与FIB和/或电子显微镜一起使用的双激光束系统技术方案

本发明专利技术披露了一种用于使用两个分离开的具有不同特征的激光束对各种材料进行加工和成像的电子显微镜和FIB系统。第一激光束用于工件的大块材料清除和深沟槽蚀刻。第二激光束用于更精细的精密作业，如工件的微机械加工、小光点加工、或小热影响区的产生。该第一激光束和该第二激光束可以来自同一激光源或来自分离开的激光源。具有一个激光源具有使系统更加便宜和能够创建分离开的外部和内部台的附加益处，从而使得从第一激光束的大块材料清除中生成的碎片将不干扰粒子束室内的真空或组件。

【技术实现步骤摘要】
与FIB和/或电子显微镜一起使用的双激光束系统专利技术
本专利技术涉及一种激光加工工具的配置，其中，与带电粒子束仪器和/或电子显微镜一起使用分离开的激光加工光点。专利技术背景激光与电子显微镜和聚焦离子束（FIB）系统的一起使用在如集成电路、磁性录音头以及光刻掩模等微型器件的制造、修理和检查领域中提供了各种应用。这些应用还可以用于能源勘探、材料科学和生物学领域。电子显微镜（典型地扫描电子显微镜（SEM））在对目标物或工件造成最小破坏的情况下提供高分辨率成像，并且FIB用于改变工件以及用于形成影像。还可以使用其他类型的电子显微镜，如透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）。FIB和SEM/STEM/TEM一起使用可以提供使试样的内部成像的能力。FIB系统以一种与扫描电子显微镜类似的方式操作，不是一束电子，并且顾名思义，FIB系统使用可以在低束电流下操作用于成像或在高束电流下操作用于特定部位成像、沉积或铣削的精细微聚焦离子（通常为镓）束。FIB工具的一种常见的用途是对表面进行机械加工。理想的FIB机器可以能够用高束电流和加速势对样品向内机械加工进几十或几百微米。在低束电流和加速势下，其可以能够机械加工掉接近原子厚度的层，而不破坏纳米级或甚至以下的层。当与SEM/STEM/TEM一起用于高分辨率成像时，FIB的这种微米和纳米机械加工能力常常非常有效。在其他过程中，FIB可以用于切削掉不想要的电气连接，和/或沉积导电材料，以便在半导体中制作连接。FIB还用于无掩模注入。在这些FIB和/或SEM过程中，常常需要创造一种相对没有障碍的环境。不幸地，多种不同的过程（包括大块材料清除过程）将产生大量会潜在干扰SEM/STEM/TEM和FIB的碎片。激光的使用近来已经被引入本领域以对工件进行快速加工。例如，2009年1月9日提交的Utlaut等人的美国专利公开号2011/0163068“多束系统（MultibeamSystem）”针对一种使用附加激光束用于快速加工的FIB系统。当与SEM/STEM/TEM和FIB系统一起使用时，激光烧蚀的过程会通过对材料进行照射将材料从表面上清除掉。非常快速的皮秒激光器执行无热烧蚀过程，而较缓慢的纳秒和连续波激光器（“CW激光”）提供热烧蚀过程。通常，使用脉冲激光器执行激光烧蚀。与带电粒子束加工相比，激光烧蚀能够非常快速地清除掉相对大量的材料。然而，激光的波长比带电粒子束中的带电粒子的波长大得多。因为束可以聚焦成的尺寸部分受限于束波长，所以激光束的最小光点尺寸通常大于带电粒子束的最小光点尺寸。因此，虽然带电粒子束通常具有比激光束更精细的分辨率并且可以为极小的结构进行微机械加工，但束电流受到限制并且微机械加工操作会慢得不可接受。另一方面，激光微机械加工通常快得多，但分辨率固有地受到更长的束波长的限制。例如，在Straw等人的美国专利8,168,961“用于激光烧蚀微机械加工的带电粒子束掩模（ChargedParticleBeamMaskingforLaserAblationMicromachining）”中描述了激光机械加工的其他用途，该专利被转让给与本专利技术的受让人并且通过引用结合于此。美国专利8,168,961通过其包含在此背景部分而不被承认是现有技术。近来的进步允许激光器用于工件的仔细制备，从而使得其可以用于SEM/STEM/TEM和FIB系统。SEM/STEM/TEM和FIB工具需要制备好的带有薄热影响区（“HAZ”）区域的样品，并且系统会在大样品内瞄准一个极其精确的位置，如亚微米级缺陷。通常不知道如何使用激光技术来切削大块样品而同时能够生产出适用于SEM/STEM/TEM和FIB加工的薄HAZ和/或微米级端点确定。当不同类型的激光器是优选的时，具有一些实例。一些激光器对从工件上清除大块材料而言是最好的。例如，这些激光器可以切削封装材料或从工件上切削掉大的不必要的材料，从而使得工件的尺寸适用于分析。其还可以用于在工件中切削深沟槽，从而使得可以暴露出用于研究的区域。用于切削的激光器功率范围通常从几瓦特到几百瓦特。常见的有范围从纳秒到宽达连续波的脉冲宽度。经常使用更长的波长（例如，常见的可见的并且接近IR波长），如532nm、1064nm以及长达10.6微米（例如，CO2激光器）。这些激光器向工件提供高激光能量密度（脉冲能量被辐射区域分开），超过了生产包括孔和沟槽的各种不同特征的烧蚀阈值。这些快速切削过程中所用的高功率易于产生在执行精细的SEM/STEM/TEM和FIB过程（如成像或电路编排）前必须清除掉的热影响区。高材料清除速率还会产生与FIB和SEM/STEM/TEM的真空环境不相容的碎片。不同类型的激光器更适合用于精密作业，如微机械加工、钻孔、布线、挖沟、蚀刻以及热影响区清除过程。常见的用于这种类型作业的激光器使用比用于清除大块材料的激光器更短的波长、更短的脉冲宽度以及更加紧密的聚焦光点。虽然可以使用长达微米级的波长的激光器，但因为许多材料容易吸收这些波长并且其可以聚焦成小光点尺寸，所以如355nm和266nm的短波长激光器是优选的。如几十皮秒和短达飞秒状况的短脉冲宽度激光器也是优选的，因为其为小热影响区提供材料清除。用于这些应用的典型激光器将具有大约几瓦特或以下的功率级。存在许多由不同材料组成的样品，在用SEM/STEM/TEM和/或FIB成像或改变前通过激光器令人希望地加工这些样品。这些样品的一些示例包括半导体器件（如芯片或晶片）、包括含有半导体材料的3D堆叠封装的封装芯片、电线、以及粘合剂、光刻掩模、生物样品、矿物样品（如岩石）、或材料样品（如合成物、陶瓷、玻璃、涂层、胶水、橡胶、聚合物、）、超导体、磁性材料、合金以及金属。这是代表可以加工的工件材料的多样性的若干样品的清单。还可以加工许多其他没有列出的样品材料。激光器经常被选择用于不同材料的结构的有利加工。例如，10.6微米波长的CO2激光器可以优选用于切穿3D堆叠封装的封装材料，脉冲1.3微米波长的激光器可以优选用于切削封装内的半导体芯片上的金属结构，以及短波长脉冲激光器可以优选用于加工芯片上的硅结构。因为硅对约1100nm或以上的光是透明的并且金属吸收IR波长，所以可以在对硅造成较小破坏的情况下进行加工。一个挑战在于当需要不同的激光束时带有单个激光器的系统不能执行所有希望的功能。换言之，不存在在不必分别购买和使用配置有不同激光器类型的多个系统的情况下执行与不同类型激光器相关联的多项任务的已知方式。在这些情况下，工件将从一种系统转运至另一种激光处理系统来经历一种激光处理并且然后经过另一种激光处理。另一个挑战在于来自机械加工过程的不受欢迎的碎片会沉积在FIB和/或SEM/STEM/TEM室中的关键组件上，如各源和检测器，并且降低其功效。这种类型的碎片具有妨碍FIB/SEM/STEM/TEM显微术的功能的可能性。常规电子显微镜还通常需要在真空下使样品成像，因为气态大气使电子束迅速扩散和衰减。其结果是，在激光机械加工过程中逐出的碎片会破坏真空环境并且阻碍成像。在其他情况下，机械加工过程后的不必要的碎片会如此巨大以至于其阻止工件实际装到SEM/STEM/TEM的真空室内。需要一种系统，其中，多种类型的激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于用带电粒子束和激光束两者对工件进行加工的系统，该系统包括：第一工作台，其包括真空室用于对该真空室内所支持的第一工件进行加工；第二工作台，用于对真空室外的第二工件进行加工；产生源输出激光束的激光源；光学系统，其被配置成用于将该源输出激光束分成至少第一激光束和第二激光束以及将该第一激光束传递到该真空室内的该第一工件并且将该第二激光束传递到该真空室外的该第二工件；以及粒子束源，用于对该真空室内的该第二工件进行加工。

【技术特征摘要】
2012.11.15 US 13/677,8541.一种用于用带电粒子束和激光束两者对工件进行加工的系统，该系统包括：第一工作台，其包括真空室用于对该真空室内所支持的第一工件进行加工；第二工作台，用于对真空室外的第二工件进行加工；产生源输出激光束的激光源；光学系统，其被配置成用于将该源输出激光束分成至少第一激光束和第二激光束以及将该第一激光束传递到该真空室内的该第一工件并且将该第二激光束传递到该真空室外的该第二工件；以及粒子束源，用于对该真空室内的该第二工件进行加工。2.如权利要求1所述的系统，其中，该光学系统包括用于将该第一激光束定位在该第一工件上的第一束转向机构和用于将该第二激光束定位在该第二工件上的第二束转向机构。3.如权利要求1或权利要求2所述的系统，其中，该光学系统包括改变该第一激光束、该第二激光束或者这两者的频率、强度、或者脉冲宽度或持续时间的至少一个调节装置，其中，当对其对应的工件进行加工时，该第一激光束和该第二激光束具有不同的强度。4.如权利要求3所述的系统，其中，该第二激光束比该第一激光束具有更高的功率，该第二激光束被适配成用于执行每秒至少10,000立方微米材料的大块材料清除并且该第一激光束被适配成用于执行每秒清除少于5000立方微米材料的精细操作。5.一种用于用带电粒子束和激光束两者对工件进行加工的系统，该系统包括：真空室；带电粒子束系统，用于加工该真空室内的工件；放置在该真空室外的多个激光源，其中，该多个激光源之一产生第一强度的第一束并且该多个激光源中的另一个激光源产生第二强度的第二束，该第二强度小于该第一强度的½；以及光学系统，其被配置成用于将来自该多个激光源的激光束从该真空室外引导至该真空室内的工件。6.如权利要求5所述的系统，其中，该多个激光源之一为飞秒激光器并且该多个激光源中的另一个激光源为纳秒激光器或连续波激光器。7.如权利要求5所述的系统，其中，来自该多个激光源的激光束中的多个激光束通过同一个物镜聚焦到该工件上。8.如权利要求5所述的系统，其中，来自该多个激光源的激光束中的多个激光束通过不同的物镜聚焦到该工件上。9.一种用于使用带电粒子束和激光束两者对工件进行加工的系统，该系统包括：真空室，用于容纳第一工件；带电粒子束柱，用于对该真空室内的该第一工件进行加工；置于所述真空室外的第一激光束源，用于对该第一工件进行加工；置于所述真空室外的第二激光束源，用于对该第一工件或第二工件进行加工，该第一激光束和该第二激光束具有不同的束特性，并且该第一激光束源或该第二激光束源中的至少一个被适配成用于将该第一激光束或该第二激光束引导至该真空室内的该工件。10.如权利要求9所述的系统，其中，该第一激光束源和该第二激光束源包括一个单个激光束生成器并且该第一激光束源和该第二激光束源中的至少一个包括改变该束生成器生成的束的频率、强度或者脉冲宽度或持续时间的束调节器。11.如权利要求10所述的系统，其中，该束调节器被配置成用于使得该第一激光束具有该第二激...

【专利技术属性】
技术研发人员：K布鲁兰德，
申请(专利权)人：FEI公司，
类型：发明
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