JPH10500628A - 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

Abstract

(57)【要約】 ベース機械（１０）と、このベース機械（１０）にマウントされたプローブテーブル（１７）と、顕微鏡（２２）とともにマウントされた単一の受動空冷Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（１００）とを含むプローブステーション。単一のレーザは、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）に出力ビームを供給する。次いで、反射鏡（１０７）により、ビームは９０°の角度で、基本波長を再偏光させる偏光器（１０８）に通される。次に、反射鏡（１１１）によって、ビームは可変減衰器（１１２）に向けられ、赤外線（1064nm）、緑色（532nm）または紫外（355または266nm）の適切な出力波長が選択される。

Description

【発明の詳細な説明】 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 〔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、顕微鏡を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(Waterbu ry Center，Vermont)のカールサス社（Karl SUS）が製造しているSUS PM 5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、Ｌ ＣＤ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 属は緑色の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「破裂させる」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-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; device 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が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(unmatched 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１１、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 共振器キャビテイー(invar stabilized resonator cavity)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 Wave 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１１１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(1064，532，355，266nm)の夫々について、ｅ- 波 およびｏ- 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9 8.6％、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％、10 64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(213ナノメータ)での透過率は約100％であり、26 6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９０°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 ムスプリッタは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、適切なフィルタがビーム経路１０５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.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０１Ｓ 3/00 8102−2Ｋ Ｈ０１Ｓ 3/109 3/109 9509−2Ｇ 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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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．前記レーザが、固体レーザと、該固体レーザに結合された高調波発生器と、 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ている請求の範 囲第１項または第１１項に記載のシステム。 ３．さらに、複数の波長のための可変減衰器を備えている請求の範囲第１項また は１１項に記載のシステム。 ４．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１１項に記載の システム。 ５．前記非線形光学系が、前記複数の波長の少なくとも一つのウオークオフを生 じさせ、さらに、ビーム経路内に、複数の波長のそれぞれが、選択されたときに 、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光学系を備えた 請求の範囲第５項に記載のシステム。 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； ビーム経路内の前記複数の波長のための可変減衰器と； 前記複数の高調波の中から、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１１項に記載のシステム。 ７．前記非線形光学系が、前記複数の高調波の少なくとも一つのウオークオフを 生じ、さらに、ビーム経路内に、複数の波長のそれぞれが選択されたときに、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光学系を備えた請求 の範囲第６項に記載のシステム。 ８．前記レーザが、受動的に空冷される固体レーザを備えた請求の範囲第１項、 第１１項または第１２項に記載のシステム。 ９．前記レーザが、受動的に空冷され、電子−光学的にＱスイッチされるＮｄ： ＹＡＧレーザを備えた請求の範囲第１項、第１１項または第１２項に記載のシス テム。 10．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１１項または第１２項に記載のシステム。 11．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。 12．制御可能な減衰を伴う複数の波長を単一のビームラインに沿って供給するた めのレーザシステムであって： 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； ビーム経路内の一以上の非線形光学系であって、前記基本波長の複数の高調 波を発生する非線形光学系と； ビーム経路内の前記複数の波長のための可変減衰器と； 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。 13．前記切替可能な光学系が、前記複数の高調波および基本波長の中から出力波 長を選択し、前記一以上の非線形光学系が、前記複数の波長のうちの一つのウオ ークオフを生じさせ、さらに、前記ビームラインの中に、選択されたとき、前記 複数の波長のそれぞれがビームラインに供給されるように、前記ウオークオフを 補償するための手段を備えた請求の範囲第１２項に記載のレーザシステム。 14．前記切替可能な光学系が、複数の高調波の中から出力ビームの波長を選択す るように構成された請求の範囲第１３項に記載のレーザシステム。 15．前記切替可能な光学系が、前記複数の高調波および基本波長の中から出力ビ ームの波長を選択し、前記一以上の非線形光学系が、前記複数の波長のうち少な くとも一つのウオークオフを生じさせ、さらに、前記ビームラインの中に、選択 されたとき、前記複数の波長のそれぞれがビームラインに供給されるように、前 記ウオークオフを補償するための手段を備えた請求の範囲第１２項に記載のレー ザシステム。 16．前記切替可能な光学系が、複数のフィルタと、これら複数のフィルタのうち 選択された一つのフィルタをビーム経路内に切り替える機構を備えた請求の範囲 第１２項または第２５項に記載のレーザシステム。 17．前記切替可能な光学系が、複数のフィルタと、これら複数のフィルタのうち の選択された一つをビーム経路内に切り替えて、前記複数の高調波および基本波 長の中から出力波長を選択するための機構を備え、前記一以上の非線形光学系が 、前記複数の波長のうち少なくとも特定の一つ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一つが、前記複数の波長のうち少なくとも特定の一つ の波長を選択し、該一つのフィルタが、前記ウオークオフを補償するように前記 ビーム経路に対して所定の角度でマウントされている請求の範囲１２項に記載の レーザシステムシステム。 18．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１２項に記載のレーザシステム。 19．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１８項または第２５項に記載のレーザシステム 。 20．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１８項に記載のレーザシステム。 21．前記可変減衰器が、 複数の高調波に向けられた、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、前記複数の高調 波を減衰する機構とを備えた請求の範囲第１２項に記載のレーザシステム。 22．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２１項に記載のレーザシステム。 23．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２１項に記載のレーザシステム。 24．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１２または２５項に記載のレーザシステム。 25．制御可能な減衰を伴う複数の波長を、単一のビームラインに沿って供給する ためのレーザシステムであって、 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； 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。 26．制御可能な減衰を伴う複数の波長を、単一のビームラインに沿って供給する 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Ｎｄ：ＹＡＧレーザと、 ビーム経路内の基本波長の二次高調波を発生するための第一の非線形結晶と 、 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ための、ビー ム経路内の第二の非線形結晶と、 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た め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。 27．前記加減減衰器が、 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に向 けられるビームライン中の半波プレートと、 偏光器と、 前記半波プレートおよび偏光器の相対的な角度位置を制御して、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減衰する機構とを 具備した請求の範囲第２６項に記載のレーザシステム。 28．前記切替え可能な光学系が、複数のフィルタと、複数のフィルタの内の選択 された一つをビーム経路の中に切り替えるための機構とを備えている請求の範囲 第２６項に記載のレーザシステム。 29．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２６項に記載のレーザシステム。 30．第一および第二の非線形結晶の少なくとも一つが、複数の波長のうち少なく とも特定波長のウオークオフを生じさせ、またビームライン中に該ウオークオフ を補償する光学系をさらに含んだ請求の範囲第２６項に記載のレーザシステム。 31．前記切替可能な光学系が、複数のフィルタと、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るための機構とを備え、前記ウオークオフを 補償する前記光学系が、複数のフィルタのうちの、特定波長を選択する特定の一 つのフィルタである請求の範囲第２６項に記載のレーザシステム。