JP5744454B2 - ユーザが選択可能な複数の動作モードを有する荷電粒子ビーム・システム - Google Patents

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Description

本発明は、ユーザが選択可能な複数のモードで動作することができる荷電粒子ビーム・システムに関する。
ナノテクノロジの多くの領域は、加工物を改変するための精密ツールとして集束荷電粒子ビームを利用する。この改変は、集束荷電粒子ビームによって加工物をあるパターンで走査して、エッチング前駆体ガスを使用し、または使用せずに材料を除去し、あるいは荷電粒子ビームの付着または付着前駆体ガスのビーム誘起分解によって材料を付加することによって達成される。パターン形成中のミリング（ｍｉｌｌｉｎｇ）プロセスまたは付着プロセスの進捗はしばしば、画像化（ｉｍａｇｉｎｇ）プロセスによって監視される。一般に、ミリングおよび付着中、集束荷電粒子ビームは基板の表面にわたって所定のパターンでベクタ走査される。このベクタ走査プロセスは、ビームの進行方向に対して垂直に導かれる静電または磁気双極子場を発生させるビーム偏向器によって実施される。通常は、ビームをオンおよびオフにする「ビーム・ブランキング（ｂｅａｍ ｂｌａｎｋｉｎｇ）」と呼ばれるプロセスを実施する手段も使用される。ミリング・プロセスは、ビーム中の荷電粒子の高い原子量および高いエネルギーを利用して基板から原子をはじき出し、それによって基板表面に、あるパターンを「ミリング」する。ミリングされるパターンは、基板表面にわたる荷電粒子ビームの軌道に対応する。付着プロセスは、基板表面に付着させる材料を含む、より低エネルギーの原子イオンまたは分子イオン・ビームを利用することができる。付着するパターンは、基板表面にわたるイオン・ビームの軌道に対応する。他の実施形態では、付着プロセスが、基板表面において付着前駆体ガスの分解を引き起こす電子ビームを利用することができる。多くの場合に、荷電粒子ビームによる材料の除去速度または付着速度を正確に計算することは不可能であり、したがって、エッチングまたは付着の進捗を監視するある手段の使用が望ましい。この監視プロセスは「画像化」と呼ばれ、このプロセスでは一般に、表面をビームで、Ｘ−Ｙラスタ・パターンまたは蛇行パターンで走査して、ある形態の画像化信号を生成し、次いでこの信号を使用して表示画面の強度を変調し、ミリングまたは付着プロセスを実施した表面の画像を生成する。先行技術には、画像化プロセスに対して使用されているいくつかの方法があり、以下にそれらを説明する。
ミリング・プロセスと画像化プロセスを単一のシステム内で組み合わせる１つの方法が、合金イオン源とカラム内（ｉｎ−ｃｏｌｕｍｎ）質量分析計とを使用する集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システムである。このようなシステムの一例が、１９９０年５月２９日に発行された「Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｃｏｌｕｍｎ」という名称の米国特許第４，９２９，８３９号に記載されている。液体金属イオン源が使用され、その液体金属は、２種類以上の原子種を含む合金である。一例は、ケイ素−金共晶合金であり、この合金は、ケイ素または金のいずれの融解温度に比べても共晶融解温度が非常に低い（「深い（ｄｅｅｐ）」共晶）。このイオン源によって生成されるビームは、ケイ素イオン種と金イオン種の両方を含み、これらの両方のイオン種はしばしば、イオン１つにつき１つおよび２つの正電荷を有する。このＦＩＢカラムでは、第１の静電レンズと第２の静電レンズの間に、Ｅ×Ｂフィルタ（「ウィーン・フィルタ（Ｗｉｅｎ ｆｉｌｔｅｒ）」）が位置する。Ｅ×Ｂフィルタ内の交差電磁界を適切に調整することによって、フィルタに入ったイオン・ビームから単一のイオン種を選択して、偏向させずにＥ×Ｂフィルタを通過させることが可能である。他のイオン種は全て偏向して軸を外れ、アパーチャ（ａｐｅｒｔｕｒｅ）に衝突し、したがって基板表面に集束させるビームから排除される。ミリングに対しては、一価または二価の両方の金イオンを、基板に集束させるビームとして選択することができる。金イオンの大きな原子量は一般に非常に高いミリング速度を生み出す。画像化に対しては、Ｅ×Ｂフィルタ内の電界および／または磁界強度が異なる値にセットされ、それにより、一価または二価のケイ素イオンが、基板に集束させるビームとして選択される。ケイ素イオンの低い原子量は比較的に低いスパッタリング速度を生み出し、それにより損傷をほとんど生じさせずに基板を画像化することができる。Ｅ×Ｂフィルタの電界および／または磁界強度の変更は高速に実施することができるため、ミリングと画像化を単一のツール内で組み合わせるこの方法は、ミリングと画像化を高速に切り換えることができるという利点を有する。欠点としては、高価で寿命の短い合金液体金属源が必要なこと、カラム内のＥ×Ｂフィルタのコストおよび追加される複雑さなどがある。
ミリングと画像化の両方を単一のツール内に組み込む別の方法は、ＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙ社のＥｘｐｉｄａ １２５５Ｓのデュアル・ビーム・システムによって例示される。このツールでは、画像化用の高分解能電子ビーム・カラムとミリング用のイオン・ビーム・カラムの２つの別個のカラムが使用される。この方法の明らかな利点は、２つの機能に対して別々のカラムが使用されるため、それらの個々の役割に対してカラムを別々に最適化することができることである。イオン・カラムはミリングのためだけに使用され（画像には使用されず）、電子カラムは画像化のためだけに使用される（ミリングには使用されない）。この方法の欠点は、２つのカラムのコストおよび複雑さが足し合わされること、ならびに一方のカラムの下からもう一方のカラムの下へ基板を精確に移動させる必要があることである。２つのカラム間の相対的な位置決めの誤差が、ミリングするパターンの所望の位置に対するミリング・ビームの位置決めの誤差につながる可能性がある。
ミリングと画像化とを単一システム内で組み合わせる別の方法は、ガリウムなどの液体金属を含む源を含む単一のカラムを使用する単純な方法である。この場合には、２つのモードに対する源およびカラムの動作パラメータを全く同じにすることができる。ミリング・モードと画像化モードとの違いは単に、基板表面にわたってビームを移動させる方法によって決定される。例えば、ミリング時には、基板表面のいくつかの位置にビームを順番にベクタ走査し、それぞれの位置に、基板からのスパッタリングによってかなりの材料の除去を引き起こすのに十分な時間、ビームが留まるようにすることができる。画像化時には、それぞれの画素に留まる時間をミリング操作に対するものよりもはるかに短くして、ビームを基板表面にわたってラスタ走査し、それによって、画像化中の基板のミリングを最小化することが考えられる。この方法では、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ：ｌｉｑｕｉｄ ｍｅｔａｌ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）が、一定の動作温度ならびに固定された抽出電圧およびヒータ・フィラメント電流を維持することによって、固定された源性能（角強度（ａｎｇｕｌａｒ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）および輝度（ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ））で動作する。いくつかの場合には、ミリング・モードと画像化モードに対して異なるビーム画定アパーチャを使用して、画像化に対する高い空間分解能、およびミリング中の（より低い空間分解能での）より高い基板スパッタリング速度を可能にすることができる。しかしながら、画像化モードでは、非常に多くのビーム電流がビーム画定アパーチャに衝突するため、望ましくないアパーチャ腐食が起こる可能性がある。この方法の利点は、イオン源およびカラムが単純であることである。明らかな欠点は、画像化によっても基板（ラスタ・パターンの領域）がかなりミリングされ、それにより、ミリングすることが意図されていない領域に望ましくない損傷が生じる可能性があることである。半導体デバイスおよびＭＥＭＳ構造のミリングなどの多くの用途では、このような損傷が許容されないことがある。
米国特許第４，９２９，８３９号 米国特許第７，２４１，３６１号 米国特許第４，５５６，７９４号
本発明の目的は、複数のモードで選択的に動作することができるように、集束荷電粒子ビーム・システムを構成することにある。
各モードは、記憶された動作パラメータによって特徴づけられる。オペレータによって、あるいは予めプログラムされた命令によってあるモードが選択されると、システムは、これらの記憶された値に従って、荷電粒子ビーム源の動作パラメータを設定する。一実施形態では、システムがプラズマ・イオン源を含み、プラズマ源動作パラメータは例えば、プラズマ室ガス、プラズマ室内のガス圧、プラズマに供給する電力、ならびに源および抽出電極の電圧（抽出電極間電圧を制御する）を含むことができる。いくつかの実施形態では、選択されたモードに従って、ビーム画定アパーチャ、レンズ電圧などのカラム動作パラメータも設定される。
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示された着想および特定の実施形態を、本発明と同じ目的を達成するために他の構造を変更する、または設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は認識すべきである。
次に、本発明および本発明の利点のより徹底的な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
組合わせたミリング／画像化プロセスを実施することができるイオン・ビーム・システムの概略図である。 図１のイオン・ビーム・システムについて適切な動作モードを選択するための流れ図である。 図１のイオン・ビーム・システムにおいてミリング・モードの動作パラメータを設定するための流れ図である。 図１のイオン・ビーム・システムにおいて画像化モードの動作パラメータを設定するための流れ図である。 源電力に対してプロットした輝度の低減および角強度のグラフである。 源電力に対してプロットした輝度の低減および仮想源のサイズのグラフである。 画像化モードとミリング・モードの間で交互に切り換わる図１のイオン・ビーム・システムの時間に対する源電力のグラフである。 移動式ビーム画定アパーチャ・アセンブリを使用した集束荷電粒子ビーム・カラムであって、バルク・ミリング・モードで動作している集束荷電粒子ビーム・カラムの概略図である。 移動式ビーム画定アパーチャ・アセンブリを使用した集束荷電粒子ビーム・カラムであって、ファイン分解能ミリング・モードで動作している集束荷電粒子ビーム・カラムの概略図である。 ２重偏向アパーチャ選択装置を使用した集束荷電粒子ビーム・カラムであって、バルク・ミリング・モードで動作している集束荷電粒子ビーム・カラムの概略図である。 ２重偏向アパーチャ選択装置を使用した集束荷電粒子ビーム・カラムであって、ファイン分解能ミリング・モードで動作している集束荷電粒子ビーム・カラムの概略図である。 電子式可変アパーチャを使用した集束荷電粒子ビーム・カラムであって、バルク・ミリング・モードで動作している集束荷電粒子ビーム・カラムの概略図である。 電子式可変アパーチャを使用した集束荷電粒子ビーム・カラムであって、ファイン分解能ミリング・モードで動作している集束荷電粒子ビーム・カラムの概略図である。
本発明は、複数の動作モード間で切換え可能な荷電粒子ビーム・システムを対象とし、複数の動作モードはそれぞれ、記憶された一組の動作パラメータによって特徴づけられる。システム動作パラメータは、荷電粒子ビーム源の動作を特徴づける源動作パラメータと、集束カラムの動作を特徴づけるカラム動作パラメータとを含む。本発明の実施形態は、表面をミリングする間に基板表面を定期的に画像化する手段と組み合わされた最大処理速度を提供する（全体の処理時間を短縮する）ために、（材料をミリングし、または付着させることによって）基板を処理することと、基板表面を画像化することの両方が可能である。この画像化プロセスは、基板表面に対する最小限のミリングまたは付着効果を有し、あるいは基板表面に対するミリングまたは付着効果を全く有しないことが好ましく、ミリングまたは付着プロセスの進捗の正確な評価を可能にするため、十分な信号対雑音比での画像の高速取得を可能にしなければならない。正確な画像化は、ミリングまたは付着プロセスに対する終点検出能力を提供する。すなわち、所定のミリング深さ指定と比較して、浅すぎたりまたは深すぎたりしないミリングを可能にし、あるいは所定の付着厚さ指定と比較して、薄すぎたりまたは厚すぎたりしない付着を可能にする。すなわち、加工物は、処理に対して最適化された動作モードで処理され、画像化に対して最適化された異なる動作モードに変更することによって、処理結果を観察することができる。画像に示されたものに応じて、システムは例えば、処理を継続するために同じ処理モードへ戻り、またはより低速でより高分解能の処理モードなどの異なる処理モードに切り換わり、あるいは処理を止めることができる。
本発明の一実施形態は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）イオン源を使用した集束イオン・ビーム・システムにおける２つの動作モードを提供し、「画像化」モードは一般に、基板の表面の微細構造を画像化し、基板の表面に微細構造をミリングするために使用され、「ミリング」モードは一般に、同じ基板の材料をより高速にバルク・ミリングするために使用される。ＩＣＰ源は、１つまたは複数のイオン・レンズを備えるイオン・カラムによって基板の表面または表面付近に結像される仮想イオン源（ｖｉｒｔｕｒａｌ ｉｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）を形成する。イオン・カラム・レンズは一般に円形静電レンズであるが、代替として、円形磁気レンズ、あるいは光軸に対して垂直な全ての方向の実質の集束効果を与えるように構成された２つ以上の静電または磁気四極子（ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ）の組合せとすることもできる。
システム動作モードはそれぞれ、一組の動作パラメータによって特徴づけられ、これらの動作パラメータは、ＩＣＰイオン源への高周波（ＲＦ）電力、ＩＣＰイオン源エンクロージャ内のガス圧、抽出電極間電圧などの源動作パラメータを含むことができる。いくつかの実施形態では、画像化モードとミリング・モードの間で、イオン・カラム内のレンズ上の集束電圧、または基板におけるビーム半角（ｈａｌｆ−ａｎｇｌｅ）を画定するために使用される特定のビーム画定アパーチャを含む、カラム動作パラメータなどの他のパラメータを変更することもできる。いくつかの実施形態では、動作モードの選択が単に、ＩＣＰイオン源へのＲＦ電力の選択によって決定される。他の実施形態では、画像化動作モードまたはミリング動作モードを選択するために、２つ以上のパラメータを変更することができ、これらのパラメータのうちの１つのパラメータが、ＩＣＰイオン源へのＲＦ電力である。
一実施形態では、システムが、イオン・カラムによって基板の表面または表面付近に続いて集束される高エネルギー・イオン・ビームを生成する誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）イオン源などのプラズマ源を使用した集束イオン・ビーム・システムを使用した基板のビーム誘起ミリングまたは画像化を提供する。ＩＣＰイオン源の設計は当業者によく知られている。誘導結合プラズマ・イオン源の一例が、参照によって本明細書に組み込まれる２００７年７月１０日に発行された米国特許第７，２４１，３６１号に記載されている。
イオン・カラムは、ＩＣＰイオン源によって形成された仮想源の像を、イオン・スパッタリングによって所定のパターンをミリングする基板の表面または表面付近に集束させる。イオン・カラムは１つまたは複数のイオン・レンズを備え、このイオン・レンズは一般に、集束静電界を発生させるために電圧が印加される２つ以上の電極を備える静電レンズである。ＩＣＰ源によって形成されるイオン・ビームがこれらのレンズを通過するときに、ビーム中のイオンは、イオン・カラムの光軸に向かって偏向されて、実質の正の集束効果を生み出す。代替イオン・レンズは、２つ以上の磁極片を備えることができ、これらの磁極片間には、磁気コイルまたは永久磁石によって強い磁界が生み出される。他の代替イオン・レンズは、「強集束（ｓｔｒｏｎｇ ｆｏｃｕｓｉｎｇ）」構成の２つ以上の四極子の組合せを備えることができる。レンズ設計における「強集束」は、静電または磁気円形レンズの場合のように２次ではなく、電界強度において１次である集束効果を意味する。いくつかの実施形態では、四極子を、高電圧源に接続された４つ以上の電極を備える静電四極子とすることができる。他の実施形態では、これらの四極子を、それぞれが磁気コイルによって励磁された４つ以上の磁極片を備える磁気四極子とすることができる。これらのさまざまなタイプのイオン・レンズの設計は当業者によく知られている。
集束イオン・ビームが基板表面に衝突すると、「ミリング」と呼ばれるプロセスにおいて、イオンの高いエネルギーおよび高い原子量によって、基板表面から原子がはじき出される。イオン種（具体的には原子量）およびイオンのエネルギー、ならびに基板の組成によって、イオン・ミリング速度は広範囲に変動する。イオン・ビームの存在下でさまざまな組合せの前駆体ガスを使用することによって、ミリング速度を増大させ、またはミリングの選択性を向上させることができる。多くの場合、ミリング速度を精確に予測することはできない。非常に精確なミリング・パターン（すなわち精確な材料除去深さ）が望ましい場合には、どれくらいの材料が既に除去されたのか、したがって所望のミリング深さを達成するためにあとどれくらい除去すればよいのかを決定するために、ミリング・プロセス中のさまざまな段階において基板表面を画像化する必要があることがある。基板を画像化するこのプロセスは、ミリング・モードと同時に実行し、または、ミリング操作中にイオン源およびイオン・カラムに対して使用される動作パラメータとは異なる動作パラメータを有するイオン源およびイオン・カラムの別個の動作モードとして実行することができる。
ミリング・モード時には、イオン・ビームを、ミリングする所定のパターンに対応する基板表面のさまざまな位置に移動させる。ある場合には、パターンの異なる部分を異なる深さにミリングする必要がある。他の場合には、パターンを同じ深さにミリングする。ミリング深さは一般に、ミリング時間の単調増加関数であるが、深さの増大に伴う基板組成の変化、再付着効果（すなわち、ミリングされ、１つの領域から除去された材料が、ミリング中のパターンの別の部分に再付着する効果）などの因子のため、必ずしもミリング時間に正比例するとは限らない。ミリング・モードに関して、最も望ましい源動作特性は、高い角強度および高い源輝度である。ミリング・モードは、５０ｐＡから１ｍＡのビーム電流を供給することが好ましい。ミリング・モード電流は、好ましくは約１００ｐＡよりも大きく、好ましくはケイ素で約０．０３μｍ3／秒よりも大きい材料除去速度を提供し、より好ましくは２００ｐＡよりも大きく、好ましくはケイ素で約０．０６μｍ3／秒よりも大きい材料除去速度を提供し、よりいっそう好ましくは１ｎＡよりも大きく、好ましくはケイ素で約０．３μｍ3／秒よりも大きい材料除去速度を提供し、さらに好ましくは５００ｎＡよりも大きく、好ましくはケイ素で約１５０μｍ3／秒よりも大きい材料除去速度を提供する。
画像化モード時には一般に、イオン・ビームを、Ｘ−Ｙラスタ・パターン、蛇行パターンなどの所定のパターンで移動させる。イオン・ビームが基板表面に衝突すると、イオン・ビームによって照射された表面の領域から、２次電子、後方散乱１次ビーム・イオン、基板材料からのイオン、基板材料からの中性原子またはラジカルなどのいくつかの粒子が放出されることがある。基板表面から放出されたこれらの粒子を検出器によって集めることができ、検出器は、検出器に衝突した粒子束の関数である信号を生成する。次いで、この信号を使用して、陰極線管、フラット・パネル・ディスプレイなどの表示画面の強度を変調し、それによってミリング中の基板の画像を、集束イオン・ビーム・システムのオペレータに提示することができる。あるいは、より自動的なシステム構成では、（「フレーム・グラバ（ｆｒａｍｅ ｇｒａｂｂｅｒ）」などの画像メモリに記憶された）画像を、オペレータが介在し、または介在せずに、画像処理ソフトウェアによって解析することができる。次いで、このように生成された画像解析を使用して、ミリング・プロセスが完了したかどうかを判定し、または残りのミリング時間を推定することができる。画像化モードでは、最も望ましい源性能は、ＩＣＰイオン源を出たイオンの低いエネルギーの広がり、および小さな仮想源サイズに起因して、源輝度が大きく低減することである。これらの源特性は、画像化を最適化するための、表面における微細な低電流イオン・プローブの生成を可能にする。したがって、画像化モードでは、試料に衝突する電流を制限することが好ましい。画像化モードにおけるビーム電流は、好ましくは２００ｐＡ未満、より好ましくは約１００ｐＡ未満、一般に１ｐＡから１００ｐＡである。
本発明の実施形態は、ＩＣＰイオン源の動作パラメータ、（いくつかの実施形態では）さらにイオン・カラム動作パラメータを、ミリング、付着または画像化プロセスを最適化するための上記の要件を満たすように変更することによって、ＦＩＢシステムの全体性能を最適化する。動作モードの選択は、ＦＩＢシステムのオペレータがユーザ・インタフェースを介して手動で実行し、またはＦＩＢシステム・コントローラによって自動的に実行することができる。動作モードが選択された後、システムは、その選択されたモードに対する記憶された動作パラメータにシステムを自動的に調整することが好ましい。ＦＩＢシステム性能の最適化は、（アパーチャの交換などの）必要な保守間のツール寿命の考慮と、基板表面または基板表面付近のビーム特性の考慮の両方を含むことがある。ツール寿命最適化の一例としては、アパーチャに対するスパッタリング損傷を最小化するために、源放出電流をより低いレベルに低減させることが考えられる。基板表面または基板表面付近のビーム特性には、ビーム・エネルギー、ビーム電流およびビーム直径、ならびにビーム種（電子、原子イオンまたは分子イオン）、イオンの電荷極性（正または負）およびイオンの電荷状態（一価または二値）を含めることができる。
図１は、ユーザが選択可能な複数のモードを実現することができるイオン・ビーム・システム１０の概略図を示す。以下では、図面を用いて、ミリング・プロセスおよび画像化プロセス用の２つのモードを実現するシステムを説明する。イオン・カラムの頂部に、電磁エンクロージャ１０１、源室１０２および誘導コイル１０５を備える誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）イオン源１００が取り付けられている。２本の無線周波（ＲＦ）同軸ケーブル１１４によって、マッチングボックス（ｍａｔｃｈ ｂｏｘ）１１２に無線周波（ＲＦ）電源１１３が接続されている。マッチングボックス１１２は、２本のＲＦ同軸ケーブル１１１によって誘導コイル１０５に接続されている。誘導コイル１０５は、源室１０２と同軸に取り付けられている。誘導コイル１０５と源室１０２内で発生したプラズマとの間の静電結合を低減させるため、任意選択で、誘導コイル１０５の内側に、源室１０２と同軸にスプリット・ファラデー・シールド（図示せず）を取り付けることができる。ＩＣＰイオン源１００内でスプリット・ファラデー・シールドを使用すると、ＩＣＰイオン源１００の底部からイオン・カラム内へ抽出されるイオンのエネルギーに対する誘導コイル１０５の両端の高電圧（一般に数百ボルト）の影響が最小限になる。その結果、ビーム・エネルギーの広がりがより小さくなり、基板表面または基板表面付近における集束荷電粒子ビームの色収差が低減する。
源室１０２内のプラズマの存在は、プラズマによって放出され、光ファイバ１０９の内端によって集められ、光ファイバ１０９を通してプラズマ光検出部１１０に送られる光を使用して検出することができる。プラズマ光検出部１１０によって生成された電気信号が、ケーブル８０２を通してプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）８００に伝えられる。プラズマ光検出部１１０によって生成されたこのプラズマ・オン／オフ信号は次いで、ＰＬＣ８００から、ケーブルないしデータ・バス８０１を通して、プラズマ源制御ソフトウェアを実行するプラズマ源コントローラ９００に送られる。ケーブルないしデータ・バス９０１を通して、プラズマ源コントローラ９００からの信号を集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム・コントローラ９５０に送ることができる。ＦＩＢシステム・コントローラ９５０は、インターネット９６０を経由してリモート・サーバ９７０と通信することができる。ＦＩＢシステム制御のこれらのさまざまな構成要素の相互接続の詳細は例を示したものに過ぎず、当業者によく知られている他の制御構成も可能である。
源室１０２内のガス圧は、図１に示されたガス供給システム５００およびポンプアウト・システムによって制御される。源ターボポンプ６０１は、共通の真空管路６０２を介して２本の真空管路、すなわちＩＣＰ源抽出光学系室２００に通じる第１の真空管路６０３および源室１０２への注入ガス管路１０３に通じる第２の真空管路６０４に対してポンピングする。注入ガス管路１０３内のガス圧は、注入管路圧力計１０４によって監視される。注入管路圧力計１０４からの信号は、ケーブル（図示せず）によってプログラマブル・ロジック・コントローラ８００に接続される。図示のとおり、源ターボポンプ６０１から注入管路１０３への真空ポンピングは、（調整）ニードル弁１０７またはストップ（非調整）弁１０８を通して実施することができる。ニードル弁１０７を通したポンピングは、注入ガス管路１０３の非常に緩慢な制御された連続ポンピングを可能にする。ストップ弁１０８を通したポンピングは、システムの初期ポンピングダウン（ｐｕｍｐｉｎｇ ｄｏｗｎ）に有用である。注入ガス管路１０３は注入毛細管１９９に通じ、注入毛細管１９９は源エンクロージャ１０２の内部に通じる。
ＩＣＰ源へのガス供給システム５００は、ガス供給源５０１、高純度ガス調整器５０２およびニードル（調整）弁５０３を備える。ガス供給源５０１は、例えばヘリウム、酸素、キセノンまたはアルゴン・フィード・ガスに対する場合のように、１つまたは複数の流量調整段を有する標準ガス・ボンベを含むことができる。あるいは、室温で固体または液体である化合物から得られるガスに対しては、ガス供給源５０１が、加熱されたリザーバを含むことができる。他のタイプのガス供給源５０１も可能である。ガス供給源５０１の構成の具体的な選択は、ＩＣＰ源においてイオン化するガスの種類によって決定される。供給源５０１からのガスは高純度ガス調整器５０２を通過する。高純度ガス調整器５０２は、浄化段と減圧段のうちの一方または両方を備えることができる。高純度ガス調整器５０２を出る浄化されたガスの流量はニードル弁５０３によって制御される。ニードル弁５０３を出たガスは、全体が金属でできたホース５０４を通って、ＩＣＰ源のすぐ近くに取り付けられた第２のニードル弁１０５に達する。ニードル弁１０５を出たガスは、注入管路１０６を通って、注入管路圧力計１０４によって注入ガス管路１０６内のガス圧が測定される点に達する。この圧力計は、注入ガス管路１０３の初期ポンプダウン中に注入管路の圧力を測定するのに使用する圧力計と同じ圧力計である。注入ガス管路１０３は、毛細管１９９を通して源室１０２の頂部に接続する。ＩＣＰ源に対するガス供給システムおよびポンプダウン・システムのこれらの詳細は例を示したものに過ぎず、当業者によく知られている他の多くのガス供給構成およびポンプダウン構成が可能である。
ＩＣＰ源１００の底部では、源電極２０１が、イオン・ビーム抽出光学系の一部分の役目を果たし、抽出電極２０２およびコンデンサ２０３とともに機能する。源電極２０１には、源エンクロージャ１０２内でのプラズマの開始を可能にするプラズマ点火装置２２４が接続される。プラズマに点火する他の公知の手段を使用することもできる。ＩＣＰ源の動作の詳細は、参照によって本明細書に組み込まれる２００７年７月１０日に発行された米国特許第７，２４１，３６１号に記載されている。
源電極２０１は、点火装置２２４を介して、ビーム電圧電源（ＰＳ）２０５によって高電圧にバイアスされる。源電極２０１上の電圧は、一価の原子イオン種または分子イオン種の場合に基板表面に到達するイオンのエネルギーを決定する。二価のイオン種は２倍の運動エネルギーを有する。抽出電極２０２は、抽出電源２０７によってバイアスされ、コンデンサ２０３は、コンデンサ電源２０６によってバイアスされる。源電極２０１、抽出電極２０２およびコンデンサ２０３は協働して、ＩＣＰ源１００からイオンを抽出し、ＩＣＰ源１００を出たイオンをビームにして、ビーム受入れアパーチャ３０１に通すように機能する。ビーム受入れアパーチャ３０１は、ＦＩＢシステム・コントローラ９５０によって制御されたビーム受入れアパーチャ・アクチュエータ３０２によって、イオン・カラム内に自動的に配置される。一般的な電圧設定は、電源２０５に関してはおよそ＋３０ｋＶ、電源２０６に関してはおよそ−１５ｋＶ、電源２０７に関してはおよそ−１５ｋＶとすることができる。
図１に示したイオン・カラムは、ステージ４０１上に取り付けられた基板４０２の表面または表面付近に、ＩＣＰ源１００内の仮想源の非常に縮小された（およそ１／１２５倍）像を形成するために使用される２つの静電アインゼル・レンズ（ｅｉｎｚｅｌ ｌｅｎｓ）３１０および３１１を示す。「レンズ１」または「Ｌ１」と呼ぶ第１のアインゼル・レンズ３１０はビーム受入れアパーチャ３０１の直下に位置し、３つの電極を備え、第１および第３の電極は接地され（０Ｖ）、中央の電極３０３の電圧はレンズ１（Ｌ１）電源（ＰＳ）３０４によって制御される。レンズ１電源３０４は、ＦＩＢシステム・コントローラ９５０によって制御される。
イオン・カラム内の第１のアインゼル・レンズ３１０と第２のアインゼル・レンズ３１１の間には、１つまたは複数のビーム画定アパーチャを備える（図１には３つのアパーチャが示されている）ビーム画定アパーチャ・アセンブリ３０５が取り付けられている。一般に、ビーム画定アパーチャ・アセンブリ３０５は、異なる直径の開口を有するいくつかの円形のアパーチャを備え、基板表面におけるビーム電流および半角の制御を可能にするために、それらのアパーチャのうちの任意の１つのアパーチャを光軸上に配置することができる。あるいは、ビーム画定アパーチャ・アセンブリ３０５内のアパーチャのうちの２つ以上のアパーチャを同じにし、それによって冗長性を提供して、アパーチャ保守サイクル間の時間を長くすることができる。ビーム半角を制御することにより、基板表面または基板表面付近の集束イオン・ビームのビーム電流および直径を、実行するミリングまたは画像化操作の空間分解能要件に基づいて選択することができる。使用する具体的なアパーチャ（したがって基板におけるビーム半角）は、ＦＩＢシステム・コントローラ９５０によって制御されたビーム画定アパーチャ（ＢＤＡ）アクチュエータ３０６によって、ビーム画定アパーチャ・アセンブリ３０５内の所望のアパーチャを、カラムの光軸上に機械的に配置することによって決定される。
ビーム画定アパーチャ・アセンブリ３０５の下には、「レンズ２」または「Ｌ２」と呼ぶ第２のアインゼル・レンズ３１１が示されている。第１および第３の電極は接地されており（０Ｖ）、中央の電極３０７の電圧はレンズ２（Ｌ２）電源（ＰＳ）３０８によって制御される。レンズ２電源３０８は、ＦＩＢシステム・コントローラ９５０によって制御される。
イオン・カラムの下端には、カラム／室分離弁３０９が配置されている。分離弁３０９は、源室４００内の真空レベルが、試料からのガス放出によって、試料の導入および取出し中に、あるいは他のなんらかの理由で不利な影響を受けた場合であっても、イオン・カラム真空室３００内の真空を高い水準に維持することを可能にする。源／室ターボポンプ７０１は、ポンピング管路７０３を通して試料室４００をポンピングするように構成される。ターボポンプ７０１はさらに、ポンピング管路７０２を通してイオン・カラム・エンクロージャ３００をポンピングする。
一例として、ガス供給システム５００がＩＣＰイオン源１００にキセノンを供給しているときには、源室１０２内のガス圧が変動すると、その結果として仮想源の位置が変化する。ＩＣＰイオン源へのＲＦ電力が変動すると仮想源のサイズが変化する。ミリング・モードと画像化モードの両方で動作するシステムの別個の手動キャリブレーションを使用して、ガス供給圧、ＲＦ電力および抽出電極間電圧を含む、それぞれのモードに対する最適な動作パラメータを決定することができる。キセノン、アルゴンなどの源ガスごとに、それぞれミリング用および画像化用の別個の２つの最適動作パラメータ・セットが生成されるであろう。これらの最適パラメータが決定されれば、手動で、またはＦＩＢシステム・コントローラ９５０の自動制御の下で、システムを、ミリングと画像化との間で切り換えることができる。
一例として、キセノン・ガスで動作するＦＩＢシステムでは、最適な画像化モードが、低いＲＦ入力電力（例えば４００〜５００Ｗ）および低い充填圧（最も高い可能な源輝度および最小の全体源放出電流を与える）を利用することができる。最適なミリング・モードは、高い入力ＲＦ電力（例えば８００〜１０００Ｗ）および中程度のガス充填圧（高い角強度および中程度の源輝度を与える）を利用することができる。
図１に示したＦＩＢシステムの詳細は例を示したものに過ぎず、他の多くのＦＩＢシステム構成で、ミリングおよび画像化用の本発明の複数のモードの実施形態を実現することができる。例えば、図１に示したイオン・カラムは、２つの静電アインゼル・レンズを示す。代替として、このイオン・カラムを、単一の静電アインゼル・レンズまたは３つ以上の静電レンズを使用して実現することもできる。他の実施形態は、磁気レンズ、あるいは強集束（ｓｔｒｏｎｇ−ｆｏｃｕｓｉｎｇ）構成における２つ以上の静電または磁気四極子の組合せを含むことができる。本発明のこの実施形態の目的上、イオン・カラムは、基板４０２の表面または表面付近に、（ＩＣＰ源１００内の）仮想源の非常に縮小された像を形成することが好ましい。これらの可能な縮小方法の詳細は当業者によく知られている。
図２は、図１のＦＩＢシステム１０などのＦＩＢシステムについて適切な動作モードを選択するための流れ図１０００を示す。判断経路はブロック１００１に始まり、その枝１００２は判断ブロック１０１０へと続いている。判断ブロック１０１０では必要な分解能が決定される。すなわち「バルク（ｂｕｌｋ）」（すなわち低い空間分解能を有する比較的に大きなビーム）にするのか、または「ファイン（ｆｉｎｅ）」（すなわち高い空間分解能を有する比較的に小さなビーム）にするのかが決定される。用語「分解能」は一般に、画像内の点を分解する能力に関係するが、本明細書ではこの用語が、微細構造を形成するシステムの能力の尺度として使用される。必要な分解能が「ファイン」である場合には、画像化モード・ブロック１０３０へと続く枝１０１２が選択される。必要な分解能が「バルク」である場合には、第２の判断ブロック１０２０へと続く枝１０１１が選択され、第２の判断ブロック１０２０では、画像化が必要かどうかの判定が実施される。画像化が必要な場合には、画像化モード・ブロック１０３０へと続く枝１０２２が選択される。画像化ブロック１０３０は、プラズマ源コントローラ９００（図１参照）およびＦＩＢシステム・コントローラ９５０（図１参照）内のいくつかのパラメータを設定する。画像化モード・ブロック１０３０によって設定されるパラメータは、ＩＣＰ源１００に対する必要ＲＦ電力、源エンクロージャ１０２内のガス圧、抽出電極間電圧、光軸上に機械的に配置されるビーム画定アパーチャ３０５、および／またはイオン・カラム内のレンズの設定（例えば図１では電極３０３および３０７上の電圧）を含むことができる。図４は、画像化モード・ブロック１０３０におけるパラメータ定義プロセスの一実施形態を示す流れ図である。
ブロック１０２０において画像化が必要ない場合には、第３の判断ブロック１０４０へと続く枝１０２１が選択され、第３の判断ブロック１０４０では、高速、大体積材料除去が必要かどうかの判定が実施される。高速、大体積材料除去が必要でない場合には、画像化モード・ブロック１０３０へと続く枝１０４１が選択され、画像化モード・ブロック１０３０では、上記のとおりに画像化モード動作パラメータが指定される。高速、大体積材料除去が必要な場合には、ミリング・モード・ブロック１０５０へと続く枝１０４２が選択される。ミリング・モード・ブロック１０５０は、画像化のために必要な値ではなく、高速、大体積材料除去のために必要なパラメータの値を除いて、画像化ブロック１０３０と同じ源およびカラム・パラメータを設定する。図３は、ミリング・モード・ブロック１０５０におけるパラメータ定義プロセスの一実施形態を示す流れ図である。ミリング・モード・ブロック１０５０から出た枝１０５１はモード選択終了ブロック１０６０へと続く。画像モード・ブロック１０３０から出た枝１０３１もモード選択終了ブロック１０６０へと続く。当業者は、３つ以上のモードを包含するように、図２の流れ図を容易に拡張することができる。
図３は、図１の集束イオン・ビーム・システムにおいてミリング・モードの動作パラメータを設定するための本発明の一実施形態に基づく流れ図２０００を示す。ブロック２００１はミリング・モード開始ブロックであり、このブロックは、枝２００２を介して源コントローラ起動ブロック２０１０に通じており、このブロックは、ミリング・モード用のシステム動作パラメータを設定するプロセスを開始することを知らせるプラズマ源コントローラ９００（図１参照）への信号に対する動作のきっかけを表している。いくつかの実施形態では、いくつかのカラム動作パラメータ（電極電圧および／またはビーム画定アパーチャの選択）も、必要な具体的な動作モード（ミリングまたは画像化）に関係することがあるため、この時点で、ＦＩＢシステム・コントローラ９５０（図１参照）との通信を、ケーブルないしデータ・バス９０１を介して始めることもできる。
ブロック２０１０において源コントローラが起動された後、枝２０１１に従って第１の判断ブロック２０２０まで進み、そこで、ガス管路計１０４（図１参照）が示す値が、ミリング・モードに対する所定のガス管路圧設定値と比較される。ガス管路圧がミリング・モードの設定値とは異なる場合には、ブロック２０３０へと続く枝２０２１が選択され、ブロック２０３０では、ガス管路圧が、この所定のミリング・モード設定値に再設定される。ブロック２０３０から出た枝２０３１は判断ブロック２０２０へ戻り、そこで、ガス管路圧が再び、この所定のミリング・モード設定値と比較される。この比較プロセスは、ガス管路圧が適切な所定のミリング・モード設定値と一致するまで、ブロック２０２０からブロック２０３０、次いで再びブロック２０２０へとループする。ブロック２０２０とブロック２０３０の間の所定の回数のループの後も、ガス管路圧が所定のミリング・モード設定値と一致しない場合には、ミリング・モード設定手順を打ち切り、システム・オペレータおよび／またはＦＩＢシステム・コントローラ９５０に警報を出すように、システムを構成することができる。
ガス管路圧が適切な所定のミリング・モード設定値と一致したときには、第２の判断ブロック２０４０へと続く枝２０２２が選択される。ブロック２０４０では、無線周波（ＲＦ）電力が、図１に示したＩＣＰ源に関しては一般に８００から１０００Ｗであるミリング・モードに対する所定の設定値と比較される。ＲＦ電力の周波数は一般に１３．５６ＭＨｚまたは１３．５６ＭＨｚの整数倍、あるいは当業者によく知られている他のある無線周波数である。無線周波数の選択肢は当業者によく知られている。ＲＦ電力がミリング・モードの設定値とは異なる場合には、ブロック２０５０へと続く枝２０４１が選択され、ブロック２０５０では、ＲＦ電力が、この所定のミリング・モード設定値に再設定される。ブロック２０５０から出た枝２０５１は判断ブロック２０４０へ戻り、そこで、ＲＦ電力が再び、この所定のミリング・モード設定値と比較される。この比較プロセスは、ＲＦ電力が適切な所定のミリング・モード設定値と一致するまで、ブロック２０４０からブロック２０５０、次いで再びブロック２０４０へとループする。ブロック２０４０とブロック２０５０の間の所定の回数のループの後も、ＲＦ電力が所定のミリング・モード設定値と一致しない場合には、ミリング・モード設定手順を打ち切り、システム・オペレータおよび／またはＦＩＢシステム・コントローラ９５０に警報を出すように、システムを構成することができる。代替実施形態では、他のタイプのプラズマ源１００を使用することができる。このような代替プラズマ源の例には、ｄｃプラズマ源および容量結合ＲＦプラズマ源などがある。
ＲＦ電力が適切な所定のミリング・モード設定値と一致したときには、第３の判断ブロック２０６０へと続く枝２０４２が選択される。ブロック２０６０では、プラズマがオンであるかどうかの評価が実施される。この評価は、マッチングボックス１１２（図１参照）から、および／または、図１に示すように源室１０２内のプラズマからの光を光ファイバ１０９を通して見ているプラズマ光検出システム１１０から延びる電線８０２上の信号から、ＲＦ電源１１３へ戻る反射電力を使用して実施することができる。プラズマが点火されているかどうかを判定する当業者によく知られている他の手段も可能である。信頼性を高めるため、源室１０２内のプラズマを検出する２つ以上の方法を並行して使用することができる。プラズマがオフの場合には、ブロック２０７０へと続く枝２０６１が選択され、ブロック２０７０では、源室１０２内においてプラズマを点火させるために、源電極２０１に接続された点火装置２２４が起動される。プラズマは手動または自動で点火することができる。手動モードでは、プラズマ室内にプラズマが存在しないことをオペレータに知らせ、オペレータは、テスラ・コイルまたは同様の装置をプラズマ室に接触させることによって、プラズマに点火することができる。点火装置２２４を起動させた後、枝２０７１に従って判断ブロック２０６０に戻り、そこで、源室１０２内にプラズマが存在するかどうかの判定が再び実施される。このプラズマ監視プロセスは、上で論じた手段のうちの１つまたは複数の手段によって、源室１０２内においてプラズマが検出されるまで、ブロック２０６０からブロック２０７０、次いで再びブロック２０６０へとループする。ブロック２０６０とブロック２０７０の間の所定の回数のループの後も、源室１０２内にプラズマが存在しない場合には、ミリング・モード設定手順を打ち切り、システム・オペレータおよび／またはＦＩＢシステム・コントローラ９５０に警報を出すように、システムを構成することができる。源室１０２内においてプラズマが検出されたら、枝２０６２に従って終了ブロック２０８０に進む。図３の方法は、プラズマ源コントローラ９００およびＦＩＢシステム・コントローラ９５０にアクセス可能なコンピュータのランダム・アクセス・メモリなどのコンピュータ可読媒体上に記憶されたコンピュータ命令に従って自動的に実行することができる。これらのコンピュータ命令は、コンパクト・ディスク、ＤＶＤ、ストレージ・ディスク、フラッシュ・メモリなどの光学、磁気または半導体媒体上に記憶することもできる。
図４は、図１の集束イオン・ビーム・システムにおいて画像化モードの動作パラメータを設定するための本発明の一実施形態に基づく流れ図３０００を示す。ブロック３００１は画像化モード開始ブロックであり、このブロックは、枝３００２を介して源コントローラ起動ブロック３０１０に通じており、このブロックは、画像化モード用のシステム動作パラメータを設定するプロセスを開始することを知らせるプラズマ源コントローラ９００（図１参照）への信号に対する動作のきっかけを表している。いくつかの実施形態では、いくつかのカラム動作パラメータ（電極電圧および／またはビーム画定アパーチャの選択）も、必要な具体的な動作モード（ミリングまたは画像化）に関係することがあるため、この時点で、ＦＩＢシステム・コントローラ９５０（図１参照）との通信を、ケーブルないしデータ・バス９０１を介して始めることもできる。
ブロック３０１０において源コントローラが起動された後、枝３０１１に従って第１の判断ブロック３０２０に進み、そこで、ガス管路計１０４（図１参照）が示す値が、画像化モードに対する所定のガス管路圧設定値と比較される。ガス管路圧が画像化モード設定値とは異なる場合には、ブロック３０３０へと続く枝３０２１が選択され、ブロック３０３０では、ガス管路圧が、この所定の画像化モード設定値に再設定される。ブロック３０３０から出た枝３０３１は判断ブロック３０２０へ戻り、そこで、ガス管路圧が再び、この所定の画像化モード設定値と比較される。この比較プロセスは、ガス管路圧が適切な所定の画像化モード設定値と一致するまで、ブロック３０２０からブロック３０３０、次いで再びブロック３０２０へとループする。ブロック３０２０とブロック３０３０の間の所定の回数のループの後も、ガス管路圧が所定の画像化モード設定値と一致しない場合には、画像化モード設定手順を打ち切り、システム・オペレータおよび／またはＦＩＢシステム・コントローラ９５０に警報を出すように、システムを構成することができる。
ガス管路圧が適切な所定の画像化モード設定値と一致したときには、第２の判断ブロック３０４０へと続く枝３０２２が選択される。ブロック３０４０では、無線周波（ＲＦ）電力が、図１に示したＩＣＰ源に関しては一般に４００から５００Ｗの範囲である画像化モードに対する所定の設定値と比較される。ＲＦ電力の周波数は１３．５６ＭＨｚまたは１３．５６ＭＨｚの整数倍、あるいは当業者によく知られている他のある無線周波数とすることができる。ＲＦ電力が画像化モードの設定値とは異なる場合には、ブロック３０５０へと続く枝３０４１が選択され、ブロック３０５０では、ＲＦ電力が、この所定の画像化モード設定値に再設定される。ブロック３０５０から出た枝３０５１は判断ブロック３０４０へ戻り、そこで、ＲＦ電力が再び、この所定の画像化モード設定値と比較される。この比較プロセスは、ＲＦ電力が適切な所定の画像化モード設定値と一致するまで、ブロック３０４０からブロック３０５０、次いで再びブロック３０４０へとループする。ブロック３０４０とブロック３０５０の間の所定の回数のループの後も、ＲＦ電力が所定の画像化モード設定値と一致しない場合には、画像化モード設定手順を打ち切り、システム・オペレータおよび／またはＦＩＢシステム・コントローラ９５０に警報を出すように、システムを構成することができる。
ＲＦ電力が適切な所定の画像化モード設定値と一致したときには、第３の判断ブロック３０６０へと続く枝３０４２が選択される。ブロック３０６０では、プラズマがオンであるかどうかの評価が実施される。この評価は、マッチングボックス１１２（図１参照）から、および／または、図１に示すように源室１０２内のプラズマからの光を光ファイバ１０９を通して見ているプラズマ光検出システム１１０から延びる電線８０２上の信号から、ＲＦ電源１１３へ戻る反射電力を使用して実施することができる。プラズマが点火されているかどうかを判定する当業者によく知られている他の手段も可能である。信頼性を高めるため、源室１０２内のプラズマを検出する２つ以上の方法を並行して使用することができる。プラズマがオフの場合には、ブロック３０７０へと続く枝３０６１が選択され、ブロック３０７０では、源室１０２内においてプラズマを点火させるために、源電極２０１に接続された点火装置２２４が起動される。プラズマは手動または自動で点火することができる。手動モードでは、プラズマ室内にプラズマが存在しないことをオペレータに知らせ、オペレータは、テスラ・コイルまたは同様の装置をプラズマ室に接触させることによって、プラズマに点火することができる。点火装置２２４を起動させた後、枝３０７１に従って判断ブロック３０６０に戻り、そこで、源室１０２内にプラズマが存在するかどうかの判定が再び実施される。このプラズマ監視プロセスは、上で論じた手段のうちの１つまたは複数の手段によって、源室１０２内においてプラズマが検出されるまで、ブロック３０６０からブロック３０７０、次いで再びブロック３０６０へとループする。ブロック３０６０とブロック３０７０の間の所定の回数のループの後も、源室１０２内にプラズマが存在しない場合には、画像化モード設定手順を打ち切り、システム・オペレータおよび／またはＦＩＢシステム・コントローラ９５０に警報を出すように、システムを構成することができる。源室１０２内においてプラズマが検出されたら、枝３０６２に従って終了ブロック３０８０に進む。図４の方法は、プラズマ源コントローラ９００およびＦＩＢシステム・コントローラ９５０にアクセス可能なコンピュータのランダム・アクセス・メモリなどのコンピュータ可読媒体上に記憶されたコンピュータ命令に従って自動的に実行することができる。これらのコンピュータ命令は、コンパクト・ディスク、ＤＶＤ、ストレージ・ディスク、フラッシュ・メモリなどの光学、磁気または半導体媒体上に記憶することもできる。
図３に示したミリング・モードに対するパラメータ監視／再設定ステップ、ならびに図４に示した画像化モードに対するパラメータ監視／再設定ステップは、動作モード・パラメータがガス圧およびＲＦ電力である本発明の一実施形態を表す。他の実施形態に対しては、さまざまな動作モード間でさまざまな他のパラメータを変更することができる。誘導結合プラズマ・イオン源と、２つの静電アインゼル・レンズを有するイオン・カラムとを備える図１に示した集束イオン・ビーム・カラムに対しては、代表的な動作パラメータ・セットが、以下のパラメータを含むことができる。
Ａ）ガス管路計１０４によって監視されるガス管路圧
Ｂ）ＩＣＰ源１００へのＲＦ電力
Ｃ）基板におけるビーム・エネルギーを決定する源電極２０１上の電圧
Ｄ）抽出電極２０２上の電圧
Ｅ）コンデンサ電極２０３上の電圧
Ｆ）レンズ１の中央電極３０３上の電圧
Ｇ）ビーム画定アパーチャ３０５の選択
Ｈ）レンズ２の中央電極３０７上の電圧
図１に示した源／カラム構成には、特定の動作パラメータ・セットＡ）からＨ）が適用される。他のカラム設計に対しても、同様の動作パラメータ・セットが適用されることになる。例えば、２つの静電レンズの代わりに２つの磁気レンズを有するカラムでは、Ｆ）およびＨ）がそれぞれ、レンズ１および２の励磁コイル上の電流を選択することになろう。イオン・カラムが３つ以上の静電レンズを有する場合には、追加のレンズ電圧が、動作パラメータ・セットの一部を構成することになる。
液体金属源を使用するＦＩＢカラムに対しては、本発明のいくつかの実施形態の方法が適用されると考えられるが、パラメータＡ）をフィラメントのヒータ電流とし、パラメータＢ）を液体金属源の先端からイオンを放出させる抽出電圧とすることができる。液体金属源の動作は当業者によく知られている。同様に、本発明を使用するＦＩＢシステムにおいて、ガス電界イオン化（ＧＦＩ）源を使用するＦＩＢカラムを使用することもできる。
表１〜３は、動作パラメータの好ましい範囲および好ましい動作パラメータ・セットの一例を、例示的な３つのモード、すなわち粗ミリング・モード（表１）、微細ミリング・モード（表２）および画像化モード（表３）について示す。
Figure 0005744454
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ビーム誘起付着モードに対して動作パラメータを定義することもできる。本発明のさまざまな実施形態は、動作パラメータＡ）からＨ）のうちの１つまたは複数のパラメータの特定の選択によって特徴づけることができる。図３および４の流れ図は、パラメータＡ）およびＢ）だけの特定の選択に対応し、パラメータＣ）からＨ）は、ミリング・モードと画像化モードの両方に対して同じであると仮定している。いくつかの実施形態では、異なるモードに対して異なるパラメータを調整することができる。
他の実施形態では、ＩＣＰ源１００に対する２つの異なる動作モードを選択するためにパラメータＡ）およびＢ）を変更し、ＩＣＰ源１００からのイオン抽出プロセスを制御するために、パラメータＣ）からＥ）のうちの１つまたは複数のパラメータを変更することができる。
他の実施形態は、パラメータＡ）およびＢ）を変更し、それとともに、イオン・カラム光学系を変更するためにパラメータＦ）からＨ）のうちの１つまたは複数のパラメータを変更することができる。例えば、パラメータＦ）とＨ）を同時に変更すると、画像化のための高縮小モード、およびミリング・モードにおけるバルク材料除去のための低縮小モードで、ＦＩＢカラムを動作させることができる。この実施形態では、画像化モードとミリング・モードに対して基板において異なる最大ビーム半角を選択するために、パラメータＧ）を変更することができる。
図５は、図１のＩＣＰイオン源１００について、源電力（任意の単位）４００１に対してプロットした輝度の低減（ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）（任意の単位）４００２および角強度（任意の単位）４００３のグラフ４０００を示す。輝度の低減は、角強度を、仮想源の面積とビームの加速電圧の積で除したものと定義される。一般的なミリング・モード４０２０は、任意の単位で約４．９から約６．０までの源電力範囲に対応する。一般的な画像化モード４０２１は、任意の単位で約２．０から約２．５までの源電力範囲に対応する。曲線４０１２は、源電力に伴う輝度の低減の変動を示す。画像化に対する源電力範囲４０２１とミリングに対する源電力範囲４０２０ではともに、概ね同じ源輝度の低減（任意の単位で６．５）を達成することが可能であることに留意されたい。曲線４０１３は、源電力に伴う角強度の変動を示す。このパラメータは、画像化モード４０２１に対するときに、ミリング・モード４０２０に対するときの値（任意の単位）のほぼ半分であることに留意されたい。
図６は、図１のＩＣＰイオン源１００について、源電力（任意の単位）５００１に対してプロットした輝度の低減（任意の単位）５００２および仮想源のサイズ（任意の単位）５００３のグラフ５０００を示す。図５の場合と同様に、一般的なミリング・モード５０２０は、任意の単位で約４．９から約６．０までの源電力範囲に対応し、一般的な画像化モード５０２１は、任意の単位で約２．０から約２．５までの源電力範囲に対応する。曲線５０１２は図５の曲線４０１２と全く同じである。曲線５０１３は、仮想源サイズが、ＩＣＰ源１００に対する電力の増大とともにほぼ直線的に増大することを示す。
図７は、画像化モード６０１０とミリング・モード６０１１の間で交互に切り換わる図１のＦＩＢシステムの時間６００１（任意の単位）に対する源電力６００２（任意の単位）のグラフ６０００を示す。一般に、画像化６０１０からミリング６０１１への移行６０２０は、ミリング６０１１を始める前に、タイムスケールで１．０（単位は任意）の間にＩＣＰ源１００の動作の完全安定化を完了することが可能である。この安定化時間の制限は、システム動作パラメータが必要な値に達するのに必要な時間である。ミリング・モードと画像化モードの間で源エンクロージャ１０２内のガス圧が変更されない実施形態では、より高速な移行が可能なことがある。ミリング６０１１から画像化６０１０への移行６０２１も、画像化６０１０を開始する前にシステム動作パラメータが安定することを可能にするのに十分長くなければならない。
図８から１０では、本発明の荷電粒子カラム内においてビーム電流をアパーチャに通すための３つの代替実施形態について論じる。
図８Ａは、移動式ビーム画定アパーチャ・アセンブリ７０１０を使用した集束荷電粒子ビーム・カラム７０００であって、バルク・ミリング・モードで動作している集束荷電粒子ビーム・カラム７０００の概略図を示す。荷電粒子は、通常は源７００１内に位置する仮想源７００２から発散し、発散ビーム７００３として現れる。発散ビーム７００３は次いで、受入れアパーチャ７００４を照らし、受入れアパーチャ７００４は、ビームの角度広がり（ａｎｇｕｌａｒ ｓｐｒｅａｄ）およびビーム電流を低減させる。ビーム受入れアパーチャ７００４を通過した荷電粒子７０９３は、第１のレンズ７００５によって集束されて集束ビーム７００６を形成し、集束ビーム７００６は、ビーム画定アパーチャ・アセンブリ７０１０の前にクロスオーバ（ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ）７００７を形成する。クロスオーバ７００７よりも下では、ビーム７００８がアパーチャ７０１１に向かって発散する。アパーチャ７０１１はアパーチャ７０１２よりも大きいため、アパーチャ７０１１を通過した発散ビーム７０１３中のビーム電流は大きく、高速、大体積材料除去のための電流要件に対応する。図８Ａでは、ビーム画定アパーチャ・アセンブリ７０１０が左端の位置に配置されており、それにより、アパーチャ７０１１がカラム７０００の光軸上に配置されている。第２のレンズ７０１４は、ビーム７０１５を、基板７０１７上の位置７０１６に集束させる。
図８Ｂは、移動式ビーム画定アパーチャ・アセンブリ７０００を使用した集束荷電粒子ビーム・カラム７０００であって、ファイン分解能モードで動作している集束荷電粒子ビーム・カラム７０００の概略図を示す。ビーム画定アパーチャ・アセンブリ７０１０よりも上方のビームは、図８Ａのそれと同じである。図８Ｂでは、ビーム画定アパーチャ・アセンブリ７０１０が右端の位置に配置されており、それにより、アパーチャ７０１２がカラム７０００の光軸上の中央に配置されている。アパーチャ７０１２はアパーチャ７０１１よりも小さいため、アパーチャ７０１２を通過した発散ビーム７０１３中のビーム電流はより小さく、画像化、ポリシングまたは微細ミリングのための電流要件に対応する。第２のレンズ７０１４は、ビーム７０３５を、基板７０１７上の位置７０３６に集束させる。図８Ｂにおいてレンズ７０１４に入るビームの直径は、図８Ａにおいてレンズ７０１４に入るビームの直径よりも小さく、それによって回折を除く全ての光学収差が低減することに留意されたい。収差が低減するため、図８Ｂでは、図８Ａよりも小径のビームを生成することができる。
図８Ａおよび８Ｂに示したアパーチャ選択法の利点には、ビーム画定アパーチャを機械的に選択することによって、ビーム電流およびビーム直径を選択することができることが含まれる。複数のアパーチャ（この例のアパーチャ７０１１および７１２など）は、異なる動作モードを可能にするため、ここで示すように異なる直径を有することができる。システム内の冗長性を可能にするため、複数のアパーチャが同じ直径を有することもでき、このことは、アパーチャの損傷を引き起こし、必要なアパーチャの交換と交換との間の時間を短縮する可能性がある重いイオン種を必要とする用途において有用なことがある。
図９Ａは、２重偏向アパーチャ選択装置を使用した集束荷電粒子ビーム・カラム８０００であって、バルク・ミリング・モードで動作している集束荷電粒子ビーム・カラム８０００の概略図を示す。荷電粒子は、通常は源８００１内に位置する仮想源８００２から発散し、発散ビーム８００３として現れる。発散ビーム８００３は次いで、受入れアパーチャ８００４を照らし、受入れアパーチャ８００４は、ビームの角度広がりおよびビーム電流を低減させる。ビーム受入れアパーチャ８００４を通過した荷電粒子８０９３は、第１のレンズ８００５によって集束されて集束ビーム８００６を形成し、集束ビーム８００６は、偏向器８０１１〜８０１４を備える２重偏向アパーチャ選択装置に入る。示されているように、偏向器８０１１はビーム８０２０を右へ曲げる。次いで、偏向器８０１２が、ビーム８０２２をほぼ同じ量だけ左へ曲げて戻し、ビーム画定アパーチャ８０２４を照らすビームを、カラム８０００の光軸に対して概ね平行にする。レンズ８００５は、アパーチャ８０２４の上方にクロスオーバ８０２１を形成する。アパーチャ８０２４はアパーチャ８０２３よりも大きいため、アパーチャ８００２４を通過した発散ビーム８０７０中のビーム電流は大きく、高速、大体積材料除去のための電流要件に対応する。これを図８Ａと比較されたい。アパーチャ８０２４を通過したビーム８０７０は、偏向器８０１３によって左へ曲げられる。次いで、偏向器８０１４が、ビーム８０７１をほぼ同じ量だけ右へ曲げて戻し、ビームを、カラム８０００の光軸上に配置する。第２のレンズ８０４０は、ビーム８０４１を、基板８０４２上の位置８０４３に集束させる。
図９Ｂは、２重偏向アパーチャ選択装置を使用した集束荷電粒子ビーム・カラム８０００であって、ファイン分解能モードで動作している集束荷電粒子ビーム・カラム８０００の概略図を示す。偏向器８０１１の入口までのビームは、図９Ａのそれと同じである。示されているように、偏向器８０１１はビーム８０３０を左へ曲げる。次いで、偏向器８０１２が、ビーム８０３２をほぼ同じ量だけ右へ曲げて戻し、ビーム画定アパーチャ８０２３を照らすビームを、カラム８０００の光軸に対して概ね平行にする。レンズ８００５は、アパーチャ８０２３の上方にクロスオーバ８３２１を形成する。アパーチャ８０２３はアパーチャ８０２４よりも小さいため、アパーチャ８０２３を通過した発散ビーム８０８０中のビーム電流はより小さく、画像化、ポリシングまたは微細ミリングのための電流要件に対応する。これを図８Ｂと比較されたい。アパーチャ８０２４を通過したビーム８０８０は、偏向器８０１３によって右へ曲げられる。次いで、偏向器８０１４が、ビーム８０７１をほぼ同じ量だけ左へ曲げて戻し、ビームを、カラム８０００の光軸上に配置する。第２のレンズ８０４０は、ビーム８０５１を、基板８０４２上の位置８０５３に集束させる。図９Ｂにおいてレンズ８０１４に入るビームの直径は、図９Ａにおいてレンズ８０４０に入るビームの直径よりも小さく、それによって回折を除く全ての光学収差が低減することに留意されたい。収差が低減するため、図９Ｂでは、図９Ａよりも小径のビームを生成することができる。偏向器８０１１〜８０１４は、当業者によく知られている静電偏向器、磁気偏向器または静電／磁気偏向器を組み合わせたものとすることができる。
図９Ａおよび９Ｂの実施形態の利点には、アパーチャを機械的に移動させる必要がなく、偏向器８０１１〜８０１４の電圧および／または電流を変化させるだけであるため、基板８０４２におけるビーム・サイズおよびビーム電流を比較的に高速に選択することができることが含まれる。他の利点は、偏向器８０１１〜８０１４を、ビーム・ブランキングに対しても使用できることである。ビーム・ブランキングは、偏向器８０１１〜８０１４に電圧および／または電流を印加して、両方のアパーチャ８０２３または８０２４からビームを引き離し、ビーム画定アパーチャ・アセンブリ８０１５を通過するビームを遮断することからなると考えられる。図９Ａおよび９Ｂの実施形態の欠点には、追加の偏向器要素およびそれらの関連制御電子機器が必要であり、それによってシステムの複雑さおよびコストが増大することが含まれる。
図１０Ａは、電子的可変アパーチャを使用した集束荷電粒子ビーム・カラム９０００であって、バルク・ミリング・モードで動作している集束荷電粒子ビーム・カラム９０００の概略図を示す。荷電粒子は、通常は源９００１内に位置する仮想源９００２から発散し、発散ビーム９００３として現れる。発散ビーム９００３は次いで、受入れアパーチャ９００４を照らし、受入れアパーチャ９００４は、ビームの角度広がりおよびビーム電流を低減させる。ビーム受入れアパーチャ９００４を通過した荷電粒子９０９３は、第１のレンズ９００５によって集束されて集束ビーム９００６を形成し、集束ビーム９００６は、ビーム画定アパーチャ・アセンブリ９０１０の前にクロスオーバ９００７を形成する。クロスオーバ９００７よりも下では、ビーム９００８がアパーチャ９０１１に向かって発散する。図１０Ａおよび１０Ｂに示した実施形態では、アパーチャ９０１１に対するクロスオーバ９００７の位置を移動させるために、第１のレンズ９００５の強度が使用され、それによって、アパーチャ９０１１を通過するビーム角、さらに基板９０１７に到達するビームの電流を調整する。図１０Ａでは、クロスオーバ９００７がアパーチャ９０１１に比較的に近く、したがってビーム９００８の比較的に大きな部分がアパーチャ９０１１を通過する。図１０Ｂでは、クロスオーバ９０２７が、図１０Ａのクロスオーバ９００７より高く、したがってビーム９０２８の比較的に小さな部分がアパーチャ９０１１を通過する。第２のレンズ９０１４は、図９Ａおよび９Ｂにおいて、ビーム９０１５を基板７０１７上に集束させる。図８および９の場合と同様に、図１０Ｂにおいてレンズ９０１４に入るビーム角がより小さい結果、（回折を除く）収差が低減し、図１０Ａの位置９０１６におけるビームのサイズに比べて、基板９０１７上の位置９０３６のビームが潜在的により小さくなる。
図１０Ａおよび１０Ｂに示した実施形態の利点には、図８のような機械移動式ビーム画定アパーチャ・アセンブリも、あるいは図９のようなビーム偏向器のシステムも必要なしに、基板におけるビーム電流およびビームのサイズを制御することができることが含まれる。他の利点は、図１０Ｂのクロスオーバ９０２７の位置が、図１０Ａのクロスオーバ９００７の位置に比べて高いことが、仮想源のより高い縮小を提供することである。したがって、図１０Ｂでは、ファイン分解能ビームが望ましい場合に、仮想源サイズの影響が低減され、それによって、基板９０１７におけるより小さなビーム９０３６の形成を潜在的に可能にする。
図８〜１０に示した３つの実施形態全てにおいて、荷電粒子光学カラム内の２つのレンズによって、仮想源の像が、基板の表面または表面付近に形成される。しかしながら、仮想源から基板への全体的な縮小を制御するのと同時にビーム・サイズ／電流を制御する完全な柔軟性のためには、少なくとも１つの追加のレンズを追加して図８〜１０のカラムを実現する必要があるであろう。荷電粒子カラムの設計は当業者によく知られている。
本発明の実施形態は、複数の動作モードを提供することができる。上述の画像化モードの他に、実施形態は例えば、高速材料除去用の高電流、粗ミリング・モード、通常のミリング確度の中間電流モードおよび精密ミリング用の低電流モード等の複数のミリング・モードを提供することができる。例えば、高電流モードは、一般に１ｎＡ超、より好ましくは２０ｎＡ超、よりいっそう好ましくは１００ｎＡのビーム電流を有する。精密ミリング・モードは、一般に５００ｎｍ未満、より好ましくは２００ｎｍ未満、最も好ましくは１００ｎｍ未満のスポット・サイズを有する。精密ミリング・モードに対するビーム電流は５ｐＡから２０ｎＡであることが好ましい。中間電流モードは、粗ミリング・モードの電流よりも小さい電流を有し、精密ミリング・モードのスポット・サイズよりも大きなスポット・サイズを有することになる。例を提供するためにさまざまなモードについて記載したが、それらのさまざまなモードの動作パラメータは互いに部分的に重なり、オペレータは、それらの動作パラメータを、予め決められたモードに対して定義された予め設定された動作パラメータから変更することができる。
本発明の範囲内においては、２次電子、２次イオンの収集によって、および／または２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）によって画像化信号を生成することができるいくつかの画像化モードも可能である。ＳＩＭＳモードでは、基板表面または基板表面付近に集束したイオン・ビームを生成している集束荷電粒子カラムに、検出光学系アセンブリを結合することができる。このモードの画像化信号は、基板表面から収集した１種または数種の２次イオン種に由来する信号を含むことができる。例えば、キセノン・イオン・ビームを使用して、ホウ素が注入される埋込み層まで半導体デバイスをスパッタリングする場合、収集したホウ素２次イオンに由来する信号は、そのミリング・プロセスに対して高信号対雑音比の終点検出能力を提供するであろう。このような２次イオン収集アセンブリの一例が、１９８５年１２月３日に発行された「Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ」という名称の米国特許第４，５５６，７９４号に記載されている。
本発明の他の態様は、特定の電荷状態を選択し、および／または原子および分子イオン種間の選択を提供するために、誘導結合プラズマ・イオン源から抽出されたイオン種を制御することである。例えば、酸素フィード・ガスを用いると、プラズマ・イオン源動作パラメータに基づくある比率で、Ｏ+イオンとＯ2 +イオンの両方を抽出することができるはずである。同様にＯ-イオンを抽出することも可能なはずである。２次イオン質量分析法では、負の２次イオンの発生レベルおよび正の２次イオンの発生レベルが、衝突１次イオン種に強く依存することが公知である。誘導結合プラズマ・イオン源の１つ利点が、ミリング、２次電子画像化、２次イオン画像化、および正と負の両方の２次イオン質量分析画像化を含む複数のモードで動作する能力であることがある。これらのそれぞれのモードでは一般に、最適な源動作パラメータおよびカラム光学系動作パラメータが、他のモードのそれらのパラメータとは異なる。上述のとおり、１次イオンおよびバルク材料イオンからの両方の干渉が、ＳＩＭＳ検出光学系の質量選択性によって排除されるため、２次イオン質量分析終点確認は、高信号対雑音比の可能性を提供する。
本発明の他の態様は、１つまたは複数の処理モードが付着前駆体ガスまたはエッチング前駆体ガスの使用を含む複数のモードで、荷電粒子システムを使用する可能性である。この実施形態では、１次イオン・ビームまたは１次電子ビームが、基板の表面または表面付近で前駆体ガスと相互作用して、付着または強化されたエッチングを生み出すことになる。純粋なビーム誘起プロセス（すなわち前駆体ガスを使用しないプロセス）の場合と同様に、最適なシステム・パラメータは一般に、処理ステップ（付着またはエッチング）と画像化ステップとの間で異なるであろう。付着前駆体ガスおよびエッチング前駆体ガスは一般にガス噴射システムによって供給され、さまざまな表面をエッチングするための前駆体ガスおよびさまざまな材料を付着させるための前駆体ガスは公知である。加工物表面のビーム衝突位置に吸着した前駆体分子の消耗を回避するため、化学反応を引き起こすのに使用される荷電粒子ビーム動作モードは、加工物位置において低い電流密度を有するビームを提供することが好ましい。電子およびイオンはビーム誘起処理に対して有用である。
荷電粒子ビーム・システムに対する本発明の好ましい実施形態は、プラズマ室ガス圧のプラズマ・ガスを含むプラズマ室と、プラズマ室からイオンまたは電子を抽出するために電圧を印加することができる抽出電極と、プラズマ室内のプラズマを維持するためにプラズマ室に電力を供給する電源と、プラズマ室にプラズマ・ガスを供給するガス供給源と、プラズマ室から抽出されたイオンまたは電子を集束させる複数のレンズを備える集束カラムと、複数のそれぞれの動作モードに対する動作パラメータのセットを記憶したコンピュータ可読記憶装置であり、動作パラメータが、プラズマ室ガス圧、プラズマ・ガス種、プラズマに供給する電力、および抽出電極に供給する電圧のうちの１つまたは複数を含む、コンピュータ可読記憶装置と、荷電粒子ビーム・システムの動作モードを選択的に切り換えるようにプログラムされたコントローラであり、選択されたモードに対する記憶された動作パラメータに従って、荷電粒子ビーム・システムの動作パラメータのうちの少なくとも１つの動作パラメータが設定されるようにするコントローラとを含む。
いくつかの好ましい実施形態のコントローラは、高分解能画像化モードとより低分解能のミリング・モードとの間で、荷電粒子ビーム・システムを選択的に切り換えるようにプログラムされていることが好ましい。さらに、コントローラは、少なくとも２００ｐＡのビーム電流を有する高電流ミリング・モードとより低電流の画像化モードとの間で、荷電粒子ビーム・システムを選択的に切り換えるようにプログラムされていることが好ましい。いくつかの実施形態では、コントローラが、プラズマ室ガス圧およびプラズマに供給する電力を変化させることによって、動作モードを選択的に切り換えるようにプログラムされる。いくつかの実施形態では、コントローラが、第１の動作モードにおける第１のガス種と第２の動作モードにおける第２のガス種との間でプラズマ・ガスを変更することによって、動作モードを選択的に切り換えるようにプログラムされる。いくつかの実施形態では、コントローラが、プラズマ室内にプラズマが存在するかどうかを判定するようにプログラムされる。コントローラを、プラズマ源から電子を抽出する１つの動作モードとプラズマ源からイオンを抽出する第２の動作モードとの間で選択的に切り換えるようにプログラムすることもできる。
本発明の荷電粒子ビーム・システムの好ましい実施形態はさらに、１つまたは複数のビーム制限アパーチャとアパーチャ配置アクチュエータとを含み、コントローラは、選択された動作モードに対して必要なビーム電流に応じて、選択された動作モードに対応するビーム制限アパーチャを、荷電粒子ビームの経路上に選択的に配置するようにプログラムされる。好ましいいくつかの実施形態は、１つまたは複数のビーム制限アパーチャとアパーチャ選択偏向器システムとを含み、コントローラは、選択された動作モードに対応するアパーチャを通過するようビームを偏向させるようにプログラムされる。いくつかの実施形態はビーム制限アパーチャを備え、コントローラは、ビーム制限アパーチャにおける荷電粒子ビームのサイズを選択された動作モードに従って制御するために、カラム内のレンズの強度を選択的に調整するようにプログラムされる。
本発明の荷電粒子ビーム・システムの好ましい実施形態はさらに、動作モードを切り換えるときに、コントローラからの指令に応答して、プラズマ室からガスを除去する真空ポンプを含む。好ましい実施形態はさらに、無線周波数の電力を供給する電源と、プラズマ室の周囲に少なくとも１回巻き付けられた導電コイルとを含むことができる。
好ましいいくつかの実施形態では、プラズマ室内にプラズマが存在するかどうかを判定するため、プラズマ室からの光を検出するセンサが提供される。コントローラは、動作モードが選択され、プラズマ室内にプラズマが存在しない場合に、オペレータに通知する、またはプラズマに点火するようにプログラムされることが好ましい。
本発明の荷電粒子ビーム・システムの集束カラムの好ましい実施形態は、プラズマ室内に形成される仮想源の像を、基板の表面または表面付近に集束させる。コントローラは、高分解能画像化モードと低分解能モードとの間で、荷電粒子ビーム・システムを選択的に切り換えるようにプログラムされており、画像化モードにおいて基板の表面または表面付近に形成される仮想源の像の直径は５００ｎｍ未満であることが好ましい。
荷電粒子ビーム・システムを複数のモードで動作させる方法であって、荷電粒子ビーム・システムが、プラズマ源と、荷電粒子集束カラムとを含み、第１の動作モードが、加工物表面に第１のビーム電流を供給し、第２の動作モードが、加工物表面に第２のビーム電流を供給し、第２の電流が、第１の電流に等しいか、または第１の電流よりも小さい方法の好ましい実施形態は、第１のモードでの動作が選択されたことに応答して、少なくとも１つのプラズマ源動作パラメータを、第１のモードに対する所定の値に設定することにより、第１のモードで動作するように、集束荷電粒子ビーム・システムを自動的に構成するステップと、第１のモードで動作している荷電粒子ビーム・システムによって生成された荷電粒子ビームを、加工物表面に向かって導くステップと、第２のモードでの動作が選択されたことに応答して、プラズマ源動作パラメータのうちの少なくとも１つのプラズマ源動作パラメータを、第２のモードに対する所定の値に変更することにより、第２のモードで動作するように、集束荷電粒子ビーム・システムを自動的に構成するステップと、第２のモードで動作している荷電粒子ビーム・システムによって生成された荷電粒子ビームを、加工物表面に向かって導くステップとを含む。好ましい実施形態では、プラズマ源が抽出電極を含み、プラズマ室がガスを含み、少なくとも１つのプラズマ源動作パラメータを、第１のモードに対する所定の値に設定することが、以下のプラズマ源動作パラメータのうちの少なくとも１つのプラズマ源動作パラメータを設定することを含み、
（ａ）プラズマ室内のガス圧
（ｂ）プラズマ源に供給する電力
（ｃ）抽出電極に供給する電圧
プラズマ源に対する少なくとも１つの動作パラメータを、第２のモードに対する所定の値に変更することが、プラズマ源動作パラメータ（ａ）、（ｂ）または（ｃ）のうちの少なくとも１つのプラズマ源動作パラメータを変更することを含む。
いくつかの実施形態では、集束荷電粒子ビーム・システムが、加工物表面を改変するために第１のモードで動作し、集束荷電粒子ビーム・システムを第２のモードで動作させている間に取得した画像が、改変の終点確認を提供する。好ましい方法はさらに、プラズマ源によって形成された仮想源の像を、加工物の表面または表面付近に集束させるステップをさらに含むことができる。
好ましいいくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム集束カラムが複数の静電レンズを含み、第１のモード動作パラメータが、複数の静電レンズのそれぞれの静電レンズに印加する電圧の第１の値を含み、第２のモード動作パラメータが、複数の静電レンズのそれぞれの静電レンズに印加する電圧の第２の値を含む。好ましいいくつかの実施形態では、荷電粒子集束カラムが複数のビーム画定アパーチャを備え、荷電粒子ビームが通過するアパーチャが、動作モードに従って選択される。好ましいいくつかの実施形態では、荷電粒子集束カラムが、複数のレンズとビーム画定アパーチャとを備え、第１のモード動作パラメータが、荷電粒子集束カラム内の複数のレンズのそれぞれのレンズに対する励磁の第１の選択を含み、第２のモード動作パラメータが、荷電粒子集束カラム内の複数のレンズのそれぞれのレンズに対する励磁の第２の選択を含む。
本発明の方法の好ましいいくつかの実施形態はさらに、第３のモードでの動作をユーザが選択したことに応答して、プラズマ源動作パラメータのうちの少なくとも１つのプラズマ源動作パラメータを、第３のモードに対する所定の値に従って変更することにより、第３のモードで動作するように、集束荷電粒子ビーム・システムを自動的に構成するステップと、第３のモードで動作している荷電粒子ビーム・システムによって生成された荷電粒子ビームを、加工物表面に向かって導くステップとを含む。好ましいいくつかの実施形態では、第１のモードまたは第２のモードで動作している荷電粒子ビーム・システムによって生成された荷電粒子ビームを導くステップが、荷電粒子ビームと相互作用させて、表面に材料を付着させる、または表面から材料をエッチングするために、加工物表面に前駆体ガスを供給するステップを含む。
本発明の荷電粒子システムのための好ましい実施形態は、荷電粒子源と、荷電粒子ビームを集束させ、それを加工物上の位置に向かって導く荷電粒子ビーム光学要素を含む集束カラムと、荷電粒子ビーム・システムの動作を制御するコントローラであり、荷電粒子源の少なくとも１つの動作パラメータを、選択された動作モードに対応する記憶された動作パラメータに従って変更することにより、少なくとも２つの動作モード間で荷電粒子源を自動的に切り換えるようにプログラムされたコントローラとを含む。
好ましいいくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム源がプラズマ源を含み、記憶された動作パラメータが、プラズマ・ガスの種または圧力、プラズマに入力する電力および抽出電極に供給する電圧のうちの少なくとも１つを含む。好ましいいくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム源が液体金属イオン源を含む。好ましいいくつかの実施形態では、コントローラがさらに、荷電粒子ビーム集束カラムの少なくとも１つの動作パラメータを、選択された動作モードに対応する記憶された動作パラメータに従って変更することにより、少なくとも２つの動作モード間で荷電粒子ビーム集束カラムを自動的に切り換えるようにプログラムされる。
荷電粒子ビーム・システムを複数のモードで動作させる方法の好ましい実施形態は、荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームを加工物表面に向かって導いて、加工物表面上にパターンをミリングするステップであり、荷電粒子ビーム源が第１の源動作パラメータ・セットに従って動作し、荷電粒子ビームが、第１のビーム電流および第１のビーム・スポット・サイズを有する、ステップと、少なくとも１つの源動作パラメータを変更するステップと、変更された源動作パラメータを使用して荷電粒子ビーム・システムを動作させて、荷電粒子ビームを荷電粒子ビーム源から加工物表面に向かって導き、パターンをミリングした結果の画像を形成するステップとを含む。
本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。例えば、図１に示した誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源の代わりに、液体金属源、ｄｃプラズマ源、容量結合ＲＦプラズマ・イオン源、ガス電界イオン化源などの他のタイプのイオン源を、ＦＩＢシステムに対する潜在的な動作パラメータ・セットに対する対応する変更を加えた上で使用することもできる。
図１に示した２レンズ・イオン・カラム構成の代わりに、単一レンズを有しまたは３つ以上のレンズを有するさまざまなイオン・カラム構成を使用することができる。図１に示した円形静電レンズの代わりに、磁気レンズを使用することができる。
図１に示した円形静電レンズの代わりに、四極子ダブレット（ｄｏｕｂｌｅｔ）、トリプレット（ｔｒｉｐｌｅｔ）またはマルチプレット（ｍｕｌｔｉｐｌｅｔｓ）を使用することができ、四極子は、静電、磁気または磁気と組み合わせた静電四極子とすることができる。具体的には、基板表面における改良された分解能（低減されたビーム・サイズ）を得るためにイオン・カラム・レンズの色収差の補正が望ましい用途に対して、特に画像化モードで、磁気と組み合わせた静電四極子を使用することができる。
本発明の他の実施形態では、基板を含む処理室内にガス供給システムを提供することができる。荷電粒子ビームが基板の表面に衝突する位置付近に、エッチング前駆体ガスが導かれる。次いで、荷電粒子ビームと吸着または気相エッチング前駆体ガス分子との相互作用を使用して、材料除去速度、または表面粗さ、材料選択性などを含む当業者によく知られた材料除去プロセスの他の態様を強化することができる。この実施形態では、本発明の２つ以上のそれぞれの動作モードに対して選択されるシステム制御パラメータ全体の中に、ガス供給システムを制御する際に使用されるガス種、ガス流量、処理室内のガス圧などのパラメータが含まれることになる。あるいは、当業者によく知られているように、ガス供給システムを使用して、ビーム誘起化学付着プロセス用の付着前駆体ガスを供給することもできる。ガス供給システム制御の諸態様は、ビーム誘起化学エッチング・プロセスに関して上に記載したものと同様のものとなる。他の実施形態では、プラズマ源から電子が抽出され、画像化用、あるいは電子ビーム誘起エッチングまたは付着用の電子ビームに集束される。
さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、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は意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。
１０ イオン・ビーム・システム
１００ 誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）イオン源
１０１ 電磁エンクロージャ
１０２ 源室
１０３ 注入ガス管路
１０４ 注入管路圧力計
１０５ 誘導コイル
１０５ ニードル弁
１０６ 注入管路
１０７ ニードル弁
１０８ ストップ弁
１０９ 光ファイバ
１１０ プラズマ光検出部／プラズマ光検出システム
１１１ ＲＦ同軸ケーブル
１１２ マッチングボックス
１１３ 無線周波（ＲＦ）電源
１１４ 無線周波（ＲＦ）同軸ケーブル
１９９ 注入毛細管
２００ ＩＣＰ源抽出光学系室
２０１ 源電極
２０２ 抽出電極
２０３ コンデンサ
２０５ ビーム電圧電源
２０６ コンデンサ電源
２０７ 抽出電源
２２４ プラズマ点火装置
３００ イオン・カラム真空室
３０１ ビーム受入れアパーチャ
３０２ ビーム受入れアパーチャ・アクチュエータ
３０３ 第１の静電アインゼル・レンズの中央電極
３０４ レンズ１電源
３０５ ビーム画定アパーチャ・アセンブリ
３０６ ビーム画定アパーチャ（ＢＤＡ）アクチュエータ
３０７ 第２の静電アインゼル・レンズの中央電極
３０８ レンズ２電源
３０９ カラム／室分離弁
３１０ 第１の静電アインゼル・レンズ
３１１ 第２の静電アインゼル・レンズ
４００ 試料室
４０１ ステージ
４０２ 基板
５００ ガス供給システム
５０１ ガス供給源
５０２ 高純度ガス調整器
５０３ ニードル弁
５０４ ホース
６０１ 源ターボポンプ
６０２ 真空管路
６０３ 真空管路
６０４ 真空管路
７０１ 源／室ターボポンプ
７０２ ポンピング管路
７０３ ポンピング管路
８００ プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）
８０１ ケーブルないしデータ・バス
８０２ ケーブル／電線
９００ プラズマ源コントローラ
９０１ ケーブルないしデータ・バス
９５０ 集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム・コントローラ
９６０ インターネット
９７０ リモート・サーバ

Claims (16)

  1. 荷電粒子ビーム・システム（１０）であって、
    プラズマ室ガス圧のプラズマ・ガスを含むプラズマ室（１０２）と、
    前記プラズマ室からイオンまたは電子を抽出するために電圧を印加することができる抽出電極（２０２）と、
    前記プラズマ室内のプラズマを維持するために前記プラズマ室に電力を供給する電源（１１３）と、
    前記プラズマ室にプラズマ・ガスを供給するガス供給源（５０１）と、
    前記プラズマ室から抽出されたイオンまたは電子を集束させる複数のレンズ（３１０、３１１、７００５、７０１４、８００５、８０１４、８０４０、９００５、９０１４）を備える集束カラムと、
    を備えており、
    前記システムが前記プラズマ室内の同じプラズマ・ガス種を用いる少なくとも二つの動作モードを有し、
    前記少なくとも二つの動作モードのそれぞれに対する動作パラメータ値のセットを記憶したコンピュータ可読記憶装置であり、前記動作パラメータが、
    プラズマ室ガス圧、
    前記プラズマ室の周囲に巻き付けられた誘導コイルを通して前記プラズマに供給する無線周波数の電力、および
    前記抽出電極に供給する電圧
    のうちの１つまたは複数を含む、コンピュータ可読記憶装置と、
    前記荷電粒子ビーム・システムの動作モードを選択的に切り換えるようにプログラムされたコントローラ（８００、９００、９５０）であり、選択されたモードに対する前記記憶された動作パラメータに従って、前記プラズマに供給する電力を含む少なくとも１つの前記動作パラメータ値を設定することによって、前記荷電粒子ビーム・システムの電流を変えるコントローラと
    を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム・システム。
  2. 前記コントローラが、高分解能画像化動作モード（１０３０）とより低分解能のミリング動作モード（１０５０）との間で、前記荷電粒子ビーム・システムを選択的に切り換えるようにプログラムされた、請求項１に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  3. 前記コントローラが、高電流ミリング動作モードとより低電流の画像化動作モードとの間で、前記荷電粒子ビーム・システムを選択的に切り換えるようにプログラムされた、請求項１または２に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  4. 前記高電流ミリング動作モードが、少なくとも２００ｐＡのビーム電流を有する請求項３に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  5. 前記コントローラが、前記プラズマ室ガス圧および前記プラズマに供給する前記電力を変化させることによって、動作モードを選択的に切り換えるようにプログラムされた、請求項１から４のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  6. 複数のビーム制限アパーチャ（３０５、７０１１、７０１２、８０２３、８０２４）とアパーチャ配置アクチュエータ（３０６）とをさらに備え、前記コントローラが、選択された動作モードに必要なビーム電流に応じて、選択された動作モードに対応する前記ビーム制限アパーチャを、荷電粒子ビームの経路上に選択的に配置するようにプログラムされた、請求項１から５のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  7. 複数のビーム制限アパーチャとアパーチャ選択偏向器システム（８０１１、８０１２、８０１３、８０１４）とをさらに備え、前記コントローラが、選択された動作モードに対応するアパーチャを通過するようビームを偏向させるようにプログラムされた、請求項１から５のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  8. ビーム制限アパーチャをさらに備え、前記コントローラが、前記ビーム制限アパーチャにおける荷電粒子ビームのサイズを選択された動作モードに従って制御するために、前記カラム内の前記レンズの強度を選択的に調整するようにプログラムされた、請求項１から５のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  9. 前記荷電粒子ビーム・システムの動作モードを選択的に切り換えるようにプログラムされた前記コントローラが、前記同じプラズマ・ガス種を使用する前記荷電粒子ビーム・システムの動作モードを選択的に切り換えるようにプログラムされたコントローラを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム・システム。
  10. 荷電粒子ビーム・システム（１０）を複数のモードで動作させる方法であって、前記荷電粒子ビーム・システムが、プラズマ源（１００）と、荷電粒子集束カラムとを含み、第１のモードが、加工物（４０２）表面に第１のビーム電流を供給し、第２のモードが、前記加工物表面に第２のビーム電流を供給し、前記第２のビーム電流が、前記第１のビーム電流に等しいか、または前記第１のビーム電流よりも小さく、前記方法が、
    前記第１のモードでの動作が選択されたことに応答して、少なくとも１つのプラズマ源動作パラメータを、前記第１のモードに対する所定の値に設定することにより、前記第１のモードで動作するように、前記集束荷電粒子ビーム・システムを自動的に構成するステップであって、前記第１のモードに対する少なくとも１つの前記プラズマ源動作パラメータが、プラズマ室の周囲に巻き付けられた誘導コイルを通してプラズマに供給される無線周波数の第１の電力を含むステップと、
    前記第１のモードで動作している前記荷電粒子ビーム・システムによって生成された荷電粒子ビームを、前記加工物表面に向かって導くステップと、
    前記第２のモードでの動作が選択されたことに応答して、前記プラズマ源動作パラメータのうちの少なくとも１つを、前記第２のモードに対する所定の値に変更することにより、前記第２のモードで動作するように、前記集束荷電粒子ビーム・システムを自動的に構成するステップであって、前記第２のモードに対する少なくとも１つの前記プラズマ源動作パラメータが、前記誘導コイルを通してプラズマに供給される無線周波数の前記第１の電力とは異なる第２の電力を含むステップと、
    前記第２のモードで動作している荷電粒子ビーム・システムによって生成された荷電粒子ビームを、前記加工物表面に向かって導くステップと
    を含み、
    前記荷電粒子ビーム・システムが、前記第１および第２のモードの両方において前記プラズマ源に同じガスを用いる方法。
  11. 前記プラズマ源が抽出電極（２０２）を含み、プラズマ室（１０２）がガスを含み、
    少なくとも１つのプラズマ源動作パラメータを、前記第１のモードに対する所定の値に設定することが、以下のプラズマ源動作パラメータのうちの少なくとも１つを設定することを含み、
    （ａ）前記プラズマ室内のガス圧
    （ｂ）前記プラズマ源に供給する電力
    （ｃ）前記抽出電極に供給する電圧
    前記プラズマ源に対する少なくとも１つの動作パラメータを、前記第２のモードに対する所定の値に変更することが、前記プラズマ源動作パラメータ（ａ）、（ｂ）または（ｃ）のうちの少なくとも１つを変更することを含む、
    請求項１０に記載の方法。
  12. 前記集束荷電粒子ビーム・システムが、前記加工物表面を改変するために前記第１のモードで動作し、前記集束荷電粒子ビーム・システムを前記第２のモードで動作させている間に取得した画像が、前記改変の終点確認を提供する、請求項１０に記載の方法。
  13. 前記荷電粒子ビーム集束カラムが複数の静電レンズ（３１０、３１１、７００５、７０１４、８００５、８０１４、８０４０、９００５、９０１４）を含み、
    第１のモード動作パラメータが、前記複数の静電レンズのそれぞれに印加する電圧の第１の値を含み、
    第２のモード動作パラメータが、前記複数の静電レンズのそれぞれに印加する電圧の第２の値を含む、
    請求項１０に記載の方法。
  14. 前記荷電粒子集束カラムが複数のビーム画定アパーチャ（３０５、７０１１、７０１２、８０２３、８０２４）を備え、荷電粒子ビームが通過するアパーチャが、前記動作モードに従って選択される、請求項１０に記載の方法。
  15. 第３のモードでの動作をユーザが選択したことに応答して、前記プラズマ源動作パラメータのうちの少なくとも１つを、前記第３のモードに対する所定の値に従って変更することにより、前記第３のモードで動作するように、前記集束荷電粒子ビーム・システムを自動的に構成するステップと、前記第３のモードで動作している荷電粒子ビーム・システムによって生成された荷電粒子ビームを、前記加工物表面に向かって導くステップとをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
  16. 荷電粒子ビーム・システムを複数のモードで動作させる前記方法が、単一のガス種を使用する複数のモードで動作させることを含む、請求項１０から１５のいずれか一項に記載の方法。
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