組合激光器和帶電粒子束系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】組合激光器和帶電粒子束系統(tǒng)
[0001]本申請(qǐng)為分案申請(qǐng)，其母案的發(fā)明名稱為“組合激光器和帶電粒子束系統(tǒng)”，申請(qǐng)日為2011年4月7日，申請(qǐng)?zhí)枮?01180016692. 3。
[0002]本申請(qǐng)要求來自2010年4月7日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)61/321，539的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)通過引用被結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及激光束系統(tǒng)與帶電粒子束系統(tǒng)的組合。
【背景技術(shù)】
[0004]在多種應(yīng)用中都使用帶電粒子束系統(tǒng)，所述多種應(yīng)用包括諸如集成電路、磁記錄頭和光刻掩膜的微型器件的制造、修理和檢查。帶電粒子束包括離子束和電子束。
[0005]聚焦射束中的離子通常具有足以通過從表面物理地噴射材料來進(jìn)行微加工的動(dòng)量。由于電子比離子輕得多，所以電子束通常局限于通過在蝕刻劑蒸氣與襯底之間引發(fā)化學(xué)反應(yīng)來去除材料。離子束和電子束兩者都能用來以比用最好的光學(xué)顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)的更大的放大倍率和更高的分辨率來對(duì)表面進(jìn)行成像。
[0006]使用鎵液態(tài)金屬離子源（LMIS)的離子束系統(tǒng)由于其能夠以高精確度進(jìn)行成像、銑肖|J、沉積和分析而被廣泛用于制造操作中。使用鎵液態(tài)金屬離子源（LMIS)的FIB系統(tǒng)中的離子柱例如能夠提供五至七納米的橫向分辨率。由于離子束即使在被用來成像時(shí)也趨向于損壞樣本表面，所以常常在雙束系統(tǒng)中將離子束柱與電子束柱組合。此類系統(tǒng)常常包括能夠以對(duì)目標(biāo)的最小損壞提供高分辨率圖像的掃描電子顯微鏡（SEM)和能夠用來修改工件并形成圖像的諸如聚焦或被塑形射束系統(tǒng)的離子束系統(tǒng)。包括液態(tài)金屬聚焦離子束和電子束的雙束系統(tǒng)是眾所周知的。例如，此類系統(tǒng)包括可從本發(fā)明的受讓人即俄勒岡州（0R)希爾巴羅市（Hillsboro)的FEI公司獲得的Quanta (量子）3D FEG?系統(tǒng)。離子束可以用來例如切割集成電路中的溝槽，并且電子束然后可以用來形成暴露的溝槽壁的圖像。
[0007]遺憾的是，高精度銑削或樣本去除常常需要某些折中。液態(tài)金屬離子源的處理速率受到射束中的電流的限制。隨著電流的增加，更加難以使射束聚焦成小的斑點(diǎn)。在生產(chǎn)應(yīng)用中和在實(shí)驗(yàn)室中，較低的射束電流允許較高的分辨率，但是導(dǎo)致較低的腐蝕速率以及因此的較長(zhǎng)的處理時(shí)間。隨著通過增大射束電流來增大處理速率，降低了處理精度。
[0008]此外，即使在較高的射束電流下，聚焦離子束銑削對(duì)于某些微加工應(yīng)用而言仍然可能慢得不可接受。還可以將諸如利用飛秒激光器的銑削的其它技術(shù)用于更快的材料去除，但是這些技術(shù)的分辨率比典型的LMIS FIB系統(tǒng)低得多。激光器通常能夠以比帶電粒子束高得多的速率向襯底供應(yīng)能量，并且因此激光器通常具有比帶電粒子束(對(duì)于鎵FIB來說通常為〇. 1至3. 0 ym3/s)高得多的材料去除速率(對(duì)于1 kHz的激光脈沖重復(fù)率而言通常高達(dá)7 X ΙΟ6 μ m3/s)。激光系統(tǒng)將若干個(gè)不同的機(jī)制用于微加工，包括激光燒蝕，其中，被快速地供應(yīng)到小體積的能量促使原子從襯底被爆發(fā)地發(fā)射。用于使用激光束從襯底進(jìn)行材料的快速去除的所有此類方法在本文中將被共同稱為激光束銑削。
[0009]圖1是燒蝕表面的現(xiàn)有技術(shù)激光器的示意性圖示10。當(dāng)產(chǎn)生激光束13的高功率脈沖激光器12被聚焦到由臺(tái)架15支撐的目標(biāo)材料14上且激光注量超過用于材料的燒蝕閾值時(shí)，目標(biāo)材料中的化學(xué)鍵斷裂且材料破裂成有能量的碎片(通常是中性的原子、分子和離子的混合物)，從而在材料表面上產(chǎn)生等離子體羽流16。由于材料作為有能量的等離子體、氣體和固體碎肩混合物離開反應(yīng)區(qū)，所以燒蝕過程類似于材料的沸騰蒸發(fā)，材料的沸騰蒸發(fā)驅(qū)使材料碎片18向上并從激光束13所聚焦的點(diǎn)離開。
[0010]與帶電粒子束處理相比，激光燒蝕能夠非?？焖俚厝コ鄬?duì)大量的材料，其中材料去除速率是Ga FIB的大于106倍快。然而，激光的波長(zhǎng)比帶電粒子束中的帶電粒子的波長(zhǎng)大得多。由于射束能夠被聚焦到的尺寸部分地受到射束波長(zhǎng)的限制(尤其是對(duì)于衍射受限的光學(xué)裝置而言)，所以激光束的最小斑點(diǎn)尺寸通常大于帶電粒子束的最小斑點(diǎn)尺寸。因此，雖然帶電粒子束通常具有比激光束更大的分辨率并能夠?qū)O小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行微加工，但射束電流受到限制且微加工操作可能慢到不可接受的程度。另一方面，激光微加工通?？斓枚?，但是分辨率固有地受到較長(zhǎng)射束波長(zhǎng)的衍射限制。
[0011]帶電粒子束系統(tǒng)與激光束系統(tǒng)的組合能夠展示出兩者的優(yōu)點(diǎn)。例如，將高分辨率LMIS FIB與飛秒激光器組合允許將激光束用于快速材料去除以及將離子束用于高精度微加工，以便在同一系統(tǒng)內(nèi)提供擴(kuò)展范圍的銑削應(yīng)用。電子束系統(tǒng)的組合單獨(dú)地或與FIB相結(jié)合地允許進(jìn)行樣本的非破壞性成像。
[0012]例如在Straw等人的針對(duì)“ChargedParticle Beam Masking for Laser Ablat1nMicromachining” (2008年11月26日)的美國專利申請(qǐng)?zhí)?2/324296中描述了聚焦離子束處理與激光加工的組合，該專利申請(qǐng)被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并通過引用被結(jié)合到本文中。美國專利申請(qǐng)?zhí)?2/324296不應(yīng)當(dāng)由于其包括在本【背景技術(shù)】小節(jié)中而被認(rèn)為是現(xiàn)有技術(shù)。
[0013]使用光纖來將激光耦合到帶電粒子束系統(tǒng)中是已知的。然而，光纖不能用來遞送超短的(即短于10 PS的脈沖)激光脈沖。這是因?yàn)楸蝗躐詈系膯文９饫w由于群組速度分散而損壞脈沖持續(xù)時(shí)間，而被很好地耦合到激光脈沖的單模光纖被可通過相對(duì)低能量的超短脈沖實(shí)現(xiàn)的高峰值功率損壞。
[0014]需要的是一種用于將激光束引入到諸如FIB或SEM的帶電粒子束系統(tǒng)中、以使得激光束與帶電粒子束重合、共軸或鄰近的改進(jìn)的方法和設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是提供一種用于將激光束引入到帶電粒子束系統(tǒng)中的改進(jìn)的方法和設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，能夠借助于透明“窗口”將激光束引入到帶電粒子系統(tǒng)的真空室中并用一個(gè)或多個(gè)透鏡和/或拋物面反射鏡將激光束聚焦到樣本上，優(yōu)選地使得激光束和帶電粒子束重合。在某些優(yōu)選實(shí)施例中，聚焦透鏡或反射鏡可被形成為具有孔以使帶電粒子束通過，從而使得帶電粒子束和激光束兩者能夠共軸和共焦。
[0016]本發(fā)明的另一目的是提供一種用于防止成像檢測(cè)器(“類型1”檢測(cè)器)由于由樣本表面的激光銑削產(chǎn)生的帶電粒子而飽和的方法。
[0017]本發(fā)明的又一目的是提供第二組檢測(cè)器(“類型2”檢測(cè)器)，其僅在激光銑削期間和在由激光產(chǎn)生的等離子體羽流正在消散的同時(shí)被激活。來自類型2檢測(cè)器的輸出信號(hào)可以用來提供用于激光銑削過程的端點(diǎn)檢測(cè)以及如下信號(hào)：該信號(hào)指示等離子體羽流已消散得足以將成像檢測(cè)器重新激活并用成像光柵繼續(xù)，直至激光器準(zhǔn)備好對(duì)樣本發(fā)射另一脈沖。
[0018] 前述內(nèi)容已相當(dāng)廣泛地概述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，以便可以更好地理解隨后的本發(fā)明的詳細(xì)說明。在下文中將描述本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，可以容易地利用所公開的概念和特定實(shí)施例作為基礎(chǔ)以修改或設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的相同目的的其它結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)認(rèn)識(shí)到，此類等效構(gòu)造不脫離如隨附權(quán)利要求所闡述的本發(fā)明的精神和范圍。
【附圖說明】
[0019] 為了更透徹地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在對(duì)結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述進(jìn)行參考，在附圖中：
圖1是燒蝕表面的現(xiàn)有技術(shù)激光器的示意性圖示；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的組合SEM和激光器的示意性圖示；
圖3A和3B示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的具有共焦激光器的組合雙束FIB/SEM ;
圖4A?4B示出供圖3A?3B的實(shí)施例使用的激光聚焦透鏡定位組件；
圖5示出圖4A?4B的透鏡定位組件的截面；
圖6示出本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，其中，經(jīng)由位于帶電粒子的源與樣本之間的拋物面反射鏡的實(shí)施將激光束與帶電粒子束組合；
圖7示出本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，其中，拋物面反射鏡被定位為鄰近帶電粒子束；
圖8示出本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，其中，平面反射鏡位于帶電粒子的源與樣本之間；圖9示出本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，其中，在其中具有孔的透鏡位于平面反射鏡下面，透鏡因此在仍允許帶電粒子通過的同時(shí)使激光束聚焦到樣本上；
圖10示出本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，其中，平面反射鏡被定位成鄰近帶電粒子束；
圖11示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)，其將用于快速材料去除的激光器與用于進(jìn)一步的材料處理的FIB、用于監(jiān)視材料去除過程的SEM組合，其具有多個(gè)類型1檢測(cè)器；圖12示出用于圖11中的優(yōu)選實(shí)施例的操作的流程圖；
圖13示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)，其將用于快速材料去除的激光器與用于進(jìn)一步的材料處理的FIB和用于監(jiān)視材料去除過程的SEM組合，其中具有多個(gè)類型1和類型2檢測(cè)器；
圖14示出用于圖13中的優(yōu)選實(shí)施例的操作的流程圖；
圖15舉例說明離軸的類型1檢測(cè)器的優(yōu)選實(shí)施例中的檢測(cè)器去激活板的操作；
圖16舉例說明離軸的類型1檢測(cè)器的另一優(yōu)選實(shí)施例中的檢測(cè)器去激活格柵的操作；
圖16A是沿著圖16的優(yōu)選實(shí)施例中的檢測(cè)器組件的軸的電壓的示意性圖表。
[0020]圖16B是圖16的優(yōu)選實(shí)施例中的檢測(cè)器組件的端視圖。
[0021]圖17舉例說明位于帶電粒子柱下面的類型1檢測(cè)器的優(yōu)選實(shí)施例中的檢測(cè)器去激活板的操作；
圖18舉例說明位于帶電粒子柱下面的類型1檢測(cè)器的另一優(yōu)選實(shí)施例中的檢測(cè)器去激活格柵的操作；
圖18A是沿著圖18的優(yōu)選實(shí)施例中的檢測(cè)器組件的軸的電壓的示意性圖表。
[0022]圖19舉例說明在成像期間類型1檢測(cè)器的激活和類型2檢測(cè)器的去激活；
圖20舉例說明在激光脈沖發(fā)生和等離子體羽流的消散期間類型1檢測(cè)器的去激活和類型2檢測(cè)器的激活；
圖21示出來自現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中的類型1檢測(cè)器的圖像，其示出樣本的激光燒蝕與樣本的成像之間的干擾；
圖22示出圖21的中心的特寫圖像；
圖23示出來自現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中的類型1檢測(cè)器的圖像，其示出在激光注量比圖21?22中更高的情況下樣本的激光燒蝕和樣本的成像之間的干擾；
圖24示出圖23的中心的特寫圖像；
圖25是針對(duì)圖21?22中所舉例說明的優(yōu)選實(shí)施例的檢測(cè)器飽和效果的示意性圖表；圖26是針對(duì)圖23?24中所舉例說明的示例的檢測(cè)器飽和效果的示意性圖表；以及圖27示出來自根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)中的類型1檢測(cè)器的模擬圖像，其顯示由于激光燒蝕期間的類型1檢測(cè)器的去激活在樣本的激光燒蝕與樣本的成像之間無干擾。
[0023]附圖意圖幫助理解本發(fā)明，并且除非另外指明，其并不是按比例繪制的。在附圖中，用相同的附圖標(biāo)記來表示在各種圖中舉例說明的每個(gè)相