TW202316467A - 用於帶電粒子顯微鏡之可重入氣體系統 - Google Patents

Abstract

本文中揭示用於可重入流體輸送技術之設備及系統。一種實例系統包括在第一及第二電位之間延伸的至少一流體輸送導管，其中該流體輸送導管形成為一傾斜螺旋，使得流過該流體輸送導管之一流體經由該流體輸送導管之每一繞組經歷一電場反轉。

Description

用於帶電粒子顯微鏡之可重入氣體系統

本發明大體上係關於用於帶電粒子顯微鏡之氣體輸送技術，且具體言之係關於將氣體自低電壓電位輸送至高電位之可重入氣體輸送系統，該等可重入氣體輸送系統允許靈活設計，同時最小化或消除由於高電場引起之氣體擊穿。

許多工業及高技術領域使用氣體系統來處理材料。在此等系統中之一些中，氣體可例如自接地或低電壓輸送至高電壓，其中氣體用於形成電漿。此類系統中之氣體輸送可能需要遵守嚴格的約束以避免非所要效應，諸如輸送系統中之氣體擊穿。雖然此等約束幫助減少或防止此類擊穿，但其亦減少設計氣體輸送系統之靈活性。因而，需要提供較大設計靈活性同時仍提供氣體擊穿減少/防止之替代氣體輸送技術。

本文中揭示用於可重入流體輸送技術之設備及系統。一種實例系統包括在第一及第二電位之間延伸的至少流體輸送導管，其中流體輸送導管形成為傾斜螺旋，使得流過流體輸送導管之流體經由流體輸送導管之每一繞組經歷電場反轉。

另一實例系統至少包括：聚焦離子束柱，該聚焦離子束柱經耦合以接收氣體且藉由或自氣體產生聚焦離子束，其中聚焦離子束柱接收處於第二電位之氣體；以及氣體輸送系統，該氣體輸送系統經耦合以將氣體提供至聚焦離子柱，氣體在氣體輸送系統中之第一位置處處於第一電位。氣體輸送系統至少包括在第一及第二電位之間延伸的流體輸送導管，其中流體輸送導管形成為傾斜螺旋，使得流過流體輸送導管之流體經由流體輸送導管之每一繞組經歷電場反轉。

下面在帶電粒子顯微鏡之上下文中描述本發明之實施例，該帶電粒子顯微鏡包括用於提供自低電壓至高電壓之氣體的可重入氣體輸送系統，其中可重入氣體系統減少行進通過系統之氣體擊穿，同時提供靈活設計。舉例而言，具有以傾斜螺旋形狀纏繞在其中之氣體導管的心軸為經歷許多次場反轉之流體提供一路徑，該等場反轉可阻止氣體擊穿經由導管傳播。此類氣體輸送系統允許包括長度及形狀之靈活導管設計。然而，應理解，本文中所描述之技術通常適用於廣泛範圍之氣體輸送系統及設備，並且不限於本文中所揭示之任何特定設備類型。

除非上下文另有明確規定，否則如本申請案中及申請專利範圍中所使用，單數形式「一（a/an）」及「該（the）」包括複數形式。另外，術語「包括（include）」意謂「包含（comprise）」。此外，術語「耦合」不排除在耦合項之間存在中間元件。

本文中所描述之系統、設備及方法不應解釋為以任何方式限制。實情為，本揭示內容單獨地及以各種組合及彼此之子組合係針對各種所揭示實例之所有新穎及非顯而易見的特徵及態樣。所揭示之系統、方法及設備不限於任何具體態樣或特徵或其組合，所揭示之系統、方法及設備亦不要求存在任何一或多個具體優點或解決問題。任何操作理論係為了便於解釋，但所揭示之系統、方法及設備不限於此類操作理論。

儘管所揭示之方法中之一些的操作以特定依序次序描述以便於呈現，但應理解，描述之此方式涵蓋重新配置，除非下文闡述之具體語言要求特定排序。舉例而言，在一些情況下，可重新配置或同時執行依序地描述之操作。此外，為簡單起見，附圖可能未展示所揭示之系統、方法及設備可與其他系統、方法及設備結合使用的各種方式。另外，描述有時使用諸如「產生」及「提供」之術語來描述所揭示之方法。此等術語為所執行之實際操作的高階抽象。對應於此等術語之實際操作將取決於特定實施而變化，並且本領域中一般熟習此項技術者可容易地辨別該等操作。

在一些實例中，值、程式或設備被稱作「最低」、「最佳」、「最小」或類似者。應瞭解，此類描述意欲指示，可在許多所使用之功能性替代方案中進行選擇，並且此類選擇無需較佳、較小或以其他方式優於其他選擇。

存在許多工業應用需要氣體來建立處理介質，諸如電漿或離子束，既聚焦又寬廣。此類應用可將氣體提供至處於高電位（諸如10千伏）之腔室或組件。然而，此類氣體在到達高電壓區之前通常處於低得多的電壓，並且電位之此改變可能引起問題，諸如輸送系統內之氣體擊穿。若氣體在傳輸中擊穿，則擊穿可能引起允許擊穿在輸送系統內之所有氣體中進行的級聯效應。此類擊穿可能導致過程中斷、裝備故障以及對附近人員之身體傷害。氣體擊穿很容易理解，並且通常由各種氣體之帕邢曲線（Pachen curve）描述。彼等實踐人員通常理解，帕邢曲線給出了針對最小氣體導管長度之指導，以防止給定輸送電壓下之氣體擊穿。不幸地，對於高電壓應用，此需要長輸送管線，尤其在低壓下輸送氣體之情況下，其中此類解決方案正在設計上幾乎不提供靈活性-無論物理參數抑或操作參數。因而，需要新解決方案。

解決此問題之一種技術為可重入氣體輸送系統，其中行進通過系統之任何流體經歷多次電場反轉，從而為發生之任何擊穿提供阻止力。可重入氣體系統可具備形成為傾斜螺旋形狀之導管，其中螺旋之每一繞組包括向前行進及向後行進兩者。導管經形成以使得為了簡單類比，流體在每一繞組之情況下採用向前兩步及返回一步。此類系統允許設計靈活性，此係因為導管之總體形狀可壓縮及可變。舉例而言，形狀可為圓柱形或圓錐形。此類靈活性允許設計者在較少約束之情況下進行設計。

圖1為根據本揭示內容之一或多個實施例的包括可重入氣體輸送系統之實例雙束顯微鏡100。顯微鏡100可用於使用由可重入氣體輸送系統提供氣體之聚焦離子束來對樣品進行成像及製備樣品。可重入氣體輸送系統減少或消除一些氣體擊穿機制，同時提供氣體輸送設計之靈活性。

顯微鏡100包括電子柱104、基於電漿之聚焦離子束（PFIB）柱106、可移動台112及偵測器108，全部均包覆或耦合至真空腔室102。電子柱104在一些實例中為掃描電子柱（SEM），但可在其他實例中省略，使得顯微鏡100僅包括PFIB柱。電子柱104將電子束114提供至安置在台112上之樣品110以對樣品110之表面進行成像。偵測器108回應於電子束114而偵測自樣品110發射或反射之二次及/或反向散射電子。

PFIB柱106產生離子束116並將該離子束導向樣品110以用於對樣品進行成像及/或處理樣品。對於成像，偵測器108回應於離子束116而偵測自樣品110發射或反射之二次及/或反向散射電子。在一些實例中，離子束116可與存在於樣品110之表面處的前驅體氣體相互作用以蝕刻樣品或在樣品之表面上沈積材料。如本領域中所已知，此類前驅體氣體可由未展示之氣體注入系統提供。

PFIB 106包括自氣體儲存器128接收一或多種氣體的基於電漿之離子源120。一或多種氣體與所產生電漿相互作用以形成離子束116。一或多種氣體可為反應性的、非反應性的或其混合物。來自氣體儲存器138之氣體經由管路/管道124提供至可重入氣體輸送系統122。氣體通常由處於接地電位之可重入氣體輸送系統接收，但離子源120通常處於10千伏。電位之此改變有時可能導致氣體擊穿，此可由可重入氣體系統122減少或消除。

可重入氣體系統122包括由結構126及離子源120支撐之可重入氣體導管130，簡稱導管130。通常，可重入氣體導管130包括形成為傾斜螺旋形狀之導管，使得螺旋之每一匝傾斜，使得每一匝返回其行進距離之部分。如本文中所使用，可重入意指由導管輸送之流體經由一路徑自一個末端前進至另一個末端，該路徑在電壓上以每傾斜螺旋形狀之繞組不同量或長度向前及向後行進。如本文中所使用，流體經由在電壓上連續地前進一定量，並在電壓上再進入較小量，接著前進至又較大量之電壓，後接適當的較小再重入步等而自低電壓前進至高電壓。在一些實例中，向前及向後行進之量可基於導管正行進之電場之強度而判定，其中電場在兩個電極之間建立等位線之梯度。舉例而言，路徑可使流體在一個匝/傾斜螺旋之繞組期間前進通過X數目個等位線並返回Y數目個等位線，其中Y小於X。在一些實例中，X為2且Y為1，但其他組合涵蓋在本文中且由本揭示內容覆蓋。通常，可與傾斜之角度相關的路徑可基於梯度之強度，其中較高梯度可增加X與Y之間的差，而較低梯度可縮小該差。藉由致使氣體經由等位線向後及向前移動，內部之氣體經歷至少一次場反轉。另一實例包括在等位線建立在兩個電位之間時，並且其中流體輸送導管之每一繞組前進通過至少兩個等位線且藉由經由自適應形式沿著任何形狀之等位線行進之至少一個等位線返回。在自低電壓電位，例如，接地行進至高電壓電位，例如，~35 kV時，場反轉允許減少或消除氣體擊穿之電位。另外，傾斜螺旋形狀亦為設計及大小設定可重入氣體輸送系統122提供靈活性。

在一些實例中，導管130可圍繞支撐心軸或其他形狀之結構纏繞，例如 參見圖2及圖4，其中支撐結構在支撐件126與離子源120之間延伸。支撐心軸可為由絕緣材料形成之棒，其中凹槽形成在外表面上以用於固持導管130。除棒狀心軸之外，支撐結構亦可具有帶有變化之高度與半徑比率的圓錐形狀。

圖2為根據本揭示內容之實施例的實例可重入系統222。可重入氣體系統222，或簡稱系統222為可重入氣體系統122之實例。系統222提供自低電壓電位至較高電壓電位之流體，諸如氣體，同時減少或消除由於高電壓場引起之流體擊穿之機率，同時提供設計及大小設定之靈活性。儘管系統222可用於顯微鏡設定中，但系統222可用於使用處於高電壓但自較低電壓提供至高電壓組件之氣體的任何系統中。實例系統為電漿弧焊系統。

系統222包括支撐件226、電極220以及可重入氣體導管230，或簡稱導管230。支撐件226可為導管230提供物理支撐，並且在一些實例中可為導電的，使得其可充當電極。電極220可為正藉由導管230提供氣體之高電壓離子或電漿產生系統之部分。在一些實例中，與可處於10 kV之電極220相比，支撐件226可處於更低之電壓，例如，接地。舉例而言，電極220可處於在10 kV至60 kV之範圍內的電壓。由於支撐件226與電極220之間的電壓差，產生了形成等位線236之電場。電場之改變速率以及等位線之間隔及電位值係藉由支撐件226與電極220之間的距離及其相對電壓電平而建立。

導管230由心軸234及氣體導管232形成。心軸234為棒狀的，如術語心軸所表明，並且可由絕緣材料製成。另外，心軸234可具有形成在外表面中之經設定大小以接收導管232之凹槽。凹槽為視情況選用的且可用於將導管232保持在所要位置及形狀中。導管232可由柔性管道形成，該柔性管道可以所要曲率半徑圍繞心軸234纏繞。另外，導管232可由將不會因氣體或流體通過其輸送而降解之材料形成。替代地，形成在心軸234中之凹槽可經囊封以使得凹槽自身形成導管232，或導管232可澆鑄至心軸234中。另外，一旦經由心軸234形成，就可獨立於心軸234使用導管232。此外，獨立於心軸234使用之導管232可用於將氣體輸送至移動電極，其中例如電極226與電極220之間的間隔動態地改變。此等選項中之任一者為可能的且單獨導管及心軸之使用僅出於說明性目的且並不限於本文中所揭示之技術。

如上文關於可重入系統所論述，導管232以傾斜螺旋形狀圍繞心軸234纏繞，使得在流過導管232之流體自內向外行進時，流體在開始下一個繞組之前在一個繞組中向前行進一距離，接著返回該距離之部分。舉例而言，若流體進入繞組A（在朝向頁面之方向上），則流體將在A後方兩個間距之位置A'處流出。如本文中所使用之間距為心軸234中之鄰近凹槽之間的距離。導管在每一繞組中移動之間距，或更具體言之，間距之數目係基於鄰近等位線236之間的距離。繼續該實例，進入點B之流體將在B'處流出，對於C及C'以及D及D'亦係如此。因而，行進通過導管232之流體前進通過兩個或更多個等位線且每繞組藉由一個等位線返回。向上移動電位並在每次加寬時返回之此過程使得導管232中之流體在每一繞組中經歷電場反轉，此幫助阻止或防止高電場應用中之流體擊穿。二比一之等位改變僅為實例，並且其他變化形式涵蓋在本文中。亦應注意，可在不具有用於向導管提供物理支撐之心軸234之情況下使用導管232。

圖3A為根據本揭示內容之實施例的實例氣體導管332。導管332說明可用作可重入氣體導管之導管232之傾斜螺旋形狀。如圖3A中所見，導管332處於與圖2中所展示之視圖相反的視圖中，如由流入及流出箭頭所指示。

圖3B為根據本揭示內容之實施例的實例心軸334。心軸334說明凹槽、其間隔及傾斜量，使得纏繞於其上之導管將為給定範圍之等位間隔提供所要場反轉。

圖4為根據本揭示內容之實施例的實例可重入系統422。系統422在許多方面類似於系統222，諸如支撐件426、電極420等，為簡潔起見將不再論述。系統422包括圍繞導管432纏繞之支撐結構434。相比於心軸234，支撐結構434為具有半徑r及高度h之圓錐形狀。h及r之不同比率可用於設計錐體之長度、基底寬度及角度以提供設計靈活性。

圖5A為根據本揭示內容之實施例的實例可重入氣體輸送導管530。導管530為導管230之詳細版本，其展示單元8至20及等位線236之電壓電平。單元號指示其中置放導管532之心軸534之頂部及底部上的相關繞組位置。如圖5A中可見，每一繞組，如由匹配頂部及底部單元號所指示，由至少兩個等位線536分隔開。另外，在一個繞組過度至後續繞組時，例如自頂部單元10至底部單元11之改變展示導管532在經由頂部單元11處之兩個等位線返回之前行進通過三個至四個等位線。此通過等位線之重複向前及向後行進建立場反轉。

圖5B為展示根據本揭示內容之實施例的氣體輸送導管530之總體電位及場反轉之改變的實例曲線圖501。左軸展示在導管532自5 kV行進至～19 kV時單元上的電壓。如可見，自單元10至單元20之電壓改變展示在單元向前及向後行進通過等位線時之階梯狀圖案。右軸展示在導管532在相同電位之間行進時之電場反轉。如所展示，每一單元經歷自~-1 kV/cm至~3 kV/cm之電場改變。

本文中為了說明所揭示技術而論述之實施例不應被視為限制性的且僅提供實施之實例。舉例而言，只要流過其之任何流體發生場反轉，導管可圍繞任何形狀之結構纏繞，諸如角錐形、共用形、六邊形。本領域中熟習此項技術者將理解可如何實施所揭示技術之其他多種方式，該等方式涵蓋在本文中且在本揭示內容之範圍內。

100:實例雙束顯微鏡/顯微鏡 102:真空腔室 104:電子柱 106:基於電漿之聚焦離子束柱/基於電漿之聚焦離子束 108:偵測器 110:樣品 112:可移動台/台 114:電子束 116:離子束 120:基於電漿之離子源/離子源 122:可重入氣體輸送系統/可重入氣體系統 124:管路/管道 126:結構/支撐件 128:氣體儲存器 130:可重入氣體導管/導管 220:電極 222:實例可重入系統/可重入氣體系統/系統 226:支撐件/電極 230:可重入氣體導管/導管 232:氣體導管/導管 234:心軸 236:等位線 332:實例氣體導管/導管 334:實例心軸/心軸 420:電極 422:實例可重入系統/系統 426:支撐件 432:導管 434:支撐結構 501:實例曲線圖 530:實例可重入氣體輸送導管/氣體輸送導管/導管 532:導管 534:心軸 536:等位線 8-20:單元 A:繞組 A':位置 B:點 h:高度 r:半徑

圖1為根據本揭示內容之一或多個實施例的包括可重入氣體輸送系統之實例雙束顯微鏡；

圖2為根據本揭示內容之實施例的實例可重入系統；

圖3A為根據本揭示內容之實施例的實例氣體導管；

圖3B為根據本揭示內容之實施例的實例心軸；

圖4為根據本揭示內容之實施例的實例可重入系統；

圖5A為根據本揭示內容之實施例的實例可重入氣體輸送導管；以及

圖5B為展示根據本揭示內容之實施例的氣體輸送導管之總體電位及場反轉之改變的實例曲線圖。

貫穿圖式之若干視圖，類似的參考數位係指對應的部分。

220:電極

222:實例可重入系統/可重入氣體系統/系統

226:支撐件/電極

230:可重入氣體導管/導管

232:氣體導管/導管

234:心軸

236:等位線

Claims (20)

1. 一種流體輸送系統，其包含： 在第一及第二電位之間延伸的一流體輸送導管，其中該流體輸送導管形成為一傾斜螺旋，使得流過該流體輸送導管之一流體經由該流體輸送導管之每一繞組經歷一電場反轉。
2. 如請求項1之流體輸送系統，其進一步包括在第一及第二電極之間延伸的一心軸，其中該流體輸送導管圍繞該心軸纏繞，並且其中該等第一及第二電極處於該等第一及第二電位。
3. 如請求項2之流體輸送系統，其中該心軸為棒狀的。
4. 如請求項2之流體輸送系統，其中凹槽形成在該心軸中，該等凹槽經佈置以使得該流體輸送導管裝配在該等凹槽內。
5. 如請求項1之流體輸送系統，其中該第一電位為一低電壓，並且該第二電位為一高電壓。
6. 如請求項5之流體輸送系統，其中該低電壓接地，並且該高電壓在10 kV至50 kV之範圍內。
7. 如請求項1之流體輸送系統，其進一步包括在第一及第二電極之間延伸的一錐形支撐結構，其中該流體輸送導管圍繞該錐形支撐結構纏繞。
8. 如請求項1之流體輸送系統，其中等位線建立在該等第一及第二電位之間，並且其中該流體輸送導管之每一繞組前進通過至少兩個等位線且藉由至少一個等位線返回。
9. 如請求項8之流體輸送系統，其中等位線建立在該等第一及第二電位之間，並且其中該流體輸送導管之每一繞組前進通過至少兩個等位線且藉由經由自適應形式沿著任何形狀之等位線行進之至少一個等位線返回。
10. 如請求項1之流體輸送系統，其中該流體輸送導管安置在一帶電粒子柱中。
11. 如請求項10之流體輸送系統，其中該帶電粒子柱為一電漿聚焦離子束柱。
12. 一種系統，其包含： 一聚焦離子束柱，該聚焦離子束柱經耦合以接收一氣體且藉由或自該氣體產生一聚焦離子束，其中該聚焦離子束柱接收處於一第二電位之該氣體；以及 一氣體輸送系統，該氣體輸送系統經耦合以將該氣體提供至該聚焦離子柱，該氣體在一第一位置處處於一第一電位，該氣體輸送系統包括： 在該等第一及第二電位之間延伸的一流體輸送導管，其中該流體輸送導管形成為一傾斜螺旋，使得流過該流體輸送導管之一流體經由該流體輸送導管之每一繞組經歷一電場反轉。
13. 如請求項12之系統，其中該氣體輸送系統進一步包括在第一及第二電極之間延伸的一心軸，其中該流體輸送導管圍繞該心軸纏繞，並且其中該等第一及第二電極處於該等第一及第二電位。
14. 如請求項13之系統，其中凹槽形成在該心軸中，該等凹槽經佈置以使得該流體輸送導管裝配在該等凹槽內。
15. 如請求項12之系統，其中該第一電位為一低電壓，並且該第二電位為一高電壓。
16. 如請求項15之系統，其中該低電壓接地，並且該高電壓在10 kV至50 kV之範圍內。
17. 如請求項12之系統，其中該氣體輸送系統進一步包括在第一及第二電極之間延伸的一錐形支撐結構，其中該流體輸送導管圍繞該錐形支撐結構纏繞。
18. 如請求項12之系統，其中等位線建立在該等第一及第二電位之間，並且其中該流體輸送導管之每一繞組前進通過至少兩個等位線且藉由經由自適應形式沿著任何形狀之等位線行進之至少一個等位線返回。
19. 如請求項12之系統，其中該聚焦離子束柱為一雙束帶電粒子顯微鏡之部分。
20. 如請求項12之系統，其進一步包括耦合至該氣體輸送系統之一氣體容器，該氣體容器儲存該氣體。

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