JP2024508743A - 均一なイオン切削に適するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

サンプルの大きい区域の高精度で均一な材料除去又は層剥離のためのシステム及び方法が提供される。切削区域のサイズは、サブミリメートルスケールから数ミリメートルスケールまでの範囲にわたって制御可能であり、深さ分解能が、ナノメートルスケールで制御可能である。均一な層剥離を実現するために、被制御単荷電イオンビームが、サンプルの中心部から周辺部に向けてイオン密度分布を正規化するようにサンプル表面にわたって走査される。【選択図】図２

Description

本発明は、チップの構造及び化学性状の識別並びに／或いは不良解析に向けた集積回路又はＩＣチップ、光学デバイス、電子デバイス、及びこれらのいずれかの組み合わせ等のサンプルの制御された分解に関する。より具体的には、本発明は、制御可能イオンビームを用いることによって比較的大きい面積のＩＣチップを均一に層剥離するシステム及び方法に関する。

半導体産業において、ＩＣチップは、各集積回路の中にトランジスタを含む個別デバイスを数十億個も有する桁外れに複雑なものである。ＩＣチップは、各々が１原子面から数ミクロンまでの範囲にある所与の厚みを有する数多くの層を含む。層は、チップの全部又は一部の表面を占有する場合がある。各層は、金属、合金、半導体材料、セラミック、絶縁体、又はいずれか他の材料を備える場合がある集積回路の様々な構成要素の一部を含む場合がある。各層は、論理デバイスとメモリデバイスとの両方に関係する。

研究開発段階の間及びそれに続く製造プロセスを通して、集積回路の中に含まれる様々なデバイスに関する材料の性質を理解することは不可欠である。一般的に、チップは、回路図から導き出された物理的電子回路を生成するための成長、堆積、エッチング、及び研磨のプロセスによって形成される。これらのプロセスは桁外れに複雑で、高精度で制御されない場合には、チップの中に欠陥が生じる恐れがある。

一般的に、新しい設計の初期製造過程において許容可能なＩＣチップの歩留まりは低い。製造者は、高い歩留まりを求めて加工プロセスを改善するのに数ヶ月を必要とする。チップの性能と歩留まりとの両方を向上させるためのプロセス制御に向けて、様々な解析技法からのフィードバックが利用される。例えば、計測工学は、チップの中にあるデバイスの高精度測定を取り扱う。個別回路を試験する上で電気プローブ測定が用いられる。

チップ製造の最中及び後には品質制御が極めて重要である。半導体デバイスの信頼性は最重要である。故障状態が発生した時には、不良解析に多大な労力が捧げられる。多くの場合、チップは現場から戻されることから、故障箇所が露出するまで材料を慎重に除去することによって事後の単一欠陥不良解析を行うことが不可欠である。

製造中の歩留まりの向上及び品質制御並びに作製後の不良解析には、様々な性質定量化技法に適した個別デバイス特徴部へのアクセスを有することが不可欠である。

試験に向けての個別特徴部へのアクセスは、デバイスのリバースエンジニアリング又は被制御分解によって果たすことができる。例えば、これらの特徴部が期待仕様を満たすかどうかを決定するために適格及び不適格なチップがリバースエンジニアリングされる。技術者は、ビア、化学組成、トランジスタ及び／又はメモリのウェル寸法、並びに同様のものを含む内部特徴部の位置、幅、及び厚みをチェックすることになる。更に技術者は、詳細な欠陥の場所を特定し、欠陥を識別しようと試みることになる。このリバースエンジニアリング情報は、歩留まり向上目的でプロセスエンジニアリングに供給されることになる。

リバースエンジニアリングは、チップ又はサンプルの逐次層剥離及び各層における後続の解析を含む。このプロセスは、特に、時として１００を過える多数の層の間で分散した特徴部の個数を考慮すると桁外れに複雑である。更に複雑さを増すのは、これらの層の各々が、およそ１ｎｍ～２０００ｎｍまでの厚みを有し、多くの場合に様々な電子回路に対応するために複数の要素で構成されることである。

現在、ＩＣ産業では５ｎｍ技術ノードが商用目的で用いられており、２～３ｎｍスケールが開発中である。特徴部サイズは、１ｎｍ又はそれ以下へと絶えず小さくなく傾向にある。

層剥離に用いられる様々な技法が存在する。例えば、サンプルの表面を削り取るためにミクロンスケール又はサブミクロンスケールの研摩剤粒子を用いる機械的研磨が１つの方法である。しかしながら、これらの粒子は、重要なチップ特性を破壊する可能性があるミクロンスケール又はサブミクロンスケールのアーチファクト或いは掻き傷をサンプル表面内に発生させる。また、機械的方法は、材料の除去量に対する高精度な制御を欠く。

チップを様々な化学薬品に曝して、材料をチップ表面から除去する化学反応を引き起こすことによって材料を除去する化学的エッチングが用いられる。しかしながら、エッチング剤の化学作用に依存して、チップの中にある様々な材料が異なるエッチング速度で反応する。それによって、差別的又は不均一な材料除去が生じる可能性がある。

プラズマエッチングが、ＩＣチップから材料を除去するための別の方法である。この方法は、反応性イオン化ガス及び／又は真空下で強電場によってイオン化される非反応性ガスの組み合わせを用いる。反応性イオンは、チップ表面上で化学反応と衝撃効果又はスパッタリング効果との両方を生じ、それによって表面から材料を除去する。非反応性イオンは、物理的衝撃のみを引き起こし、それによって材料をスパッタリング除去する。元素組成、材料密度、及びエッチング化学種における不均一性が、エッチング速度及び材料除去均一性に悪影響を与える恐れがある。

チップを層剥離するのにブロードビームイオン切削も用いられる。通常、このプロセスでは、イオンビームの中心部が、ビームの周辺部又はテールと比較して高いエネルギー密度を有する。従って、一般的にチップの中心部が縁部よりも速く切削され、中心部にイオンビームが最も強い凹形の切削スポットが生じ、縁部にイオンビーム密度がより低い浅めの深さが生じる。この凹形幾何学形状の表面プロファイルは、単一のチップ層の大きい区域の中に場所決めされた特徴部を撮像及び解析する能力を不能にする。

層剥離技術のごく最近の開発は、イオンビームがより強く集束される集束イオンビーム又はＦＩＢ及びプラズマＦＩＢ又はＰＦＩＢである。しかしながら、これらの方法の欠点は、低速の切削速度、比較的小さい切削面積、ガリウム等であるがそれに限定されない化学反応性元素の注入である。

より均一な層剥離に必要とされる３つの基本要件は、１）前処理区域の均一な平坦性又は平面性、２）最大で１０ｍｍ×１０ｍｍ又はそれ以上の大きい面積、及び３）制御可能深さ分解能である。従って、当該技術分野で必要とされるのは、十分な分解能で全体のチップの層剥離を果たし、個別層の高精度で均一な除去を可能にするデバイス及び方法である。更に、このシステムは、注目区域の範囲内で表面特性測定を行うことを可能にする平面性を所与の層の中で得ることを必要とする。

イオン切削による全体のサンプル表面にわたる均一な層剥離に適するシステム及び方法を開示する。具体的に、システムは、真空チャンバ内にある１つ又は２つ以上のイオンビーム源と、固定された又は回転するサンプル台と、ＩＣチップ等のサンプルの全体にわたって選択的に１つ又は２つ以上の層を均一に除去するためにイオンビーム源を制御する制御ユニットと、光学顕微鏡、ＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラ、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、エネルギー分散分光計（ＥＤＳ）、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）、及び／又はオージェプローブ等の少なくとも１つの検出器とを含む。

プロセスの重要な態様は、一般的に最大で１０ｃｍの長い作動距離にわたってプロファイルを維持する略円柱形のイオンビームの生成である。それに加えて、このビームを大きい区域にわたって走査又はラスター走査してチップの中にある個々の層構造を均一に露出させる能力を有することが不可欠である。一貫した切削を果たすためには、一般的に、チップ表面に対して好ましくはゼロ度に近づくような視射角で導くことが重要である。更に、ビームの中にあるイオン種を選別して中性荷電粒子を排除することが重要である。このようにして、好ましくは、荷電粒子（イオン）のみで構成されたビームが、チップ表面に対して制御可能な方式で導かれる。

個々の層の中で平面性を確立するためには、イオンビームが、デバイス幾何学構成及び元素組成に依存せずに材料を均一に除去することができるようにイオンビームを制御することが重要である。この目的を果たすために、イオン源の性能につながる出力データを有する検出器をフィードバック制御ループで利用するその場感知システムの適用を利用することができる。

効果的な層剥離では、サンプル表面にわたってイオン密度分布を均一に維持することが不可欠である。チップの中に含まれて異なる速度で飛散させる様々な要素によって引き起こされる異なる切削速度を最小限に抑えるためにサンプルの回転が更に用いられる。一般的に、硬めでより低速で切削される要素が、軟らかめでより高速に切削される要素を覆って比較的平面状の表面が生じる。

本発明の材料除去法は、イオン密度分布を正規化するようにサンプル表面にわたって走査される被制御イオンビームを用いる。より具体的には、システムは、イオンビームを生成するイオンビーム源を含む。イオン源技術は、好ましくは電子衝撃であるが、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）等の他の種類のイオン源技術とすることができる。

電子衝撃イオン化源は、電子流を起こし、続いてそれらをイオン化チャンバの中に導くフィラメントカートリッジで構成される。イオン化チャンバ内では、電子が、同じくこのチャンバの中に収容されたプロセスガスと相互作用してイオンを生成する。イオンは、その後、引き出されて、イオン源の集束レンズ構成要素を通して導かれる。

イオンビーム源の出口は、ラスター走査電極又は偏向電極等のビーム誘導操作機構を収容し、好ましくは、幾つかの個々に独立して制御される誘導操作ロッドを備える。ビーム誘導操作機構は、サンプル表面に対してイオンをＸ方向とＹ方向との両方に偏向するように設計される。従って、ビーム方向とラスター走査振幅との両方が、好ましくは調節可能である。これらの電極のＸ－Ｘラスター走査機能が、イオンビームをサンプル表面に対して平行に走査する。イオンビーム源は、そこから放出される結果として得られるイオンビームが、サンプル表面に対して実質的に平行であり、ゼロ偏向条件下ではサンプル表面に交わらないようにシステムに装着される。Ｙ偏向を適用することによって、イオンビームはサンプル表面に向けて導かれる。

また、誘導操作機構は、荷電粒子のみを偏向することによって非荷電粒子をイオンビームから静電気的に分離させる。中性原子は、影響を受けずにサンプル表面の上方の平行経路内で続行する。このようにして、イオンのみが、Ｙ偏向を適用する関数として表面上に入射する。

運動量伝達／飛散プロセスによって、材料は、上記のような被制御方式でサンプル表面からはじき出されて均一な層剥離を生じる。制御ユニットが、イオンビーム源及び誘導操作機構の作動を駆動し、ラスター走査振幅及び走査速度を制御及び調節する。

被制御切削では、イオンビーム走査は、様々な検出器の出力からのフィードバックに依拠する。所与の層の構造及び化学性状を特性評価するための表面データを、画像、スペクトル、又はその他の情報で構成することができる。例えば、様々な検出器が、切削サンプル表面からの信号を点毎に取り込み、この場合、点のサイズは、ほぼイオンビーム又は電子ビームのどちらかのサイズである。かかる検出器は、サンプルの相応する層の中に存在する様々なデバイスの分析的決定に用いることができる。検出器は、サンプル表面の均一性を決定するためにこの表面の物理的トポグラフィを取り込む光学カメラ等のカメラを含むことができる。照明源が、光学撮像を補助することができる。

サンプル表面に対する電子ビームの走査は、入射電子とサンプル材料との間に空間領域相互作用を引き起こす。この相互作用は、電子ビームの加速電圧とサンプルの元素組成との両方に依存する。相互作用は、Ｘ線と、様々な種類の電子、例えば後方散乱電子及び二次電子との両方を生じる。生成される電子及びＸ線の特性は、表面性質と原子相互作用との両方に依存する。

ＳＥＭによって生成された電子と相応するサンプル空間領域との相互作用によって深さプロファイル情報が生成される。検出器技術と最先端数学とが、切削区域の深さプロファイルに関する情報を生じる。この情報は、システム電子機器と切削プロセスの制御との組み合わせによって得られる。

エバーハート・ソーンリー型のもの等の二次電子検出器又はＳＥＤを用いることで、電子ビームの入射によって発生する電子又はイオンビームの入射によって発生するイオン誘起二次電子のどちらかを取り込んで処理することによってサンプル表面に関する情報を生じることができる。後方散乱電子検出器又はＢＳＥ技術との連携でＳＥＭの加速電圧を変更することによって、材料の相互作用体積対電圧の変化に起因して深さ情報を生成することができる。更なる検出器は、切削表面構造及び化学組成、並びに層剥離プロセスの最中に様々な層から派生する飛散副産物を分析するためのＥＤＳ、ＳＩＭＳ、又はオージェプローブを含むことができる。

制御ユニットは、層剥離プロセスの最中に様々な検出器技術からの出力を受け取って分析し、個々のデバイス層の組成を定量及び決定し、切削の状況を評価する。例えば、制御ユニットは、サンプル中心部、サンプル周辺部、及びこれらの間にあるいずれかの量の点において生成されたデータから深さプロファイルマップを作成する。続いて、相応する位置に関する深さプロファイルのばらつきが、数学的切削アルゴリズムの中に入力される。均一な層剥離を実現するためにビームがサンプルにわたって移動する時にイオン密度分布が調節可能であるようなアルゴリズムが開発済みである。このアルゴリズムの切削因子ｋが、下記でより完全に解説するように調節され、制御ユニットは、点毎の滞留時間と、相応する電流密度との両方に関してイオンビームラスター走査パターンを物理的に変更する切削パターンの修正に向けて修正した動作命令をイオン源に実時間で送る。この連続フィードバック法は、その後、下記でより完全に解説するように深さ変化Δｄを最小限に抑えて、平面状の表面を生じる。

上記に即して、制御ユニットは、データを処理し、１つ又は２つ以上の材料を備える、全体のＩＣチップの層を均一に除去することを可能にするためのコマンドを与える。このチップの層の各々をそれぞれの適切な速度で選択的に除去するようにイオンビーム源を制御するために、コンピュータ管理のデータをメモリの中にロードし、１つ又は２つ以上の超小型電子デバイス上で実行することができる。

半導体産業では、層幾何学構成及び元素組成が、チップアーキテクチャの最も基本的な態様であることから広く公知である。チップ設計プロセスの最中に作成される初期マップを用いて、トランジスタ、メモリウェル、及びその他のもの、並びにこれらの特徴部の間の相応する相互接続部等であるがこれらに限定されない特徴部が確定される。続いて、リソグラフィを用いて、これらのマップが様々なチップ層の上にプリントされ、デバイス回路が生じる。回路マップは、チップ生成にとっての基礎であることから半導体デバイス製造者には公知であるが、これらのマップは、非常に機密なものである。

システムには、個々の層の表面マップを入力する能力が任意選択的に与えられる。制御電子機器及び相応するソフトウェアが、様々な検出器からデータを取り込んで解析し、切削プロセスの最中にサンプル特性のマップを作成する。ＳＥＭ電子ビームの加速電圧を変更することによって、切削中の表面層並びに少なくとも１つの下層からの情報が生成される。この実時間サンプル表現が、続いて元のデバイスマップと比較される。その後、切削因子ｋが、所与のチップ層の全面積にわたって均一で平面状のプロファイルを生成するためにサンプル表面にわたる切削を正規化するように当該表面に関する材料の相対除去速度に基づいて調節される。

最適なサンプル特性を得るためには、イオンビーム性能特性が可変である必要がある。例えば、レーザービームエネルギーが切削速度を高めるが、アーチファクトが生じる可能性がある。低めのエネルギーは、一般的に高品質表面を生成するが、相応する切削速度が低下する。

イオン切削は、各層から取得したデータを用いて階層回路情報を明らかにする。所与の層の構造が既知である時の画像処理データは、構造マップの形態にある場合がある。この場合、このデータを、プロセスの調節及び終了に向けて実時間情報と比較することができる。

更なる技法は、様々な層の各々からの画像及び相応するデータの取得と、それに続いて特徴部幾何学構成及び元素組成に相応する情報を与えるために再構築を行う段階とを含む。それによって、チップ構造及び化学性状の３次元表現が生じる。この３次元表現は、層剥離プロセスを停止するための終点決定法として用いることもできる。

その後、イオン切削中に行われる観測及び測定を、観測結果に基づいて切削パラメータを調節するフィードバックループを組み込んだ自己教師あり学習プロセス又は人工知能を用いて調節することができる。独特の部分の種類に対して個々の切削実施計画を作成し、それを、この学習技術を用いて同等の特性を有する全てのチップに対して適用することができる。

システムは、チップ又はサンプルを真空チャンバの中に配置する段階と、イオンビーム及び電子ビームを動作させる段階と、様々な検出器から信号を取得して処理する段階と、チップの中にある特定の個々の層をそれぞれの適切な速度で選択的に除去するようにイオンビーム源に関係する１つ又は２つ以上の動作パラメータを動的に調節する段階とを含む。

本発明は、チップの上面からデータを取得する方法を更に含む。表面データは、チップの特徴部又はその他の態様を特徴付ける能力を有する写真、画像、化学組成、又はその他のデータ表現を含むことができる。この方法は、任意選択的に実施することができ、設計厚の層を除去する段階は、単一の段階で果たされ、この層の中に存在する各材料に対する除去速度は同じである。各材料に対するそれぞれの除去速度が異なる時には、各々が、異なる特性で動作するイオンビーム源を用いる一連の繰り返し段階が、設計厚の層の均一な除去を生じる。方法は、両方ともユーザによって決定されたチップの事前決定数の層又は事前決定全厚が除去され終わるまで前述の段階を繰り返す段階を更に含むことができる。更に、方法は、各層からの取得データを用いて階層回路図を生成する段階を含むことができる。

本発明を用いると、サブミリメートルスケールから数ミリメートルスケールまでの範囲にわたって切削区域のサイズが制御可能である。深さ分解能も、ナノメートルスケールで制御可能である。本発明のシステム及び方法は、特徴部が、位置、寸法、及び元素組成に関する期待仕様を満たしているかどうかを決定するためにチップを高精度で層剥離することを可能にする。チップの構造及び化学性状の所要の解析と、高速、高精度で一貫した均一層剥離法との組み合わせが、本発明を不可欠なものにした。この種の層剥離は、光学／電子顕微鏡検査、電気的性質の測定、及び様々な形態の分光測定等の方法を用いる後続の撮像及び解析を可能にする。

本イオン切削システム及び方法は、その具体的な特徴及び利点と併せて、添付図面を参照しながらの以下に続く詳細説明から明らかになろう。

凹形表面特性を示す、従来技術のイオンビーム切削装置によって生成された層剥離結果の断面図である。 本発明によって得られた層剥離結果の断面図である。 サンプル表面のＸ軸に沿うイオンビームのラスター走査及び相応するイオン密度分布の略図である。 本発明のイオン密度分布を切削区域半径の関数として制御するために用いられるアルゴリズムに対する理論的根拠の図である。 本発明のある特定の構成要素の相対位置の略図である。 本発明の略図である。 本発明の略図である。 本発明の電子源組立体の分解図である。 図８に記載の電子源組立体の図である。 図９Ａに記載の電子源組立体の端面図である。 図９Ｂに記載の線１０－１０に沿って示す電子源組立体の断面図である。 フィラメント組立体及び曲げツールの等角図である。 フィラメントワイヤを曲げるためのピンの使用を示すフィラメント組立体の等角図である。 フィラメント組立体及び装填スタンドの部分分解図である。 図１２に記載のフィラメント組立体及び装填スタンドの上面平面図である。 図１３Ａに記載の線１３Ｂ－１３Ｂに沿って示すフィラメント組立体及び装填スタンドの断面図である。 本発明のイオン化組立体の分解図である。 図１４に記載のイオン化組立体の端面平面図である。 図１５に記載の線１６－１６に沿って示すイオン化組立体の断面図である。 本発明の集束組立体及びビーム誘導操作組立体の分解図である。 図１７に記載の集束組立体の端面図である。 図１８に記載の線１９－１９に沿って示す集束組立体の断面図である。 第１の電気入力を示す、図１８に記載の集束組立体の部分分解図である。 第２の電気入力を示す、図１８に記載の集束組立体の部分分解図である。 図１８に記載の集束組立体の部分分解図である。

図面の幾つかの図の全体を通して同様の参照番号が同様の部分を指し示す。これらの図は、それらが示す特定の実施形態に本発明を限定することを意図したものではない。図面は、必ずしも正確な縮尺のものとは限らない。

添付図面に示すように、本発明は、サンプル表面にわたって均一な層剥離を果たすためにＩＣチップ等のサンプルを、ラスター走査イオンビームを用いて層剥離するシステム及び方法に関する。本明細書で用いる場合、層は、表面上に敷設された又は表面にわたって分散された１つ又は２つ以上の材料の均一な厚みを意味する。厚みは１原子面から最大で数ミクロンまでに等しい場合がある。層は、全部又は一部の表面を占有する場合がある。サンプルは、金属、合金、半導体材料、セラミック、絶縁体、又はいずれか他の固体材料を意味する場合がある。サンプルは、半導体デバイス、集積回路チップ、いずれかの厚みの金属及び誘電体の層、いずれかのサイズの区域内にある１つ又は２つ以上の材料、光学デバイス、電子デバイス、或いはこれらのいずれかの組み合わせを意味する場合もあるが、これらに限定されない。均一な層剥離は、切削プロセスにおける１つ又は２つ以上の層の部分的又は全体的な除去を意味し、この場合、１つ又は２つ以上の層又はその一部分は、１つ又は２つ以上の材料を備える場合があり、１つ又は２つ以上の層は、いずれか望ましい均一な厚みのものである場合がある。

広義に特徴付けると、本発明は、集積回路及びその他の固体材料等のサンプルを大きい面積スケールで層剥離するシステム及び方法を実現する。より具体的には、複数の実施形態が、集積回路のサンプルから１つ又は２つ以上の層を直径が最大でおよそ１０ｍｍの区域内で望ましい均一な厚みで除去することを容易にするための装置及び方法に関する。複数の実施形態が、所定の区域の層剥離中にサンプルの表面の平面性を有益に維持する。更に、全体の層剥離プロセスが、特徴部、ワイヤパターン、化学組成、及びその他の注目の性質を仕様検査、不良解析、又は３Ｄ再構築に向けて解析及び／又は記録することができる多くの終点を含むことができる。

従来のイオンビームでは、ビームの中のイオン流束密度が、一般的にガウスプロファイルに従い、それによって中心区域が高めの密度を有し、ビームの周辺部又はテールが低めの密度を有する。従って、ブロードビームイオン切削を利用する時には、サンプルの中心部が、周辺部と比較して高速に切削され、それによって半導体チップ層を均一に層剥離する能力が不能になる。

図１を参照すると、従来のイオンビームを利用した層剥離結果がサンプル２上の曲線１によって示されている。通常、層剥離プロセスにおける切削速度Ｒは、単位切削面積Ａ当たりのイオン密度Ｉｄによって次式の通りに決定される。
Ｒ＝ｃ＊Ｉｄ／Ａ＝ｃ＊Ｉｄ／ｒ＊Δｒ （１）
上式中のＡは、Ａ＝ｒ＊Δｒであり、ｒは、円形切削マークの半径であり、ｃは定数である。

本発明は、サンプルサイズに対して比較的小さいビームを生成し、デバイスの位置と元素組成との両方に依存しない図２に示している均一な切削を促進する特定の被制御方式でこのビームをサンプル表面にわたって走査又はラスター走査することによって上記の不均等な層剥離に対処する。

図２を参照すると、サンプル１上で切削されたトレンチＤは、深さ３、４、５の和を３で除したものに等しい。
Ｄ＝（Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３）／３ （２）
非平面性Δｄ＝（｜Ｄ１－Ｄ｜＋｜Ｄ２－Ｄ｜＋｜Ｄ３－Ｄ｜）／３ （３）
切削誤差ΔＥ＝Δｄ／Ｄ （４）

サンプル１を層剥離するための本システム５００及び方法は、Δｄを数ナノメートルまで可能な限り小さくし、ΔＥを１％よりも低く、一般的に０．１％にしながら大きい面積のサンプル１を層剥離することを可能にする。

この技法は、図３に示しているようなイオン密度分布を生じる。具体的には、イオンビーム源３１が、この図では範囲として示しているイオンビーム３２を放出し、このビームは、サンプル１の表面上にある入射角で入射する。サンプル１は、層剥離プロセスの最中に方向３４に沿って回転する。従って、結果として得られる切削区域３３は、形状が円形である。

回転速度範囲は、０～１００ｒｐｍの範囲内で可変である。回転方向は、時計方向又は反時計方向のどちらとすることもできる。入射ビーム３２の角度範囲は、０．０度から１５度までである。切削区域３３のサイズは、イオンビーム３２の走査パラメータを変更することによって調節可能であり、典型的な切削区域は、直径が１ｍｍから１０ｍｍまでの範囲内にある又はそれよりも大きい。

Ｘ軸に沿うイオン密度分布を、曲線３５、３６、３７、又は３８のうちの１つによって示している。曲線３５は、サンプル中心部切削速度が高く、周辺部の切削速度が低い均一な密度分布である。

一般的に、切削速度は、イオンの照射量又は密度の関数であり、高い密度のビームが高い切削速度を生じる。層剥離目的で均一な切削を果たすためには、サンプル表面にわたる切削速度が、チップ層の中の幾何学的及び元素組成的な相違を補償するように可変である必要がある。

図３に記載の理論上の密度分布曲線３６は、中心区域のイオン密度を低減させるのには十分でない可能性がある。その結果、切削速度は、周辺部のものよりも依然として高い。別の可能な密度分布は、図３に記載の曲線３８であり、この曲線は、サンプル中心区域上のビーム密度の低減を過度に大きく引き起こし、従って周辺部と比較して中心区域内で低い切削速度が生じる。曲線３７は、理論上切削区域の均一な層剥離を生じるイオン密度分布を有する。この曲線は、所与の層特性に固有のものであり、層毎及びチップ毎に決定する必要がある。この要因に起因して、様々なジオメトリ（幾何学構成）及び元素組成を有する層から材料を均一に除去する上で相応するイオン密度分布曲線３７が有効であるような固有の数学的切削制御アルゴリズムを開発することが重要である。

図４は、サンプル表面上の切削区域４１の図を示している。直径は、ミリメートルスケールにある。目標は、切削区域４１の中にある全ての位置で均一なイオン密度分布を得ることである。

この目的を果たすために、サブミリメートル直径のイオンビームが生成され、切削区域４１の中でイオンビーム密度を均一に分布させる特性を伴いながら所望の区域の中で走査される。

上記のことから、このシステムは、ブロードイオンビーム技術の特性であるガウスイオン密度分布をイオンビーム自体の中に有するという欠点を回避する。

所望の機能を果たすために、サブミリメートルビームが、サンプル表面に対して点毎にラスター走査され、ビームの強度は、移動速度によって決定され、従ってサンプル表面の各点における滞留時間が可変になる。滞留時間Δｔを単位切削面積Ａで除したものが同じ、又は定数Ｃに等しくなければならない。
Δｔ／Ａ＝Ｃ （５）
又は、
Δｔ＝Ｃ＊Ａ （６）
因子ｒは、切削区域４１の中での半径４２であり、その一方でΔｒは、次式に従う図４に記載の半径の増分４３である。
Δｔ＝Ｃ＊Ａ＝Ｃ＊２πｒ＊Δｒ
ｄｔ＝Ｃ＊２πｒ＊ｄｒ
∫ｄｔ＝Ｃ＊２πｒ＊∫ｄｒ
ｔ＝Ｃ＊πｒ²
ｒ＝ａ＊ｔ^1/2 （ａは定数である） （７）
実際には、式（７）を以下のように拡張する必要がある。
ｒ＝ａ＊ｔ^k （ａは定数であり、ｋは、０＜ｋ≦１である） （８）
ここでｋは、切削因子である。式（７）は、ｋ＝１／２の時の式（８）の特殊な場合である。ｋ＝１である時には、イオン密度分布は、図３の曲線３５と均等である。ｋが１よりも若干小さい値まで低減された時には、イオン密度分布は、図３の曲線３６と均等である。ｋが更に低減された時には、イオン密度分布は、図３の曲線３７と均等である。後続のｋの低減は、図３の曲線３８と均等なイオン密度分布を生じる。実践において均一な層剥離を果たすためには、様々な材料及び層構成に対してｋ値を決定する必要がある。

イオン化プロセス及び引出プロセスの最中に、一部のイオンは、電子を取り込むことによって中和される可能性がある。これらの中性荷電粒子は、純粋にその運動量の関数として移動し、誘導操作することができない。従って、サンプル表面上へのこれらの粒子の入射は、一般的にサンプル表面の不均等で無制御の切削を生じる。この問題を回避するために、本システム及び本方法は、特定的に荷電イオン粒子のみを誘導操作する手段を含む。図５は、本システム５００の基本線図を示している。初期イオンビーム５２が生成され、少なくとも１つのイオン源３１からファラデーカップ５３に導かれる。この状態では、全体のビームがファラデーカップ５３の中に導かれ、切削は発生しない。少なくとも１つの実施形態では、ファラデーカップ５３は、イオンビーム電流を測定するために用いることもできる。

均一な層剥離に向けてイオンビームを高精度で制御するために、本発明のイオン源３１は、Ｙ偏向電極を含み、この電極は、電圧が印加された時に、図５に示しているように軸外に導かれてサンプル表面５５上に入射する入射イオンビーム３２を生成するように初期イオンビーム５２の一部分を偏向する静電場を発生させる。静電場によって影響を受けるのはイオンのみであることから、これらのイオンは、Ｙ偏向によって入射イオンビーム３２を生成するように導かれる又は誘導操作される。中性粒子は、静電場による影響を受けずに、サンプルではなくファラデーカップ５３に衝突する初期ビーム５２内に留まる。この方式で、荷電粒子のみが、層剥離に向けてサンプル表面５５に衝突する。

サンプルは、軸５７に沿って高さを調節することができるサンプル台５６上に支持され、Ｘ－Ｙ方向に移動させることができる。イオン源３１は、入射イオンビーム３２をサンプル表面５５に対して式（８）に従ってラスター走査、走査、又は誘導操作するＸ－Ｘビーム偏向電極を更に含む。非偏向条件下では、入射イオンビーム３２は、サンプル表面５５の上方にあり、イオン源３１の軸方向中心線に対して平行な平面でサンプル回転軸と交わる。サンプル表面５５は、サンプル回転軸に対して垂直である。図３に記載のＸ軸に沿うビーム走査方向は、サンプル表面５５に対して平行でなければならない。層剥離中に、サンプル１は、固定されるか或いは時計方向又は反時計方向に適切な速度で回転可能かのどちらかである。回転は、全体のサンプル表面５５にわたって切削を正規化し、Ｘ方向にしかラスター走査されていない入射イオンビーム３２を補償する。

サンプル表面５５に対するビーム入射角は、曲げ信号強度又は曲げ信号電圧によって決定され、その理由は、この信号又は電圧が、Ｙ偏向電極に印加される電位と台の高さとの両方に関連することにある。高い電圧を利用することによって入射角が増大する。サンプル台５６の高さが偏向のない初期イオンビーム５２の平面に近づくようにサンプル台５６の高さを上方に調節することによって入射角が低減する。通常、ビーム入射角は、０度から１５度までの範囲内で調節可能である。

ここでシステム５００の全体に注目すると、図６及び図７に示しているように、システム５００は、イオンビーム源３１と、サンプル台５６と、真空チャンバ６２と、イオン源コントローラ６１（図示していない）と、制御ユニット６９と、様々な検出器とを含む。サンプル台５６は、ＩＣチップ、ＩＣチップの一部、複数のＩＣチップ、いずれかの種類のウェハ、又はその他の種類のサンプル材料等であるがこれらに限定されないサンプル１を上で支持するように構成及び位置決めされる。サンプル台５６は、図５に示しているような軸５７に沿うＺ台高さ調節能力、並びに先に説明した回転能力及びＸ－Ｙオフセットを有する。回転は、チップ表面に対するイオン切削プロセスの効果を正規化するために用いられる。サンプル台５６の回転速度範囲は、０．０ｒｐｍと１００ｒｐｍとの間とすることができる。台５６は、傾斜能力を有することもできる。幾つかの実施形態では、サンプル台５６は、ほぼ液体窒素の温度まで極低温冷却することができる。加熱器、温度センサ、及び制御電子機器が、サンプル温度を極低温と室温との間で調整することを可能にする。

真空チャンバ６２は、イオンビーム源３１と、サンプル台５６と、サンプル１と、様々な検出器とが収容される中空空間を設ける。真空チャンバ６２は、好ましくはターボ分子型の主ポンプと、補助又は予備のポンプと、弁と、駆動回路と、電気又は空圧によるものとすることができ、使用中に真空チャンバ６２の中に真空又は負圧の状態を発生させるために用いられる制御システムとを更に含む真空システムの一部である。真空チャンバは、適切な振動遮断を施すフレームに装着することができる。真空システムは、基本真空レベルと動作真空レベルとを出力するためのコントローラ及びゲージ類を含むことができる。

サンプル１は、真空移送能力と不活性ガス移送能力との両方を有する装填ロック組立体の組み込みによってシステムの中に装填することができる。この方法論を用いると、サンプルを、前処理と後続の撮像及び解析との全体を通して環境から保護することができる。この保護は、触媒及びリチウムイオンバッテリー材料等であるがこれらに限定されない、環境の影響を受けやすいサンプルにとっては特に重要である。

イオンビーム源３１は、全てを図８～図２１の全体を通してより詳細に示すフィラメント組立体１００と、イオナイザ組立体２００と、集束組立体３００とで構成される。特に、図８～図１３Ｂに示されているフィラメント組立体１００は、主電子源である。フィラメント組立体１００は、支持棒１１２とばね１１３とによって分離されたフィラメント蓋１１１に接続されたマウント１１０を含む。少なくとも１つのフィラメント１２０が、クランプ１３０と保持具１４０とによってマウント１１０に固定される。フィラメント１２０は、イットリウム被覆のイリジウム、タングステン、又は電子を生成するのに適する材料とすることができる。コネクタ１５０がフィラメント１２０との電気連通状態にあり、電子流を発生させる電流をフィラメント１２０に供給する。好ましくは、各フィラメントリードに対して１つのコネクタ１５０が存在する。これらのフィラメントリードは、図１１を参照しながらより完全に説明するようにワイヤの曲げに対応するために押し上げる又は押し下げることができるピン１７２の周囲にフィラメントリードを曲げる曲げツール１７０を用いることによって曲げる又は様々な形状に形成することができる。図１３を参照しながらより完全に説明するように、フィラメント組立体１００を装填するためにスタンド１８０を用いることができる。フィラメント１２０の一方の端部をウェーネルト電極１６０が囲む。ウェーネルト電極１６０に印加される電気バイアスが、フィラメント１２０から電子を引き出す。

図１４～図１６に示しているように、フィラメント組立体１００は、イオナイザ組立体２００に物理的に結合される。イオナイザ組立体２００は、フィラメント組立体１００が中に装填されて保持されるウェーネルト支持体２１０を含む。ウェーネルト支持体２１０は、スペーサ２１１を通して調節プレート２１４に装着され、更に調節プレート２１４は、イオナイザフランジ２１５に、ウェーネルト支持体２１０がイオナイザフランジ２１５内にある開孔部と整列するように装着される。

イオナイザ組立体２００内には、ウェーネルト電極１６０の終端部とイオナイザフランジ２１５の開孔部との間に少なくとも１つのイオン源２２０が含まれる。例えば、イオン源２２０は、絶縁体２１２によって互いに分離されたＧ２開孔部とも呼ぶＧ２電極２２２とＥ電極２２４とを含むことができる。イオン源２２０の中にはＦ電極２２６又はＦ開孔部を含めることもでき、Ｆ電極２２６又はＦ開孔部は、エクストラクタ２２４から絶縁体２１２によって物理的に分離される。

Ｅ電極２２４は、電気バイアスの受電部及びキャピラリーガス投入部２５０という２つの投入部を有する。ガス投入部２５０は、イオン源２２０の中にプロセスガス流を供給するためにガスフィードスルー２５４との流体流連通状態にあるキャピラリー管２５２に接続される。クランプ２５５が、ガスフィードスルー２５４をイオナイザフランジ２１５に固定することができる。ガスフィードスルー２５４によって供給されるプロセスガスは、アルゴン、キセノン、又は不活性ガス等のいずれか他のガス、或いはこれらの組み合わせとすることができる。ガス流量は、標準立方センチメートル毎分（ＳＣＣＭ）以下から数十ＳＣＣＭまでの範囲内で調節可能であり、好ましくは０．０２前後又はそれ以上とすることができるが、他の流量も見込んでいる。

典型的な気体イオン源では、イオン化は、イオンを発生させ、続いて接地系統へのイオンビームの加速を、大気よりもはるかに低い圧力、一般的に数パスカルにおいて与える、接地電位に対して高い電位に保持されたチャンバ内で発生する。ガス供給源は、通常は接地され、大気をはるかに上回る圧力にある。ガスは、接地電位にある高圧状態から高電位にある低圧状態へと移動されるはずである。ガス送達に適する１つの構成は、接地電位にある質量流量コントローラ、それに続く通常は真空中にある絶縁管である。この管は、その両端における圧力降下を無視することができるような大きい内径を有し、その結果、管の内側の圧力は、イオン化チャンバの内側のものよりも若干しか高くない。圧力降下の大部分は、質量流量コントローラの中で発生する。残念ながら、最適なイオン化圧力は、通常はパッシェン曲線の最小値に近く、従って管が対応する電圧勾配に起因して絶縁管の内側ではグロー放電が容易には防止されない。それによって、一般的には、用いることができるイオン化チャンバ圧に対する上限及び／又はイオンビーム電位に対する上限が課される。

この問題を解決するために、本発明は、キャピラリー管２５２を用いてプロセスガスを送達する。キャピラリー管２５２は、非常に小さい内径を有する。キャピラリー管２５２の手前の層流からキャピラリー管２５２の内側の分子流への変移を踏まえると、キャピラリー管２５２の内側の圧力プロファイルは線形ではない。逆に、この圧力プロファイルは、管の端部の近くまでほぼ平坦であり、出口において大きい圧力降下がある。その結果、キャピラリー管２５２の長さのほとんどは、イオン化チャンバよりもかなり高い。キャピラリー管２５２の内側が高圧である場合には、管の内側の気体放電の危険なしにイオナイザ組立体２００の中の高電圧に対応することができる。それによって、電圧と、イオン化圧力と、イオン源２２０への流量との基本的に任意の組み合わせが可能になり、改善された性能と信頼性とが生じる。

Ｇ２電極２２２、Ｅ電極２２４、及びＦ電極２２６には、電気バイアスが個々に印加される。ウェーネルト電極１６０から放出された電子が、イオン源２２０を囲む領域内にあるガス原子に衝突する。個々の衝突は、ガス原子からの電子の損失を生じる。複数の衝突が、多大な量のイオンを発生させる。

これらのイオンは、イオナイザ組立体２００から射出し、図１７～図２１に示している集束組立体３００の中に導かれる。集束組立体３００は、レンズを物理的に固定する支持プレート３１０を含む。支持プレート３１０の開口構造が、イオン源２２０の様々な領域の真空ポンプ排気を可能にする。スペーサ３１３が、エクストラクタをイオン源２２０から物理的且つ電気的に分離する。エクストラクタには、イオン源２２０の領域から放出されたイオンを引き寄せる電気バイアスが印加される。イオンは、ドリフト管３２４及び集束電極３２２に印加される電気バイアスによって制御される。

集束組立体３００は、ビームを静電気的に誘導する能力を有する誘導操作組立体３３０を更に収容する。好ましくは、誘導操作組立体３３０は、誘導操作ロッド絶縁体３３４の中に収容された誘導操作ロッド３３２の形態にある個々に電気バイアスが印加される複数の誘導操作電極を含む。誘導操作ロッド３３２のうちの幾つかはＸ偏向電極であり、他の誘導操作ロッド３３２はＹ偏向電極である。誘導操作ロッド３３２には、およそ±１５度の偏向によって、結果として得られるイオンビームの高精度な誘導操作及び走査を可能にする電気バイアスを個々に印加することができる。誘導操作ロッド３３２及びその相応する絶縁体３３４を誘導操作ロッドカバー３３６が封入する。集束組立体３００は、そのハウジング３１１に沿って位置決めされた電気入力３４２及び３４４を更に含む。例証的構成は、１２ｋＶ及び最大で２０アンペアの電力を供給する第１の電気入力３４２を含むことができる。第２の電気入力３４４は、７００Ｖを最大で５アンペアの電流７００Ｖとともに供給することができる。これらの電気入力のうちの一方を用いて、先に説明した入射イオンビーム３２を生成することができる。もう一方は、ラスター走査目的で、結果として得られるイオンビームをサンプルに向けて偏向し、入射イオンビーム３２をサンプル表面５５にわたって誘導操作するための電気バイアスを供給する。

上記で説明したイオンビーム源３１は、１ｋｅＶ～５０ｋｅＶの範囲内又はそれ以上のビームエネルギーを有するイオンビームを生成する能力を有し、１ｅＶの正確度で連続的に調節可能とすることができる。高いビームエネルギーは、切削速度を高めるが、サンプル表面の損傷を生じ可能性がある。低いエネルギーは、滑らかなサンプル表面を生じ、それほど損傷を生じないが、切削速度が低い可能性がある。

結果として得られるイオンビーム直径は、５０μｍ～５ｍｍの範囲内にあるものとすることができ、エネルギーレベルに依拠して調節可能とすることができる。例えば、ビームサイズは、幾つかの実施形態では１０ｋｅＶで０．１～７μＡの電流時に５０μｍとし、他の実施形態では１ｋｅＶで７～１５μＡの電流時に１．０ｍｍとすることができる。イオンビームは、１μＡから１０００μＡまでの間で、これらの値を含む電流を有することができる。好ましくは、電流は最大で２００μＡである。強い電流が、切削速度を高めることができる。イオンビームの電流密度は、およそ１０ｍＡ／ｃｍ²とすることができる。イオン源は、最大で１２ｍｍ²又はそれ以上のラスター範囲の時に１０ｍｍ～１００ｍｍの範囲内の作動距離で動作可能とすることができる。少なくとも１つの実施形態では、ラスター範囲は、２５ｍｍの作動距離の時に１０ｍｍ径とすることができる。

図８～図２１からわかるように、イオンビーム源３１のモジュール設計は、フィラメント１２０の迅速な置き換えとレンズに対するイオナイザ組立体２００のその場ｘ－ｙ調節との両方を可能にする。

イオンビーム源３１から発するイオンの方向は、図５に記載の初期イオンビーム５２で示しているように、サンプル表面５５の上方で、好ましくはそれに対して平行である。入射イオンビーム角度は、Ｙ軸５７に沿うサンプル高さと、誘導操作組立体３００によって引き起こされるビームのＹ偏向曲げ振幅とを変更することによって調節可能である。これらの調節の組み合わせを用いることで、入射イオンビーム３２の入射点が、サンプル回転軸３４と一致する。誘導操作ロッド３３２のＸ－Ｘ偏向電極を利用することで、入射イオンビーム３２が、サンプル表面５５の両縁部の間で走査される。

図６及び図７に戻ると、システム５００は、イオンビームの電圧、電流、引出電圧、ビームサイズ、ガス流量、及びフィラメント放出を調節する動作命令を供給するイオン源コントローラ６１を含む。イオン源コントローラ６１は、イオンビームのエネルギー、焦点、イオン引き出しを含む上記で解説したイオンビーム源３１の様々な組立体を制御し、それに加えてＸ方向にビームラスター走査し、更に図５に示しているサンプル表面５５上へとイオンビームをＹ方向に偏向する又は曲げるための偏向増幅器を制御する幾つかの高電圧電源からなる。調節可能な振幅のラスター制御は、大きい区域の均一な層剥離が果たされるようにイオン密度をＸ方向に分布させる。更に、イオン源コントローラ６１は、サンプル中心からその最大半径まで張り出す各場所に対する入射イオンビーム３２のラスター走査速度を制御及び調節する。

イオンビーム源３１は、Ｘ方向及びＹ方向に機械的に移動及び回転させることができる。走査せずにＸ調節を物理的に変更することによって、イオンビーム３２がサンプル回転軸に関して位置決めされる。Ｙ移動を変更することによって、イオン源が切削平面に対して適切な高さにあることが確実になる。Ｘ－Ｘ偏向の適用なしの回転調節は、イオンビームの位置が、台６５に貼着時のサンプル表面に対して平行であることを確実にする。この整列手順は、システムの構成及び較正の最中に行うことができる。

システム５００は、切削プロセスの最中に層剥離に関する情報を供給する様々な検出器を含むことができる。検出器の各々は、データを制御ユニット６９に供給するために制御ユニット６９との通信状態にある。検出器は、チップの特徴部の種類、特徴部の場所、特徴部の寸法、及び特徴部の化学組成に関する情報を供給する。

システム５００は、サンプル表面から反射された光を取り込むためにカメラ６６と光源６７とを含むことができる。切削プロセスの最中に定期的に、サンプル１を光源６７によって照明することができる。その後、カメラ６６によって画像が取得されて、制御ユニット６９に送られる。カメラ６６は、高め又は低めの解像度の撮像に向けて様々な受電物体を含むことができる。層剥離中に露出するパターンを、特徴部の識別と切削プロセスパラメータを確認又は調節することとの両方に向けて、制御ユニット６９上にインストールされた画像認識ソフトウェアが認識することができる。それに加えて、光源６７を用いて２つの層の間の垂直間隔の差を明らかにすることができる。切削が進行するにつれて干渉縞が発現し、これらの干渉縞は、切削区域の深さに相応する。光の反射及び干渉縞の発生は、非平面性が数ナノメートル程度である時であっても、サンプル表面の非平面性を確立するのには影響を受けやすい方法である。理想的な状況では、画像上に１つの干渉環しか出現しなくなり、サンプルの中心部と周辺部との間の非常に小さい深さのばらつきを示す。環の量が増すことは、より大きい深さのばらつきに相応する。

切削中に、最初にサンプル中心部に出現する環は、中心部における切削速度が、周囲の区域と比較して高いことの指標である。環がサンプルの周辺部の近くに出現する時には、これらの環は、中心部が周辺部と比較して低速で切削されていることの指標である。多めの環が出現する場合には、サンプルの中心部と周辺部との間に大きい切削速度差が存在する。単一の環の幅が大きい場合には、切削速度差は小さいと考えられる。反射画像は、人間の目又はコンピュータ画像認識技法によって解析することができる。それに即して、切削因子ｋを、手動又は自動で調節することができる。

システム５００は、切削表面から飛散する材料の元素組成を分析するために用いることができる二次イオン質量分析計又はＳＩＭＳ６４を更に含むことができる。一般的に、サンプルの層は、半導電性又は非導電性の酸化物層によって分離され、飛散した時にＳＩＭＳによって定量することができる軽元素と重元素との組み合わせを有する。この定量結果は、後続のチップ層成分の決定及び識別に関して各層内で遭遇する化学作用の分析に向けて制御ユニット６９に送ることができる。化学組成分析は、点において、区域内で、及びマップによって果たされる。

図７に示しているように、システム５００は、ＳＥＭカラム７５を含むことができる。ＳＥＭカラム７５は、サンプル台５６の真上に場所決めされ、サンプル表面５５と相互作用して、後に深さプロファイル情報を定量し、３次元構造情報を与え、更にサンプルの元素組成を与えるために用いられる二次電子及び後方散乱電子並びにＸ線を生じる電子ビームを生成する。ＳＥＭレンズ及び検出器を、層剥離プロセスによって生じる飛散粒子の堆積から保護するように作動させることができるシャッターを、ＳＥＭ対物レンズに隣接するように位置決めすることができる。様々な検出器と連携して機能するＳＥＭによる様々な層からの取得データを、層剥離プロセスの最中に特徴部パターンを作成することによってサンプルの３Ｄ再構築に用いることができる。特定の特徴部パターンが出現した時に、層剥離プロセスを調節又は停止することができる。

システム５００は、Ｘ及びＹの平行移動を特徴として実装するサンプル台を含むことができ、それによってサンプル位置が、電子ビームの入射点に対して移動する。ＳＥＭ画像の所望の解像度が視野を制限する場合には、サンプルを複数の位置に平行移動させることによって、全体のサンプル表面の撮像が可能になる。

電子カラムからの電子又はイオン源３１から発したイオンによって発生したイオン誘起二次電子によって励起されたサンプル表面から発した電子を撮像するための二次電子検出器又はＳＥＤを更に含めることができる。サンプル表面からの後方散乱電子を検出するために、後方散乱電子検出器又はＢＳＥ検出器を更に含めることができる。後方散乱電子は、原子核による一次電子ビームの弾性散乱によって生じる。入射電子ビームの加速電圧を変更することによって、電子透過深さ又は相互作用体積が変化する。原子の核によって情報が生成されることから、その相応する元素の指標が既知になる。この指標は、チップの中にある様々な層の間の材料差を区別しようと試みる時に特に有用である。

システム５００は、入射電子ビームによる衝撃中にサンプル表面５５から放出されたＸ線を検出して分析対象空間領域の元素組成を特性評価するエネルギー分散分光計又はＥＤＳ検出器７４を更に含むことができる。ＢＳＥ情報とＥＤＳ情報とを組み合わせることによって、表面及び近表面下のｘ－ｙ次元の深さプロファイルが生じる。

このシステム内では、波長分散分光測定（ＷＤＳ）プローブ、オージェ検出器、レーザープロファイラ、Ｘ線、及び／又はその他のプローブを用いることもでき、これらの全てを図に示していないが、これらの包含は、当業者の領分の範囲内にあると考えられる。

システム５００は、制御ユニット６９を更に含む。制御ユニット６９は、システム５００の全ての構成要素部分との通信状態にあり、システム５００の関連パラメータを確定する。この確定は、真空チャンバ６２の中の真空条件と、台移動の調節と、イオン源３１に供給されるプロセスガスの量を調節するための質量流量コントローラの出力の調整とを含む。従って、制御ユニット６９は、イオン源３１を動作させるためにイオン源コントローラ６１に動作パラメータを供給する。更に、制御ユニット６９は、サンプル台５６の移動／調節も制御する。制御ユニット６９は、システムの操作者とのやり取り用のユーザインターフェースを含む。検出器からの出力データを表示することができる１つ又は２つ以上のディスプレイを設けることもできる。

それに加えて、制御ユニット６９は、様々な検出器から入力を受け取って、これらのデータを数学アルゴリズム内で用いてチップ表面にわたるイオンビーム密度分布を制御する。

様々な信号を、検出器によって点毎に取り込むことができ、点のサイズは、大まかにイオンビーム又は電子ビームのどちらかのサイズである。制御ユニット６９は、サンプル中心部、サンプル周辺部、及びこれらの間のいずれかの量の点で生成されたデータから深さプロファイルマップを作成する。大きい量の点は、高い解像度のマップを意味する。続いて、相応する位置に関する深さプロファイルのばらつきが、アルゴリズムの中に入力される。

検出器からのデータの解析は、均一な層剥離を果たすための、式（８）で説明した切削因子ｋの調節を可能にする。例えば、サンプル中心部における切削速度が周辺部よりも高い時には、切削因子ｋを低減させなければならない。サンプル中心部における切削速度が周辺部よりも低い場合には、切削因子ｋを増大させなければならない。式（８）で説明したｋの調節の量は可変であり、切削深さのばらつきによって決定される。

ラスター走査制御は、サンプル材料の種類、ラスター走査振幅、イオンビームエネルギー、イオンビーム電流、及びその他のパラメータと符号するように変更することができる。この計算に基づいて、ラスター走査パターン及びイオンビーム３２の相応する位置の電流密度を調節するために、均一な層剥離を果たすのに必要とされる動作パラメータへの調節が、イオン源コントローラ６１等の関連のシステム構成要素に送られる。その結果は、ラスター走査速度と、相応する点毎の電流密度との両方に関してΔｄを最小限に抑える目的でイオンビームラスター走査パターンを物理的に変更することである。それに即して、制御ユニット６９は、様々な検出器の出力を解析することによって近実時間で切削因子ｋを調節することができる。

所与の厚みの所与の層に対する材料除去速度が同等である時には、後続の層を段階的に除去する上で同等のイオンビーム制御パラメータを利用することによってプロセスを繰り返すことができる。この方法は、チップから複数の層を自動的に除去するためのいずれかの量の事前決定段階を含むことができる。

本システムの目的は、プロセス終点を決定する段階との組み合わせで切削速度を高精度で制御することである。終点決定の最も簡単な形態は、時間によるものであるが、それを有効にするためには、層厚と切削速度との両方が十二分に把握される必要がある。様々な材料に対する特定のビームエネルギーにおける切削速度が既知であることから、切削時間は、事前決定された所望の層剥離深さを用いて計算される。終点が決定されると、制御ユニット６９は、イオン源３１を消勢することによってプロセスを停止する。

終点は、層剥離中に画像又は解析データ上に出現する特徴部又は特定の化学組成によって決定することもできる。いずれか特定の深さにおける化学組成が必要とされる場合には、ＥＤＳ７４、ＳＩＭＳ６４、又はその他の化学分析データが、終点を識別する上で拠り所とされる。

所与の区域にわたる切削速度のシステム較正には、各層が異なる元素組成を有する多層対照サンプルを用いなければならない。かかるサンプルの層厚は、均一で層毎に５～５０ナノメートル程度である必要がある。厚めの層を許容することができるが、それによって全体の切削／較正時間が長くなる。

説明した好ましい実施形態には、細部において多くの改変、変更、及び交換を行うことができることから、前述の説明に記載し、添付図面に示した全ての事物が、例示的であり、限定的な意味にないものと解釈されることを意図したものである。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求及びその法的均等物によって決定すべきである。

１ サンプル
３ 深さＤ１
４ 深さＤ２
５ 深さＤ３

Claims (34)

1. サンプルを層剥離するためのシステムであって、
   ａ．真空チャンバ内に収容されたサンプルを支持するサンプル台と、
   ｂ．略円柱状のイオンビームを生成する少なくとも１つのイオン源を有するイオンビーム源と、
   ｃ．前記イオンビームを前記サンプルの表面に沿う少なくとも１つの方向にラスター走査範囲にわたってラスター走査するために、前記荷電イオンビームを初期ビーム経路から偏向する偏向器と、
   ｄ．前記偏向器及び前記イオンビーム源との電子通信状態にあり、実質的に平面状の材料除去を実現するために単位面積当たりの時間平均イオン流束を前記サンプル上の位置及び時間の関数として与えるための加速電圧、イオン流束密度、スポットサイズ、ラスター走査速度、ラスター走査寸法、及び滞留時間のうちの少なくとも１つを改変する制御回路と、を備えるシステム。
2. 前記イオンビーム源は、気体型又は液体金属型から選択されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記イオンビームのスポットサイズは、５０μｍから５ｍｍまでの範囲内にある、請求項１に記載のシステム。
4. 前記イオンビームの調節が、サンプル組成及び層ジオメトリに依存しない均一に切削されたサンプル表面を生成する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記イオンビーム源は、前記イオンビームを前記サンプル台及びサンプルに対して実質的に平行に放出するように配列される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記イオンビームの軸が、前記サンプルの平面状表面に対して実質的に平行であり、そこからオフセット配置される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記偏向器は、前記イオンビームを前記サンプルの平面状表面に対して実質的に平行な経路から、該平面状表面と交差する経路へ導く、請求項５に記載のシステム。
8. 前記偏向器は、前記イオンビームをサンプル表面の少なくとも一部分を横切るように選択的に移動させる、請求項１に記載のシステム。
9. 前記イオンビームの前記ラスター走査範囲は、（ｉ）前記サンプルの実質的に全体の表面又はそれ以上、及び（ｉｉ）前記サンプルの前記表面の中の限られた区域、のうちの一方から選択される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記サンプル台は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、及び回転方向のうちの少なくとも１つの方向に調節することができる、請求項１に記載のシステム。
11. 前記回転方向の調節は、０ｒｐｍと１００ｒｐｍの間の範囲内である、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記サンプル台は、周囲温度と極低温度との間で温度調整可能である、請求項１に記載のシステム。
13. 前記サンプルからデータを収集するための少なくとも１つの検出器であって、フィードバック回路と電子通信状態にあり、光学顕微鏡、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、走査電子顕微鏡、エネルギー分散分光計、二次イオン質量分析計、及びオージェプローブからなる群から選択された、前記少なくとも１つの検出器を更に備える、請求項１に記載のシステム。
14. 前記検出器は、サンプル表面のトポグラフィ及び前記サンプルの表面にわたる材料除去の深さのうちの少なくとも一方に関するその場フィードバックを与える、請求項１３に記載のシステム。
15. 走査電子顕微鏡が、サンプル表面及び下部構造から情報を導出するために前記走査電子顕微鏡の加速電圧を変更するように構成される、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記イオンビーム及び電子ビームのうちの一方の入射によって相対ビーム位置及びサンプル表面の特性を検出するための二次電子検出器を更に備える、請求項１３に記載のシステム。
17. 様々な電圧で動作された電子ビームの入射によってサンプル表面及び下部構造の特性を検出するための後方散乱電子検出器を更に備える、請求項１３に記載のシステム。
18. 前記イオンビーム源は、フィラメントと、イオン化チャンバと、集束レンズとを更に備える、請求項１に記載のシステム。
19. 前記フィラメントは、イオン源の残りの部分から取り外し可能なカートリッジに装着される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記サンプル上の所与の位置における切削速度は、前記位置における前記イオンビームの滞留時間の関数である、請求項１に記載のシステム。
21. 前記イオンビームは、０．０度～１５度の間の入射切削角度範囲を有する、請求項１に記載のシステム。
22. 前記イオンビームは、１５度よりも大きい入射切削角度を有する、請求項１に記載のシステム。
23. 前記イオンビームがサンプル表面にわたって移動する時に、前記イオンビームの偏向の変化率が可変である、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
24. 前記イオンビームは、１ｋｅＶ～５０ｋｅＶの間で、これらの値を含む選択的に調節可能なエネルギーレベルを有する、請求項１に記載のシステム。
25. 前記イオンビームは、１μＡ～１０００μＡの間で、これらの値を含むビーム電流を有する、請求項１に記載のシステム。
26. 静電電位が異なる少なくとも２つの導電体の間で気体物質の流れを搬送するための遮断デバイスであって、
    ａ．投入部を有する絶縁管と、
    ｂ．アーク放電を防止するために前記絶縁管の前記投入部における圧力が事前選択限度を上回ることを維持するように前記流れを制限する限流器と、を備える遮断デバイス。
27. 前記限流器は、絞り口である、請求項２６に記載の遮断デバイス。
28. 前記絶縁管と前記限流器とは、キャピラリー管として組み合わせられている、請求項２６に記載の遮断デバイス。
29. 前記導電体は、上記イオン源の構成要素である、請求項２６に記載の遮断デバイス。
30. サンプルを層剥離する方法であって、
    ａ．真空チャンバ内にある台の上にサンプルを配置する段階と、
    ｂ．前記サンプルの選択された層の表面トポグラフィを決定する段階と、
    ｃ．前記サンプルの前記層の少なくとも一部分に関する厚み、深さプロファイル、及び相応する除去速度を決定する段階と、
    ｄ．各層又は各層の選択部分の少なくとも一方を除去するために前記サンプルの表面にわたって被制御イオンビームを走査する段階と、
    ｅ．前記サンプルの前記表面トポグラフィの変化を検出する段階と、
    ｆ．前記表面トポグラフィに基づいて前記イオンビームの滞留時間を前記サンプル上の前記イオンビームの位置の関数として調節する段階であって、前記調節が、材料の除去を実質的に平面状に引き起こす段階と、を含む方法。
31. 層、隣接する２つの層の間の界面、層の一部分、幾つかの層のうちの１つ、指定の厚み、除去される材料の特定の量、及び前記サンプルのうちの少なくとも１つに関して事前選択終点を選択する段階を更に含む、請求項３０に記載の方法。
32. 前記サンプルの前記層は、前記事前選択終点に達するまで除去される、請求項３１に記載の方法。
33. 前記イオンビームは、イオンと中性粒子とを含み、前記中性粒子は、サンプル表面上への前記イオンビームの入射の前に除去される、請求項３０に記載の方法。
34. 前記イオンビームの滞留時間を調節する段階は、ｒ＝ａ＊ｔ^kという計算式によって単位面積当たりの時間平均イオン流束を決定する段階を含み、
    ａ．変数ｔは、上記滞留時間に相応し、
    ｂ．変数ｋは、前記サンプル上の前記位置に関して前記材料の相対除去速度により決定される値であり、
    ｃ．変数ａは、定数であり、
    ｄ．変数ｒは、前記サンプル上の前記イオンビームの位置と前記サンプルの切削区域の中心との間の距離で測定される半径である、請求項３０に記載の方法。

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