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特開2024-28220集束粒子ビームを使用してサンプルを結像（ｉｍａｇｅ）および処理するためのデバイス
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024028220
(43)【公開日】2024-03-01
(54)【発明の名称】集束粒子ビームを使用してサンプルを結像（ｉｍａｇｅ）および処理するためのデバイス
(51)【国際特許分類】
H01J 37/18 20060101AFI20240222BHJP
H01J 37/16 20060101ALI20240222BHJP
H01J 37/04 20060101ALI20240222BHJP
H01J 37/09 20060101ALI20240222BHJP
H01J 37/05 20060101ALI20240222BHJP
H01J 37/317 20060101ALI20240222BHJP
H01J 37/28 20060101ALI20240222BHJP
G03F 1/74 20120101ALI20240222BHJP
【ＦＩ】
H01J37/18
H01J37/16
H01J37/04 Z
H01J37/09 A
H01J37/05
H01J37/317 D
H01J37/28 B
H01J37/28 Z
G03F1/74
【審査請求】有
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023133289
(22)【出願日】2023-08-18
(31)【優先権主張番号】10 2022 208 597.3
(32)【優先日】2022-08-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(71)【出願人】
【識別番号】503263355
【氏名又は名称】カール・ツァイス・エスエムティー・ゲーエムベーハー
(71)【出願人】
【識別番号】512158505
【氏名又は名称】カール ツァイス マイクロスコーピー ゲーエムベーハー
【氏名又は名称原語表記】Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ＧｍｂＨ
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭
(74)【代理人】
【識別番号】100120525
【弁理士】
【氏名又は名称】近藤 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100139712
【弁理士】
【氏名又は名称】那須 威夫
(74)【代理人】
【識別番号】100141553
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 信彦
(74)【代理人】
【識別番号】100196612
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 慎也
(72)【発明者】
【氏名】ダニエル シュワルツ
(72)【発明者】
【氏名】ダーヴィト レムレ
(72)【発明者】
【氏名】ミヒャエル シュネル
(72)【発明者】
【氏名】トーマス ベック
(72)【発明者】
【氏名】フロリアン ノイベルガー
【テーマコード（参考）】
2H195
5C101
【Ｆターム（参考）】
2H195BD36
5C101AA03
5C101AA07
5C101AA32
5C101BB01
5C101CC05
5C101CC17
5C101EE04
5C101EE38
5C101EE51
5C101EE57
5C101EE68
5C101EE70
5C101EE75
5C101FF02
5C101FF19
5C101FF22
(57)【要約】 （修正有）
【課題】集束粒子ビームを使用してサンプルを結像および処理するためのデバイスを提供すること。
【解決手段】本願は、（ａ）超高真空環境において構成された粒子源と、（ｂ）高真空環境においてサンプルを結像し、中真空環境においてサンプルを処理するように構成されたサンプルチャンバと、（ｃ）高真空環境に配置された粒子光学構成要素を有するカラムと、（ｄ）カラム内に配置された検出ユニットと、（ｅ）カラムの出口で終端し、集束粒子ビームとサンプルの局所的な化学反応を誘起できるようなプロセスガスを局所的に提供するように構成された、ガスラインシステムと、（ｆ）粒子ビームと、サンプルから発する粒子とが通過し、検出ユニットにおいて生じる圧力上昇を、１０倍以下、好ましくは５倍以下、より好ましくは３倍以下、最も好ましくは２倍以下に制限するように構成された圧力調整ユニットと、をそれぞれ少なくとも１つ備えるデバイスに関する。
【選択図】図４
【解決手段】本願は、（ａ）超高真空環境において構成された粒子源と、（ｂ）高真空環境においてサンプルを結像し、中真空環境においてサンプルを処理するように構成されたサンプルチャンバと、（ｃ）高真空環境に配置された粒子光学構成要素を有するカラムと、（ｄ）カラム内に配置された検出ユニットと、（ｅ）カラムの出口で終端し、集束粒子ビームとサンプルの局所的な化学反応を誘起できるようなプロセスガスを局所的に提供するように構成された、ガスラインシステムと、（ｆ）粒子ビームと、サンプルから発する粒子とが通過し、検出ユニットにおいて生じる圧力上昇を、１０倍以下、好ましくは５倍以下、より好ましくは３倍以下、最も好ましくは２倍以下に制限するように構成された圧力調整ユニットと、をそれぞれ少なくとも１つ備えるデバイスに関する。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
集束粒子ビーム（２５０）を使用してサンプル（１９０）を結像および処理するためのデバイス（４００、８００）であって、
ａ． 超高真空環境において粒子ビームを生成するように構成された少なくとも１つの粒子源（１１０）と、
ｂ． 前記サンプル（１９０）を収容するのに役立ち、高真空環境において前記サンプル（１９０）を結像し、中真空環境において前記サンプル（１９０）を処理するように構成された少なくとも１つのサンプルチャンバ（１７０）と、
ｃ． 高真空環境に配置され、前記粒子ビームから集束粒子ビーム（２５０）を成形し、前記集束粒子ビームを前記サンプル（１９０）に向けるように構成された少なくとも１つの粒子光学構成要素（１７５）を有する少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）と、
ｄ． 前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）内に配置され、前記サンプル（１９０）から発する粒子（３９０）を検出するように構成された少なくとも１つの検出ユニット（３５０）と、
ｅ． 前記カラム（４３０、８３０）からの前記集束粒子ビーム（２５０）の出口で終端し、前記集束粒子ビーム（１９０）が前記サンプル（１９０）を処理するために粒子ビーム誘起の局所的な化学反応を誘起できるような圧力を有する少なくとも１つのプロセスガス（８７０）を前記サンプル（１９０）において局所的に提供するように構成された少なくとも１つのガスラインシステム（１８０）と、
ｆ． 前記粒子ビームと、前記サンプル（１９０）から発する前記粒子（３９０）とが通過し、前記サンプル（２５０）の処理の結果として前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）において生じる圧力上昇を、前記サンプル（１９０）から発する前記粒子（３９０）の前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）へのアクセスを妨げることなく、１０倍以下、好ましくは５倍以下、より好ましくは３倍以下、最も好ましくは２倍以下に制限するように構成された少なくとも１つの圧力調整ユニット（４５０、８１０）とを備える、
デバイス（４００、８００）。
ａ． 超高真空環境において粒子ビームを生成するように構成された少なくとも１つの粒子源（１１０）と、
ｂ． 前記サンプル（１９０）を収容するのに役立ち、高真空環境において前記サンプル（１９０）を結像し、中真空環境において前記サンプル（１９０）を処理するように構成された少なくとも１つのサンプルチャンバ（１７０）と、
ｃ． 高真空環境に配置され、前記粒子ビームから集束粒子ビーム（２５０）を成形し、前記集束粒子ビームを前記サンプル（１９０）に向けるように構成された少なくとも１つの粒子光学構成要素（１７５）を有する少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）と、
ｄ． 前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）内に配置され、前記サンプル（１９０）から発する粒子（３９０）を検出するように構成された少なくとも１つの検出ユニット（３５０）と、
ｅ． 前記カラム（４３０、８３０）からの前記集束粒子ビーム（２５０）の出口で終端し、前記集束粒子ビーム（１９０）が前記サンプル（１９０）を処理するために粒子ビーム誘起の局所的な化学反応を誘起できるような圧力を有する少なくとも１つのプロセスガス（８７０）を前記サンプル（１９０）において局所的に提供するように構成された少なくとも１つのガスラインシステム（１８０）と、
ｆ． 前記粒子ビームと、前記サンプル（１９０）から発する前記粒子（３９０）とが通過し、前記サンプル（２５０）の処理の結果として前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）において生じる圧力上昇を、前記サンプル（１９０）から発する前記粒子（３９０）の前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）へのアクセスを妨げることなく、１０倍以下、好ましくは５倍以下、より好ましくは３倍以下、最も好ましくは２倍以下に制限するように構成された少なくとも１つの圧力調整ユニット（４５０、８１０）とを備える、
デバイス（４００、８００）。
【請求項2】
前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）の領域において、前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）は、＜１０-5ミリバール、好ましくは＜３・１０-6ミリバール、より好ましくは＜１０-6ミリバール、最も好ましくは＜３・１０-7ミリバールの圧力を有する、請求項１に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項3】
前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）は、真空ポンプポート（１５５）、および／または、前記サンプルチャンバ（１７０）への少なくとも１つの圧力タイプのバイパスポート（１５５）を備える、請求項１または２に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項4】
前記サンプル（１９０）は、フォトリソグラフィマスクを備える、請求項１～３のいずれか１項に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項5】
前記少なくとも１つのガスラインシステム（１８０）は、１ミリバールから０．００１ミリバール、好ましくは０．６ミリバールから０．００３ミリバール、より好ましくは０．３ミリバールから０．００６ミリバール、最も好ましくは０．１ミリバールから０．０１ミリバールの範囲の圧力で、前記少なくとも１つのプロセスガス（８７０）を前記サンプル（１９０）において局所的に提供するように構成される、請求項１～４のいずれか１項に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項6】
前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）は、シンチレーションカウンタ、特にエバーハートソーンリー検出器、および／または半導体検出器、特に直接電子検出器を備える、請求項１～５のいずれか１項に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項7】
以下のグループ、すなわち、磁気プリズム（３１０）、磁気シケイン、およびウィーンフィルタからの少なくとも１つの要素をさらに備え、前記少なくとも１つの要素は、前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）に配置され、前記サンプル（１９０）から発する前記粒子（３９０）を、前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）に誘導するように構成される、請求項１～６のいずれか１項に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項8】
前記少なくとも１つの圧力調整ユニット（４５０、８１０）は、以下のグループ、すなわち、前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）に配置された差動ポンプ圧力ステージ（４５０）と、前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）からの前記集束粒子ビーム（２５０）の前記出口において前記少なくとも１つのガスラインシステム（１８０）の上に配置された少なくとも１つの絞り（８１０）とからの少なくとも１つの要素を備える、請求項１～７のいずれか１項に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項9】
前記粒子ビーム（２５０）のビーム方向において、前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）は、前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）における対物レンズ（１７５）の裏側焦点面の領域に配置される、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項10】
前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）のチャンバ（４１０）の真空ポート（４６５）をポンピングするためのターボ分子ポンプをさらに備える、請求項８または９に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項11】
前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）のチャンバ（４１０）は、前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）の前記チャンバ（４１０）をポンピングするための前記サンプルチャンバ（１７０）への圧力タイプのバイパスポート（４６５）を備える、請求項８または９に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項12】
前記粒子ビームのビーム方向において、前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）は、前記カラム（４３０、８３０）の前記真空ポンプポート（３５５）の上流に配置される、請求項８～１１のいずれか１項に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項13】
前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）の入口領域（４７０）は、１ｍｍから３ｍｍ、好ましくは１．３ｍｍから２．７ｍｍ、より好ましくは１．６ｍｍから２．４ｍｍ、最も好ましくは１．９ｍｍから２．１ｍｍの直径と、５ｍｍから２５ｍｍ、好ましくは７ｍｍから１８ｍｍ、より好ましくは８ｍｍから１４ｍｍ、最も好ましくは９ｍｍから１１ｍｍの範囲の長さとを有する圧力ステージ管（４８０）を備える、請求項８～１２のいずれか１項に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項14】
前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）の出口領域（３７０）は、２ｍｍから４ｍｍ、好ましくは２．３ｍｍから３．７ｍｍ、より好ましくは２．６ｍｍから３．４ｍｍ、最も好ましくは２．９ｍｍから３．１ｍｍの直径と、２０ｍｍから３６ｍｍ、好ましくは２３ｍｍから３３ｍｍ、より好ましくは２６ｍｍから３０ｍｍ、最も好ましくは２７ｍｍから２９ｍｍの範囲の長さとを有する圧力ステージ管（３８０）を備える、請求項８～１３のいずれか１項に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項15】
前記少なくとも１つの絞り（８１０）は、調整可能な開口部（８２０）を有する、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項16】
前記少なくとも１つの絞り（８１０）は、前記開口部（８２０）を調整するように構成された少なくとも１つの圧電アクチュエータを備える、請求項８または１５に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項17】
前記少なくとも１つの絞り（８１０）に静電位を印加するように構成された電圧源をさらに備える、請求項８、１５または１６に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項18】
前記絞り（８１０）の前記開口部（８２０）は、サンプル表面（１９７）から前記開口部（８２０）の距離（８３０）より大きく、好ましくは１．５倍、より好ましくは１．８倍、最も好ましくは２．０倍大きい、請求項８または１５～１７のいずれか１項に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項19】
前記開口部（８２０）は、１００μｍから３０００μｍ、好ましくは１３０μｍから２０００μｍ、より好ましくは１６０μｍから１０００μｍ、最も好ましくは２００μｍから６００μｍの範囲を備える、請求項１５～１８のいずれか１項に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項20】
電荷補償グリッド（１９５）は、前記電荷補償グリッド（１９５）のグリッド穴のサイズの半分である、前記サンプル表面（１９７）からの距離を有する、請求項１９に記載のデバイス（４００、８００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
相互参照
本特許出願は、２０２２年８月１８日にドイツ特許商標庁に提出され、参照によりその全体が本出願に組み込まれる「Vorrichtung zum Abbilden und Bearbeiten einer Probe mit einem fokussierten Teilchenstrahl」と題されたドイツ特許出願ＤＥ１０２０２２２０８．５９７．３号の優先権を主張する。
本特許出願は、２０２２年８月１８日にドイツ特許商標庁に提出され、参照によりその全体が本出願に組み込まれる「Vorrichtung zum Abbilden und Bearbeiten einer Probe mit einem fokussierten Teilchenstrahl」と題されたドイツ特許出願ＤＥ１０２０２２２０８．５９７．３号の優先権を主張する。
【0002】
本発明は、集束粒子ビーム(focused particle beam)、特に電子ビーム(electron beam)を使用してサンプルを結像および処理するためのデバイスに関する。
【背景技術】
【0003】
ナノテクノロジの進歩により、構造要素がますます小型化された構成要素を製造できるようになった。マイクロスケールまたはナノスケールの構成要素のチップ構造の表示および処理(processing)には、これらのチップ構造を結像および修正できるツールが必要である。
【0004】
顕微鏡は、ナノ構造を結像するための強力なツールである。顕微鏡では、粒子ビームは通常、分析および／または処理されるサンプルと相互作用する。たとえば電子など、質量を有する粒子を使用してサンプルを走査する顕微鏡は、粒子のドブロイ波長がその粒子ビームにおいて短いため、サンプル上で粒子ビームを走査することによって、ナノ構造を結像するときに、高く回折制限された分解能を有する。例として、電子ビームは、現在、１桁のナノメートル範囲の直径に焦点を合わせることができる。
【0005】
走査型電子顕微鏡は通常、真空、つまり高真空（ＨＶ）条件下で動作するため、その電子ビームは、電子源から、サンプルに入射するまでの経路上で、分子との相互作用により散乱され、結果として広がることはない。電子ビームのための電子の生成は、たとえば、ショットキー陰極における電界放出の結果として、超高真空（ＵＨＶ）環境において実施される。
【0006】
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）またはイオンビーム（ＦＩＢ）顕微鏡または粒子ビーム顕微鏡は、一般に、サンプルの結像のみならず、サンプルの局所的な処理にも使用できるように修正できる。この目的を達成するために、プロセスガスまたは前駆体ガスが、サンプルに適用され、局所的なエッチングまたは堆積反応が起こるように、集束粒子ビームの助けを借りて活性化される。集束粒子ビームが、局所的な化学反応を開始し維持できるように、サンプル表面において、前駆体ガス粒子の最小量または局所的な最小濃度が必要とされる。通常、使用されるプロセスガスに応じて、反応場所における局所ガス濃度が増加すると反応速度が増加するため、プロセスガスの局所濃度は、可能な限り高いことが望ましい。
【0007】
しかしながら、ＳＥＭまたはＦＩＢ顕微鏡にプロセスガスを導入すると、そのＨＶ環境が損なわれる。その結果、生じるいくつかの困難が、以下に簡潔に触れられる。
【0008】
プロセスガスおよび／またはその反応生成物の一部は、以下、粒子ビームカラムまたはカラムとも略される光学システムまたは粒子光学システムに入り込む可能性があり、そこで、たとえば、粒子ビーム源および／または粒子検出器など、異なる構成要素に、一時的または永久的な損傷を引き起こす可能性がある。ＳＥＭは、カラムと略される電子ビームカラムの形態で、粒子ビームカラムを有する。
【0009】
集束粒子ビームは、プロセスガスおよび／またはその反応生成物の粒子で散乱される。その結果、粒子ビームが広がり（「ビームスカート」）、局所的な化学反応の横方向の空間分解能が低下する。さらに、結果として生じるビームスカートにより、局所的な化学反応の制御がより困難になる。
【0010】
さらに、たとえば、サンプル付近の電子光学対物レンズなど、高い電界強度が存在する場所におけるガス放電は、対物レンズおよび／またはその電圧供給に損傷を与える可能性がある。
【0011】
プロセスガスまたは前駆体ガスは、有害なガスを含む場合がある。安全性の観点から、ガスフローが多いためにＳＥＭまたはＦＩＢシステムのガス容器を頻繁に交換することは望ましくない。
【0012】
これらの相反する要求を満たすために、様々なソリューションが開発されてきた。たとえば、米国特許出願公開第２００５／０１９９０８６号は、処理されるサンプルにおいて荷電粒子ビームの周囲にプロセスガスを対称的に導くことを可能にする特別な形状のガスラインシステムを説明している。米国特許第６８７２９５６号は、フォアポンプ、２つのターボ分子ポンプ、およびイオンゲッタポンプを備えたカスケードタイプのポンプ構成を説明している。米国特許第９０７０５３３号は、供給を要するプロセスガスの量を最小限に抑えるために、サンプル上に配置され、ガスが供給されるプロセスシュラウドを、ＳＥＭの真空チャンバに挿入することを論じている。
【0013】
米国特許第８９２１８１１号は、専用のサンプルホルダ、ガス入口およびガス出口、さらに荷電粒子ビームのための穴を備えたプロセスセルを説明している。プロセスセルは、サンプル処理に必要なガスの量を低減する。プロセスセルに関連する追加の出費とは別に、その使用は、小さなサンプルに限定される。
【0014】
カラム内のプロセスガスおよび／またはその反応生成物によって引き起こされる圧力上昇を制限するためのさらなる実施形態では、デバイスのカラムは、顕微鏡のＨＶ環境への１つまたは複数の穴を有する。先行技術では、たとえば、光学構成要素または粒子光学構成要素、絞り、イオンゲッタポンプなどの高感度な部品をさらに保護するために、顕微鏡のカラムを、圧力に関して２つの部分に分割する、圧力ステージ管を使用しており、これらは、高真空を連続的に維持するために非常に重要であり、特に、電界放出のために使用されるショットキー陰極を保護する。圧力ステージ管は、コリメートされた粒子ビームの通過を可能にする、長く（たとえば、１５ｍｍ）、薄い（たとえば、直径１ｍｍ）管である。圧力ステージ管は、分子フロー圧力領域における前駆体ガスおよび／またはその反応生成物の粒子のコンダクタンスを大幅に（たとえば、窒素の場合は０．０１ｌ／秒まで）低減する。圧力ステージ管を通過できるプロセスガスの割合は０．１％程度である。この残留成分は、ショットキー陰極の上流に接続されたイオンゲッタポンプを使用してシステムから除去される。
【0015】
しかしながら、このソリューションは、まだいくつかの欠点を有する。圧力ステージ管は、装置の上部からカラムの下部の圧力に関して良好な分離を提供できるように、できるだけ長く、小さい直径を有するべきである。しかしながら、これらの要求は、プロセスガスおよび／またはその反応生成物の粒子の吸着により、またはカラムからの他の汚染物質の堆積により、圧力ステージ管を通過する粒子ビームのビーム品質の低下につながる。例として、これらは、粒子ビームの傷痕および／またはドリフトを引き起こし得る。これらの影響により、顕微鏡のプロセスの安定性を大幅に低下させ得る。
【0016】
圧力ステージ管の直径が小さいため、サンプルの結像のために使用される検出器を、圧力ステージ管の下に取り付ける必要がある。サンプルから発せられ、検出目的に使用される粒子は、サンプルに導かれた一次集束粒子ビームよりも大幅に大きな立体角を有する。検出器は、高濃度の腐食性ガスに対する耐性を有する必要があるので、検出器の配置を顕微鏡内に制限して、使用可能な検出器タイプの数を制限する。さらに、顕微鏡の対物レンズの下の空間に関する問題もあり、対物レンズとサンプルとの間の距離を最小限に抑えることで、分解能を最大化できる。
【0017】
粒子衝突によって引き起こされるサンプルへの損傷を最小限に抑え、局所的な化学反応の横方向の広がりを制限するために、低運動エネルギ粒子のサンプル上への入射が好ましい。しかしながら、特にサンプル上の粒子ビームの粒子の入射エネルギが低い場合には、サンプルから発するすべての粒子、特に、一次粒子ビームのビーム方向に対して、サンプルから小さな極角で発する粒子を検出することが望ましい。しかしながら、この目的のために、粒子ビームに対して実質的に逆平行に移動する粒子を、粒子ビームから空間的に分離する必要がある。長くて、しっかりとした上記の圧力ステージ管は、サンプルから発する粒子のかなりの部分の通過を阻止する。しかしながら、圧力ステージ管の短縮化および／または拡幅は、修正された圧力ステージ管の上の領域の圧力が上昇し、たとえばイオンゲッタポンプがそれ以上動作できなくなるレベルまで上昇する。
【0018】
劣悪なＨＶ条件は、圧力ステージ管の下のカラムの領域で一般的である。これは、粒子ビームがサンプルまでの経路のかなりの部分でガス粒子との相互作用に曝されることを意味する。それによって引き起こされる粒子ビームの粒子の散乱は、その焦点直径の拡幅をもたらす。
【0019】
したがって、本発明は、集束粒子ビームを使用したサンプルの結像および処理を改善することを可能にするデバイスを特定する問題に取り組む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0020】
【特許文献1】米国特許出願公開第２００５／０１９９０８６号
【特許文献2】米国特許第６８７２９５６号
【特許文献3】米国特許第９０７０５３３号
【特許文献4】米国特許第８９２１８１１号
【発明の概要】
【0021】
本発明の例示的な実施形態によれば、この問題は、本出願の独立請求項１の主題によって少なくとも部分的に解決される。例示的な実施形態は、従属請求項に説明されている。
【0022】
実施形態では、集束粒子ビームを使用してサンプルを結像および処理するためのデバイスは、（ａ）超高真空環境(ultrahigh vacuum environment)において粒子ビームを生成するように構成された少なくとも１つの粒子源(particle source)と、（ｂ）サンプルを収容するのに役立ち(serve)、高真空環境においてサンプルを結像し、中真空環境においてサンプルを処理するように構成された少なくとも１つのサンプルチャンバと、（ｃ）高真空環境に配置され、粒子ビームから集束粒子ビームを成形し(shape)、前記集束粒子ビームをサンプルに向ける(direct)ように構成された少なくとも１つの粒子光学構成要素(particle-optical component)を有する少なくとも１つのカラム(column)と、（ｄ）少なくとも１つのカラム内に配置され、サンプルから発する(emanating)粒子を検出するように構成された少なくとも１つの検出ユニットと、（ｅ）カラムからの集束粒子ビームの出口で終端し、集束粒子ビームが、サンプルを処理するために粒子ビーム誘起の局所的な化学反応(particle beam-induced local chemical reaction)を誘起できるような圧力を有する少なくとも１つのプロセスガス(process gas)をサンプルにおいて局所的に提供するように構成された、少なくとも１つのガスラインシステムと、（ｆ）粒子ビームと、サンプルから発する粒子とが通過し、サンプルの処理の結果として少なくとも１つの検出ユニットにおいて生じる圧力上昇を、サンプルから発する粒子の少なくとも１つの検出ユニットへのアクセスを妨げることなく、１０倍以下、好ましくは５倍以下、より好ましくは３倍以下、最も好ましくは２倍以下に制限するように構成された少なくとも１つの圧力調整ユニットとを備えている。
【0023】
検出ユニットは（少なくとも）高真空（ＨＶ）環境で連続的に使用されるため、サンプルの処理時に発生する可能性のある腐食性ガスの作用に曝されることはほとんどない。この境界条件を排除した結果、サンプルの結像に使用できる検出器の範囲が増加した。さらに、たとえば検出器表面へのガス粒子の吸着による検出ユニットの汚染が、効果的に阻止される。さらに、カラムの感度の高い光学構成要素または粒子光学構成要素は、変化しないＨＶ条件の結果として、生じる可能性のある汚染から、あるいは損傷からさえも保護される。
【0024】
同時に、本発明による圧力調整ユニットは、サンプルから発する実質的にすべての粒子が、検出ユニットに妨げられずにアクセスできるようにする。これにより、サンプルの現実的な結像が可能になる。さらに、集束粒子ビームのビーム品質は、圧力調整ユニットを通過する間に損なわれない。これにより、プロセス安定性の低下を回避できる。したがって、本発明によるデバイスは、サンプルを、高い局所プロセスガス濃度で処理することを可能にし、同時に、感度の高い粒子光学構成要素の汚染、あるいは損傷さえも阻止し、したがって、サンプルの高品質での結像を可能にする。
【0025】
中真空（微真空；ＦＶ）は、１ミリバールすなわち１００Ｐａから、１０-3ミリバールすなわち０．１Ｐａまでの圧力範囲を含む。ＨＶ領域は、ＦＶ領域に隣接しており、１０-3ミリバールから１０-8ミリバールまでの圧力範囲を含む。超高真空（ＵＨＶ）ではさらに低い圧力、具体的には１０-8ミリバールから１０-11ミリバールが発生する。大気圧または常圧および標準条件（１０１３．２５ミリバール、２９８Ｋ）から進むと、ＦＶ領域におけるガス粒子の平均自由行程長は、典型的な真空容器の寸法を超える数値に達し、最初は、粘性のあるガスフローが、クヌーセンフローを介して、分子ガスフローの領域に移行する。分子フロー領域では、ガス粒子はもはや互いに相互作用せず、真空容器の壁とのみ相互作用する。本発明によるデバイスでは、ガス粒子の分子フローが形成される圧力条件は、サンプルが処理される場所を除いて、どこでも一般的である。
【0026】
粒子ビームの粒子は、たとえばフォトンの場合、静止質量（ｍ0＝０ｋｇ）のない粒子であり得るか、または、たとえば、電子、イオン、原子、または分子などの静止質量（ｍ0＞０ｋｇ）を有する粒子を備え得る。現在、電子ビームが好適である。一方、電子は、静止質量が低いためドブロイ波長が短く、小さなスポット直径に焦点を合わせることができる一方、たとえば、イオン衝撃とは異なり、電子をサンプルに照射することによって、サンプルに損傷をもたらさないか、または非常にわずかな損傷しかもたらさない。粒子光学構成要素という用語は、静止質量のない粒子、たとえば光子を、および／または、静止質量を有する粒子、たとえば電子を、整形して集束粒子ビームを形成できる構成要素を備えている。
【0027】
サンプルから発する粒子は、光子、電子、および／またはイオンである可能性がある。サンプルから発する粒子は、二次電子（ＳＥ）、および／または、サンプルから後方散乱された電子（ＢＥ；後方散乱電子）を含むことが好ましい。それに加えて、必要に応じて、サンプルによって放射される光子を使用して、サンプルを分析することができる。
【0028】
サンプルに入射する粒子のタイプは、検出ユニットによって検出される粒子のタイプと同じであり得る。しかしながら、第１および第２の粒子タイプは、異なる粒子タイプを示す場合に、第１の粒子タイプがサンプルに入射し、第２の粒子タイプが検出ユニットによって検出されることも可能である。例として、第１の粒子タイプは、光子および／またはイオンを含むことができ、第２の粒子タイプは、電子を含むことができる。
【0029】
少なくとも１つの検出ユニットの領域において、処理プロセスが実行されない場合、少なくとも１つのカラムは、＜１０-5ミリバール、好ましくは＜３・１０-6ミリバール、より好ましくは＜１０-6ミリバール、最も好ましくは＜３・１０-7ミリバールの圧力を有し得る。
【0030】
本発明によるデバイスは、検出ユニットがＨＶ環境において連続的に動作することを可能にする。これにより、検出ユニットにおいて使用できる検出器の範囲が広がる。
【0031】
少なくとも１つのカラムの少なくとも１つの粒子源の領域では、サンプルの処理の結果としての圧力上昇は、＜１０-8ミリバール、好ましくは＜５・１０-9ミリバール、より好ましくは＜１０-9ミリバール、最も好ましくは＜１０-10ミリバールに留まり得る。
【0032】
少なくとも１つのカラムは、真空ポンプポートを備え得るか、および／または、サンプルチャンバへの少なくとも１つの圧力タイプのバイパスポート(pressure-type bypass port)を備え得る。
【0033】
サンプルチャンバは、真空ポンプのための少なくとも１つのポートを備える。プロセスガスを導入せずに、真空ポンプは、サンプルチャンバ内の圧力を、ＨＶ領域における圧力、通常は、約１０-5ミリバールから１０-7ミリバールまで下げる。プロセスガスを導入し、プロセスガスとサンプルとの反応生成物を生成する局所的な化学反応を開始した結果、サンプルチャンバ内の局所的な圧力が上昇する。未反応のプロセスガスと、生成された反応生成物の一部は、サンプルチャンバの真空ポンプポートを介してサンプルチャンバから除去される。
【0034】
少なくとも１つの真空ポンプポート、および／または、サンプルチャンバへの少なくとも１つの圧力タイプのバイパスポートは、少なくとも１つのカラムの下部に配置できる。
【0035】
局所的な化学反応は、カラムからの集束粒子ビームのビーム出口のすぐ近くで発生するため、プロセスガスおよび生成された反応生成物の一部が、デバイスのカラムに入り込む可能性がある。反応性のある、または非常に反応性の高い、プロセスガスの粒子や、腐食作用のある反応生成物は、カラムに配置されている高感度の粒子光学構成要素の汚染や、損傷さえも避けるために、できるだけ迅速にカラムから除去する必要がある。この目的のために、カラムは、真空ポンプのための少なくとも１つのポートを備える。この真空ポンプポートは、プロセスガスおよび／またはその反応生成物が、カラムの上部に進入するのを阻止するために、カラムからの粒子ビームの出口にできるだけ近く配置される。専用の真空ポンプの代わりに、カラムの真空ポンプポートを、サンプルチャンバの圧力タイプのバイパスポート（バイパス）に接続し、サンプルチャンバの真空ポンプによってポンピングすることができる。
【0036】
以下において、カラムの下部について言及する場合、これは、集束粒子ビームがカラムから出るカラムの部分を意味する。カラムの上部は、粒子ビーム源の粒子がカラムに入る部分を示す。この規則を使用すると、粒子ビームのビーム方向は、デバイスのカラムを上から下に通過する。
【0037】
このデバイスはまた、少なくとも１つのサンプルチャンバにポンピングする(pump)少なくとも１つのターボ分子ポンプ(turbomolecular pump)を備え得る。同様に、ターボ分子ポンプを、サンプルチャンバの真空ポンプポートに接続してもよい。入口領域では、ターボ分子ポンプは、ガス粒子がすでに分子フローを示す圧力を必要とする。この真空ポンプのタイプは、ＵＨＶ領域において圧力を生成できる。
【0038】
サンプルは、フォトリソグラフィマスクを備え得る。
【0039】
現在のフォトリソグラフィマスクは通常、横方向の寸法が１５２ｍｍ×１５２ｍｍである。フォトマスクを処理できるようにするために、本発明によるデバイスのサンプルチャンバは、マスクを収容できるように十分な大きさである必要がある。さらに、サンプルチャンバにおけるサンプルホルダは、通常１４２ｍｍ×１４２ｍｍの活性領域上でフォトマスクを変位させることができる変位要素を備える。
【0040】
フォトマスク、またはより一般的にはサンプルの処理は、材料の局所的な除去を含み得る。この場合、プロセスガスは、少なくとも１つのエッチングガス、たとえば、二フッ化キセノン（ＸｅＦ2）または塩化ニトロシル（ＮＯＣｌ）を含む。サンプルの処理は、サンプル上への材料の局所的な堆積も含み得る。この目的のために、プロセスガスは、少なくとも１つの前駆体ガスを含む。前駆体ガスは、金属カルボニル、たとえばジコバルトオクタカルボニル（Ｃｏ2（ＣＯ）8）またはＴＥＯＳ（オルトケイ酸テトラエチル、Ｃ8Ｈ20０4Ｓｉ）を備え得る。プロセスガスはまた、サンプルのエッチング、および／または、サンプル上への材料の堆積を助ける添加ガスを備え得る。例として、添加ガスは、酸素（Ｏ2）またはアンモニア（ＮＨ3）を備え得る。
【0041】
少なくとも１つのガスラインシステムは、１ミリバールから０．００１ミリバール、好ましくは０．６ミリバールから０．００３ミリバール、より好ましくは０．３ミリバールから０．００６ミリバール、最も好ましくは０．１ミリバールから０．０１ミリバールの範囲の圧力で、少なくとも１つのプロセスガスをサンプルにおいて局所的に提供するように構成され得る。
【0042】
集束粒子ビームが、局所的な化学反応を引き起こすために必要なプロセスガスの最小局所圧力は、特定の反応に依存する。局所的な化学反応は、反応特有の最小ガス濃度を下回ると停止する。対照的に、可能な限り高いプロセスガスの局所圧力は、化学反応を加速するため、プロセス経済上の理由から有利である。しかしながら、プロセスガスと、それに関連するその反応生成物の高い局所圧力は、カラムにおけるＨＶ条件の一時的なブレークダウンと、カラムにおける感度の高い光学または粒子光学構成要素の汚染または劣化の前述した付随する不利な影響とに至る。
【0043】
少なくとも１つの粒子源は、０．１ｐＡから１０ｎＡ、好ましくは０．３ｐＡから３ｎＡ、より好ましくは１ｐＡから１ｎＡ、最も好ましくは３ｐＡから０．３ｎＡの電流強度を有する粒子ビームを生成するように構成され得る。
【0044】
少なくとも１つの粒子光学構成要素は、粒子ビームを、＜５ｎｍ、好ましくは＜２ｎｍ、より好ましくは＜１ｎｍ、最も好ましくは＜０．８ｎｍのスポット直径に集束させるように構成され得る。
【0045】
スポット直径は、Ｒ５０として定義され、これは、ビーム強度の５０％が収まる半径である。粒子ビーム誘起の化学反応を引き起こした結果、集束粒子ビームがサンプルを処理できる最小領域の半径は、約３から４倍大きくなる。
【0046】
少なくとも１つの検出ユニットは、シンチレーションカウンタ(scintillation counter)、特にエバーハートソーンリー検出器(Everhart-Thornley detector)、および／または半導体検出器、特に直接電子検出器(direct electron detector)を備え得る。
【0047】
本発明によるデバイスは、以下のグループ、すなわち、磁気プリズム、磁気シケイン(magnetic chicane)、およびウィーンフィルタ(Wien filter)からの少なくとも１つの要素をさらに備えることができ、少なくとも１つの要素は、少なくとも１つのカラムに配置され、サンプルから発する粒子を、少なくとも１つの検出ユニットに誘導する(steer)ように構成される。
【0048】
サンプルから発する粒子を、検出ユニットに誘導するために磁気プリズムを使用すると、特に、その軌道が、粒子ビームの方向に対して実質的に逆平行に進む粒子の検出が可能になる。サンプルから発する粒子のこの部分は、たとえば、レンズ内検出器は、サンプルに導かれた粒子ビームの通過のための穴を有するので、レンズ内検出器によって検出することができない。粒子ビーム、特に電子ビームの横方向の分解能を高めるために、粒子の着地エネルギ、つまり、粒子がサンプル表面に衝突するときの運動エネルギが、可能な限り低減される。これは、粒子がサンプルから発する立体角を減少させる。しかしながら、これは、集束粒子ビームに対して逆平行にサンプルから離れる粒子の部分が増加することも意味する。サンプルの記録された像の結像品質は、これらの粒子を検出できる本発明によるデバイスの検出ユニットによって向上する。
【0049】
本発明によるデバイスは、少なくとも１つのカラムの出口に配置され、サンプル上で集束粒子ビームを走査するように構成された少なくとも１つの電極をさらに備え得る。少なくとも１つの電極は、八極子電極を備え得る。
【0050】
さらに、本発明によるデバイスは、少なくとも１つのカラムの出口においてガスラインシステムの下に配置された電荷補償グリッドを備え得る。
【0051】
さらに、本発明によるデバイスのカラムは、ライナ管（ビーム案内管）を含み得、ライナ管の下部は、粒子ビーム出口の領域に挿入され、プロセスガスとその反応生成物による光学構成要素の汚染を阻止または低減するように構成されている。放射線管は、通常、金属管、たとえばアルミニウム管の形態で具体化され、数ミリメートル、たとえば４ｍｍから５ｍｍの直径を有し得る。静電位を、金属管に印加することができ、前記静電位は、電荷補償グリッドと組み合わせて、集束粒子ビームの粒子がサンプルに入射する運動エネルギを減少させる電場を生成する。金属管に電圧を印加することにより、集束粒子ビームの粒子は、１００ｅＶから１２００ｅＶ、好ましくは１３０ｅＶから１０００ｅＶ、より好ましくは１６０ｅＶから８００ｅＶ、より好ましくは２００ｅＶから６００ｅＶの範囲の運動エネルギまで減速できる。
【0052】
一方、集束粒子ビームの粒子の着地エネルギを減少させると、粒子が局所的な化学反応を引き起こす領域が減少する。他方、運動エネルギを減少させると、プロセスガスを導入した結果として、大きな圧力または大きな粒子密度が生成される領域で、集束粒子ビームの粒子が、プロセスガスまたはその反応生成物の分子上で散乱する確率が増加する。これにより、局所的な化学反応の（側方）制御が損なわれる。
【0053】
直径が大きいため、ライナ管は、圧力ステージのように機能するのは、ほんのわずかであり、通常、圧力を、約１倍に下げることができる。
【0054】
少なくとも１つの圧力調整ユニットは、以下のグループ、すなわち、少なくとも１つのカラムに配置された差動ポンプ圧力ステージ(differentially pumped pressure stage)と、少なくとも１つのカラムからの集束粒子ビームの出口において少なくとも１つのガスラインシステムの上に配置された少なくとも１つの絞り(stop)とからの少なくとも１つの要素を備え得る。
【0055】
圧力調整ユニットの両実施形態は、カラムにおける検出ユニットの位置においてＨＶ条件の顕著なブレークダウンがないことを可能にする。すなわち、その上のカラムの一部における検出ユニットおよびさらなる光学構成要素が、腐食性ガス粒子から大部分保護される。同時に、サンプルから発する粒子は、検出ユニットへの経路に沿って実質的に妨げられず、それにより、集束粒子ビームによるサンプルの結像の品質が向上する。
【0056】
この場合、「実質的に」という表現は、個々の粒子が、電荷補償グリッドで粒子ビームのビーム軸から離れて大きな角度で散乱され、したがって、これらが、カラムの穴に入ることができないことを意味する。さらに、電荷補償グリッドに負の静電位（たとえば、２０Ｖから２００Ｖ）を印加すると、運動エネルギがこの電位障壁を乗り越えるのに十分ではない荷電粒子が、サンプルから離れることを阻止することができる。
【0057】
粒子ビームのビーム方向において、少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージは、少なくとも１つのカラムにおける対物レンズの裏側焦点面(back-side focal plane)の領域に配置され得る。
【0058】
差動ポンプ圧力ステージを、このビーム位置に配置することは、サンプルから発する粒子のビームエンベロープのビームウエストが、対物レンズまたはデバイスの対物レンズによってこの位置に生成されるため、有利である。差動ポンプ圧力ステージにより、カラムの上層部分に入るプロセスガスとその反応生成物の割合を、約２桁低下させる。差動ポンプ圧力ステージがないと、下からカラムに入り込むガス粒子の１から２パーセントが、カラムの上部に到達する可能性がある。差動ポンプ圧力ステージにより、この割合は、約０．０２％に低下する。
【0059】
本発明によるデバイスはさらに、少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージのチャンバをポンピングするためのターボ分子ポンプを備え得る。
【0060】
さらに、カラムは、カラムの上部に配置された真空ポンプポートを有し得る。本発明によるデバイスは、カラムの上部における真空ポンプポートをポンピングするためのイオンゲッタポンプを備え得る。
【0061】
差動ポンプ圧力ステージがないと、カラムのこの位置における圧力は、イオンゲッタポンプにとって高すぎるであろう。イオンゲッタポンプは、熱くなり、故障する。複雑なカラム構造により、および、ターボ分子ポンプの振動分離の問題により、カラムの上部をポンピングするために、イオンゲッタポンプではなく、ターボ分子ポンプが使用されるのであれば、カラムの上部において必要な圧力レベルである＜１０-6ミリバールを確保することはできない。
【0062】
少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージのチャンバは、少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージのチャンバの入口領域をポンピングするためのサンプルチャンバへの圧力タイプのバイパスポートを備え得る。
【0063】
この構成により、真空ポンプを１つ節約することができ、その結果、本発明によるデバイスの設計を簡素化する。
【0064】
粒子ビームのビーム方向において、少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージは、カラムの真空ポンプポートの上流に配置され得る。
【0065】
この配置により、カラムに入り込むプロセスガスと、その反応生成物との大部分が、カラムの真空ポンプポートによってカラムからすでに除去されていることが保証される。
【0066】
少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージの入口領域は、１ｍｍから３ｍｍ、好ましくは１．３ｍｍから２．７ｍｍ、より好ましくは１．６ｍｍから２．４ｍｍ、最も好ましくは１．９ｍｍから２．１ｍｍの直径と、５ｍｍから２５ｍｍ、好ましくは７ｍｍから１８３ｍｍ、より好ましくは８ｍｍから１４ｍｍ、最も好ましくは９ｍｍから１１ｍｍの範囲の長さとを有する圧力ステージ管を備え得る。
【0067】
この寸法の結果、圧力ステージ管は、少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージの入口領域において、０．１０ｌ／秒の分子コンダクタンスを有する。
【0068】
少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージの出口領域は、２ｍｍから４ｍｍ、好ましくは２．３ｍｍから３．７ｍｍ、より好ましくは２．６ｍｍから３．４ｍｍ、最も好ましくは２．９ｍｍから３．１ｍｍの直径と、２０ｍｍから３６ｍｍ、好ましくは２３ｍｍから３３ｍｍ、より好ましくは２６ｍｍから３０ｍｍ、最も好ましくは２７ｍｍから２９ｍｍの範囲の長さとを有する圧力ステージ管を備え得る。
【0069】
この寸法の結果として、圧力ステージ管は、少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージの出口領域において、０．１２ｌ／秒の分子コンダクタンスを有する。この数値および本願で指定されるさらなるコンダクタンス値は、窒素ガスに関する。デバイスにおける圧力関連条件を調べるために他のガスが使用される場合、分子コンダクタンス値は、窒素の質量数に関連して使用されるガスの質量数に比例して変化する。
【0070】
少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージのチャンバは、５ｍｍから３０ｍｍ、好ましくは６ｍｍから２０ｍｍ、より好ましくは７ｍｍから１５ｍｍ、最も好ましくは８ｍｍから１２ｍｍの範囲の高さを有し得る。さらに、少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージのチャンバは、１０ｍｍから３０ｍｍ、好ましくは１３ｍｍから２７ｍｍ、より好ましくは１６ｍｍから２４ｍｍ、最も好ましくは１９ｍｍから２１ｍｍの幅を有し得る。さらに、チャンバは、５０ｍｍから２００ｍｍ、好ましくは７０ｍｍから１５０ｍｍ、より好ましくは９０ｍｍから１２０ｍｍ、最も好ましくは９５ｍｍから１１０ｍｍの長さを有し得る。
【0071】
差動ポンプ圧力ステージのチャンバの高さが大きいと、ポンプの方向の分子コンダクタンスが増加し、その結果、ポンプ断面積が直接的に大きくなる。その結果、カラムの上部は、圧力の観点で、下部から十分に分離される。他方、チャンバの高さが大きいと、サンプルから発する粒子の検出ユニットまでの経路と、これに伴うビームの拡張とが増加する。
【0072】
差動ポンプ圧力ステージのチャンバは、差動ポンプ圧力ステージの出口部分の分子コンダクタンスよりも１０倍、好ましくは１５倍、より好ましくは１８倍、最も好ましくは２０倍大きい分子コンダクタンスを有し得る。
【0073】
さらに、少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージのチャンバは、ビーム出口でカラムに挿入される金属管の電位にあり得る。
【0074】
少なくとも１つの絞りは、調整可能な開口部(adjustable aperture)を有し得る。
【0075】
ガス入口の領域の真上に絞りを取り付けることにより、局所的な化学反応を実行するためにプロセスガスで満たす必要がある体積を大幅に減少させることが可能となる。これは、必要なプロセスガスの量を最小限に抑える。これは、本発明によるデバイスの１つまたは複数のガス容器が、交換をほとんど必要としないという点で有利である。さらに、プロセスガスで満たされる体積が減少すると、反応場所において必要な圧力の蓄積および低下のために必要な時間が短縮される。さらに、ガスラインシステムの真上に取り付けられた絞りにより、デバイスのカラムに入り込み、カラムからポンプアウトする必要があるプロセスガスおよびその反応生成物の部分が減少する。
【0076】
さらに、開口部を調整することにより、まず、サンプルから発する実質的にすべての粒子が絞りを通過できるようになり、同時に、カラムに入ることができる、プロセスガスおよびその反応生成物の割合を、最小限に抑えることができる。また、絞りの穴を調整することにより、絞りの開口幅を、絞りとサンプル表面との間の距離に適合させることができる。最後に、カラムの出口における絞りは、集束粒子ビームが通過しなければならない高濃度のガスの経路の長さを短縮する。したがって、その粒子がガス粒子において散乱する確率は低く、サンプル表面上の焦点の拡大はない。
【0077】
少なくとも１つの絞りは、開口部を調整するように構成された少なくとも１つの圧電アクチュエータ(piezo actuator)を備え得る。
【0078】
絞りの穴は、いかなる形状であってもよい。単純な幾何学的形状、たとえば長方形または正方形であり、その穴が、単純な圧電アクチュエータ構成によって変更できることが好ましい。
【0079】
少なくとも１つの圧電アクチュエータは、開口部の面積を、１．１倍、好ましくは１．２倍、より好ましくは１．５倍、最も好ましくは２．０倍、変化させることができる。
【0080】
本発明によるデバイスは、少なくとも１つの絞りに静電位を印加するように構成された電圧源をさらに備え得る。
【0081】
絞りに静電位を印加することにより、ライナ管と電荷補償グリッド(charge compensating grid)との間の電場の歪みを除去または少なくとも低減することが可能である。電圧源は、２０Ｖから１０００Ｖ、好ましくは５０Ｖから６００Ｖ、より好ましくは１００Ｖから４００Ｖ、最も好ましくは１５０Ｖから３００Ｖの範囲の静電位を、少なくとも１つの絞りに印加し得る。
【0082】
絞りの開口部は、サンプル表面から開口部までの距離よりも大きくてもよく、好ましくは１．５倍、より好ましくは１．８倍、最も好ましくは２．０倍大きい。
【0083】
開口部は、１００μｍから３０００μｍ、好ましくは１３０μｍから２０００μｍ、より好ましくは１６０μｍから１０００μｍ、最も好ましくは２００μｍから６００μｍの範囲であり得る。
【0084】
絞りの直径と、サンプル表面からの距離との商が２倍である場合、絞りとサンプル表面との間の距離が小さければ、カラムに入るプロセスガスの成分を、１０分の１に低減することができる。これにより、カラムの上部をポンピングするイオンゲッタポンプが、過負荷になることを、確実に阻止することができる。
【0085】
開口部とサンプル表面との間の距離は、８０μｍから１０００μｍ、好ましくは１００μｍから８００μｍ、より好ましくは１５０μｍから７００μｍ、最も好ましくは２００μｍから６００μｍの範囲であり得る。
【0086】
電荷補償グリッドは、１０μｍから５０μｍ、好ましくは１５μｍから４５μｍ、より好ましくは２０μｍから４０μｍ、最も好ましくは２５μｍから３５μｍのグリッド穴(grid opening)を有し得る。
【0087】
電荷補償グリッドとサンプル表面との間の距離は、電荷補償グリッドにおけるグリッド穴のサイズの半分であり得る。
【0088】
このデバイスはさらに、少なくとも１つの不揮発性記憶媒体を有するコンピュータシステムを備え得る。コンピュータシステムは、サンプルの結像中および／またはサンプルの処理中にデバイスを制御するように構成され得る。
【0089】
コンピュータプログラムは、コンピュータシステムに対してサンプルの結像および／またはサンプルの処理を促す命令を備え得る。特に、コンピュータシステムは、サンプルからカラムの作動距離を調整する、および／または、絞りにおける穴の調整を制御する、命令を備え得る。
【0090】
以下の詳細な説明では、図面を参照しながら、本発明の現時点で好ましい例示的な実施形態について説明する。
【図面の簡単な説明】
【0091】
【図5】図５は、図４のデバイスのカラムに沿った、ほとんど運動エネルギを有さずにサンプル表面に入射する電子ビームによって生成される、サンプルから発する電子のビームエンベロープのシミュレーションを示す図である。
【図6】図６は、図３からのデバイスの圧力ステージ上の分子ガスフローを、上側の部分像で概略的に示し、図４からのデバイスにおける差動ポンプ圧力ステージへの、および差動ポンプ圧力ステージからの分子ガスフローを、下側の部分像で概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0092】
本発明によるデバイスの現時点で好ましい実施形態が、以下に説明される。本発明によるデバイスの２つの実施形態が、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の例を使用して詳細に説明される。しかしながら、本発明によるデバイスは、電子ビームの形態で、質量を有する粒子のビームの使用に限定されない。代わりに、ボソンまたはフェルミオンの形態で粒子を使用する任意の粒子ビームを、これらのデバイスで使用できる。さらに、本発明によるデバイスの使用は、フォトリソグラフィマスクの結像および処理の例を用いて説明される。しかしながら、これは、いかなる限定をも意味するものではない。むしろ、本発明によるデバイスは、任意の所望のサンプルを結像および処理するために使用することができる。例として、本願で説明されるデバイスは、粒子ビームによって、または粒子ビーム誘起の処理プロセスによって、ウェハ上のチップ構造または半導体構造、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）および／またはＰＩＣ（光集積回路）を、結像および修正するために使用できる。
【0093】
図１は、集束粒子ビームの例として、集束電子ビームを使用してサンプル１９０を結像および処理するためのデバイス１００の概略断面図を表す。粒子源１１０または電子源１１０は、ショットキー電界エミッタ１０５を備えており、ショットキー電界エミッタ１０５から、超高真空（ＵＨＶ）環境（１・１０-10ミリバール≦ｐ≦３・１０-9ミリバール）における強電場において電子が放たれる。電子源１１０は、真空ポート１１５を備えており、通常は真空ポート１１５に（図１に示されていない）イオンゲッタポンプを接続することができる。電子ビームは、絞り１２０を通過し、デバイス１００のカラム１３０の上部１２５に入る。
【0094】
図１および後続するすべての図において、粒子源１１０は、上部１２５の上端の頂部でカラム１３０にフランジ付けされている。粒子ビームは、上端においてカラム１３０に入り、下部出口１８７において前記カラムを出る。この規則を使用すると、粒子ビームのビーム方向は、上から下に進む。上流とは、ビーム方向と反対の方向、すなわち上方を意味し、下流とは、粒子ビームのビーム方向、すなわち下方を意味する。
【0095】
図１の例では、カラム１３０の上部１２５および下部１３５は、電子ビームをサンプル１９０に集束させて方向付けるための電子光学構成要素を含む。カラム１３０の上部１２５および下部１３５は、圧力ステージ管１４０によって互いに分離されている。圧力ステージ管１４０は、電子ビームが、圧力ステージ管１４０を通過できるが、カラム１３０の上部１２５が、カラム１３０の下部１３５の圧力変動から大部分が遮られるように設計されている。この目的のために、長くて薄い圧力ステージ管１４０が有利である。ガス粒子は、長くて薄い圧力ステージ管１４０の内壁に吸着される可能性がある。これにより、圧力ステージ管１４０を通過する電子ビームのビーム品質の低下をもたらし得る。これは、デバイス１００の電子ビームの結像挙動に悪影響を与え得る。さらに、集束電子ビームのビームプロファイルの乱れは、処理プロセスの品質に悪影響を与え得る。
【0096】
カラム１３０の上部１２５における圧力は、典型的には、真空ポート１４５に接続されているが、図１に示されていないイオンゲッタポンプの助けを借りて、約１・１０-7ミリバール（通常は、５・１０-8ミリバールから５・１０-7ミリバール）の値まで低減される。
【0097】
しかしながら、圧力ステージ管１４０の穴は、サンプル１９０から出現する電子１９２の大部分が通過できるほど大きくない。したがって、図１のデバイス１００は、カラム１３０の下部１３５に配置された２つのいわゆるレンズ内検出器１５０、１６０を有する。しかしながら、圧力ステージ管１４０の下のカラム１３０では、変動する圧力条件が優勢となる。これらは、ガスラインシステム１８０を経由してプロセスガスをプロセスチャンバ１７０に導入することによって引き起こされる。ガスラインシステム１８０を経由してプロセスガスを導入しないと、カラム１３０の下部１３５における圧力レベルは、１０-5ミリバールから１０-6ミリバールの範囲、すなわち、安定したＨＶ条件が優勢となる。
【0098】
集束電子ビームが、サンプル１９０の表面１９７上で局所的な化学反応を開始する、処理プロセスが実行されると、カラム１３０の下部１３５において、圧力レベルが、１０-2ミリバールから１０-4ミリバールの間まで増加する。したがって、検出器１５０、１６０は、かなりの濃度のガスに曝される。カラム１３０の下部１３５におけるガスは、かなりの量の未反応プロセスガスおよびプロセスガスの反応生成物を含む。これらの反応性ガスは、通常、検出器１５０、１６０や、カラム１３０の下部１３５に収容されるさらなる電子光学構成要素である、たとえば対物レンズ１７５を、汚染または損傷する可能性がある、顕著な腐食電位を有する。
【0099】
カラム１３０の下部１３５は、真空ポンプポート１５５を備える。真空ポンプポート１５５を介して、たとえば（図１ａに示されていない）ターボ分子ポンプの助けを借りて、カラム１３０の下部１３５を排気することができる。あるいは、図１に概略的に示すように、真空ポンプポート１５５は、サンプルチャンバ１７０への圧力タイプのバイパスポートを形成し得る。水平破線１７２は、サンプルチャンバ１７０の上端を示す。サンプルチャンバ１７０は、真空ポンプポート１６５を備えており、真空ポンプポート１６５を介して、前記チャンバをポンピングすることができる。たとえば、ターボ分子ポンプ（図１には再現されていない）も同様にこの目的に使用され得る。
【0100】
検出器１５０、１６０に加えて、デバイス１００のカラム１３０の下部１３５は、電子ビームをサンプル１９０上に集束させる少なくとも１つの電子光学対物レンズ１７５または１つの対物レンズ１７５を備えている。図２における図２００には、対物レンズ１７５が配置されているカラム１３０の部分が、再度拡大して再現されている。集束粒子ビーム２５０の例として、カラム１３０からの集束電子ビーム２５０の出口において、カラム１３０は、八極子電極１８５を備え、この助けを借りて、集束電子ビーム２５０をサンプル１９０上で走査することができる。それに加えて、ガスラインシステム１８０は、八極子電極１８５で終端する。ガスラインシステム１８０は、サンプル１９０上の集束電子ビーム２５０の入射点２６０の領域においてプロセスガスを提供する。
【0101】
ガスラインシステム１８０を開くと、局所的な化学反応が行われる領域の圧力が、１０-1ミリバールと１０-3ミリバールとの間、すなわちＦＶ領域に増加する可能性がある。図２における概略図は、プロセスガスの未反応粒子および局所的に生成された反応生成物の大部分が、デバイス１００のカラム１３０に入り込むことができることを示している。
【0102】
電子ビームの結像品質を保証するために、特に電子の着地エネルギが低い場合、カラム１３０における電子ビームのビーム経路に沿った構成要素は、カラム１３０の出口１８７まで、カラム１３０における電子の電位に対応する電位にある。カラム１３０からの電子ビームの出口１８７が狭い場合でもこの要件を保証するために、通常、交換可能な金属管２２０が、カラム１３０の出口１８７に挿入される。この金属管は、ライナ管２２０と呼ばれる。一般に、ライナ管２２０は、非磁性かつ耐食性の材料から製造され、４ｍｍから５ｍｍの直径を有する。ライナ管２２０は、規定の方式でカラム出口１８７の直径を制限し、したがって、カラム１３０の下部１３５に収容される電子光学構成要素、または一般に粒子光学構成要素の汚染を防ぐという良い副作用を有する。
【0103】
図１および図２の例示的なデバイス１００のカラム１３０は、サンプル１９０の静電気帯電の影響を最小限に抑える役割を担う電荷補償グリッド１９５を備える。この要件を満たすために、電荷補償グリッド１９５とサンプル表面１９７との間の距離は非常に小さくなるように選択される。この距離の一般的な数値は、＜７０μｍである。電気絶縁体の形態のサンプル１９０、たとえばフォトリソグラフィマスク１９０は、集束電子ビーム２５０による照射の結果として帯電し得る。フォトリソグラフィマスクは、多くの場合、電気絶縁性の石英基板を備えている。
【0104】
図３からのデバイス３００は、図１からの検出器１５０、１６０と比較して、検出ユニット３５０または検出器３５０が、より低い圧力レベルで動作できるカラム３３０を概略的に示している。検出器３５０は、シンチレーション検出器３５０、たとえばエバーハートソーンリー検出器３５０であり得るか、および／または、半導体検出器、特に直接電子検出器を備え得る。図１からのサンプルチャンバ１７０は、簡略化のため、図３または後続する図に示されていない。
【0105】
カラム３３０は、その下部３３５から上部３２５への移行部に、圧力ステージ管３８０を備えた圧力ステージ３７０を有する。反応性ガスへの曝露から検出ユニット３５０を保護するために、検出ユニット３５０は、図１からのデバイス１００における検出器１５０、１６０とは異なり、上流のカラム３３０の上部３２５に取り付けられる。圧力ステージ３７０の圧力ステージ管３８０の穴は、サンプル１９０から発する実質的にすべての電子３９０が、検出器３５０に到達できるような寸法とされる。圧力ステージ３７０の分子コンダクタンスは、０．１２ｌ／秒程度（ｌ／秒は、毎秒のリットルを表す）であり、したがって、デバイス１００におけるカラム１３０の圧力ステージ管１４０の分子コンダクタンスよりも約１３倍大きい。
【0106】
図３において、破線は、サンプル１９０から発する電子ビーム３９０の、または、サンプルによって生成される電子分布３９５の、ビームエンベロープ３９５を示す。図３に例示的に示されるデバイス３００では、圧力ステージ管３８０は、直径３ｍｍおよび長さ２８ｍｍを有する。圧力ステージ管３８０は、電子源１１０から発してサンプル１９０に集束される一次電子ビーム２５０も、検出ユニット３５０への経路上で前記サンプルによって生成される電子分布３９５も妨げない。
【0107】
しかしながら、サンプル１９０の処理プロセス中に、圧力ステージ３７０は、その上に位置するカラム３３０の部分３２５のＨＶ環境において、真空ポンプポート３４５に接続されている（図３に図示されていない）イオンゲッタポンプが処理できない圧力レベル＞１０-5ミリバールまでのブレークダウンを可能にする。真空ポンプポート３４５は、カラム３３０の上部３２５を排気するのに役立ち、図１からのデバイス１００の真空ポンプポート１４５に対応する。
【0108】
これらの圧力レベルに対処できる真空ポンプ、たとえばターボ分子ポンプが、イオンゲッタポンプではなく、真空ポート３４５に接続されている場合、＜１０-7ミリバールである必要な残留ガス圧力レベルは、カラム３３０の上部３２５では達成されない。しかしながら、これは、第１に、カラム３３０の上部３２５における電子光学構成要素または粒子光学構成要素を確実に保護するために、そして第２に、カラム３３０の上部３２５における圧力レベルを、電子源１１０のＵＨＶレベルに適合させるために必要とされる。サンプル１９０が結像されている間、検出器３５０は、検出器１５０、１６０よりも大幅に低い圧力レベルを「認識」する。しかしながら、前記圧力レベルは、処理プロセス中、許容できないレベルにまで低下する。２％を超える反応性プロセスガスまたはその反応生成物は、圧力ステージ３７０を越えて、カラム３３０の上部３２５に進むことができる。
【0109】
図４からのデバイス４００は、差動ポンプ圧力ステージ４５０が、追加的に設置されているという違いはあるものの、図３からのデバイス３００に対応する。差動ポンプ圧力ステージ４５０は、デバイス３００の圧力ステージ３７０の下に、カラム３３０の下流に設置される。これは、差動ポンプ圧力ステージ４５０の出口領域３７０が、図３からのデバイス３００における圧力ステージ３７０に対応することを意味する。差動ポンプ圧力ステージ４５０の圧力ステージ管３８０は、図３からの圧力ステージ３７０の圧力ステージ管３８０である。
【0110】
差動ポンプ圧力ステージ４５０は、圧力ステージ管４８０によって形成される入口領域４７０を有する。サンプルから発する電子３９０のビームエンベロープ３９５は、一次集束粒子ビーム２５０のビーム方向と逆方向に拡大するため、圧力ステージ管４８０の穴は、圧力ステージ管３８０の穴よりわずかに小さな寸法にすることができる。これは、図５に基づいて以下に詳細に説明される。図４に例示的に示されている差圧ステージ４５０は、穴直径２ｍｍ、長さ１０ｍｍの圧力ステージ管４８０を備える。したがって、圧力ステージ管４８０は、約０．１ｌ／秒の分子コンダクタンスを有する。
【0111】
２つの相反する要求が、差動ポンプ圧力ステージ４５０のチャンバ４１０に課せられる。第１に、チャンバ４１０は、差動ポンプ圧力ステージ４５０の出口部分３７０から、圧力に関して、入口部分４７０を可能な限り広く分離するために、可能な限り大きな分子コンダクタンスを有するべきであり、これによって、入口部分４７０を介してチャンバ４１０に流入するガス粒子の可能な最大の割合が、チャンバ４１０の真空ポンプポート４６５を介してチャンバ４１０から出るようになる。この目的のために、チャンバ４１０は、できるだけ高くなければならない。しかしながら、この要求により、サンプル１９０から発する電子３９０の、検出器３５０までの経路が長くなり、したがって、そのビームエンベロープ３９５を広げる。シミュレーションにより、良好な妥協点として、チャンバの高さは１０ｍｍ程度になった。また、チャンバ４１０は、幅２０ｍｍおよび長さ１００ｍｍを有する。
【0112】
差動ポンプ圧力ステージ４５０の真空ポンプポート４６５は、たとえば、ターボ分子ポンプを使用してポンピングされ得る。たとえば、１０ｌ／秒のポンピング能力を有するターボ分子ポンプが真空ポート４６５に接続されている場合、差動ポンプ圧力ステージ４５０を越えてカラム４３０の上部４２５に進むことができるプロセスガスおよびその反応生成物の割合は、０．０２％程度である。この残りの部分は、カラムの上部４２５の真空ポンプポート３４５を介して問題なく除去することができる。これは、カラム４３０の上部４２５の圧力レベルが非常に低いため、真空ポンプポート３４５を、たとえばイオンゲッタポンプによって安全にポンピングできることを意味する。
【0113】
差動ポンプ圧力ステージ４５０の設置後、デバイス４００のカラム４３０は２つの相反する要求を満たす。カラム４３０の高感度電子光学構成要素、特に検出ユニット３５０は、真空ブレークダウンに対して、したがって、汚染から、確実に保護される。サンプル１９０を離れる電子３９０は、検出ユニット３５０への経路に沿って妨げられない。
【0114】
図５における図５００は、サンプル表面からの距離（ｙ軸）に対する、サンプル１９０から発する電子３９０のビームエンベロープ３９５の直径（ｘ軸）の変化のシミュレーションを表す。サンプル１９０から発する電子３９０は、一次集束電子ビーム２５０によって生成され、その電子は、サンプル表面１９７において約２００ｅＶの低い運動エネルギを有する。ビームエンベロープ３９５は、サンプル表面１９７の約６５ｍｍ上に、直径約１ｍｍのビームウエスト５５０を有する。これは、電子光学対物レンズ１７５の結像効果によって引き起こされる。ビームエンベロープ３９５のウエスト５５０は、対物レンズ１７５の裏側焦点面をマークする。
【0115】
ビームエンベロープ３９５の直径は、破線の直線５１０で示すように、約２５ｍｍから１０５ｍｍの距離において、２ｍｍ未満である。サンプル表面１９７からこの距離内で、差動ポンプ圧力ステージ４５０の圧力ステージ管４８０は、サンプル１９０から発する電子３９０が、差動ポンプ圧力ステージ４５０に、妨げられることなくアクセスできるようにする。ビームエンベロープ３９５の直径は、サンプル表面１９７から約１４０ｍｍの距離までは３ｍｍ未満である。これは、図５において、破線の直線５２０によって表徴されている。これは、サンプル表面１９７から差動ポンプ圧力ステージ４５０への距離が１４０ｍｍ未満であれば、サンプル１９０から発する電子３９０が、妨げられることなく差動ポンプ圧力ステージ４５０の圧力ステージ管３８０を通過できることを意味する。差動ポンプ圧力ステージ４５０の設計は最適化することができ、デバイス４００のカラム４３０におけるその最適な可能な配置は、サンプル１９０から発する電子３９０の軌道のシミュレーションに基づいて決定できる。
【0116】
図６における上側の部分像６００は、図３からのカラム３３０内の、カラムの下部３３５から、カラムの上部３２５までの、圧力ステージ３７０を介したガス粒子の分子フローを示す。圧力ステージ３７０を流れて差動ポンプ圧力ステージ４５０に入る、または差動ポンプ圧力ステージ４５０から出る分子の流れ、すなわち分子フローを推定するためのいくつかの基本的な式が以下に指定される。分子フロー条件下では、長さＬ［ｃｍ］および直径ｄ［ｃｍ］の管内において、ｌ／秒（１秒あたりのリットル）で指定される窒素の分子コンダクタンスは、次の方程式、Ｃ＝１２．１・ｄ3／Ｌ（たとえば、「Handbuch Vakuumtechnik」、ISBN 978-3-658-13386-5を参照）で与えられる。
【0117】
分子フローＱ（単位はミリバールｌ／秒）は、圧力差または圧力勾配Δｐによって発生される。比例定数は、上記で導入された分子コンダクタンスＣであり、Ｑ＝Ｃ・Δｐである。この式は、基本的な電気方程式であるＩ＝（１／Ｒ）・Ｕと同等である。
【0118】
圧力ステージ３７０の圧力ステージ管３８０の分子コンダクタンスは、上記において、Ｃ380＝０．１２ｌ／秒として指定された。カラム３３０の下部３３５と上部３２５との間の１０-3ミリバールの圧力差により、Ｑ380＝０．１２ｌ／秒・１０-3ミリバール＝１．２・１０-4ミリバール・ｌ／秒の分子の流れ、すなわち分子フローが生じる。
【0119】
図６における下側の部分像６５０は、差動ポンプ圧力ステージ４５０における分子の流れ、すなわち分子フローを示す。分子ガスフローＱ480は、差動ポンプ圧力ステージ４５０の圧力ステージ管４８０を介して、差動ポンプ圧力ステージ４５０のチャンバ４１０に流入する。分子ガスフローＱ480は、そこで、分子の流れ、すなわち分子フローＱ465およびＱ380に分岐し、真空ポート４６５および圧力ステージ管３８０を介してチャンバ４１０を出る。分子の流れＱ465、すなわち分子フローＱ465は、差動ポンプ圧力ステージ４５０のチャンバ４１０における圧力ｐにおける真空ポンプの吸引能力Ｓ（１／秒）に比例し、Ｑ465＝Ｓ・ｐ410である。
【0120】
差動ポンプ圧力ステージ４５０の圧力ステージ管４８０の分子コンダクタンスは、上記でＣ480＝０．１ｌ／秒として指定された。カラム４３０の下部４３５と、チャンバ４１０との間の圧力差が、１０-3ミリバールの場合、カラム４３０の下部４３５から、差動ポンプ圧力ステージ４５０のチャンバ４１０への分子フローＱ480、Ｑ480＝０．１ｌ／秒・１０-3ミリバール＝１０-4ミリバールｌ／秒、が存在する。第一近似として、差動ポンプ圧力ステージ４５０の真空ポート４６５に接続された真空ポンプの吸引能力Ｓ＝１０ｌ／秒の場合、前記圧力ステージのチャンバ４１０における圧力設定は、ｐ410＝Ｑ480／Ｓ＝１０-4ミリバール・ｌ／秒／（１０ｌ／秒）＝１０-5ミリバールである。
【0121】
上記で指定されたように、圧力ステージ管３８０は、差動ポンプ圧力ステージ４５０の出口で、分子コンダクタンスＣ380＝０．１２ｌ／秒を有する。１０-5ミリバールの圧力差は、分子フローＱ480＝０．１２ｌ／秒・１０-5ミリバール＝１．２・１０-6ミリバール・ｌ／秒を発生させる。これは、差動ポンプ圧力ステージ４５０が、カラム４３０の上部４２５における分子フローを２桁減少させることを意味する。Ｑ380／Ｑ480＝１．２・１０-4ミリバール・ｌ／秒／（１．２・１０-6ミリバール・ｌ／秒）＝１００。差動ポンプ圧力ステージ４５０のチャンバ４１０に流入するガス粒子の約１％だけが、出口領域３７０を介してチャンバ４１０を出る。
【0122】
差動ポンプ圧力ステージ４５０に対する電気的類似物は、分圧器である。負荷抵抗ＲL（１／Ｃ465に相当）が、抵抗Ｒ2（１／Ｃ480に相当）に比べて小さくされているため、流れ（分子ガスフロー）は、負荷抵抗ＲLを介して大きく流れ、もはや抵抗Ｒ2を介さない。
【0123】
図７における上側の部分像７００は、図３からのデバイス３００のカラム３３０の下部３３５を再度再現している。点線の円７５０の詳細は、図７における下側の部分像７５５において、拡大して再度再現されている。図３に関連してすでに説明されたように、ガスラインシステム１８０を介してサンプル表面１９７にプロセスガス７７０を供給すると、カラム３３０からの集束粒子ビーム２５０または電子ビーム２５０の出口領域の圧力が大幅に上昇する。ガス粒子の濃度が局所的に大幅に増加すると、集束電子ビーム２５０の電子が、プロセスガス７７０のガス粒子で散乱され、その結果、部分像７５５における円錐７６０によって示される、望ましくないビームの広がりが引き起こる。設定されたガス圧力と、集束粒子ビーム２５０の運動エネルギとに応じて、最大５０％の電子が、出口領域７５０において１回または複数回散乱され得る。散乱の結果として、集束電子ビーム２５０によってプロセスガス７７０において開始される局所的な化学反応の横方向の大きさは、予測困難に増大する。プロセスガスの濃度と、電子の濃度とが、局所的な化学反応を維持するのにもはや十分ではなくなる限界は、多くのパラメータに依存する。サンプル１９０に対して実行される局所的な処理プロセスは、これらの条件下では制御が困難になるだけである。
【0124】
カラム３３５に入り込む分子ガスフローは、ガスラインシステム１８０のプロセスガスフロー７８０に比例する。図３に示すデバイス３００のカラム３３０の場合、プロセスガス７７０の粒子、またはプロセスガス７７０の反応生成物の約１．５％が、カラム３３０の下部３３５に入り込むことができる。
【0125】
部分像７５５は、図１からの電荷補償グリッド１９５をさらに示す。電荷補償グリッド１９５は、通常、デバイス３００の動作中、サンプル表面１９７の数１０マイクロメートル上にある。集束電子ビーム２５０によるサンプル表面１９７の帯電の影響を最小限に抑えるために、電荷補償グリッド１９５を接地してもよい。さらに、電荷補償グリッド１９５の電位は、電子光学対物レンズ１７５の電位にあるライナ管２２０の電位と組み合わされて、（図７に示されていない）電場を生成するように機能し、ここで、集束電子ビーム２５０は、指定された着地エネルギまで減速される。
【0126】
さらに、－２０Ｖから－２００Ｖの範囲の電圧Ｕ２が、電荷補償グリッド１９５に印加され得る。その結果、電荷補償グリッド１９５とサンプル表面との間に生成される電場は、サンプル１９０から発する電子に対するエネルギ障壁またはエネルギフィルタとなる。エネルギ障壁よりも大きな運動エネルギを有する電子のみが、サンプル１９０を出て、カラム３３０に入ることができる。
【0127】
図８における上側の部分像８００は、図３からのカラム３３０の下部３３５を表す。絞り８１０が、八極子電極１８５の領域において、カラム３３０の出口に追加的に挿入されている。カラム８３０の出口における領域８５０は、下側の部分像８５５に拡大して再度示されている。
【0128】
絞り８１０は、ガスラインシステム１８０の終端上の電極１８５内に挿入されている。絞り８１０およびサンプル１９０は、横壁のないタイプの圧力チャンバを形成する。プロセスガス８７０の体積を両側で制限することにより、必要なプロセスガス８７０の量を最適化する。集束電子ビーム２５０が、サンプル表面１９７に衝突し、サンプル１９０から発する電子３９０が、カラム８３０の下部８３５にアクセスできるようにするために、絞り８１０は、直径８２５を有する穴８２０を有する。絞り８１０の穴８２０は、サンプル１９０から発する電子３９０が、サンプル１９０を出ることができる最大角度を決定する。絞り８１０の穴直径８２５は、たとえば２００μｍから２０００μｍの範囲であり得る。
【0129】
絞り直径８２５、すなわち穴直径８２５は、図８に示されていない１つまたは複数の圧電アクチュエータの助けを借りて変更することができる。サンプル表面１９７と絞り８１０との間の距離８４０に応じて、絞り８１０の直径８２５は、サンプル１９０から発する電子３９０のカラム８３０への入口が妨げられないように、単純に大きく選択することができる。同時に、これは、同様にカラム８３０に不適切に入り込むプロセスガスフローと、反応生成物の分子フローとの割合が、最小限に抑えられることを保証する。距離８４０が、穴直径８２５の半分となるように選択される場合、絞り８１０は、電子３９０に対して９０°の開口角度を有する。
【0130】
サンプル表面１９７から絞り８１０までの距離８３０は、通常、約１ミリメートル以下である。現在好ましい距離８４０は、１００μｍと３００μｍとの間の範囲である。絞り８１０とサンプル表面１９７との間の距離８４０は、（図８に示されていない）サンプルホルダの助けを借りて、サンプル１９０をデバイス８００の作動距離内の数値まで上昇または下降させることによって調整することができる。
【0131】
穴直径８２５が２ｍｍで、距離８４０が１ｍｍの場合、プロセスガス８７０またはその反応生成物の約１．５％が、カラム８３０の下部８３５に入り込む。この割合は、開口部８２５が４００μｍで、距離が２００μｍである場合には、０．１５％まで１桁減少する。２つのサイズが再び半分になると、カラム８３０に入り込むガスの割合は、約０．０５％に減少する。
【0132】
さらに、絞り８１０は、集束電子ビーム２５０の電子がサンプル表面１９７まで移動する高ガス圧力下での経路の長さを、距離＜１ｍｍまで効果的に短縮する。これら条件下では、集束電子ビーム２５０は、ビームの広がり８６０をほとんど受けない。
【0133】
さらに、静電位を、絞り８１０に印加することができ、これは、図８においてＵ１によって示される。その結果、絞り８１０による、ライナ管２２０と電荷補償グリッド１９５との間の電場の歪みを、大幅に回避することができる。
【0134】
絞り８１０は、サンプル表面１９７から前記絞りまでの距離８４０と、前記絞りの開口幅８２５とが適切な寸法に設定されている場合、カラム８３０の上部８２５におけるサンプル１９０に対する処理プロセスに起因する圧力レベルの変動を効果的に阻止する。したがって、カラム８３０の圧力ステージ３７０と組み合わせて、絞り８１０は、カラム８３０の上部８２５における高感度電子光学構成要素、たとえば検出器３５０を、プロセスガス８７０とその反応生成物の反応性粒子の影響から効果的に保護する。絞り８１０が、プロセスガス８７０と、その反応生成物との割合を最小限に抑えることにより、前記絞りは同様に、カラム８３０の下部８３５に配置された構成要素、たとえば対物レンズ１７５の、汚染および／または損傷を阻止する。
【0135】
当然ながら、デバイス８００の絞り８１０を、デバイス４００の差動ポンプ圧力ステージ４５０と組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【0136】
１００ デバイス
１０５ ショットキー電界エミッタ
１１０ 電子源、粒子源
１１５ 真空ポート
１２０ 絞り
１２５ カラムの上部
１３０ カラム
１３５ カラムの下部
１４０ 圧力ステージ管
１４５ 真空ポンプポート
１５０ 検出器
１５５ 真空ポンプポート、バイパスポート
１６０ 検出器
１６５ 真空ポンプポート
１７０ プロセスチャンバ、サンプルチャンバ
１７２ サンプルチャンバの上端
１７５ 電子光学対物レンズ、粒子光学構成要素
１８０ ガスラインシステム
１８５ 八極子電極
１８７ 出口
１９０ サンプル
１９２ 電子
１９５ 電荷補償グリッド
１９７ サンプル表面
２００ カラム部分
２２０ ライナ管
２５０ 集束電子ビーム、集束粒子ビーム
２６０ 入射点
３００ デバイス
３１０ 磁気プリズム
３２５ カラムの上部
３３０ カラム
３３５ カラムの下部
３４５ 真空ポンプポート
３５０ 検出器、検出ユニット
３５５ 真空ポンプポート
３７０ 圧力ステージ、出口領域、出口部分
３８０ 圧力ステージ管
３９０ 電子、粒子
３９５ ビームエンベロープ、電子分布
４００ デバイス
４１０ チャンバ
４２５ カラムの上部
４３０ カラム
４３５ カラムの下部
４５０ 差動ポンプ圧力ステージ、圧力調整ユニット、差圧ステージ
４６５ 真空ポート、真空ポンプポート、バイパスポート
４７０ 入口領域、入口部分
４８０ 圧力ステージ管
５００ ビームエンベロープの直径（ｘ軸）の変化のシミュレーション
５１０ 約２５ｍｍから１０５ｍｍの距離におけるビームエンベロープの直径
５２０ サンプル表面から約１４０ｍｍの距離におけるビームエンベロープの直径
５５０ ビームウエスト
６００ 分子フロー
６５０ 分子フロー
７００ カラムの下部
７５０ 出口領域
７５５ カラムの下部の部分像
７６０ 望ましくないビームの広がり
７７０ プロセスガス
７８０ プロセスガスフロー
８００ デバイス
８１０ 絞り、圧力調整ユニット
８２０ 穴
８２５ 直径、幅
８３０ カラム
８３５ カラムの下部
８４０ 距離
８５０ カラムの出口領域
８５５ カラムの下部
８６０ ビームの広がり
８７０ プロセスガス
１０５ ショットキー電界エミッタ
１１０ 電子源、粒子源
１１５ 真空ポート
１２０ 絞り
１２５ カラムの上部
１３０ カラム
１３５ カラムの下部
１４０ 圧力ステージ管
１４５ 真空ポンプポート
１５０ 検出器
１５５ 真空ポンプポート、バイパスポート
１６０ 検出器
１６５ 真空ポンプポート
１７０ プロセスチャンバ、サンプルチャンバ
１７２ サンプルチャンバの上端
１７５ 電子光学対物レンズ、粒子光学構成要素
１８０ ガスラインシステム
１８５ 八極子電極
１８７ 出口
１９０ サンプル
１９２ 電子
１９５ 電荷補償グリッド
１９７ サンプル表面
２００ カラム部分
２２０ ライナ管
２５０ 集束電子ビーム、集束粒子ビーム
２６０ 入射点
３００ デバイス
３１０ 磁気プリズム
３２５ カラムの上部
３３０ カラム
３３５ カラムの下部
３４５ 真空ポンプポート
３５０ 検出器、検出ユニット
３５５ 真空ポンプポート
３７０ 圧力ステージ、出口領域、出口部分
３８０ 圧力ステージ管
３９０ 電子、粒子
３９５ ビームエンベロープ、電子分布
４００ デバイス
４１０ チャンバ
４２５ カラムの上部
４３０ カラム
４３５ カラムの下部
４５０ 差動ポンプ圧力ステージ、圧力調整ユニット、差圧ステージ
４６５ 真空ポート、真空ポンプポート、バイパスポート
４７０ 入口領域、入口部分
４８０ 圧力ステージ管
５００ ビームエンベロープの直径（ｘ軸）の変化のシミュレーション
５１０ 約２５ｍｍから１０５ｍｍの距離におけるビームエンベロープの直径
５２０ サンプル表面から約１４０ｍｍの距離におけるビームエンベロープの直径
５５０ ビームウエスト
６００ 分子フロー
６５０ 分子フロー
７００ カラムの下部
７５０ 出口領域
７５５ カラムの下部の部分像
７６０ 望ましくないビームの広がり
７７０ プロセスガス
７８０ プロセスガスフロー
８００ デバイス
８１０ 絞り、圧力調整ユニット
８２０ 穴
８２５ 直径、幅
８３０ カラム
８３５ カラムの下部
８４０ 距離
８５０ カラムの出口領域
８５５ カラムの下部
８６０ ビームの広がり
８７０ プロセスガス
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【手続補正書】
【提出日】2023-12-05
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
集束粒子ビーム（２５０）を使用してサンプル（１９０）を結像および処理するためのデバイス（４００、８００）であって、
ａ． 超高真空環境において粒子ビームを生成するように構成された少なくとも１つの粒子源（１１０）と、
ｂ． 前記サンプル（１９０）を収容するのに役立ち、高真空環境において前記サンプル（１９０）を結像し、中真空環境において前記サンプル（１９０）を処理するように構成された少なくとも１つのサンプルチャンバ（１７０）と、
ｃ． 高真空環境に配置され、前記粒子ビームから集束粒子ビーム（２５０）を成形し、前記集束粒子ビームを前記サンプル（１９０）に向けるように構成された少なくとも１つの粒子光学構成要素（１７５）を有する少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）と、
ｄ． 前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）内に配置され、前記サンプル（１９０）から発する粒子（３９０）を検出するように構成された少なくとも１つの検出ユニット（３５０）と、
ｅ． 前記カラム（４３０、８３０）からの前記集束粒子ビーム（２５０）の出口で終端し、前記集束粒子ビーム（２５０）が前記サンプル（１９０）を処理するために粒子ビーム誘起の局所的な化学反応を誘起できるような圧力を有する少なくとも１つのプロセスガス（８７０）を前記サンプル（１９０）において局所的に提供するように構成された少なくとも１つのガスラインシステム（１８０）と、
ｆ． 前記粒子ビームと、前記サンプル（１９０）から発する前記粒子（３９０）とが通過し、前記サンプル（１９０）の処理の結果として前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）において生じる圧力上昇を、前記サンプル（１９０）から発する前記粒子（３９０）の前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）へのアクセスを妨げることなく、１０倍以下、好ましくは５倍以下、より好ましくは３倍以下、最も好ましくは２倍以下に制限するように構成された少なくとも１つの圧力調整ユニット（４５０、８１０）とを備える、
デバイス（４００、８００）。
ａ． 超高真空環境において粒子ビームを生成するように構成された少なくとも１つの粒子源（１１０）と、
ｂ． 前記サンプル（１９０）を収容するのに役立ち、高真空環境において前記サンプル（１９０）を結像し、中真空環境において前記サンプル（１９０）を処理するように構成された少なくとも１つのサンプルチャンバ（１７０）と、
ｃ． 高真空環境に配置され、前記粒子ビームから集束粒子ビーム（２５０）を成形し、前記集束粒子ビームを前記サンプル（１９０）に向けるように構成された少なくとも１つの粒子光学構成要素（１７５）を有する少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）と、
ｄ． 前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）内に配置され、前記サンプル（１９０）から発する粒子（３９０）を検出するように構成された少なくとも１つの検出ユニット（３５０）と、
ｅ． 前記カラム（４３０、８３０）からの前記集束粒子ビーム（２５０）の出口で終端し、前記集束粒子ビーム（２５０）が前記サンプル（１９０）を処理するために粒子ビーム誘起の局所的な化学反応を誘起できるような圧力を有する少なくとも１つのプロセスガス（８７０）を前記サンプル（１９０）において局所的に提供するように構成された少なくとも１つのガスラインシステム（１８０）と、
ｆ． 前記粒子ビームと、前記サンプル（１９０）から発する前記粒子（３９０）とが通過し、前記サンプル（１９０）の処理の結果として前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）において生じる圧力上昇を、前記サンプル（１９０）から発する前記粒子（３９０）の前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）へのアクセスを妨げることなく、１０倍以下、好ましくは５倍以下、より好ましくは３倍以下、最も好ましくは２倍以下に制限するように構成された少なくとも１つの圧力調整ユニット（４５０、８１０）とを備える、
デバイス（４００、８００）。
【請求項2】
前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）の領域において、前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）は、＜１０-5ミリバール、好ましくは＜３・１０-6ミリバール、より好ましくは＜１０-6ミリバール、最も好ましくは＜３・１０-7ミリバールの圧力を有する、請求項１に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項3】
前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）は、真空ポンプポート（１５５）、および／または、前記サンプルチャンバ（１７０）への少なくとも１つの圧力タイプのバイパスポート（１５５）を備える、請求項１または２に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項4】
前記サンプル（１９０）は、フォトリソグラフィマスクを備える、請求項１または２に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項5】
前記少なくとも１つのガスラインシステム（１８０）は、１ミリバールから０．００１ミリバール、好ましくは０．６ミリバールから０．００３ミリバール、より好ましくは０．３ミリバールから０．００６ミリバール、最も好ましくは０．１ミリバールから０．０１ミリバールの範囲の圧力で、前記少なくとも１つのプロセスガス（８７０）を前記サンプル（１９０）において局所的に提供するように構成される、請求項１または２に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項6】
前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）は、シンチレーションカウンタ、特にエバーハートソーンリー検出器、および／または半導体検出器、特に直接電子検出器を備える、請求項１または２に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項7】
以下のグループ、すなわち、磁気プリズム（３１０）、磁気シケイン、およびウィーンフィルタからの少なくとも１つの要素をさらに備え、前記少なくとも１つの要素は、前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）に配置され、前記サンプル（１９０）から発する前記粒子（３９０）を、前記少なくとも１つの検出ユニット（３５０）に誘導するように構成される、請求項１または２に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項8】
前記少なくとも１つの圧力調整ユニット（４５０、８１０）は、以下のグループ、すなわち、前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）に配置された差動ポンプ圧力ステージ（４５０）と、前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）からの前記集束粒子ビーム（２５０）の前記出口において前記少なくとも１つのガスラインシステム（１８０）の上に配置された少なくとも１つの絞り（８１０）とからの少なくとも１つの要素を備える、請求項１または２に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項9】
前記粒子ビーム（２５０）のビーム方向において、前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）は、前記少なくとも１つのカラム（４３０、８３０）における対物レンズ（１７５）の裏側焦点面の領域に配置される、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項10】
前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）のチャンバ（４１０）の真空ポート（４６５）をポンピングするためのターボ分子ポンプをさらに備える、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項11】
前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）のチャンバ（４１０）は、前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）の前記チャンバ（４１０）をポンピングするための前記サンプルチャンバ（１７０）への圧力タイプのバイパスポート（４６５）を備える、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項12】
前記粒子ビームのビーム方向において、前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）は、前記カラム（４３０、８３０）の真空ポンプポート（１５５）の上流に配置される、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項13】
前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）の入口領域（４７０）は、１ｍｍから３ｍｍ、好ましくは１．３ｍｍから２．７ｍｍ、より好ましくは１．６ｍｍから２．４ｍｍ、最も好ましくは１．９ｍｍから２．１ｍｍの直径と、５ｍｍから２５ｍｍ、好ましくは７ｍｍから１８ｍｍ、より好ましくは８ｍｍから１４ｍｍ、最も好ましくは９ｍｍから１１ｍｍの範囲の長さとを有する圧力ステージ管（４８０）を備える、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項14】
前記少なくとも１つの差動ポンプ圧力ステージ（４５０）の出口領域（３７０）は、２ｍｍから４ｍｍ、好ましくは２．３ｍｍから３．７ｍｍ、より好ましくは２．６ｍｍから３．４ｍｍ、最も好ましくは２．９ｍｍから３．１ｍｍの直径と、２０ｍｍから３６ｍｍ、好ましくは２３ｍｍから３３ｍｍ、より好ましくは２６ｍｍから３０ｍｍ、最も好ましくは２７ｍｍから２９ｍｍの範囲の長さとを有する圧力ステージ管（３８０）を備える、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項15】
前記少なくとも１つの絞り（８１０）は、調整可能な開口部（８２０）を有する、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項16】
前記少なくとも１つの絞り（８１０）は、前記開口部（８２０）を調整するように構成された少なくとも１つの圧電アクチュエータを備える、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項17】
前記少なくとも１つの絞り（８１０）に静電位を印加するように構成された電圧源をさらに備える、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項18】
前記絞り（８１０）の前記開口部（８２０）は、サンプル表面（１９７）から前記開口部（８２０）の距離（８３０）より大きく、好ましくは１．５倍、より好ましくは１．８倍、最も好ましくは２．０倍大きい、請求項８に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項19】
前記開口部（８２０）は、１００μｍから３０００μｍ、好ましくは１３０μｍから２０００μｍ、より好ましくは１６０μｍから１０００μｍ、最も好ましくは２００μｍから６００μｍの範囲を備える、請求項１５に記載のデバイス（４００、８００）。
【請求項20】
電荷補償グリッド（１９５）は、前記電荷補償グリッド（１９５）のグリッド穴のサイズの半分である、前記サンプル表面（１９７）からの距離を有する、請求項１９に記載のデバイス（４００、８００）。
【外国語明細書】