CN103107055B - 带电粒子束系统和操作等离子源的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于聚焦射束系统的电感耦合等离子体离子源。一种用于聚焦带电粒子束系统的电感耦合等离子体源包括等离子体室内的导电屏蔽以便减少到等离子体的电容耦合。内部导电屏蔽被偏置电极或被等离子体被保持在与等离子体源基本上相同的电位。内部屏蔽允许等离子体室的外部上的更多种冷却方法。

Description

带电粒子束系统和操作等离子源的方法
技术领域
本发明涉及用于聚焦束系统的电感耦合等离子体离子源。
背景技术
等离子体离子技术一般被用于半导体晶片处理。需要被设计成处理整个半导体晶片的离子源以在诸如300 mm晶片之上的宽阔区域之上提供均匀的离子束。此类等离子体系统的一个应用将是去除光刻胶。等离子体产生活性反应组分，诸如单原子氟或氧，其与光刻胶反应并将其转变成随后被真空泵去除的灰。由于灰化是由活性反应组分执行的，而不是通过溅射，所以撞击工件的离子的能量可能是相对低的，并且等离子体室的内部与工件之间的电压差一般是低的。
用于在诸如扫描电子显微镜或聚焦离子束系统的聚焦束系统中使用的等离子体源的要求是与在整体晶片处理系统中使用的那些明显不同的要求。离子或电子束被聚焦至亚微米斑点。由于聚焦系统通常将虚拟离子源的缩微图像投射到样本上，所以从其发射带电粒子的虚拟离子源应是小的以在样本上产生小斑点。也就是说，离子源应提供来自小区域的相对大数目的离子。射束中的所有带电粒子的能量必须是相似的，或者色差将阻止带电粒子聚焦到细微的点。
电感耦合（IC）等离子体源在与聚焦柱一起使用以形成带电粒子、即离子或电子的聚焦束时相比于其他类型的等离子体源而言具有优点。电感耦合等离子体源能够在窄的能量范围内提供带电粒子，其允许所述粒子被聚焦到小的斑点。IC等离子体源包括通常缠绕在陶瓷等离子体室周围的射频（RF）天线，诸如在授予Keller等人的用于“MagneticallyEnhanced Inductively Coupled Plasma Source for a Focused Ion Beam System”的美国专利号7,241,361中描述的那个，该专利被转让给本发明的受让人并被通过引用结合到本文中。RF天线提供能量以保持室内的气体处于电离状态下。
常常使用聚焦带电粒子束系统来蚀刻或沉积材料或形成工件的图像，并由源与工件之间的电压差来将带电粒子加速至相对高的能量。聚焦离子束中的离子通常以在5 keV和100 keV、更典型地在约30 keV的着陆能量撞击工件。电子着陆能量在用于扫描电子显微镜系统的约500 eV至5 keV至用于透射电子显微镜系统的几十万电子伏之间变化。为了降低对人的风险，工件通常被保持在接地电位处或附近，并且等离子体源被保持在正或负的高压，取决于用来形成射束的粒子。本文所使用的“高压”意指在接地电位以上或以下大于约500 V的正或负电压。为了操作人员的安全，必须将高压部件电隔离。高压等离子体的电隔离产生鉴于用于等离子体源设计的其他目标难以解决的几个设计问题。
例如，期望的是与等离子体尽可能接近地放置向等离子体提供功率的射频线圈以高效地传递功率，但是跨越小的距离具有电压差导致起弧，这可能损坏系统。如上所述，等离子体被保持在高DC电压，而射频线圈通常以高的RF电压振荡，但低于等离子体的DC电压。消除等离子体与线圈之间的大部分电压差的一个方式将是如等离子体一样使线圈保持在等于高电位的DC偏置。然而，这种解决方案将要求将用于线圈的电源保持在高等离子体电位，这将使电源设计过于复杂并大大地增加成本。
图1示意性地示出了供在聚焦离子束系统中使用的典型现有技术等离子体源100。等离子体源100包括等离子体室102。等离子体104被保持在等离子体室102内。等离子体提取和偏置电极106包围等离子体室102的底部部分。电极106具有到偏置电压源107的外部高压连接，偏置电压源107被用来使等离子体偏置至其目标电位，对于大多数带电粒子束应用而言通常达到30 kV。电子或离子被从等离子体源通过开口112引导至工件。分离法拉第屏蔽108被放置在等离子体室102与RF线圈110之间。屏蔽108通常被很好地接地，并且能够在等离子体室102与RF线圈110之间的空间中输送冷却流体。出于形成具有最小色像差的小探头的目的，法拉第屏蔽能够帮助防止RF引发的能量发散。例如Johnson, Wayne L.在HIGHDENSITY PLASMA SOURCES : Design and Physics and Performance, Popov, Oleg, A.,Ed.（1995）中的“Electrostatically-Shielded Inductively-Coupled RF PlasmaSources”中描述了用于等离子体离子源的法拉第屏蔽。
接地法拉第屏蔽将高DC电压等离子体与射频线圈电位隔离并减小线圈与等离子体之间的电容耦合。当法拉第屏蔽接近于电介质等离子体容器定位时，由接地屏蔽与被偏置至所需加速电压（例如30 kV）的等离子体之间的电压差引起的大电场引起可能损坏源的高压放电的可能性。在法拉第屏蔽与陶瓷之间的被俘获空气的存在也引起用于该区域中的起弧的潜在可能。
等离子体室与天线之间的法拉第屏蔽的引入也不可避免地导致天线被更加远离等离子体容器放置，这可能引起复杂化，包括从天线至屏蔽和从屏蔽至等离子体的起弧。此外，法拉第屏蔽可能具有锐利边缘，这引起附加的高压管理问题。
不仅高压管理是用于聚焦离子束系统的等离子体源的设计挑战，热管理也是个挑战。施加于等离子体室的能量在等离子体室中和射频线圈中生成热。虽然紧凑式等离子体源对于射束形成而言是期望的，但是等离子体越紧凑和强大，源就变得越热且因此越需要高效地消散热量。高压还可能使冷却变得困难，这可能限制所使用的等离子体的密度。这些冲突的要求使得ICP源的设计非常具有挑战性。转让给本发明的受让人的美国专利申请号13/182,925描述了用于聚焦带电粒子束系统的液体冷却等离子体源。
法拉第屏蔽可能使冷却方法复杂化。与该屏蔽接触的流体不能腐蚀或氧化屏蔽，并且冷却流体的选择还可能受到与法拉第屏蔽的锐利边缘处的高压管理相关联的电介质问题的限制。
M. Dickson等人在J. Vac. Sci. Tech. B 16(2)（1998）中的“RadialUniformity of an External-Coil Ionized Physical Vapor Deposition Source”中描述了用于金属到晶片上的离子化物理气相沉积的等离子体系统。等离子体离子轰击金属靶，并且从靶溅射的金属被离子化并被朝着在等离子壳层下面的晶片引导。由于来自靶的溅射金属将快速地在石英室的内部周围形成电路径，所以在等离子体室内部使用水冷却金属法拉第屏蔽。等离子体室内的法拉第屏蔽充当用于溅射金属的挡板，并且保护等离子体室的电介质壁免受金属膜的厚沉积。水冷却线被与接地电隔离并通过隔离的射频功率馈通而连接。M. Dickson等人的大的晶片级等离子体室促进了大等离子体室内的法拉第屏蔽的操纵。
发明内容
本发明的目的是减少到带电粒子束系统中的等离子体的电容耦合，以便出于射束形成的目的具有期望的低能量发散。
本发明在聚焦带电粒子束系统的等离子体室内提供法拉第屏蔽，其中法拉第屏蔽被偏置至等离子体电位或其相当一部分。
前述内容已相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更透彻地理解随后的本发明的详细说明。在下文中将描述本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员应认识到可以容易地利用所公开的概念和特定实施例作为用于修改或设计用于执行本发明的相同目的的其他结构的基础。本领域的技术人员还应意识到的是此类等效构造不脱离如随附权利要求所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点，现在对结合附图进行的以下描述进行参考，在附图中：
图1示出了使用外部法拉第屏蔽的现有技术等离子体源。
图2示出了其中法拉第屏蔽被放置在等离子体室内的本发明的实施例。
图3示出了使用图2中的实施例的步骤。
图4示出了将内部法拉第屏蔽用于减少与在等离子体室的外部中用于冷却的流体相结合的耦合的等离子体源的纵向横截面示意图。
图5示出了扁平分离法拉第屏蔽的视图。
具体实施方式
设计等离子体源通常需要许多权衡以满足冲突的设计要求。本发明的实施例能够提供RF线圈与等离子体之间的优良耦合、等离子体室的高效冷却、以及优良的电容屏蔽，其全部能够帮助产生稠密、静态且处于高电位的电感耦合等离子体。
以下说明描述了用于聚焦离子束系统的等离子体源，但是可以将本发明的等离子体源用于电子束系统或其他系统。出于本发明的目的，术语屏蔽、法拉第屏蔽、静电屏蔽以及电容屏蔽是等价的。
优选实施例使用在等离子体室内部的法拉第屏蔽，亦即在等离子体室的壁内的法拉第屏蔽。用于聚焦束系统的现有技术等离子体源未使用内部分离法拉第屏蔽，因为诸如过热的设计困难是众所周知的，而用于具有探头形成光学装置的系统的内部屏蔽的优点范围并未被认识到。申请人已发现具有内部法拉第屏蔽的多个优点。消除外部法拉第屏蔽，将射频线圈放置得更接近于等离子体管，导致更高的耦合效率。申请人还发现内部法拉第屏蔽允许设计冷却系统方面的更多灵活性，因为在等离子体管外面的空间更清晰。并且，避免了由与冷却流体的交互所引起的屏蔽材料的腐蚀。不同于M. Dickson等人的系统，在等离子体室中不存在用以起溅射源作用的金属靶且在等离子体中通常没有金属离子。本发明的大多数实施例中的法拉第屏蔽不是液体冷却的。本发明的等离子体源被用作用于探头形成系统的离子源，亦即离子离开等离子体室并被形成为聚焦到样本上的射束。不同于M.Dickson等人的系统，不将工件放置在等离子体室中。
图2示出了在本发明的实施例中使用的带电粒子束系统的等离子体源200。法拉第屏蔽202被放置在等离子体室102内。屏蔽202是导电的且被放置为与电极106进行电接触，使得法拉第屏蔽连同等离子体104一起被偏置电压源107偏置至用于带电粒子束处理的目标电位，通常为30 kV。替换地，具有内部屏蔽202允许将RF线圈110放置得更接近于等离子体室，导致更高的耦合效率。为了防止溅射，以这样的方式来设计法拉第屏蔽，即用等离子体源的操作参数，离子的能量发散被保持在小于40eV，更优选地小于20eV，并且最优选地小于6eV。保持此水平的能量发散还将防止等离子体源孔径的溅射。屏蔽202可以包括与等离子体室102内部的环境相容的任何导电材料。例如，屏蔽202可以由铜、镀银铜或其他高度导电的金属组成。屏蔽202可以是被镀覆或以其他方式涂敷到等离子体室102的内壁上的金属层，或者其可以是可插入套筒。在RF线圈110外面的导体形成接地平面以使高压等离子体室和RF线圈与系统操作员隔离。为了适当的热量管理，本发明的实施例提供了将热量从内部法拉第屏蔽分布到等离子体室102的壁和/或电极106的方法。
除屏蔽效应之外，内部法拉第屏蔽还有效地扩展了沿着等离子体约束轴的偏置电位的接触面积，并且同样地，提供等离子体的更好偏置并导致沿着等离子体室轴的偏压差的较低可能性，导致更好的能量发散。优选的是使单个电连接向法拉第屏蔽和提取孔径两者提供偏置。
使从等离子体源提取的带电粒子聚焦的聚焦柱通常包括射束限定孔径210、偏转器212以及用于使粒子聚焦到样本216上的至少一个透镜214。
图3示出了使用图2中的实施例的步骤。步骤302涉及向等离子体室中提供射频能量以便保持等离子体。步骤304涉及在等离子体室内提供内部分离法拉第屏蔽以减少射频源与等离子体之间的电容耦合。步骤306涉及将等离子体和法拉第屏蔽保持在不同于接地电位的电位，通常在大于100 V、大于1000 V或大于10,000 V的电压。这是通过使屏蔽与偏置电极接触实现的。替换地，法拉第屏蔽可以是“浮置的”，亦即被动地而不是主动地被偏置，但是与等离子体接触且浮置在等离子体电压附近。技术人员将理解的是虽然等离子体处的电位基本上与屏蔽和提取器处的电位相同，但电压将由于跨等离子体边界处的等离子壳层的通常小于50 V的电压降而不会与等离子体内的电压完全相同。使屏蔽偏置并不一定意味着电极与屏蔽进行直接物理接触—偏置可以是间接的，诸如通过提取器电极或通过等离子体。
最后，步骤308涉及使用提取光学装置从等离子体室提取带电粒子并使带电粒子聚焦到工件上。还可以在等离子体室的外部提供冷却流体以便使等离子体室冷却。在Kellogg等人的用于“Encapsulation of Electrode in Solid Media for use inConjunction with Fluid High Voltage Isolation”的美国专利申请号13/165,556中描述了其他冷却方法，诸如非循环冷却剂或热管的使用，该专利申请被转让给本发明的受让人。在美国专利申请号13/165,556中描述的冷却方法可以用于本文所述的内部法拉第屏蔽。
图4示出了使用内部法拉第屏蔽减小与在等离子体室的外部中用于冷却的流体耦合的等离子体源400的纵向横截面示意图。等离子体源400包括具有内壁404和外壁406的电介质等离子体室402。等离子体室402停留在导电底板电极410上。等离子体412被保持在等离子体室402内。提取光学装置414通过导电底板电极410中的开口416从等离子体412提取带电粒子，根据应用为离子或电子。电介质外壳420限定外壳420与等离子体室外壁406之间的空间422，电介质外壳420优选地是以最小的损耗透射射频能量的陶瓷或塑料材料的。法拉第屏蔽444位于等离子体室402内，使得法拉第屏蔽在内壁404与等离子体412之间。泵424将冷却流体426从储液器/冷却器427通过冷却流体进口428泵送到空间422并通过出口432离开，通过来自外壁406的热传递将等离子体室402冷却。气体被通过进口452提供给等离子体室406。接地屏蔽454将等离子体室与操作员的环境屏蔽。
典型的现有技术法拉第屏蔽被很好地接地并位于等离子体室的外部上，导致等离子体区域与屏蔽之间的快速电位降。这些快速的电位降对被插在等离子体区域与导电法拉第屏蔽之间的材料施加限制。在现有技术中，在此区域中只能插入具有足以防止起弧的大电介质强度的材料。然而，由于本发明具有被偏置至目标电位的内部法拉第屏蔽444，本质上可以在空间422内使用任何类型的材料，因为不存在快速的电位降且起弧明显减少。因此通过具有内部屏蔽能够防止由冷却流体引起的电介质击穿，并且可以使用多种冷却流体来将等离子体室402冷却，甚至是没有足够介电常数的那些。本文所使用的“流体”可以包括液体或气体。
通常，该冷却方法涉及被选择为没有气泡或可能呈现出用于场增强和气体放电的机会的其他杂质的液体冷却剂。冷却流体还应具有足够的热容量以在不要求大的流体流动的情况下防止等离子体室402过热，所述大的流体流动要求将消耗过多功率的大型泵。等离子体室外壁406通常被保持在小于约50℃的温度。
内部法拉第屏蔽444传递来自RF线圈446的射频能量以在减少射频线圈446与等离子体412之间的电容耦合的同时激励等离子体。在某些实施例中，通过将其基本上密封于诸如陶瓷、玻璃、树脂或聚合物的固体电介质介质中以消除高压放电来保护法拉第屏蔽444免于物理损坏。RF线圈446可以是空心的且用通过线圈中的内部通道447的流体冷却剂的流动来冷却。替换地，冷却剂可以在RF线圈的外部流过。等离子体室冷却剂系统还可以泵送流体冷却剂通过线圈，或者线圈可以具有独立的冷却系统。
在本发明的某些实施例中，该屏蔽是分离法拉第屏蔽。内部法拉第屏蔽被卷绕而形成圆筒形状。图5示出了在本发明的某些实施例中能够使用的扁平分离法拉第屏蔽500的视图。法拉第屏蔽500被“分离”且具有垂直狭槽502。垂直狭槽减小了耗尽来自射频线圈的能量并产生热量的感生电流。本技术领域的技术人员将很容易认识到可以改变狭槽502的宽度、长度和数量以便导致适当水平的电容耦合和调制。
本发明的某些实施例包括：
• 等离子体源，其包括：
• 等离子体室，其用于包含等离子体；
• 导体，其用于向等离子体室中提供射频能量；以及
• 导体屏蔽，其用于减少提供射频能量的导体与等离子体之间的电容耦合，其中，该导电屏蔽被放置在等离子体室内；以及
一个或多个聚焦透镜，其用于使来自等离子体源的带电粒子聚焦到样本上。
在某些实施例中，该系统包括用于使导电屏蔽电偏置至期望电压的偏置电极。
在某些实施例中，导电屏蔽包括被涂敷到等离子体室的内壁上的层。
在某些实施例中，导电屏蔽包括被插在等离子体室内的薄导电箔。
在某些实施例中，带电粒子束系统还包括围绕等离子体室的至少一部分并与之进行热接触的冷却流体。在某些实施例中，冷却流体包括空气或液体。
在某些实施例中，导电屏蔽被保持在与等离子体壳层的外边界基本上相同的电压。
在某些实施例中，导电屏蔽被电隔离且在操作期间被保持在与等离子体壳层的外边界基本上相同的电位。
在某些实施例中，导电屏蔽被保持在具有在500V和100 kV之间或5000V和50000V之间的量值的电压。
在某些实施例中，等离子体被偏置而产生在500eV和100keV之间的带电粒子的着陆能量。
在某些实施例中，导电屏蔽和等离子体被保持在不同于接地电位的电位。
在某些实施例中，导电屏蔽是分离法拉第屏蔽且在某些实施例中，分离法拉第屏蔽被卷绕而在等离子体室内形成圆筒形状。
在某些实施例中，等离子体温度被保持在低到足以避免等离子体室内的导电屏蔽的溅射。
在某些实施例中，导电屏蔽将来自等离子体的热量分布到等离子体室的壁。
在某些实施例中，用于向等离子体室中提供射频能量的导体包括用于冷却流体通过的内部通道。
本发明的某些实施例包括操作包含等离子体室的电感耦合等离子体源的方法，其包括：
• 从至少一个导电线圈向等离子体室中提供射频能量以在等离子体室中保持等离子体；
• 提供导电屏蔽以减少射频源与等离子体之间的电容耦合；
• 将等离子体和导电屏蔽保持在不同于接地电位的电位；
• 从等离子体室提取带电粒子；以及
• 使得带电粒子聚焦成射束并将该射束引导到工件上或附近。
在某些实施例中，该方法还包括提供冷却流体以使等离子体室冷却。
在某些实施例中，提供导电屏蔽包括提供被涂敷到等离子体室的内壁上的导电屏蔽。
在某些实施例中，提供导电屏蔽包括提供被插入等离子体室内部中的导电材料。
虽然已详细地描述了本发明及其优点，但应当理解的是在不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下可以在本文中进行各种变更、替换和修改。此外，本申请的范围并不意图局限于本说明书中所述的物体、装置、方法和步骤的过程、机器、制品、组成的特定实施例。如本领域的技术人员将容易地从本发明的公开认识到的，根据本发明，可以利用执行与本文所述的相应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的目前存在或稍后将开发的物体、装置、方法或步骤的过程、机器、制品、组成。因此，所附权利要求意图在其范围内包括物体、装置、方法或步骤的此类过程、机器、制品、组成。在下面的权利要求中以开放方式来使用术语“包括”和“包含”，因此应将其解释为意指“包括但不限于…”。

Claims (21)

1.一种带电粒子束系统，其包括；
等离子体源，其包括；
用于包含等离子体的等离子体室；
导体，其用于向等离子体室中提供射频能量；以及
导电屏蔽，其用于减少提供射频能量的导体与等离子体之间的电容耦合，其中，离子的能量发散被保持在小于40eV；以及
一个或多个聚焦透镜，其用于使来自等离子体源的离子聚焦到所述等离子体室外部的样本上。
2.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，还包括用于使导电屏蔽电偏置至期望电压的偏置电极。
3.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，所述导电屏蔽包括被涂敷到等离子体室的内壁上的层。
4.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，所述导电屏蔽包括被插在等离子体室内的薄导电箔。
5.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，还包括围绕等离子体室的至少一部分并与之进行热接触的冷却流体。
6.根据权利要求5所述的带电粒子束系统，其中，所述冷却流体包括空气或液体。
7.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，所述导电屏蔽被保持在与等离子体壳层的外边界相同的电压。
8.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，所述导电屏蔽被电隔离且在操作期间处于与等离子体壳层的外边界相同的电位。
9.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，所述导电屏蔽被保持在具有在500V和100 kV之间的量值的电压。
10.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，所述导电屏蔽被保持在具有在5000V和50000V之间的量值的电压。
11.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，所述等离子体被偏置至一定电位以产生在500eV和100keV之间的带电粒子的着陆能量。
12.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中， 在操作中，等离子体室中的等离子体和导电屏蔽被保持在不同于接地电位的电位。
13.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，所述导电屏蔽是分离法拉第屏蔽。
14.根据权利要求13所述的带电粒子束系统，其中，所述分离法拉第屏蔽被卷绕以在等离子体室内形成圆筒形状。
15.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，所述等离子体温度被保持在低到足以避免等离子体室内的导电屏蔽的溅射。
16.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，所述导电屏蔽将来自等离子体的热量分布到等离子体室的壁。
17.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，用于向等离子体室中提供射频能量的导体包括用于冷却流体通过的内部通道。
18.一种操作包括等离子体室的电感耦合等离子体源的方法，其包括：
从至少一个导电线圈向等离子体室中提供射频能量以在等离子体室中保持等离子体；
提供导电屏蔽以减少射频源与等离子体之间的电容耦合；
将等离子体和导电屏蔽保持在不同于接地电位的电位；
从等离子体室提取离子；以及
使得离子聚焦成射束并将该射束引导到所述等离子体室外部的工件上或所述等离子体室外部的工件附近。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括提供冷却流体以使等离子体室冷却。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，提供导电屏蔽包括提供被涂敷到等离子体室的内壁上的导电屏蔽。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，提供导电屏蔽包括被插入到等离子体室的内部中的导电材料。
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