JP2013257317A - 角度が固定されたビームと回転する試料ステージとを使用する薄片製作方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実質的に平らな面を基板に形成する方法およびシステムを提供する。
【解決手段】基板の第１の表面に１つまたは複数のビームを導いて、基板から材料を除去するステップであり、前記ビームが、第１の表面に対して垂直な垂線から、ゼロでないカーテニング角だけずれており、第１の表面に対して垂直な平面内で前記ビームを掃引して、基板に、１つまたは複数の初期切れ目をミリングすることにより、第１の表面に対して実質的に垂直な第２の表面を露出させるステップと、前記ビームに対して垂直または平行である軸以外の軸を軸にして、基板を、ゼロでないある回転角だけ回転させるステップと、前記ビームを第２の表面に導いて、ゼロでないカーテニング角を変更することなく、基板から追加の材料を除去するステップと、前記ビームを第２の表面にわたってあるパターンで走査して、基板に、１つまたは複数の仕上げ切れ目をミリングするステップとを含む、方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、電子顕微鏡によって分析するための試料の作成および試料の取扱い方法に関する。

集積回路の製造などの半導体製造は一般にフォトリソグラフィの使用を伴う。回路をその上に形成する半導体基板、通常はシリコン・ウェーハを、放射で露光すると溶解性が変化する材料、例えばフォトレジストで覆う。放射源と半導体基板の間に配置されたマスク、レチクルなどのリソグラフィ・ツールが、基板のどのエリアを放射で露光するのかを制御する陰を作る。露光後、露光したエリアまたは露光しなかったエリアからフォトレジストを除去して、後続のエッチング・プロセスまたは拡散プロセスの間、ウェーハを部分的に保護するパターン形成されたフォトレジスト層をウェーハの上に残す。

このフォトリソグラフィ・プロセスは、それぞれのウェーハの表面に、しばしば「チップ」と呼ばれる多数の集積回路デバイスまたはエレクトロメカニカル・デバイスを形成することを可能にする。次いで、そのウェーハを切断して、単一の集積回路デバイスまたは単一のエレクトロメカニカル・デバイスをそれぞれが含む個々のダイを得る。最後に、これらのダイを追加の処理にかけ、パッケージングして、個々の集積回路チップまたはエレクトロメカニカル・デバイスにする。

露光および集束は変化するため、この製造プロセス中に、リソグラフィ・プロセスによって現像されるパターンを絶えず監視または測定して、パターンの寸法が許容範囲内にあるかどうかを判定する必要がある。パターン・サイズが小さくなるにつれて、特に、そのリソグラフィ・プロセスが使用可能な分解能の限界に最小特徴部分のサイズが近づくにつれて、しばしばプロセス制御と呼ばれるこのような監視の重要性は相当に増す。デバイス密度を絶えず高くしていくためには、特徴部分のサイズを絶えず小さくしていく必要がある。特徴部分のサイズには、相互接続メタライゼーション・ラインの幅および間隔、コンタクト・ホールおよびバイアの間隔および直径、ならびにさまざまな特徴部分のコーナ、エッジなどの表面形状などが含まれる。ウェーハ上の特徴部分は３次元構造物であり、その特徴を完全に記述するためには、ラインまたはトレンチの上面における幅などの表面寸法だけでなく、特徴部分の完全な３次元プロファイルを記述しなければならない。製造プロセスを微調整し、所望のデバイス形状が得られることを保証するために、プロセス・エンジニアは、このような表面特徴部分のクリティカル・ディメンジョン（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）（ＣＤ）を正確に測定することができなければならない。

ＣＤの測定は一般に、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの機器を使用して実施される。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、１次電子ビームを微小なスポットに集束させ、観察しようとする表面をそのスポットで走査する。表面に１次ビームが衝突すると、その表面から２次電子が放出される。その２次電子を検出し、画像を形成する。このとき、画像のそれぞれの点の輝度は、その表面の対応するスポットにビームが衝突したときに検出された２次電子の数によって決定される。しかしながら、特徴部分が小さくなり続けると、ある時点で、測定する特徴部分が小さすぎて、通常のＳＥＭが提供する分解能によっては分解できなくなる。

透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）では、数ナノメートル程度の極めて小さな特徴部分を見ることができる。材料の表面だけを画像化するＳＥＭとは対照的に、ＴＥＭでは、試料の内部構造をも分析することができる。ＴＥＭでは、幅の広いビームが試料に衝突し、試料を透過した電子を集束させて試料の画像を形成する。１次ビーム中の電子の多くが試料を透過し、反対側から出てくることを可能にするため、試料は十分に薄くなければならない。試料の厚さは一般に１００ｎｍ未満である。

透過型走査電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）では、１次電子ビームを微小なスポットに集束させ、スポットは、試料表面にわたって走査される。基板を透過した電子を、試料の向こう側に置かれた電子検出器によって集める。画像のそれぞれの点の強度は、その表面の対応する点に１次ビームが衝突したときに集められた電子の数に対応する。

半導体形状が縮小し続けるにつれ、製造業者は、プロセスを監視し、欠陥を分析し、界面層の形態を調べるのに、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にますます依存する。本明細書で使用する用語「ＴＥＭ」はＴＥＭまたはＳＴＥＭを指し、ＴＥＭ用の試料を作成すると言うときには、ＳＴＥＭで観察するための試料を作成することも含まれると理解される。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭまたはＳＴＥＭ）で観察するためには試料が非常に薄くなければならないため、試料の作成は、繊細で時間のかかる作業である。

バルク試料材料から切り取った薄いＴＥＭ試料は「薄片（ｌａｍｅｌｌａ）」として知られている。薄片の厚さは一般に１００ｎｍ未満であるが、用途によっては、薄片をそれよりもかなり薄くしなければならないことがある。３０ｎｍ以下の先進の半導体製造プロセスでは、小規模な構造体の重なりを回避するために、薄片の厚さが２０ｎｍ未満である必要がある。現在、３０ｎｍよりも薄くすることは難しく、堅牢（ｒｏｂｕｓｔ）ではない。試料の厚さに変動があると、薄片が曲がったり、過剰にミリングしてしまったり、または他の破滅的な欠陥が生じたりする。このような薄い試料に関して、薄片の作成は、構造の特性評価の質および最も小さく限界的な構造体の分析を有意に決定するＴＥＭ分析の決定的に重要なステップである。

たとえＴＥＭ分析によって得ることができる情報の価値が非常に高いといっても、ＴＥＭ試料を製作し測定するプロセスは、全体として、歴史的に労働集約的で、時間のかかるプロセスであるため、製造プロセスの制御に対してこのタイプの分析を使用することはこれまで実際的でなかった。集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システムを使用してＴＥＭ顕微鏡法用の薄片を製作することが当技術分野では知られている。ＦＩＢシステムは、ＴＥＭシステムで使用するのに十分な薄さに薄片をミリングすることができる。当技術分野では、デュアル・ビーム・システムを使用してＴＥＭ試料を作成することが知られている。デュアル・ビーム・システムは、バルク試料から薄片をミリングするためのＦＩＢカラムと、一般に薄片をミリングしている最中に薄片を画像化するためのＳＥＭカラムとを有する。デュアル・ビーム・システムは、ＴＥＭ分析用の試料を作成するのに必要な時間を短縮する。ＦＩＢ法を使用して試料を調整することで、ＴＥＭ分析用の試料を作成するのに必要な時間はわずか数時間にまで短縮されたが、所与のウェーハからの１５ないし５０のＴＥＭ試料を分析することは珍しいことではない。その結果、ＴＥＭ分析の使用において、特に半導体プロセスの制御のためにＴＥＭ分析を使用することにおいて、試料を作成する速度は非常に重要な因子である。

図１Ａは、ＴＥＭ分析用の試料薄片を製作するための初期ミリングをバルク試料材料上で実行するための向きに配置された先行技術のＦＩＢシステムを示す。このツールの試料ステージ１０６に、バルク試料材料すなわち基板１０８が装着されている。基板１０８は、基板１０８の上面が、ＦＩＢカラム１０２から放出された集束イオン・ビーム１０４に対して垂直になるような向きに配置される。薄片１１０を製作するために実行される大部分のイオン・ビーム機械加工は、基板１０８とＦＩＢカラム１０２をこの向きに配置して実行される。イオン・ビーム１０４は集束する（すなわち円錐形に収束する）ため、この垂直なミリングによって、薄片１１０は頂部から底部へのテーパを有する。すなわち、薄片１１０は、頂部のほうが底部よりも薄い。さらに、境界１１４において、薄片１１０は基板１０８にしっかりとくっついている。基板１０８から薄片１１０を取り出した後でなければ、薄片１１０をＴＥＭで使用することはできない。さらに、イオン・ビーム１０４を用いた垂直方向のミリングで基板１０８から除去された材料が、薄片１１０の面に再付着しまたは薄片１１０の面に流れて、非晶質の層１１２を形成することがある。非晶質層１１２はＴＥＭ分析の質を低下させる。非晶質層１１２を除去しまたは研磨した後でなければ、薄片１１０をＴＥＭで使用することはできない。

図１Ｂは、オーバーチルティング（ｏｖｅｒｔｉｌｔｉｎｇ）、研磨および／またはアンダーカッティング（ｕｎｄｅｒｃｕｔｔｉｎｇ）を使用して試料薄片を後処理するために傾けられた向きに配置された先行技術のＦＩＢシステムを示す。オーバーチルティングは薄片１１０の側面からテーパを除去して、薄片１１０の両面を実質的に平行にするプロセスである。研磨は、以前の初期ミリングによって薄片１１０の表面に集められた非晶質層（１つまたは複数）１１２を薄片１１０から除去するプロセスである。アンダーカッティングは、境界１１４のところでまたは境界１１４の近くで薄片１１０を基板１０８から部分的にまたは完全に切り離すプロセスである。先行技術の薄片製作ツールでは、基板１０８の初期機械加工の間、イオン・ビーム１０４が垂直方向を向く（すなわち基板１０８の上面に対して垂直になる）ように、ＦＩＢカラム１０２の向きを定める。基板１０８の初期機械加工の後、オーバーチルティング、研磨およびアンダーカッティング・プロセスを実行するため、追加のイオン・ミリングを実行することができるように、試料を、イオン・ビーム１０４に対して垂直な位置から両側へ傾けなければならない。薄片１１０の長軸を軸にして、試料ステージ１０６またはＦＩＢカラム１０２をある角度１１６だけ回転させる。すなわち、試料ステージ１０６またはＦＩＢカラム１０２を、薄片１１０の長軸と基板１０８の上面に対して垂直な垂線とによって画定される平面に対してある角度１１６だけ回転させる。別の言い方をすると、図１Ａに示した薄片１１０の断面内に位置する、好ましくは薄片１１０の断面の中心付近に位置する、図１Ａの紙面に対して垂直な軸を軸にして、試料ステージ１０６またはＦＩＢカラム１０２を回転させる。

先行技術で知られている構成では、薄片１１０に対して必要な後処理を実行するため、初期ミリングの後に、ＦＩＢカラム１０２と基板１０８の上面に対して垂直な垂線とによって画定される平面に垂直なある軸を軸にして、試料ステージ１０６またはＦＩＢカラム１０２を傾けなければならない。ツールに対してこれら（すなわちステージまたはカラム）を傾けることはいずれも複雑であり、それによってツールの出費、保守および脆弱性が増大する。先行技術のシステムでは、薄片作成プロセスの全体を通じてＦＩＢカラム１０２が固定された位置に維持される場合、試料ステージ１０６の自由度は５でなければならない。すなわち、Ｘ、ＹおよびＺ方向の平行移動、基板の上面に垂直な軸を軸とした回転、およびＦＩＢカラム１０２に垂直な軸を軸とした回転が可能でなければならない。あるいは、試料ステージ１０６の自由度を４（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の平行移動および試料の上面に垂直な軸を軸とした回転）だけにする場合には、オーバーチルティング、研磨およびアンダーカッティングを実行するために、ＦＩＢカラム１０２が、ミリング中に、ツールの残りの部分に対して回転しなければならない。

許容されるドリフト範囲（数ナノメートル程度）内で正確に傾けることができる試料ステージ１０６および／またはＦＩＢカラム１０２を有するＴＥＭ試料作成システムは、複雑で、高価であり、追加の保守を必要とする。自由度が４だけの試料ステージ１０６と位置が固定されたＦＩＢカラム１０２とを有するＴＥＭ試料作成システムは、それ以外が全て等しい場合、前述のツールよりも費用が安く済み、組立ておよび保守がより簡単であり、壊れにくい。したがって、処理中に試料をイオン・ビーム１０４に対して傾ける必要なしに、ＦＩＢカラム１０２を用いた斜め方向のミリングを実行することができることが望ましい。

さらに、前述の先行技術の方法を使用して形成された薄片は、「カーテニング（ｃｕｒｔａｉｎｉｎｇ）」として知られている望ましくない副作用を受ける。図２は、カーテニングの影響を示している試料２００を示す。不均質な構造体（例えば金属ゲートおよびシールドとシリコンおよび二酸化シリコン）から基板１０８が形成されているとき、イオン・ビーム１０４は、異なる要素を異なるミリング速度で差別的にミリングする。一部の金属要素は、その下のより軽い材料を陰にする傾向を有する。例えば、試料２００は、シリコン部分２０２およびタングステン部分２０４を含む。シリコン部分２０２は、タングステン部分２０４よりも速い速度でミリングされる。結果として生じる影響は、金属のエリアが金属のないエリアほどにはミリングされていない波打った薄片面、すなわちカーテン２０６である。この影響が「カーテニング」と呼ばれるのは、薄片面の波打った特徴部分が、吊り下げられたカーテンに似ているためである。イオン・ビームが垂直に（すなわち基板の上面に対して垂直に）導かれるとき、カーテニングの影響は最も顕著になる。カーテニングのある加工品は、ＴＥＭ画像化の質を低下させ、最小有効試料厚を制限する。超薄ＴＥＭ試料では、２つの断面が非常に近く、そのため、カーテニングの影響による厚さの変動によって、試料薄片が使用不能になることがある。したがって、ＴＥＭ試料薄片の作成中のカーテニングのある加工品を低減させることが望ましい。

以上では、薄片作成プロセスを半導体製造の文脈で説明したが、他の用途のために薄片を作成することも一般的である。例えば、生体の画像化では、樹脂に埋め込んだまたは低温で凍らせた細胞または組織の試料から薄片を製作することがしばしば有利である。次いで、ＴＥＭまたはＳＴＥＭを使用してそれらの薄片を画像化し、それによって細胞のさまざまな超微細構造に関する情報を得る。

さらに、薄片作成の文脈で上に記載したマイクロ機械加工手順およびナノ機械加工手順を、ＭＥＭＳ製造などの他のナノ製造手順で使用することもでき、さらに、機械、電気および電気機械デバイスを製作する他のプロセス、特にサイズが数十マイクロメートルからナノメートルの範囲にある機械、電気および電気機械デバイスを製作するプロセスで使用することもできる。

集束イオン・ビームの文脈で上に記載したビームの位置決め手順および傾ける手順を、他のタイプのマイクロ製造プロセス、例えばウォータ・ジェット・カッタおよびレーザ・ビームを使用するプロセスで使用することもできる。

本発明の一実施形態は、実質的に平らな面を基板に形成する方法を含み、この方法は、基板の第１の表面に第１のビームを導いて、基板の第１の位置から材料を除去するステップであり、第１のビームが、第１の表面に対して垂直な垂線から、ゼロでない第１のカーテニング角だけずれているステップと、第１の表面に対して垂直な平面内で第１のビームを掃引（ｓｗｅｅｐ）して、基板に、１つまたは複数の初期切れ目（ｉｎｉｔｉａｌ ｃｕｔ）をミリングするステップであり、この初期切れ目が、第１の表面に対して実質的に垂直な第２の表面を露出させるステップと、第１のビームに対して垂直でありまたは第１のビームに対して平行である軸以外の軸を軸にして、基板を、ゼロでないある回転角だけ回転させるステップと、第１のビームを第２の表面に導いて、ゼロでない第１のカーテニング角を変更することなく、基板から追加の材料を除去するステップと、第１のビームを第２の表面にわたってあるパターンで走査して、基板に、１つまたは複数の仕上げ切れ目（ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｃｕｔ）をミリングするステップとを含む。

本発明の他の実施形態は、実質的に平らな面を基板に形成する装置を含み、この装置は、基板に特徴部分をミリングするための粒子を放出する第１の粒子源と、第１の粒子源から放出された粒子を成形して第１のビームとし、この第１のビームを、基板に衝突するように導く第１の集束カラムと、試料ステージとを備え、試料ステージは、基板を、試料ステージに対して固定された位置に保持し、試料ステージは、１軸だけを軸に回転することができる。

以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の趣旨および範囲に記載された本発明の範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。

次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。

ＴＥＭ分析用の試料薄片を基板から作成するための最初の向きに配置された先行技術のＦＩＢシステムを示す図である。 オーバーチルティング、研磨および／またはアンダーカッティングを使用して試料薄片を後処理するために傾けられた向きに配置された先行技術のＦＩＢシステムを示す図である。 カーテニングの影響を示している試料２００を示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態を実施するのに使用される粒子ビーム・システムを示す図である。 薄片４００に対するイオン・ビーム１８の向きを決定するために使用するさまざまな角度を示すための、本発明の１つまたは複数の実施形態に基づく試料薄片４００およびイオン・ビーム１８の理想化された３次元図である。 さまざまなカーテニング角θ_cについて、ミリング角θ_mを、回転角θ_rに対して示したグラフ５００である。 集束イオン・ビーム・システム８を動作させる、本発明の１つまたは複数の実施形態に基づく方法を示す流れ図６００である。 カーテニングの影響を示していない試料７００を示す図である。 中央のＳＥＭカラム８０４の両側に１つずつ、合わせて２つのＦＩＢカラム８０２ａおよび８０２ｂを含む３カラム・アセンブリ８００の略上面図である。 中央のＳＥＭカラム８０４の両側に１つずつ、合わせて２つのＦＩＢカラム８０２ａおよび８０２ｂを含む図８の３カラム・アセンブリ８００の略側面図である。 ＦＩＢミリングの前に平らな試料表面２２を画像化する電子ビーム画像化モードを示す側面図である。 薄片４００の側壁を画像化する電子ビーム画像化モードを示す側面図である。 イオン・ビーム１８ａおよび１８ｂを使用して、薄片４００の両側に１つずつ、合わせて２つのカットアウト（ｃｕｔｏｕｔｓ）（１２０２ａおよび１２０２ｂを同時にミリングし、薄片４００の垂直面を露出させる、集束イオン・ビーム・カラム８０２ａおよび８０２ｂを示す図である。 ２つのＦＩＢカラムがどのようにして互いに独立に動作するのかを示す、図１２の集束イオン・ビーム・カラム８０２ａ、８０２ｂおよびに集束イオン・ビーム１８ａ、１８ｂの大写し図である。 デュアルＦＩＢシステムを用いた本発明の一実施形態に基づく薄片作成プロセスの仕上げ切れ目のミリングの上面図である。 カーテニングを低減させるために薄片４００の同じ面４０２を同時に研磨しているデュアルＦＩＢカラムの上面図である。 カーテニングを低減させるために薄片４００の同じ面４０２を同時に研磨している図１５のデュアルＦＩＢカラムの側面大写し図である。 ステージ回転を使用するデュアルＦＩＢシステムを用いた本発明の好ましい一実施形態に基づく薄片作成プロセスの仕上げ切れ目のミリングを示す図である。 ２つのＦＩＢカラムと組み合わされた２つの電子ビーム・カラムを含む本発明の代替実施形態を示す図である。 ２つのＦＩＢカラムと組み合わされた２つの電子ビーム・カラムを含む本発明の他の代替実施形態を示す図である。

本発明の実施形態は、試料薄片、好ましくは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で使用するための試料薄片を製作するために側面が平らな切れ目を試料基板に形成するための装置および方法を対象とする。本発明の実施形態は、イオン・ビームが試料基板の上面に対して垂直にならないようにイオン・ビームを配置することを含む。ビームを、イオン・ビーム・カラムと基板の上面に対して垂直な垂線とによって画定される平面内で走査し、見かけのミリング角を変化させるために、基板を、基板の上面に対して垂直な垂線を軸にして回転させる。

図３は、本発明の１つまたは複数の実施形態を実施するために使用することができる集束イオン・ビーム・システム８を示す。集束イオン・ビーム・システム８は、イオン・ビーム集束カラム１６にイオンを供給するイオン源１４が内部に配置された排気されたエンベロープ１２を含む。イオン・ビーム１８は、源１４から、カラム光学部品１６を通り、静電偏向機構２０の間を抜け、基板２２に向かって進む。基板２２は例えば、下室２６内の試料ステージ２４上に配置された半導体デバイスを含む。少なくとも１つの実施形態では、試料ステージ２４の自由度が、傾斜ステージを必要としない４以下である。代替実施形態では、試料ステージ２４が、自由度が５以上の傾斜ステージを含む。試料ステージ２４は、ｘ、ｙおよびｚ方向に平行移動することができ、試料ステージ２４の上面に対して垂直な単一の軸を軸に回転することができることが好ましい。

イオン源１４、およびイオン・ビーム１８を形成し、イオン・ビーム１８を試料２２に向かって導くための集束カラム１６内の適当な電極に、高圧電源３４が接続される。偏向板２０には、パターン発生器３８が供給する所定のパターンに従って動作する偏向コントローラおよび増幅器３６が結合される。偏向板２０によって、試料２２（「基板」とも呼ぶ）の表面の対応するパターンをたどるように、ビーム１８を制御することができる。いくつかのシステムでは、当技術分野ではよく知られているように、偏向板２０が、最後のレンズの前（すなわち集束カラム１６の内部）に置かれる。

イオン・ミリング、材料付着によって基板２２の表面を改変するため、または基板の表面を画像化するため、イオン・ビーム源１４を基板２２に集束させる。画像化のために２次イオンまたは電子の放出を検出する目的に使用する荷電粒子増倍管４０を、ビデオ回路および増幅器４２に接続することができる。後方散乱電子検出器、Ｘ線検出器など、当技術分野で知られている他の画像検出器を使用することもできる。ビデオ回路および増幅器４２は、ビデオ・モニタ４４にビデオ信号を供給する。ビデオ・モニタ４４はさらに、コントローラ３６から偏向信号を受け取る。実施形態によって、室２６内における荷電粒子増倍管４０の位置を変更することができる。例えば、一実施形態では、荷電粒子増倍管４０がイオン・ビームと同軸であり、イオン・ビームを通す穴を含む。ＦＩＢシステム８は、走査電子顕微鏡４１（ＳＥＭ）と、電源および制御装置４５を備えることが好ましい。ＳＥＭ４１を使用して、ＦＩＢ１８でミリングした後に、またはミリング・プロセスの進捗を監視するためＦＩＢミリングと同時に、電子ビーム４８で基板を画像化することができる。

偏向コントローラおよび増幅器３６に入力される信号によって、ビーム１８は、基板２２上の画像化するターゲット・エリアまたはミリングするターゲット・エリア内を、パターン発生器３８によって制御されたパターンに従って移動する。それぞれの試料点から放出された荷電粒子を荷電粒子増倍管４０によって集めて、画像を生成する。この画像は、ビデオ回路４２を経由してビデオ・モニタ４４に表示される。その画像を見たオペレータは、ビーム１８を集束させ、さまざまな収差に対してビーム１８を調整するために、カラム１６内のさまざまな光学要素に印加する電圧を調整することができる。カラム１６内の集束光学部品は、当技術分野で知られている集束機構、または将来において開発される方法を含むことができる。

図４は、試料薄片４００に対するイオン・ビーム１８の向きを決定するために使用するさまざまな角度を示すための、本発明の１つまたは複数の実施形態に基づく試料薄片４００およびイオン・ビーム１８の理想化された３次元等角図を示す。ＦＩＢカラム１６は、薄片４００の表面にイオン・ビーム１８を導く。カーテニング角θ_cは、ｚ軸に対するイオン・ビーム１８の角度である。すなわち、カーテニング角θ_cは、イオン・ビーム１８と基板２２の上面４０１に垂直な垂線との間の角度である。別の言い方をすると、カーテニング角θ_cは、θ_rがゼロである時ｘｚ平面で測定した、ｚ軸からのイオン・ビーム１８の角度である。図３の集束イオン・ビーム・システム８の一実施形態では、集束イオン・ビーム・システム８内の固定された位置にＦＩＢカラム１６が配置され、カーテニング角θ_cを変更することができない。代替実施形態では、基板２２から薄片４００をミリングする前に、ＦＩＢカラム１６の傾斜角を調整することができ、それによって、集束イオン・ビーム・システムが、異なる基板を異なるカーテニング角でミリングすることを可能にすることができる。しかしながら、この代替実施形態では、基板２２から薄片４００をミリングしている間、基板２２の上面４０１に対するＦＩＢカラム１６の位置が不変であり、そのため、ミリング・プロセスの全体を通じてカーテニング角θ_cが一定である。

回転角θ_rは、ｘｙ平面に投影した、イオン・ビーム１８とｘ軸の間の角度である。

ミリング角θ_mは、ｙｚ平面に投影した、イオン・ビーム１８とｚ軸の間の角度である。ミリング角θ_mは、回転角θ_rおよびカーテニング角θ_cから、下式に従って求めることができる。

θ_m＝ｔａｎ^-1［ｓｉｎ（θ_r）ｔａｎ（θ_c）］
上式で、
θ_m＝ミリング角、すなわちｚ軸と薄片面に垂直な垂線とを含む平面内のＦＩＢの成分
θ_c＝カーテニング角、すなわちＦＩＢとｚ軸の間の機械的な角度
θ_r＝回転角、すなわちＦＩＢ−ｚ軸平面と薄片平面との間の角度
である。

あるいは、所望のミリング角θ_mを達成するのに必要なｚ軸を軸とした必要な試料ステージ回転（すなわち回転角θ_r）を下式に従って決定することもできる。

例えば、集束イオン・ビーム・システム８のＦＩＢカラム１６が、ｚ軸に対して４５度傾いている場合（すなわちカーテニング角θ_c＝４５°）、必要な回転角θ_rと所望のミリング角θ_mの間の関係は、小さなミリング角θ_mについてはほぼ直線になる。

ｔａｎθ_c＝１

小さなθ_mについて
θ_r≒ｓｉｎ^-1［ｓｉｎ（θ_m）］
θ_r≒θ_m
上記の例でミリング角θ_mを６度にするためには、試料ステージ２４を６度回転させ、イオン・ビーム１８の走査パターンを６度回転させる。そうすることによって、試料ステージ２４またはＦＩＢカラム１６を互いに対して傾ける必要なしに、後処理ミリングを実行することができる。ＦＩＢカラム１６が、４５度よりもはるかに小さいカーテニング角θ_cで取り付けられている場合、この直線近似はもはや維持されない。図５は、さまざまなカーテニング角θ_c（θ_c＝ｚ軸から１０、２０、３０、４５および８０度）について、ミリング角θ_mを、回転角θ_rに対して示したグラフ５００を示す。

図６は、集束イオン・ビーム・システム８を動作させる、本発明の１つまたは複数の実施形態に基づく方法を示す流れ図６００である。この方法は、開始位置６０１から始まる。ステップ６０２で、イオン・ビーム１８を、基板２２の水平な上面４０１に向かって、ゼロでないカーテニング角θ_cで導く。ステップ６０４で、イオン・ビーム１８をある平面内で掃引して、基板２２に、１つまたは複数の初期の切れ目をミリングし、基板２２の上面４０１に対して垂直な実質的に平らな表面を露出させる。この初期の切れ目は、基板からバルク試料材料を除去して平らな表面を露出させるための「粗い切れ目」である。ゼロでないカーテニング角θ_cでイオン・ビーム１８を基板に導くことによって、基板２２内のミリング速度がより大きい材料が作る陰が、垂直に向けられたイオン・ビーム（すなわち基板２２の上面４０１に対して垂直に導かれたイオン・ビーム）に比べて低減する。基板２２内のミリング速度がより大きい材料が作る陰が低減すると、カーテニングの影響効果に起因する望ましくない表面の変動が低減する。図７は、カーテニングの影響を示していない試料７００を示す。

イオン・ビーム１８の形状およびエネルギー分布が原因で、この平らな表面に、頂部から底部へのテーパが生じることがある。また、この初期切れ目の間に、この平らな表面に材料が再付着し、またはこの平らな表面に材料が流れることもある。仕上げ切れ目の第１の理由は、この平らな表面の不要なテーパを除去することである。仕上げ切れ目の第２の理由は、この平らな表面のビームの影響を受けたゾーンから薄い層を除去することである。この薄い層は、非晶質層、平らな表面に再付着した層、または平らな表面に流れた層を含むことがある。仕上げ切れ目の第３の理由は、薄片を取り出すために作成中の薄片をアンダーカットすることである。このアンダーカットの手順は、薄片の底部と２つの側縁の両方をＦＩＢでミリングすることを含む。仕上げ切れ目を実施するため、ビーム１８に対して垂直でもまたは平行でもないある軸を軸にして、基板２２を、ゼロでないある回転角θ_rだけ回転させる（ステップ６０６）。回転角θ_rは、基板２２の後処理に対して使用したいミリング角に基づいて決定する。すなわち、試料ステージ２４またはＦＩＢカラム１６を互いに対して傾ける代わりに、基板２２の上面４０１に垂直な軸を軸に試料ステージ２４を回転させて、所望のミリング角を達成する。ミリング角θ_mは、回転角θ_rおよびカーテニング角θ_cから、下式に従って求めることができる。

θ_m＝ｔａｎ^-1［ｓｉｎ（θ_r）ｔａｎ（θ_c）］
上式で、
θ_m＝ミリング角、すなわちｚ軸と薄片面に垂直な垂線とを含む平面内のＦＩＢの成分
θ_c＝カーテニング角、すなわちＦＩＢとｚ軸の間の機械的な角度
θ_r＝回転角、すなわちＦＩＢ−ｚ軸平面と薄片平面との間の角度
である。

ゼロでないある回転角θ_rだけ基板２２を回転させた後、試料ステージ２４をイオン・ビーム１８に対して傾けることなく、基板２２の露出した平らな表面にイオン・ビーム１８を導く（ステップ６０８）。イオン・ビーム１８は、露出した平らな表面にわたってあるパターンで走査され、基板２２に、１つまたは複数の仕上げ切れ目をミリングする（ステップ６１０）。基板２２の最初の切れ目が完了した後、「Ｎｏ」の分岐線に沿ってステップ６１２を出、ステップ６０４に戻り、第１の切れ目に隣接した位置で第２の切れ目を開始する。この第２の切れ目が完了すると、露出した２つの平らな表面を境界とする壁によって分離された２つの空洞ができる。これらの２つの空洞を分離する壁を薄片として使用することができる。第２の切れ目が完了した後、「Ｙｅｓ」の分岐線に沿ってステップ６１２を出、薄片の完成を意味するステップ６２０に進む。仕上げの切れ目のうちの１つまたは複数の仕上げの切れ目は、壁の基部をアンダーカットして、壁を取り出すことができるようにすることを含むことができる。

スループットを向上させ、処理時間を短縮するために、本発明の実施形態は、２つ以上のＦＩＢカラムおよび２つ以上の電子ビーム・カラムを含むことができる。図８は、中央のＳＥＭカラム８０４の両側に１つずつ、合わせて２つのＦＩＢカラム８０２ａおよび８０２ｂを含む３カラム・アセンブリ８００の略上面図を示し、図９は略側面図を示す。図解のため、ＦＩＢカラム８０２ａ〜８０２ｂは、ＳＥＭカラム８０４に対して４５度の角度で示されているが、正確な角度は、カラムのサイズ、基板２２からビームまでの距離および／または他の因子に応じて変更することができる。ここに示した例では、３つカラム８０２ａ、８０２ｂおよび８０４の光軸が、基板２２の表面の、電子ビーム・カラムの直下の１点に収束する。実施形態によっては、光軸が１点に収束しないように３つのカラム８０２ａ、８０２ｂおよび８０４を構成したほうが好ましいこともある。いくつかの実施形態では、カラム８０２ａ、８０２ｂおよび８０４からの全てのビームを同時に基板２２に導く。別の実施形態では、カラム８０２ａ、８０２ｂおよび８０４からのビームのうち１つまたは２つのビームだけを同時に基板２２に導く。カーテニング角θ_cを決定する上記の計算は、多ＦＩＢカラムの場合ならびに図３および４に示した単一ＦＩＢカラムの場合に適用される。カラムに対する検出器の配置は以下のうちの１つとすることができる。

１）それぞれのカラム内にあって、いずれも互いに独立に動作するスルー・ザ・レンズ検出器。ＳＥＭカラム８０４については、２次電子および／または後方散乱電子を集めて、画像化信号を生成することができる。ＦＩＢカラム８０２ａおよび８０２ｂについては、ミリング中および研磨中に、２次電子または２次イオンを集めて、補足的な画像化信号を生成することができる。この信号を終点検出に使用することができる。

２）３つのカラムのそばに配置され、１つまたは複数の画像化信号を生成するために２次電子、後方散乱電子および／または２次イオンを検出することができる１つまたは複数の検出器（図示せず）。

図１０および図１１は、ＳＥＭカラム８０４を使用した２つの異なる電子ビーム画像化モードを示す側面図である。図１０では、電子ビーム４８が基板２２の表面に垂直に入射する。このモードは、薄片４００の作成に含める特定の特徴部分の位置を突き止めるために、最初に基板２２の表面を操作するときに有用であろう。電子ビーム４８は、テレセントリックに（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃａｌｌｙ）走査され、傾いたビームで起こりうる視差によって引き起こされる位置の誤りを回避する。図１１では、ＳＥＭカラム８０４内の２重偏向システムを使用して、薄片４００の２つの側面に対して電子ビーム４８を傾け、終点を検出する（すなわち関心の特徴部分を露出させるときに、その特徴部分がミリングによって除去される前にミリングを止める）ために側面を画像化することを可能にする。適切な傾斜角（例えば基板に垂直な垂線に対して±７度）を達成するため、大きな偏向角および偏向によって誘起される最小限の収差に対して最適化された２重偏向システムを使用する。

図１２は、イオン・ビーム１８ａおよび１８ｂを使用して、薄片４００の両側に１つずつ、合わせて２つのカットアウト１２０２ａおよび１２０２ｂを同時にミリングし、薄片４００の垂直面を露出させる、集束イオン・ビーム・カラム８０２ａおよび８０２ｂを示す。カットアウト１２０２ａおよび１２０２ｂが見えるように、ＳＥＭカラム８０４は示されていない。ＦＩＢカラムは、同じタイプのイオン源（例えばＧａ）を有することができ、または一方のカラムが、高速ミリング用の重イオン源を有し、もう一方のカラムが、微細なミリングおよび研磨用のより軽いイオン源を有するように構成することもできる。一方のカラムは高速（バルク）ミリング用の大きなイオン束を生み出すことができ、もう一方のＦＩＢカラムは微細なミリングおよび研磨に適したより小さいイオン束を生み出すより小さな絞りを有するように、それぞれのＦＩＢカラムが、同じタイプのイオン源を有するが異なるビーム画定絞りを有することも可能である。ＦＩＢカラムが異なる場合には、図１６および図１７に示すようにカーテニングを除去しているときに、異なるミリング速度を補償する必要があることがある。他の代替実施形態は、１つのモードが、高電流を有する大きなビームを生成し、別のモードが、低電流を有する小さなビームを生成する複数の動作モードで動作するように、ＦＩＢカラムを構成することである。これらの代替モードは、レンズ電圧を変更することによって、および／または絞りを機械的に動かすことによって選択することができるようにすることができる。

図１３は、２つのＦＩＢが、どのようにして、互いに独立に、薄片４００の両側でミリングを実行し（図示）、または、両方のＦＩＢが、薄片４００の同じ側でミリングを実行する（図示せず）のかを示す、図１２の集束イオン・ビーム・カラム８０２ａ、８０２ｂおよび集束イオン・ビーム１８ａ、１８ｂの大写し図である。カットアウト１２０２ａおよび１２０２ｂをミリングするために、これらのＦＩＢは、薄片４００の近くにより多くの走査線があり、薄片４００から離れるにつれて走査線の数が減る修正されたラスタ・パターンで走査される。この修正されたラスタ・パターンでＦＩＢを走査すると、三角形の２つのカットアウトができ、それぞれのカットアウトの最も深い面が、薄片４００の２つの面のうちの一方の面となる。このモードでは、２つのＦＩＢが、垂直から約４５度の角度で基板２２の上面４０１に当たる。これによって、垂直に入射するビームに比べてミリング速度を増大させることができる（ミリング速度は、これらのＦＩＢカラムで使用する特定のイオン種によって左右される）。両方のカラムの傾斜角θ_cは固定されており、基板２２の表面に対して垂直な軸を軸に基板２２を回転させると、カラム８０２ａおよび８０２ｂに対する角度θ_mとθ_rが同時に変化するため、単一ＦＩＢカラム実施形態に関する図３〜５で説明した基板２２の回転方法は、デュアルＦＩＢカラム実施形態に対しても等しく適用可能である。このラスタ走査プロセスの間に、電子ビーム・カラムを定期的に起動させて、進行中のカットアウトの画像を、終点決定の補助として生成することができる。ＦＩＢカラム内の検出器を、リアルタイム終点検出に使用することもできる。

図１４および図１５は、デュアルＦＩＢシステムを用いた本発明の一実施形態に基づく薄片作成プロセスの仕上げ切れ目のミリングを示す。カットアウト１２０２ａおよび１２０２ｂは既に完成しており（図１２〜１３参照）、次に、集束イオン・ビーム１８ａおよび１８ｂを図示されているように偏向させて、集束イオン・ビーム１８ａおよび１８ｂを薄片４００の実質的に垂直な面に当てる。図１４は、集束イオン・ビーム１８ａおよび１８ｂが薄片４００の向かい合っている両側面を同時にミリングしている場合を示している。図１５は、集束イオン・ビーム１８ａおよび１８ｂが薄片４００の同じ側を同時にミリングしている場合を示している。それぞれのＦＩＢカラム内の２重偏向器を使用して、集束イオン・ビームを外側へ傾け、集束イオン・ビームが限界見通し角に近い角度で薄片の側面に当たるようにする。図１４に関しては、基板２２を回転させて、垂直に近い角度で薄片の２つの側面にイオン・ビームを導くことができる。

図１６は、カーテニングを低減させるために薄片４００の同じ面４０２を同時に研磨しているデュアルＦＩＢ１８ａおよび１８ｂの大写し図である。突起物１６０２（例えばデバイスの金属相互接続スタック内のタングステン・コンタクトまたはバイア。これらの特徴部分は、ミリング速度に差があるために、スタックの他の要素よりもゆっくりとミリングされるため、最終的に突き出すことがある）が示されている。図解の目的上、この例では、２つのＦＩＢ１８ａおよび１８ｂが、約９０度の内角を有するが、用途に応じて他の内角を使用することもできる。内角は一般に、それぞれのＦＩＢカラム８０２ａまたは８０２ｂとそれらのＦＩＢカラムの間にあるＳＥＭカラム８０４との間の角度の２倍である。基板表面に対して垂直にＳＥＭカラム８０４が取り付けられる場合、内角９０度は、ビーム１８ａと１８ｂの両方に関してカーテニング角θ_c＝４５°に対応する。この図から分かるとおり、これらのビームは大きな角度で交差するため、突起物１６０２の下の陰をごくわずかにし、それによって突起物１６０２の下のカーテニングを低減させることが可能である。

図１７は、ステージ回転を使用するデュアルＦＩＢシステムを用いた本発明の好ましい一実施形態に基づく薄片作成プロセスの仕上げ切れ目１２０２ａおよび１２０２ｂのミリングを示す。薄片４００が、集束イオン・ビーム１８ａおよび１８ｂに対して垂直でもまたは平行でもないある軸を軸に回転するように、試料ステージ２４および／または３カラム・アセンブリ８００を、ゼロでないある回転角θ_rだけ回転させる。試料ステージ２４および／または３カラム・アセンブリ８００をゼロでないある回転角θ_rだけ回転させた後、試料ステージ２４をイオン・ビームに対して傾けることなく、薄片４００の露出した平らな表面４０２ａおよび４０２ｂに集束イオン・ビーム１８ａおよび１８ｂを導く。次いで、イオン・ビーム１８ａおよび１８ｂは、露出した平らな表面４０２ａおよび４０２ｂにわたってあるパターンで走査され、薄片４００に、１つまたは複数の仕上げ切れ目をミリングする。

図８〜１７では、中央の単一の電子ビーム・カラム８０４の両側に１つずつ、合わせて２つの集束イオン・ビーム・カラム８０２ａおよび８０２ｂを備える３カラム構成に関して説明した。本発明の範囲に含まれる代替カラム構成も可能であり、これには、限定はされないが、以下の構成が含まれる。

１）２つの電子ビーム・カラムと２つのＦＩＢカラム。この構成では、図１８に示すように、基板表面に対して垂直な軸を有する単一の電子ビーム・カラムの代わりに、２つの電子ビーム・カラム８０４ａおよび８０４ｂが、２つのＦＩＢカラム８０２ａおよび８０２ｂと組み合わされる。この構成の利点は、薄片の側面に対する２つの電子ビームの角度が、ミリング、微細ミリングおよび研磨中に画像化するのにはるかに適している点である。明らかな欠点は、第２の電子ビーム・カラムおよびその支援電子回路の費用が追加されることである。この費用上の欠点の一部は、ミニＳＥＭカラムおよびミニＦＩＢカラムを使用することによって軽減することができる。具体的には、全てが静電要素からなるＳＥＭカラムであるミニＳＥＭカラムは、先行技術のＳＥＭカラムで使用されるより高価な磁気光学部品（磁気コイルおよび電流源）の代わりに、より安価な静電光学部品（レンズおよび電圧源）を利用することができる。

２）複数のカラム群。この構成では、薄片作成のスループットをさらに増大させるために、２つ以上のカラム群を使用する。例えば、あるシステムは、図８および図９に示したものなどの３つのカラムからなる２つのカラム群を備えることができ、それらのカラム群は、それらの３つのカラムを含む平面に対して垂直な軸に沿って間隔を置いて配置することができる。これは、カラムを最も高い密度で配置することを可能にし、真空エンクロージャを最小にすることを可能にするであろう。別の実施形態は、２つ以上の４カラム・アセンブリ（図１８および１９に示すような２つの電子ビームおよび２つのＦＩＢ）群とすることができる。

３）傾斜した１つの電子ビーム・カラムと２つのＦＩＢカラム。この構成（図１８の構成から、２つの電子ビーム・カラム８０４ａおよび８０４のうちの一方のカラムを除いたものと等価である）では、単一の電子ビーム（ＳＥＭ）カラムが、図８の２つのＦＩＢカラムによって示されているようなカラム間の内角が約９０度である２つのＦＩＢカラムとともに、図１８に示すように取り付けられることになる。これらの２つのＦＩＢカラムは、図１６に示すように、ビーム間の角度が約９０度である集束イオン・ビームを生成する。この着想では、ミリング中にＳＥＭカラムが薄片のそれぞれの側面を画像化することを可能にする回転軸を有する試料ステージ２４上に、基板２２が取り付けられることになろう（ステージの回転軸は基板に対して垂直となる）。２つのＦＩＢカラムは全く同じものとすることができ、または一方のＦＩＢカラムが、おそらくはより高いビーム電圧でのより高電流の動作に対して最適化され、もう一方のＦＩＢカラムが、おそらくはより低いビーム電圧でのより低電流の動作に対して最適化されるように、２つのＦＩＢカラムを構成することもできる。

本発明のいくつかの実施形態によれば、実質的に平らな面を基板に形成する方法は、基板の第１の表面に第１のビームを導いて、基板の第１の位置から材料を除去するステップであり、第１のビームが、第１の表面に対して垂直な垂線から、ゼロでない第１のカーテニング角だけずれているステップと、第１の表面に対して垂直な平面内で第１のビームを掃引して、基板に、１つまたは複数の初期切れ目をミリングするステップであり、この初期切れ目が、第１の表面に対して実質的に垂直な第２の表面を露出させるステップと、第１のビームに対して垂直な軸および第１のビームに対して平行な軸以外の軸を軸にして、基板を、ゼロでないある回転角だけ回転させるステップと、第１のビームを第２の表面に導いて、ゼロでない第１のカーテニング角を変更することなく、基板から追加の材料を除去するステップと、第１のビームを第２の表面にわたってあるパターンで走査して、基板に、１つまたは複数の仕上げ切れ目をミリングするステップとを含む。

いくつかの実施形態では、この方法がさらに、基板の第１の表面に第２のビームを導いて、基板の第２の位置から材料を除去するステップであり、第２のビームが、第１の表面に対して垂直な垂線から、ゼロでない第２のカーテニング角だけずれており、基板の第２の位置が、基板の第１の位置から、所望の厚さの薄片を形成するのに十分な近い位置にあるステップと、第１の表面に対して垂直な平面内で第２のビームを掃引して、基板に、１つまたは複数の初期切れ目をミリングするステップであり、この初期切れ目が、第１の表面に対して実質的に垂直でありかつ第２の表面に対して実質的に平行である第３の表面を露出させるステップと、第２のビームに対して垂直でありまたは第２のビームに対して平行である軸以外の軸を軸にして、基板を、ゼロでないある回転角だけ回転させるステップと、第２のビームを第３の表面に導いて、ゼロでない第２のカーテニング角を変更することなく、基板から追加の材料を除去するステップと、第２のビームを第３の表面にわたってあるパターンで走査して、基板に、１つまたは複数の仕上げ切れ目をミリングするステップとを含む。

いくつかの実施形態では、この方法がさらに、第１の表面に対して垂直な軸を軸にして、基板を、ゼロでないある回転角だけ回転させるステップを含む。いくつかの実施形態では、この方法がさらに、前記ゼロでないある回転角を、所望のミリング角およびゼロでない第１のカーテニング角に基づいて決定するステップを含む。いくつかの実施形態では、第１のビームが、集束イオン・ビーム、電子ビーム、レーザ・ビームおよびウォータ・ジェット・カッタからのウォータ・ジェットを含むグループから選択される。いくつかの実施形態では、第２のビームが、集束イオン・ビーム、電子ビーム、レーザ・ビームおよびウォータ・ジェット・カッタからのウォータ・ジェットを含むグループから選択される。

いくつかの実施形態では、この方法がさらに、ミリング中に、走査電子顕微鏡を用いて基板を画像化するステップを含む。いくつかの実施形態では、ゼロでない第１のカーテニング角が、ビームと基板の第１の表面に対して垂直な垂線との間の角度である。いくつかの実施形態では、ゼロでない回転角が、ビームと基板を回転させる軸とを含む平面と、基板の第２の表面を含む平面との間の角度である。

いくつかの実施形態では、前記第１のビームを導くステップと前記第２のビームを導くステップとを逐次的に実行することができ、前記第１のビームと前記第２のビームとを同じビームとすることができる。いくつかの実施形態では、前記第１のビームを導くステップと前記第２のビームを導くステップとを概ね同時に実行することができ、前記第１のビームと前記第２のビームとが異なるビームである。

いくつかの実施形態では、前記１つまたは複数の仕上げ切れ目が、前記１つまたは複数の初期切れ目をミリングしている最中および／または前記１つまたは複数の初期切れ目をミリングした後に第２の表面に再付着した材料および／または第２の表面に流れた材料を除去する。いくつかの実施形態では、前記１つまたは複数の仕上げ切れ目が、前記１つまたは複数の初期切れ目のミリング中に非晶質となった第２の表面の材料を除去する。

いくつかの実施形態では、前記１つまたは複数の仕上げ切れ目が、薄片の頂部と底部の間の厚さの変動を実質的に排除する。いくつかの実施形態では、前記１つまたは複数の仕上げ切れ目が、薄片を基板から分離する。

いくつかの実施形態では、薄片が、透過型電子顕微鏡試料を含む。いくつかの実施形態では、この方法がさらに、第１のビームおよび第２のビームを基板に導いてスループットを増大させるステップをさらに含み、第１のビームが、基板の第１の位置から材料を除去し、第２のビームが、基板の第２の位置から材料を除去する。いくつかの実施形態では、この方法が、オペレータからの手動による介入なしで自動的に実行される。いくつかの実施形態では、この方法がさらに、第１のビームを第２の表面に導いて、基板から追加の材料を除去するステップと、第２のビームを第３の表面に導いて、基板から追加の材料を除去するステップとを含む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、実質的に平らな面を基板に形成する装置は、基板に特徴部分をミリングするための粒子を放出する第１の粒子源と、第１の粒子源から放出された粒子を成形して第１のビームとし、この第１のビームを、基板に衝突するように導く第１の集束カラムと、試料ステージとを備え、試料ステージは、基板を、試料ステージに対して固定された位置に保持し、試料ステージは、１軸だけを軸に回転することができる。

いくつかの実施形態では、試料ステージが、第１のビームに対して垂直でありかつ／または第１のビームに対して平行である軸以外の軸を軸にして回転する。いくつかの実施形態では、試料ステージに対する第１の集束カラムの角度が、ミリング・プロセスの全体を通じて固定される。いくつかの実施形態では、この装置がさらに、走査電子顕微鏡をさらに備え、走査電子顕微鏡が、基板のミリングされた特徴部分を画像化するように構成される。いくつかの実施形態では、試料ステージの自由度が４以下である。

いくつかの実施形態では、この装置がさらに、第１の粒子源と同時に基板に特徴部分をミリングするための粒子を放出する第２の粒子源と、第２の粒子源から放出された粒子を成形して第２のビームとし、この第２のビームを、基板に衝突するように導く第２の集束カラムとを備える。いくつかの実施形態では、この装置がさらに、第１の粒子源と同時に基板に特徴部分をミリングするための粒子を放出する３つ以上の粒子源と、前記３つ以上の粒子源から放出された粒子を成形して３つ以上のビームとし、この３つ以上のビームを、基板に衝突するように導く３つ以上の集束カラムとを備える。

いくつかの実施形態では、試料ステージがｘ、ｙおよびｚ方向に平行移動し、集束カラムがｚ方向の軸を軸に回転する。

本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。

８ 集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システム
１４ イオン源
１６ イオン・ビーム集束カラム
１８ イオン・ビーム
２２ 基板
２４ 試料ステージ

Claims (27)

1. 実質的に平らな面を基板に形成する方法であって、
   基板の第１の表面に第１のビームを導いて、前記基板の第１の位置から材料を除去するステップであり、前記第１のビームが、前記第１の表面に対して垂直な垂線から、ゼロでない第１のカーテニング角だけずれているステップと、
   前記第１の表面に対して垂直な平面内で前記第１のビームを掃引して、前記基板に、１つまたは複数の初期切れ目をミリングするステップであり、前記初期切れ目が、前記第１の表面に対して実質的に垂直な第２の表面を露出させるステップと、
   前記第１のビームに対して垂直な軸および前記第１のビームに対して平行な軸以外の軸を軸にして、前記基板を、ゼロでないある回転角だけ回転させるステップと、
   前記第１のビームを前記第２の表面に導いて、前記ゼロでない第１のカーテニング角を変更することなく、前記基板から追加の材料を除去するステップと、
   前記第１のビームを前記第２の表面にわたってあるパターンで走査して、前記基板に、１つまたは複数の仕上げ切れ目をミリングするステップと
   を含む方法。
2. 前記基板の前記第１の表面に第２のビームを導いて、前記基板の第２の位置から材料を除去するステップであり、前記第２のビームが、前記第１の表面に対して垂直な垂線から、ゼロでない第２のカーテニング角だけずれており、前記基板の前記第２の位置が、前記基板の前記第１の位置から、所望の厚さの薄片を形成するのに十分な近い位置にあるステップと、
   前記第１の表面に対して垂直な平面内で前記第２のビームを掃引して、前記基板に、１つまたは複数の初期切れ目をミリングするステップであり、前記初期切れ目が、前記第１の表面に対して実質的に垂直でありかつ前記第２の表面に対して実質的に平行である第３の表面を露出させるステップと、
   前記第２のビームに対して垂直でありまたは前記第２のビームに対して平行である軸以外の軸を軸にして、前記基板を、ゼロでないある回転角だけ回転させるステップと、
   前記第２のビームを前記第３の表面に導いて、前記ゼロでない第２のカーテニング角を変更することなく、前記基板から追加の材料を除去するステップと、
   前記第２のビームを前記第３の表面にわたってあるパターンで走査して、前記基板に、１つまたは複数の仕上げ切れ目をミリングするステップと
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の表面に対して垂直な軸を軸にして、前記基板を、ゼロでないある回転角だけ回転させるステップをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ゼロでないある回転角を、所望のミリング角および前記ゼロでない第１のカーテニング角に基づいて決定するステップをさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第１のビームが、集束イオン・ビーム、電子ビーム、レーザ・ビームおよびウォータ・ジェット・カッタからのウォータ・ジェットを含むグループから選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第２のビームが、集束イオン・ビーム、電子ビーム、レーザ・ビームおよびウォータ・ジェット・カッタからのウォータ・ジェットを含むグループから選択される、請求項２から５のいずれか一項に記載の方法。
7. ミリング中に、走査電子顕微鏡を用いて前記基板を画像化するステップをさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ゼロでない第１のカーテニング角が、前記ビームと前記基板の前記第１の表面に対して垂直な垂線との間の角度である、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ゼロでない回転角が、前記ビームおよび前記基板を回転させる前記軸を含む平面と、前記基板の前記第２の表面を含む平面との間の角度である、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記第１のビームを導く前記ステップと前記第２のビームを導く前記ステップとを逐次的に実行することができ、前記第１のビームと前記第２のビームとを同じビームとすることができる、請求項２から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記第１のビームを導く前記ステップと前記第２のビームを導く前記ステップとを概ね同時に実行することができ、前記第１のビームと前記第２のビームとが異なるビームである、請求項２から９のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記１つまたは複数の仕上げ切れ目が、前記１つまたは複数の初期切れ目をミリングしている最中および／または前記１つまたは複数の初期切れ目をミリングした後に前記第２の表面に再付着した材料および／または前記第２の表面に流れた材料を除去する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記１つまたは複数の仕上げ切れ目が、前記１つまたは複数の初期切れ目のミリング中に非晶質となった前記第２の表面の材料を除去する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記１つまたは複数の仕上げ切れ目が、前記薄片の頂部と底部の間の厚さの変動を実質的に排除する、請求項２から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記１つまたは複数の仕上げ切れ目が、前記薄片を前記基板から分離する、請求項２から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記薄片が、透過型電子顕微鏡試料を含む、請求項２から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 第１のビームおよび第２のビームを前記基板に導いてスループットを増大させるステップをさらに含み、前記第１のビームが、前記基板の前記第１の位置から材料を除去し、前記第２のビームが、前記基板の前記第２の位置から材料を除去する、請求項２から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. オペレータからの手動による介入なしで自動的に実行される、請求項２から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記第１のビームを前記第２の表面に導いて、前記基板から追加の材料を除去するステップと、前記第２のビームを前記第３の表面に導いて、前記基板から追加の材料を除去するステップとをさらに含む、請求項１７または１８に記載の方法。
20. 実質的に平らな面を基板に形成する装置であって、
    基板に特徴部分をミリングするための粒子を放出する第１の粒子源と、
    前記第１の粒子源から放出された前記粒子を成形して第１のビームとし、前記第１のビームを、前記基板に衝突するように導く第１の集束カラムと、
    前記基板を前記試料ステージに対して固定された位置に保持し、１軸だけを軸に回転することができる試料ステージと
    を備える装置。
21. 前記試料ステージが、前記第１のビームに対して垂直でありかつ／または前記第１のビームに対して平行である軸以外の軸を軸にして回転する、請求項２０に記載の装置。
22. 前記試料ステージに対する前記第１の集束カラムの角度が、ミリング・プロセスの全体を通じて固定される、請求項２０または２１に記載の装置。
23. 走査電子顕微鏡をさらに備え、前記走査電子顕微鏡が、前記基板のミリングされた特徴部分を画像化するように構成された、請求項２０から２２のいずれか一項に記載の装置。
24. 前記試料ステージの自由度が４以下である、請求項２０から２３のいずれか一項に記載の装置。
25. 前記第１の粒子源と同時に基板に特徴部分をミリングするための粒子を放出する第２の粒子源と、
    前記第２の粒子源から放出された前記粒子を成形して第２のビームとし、前記第２のビームを、前記基板に衝突するように導く第２の集束カラムと
    をさらに備える、請求項２０から２４のいずれか一項に記載の装置。
26. 前記第１の粒子源と同時に基板に特徴部分をミリングするための粒子を放出する３つ以上の粒子源と、
    前記３つ以上の粒子源から放出された前記粒子を成形して３つ以上のビームとし、前記３つ以上のビームを、前記基板に衝突するように導く３つ以上の集束カラムと
    をさらに備える、請求項２０から２５のいずれか一項に記載の装置。
27. 前記試料ステージがｘ、ｙおよびｚ方向に平行移動し、前記集束カラムがｚ方向の軸を軸に回転する、請求項２０から２６のいずれか一項に記載の装置。

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