(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームシステムであって、
荷電粒子ビームを形成する荷電粒子源、対物レンズ、及び試料平面における前記荷電粒子ビームの入射位置を変える第１偏向系を有する荷電粒子ビームカラムと、
加工対象の試料を保持する試料ステージを備えた試料チャンバと、
ジョセフソン接合が作製される禁止区域の位置を判定するように構成され、前記荷電粒子ビームで前記禁止区域の外側を走査することにより試料表面の高さマップを作成及び記憶するよう構成され、前記高さマップに従った前記荷電粒子ビームの入射位置に応じて前記荷電粒子ビームの前記対物レンズを動的に調整するよう構成され、前記試料表面の設計データを受け取るよう構成され、前記設計データと前記試料チャンバへの前記試料の装入中又は装入後に記録された画像データとの組み合わせに基づいて前記第１偏向系を制御するように構成されたコントローラと
を備えた荷電粒子ビームシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子ビームシステムにおいて、前記荷電粒子ビームカラムは、イオンビームカラムであり、該荷電粒子ビームシステムはさらに、電子ビームを形成する電子源を有する電子光学カラムを備える荷電粒子ビームシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の荷電粒子ビームシステムにおいて、前記コントローラは、前記電子ビーム又は前記イオンビームを用いて記録された画像で識別された位置に応じて、前記荷電粒子ビームの前記入射位置を調整するよう構成される荷電粒子ビームシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステムにおいて、前記試料ステージは、少なくとも３つの独立した直線方向での前記試料ステージ上に位置決めされた試料の可動性をもたらし、
前記試料ステージは、該試料ステージの移動を測定する測定システムを備え、該測定システムは、５ｎｍ以下の測定精度をもたらす荷電粒子ビームシステム。
【請求項５】
請求項４に記載の荷電粒子ビームシステムにおいて、前記測定システムは、干渉測定システムを含む荷電粒子ビームシステム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステムにおいて、前記試料表面の画像を記録する光学画像記録システムをさらに備え、前記コントローラは、前記光学画像記録システムで記録された画像を受け取るよう構成される荷電粒子ビームシステム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステムにおいて、前記荷電粒子ビームはイオンを含む荷電粒子ビームシステム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステムにおいて、該荷電粒子ビームシステムは、非点収差補正器を備え、前記コントローラはさらに、前記荷電粒子ビームでの前記試料表面の一部の走査と、走査中に前記試料表面を離れた相互作用生成物の検出とによって記録された画像に基づいて、前記非点収差補正器を調整するよう構成される荷電粒子ビームシステム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステムにおいて、前記荷電粒子ビームシステムは、第２偏向系を備えることができ、前記コントローラはさらに、前記荷電粒子ビームでの前記試料表面の一部の走査と、走査中に前記試料表面を離れた相互作用生成物の検出とによって記録された画像に基づいて、前記第２偏向系を調整するよう構成される荷電粒子ビームシステム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の荷電粒子ビームシステムにおいて、前記コントローラはさらに、加工対象の試料領域の加工中に前記試料を離れる相互作用生成物に基づいて、又は前記荷電粒子ビームのビーム電流の測定によって、前記試料領域に入射する荷電粒子線量を制御するよう構成される荷電粒子ビームシステム。
【請求項１１】
荷電粒子ビームシステムであって、
荷電粒子ビームを形成する荷電粒子源、対物レンズ、非点収差補正器、及び試料平面における前記荷電粒子ビームの入射位置を変える第１偏向系を有する荷電粒子ビームカラムと、
加工対象の試料を保持する試料ステージを備えた試料チャンバと、
試料表面への前記荷電粒子ビームの入射中に前記試料を離れた相互作用生成物を検出する検出器と、
ジョセフソン接合が作製される禁止区域の位置を判定するように構成され、前記荷電粒子ビームで前記禁止区域の外側を走査することにより試料表面の高さマップを作成及び記憶するよう構成され、前記高さマップに従った前記荷電粒子ビームの入射位置に応じて前記荷電粒子ビームの前記対物レンズを動的に調整するよう構成され、前記検出器の出力信号に基づいて画像データを生成するよう構成され、前記荷電粒子ビームでの前記試料表面の一部の走査と、走査中に前記試料表面を離れた相互作用生成物の検出とによって記録された画像に基づいて、前記非点収差補正器を調整するよう構成されたコントローラと、を備える荷電粒子ビームシステム。
【請求項１２】
荷電粒子ビームシステムであって、
ガス電界イオンビームを形成する荷電粒子源、対物レンズ、及び試料平面における荷電粒子ビームの入射位置を変える第１偏向系を有する荷電粒子ビームカラムと、
加工対象の試料を保持する試料ステージを備えた試料チャンバと、
試料表面への前記荷電粒子ビームの入射中に前記試料を離れた相互作用生成物を検出する検出器と、
ジョセフソン接合が作製される禁止区域の位置を判定するように構成され、前記荷電粒子ビームで前記禁止区域の外側を走査することにより試料表面の高さマップを作成及び記憶するよう構成され、前記高さマップに従った前記荷電粒子ビームの入射位置に応じて前記荷電粒子ビームの前記対物レンズを動的に調整するよう構成され、検出器の出力信号に基づいて画像データを生成するよう構成され、加工対象の試料領域の加工中に前記試料を離れる相互作用生成物に基づいて、前記試料領域に入射する荷電粒子線量を制御するよう構成されたコントローラと、を備える荷電粒子ビームシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、荷電粒子ビームシステム及び方法に関する。より詳細には、本開示は、高温超電導物質でできたジョセフソン接合の作製に用いることができる荷電粒子ビームシステムに関する。さらに、本願は、荷電粒子ビーム照射によって高温超電導物質にジョセフソン接合を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス電界イオンビームシステムの形態の荷電粒子ビームシステムが、例えば特許文献１に開示されている。例えば電子ビーム系と光学顕微鏡との組み合わせが、特許文献2に開示されている。さらに、例えば電子顕微鏡と集束イオンビームカラムとの組み合わせが、特許文献３に開示されている。
【０００３】
ごく最近では、非特許文献１のインターネット公開が行われている。本特許出願の発明者らのうちの一人の共著に基づくこの公開論文では、直径５００ｐｍのヘリウムイオン集束ビームを用いて高温超電導物質ＹＢＣＯ(ＹＡａ２Ｃｕ３Ｏ７−δ)に作製された局所的ジョセフソン超電導トンネル接合の作製について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７，７８６，４５１号明細書
【特許文献２】米国特許第８，７５９，７６０号明細書
【特許文献３】米国特許第８，２４７，７８５号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Shane A. Cybart et. al., “Nano Josephson superconducting tunnel junctions in Y-Ba-Cu-O direct-patterned with a focused helium ion beam”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示の目的は、高温超電導物質にジョセフソン超電導トンネル接合を作製する改良された方法を提供することである。本開示のさらに別の目的は、上記又は同様の超電導トンネル接合を作製する改良型の荷電粒子ビームシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１態様によれば、本開示は、荷電粒子ビームを形成する荷電粒子源、対物レンズ、及び試料平面における荷電粒子ビームの入射位置を変える第１偏向系を有する荷電粒子ビームカラムを備えた、荷電粒子ビームシステムを特徴とする。荷電粒子ビームシステムはさらに、加工対象の試料を保持する試料ステージを備えた試料チャンバと、試料表面の高さマップを作成及び記憶するよう構成されたコントローラとを備える。コントローラはさらに、高さマップに従った荷電粒子ビームの入射位置に応じて荷電粒子ビームシステムの対物レンズを動的に調整するよう構成される。
【０００８】
高さマップのデータに基づき、荷電粒子ビームの集束を、荷電粒子ビームによる加工対象の試料上の位置毎に最適化及び調整することができる。
【０００９】
一実施形態において、コントローラはさらに、試料表面の設計データを受け取るよう構成され、コントローラはさらに、設計データと試料チャンバへの試料の装入中又は装入後に記録されたデータとの組み合わせに基づいて第１偏向系を制御するよう構成される。設計データに従ったアライメントマークの位置と記録画像で識別されたアライメントマークの位置との比較に基づき、荷電粒子ビームシステムの光軸に関する試料のアライメントを行うことができる。
【００１０】
荷電粒子ビームカラムは、イオンビームを形成するイオン源を備えたイオンビームカラムとすることができ、荷電粒子ビームシステムはさらに、電子ビームを形成する電子源を有する電子光学カラムを備えることができる。電子ビーム又はイオンビームは、試料とイオンビームカラムの軸との間の精（fine）アライメントステップに用いることができる。さらに、電子ビーム又はイオンビームを用いて高さマップを記録することができる。
【００１１】
コントローラはさらに、電子ビーム又はイオンビームを用いて記録された画像で識別された位置に応じて、荷電粒子ビームの入射位置を調整するよう構成することができる。
【００１２】
試料ステージは、少なくとも３つの独立した直線方向での試料ステージ上に位置決めされた試料の可動性をもたらすことができ、試料ステージは、試料ステージの移動を測定する測定システムを備えることができる。測定システムは、５ｎｍ以下の測定精度をもたらすことができる。測定システムは、干渉測定システムを含み得る。さらに、測定システムは、荷電粒子ビームシステムの光軸の方向に対して垂直な試料の移動用の干渉測定システムと、荷電粒子ビームシステムの光軸の方向に沿った試料の移動の測定用の干渉測定システムとを提供することができる。
【００１３】
荷電粒子ビームシステムはさらに、試料表面の画像を記録する光学画像記録システムを備えることができ、コントローラは、光学画像記録システムで記録された画像を受け取るよう構成することができる。設計データに従ったアライメントマークの位置と記録された光学画像で識別されたアライメントマークの位置との比較に基づき、荷電粒子ビームシステムの光軸に関する試料の粗（rough）アライメントを行うことができる。
【００１４】
荷電粒子ビームはイオンを含み得る。
【００１５】
荷電粒子ビームシステムは、非点収差補正器（stigmator）をさらに備えることができ、コントローラはさらに、荷電粒子ビームでの試料表面の一部の走査と、走査中に試料表面を離れた相互作用生成物（interaction products）の検出とによって記録された画像に基づいて、非点収差補正器を調整するよう構成することができる。規定且つ既知の構造の画像の記録を用いて、規定の構造の画像の記録及びかかる記録画像の評価を繰り返すことによって、長い加工時間中に荷電粒子ビームシステムの再アライメント及び再較正を行うことができる。
【００１６】
荷電粒子ビームシステムは、第２偏向系を備えることができ、コントローラはさらに、荷電粒子ビームでの試料表面の一部の走査と、走査中に試料表面を離れた相互作用生成物の検出とによって記録された画像に基づいて、第２偏向系を調整するよう構成することができる。規定且つ既知の構造の画像の記録を用いて、規定の構造の画像の記録及びかかる記録画像の評価を繰り返すことによって、長い加工時間中に荷電粒子ビーシステムの再アライメント及び再較正を行うことができる。
【００１７】
コントローラはさらに、加工対象の試料領域の加工中に試料を離れる相互作用生成物に基づいて、試料領域に入射する荷電粒子線量を制御するよう構成することができる。
【００１８】
別の実施形態は、荷電粒子ビームを形成する荷電粒子源、対物レンズ、非点収差補正器、及び試料平面における荷電粒子ビームの入射位置を変える第１偏向系を有する荷電粒子ビームカラムを備えた、荷電粒子ビームシステムを特徴とする。荷電粒子ビームシステムはさらに、加工対象の試料を保持する試料ステージを備えた試料チャンバと、試料表面への荷電粒子ビームの入射中に試料を離れた相互作用生成物を検出する検出器と、検出器の出力信号に基づいて画像データを生成するよう構成されたコントローラとを備える。コントローラはさらに、荷電粒子ビームでの試料表面の一部の走査と、走査中に試料表面を離れた相互作用生成物の検出とによって記録された画像に基づいて、非点収差補正器を調整するよう構成することができる。
【００１９】
別の実施形態は、ガス電界イオンビームを形成する荷電粒子源、対物レンズ、及び試料平面における荷電粒子ビームの入射位置を変える第１偏向系を有する荷電粒子ビームカラムを備えた、荷電粒子ビームシステムを特徴とする。荷電粒子ビームシステムはさらに、加工対象の試料を保持する試料ステージを備えた試料チャンバと、試料表面への荷電粒子ビームの入射中に試料を離れた相互作用生成物を検出する検出器と、検出器の出力信号に基づいて画像データを生成するよう構成されたコントローラとを備えることができる。コントローラはさらに、試料の加工中に試料を離れる相互作用生成物に基づいて、加工対象の試料領域に入射する荷電粒子線量を制御するよう構成することができる。
【００２０】
別の態様によれば、本開示は、試料を加工する方法であって、
ａ．荷電粒子ビームシステムの試料チャンバに試料を装入するステップと、
ｂ．光光学（light optical）結像系又は電子ビーム系を用いて試料の表面の画像を生成するステップと、
ｃ．画像中の基準マークを識別するステップと、
ｄ．識別された基準マークに基づいて試料の表面上の基準マークの位置を判定するステップと、
ｅ．基準マークの位置及び試料の設計データに基づいて、加工対象の第１領域の場所を判定するステップと、
ｆ．ステップｅにおいて決定した場所に従って荷電粒子ビームシステムの偏向系をバイアスするステップと、
ｇ．荷電粒子ビームを第１領域に入射させるステップと
を含む方法を特徴とする。
【００２１】
実施形態において、試料は、導電層で少なくとも部分的に覆われた超電導物質の膜を備え、且つ超電導膜が導電層で覆われていない少なくとも１つの第１領域を備えることができる。
【００２２】
設計データに従ったアライメントマークの位置と記録された光光学画像で識別されたアライメントマークの位置との比較に基づき、荷電粒子ビームシステムの光軸に関する試料の粗アライメントを行うことができる。
【００２３】
本発明はさらに、試料表面の高さマップを記録するステップを含むことができる。高さマップのデータに基づき、荷電粒子ビームの集束を、荷電粒子ビームの入射による加工対象の試料上の位置毎に最適化及び調整することができる。したがって、本方法は、高さマップに基づいてステップｇにおける荷電粒子ビームの集束位置を調整するステップをさらに含むことができる。
【００２４】
高さマップは、電子ビーム又はガス電界イオンビームを用いて記録することができる。
【００２５】
本方法は、荷電粒子ビームが第１領域に入射する間に試料との荷電粒子ビームの相互作用生成物数を測定するステップと、測定された相互作用生成物数に基づいて、測定された相互作用生成物数と所定の相互作用生成物数とを比較することによって、荷電粒子ビームが第１領域に入射する間の滞留時間を動的に調整するステップとをさらに含むことができる。このように、特定の試料領域に入射する荷電粒子線量を相互作用物質の検出によって制御することができる。代替的に、特定の試料領域に入射する荷電粒子線量を、前の電流測定ステップにおいて荷電粒子ビームの電流を測定することによって求めることができ、このステップでは、例えば、荷電粒子ビームをファラデーカップ内へ偏向させ、ファラデーカップと電気的接地との間の電流を測定する。測定電流に適用滞留時間を掛けて（multiplying the measured current with the applied dwell time）この積を試料の表面の荷電粒子ビームのスポット面積で割ることによって、イオン線量の値を求めることができる。特定の領域における試料の加工中に、荷電粒子ビームが試料表面にわたって走査される限り、加工対象の領域の面積は、試料の表面上の荷電粒子ビームのスポット面積よりも大きいので、荷電粒子ビームの電流に基づいて荷電粒子線量を求める際に、この走査で適用されるステップ幅も考慮することができる。これは、適用ステップ幅が試料の表面上の荷電粒子ビームの直径よりも小さい場合に特に適切である。
【００２６】
本方法は、荷電粒子ビームを対物レンズで集束させて、対物レンズから第１距離に集束荷電粒子ビームスポットを生成するステップと、超電導膜が対物レンズから第２距離を有するように荷電粒子ビームに対して試料を位置決めするステップとをさらに含むことができ、第１距離は第２距離よりも大きいか又は小さい。荷電粒子ビームの制御下でのわずかなデフォーカスによって、荷電粒子ビームの強度プロファイルをビームの境界で急激な増減を有するよう調整することができる。これは、試料の加工のためにガス電界イオンビームが荷電粒子ビームとして用いられる場合に特に当てはまる。ガス電界イオンビームがわずかにデフォーカスした状態で有し得る円錐角に起因して、イオンビームの直径は、加工対象の試料を通して、すなわち高温超電導物質の膜の厚さに沿って大幅に変化しない。第１距離は、第２距離よりも少なくとも１μｍ大きく又は小さくすることができる。第１距離は、第２距離よりも最大１００μｍ大きく又は小さくすることもできる。特に、第１距離は、第２距離よりも１μｍ〜１００μｍ大きく又は小さく、好ましくは１０μｍ〜１００μｍ大きく又は小さくすることができる。
【００２７】
一実施形態において、イオン光学カラムは、ビーム制限アパーチャを備えることができ、本方法は、ビーム制限アパーチャを試料の表面に投影するよう対物レンズを調整するステップをさらに含むことができる。ビーム制限アパーチャを試料表面に投影することで、トップハット形状を有する試料表面上のイオンビーム強度プロファイルをもたらすことができる。
【００２８】
本方法は、対物レンズの電圧に対して負又は正である電圧で試料をバイアスするステップも提供することができる。試料に印加された負電圧バイアスは、試料表面への入射時のイオンのランディングエネルギーを増加させる。このようにして、厚さを増加させた高温超電導物質の膜を加工することができる。
【００２９】
本方法は、イオンビームカラムに対して試料を移動させずに、第１数の第１領域に関して、前のステップで決定した場所に従って荷電粒子ビームシステムの偏向系をバイアスして第１領域に荷電粒子ビームを入射させることを繰り返すステップもさらに含むことができる。このようにして、荷電粒子ビームを第１ビーム偏向系によって偏向させることができる偏向範囲を用いるだけで、複数の第１領域を加工することができる。
【００３０】
本方法は、荷電粒子ビームカラムに対して試料を移動させるステップと、第２数の第１領域に関して、前のステップで決定した場所に従って荷電粒子ビームシステムの偏向系をバイアスして第１領域に荷電粒子ビームを入射させることを繰り返すステップをさらに含むことができる。このようにして、複数の加工対象の場所を含む大型試料を加工することができる。本方法は、荷電粒子ビームカラムに対する試料ステージの移動を測定するステップをさらに含むことができる。
【００３１】
荷電粒子ビームは、イオンビームとすることができ、本方法は、イオンビームスパッタリング又はイオンビーム誘起ガス化学析出によって試料にシステムアライメントマークを書き込むステップと、マークの画像を周期的に記録するステップとをさらに含むことができる。システムアライメントマークの画像を評価することによって、システムパラメータの再アライメント及び再較正を行って長期ドリフトの影響を低減することができる。したがって、本方法は、システムアライメントマークの記録画像に基づいて荷電粒子ビームシステムのパラメータを調整するステップもさらに含むことができる。
【００３２】
さらに別の実施形態は、ジョセフソン接合を作製する方法であって、導電層で少なくとも部分的に覆われた超電導物質の膜を備え、且つ超電導膜が導電層で覆われていない少なくとも１つの第１領域を備えた試料を用意するステップと、第１領域にイオンビームを入射させるステップとを含む方法を特徴とする。
【００３３】
一実施形態において、イオンビームは、最大１００ピコアンペアのイオン電流で最大１ｍｓの滞留時間にわたって試料に入射する。
【００３４】
さらに別の実施形態において、本方法は、試料に入射するイオンビームに起因してイオンビームの入射中に試料を離れた相互作用生成物を検出するステップと、検出した相互作用生成物数に基づいてイオンビームの入射のステップを一定の回数又は一定の持続時間にわたって繰り返すステップとをさらに含む。
【００３５】
本方法の実施中、イオンビーム中のイオンの平均エネルギーは、１０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶの範囲にあり得る。
【００３６】
本方法は、対物レンズを有するイオン光学カラムを用意するステップと、イオンビームを対物レンズで集束させて、対物レンズから第１距離に集束イオンビームスポットを生成するステップと、超電導膜が対物レンズから第２距離を有するようにイオンビームに対して試料を位置決めするステップとをさらに含むことができ、第１距離は第２距離よりも大きいか又は小さい。
【００３７】
特定の実施形態において、第１距離は、第２距離よりも少なくとも１０μｍ大きいか又は小さい。さらに別の特定の実施形態において、第１距離は、第２距離よりも最大１００μｍ大きいか又は小さい。特に、第１距離は、第２距離よりも１０ｎｍ〜１００ｎｍ大きく又は小さくすることができる。
【００３８】
試料の加工中にイオンビームを制御下でデフォーカスさせることで、試料への入射時のイオンビームの好適なイオン強度プロファイルを得ることができる。特に、強度プロファイルは、ガウス型強度プロファイルと比べてビームの境界でビーム強度の急激な増減を有することができる。それにより、ビーム誘起転位を予測域内でより均一に発生させることができる。
【００３９】
さらに別の特定の実施形態において、イオン光学カラムは、ビーム制限アパーチャを備え、本方法は、ビーム制限アパーチャを膜に投影するよう対物レンズを調整するステップをさらに含む。
【００４０】
さらに別の実施形態において、イオンビームの入射による試料の加工中、本法は、対物レンズの電圧に対して負又は正である電圧で試料をバイアスするさらなるステップを含むことができる。負の試料バイアスは、荷電粒子ビームカラムの対物レンズと試料との間でイオンビーム中のイオンの後段加速及び平均エネルギーの増加を引き起こす。平均ビームエネルギーの増加により、イオンは試料のより深くに入り込むことができる。それにより、平均イオンビームエネルギーが小さい場合と比べてより厚い試料でビーム誘起転位を発生させることができる。
【００４１】
さらに別の実施形態において、試料は、第１領域に対して所定の位置に基準マークを含むことができ、本方法は、基準マークを含むが第１領域を含まない試料の第２領域をイオンビーム又は電子ビームによって走査するステップと、第２領域の走査中に入射イオンビーム又は入射電子ビームに起因して試料を離れた相互作用生成物を検出するステップと、検出した相互作用生成物に基づいて基準マークの位置を判定するステップと、基準マークの位置に基づいて第１領域の位置を判定するステップと、イオンビームカラムの偏向系に電圧を印加して、イオンビームを第１領域へ偏向させるステップと、イオンビームを試料の第１領域に入射させて、試料の第１領域を加工するステップとをさらに含むことができる。
【００４２】
さらに別の実施形態において、イオンビームを第１領域に入射させるステップを、イオンビームカラムに対して試料を移動させずに第１数の異なる第１領域に関して繰り返すことができる。このように、試料を移動させずにイオンビームを第１偏向系によって偏向させることができる範囲を用いるだけで、複数のジョセフソン接合を試料上の異なる場所で作製することができる。
【００４３】
さらにまた別の実施形態において、本方法は、イオンビームカラムに対して試料を移動させるステップと、その後、第２数の第１領域に関して第１領域を加工するためにイオンを第１領域に入射させるステップを繰り返すステップとを含むことができる。
【００４４】
さらに別の実施形態において、イオンビームカラムは、試料ステージを有するイオンビーム顕微鏡の一部であり、試料ステージは、イオンビームカラムに対する試料ステージの移動を測定する少なくとも１つの測定システムを備える。
【００４５】
さらにまた別の実施形態において、本方法は、イオンビームスパッタリング又はイオンビーム誘起ガス化学析出によって試料にシステムアライメントマークを書き込むステップと、マークの画像を周期的に記録するステップとを含むことができる。システムの周期的に記録した画像を評価することによって、システムを再位置決め及び／又は再較正するためのアライメントマークデータを生成することができる。このようにして、複数のジョセフソン接合を作製するのに必要なプロセスの長期的安定性を達成することができる。一実施形態において、本方法は、システムアライメントマークの記録画像に基づいて荷電粒子ビームシステムのパラメータを調整するステップをさらに含むことができる。
【００４６】
さらに別の実施形態において、本開示は、ジョセフソン接合を製造する方法であって、導電層で少なくとも部分的に覆われた超電導物質の膜を備え、且つ超電導膜が導電層で覆われていない少なくとも１つの第１領域を備えた試料を用意するステップと、少なくとも１００ナノ秒の滞留時間中にイオンのイオンビームを第１領域に入射させるステップとを含む方法を特徴とする。
【００４７】
さらにまた別の実施形態において、試料は、第１領域に対して所定の場所に基準マークを含むことができ、本方法は、イオンビーム伝播方向に対して垂直な方向にイオンビームを偏向させる偏向系を有するイオン光学カラムを用意するステップと、基準マークを含むが第１領域を含まない試料の第２領域をイオンビームによって走査するステップと、第２領域の走査中にイオンビームによって試料を離れた相互作用生成物を検出するステップとをさらに含むことができる。本方法は、検出した相互作用生成物に基づいて基準マークの位置を判定するステップと、基準マークの位置に基づいて第１領域の位置を判定するステップと、偏向系に電圧を印加してイオンビームを第１領域へ偏向させるステップと、その後にイオンビームを第１領域に入射させて試料の第１領域を加工するステップとをさらに含むことができる。基準マークを含む画像に基づき、試料と荷電粒子ビームとの間の精アライメントステップを行うことができる。
【００４８】
さらに別の実施形態において、イオンビームカラムはさらに、対物レンズを備えることができ、本方法は、イオンビームを対物レンズで集束させて、対物レンズから第１距離に集束イオンビームスポットを生成するステップと、超電導膜が対物レンズから第２距離を有するようにイオンビームに対して試料を位置決めするステップとをさらに含むことができる。第１距離は、第２距離よりも大きくすることができる。制御下のデフォーカスにより達成される利点は、すでに上述したものである。
【００４９】
この場合も、第１距離は、第２距離よりも少なくとも１０μｍ大きくすることができ、且つ／又は第１距離は、第２距離よりも最大１００μｍ大きくすることができる。特に、第１距離は、第２距離よりも１０μｍ〜１００μｍ大きくすることができる。代替的に、イオン光学カラムは、ビーム制限アパーチャを備えることができ、本方法は、ビーム制限アパーチャを膜に投影するよう対物レンズを調整するステップをさらに含むことができる。
【００５０】
さらにまた別の実施形態において、本開示は、複数のジョセフソン接合を作製する方法であって、導電層で少なくとも部分的に覆われた超電導物質の膜を備え、且つ超電導膜が導電層で覆われていない複数の第１領域を備えた試料を用意するステップと、荷電粒子ビームを複数の第１領域のうち選択数の第１領域に入射させることによっていくつかの第１領域を加工するステップと、加工中に被加工第１領域のそれぞれに入射した荷電粒子線量を記録するステップと、被加工第１領域のそれぞれに入射したイオン線量を含む出力プロトコルを用意するステップとを含む方法を特徴とする。
【００５１】
出力プロトコルは、被加工第１領域毎に、個々の第１領域の加工中のイオンビームのパラメータに関する情報を含むことができる。特に、出力プロトコルは、第１領域毎に、試料上の上記第１領域の場所に関する情報を個々の第１領域に適用したイオン線量の測定値と共に含むことができる。経験及び出力プロトコルのデータに基づき、それぞれ作製されたジョセフソン接合を分類し、その各分類に従って選択することができる。
【００５２】
出力プロトコル用のデータを収集するために、本方法は、被加工第１領域のそれぞれへの荷電粒子ビームの入射中に試料表面を離れた相互作用生成物を検出するステップと、検出した相互作用生成物数に基づいて荷電粒子線量を求めるステップとをさらに含むことができる。入射荷電粒子ビーム中の荷電粒子数と検出された相互作用生成物数との既知の比に基づき、各第１領域に入射する荷電粒子線量を、試料の第１領域の加工中に検出された相互作用生成物数に基づいて求めることができる。
【００５３】
さらに別の実施形態において、本方法は、試料の表面に基準マークを書き込むステップと、基準マークを荷電粒子ビームで走査することによって基準マークの画像を記録するステップと、基準マークの記録画像から推定された情報に基づいて荷電粒子光学コンポーネントを調整するステップとをさらに含むことができる。特に、荷電粒子光学コンポーネントは、非点収差補正器、ビーム偏向系、及び対物レンズの少なくとも１つを含み得る。また、本方法は、基準マークの１つ又は複数の画像から推定されたデータに基づいて、非点収差補正器、ビーム偏向系、及び対物レンズの少なくとも１つを調整するステップを含むことができる。
【００５４】
実施形態のさらに他の特徴及び利点を、図面の以下の説明において開示する。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】荷電粒子ビームシステムの概略図である。
【図２】荷電粒子ビームシステムの別の実施形態の概略図である。
【図３】デフォーカスした荷電粒子ビームを示す図である。
【図４】物体平面への開口絞りの投影を示す概略図である。
【図５】複数のチップ領域を備えた試料表面の上面図である。
【図６】図５における試料表面の抜粋の拡大上面図である。
【図７】一実施形態のプロセスステップの図である。
【図８】第１動作モードの荷電粒子ビームの強度プロファイルの図である。
【図９】第２動作モードの荷電粒子ビームの強度プロファイルの図である。
【図１０】第２実施形態における第２動作モードの荷電粒子ビームの強度プロファイルの図である。
【図１１】特定の滞留時間内の試料の加工を示す図である。
【図１２】荷電粒子ビームシステムの別の実施形態の概略図である。
【図１３】荷電粒子ビームシステムのさらにまた別の実施形態の概略図である。
【図１４】大型試料の加工中の荷電粒子ビームカラムの再アライメント中に実行されるプロセスステップの図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
図１は、真空試料チャンバ２と、第１荷電粒子ビームカラム３と、第２荷電粒子ビームカラム４とを備えた荷電粒子ビームシステム１を示す。第１荷電粒子ビームカラム３は、第１荷電粒子ビームとしてイオンビームを供給するイオンビームカラムである。第１荷電粒子ビームカラム３は、ガス電界イオンビームカラム、特にガス電界ヘリウムイオンビームカラム又はガス電界ネオンイオンビームカラムであり得る。
【００５７】
イオンビームカラム３は、イオン源５と、引出電極６と、加速電極７とを備える。イオン源５は、先端頂部を有する先端を備える。イオン源５と比べて高い電圧で引出電極６をバイアスすることによって、イオン源に供給された作動ガスのガス原子が先端頂部付近でイオン化され、正にイオン化したガス原子のビームを提供する。一実施形態において、ガス電界イオン源のガスは、ヘリウム等の希ガスを含み、したがってイオンビーム中のイオンは、正の希ガスイオンを含む。
【００５８】
加速電極７とイオン源５との間に付加的な高電圧を印加することによって、イオンビームがそのカラムビームエネルギーに加速される。
【００５９】
イオンビームのビーム伝播方向に、二重偏向系８、９が続く。偏向電極８、９を有するこの二重偏向系は、第１荷電粒子ビームカラム３の終端部で対物レンズの光軸に関してイオンビームの中心を調整するよう働く。さらに、第１荷電粒子ビームカラムは、２つの（not-alinged）四重極素子又は八重極素子の形態の非点収差補正器１０を備え、これによってイオンビームの無収差特性を調整することができる。
【００６０】
ビーム伝播方向に、第１荷電粒子カラム３は、開口絞り１１と、さらに別の二重偏向系１２、１３と、３つの電極１４、１５、及び１６を備えた対物レンズとを備える。偏向電極１２及び１３を有する対物レンズ付近の偏向系は、本明細書では第１偏向系とも称し、対物レンズ１４、１５、１６の光軸に対して垂直な方向にイオンビームを偏向させるよう働く。３つの電極１４、１５、及び１６を有する対物レンズは、ビーム伝播方向に対物レンズの最終電極１６から特定の距離にイオンビームを集束させるよう働く。
【００６１】
試料チャンバ２内には試料ステージ１８が取り付けられ、これは、試料ステージ１８の上面に位置決めされた試料を３つの独立した直線方向（対物レンズの光軸に対して垂直な２方向及び対物レンズの光軸の方向に沿った又はこれと同軸の１方向）に移動させると共に、傾斜及び回転させることができる（傾斜軸は、対物レンズの光軸に対して垂直な向きであり、回転軸は、対物レンズの光軸と平行又は同軸の向きである）。
【００６２】
さらに、検出器１７が試料チャンバ２内に配置される。検出器１７は、イオンビームでの試料表面の照射に起因して試料表面を出た相互作用生成物を検出するよう構成及び設計される。
【００６３】
第２荷電粒子ビームカラム４は、電子ビームカラムの形態である。この第２荷電粒子ビームカラム４は、電子を放出する電子源２４と、電子源２４から電子を引き出す複数の電極２５、２６と、電子ビームの電流を調整するアノード２７とを備える。電子源２４とアノード２７との間に高電圧を印加することによって、電子源２４から引き出された電子がそのカラムエネルギーに加速される。
【００６４】
電子ビームのビーム伝播方向に下って、第２荷電粒子ビームカラム４は、対物レンズ２８を備え、これによって電子ビームが電子ビームのビーム伝播方向で対物レンズ２８の下方の小さなスポットに集束される。対物レンズ２８は、隙間を有する磁極片を有する磁気レンズであり得る。磁極片の隙間内に偏向系３０が配置され、これによって電子ビームを破線で示す対物レンズ２８の光軸に対して垂直な方向に偏向させることができる。さらに、電子ビームカラム内には、いわゆるインレンズ検出器２９が配置され、これによって電子ビームでの照射に起因して試料を離れた相互作用生成物を検出することができる。磁気レンズの代わりに、電子ビームカラムの対物レンズ２８は静電レンズとすることができる。
【００６５】
第１荷電粒子ビームカラム３及び第２荷電粒子ビームカラム４は、第１荷電粒子ビームカラム及び第２荷電粒子ビームカラムの光軸が特定の点３１、一致点で交差するように、相互に対して特定の角度で配置される。試料ステージ１８の上面に取り付けられた試料の高さに応じて、試料１８を試料チャンバ２内で位置決めして、試料ステージ１８に載置された試料の表面上に一致点３１が位置決めされるようにすることができる。このようにして、試料ステージ１８に載置された試料の上面上の任意の点を、２つの異なる荷電粒子ビームであるイオンビーム及び電子ビームによって同時に調査することができる。他方では、試料表面に電子ビームを照射して、入射電子ビーム（二次電子又は後方散乱電子）に起因して試料表面を離れた相互作用生成物を検出することによって、試料表面上の任意の点を調査すると同時に、第１荷電粒子ビームカラム３のイオンビームによって試料を加工することも可能である。
【００６６】
試料ステージ１８が、試料チャンバ２内に電気的に絶縁されて取り付けられることにより、高電圧源３２によって高電圧を試料ステージ１８に印加することができる。試料ステージ１８及び試料ステージに載置される試料に高電圧を印加することによって、試料ステージ１８上に位置決めされた試料への入射時の荷電粒子のランディングエネルギーを増減させることができる。特に、試料ステージ１８を、イオンビームカラム（第１荷電粒子ビームカラム３）の最終レンズ電極１６の電位と比べて負である電位によってバイアスすることができることにより、第１荷電粒子ビームカラムを離れるイオンのランディングエネルギーは、第１荷電粒子ビームカラム３内のイオンのカラムエネルギーよりも大きくなる。
【００６７】
試料ステージ１８は、試料ステージ１８の直線移動を５ｎｍ又はさらに良好な精度で測定できるよう設計及び構成された位置測定システム（図示せず）を含む。特に、試料ステージ１８の位置測定システムは、干渉測定システムとすることができる。第１及び第２干渉測定システムが、第１荷電粒子ビームカラム３の光軸に対して垂直な２つの方向の試料ステージ１８の移動を測定するために設けられる。第３干渉測定システムが、第１荷電粒子ビームカラム３の光軸に沿った又はこれと平行な方向の試料ステージ１８の上面の移動を測定するために設けられる。
【００６８】
試料チャンバ２には、試料チャンバ２の外側から試料チャンバ２へ試料を運搬するよう働くロードロック１９が取り付けられる。ロードロック１９は、カメラ２０を備え、これによって試料がロードロック１９内に位置決めされている際に試料の光学画像及び試料ホルダに対するその位置決めを記録することができる。
【００６９】
荷電粒子ビームシステムはさらに、ロードロックのカメラ２０、試料チャンバ２の検出器１７、第２荷電粒子ビームカラム４内のインレンズ検出器２９、及びデータファイル２２からデータを受け取るよう構成されたコントローラ２１を備える。コントローラ２１はさらに、第１荷電粒子ビームカラム３及び第２荷電粒子ビームカラム４内の種々のコンポーネントを制御するよう構成される。理想的には、コントローラ２１は、第１荷電粒子ビームカラム３の対物レンズの電極１４、１５、及び１６、第１荷電粒子ビームカラム３内の第１二重偏向系の電極１２及び１３に印加される電圧と、第１荷電粒子ビームカラム３の非点収差補正器１０の電極に印加される電圧と、第１荷電粒子ビームカラム３内の第２二重偏向系の電極８、９に印加される制御電圧とを制御するよう構成される。さらに、コントローラ２１は、試料ステージ１８に印加される電圧を制御して、試料表面に入射する前の荷電粒子のランディングエネルギーを変えるよう構成される。理想的には、コントローラ２１は、第１荷電粒子ビームカラム３の第１電極１６の電圧に対して負である電圧を試料ステージ１８に印加するよう構成されることにより、第１荷電粒子ビームカラム３を離れるイオンが第１荷電粒子ビームカラム３の対物レンズの最終電極１６と試料表面との間で加速されるようにする。コントローラ２１はさらに、コンピュータ制御可能な高電圧源３２を介して試料ステージのバイアス電圧を制御するよう構成される。
【００７０】
さらに、コントローラ２１は、加工対象の試料の設計データ２２を受け取るよう構成される。さらに、コントローラ２１は、試料の加工中の記録に基づいてデータファイル２３を生成するよう構成される。
【００７１】
以下において、荷電粒子ビームシステムの動作を図５、図６、及び図７を参照して説明する。
【００７２】
第１ステップ７０において、試料をロードロック１９に装入すると、第２ステップ７１において、試料表面の画像をカメラ２０で記録する。カメラ２０によって記録されたデータをコントローラ２１に供給し、ステップ７２において、コントローラ２１によってロードロック１９に装入された試料の設計データ２２と比較する。
【００７３】
例示的な試料４０の上面図を図５に示す。試料４０は、少なくとも１つの、但し多くの場合はさらに多くのチップ領域４５ａ〜４５ｉを含み、そのうちの９個のチップ領域を図５に示す。試料のチップ領域は他の数が可能であり、チップ領域の数は９個よりも少なく、すなわち１個〜８個であってもよく、又は９個よりもはるかに多くしてもよいことにも留意されたい。
【００７４】
境界領域において、試料４０は、粗アライメントマーク４１〜４４を含み、これらは、それらの粗アライメントマーク４１〜４４をカメラ２０によって記録された画像で識別でき且つアライメントマークの位置を記録画像で判定できるように、それらの寸法に関して構成される。各チップ領域４５ａ〜４５ｉは、精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉも含むが、それらの寸法は非常に小さいので、これらの精アライメントマークはロードロック１９のカメラ２０で記録された画像では識別できない。
【００７５】
コントローラ２１は、カメラ２０によって記録された画像を試料のＣＡＤ設計データ２２と比較し、且つ記録画像中の粗アライメントマーク４１〜４４のそれぞれの位置を試料設計データ中の対応の粗アライメントマーク４１〜４４の位置と比較するよう構成される。ステップ７４において、コントローラは、各チップ領域で各精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉが予想されるべき領域を粗アライメントマーク４１〜４４に関して判定する。
【００７６】
次のステップにおいて、試料をロードロック１９から試料チャンバ２へ運搬する。その後、イオンビーム又は電子ビームを用いて精アライメントステップ７３を実行する。この精アライメントステップ７３をイオンビームで実行する場合、イオンビームカラムの第１偏向器１２、１３を用いて、各チップ領域４５ａ〜４５ｉ内で精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉが予想される位置の周りの小さな領域を走査する。この走査中、入射イオン、特に二次電子に起因して試料表面を離れる相互作用生成物を、チャンバ検出器１７によって検出し、イオンビームが試料表面に入射する位置に応じて検出信号をコントローラ２１によって記録する。
【００７７】
イオンビームの代わりに、第２荷電粒子ビームカラム４の電子ビームをこの精アライメントステップ７３に用いることもできる。この場合、精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉが予想され且つ精アライメントマークを含む領域内で、電子ビームを走査する。入射電子に起因して試料表面を離れた相互作用生成物を、電子ビームカラムのインレンズ検出器２９によって検出し、電子ビームが試料表面に入射する位置に応じて検出信号をコントローラ２１によって記録する。
【００７８】
図１に示すシステムでは、オペレータが、これらの画像の記録に電子ビームを用いるかイオンビームを用いるかを事前に選択することができる。
【００７９】
図６の要素は、単一のチップ領域４５の一部を示し、この試料は、高温超電導物質、例えばＹＢＣＯ又は別の適当な希土類酸化物材料の薄膜４７で覆われた基板５０を含む。適切な試料の特定の設計は、背景部分で引用したShane Cybart他による論文に開示されている。この論文の開示は、特に適当な試料の準備に関して参照により本明細書に完全に援用する。
【００８０】
試料は、領域４８、４８ａ、４８ｂ、４８ｃを含み、高温超電導物質の膜４７が導電層４８、４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、例えば金層で覆われる。これらの導電層及び層部分は、その後、デバイスの製造の完了後に電気端子を形成することができる。
【００８１】
個々の導電構造４８ａ、４８ｂ、４８ｃ間に、導電層で覆われていない領域４９ａ、４９ｂ、４９ｃが設けられる。これらの領域４９ａ、４９ｂ、４９ｃは、ジョセフソン接合が作製される領域である。荷電粒子ビーム誘起転位によるジョセフソン接合の作製は、適用荷電粒子ビーム線量に非常に影響されやすいので、これらの領域４９ａ、４９ｂ、４９ｃは、アライメントステップ中に荷電粒子ビームが入射すべきでない禁止区域を形成する。これらの禁止区域の１つへの荷電粒子の入射は、最終加工ステップまで制限すべきである。
【００８２】
ステップ７３において精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉの周りをイオンビーム又は電子ビームで走査し、且つ精アライメントマークのそれぞれの測定位置を試料設計データファイル２２に従った各目的位置と比較することによって判定した精アライメントマーク４６の位置に基づき、ステップ７６において、コントローラは、禁止区域４９ａ〜４９ｃのそれぞれの位置を判定する。
【００８３】
なお、図６には３つの禁止区域のみが示されているが、より多くのジョセフソン接合を作製する場合、各チップ領域４５がはるかに多くの禁止区域４９を有することができる。
【００８４】
次のステップ７７において、イオンビーム又は電子ビームを用いて試料高さマップを作成する。
【００８５】
イオンビームを用いて高さマップを作成するために、各チップ領域４５ａ〜４５ｉ上の禁止区域４９ａ、４９ｂ、４９ｃの外側の場所をイオンビームで走査し、チップ領域毎に最適焦点設定を決定する。これは、自動焦点機構で、例えば、対物レンズ（電極１４、１５、１６）の異なる焦点設定で試料表面上の小領域をイオンビームで走査し、この小領域の走査によって記録された各画像中のコントラスト又は空間周波数を求め、且つ最適な画像コントラスト及び／又は最大限の空間周波数を示す画像が記録されるまで対物レンズの焦点設定を繰り返し変更することによって達成することができる。各走査位置について、最適焦点設定をコントローラ２１によって記録し記憶する。全試料表面にわたって概ね均等に分布しているが必ず禁止区域４９ａ〜４９ｃの外側にある複数の領域に関して、これらのステップを繰り返す。高さマップが禁止区域４９ａ〜４９ｃの外側の複数の領域に関して作成された後、コントローラ２１は、禁止区域４９ａ〜４９ｃのそれぞれの付近の領域に関する最適焦点設定を補間することによって、禁止区域毎の補間最適焦点設定を生成する。
【００８６】
高さマップの作成にイオンビームを用いる代わりに、代替的にステップ７７において、電子ビームを高さマップの作成に用いることもできる。手順は前述の手順と同一だが、唯一異なるのは、禁止区域４９ａ〜４９ｃの外側の種々の試料領域を第２荷電粒子ビームカラム４の電子ビームで走査し、コントローラが、電子ビームカラムの対物レンズ２８の強度を変えることによって禁止区域４９ａ〜４９ｃの外側の試料表面上の領域毎に高さマップ又は最適焦点設定マップを生成することである。しかしながら、電子ビームを用いて高さマップを記録する場合、試料のその後の加工をイオンビームによって行うのであれば、電子ビームで記録された高さマップをイオンビーム用のマップに変換するためのさらなる変換が必要である。
【００８７】
図１に示すシステムでは、オペレータが、高さマップの記録に電子ビームを用いるかイオンビームを用いるかを事前に選択することができる。
【００８８】
精アライメントステップ７４及びステップ７７における高さマップの記録の後、さらなるアライメントステップ７５を実行する。このさらなるアライメントステップ７５において、第１荷電粒子ビームカラム３のイオンビームを、精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉに対する規定の位置且つ禁止区域４９ａ〜４９ｃのいずれかの外側で試料領域に入射するよう偏向させる。この位置に関して、高さマップに従った最適焦点設定を調整し、その後、イオンビームを用いて非常に小さな基準マーク、例えば図６の領域５１に示すようなクロスを、イオンビームスパッタリングによってステップ７５においてこの領域５１に書き込む。
【００８９】
代替的にステップ７５において、小さな基準マーク又は基準を、ガスアシスト荷電粒子ビーム誘起エッチング又は荷電粒子ビーム誘起堆積等のガスアシスト荷電粒子ビーム誘起化学反応によって作製することができる。
【００９０】
ステップ７５において作製されたこの基準マーク（ここではシステムアライメントマークとも称する）は、後でイオンビームカラムの自動ビームアライメントに役立つと共に、非常に多数のジョセフソン接合を有する大型試料を作製しなければならず加工時間が比較的長くなる場合に妨害となり得る長期ドリフトを補償するのに役立つことができる。試料の後加工中、ステップ８２において随時、基準マークを含む領域５１をイオンビームによって走査することができ、入射イオンに起因して試料表面を離れた相互作用生成物の検出及び記録された検出信号を用いたこの領域５１の画像の形成によって、基準マークの画像を記録することができる。イオンビームカラムの自動アライメント及び長期ドリフトの補償の詳細なプロセスは、以下でより詳細に説明する。
【００９１】
種々のアライメントステップの終了後、試料の加工及び種々の禁止区域４９ａ〜４９ｃにおけるジョセフソン接合の作製を開始することができる。
【００９２】
この手順の種々のステップは、コントローラ２１によって制御される。コントローラ２１は、試料の画像及び試料ホルダの画像中の粗アライメントマークを識別し、画像中の試料のこれらの粗アライメントマークの位置を計算するよう特に構成される。コントローラ２１はさらに、これらの粗アライメントマークの位置を試料のＣＡＤデータ２２によって提供されたこれらの粗アライメントマークの位置と比較するよう構成される。コントローラは、記録画像中の粗アライメントマーク４１〜４４の位置とＣＡＤデータ２２に従ったこれらの粗アライメントマークの位置との比較に基づいて、試料領域４５ａ〜４５ｉのそれぞれにおける精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉの位置を判定するよう構成される。コントローラ２１は、第１荷電粒子ビームカラム３又は第２荷電粒子ビームカラム４で実行される精アライメントステップを制御するよう構成される。第１荷電粒子ビームカラム３をこの精アライメントステップに用いる場合、コントローラは、偏向電極１２、１３を有する第１偏向系を制御して、第１荷電粒子ビームカラムのイオンビームを試料領域の１つ４５ａのアライメントマークの１つ４６ａの付近の位置へ偏向させる。コントローラは、この精アライメントマーク４６ａの周りでこの精アライメントマーク４６ａを含む小領域がイオンビームによって走査され、入射イオンビームに起因して試料を離れた相互作用生成物を検出器１７によって検出することによってこの領域の画像が記録されるように、偏向系を制御するよう構成される。コントローラはさらに、精アライメントマークを含む領域の画像を記録するこのステップが試料領域４５ｂ〜４５ｉのそれぞれで繰り返されるように、第１偏向系を制御するよう構成される。
【００９３】
精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉを含む領域の画像を第１荷電粒子ビームカラム３のイオンビームによって記録する代わりに、コントローラは、第２荷電粒子ビームカラム４の電子ビームを用いた精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉを含む領域の画像の記録を制御することができる。後者の場合、コントローラは、精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉを含む所望の領域を順次走査するように電子ビームの偏向系３０を制御するよう構成される。図１に示すシステムでは、オペレータが、これらの画像の記録に電子ビームを用いるかイオンビームを用いるかを事前に選択することができる。
【００９４】
第２比較ステップにおいて、コントローラ２１は、記録画像中の精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉのそれぞれの位置を識別し、且つこれらの識別した位置をＣＡＤデータ２２に従ったこれらの精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉの位置と比較するよう構成される。コントローラ２１はさらに、かかる比較に基づいて試料４５内の禁止区域４９ａ〜４９ｃの位置を判定するよう構成される。コントローラ２１はさらに、試料の高さマップの記録を制御するよう構成される。高さマップの記録は、第１荷電粒子ビームカラム３又は第２荷電粒子ビームカラム４によって実行することができる。イオンビームを提供する第１荷電粒子ビームカラムを試料４５の高さマップの記録に用いる場合、コントローラ２１は、偏向電極１２、１３を有する第１荷電粒子ビームカラム３の第１偏向系を制御して、試料領域４５ａ〜４５ｉのそれぞれの禁止区域４９ａ〜４９ｃの外側の試料の領域を走査するようにする。試料領域４５ａ〜４５ｉの走査と同時に、入射イオンに起因して試料を離れた相互作用生成物を検出器１７で検出し、検出器１７の検出信号をコントローラ２１によって読み出す。第１荷電粒子ビームカラム３の第１偏向系の走査位置毎に、コントローラ２１は、最強コントラストを示す画像が得られるまで電極１４、１５、１６を有する対物レンズの強度を同時に制御及び変更する。試料領域（field region）毎に、最適なコントラストをもたらすイオンビームカラムの電極１４〜１６を有する対物レンズに印加される電圧が、コントローラ２１によって記録及び記憶される。記憶された試料４５の領域毎のレンズ励起が、各試料領域の座標と共に高さマップの構成要素を形成する。コントローラ２１はさらに、試料４５の各禁止区域４９ａ〜４９ｃの付近で記録された値間の補間を行って、禁止区域毎の対物レンズの補間高さ値又は最適調整値を作成するよう構成される。上述のように、イオンビームによって試料４５の高さマップを記録する代わりに、第２荷電粒子ビームカラム４の電子ビームを用いて高さマップを記録することもできる。この後者の場合、コントローラ２１は、第２荷電粒子ビームカラム４の偏向器３１を制御して、いずれかの禁止区域４９ａ〜４９ｃの外側で試料４０の全表面にわたって分布した種々の領域を走査し、且つ入射電子ビームに起因して試料４０を離れた相互作用生成物をインレンズ検出器２９によって検出するようにする。コントローラ２１はさらに、領域毎に最適なコントラストを有する画像が記録されるまで第２荷電粒子ビームカラム４の対物レンズ２８を制御及び変更する（control the objective lens 28 of the second charge particle beam column 4 to change）よう構成される。この代替的な場合、画像に最適なコントラストをもたらすレンズ励起が、各画像が記録される位置の座標と共に、高さマップの構成要素を形成する。この場合も、図１に示すシステムでは、オペレータが、高さマップの記録に電子ビームを用いるかイオンビームを用いるかを事前に選択することができる。したがって、コントローラ２１は、高さマップの作成に電子ビームを用いるかイオンビームを用いるかをオペレータが選択できるよう構成される。
【００９５】
高さマップの構成要素が電子ビームによって記録される場合も、コントローラは、禁止区域４９ａ〜４９ｃのそれぞれの付近の高さ値を補間することによって禁止区域４９ａ〜４９ｃの補間高さ値を求める。
【００９６】
試料表面が大きすぎて精アライメントステップ中又は高さマップの生成中にイオンビーム又は電子ビームの偏向によって種々の画像を記録できない限り、試料ステージ１８を移動させることによって、第１荷電粒子ビームの光軸に対して垂直な方向に試料を移動させることができる。種々の画像の記録間の試料ステージ１８の位置決め又は試料ステージの移動は、ステージ１８の干渉測定システムによって測定され、これらの移動は、高さマップの生成中及び試料領域４５ａ〜４５ｉのそれぞれの禁止区域４９ａ〜４９ｃの位置の判定中にコントローラ２１によって考慮される。
【００９７】
すでに記載したアライメントステップに加えて、イオンビーム又は電子ビームを一次荷電粒子ビームとして用いて試料領域の画像を記録することができ、荷電粒子ビームカラムの光軸に対する試料表面の種々の傾斜角での入射荷電粒子ビームに起因して試料を離れた相互作用生成物の検出を用いて、かかる画像を記録することができる。各傾斜角を変更するために、荷電粒子ビームカラム３及び４の両方の光軸に対して垂直な軸を中心に試料ステージを回転させることができる。適当な既知のソフトウェアアルゴリズムを用い、且つすでに記録された高さマップを用いることにより、試料表面の３Ｄモデルをコントローラ２１によって作成することができる。
【００９８】
種々のアライメントステップの完了後、ステップ８０において、コントローラ２１は試料４０の加工を制御する。この加工中、コントローラ２１は、このステップで加工すべき禁止区域４９ａの最適焦点設定を提供するようステップ７８においてイオンビームの対物レンズの励起を制御する。同時に、コントローラは、この加工ステップ８０で加工すべき禁止区域４９ａの位置へイオンビームを偏向させるようステップ７９において電極１２、１３を有する第１偏向系を制御する。その後、イオンビームをオンに切り替え、加工対象の領域４９ａに入射するよう制御する。イオンビームが加工対象の禁止区域４９ａに入射する間、入射イオンに起因して試料表面を離れた相互作用生成物が検出器１７によって検出される。検出器信号に基づき、コントローラ２１は、所定の滞留時間中に加工対象の域に入射するイオン線量を求める。イオンビームが禁止区域４９ａのそれぞれに入射する全時間（complete time）（滞留時間）にわたって積分された検出器１７の出力信号に基づき、コントローラ２１は、この区域４９ａに入射するイオン線量を求め、各値を各加工領域の位置に関する情報と共に出力データファイル２３に記憶する。上述のように、代替的な実施形態において、加工対象の区域４９ａに入射する荷電粒子線量は、前の電流測定ステップにおいて荷電粒子ビームの電流を測定すること、及びこの加工中に測定電流に適用滞留時間を掛けてこの積を試料の表面の荷電粒子ビームのスポット面積で割ることによって、求めることができる。このイオン線量を求める方法がコントローラ２１によって適用される場合、このようにして推定又は計算された各値が、各加工領域の位置に関する情報と共に出力データファイル２３に記憶される。
【００９９】
図１１に示すように、任意の加工対象領域（禁止区域）の外側で試料表面に入射中の荷電粒子の焦点及び電流に関する荷電粒子ビームの調整後、ステップ１７９において、荷電粒子ビームをこの禁止区域に入射するよう偏向させてこの禁止区域に当てる。荷電粒子ビームが禁止区域に入射する間、試料の表面を離れる粒子を、ステップ１８０において検出し、荷電粒子ビームがこの区域に入射する時間にわたって積分し、ステップ１８１において積分値を所定の限界値と比較する。ステップ１８２において積分値が所定の限界値を越えている場合、ステップ１８３において、荷電粒子ビームを任意の禁止区域の外側の領域へ偏向させることによって加工を停止する。ステップ１８４において、加工停止の時点の積分値を記録する。ステップ１７９における加工の開始とステップ１８３における加工の停止との間の経過時間が、滞留時間を規定する。
【０１００】
図１１を参照して上述したプロセスは、コントローラ２１によって制御される。このように、コントローラは、滞留時間を制御することによって各禁止区域に入射する荷電粒子線量を制御する。
【０１０１】
各禁止区域の加工中、荷電粒子ビームは、試料４０の膜内で５００ｐｍ〜１０００ｐｍの最大ビーム径を有するよう調整される。加工中の荷電粒子ビームの位置精度は、１０ｎｍよりも良好であり、理想的には１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内である。各禁止区域は、１００ｎｓ〜１ｍｓの範囲の滞留時間で１ｃｍ２当たり１０１４〜１０１８個の荷電粒子の範囲の荷電粒子で加工される。
【０１０２】
上述したのと同様に、全ての禁止区域４９ａ〜４９ｃが順次加工される。禁止区域毎に所望の制御デフォーカスを含む所望の焦点設定が達成されるように、禁止区域毎にイオンビームカラム３の対物レンズの励起（対物レンズの電極１４、１５、１６に印加される電圧）が高さマップのデータに基づいて調整される。このダイナミックフォーカス（焦点設定が１つの禁止区域の加工と次の禁止区域の加工との間で変わり得るので、ダイナミックフォーカス）のために、コントローラ２１は、次に加工すべき禁止区域の位置を判定し、高さマップに基づいてこの位置に対応する焦点設定を読み取り、所望の制御デフォーカスを考慮しつつ高さマップに基づいて対物レンズの所望の励起を計算し、且つ計算した所望の励起に従って対物レンズの励起を調整するよう構成される。
【０１０３】
禁止区域４９ａ〜４９ｃの数が非常に多くなり、したがって加工時間も非常に長くなる限り、コントローラは、ステップ７５において作製されたシステムアライメントマークを含む領域５１にイオンビームが入射するように偏向系を随時制御する。ステップ８３において、対物レンズの電極１４〜１６の種々の励起でこのシステムアライメントマークの画像を記録することによって、システム全体の長期ドリフトをコントローラ２１によって判定することができ、この再アランメント又は再較正ステップ８２の各結果が、コントローラ２１によって、その後加工しなければならない禁止区域４９ｂ及び４９ｃの加工中の最適な位置及び調整を決定するために用いられる。イオンビームの最適なリアラインメントを達成するために、コントローラは、システムアライメントマークの画像を解析し、対物レンズ（電極１４〜１６）、非点収差補正器１０、及び第２偏向系８、９の適正設定を評価し、且つ対物レンズ、第２偏向系、及び非点収差補正器１０の励起を各コンポーネントの評価済み適正設定にそれぞれ変更するようにも構成される。この再アライメントステップ８２を随時又は必要な頻度で繰り返して、各禁止区域が加工対象の試料の表面で必要なビーム特性を有する荷電粒子ビームで加工されることを確実にする。
【０１０４】
図７に単一ステップ８２「基準に位置合わせ」で示すイオンビームカラムの再アライメントのプロセスを、図１４により詳細に示す。上述のように、ステップ８３において、イオンビームを用いてシステムアライメントマークの画像を随時記録する。大抵の場合、システムアライメントマークの一連の画像をイオンビームカラム３の対物レンズの設定を変えて記録する。後続の（consecutive）ステップ１０１において、コントローラ２１が、システムアライメントマークの記録画像又は一連の記録画像の画像解析を行う。この画像解析に基づき、ステップ１０２において、アライメント偏向器（図１における電極８、９を有する第２偏向系）、非点収差補正器、及び対物レンズの最適化設定を決定する。その後、コントローラ２１は、ステップ１０３において、前のステップ１０２において決定した最適化設定へのアライメント偏向器及び非点収差補正器の設定の調整を制御する。その後、ステップ１０４において次の禁止区域でプロセスを続ける。図７を参照して上述したように、次に加工すべき禁止区域の座標に基づき、高さマップの対応のデータがコントローラ２１によって読み取られる。高さマップの各データ及びステップ１０３において決定された最適化対物レンズ設定に基づき、補正最適化対物レンズ設定を次に加工すべき区域に関して決定する。対物レンズをこの補正最適化対物レンズ設定に調整し、イオンビームを次に加工すべき禁止区域の座標へ偏向させ、所望のイオン線量をこの禁止区域に適用することによってこの禁止区域を加工する。これらのステップを複数の加工対象の禁止区域で繰り返す。所定数の禁止区域が加工された後、プロセスはステップ８３に戻り、システムアライメントマークの１つ又は一連の画像を記録して、イオンビームカラムの再アライメントを改めて実行する。上述のように、イオンビームカラムの全再アライメントプロセスがコントローラ２１によって制御され、したがって、コントローラ２１は、再アライメント手順の種々のステップを制御するよう構成される。
【０１０５】
全試料領域４５ａ〜４５ｉが加工された後、ステップ８１において上述したように、試料領域の規定の領域にマークが作られ、マークは、被加工禁止区域毎にこの禁止区域に入射した荷電粒子線量を後で求める際に用いることができるコードを含む。このマーク又は出力データファイル２３のデータの読みに基づき、その後のステップ８４において、所望の目的を果たすのに適していると思われるチップを選択することができる。
【０１０６】
図３は、試料４０の加工中の荷電粒子ビームの制御デフォーカスの概念を説明するものである。図３には、第１荷電粒子ビームカラムのうち電極１４、１５、及び１６を有する対物レンズと試料ステージ１８との間の下方部分が示されている。通常動作中、特に試料の画像の記録時に、荷電粒子ビームが対物レンズによって（電極１４、１５、及び１６に各電圧を印加することによって）制御され、試料ステージ１８上に位置決めされた試料４０の表面に集束して入射し、すなわち荷電粒子ビーム６０の焦点が試料４０の上面と一致する。この種の動作は、試料４０の上面の画像の記録時に最高の分解能をもたらす。しかしながら、禁止区域４９ａ〜４９ｃにおける試料４０の加工中、荷電粒子ビーム６０の焦点が試料４０の表面の上流又は下流に現れるように異なる電圧が電極１４、１５、及び１６に印加される。荷電粒子ビームが試料４０の上面に集束する場合の作動距離、すなわち対物レンズの最終電極１６と試料４０の表面との間の距離が、第１距離を定義する。制御デフォーカスの場合、最終電極１６と荷電粒子ビームの焦点６２との間の距離が、第２距離を定義する。第２距離は、第１距離よりも距離ｄ１だけ長いか又は短い。第１距離と第２距離との間の距離ｄ１は、通常は１０μｍ〜１００μｍの範囲である。上述のように、制御デフォーカスは、荷電粒子ビーム６０の強度プロファイルの急激な増減をもたらす。
【０１０７】
図８は、荷電粒子ビーム６０（図３）を試料４０の上面に集束させた第１モードでの試料４０の表面における強度プロファイル６３を示す。強度プロファイルは、単位面積当たり及び単位時間当たりの（per area unit and per time）入射荷電粒子数を表す。この場合の強度プロファイルは、最大値６４及び幅６５を有するガウス分布と同様である。
【０１０８】
図９は、荷電粒子ビーム６０を試料４０の上面より距離ｄ１だけ下に集束させた第２モードでの試料４０の上面における強度プロファイル６４を示す。強度プロファイル６４は、試料４０の上面において第１モードよりも幅広であり、最大強度６７は、第１モードの最大値６４よりも小さい。しかしながら、領域６９内の強度は、第２モードでは第１モードの領域７０よりも均一である。したがって、ビーム誘起転位の発生は、第２モードでは第１モードよりも均一な分布になる。
【０１０９】
図４は、荷電粒子ビームカラムの開口絞り１１が試料４０の上面に投影されるように電極１４、１５、及び１６を電圧でバイアスする、別の制御デフォーカス動作モードを示す。この動作モードでは、強度プロファイルは、図１０に示すようなトップハット型のプロファイル７１になり、荷電粒子ビームの境界７２、７３における強度プロファイルの傾きがほぼ無限大である。この第３動作モードを試料４０の加工に用いる場合、荷電粒子ビーム誘起転位の分布は、上述の第２モードよりもさらに均一になる。
【０１１０】
図２は、荷電粒子ビームシステムの第２実施形態を示す。この第２実施形態も、図１を参照して説明したように、試料チャンバ２に取り付けられた第１荷電粒子ビームカラム３及び第２荷電粒子ビームカラム４を備える。第１荷電粒子ビームカラム３及び第２荷電粒子ビームカラム４は、図１を参照して上述したのと同様に設計することができる。
【０１１１】
２つの荷電粒子ビームカラム３、４に加えて、システムは、光源としてレーザ９１を有する走査型光顕微鏡（scanning light microscope）９０、１つ又は複数の走査ミラー９２、対物レンズ９３、及び光検出器９４を備える。完全な光学顕微鏡が、第１荷電粒子ビームカラム３の光軸と同軸上だが反対側で試料チャンバ２に取り付けられることにより、第１荷電粒子ビームカラムの荷電粒子ビームが試料ステージ１８に取り付けられた試料４０の上面に入射する一方で、走査型光顕微鏡の光ビームが試料４０の底面（上面の反対）に入射する。
【０１１２】
試料４０の画像を走査型光顕微鏡９０で下から記録することによって、試料４０の上面の構造の画像を集束レーザビームでの試料の走査によって記録することができる。この光光学画像は、粗（coarse）アライメントステップと精アライメントステップとの間の付加的なアライメントステップで、又はステップ７４において精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉの位置を識別するために用いることができる。走査型光顕微鏡９０によって記録された光学画像を用いれば、精アライメントステップ中又は高さマップの作成中に禁止区域が荷電粒子ビームで走査される危険をさらに低減することができる。
【０１１３】
さらに別の実施形態を図１２に示すこのシステムは、単一の荷電粒子ビームカラム及び走査型光顕微鏡９０のみを備える。単一の荷電粒子ビームカラム３は、図１を参照して上述した第１荷電粒子ビームカラム３と同様の設計を有することができる。走査型こぐ悪顕微鏡は、図２を参照して述べたのと同様の設計を有することができる。図２を参照して上述したように、完全な走査型光顕微鏡が、第１荷電粒子ビームカラム３の光軸と同軸上だが反対側で試料チャンバ２に取り付けられることにより、第１荷電粒子ビームカラムの荷電粒子ビームが試料ステージ１８に取り付けられた試料４０の上面に入射する一方で、走査型光顕微鏡の光ビームが試料４０の底面（上面の反対）に入射する。図１２に示すシステムで実行されるプロセスは、上述と全く同じであり得るが、唯一異なるのは、精アライメントステップ及び高さマップの作成を、イオンビームが試料表面に入射してステップ７３において精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉの周りの領域を走査することで実行することである。
【０１１４】
図１３は、光学顕微鏡と組み合わせたイオンビームシステムのさらに別の実施形態を示す。第１荷電粒子ビームカラム３（イオンビームカラム）及び第２荷電粒子ビームカラム４（電子ビームカラム）のコンポーネントは、図２を参照して述べたシステムと同一である。図２に示すシステムと図１３に示すシステムとの大きな違いは、レーザ光源１９１を、走査ミラー１９２、顕微鏡対物レンズ１９３、及び検出器１９４を備えた光学顕微鏡１９０が、光ビームが第１荷電粒子ビームカラム３及び第２荷電粒子ビームカラム４の荷電粒子ビームが試料ステージ１８に位置決めされた試料に入射するのと同じ側から試料に入射するよう配置されることである。この実施形態では、光学顕微鏡の光ビームが、構造及び基準マークを有する試料の層に達する前に試料の基板を通過する必要がない。
【０１１５】
図２に示す実施形態と同様に、試料ステージ１８上に位置決めされた試料の画像を走査型光顕微鏡１９０によって記録することにより、試料の上面の構造の画像を集束レーザビームでの試料の走査によって記録することができる。この光光学画像は、粗アライメントステップと精アライメントステップとの間の付加的なアライメントステップで、又はステップ７４において精アライメントマーク４６ａ〜４６ｉの位置を識別するために用いることができる。この実施形態でも、走査型光顕微鏡１９０によって記録された光学画像を用いれば、精アライメントステップ中又は高さマップの作成中に禁止区域が荷電粒子ビームで走査される危険をさらに低減することができる。
【０１１６】
ガス電界イオンビームを用いた禁止区域の加工時に、１０ピコアンペア〜１００ピコアンペアの範囲のイオンビーム電流を印加することができる。イオンビームが特定の禁止区域に入射する適当な滞留時間は、調整されたイオンビーム電流に応じて、１００ナノ秒〜１ミリ秒の範囲であり得る。
【０１１７】
試料ステージ及び試料に印加されるバイアス電圧は、試料の加工中に用いられる荷電粒子ビームカラムの対物レンズの最終電極の電圧に対して正又は負であり得る。正に帯電したイオンを試料の加工に用いる場合、試料の表面への入射時のイオンのランディングエネルギーを増加させるために負電圧が好ましい。これにより、厚い試料、すなわち厚い高温超電導物質膜を有する試料を加工することが可能となる。しかしながら、特定の場合及び特定の高温超電導物質では、試料の表面への入射時のイオンのランディングエネルギーを低減させて、試料の予想外の損傷を回避することが望ましい。このような場合、対物レンズの最終電極の電圧と比べて正の電圧を試料に印加して、試料のランディングエネルギーを低減させることができる。
【０１１８】
特定の実施形態では、システムは、フラッドガン、すなわち低エネルギー電子の非集束電子ビームを放出するさらに別の電子ビームカラムを備えることもできる。フラッドガンを用いて、試料の加工中の試料の帯電を回避することができる。しかしながら、フラッドガンは、低エネルギー電子に敏感でないか又はあまり敏感でない高温超電導物質を含む試料の加工中に、又は禁止区域が保護層で保護されている場合にのみ用いて、フラッドガンの低エネルギー電子による禁止区域における望ましくない又は制御されていない転位の発生を回避するものとする。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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