JP3026362B2 - プローブステーションおよびレーザ切断のための多波長レーザ光学システム - Google Patents

プローブステーションおよびレーザ切断のための多波長レーザ光学システム

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 発明の分野 本発明は、半導体の製造および試験などに用いられる
分析プローブステーション、プローブステーションとと
もに、または、単独で用いられるレーザ切断機に関し、
またかかる環境での使用に適した多波長レーザシステム
に関するものである。
関連技術の説明 分析プローブステーションは、半導体製造施設および
設計施設において広範に使用されている。設計技術者ま
たは欠陥分析者は、回路の欠陥を取り除かなければなら
ないときに、分析プローブステーションを利用して行う
の場合が最も多い。典型的には、プローブステーション
には、プローブを装着するためのテーブルを備えたベー
ス機械と、該テーブル上での位置決めを行うためのプロ
ーブと、半導体またはプローブステーションの他の客体
をマウントする一つまたは複数のチャックと、顕微鏡と
支持するための顕微鏡ブリッジと、該顕微鏡ブリッジ上
にマウントされた顕微鏡とが含まれている。該プローブ
には、集積回路における種々の位置で信号をチェック
し、測定を行うための顕微鏡プローブ針が含まれてい
る。顕微鏡はプローブすべき客体の上に視野を有してい
るので、科学者または技術者は、半導体装置または他の
部品を直接的に観察しながら、プローブすることができ
る。代表的なシステムは、ベルモント州ウオーターベリ
ーセンター（Waterbury Center,Vermont）のカールサス
社（Karl SUS）が製造しているSUS PM5実験室プローバ
である。この実験室プローバは、典型的には種々の顕微
鏡と共に入手可能であり、この顕微鏡には、比較的低倍
率の立体顕微鏡から非常に高倍率のプロービング顕微鏡
までが含まれる。
かかるプローブステーションは集積回路あるいは液晶
表示（LCD）パネルなどの他の装置の分析に頻繁に用い
られるが、これらの装置は複数の材料層を具備してい
る。例えば集積回路は、半導体上に設けられた一以上の
多結晶シリコン層、一以上の酸化物または絶縁層、およ
び一以上の金属層によって形成される。
集積回路をプローブできるようにするためには、保護
パッシベーション層を除去しなければならない。これ
は、超音波切断機、頑丈なプローブチップ（引き掻いて
穴をあける）、プラズマエッチングまたはケミカルエッ
チング、収束イオンビームシステム、またはレーザシス
テムを用いて行なえばよい。レーザを顕微鏡を通してパ
ルス状に発射することにより、パッシベーション材料を
除去して、技術者が回路をプローブするのを可能にする
ことができる。また、回路線を切断して、回路を分離ま
たは変更するためにレーザを用いてもよい。
同様に、大規模LCDの製造プロセスにおいても、種々
の位置で短絡を生じることがある。大規模LCDは高価で
あるから、これらの短絡部を修復するのが経済的であ
る。短絡原因である材料を蒸発させるのに十分なエネル
ギー密度を短絡部に集中させて、短絡部を除去するため
にレーザが用いられる。LCDでは、LCD画面上の透明な導
電線を形成するために、典型的には、インジウム錫酸化
物（ITO）が用いられている。また、境界部分では、導
電性バスとしてクロムも用いられている。カラーLCDで
は、カラーフィルタが用いられている。カラーフィルタ
材料も製造欠陥を有することがあるが、この欠陥も修復
することができる。ITOの短絡、クロムの短絡、および
種々のカラーフィルタの短絡は、レーザを用いて修復す
ればよい。
従って、従来技術の幾つかのプローブステーション
は、レーザと結合されている。従来技術における一つの
典型的なシステムは、キセノンレーザ切断機（モデル番
号SUSS XLC）として知られている。このシステムはパル
ス状のキセノンレーザ源を利用しており、該レーザ源
は、高倍率の顕微鏡に結合された特別な光学系を通して
試験すべき部品に向けられる。このシステムの主要な波
長は緑色光領域にあるから、顕微鏡光学系を容易に通過
する。この単一波長のシステムは非常に複雑である。キ
セノンレーザの出力が顕微鏡光学系を通して照射される
ように、キセノンレーザは顕微鏡と共に装着されなけれ
ばならない。既に非常に多くの装置類が含められている
プローブステーションの環境において、更にレーザシス
テムを追加すれば、当該ステーションは極めて大きくな
り、且つもっと複雑になってしまう。加えて、このよう
なレーザシステムの費用は極めて高価である。
単一波長を発生するプローブステーション用レーザ切
断システムの一つの限界は、或る種の材料層を切除する
ためには適切でないということである。例えば半導体
は、典型的にはシリコンウエハー上に蒸着されたアルミ
ニウム配線を有している。層間誘電体層によって分離さ
れた一、二、三、または四層の金属配線が存在すること
もあり得る。この全体の半導体装置は、回路を保護する
ために、非導電性のパッシベーション材料で被覆され
る。金属配線は典型的にはアルミニウムであるが、金ま
たはチタン−タングステンを用いてもよい。パッシベー
ション材料は、典型的には二酸化シリコン、窒化シリコ
ンおよびポリイミドである。
半導体欠陥分析市場において、最も普遍的な波長は緑
色領域である。殆どの金属は緑色レーザエネルギーを良
く吸収し、通常は１回のパルスで極めて容易に切断す
る。この緑色の波長は、キセノンレーザまたは周波数２
倍のNd:YAG系で発生させればよい。殆どのパッシベーシ
ョン材料は、緑色レーザエネルギーに対してと同様に、
可視光に対しても透明である。緑色エネルギーを吸収し
ないパッシベーション材料を除去するためには、下地金
属を、パッシベーション材料を「破壊させる」ような温
度にまで加熱させなければならない。これは通常、レー
ザパルスが当たったときに下地金属が蒸発しないほど十
分な質量を有しているときに達成される。金属配線が小
さいときや、最上層の金属層の下にある金属層にアクセ
スしようとするとき、または下地材料がシリコンまたは
多結晶シリコンであるときには、窒化物およびポリイミ
ドのような一定のパッシベーション材料を除去するのは
非常に困難になる。
一定のパッシベーション材料、とくに窒化物およびポ
リイミドは、紫外線エネルギーを用いて直接除去するこ
とができる。これらの材料はUVエネルギーを直接吸収
し、多重低エネルギーUVレーザパルスを用いて徐々に削
り取られる。不幸なことに、二酸化シリコンは殆どのUV
波長（略200nmを除く）を吸収しないので、上記の加熱
法を用いて間接的に除去しなければならない。赤外線平
面パネル表示装置の修復市場において、レーザエネルギ
ーは広範に用いられている。この市場で用いられる殆ど
の材料は、赤外波長を吸収する。しかし、クロムのよう
な幾つかの材料、および幾つかのカラーフィルタ材料は
緑色波長をより多く吸収する。この市場においては、標
的領域内の全ての材料を除去しなければならないし、ま
た切断領域は通常は比較的大きく、５〜40μｍである。
赤外波長はまた、半導体分析分野にも適用されてい
る。一般に、シリコンは赤外エネルギーに対して透明で
ある。その結果、赤外線を用いれば、緑色エネルギーで
達成され得るよりも、下地シリコンに対する損傷を少な
くして、金属配線を除去することが可能になる。緑色エ
ネルギーを用いれば、切断された配線はシリコンの加熱
によって基板に短絡する可能性がある。赤外線の場合に
は斯かる事態が生じることは少ないので、半導体欠陥分
析について、赤外波長は緑色に対する優れた補完波長で
ある。
以下の表には、共通の材料に対する幾つかの波長の特
性がまとめられている。
しかしながら、従来技術では、一つのレーザシステム
から二つの波長の光を与えることはできなかった。した
がって、二以上の波長の光を供給できるプローブステー
ションまたはレーザ切断機には、二以上の別々のレーザ
システムが用いられており、これは非常に大きく、使い
易いものではなかった。例えば、従来技術による一つの
システムは、紫外線を供給するエキシマレーザと、二重
YAGレーザ（doubled YAG laser）とを一つのプローブス
テーション上で組み合わせたものであった。その一例と
しては、何れもカリフォルニア州ガルデナ所在のフロロ
ド社（Florod Corp.of Gardena,California）が製造し
ているモデルLCM−308エキシマレーザ切断機アタッチメ
ントと、モデルLCP緑色YAGレーザ切断機のレーザとを組
み合わせたものが挙げられる。しかし、エキシマレーザ
は大きな嵩高い装置であり、しかもレーザエネルギーを
顕微鏡の光学系に導くために複雑な波動ガイド管を必要
とする。このシステムは非常に高価であり、また貴重な
実験室空間を占領してしまう。
従って、プローブステーションまたはレーザ切断機と
共に使用するための、経済的で寸法が小さく、且つ効率
的な多波長レーザシステムが求められている。
〔発明の概要〕
本発明は、ベース機械と、試験される装置（DUT;devi
ce under test）を保持するために前記ベース機械にマ
ウントされたチャックと、前記DUTのためのプローブを
マウントするために前記ベース機械にマウントされたプ
ローブテーブルと、前記ベース機械にマウントされ且つ
前記チャック上のDUT上に視野を有する顕微鏡と、前記
顕微鏡と共にマウントされた単一のレーザ装置とを具備
したプローブステーションを提供する。この単一のレー
ザ装置は、ビームライン上にある前記顕微鏡の光学系を
通して、前記顕微鏡の視野へ出力ビームを供給する。該
レーザには、複数の波長で、前記ビームライン上に選択
的に出力ビームを発生する光学系が含まれている。好ま
しい系には、固体レーザと、該固体レーザに結合された
高調波発生器（harmonic generator）と、赤外領域、可
視領域および紫外領域の二以上の選択可能な波長の中か
ら出力波長を選択するための切替え可能な光学系とが含
まれている。この態様における波長は、レーザの基本波
長および一つの高調波の中から、またはレーザの複数の
高調波の中から、或いはレーザの基本波長および複数の
高調波の中から選択すればよい。加えて、このレーザシ
ステムは、出力として選択可能な複数の波長について動
作する可変減衰器を含んでいる。この可変減衰器は新規
な半波プレートに基づいており、基本高調波、二次高調
波、三次高調波および四次高調波について、実質的に半
波相（half−wave phase）の遅延を与える。
本発明の一つの側面に従えば、レーザは、受動的に空
冷され、電子光学的にＱスイッチされるNd:YAGレーザを
具備している。基本波長の少なくとも一つの高調波を発
生するために、一以上の非線形光学系ビーム経路上にマ
ウントされる。このレーザは、赤外領域（1064ナノメー
タ）、緑色領域（532ナノメータ）および紫外領域（355
ナノメータ、または266ナノメータ）の出力を供給す
る、コンパクトで振動のない系を与える。これらの波長
は、Nd:YAGレーザの基本出力波長、該レーザの二次高調
波、並びに三次高調波または四次高調波に対応してい
る。
可変減衰器は複数の波長のためのビーム経路におか
れ、これによって使用者は、全ての出力波長の強さを制
御することができる。最後に、切替可能な光学系がビー
ム経路に含まれており、基本波長および複数の高調波の
中から出力ビームの波長を選択する。この切替可能な光
学系によって、顕微鏡を通した同じビームラインに沿っ
て、選択された出力とは独立の出力ビームの供給がもた
らされる。
このシステムの出力として、該レーザシステムの基本
出力波長を選択するのが望ましいときには、別の問題が
発生する。特に、非線形光学系は基本波長のウオークオ
フ（walkoff）を起こすかも知れない。この態様におい
ては、基本波長が選択されたときに該波長が顕微鏡を通
してビームラインに供給されるように、ウオークオフを
補償する光学系がビームラインに含められる。
更に、好ましいレーザ系に従えば、切替可能な光学系
には複数のフィルタが含まれており、この複数のフィル
タは、その中から選択された一つのフィルタをビーム経
路の中に切り替えるための機構の上にマウントされる。
上記のように出力として基本波長が望ましいときには、
基本波長を選択するために用いるフィルタを、ビーム経
路に対して所定の角度でマウントしてウオークオフを補
償する。プローブステーションで用いられるIR、可視光
およびUVの複数の波長が、顕微鏡光学系を通して単一の
ビームラインに一致して供給され、また制御された減衰
受けることが極めて重要である。
本発明に従う可変減衰器は、出力ビームとして選択さ
れ得る全ての波長において減衰を与える。この可変減衰
器は、ビーム経路の中に、複数の波長に向けられる半波
プレート（half−wave plate）を含んでいる。偏光器が
含まれており、また波プレート（wave plate）を回転さ
せて複数の波長を減衰するための機構が含まれている。
この波プレートは、可能な出力として望ましい全ての波
長で効率よく動作するように注意深く設計されなければ
ならない。
本発明に従うレーザシステムは、コンパクトであり、
振動がなく、また比較的安価である。本発明のレーザシ
ステムに従う一つの構成は、受動的に空冷され、電子光
学的にＱスイッチされるNd:YAGレーザを具備しており、
ビーム経路に沿って基本波長のビームを発生する。第一
の非線形結晶がビーム経路にマウントされ、基本波長の
二次高調波を発生する。第二の非線形結晶がビーム経路
にマウントされ、基本波長の三次高調波および四次高調
波のうち少なくとも一つを発生する。基本波長、二次高
調波、並びに三次高調波および四次高調波の少なくとも
一つのためのビーム経路に、可変減衰器がマウントされ
る。最後に、ビーム経路内の切替可能な光学系によっ
て、基本波長、二次高調波、並びに三次高調波および四
次高調波の少なくとも一つの中から、出力ビームの波長
が選択される。本発明の二波長または三波長モードは、
幅が6.25インチ、高さが12インチ、奥行きが５インチで
ある。このシステムの重さは僅か８ポンドに過ぎない。
このコンパクトな寸法と、実施に際して振動がないこ
とから、上記で述べたプローブステーション態様の代わ
りに、本発明によるレーザを顕微鏡にマウントすること
により、単純な多波長のレーザ切断機を形成することが
できる。
本発明に従うプローブステーションおよびレーザシス
テムは、半導体微細加工の設計検査および評価、欠陥分
析、並びにLCD修復に応用するための精密な要件に適合
する。ソリッドステートで振動がない空冷のシステムに
よって、操作の便利性、小さい寸法、優れた均一性およ
び安定性が、単一の装置の中で、そぐわない特性（unma
tched performance）と組み合わされる。この多波長シ
ステムは、適用の範囲において最適な柔軟性を提供す
る。
本発明の他の側面および利点については、図面、以下
の詳細な説明および請求の範囲を検討することによって
理解できるであろう。
〔図面の簡単な説明〕
図１は、本発明による、多波長レーザを有する分析プ
ローブステーションの斜視図である。
図2Aおよび2Bは、本発明の第一の実施例による多波長
レーザのレイアウトを示している。
図3Aおよび3Bは、図2A,2Bおよび４の光学的レイアウ
トにおけるビーム経路の中へ、または該経路から外へと
フィルタを移動するための機構を示している。
図４は、本発明に従う別のレーザ設計における光学的
レイアウトを示している。
図５は、本発明による、多波長レーザをマウントした
顕微鏡からなるレーザ切断システムの斜視図である。
〔詳細な説明〕
本発明の好ましい実施例を、図面を参照して詳細に説
明する。図１は、多波長レーザをマウントした本発明に
よるプローブステーションを示している。
図１は、本発明による分析プローブステーションの単
純化された図を提供している。分析プローブステーショ
ンの一つの重要な特徴は、貴重な実験室スペースを維持
するためのコンパクトな寸法である。にもかかわらず、
このステーションは広範なプロービング用途に適合され
た複雑な機械である。
このプローブステーションは、ベース機械10（典型的
には基本フレームを含む）、顕微鏡マウントブリッジ1
1、Ｘ−Ｙ調節のための翻訳ステージ12、プローブヘッ
ド等のためのケーブル（図示せず）、チャックを回転さ
せるための機構13、および当該技術において公知の他の
特徴からなっている。同図に示すように、ベース機械10
には種々の制御手段、例えば特定用途のためのプローブ
ステーションを形成するために用いる手段14,15が含ま
れている。
また、プローブステーションにはチャック16が含まれ
ており、該チャックには、プローブ対象をチャック16に
保持するための、典型的には磁気駆動または真空駆動の
アタッチメントが付設されている。チャック16に隣接し
て、複数のプローブヘッド18,19を載置するためのテー
ブル17が設けられている。プローブヘッド18は、プロー
ブ対象の上に延出したプローブ腕20、21に結合されてい
る。
顕微鏡22は、顕微鏡ブリッジ11にマウントされる。こ
の顕微鏡には、当該技術で公知のように、複数の対物レ
ンズ23が含まれている。典型的には、顕微鏡22は立体顕
微鏡であり、その一例は、カリホルニア州シティオブイ
ンダストリーのMTIコーポレーションから入手可能なミ
ツトヨFS−60（Mitutoyo FS−60）顕微鏡である。
本発明に従えば、多波長レーザ24は顕微鏡22と共にマ
ウントされる。この多波長レーザ24はコンパクトであ
り、顕微鏡の上にぴったり取り付けられるから、高価な
実験室資源を浪費しない。多波長レーザ24は電源25に連
結され、これによって出力ビームのパラメータを制御す
る。緊密な電気的コード26が、電源25と多波長レーザ24
との間に連結されている。このレーザは、顕微鏡のため
のカメラポートにマウントされても良く、或いは幾つか
の利用可能な顕微鏡の専用レーザポートにマウントされ
てもよい。そのビームは顕微鏡を通して導かれ、顕微鏡
の対物レンズを通して視野へ放出される。このビーム
は、使用した対物レンズおよびレーザヘッドの利用可能
なアパーチャの寸法によって決定される小領域に集光さ
れる。高出力対物レンズは、低出力対物レンズよりもビ
ームをより小さい領域に集光し、多くの材料を溶融また
は蒸発させるために十分なエネルギー密度を生じる。倍
率100倍の対物レンズは、倍率50倍の対物レンズの４倍
のエネルギー密度を生じるであろう。倍率20倍の対物レ
ンズは、倍率50倍の対物レンズの僅か16％のエネルギー
密度しか生じない。
顕微鏡は、一般的に可視光のために設計されており、
従って、可視光レーザのエネルギーは最も容易に顕微鏡
の光学系を透過する。多くの顕微鏡製造業者は、可視光
に加えて近赤外エネルギーをも透過するような、顕微鏡
の赤外バージョンを提供している。幾つかの顕微鏡製造
業者は、可視光に加えて、近UVエネルギーを透過する顕
微鏡をも開発中である。
好ましい態様に従えば、この多波長レーザヘッドは、
カメラアダプターを含めて、高さが略12インチ、幅が6.
25インチ、奥行きが５インチである。このレーザヘッド
は、受動的に空冷されるNd:YAGレーザ、基本波長の複数
の高調波を生じるためにレーザのビーム経路に置かれた
光学系、選択され得る全ての出力波長について動作可能
な可変減衰器、およびスイッチの動作に際して出力波長
を選択するために用いられる切替可能な光学系からなっ
ている。このレーザシステムは、電気光学的にＱ−スイ
ッチされ、1Hzで連続的に動作するか、或いは要求に応
じて単一ショットが発射される。複数の波長の全てが単
一のビームラインに沿って顕微鏡光学系に供給され、こ
れらは確実に、プローブステーションの対象の上に位置
する顕微鏡の視野内に位置する。加えて、このレーザシ
ステムには可変XYシャッタが含まれており、出力ビーム
は、対象DUTの上に制御された寸法の矩形の集光跡を有
することになる。このレーザヘッドはインバール安定化
共振器キャビティー（invar stabilized resonator cav
ity）を使用しており、その上にレーザ光学系がマウン
トされる。これによって、正常な動作条件下でのトラブ
ルのない動作が保証される。フラッシュランプおよび電
源は、ファンまたは他の能動的冷却機構を用いることな
く、受動的に空冷される。これによってプローブステー
ションでの振動が防止されるが、このことは、サブミク
ロンの寸法であり得る半導体装置などをプロービングす
るためには極めて重要である。
好ましい態様におけるレーザシステム光学設計のレイ
アウトは、図2Aおよび2Bに記載されている。このレーザ
システムには、電子光学的にＱスイッチされたNd:YAGレ
ーザ100、例えば、この出願の譲受人であるカリフォル
ニア州サンニバル（Sunnyvale,California）所在のニュ
ーウエーブリサーチInc.（New Weve Research Inc.）か
ら入手可能な、市販のACL−１空冷レーザが含まれてい
る。このシステムには、インバールで安定化された、電
子光学的にＱスイッチされ受動的に空冷されるレーザ共
振器が含まれている。レーザ100には、高反射鏡101、電
子光学的Ｑスイッチ102、フラッシュランプでポンピン
グされたNd:YAGゲイン媒体103、および出力カプラー104
が含まれている。レーザ100の出力は、ビーム経路105に
沿って、レーザ100の基本出力波長の二次高調波を発生
するための第一の非線形結晶106を通して供給される。
好ましいシステムにおいて、この非線形結晶は、YAGレ
ーザの1064ナノメータ線の周波数倍増のために調整され
たKTPである。ビーム経路105に続いて、基本波長および
二次高調波のための高反射鏡107がある。この鏡107は、
ビーム経路を90゜の角度に向けることによって、偏光器
108を通してレーザ100の基本波長を再偏光させる。基本
波長は、より効率的な減衰のために、倍増結晶106の後
で再偏光される。再偏光された基本波長および周波数倍
増成分は、次いでビーム経路105に沿って第二の非線形
結晶109を通過する。第二の非線形結晶109は、好ましい
システムにおいて、基本波長の三次高調波および四次高
調波を発生させるために用いられる。それは、この実施
例では、三次高調波または四次高調波の発生のために調
整されたホウ酸ベータバリウムBBOである。
基本波長、二次高調波ならびに第三または四次高調波
は、次いで、ビーム経路110に沿って高反射鏡111に至
る。該反射鏡は、基本波長、二次高調波、三次高調波お
よび四次高調波において高度に反射性である。この鏡11
1はビームを90゜曲げ、可変減衰器112を通過させる。
可変減衰器112は、多波長プレート113および方解石偏
光素子114からなっている。これら二つの装置の相対的
な角度位置は、レーザビームの減衰を制御するように、
当該技術において公知の機構115を用いて制御される。
同定された四つの各波長で動作し得る多波長プレート
は、問題の全ての波長の半波長の奇数倍に近い光学厚さ
を有していなければならない。略0.77901mmの物理的厚
さを有する光学等級の結晶性石英プレートは、基本波
長、二次高調波、三次高調波、および四次高調波（106
4,532,355,266nm）の夫々について、ｅ−波およびｅ−
波の約80゜の相対的位相遅延を与えることが分かった。
これは、四次高調波である266nmにおける63radオーダー
の半波長に対応する。この相対的な位相遅延は、四つの
波長の全てについて正確に半波長ではないが、十分に半
波長に近いので、偏光器と組み合わせれば、四つの全て
の波長において有効な減衰器が形成される。上記の実施
例において、解放されたときの減衰器の透過率は、四次
高調波に対して約100％、三次高調波に対して約99.4
％、二次高調波に対して約98.6％、基本波長に対して約
89.3％である。別の厚さの半波長プレートを用いても同
様の結果を達成することができるが、二次、三次および
四次高調波の低出力波長での透過率が高いことから、上
記実施例の厚さが好ましい。例えば、厚さが約0.0865ミ
リメータのとき、266での透過率は約100％、355での透
過率は89％、532での透過率は100％、1064での透過率は
62％である。厚さが約0.3091ミリメータのとき、266で
の透過率は約100％、355での透過率は98％、532での透
過率は77％、1064での透過率は99％である。厚さが約0.
5564ミリメータのとき、266での透過率は約100％、355
での透過率は85％、532における透過率は87％、1064で
の透過率は96％である。厚さが約0.9274ミリメータのと
きは、二次高調波では透明ではないが、五次高調波（21
3ナノメータ）での透過率は約100％であり、266での透
過率は約100％、355での透過率は85％、1064での透過率
は88％である。一枚の半波長プレートについては、厚い
プレートに伴う熱の問題を回避するために、その厚さを
約１ミリメータ未満に維持するのが望ましい。
可変減衰器112からの減衰されたビームは、切替可能
なフィルタ機構116を通って経路105に供給される。切替
可能なフィルタ機構には、該システムの出力波長を選択
するために用いる複数のフィルタが装着されている。複
数の波長選択フィルタのうちの一つをビーム経路へ移動
させることによって、出力波長が選択される。
次いで、三次高調波または四次高調波を発生させるた
めの非線形結晶109が高調波波長のウオークオフを生
じ、約0.5ミリメータだけビーム経路105からづれる。顕
微鏡がマウントされたレーザシステムにおいて、全ての
選択された波長について、出力ビームが同一のビームラ
インに沿って顕微鏡の視野の中に進まなければならない
場合、このウオークオフは極めて重大である。
三次高調波または四次高調波を選択するために用いる
フィルタ117を傾けることによって、このウオークオフ
は修正される。従って、三次高調波または四次高調波、
並びに他の波長は、如何なる波長が選択されるかにかか
わらず、ビーム経路105に沿って供給される。
二次高調波を発生させるために整列されたKTP結晶106
は、無視し得る程度のウオークオフしか生じない。した
がって、望ましい出力のために選択された傾斜カラーガ
ラスフィルタを用いて、切替可能な光学系116により修
正しなければならないウオークオフの主な原因は、BBO
結晶109である。ビーム経路105において、次に配置され
ているのは拡大鏡118である。この拡大鏡は、ビームを
約３ミリメータの断面から約９ミリメータの断面へと約
３倍に拡大するために用いられる。これによって、以下
に説明する制御可能なＸ−Ｙアパーチャ120に対してビ
ームの断面を合致させることが可能になる。拡大鏡118
を通過した後、ビームは経路105に沿って高反射鏡119に
供給される。この反射鏡119は、四つの選択可能な波長
に対して反射性を有している。ビームは、反射鏡119で9
0゜曲げられて、反射鏡150に入射する。反射鏡150は、
高調波、該高調波の二次、三次および四次高調波におい
て反射性である。また、上記の実施例において、反射鏡
150は600ナノメータ以上では透過性であるから、150ワ
ットの白熱ランプのような白色光源151からの白色光は
ビームラインへと透過し、照準ビームまたはスポットマ
ーカとして働く。
反射鏡150はビーム経路を曲げ、Ｘ−Ｙアパーチャ120
を通過させる。このＸ−Ｙアパーチャは、顕微鏡へ供給
されるビームの断面を、正方形または矩形にするために
用いられる。
ビームは、アパーチャ120からビームスプリッタ121へ
と通過する。ビームスプリッタ121は、出力系が選択可
能な四つの全ての波長において、50％以上の透過性を有
する。レーザシステムの出力は、次いで顕微鏡光学系の
中に導入されるビームライン122上に供給され、また、
図2Bに示すように、図2Aに対して直行する線上に供給さ
れて、カメラアダプタ123に導かれる。顕微鏡の視野か
らの画像は、ビームスプリッタ121により反射されて、
カメラアダプタ123内の反射鏡124に向かう。このカメラ
アダプタには、ビデオカメラまたは他の画像システムを
このアセンブリーに結合できるように、付属品125が含
まれている。図2Aおよび2Bに示したレーザ設計は、本発
明によるプローブステーションまたはレーザ切断機のた
めのスイッチのフリップを用いて、三つの選択可能な出
力波長を提供することができる。非線形結晶109を動か
して三次高調波または四次高調波を選択することによ
り、このレーザシステムは、赤外領域の基本出力波長、
可視領域の二次高調波または紫外領域の三次高調波を選
択し、或いは赤外領域の基本出力波長、可視領域の二次
高調波または紫外領域の四次高調波を選択するように適
用することができる。
可変減衰器112および切替え可能な光学系116は、多波
長レーザシステムに伴う問題、即ち、プローブステーシ
ョンまたはレーザ切断機の過酷な基準に従って、制御さ
れた減衰出力を単一のビーム上に供給しなければならな
いという問題を克服するために特別に設計されている。
減衰器112並びに高反射鏡111,119および150を含む光
学系は、可能な四つの波長全てについて機能するので、
結晶109に対して直列にもう一つの非線形結晶を挿入す
ることによって、図2Aのレーザシステムは４波長システ
ムにまで拡大することができる。ビームにおけるウオー
クオフの何らかの変化は、先に述べたように、フィルタ
の傾きを調節することによって補償される。
本発明による切替可能な光学系の単純化した図面が、
図3Aおよび図3Bに与えられており、これらの図面は、複
数のフィルタ201、202、203および204が装着されるホイ
ール200を例示している。夫々のフィルタは、特定の出
力波長を選択するように設計されたカラーガラスフィル
タからなっている。或いは、ホイール上の複数のフィル
タは、同じ波長を選択するが、該波長の異なった量の減
衰を与えるものであってもよい。従って、フィルタ201
および202は、高調波のうちの三次高調波および二次高
調波を夫々選択してもよい。フィルタ203および204は、
夫々70％減衰および50％減衰された基本波長を選択して
もよい。ホイールは、必要に応じて多くのフィルタを保
持するように拡大することができる。また、種々の効果
を達成するために、２以上のホイールを直列に用いても
よい。
ウオークオフを修正するために、三次高調波または四
次高調波を選択するフィルタ201は、傾斜してマウント
される。図3Bは、ホイール200を含む選択可能な光学機
構の側面図である。ホイール200には、フィルタの位置
を選択するためのモータ210が装着されている。フィル
タ202、203および204は、適正なフィルタがビーム経路1
05にあるときに、基本波長および二次高調波を真直ぐに
通過させるように平坦にマウントされる。しかしなが
ら、フィルタ201は、三次または四次高調波のウオーク
オフ205を補償するように、経路206上に傾斜してマウン
トされる。好ましいシステムにおいては、三次高調波を
発生させるために調整されたBBO結晶により生じるウオ
ークオフを補償するために、2.5ミリメータの厚さを有
し、略18゜に傾斜したカラーガラスフィルタが用いられ
る。BBO結晶が四次高調波のために調整されるときは、
当該フィルタの傾斜角度は略20゜である。
紫外領域の出力波長（355または266ナノメータ）を供
給するように設計されたシステムの場合、殆どの商業的
な顕微鏡の光学系をUV透過性の光学系に置き換えなけれ
ばならない。従って、ミツトヨ（Mitutoyo）FS−60顕微
鏡には、問題の全ての波長を透過する溶融シリカ製のビ
ームスプリッタプリズムおよびズームレンズアタッチメ
ントを取り付けなければならない。UVを透過する対物レ
ンズは、ミツトヨ顕微鏡の製造業者から商業的に入手可
能である。
KTP結晶およびBB0結晶は、当該技術分野で公知の広範
な非線形結晶に置き換えてもよい。しかし、KTPは、Nd:
YAGレーザの1064ナノメータ線を周波数倍増するために
極めて効果的である。また、この倍増は殆ど90゜の調節
で生じるから、ウオークオフを無視できる。BBO結晶
は、三次または四次高調波の発生に用いられる。
図４は、選択される高調波の波長の二次および三次高
調波を発生する、レーザシステムの別のレイアウトを示
している。このシステムにおいて、図2Aの実施例で用い
たのと同様の部品には同じ参照番号を付し、ここで再度
説明することはしない。
図から理解できるように、このレイアウトは、再偏光
器108が省略されている点を除けば、図2Aに示したもの
と同様である。減衰器112には、二つの選択可能な波長
で動作することのみが要求される。また、先に述べたよ
うに、結晶109を動かして、三次高調波または四次高調
波の何れかを発生ささせることができる。
この実施例におけるスポットマーカ151もまた、白色
光現である。しかし、当該技術分野で公知のように、こ
のスポットマーカは、レーザダイオードまたは他の照準
ビーム技術で置き換えてもよい。
図５は、顕微鏡300、および、顕微鏡ベース302にマウ
ントされたステージ301を含む単純レーザ切断機の機構
に装着された本発明のシステムにしたがう多波長レーザ
システムを示している。顕微鏡300は、レーザ切断操作
の対象304上に視野303を有している。ステージ301は、
レーザ切断操作の対象304の位置を制御するための精巧
なＸおよびＹマイクロメータステージ305、306を備えて
いる。
多波長レーザ307は、ビームライン308上のレーザの視
野303に、選択可能な出力波長を供給する。上記のよう
にシステムの動作中にレーザ307の出力波長が変わって
も、このビームライン308は変わらない。この顕微鏡300
には複数の対物レンズ310,311および312が含まれてお
り、これら全ての対物レンズは、多波長レーザ307によ
って発生される複数の波長を通過させるように適合され
ている。更に、プリズム等を含むこの顕微鏡光学系は、
レーザシステムによって選択された複数の波長の全てに
おいて透過性である。
レーザシステム307の大きさがコンパクトであること
は、上記で述べたように、プローブステーションまたは
レーザ切断機にとって非常に重要である。多波長レーザ
307は、図５に示すように、顕微鏡の上に装着するため
に十分に小さく、出力波長が確実に単一のビームライン
308に沿って発生するように十分に安定であり、また十
分に軽いから顕微鏡の集光機構を転覆させない。更に、
このレーザシステムは、複数の波長を発生させるため
に、貴重な実験室空間を使用しない。
加えて、多波長レーザ307は、コンパクトで安定な多
波長システムを必要とする他の種々の情況にも適用する
ことができる。一つのレーザおよび特別に設計された光
学系を用いて、制御され減衰された複数の出力を単一の
ビームラインに沿って与えるという独特の能力によっ
て、従来の多波長システムでは費用が高く且つ大きいた
めに以前は利用できなかったような種々の環境において
も、多波長レーザを応用することが可能になる。
従って、本発明は、独立型の顕微鏡またはプローブス
テーションに装着するように設計された、空冷のパルス
化されたNd:YAGレーザを提供する。分析プローブステー
ションにマウントされると、このシステムは、半導体設
計保証および欠陥分析に適用するための独特のフレキシ
ビリティーを与える。独立型のレーザ切断機システムに
おいて、このレーザは、それ自身のスタンドおよびＸ−
Ｙステージと共に顕微鏡にマウントされることにより、
標準のプローブステーションにアクセスしていたよりも
遥かに多くの技術者に対して利用可能とすることができ
る。
このシステムは、電子−光学的Ｑスイッチ、多波長で
の動作、ファンを用いない動作、およびコンパクトな大
きさを含む多くの進んだ特徴を提供する。出力は安定で
且つ反復可能であり、これによって正確な切断が保証さ
れ、また大きく且つ均一な切断が可能になる。インバー
ルで安定化された共振子構造によって温度安定性が改善
される。これは、レーザシステムを温度変化に対してよ
り耐性とし、またより広い温度範囲に亘って一定のエネ
ルギーを得ることを可能にする。
好ましい実施例における電子−光学的Ｑスイッチは、
ポッケル・セル（Pockel cell）および偏光器にKDP結晶
を用いる。これによって、ゲイン媒体からのエネルギー
バーストを正確に制御することが可能になる。独特の半
波プレートおよび可変減衰器の誘電体偏光器は、熱集
積、変形、およびエネルギー変動を受けない。これは、
低コストの減衰器によって実現され得る。また、これら
は、このレーザシステムによって発生される出力波長の
全スペクトルにわたる減衰を提供する。
本発明は、まず第一に、プローブステーションまたは
レーザ切断機に、赤外領域、可視領域および紫外領域か
ら選択され得る出力を生じるような単一のレーザをマウ
ントする能力を提供する。この出力は、正確に制御され
た減衰によって入手可能であり、堅実な動作を得るため
に、顕微鏡を通した単一のビームラインに沿って進む。
大きさがコンパクトであること、および空冷されるとい
う特徴は、実験室スペースが高価であり、また振動が耐
えられないようなプローブステーションの環境には理想
的に適している。
本発明の好ましい実施例に関する上記の説明は、例示
および説明の目的で提示されたものである。開示された
正確な形に本発明を限定することは意図されていない。
明らかに、当業者には多くの改良および変更が明白であ
ろう。本発明の範囲は、後記の請求の範囲の記載および
その均等物によって決定されるべきものである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｓ 3/109 3/109 Ｇ０１Ｒ 31/28 Ｋ (72)発明者 ハーブスト リチャード リンズリー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94303 パロ アルト グローヴ アベ ニュー 3915 (56)参考文献 特開 平６−106378（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−200389（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−241723（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−32674（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−282432（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/06 H01L 21/66 G01R 31/28 H01S 3/109

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】プローブステーションシステムであって： ベースと； 分析または試験すべき装置を保持するために、前記ベー
    スにマウントされたチャックと； 前記装置のためのプローブをマウントするために、前記
    ベースにマウントされたプローブテーブルと； 前記ベースにマウントされ、前記チャック上に保持され
    た試験すべき装置の上に視野を有する顕微鏡と； 前記顕微鏡と共にマウントされ、ビームライン上の顕微
    鏡光学系を通して出力ビームを前記顕微鏡の視野へ供給
    するレーザであって、複数の波長で前記ビームライン上
    に選択的に出力ビームを発生する光学系を含んでいるレ
    ーザとを具備し、 前記顕微鏡が前記複数の波長に対して透明な光学系を含
    み、さらに、前記複数の波長が、出力ビームのための三
    つ以上の選択可能な波長が含んでいるシステム。
  2. 【請求項２】プローブステーションシステムであって： ベースと； 対象を保持するために、前記ベースにマウントされたス
    テージと； 前記対象のためのプローブをマウントするために、前記
    ベースにマウントされたプローブテーブルと； 前記ベースにマウントされ、前記ステージ上に保持され
    た対象の上に視野を有する顕微鏡と； 前記顕微鏡と共にマウントされ、ビームライン上の顕微
    鏡光学系を通して出力ビームを前記顕微鏡の視野へ供給
    するレーザであって、複数の波長で前記ビームライン上
    に選択的に出力ビームを発生する光学系を含んでいるレ
    ーザとを具備し、 前記顕微鏡が、前記複数の波長において透明な光学系を
    含み、前記複数の波長が、出力ビームのための三以上の
    選択可能な波長を含んだシステム。
  3. 【請求項３】制御可能な減衰を伴う複数の波長を供給す
    るためのレーザシステムであって： 単一のビーム経路に沿って基本波長のビームを発生する
    固体レーザと； 単一のビーム経路内の一以上の非線形光学系であって、
    前記レーザによって発生されたビームを受信し、前記基
    本波長の複数の高調波を発生することが可能な非線形光
    学系と； 単一のビーム経路内の前記複数の高調波を受信し減衰す
    ることができる可変減衰器と； 前記出力ビームの波長を選択する切替可能な光学系とを
    具備したシステム。
  4. 【請求項４】制御可能な減衰を伴う複数の波長を供給す
    るためのレーザシステムであって、 単一のビーム経路に沿って、基本波長のビームを発生す
    る固体レーザと； 単一のビーム経路内の前記基本波長の少なくとも一つの
    高調波を発生する一以上の非線形光学系であって、前記
    複数の波長のうち少なくとも一つの特定波長のウオーク
    オフを生じさせる非線形光学系と； 複数の波長のそれぞれが、選択されたときに単一のビー
    ムライン上に供給されるようにウオークオフを補償する
    手段と； 前記出力ビームの波長を選択する切替可能な光学系とを
    具備したシステム。
  5. 【請求項５】制御可能な減衰を伴う複数の波長を供給す
    るためのレーザシステムであって、 基本波長のビームを単一のビーム経路に沿って発生し、
    受動的に空冷され、電子−光学的にＱスイッチされるN
    d:YAGレーザと、 レーザによって発生されたビームを受信し、基本波長の
    二次高調波を発生することができる単一のビーム経路内
    の第一の非線形結晶と、 レーザによって発生されたビームを受信し基本波長の三
    次または四次高調波の少なくとも一つを発生することが
    できる、単一のビーム経路内の第二の非線形結晶と、 レーザによって発生されたビームを受信し、基本波長、
    二次高調波ならびに三次および四次高調波の少なくとも
    一つを発生することができる単一のビーム経路内の可変
    減衰器と、 基本波長、二次高調波ならびに三次および四次高調波の
    少なくとも一つの中から、出力ビームの波長を選択する
    ための切替可能な光学系とを具備したシステム。
  6. 【請求項６】前記レーザが、 ビーム経路に沿って基本波長のビームを発生する固体レ
    ーザと； 前記基本波長の複数の高調波を発生するビーム経路内の
    一以上の非線形光学系と； 前記複数の波長のためのビーム経路内の可変減衰器と； 前記複数の高調波および前記基本波長の中から、前記出
    力ビームの波長を選択する切替可能な光学系とを具備し
    た請求の範囲第１項または第２項に記載のシステム。
  7. 【請求項７】前記レーザが、空冷され、電子−光学的に
    ＱスイッチされるNd:YAGレーザを備えた請求の範囲第１
    項、第２項または第３項に記載のシステム。
  8. 【請求項８】前記複数の波長が、赤外領域の少なくとも
    一つの波長、可視領域の少なくとも一つの波長、および
    紫外領域の少なくとも一つの波長が含んでいる請求の範
    囲第１項、第２項または第３項に記載のシステム。
  9. 【請求項９】前記可変減衰器が、 少なくとも一つの高調波および基本波長に向けられた、
    ビーム経路内の半波長プレートと、 偏光器と、 前記波プレートおよび偏光器の相対的角度位置を制御し
    て、前記複数の波長を減衰する機構とを備えた請求の範
    囲第３項、第５項または第６項に記載のレーザシステ
    ム。
  10. 【請求項１０】前記複数の波長が、基本波長、基本波長
    の二次高調波および基本波長の三次高調波が含んでいる
    請求の範囲第４項または第９項に記載のレーザシステ
    ム。
  11. 【請求項１１】前記複数の波長が、基本波長、基本波長
    の二次高調波および基本波長の四次高調波が含んでいる
    請求の範囲第９項に記載のレーザシステム。
  12. 【請求項１２】前記複数の波長が、基本波長の二次高調
    波および基本波長の三次高調波を含んでいる請求の範囲
    第９項に記載のレーザシステム。
  13. 【請求項１３】前記複数の波長が、基本波長の二次高調
    波および基本波長の四次高調波を含んでいる請求の範囲
    第９項に記載のレーザシステム。
  14. 【請求項１４】前記複数の波長が、赤外領域の基本波
    長、可視領域の二次高調波ならびに紫外三次高調波およ
    び紫外四次高調波のうちの少なくとも一つを含んでいる
    請求の範囲第３項または第４項に記載のレーザシステ
    ム。
  15. 【請求項１５】前記切替可能な光学系が、複数のフィル
    タおよび該複数のフィルタの選択された一つをビーム経
    路の中に切り替えて出力波長を選択するための機構を備
    え、第一および第二の非線形結晶によって複数の波長の
    少なくとも特定波長のウオークオフを生じさせ、さら
    に、前記複数のフィルタの特定の一つは特定波長を選択
    し、この特定のフィルタはウオークオフを補償するため
    にビーム経路に対して所定の角度でマウントされる請求
    の範囲第５項に記載のレーザシステム。
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