JP2007250529A - 荷電粒子ビーム処理のための保護層のスパッタリング・コーティング - Google Patents

Abstract

【課題】ビームをワーク・ピースに向けずに、荷電粒子ビーム・システムにおいてコーティングをワーク・ピースに加えること。
【解決手段】コーティングは、荷電粒子ビーム真空室内において、または荷電粒子ビーム真空室外において、スパッタリングによって加えられる。一実施形態では、スパッタリングは、気体流入システムから針などのスパッタ材料源に荷電粒子ビームを向けることによって実施される。材料は、ビームをワーク・ピースに向けることを必要とせずに、たとえば、保護コーティングまたは導電コーティングを形成するために、スパッタ材料源からワーク・ピースの上にスパッタリングされ、それによりワーク・ピースに対する損傷を低減または排除する。
【選択図】図２

Description

本出願は、参照によって本明細書に組み込まれる、２００６年２月１５日に出願された米国仮特許出願第６０／７７３３９６号からの優先権を主張する。

本発明は、荷電粒子ビーム・システムに関し、具体的には、スパッタ・コーティングをワーク・ピースに加えることに関する。

集積回路および他の微視的またはナノスケールのデバイスは、ワーク・ピースを撮像または変更するために、しばしば荷電粒子ビームを使用して処理される。たとえば、集束または成形されたイオン・ビームをワーク・ピースに向けて、ワーク・ピースを微細機械加工する（micromachine）こと、あるいはビーム誘導付着（beam-induced deposition）によって材料を付着させることができる。電子ビームを同様に用いて、走査型または透過型電子顕微鏡法を使用してワーク・ピースの像を、エッチング、付着、または形成することができる。

１つの応用分野では、イオン・ビームが、ワーク・ピースの埋込みフィーチャ（feature）を暴露させてその埋込みフィーチャを見たりまたは修正する目的で、ワーク・ピースをミリングするために使用される。たとえば、埋込み導体を暴露させるために、集積回路の層をミリングして取り去ることが可能であり、次いで、埋込みフィーチャは、新しい導電性経路のイオン・ビーム付着によって切断されたり、あるいは他の導体に接続されることが可能である。イオン・ビームは、ワーク・ピースの断面を暴露させるためにも使用され、それにより荷電粒子ビーム顕微鏡法を使用して断面を見ることができる。次いで、イオン・ビームによって暴露された断面は、走査型イオン顕微鏡法または電子顕微鏡法を使用して観測することができる。たとえば、「Ｄｅｆｅｃｔ Ａｎａｌｙｚｅｒ」についてのＴｅｓｈｉｍａらの米国特許公開第２００４０１５８４０９号は、集束イオン・ビームを使用して断面を切断する方法を記載している。「スライス・アンド・ビュー」と呼ばれる一技法では、断面が、集束イオン・ビーム機械加工を使用して暴露され、像が断面で形成される。次いで、追加の材料が、第１壁面からわずかにずれている新しい壁面を暴露させるように断面壁から除去され、追加の像が形成される。少量の材料を断面壁から連続的に除去し、一連の像を形成することによって、３次元構造に関する情報が得られる。イオン・ビーム機械加工は、「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」についてのＳｗａｎｓｏｎらへの米国特許第５１８８７０５号において記載されているように、塩素、フッ素、またはヨウ素などのエッチング促進気体を使用することによって容易にすることができる。

イオン・ビームは、たとえば「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ ａ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｓａｍｐｌｅ」についてのＴａｐｐｅｌの米国特許公開第２００４／０２５１４１２号において記載されているように、透過型電子顕微鏡において見るためにサンプルを基板から抽出するためにも使用される。サンプルは、サンプルの周りをミリングし、サンプルをアンダーカットすることによって、基板から取り出される。サンプルは、通常、プローブに添付され、ＴＥＭサンプル・ホルダに移動される。サンプルは、イオン・ビームによって薄くしたり、あるいは成形することも可能である。

荷電粒子ビームにおけるイオンまたは電子の衝突は、繊細なワーク・ピースを損傷することがある。したがって、荷電粒子ビーム処理を実施する前に、ワーク・ピースの表面上に保護層を加えることが一般的に実施される。

また、非導電性ワーク・ピースは、ビームによって送達された電荷およびビームの衝突によって生じた２次電子の放出の両方から、荷電粒子ビーム処理中に電荷を累積させる傾向がある。ワーク・ピースが帯電するとき、ワーク・ピースは１次ビームの荷電粒子を偏向させ、それにより分解能を低減する。ワーク・ピースの帯電は、荷電粒子ビームの衝突の際に放出される２次粒子の数も低減することがある。２次粒子はしばしばワーク・ピースの像を形成するために使用されるので、２次電荷の放出の減少は、ワーク・ピースの像を形成するシステムの能力を低下させる。「Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」についてのＤｏｈｅｒｔｙへの米国特許第４６３９３０１号において記載されているサンプルの帯電を低減する１つの方法は、電子フラッド銃を使用して、累積した正電荷を中性化することを含む。電荷の累積を防止する他の方法は、電荷が通って放電することができる経路を提供するために、ワーク・ピースの表面上に導電層を付着させることによる。

導電性または非導電性にかかわらず、保護コーティングを付着させる１つの方法は、荷電粒子ビーム誘導付着（chargeｄ-particle-beam-induced deposition）による。荷電粒子ビーム誘導付着では、荷電粒子ビームがワーク・ピースの表面上にわたって走査され、一方、前駆気体がビーム衝突領域の周辺において導入される。前駆気体分子は、コーティングを表面上に残すようにビームが存在する状態で化学的に分解される。揮発性分解産物が表面から離れて浮動し、システム真空ポンプによって除去される。たとえば、導電性コーティングのイオン・ビーム補助気体付着（ion-beam-assisted gas deposition）では、約５ｋＶと３０ｋＶとの間の荷電粒子ビームが表面上において走査され、一方、たとえばタングステンヘキサカルボニルであるメタロオーガニック（metaloorganic）気体などの前駆気体が、ビーム・ランディング領域の周辺において基板に向けられる。イオン・ビームまたは電子ビームを使用して、コーティングを付着させるために前駆気体を分解させることができるが、電子はイオンより著しく小さい質量を有するので、電子ビームによる表面損傷はより少ない。電子ビームによる表面損傷はイオン・ビームより少ないが、電子ビームは、フォトレジスト、または集積回路の製作に使用される低ｋまたは超低ｋの誘電体層など、いくつかの繊細な材料を依然として損傷することがある。ビーム誘導損傷（beam-induced damage）により、ワーク・ピースについて測定されている寸法が変化し、観測されているプロファイル（profile）が変化することがある。

材料の層で表面をコーティングする他の方法は、スパッタリングである。物理的蒸着としても知られるスパッタリングは、化学的とは対象的に、分子または原子が運動量の移動によって材料源から打ち出され、次いで対象表面上に付着される物理的プロセスである。スパッタ・コーティング・システムは市販されており、集積回路の製作に使用される。そのようなシステムは、通常、金属層をウエハ全体の上にわたって付着させるように設計される。次いで、金属層は、回路の要素を接続するために導電性パターンを形成するように、フォトリソグラフィ・プロセスを使用してパターニングされる。そのようなシステムは、通常、イオン化されたアルゴン気体のプラズマを使用し、アルゴン・イオンは、対象と衝突して対象から材料をワーク・ピースの上に打ち出す。そのようなシステムは、通常、気体をイオン化するエネルギーを提供するために電場を使用し、イオン化を容易にするように電子を捕獲するために、磁場を使用することが可能である。これらの生成システムを使用して、品質制御または欠陥分析のためにコート・サンプルをスパッタリングすることは、法外に高価である可能性がある。ガタン・イオン・スパッタ・コータ（Ｇａｔａｎ Ｉｏｎ Ｓｐｕｔｔｅｒ Ｃｏａｔｅｒ）などの他のシステムは、小さいサンプルの上にスパッタ・コーティングを提供することができるが、通常の半導体ウエハは収容せず、したがってウエハを分解しなければならない。どちらの場合でも、コーティングは、スパッタ・システムと荷電粒子ビーム・システムとの間においてワーク・ピースを移動させることを必要とし、これは、真空室の複数回の排気、ワーク・ピースがシステム間を移動する際の潜在的な汚染、ならびに追加の時間および人力を伴うことがある。
米国仮特許出願第６０／７７３３９６号 米国特許公開第２００４／０１５８４０９号 米国特許第５１８８７０５号明細書 米国特許公開第２００４／０２５１４１２号 米国特許第４６３９３０１号明細書 米国特許第５８５１４１３号明細書 米国特許第５４３５８５０号明細書

本発明の目的は、荷電粒子ビーム処理のためにコーティングをワーク・ピースの表面上に提供し、一方、表面に対する損傷をなくす、または最小限に抑えることである。

本発明は、荷電粒子ビーム処理についてワーク・ピースを保護するために、スパッタ・コーティングを表面上に提供する方法および装置を含む。

一実施形態において、システムは、荷電粒子ビーム・システム内に源材料を含む。源材料からワーク・ピース表面上に材料をスパッタリングするために、荷電粒子ビームが源材料に向けられる。荷電粒子ビームをワーク・ピースに向ける必要はなく、したがって、荷電粒子が繊細なワーク・ピースの表面上に衝突することによる損傷を回避することができる。

他の実施形態において、スパッタリングは、荷電粒子ビーム・システムとは別の室内において、またはそれと同じ真空室内において、従来のスパッタリング装置を使用して実施することが可能である。スパッタ・コーティングが加えられた後、ワーク・ピースは、荷電粒子ビームで処理される。

以上は、以下の本発明の詳細な記述がより良く理解されることが可能であるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広範に概述した。本発明の追加の特徴および利点が、以下において記述される。当業者なら、開示される概念および特定の実施形態は、本発明の同じ目的を実施する他の構造を修正または設計する基盤として容易に使用することが可能であることを理解されたい。また、当業者なら、そのような等価な構成は、添付の請求項において述べられる本発明の精神および範囲から逸脱しないことも理解されたい。

本発明およびその利点をより完全に理解するために、ここで、添付の図面と関連して取り入れられる以下の詳細な記述を参照する。

本発明は、荷電粒子ビーム処理のために保護層または導電層あるいはコーティングをスパッタ印加することを提供する。荷電粒子ビーム処理は、たとえば、イオン・ビームによってまたは電子ビームによって微細機械加工または撮像することを含むことができる。

荷電粒子ビーム処理の多くの応用分野では、荷電粒子ビーム動作を実施する前にワーク・ピースの表面を保護することが望ましい。荷電粒子ビーム付着は、通常、ビームの荷電粒子が表面に衝突することを必要とし、それにより表面を損傷することがある。本発明の実施形態を使用して、ワーク・ピース表面材料を保護するためにスパッタ・コートを加えることができ、また、ワーク・ピースのより良好な分解能および電荷制御を達成するために電荷を低減するように、導電性材料を領域にわたって提供することもできる。スパッタリングは、荷電粒子をサンプルの上にランディングさせずに荷電粒子ビーム・コーティングすることを提供し、それにより荷電粒子ビームによるワーク・ピースに対する損傷を防止、あるいは最小限に抑える。

図１は、本発明の好ましい実施形態を示す。ステップ１０２において、スパッタリングのために、ワーク・ピースを真空室内に入れる。ステップ１０４において、保護コーティングまたは導電性コーティングが、ワーク・ピースの上にスパッタリングされる。コーティングは、ワーク・ピースの表面全体、または表面の一部のみを覆うことができる。随意選択のステップ１０６において、ワーク・ピースは、荷電粒子ビーム・システムの真空室に移動される。ステップ１０６は随意選択であるが、その理由は、いくつかの実施形態では、スパッタリングと荷電粒子ビーム処理は同じ真空室において行われるからである。たとえば、スパッタリングは、荷電粒子ビームによって、または荷電粒子ビーム真空室内のスパッタ材料源から材料を打ち出すためにプラズマを使用するスパッタリング・システムによって、実施することが可能である。ステップ１０８において、スパッタリングされたコーティングを有するワーク・ピースは、荷電粒子ビームを使用して処理される。たとえば、断面がワーク・ピースにおいてミリングされ、次いで撮像されることが可能であり、または、サンプルが、荷電粒子ビームを使用してワーク・ピースから抽出されることが可能である。

本発明のいくつかの実施形態は、サンプルの保護および局所領域の電荷制御のために、その場スパッタ・ワーク・ピース・コーティング（in-situ sputter work piece coating）を提供する。それによって、荷電粒子ビーム・システムと同じ真空室においてコーティングを加えることができ、それにより、ワーク・ピースは、コーティングと荷電粒子ビーム処理についてシステム間を移動する必要はなくなる。そのような実施形態は、システムをほとんどまたは全く修正せずに、現在利用可能な荷電粒子システムと共に使用することができ、追加のプラズマ・タイプ・スパッタリング・システムを必要としない。これらの実施形態は、広範な能力を提供し、任意の特定の応用分野の要件に応じて多くの異なる方式において実施することができる。

システムのその場（in-situ）実施形態は、ワーク・ピースの上にスパッタリングしたい材料に応じて、わずかなコスト増で、あるいはコストの増加なしに、工場ベースおよび実験室ベースの両方のシステムについて新しい能力を提供することができる。その場実施形態は、ワーク・ピース表面の局所部分に対する被制御局所スパッタリング・コーティングを可能にする。従来のスパッタリング技法を使用してスパッタリング・コーティングすることができるほとんどあらゆる材料も、本発明の実施形態を使用してスパッタリングすることができる。スパッタ・コーティングは、荷電粒子ビーム真空室において任意のワーク・ピースの上に加えることができる。スパッタ・コーティングは、超低ｋ誘電体を含む低ｋ誘電体およびフォトレジストなどの材料と共に用いるとき、しばしばサンプル保護に好ましい方法である。実施形態は、ワーク・ピースの表面材料を保護する目的でスパッタリング・コーティングを加えるために使用することができ、また、サンプルのより良好な分解能および電荷制御を達成する目的で電荷を低減するように、領域の上に導電性材料を提供するために使用することもできる。

その場実施形態によれば、スパッタ材料源が、イオン・ビーム源とワーク・ピースとの間において提供される。荷電粒子ビームは、スパッタ源材料に向けられ、材料は、スパッタ源材料からワーク・ピースの上にスパッタリングされる。源材料は、たとえば、タングステン、クロム、チタン、銅、アルミニウム、または荷電粒子ビーム・システムの動作を可能にする適切な蒸気圧を有するあらゆる他の金属もしくは非金属の材料を備えることができる。

図２は、本発明の実施形態を実施するために使用することができる通常の二重ビームＦＩＢ／ＳＥＭシステム２００を示す。二重ビーム・システムは、本発明の譲受人であるＦＥＩ社から市販されている。集束イオン・ビーム・システム２００は、上方ネック部分２１２を有する排気されたエンベロープ２１０を含み、上方ネック部分２１２の内部に、イオン源２１４と、抽出器電極および静電光学システム（図示せず）を含むイオン・ビーム集束カラム２１６とが配置される。イオン・ビーム２１８は、イオン源２１４からイオン・ビーム集束カラム２１６を経て、２２０において概略的に示される静電偏向器間をワーク・ピース２２２に向かって進み、ワーク・ピース２２２は、たとえば、下方室２２６内の可動Ｘ−Ｙステージ２２４の上に配置された半導体デバイスを備える。イオン・ポンプ２２８が、ネック部分２１２を排気するために使用される。室２２６は、真空制御装置２３２の制御下において、ターボ分子および機械ポンピング・システム２３０で排気される。真空システムは、室２２６内において、約１０^-7トール（１０^-7ｍｂａｒ）と５×１０^-4トール（１．７×１０^-4ｍｂａｒ）との間の真空を提供する。エッチング補助気体、エッチング遅延気体、または付着前駆気体が使用される場合、室の背景圧力は、通常、約１０^-5トール（１０^-5ｍｂａｒ）まで上昇することが可能である。

高電圧電源２３４が、イオン・ビーム２１８を形成し、それをワーク・ピース２２２に向けるために、イオン源２１４、ならびにイオン・ビーム集束カラム２１６の適切な電極に接続される。パターン生成装置２３８によって提供される規定パターンに従って動作する偏向制御装置および増幅器２３６が、偏向プレート２２０に結合され、それにより、イオン・ビーム２１８は、ワーク・ピース２２２の上面上において、または本発明によれば、以下で記述される気体注入システム２４２のノズル２４０などのスパッタ材料源の上において、対応するパターンを追跡するように制御できる。直径が小さいので、ノズル２４０は針と呼ばれることもある。いくつかのシステムでは、偏向プレート２２０は、当技術分野では周知であるように最終レンズの前に配置される。

イオン源２１４は、通常、ガリウムの金属イオン・ビームを提供するが、たとえばイオンの代わりに酸素、アルゴン、または他の希ガスを使用して、マルチカスプ（multicusp）または他のプラズマ・イオン源などの他のイオン源を使用することができる。イオン源２１４は、通常、イオン・ミリング、化学的に改良されたエッチング、材料付着によってワーク・ピース２２２を修正するために、またはワーク・ピース２２２を撮像するために、ワーク・ピース２２２において１０分の１ミクロン以下の幅のビームに集束させることができる。ビームを点に集束させるのではなく、イオン・カラムは、成形ビームを提供することも可能である。成形ビームは、スパッタリング時間を短縮するように、より大きな電流を提供することができる。撮像のための２次イオンまたは電子放出を検出するために使用される荷電粒子倍増器などの２次電子検出器２４４が、増幅器２４６に接続される。増幅信号はデジタル信号に変換され、信号プロセッサ・ユニット２４８による信号処理を受ける。結果として得られるデジタル信号は、ワーク・ピース２２２の像をモニタ２５０の上に表示する。

走査電子顕微鏡２６０、ならびに電源および制御ユニット２６２も、ＦＩＢシステム２００に提供される。電子ビーム２６３が、カソード２６４とアノード２６８との間に電圧を印加することによってカソード２６４から放出される。電子ビーム２６３が、集光レンズ２７０および対物レンズ２７２によって微細スポットに集束される。電子ビーム２６３は、偏向コイル２７６によって試料の上を２次元走査される。集光レンズ２７０、対物レンズ２７２、および偏向コイル２７６の動作は、電源および制御ユニット２６２によって制御される。いくつかの実施形態は、走査透過型電子顕微鏡法モードにおいて使用される薄いワーク・ピースを透過する電子を検出する検出器を含む。電子ビームおよびイオン・ビームの存在はほとんどの応用分野に有用であるが、本発明は、二重ビーム・システムに限定されるものではない。

電子ビーム２６３は、下方室２２６内の可動Ｘ−Ｙステージ２２４の上にあるワーク・ピース２２２の上に集束させることができる。電子ビームの電子がワーク・ピース２２２に当たるとき、２次電子が放出される。これらの２次電子は、増幅器２４６に接続される２次電子検出器２４４または後方散乱電子検出器２６６によって検出される。増幅信号はデジタル信号に変換され、信号プロセッサ・ユニット２４８による信号処理を受ける。結果として得られるデジタル信号は、ワーク・ピース２２２の像をモニタ２５０の上に表示する。

気体注入システム２４２は、気体蒸気を導入してワーク・ピース２２２に向けるために下方室２２６の中に延びる。本発明の譲受人に譲渡された「Ｇａｓ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」についてのＣａｓｅｌｌａらへの米国特許第５８５１４１３号が、適切な気体注入システム２４２を記載している。他の気体送達システムが、やはり本発明の譲受人に譲渡された「Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」についてのＲａｓｍｕｓｓｅｎへの米国特許第５４３５８５０号において記載されている。気体注入システムは、通常クロムで作成されるノズル２４０を含む。以下で記述されるように、様々な材料で作成され、様々な材料でコーティングされ、または異なる材料のボリューム（volumes）が付着されたノズルを使用して、ワーク・ピース２２２の上にスパッタリングされる様々な材料を提供することができる。ノズル２４０は、イオン・ビーム２１８の経路の中に移動させることができ、それにより、ビームのイオンは、ノズル２４０からワーク・ピース２２２の上に材料をスパッタリングする。次いで、ノズル２４０は、ビームによるワーク・ピース２２２の処理を可能にするために、ビーム経路の外部に移動させることができる。１つまたは複数の電気モータ２８０が、ノズルを１つまたは複数の軸に沿って移動させるために使用される。

ドア２８２が、加熱または冷却することが可能であるステージ２２４の上にワーク・ピース２２２を挿入するために、また、内部気体供給リザーバが使用される場合にはそれをサービスするために開かれる。ドア２８２は、システムが真空下にある場合、開くことができないようにインタロックされる。高電圧電源は、イオン・ビーム２１８に給電して集束させるために、イオン・ビーム集束カラム２１６の電極に適切な加速電圧を提供する。ワーク・ピースを入れたり取り出したりするために、サンプル領域全体を排気しなければならないことを回避するために、「ロードロック（load rock）」を使用することができる。

上述したように、いくつかの実施形態では、スパッタリングの源材料は、気体注入システム（ＧＩＳ）の針の形態にある。集束イオン・ビーム・システムは、しばしばＧＩＳシステムの１つまたは複数を含むので、本発明は、既存のシステムにおいて容易に実施することができる。ＧＩＳシステムは、通常、真空室壁に固定され、配置されている調節機構の上に取り付けられる。調節機構により、ノズルは、気体を所望の位置に向けるように移動し、または使用されていないときにサンプルの近くから遠ざけることが可能である。複数のＧＩＳシステムを含む荷電粒子ビーム・システムでは、異なるＧＩＳシステムのＧＩＳノズルは、異なる材料で作成することができ、それにより、異なる材料のスパッタリング・コーティングは、ＧＩＳノズルの異なるものをスパッタリング材料源として使用することによって加えることができる。ＧＩＳノズルは、所望のスパッタ源材料から作成することができ、または、スパッタ源材料でコーティングすることができる。あるいはまた、源材料の１つまたは複数のボリュームは、たとえば、ＦＩＢ付着、ロウ付け、溶接を使用することによって、または接着剤を使用することによって、１つまたは複数のＧＩＳノズルに添付することができる。

図３は、本発明の実施形態を示す。イオン・カラム３０２が、ＧＩＳノズル３０４などのスパッタ材料源に向けられるイオン・ビーム３１０を提供する。ワーク・ピース３０６は、少なくともｘ−ｙ併進能力を有するワーク・ピース・ステージ３０８の上において支持される。イオン・ビーム３１０はＧＩＳノズル３０４から原子３１４または分子をスパッタリングし、原子３１４は、ワーク・ピース３０６の表面に向けて放出される。イオン・ビームは、通常、衝突の際に１０μｍ未満、より好ましくは１μｍ未満、通常は０．５μｍ未満の直径（幅全体、最大半減）を有する。

多くの荷電粒子ビーム・システムがＧＩＳをすでに含むので、ＧＩＳノズルをスパッタ材料源として使用することが好都合であるが、その場の実施形態は、ＧＩＳ針を使用することに限定されるものではない。たとえば、いくつかの荷電粒子ビーム・システムは、真空室内において小さいアイテムを操作するためにマイクロマニピュレータ（micromanipulator）を含む。マイクロマニピュレータ・システムは、通常、真空室においてサンプルまたは他のアイテムに添付するためのプローブを含む。プローブまたはプローブに添付された材料は、スパッタ材料源として使用することができる。代替として、スパッタ材料源は、ワーク・ピースの上にスパッタリングするように配置され、かつ、荷電粒子ビームがワーク・ピースを処理できるよう遠ざけることができる、真空室の中に導入された任意のデバイスの上にあるか、またはその一部であることができる。

図４は、ＧＩＳ針をスパッタ材料源として使用する本発明の好ましいその場実施形態のステップを示すフロー・チャートである。ステップ４０２において、ワーク・ピースは、真空室内に装入される。ステップ４０４において、ステージは、コーティングされるワーク・ピースの領域が、ビームの衝突点の付近であるが、わずかにそこからずれて配置されるように移動する。ステップ４０６において、ＧＩＳノズルなどのスパッタ材料源が、イオン・ビーム経路の中に移動される。当業者ならＧＩＳ針および荷電粒子ビームに対して、コーティングされる領域の最適位置を経験的に決定することができる。ステップ４０８において、イオン・ビームは、スパッタ材料源に向けられ、材料は、源からワーク・ピースの表面上にスパッタリングされる。必要であれば、ステージは、より大きな領域をコーティングするためにスパッタリング・プロセス中に移動させることができる。ワーク・ピースの上におけるコーティングの位置は、ＧＩＳノズルの上におけるビーム衝突の位置、ステージの位置、またはＧＩＳノズルの位置を調節することによって調節することができる。コーティングがワーク・ピースに加えられた後、スパッタ材料源は、ステップ４１０においてビーム経路から取り除かれる。イオン・ビームがワーク・ピースを処理するために使用される場合、ステップ４１２において、イオン・ビームはワーク・ピースの上に再集束され、ステップ４１４において、ワーク・ピースは、イオン・ビームによって、または電子ビームによって処理される。

いくつかの実施形態は、複数のＧＩＳ針を使用することができる。たとえば、１つのＧＩＳは、ビーム補助気体付着のための気体を供給することができ、１つは、スパッタリングのための材料源として使用することができ、あるいは、単一の針を両方の機能について連続的にまたは同時に使用することができる。スパッタ粒子（sputtered particle）は、スパッタリングされた材料自体の付着に加えて、材料を付着させるために前駆物質を分解するのに有用である可能性がある。複数の針は、異なる材料で作成またはコーティングすることができ、それにより、真空室からワーク・ピースを除去せずに異なる材料のスパッタ層（sputtered layer）を加えることができる。たとえば、１つの針を１つの材料でコーティングすることができ、第２針を異なる材料から作成することができ、あるいは、単一または複数のＧＩＳを使用して様々なスパッタ対象材料を選択することが可能であるように、材料の小さい対象を針に添付することができる。針は、たとえば、後で加えられたコーティングが以前のコーティングの部分を暴露して残して部分的にコーティングするか、あるいは層をなしてコーティングすることができ、それにより、コーティングのための異なる材料を提供するように、下にある材料から、あるいはコーティングの１つまたは複数からスパッタリングすることができる。複数のコーティングを加える一連のプロセスを使用することができるが、そのいくつかはスパッタリング付着を使用し、いくつかはビーム誘導気体付着を使用する。スパッタ材料源の配向または位置は、ワーク・ピースの上の対象のフィーチャ上へのスパッタリングを精確に狙うように変更することができる。すなわち、コーティングされる領域は、たとえば、スパッタ源の位置または配向、ならびにビーム・パラメータ、スパッタ源からワーク・ピースまでの距離、および他のパラメータを変更することによる「スパッタ操作（sputter steering）」によって制御することができる。

様々な実施形態は、比較的小さい選択された領域網羅について、または大きな領域網羅について使用することができる。クロム、チタン、タングステン、銅、およびアルミニウムを非限定的に含めて、複数の材料が、スパッタリングに利用可能である。

一実施形態では、ＧＩＳ針からのクロムが、２０ｎＡのビーム電流で、３０ｋｅＶのランディング・エネルギーを有するイオン・ビームを使用して、１０，０００平方ミクロンの大きさのスパッタリング領域の上に付着された。より大きなビーム電流により、より迅速なスパッタ付着が得られる。たとえば、Ｘ−Ｙ併進ステージを使用してサンプルを移動させることによって、またはスパッタ源とワーク・ピースとの距離を増大させることによって、より大きな網羅領域を達成することができる。ビーム電流は、付着を高速化または低速化するために、あるいは付着領域を制御するために、調節することができる。１００ｐＡまたは３００ｐＡ程度に低いビーム電流は、小さい領域をコーティングするのに適切である可能性がある。保護コーティングを生成するのに必要な時間は、コーティングされる領域のサイズおよびコートの厚さとによって変化する。

３０分のスパッタリングで、著しい量の付着を生成することが示されている。３０分間の処理で得られるコーティングの厚さは、１５０ｎｍより大きいと推定されており、したがって、数１０ナノメートルのコーティングは、より短い時間で容易に達成可能である。はるかにより短いスパッタ時間、５〜１０分以下の時間程度で、対象の通常の領域にわたって適切な厚さのコートを生成することが予期される。

イオン・ビームは、通常、矩形パターンにおいてＧＩＳ針または他のスパッタ材料源の上においてラスタされる（rastered）。通常のラスタ・サイズは、４０μｍ×５μｍである。１つの位置においてＧＳＩ針から過度に多くの材料を除去することを回避するために、比較的大きなラスタ・サイズが好ましい。通常のＧＩＳ針のチップ（tip）の直径は、約１．５ｍｍである。ビームの焦点は、ワーク・ピースからスパッタリング用の針に変化し、次いで、次の処理のため、焦点はワーク・ピースに再び変化させることができる。

スパッタリングされる材料の量は、通常、ＧＩＳ針の厚さと比較して相対的に小さく、したがって、ほとんどの実施形態ではＧＩＳ針の磨耗は問題ではない。ラスタは、磨耗を低減するために、ＧＩＳ上の異なる位置に移動させることができる。

ほとんどの実施形態では、ビームがＧＩＳ針の上でラスタしている間、サンプルの位置およびＧＩＳの位置は固定される。スパッタ材料源の上における１次ビームのランディング位置は、スパッタ・コーティングの位置を調節し、より大きな領域をコーティングするように変化させることができる。当然、サンプル、ＧＩＳ針、またはビームのいずれかまたはすべては、ワーク・ピースの上におけるスパッタ・コーティングのサイズを増大させる、または他のパラメータを調節するために、移動させることができる。

本発明は、ビームをワーク・ピースに向けることを必要とせずに、荷電粒子ビーム・システムにおいてワーク・ピースの上にコーティングを生成することを提供する。本発明の範囲から逸脱せずに、ビームがスパッタ源に向けられている間、荷電粒子ビームがワーク・ピースに偶発的に衝突する可性がある。あらゆる偶発的な衝突は、焦点からずれている可能性があり、集束または成形された粒子ビームをワーク・ピースに向けるより少ない損傷ですませることができる。本発明は、集積回路、薄膜読取り／書込みヘッド、微細電気機械アセンブリ（ＭＥＭＳ）（microelectromechanical assemblies）、および他のデバイスを含めて、任意のワーク・ピースに適用することができる。従来の技術のプラズマ・スパッタ・システムとは異なり、本発明のいくつかの実施形態は、対物レンズおよび随意選択で集光レンズなどの荷電粒子ビーム光学機器を使用して、スパッタリングの前にビームを収束させる。ウエハ全体にわたってコーティングを生成する従来の技術のウエハ・スパッタリング・システムとは異なり、本発明のいくつかの実施形態は、ウエハまたは他のワーク・ピースの比較的小さい部分をコーティングする能力を提供し、それにより、ウエハの上の他のダイ（die）が影響を受けないことを可能にする。一実施形態では、約２００μｍの直径の円がコーティングされた。コーティングされる領域のサイズは、スパッタ材料源の上においてイオン・ビームによってミリングされるパターンのサイズと共に変化する。２０μｍから５０μｍメートルの範囲内などのより小さい領域が、容易に達成可能であるはずである。

上述されたその場実施形態のほかに、いくつかの実施形態は、粒子ビームを使用せずにスパッタリングする。たとえば、材料は、ダイオード、トリオード、またはマグネトロン・タイプのスパッタリング・システムを使用してスパッタリングされることが可能である。そのようなシステムは、荷電粒子ビームを表面に向けずに、保護層をワーク・ピース表面の上に提供し、それにより表面に対する損傷を低減または排除する。保護コーティングが加えられた後、ワーク・ピースは、たとえば、像を形成する、サンプルを抽出する、または断面もしくは埋込み層を暴露させるために、荷電粒子ビームを使用して処理することができる。スパッタリング機構は、サンプルが荷電粒子ビームを使用して処理されるものとは異なる真空室に配置することができ、または、スパッタリング機構は、ワーク・ピースを機械間において移動しなくてすむように、同じ真空室内に配置することができる。

本発明およびその利点が詳細に記述されたが、添付の請求項によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱せずに、様々な修正、代用、および変更を行うことができることを理解されたい。さらに本出願の範囲は、本明細書において記述されたプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者なら、本発明の開示から、本明細書において記述された対応する実施形態とほぼ同じ機構を実施する、またはそれとほぼ同じ結果を達成する現在既存の、または後に開発されるプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップが、本発明により使用されることが可能であることを容易に理解するであろう。したがって、添付の請求項は、その範囲内にそのようなプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップを含むことを意図する。

本発明の好ましい実施形態を示すフロー・チャートである。 本発明を実施することができる二重ビーム・システムを示す図である。 材料をワーク・ピースの上にスパッタリングする荷電粒子ビームを示す図である。 本発明の実施形態の好ましいステップを示すフロー・チャートである。

符号の説明

１０２ １０４ １０６ １０８ ステップ
２００ 集束イオン・ビーム・システム
２１０ 排気されたエンベロープ
２１２ 上方ネック部分
２１４ イオン源
２１６ イオン・ビーム集束カラム
２１８ イオン・ビーム
２２２ ワーク・ピース
２２４ 可動Ｘ−Ｙステージ
２２６ 下方室
２２８ イオン・ポンプ
２３０ ターボ分子および機械ポンピング・システム
２３２ 真空制御装置
２３４ 高電圧電源
２３６ 偏向制御装置および増幅器
２３８ パターン生成装置
２４０ ノズル
２４２ 気体注入システム
２４４ ２次電子検出器
２４６ 増幅器
２４８ 信号プロセッサ・ユニット
２５０ モニタ
２６０ 走査電子顕微鏡
２６２ 電源および制御ユニット
２６３ 電子ビーム
２６４ カソード
２６８ アノード
２７０ 集光レンズ
２７２ 対物レンズ
２７６ 偏向コイル
２８０ １つまたは複数の電気モータ
３０２ イオン・カラム
３０４ ＧＩＳノズル
３０６ ワーク・ピース
３０８ ワーク・ピース・ステージ
３１０ イオン・ビーム
３１４ 原子
４０２ ４０４ ４０６ ４０８ ４１０ ４１２ ４１４ ステップ

Claims (20)

1. 粒子ビーム源およびワーク・ピース支持を有する荷電粒子ビーム・システムの真空室においてワーク・ピースの上にコーティングを形成する方法であって、
   ワーク・ピースを前記荷電粒子ビーム・システムの前記真空室内および前記ワーク・ピース支持の上に挿入することと、
   前記真空室においてスパッタ材料源を提供し、前記スパッタ材料源が、前記粒子ビーム源と前記ワーク・ピース支持との間に配置されることと、
   前記スパッタ材料源から前記ワーク・ピースの領域に材料をスパッタリングして、ワーク・ピースの前記領域の上に層を形成するために、前記荷電粒子ビームを前記スパッタ材料源に向け、それにより前記ワーク・ピースに対する損傷を回避することと、
   前記ワーク・ピースの像を処理または形成するために、前記ワーク・ピースの前記領域に前記荷電粒子を向けることとを備える方法。
2. 前記荷電粒子ビームをスパッタ材料源に向けること、および前記ワーク・ピースの像を処理または形成するために前記荷電粒子をワーク・ピースの前記領域に向けることが、前記荷電粒子ビームを前記スパッタ源に向けることと、前記荷電粒子をワーク・ピースの領域に向けることとの間で、前記ワーク・ピースを前記真空室から取り出すことなく同じ真空室において行われ、それにより、保護層または導電層が加えられ、前記保護層または導電層を有するワーク・ピースが、前記ワーク・ピースを前記真空室から取り出すことなく処理または撮像されることが可能になる請求項１に記載の方法。
3. 前記ワーク・ピースの領域を処理するために、前記荷電粒子を前記ワーク・ピースの領域に向けることが、２次電子または透過電子を使用して前記ワーク・ピースの前記領域の像を形成するために、電子ビームを前記ワーク・ピースに向けることを含む請求項１に記載の方法。
4. 前記ワーク・ピースの領域を処理するために、前記荷電粒子を前記ワーク・ピースの領域に向けることが、前記ワーク・ピースを微細機械加工するために、または材料を前記ワーク・ピースの上に付着させるために、イオン・ビームをワーク・ピースの前記領域に向けることを含む請求項１に記載の方法。
5. 前記荷電粒子ビームを前記スパッタ材料源に向けることが、気体注入システム・ノズル、または気体注入ノズルの上においてコーティングされた材料または支持された材料に前記荷電粒子ビームを向けることを含む請求項１に記載の方法。
6. 前記荷電粒子ビームを前記スパッタ材料源に向けることが、保護層または導電層を前記ワーク・ピースの上に形成するために、前記荷電粒子ビームを材料源に向けることを含む請求項１に記載の方法。
7. 材料を前記スパッタ材料源からスパッタリングするために、前記荷電粒子ビームを前記スパッタ材料源に向けることが、集束イオン・ビームまたは成形イオン・ビームを前記スパッタ材料源に向けることを含む請求項１に記載の方法。
8. 前記荷電粒子ビームを前記スパッタ材料源に向けることが、前記スパッタ材料源から前記ワーク・ピースの上にタングステン、クロム、チタン、銅、またはアルミニウムの材料をスパッタリングするために、前記荷電粒子ビームを前記スパッタ材料源に向けることを含む請求項１に記載の方法。
9. 前記スパッタ材料源から前記ワーク・ピースの領域の上に材料をスパッタリングして、ワーク・ピースの前記領域の上に層を形成するために、前記荷電粒子ビームを前記スパッタ材料源に向けることが、前記スパッタ材料源からウエハまたは他のワーク・ピースの比較的小さい部分の上に材料をスパッタリングするために、前記荷電粒子ビームを前記スパッタ材料源に向けることを含む請求項１に記載の方法。
10. 請求項１に記載のステップを実施するコンピュータ命令を記憶するメモリを含む荷電粒子システム。
11. 荷電粒子ビームを処理する方法であって、
    コーティングをワーク・ピースの上にスパッタリングすることと、
    前記ワーク・ピースから材料をエッチングし、材料を前記ワーク・ピースの上に付着させ、または前記ワーク・ピースの像を形成するために、荷電粒子ビームを使用して前記ワーク・ピースを処理し、スパッタ・コーティングが、荷電粒子ビーム処理中にワーク・ピースの表面上のフィーチャを保護することとを備える方法。
12. コーティングをワーク・ピースの上にスパッタリングすることが、ウエハまたは他のワーク・ピースの比較的小さい部分の上にコーティングをスパッタリングすることを含む請求項１１に記載の方法。
13. コーティングをワーク・ピースの上にスパッタリングすることが、源から前記ワーク・ピースの上に材料をスパッタリングするために、イオン・ビームをスパッタリング材料源に向けることを含む請求項１１に記載の方法。
14. 荷電粒子ビームを使用して前記ワーク・ピースを処理することが、前記ワーク・ピースの形状を変化させるために、集束または成形されたイオン・ビームを前記ワーク・ピースに向けることを含む請求項１１に記載の方法。
15. 前記ワーク・ピースの前記形状を変化させるために、集束または成形されたイオン・ビームを前記ワーク・ピースに向けることが、断面を暴露させるために前記ワーク・ピースをミリングすることを含む請求項１３に記載の方法。
16. 走査電子顕微鏡法を使用して前記断面の像を形成するために、電子ビームを暴露断面に向けることをさらに備え、前記ワーク・ピースが、スパッタリングし、前記集束または成形されたイオン・ビームによって処理し、および前記電子ビームを向けるために、同じ真空室に留まる請求項１５に記載の方法。
17. 前記ワーク・ピースの前記形状を変化させるために、集束または成形されたイオン・ビームを前記ワーク・ピースに向けることが、サンプルを前記ワーク・ピースから抽出するために、前記ワーク・ピースをミリングすることを含む請求項１３に記載の方法。
18. コーティングをワーク・ピースの上にスパッタリングすることが、前記源から前記ワーク・ピースの上に材料をスパッタリングするためにプラズマを使用することを含む請求項１１に記載の方法。
19. 請求項１１に記載のステップを実施するコンピュータ命令を記憶するメモリを含む荷電粒子システム。
20. 荷電粒子源と、
    真空室内に配置されたワーク・ピースを処理するために、荷電粒子を集束ビームまたは成形ビームに形成するための荷電粒子ビーム光学構成要素と、
    異なる材料をスパッタリングするための、真空室内に配置された複数のスパッタ材料源と、
    荷電粒子ビームを前記ワーク・ピースに向けずに、前記スパッタ材料源から前記ワーク・ピースの上に材料をスパッタリングして前記ワーク・ピースの上にコーティングを形成するために前記荷電粒子ビームを前記スパッタ材料源に向けることができる第１位置と、前記荷電粒子ビームを前記ワーク・ピースに衝突するように向けることを可能にするために、前記スパッタ材料源がビーム経路にない第２位置とに前記スパッタ材料源を移動させるためのマニピュレータとを備える荷電粒子ビーム・システム。

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