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制造技术

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。

High voltage isolation of an inductively coupled plasma ion source with an actively pumped liquid

An inductively coupled plasma source for charged particle beam system includes a plasma chamber and the fluid, do not take the initiative to pump the fluid, provide high pressure isolation between the fluid surrounding the plasma chamber to the plasma chamber and in the near ground potential components, such as conductive shielding. One or more cooling devices cool the plasma chamber by dissipating heat from the plasma chamber into the surrounding environment by using evaporative cooling and heat pipes.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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专利技术
本专利技术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。专利技术背景当与聚焦柱一起用于形成带电粒子（即，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（如在被转让给本专利技术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。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。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1mbar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。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。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。专利技术概述本专利技术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。本专利技术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。为了可以更好地理解以下本专利技术的详细说明，上文已经相当广泛地概述了本专利技术的特征和技术优点。下文将描述本专利技术的附加特征和优点。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专利技术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专利技术的精神和范围。附图简要说明为了更加彻底地理解本专利技术和本专利技术的优点，现在结合附图参考以下说明，其中：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。图2示出了图1的等离子体源的横向截面示意图。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高压隔离。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。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。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。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。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。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。优选实施方案的详细描述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。本专利技术的实施例可以在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耦合等离子体。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。以下说明描述了一种用于聚焦离子束系统的等离子体源，但本专利技术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。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中通过等离子体室102内的开口116和基板110中的开口118引出带电粒子、离子、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。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℃的温度下。该流体优选地包括液体（如水或氟化液TMFC-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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带电粒子束系统，包括：用于提供带电粒子的等离子体源，该等离子体源具有：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，该流体仅通过对流来进行移动；以及用于使该等离子体电偏置到高电压的源电极；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；以及包含消散液体的至少一个热管，该至少一个热管的一部分与该流体热接触，从而使得来自该流体的热量可以通过该至少一个热管消散以对该流体进行冷却，所述消散流体与包围该等离子体的至少一部分并且与其热接触的流体分离开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.06.21 US 13/1655561.一种带电粒子束系统，包括：用于提供带电粒子的等离子体源，该等离子体源具有：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，该流体仅通过对流来进行移动；以及用于使该等离子体电偏置到高电压的源电极；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；以及包含消散液体的至少一个热管，该至少一个热管的一部分与该流体热接触，从而使得来自该流体的热量可以通过该至少一个热管消散以对该流体进行冷却，所述消散流体与包围该等离子体的至少一部分并且与其热接触的流体分离开。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，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。4.如权利要求1至3中的任一项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。5.如权利要求1至3中的任一项所述的带电粒子束系统，其中，该流体包括水或氟化合物。6.如权利要求1至3中的任一项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。7.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。8.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。9.一种保持带电粒子的等离子体源的方法，包括：提供用于包含等离子体的等离...

【专利技术属性】
技术研发人员：S克罗格，AB威尔斯，JB麦金，NW帕克，MW乌特劳特，
申请(专利权)人：FEI公司，
类型：发明
国别省市：美国,US