CN103817434A - 与fib和/或电子显微镜一起使用的双激光束系统 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种用于使用两个分离开的具有不同特征的激光束对各种材料进行加工和成像的电子显微镜和FIB系统。第一激光束用于工件的大块材料清除和深沟槽蚀刻。第二激光束用于更精细的精密作业，如工件的微机械加工、小光点加工、或小热影响区的产生。该第一激光束和该第二激光束可以来自同一激光源或来自分离开的激光源。具有一个激光源具有使系统更加便宜和能够创建分离开的外部和内部台的附加益处，从而使得从第一激光束的大块材料清除中生成的碎片将不干扰粒子束室内的真空或组件。

Description

与FIB和/或电子显微镜一起使用的双激光束系统
发明技术领域
本发明涉及一种激光加工工具的配置，其中，与带电粒子束仪器和/或电子显微镜一起使用分离开的激光加工光点。
发明背景
激光与电子显微镜和聚焦离子束（FIB）系统的一起使用在如集成电路、磁性录音头以及光刻掩模等微型器件的制造、修理和检查领域中提供了各种应用。这些应用还可以用于能源勘探、材料科学和生物学领域。电子显微镜（典型地扫描电子显微镜（SEM））在对目标物或工件造成最小破坏的情况下提供高分辨率成像，并且FIB用于改变工件以及用于形成影像。还可以使用其他类型的电子显微镜，如透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）。
FIB和SEM/STEM/TEM一起使用可以提供使试样的内部成像的能力。FIB系统以一种与扫描电子显微镜类似的方式操作，不是一束电子，并且顾名思义，FIB系统使用可以在低束电流下操作用于成像或在高束电流下操作用于特定部位成像、沉积或铣削的精细微聚焦离子（通常为镓）束。FIB工具的一种常见的用途是对表面进行机械加工。理想的FIB机器可以能够用高束电流和加速势对样品向内机械加工进几十或几百微米。在低束电流和加速势下，其可以能够机械加工掉接近原子厚度的层，而不破坏纳米级或甚至以下的层。当与SEM/STEM/TEM一起用于高分辨率成像时，FIB的这种微米和纳米机械加工能力常常非常有效。在其他过程中，FIB可以用于切削掉不想要的电气连接，和/或沉积导电材料，以便在半导体中制作连接。FIB还用于无掩模注入。在这些FIB和/或SEM过程中，常常需要创造一种相对没有障碍的环境。不幸地，多种不同的过程（包括大块材料清除过程）将产生大量会潜在干扰SEM/STEM/TEM和FIB的碎片。
激光的使用近来已经被引入本领域以对工件进行快速加工。例如，2009年1月9日提交的Utlaut等人的美国专利公开号2011/0163068“多束系统（Multibeam System）”针对一种使用附加激光束用于快速加工的FIB系统。当与SEM/STEM/TEM和FIB系统一起使用时，激光烧蚀的过程会通过对材料进行照射将材料从表面上清除掉。非常快速的皮秒激光器执行无热烧蚀过程，而较缓慢的纳秒和连续波激光器（“CW激光”）提供热烧蚀过程。
通常，使用脉冲激光器执行激光烧蚀。与带电粒子束加工相比，激光烧蚀能够非常快速地清除掉相对大量的材料。然而，激光的波长比带电粒子束中的带电粒子的波长大得多。因为束可以聚焦成的尺寸部分受限于束波长，所以激光束的最小光点尺寸通常大于带电粒子束的最小光点尺寸。因此，虽然带电粒子束通常具有比激光束更精细的分辨率并且可以为极小的结构进行微机械加工，但束电流受到限制并且微机械加工操作会慢得不可接受。另一方面，激光微机械加工通常快得多，但分辨率固有地受到更长的束波长的限制。例如，在Straw等人的美国专利8,168,961“用于激光烧蚀微机械加工的带电粒子束掩模（Charged Particle Beam Masking for Laser Ablation Micromachining）”中描述了激光机械加工的其他用途，该专利被转让给与本发明的受让人并且通过引用结合于此。美国专利8,168,961通过其包含在此背景部分而不被承认是现有技术。
近来的进步允许激光器用于工件的仔细制备，从而使得其可以用于SEM/STEM/TEM和FIB系统。SEM/STEM/TEM和FIB工具需要制备好的带有薄热影响区（“HAZ”）区域的样品，并且系统会在大样品内瞄准一个极其精确的位置，如亚微米级缺陷。通常不知道如何使用激光技术来切削大块样品而同时能够生产出适用于SEM/STEM/TEM和FIB加工的薄HAZ和/或微米级端点确定。
当不同类型的激光器是优选的时，具有一些实例。一些激光器对从工件上清除大块材料而言是最好的。例如，这些激光器可以切削封装材料或从工件上切削掉大的不必要的材料，从而使得工件的尺寸适用于分析。其还可以用于在工件中切削深沟槽，从而使得可以暴露出用于研究的区域。用于切削的激光器功率范围通常从几瓦特到几百瓦特。常见的有范围从纳秒到宽达连续波的脉冲宽度。经常使用更长的波长（例如，常见的可见的并且接近IR波长），如532 nm、1064 nm以及长达10.6微米（例如，CO2激光器）。这些激光器向工件提供高激光能量密度（脉冲能量被辐射区域分开），超过了生产包括孔和沟槽的各种不同特征的烧蚀阈值。这些快速切削过程中所用的高功率易于产生在执行精细的SEM/STEM/TEM和FIB过程（如成像或电路编排）前必须清除掉的热影响区。高材料清除速率还会产生与FIB和SEM/STEM/TEM的真空环境不相容的碎片。
不同类型的激光器更适合用于精密作业，如微机械加工、钻孔、布线、挖沟、蚀刻以及热影响区清除过程。常见的用于这种类型作业的激光器使用比用于清除大块材料的激光器更短的波长、更短的脉冲宽度以及更加紧密的聚焦光点。虽然可以使用长达微米级的波长的激光器，但因为许多材料容易吸收这些波长并且其可以聚焦成小光点尺寸，所以如355 nm和266 nm的短波长激光器是优选的。如几十皮秒和短达飞秒状况的短脉冲宽度激光器也是优选的，因为其为小热影响区提供材料清除。用于这些应用的典型激光器将具有大约几瓦特或以下的功率级。
存在许多由不同材料组成的样品，在用SEM/STEM/TEM和/或FIB成像或改变前通过激光器令人希望地加工这些样品。这些样品的一些示例包括半导体器件（如芯片或晶片）、包括含有半导体材料的3D堆叠封装的封装芯片、电线、以及粘合剂、光刻掩模、生物样品、矿物样品（如岩石）、或材料样品（如合成物、陶瓷、玻璃、涂层、胶水、橡胶、聚合物、）、超导体、磁性材料、合金以及金属。这是代表可以加工的工件材料的多样性的若干样品的清单。还可以加工许多其他没有列出的样品材料。
激光器经常被选择用于不同材料的结构的有利加工。例如，10.6微米波长的CO2激光器可以优选用于切穿3D堆叠封装的封装材料，脉冲1.3微米波长的激光器可以优选用于切削封装内的半导体芯片上的金属结构，以及短波长脉冲激光器可以优选用于加工芯片上的硅结构。因为硅对约1100 nm或以上的光是透明的并且金属吸收IR波长，所以可以在对硅造成较小破坏的情况下进行加工。
一个挑战在于当需要不同的激光束时带有单个激光器的系统不能执行所有希望的功能。换言之，不存在在不必分别购买和使用配置有不同激光器类型的多个系统的情况下执行与不同类型激光器相关联的多项任务的已知方式。在这些情况下，工件将从一种系统转运至另一种激光处理系统来经历一种激光处理并且然后经过另一种激光处理。
另一个挑战在于来自机械加工过程的不受欢迎的碎片会沉积在FIB和/或SEM/STEM/TEM室中的关键组件上，如各源和检测器，并且降低其功效。这种类型的碎片具有妨碍FIB/SEM/STEM/TEM显微术的功能的可能性。常规电子显微镜还通常需要在真空下使样品成像，因为气态大气使电子束迅速扩散和衰减。其结果是，在激光机械加工过程中逐出的碎片会破坏真空环境并且阻碍成像。在其他情况下，机械加工过程后的不必要的碎片会如此巨大以至于其阻止工件实际装到SEM/STEM/TEM的真空室内。
需要一种系统，其中，多种类型的激光束光点可以在加工室内不产生大量烧蚀材料的情况下结合SEM/STEM/TEM和FIB用于对工件进行加工。
发明概述
在本发明的一个优选实施例中，披露了一种使用从至少一个激光束源产生的两个聚焦激光束光点的系统，其中，这些聚焦激光束光点同时或顺序地发挥作用，从而使得可以准确地对工件进行加工，以便进行SEM/STEM/TEM和FIB成像。这些聚焦激光束光点具有不同的特性，从而使得可以有区别地对工件进行加工。
优选实施例的系统可以具有一种涉及两个分离开的激光束源或一个激光束源的配置，这一个激光束源被分离成两个激光束。此系统具有对室而言的外部激光加工台和内部激光加工台，该室通常是真空室。外部激光加工台可以用第一激光束光点执行大块材料的清除和深沟槽蚀刻。第二激光束光点与内部室台一起使用。第二激光束光点用于精密作业，如微机械加工、钻孔、布线、蚀刻以及热影响区清除过程。
本发明的目标是改进不同类型的激光束光点的使用，从而使得系统可以从更精细、更高精密铣削或机械加工上分别执行大块材料的清除或深沟槽蚀刻，SEM/STEM/TEM/FIB成像工艺中经常需要这种铣削或机械加工。
为了可以更好地理解以下本发明的详细说明，上文已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点。下文将描述本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员应认识到所披露的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实施本发明的相同目的其他结构的基础。本领域的技术人员还应认识到这些同等构造不脱离如所附权利要求中所阐明的本发明的精神和范围。
附图简要说明
为了更加彻底地理解本发明和本发明的优点，现在结合附图参考以下说明，其中：
图1A示出了具有一个激光源的实施例，该激光源被分成两个激光束并且与外部加工台和具有聚焦离子束的内部室台一起使用；
图1B示出了具有一个激光源的另一个实施例，该激光源被分成两个激光束并且与外部加工台和具有聚焦离子束和SEM/STEM/TEM的内部室台一起使用；
图1C示出了具有一个激光源的另一个实施例，该激光源被分成两个激光束并且与带有运动平台的外部加工台和带有运动平台的内部室台一起使用；
图2示出了本发明的具有两个激光源的实施例，这两个激光源与SEM/STEM/TEM和/或FIB一起独立地产生两个用于工件加工的激光束；
图3示出了本发明的实施例，该实施例具有分离开的产生两个独立激光光点的激光束；
图4示出了本发明的实施例，该实施例具有分离开的用束调节器产生两个独立激光光点的激光束；
图5示出了本发明的实施例，该实施例具有一个在真空室外传递的激光光点和一个在真空室内传递的激光光点；以及
图6示出了本发明的实施例，该实施例具有一个在真空室外传递的激光光点和一个在真空室内传递的激光光点，其中披露了SEM/STEM/TEM和FIB两者。
优选实施方案的详细描述
本发明的各实施例使用了不同的配置用于与SEM/STEM/TEM和/或FIB一起使用的激光加工。这些配置使用一个或多个激光源为内部真空室使用和外部真空室使用产生具有不同加工特性的激光光点。无论这些配置利用一个激光源还是多个激光源，产生和使用不同类型的聚焦激光光点并且分别地和/或有区别地对工件进行加工。
此处描述了许多光学组件选择，可以由这些光学组件选择构造这些系统。此处描述的实施例包括光学系统组件的可能安排，使用激光源、反射镜、分束器、束转向机构以及束变更光学器件。可以使用本领域内的普通技术容易地设计符合所附权利要求的范围的其他安排。
图1A示出了多激光束系统120的优选实施例，该多激光束系统使用了一个激光源和两个分离开的加工台。激光源或激光生成器100生成具有足够能量的激光束，该激光束将用于整个多激光束系统120。激光源100可以是超快脉冲激光器，如在Mourou等人的美国专利号5,656,186中所描述的飞秒激光器。尽管激光没有粒子束精确，但这种激光器可以比典型的聚焦离子束可以达到的速度快得多地从工件上清除材料。工件旨在用于进一步的加工，所以系统120可以使用更低成本的对大体积材料加工有效的激光源，如连续波激光器或CO2激光器。这些低成本激光源中的很多提供足够的功率，从而使得将激光束分开和传递到多个工件上的多个聚焦光点。以下描述了适用于大块材料加工的激光源的更广泛的清单。
激光源100产生在分束器108处被分开的原始激光束107。分束器108能够将束分成两个独立的带有不同能量的激光束。可以使用不同的分束器。分束器可以是大型光学器件（如偏振分束器）或部分反射的反射镜。用于对束进行切换或转向的光学组件还可以通过允许脉冲沿不同路径传播至作业表面用作分束器。可以爆发式地传递或交互式沿不同束路径传递脉冲。可以被配置和驱动成用于执行分束的光学组件包括AOM、EOM、鲍克尔盒、以及可切换的LCD偏振器。可替代地，光纤耦合器可以在光纤实现方式中用作分束器。
分束器108沿第一激光束路径130引导束，通过第一扫描反射镜102、束转向机构以及第一物镜109作用在第一激光束路径上。分束器108允许两个分离开的激光束，从而使得如果需要分离开的激光束对工件进行加工，则不需要两个分离开的激光源。该系统允许同时加工两个分离开的工件：在外部台105上加工的工件104和第二平台工件116，在内部室112（其通常是真空室）中加工该第二台工件。第一扫描反射镜102和第一物镜109能够产生第一激光束103。
第一激光束103在外部台105处产生第一激光光点150，该外部台用于大块材料的清除和切削深沟槽以在工件104上暴露出相关区域。工件104可以包含对成像过程不必要的封装材料。第一激光束103能够在外部台105上切掉不必要的封装材料。例如，用于集成电路的3D IC封装经常包含几毫米厚的部分。来自第一激光束103的激光光点150可以用于在可以在内部室112内进一步对工件进行加工104前在外部台105处将封装切成两半或者沿沟槽长度切削出一条沟槽。如果在内部室112中执行这些大块操作（其会涉及到清除多达几十或几百立方毫米的材料），则其会通过腐化真空环境或使碎片沉积在敏感组件上来阻碍SEM/STEM/TEM/FIB过程。
在精细内部激光加工前，许多应用非常适合室112外部的大块激光加工。在矿物加工和能源勘探领域，在内部室112内的更精细、更精确的加工之前，可以使用第一激光束103对不同矿物样品进行加工以暴露出内部部分。外部激光台105还可以清除掉工件104的一部分，除非该工件将不能装到内部室112内。例如，外部激光台105可以用于切削大半导体晶片的一部分。
束转向机构通常属于转动生成器种类。机械转子包括可以用压电致动器、电磁致动器、电伸缩致动器或其他致动器致动的转向反射镜。电流计、倾斜光楔和微机械加工反射镜阵列也属于机械束偏转器的类别。其他可以使光束转向的光学元件包括AOM和EOM。
一旦在内部室112中，成为第二平台工件116的转移后的工件将经过附加的更高精密的加工。可以手动地或自动地执行工件104从外部台105到内部室112的转移。可以同时或顺序地对外部台105和内部台113两者处的工件进行加工。
涡轮分子泵（未示出）同样用于排空内部室112并且在其中保持高真空。真空系统在内部室112内提供通常在大约1 × 10-7托和5 × 10-4之间的真空。电子和离子源被涡轮泵排空并且然后用离子泵保持在如1 × 10-10至1 × 10-7托的较低压力下。
高压电源（未示出）连接到FIB 110上并且能够形成大约1 keV到60 keV的离子束。该系统可以可替代地包括SEM/STEM/TEM。FIB和/或SEM/STEM/TEM将包括对应的偏转器和透镜，尽管静电也是可能的，但其通常是磁性的。磁性透镜和偏转器具有驱动电磁线圈产生磁偏转场的控制器和放大器。静电透镜和偏转器具有驱动带电板产生电偏转场的控制器和放大器。
一旦激光束107被分束器108分开，该束的一部分沿着可以包括束调节台101的第二激光束路径131行进。激光束的调节是为了为内部室112中所需要的更精细精密作业制备激光束。调节台101能够改变激光束特性，如功率。调节台101还可以改变激光束的幅值、能量、偏振、时间脉冲形状、空间轮廓、波长或其他特性。调节台101是可选的并且在一些应用中可以是不必要的。在一些实施例中，“激光源”被认为是激光生成器100和调节器101的组合，其共同产生出用于对样品进行加工的激光束。
各种束调节光学器件可以包括在束调节台101内。类似的和/或不同的元件可以用于调节不同的束路径。这些光学元件可以包括偏振器、偏振修改器、法拉第隔离器、空间束轮廓修改器、时间束轮廓修改器、移频器、倍频光学器件、衰减器、分束器、放大器、选模光学元件、扩束器、透镜以及中继透镜。可以按相等或不同功率比将激光束107分开成多个束的分束器108也可以被认为是调节光学器件。光学元件还可以包括可以由额外光路距离、折叠光路组成的延迟线和光纤延迟线。
2011年4月12日发布的Bruland等人的美国专利号7,923,306讨论了激光器的长度描述、安排、配置和束修改元件以及关于使用一个或两个激光器将多个光点传递至一个单个工件的讨论，并且其通过引用结合于此。
第二激光束115可以独立地沿第二束路径131行进并且可以通过第二扫描反射镜111、第二物镜114作用在其上并且产生其自己的聚焦激光光点151。带有相关联束光点151的第二激光束115在对内部室112中的第二平台工件116进行加工中与FIB 110一起作业。
继在外部台105中清除大块材料后，第二激光束115和其相关联的束光点151可以用于更精细的机械加工操作。能够进行更精细、更精密机械加工的激光器可以包括固态激光器，如二极管泵浦调q固态激光器，包括含有掺稀土激射物（如Nd:YVO.4、Nd:YLF和Nd:YAG）和电子振动激射物（如变石、Cr:LiSAF和Cr:LiCAF）的激光器。以下讨论了能够进行更精细的机械加工的激光源的更广泛的清单。在SEM/STEM/TEM和FIB操作前，第二激光束115和其相关联的激光光点151还可以用于清除热影响区或者用于切下工件116的微型部分。此过程有时被称为‘切下和观察（slice and view）’，并且可以对其重复多次以测量样品内部的3D测量或对内部特征进行定位和成像。
第二激光束115和其相关联的激光光点151与聚焦离子束柱110一起作业，该聚焦离子束柱能够生成十分之一微米的子束，以便执行对放置在台113上的工件116的精密加工。来自聚焦离子束柱110的离子束117的材料清除速率相对较低。技术人员将理解到清除速率和束光点尺寸随着束电流变化。清除速率还随着被清除的材料和与束一起使用的（如果有）蚀刻增强气体的种类而变化。
来自工件104的大块材料在外部台105处的清除减少了在内部台113处的后续工件116的加工过程中生成的材料量值，从而减少了对内部室112内的真空和组件的污染。总体上，在被转移到内部室112之前将废弃在外部台105处生成的碎片，从而使得碎片将不具有干扰SEM/STEM/TEM和FIB过程中涉及到的真空和组件的可能性。由于每个台的分离，通过保持大块碎片远离光学器件将延长SEM/STEM/TEM和FIB的系统使用期限。
图1B示出了系统140的本发明的另一个实施例。系统140包括图1B中的系统120的所有特征和组件并且进一步包括电子显微镜141。本发明实施例不受限于一个FIB源。激光器系统140可以具有一个FIB、多个FIB或一个或多个带有一个或多个电子显微镜的FIB。
虽然液态金属离子源（LMIS）是最常见的传递镓离子的FIB源，但可以使用其他较少的传统FIB源，如氖源或氦源。这些系统中所用的电子显微镜将常见的是SEM，然而其他类型的电子显微镜，如TEM和STEM。本文件内描述的系统的原理和优点适用于多种类型电子显微镜和/或FIB中任何一种。
图1C示出了系统140的本发明的另一个实施例。系统140包括图1B中的系统120的所有特征和组件并且进一步包括可以重新定位工件的机械定位平台。外部台105和内部台113可以由在其上放工件的平台组成。其可以进一步包含被设计成用于准确地固定样品以便加工的夹子或支持器。这些台可以另外包括用于在加工前或加工过程中调整工件位置的运动系统。运动平台160是外部台105的一部分并且运动平台161是内部台113的一部分。在此上下文中，位置可以指线性位置或角位置，包括但不限于横向定位、竖直定位、倾斜或转动。这种定位可以结合束转向机构（如扫描反射镜102）作业以引导激光对工件上的正确位置进行加工。实际上，可以完全用工件的机械重新定位、完全用束转向机构或者用机械工件定位和束转向协同作业的协调努力来执行激光光点位置在工件上的瞄准或重新定位。
本文件内描述的系统的原理和优点适用于包含电子显微镜和FIB两者的广泛种类带电粒子束仪器的任何一员。虽然液态金属离子源（LMIS）是最常见的传递镓离子的FIB源，但可以使用其他较少的传统FIB源，如等离子体聚焦离子束（PFIB）或替代性离子，如氖或氦。在这些系统中所用的电子显微镜将常见的是扫描电子显微镜（SEM），然而，还可以实现其他类型的电子显微镜，如TEM（透射电子显微镜）和STEM（扫描透射电子显微镜）。
图2示出了另一个优选实施例，该实施例示出了一种具有双激光器系统200的配置，该双激光器系统使用两个独立的激光源生成两个独立的激光束和对应的激光束光点。本系统包括聚焦离子束柱208并且可以可替代地包括SEM（未示出）。不同类型的激光器提供不同机械加工的益处，并且本配置提供两个分离开的激光器的使用：第一激光源203和第二激光源204。第一激光源203和第二激光源204中的每个激光源和其对应的聚焦光点250和251可以具有影响清除样品材料的能力的独立特征。激光光点对样品材料进行烧蚀、机械加工、清除或改变的能力被定义为其强度，可以通过任何光学特征区分该强度，如功率、幅值、能量、脉冲宽度、脉冲时间形状、光点尺寸、部分脉冲分布、注量、偏振以及波长。
不同激光器和不同激光脉冲特性在多束激光加工中的使用可以有利地改进样品材料的加工。可以在多束激光加工系统中使用或组合许多不同类型的激光源。取决于涉及到的样品材料和所希望的加工结果，一些激光源可能更适用于大块材料的清除而其他的可能更适用于样品细加工。
激光源可以包括固态激光器，如二极管泵浦调q固态激光器，包括含有掺稀土激射物（如Nd:YVO4、Nd:YLF和Nd:YAG）和电子振动激射物（如变石、Cr:LiSAF和Cr:LiCAF）的激光器。
激光源可以进一步包括二极管泵浦锁模固态激光器，如能够产生脉冲皮秒激光输出的SESAM锁模Nd:YVO4激光器。锁模固态激光器可以包括振荡器再生放大器和振荡器功率放大器配置。出于生成脉冲飞秒激光输出的目的，激光源还可以包括用于生成飞秒（fs）激光输出的啁啾脉冲放大激光器系统或者可以包括其他本领域众所周知的脉冲展宽和压缩光学器件。
激光源可以进一步包括脉冲掺稀土实芯纤维激光器和脉冲掺稀土光子晶体纤维激光器。脉冲掺稀土纤维激光器可以包括调q和振荡器-放大器配置。进一步地，可以使用多种多样的振荡器，包括宽面积半导体激光器、单频半导体激光器、发光二极管、调q固态激光器以及光纤激光器。
附加激光源可以进一步包括半导体激光器、气体激光器（包括CO2和氩离子激光器）以及准分子激光器。
从约150 nm到11,000 nm许多各种不同的波长可以由激光源产生并且可以包括在多束激光加工系统内。取决于所使用的激光源，可以在本次写入时生成范围从10 fs到大于1μs的脉冲宽度和范围从连续波到大于100 MHz的PRF。取决于所使用的激光源，每脉冲或输出功率的能量、脉冲宽度、偏振和/或波长可以是可调的或可选择的。
上述激光器的基波波长输出还可以通过众所周知的非线性谐波转换过程被转换成谐波波长。这可以在激光源本身（如第一和第二激光源203和204）内部或在如101调节台的内部完成。
双激光器系统包括在其内包含用于工件213的内部加工台202的真空室201。第一激光源203产生传向扫描反射镜205并穿过物镜210的激光束209，该激光束在该物镜中聚焦以产生第一激光束光点250。第二激光源204产生传向扫描反射镜206并穿过物镜212的激光束211，该激光束在该物镜中聚焦以产生第二激光束光点251。FIB柱208还产生被引导到工件213上的带电粒子束207。第一激光束209和第二激光束211两者与离子束207相比以一定角度接近工件并且可以同时或顺序地在工件213上作业。所有的光学和粒子束可以同时或顺序地在工件上操作。所有的束还可以被引导成在工件上完全重叠、部分重叠或不重叠。
图2中描绘的系统仅是一种可能的配置的图形，然而，许多不同的配置是可能的。可以在室内、室外或室内和室外的组合传递两个激光束。两个激光源和光学组件的任何部分可以在室内、室外或室内和室外的组合。第二激光211还可以是第一激光209的放大版。本发明也不受限于两个激光束。可以有利的是，使用三个或三个以上激光束来实现更大的吞吐量、具有一次加工多个部位的能力或者具有在多种不同激光特性之间进行选择的选项，每种特性带有在不同材料上令人希望的加工能力。
第一激光束209和第二激光束211在不同激光光点250、251中聚焦。取决于每个激光束源、束路径光学器件和聚焦光学器件的特征，每个激光光点可以具有不同的尺寸或不同的形状。因为第一激光束209和激光束211各自具有其自己的束偏转器，每个束具有使其相应束光点的偏转轮廓同步的能力和创建其相应光点的分离开的脉冲生成计时的能力。扫描反射镜205和206为束偏转器的示例。作用在第一和第二激光束上的束偏转器可以具有被同步成在加工过程中在两个激光束之间产生一种希望的空间关系的其偏转命令。希望的空间关系可以是或者重叠、部分重叠或者不重叠的，以便在工件的同一区域或不同区域上作业。第一和第二激光束之间的脉冲生成的计时还可以被同步成同时、不同时或者及时以希望的重叠产生脉冲。可以协调任何数量的激光束、电子束、和FIB的空间关系和/或计时。此外可以使这些过程与任何运动子系统同步，因为这些子系统是内部和外部加工台的一部分。
控制系统（未示出）用于使激光光点和粒子束的空间和时间安排同步。这种控制系统将通常涉及到对激光源、SEM/STEM/TEM、FIB、光学、电子和粒子束偏转器、运动平台、以及系统内的其他致动组件进行干扰的一个或多个计算机系统和电子装置，例如，一些类型的束调节光学器件。常见地使用反馈控制系统在贯穿传感器反馈和控制算法的使用中执行精度调整。以电子可读的格式在如硬盘上或闪存器中存储协调和控制系统组件的软件和固件。
图3示出了本发明的实施例，该实施例具有分离开的产生两个独立激光光点的激光束。双激光器系统320使用两个独立的激光源301、302生成两个独立的激光束。本系统包括聚焦离子束柱310并且可以包括SEM/STEM/TEM（未示出）。来自激光器301和302的激光束中的每个激光束可以产生带有独立特征的聚焦光点332和333，如波长、时间脉冲轮廓、能量、功率、光点尺寸、光点形状以及偏振。
双激光器系统320包括在其内承载用于工件316的内部加工台315的真空室314。第一激光源301产生传向扫描反射镜303并穿过束组合器308的激光束，从而产生束331。常见的束组合器为可以高效地组合具有不同偏振的激光束的偏振束立方体。束331穿过物镜312，在该物镜中使其聚焦以产生第一束光点332。第二激光源302产生传向扫描反射镜306并穿过束组合器308的激光束以产生第二束330。第二束330穿过物镜312并且使其聚焦以产生第二束光点333。可以在这些类型的系统中使用未示出的中继光学器件以帮助进行束传递。FIB 310还产生被引导到工件316上的带电粒子束311。
图4示出了本发明的实施例，该实施例具有分离开的激光束，这些激光束具有产生两个独立激光光点的束组合器。双激光器系统420使用两个独立的激光源401、402生成两个独立的激光束。激光束穿过对应的束调节台403和404。以上广泛地讨论不同类型的束调节光学器件。本系统包括聚焦离子束柱412（其具有带电束414）并且可以包括SEM/STEM/TEM（未示出）。来自激光器401和402的激光源中的每个激光束可以在穿过束调节台403和404时被进一步修改并且产生带有独立特征的聚焦光点415和417，如波长、时间脉冲轮廓、能量、功率、光点尺寸、光点形状以及偏振。
双激光器系统420包括在其内包含用于工件416的内部加工台的真空室413。第一激光源401产生穿过扫描反射镜403、偏转扫描反射镜410和分束器409的激光束，从而产生束422。束422穿过物镜418，在该物镜中使其聚焦以产生第一束光点415。第二激光源402产生穿过束调节器404、偏转扫描反射镜411和分束器409的激光束以产生第二束421。第二束421穿过物镜418并且使其聚焦以产生第二束光点417。
图5示出了本发明的实施例，该实施例具有一个在真空室外传递的激光束和一个在真空室内的激光束。多激光束系统520用激光束源501和激光束源502生成两个激光束。来自激光束源501的激光束传向偏转扫描反射镜503并穿过物镜505，从而产生具有第一激光光点530的激光束506。第一激光光点530在外部台508上对工件进行加工。第一激光光点530可以用于大块材料的清除和切削深沟槽以暴露出工件上的相关区域。大块清除方式，例如，至少清除10,000 μm3。大块清除过程以至少10,000 μm3/s的速率清除材料。参考硅提供了清除速率，尽管本发明不限于加工硅工件。在一些实施例中，大块清除过程以大于25,000 μm3/s、大于50,000 μm3/s或者大于100,000 μm3/s的速率清除材料。
精细或精确材料激光清除通常指少于10,000 μm3的清除。精细或精确材料激光清除过程通常需要以小于10,000 μm3/s的速率、以小于5,000 μm3/的速率或小于1,000 μm3/s的速率清除材料。相比之下，聚焦离子束系统通常以若干μm3/s的速率清除材料。
系统520在可移动平台上包括机器人507，该机器人将材料从外部台508转移至内部台504。机器人507通过室门509转移工件。机器人507可以自动地或手动地转移工件。真空联锁（未示出）可以与室门相关联以允许在不使室510通气的情况下加装样品。一旦在内部室510中，现在称为第二平台工件516的转移后的工件将经过附加的更高精密的加工。内部室510通常是真空室。可以同时或顺序地在外部台508和内部台504两者处执行加工。
第二激光源502生成激光束，通过偏转扫描反射镜加工该激光束并且通过物镜513使其聚焦，产生带有其自己的聚焦光点517的激光束515。第二激光束光点517与FIB柱511一起作业，该FIB柱在对工件进行加工中产生带电粒子束512。在被转移到内部室510之前将废弃从外部台508累积的碎片，从而使得碎片将不具有干扰真空室510和FIB过程的可能性。由于每个台的分离，通过保持大块碎片远离光学器件将延长SEM/STEM/TEM和FIB的系统使用期限。
图6示出了系统650，本发明的另一个实施例，其具有一个激光源601、分束器602、分离开的束调节台603和605以及在真空室622内传递束的FIB 612和SEM/STEM/TEM 611两者。类似于图1A中所示的实施例，从一个源上生成激光束并且将其分开。第一激光束传向偏转扫描反射镜，穿过物镜608，并且在外部台619的工件617上产生第一束光点618。第二激光束传向偏转扫描反射镜，穿过物镜615，并且产生第二激光束光点620以在内部台621上加工真空室622内的工件623。FIB 612和SEM/STEM/TEM 611结合第二激光束光点的使用允许更精细的精密作业。
没有现有技术结合粒子束仪器使用不止一种类型的激光束用于分离开的独立功能而为人们所熟知。没有现有技术在也使用多个激光束用于碎片管理的过程强化的真空室内使用激光加工能力而为人们所熟知。
使激光束系统带有多个激光束光点存在若干益处。具有多个束光点的系统将通过用适用于大块操作的激光束执行大块操作来提高加工能力并且然后能够执行精密操作，如用适用于精密作业的HAZ清除和微尺度刨切。具有独立的激光光点允许使用适合于不同材料和特性的特定激光器。本系统的另一个益处在于在不需要购买两个分离开的系统的情况下允许一个系统行使分离开的功能，如大块材料的清除和更精细的精密作业。通过只具有一个工作台，可以在不需要将工件213从一个系统移动到另一个系统的情况下执行所有的束修改，如FIB过程、SEM/STEM/TEM过程以及用第一激光束光点的过程和第二激光束光点的过程。这种转移可能需要仔细的数据和材料跟踪操作。使独立的激光器制造分离开的束光点存在特定的益处。一个激光束可以用于大块清除并且通过分离开的激光器的精细作业可以用于加工不同类型的材料。例如，在堆叠3D IC封装的情况下，可以选择一个精于切穿大块封装材料或粘合剂的激光器并且可以选择一个精于硅芯片的精细加工的第二激光器。
根据本发明的一些实施例，一种用于用带电粒子束和激光束对工件进行加工的系统包括：第一工作台，包括真空室用于加工该真空室内所支持的第一工件；第二工作台，用于加工真空室外的第二工件；产生源输出激光束的激光源；光学系统，其被配置成用于将该源输出激光束分成至少第一激光束和第二激光束以及将该第一激光束传递到该真空室内的该第一工件并且将该第二激光束传递到该真空室外的该第二工件；以及粒子束源，用于加工该真空室内的该第二工件。
在一些实施例中，该光学系统包括用于将该第一激光束定位在该第一工件上的第一束转向机构和用于该第二激光束定位在该第二工件上的第二束转向机构。
在一些实施例中，该光学系统包括改变该第一激光束、该第二激光束的频率、强度、或脉冲宽度或持续时间或者脉冲宽度和持续时间两者的至少一个调节装置，其中，当加工其对应的工件时，该第一激光束和该第二激光束具有不同的强度。在一些实施例中，该第二激光束比该第一激光束具有更高的功率，该第二激光束被适配成用于执行每秒至少10,000立方微米材料的大块材料清除并且该第一激光束被适配成用于执行每秒清除少于5000立方微米材料的精细操作。
根据一些实施例，一种用于用带电粒子束和激光束两者对工件进行加工的系统包括：真空室；带电粒子束系统，用于加工该真空室内的工件；放置在该真空室外的多个激光源；光学系统，其被配置成用于将来自该多个激光源的激光束从该真空室外引导至该真空室内的工件。
在一些实施例中，该多个激光源之一产生具有第一强度的束并且该多个激光源中的另一个激光源产生具有第二强度的束，该第二强度小于该第一强度的?。在一些实施例中，该多个激光源之一为飞秒激光器并且该多个激光源中的另一个激光源为纳秒激光器或连续波激光器。
在一些实施例中，来自该多个激光源的激光束中的多个激光束通过同一个物镜聚焦到该工件上。在一些实施例中，来自该多个激光源的激光束中的多个激光束通过不同物镜聚焦到该工件上。
根据本发明的一些实施例，一种用于使用带电粒子束和激光束两者对工件进行加工的系统包括：真空室，用于容纳第一工件；带电粒子束柱，用于在该真空室内加工该第一工件；第一激光束源，用于加工该第一工件；第二激光束源，用于加工该第一工件或第二工件，该第一激光束和该第二激光束具有不同的束特性，并且该第一激光源或该第二激光源中的至少一个被适配成用于将该第一激光束或该第二激光束引导至该真空室内的该工件。
在一些实施例中，该第一激光束源和该第二激光束源包括一个单个激光束生成器并且该第一激光束源和该第二激光束源中的至少一个包括改变该束生成器生成的束的频率、强度或脉冲宽度或持续时间的束调节器。在一些实施例中，该束调节器被配置成用于使得该第一激光束具有该第二激光束功率的1/10，该第二激光束适用于大块清除并且该第一激光束适用于精细机械加工。在一些实施例中，该第二工件放置在该真空室外。
在一些实施例中，将该第一激光束和该第二激光束引导至该真空室内的该第一工件。在一些实施例中，该第一激光束和该第二激光束通过同一个物镜聚焦到该工件上。在一些实施例中，该第一激光束和该第二激光束通过不同物镜聚焦到该工件上。
在一些实施例中，通过以下过程之一调节该第一激光束：波长转换、脉冲宽度或频率改变、放大和衰减。
在一些实施例中，该系统进一步包括转向反射镜，该转向反射镜作用在该第一激光束和/或该第二激光束上以便将该第一激光束或该第二激光束引导至该第一工件上的希望位置。
根据本发明的一些实施例，一种使用带电粒子束系统的方法包括：引导用于加工第一工件的第一激光束；从真空室外引导第二激光束，以便加工该第一工件或真空室内的第二工件；以及引导带电粒子束，以便加工所述第一或第二工件，其中，该第一激光束在相应工件上具有比该第二激光束的强度更大的强度，该第一激光以比该第二激光更快的速率清除材料，该第二激光以比该带电粒子束更快的速率清除材料。
在一些实施例中，对该第一激光束进行引导包括将源自激光束生成器的束引导至该真空室外的该第一工件，并且对该第二激光束进行引导包括将源自同一激光束生成器的束引导穿过束调节器朝向该真空室内的第二工件。
在一些实施例中，将该束引导穿过该束调节器包括以下内容中的至少一个：空间束轮廓修改器、时间束轮廓修改器、移频器、倍频光学器件、衰减器、放大器、选模光学器件以及扩束器。在一些实施例中，引导第一激光束以便加工第一工件包括将该第一激光束引导至放置在该真空室内的第一工件。
在一些实施例中，对第一激光束进行引导和对第二激光束进行引导包括引导该第一激光束和引导该第二激光束穿过同一个物镜朝向该真空室内的该第一工件。在一些实施例中，对第一激光束进行引导和对第二激光束进行引导包括引导该第一激光束和引导该第二激光束穿过不同的物镜朝向该真空室内的该第一工件。
在一些实施例中，对第一激光束进行引导和对第二激光束进行引导包括：引导源自第一激光生成器的第一激光束，并且对第二激光束进行引导包括引导源自第二激光生成器的第二激光束。在一些实施例中，对第一激光束进行引导和对第二激光束进行引导包括：引导源自第一激光生成器的第一激光束，并且对第二激光束进行引导包括引导源自第一激光生成器的第二激光束，其中，第一激光束或第二激光束或者两个激光束穿过束调节器以改变强度、波长、或脉冲宽度或频率。
在一些实施例中，该第一激光束和该第二激光束同时加工其对应的工件。
本领域技术人员应认识到此处所披露的概念和具体实施例可容易地用作改进或设计用于实施本发明相同目的其他结构的基础。本领域的技术人员还应认识到这些同等构造不脱离如所附权利要求中所阐明的本发明的精神和范围。

Claims (27)

1. 一种用于用带电粒子束和激光束两者对工件进行加工的系统，该系统包括：
第一工作台，其包括真空室用于对该真空室内所支持的第一工件进行加工；
第二工作台，用于对真空室外的第二工件进行加工；
产生源输出激光束的激光源；
光学系统，其被配置成用于将该源输出激光束分成至少第一激光束和第二激光束以及将该第一激光束传递到该真空室内的该第一工件并且将该第二激光束传递到该真空室外的该第二工件；以及
粒子束源，用于对该真空室内的该第二工件进行加工。
2. 如权利要求1所述的系统，其中，该光学系统包括用于将该第一激光束定位在该第一工件上的第一束转向机构和用于将该第二激光束定位在该第二工件上的第二束转向机构。
3. 如权利要求1或权利要求2所述的系统，其中，该光学系统包括改变该第一激光束、该第二激光束的频率、强度、或脉冲宽度或持续时间或者脉冲宽度和持续时间两者的至少一个调节装置，其中，当对其对应的工件进行加工时，该第一激光束和该第二激光束具有不同的强度。
4. 如权利要求3所述的系统，其中，该第二激光束比该第一激光束具有更高的功率，该第二激光束被适配成用于执行每秒至少10,000立方微米材料的大块材料清除并且该第一激光束被适配成用于执行每秒清除少于5000立方微米材料的精细操作。
5. 一种用于用带电粒子束和激光束两者对工件进行加工的系统，该系统包括：
真空室；
带电粒子束系统，用于加工该真空室内的工件；
放置在该真空室外的多个激光源；
光学系统，其被配置成用于将来自该多个激光源的激光束从该真空室外引导至该真空室内的工件。
6. 如权利要求5所述的系统，其中，该多个激光源之一产生第一强度的束并且该多个激光源中的另一个激光源产生第二强度的束，该第二强度小于该第一强度的?。
7. 如权利要求5或权利要求6所述的系统，其中，该多个激光源之一为飞秒激光器并且该多个激光源中的另一个激光源为纳秒激光器或连续波激光器。
8. 如权利要求5或权利要求6所述的系统，其中，来自该多个激光源的激光束中的多个激光束通过同一个物镜聚焦到该工件上。
9. 如权利要求5或权利要求6所述的系统，其中，来自该多个激光源的激光束中的多个激光束通过不同的物镜聚焦到该工件上。
10. 一种用于使用带电粒子束和激光束两者对工件进行加工的系统，该系统包括：
真空室，用于容纳第一工件；
带电粒子束柱，用于对该真空室内的该第一工件进行加工；
第一激光束源，用于对该第一工件进行加工；
第二激光束源，用于对该第一工件或该第二工件进行加工，该第一激光束和该第二激光束具有不同的束特性，并且该第一激光束源或该第二激光束源中的至少一个被适配成用于将该第一激光束或该第二激光束引导至该真空室内的该工件。
11. 如权利要求10所述的系统，其中，该第一激光束源和该第二激光束源包括一个单个激光束生成器并且该第一激光束源和该第二激光束源中的至少一个包括改变该束生成器生成的束的频率、强度或脉冲宽度或持续时间的束调节器。
12. 如权利要求11所述的系统，其中，该束调节器被配置成用于使得该第一激光束具有该第二激光束的功率的1/10，该第二激光束适用于大块清除并且该第一激光束适用于精细机械加工。
13. 如权利要求11所述的系统，其中，该第二工件放置在该真空室外。
14. 如权利要求10至13任一项所述的系统，其中，将该第一激光束和该第二激光束引导至该真空室内的该第一工件。
15. 如权利要求14所述的系统，其中，该第一激光束和该第二激光束通过同一个物镜聚焦到该工件上。
16. 如权利要求14所述的系统，其中，该第一激光束和该第二激光束通过不同的物镜聚焦到该工件上。
17. 如权利要求11至13任一项所述的系统，其中，通过以下过程之一调节该第一激光束：波长转换、脉冲宽度或频率改变、放大和衰减。
18. 如权利要求10至13任一项所述的系统，进一步包括转向反射镜，该转向反射镜作用在该第一激光束和/或该第二激光束上以便将该第一激光束或该第二激光束引导至该第一工件上的希望位置。
19. 一种使用带电粒子束系统的方法，包括：
引导用于对第一工件进行加工的第一激光束，
从真空室外引导第二激光束，以便对该第一工件或该真空室内的第二工件进行加工，以及
引导带电粒子束，以便对所述第一或第二工件进行加工，
其中，该第一激光束在相应工件上具有比该第二激光束的强度更大的强度，该第一激光以比该第二激光更快的速率清除材料，该第二激光以比该带电粒子束更快的速率清除材料。
20. 如权利要求19所述的方法，其中，对该第一激光束进行引导包括将源自激光束生成器的束引导至该真空室外的该第一工件，并且对该第二激光束进行引导包括将源自同一激光束生成器的束引导穿过束调节器朝向该真空室内的第二工件。
21. 如权利要求19或权利要求20所述的方法，其中，将束引导穿过该束调节器包括以下内容中的至少一个：空间束轮廓修改器、时间束轮廓修改器、移频器、倍频光学器件、衰减器、放大器、选模光学器件以及扩束器。
22. 如权利要求19所述的方法，其中，引导该第一激光束以便加工第一工件包括将该第一激光束引导至放置在该真空室内的第一工件。
23. 如权利要求22所述的方法，其中，对第一激光束进行引导和对第二激光束进行引导包括引导该第一激光束和引导该第二激光束穿过同一个物镜朝向该真空室内的该第一工件。
24. 如权利要求22所述的方法，其中，对第一激光束进行引导和对第二激光束进行引导包括引导该第一激光束并且引导该第二激光束穿过不同的物镜朝向该真空室内的该第一工件。
25. 如权利要求19或权利要求20所述的方法，其中，对第一激光束进行引导和对第二激光束进行引导包括：引导源自第一激光生成器的第一激光束，并且对第二激光束进行引导包括引导源自第二激光生成器的第二激光束。
26. 如权利要求19或权利要求20所述的方法，其中，对第一激光束进行引导和对第二激光束进行引导包括：引导源自第一激光生成器的第一激光束，并且对第二激光束进行引导包括引导源自第一激光生成器的第二激光束，其中，该第一激光束或该第二激光束或者两个激光束穿过束调节器以改变强度、波长、或脉冲宽度或频率。
27. 如权利要求19或权利要求20所述的方法，其中，该第一激光束和该第二激光束同时对其对应的工件进行加工。
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