專利名稱：用于形成高分辨率圖像的系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及高級集成電路的制造，并且具體地涉及集成電路在聚焦離子束(FIB)工具、掃描電子顯微鏡(SEM)和類似環境中的修復和測量。
背景技術：
用于集成電路(IC)芯片和用于光刻曝光刻線(即掩模)的當前修復工藝一般依賴于能量的高度局部化區域在其表面上的形成，以便為材料的選擇性蝕刻或者沉積而引起在空間上受約束的吸熱反應。聚焦離子束、電子束或者光子束用來形成這些局部化區域。已經表明了聚焦離子束(FIB)相比聚焦電子束(例如在SEM中)或者激光束而言具有更優良的工藝約束和反應速率。FIB工具因此在多數修復應用中以及對于IC故障分析中的特定位置橫截面切片(sectioning)而言呈現主導作用。
最近，由于引入與常規FIB工藝不兼容的新材料和新結構而已經遭遇芯片和掩模修復中的嚴重困難。具體而言，具有銅金屬化和/或聚合低k電介質的芯片對于在生產線后端處理中金屬的選擇性去除(“BEOL芯片修改(edit)”)提出挑戰。圖1圖示了典型的修改工藝，其中FIB 10被引入到暴露襯底2中金屬線12的開口1中。對銅的FIB銑削形成了具有低揮發性的導電副產物，從而在開口1的壁上形成導電材料的沉積物13。離子束的散射也造成在沿著壁的區域14中對層間電介質2的損壞。基于聚合物的有機層間電介質在暴露于離子束時甚至可能變得導電。
此外，在導航到修復位置的過程中利用FIB或者SEM(電子束)對芯片表面進行成像可能造成對層間電介質材料的損壞。類似地，在掩模修復工藝中暴露于離子束可能導致掩模部件光學指數的不希望的變化(常常稱之為“著色”的效應)。
除了與材料有關的問題之外，不斷增加的IC部件組裝密度(也就是部件之間最小間隔的減少)也導致了修改IC和掩模時的嚴重問題。在對部件的最近相鄰部件沒有干擾的情況下修改該部件的難度隨著部件之間的間隔減少而迅速攀升。由于對光學技術有空間分辨率的光學衍射限制，所以最小部件間隔是對于將這些技術用于修改(例如基于激光束的修改)有所限制的主要因素。在離子束和電子束修改的情況下，束的空間約束的區域遠遠大于主光斑大小。一般而言，由束引起的處理所具有的空間分辨率是比束生成裝置(FIB或者SEM)的成像分辨率更差的數量級。
用于IC的度量也提出了附加的挑戰。需要線內(in-line)測量以便為IC制造工藝的進展和IC生產線的控制提供準確的三維數據。在執行剖面測量之前，所要測量的部件必須被切片而不得改變原結構的形狀。在典型的基于FIB或者SEM的剖面度量工藝中，執行由離子束或者電子束引起的沉積以便封裝所要切片的結構。然而，在沉積足夠厚度的保護層之前可能由于暴露于離子束或者電子束而出現對原表面的損壞。
典型FIB室和SEM室內組件的布局使得難以觀察正在處理的樣品。FIB室和SEM室一般無法容納用于直接地觀察樣品或者用于對與束相作用的樣品區域提供光學曝光的常規光學顯微鏡。對這一問題所提出的兩個解決方案如下(1)具有紅外線(IR)物鏡的施瓦茲希爾德反射顯微鏡，構建成離子束形成列；此類原位光學顯微鏡需要大的物理工作距離，造成低的數值孔徑(NA)和相對不良的圖像分辨率。(2)原位顯微鏡列在物理上相對于束到樣品的相互作用區域有所偏移，從而樣品必須以已知的偏移量來回地移位。
希望獲得樣品的放大圖像，但是FIB/SEM室內的空間限制一般要求工作距離很小。這又造成照亮樣品的難度并且需要與常規內窺鏡(endoscopy)不同的方式。內窺鏡通常產生比如患者大腸內壁或者發動機汽缸內部這樣的宏觀區域的縮小圖像。由于在常規內窺鏡器件中使用大的工作距離(通常大于5mm)，所以可以使用光源并且相對于主圖像收集光纖而言軸外定位的光纖來提供樣品照明。然而，為了獲得具有適當NA的放大(也就是沒有偽放大)，工作距離必須減少到通常少于成像透鏡直徑的值。這意味著任何軸外照明方案都將造成成像物鏡的物理遮蔽。因而，所關注的樣品區域缺乏照明已經是對利用內窺鏡來生成放大(例如＞10X)圖像的能力有所限制的關鍵問題之一。此外，在圖像移動之后的放大由于基于光纖的圖像導引件所造成的固有分辨率損耗而不可行。由于在像素單元之間可實現的有限間隔，所以在相干光纖束圖像傳送中出現分辨率損耗。在基于單光纖的梯度指數(GRIN)圖像導引件(這些導引件表現成一連串連續地使光朝著光軸重新聚焦的凸透鏡)情況下，由于本來就低的NA而損耗了分辨率。
需要一種裝置和技術，(i)用于防止或者限制由離子束或者電子束修復或者度量工藝所引起的損壞；(ii)用于導航到芯片或者掩模表面上所關注的部件而沒有致使大的表面區域遭受束的損壞；以及(iii)用于方便地觀察工藝室中的樣品。
發明內容
本發明通過提供在離子束/電子束工具(FIB或者SEM)中包含的基于光纖的光通道系統來滿足上述需要。光學通道系統包括圖像收集部分、光纖圖像傳送部分和檢測器部分。圖像收集部分包括微光學組件并且具有亞毫米尺度，從而它被容易地容納于離子束/電子束工具的工作距離內(也就是距工件約5mm內)。整個系統充分地緊湊和輕便，從而它可以容易地裝配于樣品室內的移動臺上，該移動臺允許光學通道機械地伸展和縮回以免阻擋主離子束或者電子束。該系統可以裝配到移動臺或者噴氣組件，該移動臺或者該組件本身可以裝配到具有用于電學和光學信號的饋通端口的在室壁上的凸緣板。
圖像傳送部分有利地包括基本上相互平行的兩個光學通道；第一光學通道用于傳送圖像信息；而第二光學通道用于傳送照明。第一光學通道優選地具有比第二光學通道的直徑更大的直徑。一個或者多個光學通道可以是相干光纖束。
此外，第一光學通道可以適于向工件傳送照明，從而使用第一光學通道和第二光學通道二者來照亮工件。
該系統還可以包括用于向工件的區域遞送反應物的氣體遞送系統，從而來自光學通道(例如通過激光)的照明促進了反應物與工件材料之間的化學反應。
圖像收集部分和圖像傳送部分也可以適于向檢測器遞送紅外線圖像信息，由此指示工件的區域的溫度。
圖1圖示了在常規FIB工具內在芯片修改工藝中所不希望的沉積和損壞效應。
圖2示意性地圖示了根據本發明的一個實施例在FIB處理工具中安裝的光學通道。
圖3是根據本發明在光學通道中的圖像傳送的簡化圖。
圖4示出了根據本發明的一個實施例構造的光學通道的細節。
圖5示意性地圖示了包括圖4的光學通道的處理工具。
圖6示意性地圖示了根據本發明的一個實施例的包括連接到XYZ運動臺的光學通道的處理工具。
圖7圖示了根據本發明的另一個實施例的適于在修復/度量位置處實現光解和光化學反應的圖5的處理工具。
具體實施例方式
在本發明的優選實施例中，在離子束/電子束處理工具中包括基于光纖的光通道系統。在圖2中示出了具有光通道系統的FIB工具(真空室)的內部。樣品21安裝在與離子束列20相對的XYZ運動臺22上。光學通道系統25包括圖像收集部分26、光纖圖像傳送部分27和檢測器部分28。圖像收集部分26包括微光學組件(例如透鏡和分束器)并且具有亞毫米尺度，從而它被容易地容納于離子列/電子列物鏡極靴(pole piece)與樣品之間(即在FIB或者SEM工具的工作距離內)。樣品21(通常在其上有修復或者度量位置)因此可以相對于列20保持于固定位置。整個系統25充分地緊湊和輕便，從而它可以容易地裝配于樣品室內的移動臺上，該移動臺允許光學通道機械地伸展和縮回以免阻擋主離子束或者電子束。例如，系統25可以裝配到噴氣移動組件或者分離的XYZ移動臺。任一這些配置本身都可以裝配到具有用于電學和光學信號的饋通端口的在室壁上的凸緣板。
在圖3中示出了本發明的光學通道的圖像收集和傳送部分的簡化圖，該示了樣品上物體的放大。物體31通過顯微物鏡32來成像，而圖像通過光纖通道30移動到FIB/SEM室的另一區域以供觀察。
以很短的工作距離來執行物體31的放大；如上所述，這提高了關于物體照明的難度。與基于內窺鏡的檢查設備不同，本發明的光學系統在進行移動以供觀察之前以高的NA來放大圖像。通過借助用來收集圖像的同一顯微物鏡引入線內照明來解決在短的工作距離時的樣品照明問題。在圖4中示出了光學組件的優選配置。樣品21的一部分使用顯微物鏡32來成像；通過具有反射斜邊42a的顯微棱鏡42來將圖像旋轉90度。光纖圖像傳送導引件45由此取向為平行于樣品表面。具有反射表面43a的另一顯微棱鏡43位于傳送導引件的另一端以將圖像47引向圖像收集器件(例如CCD照相機等，未示出)。通過多模光纖通道44來傳送樣品照明46，并且使用具有反射表面41a的微立方體分束器41將該樣品照明引向物鏡(微立方體41也具有入/4部分反射表面41b)。照明46優選為單色紅光以便優化對比度、最小化雜散光和減少源成像。通過圖像傳送導引件45來傳送來自附加光源的照明48并且將該照明朝著樣品反射；此照明可以是激光輻射(例如適合于由光引起的處理的綠色激光)。多模光纖通道44在直徑上小于圖像傳送通道45是有利的，以便減少雜散光和增加圖像內最佳對比度和邊緣清晰度的一致性。多模光纖通道有效地充當照明源可變光闌孔徑(iris aperture)。
圖像傳送通道45可以是單個梯度指數光纖或者可選地是相干成束的分段指數光纖像素。梯度指數光纖具有保持相位的優點。如果需要通道的機械柔性則優選相干光纖束。
值得注意的是，這一光學系統除了收集可見光圖像之外還能夠檢測紅外線強度，由此允許原位監視樣品溫度以控制由光熱性引起的工藝。這一能力可以擴展成包括原位分光鏡和/或干涉儀的監視和控制技術。
圖5示出了在聚焦離子束(FIB)裝置中安裝的圖4的光學成像系統50。照明和圖像傳送導引件44、45連同物鏡32、微立方體41和顯微棱鏡42一起可以在樣品21的表面上方在方向51伸展和縮回。在這一實施例中，照明導引件44傳送用于形成樣品圖像的紅光。如圖5中所示，導引件(光纖通道)平行于樣品表面并且僅在它之上相距一個短的距離(通常少于約5mm)進行移動。當伸展該系統50以使在束的路徑中的樣品區域成像時，離子束10受到束板52阻擋。指引圖像47通過紅光濾波器53并且進入檢測器(例如CCD照相機)54。取代濾波器53或者除了濾波器53之外，還可以使用輔透鏡以便將圖像重新聚焦到檢測器(或者其它觀察設備)上從而優化分辨率和對比度。
在圖6中示出了將如本發明中那樣的光學成像系統結合于其中的FIB工具(或者SEM)的更具一般性的橫截面圖。列20位于樣品21上方，該樣品擱置于XYZ運動臺22上。另一XYZ運動臺61具有與之附接的成像系統50的各種組件(例如光纖通道44、45、微立方體43、濾波器53和成像設備54)。XYZ運動臺61相對于束路徑來伸展和縮回光學系統，相對于FIB束中心(或者SEM圖像中心)來對準該系統，并且將物鏡聚焦在樣品上。運動臺61自身可以方便地裝配于工具室的凸緣62上。現有的FIB/SEM工具因此可以容易地適應于包括光學成像系統。凸緣62可以包括用于電連接到控制設備(未示出)的饋通，這些控制設備包括具有適當控制軟件的計算機。
如果希望在樣品的修復/度量位置處執行和觀察光解和光化學反應，則如圖7中所示將氣體遞送系統70附加到室中的光學成像系統。具有微分配閥72的多個氣體入口71饋送到具有單個輸出噴嘴74的歧管73以便將所需氣體混合物遞送到該位置。如上所述，可以將比如綠(488nm氬)激光這樣的輔光學源耦合到圖像傳送導引件45以便引起光解反應；類似地，可以使用紅外線或者可見激光輻射來引起光熱反應。
將理解到本發明的光學成像系統具有多個優點，包括1)顯微物鏡具有垂直于樣品的入射角以及短的工作距離和高的數值孔徑。這允許亞微米范圍的空間分辨率(用于成像或者執行光過程或者熱化學過程)。
2)樣品的線內同軸照明允許以短的工作距離在小的空間中高分辨率的成像。
3)各種光學組件(例如極化濾波器、光圈、微分束器和檢測器)可以集成到系統中(例如微立方體43，在將圖像重定向到檢測器的同時傳送照明)。
4)通過減少物鏡與照明源之間的距離來最小化源成像(并且由此最大化照明均勻性)。
5)光纖圖像傳送導引件將圖像移動到工具室中的可以方便地對其它光學組件進行定位的區域。
6)用于光處理的光源可以通過使用圖像傳送通道和在觀察/成像器件附近的分束器(例如激光照明40、微立方體43)來容易地附加到該系統。
7)高的數值孔徑適合于非接觸式紅外線測高溫(用于感測和控制樣品溫度)和適合于可見光或者紅外線的非接觸式光譜測定(用于感測和原位控制化學過程)。
盡管已經結合具體實施例描述了本發明，但是根據以上描述不言而喻，許多替換、修改和變化對于本領域技術人員將是明顯的。因而，本發明旨在于涵蓋所有這些落入本發明和所附權利要求的精神和范圍內的替換、修改和變化。
權利要求
1.一種用于形成在帶電粒子束設備的室中設置的工件的區域的高分辨率圖像的系統，所述帶電粒子束設備的特征在于相對于所述工件具有一工作距離，所述系統包括圖像收集部分，具有與所述工件正交的軸；圖像傳送部分，包括光學通道以及在所述光學通道的末端處的光學組件，所述光學通道具有基本上平行于所述工件的軸，以及所述光學組件用于將來自所述圖像收集部分的圖像信息引向所述光學通道；以及檢測器部分，用于檢測所述圖像信息，其中所述圖像收集部分和所述圖像傳送部分定位于所述工作距離內，以及所述圖像傳送部分向所述工件的所述區域傳送照明。
2.根據權利要求1所述的系統，還包括用于將所述圖像收集部分伸展到所述工件的所述區域并且從所述區域收回所述圖像收集部分的移動設備。
3.根據權利要求1所述的系統，其中所述圖像傳送部分還包括用于傳送所述圖像信息的第一光學通道；以及用于傳送所述照明的第二光學通道，所述第一光學通道和所述第二光學通道基本上平行。
4.根據權利要求1所述的系統，其中所述光學通道包括光纖。
5.根據權利要求3所述的系統，其中所述第一光學通道和所述第二光學通道各自包括光纖。
6.根據權利要求3所述的系統，其中所述第一光學通道的直徑大于所述第二光學通道的直徑。
7.根據權利要求4所述的系統，其中所述光學通道具有相干光纖束。
8.根據權利要求3所述的系統，其中所述第一光學通道適于向所述工件傳送照明，從而使用所述第一光學通道和所述第二光學通道二者來照亮所述工件。
9.根據權利要求1所述的系統，還包括用于向所述工件的所述區域遞送反應物的氣體遞送系統，以及其中來自所述光學通道的照明促進所述反應物與工件材料之間的化學反應。
10.根據權利要求2所述的系統，其中所述移動設備裝配于所述室的壁的可移動部分上。
11.根據權利要求1所述的系統，其中所述圖像收集部分和所述圖像傳送部分在所述工件的約5mm內。
12.根據權利要求1所述的系統，其中所述圖像收集部分和所述圖像傳送部分適于向所述檢測器傳送紅外線圖像信息，由此指示所述工件的所述區域的溫度。
13.根據權利要求1所述的系統，其中所述光學組件包括用于通過90度的角來引導所述圖像信息的棱鏡。
14.根據權利要求1所述的系統，其中所述光學組件包括分束器。
15.根據權利要求1所述的系統，還包括用于將所述圖像信息引向所述檢測器部分的第二光學組件。
16.根據權利要求4所述的系統，其中所述光纖是梯度指數光纖。
17.根據權利要求16所述的系統，其中所述梯度指數光纖保持所述圖像信息的相位。
18.根據權利要求2所述的系統，其中所述光學通道包括柔性光纖，且所述光纖在所述移動設備縮回所述圖像收集部分時彎曲。
19.根據權利要求1所述的系統，其中所述帶電粒子束設備是聚焦離子束(FIB)工具和掃描電子顯微鏡(SEM)中的一個。
20.根據權利要求19所述的系統，其中所述工件的所述區域在所述束設備的束中心處居中。
全文摘要
公開了一種基于光纖的光通道系統，包括在用于對集成電路進行成像和/或處理的離子束/電子束工具中。光學通道系統包括圖像收集部分、光纖圖像傳送部分和檢測器部分。圖像收集部分包括微光學組件并且具有亞毫米尺度，從而它被容易地容納于離子束/電子束工具的工作距離內。整個系統充分地緊湊和輕便，從而它可以容易地裝配于樣品室內的移動臺上，該移動臺允許光學通道機械地伸展和縮回以免阻擋主離子束或者電子束。該系統可以裝配到移動臺或者噴氣組件，該移動臺或者該組件本身可以裝配到具有用于電學和光學信號的饋通端口的在室壁上的凸緣板。
文檔編號G01J5/00GK101078694SQ20071010470
公開日2007年11月28日 申請日期2007年4月24日 優先權日2006年5月23日
發明者H·M·馬奇曼, S·B·赫希貝恩, C·魯, M·倫納, N·拉納 申請人:國際商業機器公司