使用工艺气体和冷却的表面的带电粒子束处理制造技术

本发明专利技术涉及使用工艺气体和冷却的表面的带电粒子束处理。一种冷阱被提供以减少在使用工艺气体的操作期间与束反应的污染物气体。所述冷阱被设置成使污染物气体冷凝但是不使工艺气体冷凝的温度。冷阱可以用于样品腔中以及气体管线中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及使用工艺气体的带电粒子束处理。
技术介绍
在扫描电子显微镜（“SEM”）中，一次电子束（primary beam of electrons）在将被研究的样品的区之上扫描。在电子与样品的碰撞中释放的能量导致来自样品的包含背散射的电子的二次电子和x射线的发射。这些x射线和二次电子的数量和能量提供关于样品的性质、结构和成分的信息。术语“样品”传统地用于指示在带电粒子束系统中正被处理或观察的任何工件，并且如在本文中使用的该术语包含任何工件并且不限于正被用作更大群体的代表的样品。如在本文中使用的术语“二次电子”包含背散射的一次电子以及源于样品的电子。为了探测二次电子，SEM经常被提供有一个或多个电子探测器。电子束还能够用于启动在样品表面处的化学反应。工艺气体与带电粒子束一起使用以变更工件。“束化学”指代由束（诸如，带电粒子束或激光束）启动的化学反应。“电子束化学”包含电子束引起的沉积（EBID）、电子束引起的刻蚀（EBIE）和电子束引起的功能化（EBIF），并且典型地在扫描电子显微镜（SEM）中被执行。在所有这些电子束工艺中，前驱体气体的分子被吸附到工件表面上。电子束被指引在工件处，并且在束中的电子以及发射的二次电子使吸附物解离，从而产生反应产物。在EBID中，不挥发性反应产物作为沉积物停留在衬底表面上，而挥发性反应产物解除吸附。在EBIE中，前驱体分子分解产物中的一个或多个与工件表面反应，从而产生从工件解除吸附的挥发性反应产物，从而去除表面材料。在EBIF中，电子束引起的表面反应改变元素的或分子的种类，其终止工件表面。相似的工艺发生在离子束引起的沉积（IBID）、离子束引起的刻蚀（IBIE）以及离子束引起的功能化（IBIF）中，尽管离子的更大得多的量还通过溅射（即，通过从高能离子的动量转移而没有任何化学反应）导致材料从衬底去除。离子束与吸附物相互作用所经由的机制被认为不同于电子束与吸附物反应所经由的机制。在传统的SEM中，样品被维持在高真空中以防止一次电子束通过气体分子的散射并且允许二次电子的收集。典型地使用具有朝着束的碰撞点指引气体的毛细管针状物的气体注射系统在真空腔中执行束化学。气体迅速膨胀并且虽然在表面处的局部气体压强足够支持束引起的反应，但是在样品腔的剩余部分中的压强足够低使得能够使用传统探测器（诸如，一般被称为Everhart-Thornley探测器的闪烁体-光电倍增器组合）来探测二次电子。电子束化学也能够在充满前驱体气体的环境中关于工件执行。其中样品被维持在气态环境中的一种类型的电子显微镜是高压扫描电子显微镜（HPSEM）或环境扫描电子显微镜。例如在标题为“Secondary Electron Detector for Use in a Gaseous Atmosphere”的Mancuso等人的美国专利号4,785,182中描述了这样的系统。示例是来自FEI公司的Quanta 600 ESEM®高压SEM。在HPSEM中，样品被维持在具有典型地在0.01托（0.013毫巴）与50托（65毫巴）之间，并且更典型地在1托（1.3毫巴）与10托（13毫巴）之间的压强的气态气氛中。高气体压强的区通过维持在聚焦柱中的高真空的一个或多个限压孔径而被限制到样品区。相反，在传统SEM中，样品被定位在实质上更低的压强（典型地，小于10-5托（1.3 x 10-5毫巴））的真空中。在HPSEM中，典型地使用被称为“气体离子化级联放大”或“气体级联放大”的工艺来探测二次电子，在所述工艺中，二次带电粒子通过电场被加速并且与在成像气体中的气体分子相撞以创建附加的带电粒子，所述附加的带电粒子进而与其他气体分子相撞以生成更附加的带电粒子。这个级联继续直到极大增加的数量的带电粒子作为在探测器电极处的电流被探测到。在一些实施例中，取决于气体压强和电极配置，来自样品表面的每个二次电子产生例如多于20个、多于100个或多于1,000个附加的电子。在一些实施例中，在气体级联中产生的正气体离子或光子代替电子被探测到并且用于产生图像。如在本文中使用的术语“气体级联放大成像”指代使用这三种成像信号的任何组合产生的图像。如在本文中使用的术语“气体级联探测器”指代能够用于探测这三种成像信号的任何组合的探测器。如在针对“Electron Beam-induced Etching”的Martin等人的美国专利公开2014/0363978（其被转让给本专利技术的受让人并且其据此通过参考被结合）中所描述的那样，当用于束化学时HPSEM具有数个问题。通过从在样品腔内部的表面的解除吸附以及通过经由典型地用于SEM和HPSEM腔上的o形环的扩散引入杂质。杂质主要由H2O、N2和O2构成并且不被认为干扰传统的HPSEM成像操作，这要求用气体（诸如，H2O蒸汽）来填充腔，为了真空不相容样品的稳定性和电荷控制的目的。然而杂质确实干扰束化学，因为诸如H2O和O2的分子与诸如大多数有机金属化合物、WF6、MoF6、Pt(PF3)4、XeF2、F2和Cl2的沉积和刻蚀前驱体反应并且导致所述沉积和刻蚀前驱体的分解。杂质还占据在样品表面处的表面部位，由此减少用于束化学的前驱体分子的吸附速率；并且导致诸如W和Mo的材料在沉积期间的氧化，并且由此变更沉积的材料的成分和功能属性。由美国专利公开2014/0363978提出的解决方案是把工件冷却到靠近前驱体气体的沸点的温度以在没有冷凝的情况下提供高前驱体表面覆盖。用于在高压样品环境中提供改进的控制的另一个方法是“环境单元”在样品腔内部的使用。所谓“环境单元”指的是用于提供在样品周围的环境（典型地，与存在于其中定位环境单元的样品腔中的环境不同的环境）的外壳。环境单元能够加强样品环境的控制，从而减少在HPSEM处理期间存在的气态杂质的浓度，并且减少HPSEM处理腔的体积和内表面面积。PCT/US2008/053223（其被转让给本申请的受让人并且其据此通过参考被结合）描述环境单元的数个配置。用来减少在真空腔中的污染物的另一个方法是使用低温冷阱（也被称为“冷阱”）即在真空腔中使任何气体冷凝以改进真空的冷表面。当使用工艺气体时不使用低温冷阱，因为用工艺气体有意地使真空退化。低温冷阱也不用于HPSEM中，因为通过成像气体有意地使真空退化，并且最常见的成像气体是H2O蒸汽。束化学的两个目前的应用是具有唯一电学和光学属性的石墨烯和金刚石的纳米图案化。气体介导（gas-mediated）的EBIE正被越来越多地用于在石墨烯和金刚石中的功能结构的快速原型设计（prototyping），因为EBIE消除由掩蔽和离子照射生成的对材料的损害。EBIE用于刻蚀许多碳材料，包含石墨烯、碳纳米管、金刚石、超纳米晶体金刚石（UNCD）以及多孔富碳纳米线和膜。在低的电子束能量（<~ 30 keV）（其中通过在电子与碳之间迎面相撞（knock-on collision）的原子位移是可以忽略的），碳的去除典型地归因于化学刻蚀（即，碳的挥发）。刻蚀通常归咎于包括由吸附到刻蚀的材料的表面的H2O、NH3或H2前驱体分子的电子引起的解离所生成的O、H或OH自由基的化学途径。申请人发现了样品可以被不注意地刻蚀，即使当没有供应刻蚀前驱体气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在处理腔中的工件的带电粒子束处理的方法，包括：在工件表面处提供工艺气体；朝着工件表面指引带电粒子束；提供在处理腔之内的冷却的表面，所述冷却的表面的温度足够冷以从处理腔去除污染物，但是对于使工艺气体冷凝不足够冷。

【技术特征摘要】
2015.03.31 US 14/6745581.一种在处理腔中的工件的带电粒子束处理的方法，包括：在工件表面处提供工艺气体；朝着工件表面指引带电粒子束；提供在处理腔之内的冷却的表面，所述冷却的表面的温度足够冷以从处理腔去除污染物，但是对于使工艺气体冷凝不足够冷。2.根据权利要求1所述的方法，其中提供在处理腔之内的冷却的表面包含提供具有比工艺气体的冷凝温度高小于30摄氏度的温度的表面。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中提供在处理腔之内的冷却的表面包含提供与样品热隔离的冷却的表面。4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中提供工艺气体包含提供在带电粒子束存在时不刻蚀工件的工艺气体。5.根据权利要求4所述的方法，其中提供工艺气体包含提供在带电粒子束存在时不与工件表面反应但是足够可电离以用于气体级联放大成像的成像气体。6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中提供工艺气体包含提供沉积前驱体气体。7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中提供工艺气体包含提供刻蚀前驱体气体。8.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中工艺气体包括O2、N2O、H2、NH3、Cl2、HCl、NF3、Ar、He、Ne、Kr、Xe或N2。9.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中冷却的表面的温度小于-55 C。10.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中提供在处理腔之内的冷却的表面包括通过控制与冷却的表面热接触的液体氮的流动来控制冷却的表面的温度。11.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中在工件表面处提供工艺气体包括把一股工艺气体指引在工件表面处，在处理腔中的背景压强在10-7帕斯卡与10-2帕斯卡之间。12.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中朝着工件表面指引带电粒子束包括指引带电粒子束通过带电粒子束光学柱，并且其中在工件表面处提供工艺气体包括维持工件在维持在10-1帕斯卡与104帕斯卡之间的压强处的处理腔中，所述腔包含用来约束从处理腔到带电粒子束光学柱的气体流动的限压孔径。13.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中在工件表面处提供工艺气体包括维持工件在包括维持在10-1帕斯卡与104帕斯卡之间的压强处的环境单元的处理腔中，所述环境单元定位在带电粒子束系统的样品腔之内并且通过限压孔径与样品腔分离。14.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中在工件表面处提供工艺气体包含提供来自气体源通过气体管线的工艺气体，并且进一步包括提供在气体管线之内的第二冷却的表面，所述第二冷却的表面足够冷以从气体管线去除污染物但是对于使工艺气体冷凝不足够冷。15.根据权利要求14所述的方法，其中第二冷却的表面的温度在-200 C与5 C之间。16.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：A马丁，G麦克克雷迪，M托思，
申请(专利权)人：FEI公司，
类型：发明
国别省市：美国;US