用于激光加工的方法和设备

摘要

带电粒子束和激光束被一起用于对基底进行微加工。第一射束改变工件的区域的状态，并且第二射束去除状态被改变的材料。在一个实施例中，离子束可以产生光子吸收缺陷以降低局部烧蚀阈值，从而允许激光束去除由离子束限定的区域中的材料。激光束和带电粒子束的组合允许以由于由激光束提供的增加的能量而比带电粒子处理更大的铣削速率产生在尺寸上与带电粒子束斑点尺寸相似的特征。

权利要求

1.一种使用离子束和激光束在具有晶体结构的工件上产生或修改结构的方法，包括：将离子束引导朝向工件，所述离子束改变被该离子束撞击的工件的区域上的材料的状态，其特征在于

将激光束引导朝向工件以去除被所述离子束改变的材料区域，该材料区域通过在该工件的晶体结构中产生缺陷而被改变，其中被去除的材料区域的尺寸由所述离子束的斑点尺寸确定，所述激光束具有去除通过离子束改变的材料的能力、但不具有去除未通过离子束改变的材料的能力。

2.权利要求1的方法，其中，将离子束引导朝向工件包括将聚焦的离子束引导朝向工件，所述离子束在工件的晶体结构中引起缺陷。

3.权利要求2的方法，其中，由所述离子束在所述工件的晶体结构中引起的缺陷降低工件材料的烧蚀阈值，并且其中，将激光束引导朝向工件包括引导具有足以烧蚀具有离子束引起的缺陷的材料、但不足以烧蚀不具有离子束引起的缺陷的材料的能流的激光束。

4.权利要求2的方法，其中，将离子束引导朝向工件包括引导来自液态金属离子源或等离子体离子源的离子束。

5.权利要求2-4中任一项的方法，其中，在工件中引起缺陷包括在工件中引起光子吸收缺陷。

6.权利要求2-4中任一项的方法，其中，在工件中引起缺陷包括注入来自所述离子束的离子或者引起空穴、填隙或缺陷复合物。

7.权利要求1-4中任一项的方法，其中，所述离子束和激光束被依次引导。

8.权利要求1-4中任一项的方法，其中，将离子束引导朝向工件包括朝向工件施加连续的粒子束，并且其中，将激光束引导朝向工件包括将连续的激光束引导朝向所述工件。

9.权利要求1的方法，其中，将离子束引导朝向所述工件上的区域的子集包括将离子束引导到与激光束强度分布的峰值一致或几乎一致的区域。

10.权利要求1的方法，其中，将离子束引导朝向工件包括与引导激光束同时地引导离子束。

说明书

用于激光加工的方法和设备

[0001] 本申请要求2008年7月9日提交的美国临时申请No. 61/079,304的优先权，其由此通过引用被合并。

技术领域

[0002] 本发明涉及激光微加工。

背景技术

[0003] 将从基底去除材料以形成微观的或纳米观的结构称为微加工。去除材料也称为铣削或蚀刻。激光束和带电粒子束被用于微加工。在各种应用中它们均具有优点和局限性。

[0004] 激光系统将几种不同的机制用于微加工。在某些工艺中，使用激光来向基底供热以引发化学反应。该反应仅在激光器供热的区域中发生，但是热量趋向于扩散至比激光束斑点更大的区域，从而限制该工艺的分辨率。在激光微加工中使用的另一机制是光化学蚀刻，其中，激光能量被基底的各个原子吸收，从而这些原子被激发至它们能够进行化学反应的状态。光化学蚀刻局限于光化学活性的材料。在激光加工中使用的另一机制是激光烧蚀，其中，在未将基底加热的情况下，被快速地供应给小体积的能量促使原子被驱逐出基底。例如在为“Method for controlling configuration of laser induced breakdown and ablation”授权给Mourou的U.S.Re. 37,585中描述了使用快脉冲飞秒激光器的激光烧蚀。飞秒激光烧蚀克服了上述工艺的某些限制。

[0005] 带电粒子束包括离子束和电子束。聚焦射束中的离子通常具有足以通过从表面物理地喷射材料来进行微加工的动量。由于电子比离子轻得多，所以电子束通常局限于通过用蚀刻剂引发化学反应来去除材料。通常由液态金属离子源或由等离子体离子源来产生离子束。带电粒子束的斑点尺寸取决于许多因素，包括粒子的类型和射束中的电流。通常可以将具有低电流的射束聚焦成较小的斑点，并因此产生比具有高电流的射束更小的结构，但是低电流射束与高电流射束相比花费更长的时间对结构进行微加工。

[0006] 激光通常能够以比带电粒子束高得多的速率向基底供应能量，并且因此，激光通常具有比带电粒子束高得多的材料去除速率。然而，激光的波长比带电粒子束中的带电粒子的波长长得多。由于射束可以被聚焦成的尺寸受到波长的限制，所以激光束的最小斑点尺寸通常大于带电粒子束的最小斑点尺寸。A. P. Joglekar等人在Proceedings of the National Academy of Science（国家科学院学报）第101卷No.16第5856～5861页（2004）的“Optics at Critical Intensity: Applications to Nanomorphing”（Joglekar等人）中表明，能够使用比接近用于离子化的临界强度的约10皮秒更短的激光脉冲来实现小于波长的特征。由Joglekar等人可实现的特征尺寸对于许多纳米技术应用而言仍不是足够小的。

[0007] 虽然带电粒子束通常具有比激光束更大的分辨率并能够对极小的结构进行微加工，但射束电流受到限制且微加工操作可能慢到不可接受的程度。另一方面，激光微加工可以更快，但分辨率固有地受到较长波长的限制。

[0008] 同时利用激光的较快微加工能力和带电粒子束的较高精度这两者的一种方式是依次地处理样本。例如M. Paniccia等人在Microelectronic Engineering 46（27～34页，1999）的“Novel Optical Probing and Micromachining Techniques for Silicon Debug of Flip Chip Packaged Microprocessors”（“Paniccia等人”）中描述了依次处理。Paniccia等人描述了一种用于使用激光引发的化学蚀刻来接近半导体倒装芯片的有源部分以去除大块的材料并随后使用带电粒子束进行最后的更精确的微加工的已知技术。依次处理存在的问题是确定要何时停止更快、不那么精确的激光微加工并开始更精确的带电粒子束处理。如果激光处理过快地停止，则将剩余过多的材料供带电粒子束进行去除。如果激光处理太晚停止，则工件将受到损坏。将确定何时停止处理称为“终点确定（endpointing）”。

[0009] 用于确定带电粒子束处理中的终点的技术是已知的，并且例如在授予Ray等人的美国专利公开2005/0173631中有所描述。此类技术包括例如向底层电路施加变化的电压以在底层电路被暴露或几乎被暴露时改变二次粒子发射。通过观察二次粒子发射，操作员可以确定诸如掩埋导线的特征何时被揭露。其它带电粒子束终点确定过程包括例如检测由射束注入的带电粒子所引起的晶体管漏电流。通常不是在真空室中执行激光处理，并且因此不能收集二次电子和离子。

[0010] 在离子束处理中，还已知的是检测从基底发射的指定频率的光子以确定受到离子束撞击的材料何时改变。在例如为“Focused Ion Beam Imaging and Process Control”授予Ward等人的美国专利No. 4,874,947中描述了此类过程，该专利被转让给了本申请的受让人。虽然Ward等人描述了用于离子束系统中的终点确定的光子检测，但这种技术未被广泛使用，因为低光子信号难以收集。

发明内容

[0011] 本发明的目的是通过提供带电粒子处理和激光加工两者的优点来改进微加工。

[0012] 将带电粒子束和激光束两者同时或依次地施加到工件，以使得工件被一个射束改变，从而增进另一射束的处理。在一个优选实施例中，带电粒子束被施加于工件以产生充当用于光子的吸收中心的缺陷，从而随后在缺陷点处烧蚀阈值局部地降低。实施例与常规的带电粒子束或激光加工相比提供了速度处理，并且与常规的激光处理相比能够制造更小的特征。

[0013] 前述内容已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随后的本发明的详细说明。下面将描述本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员应认识到，可以容易地利用所公开的概念和特定实施例作为用于修改或设计实现本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员还应认识到的是，这样的等效构造并不脱离如随附权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

[0014] 为了更透彻地理解本发明及其优点，现在对结合附图进行的以下描述进行参考，在附图中：

[0015] 图1示出用于使用来自样本的发射来确定用于激光处理的终点的本发明的实施例。

[0016] 图2示出用于使用从样本发射的光子来确定用于激光处理的终点的本发明的实施例。

[0017] 图3示出使用从样本发射的电子来确定用于激光处理的终点的本发明的实施例。

[0018] 图4是示出用于确定用于激光处理的终点的依照本发明的实施例的优选步骤的流程图。

[0019] 图5示出缺陷对烧蚀阈值的影响以及带电粒子束和激光束的相对尺寸。

[0020] 图6示出用于向样本施加激光束和带电粒子束的优选系统。

[0021] 图7是示出其中向样本施加两个射束的本发明的实施例的优选步骤的流程图。

[0022] 图8示出减少来自二次粒子的对诸如激光透镜的部件的损坏的实施例。

具体实施方式

[0023] 本发明的各种实施例采用各种手段来加强激光处理。实施例通常用来对也称为样本的工件进行微加工，这通常需要在工件上产生或修改结构。该结构通常是微小的，其在本文中用来包括纳米观的结构或小于几十微米的任何结构。本发明的实施例可以使用现在存在或即将开发的供应足够能流的任何类型的激光器。优选的激光器提供短（亦即纳秒至飞秒）脉冲激光束。适当的激光器包括例如Ti:Sapphire（钛：兰宝石）振荡器、基于光纤的激光器、或者掺镱或掺铬薄盘激光器。

[0024] 用于激光处理的终点确定

[0025] 由短（亦即纳秒至飞秒）激光脉冲进行的对基底的烧蚀伴随有来自基底的各种发射。本发明的实施例使用来自基底的发射来确定激光微加工的进展并确定处理的阶段何时完成。所发射的粒子的发射产量和能谱是材料相关的。当正在去除第一材料以使第二材料暴露时，发射将在材料界面处改变。检测器能够确定发射何时改变，从而指示射束下的材料的变化。当检测到第二材料的发射特征时或者当第一层的发射特征停止时，操作员可以知道激光铣削操作的进展。在检测到发射变化时，操作员或系统可以自动地或手动地改变该过程，例如停止处理。

[0026] 来自样本的发射包括发光（例如从红外线（IR）至紫外线（UV）至x射线范围）、电子、离子、中性原子或分子，以及粒子/小滴。取决于正在处理的材料的类型和处理环境，不同类型的发射对不同应用中的终点确定有用。处理环境可以包括例如大气压力下的正常大-3气气体；高真空，即小于约10 毫巴的压强；适合于环境扫描电子显微镜的真空，诸如各种气体的约1毫巴与50毫巴之间的压强，或者在任何适当压强下的任何适当气体的受控气体环境。可以通过质谱分析法来直接分析从表面发射的离子以确定从表面发射的材料何时改变，从而指示已经达到边界。用于二次离子质谱分析的系统是用于商用聚焦离子束系统的常见附件。具有时延的第二激光束可以在演进的发射时被一致地聚焦（它们共同被称为等离子体羽辉），以便使存在于其中的中性原子和分子离子化。此第二射束可以源自于单独的附加激光器，或者其可以通过标准分束器的使用而源自于与主射束相同的激光器。可以通过调整二次射束的路径长度来调整主射束的到达与二次射束的到达之间的间隔（时延）。然后可以通过质谱分析法来分析由此二次离子化得到的离子。还可以通过感应耦合等离子体质谱分析法来分析粒子和小滴。

[0027] 当将发光用于终点确定时，其具有“预测”铣削孔的底部的优点。也就是说，刚好在表面下面的原子被激光脉冲激励，因为由激光脉冲产生的等离子体传播超过被脉冲烧蚀的体积。因此，光子刚好从表面下面被发射，该发射可以提供何时停止微加工的更及时的指示器。也就是说，当来自第二材料的光子被用作指示器时，可以在第一材料被完全去除之前不久检测到它们。类似地，来自第一材料的光发射在第一材料被完全去除之前不久开始衰减。可以通过检测从表面发射的光子流来执行终点确定，该发射由激光束或由带电粒子束导致。

[0028] 当除光子之外的发射被用于终点确定时，基底通常必须被保持在低压环境或真空中，以使得空气分子不干扰发射的收集。当光子被用作指示器时，激光器可以在真空中、在大气压下或在受控气体环境中工作。

[0029] 检测器可以是确定一种或多种类型的发射的强度的一般检测器。通常，检测器计算粒子（包括参考）或测量粒子流，并具有定义作为粒子能量的函数的检测器灵敏度的特征能量响应。可以在时间上区分检测器输出以使检测信号的变化以用于终点确定的能力最大化。可以并行地使用多个检测器以检测具有不同的能量、电荷、质量或荷质比的粒子。例如，可以使用诸如光电倍增管或半导体检测器的宽带光子检测器来测量从基底发射的光的强度。可以使该检测器最优化为使终点确定信号的材料依赖性最大化。例如，可以调整能量过滤光谱仪以检测预期来自掩埋层或来自覆盖层的特定信号。在某些实施例中，可以使用衍射光栅来使光分散，并且可以使用狭缝来使在给定频带内的光通过，然后该光可以被宽带光子检测器检测到。作为狭缝的替代，可以使用一个或多个吸收滤光片，其吸收表征覆盖材料的光并透射表征掩埋材料的光，或者进行相反操作，以在掩埋材料被暴露或几乎被暴露时提供信号。可替换地，可以使用衍射光栅来使光分散到电荷耦合器件阵列上。由在阵列中的不同单元处测量的信号的强度来确定发射谱。可以使用在不同单元处测量的信号来监视从覆盖层和掩埋层发射的特征信号的强度。

[0030] 诸如金属、半导体和绝缘体的各种材料组成正被铣削或在正被铣削的层下面的材料层。例如，常见材料包括Si、SiO2、Cu、Al、Au、Ag、Cr、Mo、Pt、W、Ta、低k电介质、高k电介质、Al2O3、SiC、Si3N4、GaN、AlN、AlxGa(1-x)N、InxGa(1-x)N、GaAs、InxGa(1-x)As和Ge。当检测到光子作为终点确定指示器时，那些光子通常将具有在0.01 nm与1000 nm之间、并且更典型地在300 nm与800 nm之间的波长。可以使用适当的检测器，从用于较短波长的x射线检测器至用于较长波长的红外检测器。技术人员能够很容易地确定各种底层和覆盖材料的特征发射谱。当来自覆盖材料和底层材料的特征信号在频率上不接近时，实现终点确定更容易。

[0031] 当使用电子作为终点确定指示器时，优选的是使用当前在诸如双射束系统的带电粒子束系统中采用的一种电子检测器，所述双射束系统包括离子束列和电子束列。此类检测器包括例如高效Everhart-Thornley检测器，其包括被电子撞击时发射光的闪烁器和将发射的光信号放大的光电倍增器。Everhart-Thornley检测器通常以偏离激光轴的方式安装，并向闪烁器前面的屏幕施加相对于样本的电压以吸引由样本发射的电子。为了将在指定能级以下的电子排除在外，可以对样本施加偏压以防止低能量电子的收集。通常被检测的电子具有小于约20 eV的能量，但是在某些应用中具有高达1,000 eV的能量的电子可能是有用的。在某些实施例中，收集宽能带内的电子，其中电子流是基底材料的特征。在其它实施例中，确定电子的能量以表征材料。

[0032] 在某些实施例中，可以测量从样本到地线的电流，而不是检测在真空室中从样本表面发射的粒子。地线物理地接触样本，不管是直接地（例如通过探针）还是间接地（例如通过样本台）。向或从地线流动的电流等于在来自射束的撞击下离开样本表面的表面的电流。

[0033] 图1示出体现本发明的优选系统100。产生射束103的激光器102通常工作在被加工材料的阈值以上的能流下。例如，Mourou讲授了具有在10 nJ至1 mJ范围内的能量2 2
和在0.1 J/cm 至100 J/cm 范围内的能流的优选射束。在一个实施例中，激光束具有30
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nJ的能量和0.4 J/cm 的能流。射束103被引导至样本104，样本104可以包括基底材料
106和覆盖材料108。样本104通常将具有若干层不同的材料。样本104通常布置在双轴精度X-Y台109（附加轴可以包括垂直于前两个轴平移、倾斜和旋转）上。检测器110检测来自样本104的发射112。发射112随着覆盖材料108被去除且基底材料106被揭开而改变。计算机120从检测器110接收信号且信号的变化指示射束下的材料已改变，从而使得操作员能够监视加工进展并采取适当的行动或允许系统自动地采取行动，诸如自动地停止激光器102进行进一步处理。连接到计算机120的显示器122可以向操作员提供信息，包括样本104的图像。如上所述，检测器可以检测作为激光烧蚀或其它激光工艺的结果而发射的光子、电子、离子、中性粒子或小滴。系统100可选地包括可以用于处理和成像一个或多个带电粒子束列130（诸如电子束列、离子束列或它们两者），以及用于形成样本104的图像的二次电子检测器132。当使用带电粒子束列130或二次电子检测器132时，将基底保持在真空中。在某些实施例中，可以使用检测器110来检测二次电子信号以形成图像以及检测终点确定信号。

[0034] 图2示出其中检测器包括光子检测器210的系统200，光子检测器210包括使来自样本104的光分散的单色器、根据频率对不同点处的分散光进行聚焦的透镜214、使具有表征底层材料的频谱的光通过的狭缝216和用于检测通过狭缝216的光的光子检测器218，该单色器被示意性地示出为衍射光栅212、或替换地为棱镜。计算机120从光子检测器210接收信号，该信号被解释以确定激光束下的材料何时改变。计算机120能够例如在发射的变化指示处理阶段完成时向操作员提供信号或自动地停止激光器102进行进一步处理。可替换的光子检测器222被示为布置在基底下面。光子检测器的这样的定位只有当基底对于特征光信号而言透明时、亦即当基底材料的带隙大于正在检测的光子的能量时才有用。当使用在样本下面的光子检测器时，样本台包括用于透射光的间隙或透明窗口224。作为使用狭缝和光电倍增管的替代，光子检测器222是包括电荷耦合器件（CCD）阵列226的广谱检测器，所述电荷耦合器件（CCD）检测对应于不同频率的不同位置处的光信号的强度。可以在任一位置上使用任一类型的检测器。

[0035] 图3示出检测电子以确定终点的用于激光处理的系统300。在系统300中，基底104位于真空室302中。电子检测器306是包括屏幕308、闪烁器310和光电倍增器312的Everhart-Thornley检测器。向屏幕308施加约50伏的低电压并向闪烁器施加约10,000V的高电压。电子被从样本加速至屏幕，并随后被加速至更大的能量以引起闪烁器中的光子的发射。那些光子被转换成电子并在光电倍增管中被倍增。

[0036] 图4是示出图1的系统的操作的流程图。在步骤402中，将激光引导朝向基底。在步骤404中，检测来自基底的发射。在判定块406中，确定发射的变化是否指示激光微加工已切穿或几乎切穿覆盖材料。如果发射的变化指示激光微加工已切穿或几乎切穿覆盖材料，则改变过程。如果没有，则过程以步骤402继续。改变过程意指例如停止激光束、改变诸如每脉冲的能流的激光器参数、改变气流、阻挡电子或离子束、或移动支持样本的台。可以连续地或周期性地监视发射。如果周期性地监视发射，则该周期应小到足以防止在覆盖材料在监视周期之间被完全去除的情况下对底层材料造成不可接受的损坏。

[0037] 在某些实施例中，可以使用诸如电子束的带电粒子束来产生用于激光微加工的终点确定信号。电子束可以例如与激光烧蚀期间的激光束一致并与激光束同时地或依次地被使用。如果使用阴极发光或后向散射电子作为终点确定信号，则可以调节电子束能量以调谐终点确定的“预测”能力。

[0038] 双射束处理

[0039] 如例如在Mourou中所述，飞秒脉冲激光器可以局部地通过提供在烧蚀阈值之上的能流来在对基底造成相对很少的伴随损坏的情况下提供材料去除的高速率。然而，最小特征尺寸受到限制。在下述实施例中，使用带电粒子束和激光束对样本进行微加工。一个射束改变样本表面的区域的状态以促进由另一射束进行的对材料的材料去除。改变状态可以包括例如产生包括注入杂质的缺陷，该缺陷具有用于光子吸收的高截面。术语“状态”在一般意义上用来意指表征样本区域的属性的集合。优选实施例将激光束的快速处理的优点与带电粒子束的小斑点尺寸的优点相组合。因此，实施例可以比单独的带电粒子束更快地且以比单独的激光束更大的精度对材料进行微加工或沉积。

[0040] 在某些实施例中，激光束能流足够低，以使得在不存在带电粒子束的情况下，激光束将不会在工件的材料中引发烧蚀。例如，可以使用带电粒子束来在小体积中产生缺陷或杂质。该缺陷或杂质吸收光子，从而降低局部烧蚀阈值以促进由激光束进行的局部处理，该激光束去除被离子束影响的材料。由于通常可以将带电粒子束聚焦成比激光束小得多的斑点，所以这些实施例利用离子束的小斑点尺寸和激光的更快速去除这两者。也就是说，激光烧蚀受到带电粒子束影响的区域中的材料，但是基本上不对其它区域中的材料进行烧蚀。因此，离子束的斑点尺寸确定被烧蚀区域的尺寸，同时激光器提供给基底的更大能量增大材料去除的速度。在某些实施例中，去除速率受到带电粒子束能够产生光子吸收缺陷的速率的限制。

[0041] 在其它实施例中，通过使用入射激光束向工件提供能量（热量）来增大FIB溅射速率，以使得由于输入光子与基底光子之间的耦合不存在或仅仅很弱不一定发生基底的熔融。这允许输入离子沉积其能量的较大一部分以去除半熔融的基底原子。调整入射在样本上的飞秒激光束的脉冲宽度和能流以使得其刚好在熔融阈值以下，从而使得聚焦离子束在激光束的强度分布的峰值附近是一致的。然后，由离子束提供的能量可以在几乎不损失空间局部性的情况下以提高的速率溅射基底材料（参见图1）。结果是增大的溅射产量和溅射速率，从而产生尺寸约为离子束的尺寸的特征。

[0042] 在各种实施例中，激光和带电粒子束可以同时撞击样本，或者这些射束可以在不同的时间撞击。可以连续地施加任一射束或者可以使任一射束脉动。在一个实施例中，例如，可以随着带电粒子束照射工件而施加多个激光脉冲。在另一实施例中，可以随着激光照射工件而施加多个带电粒子束脉冲。在某些实施例中，连续地施加两个射束，并且在其它实施例中，交替地施加激光束和带电粒子束的脉冲。

[0043] 在脉冲激光器中，通过调整入射在样本上的飞秒激光束的脉冲宽度和能流来调整功率，使得其刚好在未改变的材料的烧蚀阈值以下，并且激光束的强度分布的峰值与聚焦离子束撞击区域一致。还可以调整连续波激光器以提供适当的功率。然后，激光束将主要在离子束被引导到的区域中被吸收。优选地以使得超过引起已改变区域的烧蚀的能量的能量不足以熔化工件材料的方式来施加激光。

[0044] 如果射束在不同的时间撞击，则激光和带电粒子束对经受处理的工件材料的状态的影响是累加的，也就是说，一个射束的局部化影响在另一射束被引导时仍存在。例如，如果使用诸如30 keV的Ga+射束的带电粒子束来产生光子吸收缺陷，诸如工件中的空穴、填隙、缺陷复合物或注入镓，则可以依次使离子束和激光束脉动，离子脉冲在激光脉冲前面，并且离子脉冲和激光脉冲之间的延迟时间可以相对较长，因为缺陷和杂质是相对稳定的。

[0045] 累加效应与现有技术中的依次处理形成对照，在现有技术的依次处理中，针对大块去除过程施加激光束，之后是用于第二细去除过程的带电粒子束的施加。在此类现有技术依次处理中，每个射束独立地处理工件，并且两个射束都不以促进由后续射束进行的处理的方式来改变基底材料。虽然完成时的第一现有技术射束操作可以在表面附近留下小的受影响体积，但第一射束操作对后续射束操作的操作没有显著影响。在现有技术中，与由后续射束操作进行加工的体积相比，第一射束的受影响体积是小的。

[0046] 图5示出相对宽的激光束强度分布502和相对窄的离子束的电流分布504。线506示出烧蚀阈值，其下降至以下这样的激光束能流以下：在处于该激光束能流时表面材料的状态被离子束处理改变。因此，激光束仅烧蚀其中离子束已降低烧蚀阈值的区域中的材料。激光束和离子束的组合导致比单独由离子束可实现的速率更快的去除速率，同时产生比单独由激光束可实现的特征尺寸更小的特征尺寸。烧蚀阈值是基底材料的本征属性，并且技术人员可以容易地根据经验或根据文献来确定用于各种材料的烧蚀阈值。例如没有离子束
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引起的缺陷的硅具有约170 mJ/cm 的单脉冲烧蚀阈值，并且因此，激光能流应优选地在此值以下以便依照本发明的本实施例对硅进行微加工。

[0047] 图6示出系统600，其中激光系统602朝着被保持在真空室608中的双轴X-Y可调整台607上的工件606引导激光束604（附加轴可以包括垂直于前两个轴的平移、倾斜和旋转）。聚焦离子束列610朝着基底的区域引导聚焦离子束612。离子束通常能够被聚焦成比激光束更小的斑点。离子束优选地源自于液态金属离子源。此类源可以是单元素源，诸如Ga、In、Bi、Sn和Li，或者是合金源，诸如AuSiBe和AsPdB。还可以使用等离子体离子源。等离子体源可以提供用于带电粒子束的更加多种多样的种类。感应耦合、磁增强的离子源是优选的，因为它们的低能量散布便于在样本处形成小斑点束斑。来自液态金属离子源的离子束可以被聚焦成小于100 nm的斑点尺寸，而激光束604可以被聚焦成1 μm与10 μm之间的斑点尺寸。离子束通常具有高达约50 keV的能量，并利用高达60 nA的离子电流进行工作。在用于铣削Si的一个优选实施例中，离子束具有1 nA的电流、30 keV的能2
量和约45 nm的斑点尺寸，而激光束具有100 mJ/cm 的能流、150 fs的脉冲宽度和2 μm的斑点尺寸。使用可选电子束列620来形成工件606的一部分的图像并用于其它电子束处理。使用二次电子检测器622来检测从基底发射的电子以形成离子束或电子束图像。计算机640或者通过操作员命令手动地或者自动地控制系统600的操作，并且包括显示器642，显示器642能够为操作员提供操作控制器和选项以及基底的图像。

[0048] 图7是示出依照本发明的优选方法的流程图。在步骤702中，第一射束、即带电粒子束或激光束被引导到工件的区域以改变被射束影响的材料的状态。例如，可以将诸如具有1 nA的电流的30 kV的镓射束的离子束引导到工件的表面以引起缺陷，所述缺陷包括空穴、填隙和注入镓，其吸收光子并局部地降低基底材料的烧蚀阈值。在步骤704中，将不同于第一射束的第二射束朝向样本引导至包括第一射束被引导至的区域的区域处。例如，如果第一射束是离子束，则第二射束可以是激光束。优选地，激光束在离子束的峰值强度附近入射。可以同时地或依次地执行步骤702和704。如果依次地进行，则应在时间上足够接近地执行这些步骤，以使得由一个射束引起的改变的状态在施加另一射束时仍存在。在其中使用离子束来引发效果的实施例中，射束施加之间的时延不是关键的，因为缺陷是稳定的。在判定块706中，确定微加工是否完成。可以例如通过使用上述的任何终点确定技术来确定过程是否完成的判断。例如，如果将铣削孔，则步骤706确定孔是否足够深。如果微加工完成，则过程结束。如果微加工未完成，则过程以步骤702继续。

[0049] 经由电荷分离的损坏防止

[0050] 当从基底表面喷射材料时，喷射的粒子可以通过在透镜上沉积或从透镜溅射材料来降低激光透镜的光学质量。图8示出能够减少二次粒子对真空系统中的激光透镜和其它部件的损坏的系统。图8示出系统800，其包括朝着样本806引导带电粒子束804的诸如聚焦离子束列的带电粒子束列802。系统800还包括具有将激光束812聚焦到样本806上的透镜810的激光系统808。激光系统808和带电粒子束804优选地是一致的，也就是说，它们照射在样本806的同一区域上，其中与带电粒子束相比激光束在样本806上通常具有更大的斑点尺寸。虽然激光系统808被示为具有垂直取向且带电粒子束802被示为相对于垂直方向是倾斜的，但这两个系统可以被定向为任何适当的取向。

[0051] 样本806停靠在精确可移动台816上。当带电粒子束804撞击样本806时，发射包括电子和离子的二次粒子818。离子可以撞击在激光透镜810上并降低其光学质量。电极820和822被连接到电压源（未示出）以产生电场，该电场使二次粒子818的路径偏转离开激光透镜810以减少或消除损坏。电极820和822还可以用来检测二次粒子818以进行成像或终点确定。可以将放大器824连接到电极820以将二次电子信号放大。附加地或可替换地，可以将放大器826连接到电极822以将正离子信号放大以进行成像或终点确定。

[0052] 在优选实施例中，在电极820与电极822之间施加约300 V至400 V的电势。优选的电压将随着实施方式而变，但是通常将在几十伏至几千伏之间的范围内，其中优选几百伏的范围。可以改变电极820和822的形状以将电场成形为使撞击样本上方的激光透镜或其它部件的离子粒子改向。在某些实施例中，可以使用单个电极。在某些实施例中，可以使用磁场来代替电极820以使带电粒子偏转离开敏感部件。

[0053] 根据本发明的优选实施例，通过以下各处理在样本上产生或修改结构：

[0054] • 将离子束引导朝向工件的第一区域，带电粒子在工件的晶体结构中引起光子吸收缺陷，其降低工件材料的烧蚀阈值；以及

[0055] • 将激光束引导朝向工件，激光光子被由离子束产生的缺陷吸收以烧蚀被离子束处理的工件上的材料。

[0056] 根据本发明的优选实施例，将离子束引导朝向工件的第一区域包括将离子注入到工件中。由液态金属离子源（LMIS）、由金属合金源或由感应耦合等离子体源来产生所述离子。

[0057] 根据本发明的优选实施例，将离子束引导朝向工件的第一区域包括将镓离子注入到工件的表面中或产生空穴、填隙或缺陷复合物。LMIS的其它示例可以包括In、Bi、Sn、Li且合金源的示例可以包括AuSiBe、AsPdB。

[0058] 根据本发明的优选实施例，使离子束和激光束依次脉动。

[0059] 根据本发明的优选实施例，将激光束引导朝向工件包括引导具有足以烧蚀具有带电粒子束引发的缺陷的材料但不足以烧蚀没有带电粒子束引发的缺陷的材料的能流的激光束。例如，将激光束引导朝向样本可以包括将具有小于1纳秒或小于1皮秒的脉冲持续时间的脉冲激光引导朝向样本。

[0060] 根据本发明的优选实施例，将激光束引导朝向样本包括在具有小于10-3毫巴的压强的环境中将激光束引导朝向样本。

[0061] 根据本发明的优选实施例，来自激光器的脉冲和带电粒子束交替地撞击在样本上。

[0062] 根据本发明的优选实施例，将激光束之一引导朝向样本的区域包括朝着样本施加连续的粒子束，并且其中，将激光束或带电粒子束引导朝向样本的区域包括将连续的激光束引导朝向样本。

[0063] 根据本发明的优选实施例，将带电粒子束引导朝向样本上的区域的子集包括将带电粒子束引导朝向与激光束的强度分布的峰值一致或几乎一致的区域，与引导激光束同时地引导带电粒子束，和/或引导带电粒子的束以降低材料的烧蚀阈值。

[0064] 根据本发明的优选实施例，通过以下各处理使用带电粒子束和激光束在样本上产生或修改结构：

[0065] • 将带电粒子束或激光束中的一个引导朝向工件，所述带电粒子束或激光束中的所述一个改变被射束撞击的工件上的材料的状态；

[0066] • 将带电粒子束或激光束中的另一个引导朝向工件，该另一射束从工件去除具有已改变的状态的材料。

[0067] 根据本发明的优选实施例，将带电粒子束或激光束中的一个引导朝向工件包括将离子束引导朝向工件，该离子束在工件中引起缺陷，并且将带电粒子束或激光束中的另一个引导朝向工件包括将激光束引导朝向工件。

[0068] 根据本发明的优选实施例，离子束在工件中引起光子吸收缺陷。

[0069] 根据本发明的优选实施例，在离子束撞击工件的地方离子束降低烧蚀阈值。

[0070] 根据本发明的优选实施例，将带电粒子束或激光束中的一个引导朝向工件包括将激光束引导朝向工件且将带电粒子束或激光束中的另一个引导朝向工件包括将带电粒子束引导朝向工件。

[0071] 根据本发明的优选实施例，激光束降低工件的升华能量。

[0072] 根据本发明的优选实施例，将带电粒子束或激光束中的一个引导朝向工件或将带电粒子束或激光束中的另一个引导朝向工件包括将离子束引导朝向工件或将电子束引导朝向工件。

[0073] 虽然已详细地描述了本发明及其优点，但应当理解的是，在不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下可以在本文中进行各种变更、替换和修改。此外，本申请的范围并不意图局限于本说明书中所述的过程、机器、制造、物质的组成、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容易地从本发明的公开认识到的，根据本发明，可以利用执行与本文所述的相应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的、目前存在或稍后将开发的过程、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求意图将这样的过程、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。