JP6085596B2 - 能動的に流れ出ることのない液体を用いたプラズマ・イオン源の高電圧絶縁 - Google Patents

Description

本発明は、誘導結合プラズマ・イオン源に関し、より詳細には、プラズマ源を冷却し、同時に高電圧絶縁（ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）をもたらす手段に関する。

荷電粒子の集束ビーム、すなわちイオンまたは電子の集束ビームを形成するために集束カラムともに使用されるとき、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源は他のタイプのプラズマ源よりも有利である。誘導結合プラズマ源は、幅の狭いエネルギー範囲内の荷電粒子を供給することができ、それにより、小さなスポットに荷電粒子を集束させることができる。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，２４１，３６１号明細書に記載されているものなどのＩＣＰ源は、一般にセラミック製のプラズマ室の周囲に巻き付けられた高周波（ＲＦ）アンテナを含む。このＲＦアンテナは、プラズマ室内のガスをイオン化された状態に維持するためのエネルギーを供給する。

イオン・ビーム・プロセスに対して使用されるイオンのエネルギーは一般的に５ｋｅＶから５０ｋｅＶの間であり、最も一般的には約３０ｋｅＶである。電子のエネルギーは、走査電子顕微鏡システムに対する約５００ｅＶから５ｋｅＶの間から、透過型電子顕微鏡システムに対する数十万電子ボルトまでの範囲に及ぶ。荷電粒子システム内の試料は一般にグランド電位に維持され、荷電粒子源は、荷電粒子ビームを形成するのに使用する粒子に応じた正または負の大きな電位に維持される。したがって、イオン・ビーム源は一般に５ｋＶから５０ｋＶの間に維持され、電子源は一般に５００Ｖから５ｋＶの間に維持される。本明細書で使用する「高電圧」は、グランド電位よりも約５００Ｖ以上高い電圧またはグランド電位よりも約５００Ｖ以上低い電圧を意味する。操作員の安全のため、高電圧構成要素を電気的に絶縁することが必要である。高電圧プラズマの電気絶縁は、プラズマ源設計のその他の目標を考慮すると解決が困難な設計上のいくつかの課題を提示する。

設計上の１つの難点は、イオンがプラズマを出たときにガスを補給するために高電圧プラズマ室内にガスを導入しなければならないことによって生じる。このガスは一般に、グランド電位および大気圧よりもかなり高い圧力を有する状態で貯蔵されている。プラズマ室内のガス圧は一般に約１０^-3ミリバールから約１ミリバールの間である。このガスがガス源からプラズマ室内へ移動するときには、ガスの電位を高電圧プラズマの電位にしなければならず、ガス圧を低下させなければならない。このガスは、アーク放電としても知られている、システムに損傷を与えることになる気相放電を防ぐようにしてプラズマ室内に導入されなければならない。

設計上の他の課題は、電力を効率的に伝達するために、プラズマに電力を供給する高周波コイルをプラズマのできるだけ近くに配置することである。しかしながら、コイルをプラズマと同じ高電位に維持するためには一般に、コイル用の電源を高いプラズマ電位に維持する必要があり、そうすると、電源設計が過度に複雑になり、コストが大幅に増大することになる。コイルとプラズマの間の容量結合を低減させるために、誘導結合プラズマ・イオン源が、分割されたファラデー・シールドを使用することがある。分割ファラデー・シールドはプラズマとコイルの間に配置しなければならず、一般に十分に接地される。接地されたファラデー・シールドを誘電性のプラズマ容器の近くに配置すると、ファラデー・シールドと誘電性のプラズマ室の間に空気または他の低誘電率ガスが閉じ込められている場合には、電位の急激な変化によって生じる大きな電場によっておそらく気相放電が起こるであろう。このような放電はプラズマ源に損傷を与えうる。

さらに、プラズマ室に加えられたエネルギーは熱を発生させる。ビームの形成にはコンパクトなプラズマ源が望ましいが、プラズマ源がよりコンパクトでより強力になるほど、源は高温になり、したがって熱を効率的に放散させる必要性はより大きくなるであろう。高電圧はさらに冷却を困難にすることがあり、このことが、使用されるプラズマの密度を制限することがある。これらの相反する要件は、ＩＣＰ源の設計を非常に難しいものにする。

米国特許第７，２４１，３６１号明細書

本発明の目的は、改良されたプラズマ源を提供すること、およびプラズマ荷電粒子ビーム源を有する改良された荷電粒子システムを提供することにある。

本発明は、荷電粒子ビーム・システム用の誘導結合プラズマ源の高電圧（ＨＶ）絶縁および冷却を提供する。好ましい一実施形態では、プラズマ源が、誘電性の固体媒質中に実質的に封入されたファラデー・シールドによって取り囲まれ、このことがシールドの表面での気中高電圧破壊を防ぐ。他の実施形態では、プラズマ源が、ＨＶ絶縁をもたらす静止流体によって少なくとも部分的に取り囲まれる。本明細書で使用する用語「静止流体」は、能動的に流れ出ることのない流体を意味する。

以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。

次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。

結合を低減させるファラデー・シールドと高電圧絶縁および冷却のための絶縁流体とを使用したプラズマ源の概略縦断面図である。 図１のプラズマ源の概略横断面図である。 冷却および高電圧絶縁のための絶縁流体を使用するプラズマ源を使用した荷電粒子ビーム・システムを示す図である。 高電圧絶縁のための静止流体および能動冷却要素を使用したプラズマ源の概略半縦断面図である。 改良された電気絶縁および低減されたＲＦ結合のための、誘電性の固体媒質中に実質的に封入されたファラデー・シールドを使用したプラズマ源の概略半縦断面図である。 ヒート・パイプ（ｈｅａｔ ｐｉｐｅ）冷却が組み込まれたプラズマ源の概略断面図である。 １本のヒート・パイプを示す、ヒート・パイプ冷却が組み込まれたプラズマ源の概略断面図である。 プラズマ源の周囲に分配されたいくつかのヒート・パイプの例示的な構成を示す、ヒート・パイプ冷却が組み込まれたプラズマ源の上面図である。 例示的なヒート・パイプ構成を示す、ヒート・パイプ冷却が組み込まれたプラズマ源の側面図である。

プラズマ源の設計は一般に、相反する設計要件を満たすために多くのトレードオフを必要とする。本発明の実施形態は、ＲＦコイルとプラズマの間の優れた結合、プラズマ室の効果的な冷却、優れた容量遮蔽およびプラズマ源の高電圧絶縁をもたらすことができ、これらは全て、高密度、高電位の静止した誘導結合プラズマを生み出すことができる。

いくつかの実施形態では、強い電場を有する領域から空気を追い出し、その容積を液体または他の高誘電率流体で満たすことにより、普通ならば利用できないはずの源構成を設計の際に選択する機会がシステム設計者に与えられる。

以下の記述は、集束イオン・ビーム・システム用のプラズマ源を説明するが、本発明のプラズマ源を、電子ビーム・システムまたは他のシステムに対して使用することもできる。本明細書で使用するとき、「流体」は液体または気体を含むことができる。

図１は、プラズマ源１００の定型化された縦断面図を示す。プラズマ源１００は、内壁１０４および外壁１０６を有する誘電性のプラズマ室１０２を含む。プラズマ室１０２は、導電性のベース・プレート１１０の上に載っている。プラズマ室１０２内にはプラズマ１１２が維持されている。引出し光学部品１１４が、プラズマ１１２から荷電粒子を引き出し、プラズマ室１０２の開口１１６およびベース・プレート１１０の開口１１８を通過させる。それらの荷電粒子は用途によってイオンまたは電子である。誘電性の外殻１２０、好ましくは高周波エネルギーを最小限の損失で伝達するセラミック材料またはプラスチック材料でできた誘電性の外殻１２０は、プラズマ室１０２と同心であり、外殻１２０とプラズマ室の外壁１０６との間に空間１２２を画定する。空間１２２には、分割ファラデー・シールド１３４が配置されており、このシールドは一般にプラズマ室１０２と同心である。ポンプ１２４が、リザーバ／冷却器１２７から冷却流体入口１２８を通して空間１２２に冷却流体１２６を送り込み、冷却流体１２６は出口１３２から流出し、外壁１０６からの熱伝達によってプラズマ室１０２を冷却する。

分割ファラデー・シールド１３４は一般にグランド電位に固定され、したがってプラズマ領域と分割ファラデー・シールドの間で電位は急速に降下する。したがって、プラズマ領域と分割ファラデー・シールドの間にある物質は、アークの発生を阻止するのに十分な大きさの絶縁耐力を有していなければならない。冷却流体にわたる電圧降下が、動作電圧で絶縁破壊が起こるのを防ぐ十分に低いものになるように、セラミック・ハウジング１０２の材料に比べて十分に高い誘電率を有する冷却流体を選択することができる。液体冷却材は、電場増強（ｆｉｅｌｄ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）および気中放電の機会を提供しうる気泡または他の不純物を含まないものを選択する。わずかに導電性の冷却流体を選択することもでき、その場合には、流体がその容積内に電場を実質的に含まず、実質的に全ての電圧降下がプラズマ室１０２内で起こる。冷却流体はさらに、過大な量の電力を消費することになる大型のポンプを必要とする大きな流体流を必要とせずにプラズマ室１０２が過熱するのを防ぐことができる十分な熱容量を有しているべきである。プラズマ室の外壁１０６の温度は一般に約５０°Ｃ以下に維持する。

冷却流体は、水、Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（商標） ＦＣ−４０などの液体を含むことが好ましい。Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ（商標） ＦＣ−４０は、３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（米ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌ）によって販売されているフルオロカーボン・ベースの安定な電気絶縁性の流体である。蒸留水、水道水などの水を使用することができる。六フッ化硫黄などの絶縁性ガスを使用することもできる。一般に、冷却ポンプが、１０ガロン／時から５０ガロン／時の間の流量の冷却液体をリザーバ／冷却器１２７から送出する。流体１２６は、戻り導管１３３を通って出口１３２から冷却器／リザーバ１２７に戻る。あるいは、冷却流体を、機械的に送り出さない静止液体とすることもでき、これは電力のかなりの節減を可能にする。室温の水の誘電率は約８０、それに対してプラズマ室のセラミック材料の誘電率は約９であり、その結果、大部分の電圧低下はセラミック中で起こる。好ましい絶縁流体は、プラズマ室を構成する誘電材料の誘電率よりも大きな誘電率を有することが好ましい。いくつかの実施形態では、絶縁流体の誘電率が５よりも大きく、より好ましくは１０よりも大きく、よりいっそう好ましくは２０よりも大きく、最も好ましくは約４０以上である。

典型的な一実施形態では、ポンプ１２４が冷却流体を再循環させる前にリザーバ／冷却器１２７が冷却流体を約２０°Ｃまで冷却する。冷却流体はプラズマ室を部分的に取り囲み、プラズマ室に沿って底部から頂部へ縦に流れる。分かりやすくするため、図１は、プラズマ室１０２の２つの側面から空間１２２に入り、室１０２の頂部の１つの側面から空間１２２を出る冷却流体を示している。適当な入口、出口およびバッフル（ｂａｆｆｌｅ）を使用して、プラズマ室１０２の全側面において流体流が均一になることを保証することができることを当業者は理解するであろう。

ファラデー・シールド１３４は、ＲＦコイル１３６からの高周波エネルギーを通過させてプラズマに電力を供給し、同時に、高周波コイル１３６とプラズマ１１２の間の容量結合を低減させる。いくつかの実施形態では、セラミック、ガラス、樹脂、ポリマーなどの誘電性の固体媒質中にファラデー・シールド１３４を実質的に封入して、流体とファラデー・シールドとの間の不必要な接触および高電圧放電を排除することにより、ファラデー・シールド１３４を腐食および物理的な損傷から保護する。ＲＦコイル１３６は中空とすることができ、コイルの内部通路１３７に流体冷却材を流すことによってＲＦコイル１３６を冷却することができる。プラズマ室冷却系がコイルの内部にも流体冷却材を送り込んでもよく、または独立した冷却系をコイルが有することもできる。

シールド１３４の両側を冷却流体１２６が流れるようにファラデー・シールド１３４を配置することができる。いくつかの実施形態では、プラズマ室の外壁１０６に接してまたは殻１２０の内壁の表面にシールドを配置することができる。例えば、シールドは、プラズマ室の外壁１０６または殻の内壁１２０に塗布または他の方法で付着させた金属層を含むことができる。ファラデー・シールド１３４は電気的に接地される。一実施形態では、シールド１３４が、外殻１２０の一部分とベース・プレート１１０の間にファラデー・シールドのタブ１３８を捕捉することによって接地され、それによってしっかりした接地を保証する、溝穴が切られた金属円筒を含む。

プラズマを生み出すガスの電位は、タンク１５０とプラズマの間の経路に沿ってグランド電位からプラズマ電位に変化しなければならない。好ましい一実施形態では、大部分の電圧変化が、ガス圧が比較的に高く、アークの発生が妨げられるところで起こる。

タンク１５０などのガス源からプラズマ室１０２にガスが供給される。タンク１５０は一般にグランド電位に維持され、高圧のガスを含む。調整器１５２が、タンクを出て導管１５４に入るガスの圧力を低下させる。任意選択の調整可能弁１５６がガス管路内の圧力をさらに低下させ、または源が使用されないときには導管を完全に閉じる。ガスがプラズマ室１０６に到達する前に、毛管１５８などの流れ絞りが、ガス圧をさらに低下させる。流れ絞り１５８は、ガス管路とプラズマ室１０２の内部との間の所望のガス・コンダクタンス（ｇａｓ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）を提供する。流れ絞り１５８は、プラズマ１１２と電気的に接触していることが好ましく、そのためプラズマと同じ電位を有することが好ましい。他の実施形態では、この流れ絞りが、プラズマ以外の電圧源から印加された電気バイアスを有することができる。絶縁シールド１６０が毛管１５８を取り囲み、絶縁シールド１６０の端の接地された金属製のカラー（ｃｏｌｌａｒ）１６２が、その位置におけるガスの電位がゼロであることを保証する。したがって、グランド電位からプラズマ電圧への電位の変化はその全体が、ガスの圧力が比較的に高くしたがってガスがアークの発生を妨げる絶縁シールド１６０内で起こる。

弁１５６を持たない例示的な１つの実施形態では、調整器１５２が、供給タンクを出たガスの圧力を１５０ｐｓｉｇから５ｐｓｉｇへ低下させる。毛管１５８に到達するまでガス圧は５ｐｓｉｇのままであり、毛管１５８で、ガス圧は、例えば０．１トルであるプラズマ室の圧力まで低下する。電場を十分に低く保って有害な放電を防ぐため、絶縁シールド１６０は十分な長さを有することが好ましい。絶縁シールド１６０の長さは一般に少なくとも約５ｍｍであり、より一般的には約３０ｍｍから６０ｍｍの間である。例えば、プラズマを３０ｋＶに維持する場合、長さ１０ｍｍのシールド内の電場は約３ｋＶ／ｍｍであり、これは、大部分の用途において持続的な放電を防ぐのに十分な低い値である。局所的な電場は幾何形状に依存すること、および絶縁シールド１６０内において静電荷平衡に達するため最初に低電流の放電が起こることがあることを当業者は理解するであろう。いくつかの実施形態では、プラズマの前の最後の流れ絞りにガスが到達する前に弁１５６がガス圧をさらに低下させる。この流れ絞りを、毛管ではなく、リーク弁などの弁とすることもできる。任意のタイプのガス源を使用することができる。例えば、ガス源は、加熱されたときに、プラズマを供給するのに十分な速度でガスを発生させる液体または固体材料を含むことができる。異なるガス源の異なる出力圧力をプラズマ室内で必要な圧力まで低下させるためには、異なる構成要素が必要となることがある。

図２は、図１のプラズマ源１００の横断面図を示す。図２は、プラズマ室１０２の外壁１０６が波形であること、すなわちプラズマ室１０２の外壁１０６が一連の尾根２０２と谷２０４からなることを示している。ファラデー・シールド１３４は尾根２０２に接して配置されており、冷却流体が流れる通路２０６を谷２０４とシールド１３４の間に画定する。図２に示した実施形態では、ファラデー・シールド１３４が、プラズマ室の外壁１０６の上に被せられた金属スリーブを含む。次いで、金属スリーブの底部の一部分が外側へ折り曲げられて接地タブ１３８（図１）を形成する。接地タブ１３８は、プラズマ室１０２と接地プレート１１０の間に捕捉される。冷却流体１２６は、プラズマ室の外壁１０６および殻１２０によって画定された空間１２２を通って流れる。ファラデー・シールドは「分割」されている。すなわち、シールドに、ＲＦアンテナとプラズマ１１２の間の誘導結合を可能にする縦方向の溝穴がある。代替実施形態では、外壁１０６が波形でなく、ファラデー・シールドが波形に形成される。あるいは、壁１０６とファラデー・シールドの両方を波形にしないこともできる。

図３は、図１のプラズマ源を使用した荷電粒子ビームを示す。イオン・カラムの頂部に、電磁エンクロージャ３０４、源室３０６および誘導コイル３０８を備える誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）イオン源３０２が装着されており、誘導コイル３０８は、導電材料の１つまたは複数の巻線を含む。図３に示した実施形態では、冷却材リザーバおよび冷却器３９０がポンプ３９１に冷却材を供給し、ポンプ３９１が、導管３９２によって、源室３０６の周囲の領域に冷却材を供給する。冷却材は次いで、戻り導管３９３によって冷却材リザーバおよび冷却器３９０に戻る。代替実施形態では、源室３０６の周囲の冷却材領域が高電圧絶縁用の静止液体を含む。このような実施形態では、リザーバ／冷却器３９０および冷却材ポンプ３９１を排除することができ、またはリザーバ／冷却器３９０および冷却材ポンプ３９１を使用して、高電圧領域に入らない冷却流体を循環させることができる。他の実施形態では、後により詳細に説明するように、１つまたは複数のヒート・パイプによってプラズマ源３０２内の液体が冷却される。

ＲＦ同軸ケーブル３４２によってマッチ・ボックス（ｍａｔｃｈ ｂｏｘ）３４１にＲＦ電源３４０が接続されている。マッチ・ボックス３４１は、コイルの脚の延長部分３４３によって誘導コイル３０８に接続されている。誘導コイル３０８は源室３０６と同軸に装着されている。誘導コイル３０８と源室３０６内で発生したプラズマとの間の容量結合を低減させるため、任意選択で、誘導コイル３０８の内側に、分割ファラデー・シールド（図示せず）を、源室３０６と同軸に装着することができる。ＩＣＰイオン源３０２内で分割ファラデー・シールドを使用すると、ＩＣＰイオン源３０２の底部からイオン・カラム内に引き出されるイオンのエネルギーに対する誘導コイル３０８にわたる高電圧（一般に数百から数千ボルト）の影響は最小限になる。その結果、ビーム・エネルギーの幅がより小さくなり、基板表面または基板表面付近の焦束荷電粒子ビームの色収差が低減する。

源室３０６内のプラズマの存在は、プラズマによって放出され、光ファイバ３４４の源に面した端部によって集められ、光ファイバ３４４によってプラズマ光検出ユニット３４５に伝送される光を使用して検出することができる。プラズマ光検出ユニット３４５によって生成された電気信号は、ケーブル３４６によってプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）３４７に伝達される。次いで、プラズマ光検出ユニット３４５によって生成されたプラズマ・オン／オフ信号は、ＰＬＣ３４７から、プラズマ源制御ソフトウェアを実行するプラズマ源コントローラ３５１に、ケーブルまたはデータ・バス３４８を通して送られる。次いで、プラズマ源コントローラ３５１からの信号を、ケーブルまたはデータ・バス３５２を通して、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム・コントローラ３５３に送ることができる。ＦＩＢシステム・コントローラ３５３はインターネット３５４を介して遠隔サーバ３５５と通信することができる。ＦＩＢシステム制御のさまざまな構成要素の相互接続のこれらの詳細は単に例示目的で示したものである。当業者によく知られている他の制御構成も可能である。

源室３０６の内部に通じる入口絞り３２８に通じる入口ガス管路３２０によって源室３０６にガスが供給される。主としてより高圧のガスにわたって電圧低下が起こるように、絞り３２８は、ガス源３１０および調整器３３２の電位よりも室３０６内のプラズマの電位に近い電位に維持される。絶縁シールド３２９が、絞り３２８の上流のガス管路を絶縁し、絶縁シールド３２９の末端には接地されたカラー３３１がある。

ＩＣＰ源用のガス供給システム３１０は、ガス供給源３３０、高純度ガス調整器３３２およびニードル（調整）弁３３４を備える。ガス供給源３３０は、例えばヘリウム、酸素、キセノンまたはアルゴン供給ガスに対する場合のように、１つまたは複数の流れ調整段を有する標準ガス・ボンベを含むことができる。あるいは、室温で固体または液体である化合物に由来するガスについては、ガス供給源３３０が、加熱されたリザーバを含むことができる。他のタイプのガス供給源３３０も可能である。ガス供給源３３０の構成の具体的な選択は、ＩＣＰ源に供給するガスのタイプに依存する。供給源３３０からのガスは高純度ガス調整器３３２を通過する。高純度ガス調整器３３２は、１つまたは複数の精製および圧力低下段を備えることができる。高純度ガス調整器３３２を出た精製されたガスは、任意選択のニードル弁３３４を通過する。任意選択のニードル弁３３４を出たガスは、ホース３３６を通って、ＩＣＰ源の近くに装着された任意選択の第２のニードル弁３３８に達する。ニードル弁３３８を出たガスは、絞り３２８を介して源室３０６の頂部に接続した入口ガス管路３２０を通過する。

ＩＣＰ源３０２の底部では、源電極３５７が、イオン・ビーム引出し光学部品の一部として働き、引出し電極３５８およびコンデンサ３５９とともに機能する。源電極（図示せず）には、源エンクロージャ３０６内でのプラズマの開始を可能にするプラズマ点火装置３６０が接続されている。プラズマに点火する他の知られている手段を使用することもできる。ＩＣＰ源の動作の詳細は、２００７年７月１０日に発行された、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許第７，２４１，３６１号明細書に記載されている。源電極３５７は、点火装置３６０を介して、ビーム電圧電源（ＰＳ）３６１によって、高電圧にバイアスされる。源電極３５７上の電圧は、プラズマの電位、したがって一価の原子イオン種もしくは分子イオン種または電子の場合に基板表面に到達する荷電粒子のエネルギーを決定する。二価のイオン種の運動エネルギーは２倍になる。引出し電極３５８は、引出し電極電源３６３によってバイアスされ、コンデンサ３５９は、コンデンサ電源３６２によってバイアスされる。源電極３５７、引出し電極３５８およびコンデンサ３５９の結合された動作は、ＩＣＰ源３０２からイオンを引き出し、ＩＣＰ源３０２から出たイオンを集束させてビームにする働きをし、このビームは、ビーム取込み絞り（ｂｅａｍ ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ ａｐｅｒｔｕｅ）３６４へ進む。ビーム取込み絞り３６４は、ＦＩＢシステム・コントローラ３５３によって制御されたビーム取込み絞り（ｂｅａｍ ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ ａｐｅｒｔｕｅ）アクチュエータ３６５によってイオン・カラム内に機械的に配置される。典型的な電圧設定は、電源３６１についてはおよそ＋３０ｋＶ、電源３６２についてはおよそ１５ｋＶ、電源３６３についてはおよそ１５ｋＶとすることができる。

図３に示したイオン・カラムは、試料ステージ・コントローラ３３７によって制御されたステージ３６９上に装着された基板３６８の表面または表面付近に、ＩＣＰ源３０２内の仮想源の高度に縮小された（およそｌ／１２５倍）像を形成する目的に使用される２つの静電アインツェル・レンズ（ｅｉｎｚｅｌ ｌｅｎｓ）３６６および３６７を示す。「レンズ１」または「Ｌ１」と呼ぶ第１のアインツェル・レンズ３６６はビーム取込み絞り３６４の直下に置かれ、３つの電極を備える。第１および第３の電極は一般に接地され（０Ｖ）、中心電極３７０の電圧は、レンズ１（Ｌ１）電源（ＰＳ）３７１によって制御される。レンズ１電源３７１は、ＦＩＢシステム・コントローラ３５３によって制御される。

イオン・カラム内の第１のアインツェル・レンズ３６６と第２のアインツェル・レンズ３６７の間に、１つまたは複数のビーム画定絞りを含むビーム画定絞りアセンブリ３７２が取り付けられている（図１には３つの絞りが示されている）。ビーム画定絞りアセンブリ３７２は一般に、開口の直径が異なるいくつかの円形の絞りを備える。これらの絞りのうちのいずれかの絞りを光軸上に配置して、基板表面におけるビーム電流および半角を制御することができる。あるいは、ビーム画定絞りアセンブリ３７２の複数の絞りのうちの２つ以上の絞りを同じものにし、それにより冗長性をもたらし、絞りの保守サイクル間の期間を長くすることができる。対応するレンズの調整を実施してビーム半角を制御することにより、基板表面または基板表面付近の集束イオン・ビームのビーム電流および直径を、実行するミリング操作または画像化操作の空間分解能要件に基づいて選択することができる。使用する特定の絞り（したがって基板におけるビーム半角）は、ＦＩＢシステム・コントローラ９５０によって制御されたビーム画定絞り（ｂｅａｍ ｄｅｆｉｎｉｎｇ ａｅｒｔｕｒｅ）（ＢＤＡ）アクチュエータ３７３によって、ビーム画定絞りアセンブリ３７２内の所望の絞りをカラムの光軸上に機械的に配置することによって決定される。

ビーム画定絞りアセンブリ３７２の下に、「レンズ２」または「Ｌ２」と呼ぶ第２のアインツェル・レンズ３６７が示されている。第１および第３の電極は一般に接地され（０Ｖ）、中心電極３７４の電圧は、レンズ２（Ｌ２）電源（ＰＳ）３７５によって制御される。レンズ２電源３７５は、ＦＩＢシステム・コントローラ３５３によって制御される。源３０２と試料室３７８の間のどこかにカラム／室分離弁３７６が配置される。分離弁３７６は、試料からのガス放出によって、試料の導入および取出し中に、または他の理由で、試料室３７８内の真空レベルが不利な影響を受けている場合であっても、イオン・カラム真空室３７７内の真空を高レベルに維持することを可能にする。源／室ターボポンプ３７９は、ポンプ流送管路３８０を通して試料室３７８から排気するように構成される。ターボポンプ３７９はさらに、ポンプ流送管路３８１を通してイオン・カラム・エンクロージャ３７７から排気する。

図３に示したＦＩＢシステムの詳細は例示だけが目的であり、他の多くのＦＩＢシステム構成が、ミリングおよび画像化のための本発明の多モード実施形態を実現することができる。例えば、図３に示したイオン・カラムは、２つの静電アインツェル・レンズを示す。あるいは、単一の静電アインツェル・レンズまたは３つ以上の静電レンズを使用してイオン・カラムを実現することもできる。他の実施形態は、磁気レンズ、または強集束構成（ｓｔｒｏｎｇ−ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）の２つ以上の静電もしくは磁気４重極の組合せを含むことがある。本発明のこの実施形態の目的上、イオン・カラムは、基板３６８の表面または表面付近に、仮想源（ＩＣＰ源３０２では）の高度に縮小された像を形成することが好ましい。これらの可能な縮小方法の詳細は当業者によく知られている。

図４は、内壁４０４および外壁４０６を有する誘電性のプラズマ室４０２を含むプラズマ源４００の他の実施形態の半断面図を示す。図４は、アンテナ・コイル４３６とプラズマ室の外壁４０６の間の空洞４１０内に配置された静止流体４０８、ならびに殻４１６を示す。静止流体は、Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ、蒸留水などの液体、または六フッ化硫黄などの気体を含むことができる。殻４１６と外壁４０６の間にはさらに分割ファラデー・シールド４１２が配置されている。ファラデー・シールド４１２は、示されているように殻４１６に接して、または外壁４０６に接して、または両方の壁から離し静止流体４０８に沈めて配置することができる。接地された分割ファラデー・シールド４１２と外壁４０６の間に配置されたとき、流体４０８は、プラズマ室の高電圧絶縁の一部をもたらす。静止流体４０８は、外部ポンプによって源４００の外側で循環しないことが好ましいが、静止流体４０８は、内部での対流によって源の内部で移動することがある。任意選択の１つまたは複数の冷却装置４１４がプラズマ室４０２の冷却を助ける。冷却装置４１４は、プラズマ室を取り巻き、流体がその中を循環する冷却ループを備えることができる。冷却装置４１４は、グランド電位にあるファラデー・シールドの外側に配置されるため、電圧絶縁を一切実行せず、したがって、冷却装置４１４内では任意のタイプの冷却流体を使用することができる。あるいは、冷却装置４１４は、ペルチェ効果冷却器などの１つまたは複数の熱電冷却器を備えることができる。ＲＦコイル４３６は中空とすることができ、コイルの内部通路４３７に冷却材を流すことによってＲＦコイル４３６を冷却することができる。

図５は、本発明の他の実施形態のプラズマ源５００の半断面図を示す。図５は、ＲＦコイル５３６とプラズマ室外壁５０６の間に配置された誘電性の固体媒質５１６中に実質的に封入されたファラデー・シールド５１２を示す。誘電性の固体媒質５１６は例えば、アルミナ、石英などのセラミック材料、樹脂、またはＥｍｅｒｓｏｎ ＆ Ｃｕｍｍｉｎｇ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ（米マサチューセッツ州Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ）によって販売されているＳｔｙｃａｓｔ Ｗ−１９、Ｓｔｙｃａｓｔ ２７６２などのエポキシ封入材を含むことができる。誘電性媒質５１６と外壁５０６の間の任意選択の隙間が、ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ、蒸留水、六フッ化硫黄などの流体によって満たすことができる流体空洞５１０を画定する。ファラデー・シールド５１２の封入されていない部分５３８は、接地接続の形成に利用可能である。いくつかの実施形態では、図１に示したシステムと同様のシステムを使用して、流体５０８を、流体空洞５１０、次いで冷却器を通して送り出す。他の実施形態では、流体５０８が源の外側に送り出されず、流体空洞５１０内に留まる。ＲＦコイル５３６は中空とすることができ、コイルの内部通路５３７に冷却材を流すことによってＲＦコイル５３６を冷却することができる。

いくつかの実施形態では、流体を介在させることなく、誘電性媒質５１６を外壁５０６に接して配置することができる。このような実施形態では、空隙を回避するため、誘電性媒質５１６が外壁５０６にぴったりと接触すべきである。流動可能な材料を使用して、外壁５０６と誘電性媒質５１６の間の空気を追い出すことによっても空隙を回避することができる。この流動可能な媒質は例えば高誘電率のグリースまたはジェルとすることができる。流動可能な材料は液体であり続けてもよく、またはプラズマ室に対して誘電性媒質を配置した後に固化してもよい。いくつかの実施形態では、誘電性媒質が、硬化するまたは液体であり続ける流動可能な媒質を含むことができる。例えば、外壁５０６の周囲にファラデー・シールドが配置されるようにファラデー・シールド５１２を外壁５０６の上に被せる前に、外壁５０６および／またはファラデー・シールド５１２に流動可能な硬化性材料を塗布することができ、この流動可能な媒質は、ファラデー・シールド５１２と外壁５０６の間の隙間を埋める。流動可能な媒質が、外壁５０６の側とは反対側のファラデー・シールドの面をコーティングし、それによって冷却流体とファラデー・シールドの間の接触を防ぐこともできる。いくつかの実施形態では、プラズマ室５０２の壁にファラデー・シールドを成形することができる。

図６Ａから６Ｄは、ヒート・パイプ冷却が組み込まれたプラズマ源６００の他の実施形態の複数の図を示す。プラズマ源６００は、内壁６２８および外壁６２６を有する誘電性のプラズマ室６０４を含む。図６Ａは、好ましいヒート・パイプ冷却装置を含むプラズマ源６００の実施形態の概略断面図を示す。図６Ｃの断面切断線Ｂ−Ｂを参照されたい。「ヒート・パイプ」は、相遷移を利用して熱を効率的に伝達する熱伝達装置である。この実施形態では、冷却材ジャケット６０８の上部に組み込まれた１つまたは複数のヒート・パイプ６０６を有するプラズマ室６０４を静止流体冷却材６０２が取り囲む。冷却材６０２は、プラズマ室６０４からの熱によって蒸発し、冷却フィン６１２に向かって上昇する冷却材蒸気６１０を生み出す。冷却材蒸気６１０の熱は冷却フィン６１２によって放散し、周囲の空気に伝達され、それによって冷却材蒸気は冷却される。冷却材蒸気は冷えると凝縮し、冷却材ジャケット６０８へ戻る。あるいは、ヒート・パイプ６０６の内側の液体を、冷却ジャケット６０８内の液体とは別個の液体とし、ヒート・パイプ内で蒸発−凝縮サイクルを完結させることもできる。

熱放散能力を増大させるため、冷却材ジャケット６０８の上部に複数のヒート・パイプが組み込まれることが好ましい。冷却材６０２は、アンテナ・コイル６２０とプラズマ室の外壁６２６の間、好ましくは分割ファラデー・シールド６２４と外壁６２６の間に配置された冷却材ジャケット６０８内に配置される。あるいは、誘電性の固体媒質中に分割ファラデー・シールドを実質的に封入することもできる。接地された分割ファラデー・シールド６２４と外壁６２６の間に配置されたとき、液体６０２は、プラズマ室の高電圧絶縁の一部をもたらす。静止液体冷却材６０２は、外部ポンプによって源６００の外側で循環しないが、静止液体冷却材６０２は、対流によって、さらには凝縮した冷却材の重力流によって、源の内部で移動することある。いくつかの実施形態では、液体冷却材が、相変化することなしに対流によって壁６２６から熱を運び去り、この上昇した高温の液体冷却材は、例えば冷却フィン６１２によって冷却され、冷却ジャケット６０８内に戻る。冷却材は、外壁６２６と接触して流れることができ、または外壁６２６の外側の冷却流路内を流れることができる。ＲＦコイル６２０は中空とすることができ、コイルの内部通路６２２に冷却材を流すことによってＲＦコイル６２０を冷却することができる。ガスは、ガス入口６１４を通ってプラズマ室６０４に入り、引出し電極６３２によってプラズマ室６０４から荷電粒子が引き出される。

図６Ｂは、１本のヒート・パイプを示す、図６Ａのプラズマ源６００の切断線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。ヒート・パイプ６０６の源側の端部は、プラズマ室６０４を取り囲む冷却材ジャケット６０８に接続されている。静止液体冷却材６０２は冷却材ジャケット空間を占有する。ヒート・パイプ６０６の反対端は、冷却フィン・マウント６１８に接続されている。液体冷却材が静止液体冷却材と呼ばれるのは、液体冷却材が能動的に流れ出ることがないためであるが、液体内部の熱勾配によって液体が移動することがあることを理解されたい。

図６Ｃは、組み込まれたヒート・パイプの例示的な一構成を有するプラズマ源６００の上面図を示す。この実施形態では、８本のヒート・パイプ６０６がプラズマ源に放射状に組み込まれ、プラズマ源の頂部の近くに位置する。それぞれのヒート・パイプ６０６は、ヒート・パイプの外端に取り付けられた冷却フィン・マウント６１８を有する。それぞれの冷却フィン・マウント６１８には１つまたは複数の冷却フィン６１２が接続される。

図６Ｄは、図６Ｃのプラズマ源６００の側面図を示し、冷却フィンおよびヒート・パイプの配置をさらに示すために、８本のヒート・パイプのうちの１本のヒート・パイプ６３４が破断されている。分かりやすくするため、この図には前景のヒート・パイプだけが示されている。ヒート・パイプ６０６はプラズマ源に放射状に組み込まれ、プラズマ源の上部に位置する。それぞれのヒート・パイプ６０６は、１つまたは複数の冷却フィン６１２が取り付けられた冷却フィン・マウント６１８を有する。

本発明の一態様によれば、荷電粒子ビーム・システムは、誘電材料からなる壁を有するプラズマ室であり、この壁が内面および外面を有するプラズマ室と、プラズマ室の周囲に少なくとも１回巻かれた導体と、プラズマ室の少なくとも一部分を取り囲み、プラズマ室の少なくとも一部分と熱接触する流体であり、能動的に流れ出ることのない流体と、プラズマを高電圧に電気的にバイアスする源電極とを有するプラズマ源と、プラズマ源からの荷電粒子を試料の表面に焦束させる１つまたは複数の集束レンズとを備える。

いくつかの実施形態では、この荷電粒子ビーム・システムが、プラズマ室と導体の間に配置された導電性シールドをさらに備え、前記流体の少なくとも一部分がプラズマ室と導電性シールドの間に配置される。ある実施形態では、この荷電粒子ビーム・システムが、前記流体を冷却する少なくとも１つの冷却装置をさらに備える。ある実施形態では、この荷電粒子ビーム・システムが、少なくとも１本のヒート・パイプをさらに備え、前記少なくとも１本のヒート・パイプの一部分が、前記流体からの熱が前記少なくとも１本のヒート・パイプを通って放散して前記流体を冷却することができるように前記流体と熱接触する。ある実施形態では、この荷電粒子ビーム・システムが、前記少なくとも１本のヒート・パイプと熱接触する冷却フィンまたは一組の冷却フィンをさらに備え、この冷却フィンが、ヒート・パイプからの熱を放散し、その熱を周囲の環境に伝達する。

いくつかの実施形態では、前記流体の一部分がプラズマ室と導体の間に配置される。ある実施形態では、前記流体の誘電率が５よりも大きい。ある実施形態では、前記流体が水またはフッ素化合物を含む。ある実施形態では、冷却装置が熱電冷却器を備える。ある実施形態では、ヒート・パイプが放散流体（ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ ｆｌｕｉｄ）を含み、前記放散流体が、プラズマ室の少なくとも一部分を取り囲み、プラズマ室の少なくとも一部分と熱接触する前記流体とは別個の流体である。

本発明の他の態様によれば、プラズマ源を維持する方法は、プラズマを収容するためのプラズマ室を用意すること、高周波コイルからプラズマ室に高周波エネルギーを送ること、コイルとプラズマ室の間に導電性シールドを用意すること、および導電性シールドとプラズマ室の間に流体を送ることを含み、この流体は、プラズマ室の高電圧絶縁をもたらし、この流体は能動的に流れ出ることがない。

いくつかの実施形態では、プラズマ源を維持するこの方法が、プラズマ室と熱接触する、プラズマ室を冷却するための少なくとも１つの冷却装置を用意することをさらに含む。ある実施形態では、プラズマ源を維持するこの方法が、プラズマ室を冷却するヒート・パイプを用意することをさらに含み、このヒート・パイプの一部分が前記流体と熱接触する。ある実施形態では、少なくとも１つの冷却装置を用意することが、冷却流体を循環させる冷却管または熱電冷却器を用意することを含む。ある実施形態では、導電性シールドとプラズマ室の間に流体を送ることが、水またはフッ素化合物を送ることを含む。ある実施形態では、導電性シールドとプラズマ室の間の流体の一部分が蒸発して蒸気を生成し、この蒸気からの熱がヒート・パイプによって放散され、周囲の環境に伝達されて、プラズマ室を冷却する。

本発明の一態様によれば、荷電粒子ビーム・システムのプラズマ源に高電圧絶縁をもたらす方法は、プラズマを収納するためのプラズマ室を用意すること、プラズマ室の周囲に少なくとも１回巻かれた導体を用意すること、プラズマを高電圧に電気的にバイアスする源電極を用意すること、その一部分がプラズマ室と熱接触する液体を送ること、およびプラズマ室を冷却するヒート・パイプを用意することを含み、プラズマ室からの熱によって液体の一部分が蒸発して蒸気を生成し、この蒸気からの熱が、ヒート・パイプによって周囲の環境に放散される。

いくつかの実施形態では、前記液体が能動的に流れ出ることがない。ある実施形態では、前記液体が、プラズマ室を取り囲むジャケット内に保持され、このジャケットが、蒸気の一部分がヒート・パイプを通って上昇するようにヒート・パイプに接続される。ある実施形態では、蒸気からの熱が周囲の環境に放散されているときに、ヒート・パイプ内の蒸気の一部分がその液体状態にまで凝縮し、ジャケット内へ戻る。

１つの実施形態で説明した材料および構造体または先行技術の一部として説明した材料および構造体が他の実施形態で使用されることもある。本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。

Claims (8)

1. 誘電材料からなる壁を有するプラズマ室であり、前記壁が内面および外面を有するプラズマ室、
   前記プラズマ室の周囲に少なくとも１回巻かれた導体、
   前記プラズマ室の少なくとも一部分を取り囲み、前記プラズマ室の少なくとも一部分と熱接触する流体であり、能動的に流れ出ることのない流体、および
   プラズマを高電圧に電気的にバイアスする源電極
   を有し、荷電粒子を提供するプラズマ源と、
   前記プラズマ源からの荷電粒子を試料の表面に焦束させる１つまたは複数の集束レンズと、
   放散流体を含む少なくとも１本のヒート・パイプであって、前記少なくとも１本のヒート・パイプの一部分が、前記流体からの熱が前記少なくとも１本のヒート・パイプを通って放散して前記流体を冷却することができるように前記流体と熱接触し、前記放散流体は、前記プラズマ室の少なくとも一部分を取り囲み、前記プラズマ室の少なくとも一部分と熱接触する前記流体とは別個の流体である、少なくとも１本のヒート・パイプと
   を備える荷電粒子ビーム・システム。
2. 前記流体の一部分が前記プラズマ室と前記導体の間に配置された、請求項１に記載の荷電粒子ビーム・システム。
3. 前記流体の誘電率が５よりも大きい、請求項１または２に記載の荷電粒子ビーム・システム。
4. 前記流体が水またはフッ素化合物を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
5. 前記プラズマ室と前記導体の間に配置された導電性シールドをさらに備え、前記流体の少なくとも一部分が前記プラズマ室と前記導電性シールドの間に配置された、請求項１から４のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
6. 前記流体を冷却する少なくとも１つの冷却装置をさらに備える、請求項５に記載の荷電粒子ビーム・システム。
7. 前記少なくとも１つの冷却装置が熱電冷却器を備える、請求項６に記載の荷電粒子ビーム・システム。
8. 前記少なくとも１本のヒート・パイプと熱接触する冷却フィンをさらに備え、前記冷却フィンが、前記少なくとも１本のヒート・パイプからの熱を放散し、前記熱を周囲の環境に伝達する、請求項１から７のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。

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