(57)【要約】      （修正有）【課題】改良した電子ビーム誘起エッチングを提供する。【解決手段】前駆体ガスを選択２０２し、基板を、前駆体分子の沸点に近い温度に冷却２０４する。基板表面の温度よりも低い沸点を有する選択した前駆体ガスを基板表面に供給２０６する。加工物室内の圧力は、ガス注入システムを備える超高真空システムで使用されるときの約１０-8トルから、環境制御型走査電子顕微鏡型のシステムで使用されるときの約１０トルまでの範囲とする。前駆体ガスの存在下で、電子ビーム、イオン・ビーム、クラスタ・ビーム、中性ビームなどのビームをあるパターンで基板表面に照射２０８して、この粒子ビームの存在下で前駆体ガスが反応して基板表面から材料を除去する。【選択図】図２
2015029072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビーム・エッチングの方法であって、
基板表面を室温よりも低い温度に冷却するステップと、
前記基板表面を前駆体ガスにさらすステップであり、前記前駆体ガスが、前記基板表面の温度よりも低い沸点を有する一群の化合物の中から選択されるステップと、
前記前駆体ガスの存在下で前記基板表面に荷電粒子ビームを照射するステップであり、前記粒子ビームの存在下で前記前駆体ガスが反応して、前記基板表面から材料を除去するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、前記基板表面をＮＦ3を含む前記前駆体ガスにさらすステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板がシリコンを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、前記基板表面を、ＮＦ3と酸化物の成長を抑制するガスとの混合物にさらすステップを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、前記基板表面を、ＮＦ3と炭素エッチング・ガスとの混合物にさらすステップを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項６】
前記基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、前記基板表面を、ＮＦ3と酸化物の成長を促進するガスとの混合物にさらすステップを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項７】
前記基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、前記基板表面を、ＮＦ3とＮＨ3との混合物にさらすステップを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項８】
前記基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、前記基板表面を、ＮＦ3とＮ2Ｏとの混合物にさらすステップを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項９】
基板表面を室温よりも低い温度に冷却するステップが、前記加工物表面を、前記前駆体の沸点から５０°Ｃ以内の温度に冷却するステップを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
基板表面を室温よりも低い温度に冷却するステップが、前記加工物表面を、前記前駆体の沸点から２０°Ｃ以内の温度に冷却するステップを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
基板表面を室温よりも低い温度に冷却するステップが、前記加工物表面を、マイナス１００°Ｃよりも低い温度に冷却するステップを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
基板表面を室温よりも低い温度に冷却するステップが、前記加工物表面を、前記前駆体ガスのケルビン目盛上の沸点から１５パーセント以内の温度に冷却するステップを含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板表面に吸着し、前記粒子ビームの存在下で解離し、それによって反応性のフラグメントを形成する分子を有する化合物を前記前駆体ガスが含み、前記反応性のフラグメントが前記基板表面と反応して、前記基板表面から脱離する反応生成物を形成する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記前駆体ガスが、酸素、一酸化二窒素、水素、アンモニア、塩素または塩化水素を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板が、ホウ素、炭素、シリコン、ゲルマニウム、ヒ素、リン、スズ、アンチモン、セレンまたは硫黄を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
加工物の画像を形成する方法であって、
前記加工物に向かって電子ビームを導くステップであり、前記電子ビームの衝突によって２次電子が放出されるステップと、
ＮＦ3を含むガス中で前記２次電子を加速させて、２次電子信号を増幅するイオン化カスケードを生じさせるステップと、
増幅された前記２次電子信号を検出するステップと、
増幅された前記２次電子信号を使用して前記加工物の画像を形成するステップと
を含む方法。
【請求項１７】
前記加工物を室温よりも低い温度に冷却するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記加工物を室温よりも低い温度に冷却するステップが、前記加工物を、マイナス１００°Ｃよりも低い温度に冷却するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記加工物がシリコンを含む、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記加工物が、ホウ素、炭素、シリコン、ゲルマニウム、ヒ素、リン、スズ、アンチモン、セレンまたは硫黄を含む、請求項１６から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
荷電粒子ビーム・エッチングの方法であって、
基板のビーム誘起エッチング用の前駆体ガスを選択するステップと、
前記基板の表面を、前記前駆体ガスの沸点よりも高い、前記前駆体ガスの沸点から１００°Ｃ以内の温度に維持するステップと、
前記基板表面を、前記前駆体ガスにさらすステップであり、前記前駆体ガスが、前記基板表面の温度よりも低い沸点を有する一群の化合物の中から選択されるステップと、
前記前駆体ガスの存在下で前記基板表面に荷電粒子ビームを照射するステップであり、前記粒子ビームの存在下で前記前駆体ガスが反応して、前記基板表面から材料を除去するステップと
を含む方法。
【請求項２２】
前記前駆体ガスがＮＦ3を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記前駆体ガスが、ＮＨ3またはＮ2Ｏと混合されたＮＦ3を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記基板がシリコンを含む、請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２５】
加工物を処理する荷電粒子ビーム・システムであって、
前記サンプルに照射する荷電粒子の１次ビームを生成する荷電粒子源と、
加工物の表面に前記荷電粒子を焦束させる集束レンズと、
前記荷電粒子ビームの衝突によって生成された２次電子を加速させる電極と、
ＮＦ3を封入する容器と
を備え、
前記電極が、前記２次電子を前記ＮＦ3中で加速させて、前記ＮＦ3を、検出のために２次電子の数を増幅するイオン化カスケードでイオン化する
荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２６】
前記ＮＦ3を封入する前記容器がサンプル真空室を含む、請求項２５に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２７】
前記ＮＦ3を封入する前記容器が環境セルを含む、請求項２５に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【請求項２８】
前記ＮＦ3を封入する前記容器がイオン化管を含む、請求項２５に記載の荷電粒子ビーム・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は荷電粒子ビーム処理に関し、詳細にはビーム誘起化学プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
「ビーム・ケミストリ（ｂｅａｍ  ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）」は、荷電粒子ビーム、レーザ・ビームなどのビームによって開始される化学反応を指す。「電子ビーム・ケミストリ」は、電子ビーム誘起蒸着（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＥＢＩＤ）および電子ビーム誘起エッチング（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｅｔｃｈｉｎｇ）（ＥＢＩＥ）を含み、一般に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）内で実行される。これらの両方の電子ビーム・プロセスでは、加工物表面に前駆体ガスの分子を吸着させる。加工物に電子ビームを導き、それらの電子は吸着物を解離させ、反応生成物を生成する。ＥＢＩＤでは、基板表面に不揮発性の反応生成物が蒸着物として残り、揮発性の反応生成物が脱離する。ＥＢＩＥでは、１種または数種の前駆体分子分解生成物が加工物表面と反応し、揮発性の反応生成物を生成する。それらの揮発性反応生成物は加工物から脱離し、表面材料を除去する。同様の過程は、イオン・ビーム誘起蒸着（ｉｏｎ  ｂｅａｍ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＩＢＩＤ）およびイオン・ビーム誘起エッチング（ｉｏｎ  ｂｅａｍ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｅｔｃｈｉｎｇ）（ＩＢＩＥ）でも起こるが、イオンのはるかに大きな質量は、スパッタリングによる、すなわち高エネルギーのイオンからの運動量移動による、化学反応を一切伴わない、基板からの材料の除去も引き起こす。イオン・ビームが吸着物と相互作用する機構は、電子ビームが吸着物と反応する機構とは異なると考えられる。
【０００３】
前駆体ガスとして有用であるために、前駆体ガス分子は非常に特異な特性を有する必要がある。それらの分子は、解離するのに十分な時間、表面に張り付く必要があるが、表面をビームから遮蔽する厚い層を形成してはならず、ビームが存在しない場合には、加工物表面材料と自発的に反応すべきではない。エッチングの場合には、前駆体解離生成物が基板材料とともに揮発性化合物を形成すべきであり、蒸着の場合には、ビームの存在下で前駆体が分解して、所望の材料を蒸着させるべきである。表面に留まらず、真空ポンプによってシステムから除去することができるように、その他の反応生成物は揮発性であるべきである。
【０００４】
荷電粒子ビームによって引き起こされるビーム・ケミストリは一般に、真空室内で、ビームの衝突点に向かってガスを導く毛管針を有するガス注入システムを使用して実行される。ガスは急速に膨張し、表面における局所ガス圧はビーム誘起反応を維持するのに十分であるが、サンプル室の他の部分の圧力は、一般的にはエバーハート・ソーンリー（Ｅｖｅｒｈａｒｔ  Ｔｈｏｒｎｌｅｙ）検出器と呼ばれているシンチレータと光電子増倍管の組合せなどの従来の検出器を使用して２次電子を検出することができる程度に十分に低い。
【０００５】
加工物との電子ビーム・ケミストリも、ビーム経路の大部分が圧力制限絞りによってガス環境から分離された、前駆体ガスを豊富に含む環境中で実行することができる。そのガスの圧力が画像化のための従来の２次電子検出を許さないため、サンプルからの２次電子が加速されガス分子をイオン化するガス・カスケード増幅（ｇａｓ  ｃａｓｃａｄｅ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を使用して画像化を実行することができる。イオン化されたガス分子からの電子は加速され、他のガス分子をカスケードでイオン化する。このカスケードは最初の２次電子信号を大幅に増幅する。ガス環境中にサンプルが維持されるシステムは一般に、環境制御型走査電子顕微鏡（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）または高圧走査電子顕微鏡（ｈｉｇｈ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）（ＨＰＳＥＭ）と呼ばれる。容易にはイオン化されないガスは、ガス・カスケード増幅を使用した画像の形成には役立たない。絶縁破壊を起こしやすいガスも、ガス・カスケード増幅を使用した画像の形成には役立たない。
【０００６】
ＸｅＦ2は、これまでのところ、ビーム誘起エッチングに対して最も一般的に使用されている前駆体ガスである。しかしながら、ＸｅＦ2は、いくつかの好ましくない影響を有する。ＸｅＦ2は、シリコンおよびＴａＮを含む多くの材料を自発的にエッチングする。ＸｅＦ2は、ＥＢＩＥ処理中に不十分な電荷安定化および低い画質を提供する点で、最適なＨＰＳＥＭ画像化媒体とは言えない。ＸｅＦ2は腐食性が高く有毒である。ＸｅＦ2は、残留炭素の除去および表面種の制御に使用されている一般的な多くのガスと混合することができない。さらに、キセノンの不十分なイオン・ゲッタ・ポンピングのため、差動的にポンピングされる一部の電子ビーム・システムでは大量のＸｅＦ2が不安定の原因となる。
【０００７】
電子ビームを電子ビーム・リソグラフィで使用することもできる。電子ビームは、あるパターンに沿って走査するときにフォトレジストを露光する。次いで、レジストの特性により露光されたエリアまたは露光されなかったエリアが除去され、パターン形成されたフォトレジスト層が残る。例えばＫｉｎｇ他、「Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ  Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｉｃｅ」、ＮＡＮＯ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第５巻、６号、１１５７〜６０ページ（２００５）に記載されているように、パターン形成材料として氷（ｉｃｅ）を使用することができ、その場合、電子ビームによって露光されたエリアの氷が昇華する。氷が除去されたエリアは、拡散、金属被膜などの追加の処理にかけることができ、他の表面エリアは氷層によって保護される。
【０００８】
Ｇａｒｄｅｎｅｒ他、「Ｉｃｅ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  ｏｆ  Ｇｒａｐｈｅｎｅ」、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２３（２０１２）１８５３０２では、表面に凝縮した薄い氷の層が、氷の下にあるグラフェン層をエッチングするためのＥＢＩＥ前駆体の役目を果たす。電子ビームは、グラフェン中の炭素と氷中の水素および酸素との反応を誘起し、表面を離れる揮発性炭素化合物を形成しグラフェンを除去すると考えられている。
【０００９】
ＥＢＩＤでは、解離生成物を材料上に残す。そのため、前駆体ガスがより容易に吸着する低温でこのプロセスを実施することができる。しかしながら、ＥＢＩＥでは、揮発性の反応副生物が表面から脱離しなければならない。低温は、反応生成物の熱脱離速度を低下させ、したがって低温は望ましくないと考えられている。
【００１０】
Ｂｏｚｓｏ他、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ−Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｂｅａｍ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」、Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．、第１５８巻、２０１〜２０９ページ（１９９０）は、約１００Ｋ（−１７３°Ｃ）の温度での低エネルギーＥＢＩＤを使用して、シリコン膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜および酸窒化シリコン膜をシリコン基板上に蒸着させる方法を記載している。このＢｏｚｓｏの蒸着法は、電子に起因する解離反応を熱に起因する解離反応から分離して、空間成長および材料組成をより正確に制御する目的に使用される。
【００１１】
本発明の譲受人に譲渡されたＭｕｌｄｅｒｓ他の「Ｂｅａｍ−Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ａｔ  Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ」という名称の米国特許出願公開第２０１２／０００３３９４号明細書は、基板の極低温（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）よりも低い融点、および所望の極低温における０から１の間の付着係数（ｓｔｉｃｋｉｎｇ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を有する一群の化合物の中から前駆体ガスを選択することを教示している。これによって、前駆体ガスは、少数ではないガスの単層が形成される前に、所望の極低温における、基板表面に吸着する前駆体分子と基板表面から脱離する前駆体ガス分子との間の平衡に達すると考えられる。適当な前駆体ガスには、アルカン、アルケンもしくはアルキン、またはそれらの化合物の分枝誘導体が含まれる。
【００１２】
上述の問題を伴わないＥＢＩＥのための方法を見出すことは有用であろう。
【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２０１２／０００３３９４号明細書
【特許文献２】米国特許第５，８５１，４１３号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４３５，８５０号明細書
【特許文献４】米国特許第４，７８５，１８２号明細書
【特許文献５】米国特許第６，９７２，４１２号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｋｉｎｇ他、「Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ  Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｉｃｅ」、ＮＡＮＯ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、第５巻、６号、１１５７〜６０ベージ（２００５）
【非特許文献２】Ｇａｒｄｅｎｅｒ他、「Ｉｃｅ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  ｏｆ  Ｇｒａｐｈｅｎｅ」、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２３（２０１２）１８５３０２
【非特許文献３】Ｂｏｚｓｏ他、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ−Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｂｅａｍ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」、Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．、第１５８巻、２０１〜２０９ページ（１９９０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、本発明の目的は、改良されたビーム誘起エッチング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前駆体ガスの沸点に近い温度に維持された加工物表面に前駆体ガスを供給する。この温度は、凝縮を引き起こすことなく高い前駆体表面被覆率（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｃｏｖｅｒａｇｅ）を提供する。この温度はさらに、反応副生物の脱離を妨げない十分に高いものでなければならない。好ましい一実施形態では、前駆体がＮＦ3、加工物がシリコンであり、加工物は、室温よりもかなり低い温度、好ましくは−１００°Ｃよりも低い温度に冷却される。
【００１７】
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体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体は、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。
【００１８】
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】
【００１９】
【図１】ＮＦ3の蒸気圧を温度に対して示したグラフである。
【図２】本発明の好ましい一実施形態の諸ステップを示す流れ図である。
【図３】ＮＦ3環境での３０分の電子ビーム・エッチングに関して、エッチングの深さを基板温度に対して示したグラフである。
【図４】ＮＦ3環境中にサンプルを置きガス・カスケード増幅を使用して形成した画像を示す図である。
【図５】本発明のいくつかの実施形態を実施する目的に使用することができる一般的なデュアル・ビーム・システムを概略的に示す図である。
【図６】環境セル（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  ｃｅｌｌ）を有する、本発明のいくつかの実施形態を実施する目的に使用することができるシステムを概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ＥＢＩＥは、１ミクロン未満の正確さを有する正確なパターンで基板から材料を除去することを可能にする。ＥＢＩＥは、前駆体が表面を覆い、反応生成物が表面から容易に脱離して、再蒸着および表面部位をめぐる前駆体分子との競合を回避するときに最も生産性が高い。基板の冷却は、前駆体ガスによる表面の被覆率を向上させることによってＥＢＩＤの蒸着速度を増大させることが知られているが、表面の冷却は、反応生成物の脱離速度を低下させることによってＥＢＩＥ速度を低下させるかまたはエッチングを完全に停止させると考えられた。本出願の出願人は、予想外にも、ある種のガスでは正反対のことが起こることを見出した。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態では、基板を冷却して表面における前駆体分子の滞留時間を長くすることによって、表面の最大前駆体被覆率を達成する。すなわち、基板を冷却すると、前駆体分子は表面に吸着し、より長い時間そこに留まる。すなわちより長い時間、熱によって脱離しない。しかしながら、この温度は、反応生成物の脱離を抑制するほど低くてはならない。この温度は前駆体ガスの凝縮点以下であってもならない。基板表面に集まった凝縮した材料は、その同じ表面からの反応生成物の脱離を妨害する。脱離が進まない場合には、材料の再蒸着および表面部位をめぐる競合が起こることがあり、このことは新たな前駆体分子が表面に到達することを妨げる。基板表面の凝縮した材料はさらに、その表面の特徴部分（ｆｅａｔｕｒｅ）の画像化を妨げ、エッチングが十分に進行したときにそれを見ることを難しくする。さらに、一部のエッチング前駆体ガスは非常に反応性であり、それらのガスを凝縮させると激しい反応が起こることがある。
【００２２】
本発明のいくつかの実施形態では、基板を冷却して吸着物脱離速度を最小化することにより前駆体被覆率を最大化する。最低有効温度は、前駆体の凝縮点よりもわずかに高い温度である。しかしながら、この温度が、反応生成物の脱離を抑制するほど低くてはならない。脱離は、熱的過程と非熱的過程の両方によって起こる。このような電子刺激脱離は、反応生成物が脱離する最低温度を理論的に決定することを難しくする。この最低温度は実験に基づいて決定することができる。
【００２３】
いくつかの実施形態では、基板を、前駆体ガスの沸点から６０°Ｃ以内、４０°Ｃ以内、２０°Ｃ以内または１０°Ｃ以内の温度に冷却する。いくつかの実施形態では、基板を、室温よりも低い温度、−５０°Ｃよりも低い温度、−１００°Ｃよりも低い温度または−１２５°Ｃよりも低い温度に冷却する。いくつかの実施形態では、加工物表面の温度（ケルビン目盛）を、前駆体ガスの沸点の温度（ケルビン目盛）から２０パーセント以内、１０パーセント以内または５パーセント以内の温度に維持する。重要なのは、基板と前駆体の沸点との温度差であり、絶対温度ではない。高い沸点を有する一部の前駆体については、基板を冷却する必要がないことがある。
【００２４】
冷却された基板上でよく機能することを本出願の出願人が見出した１つの前駆体ガスがＮＦ3であり、ＮＦ3は、ＸｅＦ2よりもはるかに低い毒性を有する比較的に不活性のガスである。ＮＦ3はシリコンを自発的にはエッチングしないが、電子ビームによって活性化されると、シリコン基板と反応して反応生成物ＳｉＦ4を形成する。ＮＦ3は、２００°Ｃよりも低い温度で酸素に似た酸化特性を有し、そのため、処理中にＮＨ3、Ｎ2Ｏなどの他のガスと混合することができる。ＮＨ3は、エッチング・プロセス中に残留炭素を効果的に除去することができ、エッチング・ストップの働きをすることがある酸化物の形成を妨げることができる。酸化物がエッチングを仲介し、したがってその酸化物がエッチング・プロセスにとって望ましい場合に、Ｎ2ＯをＮＦ3と混合して、その酸化物層を再生成させることができる。より反応性の高いガスでは必要な第２のガスを導入する前の１つのガスの完全な排気、すなわちガス・サイクリングを必要とすることなく、有用な多くのガスをＮＦ3と混合することができる。ＮＦ3は室温で気体であり、加圧された容器に入れて保管することができるため、ガス源を汚染するガス混合物の逆拡散は無視することができる。ＮＨ3およびＮ2Ｏを含む大部分のガスと室温で反応するＸｅＦ2とは違い、ＮＦ3は、これらのガスと反応して不必要な生成物を生成することがない。ＮＦ3はまた、ＣＦ4、ＳｉＦ4、ＢＦ3などの他の源とは違い、基板表面に不揮発性の解離副生物を残さない。
【００２５】
ＮＦ3はさらに、ＮＦ3を、ガス・カスケード増幅画像化を使用する環境制御型走査電子顕微鏡型の画像化に対する有望な候補にする形状寸法およびイオン化断面積を有する。帯電したガス粒子が加工物まで拡散して電荷を中和するため、ガス・カスケード増幅画像化は、加工物の効率的な電荷安定化を提供する。これは特に、ＳｉＯ2などの絶縁材料をエッチングするときに有利である。ガス・カスケード画像化は、加工物がエッチングされている間の加工物の確実な監視を可能にする。
【００２６】
ＥＢＩＥで一般に使用される条件におけるガスの蒸気圧、すなわち約１０トルから０．０１トルの間の圧力におけるガスの蒸気圧については文献にあまり記載れていない。大気圧よりもわずかに低い圧力におけるデータはより容易に入手可能であり、そのデータをガイドとして使用することができる。図１は、約−１２９°Ｃ、７６０トルでＮＦ3が気体であることを示している。ＳＥＭで使用されるはるかに低い圧力では、より低い温度で凝縮が起こると予想される。本出願の出願人は、実験に基づいて、ＮＦ3を使用したシリコンのＥＢＩＥは、−１５９°Ｃの加工物温度および約０．０４トルの圧力でよく機能することを見出した。
【００２７】
シリコンはＮＦ3と反応してＳｉＦ4および窒素を生成すると考えられている。反応生成物ＳｉＦ4に対して容易に入手可能な唯一の蒸気圧データは７６０トルであり、凝縮は−８６°Ｃで起こる。ＮＦ3に比べてＳｉＦ4の沸点は高いため、−１５９°Ｃではプロセス中に揮発が生じることはないように思われるが、それでもエッチング・プロセスは進行し、このことは、電子刺激脱離が脱離においてある役割を果たす可能性があることを示している。
【００２８】
他の実施形態では、ＮＦ3は、炭化シリコンをエッチングする前駆体ガスとして使用される。この反応は、シリコンに関して上で説明したプロセスと同じプロセスであると考えられるが、反応生成物ＳｉＦ4の他に、炭素、したがって追加の反応生成物ＣＦ4が加わる。ＣＦ4の沸点は７６０トルで−１３０°Ｃであり、この温度はＳｉＦ4の沸点よりも低い。反応生成物の凝縮に対する制限因子はＳｉＦ4になると予想されるであろう。前駆体が同じであり、ＣＦ4の脱離温度の方が低いため、加工物表面は、シリコンに対する温度と同じ温度に維持されることになろう。
【００２９】
他の実施形態では、Ｏ2を前駆体ガスとして使用してダイヤモンドをエッチングする。ダイヤモンド中の炭素は酸素と結合してＣＯ2および／またはＣＯを生成する。酸素の凝縮は４トルにおいて約−２１５°Ｃで起こる。ＣＯ2の凝縮は４トルにおいて約−１３０°Ｃで起こる。ＣＯの凝縮は２５トルにおいて約−２１０°Ｃで起こる。Ｏ2を前駆体ガスとして使用してダイヤモンドまたは他の炭素をエッチングするときには、ＥＢＩＥプロセスを最適化するために、加工物を好ましくは−１３０°Ｃまで、おそらくはそれよりも低い温度まで冷却することになろう。
【００３０】
図２は、好ましいＥＢＩＥプロセスの諸ステップを示す。このプロセスは、ステップ２００で、ＳＥＭ、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、レーザ・システムなどの装置に基板を装填することから始まる。ステップ２０２で、前駆体ガスを選択する。任意選択のステップ２０４で、基板を、選択した前駆体ガスおよび加工物材料の特性によって決定される温度に冷却する。基板を冷却するか否かは、前駆体分子の沸騰温度および反応副生物を脱離させるのに必要な最低温度に依存する。表面の前駆体被覆率を最大にし、同時に凝縮を防ぎ、反応生成物の脱離を依然として可能にするために、基板を、前駆体分子の沸点に近い温度に冷却する。ステップ２０６で、基板表面の温度よりも低い沸点を有する選択した前駆体ガスを基板表面に供給する。加工物室内の圧力は、ガス注入システムを備える超高真空システムで使用されるときの約１０-8トルから、環境制御型走査電子顕微鏡型のシステムで使用されるときの約１０トルまでの範囲とすることができる。ステップ２０８で、前駆体ガスの存在下で、電子ビーム、イオン・ビーム、クラスタ・ビーム、中性ビームなどのビームをあるパターンで基板表面に照射して、この粒子ビームの存在下で前駆体ガスが反応して基板表面から材料を除去するようにする。加工物のビームが衝突したところだけがエッチングされ、そのため、そのビームのスポット・サイズに相当する分解能を有するパターンをエッチングすることができる。電子ビームでは、ビーム・エネルギーが、１ｋｅＶから３０ｋｅＶの間（ＳＥＭ）および最高約３００ｋｅＶ（ＴＥＭ）であることが好ましい。電子ビーム電流は１ｐＡから１μＡの間であることが好ましく、加工物位置における電子ビーム直径すなわちスポット・サイズは約１ｎｍから１０ミクロンの間であることが好ましい。ＩＢＩＥのためにイオン・ビームを使用することもできる。例えば、液体金属イオン源からのガリウム・イオンのビーム、およびＦＥＩ  ＣｏｍｐａｎｙのＶｉｏｎプラズマ・イオン源などのプラズマ・イオン源からのアルゴンまたは他のイオンのビームを使用することができる。イオン・エネルギーは約１ｋｅＶから５０ｋｅＶの間であることが好ましく、２０ｋｅＶから４０ｋｅＶの間であるとより好ましく、約３０ｋｅＶであると最も好ましく、電流は約１ｐＡから１マイクロアンペアの間であることが好ましい。ステップ２１０で、ビームを基板に導くのをやめる。
【００３１】
図３は、液体窒素によって冷却されたサンプル・ステージを有するＳＥＭを使用して実行したＥＢＩＥの実験結果を示す。線３０２は、室温である３０２Ｋから９８Ｋまでのさまざまな温度のＮＦ3環境中のシリコンに向かって電子ビームを３０分間導くことによって形成された穴の深さを示す。このグラフは、基板を冷却することによってエッチング速度が約４０倍になることを示している。エッチング速度のこの増大は、表面の利用可能なＮＦ3が物理吸着によって増えた結果であると考えられる。エッチング速度は、電子が照射された領域のＮＦ3の表面被覆率に比例するはずであり、被覆率は温度に反比例する。一方、先行技術は、基板を、例えばパルス・レーザ・ビームによる限局された加熱を使用して加熱して反応生成物の脱離を保証することにより、エッチングを強化することを含む。したがって、この実施形態は従来の考えとは逆である。
【００３２】
その沸点および蒸気圧を基にすれば、以下の前駆体ガスも、室温よりも低い温度への冷却によって大きな利益を得る可能性が高い：酸素（Ｏ2）、一酸化二窒素（Ｎ2Ｏ）、水素（Ｈ2）、アンモニア（ＮＨ3）、塩素（Ｃｌ2）、塩化水素（ＨＣＩ）。冷却が有効である可能性がある基板成分には、ホウ素（ＢＦ3、Ｂ2Ｈ6）、炭素（ＣＯ、ＣＯ2、ＣＦ4、ＣＨ4）、シリコン（ＳｉＦ4、ＳｉＨ4）、ゲルマニウム（ＧｅＨ4、ＧｅＦ4）、ヒ素（ＡｓＨ3）、リン（ＰＦ3、ＰＨ3）、スズ（ＳｎＨ4）、アンチモン（ＳｂＨ3）、セレン（ＳｅＦ6）および硫黄（ＳＦ6、ＳＯ2）などがある。括弧内の分子は、揮発性が高く、ＥＢＩＥを加速させるために使用されるより低い温度でおそらくは脱離する潜在的なエッチング反応生成物である。上記の成分が関係する加工物は、シリコン、ダイヤモンド、ホウ素がドープされたダイヤモンド、ゲルマニウム、炭化シリコン、窒化シリコン、シリコン−ゲルマニウム合金、窒化ホウ素、リン化ホウ素、ヒ化ホウ素などの範囲の組成物を含む。
【００３３】
アイス・リソグラフィ（ｉｃｅ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）で使用される凝縮法では、前駆体ガスが「パルス」の形態で供給される。これは、真空室内に前駆体ガスが存在する間は、凝縮物（氷）の厚さが絶え間なく増大するためである。本発明の好ましい実施形態では、前駆体が絶え間なく送達され、条件が、凝縮を防ぐような条件である。従来の室温ＥＢＩＤの場合と同様に、前駆体吸着物の厚さは、吸着／脱離速度論（ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ／ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｋｉｎｅｔｉｃｓ）によって自動的に制限される。複数の追加のステップおよび凝縮物の厚さの較正が必要となるため、凝縮法は好ましくない。ＥＳＥＭビーム・ケミストリの場合には、気相前駆体をＥＳＥＭ画像化ガスとして使用することができるように、気相前駆体が好ましい。「アイス・リソグラフィ」での画像化は、電子ビームと凝縮したＨ2Ｏ層との相互作用により制限される。このことは、基板表面特徴部分を画像化するＳＥＭの能力を大幅に低下させる。
【００３４】
室の清浄度を増大させ、したがってプロセスの再現性／質を向上させるために、任意選択で、サンプルの上方またはサンプルの近くでコールド・トラップ（ｃｏｌｄ  ｔｒａｐ）を使用して、残留Ｈ2Ｏまたは炭化水素を凝縮によって除去することもできる。
【００３５】
図４は、ＮＦ3をガス・カスケード増幅用のガスとして使用して形成された、絶縁シリカ・エーロゲルの画像の一例を示す顕微鏡写真である。エーロゲルは一般に、極端な長期にわたる帯電アーチファクトを示す。この画像を形成するのに最適化はほとんど必要なかった。このことは、帯電の安定化においてこのガスがいかに有効かを示している。ＮＦ3は、信号増幅と電荷安定化の両方に関して優れた画像化媒体である。ＮＦ3はＸｅＦ2よりもはるかに優れており、画質においては、Ｈ2Ｏよりも優れていることが以前から示されているＮＨ3と同等である。図４のエーロゲルは、電子ビームを使用して、ＮＦ3仲介ＥＢＩＥの存在下で約５から１０分間エッチングしたものである。サンプルの温度は約−１５９°Ｃ、ＮＦ3の圧力は約０．０４トルであった。
【００３６】
本発明は、加工物表面に前駆体ガスを供給する手段を有する任意のビーム生成システムで実施することができる。例えば電子ビーム・システム、イオン・ビーム・システムまたはレーザ・システムを使用することができる。図５は、垂直に装着されたＳＥＭカラムと垂直線から約５２度の角度に装着された集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）カラムとを備える、本発明を実施するのに適した一般的なデュアル・ビーム・システム５１０を示す。適当なデュアル・ビーム・システムは例えば、本出願の譲受人である米オレゴン州ＨｉｌｌｓｂｏｒｏのＦＥＩ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。適当なハードウェアの一例を以下に示すが、本発明は、特定のタイプのハードウェアで実現されることに限定されない。
【００３７】
デュアル・ビーム・システム５１０は、走査電子顕微鏡５４１、電源および制御ユニット５４５を備える。陰極５５２と陽極５５４の間に電圧を印加することによって、陰極５５２から電子ビーム５４３が放出される。電子ビーム５４３は、集光レンズ５５６および対物レンズ５５８によって微細なスポットに集束する。電子ビーム５４３は、偏向コイル５６０によって試料の表面を２次元的に走査する。集光レンズ５５６、対物レンズ５５８および偏向コイル５６０の動作は電源および制御ユニット５４５によって制御される。
【００３８】
電子ビーム５４３は、下室５２６内の可動式Ｘ−Ｙステージ５２５上にある基板５２２の表面に焦束させることができる。ステージ５２５は、熱導管５２８によってステージ５２５に接続された液体窒素源、ペルチェ冷却器（Ｐｅｌｔｉｅｒ  ｃｏｏｌｅｒ）などの冷却器５２７に接続されていることが好ましい。電子ビーム中の電子が基板５２２に衝突すると、２次電子が放出される。この２次電子は、後に論じる２次電子検出器５４０によって検出される。ＴＥＭサンプル・ホルダ５２４およびステージ５２５の下に位置するＳＴＥＭ検出器５６２は、ＴＥＭサンプル・ホルダ上に下で論じるように装着されたサンプルを透過した電子を集めることができる。
【００３９】
デュアル・ビーム・システム５１０は集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム５１１をさらに含み、ＦＩＢシステム５１１は、上部ネック部分５１２を有する排気された室を含み、上部ネック部分５１２内にはイオン源５１４および集束カラム５１６が位置し、集束カラム５１６は、引出し電極および静電光学系を含む。集束カラム５１６の軸は、電子カラムの軸から５２度傾いている。イオン・カラム５１２は、イオン源５１４、引出し電極５１５、集束要素５１７、偏向要素５２０および集束イオン・ビーム５１８を含む。イオン源５１４を出たイオン・ビーム５１８は、カラム５１６を通過し、５２０に概略的に示されている静電偏向手段間を通り抜けて、下室５２６内の可動Ｘ−Ｙステージ５２５上に配置された基板５２２、例えば半導体デバイスを含む基板５２２に向かって進む。
【００４０】
半導体デバイスからサンプルを抜き取り、ＴＥＭサンプル・ホルダへ移動させることができるように、ステージ５２５はさらに、１つまたは複数のＴＥＭサンプル・ホルダ５２４を支持することができる。ステージ５２５は、水平面（ＸおよびＹ軸）内で移動することができ、かつ垂直に（Ｚ軸）移動することができることが好ましい。ステージ５２５はさらに約６０度傾くことができ、Ｚ軸を軸に回転することができる。いくつかの実施形態では、別個のＴＥＭサンプル・ステージ（図示せず）を使用することができる。このようなＴＥＭサンプル・ステージもＸ、ＹおよびＺ軸に沿って可動であることが好ましい。Ｘ−Ｙステージ５２５上に基板５２２を挿入するため、および内部ガス供給リザーバが使用される場合には内部ガス供給リザーバの整備作業のために、扉５６１が開かれる。システムが真空状態にある場合に開かないように、この扉はインタロックされる。
【００４１】
ネック部分５１２を排気するためにイオン・ポンプ５６８が使用される。室５２６は、真空コントローラ５３２の制御の下、ターボ分子および機械ポンピング・システム５３０によって排気される。この真空システムは、室５２６に、約１×１０-7トルから５×１０-4トルの間の真空を提供する。エッチング支援ガス、エッチング遅延ガスまたは蒸着前駆体ガスを使用する場合、室のバックグラウンド圧力は典型的には約１×１０-5トルまで上昇することがある。
【００４２】
イオン・ビーム５１８にエネルギーを与え集束させるため、高電圧電源は、イオン・ビーム集束カラム５１６内の電極に適当な加速電圧を印加する。イオン・ビームが基板５２２に当たると、材料がスパッタリングされる。すなわちサンプルから材料が物理的に追い出される。あるいは、イオン・ビーム５１８が前駆体ガスを分解して、材料を蒸着させることもできる。
【００４３】
液体金属イオン源５１４と、約１ｋｅＶから６０ｋｅＶのイオン・ビーム５１８を形成しそれをサンプルに向かって導くイオン・ビーム集束カラム５１６内の適当な電極とに高電圧電源５３４が接続されている。パターン発生器５３８によって提供される所定のパターンに従って動作する偏向コントローラおよび増幅器５３６が偏向板５２０に結合されており、それによって、対応するパターンを基板５２２の上面に描くようにイオン・ビーム５１８を手動または自動で制御することができる。いくつかのシステムでは、当技術分野ではよく知られているように、偏向板が、最後のレンズの前に配置される。イオン・ビーム集束カラム５１６内のビーム・ブランキング（ｂｌａｎｋｉｎｇ）電極（図示せず）は、ブランキング・コントローラ（図示せず）がブランキング電極にブランキング電圧を印加したときに、イオン・ビーム５１８を、基板５２２ではなくブランキング絞り（図示せず）に衝突させる。
【００４４】
液体金属イオン源５１４は一般にガリウムの金属イオン・ビームを提供する。イオン・ミリング、強化されたエッチングもしくは材料蒸着によって基板５２２を改変するため、または基板５２２を画像化するために、源を一般に、基板５２２の位置における幅が１／１０マイクロメートル未満のビームに集束させることができる。
【００４５】
２次イオンまたは２次電子の放出を検出する目的に使用されるエバーハート・ソーンリー検出器、マルチチャンネル・プレートなどの荷電粒子検出器５４０がビデオ回路５４２に接続されており、ビデオ回路５４２は、ビデオ・モニタ５４４に駆動信号を供給し、コントローラ５１９から偏向信号を受け取る。下室５２６内における荷電粒子検出器５４０の位置は実施形態によって変更することができる。例えば、荷電粒子検出器５４０はイオン・ビームと同軸とすることができ、イオン・ビームが通り抜けることを可能にする穴を含むことができる。他の実施形態では、最終レンズを通過させ、次いで集めるために軸から逸らした２次粒子を集めることができる。
【００４６】
米テキサス州ＤａｌｌａｓのＯｍｎｉｐｒｏｂｅ，Ｉｎｃ．のＡｕｔｏＰｒｏｂｅ  ２００（商標）、ドイツＲｅｕｔｌｉｎｇｅｎのＫｌｅｉｎｄｉｅｋ  ＮａｎｏｔｅｃｈｎｉｋのＭｏｄｅｌ  ＭＭ３Ａなどのマイクロマニピュレータ（ｍｉｃｒｏｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）５４７は、真空室内の物体を正確に移動させることができる。真空室内に配置された部分５４９のＸ、Ｙ、Ｚおよびθ制御を提供するため、マイクロマニピュレータ５４７は、真空室の外側に配置された精密電動機５４８を備えることができる。小さな物体を操作するため、マイクロマニピュレータ５４７に別のエンド・エフェクタを取り付けることができる。本明細書に記載した実施形態では、このエンド・エフェクタが細いプローブ５５０である。
【００４７】
ガス蒸気を導入し基板５２２に向かって導くためにガス送達システム５４６が下室５２６内へ延びている。本発明の譲受人に譲渡されたＣａｓｅｌｌａ他の「Ｇａｓ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」という名称の米国特許第５，８５１，４１３号明細書は適当なガス送達システム５４６を記載している。別のガス送達システムが、やはり本発明の譲受人に譲渡されたＲａｓｍｕｓｓｅｎの「Ｇａｓ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許第５，４３５，８５０号明細書に記載されている。例えば、エッチングを強化するためにヨウ素を送達することができ、または金属を蒸着させるために金属有機化合物を送達することができる。
【００４８】
システム・コントローラ５１９は、デュアル・ビーム・システム５１０のさまざまな部分の動作を制御する。従来のユーザ・インタフェース（図示せず）にコマンドを入力することにより、ユーザは、システム・コントローラ５１９を介して、イオン・ビーム５１８または電子ビーム５４３で所望の通りに走査することができる。あるいは、システム・コントローラ５１９は、プログラムされた命令に従って、デュアル・ビーム・システム５１０を制御することができる。いくつかの実施形態では、デュアル・ビーム・システム５１０が、関心の領域を自動的に識別する米マサチューセッツ州ＮａｔｉｃｋのＣｏｇｎｅｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されているソフトウェアなどの画像認識ソフトウェアを含み、システムは、本発明に従ってサンプルを手動でまたは自動的に抜き取ることができる。例えば、システムは、複数のデバイスを含む半導体ウェーハ上の類似した特徴部分の位置を自動的に検出し、異なる（または同じ）デバイス上のそれらの特徴部分のサンプルを採取することができる。
【００４９】
本発明の実施形態は、ガス・カスケード増幅を使用する高圧ＳＥＭを使用して実現することもできる。そのようなシステムは例えば、Ｍａｎｃｕｓｏ他の「Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  ａ  Ｇａｓｅｏｕｓ  Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ」という名称の米国特許第４，７８５，１８２号明細書に記載されている。
【００５０】
図６は、前駆体ガスを満たすことができる環境セルを使用するシステムであって、ピンホール磁気対物レンズ６０２と、ステージ６０８上のサンプル６０６を比較的に高い圧力に維持するためのサンプル・セル６０４をその内部に有するサンプル室６０３とを有する粒子−光学装置６００を備えるシステムを示す。粒子源（図示せず）が１次電子ビーム６１０を供給し、１次電子ビーム６１０は、上部圧力制限絞り（ｕｐｐｅｒ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｌｉｍｉｔｉｎｇ  ａｐｅｒｔｕｒｅ）（ＰＬＡ）６１２および錐体６１６の底の下部ＰＬＡ６１４を通過する。錐体６１６は、セル６０４内のガスの中を通過する電子ビーム６１０の経路を減少させる。サンプルから放出された２次電子６２０は、セル６０４内に構築され、セル６０４内での検出を可能にするように配置された２次電子検出器６２２によって検出される。
【００５１】
このシステムは、試料ステージから離れて配置された検出器６２２を使用する。検出器６２２とサンプルの間の距離は、サンプルを出た電子とガスとの衝突によって電子電流が大幅に増幅される十分な電子経路を提供する。例えば、サンプルを出たそれぞれの電子について、一般に３００個超、５００個超または１０００個超の電子が検出器６２２に到達する。検出器６２２は、ガス・カスケード内の電荷の流れによって誘起された電流を検出して画像を形成する。他の実施形態では、カスケードから放出された光子を光子検出器を使用して検出して、画像を形成することができる。光子は、ガス中の、またはサンプル・セルの内側もしくはサンプル室の内側の表面と接触した励起したイオン、フラグメント（ｆｒａｇｍｅｎｔ）または中性粒子（ｎｅｕｔｒａｌ）によって放出される。
【００５２】
ガス入口６２４およびガス出口６２６が、サンプル・セル６０４内の処理ガスまたは画像化ガスの流量および圧力を調節する。ガス入口６２４を通して、ＮＦ3などの前駆体ガスまたは画像化ガスの源を供給することができる。ガス出口６２６は、リーク弁６２８を介して粗引きポンプ（図示せず）に接続される。弁６２８による制御された漏出およびサンプル室６０３の容積に比べて相対的に小さなセル６０４の容積は、例えばＨＰＳＥＭビーム・ケミストリ・モードとＨＰＳＥＭ画像化モードとを切り換える、異なる処理ガス間の高速切換えを提供する。粒子−光学装置６００は、比較的に高い圧力、すなわち２０トル（２６ミリバール）よりも高い圧力で機能することができる。粒子−光学装置６００は、５０トル（６５ミリバール）以上の圧力でも機能することができる。いくつかの実施形態では、セル６０４内の圧力が１０ミリトルよりも高く、サンプル室６０３内の圧力が１０ミリトルよりも低い。
【００５３】
針の形態で示されているが、リング、プレートなどさまざまな形状寸法を有することもできる２次電子検出器６２２は、２次電子を引きつけるため、好ましくは１００Ｖ超、より好ましくは３００Ｖ超、最も好ましくは約５００ボルトに電気的にバイアスされる。２次電子は、サンプル６０６と２次電子検出器６２２の間のガス分子と衝突して、２次電子信号を増幅するイオン化カスケードを生じさせる。錐体６１６と錐体の外側に配置された２次電子検出器６２２の構成との組合せは、適切な２次電子信号増幅を提供する十分な２次電子経路がガスの中を通り、同時に、ガスの中を通る１次電子経路が短く維持されることを可能にする。サンプルから検出器までの２次電子経路は２ｍｍよりも長いことが好ましい。光学的に透明な窓６３４によって、ユーザは、窓６３４とサンプル６０６の間に配置されたレンズ６３６を使用した光学顕微鏡（図示せず）を通してサンプルを観察することができる。光学窓６３４は、システム６００が、広視野ビュー（ｗｉｄｅ  ｆｉｅｌｄ  ｖｉｅｗ）を提供しつつ、同時に、短いガス経路長およびカラム内へのガス漏流量を少なく維持することを可能にし、このことは、分解能および画像信号対雑音比を向上させ、腐食性のガスからカラムを保護する。
【００５４】
ガス入口６２４は、１つまたは複数の処理ガス・フィード６４４、画像化ガス・フィード６４６などの複数のガス・フィード間の高速切換えを可能にする弁装置６４０を含む。ダクト６５０は、ＰＬＡ６１４を通過したガスの排出を可能にし、それによって下部カラムの圧力を上部ＰＬＡ６１２よりも高い圧力に維持するのを助ける。セル６０４がその中に置かれた従来のＨＰＳＥＭまたは低圧ＳＥＭのステージとすることができるステージ６４８は、ＰＬＡ６１４が電子ビーム６１０の軸と整列するようにセル６０４の位置を調整することを可能にし、ステージ６０８は、セル６０４内でのサンプル６０６の移動を可能にして、サンプル６０６上の関心の領域を電子ビーム６１０の下に配置することができるようにする。Ｖｉｔｏｎ  Ｏリング、Ｔｅｆｌｏｎシールなどのシール６５２が、セル６０４のガスがサンプル室６０３に入ることを防ぐための、レンズ６０２とセル６０４の間の気密シールを提供することが好ましい。シール６５２を、予備室とサンプル室６０３の間のガス流絞りの働きをするより小さな隙間によって提供される非気密シールとすることもできる。ガス・カスケード増幅を使用することができる他のシステムは例えば、Ｍａｎｃｕｓｏ他の「Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  ａ  Ｇａｓｅｏｕｓ  Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ」という名称の米国特許第４，７８５，１８２号明細書、および本発明の譲受人に譲渡されたＳｃｈｏｌｔｚ他の「Ｐａｒｔｉｃｌｅ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ｍｅａｎｓ」という名称の米国特許第６，９７２，４１２号明細書に記載されている。
【００５５】
本発明は、セル内でガス・カスケード検出器を使用することだけに限定されない。ＰＬＡの周囲に配置されたガス・ルミネセンス検出器、スルー・ザ・レンズ（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｔｈｅ−ｌｅｎｓ）方式の検出器など従来の検出器を使用することもできる。スルー・ザ・レンズ方式の検出器では、電圧を印加して、２次粒子を最終レンズを通して引き戻す。引き戻されたた２次粒子は、マルチチャンネル・プレート、シンチレータ光電子増倍管などのオンアクシス（ｏｎ−ａｘｉｓ）またはオフアクシス（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）の収集システムによって検出することができる。図６は、１次ビーム軸から離れる方向へ２次電子を偏向させて検出器６５６内へ導き、同時に１次ビーム６１０を偏差なしで通過させるウィーンフィルタ（Ｗｉｅｎ  ｆｉｌｔｅｒ）などの任意選択の２次電子偏向器６５４を示す。
【００５６】
以上の説明では用語「エッチング前駆体」および「蒸着前駆体」を使用したが、多くの前駆体および前駆体ガス混合物が、ガス流束およびビーム密度に応じてエッチングまたは蒸着を実行することができることを当業者は認識するであろう。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態は、荷電粒子ビーム・エッチングの方法であって、基板の表面を室温よりも低い温度に冷却するステップと、基板表面を前駆体ガスにさらすステップであり、前駆体ガスが、基板表面の温度よりも低い沸点を有する一群の化合物の中から選択されるステップと、前駆体ガスの存在下で基板表面に荷電粒子ビームを照射するステップであり、粒子ビームの存在下で前駆体ガスが反応して、基板表面から材料を除去するステップとを含む方法を提供する。
【００５８】
いくつかの実施形態では、基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、基板表面をＮＦ3を含む前駆体ガスにさらすステップを含む。前駆体ガスがＮＦ3を含むいくつかの実施形態では、基板がシリコンを含む。
【００５９】
前駆体ガスがＮＦ3を含むいくつかの実施形態では、基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、基板表面を、ＮＦ3と酸化物の成長を抑制するガスとの混合物にさらすステップを含む。前駆体ガスがＮＦ3を含むいくつかの実施形態では、基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、基板表面を、ＮＦ3と炭素をエッチングするガスとの混合物にさらすステップを含む。前駆体ガスがＮＦ3を含むいくつかの実施形態では、基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、基板表面を、ＮＦ3と酸化物の成長を促進するガスとの混合物にさらすステップを含む。前駆体ガスがＮＦ3を含むいくつかの実施形態では、基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、基板表面を、ＮＦ3とＮＨ3との混合物にさらすステップを含む。前駆体ガスがＮＦ3を含むいくつかの実施形態では、基板表面を前駆体ガスにさらすステップが、基板表面を、ＮＦ3とＮ2Ｏとの混合物にさらすステップを含む。
【００６０】
いくつかの実施形態では、基板表面を室温よりも低い温度に冷却するステップが、加工物表面を、前駆体の沸点から５０°Ｃ以内の温度に冷却するステップを含む。いくつかの実施形態では、基板表面を室温よりも低い温度に冷却するステップが、加工物表面を、前駆体の沸点から２０°Ｃ以内の温度に冷却するステップを含む。いくつかの実施形態では、基板表面を室温よりも低い温度に冷却するステップが、加工物表面を、マイナス１００°Ｃよりも低い温度に冷却するステップを含む。いくつかの実施形態では、基板表面を室温よりも低い温度に冷却するステップが、加工物表面を、前駆体ガスのケルビン目盛上の沸点から１５パーセント以内の温度に冷却するステップを含む。いくつかの実施形態では、基板表面に吸着し、粒子ビームの存在下で解離し、それによって反応性のフラグメントを形成する分子を有する化合物を前駆体ガスが含み、反応性のフラグメントが基板表面と反応して、基板表面から脱離する反応生成物を形成する。
【００６１】
いくつかの実施形態では、前駆体ガスが、酸素、一酸化二窒素、水素、アンモニア、塩素または塩化水素を含む。いくつかの実施形態では、加工物が、ホウ素、炭素、シリコン、ゲルマニウム、ヒ素、リン、スズ、アンチモン、セレンまたは硫黄を含む。
【００６２】
いくつかの実施形態は、加工物の画像を形成する方法であって、加工物に向かって電子ビームを導くステップであり、電子ビームの衝突によって２次電子が放出されるステップと、ＮＦ3を含むガス中で２次電子を加速させて、２次電子信号を増幅するイオン化カスケードを生じさせるステップと、増幅された２次電子信号を検出するステップと、増幅された２次電子信号を使用して加工物の画像を形成するステップとを含む方法を提供する。
【００６３】
いくつかの実施形態では、この方法が、加工物を室温よりも低い温度に冷却するステップを含む。
【００６４】
いくつかの実施形態は、荷電粒子ビーム・エッチングの方法であって、基板のビーム誘起エッチング用の前駆体ガスを選択するステップと、基板の表面を、前駆体ガスの沸点よりも高い、前駆体ガスの沸点から１００°Ｃ以内の温度に維持するステップと、基板表面を、前駆体ガスにさらすステップであり、前駆体ガスが、基板表面の温度よりも低い沸点を有する一群の化合物の中から選択されるステップと、前駆体ガスの存在下で基板表面に荷電粒子ビームを照射するステップであり、粒子ビームの存在下で前駆体ガスが反応して、基板表面から材料を除去するステップとを含む方法を提供する。
【００６５】
本発明のいくつかの実施形態は、加工物を処理する荷電粒子ビーム・システムであって、サンプルに照射する荷電粒子の１次ビームを生成する荷電粒子源と、加工物の表面に荷電粒子を焦束させる集束レンズと、荷電粒子ビームの衝突によって生成された２次電子を加速させる電極と、ＮＦ3を封入する容器とを備え、前記電極が、２次電子をＮＦ3中で加速させて、ＮＦ3を、検出のために２次電子の数を増幅するイオン化カスケードでイオン化する荷電粒子ビーム・システムを提供する。
【００６６】
いくつかの実施形態では、ＮＦ3を封入する容器がサンプル真空室を含む。いくつかの実施形態では、ＮＦ3を封入する容器が環境セルを含む。いくつかの実施形態では、ＮＦ3を封入する容器がイオン化管（ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｔｕｂｅ）を含む。
【００６７】
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、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。
【符号の説明】
【００６８】
５１０  デュアル・ビーム・システム
５１１  集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム
５１４  イオン源
５１６  集束カラム
５１９  システム・コントローラ
５２４  ＴＥＭサンプル・ホルダ
５２５  可動式Ｘ−Ｙステージ
【図１】
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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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