластины, но обычно несколько кВ), ионизированная часть 1604 пучка 1128 GCIB отклоняется и пучок 1514 является нейтральным пучком. Нагрузка пучка 1606 располагается так, чтобы принимать ионизированную часть 1604 пучка после того, как она отклонена отклоняющими пластинами 1602. Нагрузка 1606 пучка имеет апертуру 1608 пропускания пучка 1514. Когда V_D является нулевым, апертура 1608 пропускает пучок 1514, который является пучком GCIB. Когда V_D является достаточно большим, ионизированная часть 1604 ударяет по нагрузке 1606 пучка и апертура 1608 пропускает нейтральный пучок. Когда пучок 114 является нейтральным пучком, он содержит как ускоренные компоненты, так неускоренные компоненты. Часть газовой струи 1118 обычно пропускается через ионизатор 1122 без ионизации и, таким образом, не ускоряется в области извлечения между апертурой 1126 выхода ионизатора и ударным электродом 1142. Такая неускоренная часть газовой струи может содержать мономеры и газовые кластеры, проходящие со скоростью газовой струи, являющейся сверхзвуковой. Обычно неускоренные мономеры и/или кластеры имеют энергии порядка нескольких миллиэлектрон-вольт на мономер и, таким образом, обычно не приводят в результате ни к какой существенной обработке поверхности, когда они воздействуют на обрабатываемую деталь. Однако, эти частицы реально участвуют в переносе массы вдоль пучка 1514 и в сенсорное устройство 1500. Поскольку эти компоненты нейтрального пучка с низкой энергией (неускоренные) незначительно участвуют в обработке детали, они должны быть исключены из дозиметрических вычислений для ускоренного нейтрального пучка.

Контроллер 1616 может быть универсальным контроллером (таким как контроллер на основе микропроцессора) и используется для калибровки системы измерения пучка, чтобы управлять дозиметрией во время обработки детали и сообщать диагностическую информацию пучка пользователю/оператору.

Преобразователь 1610 давления располагается в камере 1107 вывода пучка на месте, смещенном от оси пучка 1514. Электрический вывод 1512 пропускает ток I_B пучка к устройству 1612 измерения тока пучка, который измеряет I_B и передает результат измерения по электрическому кабелю 1618 к контроллеру 1616. Электрический кабель 1528 передает информацию о результате измерения устройству 1614 измерения температуры, которое измеряет разность температур между одним или более оснований 1518a и 1518b и передает результат измерения перепада температур по электрическому кабелю 1620 контроллеру 1616. Датчик 1506 давления измеряет давление внутри сенсорного устройства 1500 и передает информацию с результатом давления на контроллер 1616 по электрическому кабелю 1510. Преобразователь 1610 давления измеряет давление в камере 1107 выпуска пучка и передает результат измерения контроллеру 1616 по электрическому кабелю 1644. Конденсируемый исходный газ 1112 под давлением (например, аргон), хранящийся в газовом баллоне 1111 для хранения, протекает через газовый измерительный и отсечный клапан 1640 и трубку 1114 подачи в камеру 1116 заторможенного потока, чтобы сформировать газовую струю 1118. Двухходовой газовый измерительный и отсечный клапан 1646 подает исходный газ 1112 либо в трубку 1650 подачи, либо в трубку 1660 подачи. Двухходовой газовый измерительный и отсечный клапан 1646 может перекрыть поток газа или регулировать поток газа с управляемой скоростью потока, подаваемого либо в трубку 1650 подачи или трубку 1660 подачи. Трубка 1650 подачи имеет сопло 1652, которое направляет управляемый поток измеренного исходного газа 1112 вовнутрь сенсорного устройства 1500 для калибровочных целей. Трубка 1660 подачи имеет сопло 1662, направляющее управляемый поток исходного газа 1112 в камеру 1107 выпуска пучка. Двухходовой газовый измерительный и отсечный клапан 1646 принимает управляющие сигналы от контроллера 1616 через кабель 1648, чтобы измерять управляемый поток исходного газового потока в сенсорное устройство 1500 или в камеру 1107 выпуска пучка или полностью перекрывать поток.

Манипулятор 1622 обрабатываемой детали управляет держателем 1624 детали, который удерживает обрабатываемую деталь 1160. Обрабатываемая деталь 1160 может помещаться в держатель 1624 или выниматься из держателя 1624 обрабатываемой детали (или необработанной детали, заменяющей обработанную деталь) традиционными средствами загрузки/выгрузки детали (не показаны). Манипулятор 1622 обрабатываемой детали может механически удлинять или втягивать держатель 1624 обрабатываемой детали и обрабатываемую деталь 1160 с помощью прямолинейного движения 1626. Это позволяет помещать обрабатываемую деталь 1160 в пучок 1514 или вытягивать ее из пучка 1514, чтобы начать или остановить обработку детали 1160 пучком. Держатель обрабатываемой детали показан в его втянутом положении 1654 с обрабатываемой деталью вне пучка 1514, что пригодно, когда с помощью пучка выполняется диагностика. Манипулятор 1622 обрабатываемой детали может, как вариант, иметь дополнительную ось 1628 движения, которая входит и выходит в плоскость чертежа на фиг. 6 и перпендикулярна направлению движения 1626. Комбинация движений 1626 и 1628 облегчает сканирование обрабатываемой детали посредством пучка 1514, когда желательно сканирование, чтобы обеспечить равномерную обработку деталей с большой площадью. Контроллер 1616 подает сигналы управления по электрическому кабелю 1632 к манипулятору 1622 обрабатываемой детали, чтобы управлять вытягиванием и втягиванием обрабатываемой детали относительно пучка 1514 и, когда требуется, как вариант, управлять сканированием обрабатываемой детали 1160 посредством пучка 1514. Контроллер 1616 передает сигналы управления посредством электрической связи и шины 1634 управления на источник 1636 отклоняющего электропитания, чтобы регулировать отклоняющее напряжение V_D для управления отклонением ионизированной части 1604 пучка 1514. Контроллер 1616 передает сигналы управления посредством электрической связи и шины 1634 управления к источнику 1138 электропитания ударной сетки, чтобы включать или выключать ударное напряжение Vs. Контроллер 1616 передает сигналы управления посредством электрической связи и шины 1634 управления к источнику 1140 электропитания ускорителя, чтобы включать или выключать ускоряющее напряжение V_Acc. Контроллер 1616 передает сигналы управления посредством электрической связи и шины 1634 управления к источнику 1636 отклоняющего электропитания, чтобы регулировать отклоняющее напряжение V_D для управления отклонением ионизированной части 1604 от пучка 1514. Контроллер 1616 передает сигналы управления посредством электрической связи и шины 1634 управления на источник 1136, чтобы регулировать или включать или выключать напряжение накала V_F. Контроллер 1616 передает сигналы управления передачей посредством электрической связи и шины 1634 управления к источнику 1134 анодного электропитания, чтобы регулировать или включать или выключать анодное напряжение V_A. Контроллер 1616 передает сигналы управления посредством электрической связи и шины 1634 управления на газовый измерительный и отсечный клапан 1640, чтобы управлять или перекрывать поток исходного газа 1112 в камеру 1116 заторможенного потока, чтобы начинать или прекращать формирование газовой струи 1118. Устройство 1656 дисплея управляется контроллером 1616 по электрическому кабелю 1658 и обеспечивает показ информации диагностики с помощью пучка пользователю/оператору.

При использовании система калибруется, калибруя измерение мощности пучка, как описано ранее, и энергетическая чувствительность (в кельвинах/мВт) записывается как k_A (например, 0,05 кельвин/мВт).

Измерение переноса массы пучка калибруется, помещая камеру выпуска пучка при ее нормальном рабочем вакууме без формирования пучка (газовый измерительный клапан 1113) закрыт. Газовый клапан 1640 открывается. Контроллер 1616 дает команду контроллеру 1646 массового расхода ввести исходный газ (обычно аргон) в сенсорное устройство 1500 через трубу 1650 подачи и сопло 1652. Для диапазона расходов, например, 0-1 стандартный кубический сантиметр в минуту (ст. куб см/мин) также (sccm), измеряется кривая измерения линейного давления и наклон линейной кривой определяется и записывало как k_D (например, 1,2×10^-3 Торр/ст. куб. см). (Заметим, что 1 Па-м³/с равен приблизительно 592,2 ст. куб. см; и 1 Торр/ст. куб. см равен приблизительно 7,892 с/м³). Контроллер 1616 дает команду контроллеру 1646 массового расхода установить нулевой расход.

На фиг. 7 схематически 1680 представлено устройство 1600 обработки нейтральным пучком, описанное ранее, и показана конфигурация обработки детали нейтральным пучком. Контроллер 1616 дает команду на газовый измерительный и отсечный клапан 1640, источник 1134 анодного электропитания, источник 1136 электропитания накала, источник 1140 ускоряющего электропитания и источник 1138 электропитания ударного электрода, чтобы установить режим формирования пучка GCIB 1128 в соответствии с параметрами пучка (ток пучка и ускоряющее напряжение и т.д., ранее определенные как пригодные для требуемой обработки) посредством сигналов управления, посылаемых посредством электрической шины 1634 передачи данных и управления. Контроллер 1616 также передает сигналы управления через шину 1634 передачи данных и управления к источнику 1636 отклоняющего электропитания, чтобы отрегулировать отклоняющее напряжение V_D, для отклонения ионизированной части 1604 пучка GCIB 1128 из пучка 1514, так чтобы пучок 1514 был нейтральным пучком. Контроллер 1616 передает сигналы управления манипулятору 1622 обрабатываемой детали по электрическому кабелю 1632, чтобы заставить необработанную деталь 1160 перемещаться в пучке 1514, перемещая держатель 1624 обрабатываемой детали в раскрытом положении 1682. При желании, манипулятор 1622 детали может управляться контроллером 1616, чтобы сканировать обрабатываемую деталь 1160 пучком 1514, позволяя получить равномерную обработку детали 1160, когда обрабатываемая деталь 1160 больше диаметра пучка 1514. Используя информацию о характеристиках пучка, определенную во время предыдущих измерений характеристик пучка (описанных здесь ниже - смотрите ниже вычисления Cp и Cs) контроллер 1616 определяет общее время, требующееся для экспозиции (сканированной или несканированной) детали 1160 пучка 1514, чтобы достигнуть заранее заданной дозы для обработки нейтральным пучком (общая доза ускоренных нейтральных молекул на 1 см² поверхности обрабатываемой детали.) При достижении заданной дозы на обрабатываемой детали 1160 контроллер 1616 дает команду на манипулятор 1622 обрабатываемой детали удалить обрабатываемую деталь 1160 из пучка 1514, чтобы прекратить обработку детали 1160. Традиционные средства загрузки/разгрузки (не показаны) могут удалить обработанную деталь 1160 из устройства обработки и заменить ее другой необработанной деталью для дополнительной обработки.

Хотя сенсорное устройство 1500 для целей примера было показано на фиг. 6 и 7 как прикрепленное к внешней стороне сосуда 1102 низкого давления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что сенсорное устройство 1500 может альтернативно располагаться частично или полностью в камере 1107 выпуска пучка. Оно может также быть расположено до держателя 1624 обрабатываемой детали 1624, располагая соответствующие механизмы и средства управления так, чтобы перемещать сенсорное устройство в пучок 1514 для определения характеристик пучка или из пучка, чтобы позволить выполнять обработку. При частичном или полном расположении в камере 1107 выпуска пучка могут понадобиться соответствующие изменения положения сопла 1652, а также может быть необходимо обеспечение соответствующего охлаждения или регулирования температуры участка цилиндра 1502 Фарадея, к которому прикреплены основания 1518a и 1518(b), чтобы предотвратить перегрев сенсорного устройства 1500 и обеспечить правильное функционирование в вакуумной среде.

Устройство, показанное на фиг. 5 и 6, способно всесторонне охарактеризовать нейтральный пучок или диссоциированный нейтральный пучок и (как вариант, измеряя ток I_B пучка с помощью цилиндра Фарадея) GCIB, из которого его получают. В соответствии с нижеследующими способами первоначально определяются некоторые системные константы и затем несколько переменных, каждая из которых связана с каждой конкретной настройкой пучка. На основе измеренных системных констант и конкретных переменных настройки, могут быть вычислены и использоваться всесторонние характеристики пучка, помимо прочих целей, для дозиметрии во время обработки обрабатываемой детали нейтральным пучком или диссоциированным нейтральным пучком. Все вместе, ударная пластина 1516, одно или более оснований 1518a и 1518b, например, корпус цилиндра 1502 Фарадея, температурные датчики 1520 и 1530, устройство 1614 измерения температуры и контроллер 1616 вместе с их электрическими соединениями составляют "Измеритель мощности пучка" для измерения мощности пучка 1514 посредством тепловых воздействий на ударную пластину 1516. Чувствительность измерителя мощности пучка в кельвин/мВт представляется как k_A, где мощность пучка, рассеиваемая в ударной пластине 1516 выражается в мВт, а результирующая равновесная разность между температурами, измеренными температурными датчиками 1520 и 1530, выражается в кельвинах. Чувствительность преобразователя 1506 давления к газу, транспортируемому в сенсорное устройство 1500 пучком 1514, выраженная в Торр/ст. куб. см, представляется как k_D, где объем перенесенного газа выражается в ст. куб см (для диссоциированного пучка или для калибровочного источника газа, вводимого через сопло 1652) и давление, измеренное преобразователем 1506 датчика, выражается в Торр (заметим, что 1 Торр/ст. куб. см равен приблизительно 7,892 с/м³; и 1 Па приблизительно равен 0,007501 Торр; и 1 Па-м³/с равен приблизительно 592,2 ст. куб. см). Чувствительность преобразователя 1506 давления к давлению фонового газа в сенсорном устройстве 1500 с потоком газа в камеру 1107 выпуска пучка за счет газовой струи 1118 в единицах измерения Торр/ст. куб. см представляется как k_B, где количество газа, подаваемого через сопло 1110 выражается в ст. куб. см (или для источника калибровочного газа, введенного через сопло 1662) и давление, измеренное преобразователем 1506 давления, выражается в единицах измерения Торр (заметим, что 1 Торр/ст. куб. см равен приблизительно 7,892 с/м³; и 1 Па составляет приблизительно 0,007501 Торр; и 1 Па-м³/с равен приблизительно 592,2 ст. куб. см). Чувствительность преобразователя 1610 датчика к давлению фонового газа в камере 1107 выпуска пучка с расходом газа в камере 1107 выпуска пучка за счет струи газа 1118 в единицах измерения Торр/ст. куб. см представляется как k_c, где количество газа, поданное через сопло 1110, выражается в ст. куб. см/с (или для источника калибровочного газа, введенного через сопло 1662) и давление, измеренное преобразователем 1610 давления, выражается в единицах измерения Торр (заметим, что 1 Торр/ст. куб. см равен приблизительно 7,892 s/м³; и 1 Па составляет приблизительно 0,007501 Торр; и 1 Па-м³/с, приблизительно равен 592,2 ст. куб. см/с).

Чувствительность измерителя мощности пучка, k_A, может измеряться, помещая сенсорное устройство 1500 в условия вакуума и направляя инфракрасный лазерный пучок с известной мощностью пучка (или другой калиброванный радиационный источник энергии) на ударную пластину (чтобы моделировать рассеяние мощности за счет ускоренного пучка). Например, может быть удобен лазер с волокном иттербия, работающий на длине волны 1,06 микрон с уровнем мощности пучка 100 милливатт (калибруется, используя лазерный измеритель мощности). При такой калибровке зависимость между мощностью, падающей на ударную пластину 1516 и перепадом температур между двумя температурными датчиками 1520 и 1530 (в равновесии или вблизи равновесия, например, приблизительно через 5 тепловых постоянных времени измерителя мощности пучка) известна и может использоваться для измерения мощности пучка, падающего на ударную пластину 1516. В примерной конфигурации оснований 1518a и 1518b чувствительность k_A может быть, например, порядка приблизительно 0,5 кельвин/мВт.

Чувствительность преобразователя 1506 давления к газу, транспортируемому в сенсорное устройство 1500 пучком 1514, выраженная в Торр/ст. куб. см, измеряется посредством управляемого моделирования транспортировки газа пучком (заметим, что 1 Торр/ст. куб. см приблизительно равен 7,892 с/м³). Газовая струя 1118 выключается, перекрывая газовый измерительный и отсечный клапан 1640. Затем контроллер 1616 управляет двухходовый газовым измерительным и отсечным клапаном 1646, чтобы создать управляемую последовательность потоков через сопло 1652 прямо вовнутрь 1504 сенсорного устройства 1500 для моделирования транспортирования газа пучком в сенсорное устройство 1500. Например, расходы газа 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 и 0,6 ст. куб. см (или последовательность значений, соответствующая типичному транспортированию газа пучком, которая будет, вероятно, иметь место для обычно используемых интенсивностей пучка), могут быть введены в сенсорное устройство и соответствующее показания давления преобразователя давления 1506 регистрируются (заметим, что расходы газа 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 и 0,6 ст. куб. см соответствуют приблизительно 3,378×10^-4, 5,067×10^-4, 6,756×10^-4, 8,445×10^-4 и 1,013×10^-3 Па-с/м³). На фиг. 8А представлена примерная калибровочная кривая 1700 для преобразователя 1506 давления, которая может быть получена в результате такой последовательности измерений. Результаты измерений приводят к чрезвычайно прямолинейной кривой 1702, имеющей наклон 1704, равный k_D, например, порядка приблизительно 1,2×10^-3 Торр/ст. куб. см (9,470×10^-3 с/м³). Контроллер 1616 выполняет и запоминает результаты измерений, подгоняет прямолинейную кривую 1702 к результатам измерений и извлекает крутизну 1704 и запоминает ее как калиброванную чувствительность, k_D, выраженную в Торр/ст. куб. см (заметим, что 1 Торр/ст. куб. см равен приблизительно 7,892 с/м³ для преобразователя 1506 давления в газе, транспортированном в сенсорное устройство 1500 пучком 1514 (или калибровочным расходом газа, введенным через сопло 1652.)

Чувствительность преобразователя 1506 давления к давлению фонового газа в сенсорном устройстве 1500 в результате потока газа в камеру 1107 выпуска пучка за счет газовой струи 1118, когда никакой пучок 1514 не входит в сенсорное устройство 1500, представляется как k_B (в единицах измерений Торр/ст. куб. см, где 1 Торр/ст. куб. см приблизительно равен 7,892 s/м³). Поток калиброванного газа поступает через сопло 1662 в камеру 1107 выпуска пучка и результирующее давление, измеряемое преобразователем 1506 давления, выражается в единицах измерений Торр (заметим, что 1 Па составляет приблизительно 0,007501 Торр). Для этой калибровки контроллер 1616 выключает струю 1118 газа, закрывая газовый измерительный и отсечный клапан 1640. Затем контроллер 1616 управляет двухходовым газовым измерительным и отсечным клапаном 1646, чтобы заставить управляемую последовательность потоков через сопло 1662 непосредственно в камеру 1107 выпуска пучка моделировать поток газа в камеру 1107 выпуска пучка за счет газовой струи 1118. Например, потоки газа 1, 1,5, 2, 2,5, и 3 ст. куб. см (или другая последовательность значений, соответствующих типичному потоку газа в камеру 1107 выпуска пучка за счет газовой струи 1118, и любые результирующие пучки во время типичной работы системы) могут быть введены в камеру 1107 выпуска пучка под управлением контроллера 1616 (заметим, что потоки газа 1, 1,5, 2, 2,5 и 3 ст. куб. см соответствуют приблизительно 1,689×10^-3, 2,534×10^-3, 3,378×10^-3, 4,223×10^-3 и 5,067×10^-3 Па-м³/с) Соответствующие давления на датчике 1506 давления измеряются и регистрируются контроллером 1616. На фиг. 8B показаны некоторые примерные калибровочные кривые 1710. Верхняя прямолинейная кривая 1712 представляет (например) кривую для давления фонового газа за счет потока из газовой струи 1118, моделированной, используя поток через сопло 1662, и измеренный преобразователем 1506 давления. Прямолинейная кривая 1712 представляет примерную кривую, которая может быть результатом такой последовательности измерений. Результатом является чрезвычайно прямолинейная кривая 1712, имеющая крутизну 1714, равную k_B. Контроллер 1616 выполняет измерения и запоминает результаты измерений, подгоняет прямолинейную кривую 1712 к результатам измерений и извлекает крутизну 1714 и запоминает ее в качестве калиброванной чувствительности k_B в Торр/ст. куб. см (заметим, что 1 Торр/ст. куб. см равен приблизительно 7,892 с/м³) для преобразователя 1506 давления в газе, транспортируемом в камеру 1107 выпуска пучка газовой струей 1118 (или калиброванным газовым потоком, введенным соплом 1662).

Чувствительность преобразователя 1610 давления к давлению фонового газа в камере 1107 выпуска пучка, являющемуся результатом потока газа в камере 1107 выпуска пучка за счет газовой струи 1118 представляется как k_C (в единицах измерений Торр/ст. куб. см, где 1 Торр/ст. куб. см приблизительно равен 7,892 с/м³). Калиброванный газовый поток вводится через сопло 1662 в камеру 1107 выпуска пучка и давление, измеренное преобразователем 1610 давления выражается в единицах измерений Торр. Для этой калибровки контроллер 1616 выключает газовую струю 1118 и закрывает газовый измерительный и отсечный клапан 1640. Затем контроллер 1616 управляет двухходовым газовым измерительным и отсечным клапаном 1646, чтобы заставить последовательность потоков проходить через сопло 1662 прямо в камеру 1107 выпуска пучка, чтобы моделировать транспортирование газа в камеру 1107 выпуска пучка газовой струей. Например, потоки газа 1, 2, 3, 4 и 5 ст. куб. см/с (или другая последовательность значений, соответствующая типичному газовому потоку в камеру 1107 выпуска пучка за счет газовой горелки 1118, и любые результирующие пучки во время типичной работы системы) могут быть введены в камеру 1107 выпуска пучка под управлением контроллера 1616 (заметим, что потоки газа 1, 2, 3, 4 и 5 ст. куб. см, соответствуют приблизительно 1,689×10^-3, 3,378×10^-3, 5,067×10^-3, 6,756×10^-3 и 8,445×10^-3 Па-м³/с). Соответствующие давления в датчике 1610 давления измеряются и регистрируются контроллером 1616. На фиг. 8B показаны некоторые примерные кривым 1710 градуировки. Более низкая прямолинейная кривая 1722 представляет примерную кривую, которая может быть результатом такой последовательности измерений. Результатом является чрезвычайно прямолинейная кривая 1722, имеющая крутизну 1724, равную k_C. Контроллер 1616 выполняет измерения и запоминает результаты измерений, подгоняет прямолинейную кривую 1722 к результатам измерений и извлекает крутизну 1724 и запоминает ее как калиброванную чувствительность, k_C, выраженную в Торр/ст. куб. см (заметим, что 1 Торр/ст. куб. см равен приблизительно 7,892 с/м³), для преобразователя 1610 датчика для газа, транспортируемого в камеру 1107 выпуска пучка газовой струей 1118 (или калиброванным газовым потоком, введенным соплом 1662).

Изобретатели понимают, что k_B, k_C и k_D могут иметь небольшие ошибки, являющиеся результатом прямолинейных кривых 1702, 1712, и 1722, не проходящих точно через начало координат (нулевое давление при нулевом потоке). Это происходит, когда основной вакуум в камере недостаточно низкий. Для практических целей обычно считают, что если основной вакуум составляет 10^-7 Торр (1,333×10^-5 Па) или меньше, то ошибки в k_B, k_C, и k_D настолько малы, что погрешность несущественна. В случае более высоких значений основного вакуумного давления или если требуется самая большая точность, в k_B, k_C и k_D могут вноситься поправки обычными способами, известными специалистам в данной области техники, чтобы скомпенсировать несовершенные условия основного вакуума.

Калибровочные измерения для системных констант k_A, k_B, k_C и k_D независимы друг от друга и могут выполняться в любом порядке. После измерения константы запоминаются контроллером 1616 для отображения на устройстве 1656 отображения или для будущего использования при определении характеристик пучка и/или управления технологическим процессом. Системные константы k_A, k_B, k_C, и k_D являются константами, которые могут демонстрировать долгосрочный дрейф за счет старения компонент или могут изменяться в результате замены или регулировки системных компонент. Таким образом, желательно повторять эти измерения периодически или после обслуживания системы или замены компонент.

В дополнение к системным константам, в вычислениях, требующихся для определения характеристик пучка, используются и другие константы и преобразования. Они являются следующими (с указанными приближенными значениями):

Число Авогадро, N_A

N_A=6,022×10²³ атомов/моль (или молекул/моль)=k₁

Молярный объем, V_m

V_m=2,24×10⁴ ст. см³/моль=k₂

Заметим, что 1 Па-м³ равен приблизительно 9,869 ст. см³

Заряд электрона, e

e=1,602×10^-19 кулона=k₃

1 кулон=1 ампер-секунда=6,242×10¹⁸ e=k₄

милли-джоуль, 10^-3 джоулей

10^-3 джоуля=1 секунда мВт=6,242×10¹⁵ eV=k₅

Секунда, с

1 секунда = 1/60 минуты = k₆

k₇, атом-минуты/ст. куб. см-с, где ст. куб. см = стандартный кубический см, и заметим, что 1 Па-м³ равен приблизительно 9,869 ст. см³

При работе системы обработки нейтральным пучком, такой, как описано выше, и показанной на фиг. 6 и 7, обычно существует часть газовой струи 1118, которая проходит через ионизатор 1122, не становясь ионизированной. Эта неионизированная часть может содержать как кластеры, так и мономеры, но не ускоряется в области извлечения и продолжается как часть пучка 1514, полностью следующая к сенсорному устройству 1500, где она способствует повышению давления во внутренней части 1504, которое считывается преобразователем 1506 давления. Поскольку этот никогда не ионизировавшийся газ (упомянутый здесь как "мертвый газ"), считанный преобразователем 1506 давления не был ускорен, он движется слишком медленно и с недостаточной энергией (несколько милли-эВ на мономер), чтобы значительно способствовать обработке детали нейтральным пучком. Соответственно, он может отдельно учитываться при дозиметрии обработки нейтральным пучком и может отдельно измеряться как часть способов определения характеристик пучка, относящихся к изобретению. Вклад фонового газа в камеру 1107 выпуска пучка и мертвый газ из газовой струи в преобразователе 1506 давления измеряется следующим образом:

Контроллер 1616 перемещает держатель 1624 обрабатываемой детали во втянутое положение 1654, так чтобы входная апертура 1536 сенсорного устройства 1500 была открыта. Контроллер 1616 закрывает двухходовой газовый измерительный и отсечный клапан 1646 и открывает газовый измерительный и отсечный клапан 1640 и устанавливает для потока через клапан 1640 заранее выбранную скорость потока, которая будет использоваться для формирования пучка во время работы с нейтральным пучком. Контроллер 1616 устанавливает оба значения V_Acc и V_S на ноль, так чтобы никакое ускорение пучка не происходило. Контроллер 1616 устанавливает оба значения V_{A и} V_F на заранее выбранные рабочие значения, которые будут использоваться для формирования пучка во время операции с нейтральным пучком, так чтобы ионизатор 1122 ионизировал нейтральную струю 1118, проходящую через ионизатор 1122 с одними и теми же режимами и эффективностью ионизатора, которые будут использоваться для формирования пучка во время работы с нейтральным пучком. Результирующий пучок GCIB содержит ионизированную и неионизированную части, но ни одна из этих частей не ускоряется в области извлечения. Скорость пучка (скорость газовой струи) настолько низка, что эффекты пространственного заряда в GCIB, приводящие к увеличению ионизированной части пучка, выталкивают все ионы из пучка, приводя в результате к пучку 1514, становящемуся нейтральным лучом, проходящим с низкой скоростью вдоль оси 1154 в сенсорное устройство 1500. Подтверждение, что все ионы были удалены из пучка 1514, может быть сделано измерением тока I_B пучка как нулевого в цилиндре 1502 Фарадея. Альтернативно, контроллер может включить V_D на малое значение, которое отклоняет любую оставшуюся ионизированную часть 1604 из пучка 1514. При этих условиях (условие A) проводятся следующие измерения и их результаты запоминаются контроллером 1616:

M_E, давление на преобразователе 1506 давления, измеренное в Торр (заметим, что: 1 Па составляет приблизительно 0,007501 Торр),

M_F, давление на преобразователе 1610 давления, измеренное в Торр (заметим, что: 1 Па составляет приблизительно 0,007501 Торр).

Дополнительные измерения проводятся в следующих условиях: контроллер 1616 перемещает держатель 1624 обрабатываемой детали во втянутое положение 1654 так, чтобы входная апертура 1536 сенсорного устройства 1500 была открыта. Контроллер 1616 закрывает двухходовой газовый измерительный и отсечный клапан 1646 и открывает газовый измерительный и отсечный клапан 1640 и устанавливает поток через клапан 1640 на заданное значение расхода потока, который будет использоваться для формирования пучка во время операции с нейтральным пучком. Контроллер 1616 устанавливает для обоих значений V_Acc и V_S заданные потенциалы, которые будут использоваться для ускорения GCIB при формировании пучка во время операции с нейтральным пучком. Контроллер 1616 устанавливает оба значения V_{A и} V_F на заданные рабочие значения, которые будут использоваться для формирования пучка во время операции с нейтральным пучком, так что ионизатор 1122 ионизирует нейтральную струю 1118, проходящую через ионизатор 1122 с теми же самыми режимами и эффективностью ионизатора, которые будут использоваться для формирования пучка во время операции с нейтральным пучком. Результирующий пучок 1128 является ускоренным пучком GCIB. Контроллер 1616 устанавливает V_D на ноль, так что пучок 1514 является пучком GCIB, который проходит в сенсорное устройство 1500. При этих условиях (условие B) проводятся следующие измерения и результаты измерений запоминаются контроллером 1616:

M_G, давление на преобразователе 1506 давления, измеренное в Торр (заметим, что: 1 Па составляет приблизительно 0,007501 Торр).

M_H, ток I_B пучка, собранный цилиндром 1502 фарадея, измеренный в амперах. Это измерение не требуется, если пучок не содержит ионы, и оно требуется, чтобы охарактеризовать отношение размера к заряду для ионов в пучке.

M_I, равновесный или почти равновесный результат измерения температуры для разности температур между температурным датчиком 1520 и температурным датчиком 1530, измеренный в кельвинах.

Дополнительные измерения проводятся в следующих условиях: контроллер 1616 перемещает держатель 1624 обрабатываемой детали во втянутое положение 1654, так чтобы входная апертура 1536 сенсорного устройства 1500 была открыта. Контроллер 1616 закрывает двухходовой газовый измерительный и отсечный клапан 1646 и открывает газовый измерительный и отсечный клапан 1640 и устанавливает для потока через клапан 1640 заданное значение скорости потока, которое будет использоваться для формирования пучка во время операции с нейтральным пучком. Контроллер 1616 устанавливает для обоих значений V_Acc и V_S заданные потенциалы, которые должны использоваться для ускорения GCIB при формировании пучка во время операции с нейтральным пучком. Контроллер 1616 устанавливает оба значения V_A и V_F на заданные рабочие значения, которые будут использоваться для формирования пучка во время операции с нейтральным пучком, так что ионизатор 1122 ионизирует нейтральную струю 1118, проходящую через ионизатор 1122 с теми же самыми режимом и эффективностью ионизатора, которые будут использоваться для формирования пучка во время операции с нейтральным пучком. Результирующий пучок 1128 GCIB является ускоренным GCIB. Контроллер 1616 устанавливает для V_D заданное рабочее значение, которая будет использоваться для формирования пучка во время операции с нейтральным пучком, так чтобы пучок 1514 был нейтральным пучком, проходящим в сенсорное устройство 1500, и так чтобы ионизированная часть 1604 взаимодействовала с нагрузкой пучка 1606. При этих условиях (условие C) проводятся следующие измерения и результаты их запоминаются контроллером 1616:

M_J, давление на преобразователе 1506 давления, измеренное в Торр (заметим, что 1 Па составляет приблизительно 0,007501 Торр),

M_K, равновесный или почти равновесный результат измерения температуры для разности температур между температурным датчиком 1520 и температурным датчиком 1530, измеренный в кельвинах.

Используя системные константы k_A, k_B, k_C и k_D и измеренные значения M_F, M_O, M_H, M_I, M_J и M_K, всестороннее определение характеристик пучка 1516 может быть вычислено следующим образом:

Где "полный пучок" означает пучок 1514 с V_D=0 и содержит любые кластеры, любые мономеры, любые ионизированные кластеры, любые ионизированные мономеры, содержащие мертвый газ.

C_O= Ускоренная часть полного транспортировки массы полного пучка (атомов/с)=C_N-(C_L+C_M);

альтернативно, C_p может быть вычислено с идентичным результатом, используя:

Где q представляет элементарный положительный заряд -e; заметим, что это вычисление зависит от измерения тока пучка, но не требуется для нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков, поскольку они имеют среднее значение, только если пучок содержит ионы.

Cs= энергия на атом в нейтральном пучке (эВ)=

C_γ= энергия на атом заряженной частицы (эВ)=

C_U= энергия на атом ускоренной части полного пучка (эВ)= и

Заметим, что вычисление C_V зависит от измерения тока пучка, но не требуется для нейтральных пучков и диссоциированных нейтральных пучков, поскольку оно имеет смысл, только когда пучок содержит ионы.

В приведенных выше уравнениях для вычисления C_L, C_M,..., C_V, термин "атом" используется в смысле, определенном здесь выше, и не зависит от того, диссоциированы атомы или находятся в кластерах.

В некоторых ситуациях не требуется всестороннее определение характеристик пучка. Например, при управлении дозиметрией при обработке нейтральным пучком обрабатываемой детали, для успешной дозиметрии часто требуется знать только такие характеристики пучка, как Cp, ускоренный поток нейтральной массы нейтрального пучка, и Cs, энергия на атом в нейтральном пучке. В таком случае может использоваться сокращенный способ определения характеристик пучка. Используя системные константы k_A и k_D и измеренные значения M_E, M_J и Μ_K, упрощенная характеристика пучка 1516 может быть вычислена следующим образом:

Cp= расход ускоренной нейтральной массы (атомов/с)=

Cs = энергия на атом в нейтральном луче (эВ)=

Результаты измерений и уравнения, используемые в настоящем раскрытии, используют традиционные единицы измерений Соединенных Штатов для многих измерений и уравнений (например, Торр, cт. куб. см и т.д.). Те же самые измерения и уравнения могут быть представлены в Международной системе единиц (SI) прямым преобразованием. При таком преобразовании форма, но не сущность уравнений может выглядеть отличающейся, потому что числовые значения констант и измерений отличаются в различных единицах измерений. Измерения и способы, соответствующие изобретению, могут быть осуществлены одинаково в единицах измерения Соединенных Штатов и в единицах измерения SI, используя указанные здесь эквивалентные единицы SI.

В итоге, один из вариантов осуществления настоящего изобретения обеспечивает сенсорное устройство для определения характеристик пучка, содержащее: кожух вокруг центральной области, имеющий апертуру, сконструированную таким образом, чтобы пропускать пучок из камеры с пониженным давлением в центральную область для определения характеристик; ударную пластину для пучка, расположенную внутри центральной области, чтобы принимать пучок и поглощать энергию пучка, причем упомянутая ударная пластина по меньшей мере частично термически изолирована от упомянутого кожуха; температурный датчик для измерения изменения температуры, вызванного в ударной пластине принятым пучком; первый датчик давления, посредством текучей среды соединенный с центральной областью для измерения изменения давления внутри кожуха, вызванного пучком, проходящим через апертуру; и систему обработки для обработки измеренного изменения температуры и измеренного изменения давления, чтобы определить характеристики пучка.

Пучок может быть получен из ускоренного ионного пучка газовых кластеров, и может содержать газовые кластеры и/или ионы газовых кластеров; и ударная пластина для пучка может быть выполнена с возможностью диссоциирования упомянутых газовых кластеров и/или ионов газовых кластеров. Устройство может дополнительно содержать средство калибровки для калибровки чувствительности k_D первого датчика давления к давлению газа, транспортируемого в центральную область кожуха пучком; и средство калибровки для калибровки чувствительности k_A температурного датчика к мощности пучка; и в котором система обработки использует k_D и k_A для определения характеристик пучка. Устройство может также дополнительно содержать средство калибровки для калибровки чувствительности k_B первого датчика давления к давлению фонового газа в камере пониженного давления; и в котором система обработки использует k_B для определения характеристик пучка. Устройство может также дополнительно содержать второй датчик давления, выполненный с возможностью измерения давления в камере пониженного давления; и средство калибровки для калибровки чувствительности k_c второго датчика давления к изменению давления фонового газа в камере пониженного давления; и в котором система обработки использует k_c при определении характеристик пучка.

Пучок может быть нейтральным пучком или диссоциированным нейтральным пучком и система обработки может определять одну или более характеристик пучка, выбранных из группы, содержащей: поток мертвого газа в пучке, C_M; транспортировка полной массы пучка, C_N; транспортировка ускоренной части полной массы пучка, C_O, ускоренный нейтральный массовый поток, C_P; энергия на атом в нейтральном пучке, Cs; и энергия на атом в ускоренной части полного пучка, C_U.

Температурный датчик может содержать первый и второй температурные датчики, расположенные для измерения температур ударной пластины пучка и кожуха, соответственно. Кожух может быть выполнен с возможностью действия в качестве цилиндра Фарадея для сбора заряда ионного пучка и измерения тока пучка, и система обработки может быть выполнена с возможностью использования измерения тока пучка для определения характеристик пучка. Пучок может быть получен из ускоренного ионного пучка газовых кластеров и может содержать ионы и система обработки определяет одну или более характеристик пучка, выбранных из группы: транспортировка полной массы пучка, C_N; массовый поток заряженных частиц, C_Q; отношение среднего размера заряженной частицы к заряду, C_R; энергия на атом заряженной частицы, C_T; и полная энергия на заряд заряженной частицы, C_V.

Пучок может быть нейтральным пучком или диссоциированным нейтральным пучком. Устройство может дополнительно содержать: камеру пониженного давления; генератор ионного пучка газовых кластеров; средство ускорения ионного пучка газовых кластеров; средства преобразования ускоренного ионного пучка газовых кластеров в нейтральный пучок, имеющий траекторию; средство расположения апертуры в кожухе на пути траектории для пропускания пучка в центральную область для измерения и определения характеристик; средство крепления обрабатываемой детали для введения обрабатываемую деталь в траекторию; в котором средство обработки использует определенные характеристики пучка для управления обработкой детали нейтральным пучком.

Другой вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает способ определения характеристик пучка частиц, содержащий этапы, на которых: принимают пучок частиц в центральной области кожуха с пониженным давлением; воздействуют принятым пучком на ударную пластину для пучка, которая термически изолирована от кожуха; измеряют изменение температуры ударной пластины пучка за счет воздействия пучка; измеряют изменение давления внутри кожуха за счет приема пучка; и обрабатывают измеренное изменение температуры и измеренное изменение давления, чтобы определить характеристики пучка.

Способ может дополнительно содержать этапы калибровки чувствительности k_D датчика давления для кожуха к изменениям давления газа, созданным посредством приема пучка, и калибровки чувствительности k_A температурного датчика ударной пластины, чтобы измерять мощность воздействующего пучка, в котором на этапе обработки система использует k_D и k_A для определения характеристик пучка.

Способ может дополнительно содержать этапы измерения давления в кожухе с пониженным давлением и использования измеренного давления в камере пониженного давления, чтобы определить характеристики пучка на этапе обработки. Способ может также дополнительно содержать этапы калибровки чувствительности, Kc, датчика давления в кожухе с пониженным давлением и использования чувствительности Kc при определении характеристик пучка на этапе обработки.

Пучок может быть нейтральным пучком или диссоциированным нейтральным пучком и на этапе обработки может определяться одна или более характеристик пучка, выбранных из группы: поток мертвого газа в пучке, C_M; транспортировка полной массы пучка, C_N; транспортировка ускоренной части полной массы пучка, C_O, ускоренный нейтральный массовый поток, C_P; энергия на атом в нейтральном пучке, Cs; и энергия на атом в ускоренной части полного пучка, C_U.

Способ может дополнительно содержать измерение электрического тока в кожухе и ударной пластине для пучка за счет приема и воздействия пучка, в котором этап обработки содержит обработку измеренного электрического тока, чтобы определить характеристики пучка. Пучок может быть получен из ускоренного ионного пучка газовых кластеров и содержать ионы и система обработки может определять одну или более характеристик пучка, выбранных из группы: транспортировка полной массы пучка, C_N; массовый поток заряженных частиц, C_Q; отношение среднего размера заряженной частицы к заряду, C_R; энергия на атом заряженной частицы, C_T; и полная энергия на заряд заряженной частицы, C_V.

Еще один вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает способ определения одной или более характеристик пучка, имеющего траекторию в камере низкого давления, содержащий этапы, на которых: обеспечивают кожух, имеющий центральную область и апертуру, соединенную с камерой пониженного давления для пропускания пучка в центральную область для определения характеристик; обеспечивают ударную пластину для пучка, расположенную внутри центральной области для приема пропущенного пучка и поглощения энергии из пучка, причем упомянутая ударная пластина по меньшей мере частично термически изолирована от упомянутого кожуха; обеспечивают температурный датчик для измерения изменения температуры, вызванной в ударной пластине принятым пучком, чтобы обеспечить сигнал измерения мощности пучка; обеспечивают первый датчика давления, посредством текучей среды соединенный с центральной областью для измерения изменения давления внутри кожуха, вызванного пучком, пропущенным через апертуру, чтобы обеспечить сигнал измерения транспортировки газа пучка; обеспечивают средство обработки для обработки сигнала измерения мощности пучка и сигнала измерения транспортирования газа пучка, чтобы определить характеристики пучка.

Способ может дополнительно содержать обеспечение системы управления, использующей по меньшей мере одну определенную характеристику пучка для управления процессом. Он может дополнительно содержать обеспечение устройства в камере пониженного давления, чтобы создавать ионный пучок газовых кластеров. Он может дополнительно также содержать обеспечение элементов внутри камеры пониженного давления, чтобы полностью нейтрализовать ионный пучок газовых кластеров. Способ может также дополнительно содержать обеспечение элементов в камере пониженного давления, чтобы диссоциировать ионный пучок газовых кластеров.

Хотя изобретение было описано со ссылкой на различные варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение также способно к большому разнообразию дополнительных и других вариантов осуществления в рамках сущности и объема приведенного выше раскрытия и добавленной формулы изобретения.

1. Сенсорное устройство для определения характеристик пучка, содержащее:

кожух вокруг центральной области, имеющий апертуру, выполненную с возможностью пропускания пучка из камеры пониженного давления в центральную область для определения характеристик;

ударную пластину для пучка, расположенную внутри центральной области для приема пучка и поглощения энергии пучка, причем упомянутая ударная пластина, по меньшей мере, частично термически изолирована от упомянутого кожуха;

температурный датчик для измерения изменения температуры, вызванного в ударной пластине принятым пучком;

первый датчик давления, соединенный посредством текучей среды с центральной областью для измерения изменения давления внутри кожуха, вызванного пучком, пропущенным через апертуру; и

систему обработки для обработки измеренного изменения температуры и измеренного изменения давления, чтобы определять характеристики пучка.

2. Сенсорное устройство по п. 1, в котором пучок получен из ускоренного ионного пучка газовых кластеров и содержит газовые кластеры и/или ионы газовых кластеров; дополнительно в котором ударная пластина для пучка выполнена с возможностью диссоциации упомянутых газовых кластеров и/или ионов газовых кластеров.

3. Сенсорное устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

средство калибровки для калибровки чувствительности, k_D, первого датчика давления к газу, транспортируемому пучком в центральную область кожуха; и

средство калибровки чувствительности, k_A, температурного датчика к мощности пучка; и

в котором система обработки использует k_D и k_A при определении характеристик пучка.

4. Сенсорное устройство по п. 3, дополнительно содержащее:

средство калибровки для калибровки чувствительности, k_B, первого датчика давления к фоновому газу в камере пониженного давления; и

в котором система обработки использует k_B при определении характеристик пучка.

5. Сенсорное устройство по п. 3, дополнительно содержащее:

второй датчик давления, выполненный с возможностью измерения давления в камере пониженного давления; и

средство калибровки для калибровки чувствительности, k_c, второго датчика давления к изменению давления фонового газа в камере пониженного давления; и

в котором система обработки использует k_c при определении характеристик пучка.

6. Сенсорное устройство по п. 1, в котором пучок является нейтральным пучком или диссоциированным нейтральным пучком, и система обработки определяет одну или более характеристик пучка, выбранных из группы, состоящей из:

потока отработанного газа в пучке, C_M;

транспортировки массы полного пучка, C_N;

транспортировки ускоренной части массы полного пучка, С_О;

ускоренного массового нейтрального потока, Cp;

энергии на атом в нейтральном пучке, Cs; и

энергии на атом ускоренной части полного пучка, C_U.

7. Сенсорное устройство по п. 1, в котором температурный датчик включает в себя первый и второй температурные датчики, расположенные для измерения температур ударной пластины для пучка и кожуха соответственно.

8. Сенсорное устройство по п. 1, в котором кожух выполнен с возможностью действия в качестве цилиндра Фарадея для сбора заряда ионного пучка и измерения тока пучка и дополнительно в котором система обработки выполнена с возможностью использования измерения тока пучка для определения характеристик пучка.

9. Сенсорное устройство по п. 8, в котором пучок получают из ускоренного ионного пучка газовых кластеров и содержит ионы, и система обработки определяет одну или более характеристик пучка, выбранных из группы, состоящей из:

транспортировки массы полного пучка, C_N;

массового потока заряженных частиц, C_Q;

отношения среднего размера заряженных частиц к заряду, C_R;

энергии на атом заряженных частиц, C_Т, и

полной энергии на заряд заряженных частиц, C_V.

10. Сенсорное устройство по п. 1, в котором пучок является нейтральным пучком.

11. Сенсорное устройство по п. 10, в котором пучок является диссоциированным нейтральным пучком.

12. Сенсорное устройство по п. 1, дополнительно содержащее:

камеру пониженного давления;

генератор ионного пучка газовых кластеров;

редство ускорения ионного пучка газовых кластеров;

средство преобразования ускоренного ионного пучка газовых кластеров в нейтральный пучок, имеющий траекторию;

средство расположения апертуры в кожухе на траектории для пропускания пучка в центральную область для измерения и определения характеристик;

средство удержания детали для введения детали в траекторию;

в котором средство обработки использует определенные характеристики пучка для управления обработкой детали нейтральным пучком.

13. Способ определения характеристик пучка частиц, содержащий этапы, на которых:

принимают пучок частиц в центральной области кожуха с пониженным давлением;

воздействуют принятым пучком на ударную пластину для пучка, которая термически изолирована от кожуха;

измеряют изменение температуры ударной пластины для пучка за счет воздействия пучка;

измеряют изменение давления внутри кожуха за счет приема пучка; и

обрабатывают измеренное изменение температуры и измеренное изменение давления, чтобы определить характеристики пучка.

14. Способ по п. 13, дополнительно содержащий этапы, на которых:

калибруют чувствительность, k_D, датчика давления для кожуха к изменениям давления газа, создаваемым при приеме пучка; и

калибруют чувствительность, k_A, температурного датчика ударной пластины для пучка к мощности воздействующего пучка,

в котором на этапе обработки система использует k_D и k_A при определении характеристик пучка.

15. Способ по п. 13, дополнительно содержащий этапы, на которых измеряют давление в кожухе с пониженным давлением и используют измеренное давление в камере пониженного давления для определения характеристик пучка на этапе обработки.

16. Способ по п. 15, дополнительно содержащий этапы, на которых калибруют чувствительность, K_c, датчика давления в кожухе с пониженным давлением и используют чувствительность Kc для определения характеристик пучка на этапе обработки.

17. Способ по п. 13, в котором пучок является нейтральным пучком или диссоциированным нейтральным пучком и на этапе обработки определяют одну или более характеристик пучка, выбранных из группы, состоящей из:

потока отработанного газа в пучке, C_M;

транспортировки массы полного пучка, C_N;

транспортировки ускоренной части массы полного пучка, С_О;

ускоренного массового нейтрального потока, Cp;

энергии на атом в нейтральном пучке, Cs; и

энергии на атом ускоренной части полного пучка, C_U.

18. Способ по п. 13, дополнительно содержащий этап, на котором измеряют электрический ток в кожухе и ударной пластине для пучка благодаря приему и воздействию пучка, в котором этап обработки включает в себя этап, на котором обрабатывают измеренный электрический ток для определения характеристик пучка.

19. Способ по п. 18, в котором пучок получают из ускоренного ионного пучка газовых кластеров и содержит ионы, и система обработки определяет одну или более характеристик пучка, выбранных из группы, состоящей из:

транспортировки массы полного пучка, C_N;

массового потока заряженных частиц, C_Q;

отношения среднего размера заряженных частиц к заряду, C_R;

энергии на атом заряженных частиц, C_Т, и

полной энергии на заряд заряженных частиц, C_V.

20. Способ определения одной или более характеристик пучка, имеющего траекторию в камере пониженного давления, содержащий этапы, на которых:

обеспечивают кожух, имеющий центральную область и апертуру, соединенную с камерой пониженного давления для пропускания пучка в центральную область для определения характеристик;

обеспечивают ударную пластину для пучка, расположенную внутри центральной области, для приема пропущенного пучка и поглощения энергии из пучка, причем упомянутая ударная пластина, по меньшей мере, частично термически изолирована от упомянутого кожуха;

обеспечивают температурный датчик для измерения изменения температуры, вызванного в ударной пластине принятым пучком, чтобы обеспечить сигнал измерения мощности пучка;

обеспечивают первый датчик давления, соединенный посредством текучей среды с центральной областью, для измерения изменения давления внутри кожуха, вызванного пучком, пропущенным через апертуру, чтобы обеспечить сигнал измерения транспортировки газа пучка;

обеспечивают средство обработки для обработки сигнала измерения мощности пучка и сигнала измерения транспортировки газа пучка для определения характеристик пучка.

21. Способ по п. 20, дополнительно содержащий этап, на котором обеспечивают систему управления, использующую по меньшей мере одну определенную характеристику пучка для управления процессом.

22. Способ по п. 20, дополнительно содержащий этап, на котором обеспечивают устройство в камере пониженного давления для создания ионного пучка газовых кластеров.

23. Способ по п. 22, дополнительно содержащий этап, на котором обеспечивают элементы внутри камеры пониженного давления, чтобы полностью нейтрализовать ионный пучок газовых кластеров.

24. Способ по п. 22, дополнительно содержащий этап, на котором обеспечивают элементы в камере пониженного давления для диссоциации ионного пучка газовых кластеров.