离子束分布.pdf

一种离子束系统（100），包括具有基本上椭圆形的孔图案的栅格组件（300），用于使包括多个子束的离子束（108）转向以便产生离子束（108），其中所述离子束（108）的横截面的离子流密度剖面（700、900、1100、1200）是非椭圆的。所述离子流密度剖面（700、900、1100、1200）可以具有关于所述离子束（108）的横截面的两个正交轴中的一个对称的单峰。可替换地，所述单峰可以关于所述离子束（108）的横截面的两个正交轴中的另一个非对称。在另一种实施例中，所述离子流密度剖面可以具有位于所述离子束（108）的横截面的两个正交轴中的一个的相对侧的两个峰。将离子束（108）引导于转动的目标工件（104）上在与所述目标工件（104）的中心等距的每个点上产生基本上均匀的旋转综合平均离子流密度。

权利要求书一种方法，包括：
利用具有基本上椭圆形的孔图案的栅格组件使多个离子子束转向以产生离子束，其中所述离子束的横截面的离子流密度剖面基本上是非椭圆的。
根据权利要求1所述的方法，其中，使所述多个离子子束转向的步骤进一步包括利用所述栅格组件的第一栅格和第二栅格中的相应孔之间的偏置来使所述多个子束转向。
根据权利要求1所述的方法，其中，使所述多个离子子束转向的步骤进一步包括以转向角的椭圆形非对称分布从所述栅格组件推进所述多个离子子束。
根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子束的所述横截面的所述离子流密度剖面关于所述横截面的两个正交轴中的一个对称。
根据权利要求4所述的方法，其中，所述离子束的所述横截面的所述离子流密度剖面关于所述横截面的所述两个正交轴中的另一个非对称。
根据权利要求1所述的方法，进一步包括将产生所述多个离子子束的离子源朝向目标工件的中心引导，其中，所述离子束的所述横截面的所述离子流密度剖面具有相对于所述目标工件的所述中心偏离的单峰。
根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述离子束引导于转动的目标工件上以在与所述目标工件的所述中心等距的每个点上产生基本上均匀的旋转平均离子流密度；
其中，所述目标工件的由所述离子束产生的在离所述目标工件的所述中心的径向距离的至少50%内沿每个径向方向上的旋转平均磨损深度是最大磨损深度的至少50%。
根据权利要求7所述的方法，其中，所述目标工件的由所述离子束产生的在远离所述目标工件的所述中心的至少90%的每个径向距离处在每个径向方向上的所述旋转平均磨损深度小于最大磨损深度的20%。
根据权利要求7所述的方法，其中，所述目标工件的所述磨损深度的斜率远离所述目标工件的所述中心在每个径向方向上非单调地递减。
根据权利要求7所述的方法，其中，使所述多个子束转向的步骤包括使所述多个子束转向，从而使得所述离子束具有一横截面离子流密度剖面以使得与所述目标工件的所述中心等距的每个点处的磨损深度都基本上一致。
根据权利要求1所述的方法，其中，所述离子束的所述横截面的所述离子流密度剖面具有两个峰，其中，所述两个峰中的每一个分别位于所述横截面的两个正交轴中的一个的相对侧上。
根据权利要求11所述的方法，其中，对于所述流密度剖面中的至少一部分来说，所述横截面的所述离子流密度剖面具有基本上为零的离子流密度。
根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述离子束引导于所述目标工件上，其中，所述目标工件是溅射工件。
根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述离子束引导于所述目标工件上，其中，所述目标工件是衬底蚀刻工件。
根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述离子束引导于所述目标工件上，其中，所述目标工件是离子注入工件。
根据权利要求1所述的方法，进一步将所述离子束引导于所述目标工件上，其中，所述目标工件是离子沉积工件。
根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述离子束引导于所述目标工件上，其中，所述目标工件是离子束辅助沉积工件。
根据权利要求1所述的方法，其中，使所述多个子束转向的步骤进一步包括利用所述栅格组件的屏栅格和加速栅格来使所述多个子束转向。
一种溅射羽流，通过将权利要求1所述的离子束引导至溅射工件而产生。
根据权利要求1所述的方法，其中，所述基本上椭圆形的孔图案是基本上圆形的。
一种离子束系统，包括：
离子束源，适于产生多个子束；以及
具有基本上椭圆形的孔图案的转向结构，所述转向结构适于使多个子束转向以便产生离子束；
其中，所述第一离子束的横截面的离子流密度剖面是基本上非椭圆的。
根据权利要求21所述的离子束系统，其中，所述转向结构包括多个栅格。
根据权利要求21所述的离子束系统，其中，所述离子束源进一步适于将所述多个子束朝向目标工件的中心引导；并且
其中，所述离子束的所述横截面的所述离子流密度剖面具有相对于目标工件的中心偏离的单峰。
根据权利要求23所述的离子束系统，其中，所述目标工件是溅射工件。
根据权利要求23所述的离子束系统，其中，所述目标工件是蚀刻工件。
根据权利要求23所述的离子束系统，其中，所述转向结构包括屏栅格和加速栅格。
根据权利要求21所述的离子束系统，其中，所述离子束的所述横截面的所述离子流密度剖面具有关于所述横截面的两个正交轴中的一个对称的单峰。
根据权利要求27所述的离子束系统，其中，所述单峰关于所述横截面的所述两个正交轴中的另一个非对称。
根据权利要求21所述的离子束系统，其中，所述基本上椭圆形的孔图案是基本上圆形的。
一种离子束系统，包括：
多个栅格，具有基本上椭圆形的孔图案，用于使来自离子源的各个离子子束转向以便产生具有基本上非椭圆的横截面离子流密度剖面的离子束。
根据权利要求30所述的离子束系统，其中，所述多个栅格中的每一个进一步适于将所述离子束朝向目标工件的中心引导。
根据权利要求30所述的离子束系统，其中，所述离子束的所述横截面离子流密度剖面具有多个峰，所述多个峰中的每一个均相对于所述目标工件的中心偏离。
根据权利要求30所述的离子束系统，其中，所述目标工件是溅射工件。
根据权利要求30所述的离子束系统，其中，所述横截面离子流密度剖面包括相对于所述目标工件的中心偏离的单峰。
根据权利要求30所述的离子束系统，其中，所述基本上椭圆形的孔图案是基本上圆形的。
一种离子束系统，包括：
离子子束产生装置，用于产生多个子束；以及
椭圆形图案的转向装置，用于使所述多个子束转向以便产生具有基本上非椭圆形横截面离子流密度剖面的离子束。
根据权利要求36所述的离子束系统，进一步包括：
溅射装置，适于在所述离子束冲击于溅射工件上时产生溅射材料。
根据权利要求36所述的离子束系统，其中，所述椭圆形图案的转向装置是基本上圆形的。

说明书离子束分布
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年10月5日提交的、题目为“Ion Beam Distribution”的美国专利申请第12/898,281号的优先权的权益，该专利申请由此通过引用全部并入本文。本申请进一步要求于2010年10月5日提交的、题目为“Plume Steering”的美国专利申请第12/898,424号以及于2010年10月5日提交的、题目为“Grid Providing Beamlet Steering”的美国专利申请第12/898,351号的优先权，这些专利申请具体通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明总体涉及离子束系统及其部件。
背景技术
当离子束系统用于从靶上溅射掉材料以便在衬底上产生涂层时，所述离子束系统可以被称为离子束溅射沉积系统。可替换地，离子束系统还可以用于蚀刻掉衬底材料上的材料，在这种情况下，离子束系统被称为离子束蚀刻系统。离子束系统具有其他应用，包括但不限于离子束辅助沉积。
在离子束溅射沉积系统中，将溅射靶放置在产生离子束的离子源下游。离子束用于溅射来自溅射靶的材料的原子。在这些系统中，具有动能的各个离子碰撞溅射材料的表面并碰掉溅射靶上的溅射材料的原子。可以将以羽流（plume）脱离靶表面的溅射材料引导至衬底，其中所述衬底被放置成捕获羽流。这种离子束溅射沉积系统可以用于将溅射材料及其化合物等沉积在衬底表面上。例如，在一种实施例中，离子束撞击钛溅射靶以便在氧气环境下在衬底上产生氧化钛涂层或在氮气环境下在衬底上产生氮化钛涂层。
一般情况下，离子束横截面上的各个点处的离子流密度以这样的方式可能不均匀，所述方式使得由溅射靶产生的溅射在溅射靶表面上不均匀。通常，与靶表面相交的离子束明显小于靶并且基本上在靶上对中，以便捕获整个束并最大程度减少束过喷导致的污染。这种布置使溅射靶的图案在一定程度上被磨损，因此不利于溅射靶的使用寿命。例如，溅射靶表面的一个区域中的溅射材料被溅射得基本上多于其他区域中的溅射材料。这样的不均匀溅射造成溅射靶的使用效率较低。相应地，特定靶上的溅射操作通常在靶材料的任何区域被完全磨穿之前终止。在这种情况下，即使大量溅射材料仍然留在旧的溅射靶上，该未被均匀使用的溅射靶也必须用新的溅射靶替换。考虑到溅射材料的成本和更换溅射靶所涉及的低效率，使溅射靶料更有效率且更均匀磨损是很重要的。
发明内容
一种离子束系统包括具有基本上椭圆形的孔图案的栅格组件，用于使具有多个子束的离子束转向以便产生离子束，其中所述离子束的横截面的离子流密度剖面基本上是非椭圆的。在本文公开的离子束系统的实施例中，所述离子束的横截面的离子流密度剖面具有关于所述离子束的横截面的两个正交轴中的一个对称的单峰。在本文公开的离子束系统的可替换实施例中，所述单峰关于所述离子束的横截面的两个正交轴中的另一个非对称。在本文公开的离子束系统的又一可替换实施例中，所述离子束的横截面的离子流密度剖面具有两个峰，其中这两个峰中的每一个分别位于横截面的两个正交轴中的一个的相对侧上。将离子束（108）引导于转动的目标工件上在与所述目标工件的中心等距的每个点上产生基本上均匀的旋转综合平均离子流密度。
附图说明
参照说明书其余部分中描述的附图可以实现对本发明的特性及优点的进一步理解。在附图中，类似参考标号在几个图中可以用于表示类似部件。在某些情况下，参考标号可以具有由表示多个类似部件中的一个的下标字母组成的相关子标记。在参照没有子标号说明的参考标号时，参照的目的是指所有这些多个类似部件。
图1示出了子束（细束，小束，beamlet）转向离子束系统的示例框图。
图2示出了子束转向离子束系统的示例实施例。
图3示出了离子束系统中所用的子束转向栅格组件的示例图。
图4示出了利用孔偏置的示例子束转向图。
图5示出了子束转向栅格组件产生的子束的整体转向的示例绘图（plot diagram）。
图6示出了子束转向栅格组件产生的子束的整体转向的可替换示例绘图。
图7示出了由子束转向产生的示例横截面离子流密度剖面。
图8示出了转动目标工件的综合作用以及目标工件表面上的不同位置处产生的平均离子流密度。
图9示出了由子束转向产生的综合离子流密度剖面的绘图。
图10示出了根据目标工件的半径由子束产生的旋转平均磨损图案的示例图。
图11示出了由子束转向产生的可替换示例横截面离子流密度剖面。
图12示出了由子束转向产生的综合离子流密度剖面的可替换绘图。
图13示出了根据目标工件的半径由子束产生的旋转平均磨损图案的可替换示例图。
图14示出了产生基本上均匀的目标工件磨损的示例操作。
具体实施方式
在以下描述中，出于阐述目的，陈述了大量具体细节，以提供对本发明的全面理解。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，在没有这些具体细节的情况下也可实施本发明。例如，尽管不同特征被归因于特定实施例，但应理解，针对一种实施例描述的特征也可以结合其他实施例。然而，类似地，任何描述的实施例的一个特征或多个特征都不应被视为是本发明必不可少的，因为本发明的其他实施例可以省略这些特征。
图1示出了束转向离子束系统100的示例框图。即使离子束系统100的实施例被实施为离子束溅射沉积系统，离子束系统100的部件也可以通过进行改变而用于实现离子束蚀刻系统、离子注入系统、离子束沉积系统、离子束辅助沉积系统等。
在所示的实施例中，离子束系统100包括离子源102、工件子组件104及衬底组件106。离子束源102产生包括多个离子子束的离子束108。离子源102具有以工件子组件104为目标并且朝向工件子组件定向以使离子束108完全或几乎完全与工件子组件104的平面相交的中心线轴线109。离子束108在撞击工件子组件104时会从固定至工件子组件104的工件表面116的靶产生材料的溅射羽流110。离子束108按照这样的角度撞击工件子组件104，该角度使得从工件子组件104产生的溅射羽流110朝向衬底组件106行进。在离子束系统的一种实施例中，溅射羽流110在朝向衬底组件106行进时发散并且可能会部分地过度喷涂衬底组件106。然而，在可替换实施例中，可以或多或少地使溅射羽流100集中，以使所产生的材料沉积更有效地分布在衬底106的特定区域上。
衬底组件106被定位成使得溅射羽流110同样以期望的角度撞击固定在衬底组件106上的衬底。注意，衬底组件可以指单个较大的衬底或可以指保持多个较小的单独衬底的组件保持器。在离子束系统100的一种示例实施例中，衬底组件106附接于夹具112，夹具允许衬底组件106以期望的方式转动或移动，包括围绕轴线118转动衬底组件106或枢转夹具112以使衬底组件轴线118倾斜来相对于溅射羽流110改变其角度。
在衬底组件包括正在处理的衬底的实施例中，该衬底组件106中的衬底可以是单个的或一批阵列的基本上平面的工件，比如晶圆或光学透镜。可替换地，在正在处理衬底的实施例中，衬底组件106中的衬底可以是具有额外3D特征的单个的或一批阵列的工件，比如立方（或小面）光学晶体、弯曲光学透镜或切割工具插入件等。另外，这些工件可以被遮掩有机械模板或图案化抗蚀层（即，光致抗蚀剂），以帮助促进选择沉积膜的图案化或在工件的表面区域上进行离子处理。
在离子束系统100的一种实施例中，离子源102产生带正电荷的离子。然而，在可替换实施例中，离子源102可以产生带负电荷的离子。本文的后续公开内容假设离子源102产生的离子带正电。离子源102可以是DC型、射频（RF）型或微波型栅格（gridded）离子源。在这种实施例中，包括多个栅格114的转向结构定位在离子束108的路径中。在离子束系统100的一种实施例中，栅格114用于以期望的方式在工件子组件104上引导离子束108。在离子束系统100的一种实施例中，如果没有提供批量离子束转向，多个栅格114使离子子束转向以使离子束108偏离离子源102的中心线轴线109。在可替换实施例中，多个栅格114使离子子束转向以使离子束108不偏离中心线轴线109。还可以提供可替换实施例。如下文更详细讨论的一样，在示例实施例中，栅格114使离子束108具有围绕束轴线的对称或非对称横截面剖面。
在一种实施例中，栅格114中的各个孔可以定位成每单位面积产生最高密度的孔，以便最大化从离子源102提取的离子。在另一种实施例中，栅格114可以具有直线形或椭圆形孔图案。直线形或椭圆形加速栅格中的各个孔可以定位成以圆形非对称分布使子束转向。进一步地，直线形加速栅格中的孔可以相对于直线形屏栅格中的相应孔定位，其中每个偏置提供单独的转向角。换句话说，第一子束可以按照第一转向角穿过加速栅格中的第一孔。第二子束可以按照与第一转向角不同的第二转向角穿过加速栅格中的靠近第一孔的第二孔。第三子束可以按照与第二转向角不同的第三转向角穿过加速栅格中的靠近第二孔的第三孔。
工件子组件104位于使工件子组件104绕工件表面116的给定轴线111转动的平台（图1中未示出）上。在图1中所示的实施例中，工件表面116被定位成使得离子束108非对称地撞击工件表面116。如下文进一步所示，工件表面116的非对称对准及其围绕轴线的转动允许更均匀地将离子束施加在工件表面116上。在离子束系统100的一种实施例中，固定在工件表面116上的靶由单一材料制成，并且可以放置并更换具有不同材料的多个工件表面116，以便可以沉积材料层，从而在衬底组件106中的衬底表面上构建多层涂层。要沉积在衬底上的材料的实例包括但不限于金属（比如硅（Si）、钼（Mo）、钽（Ta）等）、氧化物（比如二氧化硅（SiO2）、五氧化二钽（Ta2O5）、二氧化钛（TiO2）等）、及其他化合物。
在图1中所示的实施例中，将溅射羽流110引导至衬底组件106，以使溅射羽流的中心线115偏离衬底组件106的中心轴线118。此外，可以将溅射羽流110引导至溅射组件106，以便在一种实施例中，在围绕衬底组件106且远离该衬底组件的区域中喷射至少一些溅射材料，从而导致过喷。注意，在图1中所示的实施例中，溅射羽流过度喷射衬底组件106；在可替换实施例中，溅射羽流可以撞击被限定于衬底组件106表面的一区域。在一种实施例中，溅射组件106设计成使得该溅射组件可以绕中心轴线118转动。在离子束系统100的实施例中，使靶表面116相对于中心线109倾斜。在可替换实施例中，使衬底106相对于溅射羽流的中心线115倾斜。
图2示出了束转向离子束系统的示例实施例。具体地，图2示出了双离子束系统200的俯视图。离子束系统200包括第一RF离子源202、靶组件204以及衬底组件206。可以使衬底组件围绕轴线219倾斜。第一RF离子源202产生被朝向靶组件204引导的离子束208。靶组件204在与离子束208相互作用时会产生用于沉积在衬底组件206的衬底226上的溅射羽流210。离子束系统200可以包括在离子束系统200中影响真空条件的室门222。在所示的实施例中，室门222与门组件230连接，门组件用于在必要时保持离子束系统200中的真空条件。在一种实施例中，衬底226由单个或一批阵列的基本上平面的工件（比如晶圆或光学透镜）制成。在可替换实施例中，衬底226由具有额外3D特征的单个或一批阵列的工件（比如立方（或小面）光学晶体、弯曲光学透镜或切割工具插入件等）制成。另外，这些工件可以遮掩有机械模板或图案化抗蚀层（即，光致抗蚀剂），以帮助促进选择沉积膜的图案化或在工件的表面区域上进行离子处理。
靶组件204包括多个靶表面214、215、216。在离子束系统100的一种实施例中，靶组件204被设计成允许靶表面214、215、216绕轴线218转位（index，换位）以便从一个靶215变为另一个靶214或216。在离子束系统200的一种实施例中，每个靶表面214、215、216的表面上都具有不同材料。可替换地，在所有靶表面214、215、216上可以使用相同材料。在可替换实施例中，在沉积过程中，使有源靶表面215的角改变为相对于离子束208的静态错角（alternate static angle）。可替换地，在沉积过程中，有源靶表面215的角可以在一角范围上摆动，以帮助分布靶表面上的磨损并提高沉积均匀性。在可替换实施例中，工件215还可以绕轴线217转动。在可替换实施例中，设置第二RF离子源220以帮助将溅射羽流210沉积在衬底226上。在离子束系统100的一种实施例中，闸门机构（未示出）用于管理溅射羽流210沉积在衬底226上的量和位置。在一种示例实施例中，第二离子源220产生被朝向衬底组件206引导的离子束232。辅助离子束232可以用于预清洁或预加热衬底226的表面。在可替换实施例中，辅助离子束232结合来自溅射羽流210的材料使用，以便提高衬底226上的表面膜沉积动力学（即，材料沉积、表面平滑处理、氧化、氮化等）。在可替换实施例中，辅助离子束232用于使溅射材料的沉积更致密（或紧密）和/或使沉积表面更平滑。
离子束系统200的实施例具有真空系统充气室224以便在离子束系统200中产生真空条件。衬底组件206可以设有转动机构，从而有效地产生行星运动的衬底226。在沉积过程中还可以使衬底组件206静态地或动态地倾斜至围绕轴线219的错角，以便提高衬底上的沉积均匀性。第一RF离子源202还可以包括多个栅格228，该多个栅格位于离子束208的路径上以便以期望的方式引导离子束。
图3示出了离子束系统中所用的栅格组件300的示例图。栅格组件300包括以截面图示出的屏栅格（帘栅，screen grid）302、加速栅格304及减速栅格306，但应理解，可以采用不同组合的栅格，包括采用更多数量或更少数量的栅格的配置。在一种实施例中，栅格是圆形的，每个栅格具有基本上相似的直径，但可以考虑其他形状。在一种实施例中，栅格可以具有凹盘形状或凸盘形状。
如图3所示，三个栅格302、304、306彼此平行定位，每个栅格之间所测得的距离为ηg1及ηg2。当示出栅格彼此平行定位时，对这个特征没有要求。在某些实施例中，栅格可以稍稍不平行，栅格的面上稍稍变化的距离为ηg1及ηg2。栅格302、304、306制造有一系列相应孔。在一种实施例中，栅格基本上是圆形的，具有基本上圆形的孔阵列，但可以考虑其他栅格形状及孔阵列，例如矩形和椭圆形。栅格302、304、306被定位成使得屏栅格302形成离子源（未示出）的放电室的下游边界。放电室产生带正电荷离子的等离子体（例如，来自于惰性气体（比如氩气）），栅格302、304、306通过栅格孔朝向工件314（例如，溅射靶或衬底）提取并加速来自等离子体的离子。在一种实施例中，工件314可以是单个或一批阵列的基本上平面的衬底，比如晶圆或光学透镜，可替换地，可以是具有额外3D特征的单个或一批阵列的工件，比如立方（或小面）光学晶体、弯曲光学透镜或切割工具插入件等。另外，这些工件可以遮掩有机械模板或图案化抗蚀层（即，光致抗蚀剂），以帮助促进选择沉积膜的图案化或在工件的表面区域上进行离子处理。
每个栅格的三个孔被示出为说明如何实现可以在栅格组件系统上应用的各个栅格孔的子束转向。工件314可以定向为相对于栅格302、304、306处于一角度。这些离子被整理在由各个子束构成的准直离子束中，其中子束包括通过栅格302、304、306中的各组相应孔加速的离子。
在实践中，每个子束的各个离子在分布在孔的开口区的过程中通常沿中心轴线通过屏栅格302中的孔涌出。子束离子继续前时以朝向加速栅格304加速，从而通过加速栅格304的相应孔基本上沿中心轴线涌出。此后，由加速栅格304在子束离子上赋予的动量在分布在孔的开口区的过程中通过减速栅格306中的孔基本上沿中心轴线并朝向下游定位的工件314推进。
屏栅格302最接近放电室并因此最接近第一栅格，以便从放电室接收离子。如此，屏栅格302位于加速栅格304和减速栅格306的上游。屏栅格302包括策略性地通过栅格形成的多个孔。屏栅格302中的所有孔在屏栅格302的表面上可以具有相同直径或可以具有不同直径。另外，孔之间的距离可以相同或可以不同。屏栅格302在图3中被示出为由表示屏栅格302内的三个钻孔360、363和366的间隔隔开的单列的四个竖杆。屏栅格302用加（+）号标出，代表带正电荷的或被正向偏压的屏栅格302。
在图3中，加速栅格304紧邻屏栅格302地定位在屏栅格的下游，间隔距离ηg1。如此，加速栅格304位于放电室和屏栅格302的下游以及减速栅格306的上游。加速栅格304包括策略性地钻穿栅格的多个孔，每个孔基本上对应于屏栅格302中的孔。虽然经常通过钻孔来形成孔，但也可以利用其他方法或方法在组合来形成，包括但不限于铣削、铰孔、放电加工（EDM）、激光加工、水射流切割和化学蚀刻。在一种实施例中，加速栅格304和屏栅格302包括相同数量的孔。然而，额外实施例可以在加速栅格304和屏栅格302之间提供不同数量的孔。加速栅格304中的所有孔在加速栅格304的表面上可以具有相同直径或可以具有不同直径。另外，孔之间的距离可以相同或可以不同。加速栅格304在图3中被示出为由表示加速栅格304中的三个钻孔361、364和367的间隔隔开的单列的四个竖杆。加速栅格304用减（‑）号标出，代表带负电荷的或被负向偏压的加速栅格304。加速栅格304上的负电荷或负偏压将来自于等离子体的并通过屏栅格302中的孔的离子提取出。
在图3中，减速栅格306紧邻加速栅格304地定位在加速栅格的下游，间隔距离ηg2。如此，减速栅格306位于放电室、屏栅格302和加速栅格304的下游以及工件314的上游。减速栅格306包括策略性地钻穿栅格的多个孔，每个孔基本上对应于加速栅格304中的孔。在一种实施例中，减速栅格306和加速栅格304都包括相同数量的孔。然而，额外的实施例可以在加速栅格304和减速栅格306之间提供不同数量的孔。减速栅格306中的所有孔在减速栅格306的表面上可以具有相同直径或可以具有不同直径。另外，孔之间的距离可以相同或可以不同。减速栅格304在图3中被示出为由表示减速栅格306中的三个钻孔362、365、368的间隔隔开的单列的四个竖杆。减速栅格306通常接地或带有较小的负电势或偏压。
当离子穿过减速栅格306中的孔时，离子碰撞定位在下游的工件314（比如溅射靶或衬底）。虽然工件314示出为平行于栅格302、304、306，但其也可以处于适于特定应用的任意角。在溅射操作过程中，可以使用多个溅射靶，其中每个靶可以具有固定于其表面的不同材料。当离子碰撞靶的表面时，来自于靶的一定量的材料与靶表面分离，以羽流朝向另一工件（比如衬底）运动，以便涂覆衬底（未示出）的表面。利用不同材料涂层的多个靶，可以在单个衬底上构建多层涂层。
图3示出了穿过三个栅格302、304、306中的相邻定位孔并碰撞工件314的表面的三个离子308、310、312。然而，应理解，三个离子308、310、312通常表示通过三个栅格302、304、306中的孔涌出的离子分布。当离子308接近并穿过加速栅格304的孔361时，代表性离子308的轨迹被改变（例如，沿向上方向）。所改变的轨迹由加速栅格304的孔361相对于屏栅格302中的相邻孔360发生偏置而产生，从而使离子308靠近加速栅格孔361的顶周边行进。在这种配置中，与底周边相比，离子308经受朝向加速栅格孔361的顶周边的更大的静电吸引力，这通过加速栅格孔361改变离子308相对于正交中心轴线350的轨迹。
相反，当离子312接近并穿过加速栅格304的孔367时，沿相反方向（例如，向下）改变离子312的轨迹。加速栅格304的孔367也相对于屏栅格302的相邻孔366偏置。与离子308一样，所改变的离子312轨迹由加速栅格304的孔367相对于屏栅格302中的相邻孔366的有意偏置而产生，从而使离子312靠近加速栅格孔367的底周边行进。在这种配置中，与顶周边相比，离子312经受朝向加速栅格孔367的底周边的更大的静电吸引力，这通过加速栅格孔367改变离子312相对于正交中心轴线352的轨迹。
与有意地改变轨迹的前述实例相比，离子310的轨迹仍保持在加速栅格304的孔364的中心轴线324上。离子310的轨迹不改变，因为加速栅格304的孔364相对于屏栅格302的孔363对中（例如，不偏置）。换句话说，加速栅格304的孔364的中心轴线（即，孔的中心线）324具有与屏栅格302的孔363的中心轴线322相同的Y轴位置。以下段落详述了当离子穿过三个栅格302、304、306时离子轨迹的变化。注意，虽然图3指的是X轴和Y轴平面上的偏置，但这些偏置也可能存在于Y轴和Z轴（未示出）平面上。
如上所述，加速栅格304中的一部分孔相对于屏栅格302中的相邻定位的孔偏置。换句话说，加速栅格304中的一个孔的中心轴线可以偏离于屏栅格302的相应孔的中心轴线。离子308的轨迹示出了加速栅格304的孔361相对于屏栅格302的相邻孔360偏置的实例。屏栅格302中的孔360的屏栅格中心轴线316与加速栅格304中的孔361的加速栅格中心轴线350相比具有不同的Y轴位置。在该实例中，λ1表示屏栅格中心轴线316与加速栅格中心轴线350之间的Y轴距离。进一步地，б1基于栅格间隔ηg1表示加速栅格中心轴线350相对于屏栅格中心轴316的偏置角。
在所示的实施例中，位置318示出了离子308穿过加速栅格304的孔361的Y轴位置。在该实例中，位置318在加速栅格孔中心轴线350上方偏置距离λ1。当离子308接近位置318时，带负电荷的加速栅格304将带正电荷的离子308朝向加速栅格的孔361的最接近圆周部分静电吸引。由此改变离子308的轨迹或使该轨迹沿如由延伸至工件314的实线所表示的向上方向转向。如果不使离子在孔的中心轴线之间静电转向所述有意地配置的偏置量，则虚线表示离子308未发生改变的轨迹。在一种实施例中，随着离子308接近加速栅格304的孔361，当离子308位于加速栅格304的孔361中时，静电吸引开始增加至最大点。另外，随着离子308穿过加速栅格304的孔361，静电吸引会减弱。
接下来，离子308穿过减速栅格306的孔362。如上所述，减速栅格可以接地，其中电荷为中性或电势为零。因此，当离子308穿过了减速栅格306的孔362时，减速栅格基本上不会改变离子308的轨迹。在一种实施例中，减速栅格306的孔362的直径只略大于离开加速栅格304的离子子束的直径。在另一种实施例中，减速栅格306的孔362被定位成使得离子308穿过孔362的中心。
在离子308穿过减速栅格306的孔362之后，离子308在位置320处碰撞到工件314的表面中。如前面所述，如果没有使离子静电转向以改变偏离屏栅格302的中心轴线316的轨迹，则虚线表示离子308未发生改变的轨迹。束偏转角β1表示轨迹发生改变的离子的子束的中心线与轨迹未发生改变的离子的子束的中心线之间的角度。换句话说，角β1表示子束相对于非转向子束的转向角。
上述实例示出了单个离子308的轨迹。然而，单个离子流（称之为离子子束）在分布在孔的开口区上的过程中穿过三个栅格的一组孔360、361、362的开孔。相应地，每个离子的位置可以根据离子308的位置稍微变化。如此，连续离子的整个轨迹也可根据离子308的轨迹稍微变化。进一步地，连续离子碰撞工件314的位置也可以稍微变化。
离子310被示为穿过栅格组件300中的一组孔363、364、365的孔径。离子310首先穿过屏栅格孔中心轴线322的孔363。接下来，离子310穿过加速栅格304的位于加速栅格孔中心轴线324处的孔364。在该实例中，加速栅格孔中心轴线324与屏栅格孔中心轴线322对齐。换句话说，屏栅格302和加速栅格304的孔363、364、365的中心轴线之间没有实质性或有意的Y轴偏差或偏置。由于加速栅格孔中心轴线324与屏栅格孔中心轴线322对齐，因此不存在加速栅格304的主要横向静电吸引。所以，在离子穿过加速栅格304的孔364时，离子310的轨迹仍然不改变。
离子312被示出穿过栅格组件300中的一组孔366、367、368的孔径。在该实例中，离子312首先穿过屏栅格302的孔366。屏栅格孔中心轴线328表示屏栅格302的孔366的中心。加速栅格304的孔367的中心轴线352相对于屏栅格302的孔366的中心轴线328偏置。如此，加速栅格302的孔367的加速栅格孔中心轴线352与屏栅格302的孔366的屏栅格孔中心轴线328相比具有不同的Y轴位置。在该实例中，λ2表示屏栅格孔中心轴线328与加速栅格孔中心轴线352之间的Y轴距离。进一步地，б2表示加速栅格孔中心轴线352相对于屏栅格孔中心轴线328的偏置角。
在所示的实施例中，位置330示出了离子312穿过加速栅格304的孔367的Y轴位置。在该实例中，位置330在加速栅格孔中心轴线352下方偏置距离λ2。当离子312接近位置330时，带负电荷的加速栅格304将带正电荷的离子312朝向加速栅格304的孔367的最接近圆周部分静电吸引。由此改变离子312的轨迹或使该轨迹沿如由延伸至工件314的实线所表示的向上方向转向。如果不使离子在孔的中心轴线之间静电转向有意地配置的偏置量，则虚线表示离子312的未发生改变的轨迹。在一种实施例中，随着离子312接近加速栅格304的孔367，当离子312位于加速栅格304的孔367中时静电吸引开始增加至最大点。另外，随着离子312穿过加速栅格304的孔367，静电吸引会减弱。
接下来，离子312穿过减速栅格306的孔368。如上所述，减速栅格可以接地，电荷为中性或电势为零。因此，当离子312穿过了减速栅格306的孔368，减速栅格基本上不会改变离子312的轨迹。在一种实施例中，减速栅格306的孔368的直径只略大于离子子束的直径。在另一种实施例中，减速栅格306的孔368被定位成使得离子312穿过孔368的中心。
在离子312穿过减速栅格306的孔368之后，离子312在位置332处碰撞到工件314的表面中。如前面所述，如果没有使离子静电转向以改变偏离屏栅格302的中心轴线328的轨迹，则虚线表示离子312未发生改变的轨迹。束偏转角β2表示轨迹发生改变的离子的子束的中心线与轨迹未发生改变的离子的子束的中心线之间的角度。换句话说，角β2表示子束相对于非转向子束的转向角。
子束的最大偏转或转向角的存在会导致离子碰撞到工件314中时子束的轨迹可以改变的最大距离。对于使用两个或三个栅格组件进行子束转向而言，偏转角的范围通常为0‑10度之间，在该范围之上，加速栅格304在子束的周边处通过离子进行的高能离子撞击可以成为栅格设计或性能考虑因素。
在一种实施例中，可以包括位于具有合适孔大小、相对偏置及电压设定的加速栅格304下游的一个或多个栅格，以便进一步增加子束的净转向角。例如，在一种实施例中，第四栅格（未示出）可以定位在加速栅格304和减速栅格306之间，以便进一步改变或使子束转向（例如，超出三栅格组件的转向角范围）。为了扩大子束转向角的范围，第四栅格包括定位在加速栅格304的相邻孔附近并偏离该相邻孔的孔。进一步地，第四栅格的电荷极性可以与穿过该孔的离子的电荷极性相反。一旦离子穿过加速栅格304中的孔，该离子就接近第四栅格中的相应孔。第四栅格中的孔偏置被定位成沿与加速栅格304的相邻孔基本上相同的方向吸引离子。因此，离子的轨迹可以进一步转向超过三栅格组件的转向角的范围。在另一种实施例中，可以不同的组合使用其他栅格，以便进一步增加四栅格组件的转向角范围或改变各个子束的轨迹。
随着离子子束接近并穿过加速栅格304的孔，影响离子子束的最大偏转或转向角的因素有多个。如前所述，屏栅格孔中心轴线与加速栅格孔中心轴线之间的Y轴距离（λ）影响离子子束的转向。换句话说，距离λ越大，就可以使离子子束转向越多。另外，屏栅格与加速栅格之间的距离（ηg1）影响离子子束的转向。施加给加速栅格的电压也可影响子束的转向。在一个实施例中，施加给屏栅格的电压可以为50V至10kV。施加给加速栅格的电压可以为‑50V至‑10kV。
电场存在于加速栅格304的上游侧和下游侧。例如，加速栅格304上游侧上的电场为电压差除以屏栅格302与加速栅格304之间的距离（ηg1）。在一种实施例中，确定离子子束转向量（例如，束偏转或转向角β）的公式如下：