CN107079572A - 电子束诱导等离子体（eBIP）在检验、测试、调试及表面改质中的应用 - Google Patents

Abstract

利用电子束诱导等离子体来与所关注装置建立非机械电接触。此种等离子体源可被称为大气等离子体源且可用以提供具有极细直径及可控特性的等离子体柱。所述等离子体柱横穿通入大气中的等离子体源与所关注装置之间的大气空间，且用作通向所关注装置的电路径，以便可从装置收集特性电信号。另外，通过控制流动至所述等离子体柱中的气体，可使用所述探测体来进行表面改质、蚀刻及沉积。

Description

电子束诱导等离子体(eBIP)在检验、测试、调试及表面改质中 的应用

相关申请交叉参考

本申请主张2014年9月17日提出申请的第62/051,871号美国临时专利申请的优先权利，所述美国临时专利申请主张2013年10月3日提出申请的第61/886,625号美国临时专利申请的优先权利，并且也与2012年7月10日提出申请的名称为“利用电子束诱导等离子体探测体对电子装置进行电检验(ELECTRICAL INSPECTION OF ELECTRONIC DEVICES USINGELECTRON-BEAM INDUCED PLASMA PROBES)”的第W02013/012616号PCT专利申请有关，这两个专利申请的内容均以引用方式全文并入本文中。

技术领域

本发明的各种实施例大体来说涉及对电子装置的非机械接触式探测、以及对装置及组织的表面改质。具体来说，各种实施例涉及电子束诱导等离子体探测体在计量学及表面改质中的应用。

背景技术

在不必建立机械接触的情况下在已图案化结构上测量及施加电压及电流的能力对于半导体装置及平板显示器(例如，液晶显示器及有机发光二极管(OLED)显示器、背板、及印刷电路板)的功能(电)测试来说较重要，这是因为非机械接触式探测会将对受测试装置/面板的损坏可能性最小化并且也有益于提高测试处理量(testing throughput)。

Photon Dynamics’，奥宝公司(Orbotech company)的Voltage光学系统(VIOS)，采用电光换能器将受测试装置上的电场转变成由光学传感器捕获的光学信息。其他技术通过次级电子来提供对受测试装置上电压的间接测量，且需要将装置放置在真空中。这些方法主要是面向电压测量，且仍需要对装置外围上的垫进行机械接触以驱动用于进行检验的信号。

随着对例如OLED等新一类电流驱动型装置的开发，出现了对非机械探测体的需要。与例如传统LCD等电压驱动型装置形成对比，在阵列制作后测试基于OLED的平板显示器的优选方式是以非破坏性方式使电流穿过未经密封像素电极，尤其是在其中单元保持电容较小的那些OLED架构中。近来，出现了一类不同的基于导电等离子体的检验方法。支持这些方法的主要概念是：定向性等离子体可充当非机械接触式探测体，所述等离子体除固定离子外还含有移动的次级电子。在过去已提出了数种此类“等离子体探测”方法。这些方法大致可被划分成两类：一类是基于高强度激光诱导电离，其在高电离阈值情况下会呈现出使受测试装置受到激光诱导损坏的可能风险；且另一类是基于高压电晕放电，其中已电离物质具有宽范围的散射角(几乎没有定向性控制)且也会呈现出尤其与电弧形成有关的损坏风险。

已使用利用膜片及差动泵激式孔径的电子束成像系统来使电子束传播至气体环境中，以在扫描电子显微镜(SEM)中对活体样品/湿样品进行电子束表征、或者在活体样本上进行X射线衍射。

在半导体制造中所使用的目前技术水平的基于电子束的检验及对齐系统主要依赖于真空中的次级电子(SE)及/或经反向散射电子(BSE)成像。此种技术涉及大型真空围封罩及复杂电子光学器件，从而使得系统成本较高、工厂占用面积较大且可能影响处理量。在半导体制造中所使用的电子束应用的实例包括：使用SE进行电压衬度测量以检验通路短路(在IC制作过程中的一些过程步骤处)、高纵横比特征(例如，深沟槽及穿硅通路(TSV))成像、以及用经反向散射电子进行样本对齐。

在先前提出申请的第W02013/012616号PCT专利申请中，描述了一种用于测试平板显示器的大气等离子体探测体。进一步的工作已开发出了本文中将详述的额外应用，这些应用可使用相同或类似的等离子体探测体。

发明内容

包含以下概要是为了提供对本发明一些方面及特征的基本理解。此概要并非是对本发明的宽泛概述，且因此，其并非旨在具体识别本发明的关键或紧要元素或划定本发明的范围。此概要的唯一目的是以简化形式呈现出本发明的一些概念来作为下文所呈现更详细说明的前序。

各种所公开实施例利用电子束诱导等离子体(eBIP)来与所关注装置建立非机械电接触。此种等离子体源可被称为大气等离子体源且可用以提供具有极细直径及可控特性的等离子体柱。所述等离子体柱横穿通入大气(膜片或针孔)中的等离子体源与所关注装置之间的大气空间，且用作通向所关注装置的电路径，以便可从装置收集特性电信号。另外，通过控制流动至所述等离子体柱中的气体，可使用所述探测体来进行表面改质、蚀刻及沉积。

在各种所公开实施例中，电子束及所产生等离子体用于多个功能。举例来说，所述电子束既用于产生及维持等离子体又用于刺激所关注样本，例如，在样本内部产生电子-电洞对。随后，使用由驱动电子束维持的导电等离子体将电信号传递至外部测量设备，由此为因电子束刺激所产生的电流量提供传感器。利用此种方法，原位进行刺激及感测，即，在产生电流的确切点处收集所述电流，从而形成闭环操作。

根据所公开方面，提供一种大气等离子体设备，其包括：真空围封罩，在其第一侧处具有孔口；电子源，定位于所述真空围封罩内部且具有电子提取开口；提取器，定位于所述提取开口附近且用以从所述电子源提取电子，以形成电子束并引导所述电子束穿过所述孔口，其中所述电子束被配置成具有比所述孔口的直径小的直径；孔径板，被定位成覆盖所述孔口，所述孔径板是导电的且其上附装有导线，且其中所述孔径板具有直径比所述电子束的所述直径小的孔径，使得所述孔径板在所述电子束穿过所述孔径时减小所述电子束的所述直径；且其中所述电子束用以在其离开所述孔径时将大气电离，以维持等离子体柱。

根据其他方面，提供一种用于对样本执行电压衬度成像的方法，其包括：在真空围封罩中从电子源提取电子束；将所述电子束从所述真空围封罩传送至邻近环境气体中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱；使所述电子束在样本的所选区域上进行扫描，所述样本被定位成与所述电子束进入至气体环境中的进入点相对；跨越等离子体施加电压电位，以驱动从所述样本至拾取电极的电子电流；测量在所述拾取电极与所述样本之间流动的电子电流量；以及利用在所述所选区域上的每一位置处测量的所述电子电流量来产生图像，并在监视器上显示所述图像。所述方法可进一步包括如下步骤：利用所述图像或所测量电流检测所述样本中的缺陷。

根据其他所公开方面，提供一种用于利用电子束诱导等离子体探测体来执行维度对齐的方法，其包括：在真空围封罩中从电子源提取电子束；将所述电子束从所述真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱，由此界定等离子体探测体；使所述等离子体探测体在样本的所选区域上进行扫描，所述样本被定位成与所述电子束进入至所述气体环境中的进入点相对；跨越等离子体施加电压电位，以驱动从所述样本至拾取电极的电子电流；测量在所述拾取电极与所述样本之间流动的电子电流量；以及利用所述电子电流的测量值来确定所述等离子体探测体的垂直对齐。所述方法可进一步包括：测量从所述样本散射的经反向散射电子；以及利用经反向散射电子的测量值来确定所述等离子体探测体的横向对齐，由此提供三维对齐。在一些方面中，使用所述对齐来执行LED、OLED或LCD阵列测试。

根据又一些方面，提供一种用于利用电子束诱导等离子体探测体来检验样本的材料组成分布的方法，其包括：在真空围封罩中从电子源提取电子束；将所述电子束从所述真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱，所述已电离物质柱界定等离子体探测体；使所述等离子体探测体在样本的所选区域上进行扫描，所述样本被定位成与所述电子束进入至所述气体环境中的进入点相对；跨越等离子体施加电压电位，以驱动从所述样本至拾取电极的电子电流；测量从所述拾取电极流动至所述样本中或从所述样本流动至所述拾取电极中的电子电流量；将由所述样本的形貌特征引起的所述电子电流的测量值的变化去卷积；利用所述所测量电子电流的所述经去卷积变化来确定所述样本的材料组成变化。

在其他方面中，提供一种用于利用电子束等离子体探测体来测量样本的形貌的方法，其包括：在真空围封罩中从电子源提取电子束；将所述电子束从所述真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱，所述已电离物质柱界定等离子体探测体；使所述等离子体探测体在样本的所选区域上进行扫描，所述样本被定位成与所述电子束进入至所述气体环境中的进入点相对；跨越等离子体施加电压电位，以驱动从所述样本至拾取电极的电子电流；测量从所述拾取电极流动至所述样本中或从所述样本流动至所述拾取电极中的电子电流量；将由所述样本的材料组成引起的所述电子电流的测量值的变化去卷积；利用所述所测量电子电流的所述经去卷积变化来确定所述样本的形貌变化。

根据其他方面，提供一种用于检验样本中的高纵横比结构的方法，其包括：在真空围封罩中从电子源提取电子束；将所述电子束从所述真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱，所述已电离物质柱界定等离子体探测体；使所述等离子体探测体在样本的所选区域上进行扫描，所述样本被定位成与所述电子束进入至所述气体环境中的进入点相对；使所述等离子体探测体在所述样本的位于所述高纵横比结构上方的所选区域上进行扫描；跨越等离子体施加电压电位，以驱动从所述样本至拾取电极的电子电流；测量从所述拾取电极流动至所述样本中或从所述样本流动至所述拾取电极中的电子电流量；利用在每一像素处在所述所选区域上所测量的电子电流量产生图像并在监视器上显示所述图像。所述方法可进一步包括如下步骤：基于所测量电流而检测所检验高纵横比结构中的缺陷或工艺偏差。

其他方面提供一种用于对样本中的嵌入式缺陷执行大气电子束诱导电流测量的方法，其包括：从电子源提取电子束；将所述电子束从真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱；使所述电子束在样本的所选区域上进行扫描，以在所述样本中产生电子-电洞对，所述样本被定位成与所述电子束进入至所述气体环境中的进入点相对；利用等离子体探测柱从样本收集电流；以及测量从样本流动的电流量。所述方法可进一步包括可控地将气体喷射至等离子体中。

根据其他方面，提供一种用于使神经元兴奋的方法，其包括：从电子源提取具有所界定直径的电子束；将所述电子束从真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱；将已电离物质引导至所选神经元上。

另一方面提供一种用于金属3D打印的方法，包括：从电子源提取具有所界定直径的能量高达数十keV的电子束；将所述电子束从真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱，所述已电离物质柱界定等离子体探测体；利用等离子体准备好用于被施加的表面；利用初级电子束使呈经溅镀金属微粒或细金属丝形式的金属熔化，以基于经预先设计的图案来沉积一层；重复以上过程，以在扩展区域及多个垂直层上执行打印动作。可利用电磁透镜或移动式载台来使电子束进行扫描。所述系统可连接至具备CAD功能的计算机并由所述具备CAD功能的计算机控制。所述方法可包括将已电离物质引导至被打印样本的所选区域上，以由此将加性元件粘附至被打印样本。

根据又一些方面，提供用于治疗活体组织的方法，其包括：从电子源提取具有所界定直径的电子束；将所述电子束从真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱；在所述电子束离开而进入至所述气体环境中时对所述电子束的横向尺寸进行操纵；将等离子体已电离物质引导至所述活体组织的所选区域上。所述治疗可包括以下中的一个：治疗性应用、消毒、去污、伤口治愈、血凝固、癌细胞治疗。

其他方面包括用于对样本的表面特性进行改质的方法，其包括：从电子源提取具有所界定直径的电子束；将所述电子束从真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱，所述已电离物质柱形成等离子体探测体；在所述电子束离开而进入至所述气体环境中时对所述电子束的横向尺寸进行操纵；使所述等离子体探测体在所述样本的所选区域上进行扫描，以对所述样本的所述表面特性进行改质。所述表面改质可包括以下中的一个：灰化、蚀刻、表面活化、钝化、润湿、及官能化。

在所公开实施例中的任一个中，环境气体可包括空气、或者一种或多种惰性气体的混合物。此外，从真空围封罩传送电子束可包括使电子束穿过设置在孔径板中的针孔，所述孔径板将真空环境与环境气体分离。从真空围封罩传送电子束可进一步包括在使电子束穿过针孔之前，使电子束穿过膜片。可对样本、孔径板或膜片中的至少一个施加电压电位。孔径板或膜片可包括拾取电极。所述方法可进一步包括：在与样本进行相互作用或对样本进行改质之前使用电子束及/或等离子体来进行感测；随后加工样本、与样本进行相互作用或对样本进行改质，随后在加工样本、与样本进行相互作用或对样本进行改质之后再次进行感测。因此，所述方法建立闭环加工(感测-加工-感测)。

附图说明

被并入本说明中并构成本说明书一部分的附图例示本发明的实施例，并与说明一起用于解释及例示本发明的原理。附图旨在以示意性方式例示实例性实施例的主要特征。附图并非旨在绘示实际实施例的每一特征以及所示元件的相对尺寸，且并非是按比例绘制。

图1是根据本发明第一实施例的非机械接触式信号测量设备的示意性剖视图；

图2及2A是例示用于电压衬度检验的方法的示意图；

图3是例示用于高纵横比孔洞及沟槽检验的方法的示意图；

图4及4A是例示用于三维对齐的方法的示意图；

图5是例示用于电子束诱导电流(EBIC)的方法的示意图；

图6是例示用于控制电子束在大气中的直径的针孔的操作的示意图；

图7是例示根据一个实施例利用针孔的设备的示意图；

图8是例示根据另一实施例利用针孔的另一设备的示意图；

图9例示可在本文所述实施例中的任一个中使用的针孔孔径板的俯视图。如图所示，所述孔径板具有小针孔，且设置有电隔离件以将所述板划分成四个象限；

图10例示可在本文所述实施例中的任一个中使用的针孔孔径板的俯视图。如图所示，所述孔径板具有小针孔，且设置有电隔离件以将所述板划分成同心电隔离圆形区段；

图11是使用电子束诱导等离子体探测体进行3D打印的图解；进料金属丝供应将被打印的材料；初级束使所述金属丝熔化，且可使用等离子体电流来感测被打印材料；

图12是使用电子束诱导等离子体探测体进行空间选择性表面改质(活化、润湿、官能化等)的图解；

图13是将电子束用于治疗性应用的图解；

图14是将电子束用于嵌入式(即，子表面)微通道的图解；

图15是显示用于通过遵循与底部衬底上的图案相匹配的图案进行eBIP过程而在嵌入式微通道中获得最优毛细管流体流的实施例的视图；

图16例示电子束系统，所述电子束系统包括载台总成，以使被加工装置相对于电子束诱导等离子体横向移动；

图17例示具有最终开口孔径及多个室的系统，所述多个室是差动泵激式，以使枪系统内部的压力保持在必需操作水平；

图18A及18B例示用于使流体在其中流动的简单微通道衬底；

图19A及19B例示对其中未切削有通道的平整衬底进行的测试，此得出不同接触角(CA)；

图20A及20B例示其中形成且随后利用eBIP来处理物理通道的微通道装置；

图21A及21B例示其中形成“虚拟”通道的实施例；以及

图22例示具有单个流体喷射点及多个通道的另一微通道装置。

具体实施方式

下文所述的各种实施例提供基于高分辨率、高灵敏度及紧凑型大气电子束诱导等离子体探测技术的解决方案。此种技术本质上是依赖于如下事实：由碰撞电离事件产生并在空气中由电子束驱动的等离子体充当非机械导电触点，从而使得受测试装置(DUT)上的电压能够通过所产生的次级等离子体电子电流来进行测量。顾名思义，此种技术并不需要将DUT保持在真空中。而是，仅需将电子发射极(阴极)及电子光学器件保持在真空围封罩中。此外，此种技术的实施方案仅需要简单的电子光学器件配置(例如，提取栅格及静电透镜)，从而使枪成本保持较低且使其尺寸(及因此围封罩的尺寸)保持紧凑。电子束离开容纳电子枪的真空围封罩而经由薄的电子可透过膜片(SiN、SiC、Be等)及/或经受差动泵激作用的显微针孔进入至周围的大气环境中。由等离子体探测体中的移动次级电子所携载的信号可由被施加至面向DUT的膜片侧的导电薄膜(厚度最高达20nm的Ti、Cr等)拾取、或者在使用针孔的情况下由针孔本身(假定其由导电材料制成且与电子枪围封罩的其余部分隔离)拾取。信号从此处被馈送至适当的获取装置(例如，高精度、高速度静电计)以供进行进一步信号处理。

在不使本发明的新颖性或实用性受任何损失的情况下，下文所列示各种应用所需的空间分辨率也可通过使用小直径电子束发射极及高度聚焦电子束柱来实现。尽管此种方法可能会增加系统成本，但其仍提供胜过需要真空及装载锁(load-lock)样本围封罩的系统的差别优势。与由等离子体探测体实施本文所述应用相关联的物理原理与用以产生最终电子束斑的方法无关。

然而，产生高分辨率最终电子束斑的最简单方法是使用针孔来使输出电子束受到孔径作用。此种方法将电子束直径与束能量解耦，从而减少了为实现小且稳定的焦斑而对高端电子光学器件的需要且为系统紧凑性提供了更大可能性。此外，针孔可用作偏压与信号收集电极，且其与独立膜片相比可容许使用更高的入射电子束电流。此外，可将足够厚的针孔切分成4个被隔离象限，以实现束偏转控制。此种孔径可以使得其可被附加至膜片或附加在次级室上的方式来实施。

针孔的边缘应厚至足以阻挡入射的初级电子束，以便形成礼帽型束轮廓。此又会产生具有界限清晰的边缘的等离子体探测体，从而使透入深度(skin-depth)及来自阵列式目标的串扰最小化。此外，针孔应足够小于入射电子束，并且也具有导电表面，以使其接触在阴极室的空气侧上所产生的等离子体线。针孔还应是实质上厚的：(通常>50微米)，以容许漆包线附装至其边缘且防止电荷积累。最终，针孔应与室本体电绝缘；即，其不应短接至地。

为更好地理解下文所述的各种实施例，将首先提供对大气电子束诱导等离子体源的简要说明。电子束可对空气或其他气体提供有效电离，且产生高度定向性等离子体柱，但受测试装置(下文中或者称为受测试结构)受到损坏的风险很小。电子束也可对等离子体探测体的横向尺寸提供控制，这对于在位于装置上的较小高密度导体上测量电信号来说是重要的优势。

图1是根据本发明第一实施例的非机械接触式信号测量设备100的示意性剖视图。电子束产生器120使用传统方法在真空130中产生电子束110。电子束110穿过位于真空围封罩的一部分140a中的孔口145而离开真空围封罩140(下文中或者称为真空室)。电子束的一部分传递至真空围封罩外部的环境气体150(下文中或者称为环境或气体)。可通过电子束可半透过的膜片与框架总成155来维持容纳电子束产生器的真空围封罩内部的真空。

或者，当所述孔口或大量孔口小至足以在真空围封罩内部维持真空时，膜片与框架总成155可以是任选的。

在进入环境气体后，电子束的被引导至气体中的部分中的电子与气体原子碰撞且被偏转或通过电离而损失能量。因此，电子束的被引导至气体中的部分在电子束所穿过的气体中诱导出等离子体160(下文中或者称为等离子体探测体)。除慢速气体离子以外，这些电子-气体碰撞还会形成低能量次级电子，所述次级电子会自由传导。因此，可通过所述等离子体来测量或施加电压及电流。所述等离子体随后可充当非机械接触式电探测体或等离子体探测体。经反向散射电子并不用于在等离子体探测体中携载电压或电流信号，而是可使用适当检测器来收集，以实现本发明的附加益处。

图1还显示设置在受测试结构170上的第一导体或半导体165，所述气体可与第一导体或半导体165接触。所述受测试结构可由基底175支撑或被实施在基底175上。所述膜片与框架总成的面向“装置”或“受测试结构”(在真空围封罩外部)的侧可涂覆有第二导体180，第二导体180可以是薄的导电膜，如下文更详细地进行描述。气体150与第一导体165及第二导体180接触。在替代实施例中，真空围封罩的环绕膜片或孔径(束穿过所述膜片或孔径而离开围封罩)的一部分可对应于第二导体而以导电材料或以涂覆有导电装置侧膜的材料制成。在另一替代实施例中，第二导体可被形成为单独的电极或膜，所述电极或膜位于膜片/框架总成155与第一导体之间某处，但未必直接附装至膜片(只要第二导体电耦合至等离子体、不扰动处于真空围封罩外部的电子束部分即可)，且可附装至检验头195。真空围封罩、电子束产生器及第二导体可被称为检验头195，其用于产生等离子体探测体。

第二导体180可耦合至电测量装置185或信号源190。数据存储与系统控制块198控制测试例程并存储所测量数据，且耦合至检验头195、电测量装置185及信号源190。数据存储与系统控制块198内的数据存储单元可耦合至测量装置且适以存储来自测量装置185的多个数据值。数据存储与系统控制块198内的控制单元可耦合至数据存储单元、测量装置185及信号源190。数据存储单元、测量装置185及信号源190可对控制单元作出响应。

图6是用于解释根据本发明一个实施例，针孔孔径的构造及操作的近视图。孔径板被定位在电子束的路径中，从而将真空侧与大气侧分离。所述孔径板包括针孔，所述针孔具有比电子束在真空中的直径d_v小的直径。因此，所述针孔的尺寸控制了电子束在大气中的直径d_a。也就是说，针孔孔径对离开阴极室的电子束进行界定，且是与用于可能差动泵激作用的孔径不同的孔径。使电子束受到孔径作用也会使得等离子体探测体直径受到控制。当将针孔孔径结合膜片使用时，来自阴极室的初级电流受膜片对由入射电子束产生的热剂量的耐受能力限制。当使用针孔而不使用膜片(即，呈差动泵激配置)时，此限制不再适用，但会对真空系统强加一些约束条件。针孔孔径将电子束直径与电子束能量解耦，从而消除了对高端电子光学器件的需要。

如图6中所示，孔径的边缘应具有充足厚度(表示为T)，以在需要之处阻挡入射的初级电子束并形成礼帽形束轮廓。此会产生具有硬边缘的等离子体探测体，从而将透入深度及来自阵列式目标的串扰最小化。

图7例示利用针孔孔径(例如图6所示针孔孔径)的设备。在图7中，针孔孔径可在有或无膜片的情况下使用；然而，在针孔孔径板与室本体之间必须设置电绝缘件，使得针孔板不会短接至室本体。将电线(例如，细漆包线)连接至孔径板，以完成从等离子体、穿过针孔孔径板并到达所述线的信号路径。

图8例示另一实施例，其中在次级泵激室中使用针孔孔径板来辅助差动泵激作用。在此实施例中，也必须将针孔孔径板与次级泵激室隔离，且应将电线连接至所述板，以闭合电路径。

图9例示可在本文所述实施例中的任一个中使用的针孔孔径板的俯视图。如图所示，所述孔径板具有小针孔，且设置有电隔离件以将板划分成四个象限。图10例示可在本文所述实施例中的任一个中使用的另一针孔孔径板的俯视图。如图所示，所述孔径板具有小针孔，且设置有电隔离件，以将所述板划分成多个同心的电隔离圆形区段。如图9及10中所示，将单独的导线连接至孔径板的每一电隔离区段，以便可针对每一区段分别地获得信号。

高分辨率电压衬度成像

电压衬度是一种故障隔离技术，其适用于在IC制作中将成品率问题隔离至特定的电路或电路块。在现有技术中，电压衬度测量是通过以下方式来执行：将样本放置在真空室中，并利用电子束来对样本充电，之后利用次级电子将样本成像。此通常是两步骤过程且需要高真空室及精密电子束源。断开的通路(即，未连接至地的金属触点)将保留电荷，且在次级电子图像上与被连接至地的那些电触点显得不同。换句话说，断开的通路会局部地陷获电荷并改变样本的表面电压。例如，此可用于检查集成电路中的哪些触点是闭合的及哪些触点是断开的。

根据一个实施例，使用例如光刻技术来制成直径为数十nm的针孔。利用针孔与DUT之间相对短的工作距离(10-50um)，应能够在保持足以产生大于10pA的等离子体信号的电子束电流的同时实现50nm及以下的等离子体束直径。举例来说，分辨率与信号电平的此种组合应能够在例如开门触点等关键IC结构中检测到缺陷。不同于传统的电压衬度成像技术，电子束诱导等离子体探测方法不需要对所检验通路进行两步骤测量(预充电及探测)便能通过次级电子发射横截面的修改判断出所检验通路是否为断开的。等离子体探测体可通过测量等离子体电流并将其与黄金参考(golden reference)进行比较而以单个步骤执行开路/短路测量，从而简化了工具方案并实现了处理量优势(参见图2)。

可通过使电子束及因此等离子体柱在样本上进行扫描来执行测试。施加偏压电位，以便将来自等离子体的电子驱动至样本中。通过连接至金属孔径的检测器来测量来自样本的电流，初级电子束在所述金属孔径中离开设备。如果正被扫描的特征电连接至共地，则将有电流流动且电流读数将计示在检测器处。相反地，如果正被扫描的特征被隔离，即，存在开路，则将无电流流动，且在检测器处电流读数将计示为不同值。随着开路或局部开路的电阻变化，将会有不同电流流动，从而将获得不同电流读数。可对这些电流读数进行映射，以提供所扫描区域的电压衬度图像。

图2A中例示其中将电压电位施加至电极180以便从等离子体将电子电流驱动至样本中的布置。与所述电极串联地提供电流测量，以由此测量流动至样本170中的电流。应了解，如果等离子体探测体接触样本的具有许多断开通路的区域，则从电子源初级束流动的电子可给样本充电，从而使测量值失真。因此，在一些实施例中，施加至电极180的电位是交流式，以周期性地将样本放电。此确保使制作恰当的特征及有缺陷的特征将会对通过等离子体探测体所施加的电压提供不同响应，从而实现电压衬度成像。

另外，在图2A中，使用气体喷射器171将气体混合物喷射至等离子体中，以通过混合物中气体的原子序数及密度来控制电子束的信号电平及束展宽量，所述原子序数及密度控制了气体混合物与电子束之间的相互作用横截面。举例来说，喷射氦气将使得电子束的展宽量较小，但也使信号较小。相反地，氩气将使束产生较大展宽量，且使信号增大。因此，通过对所喷射气体(例如，氦气与氩气混合物中氩气与氦气的比率)进行控制，可控制束展宽量及信号电平。

应注意，在适当样本偏压下，等离子体电流可比入射电子束电流大最多2个数量级。这归因于以下事实：初级电子束电流中的单个电子(其通常具有处于5-50keV范围中的能量)经历多次接连的随机非弹性碰撞，从而产生许多次级电子，所述次级电子的移动性足以沿着探测体的整个长度(通常小于几百微米)携载等离子体信号。可利用局部稀有气体环境(Ar、Ne、…)来进一步提升等离子体电流，所述环境会引起更高电离率。另一方面，举例来说，对于He，应能够实现更小等离子体直径，即，小至数纳米的更高分辨率。可通过以下操作以稳定方式对探测分辨率与导电性之间的折衷进行预先工程设计：将电子束的进入点与样本之间的工作空间浸入在对于给定应用来说适合的气体混合物中。

如可了解，由于等离子体探测体可用于在无需使所检验衬底处于真空中的情况下在大气环境中执行电压衬度检验，因而根据此实施例的工具可被集成至加工工具中，而非作为独立工具。举例来说，等离子体探测体可被集成至蚀刻机或CMP工具中以在晶片加工完成之后立即执行检验。另外，等离子体探测体可被安装在用于加工集成电路的集群工具的前端(也称为小型环境)中，例如，以用于进行预先映射或对准。

此外，等离子体探测体的可实现分辨率可比传统电压衬度测量系统的可实现分辨率高得多。这至少部分地是由于等离子体探测体的横向尺寸与受测试结构的横向尺寸的比率需要小至足以检测到结构与周围背景之间的差分信号。由于等离子体电流的SNR极高，因而等离子体探测体对于受测试结构来说可为相当大的。因此，在使用横向尺寸大得多的等离子体探测体时，将有效分辨率可被降低至约5纳米。另一方面，传统电压衬度测量系统中所使用的次级电子成像需要使入射电子束小于正被探测的结构的尺寸。

此外，由于等离子体探测体不需要单独的平台及真空，因而其处理量可比标准独立工具高得多。此外，其需要单步骤照明与成像过程，而标准工具需要两步骤预先调剂(pre-dosing)及成像过程。

高纵横比(HAR)结构以及深沟槽检验与成像

电子束诱导等离子体探测体电流对于拾取电极与受测试装置之间的间隔极为灵敏。初步实验室测试展示出了亚微米灵敏度，但通过更好的电流检测器能够实现好得多的灵敏度。探测柱电阻率对所述间隔的依赖性是等离子体鞭鞘效应(plasma sheath effect)与绝对欧姆电阻的组合，所述绝对欧姆电阻归因于探测体中次级电子载子的有限平均自由路径。因此，可使用电子束诱导等离子体探测体来对例如深沟槽及穿衬底通路(TSV)等高纵横比半导体特征进行成像及检验；参见图3。HAR结构计量学在现代电子产品的3D集成与封装中是重要的，且在高密度存储器制作中也是关键的。基于实验观测值，预期可以等离子体探测体来解析小于1微米的高度变化。例如扫描电子显微镜检查术或原子力显微镜检查术(AFM)等有竞争性的技术由于前一种技术中相对短的焦深(电压衬度测量中所使用的次级电子具有有限的平均自由路径)或对后一种技术的几何约束(在AFM中所使用的悬臂具有有限的行程)而并不提供此种能力。光学散射测量术对于高纵横比结构成像来说是一种有前景的替代候选项，但并不十分适于稀疏结构及高吸收性材料(如Si或金属)。应注意，对于异质材料结构(例如，金属线位于电介质上)，先前已对材料组成或预期形貌具有一些了解可为有利的，因为等离子体电流也将取决于所检验材料的导电性。因此，也可对等离子体探测信号进行处理，以产生受测试结构的图像，从而提供具有高分辨率及大工作距离的极为经济且独特的成像能力。

应注意，对于本文所述的测量，并不需要对样本施偏压或将其接地，因为电流是从电子束源中的电极驱动。电极也可以是电子束源的孔径。

三维(3D)对齐

电子束诱导等离子体探测体提供独特的3D对齐能力(参见图4及4A)，这与目前技术水平的基于经反向散射电子(BSE)的方法形成对比，此种方法由于BSE对工作距离的低灵敏度而仅达成平面对齐。由等离子体探测体所携载的电流不仅对导电性灵敏—从而类似于BSE情况(对于此情况，成品率取决于受测试材料的原子序数)提供横向分辨率—而且对距受测试装置的距离灵敏，如上文所解释。由于对齐目标通常具有与其所沉积至的材料不同的组成(例如，绝缘体或Si上的金属目标)，因而从对齐目标至其周围环境的过渡应比给定材料内的仅分布变化给出大得多的等离子体电流响应。可采用先前所知晓的标称材料组成及/或分布来促进对齐过程。作为实例且不限制其他表现形式，这需要建立受测试结构的配置或组成模型、产生预测性信号并利用算法将所述模型与所收集信号进行拟合，所述算法产生所寻求的配置及/或组成计量结果。

由于经反向散射电子(BSE)具有足以在大气中在工作距离内传播的能量(keV范围)，因而也可通过以来自BSE检测器181(例如，环形BSE传感器)的BSE数据补充等离子体电流测量值来促进完全3D对齐。在此种情况下，将使用BSE信号进行横向对齐并使用等离子体电流进行垂直对齐。3D对齐能力对于其中维持与晶片的精确间隙较关键的任何应用来说是重要的，且有助于消除对知晓晶片或玻璃在卡盘上的放置情况的依赖性，且等离子体探测体应比高端样本载台中通常所使用的光学传感器提供更好的Z灵敏度。因此，并不仅仅是基于电子束诱导等离子体探测体的检验及成像应用不需要单独的对齐能力，电子束诱导等离子体探测体也可对于其他应用用作独立对齐能力，尤其在Z对齐较重要时，如在平板检验、轮廓测定法中，且在电子束装载锁系统中用作预对准器。此种3D对齐系统可集成至反馈环路中，以提供实时间隙控制。

此处应强调，不同于其中电子束直径必须比特征尺寸小得多以对特征进行恰当对齐的电子束成像，利用本文所公开实施例，探测直径(即，等离子体柱的直径)不需要小于特征尺寸。这是因为图像并非是使用来自样本的次级电子或经反向散射电子而是使用电流衰减形成。因此，即使等离子体柱大于特征尺寸，当使等离子体探测体横穿特征时，由于等离子体电流的SNR较高，仍可检测到指示所述特征边缘的等离子体电流测量值变化。因此，可将比等离子体柱的直径小得多的特征成像。

阻抗映射

如上所述，测量从等离子体流动至样本中的电流可提供样本的图像。图像(即，所测量电流)的变化是由形貌变化与材料变化(例如，不同的材料具有不同的组成，从而具有不同的阻抗)的卷积引起。从一个极端来说，如果样本具有纯且均匀的材料组成，则所得图像将仅反映出形貌的变化。相反地，如果样本是完全平整的，但具有为非均匀材料组成的区域，则图像将仅反映出材料组成的变化(例如，颗粒或掺杂的变化)。应注意，图像并非是分辨率相关的，而是灵敏度相关的，即，只要探测体可检测到电流的变化，探测体便可产生高分辨率图像，甚至是对于相对低分辨率的探测体。等离子体探测电阻映射的此种效用适用于金属线计量、掺杂计量及突起缺陷等方面的应用。如果可利用某些算法、借助于受测试样本的模型将所收集信号去卷积，则也可辨别组成变化与形貌变化的组合。

举例来说，可利用具有已知均匀材料组成及已知形貌的样本来校准探测体。随后，可使用探测体来检验其他样本并与“黄金样本”进行比较，以确定所扫描样本的材料组成均匀性。相反地，可通过类似地将由形貌及材料阻抗产生的信号去卷积来对形貌的变化进行映射。可使用其他校准及算法来将由混合材料/形貌变化产生的信号去卷积。举例来说，如果信号变化的空间尺度或信号的电平变化处于某一预期范围之外，则可将信号的变化解释为其中之一。

大气电子束诱导电流(EBIC)

EBIC是另一种隔离技术，其可提供更精确的故障位置信息，通常为小至500埃的分辨率。在SEM中，当使用探测站执行时，此技术是尤其有力的。除提供精细故障位置分辨率以外，EBIC还具有以下益处：相对于故障区的电特性及物理特性是非损坏性的。

EBIC是一种用于在半导体装置中进行埋置式缺陷检验的技术。使用电子束来刺激样本并在存在于受测试装置中的p-n结或肖特基结中产生电子-电洞对，从而产生电流。在传统EBIC中，通过扫描电子显微镜(SEM)在真空中产生入射电子，且通过装置外围处的物理探测体来收集在半导体结中所产生的电流。例如，参见H.J.利米(H.J.Leamy)的“电荷收集扫描电子显微镜检查术(Charge Collection scanning electron microscopy)”，应用物理学杂志(Journal of Applied Physics)，V53(6)，1982，P.R51。另一方面，对于电子束诱导等离子体探测技术，可使用探测体中的初级电子来激发电子-电洞对，且可使用等离子体来作为导体，以收集并感测此电流。因此，探测体既用作刺激物又用作传感器。

本发明中所呈现的等离子体探测体提供传统EBIC技术的更佳实施方案。首先，可在工作距离中在空气或受控气体混合物中执行利用电子束诱导等离子体探测体进行的EBIC，从而在系统配置、成本及处理量方面提供胜过基于SEM的EBIC的优点。其次，等离子体探测体对EBIC信号波动更灵敏，因为来自样本的电流是由等离子体探测体直接进行原位感测且不必穿过整个样本行进至探测触点(而这是传统EBIPP实施方案的情况，尤其在例如Si晶片等大样本中)。因此，与在SEM-EBIC中相比，等离子体探测体对埋置式缺陷的灵敏度将更大，尤其对于弱半导体或甚至对于一些绝缘体。

选择性表面改质

一些应用需要进行选择性表面改质。举例来说，在一些应用中，需要进行选择性灰化或蚀刻。其他应用需要进行表面活化、钝化、润湿、官能化、或任何其他形式的等离子体辅助式表面相互作用，包括但不限于化学相互作用及物理相互作用。传统上，此是通过掩模来实现，所述掩模覆盖不被改质的区域同时暴露出将要被改质(例如，被灰化、被蚀刻或以前述方式中的任一种被改质)的区域。随后，在整个晶片上提供等离子体，使得掩模实现等离子体与晶片的选择性区域的选择性接触。

电子束诱导等离子体探测体提供了在无掩模的情况下执行此种空间选择性加工的能力(参见图11)。利用本发明的某些实施例(例如，图2A中所示的实施例)，可从喷嘴171喷射适当反应性前驱物气体，以便可仅在由等离子体柱扫描的区域中执行表面改质。所述气体可例如是用于进行蚀刻的氯气、或氟气、HBr等、或者用于进行灰化的氧气。

根据一个实施例，在太阳能电池中，使用等离子体柱来进行边缘分路检测、隔离及去除。具体来说，使等离子体柱围绕太阳能电池的边缘进行扫描，以对导电层进行烧蚀并由此隔离出潜在分路。电子束驱动等离子体探测体可执行闭环操作，以处理太阳能电池分路。可使用电子束诱导等离子体探测体，且可在对太阳能电池样本进行闪照之后对阻抗响应进行映射，以识别出分路区域。还可通过以下方式来执行分路感测：通过对太阳能电池样本进行电子束激发并测量样本的电响应或光学响应(现有技术中原本被分别称为电致发光或光致发光)。在进行分路感测之后，电子束驱动等离子体探测体可将分路隔离、以电子束对分路进行烧蚀、或以所产生等离子体对分路进行蚀刻。随后，可对所得处理结果执行感测，且可视需要重复分路处理过程。电子束驱动等离子体探测体胜过现有技术(例如，激光处理)的优点是闭环及一体化操作、以及等离子体探测体的空间选择性。

本文所述实施例利用通过能量处于keV范围中的电子束进行的等离子体形成。可在源与样本之间的空间中引入气体混合物并通过电子束进行电离，从而提供更宽范围的反应性化学性质。

电子束诱导等离子体探测技术具有胜过其他用于等离子体辅助式表面改质的技术的若干个优点。举例来说，对于电子束诱导等离子体，不存在污染风险，这与基于DC放电等离子体的系统可能发生的情况形成对比，在所述系统中，电极可能会蒸发。一般来说，电子束诱导等离子体涉及比DC放电等离子体低得多的温度，这是因为目标处等离子体电子的能量大约为几eV。此外，将电子束诱导等离子体输送至目标并不需要空气流(因为等离子体遵循初级束的方向)，这与RF放电诱导等离子体形成对比。

可通过硬孔径或者在更高成本下通过利用适当电子光学元件对入射在电离介质中的电子束进行聚焦而将所述束的横向尺寸及因此所得等离子体的横向尺寸按比例缩小至100nm或更低。此意味着：电子束诱导等离子体以亚微米分辨率来实现空间选择性表面改质。其他等离子体辅助式表面改质方法是不可能实现此种分辨率的，因为超出某一极限的孔径作用将引起灾难性湍流且将显著限制等离子体的效率。据我们所知，并发气体支持式大气等离子体技术的现有分辨率并不好于1mm。电子束诱导等离子体探测体的高分辨率能力使得其成为(减性)无掩模图案化应用的良好候选项，例如用于MEMS、聚合物表面上的原位图案化及3D打印中。

可在宽广参数范围(束电流、斑大小、能量、环境气体、工作距离等...)内对电子束诱导等离子体进行调节。因此，可以若干种不同方式来使用电子束诱导等离子体探测体。举例来说，通过适当地设定电子束诱导等离子体的参数，等离子体探测体可用以进行感测或加工。此可容许探测体用于进行表面组成感测、随后进行表面改质且随后用于进行加工后感测，以评估改质的影响。此种原位感测能力又能够容许进行闭环加工—不需要将衬底从加工工具中取出来进行计量，从而减少污染、提高成品率并容许开发出更有效的加工方案。此外，可使用不同的气体环境来实现不同的表面反应化学性质。此外，等离子体及初级束两者可运作以对表面进行改质，从而可以得到介于从几瓦特至几百瓦特范围内的加工功率。

空间解析表面改质

可在多种工业中采用在处理表面时使用等离子体的方式。等离子体在表面处理中的主要应用有清洁(具体来说，去除有机污染物)、通过产生极性基团增强粘附性、以及可润湿性改质。这些工艺中的许多均可利用所公开实施例在大气中实施，从而避免了对专用且常常昂贵的真空室的使用且消除了对应的基础设施及处理量缺陷。

在等离子体中所产生的自由电子、离子、自由基以及UV辐射可打破共价分子键，此又可引起烧蚀(如在清洁应用中)、与其他聚合物链中的自由基进行交联、促进粘附性、及活化(由来自等离子体的化学官能团或原子取代聚合物官能团)。关于后一种作用，大气等离子体尤其含有高密度的反应性(氧化)物质，以促进极性基团的形成，例如C-N、O-H(羟基)、C-O、O-C＝O及C＝O(碳酰基)、HOOC(羧基)、及HOO-(氢过氧化物)，这可通过X射线光电子光谱术(XPS)来验证。这些极性基团促进衬底与其界面(例如，流体)之间的强共价键结，从而使得可润湿性及粘附性提高。

在某些所公开实施例中，等离子体诱导微粗糙化(作为离子轰击的结果及/或通过化学蚀刻)也可提高键结粘附性。此外，等离子体处理的影响高度取决于气体环境以及经处理表面。举例来说，可使用氟等离子体(例如，基于CF4环境)来使聚合物表面成为疏水性而非亲水性。惰性气体等离子体(例如Ar或He)更适于进行表面清洁(通过离子轰击/污染物烧蚀)。最后，富含N2的大气等离子体可极有效地使环烯烃共聚物(COP)成为亲水性及血液兼容性(后者对于医疗应用是重要的)。

许多应用(尤其是用于例如DNA分析、关注点诊断的微流体装置，但也包括某些键结应用)需要空间选择性表面改质。一般来说，微流体装置由其中输送流体的一个或多个已预先图案化通道组成。等离子体处理可实现并促进流体流动穿过所述通道，但为了防止流体超过所述通道且将流体流仅约束至目标通道，不能均匀地对装置的表面进行处理。通道宽度介于从几亚微米到数毫米的范围内。由于现有等离子体处理方法无法满足这些分辨率要求(甚至等离子体射流笔系统也无法达成<1mm且需要可能会产生湍流及使被加工装置损坏的气体流)，通常通过例如光刻或掩蔽等技术来实现空间选择性等离子体处理。

eBIP系统概念中的选择性表面改质是通过驱动电子束与其所诱导的等离子体的组合作用来执行。存在由电子束本身与等离子体作用同时诱导的表面改质类型。另外，可向经处理区域引入外部材料，以诱导限时或永久性表面改质。此外部材料可以是金属或非金属、导电或绝缘、有机或无机的。可以挤制形式、以丝状形式、以粉末形式、以纳米微粒形式、及以液体或气体形式来提供所述材料。这些材料可以是加性或减性的。作为对表面的组合电子束等离子体作用的实例，可将精细导电粉末或非金属微粒引入至非导电衬底，其中适合的等离子体化学性质用以使样本表面准备好进行接合，同时电子束使导电材料熔化并熔合至表面。此过程会在衬底表面上产生永久导电轨迹；此种技术可用于产生印刷电路板(PCB)或用于对衬底上的现有轨迹进行改质。也可通过引入外部材料而在同一位置上重复进行表面改质，此即引起所谓的3D打印或加性制造。在对衬底表面进行的类似作用中，电子束与等离子体的组合作用可通过减去材料来对衬底表面进行改质，举例来说，电子束可对上文所提及的导电轨迹进行烧蚀，且等离子体可起到通过将淀积物解除吸附来清洁表面的作用，从而使得对导线的电子束驱动烧蚀过程更快速。

仍可以与激光烧结法或立体光刻法(stereolithography)相当或更好的亚微米分辨率来执行通过添加或减去材料(也称为3D打印)进行选择性表面改质的过程。

等离子体处理系统是基于利用电子束诱导等离子体进行的新颖空间选择性表面改质技术。此种技术是基于通过横穿环境气体(大气或其他受控小型环境)的电子束将环境气体电离。一些实施例依赖于从真空围封罩将处于keV范围的中等能量电子束发送至周围环境中，其中所述中等能量电子束是通过薄的电子可透过膜片(例如，100nm SiN)或差动泵激针孔而产生。由于以这种方式形成的等离子体被局限至电子束周围的(窄)圆柱形体积，因而其在不需要进一步加工(例如光刻或掩蔽)的情况下提供本征空间选择性。这大大地简化了等离子体处理过程并降低相关联成本。利用此种技术已展示出小至13μm的等离子体直径，且通过减小电子束斑尺寸(当前为5μm)或使电子束受到孔径作用应能够实现更小直径—1μm及以下。

此外，电子束诱导等离子体(eBIP)技术在表面处理方面提供以下胜过现有技术的额外优点：

·除选择性地加工已预先图案化微流体通道以外，eBIP技术也可用于界定“虚拟”通道，即，例如，未图案化衬底上可润湿性提高的区。此种能力进一步降低装置制作成本，因为其可减少或甚至消除对预先图案化出通道的需要。

·现有的低压力(非大气受控气体环境)等离子体处理平台依赖于室，在所述室中，流动气体被电离并被吹扫至室内部的样本上。此种情形需要将气体冲溢至整个系统上，这会引起对大量气体的消耗，尤其在需要交替地使用气体的情况下。然而，eBIP系统仅需要经由微喷嘴从外部将少量的气体引入至工作距离中(参见下文细节)。此促进将eBIP技术线内地引入至现有工业工艺中。

·eBIP系统产生低功率等离子体，所述低功率等离子体具有足以驱动活性表面化学性质的能量，但仍是冷的且可安全地进行处置。在10keV的电子束能量及10μA的电流下，系统输出处于mW范围。eBIP系统也具有高等离子体转换效率。举例来说，模拟显示出，在距源为1mm间隙的情况下，10keV电子束能量中的多于95％被转换成等离子体。

·eBIP技术通过驱动电子束而提供对经处理表面的自探测，这是因为当电子束碰出衬底电子时，所述电子束对表面进行光学激发，所述衬底电子由表面物理条件与化学条件重组出发射特性辐射。此可提供对表面性质的实时光学监测。表面激发的另一实施方案是通过X射线或在等离子体本身中产生的UV辐射而实现。衬底也可能发射特性电子。此种特征实现了实时重新处理或剂量调整。

图14例示对嵌入式(即，子表面)微通道的eBIP处理，所述微通道可例如以介电薄膜形成于硅衬底中的窄沟槽上。这些微通道可用于使液体流动以供进行生物测试。如果其中制作有嵌入式微通道的层的厚度足够薄(通常小于几百nm)且电子束的能量足够高(≥30keV)，则电子束可穿透膜的表面并在通道内部点燃且维持等离子体。如果通道内部存在恰当气体，则在存在恰当气体时此将引起内表面处理。应注意，在微流体域中对嵌入式通道的制作过程通常与集成电路(IC)制作有关且在一些特殊应用中与IC制作相当，因此尝试在制作期间对通道进行处理是不可能的。因此，此实施例提供用于对嵌入式通道进行处理的解决方案，因为驱动电子束可穿透衬底表面同时维持其空间局限性。电子束可在其传播穿过材料时展开，但此展宽可得以预先补偿。

已展示出通过电子束诱导等离子体在各种聚合物、硅酮及玻璃衬底上进行空间选择性表面改质的可行性，在处理之后，微流体装置通道中显示出对高表面张力流体流的显著改进，但不存在向被加工区域外部溢出的现象且寿命是至少一周。此伴随着流体接触角的显著降低。此外，等离子体处理在原本将不存在流动的窄通道(<100微米)中实现了流体流。eBIP表面处理化学性质可按比例缩小至亚微米通道宽度。

应注意，许多微流体装置是由其中可界定有预先存在通道或虚拟通道的底部衬底、以及充当盖的顶部衬底(具有用以引入受测试流体的开口)组成。为在此类装置中获得最优毛细管流体流，应通过eBIP、以与底部衬底上的图案相匹配的图案来加工顶部衬底—参见图15。

eBIP处理不仅具有空间选择性，而且提供高处理量。通过使发散电子束在已预先图案化阴影掩模或具有多个孔径的掩模上进行泛射或背照，用于空间选择性等离子体处理系统的驱动电子束源可具有可编程偏转能力以及多个同时运作的柱或发射极。此外，可以脉冲模式或连续模式来进行束驱动，以更好地控制及调节剂量。

在图16中所示的系统中，电子束包括载台总成，以使被加工装置相对于电子束诱导等离子体横向移动。在各种实施例中，可通过在束固定时使装置移动或通过在装置固定时使电子束移动或通过这两者的组合来实现相对位移。举例来说，图16中所示的系统包括电磁扫描透镜，以使束进行扫描。举例来说，载台可用于大位移扫描，而电磁透镜可用于小位移扫描。前述载台总成可具有台架或分裂轴架构，且被加工装置可定位于例如真空卡盘等平整支撑件上。

在一些实施例中，电子束源也可安装在垂直(Z)载台上，使得源相对于被加工装置的距离可变化。可通过单独的传感器(例如，激光三角测量传感器)或通过测量等离子体本身中的次级电子电流(此需要使膜片上具有薄导电层以收集次级电子电流且需要衬底具有某一水平的导电性)来监测此距离，因为此电流与工作距离高度相关。原则上，后一种能力可容许对表面形貌进行实时跟踪及调整。应注意，上面安装有电子束源区域的系统可以是专用系统、或者是也用于其他目的的系统。或者，可将等离子体处理头安装在移动式机器人臂上，以对显著三维物体执行表面处理。

可根据装置的布局将运动路径编程在载台控制器中。可通过专用光学对准总成、利用被加工装置上的对齐标记来以光学方式完成等离子体与所述装置的对齐(在此种情况下，需要单独地校准等离子体与光学对准总成之间的横向偏移)。或者，可使用等离子体中的次级电子来对等离子体进行对齐；此需要具有形貌或材料衬度的对准特征。可通过安装在样本上方或下方的机器视觉系统来以光学方式监测对样本的等离子体处理。

为实现高处理量，连续地对载台/装置进行扫描是有益的，但也可进行步进及重复运动(或扫描与步进的组合)。另外，系统可并入有多个电子束总成，从而容许并行地对多个装置进行处理。也可使用具有多个发射极的电子束源来降低总体加工时间。此外，可通过使束相对于载台/装置的运动横向偏转(而非以多个遍次处理宽的结构)来获得在与载台/样本的运动平行的方向上显著大于最大可获得等离子体直径的结构。然而，应注意，对于<1mm左右的通道，并不需要如此，因为可通过改变工作距离及/或束能量来调适等离子体直径以适于被加工结构。可基于供应给系统控制器的装置布局信息而利用Z载台即时地进行此种调适。一般来说，等离子体直径是由进入大气工作距离的初始电子束直径决定；电子束直径可进一步受此间隙中的扩展磁场控制。驱动电子束的剂量通常受薄膜片破裂极限及热负荷限制，而此剂量又尤其决定了等离子体密度等参数。然而，可配置出包括最终开口孔径及多个室的系统，所述多个室是差动泵激式以将枪系统内部的压力保持在必需操作水平。参见图17。此种系统应会减轻对电流剂量的限制。

为获得不同类型的表面化学性质，可给电子束头配备有一个或多个微喷嘴，以供应不同的气体(混合物)。这些喷嘴应被安装成紧密靠近电子束进入至大气中的进入点。此种方法避免了对单独真空室的使用，但可希望靠近喷嘴具有排出能力，以用虹吸管吸出不需要的过量气体及残余物。可利用多喷嘴局部气体供应源来将数种表面处理方式进行组合；例如，利用Ar等离子体进行清洁、利用O2等离子体对所选区域进行亲水化、以及利用CF4等离子体对其他区域进行疏水化。

除气体环境以外，系统还提供例如通过利用载台扫描速度及/或束脉冲持续时间来控制滞留时间而控制暴露时间的能力。还可使用束脉冲来控制对衬底的加热(此又影响表面改质的老化行为)。可用于控制表面改质过程的其他参数是束能量及电流、以及上文所述的工作距离。

图18A及18B例示用于使流体在其中流动的简单微通道衬底。图18A例示等离子体处理之前的情形，其中由于表面张力，所喷射流体仅仅在施配开口处积累，但未能流动穿过通道。图18B例示等离子体处理之后的情形，其中流体传播穿过经处理通道。图19A及19B例示对其中未切削有通道的平整衬底进行的测试。图19A是被置于衬底的未经处理区域上的油墨滴的迹线。如图所示，流体形成相当大的接触角。图19B是被置于利用所公开实施例由等离子体处理的区域上的类似油墨滴的迹线。因此，表面可润湿性得以提高且接触角得以减小。

在对所公开实施例的各种测试中，被暴露至eBIP的MF通道中的流体流展示出了明显的改进及均等的分布。利用X射线光电子光谱术(XPS)，在暴露至eBIP之后检测到亲水性官能团的显著增加。

图20A及20B例示在其中形成且随后利用eBIP来处理的物理通道的微通道装置。所述通道形成于板中的至少一个上。举例来说，在一个实施例中，所述通道仅形成于底部板上。随后，通过eBIP来处理通道，并且也利用eBIP来处理顶部板(其未被图案化)的对应区域。随后，将两个板粘附在一起以形成装置。根据另一实施例，在底部板及顶部板两者上均形成对应通道，且利用eBIP来处理这两个通道。

图21A及21B例示其中形成“虚拟”通道的实施例。具体来说，顶部板及底部板两者均是平整的，且其中未形成有任何物理通道。随后，通过利用eBIP将所需设计仅仅描画在板上而将特定形状的所需通道“写”在所述顶部板及底部板两者上。所述eBIP描画步骤并不形成实际的物理通道，而是改变了所述板在被描画表面处的可润湿性。随后，将两个板粘附在一起，其中在其两者之间放置间隔件。当将流体喷射至装置中时，流体将流动且仅被局限至经处理描画处，由此形成虚拟通道。

在各种测试中，已确定eBIP处理会引起板表面处氧浓度的增加，此与通过低压力等离子体处理所获得的结果相一致。观测到在处理后氧浓度随着时间推迟而保持恒定，此表明变化是持久的。此外，氧被大致均等地并入C-O及C＝O基团中。

图22例示具有单个流体喷射点及多个通道的另一微通道装置。所述单个喷射点及多个通道已通过eBIP加以处理。利用eBIP对喷射点及通道的处理展示出明显的可重现流体流改进，而不需要通过亲水性官能团的局部化附着来进行掩蔽。如图21a及21B中所示，还可利用eBIP实施例在未图案化衬底上界定出通道，从而进一步降低制造成本。

3D打印：

由于微米级分辨率，可在高分辨率3D打印应用中使用等离子体探测体来进行金属沉积，如图12中所示。本发明中所提出的以数十keV的初级电子束能量运作的等离子体探测设备适用于高分辨率3D打印，尤其是以金属进行打印。由于大多数金属具有大约10keV/微米的电子束阻止本领，因而可利用在空气中以小工作距离(大约为10微米)运作的初级电子束使小金属丝或被溅镀金属微粒在表面上熔化，所述工作距离内的电子能量损耗是小的。电子束驱动等离子体探测系统胜过现有电子束3D打印技术(如自由形式制作或直接电子束熔化)的优点是以下：其可在大气条件中执行，等离子体探测体可用作原位表面准备(如活化)工具，以提高已熔化金属粘附品质且减小电子束剂量，且可使用导电探测体来排放从驱动电子束沉积的电荷，从而引起电中性打印过程。

还可使用等离子体探测体作为原位打印后验证传感器。此提供闭环打印功能。正如人们所预期的，熔化及感测的电子束操作参数空间是不同的。举例来说，用于打印的束电流应被调整成实现在金属上进行均匀热剂量沉积，以确保均匀熔化及粘附率，同时以仅足以将有益的非机械接触式(等离子体)探测体驱动至表面的较小电流来进行感测动作。可通过使电子束进行扫描或通过其中放置有被打印样本的移动式载台来逐点或逐线地重复此动作。随后可形成扩展层，且可垂直地将各层堆叠以完成3D打印功能。

基于本发明的3D打印装置的最可能实施例是其中电子束打印头由计算机控制的实施例，所述计算机可以标准格式来加载计算机辅助绘图(CAD)设计并实施所述设计。所述电子束打印头可用作独立的头或用作另一3D打印头的互补头，所述另一3D打印头使用目前技术水平的传统3D打印技术；例如，塑料熔合沉积或激光熔化。大气电子束系统的另一优点是，其可执行根据以上说明的加性打印、以及减性打印，因为电子束可用于在小区域上执行高分辨率烧蚀，尤其对于非金属材料。

医疗与生物应用

电子束诱导等离子体探测体的性质(具体来说，其低温度、高分辨率及可调节性(针对感测或处理条件))使得其独特地适用于治疗性应用，例如消毒及去污(例如，在含氧大气中)、血凝固及伤口烧灼(治愈)、以及癌细胞治疗。其他应用包括树突及神经元探测，对于这些应用，空间选择性是重要的性质。

在前述说明书中，已描述了本发明的特定实例性实施例。然而，将显而易见，可对本发明作出各种修改及改变。因此，说明书及图式应被视为具有说明性意义而非限制性意义。

Claims (25)

1.一种大气等离子体设备，包括：

真空围封罩，在其第一侧处具有孔口；

电子源，定位于所述真空围封罩内部且具有电子提取开口；

提取器，定位于所述提取开口附近且用以从所述电子源提取电子，以形成电子束并引导所述电子束穿过所述孔口，其中所述电子束被配置成具有比所述孔口的直径小的直径；

孔径板，被定位成覆盖所述孔口，所述孔径板是导电的且其上附装有导线，且其中所述孔径板具有直径比所述电子束的所述直径小的孔径，使得所述孔径板在所述电子束穿过所述孔径时减小所述电子束的所述直径；以及

其中所述电子束用以在其离开所述孔径时将大气电离，以维持等离子体柱。

2.如权利要求1所述的大气等离子体设备，进一步包括电绝缘部件，所述电绝缘部件用以将所述孔径板与所述真空围封罩电隔离。

3.如权利要求1所述的大气等离子体设备，进一步包括定位于所述孔径板与所述真空围封罩的所述第一侧之间的膜片。

4.如权利要求1所述的大气等离子体设备，进一步包括差动泵激室，所述差动泵激室附装至所述真空围封罩的所述第一侧，且其中所述孔径板附装至所述差动泵激室的下部分。

5.如权利要求1所述的大气等离子体设备，其中所述孔径板包括多个电隔离区段，每一所述电隔离区段耦合至各自的导线。

6.如权利要求1所述的大气等离子体设备，进一步包括位于所述真空围封罩内部的静电透镜。

7.一种用于对样本执行电压衬度成像的方法，包括：

在真空围封罩中从电子源提取电子束；

将所述电子束从所述真空围封罩传送至邻近环境气体中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱；

使所述电子束在样本的所选区域上进行扫描，所述样本被定位成与所述电子束进入至所述气体环境中的进入点相对；

跨越所述等离子体施加电压电位，以驱动从所述样本至拾取电极的电子电流；

测量在所述拾取电极与所述样本之间流动的电子电流量；

利用在所述所选区域上的每一位置处测量的所述电子电流量来产生图像，并在监视器上显示所述图像。

8.一种用于利用电子束诱导等离子体探测体来执行三维对齐的方法，包括：

在真空围封罩中从电子源提取电子束；

将所述电子束从所述真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱，所述已电离物质柱界定等离子体探测体；

使所述等离子体探测体在样本的所选区域上进行扫描，所述样本被定位成与所述电子束进入至所述气体环境中的进入点相对；

跨越所述等离子体施加电压电位，以驱动从所述样本至拾取电极的电子电流；

测量在所述拾取电极与所述样本之间流动的电子电流量；

测量从所述样本散射的经反向散射电子；

利用经反向散射电子的测量值来确定所述等离子体探测体的横向对齐；

利用所述电子电流的测量值来确定所述等离子体探测体的垂直对齐。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括利用先前知晓的所述样本的材料组成及形貌中的至少一个来进行更准确对齐。

10.如权利要求8所述的方法，其中利用电子束诱导等离子体探测体进行的三维对齐结合基于电子束诱导等离子体探测体的加工或测量应用而用作对齐能力。

11.如权利要求8所述的方法，其中利用电子束诱导等离子体探测体进行的三维对齐结合利用电压成像光学系统进行的LCD阵列测试而用作对齐能力。

12.如权利要求8所述的方法，其中所述电子束诱导等离子体的横向尺寸大于对齐特征的横向尺寸。

13.一种用于利用电子束诱导等离子体探测体来检验样本的方法，包括：

在真空围封罩中从电子源提取电子束；

将所述电子束从所述真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱，所述已电离物质柱界定等离子体探测体；

使所述等离子体探测体在样本的所选区域上进行扫描，所述样本被定位成与所述电子束进入至所述气体环境中的进入点相对；

跨越所述等离子体施加电压电位，以驱动从所述样本至拾取电极的电子电流；

测量在所述拾取电极与所述样本之间流动的电子电流量；

将由所述样本引起的所述电子电流的测量值的变化去卷积；

利用所述所测量电子电流的所述经去卷积变化来确定以下中的至少一个：所述样本的材料组成变化、及所述样本的形貌变化。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括利用先前知晓的所述样本的材料组成来确定形貌。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包括：

测量从所述等离子体进入至所述样本中或从所述样本进入至所述等离子体中的电子电流量；

将由所述样本的形貌引起的所述电子电流的测量值的变化去卷积；

利用所述所测量电子电流的所述经去卷积的变化来确定所述样本的材料组成变化。

16.如权利要求13中任一项所述的方法，进一步包括在使所述电子束进行扫描之前，使所述电子束穿过直径限制孔径。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括对所述样本及所述直径限制孔径施加偏压。

18.一种用于在太阳能电池中进行边缘分路检测、隔离及修复的方法，包括：

从电子源提取电子束；

以所述电子束激发所述太阳能样本，并测量样本光学与电响应。

19.如权利要求18所述的方法，包括利用所述电子束维持等离子体以产生等离子体探测体，并利用所述电子束等离子体探测体局部地测量所述太阳能电池的阻抗，且基于所述所测量阻抗来检测分路。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括使所述电子束在所述太阳能电池的外围区域上进行扫描，以对所述太阳能电池的所述外围边缘处检测到所述分路的位置处的材料进行烧蚀。

21.一种用于对样本的表面特性进行改质的方法，包括：

从电子源提取具有所界定直径的电子束；

将所述电子束从真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱，所述已电离物质柱形成等离子体探测体；

在所述电子束离开而进入至所述气体环境中时对所述电子束的横向尺寸进行操纵；

使所述等离子体探测体在所述样本的所选区域上进行扫描，以对所述样本的所述表面特性进行改质。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述表面改质包括以下中的一个：灰化、蚀刻、表面活化、钝化、润湿、及官能化。

23.如权利要求22所述的方法，进一步包括利用前驱物气体来对所述样本的表面化学性质进行改性。

24.一种用于治疗活体组织的方法，包括：

从电子源提取具有所界定直径的电子束；

将所述电子束从真空围封罩传送至邻近气体环境中，以由此将所述电子束周围的气体分子电离，从而产生已电离物质柱；

在所述电子束离开而进入至所述气体环境中时对所述电子束的横向尺寸进行操纵；

将所述等离子体已电离物质引导至所述活体组织的所选区域上。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述治疗包括以下中的一个：治疗性应用、消毒、去污、伤口治愈、血凝固、癌细胞治疗。