JP4754069B2 - 傾斜コラムを用いた集束粒子線システム及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は、ワークを加工処理する（例えば、ワークの断面をエッチング及び結像する）ための集束粒子線システム及び方法に関わる。
【０００２】
現在の集束粒子線（ＦＩＢ）システムは、ワークに対して垂直に配向されたイオンビームコラムと、傾動式ワークステージとを一般に含む。こうしたシステムは、ワークに対する直角線からオフセットした電子コラムを含むこともできる。イオンコラムを用いてワークの断面を結像するには、現在のシステムでは、ワークにキャビティをエッチングして、更に、イオンビームがこのキャビティの側壁に衝突できるようにワークステージを傾動する。
【０００３】
傾動式ステージを具備した既存のＦＩＢシステムには幾つかの問題点がある。傾動式ワークステージは、ＦＩＢシステムのその他の多くの構成要素に比べるて大きく、システム全体が比較的嵩張るものになってしまう。このように嵩張ることは、クリーンルーム製作空間が高価なことから不利である。更に、傾動式ワークステージによりＦＩＢシステムが不安定になるが、その理由は、傾動式ワークステージにより、ＦＩＢシステムが以下に詳しく述べるように低周波振動及び重力たるみを被りやすくなるからである。好ましくないことに、傾動式ワークステージの振動及び変化する形状が、レーザー干渉計などのシステムの構成部品の動作と干渉することがある。ワークの位置を正確に観測する補助に、レーザー干渉法を用いることができる。
【０００４】
傾動式ステージなどの大きく重い物体がベアリングなどで支持され且つバネのように挙動する機構によって安定的に保持されている時に、低周波振動が起こる可能性がある。低周波振動は、目標点の位置（例えば、イオンビームがワークと相互作用する箇所）を特定する際の不確定さを増すことになって、集束粒子線システムの解像度を低下させる。
【０００５】
大型のワークステージアッセンブリが傾動されると、重力がこのワークステージアッセンブリの構成部品及びワークを曲げることがある。こうした曲がりを重力たるみと称するが、重力たるみを監視するのは容易でない。よって、重力たるみはワークステージの位置及びワークの位置の決定における不正確さの原因となりうる。こうした不正確さは集束粒子線システムの解像度を低下させる。
【０００６】
ＦＩＢシステムの既存の形状は、光学顕微鏡などの他の要素によるワークへのアクセスを制限するものである。更に、既存のシステムは、特定のイオンコラム及び電子コラムの作動距離の最適化を考慮に入れていない。ワークに対して垂直に配向された集束イオンビームと、ワークに対する直角線からオフセットした電子ビームとを特徴とする既存の構成においては、イオンビーム及び電子ビームの特性（例えば、解像度及び流動密度）を最適化する作動距離が得られない。その理由は、ワークステージと、イオンコラムの先端と、電子コラムの先端とが互いに物理的に干渉するからである。
【０００７】
よって、本発明の一つの目的は、ワークを処理する（例えば、ワークの断面をエッチング及び結像する）ための改良型集束粒子線システム及び方法を提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、集束粒子線システムのフットプリントを減らすことである。
【０００９】
本発明の他の目的は、集束粒子線システムのワークステージアッセンブリの安定性を向上させることである。
【００１０】
本発明の別の目的は、集束粒子線システムの正確度を向上させることである。
【００１１】
本発明の別の目的は、粒子ビームコラム及び電子ビームコラムの作動距離を同時に最適化できる集束粒子線システムであって、これらコラムの目標点が実質的に一致するようにコラムが配向されている集束粒子線システムを提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、光学顕微鏡などの付加的システム要素がワークへアクセスするのを促進する集束粒子線システムを提供することである。
【００１３】
本発明のその他の目的は、部分的には明白であり、部分的には以下に記載されている。
【００１４】
発明の概要
本発明によるワークと相互に作用する粒子線システムの一様態は、ハウジングと、そのハウジングに収容されたワークを処理する要素とを具備する。この処理要素は、ワークステージアッセンブリと、第一粒子線源とを含む。このワークステージアッセンブリは、ａ）ワークを支持し、ｂ）ワークを第一軸に沿って平行移動し、ｃ）第一軸に直交する第二軸に沿ってワークを平行移動し、ｄ）第一軸と第二軸との双方に直交する第三軸を中心にワークを回動しうる。ワークステージアッセンブリは、第三軸に概ね平行なワークステージ軸を具備している。
【００１５】
第一粒子線源は、ワークステージアッセンブリに支持されたワークと相互作用する。第一粒子線源は、ワークステージアッセンブリの上方に位置すると共に、第一粒子線軸を具備する。第一粒子線源は、第一粒子線軸が上述の第三軸と鋭角をなすように配向されている。よって、この粒子線システムは、ワークステージ軸を第三軸からオフセットしないで、ワークの垂直断面をエッチング及び結像できる。
【００１６】
例えば半導体デバイスを含んだウェーハなどのワーク又はサンプルは、１５：１のアスペクト比を備えてたフィーチャー又は構造体を含むことができる。よって、こうしたフィーチャー又は構造体を含んだワークの断面を形成及び結像する際には、この断面は、個々のフィーチャーのアスペクト比がその断面に正確に反映されるように、十分に垂直であるべきである。
【００１７】
更に、このためには、一本の軸が別の一本の軸に対して鋭角をなす際には、この一本の軸はこの別の一本の軸に対してオフセットされていると定義されている。
【００１８】
例示を目的とするのみであり、限定的な意味に理解されるべきではないが、上述の第一軸及び第二軸は水平面を規定し、更に、上述の第三軸が垂直軸であって良い。この場合は、ワークステージアッセンブリは、ａ）ワークを水平面において支持し、ｂ）ワークを前後方向に沿って平行移動し、ｃ）横方向、即ち左右方向に沿ってワークを平行移動し、ｄ）上記の垂直軸を中心にワークを回動しうる。ワークステージアッセンブリは、この垂直軸に実質的に平行なワークステージ軸を備えている。第一粒子線源は、垂直軸と鋭角をなすように配向された第一粒子線源軸を具備している。よって、この粒子線システムは、ワークステージ軸を垂直軸からオフセットしないで、ワークの垂直断面をエッチング及び結像できる。
【００１９】
本発明のこの形式の粒子線システムの幾つかの実施例が存在する。第一粒子線軸は、第三軸に対して約４５度の角度をなすことができる。更に、このシステムは、ワークと相互作用する第二粒子線源を、ワークステージアッセンブリの上方に備えていても良い。第二粒子線源は第二粒子線軸を備えていても良い。一実施例においては、第二粒子線源は、第二粒子線軸が第三軸に対して実質的に平行となるように配向されている。別の実施例では、第二粒子線源は、第二粒子線軸が第三軸に対してオフセットされるように配向されている。
【００２０】
別の実施例では、このシステムは、ワークと相互作用する電子ビーム源を備えていても良い。この電子ビーム源は、ワークステージアッセンブリの上方に位置すると共に、電子ビーム軸を備えている。この電子ビーム源は、電子ビーム軸が第三軸に対して選択的にオフセットされるように配向されている。
【００２１】
本発明のこの形式の粒子線システムの更に幾つかの実施例が存在する。第一粒子線軸と電子ビーム軸とのそれぞれが、第三軸に対して約４５度の角度をなすように、このシステムが構成されていても良い。更に、第一粒子線軸と第三軸とが第一平面を形成し、電子ビーム軸と第三軸とが、この第一平面に実質的に直交する第二平面を形成するように、このシステムが構成されていても良い。このシステム構成は、ワークを回動させずに第一粒子線源を用いてワークの垂直断面をエッチングできる且つ、電子ビームを用いてこの垂直断面を結像できるので有利である。
【００２２】
ワークステージアッセンブリが、ワークの位置の正確な測定の補助となるレーザー干渉計要素を含むように、このシステムを構成することもできる。このレーザー干渉計は、レーザー源と、ビームスプリッターと、少なくとも一つの基準ミラーと、少なくとも一つのテストミラーとを含むことができる。レーザー源が、レーザ放射をある通路に沿って第一方向に向ける。ビームスプリッターは、レーザー源からのレーザ放射の上記の通路上に位置しており、レーザ放射の第一部分を上記第一方向に沿って透過させ、レーザ放射の第二部分を第二方向に沿って反射する。基準ミラーは、レーザ放射の第一部分をビームスプリッターに反射して返す。テストミラーは、レーザ放射の第二部分をビームスプリッターに反射して返す。テストミラーは、ワークステージアッセンブリ上に位置している。よって、ビームスプリッターは、レーザ放射の第一の透過部分と第二の反射部分とを結合して、ワークの位置の測定の補助となる干渉縞を形成する。
【００２３】
このシステムは、ガス注入源または光学顕微鏡、またはその両方を含むように構成しても良い。一般的に、ガス注入源は、ワークの上方で且つワークの選択した近傍に位置したガス注入ノズルを具備する。光学顕微鏡は、光学顕微鏡軸を備えると共に、光学顕微鏡軸が第三軸と実質的に平行となるように配向されている。光学顕微鏡は、いわゆるウェーハ上下ナビゲーション（原語：top-down wafer navigation）を実行するために使用できる。
【００２４】
このシステムは、２５度より大きい角度で、更に好適には少なくとも４５度、最も好適には少なくとも９０度回動するワークステージアッセンブリを含むように構成しても良い。
【００２５】
本発明の一様態によれば、ワークと相互作用する第一粒子線源は、第一位置から第二位置へ傾動可能であって、この第一位置では、第一粒子線軸は第三軸に実質的に平行であって、第二位置では、第一粒子線軸は第三軸と角度をなす。この構成によれば、この粒子線システムは、ワークステージ軸を第三軸からオフセットすることなく、ワークの垂直断面をエッチング及び結像できる。
【００２６】
粒子線システムを用いて、ワークと相互作用する本発明による方法は、ａ）粒子線システムを提供する段階と、ｂ）ワークステージアッセンブリにワークを載置する段階と、ｃ）集束粒子線源を用いてワークにキャビティをエッチングして、ワークの垂直断面に含まれた少なくとも一つの構造体の少なくとも一部を露出させる段階と、を含む。
【００２７】
上記の粒子線システムを提供する段階は、ａ）ワークを支持し、ｂ）ワークを第一軸に沿って平行移動し、ｃ）第一軸に直交する第二軸に沿ってワークを平行移動し、ｄ）第一軸と第二軸との双方に直交する第三軸を中心にワークを回動しうるワークステージアッセンブリを提供することを含んでいて良い。このワークステージアッセンブリは、第三軸に概ね平行なワークステージ軸を具備している。
【００２８】
粒子線システムを提供する段階は、ワークと相互作用する第一粒子線源を提供することを更に含んでいても良い。この第一粒子線源は、ワークステージアッセンブリの上方に位置する。また、第一粒子線源は第一粒子線軸を具備する。第一粒子線源は、第一粒子線軸が上述の第三軸と鋭角をなすように配向されている。
【００２９】
よって、この粒子線システムは、ワークステージ軸を第三軸からオフセットしないで、ワークの垂直断面をエッチング及び結像できる。
【００３０】
粒子線システムを提供する段階は、ワークと相互作用する電子ビーム源を提供する段階を含んでいても良い。この実施例では、この電子ビーム源は、ワークステージアッセンブリの上方に位置すると共に、電子ビーム軸を備えている。この電子ビーム源は、電子ビーム軸が第三軸に対して選択的にオフセットされるように配向されている。
【００３１】
粒子線システムを提供する段階は、電子ビーム源と第一粒子線源とのそれぞれに、第三軸に対して約４５度の角度をなす第一粒子線軸と電子ビーム軸を具備させる段階を更に含んでも良い。更に、第一粒子線軸と第三軸とが第一平面を形成し、電子ビーム軸と第三軸とが、この第一平面が実質的に直交する第二平面を形成しても良い。
【００３２】
上述の方法は、上述の電子ビーム源を用いてワークの垂直断面を結像する段階を更に含むことができる。
【００３３】
上述の方法は、第二キャビティを上記の第一キャビティの選択した近傍にエッチングして、これら二つのキャビティを分離する透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）サンプル壁又はラメラを形成する段階を、更に含んでいてもよい。このＴＥＭラメラは対向する第一及び第二側面を含んでいて良い。第一側面は第一キャビティに面する一方、第二側面は第二キャビティに面する。更に、上述の方法は、電子銃からの電子でもってＴＥＭラメラの第二側面を衝撃する段階と、第二キャビティをエッチングする一方ラメラからの二次粒子放出の変化を監視することで、ラメラの厚みを監視する段階とを含んでも良い。
【００３４】
上述の方法は、エッチング段階に続いて、ワークを第三軸を中心に９０度回動させて垂直断面を第一粒子線源に曝す段階を更に含んでいてもよい。この回動させて曝す段階に続いて、この粒子線システムは、この集束粒子線を用いてワークの垂直断面を結像できる。
【００３５】
ワークと相互作用する粒子線システムの本発明による他の様態は、ワークを支持すると共に、ワークを平面上に配向するワークステージアッセンブリを含んでいる。このワークステージアッセンブリは、ワークを第一軸に沿って平行移動し、ワークを第一軸に直交する第二軸に沿って平行移動し得る支持要素を具備している。この支持要素は、ａ）第一面及び第二面と、ｂ）支持要素の第一面に結合された位置決めアッセンブリであって、支持要素とワークとを第一軸及び第二軸の双方に直交する第三軸を中心に回動させて、ワークが支持要素の第二面に設置され、平面上を平行移動され、且つその平面に垂直な第三軸を中心として回動されうる、位置決めアッセンブリと、を含む。
【００３６】
上記システムは、ワークと相互作用する第一粒子線源を更に含む。ワークはワークステージアッセンブリに支持される。第一粒子線源は、ワークステージアッセンブリの上方に位置すると共に、第一粒子線軸を備える。第一粒子線源は、第一位置から第二位置へ傾動可能であって、この第一位置では、第一粒子線軸は第三軸に実質的に平行であって、第二位置では、第一粒子線軸は第三軸と鋭角をなす。よって、この粒子線システムは、ワークステージ軸を第三軸に対してオフセットすることなく、ワークの垂直断面をエッチング及び結像できる。
【００３７】
上記目的及び本発明の他の特徴を、次の詳細な説明及び添付の図面を参照にして、更に詳細に記載する。
【００３８】
図示した実施例の詳細な説明
図１に示された、傾斜ビームコラム１２を備えたシステム１０は、サンプルにキャビティをエッチングして、ワークステージアッセンブリ２５を傾動することなく垂直方向の断面を形成し、且つその垂直方向の断面を結像できる。図１は、ワーク３０と相互作用を行うための本発明による集束粒子線システム１０の一実施例を示す。図１のシステム１０は、傾斜イオンコラム１２と、真空室２２と、ワークステージアッセンブリ２５とを含む。システム１０は、サンプルつまりワーク３０（例えば、半導体デバイスを含んだウェーハ）の断面を正確にエッチング及び結像することが可能な集束粒子線システムである。サンプルは真空室２２内部に設置され、また、傾斜イオンコラム１２が発生した、断面像を形成するための粒子ビームによって加工される。これら像は、ウェーハ内に発見された材料欠陥を分析するのに用いられると共に、ウェーハを生産ラインから取り除くことなく時宜を得たデータをプロセス工学技術者に提供できる。
【００３９】
イオンコラム１２の一部は、真空室２２の上方に位置し、この真空室はワークステージアッセンブリ２５と、サンプルつまりワーク３０と、二次粒子検出器２８とを収容する。このシステムは、プロセッサ５２と電子銃３１とを具備したユーザ制御ステーション５０を更に含む。
【００４０】
傾斜書き込み機能付き集束イオンビームインプランタの性能（H. Sawaragi et al, Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, 1989, Vol. 28, No. 10, pp.2095-2098）（言及して本明細書に編入する）は、ワークチャンバの排気をすることなく、手動で７度まで傾動可能なイオン工学システムを備えたＦＩＢインプランタについて説明している。この刊行物には、このシステムが軸方向及び平面のチャネリング効果を最小にすると記載されている。平面のチャネリング効果を制御にするために、このシステムは、サンプル回動機能付きのウェーハ支持体を備えている。ウェーハの回動角度は１５度から２５度まで１０段階で調節可能である。しかし、ワークステージを傾動することなく断面を形成し、且つその断面を結像可能なシステムに対する必要性がなお存在する。
【００４１】
図示したワークステージアッセンブリは、支持要素２６と、支持要素回動アッセンブリ２４とを含む。支持要素２６は、第一軸１３に沿って（例えば、水平面上において前後方向へ）、更に第二軸１５に沿って（例えば、第一軸１３に対して直角で、水平面上において左右方向へ）平行移動可能である。回動アッセンブリ２４は、第一軸１３及び第二軸１５に対して垂直な第三軸１７を中心として支持アッセンブリを回動させることができる。回動アッセンブリ２４は、３６０度手動調節可能な回動要素２３と、高速１８０度ハードストップ・ステージ回動要素２７とを含むこともできる。イオンコラム１２と、ワークステージアッセンブリ２５と、二次粒子検出器２８と、任意の電子銃３１の動作は、制御ステーション５０によって制御できる。
【００４２】
図示したイオンコラム１２は、その軸１１が第三軸１７からオフセットされるように垂直状態から傾斜している。言い換えれば、イオンコラム軸１１は、第三軸１７（この場合は、垂直軸）に対して鋭角３５をなす。図示した実施例では、この角度３５は４５度である。電子銃３１も、その軸２１が第三軸１７に対して鋭角３６をなすように、垂直状態から傾斜させてもよい。図示した実施例では、この電子銃と第三軸との角度３６は４５度である。更に、イオンコラム軸１１は第三軸１７と共に第一垂直平面を形成し、電子銃軸２１は第三軸１７と共に第二垂直平面を形成する。好適な一実施例においては、第一平面は第二平面に対して実質的に垂直である。この構成は有利であり、その理由は、ワークを第三軸１７を中心に回動させることなく、ワークをエッチングでき且つその垂直断面を結像できるからであり、更に、イオンコラム１２及び電子銃３１の目標点が実質的に一致する場合は、ワークを第一軸１３と第二軸１５とによって規定される平面上で平行移動させることなく、ワークをエッチングでき、且つその垂直断面を結像できるからである。
【００４３】
例えば半導体デバイスを含んだウェーハなどのワーク又はサンプルは、１５：１のアスペクト比を備えてたフィーチャーを含むことができる。図７を参照すると、構造体又はフィーチャーの少なくとも一部７１が、ワーク３０の垂直断面７２に含まれている。構造体の露出部分７１の高さ７３は、その構造体の深さ又は幅の１５倍であって良い。もしこの断面が十分に垂直（即ち、ワークが規定する平面に垂直）でなければ、問題の構造体は断面上に正確に反映されないことがある。よって、構造体の寸法を正確に推定するには、個々の構造体のアスペクト比が断面に正確に反映されるように、断面は十分に垂直であるべきである。ワークステージを傾動することなくワークの断面をエッチングし、且つその断面を結像する能力を以下に説明する。
【００４４】
上述したように、図１に示した、傾斜ビームコラム１２を備えたシステム１０は、ワークステージアッセンブリ２５を傾動することなくサンプルにキャビティをエッチングして、垂直方向の断面を形成し、且つその垂直方向の断面を結像できる。ワークステージを傾動することなく断面をエッチングし且つ結像するには、図１に示したシステムを用いて、図３Ａ乃至３Ｅに示すと共に以下に説明するようにワーク３０を第三軸１７を中心に回動させる。傾斜ビームコラム１２を備えた集束イオンビームシステムは、図３Ａ乃至３Ｂに示すように、傾斜壁７４及び垂直壁７２を備えたキャビティ７０をエッチングする。垂直壁とは、第三軸１７に実質的に平行な壁である。
【００４５】
キャビティ７０のエッチングに続いて、ワークステージアッセンブリ２５は、ワーク３０を第三軸１７を中心に回動させる。仮にワークステージアッセンブリ２５が、ワーク３０を１８０度回動させると、集束イオンビームは、実質的に垂直の入射角で傾斜壁７４に衝突する。即ち、図３Ｃ及び３Ｄに示したように、ビーム２０は傾斜壁７４に対して垂直である。しかし、図３Ｅ及び３Ｆに示したように、ワークステージアッセンブリ２５が、ワーク３０を第三軸１７を中心に９０度回動させると、イオンビーム２０は垂直壁７２（即ち、ワーク３０の垂直断面）に衝突する。よって、ワークステージアッセンブリの軸は第三軸１７から傾斜しており、傾斜集束イオンビーム２０は、ワークステージアッセンブリ２５を傾動することなくワークの垂直方向の断面をエッチングし且つ結像できる。更に、電子コラム及びイオンコラムが、上述したように実質的に垂直平面に位置していれば、イオンビームは図３Ａに示したようにワークをエッチングし、更に、ワークを第三軸１７を中心に回動させることなく、電子ビームがキャビティ７０の垂直壁７２を結像できる。本発明のシステム及び方法には、以下に説明するように、多くの利点がある。
【００４６】
ワークステージアッセンブリは、傾動アッセンブリを含まない場合は、非常に小型となる。ステージアッセンブリが小型になれば、図５に粒子線システムに関して略図で示したようにフットプリントが小さくなる。クリーンルーム製作空間は高価なことから、フットプリントが小型になれば費用の節約につながる。
【００４７】
ＦＩＢ作動距離が向上する。集束オンビームがワークに対して垂直で、電子ビームがこの垂線からオフセットされているような以前の構成においては、イオンビームと電子ビームとの特性（例えば、解像度及び流動密度）を最適化する同時作動距離を達成できなかった理由は、ワークステージと、イオンコラムの先端と、電子コラムの先端とが互いに物理的に干渉するからである。しかし、図４に示したように、垂直、即ち第三軸１７からイオンコラム１２をオフセットしたことで、イオンコラム及び電子コラム３１の双方はワーク３０に接近できる。例えば、５ｎｍ、５０ＫｅＶの集束イオンビームコラム及び、アムレイ社製の電子コラムであるモデル３８００は、どちらも４５度ウェーハ視野を備えており、それぞれが約１０ｍｍ及び約５ｍｍ多くの最適作動距離を同時に得られる。こうした同時最適化作動距離は、傾動ステージを備えたマイクリオン９５００ＩＬ集束イオンビームシステムにおける、ＦＩＢコラムの垂直ウェーハ視野の１６ｍｍと、電子コラムの６０度ウェーハ視野の２０ｍｍという最適化されていない同時作動距離とは対照をなすものである。
【００４８】
更に、図４に示したように、集束イオンビーム１２は傾斜可能であり、即ち、イオン集束光学素子７９を第三軸１７からオフセットできる。
【００４９】
本発明による粒子線システムは、システムが傾動ステージを備える必要がないため、安定度が増す。ステージ傾動機構を取り除くことによってシステムの低周波振動に対する耐性が増すと共に、重力たるみも除去されるので、このシステムは安定性が増す。
【００５０】
傾動式ワークステージなどの大きく重い物体がベアリングなどで支持され且つバネのように挙動する物体によって安定的に保持されている時に、低周波振動が起こる可能性がある。よって、ステージは傾動しないように固定されていれば、低周波振動の潜在的な根源を取り除くこととなる。低周波振動が減少されれば、結像解像度の向上が見込める。
【００５１】
更に、大型のワークステージアッセンブリが傾動されると、重力によってこのワークステージアッセンブリの構成部品の幾つかとワークが曲がることがある。こうした曲がりは重力たるみと称する。本ワークステージアッセンブリの安定性は高いので、製造業者はレーザー干渉計を付加して、ワークの位置決定の補助が可能となる。レーザー干渉法では、干渉法を実行するのに用いられる複数のレーザービームがそれらの空間的関係を維持する必要がある。その結果、干渉計で用いられる、レーザービームを方向付ける構成部品も、正確にそれらの空間的関係を維持する必要がある。干渉法を実行するのに用いられる複数のレーザービームを方向付ける構成部品の内の少なくとも一つは、ワークステージ上に位置しているので、レーザー干渉計の動作が、ワークステージの振動の減少及び重力たるみの減少に伴って向上する。
【００５２】
更には、本発明の粒子線システムの構成においては、その他の要素がワークにアクセス可能となっている。こうした要素には、例えば、ウェーハ上下ナビゲーション用の光学顕微鏡、大容量「ビーハイブ」ガス集中装置（後に詳しく述べる）を含むガス注入ノズル群一式、又は第二のＦＩＢコラムなどがある。ウェーハ上下ナビゲーション用の光学顕微鏡を採用する一つの利点は、集束粒子線システムが、第三軸１７に沿ってワーク３０の表面の位置を制御可能となることである。このシステムは、第三軸１７に沿ってワークステージ２５の位置を調節する事で、こうした制御を継続して、光学顕微鏡を介して観察する際にワークの表面に焦点を合わせておくことができる。第三軸に沿ってワーク３０の表面の位置を制御することによって、このシステムは、集束粒子線１２をワーク３０の表面の所望の位置と確実に相互作用させる。
【００５３】
更に、本発明の粒子線システムの構成によれば、比較的厚みが均一の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）サンプル又はラメラを形成できる。図１乃至６を参照すると、こうしたラメラを形成するには、システムは第一キャビティ９０をエッチングし、ワーク３０を平行移動および／又は粒子線を偏向させ、且つ、第二キャビティ９２を第一キャビティ９０の選択した近傍にエッチングして、二つのキャビティを分離するＴＥＭサンプル壁つまりラメラ８６を形成する。このラメラは、第一キャビティに面した第一側面９１と、第二キャビティに面した第二側面９３とを備えていても良い。電子源３１からの電子でもってＴＥＭラメラの第二側面を衝撃し、且つ第二キャビティ９２をエッチングする一方ラメラからの二次粒子放出の変化を監視することで、このシステムはラメラ８６の厚みを監視できる。
【００５４】
上述の記載から明らかなように、図１に示したシステム１０は、ウェーハ中に発見された材料欠陥の分析を容易にする断面像を生成するシステムを提供し、更に、そのウェーハを生産ラインから取り除くことなく時宜を得たデータをプロセス工学技術者に提供できる。
【００５５】
図２は、ワーク３０と相互作用する、本発明による集束粒子線システム１０の別の実施例を示したものである。図２のシステム１０は、イオンコラム１２と、真空室２２と、任意の反応物質送出システム３４と、ユーザ制御ステーション５０と、を含む。システム１０は、サンプル３０（例えば、半導体デバイスを含んだウェーハ）を正確にミリング及び結像可能な集束粒子線システムである。サンプル３０は真空室２２内部に設置され、且つコラム１２が発生した粒子線によって加工されて、断面像を形成すると共にウェーハ内に発見された材料欠陥を分析するのに用いられる。
【００５６】
イオンコラム１２は、イオン源１４と、引出電極１６と、集束要素１８と、偏向要素１９と、集束イオンビーム２０とを含む。イオンコラム１２は真空室２２の上方に設置される一方、真空室２２は、ワークステージアッセンブリ２５と、プラットホーム２６と、サンプル３０と、二次粒子検出器２８と、電荷中和要素３２とを収容する。図２に更に示したように、任意の反応物質送出システム３４には、タンク３６と、圧力計４０と、電動式のバルブ要素４２と、送出導管４４とが含まれる。ユーザ制御ステーション５０には、プロセッサ５２と、パターン認識要素５４と、メモリ要素５６と、表示要素６０と、走査生成要素６２と、ドウェルレジスタ６４とが含まれる。
【００５７】
通常の技能を備えた当業者には明らかだろうが、図２のシステム１０は、イオンコラム１２が真空室２２の上方に設置されると共に、反応物質を真空室２２に供給する任意の反応物質送出システム３４を含んだ従来の集束イオンビーム（ＦＩＢ）システムを含む。通常の技能を備えた当業者には理解されるだろうが、図示したイオンコラム１２は、本発明を実施するのに適した一つのイオンコラムを模式的に表したものである。図示したイオンコラム１２は、ガリウムイオン源のような液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）又はヘリウムイオン源のようなガスフィールド・イオン源（ＧＦＩＳ）でよいイオン源１４を含む。イオン源１４は引出し電極１６の上方に位置している。引出し電極１６は、イオン源１４からイオン流を引き出すのに十分な電界を生成する。このイオン流は、集束要素１８（イオン流を細く集束されたビーム２０に集束する従来の電気光学レンズでよい）を越えて進む。更に図示されているように、イオンコラム１２は、イオンビーム２０を偏向してサンプル３０の表面を走査する偏向要素１９を含んでいる。
【００５８】
同様に、排気室２２も、ワーク３０を支持するワークステージアッセンブリ２５を含んだ従来の排気室でよい。ワークステージアッセンブリ２５は、支持要素２６と支持要素回動アッセンブリ２４とを含む。支持要素２６は、第一軸と、第一軸に対して直角をなす第二軸とに沿って平行移動可能である。回動アッセンブリ２４は、第一軸及び第二軸の両方に対して直角をなす第三軸を中心に支持要素２６を回動させ得る。よって、ワークステージアッセンブリ２５は、システム１０に加工されているワークの変位を制御可能である。
【００５９】
同様に、排気室２２は、電子銃のような電荷中和要素３２を含み、更に、電子、イオン、又はワークの像を生成するのに適したその他の粒子などの二次粒子を検出する二次粒子検出器２８を更に含む。模式的に図示したように、マサチューセッツ州ピーボディー所在のマイクリオン・コーポレーションが販売するイオンビーム・ワークステーションと共に販売されている真空室などの、如何なる真空室２２でも本発明の実施に使用できる。
【００６０】
同様に、任意の反応物質送出システム３４は、真空室２２内部に、更に具体的には真空室２２内部でワークの表面近傍に、先駆ガスなどの反応物質を送出するのに適したものなら如何なる従来の反応物質送出システムでも良い。反応物質送出システム３４は、ワークの表面に反応物質を送出して、表面からの物質のエッチングを向上させるか、又は、サンプルの表面に物質を被覆可能である。
【００６１】
図示した反応物質送出システム３４は、送出導管４４と流体連通して接続したタンク３６を含む。送出導管４４は、反応物質をワークの表面に送出するためのノズルとして形成した遠位部分を備える。図示した反応物質送出システム３４は、導管４４と接続した圧力計４０を含む。この圧力計４０は、ワーク３０の表面に送出中の反応物質の導管４４の中での送出圧を測定するためのものである。圧力計４０は、電動式バルブ要素４２に更に結合されている。電動式バルブ要素４４を選択的に制御して、流体送出導管４４を通過するタンク３６の反応物質の流量を増加又は減少させ得る。図２に示した圧力計４０と電動式バルブ４２とを組合せた構成は、フィードバック制御システムを形成するが、このフィードバック制御システムでは、圧力計４０が導管４４内部の送出圧を測定し且つ電動式バルブ要素４２を選択的に制御して反応物質の流量を増加又は減少させ、よって選択した送出圧を維持するものである。
【００６２】
ガスノズルの遠位端に、軸方向内部通路を備えたシュラウド型集中装置を接続するとガス送出システムが改良される。このガスノズルは、上記通路を介して反応物質を流動させる。同時に、粒子線が同じ通路を介して加工中の基板表面に到達できる。この集中装置は、「ビーハイブ」ガス集中装置と称する。
【００６３】
この集中装置の内部通路は、送出システム内部の制限流体通路から加工中のワーク位置までの移行を実現すると考えられる部分的にフレアした形状を備える。一実施例によるフレアさせた通路は円錐台形状を含み、且つこの通路の上部開口においては面積が最小となりる一方、軸方向に対向した下部開口においては面積が最大となる。この「ビーハイブ」ガス集中装置は、ここに言及して編入する現在係属中の米国特許出願第０８／６６７，９６６号に更に詳細に記載されている。
【００６４】
イオンコラム１２、電荷中和要素３２、及び二次粒子検出器２８の動作は、制御ステーション５０によって制御される。図示した制御ステーション５０には、ドウェルレジスタ６４を含む走査生成要素６２を具備したプロセッサ要素５２を含む。プロセッサ要素５２は、イオンビームコラム１２に結合された制御要素５８に送信通路を介して接続されている。図示したプロセッサ要素５２は、ＣＰＵ要素と、プログラムメモリと、データメモリと、入出力装置とを含んだ従来のコンピュータプロセッサ要素でよい。好適なプロセッサ要素の一例は、ユニックス・オペレーティングシステムを用いたＩＢＭのＲＳＣワークステーションがある。
【００６５】
図２に更に示したように、プロセッサ要素５２は、入出力装置を介して走査生成要素６２に接続している。一実施例では、この走査生成要素は、入出力装置を介してプロセッサ５２に接続した回路カードアッセンブリである。図２に示した、この回路カードアッセンブリの走査生成要素６２は、システム１０によって実施されうる走査パターンを表すデータを記憶する走査メモリを含む。この走査パターンは、ワーク３０の表面をイオンビーム２０で走査して、ワーク３０の表面を選択的にミリング、エッチング、又は結像するためのものである。
【００６６】
図２に示した走査生成ボード要素６２は、粒子線システム１０が加工するサンプルのフィーチャーの位置を表すデジタルデータ情報を格納するのに十分なメモリを備えた従来のコンピュータメモリ回路カードでよい。一般的には、本発明と共に実施するのに適した走査生成ボード要素は一連の記憶場所を含み、各記憶場所がワークの表面上の位置に対応している。各記憶場所は、サンプルのＸ、Ｙの位置を示すデータを格納し、更に好適には、各Ｘ、Ｙの位置に関して、そのＸとＹの対によって表される場所におけるサンプル表面上に粒子線を保持しておく時間を表すデジタルデータを格納するドウェルレジスタを具備する。よって、ドウェルレジスタは、集束粒子線をサンプル表面上に照射して、ワークに送出される照射線量の制御を可能にする、ドウェル時間を格納する記憶場所となる。
【００６７】
集束粒子線プロセス及びシステム分野の通常の技能を備えた当業者には明白であろうが、ワーク表面に送出される照射線量が、ワークのその箇所から除去された後の材料の深さを概ね決定すると考えられる。よって、ドウェルレジスタに格納されたドウェル時間信号は、その粒子線ミリング工程に関する深さ、即ちＺ寸法を表すと理解できる。そのため、走査生成ボード要素６２に接続したプロセッサ５２は、集束粒子線システムのエッチング又は結像工程を三次元制御するミリング信号を生成する多次元ミリング要素を提供する。
【００６８】
従って、プロセッサ５２は、走査生成ボード６２が保持しているＸ、Ｙデータを用いて、送信通路６６を介してイオンコラム１２の制御要素５８に送信されるミリング信号を生成する。図示した実施例においては、ミリング信号は、偏向要素１９を操作し集束粒子線を偏向する情報を制御要素５８に供給する。この際に、偏向された集束粒子線をワーク表面上で走査又はラスター化する。更に、ミリング信号は、選択した深さまでミリングするための特定のドウェル時間の間は、集束粒子線を選択した場所に保持するために、偏向要素１９を操作する情報を制御要素５８に供給する。一般的にワーク３０の表面は、Ｘ及びＹ軸の垂直な軸の対によって規定可能な二次元平面に対応する。集束イオンビーム２０の通路に平行に延在すると一般的に考えられるＺ軸は、ワーク３０の表面のＸ及びＹ軸によって規定される平面に概ね垂直である。粒子線２０の位置を制御することにより、更に、ビーム２０がワーク３０の表面に衝突する時間を制御することにより、ワーク３０の選択した場所において材料を除去できる。従って、システム１０は、ミリング工程を多次元制御し、よって、粒子線２０がワーク表面の選択した部分を除去すると共にワークに正確な幾何学的形態を形成できる。
【００６９】
図２には、イオンビーム２０を偏向させて、ワーク３０の表面を走査して、集束イオンビームをワーク３０の表面の選択した場所に向ける、偏向要素１９を含むイオンコラム１２が示されているが、集束粒子線プロセス及びシステム分野の通常の技能を備えた当業者には明白であろうが、集束イオンビームをワークの表面の選択した場所に向けるのに適していれば、如何なるシステムでも本発明の実施に用いられる。例えば、別の実施例では、プラットホーム２４は、ミリング工程のＸ、Ｙ空間に対応したＸ、Ｙ空間中を移動可能であり、更に、プロセッサ５２が生成するミリング信号を、ステージ制御システムに提供できる。そして、ステージ制御システムは、ワーク３０を支持するステージを移動して、ワークの選択した部分を集束粒子線の通路に直接配置して、ワーク３０をミリング又は結像するものである。粒子線を配向するこれ以外のシステム及び方法も、本発明の精神から逸脱することなく、本発明と共に実施可能である。
【００７０】
集束粒子線プロセス及びシステム分野の通常の技能を備えた当業者には明白であろうが、読取り書込みコンピュータメモリの回路カードアッセンブリとして示されている図示した走査生成要素６２は、ソフトウェアプログラムコードとして実現してもよいが、その場合、このプログラムコードは、ドウェル時間を表すデータと、Ｘ、Ｙ位置を表すデータを格納する記憶場所を提供するようこのプログラムコードによって構成されているアクセス可能なデータメモリを備えたコンピュータプラットフォームでランする。こうした変更は当業者の技術範囲であり、本発明の範囲から逸脱するものではない。
【００７１】
本発明のこの実施例では、パターン認識要素５４がワーク３０の一部の表面の像を生成し、その像を処理してフィーチャーの正確な位置を測定する。ワークの幾何学的形態は、一実施例においては、予め規定した登録点に対するそのフィーチャーのフットプリントの周囲の座標を定義できる座標信号によって表される。境界標識として機能する予め規定した登録点を用いることは、集束イオンビームプロセスの予備工程においてワークを手動で位置決めするためのものとしてイオンビームプロセスの分野では周知である。パターン認識要素５４によって用いられる、座標システムを初期化するその他のシステム及び方法も、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明と共に実施可能である。
【００７２】
図２に図示したシステム１０は、送信通路４８を介して図示したイオンコラム１２に接続すると共に、送信通路６８を介して二次粒子検出器２８にも接続するパターン認識要素５４を含む。ここでは、送信通路６８はデータをパターン認識要素５４に伝達する。更に、パターン認識要素５４は、送信通路４６を介して電荷中和要素３２にも接続されており、ここでは、送信通路４６は、制御信号を電荷中和要素３２に伝達して、電荷中和要素３２を作動したり停止したりする。図示した実施例では、パターン認識要素５４は、既知のフィーチャープレゼンテーションを表すデータを格納するコンピュータメモリ要素として機能するメモリ要素５６にも、双方向バスを介して接続している。
【００７３】
図２に示した実施例においては、パターン認識要素５４は、集束イオンコラム１２と二次粒子検出器２８とを用いて、ワーク３０の表面の像を生成する。具体的には、パターン認識要素５４は、送信通路４８を介してイオンコラム１２の制御要素５８に送信される一連の走査制御信号を生成する。この走査制御信号は、制御要素５８を方向付けて、ワーク３０の表面を規定するＸＹ平面上を集束イオンビームで走査させ、とりわけ、対象となるフィーチャーを含んだワーク３０部分を集束イオンビームで走査させる。ワーク３０の表面を集束イオンビームで走査することで、二次電子及び二次イオンを含む二次粒子の放出が起こる。二次粒子検出器２８が、放出された二次粒子を検出して、画像信号６８をパターン認識要素５４に提供する。パターン認識要素５４は、この画像信号を、偏向要素１９に印加される偏向信号を生成する走査信号と連携させる。そして、パターン認識要素５４は、この画像信号をこの偏向信号と相関させて、検出信号の変化が、ワーク３０表面上の特定の場所に対応する特定の偏向信号振幅と関連づけられる。
【００７４】
検出器２８は、電子ビームでワークを衝撃する結果として生成されるＸ線を検出するための、電子増倍管、マイクロチャネルプレート、二次イオン質量分析器、光子検出器、又はエネルギー分散検出器のような様々な種類の装置の何れかであればよい。本明細書に記載された技術は、イオンビーム処理の分野では周知であり、ここに記載された結像手法に対する如何なる代替、偏向、付加、削除も本発明の範囲内にあると考えられる。結像処理中に、パターン認識要素５４は、送信通路４６を介して電荷中和要素３２に伝達される制御信号を生成することが好ましい。図２に示した電荷中和要素３２は、電子ビームをワーク３０の表面に向けて発する電子銃要素である。この電子ビームは、結像処理中にワーク３０の表面上に発生して増加する静電荷を中和する。増加する静電荷を中和することで、電荷中和要素は、ワーク３０表面上を走査する正電荷イオンビーム２０の焦点をぼかし且つ偏向させるワーク３０表面上の正電荷に起因する、イオンビームの焦点はずれ及び偏向を減少させる。よって、電荷中和要素３２により、システム１０はワークフィーチャーのより正確な像を生成することが可能となる。
【００７５】
パターン認識要素５４は、ワークの像を表す画像信号と、パターン認識要素５４の一部をなすコンピュータメモリとを格納する。パターン認識要素５４には、マサチューセッツ州ニーダム所在のコグネックス・コーポレーション社が製造販売しているような、パターン認識プロセッサが含まれる。更に、パターン認識システム５４は、ワークの表面の画像信号を、システムユーザに対してワークのフィーチャーを表示する表示装置６０に送信できる。
【００７６】
パターン認識要素５４は、認識要素のコンピュータメモリに格納された画像信号を分析する。パターン認識要素５４が行うこの分析は、ここに言及して編入する現在係属中の米国特許出願第０８／６３５，０６３号に記載されている。
【００７７】
これまでの記載から明らかなように、図２に図示したシステム１０は、ワークのフィーチャーをミリングし、且つ結像するシステムを提供する。システム１０は、ワークのフィーチャーの位置及び幾何学的形態を自動的に認識し、更に、この位置及び幾何学的形態から、集束イオンビームを配向してワークをミリングする一組のミリング信号を自動的に生成する。よって、システム１０は、結像及びプロセス分析に適した正確な幾何学的形態を備えたワークのフィーチャーを形成できる。こうした作業の一つ（ワークの断面のエッチングと結像）が、図３Ａ乃至３Ｆに関連して既に説明されている。
【００７８】
これまでの記載から明白になった目的も含め、上述の目的が正しく達成されているのが理解されるであろう。本発明の範囲を逸脱することなく上記の構成にある種の変更を加えることは可能であるから、上記の記載に含まれ、又添付の図面に示された全ての事項は、例示的であって、何ら限定するものではないと理解されるべきである。
【００７９】
更に、以下の請求項は、ここに説明された本発明の全ての一般的且つ個別的特徴を網羅することは理解されるべきである。また、以下の請求項は、言葉上の問題で、請求の範囲の外にあると主張されかねない本発明の範囲に関する記載も、網羅することは理解されるべきである。
【００８０】
以上のように本発明を説明したが、新規なものとして主張し、特許証により確保することを望むものは特許請求の範囲に記載された通りである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による粒子線システムの一実施例の斜視略図である。
【図２】本発明による粒子線システムの別の実施例の略図である。
【図３】図３Ａは図１の粒子線源による４５度ミリングが実行されているワークの断面図である。図３Ｂは図３Ａのワークを上方から見た斜視図である。図３Ｃはステージが、ワークを図３Ａの配向から１８０度回動した後の、図３Ａワークの断面図である。図３Ｄは図３Ｃのワークを上方から見た斜視図である。図３Ｅはステージが、ワークを図３Ａの配向から９０度回動した後の、図３Ａワークの断面図である。図３Ｆは図３Ｅのワークを上方から見た斜視図である。
【図４】図１の粒子線システムに類似した粒子線システムのコラム先端の及び非傾動ステージの略図である。
【図５】図１の粒子線システムに占有された領域の略図である。
【図６】図１の粒子線システムで処理されたワークからの引出しに先立った、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）ラメラの斜視図である。
【図７】図１のワークにエッチングされたキャビティの斜視図である。

Claims (11)

1. ワークと相互作用する粒子線システムであって、
   前記ワークを収容するハウジングと、
   前記ハウジングに収容された前記ワークを処理する手段とを包含し、この手段が、
   ａ）前記ワークを支持し、ｂ）前記ワークを第一軸に沿って平行移動し、ｃ）前記第一軸に直交する第二軸に沿って前記ワークを平行移動し、ｄ）前記第一軸と前記第二軸との双方に直交する第三軸を中心に前記ワークを回転しうるワークステージ軸を具備したワークステージアッセンブリと、
   前記ワークをエッチングし及び結像する第一粒子線源であって、前記第三軸と鋭角をなすように配向された第一粒子線源軸をそなえた第一粒子線源とを含み、
   よって、前記ワークステージを前記ワークステージ軸を中心に回転させることにより且つ前記ワークステージ軸を前記第三軸に対して平行に維持することによって、前記ワークの垂直断面をエッチング及び結像可能な、粒子線システム。
2. 前記第一粒子線源軸が前記第三軸に対して７度より大きく９０度より小さい角度を形成するように、前記第一粒子線源が配向されている、請求項１に記載の粒子線システム。
3. 前記第一粒子線軸が前記第三軸に対して約４５度の角度を形成するように、前記第一粒子線源が配向されている、請求項１に記載の粒子線システム。
4. 前記ワークと相互作用する第二粒子線源であって、前記第三軸に対して実質的に平行に配向された第二粒子線軸を具備した第二粒子線源を更に包含する、請求項１に記載の粒子線システム。
5. 前記ワークと相互作用する第二粒子線源であって、前記第三軸に対してオフセットされる第二粒子線軸を具備した第二粒子線源を更に包含する、請求項１に記載の粒子線システム。
6. 前記ワークと相互作用する電子ビーム源であって、前記第三軸に対して選択的にオフセットされた電子ビーム軸を具備した電子ビーム源を更に包含する、請求項１に記載の粒子線システム。
7. 前記第一粒子線軸と前記電子ビーム軸とのそれぞれが、前記第三軸に対して約４５度の角度をなし、
   前記第一粒子線軸と前記第三軸とが第一平面を形成し、前記電子ビーム軸と前記第三軸とが、前記第一平面に実質的に直角に配向した第二平面を形成する、請求項６に記載の粒子線システム。
8. 前記ワークの位置の測定の補助となるレーザー干渉計手段であって、該レーザー干渉計手段が、
   レーザ放射をある通路に沿って第一方向に向ける、レーザー源と、
   前記レーザー源からの前記レーザ放射の前記通路上に位置しており、前記レーザ放射の第一部分を前記第一方向に沿って透過させ、前記レーザ放射の第二部分を第二方向に沿って反射する、ビームスプリッターと、
   前記レーザ放射の前記第一の透過部分を前記ビームスプリッターに反射して返す、少なくとも一つの基準ミラーと、
   前記レーザ放射の前記第二の反射部分を前記ビームスプリッターに反射して返す少なくとも一つのテストミラーであって、前記ワークステージアッセンブリに配置された少なくとも一つのテストミラーと、を含み、
   よって、前記ビームスプリッターが、前記レーザ放射の前記第一の透過部分と前記第二の反射部分とを結合して、前記ワークの位置の測定の補助となる干渉縞を形成する、請求項１に記載の粒子線システム。
9. ガス注入ノズルを具備したガス注入源を更に包含する、請求項１に記載の粒子線システム。
10. 前記ワークステージアッセンブリが、前記第三軸を中心として２５度より大きい角度で回転する、請求項１に記載の粒子線システム。
11. 前記ワークと相互作用する光学顕微鏡であって、前記第三軸と実質的に平行に配向されている光学顕微鏡軸を備えた光学顕微鏡を更に包含する、請求項１に記載の粒子線システム。

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