CN101013649A - 具有预定的最终压力的粒子光学仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有预定的最终压力的粒子光学仪器，为此，该仪器的真空室通过第一节气阀与一个装有处在已知压力下的气体或蒸气的容器相连接，并通过第二节气阀与真空泵相连接。通过调节与上述的节气阀相关的两个电导率的比率(校准比率)使真空泵的压力达到预定的最终压力。这样，就不需要设置例如真空测量仪和控制装置，从而使该仪器的结构更为紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及一种粒子光学仪器，具有：
一个用于容纳待检样品的真空室，该真空室工作时由一台与其相连接的真空泵抽真空至最终压力，
一个向该真空室输入气体或蒸气的装置，该气体或蒸气是由一个具有已知压力的容器供给的。
上述真空泵与上述真空室相连接呈现第一气体电导率，和用于供给气体的装置呈现第二气体电导率。
背景技术
欧洲专利申请EP 0969494 A1公开过这一类粒子光学仪器。
这种仪器被称为例如SEM(扫描电子显微镜)，并用于例如半导体工业以检查和/或分析取自晶片的样品。在SEM中，一种呈高能(例如10千电子伏特)电子束形态的束射线聚焦在样品上并对样品进行扫描，结果，从射线束冲击样品的区域发出二次辐射线例如二次电子、背散射电子(back scattered electrous)和X射线。采用合适的检测器检测上述的二次辐射线，从而获得关于该样品的(与位置相关的)信息。
上述的样品可以是导电的或绝缘的，或者样品含有绝缘部分。由于样品受到粒子例如高能电子的照射，绝缘的样品或样品的绝缘部分也会带电。这种带电会干扰样品的分析和/或检查，因为它会使投射的射线束偏转，从而使射线束的空间定位发生错误。上述的带电也会影响样品中的二次辐射，例如影响到其发射出的二次电子的量，从而改变所测信号的振幅。
当一种气体被送到样品附近时，冲击样品的射线束和二次辐射线都会使该气体发生电离。由这样电离产生的电子和离子将会中和样品上的电荷。这在对含有中和气体的容器施加一个电场的情况下尤其有效。因为这会引起气体增加，从而增多可用于中和样品上的电荷的电子和离子的量。
上面提到的EP 0 969 494 A1公开过一种粒子光学仪器，它具有一个将粒子束聚焦在样品上的粒子光学柱管。用一根气管将惰性气体引到射线束冲击在样品上的区域。在上述柱管与真空室之间设置一个差压抽气孔，以便使仪器在真空室和柱管中以不同的真空度进行工作。这就在样品附近形成了气体压力和压力差。
上述专利申请在其一个实施例中还描述了一种检测器，该检测器在样品与检测器之间形成一个电场，从而引起上述的气体的电荷倍增，并增强了电荷的中和。
上述专利申请在其[0038]段末尾提到通过以从样品室抽出的气体量来平衡进入样品室的气流量以保持真空梯度值。上述专利申请在其[0037]段的末尾还提到可以用一种阀来调节供给气体所用的压力。但是，上述专利申请既没有说明如何测定正确的压力和/或压力差，也没有说明用于调节气流量的准则。
正如技术人员所知，输入气体的压力对于从二次辐射线获得图象对比度具有重要意义，在这方面请见M.Toth等人的论文《关于低真空扫描电子显微术中电子-离子复合的作用》，J.of Microscopy，Vol.205(2002.1)，P86～95，更具体地，见P90，图6。
技术人员也知道，电子束在压力超过例如0.7毫巴(1托)的气体中穿过几个毫米会使电子散射到主射线束之外，以致使电子束在其冲击样品的区域发生明显的束径变大，从而降低了仪器的分辨率。在这方面，请看C.Mathieu的论文《在可变真空度的扫描电子显微术中射线束-气体和信号-气体的相互作用》，Scanning Microscopy，Vol.13(1999)，No.1，P23～41，更具体地见图6。
因此，重要的是掌握正确的气体压力，该气体压力是在射线束径不发生过度变化的情况下充分去除电荷时的气体压力。
已经通过用真空测量仪测量样品室内的压力并通过调节漏泄阀的电导率按闭合环路控制输入气体的量弄清了样品室内气体压力的调节原理，并应用于例如ESEM(环境扫描电子显微镜)。
上述的EP 0 969 494 A1公开的仪器的缺点是其测量和控制系统相当笨重，妨碍了这种仪器的小型化。
发明内容
本发明的目的是提供一种至少可以克服上述的部分缺点的粒子光学仪器。
为此，本发明的特征在于，上述的第一电导率除以上述的第二电导率的比率是一个被校准比率，该比率被校正到这样一个值，使该真空室具有预定的最终压力。
通过校准第一电导率除以第二电导率的比率，该气体或蒸气的压力将随供给气体或蒸气的容器的压力(线性地)改变。本文所用的“校准”就是“预先调节到预定的值”。如果知道了该容器的压力(例如等于大气压力)，那么真空室的压力也就知道了。这就不需要真空测量仪、受控漏泄阀和封闭环路，从而使装置不那么笨重。
第一电导率(从真空室至真空泵，以1/s为单位来表示)的绝对值以及第二电导率(为比率被校准时)的绝对值决定了对真空室抽真空所需的时间。
(2)在本发明的粒子光学仪器的一个实施例中，真空泵的最终压力比真空室的最终压力至少低5倍。
真空室的最终压力也取决于真空泵的最终压力，当真空泵的最终压力比真空室的最终压力至少低5倍时，真空泵的最终压力的微小变化(例如由于泵内所用流体的温度变化造成的变化)可以忽略不计。
(3)在本发明的粒子光学仪器的另一个实施例中，真空室由一种真空密封件的大气密封，该密封件会产生漏泄，供给气体或蒸气的装置所供给的气体或蒸气的量应大于通过真空密封件的漏泄量。通过真空密封件的漏泄可造成真空室内压力变化。选择比通过真空密封件漏泄的电导率大得多的第一电导率(从真空室至真空泵的传导率)，可使真空室的压力主要取决于输入的气体量，从而使通过真空密封件的漏泄只产生很小的影响。
选择大的第二电导率的附加好处在于，发生任何的样品除气现象对于真空室的压力都只有微不足道的影响。
(4)在本发明的粒子光学仪器的再一个实施例中，供给气体或蒸气的装置所供给的气体或蒸气的量至少为通过真空密封件的漏泄量的5倍。
(5)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，所述的预定的压力是介于0.1毫巴与50毫巴之间的预定压力。
压力约为0.1毫巴以上就会使样品去除电荷。
几个毫巴至50毫巴之间的分压力可在冰融化温度至室温的温度范围内在不使样品脱水的真空内观察样品，这对于分析例如生物体的组织时是特别有用的。
(6)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，供给气体或蒸气的容器的压力是大气压力。
(7)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，供给气体或蒸气的容器与真空泵的入口相连接。
通过对供给气体或蒸气的容器抽真空，就可以采用直径为1毫米的孔，这就使节气阀不大容易发生例如阻塞现象，而在使用从大气压力下供给气体或蒸气时所需的那种直径小得多的光阑时却容易发生上述现象。
值得注意的是，许多的泵(例如薄膜泵)都具有精确规定的最终压力，人们已知该压力在例如2倍的压力范围内(意思是，用这类泵达到的最低的最终压力与最高的最终压力相差不到2倍)，因此，可对供给气体或蒸气的容器抽真空至已知的压力。
还要注意到，粒子光学仪器常要求粒子发射体附近的压力为例如10-5毫巴，常常采用多级的抽空方案来达到上述压力，其中，高真空泵(例如多级涡轮分子泵)的出口与所谓的预真空泵的入口相连接。当采用例如薄膜泵时预真空泵入口处的压力为例如10毫巴。
(8)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，供给气体或蒸气的容器也与另一台泵的出口相连接。
通过将一种泵(例如用于对真空室抽真空的泵)的出口与对供给气体或蒸气的容器抽真空的泵的入口相连接，可使对真空室抽真空的泵属于那种最终压力比真空室低得多的泵类型。
(9)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，上述的蒸气是水蒸汽。
当观察在真空中另外脱水的样品时，采用水蒸汽是有利的。
(10)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，上述的气体是空气。
(11)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，上述的样品分析包括用带电粒子束照射样品。
(12)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，上述的带电粒子束是聚焦的带电荷粒子束。
(13)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，上述的带电粒子束是电子束。
采用聚焦的电子束对样品进行扫描，可产生分辨率比普通光学显微镜高得多的样品图象。
(14)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，上述的带电粒子束是离子束。
正如技术人员所知，聚焦的离子束会引起局部溅射，从而使被离子束照射的表面发生局部改变。
(15)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，所供给的气体含有一种用于材料沉积的先质材料。
通过供给含有用于材料沉积的先质材料的气体可实现局部的材料沉积。所述的先质材料是例如TEOS(原硅酸四乙酯，用于沉积SiO2)、C10H8(用于沉积碳)、W(CO)6(用于沉积钨)，这些材料可被带电粒子束分解，然后在样品上形成局部沉积层。这种技术可用于例如通过局部沉积导电材料来改变半导体的电路。
(16)在本发明的粒子光学仪器的又一个实施例中，所供给的气体是蚀刻性气体。
通入蚀刻性气体可以清除样品的表面，然后检查或分析原先不在表面的部位。
值得注意的是，已知许多的蚀刻性气体对于用例如电子束或离子束照射的表面有强的蚀刻作用，例如XeF2，l2或H2O，在上述照射时它们分解成官能团，所形成的官能团会引起局部腐蚀。这种技术可用于例如通过局部去除导电材料来改变半导体电路。
附图简述
下面按照附图来说明本发明，图中相当的标号呈现相应的零部件。
图1简单示出本发明的一种粒子光学仪器，其中，输入真空室的气体来自一个处于大气压力下的容器。
图2简单示出本发明的一种粒子光学仪器，其中，输入真空室的气体来自一个处于负压下的容器。
优选实施例说明
图1简单示出本发明的一种粒子光学仪器，其中，输入真空室的气体来自一种处于大气压力下的容器。
安装在真空室104上面的粒子光学柱管102产生一种呈聚焦电子束状态的带电粒子束112。上述的粒子光学柱管102由例如真空泵(未示出)来抽真空，并由控制器106加以控制。电子被聚焦在安放样品114的真空室内的样品位置附近。上述控制室106也控制聚焦电子束对样品的扫描。以二次电子检测器形式的检测器108探测来自样品114的二次辐射，检测器108的信号传输到控制器106，在这里进行处理并将其转换成可显示样品114的图象的监控器110的信号。技术人员所知的上述二次电子检测器是例如背散射电子检测器，Everhart-Thornley检测器和气态二次电子检测器。
真空室104通过软管132和泵颈缩134与真空泵130相连接，这些抽真空装置的电导率由C11/s值来量化。
真空室104也与供给气体或蒸气的装置120相连接。该供给气体或蒸气的装置120包含一个漏泄阀122、一根毛细管124和一个孔126。这些供气装置120的电导率以C21/s值来量化，它从具有已知压力的容器128供出气体或蒸气，所述的容器128装有处于大气压Patm下的空气与水蒸汽的混合物。假定泵的最终压力比真空室的最终压力低得多，那么真空室的最终压力Pcham应为
Pcham＝(C2/C1)·Patm
式中的C2/C1值可通过例如校准漏泄阀的电导率来校准，或者也可通过选择合适的毛细管124的长度来校准。所述的校准可在制造过程中在工厂进行校准，或者在使用现场进行。
校准时可临时将一个真空测量仪与真空室104相连接。通过例如从真空室暂卸下粒子光学柱管102并通过通常由粒子光学柱管占据的孔连接上述的真空测量仪，就可使校准工作简化进行。作为一个替代方案，校准工作可通过仿制能足够精确地控制C1和C2的零件来进行，例如采用具有已知长度和内径的毛细管作为管道，和/或采用具有已知小孔尺寸的孔。
值得注意的是，虽然这里所说的供给气体或蒸气的容器是处于大气压力下的容器，但是也可以将它做成盛有已知压力下的气体或蒸气的气密密封的容器。
图2简单示出本发明的一种粒子光学仪器，其中供给真空室的气体来自一个负压下的容器。可将图2看作是从图1衍生而来。由泵206、204和202的级联通过真空管222对粒子光学柱管102抽真空。要指出的是，这些泵可以是独立的泵，但是，也可将两个或多个泵组合成一个机械泵组，例如泵202是独立的预真空泵，而泵204和206则是两组多级涡轮分子泵。
泵202将气体从容器B泵送至处于大气压下的场合A。容器B的压力十分稳定，因为这主要取决于所谓的泵202的压缩比或返流量例如100倍，从而使容器B的压力稳定在10毫巴，同理，泵204以例如100倍的压缩比将气体从容器C泵送至容器B，从而使容器C的压力稳定在0.1毫巴。最后，泵206对粒子光学柱管抽真空至工作压力为例如10-5毫巴。
来自容器B的气体会通过缩颈(孔)210经软管220漏入真空室104，而真空室104同时由泵204通过软管220和节气阀(孔)212抽真空。上述节气阀的电导率之比要校准到其值可使真空室104的最终压力达到所需压力例如0.5毫巴。
要注意的是，从容器C泵送至容器B的气体量将强烈影响容器B的压力，因为该压力主要取决于泵202的最终压力，供给的气体是形成泵202的最终压力的气体。
还应注意到，从处于负压下的容器例如容器B供给气体或蒸气，便可以使用节气阀，这比较从大气压力下供给空气要不那么容易发生例如阻塞现象，因为在此情况下达到一定的漏泄率(以巴·1/s为单位来表示)具有比在大气压力下供给气体或蒸气高得多的电导率(以1/s为单位来表示)，而采用例如较大的孔和/或较大的毛细管直径可达到那么高的电导率，这就不大容易发生例如阻塞的情况。
值得一提的是，虽然从上面所述来看，电导率的绝对值似乎不重要，其实并非这样。对于快速抽空时间来说，重要的是泵的电导率应是高的电导率，而且该电导率必须高到足以抑制任何向真空室的漏泄，这一点在采用例如滑动支承座作为真空密封时尤其重要，因为这种类型的密封比用例如合成橡胶的密封有更大的漏泄。
作为一个类似方案，可采用含有两个电阻器的分压器：虽然其分压比仅取决于电阻之比，但是，时间常数(类似于抽气时间)和漏泄电流(类似于真空泄漏率)的影响取决于两个并联电阻器的电阻。
图3简单示出本发明的粒子光学仪器的优选实施例。
图3可看成是从图2衍生的。其真空室具有一个可在下部105上滑动的上部107，该上部107和下部105一起构成真空密封件，这种滑动支承式的真空密封件是例如欧洲专利申请EP05076474中公开过的那种。真空室由泵204通过节气阀(孔)212抽真空，呈聚焦电子束形态的带电粒子束112也通过上述孔212进入真空室。通过毛细管供给来自容器B的气体，所述的容器B与一种例如薄膜泵式的泵202相连接，该泵的最终压力为例如10毫巴。
显然，在不背离本发明范围的情况下，可将许多的修改和变化应用于上面所述的各个实施例。
Claims (16)
1.一种粒子光学仪器，它具有：
一个用于容纳待检样品(114)的真空室(104)，该真空室工作时由与其连接的真空泵(130，204)抽真空至最终压力；
一个用于将气体或蒸气输入该真空室(104)的装置(120)，该气体或蒸气是由一个具有已知压力的容器128，B)供给的；
上述真空泵与上述真空室相连接呈现第一气体电导率，
用于输入气体的装置呈现第二气体电导率；
其特征在于
上述的第一电导率除以上述第二电导率的比率是一个被校准比率，该比率被校准到使真空室(104)具有预定的最终压力的值。
2.根据权利要求1的粒子光学仪器，其特征在于，上述真空泵(130，204)的最终压力比上述真空室的最终压力至少低5倍。
3.根据权利要求1或2的粒子光学仪器，其特征在于，上述真空泵采用一真空密封件对大气密封，由于该真空密封件会造成泄漏，故上述供给气体或蒸气的装置输入气体或蒸气的量要大于通过密封件的漏泄量。
4.根据权利要求3的粒子光学仪器，其特征在于，上述的供给气体或蒸气的装置供给气体或蒸气的量至少比流过上述密封件的漏泄量大5倍。
5.根据上述权利要求中任一项的粒子光学仪器，其特征在于，上述的预定压力为介于0.1至50毫巴之间的预定压力。
6.根据上述权利要求中任一项的粒子光学仪器，其特征在于，上述的供给气体或蒸气的容器的压力为大气压力。
7.根据权利要求1～5中任一项的粒子光学仪器，其特征在于，上述的供给气体或蒸气的容器与一台真空泵的入口相连接。
8.根据权利要求7的粒子光学仪器，其特征在于，上述的供给气体或蒸气的容器也与另一台真空泵的出口相连接。
9.根据上述权利要求中任一项的粒子光学仪器，其特征在于，上述的蒸气是水蒸汽。
10.根据权利要求1～8中任一项的粒子光学仪器，其特征在于，上述的气体为空气。
11.根据上述权利要求中任一项的粒子光学仪器，其特征在于，上述样品的分析包含用一带电荷的粒子束照射上述样品。
12.根据权利要求11的粒子光学仪器，其特征在于，上述的带电荷粒子束是一种聚焦的带电荷粒子束。
13.根据权利要求11或12的粒子光学仪器，其特征在于，上述的带电粒子束是一种电子束。
14.根据权利要求11或12的粒子光学仪器，其特征在于，上述的带电荷粒子束是一种离子束。
15.根据权利要求11～14中任一项的粒子光学仪器，其特征在于，上述的所供给的气体含有用于材料沉积的先质材料。
16.根据权利要求11～14中任一项的粒子光学仪器，其特征在于，上述的所供给的气体包含蚀刻气体。
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