JP6196052B2 - 複数ガス注入システム - Google Patents

Description

本発明は、ビーム処理システム、イオン・ビーム・システムまたは電子ビーム・システム用のガス供給システムに関する。

電子ビーム・システム、イオン・ビーム・システム、レーザ・ビーム・システム、クラスタ・ビーム・システム、中性粒子ビーム・システムなどのビーム・システムは、エッチングまたは付着によって表面に特徴部分を形成する目的に使用されている。ビーム誘起式の付着プロセスは、ビームの存在下で反応して、表面のビームが衝突したエリアに材料を付着させる前駆体ガスを使用する。例えば、タングステンヘキサカルボニルなどの気体有機金属化合物を試料の近くに供給し、表面に吸着させる。この有機金属化合物は、イオン・ビーム、電子ビームなどの荷電粒子ビームの存在下で分解して、表面に留まる金属と、真空ポンプによって除去される揮発性有機化合物とを形成する。エッチング・プロセスは、加工物の表面と反応して揮発性化合物を形成する前駆体ガスを使用する。例えば、ヨウ素を使用してシリコン・ウェーハをエッチングすることができる。ヨウ素はビームの存在下で反応して、揮発性のシリコン−ヨウ素化合物を形成する。この化合物は試料表面から離脱し、真空ポンプによって除去される。

前駆体ガスは、「ガス注入システム（ｇａｓ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）」ないし「ＧＩＳ」によって真空中に導入される。ガス注入システムは一般にガス源、および針、じょうご（ｆｕｎｎｅｌ）などのガス導管を含む。ガス導管は、試料の近くに配置され、加工物に向かってガスを導く。一般に、真空室内のるつぼ（ｃｒｕｃｉｂｌｅ）から、室温で固体または液体である材料から生成された前駆体ガスが供給される。このガス流は、その固体または液体を加熱して蒸気圧を増大させることによって生成され、それによってガスがガス導管を通って真空室内へ流入する。例えば、タングステンヘキサカルボニルは室温で固体であり、その蒸気圧を高めて真空室内への適当な流れを生じさせるために、一般に約５５°Ｃまたは６０°Ｃに加熱される。

例えばＪｏｒｇｅｎ Ｒａｓｍｕｓｓｅｎの「Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許第５，４３５，８５０号明細書に、先行技術の１つのシステムが記載されている。Ｒａｓｍｕｓｓｅｎのガス注入システムは、固体または液体のガス源材料が蓄えられたるつぼを含む。このるつぼは真空室内に配置される。このるつぼを加熱してそのガス源材料の蒸気圧を増大させる。そうするとガス源材料から試料へガスが流れる。ガスの流量は、るつぼに供給する熱の量によって、および弁の内部にプランジャ（ｐｌｕｎｇｅｒ）を配置して弁の開きの大きさを制御することによって調整される。るつぼの容積は限られているため、多くの用途でるつぼへの頻繁な補充が必要である。このようなシステムでは、荷電粒子ビームが衝突する点を針が指すように、補充のたびに位置合せをやり直す必要がある。

Ｃａｓｅｌｌａの「Ｇａｓ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」という名称の米国特許第５，８５１，４１３号明細書に、別のタイプのガス注入システムが記載されている。Ｃａｓｅｌｌａのシステムでは、真空室の外側に前駆体が蓄えられ、前駆体は、導管を通って、試料の近くのガス集中装置（ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）に流入する。真空室の外側に前駆体ガスを蓄えるシステムは一般に、ガスの流れを制御するため、ステッパ・モータ制御式のダイヤフラム弁などの弁を含む。

米国特許出願公開第２００９／０２２３４５１号明細書は、ビーム機器に前駆体ガスを送達するシステムを記載している。このシステムは、キャリヤ・ガスを使用して、１つまたは複数のるつぼからの前駆体ガスを希釈し、希釈された前駆体ガスを、単一の主管路を通して針へ運び、続いて試料真空室内へ送る。キャリヤ・ガスの流量およびそれぞれのるつぼからのガスの流量は、１つには、空気圧弁のデューティ・サイクルを制御することによって制御される。それぞれのるつぼおよび主管路の一部は、試料真空室内へ開いたガス・エンベロープ（ｇａｓ ｅｎｖｅｌｏｐｅ）内にある。単一の主管路を使用するため、るつぼ弁を閉じたときに主管路内に前駆体ガスが残り、それにより、時間がかかり前駆体ガスが無駄になる主管路の排気手順が必要となる。

Ｃｈａｎｄｌｅｒ他の「Ｇａｓ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｆｏｒ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の米国特許出願公開第２０１１／０１１４６６５Ａ１号明細書は、上記の全ての発明の限界であった、試料室の圧力を管理する課題に取り組んでいる。Ｃｈａｎｄｌｅｒの送達システムでは、複数のガス源からのガスの流れが、それぞれのガス源からの流れを制御するサイクリング弁（ｃｙｃｌｉｎｇ ｖａｌｖｅ）によって制御され、試料室内のガス圧は、サイクリング弁が開いている相対的な時間およびサイクリング弁の上流側の圧力によって決まる。真空室内に配置されたガス弁が、ガスを遮断する迅速な応答を可能にする。このガス流調節法はパルス幅変調（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）（ＰＷＭ）として知られている。

これらのシステムは全て、針の中を通って試料室へ入る正確な流量を確立するための時間を必要とする。ガスの流量を調整している間、試料および真空室内の他の構成要素は、流量が正確でない入来ガスにさらされる。また、ガス注入システムの内部の表面にガス分子が吸着する傾向があるため、新たなガスを導入してから、その流れの中に以前に使用したガスが存在しなくなるまでには、かなりの時間がかかる。

ガス支援ビーム処理の需要が増大し、ますます微細な構造物を形成するプロセスが必要となるにつれ、このようなガス流の制御の欠如は、処理結果に悪影響を与えうることを本出願の出願人を見出した。ガス流の制御は、Ｒａｎｄｏｌｐｈ他の「Ｈｉｇｈ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ，Ｌｏｗ Ｄａｍａｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｂｅａｍ Ｄｅｌｉｎｅａｔｉｏｎ Ｅｔｃｈ」という名称の米国特許出願公開第２０１０／０１９７１４２号明細書に記載されているプロセスなどの複数のガスを使用する繊細なプロセスにおいて特に重要である。

米国特許第５，４３５，８５０号明細書 米国特許第５，８５１，４１３号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２２３４５１号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０１１４６６５Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１９７１４２号明細書 米国特許第４，４１８，９２４号明細書

本発明の目的は、ガス注入システムにおけるプロセス制御を改善することにある。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ビーム・システムの試料真空室内にガスを流入させる前に、ガスの流量を調整することができ、ガス注入システムの少なくともいくつかの内部領域を排気することができる。ガス流量を調整している間および／または直前に使用したガスを排気している間、ガスは、試料真空室へ通じていない流路へそらされる。

以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、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。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を変更し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範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。

次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。

複数ガス注入システム（ｍｕｌｔｉｇａｓ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）（ＭＧＩＳ）を備える荷電粒子ビーム・システムを概略的に示す図である。 針が後退した位置にある、ＭＧＩＳ弁の一実施形態を概略的に示す図である。 針が延出した位置にある、図２ＡのＭＧＩＳ弁を示す図である。 ベローズ（ｂｅｌｌｏｗｓ）と静止Ｏリングの組合せをシール機構として使用するＭＧＩＳ弁を概略的に示す図であり、針が後退位置にあるＭＧＩＳ弁を示す図である。 ベローズ（ｂｅｌｌｏｗｓ）と静止Ｏリングの組合せをシール機構として使用するＭＧＩＳ弁を概略的に示す図であり、針が延出位置にあるＭＧＩＳ弁を示す図である。 摺動Ｏリングを使用するＭＧＩＳを示す図であり、針が後退位置にある弁を示す図である。 摺動Ｏリングを使用するＭＧＩＳを示す図であり、針が途中まで延出した位置にある弁を示す図である。 摺動Ｏリングを使用するＭＧＩＳを示す図であり、針が延出位置にある弁を示す図である。 ＭＧＩＳの他の実施形態を示す図であって、左立面図である図５Ｃの５Ａ−５Ａ線に沿って切った断面図であり、加工物を処理するために針が延出した弁を示す図である。 ＭＧＩＳの他の実施形態を示す図であって、左立面図である図５Ｃの図５Ｂ−５Ｂ線に沿って切った断面図であり、ガスの流量を調整するためおよび残留ガスを針から排気するために針が後退位置にある弁を示す図である。 ＭＧＩＳの他の実施形態を示す図であって、左立面図である。 ＭＧＩＳの他の実施形態を示す図であって、右立面図である。 本発明を具体化するＭＧＩＳ弁を使用した荷電粒子ビーム・システムを動作させる方法を示す流れ図である。

複数ガス注入システム（ＭＧＩＳ）は以下の２つのモードで動作する：加工物表面のある領域に向かってガスを導くガス注入モード、および試料を処理するガスが、画像化などの加工物の処理に対して有害となる非注入モード。先行技術では非注入モードにおいてガスが流れない。したがって、注入モードに切り換えガスを流し始めた後に、ガスの流量を調整する時間が必要である。本発明の実施形態では、非注入モードにおいてガスは流れるが、試料真空室へ流入することはなく、そのため、注入モードに切り換える前に流量を調整することができる。このことは、加工物を処理するために複数のガスを同時に使用しているときに特に有用である。本発明の実施形態は、試料室内へガスが流入するときのガスの比率が正確であるように、試料室内へガスが流入する前に、複数のそれぞれのガスの流量を確立することを可能にする。

いくつかの実施形態では、１つまたは複数のガス源からの入来ガスが混合室へ導かれる。弁構成によってガスが混合室を出る経路が決まる。１つの弁構成では、混合室からのガスが排気マニホルドに流入し、可変速ポンプによってシステムから排出される。これにより、試料真空室へガスが流入することなしに流量を確立することができる。第２の弁構成では、混合室からのガスが、加工物を処理するために試料真空室へ流入する。いくつかの実施形態では、ガス注入針を加工物に向かって延出させ、または加工物から遠ざかる方向へ後退させることができる。いくつかの実施形態では、加工物に向かって針を延ばすと、ガスが針を通って加工物に向かって流れ、針を後退させると、針を通るガスの流れが止まり、その代わりにガスが排気マニホルドへ流れる。すなわち、針の位置がガスの行き先を制御する。他の実施形態では、ガスの行き先と針の位置とが独立して制御される。

いくつかの実施形態では、弁が、固定された部分の内部に摺動部分を含み、摺動部分の位置が、弁内へ流入したガスの行き先を決める。ガスが意図された経路をたどり、他の経路へ漏れないことを保証するため、Ｏリングまたはベローズが、摺動部分と固定された部分の間の空間を、異なる複数の気密領域に分割する。Ｏリングは、摺動部分の溝または固定された部分の溝の中に配置することができる。Ｏリングは、Ｏリングが移動しないようＯリングの直径と同等の幅を有する溝の中に動かないように配置することができ、または固定された部分と摺動部分の相対運動に伴ってＯリングが転がるかまたは摺動することを可能にするより幅の広い溝の中に配置することができる。

ガスが排気室内へ流入している間に、いくつかの処理ガスの適切な流量を確立し、その流量を維持することができ、次いで、確立されたガス流が針を通って流れるように弁を再構成する。処理が完了したときに針を後退させると、針の中の残留ガスは、加工物の表面に達する前に分散し、それによってガスによる損傷が低減する。

図１は、本発明の一実施形態を含むビーム・システム１００の略図を示す。ビーム・システム１００は試料真空室１０２を含み、試料真空室１０２は、ビーム１１０によって処理する加工物１０６を支持する試料ステージ１０４を含む。ビーム１１０は、レーザ、荷電粒子ビーム・カラムなどのビーム生成サブシステムによって生成される。例えば、荷電粒子ビーム・カラム１１２は、荷電粒子源１１３、１つまたは複数の集束レンズ１１４および偏向器１１６を含む。偏向器１１６は、指定されたパターンに従って加工物の表面をビーム１１０でスキャンし、または別の方法で指定されたパターンに従って加工物の表面にビーム１１０を導く。処理中は、高真空ターボ・ポンプ１２０と補助ポンプ１２２の組合せなどの排気システムが、試料真空室１０２内の真空を、好ましくは１０^-3ミリバール未満、より好ましくは１０^-4ミリバール未満、よりいっそう好ましくは１０^-5ミリバール以下に維持する。補助ポンプ１２２は排気出口１２４へ排気する。

複数ガス注入システム（ＭＧＩＳ）弁１３２から延出した後退可能な針１３０によって加工物の表面の局所エリアにガスが供給される。ＭＧＩＳ弁１３２については後により詳細に説明する。ガス・リザーバ１３１には、付着前駆体ガス、エッチング前駆体ガス、不活性パージ・ガスなどのガスが蓄えられている。用語「リザーバ」は、あらゆるガス源を含む用語として広範囲に使用される。一部のリザーバ１３１は、例えばるつぼ内で加熱されて所望のガスを放出する固体または液体材料を含み、別のリザーバ１３１は圧縮ガスを含む。リザーバ１３１はそれぞれ、対応する導管１３３によってＭＧＩＳ弁１３２に接続され、導管１３３は、それぞれのリザーバ１３１とＭＧＩＳ弁１３２の間の流路上に調整弁１３４および止め弁１３６を有する。図１には、対応する導管を有する２つのリザーバが示されているが、本発明は、特定の数のリザーバだけに限定されない。本発明のいくつかの実施形態は６つ以上のリザーバを使用し、他の実施形態は単一のガス源を使用することができる。

可変速真空ポンプ１３８は出口１２４へ排気し、真空マニホルド１４０によってＭＧＩＳ１３２に接続される。適当な１つの可変速ポンプは、イギリスＷｅｓｔ ＳｕｓｓｅｘのＥｄｗａｒｄｓ Ｌｔｄ．から入手可能なＥｄｗａｒｄｓ ＸＤＳ５スクロール・ポンプである。可変速ポンプには速度制御機構が組み込まれていることが好ましく、このポンプは、ＭＧＩＳシステム内の固定されたベースライン圧力を設定するために使用される。熱電対圧力計、ピラニ真空計、ベンチュリ真空計などの真空計１４２は、真空マニホルド１４０内の圧力、好ましくは真空マニホルド１４０内のＭＧＩＳ弁１３２の近くの圧力を測定する。真空計１４２を使用して圧力を観察しながら調整弁１３４を調整することによって、１つのガス源１３１からのガス流量を所望の値に設定することができる。

ＭＧＩＳ針１３０が後退位置にあるとき、源１３１からの処理ガスは針１３０へ流れることが妨げられ、その代わりに排気マニホルド１４０を通り、可変速ポンプ１３８によって排出される。したがって、流量を調整している間、ガスを真空室へ導くことなしに、供給調整弁および他の流れ制御機構を調整して、所望のガス流量およびガス混合物を得ることができる。したがって、試料真空室を汚染したりまたは試料真空室内のシステム真空を悪化させたりすることなしに、処理ガス混合物を調整し、安定させることが可能である。以前に使用したガスに由来するガス分子が弁の内面の壁から脱離し、排気マニホルドを通して排気される時間が生じ、それによって残留ガスが真空室に入り、加工物に損傷を与えることが防止される。

予め設定されたガス条件が達成されると、ＭＧＩＳ弁１３２の針１３０が延ばされ、処理ガスが、弁１３２から針１３０を通って、加工物１０６の表面の荷電粒子ビーム１１０を集束させる点の近くに流れる。処理ガスの流れは既に安定しており、弁が後退位置にある間に弁の混合室において適当な混合が確立されているため、針が挿入されてから加工物の表面に所望のガス流が導かれるまでの時間は一般に１秒未満である。

試料ステージ１０４は、荷電粒子ビーム１１０および針１３０の下に加工物を配置するために使用される。試料真空室内の針１３０からのガスは、最終的にターボ・ポンプ１２０によって試料真空室から排出される。

ガス注入針を流れるガスの流量が、排気マニホルドの中をガスが流れているときに設定された流量と同じであることを保証するため、ＭＧＩＳ弁からガス注入針を経るガス・コンダクタンス（ｇａｓ ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）は、ＭＧＩＳ弁から排気マニホルドを経るガス・コンダクタンスとほぼ同じであるべきである。あるいは、排気マニホルドを通る流れの流量または圧力から、針を通る流れの流量または圧力を計算することができるように、これらの２つの経路が、ある既知の比だけ異なるガス・コンダクタンスを有するようにすることもできる。

図２Ａおよび２Ｂは、ＭＧＩＳ弁２００の一実施形態の２つの異なる構成を示す。図２Ａは、ガスの流量を調整し、弁を排気するように構成された弁を示す。図２Ｂは、弁を通してガスを加工物へ送達するように構成された弁を示す。

摺動弁体２０４が針２０６を支持し、この摺動弁体は支持構造物２０８内に支持される。６つのガス入口がそれぞれ、対応するガス源（図１）から、支持構造物２０８の内部に形成された混合室２１２へのガスの導管を提供する。６つのガス入口のうち、ガス入口２１０Ａおよび２１０Ｂだけが示されている。処理に使用できる異なるガスまたはガス混合物の数によっては、６つよりも多いまたは６つよりも少ない数のガス入口を使用することもできる。針の反対側の摺動弁体２０４の端部と支持構造物２０８の間に排気室２１３が画定され、排気室２１３からの排気出口２１４は排気マニホルド１４０（図１）に接続する。

Ｏリング２２０とＯリング２２２は、摺動弁体２０４と支持構造物２０８の間に前真空領域２２４を画定し、Ｏリング２２２とＯリング２２６は、摺動弁体２０４と支持構造物２０８の間に後真空領域２２８を画定する。図示のＯリングは摺動弁体２０４の凹みに設置しているが、Ｏリング２２６および２２０を支持構造物２０８の凹みに設置させることもできる。摺動弁体２０４は、後真空領域２２８から針２０６へ通じる第１の通路２３０、および前真空領域２２４から排気室２１３へ通じる第２の通路２３２を含む。

摺動弁体２０４が図２Ａに示す後退位置にあるとき、処理ガスは、ガス入口２１０Ａおよび２１０Ｂから、混合室２１２、第２の通路２３２および排気室２１３を通り、出口２１４から排気マニホルド１４０へ流出し、そこで、可変速ポンプ１２８（図１）によって排出される。Ｏリング２２０は、ガスが試料真空室へ漏れるのを防ぎ、Ｏリング２２２は、ガスが、後真空領域２２８と第２の通路２３２へ漏れ、第１の通路２３０および針２０６を通って試料真空室へ漏れるのを防ぐ。

摺動弁体２０４が図２Ｂに示す延出位置にあるとき、ガスは、ガス入口２１０Ａおよび２１０Ｂから、混合室２１２および第１の通路２３０を通り、針２０６から流出する。Ｏリング２２２は、ガスが前真空領域２２４へ漏れ、次いで第２の通路２３２から排気室２１３へ漏れるのを防ぐ。Ｏリング２２６は、ガスが排気室２１３へ漏れるのを防ぐ。作動装置、例えばステッパ・モータなどの電動機または空気圧もしくは液圧アクチュエータが、摺動弁体の位置を制御する。その位置は手動で制御することもできる。

図３Ａおよび３Ｂは弁の一実施形態３００を示す。弁３００は図２の弁２００に似ているが、Ｏリング２２０の代わりに、摺動する部分と固定された部分の両方に固定されたベローズ３０２などの柔軟な障壁が使用されている。図２Ａおよび２Ｂに示した要素と同じ要素は、図２Ａおよび２Ｂで使用した参照符号と同じ参照符号を使用して識別される。ベローズ３０２は、挿入運動および後退運動の間、Ｏリングよりも良好なシールを提供する。ベローズ３０２はさらに、Ｏリング２２２および２２６に由来する汚染物が真空室に入るのを防ぐ。ベローズ３０２は、気密シールによって、摺動弁体３０４および支持構造物３０６に取り付けられる。ベローズ３０２または使用する他の任意の柔軟な障壁は、それらの部分の反復的な相対運動に適応する十分な柔軟性を有し、使用するガスの存在下で安定であり、真空用途と両立することが好ましい。例えば、柔軟な障壁の材料は、ガスを放出したりまたは部分的に欠け落ちたりする材料であるべきではない。

図４Ａ、４Ｂおよび４Ｃは、Ｍａｃｋの米国特許第４，４１８，９２４号明細書に記載されているものなどの摺動Ｏリングを使用するＭＧＩＳ弁４００を示す。前述の実施形態と同様に、弁４００は、支持構造物２０８内を移動する摺動弁体４０２を含む。弁４００は、前述の実施形態と本質的に同じ方式で機能するが、針を延出させまたは後退させるために摺動弁体４０２が支持構造物２０８に対して移動するときに摺動しまたは転がるように、Ｏリングが構成されている。静止Ｏリングではなく摺動Ｏリングを使用すると、摩擦によりＯリングの一部が欠け落ちることで試料真空室内が微粒子で汚染される危険性が低下する。

図４Ａは、針が後退位置にあるように構成された弁４００を示し、このとき、弁は、ガスの流量を設定し、弁を排気するように構成されており、源からのガスは、弁を通って排気出口２１４から排気マニホルド１４０へ流出する。この実施形態では、３つの転がりＯリング４１０、４１２および４１４がそれぞれ、弁体４０２の対応する溝４１６、４１８および４２０の中に、それらのＯリングが、弁体４０２と支持構造物２０８の間の空間に、対応するそれぞれの後真空領域４２２および前真空領域４２４を生み出すような態様で配置されている。弁体４０２が図４Ａに示す後退位置にあるとき、転がりＯリング４１０、４１２および４１４はそれぞれ、対応する溝の試料真空室に近い方の壁の近くに位置し、またはその壁に当接する。前述の実施形態と同様に、弁体４０２が図４Ａに示す後退位置にあるとき、処理ガスは、ガス入口２１０Ａおよび２１０Ｂから、混合室２１２、第２の通路２３２および排気室２１３を通り、出口２１４から排気マニホルド１４０（図１）へ流出し、そこで、可変速ポンプ１２８によって排出される。

図４Ｂは、弁体４０２が途中まで延出したときに、転がりＯリング４１０、４１２および４１４がどのように配置されるのかを示す。弁体４０２がほぼ半分まで延出したとき、転がりＯリング４１０、４１２および４１４はそれぞれ、対応する溝の中央まで転がっている。図４Ｃは、針が完全に延出し、加工物に向かって延出した針２０６を通してガスを送達するように構成された弁４００を示す。弁体４０２が図Ｃに示すように完全に延出したとき、転がりＯリング４１０、４１２および４１４はそれぞれ、対応する溝の中を、試料真空室から遠い方の溝の壁まで溝の全幅にわたって摺動している。前述の実施形態と同様に、弁体２０４が延出位置にあるとき、ガスは、ガス入口２１０Ａおよび２１０Ｂから、混合室２１２および第１の通路２３０を通り、針２０６から流出する。

図５Ａ〜５ＤはＭＧＩＳ弁５００を示す。図５Ａは、図５Ｃの左側面図の線５Ａ−５Ａに沿って切った断面を示す。図５Ｂは、図５Ｃの左側面図の線５Ｂ−５Ｂに沿って切った断面を示す。図５Ｄは、ＭＧＩＳ弁５００の右側面図である。ＭＧＩＳ弁５００は、支持構造物５０４内を移動する弁体５０２を含み、弁体はガス注入針５０６を支持する。ＭＧＩＳ弁５００は、加工物の近傍にガスを注入する前にガスの流量を調整することを可能にする点で前述の実施形態に似ている。弁５００がガス流量調整位置にあるときに、針５０６の中のガスが試料室へ排出される。

針５０６の反対側の弁体５０２の端部と支持構造物５０４の間の空間は、可変速真空ポンプ１３８（図１）などの真空ポンプへ通じる排気出口を有する排気室５０８を画定する。Ｏリング５１０、５１２、５１４および５１６は、弁体５０２と支持構造物５０４の間の環状空間の複数の領域間の気密シールを形成する。支持構造物５０４は、少なくとも１つのガス源（図１）から環状のガス混合室５２４へ通じる６つのガス入口通路５２０Ａから５２０Ｆを含む。

Ｏリング５１２とＯリング５１４の間の摺動弁体５０２の側面の開口から、６つの針供給通路５２２Ａから５２２Ｆが半径方向へ延びて、針５０６と連通している（図５Ａには針供給通路５２２Ａが示されており、図５Ｂには針供給通路５２２Ｅが示されている）。摺動弁体５０２内の６つのバイパス通路５２６Ａから５２６Ｆが、Ｏリング５１４とＯリング５１６の間の摺動弁体５０２の側面の開口から、摺動弁体５０２の後部の開口を経て排気室５０８まで通じている。６つの針排気通路５２８Ａから５２８Ｆが、支持構造物５０４の側面の開口から、試料真空室１０２（図１）の内部まで通じている。図５Ａおよび５Ｂにはそれぞれ、１つの針供給通路および１つのバイパス通路だけが示されている。個々のそれぞれの針供給通路５２２Ｘおよび個々のそれぞれのバイパス通路５２６Ｘの符号は、それらの通路がどの通路に接続するのかによって決められている（すなわち、図５Ａでは、針供給通路５２２Ａがガス入口通路５２０Ａに接続されている）。

図５Ａから５Ｄには６つのガス入口通路５２０Ａから５２０Ｆが示されているが、異なる実施形態は異なる数のガス入口通路を使用することができ、いくつかの実施形態では単一のガス入口通路を使用することができる。同様に、任意の数のバイパス通路を使用することができる。バイパス通路はそれぞれ、共通の環状混合室５２４から同じ排気室５０８へ延び、混合室５２４はそれぞれの入口通路に接続するため、バイパス通路の数がガス入口通路の数と一致している必要はない。単一のバイパス通路を使用することもできるが、単一のバイパス通路のガス・コンダクタンスは低くなると考えられる。同様に、針供給通路は共通の混合室を針に接続し、針排気通路は針を試料室に接続する。そのため、その単一の通路が十分なコンダクタンスを提供する場合には、単一の針排気通路または単一の針供給通路を使用することができる。

図５Ａは、加工物を処理するために針５０６が延出位置にある摺動弁体５０２を示す。針供給通路５２２Ａが混合室５２４と位置が合っている。示された構成において、ガスは、入口５２０Ａに入り、混合室５２４へ移動し、針供給通路５２２Ａを通り、針５０６から加工物に向かって流出する。

図５Ｂは、針５０６を通してガスを加工物の近傍へ導入する前にガスの流量を調整するため完全に後退した位置にある弁５００を示す。バイパス通路５２６Ｄが混合室５２４と位置が合っている。ガス入口通路５２０Ｄに入ったガスは混合室５２４へ流れ、次いでバイパス通路５２６Ｄを通って排気室５０８に入り、排気出口５０９から流出する。排気出口５０９に接続された排気マニホルド（図１）内の流量または圧力を測定することによって、入来ガスの流量を所望の値に調整することができる。以前の処理で使われなかった針５０６の中の残留ガスは、針供給通路５２２Ｅおよび針排気通路５２８Ｅを通して試料真空室へ排出される。針排気通路５２８Ｅを通った残留ガスは、試料から離れた位置で弁５００を出、試料室内へ拡散し、試料室真空ポンプによって除去される。

図５は摺動Ｏリングの使用を示しているが、上記の実施形態はいずれも、転がりＯリング、摺動Ｏリングまたはベローズを任意の位置で使用することができる。

図６は、ＭＧＩＳ弁の一実施形態を使用する方法を示す流れ図である。ステップ６０２で、ビーム・システムの試料真空室内に加工物を配置し、試料真空室を、例えば１０^-5ミリバールよりも低い圧力に排気する。この時点で、針は加工物に向かって延ばされておらず、ガスは止め弁によって遮断されている。任意選択のステップ６０４で、ＭＧＩＳ弁の針を排気して、針の内部の表面に吸着した全ての残留ガスを除去する。例えば、針の内部から排気ポンプへ通じる経路を提供するように、この弁を構成することができる。

ステップ６０６で、１つまたは複数のガス源からのガスが加工物の表面に向かって流れないように弁を構成し、それによって処理が始まる前にガスが加工物に損傷を与えることを防ぐ。ステップ６０８で、第１のガスの流れを、例えば止め弁および調整弁を開くことによって開始させる。ガスは加工物の表面に向かって流れず、好ましくは試料真空室へ流入しない。ステップ６１０でガスの流量を調整する。固体または液体材料をガス源として使用する場合には、その固体または液体の温度を所望の温度に調整する。所望のガス流量を供給するように調整弁を調整する。調整弁は、弁を高速に開閉することによって流量を制御するニードル弁またはパルス幅変調弁とすることができる。流量は、各サイクル中に弁が開いている時間の比率を制御することによって設定される。所望の流量は、排気マニホルド内の流量計を使用して流量を観察することによって、またはガス流量との間に相関関係がある排気マニホルド内のガス圧を観察することによって調整することができる。

ガスの混合物を加工物に供給するために１つまたは複数の追加のガスを使用する場合には、それぞれのガスに対してステップ６０８および６１０を繰り返す。それぞれの追加のガスの流量は、排気マニホルド内の全圧または全流量を観察し、圧力または測定された流量の数値に対する以前に測定した１または複数のガスの寄与を差し引いて、新しく追加されたガスに対応する測定値の増分を得ることによって決定することができる。

全てのガスの流量を調整した後、ステップ６１４で、加工物に向かって針を延出させ、ガス流を針を通して加工物に向かって導く。いくつかの実施形態では、針を延出させるとガスの経路が変更されて、処理のためにガスが加工物の表面に供給されるように、ＭＧＩＳ弁が構成される。他の実施形態では、針を延出させることとガス流の行き先を切り替えることとが独立している。

ステップ６１６で、ビームによってガスの存在下で加工物を処理する。処理が完了したと判断ブロック６１８で判定されたら、ステップ６２０で針を加工物から後退させ、ステップ６２２でガスの流れを止める。いくつかの実施形態では、針を後退させることによって、ガスが排気マニホルド内へ自動的に導かれ、遮断弁でガスを遮断し、管路に残ったガスを排気することができるようになるまで針を流れるガスが自動的に停止する。ガス源からのガスの流れを弁が停止した後も針の中にはガスがいくらか残っているが、加工物から針を後退させると、針の中の残留ガスが拡散するため、加工物の位置におけるガスの濃度は大幅に低下する。ステップ６２４で、針の中に残ったガスを排気することができる。いくつかの実施形態では、針の中の残留ガスが針を通って試料真空室へ一切流れないように、処理が完了した直後に針の中のガスを排気する。

１または複数の異なるガスを使用する追加の処理ステップを実行する場合には、この工程をステップ６０６から繰り返す。追加のガス処理ステップを実行しない場合、この工程は終了となる。

本発明のさまざまな実施形態は、ガス条件を設定している間、試料真空室内へガスを排気する必要性を排除する。本発明の実施形態は、加工物をガスにさらす前に適切な流量、温度および他のパラメータを確立する能力を提供する。ガスの流れを停止した後に試料真空室へ入るガスは針の中の残留ガスだけであるため、別の処理の前または処理を完了させる前に加工物の表面から排気する必要があるガスの体積がより小さくて済む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、少なくとも１つのガス源を含むビーム処理システム用のガス注入システムは、ガス源からのガスを真空室内の加工物の表面の近傍に導く針と、前記少なくとも１つのガス源からのガスが針を通して導かれる第１の構成と、前記少なくとも１つのガス源からのガスが代替経路へ導かれる第２の構成とを有する弁とを備え、代替源へガス流を導くことが、ガスが針を通して導かれていないときにガスの流量を調整することを可能にする。

いくつかの実施形態では、この注入システムが可変速真空ポンプをさらに備え、代替経路が可変速真空ポンプへ通じている。いくつかの実施形態では、弁をさらに、針を排気するために針が可変速真空ポンプに接続された第３の構成として構成することができる。

いくつかの実施形態では、第１の構成では針が加工物に向かって延出し、第２の構成では針が加工物から後退する。いくつかの実施形態では、針を延出させると、代替経路が閉じ、針を通る経路が開くように、弁が構成される。

いくつかの実施形態では、前記少なくとも１つのガス源が２つ以上のガス源を含み、前記２つ以上のガス源からのガスを針を通して導きまたは代替経路へ導くように、弁を構成することができる。いくつかの実施形態では、弁が、針を通して導かれる前に前記２つ以上のガス源からのガスが混ざり合う混合室を含む。いくつかの実施形態では、前記２つ以上のガス源からのガスを針を通して導きまたは代替経路へ導くように、弁を構成することができる。

いくつかの実施形態では、ガス注入システムが代替経路内に測定装置をさらに備え、測定装置が、ガスの流量を調整するために使用される。いくつかの実施形態では、測定装置が流量計を含む。いくつかの実施形態では、流量計が圧力測定装置を含む。

いくつかの実施形態では、弁が、弁内の領域を分割する複数の摺動Ｏリングを含む。いくつかの実施形態では、弁が、弁の内部を試料真空室から隔てるベローズを含む。

いくつかの実施形態では、ガス注入システムが、前記少なくとも１つのガス源からのガスの流量を調整するパルス幅変調弁をさらに備える。いくつかの実施形態では、ガス源が、加熱可能なるつぼまたはタンクを備える。いくつかの実施形態では、ガス注入システムが、針を担持した弁の部分を延出させまたは後退させるアクチュエータをさらに備える。いくつかの実施形態では、針を演出させることとガスの流路を変更することとが独立して実行されるように弁が構成される。

本発明のいくつかの実施形態によれば、ビームを使用してガスの存在下で加工物を処理するシステムにおいて加工物の表面にガスを供給する方法であって、このシステムが、少なくとも１つのガスを供給する少なくとも１つのガス源と、ビームを供給するビーム源と、ガス源からのガスを加工物に供給する針とを含む方法は、第１のガス源から弁へガスが流れるようにするステップと、針へ通じていない経路にガスをそらすように弁が構成されている間に、ガスの流量を調整することによって、所望のガス流量を確立するステップと、所望のガス流量が確立された後に、ガスを針へ導いて、加工物の表面に所望のガス流量を供給するステップとを含む。

いくつかの実施形態では、所望のガス流量を確立するステップが、ガスを可変速真空ポンプへそらすように弁が構成されている間に所望のガス流量を確立するステップを含む。いくつかの実施形態では、所望のガス流量を確立するステップが、針へ通じていない経路内のガスの流量を測定するステップを含む。

いくつかの実施形態では、この方法が、ガスを針へ導く前に、第２のガス源から弁へガスが流れるようにするステップと、第２のガスに対する所望のガス流量を確立するステップとをさらに含む。いくつかの実施形態では、第２のガスに対する所望のガス流量を確立するステップが、針へ通じていない経路内の第１のガスの流量を測定するステップと、針へ通じていない経路内の第１および第２のガスの総流量を測定するステップと、前記総流量から第１のガスの流量を差し引くことによって、第２のガスの流量を決定するステップとを含む。

いくつかの実施形態では、ガスを針へ導くステップが、針を延出させて、針へ通じるガス流路を開き、針へ通じていないガス流路を閉じるステップを含む。

本明細書に記載された実施形態は複数のガスを供給することができるが、別の実施形態は単一ガスを供給することができる。用語「ガス」は、単一のガス種またはガス種の混合物を表すために使用される。本明細書で特に定義されていない場合、その用語は、その通常の一般的な意味で使用されることが意図されている。添付図面は、本発明の理解を助けることが意図されており、特に明記しない限り、一律の尺度では描かれていない。本発明を具体化するプロセスは、手動または自動で実行することができる。コンピュータの記憶装置に記憶された、プロセッサまたはコントローラによって解釈されるコンピュータ命令を使用して、本発明の実施形態を実施することができ、そのようなプロセッサまたは記憶装置は、本発明のハードウェア実施形態の部分を構成することができる。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た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、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。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。

１００ ビーム・システム
１０２ 試料真空室
１０４ 試料ステージ
１０６ 加工物
１１０ ビーム
１１２ 荷電粒子ビーム・カラム
１１３ 荷電粒子源
１１４ 集束レンズ
１３０ 針
１３２ 複数ガス注入システム（ＭＧＩＳ）弁

Claims (18)

1. 少なくとも１つのガス源を含むビーム処理システム用のガス注入システムであって、
   前記少なくとも１つのガス源からのガスを真空室内の加工物の表面の局所エリアに導く針と、
   前記針へのガス流を制御する弁であって、１または複数のガス入口および１つの排気出口を含み、前記少なくとも１つのガス源からのガスが前記針を通して導かれる第１の構成と、前記少なくとも１つのガス源からの前記ガスが前記針からそらされて前記排気出口を通して代替経路へ導かれる第２の構成とを有する弁と
   を備え、前記代替経路へ前記ガスを導くことが、前記ガスが前記針を通して導かれていないときに前記ガスの流量を調整することを可能にし、
   前記第１の構成では前記針が前記加工物に向かって延出し、前記第２の構成では前記針が前記加工物から後退し、
   前記針を延出させると、前記代替経路が閉じ、前記針を通る経路が開くように、前記弁が構成された、
   ガス注入システム。
2. 可変速真空ポンプをさらに備え、前記代替経路が前記可変速真空ポンプへ通じている、請求項１に記載のガス注入システム。
3. 前記少なくとも１つのガス源が２つ以上のガス源を含み、前記２つ以上のガス源からのガスを前記針を通して導きまたは前記代替経路へ導くように、前記弁を構成することができる、請求項１または２に記載のガス注入システム。
4. 前記弁が、前記針を通して導かれる前に前記２つ以上のガス源からのガスが混ざり合う混合室を含む、請求項３に記載のガス注入システム。
5. 前記代替経路内に測定装置をさらに備え、前記測定装置が、前記ガスの流量を調整するために使用される、請求項１から４のいずれか一項に記載のガス注入システム。
6. 前記測定装置が流量計を含む、請求項５に記載のガス注入システム。
7. 前記流量計が圧力測定装置を含む、請求項６に記載のガス注入システム。
8. 前記弁が、前記弁内の領域を分割する複数の摺動Ｏリングを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載のガス注入システム。
9. 前記ガス注入システムを用いて前記少なくとも１つのガス源からのガスを前記真空室内の加工物の表面の局所エリアに導くときに、前記弁が、前記弁の内部を前記真空室の内部から隔てるベローズを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のガス注入システム。
10. 前記少なくとも１つのガス源からの前記ガスの流量を調整するパルス幅変調弁をさらに備える、請求項１から９のいずれか一項に記載のガス注入システム。
11. 前記少なくとも１つのガス源が、加熱可能なるつぼまたはタンクを備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のガス注入システム。
12. 前記針を担持した前記弁の部分を延出させまたは後退させるアクチュエータをさらに備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のガス注入システム。
13. 前記針を延出させることと前記ガスの流路を変更することとが独立して実行されるように前記弁が構成された、請求項１２に記載のガス注入システム。
14. ビームを使用して第１のガスの存在下で加工物を処理するシステムにおいて前記加工物の表面に前記第１のガスを供給する方法であって、前記システムが、前記第１のガスを供給する第１のガス源と、前記ビームを供給するビーム源と、前記第１のガス源からの前記第１のガスを前記加工物に供給する針とを含み、前記方法が、
    前記第１のガス源から弁へ前記第１のガスが第１の経路に沿って流れるようにするステップと、
    前記針へ通じていない第２の経路に前記第１のガスをそらすように前記弁が構成されている間に、前記第１のガスの流量を調整することによって、前記第１のガスの第１の所望の流量を確立するステップと、
    前記第１の所望の流量が確立された後に、前記第１のガスを前記針へ導くステップであって、前記加工物の表面に前記第１のガスを前記第１の所望の流量で供給するステップと
    を含み、
    前記第１のガスを前記針へ導くステップが、前記針を延出させて、前記針へ通じるガス流路を開き、前記針へ通じていないガス流路を閉じる方法。
15. 前記第１の所望の流量を確立するステップが、前記第１のガスを可変速真空ポンプへそらすように前記弁が構成されている間に前記第１のガスの所望の流量を確立するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の所望の流量を確立するステップが、前記第２の経路内の前記ガスの流量の測定値を得るステップを含む、請求項１４または請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１のガスを前記針へ導く前に、
    第２のガス源から前記弁へ第２のガスが流れるようにするステップと、
    前記第２のガスに対する第２の所望の流量を確立するステップと
    をさらに含む、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記第２のガスに対する第２の所望の流量を確立するステップが、
    前記第２の経路内の前記第１のガスの流量を測定するステップと、
    前記第２の経路内の前記第１および前記第２のガスの総流量を測定するステップと、
    前記総流量から前記第１のガスの流量を差し引くことによって、前記第２のガスの流量を決定するステップと
    を含む、請求項１７に記載の方法。

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