应用电子束诱发等离子体探针以进行检验、测试、除错及表面修改
阅读：285发布：2020-12-04
专利汇可以提供应用电子束诱发等离子体探针以进行检验、测试、除错及表面修改专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 揭示一种 电子 束诱发 等离子体 ，其用于与所关注装置建立非机械、电 接触 。此等离子体源可称为大气等离子体源且可经配置以提供具有极细直径及可控特性的等离子体柱。所述等离子体柱横穿在所述等离子体源之间的大气空间进入所述大气及所述所关注装置，且以可从所述装置收集特性电 信号 的方式充当到所述所关注装置的 电路 径。另外，通过控制流入所述等离子体柱的气体，探针可用于表面 修改 、蚀刻及沉积。，下面是应用电子束诱发等离子体探针以进行检验、测试、除错及表面修改专利的具体信息内容。
1.一种大气等离子体设备，其包括：
真空外壳，其在其第一侧处具有孔口；
电子源，其经定位于所述真空外壳的内侧且具有电子提取开口；
提取器，其定位于所述提取开口的附近，且经配置以提取来自所述电子源的电子以便形成电子束且将所述电子束引导穿过所述孔口，其中所述电子束经配置以具有小于所述孔口的直径的直径；
盖，其经配置以允许所述电子束离开所述真空外壳，且，
其中所述电子束经配置以在其离开所述真空外壳时离子化所述大气以便维持空间约束的等离子体柱或等离子体探针。
2.根据权利要求1所述的大气等离子体设备，其进一步包括至少一个气体注射器，所述气体注射器可控制地将气体混合物注入所述电子束在其离开所述真空外壳之后行进穿过的空间中。
3.根据权利要求1所述的大气等离子体设备，其进一步包括位于所述真空外壳内侧的静电透镜。
4.根据权利要求1所述的大气等离子体设备，其中面向所述真空外壳的外部的所述盖的表面是导电的且与所述真空外壳电隔离并且具有附接到所述表面的导电线。
5.根据权利要求1所述的大气等离子体设备，其中经配置以允许所述电子束离开所述真空外壳的所述盖为隔膜，其经调适以便在所述真空外壳中保持真空且大体上透射所述电子束。
6.根据权利要求1所述的大气等离子体设备，其中经配置以允许所述电子束离开所述真空外壳的所述盖为孔隙板，其具有经调适以便在所述真空外壳中保持真空且在所述电子束穿过所述孔隙时减小所述电子束的直径的孔口。
7.根据权利要求6所述的大气等离子体设备，其进一步包括经定位于所述孔隙板与所述真空外壳的所述第一侧之间的隔膜。
8.根据权利要求6所述的大气等离子体设备，其进一步包括附接到所述真空外壳的所述第一侧的差动泵吸腔室，且其中所述孔隙板附接到所述差动泵吸腔室的较低部分。
9.根据权利要求6所述的大气等离子体设备，其中所述孔隙板包括多个电隔离区段，其各自耦合到相应导电线。
10.一种用于执行样品的电压对比成像的方法，其包括：
在真空外壳中提取来自电子源的电子束；
从所述真空外壳将所述电子束发射到邻近环境气体中以借此离子化围绕所述电子束的所述环境气体且产生等离子体探针；
使所述等离子体探针扫描与所述电子束到所述气体环境中的入口点相对定位的样品的所选择区域；
跨越所述等离子体探针施加电压电势以便从所述样品将电子电流驱动到拾取电极；
测量在所述拾取电极与所述样品之间流动的电子电流的量；
使用在所述所选择区域上的每一位置处测量的所述电子电流量来产生图像且在监视器上显示所述图像。
11.一种用于使用电子束诱发等离子体探针来执行三维配准的方法，其包括：
在真空外壳中提取来自电子源的电子束；
从所述真空外壳将所述电子束发射到邻近环境气体中以借此离子化围绕所述电子束的所述气体环境且产生等离子体探针；
使所述等离子体探针扫描与所述电子束到所述气体环境中的入口点相对定位的样品的所选择区域；
跨越所述等离子体探针施加电压电势以便从所述样品将电子电流驱动到拾取电极；
测量在所述拾取电极与所述样品之间流动的电子电流量；
测量从所述样品散射的反向散射电子；
使用反向散射电子的所述测量来确定所述等离子体探针的横向配准；
使用所述电子电流的所述测量来确定所述等离子体探针的所述垂直配准。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括将所述样品的材料成分及表面形态中的至少一者的现有知识用于更精确配准。
13.根据权利要求11所述的方法，其中使用电子束诱发等离子体探针的三维配准结合基于电子束诱发等离子体探针的处理或测量应用用作配准能力。
14.一种用于使用电子束诱发等离子体探针来检验样品的方法，其包括：
在真空外壳中提取来自电子源的电子束；
从所述真空外壳将所述电子束发射到邻近环境气体中以借此离子化围绕所述电子束的所述气体环境且产生等离子体探针；
使所述等离子体探针扫描与所述电子束到所述气体环境中的入口点相对定位的样品的所选择区域；
跨越所述等离子体探针施加电压电势以便从所述样品将电子电流驱动到拾取电极；
测量在所述拾取电极与所述样品之间流动的电子电流量；
去卷积由所述样品造成的所述电子电流的所述测量的改变；
使用所述经测量的电子电流的所述经去卷积的改变来确定所述样品的材料成分改变及表面形态改变中的至少一者。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括使用所述样品的材料成分的现有知识来确定表面形态。
16.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：
测量从所述等离子体到所述样品流动或反之亦然的电子电流量；
去卷积由所述样品的表面形态造成的所述电子电流的所述测量的改变；
使用所述测量电子电流的所述经去卷积的改变来确定所述样品的材料成分改变。
17.一种用于使用等离子体探针检验样品中的高宽高比结构的方法，其包括：
在真空外壳中提取来自电子源的电子束；
从所述真空外壳将所述电子束发射到邻近环境气体中以借此离子化围绕所述电子束的所述环境气体且产生等离子体探针；
使所述等离子体探针扫描与所述电子束到所述环境气体中的入口点相对定位的所述样品上的至少一个高宽高比结构；
跨越所述等离子体柱施加电压电势以便从所述样品将电子电流驱动到拾取电极；
测量从所述拾取电极流动到所述样品中或反之亦然的电子电流量；
比较所述测量信号与校准数据以产生所述高宽高比结构的深度或高度的测量。
18.根据权利要求10到17中任一权利要求所述的方法，其中所述环境气体包括一或多种惰性气体的混合。
19.根据权利要求10到17中任一权利要求所述的方法，其中所述环境气体包括空气。
20.根据权利要求10到17中任一权利要求所述的方法，其中从所述真空外壳发射所述电子束包括：经由在将所述真空环境与所述环境气体分离的孔隙板中提供的针孔传递所述电子束。
21.一种用于修改样品的表面特性的方法，其包括：
在真空外壳中从电子源提取具有经界定直径的电子束；
从所述真空外壳将所述电子束发射到邻近环境气体中以借此离子化围绕所述电子束的所述环境气体且产生等离子体探针；
使所述等离子体探针扫描所述样品的所选择区域，以便修改在所述所选择区域中的所述样品的所述表面特性。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述表面修改包括灰化、蚀刻、表面活化、钝化、润湿及功能化中的一者。
23.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括使用前驱气体来修改所述样品的表面化学性质。
24.一种用于太阳能电池中的边缘分流检测、隔离及修补的方法，其包括：
在真空外壳中提取来自电子源的电子束；
用所述电子束激发太阳能样品且测量所述样品的光或电响应。
25.根据权利要求24所述的方法，其包括：
从所述真空外壳将所述电子束发射到邻近环境气体中以借此离子化围绕所述电子束的所述气体环境且产生等离子体探针，
使用所述等离子体探针来局部测量所述太阳能电池的阻抗，
基于所述经测量的阻抗检测分流。
26.根据权利要求24所述的方法，其进一步包括：
使所述电子束扫描所述太阳能电池的外围区域，以便移除在所述太阳能电池的所述外围边缘处的所述经检测的分流的所述位置处的材料。
27.一种用于3D打印的方法，其包括：
在真空外壳中从电子源提取具有经界定直径的电子束，
从所述真空外壳将所述电子束发射到邻近环境气体中以借此离子化围绕所述电子束的所述气体环境且产生等离子体探针，
使用所述等离子体探针局部修改所述表面以加强粘附，
使用溅镀或薄金属线来熔化金属以根据预设计图案而沉积层，
重复所述熔化步骤以获得遍及延长区域及多个垂直层的打印动作，
其中使用电磁透镜或移动台来使所述电子束进行扫描，
其中控制所述电子束的系统连接到具备CAD能力的计算机且由所述计算机控制。
28.一种用于处理活组织的方法，其包括：
从电子源提取具有经界定直径的电子束，
从所述真空外壳将所述电子束发射到邻近环境气体中以借此离子化围绕所述电子束的所述气体环境且产生等离子体探针，
在所述活组织的所选择区域上方引导所述等离子体探针。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述处理包括治疗应用、灭菌、去污、创伤愈合、血液凝固、癌细胞处理中的一者。
30.一种用于神经元激发的方法，其包括：
从电子源提取具有经界定直径的电子束；
从所述真空外壳将所述电子束发射到邻近环境气体中以借此离子化围绕所述电子束的所述气体环境且产生等离子体探针；
将所述等离子体探针引导到所选择神经元上。
31.根据权利要求21到30中任一权利要求所述的方法，其中从所述真空外壳发射所述电子束包括：通过在将所述真空环境与所述环境气体分离的孔隙板中提供的针孔传递所述电子束。
32.根据以上权利要求21到30所述的方法，其进一步包括在与所述样品相互作用或修改所述样品之前使用电子束及/或等离子体来感测，且其后处理所述样品、与所述样品相互作用或修改所述样品，接着在处理所述样品、与所述样品相互作用或修改所述样品之后再次进行感测，以便建立感测-处理-感测的闭环处理。
应用电子束诱发等离子体探针以进行检验、测试、除错及表面
技术领域
背景技术
[0002] 在图案化结构上测量及施加电压及电流而不必建立机械接触的能力对半导体装置及平板显示器(例如液晶及有机发光二极管(OLED)显示器、背板及打印电路板)的功能(电)测试具有重要意义，这是由于非机械接触探测最小化损害被测装置/面板的可能性且还有助于提高测试处理量。
[0003] 光动力(Photon Dynamics)(奥宝公司(Orbotech company))的Voltage光学系统(VIOS)采用光电换能器，以将被测装置上的电场变换为由光学传感器捕获的光信息。其它技术通过二次电子提供被测装置上的电压的间接测量且需要装置放置于真空中。这些方法大部分适用于电压测量且仍需要机械接触装置的外围上的衬垫，以便驱动用于检验的信号。
[0004] 对于作为新类别电流驱动式装置(例如OLED)出现的非机械探针的需要已经出现。相对于电压驱动式装置(例如常规LCD)，在阵列制造之后测试基于OLED的平板显示器的优选方式是通过允许电流非破坏性地穿过未密封像素电极，尤其在具有小单元保持电容的那些OLED架构中。最近出现基于导电等离子体的单独类别检验方法。这些方法的主要概念是包含除静态离子外的移动二次电子的导向等离子体可充当非机械接触探针。在过去已提出若干此类“等离子体探测”方法。此类方法可大略分为两个类别，一个类别是基于高强度激光诱发离子化，其在给定高离子化阈值的情况下带来对被测装置造成激光诱发损害的可能风险性，且另一类别是基于高电压电晕放电，其中电离物种具有广泛范围的散射角度(少量导向控制)且也带来尤其与电弧有关的损害风险性。
[0006] 用于半导体制造中的最先进的基于电子束的检验及配准系统大部分依赖于真空中的二次电子(SE)及/或反向散射电子(BSE)成像。此技术涉及大型真空外壳及复杂电子光学器件，从而导致高系统成本、大工厂占据面积且潜在影响处理量。用于半导体制造中的电子束应用的实例包含用于通孔短路检验(在IC制造工艺中的一些过程步骤处)的使用SE的电压对比测量、高宽高比特征(例如，深沟槽及穿硅通孔(TSV))成像及使用反向散射电子的样品配准。
[0007] 在先前申请的第PCT/US2012/046100号PCT申请案中，描述用于测试平板显示器的大气等离子体探针。本文详细说明可使用相同或类似等离子体探针的额外应用的开发的进一步工作。
发明内容
[0008] 为提供本发明的一些方面及特征的基础理解，包含以下发明内容。此发明内容并非本发明的广泛概述，且因而不希望特定地识别本发明的关键或主要要素或描绘本发明的范围。发明内容的唯一目的是以简化形式呈现本发明的一些概念作为下文呈现的更详细描述的序言。
[0009] 各种所揭示的实施例利用电子束诱发等离子体(eBIP)以建立与所关注装置的非机械、电接触。此等离子体源可称为大气等离子体源且可经配置以提供具有极细直径及可控特性的等离子体柱。等离子体柱横穿等离子体源之间的大气空间到大气(通过隔膜或针孔)及所关注装置中，且以可从装置收集特性电信号的方式充当到所关注装置的电路径。另外，通过控制流入等离子体柱的气体，探针可用于表面修改、蚀刻及沉积。
[0010] 在各种所揭示的实施例中，电子束及产生的等离子体同时或连续用于多种功能。举例来说，电子束用于产生等离子体及维持等离子体两者且也激发所关注样品(例如)以在样品内侧产生电子空穴对。接着，通过驱动电子束所维持的导电等离子体用于将电信号传递到外部测量设备，因此向传感器提供由电子束的激发所产生的电流量。使用此方法，原位完成激发及感测(即，在产生电流的确切点处收集电流)，从而形成闭环操作。
[0011] 根据所揭示的方面，提供一种大气等离子体设备，其包括：真空外壳，其在其第一侧处具有孔口；电子源，其经定位于真空外壳的内侧且具有电子提取开口；提取器，其定位于提取开口的附近，且经配置以提取来自电子源的电子以便形成电子束且将电子束引导穿过孔口，其中电子束经配置以具有小于孔口的直径的直径；孔隙板，其经定位以便覆盖所述孔口，所述孔隙板是导电的且具有附接到其自身的导电线，且其中孔隙板具有直径小于电子束的直径的孔隙，使得孔隙板在电子束穿过孔隙时减小电子束的直径；且其中电子束经配置以在其离开孔隙时离子化大气以便维持等离子体柱。
[0012] 根据另外方面，提供一种用于执行样品的电压对比成像的方法，其包括：在真空外壳中提取来自电子源的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近环境气体中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生离子化物种柱；使所述电子束扫描与电子束到气体环境中的入口点相对定位的样品的所选择区域；跨越等离子体施加电压电势以便从样品将电子电流驱动到拾取电极；测量在拾取电极与样品之间流动的电子电流量；且使用在所选择区域上的每一位置处测量的电子电流量来产生图像且在监视器上显示所述图像。所述方法可进一步包含使用图像或经测量的电流来检测样品中的缺陷的步骤。
[0013] 根据其它所揭示的方面，提供一种用于使用电子束诱发等离子体探针执行尺寸配准的方法，其包括：在真空外壳中提取来自电子源的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生离子化物种柱，借此界定等离子体探针；使等离子体探针扫描与电子束到气体环境中的入口点相对定位的样品的所选择区域；跨越等离子体施加电压电势以便从样品将电子电流驱动到拾取电极；测量在拾取电极与样品之间流动的电子电流量；且使用电子电流的测量来确定等离子体探针的垂直配准。所述方法可进一步包含测量从样品散射的反向散射电子及使用反向散射电子的测量来确定等离子体探针的横向配准，借此提供三维配准。在一些方面中，配准用于执行LED、OLED或LCD阵列测试。
[0014] 根据另外方面，提供一种用于使用电子束诱发等离子体探针检验样品的材料成分分布的方法，其包括：在真空外壳中提取来自电子源的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生界定等离子体探针的离子化物种柱；使等离子体探针扫描与电子束到气体环境中的入口点相对定位的样品的所选择区域；跨越等离子体施加电压电势以便从样品将电子电流驱动到拾取电极；测量从拾取电极流入样品(反之亦然)的电子电流量；去卷积由样品的表面形态特征造成的电子电流的测量的改变；使用经测量的电子电流的经去卷积的改变来确定样品的材料成分的改变。
[0015] 在其它方面中，提供一种用于使用电子束等离子体探针测量样品的表面形态的方法，其包括：在真空外壳中提取来自电子源的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生界定等离子体探针的离子化物种柱；使等离子体探针扫描与电子束到气体环境中的入口点相对定位的样品的所选择区域；跨越等离子体施加电压电势以便从样品将电子电流驱动到拾取电极；测量从拾取电极流入到样品(反之亦然)的电子电流量；去卷积由样品的材料成分造成的电子电流的测量的改变；使用在经测量的电子电流的经去卷积的改变来确定样品的表面形态的改变。
[0016] 根据另外方面，提供一种用于在样品中检验高宽高比结构(通孔(即孔)及柱两者)的方法。通孔可为敞开未填充孔或用其它材料填充。此方法包括：在真空外壳中提取来自电子源的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生界定等离子体探针的离子化物种柱；使等离子体探针扫描与电子束到气体环境中的入口点相对定位的样品的所选择区域；使所述等离子体探针扫描高宽高比结构上方的样品的所选择区域；跨越等离子体施加电压电势以从样品将电子电流驱动到拾取电极；测量从拾取电极流入样品(反的亦然)的电子电流量；使用在所选择区域上方的每一像素处测量的电子电流量来产生图像且在监视器上显示所述图像。可通过用高宽高比特征的高度或深度校准产生的信号以产生特征的深度或高度的测量而执行高宽高比特征的测量。所述方法可进一步包含基于经测量的电流来检测经检验的高宽高比结构中的缺陷或工艺偏差的步骤。
[0017] 其它方面提供一种用于执行在样品中的嵌入缺陷的大气电子束诱发电流测量的方法，其包括：提取来自电子源的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生离子化物种界定柱；使电子束扫描与电子束到周围气体中的入口点相对定位的样品的所选择区域，以便在样品中产生电子空穴对；使用等离子体探针柱来收集来自样品的电流；及，测量从样品流动的电流量。所述方法可进一步包含可控地将气体注入等离子体中。
[0018] 根据另外方面，提供一种用于神经元激发的方法，其包括：从电子源提取具有经界定直径的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生离子化物种柱；将离子化物种引导到所选择神经元上。
[0019] 另一方面提供一种用于3D打印金属的方法，其包括：从电子源提取具有经界定直径的能量高达数十keV的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生界定等离子体探针的离子化物种柱；使用等离子体来制备表面用于应用；使用一次电子束熔化溅镀金属颗粒、微细金属粉末或细金属线以基于预设计图案而沉积层；重复以上过程以在扩展区域及多个垂直层上方执行打印动作。可使用电磁透镜或移动台使电子束进行扫描。3D打印设备可连接到具备CAD能力的计算机且由所述计算机控制。所述方法可包含在打印样品的所选择区域上方引导离子化物种以借此将添加元素粘附到所述打印样品。
[0020] 根据另外方面，提供用于活组织的处理的方法，其包括：从电子源提取具有经界定直径的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生离子化物种柱；在电子束离开进入气体环境中时操纵电子束的横向尺寸；在活组织的所选择区域上方引导等离子体离子化物种。所述处理可包括治疗应用、灭菌、去污、创伤愈合、血液凝固、癌细胞处理中的一者。
[0021] 其它方面包含用于修改样品的表面特性的方法，其包括：从电子源提取具有经界定直径的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子以产生形成等离子体探针的离子化物种柱；在电子束离开进入气体环境中时操纵电子束的横向尺寸；使等离子体探针扫描样品的所选择区域以便修改样品的表面特性。表面修改可包括灰化、蚀刻、表面活化、钝化及功能化中的一者。
[0022] 在任何所揭示的实施例中，环境气体可包括空气或一或多种惰性气体的混合。此外，从真空外壳发射电子束可包括经由在将真空环境与环境气体分离的孔隙板中提供的针孔而传递电子束。从真空外壳发射电子束可进一步包括在传递电子束穿过针孔之前传递电子束穿过隔膜。电压电势可被施加到样品、孔隙板或隔膜中的至少一者。孔隙板或隔膜可包括拾取电极。所述方法可进一步包括在与样品相互作用或修改样品之前使用电子束及/或等离子体来感测；接着处理样品、与样品相互作用或修改样品，接着在处理样品、与样品相互作用或修改样品之后再次进行感测。因而，所述方法建立了闭环处理(感测-处理-感测)。附图说明
[0023] 并入且构成此说明书的部分的附图例示本发明的实施例且与描述一起用来解释及说明本发明的原理。希望图式以图解方式说明示范性实施例的主要特征。不希望图式描绘实际实施例的每一个特征或所描绘的元件的相对尺寸，且未按比例绘制。
[0024] 图1为根据本发明的第一实施例的非机械接触信号测量设备的示意性及横截面视图。
[0025] 图2为说明用于电压对比检验的方法的示意图。
[0026] 图2A为说明实施例的示意图，其中电压电势被施加到电极，使得电子电流从等离子体被驱动到样品。
[0027] 图3为说明用于高宽高比孔及沟槽检验的方法的示意图。
[0028] 图4为说明用于3-d配准的方法的示意图，同时图4A说明根据所揭示的实施例可用于3-d配准的设备。
[0029] 图5为说明用于电子束诱发电流(EBIC)的方法的示意图。
[0030] 图6为说明用于控制大气中的电子束的直径的针孔的操作的示意图。
[0031] 图7为说明根据利用针孔的一个实施例的设备的示意图。
[0032] 图8为说明根据利用针孔及可与差动泵吸一起使用的二级腔室的另一实施例的另一设备的示意图。
[0033] 图9说明可用于本文所描述的任何实施例的针孔孔隙板的俯视图。如所展示，孔隙板具有小针孔，且提供电隔离以将所述板分为四个象限。
[0034] 图10说明可用于本文所描述的任何实施例的针孔孔隙板的俯视图。如所展示，孔隙板具有小针孔，且提供电隔离以将所述板分为同心电隔离圆形区段。
[0035] 图11为将电子束诱发等离子体探针用于空间选择性表面修改(活化、润湿、功能化等等)的说明。
[0036] 图12为将电子束诱发等离子体探针用于3D打印的说明。馈送线供应待打印的材料；初级束熔化所述线且等离子体电流可用以感测经打印的材料。
[0037] 图13为将电子束用于治疗及神经处理应用的说明。
具体实施方式
[0038] 下文描述的各种实施例基于高分辨率、高灵敏度及精巧大气电子束诱发等离子体探针技术而提供解决方案。此技术本质上依赖于以下事实：由空气中电子束驱动的碰撞离子化事件产生的冷等离子体(几eV)充当非机械导电接触，从而允许经由所得二次等离子体电子电流测量被测装置(DUT)上的电压。顾名思义，此技术不需要DUT固持于真空中。而是，仅电子发射器(阴极)及电子光学器件需要保持于真空外壳中。此外，此技术的实施仅需要简单电子光学器件配置(例如，提取栅格及静电透镜)来保持枪的成本低及其大小(及因此外壳的大小)紧凑。电子束离开含有电子枪的真空外壳而通过薄、电子透明隔膜(由(例如)SiN、SiC、Be等等制成)及/或经受差动泵吸的微观针孔进入周围大气环境中。可由涂覆到面向DUT的隔膜的侧的导电薄膜(具有小于20nm的厚度的Ti、Cr等等)或(在使用针孔的情况下)针孔自身(假设其由导电材料制成且与电子枪外壳的剩余部分隔离)拾取由等离子体探针中的移动二次电子携载的信号。信号从此处被馈送到适当采集装置(例如，用于进一步信号处理的高精度、高速静电计)。
[0039] 在不损失本发明的新颖性或实用性的情况下，也可通过使用小直径电子束发射器及高度集中的电子束柱来实现下文列出的各种应用所需要的空间分辨率。虽然此方法可增大系统成本，但其仍提供优于需要真空及负载锁定样品的系统的差别优势。实施本文所描述的应用的与等离子体探针相关联的物理学独立于产生最终电子束点的方法。
[0040] 然而，产生高分辨率的最终电子束点的最简单方法是使用针孔作为输出电子束的孔隙。此方法从束能量解耦电子束直径，借此减少对高端电子光学器件的需要以实现小且稳定焦点且为系统紧凑性提供更多潜能。此外，针孔可充当偏压及信号收集电极，且其可允许使用与独立隔膜相比更高的入射电子束电流。此外，足够厚的针孔可划分为4个隔离象限以允许束偏转控制。可以可将此孔隙附接到隔膜或附接到二级腔室上的方式来实施此孔隙。
[0041] 针孔的边缘应为足够厚以使入射一次电子束停止，使得形成顶帽式束轮廓。此又产生具有良好界定的边缘的等离子体探针，其最小化趋肤深度及来自阵列目标的串扰。此外，针孔应充分小于入射电子束(且具有导电表面)以便其接触在阴极腔室的空气侧上产生的等离子体“线”。针孔还应充分厚(通常比50微米厚)以允许漆包线附接到其边缘且防止电荷积累。最后，针孔应与腔室主体电绝缘；即，针孔不应短路到接地。
[0042] 为更好理解下文描述的各种实施例，首先将提供大气电子束诱发等离子体源的简要描述。电子束可提供空气或其它气体的有效离子化，且产生高度导向等离子体柱，而具有损害被测装置(在下文中替代地称为被测结构)的极少风险。电子束还可提供等离子体探针的横向大小的控制，这是测量装置上的小、高密度导体上的电信号的重要优点。
[0043] 图1为根据本发明的第一实施例的非机械接触信号测量设备100的示意性及横截面视图。使用常规方法在真空130中由电子束产生器120产生电子束110。电子束110穿过定位于真空外壳140a的一部分中的孔口145而离开真空外壳140(在下文中替代地称为真空腔室)。电子束的一部分被传递到在真空外壳外侧的环境气体150(在下文中替代称为环境或气体)中。在含有电子束产生器的真空外壳内侧的真空可由对于电子束半透明的隔膜及框架组合件155保持。替代地，当孔口或多个孔口足够小以保持在真空外壳内侧的真空时，隔膜及框架组合件155可为任选的。
[0044] 在进入环境气体时，被引导入气体的电子束的部分中的电子与气体原子碰撞，且通过离子化偏转或失去能量。因此，被引导入气体的电子束的部分包含电子束穿过的气体中的等离子体160(在下文中替代地称为等离子体探针)。除了慢气体离子以外，这些电子气体碰撞产生自由导电的低能量二次电子。因此，可通过等离子体来测量或施加电压及电流。接着，等离子体可充当非机械接触电或等离子体探针。虽然反向散射电子不用以携载等离子体探针中的电压或电流信号，但为了本发明的额外益处，可使用适当检测器来收集反向散射电子。
[0045] 图1还展示提供于被测结构170上的第一导体或半导体165，气体可与第一导体或半导体165接触。被测结构可由基底175支撑或在基底175上实施。可用第二导体180涂覆面向“装置”或“被测结构”(在真空外壳的外侧)的隔膜及框架组合件的侧，如将在下文更详细描述，第二导体180可为薄导电膜。气体150与第一导体165及第二导体180接触。在替代实施例中，围绕束穿过其而离开外壳的隔膜或孔隙的真空外壳的一部分可由导电材料或用对应于第二导体的导电装置侧膜涂覆的材料制成。在另一替代实施例中，第二导体可经形成为在隔膜/框架组合件155与第一导体之间某处的单独电极或膜，但不必直接附接到隔膜，只要第二导体电耦合到等离子体，其不干扰真空外壳外侧的电子束的部分，且可附接到检验头部195。真空外壳、电子束产生器及第二导体可称为产生等离子体探针的检验头部195。
[0046] 第二导体180可耦合到电测量装置185或信号源190。数据存储及系统控制块198控制测试例程且存储经测量的数据且耦合到检验头部195、电测量装置185及信号源190。数据存储及系统控制块198内的数据存储单元可耦合到测量装置且经调适以存储来自测量装置185的多个数据值。数据存储及系统控制块198内的控制单元可耦合到数据存储单元、测量装置185及信号源190。数据存储单元、测量装置185及信号源190可响应于控制单元。
[0047] 图6为用于解释根据本发明的一个实施例的针孔孔隙的构造及操作的特写说明。孔隙板611定位于电子束622的路径中，从而将真空侧与大气侧分离。孔隙板611包含针孔
633，针孔633的直径小于真空中的电子束的直径dv。因此，针孔的大小控制大气中的电子束的直径da。即，针孔孔隙界定离开阴极腔室的电子束，所述孔隙不同于用于可能的差动泵吸的孔隙。为电子束定孔隙也导致控制等离子体探针的直径。当结合隔膜使用针孔孔隙时，来自阴极腔室的一次电流受限于隔膜耐受由入射电子束产生的热剂量的能力。当在无隔膜的情况下使用针孔(即，在差动泵吸配置中)时此限制不再适用，尽管是在真空系统上施加约束。针孔孔隙使电子束直径从电子束能量解耦，从而消除对高端电子光学器件的需要。
633，针孔633的直径小于真空中的电子束的直径dv。因此，针孔的大小控制大气中的电子束的直径da。即，针孔孔隙界定离开阴极腔室的电子束，所述孔隙不同于用于可能的差动泵吸的孔隙。为电子束定孔隙也导致控制等离子体探针的直径。当结合隔膜使用针孔孔隙时，来自阴极腔室的一次电流受限于隔膜耐受由入射电子束产生的热剂量的能力。当在无隔膜的情况下使用针孔(即，在差动泵吸配置中)时此限制不再适用，尽管是在真空系统上施加约束。针孔孔隙使电子束直径从电子束能量解耦，从而消除对高端电子光学器件的需要。
[0048] 如在图6中所说明，孔隙的边缘应具有足够厚度(指示为T)以在所需处使入射一次电子束停止且形成顶帽式束轮廓。此产生具有硬边缘的等离子体探针从而从阵列目标最小化趋肤深度及串扰。
[0049] 图7说明利用针孔孔隙711(例如在图6中所展示的针孔孔隙)的设备。在图7中，可使用具有或不具有隔膜713的针孔孔隙；然而，必须在针孔孔隙板与腔室主体之间提供电绝缘件714，使得针孔板711未短接到腔室主体。电线716(例如，漆包细线)经连接到孔隙板711以完成从等离子体718、穿过针孔孔隙板且到线的信号路径。
[0050] 图8说明另一实施例，其中针孔孔隙板811在二级泵吸腔室823中用于辅助差动泵吸。也在此实施例中，针孔孔隙板811必须与二级泵吸腔室823隔离，且电线816应连接到板以闭合电路径。二级腔室823可由真空泵831单独泵吸且独立于主腔室840的真空泵吸。
[0051] 图9说明可用于本文所描述的任何实施例中的针孔孔隙板911的俯视图。如所展示，孔隙板具有小针孔913，且电隔离件915经提供以将板分为四个象限。图10说明可用于本文所描述的任何实施例中的另一针孔孔隙板1011的俯视图。如所展示，孔隙板具有小针孔1013，且电隔离件1015经提供以将板分为同心电隔离的圆形区段。如在图9及10中所展示，单独导电线917、1017经连接到孔隙板的每一电隔离区段，使得每一区段可单独获得信号。
相反地或另外地，可将电势施加到每一区段以便驱动孔隙板作为静电透镜来控制离开的电子束的形状及定向。
相反地或另外地，可将电势施加到每一区段以便驱动孔隙板作为静电透镜来控制离开的电子束的形状及定向。
[0052] 高分辨率电压对比成像
[0053] 电压对比是故障隔离技术，其有助于将良率问题与IC制造中的特定电路或电路块隔离。在先前技术中，通过在真空腔室中放置样品且使用电子束给样品充电，接着使用二次电子使样品成像，而执行电压对比测量。此大体上为两步骤式过程且需要高真空腔室及精制电子束源。开路通孔(即，未接地的金属接点)将保留电荷且在二次电子图像上与接地的通孔表现不同。换句话说，开路通孔局部俘获电荷且改变样品的表面电压。此可(举例来说)用以检查集成电路中的哪些接点是闭路的且哪些接点是开路的。
[0054] 根据一个实施例，使用(例如)光刻技术制成具有数十纳米直径的针孔。使用在针孔与DUT之间的相对较短的工作距离(10到50微米)，具有50nm及更小直径的等离子体束应是可实现的，同时保留足够电子束电流来产生超过10pA的等离子体信号。分辨率与信号电平的此组合允许在关键IC结构(例如通门触点)中检测缺陷。不同于常规电压对比成像技术，电子束诱发等离子体探针方法不需要经检验的通孔的两步骤式测量(预充电及探测)以便通过修改二次电子发射横截面确定所述通孔是否是开路的。等离子体探针可通过测量等离子体电流且将其与黄金参考相比较而以单一步骤执行开路/短路测量，从而简化工具配方且实现处理量优点(参见图2)。
[0055] 可通过使电子束(及因此等离子体柱)扫描样品来执行测试。施加偏置电势，使得来自等离子体的电子被驱动到样品中。通过连接到一次电子束在其处离开设备的金属孔隙的检测器来测量来自样品的电流。如果扫描中的特征电连接到共同接地，那么电流将流动且将在检测器处记录电流读数。相反地，如果扫描中的特征被隔离(即，存在开路)，那么电流将不流动且将在检测器处记录不同值的电流读数。随着开路或部分电路的电阻改变，不同电流将流动，使得将获得不同电流读数。这些电流读数可经测绘以提供扫描区域的电压对比图像。
[0056] 图2A中说明此布置的一个实例，其中电压电势被施加到电极180，使得电子电流被从等离子体驱动到样品170。提供与电极串联的电流测量以借此测量流入样品170的电流。应了解，如果等离子体探针接触具有许多开路通孔的样品的区域，那么来自电子源的初级束的电子流将给样品充电，借此使测量失真。因此，在一些实施例中，使施加到电极180的电势极性交替，以便周期性地给样品放电。此确保正确制造的特征及有缺陷的特征将对经由等离子体探针施加的电压提供不同响应，借此实现电压对比成像。
[0057] 另外，在图2A中，气体注射器171用以将气体混合物注入等离子体以便借助混合物中气体的原子序数及密度(其控制气体混合物与电子束之间的相互作用横截面)控制信号电平及电子束的束加宽量。举例来说，注入氦将导致电子束的更小加宽，但也导致更小信号。相反地，氩将产生束的更大加宽，具有增强的信号。因此，通过控制注入气体(例如，在氦及氩混合物中的氩与氦的比率)可控制束加宽及信号电平。
[0058] 注意，在适当样品偏压下，等离子体电流可多达比入射电子束电流大两个数量级。这是归因于以下事实：在一次电子束电流中的单一电子(其通常具有在5到50keV范围中的能量)经历一连串多个随机非弹性碰撞，从而产生充分移动来沿探针的整个长度(通常小于数百微米)携载等离子体信号的许多二次电子。可通过使用局部惰性气体环境(Ar、Ne、......)使等离子体电流进一步升压，这导致更高的离子化率。另一方面，使用He应可实现(例如)更小的等离子体直径(即，低到若干纳米的更高分辨率)。对于给定应用，可通过用合适气体混合物充满在电子束的入口点与样品之间的工作间隔而以稳定方式预设计在探针分辨率与导电性之间的权衡。
[0059] 可了解，由于等离子体探针可用以在大气环境中执行电压对比检验，而不需要检验衬底处在真空中，因此根据此实施例的工具可集成到处理工具中，而不是独立工具。举例来说，等离子体探针可集成到蚀刻器或CMP工具上以在晶片处理完成之后立即执行检验。另外，(例如)出于预测绘或对准的目的，等离子体探针可安装于用于处理集成电路的集群工具的前端(也称为微环境)。
[0060] 此外，等离子体探针的可实现分辨率可远高于常规电压对比测量系统的分辨率。这是(至少部分)因为相对于被测结构的横向大小，等离子体探针的横向大小需要足够小以检测在结构与周围背景之间的差动信号。由于等离子体电流的信噪比(SNR)是非常高的，因此等离子体探针可相较于被测结构为相当大的，即，具有大直径或占据面积。因此，有效分辨率可减小到约5纳米，同时使用具有更大的横向大小的等离子体探针。另一方面，用于常规电压对比测量系统中的二次电子成像需要入射电子束小于被探测的结构的大小。
[0061] 此外，由于等离子体探针不需要单独平台及真空，因此其处理量可远大于标准独立工具。此外，等离子体探针需要单一步骤照明及成像，而标准工具需要两步骤式预配量及成像过程。
[0062] 高宽高比(HAR)结构及深沟槽检验及成像
[0063] 电子束诱发等离子体探针电流对拾取电极与被测装置之间的间距非常灵敏。初步实验室测试证实的次微米灵敏度，但可用更好的电流检测器实现更好的灵敏度。归因于在探针中的二次电子载体的有限平均自由路径，探针柱灵敏度对离距的依赖性是等离子体表皮效应与薄层欧姆电阻的组合。因此，电子束诱发等离子体探针可用以成像及检验高宽高比半导体特征，例如深沟槽及穿衬底(或硅)通孔(TSV)；参见图3。HAR结构度量在现代电子器件的3D集成及封装中是重要的，且在高密度存储器制造中也是关键的。基于经验观察，期望可用等离子体探针解决小于一微米的高度变化。竞争性技术(例如扫描电子显微术或原子力显微术(AFM))未提供此能力，这是归因于前者技术中的相对较短的焦深(用于电压对比测量中的二次电子具有有限平均自由路径)或后者技术的几何约束(用于AFM中的悬臂具有有限行程)。光散射测量是高宽高比结构成像的有用替代候选者，但不是良好适用于稀疏结构及类似硅或金属的高度吸收性材料。注意，对于异质材料结构(例如，电介质上的金属线)，由于等离子体电流也将取决于受检验材料的导电性，因此具有对材料成分或预期表面形态的一些现有知识可为有利的。因而，等离子体探针信号也可经处理以产生被测结构的图像，从而提供具有高分辨率及大工作距离的非常经济且独有的成像能力。
[0064] 可使用类似于在图1或2A中所说明的设置来检验HAR结构。被测装置可放置于X-Y台上，且用具有所得的等离子体的电子束扫描装置以基本测量沟槽的尺寸。系统可经设置以提供所有经检测的沟槽的测绘或仅仅强调未满足尺寸准则(即，过浅或过窄)的沟槽。应注意，由于从电子束源中的电极驱动电流，因此不必针对本文描述的测量对样品加偏压或使样品接地。电极还可为电子束源的孔隙。
[0065] 三维(3D)配准
[0066] 相对于归因于反向散射电子(BSE)对工作距离的低灵敏度而仅允许平面配准的基于BSE的最先进技术方法，电子束诱发等离子体探针提供3-D配准的独有能力(参见图4及4A)。由等离子体探针携载的电流不仅对导电性灵敏(提供类似于BSE情况(对于此情况，良率取决于被测材料的原子序数)的横向分辨率)，而且如上文所解释对到被测装置的距离灵敏。由于配准目标的成分大体上不同于所述配准目标沉积于其上的材料(例如，绝缘体或硅上的金属目标)的成分，从配准目标到其周围的转变应给出远大于给定材料内的轮廓中的纯粹改变的等离子体电流响应。标称材料成分及/或轮廓的现有知识可用来促进配准过程。
作为实例但未限制其它表现形式，这牵涉使用产生所求配置及/或成分度量的算法来设置被测结构的配置或组成模型，从而产生预测信号及将模型拟合到所收集的信号。
作为实例但未限制其它表现形式，这牵涉使用产生所求配置及/或成分度量的算法来设置被测结构的配置或组成模型，从而产生预测信号及将模型拟合到所收集的信号。
[0067] 由于反向散射电子(BSE)具有足够能量(keV范围)来越过工作距离在大气中传播，因此还可通过使用来自BSE检测器181(在图4A中说明)(例如环形BSE传感器)的BSE数据来完成等离子体电流测量而促进完全3-D配准。在此情况下，将使用BSE信号进行横向配准且使用等离子体电流进行垂直配准。如在图4中所说明，来自等离子体的信号的强度指示探测中的结构到等离子体电流检测器180的距离，同时由BSE传感器181检测的信号强度可用以确定结构的横向位置。
[0068] 3-D配准能力对于维持到样品(例如，半导体晶片)的精确间隙是关键的任何应用是重要的，且其有助于消除对于夹盘上的晶片或玻璃放置的了解的依赖性。另外，等离子体探针应提供与通常用于高端样品台中的光传感器相比更好的Z灵敏度。因此，不仅基于电子束诱发等离子体探针的检验及成像应用不需要单独配准能力；电子束诱发等离子体探针还可对于其它应用(如平板检验、轮廓测量)用作独立配准能力(尤其当Z配准为重要时)，且可用作电子束负载锁定系统中的预对准器。此3-D配准系统可集成到反馈环路中以提供实时间隙控制。
[0069] 此处应强调，不同于电子束成像(其中电子束直径必须远小于特征大小以便正确配准特征)，使用本文所揭示的实施例，探针直径(即，等离子体柱的直径)不需要小于特征大小。这是因为并不是使用来自样品的二次或反向散射电子而是使用电流衰减形成图像。因此，即使等离子体柱大于特征大小，指示特征的边缘的等离子体电流测量的改变仍可在借助于等离子体电流的高SNR用等离子体探针横穿特征时被检测到。因此，可使远小于等离子体柱的直径的特征成像。
[0070] 阻抗测绘
[0071] 如上文注明，测量从等离子体流入样品的电流可提供样品的图像。表面形态改变及材料改变(例如，不同材料具有不同成分，借此具有不同阻抗)的卷积可造成图像改变(即，经测量的电流改变)。在一个极端，如果样品具有纯且均匀的材料成分，那么所得图像将仅反映表面形态的改变。相反，如果样品是完全平坦的，但具有不均匀材料成分的区域，那么图像将仅反映材料成分的改变(例如，晶粒或掺杂的改变)。注意图像不依赖于分辨率，而是依赖于灵敏度，即，只要探针可检测电流改变，探针甚至可用相对较低分辨率(例如，大占据面积)来产生高分辨率图像。等离子体探针电阻测绘的此效用可适用于(例如)金属线度量、掺杂度量及凸起缺陷中的应用。如果所收集的信号可使用特定算法借助于被测样品的模型去卷积，那么也可辨别成分及表面形态改变的组合。
[0072] 举例来说，可使用具有已知均匀材料成分及已知表面形态的样品来校准探针。接着探针可用以检验其它样品且与“黄金样品”相比较以确定所扫描的样品的材料成分均匀性。相反地，可通过类似地去卷积从表面形态及材料阻抗产生的信号而测绘表面形态的变化。其它校准及算法可用以去卷积从混合材料/表面形态改变而产生的信号。举例来说，如果信号改变或信号的电平改变的空间尺度在特定预期范围外，那么信号改变可解译为一者优于另一者。
[0073] 大气原位电子束诱发电流(EBIC)
[0074] EBIC是另一隔离技术，其可提供更精确的故障定位信息(通常低到500埃分辨率)。当使用SEM中的探针站执行时，EBIC是尤其强大的。除提供良好的故障定位分辨率外，EBIC具有不破坏相对于故障区的电及物理特性的优点。
[0075] EBIC为用于半导体装置中的埋藏缺陷的检验的技术。电子束用以激发样品且产生存在于被测装置中的p-n或肖特基(Schottky)结中的电子空穴对，从而产生电流。在常规EBIC中，通过扫描电子显微镜(SEM)在真空中产生入射电子，且经由在装置的外围处的物理探针收集在半导体结中所产生的电流。参见，例如，H.J.利米(H.J.Leamy)的“电荷收集扫描电子显微术(Charge Collection scanning electron microscopy)”，《应用物理杂志(Journal of Applied Physics)》，V53(6)，1982，P.R51。另一方面，使用电子束诱发等离子体探针技术，探针中的一次电子可用以激发电子空穴对，且等离子体可用作导体来收集及感测此电流。因此，探针可用作激发物及传感器两者。
[0076] 在本发明中呈现的等离子体探针提供传统EBIC技术的更好实施方案。首先，具有电子束诱发等离子体探针的EBIC可以工作距离在空气或受控气体混合物中执行，从而提供优于基于SEM的EBIC的系统配置、成本及处理量方面的优势。第二，由于来自样品的电流由等离子体探针直接原位感测且不必行进穿过整个样品以探测触点(如同EBIPP的常规实施方案的情况，尤其在大样品中，例如硅晶片)，因此等离子体探针对EBIC信号波动更灵敏。因而，等离子体探针对埋藏缺陷的灵敏度将比在SEM-EBIC中更大，尤其对于弱半导体或甚至对于一些绝缘体来说。
[0077] 图2A中所说明的实例可用以执行EBIC。IC放置于台上，且使电子束进行扫描或经定位以将电子驱动到所关注结构中，借此致使电子空穴对产生。因此，在IC中产生的任何电流可原位予以收集且由传感器180进行感测。
[0078] 选择性表面修改
[0079] 一些应用需要选择性表面修改。举例来说，在一些应用中，需要选择性灰化或蚀刻。其它应用牵涉表面活化、钝化、润湿、功能化或任何其它形式的等离子体辅助式表面相互作用(包含但不限于化学及物理相互作用)。常规地，这可通过覆盖将不进行修改的区域的掩模(包含光刻界定的掩模)，同时暴露待修改(例如，灰化、蚀刻或以任何上述方式修改)的区域而实现。接着，将等离子体提供于整个晶片上方，使得掩模提供等离子体与晶片的选择性区域的选择性接触。
[0080] 电子束诱发等离子体探针提供在无掩模的情况下执行此空间选择性处理(参见图11)从而降低制造成本的能力。使用本发明的特定实施例(例如，图2A中所说明的实施例)，可从喷嘴171注入适当反应性前驱气体，使得可仅在由等离子体柱扫描的区域中执行表面修改。气体可为(例如)用于蚀刻的氯气或氟气、HBr等等或用于灰化的氧气。
[0081] 根据一个实施例，等离子体柱用于太阳能电池的边缘分流、检测、隔离及移除。特定来说，使一次电子束及其诱发的等离子体围绕太阳能电池的边缘进行扫描，以便移除导电层且借此隔离电势分流。电子束驱动等离子体探针可执行闭环操作以处理太阳能电池分流。电子束诱发等离子体探针可用以在闪照太阳能样品之后测绘阻抗响应，以识别分流区域且基于经测量的阻抗来检测分流。也可通过太阳能样品的电子束激发及测量样品的电响应或光响应(另在现有技术中分别称为电发光或光发光)而执行分流感测。在分流感测之后，电子束驱动的等离子体探针可隔离分流，用电子束烧蚀分流或用产生的等离子体蚀刻分流。接着执行所得处理的感测且必要时可重复分流处理过程。电子束驱动的等离子体探针优于现存技术(例如，激光处理)的优点为闭环及一体化操作(all-in-one operation)以及等离子体探针的空间选择性。
[0082] 本文描述的实施例利用具有在keV范围中的能量的由电子束产生的等离子体。气体混合物可引入源与样品之间的空间且由电子束予以离子化，从而提供更宽范围的反应性化学。
[0083] 电子束诱发等离子体探针技术具有优于用于等离子体辅助式表面修改的其它技术的若干优点。例如，相对于电极可在其中蒸发的基于DC放电等离子体的系统可能具有的风险，电子束诱发等离子体不具有污染的风险。一般来说，由于目标处的等离子体电子的能量在数eV数量级上，因此电子束诱发等离子体涉及远低于DC放电等离子体的温度。此外，相对于RF放电诱发等离子体或等离子体喷射，不需要空气流来将电子束诱发等离子体输送到目标(由于等离子体遵循初级束的方向)。
[0084] 在离子化介质中的电子束入射的横向尺寸及因此所得等离子体的横向尺寸可通过硬孔隙或通过使用适当电子光学元件聚焦束而按比例缩小到一微米或更小。这意味电子束诱发等离子体实现具有次微米分辨率的空间选择性表面修改。由于超越特定限制的孔隙作用(遮蔽)将导致灾难性紊流且将显著限制等离子体的效率或毁坏被处理的衬底，因此在其它等离子体辅助式表面修改方法的情况中此类分辨率是不可能的。据我们所知，并发气体支撑的大气等离子体技术的现存分辨率并不比1mm更好。电子束诱发等离子体探针的高分辨率能力使其成为(例如)MEMS、聚合物表面上原位图案化及3D打印中所使用的(减色)无掩模图案化应用的良好候选者。
[0085] 电子束诱发等离子体可在参数(束电流、光点大小、能量、环境气体、工作距离等等)的宽范围内予以调谐。因此，可以若干不同方式使用电子束诱发等离子体探针。例如，通过适当设置电子束诱发等离子体的参数，等离子体探针可经配置以感测或执行过程。这可允许探针用于表面成分感测，接着进行表面修改且随后用于后过程感测以评估修改的影响。此原位感测能力又应允许闭环处理，即，不必从处理工具取走衬底以进行度量，减少污染，提高良率且允许开发更有效率的工艺配方。此外，不同气体周围环境可用以允许不同表面反应化学。再者，等离子体及初级束两者可经操作以修改表面，从而达到在几瓦到数百瓦的范围内的处理功率。
[0086] 3-D打印：
[0087] 由于微米级的分辨率，如图12中所说明，等离子体探针可用于高分辨率3-D打印应用中的金属沉积。在此实施例中所提出的等离子体探针设备(按数十keV的一次电子束能量操作)适用于高分辨率3-D打印(尤其使用金属)。由于大多数金属具有约10千电子伏特/微米的电子束阻挡功率，因此可使用在空气中按小工作距离(在10微米的数量级上)操作的一次电子束使小金属线或喷溅金属颗粒熔化于表面上，在此工作距离内电子能量的损失小。电子束驱动等离子体探针系统优于现存电子束3D打印技术(如自由形式制造或直接电子束熔化)的优点为以下：可在大气条件下执行，等离子体探针可充当原位工具用于表面制备(如活化)以提高熔化的金属粘附的质量且减少电子束剂量，且导电探针可用以从驱动器电子束汲取沉积电荷从而导致电中性打印过程。
[0088] 等离子体探针还可用作打印后确认的原位传感器。这提供闭环打印功能。如我们可预期，用于熔化及感测的电子束操作参数空间是不同的。举例来说，用于打印的束电流应经调整以提供金属上均匀的热剂量沉积从而确保均匀的熔化及粘附率，同时按足以仅驱动导电非机械接触(等离子体)探针到表面的较小电流完成感测动作。可通过用电子束进行扫描或通过放置打印样品的移动台逐点或逐行重复此动作。接着可形成扩展层，且可垂直堆叠层以完成3D打印功能。
[0089] 基于本发明的3D打印装置的最可能实施例是由可载入具有标准格式的计算机辅助制图(CAD)设计且实施所述设计的计算机控制电子束打印头。电子束打印头可用作独立头或与使用常规、最先进3D打印技术(例如，塑胶融熔沉积或激光熔化)的另一3D打印头互补的头。大气电子束系统的又一优点是：由于电子束可用以执行小区域内的高分辨率烧蚀，因此其可(尤其使用非金属材料)按上文描述执行加色打印以及减色打印。
[0090] 医学及生物学应用
[0091] 电子束诱发等离子体探针的性质(特别是其低温、高分辨率及(对感测或处理条件的)可调谐性)使其独有地适用于治疗应用，例如灭菌及去污(例如，在含氧大气中)、血液凝固及创伤烧灼(治愈)以及癌细胞处理。其它应用包含树突及神经元探测，对于树突及神经元探测，空间选择性为重要性质。
[0092] 举例来说，在一个应用中，通过围绕创伤注射氧且用电子束扫描创伤而处理创伤。产生的氧气等离子体有助于创伤的灭菌及去污。
[0093] 在前述说明书中，已描述本发明的特定示范性实施例。然而，显而易见，可对本发明作各种修改及改变。因此，说明书及图式将被视为说明性意义而非限制性意义。可如下描述在说明书中所揭示的各种特征及优点。
[0094] 一般来说，揭示一种大气等离子体设备，其包括：真空外壳，其在其第一侧处具有孔口；电子源，其经定位于真空外壳的内侧且具有电子提取开口；提取器，其定位于提取开口的附近，且经配置以提取来自电子源的电子以便形成电子束且将电子束引导穿过孔口，其中电子束经配置以具有小于孔口的直径的直径；隔膜或孔隙板，其经定位以便覆盖所述孔口，隔膜的表面或孔隙板是导电的且具有附接到其自身的导电线，且其中孔隙板具有直径小于电子束的直径的孔隙，使得孔隙板在电子束穿过孔隙时减小电子束的直径；且其中电子束经配置在其离开孔隙时离子化大气以便维持等离子体柱。设备可进一步包括下列中的一或多者：电绝缘部件，其经配置以使孔隙板与真空外壳电隔离；隔膜，其定位于孔隙板与真空外壳的第一侧之间；差动泵吸腔室，其附接到真空外壳的第一侧且其中孔隙板附接到差动泵吸腔室的较低部分；静电透镜，其位于真空外壳内侧。孔隙板可包括多个电隔离区段，其各自耦合到相应导电线。
[0095] 此外，揭示一种用于执行样品的电压对比成像的方法，其包括：在真空外壳中提取来自电子源的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近环境气体中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生离子化物种柱；使所述电子束扫描与电子束到气体环境中的入口点相对定位的样品的所选择区域；跨越等离子体施加电压电势以便从样品将电子电流驱动到拾取电极；测量在拾取电极与样品之间流动的电子电流量；且使用在所选择区域上的每一位置处测量的电子电流量来产生图像且在监视器上显示所述图像。
[0096] 所揭示的另一方法用于使用电子束诱发等离子体探针来执行三维配准，且包括：在真空外壳中提取来自电子源的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生界定等离子体探针的离子化物种柱；使等离子体探针扫描与电子束到气体环境中的入口点相对定位的样品的所选择区域；跨越等离子体施加电压电势以便从样品将电子电流驱动到拾取电极；测量在拾取电极与样品之间流动的电子电流量；测量从样品散射的反向散射电子；使用反向散射电子的测量来确定等离子体探针的横向配准；以及使用电子电流的测量来确定等离子体探针的垂直配准。所述方法可进一步包括使用样品的材料成分及表面形态中的至少一者的现有知识用于更精确配准。使用电子束诱发等离子体探针的三维配准可结合基于电子束诱发等离子体探针的处理或测量应用用作配准能力，或结合使用电压成像光学系统的LCD阵列测试用作配准能力。电子束诱发等离子体的横向尺寸可大于配准特征的横向尺寸。
[0097] 所揭示的又一方法用于使用电子束诱发等离子体探针检验样品，其包括：在真空外壳中提取来自电子源的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生界定等离子体探针的离子化物种柱；使等离子体探针扫描与电子束到气体环境中的入口点相对定位的样品的所选择区域；跨越等离子体施加电压电势以便从样品将电子电流驱动到拾取电极；测量在拾取电极与样品之间流动的电子电流量；去卷积由样品造成的电子电流的测量的改变；使用测量电子电流的去卷积改变来确定样品材料成分改变与样品的表面形态改变中的至少一者。所述方法可进一步包括使用样品的材料成分的现有知识来确定表面形态。所述方法可进一步包括：测量从等离子体流动到样品中(反之亦然)的电子电流量；去卷积由样品的表面形态造成的电子电流的测量的改变；以及使用测量电子电流的去卷积改变来确定样品的材料成分的改变。
[0098] 以上方法可进一步包括在用电子束进行扫描之前使电子束穿过直径有限的孔隙。此外，所述方法可进一步包括施加偏压到样品及直径有限孔隙。
[0099] 另一所揭示的方法用于太阳能电池中的边缘分流检测、隔离及修补，其包括：提取来自电子源的电子束；及用电子束激发太阳能样品且测量样品的光及电响应。所述方法可包括使用电子束维持等离子体以产生等离子体探针以及使用电子束等离子体探针局部测量太阳能电池的阻抗，且基于测量的阻抗检测分流。所述方法可进一步包括使电子束扫描太阳能电池的外围区域以便烧蚀或移除在经检测的分流的位置处的太阳能电池的外围边缘处的材料。
[0100] 此外，揭示一种用于修改样品的表面特性的方法，其包括：提取来自电子源的具有经界定的直径的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子以产生离子化物种柱，从而形成等离子体探针；在电子束离开进入气体环境中时操纵电子束的横向尺寸；以及使所述等离子体探针扫描样品的所选择区域以便修改样品的表面特性。表面修改可包括灰化、蚀刻、表面活化、钝化、润湿及功能化中的一者。所述方法可进一步包括使用前驱气体修改样品的表面化学性质。
[0101] 所揭示的另一方法用于处理活组织，其包括：从电子源提取具有经界定直径的电子束；从真空外壳将电子束发射到邻近气体环境中以借此离子化围绕电子束的气体分子从而产生离子化物种柱；在电子束离开进入气体环境中时操纵电子束的横向尺寸；以及在活组织的所选择区域上方引导等离子体离子化物种。处理可包括治疗应用、灭菌、去污、创伤愈合、血液凝固、癌细胞处理中的一者。
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