用于电感耦合等离子体离子源的紧凑rf天线的制作方法

专利名称：用于电感耦合等离子体离子源的紧凑rf天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及聚焦离子束(FIB)系统中使用的电感耦合等离子体离子源，并且更具体而言，涉及一种适于有效率地生成高密度等离子体的改进的RF天线。
背景技术：
电感耦合等离子体(ICP)源在与聚焦列一起使用以形成带电粒子(即离子或电子)的聚焦射束时具有相对于其他类型的等离子体源的优点。诸如转让给本发明的受让人的美国专利N0.7241361中描述的电感耦合等离子体源的电感耦合等离子体源能够提供窄能量范围内的带电粒子，由此降低了色像差，并且允许将带电粒子聚焦到小的斑点。ICP源通常包括围绕绝缘等离子体腔同轴安装的射频(RF)天线。RF天线提供用以点火和保持等离子体腔内的等离子体的能量。RF天线通常包括具有很多同轴匝的线圈，这些匝沿轴向相对于彼此移位，其中，RF天线的总长控制在等离子体腔内生成的等离子体的轴向范围。由于增加的匝数或者由于更大匝间间隔，RF天线可能更长，在这种情况下等离子体也将在等离子体腔内更长。由于减少的匝数或者由于更小的匝间间隔，RF天线可以更短，在这种情况下，等离子体将在等离子体腔内更短。增加的匝数可以改善激励RF天线的RF电源和等离子体腔内的等离子体之间的耦合效率。然而，更短的线圈可以产生用于离子生成的更有效率的等离子体，因为对于给定输入RF功率而言，假定等离子体腔内的等离子体直径保持恒定，那么等离子体密度可以与等离子体的轴向长度大致成反比。因而，优选的天线构造是在最短的可能长度内的天线线圈中的最大匝数。显然，这意味着较近的匝间间隔(即，RF天线中的相继匝之间的距离)应当尽可能小。然而，来自RF电源的功率跨越天线线圈生成高电压，从而在相继匝之间感生可能超过400Vrf的电压，并且在高RF功率上可能升至几KVrf。RF功率的增加通常导致增加的等离子体密度和更高的源发射电流；然而，高RF功率将对天线的匝到匝绝缘以及对天线和处于不同电势上的相邻电部件之间的绝缘提出要求更高的高压隔离(standoff)要求。如现有技术中讨论的，可以将由具有高导电性的金属构成的法拉第屏蔽结构放置在等离子体腔和天线之间，从而使向等离子体内的电容性RF电压耦合最小化，该耦合能够显著增大源射束能扩展。聚焦离子束系统要求最低的可能能量扩展，从而降低将对实现精细的探头射束造成不利的色像差。因而，最佳天线设计必须在匝间以及天线与其相邻电部件之间提供充分的电压隔离，例如，法拉第屏蔽。因而需要的是一种用于在聚焦离子束系统中使用的改进的电感耦合等离子体离子源。

发明内容
本发明的目的在于提供一种在聚焦离子束(FIB)系统中使用的改进的电感耦合等离子体离子源。本发明的实施例提供了更为紧凑且更有效率的RF天线，其用于对聚焦离子束(FIB)系统中使用的电感耦合等离子体离子源中的高密度等离子体进行点火和/或维持。更为紧凑的天线能够更有效率地生成更高密度的等离子体，由此能够以更低的RF输入功率实现更高的离子发射电流。通过本发明的一些实施例的紧凑天线设计能够实现的能够以高RF功率运行的紧凑源将拓宽等离子体源的操作参数范围，其允许更宽范围的优化运行模式和利用多种原料气进行操作的能力。优选的天线线圈是使用高密度绝缘材料进行绝缘的，例如，聚四氟乙烯(PTFE)塑料管，其表现出了比现有技术绝缘涂层(15.7kV/mm)高得多的介电强度(例如55kV/mm)，由此能够相对于匝间间隙以及天线线圈与法拉第屏蔽或等离子体腔的接近度实现紧凑得多的天线设计。在一些实施例中，所述绝缘材料是通过使PTFE管热收缩以贴合且紧密地卷绕天线的载流导体而形成的。上文已经相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优势，以便详细描述本发明，其以下内容可以被更好的理解。在下文中将描述本发明的附加的特征和优点。本领域技术人员应当认识到，可以容易地利用所公开的构思和具体实施例作为基础以便修改或者设计用于实现本发明的相同目的的其他结构。本领域技术人员还应当认识到这样的等效构造并不背离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。


为了更加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做出参考，其中:
图1示出了用于将RF天线安装在等离子体腔周围的第一现有技术方法，其采用了位于天线线圈上的沉积绝缘涂层，所述天线线圈具有大的匝间间隔，以实现高压隔离。图2示出了用于将RF天线安装在等离子体腔周围的第二现有技术方法，其采用绝缘流体来在所述天线线圈的匝之间提供高压隔离，以及提供对线圈的冷却。图3是本发明的第一实施例的示意性侧视截面图，其采用具有与等离子体腔的外径隔开的匝并且具有匝间间隙的RF天线。图4是本发明的第二实施例的示意性侧视截面图，其采用与图3中的第一实施例类似的天线结构，但是在天线和等离子体腔之间具有法拉第屏蔽。图5是本发明的第三实施例的示意性侧视截面图，其采用具有与法拉第屏蔽接触的匝并且没有匝间间隙的RF天线。图6是本发明的第四实施例的示意性侧视截面图，其采用具有与法拉第屏蔽接触的匝并且没有匝间间隙的RF天线，其中，所述线圈冷却流体处于所述天线外部。图7是由现有技术天线和本发明的紧凑天线生成的作为天线线圈长度的函数的磁场的曲线图。图8是图7中的曲线图的部分的特写视图，其示出了针对现有技术和针对本发明的线圈长度。图9是作为天线线圈直径的函数而生成的磁场的曲线图。图10是图9中的曲线图的部分的特写视图。图11是针对现有技术和针对本发明的作为输入RF功率的函数的等离子体源发射电流的曲线图。
附图并非意在是按比例绘制的。在附图中，通过同样的附图标记表示各幅图中所示出的每一个相同或几乎相同的部件。为了清晰起见，并非在每幅图中都标记每一个部件。
具体实施例方式本发明的实施例提供了一种用于在聚焦带电粒子束系统中使用的电感耦合等离子体源的紧凑射频(RF)天线。通过阻抗匹配电路将RF电源连接至这一 RF天线，从而有效率地输送RF功率(即，具有回到电源的最低反射RF功率)。所述RF天线优选被放置在等离子体腔周围并与之同轴，从而使向在等离子体腔内生成的等离子体中的功率耦合效率最大化。本发明的实施例提供了用于电感耦合等离子体带电粒子源的RF天线。在一些实施例中，所述线圈与接地法拉第屏蔽接触或者紧密靠近，所述法拉第屏蔽的作用在于对等离子体进行屏蔽，防止其电容耦合至天线上的RF电压。在其他实施例中，通过将本发明的紧凑天线线圈浸入在电介质冷却剂中来对其进行冷却。图1示出了用于将RF天线112安装在离子源100中的等离子体腔周围的第一现有技术方法(US专利N0.6975072B2)。等离子体腔包括三个部分:上部106 (其可以包括第一永磁体)和下部108 (其可以包括第二永磁体)，二者通过包围RF天线112的中央石英法兰110隔开。处于上部106的顶部的供气管102允许具有调节流量的原料气104(8卩，要被电离的气体)流入到等离子体腔的内部中。处于下部108的底端的法兰122能够将离子源100安装到带电粒子束系统(未示出)。在将来自RF电源(未示出)的功率连接至天线112时，将跨越天线112生成处于工业、科学及医药(ISM)无线电波段内的典型的NX 13.56MHz(其中，N为整数=1，2或3)的频率下的RF高压，从而在等离子体腔内感生时变的轴向磁场。通过麦克斯韦方程，这一轴向磁场将在生成和保持等离子体150的等离子体腔内感生方位时变电场。在一些情况下，天线112的相继匝之间的电压差可能超过400Vrf，其使得在天线线圈112的相邻匝之间必须具有某种形式的高压绝缘。可以通过施加至位于法兰122下面的提取器电极(未示出)的电压从等离子体150提取带电粒子(离子或电子)120。如图7-11中所示范的，从天线112到等离子体150的RF功率耦合的最佳效率要求使天线112的直径184最小化，同时使天线112的长度116也最小化。使天线直径184最小化使得从等离子体150的外侧到天线的距离尽可能小，而使天线长度116最小化则使得等离子体150的体积最小化，由此使对于给定RF输入功率而言由等离子体150吸收的功率密度(W/cm3)最大化。更高的等离子体密度可以在电感耦合等离子体离子源中能够实现更高的离子发射电流(参见图11)。在图1的右侧示出了 RF天线112的一匝的详细截面示意图。线圈管132材料通常是铜，通过对其进行退火以能够实现在图1的左侧所示的盘绕天线结构112的绕组。在这一现有技术天线中，已经通过涂覆过程将薄的绝缘涂层130施加到线圈管132的外表面。为了冷却，线圈管132具有内部圆形管状开口 134，在等离子体离子源100的工作过程中，冷却流体流过所述开口。由于冷却流体处于导电线圈管132内侧，因而对冷却流体不存在关于介电或绝缘属性的要求。对冷却流体的选择可以包括水(去离子或非去离子)或者诸如Fluorinert 的介电碳氟化合物流体。RF天线112被示为与石英法兰110的外径186接触或者紧密靠近。绝缘涂层130将通常以相对较低的介电强度(例如，15.7kV/mm)被表征，其主要是由于涂覆技术的限制，使得天线112的相继匝之间的感生RF电压差将超过匝间的电压隔离能力，除非使匝间间隙118大到足以跨越间隙118支持匝间RF电压差的大部分，并且沿径向通过相邻匝上的绝缘涂层130支持匝间RF电压差的较小部分。在使天线112的匝与石英法兰110的外径186接触的情况下，还必须通过从中心匝的接触点192到较低匝的接触点194的跨越石英法兰110的外径186的距离190支持匝间的RF电压差防止出现表面径迹(tracking)。相邻匝之间的中心到中心间隔114等于匝间间隙118加上绝缘涂层130的外径。天线112的总长度116 (中心到中心)为:
线圈长度116=(N -1)(匝间间隔114)[方程I]
其中，N=天线112中的匝数。通过等离子体腔内预期的等离子体150的长度、要耦合至等离子体150的RF功率、射束120中的发射电流的目标以及等离子体腔内的原料气104的压力来确定匝数。一般而言，由于涂覆技术的限制，绝缘涂层倾向于是薄的，与相同材料的大块固体材料相比，其具有更低的密度。更低的密度导致降低的介电强度(例如，从8.6kV/mm到
15.7kV/mm的典型范围)，并因此导致更差的高压隔离。因而，由于匝间RF电压差随着向天线112的更高输入RF功率而增大，因而对匝间电压隔离的任何限制也都将对可用于等离子体腔内的等离子体生成的最大RF功率进行限制，并进而对射束120中的最大离子发射电流进行限制。对于图1中的现有技术等离子体离子源而言，绝缘涂层130的低介电强度具有另一缺点。图1中所示的源配置在天线线圈112和等离子体150之间具有显著的电容耦合量，所述等离子体150实质上是作为等离子体腔内的等位体出现的。因而，由于跨越RF天线112的高压，等离子体150的电压将具有在其上感生出的电容耦合的电压，该电压将影响由源100发射的离子120的能量。在很多等离子体离子源中，通过RF天线和等离子体腔之间的法拉第屏蔽(例如，图2中的法拉第屏蔽298)的插入极大地降低了这一电容性电压耦合。由于线圈112上的涂层130的低介电强度，不可能在RF天线112和石英法兰110之间放置法拉第屏蔽，因为可能会通过线圈管132和法拉第屏蔽之间的薄绝缘涂层130存在高压电弧。现有技术天线绝缘涂层还表现出了其他问题，例如，对于具有复杂形状的绕组天线不耐磨损或者不耐切割、破裂、老化，并且柔性不够，如在美国专利N0.4725449和N0.6124834中所讨论的。图2示出了用于将RF天线212安装在离子源200中的等离子体腔206的周围的第二现有技术方法。等离子体腔206具有处于顶部的供气管202，其允许具有调节流量的原料气204 (即要被电离的气体)流入到等离子体腔206的内部中。处于等离子体腔206的底端的法兰222能够将离子源200安装至带电粒子束系统(未示出)。在将来自RF电源(未示出)的功率连接至天线212时，将跨越天线212生成处于工业、科学及医药(ISM)无线电波段内的典型的NX 13.56MHz (其中，N为整数=1，2或3)的频率下的RF高压，从而在等离子体腔206内生成时变的轴向磁场。如图1中那样，通过麦克斯韦方程，这一磁场将在生成和保持等离子体250的源腔206内感生方位时变电场。在一些情况下，天线212的相继匝之间的电压差可能超过400Vrf，其使得在天线线圈212的相邻匝之间必须具有某种形式的高压绝缘。可以通过施加至位于法兰222下面的提取器电极(未示出)的电压从等离子体250提取带电粒子(电子或离子)220。有关天线直径284和长度216的相同考虑事项适用于这一第二现有技术电感耦合等离子体离子源一最佳效率要求天线212和等离子体250之间的最小径向距离，并且应当使线圈的总长度216最小化，从而使对于给定RF输入功率而言由等离子体250吸收的功率密度(W/cm3)最大化。更高的等离子体密度可以在电感耦合等离子体离子源中能够实现更高的离子发射电流(参见图11)。图2中的RF天线212使用实心天线导线(通常为铜)的无绝缘匝。将天线212浸入介电绝缘流体260内，介电绝缘流体260将在天线212中的相继匝之间提供完全的高压隔离。这里要注意，与图1中的情况不同，冷却流体260的绝缘属性对于防止天线线圈212的相邻匝之间的高压击穿或者天线线圈212的匝和(接地)法拉第屏蔽298之间的击穿是至关重要的。冷却流体260在驱动天线212的射频下电透明(即，最低限度地吸收)也是重要的。天线212的相邻匝之间的中心到中心间隔214等于匝到匝的间隙218加上天线导线的直径。天线212的总长度216 (中心到中心)为:
线圈长度216 = (N -1 )(匝间间隔214)[方程2]
其中N=天线212中的匝数。在图2中，法拉第屏蔽298与等离子体腔206的外径288由小间隙262隔开。法拉第屏蔽298的外径286与RF天线212中的匝的内表面由小间隙296隔开，这一小间隙可以确定天线212的任何部分与法拉第屏蔽298之间的最大电压隔离，所述法拉第屏蔽298通常将是偏置在接地电势处的电导体。本发明的第一实施例
图3是采用RF天线312的本发明的第一实施例300的示意性侧视截面图，所述天线具有的匝与等离子体腔306的外径386间隔距离308，并且具有的匝间间隙318比图1中的现有技术电感耦合等离子体离子源中的那些匝间间隙小得多(通常小于绝缘层330的外径的一半)。处于等离子体腔306的顶部的供气管302允许具有调节流量的原料气304 (BP,要电离的气体)流入到等离子体腔306的内部中。处于等离子体腔306的底端的法兰322能够将离子源300安装至带电粒子束系统(未示出)。在将来自RF电源(未示出)的功率连接至天线312时(通常通过阻抗匹配电路，未示出)，跨越天线312生成处于工业、科学及医药(ISM)无线电波段内的典型的NX 13.56MHz (其中，N为整数=1，2或3)的频率下的RF高压，其在等离子体腔内生成时变的轴向磁场。通过麦克斯韦方程，这一磁场在生成和保持等离子体350的源腔内感生方位时变电场。在一些情况下,天线线圈312的相继匝之间的电压差可能超过400Vrf，其使得在天线线圈312的相邻匝之间必须具有某种形式的高压绝缘。可以通过施加至位于法兰322下面的提取器电极(未示出)的电压从等离子体350提取带电粒子(离子或电子)320。与针对现有技术相同的针对天线直径384和长度316的考虑事项适用于本发明的这一第一实施例——最佳效率要求天线312和等离子体350之间具有最低径向距离，并且应当使线圈的总长度316最小化，从而使针对给定RF功率而言由等离子体350吸收的功率密度(W/cm3)最大化，潜在地在带电粒子束320中能够实现更高的发射电流(参见图11)。在使发射电流最大化方面的另一项考虑事项是等离子体350的总体积一通常，超过大约2cm3的等离子体体积将在离子束产生方面是效率较低的，因为等离子体350中只有一小部分(通常为 15 μ m3)对离子束320中的电流有贡献。在图3的右侧示出了 RF天线312的一匝的详细截面示意图。线圈管334材料通常是无氧高导电性(OFHC)铜(具有从2到IOmm的典型的直径范围，并且优选是从3到6mm的范围)，对所述铜进行退火，从而能够在实现图3的左侧所示的盘绕天线结构312的绕组。线圈管334的外表面可以具有导电层332 (例如，银和金)，其被施加以降低RF频率下的线圈电阻。作为示例，作为频率的函数的趋肤深度(skin depth) δ为:
δ (f) = L f_°_5 (δ和L的单位为μ m，且f的的单位为MHz)[方程3]
其中，对于普通的线圈材料L具有下述值:L = 80ym (Al), 65 μ m (Cu)，79 μ m (Au)，64ym(Ag)。因而，例如，在40ΜΗζ下，针对银层332的趋肤深度将大约为10.1 μ m，因而如果层332的厚度至少为20到100 μ m (SP，是趋肤深度δ的2到10倍)，那么天线线圈312中的几乎全部电流都将在层332中流动，而不是在线圈管334中流动。层332的厚度可以从20到100 μ m的范围变动，并且优选从25到50 μ m的范围变动。如果不使用导电层332，那么使通常由PTFE塑料制造的厚的高密度绝缘管330已经热收缩到导电层332的外表面上，或者热收缩到线圈管334的外表面上。高介电强度绝缘管330的典型壁厚度范围为250 μ m到1250 μ m。绝缘管330的优选壁厚度范围是380μπι到750 μ m。绝缘管330的外径将由线圈管334的直径加上导电层332的厚度的二倍再加上绝缘层330的厚度的二倍所确定——给出从2.54mm[=2mm+2 (20 μ m) +2 (250 μ m)]到12.7mm[=10mm+2(100ym)+2(1250ym)]的典型范围，并且更优选的是从3.8 Imm [=3mm+2 (25 μ m) +2 (380 μ m)]到 7.6mm[=6_+2 (50 μ m)+2 (750 μ m)]的范围。为了冷却，使线圈管334具有圆形管状内开口 336 (通常具有从I到6mm的直径，优选具有从1.5到3mm的直径)，在等离子体离子源300的工作过程中，冷却流体将流过所述开口。由于冷却流体处于导电线圈管334内侧，因而对冷却流体不存在关于介电或绝缘属性或者RF透明度的要求。对冷却流体的选择可以包括水(去离子或非去离子)，或者诸如Fluorinert 的介电碳氟化合物流体，或者变压器油。RF天线312被示为以间隙308紧密靠近等离子体腔306的外径386。绝缘管330将通常以相对较高的介电强度被表征，因而即使当匝间间隙318比绝缘管330的壁厚度小得多时，天线312的匝之间的感生RF电压差也将不超过匝间的电压隔离能力。如本文中所使用的用语“相对较高的介电强度”将被用于描述具有的介电强度大约是上文描述的现有技术绝缘涂层的二倍的绝缘管。优选地，根据本发明的以相对较高的介电强度被表征的绝缘管将具有大于25kV/mm的介电强度；更优选具有大于30kV/mm的介电强度；以及甚至更优选具有从31.5kV/mm到55kV/mm的范围变动的介电强度。线圈312中的相邻匝之间的中心到中心间隔314等于匝间间隙318加上绝缘管330的外径。天线312的总长度316 (中心到中心)为:
线圈长度316 = (N -1 )(匝间间隔314)[方程4]
其中N=天线312中的匝数。通常，N可以从2到10的范围变动，其中更优选从3到5的范围变动。图3中的紧凑天线312与图1中的现有技术等离子体离子源100的比较表明了与现有技术的低介电强度绝缘涂层130相比，具有更高的介电强度的绝缘管330的优点。由于匝间间隙318能够按比例地比现有技术天线112的匝间间隙118小得多，因而已经充分降低了总的线圈长度316。由于能够跨越绝缘管330的壁的厚度承受天线312内的大部分匝间电压差，并且仅有一小部分电压降需要跨越间隙318出现，因而使在间隙距离318上的这种降低是可能的。这与必须跨越间隙118承受大部分匝间电压差的现有技术情况形成了对比。本发明的第二实施例 图4是采用RF天线412的本发明的第二实施例400的示意性侧视截面图，所述RF天线412具有的匝与法拉第屏蔽470的外径488隔开距离408，并且具有的匝间间隙418可以比图1中的现有技术等离子体离子源100中的匝间间隙118小得多。处于等离子体腔406的顶部的供气管402允许具有调节流量的原料气404 (即，要电离的气体)流入到等离子体腔406的内部中。处于等离子体腔406的底端的法兰422能够将离子源400安装至带电粒子束系统(未示出)。在将来自RF电源(未示出)的功率连接至天线412时(通常通过阻抗匹配电路，未示出)，跨越天线412生成处于工业、科学及医药(ISM)无线电波段内的典型的NX 13.56MHz (其中，N为整数=1，2或3)的频率下的RF高压，其在等离子体腔内生成时变的轴向磁场，如针对第一实施例那样。在一些情况下，天线线圈412的相继匝之间的电压差可能超过400Vrf，其使得在天线线圈412的相邻匝之间必须具有某种形式的高压绝缘。可以通过施加至位于法兰422下面的提取器电极(未示出)的电压从等离子体450提取带电粒子(离子或电子)420。与针对本发明的第一实施例相同的针对天线直径484和长度416的考虑事项在这里适用——最佳效率要求天线412和等离子体450之间具有最低径向距离，并且应当使线圈的总长度416最小化，从而使针对给定RF功率而言由等离子体450吸收的功率密度(W/cm3)最大化，潜在地能够在带电粒子束420中实现更高的发射电流(参见图11)。与针对第一实施例相同的针对最大预期等离子体体积的考虑事项适用。RF天线412的一匝的截面细节与在图3的右侧针对第一实施例所示的内容相同。与针对第一实施例相同的针对冷却流体的选择、针对线圈管334的直径、针对导电层332的厚度以及针对绝缘层330的厚度和外径的考虑事项在这里适用。线圈412中的相邻匝之间的中心到中心间隔414等于匝间间隙418加上绝缘管330的外径。天线412的总长度416为:
线圈长度416 = (N -1)(匝间间隔414)[方程5]
其中N=天线412中的匝数。通常，N可以从2到10的范围变动，其中更优选从3到5的范围变动。图4中的第二实施例和图3中的第一实施例之间的关键差异在于增加了法拉第屏蔽470，其处于等离子体腔406的外径486的附近或者与之接触。如针对图2所讨论的，法拉第屏蔽470使等离子体450与天线412上的RF电压电屏蔽，从而防止RF线圈电压电容耦合到由等离子体离子源400发射的离子420的能量中。高介电强度绝缘管330的额外优点是，能够主要跨越绝缘管330的壁厚度，而不是由间隙408，来支持线圈导体334和导体层332 二者与法拉第屏蔽470之间的电压差，因而能够使间隙408更小，甚至被完全消除，由此提高了从天线412到等离子体450的RF功率耦合效率。与针对图3中的天线312相同的针对紧凑型天线412的构造的优点在这里适用——由于能够使匝间间隙418按比例地比现有技术天线112的匝间间隙118小得多，因而充分降低了总线圈长度416。由于能够跨越绝缘管330的壁厚度承受天线412内的大部分匝间电压差，并且仅有一小部分电压降需要跨越间隙418出现，因而使间隙418的尺寸上的这种降低是可能的。这与必须通过间隙118承受大部分匝间电压差的现有技术情况形成了对比。本发明的第三实施例
图5是采用RF天线512的本发明的第三实施例500的示意性侧视截面图，所述天线512具有的匝与法拉第屏蔽570接触，并且没有匝间间隙。处于等离子体腔506的顶部的供气管502允许具有调节流量的原料气504 (即，要电离的气体)流入到等离子体腔506的内部中。处于等离子体腔506的底端的法兰522能够将离子源500安装至带电粒子束系统(未示出)。在将来自RF电源(未示出)的功率连接至天线512时(通常通过阻抗匹配电路，未示出)，跨越天线512生成处于工业、科学及医药(ISM)无线电波段内的典型的NX 13.56MHz(其中，N为整数=1，2或3)的频率下的RF高压，其在等离子体腔内生成时变的轴向磁场，如分别针对图3和图4中的第一实施例300和第二实施例400那样。在一些情况下，天线线圈512的相继匝之间的电压差可能超过400Vrf，其使得在天线线圈512的相邻匝之间必须具有某种形式的高压绝缘。可以通过施加至位于法兰522下面的提取器电极(未示出)的电压从等离子体550提取带电粒子(离子或电子)520。与针对本发明的第一和第二实施例相同的针对天线直径584和长度516的考虑事项在这里适用一最佳效率要求天线512和等离子体550之间具有最低径向距离，并且应当使线圈的总长度516最小化，从而使针对给定RF功率而言由等离子体550吸收的功率密度(W/cm3)最大化，潜在地能够在带电粒子束520中实现更高的发射电流(参见图11)。与针对第一和第二实施例相同的针对最大预期等离子体体积的考虑事项适用。RF天线512的一匝的截面细节与在图3的右侧针对第一实施例所示的内容相同。与针对第一和第二实施例相同的针对冷却流体的选择、针对线圈管334的直径、针对导电层332的厚度以及针对绝缘层330的厚度和外径的考虑事项在这里适用。线圈512中的相邻匝之间的中心到中心间隔514等于绝缘管330的外径，因为天线线圈512的相继匝在接触点518处发生接触(S卩，在相继匝之间不存在间隙)。因为由于绝缘管330的高介电强度而能够跨越绝缘管330的壁厚度承受天线512内的全部匝间电压差，因而有可能在线圈512中的相继匝之间不存在间隙。天线512的总长度516为:
线圈长度516 = (N -1 )(匝间间隔514)[方程6]
其中，N=天线512中的匝数。通常，N可以从2到10的范围变动，其中更优选从3到5的范围变动。法拉第屏蔽570与等离子体腔506的外径586接触。高介电强度绝缘管330的额外优点是，能够跨越绝缘管330的壁厚度完全支持线圈导体334和(通常接地的)法拉第屏蔽570之间的电压差，因而天线512可以在接触点508处与法拉第屏蔽570接触。本发明的第四实施例
图6是采用RF天线612的本发明的第四实施例600的示意性侧视截面图，所述天线612具有的匝与法拉第屏蔽670接触，并且没有匝间间隙，其中，线圈冷却流体660处于天线612的外部。处于等离子体腔606的顶部的供气管602允许具有调节流量的原料气604(即，要电离的气体)流入到等离子体腔606的内部中。处于等离子体腔606的底端的法兰622能够将离子源600安装至带电粒子束系统(未示出)。在将来自RF电源(未示出)的功率连接至天线612时，跨越天线612生成处于工业、科学及医药(ISM)无线电波段内的典型的NX 13.56MHz (其中，N为整数=1，2或3)的频率下的RF高压，其在等离子体腔内生成时变的轴向磁场，如分别针对图3、图4和图5中的第一、第二和第三实施例那样。在一些情况下，天线612的相继匝之间的电压差可能超过400Vrf，其使得在天线线圈612的相邻匝之间必须具有某种形式的高压绝缘。可以通过施加至位于法兰622下面的提取器电极(未示出)的电压从等离子体650提取带电粒子(离子或电子)620。与针对本发明前三个实施例相同的针对天线直径684和长度616的考虑事项在这里适用一最佳效率要求天线612和等离子体650之间具有最低径向距离，并且应当使线圈的总长度616最小化，从而使针对给定RF功率而言由等离子体650吸收的功率密度(W/cm3)最大化，潜在地能够在带电粒子束620中实现更高的发射电流(参见图11)。与针对第一、第二和第三实施例相同的针对最大预期等离子体体积的考虑事项适用。在图6的右侧示出了 RF天线612的一匝的详细截面示意图。线圈导线634材料通常是无氧高导电性(OFHC)铜(具有从2到IOmm的范围的典型直径，并且优选从3到6mm的范围)，对所述铜进行退火，从而能够实现在图6的左侧所示的盘绕天线结构612的绕组。线圈导线634的外表面可以具有导电层632(例如，银和金)，其被施加以降低RF频率下的线圈电阻。与针对图3中的第一实施例相同的趋肤深度的考虑事项在这里适用，因而在40MHz的RF频率下，如果导电层632为银，那么趋肤深度将大约为10.1 μ m,因而如果导电层632的厚度至少为30到40μπι (即，是趋肤深度δ的几倍，参见方程3)，那么天线线圈612中的所有电流都将在导电层632中流动，而不在线圈导线634中流动。层632的厚度可以从20到100 μ m的范围变动，并且优选从25到50 μ m的范围变动。如果不使用导电层632，那么使通常由PTFE塑料制造的厚的高密度绝缘管630已经热收缩到导电层632的外表面上，或者热收缩到线圈导线634的外表面上。高介电强度绝缘管630的典型壁厚度范围为250 μ m到1250 μ m。绝缘管630的优选壁厚度范围是380 μ m到750 μ m。绝缘管630的外径将由线圈导线634的直径加上导电层632的厚度的二倍再加上绝缘层630的厚度的二倍所确定——给出了从2.54mm[=2mm+2 (20 μ m) +2 (250 μ m)]到12.7mm[=10mm+2(100ym)+2(1250ym)]的典型范围，更优选的是从
3.8 Imm [=3mm+2 (25 μ m) +2 (380 μ m)]到 7.6mm[=6_+2 (50 μ m)+2 (750 μ m)]的范围。这里要注意，与图2中的现有技术的情况不同，不要求冷却液流体660隔离天线线圈612的相邻匝之间的全部电压差，因为天线线圈612内的匝间电压差的大部分(或全部)都是由绝缘管630的壁厚度所隔离的。天线线圈612的匝和(接地的)法拉第屏蔽670之间的电压差也是这种情况。冷却流体660在驱动天线612的射频下电透明(即，最低限度地吸收)以避免损耗到冷却流体660中的过量RF功率也是重要的。天线612的相邻匝之间的中心到中心间隔614等于绝缘层630的外径，即，相继匝上的绝缘层相互接触。天线612的总长度616 (中心到中心)为:
线圈长度616 = (N -1)(匝间间隔614)[方程7]
其中N=天线612中的匝数。法拉第屏蔽670被放置在等离子体腔606的外径686附近或者与之接触。法拉第屏蔽670使等离子体650与天线612上的RF电压电屏蔽，由此防止使线圈电压电容耦合到由等离子体离子源600发射的离子620的能量中。与针对图5中的天线512相同的针对紧凑型天线612的构造的优点在这里适用——由于不需要匝间间隙，因而使总的线圈长度516最小化。等离子体离子源性能计算
图7是作为归一化天线线圈长度702的函数的磁场幅度704的曲线图700。长度归一化是以40mm为单位的，因而L=0.225的归一化长度对应于0.225X40mm=9mm的实际长度。在图8中更加详细地示出了这一曲线图的部分720。曲线706对应于分别在图1-6中的线圈112、212、312、412、512或612的轴上的轴向磁场。曲线708对应于接近分别在图1_6中的等离子体150、250、350、450、550、650的外缘的轴向磁场。离轴磁场强度708比轴上场强706高，对于任何有限长度线圈总是这种情况。而且，对于恒定输入RF功率而言，线圈越短，轴上和离轴磁场强度就越高，对于零长度线圈(g卩，具有单匝的线圈)其将达到最大值。根据先前对等离子体中的功率密度(W/cm3)的讨论，这一特性是合理的——显然，通过作为线圈长度的零长度极限将由单匝线圈生成最小的等离子体体积。因而，轴上B场强度706曲线在零长度处为最高712。类似地，离轴B场强度708在零长度处为最高710。保持天线直径固定在2.00的归一化值处，其中，所述直径归一化是以20_为单位的，因而曲线图的最右侧(长度=2X40mm=80mm)表示归一化长度是归一化直径(直径=2 X 20mm=40mm)的二倍的线圈。图8是图7中的曲线图的部分720的特写视图800，其示出了针对典型的现有技术天线和针对体现本发明的典型紧凑天线的线圈长度。归一化天线线圈长度802从0.2到
0.8的范围(8到32mm)变动。曲线806是图7中的曲线706的一部分，并且曲线808是图7中的曲线708的一部分。对于本发明的一些实施例而言，长度区域810的范围在归一化线圈长度0.20-0.23 (8到9.2mm)上变动，由于图3_5中的绝缘层330的高介电强度和图6中的绝缘层630，所述范围对于本发明的一些实施例而言是有可能的。针对现有技术中的长度区域814的范围在归一化线圈长度>0.60 (24mm)上变动，由于绝缘涂层(例如，图1中的涂层130)的低介电强度，现有技术通常局限于所述范围。图9是作为归一化天线线圈直径902的函数的磁场幅度904的曲线图900。所述直径归一化以20mm为单位，因而Da=2.0的归一化直径对应于2.0 X 20mm=40mm的实际直径。在图10中更加详细地示出了这一曲线图的部分920。曲线906对应于分别在图1-6中的线圈112、212、312、412、512或612的轴上的计算出的轴向磁场，其中，保持所述归一化线圈长度固定在L=0.34 (=13.6mm，参见图7和图8)的值处。如预期的一样，随着线圈直径902降低，B场从右到左得以单调增强。再者，与现有技术绝缘涂层(例如图1中的涂层130)相t匕，高介电强度的热收缩绝缘管(例如，图3-5中的管330或者图6中的绝缘管630)的益处就减少线圈直径并且因而提高轴向磁场的能力而言是明显的，。图10是图9中的曲线图的部分920的特写视图1000，其示出了从1.5到2.7(=30到54_)的范围变动的归一化线圈直径1002，所述范围包括典型的现有技术天线的线圈直径和本发明的典型实施例的线圈直径。曲线1006是图9中的曲线906的一部分。由于需要保持更大的线圈直径以实现必要的电压隔离，因而现有技术通常局限于大于2.65 (=53mm)的归一化线圈直径1010。本发明的实施例利用至少降至2.0 (=40mm)的线圈直径，因为在利用绝缘涂层330 (图3-5)或630 (图6)的高压隔离能力的情况下匝间间隙是不必要的。图11是针对典型的现有技术等离子体离子源(曲线1106和1108)以及针对体现本发明的等离子体源1110的作为输入RF功率(以W为单位)的函数的等离子体源发射电流(以μΑ为单位)的曲线图1100。典型的现有技术曲线1106对应于0.425 (=17mm)的归一化线圈长度以及2.65 (=53_)的归一化线圈直径一这是相对缠绕较松的线圈。典型的现有技术曲线1108对应于具有0.225 (=45mm)的归一化线圈长度的缠绕较紧的线圈，但是其仍然具有2.65 (=53mm)的较大归一化线圈直径。本发明的一些实施例的曲线1110对应于0.225 (=9mm)的归一化线圈长度和2.0 (=40mm)的归一化线圈直径——该线圈是外径与等离子体的外缘接近得多的缠绕更紧的线圈，给出了更好的RF功率耦合。由于在典型的现有技术电感耦合等离子体离子源中效率较低的RF功率耦合，针对给定输入RF功率生成的发射电流1104比本发明的等离子体离子源的情况要低得多。此夕卜，本发明的一些实施例能够在低至50W的低得多的输入RF功率下进行操作，而典型的现有技术源仅能低至300W而起作用。出现在这一差异的原因在于，本发明的一些实施例能够在50W的RF输入功率下生成与典型的现有技术源使用大约300W的RF输入功率生成的相同离子发射电流，如曲线图1100上所示。其原因在于，本发明的一些实施例具有更高的RF功率耦合效率。在300W的输入功率下，有250W之多未产生等离子体，与本发明的50W相比，在现有技术的300W下给出了离子发射电流之间的等效性。本发明的一些实施例也能够在比典型的现有技术更高的RF输入功率下操作，因为存在去往对源结构加热而不是生成有用的等离子体的较少的“浪费” RF输入功率。因而，对于本发明的一些实施例在800W的输入RF功率下，进入所述源的加热功率比在600和700W之间的功率下操作的典型的现有技术等离子体离子源的功率更低。在本发明中，向等离子体的更有效率的RF功率耦合的其他优点包括更容易的等离子体点火，在困难的状况下(例如，原料气压力低或者原料气难以电离)保持等离子体能力，以及更有效地使用输入RF功率，从而能够实现比现有技术等离子体离子源将可能采用的功率更低功率的RF电源(以更低的成本)。本发明的高效率紧凑天线的另一优点是，通过更有效使用输入RF功率实现了在线圈热量排除要求上的显著降低。与薄绝缘涂层130相比，厚绝缘管330的优点在于具有优良的耐切割和磨损性——这一点能够增强等离子体源的寿命，因为线圈绝缘中的单处断裂能够致使等离子体离子源由于高压击穿而无法工作。采用这种强韧且非常柔性的天线设计，可以制作出比图3-6中所示的螺旋形绕组更加复杂的RF天线，以解决更有挑战的源性能要求。厚绝缘管330相对于绝缘涂层130的高压隔离优势归因于三个因素:1)更大的厚度，2)更高的密度，以及3)更低的孔隙度。所有的这三个优点都是热收缩绝缘管的属性中所固有的，并且因而其也代表了本发明相对于采用绝缘涂层的现有技术的固有优点。绝缘PTFE热收缩管的示例高压强度超过了 1400V/mil=55/Mm，而绝缘PTFE涂层由于其涂覆膜具有低密度而可以具有处于400V/mil=15.8V/Mm或更小的范围内的高压强度。此外，要想沉积厚度与商业可得的PTFE热收缩管的壁厚相当的PTFE涂层是困难的。图3-6中所示的电感耦合等离子体离子源的细节仅出于示范性的目的——在本发明的范围内，很多其他的源设计是可能的。例如，RF天线可以具有少于或多于三个匝，或者可以将所述天线缠绕成不同的(非螺旋)形状。所述法拉第屏蔽可以具有除圆柱形以外的形状，例如，具有从圆柱形中央部分的顶端和/或底端向外延伸的法兰。等离子体腔的形状可以不同于这里所示的“顶帽”配置。尽管已经在热收缩聚四氟乙烯(PTFE或Teflon )方面描述了绝缘管330和630，但是也可以将其他高介电强度材料用于绝缘管330和630。本发明的优选方法或设备具有很多新颖的方面，并且由于本发明能够体现在用于不同目的的不同方法和设备中，因而在每一实施例中不需要呈现出每一个方面或益处。此夕卜，所描述的实施例的很多方面可单独取得专利或者被授予专利。尽管上文对本发明的描述主要针对设备，但是应当认识到使用本文中描述的新颖设备的方法也将处于本发明的范围内。此外，应当认识到，能够通过计算机硬件或软件或二者的组合实现本发明的实施例。能够根据本说明书中描述的方法和附图使用标准的编程设计技术完成所述实现方式，标准编程技术包括使用利用计算机程序配置的非暂态有形计算机可读存储介质，其中，如此配置的存储介质使计算机按照具体且预定方式进行操作。可以按照高级别过程编程语言或者面向对象的编程语言来实现每个程序以与计算机系统通信。然而，如果期望的话，可以按照汇编或机器语言实现所述程序。在任何情况下，所述语言都可以是经过编译或解译的语言。此外，所述程序能够在出于该目的而受到编程的专用集成电路上运行。此外，本文中描述的设备可以利用任何类型的计算平台，包括但不限于个人计算机、迷你计算机、主机、工作站、联网或分布式计算环境、与带电粒子工具或其他成象装置分离、成一体或者通信的计算机平台，等等。可以按照存储在存储介质或装置上的机器可读代码实现本发明的多个方面，所述存储介质或装置是可移除的或者是与计算平台成一体的，例如，其为硬盘、光读取和/或写入存储介质、RAM、ROM，等等，使得其是可被可编程计算机所读取的，用于在由计算机读取所述存储介质或装置时，对计算机进行配置和操作，以执行本文中描述的过程。此外，可以通过有线或无线网络传输机器可读代码或其部分。当这样的介质包含用于连同微处理器或其他数据处理器一起实现上文描述的步骤的指令或程序时，本文中描述的本发明包括这些和其他各种类型的非暂态有形计算机可读存储介质。当根据本文中描述的方法和技术而被编程时，本发明还包括计算机本身。根据本发明的一些实施例的一个方面，一种用于聚焦带电粒子束系统的电感耦合等离子体离子源，包括:
等离子体腔；
供气管，用于将原料气引入到所述等离子体腔中；
射频天线，放置在所述等离子体腔周围，包括:
导电材料的线圈；以及
绝缘管，围绕所述导电材料的线圈的外表面并与之接触，其中，所述绝缘管具有高介电强度；以及
射频电源，其电连接至所述射频天线，并且被配置为向所述天线供电。在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，所述导电材料是导电管。 在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，所述导电材料是导线。所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例还包括处于所述导电材料的外表面和所述绝缘管的内表面之间的导电层，其中，所述导电层的厚度处于20和100 μ m之间。在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，所述导电层的厚度处于25和50 μ m之间。在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，所述导电层包括银或金。在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，所述绝缘管包括聚四氟乙烯。在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，使所述绝缘管热收缩到所述导电材料的线圈的外表面上。在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，所述绝缘管具有250μπι到1250 μ m之间的壁厚度。在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，所述绝缘管具有380μπι到750 μ m之间的壁厚度。在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，所述导电材料包括无氧高导电性铜。在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，所述导电材料的线圈中的相继匝之间的中心到中心间隔大约等于所述绝缘管的外径。所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例还包括法拉第屏蔽，其被放置在等离子体腔的外表面和导电材料的线圈的内径之间。在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，所述绝缘管与所述法拉第屏蔽的外表面接触。在所述电感耦合等离子体离子源的一些实施例中，所述射频天线被浸入在介电流体中。根据本发明的一些实施例的另一方面，一种用于聚焦带电粒子束系统的电感耦合等离子体离子源，包括:
等离子体腔；
供气管，用于将原料气引入到所述等离子体腔中；
射频天线，被放置在所述等离子体腔周围，包括:
导电管的线圈；
处于所述导电管的外表面上的导电层；以及
绝缘管，围绕所述导电层的外表面并与之接触，其中，所述绝缘管具有高介电强度；并且其中，所述导电管的线圈中的相继匝之间的中心到中心间隔约等于所述绝缘管的外径；法拉第屏蔽，被放置在所述等离子体腔的外表面和所述导电管的线圈的内径之间；以
及
射频电源，其电连接至所述射频天线，并且被配置为向所述天线供电。尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，能够在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下对本文中描述的实施例做出各种改变、替换和更改。此外，并非旨在使本申请的范围局限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质构成、手段、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员根据对本发明的公开将容易地认识至IJ，根据本发明可以利用当前存在的或者以后开发出来的执行与本文中描述的对应实施例基本相同的功能或者实现与之基本相同的结果的过程、机器、制造、物质构成、手段、方法或步骤。由此，所附权利要求意在将这样的过程、机器、制造、物质构成、手段、方法或步骤包括在其范围内。
权利要求
1.一种用于聚焦带电粒子束系统的电感耦合等离子体离子源，包括: 等离子体腔； 供气管，用于将原料气引入到所述等离子体腔中； 射频天线，被放置在所述等离子体腔周围，包括: 导电材料的线圈；以及 绝缘管，围绕所述导电材料的线圈的外表面并与之接触，其中，所述绝缘管具有大于25kV/mm的介电强度；以及 射频电源，其电连接至所述射频天线，并且被配置为向所述天线供电。
2.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述导电材料为导电管。
3.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述导电材料为导线。
4.根据上述权利要求中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，还包括处于所述导电材料的外表面和所述绝缘管的内表面之间的导电层，其中，所述导电层的厚度处于20和100 μ m之间。
5.根据权利要求4所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述导电层的厚度处于25和50 μ m之间。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述导电层包括银或金。
7.根据上述权利要 求所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述绝缘管包括聚四氟乙烯。
8.根据上述权利要求中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，使所述绝缘管热收缩到所述导电材料的线圈的外表面上。
9.根据上述权利要求中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述绝缘管具有处于250μπι到1250 μ m之间的壁厚度。
10.根据上述权利要求中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述绝缘管具有处于380μπι到750 μ m之间的壁厚度。
11.根据上述权利要求中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述导电材料包括无氧高导电性铜。
12.根据上述权利要求中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述导电材料的线圈中的相继匝之间的中心到中心间隔约等于所述绝缘管的外径。
13.根据上述权利要求中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，还包括法拉第屏蔽，其被放置在所述等离子体腔的外表面和所述导电材料的线圈的内径之间。
14.根据权利要求13所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述绝缘管与所述法拉第屏蔽的外表面接触。
15.根据上述权利要求中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述射频天线被浸入在介电流体中。
16.一种用于聚焦带电粒子束系统的电感耦合等离子体离子源，包括: 等离子体腔； 供气管，用于将原料气引入到所述等离子体腔中； 射频天线，被放置在所述等离子体腔周围，包括:导电管的线圈； 导电层，处于所述导电管的外表面上；以及 绝缘管，围绕所述导电层的外表面并与之接触，其中，所述绝缘管具有大于25kV/mm的介电强度；并且其中，所述导电管的线圈中的相继匝之间的中心到中心间隔约等于所述绝缘管的外径； 法拉第屏蔽，被放置在所述等离子体腔的外表面和所述导电管的线圈的内径之间；以及 射频电源，其电连接至所述射频天线，并且被配置为向所述天线供电。
17.根据权利要求16所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述绝缘管与所述法拉第屏蔽的外表面接触。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述导电层包括银或金。
19.根据权利要求16-18中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述绝缘管包括聚四氟乙烯。
20.根据权利要求16-19中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，使所述绝缘管热收缩到所述导电层的外表面上。
21.根据权利要求16-20中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述绝缘管具有处于250 μ m到1250 μ m之间的壁厚度。
22.根据权利要求16-21中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述绝缘管具有处于380μπι到75 0 μ m之间的壁厚度。
23.根据权利要求16-22中的任何一项所述的电感耦合等离子体离子源，其中，所述导电管包括无氧高导电性铜。
全文摘要
本发明公开了一种用于聚焦离子束(FIB)系统的电感耦合等离子体离子源，包括具有原料气输送系统的绝缘等离子体腔，与所述等离子体腔同轴放置并且与所述等离子体腔的外径接近或者与之接触的紧凑射频(RF)天线线圈。在一些实施例中，所述等离子体腔被法拉第屏蔽围绕，以防止天线上的RF电压和等离子体腔内的等离子体之间的电容耦合。使所述高介电强度绝缘管热收缩到用于形成所述天线的导电管或导线的外径上，从而允许对所述天线线圈内的匝的紧密包装。所述绝缘管能够隔离所述天线的不同部分之间以及所述天线和法拉第屏蔽之间的RF电压差。
文档编号H01J27/16GK103119687SQ201180046951
公开日2013年5月22日 申请日期2011年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者S.张 申请人:Fei 公司