(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース上の連続する任意の衝突ポイントに向かって荷電粒子ビームを照射してワークピースの表面を目的に合わせて改質し、
前記衝突ポイントの一つにおいてワークピースから放出された粒子を検出し、
ビームがある特定のポイントに向かって照射されたときとそのポイントにおいてビームの衝突によって放出された粒子が検出されたときの間の時間に対応するシステム遅延時間を自動的に決定し、
そのシステム遅延時間に基づいて、検出された信号に対応する荷電粒子ビームの位置を決定し、そして、
荷電粒子ビームがワークピースの表面を目的に合わせて改質している間に検出された粒子に基づいて画像を形成又は更新する、荷電粒子ビームシステムを用いて同時にワークピースの表面を加工して表面画像情報を収集する方法。
【請求項２】
連続する任意の衝突ポイントに向かって荷電粒子ビームを照射することには、停留期間において衝突ポイントのそれぞれに向かって荷電粒子ビームを照射することが含まれており、更に、画像を形成又は更新することには、その停留期間中に複数回画像を形成又は更新することが含まれていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
更に、検出された信号に対応する荷電粒子ビーム位置に対応するメモリロケーションに、前記検出された信号に対応する値を記憶する工程を具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ビーム制御システムの監督下でビームがワークピース表面上の各ポイントに照射され、検出器が該表面上の各ポイントのビーム照射によって発生された信号を検出するシステムであって、ビームを特定のポイントに移動するようにビーム制御システムに指示することとそのポイントに対するビーム照射によって発生する信号を受信することの間に遅延時間が存在するシステムにおける、検出された信号を該信号が発生されたときの前記ワークピース表面上のビーム位置と関連付ける方法であって、該方法が、
ビームに命じてワークピース表面を目的に合わせて改質する一又はそれ以上の行為を行わせる一又はそれ以上の指示を制御システムに提供し、前記の一又はそれ以上の行為の結果に対応する信号を検出器から受信し、前記ビームに命じて一又はそれ以上の行為を行わせる一又はそれ以上の指示を提供することと、前記一又はそれ以上の行為の結果に対応する信号を受信することの間の経過時間を測定することによってシステム遅延時間を決定することと、
制御システムに、連続するポイントにビームを照射するような指示を提供することと、
連続ポイントの各ポイントへのビーム照射によって発生された信号成分を有する信号を検出器から受信することと、
前記システム遅延時間を用いて、各信号成分が連続ポイントのうちのどのポイントに対応するのかを決定することと、
ワークピース表面を目的に合わせて改質している間に検出された信号成分と該信号成分に対応する前記連続ポイントのうちの少なくとも一つに基づいて画像を形成又は更新することからなる方法。
【請求項５】
ビームに命じて一又はそれ以上の行為を行わせる一又はそれ以上の指示を制御システムに提供することには、ビームをブランク及びアンブランクにする指示を提供することが含まれていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
ビームに命じて一又はそれ以上の行為を行わせる一又はそれ以上の指示を制御システムに提供することには、複数回ビームをブランク及びアンブランクにする指示を提供することが含まれていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ビームに命じて一又はそれ以上の行為を行わせる一又はそれ以上の指示を制御システムに提供することには、一連のパターンベクトルであって、各パターンベクトルがビームが照射するポイントの座標と停留期間と、停留期間中にビームをブランクするか否かの指示を含むものを制御システムに提供することが含まれていることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項８】
更に、連続ポイントのうちの対応するポイントに関連するメモリロケーションに前記信号成分に対応する値を記憶する工程を具備することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項９】
更に、前記信号成分に対応する値を基準値と照合して、前記信号成分に対応するポイントを更に加工すべきか否かを決定する工程を具備することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
ビーム源と、
ワークピース表面を目的に合わせて改質するためにワークピース表面の衝突ポイントに向かってビームの向きを決めるためのビーム偏向器と、
ワークピースに対するビームの衝突によって発生される信号を検出する検出器と、
ビームが対処する任意の各ポイントを記憶するためのパターンメモリと、
ワークピース上で発生された信号に対応するデータを記憶するフレームメモリであって、ビームが対処する任意の各ポイントのそれぞれのためのメモリロケーションを有するものと、
システム遅延を決定し、前記検出器から信号を受信し、前記システム遅延を用いて前記任意のポイントのうちのどれかに前記信号が対応しているかを決定し、関連するメモリロケーションに前記任意のポイントのそれぞれに対応する対応データを記憶する制御ユニットと、
ワークピース表面を目的に合わせて改質している間に発生された信号に対応するデータと該信号に関連するメモリロケーションの前記任意のポイントに対応するデータに基づいて画像を形成又は更新する論理ユニットとから成る、ワークピースの各部分にビームを照射することによってワークピースを加工するためのシステム。
【請求項１１】
制御ユニットが、任意のポイントに対応する情報の提供をそのポイントに対応する信号が受信されるまで遅延する遅延メモリを有することを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
制御ユニットが、ビーム偏向器に指示を送ることと検出器から対応する信号を受信することの間の遅延を決定する遅延校正器を有することを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
荷電粒子ビームを連続する任意の衝突ポイントに向かって照射することには、非ラスタスキャンにより荷電粒子ビームを照射することが含まれていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
荷電粒子ビームを連続する任意の複数ポイントに向かって照射することには、矩形を形成しないパターンで荷電粒子ビームを照射することが含まれていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
荷電粒子ビームを連続する任意の衝突ポイントに向かって照射することには、停留期間において前記衝突ポイントのそれぞれに向かって荷電粒子ビームを照射することが含まれており、更に、荷電粒子ビームがワークピース表面を目的に合わせて改質する間に検出された粒子に基づいて画像を形成又は更新する工程には、更に、その停留期間中に複数回画像を形成又は更新することが含まれていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトン又は荷電粒子を用いて、微細な特徴を映像化して加工する分野に関連する。
【０００２】
発明の背景
荷電粒子又はフォトンのビームは、極小構造を観察加工するために広く用いられている。微細構造の画像を生成するために使用される機器には、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）や走査型光学機器や収束イオンビーム（ＦＩＢ）システムが含まれている。
【０００３】
これらの機器において、電子又はイオンのようなフォトン又は荷電粒子が試料に向かって照射され、その表面から放出された二次粒子又は一次ビームからの後方散乱粒子が収集される。二次粒子又は後方散乱粒子のタイプ又はエネルギー若しくは量が測定されて、前記ビームによって衝撃が加えられた表面の各ポイントについての情報を推定する。構造やトポグラフィーのような、材料表面又は表面下のある種の特性又は性質の空間的な分布を表すために画像が形成される。
【０００４】
画像を形成するときには、一次ビームがラスターパターン内において表面を横断走査される。すなわち、最上位の行は第１の端から走査されて、それ以降の各行は同じ方向に走査されるも、それぞれの行の完了後にはビームが第１の端に至急戻ってビームが次の行を開始するための位置に置かれる。並置された異なるサイズの長方形を走査することによって、不規則な照射パターンに近似することが可能である。
【０００５】
検出器から受信した情報は処理され、主に、ＣＲＴ型ディスプレイ又はフラットパネル型ディスプレイのようなディスプレイを制御するために有効な信号を生成しなくてはならない。処理工程は、増幅及び被処理信号データのデジタル保存を可能にするための更なる信号調整を含むこともある。画質向上のための別処理が、表示に先立って又は表示の後に、保存されたデータに基づいて行われることもある。例えば、走査電子顕微鏡及び走査イオン顕微鏡においては、画像データが収集されて、処理されるか又は処理されないで、リアルタイム表示されることもある。ディスプレイＣＲＴにおけるビーム走査は、撮像機器の走査と協調して機能しなければならず、画像の各ポイントは試料の各ポイントと位置的に対応している。
【０００６】
収束イオンビーム（ＦＩＢ）システムは、高精度で画像処理、エッチング、ミリング、堆積及び分析をする能力を有するために、顕微鏡可視規模の製造用に広範囲に用いられている。例えば、液状ガリウム金属イオン源（ＬＭＩＳ）を用いたＦＩＢシステムのイオンカラムは、５乃至７ナノメーターの側方画像解像度を提供することができる。収束イオンビームは、スパッタリング、すなわち、試料表面から物理的に原子と分子をたたき出すことによるミリングを行う。その広範囲な用途と精度のために、ＦＩＢシステムは、プロセス開発や故障解析や最近では欠陥キャラクタリゼーションに使用される必要な分析機器として集積回路（ＩＣ）工業において普遍的に受け入れられている。ＦＩＢシステムは、情報を記録メディアに読み書きするための薄膜磁性材ヘッドの製造を含む他の様々な微細機械加工用に、そして、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）に使用されている。
【０００７】
イオンビームは、主に、ラスターパターン内において試料表面を走査し、二次電子が収集されて試料表面の画像を形成する。二次イオンは収集され分析されて前記表面の構造を示すマップを形成することができる。このマップ、すなわち画像は、ミリングされるべき特徴を決定するために使用される。このラスターパターンは、ミリングされるべき特徴に縮小されて転送され、そして、イオンビーム電流が増加されて表面をミリングする。イオンビームによる衝撃ポイントでガス状の材料が試料に向かって度々噴射され、そして、そのイオンは、用いられるガス状化合物に依存して選択的にエッチングレートを増加させるか又は材料を堆積する化学反応を引き起こす。
【０００８】
イオンビームが前記表面に衝撃を加えるときにはいつでも、表面から原子がスパッタされる。このことは、ミリング工程においては望ましいことではあるが、イオンビームが画像形成のために使用されているときにはスパッタが意図しない表面損傷を引き起こす。例えば、ビーム電流を減少することによって、又はビームが試料を横断する速度を増やすことによって、画像形成中に表面に打ち込まれるイオン数を減らすことによってこの損傷を減らすことができるかもしれないが、ある種の損傷は不可避である。
【０００９】
ラスター走査は、必ず、長方形の領域を網羅する。対象領域が長方形ではないとき、対象領域外の若干の材料が望ましくない照射を受けて結果的に材料の損傷となってしまうことはラスターパターンの不可避の結果である。したがって、画像を生成するためのラスター走査は、結果的に粒子ビーム誘因照射損傷又は望ましくない変質となる。
【００１０】
ラスターパターンを使用するときに損傷を減らす一つの方法がＴａｌｂｏｔ氏他の「自己マスキングＦＩＢミリング」と題する米国特許第５６１６９２１号に記載されている。Ｔａｌｂｏｔ氏他のシステムは、ラスターパターンを用いて、収束イオンビームを走査している。「マスクイメージ」は、各ポイントの画像を閾値と比較することによって生成される。ビームが閾値を超える諸ポイントでラスター化されたときには、ビームは、例えばブランキング又は脱焦することによって、減衰される。
【００１１】
ミリング工程中、ビームは、時々ラスターパターンよりも任意のパターンで走査される。ハードウェア又はソフトウェアにおいて実装されたパターン発生器がビーム制御器に一連のポイントを提供するが、そのことがビームを任意の一画素から他の画素に移動する。（用語「画素」は、本来ディスプレイ上の「画像の要素」として言及されるものであるが、ワークピース表面上の「停留ポイント」を示すことにも使用される。すなわち、ビームが照射されるポイントであって、ワークピースを示すディスプレイ上の単独の画素によって度々示されるものを示すためにも使用される。）ビームを対象領域に限定し領域周辺の損傷や変質を排除するような方法でビームを材料表面に亘って移動して任意のパターンを発生することができる。それによって、ビームは、パターン発生器によって規定された対象領域内に制限されて、その機能を発揮してその内部で所望の材料変質を生み出す。
【００１２】
しかし、これらの先行技術のパターン発生方法はミリング中に所望の材料変質を対象領域に制限するものではあるが、そのように照射された材料を試験又は映像化して更なる材料加工が必要であるか否かを決定する必要がある。プロセス終了までには、その表面を加工して再映像化する諸工程が幾度か行われなければならない。各工程において、発生されたパターンからラスターパターンに切り替えて試料の画像を形成する必要がある。工程の生産性を減少させるものである切換は時間がかかるだけではなく、映像化のためにラスターパターンを使用することは結果的に試料の非加工領域に望ましくない照射をすることとなる。
【００１３】
発明の要約
本発明の目的は、フォトン又は荷電粒子のビームを使用するシステムの用途を拡張して、微小構造を映像化するか、又は微小構造に加工することである。
【００１４】
本発明は、ビームを使用して材料を加工する方法と装置を具備する。本発明の一側面に関連して、ビームが試料上の任意のパターンの各ポイントに向かって照射されたときに画像情報が収集される。ビームが任意のパターン内で照射されているときに画像情報を収集することによって、ラスターパターンが使用されたならば生じたであろう表面に対するビーム誘因損傷が避けられる。
【００１５】
本発明の他の側面に関連して、ビームが材料を加工しているときに画像情報が収集されて、別の撮像工程が不必要となる。本発明は、このように、加工中の「リアルタイム」の映像化とデータ収集を可能にする。材料が加工されている最中に情報を収集することで「閉ループ」加工が可能になるが、加工の諸結果が更なる加工を制御するためにリアルタイムで利用可能になる。過加工が避けられるし、映像化モードと加工モードの間で切り替えに要する時間が排除され、それによって生産性を向上することができる。
【００１６】
本発明の他の側面において、ビームをポイントに移動するように指示するときとそのポイントで表面から信号が検出されるときの間の遅延が測定される。現代的な走査機械に使用される高速度走査では、遅延時間は多くの停留期間を内在するものであるが、そのことは画像をビームに対して同期はずれ状態にする。特定の動作パラメータに対して遅延を校正することによって、正確な画像とビームの配置が維持される。
【００１７】
上記は、本発明の以下の詳細な説明をよりよく理解できるように、本発明の特徴と技術的利点をかなり広範囲に概略したものである。本発明の別の特徴や利点は、以下に説明されている。開示された思想や特定の実施の形態が、本発明と同じ目的を実施する他の構造を改作又は設計するための基礎として容易に利用できることは、業界において通常に知識を有する者にとって理解できることである。そのようなものと均等な構造物が、添付の特許請求の範囲に記載された発明の思想と範囲から逸脱するものではないことは、業界において通常の知識を有する者にとって了解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明、そして、その利点をより完全に理解するために、次の説明が添付の図面を参照してなされる。
【図１】本発明の一好適実施形態の各工程を示すフローチャートである。
【図２】本発明の好適な実施の形態を略式に示している。
【図３】図２の実施の形態に使用されるリアルタイムモニタユニットの一実施の形態の図である。
【図４】図２のシステムに使用される好適なメモリ構成例を示している。
【図５】図２のシステムに使用される遅延校正器の好適な実施の形態の図である。
【図６】本発明の他の好適実施の形態を示すフローチャートである。
【図７】本発明によって加工可能なワークピースの例を示している。
【図８】図７のワークピースを加工するために使用される各工程を示すフローチャートである。
【００１９】
好適な実施の形態の説明
本発明の一側面に関連して、ビームが任意のパターンでワークピースに向かって照射されたときにビームシステムは画像を獲得する。用語任意のパターンは、ワークピース表面上の連続する特定の独立ポイントを示すために使用される。走査ビームが側部から側部に、そして、頂部から基部に移動するラスター走査とは異なり、任意のパターンにおける特定の各ポイントは、所望の順序又は順番で走査され、そして、走査ビームが直接ポイントからポイントに移動される。結果として、対象となる特定のポイントのみがビーム照射される。このように、本発明は、直接対象とはならない領域へのビーム照射を回避してその領域への損傷を避ける。
【００２０】
本発明の他の側面は、使用される走査方法にかかわらず、同時の映像化と加工を可能にする。本発明は、また、システム遅延を測定することによって、高速度走査での映像化又は加工を提供するが、それによって、試料に対する意図しない損傷を最小限にする。
【００２１】
本発明の他の側面は、任意のパターンの発生と処理された検出器データのデジタルメモリ保存又は非ラスター走査期間中のビデオデータの表示の結合を達成する。ビーム加工領域の映像化は、実際に照射されている最中に達成されて、その画像はリアルタイムで表示される。このようにして、ラスター走査技術に固有の制約は克服されている。
【００２２】
本発明が作用するワークピースは、例えば、集積回路又は薄膜磁性材記録ヘッド若しくはＭＥＭＳデバイスである。いくつかの実施の形態において、ビームはミリングのために任意の組のポイントに向かって照射され、そしてリアルタイムで、すなわちビームがミリングしている最中に、画像情報が収集される。本発明は、また、柔軟な映像化を提供する。例えば、停留期間が各画素において同じである必要はない。また、画像情報はメモリ内で連続的に更新され、単独のポイントでビームが停留している間に限界点基準と比較される。
【００２３】
用語「画像」は広い意味に使用されており、表面の様子を表示する表示画像を含むだけでなく、表面上又は表面下の複数ポイントを特徴づける情報のいかなる収集をも含んでいる。例えば、表面上の異なるポイントでの元素濃度に対応するデータの収集は、データが表示されなくとも、一種の「画像」である。ワークピース上の各ポイントについての情報を収集することは、「撮像」である。
【００２４】
図１は、本発明の第１の好適実施の形態の各工程を示すフローチャートである。工程１１０で、ビームがそれに向かって照射されるべき試料表面上の領域を示す連続ポイントが発生される。各ポイントは任意のパターンに構成でき、それらが長方形に形成される必要もなければ、ラスターパターンにおけるような一回につき一行走査の必要もない。各ポイントは、より明るいポイントがより明るくないポイントに比べてもっと加工されるように設計されるようにして、例えば、画像のコントラストパターンから決定されるようにしてもよい。各ポイントは、また、例えば試料を記載したデータベースから決定されるようにしてもよい。
【００２５】
工程１１１で、ワークピースの各ポイントにとって望ましいビーム照射総量とその照射を出力する方法を含む照射方針が決定される。加工ビームの総照射量は、加工速度と加工されるべき材料の量に基づいて推定される。例えば、材料をミリングするために使用される収束イオンビームシステムにおいては、総照射量又は総イオン照射量が、表面材料のスパッタ速度と取り除かれるべき材料の厚みから容易に計算できる。スパッタ速度は、スパッタされる材料のタイプやビームパラメータやいずれかのスパッタ強化ガスの存在の関数である。ビームパラメータには、使用されるイオンのタイプやビーム中のイオンエネルギーが含まれている。
【００２６】
一度総イオン照射量が決定されると、ミリングの方針が決定される。過度の停留期間ビームを各ポイントにそのままにしておくことは、粗い表面を形成し、更に、スパッタされた材料の再付着の問題を悪化させる。したがって、試料の周囲で複数のパス又はループに照射を分割して、各ループの最中において比較的に短い停留期間を設けることが好適である。収束イオンビームにとっては、１μ秒以下の停留期間が好ましく、５００ｎ秒以下の停留期間の場合にはより好適である。１００ｎ秒の停留期間は、不連続のポイントにとって特有のものであるが、１０ｍ秒まで若しくはそれよりもはるかに長い停留期間も使用できる。いくつかの用途においては、加工が限界点の検出に依存していることがある。すなわち、加えられるべき一回一回の被照射総量を決定する代わりに、加工が完了したことを検出器が示すまで、そのワークピースのポイントをビームに曝し続けるようにすることがある。
【００２７】
工程１１２で、連続ポイントのうちの最初のポイントに向かってビームが照射される。工程１１４で、ビームがそれに向かって照射される表面ポイントから信号が検出される。本発明は、実質的にあらゆるタイプの一次ビームと共に使用でき、一次ビームによって生じたあらゆるタイプの信号も実質的に使用でき、一次ビームの衝突ポイントにおける試料の特性を表示できる。例えば、信号は、二次電子電流、二次イオン電流、オージェ電子電流、後方散乱電子又はイオン電流、若しくは試料ホルダー電流である。この信号は、例えば、チャネル電子増倍管又はマルチチャネルプレート若しくはシンチレータを用いて検出できる。ほとんどの検出器は連続信号を生成し、更に、表面のポイントからの信号を「検出」することは、ビームがそのポイントを処理している間に検出器出力をサンプリングすることを意味している。
【００２８】
選択的な工程１１６では、検出された信号が調整されてより容易に使用され記憶される。例えば、信号は増幅されてアナログ信号からデジタル信号に変換され、デジタル論理を使用して操作され、デジタル形式で記憶されるようにすることができる。
【００２９】
工程１２４で、そのポイントに対応するメモリロケーションにある情報は、検出された信号に基づいて更新される。この更新は、例えば、そのポイントがより暗くなったか若しくはより明るくなったことで示され、そのポイントでは収束イオンビームによって一つの組成の材料がミリングされて取り除かれているが、異なるタイプの材料は未だにビームに曝されていることを示している。工程１２４は、工程１１６の前後若しくはそれと同時の実施が可能である。主に信号はアナログ信号からデジタル信号に変換されて、デジタルメモリに記憶される。メモリは、メモリ内の情報が試料の一部の完全な画像に対応した状態で、主に、表面の複数のポイントに対応する複数のメモリロケーションを有する。
【００３０】
先行技術のラスター操作においては、ビーム電流、したがってビーム直径は、解像度を上げるために撮像中は少なくされていた。加工中に撮像が行われる、本発明のいくつかの実施の態様においては、像の解像度は減少したビーム電流における個別の撮像工程のそれから比べても減少する。同時の加工と撮像に関連して、各停留ポイントの画像情報は加工中の同じ領域に由来し、解像度はこのポイントを引き続き加工すべきか否かを決定するために適切なものである。
【００３１】
この画像は他の工程が行われている間に表示される。画像自体は、メモリ内に記憶された値に由来するか、又はいくつかの実施の形態においては、画像は入力信号からリアルタイムで生成される。本発明では、長方形内の全てのポイントを走査する必要がないので、試料表面の完全な表示ではないかもしれないが、表面が簡単に損傷を受けるような場合においてはそのような部分的な画像は容認でき、むしろ望ましい。したがって、いくつかの実施の形態では、メモリは選択されたポイントのみを含むが、可視画像に対応する各ロケーションを含まないかもしれない。
【００３２】
工程１２４の最中にメモリに記憶された値は、検出信号から決定された代表値である。この代表値は、主に信号の強度に基づくが、例えばゼロと２５５の間の値を表すことができるも、ゼロは検出信号がないことを表し２５５は最大値を表している。
【００３３】
任意の工程１１８では、工程１１４で検出された信号が基準を満足しているか否かに関連した決定がなされる。例えば、二次電子信号強度はワークピースの組成に依存しているかもしれないが、信号強度の基準はビームが導電材料に対して当たっているのか、又は、絶縁材料に対して当たっているのかを示すようなものでよい。二次電子電流は、収束イオンビームが材料の第１の層を完全にミリングして第２の層に今や衝突するか否かに関して示唆を提供することができる。この基準は、また、表面からスパッタされているイオンが特定のタイプのものであることを示す二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）からの信号強度であってもよい。基準は、表面上の異なるポイントにおいて異なっていてもよいし、単一のポイントに対して複数の基準が存在してもよい。この基準は、主に、加工が完了したことを示す限界点の検出基準である。
【００３４】
任意の工程１１８において信号が特定の基準に合致したときには、工程１２０で連続ポイントからそのポイントが取り除かれ、イオンビームが工程１２２で工程１１０で発生した連続ポイントのうちの次のポイントに向かって照射される。
【００３５】
工程１１８において信号が基準を満足しなかった場合、工程１３０で、システムがクロックとカウンタを使用して、ビームが特定の停留期間の間そのポイントに配置されていたのか否かを決定する。この停留期間は、照射方針の一部として、工程１１１で決定されていた。工程１３０において、指定された停留期間が経過してしまったことが分かった場合には、現行のループにおいて、そのポイントの加工が終了される。そして、工程１３６で、連続ポイントのうちに別のポイントが存在するか否かが決定される。存在する場合には、工程１２２でビームが次の停留ポイントに向けて照射される。
【００３６】
連続ポイントのうちの全てのポイントが処理された場合には、工程１３８で、システムが、プロセスが完了したか否かを決定する。例えば、操作員は、ビームが所定数のループを実行するように指定することができる。全てのループが完了した場合、操作が停止される。全てのループが完了していない場合、ビームが連続ポイントのうちの最初のポイントに向けられ、他のループが工程１１２で始められる。
【００３７】
工程１３０で、特定の停留期間の間ビームがそのポイントに配置されていない場合には、ビームは工程１３２で引き続き同じポイントに向けて照射される。この場合、工程１１４で、ビームがそれに向かって照射される表面ポイントから信号が再び検出され、そして、その信号単独で、又は以前に記憶されていた値と組み合わされた信号によって決められる新たな値が工程１２４でメモリに記憶される。いわゆる当業者は、多くの具体例において、ビームがあるポイントで停留中に信号が引き続き検出され、そして、プロセスが工程１１４を繰り返すのではなくそれを続行することを理解する。前記のように、ビームが停留ポイントで停止しているときにメモリが工程１２４で更新される。メモリは一つの停留期間中に複数回更新されることもある。
【００３８】
図２は、本発明のシステム２００の一実施形態を図示している。図２に図示された実施の形態は、パターン発生器２０４と走査ビームシステム２０８とリアルタイムモニタユニット２１４とホストコンピュータ２１６とホストインタフェース２２０を有する。いくつかの実施の形態においては、ホストコンピュータ２１６は組み込み型のコンピュータに置換可能である。走査ビームシステム２０８は、ビームがそれに向かって照射される各ポイントにおける表面特性に対応する信号を発生するための、光学カラム２０９と検出器２４０を具備する、ビームシステムの物理的ハードウェアを有する。光学カラム２０９は、ビーム源とビームを収束するためのレンズ群とビーム軸を補正するための偏向器２４２とビームを中断するためのビームブランカー２４４を有する。パターン発生器２０４は一連のパターンポイントを発生し、更に、ビームシステム２０８に指示してビームをそれらのポイントに対して位置決めをする。リアルタイムモニタユニット２１４は、検出器からの信号を受信し、特定の時間においてワークピース表面上のどのポイントがその信号に対応しているのかを決定して、そのポイントからの検出器情報がそのポイントに対応するメモリロケーションに記憶されるようにすると共に、そのポイントを引き続き加工すべきか否かの判断がなされるようにする。
【００３９】
図３は、リアルタイムモニタユニット２１４の各構成部材をより詳細に図示している。リアルタイムモニタユニット２１４は、以下に詳述されるように、ビームがそれに向かって照射される位置を記憶し、遅延校正後にその位置情報を有効にして位置情報がその位置に対応する検出器信号と同期されるようにするＦＩＦＯ遅延同期メモリ３２０を有する。リアルタイムモニタユニット２１４は、また、ビーム位置情報と検出器信号から決められた表面特性情報の関連を制御する、リアルタイムモニタ（ＲＴＭ）制御器３１０を有している。
【００４０】
図４は、好適なメモリ構造をより詳細に図示している。そのメモリは、ワークピース２３９表面の各ポイントに対応するメモリロケーションを有するフレームメモリ４１２を具備する。これらのメモリロケーションは表面の各ポイントについての情報であって検出器信号に由来するものを記憶している。このメモリは、また、ビームがそれに向かって照射される各ポイントを任意に記憶するが、パターン発生器２０４の一部でもあり得るパターンメモリ２１０を有する。メモリ情報の読み書きは、例えば、ループカウントを追跡して個々のポイントの加工がいつ完了したのかを決定して更なる加工からそれらのポイントを取り除くことによって、加工全体をも制御しているプロセス及びメモリ制御ユニット４１０によって制御される。以下の説明は、図２乃至４に関連してなされる。各構成部材間の機能的な相互関係をより明瞭に示すために、いくつかの構成部材が複数の図に図示されている。
【００４１】
パターン発生器２０４（図２）は、パターン発生器２０４の一部であるか、若しくはパターン発生器２０４の外部に存在していてもよいパターンメモリ２１０に記憶される、任意の連続する画素位置を発生する。パターンは、一連のパターンポイント又はパターンベクトルであり、好ましくはポイント座標又はポイント位置やビームブランカーの「ＯＮ」又は「ＯＦＦ」状態やそのポイントにおける停留期間を含んでいる。パターン発生器２０４によって発生されパターンメモリ２１０に記憶された各ポイントは、＜Ｂ，（ｘ，ｙ），Ｄ＞の形式であるが、ここでＢはブランキングｏｎ／ｏｆｆ信号であり、（ｘ，ｙ）はパターンポイント又は画素位置であり、Ｄは停留期間である。
【００４２】
一般的に、各パターンはホストコンピュータ２１６からダウンロードされるが、各種の線のようないくつかのパターンはパターン発生器２０４内でアルゴリズムで作成される。パターンメモリ２１０は、例えば、１２８×１２８個と６４Ｋ×６４Ｋ個の間のパターンポイントのアレイに対応するＳＤＲＡＭ型のメモリから成る。パターンメモリは、１６ビットのアドレス空間を使用する非同時バッジ式書き込み逐次読み出し型の制御器によって制御される。このメモリは、好ましくはＸＹ座標に関連して１６ビットの解像度に対応しており、好ましくは停留期間のリニアスケールを用いて、停留期間に関連して２４ビットの解像度に対応するものである。発生されるパターン形状に関する制限は存在しない。
【００４３】
パターン発生器２０４は、主に、ワークピース表面の画像から加工すべき一連のポイントを発生する。所望の停留期間とループカウントと一緒に、その画像は、ホストコンピュータ２１６のようなコンピュータからダウンロードされる。そのような画像は、ワークピース表面からメモリ要素の集合に対する一対一の写像を可能にする何らかの方法を用いて発生される。例えば、走査電子顕微鏡又はラスターユニット２３６を使用した収束イオンビームシステムによりワークピース表面を走査することによって、画像が生成される。
【００４４】
停留期間とループカウントの計算は、ホストコンピュータ２１６によって行われ、ホストインタフェース２２０を介してパターン発生器２０４に送られる。停留期間は、ワークピース上のポイントがビームに曝されている間の時間であり、ワークピース材料のスパッタ速度、再堆積、総エッチング時間、ビームエネルギーのような変数に基づいて計算される。ループカウントは、総エッチング時間を決定した一連の画素配置の走査が何回繰り返されるかを決定する。ホストコンピュータ２１６からダウンロードされた一連の画素位置が停留期間データとホストコンピュータ２１６から受信したブランキングビットに組み合わされて、パターンベクトルを形成するが、それはパターンメモリ２１０に記憶される。アルゴリズムで発生されたパターンは、メモリに記憶される必要はない。
【００４５】
パターン発生器２０４によって供給されるパターンベクトルに基づいて、ビーム偏向器２４２はワークピース２３９上の適切なポイントに向かって走査ビーム２３２の向きを変える。各パターンポイントに対して、パターン発生器２０４はパターンメモリ２１０からパターンベクトル＜Ｂｉ，（ｘｉ，ｙｉ），Ｄｉ＞を取り出す。それは、Ｂｉをビームブランカー２４４に、そして、（ｘｉ，ｙｉ）をビーム偏向器２４２に送る。同時に、それは＜（ｘｉ，ｙｉ），Ｄｉ＞をＲＴＭ制御器３１０に送る。所望の停留期間（Ｄｉタイムユニット）の後で、パターン発生器２０４は、次の画素位置を取り出して、走査ビームを適切な位置に移動する。このプロセスが残りの全ての画素位置に対して繰り返される。
【００４６】
ホストインタフェース２２０は、ホストコンピュータ２１６とパターン発生器２０４との間、プロセス及びメモリ制御ユニット４１０との間、そして、リアルタイムモニタ制御器３１０との間で命令とデータを転送するためのデータプロトコルを取り扱い、そして、結果のデータをホストに送り戻す。サンプルのホスト命令は、「遅延を校正せよ」、「パターンベクトルをダウンロードせよ」、「パターン化を開始せよ」、「パターン化を停止せよ」などを含んでいる。ホストコンピュータ２１６から転送されるデータには、パターンベクトル又は時間単位が含まれる。ホストコンピュータ２１６に戻されたデータが、ビデオ信号又は処理された検出器信号を有することもある。
【００４７】
材料加工が行われている間、適切なタイプの放出粒子が検出器２４０によって捕捉される。検出器２４０は、走査ビーム２３２による材料加工中に放出されるか、偏向されるか、吸収される荷電粒子やフォトンに対して反応するいかなるタイプの粒子検出器であってもよい。例えば材料のＦＩＢ加工に対する適切な検出器は、チャネル電子増倍管やマイクロチャネルプレートやシンチレータ／光学増倍管検出器である。
【００４８】
検出器２４０からの出力が増幅され、アナログからデジタルに変換され、そして、検出器信号処理ユニット３４０（図３）によって適切な信号処理がなされる。結果としてのデジタル信号は、入力検出器データがデュアルポートのＲＴＭ用のフレームメモリ４１２に書き込まれたときにそれを読み込み、各ポイントに対して必要な読み込み／編集／書き込み機能を実施するプロセス及びメモリ制御ユニット４１０に伝送される。
【００４９】
一又はそれ以上のＬＵＴ（参照テーブル）４３０は、また、ホストインタフェース２２０を介してホストコンピュータ２１６からプロセス及びメモリ制御ユニット４１０にダウンロードされる。ＬＵＴ４３０に含まれている値は、各画素位置において、検出器信号処理ユニット３４０から受信したデータと比較される。例えば、ＬＵＴ４３０は、収束イオンビームシステムに伴うスパッタによる所望の深さの材料除去に対応する値を保持することができる。それとは別に、ＬＵＴ４３０内の値は、材料境界の変わり目を示すために使用されることができる。いずれの場合にも、特定画素位置に対する値がその画素位置に対するＬＵＴ４３０に含まれる許容値に達したときには、プロセス及びメモリ制御ユニット４１０は、パターンメモリ２１０からその画素位置を排除するか、若しくはその画素を処理する命令を単純にマスクするかフィルタ除去することによって、以後の加工からその画素位置を排除する。この機能は、図３の限界点検出ユニット３４４として略式に図示されている。全ての画素位置がパターンメモリ２１０から取り去られるまで、このプロセスは継続する。限界点すなわち検出工程の終わりは、このように、検出器２４０からのリアルタイムのフィードバックに基づいて可能となる。
【００５０】
検出器信号処理ユニット３４０からのデジタル信号がプロセス及びメモリ制御ユニット４１０に転送されている間、同じデータがＲＴＭ（リアルタイムモニタ）制御器３１０によって受信されて、それがパターン発生器２０４からのパターン画素位置データと連結する。パターン発生器２０４がパターン化を実行している、すなわちビーム２３２の偏向を制御しているのと同時に、リアルタイムモニタユニット２１４はビデオデータ又は他の検出器データを取り込んでいる。適当な場合には、システム遅延時間の計算後に、ＲＴＭ制御器３１０はデュアルポートのＲＴＭ用のフレームメモリ４１２を対応する画素位置の処理された検出器の値で一杯にする。システム遅延時間の校正は、サンプルクロックが画素パターンクロックに関して遅延されることを可能にする。デュアルポートのＲＴＭ用のフレームメモリ４１２は、２５６×２５６個から１６Ｋ×１６Ｋ個又はそれ以上の画素に対応するデュアルポートＲＡＭを具備する。各画素はメモリの８ビット以上を必要とする。ＳＤＲＡＭがまた使用される。ＲＴＭ制御器３１０は、そして、デュアルポートのＲＴＭ用のフレームメモリ４１２に記憶されたデータをホストインタフェース２２０を介してホストコンピュータ２１６に送信する。ビームがそれに向かって照射されるポイントのみがメモリ内で更新される必要がある。一つの実施の形態において、リアルタイムモニタユニット２１４は、画素毎に２５ｎ秒の速度で検出器情報を取り込むことができる。
【００５１】
ビーム偏向素子に画素位置を送ることとＲＴＭ制御器に到着した二次放出検出器からの処理された信号の間には遅延時間が存在する。高精度の材料加工の場合には、システムの遅延時間を測定しなくてはならない。遅延同期ＦＩＦＯがこの遅延を調整するために使用される。パターンデータ及び検出器出力データは、遅延校正中に遅延時間Ｄ０を確立することによって同期が取られる。遅延時間同期は、そして、リアルタイムモニタユニット２１４で実行される。
【００５２】
パターンのミリングに先立って、ＲＴＭ制御器３１０はＦＩＦＯ遅延同期メモリ３２０を空にして、それを＜（−１，―１），Ｄ０＞の値を有する項目＜（ｘｋ，ｙｋ），Ｄｋ＞で初期化するが、ここで、（−１，―１）はフレームメモリ外のダミー位置であり、Ｄ０はシステム遅延時間である。その値Ｄ０は、システム特性であり、図３に示された遅延校正器３２４によって以下の説明のように計算される。各パターンポイントに対して、パターン発生器２０４は、パターンメモリ２１０からパターンベクトル＜Ｂｉ，（ｘｉ，ｙｉ），Ｄｉ＞を取り出す。パターン発生器２０４は、Ｂｉをビームブランカー２４４に送り、（ｘｉ，ｙｉ）をビーム偏向器２４２に送る。同時に、パターン発生器２０４は、＜（ｘｉ，ｙｉ），Ｄｉ＞をＲＴＭ制御器３１０に送る。ＲＴＭ制御器３１０は、ＦＩＦＯ遅延同期メモリ３２０のトップに、到着したベクトル＜（ｘｉ，ｙｉ），Ｄｉ＞を置く。
【００５３】
＜（ｘｋ，ｙｋ），Ｄｋ＞が正にＦＩＦＯ遅延同期メモリ３２０の基部に降下されたとすると、ＲＴＭ制御器３１０は停留期間カウンタをクリアしてゼロにし、例えば、各カウント毎に２５ｎ秒である時間単位でカウントを開始する。主に２５ｎ秒である画素クロックの各カウントの後で、フレームメモリロケーションの（ｘｋ，ｙｋ）におけるデータ値がＶｋに更新されるが、それはパターンポイント（ｘｋ，ｙｋ）からの到着した被処理検出器出力データである。したがって、停留カウンタが最終カウンタ以外において、カウントしている最中、画素クロックの全ての瞬間においてビデオ値Ｖｋがフレームメモリロケーション（ｘｋ，ｙｋ）に書き込まれる。システムは、できるだけ何度も停留期間中に検出器出力の変化を観察し、そのポイントにおけるミリングを続行するか否かに関して現状の判断を行う。
【００５４】
Ｄｋカウントの最後（システム遅延時間に相当する）において、項目＜（ｘｋ，ｙｋ），Ｄｋ＞をＦＩＦＯ遅延同期メモリ３２０から取り除き、そして、ＦＩＦＯ遅延同期メモリ３２０の次の項目が基部に向かって降下される。ＦＩＦＯ遅延同期メモリ３２０が空になったときに、プロセスが完了する。
【００５５】
遅延校正器３２４は、ビームがブランクされたときには検出器からの信号が存在しないという利点を有する。非ブランク状態（信号あり）とブランク状態（信号無し）の間の変わり目が校正パターンを確立するのに使用されることがある。固有のベクトルパターンをビームシステム２０８に送るときと検出器２４０を通して固有のパターンを検出するときの間の時間がシステム遅延時間を確定する。検出器から受信した信号は、その固有のパターンのために認識される。図５は、好適な遅延校正器３２４に使用された各構成部材が転移点カウンタ５０２と総合カウンタ５０４とシフトレジスタ５０６と閾値変換器５１４と校正レジスタ５１８と論理回路５２２から成ることを示している。遅延校正器３２４の全ての構成部材は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）又は論理設計分野で通常の知識を有する者に知られている他の手段で実装される。図６は、遅延を校正するために使用される各工程を示すフローチャートである。先行技術とは異なり、遅延校正は自動的に行われるが、操縦者によって要求されるとき、又は温度変化のようないくつかの出来事が遅延校正を初期化してしまうようなときには、それがシステムによって実行されることを意味する。
【００５６】
工程６１０において、転移点カウンタ５０２と総合カウンタ５０４とシフトレジスタ５０６がクリアされる。工程６１２において、認識可能なベクトルパターンが走査ビームシステム２０８に送られる。例えば、単純な一連のパターンのベクトル＜ｂｌａｎｋ，（ｘ，ｙ），１０＞、＜ｕｎｂｌａｎｋ，（ｘ，ｙ），１０＞；＜ｂｌａｎｋ，（ｘ，ｙ），１０＞；＜ｕｎｂｌａｎｋ，（ｘ，ｙ），１０＞が、パターン発生器２０４によって走査ビームシステム２０８に送られる。上記のパターンが何度も繰り返される。そのような連続が周期的にビームをブランク又は非ブランク状態にするが、そのことは、対応する繰り返し信号を検出器から取り出させることとなる。遅延校正器３２４の各構成部材は、その信号を認識して、前記パターンがビームシステム２０８に送られたときと前記対応信号が受信されたときの間の遅延を決定する。
【００５７】
工程６１６において、遅延校正器３２４は、検出器信号処理ユニット３４０を介して、検出器２４０から受信される信号の受信を開始する。パターン認識を容易にするために、工程６２０において、閾値変換器５１４が検出器信号処理ユニット３４０からの信号を、実験によって確立された所定の閾値に従って、二進数値（１又は０）に変換して平均的なノイズレベルを決定する。工程６３０において、その二進数値がシフトレジスタ５０６によって処理されて転移点を決定する。シフトレジスタ５０６は、各時間段階でその値を保存し、そして値を読み出す。その場合、対応する時間段階で、（１，０）の値は、デジタル信号がハイからローに変化したことを示している。転移点カウンタ５０２は、転移点間の時間をカウントするが、一方、総合カウンタ５０４は校正サイクルの開始からの時間をカウントする。論理回路５２２は、転移パターンを校正パターンと比較して、工程６３２において校正パターンを認識する。既知信号の検出は、例えば電気通信分野において通有のことである。工程６３４において、一度校正パターンが認識されると、パターンが送られた既知の時間とパターンが受信された時間との間の遅延時間が、総合カウンタ５０４と校正パターンの持続時間から容易に決定される。この値は、工程６３８において、遅延校正レジスタ５１８に保存され、そしてＦＩＦＯ遅延同期メモリ３２０へ送られる。任意の連続ポイントに対処するシステムに関連して遅延校正と遅延の使用が説明されているが、この遅延はラスター走査の精度を上げるためにも使用される。
【００５８】
図７は、本発明を用いて加工されるワークピースの一例を図示している。図７に示すように、ワークピース７０２から輪郭パターンがミリング／機械加工されるべきである。この例において、陰線の付けられた領域７０４のみが取り去られるべきであり、せりだしたその陰線の付けられた領域７０４の下の領域７０６は、ビームによる機械加工すなわち照射からできるだけ保護される必要がある。
【００５９】
図８は図７のワークピースを加工するために使用される各工程を図示する。工程８１０において、パターンがパターンメモリ２１０にダウンロードされる。このパターンは、水平方向の軸に沿った輪郭停留期間、すなわちポイントの位置に関連して、水平方向の軸に沿った停留期間の変化を用いて、より短い停留期間が図の左に使用され、より長い停留期間が右に使用されるようにする。工程８１２において、「ループ回数」がそのパターンに対して算出されるが、それが、何回そのパターンがその領域で走査されるのか（ループカウント）を決定する。ループカウントを大きくして材料の再堆積を減少する必要があることがよく知られているが、これは定数によって全てのポイントに対する停留期間を減少する。これら全ての計算はスパッタ速度とビームエネルギーに依存してなされる。
【００６０】
工程８１６において、参照テーブル４３０もプロセス及びメモリ制御ユニット４１０にダウンロードされる。参照テーブル４３０は、水平軸に沿って許容されるグレースケールの最大値を保持している。累積値又は最小値のような、最大値以外の限界点状態も使用可能とする。グレースケール値は画像の輝度に対応するが、それはビーム下の材料にも対応することとなる。図７の例において領域７０６が一種類の材料で構成されている場合には、参照テーブル４３０の全ての項目が同じである。なぜならば、領域７０６の材料にビームが衝撃を加えていることをグレースケール値が示しているときには各画素の加工が停止されるからである。異なる材料で構成されるサブ領域に領域７０６が分割されている場合には、参照テーブル４３０は異なるサブ領域の各画素に対して異なるグレースケール値を有し、そのサブ領域に衝撃を加えているときにビームが領域７０４をミリングしたときシステムは何れかの画素を認識することができる。
【００６１】
工程８２０において、ミリングが開始される。工程８２４において、画素すなわち座標点が最大の許容値に達したときには、プロセル及びメモリ制御ユニット４１０がアドレス（ＸとＹ）をマークすることによって、工程８２６でパターンメモリ２１０からこの画素ポイントを取り除き、このアドレスを次回から飛ばすようにする。工程８２４において最大のグレースケール値に達していなくて、かつ、工程８３０において停留期間が満了していない場合、工程８３０で停留期間が満了するまで、工程８３６でビームは引き続きそのポイントにおいて停留し続ける。このことが、全ての画素が取り除かれるか、又は前もってループの数として計算されている総ミリング時間が工程８４０で満了するまで繰り返される。本発明に関連して、ミリングの最中にグレースケールレベルが点検される。したがって、ミリングを停止して、別の画像走査を実行する必要はない。停留期間中にグレースケールレベルが繰り返し点検され、過ミリングを少なくする。
【００６２】
本発明は広範囲の適用可能性を有し、上記の各例に記載され図示された多くの利点を提供することができる。各実施の形態は特定用途に大きく依存して変わるものであるが、必ずしも全ての実施の態様が全ての利点を提供し、本発明によって達成せる目的の全てに合致するものでもない。
【００６３】
本発明とその利点が詳細に説明されてきたが、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲及び本発明の精神の範囲から逸脱することなく各種の変更、置換、改造がなし得る。更に、本願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法、工程の特定の実施の形態に制限されることは意味していない。当該業界において通常の知識を有する者は本発明の開示事項からプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法、工程が既存しているか若しくは今後に開発されることを容易に理解されるので、ここに記載された対応実施の形態と実質的に同じ機能を行うか、又は、実質的に同じ結果を達成することは、本発明によって有効にされる。したがって、添付の特許請求の範囲は、それらの範囲内に、このようなプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法、又は工程を含んでいることを意味している。
【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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【図７】
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【図８】
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