CN107768223B - 与等离子清洁机一起使用的磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及与等离子清洁机一起使用的磁体。等离子体发生器位于真空室外侧并生成中性活性粒子和带电粒子。定位在等离子体发生器外侧的磁体使带电粒子偏转，从而防止其中的一些或全部进入真空室，由此防止在真空室中形成二次等离子体源，同时允许中性活性粒子进入真空室以减少污染物。

Description

与等离子清洁机一起使用的磁体
技术领域
本发明涉及真空室的等离子清洁，并且更具体地涉及用于改进的等离子清洁的方法和装置。
背景技术
带电的粒子束系统（诸如电子显微镜和聚焦离子束系统）在各种应用中被用于形成图像、在工件上产生图案，以及识别和分析样品材料中的成分。这样的系统在真空室中在工件上进行操作。真空室中的污染物能够不利地影响射束与工件表面的相互作用并且能够干扰用于样品分析的二次发射（诸如X射线和发射的电子）。真空室和工件的清洁度是至关重要的，因为带电粒子束的处理和分析在原子级附近下发生。需要纯净环境以便在纳米技术所需的精确度水平下执行分析和形成结构。
污染源包括例如指印、清洁溶剂残留物、润滑剂和残留的先前在真空室中所使用的工艺过程化学品以及工件本身。仪器的内部部件上也可能存在污染物。例如，如果使工件暴露于大气条件任何时间长度，则碳氢化合物膜将积聚在工件表面上。从这些污染物源蒸发的有机化合物能够通过射束的照射被解离，以将有机化合物沉积在工件上和样本室内的表面上。
用溶剂和研磨性清洁剂清洁真空室的部件是不适当的。用诸如干燥的氮气的气体吹扫真空系统是缓慢且低效的。
已经研发了用于清洁显微镜系统和工件的等离子清洁机。在一些系统中，在加工装备的真空室内生成低温等离子体。这种真空系统必须被设计成承受与等离子体的直接接触。在被称为“下游”等离子清洁机的其他系统中，在真空室外侧生成等离子体并且来自等离子体发生器的粒子行进入真空系统中。本申请人（俄勒冈州（Oregon）希尔斯伯勒（Hillsboro）的FEI公司）提供下游等离子清洁机作为其显微镜的附件。例如，在Sakai等人的美国专利号5,312,519和Vane的美国专利号6,610,247和6,105,589中也描述了下游等离子清洁机。
等离子清洁系统通过电离源气体来提供能量以引燃（ignite）和维持等离子体。除了产生离子之外，等离子体系统还从源气体生成自由基，即活性中性原子或分子。所生成的离子和自由基的类型取决于源气体和产生等离子体的能量。例如，如果使用空气作为源气体，则将生成氧和氮自由基。US 6,105,589描述了控制等离子体的激发能量以限制破坏氧自由基的氮离子产生。
等离子体室中的开口允许活性以及非活性的离子、电子和中性粒子离开等离子体发生器并进入真空室。活性自由基（诸如氧自由基）与真空室内的碳氢化合物污染物反应，并形成能够被容易地由真空系统泵抽出系统的挥发性成分。这是这种类型的等离子清洁机的预期反应和功能原理。
从等离子体发生器进入真空室的离子能够被朝向真空室内的部件加速并损坏那些部件。来自真空发生器的带电粒子还能够产生足够强以电离真空室中的其它中性原子的电场，并产生远离等离子清洁机出口若干分米的二次不受控的等离子体源。在真空室中敏感装备（诸如检测器和精密工作台）附近的这种二次等离子体源能够快速损坏这种类型的装备。
图1是包括电子束柱和离子束柱的双射束系统的真空室100的内侧的照片。明亮的区域显示强的二次等离子体源。区域102是在等离子清洁机连接到真空室100处的点附近的等离子体，且区域104是在电子束柱和离子束柱下方样品位置附近的自生成的等离子体。
为了防止二次等离子体源的引燃，必须减小等离子体发生器的功率。然而，降低功率也减小所生成的活性自由基的量，这增加了清洁时间，从而引起机器的不期望的停机时间。
发明内容
本发明的目的是提供对下游等离子清洁机的改进，使得它们能够在更高的功率下以改进的效率操作而不引起对被清洁的系统的损害。
使用具有垂直于等离子清洁机通道的分量的磁场来消除或显著减少从等离子体发生器进入真空室的电子和离子的数量，同时允许与污染物反应的中性活性粒子进入真空室。
上文已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解下文对本发明的详细描述。下文将描述本发明的额外特征和优点。本领域技术人员应当理解的是，所公开的构思和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应该认识到，这样的等效结构不偏离如所附权利要求中所阐述的本发明的范围。
附图说明
为了更全面地了解本发明及其优点，现在结合附图参考以下描述，附图中：
图1是带电粒子束系统的真空室内的等离子体的照片。
图2是附接有磁体的等离子清洁机的示意图。
图3是附接于所附接的等离子清洁机和带电粒子束系统之间的通道的磁体的示意图。
图4是真空室和等离子体源的示意图。
图5是示出不同条件下的等离子清洁机的清洁效率的图表。
图6是类似于图1的照片，但是在包括磁场以减少进入真空室的带电粒子的系统中。
具体实施方式
图2示出等离子清洁机200的示意图，其包括由诸如射频发生器204的能量源供能的等离子体室202。连接到气体供应（未示出）的泄漏阀206将气体供应到等离子体室202内。凸缘208连接到带电粒子束系统上的匹配部分（未示出）。邻近等离子体室的出口的磁体210提供磁场，其在离开等离子体的带电粒子上引起洛伦兹力，从而改变其轨迹，使得大多数带电粒子不到达带电粒子束系统的真空室。
磁体的优选类型和磁场强度将取决于具体应用，并且更具体地取决于待清洁的真空室和等离子清洁机两者的设计。在确定磁体大小、位置和强度时要考虑的因素是等离子清洁机及其出口的尺寸，以及等离子清洁机与目标真空室之间的距离。两个约束条件确定最佳磁体选择：1）磁体横向尺寸应与等离子清洁机出口的直径相似；和2）磁体应当尽实际地可能地强，而且磁场不应当延伸远离等离子清洁机。为提供垂直于等离子清洁机和真空室之间的通道的磁场，磁体优选地取向成一极面对通道，且另一极背离通道，如图3中所示。磁体可以由例如NdFeB或SmCo构成。
通常，磁场越强，磁体防止等离子体进入显微镜室的情况越好。最大场强由实际设计（空间约束条件和可用的永磁体）确定。实验表明，由一个约2 cm×2 cm×1 cm的NdFeB磁体生成的磁场足以使等离子清洁机出口处的带电粒子停止进入真空室，但是这种大小的约1/2的更小的磁体允许一些带电粒子进入室。
也能够使用具有相同场取向的电磁体，但是其由于需要高电流以生成足够强的场而更不实际。这样的设备当然将远为更大并且昂贵数个数量级。
磁体能够与不同类型的等离子体发生器一起使用。例如，一种类型的等离子清洁机是使用低频（120kHz）和低功率（小于约20W）AC电源的辉光放电发生器。生成等离子体的电场被包含在由导电壁和屏（screen）限定的体积内，并且因此仅该体积内的原子和分子被电离。然而，等离子体延伸入样本室中。能够例如从周围空气生成等离子体，并且其中通过小的入口和通过所连接的真空室持续泵抽等离子清洁机室，使等离子清洁机室中压力降低到几十帕斯卡。
使用磁体来减少进入真空室的带电粒子适用于任何等离子清洁机（其中旨在输送自由基而不是离子的等离子体源与目标真空室在空间上分离）。可添加磁体作为对现有等离子清洁机的改装。例如，能够将磁体定位在等离子清洁机和真空室之间的通道的外侧上，并且磁场将穿过通道。
图3示意性地示出由通道306连接到真空室304系统的等离子清洁机302。磁体308产生延伸至通道306中的磁场310，从而在离开等离子清洁机302的粒子上引起洛伦兹力，并且防止大多数或全部带电粒子进入真空室304。（图3中的磁体的厚度被夸大地示出）。申请人已发现，对于在扫描电子显微镜或双束（FIB / SEM）系统中使用而言，在选定磁体大小的情况下通常不需要磁屏蔽。对于一些应用（诸如对于在更小或更敏感的系统中使用）而言，屏蔽可能是期望的。通过针对安装在等离子清洁机出口处的网状物使用软磁材料能够容易地实现屏蔽。
图4示出通常的双束（FIB / SEM）系统402。双束系统能够从例如俄勒冈州（Oregon）希尔斯伯勒（Hillsboro）的FEI公司（本申请的受让人）商业地获得。双束系统402包括离子束聚焦柱404和电子束聚焦柱406，这两者均在定位在样品真空室412中的工作台410上的样品408上操作。泵抽系统414在工件408通过门416或气锁（未示出）被插入后抽空样品真空室412。
等离子体发生器420由通道422连接到样品真空室412，以允许选定的活性粒子通行进入室412中。等离子清洁机420可以是例如使用低频和低功率的辉光放电发生器。等离子体包含电中性活性成分（诸如对于清洁而言必需的氧自由基）以及有害的带电离子。
磁体428位于等离子清洁机420的出口处或通道422上，以在等离子清洁机420和样品真空室412之间产生磁场。磁体428的大小和强度由双束系统402、等离子清洁机420和其它系统部件的设计确定。磁场的强度被选择为在不延伸进入等离子清洁机420或室412中过远的情况下尽可能强。磁场的强度确定磁体428的材料组分。例如，由NdFeB磁体生成的场足以在不影响室412中的系统部件的情况下将出口处的等离子体中的带电离子捕困于等离子清洁机420。磁体428不限于NdFeB，并且可由其它材料（诸如例如SmCo）构成。磁体428的磁场捕困离子和电子并防止所述离子和电子流过通道422并进入室412中，这防止室412中的二次等离子体生成，并且因此通过与等离子体接触和高电压来消除对室412的内部部件的损坏。磁体428的磁场不影响被允许流过通道422并进入室412中的氧自由基。一旦位于室412内侧，氧自由基就与碳氢化合物污染物粒子结合，该碳氢化合物污染物粒子然后能够自由地由真空泵从室412中被移除。虽然图4示出双束系统，但是本发明的实施例能够在其他类型的带电粒子束系统（诸如电子束系统或离子束系统）中，以及在其中在真空室中处理工件的任何其它类型的系统中实现。
图5示出将现有技术的等离子清洁机与根据本发明修改的等离子清洁机的性能相比较的图表。图5示出具有和不具有磁场的10W等离子清洁机所需的清洁时间，以及用于比较的5W等离子清洁机的情况。具有磁场（10W + MF）的10W等离子清洁机的清洁效率与不具有磁场的10W清洁机的清洁效率相似。这表明磁场虽然抑制真空室内的二次等离子体，但不减少可用于清洁真空室的活性分子的数量。10 W清洁机比5 W清洁机清洁得更快。因此，可能获得更高功率等离子体发生器的优点而没有在真空室中产生二次等离子体的缺点。
图6示出在等离子清洁机（未示出）的操作期间图1的真空室100的内侧，并且其中磁体（未示出）定位在等离子清洁机的输出部处。在来自等离子体发生器的连接附近可见等离子体辉光602，但在工件位置606处不存在等离子体。
通过提供磁场以将等离子体从旨在将自由基而非带电离子输送到相关联的真空室的等离子体源屏蔽来改进真空室的清洁不限于所示的实施例，并且可应用于与相关联的真空室在空间上分离的所有外部等离子清洁机。
“邻近”意指充分接近，使得来自磁体的磁场以足够的场强延伸到邻近结构中，以防止带电粒子进入真空室。“通道”不意味着任何具体长度并且能够是结构之间的开口。
本发明的实施例提供一种包括用于处理工件的真空室和用于清洁真空室的等离子清洁系统的装置，其包括：
用于容纳待处理的样本的真空室；
位于真空室外侧并生成中性活性粒子和带电粒子的等离子体发生器；
连接真空室和等离子体发生器的通道；和
磁场源，其提供磁场以在离开等离子体发生器的带电粒子上提供力，从而减少从等离子体发生器进入真空室的带电粒子的数量，同时允许活性中性粒子进入真空室，中性活性粒子减少真空室内的污染物。
在一些实施例中，磁场源是永磁体。
在一些实施例中，磁场源是线圈。
在一些实施例中，磁场足够强以防止来自等离子体发生器的带电粒子在真空室内产生二次等离子体。
在一些实施例中，磁场足够弱以不干扰真空室中的带电粒子束。
在一些实施例中，磁场源包括NdFeB或SmCo磁体。
在一些实施例中，磁场源定位成邻近等离子体发生器的出口。
在一些实施例中，磁场源定位成邻近通道并且磁场延伸到通道中。
在一些实施例中，中性活性粒子与真空室中的有机污染物反应以清洁真空室的内部。
在一些实施例中，等离子体发生器生成氧自由基和离子。
在一些实施例中，等离子体发生器包括等离子体室。
在一些实施例中，等离子体发生器包括AC辉光放电等离子体发生器。
在一些实施例中，等离子体发生器包括电感耦合或电容耦合等离子体室、DC等离子体发生器、微波等离子体发生器或电子回旋共振等离子体发生器。
一些实施例提供用于从真空室清除污染物的清洁系统，包括：
用于生成等离子体并具有出口的等离子体发生器，带电粒子和活性中性粒子通过所述出口离开等离子体发生器；和
定位在等离子体发生器外侧以减少进入真空室的带电粒子的数量的磁体。
一些实施例还包括用于将活性中性粒子从出口引导到真空室的通道。
在一些实施例中，磁体定位成邻近通道。
在一些实施例中，磁体定位成邻近等离子体发生器的出口。
本发明的一些实施例提供从真空室清除污染物的方法，包括：
在真空室外侧的等离子体发生器中生成等离子体，等离子体包含中性活性粒子和带电粒子，等离子体发生器具有出口，中性活性粒子和带电粒子通过该出口离开真空室；
允许中性活性粒子和带电粒子通过所述出口离开等离子体发生器；和
通过使用来自定位在等离子体发生器外侧的磁体的磁场使带电粒子在其离开出口之后偏转，以防止带电粒子进入真空室。
一些实施例还包括将中性活性粒子引导到真空室中以与真空室中的污染物反应。
一些实施例还包括排出通过中性活性粒子与真空室内的污染物之间的反应产生的反应产物。
在一些实施例中，等离子体发生器的出口通向等离子体发生器和真空室之间的通道中，并且其中使带电粒子在其离开出口之后偏转包括使通道中的带电粒子偏转。
本发明的优选方法或装置具有许多新颖的方面，并且由于能够出于不同的目的以不同的方法或装置实现本发明，因此并非每个方面都需要在每个实施例中存在。此外，所描述的实施例的许多方面可以是能够独立授予专利权的。本发明具有广泛的适用性并且能够提供如上文的示例中所描述和示出的许多益处。实施例将根据具体应用极大地变化，并且不是每个实施例都将提供所有益处和满足能够由本发明实现的所有目标。
除非另有其他说明，否则术语“工件”、“样品”、“基底”和“样本”在本申请中可互换使用。此外，只要当本文中使用术语“自动的”、“自动化的”或类似术语时，这些术语就将被理解为包括自动的或自动化的过程或步骤的手动发起。
术语“等离子体发生器”和“等离子体室”在本文中被用于意指相同的事物。
在下文的讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放方式使用，且因此应被解释为意指“包括但不限于......”。在本说明书中未特别限定任何术语的程度上，预期该术语被赋予其简单和普通的意义。附图旨在辅助理解本发明，并且除非另有其他说明，否则未按比例绘制。
本文所描述的各种特征可以以任何功能组合或子组合（且不仅仅是本文的实施例中所描述的那些组合）使用。因此，本公开应被解释为提供任何此类组合或子组合的书面描述。
尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解的是，在不脱离如由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可以对本文所描述的实施例进行各种改变、替换和更改。此外，本申请不旨在被限制于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质的组分、器件、方法和步骤的具体实施例。本领域普通技术人员将从本发明的公开内容中容易地理解，可以根据本发明使用目前存在的或后续将研发的、执行与本文所描述的对应实施例大致相同的功能或实现与本文所描述的对应实施例大致相同的结果的过程、机器、制造、物质组分、器件、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在包括这样的过程、机器、制造、物质组分、器件、方法或步骤。

Claims (15)

1.一种用于从真空室清除污染物的清洁系统，包括：
用于生成等离子体的等离子体发生器，所述等离子体发生器具有出口，带电粒子和活性中性粒子通过所述出口离开所述等离子体发生器；
其特征在于，
磁体定位在所述等离子体发生器外侧以减少进入所述真空室的带电粒子的数量，
其中，所述磁体的磁性足够强以防止来自所述等离子体发生器的带电粒子在所述真空室内产生二次等离子体源。
2.根据权利要求1所述的清洁系统，还包括用于将所述活性中性粒子从所述出口引导到所述真空室的通道。
3.根据权利要求1或2所述的清洁系统，其中，所述磁体是线圈。
4.一种包括用于处理工件的真空室和用于清洁所述真空室和/或所述工件的等离子清洁系统的装置，包括：
根据权利要求1所述的清洁系统；
用于容纳所述工件的真空室；和
连接所述真空室和所述等离子体发生器的通道。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述磁体是永磁体。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述磁体包括NdFeB或SmCo磁体。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述磁体是线圈。
8.根据权利要求4至6中的任一项所述的装置，还包括带电粒子束柱，其被配置为提供带电粒子束以在所述真空室中的工件上操作，并且其中所述磁体产生足够弱的磁场以便不干扰所述带电粒子束的操作。
9.根据权利要求4至6中的任一项所述的装置，其中，所述磁体定位成邻近所述等离子体发生器的出口。
10.根据权利要求4至6中的任一项所述的装置，其中，所述磁体定位成邻近所述通道并产生延伸到所述通道中的磁场。
11.根据权利要求4至6中的任一项所述的装置，其中，所述等离子体发生器包括AC辉光放电等离子体发生器，RF电感耦合或电容耦合等离子体发生器或DC等离子体发生器。
12.一种从真空室清除污染物的方法，包括：
在真空室外侧的等离子体发生器中生成等离子体，所述等离子体含有中性活性粒子和带电粒子，所述等离子体发生器具有出口，所述中性活性粒子和所述带电粒子通过所述出口离开所述等离子体发生器；和
允许中性活性粒子和带电粒子通过所述出口离开等离子体发生器；
其特征在于
通过使用来自定位在所述等离子体发生器外侧的磁体的磁场使所述带电粒子在其离开所述出口之后偏转，以防止所述带电粒子进入所述真空室，
其中，所述磁体的磁性足够强以防止来自所述等离子体发生器的带电粒子在所述真空室内产生二次等离子体源。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过使用来自磁体的磁场使所述带电粒子在其离开所述出口之后偏转包括用来自永磁体的磁场使所述带电粒子偏转。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，通过使用来自磁体的磁场使所述带电粒子在其离开所述出口之后偏转包括用来自线圈的磁场使所述带电粒子偏转。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述等离子体发生器的出口通向所述等离子体发生器和所述真空室之间的通道中，并且其中使所述带电粒子在其离开所述出口之后偏转包括使所述通道中的带电粒子偏转。
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