使用工藝氣體和冷卻的表面的帶電粒子束處理的制作方法

使用工藝氣體和冷卻的表面的帶電粒子束處理的制作方法
【專利摘要】本發明涉及使用工藝氣體和冷卻的表面的帶電粒子束處理。一種冷阱被提供以減少在使用工藝氣體的操作期間與束反應的污染物氣體。所述冷阱被設置成使污染物氣體冷凝但是不使工藝氣體冷凝的溫度。冷阱可以用于樣品腔中以及氣體管線中。
【專利說明】
使用工藝氣體和冷卻的表面的帶電粒子束處理
技術領域
[0001] 本發明涉及使用工藝氣體的帶電粒子束處理。
【背景技術】
[0002] 在掃描電子顯微鏡（"SEM"）中，一次電子束(primary beam of electrons)在將被 研究的樣品的區之上掃描。在電子與樣品的碰撞中釋放的能量導致來自樣品的包含背散射 的電子的二次電子和X射線的發射。這些X射線和二次電子的數量和能量提供關于樣品的性 質、結構和成分的信息。術語"樣品"傳統地用于指示在帶電粒子束系統中正被處理或觀察 的任何工件，并且如在本文中使用的該術語包含任何工件并且不限于正被用作更大群體的 代表的樣品。如在本文中使用的術語"二次電子"包含背散射的一次電子以及源于樣品的電 子。為了探測二次電子，SEM經常被提供有一個或多個電子探測器。
[0003] 電子束還能夠用于啟動在樣品表面處的化學反應。工藝氣體與帶電粒子束一起使 用以變更工件。"束化學"指代由束(諸如，帶電粒子束或激光束）啟動的化學反應。"電子束 化學"包含電子束引起的沉積(EBID)、電子束引起的刻蝕(EBIE)和電子束引起的功能化 (EBIF)，并且典型地在掃描電子顯微鏡（SEM)中被執行。在所有這些電子束工藝中，前驅體 氣體的分子被吸附到工件表面上。電子束被指引在工件處，并且在束中的電子以及發射的 二次電子使吸附物解離，從而產生反應產物。在EBID中，不揮發性反應產物作為沉積物停留 在襯底表面上，而揮發性反應產物解除吸附。在EBIE中，前驅體分子分解產物中的一個或多 個與工件表面反應，從而產生從工件解除吸附的揮發性反應產物，從而去除表面材料。在 EBIF中，電子束引起的表面反應改變元素的或分子的種類，其終止工件表面。相似的工藝發 生在離子束引起的沉積(IBID)、離子束引起的刻蝕(IBIE)以及離子束引起的功能化（IBIF) 中，盡管離子的更大得多的量還通過濺射(即，通過從高能離子的動量轉移而沒有任何化學 反應)導致材料從襯底去除。離子束與吸附物相互作用所經由的機制被認為不同于電子束 與吸附物反應所經由的機制。
[0004] 在傳統的SEM中，樣品被維持在高真空中以防止一次電子束通過氣體分子的散射 并且允許二次電子的收集。典型地使用具有朝著束的碰撞點指引氣體的毛細管針狀物的氣 體注射系統在真空腔中執行束化學。氣體迅速膨脹并且雖然在表面處的局部氣體壓強足夠 支持束引起的反應，但是在樣品腔的剩余部分中的壓強足夠低使得能夠使用傳統探測器 (諸如，一般被稱為Everhart-Thornley探測器的閃爍體-光電倍增器組合)來探測二次電 子。
[0005] 電子束化學也能夠在充滿前驅體氣體的環境中關于工件執行。其中樣品被維持在 氣態環境中的一種類型的電子顯微鏡是高壓掃描電子顯微鏡(HP SEM)或環境掃描電子顯微 鏡。例如在標題為 "Secondary Electron Detector for Use in a Gaseous Atmosphere" 的Mancuso等人的美國專利號4,785,182中描述了這樣的系統。示例是來自FEI公司的 Quanta 600 ESEM?高壓SEM。
[0006] 在HPSEM中，樣品被維持在具有典型地在0.01托(0.013毫巴）與50托(65毫巴）之 間，并且更典型地在1托（1.3毫巴）與10托（13毫巴）之間的壓強的氣態氣氛中。高氣體壓強 的區通過維持在聚焦柱中的高真空的一個或多個限壓孔徑而被限制到樣品區。相反，在傳 統SEM中，樣品被定位在實質上更低的壓強（典型地，小于10- 5托（1.3 X 10-5毫巴））的真空 中。在HPSEM中，典型地使用被稱為"氣體離子化級聯放大"或"氣體級聯放大"的工藝來探測 二次電子，在所述工藝中，二次帶電粒子通過電場被加速并且與在成像氣體中的氣體分子 相撞以創建附加的帶電粒子，所述附加的帶電粒子進而與其他氣體分子相撞以生成更附加 的帶電粒子。這個級聯繼續直到極大增加的數量的帶電粒子作為在探測器電極處的電流被 探測到。在一些實施例中，取決于氣體壓強和電極配置，來自樣品表面的每個二次電子產生 例如多于20個、多于100個或多于1,000個附加的電子。在一些實施例中，在氣體級聯中產生 的正氣體離子或光子代替電子被探測到并且用于產生圖像。如在本文中使用的術語"氣體 級聯放大成像"指代使用這三種成像信號的任何組合產生的圖像。如在本文中使用的術語 "氣體級聯探測器"指代能夠用于探測這三種成像信號的任何組合的探測器。
[0007] 如在針對"Electron Beam-induced Etching"的Martin等人的美國專利公開 2014/0363978(其被轉讓給本發明的受讓人并且其據此通過參考被結合）中所描述的那樣， 當用于束化學時HPSEM具有數個問題。通過從在樣品腔內部的表面的解除吸附以及通過經 由典型地用于SEM和HPSEM腔上的〇形環的擴散引入雜質。雜質主要由Η 20、Ν2和02構成并且不 被認為干擾傳統的HPSEM成像操作，這要求用氣體(諸如，H 20蒸汽)來填充腔，為了真空不相 容樣品的穩定性和電荷控制的目的。然而雜質確實干擾束化學，因為諸如H20和0 2的分子與 諸如大多數有機金屬化合物、1?6、1^6、？丨(？? 3)4、乂6?2上和(：12的沉積和刻蝕前驅體反應并 且導致所述沉積和刻蝕前驅體的分解。雜質還占據在樣品表面處的表面部位，由此減少用 于束化學的前驅體分子的吸附速率;并且導致諸如W和Mo的材料在沉積期間的氧化，并且由 此變更沉積的材料的成分和功能屬性。由美國專利公開2014/0363978提出的解決方案是把 工件冷卻到靠近前驅體氣體的沸點的溫度以在沒有冷凝的情況下提供高前驅體表面覆蓋。
[0008] 用于在高壓樣品環境中提供改進的控制的另一個方法是"環境單元"在樣品腔內 部的使用。所謂"環境單元"指的是用于提供在樣品周圍的環境(典型地，與存在于其中定位 環境單元的樣品腔中的環境不同的環境)的外殼。環境單元能夠加強樣品環境的控制，從而 減少在HPSEM處理期間存在的氣態雜質的濃度，并且減少HPSEM處理腔的體積和內表面面 積。PCT/US2008/053223(其被轉讓給本申請的受讓人并且其據此通過參考被結合)描述環 境單元的數個配置。
[0009] 用來減少在真空腔中的污染物的另一個方法是使用低溫冷阱（也被稱為"冷阱"） 即在真空腔中使任何氣體冷凝以改進真空的冷表面。當使用工藝氣體時不使用低溫冷阱， 因為用工藝氣體有意地使真空退化。低溫冷阱也不用于HPSEM中，因為通過成像氣體有意地 使真空退化，并且最常見的成像氣體是H 20蒸汽。
[0010] 束化學的兩個目前的應用是具有唯一電學和光學屬性的石墨烯和金剛石的納米 圖案化。氣體介導(gas-mediated)的EBIE正被越來越多地用于在石墨稀和金剛石中的功能 結構的快速原型設計(prototyping)，因為EBIE消除由掩蔽和離子照射生成的對材料的損 害。EBIE用于刻蝕許多碳材料，包含石墨烯、碳納米管、金剛石、超納米晶體金剛石(UNCD)以 及多孔富碳納米線和膜。在低的電子束能量(〈~30 keV)(其中通過在電子與碳之間迎面相 撞(knock-on collision)的原子位移是可以忽略的），碳的去除典型地歸因于化學刻蝕 (即，碳的揮發）。刻蝕通常歸咎于包括由吸附到刻蝕的材料的表面的h2〇、nh3或出前驅體分 子的電子引起的解離所生成的0、Η或0H自由基的化學途徑。
[0011]
【申請人】發現了樣品可以被不注意地刻蝕，即使當沒有供應刻蝕前驅體氣體時。因 此，樣品能夠例如通過在高真空中由電子束成像期間，或者當使用非刻蝕惰性成像氣體時、 或者在沉積工藝期間的無意刻蝕而被退化。通過低能量電子的石墨烯和金剛石的這樣的刻 蝕歸因于包含由撞出（knock-on)所導致的原子位移、電子束加熱、由離子化氣體分子的濺 射以及由包含N2的許多氣體驅動的化學刻蝕的機制。Y. Lan等人的"Polymer-free Patterning of Graphene at Sub-10nm Scale by Low-Energy Repetitive Electron Beam" Small 10，4778 (2014)。〕· Fox等人的"Nitrogen assisted etching of graphene layers in a scanning electron microscope"Appl· Phys. Lett. 98， 243117 (2011)以及J. Niitsuma等人的 "Nanoprocessing of Diamond Using a Variable Pressure Scanning Electron Microscope" Jpn. J. Appl. Phys. 45，L71 (2006)。特別 地，報道了能夠通過把犯引入到真空腔中來加速從石墨烯和金剛石的碳的電子束引起的去 除。這些觀察結果非常驚人并且歸因于由氮離子導致的碳的化學刻蝕和濺射。當有意刻蝕 時，刻蝕速率能夠在表面上同樣的處理條件下變化。需要一種方法來減少不注意的刻蝕以 便生成用于生成納米尺寸結構的一致的處理結果并且實現諸如石墨烯、金剛石和碳納米管 的材料的無刻蝕高分辨率成像。

【發明內容】

[0012] 本發明的目標是提供用工藝氣體的包含成像的改進的帶電粒子束處理。
[0013] 提供冷阱以減少在使用工藝氣體的操作期間與束反應的污染物氣體。冷阱被設置 成使污染物氣體冷凝但是不使工藝氣體冷凝的溫度。冷阱可以用于樣品腔中以及氣體管線 中。
[0014] 前述部分相當寬地略述了本發明的特征和技術優點以便可以更好理解隨后的本 發明的具體描述。在下文中將描述本發明的附加的特征和優點。本領域的技術人員應該領 會到公開的觀念和特定的實施例可以容易用作用于修改或設計用于實現本發明的相同目 的的其他結構的基礎。本領域的技術人員還應該認識到這樣等同的構造不脫離如在所附的 權利要求中所闡述的本發明的范圍。
【附圖說明】
[0015] 為了更透徹理解本發明以及其優點，現參考結合附圖進行的下面的描述，在所述 附圖中： 圖1示出帶有冷卻的表面的帶電粒子束系統的示意性視圖； 圖2是用于選擇的氣體的刻蝕凹陷深度對冷卻的表面溫度的表； 圖3示出由帶電粒子束刻蝕的花邊(lacy)碳和石墨稀的區域； 圖4示出被引入到氣流中的污染物； 圖5示出被捕獲在帶電粒子系統內部的冷卻的表面上的污染物； 圖6示出高壓掃描電子顯微鏡；以及 圖7示出高真空雙束系統。
【具體實施方式】
[0016] 本發明的實施例提供用于降低在帶電粒子束系統中的污染物氣體的分壓并且因 此降低吸附在由帶電粒子束照射的工件表面上的污染物分子的區域密度的裝置。結果，以 下詳述的創新允許在極大減少由于在系統中的污染物的存在而發生的不期望的束化學反 應的同時執行束工藝。
[0017] 提供通過對撞擊在系統之內的區域的污染物分子的物理固定來降低在帶電粒子 系統中的污染物氣體的分壓的方法。
[0018] 示出了甚至在正使用超純惰性源氣體的系統中也能夠發生不期望的束化學反應。 之前，這被認為是由于在另外的惰性氣體分子與正由帶電粒子束照射的樣品的表面之間的 束引起的反應。然而，
【申請人】發現了由于存在于氣體遞送系統和真空系統中的污染物，諸如 被吸附在氣體源與樣品之間的內部表面上的污染物，而發生不期望的束引起的反應。內部 表面包含任何使用的氣體管線的那些內部表面以及樣品腔的內部表面。當工藝氣體處于與 這些表面的接觸中時，被吸附的污染物能夠從表面解除吸附并且污染工藝氣體，從而有效 地升高在樣品腔之內的污染物氣體的分壓。當系統在沒有工藝氣體的高真空處操作時，許 多吸附的污染物保持吸附在真空腔內部的表面上并且不暴露于束并且不與樣品反應。申請 人發現了工藝氣體的引入增加被遞送到樣品的污染物氣體的分壓。
[0019] 在一些實施例中，污染物是水(h2〇)。在帶電粒子束存在時，水能夠相當于刻蝕劑。 在不希望由理論束縛的情況下，刻蝕通常歸咎于包括由H 2〇的粒子引起的解離所生成的 0 ·、H ·、或0H ·自由基的化學路途。
[0020] 在下面的公開中，術語"下游"被限定為在氣體流動的方向前進。
[0021] 圖1示出帶電粒子束系統100的示意性視圖。系統具有氣體儲藏器102和104以及質 量流量控制器106,所述氣體儲藏器102和104以及質量流量控制器106-起構成氣體源108。 盡管示出兩個氣體儲藏器102和104,但是可以使用任何數量的氣體儲藏器。
[0022] 氣體管線110攜帶在質量流量控制器106下游的氣體。在一些實施例中，氣體管線 冷阱112被安裝在氣體管線110上。由冷卻器114提供對氣體管線冷阱112的冷卻。在一些實 施例中，冷卻器114可以經由對液體氮或另一個低溫液體的加熱或蒸發或者通過能夠獲得 期望的溫度的其他冷卻手段來提供冷卻。例如，能夠使用機械的或熱電的制冷。冷阱112優 選地接近于真空腔定位以便存在于氣體路徑中的大多數污染物在冷阱上被冷凝。
[0023]氣體管線110繼續到樣品腔124中，所述樣品腔124被封閉在真空腔128中并且含有 樣品126。在一些實施例中，氣體管線110經過真空腔128和樣品腔124的壁。如果使用熱電冷 卻器，則它能夠被放置在真空腔128或樣品腔124以及為去除的熱提供的熱路徑內部。樣品 腔冷阱116被定位在樣品腔124之內，并且經由冷卻器118被冷卻。樣品126擱在樣品臺146 上。帶電粒子柱130生成、聚焦并且指引帶電粒子束144通過限壓孔徑142到樣品腔124中。帶 電粒子柱130包含粒子源132、第一帶電粒子透鏡134、偏轉器136和138以及帶電粒子物鏡 140。控制器160根據開啟操作者輸入或者根據儲存在存儲器162中的計算機可讀指令來控 制電荷粒子束100。顯示器164顯示由通過在樣品腔124之內的氣體級聯放大而放大并且由 探測器電極166探測的二次電子構成的圖像。典型地也存在其他元件，諸如束熄滅裝置 (blanker)和像差校正元件。在一些實施例中，所述帶電粒子束可以是諸如電子束、離子束 或群束的帶電粒子束。束也能夠是激光束一一每當工藝氣體與提供能量以啟動包括所述工 藝氣體的反應的任何類型的束一起使用的時候，本發明的實施例可以是有用的。
[0024] 在一些實施例中，由高真空栗148來抽吸真空腔128,所述高真空栗148通過真空腔 真空管線150排氣到前級栗152中。
[0025] 在一些實施例中，壓強計122通過樣品腔壓強管線120被連接到樣品腔128,以便操 作者能夠監視樣品腔壓強并且調整到腔中的流動速率來實現期望的樣品腔壓強。
[0026]圖2示出如由在超納米晶體金剛石(UNCD)中的刻蝕凹陷的深度確定的不同氣體和 不同溫度和壓強的電子束刻蝕效果。行202表示在高真空下的現有技術處理，其中沒有工藝 氣體被引入到真空腔中，帶電粒子照射生成帶有62和37納米(nm)的深度的凹陷。在行202中 的高真空下的照射期間在樣品腔之內的壓強是3*10- 4帕斯卡(Pa)。在高真空照射期間，氣體 管線冷阱112和樣品腔冷阱116都未被主動地冷卻，并且都保持在室溫。因為沒有工藝氣體 流動通過氣體管線110并且在樣品腔124中沒有工藝氣體，所以在樣品腔中的污染物氣體分 子的數量是低的。行204表示使用工藝氣體而不使用冷阱的現有技術處理。行204示出當樣 品腔被用來自超純源（99.998+% Ar，< 3 ppm H20)的氬填充到13 Pa時的照射結果。在行 204中的照射期間，冷阱112和116兩者都保持在室溫。照射生成417 nm深的刻蝕凹陷。在不 希望由理論束縛的情況下，假設在行204中創建的更深的刻蝕凹陷是通過工藝氣體被遞送 到樣品的污染物的結果。特別地，假設H 20污染物被吸附在從氣體源通向樣品腔的氣體管線 的內表面以及樣品腔的壁上。所述H20吸附物能夠從在氣體路徑中的表面解除吸附并且隨 氣體流動被夾帶到樣品腔中，以及從樣品腔的壁解除吸附。雖然在行202中的刻蝕是相對小 的，但是在行202的高真空條件下，當工藝氣體被施加時，發生行204的高刻蝕速率。
[0027]行206示出除了氣體管線冷阱112現在被冷卻到大約77 K之外在與行204的那些相 似的條件下束引起的刻蝕的結果。生成的刻蝕凹陷深度近似為在行204中的刻蝕期間生成 的那些的深度的一半。在不希望由理論束縛的情況下，認為這是由于在氣體管線冷阱112上 的污染物的捕獲。然而，在行206中的凹陷深度實質上仍然比在行202中的高真空下創建的 那些更深。刻蝕被認為是由于在帶電粒子束照射期間仍然存在于樣品腔中的剩余的污染 物。
[0028] 行208示出除了樣品腔冷阱116現在被冷卻到大約218 K之外在與行206的那個相 似的條件下束引起的刻蝕的結果。氣體管線冷阱112保持在大約77K。在行208的條件下生成 的刻蝕凹陷深度與在高真空下得到的那些相當，即使在腔中的Ar的壓強保持與在行206和 204中相同。在不希望由理論束縛的情況下，認為把樣品腔冷阱冷卻到大約218 K導致在樣 品腔124中的污染物在樣品腔冷阱116上冷凝，并且因此被有效地從在樣品腔124中的氣氛 去除。進入樣品腔124的工藝氣體帶入最小的污染物，因為氣體管線冷阱112在污染物能夠 進入樣品腔124之前捕獲所述污染物。從樣品腔氣氛的污染物的去除用于降低在腔之內的 污染物氣體的分壓，并且因此減少在樣品上的每單位面積吸附的污染物粒子的量。
[0029]表1示出典型的污染物、由電子束與污染物的互相作用所產生的自由基以及污染 物在1巴處的沸點。污染物(諸如，NF3、Cl2、fcO和HC1)存在于一些帶電粒子束系統中。例如， 在定位在多氣體源108中的氣體儲藏器(諸如，102和104)中含有這些材料的帶電粒子束系 統100中發現所述污染物。 表1。
[0030] 工藝氣體的沸點和任何預期的污染物的沸點能夠用作用來優化冷阱溫度的指導。 在一些實施例中，冷阱的溫度優選地在任何預期的污染物的沸點之下并且在帶來使用的工 藝氣體的沸點之上。冷阱的溫度優選地在工藝氣體的沸點之上至少10度、20度、30度或至少 50度。期望的是將冷阱的溫度設置僅僅在工藝氣體的沸騰溫度之上以捕獲盡可能多的污染 物。冷阱的溫度優選地在預期的污染物的沸點之下小于10度、小于20度、小于30度、小于50 度或者小于80度。這些溫度適用于在氣體管線中的冷阱或者在樣品腔中的冷阱。由于沸點 隨著氣體的壓強而變化，冷阱的溫度可以取決于在冷阱處的工藝氣體的壓強、使用的工藝 氣體的類型以及預期的污染物而變化。
[0031] 在一些實施例中，使用下面的規程發現最適宜的冷阱溫度：（i)冷阱溫度被設置成 室溫并且樣品腔被抽空到真空系統的基準壓強；（ii)使用為獲得期望的樣品腔壓強所需要 的流動速率來把工藝氣體注入到樣品腔中；（iii)冷阱溫度被逐步減少直到工藝氣體開始 冷凝到冷阱上；（iv)冷阱溫度被輕微增加以防止工藝氣體的冷凝。在以上規程的步驟(iii) 中，能夠由在樣品腔壓強中的陡降或者在為維持期望的樣品腔壓強所需要的工藝氣體的流 動速率中的突然增加來識別工藝氣體冷凝溫度。
[0032]在一些實施例諸如在圖1中示出的實施例中，除了通過PLA 142之外，樣品腔缺少 到帶電粒子束柱130中的氣體出口。通過PLA 142的氣體流動的速率與在樣品腔124中含有 的氣體的量相比是小的，并且因此在樣品腔124之內的氣體氣氛周轉的速率是小的。即，在 樣品腔124之內的氣氛是相對停滯的。在現有技術中，這致使在樣品腔124中的污染物氣體 分子與工藝氣體分子的更高的比率，因為從腔壁解除吸附的污染物在它們被解除吸附時沒 有被清除。在本發明的一些實施例中，冷阱去除在樣品腔124中的污染物并且到腔中的低的 流動速率意指附加的污染物以慢的速率被引入，從而導致整體更低的污染物濃度。在一些 實施例中，通過冷阱112和116的污染物的有效捕獲與在樣品腔124之內的低速率氣氛周轉 的組合允許在樣品腔124之內的污染物氣體的分壓被減少至相當于在高真空下的分壓(諸 如，在圖2的行202中的分壓）的分壓。
[0033]行210示出除了工藝氣體是氮氣(N2)而不是氬之外在與行206的那個相似的條件 下束引起的刻蝕的結果。在行210的條件下得到的刻蝕凹陷深度與在行206中得到的那些相 當，這趨向于指示氮氣不是如之前理論化的刻蝕的源。
[0034]冷阱116和112的表面可以例如通過液體氮或其他冷流體的計量流量、機械的或熱 電的冷卻器諸如珀耳帖冷卻器或者其他冷卻裝置來冷卻。在一些實施例中，冷卻的表面被 冷卻到在室溫之下但是在工藝氣體在正被使用的壓強處的冷凝溫度之上的溫度。在進一步 的實施例中，表面被冷卻到將導致在腔之內的污染物氣體在冷卻的表面上冷凝但是將不導 致正被引入到腔中的工藝氣體的冷凝的溫度。
[0035]圖3示出電子束引起的刻蝕的顯微照片。花邊碳302和石墨烯304通過到帶電粒子 束的暴露而被刻蝕，并且具有在石墨烯中的可視刻蝕區306和在花邊碳中的可視刻蝕區 308。使用場發射槍掃描電子顯微鏡在室溫下在高真空（3xl0 4 Pa)環境中使用低能量電子 束得到在圖3中示出的圖像。通過在把襯底加載到系統中之前等離子體清潔SEM腔并且原位 加熱襯底來最小化在真空系統中的碳氫化合物污染物。圖3示出盡管高真空條件以及污染 物去除，但是樣品仍然被電子束刻蝕。
[0036]圖4示出如下過程:污染物通過所述過程可以變成被夾帶在從工藝氣體源402通過 閥406到樣品腔416的工藝氣體404流之內。當工藝氣體404從工藝氣體源402流動通過氣體 管線422時，工藝氣體分子424遇到吸附在氣體管線422的內部表面408上的污染物分子410。 一些吸附的污染物分子410解除吸附并且變成被夾帶412在通過閥414到樣品腔416中的工 藝氣體流中，從而用污染的氣體420來填充樣品腔416。一些污染物分子吸附418在樣品腔 416的壁上，并且也吸附在存在于腔中的任何樣品（未示出）上。在一些情況下，當工藝氣體 到達樣品腔416時，這個過程能夠導致在所述工藝氣體中的無法接受的污染物濃度，即使使 用超純工藝氣體。
[0037]現參考圖5,示出帶電粒子束系統的樣品腔508。氣體管線冷阱550被定位在氣體管 線502中。由冷卻器552通過使冷卻流體通過閥554流動來冷卻冷阱550。工藝氣體504在它通 過閥506進入樣品腔508之前被冷阱550凈化。在冷阱550之前的工藝氣體504包括工藝氣體 分子512以及污染物分子510。位于樣品腔508之上并且通過限壓孔徑518被連接到樣品腔 508的是生成并指引帶電粒子束522的帶電粒子束柱520。定位在樣品腔508之內的是樣品腔 冷阱524。由冷卻器528提供對樣品腔冷阱524的冷卻。在一些實施例中，冷卻器528通過制冷 劑通過閥526的計量流量來提供冷卻。樣品腔冷阱524的冷卻導致污染物分子530在表面上 冷凝，從而從在樣品腔508之內的氣氛去除它們并且降低在樣品腔508之內的污染物分子 510的濃度。樣品516擱在樣品腔508之內的樣品臺514上。通過降低進入腔的污染物分子的 濃度并且通過去除在樣品腔508之內的氣氛中的污染物，減少在樣品516上每單位面積吸附 的污染物分子的量。
[0038] 圖6示出HPSEM 600,在所述HPSEM 600中真空腔128也是樣品腔，即在真空腔128之 內沒有部分封閉的單元。真空腔128用工藝氣體填充到期望的處理壓強。限壓孔徑642維持 在聚焦柱130中的更低的壓強。使用相同的參考數字示出與圖1共同的元件。如在圖1中示出 的系統中，冷阱112減少進入真空腔128的污染氣體的量，并且冷阱116減少在真空腔中的污 染氣體的量。優選的溫度和其他操作參數與以上關于圖1描述的相同。
[0039]圖7示出高真空雙束系統700,其包含電子束柱130和聚焦的離子束柱702。使用閃 爍體光電倍增器704來探測二次電子。能夠使用背散射電子探測器706來探測背散射的電 子。通過噴嘴708朝著樣品126的表面指引工藝氣體，所述噴嘴708足夠接近于樣品126延伸 以維持在樣品表面處的工藝氣體的相對高的濃度，而在真空腔128中的背景壓強是相對低 的。背景壓強典型地是足夠低的以使用閃爍體光電倍增器704來探測二次電子，所述閃爍體 光電倍增器704典型地提供比用于圖1和圖6的系統中的氣體級聯放大更大的放大，在所述 圖1和圖6的系統中含有樣品的腔用氣體填充。在腔128中的背景壓強是足夠低的使得不需 要PLA來維持在電子束柱130和離子束柱702中的可接受的真空。本發明的實施例在使用工 藝氣體的氣體注入的同時使用冷阱。
[0040] 雖然認識到，因為大量的離子，聚焦的離子束甚至在沒有工藝氣體時也將典型地 刻蝕樣品，但是減少在聚焦的離子束中的污染減少無意的反應并且改進束引起的刻蝕和沉 積的工藝控制。
[0041] 如在本文中使用的術語"處理"包含變更樣品表面的處理(諸如，刻蝕和沉積）以及 成像兩者。術語"工藝氣體"或"處理氣體"用于包含用于成像的氣體或與帶電粒子束一起使 用以變更樣品的氣體。術語"成像氣體"用于包含主要用于成像的氣體。氣體的種類不是互 斥的，并且一些氣體可以用于變更樣品并且用于形成圖像兩者。
[0042] 術語"樣品腔"用于指示在其中樣品被暴露于工藝氣體和束的腔。在一些實施例 中，樣品腔包括在真空腔之內的處理單元。在一些實施例中，樣品腔是環境SEM的真空腔，并 且在一些實施例中樣品腔是SEM、FIB、雙束或其他真空處理系統的前級真空腔。冷阱被定位 在樣品腔中，在所述樣品腔中樣品被暴露于氣體和束。
[0043]本發明的一些實施例提供在處理腔中的工件的帶電粒子束處理的方法，該方法包 括： 在工件表面處提供工藝氣體； 朝著工件表面指引帶電粒子束； 提供在處理腔之內的冷卻的表面，所述冷卻的表面的溫度足夠冷以從處理腔去除污染 物，但是對于使工藝氣體冷凝不足夠冷。
[0044] 在一些實施例中，提供在處理腔之內的冷卻的表面包含提供具有比工藝氣體的冷 凝溫度高小于30攝氏度的溫度的表面。
[0045] 在一些實施例中，提供在處理腔之內的冷卻的表面包含提供與樣品熱隔離的冷卻 的表面。
[0046] 在一些實施例中，提供工藝氣體包含提供在帶電粒子束存在時不刻蝕工件的工藝 氣體。
[0047] 在一些實施例中，提供工藝氣體包含提供在帶電粒子束存在時不與工件表面反應 但是足夠可電離以用于氣體級聯放大成像的成像氣體。
[0048] 在一些實施例中，提供工藝氣體包含提供沉積前驅體氣體。
[0049] 在一些實施例中，提供工藝氣體包含提供刻蝕前驅體氣體。
[0050] 在一些實施例中，工藝氣體包括 〇2、N20、H2、NH3、Cl2、HCl、NF 3、Ar、He、Ne、Kr、XeS N2〇
[0051] 在一些實施例中，冷卻的表面的溫度小于-55 C。
[0052] 在一些實施例中，提供在處理腔之內的冷卻的表面包括通過控制與冷卻的表面熱 接觸的液體氮的流動來控制冷卻的表面的溫度。
[0053] 在一些實施例中，在工件表面處提供工藝氣體包括把一股工藝氣體指引在工件表 面處，在處理腔中的背景壓強在10- 7帕斯卡與ΚΓ2帕斯卡之間。
[0054] 在一些實施例中，朝著工件表面指引帶電粒子束包括指引帶電粒子束通過帶電粒 子束光學柱，并且在工件表面處提供工藝氣體包括維持工件在維持在ΠΓ 1帕斯卡與1〇4帕斯 卡之間的壓強處的處理腔中，并且所述腔包含用來約束從處理腔到帶電粒子束光學柱的氣 體流動的限壓孔徑。
[0055] 在一些實施例中，在工件表面處提供工藝氣體包括維持工件在包括維持在ΠΓ1帕 斯卡與1〇4帕斯卡之間的壓強處的環境單元的處理腔中，所述環境單元定位在帶電粒子束 系統的樣品腔之內并且通過限壓孔徑與樣品腔分離。
[0056] 在一些實施例中，在工件表面處提供工藝氣體包含提供來自氣體源通過氣體管線 的工藝氣體，并且進一步包括提供在氣體管線之內的第二冷卻的表面，所述第二冷卻的表 面足夠冷以從氣體管線去除污染物但是對于使工藝氣體冷凝不足夠冷。
[0057]在一些實施例中，第二冷卻的表面的溫度在-200 C與5 C之間。
[0058] -些實施例進一步包括使用氣體級聯放大來形成工件的圖像。
[0059] 在一些實施例中，在工件表面處提供工藝氣體包含提供由分子組成的氣體，所述 氣體在與電子反應時分解以沉積材料到工件表面上或從工件表面刻蝕材料。
[0060] 本發明的一些實施例提供用于處理樣品的帶電粒子束設備，該帶電粒子束設備包 括： 帶電粒子的源； 用于聚焦帶電粒子的聚焦柱； 用于在氣態環境中含有樣品的處理腔； 用于向處理腔提供工藝氣體的氣體源； 在處理腔與聚焦柱之間的用來維持比在處理腔中的更低的在聚焦柱中的壓強的至少 一個限壓孔徑；以及 用于冷卻在處理腔中的低溫冷阱表面的冷卻器，冷卻的低溫冷阱表面使來自處理腔環 境的污染物冷凝以防止污染物吸附到樣品表面。
[0061] 在一些實施例中，帶電粒子束設備包含樣品真空腔，在所述樣品真空腔中處理腔 包括定位在樣品腔之內的環境單元，其中至少一個限壓孔徑定位在環境單元與樣品腔之 間。
[0062] 在一些實施例中，帶電粒子束設備包含樣品真空腔，所述樣品真空腔可與聚焦柱 真空隔離，并且在所述樣品真空腔中處理腔包括樣品腔。
[0063] 在一些實施例中，樣品腔含有閃爍體光電倍增器探測器。
[0064] 在一些實施例中，樣品腔含有固態探測器。
[0065] 在一些實施例中，樣品腔含有用于產生電子背散射衍射圖案的探測器。
[0066] 在一些實施例中，樣品腔含有X射線探測器。
[0067] 在一些實施例中，樣品腔是含有氣體級聯放大探測器的環境掃描電子顯微鏡樣品 真空腔。
[0068] 在一些實施例中，冷卻器包括液體氮的源。
[0069] 在一些實施例中，冷卻器包括熱電冷卻器。
[0070] 在一些實施例中，氣體源包括在帶電粒子束存在時不刻蝕碳的成像氣體的源。
[0071] 在一些實施例中，氣體源包括〇2、M)、H2、NH3、Cl2、HCl、NF 3、Ar、He、Ne、Kr、XeSN：^ 源。
[0072] 在一些實施例中，所述設備進一步包括： 在氣體源與處理腔之間的氣體管線；以及 定位在所述氣體管線中的第二低溫冷阱表面。
[0073] 在一些實施例中，所述設備進一步包括用于冷卻所述第二低溫冷阱表面的第二冷 卻器。
[0074] 本發明的一些實施例提供用于處理樣品的帶電粒子束設備，該帶電粒子束設備包 括： 帶電粒子的源； 用于聚焦帶電粒子的聚焦柱； 用于在氣態環境中含有樣品的處理腔； 用于朝著工件指引工藝氣體的氣體源； 用于冷卻在處理腔中的低溫冷阱表面的冷卻器；以及 用于控制帶電粒子束設備的控制器，所述控制器被配置為在冷卻低溫冷阱的同時朝著 工件指引工藝氣體，冷卻的低溫冷阱表面使來自處理腔環境的污染物冷凝以防止污染物吸 附到樣品表面。
[0075] 本發明的優選的方法或設備具有許多新穎的方面，并且因為為了不同的目的，本 發明能夠以不同的方法或設備體現，所以不是每個方面需要存在于每個實施例中。此外，描 述的實施例的許多方面可以單獨可授權。本發明具有寬的適用性并且能夠提供如在以上的 示例中描述和示出的許多益處。實施例將取決于特定的應用而極大地變化，并且不是每個 實施例都將提供所有益處并且將滿足可由本發明實現的所有目標。
[0076] 應該認識到本發明的實施例能夠經由計算機硬件、硬件和軟件兩者的組合或者通 過儲存在非暫時性計算機可讀存儲器中的計算機指令來實施。根據在本說明書中描述的方 法和附圖，所述方法能夠使用標準編程技術以計算機程序來實施一一包含配置有計算機程 序的非暫時性計算機可讀儲存器介質，其中如此配置的儲存器介質導致計算機以特定的和 預定的方式操作。可以用高級過程語言或面向對象編程語言來實施每個程序以與計算機系 統通信。然而如果期望，能夠以匯編或機器語言來實施程序。在任何情況下，語言能夠是編 譯的或解釋的語言。此外，程序能夠在為了那個目的而編程的專用集成電路上運行。
[0077] 進一步地，方法可以被實施在任何類型的計算平臺中，所述計算平臺包含但不限 于個人計算機、迷你計算機、主機、工作站、網絡化的或分布的計算環境、與帶電粒子工具或 其他成像裝置分離、一體或通信的計算機平臺等。本發明的方面可以用機器可讀代碼來實 施，所述機器可讀代碼儲存在無論與計算平臺是可移除的還是一體的非暫時性儲存器介質 或裝置(諸如，硬磁盤、光學讀取和/或寫入儲存器介質、RAM、R0M等)上，以便當由計算機讀 取儲存器介質或裝置以執行在本文中描述的規程時，所述機器可讀代碼可由可編程計算機 讀取用于配置和操作計算機。此外，機器可讀代碼或其部分可以經有線或無線網絡被傳輸。 在本文中描述的發明包含這些和其他各種類型的非暫時性計算機可讀儲存器介質，當這樣 的介質含有用于實施以上結合微處理器或其他數據處理器描述的步驟的指令或程序時。本 發明還包含計算機它本身，當所述計算機根據在本文中描述的方法和技術被編程時。
[0078] 計算機程序能夠被施加到輸入數據以執行在本文中描述的功能并且由此變換輸 入數據以產生輸出數據。輸出信息被施加到一個或多個輸出裝置，諸如顯示器監視器。在本 發明的優選的實施例中，變換的數據表示物理的和有形的對象，包含在顯示器上生成所述 物理的和有形的對象的特別的視覺描繪。
[0079] 盡管許多之前的描述涉及來自鉆孔切割的礦物樣品，但是本發明能夠用于準備任 何適合的材料的樣品。術語"工件"、"樣品"、"襯底"以及"樣本"在本說明書中可交換地使 用，除非另外指示。進一步地，無論何時在本文中使用術語"自動的"、"自動化的"或相似的 術語，這些術語將被理解為包含自動的或自動化的工藝或步驟的手動啟動。
[0080] 在下面的討論中以及在權利要求中，術語"包含"和"包括"以開放的形式被使用， 并且因此應該被解釋為意指"包含，但不限于…"。就在本說明書中沒有特殊限定任何術語 而言，旨在所述術語被給予它的平常的和普通的意義。附圖旨在幫助理解本發明并且除非 另外指示，所述附圖不是成比例繪制的。適合于實現本發明的粒子束系統例如從本申請的 受讓人(FEI公司）在商業上可得到。
[0081] 在本文中描述的各種特征可以用于任何功能的組合或子組合，而不僅僅用于在本 文中的實施例中描述的那些組合。照此，本公開應該被解釋為提供任何這樣的組合或子組 合的書面描述。
[0082] 盡管具體描述了本發明和它的優點，但是應該理解在不脫離如由所附的權利要求 所限定的本發明的范圍的情況下，能夠對在本文中描述的實施例進行各種改變、代替和變 更。此外，本申請的范圍不旨在受限于在說明書中描述的工藝、機器、制造、物質成分、裝置、 方法和步驟的特別的實施例。如本領域的普通技術人員將容易從本發明的公開領會到的那 樣，根據本發明可以利用執行實質上與在本文中描述的對應實施例相同功能或者獲得實質 上與在本文中描述的對應實施例相同結果的現存的或后來將被發展的工藝、機器、制造、物 質成分、裝置、方法或步驟。因此，所附的權利要求旨在包含這樣的工藝、機器、制造、物質成 分、裝置、方法或步驟在它們的范圍之內。
【主權項】
1. 一種在處理腔中的工件的帶電粒子束處理的方法，包括： 在工件表面處提供工藝氣體； 朝著工件表面指引帶電粒子束； 提供在處理腔之內的冷卻的表面，所述冷卻的表面的溫度足夠冷以從處理腔去除污染 物，但是對于使工藝氣體冷凝不足夠冷。2. 根據權利要求1所述的方法，其中提供在處理腔之內的冷卻的表面包含提供具有比 工藝氣體的冷凝溫度高小于30攝氏度的溫度的表面。3. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中提供在處理腔之內的冷卻的表面包含 提供與樣品熱隔離的冷卻的表面。4. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中提供工藝氣體包含提供在帶電粒子束 存在時不刻蝕工件的工藝氣體。5. 根據權利要求4所述的方法，其中提供工藝氣體包含提供在帶電粒子束存在時不與 工件表面反應但是足夠可電離以用于氣體級聯放大成像的成像氣體。6. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中提供工藝氣體包含提供沉積前驅體氣 體。7. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中提供工藝氣體包含提供刻蝕前驅體氣 體。8. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中工藝氣體包括02、N20、H2、NH 3、C12、HC1、 NF3、Ar、He、Ne、Kr、XeSN2。9. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中冷卻的表面的溫度小于-55 C。10. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中提供在處理腔之內的冷卻的表面包 括通過控制與冷卻的表面熱接觸的液體氮的流動來控制冷卻的表面的溫度。11. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中在工件表面處提供工藝氣體包括把 一股工藝氣體指引在工件表面處，在處理腔中的背景壓強在10- 7帕斯卡與ΚΓ2帕斯卡之間。12. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中朝著工件表面指引帶電粒子束包括 指引帶電粒子束通過帶電粒子束光學柱，并且其中在工件表面處提供工藝氣體包括維持工 件在維持在ΚΓ 1帕斯卡與1〇4帕斯卡之間的壓強處的處理腔中，所述腔包含用來約束從處理 腔到帶電粒子束光學柱的氣體流動的限壓孔徑。13. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中在工件表面處提供工藝氣體包括維 持工件在包括維持在ΠΓ1帕斯卡與1〇 4帕斯卡之間的壓強處的環境單元的處理腔中，所述環 境單元定位在帶電粒子束系統的樣品腔之內并且通過限壓孔徑與樣品腔分離。14. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中在工件表面處提供工藝氣體包含提 供來自氣體源通過氣體管線的工藝氣體，并且進一步包括提供在氣體管線之內的第二冷卻 的表面，所述第二冷卻的表面足夠冷以從氣體管線去除污染物但是對于使工藝氣體冷凝不 足夠冷。15. 根據權利要求14所述的方法，其中第二冷卻的表面的溫度在-200 C與5 C之間。16. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，進一步包括使用氣體級聯放大來形成工 件的圖像。17. 根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中在工件表面處提供工藝氣體包含提 供由分子組成的氣體，所述氣體在與電子反應時分解以沉積材料到工件表面上或從工件表 面刻蝕材料。18. -種用于處理樣品的帶電粒子束設備，包括： 帶電粒子的源； 用于聚焦帶電粒子的聚焦柱； 用于在氣態環境中含有樣品的處理腔； 用于向處理腔提供工藝氣體的氣體源； 在處理腔與聚焦柱之間的用來維持比在處理腔中的更低的在聚焦柱中的壓強的至少 一個限壓孔徑；以及 用于冷卻在處理腔中的低溫冷阱表面的冷卻器，冷卻的低溫冷阱表面使來自處理腔環 境的污染物冷凝以防止污染物吸附到樣品表面。19. 根據權利要求18所述的設備，其中帶電粒子束設備包含樣品真空腔，在所述樣品真 空腔中處理腔包括定位在樣品腔之內的環境單元，其中至少一個限壓孔徑定位在環境單元 與樣品腔之間。20. 根據權利要求18所述的設備，其中帶電粒子束設備包含樣品真空腔，所述樣品真空 腔能與聚焦柱真空隔離，并且在所述樣品真空腔中處理腔包括樣品腔。21. 根據權利要求20所述的設備，其中樣品腔含有閃爍體光電倍增器探測器。22. 根據權利要求20或權利要求21所述的設備，其中樣品腔含有固態探測器。23. 根據權利要求20或權利要求21所述的設備，其中樣品腔含有用于產生電子背散射 衍射圖案的探測器。24. 根據權利要求20或權利要求21所述的設備，其中樣品腔含有X射線探測器。25. 根據權利要求20或權利要求21所述的設備，其中樣品腔是含有氣體級聯放大探測 器的環境掃描電子顯微鏡樣品真空腔。26. 根據權利要求18-21中的任何一個所述的設備，其中冷卻器包括液體氮的源。27. 根據權利要求18-21中的任何一個所述的設備，其中冷卻器包括熱電冷卻器。28. 根據權利要求18-21中的任何一個所述的設備，其中氣體源包括在帶電粒子束存在 時不刻蝕碳的成像氣體的源。29. 根據權利要求18-21中的任何一個所述的設備，其中氣體源包括02、N20、H2、NH 3、C12、 HC1、NF3、Ar、He、Ne、Kr、Xe 或 N2 的源。30. 根據權利要求18-21中的任何一個所述的設備，進一步包括： 在氣體源與處理腔之間的氣體管線； 定位在所述氣體管線中的第二低溫冷阱表面。31. 權利要求30所述的設備，進一步包括用于冷卻第二低溫冷阱表面的第二冷卻器。32. -種用于處理樣品的帶電粒子束設備，包括： 帶電粒子的源； 用于聚焦帶電粒子的聚焦柱； 用于在氣態環境中含有樣品的處理腔； 用于朝著工件指引工藝氣體的氣體源；以及 用于冷卻在處理腔中的低溫冷阱表面的冷卻器；
【文檔編號】H01J37/28GK106024563SQ201610189965
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月30日
【發明人】A.馬丁, G.麥克克雷迪, M.托思
【申請人】Fei 公司