JP2016528698A - 装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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（ＴｉＯ２）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ＴｉＯ２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（Ｉｎ）の光源を用いてＴｉＯ２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（Ｉｎ）の光源を用いてＴｉＯ２をミリングして空けた孔の精密マップである。 図８Ａは、ＴｉＯ２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ＳｉＯ２、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、ＴｉＯ２、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（Ａｌ２Ｏ３）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、ＴｉＯ２、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、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、及びＬｉＮｂＯ３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Ｅｇであり、フェルミ準位はＥＦ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ＴｉＯ２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ＴｉＯ２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＝Δｘ２＋Δｙ２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、ΔＲαＩｎ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、Ｉｎ＝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、ＴｉＯ２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、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３を使用した。材料の電子仕事関数は、Ａｌ２Ｏ３が４．３−５．５ｅＶ、ＳｉＯ２が４．４−５．５ｅＶ、Ｓｉ３Ｎ４が２．６ｅＶ、ＴｉＯ２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、ＴｉＯ２（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、ＴｉＯ２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。
Figure 2016528698
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。

Claims (15)

  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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