環(huán)境掃描電子顯微鏡氣體噴射系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種氣體噴射系統(tǒng)提供了樣品表面處的局部區(qū)域，其具有足夠的氣體濃度來(lái)由次級(jí)電子電離以中和樣品表面上的電荷。在一些實(shí)施例中，氣體集中結(jié)構(gòu)將氣體集中在表面附近。氣體集中結(jié)構(gòu)中的可選的孔允許帶電粒子束沖擊護(hù)罩區(qū)域的內(nèi)部。在一些實(shí)施例中，表面附近的陽(yáng)極增大返回至工件表面用于電荷中和的離子的數(shù)量，陽(yáng)極在一些實(shí)施例中為氣體噴射系統(tǒng)的一部分，而在一些實(shí)施例中為單獨(dú)的結(jié)構(gòu)。
【專利說(shuō)明】環(huán)境掃描電子顯微鏡氣體噴射系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及帶電粒子束系統(tǒng)，并且具體涉及允許工件在氣體環(huán)境中處理的帶電粒子束系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]在掃描電子顯微鏡("SEM")中，初級(jí)電子束在待研宄的樣品的區(qū)域上掃描。電子與樣品的沖擊中釋放的能量引起樣品中的其它帶電粒子的放出。這些次級(jí)粒子的數(shù)量和能量提供關(guān)于樣品的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和成分的信息。用語(yǔ)"樣品"傳統(tǒng)地用于指出在帶電粒子束系統(tǒng)中處理或觀察的任何工件，并且如本文使用的用語(yǔ)包括任何工件，并且不限于用作較大群體的代表的樣品。如本文使用的用語(yǔ)"次級(jí)電子"包括反向散射的初級(jí)電子，以及源于樣品的電子。為了檢測(cè)次級(jí)電子，SEM通常設(shè)有一個(gè)或更多個(gè)次級(jí)電子檢測(cè)器。
[0003]在常規(guī)SEM中，樣品保持在高真空中，以防止初級(jí)電子束由氣體分子散射，并且容許次級(jí)電子的收集。然而，當(dāng)射束撞擊樣品的非傳導(dǎo)區(qū)域時(shí)，樣品趨于累積電荷，這可使初級(jí)射束偏轉(zhuǎn)，并且影響到達(dá)檢測(cè)器的次級(jí)電子的數(shù)量。累積的電荷的極性取決于初級(jí)射束中和工件材料上的粒子的類型和能量。盡管初級(jí)射束中的電子帶負(fù)電，但各個(gè)撞擊初級(jí)電子可噴射超過(guò)一個(gè)次級(jí)電子，使樣品帶正電。已經(jīng)提出了若干技術(shù)來(lái)減少樣品電荷，包括將傳導(dǎo)層沉積到樣品上，如授予Gerlach等人的美國(guó)專利第6，683, 320號(hào)〃Through-the_lensneutralizat1n for charged particle beam system〃中所述的，將低能電子朝樣品引導(dǎo)，以及將光朝半導(dǎo)體樣品引導(dǎo)以引起光導(dǎo)電性來(lái)排放電子。
[0004]另一個(gè)解決方案在于將樣品保持在相對(duì)高壓力下，并且例如在授予Mancuso等人的標(biāo)題為〃Secondary Electron Detector for Use in a Gaseous Atmosphere〃的美國(guó)專利第4，785，182號(hào)中描述。此類裝置作為高壓掃描電子顯微鏡(HPSEM)或環(huán)境掃描電子顯微鏡而公知。實(shí)例為來(lái)自FEI公司的Quanta 600 ESEMs高壓SEM。次級(jí)電子朝陽(yáng)極加速，并且沿該路線電離氣體粒子，其中電離的氣體粒子被吸引回帶電樣品，遠(yuǎn)離陽(yáng)極，并且中和電荷。
[0005]在HPSEM中，待研宄的樣品置于具有典型地在0.1Torr (0.13mbar)到50Torr (65mbar)之間的壓力的氣體氣氛中，并且更典型地在ITorr (1.3mbar)到30Torr (40mbar)之間，而在常規(guī)SEM中，樣品位于大致較低壓的真空中，典型地小于KT5Torr (1.3x1 (T5Hibar)。除電荷中和之外，HPSEM提供了形成濕樣品(如，生物樣品，以及在常規(guī)SEM中的高真空狀態(tài)下將難以成像的其它樣品)的電子光學(xué)圖像的可能性。HPSEM提供了將樣品保持在其自然狀態(tài)中的可能性；樣品并不經(jīng)歷干燥、冷凍或真空涂覆的不利要求，其一般在使用常規(guī)SEM的研宄中為必要的，并且可改變樣品。
[0006]在HPSEM中，次級(jí)電子典型地使用稱為〃氣體電離級(jí)聯(lián)放大〃或〃氣體級(jí)聯(lián)放大〃的過(guò)程來(lái)檢測(cè)，其中次級(jí)帶電粒子由電場(chǎng)加速，并且與成像氣體中的氣體分子碰撞，以產(chǎn)生附加的帶電粒子，該附加的帶電粒子繼而與其它氣體分子碰撞來(lái)產(chǎn)生又一些附加的帶電粒子。該級(jí)聯(lián)繼續(xù)，直到極大地增長(zhǎng)的數(shù)量的帶電粒子檢測(cè)為檢測(cè)器陽(yáng)極處的電流。在一些實(shí)施例中，來(lái)自樣品表面的各個(gè)次級(jí)電子例如生成超過(guò)20、超過(guò)100或超過(guò)1，000的附加電子，這取決于氣體壓力和電極構(gòu)造。氣體級(jí)聯(lián)放大檢測(cè)器典型地不提供與使用閃爍器和光電倍增器的組合的常規(guī)高真空檢測(cè)器(如，Everhart - Thornley檢測(cè)器)一樣高的分辨率或一樣大的放大。
[0007]HPSEM通過(guò)使用壓力限制孔口(PLA)來(lái)限制高氣體壓力至樣品室的區(qū)域，以在聚焦柱中保持高真空。氣體分子散射初級(jí)電子束，并且因此壓力限制孔口定位成最小化初級(jí)電子束在高壓區(qū)域中行進(jìn)的距離，以便減小初級(jí)射束的散射，同時(shí)提供樣品與檢測(cè)器之間的足夠的行進(jìn)距離用于次級(jí)電子信號(hào)的充分的氣體級(jí)聯(lián)放大。
[0008]美國(guó)專利第4，785，182號(hào)中描述的HPSEM包括真空封殼，其具有壓力限制孔口、位于真空封殼內(nèi)且能夠發(fā)射電子的電子束源、位于真空封殼內(nèi)且能夠引導(dǎo)由電子源發(fā)射的電子束穿過(guò)壓力限制孔口的一個(gè)或更多個(gè)聚焦透鏡、位于真空封殼內(nèi)且能夠掃描電子束的射束偏轉(zhuǎn)器，以及包括設(shè)置在高真空封殼外的樣品平臺(tái)且能夠?qū)庠跉怏w中的樣品保持在期望壓力下的樣品室。
[0009]帶電粒子束如電子束或離子束還可用于引起化學(xué)反應(yīng)來(lái)蝕刻樣品或?qū)⒉牧铣练e到樣品上。例如，授予Musil等人的美國(guó)專利第6，753, 538號(hào)"Electron Beam Processing"中描述了此類過(guò)程。帶電粒子束在存在基底的情況下與過(guò)程氣體相互作用以產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程被稱為〃射束化學(xué)"。
[0010]轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人的美國(guó)公告第2011/0031394號(hào)描述了允許HPSEM操作的環(huán)境單元的若干構(gòu)造。用語(yǔ)"環(huán)境單元"用于表示包含樣品并且提供圍繞樣品的環(huán)境的封殼，典型地是不同于環(huán)境單元位于其中的真空室中存在的環(huán)境。環(huán)境單元可通過(guò)加強(qiáng)樣品環(huán)境的控制、減小HPSEM處理期間存在的氣體雜質(zhì)的濃度，以及減小HPSEM過(guò)程室的容積和內(nèi)表面面積來(lái)解決以上問(wèn)題中的一些。然而，環(huán)境單元的解決方案并未與高真空SEM完全相容。因此，所需的是提供高真空SEM內(nèi)的ESEM環(huán)境的方法及系統(tǒng)。
[0011]其它環(huán)境單元在美國(guó)公告第2012/0112062號(hào)和美國(guó)專利第8，093，558號(hào)中描述。包括護(hù)罩型集中器的用于高真空SEM中的氣體噴射系統(tǒng)例如在美國(guó)專利第5，851，413號(hào)中描述。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供高真空SEM系統(tǒng)中的樣品附近的氣體區(qū)域，以便于處理樣品，而不必使整個(gè)室或單元充滿氣體。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，提供了一種氣體噴射系統(tǒng)(GIS)，其允許樣品表面的一部分在氣體環(huán)境中處理。在一個(gè)實(shí)施例中，GIS包括將氣流引導(dǎo)至樣品的感興趣區(qū)域的針，以及用于集中由射束沖擊的區(qū)域中的氣體的結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)包括使電子束穿過(guò)的孔口。氣體由樣品表面電離提供了帶電粒子，其吸引至樣品以中和任何電荷累積。在一些實(shí)施例中，針或結(jié)構(gòu)的一部分關(guān)于樣品電性偏壓成朝樣品引導(dǎo)帶正電的粒子，并且/或者用作次級(jí)和/或反向散射電子的檢測(cè)器。當(dāng)針從樣品取出時(shí)，系統(tǒng)可作為常規(guī)高真空器具操作。由結(jié)構(gòu)集中的氣體可為前體氣體，其在射束存在的情況下分解來(lái)蝕刻或沉積工件。
[0014]前文相當(dāng)寬泛地略述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，以便可更好地理解隨后的本發(fā)明的詳細(xì)描述。下文將描述本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到的是，公開(kāi)的構(gòu)想和特定實(shí)施例可容易地用作修改或設(shè)計(jì)用于執(zhí)行本發(fā)明的相同目的的其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)的是，此類等同構(gòu)造并未脫離如所附權(quán)利要求中闡明的本發(fā)明的精神和范圍。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]為了更完全理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參照連同附圖進(jìn)行的以下描述，在該附圖中:
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的針和護(hù)罩。
[0016]圖2示出了包括圖1的針和護(hù)罩的帶電粒子束系統(tǒng)。
[0017]圖3示出了具有半球形針結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
[0018]圖4示出了實(shí)施例，其中氣體噴射針包圍樣品表面，而沒(méi)有單獨(dú)的護(hù)罩。
[0019]圖5示出了另一個(gè)實(shí)施例，其中針提供附加的路徑長(zhǎng)度。
[0020]圖6示出了實(shí)施例，其中氣體噴射針構(gòu)造成沒(méi)有單獨(dú)的護(hù)罩并且并未包圍樣品。
[0021]附圖并不旨在按比例繪制。在附圖中，各個(gè)附圖中示出的各個(gè)相同或幾乎相同的構(gòu)件由相似的標(biāo)記表示。出于清楚的目的，并非每個(gè)構(gòu)件都可在每個(gè)附圖中標(biāo)記。

【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明的一些實(shí)施例允許使用者處理絕緣樣品而沒(méi)有電荷累積在工件上。本發(fā)明的一些實(shí)施例通過(guò)將氣體限定于樣品表面處的小區(qū)域并且通過(guò)容易地移動(dòng)成遠(yuǎn)離樣品來(lái)允許常規(guī)高真空顯微鏡操作而與高真空掃描電子顯微鏡相容。本發(fā)明的一些實(shí)施例允許了使用次級(jí)電子的氣體級(jí)聯(lián)放大來(lái)對(duì)樣品成像，并且允許濕樣品在低真空環(huán)境中處理。本發(fā)明的一些實(shí)施例中和了樣品上的電荷。一些實(shí)施例還提供了氣體噴射系統(tǒng)，其可提供前體氣體到射束沖擊點(diǎn)附近的區(qū)域用于處理工件。一些實(shí)施例允許使用者使用例如閃爍器-光電倍增器檢測(cè)器來(lái)在高真空模式中以高分辨率形成樣品的圖像，并且接著切換到較低分辨率氣體級(jí)聯(lián)放大成像。
[0023]在常規(guī)SEM中，沖擊絕緣樣品的電子束累積電荷，這產(chǎn)生了趨于將電子束從掃描點(diǎn)偏轉(zhuǎn)的電勢(shì)。通過(guò)提供射束沖擊點(diǎn)上方的局部高壓環(huán)境，正離子由于次級(jí)電子與氣體原子的碰撞而形成在樣品表面附近。這些正離子朝帶電樣品吸引回，或者可通過(guò)電場(chǎng)朝樣品引導(dǎo)。在一些實(shí)施例中，用于將氣體集中或容納在射束沖擊點(diǎn)附近的局部區(qū)域中的針或結(jié)構(gòu)被電性偏壓來(lái)用作陽(yáng)極，該陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)正離子來(lái)中和樣品。
[0024]現(xiàn)有技術(shù)的高真空氣體噴射系統(tǒng)典型地從樣品上方沿樣品表面的方向噴射氣體。氣體快速地分散在真空室中，并且因此這些系統(tǒng)需要相對(duì)高的氣體恒流來(lái)在射束沖擊點(diǎn)附近將氣體保持在樣品表面上。對(duì)于實(shí)際電荷中和或氣體級(jí)聯(lián)放大，此類系統(tǒng)并未供應(yīng)足夠的氣體濃度。通過(guò)提供集中氣體的結(jié)構(gòu)，高濃度的離子可局部地產(chǎn)生來(lái)中和樣品的電荷。在使用GIS針的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，生成的離子典型地遠(yuǎn)離樣品分散。集中氣體的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)，如，美國(guó)專利第5，851，413號(hào)，并未提供電荷中和或次級(jí)電子檢測(cè)。
[0025]在氣體輸送部位附近提供偏壓陽(yáng)極增大了離子產(chǎn)量，并且允許了更好電荷控制。在一些實(shí)施例中，可需要較少氣體，因?yàn)榇嬖诘臍怏w更有效地電離，并且輸送至樣品的帶電區(qū)域。盡管中性氣體分子并未吸引至樣品的帶電區(qū)段，但離子"看到"勢(shì)差，并且轉(zhuǎn)移至該區(qū)域。在高氣體濃度附近產(chǎn)生更多離子將增大電荷中和的效力。在樣品附近的陽(yáng)極的使用吸引了低能電子，并且提供能量梯度以引起局部鄰近地區(qū)中的氣體分子的雪崩電離。此外，反向散射電子和初級(jí)射束電子還與氣體相互作用，從氣體分子放出低能電子。由陽(yáng)極吸引，這些粒子通過(guò)雪崩或電子級(jí)聯(lián)類型的反應(yīng)而增大電子和離子生成兩者。電性偏壓陽(yáng)極的存在增大了各個(gè)氣體分子的電離的概率，因此提供了更多離子來(lái)參與樣品中和。陽(yáng)極允許收集低能電子，并且產(chǎn)生離子生成的指數(shù)式增長(zhǎng)并且中和電荷(甚至對(duì)于分析電流中使用的較高電流)O在一些實(shí)施例中，偏壓施加于護(hù)罩的全部或一部分。如本文使用的，用語(yǔ)"護(hù)罩"是指將氣體集中在樣品表面的區(qū)域處的任何結(jié)構(gòu)，而不管形狀。在一些實(shí)施例中，偏壓施加于不是GIS系統(tǒng)的一部分的局部陽(yáng)極。在一些實(shí)施例中，陽(yáng)極與GIS分離，并且可例如定位在樣品的側(cè)部和上方。"局部"陽(yáng)極為在射束朝其引導(dǎo)的樣品的部分附近的一個(gè)。在一些實(shí)施例中，陽(yáng)極與樣品表面的部分之間的距離小于10cm、小于5cm、小于2cm或小于1cm。在一些實(shí)施例中，陽(yáng)極與樣品表面之間的距離小于物鏡端部與樣品表面之間的距離的2/3，小于1/2或小于1/4。
[0026]在一些實(shí)施例中，氣體在局部以小于現(xiàn)有技術(shù)的體積輸送。電性偏壓優(yōu)選供應(yīng)至陽(yáng)極，其定形為朝感興趣區(qū)域引導(dǎo)離子。
[0027]本發(fā)明的一些實(shí)施例使用一種結(jié)構(gòu)來(lái)將氣體集中在射束沖擊點(diǎn)附近。在一些實(shí)施例中，氣體噴射針自身定形和定位成集中氣體。在一些實(shí)施例中，氣體集中或容納結(jié)構(gòu)如護(hù)罩附接于針和通過(guò)針支承以集中氣體。與GIS針組合的結(jié)構(gòu)提供和容納氣體來(lái)提供ESEM成像和/或高真空SEM內(nèi)的處理?xiàng)l件。結(jié)構(gòu)允許氣體保持在局部環(huán)境中，而不破壞高真空SEM。本發(fā)明的實(shí)施例向使用者提供了如下能力:在高真空模式中以高分辨率成像，并且簡(jiǎn)單地通過(guò)插入ESEM GIS來(lái)在ESEM環(huán)境中操作用于電荷控制或處理。
[0028]針或其它結(jié)構(gòu)可包括使電子束穿過(guò)的孔口。氣體集中的局部化方面允許在射束沖擊點(diǎn)處的類似ESEM的環(huán)境的生成，而不必使整個(gè)室或單元充滿高壓氣體。在一個(gè)實(shí)施例中，具有用于針的末端的"同軸針"類型幾何形狀的GIS針將氣流局部地引導(dǎo)至感興趣區(qū)域來(lái)集中氣流，并且改進(jìn)電荷中和和信號(hào)收集。針優(yōu)選由機(jī)構(gòu)支承在真空室壁上，該機(jī)構(gòu)使針與真空室壁電絕緣，以使針或附接于針的結(jié)構(gòu)可帶電。針接著不但用作氣源，而且用作用于使正離子回到樣品的驅(qū)動(dòng)力并且用作ESEM檢測(cè)器。針可由修改的GIS安裝件支承，該GIS安裝件收納氣體處理硬件和ESEM檢測(cè)器的連接器。
[0029]在現(xiàn)有技術(shù)的ESEM單元中，整個(gè)樣品定位在單元內(nèi)，并且整個(gè)工件表面暴露于單元中的氣體。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，氣體集中結(jié)構(gòu)定位在工件表面的一部分上方，以使結(jié)構(gòu)附近或下方的工件的僅一部分("護(hù)罩區(qū)域")暴露于高濃度氣體。在一些實(shí)施例中，護(hù)罩的底部定位成接近工件表面或與工件表面接觸，以使在護(hù)罩的底部與工件之間的氣體傳導(dǎo)為小的，從而提供了護(hù)罩區(qū)域與遠(yuǎn)離護(hù)罩的工件真空室之間的至少十倍的壓差。如果孔提供用于電子束，則孔也足夠小，以限制氣體傳導(dǎo)并且保持上文所述的壓差。
[0030]在一些實(shí)施例中，工件定位在工件真空室中的工件臺(tái)上，并且氣體集中或護(hù)罩區(qū)域的面積小于樣品臺(tái)的面積的1/2。更優(yōu)選地，氣體集中或護(hù)罩區(qū)域的直徑小于臺(tái)的區(qū)域的1/4或小于1/10。氣體集中或護(hù)罩區(qū)域優(yōu)選小于3_2，更優(yōu)選小于2_2，或甚至更優(yōu)選小于Imrn20
[0031]在一些實(shí)施例中，ESEM GIS還用作用于次級(jí)電子或生成用于電荷中和的附加離子的檢測(cè)器。氣體集中結(jié)構(gòu)或針的全部或一部分可帶電以用作陽(yáng)極來(lái)吸引和檢測(cè)次級(jí)電子。通過(guò)集中局部地在樣品與陽(yáng)極或檢測(cè)器電極之間的氣體，改進(jìn)的檢測(cè)是可能的。一旦初級(jí)電子束沖擊樣品，則放出的次級(jí)電子朝陽(yáng)極移動(dòng)，并且在它們的路徑中與氣體分子碰撞。這些碰撞導(dǎo)致放出新的電子，通常稱為子電子，其也沿陽(yáng)極的方向移動(dòng)。這些新放出的電子繼而又將與其它氣體分子碰撞，使得次級(jí)電子信號(hào)的氣體放大發(fā)生。用語(yǔ)次級(jí)電子用于包括子電子和反射的初級(jí)射束電子。
[0032]次級(jí)電子行進(jìn)至陽(yáng)極的距離越大，則碰撞次數(shù)越大并且放大量越大。一些實(shí)施例并入了磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)引起來(lái)自樣品的次級(jí)電子在它們至護(hù)罩的路上遵循螺旋路徑。以該方式，由次級(jí)電子橫穿的距離增大，以使碰撞概率和放大系數(shù)增大。用于聚焦初級(jí)射束的透鏡可提供磁場(chǎng)。如授予Scholtz的美國(guó)專利第6.972, 412號(hào)中所述，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和孔口可構(gòu)造成使用磁性彭寧效應(yīng)、磁控管效應(yīng)或兩者來(lái)增大放大，以使次級(jí)電子和子電子經(jīng)歷軸向振蕩、徑向振蕩或兩者，以增大路徑長(zhǎng)度且增大碰撞次數(shù)和氣體放大。因此，本發(fā)明提供了具有改進(jìn)的檢測(cè)器件的ESEM環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，以及中和非傳導(dǎo)樣品同時(shí)保持高真空SEM的高分辨率的能力。
[0033]圖1示出了 GIS100，其包括針102，用于將氣體提供到氣體集中結(jié)構(gòu)內(nèi)的護(hù)罩區(qū)域104(在該情況下，為護(hù)罩106)中。護(hù)罩106允許氣體在電子束108的沖擊點(diǎn)附近集中在護(hù)罩區(qū)域中，而不使整個(gè)樣品110和周圍的真空室112暴露于高濃度的氣體。護(hù)罩106中的孔口 114允許電子束108沖擊樣品110?？卓?114足夠大以使電子束在整個(gè)掃描角范圍內(nèi)穿過(guò)，同時(shí)足夠小以限制氣體從護(hù)罩區(qū)域104傳導(dǎo)至SEM的真空室112的其余部分。限定孔口的護(hù)罩的部分優(yōu)選足夠厚以經(jīng)得起離子束的侵蝕。作為優(yōu)選，護(hù)罩106放置成離樣品足夠近，使得護(hù)罩的底部與樣品之間的氣體傳導(dǎo)為小的。在一些實(shí)施例中，護(hù)罩可接觸樣品表面。使氣體在護(hù)罩區(qū)域104內(nèi)集中提供了次級(jí)電子與氣體之間的充分的相互作用，以產(chǎn)生用于電荷中和的離子和用于成像的子電子，同時(shí)減小了真空室的其余部分中的氣體壓力。
[0034]由于從護(hù)罩區(qū)域到真空室的傳導(dǎo)為低的，故保持護(hù)罩區(qū)域104中的相對(duì)高壓力所需的氣流為小的。為了將樣品真空室中的壓力保持在1χ10_5到lX10_7mbar之間，護(hù)罩中的壓力優(yōu)選小于lxlCT4mbar，更優(yōu)選小于lxlCT3mbar，并且最優(yōu)選小于lxlCT2mbar。在高真空SEM中的現(xiàn)有技術(shù)的GIS中，樣品室中的典型氣體壓力在GIS操作時(shí)在lxl0_5mbar到lxl0_6mbar之間。針102優(yōu)選連接于樣品室外的氣源。針可有選擇地連接于多個(gè)氣源以將不同氣體提供至護(hù)罩內(nèi)的區(qū)域。對(duì)于電荷中和和成像，優(yōu)選的氣體包括水、一氧化二氮、氨和氧。氣體優(yōu)選容易電離，并且通過(guò)碰撞級(jí)聯(lián)提供良好的信號(hào)放大。為了沉積或蝕刻，適合的前體氣體可取決于工件材料和期望的處理來(lái)選擇。
[0035]護(hù)罩106優(yōu)選經(jīng)由導(dǎo)體132連接于電壓源134。電壓源134允許護(hù)罩偏壓至期望的電壓，使得護(hù)罩用作陽(yáng)極。在偏壓時(shí)，護(hù)罩用作陽(yáng)極，并且驅(qū)動(dòng)由電子與氣體原子之間的碰撞引起的正離子朝樣品表面向下，從而中和樣品電荷。在一些實(shí)施例中，整個(gè)護(hù)罩為傳導(dǎo)性的并且被偏壓。在其它實(shí)施例中，僅護(hù)罩的一部分被偏壓。護(hù)罩典型地偏壓至1V到10，000V之間，這取決于使用的氣體和樣品成分。技術(shù)人員可通過(guò)觀察樣品上的電荷來(lái)容易地確定適當(dāng)?shù)钠珘?。在某些?shí)施例中，護(hù)罩106還用作次級(jí)電子的檢測(cè)器。當(dāng)護(hù)罩偏壓成用作陽(yáng)極時(shí)，護(hù)罩106與樣品110之間的電勢(shì)差加速了次級(jí)電子從樣品110朝護(hù)罩發(fā)射。次級(jí)離子與氣體分子碰撞，其繼而電離成釋放附加電子，這加速和電離了更多氣體分子，從而經(jīng)由碰撞級(jí)聯(lián)放大了次級(jí)電子信號(hào)。護(hù)罩106通過(guò)導(dǎo)體132連接于成像控制器142，導(dǎo)致了次級(jí)電子信號(hào)的檢測(cè)。因此， 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)了組合氣體噴射和ESEM檢測(cè)的新穎系統(tǒng)。
[0036]圖2示出了定位在帶電粒子束系統(tǒng)200中的圖1的GIS100，其包括包含帶電粒子束源204的帶電粒子束柱202、偏轉(zhuǎn)器208和包括極件212的物鏡210，所有都在光軸214上對(duì)準(zhǔn)。樣品室112包括樣品運(yùn)動(dòng)臺(tái)224，其具有關(guān)于光軸的至少第一平移或旋轉(zhuǎn)軸線和第二平移或旋轉(zhuǎn)軸線。
[0037]圖3示出了另一個(gè)實(shí)施例，其中針自身提供了容納樣品上方的氣體。針302連接于由與外殼318同心的內(nèi)殼316構(gòu)成的中空半球形結(jié)構(gòu)314。氣體306在貫穿針302中流動(dòng)，并且接著遍及半球形結(jié)構(gòu)314流動(dòng)，以將氣體通過(guò)小穿孔320輸送至樣品。半球形結(jié)構(gòu)314偏壓成允許樣品的電荷中和。
[0038]圖4示出了 GIS400的另一個(gè)實(shí)施例，其中不具有單獨(dú)的護(hù)罩的氣體噴射針402構(gòu)造成在樣品110的表面處提供高濃度的氣體。電子束108穿過(guò)針402中的孔口 404，針402與樣品110接觸或緊鄰。氣體406通過(guò)導(dǎo)管412進(jìn)入針。針402包圍射束108引導(dǎo)至其的樣品表面的護(hù)罩區(qū)域414。針的形狀提供了氣體集中，限制了氣體從氣體放大區(qū)域416傳導(dǎo)以支持氣體電離和電荷中和。在該實(shí)施例中，針402的端部為錐形，優(yōu)選以使針的端部平行于樣品表面，以減少氣體從針402的內(nèi)部中的氣體放大區(qū)域408傳導(dǎo)至真空室122 (圖2)。在一些實(shí)施例中，針402可接觸工件110的表面，以提供傳導(dǎo)路徑來(lái)使電荷遠(yuǎn)離電子束的沖擊點(diǎn)排放，同時(shí)氣體中和沖擊點(diǎn)和緊接地圍繞沖擊點(diǎn)的區(qū)域處的電荷。定位在氣體放大區(qū)域416的端部處的陽(yáng)極420通過(guò)針402的內(nèi)部區(qū)域吸引次級(jí)電子，提供了用于氣體放大的相對(duì)長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度。陽(yáng)極420被電性地偏壓，而針402不是，以便沿管向上將次級(jí)電子吸成收集在420上。針420可由電絕緣材料構(gòu)成，或者如果其為傳導(dǎo)性的，則其與陽(yáng)極420電絕緣。氣體放大區(qū)域416具有足夠的長(zhǎng)度，例如，2_，以提供足夠的氣體級(jí)聯(lián)來(lái)充分地放大次級(jí)電子信號(hào)。針402可與陽(yáng)極420電絕緣。
[0039]圖5示出了具有類似于圖4的針402的針506但具有減小的氣體容積的氣體GIS502的另一個(gè)實(shí)施例，因?yàn)獒?06的端部不是平行于樣品表面的錐形。氣體504通過(guò)導(dǎo)管510進(jìn)入針506，針506提供長(zhǎng)的氣體放大區(qū)域508，用于樣品110與陽(yáng)極512之間的氣體級(jí)聯(lián)放大，陽(yáng)極512電性地偏壓成沿管向上吸次級(jí)電子。
[0040]在如圖6中所示的另一個(gè)實(shí)施例中，氣體噴射針602構(gòu)造成沒(méi)有單獨(dú)的護(hù)罩，并且并未包圍樣品。針具有大約60微米的開(kāi)口 604，并且針的底部磨成與針的縱軸線成15度的角。平面可在針的頂部中磨出，以提供關(guān)于針的底部處的角的基準(zhǔn)角，以使操作者可分辨針端部的底部何時(shí)平行于工件表面。開(kāi)口 604在射束沖擊點(diǎn)附近與樣品表面的鄰近提供了高局部濃度的氣體。圖6的實(shí)施例需要大于前述實(shí)施例的氣流，因?yàn)闅怏w并未被容納，并且恒定地消散。
[0041]盡管以上實(shí)施例描述了使用本發(fā)明來(lái)用于非傳導(dǎo)性工件上的電荷中和，但本發(fā)明的實(shí)施例可在任何應(yīng)用中使用，其中期望樣品處存在氣體，如，用于查看濕樣品，如，生物材料，或用于引起沉積或蝕刻。
[0042]本發(fā)明具有多個(gè)創(chuàng)造性方面和寬泛的適用性，并且可提供如以上實(shí)例中描述和示出的許多益處。實(shí)施例將取決于特定應(yīng)用極大地改變，并且并非每個(gè)實(shí)施例都將提供所有益處，并且滿足能夠由本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的所有目的。如附于其的或如審查期間修改的權(quán)利要求中的一些可覆蓋所述本發(fā)明的小于所有實(shí)施例。
[0043]盡管已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)當(dāng)理解的是，可對(duì)本文所述的實(shí)施例做出各種變化、替換和改變，而不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍。例如，盡管以上實(shí)施例描述了使用電子束，但其它實(shí)施例可使用電子束或離子束。盡管以上實(shí)施例使用了在中空護(hù)罩支承件內(nèi)的氣體導(dǎo)管，但氣體導(dǎo)管可在護(hù)罩支承件外。類似地，用于偏壓護(hù)罩和/或用于檢測(cè)放大次級(jí)粒子流的電觸點(diǎn)可穿過(guò)護(hù)罩支承件自身，或穿過(guò)單獨(dú)的導(dǎo)體。
[0044]本發(fā)明的一些實(shí)施例包括用于將氣體提供在真空室中的工件表面處的設(shè)備，包括:
用于將氣體集中在工件的護(hù)罩區(qū)域處的氣體集中結(jié)構(gòu)，氣體集中結(jié)構(gòu)具有用于使射束傳遞至工件的孔口，護(hù)罩區(qū)域小于整個(gè)工件，孔口足夠小以限制氣體傳導(dǎo)穿過(guò)孔口 ；
用于支承氣體集中結(jié)構(gòu)的氣體集中結(jié)構(gòu)支承部件，氣體集中結(jié)構(gòu)支承部件能夠移動(dòng)，以將氣體集中結(jié)構(gòu)定位成將氣體集中在工件上的感興趣區(qū)域附近；
用于將氣體提供至氣體集中結(jié)構(gòu)內(nèi)的空間的氣體導(dǎo)管；以及用于提供電性偏壓以引起集中氣體的電離的陽(yáng)極。
[0045]在一些實(shí)施例中，陽(yáng)極包括氣體集中結(jié)構(gòu)的一部分或全部。
[0046]在一些實(shí)施例中，陽(yáng)極包括與氣體集中結(jié)構(gòu)分開(kāi)的電極。
[0047]在一些實(shí)施例中，導(dǎo)管包括氣體集中結(jié)構(gòu)內(nèi)的中空部。
[0048]在一些實(shí)施例中，氣體集中結(jié)構(gòu)支承部件包括氣體集中結(jié)構(gòu)支承部件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其提供了沿縱軸線的運(yùn)動(dòng)來(lái)在未使用時(shí)從工件取回護(hù)罩。
[0049]一些實(shí)施例包括用于檢測(cè)電子撞擊在護(hù)罩上的電路，電子包括檢測(cè)器信號(hào)。
[0050]在一些實(shí)施例中，氣體集中結(jié)構(gòu)的形狀包括圓錐的一部分、球的一部分或圓柱的至少一部分。
[0051]在一些實(shí)施例中，氣體集中結(jié)構(gòu)的至少一部分為中空的，并且與氣體導(dǎo)管連通用于將氣體從導(dǎo)管朝工件傳導(dǎo)。
[0052]本發(fā)明的一些實(shí)施例包括帶電粒子束系統(tǒng)，其包括:
帶電粒子源；
工件真空室；
用于將帶電粒子從帶電粒子源聚焦到工件真空室中的工件上的聚焦透鏡。
[0053]一些實(shí)施例包括用于將氣體提供在真空室中的樣品表面處的根據(jù)以上段落中的任一段的設(shè)備。
[0054]在一些實(shí)施例中，帶電粒子束系統(tǒng)包括電子源。
[0055]在一些實(shí)施例中，護(hù)罩適于定位在工件的表面上方，以提供護(hù)罩與工件的表面之間的有限氣流區(qū)域，以保持護(hù)罩內(nèi)的較高壓力。
[0056]在一些實(shí)施例中，帶電粒子束系統(tǒng)包括具有臺(tái)直徑的樣品臺(tái)，護(hù)罩的一部分適于最接近具有對(duì)應(yīng)于工件的護(hù)罩區(qū)域的直徑的護(hù)罩直徑的工件，護(hù)罩直徑小于臺(tái)直徑的一半。
[0057]本發(fā)明的一些實(shí)施例包括操作帶電粒子束系統(tǒng)來(lái)在樣品真空室中處理工件的方法，包括:
在小于整個(gè)表面的工件表面的一部分處提供高于樣品真空室中別處的氣體濃度的氣體濃度；
將帶電粒子束朝工件引導(dǎo)，帶電粒子束穿過(guò)氣體集中部；
將由帶電粒子束的沖擊生成的次級(jí)電子朝陽(yáng)極吸引，次級(jí)電子引起集中氣體中的電離級(jí)聯(lián)電流；以及
檢測(cè)陽(yáng)極處的電離級(jí)聯(lián)電流以形成圖像。
[0058]在一些實(shí)施例中，該方法包括:在小于整個(gè)表面的工件表面的一部分處提供高于樣品真空室中別處的氣體濃度的氣體濃度包括提供護(hù)罩來(lái)集中氣體，護(hù)罩具有使帶電粒子束穿過(guò)的孔口。
[0059]在一些實(shí)施例中，該方法還包括使用來(lái)自電離的電離氣體或電子來(lái)中和工件的非傳導(dǎo)部分上的電荷。
[0060]在一些實(shí)施例中，該方法還包括將護(hù)罩定位在工件的一部分上方，使得護(hù)罩與工件之間的氣流足夠小以保持護(hù)罩內(nèi)部與遠(yuǎn)離工件的工件真空室之間的10倍的壓差。
[0061]在一些實(shí)施例中，護(hù)罩接觸工件。
[0062]在一些實(shí)施例中，護(hù)罩定位成在工件上方小于0.5mm，以限制氣體從護(hù)罩區(qū)域內(nèi)部傳導(dǎo)至工件真空室的其余部分。
[0063]本發(fā)明的一些實(shí)施例包括用于將集中氣體提供在真空室中的工件表面處的設(shè)備，包括:
用于將集中氣體提供在工件表面的一部分處的氣體集中器，該部分在真空室中小于整個(gè)表面；
用于將氣體提供至氣體集中器的氣體導(dǎo)管；以及
用于提供關(guān)于樣品表面的電性偏壓的陽(yáng)極，陽(yáng)極加速電子來(lái)提供集中氣體內(nèi)的氣體級(jí)聯(lián)放大。
[0064]在一些實(shí)施例中，陽(yáng)極包括氣體集中器的一部分。
[0065]在一些實(shí)施例中，陽(yáng)極包括與氣體集中器分開(kāi)的電極。
[0066]在一些實(shí)施例中，氣體集中器包括具有使初級(jí)射束穿過(guò)的孔口的護(hù)罩。
[0067]在一些實(shí)施例中，氣體集中器不包括護(hù)罩。
[0068]此外，本申請(qǐng)的范圍并不旨在限于說(shuō)明書(shū)中所述的過(guò)程、機(jī)器、制造、物質(zhì)成分、手段、方法和步驟的特定實(shí)施例。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易從本發(fā)明的公開(kāi)認(rèn)識(shí)到的，執(zhí)行與本文所述的對(duì)應(yīng)實(shí)施例大致相同的功能或?qū)崿F(xiàn)大致相同的結(jié)果的當(dāng)前存在或隨后開(kāi)發(fā)的過(guò)程、機(jī)器、制造、物質(zhì)成分、手段、方法或步驟可根據(jù)本發(fā)明來(lái)使用。因此，所附權(quán)利要求旨在將此類過(guò)程、機(jī)器、制造、物質(zhì)成分、手段、方法或步驟包括在它們的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于將氣體提供在真空室中的工件表面處的設(shè)備，包括: 用于將所述氣體集中在所述工件的護(hù)罩區(qū)域處的氣體集中結(jié)構(gòu)，所述氣體集中結(jié)構(gòu)具有用于使射束穿過(guò)至所述工件的孔口，所述護(hù)罩區(qū)域小于所述整個(gè)工件，所述孔口足夠小以限制所述氣體傳導(dǎo)穿過(guò)所述孔口； 用于支承所述氣體集中結(jié)構(gòu)的氣體集中結(jié)構(gòu)支承部件，所述氣體集中結(jié)構(gòu)支承部件能夠移動(dòng)，以將所述氣體集中結(jié)構(gòu)定位成將所述氣體集中在所述工件上的感興趣區(qū)域附近；用于將氣體提供至所述氣體集中結(jié)構(gòu)內(nèi)的所述空間的氣體導(dǎo)管；以及用于提供電性偏壓來(lái)引起所述集中的氣體的電離的陽(yáng)極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述陽(yáng)極包括所述氣體集中結(jié)構(gòu)的一部分或全部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述陽(yáng)極包括與所述氣體集中結(jié)構(gòu)分開(kāi)的電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述導(dǎo)管包括所述氣體集中結(jié)構(gòu)內(nèi)的中空部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述氣體集中結(jié)構(gòu)支承部件包括氣體集中結(jié)構(gòu)支承部件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其提供沿縱軸線的運(yùn)動(dòng)來(lái)在未使用時(shí)從所述工件取回所述護(hù)罩。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備還包括用于檢測(cè)電子撞擊所述護(hù)罩的電路，所述電子包括檢測(cè)器信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述氣體集中結(jié)構(gòu)的形狀包括圓錐的一部分、球的一部分，或圓柱的至少一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述氣體集中結(jié)構(gòu)的至少一部分為中空的，并且與所述氣體導(dǎo)管連通用于將氣體從所述導(dǎo)管朝所述工件傳導(dǎo)。
9.一種帶電粒子束系統(tǒng)，包括: 帶電粒子源； 工件真空室； 用于將來(lái)自所述帶電粒子源的所述帶電粒子聚焦到所述工件真空室中的工件上的聚焦透鏡； 根據(jù)權(quán)利要求1的用于將氣體提供在真空室中的樣品表面處的設(shè)備。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶電粒子束系統(tǒng)，其特征在于，所述帶電粒子源包括電子源。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶電粒子束系統(tǒng)，其特征在于，所述護(hù)罩適于定位在所述工件的表面上方，以提供所述護(hù)罩與所述工件表面之間的有限氣流區(qū)域，以保持所述護(hù)罩內(nèi)的較高壓力。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶電粒子束系統(tǒng)，其特征在于，所述帶電粒子束系統(tǒng)還包括具有臺(tái)直徑的樣品臺(tái)，所述護(hù)罩的一部分適于最接近具有對(duì)應(yīng)于所述工件的護(hù)罩區(qū)域的直徑的護(hù)罩直徑的所述工件，所述護(hù)罩直徑小于所述臺(tái)直徑的一半。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶電粒子束系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體集中器包括用于使所述帶電粒子束穿過(guò)的孔口。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶電粒子束系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體集中器定位成不阻擋所述帶電粒子束。
15.一種用于將集中氣體提供在真空室中的工件表面處的設(shè)備，包括: 用于將集中氣體提供在工件表面的一部分處的氣體集中器，所述部分在真空室中小于所述整個(gè)表面； 用于將氣體提供至所述氣體集中器的氣體導(dǎo)管；以及 用于提供關(guān)于樣品表面的電性偏壓的陽(yáng)極，所述陽(yáng)極加速電子來(lái)提供所述集中氣體內(nèi)的氣體級(jí)聯(lián)放大。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述陽(yáng)極包括所述氣體集中器的一部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述陽(yáng)極包括與所述氣體集中器分開(kāi)的電極。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述氣體集中器包括具有使所述初級(jí)射束穿過(guò)的孔口的護(hù)罩。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述氣體集中器不包括護(hù)罩。
20.一種操作帶電粒子束系統(tǒng)來(lái)處理樣品真空室中的工件的方法，包括: 在小于所述整個(gè)表面的工件表面的一部分處提供高于所述樣品真空室中別處的氣體濃度的氣體濃度； 將帶電粒子束朝所述工件引導(dǎo)，所述帶電粒子束穿過(guò)所述氣體集中部； 將由所述帶電粒子束的沖擊生成的次級(jí)電子朝陽(yáng)極吸引，所述次級(jí)電子引起所述集中氣體中的電離級(jí)聯(lián)電流；以及 檢測(cè)所述陽(yáng)極處的所述電離級(jí)聯(lián)電流以形成圖像。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，在小于所述整個(gè)表面的工件表面的一部分處提供高于所述樣品真空室中別處的所述氣體濃度的氣體濃度包括提供護(hù)罩來(lái)集中所述氣體，所述護(hù)罩具有使所述帶電粒子束穿過(guò)的孔口。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法還包括使用來(lái)自所述電離的所述電離氣體或電子來(lái)中和所述工件的非傳導(dǎo)部分上的電荷。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法還包括將護(hù)罩定位在所述工件的一部分上方，使得所述護(hù)罩與所述工件之間的氣流足夠小以保持所述護(hù)罩內(nèi)部與遠(yuǎn)離所述工件的所述工件真空室之間的10倍的壓差。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述護(hù)罩接觸所述工件。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述護(hù)罩定位成在所述工件上方小于0.5皿，以限制所述氣體從所述護(hù)罩區(qū)域內(nèi)傳導(dǎo)至所述工件真空室的其余部分。
【文檔編號(hào)】H01J37/26GK104508791SQ201380040374
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2013年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月30日
【發(fā)明者】卡斯塔納 M., D. 錢(qián)德勒 C., 庫(kù)羅夫斯基 W., W. 小菲弗 D. 申請(qǐng)人:Fei 公司