装置及び方法

著者らは特許

G01N - 材料の化学的または物理的性質の決定による材料の調査または分析(参照,免疫分析以外の酵素または微生物を含む測定または試験C12M,C12Q)
G01N23/225 - 電子またはイオンマイクロプローブを用いるもの
G21K5/00 - 照射装置(照射を容易にするための原子炉の適用G21C23/00;照射のための放電管H01J33/00,H01J37/00)
H01J - 電子管または放電ランプ(スパークギャップH01T;消耗する電極を有するアークランプH05B;粒子加速器H05H)
H01J37/00 - 放電にさらされる物体または材料を導入する設備を有する電子管,例,その試験や処理をするためのもの(H01J33/00,H01J40/00,H01J41/00,H01J47/00,H01J49/00が優先)
H01J37/26 - 電子またはイオン顕微鏡;電子またはイオン回折管
H01J37/28 - 走査ビームを有するもの
H01J37/30 - 物体の局所的な処理のための電子ビームまたはイオンビーム管

の所有者の特許 JP2016528698:

スウィンバーン・ユニバーシティ・オブ・テクノロジーSwinburne University of Technology

 

荷電粒子を用いたイメージング又はファブリケーションのための装置であって、前記装置は、イオン又は電子の荷電粒子ビームを生成するように構成された荷電粒子源と、荷電粒子源と関連付けて取り付けられ、イメージング又はファブリケーションに用いられる荷電粒子ビーム内にサンプルを保持するサンプルホルダーと、光ビームを生成するように構成された光源システムと、を備え、光源システムは、光ビームをサンプル上へ方向付けるようにサンプルホルダーと関連付けて取り付けられる、これにより、イメージング又はファブリケーション中にサンプルの電子電荷を変更し、イメージング又はファブリケーションの空間分解能を向上させる。

 

 

本発明は、概して、表面電荷を制御又は変更するための装置及び方法に関するものであり、例えば、イオンビーム及び電子ビームを用いたイメージング及びファブリケーションシステムにおいて、材料のナノストラクチャリング又はナノイメージングにおける短波電磁放射線等を用いて、表面電荷を制御又は変更するための装置及び方法に関する。なお、イオンビーム及び電子ビームを用いたイメージング及びファブリケーションシステムシステムは、電子及び/又はイオンを表面イメージング及び/又はファブリケーション(例えば、リソグラフィ、蒸着、及びミリング)に使用する顕微鏡使用法及びファブリケーションツールを含む。本発明は、特に、高解像度、例えば、サブマイクロメートル(μm)及びナノメートル(nm)スケールのものに関する。
例えば、ナノメートルスケールを要求するイメージング及びファブリケーションのような高解像度イメージング及びファブリケーション(例えば、リソグラフィ、蒸着、及びミリング)を行うために、イオンビームシステム及び電子ビームシステムの使用が増えている。イオンビーム及び電子ビームを用いたイメージングツール及びファブリケーションツールは、電子又は正イオンのソースを含んでいる。これらのソースは、例えば、表面をイメージングするため、又は表面のパターンを形成するため、サンプルの表面に向けられる電子又はイオンのストリームを生成する。例示的なツールとしては、電子ビームリソグラフィ(EBL)ツール、イオンビームリソグラフィ(IBL)ツール、及び集束イオンビーム(FIB)ツールがある。
イオンビーム及び電子ビームを用いた高解像度ファブリケーション及びイメージングの限界及び障害は、電子又はイオン等の荷電粒子のビームによって生じるサンプル表面の帯電に起因する。表面帯電は、荷電粒子の照射によって生じる。この表面帯電は、照射プロセス(イメージング又はファブリケーションプロセス)の間、表面の全域で予測不能に変化する。表面帯電は、荷電粒子のビームに対して垂直な平面の全域で空間的誤差を引き起こす。これにより、イメージングツールの解像度が低下するか、又はファブリケーションツールを使用して作られたパターンが変形してしまう。イメージング及びファブリケーションの解像度の低下は、表面の全域において、電荷の空間分布に起因して生じる。ビームがサブマイクロメートルスケールに集束するとき、特に、数ナノメートルに集束するとき、この表面電荷の空間分布によって荷電粒子のビームを操作することができる。このように、表面帯電は、イメージ又は形成されたパターンにおいて、ドリフトを引き起こす可能性がある。
ある状況では、電子フラッドガンとして知られている電子源(例えば、荷電粒子の二次ソース)を用いて、荷電粒子ビームによって生じる表面帯電の影響を減らせるか、又は改善することができる可能性がある。電子フラッドガンは、パターン化された表面に、より均一な帯電を生じさせることができる。そのため、荷電粒子のビームによって生じる表面帯電の空間依存を減らすことができる。表面帯電は、荷電粒子のビームによって生成されるため、表面から離れた位置で表面帯電を行う高導電層を用いてサンプル表面をコーティングすることによって、表面帯電の影響に対処することができる。しかしながら、そのような導電コーティングを行う場合、照射ステップの前のオリジナルサンプルの変更が必要となる。導電層は、金属コーティング又はポリマーコーティング(例えば、「ESPACER」コーティング)であってもよい。また、導電層は、電荷除去のために接地された大きい体積の金属ツールへ接続される導電接続(例えば、ファブリケーション又はイメージングツールの導電部分にサンプル表面を接続しているカーボンテープ)を必要としてもよい。
電子フラッドガンの照明及び導電層コーティングの既存の方法は、使用できない場合がある。例えば、オリジナルのサンプル表面上に元のパターン又は形状(原形)を残しておくことが望ましい場合、又は数ナノメートルの空間精度が要求される場合である。例えば、走査型電子顕微鏡(SEM)を使用する場合、白金/パラジウムの1〜2ナノメートルの導電コーティングは、表面帯電を除去することが求められる場合がある。また、そのようなコーティングは、高価であり、サンプルと適合しない可能性もある。
したがって、先行技術に関する1つ又は複数の欠点又は制限を解消するか、改善するか、又は少なくとも有効な代替手段を提供することが望まれている。
本発明では、荷電粒子を用いたイメージング又はファブリケーションのための装置を提供する。前記装置は、
イオン又は電子の荷電粒子ビームを生成するように構成された荷電粒子源と、
荷電粒子源と関連付けて取り付けられ、イメージング又はファブリケーションに用いられる荷電粒子ビーム内にサンプルを保持するサンプルホルダーと、
光ビームを生成するように構成された光源システムと、
を備え、
光源システムは、光ビームをサンプル上へ方向付けるようにサンプルホルダーと関連付けて取り付けられる、これにより、イメージング又はファブリケーション中にサンプルの電子電荷を変更し、イメージング又はファブリケーションの空間分解能を向上させる。
また、本発明は、イオンビーム又は電子ビームを用いたイメージング又はファブリケーションツールのためのサンプルホルダーを提供する。前記サンプルホルダーは、光ビームに光を送る光源システムを含み、光源システムは、サンプルホルダーに取り付けられ、サンプルに光ビームを投影するように配置される。光ビームは、ツールの荷電粒子ビームによって形成されたサンプルの電荷キャリアを変更するように選択された波長を含む。
また、本発明は、表面電荷を変更するための装置を製造する方法を提供する。前記方法は、
荷電粒子ビームを備えるイメージング又はファブリケーションのための装置に、光源システムを取り付けるステップを含み、
光源システムは、光ビームを生成するように構成される、ここで、光ビームは、荷電粒子のビームによってサンプルに生成された電荷を変更するように選択された波長を含み、イメージング又はファブリケーションの空間分解能を向上させる。
また、本発明は、荷電粒子によって照射したサンプルの電子電荷を変更する方法を提供する。前記方法は、
1つ又は複数の波長を含む光ビームを用いて、サンプルの表面を照らすステップを含み、前記1つ又は複数の波長は、荷電粒子のビームによってサンプル内に生成された電荷を変更するように選択される、これにより、荷電粒子のビームを用いたイメージング又はファブリケーションの空間分解能を向上させる。
本発明の好適な実施形態は、例示の目的のためだけに、添付の図面を参照して本明細書に述べられている。
図1Aは、荷電ビームを用いたイメージング又はファブリケーションのための装置の異なる構成を示す概略図である。 図1Bは、荷電ビームを用いたイメージング又はファブリケーションのための装置の異なる構成を示す概略図である。 図1Cは、荷電ビームを用いたイメージング又はファブリケーションのための装置の異なる構成を示す概略図である。 図1Dは、荷電ビームを用いたイメージング又はファブリケーションのための装置の異なる構成を示す概略図である。 図1Eは、荷電ビームを用いたイメージング又はファブリケーションのための装置の異なる構成を示す概略図である。 図2は、装置のサンプルホルダーの概略図である。 図3は、装置内のサンプルの欠陥のない真空準位への電子励起の概略図である。 図4は、装置内の例示的なサンプル及びホルダーの概略図である。 図5Aは、表面電荷制御をせずに、イオンビームリソグラフィを使用して二酸化チタン(TiO)をミリングしたパターンの画像である。 図5Bは、表面電荷制御を用いてTiOをミリングしたパターンの画像である。 図6は、表面電荷制御に使用される異なる強度(I)の光源を用いてTiOをミリングして空けた孔の精密マップである。 図7は、表面電荷制御に使用される異なる強度(I)の光源を用いてTiOをミリングして空けた孔の精密マップである。 図8Aは、TiOの表面にミリングするための円状パターンデザインの画像である。 図8Bは、80%の電流で250nmの波長を有する光を照射してミリングされた図8Aの円状パターンの走査型電子顕微鏡(SEM)画像である(1マイクロメートルのスケールバーを含む)。 図8Cは、80%の電流で270nmの波長を有する光を照射してミリングされた図8Aの円状パターンの走査型電子顕微鏡(SEM)画像である(1マイクロメートルのスケールバーを含む)。 図8Dは、80%の電流で280nmの波長を有する光を照射してミリングされた図8Aの円状パターンの走査型電子顕微鏡(SEM)画像である(1マイクロメートルのスケールバーを含む)。 図8Eは、80%の電流で290nmの波長を有する光を照射してミリングされた図8Aの円状パターンの走査型電子顕微鏡(SEM)画像である(1マイクロメートルのスケールバーを含む)。 図8Fは、照射せずにミリングされた図8Aの円状パターンの走査型電子顕微鏡(SEM)画像である(1マイクロメートルのスケールバーを含む)。 図9は、290ナノメートルの波長を有する光源から光を照射する条件で、アルミニウムにミリングされた円状パターンの走査型電子顕微鏡(SEM)画像である。
装置
本明細書では、装置100が述べられている。装置100は、(i)(例えば、電子及び/又はイオンを用いたイメージング又はファブリケーションに使用される)荷電粒子ビームを用いてサンプルを照射し、(ii)光(例えば、光子)を用いてサンプルを照らし、荷電ビームによって生成されるサンプルの電子電荷、特にサンプル表面での電子電荷、又はサンプル表面上の電子電荷を制御するように構成されている。表面電荷の制御は、「表面電荷補償(surface charge compensation)」又は「変更」と呼ばれてもよい。表面電荷は、荷電ビームに大きく影響を受ける。装置100は、表面電荷が荷電ビームの空間分解能に与える影響を、完全に制御できるというよりむしろ、容易に改善できるか、又は完全に取り除くことができる。装置100は、荷電粒子ビームによって作られた余剰のすべての電荷を完全に取り除くことができるので、例えば、ナノファブリケーションを歪みなく行うことができる。表面電荷の制御は、(1)光の波長、及び(2)光の強度に依存する。このため、ある場合では、電荷の除去率は、入射光の強度を変えることによって制御することができる(例えば、図7参照)。光ビームを用いて表面電荷を変更することによって、荷電ビームを用いたイメージング及びファブリケーションの空間解像度を向上させることができる。装置100は、22nm未満の解像度のリソグラフィ性能、又は誘電体上にサブ100nmの精度と4〜5のアスペクト比を有するフォトニッククリスタルのファブリケーションを可能にしている。装置100は、半導体産業において、サブ20nmの形状のファブリケーションに使用することができる。装置100は、太陽光をソーラーセルにより強く結合することができる可視範囲内のフルフォトニックバンドギャップを用いるフォトニッククリスタルのファブリケーションに使用することができる。装置100は、マイクロ/ナノ流体用途における高解像度イオンファブリケーションに使用することができる。高解像度イオンファブリケーションは、回折格子、ホールアレイ、又は他の複雑なパターンのマスクレス書き込みを含んでもよい。装置は、サンプル表面に材料を付加するように使用されてもよい。材料は、導電性材料(例えば、FEI社のツールで使用されている白金、又はRaith Gmth社のツールで使用されているタングステン)、又は絶縁材料(例えば、Raith Gmth社のツールで使用されているSiO、又はカーボン(C))を用いることができる。照射及び照明は、いくつかの用途(例えば、高い頻度で、順番に荷電粒子ビームと光源とのオン及びオフを切り替える)で、同時に行われるか、又は互いに続けて行われてもよい(例えば、短い間隔で繰り返し行われてもよい)。
図1Aに示すように、装置100は、荷電粒子ビーム104を生成する荷電粒子源102(又は「銃」)を含む。
荷電粒子源102は、電子源であってもよい。これにより、荷電粒子ビーム104内に電子ビームを生成することができる。あるいは、荷電粒子源102は、イオン源であってもよい。これにより、荷電粒子ビーム104内にイオンビームを生成することができる。イオンの例としては、ガリウムイオン(Ga+)、ヘリウムイオン(He+)、ネオンイオン(Ne+)、キセノンイオン(Xe+)、金イオン(Au+)、シリコンイオン(Si+)、及び他のイオン源であってもよい。
装置100は、荷電粒子源102と荷電粒子ビーム104とに関連付けられた位置にサンプル108を保持するように構成されたサンプルホルダー106を備える。これにより、荷電粒子ビーム104は、装置100において市販のファブリケーション又はイメージング要素を使用すると共に、既知のファブリケーション又はイメージング手順に従ってサンプル108の表面を形成する又はミリングするために使用される、あるいはサンプル108の表面をイメージングするために使用される。サンプルホルダー106は、複数の要素を含み、これらの要素は機械的に接続されている。要素としては、例えば、サンプル108をある位置に固定するためのサンプルマウント、及び荷電粒子ビーム104に対してサンプル108を移動させるステージ(例えば、アクチュエータを備えるステージ)がある。サンプル108は、厚さ50nm(例えば、シリコン窒化膜)〜2mm(例えば、ソーダ石灰ガラス)の誘電体スラブであってもよい。なお、サンプル108は、荷電粒子源102の下方に配置され、サンプル表面が後述する光ビーム114によって照らされることによって、表面電荷を変更することができるのであれば、任意の高さに配置されてもよい。サンプル108のバルク材料は、TiO、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸(BK7)ガラス、ダイヤモンド、サファイヤ、又は酸化アルミニウム(Al)であってもよい。サンプルの材料は、金属であってもよい。
荷電粒子源102及びサンプルホルダー106は、装置100のケーシング110に取り付けられている。サンプルホルダー106は、カプトンテープスペーサを含み、装置100の他の部分、例えば、ケーシング110から、サンプル108の表面を電気的に絶縁してもよい。
ケーシング110、荷電粒子源102、及びサンプルホルダー106は、市販のイメージングツール及びファブリケーションツールの要素であってもよい。ツールの例としては、電子ビームリソグラフィ(EBL)ツール、イオンビームリソグラフィ(IBL)ツール、及び集束イオンビーム(FIB)ツールを含む。ある例では、Raith GmbH社の「IonLiNE」装置であってもよい。装置100は、サンプル108とサンプルホルダー106との周りに真空チャンバーを備え、光源システムは、真空チャンバーに取り付けられるか、又は設置されてもよい。装置100は、アクチュエータを含むナノスケール動作のために、サンプル108の表面上に荷電粒子ビーム104のスポット(「イオンビームスポット」とも言われる)を、ナノメートルの精度で制御するように構成されてもよい。
装置100は、その中に取り付けられるか、又はそれに取り付けられるケーシング110と、光波長(例えば、紫外線(UV))を含む光ビーム114のための光を生成する(例えば、提供する)光源112を有する光源システムと、を備える。光源112は、ランプ、レーザ、又は発光ダイオード(LED)であってもよい。光源112は、半導体ダイオードベースのソース、例えば、LED又はダイオードレーザであってもよい。光源112は、コヒーレント光源(例えば、レーザ)又はインコヒーレント光源(例えば、LED)であってもよい。光源の例としては、約240〜280ナノメートルの短い電磁波の波長で動作する市販の深紫外線LEDであってもよい。現在のところ、市場において、例えば、240nmのLEDが入手可能である。しかしながら、例えば、あるサンプル材料では、200nm又は150nmのLEDが好ましい場合がある。光源システムは、光学的な「アンチチャージングガン」、例えば、短波長の電磁放射アンチチャージガンと言われてもよい。
光源112は、例えば、電力用の電源のみ、又は電源への接続のみを必要とする装置100のケーシング110に収まるような大きさであればよい。光源112は、荷電粒子源102のガンノズルに取り付けられてもよい。光源112は、荷電粒子源102と同時に動作するように制御される。即ち、装置は、(光源システムと荷電粒子源102とを関連付けて取り付けて、制御することによって)光源システムが光ビーム114をサンプル上に方向付けると同時に、荷電粒子源102が荷電粒子ビーム104を生成し、荷電粒子ビーム104をサンプル108上に方向付けることができるように構成されている。代替的に又は付加的に、光源112は、荷電粒子源102に連続して、即ち順番に動作するように制御されてもよい。光ビーム114は、微小光ガイド部品/導光部品(例えば、光源システムにおける光学フィルター、ミラー、レンズ、導波管、及び光ファイバー)によって集束されるか又は方向付けられるビーム、及び/又はサンプル108と、サンプル108に方向付けられる光の拡散領域と、の少なくとも一方に向けて集束される又は方向付けられる異なる波長の複数のビームであってもよい。導光部品は、光ビーム114を形成するために、例えば、ケーシング110を通って、又はケーシング110内へ光を導く。例えば、光ファイバーは、光ビーム114を形成するために、LEDから光を導くことができる。導光部品は、光ビーム114の角度制御を向上させるためにコリメータを含んでもよい。光ビームは、ケーシング110の内部又は外部に導かれてもよい。ファイバーは、波長を導くためのUVファイバーであってもよい。最後の部分の出射導光部品(例えば、ファイバーの出射端)は、(ケーシング110の外側にある)光源112に光学的に接続されており、光ビーム114を提供及び形成するために光を導く(例えば、光ビーム114を方向付ける)。
(光源112と導光部品を含む)光源システムは、ケーシング110内のサンプルホルダー106に関連付けて取り付けられており、光ビーム114をサンプルに方向付けることによって、光スポットを形成する。光スポットは、荷電粒子ビーム104がサンプル表面に当たることによって形成されるイオンビームスポットに重なる。光源システムの出射端とサンプル108との間の距離と、サンプル108への光ビーム114の入射角度とは、光源システムとケーシング110内のサンプルホルダー106との取り付け位置によって決定できる。光源112とサンプル108との間の距離を短くすることによって、電荷変更の効果を向上させることができる。光源112とサンプル108とを互いに関連して取り付けることによって、サンプル108への光ビーム114の入射角度がブルースター角と等しくなるか、又は近くなり、サンプル表面108における光ビーム114の反射を最小限に抑えることができる。荷電粒子源102と光源システムとは、互いのビーム104、114に干渉しない、塞がない、又はブロックしないように、取り付けられる/配置される。更に、光ビームの電子は、荷電粒子ビーム104の粒子を実質的に偏光しない。
光源112、又は最後の導光部品は、サンプルホルダー106と荷電粒子源102とに関連付けてケーシング110内に取り付けられている。サンプル108の電荷は、荷電粒子ビーム104によって生成されている(例えば、光ビーム114の電子がサンプル表面から電子を放出するように作用する)ことから、荷電粒子ビーム104をサンプル108へ照射するとき、光ビーム114をサンプル108の表面上へ方向付けることによって、光ビーム114によってサンプル108上又はサンプル108内の電荷を変更することができる。
光ビーム114は、サンプル108の表面から荷電粒子を放出するのに適した波長の、光源112によって生成された光(例えば、光子)を含んでもよい。これにより、サンプル108から電子を取り除き、装置100内を自由状態(例えば、自由真空状態)にしてもよい。光ビーム114の光の波長は、サンプル108の決定された材料特性に基づいて選択されてもよいし、制御されてもよい。光の波長は、表面から自由真空状態への電子移動を引き起こすように十分に短くすることができる。光の波長は、紫外線(UV)波長が使用されてもよく、約5電子ボルト(eV)以上のエネルギーを有する深紫外線波長を含んでもよい。例えば、ガラスサンプル又はダイヤモンドサンプルに対して、250nm又は260nmの波長光を照らすことは、Ga+ビームを照射している間に形成された欠陥状態でトラップされた電子を開放することができる。照射波長を短くすることによって、電荷の変更の効果を向上させることができる。
図1Bから図1Eに示されるように、装置100は、ケーシング110に対して光源112を異なる位置に取り付けた異なる構成を有している。銃が取り付けられた構成100Bでは、図1Bに示されるように、光源112は、荷電粒子源102の隣又は上に取り付けられることによって、光ビーム114がサンプル108の表面に対して約90°の入射角度でサンプル108へ入射する。ホルダーが取り付けられた構成100Cでは、図1Cに示されるように、光源112が(2つの部分を有するホルダー106Aとステージ106Bとを含む)ホルダー106内又は上に取り付けられることによって、光ビーム114がサンプル108の表面に対して約30〜60°の入射角度でサンプル108に入射する。ガイド付きの銃が取り付けられた構成100Dでは、図1Dに示されるように、(例えば、光ファイバー及び結合部品を含む)ガイド118は、(ケーシング110の外側にある)光源112に接続されている。又、光ガイド118は、荷電粒子源102の隣又は上に取り付けられることによって、光ビーム114がサンプル108の表面に対して約90°の入射角度でサンプル108に入射する。ガイド付きのホルダー構成100Eでは、図1Eに示されるように、光ガイド118は、(ケーシング110の外側にある)光源112に接続されている。光ガイド118は、(2つの部分を有するホルダー106Aとステージ106Bとを含む)ホルダー106内又は上に取り付けられることによって、光ビーム114がサンプル108の表面に対して約30〜60°の入射角度でサンプル108に入射する。
図2に示されるように、光源システムの端部、例えば、LEDを配列した光源112は、サンプルホルダー106に取り付けることができる。このような取り付けは、例えば、サンプルホルダー206を含む第1面204と、第1面204から見える位置に光源112を取り付けるロケーションマウント210を含む第2面208と、を有する2つの部分のサンプルホルダー202を用いて行うことができる。第2面208は、例えば、サンプル位置206を見下ろすように、約60°の角度に傾斜した傾斜面であってもよい。サンプルホルダーの例では、光ビーム114に対して約60°の傾斜角度を有しており、光源112とサンプル108の位置との間の距離が約9mmであってもよい。
光源システムは、装置100内に取り付けられ、且つ制御されることによって、荷電粒子源102を同時に使用することができる。ケーシング110内での、光源システム及び光源112の位置及び向きは、市販のイメージングツール及びファブリケーションツールに応じて異なってもよい。例えば、Raith社のEBLツール及びIBLツールでは、光源112は、サンプル108の上方にあってもよい。別の例では、例えば、日立、JEOL USA社、又はFEI社のデュアルビームFIBツールでは、サンプル108に対して傾斜させた角度で光ビーム114を導くように、光源112を取り付けることができる。
装置100は、光源システム(特に、光源112、及びガイド部品のアクティブ要素(例えば、アクティブミラー、アクティブフィルターなど))に接続されたコントローラ116を含み、光ビーム114の光パワー(及び強度)を制御するか、及び/又は光ビーム114の光波長を制御する(又、ある場合では、サンプル108に対する光スポットの位置を制御する)。コントローラ116は、光源及びアクティブ光学部品のために1つ又は複数の市販の電子コントローラを含んでもよい。コントローラ116は、例えば、荷電粒子ビーム104を使用して表面電荷を表面上の異なる位置に導いた場合、例えば、表面電荷の空間制御又は変更のために、サンプル表面上の光ビーム114からの光スポットの位置を制御すること、即ち導くことができる。ビームを導くことは、例えばミラーなどのガイド部品を用いて行うか、又は例えばLED等の光源112を移動させることによって行うことができる。通常では、イオンビームスポットの大きさ及び位置を比べて、光スポットを大きくして、固定する。
光源112は、光ビーム114の1つ又は複数のサブビームの中に異なる複数の光波長を生成してもよい。光源112は、(複数のサブコントローラを含む)コントローラ116によって制御される異なる複数のソースを含んでもよい。異なる複数のソースは、ケーシング110内の異なる位置に配置されてもよいし、それぞれ異なる光波長で操作されてもよいし、光ビーム114内の(同一線上にあってもよいか、又は同一線上になくてもよい)異なる光サブビームを生成してもよい。光ビーム114内に異なる複数の光波長を有することによって、装置100は、例えば、サンプル内の異なる材料、及び/又は荷電粒子ビーム104内の異なる荷電粒子、及び/又は荷電粒子ビームによって引き起こされる様々な欠陥及びトラップ効果が原因でサンプル108の異なるエネルギーレベルでトラップされた電子を放出することができる。
装置100は、ケーシング110内、例えば、サンプル108の表面の近く、且つ上方で、荷電粒子ビーム104又は光ビーム114を塞がないように取り付けられた複数の電極118を含んでもよい。これにより、光ビームによって自由状態にされた電子を収集又は回収することができる。電極118は、直流電子制御装置によって電気的に正にバイアスされてもよい。
方法
装置100を製造する方法は、少なくとも以下のステップを含む。
光源システムが荷電粒子ビーム104を塞がない又はブロックしないように、(光源112と、光ビーム114をガイドする導光部品とを含む)光学システムを、荷電粒子源102とサンプルホルダー106とを有するファブリケーションツール又はイメージングツールのケーシング110内部又はケーシング110に取り付けると共に、荷電粒子ビームの入射領域を少なくとも覆い(且つ十分に大きくする)、(電荷変更の効果を向上させるために)ブルースター角で、又はブルースター角近くで、領域(「光スポット」と言われる)内のサンプル上に光ビーム114を方向付けるように、光学システムを取り付ける。ここで、角度は、(それが銃の近くに取り付けられたときの)89.9°と(それがサンプルホルダーに取り付けられたときの)0.1°との間に位置するように選択されてもよい。それは、光ビーム114を方向付けるために、ケーシング110内部又はケーシング110へ導光部品(例えば、ミラー、レンズ及び光ファイバー)を取り付けると共に配置するステップを含んでもよい。これによって、光スポットがサンプル表面の十分な領域を照らすことができるため、イオンビームスポットの位置に悪影響を及ぼす電子電荷を変更することができる。
(例えば、サンプル表面の材料から電子を開放することによって、)表面電荷を変更するために、光ビーム114内に1つ又は複数の波長を含むように光源112を構成する。
あるファブリケーションツール又はイメージングツールのために表面電荷の十分な変化を提供するために、光ビーム114の強度又は強度の領域を提供する(例えば、粒子ビーム104内の荷電粒子の割合を考慮した、サンプル108の表面上の粒子ビーム104のスポットサイズなど)ように光源112を構成する。
コントローラ116と光源112との間の電気通信を可能にするため、コントローラ116を光源112に電気的に接続する。
装置100を使用して荷電粒子のビームによって照射されたサンプルの電子電荷を変更する方法は、少なくとも以下のステップを含む。
表面を撮像(イメージング)するため、又は表面をミリングするために/形成するために、荷電粒子ビーム104を用いてサンプルホルダー106の上に取り付けられたサンプル108の表面上にイオンビームスポット(領域)を照射する。
(例えば、表面から電子を取り除くことによって)少なくとも光スポット内のサンプル内及び/又はサンプル上の電荷分布を変更するために、光ビーム114を用いてサンプル108の表面上に光スポット(領域)を照らす。ここで、光スポットは、イオンビームスポットと重なる(例えば、光スポットはイオンビームスポットに完全に囲まれると共に重なる)。これにより、荷電粒子のビームを用いたイメージング又はファブリケーションの空間解像度が向上する。
照射ステップ及び照らすステップは、同時に行われてもよいし、又は連続して行われてもよい。
電荷変更方法は、光強度、光波長、及び/又はサンプル108上の光スポットの位置を制御するステップを含んでもよい。このステップにより、例えば、イオンビームスポットをトレースしてパターン内の表面を横切って光スポットを動かすことによって、光スポットを荷電粒子ビーム104により生成された表面電荷を変更することができる。他の場合では、ソース112が固定されており、光ビーム114が粒子ビーム104を用いてサンプル108上を形成するか、又は撮像する間に覆われる領域よりも大きい領域を覆う。
実施例
実施例では、Raith社のIonLiNEを用いて、異なる材料のナノパターン表面に集束イオンファブリケーションを行った。十字の形状に設けられたナノホールパターンは、加工部位との間隔が約1μmであり、電荷誘導歪み(charging-induced distortions)試験を行うために使用された。典型的なイオンファブリケーション電流は、40μmの開口で約20pAであり、イオンビームは、35kVの電圧でサンプルの表面に20nmのスポットに集束させた。
実施例は、厚さ約50nm〜2mmの誘電体スラブである。放電実験で試験された材料は、強い帯電効果を示した。その材料は、TiO、ソーダ石灰およびホウケイ酸(BK7)ガラス、化学蒸着(CVD)ダイヤモンド、Al、Si、及びLiNbOを含む。図4に示すように、カプトンスペーサ402が、例示的なステージ404と例示的なサンプル406との間で使用されることによって、イオンファブリケーションを行っている間、他の効果(例えば、サンプル−サンプルホルダーインタフェースを介して逃げる電荷)と比べて照らすことによる電荷変更を最大限大きくした。前述の全ての材料について、UV照射有りとUV照射無しの条件で、カプトン分離パッドの上で帯電試験を行った。
約250nm〜290nmの波長を放射する例示的な深紫外線LED(deep-UV LEDs)が、例示的なLEDアンチチャージングガンに使用された。例示的なLEDは、約60°の傾斜角でサンプルを見下ろす傾斜面に取り付けられており、LEDから照射スポットまでの距離が約9mmであった。角度は、反射を最小にするために、ブルースター角に近くなるように選択された。LEDの発光パワーは、0〜20mA(100%)の駆動電流に比例した。
図3に示すように、電子は、例示的なサンプル表面から自由になる場合がある。電子は、イオンファブリケーションによって誘発されるトラップ及び欠陥から自由真空準位に励起される。バンドギャップはEであり、フェルミ準位はEである。電子の真空(自由)準位のエネルギーは、0eVである。UV光によって誘発可能な遷移は、図3において縦の矢印で示されている。
図5A及び図5Bは、チャージングの補償付き(5A)とチャージングの補償無し(5B)のTiO上のパターンのIBL画像を示す。イオンビームイメージングは、Raith社のIonLiNEによって行われた。
図6は、LEDアンチチャージングガンの照射において、異なる強度でTiOの表面上にミリングされたナノホールの位置マップを示す。パターンは、中央の四角部分の左上隅で計算上重ねた。最も離れたコーナーポイントの出発は、出発パラメータΔR=Δx+Δyを計算することによって設計上のポイントと比較した。第1の書き込みポイントは、パターンの左下隅の1つであった。帯電効果は、ファブリケーションの開始ポイントでパターンを重ねることによって評価することができる。しかしながら、第1ファブリケーションホールの誤差は、最も大きく、パターン全体を代表するものではない。図7に示すように、表面パターニングの忠実性は、ΔRαIをプロットすることによって、ライン702のように定量化される。ここで、最大電流20mAでのLEDの強度がILEDmaxである場合、正規化されたLEDの強度は、I=ILED/ILEDmaxである。ここで、ΔRの平均値は、パターンの8個のコーナーポイントのパターンの長さL(図6参照)に対して正規化されている。LEDアンチチャージングガンが強度80%より大きい状態で動作していたとき、ほぼ完璧な形状(設計通りの形状)を得ることができた。ファブリケーション後、アンチチャージングガンは、電源を切られ、(LEDアンチチャージングガンの無い)低電流でのIBLによってイメージングが行われ、(図7の水平ラインに示されるように、)帯電及びパターン歪みが残っていた。ファブリケーションの質及び電荷の変更の特性を明らかにするために、走査型電子顕微鏡(SEM)が使用された。イオンファブリケーションを行っている間帯電が強かった場合、歪みが大きく、予測不可能になり、(図5Aに示されるように)ファブリケーションが行われる領域全体に歪みが発生した。
(約5eVのエネルギーを有する)深紫外線電子の帯電動作は、ファブリケーション中に、重イオンであるGaイオンによって誘発されるトラップ及び欠陥にトラップされた電子の写真を参照して説明することができる。正電荷イオンは、第二電子の電子雪崩及びサンプルの前表面領域における欠陥を形成する(図3参照)。Gaイオンの加速電圧は、35keVまで上がり、欠陥を増大させることが予測できた。250nm及び260nmの波長は、同様の性能を示した(図7参照)。また、250nm及び260nmの波長は、TiO及びダイヤモンドの表面上で同様の照射面形状及びパワーを有していた。例示的なLEDは、光学系の焦点を合わせる必要がなかった。イルミネーションフラックス(illumination flux)が増大したので、ファブリケーション誤差が減少した(図7参照)。最大電流の80%で、歪みを完全に補償することができた。
ある基板は、帯電(チャージング)に強い、BK7ガラス、ダイヤモンド、Si、TiO及びAlを使用した。材料の電子仕事関数は、Alが4.3−5.5eV、SiOが4.4−5.5eV、Siが2.6eV、TiOが4.9−5.2eVであった。電荷変更の効果は、テスト用の最も短い250nmの波長の照明で表れた。異なる材料の公知の電子仕事関数は、イオン構造の表面からの放電効果の定量化において関連性が低くなった。なぜならば、イオンダメージにより生じる欠陥は、原子価又は伝導帯に近い異なるエネルギー位置にあるからである(図3参照)。したがって、(例えば、未処理の材料の場合にフェルミ準位からではなく、)表面から電子を除去するために、異なるUV波長が要求される。表1は、いくつかの実験のLED波長で、いくつかの材料のサンプルの電荷変更の定性的な一覧表を示す。マーカー(+)は、ミリングされた溝の幅よりも開始点と終了点の距離(ずれ)が小さい場合を示し、マーカー(−)は、ミリングされた溝の幅よりも開始点と終了点の距離が大きい場合を示す。O状の円が80%の電流に対応する照射の条件で、表面にミリングされた。帯電が存在する場合、開始点と終了点は、一致しなかった。最も長い波長の290nm(4.27eV)で、TiO(仕事関数が約5.0eV)において、部分的な電荷変更のみが観測された。図8は、TiOのデータ(表1)を示す。波長が大きくなったので、開始点と終了点との距離が大きくなり、λ>290nmのとき、UV照射による電荷変更に関する効果が小さくなった。

Gaイオンビームは、異なる材料、誘電体及び金属を介してミリングすることができる。又、Gaイオンビームは、複雑な3次元の微小形状でも使用可能である。例えば、金属の帯電が問題となる場合、誘電体の金属にイオン構造化することが望まれる。図9は、Alの仕事関数に近い(約4.1eV)、290nmのLED波長の下で、絶縁性のカプトンフィルムの上に置かれたアルミニウム箔のGaファブリケーションを示す。O形状に強い歪みが観察された。これは、より長い波長のUV照射によって電荷変更が不足したことを示す。より短い波長の条件では、目立った形状の歪みはなかった(表1)。Ni(5.01eV)では、λex>250nm(4.96eV)の波長に対して目立った電荷変更はなかった。即ち、電気的に絶縁された金属から過剰の電荷を除去するにあたって、光効果の影響の可能性を示す電荷変更は見られなかった。
解釈
当業者において、本発明の範囲から逸脱することなく、いくつかの変更を行うことは明らかである。
本明細書において、既に公開された刊行物(又はそれから得られる情報)の参照について、承認又は同意したものと解釈されるものではなく、そのように解釈されるべきではない。即ち、本明細書における参照について、既に公開された刊行物(又はそれから得られる情報)又は既知の事項が本明細書に関連する努力の分野における共通の一般知識の一部を形成することのなんらかの示唆があるものと解釈されるものではなく、そのように解釈されるべきではない。
関連出願
本出願は、2013年8月15日に出願されたオーストラリアの仮出願第2013903073号に関連する。オリジナルの明細書には、本明細書における参照によってその全体が引用されている。



  1. 荷電粒子を用いたイメージング又はファブリケーションのための装置であって、
    イオン又は電子の荷電粒子ビームを生成するように構成された荷電粒子源と、
    荷電粒子源と関連付けて取り付けられ、イメージング又はファブリケーションに用いられる荷電粒子ビーム内にサンプルを保持するサンプルホルダーと、
    光ビームを生成するように構成された光源システムと、
    を備え、
    光源システムは、光ビームをサンプル上へ方向付けるようにサンプルホルダーと関連付けて取り付けられる、これにより、イメージング又はファブリケーション中にサンプルの電子電荷を変更し、イメージング又はファブリケーションの空間分解能を向上させる、装置。

  2. 荷電粒子源が荷電粒子ビームを生成すると共に荷電粒子ビームをサンプル上へ方向付けると同時に、光源システムは、光ビームをサンプル上へ方向付けるように構成された、請求項1に記載の装置。

  3. 光源システムは、1つ又は複数の発光ダイオード(LED)、及び/又はレーザダイオードを含む光源を備え、
    光源システムは、光ビームを案内する導光部品、例えば、1つ又は複数の光ファイバーを含む、請求項1又は2に記載の装置。

  4. 光源システムは、深紫外線(UV)波長の光ビームを生成するように構成された、請求項1〜3のいずれか一項に記載の装置。

  5. 光源システムに接続されるコントローラを備え、
    コントローラは、光ビームの波長、及び/又は光ビームによって照射されるサンプル上の光スポットの位置を制御する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置。

  6. 荷電粒子源は、イオン源であり、
    荷電粒子ビームは、イオンを含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。

  7. 荷電粒子源及び/又はサンプルホルダーに接続されるアクチュエータを備え、サンプルホルダーは、荷電粒子ビームに対してサンプルを移動させるように構成される、これにより、ナノメートルスケールのファブリケーション又はイメージングを提供する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の装置。

  8. 当該装置内に取り付けられた電極を備え、
    電極は、帯電することによって、光ビームによってサンプルから放出された電子を捕捉する、請求項1〜7のいずれか一項に記載の装置。

  9. 光源システムは、サンプルから電子を取り除くための光ビームを生成するように構成された、請求項1〜8のいずれか一項に記載の装置。

  10. イオンビーム又は電子ビームを用いたイメージング又はファブリケーションツールのサンプルホルダーであって、
    光ビーム内に光を提供する光源システムを備え、
    光源システムは、サンプルホルダーに取り付けられると共にサンプル上に光ビームを投影するように配設され、
    光ビームは、ツールの荷電粒子ビームによって形成されるサンプル内の電荷キャリアを変更するように選択された波長を含む、サンプルホルダー。

  11. 表面電荷を変更するための装置を製造する方法であって、
    荷電粒子ビームを備えるイメージング又はファブリケーションのための装置に、光源システムを取り付けるステップを含み、
    光源システムは、光ビームを生成するように構成される、ここで、光ビームは、荷電粒子のビームによってサンプル内に生成された電荷を変更するように選択された波長を含み、これによりイメージング又はファブリケーションの空間分解能を向上させる、方法。

  12. 荷電粒子は、イオンである、請求項11に記載の方法。

  13. 荷電粒子のビームによって照射したサンプルの電子電荷を変更する方法であって、
    1つ又は複数の波長を含む光ビームを用いて、サンプルの表面を照らすステップ、ここで、前記1つ又は複数の波長は、荷電粒子のビームによってサンプル内に生成された電荷を変更するように選択され、これにより荷電粒子のビームを用いたイメージング又はファブリケーションの空間分解能を向上させる、
    を含む、方法。

  14. 荷電粒子は、イオンである、請求項13に記載の方法。

  15. 荷電粒子のビームを用いてサンプルの表面を照射すると同時に光ビームを用いてサンプルの表面を照らすステップを含む請求項13又は14に記載の方法。

 

 

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