用于在激光烧蚀期间保护光线光学组件的系统的制造方法与工艺

本发明涉及在带电粒子束附近执行激光烧蚀时保护光线光学组件。

背景技术：
带电粒子束系统用于多种应用中，包括诸如集成电路、磁记录头和光刻掩模之类的小型装置的制造、修理和检验。带电粒子束包括离子束和电子束。聚焦束中的离子通常通过在物理上从表面喷出材料来具有至微机械的充分动量。因为电子比离子要轻得多，所以电子束通常被限制成通过引起蚀刻剂蒸汽与衬底之间的化学反应以去除材料。离子束和电子束均能够用于以比最佳光学显微镜能够实现的更大放大率和更高分辨率来对表面进行成像。使用镓液态金属离子源(LMIS)的离子束系统因其以高精度进行成像、研磨、沉积和分析的能力而广泛用于制造操作中。例如，使用镓LMIS的聚焦离子束(FIB)系统中的离子镜筒能够提供五到七纳米的横向分辨率。由于离子束趋向于甚至在用于成像时也损坏样本表面，所以离子束镜筒在双束系统中常常与电子束镜筒相结合。这类系统常常包括：扫描电子显微镜(SEM)，它能够以对目标的最小损坏来提供高分辨率图像；以及离子束系统、例如聚焦或成形束系统，能够用于改变工件和形成图像。包括LMISFIB和电子束的双束系统是众所周知的。例如，这类系统包括可从本发明的受让人FEI公司(希尔巴罗，俄勒冈州)得到的Quanta3DFEGTM系统。离子束例如能够用于切割集成电路中的沟槽，然后电子束能够用于形成外露沟槽壁的图像。遗憾的是，高精度研磨或样本去除常常要求某些折衷。LMISFIB的处理速率受到束中的电流的限制。随着电流增加，更难以将射束聚焦到小光斑中。较低射束电流允许较高分辨率，但是引起生产应用和实验室中的较低研磨速率以及因而更长的处理时间。当通过增加射束电流来增加处理速率时，处理精度降低。此外，甚至在较高射束电流下，聚焦离子束研磨对于某些微机械加工应用也仍然可能是不可接受地缓慢。诸如采用毫微微秒激光器的机械加工之类的其它技术也能够用于更快的材料去除，但是这些技术的分辨率比典型LMISFIB系统要低许多。激光器通常能够以比带电粒子束要高许多的速率向衬底提供能量，以及因此激光器通常具有比带电粒子束(对于镓LMISFIB通常为0.1至3.0μm3/s)要高许多的材料去除速率(对于工作在1kHz激光脉冲重复率的1瓦特激光器通常高达7×106μm3/s)。激光系统使用若干不同机制用于微机械加工，包括激光烧蚀，在激光烧蚀中迅速提供给小体积的能量使原子从衬底被急速逐出。用于使用激光束从衬底快速去除材料的所有这类方法在本文中将统称为激光束机械加工。图1是烧蚀表面的现有技术激光器的示意图。当产生激光束13的高功率脉冲调制激光器12聚焦到台架15所支承的目标材料14上并且激光注量超过该材料的烧蚀阈值时，目标材料中的化学键断裂，并且材料分裂为含能碎片(通常为中性原子、分子和离子的混合物)，从而在材料表面之上创建等离子体羽流16。由于该材料作为高能等离子体、气体和固体残渣混合物离开反应区，所以烧蚀过程与将材料碎片18向上逐出并且离开激光束13所聚焦的点的材料的沸腾蒸发(explosiveevaporation)类似。与带电粒子束处理相比，激光烧蚀能够以比GaLMISFIB要快超过106x的材料去除速率很快去除较大量材料。但是，激光束中的光线的波长比带电粒子束中的带电粒子的波长要大许多。因为射束能够对其聚焦的大小部分地受到射束波长限制，所以激光束的最小光斑大小通常比带电粒子束的最小光斑大小要大。因此，虽然带电粒子束通常具有比激光束要大的分辨率，并且能够对极小结构进行微机械加工，但是射束电流受到限制，并且微机械加工操作可能是不可接受地缓慢。另一方面，激光微机械加工一般要快许多，但是因衍射而具有更差的分辨率。遗憾的是，激光烧蚀因所产生的大量残渣而会趋向于引起激光器物镜逐渐涂覆有残渣，这最终使激光器性能降级。对于在大气下所执行的激光烧蚀，通常跨表面吹送气体，以使残渣远离透镜。另外，可更换的玻璃盖片有时用于覆盖透镜。但是，这些技术均不能简单地用于组合的带电粒子束/激光系统。气体的使用不可行，因为样本室必须在真空下以供带电粒子束操作。另外，玻璃盖的使用不可行；因为它要求使样本室对大气通风，以便更换盖，以及还因为玻璃遭受很不合需要的充电效应，这将使带电粒子束的操作降级，特别是对于成像目的。所需的是用于保护激光器光学器件免于带电粒子系统中的激光烧蚀期间的残渣集结并且防止所产生的激光束强度的逐渐降级的方法和设备。

技术实现要素：
本发明的一个目的是提供用于在带电粒子束系统的真空室中执行激光烧蚀、同时保护用于聚焦激光的设备的光线光学组件免于被涂覆有产生于烧蚀过程的残渣的方法和设备。按照本发明的优选实施例，保护透明掩体(screen)用于保护激光器光学组件。优选掩体可在无需中断样本室中的真空的情况下更换或再定位，并且不会对不合需要的充电效应特别敏感。以上较为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下面对本发明的详细描述。下面将描述本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可易于用作修改或设计用于执行本发明相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员还应当知道，这类等效构造没有背离所附权利要求书所提出的本发明的精神和范围。附图说明为了更透彻地了解本发明及其优点，现在参照以下结合附图所进行的描述，附图包括：图1是烧蚀表面的现有技术激光器的示意图；图2是按照本发明的一个优选实施例的组合SEM和激光器的示意图；图3A是具有共焦激光器的组合双束FIB/SEM的示意图；图3B示出图3A的系统，其中样本倾斜为垂直于激光器以及激光烧蚀该样本表面；图3C示出图3A的系统，其中包括按照本发明的一个优选实施例的保护掩体部件；图4A是本发明的一个优选实施例的展开图，其中由可旋转透明掩体来保护透镜；图4B是按照本发明的一个优选实施例、安装在激光器透镜部件上的保护掩体部件的近视图；图5是本发明的另一个实施例的展开图，其中透明导电材料横跨激光器物镜的表面卷绕；图6是本发明的一个优选实施例的示意图，其中带电粒子被生成、准直并且进入样本室，以便极接近烧蚀样本的激光来碰击样本；以及图7是本发明的一个优选实施例的示意图，其中按照本发明的一个优选实施例，分束器和检测器用于确定保护掩体部件的透明掩体应当移动或更换的时间以保持覆盖物镜的透明掩体的清洁部分。附图意在帮助了解本发明，以及除非另加说明，否则附图没有按比例绘制。附图中，各图中示出的每个相同或接近相同的组件由相似标号来表示。为了清晰起见，可能没有在每一个附图中标记每一个组件。具体实施方式申请人已经发现，真空室中的激光烧蚀的使用涉及激光器光学器件上的残渣集结–这是大气激光烧蚀中不会看到的-的困难。不仅如上所述用于减少残渣集结的常用方法对于真空室内部形成的烧蚀不可行，而且此问题对于真空中执行的烧蚀实际上更大，因为残渣实际上将传播更远，这是由于它没有通过与大气中的气体分子的碰撞来减缓。因此，本发明的优选实施例提供保护透明掩体，该掩体能够用于在激光烧蚀期间保护激光器光学组件。优选实施例应当易于更换或者可再定位，而无需中断样本室中的真空。图2示出具有组合带电粒子束镜筒201和激光器204的双束系统。在MarcusStraw等人的美国专利申请No.2011/0248164“CombinationLaserandChargedParticleBeamSystem”中描述了这种双束系统，该申请转让给本申请的受让人，并且通过引用将其结合于此。如图2的示意图所示，来自激光器204的激光束202通过位于真空室208内部的透镜206聚焦到会聚激光束220中。激光束202通过窗口210进入室。在图2的实施例中，位于带电粒子束212附近的单个透镜206或者透镜组(未示出)用于聚焦激光束220，使得它在位置216碰撞样本214时与带电粒子束212(由带电粒子束聚焦镜筒201所产生)重合并且共焦或者与其邻近。图3A和图3B示出系统300，系统300将用于快速材料去除的聚焦激光束306(由激光器302所产生)与用于进一步材料处理的聚焦离子束307(由FIB镜筒308所产生)和用于监测材料去除过程的电子束309(由SEM镜筒310所产生)相结合。在美国专利申请No.2011/0248164中也描述了这种系统。激光器302将激光束303定向到反射镜312，反射镜312反射激光束303，以便形成定向成通过真空室340中的透明窗口314的反射束304。通过“透明的”是来表示窗口对所使用的特定类型的激光器的波长是透明的。透镜316将反射激光束304(可以是基本上平行的)聚焦到焦点在样本320的表面处或附近的聚焦激光束306，样本320如图3B所示倾斜成使得样本表面垂直于聚焦激光束306。反射镜312(或者类似反射元件)还能够用于调整聚焦激光束306在样本320上的位置。聚焦激光束306优选地能够工作在比机械加工的样本320中的材料的烧蚀阈值要大的注量。通常，短的纳秒至毫微微秒脉冲调制激光束用于烧蚀衬底材料，但是也能够使用其它类型的激光器。烧蚀阈值是衬底材料的固有性质，并且技术人员能够易于根据经验或者从文献来确定各种材料的烧蚀阈值。例如，硅衬底具有大约170mJ/cm2的单脉冲烧蚀阈值，并且因此按照本发明的优选实施例，激光注量对于微机械加工硅应当优选地刚好高于这个值。适合于快速材料烧蚀的激光束可能具有50nJ至1mJ的范围中的能量以及0.1J/cm2至100J/cm2的范围中的注量。在激光器的操作期间，中性原子、分子、电子和离子的混合物因聚焦激光束306的影响而离开样本320的表面，从而在样本表面320之上创建等离子体羽流326。由于该材料作为高能等离子体、气体和固体残渣的混合物离开反应区，所以烧蚀过程与材料的沸腾蒸发(explosiveevaporation)类似，并且将材料碎片向上逐出并且离开聚焦激光束306所聚焦的点。这样突然生成大量电子和离子(等离子体羽流)趋向于沿激光的聚焦点周围的所有方向散射残渣。因为样本室在真空下(例如使得带电粒子束的一个或两者能够用于监测烧蚀过程)，所以与更多气体分子存在以使残渣减速的更高压力下的原本情况相比，所喷出的残渣将传播更远。如箭头330所示，某个百分比的所喷出的残渣将最终被沉积在激光聚焦透镜316上。残渣的分布具有强法向分量，这意味着，在如图3B所示来使用激光器(其中射束垂直于表面)时，大百分比的残渣将定向在激光聚焦透镜316。随着透镜上的残渣量逐渐增加，激光器的性能将会降级。最终，足够的激光光线将被阻挡，使得激光器不再正确烧蚀样本表面。所需的激光透射的实际百分比对于给定应用将有所改变。本文所使用的术语“遮蔽”将用于描述当透射激光光线量被残渣的集结降级而使得它对于特定应用是不充分时的透镜(或者以下所述的透镜和保护掩体的组合)。术语“非遮蔽”将用于描述完全没有残渣的任何集结或者该集结足够小以使得透射激光光线量对于特定应用是充分的透镜(或者以下所述的透镜和保护掩体的组合)。图3C示出图3A和图3B的系统，其中包括按照本发明的一个优选实施例的保护掩体部件。图4示出能够用于保护激光器透镜免于残渣集结的保护掩体部件400的一个优选实施例的更大视图。图4B是按照本发明的一个优选实施例、安装在激光器透镜部件上的保护掩体部件的近视图。在图3C、图4A和图4B的实施例中，透明掩体451能够由典型光学平玻璃来形成，光学平玻璃是一种石英或另外某种透明材料的光学级盘片，在一侧或两侧抛光成极平坦，并且与单色光配合用于根据干涉来确定其它光学表面的平坦性。但是，申请人还已经发现，透明绝缘材料的使用–例如常用于在大气下的激光烧蚀的玻璃盖–在带电粒子束系统中使用时引起问题。玻璃或其它绝缘材料趋向于在带电粒子束系统的操作期间集结电荷。充电是在电子或离子束照射期间从样本所喷出的二次或后向散射电子或者在激光烧蚀期间从样本所喷出的光电子的结果。当这些带电粒子落在诸如玻璃之类的绝缘材料所制成的表面时，它们变成固定(即，它们不像在由诸如金属之类的导电材料所制成的表面上那样传导离开)。随时间推移，当越来越多电子聚集在表面时，形成大电场。这个电场与一次带电粒子束进行交互，从而使其形状失真并且使其在样本上移位，最终使系统性能降级。由于使用允许长工作距离的高数值孔径透镜的期望，用于聚焦激光束的透镜的表面上的电荷的集结在带电粒子束系统中特别成问题。因为空间在带电粒子束真空室中如此有限，所以非常期望使用能够定位成尽可能远离样本但仍然充分转换(resolve)激光束的透镜来聚焦激光束。与其它激光聚焦透镜相比，这类透镜趋向于具有较大玻璃透镜表面。这当然引起其上能够发生充电的大得多的具有低导电率的表面面积。按照本发明的优选实施例，透明掩体面向带电粒子束的一侧能够涂敷有诸如氧化铟锡(ITO)或掺氟氧化锡(FTO)之类的透明导体，以便抵消这个充电效应。在本发明的其它优选实施例中，透明掩体能够完全由诸如石墨烯之类的透明导电材料来形成。在图4A的部件中，透明掩体451附连到杆452，使得透明掩体在具有或没有杆的情况下是可移动的。又参照图4B，杆452优选地由还附连到透镜部件的支架454来支承，并且由能够用于旋转杆452、进而旋转透明掩体451的电动机460来操作。带有具有物镜456的尺寸的窗口的固定(即非旋转)护罩458(在这里为了清晰起见而示为半透明)能够位于窗口之上，从而有效地在除了作为射束通过其中的透明掩体的区域的开口459内之外的每一位置掩盖透明掩体。护罩458能够例如由诸如不锈钢之类的金属或者由诸如导电聚合物之类的其它适当材料来形成。因此，烧蚀期间所喷出的残渣将撞击护罩458以及通过开口459所外露的透明掩体的部分。这在除了射束当前通过的区域之外的每一位置保存透明掩体的透明度。在激光烧蚀期间，透明掩体将越来越多地被烧蚀材料涂覆。随着残渣涂层变厚，输送到样本的激光功率将会降低。在一个优选实施例中，激光功率能够在研磨样本时周期地测量。当激光束的功率下降到低于预定阈值时，透明掩体能够旋转成使得透镜开口由透明掩体的新的未涂覆区域来覆盖。图5中示出本发明的另一个实施例。不是如上所述使用光学平玻璃来保护物镜，而是包含透明导电膜的透明盖501能够使用例如与见于照相机卷片系统相似的电动辊道系统来横跨物镜的表面卷绕。适当的透明导电膜可包括石墨烯、掺杂氧化锌或者基于聚合物的膜，例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)、PEDOT：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)或者聚(4,4-二辛基环戊二噻吩)(poly(4,4-dioctylcyclopentadithiophene))。一卷透明导电膜能够从一个圆筒502伸展到另一个圆筒504。当射束的功率下降到低于预定阈值时，非遮蔽膜优选地通过在没有开启真空室的情况下所操作的电动部件从圆筒502展开并且聚集在圆筒504中。不要求金属护罩，因为圆筒502防止膜在正常使用期间被涂覆，这是因为展开膜保留在没有暴露于烧蚀残渣的圆筒内部。当已经使用全部膜时，由圆筒502、圆筒504和膜所组成的整个部件优选地是可易于更换的。图6中示出本发明的又一个实施例。带电粒子由带电粒子束发生系统602来生成和准直，并且进入样本室612以撞击样本610。激光束由激光振荡器或放大器604来生成，并且由聚焦光学器件606来聚焦。激光束经过保护透明导电窗口608，以便撞击样本室612中的样本610。如以下又针对图7所述，激光检测器614能够放置在样本室中，并且周期地摆动到位以测量所生成的输入激光束的功率。保护导电窗口608是可更换的。在一些优选实施例中，窗口608与上述实施例相似也是可滑动的，或者能够在没有损失真空的情况下从真空室外部来更换。图7中示出本发明的又一个实施例。在图7的优选实施例中，分束器714放置在真空室内的聚焦激光束706的通路中，其中它分离激光光线的一小部分(例如～10％)，并且将那个部分定向到检测器712。激光束的强度能够由检测器来检测，以及当它下降到低于某个阈值时，这能够是关于保护掩体部件应当移动成使得透明掩体的清洁部分覆盖物镜或者应当更换的指示符。在一些优选实施例中，透明掩体能够在达到预设阈值时自动移动(例如旋转或展开)。虽然激光束输出的小百分比将不再属于分束器所有，但是在大多数情况下，激光器的输出能够略微增加以补偿分离射束。备选地，如图6所示，检测器614能够安装在活动或可伸缩臂上并且周期地移入聚焦束通路，以便测量激光束强度。按照本发明的一些实施例，一种用于在烧蚀期间保护光线光学组件的设备包括具有光源和用于产生聚焦激光束的聚焦光学器件的激光器部件；聚焦光学器件包括用于将激光束聚焦到真空室中的样本上的物镜；以及由透明材料所形成的可更换保护掩体，保护掩体放置在样本与物镜之间，使得聚焦激光束经过保护掩体的透明导电材料，并且使得在样本的激光烧蚀期间朝物镜所喷出的残渣撞击保护掩体而不是物镜。在一些实施例中，保护掩体能够在没有中断样本室中的真空的情况下更换。在一些实施例中，保护掩体能够再定位成使得当经过覆盖物镜的保护掩体的部分的激光光线被遮蔽超过预定阈值时，保护掩体能够再定位成使得保护掩体的非遮蔽部分覆盖物镜。在一些实施例中，保护掩体能够在没有中断样本室中的真空的情况下再定位。在一些实施例中，激光器部件是还包括带电粒子束系统的样本处理系统的一部分。在一些实施例中，透明导电材料包括涂敷有一层透明导体的非导电材料。在一些实施例中，非导电材料包括玻璃，并且透明导体包括氧化铟锡或者掺氟氧化锡。在一些实施例中，透明导电材料包括石墨烯、掺杂氧化锌或者基于聚合物的膜。在一些实施例中，透明导电材料包括聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)、PEDOT：聚苯乙烯磺酸(PEDOT：PSS)或者聚(4,4-二辛基环戊二噻吩)(poly(4,4-dioctylcyclopentadithiophene))。在一些实施例中，非导电材料包括光学平玻璃。在一些实施例中，由保护掩体所覆盖的面积大于光学透镜的面积，并且还包括覆盖没有覆盖物镜的透明掩体的至少一部分的护罩。在一些实施例中，保护掩体是可旋转的，使得当覆盖物镜的透明掩体的部分被残渣遮蔽时，保护掩体能够旋转成使得先前由护罩所覆盖的透明掩体的非遮蔽部分定位成覆盖物镜。在一些实施例中，保护掩体的透明导电材料具有比光学透镜要大的表面面积，并且保护掩体包括能够在物镜与样本表面之间卷绕的一卷柔性透明材料。在一些实施例中，保护掩体能够横跨物镜卷绕，使得当覆盖物镜的透明掩体的部分被残渣遮蔽时，非遮蔽部分能够被展开并且定位成覆盖物镜。在一些实施例中，激光器物镜和保护掩体均定位在带电粒子束系统的真空室内部。在一些实施例中，激光器物镜位于真空室外部，并且激光通过真空室壁中的透明窗口聚焦到样本上，以及其中保护掩体位于真空室内部，并且保护透明窗口免受激光烧蚀期间所喷出的残渣的影响。在一些实施例中，该设备还包括分束器，分束器定位在激光束的通路中，以便将激光光线的一部分定向到检测器。在一些实施例中，检测器能够移入激光束的通路以供测量以及离开射束通路以供样本处理。按照本发明的一些实施例，提供了一种在组合激光/带电粒子束系统的真空室中的样本的激光烧蚀期间保护光学组件的方法，该方法包括：将透明导电材料放置在样本与激光器的光学组件之间；使用聚焦激光束来烧蚀样本，激光束经过透明导电材料并且该透明导电材料用于阻止激光烧蚀期间所喷出的残渣到达激光器的光学组件；使用带电粒子束来对样本进行成像，以便监测烧蚀过程；以及当透明导电材料上的残渣的集结变为充分遮蔽激光器时，在没有中断真空室中的真空的情况下采用非遮蔽透明导电材料来更换被遮蔽透明导电材料。在一些实施例中，该方法还包括使用激光检测器来量化烧蚀激光，以便确定应当更换遮蔽透明导电材料的时间。虽然本发明的以上描述主要针对设备，但是应当知道，使用要求保护的设备的方法也在本发明的范围之内。此外，应当知道，本发明的实施例能够经由计算机硬件或软件或者它们两者的组合来实现。这些方法能够通过使用标准编程技术的计算机程序–包括配置有计算机程序的计算机可读存储介质–来实现，其中这样配置的存储介质使计算机按照本说明书中所述的方法和附图通过特定和预定义方式进行操作。各程序可通过高级过程或面向对象的编程语言来实现，以便与计算机系统进行通信。但是，根据需要，程序能够通过汇编或机器语言来实现。在任何情况下，语言能够是编译或解释语言。此外，程序能够在为该目的而编程的专用集成电路上运行。此外，方法可通过任何类型的计算平台来实现，包括但不限于个人计算机、微型计算机、大型计算机、工作站、联网或分布式计算环境、独立于带电粒子工具或其它成像装置、为带电粒子工具或其它成像装置不可或缺的一部分或者与其通信的计算机平台等。本发明的方面可通过存储介质或装置上存储的机器可读代码来实现，无论是可移动的或者为计算平台不可或缺的一部分，例如硬盘、光读和/或写存储介质、RAM、ROM等，使得它是可编程计算机可读的，以用于在存储介质或装置由计算机读取时配置和操作计算机，以便执行本文所述的过程。此外，机器可读代码或者其部分可通过有线或无线网络来传送。当这类介质包含用于结合微处理器或其它数据处理器来实现上述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其它各种类型的计算机可读存储介质。当按照本文所述的方法和技术来编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据，以便执行本文所述的功能，并且由此变换输入数据以生成输出数据。输出信息适用于诸如显示监视器之类的一个或多个输出装置。在本发明的优选实施例中，经变换的数据表示物理和有形对象，包括在显示器上产生物理和有形对象的特定可视描述。本发明具有广泛的适用性，并且能够提供在以上示例中所述及所示的许多有益效果。实施例将在很大程度上根据特定应用而改变，并且并不是每一个实施例都将提供全部有益效果以及满足本发明可实现的所有目标。在以下论述和权利要求书中，术语“包括”和“包含”按照无限制的方式来使用，并且因此应当被解释为表示“包括但不限于…”。术语“带电粒子束”在本文中用于表示任何电子束或者任何准直离子束，包括由离子光学器件所聚焦的射束以及成形离子束。术语“双束”在本文中用于表示包括用于样本处理的两个射束的任何组合系统，其中包括组合FIB/SEM或者与激光束重合或者在其附近的带电粒子束。就本说明书中没有特殊定义任何术语而言，目的在于，该术语将给予其平常和普通的含义。附图意在帮助了解本发明，以及除非另加说明，否则它没有按比例绘制。虽然详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，能够对本文所述的实施例进行各种改变、替换和变更，而没有背离所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围。此外，本申请的范围不是要局限于本说明书中所述的过程、机器、制造、物质成分、部件、方法及步骤的具体实施例。通过本发明的公开，本领域的技术人员将易于理解，按照本发明，可利用当前存在或以后开发的、执行与本文所述的对应实施例基本相同的功能或者实现与其基本相同的结果的过程、机器、制造、物质成分、部件、方法或步骤。相应地，所附权利要求书意在其范围内包括这类过程、机器、制造、物质成分、部件、方法或步骤。