Brevet FR2806527A1 — publié le 20010921

COLONNE A FOCALISATION SIMULTANEE D'UN FAISCEAU DE PARTICULES ET D'UN FAISCEAU OPTIQUE La présente invention concerne une colonne optique capable de focaliser à la fois un faisceau d'ions et un faisceau de photons sur une même zone. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'analyse et de la réparation et de la fabrication des circuits intégrés. Les faisceaux d'ions focalisés, tels que les faisceaux d'ions ou d'électrons, sont aujourd'hui largement utilisés pour mener divers types d'opérations d'analyse et de fabrication sur les circuits intégrés, notamment caractérisation, identification, analyse de conception et de défaillances, dépassivation, dépôt de vapeur sous vide, micro-usinage. etc... Ces opérations sont réalisées au moyen d'une colonne de production d'un faisceau de particules destiné à être focalisé sur le circuit intégré à l'endroit prévu pour effectuer l'intervention désirée. Une telle colonne comprend, par exemple, une source d'ions, comme les ions Ga+ produits à partir de métal liquide, qui après extraction forment un faisceau ionique, lequel est ensuite traité par un dispositif de focalisation comprenant un certain nombre d'électrodes portées à des potentiels déterminés de manière à former un système de lentilles électrostatiques apte à focaliser le faisceau d'ions sur le circuit intégré. Chaque électrode du dispositif de focalisation, notamment l'électrode de sortie, est constituée par une série d'électrodes métalliques présentant un trou pour le passage du faisceau de particules. Il est important de noter ici que la forme des différentes électrodes, ainsi que le diamètre des trous intervient de façon déterminante sur les aberrations, notamment sphériques et chromatiques, du dispositif de focalisation de particules. Une des limites des applications des faisceaux d'ions focalisés est l'impossibilité de les utiliser pour fournir une image profonde d'un solide. Seules. des images de la surface peuvent être obtenues. S'agissant de circuits intégrés passivés et planarisés, l'image superficielle ne renseigne pas sur les couches et circuits sous-jacents, ce qui présente l'inconvénient de rendre très difficile toute intervention dans l'épaisseur des circuits, comme, en particulier, le sectionnement de pistes métalliques enterrées, impliqué dans l'analyse de conception et de défaillances. Pour remédier à cet inconvénient, nous avons recours à un faisceau auxiliaire de lumière (photons) focalisé simultanément et coaxialement au faisceau de particules. En effet, avec le faisceau lumineux permettant d'obtenir des images dans l'épaisseur des circuits, il est possible de visualiser les couches et les pistes en profondeur et de les explorer, en temps réel, à l'aide du faisceau d'ions. On comprend alors que le couplage des deux types de faisceaux, ionique et photons, permette à l'opérateur d'amener le faisceau d'ions exactement au point voulu de l'objet au moyen de l'image fournie par le faisceau lumineux. Certaines colonnes de production de faisceaux d'ions comprennent également un dispositif de focalisation optique, un objectif à miroirs de CassegrainSchwartzfield (C- S) par exemple, terminé par une ouverture de sortie placée à proximité de la surface d'un échantillon soumis au faisceau d'ions. On connaît du brevet français No. 2 437 695 une lentille ionique à émission associée à un objectif à miroirs type C-S. Dans ce système, la partie lentille ionique, dont les éléments sont constitués par deux électrodes percées et par l'échantillon lui-même est située entre ledit objet et l'objectif à miroirs. Dans cette configuration, les trous des électrodes du dispositif de focalisation des ions doivent, à la fois, être assez grand pour offrir au faisceau optique une étendue géométrique permettant un éclairement suffisant de l'échantillon, et relativement petit pour ne pas dégrader la qualité du faisceau ionique par des aberrations élevées. Le diamètre finalement choisi pour le trou de sortie est donc un compromis qui n'est satisfaisant ni pour l'étendue du faisceau optique ni pour la focalisation du faisceau ionique. D'autre part, le système décrit dans le brevet français No. 2 437 695 impose une distance de travail très faible (quelques millimètres) et de soumettre l'échantillon à un champ électrique. Ces deux contraintes sont inacceptables en technologie des faisceaux d'ions focalisés appliqués aux circuits intégrés: risques de destruction des circuits par micro-claquages électrostatiques, impossibilité d'incliner l'échantillon, difficultés pour collecter les électrons secondaires, et quasi-impossibilité, faute de place, d'associer le système à un capillaire d'injection de gaz précurseur qui est un accessoire indispensable à la technologie des faisceaux d'ions focalisés. Aussi, un problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer une colonne de production d'un faisceau de particules focalisé, comprenant: - un dispositif de focalisation de particules comportant une électrode de sortie présentant un trou de sortie pour le passage du faisceau de particules, - un dispositif de focalisation optique pour la focalisation simultanée d'un faisceau lumineux, comportant une ouverture de sortie, colonne qui permettrait d'associer: - une distance de travail confortable, de l'ordre de 15 à 20 mm; - une lentille ionique finale à coefficients d'aberration chromatiques et sphériques de l'ordre de grandeur des coefficients d'aberration rencontrés sur une lentille ionique classique; - une ouverture numérique suffisante pour l'optique à miroirs, de l'ordre de 0, 3; et - un champ électrique zéro sur l'objet. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ladite ouverture de sortie est transparente au faisceau lumineux, tandis que ladite électrode de sortie est formée par un insert métallique maintenu dans ladite ouverture et percé d'un trou central formant ledit trou de sortie. Ainsi, la colonne, objet de l'invention, introduit une indépendance entre le diamètre du trou de sortie du dispositif de focalisation de particules et le diamètre de l'ouverture de sortie du dispositif de focalisation optique. Il est donc possible d'ajuster le diamètre du trou central de l'insert métallique à une valeur optimale pour réduire les aberrations de l'électrode de sortie, sans pour autant porter préjudice à l'ouverture numérique du faisceau optique, laquelle est déterminée par le diamètre de l'ouverture transparente au faisceau optique. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, il est prévu que, le dispositif de focalisation de particules comportant une électrode intermédiaire, ledit insert métallique fait saillie de l'ouverture vers ladite électrode intermédiaire. De cette manière, si un claquage électrique se produisait accidentellement entre l'électrode de sortie et l'électrode intermédiaire, il a une probabilité maximale d'apparaître qu'au niveau de l'insert métallique, protégeant ainsi les moyens de maintien dudit insert métallique, notamment le traitement de surface d'une fenêtre transparente de l'ouverture de sortie. La colonne de production de particules conforme à l'invention est susceptible d'un grand nombre d'applications. Entre autres: - le traitement d'un échantillon par un faisceau de particules chargées, utilisant des informations fournies par le faisceau optique et, en particulier, l'exploration précise des effets d'un faisceau de particules sur un circuit intégré au moyen d'informations fournies par le faisceau optique, - le traitement d'un échantillon faisant appel à un laser focalisé sur ledit échantillon et, en particulier, l'enlèvement de couches de circuits intégrés par laser assisté ou non chimiquement, afin d'en permettre l'abrasion à une échelle plus fine et plus locale, le dépôt assisté, ou l'analyse par faisceaux d'électrons ou d'ions, - l'intégration de faisceaux d'électrons ou d'ions à la microscopie infra- rouge aux fins d'analyse de circuits intégrés, - le décapage chimique laser afin de permettre un meulage de circuits intégrés par faisceau ionique ou un sondage par faisceau électronique, - la visualisation de transitions optiques créées, par exemple, sous l'effet du faisceau d'ions, ou d'autres phénomènes lumineux apparaissant sur un échantillon, - le marquage laser des circuits intégrés, - le sondage par faisceau électronique de diffusions dans les circuits intégrés ou d'autres échantillons, l'annulation d'effets de charges statiques par photons UV lors de traitements par électrons ou ions focalisés, - la micro-analyse spectroscopique des photons émis sous l'impact de particules. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue de côté partielle en coupe d'une colonne de production d'un faisceau de particules, conforme à un premier mode de réalisation selon l'invention. La figure 2 est une vue de côté partielle en coupe d'une colonne de production d'un faisceau de particules, conforme à un second mode de réalisation selon l'invention. Sur la figure 1 est représentée partiellement en coupe une colonne de production d'un faisceau de particules destiné à être focalisé sur un circuit intégré 1. L'axe du faisceau de particules, qui coïncide avec l'axe de la colonne, est référencé par la lettre A. Bien que la colonne de la figure 1 s'applique à toutes sortes de particules chargées, électrons ou ions, on prendra dans la suite l'exemple d'un faisceau d'ions. Seule la partie aval de la colonne est montrée à la figure 1, la source d'ions et les dispositifs d'extraction et de conditionnement du faisceau ionique, connus en soi, n'étant pas représentés. La partie de la colonne illustrée sur la figure 1 comprend essentiellement un dispositif 100 de focalisation du faisceau d'ions sur le circuit intégré 1. Ce dispositif 100 comporte trois électrodes, à savoir une électrode 110 d'entrée mise à la masse, une électrode intermédiaire 120 portée à un potentiel non nul V, positif ou négatif, de 20 keV par exemple, et une électrode 130 de sortie également mise à la masse. Ces électrodes 110, 120, 130 sont contenues entre des parois latérales 140 de la colonne, mises à la masse. En fait, on peut voir sur la figure 1 que l'électrode intermédiaire 120 est une électrode complexe en deux parties, constituée d'une première électrode intermédiaire 121 disposée à proximité de l'électrode 110 d'entrée et d'une deuxième électrode intermédiaire 122 disposée à proximité de l'électrode 130 de sortie. L'ensemble de ces électrodes forme une lentille électrostatique du type épaisse, asymétrique géométriquement mais symétrique électriquement. Il apparaît sur la figure 1 qu'un dispositif 200 de focalisation optique destiné à focaliser un faisceau optique F simultanément et coaxialement au faisceau de particules d'axe A est placé entre les deux électrodes intermédiaires 121, 122 est occupé par. Ce dispositif 200 permet tout aussi bien de focaliser le faisceau optique F sur l'échantillon 1 et donc de former l'image agrandie de l'échantillon, que de recueillir le rayonnement optique émis par ledit échantillon ou par les atomes pulvérisés, à la suite du bombardement ionique. Le faisceau optique F est obtenu au moyen d'une source lumineuse, non représentée, généralement disposée latéralement par rapport à la colonne avec renvoi parallèlement à l'axe A par un miroir à 45 placé sur ledit axe et percé d'un trou pour le passage du faisceau d'ions. Dans le mode de réalisation donné à la figure 1, le dispositif 200 de focalisation optique est un objectif à miroirs du type Cassegrain comprenant un premier miroir sphérique convexe 210 situé sur le trajet du faisceau optique F et un deuxième miroir sphérique concave 220 focalisant sur le circuit intégré 1 le faisceau provenant du premier miroir 210. Ce dernier est muni d'un trou 211 pour laisser le passage au faisceau ionique à travers la deuxième électrode intermédiaire 122, l'ensemble formé par le premier miroir 210 et ladite deuxième électrode intermédiaire 122 étant maintenu au centre de la colonne par un tripode métallique 212 offrant une grande transparence au faisceau optique. Comme le montre la figure 1, le dispositif 200 de focalisation optique comporte également une ouverture 230 de sortie comportant elle-même une fenêtre 240 transparente aux photons du faisceau optique F, maintenue par ses bords au boîtier extérieur de la colonne mis à la masse. L'électrode 130 de sortie est formée par un insert métallique, traversant la fenêtre 240, dont le maintien est assuré par ladite fenêtre 240 et étant percé en son milieu d'un trou central 131 de sortie de l'électrode 130. De manière à porter ladite électrode 130 de sortie à la masse, la fenêtre 240 transparente est prévue conductrice de l'électricité. En particulier, elle peut être une plaque de verre recouverte d'au moins une couche 241 conductrice, telle que l'oxyde d'indium et/ou d'étain. Il est donc possible de choisir pour le trou 131 de sortie un diamètre de faible valeur, compatible avec la résolution souhaitée pour le faisceau ionique, tout en conservant, de manière indépendante, une ouverture 230 de diamètre plus grand, offrant au faisceau optique une étendue géométrique permettant une ouverture numérique suffisante, et donc d'obtenir une image optique de bonne qualité de l'échantillon 1 observé. Bien entendu, la fenêtre 240 de sortie pourrait tout aussi bien être constituée par un matériau massif transparent aux photons et conducteur de l'électricité quelconque. On peut voir sur la figure 1 que l'insert métallique 130 fait saillie de la surface de la fenêtre 240 vers la deuxième électrode intermédiaire 122, ceci de façon à protéger ladite fenêtre en cas de claquage électrique, celui-ci se produisant entre l'insert 130 et la deuxième électrode 122. De même que dans le mode de réalisation de l'invention présenté à la figure 1, le dispositif 200 de focalisation optique du mode de réalisation de l'invention présenté à la figure 2 est un objectif à miroirs 210, 220 du type Cassegrain porté à une haute tension, comprise par exemple entre 10 et 20 keV. Toutefois, un premier miroir 300 est placé dans l'axe A du faisceau ionique, entre les première 121 et seconde 122 électrodes intermédiaires et, plus précisément, entre la première électrode intermédiaire 121 et l'objectif à miroirs 210, 220 du type Cassegrain. Ce miroir 300 est percé d'un trou 310 destiné au passage du faisceau ionique. Il est orienté sensiblement à 45 par rapport à l'axe A de manière à dévier le faisceau optique F d'environ 90 , latéralement, en direction d'un second miroir 320 disposé dans l'espace compris entre les parois latérales 140 de la colonne et la pièce 120. Ce second miroir 320 est lui-même orienté à 45 par rapport à l'axe A. Il dévie le faisceau F de 90 selon une même direction que celle de cet axe, parallèlement à celui-ci. Ainsi, le diamètre du trou 111 ménagé à l'extrémité de l'électrode d'entrée 110, qui est destiné à laisser passer le faisceau ionique A, mais qui n'a pas pour fonction, contrairement au mode de réalisation de la figure 1, de laisser passer le faisceau optique, peut être ramené à des valeurs de l'ordre du millimètre. De plus, les plaques de déflection 10, localisées en amont de l'électrode d'entrée 110, n'ont plus à subir de traitement anti-reflets nécessaire à la bonne conduction du faisceau optique. Enfin, les artefacts dûs à l'interaction du faisceau lumineux avec les parois des éléments d'optique ionique, qui existaient en amont du premier miroir 300, en particulier au niveau des plaques de déflection 10 du mode de réalisation de la figure 1, et qui diminuaient notamment la qualité de l'interprétation des images obtenues, sont supprimés. Par ailleurs, dans le mode de réalisation de la figure 2, l'ouverture 230 ne comporte pas de fenêtre 240, mais un ensemble de pattes métalliques ou, à tout le moins, électro-conductrices. Ces pattes, par exemple au nombre de trois, forment un tripode métallique 250 maintenu par les bords du boîtier extérieur de la colonne mis à la masse qui délimitent l'ouverture 230. Elles assurent un bon maintien de l'insert 130 tout en préservant la propriété de transparence de l'ouverture 230 au faisceau optique. Ainsi, de même que dans le mode de réalisation de l'invention présenté dans cette figure 1. il 0 est possible de choisir, pour le trou 131 de sortie, un diamètre de faible valeur, compatible avec la résolution souhaitée pour le faisceau ionique, tout en conservant, de manière indépendante, une ouverture 230 de diamètre plus grand, offrant au faisceau optique une étendue géométrique permettant un éclairement suffisant de l'échantillon 1 observé. Enfin, dans le mode de réalisation de la figure 2, les pattes du tripode métallique 212, destinées au maintien de l'ensemble formé par le miroir 210 et la deuxième électrode intermédiaire 122, sont courbées de manière à augmenter leur éloignement des pattes du tripode 250 et de l'électrode 130 de sortie. De ce fait, les risques de claquage sont limités, ainsi que les distorsions de champ électrique provoqués par le tripode. REVENDICATIONS 1 - Colonne de production d'un faisceau de particules focalisé, comprenant: - un dispositif (100) de focalisation de particules comportant une électrode (130) de sortie présentant un trou (131) de sortie pour le passage du faisceau de particules (A), - un dispositif (200) de focalisation optique pour la focalisation simultanée d'un faisceau lumineux (F), comportant une ouverture (230) de sortie, caractérisée en ce que ladite ouverture (230) de sortie est transparente au faisceau lumineux (F), tandis que ladite électrode (130) de sortie est formée par un insert métallique (130) maintenu dans ladite ouverture (230) et percé d'un trou (131) central formant ledit trou de sortie. 2 - Colonne selon la revendication 1, caractérisée en ce que, le dispositif de focalisation de particules comportant une électrode intermédiaire (120), ledit insert (130) métallique fait saillie de l'ouverture (230) vers ladite électrode intermédiaire (120). 3 - Colonne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le dispositif (100) de focalisation de particules comporte une électrode intermédiaire (120) en deux parties, une première électrode intermédiaire (121) et une deuxième électrode intermédiaire (122) disposée à proximité de l'électrode (130) de sortie, entre lesquelles est placé le dispositif (200) de focalisation optique. 4 - Colonne selon la revendication 3 caractérisée en ce que le dispositif (100) de focalisation de particules comporte une électrode (110) d'entrée disposée à proximité de la première électrode intermédiaire (121), lesdites électrodes d'entrée (110) et de sortie (130) étant mises à la masse tandis que l'électrode intermédiaire (120) est portée à un potentiel non nul. - Colonne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'ouverture (230) de sortie comporte une fenêtre (240) assurant le maintien de l'insert métallique (130). 6 - Colonne selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite fenêtre (240) de sortie est constituée par une plaque de verre ou de tout autre matériau transparent aux photons, recouverte d'au moins une couche mince (241) d'un matériau conducteur de l'électricité et transparent aux photons. 7 - Colonne selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que ladite fenêtre (240) de sortie est constituée par un matériau massif transparent et conducteur de l'électricité. 8 - Colonne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'ouverture (230) de sortie comporte un ensemble de pattes électroconductrices (250) assurant le maintien de l'insert métallique (130). 9 - Colonne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un premier miroir (300) est placé dans l'axe (A) du faisceau ionique, entre les premières (121) et secondes (122) électrodes intermédiaires, ledit premier miroir (300) étant, d'une part, orienté par rapport audit axe (A) de manière à dévier le faisceau optique (F) latéralement, en direction d'un second miroir (320) et, d'autre part, percé d'un trou (310) destiné au passage du faisceau ionique (A). - Colonne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de focalisation optique comprend un objectif à miroirs (210, 220). un ensemble formé par un miroir (210) dudit objectif et la deuxième électrode intermédiaire (122), étant maintenu par des pattes électro-conductrices courbées. 11 - Application d'une colonne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 au traitement d'un échantillon par un faisceau de particules chargées, utilisant des informations fournies par le faisceau optique. 12 - Application d'une colonne à faisceau de particules chargées selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 à un traitement d'un échantillon faisant appel à un laser focalisé sur ledit échantillon. 13 - Application d'une colonne selon l'une quelconque des revendications I à 10 à l'intégration de faisceaux d'électrons ou d'ions à la microscopie infrarouge aux fins d'analyse de circuits intégrés. 14 - Application d'une colonne selon l'une quelconque des revendications I à 10 au décapage chimique laser afin de permettre une gravure de circuits intégrés par faisceau ionique ou un sondage par faisceau électronique. - Application d'une colonne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 à la visualisation de transitions optiques créées ou d'autres phénomènes lumineux apparaissant sur un échantillon. 16 - Application d'une colonne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 au marquage laser des circuits intégrés. 17 - Application d'une colonne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 au sondage par faisceau électronique de diffusions dans les circuits intégrés ou d'autres échantillons. 18 - Application d'une colonne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 à l'annulation d'effets de charges statiques par photons UV lors de traitements par électrons ou ions focalisés, 19 - Application d'une colonne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 à la micro-analyse spectroscopique des photons émis sous l'impact de particules.