(57)【要約】  対象デバイスとのノンメカニカルの電気的接触を実現するために、電子ビーム誘導プラズマが用いられる。このプラズマ源は大気プラズマ源として言及され、非常に微細な直径且つ制御可能な特性のプラズマカラムを提供するように構成される。プラズマカラムは、大気に入るプラズマ源と対象デバイスとの間の大気空間を横断し、特徴的な電気信号がデバイスから収集さできるように対象デバイスへの電路として動作する。さらに、プローブは、プラズマカラムへと流れるガスを制御することによって、表面の改変、エッチング、及び堆積に用いられることが可能である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気プラズマ装置であって、
その第１の側にオリフィスを備えた真空筐体と、
前記真空筐体内に配置され、電子抽出開口部を備えた電子源と、
前記抽出開口部の近傍に配置され、前記電子源から電子を抽出して電子ビームを形成し、該電子ビームを、前記オリフィスを介して方向づけるように構成された抽出器と、
前記オリフィスを被覆するように配置されて、導電性を備え且つ導電性ラインが取り付けられた開口プレートと、を含み、
前記電子ビームは、前記オリフィスの直径よりも小さい直径を有するように構成され、
前記開口プレートは、開口を備え、前記電子ビームが前記開口を通過するときに前記電子ビームの直径が前記開口プレートによって減縮されるように、前記開口の直径は、前記電子ビームの直径よりも小さい、
前記電子ビームは、プラズマのカラムを維持するために、前記開口を出ると大気を電離するように構成される、装置。
【請求項２】
前記真空筐体から前記開口プレートを電気的に絶縁するように構成される電気絶縁部材をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記開口プレートと前記真空筐体の第１の側との間に設置された膜をさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記真空筐体の第１の側に取り付けられた差動ポンプチャンバをさらに含み、前記開口プレートは前記差動ポンプチャンバの下部に取り付けられる、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記開口プレートは、複数の電気的に絶縁された部分を含み、前記複数の電気的に絶縁された部分のそれぞれは、各導電性ラインと連結される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記真空筐体内に位置する静電レンズをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
試料の電圧コントラストイメージングをおこなうための方法であって、
真空筐体内の電子源から電子ビームを抽出するステップと、
前記電子ビームを前記真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させ、イオン種のカラムを生成するように前記電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、
前記電子ビームの前記雰囲気ガスへの入射点と対向して配置された試料の選択領域にわたって、前記電子ビームを走査させるステップと、
前記試料から収集電極への電子電流を駆動させるように、プラズマに電圧電位を印加するステップと、
前記収集電極と前記試料との間を流れる電子電流量を測定するステップと、
前記選択領域の各位置で測定された前記電子電流量を用いてイメージを生成し、前記イメージをモニタに表示するステップと、を含む、方法。
【請求項８】
電子ビーム誘導プラズマプローブを用いて３次元位置合わせをおこなうための方法であって、
真空筐体内の電子源から電子ビームを抽出するステップと、
前記電子ビームを前記真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させ、プラズマプローブを形成するイオン種のカラムを生成するように前記電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、
前記電子ビームの前記雰囲気ガスへの入射点と対向して配置された試料の選択領域にわたって、前記プラズマプローブを走査させるステップと、
前記試料から収集電極への電子電流を駆動させるように、プラズマに電圧電位を印加するステップと、
前記収集電極と前記試料との間を流れる電子電流量を測定するステップと、
前記試料から散乱した後方散乱電子を測定するステップと、
前記後方散乱電子の前記測定を使用して前記プラズマプローブの横方向の位置合わせを決定するステップと、
前記電子電流の前記測定を使用して前記プラズマプローブの垂直方向の位置合わせを決定するステップと、を含む、方法。
【請求項９】
前記試料の材料組成及びトポグラフィのうちの少なくとも１つの事前情報を、さらに正確な位置合わせのために用いることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記電子ビーム誘導プラズマプローブを用いる３次元位置合わせは、電子ビーム誘導プラズマプローブを利用した処理又は測定への適用と共に位置合わせ機能として使用される、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記電子ビーム誘導プラズマプローブを用いる３次元位置合わせは、ボルテージイメージング光学システムを用いるＬＣＤアレイテストと共に位置合わせ機能として使用される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記電子ビーム誘導プラズマプローブの横方向のサイズは、位置合わせをする部分の横方向のサイズより大きい、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
電子ビーム誘導プラズマプローブを用いて試料を検査するための方法であって、
真空筐体内の電子源から電子ビームを抽出するステップと、
前記電子ビームを前記真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させ、プラズマプローブを形成するイオン種のカラムを生成するように前記電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、
前記電子ビームの前記雰囲気ガスへの入射点と対向して配置された試料の選択領域にわたって、前記プラズマプローブを走査させるステップと、
前記試料から収集電極への電子電流を駆動させるように、プラズマに電圧電位を印加するステップと、
前記収集電極と前記試料との間を流れる電子電流量を測定するステップと、
前記試料によってもたらされた前記電子電流の前記測定における変化を逆畳み込みするステップと、
前記測定された前記電子電流における前記逆畳み込みされた変化を用いて、前記試料の材料組成の変化とトポグラフィの変化とのうちの少なくとも１つを測定するステップとを含む、方法。
【請求項１４】
前記試料の材料組成の事前情報を用いてトポグラフィを測定することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記プラズマから前記試料へ、又は前記試料から前記プラズマへと流れる電子電流量を測定するステップと、
前記試料のトポグラフィによってもたらされた前記電子電流の前記測定における変化を逆畳み込みするステップと、
前記測定された前記電子電流における前記逆畳み込みされた変化を用いて、前記試料の材料組成における変化を測定するステップと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記電子ビームを走査する前、前記電子ビームを直径が制限された開口に通過させるステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記試料及び前記直径が制限された開口にバイアスを印加
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】
太陽電池におけるエッジシャントの検出、絶縁、及び修復のため方法であって、
電子源から電子ビームを抽出するステップと、
前記電子ビームでソーラー試料を励起させて、前記試料の光学的又は電気的反応を測定するステップと、を含む、方法
【請求項１９】
プラズマプローブを生成するように、前記電子ビームを使用してプラズマに維持し、前記電子ビームプラズマを使用して前記太陽電池のインピーダンスを局所的に測定し、測定された前記インピーダンスに基づいて、シャントを検出するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
検出された前記シャントの位置における前記太陽電池の周縁で材料を切断するように、前記太陽電池の周辺領域にわたって、前記電子ビームを走査させるステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
試料の表面特性を改変するための方法であって、
電子源から規定の直径を有する電子ビームを抽出するステップと、
前記電子ビームを前記真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させ、プラズマプローブを形成するイオン種のカラムを生成するように前記電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、
前記雰囲気ガス内に出るときに前記電子ビームの横方向のサイズを操作するステップと、
前記プラズマプローブを前記試料の選択領域で走査させて、前記試料の表面特性を改変するステップと、を含む方法。
【請求項２２】
前記表面の改変は、アッシング、エッチング、表面活性化、不動態化、湿潤化、及び機能化のうちの１つを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記試料の表面化学を改変するために前駆体ガスを使用するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
生組織の処置のため方法であって、
規定の直径を有する電子ビームを電子源から抽出するステップと、
前記電子ビームを前記真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させ、イオン種のカラムを生成するように前記電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、
前記雰囲気ガス内に出るときに前記電子ビームの横方向のサイズを操作するステップと、
前記イオン種のカラムを前記生組織の選択領域に方向づけるステップと、を含む、方法。
【請求項２５】
前記処置は、治療的適用、殺菌、除染、創傷治癒、血液凝固、がん細胞処置のうちの１つを含む、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の参照］
本出願は、２０１３年１０月３日出願の米国仮出願第６１／８８６,６２５号の優先権利益を主張した２０１４年９月１７日に出願された米国仮出願第６２／０５１,８７１号の優先権利益を主張し、２０１２年７月１２日に出願された、「電子ビーム誘導プラズマプローブを用いた電子装置の電気検査」という名称のＰＣＴ特許出願ＷＯ２０１３／０１２６１６号に関し、かかる両方の内容が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
本発明の様々な実施形態は、概して電子デバイスのノンメカニカルコンタクトプロービング並びにデバイス及び組織の表面の改変に関する。特に、種々の実施形態は測定及び表面の改変のための電子ビーム誘導プラズマプローブの適用に関する。
【背景技術】
【０００３】
パターン構造においてメカニカルコンタクトを確立する必要なく電圧や電流を測定及び適用する能力は、半導体デバイス、例えば液晶や有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイなどのフラットパネルディスプレイ、バックプレーン、及びプリント回路基板の機能（電気的）テストにとって重要であり、これは、ノンメカニカルコンタクトプローブが被試験デバイス・パネルの損傷の可能性を最小限化し、またテストスループットの向上に有利でもあるためである。
【０００４】
オルボテック社であるフォトンダイナミクス社のボルテージイメージング光学システム（ＶＩＯＳ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ））は、被試験デバイス上の電場を光学センサによって撮影された光学情報に変換するための電子光学変換器を用いている。他の技術では、２次電子によって被試験デバイスの電圧が非直接的に測定され、デバイスが真空に配置されることが必要である。これらの手法は、通常、電圧測定向けであり、検査に必要な信号を駆動するためにデバイス周部のパッドに機械的に接触することを未だ必要とする。
【０００５】
ＯＬＥＤのような電流駆動型デバイスの新しいクラスが開発されたため、ノンメカニカルコンタクトプローブの必要が現れた。従来のＬＣＤのような電圧駆動型装置と反対に、特にセル保持容量が小さいＯＬＥＤアーキテクチャにおいて、電流が非破壊的な方法で非密封画素電極を通過することを可能にすることにより、アレイ製造後のＯＬＥＤベースのフラットパネルディスプレイをテストする好ましい方法である。導電性プラズマに基づく検査方法の別のクラスが最近現れた。これらの方法の背後にある主概念は、静止イオン以外の移動二次電子を含み、ノンメカニカルコンタクトプローブとして機能してもよい方向性プラズマである。いくつかのそのような「プラズマ・プロービング」のアプローチが過去に提案されている。それらは二つのカテゴリーに大別され得、一つのカテゴリーは、高いイオン化閾値が与えられた被試験デバイスにレーザー誘発損傷の危険性がある高強度レーザー誘発イオン化に基づくものであり、もう一つのカテゴリーは、広範囲の散乱角（方向制御がほとんどない）を有するイオン化種であり、損傷リスクも示し、特にアーク放電に関する高電圧コロナ放電に基づくものである。
【０００６】
膜及び差動ポンプの開口を用いた電子ビーム撮像システムは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）における生きた標本や湿潤標本の電子ビーム特性のために又はライブサンプルにおけるＸ線回析のために電子ビームを雰囲気ガス内へ伝搬させるのに用いられてきた。
【０００７】
半導体製造において、電子ビームを利用した最先端の検査及び位置合わせシステムは、真空における２次電子（ＳＥ（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ））及び／又は後方散乱電子（ＢＳＥ（ｂａｃｋ  ｓｃａｔｔｅｒｅｄ  ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ)）イメージングにその多くを依存する。この技術は大きな真空筐体及び複雑な電子光学系に関わり、システムの高コスト、広大な工場敷地、及び潜在的に影響されるスループットをもたらす。半導体製造に用いられる電子ビーム適用の例は、（ＩＣ製造工程の一部の工程段階における）ビアのショート検査のためのＳＥを用いた電圧コントラスト測定、後方散乱電子を用いた高アスペクト比特性（例えば深いトレンチやシリコン貫通ビア（ＴＳＶ））イメージング及び試料の位置合わせを含む。
【０００８】
過去に出願されたＰＣＴ特許出願ＷＯ２０１３／０１２６１６号において、フラットパネルディスプレイをテストするための大気プラズマプローバが記載されている。さらなる研究により、同様又は類似するプラズマプローバを用い得る、本明細書に詳細に記載の追加出願に繋がった。
【発明の概要】
【０００９】
以下の発明の概要は、本発明の一部の態様及び特徴に対して基本的な理解を得るために含まれる。この発明の概要は、本発明の広範な概要ではなく、また本発明のキーになる若しくは重要な要素を具体的に特定すること、又は本発明の範囲を示すこと、を意図するものではない。その唯一の目的は、以下に示されるより詳細な説明の前置きとして、本発明のいくつかのコンセプトを単純化した形態で示すことである。
【００１０】
開示される種々の実施形態において、対象デバイスとのノンメカニカルの電気的接触を実現するために、電子ビーム誘導プラズマ（ｅＢＩＰ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｐｌａｓｍａｓ））が用いられる。このプラズマ源は大気プラズマ源として言及され得、微小直径且つ制御可能な特性のプラズマカラムを提供するように構成され得る。このプラズマカラムは、（膜又はピンホールを介した）大気に入るプラズマ源と対象デバイスとの間の大気空間を横切り、特徴的な電気信号がデバイスから収集されることができるように、対象デバイスへの電路として機能する。加えて、プラズマカラムへと流れるガスを制御することによって、プローブは表面の改変、エッチング及び堆積に用いられることができる。
【００１１】
開示される種々の実施形態において、電子ビームと生成プラズマとは複数の機能を行うために用いられる。例として、電子ビームは、プラズマを発生且つ維持するため、また例えば試料内に電子正孔対を生成するなど対象試料を刺激するためにも用いられる。そして、駆動電子ビームにより維持される導電プラズマは電気信号を外部測定装置へとわたすように用いられ、電子ビームの刺激により発生した電流量用のセンサが提供される。この方法を用いて、刺激と感知が原位置で行われる、つまり電流は発生したその場所で収集され、閉ループ処理を形成する。
【００１２】
開示される態様では、大気プラズマ装置が提供され、該装置は、該装置の第１の側にオリフィスを備えた真空筐体と、真空筐体内に配置され、且つ電子抽出開口部を備えた電子源と、抽出開口部の近傍に配置され、前記電子源から電子を抽出して電子ビームを形成し、該電子ビームを、前記オリフィスを介して方向づけるように構成された抽出器と、オリフィスを被覆するように配置されて、導電性を備え且つ導電性ラインが取り付けられた開口プレートと、を含み、電子ビームは、オリフィスの直径よりも小さい直径を有するように構成され、プラズマのカラムを維持するために、開口部を出ると大気を電離するように構成され、開口プレートは、電子ビームが開口を通過するときに電子ビームの直径が開口プレートによって減縮されるように、電子ビームの直径よりも小さい直径の開口を備える。
【００１３】
さらなる態様において、試料の電圧コントラストイメージングをおこなうための方法が提示され、該方法は、真空筐体内の電子源から電子ビームを抽出するステップと、電子ビームを真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させて、イオン種のカラムを生成するように電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、電子ビームの雰囲気ガスへの入射点と対向して配置された試料の選択領域にわたって、電子ビームを走査させるステップと、試料から収集電極への電子電流を駆動させるように、プラズマに電圧電位を印加するステップと、収集電極と試料との間を流れる電子電流量を測定するステップと、選択領域の各位置で測定された電子電流量を用いてイメージを生成し、該イメージをモニタに表示するステップとを含む。さらに該方法は、試料における欠陥を検出するためにイメージ又は測定された電流を使用するステップを含み得る。
【００１４】
開示される他の態様において、電子ビーム誘導プラズマプローブを用いて次元的位置合わせをおこなうための方法が提示され、該方法は、真空筐体内の電子源から電子ビームを抽出するステップと、電子ビームを真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させて、イオン種のカラムを生成するように電子ビーム周囲のガス分子を電離し、プラズマプローブを形成するステップと、電子ビームの雰囲気ガスへの入射点と対向して配置された試料の選択領域にわたって、プラズマプローブを走査させるステップと、試料から収集電極への電子電流を駆動させるように、プラズマに電圧電位を印加するステップと、収集電極と試料との間を流れる電子電流量を測定するステップと、電子電流の測定を用いて、プラズマプローバの垂直位置合わせを決定するステップとを含む。該方法は、試料から散乱した後方散乱電子を測定し、後方散乱電子の測定を使用してプラズマプローブの横方向の位置合わせを決定し、３次元位置合わせをおこなうステップをさらに含むとよい。一部の態様では、位置合わせはＬＥＤ，ＯＬＥＤ、又はＬＣＤアレイテストをおこなうために用いられる。
【００１５】
またさらなる態様において、電子ビーム誘導プラズマプローブを用いて試料の材料組成プロファイルを検査するための方法が提示され、該方法は、真空筐体内の電子源から電子ビームを抽出するステップと、電子ビームを真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させて、プラズマプローブを形成するイオン種のカラムを生成するように電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、電子ビームのガス雰囲気への入射点と対向して配置された試料の選択領域にわたって、プラズマプローブを走査させるステップと、試料から収集電極への電子電流を駆動させるように、プラズマに電圧電位を印加するステップと、収集電極から試料に、又は試料から収集電極に流れる電子電流量を測定するステップと、試料のトポグラフィ特性によってもたらされた電子電流の測定における変化の逆畳み込みをおこなうステップと、測定された電子電流の逆畳み込みされた変化を用いて、試料の材料組成における変化を測定するステップとを含む。
【００１６】
その他の態様において、電子ビームプラズマプローバを用いて試料のトポグラフィを測定するための方法が提示され、該方法は、真空筐体内の電子源から電子ビームを抽出するステップと、電子ビームを真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させて、プラズマプローブを形成するイオン種のカラムを生成するように電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、電子ビームの雰囲気ガスへの入射点と対向して配置された試料の選択領域にわたって、プラズマプローブを走査させるステップと、プラズマに電圧電位を印加して試料から収集電極への電子電流を駆動するステップと、収集電極から試料に、又は試料から収集電極に流れる電子電流量を測定するステップと、試料の材料組成によってもたらされた電子電流の測定における変化の逆畳み込みをおこなうステップと、測定された電子電流の逆畳み込みされた変化を用いて、試料のトポグラフィにおける変化を測定するステップとを含む。
【００１７】
さらなる態様において、試料における高アスペクト比の構造を検査するための方法が提示され、該方法は、真空筐体内の電子源から電子ビームを抽出するステップと、電子ビームを真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させて、プラズマプローブを形成するイオン種のカラムを生成するように電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、電子ビームの雰囲気ガスへの入射点と対向して配置された試料の選択領域にわたって、プラズマプローブを走査させるステップと、高アスペクト比の構造にわたる試料の選択領域にわたって、プラズマプローブを走査させるステップと、プラズマに電圧電位を印加して試料から収集電極への電子電流を駆動するステップと、収集電極から試料に、又は試料から収集電極に流れる電子電流量を測定するステップと、選択領域にわたる各画素で測定された電子電流量を用いてイメージを生成し、該イメージをモニタに表示するステップとを含む。この方法は、測定された電流に基づいて、検査された高アスペクト比の構造における欠陥または工程偏差を検出するステップをさらに含むとよい。
【００１８】
その他の態様において、試料における包埋された欠陥の大気電子ビーム誘導電流測定をおこなうための方法が提示され、該方法は、電子源から電子ビームを抽出するステップと、電子ビームを真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させて、イオン種のカラムを生成するように電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、電子ビームの雰囲気ガスへの入射点と対向して配置された試料の選択領域にわたって電子ビームを走査させて、試料において電子正孔対を生成するステップと、プラズマプローブのカラムを用いて試料から電流を収集するステップと、試料から流れる電流量を測定するステップと、を含む。該方法は、プラズマにガスを制御可能に注入することをさらに含むとよい。
【００１９】
さらなる態様において、ニューロン興奮のための方法が提示され、該方法は、規定の直径を有する電子ビームを電子源から抽出するステップと、電子ビームを真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させて、イオン種のカラムを生成するように電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、選択されたニューロンにイオン種を方向づけるステップとを含む。
【００２０】
さらなる態様において、金属の３Ｄプリントのための方法が提示され、該方法は、数１０ｋｅＶまでのエネルギーであり、規定の直径を有する電子ビームを電子源から抽出するステップと、電子ビームを真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させて、プラズマプローブを形成するイオン種のカラムを生成するように電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、プラズマを使用して印加のために表面を準備するステップと、スパッタリングされた金属粒子を用いて金属を溶融し、または１次電子ビームを用いて金属細線を溶融して、事前設計されたパターンに基づいて層を堆積させるステップと、上記処理を繰り返して、延長領域及び複数の垂直層にわたってプリント動作をおこなうステップとを含む。電子ビームは、電磁レンズ又は移動ステージを用いて走査されるとよい。このシステムは、ＣＡＤ対応コンピュータに接続され、該コンピュータによって制御されるとよい。該方法は、プリント試料の選択領域にわたるイオン種を方向づけて、プリント試料に添加要素を付着させるステップを含むとよい。
【００２１】
またさらなる態様において、生組織を処置するための方法が提示され、該方法は、規定の直径を有する電子ビームを電子源から抽出するステップと、電子ビームを真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させて、イオン種のカラムを生成するように電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、雰囲気ガス内に出るときに電子ビームの横方向のサイズを操作するステップと、プラズマイオン種を生組織の選択領域に方向づけるステップとを含む。処理は、治療的適用、滅菌、除染、創傷治癒、血液凝固、がん細胞処置のうちの１つを含むとよい。
【００２２】
他の態様において、試料の表面特性を改変するための方法が含まれ、該方法は、規定の直径を有する電子ビームを電子源から抽出するステップと、電子ビームを真空筐体から近傍の雰囲気ガス内に透過させて、プラズマプローブを形成するイオン種のカラムを生成するように電子ビーム周囲のガス分子を電離するステップと、雰囲気ガス内に出るときに電子ビームの横方向のサイズを操作するステップと、試料の選択領域にプラズマプローブを走査させて、試料の表面特性を改変するステップとを含む。表面の改変は、アッシング、エッチング、表面活性化、不動態化、湿潤化、機能化のうちの１つを含むとよい。
【００２３】
開示の実施形態のいずれかにおいて、雰囲気ガスは空気か、又は１つ以上の不活性ガスの混合物かを含むとよい。また、真空筐体から電子ビームを透過させることは、真空環境と雰囲気ガスとを隔てる開口プレートに設けられたピンホールを介して電子ビームを通過させることを含むとよい。真空筐体から電子ビームを透過させることは、ピンホールを介して電子ビームを通過させる前に、電子ビームが膜を通過することをさらに含むとよい。電圧電位は、試料、開口プレート、又は膜のうちの少なくとも１つに印加されるとよい。開口プレート又は膜は収集電極を含むとよい。また該方法は、試料との相互作用又は試料の改変前に感知し、試料の処理、相互作用、若しくは改変をおこない、そして試料の処理、相互作用、若しくは改変の後に再度感知するために、電子ビーム及び／又はプラズマを使用することさらに含むとよい。つまり、該方法は閉ループ処理（感知−処理−感知）を構成する。
【００２４】
本明細書に包含され、その一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、発明の詳細な説明と共に本発明の原理を説明し描出する役割を担う。図面は模式的に例示の実施形態の主要な特徴を示すことが意図されている。また、図面では、実際の実施形態のすべての特徴や、描かれる要素の相対的なサイズが提示されることは意図されていない。そして、図面は正確な縮尺率ではない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態によるノンメカニカルコンタクト信号測定装置の概略横断面図である。
【図２】図２及び図２Ａは、電圧コントラスト検査のための方法を例示する概略的模式図である。
【図３】図３は、高アスペクト比の孔及びトレンチ検査のための方法を例示する概略的模式図である。
【図４】図４及び図４Ａは、３Ｄ位置合わせのための方法を例示する概略的模式図である。
【図５】図５は、電子ビーム誘導電流（ＥＢＩＣ）のための方法を示す概略的模式図である。
【図６】図６は、雰囲気下の電子ビームの直径を制御するためのピンホール操作を例示する概略図である。
【図７】図７は、ピンホールを利用する一実施形態における装置を示す概略図である。
【図８】図８は、ピンホールを利用する他の実施形態における他の装置を示す概略図である。
【図９】図９は、本明細書に記載のいずれの実施形態においても用いられ得るピンホール開口プレートの上面図を示す。示されるように、開口プレートは小さいピンホールを有し、電気的絶縁が形成されて該プレートを４象限に分割する。
【図１０】図１０は、本明細書に記載のいずれの実施形態においても用いられ得るピンホール開口プレートの上面図を示す。示されるように、開口プレートは小さいピンホールを有し、電気的絶縁が形成されて該プレートを電気的に絶縁された同心円状の円形部に分割する。
【図１１】図１１は、空間的に選択される表面の改変（活性化、湿潤化、機能化など）のための電子ビーム誘導プラズマプローブの使用を示す。
【図１２】図１２は、３Ｄプリントのための電子ビーム誘導プラズマプローブの使用を示す。供給線はプリントされる材料を提供する。１次ビームは該線を溶融し、プラズマ流はプリントされた材料を感知するように用いられることができる。
【図１３】図１３は、治療適用ための電子ビームの使用を示す。
【図１４】図１４は、包埋された(即ち、サブサーフェス)マイクロチャネルのための電子ビームの使用を示す。
【図１５】図１５は、下部基板でのパターンと一致するパターンに従うｅＢＩＰ処理によって包埋されたマイクロチャネルで最適な毛細管流体を得るための実施形態を示す図面である。
【図１６】図１６は、電子ビーム誘導プラズマに対する処理中のデバイスを横方向に移動させるステージアセンブリを含む電子ビームシステムを示す。
【図１７】図１７は、最後の開放開口と、必要な動作レベルでガンシステムの中の圧力に維持するように差動的にポンピングされる複数のチャンバと、を有するシステムを示す。
【図１８】図１８Ａ及び図１８Ｂは、簡易なマイクロチャネル基板で流体が流れるための簡易なマイクロチャネル基板を示す。
【図１９】図１９Ａ及び図１９Ｂは、平板基板でチャネルが切断されていない平板基板のテストが行われ、異なる接触角（ＣＡ）をもたらすことを示す。
【図２０】図２０Ａ及び図２０Ｂは、物理チャネルが形成され、その後、ｅＢＩＰによって処理されるマイクロチャネルデバイスを示す。
【図２１】「仮想」チャネルが形成される実施形態を示す。
【図２２】図２２は、流体の注入の単点と複数のチャネルとを有する別のマイクロチャネルデバイスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に記載される種々の実施形態は、高解像度、高感度、そして小型の大気電子ビーム誘導プラズマプローブ技術に基づいたソリューションを提供する。この技術は、空気中の電子ビームによって発生する衝突の電離イベントにより生成されたプラズマが、ノンメカニカル導電性コンタクトとして作用し、被試験デバイス（ＤＵＴ（ｄｅｖｉｃｅｓ  ｕｎｄｅｒ  ｔｅｓｔ））における電圧が結果的な２次プラズマ電子電流を介して測定されることを可能にするということに実質的に依存する。その名により示唆されるように、該技術はＤＵＴが真空内に保持されることを必要としない。むしろ、電子エミッタ（陰極）と電子光学系とのみが真空筐体内に保持されることを要する。さらにこの技術の適用は、例えば抽出グリッドや静電レンズなど簡易な電子光学系構成を必要とするのみであり、銃のコストを抑え、サイズ、つまり筐体のサイズを小型に抑える。電子ビームは、（ＳｉＮ、ＳｉＣ、Ｂｅ等から製造される）薄い電子透過膜及び／又は差動ポンプを受ける超小型ピンホールを介して、電子銃を含む真空筐体を周囲の大気環境へと出る。プラズマプローブの可動２次電子によって保持される信号は、膜のＤＵＴに面する側に適用される導電性薄膜（２０ｎｍより薄いＴｉ、Ｃｒ等）によって、又はピンホールが用いられる場合に（導電性材料から製造され、電子銃の筐体の他の部分から分離されると考えられる）ピンホール自体によって、収集されることが可能である。信号は、そこから、例えばさらなる信号処理のための高精度、高速のエレクトロメータなどの適切な取得デバイスに供給される。
【００２７】
下記に挙げられる種々の適用に必要とされる空間解像度は、本発明の新規性又は適用性のいずれも失うことなく、小さい直径の電子ビームエミッタと高集束電子ビームカラムとを用いて得ることができる。この手法は、システムのコストを上げ得るものの、それでも、試料の真空及びロードロック筐体を必要とするシステムに対して差別化となる有利性を示す。本明細書に記載の適用をおこなうためのプラズマプローブに関連する物理的性質は、最終電子ビームスポットが生成される方法とは区別される。
【００２８】
しかしながら、高解像度の最終電子ビームスポットを生成するための最も簡易な手法は、ピンホールを用いて電子ビームを開口から出力することである。この手法ではビームエネルギーと電子ビームの直径とは切り離されるので、小さく安定的な焦点を得るための高性能電子光学系の必要性は低くなり、システムの小型化の可能性がより高まる。さらにピンホールはバイアス及び信号収集電極としても動作することが可能であり、スタンドアローンの膜よりも高い入射電子ビーム流の使用を実現できる。さらに、適切な厚みのピンホールは４つの分離象限に分割されて、ビーム偏向制御を可能にする。この開口は膜又は第２チャンバに取り付けられるように適用されることができる。
【００２９】
ピンホールの端は、トップハットビームプロファイルが形成されるように、入射１次ビームを停止するために十分な厚みを有する必要がある。このため、明確に規定されたエッジを有するプラズマプローブが生成され、侵入度及びアレイ状の標的からのクロストークを最小化する。さらに、ピンホールは、陰極チャンバの空気の側に生成されたプラズマ線と接触するために、入射電子ビームより適度に小さく、導電性表面を有する必要がある。またピンホールは、エナメル線がその端に取り付けられることができ、且つ電荷蓄積を防ぐために、実質的に厚みを有する必要がある（通常５０ミクロンより厚い）。最後に、ピンホールはチャンバ体から電気的に絶縁される必要がある、即ち地絡すべきでない。
【００３０】
以下に記載される種々の実施形態をより理解するために、まず大気電子ビーム誘導プラズマ源について簡易に記載される。電子ビームにより、空気又は他のガスを効果的に電離することと、被試験デバイス（以後、被試験構造として代替的に言及される）への損傷のリスクのほとんどない高指向性プラズマカラムを生成することが可能である。電子ビームはまた、プラズマプローブの横方向のサイズを制御し得、これはデバイス上の小さく高密度の導体における電気信号の測定において重要な有利性である。
【００３１】
図１は、本発明の第１実施形態におけるノンメカニカルコンタクト信号測定装置１００の概略断面図である。電子ビーム１１０は、従来の方法を用いて、真空１３０において電子ビーム発生器１２０によって生成される。電子ビーム１１０は、真空筐体１４０ａの一部分に配置されたオリフィス１４５を介して真空筐体１４０（以後、真空チャンバとして代替的に言及される）を出る。電子ビームの一部は真空筐体外部の雰囲気ガス１５０（以後、大気又はガスとして代替的に言及される）に伝達される。電子ビーム発生器を包含する真空筐体内の真空は、電子ビームに対して半透過性である膜及びフレーム組立体１５５によって保持されることができる。
代替的に、膜及びフレーム組立体１５５は、オリフィス又は複数のオリフィスが真空筐体内の真空を保持するように適切に小さい場合には、選択的であり得る。
【００３２】
雰囲気ガスに入ると、ガス原子とのガス衝突に方向づけられた電子ビームの一部における電子は、偏向されるか、又は電離を介してエネルギーを失う。つまり、ガス内に方向づけられた電子ビームの一部は、電子ビームが通過するガス内においてプラズマ１６０（以後、プラズマプローブとして代替的に言及される）を誘導する。この電子とガスとの衝突は、遅いガスイオンを別にして、導電することができる低エネルギー２次電子を生成する。故に電圧と電流とは測定されるか、プラズマを介して印加され得る。プラズマはノンメカニカルコンタクト電気プローブ又はプラズマプローブとして動作し得る。後方散乱電子はプラズマプローブにおいて電圧又は電流信号を伝達するために用いられないが、本発明のさらなる有利性のため、適切な検出器を用いて収集されることができる。
【００３３】
図１は、ガスが接触し得る、被試験構造１７０に設けられた第１の導体又は半導体１６５も示す。被試験構造は基部１７５によって支持されるか、又は基部１７５上において実施される。「装置」又は「被試験構造」に面する、膜及びフレーム組立体の側（真空筐体の外側）は、以下により詳しく記載される導電性薄膜であり得る、第２の導体１８０で被膜され得る。ガス１５０は第１の導体１６５及び第２の導体１８０と接触する。代替的な実施形態において、ビームが筐体を出る膜又は開口を包囲する真空筐体の一部は、第２導体に相当する、導電性材料又は導電性の装置側フィルムで被膜された材料で製造されるとよい。他の代替的実施形態において、第２導体は個別の電極又はフィルムとして形成されるとよく、これらは電気的にプラズマと連結され且つ真空筐体外部の電子ビームの部分を妨げない限り、膜・フレーム組立体１５５と第１導体との間のいずれかに配置され、必ずしも膜に直接的に取り付けられない。また第２導体は検査ヘッド１９５に取り付けられてもよい。真空筐体、電子ビーム発生器、及び第２導体は、プラズマプローブを生成する検査ヘッド１９５として言及され得る。
【００３４】
第２導体１８０は、電気測定デバイス１８５又は信号源１９０と連結されるとよい。データ記憶装置及びシステム制御ブロック１９８はテスト手順を制御し、測定データを保存し、検査ヘッド１９５、電気測定デバイス１８５、及び信号源１９０と連結される。データ記憶装置及びシステム制御ブロック１９８内のデータ記憶ユニットは、測定デバイスと連結され、測定デバイス１８５からの複数のデータ値を保存するように適応されるとよい。データ記憶装置及びシステム制御ブロック１９８内の制御ユニットはデータ記憶ユニット、測定デバイス１８５、及び信号源１９０と連結されるとよい。データ記憶ユニット、測定デバイス１８５、及び信号源１９０は、制御ユニットに応答するとよい。
【００３５】
図６は、本発明の一実施形態におけるピンホール開口の構成及び動作を説明するための近接図である。開口プレートは、電子ビームの通路に配置され、大気側と真空側とを分離する。開口プレートは、真空内の電子ビームの直径ｄｖより小さい直径を有するピンホールを含む。よって、ピンホールのサイズは大気における電子ビームの直径ｄａを制御する。つまり、ピンホール開口は陰極チャンバを出射する電子ビームを規定し、これは使用され得る差動ポンプに用いられるものとは異なる開口である。電子ビームの開口はプラズマプローブ直径の制御もおこなう。ピンホール開口が膜と共に用いられるとき、陰極チャンバからの１次電流は、入射電子ビームからもたらされる熱量に耐えるために膜の性能により限定される。ピンホールが膜なしで用いられるとき（即ち、差動ポンプ構成において）、この限定は当てはまらないが、制約が真空システムに課せられる。ピンホール開口は、電子ビームの直径を電子ビームのエネルギーから切り離し、高性能電子光学系の必要性が除かれる。
【００３６】
図６に記載されるように、開口の端部は、必要なところで入射第１電子ビームを止めるため及びトップハットビームプロファイルを得るために、十分な厚みを有する必要があり、Ｔで示される。これにより、侵入度及びアレイ状の標的からのクロストークを最小化する、硬いエッジを有するプラズマプローブが生成される。
【００３７】
図７は、図６に示されるもののようなピンホール開口を用いる装置を例示する。図７において、ピンホール開口は膜を伴って、又は伴わず用いられ得るが、ピンホールプレートがチャンバ体に短絡しないように、電気絶縁部がピンホール開口プレートとチャンバ体との間に設けられる必要がある。エナメル細線などの電気線は開口プレートに接続されて、プラズマからピンホール開口プレートを介して線へと、信号通路を完結する。
【００３８】
図８は他の実施形態を示し、ピンホール開口プレートが差動ポンプを補助するために第２ポンプチャンバに用いられる。この実施形態においても、ピンホール開口プレートは第２ポンプチャンバから絶縁される必要があり、電気線は電路を閉じるためにプレートに接続されることを要する。
【００３９】
図９は、本明細書に記載されるいずれの実施形態においても使用され得るピンホール開口プレートの上面図を表す。示されるように、開口プレートは小さいピンホールを備え、電気絶縁がプレートを４象限に分割するように設けられる。図１０は、本明細書に記載されるいずれの実施形態においても使用され得る別のピンホール開口プレートの上面図を示す。示されるように、開口プレートは小さいピンホールを備え、電気絶縁がプレートを同心円状の、電気的に絶縁された円形部に分割するように設けられる。図９及び図１０において示されるように、別の導電性ラインが、各部分について個別に信号を取得できるように、開口プレートの電気的に絶縁された各部分に接続される。
【００４０】
＜高解像度電圧コントラストイメージング＞
電圧コントラストは、歩留まりの問題をＩＣ成形における特定の回路又は回路ブロックに特定することにおいて有用である欠陥分離技術である。先行技術において、電圧コントラスト測定は、試料を真空チャンバに配置し、電子ビームを用いて試料を帯電させることによっておこなわれ、続いて試料は２次電子を用いてイメージ化される。これは、通常、２ステップの工程であり、高真空チャンバと精巧な電子ビーム源とを必要とする。オープンビア、即ちアースと接続されない金属コンタクトは帯電を維持し、２次電子イメージにおいて、アースに接続されたものとは異なって見える。換言すると、オープンビアは電荷を局所的に捕らえ、試料の表面電圧を変える。これは、例えば集積回路においてどのコンタクトがクローズで、どのコンタクトがオープンであるかを検査するために用いられることができる。
【００４１】
一実施形態によると、数１０ナノメートルの直径のピンホールは、例えばリソグラフィ技術を用いて製造される。ピンホールとＤＵＴとの比較的短い作動距離（１０〜５０ミクロン）を用いて、５０ｎｍ以下のプラズマビーム直径が実現される一方で、十分な電子ビーム流を維持して、１０ｐＡより大きいプラズマ信号を生成する。この解像と信号レベルとの組合せは、例えばオープンゲートコンタクトなどの重要なＩＣ構造における欠陥の検出を可能にする。電子ビーム誘導プラズマプローブ手法は、従来の電圧コントラストイメージング技術とは異なり、２次電子放出断面を改変することによってオープンであるかどうかを測定するために、ビアを検査する２つのステップの測定（事前帯電及びプロービング）を必要としない。プラズマプローブでは、プラズマ電流を測定し、それを高品質のリファレンスと比較することによって単一のステップのオープン・ショート測定が行われることが可能であり、装置を簡易化し、スループットの有利性を得られる（図２を参照）。
【００４２】
テストは、試料において電子ビーム、つまりプラズマカラムを走査させることによって行われることが可能である。バイアス電位は、プラズマからの電子が試料へと駆動されるように印加される。試料からの電流は、１次電子ビームが装置を出る金属開口に接続された検出器によって測定される。走査される部分が共通のアースと電気的に接続される場合、電流が流れ、電流の読み取りは検出器で記録される。一方で、走査される部分が絶縁される場合、つまりオープン回路が存在する場合、電流は流れず、電流の読み取りは検出器において異なる値を記録する。オープン、又は部分的にオープンである回路の抵抗が変化するとき、異なる電流が流れ、異なる電流が読み取られる。これらの電流の読み取りはマッピングされ、走査領域の電圧コントラストイメージが提供されることが可能である。
【００４３】
その構成が図２Ａに示され、ここで電圧電位は、電子電流がプラズマから試料１７０に駆動されるように電極１８０に印加される。電流測定は電極に応じておこなわれ、試料１７０へと流れる電流を測定する。試料が多くのオープンビアを有する領域に、プラズマプローブが接触する場合、電子源の１次ビームからの電子の流れは試料を帯電させ、測定を歪曲し得るということが理解される必要がある。故に、一部の実施形態において、電極１８０に印加される電位を交替させ、試料を周期的に放電する。これは、適切に製造された部分と欠陥の部分とが、プラズマプローブを介して印加された電圧に対して異なる反応を示し、電圧コントラストイメージングを実現することを確実にする。
【００４４】
さらに、図２Ａにおいて、ガス注入器１７１はガス混合物をプラズマに注入して、ガス混合物と電子ビームとの相互作用の断面積を制御する、混合物におけるガスの原子数と密度との効果によって、電子ビームの信号レベル及びビームの広幅量を制御するように用いられる。例として、ヘリウムの注入において、電子ビームはあまり広幅化されず、信号もより小さい。一方で、アルゴンは、より広幅化されたビームを生成し、信号の増加を伴う。故に、例えばヘリウムとアルゴンとの混合物におけるアルゴンとヘリウムの割合など、注入ガスを制御することによって、ビームの広幅化と信号レベルとを制御することができる。
【００４５】
適切なサンプルバイアスのもとで、プラズマ電流は入射電子ビーム電流よりも１００倍までの大きさであり得るということは注目すべきである。これは、５〜５０ｋｅＶの範囲のエネルギーを通常有する１次電子ビーム電流における単一の電子が、一連の複数の無作為な非弾性衝突を経験し、プローブの全長（通常は数１００ミクロン未満）にわたるプラズマ信号を伝達するために十分な可動性を有する多くの２次電子を生成するためである。プラズマ電流は、より高い電離率をもたらす局所的希ガス環境（Ａｒ、Ｎｅなど）を用いて、さらに増大されることが可能である。一方で、Ｈｅでは、例えばより小さいプラズマ直径、即ち数ナノメータまでのより高い解像度が実現され得る。プローブ解像度と導電性との相殺は、所定の適用において、電子ビームの入射点と試料との間の作動空間を安定的なガス混合物で充填することによって安定的に事前操作されることができる。
【００４６】
理解されるように、プラズマプローバは、検査される基板が真空下に置かれる必要なく、大気環境において電圧コントラスト検査をおこなうために用いられることができるので、この実施形態における装置は、スタンドアローンの装置であるよりも、処置装置と一体化されるとよい。例として、プラズマプローバは、エッチング又はＣＭＰ装置に一体化され、ウエハの処理が完了した後ただちに検査が行われるとよい。さらに、プラズマプローバは、例えば事前マッピング又はアライメントの目的で集積回路の処理に用いられるクラスタツールの、ミニエンバイロメントとも呼ばれる前端部に設置されるとよい。
【００４７】
さらに、プラズマプローブにおいて実現される解像度は、従来の電圧コントラスト測定システムのものよりもかなり高くなり得る。これは、少なくとも部分的には、被試験構造の横方向のサイズに対するプラズマプローブの横方向のサイズが、該構造と周囲環境との間の差動信号を検出するために十分に小さい必要があるためである。プラズマ電流の信号対ノイズ比（ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ−Ｒａｔｉｏ））は非常に高いので、被試験構造に対して、プラズマプローブはかなり大きいことが可能である。このように、より大きい横方向のサイズを有するプラズマプローブを用いながら、効果的な解像度は約５ナノメートルに減縮されることができる。一方で、従来の電圧コントラスト測定システムにおいて用いられるような２次電子イメージングは、入射電子ビームがプローブされる構造のサイズよりも小さいことが必要とされる。
【００４８】
さらに、プラズマプローブは個別のプラットフォーム及び真空を必要としないので、そのスループットは標準的なスタンドアローン装置よりも高くなり得る。また、プラズマプローブは単一のステップの照射及びイメージングを必要とし、一方で従来の装置は２ステップの事前照射及びイメージング処理を必要とする。
【００４９】
＜高アスペクト比（ＨＡＲ（ｈｉｇｈ  ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ））構造及びトレンチ深さの検査及びイメージング＞
電子ビーム誘導プラズマプローブ電流は、収集電極と被試験デバイスとの分離に非常に感度が高い。実験室の予備的な試験では準ミクロンの感度を示したが、より優れた電流検出器でさらに優れた感度を得られる。プローブカラムの抵抗性が分離に依存することは、プローブにおける２次電子キャリアの限定的な平均自由路による、プラズマシース効果と純粋なオーム抵抗との組合せである。故に、電子ビーム誘導プラズマプローブは、深いトレンチや基板貫通ビア（ＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  Ｖｉａｓ））などの高アスペクト比の半導体構造をイメージング及び検査するために使用されることが可能である（図３を参照）。ＨＡＲ構造測定は現代の電子機器における３Ｄ統合性及びパッケージングに重要であり、また高密度メモリ製造にも重要である。実験上の観測に基づき、１ミクロンより小さい高さの変動はプラズマプローブによって解決され得るということが期待される。走査型電子顕微鏡又は原子力間顕微鏡（ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ））などの競合技術は、前者の技術における比較的浅い焦点深度（電圧コントラスト測定において用いられる２次電子は限定的平均自由路を有する）、又は後者の幾何学的制限のため（ＡＦＭに用いられるカンチレバーは限定的に移動する）、この機能を提供しない。光学的散乱測定は高アスペクト比構造のイメージングの有望な代替的候補であるが、疎構造、及びシリコン又は金属などの高吸収材料にあまり適さない。プラズマ電流も検査される材料の導電性に依存するので、不均一の材料構造（例として、絶縁体上の金属線など）では、材料組成又は予期されるトポグラフィの予備情報をいくらか有することが有利であるということが留意される。つまり、プラズマプローブ信号も被試験構造のイメージを生成するために処理され、高解像度及び長い作動距離を伴う、非常に経済的で特有のイメージング機能を提供することが可能である。
【００５０】
電流は電子ビーム源の電極から駆動されるので、試料は、本明細書に記載される測定のためにバイアスをかけられるか又はアースをされる必要はないということが留意される必要がある。また、電極は電子ビーム源用の開口であり得る。
【００５１】
＜３次元（３Ｄ）位置合わせ＞
電子ビーム誘導プラズマプローブは、後方散乱電子（ＢＳＥ）の作動距離に対する低感度のため平面的な位置合わせのみが可能であるＢＳＥをもとにした先端技術法とは相対するような、特有の３Ｄ位置合わせ機能を提供する（図４及び図４Ａ参照）。プラズマプローブが保持する電流は、電導性に感度があり、（歩留まりは被試験材料の原子番号に依存する）ＢＳＥの場合と類似する横方向の解像度を提供するだけでなく、上述されたように被試験デバイスへの距離にも感度がある。位置合わせの標的は、それらが堆積する材料と異なる成分を通常有する（例えば、絶縁体又はシリコン上の金属標的）ので、位置合わせ標的からその周囲への変化は所定の材料内のプロファイルの変化のみよりもさらに大きいプラズマ電流反応を提供し得る。名目上の材料組成及び／又はプロファイルの予備情報は位置合わせ工程を容易にするために用いられることができる。このため、他の態様を制限することのない例として、被試験構造の構造又は構成モデルを設定すること、予測される信号を生成すること、並びに要求される構造及び／又は構成的測定を生成するアルゴリズムを用いて、該モデルを収集された信号に適合させることがなされる。
【００５２】
後方散乱電子（ＢＳＥ）は、作動距離にわたって大気中に伝播させるために十分なエネルギーを備える（ｋｅＶ範囲）ので、ＢＳＥ検出器１８１（例として、環状ＢＳＥセンサ）からのＢＳＥデータでプラズマ電流測定を補完することによって、完全な３Ｄ位置合わせは容易にもなり得る。この場合、ＢＳＥ信号は横方向の位置合わせに用いられ、プラズマ電流は垂直方向の位置合わせに用いられる。３Ｄ位置合わせ機能は、ウエハに対して精度の高い間隙を維持することが重要である任意の適用にとって重要であり、チャックにおけるウエハ又はグラス配置の情報に依存しないようにすることに役立ち、また、プラズマプローブは、ハイエンドのサンプルステージに通常用いられる光学センサより優れたＺ感度を提供し得る。故に、検査だけでなく、電子ビーム誘導プラズマプローブに基づいたイメージング適用においても個別の位置合わせ機能を必要としない。つまり電子ビーム誘導プラズマプローブは、その他の適用、特に、フラットパネルの検査、プロフィロメトリのように、そして電子ビームロードロックシステムにおける事前アライナとして、Ｚ位置合わせが重要である場合に、スタンドアローンの位置合わせ機能として用いられてもよい。この３Ｄ位置合わせシステムはフィードバックループと統合されて、リアルタイムの間隙制御をおこなうことが可能である。
【００５３】
特徴を適切に位置合わせするために、電子ビームの直径が該特徴のサイズよりも小さい必要がある電子ビームイメージングとは異なり、本明細書に記載される実施形態を用いると、プローブ直径、つまりプラズマカラムの直径は該特徴のサイズより小さい必要はないということが強調される必要がある。これは、イメージが試料からの２次電子又は後方散乱電子を用いて生成されるものではなく、むしろ電流の減衰を用いるためである。このようにプラズマカラムが特徴のサイズより大きい場合でも、特徴の端部を表すプラズマ電流測定の変化は、プラズマ電流の高ＳＮＲ効果によってプラズマプローブを用いて該特徴を横切るときに検出されることが可能である。よって、プラズマカラムの直径より小さい特徴が撮影されることができる。
【００５４】
＜インピーダンスマッピング＞
上述されたように、プラズマから試料に流れる電流により、試料のイメージを取得することができる。イメージにおける、つまり測定された電流における変化は、トポグラフィの変化と材料の変化（例えば、異なる組成、つまり異なるインピーダンスの種々の材料）との畳み込みによって起こる。１つの極端な状態では、試料が純粋で均質な材料組成である場合、結果のイメージはトポグラフィの変化のみを反映する。一方で、試料が完全に平坦であるが、材料組成が不均質である領域を有する場合、イメージは材料組成の変化のみを反映する（例えば、粒子又はドーピングの変化）。イメージは解像度依存的ではなく、むしろ感度依存的である、つまりプローブが電流における変化を検出できる限り、プローバは比較的低い解像度プローバでも高解像度のイメージを生成することが可能であるということが言及される。プラズマプローブ抵抗マッピングは、例として挙げれば金属線測定、ドーピング測定、及び突出性欠陥における適用に使用される。組成とトポグラフィとの変化の組合せも、所定のアルゴリズムを使用し、被試験試料のためのモデルを用いて収集信号が逆畳み込みされる場合に、識別され得る。
【００５５】
例として、プローバは、既知の均質材料組成及び既知のトポグラフィの試料を用いて較正されるとよい。プローバは他の試料を検査するために用いられ、「高品質の試料」と比較して、走査された試料の材料組成の均質性を測定することが可能である。一方で、トポグラフィにおける変化は、トポグラフィと材料インピーダンスとから生成された信号を同様に逆畳み込みすることによってマッピングされることができる。その他の較正及びアルゴリズムは、混合材料・トポグラフィの変化から生成された信号を逆畳み込みするために用いられることが可能である。例えば、信号変化又は信号レベル変化の空間的スケールが予期される所定の範囲外である場合、信号の変化は重なっているとして理解されることができる。
【００５６】
＜大気電子ビーム誘導電流（ＥＢＩＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｃｕｒｒｅｎｔ））＞
ＥＢＩＣは、より正確な欠陥位置情報、通常５００オングストロームまでの解像度を提供できる他の分離技術である。ＳＥＭにおいてプローブステーションを用いておこなうときに特に効果的である。ＥＢＩＣは、詳細な欠陥位置解像度を提供することに加えて、欠陥領域の電気的及び物理的特性に対して非破壊的であるという有利性がある。
【００５７】
ＥＢＩＣは、半導体デバイスにおける包埋された欠陥の検査に用いられる技術である。電子ビームは試料を刺激し、被試験デバイスに存在するｐ−ｎ又はショットキー接合において電子正孔対を生成するために用いられ、結果的に電流をもたらす。従来のＥＢＩＣにおいて、入射電子は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって真空において生成され、半導体接合において生成された電流は物理的プローブによってデバイスの周囲で収集される。例として、Ｈ．Ｊ．Ｌｅａｍｙの「Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖ５３（６）、１９８２年、Ｐ．Ｒ５１）が参照される。一方で、電子ビーム誘導プラズマプローブ技術では、プローブの１次電子は電子正孔対を励起するために用いられ、プラズマは導電体として用いられてこの電流を収集及び感知することができる。つまり、プローブは刺激及びセンサの両方に用いられる。
【００５８】
本発明において提示されるプラズマプローブでは、従来のＥＢＩＣ技術のさらに優れた適用が提供される。まず、電子ビーム誘導プラズマプローブを伴うＥＢＩＣは、作動距離において空気中又制御ガス混合物中で行われることが可能であり、システム構成、コスト、及びスループットにおいて、ＳＥＭを利用したＥＢＩＣよりも有利性がある。次に、プラズマプローブは、試料からの電流が原位置でプラズマプローブによって直接的に感知されるためＥＢＩＣ信号変動により感度が高く、（従来のＥＢＩＰＰ適用、特にＳｉウエハなどの大きい試料の場合のように）コンタクトをプローブするために試料全体を移動する必要はないためである。つまり、包埋された欠陥に対するプラズマプローブの感度は、特に弱い半導体又は一部の絶縁体についてすら、ＳＥＭ−ＥＢＩＣよりも大きい。
【００５９】
＜選択的な表面の改変＞
一部の適用では、選択的な表面の改変が必要とされる。例として、一部の適用においては選択的なアッシング又はエッチングが必要とされる。その他の適用では、表面の活性化、不動態化、湿潤化、機能化、又は化学的及び物理的相互作用を含むがこれに限定されないプラズマ支援表面相互作用の他の任意の形態が必要とされる。通常は、改変されない領域を被覆するが、例えばアッシング、エッチング、又は前述のいずれかの方法での改変など、改変される領域を曝露するマスクによって行われる。そして、マスクによってウエハの選択的領域にプラズマの選択的なコンタクトが提供されるように、プラズマはウエハ全体に適用される。
【００６０】
電子ビーム誘導プラズマプローブは、この空間的な選択処理をマスクなしで実施する機能を提供する（図１１参照）。図２Ａに示される実施形態等、本発明の所定の実施形態を用いて、適切な反応性前駆体ガスがノズル１７１から注入され、表面の改変がプラズマカラムによって走査された領域のみに行われることが可能である。ガスは、例として、エッチングには塩素ガス若しくはフッ素ガス、ＨＢｒなど、又はアッシングには酸素であるとよい。
【００６１】
一実施形態において、プラズマカラムは太陽電池におけるエッジシャント、検出、分離、及び除去に用いられる。具体的には、プラズマカラムは、導電層を除去して潜在的なシャントを分離するために、太陽電池のエッジ周囲を走査する。電子ビーム駆動プラズマプローブは、閉ループ操作をおこなって太陽電池シャントを処理することが可能である。電子ビーム誘導プラズマプローブは、シャント領域を特定するためにソーラー試料をフラッシングした後、インピーダンス反応をマッピングするために用いられる。シャント感知は、ソーラー試料を電子ビームで励起することと、及び試料の電気的若しくは光学的反応、つまり先行技術においてそれぞれエレクトロルミネセンス若しくはフォトルミネセンスとして既知であるものを測定することとによっても行われることが可能である。シャント感知後、電子ビーム駆動プラズマプローブはシャントを分離、電子ビームでシャントを切断、又は生成プラズマでシャントをエッチングすることができる。そして、結果の処理の感知がおこなわれ、シャント処理工程が必要な場合に反復されることが可能である。既存の技術（例えばレーザ処理）に比して電子ビーム駆動プラズマプローブが有利であることは、プラズマプローブの空間的選択性を伴う、閉ループ及びオールインワン処理である。
【００６２】
本明細書に記載される実施形態では、ｋｅＶ範囲のエネルギーを伴う電子ビームによるプラズマ生成が用いられる。ガス混合物はソースと試料との間の空間に導入され、電子ビームによって電離されることが可能であり、広範囲の反応性化学作用が得られる。
【００６３】
電子ビーム誘導プラズマプローブ技術には、プラズマ支援の表面の改変に用いられるその他の技術より多くの有利性がある。例として、電子ビーム誘導プラズマでは汚染のリスクがなく、これは、電極が蒸発し得るＤＣ放電プラズマ支援システムで起こり得ることと相対する。通常、電子ビーム誘導プラズマは、標的におけるプラズマ電子のエネルギーが約数ｅＶであることから、ＤＣ放電プラズマよりも低い温度に関連する。さらに、ＲＦ放電誘導プラズマとは異なり、電子ビーム誘導プラズマをターゲットに伝達するために空気流は必要とされない（プラズマは１次ビームの方向に従うため）。
【００６４】
電離媒体における電子ビーム入射の横方向のサイズ、及び結果としてのプラズマの横方向のサイズは、硬質開口によって、又はより高いコストの適切な電子光学素子を用いてビームを集束することによって、１００ｎｍ以下まで減縮されることが可能である。これは、電子ビーム誘導プラズマが、サブミクロンの解像度で、空間的に選択的である表面の改変を可能にすることを示唆する。そのような解像度は、所定の制限を超える開口が非常に大きな乱流をもたらし、プラズマの効果を著しく限定するので、他のプラズマ支援の表面の改変の方法では可能ではない。知るところでは、併行的ガス支援大気プラズマ技術の既存の解像度は１ｍｍより優れたものではない。電子ビーム誘導プラズマプローブは、その高い解像能により、例えばＭＥＭＳ、ポリマー表面上の原位置パターン化、及び３Ｄプリントにおいて用いられるような（サブトラクティブである）マスクなしのパターン適用にとって優れた候補となる。
【００６５】
電子ビーム誘導プラズマは、広範囲のパラメータ（ビーム電流、スポットサイズ、エネルギー、雰囲気ガス、作動距離など）に調整され得る。結果的に、電子ビーム誘導プラズマプローブは多くの異なる方法に用いられ得る。例えば、電子ビーム誘導プラズマのパラメータを適切に設定することによって、プラズマプローブは感知するか、又は処理をおこなうように構成されることが可能である。このため、プローブは表面組成の感知、続いて表面の改変、その後改変の効果を評価するための処理後感知に用いられることができる。この原位置の感知機能により閉ループ処理が可能になり、基板は測定のために処理装置から取り出される必要はなく、汚染を抑止し、歩留まりを向上し、より効果的な処理方法の開発を可能にする。さらに、種々の雰囲気ガスが、異なる表面反応化学作用を実現するために用いられることができる。そして、プラズマと１次ビームとは表面を改変するために機能することが可能であり、数ワットから数百ワットの範囲の処理力を利用できる。
【００６６】
＜空間的に分解された表面の改変＞
表面処理でプラズマを用いることは、複数の業界で採用され得る。表面処理でのプラズマの主な適用の中には、クリーニング（具体的に、有機汚染物の除去）、極性基及び濡れ性の改変の生成による密着強化がある。これらの処理の多くが、開示の実施形態により大気中に実施され得、それにより、専用でしばしば高価な真空チャンバの使用を避け、関連のインフラ及びスループット欠点を除ける。
【００６７】
プラズマにおいて生成される自由電子、イオン、ラジカル、紫外線は、共有分子結合を切断することができるため、切断（クリーニングの適用のように）、他のポリマー鎖におけるフリーラジカルへの架橋、易接着、活性化をもたらすことができる（プラズマから化学官能基または原子により、重合性官能基の交換）。後者に関して、大気プラズマは、特に、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により検証され得るため、Ｃ-Ｎ、Ｏ-Ｈ（ヒドロキシル）、Ｃ-Ｏ、Ｏ-Ｃ＝Ｏ、Ｃ＝Ｏ（カルボニル）、ＨＯＯＣ（カルボキシル）、ＨＯＯ（ヒドロペルオキシド）のような極性基の形成を容易にする高密度反応種（酸化種）を含む。これらの極性基は基板とその界面の間の強い共有結合を促進し、例えば流体、濡れ性及び密着を向上することをもたらす。
【００６８】
いくつかの開示の実施形態において、プラズマ誘導のマイクロ粗面化（イオンボンバードの結果および／または化学エッチング）も、接合接着を向上させることができる。さらに、プラズマ処理の効果は、ガス環境と被処理基板に大きく依存する。例えば、フッ素プラズマ（例えば、ＣＦ４の環境に基づく）は、親水性の代わりに疏水性のポリマー表面を製造することができる。不活性ガスプラズマ（ＡｒまたはＨｅのような）は、表面クリーニングに、より適している（汚染物のイオンボンバード／切断による）。最後に、Ｎ２リッチの大気プラズマは、親水性のシクロオレフィンコポリマー（Ｃｙｃｌｏ−Ｏｌｅｆｉｎ  Ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ（ＣＯＰ））及び血液適合性のシクロオレフィンコポリマー（後者は医療適用に重要である）の製造においてとても有効になり得る。
【００６９】
多くの適用、特に、例えばＤＮＡ分析、ポイントオブケア診断のために用いられるマイクロ流体デバイス、特定の接合適用も、空間的に選択される表面の改変を必要とする。通常、マイクロ流体デバイスは、流体が輸送される一つ以上の予めパターン化されたチャネルからなる。プラズマ処理は、チャネルを通る流体の流れを可能とし、促進することができるが、流体がチャネルを超えることを防止し、流体がターゲットチャネルのみに流れることを制限するために、デバイスの表面は均一に処理することができない。チャネル幅は、サブミクロンから数ミリメートル（ｍｍ）の範囲である。既存のプラズマ処理方法は、これらの解像度要求（プラズマジェットペンシルシステムは１ｍｍ以下に達することができなくても、乱流を発生させ、処理中の装置を損傷し得るガス流を招く）を満たすことができないので、空間的に選択的なプラズマ処理はリソグラフィまたはマスキングのような技術によって通常達成される。
【００７０】
ｅＢＩＰシステムコンセプトにおける選択的な表面の改変は、駆動電子ビームとそれが誘導するプラズマの組み合わせ作用を介して行われる。電子ビーム自体がプラズマ作用と同時に誘導する表面の改変のタイプがある。また、時間限定または永久的な表面の改変を誘導するために、外装材は処理領域に導入され得る。この外装材は、金属又は非金属、導電性または絶縁性、有機または無機であり得る。この材料は、押出形態、線状形態、粉末形態、ナノ粒子形態、液体形態または気体形態で提供され得る。これらは、添加的または減算的であってもよい。表面における結合される電子ビームプラズマの作用の例として、導電性微小粉末またはナノ金属粒子は、電子ビームが導電材料を表面に融解しかつ溶融しながら、接合のための試料の表面を準備するように適切なプラズマ化学が作用する非導通基板に導入され得る。この処理は、基板の表面で永久的な導電性トラックを生成する。この技術は、プリント回路基板（ＰＣＢ）を生成し、または基板における既存のトラックを改変するように用いられ得る。表面の改変は、３Ｄプリントまたは添加製造として知られているものにつながる外装材の導入により同じ位置で繰り返すことができる。基板の表面での同様の作用において、電子ビームとプラズマの組み合わせ作用は、材料を減じることにより基板の表面を変換することができ、例えば、上述の導電性トラックは電子ビームで切断され得、プラズマは多くの場合、脱着された付着物から表面をクリーニングする役割を果たして、導電線の電子ビームの駆動切断処理をより速くさせる。
【００７１】
３Ｄプリントとしても知られている、材料を添加し又は減じることによる選択的な表面の変換の処理は、レーザー焼結またはステレオリソグラフィと同等またはそれより良好なサブミクロンの解像度で行うことができる。
【００７２】
プラズマの処理システムは、電子ビーム誘導プラズマを用いる新しい空間的に選択される表面の改変の技術に基づくものである。この技術は、電子ビームが雰囲気ガスを横断することによる、雰囲気ガスの電離（大気または他の制御した小型環境）に基づくものである。一部の実施形態においては、真空筐体内で生成された中間エネルギー電子ビームを真空筐体からｋｅＶ領域で薄い電子透過膜（例えば、１００ｎｍのＳｉＮ）又は差動ポンプのピンホールを通して周囲の環境に転送することに依存する。このように生成されたプラズマは、電子ビームの周りの（狭い）円筒形の体積に閉じ込められるので、リソグラフィまたはマスキングのような更なる処理が必要ではなく、固有の空間選択性を提供する。これは、プラズマの処理を大幅に簡素化し、関連のコストを低減する。この技術により、１３μｍほどの小さなプラズマ直径が示され、電子ビームスポットのサイズ（現在、５μｍ）または電子ビームの開口を減縮することにより、１μｍ及び１μｍ以下のより小さい径を可能としなければならない。
【００７３】
さらに、電子ビーム誘導プラズマ（ｅＢＩＰ）の技術は、既存技術と比較して、表面の改変において以下の追加の利点を提供する。
【００７４】
選択的な処理の予めパターン化されたマイクロ流体チャネル以外に、ｅＢＩＰ技術は、パターン化されていない基板において、例えば濡れ性が増加した領域の「仮想」チャネルを形成するために用いることができる。この機能は、予めパターン化されたチャネルの必要性を減らすことができ、または予めパターン化されたチャネルを不要とすることもできるため、デバイスの製造コストをさらに低減する。
【００７５】
既存の低圧（無大気、制御されたガズ雰囲気）プラズマの処理プラットフォームは、流動ガスがイオン化され、チャンバ内の試料上にパージされるチャンバに依存する。このシナリオは、特にガスが交互に使用される場合、大量のガスの消費を招く、すべてのシステム内にガスを流すことが必要である。しかし、ｅＢＩＰシステムは、マイクロノズルを介して少量のガスのみを外部から作動距離に導入する（詳細は下記を参照）。これにより、ｅＢＩＰ技術のインラインおよび既存の産業プロセスへの導入を容易にする。
【００７６】
ｅＢＩＰシステムは、活性表面化学を駆動するのに十分なエネルギーがあるが、まだ冷たくて安全に取り扱うことができる低電力プラズマを提供する。１０ｋｅＶの電子ビームエネルギー及び１０μＡの電流において、システムの出力はｍＷ領域にある。ｅＢＩＰシステムは高いプラズマ変換効率を有する。。例えば、シミュレーションは１０ｋｅＶの電子ビームエネルギーの９５％以上を１ｍｍの間隙を有するプラズマに転換してソースを形成する
【００７７】
ｅＢＩＰ技術は、電子ビームが表面の物理的状態の放出特性放射線と化学的状態の放出特性放射線を再結合する基板電子をはじき出す時、表面を光学的に励起するので、駆動電子ビームにより処理された表面の自己プロービングを提供する。これは、表面特性のリアルタイムの光学監視を提供することができる。表面励起の別の実施形態は、プラズマの自身で発生されたＸ線または紫外線を介するものである。基板は特徴的な電子を放出することも可能とする。この特徴は、リアルタイムの再処理または用量調節を可能とする。
【００７８】
図１４は、例えば、シリコン基板における狭いトレンチ上の誘電体薄膜に形成され得え、包埋された（即ち、サブサーフェス）マイクロチャネルのｅＢＩＰ処理を示す。これらのマイクロチャネルは生体検査のために液体が流れるように用いられ得る。包埋されたマイクロチャネルが製造される層の厚さは十分に薄く（通常数百ｎｍより薄い）、電子ビームのエネルギーは十分に高い（３０ｋｅＶ以上）場合、電子ビームは薄膜の表面を貫通し、チャネル内のプラズマを点火させて維持することができる。適切なガスはチャネル内に存在する場合、これは、適切なガスが存在するときに内面処理をもたらす。マイクロ流体のドメインにおける包埋されたチャネルの製造工程はよく必要とされ、集積回路（ＩＣ）の製造に匹敵するいくつかの特定の適用において、つまり、製造中にチャネルの処理を図ることが不可能であることを注目すべきである。つまり、この実施形態は、空間的な閉じ込めを維持しながら駆動電子ビームが基板表面を貫通できるので、包埋されたチャネルの処理に対して、ソリューションを提供する。電子ビームは材料を通って伝搬させる際に広がるかもしれないが、この広がりが予め相殺され得る。
【００７９】
電子ビーム誘導プラズマにより空間的に選択される表面の改変の実現性は、少なくとも1週間の寿命であり、処理領域外に流出しなく、処理後のマイクロ流体デバイスのチャネルで流れる高い表面張力流体の実質的な改善を示し、様々なポリマー、シリコンおよびガラス基板上で示される。これは、流体の接触角の大幅な低減により達成される。さらに、プラズマ処理は流体が狭いチャネル（１００ミクロン以下）で流れることを可能とし、さもなければそれが流れない。ｅＢＩＰの表面処理化学は、サブミクロンのチャネル幅に縮小することができる。
【００８０】
多くのマイクロ流体デバイスは既存または仮想のチャネルが形成され得る底部基板と、カバーとして機能する上部基板（被試験流体を導入するための開口を有する）からなる。そのようなデバイスで最適な毛細管流体の流れを得るように、上部基板は、下部基板でのパターンと一致するパターンを有するｅＢＩＰにより処理されるべきである（図１５を参照）。
【００８１】
ｅＢＩＰ処理は空間的に選択的であるだけでなく、高いスループットも提供する。空間的に選択されるプラズマ処理システムのために用いられる駆動電子ビームは、予めパターン化されたシャドウマスク又は複数の開口を有するマスクにおいて、発散型電子ビームをフラッディングし、または背面照明することにより、プログラム可能な偏向機能と複数の同時に動作するカラム又はエミッタを有してもよい。さらに、ビームは、より良い制御及び用量の調整のために、パルスまたは連続モードで駆動され得る。
【００８２】
図１６に示されるシステムにおいて、電子ビームは、電子ビーム誘導プラズマに対する処理中のデバイスを横方向に移動させるステージ組立体を含む。様々な実施形態において、相対変位は、ビームが固定される場合にデバイスを移動させることか、又は、デバイスが固定される場合に電子ビームを移動させることによって、または両者の組み合わせによって、達成され得る。例えば、図１６に示されるシステムは、ビームを走査するように電磁走査レンズを含む。例えば、ステージは、電磁走査レンズが小変位走査のために用いられ得る場合、大変位走査のために用いられ得る。上記のステージ組立体は、ガントリまたはスプリット軸アーキテクチャを有することができ、また、処理中のデバイスは、真空チャックのようなフラット支持体上に位置決められ得る。
【００８３】
いくつかの実施形態において、電子ビーム源は、処理中のデバイスに対する電子ビーム源の距離を変えることができるように、垂直（Ｚ）ステージに取り付けられ得る。この距離は、個別のセンサ（例えば、レーザー三角測量センサ）によって、または、プラズマ自身における二次電子電流は動作距離に強く相関するので、この電流を測定すること（これは、二次電子電流および基板のあるレベルの導電性を収集するために薄膜上の薄い導電層を必要とする）によって監視することができる。後者の機能は、原則的に、リアルタイムのトラッキングおよび表面トポグラフィへの調整を可能にすることができる。電子ビーム源の区域に取り付けられるシステムは、専用システムまたは他の目的のために用いられるシステムであってもよいことを注目すべきである。代替的に、プラズマ処理ヘッドは、高精度の３次元の物体において表面処理を行う移動ロボットアームで取り付けられ得る。
【００８４】
運動経路を、デバイスのレイアウトに従って、ステージ制御器でプログラムすることができる。処理中のデバイスに対するプラズマの位置合わせは、デバイスにおける位置合わせマスクを用いる専用の光アライメント組立体により光学的に行うことができる（この場合、プラズマと光アライメント組立体の間の横方向オフセットは個別に較正する必要がある）。代替的に、プラズマにおける二次電子は、プラズマを位置合わせるように用いられ得る。これは、トポグラフィのコントラスト又は材料のコントラストを有するアラインメント機能を必要とする。試料のプラズマ処理は、試料の上または下に取り付けられるマシンビジョンシステムにより、光学的に監視され得る。
【００８５】
ハイスループットを達成するために、工程及び反復運動（または走査と工程の組み合わせ）が可能であっても、ステージ／デバイスを連続的に走査することが有益である。また、システムは、複数の電子ビームの組立体を組み込むことができ、複数のデバイスの処理を並行することを可能にする。複数のエミッタを有する電子ビーム源は、全体の工程時間を短縮するために用いられ得る。さらに、ステージ／試料の運動と平行な方向に得られる最大プラズマ直径よりかなり大きい構造は、ステージ／デバイスの運動に対してビームを横方向に偏向させることによって得ることができる（複数のパスによる幅広い構造の処理の代わりに）。しかし、１ｍｍ程度以下のチャネルに対して、作動距離および/またはビームエネルギーを変化させることによって、プラズマ直径は処理中の構造に適合することができるので、これは必要とするべきではないことが注目される。この適合は、システムの制御器に提供されるデバイスのレイアウト情報に基づいて、Ｚ−ステージを用いるフライで行うことができる。プラズマ直径は、通常、大気作動距離に入る初めの電子ビーム直径により決定される。電子ビーム直径は、この間隙における延長電磁界によりさらに制御され得る。駆動電子ビームの線量は、他のパラメータの中に、プラズマ密度を次に決定することが、通常、薄膜の破断限界及び熱負荷により限定される。しかし、システムは、最後の開放開口と、必要な動作レベルでガンシステムの中の圧力に維持するように差動的にポンピングされる複数のチャンバと、を備えるように構成され得る（図１７を参照）。このシステムは、電流量における制限を緩和するべきである。
【００８６】
異なるタイプの表面化学を得るために、電子ビームヘッドには、異なるガス（混合物）を提供する一つ以上のマイクロノズルが備えられ得る。これらのロノズルは、電子ビームの大気中への進入点に近接して取り付けられるべきである。この方法は、個別真空チャンバの使用を避けるが、不要な余剰気体及び残渣を吸い上げるために、ノズルに近接する排気機能を有することが望ましい。いくつかの表面処理は、マルチノズル局所的ガスの供給を用いて組み合わせられ得る。例えば、Ａｒプラズマを用いるクリーニングであり、Ｏ２プラズマを用いる選択領域の親水化であり、及びＣＦ４プラズマを用いる他の領域の疎水化である。
【００８７】
雰囲気ガスを別にして、システムは、例えば、ステージの走査速度および／またはビームパルス幅を用いて滞留時間を制御することにより、露光時間を制御する機能を提供する。ビームパルスも基板の加熱を制御するために用いられ得る（これは、表面の改変のエージング行動に影響を及ぼす）。表面の改変処理を制御するために用いられ得る他のパラメータは、ビームエネルギー、電流、及び上述の作動距離である。
【００８８】
図１８Ａ及び図１８Ｂは、簡易なマイクロチャネル基板で流体が流れるための簡易なマイクロチャネル基板を示す。図１８Ａは、表面張力のため、注入された流体は単に分配開口で蓄積するが、チャネルを通って流れることができない、プラズマ処理前の状況を示す。図１８Ｂは、流体は処理したチャネルを通って流れ、プラズマ処理後の状況を示す。図１９Ａ及び図１９Ｂは、平板基板でチャネルが切断されていない平板基板のテストが行われることを示す。図１９Ａは、基板の未処理領域上に置かれたインク滴の痕跡である。示されるように、流体によって比較的大きな接触角が形成される。図１９Ｂは、開示される実施形態を用いるプラズマによって処理した領域に置かれた同様のインク滴の痕跡である。よって、表面の濡れ性が増加され、接触角が減少された。
【００８９】
開示される実施形態の様々なテストにおいて、ｅＢＩＰに暴露されたＭＦチャネルでの流体の流れは、明確な改善および均等な分布が証明された。Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）によって、ｅＢＩＰ暴露後、親水性官能基の大きな付加が検出された。
【００９０】
図２０Ａ及び図２０Ｂは、物理チャネルが形成された後、ｅＢＩＰによって処理されるマイクロチャネルデバイスを示す。チャネルは少なくとも一つの平板で形成される。例えば、一つの実施形態において、チャネルは底板のみで形成される。それから、チャネルはｅＢＩＰによって処理され、天板の対応する領域（パターン化されていない）もｅＢＩＰによって処理される。その後、二つの平板が接着されデバイスを形成する。別の実施形態によれば、関連するチャネルは底板と天板との両方で形成され、両方のチャネルはｅＢＩＰによって処理される。
【００９１】
図２１Ａ及び図２１Ｂは、「仮想」チャネルが形成される実施形態を示す。具体的に、底板と天板との両方は、そこには如何なる物理チャネルが形成されず平坦である。それから、所望のチャンネルの特定の形状が、底板と天板との両方において、ｅＢＩＰを用いて平板における所望の設計を単にトレースすることによって「書かれる（ｗｒｉｔｔｅｎ）」。ｅＢＩＰトレーシングは、実際的な物理チャネルを形成しないが、平板の濡れ性をトレースした表面で変える。二つの平板は、その後、二つの平板の間に配置されるスペーサに接着される。流体がデバイスの中に注入される時、流体は処理したトレーシングのみに流れて閉じ込められ、そのため、仮想チャネルを形成する。
【００９２】
様々なテストにおいて、ｅＢＩＰ処理は、平板の表面における酸素濃度の増加を引き起こし、これは、低圧プラズマ処理で得られた結果と一致することが確定された。酸素濃度は、後処理遅延の関数として安定した状態を保つことが観測され、持続的変化を示唆する。また、酸素は、Ｃ−Ｏ及びＣ＝Ｏ基に略均等に組み込まれる。
【００９３】
図２２は、別のマイクロチャネルデバイスが流体注入の単点と複数のチャネルとを有することを示す。注入の単点及び複数のチャネルはｅＢＩＰによって処理される。ｅＢＩＰを用いる注入点及びチャネルの処理は、親水性官能基の局部的な付着によるマスキングを必要とせずに、流体の流れの明確で再現可能な改善を示した。ｅＢＩＰの実施形態も、図２１ａ及び２１Ｂに示されるように、パターン化されていない基板におけるチャネルを形成するために用いることができ、製造コストをさらに低減する。
【００９４】
＜３Ｄプリント＞
プラズマプローブは、ミクロンレベルの解像度によって、図１２に記載されるように高解像度の３Ｄプリント適用において金属堆積に用いられることができる。本発明において提示され、数１０ｋｅＶの１次電子ビームエネルギーで動作するプラズマプローブ装置は、特に金属を用いた、高解像度３Ｄプリントに適する。多くの金属が電子ビームを遮る約１０ｋｅＶ／ミクロンのパワーを有するため、金属細線又はスパッタリングされた金属粒子は、電子エネルギーの損失が少ない小さい作動距離（約１０ミクロン）の空気中で動作する１次電子ビームを用いて表面上で溶融されることができる。自由造形又は直接的な電子ビーム溶融などの既存の電子ビーム３Ｄプリント技術に対する電子ビーム駆動プラズマプローブシステムの有利性は、大気条件で行われることができること、溶融金属付着における品質を向上するため及び電子ビーム量を削減するために、プラズマプローブが活性化など表面調製用の原位置での装置として用いられることが可能であること、並びに、電気的導電性プローブが駆動電子ビームから帯電された電荷を排出するために用いられ、電気的に中性のプリント工程が得られることである。
【００９５】
また、プラズマプローブはプリント後の検証のための原位置のセンサとしても用いられることができ、閉ループプリント機能が提供される。溶融及び感知のための電子ビーム動作パラメータ空間は、予期されるように異なる。例として、プリントに用いられるビーム電流は、均質な溶融及び付着率を確実にするために、金属に均質な熱量の堆積をおこなうように調整される必要がある一方で、感知動作は導電性ノンメカニカルコンタクト（プラズマ）プローブを表面に駆動させるだけのために十分な小さい電流で行われる。この動作は、電子ビームを走査させるか、又はプリントサンプルが配置される移動ステージによって、点から点又は線から線へと繰り返されることができる。そして、延長層が形成され、層は垂直に堆積されて３Ｄプリント機能を完結させる。
【００９６】
本発明に基づく３Ｄプリントデバイスの好適な実施形態は、電子ビームプリントヘッドが、標準的なフォーマットのコンピュータ支援描画（ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｒａｗｉｎｇ））デザインを搭載且つ適用することが可能なコンピュータによって制御されるものである。電子ビームプリントヘッドは、スタンドアローンとして、又は例えばプラスチック溶融堆積若しくはレーザー溶融などの通常の最先端の３Ｄプリント技術を用いる他の３Ｄプリントヘッドの補完的ヘッドとして使用されることができる。大気電子ビームシステムのさらなる有利性は、システムが上述に関する積層造形（ａｄｄｉｔｉｖｅ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ）及び切削造形（ｓｕｂｔｒａｃｔｉｖｅ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ）をおこなうことができることであり、これは電子ビームが、特に非金属材料の小領域に高解像度の切断をおこなうために用いられ得るためである。
【００９７】
＜医療及び生物学的適用＞
電子ビーム誘導プラズマプローブの特性、特にその低温、高解像度、及び（感知又は処理条件への）同調性により、（例えば酸素雰囲気における）殺菌及び除染、血液凝固、及び創傷焼灼（治癒）、そしてがん細胞治療などの治療的適用に、特有に適する。その他の適用は、空間的選択性が重要な特性である樹状突起及びニューロンのプロービングを含む。
【００９８】
前述された明細書において、本発明の特定の例示的実施形態が記載されてきた。しかしながら、種々の変形及び変更がおこなわれ得るということは明白である。よって、明細書及び図面は、限定的意味というよりも例示として考えられる。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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