自動化樣品定向的制作方法

自動化樣品定向的制作方法
【專利摘要】在此披露了一種用于對放置在真空室內的樣品進行對準從而使得樣品被定向成與聚焦離子束垂直的方法。使用聚焦例程確定樣品表面上不同斑點的位置。不同斑點的位置用于創建確定所需要的準確校準的影像線或影像平面。然后，該影像線或影像平面用于對樣品臺進行校準，從而使得樣品被對準成基本上與聚焦離子束垂直。
【專利說明】自動化樣品定向
發明【技術領域】
[0001]本發明涉及樣品的制備以及用于透射電子顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡的分析方法。
發明背景
[0002]半導體制造例如集成電路的制作通常需使用光刻法。上面形成有電路的半導體基底(通常為硅晶片)用例如光致抗蝕劑等材料涂覆，該材料在曝露在輻射下時會改變溶解度。位于輻射源與半導體基底之間的光刻工具例如掩模或光罩投射出一個陰影以控制基底中哪些區域曝露在輻射下。在曝露之后，將光致抗蝕劑從或者曝露區域或者未曝露區域中移除，從而在晶片上留下經圖案化的光致抗蝕劑層，該光致抗蝕劑層在隨后的蝕刻或擴散過程中保護晶片的各部分。
[0003]光刻工藝允許在每個晶片上形成多個集成電路器件或機電器件，通常稱為“芯片”。該晶片隨后被切成單獨裸片，每個裸片包括單個集成電路器件或機電器件。最終，這些裸片經受額外操作并且被封裝到單獨集成電路芯片或機電器件內。
[0004]在制造過程中，曝露和聚焦的變化要求連續監控或測量由光刻工藝形成的圖案以確定這些圖案的尺寸是否在可接受的范圍內。通常被稱為過程控制的這種監控的重要性隨著圖案尺寸變小而顯著增加，尤其是當最小特征尺寸接近光刻工藝可獲得的分辨率極限時。為了實現越來越高的器件密度，需要越來越小的特征尺寸。這可能包括互連線的寬度和間距、接觸孔的間距和直徑以及各種特征的表面幾何形狀例如角和邊緣。晶片上的特征為三維結構，并且完整的表征不僅必須描述該特征的表面尺寸，例如線或溝槽的頂寬，而且還要描述該特征的完整三維輪廓。工藝工程師必須能精確地測量此些表面特征的臨界尺寸(⑶)以對制作過程進行微調并且確保獲得所希望的裝置幾何形狀。
[0005]典型地，使用例如掃描電子顯微鏡(SEM)等儀器來進行⑶測量。在掃描電子顯微鏡(SEM)中，初級電子束聚焦到一個細斑點上以對有待觀察的表面進行掃描。當該表面被初級射束沖擊時，從該表面發出次級電子。檢測到這些次級電子，隨后形成一張影像，其中該影像中每個點處的亮度由射束沖擊該表面上的相應斑點時檢測到的次級電子的數量決定。然而，隨著特征繼續變得越來越小，會出現這樣一個點，在該點處有待被測量的特征對于普通SEM所提供的分辨率而言過小。
[0006]透射電子顯微鏡(TEM)允許觀察者看到納米級的極小特征。與只使材料的表面成像SEM，TEM還允許分析樣品的內部結構。在TEM中，寬束沖擊樣品并且透射穿過樣品的電子被聚焦以形成樣品的影像。樣品必須足夠薄以允許初級束中的許多電子行進穿過樣品并在相反位置上射出。樣品(也被稱為薄片)厚度通常小于lOOnm。
[0007]在掃描透射電子顯微鏡(STEM)中，初級電子束聚焦到一個細斑點上，并且跨樣品表面對該斑點進行掃描。透射穿過工件的電子由位于樣品遠側上的電子檢測器收集起來，并且影像上每個點的強度對應于當初級束沖擊表面上的相應點時所收集的電子的數量。
[0008]因為樣品必須很薄以便用透射電子顯微術觀察(無論是TEM還是STEM)，所以樣品的制備是一項精細、耗時的工作。此處所用的術語“TEM”是指TEM或STEM并且對制備用于TEM的樣品的引用被理解成還包括制備用于在STEM上觀察的樣品。此處所用的術語“S/TEM”也是指TEM和STEM兩者。
[0009]用于制備TEM試樣的幾種技術是眾所周知的。這些技術會涉及到劈裂、化學拋光、機械拋光、或寬束低能離子銑削、或結合上述中的一種或多種。這些技術的缺點在于，它們不是位置特定的并且經常需要將起始材料分成越來越小的片，從而破壞大部分原始樣品。
[0010]在測量學中，正確的STEM和TEM分析經常需要精確的晶體對準。按照同樣道理，非晶體材料需要材料堆疊對準。用于晶體結構的對準或非晶體材料的材料堆疊對準的傳統例程涉及到會在定位或傾斜樣品時需要多個聚焦例程的非常耗時的例程。
[0011]需要一種使TEM樣品與入射TEM或STEM束或帶電粒子束對準的可重復的方法。一種使樣品對準的不取決于樣品的結晶定向的魯棒且容易的方法的例程會提高分析過程的吞吐量。
發明概述
[0012]因此，本發明的目標是提供一種用于對TEM或STEM分析中的樣品進行定向的改進方法。本發明的優選實施例提供了一種選定相關區域、在該相關區域上選擇兩個點、創建這兩個點的影像線以及對該線進行校準使得該影像線垂直于入射的帶電粒子束的方法。
[0013]本發明的一些優選實施例提供了一種用于使用來自相關區域的三個點對TEM或STEM分析中的樣品進行定向并且創建可以用于校準樣品的影像平面的方法。
[0014]為了可以更好地理解以下本發明的詳細說明，上文已經相當廣泛地概述了本發明的特征和技術優點。下文將描述本發明的附加特征和優點。本領域技術人員應認識到所披露的概念和具體實施例可容易地用作改進或設計用于實施本發明相同目的其他結構的基礎。本領域的技術人員還應認識到這些同等構造不脫離如所附權利要求中所闡明的本發明的精神和范圍。
附圖簡要說明
[0015]為了更加徹底地理解本發明和本發明的優點，現在結合附圖參考以下說明，其中:
[0016]圖1為一個流程圖，示出了根據本發明的優選實施例的涉及兩個點的選定的標準對準程序；
[0017]圖2為一個示意圖，示出了根據本發明的優選實施例的樣品臺的變動如何可以準確地使樣品與帶電粒子束對準；
[0018]圖3展示了本發明的優選實施例的對準前的真空室；
[0019]圖4展示了本發明的優選實施例的對準后的真空室；
[0020]圖5為一個流程圖，示出了根據本發明的優選實施例的涉及三個點的選定的標準對準程序；
[0021]圖6展示了形成一個平面的三個點的三角測量，從而使得可以根據本發明的優選實施例進行樣品的準確對準；以及
[0022]圖7展示了本發明的優選實施例的樣品臺，其示出了如何可以在不同軸上使樣品臺傾斜。
優選實施方案的詳細描述
[0023]本發明的實施例針對用于TEM樣品對準的改進方法，通過使用多種方法在樣品的分開的位置上聚焦以確定其相對于帶電粒子束的定向。一旦確定了定向，則可以在X-Y-Z軸上改變樣品臺以準確地將樣品對準成與帶電粒子束垂直。這種方法論允許帶有高吞吐能力的各易且魯棒的樣品對準。
[0024]圖1示出了根據本發明的一個實施例的方法的流程圖。此方法允許通過利用系統在樣品的兩個分開的點上聚焦并且使用聚焦系統確定距離固定點的距離的能力來對樣品進行二維定向。該固定點通常是一個在物鏡上共心的點。使用傳統自動聚焦方法或手動聚焦方法執行聚焦。傳統自動聚焦方法允許使用者辨別出距離固定點的距離。主動自動聚焦例程可以發出超聲聲波或紅外光并且計算其反射的延時以確定距離。被動自動聚焦例程將來自樣品的光的反射分成多對并且對它們的相位變化進行對比。手動聚焦例程也允許確定樣品上的分開的點距離固定點的距離。FEI公司的TEM鏈接(TEMLink)的基于Windows?的圖形用戶界面指導與向導式(Wizard Style)例程的使用在貫穿允許使用者對距離樣品位置的距離進行準確確定的特定步驟中指導使用者。該系統可以允許對薄片定向進行確定。
[0025]當樣品的一側高于另一側時使用樣品的二維對準，從而使得樣品不與帶電粒子束對準。如圖2中所示，左側上的樣品201沒有準確地對準帶電粒子束202。樣品201的第一側203比第二側204更接近對準帶電粒子束202。聚焦例程可以確定第一側203距離與帶電粒子束202共心的固定點206的距離。另一個聚焦例程可以確定第二側204距離固定點206的距離。通過計算第一側203和第二側204的距離之間的差值，可以使用一種算法在第一側203和第二側204的點之間繪出一條線并且和與該帶電粒子束正交的線相比確定其定向。一旦確定了線的定向，自動控制系統或手動控制系統可以確定在Y軸轉動207中轉動樣品臺多少從而使得第一側203和第二側204距離固定點206的距離相等。出于計算目的，應該指出的是可以考慮許多其他點作為固定點，如聚焦探針的點。一旦第一側203和第二側204距離固定點206的距離相等，則認為相對于帶電粒子束202對樣品準確地進行了一維定向。
[0026]對于使用者而言，圖1的第一步驟102是將樣品裝到包含帶電粒子束的真空室內。該系統可以是TEM或STEM。在下一個步驟104中，在Z軸上用帶電粒子束驅動樣品。在一種自動共心例程中，可以拍攝影像，然后拍攝參考影像。使樣品臺傾斜并且拍攝第二參考影像。XY空間沿已知的傾斜移動會產生一個移動該臺以校正Z軸的向量。
[0027]在另一種自動共心例程中是通過在連續傾斜樣品的過程中使特征移動最小化。在手動例程中，焦點被設置成在共心高度處被優化，其涉及到該臺的連續移動，直到影像被清晰地聚焦。一旦影像停止移動，則認為樣品處于共心高度。
[0028]根據本發明的實施例，選擇樣品201的一個區域用于對準，并且在步驟106中，確定該區域的第一斑點。聚焦例程將確定第一次停止的X，Y點位置。在步驟108中，通過將帶電粒子束202移動到該位置上并且運行聚焦例程來確定所選區域上的第二斑點的X，Y點位置。在步驟110中，控制器(未示出)用于確定在第一兩點之間所繪的線的定向。在步驟112中，使用一種算法，對這兩點之間的線的定向與和帶電粒子束202垂直的虛法線進行對比。在步驟114中，在Y軸上傾斜樣品臺以根據上述計算對樣品進行定向。如果樣品與帶電粒子束準確對準(步驟116)，則在步驟118中對準例程結束并且樣品準備進一步的成像或分析。如果沒有準確地對準樣品，則可以通過回到步驟106再次執行該程序。
[0029]圖3示出了帶有帶電粒子束柱302的真空室301，該帶電粒子束柱具有帶電粒子束202。帶電粒子束202指向已經在Z軸被驅動的樣品201。樣品201具有一個用于對準的區域303。一旦使用者選定了一個用于對準的表面區域303，則使用者將在該區域中為聚焦例程選定不同的點。將通過用于對準的表面區域303的定向來確定樣品201的對準。固定點(通常是透鏡305上的共心點306)將用于確定經歷聚焦例程的點中的每一個點的距離。XY臺304能夠在Y軸上轉動，從而使得用于對準的表面區域303可以用帶電粒子束202進行定向。一旦用于對準的表面區域303經歷了圖1的對準程序，則如圖4中所示，用于對準的表面區域303將被對準成與帶電粒子束202正交。圖4示出了在已經轉動XY臺304以準確對樣品進行定向后的用于對準的系統。
[0030]盡管以上實施例在對一側比另一側高時的樣品的準確定向進行確定中對使用者具有良好的幫助，但常常并不對樣品準確地進行一維以上的定向。例如，樣品臺上的樣品可能具有在一維以上中未準確地用帶電粒子束進行定向的相關區域。該相關區域在X和Y方向上可能未對準。在這種情況下，本發明的另一個優選實施例使用了相關區域上的三個點來執行通過計算這三個點共享的平面來對樣品的定向進行確定的自動聚焦例程。
[0031]圖5示出了優選實施例的流程圖，該優選實施例具有三個用于樣品與帶電粒子束對準的點。與樣品的兩點對準類似，三點對準從步驟502開始，其中，使用者將樣品裝到包含帶電粒子束的真空室內。在下一個步驟504中，在Z軸上用帶電粒子束驅動樣品。然后，選擇一個用于對準的相關區域303。在步驟506中，確定用于聚焦例程的第一斑點的位置。聚焦例程將確定點在X、Y和Z方向上的確切位置。在步驟508和510中，在X，Y，Z方向上確定第二斑點和第三斑點位置。在執行聚焦例程前將帶電粒子束移動至這些位置中的每個位置。在步驟512中，控制器(未示出)用于使用三個點繪制出一個平面，并且在步驟514中，使用三個點的平面的定向與帶電粒子束的軸進行對比。
[0032]圖6示出了具有點802、803和804的來樣801的三維視圖。來樣801沒有與帶電粒子束805對準。點802、803和804都可以在距離帶電粒子束的共心固定點不同距離處，在大多數情況下，該共心固定點為帶電粒子束的透鏡上的一個共心點。使用三個點802、803和804確定的平面與帶電粒子束的法平面進行對比。常規算法用于限定平面。可以通過使用者選定三角測量的角幫助進行點的圖形三角測量。對準后的樣品將用所有三個點802、803和804形成一個與帶電粒子束805垂直的平面。
[0033]圖7示出了樣品臺701。樣品臺701具有α -傾斜轉動軸702和β -傾斜轉動軸703，該β -傾斜轉動軸允許XY平面移動，從而使得樣品上的相關區域可以被對準成與帶電粒子束垂直。形成定向前的樣品的影像平面并且執行所必要的α-傾斜轉動軸702和
傾斜轉動軸703的必要的校準。圖5的步驟516示出了根據相關區域的定向在α-傾斜轉動軸和β_傾斜轉動軸上改變樣品臺的下一個步驟。如果樣品與帶電粒子束準確地對準了(步驟518)，則在步驟520中對準例程結束并且樣品準備進一步的成像或分析。通過點802、803和804的聚焦例程確定的影像平面的平移允許精確的樣品對準，使相關區域與入射的帶電粒子束垂直。如果沒有準確地對準樣品，則可以通過回到步驟506再次執行該程序。
[0034]該例程可以獨立于結晶定向，其產生比傳統方法論快得多的對樣品的定向進行管理的能力。與180秒到360秒完成已知的傳統CD-STEM自動化例程相反，本發明利用了一種可以在小于45秒內完成的例程。因此，該例程還可以結合補充性對準步驟將結晶結構考慮在內。
[0035]根據本發明的一些實施例，一種用于在帶電粒子束系統中對準樣品的方法包括:將樣品裝到具有帶電粒子束的真空室內；將該樣品放在帶電粒子束下面；將該帶電粒子束引導至樣品表面上的至少兩個不同斑點；在該至少兩個不同斑點上聚焦；確定每個斑點距離與該樣品基本上共心的固定斑點的距離；以及使用每個斑點的距離對該樣品進行定向，從而使得該樣品對準聚焦離子束。
[0036]在一些實施例中，兩個不同的斑點用于創建一條用于樣品定向的線。在一些實施例中，通過在該線上制作與固定斑點等距離的斑點來執行樣品定向。在一些實施例中，兩個不同的斑點用于創建一個用于樣品定向的二維平面。
[0037]在一些實施例中，通過在XY平面中移動該臺來執行該樣品的定向。在一些實施例中，使用自動聚焦例程執行聚焦。在一些實施例中，使用手動聚焦例程執行聚焦。
[0038]根據本發明的一些實施例，一種用于在帶電粒子束系統中對準樣品的方法包括:將樣品裝在具有帶電粒子束的真空室內的樣品臺上；在與該帶電粒子束相一致的Z軸上對該樣品進行校準；選定該樣品的一個區域以進行定向；使該帶電粒子束瞄準該樣品的該區域的第一斑點以進行定向；執行第一聚焦例程以限定第一 X，Y，Z點；在乂_￥平面中移動該帶電粒子束；執行第二聚焦例程以限定第二 X，Y，Z點；使用該第一 X，Y，Z點和該第二 X，Y，Z點確定該樣品的定向；以及改變該樣品臺的定向，從而使得使該樣品對準到該帶電粒子束。
[0039]在一些實施例中，使用自動聚焦透鏡執行該第一聚焦例程和該第二聚焦例程。在一些實施例中，使用手動聚焦程序執行該第一聚焦例程和該第二聚焦例程。
[0040]在一些實施例中，該方法進一步包括以下步驟:執行第三聚焦例程以限定第三X，Y，Z點；以及使用第一 X，Y，Z點和第二 X，Y，Z點以及第三X，Y，Z點確定該樣品的二維定向。在一些實施例中，該樣品的二維定向用于將該樣品對準成基本上與該帶電粒子束垂直。在一些實施例中，該第一、第二和第三聚焦例程使用自動聚焦透鏡。在一些實施例中，該第一、第二和第三聚焦例程使用手動聚焦例程。
[0041]雖然已經詳細描述了本發明及其優點，但是應理解到，在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍的情況下，可以在此進行各種變化、代替以及改變。而且，本發明的范圍并非旨在局限于在本說明書中所述的工藝、機器、制造物、物質的組合物、手段、方法以及步驟的具體實施例。如本領域的普通技術人員將從本發明的披露中輕易認識到的，可以根據本發明利用現有的或往后要開發的、大體上執行相同功能或大體上實現和此處所述的對應實施例相同結果的工藝、機器、制造物、物質的組合物、手段、方法或步驟。相應地，所附權利要求書是旨在于將此類工藝、機器、制造物、物質的組合物、手段、方法或步驟包括在它們的范圍內。<0
【權利要求】
1.一種用于在帶電粒子束系統內對樣品進行對準的方法，包括: 將樣品裝載到具有帶電粒子束的真空室內； 將該樣品放在帶電粒子束下面； 將該帶電粒子束引導至該樣品表面上的至少兩個不同的斑點； 在該至少兩個不同斑點上聚焦； 確定每個斑點距離基本上與該樣品共心的固定斑點的距離； 使用每個斑點的距離對該樣品進行定向，從而使得該樣品對準到該聚焦離子束。
2.如權利要求1所述的方法，其中，兩個不同的斑點用于創建一條用于樣品定向的線。
3.如權利要求2所述的方法，其中，通過使該線上的該斑點距離固定斑點距離相等來執行該樣品定向。
4.如權利要求1所述的方法，其中，三個不同的斑點用于創建一個用于樣品定向的二維平面。
5.如權利要求1至4中任意一項所述的方法，其中，通過在XY平面中移動臺來執行該樣品的定向。
6.如權利要求1至4中任意一項所述的方法，其中，使用自動聚焦例程執行聚焦。
7.如權利要求1至4中任意一項所述的方法，其中，使用手動聚焦例程執行聚焦。
8.一種用于在帶電粒子束系統內對樣品進行對準的方法，包括: 將樣品裝載到具有帶電粒子束的真空室內的樣品臺上； 在與該帶電粒子束相一致的Z軸上對該樣品進行校準； 選定該樣品的一個區域以進行定向； 使該帶電粒子束瞄準該樣品的該區域的第一斑點以進行定向； 執行第一聚焦例程以限定第一 X，Y，Z點； 在X-Y平面中移動該帶電粒子束； 執行第二聚焦例程以限定第二 X，Y，Z點； 使用該第一 X，Y，Z點和該第二 X，Y，Z點確定該樣品的定向；以及 改變該樣品臺的定向，從而使得使該樣品對準到該帶電粒子束。
9.如權利要求8所述的方法，其中，使用自動聚焦透鏡執行該第一聚焦例程和該第二聚焦例程。
10.如權利要求8所述的方法，其中，使用手動聚焦程序執行該第一聚焦例程和該第二聚焦例程。
11.如權利要求8所述的方法，進一步包括以下步驟: 執行第三聚焦例程以限定第三X，Y，Z點； 使用該第一 X，Y，Z點、該第二 X，Y，Z點以及第三X，Y，Z點確定該樣品的二維定向。
12.如權利要求11所述的方法，其中，該樣品的二維定向用于將該樣品對準成基本上與該帶電粒子束垂直。
13.如權利要求11或權利要求12所述的方法，其中，該第一、第二和第三聚焦例程使用自動聚焦透鏡。
14.如權利要求11或權利要求12所述的方法，其中，該第一、第二和第三聚焦例程使用手動聚焦例程。
【文檔編號】H01L21/68GK103824798SQ201310566530
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年11月14日 優先權日:2012年11月15日
【發明者】J.阿加瓦奇 申請人:Fei 公司