(57)【要約】【課題】異なる特性を有する２つの別個のレーザ・ビームを使用してさまざまな材料を加工および画像化する電子顕微鏡およびＦＩＢシステムを提供すること。【解決手段】第１のレーザ・ビームは、加工物の大規模なバルク材料除去および深いトレンチのエッチングに対して使用される。第２のレーザ・ビームは、加工物のマイクロ機械加工、小規模なスポット加工、小さな熱影響域の生成などのより微細な精密加工に対して使用される。第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームは、同じレーザ源からまたは別個のレーザ源から生成することができる。１つのレーザ源を使用すると、システムがより安価になり、また、第１のレーザ・ビームによるバルク材料除去によって生じた切削屑が粒子ビーム室内の真空または構成部品を妨害しないような態様で別個の外部ステーションおよび内部ステーションを配置することができるという追加の利点が得られる。【選択図】図１Ａ
2014097531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームとレーザ・ビームの両方を用いて加工物を加工するシステムであって、
真空室を含んでおり、前記真空室内に支持された第１の加工物を加工する第１の加工ステーションと、
前記真空室の外側で第２の加工物を加工する第２の加工ステーションと、
源出力レーザ・ビームを生成するレーザ源と、
前記源出力レーザ・ビームを少なくとも第１のレーザ・ビームおよび第２のレーザ・ビームに分割し、前記第１のレーザ・ビームを前記真空室内の前記第１の加工物に送達し、前記第２のレーザ・ビームを前記真空室の外側の前記第２の加工物に送達するように構成された光学系と、
前記真空室内の前記第２の加工物を加工する粒子ビーム源と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記光学系が、前記第１のレーザ・ビームを前記第１の加工物の表面において位置決めする第１のビーム・ステアリング機構と、前記第２のレーザ・ビームを前記第２の加工物の表面において位置決めする第２のビーム・ステアリング機構とを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記光学系が、前記第１のレーザ・ビーム、前記第２のレーザ・ビームまたは前記第１のレーザ・ビームと前記第２のレーザ・ビームの両方の周波数、強度またはパルス幅もしくはパルス持続時間を変更する少なくとも１つの調整装置を含み、それぞれの加工物を加工するときに前記第１のレーザ・ビームと前記第２のレーザ・ビームの強度が異なる、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２のレーザ・ビームのパワーが前記第１のレーザ・ビームのパワーよりも大きく、前記第２のレーザ・ビームが、少なくとも毎秒１０，０００立方ミクロンの材料を除去するバルク材料除去を実行するように適合されており、前記第１のレーザ・ビームが、毎秒５０００立方ミクロン未満の材料を除去する微細加工を実行するように適合されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
荷電粒子ビームとレーザ・ビームの両方を用いて加工物を加工するシステムであって、
真空室と、
前記真空室内の加工物を加工する荷電粒子ビーム・システムと、
前記真空室の外側に配置された複数のレーザ源と、
前記真空室の外側の前記複数のレーザ源から前記真空室内の加工物までレーザ・ビームを導くように構成された光学系と
を備えるシステム。
【請求項６】
前記複数のレーザ源のうちの１つのレーザ源が第１の強度を有するビームを生成し、前記複数のレーザ源のうちの別のレーザ源が第２の強度を有するビームを生成し、前記第２の強度が前記第１の強度の１／２よりも小さい、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記複数のレーザ源のうちの１つのレーザ源がフェムト秒レーザであり、前記複数のレーザ源のうちの別のレーザ源がナノ秒レーザまたは連続波レーザである、請求項５または６に記載のシステム。
【請求項８】
前記複数のレーザ源からの前記レーザ・ビームのうちの複数のレーザ・ビームが、同じ対物レンズによって前記加工物の表面で焦束する、請求項５から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記複数のレーザ源からの前記レーザ・ビームのうちの複数のレーザ・ビームが、異なる対物レンズによって前記加工物の表面で焦束する、請求項５から７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
荷電粒子ビームとレーザ・ビームの両方を用いて加工物を加工するシステムであって、
第１の加工物を含む真空室と、
前記真空室内の前記第１の加工物を加工する荷電粒子ビーム・カラムと、
前記第１の加工物を加工する第１のレーザ・ビームの源と、
前記第１の加工物または第２の加工物を加工する第２のレーザ・ビームの源と
を備え、
前記第１のレーザ・ビームと前記第２のレーザ・ビームのビーム特性が異なり、前記第１のレーザ・ビームの前記源と前記第２のレーザ・ビームの前記源のうちの少なくとも一方の源が、前記第１のレーザ・ビームまたは前記第２のレーザ・ビームを前記真空室内の前記加工物まで導くように適合されている
システム。
【請求項１１】
前記第１のレーザ・ビームの前記源および前記第２のレーザ・ビームの前記源が単一のレーザ・ビーム発生装置を含み、前記第１のレーザ・ビームの前記源と前記第２のレーザ・ビームの前記源のうちの少なくとも一方の源が、前記ビーム発生装置が発生させたビームの周波数、強度またはパルス幅もしくはパルス持続時間を変更するビーム調整装置を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ビーム調整装置が、前記第１のレーザ・ビームのパワーが前記第２のレーザ・ビームのパワーの１／１０になるように構成されており、前記第２のレーザ・ビームがバルク除去に適し、前記第１のレーザ・ビームが微細機械加工に適する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第２の加工物が前記真空室の外側に配置される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１のレーザ・ビームおよび前記第２のレーザ・ビームが前記真空室内の前記第１の加工物に導かれる、請求項１０から１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１のレーザ・ビームと前記第２のレーザ・ビームが、同じ対物レンズによって前記加工物の表面で焦束する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１のレーザ・ビームと前記第２のレーザ・ビームが、異なる対物レンズによって前記加工物の表面で焦束する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１のレーザ・ビームが、波長変換、パルス幅またはパルス周波数の変更、増幅および減衰のうちの１つのプロセスによって調整される、請求項１１から１６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第１のレーザ・ビームおよび／または前記第２のレーザ・ビームに対して作用して、前記第１のレーザ・ビームまたは前記第２のレーザ・ビームを前記第１の加工物の表面の所望の位置に導くステアリング・ミラーをさらに備える、請求項１０から１７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１９】
荷電粒子ビーム・システムを使用する方法であって、
第１のレーザ・ビームを導いて第１の加工物を加工するステップと、
真空室の外側から第２のレーザ・ビームを導いて、前記真空室内の前記第１の加工物または第２の加工物を加工するステップと、
荷電粒子ビームを導いて、前記第１の加工物または前記第２の加工物を加工するステップと
を含み、
対応する前記加工物の位置において、前記第１のレーザ・ビームの強度が前記第２のレーザ・ビームの強度よりも大きく、前記第１のレーザが、前記第２のレーザよりも速い速度で材料を除去し、前記第２のレーザが、前記荷電粒子ビームよりも速い速度で材料を除去する
方法。
【請求項２０】
前記第１のレーザ・ビームを導くステップが、レーザ・ビーム発生装置から生じたビームを前記真空室の外側の前記第１の加工物に導くステップを含み、前記第２のレーザ・ビームを導くステップが、同じレーザ・ビーム発生装置から生じたビームを、ビーム調整装置を通して、前記真空室内の第２の加工物に向かって導くステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ビーム調整装置を通して前記ビームを導くステップが、空間ビーム・プロファイル変更器、時間ビーム・プロファイル変更器、周波数シフタ、周波数逓倍光学部品、減衰器、増幅器、モード選択光学部品およびビーム拡大器のうちの少なくとも１つを含む、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項２２】
第１のレーザ・ビームを導いて第１の加工物を加工するステップが、前記第１のレーザ・ビームを、前記真空室内に配置された第１の加工物に導くステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
第１のレーザ・ビームを導くステップおよび第２のレーザ・ビームを導くステップが、前記第１のレーザ・ビームを、対物レンズを通して、前記真空室内の前記第１の加工物に向かって導くステップ、および前記第２のレーザ・ビームを、同じ対物レンズを通して、前記真空室内の前記第１の加工物に向かって導くステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
第１のレーザ・ビームを導くステップおよび第２のレーザ・ビームを導くステップが、前記第１のレーザ・ビームを、対物レンズを通して、前記真空室内の前記第１の加工物に向かって導くステップ、および前記第２のレーザ・ビームを、別の対物レンズを通して、前記真空室内の前記第１の加工物に向かって導くステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
第１のレーザ・ビームを導くステップおよび第２のレーザ・ビームを導くステップが、第１のレーザ発生装置から生じた第１のレーザ・ビームを導くステップを含み、第２のレーザ・ビームを導くステップが、第２のレーザ発生装置から生じた第２のレーザ・ビームを導くステップを含む、請求項１９から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
第１のレーザ・ビームを導くステップおよび第２のレーザ・ビームを導くステップが、第１のレーザ発生装置から生じた第１のレーザ・ビームを導くステップを含み、第２のレーザ・ビームを導くステップが、前記第１のレーザ発生装置から生じた第２のレーザ・ビームを導くステップを含み、前記第１のレーザ・ビームもしくは前記第２のレーザ・ビームまたは前記第１のレーザ・ビームと前記第２のレーザ・ビームの両方が、ビーム調整装置を通過して、強度、波長またはパルス幅もしくはパルス周波数を変化させる、請求項１９から２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１のレーザ・ビームと前記第２のレーザ・ビームが、それぞれの加工物を同時に加工する、請求項１９から２６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、別個のレーザ加工スポットを荷電粒子ビーム機器および／または電子顕微鏡と一緒に使用するレーザ加工ツールの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡および集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システムと一緒にレーザを使用することには、集積回路、磁気記録ヘッド、フォトリソグラフィ・マスクなどの小型デバイスの製造、修理および検査の分野においてさまざまな用途がある。それらの用途を、エネルギー探査、材料科学および生物学の分野で使用することもできる。一般に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）であるこの電子顕微鏡は、ターゲットすなわち加工物に対する損傷を最小限に抑えつつ高分解能の画像化を提供し、ＦＩＢは、加工物を改変する目的および画像を形成する目的に使用される。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、透過型走査電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）など他のタイプの電子顕微鏡が使用されることもある。
【０００３】
ＦＩＢとＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭの両方を使用することによって、試料の内部を画像化する能力を提供することができる。ＦＩＢシステムは、その名称が示唆するとおり、電子ビームではなく、イオン（通常はガリウム・イオン）の微細集束ビームを使用することを除いて、走査電子顕微鏡と同じように機能する。イオンの微細集束ビームは、小ビーム電流では画像化に使用することができ、大ビーム電流では、特定の部位の画像化、付着またはミリング（ｍｉｌｌｉｎｇ）に使用することができる。ＦＩＢツールの一般的な１つの用途は表面の機械加工である。理想的なＦＩＢ装置は、大きなビーム電流および大きな加速電位を使用することによって、試料を深さ数十または数百ミクロンまで機械加工することができる。小さなビーム電流および小さな加速電位を使用すると、理想的なＦＩＢ装置は、ナノメートル規模またはそれよりも薄い層を傷つけることなく、原子の厚さに近い層を機械加工によって除去することができる。ＦＩＢのこのようなマイクロ機械加工およびナノ機械加工能力は、高分解能画像化用のＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭとともに使用されたときにしばしば非常に効果的である。他のプロセスでは、不要な電気接続を切断する目的および／または半導体中に接続を形成するために導電材料を付着させる目的にＦＩＢを使用することができる。ＦＩＢは、マスクなし注入（ｍａｓｋｌｅｓｓ  ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）にも使用される。これらのＦＩＢプロセスおよび／またはＳＥＭプロセスでは、障害物が比較的に少ない環境を作り出すことがしばしば必要である。残念なことに、バルク材料除去プロセスを含むいくつかの異なるプロセスは、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢを潜在的に妨害しうる大量の切削屑（ｄｅｂｒｉｓ）を生み出す。
【０００４】
この分野では最近、加工物を迅速に加工するためにレーザを使用することが導入された。例えば、２００９年１月９日に出願されたＵｔｌａｕｔ他の「Ｍｕｌｔｉｂｅａｍ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願公開第２０１１／０１６３０６８号明細書は、追加のレーザ・ビームを使用して加工を迅速に実行するＦＩＢシステムを対象としている。ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢシステムと一緒に使用するとき、レーザ・アブレーション・プロセスは、表面にレーザを照射することによってその表面から材料を除去することができる。非常に高速なピコ秒レーザは非熱的（ａｔｈｅｒｍａｌ）アブレーション・プロセスを実行し、より低速のナノ秒レーザおよび連続波レーザ（「ＣＷレーザ」）は熱的アブレーション・プロセスを提供する。
【０００５】
レーザ・アブレーションは通常、パルス・レーザを使用して実行される。荷電粒子ビーム加工と比べると、レーザ・アブレーションは、比較的に大量の材料を非常に迅速に除去することができる。しかしながら、レーザの波長は、荷電粒子ビーム中の荷電粒子の波長よりもはるかに長い。ビームを焦束させうるスポット・サイズは、一つにはビームの波長によって制限されるため、レーザ・ビームの最小スポット・サイズは一般に荷電粒子ビームの最小スポット・サイズよりも大きい。したがって、荷電粒子ビームは一般にレーザ・ビームよりも微細な分解能を有し、非常に小さな構造物をマイクロ機械加工することができるが、ビーム電流は制限され、マイクロ機械加工が容認できないほどに遅くなることがある。他方、レーザ・マイクロ機械加工は一般にはるかに高速だが、ビーム波長が長いことによって分解能が本質的に制限される。レーザ機械加工の他の使用は例えば、本発明の譲受人に譲渡されており、参照によって本明細書に組み込まれるＳｔｒａｗ他の「Ｃｈａｒｇｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｂｅａｍ  Ｍａｓｋｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｂｌａｔｉｏｎ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ」という名称の米国特許第８，１６８，９６１号明細書に記載されている。この背景技術の項に含まれていることによって、米国特許第８，１６８，９６１号明細書が先行技術であるとは認められない。
【０００６】
最近の進歩は、加工物をＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢシステムに対して使用することができるようにする加工物の緻密な前処理に対してレーザを使用することを可能にした。ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢツールは、薄い熱影響域（ｈｅａｔ  ａｆｆｅｃｔｅｄ  ｚｏｎｅ）（「ＨＡＺ」）を有する前処理された試料を必要とし、このシステムは、サブミクロン規模の欠陥など、大きな試料中の非常に精確な１つの位置をターゲットとすることがある。レーザ技法を使用して、バルク試料を切削し、同時に、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢ加工に適した薄いＨＡＺおよび／またはミクロン規模の終点を生成することができる方法は一般に知られていない。
【０００７】
異なるタイプのレーザが好ましいいくつかの場合がある。いくつかのレーザは、加工物からの大規模なバルク材料除去に対して最良である。例えば、それらのレーザは、加工物が分析に適したサイズを有するように、パッケージング材料を切削し、または不要な大量の材料を加工物から切除することができる。それらのレーザを、調査対象の領域を露出させることができるように加工物に深いトレンチを切削する目的に使用することもできる。切削に使用するレーザのパワーは一般に数ワットから数百ワットである。１ナノ秒から連続波までの範囲のパルス幅が一般的である。５３２ｎｍ、１０６４ｎｍ、１０．６ミクロン（例えばＣＯ2レーザ）などのより長い波長（例えば一般的な可視波長および近赤外波長）がしばしば使用される。これらのレーザは、穴およびトレンチを含むある範囲の特徴部分（ｆｅａｔｕｒｅ）を形成するアブレーションしきい値を超える高いレーザ・フルエンス（パルス・エネルギーを照射面積で割ったもの）を加工物に提供する。これらの迅速な切削プロセスにおいて使用される大きなパワーは、画像化、回路編集などの微細なＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢプロセスを実行する前に除去しなければならない熱影響域を形成する傾向がある。材料除去速度が大きいことによって、ＦＩＢおよびＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭの真空環境と両立しない切削屑が生み出されることもある。
【０００８】
マイクロ機械加工、ドリリング、ルーティング、トレンチ形成、エッチングおよび熱影響域除去プロセスなどの精密加工に対してより適したさまざまなタイプのレーザがある。このタイプの加工用の一般的なレーザは、バルク材料除去に使用されるレーザよりも短い波長、短いパルス幅およびより密に焦束したスポットを使用する。ミクロン規模の波長までのレーザを使用することができるが、３５５ｎｍ、２６６ｎｍなどの短波長レーザが好ましい。多くの材料がこれらの波長を容易に吸収し、これらの波長は小さなスポット・サイズに焦束させることができるためである。数十ピコ秒、フェムト秒レジームなどの短パルス幅レーザも好ましい。それらのレーザは、小さな熱影響域を残す材料除去を提供するからである。これらの用途に対して使用される一般的なレーザのパワー・レベルは数ワット以下程度である。
【０００９】
異種の材料からなり、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよび／またはＦＩＢを使用して画像化または改変する前にレーザによって加工することが望ましい試料は数多く存在する。これらの試料のいくつかの例は、チップ、ウェーハなどの半導体デバイス、半導体材料、導線および結合剤を含む３Ｄ積層パッケージを含むパッケージ化されたチップ、リソグラフィ・マスク、生体試料、岩などの鉱物試料、または複合材料、セラミック、ガラス、コーティング、接着剤、ゴム、ポリマー、超伝導体、磁性材料、合金、金属などの材料試料を含む。これは、加工することができる加工物材料の多様性を示す少数の試料のリストである。上に挙げなかった他の多くの試料材料を加工することもできる。
【００１０】
異なる材料からなる構造物を有利に加工するためにしばしばレーザが選択される。例えば、波長１０．６ミクロンのＣＯ2レーザは、３Ｄ積層パッケージのパッケージング材料を切断するのに好ましく、波長１．３ミクロンのパルス・レーザは、パッケージ内の半導体チップ上の金属構造物を切削するのに好ましく、短波長パルス・レーザは、チップ上のシリコン構物造を加工するのに好ましい。シリコンは約１１００ｎｍよりも長い波長の光に対して透過性であり、金属はＩＲ波長を吸収するため、シリコンに対する損傷をより少なく抑えて加工を実施することができる。
【００１１】
１つの課題は、単一のレーザを備えるシステムでは、異なる複数のレーザ・ビームが必要なときに、所望の機能を実行できないことがあることである。言い換えると、異なるレーザ・タイプを有するように構成された複数のシステムを別個に購入、使用する必要なしに、異なるタイプのレーザに関連した複数の作業を実行する方法は知られていない。このような場合、加工物は、１つのシステムによる１つのレーザ処理を受け、別のレーザ処理システムへ運ばれ、次いで別のレーザ処理を受ける。
【００１２】
他の課題は、機械加工プロセスによって生じた好ましくない切削屑が、ＦＩＢおよび／またはＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭ室内の源、検出器などの重要な構成要素に付着し、それらの構成要素の効力を低下させることがあることである。このタイプの切削屑は、ＦＩＢ／ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭ顕微鏡の機能を妨害する可能性がある。また、従来の電子顕微鏡では一般に、試料の画像化は真空下で実行する必要がある。これは、気体雰囲気は急速に広がり、気体雰囲気が電子ビームを減衰させるためである。結果として、レーザ機械加工プロセス中に放出される切削屑が真空環境を劣化させ、画像化を妨げることがある。別の場合には、機械加工プロセス後の不要な切削屑があまりに大量であるため、切削屑が、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭの真空室に加工物を実際に収容するのを妨げることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０１６３０６８号明細書
【特許文献２】米国特許第８，１６８，９６１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，６５６，１８６号明細書
【特許文献４】米国特許第７，９２３，３０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
複数のタイプのレーザ・ビーム・スポットを使用して、削摩された大量の材料を加工室内で生み出すことなく、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢとともに加工物を加工することができるシステムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の好ましい一実施形態では、少なくとも１つのレーザ・ビーム源から生成された２つの焦束レーザ・ビーム・スポットを使用するシステムであって、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢ画像化用の加工物を適切に加工することができるように、それらの焦束レーザ・スポットが同時にまたは逐次的に作用するシステムが開示される。それらの焦束レーザ・ビーム・スポットは、加工物を異なる態様で加工することができるような異なる特性を有する。
【００１６】
この好ましい実施形態のシステムは、２つの別個のレーザ・ビーム源を含む構成または２つのレーザ・ビームに分離される１つのレーザ・ビーム源を含む構成を有することができる。このシステムは、外部レーザ加工ステーションと室の内部のレーザ加工ステーションとを有し、この室は一般に真空室である。外部レーザ加工ステーションでは、第１のレーザ・ビーム・スポットによってバルク材料除去および深いトレンチ・エッチングを実行することができる。内部室ステーションでは第２のレーザ・ビーム・スポットが使用される。この第２のレーザ・ビーム・スポットは、マイクロ機械加工、ドリリング、ルーティング、エッチング、熱影響域除去プロセスなどの精密加工に対して使用される。
【００１７】
本発明の目的は、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭ／ＦＩＢ画像化プロセスにおいてしばしば必要となるより微細でより高精度のミリングまたは機械加工とは別に、大規模なバルク材料除去または深いトレンチのエッチングをシステムが実行することができるように、異なるタイプのレーザ・ビーム・スポットの使用を改良することにある。
【００１８】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。
【００１９】
次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】２つのレーザ・ビームに分割される１つのレーザ源を有し、その１つのレーザ源が、外部加工ステーションおよび集束イオン・ビームを有する内部室ステーションとともに使用される一実施形態を示す図である。
【図１Ｂ】２つのレーザ・ビームに分割される１つのレーザ源を有し、その１つのレーザ源が、外部加工ステーションおよび集束イオン・ビームとＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭとを有する内部室ステーションとともに使用される他の実施形態を示す図である。
【図１Ｃ】２つのレーザ・ビームに分割される１つのレーザ源を有し、その１つのレーザ源が、モーション・ステージを備える外部加工ステーションおよびモーション・ステージを備える内部室ステーションとともに使用される他の実施形態を示す図である。
【図２】加工物を加工するための２つのレーザ・ビームを独立に生成する２つのレーザ源と、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよび／またはＦＩＢとを有する本発明の一実施形態を示す図である。
【図３】別個のレーザ・ビームが２つの独立したレーザ・スポットを生成する本発明の一実施形態を示す図である。
【図４】ビーム調整装置（ｂｅａｍ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ）によって別個のレーザ・ビームが２つの独立したレーザ・スポットを生成する本発明の一実施形態を示す図である。
【図５】真空室の外側に送達される１つのレーザ・スポットと真空室の内側に送達される１つのレーザ・スポットとを有する本発明の一実施形態を示す図である。
【図６】真空室の外側に送達される１つのレーザ・スポットと真空室の内側に送達される１つのレーザ・スポットとを有し、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭとＦＩＢの両方が開示された本発明の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明のさまざまな実施形態は、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよび／またはＦＩＢとともに使用される異なるレーザ加工構成を使用する。これらの構成は、１つまたは複数のレーザ源を使用して、内部真空室および外部ステーションで使用する異なる加工特性を有するレーザ・スポットを生成する。これらの構成が１つのレーザ源を利用するのかまたは複数のレーザ源を利用するのかに関わらず、異なるタイプの集束レーザ・スポットが生成され、それらのスポットを使用して、加工物を別々に加工しかつ／または異なる態様で加工する。
【００２２】
本明細書には、これらのシステムを構築するのに使用することができる光学構成部品の多くの選択肢が記載される。本明細書に記載された実施形態は、レーザ源、ミラー、ビーム・スプリッタ、ビーム・ステアリング（ｂｅａｍ  ｓｔｅｅｒｉｎｇ）機構およびビーム変更光学部品を使用する光学系構成部品の可能な配置を含む。添付の特許請求の範囲に含まれるその他の配置は、当技術分野の通常の技術を使用して容易に設計することができる。
【００２３】
図１Ａは、１つのレーザ源と２つの別個の加工ステーションとを使用するマルチ・レーザ・ビーム・システム１２０の好ましい一実施形態を示す。レーザ源またはレーザ発生装置１００は、マルチ・レーザ・ビーム・システム１２０全体に対して使用するのに十分なエネルギーを有するレーザ・ビームを発生させる。レーザ源１００は、Ｍｏｕｒｏｕ他の米国特許第５，６５６，１８６号明細書に記載されているフェムト秒レーザなどの超高速パルス・レーザとすることができる。このようなレーザは、一般的な集束イオン・ビームよりもはるかに迅速に加工物から材料を除去することができるが、イオン・ビームほど精確ではない。加工物はさらに加工することが意図されており、そのため、システム１２０が、連続波レーザ、ナノ秒レーザ、ＣＯ2レーザなどのより低コストのレーザ源を使用することが可能であり、このことは、大体積材料加工に対して有効である。これらの低コスト・レーザ源の多くは、レーザ・ビームを複数のビームに分割し、それらのビームを、複数の加工物の表面の複数の焦束スポットに送達することができるような十分なパワーを提供する。後に、バルク材料加工に適したレーザ源のより広範なリストを記載する。
【００２４】
レーザ源１００は原レーザ・ビーム１０７を生成し、原レーザ・ビーム１０７はビーム・スプリッタ１０８で分割される。ビーム・スプリッタ１０８は、原レーザ・ビーム１０７を、異なるエネルギーを有する２つの独立したレーザ・ビームに分割することができる。さまざまなビーム・スプリッタを使用することができる。ビーム・スプリッタは、偏光ビーム・スプリッタ・キューブ（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｅｒ  ｃｕｂｅ）、部分反射ミラーなどのバルク光学部品とすることができる。ビームを切り替える光学構成部品またはビームをステアリングする光学構成部品も、異なる経路に沿ってパルスが加工物の表面まで伝搬するのを可能にすることにより、ビーム・スプリッタの役目を果たすことができる。パルスは、異なるビーム経路に沿って一度にまたは交互に送達することができる。ビーム分割を実行するように構成し駆動することができる光学構成部品には、ＡＯＭ、ＥＯＭ、ポッケルス・セル（ｐｏｃｋｅｌｓ  ｃｅｌｌ）、スイッチング可能なＬＣＤ偏光子などがある。あるいは、光ファイバ実施態様では、光ファイバ・カプラをビーム・スプリッタとして使用することもできる。
【００２５】
ビーム・スプリッタ１０８は、第１のレーザ・ビーム経路１３０に沿って１つのビームを導き、このビームには、ビーム・ステアリング機構である第１の走査ミラー１０２および第１の対物レンズ１０９が作用する。ビーム・スプリッタ１０８は、加工物の別個のレーザ・ビーム加工が必要な場合でも２つの別個のレーザ源が必要ないような態様で、２つの別個のレーザ・ビームを生成することができる。このシステムでは、２つの別個の加工物、すなわち外部ステーション１０５上で加工する加工物１０４と一般に真空室である内部室１１２内で加工する第２段階の加工物１１６とを同時に加工することができる。第１の走査ミラー１０２および第１の対物レンズ１０９は第１のレーザ・ビーム１０３を生成することができる。
【００２６】
外部ステーション１０５において、第１のレーザ・ビーム１０３は、加工物１０４の関心領域を露出させるためのバルク材料除去および深いトレンチの切削に使用する第１のレーザ・スポット１５０を生成する。画像化プロセスに不要なパッケージング材料を加工物１０４が含むことがある。第１のレーザ・ビーム１０３は、外部ステーション１０５上で、不要なパッケージング材料を削り取ることができる。例えば、集積回路用の３Ｄ  ＩＣパッケージはしばしば、厚さ数ｍｍの部分を含む。第１のレーザ・ビーム１０３からのレーザ・スポット１５０を使用して、外部ステーション１０５でパッケージを半分に切断しまたはパッケージの長さに沿ってトレンチを切削してから、内部室１１２内で加工物１０４をさらに加工することができる。数十立方ミリメートルまたは数百立方ミリメートルの材料の除去を含むことがあるこれらのバルク加工を内部室１１２内で実行した場合には、それらの加工が、真空環境を汚染しまたは繊細な構成部品の表面に切削屑を付着させることにより、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭ／ＦＩＢプロセスを妨害することになる。
【００２７】
室１１２の外部でバルク・レーザ加工を実施し、その後に微細な内部レーザ加工を実施するのによく適した多くの用途がある。選鉱およびエネルギー探査の分野では、さまざまな鉱物試料を、第１のレーザ・ビーム１０３で加工して、内部を露出させてから、内部室１１２内でのより微細でより精密な加工を実行することができる。そのままでは内部室１１２に収まらない加工物１０４の一部分を、外部レーザ・ステーション１０５で除去することもできる。例えば、外部レーザ・ステーション１０５を使用して、大きな半導体ウェーハの一部分を切除することができる。
【００２８】
ビーム・ステアリング機構は一般に回転発生装置に分類される。機械式回転装置には、圧電、電磁もしくは電歪アクチュエータまたは他のアクチュエータによって作動させることができるステアリング・ミラーが含まれる。ガルバノメータ（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｅｒ）、チルト・ウェッジ（ｔｉｌｔ  ｗｅｄｇｅ）およびマイクロ機械加工されたミラーのアレイも機械式ビーム偏向器の範疇に含まれる。光ビームをステアリングすることができる他の光学要素にはＡＯＭ、ＥＯＭなどがある。
【００２９】
内部室１１２内に移送された後、第２段階の加工物１１６となった加工物は、より高精度の追加の加工を受ける。外部ステーション１０５から内部室１１２への加工物１０４の移送は手動または自動で実行することができる。外部ステーション１０５の加工物と内部ステーション１１３の加工物は同時にまたは逐次的に加工することができる。
【００３０】
一般に、内部室１１２を排気し、内部室１１２内の高真空を維持するためにターボ分子ポンプ（図示せず）が使用される。この真空システムは、内部室１１２内に、一般に約１×１０-7トルから５×１０-4の間の真空を提供する。電子源およびイオン源は一般にターボ・ポンプによって排気され、次いでイオン・ポンプによって１×１０-10トルから１×１０-7トルなどの低圧に維持される。
【００３１】
ＦＩＢ１１０に高圧電源（図示せず）が接続され、この高圧電源は、約１ｋｅＶから６０ｋｅＶのイオン・ビームを形成する能力を有する。あるいは、このシステムはＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭを含むこともできる。このＦＩＢおよび／またはＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭはそれぞれ偏向器およびレンズを含む。それらの偏向器およびレンズは一般に磁気式だが、静電式とすることも可能である。磁気レンズおよび磁気偏向器は、コントローラと、偏向磁場を発生させる磁気コイルを駆動する増幅器とを有する。静電レンズおよび静電偏向器は、コントローラと、偏向電場を発生させる帯電プレートを駆動する増幅器とを有する。
【００３２】
ビーム・スプリッタ１０８によって分割された後、レーザ・ビーム１０７の一部分は、ビーム調整ステーション１０１を含んでもよい第２のレーザ・ビーム経路１３１に沿って進む。このレーザ・ビームの調整は、内部室１１２内において実行する必要があるより微細な精密加工のためにレーザ・ビームを前処理する操作である。調整ステーション１０１は、パワーなどのレーザ・ビーム特性を変更することができる。調整ステーション１０１は、レーザ・ビームの振幅、エネルギー、偏光、時間パルス波形、空間プロファイル、波長または他の特性を変更することもできる。調整ステーション１０１は任意であり、用途によっては不要である。いくつかの実施形態では、試料を加工するレーザ・ビームを協力して生成するレーザ発生装置１００と調整装置１０１の組合せを「レーザ源」とみなす。
【００３３】
ビーム調整ステーション１０１には広範な種類のビーム調整光学部品を含めることができる。異なるビーム経路の調整では、同様の要素および／または異なる要素を使用することができる。これらのビーム調整光学要素には例えば、偏光子、偏光変更器（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｍｏｄｉｆｉｅｒ）、ファラデー・アイソレータ（ｆａｒａｄａｙ  ｉｓｏｌａｔｏｒ）、空間ビーム・プロファイル変更器、時間的ビーム・プロファイル変更器、周波数シフタ、周波数逓倍光学部品、減衰器、ビーム・スプリッタ、増幅器、モード選択光学部品、ビーム拡大器、レンズおよびリレー・レンズが含まれる。等しいパワー比または異なるパワー比を有する複数のビームにレーザ・ビーム１０７を分割することができるビーム・スプリッタ１０８を調整光学部品とみなすこともできる。これらの光学要素には、追加の光路距離からなることができる遅延線、折り返された光路および光ファイバ遅延線も含まれる。
【００３４】
２０１１年４月１２日に発行されたＢｒｕｌａｎｄ他の米国特許第７，９２３，３０６号明細書は、レーザ、配置、構成およびビーム変更要素について、ならびに１つまたは２つのレーザを使用して単一の加工物に複数のスポットを送達することに関して詳細に論じている。この特許文献は参照によって本明細書に組み込まれる。
【００３５】
第２のレーザ・ビーム１１５は、第２のビーム経路１３１に沿って独立して進むことができ、第２のレーザ・ビーム１１５には、第２の走査ミラー１１１および第２の対物レンズ１１４が作用することができ、第２のレーザ・ビーム１１５は焦束レーザ・スポット１５１を生成することができる。ビーム・スポット１５１を伴う第２のレーザ・ビーム１１５はＦＩＢ１１０と協働して、内部室１１２内の第２段階の加工物１１６を加工する。
【００３６】
外部ステーション１０５でのバルク材料除去に続いて、より微細な機械加工を、第２のレーザ・ビーム１１５および関連するビーム・スポット１５１を使用して実行することができる。より微細でより精密な機械加工が可能なレーザには例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧなどの希土類元素がドープされたレーザント（ｌａｓａｎｔ）を含むレーザおよびアレキサンドライト、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦなどのバイブロニック（ｖｉｂｒｏｎｉｃ）レーザントを含むレーザを含む、ダイオード励起ｑスイッチ固体レーザ（ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ  ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ  ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｌａｓｅｒ）などの固体レーザが含まれる。後に、より微細な機械加工が可能なレーザ源のより広範なリストを記載する。ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢ処理の前に、第２のレーザ・ビーム１１５および関連するレーザ・スポット１５１を使用して、熱影響域を除去すること、または加工物１１６の小部分を削り取ることもできる。このプロセスは時に「スライス・アンド・ビュー（ｓｌｉｃｅ  ａｎｄ  ｖｉｅｗ）」と呼ばれ、このプロセスを複数回繰り返して、試料内部の３Ｄ測定を実施し、または内部の特徴部分の位置を突き止め、その特徴部分を画像化することができる。
【００３７】
第２のレーザ・ビーム１１５および関連するレーザ・スポット１５１は、１／１０ミクロン未満のビームを生成することができる集束イオン・ビーム・カラム１１０と協働して、ステーション１１３上に配置された加工物１１６の精密加工を実行する。集束イオン・ビーム・カラム１１０からのイオン・ビーム１１７の材料除去速度は比較的に小さい。除去速度およびビーム・スポット・サイズはビーム電流によって変化することを当業者は理解するであろう。除去速度は、除去する材料によっても変化し、ビームと一緒にエッチング強化ガスが使用される場合にはエッチング強化ガスの種類によっても変化する。
【００３８】
外部ステーション１０５で加工物１０４からバルク材料を除去すると、内部ステーション１１３での加工物１１６の後続の加工中に生じる材料の量が減り、したがって内部室１１２内の真空および構成部品の汚染が低減する。全体として、外部ステーション１０５で生じた切削屑は、内部室１１２内へ移送される前に廃棄され、その結果、この切削屑が、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢプロセスに関与する真空および構成部品を妨害する可能性がなくなる。それぞれのステーションが分離されていることによって、バルク切削屑が光学部品から遠ざけられることにより、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢ構成部品のシステム寿命が長くなる。
【００３９】
図１Ｂは、システム１４０の本発明の他の実施形態を示す。システム１４０は、図１Ｂのシステム１２０の全ての特徴および構成部品を含み、電子顕微鏡１４１をさらに含む。本発明のこの実施形態は１つのＦＩＢ源だけに限定されない。レーザ・システム１４０は、１つのＦＩＢもしくは複数のＦＩＢを有することができ、または１つもしくは複数のＦＩＢと１つもしくは複数の電子顕微鏡とを有することができる。
【００４０】
ガリウム・イオンを送達する液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）が最も一般的なＦＩＢ源であるが、ネオン源、ヘリウム源などのそれほど伝統的とは言えないＦＩＢ源を使用することもできる。これらのシステムで使用される電子顕微鏡は普通、ＳＥＭであるが、ＴＥＭ、ＳＴＥＭなどの他のタイプの電子顕微鏡を使用することもできる。本明細書に記載されたシステムの原理および利点は、多くのタイプの電子顕微鏡および／またはＦＩＢのうちのどのタイプにも当てはまる。
【００４１】
図１Ｃは、システム１４０の本発明の他の実施形態を示す。システム１４０は、図１Ｂのシステム１２０の全ての特徴および構成部品を含み、加工物を再位置決めすることができる機械式位置決めステージをさらに含む。外部ステーション１０５および内部ステーション１１３は、加工物を載置するプラットホームからなることができる。これらのステーションはさらに、加工する試料を適切に固定するように設計されたクランプまたはホルダを含むことができる。これらのステーションはさらに、加工前または加工中に加工物の位置を調整するためのモーション・システムを含むことができる。モーション・ステージ１６０は外部ステーション１０５の部分であり、モーション・ステージ１６１は内部ステーション１１３の部分である。この文脈では、位置が、限定はされないが、横方向の位置決め、縦方向の位置決め、傾斜または回転を含む線位置または角位置を意味することがある。このような位置決めは、走査ミラー１０２などのビーム・ステアリング機構と協働して、加工物の表面の適切な位置を加工するようにレーザを導くことができる。実際には、加工物の表面のレーザ・スポット位置のターゲティングまたは再位置決めは、加工物の機械的な再位置決めだけによって、もしくはビーム・ステアリング機構だけによって、または調和して機能する加工物の機械的な位置決めとビーム・ステアリングとの調整された作用によって実行することができる。
【００４２】
本明細書に記載されたシステムの原理および利点は、電子顕微鏡とＦＩＢの両方を含む幅広い種類の荷電粒子ビーム機器のうちのどの機器にも当てはまる。ガリウム・イオンを送達する液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）が最も一般的なＦＩＢ源であるが、プラズマ集束イオン・ビーム（ＰＦＩＢ）またはネオン、ヘリウムなどの代替イオンなどのそれほど伝統的とは言えない他のＦＩＢ源を使用することもできる。これらのシステムで使用される電子顕微鏡は普通、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）だが、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）、ＳＴＥＭ（透過型走査電子顕微鏡）などの他のタイプの電子顕微鏡を使用することもできる。
【００４３】
図２は、２つの独立したレーザ・ビームおよびそれぞれのレーザ・ビーム・スポットを２つの独立したレーザ源を使用して生成するデュアル・レーザ・システム２００を有する一構成を示す他の好ましい実施形態を示す。このシステムは集束イオン・ビーム・カラム２０８を含み、あるいはＳＥＭ（図示せず）を含むことができる。異なるタイプのレーザは機械加工上の異なる利点を提供し、この構成は、２つの別個のレーザの使用、すなわち第１のレーザ源２０３および第２のレーザ源２０４の使用を提供する。第１のレーザ源２０３および第２のレーザ源２０４ならびにそれぞれの焦束スポット２５０および２５１は、試料材料を除去する能力に影響を及ぼす独立した特性を有することができる。試料材料を削摩し、機械加工し、除去しまたは改変するレーザ・スポットの能力はレーザ・スポットの強度と定義され、レーザ・スポットの強度は、パワー、振幅、エネルギー、パルス幅、時間パルス波形、スポット・サイズ、空間パルス分布、フルエンス、偏光、波長などの光学特性によって識別することができる。
【００４４】
マルチ・ビーム・レーザ加工において異なるレーザおよび異なるレーザ・パルス特性を使用すると、試料材料の加工を有利に改良することができる。マルチ・ビーム・レーザ加工システムではタイプの異なる多くのレーザ源を使用しまたは組み合わせることができる。関係する試料材料および所望の加工結果によって、あるレーザ源はバルク材料除去によく適し、他のレーザ源は微細な試料加工によく適する。
【００４５】
これらのレーザ源には例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ4、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＡＧなどの希土類元素がドープされたレーザントを含むレーザおよびアレキサンドライト、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦなどのバイブロニック・レーザントを含むレーザを含む、ダイオード励起ｑスイッチ固体レーザなどの固体レーザが含まれる。
【００４６】
これらのレーザ源にはさらに、ピコ秒パルス・レーザ出力を生成することができるＳＥＳＡＭモード同期Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザなどのダイオード励起モード同期固体レーザ（ｄｉｏｄｅ−ｐｕｍｐｅｄ  ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ  ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｌａｓｅｒ）が含まれる。モード同期固体レーザは、発振器−再生増幅器構成および発振器−パワー増幅器構成を含むことができる。これらのレーザ源にはさらに、フェムト秒（ｆｓ）レーザ出力を生成するためのチャープ・パルス増幅（ｃｈｉｒｐｅｄ  ｐｕｌｓｅ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）レーザ・システム、あるいはフェムト秒パルス・レーザ出力を生成するための当技術分野でよく知られている他のパルス引伸し光学部品およびパルス圧縮光学部品が含まれる。
【００４７】
これらのレーザ源にはさらに、希土類ドープ・ソリッド・コア・ファイバ・パルス・レーザ（ｐｕｌｓｅｄ  ｒａｒｅ  ｅａｒｔｈ−ｄｏｐｅｄ  ｓｏｌｉｄ  ｃｏｒｅ  ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ）および希土類ドープ・フォトニック結晶ファイバ・パルス・レーザ（ｐｕｌｓｅｄ  ｒａｒｅ  ｅａｒｔｈ−ｄｏｐｅｄ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ）が含まれる。希土類ドープ・ファイバ・パルス・レーザは、ｑスイッチおよび発振器−増幅器構成を含むことができる。さらに、ブロード・エリア半導体レーザ、単一周波数半導体レーザ、発光ダイオード、ｑスイッチ固体レーザおよびファイバ・レーザを含む多種多様な発振器を使用することができる。
【００４８】
追加のレーザ源にはさらに、半導体レーザ、ＣＯ2レーザおよびアルゴン−イオン・レーザを含む気体レーザ、ならびにエキシマ・レーザが含まれる。
【００４９】
マルチ・ビーム・レーザ加工システムに含めることができるレーザ源によって、約１５０ｎｍから約１１，０００ｎｍまでの広範囲にわたる波長を生み出すことができる。本明細書の作成時には、使用するレーザ源に応じて、１０ｆｓから１μｓ超の範囲のパルス幅および連続波から１００ＭＨｚ超の範囲のＰＲＦを生み出すことができる。使用するレーザ源によっては、パルス波形、パルス当たりのエネルギーもしくは出力パワー、パルス幅、偏光および／または波長を調整または選択することができることがある。
【００５０】
よく知られている非線形調波変換プロセスによって、上記レーザの基本波長出力を調波波長に変換することもできる。この変換は、第１のレーザ源２０３、第２のレーザ源２０４などのレーザ源の内部で、または調整ステーション１０１などの調整ステーションの内部で実行することができる。
【００５１】
このデュアル・レーザ・システムは真空室２０１を含み、真空室２０１は、その内部に、加工物２１３を加工するための内部加工ステーション２０２を含む。第１のレーザ源２０３はレーザ・ビーム２０９を生成し、レーザ・ビーム２０９は走査ミラー２０５へ向かい、次いで対物レンズ２１０を通過し、対物レンズ２１０で集束して、第１のレーザ・ビーム・スポット２５０を生成する。第２のレーザ源２０４はレーザ・ビーム２１１を生成し、レーザ・ビーム２１１は走査ミラー２０６へ向かい、次いで対物レンズ２１２を通過し、対物レンズ２１２で焦束して、第２のレーザ・ビーム・スポット２５１を生成する。さらに、ＦＩＢカラム２０８が荷電粒子ビーム２０７を生成し、荷電粒子ビーム２０７は加工物２１３の表面へ導かれる。第１のレーザ・ビーム２０９と第２のレーザ・ビーム２１１はともに、イオン・ビーム２０７に対してある角度で加工物に接近し、同時にまたは逐次的に加工物２１３を加工することができる。これらの光ビームおよび粒子ビームは全て、同時にまたは逐次的に加工物に作用することができる。これらのビームは全て、加工物の表面で完全に重なるように、もしくは部分的に重なるように、または全く重ならないように導くことができる。
【００５２】
図２に示したシステムは単に可能な１つの構成を示すものであり、多くの異なる構成が可能である。これらの２つのレーザ・ビームは、室の内側もしくは外側にまたは室の内側と外側の両方に送達することができる。これらの２つのレーザ源および光学部品の部分は、室の内側もしくは外側または室の内側と外側の両方に置くことができる。第２のレーザ・ビーム２１１を第１のレーザ・ビーム２０９を増幅したものとすることもできる。本発明は２つのレーザ・ビームだけに限定されない。より大きなスループットを達成するため、もしくは複数の部位を一度に加工することができるようにするため、または異なる材料に対する望ましい加工能力をそれぞれが有する複数の異なるレーザ特性の中からの選択を可能にするために、３つ以上のレーザ・ビームの使用が有利なことがある。
【００５３】
第１のレーザ・ビーム２０９と第２のレーザ・ビーム２１１は異なるレーザ・スポット２５０、２５１に集束する。それぞれのレーザ・ビーム源、ビーム経路光学部品および集束光学部品の特性に応じて、レーザ・スポットはそれぞれ異なるサイズまたは異なる形状を有することができる。第１のレーザ・ビーム２０９とレーザ・ビーム２１１はそれぞれ専用のビーム偏向器を有するため、これらのビームはそれぞれ、対応するレーザ・スポットの偏向プロファイルを同期させること、および対応するスポットのパルス生成タイミングを別々にすることができる。走査ミラー２０５および２０６はビーム偏向器の例である。加工中の第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームとの間の所望の空間関係を生み出すため、第１のレーザ・ビームに作用するビーム偏向器と第２のレーザ・ビームに作用するビーム偏向器は、同期した偏向コマンドを有することができる。加工物の同じ領域または異なる領域を加工するため、所望の空間関係は、完全に重なった関係もしくは部分的に重なった関係、または全く重なっていない関係とすることができる。同じ時刻もしくは異なる時刻にパルスが生成され、または時間的な所望の重なりでパルスを生成されるように、第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームの間のパルス生成のタイミングを同期させることもできる。任意の数のレーザ・ビーム、電子ビームおよびＦＩＢの空間関係および／またはタイミングを調整することができる。さらに、これらのプロセスを、外部加工ステーションおよび内部加工ステーションの部分であるモーション・サブシステムと同期させることもできる。
【００５４】
レーザ・スポットと粒子ビームの空間的および時間的配置を同期させるために図示されていない制御システムが使用される。このような制御システムは一般に、レーザ源、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭ、ＦＩＢ、光、電子および粒子ビーム偏向器、モーション・ステージ、およびシステム内の被作動構成部品、例えばいくつかのタイプのビーム調整光学部品とインタフェースする１つまたは複数のコンピュータ・システムおよび電子部品を含む。普通は、センサ・フィードバックおよび制御アルゴリズムを使用することによって精密調整を実行するためにフィードバック制御システムが使用される。システム構成部品を調整、制御するソフトウェアおよびファームウェアが、ハードディスク上、フラッシュ・メモリ内などに電子的に読出し可能なフォーマットで記憶される。
【００５５】
図３は、別個のレーザ・ビームが２つの独立したレーザ・スポットを生成する本発明の一実施形態を示す。デュアル・レーザ・システム３２０は、２つの独立したレーザ源３０１、３０２を使用して２つの独立したレーザ・ビームを生成する。このシステムは集束イオン・ビーム・カラム３１０を含み、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭ（図示せず）を含むことができる。レーザ３０１および３０２からのレーザ・ビームはそれぞれ、波長、時間パルス・プロファイル、エネルギー、パワー、スポット・サイズ、スポット形状、偏光などの独立した特性を有する焦束スポット３３２および３３３を生成することができる。
【００５６】
デュアル・レーザ・システム３２０は真空室３１４を含み、真空室３１４は、その内部に、加工物３１６を加工するための内部加工ステーション３１５を有する。第１のレーザ源３０１はレーザ・ビームを生成し、このレーザ・ビームは、走査ミラー３０３へ向かい、次いでビーム結合器３０８を通過して、ビーム３３１を生成する。一般的なビーム結合器は、異なる偏光を有するレーザ・ビームを効率的に結合することができる偏光ビーム・キューブである。ビーム３３１は対物レンズ３１２を通過し、対物レンズ３１２で集束して、第１のビーム・スポット３３２を生成する。第２のレーザ源３０２はレーザ・ビームを生成し、このレーザ・ビームは、走査ミラー３０６へ向かい、次いでビーム調整装置３０８を通過して、第２のビーム３３０を生成する。第２のビーム３３０は対物レンズ３１２を通過し、集束して、第２のビーム・スポット３３３を生成する。このタイプのシステムでは、ビームの送達を助けるため、図示されていないリレー光学部品を使用することができる。さらに、ＦＩＢ３１０が荷電粒子ビーム３１１を生成し、荷電粒子ビーム３１１は加工物３１６の表面へ導かれる。
【００５７】
図４は、ビーム調整装置によって別個のレーザ・ビームが２つの独立したレーザ・スポットを生成する本発明の一実施形態を示す。デュアル・レーザ・システム４２０は、２つの独立したレーザ源４０１、４０２を使用して２つの独立したレーザ・ビームを生成する。これらのレーザ・ビームは、それぞれのビーム調整ステーション４０３および４０４を通過する。ビーム調整光学部品については、広範なさまざまなタイプのビーム調整光学部品が上で論じられている。このシステムは、荷電ビーム４１４を有する集束イオン・ビーム・カラム４１２を含み、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭ（図示せず）を含むことができる。さらに、ビーム調整ステーション４０３および４０４によってレーザ４０１および４０２からのレーザ・ビームを変更することができ、レーザ４０１および４０２からのレーザ・ビームはそれぞれ、波長、時間パルス・プロファイル、エネルギー、パワー、スポット・サイズ、スポット形状、偏光などの独立した特性を有する焦束スポット４１５および４１７を生成することができる。
【００５８】
デュアル・レーザ・システム４２０は真空室４１３を含み、真空室４１３は、その内部に、加工物４１６を加工するための内部加工ステーションを含む。第１のレーザ源４０１はレーザ・ビームを生成し、このレーザ・ビームは、ビーム調整装置４０３、偏向走査ミラー４１０およびビーム・スプリッタ４０９を通過して、ビーム４２２を生成する。ビーム４２２は対物レンズ４１８を通過し、対物レンズ４１８で集束して、第１のビーム・スポット４１５を生成する。第２のレーザ源４０２はレーザ・ビームを生成し、このレーザ・ビームは、ビーム調整装置４０４、偏向走査ミラー４１１およびビーム・スプリッタ４０９を通過して、第２のビーム４２１を生成する。第２のビーム４２１は対物レンズ４１８を通過し、集束して、第２のビーム・スポット４１７を生成する。
【００５９】
図５は、真空室の外側に送達される１つのレーザ・ビームと真空室の内側に送達される１つのレーザ・ビームとを有する本発明の一実施形態を示す。マルチ・レーザ・ビーム・システム５２０は、レーザ・ビーム源５０１およびレーザ・ビーム源５０２によって２つのレーザ・ビームを生成する。レーザ・ビーム源５０１からのレーザ・ビームは偏向走査ミラー５０３へ向かい、次いで対物レンズ５０５を通過して、第１のレーザ・スポット５３０を有するレーザ・ビーム５０６を生成する。第１のレーザ・スポット５３０は外部ステーション５０８上の加工物を加工する。第１のレーザ・スポット５３０を使用して、加工物の関心領域を露出させるためのバルク材料除去および深いトレンチの切削を実行することができる。バルク除去は例えば、少なくとも１０，０００μｍ3の材料を除去することを意味する。バルク除去プロセスは、少なくとも１０，０００μｍ3／秒の速度で材料を除去する。除去速度はシリコンに関して提供されるが、本発明は、シリコン加工物の加工だけに限定されない。いくつかの実施形態では、バルク除去プロセスが、２５，０００μｍ3／秒超、５０，０００μｍ3／秒超または１００，０００μｍ3／秒超の速度で材料を除去する。
【００６０】
微細または精密レーザ材料除去は一般に１０，０００μｍ3未満の材料を除去することを意味する。微細または精密レーザ材料除去プロセスは一般に、１０，０００μｍ3／秒未満、５，０００μｍ3／秒未満または１，０００μｍ3／秒未満の速度で材料を除去することを伴う。これに対して、焦束イオン・ビーム・システムは一般に数μｍ3／秒の速度で材料を除去する。
【００６１】
システム５２０は、内部ステーション５０４へ外部ステーション５０８から材料を移送するロボット５０７を可動ステージ上に含む。ロボット５０７は、室の扉５０９を通して加工物を移送する。ロボット５０７は、加工物を、自動または手動で移送することができる。室５１０を換気することなく試料を装填することを可能にするため、室の扉は、図示されていない真空インタロックを伴うことができる。内部室５１０内に移送された後、この時点では第２段階の加工物５１６と呼ばれる移送された加工物は、より高精度の追加の加工を受ける。内部室５１０は一般に真空室である。外部ステーション５０８でのプロセスと内部ステーション５０４でのプロセスは同時にまたは逐次的に実行することができる。
【００６２】
第２のレーザ源５０２はレーザ・ビームを生成し、このレーザ・ビームは、偏向走査ミラーによって処理され、対物レンズ５１３によって集束して、焦束スポット５１７を有するレーザ・ビーム５１５を生成する。第２のレーザ・ビーム・スポット５１７は、荷電粒子ビーム５１２を生成するＦＩＢカラム５１１と協働して加工物を加工する。外部ステーション５０８で蓄積した切削屑は、内部室５１０内へ移送される前に廃棄され、その結果、切削屑が真空室５１０およびＦＩＢプロセスを妨害する可能性がなくなる。それぞれのステーションが分離されていることによって、バルク切削屑が光学部品から遠ざけられることにより、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭおよびＦＩＢ構成部品のシステム寿命が長くなる。
【００６３】
図６は、１つのレーザ源６０１、ビーム・スプリッタ６０２、別個のビーム調整ステーション６０３、６０５、ＦＩＢ６１２およびＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭ６１１を有し、ＦＩＢ６１２とＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭ６１１がともに真空室６２２内にビームを送達する、本発明の他の実施形態であるシステム６５０を示す。図１Ａに示した実施形態と同様に、レーザ・ビームは１つの源から生成され、分割される。第１のレーザ・ビームは、偏向走査ミラーへ向かい、対物レンズ６０８を通過し、外部ステーション６１９上の加工物６１７の表面に第１のビーム・スポット６１８を生成する。第２のレーザ・ビームは、別の偏向走査ミラーへ向かい、対物レンズ６１５を通過し、対物レンズ６１５は、真空室６２２内の内部ステーション６２１上の加工物６２３を加工する第２のレーザ・ビーム・スポット６２０を生成する。第２のレーザ・ビーム・スポットとＦＩＢ６１２およびＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭ６１１の使用は、より微細な精密加工を可能にする。
【００６４】
別個の独立した機能のための２つ以上のタイプのレーザ・ビームを粒子ビーム機器とともに使用する先行技術は知られていない。真空室内でレーザ加工機能を使用し、さらにプロセスの強化および切削屑の管理に複数のレーザ・ビームを使用する先行技術も知られていない。
【００６５】
複数のレーザ・ビーム・スポットを有するレーザ・ビーム・システムを使用することにはいくつかの利点がある。複数のビーム・スポットを有するシステムは、バルク加工に適したレーザ・ビームを使用してバルク加工を実行し、その後に、精密加工に適したレーザ・ビームを使用して、ＨＡＺ除去、マイクロ規模の削剥などの精密加工を実行することができることによって加工能力を向上させる。独立した複数のレーザ・スポットの使用は、異なる材料および特性に適合した特定のレーザの使用を可能にする。このシステムの他の利点は、２つの別個のシステムを購入する必要なしに、１つのシステムが、バルク材料除去、より微細な精密加工などの別個の機能を実行することができることである。１つの加工ステーションだけを使用することによって、１つのシステムから別のシステムへ加工物２１３を移動させる必要なしに、ＦＩＢプロセス、ＳＥＭ／ＳＴＥＭ／ＴＥＭプロセス、ならびに第１のレーザ・ビーム・スポットを使用するプロセスおよび第２のレーザ・ビーム・スポットを使用するプロセスを含む全てのビーム変更を、実行することができる。このような移送では、データおよび材料の緻密な追跡操作が必要となることがある。独立した複数のレーザを使用して別個のビーム・スポットを生成することには明確な利点がある。１つのレーザ・ビームを使用してバルク除去を実行することができ、別のレーザによる微細加工を使用して、異なるタイプの材料を加工することができる。例えば、積層３Ｄ  ＩＣパッケージの場合には、バルク・パッケージング材料または結合剤の切削に適した１つのレーザと、シリコン・チップの微細加工に適した第２のレーザとを選択することができる。
【００６６】
本発明のいくつかの実施形態によれば、荷電粒子ビームとレーザ・ビームの両方を用いて加工物を加工するシステムは、真空室を含んでおり、真空室内に支持された第１の加工物を加工する第１の加工ステーションと、この真空室の外側で第２の加工物を加工する第２の加工ステーションと、源出力レーザ・ビーム（ｓｏｕｒｃｅ  ｏｕｔｐｕｔ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ）を生成するレーザ源と、源出力レーザ・ビームを少なくとも第１のレーザ・ビームおよび第２のレーザ・ビームに分割し、第１のレーザ・ビームを真空室内の第１の加工物に送達し、第２のレーザ・ビームを真空室の外側の第２の加工物に送達するように構成された光学系と、真空室内の第２の加工物を加工する粒子ビーム源とを備える。
【００６７】
いくつかの実施形態では、光学系が、第１のレーザ・ビームを第１の加工物の表面において位置決めする第１のビーム・ステアリング機構と、第２のレーザ・ビームを第２の加工物の表面において位置決めする第２のビーム・ステアリング機構とを含む。
【００６８】
いくつかの実施形態では、光学系が、第１のレーザ・ビーム、第２のレーザ・ビームまたは第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームの両方の周波数、強度またはパルス幅もしくはパルス持続時間を変更する少なくとも１つの調整装置を含み、それぞれの加工物を加工するときに第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームの強度が異なる。いくつかの実施形態では、第２のレーザ・ビームのパワーが第１のレーザ・ビームのパワーよりも大きく、第２のレーザ・ビームが、少なくとも毎秒１０，０００立方ミクロンの材料を除去するバルク材料除去を実行するように適合されており、第１のレーザ・ビームが、毎秒５０００立方ミクロン未満の材料を除去する微細加工を実行するように適合されている。
【００６９】
いくつかの実施形態によれば、荷電粒子ビームとレーザ・ビームの両方を用いて加工物を加工するシステムは、真空室と、真空室内の加工物を加工する荷電粒子ビーム・システムと、真空室の外側に配置された複数のレーザ源と、真空室の外側の前記複数のレーザ源から真空室内の加工物までレーザ・ビームを導くように構成された光学系とを備える。
【００７０】
いくつかの実施形態では、前記複数のレーザ源のうちの１つのレーザ源が第１の強度を有するビームを生成し、前記複数のレーザ源のうちの別のレーザ源が第２の強度を有するビームを生成し、第２の強度が第１の強度の１／２よりも小さい。いくつかの実施形態では、前記複数のレーザ源のうちの１つのレーザ源がフェムト秒レーザであり、前記複数のレーザ源のうちの別のレーザ源がナノ秒レーザまたは連続波レーザである。
【００７１】
いくつかの実施形態では、前記複数のレーザ源からのレーザ・ビームのうちの複数のレーザ・ビームが、同じ対物レンズによって加工物の表面で焦束する。いくつかの実施形態では、前記複数のレーザ源からのレーザ・ビームのうちの複数のレーザ・ビームが、異なる対物レンズによって加工物の表面で焦束する。
【００７２】
本発明のいくつかの実施形態によれば、荷電粒子ビームとレーザ・ビームの両方を用いて加工物を加工するシステムは、第１の加工物を含む真空室と、真空室内の第１の加工物を加工する荷電粒子ビーム・カラムと、第１の加工物を加工する第１のレーザ・ビームの源と、第１の加工物または第２の加工物を加工する第２のレーザ・ビームの源とを備え、第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームのビーム特性が異なり、第１のレーザ・ビームの源と第２のレーザ・ビームの源のうちの少なくとも一方の源が、第１のレーザ・ビームまたは第２のレーザ・ビームを真空室内の加工物まで導くように適合されている。
【００７３】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームの源および第２のレーザ・ビームの源が単一のレーザ・ビーム発生装置を含み、第１のレーザ・ビームの源と第２のレーザ・ビームの源のうちの少なくとも一方の源が、ビーム発生装置が発生させたビームの周波数、強度またはパルス幅もしくはパルス持続時間を変更するビーム調整装置を含む。いくつかの実施形態では、ビーム調整装置が、第１のレーザ・ビームのパワーが第２のレーザ・ビームのパワーの１／１０になるように構成されており、第２のレーザ・ビームがバルク除去に適し、第１のレーザ・ビームが微細機械加工に適する。いくつかの実施形態では、第２の加工物が真空室の外側に配置される。
【００７４】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームおよび第２のレーザ・ビームが真空室内の第１の加工物に導かれる。いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームが、同じ対物レンズによって加工物の表面で焦束する。いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームが、異なる対物レンズによって加工物の表面で焦束する。
【００７５】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームが、波長変換、パルス幅またはパルス周波数の変更、増幅および減衰のうちの１つのプロセスによって調整される。
【００７６】
いくつかの実施形態では、このシステムが、第１のレーザ・ビームおよび／または第２のレーザ・ビームに対して作用して、第１のレーザ・ビームまたは第２のレーザ・ビームを第１の加工物の表面の所望の位置に導くステアリング・ミラーをさらに備える。
【００７７】
本発明のいくつかの実施形態によれば、荷電粒子ビーム・システムを使用する方法は、第１のレーザ・ビームを導いて第１の加工物を加工するステップと、真空室の外側から第２のレーザ・ビームを導いて、第１の加工物または真空室内の第２の加工物を加工するステップと、荷電粒子ビームを導いて、前記第１の加工物または前記第２の加工物を加工するステップとを含み、対応する加工物の位置において、第１のレーザ・ビームの強度が第２のレーザ・ビームの強度よりも大きく、第１のレーザが、第２のレーザよりも速い速度で材料を除去し、第２のレーザが、荷電粒子ビームよりも速い速度で材料を除去する。
【００７８】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームを導くステップが、レーザ・ビーム発生装置から生じたビームを真空室の外側の第１の加工物に導くステップを含み、第２のレーザ・ビームを導くステップが、同じレーザ・ビーム発生装置から生じたビームを、ビーム調整装置を通して、真空室内の第２の加工物に向かって導くステップを含む。
【００７９】
いくつかの実施形態では、ビーム調整装置を通してビームを導くステップが、空間ビーム・プロファイル変更器、時間ビーム・プロファイル変更器、周波数シフタ、周波数逓倍光学部品、減衰器、増幅器、モード選択光学部品およびビーム拡大器のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームを導いて第１の加工物を加工するステップが、第１のレーザ・ビームを、真空室内に配置された第１の加工物に導くステップを含む。
【００８０】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームを導くステップおよび第２のレーザ・ビームを導くステップが、第１のレーザ・ビームを、対物レンズを通して、真空室内の第１の加工物に向かって導くステップ、および第２のレーザ・ビームを、同じ対物レンズを通して、真空室内の第１の加工物に向かって導くステップを含む。いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームを導くステップおよび第２のレーザ・ビームを導くステップが、第１のレーザ・ビームを、対物レンズを通して、真空室内の第１の加工物に向かって導くステップ、および第２のレーザ・ビームを、別の対物レンズを通して、真空室内の第１の加工物に向かって導くステップを含む。
【００８１】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームを導くステップおよび第２のレーザ・ビームを導くステップが、第１のレーザ発生装置から生じた第１のレーザ・ビームを導くステップを含み、第２のレーザ・ビームを導くステップが、第２のレーザ発生装置から生じた第２のレーザ・ビームを導くステップを含む。いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームを導くステップおよび第２のレーザ・ビームを導くステップが、第１のレーザ発生装置から生じた第１のレーザ・ビームを導くステップを含み、第２のレーザ・ビームを導くステップが、第１のレーザ発生装置から生じた第２のレーザ・ビームを導くステップを含み、第１のレーザ・ビームまたは第２のレーザ・ビーム、あるいは第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームの両方が、ビーム調整装置を通過して、強度、波長またはパルス幅もしくはパルス周波数を変化させる。
【００８２】
いくつかの実施形態では、第１のレーザ・ビームと第２のレーザ・ビームが、それぞれの加工物を同時に加工する。
【００８３】
本明細書に開示された着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。
【符号の説明】
【００８４】
１００  レーザ源またはレーザ発生装置
１０１  ビーム調整ステーション
１０２  第１の走査ミラー
１０４  加工物
１０８  ビーム・スプリッタ
１０９  第１の対物レンズ
１１０  ＦＩＢカラム
１１１  第２の走査ミラー
１１４  第２の対物レンズ
１２０  マルチ・レーザ・ビーム・システム
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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2014097531000002.pdf
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