电感耦合等离子体离子源与不主动泵送的液体的高压隔离的制作方法
【专利摘要】一种用于带电粒子束系统的电感耦合等离子体源包括等离子体室和和流体，不主动地对该流体进行泵送，该流体包围等离子体室以便在等离子体室与在接地电势下的附近部件之间提供高压隔离，如导电屏蔽。一个或多个冷却装置通过使用蒸发冷却和热管将来自等离子体室的热量消散到周围环境中来对等离子体室进行冷却。
【专利说明】电感耦合等离子体离子源与不主动泵送的液体的高压隔离
[0001]发明【技术领域】
[0002]本发明涉及电感耦合等离子体离子源并且更确切地涉及提供高压隔离的同时对等离子体源进行冷却的手段。
[0003]发明背景
[0004]当与聚焦柱一起用于形成带电粒子(S卩，离子或电子)聚焦束时，电感耦合等离子体(ICP)源较其他类型的等离子体源具有优点。电感耦合等离子体源能够在狭窄的能量范围内提供带电粒子，其允许这些离子聚焦到一个小斑点上。ICP源(如在被转让给本发明的受让人的美国专利号7，241，361中所描述的ICP源)包括围绕陶瓷等离子体室缠绕的射频(RF)天线。RF天线提供能量以使气体在该室内保持在电离态下。
[0005]用于离子束加工的离子的能量典型地在5keV与50keV之间，并且最典型地为约30keV。电子能量对与扫描电子显微镜系统而言在约500eV到5keV之间变化，对于透射电子显微镜系统而言达到几十万电子伏特。带电粒子系统中的样品典型地保持在接地电势下，其中，源保持在大的电势下，或者正的或者负的，取决于用于形成束的粒子。因此，离子束源典型地保持在5kV与50kV之间，并且电子源典型地保持在500V与5kV之间。如此处使用的“高压”指的是大于约500V以上或以下接地电势的正的或负的电压。为了操作人员的安全，需要电性地隔离高压组件。鉴于等离子体源设计的其他目标，高压等离子体的电隔离产生了若干个难于解决的设计问题。
[0006]因为当离子离开等离子体时，必须将气体引入到高压等离子体室内以补充气体，所以出现了一种设计困难。典型地以接地电势且远高于大气压存储气体。等离子体室内的气体压力典型地在约10_3mbar与约Imbar之间变化。必须将气体的电势带至高压等离子体的电势，并且必须随着气体从气体源移动到等离子体室内而降低气体的压力。必须以防止气相放电(也称为电弧放电，其将破坏系统)的方式将气体引入到该室内。
[0007]另一个设计挑战在于将向等离子体提供功率的射频线圈放置成离等离子体尽可能近以高效地传递功率。将线圈保持在与等离子体相同的高电势下将典型地需要将用于线圈的电源保持在高等离子体电势下，这将过度地使电源设计复杂化并且大大增加成本。电感耦合等离子体离子源可以使用分割开的法拉第屏蔽来减少线圈与等离子体之间的电容性耦合。分割开的法拉第屏蔽必须位于等离子体与线圈之间并且典型地良好接地。当接地法拉第屏蔽位于靠近介电等离子体容器时，如果任何空气或其他低介电常数气体被困在法拉第屏蔽与介电等离子体室之间，则由电势的快速变化引起的大电场将很可能引起气相放电，该放电会破坏源。
[0008]并且，应用到等离子体室上的能量生成热量。虽然紧凑的等离子体源对束形成而言是令人希望的，但等离子体源越紧凑且功率越大，则等离子体源将变得更热并且因此更需要高效地散热。高压还会使得难于冷却，这会限制所用的等离子体的密度。这些相冲突的要求使得ICP源的设计非常具有挑战性。
[0009]发明概沭
[0010]本发明的目标在于提供改进的等离子体源和具有等离子体带电粒子束源的改进的带电粒子系统。
[0011]本发明为带电粒子束系统提供电感耦合等离子体源的高压(HV)隔离和冷却。在一个优选实施例中，等离子体源被基本上封装在固体介电介质内的法拉第屏蔽所包围，该固体介电介质防止在该屏蔽的表面处的气体高压击穿。在另一个实施例中，等离子体源至少部分地被提供HV隔离的静态流体所包围。如此处使用的术语“静态流体”指的是不被主动地泵送的流体。
[0012]为了可以更好地理解以下本发明的详细说明，上文已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点。下文将描述本发明的附加特征和优点。本领域技术人员应认识到所披露的概念和具体实施例可容易地用作改进或设计用于实施本发明相同目的的其他结构的基础。本领域的技术人员还应认识到这些同等构造不脱离如所附权利要求中所阐明的本发明的精神和范围。
[0013]附图简要说明
[0014]为了更加彻底地理解本发明和本发明的优点，现在结合附图参考以下说明，其中:
[0015]图1示出了等离子体源的纵向截面示意图，该等离子体源将法拉第屏蔽用于减少耦合和绝缘流体，以便实现高压隔离和冷却。
[0016]图2示出了图1的等离子体源的横向截面示意图。
[0017]图3示出了使用等离子体源的带电粒子束系统，该等离子体源将绝缘流体用于冷却和闻压隔尚。
[0018]图4示出了将静态流体用于高压隔离和主动式冷却元素的等离子体源的纵向半截面示意图。
[0019]图5示出了使用法拉第屏蔽的等离子体源的纵向半截面示意图，该法拉第屏蔽基本上被封装在固体介电介质内，以便改进电隔离和减少RF耦合。
[0020]图6A示出了带有集成热管冷却的等离子体源的截面示意图。
[0021 ] 图6B示出了带有集成热管冷却的等离子体源的截面示意图，显示了 一个热管。
[0022]图6C示出了带有集成热管冷却的等离子体源的俯视图，显示了若干个围绕等离子体源的周长分布的热管的示例配置。
[0023]图6D示出了带有集成热管冷却的等离子体源的侧视图，显示了示例热管配置。
[0024]优选实施方案的详细描述
[0025]设计等离子体源典型地需要许多折衷以满足相冲突的设计要求。本发明的实施例可以在RF线圈和等离子体之间提供极好的耦合，提供等离子体室的高效冷却、极好的电容屏蔽、以及等离子体源的高压隔离，所有这些可以产生密集的、静止的且在高电势下的电感率禹合等离子体。
[0026]在一些实施例中，将空气排出带有强电场的区域并且用液体或其他高介电常数流体对那些体积进行填充为系统设计者提供了关于将以另外的方式不可用的源配置作出设计选择的机会。
[0027]以下说明描述了一种用于聚焦离子束系统的等离子体源，但本发明的等离子体源可以用于电子束系统或其他系统。如此处所使用的，“流体”可以包括液体或气体。
[0028]图1示出了等离子体源100的风格化的纵向截面视图。等离子体源100包括具有内壁104和外壁106的介电等离子体室102。等离子体室102位于导电基板110上。等离子体112被保持在等离子体室102内。引出光学器件114根据应用例如从等离子体112中通过等尚子体室102内的开口 116和基板110中的开口 118引出带电粒子、尚子、或电子。优选地以最小损耗传输射频能量的陶瓷或塑料材料的介电外壳120与等离子体室102同轴并且在外壳120与等离子体室内壁106之间限定空间122。分割开的法拉第屏蔽134位于空间122内并且典型地与等离子体室102同轴。泵124通过冷却流体入口 128将冷却流体126从容器/冷却器127泵送到空间122并且通过出口 132离开，通过来自外壁106的热传递对等离子体室102进行冷却。
[0029]分割开的法拉第屏蔽134典型地被固定到接地电势，并且因此，电势在等离子体区域和分割开的法拉第屏蔽之间快速下降，因此，等离子体区域与分割开的法拉第屏蔽之间的材料必须具有足够大的介电强度来抵抗电弧放电。可以选择与陶瓷外壳102相比具有足够高的介电常数的冷却流体，从而使得跨该流体的电压降足够低以防止在操作电压下的介电击穿。选择没有气体泡沫或其他杂质的液体冷却剂，气体泡沫或其他杂质会提供场增强和气体放电的机会。还可以选择稍微导电的冷却流体，在这种情况下，流体体积将基本上没有电场并且基本上所有的电压降将在等离子体室102内发生。冷却流体还应具有足够的热容量以防止等离子体室102过热，而不需要大的流体流，大的流体流需要将消耗过多功率的大泵。等离子体室外壁106典型地保持在小于约50°C的温度下。
[0030]该流体优选地包括液体(如水或氟化液?FC-40)、美国明尼苏达州圣保罗市3M公司售卖的电绝缘稳定的基于碳氟化合物的流体。可以使用水，如蒸馏水或自来水。还可以使用绝缘气体，如六氟化硫。冷却泵典型地以在10加仑/时与50加仑/时之间的速率从容器/冷却器127中泵送冷却液。流体126通过返回导管133从出口 132返回到冷却器/容器127。可替代地，冷却流体可以是不被机械地泵送的静态液体，从而允许节省大量功率。室温下的水具有约80的介电常数，而等离子体室的陶瓷材料具有约为9的介电常数，这导致大多数电压降在陶瓷内发生。优选的绝缘流体具有优选地大于制作等离子体室的材料的介电常数的介电常数。在一些实施例中，绝缘流体具有大于5的介电常数,优选地大于10,甚至更优选地大于20，以及最优选地大于或等于约40。
[0031]在典型的实施例中，在流体被泵124再循环前，容器/冷却器127将冷却流体冷却至约20°C。冷却流体部分地包围等离子体室并且冷却剂沿着等离子体室纵向地从底部流到顶部。为了清晰性，图1示出了等离子体室102的底部处的两侧上的冷却流体进空间122和室102的顶部处的一侧上的出空间122。技术人员将理解到合适的入口、出口、以及挡板可以用于保证等离子体室102的所有侧周围的均匀流体流。
[0032]法拉第屏蔽134从RF线圈136传递射频能量以激励等离子体同时减少射频线圈136与等离子体112之间的电容性耦合。在一些实施例中，通过基本上被封装在固体介电介质内(如陶瓷、玻璃、树脂、或聚合物)以消除与法拉第屏蔽接触的不想要流体和消除高压放电来保护法拉第屏蔽134免受腐蚀和物理损坏。RF线圈136可以是空心的并且通过使流体冷却剂流过线圈内的内部通道137对其进行冷却。等离子体室冷却剂系统还可以将流体冷却剂泵送通过这些线圈，或者这些线圈可以具有独立的冷却系统。
[0033]法拉第屏蔽134可以被放置成使得冷却流体126在屏蔽134的两侧流动。在一些实施例中，可以靠着等离子体室外壁106放置该屏蔽或者将其放置到外壳120的内侧壁上。例如，该屏蔽可以包括印刷的或以另外的方式沉积在等离子体室外壁106或内侧外壳壁120上的金属层。法拉第屏蔽134电接地。在一个实施例中，屏蔽134包括通过将法拉第屏蔽的接片138限制在外外壳120和基板110之间来接地的开槽金属柱，从而保证固体接地接触。
[0034]必须将从其中产生等离子体的气体沿着罐150和等离子体之间的路径从接地电势带至等离子体电势。在优选实施例中，大多数电压变化发生在气体压力相对高并且抵抗电弧放电的情况下。
[0035]从气体源(如罐150)向等离子体室102提供气体。罐150典型地保持在接地电势下并且在高压力下包含气体。调节器152降低离开该罐进入导管154的气体的压力。可选的可调阀156进一步降低气体管线内的压力或者当不使用该源时完全关闭导管。限流器(如毛细管158)在气体到达等离子体室106之前进一步降低气体压力。限流器158在气体管线与等离子体室102的内部之间提高希望的气体电导。限流器158优选地与等离子体112接触并且因此在等离子体电势下。在其他实施例中，流限制可以具有从除了等离子体外的电压源上施加的电偏置。绝缘屏蔽160包围毛细管158并且在绝缘屏蔽160的末端处的接地金属套环162保证在该位置上气体的电势为零。因此，在绝缘屏蔽160内发生从接地到等离子体电压的全部电势变化，其中，气体在相对高的压力下并且因此抵抗电弧放电。
[0036]在一个没有阀门156的示例实施例中，调节器152将离开供应罐的气体压力从150psig降低至5psig。气体压力保持在5psig，直到气体到达毛细管158，并且此时气体压力下降到例如0.1托的等离子体室压力。绝缘屏蔽160优选地具有足够的长度以保持该场低到足够防止破坏性放电。绝缘屏蔽160典型地约至少约5mm长，并且更典型地在约30mm与60mm之间。例如,如果等离子体保持在30kV,则在IOmm屏蔽内的电场为约3kV/mm,其低到足够防止大在多数应用中的持续放电。技术人员将理解到局部电场将是几何形状的函数并且初始低电流放电会发生以在绝缘屏蔽160内达到静态电荷平衡。在一些实施例中，阀门156可以在气体到达等离子体前的最后限流器之前进一步降低气体压力。不是毛细管，该限流器可以是阀门，如泄漏阀。可以使用任何类型的气体源。例如，气体源可以包括被加热成以足够的速率产生气体以供应等离子体的液体或固体材料。不同的气体源的不同输出压力可能需要不同的组件以降低等离子体室内要求的压力。
[0037]图2示出了图1的等离子体源100的横向截面视图。图2示出了等离子体室102的外壁106是波形的，即，其由一系列脊202和谷204组成。靠着脊202放置法拉第屏蔽134，限定了通道206以便冷却流体在谷204与屏蔽134之间流动。在图2中所示的实施例中，法拉第屏蔽134包括在等离子体室外壁106上滑动的金属套管。该金属套管的一部分在底部向外弯曲以形成接地接片138 (图1)，其被限制在等离子体室102与接地板110之间。冷却流体126流过空间122，该空间以等离子体室外壁106和外壳120为界。法拉第屏蔽“被分割开(split)”，即，在该屏蔽内有纵向槽，其允许RF天线与等离子体112之间的电感耦合。在替代性实施例中，外壁106可以是平滑的并且用波纹形成法拉第屏蔽。可替代地，壁106和法拉第屏蔽两者都不是波形的。
[0038]图3示出了使用图1的等离子体源的带电粒子束。在离子柱的顶部，安装了电感耦合等离子体(ICP)离子源302，包括电磁罩304、源室306、以及感应线圈308，该感应线圈包括一个或多个由导电材料制成的绕组。在图3中所示的实施例中，冷却剂容器和冷却器390向泵391提供冷却剂，该泵通过导管392向源室306周围的冷却剂区域提供冷却剂。然后冷却剂通过返回导管393流回到冷却剂容器和冷却器390。在替代性实施例中，源室306周围的冷却剂区域包含用于高压隔离的静态液体。在这种实施例中，可以除去容器/冷却器390和冷却剂泵391或者可以将其用于使不进入高压区域的冷却流体循环。在又另一个实施例中，如以下更加详细描述的，通过一个或多个热管对等离子体源302中的液体进行冷却。
[0039]RF电源340通过RF同轴电缆342连接到匹配箱341上.匹配箱341通过线圈腿延长部分343连接到感应线圈308上。与源室306同轴地安装感应线圈308。为了减少感应线圈308与源室306内生成的等离子体之间的电容性耦合，可以可选地与源室306同轴地并且在感应线圈308内安装分割开的法拉第屏蔽(未示出)。当分割开的法拉第屏蔽用在ICP离子源302内时，跨感应线圈308的高压(典型地，几百到几千伏特)将对从ICP离子源302的底部引到离子柱内的离子的能量具有最小的影响。这将导致更小的束能量扩散度，在基底表面处或附近减少了聚焦带电粒子束的色差。
[0040]可以使用等离子体发出的并且被光纤344的面朝源的末端收集的且传输通过光纤344到达等离子体光检测单元345检测源室306内的等离子体的存在。通过电缆346将等离子体光检测单元345生成的电信号传导至可编程逻辑控制器(PLC)347。然后，等离子体光检测单元345生成的等离子体开/关信号通过电缆或数据总线348从PLC347传递到执行离子体源控制软件的等离子体源控制器351。然后，来自等离子体源控制器351的信号可以通过电缆或数据总线352传递到聚焦离子束(FIB)系统控制器353。FIB系统控制器353可以通过互联网354与远程服务器355通信。FIB系统控制的各组件的互连的这些细节仅出于示例性目的。如本领域的技术人员所熟悉的，其他控制配置是可以的。
[0041]通过通向入口限流器328的入口气体管线320向源室306提供气体，该入口限流器通向源室306的内部。限流器328保持在比气体源310和调节器332的电势更接近室306内的等离子体的电势的电势下，从而使得电压降主要跨更高压力的气体发生。绝缘屏蔽329使位于限流器328的上游的气体管线绝缘并且以接地套环331终止。
[0042]用于ICP源的供气系统310包括气体供应330、高纯度气体调节器332、以及针(调节)阀334。气体供应330可以包括带有一个或多个流调节阶段的标准气体瓶，例如，将和氦、氧、氙或氩进气的情况一样。可替代地，对于源自在室温下为固体或液体的化合物的气体而言，气体供应330可以包括被加热的容器。其他类型的气体供应330也是可以的。气体供应330配置的具体选择是有待供应到ICP源的气体类型的函数。来自供应330的气体传递通过高纯度气体调节器332，该气体调节器可以包括一个或多个净化和降压阶段。从高纯度气体调节器332出来的净化气体传递通过可选针阀334。从可选针阀334出来的气体通过软管336传递到非常接近ICP源安装的可选第二针阀338。从针阀338出来的气体传递通过入口气体管线320，该气体管线通过限流器328连接到源室306的顶部。
[0043]在ICP源302的底部，源电极357用作离子束引出光学器件的一部分，从而结合引出电极358和冷凝器359 —起工作。等离子体点引器360连接到源电极(未示出)上，从而能够在源罩306内启动等离子体。还可以使用引燃等离子体的其他熟知装置。2007年7月10日发布的美国专利号7，241，361中提供了 ICP源的操作细节，该专利通过引用结合于此。通过束电压源(PS) 361，源电极357被偏置通过点引器360至高电压。源电极357上的电压决定了等离子体的电势，并且因此，在一次电离的原子或分子离子种类或电子的情况下，带电粒子的能量到达基底表面。双重电离的离子种类将具有两倍的动能。通过引出器电源363使引出器电极358偏置，而通过冷凝器电源362使冷凝器359偏置。源电极357、引出器电极358以及冷凝器359的组合操作用于引出并是出自ICP源302的离子聚焦成传导束接受孔径364的束。在FIB系统控制器353的控制下，通过束接受孔径致动器365将束接受孔径364机械地放置在离子柱内。典型的电压设置值可以是对于电源361而言大致为+30kV、对于电源362而言大致为15kV以及对于电源363而言大致为15kV。
[0044]图3中所示的离子柱示出了两个静电单透镜366和367，用于在基底368的表面处或附近形成ICP源302内的虚拟源的高缩倍(大致1/125X)图像，该基底安装在通过样品台控制器337控制的台369上。第一单透镜366 (称为“透镜I”或“LI”)直接位于束接受孔径364的下方并且包括三个电极，其中，第一和第三电极典型地接地(在0V)，而通过透镜I (LI)电源(PS) 371控制中心电极370的电压。通过FIB系统控制器353控制透镜I电源 371。
[0045]限束孔径组件372安装在离子柱内的第一单透镜366和第二单透镜367之间，包括一个或多个限束孔径(图1中示出了三个孔径)。典型地，限束孔径组件372将包括多个带有不同直径开口的圆形孔径，其中，可以将这些孔径中的任何一个放置在光学轴上以便能够控制基底表面处的束电流和半角。可替代地，限束孔径组件372中的孔径中的两个或更多个孔径可以相同，从而提供冗余以便能够延长孔径维护周期之间的时间。通过控制束半角，可以与透镜的相应调整一起，基于有待执行的铣削或成像操作的空间分辨率要求选择基底表面处或附近的聚焦离子束的束电流和直径。通过由FIB系统控制器950控制的限束孔径(BDA)致动器373将限束孔径组件372内的希望的孔径机械地放置在柱的光学轴上来确定有待使用的具体孔径(并且因此基底处的束半角)。
[0046]在限束孔径组件372的下方示出了被称为“透镜2”或“L2”的第二单透镜367。第一和第三电极典型地接地(0V)，而通过透镜2 (L2)电源(PS) 375控制中心电极374的电压。通过FIB系统控制器353控制透镜2电源375。柱/室隔离阀376放置在源302与样品室378之间的某个地方。隔离阀376能够使离子柱真空室377内的真空保持在高等级下，即使样品室378内的真空等级在样品导入和清除的过程中受到样品除气或者出于某种其他原因的不利影响。源/室涡轮泵379被配置成用于通过泵送管线380泵吸样品室378。涡轮泵379还通过泵送管线381泵吸离子柱罩377。
[0047]图3中所示的FIB系统的细节仅出于示例性目的，许多其他FIB系统配置能够实现本发明的多模实施例，以便进行铣削和成像。例如，图3中所示的离子柱示出了两个静电单透镜。可以可替代地使用单个静电单透镜或两个以上静电透镜实现离子柱。其他实施例在强聚焦配置中可以包括磁透镜或两个或更多个静电或磁四极的组合。出于本发明的此实施例的目的，优选的是离子柱在基底368的表面处或附近形成虚拟源(在ICP源302中)的高缩倍图像。本领域的技术人员熟悉这些可能的缩倍方法的细节。
[0048]图4示出了等离子体源400的另一个实施例的半截面视图，该等离子体源包括具有内壁404和外壁406的介电等离子体室402。图4示出了放置在等离子体室的天线线圈436和外壁406与外壳416之间的腔室410内的静态流体408。静态流体可以包括液体(如氟化液或蒸馏水)或气体(如六氟化硫)。还可以将分割开的法拉第屏蔽412放置在外壳416与外壁406之间。如所示可以靠着外壳416、靠着外壁406或远离两个壁放置法拉第屏蔽412，并且将其浸入静态流体408内。当放置在接地分割开的法拉第屏蔽412与外壁406之间时，流体408提供等离子体室的一部分高压隔离。优选地通过外部泵不在源400外使静态流体408循环，尽管静态流体408可以通过内部对流内在地移动。一个或多个可选冷却装置414帮助对等离子体室402进行冷却。冷却装置414可以包括环绕等离子体室并且通过其使流体循环的冷却回路。因为冷却装置414放置在处于接地电势的法拉第屏蔽外，所以这些装置不执行任何电压隔离并且因此任何类型的冷却流体可以用在冷却装置414内。可替代地，冷却装置414可以包括一个或多个热电冷却器，如珀耳帖效应冷却器。RF线圈436可以是空心的并且通过使冷却剂流过线圈内的内部通道437而对其进行冷却。
[0049]图5示出了本发明的另一个实施例的等离子体源500的半截面视图。图5示出了基本上封装在固体介电介质516内的法拉第屏蔽512，该法拉第屏蔽放置在RF线圈536与等离子体室外壁506之间。固体介电介质516可以包括例如陶瓷材料(如氧化铝或石英)、树脂、或环氧树脂密封剂(如美国马萨诸塞州比勒利卡市Emerson&Cumming SpecialtyPolymers公司售卖的Stycast W-19或Stycast2762)。介电介质516与外壁506之间的可选间隙限定了流体腔室510，其可以填充流体，如氟化液、蒸馏水、或六氟化硫。法拉第屏蔽512的非封装部分538可用于形成接地连接。在一些实施例中，使用与图1中所示的系统类似的系统，将流体508泵送通过流体腔室510并且然后通过冷却器。在其他实施例中，在源外泵送流体508并且其保持在流体腔室510内。RF线圈536可以是空心的并且通过使冷却剂流过线圈内的内部通道537的冷却剂而对其进行冷却。
[0050]在一些实施例中，在没有介入流体的情况下可以靠着外壁506放置介电介质516。为了避免这种实施例中的气隙，应紧紧地靠着外壁506安装介电介质516。还可以通过提供可流动的材料用于填充取代外壁506与介电介质516之间的任何空气来避免气隙。可流动的介质可以是例如高介电常数油脂或凝胶。可流动的材料可以保持为液体或者可以在相对于等离子体室放置介电介质之后固化。在一些实施例中，介电介质可以包括硬化或保持为液体的可流动的介质。例如，可流动、可硬化的材料可以应用在外壁506上和/或在法拉第屏蔽512在外壁506上滑动之前应用到法拉第屏蔽512上，从而使得将法拉第屏蔽放置在外壁506周围，其中，可流动的介质填充法拉第屏蔽512与外壁506之间的任何间隙。可流动的介质还可以覆盖在位于外壁506相对侧上的法拉第屏蔽上，从而防止任何冷却流体与法拉第屏蔽之间的接触。在一些实施例中，法拉第屏蔽可以被模制成等离子体室502的壁。
[0051]图6A至图6D示出了带有集成热管冷却的等离子体源600的另一个实施例的多个视图。等离子体源600包括具有内壁628和外壁626的介电等离子体室604。图6A示出了等离子体源600的实施例的截面示意图，该等离子体源结合了优选热管冷却装置。见图6C的截面割线B-B。“热管”为利用相变高效地传递热量的热传递装置。在本实施例中，静态流体冷却剂602包围住等离子体室604，该等离子体室具有一个或多个被整合到冷却剂夹套608的上部内的热管606。来自等离子体室604的热量使冷却剂602蒸发，产生朝着冷却片612上升的冷却剂蒸汽610。通过冷却片612消散来自冷却剂蒸汽610的热量并且将其传递到致使冷却剂蒸汽冷却的周围空气内。随着冷却剂蒸汽冷却，其凝缩并流回到冷却剂夹套608内。可替代地，热管606内侧的液体可以与冷却夹套608内的液体分离开，使蒸发-冷凝周期在热管内独立。
[0052]优选地，多个热管被整合在冷却剂夹套608的上部以提供增加的散热能力。将冷却剂602放置在被放置在天线线圈620和等离子体室的外壁626之间(优选地放置在分割开的法拉第屏蔽624与外壁626之间)的冷却剂夹套608内。可替代地，分割开的法拉第屏蔽可以基本上被封装在固体介电介质内。当放置在接地分割开的法拉第屏蔽624与外壁626之间时，液体602提供等离子体室的一部分高压隔离。通过外部泵不在源600外使静态液体602循环，尽管静态液体冷却剂602可以通过对流并且通过冷凝冷却剂的重力流内在地移动。在一些实施例中，液体冷却剂通过对流并且没有相变地将热量携带远离壁626，其中，热液体上升、例如通过冷却片612被冷却、并且流回到冷却夹套608内。冷却剂可以与外壁626接触流动，或者其可以在外壁626外的冷却通道内流动。RF线圈620可以是空心的并且通过线圈内的内部通道622的冷却剂流对其进行冷却。气体通过进气口 614进入等离子体室604，并且通过引出器电极632将带电粒子拉出等离子体室604。
[0053]图6B示出了通过图6A中的等离子体源600的割线A-A的截面视图。热管606的源端连接到包围等离子体室604的冷却剂夹套608上。静态液体冷却剂602占用了冷却剂夹套空间。热管606的对端连接到冷却片支座618上。之所以称液体冷却剂为静态的是因为不主动地对其进行泵送，尽管将理解到该液体可以用于该液体内的热梯度而移动。
[0054]图6C示出了带有集成热管的示例配置的等离子体源600的俯视图。在本实施例中，八个热管606被迅速地集成到等离子体源上并且位于等离子体源的顶部附近。每个热管606具有附接在热管的向外端上的冷却片支座618。一个或多个冷却片612连接到每个冷却片支座618上。
[0055]图6D示出了图6C中的等离子体源600的侧视图，其中，八个热管中的一个热管(热管634)被切开以进一步展示冷却片和热管安排。为了清晰性，在本简图中只描绘了最显著位置上的热管。热管606被迅速地集成到等离子体源上并且位于等离子体源的上部部分内。每个热管606具有其中附装有一个或多个冷却片612的冷却片支座618。
[0056]根据本发明的一个方面，一种带电粒子束系统包括:具有离子体室的等离子体源，该等离子体室具有由介电材料组成的壁，该壁具有内部表面和外部表面；盘绕该等离子体室至少一圈的导线；包围该等离子体室的至少一部分并且与其热接触的流体，其中，不主动地对该流体进行泵送；以及用于使该等离子体电偏置到高电压的源电极；以及一个或多个用于使来自该等离子体源的带电粒子聚焦到样品上的聚焦透镜。
[0057]在一些实施例中，该带电粒子束系统进一步包括放置在该等离子体室与该导线之间的导电屏蔽、放置在该等离子体室与该导电屏蔽之间的流体的至少一部分。在某些实施例中，该带电粒子束系统进一步包括用于对该流体进行冷却的至少一个冷却装置。在某些实施例中，该带电粒子束系统进一步包括至少一个热管，其中，该至少一个热管的一部分与该流体热接触，从而使得可以通过该至少一个热管消散来自该流体的热量以对该流体进行冷却。在某些实施例中，该带电粒子束系统进一步包括与该至少一个热管热接触的一个冷却片或一组冷却片，该冷却片用于消散来自该热管的热量并且将该热量传递到周围环境中。
[0058]在一些实施例中，该流体的一部分放置在该等离子体室和该导线之间。在某些实施例中，该流体具有大于5的介电常数。在某些实施例中，该流体包括水或氟化合物。在某些实施例中，该冷却装置包括热电冷却器。在某些实施例中，该热管包含消散流体，所述消散流体与包围该等离子体室的至少一部分并且与其热接触的流体分离开。
[0059]根据本发明的另一个方面，一种保持等离子体源的方法包括:提供用于包含等离子体的等离子体室；从射频线圈中向该等离子体室提供射频能量；在该线圈和该等离子体室之间提供导电屏蔽；以及在该导电屏蔽与该等离子体室之间提供流体，其中，该流体提供该等离子体室的高压隔离并且不主动地对该流体进行泵送。
[0060]在一些实施例中，保持等离子体源的方法进一步包括提供与该等离子体室热接触的至少一个冷却装置，以便对该等离子体室进行冷却。在某些实施例中，保持等离子体源的方法进一步包括提供用于对该等离子体室进行冷却的热管，其中，该热管的一部分与该流体热接触。在某些实施例中，提供至少一个冷却装置包括提供用于使冷却流体循环的冷却管或提供热电冷却器。在某些实施例中，在该导电屏蔽与该等离子体室之间提供流体包括提供水或氟化合物。在某些实施例中，该导电屏蔽与该等离子体室之间的流体的一部分被蒸发以产生蒸汽，通过该热管使来自该蒸汽的热量消散并且将其传递到周围环境以对该等尚子体室进行冷却。
[0061]根据本发明的一个方面，一种向带电粒子束系统的等离子体源提供高压隔离的方法，包括:提供等离子体室用于包含等离子体；提供盘绕该等离子体室至少一圈的导线；提供用于使该等离子体电偏置到高电压的源电极；提供液体，该液体的一部分与该等离子体室热接触；提供用于对该等离子体室进行冷却的热管，其中，该液体的一部分被来自该等离子体室的热量蒸发，产生蒸汽，通过该热管将来自该蒸汽的热量消散到周围环境中。
[0062]在一些实施例中，不主动地对该液体进行泵送。在某些实施例中，将该液体保持在包围该等离子体室的夹套中，该夹套连接到该热管上，从而使得该蒸汽的一部分通过该热管上升。在某些实施例中，随着来自该蒸汽的热量被消散到周围环境中，该热管内的蒸汽的一部分冷凝成其液体状态并且流回到该夹套内。
[0063]在一个实施例中描述的或被描述作为现有技术的一部分的材料和结构可以用在其他实施例中。尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应了解到，在不脱离如随附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种变化、代替以及改变。而且，本发明的范围并非旨在局限于在本说明书中所述的工艺、机器、制造物、物质的组合物、手段、方法以及步骤的具体实施例。如本领域的普通技术人员将从本发明的披露中轻易认识到的，可以根据本发明利用现有的或往后要开发的、大体上执行相同功能或大体上实现和此处所述的对应实施例相同结果的工艺、机器、制造物、物质的组合物、手段、方法或步骤。相应地，所附权利要求书是旨在于将此类工艺、机器、制造物、物质的组合物、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。
[0064]我们的权利要求如下。
【权利要求】
1.一种带电粒子束系统，包括: 等离子体源，具有: 等离子体室，该等离子体室具有由介电材料组成的壁，该壁具有内部表面和外部表面； 盘绕该等离子体室至少一圈的导线； 包围该等离子体室的至少一部分并且与其热接触的流体，其中，不主动地对该流体进行泵送；以及 用于使该等离子体电偏置到高电压的源电极；以及 一个或多个用于使来自该等离子体源的带电粒子聚焦到样品上的聚焦透镜。
2.如权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，该流体的一部分放置在该等离子体室和该导线之间。
3.如权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，该流体具有大于5的介电常数。
4.如权利要求1所述的带电粒子束系统，其中，该流体包括水或氟化合物。
5.如权利要求1所述的带电粒子束系统，进一步包括放置在该等离子体室与该导线之间的导电屏蔽、放置在该等离子体室与该导电屏蔽之间的流体的至少一部分。
6.如权利要求5所述的带电粒子束系统，进一步包括用于对该流体进行冷却的至少一个冷却装置。
7.如权利要求6所述的带电粒子束系统，其中，该至少一个冷却装置包括热电冷却器。
8.如权利要求1所述的带电粒子束系统，进一步包括至少一个热管，其中，该至少一个热管的一部分与该流体热接触，从而使得可以通过该至少一个热管消散来自该流体的热量以对该流体进行冷却。
9.如权利要求8所述的带电粒子束系统，进一步包括与该至少一个热管热接触的冷却片，该冷却片用于消散来自该至少一个热管的热量并且将该热量传递到周围环境中。
10.如权利要求7所述的带电粒子束系统，其中，该热管包含消散流体，所述消散流体与包围该等离子体室的至少一部分并且与其热接触的流体分离开。
11.一种保持等离子体源的方法，包括: 提供用于包含等离子体的等离子体室； 从射频线圈中向该等离子体室提供射频能量； 在该线圈和该等离子体室之间提供导电屏蔽；以及 在该导电屏蔽与该等离子体室之间提供流体，其中，该流体提供该等离子体室的高压隔离并且不主动地对该流体进行泵送。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括提供与该等离子体室热接触的至少一个冷却装置，以便对该等离子体室进行冷却。。
13.如权利要求12所述的方法，其中，提供至少一个冷却装置包括提供用于使冷却流体循环的冷却管或提供热电冷却器。
14.如权利要求11所述的方法，其中，在该导电屏蔽与该等离子体室之间提供流体包括提供水或氟化合物。
15.如权利要求11所述的方法，进一步包括提供用于对该等离子体室进行冷却的热管，其中，该热管的一部分与该流体热接触。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该导电屏蔽与该等离子体室之间的流体的一部分被蒸发以产生蒸汽，通过该热管使来自该蒸汽的热量消散并且将其传递到周围环境以对该等尚子体室进行冷却。
17.一种向带电粒子束系统的等离子体源提供高压隔离的方法，包括: 提供用于包含等离子体的等离子体室； 提供盘绕该等离子体室至少一圈的导线； 提供用于使该等离子体电偏置到高电压的源电极； 提供液体，该液体的一部分与该等离子体室热接触；以及 提供用于对该等离子体室进行冷却的热管；其中，该液体的一部分被来自该等离子体室的热量蒸发，产生蒸汽，通过该热管将来自该蒸汽的热量消散到周围环境中。
18.如权利要求17所述的方法，其中，不主动地对该液体进行泵送。
19.如权利要求17所述的方法，其中，将该液体保持在包围该等离子体室的夹套中，该夹套连接到该热管上，从而使得该蒸汽的一部分通过该热管上升。
20.如权利要求19所述的方法，其中，随着来自该蒸汽的热量被消散到周围环境中，该热管内的蒸汽的一部 分冷凝成其液体状态并且流回到该夹套内。
【文档编号】H01J37/10GK103843107SQ201280030689
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年6月21日 优先权日:2011年6月21日
【发明者】S.克罗格, A.B.威尔斯, J.B.麦金, N.W.帕克, M.W.乌特劳特 申请人:Fei 公司