(57)【要約】  組み合わされたレーザ／荷電粒子ビーム・システム。パルス・レーザは、集束イオン・ビームで可能な材料除去速度よりも数桁大きい材料除去速度で試料をミリングすることを可能にする。いくつかの実施形態では、走査電子顕微鏡が、レーザ加工中の試料の高分解能画像化を可能にする。いくつかの実施形態では、集束イオン・ビームが、試料のより正確なミリングを可能にする。レーザ・ミリングの間、画像化検出器の作動を停止させる方法および構造は、レーザ・ビームによって生み出されたプラズマ・プルームによる検出器の飽和に起因する画像化アーチファクトの除去を可能にする。いくつかの実施形態では、２つのタイプの検出器が使用され、１型検出器は、電子ビームまたはイオン・ビームを用いた試料の走査中の高利得の画像化を提供し、２型検出器は、レーザ・ミリング中のより低い利得の画像化および終点検出を可能にする。
2013524466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室と、
前記真空室内において加工物を支持する加工物支持具と、
イオンを発生させるイオン源および前記イオンを成形してビームにする集束カラムを含むイオン・ビーム・システムであって、前記加工物の位置における前記ビームの直径が１ミクロン未満であるイオン・ビーム・システムと、
電子を発生させる源および前記電子を成形してビームにする集束カラムを含む電子ビーム・システムであって、前記加工物の位置における前記ビームの直径が１ミクロン未満である電子ビーム・システムと、
前記真空室内の前記加工物に対して動作するレーザ・システムであり、レンズを含み、加工物から材料を除去するのに十分な大きさのエネルギーを有するパルス・レーザ・ビームを発生させるレーザ・システムであって、前記レーザ・ビームと、少なくとも一方の前記荷電粒子ビームとが前記試料上の同じ位置に入射するように、集束要素によって前記レーザ・ビームを前記試料上に集束させるレーザ・システムと
を備える荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２】
前記荷電粒子ビームの衝突によって前記加工物から放出された２次粒子を検出する第１の検出器と、
レーザ・ビーム・ミリングによって生み出された粒子によって前記第１の検出器が飽和しないように前記レーザ・ビームを前記試料上に集束させる前に前記第１の検出器の作動を停止させ、前記レーザ・ビーム・ミリングが完了し、レーザ・ミリングによって生み出された前記粒子が消散した後に前記第１の検出器を再び作動させるように構成された第１の検出器コントローラと
をさらに備える、請求項１に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３】
前記第１の検出器の作動を停止させることが、前記第１の検出器の捕集面に撥ね返すバイアス電圧を印加し、それによってレーザ・ビーム・ミリングによって生み出された粒子の捕集を防ぐことを含む、請求項２に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項４】
前記第１の検出器の作動を停止させることが、前記第１の検出器内の１つまたは複数の内部電圧をオフにし、それによって前記第１の検出器の利得を低減させまたはなくすことを含む、請求項２に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項５】
前記第１の検出器の作動を停止させることが、前記第１の検出器まで粒子が透過することを防ぐために、前記加工物と前記第１の検出器の間に取り付けられた１つまたは複数の偏向電極に電圧を印加することを含む、請求項２に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項６】
前記第１の検出器を作動させることが、前記第１の検出器の捕集面に引き付けるバイアス電圧を印加し、それによって前記荷電粒子ビームの衝突によって前記加工物から放出された前記粒子を前記捕集面に引き付けることを含む、請求項２に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項７】
前記第１の検出器が、検出対象の粒子が一対の検出器作動停止板間を通り抜けなければならないように前記一対の検出器作動停止板の後方に配置された検出器を含み、荷電粒子が前記検出器に衝突する代わりに前記検出器作動停止板に引き付けられるように、一方の検出器作動停止板を負電位にバイアスし、もう一方の検出器作動停止板を正電位にバイアスすることによって、前記検出器の作動を停止させることができる、請求項２に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項８】
前記検出器作動停止板を前記検出器と実質的に同じ電圧にバイアスすることによって、前記検出器を作動させることができる、請求項７に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項９】
前記第１の検出器が、荷電粒子ビーム・カラムの下方の荷電粒子ビーム軸上に配置されたマルチチャンネル・プレートを含み、前記マルチチャンネル・プレートが、検出対象の粒子が一対の作動停止格子を通り抜けなければならないように前記一対の検出器作動停止格子の上方に配置されており、荷電粒子が前記検出器に衝突する代わりに前記検出器作動停止格子に引き付けられるように、一方の検出器作動停止格子を負電位にバイアスし、もう一方の検出器作動停止格子を正電位にバイアスすることによって、前記検出器の作動を停止させることができる、請求項２に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１０】
前記第１の検出器が、少なくとも１０００倍の信号利得を有する第１の検出器型の検出器である、請求項２〜９のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１１】
前記第１の検出器が、シンチレータ−光電子増倍管検出器、チャンネルトロンまたは固体検出器を含む、請求項２〜１０のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１２】
前記第１の検出器型の少なくとも１つの追加の検出器をさらに備える、請求項２〜１１のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１３】
前記レーザ・ビーム・ミリングが完了し、レーザ・ミリングによって生み出された前記粒子が消散した後に前記第１の検出器を再び作動させることが、前記レーザ・ビーム・ミリングが完了し、０．１から１０μｓの遅延期間が終了した後に前記第１の検出器を再び作動させることを含む、請求項２〜１２のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１４】
前記レーザ・ビームの衝突によって前記加工物から放出された粒子を検出する第２の検出器型の第２の検出器であって、レーザ・ビーム・ミリングによって生み出された前記粒子によって飽和しない十分に低い利得を有する第２の検出器
をさらに備える、請求項２〜１３のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１５】
前記レーザ・ビームを前記試料上に集束させる前に前記第２の検出器を作動させ、前記レーザ・ビーム・ミリングが完了し、レーザ・ミリングによって生み出された前記粒子が消散した後に前記第２の検出器の作動を停止させるように構成された第２の検出器コントローラ
をさらに備える、請求項１４に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１６】
レーザ・ミリングによって生み出された前記粒子が消散したことを示す前記第２の検出器からの信号を受け取るとすぐに前記第１の検出器を再び作動させるように、前記第１の検出器コントローラが構成された、請求項１４〜１５のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１７】
レーザ・ミリングによって生み出された前記粒子が消散し、０．１から１０μｓの遅延期間が終了したことを示す前記第２の検出器からの信号を受け取るとすぐに前記第１の検出器を再び作動させるように、前記第１の検出器コントローラが構成された、請求項１４〜１５のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１８】
前記第２の検出器型が、１００倍以下の利得を有する検出器である、請求項１４〜１７のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項１９】
前記第２の検出器がファラデー・カップを含む、請求項１４〜１８のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２０】
前記第２の検出器が、前記レーザ・ビームの焦点の近くに取り付けられた、請求項１４〜１９のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２１】
前記第２の検出器型の少なくとも１つの追加の検出器を備える、請求項１４〜２０のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２２】
前記第２の検出器型の少なくとも１つの追加の検出器を備え、前記第２の検出器型の少なくとも１つの追加の検出器が、前記レーザ・ビームの焦点の近くであって、前記第２の検出器の位置とは反対側の位置に配置された、請求項２１に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２３】
前記第２の検出器と前記第２の検出器型の前記少なくとも１つの追加の検出器とのうちの一方の検出器を負電圧にバイアスし、もう一方の検出器を正電圧にバイアスして、前記試料の表面に平行な電場を生み出すことによって、前記第２の検出器を作動させる、請求項２２に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２４】
前記レーザ・システムが前記真空室の外側に配置され、前記レーザ・ビームが、透過性の窓を通って前記真空室に入る、請求項１〜２３のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２５】
前記レーザ・ビーム集束要素が放物面鏡である、請求項１〜２４のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２６】
前記レーザ・ビーム集束要素がレンズである、請求項１〜２５のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２７】
前記レーザ・ビームを前記試料上に導く平面鏡をさらに備える、請求項２６に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２８】
前記レンズが、前記レーザ・システムと前記鏡の間に配置された、請求項２７に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２９】
前記レーザ・ビームと前記荷電粒子ビームが軸と焦点の両方を共有する、前記請求項のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３０】
前記レーザ集束要素の位置を調整して、前記レーザ・ビームを前記試料上に配置し、前記レーザ・ビームを前記試料上に集束させることができる、前記請求項のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３１】
前記レーザ・ビーム集束要素が、少なくとも一方の前記荷電粒子ビームの経路上に配置されており、前記少なくとも一方の荷電粒子ビームが前記集束要素を通過して前記試料に到達することを可能にするために、前記レーザ・ビーム集束要素が、前記集束要素を貫通する穴を有する、請求項１〜３０のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３２】
前記集束要素が、前記レーザ・ビームのパターン形成および／または走査を可能にするテレセントリック・レンズである、請求項１〜３１のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３３】
前記レーザ・ビームが、光ファイバを使用することなく前記試料室内に導かれる、請求項１〜３２のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３４】
前記レーザが超短パルス・レーザを備える、請求項１〜３３のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３５】
真空室と、
前記真空室内において加工物を支持する加工物支持具と、
荷電粒子を発生させる荷電粒子源および前記荷電粒子を成形してビームにする集束カラムを含む荷電粒子ビーム・システムであって、前記加工物の位置における前記ビームの直径が１ミクロン未満である荷電粒子ビーム・システムと、
前記真空室内の前記加工物に対して動作するレーザ・システムであって、レンズを含み、レーザ・ビーム・ミリングによって加工物から材料を除去するのに十分な大きさのエネルギーを有するパルス・レーザ・ビームを発生させるレーザ・システムと
を備え、
前記レーザ・ビームと、少なくとも一方の前記荷電粒子ビームとが前記試料上の同じ位置に入射するように、前記真空室内の集束要素によって前記レーザ・ビームを前記試料上に集束させ、
さらに、
前記荷電粒子ビームの衝突によって前記加工物から放出された２次粒子を検出する第１の検出器と、
レーザ・ビーム・ミリングによって生み出された粒子によって前記第１の検出器が飽和しないように前記レーザ・ビームを前記試料上に集束させる前に前記第１の検出器の作動を停止させ、前記レーザ・ビーム・ミリングが完了し、レーザ・ミリングによって生み出された前記粒子が消散した後に前記第１の検出器を再び作動させるように構成された第１の検出器コントローラと
を備える荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３６】
前記レーザ・ビームの衝突によって前記加工物から放出された粒子を検出する第２の検出器であって、レーザ・ビーム・ミリングによって生み出された前記粒子によって飽和しない十分に低い利得を有する第２の検出器
をさらに備える、請求項３５に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３７】
前記レーザ・ビームを前記試料上に集束させる前に前記第２の検出器を作動させ、前記レーザ・ビーム・ミリングが完了し、レーザ・ミリングによって生み出された前記粒子が消散した後に前記第２の検出器の作動を停止させるように構成された第２の検出器コントローラ
をさらに備える、請求項３６に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３８】
レーザ・ミリングによって生み出された前記粒子が消散したことを示す前記第２の検出器からの信号を受け取るとすぐに前記第１の検出器を再び作動させるように、前記第１の検出器コントローラが構成された、請求項３６〜３７のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項３９】
前記レーザ・システムが前記真空室の外側に配置され、前記ビームが、透過性の窓を通って前記真空室に入る、請求項３６〜３８のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項４０】
加工物をレーザ加工する方法であって、
荷電粒子ビーム・システムおよびレーザ・システムを含むシステム内に加工物を装填するステップと、
前記加工物上に荷電粒子ビームを導くステップと、
前記荷電粒子ビームの衝突によって前記加工物から放出された２次粒子を第１の検出器を使用して検出することによって、前記加工物を画像化するステップと、
前記第１の検出器の作動を停止させるステップと、
前記レーザ・システムを使用してパルス・レーザ・ビームを発生させ、前記レーザ・ビームを前記加工物上に集束させるステップであって、前記パルス・レーザ・ビームが、レーザ・ビーム・ミリングによって加工物から材料を除去するのに十分な大きさのエネルギーを有し、所望の量の材料が除去されるまで前記レーザ・ビームを前記加工物上に集束させるステップと、
レーザ・ミリングによって生み出された粒子が消散した後に前記第１の検出器を再び作動させるステップと、
前記荷電粒子ビームを再び導いて前記加工物を画像化するステップと
を含む方法。
【請求項４１】
前記第１の検出器の作動を停止させた後に、前記レーザ・ビームの衝突によって前記加工物から放出された粒子を第２の検出器を使用することによって検出すること
をさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
レーザ・ミリングによって生み出された粒子が消散した後に前記第１の検出器を再び作動させることが、レーザ・ミリングによって生み出された粒子が消散したことを示す前記第２の検出器からの信号を受け取るとすぐに前記第１の検出器を再び作動させることを含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１の検出器が前記加工物を画像化するときに前記第２の検出器の作動を停止させ、前記第１の検出器の作動を停止させた後に前記第２の検出器を作動させる、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記第１の検出器の作動を停止させることが、レーザ・ビーム・ミリング中に生み出された荷電粒子が前記第１の検出器に引き付けられないように、前記第１の検出器上に電荷を配することを含む、請求項４０〜４３のいずれかに記載の方法。
【請求項４５】
前記第２の検出器の作動を停止させることが、前記荷電粒子ビームの衝突によって前記加工物から放出された荷電粒子が前記第２の検出器に引き付けられないように、前記第２の検出器上に電荷を配することを含み、前記第２の検出器を作動させることが、レーザ・ビーム・ミリング中に生み出された荷電粒子が前記第２の検出器に引き付けられるように、前記第２の検出器上に電荷を配することを含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
所望の量の材料が除去されるまで前記レーザ・ビームを前記加工物上に集束させることが、ミリングの終点に達したことを示す信号を前記第２の検出器から受け取るまで、前記レーザ・ビームを前記加工物上に集束させることを含む、請求項４１〜４５のいずれかに記載の方法。
【請求項４７】
ミリングの終点に達したことを示す前記信号が、前記レーザ・ミリングによって除去している材料の変化を示す信号を含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記加工物を画像化することが、前記荷電粒子ビームを使用したラスタ走査を開始し、前記レーザ・ビームを発射する準備が整うまで継続し、次いで前記荷電粒子ビームの前記走査を停止することを含み、レーザの準備が整ったら、所望の期間、前記試料上に前記ビームを集束させ、前記荷電粒子ビームを再び導いて前記加工物を画像化することが、走査を停止した同じ座標から前記走査を再開することを含む、請求項４０〜４７のいずれかに記載の方法。
【請求項４９】
前記一連のステップが１００μｓ未満で完了する、請求項４８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２０１０年４月７日に出願した米国仮出願第６１／３２１，５３９号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、レーザ・ビーム・システムを荷電粒子ビーム・システムと組み合わせることに関する。
【背景技術】
【０００３】
荷電粒子ビーム・システムは、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、修復および検査を含むさまざまな用途に使用されている。荷電粒子ビームにはイオン・ビームおよび電子ビームが含まれる。
【０００４】
集束ビーム中のイオンは一般に、表面から材料を物理的に追い出すことによって微細機械加工するのに十分な運動量を有する。電子はイオンよりもはるかに軽いため、電子ビームは一般に、エッチング剤蒸気と基板の間の化学反応を誘起することによって材料を除去することに限定される。イオン・ビームおよび電子ビームはともに、最も優れた光学顕微鏡によって達成することができる倍率および分解能よりも大きな倍率および高い分解能で表面を画像化する目的に使用することができる。
【０００５】
ガリウム液体金属イオン源（ｌｉｑｕｉｄ  ｍｅｔａｌ  ｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ）（ＬＭＩＳ）を使用するイオン・ビーム・システムは、高い精度で画像化し、ミリング（ｍｉｌｌｉｎｇ）し、付着させ、解析する能力を有するため、製造工程において幅広く使用されている。例えばガリウム液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）を使用するＦＩＢシステム内のイオン・カラムは、５から７ナノメートルの横方向の分解能を提供しうる。イオン・ビームは、画像化目的で使用されたときでも試料表面を傷つけることがあるため、イオン・ビーム・カラムはしばしば電子ビーム・カラムと組み合わされて、デュアル・ビーム・システムとして使用される。このようなシステムはしばしば、ターゲットに対する損傷を最小限に抑えつつ高分解能画像を提供することができる走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と、加工物を変更する目的および画像を形成する目的に使用することができる集束ビーム・システム、成形ビーム・システムなどのイオン・ビーム・システムとを含む。液体金属集束イオン・ビームと電子ビームとを含むデュアル・ビーム・システムはよく知られている。そのようなシステムには例えば、本発明の譲受人である米オレゴン州ＨｉｌｌｓｂｏｒｏのＦＥＩ  Ｃｏｍｐａｎｙから販売されているＱｕａｎｔａ  ３Ｄ  ＦＥＧ（商標）  Ｓｙｓｔｅｍなどが含まれる。例えば、イオン・ビームを使用して切削により集積回路にトレンチを形成し、次いで電子ビームを使用して、露出したトレンチの壁の画像を形成することができる。
【０００６】
残念なことに、高精度のミリングまたは試料除去ではしばしば、あるトレードオフを回避することができない。液体金属イオン源の加工速度はビーム中の電流によって制限される。電流を増大させると、ビームを小さなスポットに集束させることがより困難になる。ビーム電流を小さくすれば分解能を高くすることが可能になるが、そうすると腐食速度が低下し、したがって生産用途および実験室における加工時間が長くなる。ビーム電流を増大させることによって加工速度を高めると加工精度が低下する。
【０００７】
また、ビーム電流を大きくしたとしても、微細機械加工用途によっては、集束イオン・ビームによるミリングが依然として容認できないほどに低速であることがある。フェムト秒レーザを使用したミリングなど他の技法を使用して材料をより高速に除去することもできるが、それらの技法の分解能は、一般的なＬＭＩＳ  ＦＩＢシステムの分解能よりもはるかに低い。レーザは一般に、荷電粒子ビームよりもはるかに高い速度で基板にエネルギーを供給することができ、そのため、レーザの材料除去速度（レーザ・パルス繰返し速度１ｋＨｚで一般に最大７×１０6μｍ3／ｓ）は一般に荷電粒子ビームの材料除去速度（ガリウムＦＩＢで一般に０．１から３．０μｍ3／ｓ）よりもはるかに高い。レーザ・システムは、レーザ・アブレーションを含む異なるいくつかの機構を使用して微細機械加工を達成する。レーザ・アブレーションでは、小さな体積に急速に供給されたエネルギーによって基板から原子が爆発的に放出される。本明細書では、レーザ・ビームを使用して基板から材料を高速に除去するそのような方法を総称してレーザ・ビーム・ミリングと呼ぶ。
【０００８】
図１は、表面から材料を除去している先行技術のレーザの略図１０である。レーザ・ビーム１３を発生させている高出力パルス・レーザ１２を、ステージ１５によって支持されたターゲット材料１４上に集束させ、レーザ・フルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）がその材料のアブレーションしきい値を超えると、ターゲット材料の化学結合が切れ、材料は砕けて、一般に中性原子、分子およびイオンの混合物である高エネルギーの破片群となり、材料表面の上方にプラズマ・プルーム（ｐｌａｓｍａ  ｐｌｕｍｅ）１６を形成する。材料は、高エネルギーのプラズマ、ガスおよび固体片の混合物として反応領域を出るため、アブレーション・プロセスは、材料の爆発的な蒸発に似ており、これは、レーザ・ビーム１３が集束する点から上方へ材料破片１８を押し上げる。
【０００９】
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、材料除去速度はＧａ  ＦＩＢの１０6倍を超える。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。ビームを集束させることができるサイズは、一つにはビームの波長によって制限されるため（特に回折限界光学部品）、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・ビームよりも大きな分解能を有し、極めて小さな構造物を微細機械加工することができるが、ビーム電流が限定され、微細機械加工工程が容認できないほどに低速になることがある。一方、レーザ微細機械加工は一般にはるかに高速だが、分解能は本来的に、そのより長いビーム波長による回折限界によって制限される。
【００１０】
荷電粒子ビーム・システムをレーザ・ビーム・システムと組み合わせると、両方のシステムの利点を示すことができる。例えば、高分解能ＬＭＩＳ  ＦＩＢをフェムト秒レーザと組み合わせると、同じシステム内でのミリング用途の範囲を広げるために、レーザ・ビームを使用して材料を高速に除去し、イオン・ビームを使用して高精度の微細機械加工を達成することができる。電子ビーム・システムを単独でまたはＦＩＢとともに組み込むと、試料の非破壊的な画像化が可能になる。
【００１１】
集束イオン・ビーム加工をレーザ機械加工と組み合わせることは、例えば、本発明の譲受人に譲渡された、参照により本明細書に組み込まれているＳｔｒａｗ他の「Ｃｈａｒｇｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｂｅａｍ  Ｍａｓｋｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｂｌａｔｉｏｎ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ」という名称の米国特許出願第１２／３２４２９６号（２００８年１１月２６日）に記載されている。米国特許出願第１２／３２４２９６は、この背景技術の項に含まれていることによって先行技術であるとは認められない。
【００１２】
光ファイバを使用してレーザを荷電粒子ビーム・システムに結合することは知られている。しかしながら、光ファイバを使用して、超短レーザ・パルス（すなわち１０ｐｓよりも短いパルス）を送達することはできない。これは、弱く結合された単一モード・ファイバでは、群速度分散によってパルス持続時間に問題が生じ、一方で、レーザ・パルスに十分に結合された単一モード・ファイバは、比較的に低エネルギーの超短パルスによって達成可能な高いピーク出力によって損傷を受けるからである。
【００１３】
求められているのは、ＦＩＢ、ＳＥＭなどの荷電粒子ビーム・システム内にレーザ・ビームを、レーザ・ビームが荷電粒子ビームと同じ位置に入射し、荷電粒子ビームと軸を共有し、または荷電粒子ビームに隣接するように導入する改良された方法および装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国仮出願第６１／３２１，５３９号
【特許文献２】米国特許出願第１２／３２４２９６号
【特許文献３】米国特許出願第６１／０７９，３０４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題および課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の目的は、荷電粒子ビーム・システム内にレーザ・ビームを導入する改良された方法および装置を提供することにある。本発明の好ましい実施形態によれば、透過性の「窓」を通して荷電粒子システムの真空室内にレーザ・ビームを導入し、そのレーザ・ビームを、１つもしくは複数のレンズおよび／または１つもしくは複数の放物面鏡によって試料上に、好ましくはレーザ・ビームと荷電粒子ビームが同じ位置に入射するように集束させることができる。好ましいいくつかの実施形態では、荷電粒子ビームを通す穴であって、荷電粒子ビームとレーザ・ビームが軸と焦点の両方を共有するようにする穴を有するように、この集束レンズまたは集束鏡を形成することができる。
【００１６】
本発明の他の目的は、試料表面のレーザ・ミリングによって生み出された荷電粒子によって画像化検出器（「１型」検出器）が飽和することを防ぐ方法を提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、レーザ・ミリング中およびレーザによって生み出されたプラズマ・プルームが消散している間だけ作動する第２の検出器セット（「２型」検出器）を提供することにある。２型検出器からの出力信号を使用して、レーザ・ミリング・プロセスの終点検出を提供することができ、さらに、画像化検出器を再び作動させ、レーザが別のパルスを試料に発射する準備が整うまで画像化ラスタを継続するのに十分な程度までプラズマ・プルームが消散したことを示す信号を提供することができる。
【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１】表面の材料を除去している先行技術のレーザの略図である。
【図２】本発明の好ましい一実施形態に基づく組合せＳＥＭおよびレーザの略図である。
【図３Ａ】本発明の好ましい一実施形態に基づくデュアル・ビームＦＩＢ／ＳＥＭと共焦点レーザの組合せを示す図である。
【図３Ｂ】本発明の好ましい一実施形態に基づくデュアル・ビームＦＩＢ／ＳＥＭと共焦点レーザの組合せを示す図である。
【図４Ａ】図３Ａ−３Ｂの実施形態とともに使用するレーザ集束レンズ位置決めアセンブリを示す図である。
【図４Ｂ】図３Ａ−３Ｂの実施形態とともに使用するレーザ集束レンズ位置決めアセンブリを示す図である。
【図５】図４Ａ−４Ｂのレンズ位置決めアセンブリの断面を示す図である。
【図６】荷電粒子の源と試料の間に配置された放物面鏡を実装することによってレーザ・ビームが荷電粒子ビームと組み合わされた、本発明の好ましい他の実施形態を示す図である。
【図７】荷電粒子ビームに隣接して放物面鏡が配置された本発明の好ましい他の実施形態を示す図である。
【図８】荷電粒子の源と試料の間に平面鏡が配置された本発明の好ましい他の実施形態を示す図である。
【図９】穴を有するレンズが平面鏡の下方に配置され、したがってレンズがレーザ・ビームを試料上に集束させ、同時に荷電粒子の通過を依然として許す、本発明の好ましい他の実施形態を示す図である。
【図１０】荷電粒子ビームに隣接して平面鏡が配置された本発明の好ましい他の実施形態を示す図である。
【図１１】材料を高速に除去するレーザを、材料をさらに加工するＦＩＢおよび材料除去プロセスを複数の１型検出器を用いて監視するＳＥＭと組み合わせた、本発明の好ましい一実施形態に基づくシステムを示す図である。
【図１２】図１１の好ましい実施形態の動作の流れ図である。
【図１３】材料を高速に除去するレーザを、材料をさらに加工するＦＩＢおよび材料除去プロセスを複数の１型検出器および２型検出器を用いて監視するＳＥＭと組み合わせた、本発明の好ましい一実施形態に基づくシステムを示す図である。
【図１４】図１３の好ましい実施形態の動作の流れ図である。
【図１５】軸外れ１型検出器の好ましい一実施形態内の検出器作動停止板（ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｎｇ  ｐｌａｔｅ）の動作を示す図である。
【図１６】軸外れ１型検出器の好ましい他の実施形態内の検出器作動停止格子（ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｎｇ  ｇｒｉｄ）の動作を示す図である。
【図１６Ａ】図１６の好ましい実施形態内の検出器アセンブリの軸に沿った電圧の概略的なグラフである。
【図１６Ｂ】図１６の好ましい実施形態内の検出器アセンブリの端面図である。
【図１７】荷電粒子カラムの下方に配置された１型検出器の好ましい一実施形態内の検出器作動停止板の動作を示す図である。
【図１８】荷電粒子カラムの下方に配置された１型検出器の好ましい他の実施形態内の検出器作動停止格子の動作を示す図である。
【図１８Ａ】図１８の好ましい実施形態内の検出器アセンブリの軸に沿った電圧の概略的なグラフである。
【図１９】画像化中の１型検出器の作動および２型検出器の作動停止を示す図である。
【図２０】レーザ・パルシング中およびプラズマ・プルームの消散中の１型検出器の作動停止および２型検出器の作動を示す図である。
【図２１】試料のレーザ・アブレーションと試料の画像化の間の干渉を示す、先行技術のシステムの１型検出器からの画像を示す図である。
【図２２】図２１の中央部のクローズアップ画像を示す図である。
【図２３】図２１−２２よりも高いレーザ・フルエンスでの試料のレーザ・アブレーションと試料の画像化の間の干渉を示す、先行技術のシステムの１型検出器からの画像を示す図である。
【図２４】図２３の中央部のクローズアップ画像を示す図である。
【図２５】図２１−２２に示した好ましい実施形態での検出器の飽和の影響の概略的なグラフである。
【図２６】図２３−２４に示した例での検出器の飽和の影響の概略的なグラフである。
【図２７】レーザ・アブレーションの間、１型検出器が動作を停止するために試料のレーザ・アブレーションと試料の画像化の間の干渉を示さない、本発明の好ましい実施形態に基づくシステム内の１型検出器からのシミュレーションされた画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
添付図面は、本発明の理解を助けることが意図されており、特に明記しない限り、一律の尺度では描かれていない。これらの図面では、さまざまな図に示されている同一の構成要素またはほぼ同一の構成要素が、同様の符号によって示されている。見やすくするため、全ての図面の全ての構成要素に符号が付けられているわけではない。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態は、荷電粒子ビーム・システム内に超短パルス・レーザを導入する改良された装置を提供する。レーザを荷電粒子ビーム・システムと組み合わせると、独立型のシステムにはないいくつかの利点が得られる。例えば、高分解能液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）ＦＩＢをフェムト秒レーザと組み合わせると、同じシステム内でのミリング用途の範囲を広げるために、レーザ・ビームを使用して材料を高速に除去し、イオン・ビームを使用して高精度の微細機械加工を達成することができる。本発明の好ましい実施形態は、レーザ・ビームを荷電粒子ビームと組み合わせるために室光学部品内で使用することができるいくつかの方法を提供する。後述するいくつかの実施形態では、レーザ・ビームを透過させる材料から形成された窓を通して真空室内にレーザ・ビームを導入する。レーザが真空室内に配置された他の好ましい実施形態も本発明の範囲に含まれる。
【００２３】
当業者は、特に本明細書に提供された図を検討することによって、多くの代替実施形態を容易に認識するであろうが、この詳細な説明は本発明の好ましい実施形態を例示するものであり、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。本発明の好ましい方法または装置は多くの新規の態様を有する。本発明は、目的の異なる異なる方法または装置として実施することができるため、全ての実施形態に全ての態様が存在する必要はない。さらに、記載された実施形態の態様の多くは別々に特許を受けることができる。
【００２４】
図２は、荷電粒子ビーム・カラム２０１およびレーザ２０４の組合せを備える本発明の好ましい一実施形態２００を示す。図２の略図に示されているように、レーザ２０４からのレーザ・ビーム２０２は、真空室２０８内に配置されたレンズ２０６によって集束して収束レーザ・ビーム２２０となる。レーザ・ビーム２０２は窓２１０を通って真空室に入る。図２の実施形態では、荷電粒子ビーム２１２に隣接して配置された単一のレンズ２０６または一群のレンズ（図示せず）を使用してレーザ・ビーム２２０を、レーザ・ビーム２２０が試料２１４の位置２１６に衝突するときにレーザ・ビーム２２０が（荷電粒子ビーム集束カラム２０１によって生み出された）荷電粒子ビーム２１２と同じ位置に入射し、荷電粒子ビーム２１２と焦点を共有し、または荷電粒子ビーム２１２に隣接するような態様で集束させる。
【００２５】
図３Ａおよび３Ｂは、デュアル・ビームＦＩＢ／ＳＥＭと共焦点レーザの組合せを備える本発明の好ましい一実施形態３００を示す。図２と同様に、レーザ（図示せず）からのレーザ・ビーム３０２は、真空室３０８内に配置されたレンズ３０６によって集束する。図３の実施形態では、レーザ・ビーム３０２の位置決めおよび集束を、レンズ位置決めアセンブリ（ｌｅｎｓ  ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）３２０（「ＬＰＡ」）によって制御することができ、ＬＰＡ３２０を使用してレンズ３０６の位置（Ｘ、ＹおよびＺ）を調整することができる。ＬＰＡ管３２４およびレンズ３０６を通過するように、レーザによって生み出されたビームをＬＰＡ窓３２２を通して導くことができる。電子ビーム・カラム３１６および集束イオン・ビーム・カラム３１７によって生み出された荷電粒子ビームを、試料３１４上のレーザ・ビーム３０２と同じ位置に入射させることができる。
【００２６】
図４Ａ−４ＢはＬＰＡ３２０をより詳細に示す一実施形態４００を示す。真空室の外壁（破線４３２によって示されている）にＬＰＡの調整ヘッド４３０を取り付けることができる。ＸＹＺポジショナ４３４を使用して、Ｘ軸（４３６）、Ｙ軸（４３７）およびＺ軸（４３８）に沿ったレンズおよびレンズ管アセンブリの位置を調整することができる。図示の実施形態では、手動調整ノブ４４２および４４４を使用して、Ｘ軸およびＹ軸に沿ったレンズ・アセンブリの位置を調整することができ、回転アジャスタ４４６を手動で回転させて、レンズをＺ軸に沿って内側および外側へ移動させることができる。ＸおよびＹの調整は、レーザ・ビームが一方または両方の荷電粒子ビームと同じ位置に入射するように、レーザ・ビームを試料上に配置することを可能にする。Ｚの調整は、ビームを試料上に正確に集束させることを可能にする。さらに図５を参照すると、ベローズ（ｂｅｌｌｏｗｓ）５６８がＺ調整を可能にし、同時にレンズ管アセンブリ内を真空に維持する。図４Ａ−４Ｂには手動調整手段を示したが、知られている方法を使用した自動調整も可能であることを当業者は認識するであろう。
【００２７】
図５はＬＰＡ３２０の断面を示す。レーザ・ビーム３０２は窓３２２および管３２４を通って進む。調整ヘッド４３０は、ボルト５６２によって真空室４３２の外壁に取り付けることができる。調整ヘッドと真空室の外壁との間の接続部分を密封するために、Ｏリングまたは同様のシールのための空洞５６４を設けることができる。同様に、ベローズ５６８の上部および下部のＯリング５６３が、レンズ管アセンブリの内部に対する真空シールを提供する。
【００２８】
図６は、本発明の好ましい他の実施形態６００を示す。荷電粒子ビーム６１２の源（カラム６０１）と試料６１４の間に配置された放物面鏡６０７を実装することによって、レーザ・ビーム６０２を荷電粒子ビーム６１２と組み合わせることができる。放物面鏡６０７は、荷電粒子ビーム６１２が放物面鏡を通り抜け、試料に到達することを可能にする穴６０５を有することが好ましい。（レーザ６０４によって生み出され、窓６１０を通って室６０８に入った）レーザ・ビーム６０２は、鏡６０７によって反射し、同時に、レーザ・ビーム６０２と荷電粒子ビーム６１２が軸および焦点を共有するような態様で試料６１４上へ集束することになる。
【００２９】
図７は、カラム７０１によって生み出された荷電粒子ビーム７１２に隣接して放物面鏡７０７を配置することができる本発明の好ましい他の実施形態７００を示す。この場合、鏡７０７が穴を有する必要はないであろう。（レーザ７０４によって生み出され、窓７１０を通って室７０８に入った）レーザ・ビーム７０２を反射させ、レーザ・ビーム７０２が荷電粒子ビーム７１２と同じ位置に入射し、荷電粒子ビーム７１２と焦点を共有するか、または荷電粒子ビーム７１２に隣接するような態様で試料７１４上に集束させることができる。
【００３０】
図８に示す好ましい他の実施形態８００では、荷電粒子ビーム８１２の源（カラム８０１）と試料８１４の間に平面鏡８０７を配置することができる。この場合も、鏡８０７は、荷電粒子ビーム８１２が鏡８０７を通り抜け、試料８１４に到達することを可能にする穴８０５を有することが好ましい。この場合には、（レーザ８０４によって生み出され、窓８１０を通って室８０８に入った）レーザ・ビーム８０２を、鏡８０７に到達する前にレンズ８０６によって（または一群のレンズによって）集束させることができる。レンズ８０６（または一群のレンズ）に対して、鏡８０７は、レンズ８０６と試料８１４の表面のレンズの焦点との間に配置されることが好ましい。したがって、この場合も、レーザ・ビーム８０２と荷電粒子ビーム８１２は軸と焦点の両方を共有することになる。
【００３１】
図９の好ましい実施形態９００では、穴９１５を有するレンズ９０６を（やはり穴９０５を有する）平面鏡９０７の下方に配置することができ、レンズ９０６はしたがって、（レーザ９０４によって生み出され、窓９１０を通って室９０８に入った）レーザ・ビーム９０２を試料９１４上に集束させ、同時に、（カラム９０１によって生み出された）荷電粒子ビーム９１２の通過を依然として許す。この構成も、レーザ・ビーム９０２と荷電粒子ビーム９１２が軸と焦点の両方を共有することを可能にする。
【００３２】
図１０に示す好ましい実施形態１０００では、（カラム１００１によって生み出された）荷電粒子ビーム１０１２に隣接して平面鏡１００７を配置することができる。この場合、鏡１００７に穴は必要ない。（レーザ１００４によって生み出され、窓１０１０を通って室１００８に入った）レーザ・ビーム１００２は、レーザ１００４と鏡１００７の間または鏡１００７と試料１０１４の間に配置されたレンズ１００６によって試料１０１４上に集束することが好ましい。レンズ１００６をレーザ１００４と鏡１００７の間に配置する場合、好ましくは、鏡１００７を、レンズ１００７と試料表面１０１４のレンズの焦点との間に配置すべきである。この実施形態では、試料表面において、レーザ・ビーム１００２を荷電粒子ビーム１０１２と同じ位置に入射させ、荷電粒子ビーム１０１２と焦点を共有させることができ、または荷電粒子ビーム１０１２に隣接させることができる。
【００３３】
好ましい他の実施形態では、荷電粒子ビームに隣接して配置されたレンズまたは一群のレンズがテレセントリック・レンズ（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ  ｌｅｎｓ）（ｆシータ（ｆ−ｔｈｅｔａ））であることが好ましい。レーザ源とレンズの間に配置された走査鏡または一群の走査鏡と組み合わせると、この構成は、レーザ・ビームのパターン形成および／または走査を提供することができる。
【００３４】
鏡と試料の間にレンズのない鏡構成を含む前述のどの好ましい実施形態でも、レーザ・ビームのパターン形成および／または走査を提供するような方式で鏡を遠隔操作で動かすことができる。アライメントまたはパターン形成／走査に対する追加の自由度を提供するために、追加の鏡を追加することができる。さらに、レーザ・ビームと試料の間の最終光学要素としてレンズまたは一群のレンズを含む前述のどの好ましい実施形態でも、レーザ・ビームのパターン形成および／または走査を提供するような方式でレンズを遠隔操作で動かすことができる。
【００３５】
図１１は、材料を高速に除去するための（レーザ１１０６によって生み出された）集束レーザ・ビーム１１１８を、材料をさらに加工するための（ＦＩＢカラム１１０４によって生み出された）集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）１１５２および材料除去プロセスを監視するための（ＳＥＭカラム１１０２によって生み出された）電子ビーム１１５０と組み合わせる、本発明の好ましい一実施形態に基づくシステム１１００を示す。レーザ１１０６が鏡１１１０に向かってレーザ・ビーム１１０８を導き、鏡１１１０はレーザ・ビーム１１０８を反射させて反射ビーム１１１２を形成し、反射ビーム１１１２は透過性の窓１１１４を通して真空室１１５０内に導かれる。「透過性」とは、この窓が、使用している特定のタイプのレーザの波長に対して透過性であることを意味する。鏡１１１０（または同種の反射要素）を使用して、試料１１２０上のレーザ・ビーム１１１８の位置を調整することもできる。レンズ１１１６が、レーザ・ビーム１１１２（実質的に平行とすることができる）を集束させて、試料１１２０の表面または試料１１２０の表面付近に焦点を有する集束レーザ・ビーム１１１８とする。レーザ・ビーム１１１８は、機械加工中の試料１１２０の材料のアブレーションしきい値よりも大きなフルエンスで機能することができることが好ましい。本発明の実施形態は、十分なフルエンスを供給する、既存のまたは今後開発される任意のタイプのレーザを使用することができる。ある好ましいレーザは、ナノ秒ないしフェムト秒の短パルス・レーザ・ビームを提供する。適当なレーザには例えば、Ｔｉ：サファイア発振器もしくは増幅器、ファイバ・ベースのレーザ、またはイッテルビウムもしくはクロムがドープされた薄ディスク・レーザ（ｔｈｉｎ  ｄｉｓｋ  ｌａｓｅｒ）などがある。
【００３６】
アブレーションしきい値は基板材料の固有の特性であり、当業者は、さまざまな材料に対するアブレーションしきい値を、経験的にまたは文献から容易に決定することができる。例えば、シリコン基板の単一パルス・アブレーションしきい値は約１７０ｍＪ／ｃｍ2であり、そのため、本発明の好ましい実施形態に従ってシリコンを微細機械加工するためには、好ましくは、レーザ・フルエンスをこの値よりもわずかに大きくすべきである。ある好ましいレーザ・ビームは、１０ｎＪから１ｍＪの範囲のエネルギーおよび０．１Ｊ／ｃｍ2から１００Ｊ／ｃｍ2の範囲のフルエンスを有する。シリコン基板をミリングする好ましい一実施形態では、レーザ・ビームのフルエンスが１９０ｍＪ／ｃｍ2、パルス持続時間が１５０フェムト秒、スポット・サイズが２μｍである。他の実施形態では、レーザ・ビームのパルス・エネルギーが５０ｎＪ、フルエンスが０．４Ｊ／ｃｍ2である。
【００３７】
試料１１２０は一般に精密ステージ（図示せず）上に配置される。この精密ステージは、Ｘ−Ｙ平面内で試料を平行移動させることができることが好ましく、さらに、Ｚ軸に沿って加工物を平行移動させることができ、加えて、３次元構造を製造する際の融通性を最大にするために試料を傾けることおよび試料を回転させることができるとより好ましい。システム１１００は任意選択で、電子ビーム・カラム１１０２、イオン・ビーム・カラム１１０４またはその両方など、１つまたは複数の荷電粒子ビーム・カラムを含み、それらの荷電粒子ビーム・カラムを使用して、レーザ・アブレーション・プロセスを監視するために試料を画像化し、または（ＦＩＢミリングなどの）他の加工作業もしくは他の画像化作業を実施することができる。イオン・ビーム・カラム１１０４は一般にイオン・ビーム１１５２を形成し、イオン・ビーム１１５２は、試料表面１１２０のレーザ・ビーム１１１８の焦点または焦点付近に集束させることができる。ＦＩＢカラム１１０４はさらに、イオン・ビーム１１５２で基板表面を走査して、画像化および／またはＦＩＢミリングを実行することができる。システム１１００はさらに、電子ビーム１１５０または集束イオン・ビーム１１５２の存在下で基板１１２０と反応する前駆体ガスを供給するガス注入システム１１３０を含むことができる。
【００３８】
先行技術においてよく知られているように、電子ビーム・カラム１１０２は、電子を生み出す電子源（図示せず）と、試料表面１１２０のＳＥＭ画像化に使用することができる微小な焦点を結ぶ集束電子ビーム１１５０を形成する電子−光学レンズ（図示せず）とを備える。偏向コイルまたは偏向板（図示せず）によって、電子ビーム１１５０を試料１１２０の表面に配置することができ、または電子ビーム１１５０で試料１１２０の表面を走査することができる。これらのレンズおよび偏向コイルの動作は電源／制御ユニット（図示せず）によって制御される。これらのレンズおよび偏向ユニットは、電場、磁場または電場と磁場の組合せを使用することにより電子ビームを操作することができることに留意されたい。
【００３９】
試料室１１５０は、真空コントローラ（図示せず）の制御下にある高真空機械式ポンピング・システムを使用して試料室から排気するための１つまたは複数のガス出口を含むことが好ましい。試料室１１５０はさらに、そこを通して所望の圧力でガスを室に導入することができる１つまたは複数のガス入口を含むことが好ましい。
【００４０】
レーザ・ビーム１１１８は一般にパルス・レーザ・ビームであり、繰返し速度は１００Ｈｚから１０ｋＨｚの間であることが好ましく、５００Ｈｚから１５００Ｈｚの間であるとより好ましい。レーザの動作中に、レーザ・ビーム１１１８の衝突によって、試料１１２０の表面から、中性原子、分子、電子およびイオンの混合物１１２４が飛び出し、試料表面１１２０の上方にプラズマ・プルーム１１２６を形成する。この材料は、高エネルギーのプラズマ、ガスおよび固体片の混合物として反応領域を出るため、アブレーション・プロセスは材料の爆発的な蒸発に似ており、レーザ・ビーム１１１８が集束する点から上方へ材料破片１１２４を押し上げる。
【００４１】
多数の電子およびイオン（プラズマ・プルーム）のこの突然の生成が、結果的に、画像化に使用する荷電粒子検出器を飽和させることがある。荷電粒子ビーム・システムは一般に、荷電粒子ビームが試料に衝突することによって生み出された２次粒子を検出する１つまたは複数の検出器を使用する。これらの検出器はしばしば高い信号利得を特徴とし、試料を高速に画像化するのに十分な高い信号対雑音比を提供するためには一般に、この高い信号利得が必要である。アブレーション・プロセスによって生み出された荷電粒子の比較的に大きな束は、結果的に、これらの２次粒子画像化検出器をかなりの期間（例えば＞１０μｓ）飽和させる。この飽和の結果、アーチファクト（例えば白いスポットまたは筋（ｓｔｒｅａｋ））が生じることがあり、それらのアーチファクトは、レーザ・ミリングと同時に撮影された基板の画像の質を低下させる。
【００４２】
本発明の好ましい実施形態の１つの目的は、ここでは「１型検出器」と称する荷電粒子検出器のこの飽和を防ぐことである。１型検出器は、荷電粒子ビームの衝突によって試料から放出された２次電子、２次イオンまたは後方散乱電子のうちの１つまたは複数を検出するように構成された（一般に１０００倍を超える利得を有する）検出器と定義される。これらの信号電流は一般に、レーザ・ビーム１１１８によって生み出される電子およびイオンの電流１１２４よりも数桁小さい。したがって、レーザ・アブレーションによる粒子電流１１２４に１型検出器がさらされた場合には、１型検出器に対する信号飽和および／または損傷が起こりうることを出願人は見出した。したがって、本発明の好ましい実施形態の目的は、システム１１００などの一般的な荷電粒子画像化および／または荷電粒子加工システム内に見られる複数の１型検出器に対するこの信号飽和および／または損傷を防ぐことである。
【００４３】
図１１では、複数の１型検出器が検出器１１３２、１１３６および１１４０を含む。第１の１型検出器１１３２は、ＦＩＢビーム１１５２、電子ビーム１１５０およびレーザ・ビーム１１１８の側方に位置することが好ましく、第１の１型検出器１１３２は、レーザ・ビーム１１１８が試料１１２０に衝突することによって生み出された電子および／またはイオンの一部にさらされる。適当な検出器タイプの例には、シンチレータ−光電子増倍管検出器、チャンネルトロンまたは固体（ＰＩＮダイオード）検出器が含まれる。別の１型検出器１１３６はＳＥＭカラム１１０２の底面に位置することが好ましい。検出器１１３６は例えば、電子ビーム１１５０を試料１１２０の方へ通過させるための中心穴を有するチャンネル型電子倍増管プレートを含むことができる。別の１型検出器１１４０は、ＳＥＭカラム１１０２内に取り付けられることが好ましい。検出器１１４０は例えば、シンチレータ−光電子増倍管検出器を含むことができる。一般的なシステム１１００は、それぞれの位置１１３２、１１３６および１１４０に１つまたは複数の１型検出器を含むことができる。検出器１１３２、１１３６および１１４０はそれぞれ、ケーブル１１３４、１１３８および１１４２によって１型検出器コントローラ１１５２に接続されていることが好ましい。１型検出器コントローラ１１５２は、システム内にレーザ・ビーム１１１８またはプラズマ・プルーム１１２６が存在しないときに１型検出器を作動させることを可能にし、さらに、レーザ・パルスを発する直前に１型検出器の作動を停止させることを可能にする。これについては、図１２を参照して後により詳細に説明する。
【００４４】
１型検出器の作動を停止させるのにはさまざまな方法を使用することができ、それらの方法には、限定はされないが、以下の方法が含まれる：
１）１型検出器の捕集面に撥ね返すバイアス電圧（ｒｅｐｅｌｌｉｎｇ  ｂｉａｓ  ｖｏｌｔａｇｅ）を印加し、それによって粒子の捕集を防ぐ方法、
２）１型検出器の捕集面の近くにまたは１型検出器の捕集面に渡って取り付けられたスクリーン構造物または格子構造物に撥ね返すバイアス電圧を印加し、それによって粒子の捕集を防ぐ方法、
３）１型検出器内の１つまたは複数の内部電圧（例えば光電子増倍管上のバイアス電圧またはチャンネルトロンもしくはマルチチャンネル・プレートを横切るバイアス電圧）をオフにし、それによって検出器の利得を低減させまたはなくす方法、あるいは
４）検出器の捕集面まで粒子が透過することを防ぐために、試料と１型検出器の間に取り付けられた１つまたは複数の偏向電極に電圧を印加する方法。
【００４５】
１型検出器を作動させる方法は本質的に、上記の可能な方法とは反対のことを行うことになり、その結果、全ての場合に、１型検出器は再び、試料からの２次粒子および／または後方散乱粒子を捕集することができるようになる。１型検出器の作動停止状態と作動状態とを高速に切り替えることができるように、１型検出器の作動および作動停止を可能にする方法および構造のサイクル・タイムは短いことが好ましい。１型検出器の一般的な作動時間および作動停止時間は１００ｎｓから１０μｓの範囲にあり、１００ｎｓから２μｓの間にあるとより好ましい。図１５−１８は、軸から外して配置された１型検出器と荷電粒子カラムの下方に配置された１型検出器の両方について、検出器の作動停止および作動のための例示的な構造および電圧を示す。
【００４６】
図１２は、複数の１型検出器を備える図１１の好ましい実施形態の動作の流れ図１２００を示す（分かりやすくするため、検出器を作動させる方法および検出器の作動を停止させる方法の詳細は示されていない）。ブロック１２０２で、複数の１型検出器のうちの１つまたは複数の１型検出器の作動、ビームのアンブランキング（ｕｎｂｌａｎｋｉｎｇ）および走査ラスタの開始によって、新たな画像化／レーザ加工プロセスを開始する。ブロック１２０４で、試料表面を横切ってビームが（一般にあるラスタ・パターンに従って）移動すると、表面から、２次粒子および／または後方散乱粒子が放出され、それらの粒子は１型検出器（１つまたは複数）によって捕集されて、ＳＥＭ動作中の２次電子（ＳＥ）信号および／または後方散乱電子（ＢＳＥ）信号、ＦＩＢ動作中の２次イオン（ＳＩ）信号などの画像化信号（１つまたは複数）を提供する。判断ブロック１２０６は、図１１のレーザ１１０６などのレーザの状態を監視して、そのレーザがレーザ・ビームを発射する準備が整ったかどうかを判定する。一般的なパルス・レーザは、それぞれのレーザ・パルスの後に回復するための最短時間を有し、この回復時間がレーザの最大繰返し速度を決定する。直前のパルスから回復すると、そのレーザが再びレーザ・ビームを発射する準備が整う。ある場合には発射頻度を最大にすることが求められ、その場合には、レーザの準備が整うと、システム（図１のシステム１１００など）は最短の遅延でブロック１２０８に移行することになる。別の場合には、次のレーザ・パルスを発射する前に追加の画像化が求められることがあり、その場合、システムは、ブロック１２０８に移行する前に、レーザが再びレーザ・ビームを発射する準備が整った後も、さらにある期間、ブロック１２０４に留まることになる。レーザがレーザ・ビームを発射する準備が整い、オペレータまたはシステムがレーザ・ビームの発射を望んだら、走査ラスタを停止し、１型検出器（１つまたは複数）の作動を停止させる。しかしながら、これらの両方の条件が満たされるまで、システムは、ブロック１２０４で、１つまたは複数の１型検出器を使用して画像データを取得し続ける。この時点で、荷電粒子ビームを（任意選択で）ブランキングしてもよい。
【００４７】
作動の停止によって、プラズマ・プルーム（図１１のプルーム１１２６など）の潜在的に有害な影響から１型検出器が保護されたら、ブロック１２１０で、１つまたは連続する複数のレーザ・ビーム・パルスを試料に発射することができる。図１１の実施形態に関しては、ブロック１２１２で、所定の遅延期間、好ましくは０．１から１０μｓの遅延期間が終了した後に、ブロック１２１４に進む。この遅延期間は、プラズマ・プルームが試料から分散または消散することを可能にし、それによって１型検出器を前述のように保護する。本明細書で使用されるとき、プルームの分散または消散という表現は、レーザ・ビーム・ミリングによって生み出された粒子の一部が依然として存在する場合であっても、プルーム中の粒子によって１型検出器が飽和したり、かつ／または損傷したりすることがもはやない程度までプルームが分散または消散したことを言うために使用される。この遅延期間の後、ブロック１２１４で、１型検出器を再び作動させ、ブロック１２０８で走査ラスタを停止したＸ−Ｙ位置からラスタを再開することによって、システムを画像化モードに復帰させる。判断ブロック１２１６は、走査ラスタの完了に向けた進捗を監視し、ラスタが完了していない場合にはブロック１２０４に戻り、ラスタが完了した場合にはブロック１２１８へ進み、終了となる。好ましい実施形態では、検出器の作動を停止させ、レーザ・パルスを試料に導き、プルームが消散するのを待ち、検出器を再び作動させるこの全プロセスにかかる時間は数マイクロ秒、例えば１００μｓ未満でしかない。実際、レーザ・ミリングを実施しているときに試料の画像を見ているオペレータには、このミリングと荷電粒子ビームを用いた画像化が同時に行われているように見えることが好ましい。
【００４８】
図１３は、本発明の好ましい一実施形態に基づくシステム１３００を示す。システム１３００は、図１１のシステムと同じように構成されているが、複数の「２型」検出器１３６０および１３６４が追加されており、これらの２型検出器は、対応するそれぞれのケーブル１３６２および１３６６によって２型検出器コントローラ１３７８に接続されている。２型検出器は、飽和および／または損傷の危険なしにプラズマ・プルーム１１２６からの電子およびイオンを捕集することができる（図２０参照）。一般的な２型検出器は、１型検出器よりもはるかに低い利得（一般に１倍から１００倍）を有するファラデー・カップ（Ｆａｒａｄａｙ  ｃｕｐ）または他のタイプの検出器を含むことができる。好ましい一実施形態では、試料位置における立体角を十分に大きくして、プルーム１１２６からの電子および陰イオンのかなりの部分を（試料に対する正バイアスを用いて）捕集するために、レーザ・ビーム１１１８の焦点の近くに第１の２型検出器１３６０を取り付ける。このような検出器の取付けおよび位置決めは先行技術において知られており、プルームからの電子および陰イオンのかなりの部分が、プルームを正確に特徴づけられることを可能にする十分に大きな部分であることを当業者は認識するであろう。
【００４９】
第２の２型検出器１３６４は検出器１３６０から離して取り付けることができ、プルーム１１２６からの陽イオンのかなりの部分を捕集するために負にバイアスすることができる。２型検出器は、後述するように、レーザ・アブレーション・プロセスの終点の検出を可能にすることができる。
【００５０】
画像化中、２型検出器は、２次電子もしくは２次イオンまたは後方散乱電子を捕集しないことが好ましい。２型検出器による捕集は、画像化に対する高い信号対雑音比を低下させると考えられるためである。したがって、プルーム１１２６がないときには、２型検出器の作動は停止されており、１型検出器は作動していることが好ましい。反対に、レーザ・パルスの直前、およびレーザ・パルス後の試料の上方にプラズマ・プルームが依然として存在している間は、図１１−１２を参照して上で論じたようにして１型検出器の作動を停止させることが望ましい。２型検出器を作動させてプラズマ・プルームからの信号を捕集すると、以下のようないくつかのタイプの情報を提供することができる：
１）試料の上方にプラズマ・プルームが存在することを示す信号、したがって飽和および／または損傷から１型検出器を保護するために１型検出器を作動させることが望ましくない条件の存在を示す信号、
２）１型検出器の再作動および試料の画像化の再開を可能にするレベルまでプラズマ・プルームが消散したことを示す信号、
３）レーザ・アブレーション・プロセスがその下の材料層など所定の終点までのミリングを完了したとオペレータまたはシステムが判定することを可能にする終点判定信号など。
【００５１】
レーザ機械加工とともに使用される終点判定プロセスは、本発明の譲受人に譲渡された、参照により本明細書に組み込まれている「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ」という名称の米国特許出願第６１／０７９，３０４号（２００９年７月９日）に記載されている。１つのタイプの終点信号は、加工中の試料を解析する光電子収率分光（ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｙｉｅｌｄ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ）（ＰＹＳ）信号とすることができる。ＰＹＳでは、レーザ・ビームが光電子の放出を誘起し、それらの光電子を、複数の２型検出器のうちの１つまたは複数の２型検出器が捕集して、１レーザ・パルスごとに生み出される電子およびイオンの数に関する情報を提供することができる。この数は、その時点でレーザによって除去されている材料を示し、したがって終点判定信号および／または解析ツールの役目を果たしうる。
【００５２】
２型検出器は、図２０を参照して後に論じるように、プラズマ・プルームからの電子またはイオンを捕集するためのバイアス電圧を印加することによって作動させることができる。２型検出器の作動の停止は、図２０を参照して後に論じるように、この捕集バイアス電圧を除くことによって達成することができる。
【００５３】
図１４は、１型検出器と２型検出器の両方をそれぞれ複数備える図１３の好ましい実施形態の動作の流れ図１４００を示す（分かりやすくするため、個々の１型検出器および２型検出器を作動させる方法およびそれらの検出器の作動を停止させる方法の詳細は示されていない）。ブロック１４０２で、複数の１型検出器のうちの１つまたは複数の１型検出器の作動、２型検出器の作動停止、ビームのアンブランキングおよび走査ラスタの開始によって、新たな画像化／レーザ加工プロセスを開始する。ブロック１４０４で、試料表面を横切ってビームが（一般にあるラスタ・パターンに従って）移動すると、表面から、２次粒子および／または後方散乱粒子が放出され、それらの粒子は１型検出器（１つまたは複数）によって捕集されて、ＳＥＭ動作中の２次電子（ＳＥ）信号および／または後方散乱電子（ＢＳＥ）信号、ＦＩＢ動作中の２次イオン（ＳＩ）信号などの画像化信号（１つまたは複数）を提供する。判断ブロック１４０６は、レーザの状態を監視して、そのレーザがレーザ・ビームを発射する準備が整ったかどうかを判定する。レーザがレーザ・ビームを発射する準備が整い、オペレータまたはシステムがレーザ・ビームの発射を望んだら、ブロック１４０８へ進む。両方の条件が満たされるまで、システムは、ブロック１４０４で、１つまたは複数の１型検出器を使用して画像データを取得し続けることができる。
【００５４】
ブロック１４０８で、走査ラスタを停止し、１型検出器（１つまたは複数）の作動を停止させ、複数の２型検出器のうちの１つまたは複数の２型検出器を作動させることができる。この時点で、荷電粒子ビームを（任意選択で）ブランキングしてもよい。作動の停止によって、プラズマ・プルームの潜在的に有害な影響から１型検出器が保護されたら、ブロック１４１０で、１つまたは連続する複数のレーザ・ビーム・パルスを試料に発射することができる。図１３の実施形態に関しては、ブロック１４１２で、所定の遅延期間、好ましくは０．１から１０μｓの遅延期間が終了した後に、システムは動作を再開する。さらに、このシステムは、２型検出器の出力（１つまたは複数）も監視して、プラズマ・プルームが分散したかどうかを検出する。
【００５５】
好ましい一実施形態では、（１）レーザ・パルスが発射されてから所定の最短遅延期間が経過したことと、（２）２型検出器によってプラズマが検出されなかったことの両方が起こったときにだけ、システムはブロック１４１４に進む。この最短遅延期間は、プラズマが分散したとの誤った信号を２型検出器が発した場合に１型検出器を保護するバックアップとして使用することができる。これらの条件がともに満たされたら、ブロック１４１４で、複数の１型検出器のうちの１つまたは複数の１型検出器を再び作動させ、２型検出器の作動を停止させ、ブロック１４０８で走査ラスタを停止したＸ−Ｙ位置からラスタを再開することによって、システムを画像化モードに復帰させる。判断ブロック１４１６は、走査ラスタの完了に向けた進捗を監視し、ラスタが完了していない場合にはブロック１４０４に戻り、ラスタが完了した場合にはブロック１４１８へ進み、終了となる。前述の方法と同様に、好ましい実施形態では、１型検出器の作動を停止させ、２型検出器を作動させ、レーザ・パルスを試料に導き、プルームが消散するのを待ち、２型検出器の作動を停止させ、１型検出器を再び作動させるこの全プロセスにかかる時間は数マイクロ秒、例えば１００μｓ未満でしかない。実際、レーザ・ミリングを実施しているときに試料の画像を見ているオペレータには、このミリングと荷電粒子ビームを用いた画像化が同時に行われているように見えることが好ましい。
【００５６】
図１５は、軸外れ１型検出器（図１１および１３の検出器１１３２など）の好ましい一実施形態内に検出器作動停止板１５０８および１５１０を含む検出器アセンブリの好ましい一実施形態１５００を示す。検出器アセンブリ１５００は、検出器作動停止板１５０８および１５１０の後方に配置された検出器１５０２を備え、検出器作動停止板１５０８および１５１０は、対応するそれぞれのケーブル１５１４および１５１６によって１型検出器コントローラ１１５２（図１１および１３に示されている）に接続されている。検出器１５０２は、ケーブル１５１２によって１型コントローラに接続されている。検出器アセンブリ１５０４内の板１５０８および１５１０は平板とすることができ、または円弧を含むことができ、図示されているように正および負のバイアス電圧が印加されている。
【００５７】
検出器１５０２への電子およびイオンの透過を、電子（または陰イオン）軌道１５３２およびイオン軌道１５３０によって示されているようにして実質的に低減させまたは防ぐことによって、検出器板１５０８および１５１０は１型検出器作動停止機能を実行することができる。板１５１０上の負電圧は、図１１および１３のプラズマ・プルーム１１２６などのプラズマ・プルームからの陽イオンを捕集する。板１５０８上の正電圧は、プラズマ・プルームからの電子および陰イオンを捕集する。その結果、プラズマ・プルームからの中性粒子だけが検出器１５０２に衝突しうる。この中性束は、プラズマ・プルームを見通す線上に位置しないように検出器１５０２の入口を構成することによって、低減させまたは実質的に排除することができる。この軸外れ１型検出器を作動させるには、板１５０８上の電圧および板１５１０上の電圧を、検出器１５０２の入口の電圧と実質的に等しくなるように設定することが考えられる。
【００５８】
図１６は、軸外れ１型検出器（図１１および１３の検出器１１３２など）の他の実施形態内の検出器作動停止格子１６０８および１６１０の動作を示す１６００。検出器アセンブリ１６０４は、検出器作動停止格子１６０８および１６１０の後方に配置された検出器１６０２を備え、検出器作動停止格子１６０８および１６１０は、対応するそれぞれのケーブル１６１４および１６１６によって１型検出器コントローラ１１５２（図１１および１３に示されている）に接続されている。検出器１６０２は、ケーブル１６１２によって１型コントローラに接続されている。
【００５９】
図１６Ａでは、検出器アセンブリ１６０４の軸に沿った電圧の概略的なグラフ１６６０が、格子１６０８上の正電圧と格子１６１０上の負電圧の組み合わせが、陽イオン（軌道１６３０）ならびに電子および陰イオン（軌道１６３２）の透過をどのようにして防ぐのかを示している。電子および陰イオンは、格子１６１０を通過する前に方向を反転させるように示されており、これらの負に帯電した粒子の一部は正にバイアスされた格子１６０８に衝突しうる。格子１６０８から放出された２次粒子または後方散乱粒子は、格子１６１０上の負バイアスのため検出器１６０２の入口に到達することができない。プラズマ・プルームからの中性粒子だけが検出器１６０２に衝突しうる。図１５の検出器アセンブリと同様に、この中性束は、プラズマ・プルームを見通す線上に位置しないように検出器１６０２の入口を構成することによって、低減させまたは実質的に排除することができる。この軸外れ１型検出器１６０４を作動させるには、両方の格子１６０８および１６１０上の電圧を、検出器１６０２の入口の電圧と実質的に等しくなるように設定することが考えられる。
【００６０】
図１６Ｂには、検出器１６０４内を見た端面図が示されている。入口開口１６０６を通して第１の格子１６０８だけが見える。
【００６１】
図１７は、荷電粒子カラムの底面の下方に配置された１型検出器（図１１および１３の検出器１１３６など）の好ましい一実施形態内の検出器作動停止板１７０８および１７１０の動作を示す。１型検出器アセンブリ１７００は、検出器作動停止板１７０８および１７１０の上方に配置された（一般的なデュアル・シェブロン（ｄｕａｌ−ｃｈｅｖｒｏｎ）構成の）一対のマルチチャンネル・プレート（ＭＣＰ）１７０４および１７０６を備え、検出器作動停止板１７０８および１７１０は、対応するそれぞれのケーブル１７１４および１７１６によって１型検出器コントローラ１１５２（図１１および１３に示されている）に接続されている。ＭＣＰ１７０４および１７０６は、対応するそれぞれのケーブル１７１２および１７１３によって１型コントローラに接続されている。ＭＣＰ１７０４の上方には荷電粒子カラムの下端１７０２が示されている。本発明のこの好ましい実施形態のさらなる重大な利点は、プラズマ・プルームからの汚染物質がカラムの底面、さらにはカラムの内部に付着することが相当に低減する可能性があることである。このタイプの汚染は時に抵抗性の付着物を形成し、そのような付着物は帯電し、荷電粒子ビームを偏向させることがある。
【００６２】
試料１７８０からの電子およびイオンのＭＣＰ１７０６への透過を大幅に低減させまたは防ぐ１型検出器作動停止機能が、電子軌道１７３２およびイオン軌道１７３０によって示されている。板１７１０上の負電圧は、図１１および１３のプルーム１１２６などのプラズマ・プルームからの陽イオンを捕集する。板１７０８上の正電圧は、プラズマ・プルームからの電子および陰イオンを捕集する。プラズマ・プルームからの中性粒子だけがＭＣＰ１７０６に衝突しうる。この軸外れ１型検出器１７０４を作動させるには、両方の板１７０８および１７１０上の電圧を、検出器１７０６の入口の電圧と実質的に等しくなるように設定することが考えられる。
【００６３】
図１８は、荷電粒子カラムの下方に配置された図１１および１３の検出器１１３６などの１型検出器の好ましい他の実施形態内の検出器作動停止格子１８０８および１８１０の動作を示す。１型検出器アセンブリ１８００は、検出器作動停止格子１８０８および１８１０の上方に配置された（一般的なデュアル・シェブロン構成の）一対のマルチチャンネル・プレート（ＭＣＰ）１８０４および１８０６を備え、検出器作動停止格子１８０８および１８１０は、対応するそれぞれのケーブル１８１４および１８１６によって、図１１および１３のコントローラ１１５２などの１型検出器コントローラ（図示せず）に接続されている。ＭＣＰ１８０４および１８０６は、対応するそれぞれのケーブル１８１２および１８１３によって１型コントローラに接続されている。ＭＣＰ１８０４の上方には荷電粒子カラムの下端１８０２が示されている。図１７と同様に、本発明のこの好ましい実施形態のさらなる重大な利点は、プラズマ・プルームからの汚染物質がカラムの底面、さらにはカラムの内部に付着することが相当に低減する可能性があることである。
【００６４】
図１８Ａは、１型検出器アセンブリの軸に沿った電圧の概略的なグラフ１８６０を示しており、このグラフは、格子１８０８上の正電圧と格子１８１０上の負電圧の組み合わせが、試料１８８０からの陽イオン（図１８の軌道１８３０）ならびに電子および陰イオン（図１８の軌道１８３２）の透過をどのようにして防ぐのかを示している。電子および陰イオンは、格子１８１０を通過する前に方向を反転させるように示されている。これらの負に帯電した粒子の一部は正にバイアスされた格子１８０８に衝突しうる。格子１８０８から放出された２次粒子または後方散乱粒子は、格子１８１０上の負バイアスのためＭＣＰ１８０６の入口に到達することができない。プラズマ・プルームからの中性粒子だけがＭＣＰ１８０６に衝突しうる。この軸外れ１型検出器を作動させるには、両方の格子１８０８および１８１０上の電圧を、ＭＣＰ１８０６の入口の電圧と実質的に等しくなるように設定することが考えられる。
【００６５】
荷電粒子カラム内に配置された図１１および１３の検出器１１４０などの１型検出器は、荷電粒子カラム内の（カラムの下端と検出器１１４０の間の）１または複数の既存の電極を利用して、カラム内の１型検出器の入口から電子およびイオンをそらすことができる。図１５−１８は、１型検出器の例示的な好ましい実施形態を示すが、１型検出器を作動させ、１型検出器の作動を停止させる他の構造および方法も本発明の範囲に含まれる。
【００６６】
図１９は、画像化中の（カラムの底面の下方に配置された）１型検出器の作動および２型検出器の作動停止を示す１９００。この図には、図１８の１型検出器ならびに２つの２型検出器１９１０および１９１２が示されており、２型検出器１９１０および１９１２は、対応するそれぞれのケーブル１９５０および１９５２によって２型検出器コントローラ１３７８（図１３に示されている）に接続されている。画像化中は、図１４のブロック１４０２に記載されているように、図１９に示すように２型検出器の捕集端に０Ｖを印加することによって、２型検出器の作動が停止されている。したがって、試料１８８０と２型検出器１９１０および１９１２との間には、電子またはイオンを２型検出器内へ引き入れる電場が存在しない。２次粒子および後方散乱粒子は一般に、１次荷電粒子ビーム１９０２が試料１８８０に衝突した位置１９０８から出現して上方へ移動するため、検出器１９１０および１９１２によって捕集されるのは２次粒子および後方散乱粒子のごく一部だけである。２次粒子および／または後方散乱粒子１９３２のはるかに大部分が格子１８０８および１８１０を通過して、ＭＣＰ１８０６によって捕集される。
【００６７】
図２０は、レーザ・パルシング２００２中およびプラズマ・プルーム２０４５の消散中の１型検出器の作動停止および２型検出器の作動を示す、図１９のカラム構成２０００を示す。検出器作動停止格子１８０８および１８１０は、図１８と同様に、例えば試料１８８０の表面の位置２００８にレーザ・ビーム２００２が衝突することによって生み出される電子、陰イオン１８３２および陽イオン１８３０の大きな束から（マルチチャンネル・プレート１８０６および１８０４を含む）１型検出器を保護するようにバイアスされている。格子１８０８および１８１０の作動停止機能は図１８に示したとおりである。２型検出器１９１０の捕集端に正バイアスが印加されて、プラズマ・プルーム２０４５からの電子および陰イオン２０３２を引き付ける。２型検出器１９１２の捕集端に負バイアスが印加されて、プラズマ・プルーム２０４５からの陽イオン２０３０を引き付ける。検出器１９１０と検出器１９１２の間の電圧差によって試料１８８０の表面に平行な電場が生じ、この電場が、２型検出器がない場合（例えば図１１の構成）よりも短い時間でプラズマ・プルーム２０４５を「払いのける」役割を果たし、したがって、２型検出器を追加すると、１型検出器を保護する（例えば図１４のブロック１４１２および１４１４）のに必要な時間が短縮されることによってスループットが向上するというさらなる利点が得られる。２型検出器の他の利点は、１型検出器やレーザ・ビームを集束させるレンズ（図３Ａ−４Ｂのレンズ３０６など）などのシステム内の構造物を、プラズマ・プルームに起因する起こりうる損傷から保護することである。正にバイアスされた２型検出器および負にバイアスされた２型検出器によって捕集された部分のプラズマ・プルームは、それらの検出器および構造物に到達することができず、それらの損傷を引き起こすおそれがない。
【００６８】
図２１は、試料のレーザ・アブレーションと試料の画像化の間の干渉を示す１型検出器からの画像２１００を示す。白い破線の正方形２１０６で囲われた、画像２１００の中央の小領域のクローズアップ画像が図２２に示されている。ビームは、Ｘ軸２１０２に沿って右へ走査し、したがって検出器の飽和に起因する白い筋は水平であり、その筋は、左の画素が最も明るく（レーザ・パルス中）、右へ行くにつれて（プラズマ・プルームが消散するにつれて）消滅する。Ｙ軸（垂直下向き）２１０４はラスタの低速走査方向である。この例では、レーザ・パルス中またはプラズマ・プルームが消散している間も１型検出器の作動は停止されておらず、そのため、それぞれのレーザ・パルスによって誘起されたプラズマ・プルームからの電子およびイオンが検出器を飽和させる。ビームが、それぞれの走査線に沿って右方向へ水平に走査すると、プラズマ・プルームからの荷電粒子が検出器によって捕集され、それによって白い画素（最大輝度）が２２０６から始まり右方へ延び、点２２０８を過ぎると緩やかに消滅する。レーザ・パルスとレーザ・パルスの間に１型検出器は回復し、高信号対雑音比の画像を提供することができようになる。後に説明する図２５は、２つのレーザ・パルスの前、間および後の画像輝度の概略的なグラフである。
【００６９】
図２３は、前の図２１−２２の例よりも高いレーザ・ビーム強度での試料のレーザ・アブレーションと試料の画像化の間の干渉を示す１型検出器からの画像２３００を示す。破線の正方形２３０６で囲われた画像２３００の中央の小領域のクローズアップ画像が図２４に示されている。ビームは、Ｘ軸２３０２に沿って右へ走査し、したがって検出器の飽和に起因する白い筋は水平であり、その筋は、左の画素が最も明るく（レーザ・パルス中）、右へ行くにつれて（プラズマ・プルームが消散するにつれて）消滅する。Ｙ軸（垂直下向き）２３０４はラスタの低速走査方向である。この例では、レーザ・パルス中またはプラズマ・プルームが消散している間も１型検出器の作動は停止されておらず、そのため、それぞれのレーザ・パルスによって誘起されたプラズマ・プルームからの電子およびイオンが検出器を飽和させる。図２１−２２の例に比べてレーザ強度が高いため、検出器の飽和の程度はこの図の例の方がはるかに高く、その結果、それぞれのレーザ・パルスの後の１型検出器の回復時間はより長くなる（図２４も参照されたい）。白い画素（最大輝度）は２４０６から始まり、右方へ遠くまで延び、点２４０８を過ぎると非常に緩やかに消滅する。図２１−２２の状況とは違い、レーザ・パルスとレーザ・パルスの間に１型検出器は十分には回復することができず、したがって画像は全体的に図２１−２２の画像よりも明るい。後に説明する図２６は、２つのレーザ・パルスの前、間および後の画像輝度の概略的なグラフである。
【００７０】
図２５は、１型検出器の作動を停止させないときの図２１−２２に示したケースでの検出器の飽和の影響の概略的なグラフである。画像輝度（Ｙ軸２５０４）は時間（Ｘ軸２５０２）の関数としてプロットされている。レーザ・パルス２５０６の画像飽和とレーザ・パルス２５０８の画像飽和を所望のスケールで同じグラフ上に示すことができるように、Ｘ軸は、データの中断２５３０を有するように示されている。時刻２５０６の最初のレーザ・パルスの前の画像輝度２５１４は飽和していない。輝度曲線の破線部分２５１６は正しい画像輝度、すなわちレーザ・パルス中およびプラズマ・プルームが消散している間は１型検出器の作動を停止させることができる本発明のさまざまな実施形態を使用していれば表示されたであろう画像輝度を表す。しかしながら、検出器の作動は停止されないため、システム・オペレータに実際に示されるのは不正確な輝度曲線であり、その曲線は、急激な上昇２５２０、それに続く飽和した複数の画素２５２２（全ての画素が最大輝度２５１２を示す）、およびそれに続く輝度の緩やかな低下２５２４を含み、最終的には飽和していない画像輝度曲線２５１８となる。その後、輝度曲線は、時刻２５０８の次のレーザ・パルスまで検出器によって正しく決定されるであろう。レーザ・パルスとレーザ・パルスの間の時間間隔２５８０は一般に０．５から２．０ｍｓである。
【００７１】
図２６は、１型検出器の作動を停止させないときの図２３−２４に示したケースでの検出器の飽和の影響の概略的なグラフである。画像輝度（Ｙ軸２６０４）は時間（Ｘ軸２６０２）の関数としてプロットされている。レーザ・パルス２６０６の画像飽和とレーザ・パルス２６０８の画像飽和を所望のスケールで同じグラフ上に示すことができるように、Ｘ軸は、データの中断２６３０を有するように示されている。時刻２６０６の最初のレーザ・パルスの前の画像輝度２６１４は飽和していない。輝度曲線２６１６の破線部分は正しい画像輝度、すなわちレーザ・パルス中およびプラズマ・プルームが消散している間は１型検出器の作動を停止させることができる本発明のさまざまな実施形態を使用していれば表示されたであろう画像輝度を表す。しかしながら、検出器の作動は停止されないため、システム・オペレータに実際に示されるのは不正確な輝度曲線であり、その曲線は、急激な上昇２６２０およびそれに続く飽和した複数の画素２６２２（全ての画素が最大輝度２６１２を示す）を含む。レーザ・パルスのパワーがより大きいため、図２６は、図２５に見られる飽和期間よりもかなり長い飽和期間を示している。検出器の飽和の程度がより大きいため、飽和していない正しいレベルまでの輝度の低下を示す曲線も、図２６の方がより長く、より緩やかである。曲線２６２４は最終的に、飽和していない画像輝度曲線２６１８となる。その後、輝度曲線は、時刻２６０８の次のレーザ・パルスまで検出器によって正しく決定されるであろう。検出器内の回復が長期間かかる影響で、曲線２６１８の画像輝度は、平均検出器信号レベルのある増大およびコントラストの低下を示す。レーザ・パルスとレーザ・パルスの間の時間間隔２６８０は一般に０．５から２．０ｍｓである。
【００７２】
図２７は、１型検出器の作動停止を実施するシステム内の１型検出器からの画像２７００を示し、この画像は、試料のレーザ・アブレーションと試料の画像化の間の干渉を示していない。高速走査軸２７０２は水平右方向であり、低速走査軸２７０４は垂直下方向である。図１２の流れ図に記載された方法および図１４の流れ図に記載された方法はいずれも、それぞれのレーザ・パルスの直前からプラズマ・プルームが消散した後までの期間、１型検出器の作動を停止させることにより、１型検出器を飽和から保護することを可能にすると思われる。
【００７３】
本発明は幅広い適用可能性を有し、上記の例において説明し、示した多くの利点を提供することができる。本発明の実施形態は、具体的な用途によって大きく異なり、全ての実施形態が、これらの全ての利点を提供するわけではなく、本発明によって達成可能な全ての目的を達成するわけではない。上記の説明の多く部分が半導体デバイスまたはウェーハを処理することを対象としているが、本発明は、適当な任意の基板または表面に対して使用することができる。本発明を実施するのに適した粒子ビーム・システムは例えば、本出願の譲受人であるＦＥＩ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。レーザ加工中により正確な終点判定信号を提供するため、２型検出器は、２次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）を備えることができる。図面は、真空システムの外側にあるレーザを示しているが、真空システム内にレーザを有するシステム構成も本発明の好ましい実施形態の範囲に含まれる。
【００７４】
以上の本発明の説明は主に、レーザを荷電粒子ビーム・システムと組み合わせる装置を対象としているが、そのような装置を使用する方法も本発明の範囲に含まれることを認識すべきである。さらに、本発明の実施形態は、コンピュータ・ハードウェアによって、ハードウェアとソフトウェアの組合せによって、またはコンピュータ可読の非一時的記憶装置に記憶されたコンピュータ命令によって実現することができることも認識すべきである。本発明の方法は、標準プログラミング技法を使用し、本明細書に記載された方法および図に基づいてコンピュータ・プログラムとして実現することができ、このコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・プログラムを含むように構成されたコンピュータ可読の非一時的記憶媒体を含み、そのように構成された記憶媒体は、コンピュータを、予め定義された特定の方式で動作させる。コンピュータ・システムと通信するため、それぞれのプログラムは、高水準手続き型プログラミング言語またはオブジェクト指向プログラミング言語で実現することができる。しかしながら、所望ならば、それらのプログラムを、アセンブラ言語または機械語で実現することもできる。いずれにせよ、その言語は、コンパイルまたは解釈される言語とすることができる。さらに、そのプログラムは、そのプログラムを実行するようにプログラムされた専用集積回路上で実行することができる。
【００７５】
さらに、方法論は、限定はされないが、荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスとは別個の、荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスと一体の、または荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスと通信するパーソナル・コンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレーム、ワークステーション、ネットワーク化されたコンピューティング環境または分散コンピューティング環境、コンピュータ・プラットホームなどを含む、任意のタイプのコンピューティング・プラットホームで実現することができる。本発明の諸態様は、取外し可能であるか、またはコンピューティング・プラットホームと一体であるかを問わない、ハードディスク、光学式読取りおよび／もしくは書込み記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭなどの記憶媒体上または記憶装置上に記憶された機械可読コードであって、プログラム可能なコンピュータが、本明細書に記載された手順を実行するために、その記憶媒体または記憶装置を読んだときに、そのコンピュータを構成し、動作させるために、そのコンピュータが読むことができるように記憶された機械可読コードとして実現することができる。さらに、機械可読コードまたは機械可読コードの一部を、有線または無線ネットワークを介して伝送することができる。本明細書に記載された発明は、マイクロプロセッサまたは他のデータ処理装置と連携して上述の諸ステップを実現する命令またはプログラムを含む、これらのさまざまなタイプのコンピュータ可読記憶媒体、およびその他のさまざまなタイプのコンピュータ可読記憶媒体を含む。本発明はさらに、本明細書に記載された方法および技法に従ってプログラムされたコンピュータを含む。
【００７６】
入力データに対してコンピュータ・プログラムを使用して、本明細書に記載された機能を実行し、それによって入力データを変換して出力データを生成させることができる。この出力情報は、ディスプレイ・モニタなどの１つまたは複数の出力装置に出力される。本発明の好ましい実施形態では、変換されたデータが物理的な実在する物体を表し、これには、その物理的な実在する物体の特定の視覚的描写をディスプレイ上に生成することが含まれる。
【００７７】
本発明の好ましい実施形態はさらに、粒子ビームを使用して試料を画像化するために、ＦＩＢ、ＳＥＭなどの粒子ビーム装置を利用する。試料を画像化するために使用されるこのような粒子は試料と本来的に相互作用し、その結果、試料はある程度、物理的に変形する。さらに、本明細書の全体を通じて、「計算する」、「決定する」、「測定する」、「生成させる」、「検出する」、「形成する」などの用語を利用した議論は、コンピュータ・システムまたは同様の電子装置の動作および処理に言及し、そのコンピュータ・システムまたは同様の電子装置は、コンピュータ・システム内の物理量として表されたデータを操作し、そのデータを、その同じコンピュータ・システムまたは他の情報記憶装置内、伝送装置内もしくは表示装置内の、物理量として同様に表された他のデータに変換する。
【００７８】
以上の議論および特許請求の範囲では、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が、オープン・エンド（ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ）型の用語として使用されており、したがって、これらの用語は、「．．．を含むが、それらだけに限定はされない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」ことを意味すると解釈すべきである。用語「加工物」、「試料」、「基板」および「試験片」は、特に明記しない限り、相互に交換可能に使用される。用語「集積回路」は、マイクロチップの表面にパターン形成された一組の電子構成部品およびそれらの相互接続（ひとまとめにして内部電気回路要素）を指す。用語「半導体デバイス」は、総称的に、集積回路（ＩＣ）を指し、この集積回路（ＩＣ）は、半導体ウェーハと一体でも、またはウェーハから切り離されていても、または回路板上で使用するためにパッケージングされていてもよい。本明細書では用語「ＦＩＢ」または「集束イオン・ビーム」が、イオン光学部品によって集束させたビームおよび整形されたイオン・ビームを含む、平行イオン・ビームを指すために使用される。また、本明細書において、用語「自動」、「自動化された」または類似の用語が使用されるとき、これらの用語は、自動プロセスもしくは自動ステップまたは自動化されたプロセスもしくは自動化されたステップの手動による開始を含むものと理解される。
【００７９】
本明細書で特に定義されていない場合、その用語は、その通常の一般的な意味で使用されることが意図されている。添付図面は、本発明の理解を助けることが意図されており、特に明記しない限り、一律の尺度では描かれていない。
【００８０】
本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。
【図１】
2013524466.tif 000003
【図２】
2013524466.tif 000004
【図３Ａ】
2013524466.tif 000005
【図３Ｂ】
2013524466.tif 000006
【図４Ａ】
2013524466.tif 000007
【図４Ｂ】
2013524466.tif 000008
【図５】
2013524466.tif 000009
【図６】
2013524466.tif 000010
【図７】
2013524466.tif 000011
【図８】
2013524466.tif 000012
【図９】
2013524466.tif 000013
【図１０】
2013524466.tif 000014
【図１１】
2013524466.tif 000015
【図１２】
2013524466.tif 000016
【図１３】
2013524466.tif 000017
【図１４】
2013524466.tif 000018
【図１５】
2013524466.tif 000019
【図１６】
2013524466.tif 000020
【図１６Ａ】
2013524466.tif 000021
【図１６Ｂ】
2013524466.tif 000022
【図１７】
2013524466.tif 000023
【図１８】
2013524466.tif 000024
【図１８Ａ】
2013524466.tif 000025
【図１９】
2013524466.tif 000026
【図２０】
2013524466.tif 000027
【図２１】
2013524466.tif 000028
【図２２】
2013524466.tif 000029
【図２３】
2013524466.tif 000030
【図２４】
2013524466.tif 000031
【図２５】
2013524466.tif 000032
【図２６】
2013524466.tif 000033
【図２７】
2013524466.tif 000034
【国際調査報告】
2013524466.tif 000035
2013524466.tif 000036