CN105895477B - 等离子体离子源以及带电粒子束装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子体离子源以及带电粒子束装置。防止为了确保期望的冷却性而使等离子体离子源整体的大小増大。实施方式的等离子体离子源具备气体导入室、等离子体生成室、线圈、外壳和绝缘性液体。气体导入室导入原料气体。由电介质材料形成的等离子体生成室连接于气体导入室。线圈沿着等离子体生成室的外周卷绕，并且，被施加高频功率。外壳包围气体导入室、等离子体生成室和线圈。绝缘性液体被填充在气体导入室和等离子体生成室与外壳之间来浸渍线圈。绝缘性液体具有与外壳的绝缘耐压相比相对大的绝缘耐压和与等离子体生成室相同程度的介质损耗角正切。

Description

等离子体离子源以及带电粒子束装置

技术领域

本发明涉及等离子体离子源以及带电粒子束装置。

背景技术

以往，已知有一边通过冷却装置冷却绝缘性的冷却流体一边通过泵使其沿着等离子体生成室的外壁循环的等离子体离子源（例如，参照专利文献1）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-142081号公报。

发明要解决的课题

但是，在上述现有技术的等离子体离子源中，为了冷却由于与高密度的等离子体相接而温度容易上升的等离子体生成室的壁部以及由于被施加高频功率而容易发热的线圈，冷却流体的流动路径被设置在等离子体生成室的周围。由此产生等离子体离子源整体的大小增大为等离子体生成室的几倍左右这样的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而完成的，因此，其目的在于提供能够防止为了确保期望的冷却性而使等离子体离子源整体的大小増大的等离子体离子源以及带电粒子束装置。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题而达成这样的目的，本发明采用了以下的方式。

（1）本发明的一个方式的等离子体离子源具备：气体导入室，导入原料气体；等离子体生成室，连接于所述气体导入室，由电介质材料形成；线圈，沿着所述等离子体生成室的外周卷绕，被施加高频功率；外壳，包围所述气体导入室、所述等离子体生成室和所述线圈；以及绝缘性液体，填充在所述气体导入室和所述等离子体生成室与所述外壳之间，由此，浸渍所述线圈，并且，具有与所述外壳的绝缘耐压相比相对大的绝缘耐压和与所述等离子体生成室相同程度的介质损耗角正切。

根据上述（1）所记载的方式的等离子体离子源，能够利用填充在外壳的内部的绝缘性液体来冷却等离子体生成室和线圈，因此，与在例如等离子体生成室和线圈的周围设置热管等绝缘性液体的流动路径的情况相比，能够防止等离子体离子源整体的大小増大。

进而，能够在外壳的内部尽可能靠近等离子体生成室地配置线圈，因此，能够将高频功率高效率地传递到等离子体。

（2）在上述（1）所记载的等离子体离子源中，所述外壳由铜或铝形成。

在上述（2）的情况下，外壳由热传导率高的材料形成，因此，通过绝缘性液体的对流等从等离子体生成室和线圈传递到外壳的热从外壳高效率地散热。

此外，外壳由导电率高的非磁性金属形成，因此，即使在线圈的周边产生感应电流的情况下，也能够防止多余的功率损失的増大。

（3）在上述（1）或（2）所记载的等离子体离子源中，所述绝缘性液体为氟类惰性液体也可。

（4）在上述（1）至（3）的任一项所记载的等离子体离子源中，所述等离子体生成室由石英玻璃、氧化铝和氮化铝的任一个形成也可。

（5）在上述（1）至（4）的任一项所记载的等离子体离子源中，具备设置在所述外壳的散热片也可。

（6）本发明的一个方式的带电粒子束装置具备：上述（1）至（5）的任一项所记载的等离子体离子源；离子束形成部，利用在所述等离子体离子源中产生的所述原料气体的离子来形成离子束；工作台，对样品进行固定；以及控制部，向所述样品照射由所述离子束形成部形成的所述离子束，进行所述样品的照射区域的观察、加工和分析之中的至少任一个。

根据上述（6）所记载的方式的带电粒子束装置，能够防止装置整体的大小増大。

（7）上述（6）所记载的带电粒子束装置具备电子束形成部，所述电子束形成部形成电子束，所述控制部向所述样品的同一区域照射所述离子束和所述电子束，进行所述样品的照射区域的观察、加工和分析之中的至少任一个也可。

发明效果

根据本发明的等离子体离子源，能够利用填充在外壳的内部的绝缘性液体来冷却等离子体生成室和线圈，因此，能够防止等离子体离子源整体的大小増大。

进而，根据本发明的等离子体离子源，能够在外壳的内部尽可能靠近等离子体生成室地配置线圈，因此，能够将高频功率高效率地传递到等离子体。

附图说明

图1是示意性地示出本发明的实施方式的带电粒子束装置的结构的剖面图。

图2是示意性地示出本发明的实施方式的等离子体离子源的结构的剖面图。

图3是从等离子体生成室侧观察本发明的实施方式的等离子体离子源的绝缘构件的平面图。

图4是包含图3所示的IV-IV剖面的绝缘构件以及末端电极的剖面图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边对本发明的实施方式的等离子体离子源以及带电粒子束装置进行说明。

实施方式的带电粒子束装置10如图1所示那样具备能够将内部维持为真空状态的样品室11、能够在样品室11的内部固定样品S的工作台12、以及驱动工作台12的驱动机构13。带电粒子束装置10具备向样品室11的内部中的规定的照射区域（即扫描范围）内的照射对象照射聚焦离子束（FIB）的聚焦离子束镜筒14。带电粒子束装置10具备向样品室11的内部中的规定的照射区域内的照射对象照射电子束（EB）的电子束镜筒15。带电粒子束装置10具备对由于聚焦离子束或电子束的照射而从照射对象产生的二次带电粒子（二次电子以及二次离子等）R进行检测的检测器16。此外，带电粒子束装置10具备在电子束镜筒15内部对由于电子束的照射而从照射对象产生的二次带电粒子（反射电子）进行检测的检测器。带电粒子束装置10具备向照射对象的表面供给气体Ga的气体供给部17。带电粒子束装置10具备对基于由检测器16检测的二次带电粒子的图像数据等进行显示的显示装置20、控制部21以及输入设备22。

带电粒子束装置10能够通过对照射对象的表面一边扫描聚焦离子束一边进行照射来执行利用溅射的各种加工（蚀刻加工等）和沉积膜的形成。带电粒子束装置10能够执行在样品S形成利用扫描型电子显微镜等的剖面观察用的剖面的加工以及根据样品S形成利用透射型电子显微镜的透射观察用的样品片（例如，薄片样品、针状样品等）的加工等。带电粒子束装置10能够通过对样品S等照射对象的表面一边扫描聚焦离子束或电子束一边进行照射来执行照射对象的表面的观察。

样品室11被构成为能够通过排气装置对内部进行排气直到变为期望的真空状态，并且，能够维持期望的真空状态。

工作台12保持样品S。

驱动机构13以连接于工作台12的状态收容在样品室11的内部，根据从控制部21输出的控制信号使工作台12相对于规定轴移位。驱动机构13具备沿着与水平面平行且彼此正交的X轴和Y轴以及与X轴和Y轴正交的铅垂方向的Z轴平行地使工作台12移动的移动机构13a。驱动机构13具备使工作台12绕X轴或Y轴旋转的倾斜机构13b以及使工作台12绕Z轴旋转的旋转机构13c。

聚焦离子束镜筒14在样品室11的内部使束射出部在照射区域内的工作台12的铅垂方向上方的位置面对工作台12并且使光轴与铅垂方向平行来固定在样品室11中。由此，能够向固定于工作台12的样品S等照射对象照射从铅垂方向上方朝向下方的聚焦离子束。

聚焦离子束镜筒14具备使离子产生的等离子体离子源14a以及使从等离子体离子源14a导出的离子聚焦和偏向的离子光学系统14b。根据从控制部21输出的控制信号控制等离子体离子源14a和离子光学系统14b，通过控制部21控制聚焦离子束的照射位置和照射条件等。离子光学系统14b例如具备聚光透镜等第一静电透镜、静电偏向器、以及物镜等第二静电透镜等。再有，在图1中，静电透镜为2组，但是，也可以具备3组以上。在该情况下，离子光学系统14b在各透镜间设置孔（aperture）。

等离子体离子源14a为高频电感耦合等离子体离子源。等离子体离子源14a如图2所示那样具备焰炬（torch）30、第一接地电位凸缘31和第二接地电位凸缘32、气体导入室33、等离子体生成室34、气体导入室材料35、末端电极36、等离子体电极37、绝缘构件38、线圈39、外壳（envelope）40、以及绝缘性液体41。

焰炬30的形状被形成为筒状。焰炬30由电介质材料形成。电介质材料例如为石英玻璃、氧化铝以及氮化铝的任一个等。在焰炬30的第一端部设置有第一接地电位凸缘31。在焰炬30的第二端部设置有第二接地电位凸缘32。第一接地电位凸缘31和第二接地电位凸缘32被维持为接地电位。第一接地电位凸缘31和第二接地电位凸缘32为非磁性金属、例如铜、铝等。

焰炬30形成气体导入室33和等离子体生成室34。气体导入室33由连接于第一接地电位凸缘31的气体导入室材料35和配置在焰炬30的内部的末端电极36形成。等离子体生成室34由末端电极36和配置在焰炬30的第二端部的等离子体电极37形成。末端电极36和等离子体电极37为非磁性金属、例如铜、钨、钼等。等离子体对末端电极36和等离子体电极37进行溅射而附着于焰炬30的内壁，因此，在溅射中需要的能量高的钨、钼是更优选的。在气体导入室33的内部收容有绝缘构件38。在焰炬30的外部配置有沿着等离子体生成室34的外周卷绕的线圈39。从RF电源39a向线圈39供给高频功率。

外壳40包围气体导入室33、等离子体生成室34和线圈39，并且，连接于第一接地电位凸缘31和第二接地电位凸缘32。在气体导入室33和等离子体生成室34与外壳40之间填充有浸渍线圈39的绝缘性液体41。

在气体导入室材料35设置有将从气体供给源经由流量调整器供给的原料气体导入到气体导入室33的内部的开口部35a。

在被配置在气体导入室33和等离子体生成室34的边界的末端电极36设置有从气体导入室33向等离子体生成室34导入原料气体的多个贯通孔36a。多个贯通孔36a的每一个的大小R（例如，圆形的贯通孔36a的直径等）被形成得比等离子体壳层（plasma sheath）长度小。等离子体壳层长度例如为几十μm~几百μm。

在等离子体电极37设置有从等离子体生成室34向外部导出离子的开口部37a。

气体导入室33内的绝缘构件38通过螺栓等连接构件而被固定于末端电极36。如图3所示，在绝缘构件38形成有装配连接构件的装配孔38a。如图4所示，在与末端电极36的表面36Ａ相向的绝缘构件38的相向面38A形成有凹槽38b。凹槽38b的深度D被形成得比等离子体壳层长度小。凹槽38b的宽度W被形成得比深度D大。在绝缘构件38形成有设置在凹槽38b的多个贯通孔38c。多个贯通孔38c的每一个的大小（例如，圆形的贯通孔38c的直径等）被形成得比等离子体壳层长度小。多个贯通孔38c的每一个的大小例如与末端电极36中的多个贯通孔36a的大小R相同地形成。多个贯通孔38c的每一个例如以面对末端电极36中的多个贯通孔36a的每一个的方式配置。

再有，在末端电极36中，装配连接构件的装配孔36b以面对绝缘构件38的装配孔38a的方式形成。

绝缘构件38的形状被形成为妨碍在气体导入室材料35与末端电极36之间的带电粒子的直接的移动的形状。绝缘构件38的形状被形成为气体导入室材料35和末端电极36不能彼此直接看见的形状。绝缘构件38的形状被形成为例如外螺纹形状等。

外壳40例如由铜或铝等散热性（热传导率）高的材料形成。

绝缘性液体41具有与外壳40的绝缘耐压相比相对大的绝缘耐压以及与等离子体生成室34相同程度的介质损耗角正切。绝缘性液体41例如为氟类惰性液体。

电子束镜筒15在样品室11的内部使束射出部在与照射区域内的工作台12的铅垂方向倾斜了规定角度的倾斜方向上面对工作台12并且使光轴与倾斜方向平行来固定于样品室11。由此，能够向固定于工作台12的样品S等照射对象照射从倾斜方向的上方朝向下方的电子束。

电子束镜筒15具备使电子产生的电子源15a、以及使从电子源15a射出的电子聚焦和偏向的电子光学系统15b。根据从控制部21输出的控制信号控制电子源15a和电子光学系统15b，通过控制部21控制电子束的照射位置和照射条件等。电子光学系统15b例如具备电磁透镜和偏向器等。

再有，调换电子束镜筒15和聚焦离子束镜筒14的配置，将电子束镜筒15配置在铅垂方向上，将聚焦离子束镜筒14配置在与铅垂方向倾斜了规定角度的倾斜方向上也可。

检测器16检测在向样品S等照射对象照射聚焦离子束或电子束时从照射对象放射的二次带电粒子（二次电子以及二次离子等）R的强度（即，二次带电粒子的量），输出二次带电粒子R的检测量的信息。检测器16被配置于在样品室11的内部能够检测二次带电粒子R的量的位置、例如相对于照射区域内的样品S等照射对象斜上方的位置等，并被固定在样品室11中。

气体供给部17在样品室11的内部使气体喷射部面对工作台12，并被固定在样品室11中。气体供给部17能够向样品S供给用于根据样品S的材质而选择性地促进利用聚焦离子束的样品S的蚀刻的蚀刻用气体、以及用于在样品S的表面形成金属或绝缘体等的堆积物的沉积膜的沉积用气体等。例如，将针对Si类的样品S的氟化氙和针对有机类的样品S的水等蚀刻用气体与聚焦离子束的照射一起向样品S供给，由此，选择性地促进蚀刻。此外，将例如含有菲、铂、碳或钨等的化合物气体的沉积用气体与聚焦离子束的照射一起向样品S供给，由此，使根据沉积用气体分解的固体成分堆积到样品S的表面。

控制部21被配置在样品室11的外部，连接有显示装置20以及输出与操作者的输入操作对应的信号的鼠标和键盘等输入设备22。

控制部21根据从输入设备22输出的信号或通过预先设定的自动运转控制处理生成的信号等来统一地控制带电粒子束装置10的工作。

控制部21一边扫描带电粒子束的照射位置一边将由检测器16检测的二次带电粒子的检测量变换为与照射位置相对应的亮度信号，根据二次带电粒子的检测量的二维位置分布来生成示出照射对象的形状的图像数据。控制部21使用于执行各图像数据的放大、缩小、移动和旋转等操作的画面与所生成的各图像数据一起显示在显示装置20中。控制部21使用于进行加工设定等各种设定的画面显示在显示装置20中。

如上述那样，根据本发明的实施方式的等离子体离子源14a，能够利用填充在外壳40的内部的绝缘性液体41来冷却等离子体生成室34和线圈39，因此，与例如在等离子体生成室34和线圈39的周围设置热管（heat pipe）等绝缘性液体的流动路径的情况相比，能够防止等离子体离子源14a整体的大小増大。

进而，能够在外壳40的内部尽可能靠近等离子体生成室34地配置线圈39，因此，能够将高频功率高效率地传递到等离子体。

进而，外壳40由热传导率高的材料形成，因此，通过绝缘性液体41的对流等从等离子体生成室34和线圈39传递到外壳40的热从外壳40高效率地散热。

此外，外壳40由导电率高的非磁性金属形成，因此，即使在线圈39的周边产生感应电流的情况下，也能够防止多余的功率损失的増大。

如上述那样，根据本发明的实施方式的带电粒子束装置10，能够防止装置整体的大小増大。

再有，在上述的实施方式中，也可以具备设置在外壳40的散热片。

再有，在上述的实施方式中，也可以具备吸出外壳40的内部的绝缘性液体41并在冷却之后再次供给到外壳40的内部的装置（冷却装置以及泵等）。

再有，在上述的实施方式中，也可以省略电子束镜筒15。

再有，在上述的实施方式中，控制部21也可以为软件功能部或LSI等硬件功能部。

附图标记的说明

10…带电粒子束装置、11…样品室、12…工作台、13…驱动机构、14…聚焦离子束镜筒、14a…等离子体离子源、15…电子束镜筒、16…检测器、17…气体供给部、20…显示装置、21…控制部、22…输入设备、30…焰炬、31…第一接地电位凸缘、32…第二接地电位凸缘、33…气体导入室、34…等离子体生成室、35…气体导入室材料、36…末端电极、37…等离子体电极、38…绝缘构件、39线圈、40…外壳、41…绝缘性液体。

Claims (7)

1.一种等离子体离子源，其特征在于，具备：

气体导入室，导入原料气体；

等离子体生成室，连接于所述气体导入室，由电介质材料形成；

线圈，沿着所述等离子体生成室的外周卷绕，被施加高频功率；

外壳，包围所述气体导入室、所述等离子体生成室和所述线圈；以及

绝缘性液体，填充在所述气体导入室的外壁和所述外壳的内壁之间以及所述等离子体生成室的外壁与所述外壳的内壁之间，由此，浸渍所述线圈，并且，具有与所述等离子体生成室相同程度的介质损耗角正切。

2.根据权利要求1所述的等离子体离子源，其特征在于，

所述外壳由铜或铝形成。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的等离子体离子源，其特征在于，

所述绝缘性液体为氟类惰性液体。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的等离子体离子源，其特征在于，

所述等离子体生成室由石英玻璃、氧化铝和氮化铝的任一个形成。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的等离子体离子源，其特征在于，

具备设置在所述外壳的散热片。

6.一种带电粒子束装置，其特征在于，具备：

根据权利要求1至权利要求5的任一项所述的等离子体离子源；

离子束形成部，利用在所述等离子体离子源中产生的所述原料气体的离子来形成离子束；

工作台，对样品进行固定；以及

控制部，向所述样品照射由所述离子束形成部形成的所述离子束，进行所述样品的照射区域的观察、加工和分析之中的至少任一个。

7.根据权利要求6所述的带电粒子束装置，其特征在于，

具备电子束形成部，所述电子束形成部形成电子束，

所述控制部向所述样品的同一区域照射所述离子束和所述电子束，进行所述样品的照射区域的观察、加工和分析之中的至少任一个。

Images