CN102881546A - Icp离子源中不同处理气体之间快速切换的方法和结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电感耦合等离子体（ICP）离子源中不同处理气体之间快速切换的方法和结构。可打开的气体通道实现在带电粒子束系统中的电感耦合等离子体源中的处理气体或热烘气体的快速泵出。阀，通常定位在源电极中或形成为气体入口的一部分，在打开以泵空等离子体腔时增加气体流导并且在操作等离子体源期间关闭。

Description

ICP离子源中不同处理气体之间快速切换的方法和结构

技术领域

本发明涉及一种当利用在聚焦离子束（FIB）系统中的电感耦合等离子体（ICP）时使得能够在不同处理气体之间快速切换的方法和结构。

背景技术

聚焦离子束系统被用于集成电路制造和纳米技术的各种应用中，以形成并更改微米级和纳米级结构。聚焦离子束能够利用各种源来产生离子。液态金属离子源能够提供高分辨率（即，小光斑尺寸（small spot size）），但是通常产生低电流并且在可用离子类型方面受限。不同离子种类具有不同特征，这使得对于具体应用而言一些离子种类与其他离子种类相比是更优选的。例如，氦离子用于成像或抛光(light polishing)，而氙离子提供更高的研磨率，这在大块加工时是有用的。等离子体离子源能够产生许多不同种类的离子并且具有更大的电流，但是通常不能聚焦到光斑那么小。

等离子体离子源离子化等离子体腔中的气体并且引出离子以形成聚焦在工件上的束。许多不同类型的气体能够用于等离子体离子源中，以提供不同种类的离子。当离子从等离子体源被引出以形成束时，等离子体中的气体必须被补充以保持等离子体。通常，用于等离子体离子源的气体入口具有小开口，气体通过该小开口被供应，以保持等离子体腔中的压力。由于气体十分缓慢地被使用，因此补充气体的小开口十分小。当用户期望更换等离子体腔中的气体以形成具有不同离子种类的束时，可能要花费30分钟来移除一种气体并且用第二气体来填充该腔。对于随后利用不同处理气体来处理工件的许多应用而言，这是不可接受的长时间。

图1示出了用于聚焦离子束系统的典型现有技术电感耦合等离子体源100，例如在名为“Multi-source Plasma Focused Ion Beam System”的美国专利申请No. 12/373,676中所述的，该申请被转让给本申请的受让人并且在此以引用的方式结合到本文。气体通过气体过滤器106从外部供气管线104被提供给源管103内的等离子体腔102，并接着提供到具有限流器110的毛细管108。能量借助天线线圈114从RF功率源113被供给到等离子体腔102中，并且离子借助引出电极120被引出通过源电极118中的源电极孔116。进出等离子体腔102的气体流导通过毛细管（在源管103的顶部处）中的限流器110并且通过源电极118中的孔116（通常直径为175μm）。通过阀123与供气管线104连接的泵122通过毛细管108和供气管线104从等离子体腔102移除气体。离子柱泵（未示出）通过源电极孔116从等离子体腔102引出气体。许多气源（例如，气体存储装置130A、气体存储装置130B、气体存储装置130C和气体存储装置130D）将气体供应到供气管线104。束电压源132将高电压供应给腔102中的等离子体，并且引出电压源134将电压供应给引出电极120。引出离子和电子由聚焦电极136聚焦。聚焦柱和采样腔的附加细节未被示出。

为了从等离子体腔的内部移除气体，供气管线104自身可以如所示地被泵送，以移除毛细管108中的限流器110上方的源管中的气体。FIB系统在源电极118下方的体积还可以利用主腔真空泵（一个或多个）（未示出）被充分地泵送。

由于源电极孔116和限流器110具有小直径以及相应十分低的气体流导，因此不可能快速泵空源管103的内部。这是缺点，对于产生FIB系统来说尤其如此。首先，在底部压力足够低以引入第二处理气体之前，要花费长得多的时间将第一处理气体从源管103泵出。气体的不充分吹扫可能导致借助离子化污染该等离子体。

其次，在热烘（bakeout）期间，可能花费长时间以泵出从源管103的内壁上热解吸的污物。

因此需要一种快速更换气体的用于聚焦离子束系统的离子源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种允许快速地更换处理气体或吹扫用于聚焦离子束柱的等离子体源中的污物的方法和设备。

根据优选的实施方式，等离子体离子源包括可切换的气体流导，使得流导能够在低操作水平下被最优化并接着增加以允许快速地切换等离子体腔中的气体。阀打开用于快速移除等离子体腔中的气体的替代气体路径、并接着关闭该替代气体路径以用于正常操作。

前述已经相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优势，以便可以更好地理解下述的本发明的详细说明。本发明的附加特征和优势将在下文被描述。本领域技术人员应当理解的是，所公开的概念和具体实施方式可以被容易地用作修改或设计用于实施本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还应当容易认识到，这种等同构造不偏离由所附权利要求书阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更透彻地理解本发明及其优势，现结合附图参考下述说明，在附图中：

图1示出了现有技术的电感耦合等离子体（ICP）离子源，该ICP离子源具有固定源电极以及气体毛细管；

图2示出了本发明的ICP源的实施方式，该ICP源具有处于关闭（向下）位置的可动结构；

图3示出了图2的ICP源，该ICP源具有处于打开（向上）位置的可动结构；

图4示出了本发明的ICP源的另一实施方式，所述ICP源具有毛细组件被向下推动以使得气体供给到ICP离子源的源管以及具有O形圈402密封该毛细组件；

图5示出了图4的ICP源，所述ICP源具有毛细组件被向上推动以使得能够泵空源管和供气歧管；

图6示出了本发明的ICP源的另一实施方式，所述ICP源具有包括迷宫式密封件的毛细组件；

图7示出了本发明的ICP源的另一实施方式，所述ICP源具有修改的源管以及由O形圈或迷宫式密封件密封的毛细组件；

图8示出了图7的ICP源，所述ICP源具有缩回的毛细组件以使得能够泵空源管和供气歧管；以及

图9是示出了评估来自ICP离子源系统的处理气体的方法的流程图。

具体实施方式

本发明包括能够实现ICP离子源中处理气体之间的相对快速切换的数种方法和相应结构。

优选的系统具有两种可选择构造：1）等离子体产生构造，在该构造中泵送速度是低的；以及2）源管泵空构造，在该构造中泵送速度要高得多，从而使得源管在数秒内被泵出到主真空腔或供气歧管中。本发明的实施方式提供替代气体路径以及使得该替代气体路径暴露或密封的可动结构。“替代气体路径”是指并不通过源电极孔或入口限流器的气体路径。

在一些实施方式中，这通过修改ICP离子源来实现，其中源电极用作通气口或者毛细组件用作提升阀。“提升阀”是指轴向移位（即，垂直于由阀揭开的孔）的阀。一些实施方式采用源电极结构，该源电极结构能够使得等离子体偏置并且还包括可密封孔，以用作用于等离子体腔内部的通气阀。在其他实施方式中，安装在等离子体腔内的能够竖直移动的毛细组件用作打开或关闭通风通道的可动结构。这些实施方式中的任一个都可以以极小的附加成本或复杂性在现有技术离子源中被实施。

在气体通过主真空腔从等离子体腔被泵出的实施方式中，源电极或结构的与源电极位于等离子体腔的同一端处的一个或多个孔由用于正常等离子体腔操作的可动结构密封。为了在等离子体产生的时刻期间形成密封，在一些实施方式中的源电极被修改以容纳引导环，可动结构可以安置在该引导环上。除了引导环之外，源电极还能够具有通孔，以提供通风阀的期望替代功能。

在其他实施方式中，包括与气体入口位于等离子体腔的同一端处的可动结构的阀移动以使得暴露或密封到气体管路泵的气体路径。可动结构优选地包括毛细组件，在正常操作期间，气体通过该毛细组件进入该腔中。在数个实施方式中，能够利用迷宫式密封件、O形圈密封件或其他密封件来实现可动构件与源电极或等离子体腔的其他部分之间的密封。

图2和图3示出了具有阀202的等离子体源200，该阀选择性地增加用于吹扫等离子体腔204的气体流导或者减少用于使用等离子体腔204中的等离子体操作的气体流导。图2示出了在阀202关闭（即，处于操作位置）的情况下的等离子体源200。图3示出了在阀202打开（即，在用于将气体快速地泵出等离子体腔204的位置）的情况下的等离子体源200。具有成角度“导程（lead）”的环形引导环210将可动结构214或提升阀向下引导到源电极218的上表面（密封表面）216，该源电极218现具有从源管103的内部引导到位于源电极218下方的腔中的多个通孔220。在图2中，可动结构214定位成与源电极的上表面216接触，从而提供足够的密封以保持用于等离子体产生的源管103内的所需气压。由于等离子体腔204中的气压 通常小于1托（1.3 mbar），并且源电极218下方的腔压力处于更小数值的量级，因此在可动结构214的任一侧上均几乎不存在气压，并且在任何情况下，存在残留气压将趋于向下推动到可动结构214上，从而实现在表面216上的更好密封。

图3示出了可动结构214处于其上部位置处的等离子体源200，从而揭开源电极218中的通孔220。升高可动结构214提供从等离子体腔204到主腔的附加气体流导，这是因为通过孔220的附加流导比源电极218中的中心孔116的流导要大得多（在图1-8中未按比例绘制）。箭头222示出了通过孔220并且进入到用于由系统真空泵移除的离子聚焦柱中的气流。可以使用数种不同的方法来移动可动结构214。在一些实施方式中，由于应用来自束电压源132和/或引出电压源134的高压，该装置使用可动结构214对源电极218的静电斥力。在其他实施方式中，由于自从RF天线114发出的RF磁场出现的可动结构214中的电感涡流，可以使用向上的磁吸力。然后，这些涡流沿B场梯度（朝向更高的B场）被向上吸引。在又一实施方式中，推杆可以被用于机械地提升和降低可动结构214。当推杆（未示出）从源电极218下方的腔体积向上延伸并且穿过等离子体腔204中的开口时，该推杆将在可动结构214上施加向上力，由此将该可动结构提离源电极218到达如图3所示的打开位置。

虽然图3示出了均匀地向上提升（即，仍与图2中所示的那样水平地取向）的可动结构，足够的泵送所必需的就是可动结构被向上提升，并且只要可动结构214的底表面与源电极218的上表面216之间的真空密封被破坏，倾斜机构以及竖直提升机构就将起作用。还要注意，不需要精确地定位可动结构214，因为该可动结构不具有光学功能，如用于图1中的现有技术ICP离子源100的那样，（固定）源电极218中的孔116的精确对齐仍是需要的。如果源电极218被硬钎焊或永久地附接到等离子体腔，那么可动结构214在硬钎焊之前必须已经设置在等离子体腔204内（即，松散地设置在内部）。该孔不需要位于源电极自身中，该孔应当通向连接到真空泵的路径。例如，该孔能够位于电极支承件或其他结构中，只要该孔通向等离子体腔204的内部与离子光柱之间即可。

图4和图5示出了包括具有阀402的等离子体源400的另一实施方式，该阀选择性地增加用于吹扫等离子体腔404的气体流导或者减小用于使用等离子体腔404中的等离子体操作的气体流导。图4示出了在阀402关闭（即，在操作位置中）的情况下的等离子体源400。图5示出了在阀402打开（即，处于用于将气体从等离子体腔404快速泵出的位置中）的情况下的等离子体源400。箭头示出了离开等离子体腔404的用于吹扫的气流。

如图5所示，通过将毛细组件410向上移动以打开围绕毛细组件410的间隙502，气体从该等离子体腔的端部进入，在图4的实施方式中，气体通过该等离子体腔404的同一端部被排出。在图4中，阀402示出为关闭状态，毛细组件410定位并密封在位于等离子体管416中的沉孔414上的O形圈412上，以密封该毛细组件。在毛细组件410处于该下部位置中时，等离子体腔404能够填充有通过毛细组件410的毛细管419中的限流器418的处理气体。接着，RF功率由RF功率源113施加到RF天线114，以激励等离子体腔404内的等离子体。杆420被附接到毛细组件410，以将O形圈412提离沉孔414。阀402的致动（即，提升毛细组件410）可以手动执行，或者使用螺线管、气动致动器或其他手段实现。波纹管422密封杆420从源的内部区域延伸的部分。

在图5中，毛细组件410被示出为机械地向上拉动，以打开围绕毛细组件的圆形通风通道504，处理气体和被解吸气体（在热烘期间）可以通过所述圆形通风通道从源管内部向上传送通过间隙502，以最终由泵122借助阀123泵送通过供气/泵出管线104，如所示的。一些气体还被泵送通过源引出电极218中的孔116并且由柱塞泵系统（未示出）泵出该系统。

图6示出了带电粒子束系统，该带电粒子束系统具有与图5中所示类似的等离子体源600，但是在毛细组件410和源管416之间采用迷宫式密封件602而不是O形圈。迷宫式密封件602省除了O形圈，该O形圈可能遭受化学或机械损坏，从而可能在等离子体产生期间引起泄漏到源管416中。迷宫式密封件602可以允许更多的气体泄漏，这是因为毛细组件410和等离子体源管416的接触表面比O形圈更硬。由于迷宫式密封件602在供气管线104的环境与等离子体腔404之间密封，因此如果阀中的泄漏与通过限流器418的气流相比是小的，那么该泄漏是可接受的。需要的话，通过迷宫式密封件602的小量气体泄漏能够被标定，并且调节限流器418的尺寸以进行补偿，使得供气管线104与等离子体腔404之间的总流导保持相同。在一些实施方式中，毛细管419能够被省除，并且全部气体能够通过标定迷宫式密封件进入等离子体腔中。

图7和图8示出了本发明的第三实施方式的两种操作模式，图7示出了构造用于等离子体产生的FIB系统，而图8示出了构造用于从源管快速泵出的相同FIB系统。对于该第三实施方式，如对于第二实施方式的那样，等离子体腔704通过等离子体管706的供气体进入的端部被泵出。在该情况下，取决于操作模式，毛细管组件710将其自身自动定位在上部位置或下部位置。在泵出期间，弹簧712将毛细组件710提离源管706，从而打开密封件714。对于等离子体产生（图7），毛细管组件710由处理气体克服弹簧力向下挤压，该处理气体通常处于在毛细管组件710之上的> 200托（270 mbar）的压力下。在所示的示例中，O形圈720被用于将毛细组件710密封在源管706上。可以采用如图6所示的迷宫式密封件或者其他类型的可打开且可关闭的密封件。源管706和毛细组件710具有适配的锥形表面，使得当组件710处于下部位置时毛细组件710安置成与源管706齐平。该构造将毛细组件710引导到密封件714上面，以进一步在源管706和毛细组件710的锥形表面之间形成密封并且防止来自源管腔704的不想要的泄漏。在等离子体操作期间，处理气体穿过过滤器711、接着进入具有限流器418的毛细管419中。

如图8所示，为了从等离子体腔704泵出气体，通过切断气源130A至130D上的阀来关闭处理气体压力，并且泵出阀123打开。结果，上拉弹簧和等离子体腔内的气压的合力使得毛细组件710向上移动，从而破坏下部密封714并且使得等离子体腔704能够在切换气体时被排空处理气体或者在热烘期间排空被解吸的气体。一些气体也通过源电极218中的通孔116被泵出等离子体腔704。在其他实施方式中，其他可动结构能够揭开等离子体腔704内部与供气管线104之间的其他路径。例如，与气体入口相邻的路径能够由可动结构而不是毛细组件来打开和关闭。

图9示出了描述利用优选实施方式以评估来自ICP离子源系统的处理气体的方法的流程图。从步骤902开始，通过打开气源的阀，第一处理气体被供应到等离子体腔。在步骤904中，定位在等离子体腔中的等离子体被点燃。在点燃之后，在步骤906中，离子从等离子体腔被引出。在离子被引出之后，在步骤907中供气阀关闭，并且在步骤908中等离子体熄灭。在步骤910中，可打开的气体通道被打开以从腔排空第一处理气体。在步骤912中，第一气体被泵出。在完全排空处理气体之后，可打开的气体通道关闭。如果在步骤914之后完成该处理，那么作业停止。否则，如在步骤902中的那样，现可能将新的处理气体引入到等离子体腔中。该新的处理气体可以是第一处理气体或者可以不同于该第一处理气体的第二处理气体。可打开的气阀还在热烘期间打开，以加速污物的移除。可打开的气阀借助一路径将等离子体腔的内部连接到泵，该路径的气体流导大于源孔或气体入口限流器的气体流导。泵优选地能够在少于15分钟内、更优选地在少于10分钟内、并且最优选地在少于5分钟内排空等离子体腔。

根据本发明的一些实施方式，电感耦合等离子体离子源包括：用于保持等离子体的等离子体腔；用于将气体提供给等离子体腔的气体管线导管；孔，离子通过所述孔从等离子体腔被引出；以及阀，所述阀用于选择性地增加来自等离子体腔的气体流导，所述阀在操作期间设置在第一位置并且在第二位置时用于更快速地从等离子体腔移除气体。

在一些实施方式中，用于选择性地增加来自等离子体腔的气体流导的阀包括与源电极位于等离子体腔的同一端处的可关闭开口。在一些实施方式中，阀包括源电极中的开口，该开口能够由可移位构件覆盖。在一些实施方式中，该构件由电场或磁场移位。在一些实施方式中，由等离子体电极电压源或引出电极电压源所供应的电压来提供电场。

在一些实施方式中，该阀包括与气体入口位于等离子体腔的同一端处的可关闭开口。在一些实施方式中，该阀包括可动结构，该可动结构在第一位置中形成密封并且在第二位置中允许气体传送到等离子体腔内。在一些实施方式中，气体入口的一部分能够移位以密封或开启等离子体腔。

在一些实施方式中，电感耦合的等离子体离子源还包括毛细管，该毛细管调节进入等离子体腔中的气体，并且其中可动结构支承该毛细管。

在一些实施方式中，气压差对抗并克服偏压力，以在操作期间将可动结构保持处于密封位置。在一些实施方式中，当等离子体源被排空时，偏压力打开阀而不需要手动移动该阀。在一些实施方式中，弹簧提供偏压力。在一些实施方式中，阀包括迷宫式密封件。

在一些实施方式中，电感耦合的等离子体离子源还包括偏压机构，当等离子体腔被泵空时该偏压机构自动打开该阀。

根据本发明的一些实施方式，用于从ICP离子源系统排空处理气体的方法包括：提供ICP离子源系统，所述ICP离子源系统包括可排空的等离子体腔、包括用于将气体供应到等离子体腔的限流器的气体入口、通过其将离子从等离子体腔引出的孔、以及来自等离子体腔的可选择性打开的气体通道，所述可选择性打开的气体通道并不通过限流器和孔；将来自第一气源的处理气体提供到等离子体腔中；点燃等离子体腔中的等离子体；通过源电极中的孔从等离子体腔引出离子；熄灭等离子体腔中的等离子体；打开可打开的气体通道；以及将来自等离子体的气体泵送通过该可打开的通道。

在一些实施方式中，用于从ICP离子源系统排空处理气体的方法还包括：在将等离子体泵送通过该可打开的通道之后，关闭该可打开的通道；通过包括限流器的气体入口将第二处理气体提供到等离子体腔中；以及点燃等离子体腔中的等离子体。

在一些实施方式中，打开该可打开的气体通道包括：揭开源孔中的孔。在一些实施方式中，打开该可打开的气体通道包括：移动该气体入口以开启通道。在一些实施方式中，打开该可打开的气体通道包括：当气体通过供气管线被泵出时，自动打开该气体入口以开启通道。

虽然作为示例描述了替代气体路径的具体位置和密封，但是本发明不局限于用于替代气体路径的任何具体位置或者用于暴露或密封该替代气体路径的任何具体类型的装置。此外，本发明不局限于等离子体离子源，而是还能够应用到例如等离子体电子源。

虽然本发明及其优势已经被详细描述，但是应当理解的是，能够对本文作出各种改变、替换和更改而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。此外，本申请的范围不旨在局限于在说明书中描述的过程、机械、制造、物质成分、机构、方法和步骤的具体实施方式。如本领域普通技术人员从本发明的公开内容能够容易理解的，可以根据本发明来利用现有的或以后研究出的执行与在本文所述的相应实施方式大致相同的功能或实现大致相同结果的过程、机械、制造、物质成分、机构、方法或步骤。因此，所附权利要求书旨在将在其范围内包括这种过程、机械、制造、物质成分、机构、方法或步骤。

Claims (19)

1.一种电感耦合等离子体离子源，包括：

用于保持等离子体的等离子体腔；

用于将气体提供给所述等离子体腔的气体管线导管；

孔，离子通过所述孔从所述等离子体腔被引出；以及

阀，所述阀用于选择性增加来自所述等离子体腔的气体流导，所述阀在操作期间设置在第一位置并且在第二位置时用于更快速地从所述等离子体腔移除气体。

2.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述阀包括与源电极位于所述等离子体腔的同一端处的可关闭开口。

3.根据权利要求2所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述阀包括在所述源电极中的开口，所述开口能够由可移位构件覆盖。

4.根据权利要求3所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述构件由电场或磁场移位。

5.根据权利要求4所述的电感耦合等离子体离子源，其中，由等离子体电极电压源或引出电极电压源所供应的电压来提供所述电场。

6.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述阀包括与气体入口位于所述等离子体腔的同一端处的可关闭开口。

7.根据权利要求6所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述阀包括可动结构，该可动结构在第一位置中形成密封并且在第二位置中允许气体传送到所述等离子体腔内。

8.根据权利要求7所述的电感耦合等离子体离子源，所述电感耦合等离子体离子源还包括毛细管，所述毛细管调节进入等离子体腔中的气体，并且其中，所述可动结构支承该毛细管。

9.根据权利要求6所述的电感耦合等离子体离子源，其中，气体入口的一部分能够移位以密封或开封所述等离子体腔。

10.根据权利要求6所述的电感耦合等离子体离子源，其中，气压差对抗并克服偏压力，以在操作期间将所述可动结构保持处于密封位置。

11.根据权利要求10所述的电感耦合等离子体离子源，其中，当所述等离子体源被排空时，偏压力打开阀而不需要手动移动该阀。

12.根据权利要求10或11所述的电感耦合等离子体离子源，其中，弹簧提供所述偏压力。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述阀包括迷宫式密封件。

14.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体离子源，所述电感耦合等离子体离子源还包括偏压机构，当所述等离子体腔被泵空时所述偏压机构自动打开所述阀。

15.一种用于从ICP离子源系统排空处理气体的方法，所述方法包括：

提供ICP离子源系统，所述ICP离子源系统包括：

       可排空的等离子体腔；

       包括用于将气体供应到所述等离子体腔的限流器的气体入口；

       通过其将离子从所述等离子体腔引出的孔；以及

       来自所述等离子体腔的可选择性打开的气体通道，所述可选择性打开的气体通道并不通过限流器和孔；

将来自第一气源的处理气体提供到所述等离子体腔中；

点燃所述等离子体腔中的等离子体；

通过源电极中的孔从所述等离子体腔引出离子；

熄灭所述等离子体腔中的等离子体；

打开所述可打开的气体通道；以及

将来自所述等离子体的气体泵送通过所述可打开的通道。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：在将等离子体泵送通过该可打开的通道之后，

关闭所述可打开的通道；

通过包括限流器的气体入口将第二处理气体提供到所述等离子体腔中；以及

点燃所述等离子体腔中的等离子体。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中， 打开所述可打开的气体通道包括：揭开源孔中的孔。

18.根据权利要求15或16所述的方法，其中，打开所述可打开的气体通道包括：移动该气体入口以开启通道。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，打开所述可打开的气体通道包括：当气体通过供气管线被泵出时，自动打开该气体入口以开启通道。

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