[发明专利]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

说明书

发明技术领域

本发明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。 

发明背景

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（如在被转让给本发明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。 

发明概述

本发明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。 

本发明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发明的详细说明，上文已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点。下文将描述本发明的附加特征和优点。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发明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发明的精神和范围。 

附图简要说明

为了更加彻底地理解本发明和本发明的优点，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。