CN103325650A - 用于主动地监测电感耦合等离子体离子源的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于主动地监测电感耦合等离子体离子源的方法和设备。一种用于主动地监测等离子体源的状况以实现源的调整和控制以及检测等离子体反应室中的不需要的污染物种类的存在的方法和设备。优选实施例包括用于量化等离子体的成分的光谱仪。提供系统控制器，系统控制器基于等离子体的光谱分析来使用反馈控制回路以调节等离子体源的离子组成。该系统还提供基于光谱分析的用于确定等离子体源的清洁何时完成的终点装置。

Description

用于主动地监测电感耦合等离子体离子源的方法和设备

技术领域

本发明一般地涉及用于聚焦离子束(FIB)中的电感耦合等离子体(ICP)离子源的主动监测的方法和结构。

背景技术

聚焦离子束系统用于集成电路制造和纳米技术中的各种应用以创建并改变微观和纳米观结构。聚焦离子束能够使用各种源来产生离子。液体金属离子源能够提供高分辨率(小斑点尺寸)，但通常产生低电流并且在可用离子的类型方面受到限制。不同的离子种类具有不同的性质，这使得对于特定应用而言一些离子种类比其它离子种类更优选。例如，氦离子对成像或光抛光有用，而氙离子提供对大量处理有用的更高的铣削速度。为了产生用于高分辨率处理的非常窄的射束，来自LMIS的射束中的电流必须保持相对低，这意味着低蚀刻速度和更长的处理时间。当射束电流增加超过某一点时，分辨率迅速降低。

等离子体离子源在等离子体室中使气体电离并提取离子以形成聚焦在工件上的射束。等离子体离子源可包括单一气体种类或许多不同类型的气体以提供不同种类的离子。当与LMIS源相比时，等离子体离子源具有更大的虚拟源尺寸并且暗得多。来自等离子体源的离子束因此不能聚焦为像来自LMIS的射束一样小的斑点，但等离子体源能够产生大得多的电流。

等离子体源(诸如，由Coath et al., “A High-Brightness Duoplasmatron Ion Source Microprobe Secondary Ion Mass Spectroscopy,” Rev. Sci. Inst. 66(2), p. 1018 (1995)描述的双等离子管源)已被用作用于离子束系统的离子源，具体地讲，用于质谱学和离子注入中的应用。电感耦合等离子体(ICP)源最近已被与聚焦镜筒一起使用以形成带电粒子(即，离子或电子)的聚焦束。

电感耦合等离子体源能够提供在窄能量范围内的带电粒子，与来自双等离子管源的离子相比，这允许粒子聚焦到更小的斑点。ICP源(诸如，由Keller et al., “Magnetically enhanced, inductively coupled plasma source for a focused ion beam system,” 美国专利No. 7,241,361描述的ICP源，该专利被转让给本发明的受让人并通过引用包含于此)包括通常缠绕在陶瓷等离子体室上的射频(RF)天线。RF天线提供能量以使气体在等离子体室内保持在电离状态。因为等离子体源的虚拟源尺寸比LMIS的虚拟源尺寸大得多，所以等离子体源暗得多。

不幸的是，等离子体源发射中的漂移和不稳定性很常见。这些类型的不稳定性的原因和可能的校正措施经常难以分辨。已知用于监测等离子体状况的各种装置，但这些方法具有许多缺点。使用质谱仪可监测气体纯度或种类组成，但所需的装备昂贵，对于高原子质量气体种类(诸如，氙(131 AMU))而言尤其如此。使用Langmuir（朗缪尔）探针能够实现监测等离子体密度，但这也很昂贵并且难以在30 kV等离子体中实现。结果，目前未实现用于源的调整和控制的等离子体状况的主动监测。

目前，也非常难以监测、控制和优化由ICP离子源发射的离子种类的分布(是单电离还是多电离还是多原子离子)。离子种类的监测将会是希望的，以确保合适的离子的种类并且正在发射所希望的量的所述种类，不管是希望单一种类还是多个种类。这种监测还将会是希望的，以检测等离子体反应室中的不需要的污染物种类的存在。如果质量过滤系统发生故障、不合适或者未被采用，则这种污染物可随所希望的射束种类一起沿聚焦镜筒行进。

需要这样一种方法和设备：用于电感耦合等离子体(ICP)离子源的等离子体状况的主动监测，以实现源的调整和控制以及检测等离子体反应室中的不需要的污染物种类的存在。

发明内容

本发明的目的在于提供这样一种方法和设备：用于主动地监测等离子体源的状况，以实现源的调整和控制以及检测等离子体反应室中的不需要的污染物种类的存在。

根据优选实施例，光谱分析用于量化等离子体的成分并传送其它有用的信息，诸如源管内的离子种类的相对强度和成分。反馈控制回路使用这种信息调节并监测带电粒子束设备的源和其它部件以确保合适的符合性。

前面已相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可更好地理解下面的本发明的详细描述。以下将会描述本发明的另外的特征和优点。本领域技术人员应该理解，公开的概念和特定实施例可容易地用作用于修改或设计用于执行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该理解，这种等同构造并不脱离如所附权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了本发明及其优点的更彻底的理解，现在参照下面结合附图进行的描述，其中：

图1是来自氙等离子体源的示例性光谱；

图2是具有实现本发明的光谱仪监测和反馈控制的ICP离子源的粒子光学设备的示意图；

图3是代表根据本发明的ICP离子源的初始设置顺序的流程图；

图4是与源管的内部的氧等离子体清洁的过程对应的流程图；

图5是与用于使ICP源和FIB镜筒联机以用于样本的处理的过程对应的流程图；和

图6是与用于使用第二光谱仪的终点检测的可选过程对应的流程图，第二光谱仪收集由于聚焦离子束与样本表面的撞击而从样本发射的光。

附图旨在帮助理解本发明，并且未按照比例绘制，除非另外指出。在附图中，在各种附图中图示的每个相同或几乎相同的部件由相似标号表示。为了清楚的目的，并非每个部件可在每个附图中被标记。

具体实施方式

本发明的优选实施例采用可从IC等离子体源的光学发射获得的信息以控制源和镜筒操作的各方面，诸如气体切换、气体混合、清洁源管的污染物、设置质量滤波器选择和选通源和镜筒。申请人已发现：ICP源发射足够的光以允许由光纤光缆对光学发射进行采样并且对光学发射进行光谱分析。在光谱分析期间，能够量化等离子体的组成部分，并且光谱线的绝对和相对强度用于提供能够用于控制源和/或系统的各部分的有意义的信息。利用低成本光谱仪(诸如，可从Ocean Optics获得的USB650 Red Tide Spectrometer)能够容易地测量光谱。在本发明中，许多特征等离子体光子波长的强度被实时地测量并用在一个或多个反馈回路中，所述一个或多个反馈回路例如通过控制系统操作(诸如，熄灭、气体切换、气体混合、RF功率、清洁、等离子体补充等)来调节源和/或镜筒。

本发明的优选实施因此使用从等离子体源发射的特征光子的检测和分析来帮助用于带电粒子的提取的最佳等离子体状况的保持。如在现有技术电感耦合等离子体离子源中所见，当氙被用作源气体种类时，从等离子体发射绿光并且绿光穿过半透明Al₂O₃等离子体源基元壁。当氩被用作源气体种类时，发射的光具有粉色。另外，已知等离子体的视强度和颜色还由于各种输入因素(诸如，等离子体基元压力和发射到等离子体中的功率)而改变。观察到的颜色事实上是与在等离子体的原子水平中的能量跃迁对应的特征能量光子的混合物。虽然离散光子频率不能被人眼分辨，但这些离散光子频率能够容易地被通常的现有技术光谱仪分辨。在本发明的优选实施例中，许多特征等离子体光子频率的相对强度被定期地量化并用作一个或多个反馈回路的度量，所述一个或多个反馈回路调节等离子体状况以实现稳定的、优化的性能。基于某些光子频率的强度调节的反馈参数能够包括但不限于等离子体基元压力和从RF产生器发射的源功率。

图1示出来自氙等离子体源的示例性光谱。申请人已发现，通过光谱上的峰值的强度比率能够量化等离子体的强度。例如，在大约700 nm的波长的峰值102与在800 nm的波长以上的峰值104、106和/或108的强度比率提供等离子体强度的可靠的指标，它能够随后用在反馈回路中以监测等离子体源和离子束镜筒的部件。参数(诸如，等离子体基元气体压力和RF功率)能够随后被自动地或被操作员调整以实现所希望的最佳源光谱。

在本发明的优选实施例中，下面的参数是能够被实时地监测并用于调节/优化等离子体状况的参数的例子：

1)ICP离子源的源管内的等离子体的存在，如从源管内发射的光的集合所示，这可与关于返回到RF电源的反射功率的信息组合；

2)源管内的等离子体产生的强度，如从源管内发射的光的强度所示；

3)在多个气体种类被同时电离的情况下在源管内的等离子体的元素组成，如从源管内发射的光的光谱分析所示；

4)在单一气体种类被电离的情况下的离子种类组成——例如，对于氧的电离，O⁺、O₂ ⁺、O²⁺等的分布，如从源管内发射的光的光谱分析所示；

5)在多个气体种类被同时电离的情况下的组合离子种类组成——这是以上3)和4)的组合，如从源管内发射的光的光谱分析所示；以及

6)在由离子束处理的样本的表面或在该表面附近进行的粒子–样本反应(例如，化学反应和非化学反应，诸如阴极射线致发光和X射线发射)，该离子束由ICP离子源产生，如从该表面或在该表面附近发射的光的光谱分析所示。

图2是具有实现本发明的光谱仪监测和反馈控制的电感耦合等离子体(ICP)离子源的粒子光学设备200的示意图。气体歧管202可包括一个或多个气体源204，每个气体源204具有它自己的流量和/或压力调节器206。气体源204能够包括各种不同的气体，或者也能够是相同气体的多个源。通过自动打开每个气体源204相应的流量阀208可独立地选择每个气体源204。单个流量阀的启动对应于希望单一气体种类的情况，而超过一个流量阀的启动同时对应于希望气体混合物的情况。单一气体或气体混合物随后由最后的流量阀210调节，流量阀210通向等离子体源管220的进气管212，在等离子体源管220内产生等离子体。等离子体源管能够替代地被称为等离子体室。压力计214监测进气管212中的气体压力。进气管212可由源涡轮泵266通过通风阀268抽空。源涡轮泵266还能够从源管220抽吸不需要的污染物，例如来自成形的涂层的粒子。

RF功率由RF电源223提供，并通过匹配箱222被提供给等离子体管220，匹配箱222连接到包围源管220的RF天线224。分离法拉第屏障(未示出)优选地位于天线224和等离子体管220之间以减小电容耦合，由此减小提取的带电粒子的能量扩展度并允许粒子聚焦到更小的斑点。RF电源223还能够如美国专利No. 7,241,361中所述以“平衡”方式把电力施加到天线以进一步减小提取的射束中的粒子的能量扩展度。在等离子体源管220的底部附近，源电极226被偏置到高电压以把高电压施加到来自等离子体的离子。偏置源电源264连接到源偏置电极226，并且由点火器258开启等离子体。当将要产生电子束或负离子束时，源偏置电极能够偏置到大的负电压，或者当将要产生正离子束时，源偏置电极能够偏置到高的正电压。例如，当提取离子以用于离子束铣削时，等离子体通常偏置到大约正30 kV；当提取电子以用于EDS分析时或者当提取负离子以用于二次离子质谱分析时，等离子体通常偏置到大约负20 kV和负30 kV之间；以及当提取电子以用于形成扫描电子束图像时，等离子体通常偏置到大约负1 kV和负10 kV之间。具有用于减小射束能量扩展度的分离法拉第屏障和平衡天线的ICP的使用促进更高分辨率射束的产生，该射束适合于大斑点尺寸将会不合适的一些应用。

聚焦镜筒250中的提取器电极228由电源260偏置，电源260参考至偏置源电源264的输出电压。提取器电极电源260可以是双极电源。镜筒中的冷凝器电极230由电源262偏置，电源262也参考至偏置电源264的输出电压并且也可以是双极电源。

由于由相对于源偏置电极226上的电压的提取器电极228上的偏置电压在源管220的下端感生的高电场，从源管220中所包含的等离子体提取离子。从源管220提取的离子通过源偏置电极226中的开口或孔径向下出现，形成进入光学镜筒250的带电粒子束(未示出)。

镜筒内的两个静电单透镜232和234被示出以用于把离子束聚焦在安装在台282上的样本280上，台282由位于样本室284的底部的台控制器286控制；然而，透镜的精确数量和类型不是本发明的一部分。样本室涡轮泵286确保通过去除过多的气体粒子而在室284和镜筒250内保持真空。涡轮泵286还能够用于从镜筒250和/或样本室284去除污染物。静电透镜232和234分别由高电压电源233和235控制。透镜232和234还能够是双极透镜。由质量过滤器控制器242控制的质量过滤器240可位于镜筒内以用于在可由ICP离子源产生的许多离子种类中选择单一离子种类。该许多离子种类可包括各种类型的单一元素的离子，诸如O⁺、O₂ ⁺或O²⁺，或者在多元素电离(例如，O₂+Xe)的情况下，该许多离子种类可包括例如与Xe⁺组合的O⁺、O₂ ⁺或O²⁺。质量过滤器240通常包括用于分离离子的射束路径或离子偏转镜（chicane）中的偏转。例如，通过E×B质量过滤器的磁偏转元件(诸如，双极或四极)能够使粒子偏转。例如，镜筒内的质量过滤器的位置能够变化以位于第一静电透镜232之前。通过在可由BAA致动器238按照机械方式位于射束轴上的许多孔径中选择一个射束接收孔径(BAA)236，能够改变射束接收角度(因此，总射束电流)。在一些实施例中，使带电粒子束偏转的射束熄灭器244由熄灭器控制器246控制，并被实现在镜筒250内。法拉第筒249能够被放置在镜筒内，从而熄灭器244使射束偏转到该筒上，并且静电计248测量射束内的粒子的电流。

光谱仪252配置为收集并分析从源管220内的等离子体(未示出)发射的光。光纤光缆254被示为把发射穿过源管220的壁(优选地，由氧化铝或另一半透明陶瓷或石英制造)的光引导至光谱仪252。虽然描述了光纤光缆254，但用于把来自源管220的光引导至光谱仪252的任何光收集装置是合适的。在一些实施例中，分散的光的多种波长的并行收集可实现等离子体发射光谱的高效监测。在其它实施例中，单个光收集器可在分散光光谱上反复扫描以产生时间相关光谱信号。光谱仪252因此提供允许等离子体源的监测的信息，从而源保持没有污染物并且在正在聚焦到样本280上的离子束中采用所希望的离子种类组成。

在优选实施例中，第二光谱仪290收集作为带电粒子束与样本的撞击的结果而从样本280发射的光。来自光谱仪290的信号可例如在样本处理期间用于精确终点检测。光纤光缆292能够类似地用于把光引导并把光传送至光谱仪290。虽然描述了光纤光缆254，但用于把来自样本280的光引导至光谱仪290的任何光收集装置是合适的。

可编程逻辑控制器(PLC)260提供RF电源223和点火器258的控制和自动化。等离子体源控制器270控制ICP离子源、离子提取光学装置和系统中的可选的其它部件(包括光谱仪252和PLC 256)的各种电压。等离子体源控制器270还能够从PLC 256和光谱仪252到聚焦离子束(FIB)系统控制器272提供反馈。FIB系统控制器272总体负责带电粒子设备200的合适操作，如图2中示意性示出的各种控制链接所示。

FIB系统控制器272例如能够控制BAA致动器238、高电压透镜电源233和235、质量过滤器控制器242、熄灭器控制器246、静电计248、光谱仪290、台控制器286和等离子体源控制器270，这些部件又如上所述控制其它部件。用户能够把某一组的操作参数(诸如，预定义的强度水平或预定义的最大功率)输入到FIB系统控制器272或等离子体控制器270，并且这些控制器能够改变某些系统参数(诸如，RF功率、流量和压力设置)，从而等离子体的性质与所述一组预定参数匹配。用户还能够输入所希望的操作参数(诸如，射束电流、透镜电压、射束接收角度、质量过滤器偏转角度、电极电压和射束熄灭器偏转角度)，从而FIB系统控制器272将会监测并调整设备的参数以与所希望的参数匹配。技术人员将会意识到，利用计算机能够容易地实现这种输入，或者通过另一输入装置直接地到系统控制器。

系统的优选实施例包括程序存储器294和数据存储器296，数据存储器296存储来自反馈回路的数据，诸如从光谱仪测量的强度或组成信息。来自反馈回路的收集的信息也能够被显示在例如计算机(未示出)上以指导和指示用户进一步行动。来自反馈回路的信息用于监测等离子体源和/或聚焦镜筒的状况。在一些实施例中，基于来自反馈回路的信息的分析自动地调整某些操作参数。

控制器和存储部件能够提供自动处理，诸如自动调谐，所述自动调谐基于来自光谱仪的光谱反馈自动地调整系统参数，诸如RF功率、压力或流量设置。自动调谐能够用于确保存在正确的离子组成。还能够使用自动停止程序，从而当某个处理到达它的终点时，该处理自动停止。

技术人员将会理解，粒子光学设备的部件(即，它的透镜、质量过滤器等)能够被不同地重新排列和配置，而不会损害它的功能。技术人员还将会理解，等离子体源和聚焦镜筒的操作参数通常针对从等离子体源提取的粒子的类型而被优化。表I显示用于利用氙离子和正氧离子进行操作的典型操作参数。技术人员将会理解，根据透镜上的电压，单透镜能够用作“加速透镜”或“减速透镜”，并且本领域技术人员还将会理解，其它静电和磁透镜配置能够替代于单透镜执行相同的功能。在一些实施例中，优选的是，当聚焦低能带电粒子时操作第一透镜和第二透镜作为加速透镜，并且当聚焦高能带电粒子时操作第一透镜和第二透镜作为减速透镜。

表I

操作参数	氙离子	氧离子
			等离子体室中的气体压力	.01 mbar 到 0.4 mbar	.005 mbar到0.3 mbar
等离子体偏置电压	+ 1 kV到+ 30 kV	+ 1 kV到+ 30 kV
			提取器电极电压(相对于射束电压)	-2 kV到-15 kV	-2 kV到-15 kV
偏转电压范围	-150 V到+ 150 V	-150 V到+ 150 V
			第一透镜电压	0 V到+ 30 kV	0 V到+ 30 kV
第二透镜电压	-15 V到+ 30 kV	-15 V到+ 30 kV
			RF功率	25 W到1000 W	200 W到1000 W
样品室中的气体压力	5 x 10-7 mbar到1 x 10-7 mbar	5 x 10-7 mbar to 1 x 10-7 mbar

在本发明的一些优选实施例中，某些特征等离子体光子频率的相对强度能够用于检测等离子体反应室中的不需要的污染物种类的存在。例如，当为了另一目的而引入不同的离子种类时，诸如当使用清洁等离子体时，这能够尤其有价值。在ICP系统的操作期间，ICP离子源中的源管常常在它们的内壁上积聚涂层，这减小在源之外收集的光的强度。这种强度减小有时使控制软件(错误地)确定等离子体不存在或者低于所希望的设置水平。

为了在原处清洁源管的内部，已提出氧清洁等离子体。然而，迄今为止，不存在用于确定这些清洁处理何时完成的装置。在配置用于利用更多惰性气体(例如，Xe、Ar或Ne)操作的源中过多暴露于氧等离子体可通过在源管的出口处的源电极的腐蚀而减少源寿命。因此，需要这样一种方法：确定合适地暴露于反应氧等离子体的水平，以便使这些过多暴露的复杂情况最小化。在本发明的优选实施例中，某些特征等离子体光子频率的相对强度能够用于确定源的清洁何时是合适的，并且还确定源何时已被充分地清洁。

图3-5是示出根据本发明优选实施例的操作ICP离子源的步骤的流程图。图3是代表根据本发明的ICP离子源的初始设置顺序的流程图300。首先，在步骤302中，打开气体源。如图2中所述，流入到ICP离子源的源管220中的气体可包括一种或多种不同气体，这些气体来自分开的气体容器或者来自可包括多气体混合物的一个或多个气体容器。在步骤304中，在步骤306中打开RF电源223之前必须达到预定义的气体流量和/或压力设置点。一旦RF电源223已被打开，步骤308包括调谐匹配箱222。步骤310包括：监测反射回到RF电源223的功率，直至反射功率下降到低于预定义的最大反射功率。如果反射功率不小于预定义的最大值，则重新调谐匹配箱222。能够自动执行匹配箱的这种重新调谐。

接下来，步骤312包括激活光谱仪252，并且在步骤314中，获取从源管220内的等离子体发射的光，如图2中所示。首先，在步骤316中，通过例如确定在某一范围中的它的峰值的强度比率来分析总发射强度，然后，在步骤318中，总发射电流被与预定义的最小光强比较。例如通过使消光阈值等离子体条件的光强增加一倍，能够按照经验发现特定ICP源设计的特定最小光强，其中通过缓慢地减小RF功率直至在其以下等离子体不再自持的点来达到所述消光阈值条件。最小光强不需要对于所有等离子体种类都是相同的，因此应该被合适地分别确定。如果光强下降到低于这个最小值，则处理前进至步骤320，在步骤320中，通过FIB系统操作员接口(例如，通过等离子体源控制器270或FIB系统控制器272)通知系统操作员，并且系统随后在步骤322中等待来自操作员的响应，通向图4中的流程图400。如果光强超过该最小值，则步骤324包括分析光谱，然后设置过程前进至图5中的流程图500中示出的处理。

图4是与源管的内部的氧等离子体清洁的过程对应的流程图。基于下面的假设预测这种清洁处理的使用：检测到的来自源管的光发射下降到低于最小强度的原因在于涂层形成在源管的内壁上，该涂层产生于处理气体或者可能的源管和电极组件的各部分的分解。假设这种涂层具有可被氧化为挥发性化合物(例如，CO、CO₂、H₂O等)的材料(例如，碳或碳氢化合物)，该材料可随后由源涡轮泵266抽走。流程图400从图3的步骤322继续进行。步骤402包括：确定是否检测到任何光。假设涂层从未变得如此不透明以至于根本没有光可被光谱仪252收集并分析，因此在没有检测到光的情况下，决定块402前进至步骤404，在步骤404中，操作员被通知不存在等离子体。随后，步骤412有效地包括：操作员采取其它校正行动，诸如替换一个或多个气体储存器204。甚至在如图3中的步骤310中所见地反射回到RF电源223的反射功率低于示出的阈值的情况下，即使没有等离子体，ICP源的其它部件也可以吸收RF功率。这种情景最有可能是非常不希望的情况，应该通过操作员干预或自动RF功率切断来尽可能快地结束该情况以防止ICP源的各部分的过度加热(尤其是可过热并释放气体或燃烧的部件，诸如O形环)。

当检测到一些光时，步骤406包括：向系统操作员通知源管可能需要清洁。步骤408包括：等待操作员批准清洁源管。接下来，步骤410包括批准氧管清洁的决定步骤。如果操作员不批准源管清洁，则处理前进至步骤412，在步骤412中，离开流程图400，并且操作员随后自由采取可被视为必要的不管什么校正行动，与没有检测到光的情况相同。如果操作员批准在源管内部使用氧等离子体清洁，则步骤414包括打开清洁氧源。在步骤416中，在步骤418中打开RF电源223之前必须达到预定义的气体流量和/或压力设置点。一旦RF电源223已被打开，步骤420包括调谐匹配箱222。

步骤422包括：监测反射回到RF电源223的功率，直至反射功率下降到低于预定义的最大反射功率。如果反射功率不小于预定义的最大值，则重新调谐匹配箱222，直至反射功率小于所述预定义的最大功率。一旦已通过关于匹配箱222的设置的调整实现这一点，该方法前进至步骤424中，在步骤424中，获取来自由源管220内的等离子体发射的光的氧发射光谱。在步骤426中，这种发射的光的强度随后被分析，并在氧等离子体被保持在源管内时在步骤428中被监测，直至发射的光(处在恒定等离子体功率)的强度逐渐增加到超过预定义的强度水平。氧光谱的强度的这种分析提供了确定等离子体管的清洁何时完成的终点方法。这种终点方法是有益的，因为某些清洁方法的过度暴露(诸如，氧清洁等离子体)能够对等离子体源有害。一旦已完成这一点，步骤430包括：关闭RF功率和通向源管220的氧的流动。此时，等离子体源控制器270的反馈系统已识别用于源管的氧清洁的重要终点，从而避免过度清洁的潜在损害。系统应该随后准备好使用，并且在开始块302重新进入图3的流程图。

图5是与用于使ICP源和FIB镜筒联机以用于样本的处理的过程对应的流程图500。直至来自源管220的足够的总光发射的点(从块318离开到块324的“是”)，在已在图3中的流程图300中开启等离子体之后，进入流程图500。在步骤502中，从源管220获取的光谱数据现在被更充分地分析，以确定源管内的离子种类的分布并且将其与预定义的所希望的离子种类分布进行比较。如果光谱不匹配，则步骤504包括：系统确定它是否已被设置为自动调谐模式。例如，通过使用来自PLC 256的自动化和来自等离子体源控制器270的数据，能够自动调谐源管的组成。如果否，则步骤508包括向操作员通知离子种类分布不与所述预定义的分布匹配，并且系统随后等待操作员采取其它行动。

如果系统处于自动调谐模式，则处理前进至步骤506，在步骤506中，基于预定等离子体优化结果系统地改变各种系统参数(例如，RF功率、每种处理气体的流量和/或压力设置、进气管中的总压力等)。这些参数能够基于预定的一组输入值而自动地改变。因为实时地完成这一点，所以光谱仪252连续地监测并分析来自源管的光发射，直至观察到的发射光谱与所希望的离子种类的预定义的光谱匹配。此时，决定块前往步骤510，在步骤510中，选择所希望的离子束电流的BAA。如果射束电流太低，则BAA致动器可用于选择较大的孔径，或者如果射束电流太高，则BAA致动器可用于选择较小的孔径。

步骤512是用于确定是否气体混合物正在被电离的决定块。如果气体混合物正在被电离(例如，正在由ICP离子源产生超过一种元素的离子)，则需要另外的步骤514以设置质量过滤器从而在正在由ICP离子源产生的许多离子种类中选择感兴趣的离子种类。很重要地注意到，许多离子种类能够来自具有不同电荷和分子状态的不同元素。一旦质量过滤器电场和/或磁场已被设置以便仅传送感兴趣的离子种类，或者如果不存在正在被电离的气体混合物，则射束熄灭器244可在步骤516中用于使离子束偏转到法拉第筒249中，使得能够在步骤518中精确地测量将会聚焦在样本280上的射束电流。在步骤520中，测量的电流能够由系统控制器272监测并被显示给系统操作员。

在本发明的一些优选实施例中，第二光谱仪290能够在由聚焦带电粒子束执行的样本280的处理期间用于终点。图6是与可选过程对应的流程图600，在该可选过程中，第二光谱仪290收集由于聚焦束与样本表面的撞击而从样本280发射的光并使用获得的光谱信息确定样本处理何时完成。在成功完成图3和5中表示的过程之后，也就是说，在步骤520之后，将会跟随该过程。在能够跟随图6的流程图600之前，如果图4中描述的过程是必要的，则它将会被完成，然后系统将会返回以完成图3中的流程图300，然后完成图5中的流程图500。

在图6的处理中，光谱仪290能够具有朝着聚焦离子撞击的样本表面的光纤光学装置292或类似的光收集装置。步骤602包括激活光谱仪290，随后，在步骤604中，获取并分析光谱信息。为了这种终点处理将会预定义两种光谱：1)将会被预期在由聚焦带电粒子束首次撞击时由样本发射的光的初始光谱特性，和2)将会被预期在由聚焦束执行的处理之后由样本发射的光的“最后”光谱特性。这些光谱的例子可以是：

1)二氧化硅的光谱，对应于集成电路上的金属化堆的绝缘材料。

2)铜的光谱，对应于金属化堆内的导体。通常，这些铜导体将会被埋藏在绝缘材料的层下面，并且FIB将会被用于形成高的纵横比开口以到达这些导电层以便例如执行电路编辑。

在图6中描述的处理期间，当FIB首先铣削掉材料时，来自样本的发射光谱被预期为是初始样本的发射光谱，在步骤608中称为“光谱(初始)”。在仍然存在该情况的同时，步骤608循环。一旦分析的光谱开始不同于光谱(初始)，则处理移至下一决定块610，决定块610比较分析的实时光谱与“光谱(最后)”。对于由射束处理速度和材料厚度确定的某一时间段，分析的光谱将会不同于光谱(初始)和光谱(最后)。一旦发生使用射束的足够量的突破，分析的光谱将会充分地接近光谱(最后)，并且在步骤612中，系统操作员将会被通知该处理已到达终点。在实践中，由操作员或者通过试错法或者通过哪些光谱类型提供正在进行的处理中的终点性能的专门知识确定分析的光谱何时充分地接近光谱(最后)。步骤614包括：确定系统是否处于自动停止模式。如果系统已被设置在自动停止模式，则在步骤616中，射束将会自动地熄灭。如果系统未被设置在自动停止模式，则它将会前进至步骤618，并且仅仅等待系统操作员通过可能熄灭射束来手工地做出响应。除了蚀刻之外，这种终点方法还能够应用于其它样本处理方法，诸如沉积。

根据本发明的一些实施例，一种带电粒子系统包括：等离子体源，包括用于包含等离子体的等离子体管；导体，用于把射频能量提供到等离子体管中；聚焦镜筒，用于把带电粒子束聚焦在样本上或聚焦在样本附近；和第一光谱仪，用于收集从等离子体管内发射的光。

在一些实施例中，带电粒子束系统还包括：控制器系统，用于基于从第一光谱仪收集的光的分析调节等离子体源和/或聚焦镜筒。在用户输入被提供给控制器系统的一些实施例中，被包括在反馈回路中的用户输入调节等离子体源和/或聚焦镜筒。

在一些实施例中，控制器系统监测源管内的等离子体的存在、源管内的等离子体的强度、在多个气体种类被同时电离的情况下在源管内的等离子体的元素组成或者在单一气体种类被电离的情况下在源管内的等离子体的离子种类组成。

在一些实施例中，控制器系统控制带电粒子束系统的操作参数，从而等离子体源的性质与一组预定性质匹配。在一些实施例中，带电粒子束系统还包括：第二光谱仪，用于收集从样本发射的光。在一些实施例中，从第二光谱仪收集的光的分析用于在样本的处理期间提供终点检测。

根据本发明的一些实施例，一种操作包括等离子体管的电感耦合等离子体源的方法包括：提供进入到等离子体源中的第一气体流；把射频能量提供到等离子体源中以在等离子体管中保持等离子体；从等离子体管提取带电粒子；在聚焦镜筒内把带电粒子聚焦为射束并把射束引导到工件上或工件附近；提供第一光谱仪以收集从等离子体管内发射的光；分析从第一光谱仪收集的光；以及基于从第一光谱仪收集的光的分析控制等离子体源。

在一些实施例中，该方法还包括：提供第二光谱仪以收集作为射束与工件撞击的结果而从样本发射的光，并分析从第二光谱仪收集的光。在一些实施例中，分析从第二光谱仪收集的光提供当处理工件时的终点确定的方法。

在一些实施例中，该方法还包括：在确定等离子体管应该被清洁时，关闭等离子体源的第一气体流和射频能量；然后，提供进入到等离子体源中的氧气流；重新开始提供给源的射频能量以保持氧等离子体从而清洁等离子体管；分析从第一光谱仪收集的光以基于发射的光的强度确定等离子体管的氧等离子体清洁是否完成；并且一旦发射的光的强度超过预定义的强度水平，关闭等离子体源的氧气流和射频能量。

在一些实施例中，该方法还包括：在氧等离子体清洁完成之后，重新开始进入到等离子体源中的第一气体流；把射频能量提供到等离子体源中以在等离子体管中保持等离子体；从等离子体管提取带电粒子；并在聚焦镜筒内把带电粒子聚焦为射束并把射束引导到工件上或工件附近。

在一些实施例中，该方法还包括：提供用户输入，该用户输入包括一组预定等离子体源性质并且在使用反馈回路控制等离子体源时包括该用户输入，从而等离子体源被调整以与所述一组预定等离子体源性质匹配。

在一些实施例中，基于从第一光谱仪收集的光的发射光谱的分析控制等离子体源包括：监测源管内的等离子体的存在、源管内的等离子体产生的强度、在多个气体种类被同时电离的情况下在源管内的等离子体的元素组成、在单一气体种类被电离的情况下的等离子体的离子种类组成或者在多个气体种类被同时电离的情况下的等离子体的组合离子种类组成。

在一些实施例中，控制等离子体源包括：改变操作参数，从而从第一光谱仪收集的光的性质与所希望的离子组成的性质匹配。在一些实施例中，该方法还包括：控制聚焦镜筒的部件。在一些实施例中，控制聚焦镜筒的部件包括：控制质量过滤器以传送所希望的离子种类，为所希望的离子束电流选择射束接收孔径，或者控制聚焦透镜上的电压。在一些实施例中，控制等离子体源是自动化处理。

虽然以上本发明的描述主要涉及设备，但应该意识到，使用要求保护的设备的方法将会进一步落在本发明的范围内。另外，应该意识到，能够经计算机硬件或软件或者二者的组合实现本发明的实施例。根据在本说明书中描述的方法和附图，方法能够实现在使用标准编程技术的计算机程序中——包括利用计算机程序配置的计算机可读存储介质，其中这样配置的存储介质使计算机以特定和预定义方式操作。每个程序可按照高级程序化或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，如果需要，能够按照汇编或机器语言实现程序。在任何情况下，语言能够是编译的或解释的语言。此外，程序能够在为了该目的而编程的专用集成电路上运行。

另外，方法能够被实现在任何类型的计算平台中，包括但不限于，个人计算机、迷你计算机、大型计算机、工作站、联网或分布式计算环境、与带电粒子工具或其它成像装置分开、集成到带电粒子工具或其它成像装置或者与带电粒子工具或其它成像装置通信的计算机平台等。本发明的各方面可按照存储在存储介质或装置上的机器可读代码被实现，不管是可移动的存储介质或装置还是集成到计算平台的存储介质或装置，诸如硬盘、光学读和/或写存储介质、RAM、ROM等，从而当存储介质或装置由计算机读取以执行本文描述的过程时，它可由可编程计算机读取以配置并操作计算机。此外，机器可读代码或其一部分可经有线或无线网络传输。当这些和其它各种类型的计算机可读存储介质包含用于结合微处理器或其它数据处理器实现上述步骤的指令或程序时，本文描述的发明包括这种介质。当根据本文描述的方法和技术对计算机编程时，本发明还包括计算机自身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本文描述的功能并由此变换输入数据以产生输出数据。输出信息被应用于一个或多个输出装置，诸如显示监视器。在本发明的优选实施例中，变换的数据代表物理和有形对象，包括在显示器上产生物理和有形对象的特定视觉描述。

本发明具有广泛的适用性，并且能够提供在以上例子中描述并显示的许多益处。实施例将会在很大程度上取决于特定应用，并且并非每个实施例将会提供所有的益处并且满足可由本发明实现的所有目的。在本说明书中未具体地定义任何术语的程度上，意图在于术语将被给予它的普通的含义。附图旨在帮助理解本发明，并且未按照比例绘制，除非另外指出。

在本文的讨论中以及在权利要求中，术语“包含”和“包括”被以开放方式使用，因此应该被解释为表示“包括但不限于…”。另外，每当在本文使用术语“自动”、“自动化”或类似术语时，这些术语将会被理解为包括自动或自动化处理或步骤的手工开启。术语“FIB”或“聚焦离子束”在本文用于表示任何准直离子束，包括由离子光学装置聚焦的射束和成形离子束。

虽然已详细描述本发明及其优点，但应该理解，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，能够在本文做出各种改变、替换和修改。此外，本申请的范围并不意图局限于在本说明书中描述的处理、机器、制造、物质的组成、装置、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将会容易地从本发明的公开理解，根据本发明，可使用目前存在或者以后将会开发的执行与本文描述的对应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的处理、机器、制造、物质的组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在在它们的范围内包括这种处理、机器、制造、物质的组成、装置、方法或步骤。

Claims (18)

1.一种带电粒子束系统，包括：

等离子体源，包括用于包含等离子体的等离子体管；

导体，用于把射频能量提供到等离子体管中；

聚焦镜筒，用于把带电粒子束聚焦在样本上或聚焦在样本附近；和

第一光谱仪，用于收集从等离子体管内发射的光。

2.根据权利要求1所述的带电粒子束系统，还包括：控制器系统，用于基于从第一光谱仪收集的光的分析调节等离子体源和/或聚焦镜筒。

3.根据权利要求2所述的带电粒子束系统，其中用户输入被提供给控制器系统，所述用户输入被包括在反馈回路中以调节等离子体源和/或聚焦镜筒。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的带电粒子束系统，其中所述控制器系统监测源管内的等离子体的存在、源管内的等离子体的强度、在多个气体种类被同时电离的情况下在源管内的等离子体的元素组成或者在单一气体种类被电离的情况下在源管内的等离子体的离子种类组成。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的带电粒子束系统，其中所述控制器系统控制带电粒子束系统的操作参数，从而等离子体源的性质与一组预定性质匹配。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的带电粒子束系统，还包括：第二光谱仪，用于收集从样本发射的光。

7.根据权利要求6所述的带电粒子束系统，其中从第二光谱仪收集的光的分析用于在样本的处理期间提供终点检测。

8.一种操作包括等离子体管的电感耦合等离子体源的方法，包括：

提供进入到等离子体源中的第一气体流；

把射频能量提供到等离子体源中以在等离子体管中保持等离子体；

从等离子体管提取带电粒子；

在聚焦镜筒内把带电粒子聚焦为射束并把射束引导到工件上或工件附近；

提供第一光谱仪以收集从等离子体管内发射的光；

分析从第一光谱仪收集的光；以及

基于从第一光谱仪收集的光的分析控制等离子体源。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：提供第二光谱仪以收集作为射束与工件撞击的结果而从样本发射的光，并分析从第二光谱仪收集的光。

10.根据权利要求9所述的方法，其中分析从第二光谱仪收集的光提供当处理工件时的终点确定的方法。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，还包括：

在确定等离子体管应该被清洁时，关闭等离子体源的第一气体流和射频能量；

然后，提供进入到等离子体源中的氧气流；

重新开始提供给源的射频能量以保持氧等离子体从而清洁等离子体管；

分析从第一光谱仪收集的光以基于发射的光的强度确定等离子体管的氧等离子体清洁是否完成；以及

一旦发射的光的强度超过预定义的强度水平，关闭等离子体源的氧气流和射频能量。

12.根据权利要求8-11中任一项所述的方法，还包括：

在氧等离子体清洁完成之后，重新开始进入到等离子体源中的第一气体流；

把射频能量提供到等离子体源中以在等离子体管中保持等离子体；

从等离子体管提取带电粒子；以及

在聚焦镜筒内把带电粒子聚焦为射束并把射束引导到工件上或工件附近。

13.根据权利要求8-12中任一项所述的方法，还包括：提供用户输入，所述用户输入包括一组预定等离子体源性质并且在使用反馈回路控制等离子体源中包括所述用户输入，从而等离子体源被调整以与所述一组预定等离子体源性质匹配。

14.根据权利要求8-13中任一项所述的方法，其中基于从第一光谱仪收集的光的发射光谱的分析控制等离子体源包括监测源管内的等离子体的存在、源管内的等离子体产生的强度、在多个气体种类被同时电离的情况下在源管内的等离子体的元素组成、在单一气体种类被电离的情况下的等离子体的离子种类组成或者在多个气体种类被同时电离的情况下的等离子体的组合离子种类组成。

15.根据权利要求8-14中任一项所述的方法，其中控制等离子体源包括：改变操作参数，从而从第一光谱仪收集的光的性质与所希望的离子组成的性质匹配。

16.根据权利要求8-15中任一项所述的方法，还包括：控制聚焦镜筒的部件。

17.根据权利要求16所述的方法，其中控制聚焦镜筒的部件包括：控制质量过滤器以传送所希望的离子种类，为所希望的离子束电流选择射束接收孔径，或者控制聚焦透镜上的电压。

18.根据权利要求8-17中任一项所述的方法，其中控制等离子体源是自动化处理。

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