JP2005123196A - 開口角整形ビーム・システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 １つの鋭いエッジを有する長方形、楕円形、および半楕円形の開口を使用して、望ましい幾何学的形状を有する整形ビーム・スポットを生成するための改良された方式を提供すること。
【解決手段】 より鋭いビーム・エッジは、不足焦点または過焦点と組み合わせて長方形または楕円開口を偏心することによって作成可能である。球面収差制限では、不足焦点の半円開口が、鋭く、平坦なエッジを提供する。鋭いエッジは、精密なフライス加工の応用例に十分な分解能を備えることが可能であり、同時に、そのスポットは、製造または実験室環境で効率的に材料を削除するのに十分な全電流と電流密度によって十分に大きくすることができる。望ましい特定のビーム・スポットに応じて、球面収差が優勢な環境および色収差が優勢な環境において、脱焦、開口偏心、および無非点収差調整を含む技法の組合せを使用して所望の応用例のために望ましいビームを実現することができる。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、一般に整形ビームに関する。詳細には、本発明は、鋭いエッジを有する整形ビーム、すなわち、丸いビームと同じ幅を有するが、より多くのビーム電流を有する細長いビームに関する。

基本的な物理学では、丸いビームに関する集束イオン・ビーム（「ＦＩＢ」）の性能向上が限界に達しようとしている。これらの向上は、主に静電レンズの設計上の改良および作動距離の短縮ばかりでなく、自動可変開口の導入によるものでもあった。しかし、現時点では、これらの向上はその根本的な限界に達しようとしているが、依然として半導体産業および他の市場からは、特に製造応用例では、フライス加工の処理量および切削品質に対する要求が高まっている。

従来の丸いビームを使用して、微小であり、したがって精密なフライス加工に応用できるほどに鋭い、十分な電流を有するビームを実現することが益々困難になってきている。「スライス」が加工物の表面から削除され、次いで、例えば、走査型電子顕微鏡（「ＳＥＭ」）による露出断面の表面撮像が伴うスライスおよび検査応用例、他の断面加工応用例、および高速透過型電子顕微鏡（「ＴＥＭ」）試料作成のような多くの応用例では、きれいで、精細な切り口に対する要求の他に、ビームからの他の能力が必要である。例えば、これらの応用例の幾つかでは、かなりの量の材料を除去しなければならない。当然ながら、これらの条件をすべて満足させ得る単一ビームを実現することは困難である。たとえビームが鋭さ要件を満たし、かつ精細で、きれいに切断するのに十分な分解能を有するほど微小であっても、ビームの電流が通常はかなり小さいので、このようなかなりの材料のすべてを削除するには通常甚だしい時間が必要である。

十分に精細な縁切りを行うために、直線的なエッジを有する幾何学的形状（長方形のような）を生成できる整形ビーム・システムが開発されたが、同時に、それらのビーム・スポット形状は、かなりの数量の材料を除去（または蒸着）するのに十分に大きい。例えば、参照として本明細書に組み込む、Ｇｅｒｌａｃｈらによる「Ｓｈａｐｅｄ Ａｎｄ Ｌｏｗ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍｓ」と題する米国特許仮出願第０９／７６５，８０６号を参照されたい。それは、相対的に低い電流密度と鋭いエッジ分解能を有する整形された（例えば、長方形状の）イオン・ビームを生成する方法を教示する。さらに、それは、整形ビームを形成するための開口結像（投影光学素子）法および脱焦放射源結像（射影）法を教示する。それは、ビームの不足焦点と組み合わせて、ビーム光軸におけるまたはその近傍における直線的な開口エッジを使用して、対応するビーム・エッジ全体にわたる色収差と球面収差を低減することも教示する。さらに、それは、長方形開口による色収差制限ビームがそれぞれのビーム・エッジ全体にわたって一定の色収差を有するビームを生成することを教示する。エッチング率または蒸着率が、吸収される気体分子の費消によって制限を受けないように、整形イオン・ビームの電流密度が十分に小さく、しかも満足のゆくエッチング率および蒸着率を実現するために全体的なビーム電流を十分に大きくすることが可能なので、強度に不足焦点の整形ビームおよび投影整形ビームは、ビームの化学的性質を特に魅力あるものにする。しかし、このようなシステムは、多くの応用例で望ましいフライス加工の分解能および処理量の向上に必要な、大きな電流要件、高い電流密度要件、および特有の密度形状要件に必ずしも十分に対処できるものではない。

したがって、必要なものは、特にフライス加工および材料蒸着の応用例に望ましい、電流、電流密度、および形状特徴を有する整形ビームを生成するための方法およびシステムである。
米国特許第５，４３５，８５０号 米国特許第５，８５１，４１３号

本発明は、少なくとも１つの鋭いエッジを有する長方形、楕円形、または半楕円形の開口を使用して、望ましい幾何学的形状を有する整形ビーム・スポットを作成するための改良された方式を提供するものである。

望ましい特定のビーム・スポットに応じて、球面収差が優勢な環境および色収差が優勢な環境で、脱焦、開口偏心、無非点収差調整、無非点収差による回転を含む技法の組合せを使用して、所望の応用例のための望ましいビームを実現することができる。幾つかの場合では（例えば、半円形開口の使用）、得られるビームは、従来の整形ビームに比べて、同じビーム電流でより鋭いエッジを有する。他の場合では（例えば、色収差制限長方形開口では）、同じビーム幅であるが、より多くのビーム電流を有することが実現可能である。

以下の本発明の詳細な説明をより適切に理解するために、以上に本発明の特徴および技術的利点をかなり大掴みに概説した。本発明の追加的な特徴および利点は以下に説明される。開示の構想および特定の実施形態は、本発明と同じ目的を実施するために変更または他の構造設計に対する基本として容易に活用可能であることを当業者なら理解するはずである。このような同等な構造は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱するものではないことも当業者なら認識するはずである。

本発明およびその利点を十二分に理解するために、添付の図面を参照して以下の説明を行う。

序論
図１Ａおよび１Ｂを参照すると、結像応用例および金属加工応用例のための断面切削のような微細構造のフライス加工作業は、直線的で、「きれいな」断面表面を残すスライスを切り取るための少なくとも１つの鋭いエッジを有するビームが必要である。図１Ａおよび１Ｂは、長方形の整形ビーム・スポット１０４を使用して、このような断面スライス（図に示す塊１０７すなわち三角形１０８）を切り取るべき標的試料領域を示す。図１Ａはビーム・スポットとフライス加工領域を示す側面図であり、図１Ｂは、図１Ａの線１Ｂ−１Ｂに沿って取ったビームの上面図を示す。これらの図には、本開示全体を通じて一貫して使用される用語が示されている。

図示のビーム・スポット１０４は、先縁１０２および後縁１０３を有する。「先縁」１０２とは、鋭い垂直表面を削り取るために使用可能なスポットの直線的で鋭いエッジを指す。反対に、この先縁１０２からスポットの他方の側にある「後縁」１０３は、通常より大きなテール（すなわち、より大きな減衰部分）を有し得る。ビーム・スポットは、ビーム幅１０５と深さ１０６の寸法も有する。ガス吸収率による制限を受けることがない幾つかの応用例では、大きな全体的な電流、高くかつ制御可能に漸減する電流密度分布、高い電流密度を有する鋭いエッジ、および最小限の深さまたは幅など、様々な要件が必要となり得る。例えば、図１Ａに示すように、幾つかの断面加工の応用例では、切り口１１０は、上からほぼ下までほとんど垂直かつ直線的でなければならない。切り口の上方のかどは鋭いかど１０１が必要とされ得るが、下方のかど１０９の鋭さはそれほど重要ではない。他に、図示されている三角形の切り口１０７を設けるときのような場合では、鋭く直線的な先縁１０２と、先縁１０２から後縁１０３にかけて漸減する高い電流密度分布を有するビーム・スポットが必要とされ得る。さらには、幾つかの断面加工作業およびスライスおよび検査作業では、先縁１０２は、高い電流密度と鋭い分解能を有する必要があるが、スポットの深さ１０６および／または幅１０５は非常に狭いことが必要となり得る。同様に、断面上方の鋭いかどは、ビーム・スポットの側部に沿ってまたはその後縁の背後では小さいテールが必要となり得る。したがって、とりわけ本発明の実施形態は、様々なフライス加工作業を実施するために、望ましい電流および電流密度特性と共に、少なくとも１つの鋭いエッジを有する様々な開口角整形ビームを実現するための解決策を提供する。

整形ビーム・システムでは、望ましい幾何学的整形スポットが、典型的には、荷電粒子（例えば、集束イオン・ビーム）カラム中の１つまたは複数のレンズの間に配置された整形開口によって形成される。（便宜上、本開示では一般にイオン・ビームを論じるが、本発明の状況では、荷電粒子ビームはイオン・ビームに限定されないことに留意されたい。当業者が理解するように、それらは、限定するものではないが、イオン、電子、および他の荷電粒子ビームを包含し得る。）通常は、投影システムを使用してこれらの整形ビームを生成する。それらは、典型的には標的表面上に開口像を集束するものである。通常は、開口に達しかつそれを通過するすべてのイオンが、別々の角度制限開口よって許容されるイオンの角度に関係なく、集束スポットに寄与する。

本発明は、「開口角整形ビーム」と呼ばれるものを以下に考察しかつ敷衍するが、この開口は、ビーム軸回りの方位角の関数としての既定入射角の範囲内にある荷電粒子（例えば、イオン）を通過させる。「射影」という用語は、上で参照した特許出願に説明されている１つの「開口角整形ビーム」法を指すが、そこでは、ビーム・サイズに比べて収差を小さくするために、スポットがかなりの不足焦点または過焦点になるように、放射源が結像され、かつビーム光軸沿いの標的表面が位置決めされている。この方法では、所定の形状および相対的に均一なビーム電流密度を有するビームが生成される。十分な不足焦点と相俟って、ビーム光軸が、鋭く直線的な開口エッジにまたはその近傍にあれば、色収差および球面収差は、対応するビーム・エッジ全体にわたることはなく、よって特に鋭くほぼ直線的なビーム・エッジが得られる。

本開示では、「開口角整形ビーム」は、色収差制限長方形、楕円形、および半楕円形のビーム整形開口にも適用されるが、そこでは放射源が標的平面にまたはその近傍に集束される。これらの方法は、同じビーム幅を有する丸い開口ビームよりも多くのビーム電流を実現する。さらには、脱焦と無非点収差の組合せを用いて、球面制限、長方形、楕円形、または半楕円形のビームのビーム・サイズと形状を向上させる方法が説明される。Ｄ字開口（半円形開口）が、依然として鋭いエッジを有するがより微小なサイズにも適用される。したがって、次節では、本発明の開口角方式に関連して、球面収差および色収差を簡単に論じる。

球面収差制限ビーム形状
球面収差の結果として、脱焦（不足焦点または過焦点）荷電粒子源は、それが標的平面と交差する箇所で荷電粒子ビームの形状を変える。焦点の関数としての球面収差の半径は、次式によって与えられる。

Ｒ_S＝Ｃ_SＡ³−Ｚ₀Ａ （１）
上式で、Ｃ_Sは球面収差係数であり、Ａは光軸（ビーム整形開口によって制御可能である）に対するビーム放射線角（ラジアン単位）、またＺ₀は１次焦点平面２０２から、レンズに向かう方向に、実際の標的平面までの測定された脱焦距離である。図２Ａは、上式にしたがって、光軸２０１を通過する平面内のイオン放射線を示す。例としての値は、Ｃ_S＝１０００ｍｍであり、Ａ₀＝１０ｍｒａｄである。よく知られているように、またはこの図で分かるように、球面収差は、大きな角度の放射線が１次焦点平面に達しないようにする。球面収差を受けたビーム包絡線は、次式によって与えられる半径を有する、焦点距離Ｚ₀＝０．０７５ｍｍに配置された最小錯乱円板（ＬＣＤ）２０３と呼ばれる箇所で最小直径を有する。

Ｒ_LCD＝１／４Ｃ_SＡ₀ ³ （２）
上式は、次の焦点距離（または脱焦値）を有する。すなわち、
Ｚ₀＝３／４Ｃ_SＡ₀ ² （３）
上式でＡ₀はビーム整形開口における最大ビーム角である。

図２Ｂも球面収差の影響を証明する。図２Ｂは、異なる脱焦距離Ｚ₀に対するビーム角Ａ₀の関数としてのビーム半径Ｒを示している。この図は、脱焦距離Ｚ₀がそれぞれ−０．０５ｍｍ（２１０）、０ｍｍ（２１１）、０．０７５ｍｍ（２１２）、０．１ｍｍ（２１３）および０．１５ｍｍ（２１４）でのビーム半径Ｒを示している。不足焦点ビームに関してビーム角Ａ₀が大きくなる場合は、球面収差を受けかつ脱焦された放射線は、最初に光軸に対して負の半径方向に進み、次いで正の方向に入る。最小錯乱円板（ＬＣＤ）の条件下では、最大の負および正の偏差が等しい。図２Ａに示すように、最小錯乱半径（ＬＣＲ）２０４は、もう１つの球面収差の脱焦条件である。ビームのこの部分におけるビーム半径の値は、次のようになる。すなわち、
Ｒ_LCR＝０．３８５Ｃ_SＡ₀ ³ または Ｒ_LCR≒３／８Ｃ_SＡ₀ ³ （４）
上式では、
Ｚ₀＝Ｃ_SＡ₀ ² （５）
上式でＺ₀はＣ_Sで使用したものに対応する単位を有する。

このような焦点設定では、最大ビーム角の放射線は、負のＲ方向に進み、次いでビーム軸で終わる。このような条件は、以下に論じる半円形（Ｄ字形）開口で好ましく使用することができる。ＬＣＤ２０３およびＬＣＲ２０４の焦点条件は、ビーム整形開口によって制御可能な最大ビーム角Ａ₀の関数である。

色収差制限ビーム形状
所与の放射線角に関する色収差ビーム半径は、次式によって与えられる。

Ｒ_C＝（Ｃ_CｄＥ／Ｅ₀−Ｚ₀）Ａ （６）
上式で、Ｃ_Cは色収差係数であり、ｄＥ／Ｅ₀は平均イオン・エネルギーによって除したイオン・エネルギーの広がりである。球面収差ＬＣＲと同様の条件が、色収差に関しても定義可能である。図３は、ビーム角が増大するにつれて、色収差も増大することを証明する。この図には、レンズの光軸３０１に平行にレンズ３０２に入射する２つの放射線Ａ₁（３０３）およびＡ₂（３０４）が示されており、放射線Ａ₂（３０４）が、光軸３０１からの距離が放射線Ａ₁（３０３）より大きなところでレンズ３０２に入射する。そして、両放射線はレンズ３０２によって集束する。わずかなエネルギーを有する放射線（３０３、３０４）を構成する荷電粒子は、焦点平面３０５上に集束し、それによって光軸３０１において焦点平面３０５が交差する。エネルギーの広がりを有する粒子が放射線３０３および３０４を図示するように広がらせる。ビームを不足焦点にすると（Ｚ₀を増大すると）、ビーム角が大きくなるにつれて、放射線は、より大きな半径で標的に当たり、したがって色収差ビームの広がりを補償する。球面収差を受けたビームと異なり、色収差ビームの広がりは、正規分布を有し、かつビーム角の関数である画然とした明確な半径を有することがない。しかし、光軸を越えてほとんどテールを残さない脱焦条件を次式のように定義することができる。

Ｚ₀＝Ｃ_CｄＥ₀／Ｅ₀ （７）
上式で、ｄＥ₀はビーム放射源エネルギーの広がりである。このような条件下では、Ｒ＝Ａ（Ｃ_CｄＥ₀／Ｅ₀−Ｚ₀）＝０となるので、Ｅ₀よりも小さいエネルギーｄＥ₀を有する放射線は、すべての放射線角、すなわち、Ａに関して零に等しい半径を有することになる。上式の条件では、ビーム放射源エネルギーの広がりｄＥ₀が正規分布を有するので、合計色収差ビーム・テールの１２％のみが所与のビーム角において光軸を越えて広がるだけである。

したがって、脱焦（Ｚ₀）と最大許容ビーム角（Ａ₀）を制御することによって、好ましい特徴を有するビーム・スポットを生成するように球面収差と色収差を考慮に入れることが可能である。これを以下に詳細に論じる。

ＦＩＢシステム
図４は、本発明で使用するのに適切な整形集束イオン・ビーム（「ＦＩＢ」）システムの一実施形態を模式的に示す。このように特定されている構成要素は必ずしもすべての応用例に必要ではないことに留意されたい。しかも、図示されているサイズおよび相対位置は、必ずしも尺度に合わせたものでもなく、またすべての構成と整合性が取られているわけでもない。また、本システムは、ＦＩＢカラム中の光学構成要素の特定的な構成に応じて、投影方式または開口角方式に使用可能である。

図示の整形ビーム・システムは、液体金属イオン源４１４および集束カラム４１７を有する真空の小室４１０を含むが、この集束カラムは、望ましい整形イオン・ビーム４１８を画定し、かつそれを標的加工物４２２上に集束するための、図５の構成図に示すような光学システムを含む。（「集束」という用語は広義に使用されており、一般的に、標的加工物に誘導されるビームの中に放射源イオンを再誘導することを指し、１次焦点平面に対して技術的に脱焦される整形ビームを含むものであることを認識されたい。）集束カラム４１７は、開口角整形ビームを生成するために２レンズ式イオン集束構造を使用する。これらのレンズおよび集束イオン・ビームと共に使用される他の「光学」要素は、ビーム中のイオンを制御するために静電界または磁界が使用され、かつこれらの光学要素はイオンの流れを制御していることを当業者なら理解しよう。また設計によっては、１個のみのレンズを含むだけでもよいし、または数個までのレンズを含む場合もある。さらには、開口角方式の原理が、このＦＩＢシステムを使用して論じられているが、このような原理は、他の荷電粒子システム（電子ビーム・システムなど）にも、このような他のシステムに適切な光学構成要素を使用する限り同じように適用される。

未合焦イオン・ビーム４１６は、放射源４１４から、カラム４１７を介して加工物４２２に向かって整形ビーム４１８を発するが、この加工物は小室４２６の下部内で可動式のＸ−Ｙステージ４２４上に着脱自在に装着されている。加工物４２２は、望ましい結果を実現するためにビーム４１８によって作用を受けるものであれば任意の材料でよい。それには、例えば、半導体デバイス、光リソグラフィ・マスク、磁気格納ヘッド、および同様のものが含まれ得る。使用される特定の整形ビーム・パラメータは、物体材料および所望の結果による。イオン・ポンプ４２８は、首部４１０を排気するために使用される。小室４２６は、真空制御装置４３２の制御下で、ターボ分子ポンプおよび機械式ポンプ・システム４３０によって排気される。

高電圧電力源４３４が、液体金属イオン源４１４と、約３０キロ電子ボルトのイオン・ビーム４１８を形成しかつそれを下方に誘導するための集束カラム４１７中の適切な電極に接続されている。制御装置４３６は、集束カラム４１７に結合され、さらに、所望の作業にしたがって、ビーム４１８の制御、例えば、ビームの回転、変形、および／または標的加工物４２２上への再位置決めを行うために、集束カラム４１７の内部で、特に、偏向器板、スチグマトール、さらには可変軸、可変整形開口に結合されている。（幾つかのシステムでは、当業でよく知られているように、偏向器板、スチグマトール、および／または他の光学装置が、イオン・カラムの外側で最終レンズの後に配置される。）制御装置４３６によって、使用者は、通常のユーザ・インターフェイス（図示せず）に入力されるコマンドを介して、走査すべきビーム４１８を望ましい方式で制御することができる。別法として、制御装置４３６はメモリ格納デバイスにアクセスして、既定のビーム形状を使用して経路を走査するためのシステムを制御装置に制御させる命令を更新することも可能である。

放射源４１４は、電界イオン放射源（液体金属イオン源（ＬＭＩＳ））からガリウムの金属イオン・ビームを典型的に供給するが、マルチ・カスプのまたは他のプラズマ・イオン源など、他のイオン源を使用することも可能である。この放射源は、典型的には、加工物４２２では１０分の１ミクロン以下の幅のビーム中に集束され得るが、本発明の１つの利点は、それは必ずしもこのような鋭さを必要としないことである。実際、大きなビーム電流を有するＤ字形開口を使用して、それは、より低い程度に集束された（例えば、５ミクロンに集束された）ビームによって、同等の（またはより適切でさえある）鋭さを実現することが可能である。これは、ビーム・スポットが、所望の応用例を実施するのに十分に鋭いエッジ分解能を有するからである。結像用の第２放射を検出するために使用される電子増倍管４４０が、電力源および制御装置４４５に接続され、さらには加工物４２２が作用を受けているときに、それを検査するためのビデオ・モニタ４４４を駆動するビデオ回路４４２に接続されている。

気体源４４６が、蛇腹４５２内部の支持構造によって、この気体源を位置決めするようになされた並進装置４４８によって、小室４２６の側面から内向きに配置されている。「Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」に対してＲａｓｍｕｓｓｅｎに交付された米国特許第５，４３５，８５０号および「Ｇａｓ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｎ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」に対してＣａｓｅｌｌａらに交付された米国特許５，８５１，４１３号（両特許とも本発明の譲受人に譲り受けられている）が、加工物４２２に向かって気体蒸気を導入しかつ誘導するための装置を開示する。気体源４４６は加熱器を有する気体溜め４５４を含み、この加熱器は、薄膜型の加熱装置を備え、気体溜め４５４内部の化合物の温度をビーム誘発反応に適切な分子流を供給する温度まで上昇させるために使用可能である（以下でさらに十分に開示する）。皮下注射針によって設けられた毛細管を備える移送管またはノズル４５６が気体溜め４５４から突き出し、気体蒸気を放出するようになされた制御弁４５８を介して、この気体溜めに連結されている。気体蒸気が加工物４２２の標的表面上の領域方向に直接向けられるように、ノズルが突き出し、かつその軸に対して実質的に垂直な直交方向に並進装置４４８を使用して並進される。

扉４６０は、加熱可能なステージ４２４上に加工物４２２を挿入するために開放される。この扉は、気体溜め４５４中の温度が実質的に室温を超えれば、それを開放できないように連動されている。イオン源および集束カラム装置を封止するために、扉４６０が開放可能になる前にゲート弁が閉鎖される。

気体溜め４５４が、この気体溜め４５４内部の化合物を蒸発させるのに望ましい温度まで上昇するとき、ノズル４５６を加工物の望ましい領域に向かって誘導しながら、バルブプランジャを開放しかつその位置を調整するために、装置の外側から駆動ロッドを引き抜くことによって弁４５８を開放することができる。蛇腹４５２は、小室４２６内部の真空に影響を与えずに、ノズル組立体と気体溜めが加工物に対して移動するように適応する。

気体蒸気源４４６の加熱器と共に、真空制御システムは、エッチングまたは材料の蒸着のために基板４２２に向かって誘導される小室中の気体蒸気流を確立するのに適切な蒸気圧状態を生成するために動作する。所与の気体流を確立するために、気体溜めは所定の温度まで加熱される。

高電圧電力源４３４は、イオン・ビーム４１８を励起しかつ集束させるために、イオン・ビーム・カラム４１７中の電極に適切な加速電圧を供給する。イオン・ビームが濃縮された気体蒸気が上に付着した加工物を打つとき、それは、気体化合物と基板の間の反応を開始させ、かつ加工物を強力にエッチング／フライス加工しまたはその上に材料を蒸着するためのエネルギーを供給する。

前述のように、この真空システムは、小室４２６内部に約１×１０^-7ｍｂａｒと５×１０^-4ｍｂａｒの間の真空を供給する。気体蒸気の放出に関して、小室の背景圧力は約１×１０^-5ｍｂａｒが適切である。例示的な一実施形態では、気体源４４６は、金属イオン源と集束カラムが、対応する適切なイオン流を生成するように適切に制御されている間に、皮下注射針の毛細管を介して適切な気体流を供給するための温度まで加熱される。当業者ならば特定の応用例のいずれに関しても適切な圧力および気体流量を容易に決定することができる。

図５は、本発明のＦＩＢカラム４１７の一実施形態に関する構成／光路図を示す。この図は、本明細書に論じる開口角ビーム整形技法に関連して、ビーム・スポット形状および鋭さに影響を与える基本的な光学構成要素の構成を示す。同技法に使用する規定パラメータも示されている。カラムは、粒子ビーム軸５０１、放射源平面５０２、第１レンズ５０４、可変軸ビーム整形開口５０６、第２レンズ５０８、スチグマトール／偏向器組立体５１０、および標的加工物５２２を含む。また１次焦点平面５１２が、ビーム形状パラメータ、すなわち、１次焦点平面から標的平面までの距離であるＺ₀（５２０）、およびビーム光軸とビーム整形開口軸の間の変位であるＫ_Off（５２１）と共に示されている。

図示の集束構成は開口角方式を用いる。この方式では、開口を標的表面に結像するようにレンズ５０４、５０８を構成する（投影方式の場合にそうであるように）代わりに、放射源が標的表面に結像され（設定量だけ焦点からずれるが）、かつ整形開口５０６は、開口の鋭いエッジにおいて、特定の最大入射角を有するイオンのみが標的表面まで通過できるように形成されている。事実上、開口の鋭いエッジにおいてビーム入射角を制限し、かつ球面収差および／または色収差に関する上記の式にしたがって脱焦値、すなわち、Ｚ₀を制御することによって、開口の鋭いエッジが標的平面に結像される。したがって、開口角方式の射影型では、第２レンズ５０８から望ましい距離だけ離れた単一点に放射線を集束することに加えて、ビーム光軸に沿ってビーム角制限開口５０６を介して、望ましい角度パラメータの範囲内にある放射線を標的加工物４２２上に誘導する方により主眼がおかれている。

標的加工物４２２は、１次焦点平面から離れる脱焦距離、すなわち、Ｚ₀に配置される。Ｚ₀は、正、負、または０であり得る。本明細書で使用されるように、正であれば、それは焦点平面から離れて第２レンズに向かって移動されるが、それを「不足焦点」であると言う。逆に、負であれば、したがって第２レンズから離れて焦点平面から外れるように配置されるが、それを「過焦点」であると言う。以下にさらに論じるように、Ｚ₀、Ｋ_Off、および他のパラメータを操作して、異なる電流および電流密度分布を有する様々な鋭いエッジの整形ビームを生成することができる。以下の節では、望ましいビーム・スポットを生成するための異なる方式および考察を論じる。

簡略化のために、この図面では、偏向器／スチグマトール組立体５１０が一纏めにされているが、この組立体は、２つの別々の機能を含み、かつ２つの別体の装置によって確実に実施可能であることを当業者なら理解しよう。従来の静電双八極子を使用して、無非点収差調整を行い、かつ本明細書に教示するように整形ビームを偏向することができる。さらには、双八極子が第２レンズ５０８の上方に配置されて示されているが、第２レンズと標的の間の単一八極子のように、他の無非点収差および走査設計を用いることができる。

鋭いエッジの整形ビーム
以下の節では、ビームの形状と密度のデータを提供する「モンテカルロＦＩＢビーム・シミュレーション」として知られるシミュレーション・プログラムを使用して、様々な開口角整形ビームの場合を検討しかつ説明する。このシミュレーションは、球面収差、色収差、縮小放射源サイズ、軸外し開口変位、最大許容ビーム入射角、および無非点収差を含む光学パラメータを考慮に入れる。図６Ａ〜６Ｃを参照すると、シミュレートされたビーム密度は、通常使用される径方向密度ではなく、Ｘ（またはＹ）密度、すなわち、ｄＮ（Ｘ）／ｄＸを使用する。これは、ほとんどの鋭いエッジのフライス加工応用例のためにより適切なモデルである。しかし、幾つかの場合では、径方向密度（ｄＮ（Ｒ，Ｔ）／Ｒ ｄＲ ｄＴ）シミュレーションの使用が、結像に関してはより適切であり得る。また、様々な試験済み開口角整形ビームの事例を論じる前に、ビームは、様々なパラメータを使用して生成される様々なビーム形状に関して挙動が異なり得るので、高電流ビームと低電流ビームを区別することが有益である。本開示の目的では、「低電流」ビームとは、ほとんど色収差制限されているビーム、すなわち、約１００ピコアンペアかまたはそれよりも小さいビームとして一般的に定義される。反対に、「高電流」ビームとは、ほとんど球面収差制限されているビーム、すなわち、１０ナノアンペアに近いかまたはそれよりも大きい電流を有するビームである。特定の光学パラメータおよびフライス加工応用例に応じて、これらの値域内にある電流を有するビームは、低電流ビームまたは高電流ビームと見なし得る。

開口角整形ビームシステムの属性を示すために、出願人はビームの形状と密度のデータを提供するシミュレーションツールを使用した。

図６Ａ〜６Ｃは、ビームの形状が異なる場合に有用な、ビームの密度を計算する異なる方法を示している。

図６Ａは、通常は、環状部６０１（径寸法ｄＲ）を考慮して数式ｄＮ（Ｒ）／ｄＲを用いて径方向密度を決めることを示している。

図６Ｂは、ビームに円弧状の対象性がない場合の結像により適していると思われる、径方向密度を決める別の方法を示している。図６Ｂにおいて、密度は、環状リング６０１（径寸法ｄＲ）の部分６０２（角度寸法ｄＴ）を考慮して、密度を（ｄＮ（Ｒ，Ｔ）／ＲｄＲｄＴと計算して決める。

図６Ｃは、フライス加工応用例に有用な多くのビーム形状の密度の有用な計算方法を示している。

出願人は、これらの整形ビームをさらに調べて敷衍するために、ＭＳエクセルスプレッドシート上に作成されたモンテカルロビームシミュレータを使用した。このシミュレータは、さまざまな条件下での円形、Ｄ字型および長方形開口を有する、ビームの形状および密度に関するさらに相当多くの情報をもたらした。球面収差、色収差、縮小放射源サイズ、軸外し開口変位および無非点収差がシミュレータに含まれている。

図７Ａ〜３７Ｂは、さまざまな開口角整形ビームのシミュレーションの分布および電流密度を示す図である。

低電流円形ビーム
図７Ａ（円形開口ビーム分布図）および７Ｂ（円形開口ビーム密度）は、円形開口ビームに関するビーム・シミュレーション・グラフを示すが、この開口は光軸に集中し（Ｋ_Off＝０）、かつ焦点はＺ₀＝０ｍｍによって画定された１次焦点条件に設定されている。また、この場合では、Ｃ_S＝１０００ｍｍ、Ｃ_C＝１００ｍｍ、かつ無非点収差は存在しない。ここで対処する低ビーム電流の円形ビームおよび長方形ビームでは、縮小放射源直径（Ｄ_G＝０．０１μｍ）が用いられる。開口は、最終レンズを離れるビームに関して１．０ｍｒａｄの最大半角を生成し、３．１×１０⁶Ａ／（ｃｍ²・ｓｒ）の放射源輝度を想定すると、７．６ピコアンペアのビーム電流を発生する。この１ｍｒａｄの半角はまた、１次焦点平面で、それぞれ０．００１μｍの球面半径と０．０２７μｍの色半径を生成する。したがって、ビームはかなり色収差制限されている。図７Ａの分布図はビーム形状（それは円形である）を示し、そのＸビーム密度とＹビーム密度が図７Ｂに示してある。残念ながら、図７Ｂで分かるように、この１次集束（Ｚ₀＝０）ビームは実質的にテールを有するが、これは典型的にフライス加工では有害である。

図８Ａ（円形開口ビーム分布図）および８Ｂ（円形開口ビーム密度）は、ビームにわずかな広がりをもたらす少量の不足焦点、すなわち、Ｚ₀＝０．０１ｍｍを有する円形ビームを表す。図９Ａ（円形開口ビーム分布図）および９Ｂ（円形開口ビーム密度）は、さらに一層ビームを広げるより多くの不足焦点（Ｚ₀＝０．０３ｍｍ）を有するビームを示す。しかし、これら両方の場合では、図８Ｂおよび９Ｂに示すように、テールが依然として存在する。

図１０Ａ（円形開口ビーム分布図）および１０Ｂ（円形開口ビーム密度）を参照すると、縁をフライス加工するための一方のビーム側により大きなビーム密度を生成するように、円形開口を偏心移動させることができる。これは、Ｙ方向の開口半径に等しい距離（Ｋ_Off＝１．０）だけ軸外し配置された開口に関してシミュレートされており、ビームは０．０３ｍｍ不足焦点である。明らかに、左側のＹエッジのビーム密度がより鋭くかつテールが小さいが、右側のＹエッジは鋭さが劣りかつより長いテールを有する。図７Ａ〜９Ｂを図１０Ａおよび１０Ｂに比較すると、ビームをずらしかつ不足焦点にすることによって得られた、フライス加工用の鋭いエッジに関するＹ軸ビーム密度の始まりの著しい改善が明らかである。不足焦点の値は、上記の式、すなわち、Ｚ₀＝Ｃ_CｄＥ₀／Ｅ₀＝１００ｍｍ×０．０００２７＝０．０２７ｍｍ（これはこの式の値の確認値である）からの推定値に符号する。

低電流長方形ビーム
図１１Ａ〜１７Ｃは、先に論じた円形開口ビームの場合と同じ球面収差と色収差係数を有し、長方形の長軸（図のＸ軸）に沿って４．０ｍｒａｄの最大半角（Ａ_0X＝４ｍｒａｄ）を生成し、かつ長方形の短軸（図のＹ軸）に沿って０．８ｍｒａｄの最大半角（Ａ_0Y＝０．８ｍｒａｄ）を生成する成形開口を有する長方形開口ビームを示す。これは、円形開口の場合の４．１倍量の電流である３１．２ピコアンペアの電流を有するビームを生じる。

これらの図のＡは、長方形開口ビームの分布図であり、これらの図のＢおよびＣは長方形開口ビームの密度である。

図１１Ａ〜Ｃは、１次焦点、すなわち、Ｚ₀＝０の条件に関する長方形開口ビームを示している。別法として、図１２Ａ〜Ｃおよび１３Ａ〜Ｃのビームでは、Ｚ₀＝０．０３ｍｍの不足焦点、ならびにＫ_Off＝０．６および１．０の開口偏心がそれぞれに用いられている。分かるように、ビームのＹ軸エッジの鋭さが開口の偏心によって増大する。

図１４Ａ〜Ｃは、過焦点（Ｚ_Off＝−０．０３ｍｍ）および偏心を有する長方形開口を示すが、これはＹ軸の鋭いエッジ位置を逆転させる。このビームは、不足焦点条件よりも広がりが大きく、かつ鋭いエッジがわずかに少ない。（球面収差が存在しなければ、不足焦点および過焦点条件は、同じビーム形状であるが、逆転したビーム形状を生成することに留意されたい。）
図１５Ａ〜１７Ｃは、Ｋ_Off＝１であり、かつ不足焦点を増大させた長方形ビームを示す。このビームは、より広くなり、かつ電流密度がより均一になるが、それは、例えば、低ビーム密度による気体の化学的性質の応用例に利用可能である。しかし、幾つかの応用例では、図１３Ａ〜Ｃの不足焦点、開口偏心長方形開口ビームの欠点は、それが、図１１Ａ〜Ｃの１次焦点、軸心開口の円形ビームよりも広い全幅を有することである。これは、スライスおよび検査のフライス加工応用例に関して不利である。

図１８Ａ〜２０Ｃは、より小さい短軸方向ビーム角（Ｙ軸方向、Ａ_0Y＝０．４ｍｒａｄ）を有する長方形開口ビームを示す。これらの図のＡは長方形開口ビームの分布図であり、これらの図のＢおよびＣは長方形開口ビームの密度を示している。

図１８Ａ〜Ｃに示されている１次焦点、非開口偏心ビームは、円形開口の低電流ビームよりも狭いＹ方向幅を有し、かつそれは２倍のビーム電流を有する。不足焦点および開口偏心（図１９Ａ〜Ｃおよび２０Ａ〜Ｃ）では、この長方形ビームのＹエッジの鋭さが、図１０ＡおよびＢの偏心、不足焦点の円形開口ビームよりも優れており、かつそのビーム幅は半分未満である。実際に、今やビーム幅は、図７ＡおよびＢの１次焦点、非開口偏心円形ビームの大体の幅くらいまで狭まっている。換言すれば、この長方形ビームは、円形ビームの２倍のビーム電流を有する上に、それはより鋭いエッジ（これは円形ビームでは、不足焦点、開口偏心条件が必要である）を有し、同時に狭いビーム幅（これは円形ビームでは、１次焦点と非開口偏心条件が必要である）を有する。その鋭いエッジ、大きな電流、および狭いＹ軸幅によって、このような長方形開口ビームは、多くのスライスおよび検査応用例では理想的に適合する。これらの長方形開口の場合と併せて、微小ビーム・プラズマ源中に線光源を用いることによってさらに一層電流を高め得ることに留意されたい。

高電流Ｄ字開口ビームの場合
図２１ＡおよびＢから図２６ＡおよびＢまでは、様々な高電流Ｄ字形ビーム・スポット・グラフを示す。（「Ｄ字形」という用語は、２等分された、すなわち、半分の楕円形を指す。それは、実質的な楕円形状をその短軸または長軸に沿って２等分したものを含む。いずれの場合も、それには、楕円全周の短い部分かまたは長い部分であり得る直線的な縁部が残る。）図２１Ａ〜２６Ｂでは、楕円開口形状が丸く、Ａ_0X＝Ａ_0Y＝１６．３ｍｒａｄである。これらの図のＡはＤ字開口ビームの分布図であり、これらの図のＢはＤ字開口ビームの密度を示している。

図２１ＡおよびＢは、１次焦点条件下のビームを示す。このビームは、Ｙ＝０で鋭いエッジを有するが、大きなテールを有してＸおよびＹ方向に非常に鋭く尖っており、これはフライス加工応用例にはそれほど適切ではない。その上、ビームは極めて広い。不足焦点が増大するにつれて、ビームは、Ｙ軸の＋Ｙ側から−Ｙ側に移動する。上記の（５）式と（７）式の和にしたがって、不足焦点が、値Ｚ₀＝０．２７ｍｍに設定されるとき（図２３ＡおよびＢ）、ビームは、非常に鋭いＹ軸エッジ、Ｄ字形、およびほぼ最小サイズを有する。このような条件下では、大きな角度の光線は、ビーム軸から離れ、次いでＬＣＲ条件の標的平面で再び光軸に向かって減少する。Ｙエッジの鋭さは、縮小放射源サイズ、わずかな色収差のよる寄与、およびビーム相互作用効果（本発明のビーム・シミュレーションには含まれていない）のみによって制限を受ける。Ｙビーム密度は−Ｙにつれて緩やかに下がり、Ｘビーム密度は幾分平坦である。このビームは、最初に集積回路断面の材料を除去する場合など、鋭いエッジによる高電流フライス加工に極めて有用となり得る。

このような不足焦点ビームは相対的に大きく、かつより低い電流密度を有するが、それにもかかわらず、このような鋭く、直線的なエッジを有することに留意されたい。しかも、Ｙ方向のビーム密度は鋭いエッジから幾分漸減していき、Ｘ密度分布は幾分均一である。このように大きなビーム電流と鋭いエッジを有するビームは、断面を中高にするには有用であり、この場合に、その断面は、望ましい標的境界面に向かってパターンのＸおよびＹ方向に走査され得る。Ｙ方向に傾斜する密度分布は、断面標的に向かって傾斜穴を作成するには有益である。このビームは、その大きな領域と共に相対的に低い密度を有するので、おそらくはビームの化学的性質が使用可能である。液体金属イオン源ＦＩＢカラムは、高い倍率によって第１レンズの球面収差寄与が非常に大きくなるので、２レンズ倍率は約１．４で飽和するために、高電流Ｄ字開口の光学的特性によく適合する。次いでより大きなＤ字開口を使用してビーム電流を増大させ、依然としてこのような鋭いフライス加工用のビーム・エッジを実現することができる。

図２４Ａ〜２６Ｂは、不足焦点条件のさらなる増大を示す。ビームは、依然として鋭いＹ軸エッジを有するが、半径が増大する。しかも、ビーム密度は、不足焦点が増大するにつれてＸおよびＹ方向に均一性が高まり、これは気体の化学的性質に有用となり得る。この分布図は、エッジ付近のより高いビーム密度ｄ²Ｎ／ｄＸｄＹを示すが、ビームがＸ方向に走査されると、そのＹビーム密度ｄＮ／ｄＹは、ビーム幅全体にわたってＹ方向に相対的に均一である。

図２７Ａ（円形開口ビーム分布図）およびＢ（円形開口ビーム密度）を参照すると、５０ナノアンペアの円形開口ビームが、Ｄ字開口ビームと比較するために示すが、円形開口ビームのテールを減少するために中程度の不足焦点を用いる。三角形で示されたＤ字開口ビームの密度および菱形で示された円形開口ビームの密度との比較のために、Ｄ字開口と円形開口の両方のＹビーム密度を図２８に示す。円形ビームは、約０．２４μｍの１５〜８５％の増加量を有するが、それは、約０．０７μｍのＤ字開口エッジの約３．４倍である。実際のフライス加工性能では、円形ビーム・エッジは一層大きくなるが、それは、反対側にそれほど急速に降下しないガウス曲線様のピークが縁部に対して用いられるとき、片側の１５〜８５の％増加量では、削除される縁部には不足するからである。Ｄ字開口ビームの全幅は約２倍広いが、相対的に大きな穴を作成するためにビームが走査する断面加工および他の応用例では、これは欠点ではない。

図２９Ａ（楕円開口ビーム分布図）およびＢ（楕円開口ビーム密度）は、光軸がＸ＝Ｙ＝０にある場合に、Ｙ＝０でＸ軸に沿って切断される高電流半楕円形開口を示す。このビームは、対応する長方形開口ビームと同じ条件まで不足焦点になっており、かつ長方形開口ビームに大きな相似性を有する。Ｙ方向のビーム密度は長方形開口の場合よりもさらに急激に降下することに留意されたい。これは、開口形状を調整すると、Ｙ軸のビーム密度形状が修正可能であることを示す。他の開口形状（切頭三角形）によって別の結果を得ることができる。

ビーム・アライメント
この節では、ビームの鋭いエッジを標的加工物の軸（例えば、ウェーハ・デバイス軸、ステージ軸）と位置合わせするためのスチグマトールの使用を検討する。色収差を受ける（球面収差は、ほとんど受けないかまたは存在しない）長方形開口ビームを使用して、それをスチグマトールによって回転させ、かつ依然としてその鋭いエッジが温存可能であることを確認する。

図３０Ａ〜Ｃ（円形開口ビーム分布図）は、Ｘ軸に対して＋４５度および−４５度の方向に、ビーム角を垂直に拡大および縮小するために、４５度のスチグマトール設定を使用するような長方形開口を示す。明白であるが、開口偏心および不足焦点を有する色収差制限ビームは、鋭いエッジを壊さずにわずかな量だけ回転可能である。図３１Ａ〜Ｃは、ビームに追加された縮小放射源による同じようなシミュレーションおよび結果を示す。図３２ＡおよびＣで分かるように、球面収差が、色収差と放射源の寄与に追加されるとき、ビームはぼけが大きくなるが、球面収差の寄与が中程度である場合は、回転によって依然として適度に鋭いエッジを生成する。

回転球面収差Ｄ字開口ビーム
図３３Ａ〜Ｄ（Ｄ字開口ビーム分布図）を参照すると、球面収差が優勢でありかつ不足焦点が大きいとき、挙動が異なる。この場合では、４５度の無非点収差は、光軸位置付近のビームを引き裂く。これは、球面光線がＤ字開口、ＬＣＲ不足焦点条件によって光軸に向かって曲げ戻されることによって説明可能である。したがって、スチグマトールが適用されるとき、−Ｘに進む光線は、上方に進み、次いで、原点に向かって曲げ戻されるとき、最終的に＋Ｙに集束する。同様に、＋Ｘ光線は、最終的に−Ｙ方向の原点付近に集束する。

したがって、スチグマトールを使用して、Ｄ字開口の、球面収差が優勢なビームの鋭いエッジを回転させることはより困難である。図３３Ｄはより大きな不足焦点による無非点収差を示し、これは、それほど鋭いエッジを向上させることはないが、わずかな開口Ｙ偏心が多少の助けになる。

脱焦および無非点収差による球面収差長方形ビームの場合
図３４Ａ〜３７Ｂを参照すると、球面収差を受けた長方形開口ビームは、脱焦および無非点収差によって向上可能である。これらの図のＡは長方形開口ビーム分布図を示し、これらの図のＢは長方形開口ビーム密度を示している。図３４ＡおよびＢは１次焦点を有する球面収差制限長方形ビームを示し、図３５ＡおよびＢはＸ軸、ＬＣＤ不足焦点条件下のビームを示す。これらのシミュレーションでは、球面収差の挙動をより際だたせ、したがってより適切に理解できるように、色収差または縮小放射源の寄与を排除した。Ｘ軸およびＹ軸のビーム・サイズ（異なるＸ−Ｙ軸尺度に注意されたい）は、原点上に折り返された球面光線によって縮小されているが、Ｙ軸光線は、ここでは過剰に不足焦点であり、必要以上に幅広いビームになっている。

図３６ＡおよびＢは、不足焦点と無非点収差を用いる場合を示すが、不足焦点はＬＣＤ不足焦点値の１／２に設定され、かつスチグマトールの振幅はＬＣＤ不足焦点値の１／４に設定されている。不足焦点を増大すると、図３７ＡおよびＢのビームを生成し、それは、両方向に適切な狭いビームであり、ＦＩＢまたはプラズマ・イオン・ビーム・カラムの使用を含めて、ＴＥＭ試料生検および他のフライス加工に有用であり得る。図３６ＡおよびＢのビームは、図３７ＡおよびＢのビームよりもＹ方向に狭いが、そのＸ軸テールはより広範である。

観測値
表１は、上記シミュレーションを要約する表である。それは、１次焦点平面における０．０３１ナノアンペアの軸心長方形開口ビームが、対応する軸心円形開口ビームとほぼ同じエッジ分解能を有し、前者は４．１倍のビーム電流を有する。不足焦点と偏心長方形開口ビームを使用するビーム・エッジ分解能は、不足焦点および偏心円形開口ビームの約２倍のエッジ分解能を有する。このような長方形開口ビームはまた、対応する円形ビームとほぼ同じかまたはそれよりも狭いＹ全幅を有するが、それは約３．３倍のＸ全幅を有する。このような大きなＸ幅は、走査フライス加工用の鋭いエッジに関してほとんど問題ではない。１次焦点を有する長方形開口、ならびに不足（または過）焦点および開口偏心の長方形開口は、断面の仕上げ、スライスおよび検査、および他の応用例では貴重である。

大きな電流の、球面収差の場合では、Ｄ字整形開口は、適切な不足焦点のとき、鋭く直線的なエッジを有するＤ字形ビームを作成する。このようなＤ字開口の、５０ナノアンペアのビームは、同じビーム電流を有する軸心円形開口ビームよりも３．５倍鋭いＹエッジを有する。さらには、Ｄ字開口は、円形開口ビームのテールよりも小さい初期Ｙテール（開口の平坦なＹ軸エッジに向かって）を生成する。Ｄ字開口ビームは、断面を中高にするのに有用であり、かつ気体の化学的性質を用いる場合に特に利点がある。

色収差制限長方形開口ビームは、鋭いエッジを工具または試料軸に位置合わせするためにスチグマトールを使用して回転可能である。これは、鋭いエッジを有する他の開口形状にも有効である。より多くの球面収差が加わると、ビームが裂けるかまたは歪曲する恐れがあるので、このようなスチグマトール調整はそれほど有効ではない。しかし、望ましければ、光軸回りにＤ字開口を機械的に回転させて、それを標的に位置合わせするか、または標的を回転させることもできる。同様に、球面収差制限長方形開口ビームは、不足焦点と無非点収差を組み合わせて導入することによってサイズを縮小することができる。この工程は、楕円または半楕円のような他の開口形状にも適用可能である。さらには、長方形または楕円開口と共に用いる球面収差制限ビームは、無非点収差を長手開口（Ｘ軸）方向に強め、かつＹ軸方向に弱めるように焦点と無非点収差を調整することによってサイズを縮小することができる。例えば、これは、焦点および無非点収差をほぼＺ₀≧３／８Ｃ_SＡ_0X ²およびＫ_ST≒３／１６Ａ_0X ²に調整することによって実現可能であるが、上式でＸは長方形開口の長手方向に対応し、またＫ_STは無非点収差の振幅である。

ガリウムＦＩＢカラムを使用する場合は、特に中程度のビーム電流における確率的なビームのぶればかりでなく、大きなビーム電流では、空間電荷によるビームのぶれと外的な幾何学的収差などの問題が生じる恐れがあることを認識しなければならない。これらの外的な幾何学的収差は、２レンズ軸に対応していない放射源と開口によって画定されたビーム軸から発生し得る。しかし、ビーム操縦装置を使用して適切にカラムを位置合わせすれば、このような問題は抑制可能である。

本発明およびその利点を詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱せずに様々な変更、代用、および変更が本発明になされ得ることを理解されたい。さらには、本応用例の範囲は、本明細書に説明の工程、機械、製造、物質の組成、手段、方法、および手順を限定しようとするものではない。

例えば、これらの同じ開口角整形ビームの構想を微小ビーム・カラムに応用可能であることは当業者なら理解しよう。このようなカラムはより大きな放射源を有し、したがって縮小放射源による寄与は、球面収差とより適切に均衡され得る。ＦＩＢ集積回路断面の仕上げおよびスライスおよび検査では、長方形ビームは特に魅力あるものである。

したがって、添付の特許請求の範囲は、このような工程、機械、製造、物質の組成、手段、方法、または手順などをその範囲内に包含しようとするものである。

断面フライス加工領域を示す構成図である。 図１Ａの線１Ｂ−１Ｂに沿って取ったビーム・スポットを示す上面図である。 球面収差効果を示す光路図である。 様々な脱焦値に関してビーム半径に対する球面収差効果を示すグラフである。 色収差効果を示す光路図である。 本発明のＦＩＢシステムの一実施形態を示す構成図である。 図４のシステムのＦＩＢカラムのための光学システムを示す部分構成図および光路図である。 本発明に使用するビームの特徴シミュレーションのためのビーム密度測定領域を示すグラフである。 本発明に使用するビームの特徴シミュレーションのためのビーム密度測定領域を示すグラフである。 本発明に使用するビームの特徴シミュレーションのためのビーム密度測定領域を示すグラフである。 様々にシミュレートされた円形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた円形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた円形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた円形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた円形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた円形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた円形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた円形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 図１１Ａ〜１７Ｃに示すものよりも高い電流を有する、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 図１１Ａ〜１７Ｃに示すものよりも高い電流を有する、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 図１１Ａ〜１７Ｃに示すものよりも高い電流を有する、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 図１１Ａ〜１７Ｃに示すものよりも高い電流を有する、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 図１１Ａ〜１７Ｃに示すものよりも高い電流を有する、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 図１１Ａ〜１７Ｃに示すものよりも高い電流を有する、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 図１１Ａ〜１７Ｃに示すものよりも高い電流を有する、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 図１１Ａ〜１７Ｃに示すものよりも高い電流を有する、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 図１１Ａ〜１７Ｃに示すものよりも高い電流を有する、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 様々にシミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 図２１Ａ〜２６Ｂと同じビーム電流を有する円形ビームに関する分布および密度を示すグラフである。 図２１Ａ〜２６Ｂと同じビーム電流を有する円形ビームに関する分布および密度を示すグラフである。 シミュレートされた円形および楕円形集束イオン・ビーム・スポットに関する比較ビーム密度を示すグラフである。 シミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 シミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差と不足焦点による修正を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差と不足焦点による修正を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差と不足焦点による修正を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差と不足焦点による修正を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差と不足焦点による修正を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差と不足焦点による修正を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差と不足焦点による修正を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差と不足焦点による修正を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差と不足焦点による修正を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差による修正を受け、かつ球面収差が考慮されている、シミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差による修正を受け、かつ球面収差が考慮されている、シミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差による修正を受け、かつ球面収差が考慮されている、シミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 無非点収差による修正を受け、かつ球面収差が考慮されている、シミュレートされた半円集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 球面収差が優勢であり、かつ無非点収差と不足焦点による調整を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 球面収差が優勢であり、かつ無非点収差と不足焦点による調整を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 球面収差が優勢であり、かつ無非点収差と不足焦点による調整を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 球面収差が優勢であり、かつ無非点収差と不足焦点による調整を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 球面収差が優勢であり、かつ無非点収差と不足焦点による調整を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 球面収差が優勢であり、かつ無非点収差と不足焦点による調整を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 球面収差が優勢であり、かつ無非点収差と不足焦点による調整を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。 球面収差が優勢であり、かつ無非点収差と不足焦点による調整を受けた、様々にシミュレートされた長方形集束イオン・ビーム・スポットに関する分布および密度を示すグラフである。

符号の説明

４１０ 真空の小室
４１４ 放射源
４１６ 未合焦イオン・ビーム
４１７ イオン・ビーム集束カラム
４１８ 整形イオン・ビーム
４２２ 標的加工物
４２４ 可動式Ｘ−Ｙステージ
４２６ 小室
４２８ イオン・ポンプ
４３０ ターボ分子ポンプまたは機械式ポンプ・システム
４３２ 真空制御装置
４３４ 高電圧電力源
４３６ ビーム制御装置
４４０ 電子倍増管
４４２ ビデオ回路
４４４ ビデオ・モニタ
４４５ 結像電力源および制御装置
４４６ 気体源
４４８ 並進装置
４５２ 蛇腹
４５４ 気体溜め
４５６ ノズル
４５８ 制御弁
４６０ 扉
５０２ 放射源平面
５０４ 第１レンズ
５０６ 可変軸ビーム整形開口
５０８ 第２レンズ
５１０ スチグマトール／偏向器組立体
５１２ １次焦点平面

Claims (20)

1. 荷電粒子放射源から荷電粒子を放射する工程と、
   放射された前記荷電粒子から荷電粒子ビームを形成する工程と、
   少なくとも１つの直線エッジを備える幾何学的形状を有する開口に、前記荷電粒子ビームを通過させる工程と、
   前記放射源からの前記荷電粒子ビームを標的平面から離れた焦点平面上に集束し、前記標的平面でビームを作成する工程と、を含み、前記開口が、少なくとも１つの鋭いエッジと高電流値を有するビーム形状を前記標的で作成するように寸法決めされる、整形荷電粒子ビームを作成する方法。
2. 前記開口が、長方形を有し、前記ビームの中心付近に位置決めされた長辺を備え、それによって、色収差および球面収差によって実質的に影響を受けない高分解能を備える鋭いエッジを前記標的平面において有する荷電粒子ビームを形成する、請求項１に記載の方法。
3. 前記長方形開口が、スライスおよび検査フライス加工応用例のために、適切に小さいテールを備えるビーム像を前記標的で作成するのに十分に小さい短辺寸法を有する、請求項２に記載の方法。
4. 前記荷電粒子を放射するための微小ビーム・プラズマ源中に線光源を使用し、それによってビーム電流を低減する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記開口が、前記少なくとも１つの鋭いエッジで最大ビーム電流密度を有するように位置決めされかつ寸法決めされ、前記電流密度が、特定のフライス加工応用例にしたがって、前記鋭いエッジから離れた、前記開口の対向側に向かって低下していく、請求項１に記載の方法。
6. 真空システムと、
   標的上に入射する荷電粒子ビームを作成するために前記真空システム中に位置決めされた荷電粒子ビーム・カラムであって、１個または複数のレンズと、少なくとも１つの直線エッジを有し、さらに前記標的で整形荷電粒子ビームを作成するように前記カラム内部に位置決めされかつサイズ決めされる開口と、を含み、前記整形ビームが、前記少なくとも１つの開口直線エッジに対応する少なくとも１つの鋭いエッジを有する、荷電粒子ビーム・カラムと、
   第２の電子または荷電粒子の検出および結像システムと、
   前記標的から材料を削除するかまたはそれに材料を追加するために、前記標的上の領域を照射する前記整形荷電粒子ビームを制御するための制御装置と、を備えるＦＩＢシステム。
7. 前記開口が、前記標的平面に対して前記荷電粒子ビームの放射源を不足焦点または過焦点にするために、前記１個または複数のレンズと位置合わせされる、請求項６に記載のシステム。
8. 前記開口が、長方形の形状であり、前記ビームの中心付近に配置された前記少なくとも１つの直線エッジに対応する長辺を備える、請求項７に記載のシステム。
9. 前記長方形開口が、スライスおよび検査フライス加工応用例のために、適切に小さいテールを有するビーム像を前記標的で作成するのに十分に小さい短辺寸法を有する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記荷電粒子カラムが、ビーム電流を増大させるために、微小ビーム・プラズマ源中に線光源を含む、請求項６に記載のシステム。
11. 前記開口が、前記少なくとも１つの鋭いエッジで最大ビーム電流密度を有するように、前記荷電粒子ビーム・カラム中に位置決めされかつ寸法決めされ、前記電流密度が、特定のフライス加工応用例にしたがって、前記鋭いエッジから離れた、前記開口の対向側に向かって低下していく、請求項６に記載のシステム。
12. 前記ビームが色収差制限されており、前記標的が、｜Ｚ₀｜≧Ｃ_CｄＥ₀／Ｅ₀にしたがって１次焦点平面に対して脱焦され、上式でＣ_Cは色収差係数であり、ｄＥ／Ｅ₀は、平均荷電粒子エネルギーによって除した荷電粒子エネルギーの広がりである、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記荷電粒子カラムが、前記少なくとも１つの鋭いエッジを回転させて前記標的上の軸と位置合わせするために、前記ビーム形状を調整するスチグマトールをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
14. 前記開口がＤ字形状であり、かつ前記標的が、１次焦点平面から距離Ｚ₀≧Ｃ_SＡ₀ ²離して脱焦され、上式でＣ_Sは球面収差係数であり、Ａ₀はビームが前記開口を通過するための、光軸に対する最大ビーム角である、請求項６に記載のシステム。
15. 荷電粒子放射源から荷電粒子を放射する工程と、
    前記放射された荷電粒子から荷電粒子ビームを形成する工程と、
    少なくとも１つの実質的な直線エッジを備える幾何学的形状を有し、既定の基準にしたがって、十分に大きな角度を有するビーム成分を阻止するように寸法決めされている開口に、前記荷電粒子ビームを通過させる工程と、
    前記放射源に対して前記荷電粒子ビームを標的平面から離れた焦点平面上に集束し、前記幾何学的形状に対応する形状を有する、かなりの球面収差がある脱焦ビームの像を前記標的平面で作成する工程と、
    前記少なくとも１つの直線エッジと高電流密度値に対応する少なくとも１つの鋭いエッジを有する前記幾何学的ビーム形状を前記標的で作成するために、前記球面収差を補償するように不足焦点と無非点収差の組合せによって前記ビームを調整する工程と、を含む、整形荷電粒子ビームを作成する方法。
16. 前記開口が光ビーム軸から偏心される、請求項１５に記載の方法。
17. 前記少なくとも１つの開口直線エッジが、前記光ビーム軸と実質的に位置合わせされる、請求項１６に記載の方法。
18. 前記幾何学的形状が長方形である、請求項１５に記載の方法。
19. 前記幾何学的形状が楕円または半楕円である、請求項１５に記載の方法。
20. Ｚ₀≧Ｃ_SＡ₀ ²であり、Ｃ_Sが球面収差係数であるような脱焦値Ｚ₀だけ、前記標的を前記１次焦点平面から離して配置することによって、前記ビームを不足焦点にする工程をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
    

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