组合激光器和带电粒子束系统的利记博彩app
【专利说明】组合激光器和带电粒子束系统
[0001]本申请为分案申请，其母案的发明名称为“组合激光器和带电粒子束系统”，申请日为2011年4月7日，申请号为201180016692. 3。
[0002]本申请要求来自2010年4月7日提交的美国临时申请61/321，539的优先权，该申请通过引用被结合于此。
技术领域
[0003]本发明涉及激光束系统与带电粒子束系统的组合。
【背景技术】
[0004]在多种应用中都使用带电粒子束系统，所述多种应用包括诸如集成电路、磁记录头和光刻掩膜的微型器件的制造、修理和检查。带电粒子束包括离子束和电子束。
[0005]聚焦射束中的离子通常具有足以通过从表面物理地喷射材料来进行微加工的动量。由于电子比离子轻得多，所以电子束通常局限于通过在蚀刻剂蒸气与衬底之间引发化学反应来去除材料。离子束和电子束两者都能用来以比用最好的光学显微镜能够实现的更大的放大倍率和更高的分辨率来对表面进行成像。
[0006]使用镓液态金属离子源（LMIS)的离子束系统由于其能够以高精确度进行成像、铣肖|J、沉积和分析而被广泛用于制造操作中。使用镓液态金属离子源（LMIS)的FIB系统中的离子柱例如能够提供五至七纳米的横向分辨率。由于离子束即使在被用来成像时也趋向于损坏样本表面，所以常常在双束系统中将离子束柱与电子束柱组合。此类系统常常包括能够以对目标的最小损坏提供高分辨率图像的扫描电子显微镜（SEM)和能够用来修改工件并形成图像的诸如聚焦或被塑形射束系统的离子束系统。包括液态金属聚焦离子束和电子束的双束系统是众所周知的。例如，此类系统包括可从本发明的受让人即俄勒冈州（0R)希尔巴罗市（Hillsboro)的FEI公司获得的Quanta (量子）3D FEG?系统。离子束可以用来例如切割集成电路中的沟槽，并且电子束然后可以用来形成暴露的沟槽壁的图像。
[0007]遗憾的是，高精度铣削或样本去除常常需要某些折中。液态金属离子源的处理速率受到射束中的电流的限制。随着电流的增加，更加难以使射束聚焦成小的斑点。在生产应用中和在实验室中，较低的射束电流允许较高的分辨率，但是导致较低的腐蚀速率以及因此的较长的处理时间。随着通过增大射束电流来增大处理速率，降低了处理精度。
[0008]此外，即使在较高的射束电流下，聚焦离子束铣削对于某些微加工应用而言仍然可能慢得不可接受。还可以将诸如利用飞秒激光器的铣削的其它技术用于更快的材料去除，但是这些技术的分辨率比典型的LMIS FIB系统低得多。激光器通常能够以比带电粒子束高得多的速率向衬底供应能量，并且因此激光器通常具有比带电粒子束(对于镓FIB来说通常为〇. 1至3. 0 ym3/s)高得多的材料去除速率(对于1 kHz的激光脉冲重复率而言通常高达7 X ΙΟ6 μ m3/s)。激光系统将若干个不同的机制用于微加工，包括激光烧蚀，其中，被快速地供应到小体积的能量促使原子从衬底被爆发地发射。用于使用激光束从衬底进行材料的快速去除的所有此类方法在本文中将被共同称为激光束铣削。
[0009]图1是烧蚀表面的现有技术激光器的示意性图示10。当产生激光束13的高功率脉冲激光器12被聚焦到由台架15支撑的目标材料14上且激光注量超过用于材料的烧蚀阈值时，目标材料中的化学键断裂且材料破裂成有能量的碎片(通常是中性的原子、分子和离子的混合物)，从而在材料表面上产生等离子体羽流16。由于材料作为有能量的等离子体、气体和固体碎肩混合物离开反应区，所以烧蚀过程类似于材料的沸腾蒸发，材料的沸腾蒸发驱使材料碎片18向上并从激光束13所聚焦的点离开。
[0010]与带电粒子束处理相比，激光烧蚀能够非常快速地去除相对大量的材料，其中材料去除速率是Ga FIB的大于106倍快。然而，激光的波长比带电粒子束中的带电粒子的波长大得多。由于射束能够被聚焦到的尺寸部分地受到射束波长的限制(尤其是对于衍射受限的光学装置而言)，所以激光束的最小斑点尺寸通常大于带电粒子束的最小斑点尺寸。因此，虽然带电粒子束通常具有比激光束更大的分辨率并能够对极小的结构进行微加工，但射束电流受到限制且微加工操作可能慢到不可接受的程度。另一方面，激光微加工通常快得多，但是分辨率固有地受到较长射束波长的衍射限制。
[0011]带电粒子束系统与激光束系统的组合能够展示出两者的优点。例如，将高分辨率LMIS FIB与飞秒激光器组合允许将激光束用于快速材料去除以及将离子束用于高精度微加工，以便在同一系统内提供扩展范围的铣削应用。电子束系统的组合单独地或与FIB相结合地允许进行样本的非破坏性成像。
[0012]例如在Straw等人的针对“ChargedParticle Beam Masking for Laser Ablat1nMicromachining” (2008年11月26日)的美国专利申请号12/324296中描述了聚焦离子束处理与激光加工的组合，该专利申请被转让给本发明的受让人并通过引用被结合到本文中。美国专利申请号12/324296不应当由于其包括在本【背景技术】小节中而被认为是现有技术。
[0013]使用光纤来将激光耦合到带电粒子束系统中是已知的。然而，光纤不能用来递送超短的(即短于10 PS的脉冲)激光脉冲。这是因为被弱耦合的单模光纤由于群组速度分散而损坏脉冲持续时间，而被很好地耦合到激光脉冲的单模光纤被可通过相对低能量的超短脉冲实现的高峰值功率损坏。
[0014]需要的是一种用于将激光束引入到诸如FIB或SEM的带电粒子束系统中、以使得激光束与带电粒子束重合、共轴或邻近的改进的方法和设备。
【发明内容】
[0015]本发明的目的是提供一种用于将激光束引入到带电粒子束系统中的改进的方法和设备。根据本发明的优选实施例，能够借助于透明“窗口”将激光束引入到带电粒子系统的真空室中并用一个或多个透镜和/或抛物面反射镜将激光束聚焦到样本上，优选地使得激光束和带电粒子束重合。在某些优选实施例中，聚焦透镜或反射镜可被形成为具有孔以使带电粒子束通过，从而使得带电粒子束和激光束两者能够共轴和共焦。
[0016]本发明的另一目的是提供一种用于防止成像检测器(“类型1”检测器)由于由样本表面的激光铣削产生的带电粒子而饱和的方法。
[0017]本发明的又一目的是提供第二组检测器(“类型2”检测器)，其仅在激光铣削期间和在由激光产生的等离子体羽流正在消散的同时被激活。来自类型2检测器的输出信号可以用来提供用于激光铣削过程的端点检测以及如下信号：该信号指示等离子体羽流已消散得足以将成像检测器重新激活并用成像光栅继续，直至激光器准备好对样本发射另一脉冲。
[0018] 前述内容已相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的本发明的详细说明。在下文中将描述本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员应认识到，可以容易地利用所公开的概念和特定实施例作为基础以修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构。本领域的技术人员还应认识到，此类等效构造不脱离如随附权利要求所阐述的本发明的精神和范围。
【附图说明】
[0019] 为了更透彻地理解本发明及其优点，现在对结合附图进行的以下描述进行参考，在附图中：
图1是烧蚀表面的现有技术激光器的示意性图示；
图2是根据本发明的优选实施例的组合SEM和激光器的示意性图示；
图3A和3B示出根据本发明的优选实施例的具有共焦激光器的组合双束FIB/SEM ;
图4A?4B示出供图3A?3B的实施例使用的激光聚焦透镜定位组件；
图5示出图4A?4B的透镜定位组件的截面；
图6示出本发明的另一优选实施例，其中，经由位于带电粒子的源与样本之间的抛物面反射镜的实施将激光束与带电粒子束组合；
图7示出本发明的另一优选实施例，其中，抛物面反射镜被定位为邻近带电粒子束；
图8示出本发明的另一优选实施例，其中，平面反射镜位于带电粒子的源与样本之间；图9示出本发明的另一优选实施例，其中，在其中具有孔的透镜位于平面反射镜下面，透镜因此在仍允许带电粒子通过的同时使激光束聚焦到样本上；
图10示出本发明的另一优选实施例，其中，平面反射镜被定位成邻近带电粒子束；
图11示出根据本发明的优选实施例的系统，其将用于快速材料去除的激光器与用于进一步的材料处理的FIB、用于监视材料去除过程的SEM组合，其具有多个类型1检测器；图12示出用于图11中的优选实施例的操作的流程图；
图13示出根据本发明的优选实施例的系统，其将用于快速材料去除的激光器与用于进一步的材料处理的FIB和用于监视材料去除过程的SEM组合，其中具有多个类型1和类型2检测器；
图14示出用于图13中的优选实施例的操作的流程图；
图15举例说明离轴的类型1检测器的优选实施例中的检测器去激活板的操作；
图16举例说明离轴的类型1检测器的另一优选实施例中的检测器去激活格栅的操作；
图16A是沿着图16的优选实施例中的检测器组件的轴的电压的示意性图表。
[0020]图16B是图16的优选实施例中的检测器组件的端视图。
[0021]图17举例说明位于带电粒子柱下面的类型1检测器的优选实施例中的检测器去激活板的操作；
图18举例说明位于带电粒子柱下面的类型1检测器的另一优选实施例中的检测器去激活格栅的操作；
图18A是沿着图18的优选实施例中的检测器组件的轴的电压的示意性图表。
[0022]图19举例说明在成像期间类型1检测器的激活和类型2检测器的去激活；
图20举例说明在激光脉冲发生和等离子体羽流的消散期间类型1检测器的去激活和类型2检测器的激活；
图21示出来自现有技术系统中的类型1检测器的图像，其示出样本的激光烧蚀与样本的成像之间的干扰；
图22示出图21的中心的特写图像；
图23示出来自现有技术系统中的类型1检测器的图像，其示出在激光注量比图21?22中更高的情况下样本的激光烧蚀和样本的成像之间的干扰；
图24示出图23的中心的特写图像；
图25是针对图21?22中所举例说明的优选实施例的检测器饱和效果的示意性图表；图26是针对图23?24中所举例说明的示例的检测器饱和效果的示意性图表；以及图27示出来自根据本发明的优选实施例的系统中的类型1检测器的模拟图像，其显示由于激光烧蚀期间的类型1检测器的去激活在样本的激光烧蚀与样本的成像之间无干扰。
[0023]附图意图帮助理解本发明，并且除非另外指明，其并不是按比例绘制的。在附图中，用相同的附图标记来表示在各种图中举例说明的每个相