電感耦合等離子體離子源與不主動泵送的液體的高壓隔離的制作方法
【專利摘要】一種用于帶電粒子束系統(tǒng)的電感耦合等離子體源包括等離子體室和和流體，不主動地對該流體進行泵送，該流體包圍等離子體室以便在等離子體室與在接地電勢下的附近部件之間提供高壓隔離，如導(dǎo)電屏蔽。一個或多個冷卻裝置通過使用蒸發(fā)冷卻和熱管將來自等離子體室的熱量消散到周圍環(huán)境中來對等離子體室進行冷卻。
【專利說明】電感耦合等離子體離子源與不主動泵送的液體的高壓隔離
[0001]發(fā)明【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及電感耦合等離子體離子源并且更確切地涉及提供高壓隔離的同時對等離子體源進行冷卻的手段。
[0003]發(fā)明背景
[0004]當與聚焦柱一起用于形成帶電粒子(S卩，離子或電子)聚焦束時，電感耦合等離子體(ICP)源較其他類型的等離子體源具有優(yōu)點。電感耦合等離子體源能夠在狹窄的能量范圍內(nèi)提供帶電粒子，其允許這些離子聚焦到一個小斑點上。ICP源(如在被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利號7，241，361中所描述的ICP源)包括圍繞陶瓷等離子體室纏繞的射頻(RF)天線。RF天線提供能量以使氣體在該室內(nèi)保持在電離態(tài)下。
[0005]用于離子束加工的離子的能量典型地在5keV與50keV之間，并且最典型地為約30keV。電子能量對與掃描電子顯微鏡系統(tǒng)而言在約500eV到5keV之間變化，對于透射電子顯微鏡系統(tǒng)而言達到幾十萬電子伏特。帶電粒子系統(tǒng)中的樣品典型地保持在接地電勢下，其中，源保持在大的電勢下，或者正的或者負的，取決于用于形成束的粒子。因此，離子束源典型地保持在5kV與50kV之間，并且電子源典型地保持在500V與5kV之間。如此處使用的“高壓”指的是大于約500V以上或以下接地電勢的正的或負的電壓。為了操作人員的安全，需要電性地隔離高壓組件。鑒于等離子體源設(shè)計的其他目標，高壓等離子體的電隔離產(chǎn)生了若干個難于解決的設(shè)計問題。
[0006]因為當離子離開等離子體時，必須將氣體引入到高壓等離子體室內(nèi)以補充氣體，所以出現(xiàn)了一種設(shè)計困難。典型地以接地電勢且遠高于大氣壓存儲氣體。等離子體室內(nèi)的氣體壓力典型地在約10_3mbar與約Imbar之間變化。必須將氣體的電勢帶至高壓等離子體的電勢，并且必須隨著氣體從氣體源移動到等離子體室內(nèi)而降低氣體的壓力。必須以防止氣相放電(也稱為電弧放電，其將破壞系統(tǒng))的方式將氣體引入到該室內(nèi)。
[0007]另一個設(shè)計挑戰(zhàn)在于將向等離子體提供功率的射頻線圈放置成離等離子體盡可能近以高效地傳遞功率。將線圈保持在與等離子體相同的高電勢下將典型地需要將用于線圈的電源保持在高等離子體電勢下，這將過度地使電源設(shè)計復(fù)雜化并且大大增加成本。電感耦合等離子體離子源可以使用分割開的法拉第屏蔽來減少線圈與等離子體之間的電容性耦合。分割開的法拉第屏蔽必須位于等離子體與線圈之間并且典型地良好接地。當接地法拉第屏蔽位于靠近介電等離子體容器時，如果任何空氣或其他低介電常數(shù)氣體被困在法拉第屏蔽與介電等離子體室之間，則由電勢的快速變化引起的大電場將很可能引起氣相放電，該放電會破壞源。
[0008]并且，應(yīng)用到等離子體室上的能量生成熱量。雖然緊湊的等離子體源對束形成而言是令人希望的，但等離子體源越緊湊且功率越大，則等離子體源將變得更熱并且因此更需要高效地散熱。高壓還會使得難于冷卻，這會限制所用的等離子體的密度。這些相沖突的要求使得ICP源的設(shè)計非常具有挑戰(zhàn)性。
[0009]發(fā)明概沭
[0010]本發(fā)明的目標在于提供改進的等離子體源和具有等離子體帶電粒子束源的改進的帶電粒子系統(tǒng)。
[0011]本發(fā)明為帶電粒子束系統(tǒng)提供電感耦合等離子體源的高壓(HV)隔離和冷卻。在一個優(yōu)選實施例中，等離子體源被基本上封裝在固體介電介質(zhì)內(nèi)的法拉第屏蔽所包圍，該固體介電介質(zhì)防止在該屏蔽的表面處的氣體高壓擊穿。在另一個實施例中，等離子體源至少部分地被提供HV隔離的靜態(tài)流體所包圍。如此處使用的術(shù)語“靜態(tài)流體”指的是不被主動地泵送的流體。
[0012]為了可以更好地理解以下本發(fā)明的詳細說明，上文已經(jīng)相當廣泛地概述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)點。下文將描述本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到所披露的概念和具體實施例可容易地用作改進或設(shè)計用于實施本發(fā)明相同目的的其他結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)認識到這些同等構(gòu)造不脫離如所附權(quán)利要求中所闡明的本發(fā)明的精神和范圍。
[0013]附圖簡要說明
[0014]為了更加徹底地理解本發(fā)明和本發(fā)明的優(yōu)點，現(xiàn)在結(jié)合附圖參考以下說明，其中:
[0015]圖1示出了等離子體源的縱向截面示意圖，該等離子體源將法拉第屏蔽用于減少耦合和絕緣流體，以便實現(xiàn)高壓隔離和冷卻。
[0016]圖2示出了圖1的等離子體源的橫向截面示意圖。
[0017]圖3示出了使用等離子體源的帶電粒子束系統(tǒng)，該等離子體源將絕緣流體用于冷卻和聞壓隔尚。
[0018]圖4示出了將靜態(tài)流體用于高壓隔離和主動式冷卻元素的等離子體源的縱向半截面示意圖。
[0019]圖5示出了使用法拉第屏蔽的等離子體源的縱向半截面示意圖，該法拉第屏蔽基本上被封裝在固體介電介質(zhì)內(nèi)，以便改進電隔離和減少RF耦合。
[0020]圖6A示出了帶有集成熱管冷卻的等離子體源的截面示意圖。
[0021 ] 圖6B示出了帶有集成熱管冷卻的等離子體源的截面示意圖，顯示了 一個熱管。
[0022]圖6C示出了帶有集成熱管冷卻的等離子體源的俯視圖，顯示了若干個圍繞等離子體源的周長分布的熱管的示例配置。
[0023]圖6D示出了帶有集成熱管冷卻的等離子體源的側(cè)視圖，顯示了示例熱管配置。
[0024]優(yōu)選實施方案的詳細描述
[0025]設(shè)計等離子體源典型地需要許多折衷以滿足相沖突的設(shè)計要求。本發(fā)明的實施例可以在RF線圈和等離子體之間提供極好的耦合，提供等離子體室的高效冷卻、極好的電容屏蔽、以及等離子體源的高壓隔離，所有這些可以產(chǎn)生密集的、靜止的且在高電勢下的電感率禹合等離子體。
[0026]在一些實施例中，將空氣排出帶有強電場的區(qū)域并且用液體或其他高介電常數(shù)流體對那些體積進行填充為系統(tǒng)設(shè)計者提供了關(guān)于將以另外的方式不可用的源配置作出設(shè)計選擇的機會。
[0027]以下說明描述了一種用于聚焦離子束系統(tǒng)的等離子體源，但本發(fā)明的等離子體源可以用于電子束系統(tǒng)或其他系統(tǒng)。如此處所使用的，“流體”可以包括液體或氣體。
[0028]圖1示出了等離子體源100的風(fēng)格化的縱向截面視圖。等離子體源100包括具有內(nèi)壁104和外壁106的介電等離子體室102。等離子體室102位于導(dǎo)電基板110上。等離子體112被保持在等離子體室102內(nèi)。引出光學(xué)器件114根據(jù)應(yīng)用例如從等離子體112中通過等尚子體室102內(nèi)的開口 116和基板110中的開口 118引出帶電粒子、尚子、或電子。優(yōu)選地以最小損耗傳輸射頻能量的陶瓷或塑料材料的介電外殼120與等離子體室102同軸并且在外殼120與等離子體室內(nèi)壁106之間限定空間122。分割開的法拉第屏蔽134位于空間122內(nèi)并且典型地與等離子體室102同軸。泵124通過冷卻流體入口 128將冷卻流體126從容器/冷卻器127泵送到空間122并且通過出口 132離開，通過來自外壁106的熱傳遞對等離子體室102進行冷卻。
[0029]分割開的法拉第屏蔽134典型地被固定到接地電勢，并且因此，電勢在等離子體區(qū)域和分割開的法拉第屏蔽之間快速下降，因此，等離子體區(qū)域與分割開的法拉第屏蔽之間的材料必須具有足夠大的介電強度來抵抗電弧放電?？梢赃x擇與陶瓷外殼102相比具有足夠高的介電常數(shù)的冷卻流體，從而使得跨該流體的電壓降足夠低以防止在操作電壓下的介電擊穿。選擇沒有氣體泡沫或其他雜質(zhì)的液體冷卻劑，氣體泡沫或其他雜質(zhì)會提供場增強和氣體放電的機會。還可以選擇稍微導(dǎo)電的冷卻流體，在這種情況下，流體體積將基本上沒有電場并且基本上所有的電壓降將在等離子體室102內(nèi)發(fā)生。冷卻流體還應(yīng)具有足夠的熱容量以防止等離子體室102過熱，而不需要大的流體流，大的流體流需要將消耗過多功率的大泵。等離子體室外壁106典型地保持在小于約50°C的溫度下。
[0030]該流體優(yōu)選地包括液體(如水或氟化液?FC-40)、美國明尼蘇達州圣保羅市3M公司售賣的電絕緣穩(wěn)定的基于碳氟化合物的流體?？梢允褂盟缯麴s水或自來水。還可以使用絕緣氣體，如六氟化硫。冷卻泵典型地以在10加侖/時與50加侖/時之間的速率從容器/冷卻器127中泵送冷卻液。流體126通過返回導(dǎo)管133從出口 132返回到冷卻器/容器127?？商娲兀鋮s流體可以是不被機械地泵送的靜態(tài)液體，從而允許節(jié)省大量功率。室溫下的水具有約80的介電常數(shù)，而等離子體室的陶瓷材料具有約為9的介電常數(shù)，這導(dǎo)致大多數(shù)電壓降在陶瓷內(nèi)發(fā)生。優(yōu)選的絕緣流體具有優(yōu)選地大于制作等離子體室的材料的介電常數(shù)的介電常數(shù)。在一些實施例中，絕緣流體具有大于5的介電常數(shù),優(yōu)選地大于10,甚至更優(yōu)選地大于20，以及最優(yōu)選地大于或等于約40。
[0031]在典型的實施例中，在流體被泵124再循環(huán)前，容器/冷卻器127將冷卻流體冷卻至約20°C。冷卻流體部分地包圍等離子體室并且冷卻劑沿著等離子體室縱向地從底部流到頂部。為了清晰性，圖1示出了等離子體室102的底部處的兩側(cè)上的冷卻流體進空間122和室102的頂部處的一側(cè)上的出空間122。技術(shù)人員將理解到合適的入口、出口、以及擋板可以用于保證等離子體室102的所有側(cè)周圍的均勻流體流。
[0032]法拉第屏蔽134從RF線圈136傳遞射頻能量以激勵等離子體同時減少射頻線圈136與等離子體112之間的電容性耦合。在一些實施例中，通過基本上被封裝在固體介電介質(zhì)內(nèi)(如陶瓷、玻璃、樹脂、或聚合物)以消除與法拉第屏蔽接觸的不想要流體和消除高壓放電來保護法拉第屏蔽134免受腐蝕和物理損壞。RF線圈136可以是空心的并且通過使流體冷卻劑流過線圈內(nèi)的內(nèi)部通道137對其進行冷卻。等離子體室冷卻劑系統(tǒng)還可以將流體冷卻劑泵送通過這些線圈，或者這些線圈可以具有獨立的冷卻系統(tǒng)。
[0033]法拉第屏蔽134可以被放置成使得冷卻流體126在屏蔽134的兩側(cè)流動。在一些實施例中，可以靠著等離子體室外壁106放置該屏蔽或者將其放置到外殼120的內(nèi)側(cè)壁上。例如，該屏蔽可以包括印刷的或以另外的方式沉積在等離子體室外壁106或內(nèi)側(cè)外殼壁120上的金屬層。法拉第屏蔽134電接地。在一個實施例中，屏蔽134包括通過將法拉第屏蔽的接片138限制在外外殼120和基板110之間來接地的開槽金屬柱，從而保證固體接地接觸。
[0034]必須將從其中產(chǎn)生等離子體的氣體沿著罐150和等離子體之間的路徑從接地電勢帶至等離子體電勢。在優(yōu)選實施例中，大多數(shù)電壓變化發(fā)生在氣體壓力相對高并且抵抗電弧放電的情況下。
[0035]從氣體源(如罐150)向等離子體室102提供氣體。罐150典型地保持在接地電勢下并且在高壓力下包含氣體。調(diào)節(jié)器152降低離開該罐進入導(dǎo)管154的氣體的壓力?？蛇x的可調(diào)閥156進一步降低氣體管線內(nèi)的壓力或者當不使用該源時完全關(guān)閉導(dǎo)管。限流器(如毛細管158)在氣體到達等離子體室106之前進一步降低氣體壓力。限流器158在氣體管線與等離子體室102的內(nèi)部之間提高希望的氣體電導(dǎo)。限流器158優(yōu)選地與等離子體112接觸并且因此在等離子體電勢下。在其他實施例中，流限制可以具有從除了等離子體外的電壓源上施加的電偏置。絕緣屏蔽160包圍毛細管158并且在絕緣屏蔽160的末端處的接地金屬套環(huán)162保證在該位置上氣體的電勢為零。因此，在絕緣屏蔽160內(nèi)發(fā)生從接地到等離子體電壓的全部電勢變化，其中，氣體在相對高的壓力下并且因此抵抗電弧放電。
[0036]在一個沒有閥門156的示例實施例中，調(diào)節(jié)器152將離開供應(yīng)罐的氣體壓力從150psig降低至5psig。氣體壓力保持在5psig，直到氣體到達毛細管158，并且此時氣體壓力下降到例如0.1托的等離子體室壓力。絕緣屏蔽160優(yōu)選地具有足夠的長度以保持該場低到足夠防止破壞性放電。絕緣屏蔽160典型地約至少約5mm長，并且更典型地在約30mm與60mm之間。例如,如果等離子體保持在30kV,則在IOmm屏蔽內(nèi)的電場為約3kV/mm,其低到足夠防止大在多數(shù)應(yīng)用中的持續(xù)放電。技術(shù)人員將理解到局部電場將是幾何形狀的函數(shù)并且初始低電流放電會發(fā)生以在絕緣屏蔽160內(nèi)達到靜態(tài)電荷平衡。在一些實施例中，閥門156可以在氣體到達等離子體前的最后限流器之前進一步降低氣體壓力。不是毛細管，該限流器可以是閥門，如泄漏閥?？梢允褂萌魏晤愋偷臍怏w源。例如，氣體源可以包括被加熱成以足夠的速率產(chǎn)生氣體以供應(yīng)等離子體的液體或固體材料。不同的氣體源的不同輸出壓力可能需要不同的組件以降低等離子體室內(nèi)要求的壓力。
[0037]圖2示出了圖1的等離子體源100的橫向截面視圖。圖2示出了等離子體室102的外壁106是波形的，即，其由一系列脊202和谷204組成。靠著脊202放置法拉第屏蔽134，限定了通道206以便冷卻流體在谷204與屏蔽134之間流動。在圖2中所示的實施例中，法拉第屏蔽134包括在等離子體室外壁106上滑動的金屬套管。該金屬套管的一部分在底部向外彎曲以形成接地接片138 (圖1)，其被限制在等離子體室102與接地板110之間。冷卻流體126流過空間122，該空間以等離子體室外壁106和外殼120為界。法拉第屏蔽“被分割開(split)”，即，在該屏蔽內(nèi)有縱向槽，其允許RF天線與等離子體112之間的電感耦合。在替代性實施例中，外壁106可以是平滑的并且用波紋形成法拉第屏蔽。可替代地，壁106和法拉第屏蔽兩者都不是波形的。
[0038]圖3示出了使用圖1的等離子體源的帶電粒子束。在離子柱的頂部，安裝了電感耦合等離子體(ICP)離子源302，包括電磁罩304、源室306、以及感應(yīng)線圈308，該感應(yīng)線圈包括一個或多個由導(dǎo)電材料制成的繞組。在圖3中所示的實施例中，冷卻劑容器和冷卻器390向泵391提供冷卻劑，該泵通過導(dǎo)管392向源室306周圍的冷卻劑區(qū)域提供冷卻劑。然后冷卻劑通過返回導(dǎo)管393流回到冷卻劑容器和冷卻器390。在替代性實施例中，源室306周圍的冷卻劑區(qū)域包含用于高壓隔離的靜態(tài)液體。在這種實施例中，可以除去容器/冷卻器390和冷卻劑泵391或者可以將其用于使不進入高壓區(qū)域的冷卻流體循環(huán)。在又另一個實施例中，如以下更加詳細描述的，通過一個或多個熱管對等離子體源302中的液體進行冷卻。
[0039]RF電源340通過RF同軸電纜342連接到匹配箱341上.匹配箱341通過線圈腿延長部分343連接到感應(yīng)線圈308上。與源室306同軸地安裝感應(yīng)線圈308。為了減少感應(yīng)線圈308與源室306內(nèi)生成的等離子體之間的電容性耦合，可以可選地與源室306同軸地并且在感應(yīng)線圈308內(nèi)安裝分割開的法拉第屏蔽(未示出)。當分割開的法拉第屏蔽用在ICP離子源302內(nèi)時，跨感應(yīng)線圈308的高壓(典型地，幾百到幾千伏特)將對從ICP離子源302的底部引到離子柱內(nèi)的離子的能量具有最小的影響。這將導(dǎo)致更小的束能量擴散度，在基底表面處或附近減少了聚焦帶電粒子束的色差。
[0040]可以使用等離子體發(fā)出的并且被光纖344的面朝源的末端收集的且傳輸通過光纖344到達等離子體光檢測單元345檢測源室306內(nèi)的等離子體的存在。通過電纜346將等離子體光檢測單元345生成的電信號傳導(dǎo)至可編程邏輯控制器(PLC)347。然后，等離子體光檢測單元345生成的等離子體開/關(guān)信號通過電纜或數(shù)據(jù)總線348從PLC347傳遞到執(zhí)行離子體源控制軟件的等離子體源控制器351。然后，來自等離子體源控制器351的信號可以通過電纜或數(shù)據(jù)總線352傳遞到聚焦離子束(FIB)系統(tǒng)控制器353。FIB系統(tǒng)控制器353可以通過互聯(lián)網(wǎng)354與遠程服務(wù)器355通信。FIB系統(tǒng)控制的各組件的互連的這些細節(jié)僅出于示例性目的。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的，其他控制配置是可以的。
[0041]通過通向入口限流器328的入口氣體管線320向源室306提供氣體，該入口限流器通向源室306的內(nèi)部。限流器328保持在比氣體源310和調(diào)節(jié)器332的電勢更接近室306內(nèi)的等離子體的電勢的電勢下，從而使得電壓降主要跨更高壓力的氣體發(fā)生。絕緣屏蔽329使位于限流器328的上游的氣體管線絕緣并且以接地套環(huán)331終止。
[0042]用于ICP源的供氣系統(tǒng)310包括氣體供應(yīng)330、高純度氣體調(diào)節(jié)器332、以及針(調(diào)節(jié))閥334。氣體供應(yīng)330可以包括帶有一個或多個流調(diào)節(jié)階段的標準氣體瓶，例如，將和氦、氧、氙或氬進氣的情況一樣?？商娲?，對于源自在室溫下為固體或液體的化合物的氣體而言，氣體供應(yīng)330可以包括被加熱的容器。其他類型的氣體供應(yīng)330也是可以的。氣體供應(yīng)330配置的具體選擇是有待供應(yīng)到ICP源的氣體類型的函數(shù)。來自供應(yīng)330的氣體傳遞通過高純度氣體調(diào)節(jié)器332，該氣體調(diào)節(jié)器可以包括一個或多個凈化和降壓階段。從高純度氣體調(diào)節(jié)器332出來的凈化氣體傳遞通過可選針閥334。從可選針閥334出來的氣體通過軟管336傳遞到非常接近ICP源安裝的可選第二針閥338。從針閥338出來的氣體傳遞通過入口氣體管線320，該氣體管線通過限流器328連接到源室306的頂部。
[0043]在ICP源302的底部，源電極357用作離子束引出光學(xué)器件的一部分，從而結(jié)合引出電極358和冷凝器359 —起工作。等離子體點引器360連接到源電極(未示出)上，從而能夠在源罩306內(nèi)啟動等離子體。還可以使用引燃等離子體的其他熟知裝置。2007年7月10日發(fā)布的美國專利號7，241，361中提供了 ICP源的操作細節(jié)，該專利通過引用結(jié)合于此。通過束電壓源(PS) 361，源電極357被偏置通過點引器360至高電壓。源電極357上的電壓決定了等離子體的電勢，并且因此，在一次電離的原子或分子離子種類或電子的情況下，帶電粒子的能量到達基底表面。雙重電離的離子種類將具有兩倍的動能。通過引出器電源363使引出器電極358偏置，而通過冷凝器電源362使冷凝器359偏置。源電極357、引出器電極358以及冷凝器359的組合操作用于引出并是出自ICP源302的離子聚焦成傳導(dǎo)束接受孔徑364的束。在FIB系統(tǒng)控制器353的控制下，通過束接受孔徑致動器365將束接受孔徑364機械地放置在離子柱內(nèi)。典型的電壓設(shè)置值可以是對于電源361而言大致為+30kV、對于電源362而言大致為15kV以及對于電源363而言大致為15kV。
[0044]圖3中所示的離子柱示出了兩個靜電單透鏡366和367，用于在基底368的表面處或附近形成ICP源302內(nèi)的虛擬源的高縮倍(大致1/125X)圖像，該基底安裝在通過樣品臺控制器337控制的臺369上。第一單透鏡366 (稱為“透鏡I”或“LI”)直接位于束接受孔徑364的下方并且包括三個電極，其中，第一和第三電極典型地接地(在0V)，而通過透鏡I (LI)電源(PS) 371控制中心電極370的電壓。通過FIB系統(tǒng)控制器353控制透鏡I電源 371。
[0045]限束孔徑組件372安裝在離子柱內(nèi)的第一單透鏡366和第二單透鏡367之間，包括一個或多個限束孔徑(圖1中示出了三個孔徑)。典型地，限束孔徑組件372將包括多個帶有不同直徑開口的圓形孔徑，其中，可以將這些孔徑中的任何一個放置在光學(xué)軸上以便能夠控制基底表面處的束電流和半角?？商娲?，限束孔徑組件372中的孔徑中的兩個或更多個孔徑可以相同，從而提供冗余以便能夠延長孔徑維護周期之間的時間。通過控制束半角，可以與透鏡的相應(yīng)調(diào)整一起，基于有待執(zhí)行的銑削或成像操作的空間分辨率要求選擇基底表面處或附近的聚焦離子束的束電流和直徑。通過由FIB系統(tǒng)控制器950控制的限束孔徑(BDA)致動器373將限束孔徑組件372內(nèi)的希望的孔徑機械地放置在柱的光學(xué)軸上來確定有待使用的具體孔徑(并且因此基底處的束半角)。
[0046]在限束孔徑組件372的下方示出了被稱為“透鏡2”或“L2”的第二單透鏡367。第一和第三電極典型地接地(0V)，而通過透鏡2 (L2)電源(PS) 375控制中心電極374的電壓。通過FIB系統(tǒng)控制器353控制透鏡2電源375。柱/室隔離閥376放置在源302與樣品室378之間的某個地方。隔離閥376能夠使離子柱真空室377內(nèi)的真空保持在高等級下，即使樣品室378內(nèi)的真空等級在樣品導(dǎo)入和清除的過程中受到樣品除氣或者出于某種其他原因的不利影響。源/室渦輪泵379被配置成用于通過泵送管線380泵吸樣品室378。渦輪泵379還通過泵送管線381泵吸離子柱罩377。
[0047]圖3中所示的FIB系統(tǒng)的細節(jié)僅出于示例性目的，許多其他FIB系統(tǒng)配置能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明的多模實施例，以便進行銑削和成像。例如，圖3中所示的離子柱示出了兩個靜電單透鏡?？梢钥商娲厥褂脝蝹€靜電單透鏡或兩個以上靜電透鏡實現(xiàn)離子柱。其他實施例在強聚焦配置中可以包括磁透鏡或兩個或更多個靜電或磁四極的組合。出于本發(fā)明的此實施例的目的，優(yōu)選的是離子柱在基底368的表面處或附近形成虛擬源(在ICP源302中)的高縮倍圖像。本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟悉這些可能的縮倍方法的細節(jié)。
[0048]圖4示出了等離子體源400的另一個實施例的半截面視圖，該等離子體源包括具有內(nèi)壁404和外壁406的介電等離子體室402。圖4示出了放置在等離子體室的天線線圈436和外壁406與外殼416之間的腔室410內(nèi)的靜態(tài)流體408。靜態(tài)流體可以包括液體(如氟化液或蒸餾水)或氣體(如六氟化硫)。還可以將分割開的法拉第屏蔽412放置在外殼416與外壁406之間。如所示可以靠著外殼416、靠著外壁406或遠離兩個壁放置法拉第屏蔽412，并且將其浸入靜態(tài)流體408內(nèi)。當放置在接地分割開的法拉第屏蔽412與外壁406之間時，流體408提供等離子體室的一部分高壓隔離。優(yōu)選地通過外部泵不在源400外使靜態(tài)流體408循環(huán)，盡管靜態(tài)流體408可以通過內(nèi)部對流內(nèi)在地移動。一個或多個可選冷卻裝置414幫助對等離子體室402進行冷卻。冷卻裝置414可以包括環(huán)繞等離子體室并且通過其使流體循環(huán)的冷卻回路。因為冷卻裝置414放置在處于接地電勢的法拉第屏蔽外，所以這些裝置不執(zhí)行任何電壓隔離并且因此任何類型的冷卻流體可以用在冷卻裝置414內(nèi)?？商娲?，冷卻裝置414可以包括一個或多個熱電冷卻器，如珀耳帖效應(yīng)冷卻器。RF線圈436可以是空心的并且通過使冷卻劑流過線圈內(nèi)的內(nèi)部通道437而對其進行冷卻。
[0049]圖5示出了本發(fā)明的另一個實施例的等離子體源500的半截面視圖。圖5示出了基本上封裝在固體介電介質(zhì)516內(nèi)的法拉第屏蔽512，該法拉第屏蔽放置在RF線圈536與等離子體室外壁506之間。固體介電介質(zhì)516可以包括例如陶瓷材料(如氧化鋁或石英)、樹脂、或環(huán)氧樹脂密封劑(如美國馬薩諸塞州比勒利卡市Emerson&Cumming SpecialtyPolymers公司售賣的Stycast W-19或Stycast2762)。介電介質(zhì)516與外壁506之間的可選間隙限定了流體腔室510，其可以填充流體，如氟化液、蒸餾水、或六氟化硫。法拉第屏蔽512的非封裝部分538可用于形成接地連接。在一些實施例中，使用與圖1中所示的系統(tǒng)類似的系統(tǒng)，將流體508泵送通過流體腔室510并且然后通過冷卻器。在其他實施例中，在源外泵送流體508并且其保持在流體腔室510內(nèi)。RF線圈536可以是空心的并且通過使冷卻劑流過線圈內(nèi)的內(nèi)部通道537的冷卻劑而對其進行冷卻。
[0050]在一些實施例中，在沒有介入流體的情況下可以靠著外壁506放置介電介質(zhì)516。為了避免這種實施例中的氣隙，應(yīng)緊緊地靠著外壁506安裝介電介質(zhì)516。還可以通過提供可流動的材料用于填充取代外壁506與介電介質(zhì)516之間的任何空氣來避免氣隙?？闪鲃拥慕橘|(zhì)可以是例如高介電常數(shù)油脂或凝膠?？闪鲃拥牟牧峡梢员３譃橐后w或者可以在相對于等離子體室放置介電介質(zhì)之后固化。在一些實施例中，介電介質(zhì)可以包括硬化或保持為液體的可流動的介質(zhì)。例如，可流動、可硬化的材料可以應(yīng)用在外壁506上和/或在法拉第屏蔽512在外壁506上滑動之前應(yīng)用到法拉第屏蔽512上，從而使得將法拉第屏蔽放置在外壁506周圍，其中，可流動的介質(zhì)填充法拉第屏蔽512與外壁506之間的任何間隙。可流動的介質(zhì)還可以覆蓋在位于外壁506相對側(cè)上的法拉第屏蔽上，從而防止任何冷卻流體與法拉第屏蔽之間的接觸。在一些實施例中，法拉第屏蔽可以被模制成等離子體室502的壁。
[0051]圖6A至圖6D示出了帶有集成熱管冷卻的等離子體源600的另一個實施例的多個視圖。等離子體源600包括具有內(nèi)壁628和外壁626的介電等離子體室604。圖6A示出了等離子體源600的實施例的截面示意圖，該等離子體源結(jié)合了優(yōu)選熱管冷卻裝置。見圖6C的截面割線B-B?！盁峁堋睘槔孟嘧兏咝У貍鬟f熱量的熱傳遞裝置。在本實施例中，靜態(tài)流體冷卻劑602包圍住等離子體室604，該等離子體室具有一個或多個被整合到冷卻劑夾套608的上部內(nèi)的熱管606。來自等離子體室604的熱量使冷卻劑602蒸發(fā)，產(chǎn)生朝著冷卻片612上升的冷卻劑蒸汽610。通過冷卻片612消散來自冷卻劑蒸汽610的熱量并且將其傳遞到致使冷卻劑蒸汽冷卻的周圍空氣內(nèi)。隨著冷卻劑蒸汽冷卻，其凝縮并流回到冷卻劑夾套608內(nèi)。可替代地，熱管606內(nèi)側(cè)的液體可以與冷卻夾套608內(nèi)的液體分離開，使蒸發(fā)-冷凝周期在熱管內(nèi)獨立。
[0052]優(yōu)選地，多個熱管被整合在冷卻劑夾套608的上部以提供增加的散熱能力。將冷卻劑602放置在被放置在天線線圈620和等離子體室的外壁626之間(優(yōu)選地放置在分割開的法拉第屏蔽624與外壁626之間)的冷卻劑夾套608內(nèi)。可替代地，分割開的法拉第屏蔽可以基本上被封裝在固體介電介質(zhì)內(nèi)。當放置在接地分割開的法拉第屏蔽624與外壁626之間時，液體602提供等離子體室的一部分高壓隔離。通過外部泵不在源600外使靜態(tài)液體602循環(huán)，盡管靜態(tài)液體冷卻劑602可以通過對流并且通過冷凝冷卻劑的重力流內(nèi)在地移動。在一些實施例中，液體冷卻劑通過對流并且沒有相變地將熱量攜帶遠離壁626，其中，熱液體上升、例如通過冷卻片612被冷卻、并且流回到冷卻夾套608內(nèi)。冷卻劑可以與外壁626接觸流動，或者其可以在外壁626外的冷卻通道內(nèi)流動。RF線圈620可以是空心的并且通過線圈內(nèi)的內(nèi)部通道622的冷卻劑流對其進行冷卻。氣體通過進氣口 614進入等離子體室604，并且通過引出器電極632將帶電粒子拉出等離子體室604。
[0053]圖6B示出了通過圖6A中的等離子體源600的割線A-A的截面視圖。熱管606的源端連接到包圍等離子體室604的冷卻劑夾套608上。靜態(tài)液體冷卻劑602占用了冷卻劑夾套空間。熱管606的對端連接到冷卻片支座618上。之所以稱液體冷卻劑為靜態(tài)的是因為不主動地對其進行泵送，盡管將理解到該液體可以用于該液體內(nèi)的熱梯度而移動。
[0054]圖6C示出了帶有集成熱管的示例配置的等離子體源600的俯視圖。在本實施例中，八個熱管606被迅速地集成到等離子體源上并且位于等離子體源的頂部附近。每個熱管606具有附接在熱管的向外端上的冷卻片支座618。一個或多個冷卻片612連接到每個冷卻片支座618上。
[0055]圖6D示出了圖6C中的等離子體源600的側(cè)視圖，其中，八個熱管中的一個熱管(熱管634)被切開以進一步展示冷卻片和熱管安排。為了清晰性，在本簡圖中只描繪了最顯著位置上的熱管。熱管606被迅速地集成到等離子體源上并且位于等離子體源的上部部分內(nèi)。每個熱管606具有其中附裝有一個或多個冷卻片612的冷卻片支座618。
[0056]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種帶電粒子束系統(tǒng)包括:具有離子體室的等離子體源，該等離子體室具有由介電材料組成的壁，該壁具有內(nèi)部表面和外部表面；盤繞該等離子體室至少一圈的導(dǎo)線；包圍該等離子體室的至少一部分并且與其熱接觸的流體，其中，不主動地對該流體進行泵送；以及用于使該等離子體電偏置到高電壓的源電極；以及一個或多個用于使來自該等離子體源的帶電粒子聚焦到樣品上的聚焦透鏡。
[0057]在一些實施例中，該帶電粒子束系統(tǒng)進一步包括放置在該等離子體室與該導(dǎo)線之間的導(dǎo)電屏蔽、放置在該等離子體室與該導(dǎo)電屏蔽之間的流體的至少一部分。在某些實施例中，該帶電粒子束系統(tǒng)進一步包括用于對該流體進行冷卻的至少一個冷卻裝置。在某些實施例中，該帶電粒子束系統(tǒng)進一步包括至少一個熱管，其中，該至少一個熱管的一部分與該流體熱接觸，從而使得可以通過該至少一個熱管消散來自該流體的熱量以對該流體進行冷卻。在某些實施例中，該帶電粒子束系統(tǒng)進一步包括與該至少一個熱管熱接觸的一個冷卻片或一組冷卻片，該冷卻片用于消散來自該熱管的熱量并且將該熱量傳遞到周圍環(huán)境中。
[0058]在一些實施例中，該流體的一部分放置在該等離子體室和該導(dǎo)線之間。在某些實施例中，該流體具有大于5的介電常數(shù)。在某些實施例中，該流體包括水或氟化合物。在某些實施例中，該冷卻裝置包括熱電冷卻器。在某些實施例中，該熱管包含消散流體，所述消散流體與包圍該等離子體室的至少一部分并且與其熱接觸的流體分離開。
[0059]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，一種保持等離子體源的方法包括:提供用于包含等離子體的等離子體室；從射頻線圈中向該等離子體室提供射頻能量；在該線圈和該等離子體室之間提供導(dǎo)電屏蔽；以及在該導(dǎo)電屏蔽與該等離子體室之間提供流體，其中，該流體提供該等離子體室的高壓隔離并且不主動地對該流體進行泵送。
[0060]在一些實施例中，保持等離子體源的方法進一步包括提供與該等離子體室熱接觸的至少一個冷卻裝置，以便對該等離子體室進行冷卻。在某些實施例中，保持等離子體源的方法進一步包括提供用于對該等離子體室進行冷卻的熱管，其中，該熱管的一部分與該流體熱接觸。在某些實施例中，提供至少一個冷卻裝置包括提供用于使冷卻流體循環(huán)的冷卻管或提供熱電冷卻器。在某些實施例中，在該導(dǎo)電屏蔽與該等離子體室之間提供流體包括提供水或氟化合物。在某些實施例中，該導(dǎo)電屏蔽與該等離子體室之間的流體的一部分被蒸發(fā)以產(chǎn)生蒸汽，通過該熱管使來自該蒸汽的熱量消散并且將其傳遞到周圍環(huán)境以對該等尚子體室進行冷卻。
[0061]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種向帶電粒子束系統(tǒng)的等離子體源提供高壓隔離的方法，包括:提供等離子體室用于包含等離子體；提供盤繞該等離子體室至少一圈的導(dǎo)線；提供用于使該等離子體電偏置到高電壓的源電極；提供液體，該液體的一部分與該等離子體室熱接觸；提供用于對該等離子體室進行冷卻的熱管，其中，該液體的一部分被來自該等離子體室的熱量蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸汽，通過該熱管將來自該蒸汽的熱量消散到周圍環(huán)境中。
[0062]在一些實施例中，不主動地對該液體進行泵送。在某些實施例中，將該液體保持在包圍該等離子體室的夾套中，該夾套連接到該熱管上，從而使得該蒸汽的一部分通過該熱管上升。在某些實施例中，隨著來自該蒸汽的熱量被消散到周圍環(huán)境中，該熱管內(nèi)的蒸汽的一部分冷凝成其液體狀態(tài)并且流回到該夾套內(nèi)。
[0063]在一個實施例中描述的或被描述作為現(xiàn)有技術(shù)的一部分的材料和結(jié)構(gòu)可以用在其他實施例中。盡管已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明及其優(yōu)點，但是應(yīng)了解到，在不脫離如隨附權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在此進行各種變化、代替以及改變。而且，本發(fā)明的范圍并非旨在局限于在本說明書中所述的工藝、機器、制造物、物質(zhì)的組合物、手段、方法以及步驟的具體實施例。如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將從本發(fā)明的披露中輕易認識到的，可以根據(jù)本發(fā)明利用現(xiàn)有的或往后要開發(fā)的、大體上執(zhí)行相同功能或大體上實現(xiàn)和此處所述的對應(yīng)實施例相同結(jié)果的工藝、機器、制造物、物質(zhì)的組合物、手段、方法或步驟。相應(yīng)地，所附權(quán)利要求書是旨在于將此類工藝、機器、制造物、物質(zhì)的組合物、手段、方法或步驟包括在它們的范圍內(nèi)。
[0064]我們的權(quán)利要求如下。
【權(quán)利要求】
1.一種帶電粒子束系統(tǒng)，包括: 等離子體源，具有: 等離子體室，該等離子體室具有由介電材料組成的壁，該壁具有內(nèi)部表面和外部表面； 盤繞該等離子體室至少一圈的導(dǎo)線； 包圍該等離子體室的至少一部分并且與其熱接觸的流體，其中，不主動地對該流體進行泵送；以及 用于使該等離子體電偏置到高電壓的源電極；以及 一個或多個用于使來自該等離子體源的帶電粒子聚焦到樣品上的聚焦透鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的帶電粒子束系統(tǒng)，其中，該流體的一部分放置在該等離子體室和該導(dǎo)線之間。
3.如權(quán)利要求1所述的帶電粒子束系統(tǒng)，其中，該流體具有大于5的介電常數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的帶電粒子束系統(tǒng)，其中，該流體包括水或氟化合物。
5.如權(quán)利要求1所述的帶電粒子束系統(tǒng)，進一步包括放置在該等離子體室與該導(dǎo)線之間的導(dǎo)電屏蔽、放置在該等離子體室與該導(dǎo)電屏蔽之間的流體的至少一部分。
6.如權(quán)利要求5所述的帶電粒子束系統(tǒng)，進一步包括用于對該流體進行冷卻的至少一個冷卻裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的帶電粒子束系統(tǒng)，其中，該至少一個冷卻裝置包括熱電冷卻器。
8.如權(quán)利要求1所述的帶電粒子束系統(tǒng)，進一步包括至少一個熱管，其中，該至少一個熱管的一部分與該流體熱接觸，從而使得可以通過該至少一個熱管消散來自該流體的熱量以對該流體進行冷卻。
9.如權(quán)利要求8所述的帶電粒子束系統(tǒng)，進一步包括與該至少一個熱管熱接觸的冷卻片，該冷卻片用于消散來自該至少一個熱管的熱量并且將該熱量傳遞到周圍環(huán)境中。
10.如權(quán)利要求7所述的帶電粒子束系統(tǒng)，其中，該熱管包含消散流體，所述消散流體與包圍該等離子體室的至少一部分并且與其熱接觸的流體分離開。
11.一種保持等離子體源的方法，包括: 提供用于包含等離子體的等離子體室； 從射頻線圈中向該等離子體室提供射頻能量； 在該線圈和該等離子體室之間提供導(dǎo)電屏蔽；以及 在該導(dǎo)電屏蔽與該等離子體室之間提供流體，其中，該流體提供該等離子體室的高壓隔離并且不主動地對該流體進行泵送。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括提供與該等離子體室熱接觸的至少一個冷卻裝置，以便對該等離子體室進行冷卻。。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，提供至少一個冷卻裝置包括提供用于使冷卻流體循環(huán)的冷卻管或提供熱電冷卻器。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，在該導(dǎo)電屏蔽與該等離子體室之間提供流體包括提供水或氟化合物。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括提供用于對該等離子體室進行冷卻的熱管，其中，該熱管的一部分與該流體熱接觸。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，該導(dǎo)電屏蔽與該等離子體室之間的流體的一部分被蒸發(fā)以產(chǎn)生蒸汽，通過該熱管使來自該蒸汽的熱量消散并且將其傳遞到周圍環(huán)境以對該等尚子體室進行冷卻。
17.一種向帶電粒子束系統(tǒng)的等離子體源提供高壓隔離的方法，包括: 提供用于包含等離子體的等離子體室； 提供盤繞該等離子體室至少一圈的導(dǎo)線； 提供用于使該等離子體電偏置到高電壓的源電極； 提供液體，該液體的一部分與該等離子體室熱接觸；以及 提供用于對該等離子體室進行冷卻的熱管；其中，該液體的一部分被來自該等離子體室的熱量蒸發(fā)，產(chǎn)生蒸汽，通過該熱管將來自該蒸汽的熱量消散到周圍環(huán)境中。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，不主動地對該液體進行泵送。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，將該液體保持在包圍該等離子體室的夾套中，該夾套連接到該熱管上，從而使得該蒸汽的一部分通過該熱管上升。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，隨著來自該蒸汽的熱量被消散到周圍環(huán)境中，該熱管內(nèi)的蒸汽的一部 分冷凝成其液體狀態(tài)并且流回到該夾套內(nèi)。
【文檔編號】H01J37/10GK103843107SQ201280030689
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月21日
【發(fā)明者】S.克羅格, A.B.威爾斯, J.B.麥金, N.W.帕克, M.W.烏特勞特 申請人:Fei 公司