一种带电粒子束处理工件的方法与设备
技术领域
本发明涉及带电粒子束处理方法与设备。
背景技术
带电粒子束(例如离子束和电子束)用于纳米技术中的工件加工，因为带电粒子束会形成非常小的斑点。例如，聚焦离子束系统能够以亚微米精度成像，研磨，沉积和分 析。聚焦离子束系统可从例如本申请的受让人俄勒冈州希尔斯伯勒的FEI公司商购。离 子可用于从工件上溅射(即物理喷射)材料，以在工件上产生诸如沟槽的特征。离子束 还可用于激活蚀刻剂气体以增强溅射，或分解前体气体以在离子束冲击点附近沉积材料。 通过收集由于离子束的撞击而喷射的二次粒子，离子束也可以用于形成工件的图像。从 表面上每个点喷射的次级粒子的数量用于确定图像上相应点处图像的亮度。聚焦离子束 通常用于半导体工业。在一个应用中，例如，聚焦的离子束用于将小沟槽切成集成电路 以暴露垂直结构的横截面，以使用离子束或电子束进行观察或测量。
电子束也可以用于加工工件。电子束处理例如在美国专利号No.6,753,538Mucil等人的美国专利。用于“电子束处理”。在称为电子显微镜的过程中，电子束通常用于 形成图像。电子显微镜比光学显微镜具有更高的分辨率和更大的聚焦深度。在扫描电子 显微镜(SEM)中，一次电子束会聚到一个细点，该细点扫描要观察的表面。二次电子 在受到一次电子束的撞击时从表面发射出去。检测二次电子，并形成图像，图像的每个 点的亮度取决于当电子束撞击表面上的相应点时检测到的二次电子的数量。
在透射电子显微镜(TEM)中，宽电子束撞击样品，并且透射通过样品的电子被聚焦以形成样品的图像。样品必须足够薄，以使初级束中的许多电子穿过样品并在相反的位 置出射。通常将样品减薄至小于100nm的厚度。一种制备样品的方法包括：使用聚焦 离子束从工件上切割薄样品，然后使用离子束使样品变薄。
在扫描透射电子显微镜(STEM)中，一次电子束会聚到一个细点，然后在整个样品表面扫描该点。透射过工件的电子由位于样品另一侧的电子检测器收集，并且图像上每 个点的强度与主束撞击表面上相应点时收集的电子数量相对应。
当离散粒子束撞击表面时，可能会损坏或改变表面。聚焦离子束系统通常使用液态 金属镓离子源中的镓离子。镓离子相对较重，加速通过典型的30,000伏的镓离子将不可避免地改变工件表面。等离子体离子系统，例如Keller等人的W020050081940中描 述的系统，“聚焦离子束系统的磁增强，电感耦合，等离子源”。通过引用将其并入本文， 可以使用较轻的离子，从而造成较小的损坏，但这些离子通常仍会改变工件表面。电子 虽然比离子轻得多，但也会改变工作表面。当用户希望以纳米精度测量工件时，由带电 粒子的撞击引起的工件变化可能会非常明显，尤其是在较软的材料中，例如光刻胶， low-k和ultra-low-k介电材料，例如聚苯撑材料。
当前，技术人员量化由保护层的带电粒子束沉积引起的尺寸变化，然后将校正因子 应用于随后的测量以获得真实尺寸的估计。由于带电粒子束的变化，这种估计并不总是准确的。
当用户希望使用离子束提取通过TEM观察的样品时，例如Ohnishi等人的美国专利美国专利第5270552号。“标本分离方法和标本分离方法分析的方法通常是用户以成 像模式扫描聚焦离子束以定位感兴趣的区域。扫描会对表面造成损害。找到了感兴趣的 位置，并且光束开始铣削沟槽，由于束的边缘不是很清晰，所以工件受到了额外的损 害，也就是说，束通常是高斯形状的，并且离子在高斯的尾部分布不仅会损坏沟槽边缘 的工件，不仅会发现易碎材料，还会发现相对坚硬的材料。
为了保护工件表面，通常在带电粒子束加工之前先施加保护层。施加保护层的一种 方法是带电粒子束沉积，即使用散粒粒子束提供能量以分解气体以在表面上沉积材料。保护层屏蔽了切口周围的区域，并保留了要成像和测量的特征的特征。常用的沉积气体 包括分解成钨，铂，金和碳的前体化合物。例如，六羰基钨可用于沉积钨，甲基环戊二 烯基三甲基铂可用于沉积铂，而苯乙烯可用于沉积碳。用于沉积许多不同材料的前体气 体在本领域中是已知的。沉积为保护层的优选材料取决于应用，包括下面的目标表面的 组成以及保护层材料与目标表面之间的相互作用。
尽管带电粒子束辅助沉积可以在需要该层的精确位置上局部应用该层，但是使用迷 惑粒子束沉积应用保护层仍存在一些缺点。带电粒子束辅助的沉积相对较慢，在某些过程中，保护层的沉积消耗了总处理时间的60％。当最初将离子束扫描到目标表面上以沉 积材料时，离子束会在最初的一段时间内将材料从表面上溅射掉，直到积累了足够数量 的沉积材料以保护表面不受离子束的影响。
即使该时间段可能很小，也可能足够大以允许除去大量的材料，这会导致横截面分 析的准确性受到损害。
电子束和激束可用于产生二次电子，以分解前体气体以沉积保护层，但是当这些束 处于足够的能量和/或电流密度水平下以实现良好的处理时间时，这些束也可能会损坏底表面。使用这种束通常是不切实际的，因为如果束足够“弱”以至于不会损坏下层表 面，则沉积会太慢，可以使用物理气相沉积(PVD)溅射方法在某些区域沉积保护层申 请，但是它们通常不能用于晶片制造设施中的生产控制应用，因为这种方法不能用于将 沉积层局部地施加到晶片表面的目标部分上。转让给本发明的受让人的专利描述了一种 可提供局部化层的PVD方法，带电粒子束用于将材料从靶材溅射到表面上，而带电粒子 束不直接射向靶材。表面本身避免了损坏，但是这种方法很费时。
描述了另一种施加保护性涂层的方法是美国专利No.Aijavec等人的美国专利号6,926,935。在这种方法中，带电粒子束不指向关注区域，而是指向关注区域之外的区 域。二次电子在目标区域上分解前驱气体，以提供保护层。当围绕感兴趣区域的边缘创 建保护层时，带电粒子束可以向内移动。这种方法也是费时的。
长期以来，用刷子涂的胶体银一直用于在扫描电子显微镜中产生导电保护层。所使 用的银颗粒相对较大。使用刷子施加该层会损坏基板，并且无法提供局部层。
施加保护涂层的另一种方法是使用毡尖笔，例如来自Rubbermaid公司Sanford部门 的Sharpie品牌的笔。来自Sharpie笔的墨水非常适合在真空室内使用，因为它会完全干燥，并且真空室内几乎没有放气现象。用笔触碰到感兴趣的区域会改变表面，因此将 墨水施加到感兴趣的区域附近，然后墨水芯吸到感兴趣的区域。墨水中的化合物可保护 某些表面。与现代集成电路的亚微米特征相比，受毡尖影响的区域非常大，并且墨水的 定位精度不足。
将富勒烯分子的保护层用于计算机磁盘驱动器组件的方法在例如美国专利Hoehn等 人的美国专利号No.6,743,481。用于“生产超薄保护性外涂层的方法”和美国专利Dykes等人的美国专利No.20020031615。用于“超薄保护层生产工艺”。富勒烯在离子束或电 子束的作用下从源中喷出，一些富勒烯在靶材的方向上喷出并包覆。
工业界需要一种快速且准确地施加局部保护层而不损坏工件表面的方法。
发明内容
本发明的目的是，使用簇状束沉积或蚀刻工件表面以减少表面损伤。
本发明的技术方案是，一种带电粒子束处理工件的方法，包括：
将工件放置在真空室中；
将气体引向感兴趣的区域，该气体在不反应的情况下吸附到工件的表面；
将非反应性簇的束引向真空室中的感兴趣区域，该束将能量沉积到感兴趣区域中， 以引起感兴趣区域中的吸附气体分解，吸附气体分解形成挥发性化合物和沉积在表面的 非挥发性化合物；在相同的真空室中将束缚的粒子束引向工件上沉积材料的区域以加工 该工件。
将原子或分子簇的束引导向所述工件上的感兴趣区域包括引导包括碳，金，铋或氙 的簇束、C60，C70，C80，C84，Au3，Bi3或Xe40的簇束。
将气体引导至感兴趣区域包括引导包含硅烷化合物或有机金属化合物的前驱体气体， 所述前驱体气体在存在所述束的情况下分解簇将材料沉积到工件表面其中将前体气体 引导到感兴趣区域包括引导包括四甲基正硅烷(TMOS)，四乙基正硅烷(TEOS)，四丁氧基硅烷Si(OC4H9)4，乙酰丙酮二甲基金，六羰基钨(W(CO)6)或甲基环戊二烯基三 甲基铂(C9H16Pt)，前体气体在簇束的情况下分解，从而将材料沉积到工件表面上。
有益效果，本发明包括使用簇离子源来蚀刻表面或沉积材料。与使用单个离子相比， 使用簇通常可以减少对衬底的损坏。本发明对于沉积用于带电粒子束处理的保护层特别 有用。在一些实施例中，前驱气体被簇束分解以沉积保护层。在其他实施例中，簇的成分沉积在工件表面上以提供用于带电粒子束处理的保护层。本发明对于沉积用于带电粒子束处理的保护层特别有用。本发明的实施例还包括允许使用簇源沉积保护层并进行附加的带电粒子束处理的系统。
附图说明
为了进一步理解本发明，及其优点，现在参考以下结合附图的描述，其中：
图1示出了本发明系统的优选实施例，该系统包括等离子体源，该等离子体源能够产生原子的链状簇并将簇引导至样品。
图2示出了根据本发明的优选方法。
图3示出了优选的等离子体簇源。
图4显示了替代簇源。
具体实施方式
以下是在附图中描绘的本发明的示例实施例的详细描述。示例实施例的细节使得清 楚地传达了本发明。然而，所提供的细节量并不旨在限制实施例的预期变型；本发明不限于所公开的实施例。但是，相反，其意图是涵盖落入所附权利要求书所限定的本发明 的精神和范围内的所有修改，等同形式和替代形式。下面的详细描述被设计成使这样的 实施例对本领域普通技术人员显而易见。
前面已经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下面的 本发明的详细描述。在下文中将描述本发明的附加特征和优点。本领域技术人员应该理解，所公开的概念和特定实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应该认识到，这些等效构造不脱离所附权利要求书 中阐述的本发明的精神和范围。
在本发明的一些实施例中，集束提供能量以分解前体气体以沉积层，同时使对工件 表面的损坏最小化。集束也可以用于蚀刻工件表面，可选地与蚀刻增强气体一起蚀刻。在其他实施例中，簇束直接沉积用于带电粒子束处理的保护层，优选地，保护层沉积和 带电粒子束处理发生在同一真空室内。
图1具体实施方式示出了本发明的实施例的简化图示，该实施例包括链式粒子束系 统100，该系统包括簇离子源102，气体注入系统104，优选地是电子束柱106。例如， 描述了气体注入系统，在美国专利授予Casella等人的美国专利号5,851,413。转让给 本发明的受让人的“用于粒子束处理的气体输送系统”的另一种气体输送系统在授予拉 斯穆森的美国专利No.5,435,850中描述了一种“气体喷射系统”，也转让给了该受让人。 簇源102提供了指向工件112上的感兴趣区域的原子或分子簇的束108，其位于工作台 116(未示出)上的真空室114内，优选地能够移动至少在两个方向上。
图2示出了根据本发明的优选方法。在步骤210中，将工件插入真空室114中。在 步骤212中，使用电子束柱106对工件112的一部分进行成像，以在工件表面上定位标 记以对准平台116的坐标系。利用工件112的坐标系，可以使工作台116移动到将感兴 趣的区域110定位在可以将簇束指向的区域内。在步骤214中，将前体气体的射流引导 到感兴趣区域110附近的工件112。已知许多沉积前体气体，包括四甲基原硅烷(TMOS)， 四乙基原硅烷(TEOS)，四丁氧基硅烷Si(OC4H9)，乙酰丙酮二甲基金，有机金属化合 物，例如六羰基钨(W(CO)6)和甲基环戊二烯基三甲基铂(C9H16Pt)。
在步骤216中，将簇束引导至工件表面以提供能量以分解前体气体并沉积保护层。本发明可以使用不同类型的原子或分子的簇。术语“簇”包括多个分子或原子的组。例 如，富勒烯形式的碳(例如，C60，C70，C80或C84)，金(Au3)，铋(Bi3)和氙(Xe40)以 及其他簇可用于沉积或蚀刻。术语“簇”不仅包括多个富勒烯的基团，而且包括被认为 是碳原子簇的单个富勒烯分子。因为每个簇只有一个或几个不平衡电荷，所以簇的电荷 质量比可能明显小于带电粒子束中使用的单个原子或分子的电荷质量比。尽管整个簇的 能量可能比较大，例如几百到几千电子伏特，但每个分量的能量却很低。
典型的保护层优选在0.05μm至1μm之间，更优选在0.1μm至0.8μm之间，最优 选在0.2μm左右。优选的保护层具有足够的导电性，以消除由于带电粒子束撞击工件 而产生的任何电噪声。优选的保护层是“真空友好的”，也就是说，它不会在真空室中 “脱气”或继续蒸发，以不干扰有魅力的粒子束或污染工件。优选的保护层使工件上的 结构稳定。优选的保护层不与工件上的结构相互作用或改变其结构，并提供机械强度， 使得结构的尺寸在带电粒子束的影响下几乎没有变化或根本没有变化。沉积仅限于簇束 撞击点附近的区域。
因为在典型的现有技术方法中，团簇的质量大于镓离子的质量，所以对工件的损害 限于比由镓离子束引起的损害层薄的表面层。根据所用簇的组成，形态和大小以及加速电压，可以将对衬底的损坏限制在顶部20nm，顶部10nm，顶部5nm或顶部2nm之 内。例如，对C60，Au或Bi团簇使用15kV加速电压通常会将损坏层限制在工件的顶部 5nm。相比之下，典型的镓离子束将表面损坏至约30nm至50nm的深度。优选的加速 电压可以随簇的类型和工件的材料而变化。
在一些实施例中，保护层可以由来自簇的材料构成，例如由富勒烯沉积的碳层，并且在这样的实施例中，沉积前体气体是不必要的。即团簇直接沉积在工件上。在其他实 施例中，保护层由来自前体气体的分解产物组成。在其他实施例中，沉积簇束中的材料 和前驱物气体的分解产物的组合。
在步骤218中，由保护层保护的感兴趣区域由带电粒子束处理。例如，可以使用扫描电子显微镜观察目标区域，或者可以蚀刻该区域，或者可以使用离子束沉积其他材料。如果将多源系统用作簇束的源，则可以从等离子体室中去除作为簇源的等离子体材料， 并且可以向等离子体室中填充不同的气体以进行材料去除。或没有蚀刻增强气体或前驱 气体被引导到感兴趣区域的过程中，该工艺或材料沉积过程。多源系统的一个例子在美 国的专利申请于2006年7月14日提交的美国专利申请60/830,978申请了“一种多 源等离子体聚焦离子束系统”，该专利在此引为参考，并转让给本发明的受让人。
在其他实施例中，可以使用增强蚀刻的气体，并且簇束提供能量以发起化学反应以 蚀刻工件，从而减小了蚀刻区域外部的损坏。蚀刻增强气体包括XeF2，F2，Cl2，Br2,I2， 碳氟化合物，例如三氟乙酰胺和三氟乙酸和三氯乙酸，水，氨和氧气。
本发明的优选实施方案使用如美国专利申请号为2005/0183667的美国专利“用于聚 焦离子束系统的磁增强，感应耦合等离子体源”在此引为参考。这样的离子源提供了具有非常低的色差的束并且可以在相对高的束电流下聚焦到相对小的斑点，从而使其适合于精确的微加工和沉积。这样的源可以提供簇束，以及用于带电粒子束处理的单个原子 和分子束。例如，可以使用簇束束沉积保护层，然后可以将氩束与二氟化氙一起使用， 以对工件的特征进行微加工。
图3示出了优选的RF激发的等离子体离子室的简化示意图。陶瓷等离子体离子室300被线圈302包裹。该线圈由RF源(未示出)激励。陶瓷等离子体离子室300是在一 端具有开口电极304的圆柱体。孔电极具有以陶瓷等离子体离子室300的圆柱轴为中心 的孔。离子束通过电极304的孔离开陶瓷等离子体离子室300，并穿过离子束聚焦柱306 以产生可偏转的聚焦离子束308。
陶瓷等离子体离子室300通过阀309接收来自多个源310、312、314中的一个或多个的气体。源可包括诸如上述的簇气体，诸如氙(Xe)或氦的惰性气体(He)，反应性 气体(例如氧气(O2))或上述前体或蚀刻增强气体。可以提供阀309以从源中依次选择 多种不同气体中的每一种。因此，可以选择一种离子种类进行研磨或蚀刻，而选择另一 种不同的离子种类进行沉积。
该源是方便的，因为可以将一种材料提供给等离子体源以产生簇束以提供保护层， 然后可以将第二种材料提供给等离子体源以进一步加工工件。例如，可以引入包含C60的气体以分解前体气体以沉积保护层，然后引入诸如Xe的气体以进行溅射。
图4示出了簇源400的替代实施例的示意图。簇源400可以在其自己的真空室中，或者可以在包括一个或多个另外的带电粒子束柱，例如聚焦离子束柱的真空室中。例如 液态金属或等离子体源柱或电子束柱。非簇状源可以例如用于在使用簇状源施加保护层 之后处理工件。真空室可包括气体注入系统，以将沉积前驱物气体或蚀刻增强气体引向 工件。
簇源400包括含有源材料404的坩埚402。电源408加热线圈410以提供能量以蒸 发源材料404。源材料404的蒸发的原子或分子，通常称为组分，通过喷嘴420膨胀， 其导致原子或分子凝聚成团簇422。团簇优选是原子或分子的松散结合的基团。组分优 选在簇中不形成晶体结构，而是无定形的，类似于液态。成分也可以通过激光或电子或 离子束蒸发。
簇源400包括含有源材料404的坩埚402。电源408加热线圈410以提供能 量以蒸发源材料404。源材料404的蒸发的原子或分子，通常称为组分，通过喷 嘴420膨胀，其导致原子或分子凝聚成团簇422。团簇优选是原子或分子的松散 结合的基团。组分优选在簇中不形成晶体结构，而是无定形的，类似于液态。成 分也可以通过激光或电子或离子束蒸发。
团簇422在电离器430中链接，该电离器430可以例如包括具有电势的电子 源432，该电势具有使电子434向电极436加速的电势。电子434与团簇422碰 撞，使一些成分电离。通常，只有少量的成分(例如一个或两个)被离子化，因 此每个簇上的电荷很小。使团簇任选地通过质量过滤器440，该质量过滤器可以 使用静电场，磁场和孔的组合，以使得具有期望范围内的质量的团簇442的束离 开质量过滤器440并指向工件。技术人员将认识到，在图4中描述的簇源被简化， 并且许多变化和改进是已知和使用的。
这样的簇源已经被用于例如提供光学部件的涂层。来自图4的源的典型簇。包括2至10,000个原子或分子。尽管某些簇中的组分(例如富勒烯中的碳原子)之间的结合 更牢固，但簇中的组分可能彼此松散结合。与所产生的未连接组件的数量或不良尺寸的 簇相比，有效的簇源可产生相对大量的所需大小的簇。簇带电并且通常通过静电力指向 目标。由于组件可以松散地束缚在簇中，因此簇的能量会导致其在撞击时崩解，并使组 件散布到表面上相对较薄，均匀的层中。
簇离子源(包括使用C60的那些离子源)已用于二次质谱法中，以从工件表面喷射材料。每个组件的能量低，可确保几乎没有动量传递到工件中的各个原子和分子，从而导 致工件材料的混合非常少。
本文所用的术语带电粒子束“处理”包括成像以及溅射，蚀刻和沉积。
尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限 定的本发明的精神和范围的情况下，可以在这里进行各种改变，替换和变更。而且，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程，机器，制造，物质组成，手段，方法和步 骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将从本发明的公开内容中容易地理解的，目 前存在的或以后的多种方法，机器，制造，物质组成，手段，方法或步骤的组成被开发 为执行基本相同的功能。根据本发明，或者可以实现与在此描述的相应实施例基本相同 的结果。因此，所附权利要求书旨在将这样的过程制造，物质组成，手段，方法或步骤包括在它们的范围内。
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