CN101078694B - 用于形成高分辨率图像的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤的光通道系统，包括在用于对集成电路进行成像和/或处理的离子束/电子束工具中。光学通道系统包括图像收集部分、光纤图像传送部分和检测器部分。图像收集部分包括微光学组件并且具有亚毫米尺度，从而它被容易地容纳于离子束/电子束工具的工作距离内。整个系统充分地紧凑和轻便，从而它可以容易地装配于样品室内的移动台上，该移动台允许光学通道机械地伸展和缩回以免阻挡主离子束或者电子束。该系统可以装配到移动台或者喷气组件，该移动台或者该组件本身可以装配到具有用于电学和光学信号的馈通端口的在室壁上的凸缘板。
Description
技术领域
本发明涉及高级集成电路的制造，并且具体地涉及集成电路在聚焦离子束(FIB)工具、扫描电子显微镜(SEM)和类似环境中的修复和测量。
背景技术
用于集成电路(IC)芯片和用于光刻曝光刻线(即掩模)的当前修复工艺一般依赖于能量的高度局部化区域在其表面上的形成，以便为材料的选择性蚀刻或者沉积而引起在空间上受约束的吸热反应。聚焦离子束、电子束或者光子束用来形成这些局部化区域。已经表明了聚焦离子束(FIB)相比聚焦电子束(例如在SEM中)或者激光束而言具有更优良的工艺约束和反应速率。FIB工具因此在多数修复应用中以及对于IC故障分析中的特定位置横截面切片(sectioning)而言呈现主导作用。
最近，由于引入与常规FIB工艺不兼容的新材料和新结构而已经遭遇芯片和掩模修复中的严重困难。具体而言，具有铜金属化和/或聚合低k电介质的芯片对于在生产线后端处理中金属的选择性去除(“BEOL芯片修改(edit)”)提出挑战。图1图示了典型的修改工艺，其中FIB10被引入到暴露衬底2中金属线12的开口1中。对铜的FIB铣削形成了具有低挥发性的导电副产物，从而在开口1的壁上形成导电材料的沉积物13。离子束的散射也造成在沿着壁的区域14中对层间电介质2的损坏。基于聚合物的有机层间电介质在暴露于离子束时甚至可能变得导电。
此外，在导航到修复位置的过程中利用FIB或者SEM(电子束)对芯片表面进行成像可能造成对层间电介质材料的损坏。类似地，在掩模修复工艺中暴露于离子束可能导致掩模部件光学指数的不希望的变化(常常称之为“着色”的效应)。
除了与材料有关的问题之外，不断增加的IC部件组装密度(也就是部件之间最小间隔的减少)也导致了修改IC和掩模时的严重问题。在对部件的最近相邻部件没有干扰的情况下修改该部件的难度随着部件之间的间隔减少而迅速攀升。由于对光学技术有空间分辨率的光学衍射限制，所以最小部件间隔是对于将这些技术用于修改(例如基于激光束的修改)有所限制的主要因素。在离子束和电子束修改的情况下，束的空间约束的区域远远大于主光斑大小。一般而言，由束引起的处理所具有的空间分辨率是比束生成装置(FIB或者SEM)的成像分辨率更差的数量级。
用于IC的度量也提出了附加的挑战。需要线内(in-line)测量以便为IC制造工艺的进展和IC生产线的控制提供准确的三维数据。在执行剖面测量之前，所要测量的部件必须被切片而不得改变原结构的形状。在典型的基于FIB或者SEM的剖面度量工艺中，执行由离子束或者电子束引起的沉积以便封装所要切片的结构。然而，在沉积足够厚度的保护层之前可能由于暴露于离子束或者电子束而出现对原表面的损坏。
典型FIB室和SEM室内组件的布局使得难以观察正在处理的样品。FIB室和SEM室一般无法容纳用于直接地观察样品或者用于对与束相作用的样品区域提供光学曝光的常规光学显微镜。对这一问题所提出的两个解决方案如下：(1)具有红外线(IR)物镜的施瓦兹希尔德反射显微镜，构建成离子束形成列；此类原位光学显微镜需要大的物理工作距离，造成低的数值孔径(NA)和相对不良的图像分辨率。(2)原位显微镜列在物理上相对于束到样品的相互作用区域有所偏移，从而样品必须以已知的偏移量来回地移位。
希望获得样品的放大图像，但是FIB/SEM室内的空间限制一般要求工作距离很小。这又造成照亮样品的难度并且需要与常规内窥镜(endoscopy)不同的方式。内窥镜通常产生比如患者大肠内壁或者发动机汽缸内部这样的宏观区域的缩小图像。由于在常规内窥镜器件中使用大的工作距离(通常大于5mm)，所以可以使用光源并且相对于主图像收集光纤而言轴外定位的光纤来提供样品照明。然而，为了获得具有适当NA的放大(也就是没有伪放大)，工作距离必须减少到通常少于成像透镜直径的值。这意味着任何轴外照明方案都将造成成像物镜的物理遮蔽。因而，所关注的样品区域缺乏照明已经是对利用内窥镜来生成放大(例如＞10X)图像的能力有所限制的关键问题之一。此外，在图像移动之后的放大由于基于光纤的图像导引件所造成的固有分辨率损耗而不可行。由于在像素单元之间可实现的有限间隔，所以在相干光纤束图像传送中出现分辨率损耗。在基于单光纤的梯度指数(GRIN)图像导引件(这些导引件表现成一连串连续地使光朝着光轴重新聚焦的凸透镜)情况下，由于本来就低的NA而损耗了分辨率。
需要一种装置和技术，(i)用于防止或者限制由离子束或者电子束修复或者度量工艺所引起的损坏；(ii)用于导航到芯片或者掩模表面上所关注的部件而没有致使大的表面区域遭受束的损坏；以及(iii)用于方便地观察工艺室中的样品。
发明内容
本发明通过提供在离子束/电子束工具(FIB或者SEM)中包含的基于光纤的光通道系统来满足上述需要。光学通道系统包括图像收集部分、光纤图像传送部分和检测器部分。图像收集部分包括微光学组件并且具有亚毫米尺度，从而它被容易地容纳于离子束/电子束工具的工作距离内(也就是距工件约5mm内)。整个系统充分地紧凑和轻便，从而它可以容易地装配于样品室内的移动台上，该移动台允许光学通道机械地伸展和缩回以免阻挡主离子束或者电子束。该系统可以装配到移动台或者喷气组件，该移动台或者该组件本身可以装配到具有用于电学和光学信号的馈通端口的在室壁上的凸缘板。
图像传送部分有利地包括基本上相互平行的两个光学通道；第一光学通道用于传送图像信息；而第二光学通道用于传送照明。第一光学通道优选地具有比第二光学通道的直径更大的直径。一个或者多个光学通道可以是相干光纤束。
此外，第一光学通道可以适于向工件传送照明，从而使用第一光学通道和第二光学通道二者来照亮工件。
该系统还可以包括用于向工件的区域递送反应物的气体递送系统，从而来自光学通道(例如通过激光)的照明促进了反应物与工件材料之间的化学反应。
图像收集部分和图像传送部分也可以适于向检测器递送红外线图像信息，由此指示工件的区域的温度。
附图说明
图1图示了在常规FIB工具内在芯片修改工艺中所不希望的沉积和损坏效应。
图2示意性地图示了根据本发明的一个实施例在FIB处理工具中安装的光学通道。
图3是根据本发明在光学通道中的图像传送的简化图。
图4示出了根据本发明的一个实施例构造的光学通道的细节。
图5示意性地图示了包括图4的光学通道的处理工具。
图6示意性地图示了根据本发明的一个实施例的包括连接到XYZ运动台的光学通道的处理工具。
图7图示了根据本发明的另一个实施例的适于在修复/度量位置处实现光解和光化学反应的图5的处理工具。
具体实施方式
在本发明的优选实施例中，在离子束/电子束处理工具中包括基于光纤的光通道系统。在图2中示出了具有光通道系统的FIB工具(真空室)的内部。样品21安装在与离子束列20相对的XYZ运动台22上。光学通道系统25包括图像收集部分26、光纤图像传送部分27和检测器部分28。图像收集部分26包括微光学组件(例如透镜和分束器)并且具有亚毫米尺度，从而它被容易地容纳于离子列/电子列物镜极靴(pole piece)与样品之间(即在FIB或者SEM工具的工作距离内)。样品21(通常在其上有修复或者度量位置)因此可以相对于列20保持于固定位置。整个系统25充分地紧凑和轻便，从而它可以容易地装配于样品室内的移动台上，该移动台允许光学通道机械地伸展和缩回以免阻挡主离子束或者电子束。例如，系统25可以装配到喷气移动组件或者分离的XYZ移动台。任一这些配置本身都可以装配到具有用于电学和光学信号的馈通端口的在室壁上的凸缘板。
在图3中示出了本发明的光学通道的图像收集和传送部分的简化图，该图图示了样品上物体的放大。物体31通过显微物镜32来成像，而图像通过光纤通道30移动到FIB/SEM室的另一区域以供观察。
以很短的工作距离来执行物体31的放大；如上所述，这提高了关于物体照明的难度。与基于内窥镜的检查设备不同，本发明的光学系统在进行移动以供观察之前以高的NA来放大图像。通过借助用来收集图像的同一显微物镜引入线内照明来解决在短的工作距离时的样品照明问题。在图4中示出了光学组件的优选配置。样品21的一部分使用显微物镜32来成像；通过具有反射斜边42a的显微棱镜42来将图像旋转90度。光纤图像传送导引件45由此取向为平行于样品表面。具有反射表面43a的另一显微棱镜43位于传送导引件的另一端以将图像47引向图像收集器件(例如CCD照相机等，未示出)。通过多模光纤通道44来传送样品照明46，并且使用具有反射表面41a的微立方体分束器41将该样品照明引向物镜(微立方体41也具有λ/4部分反射表面41b)。照明46优选为单色红光以便优化对比度、最小化杂散光和减少源成像。通过图像传送导引件45来传送来自附加光源的照明48并且将该照明朝着样品反射；此照明可以是激光辐射(例如适合于由光引起的处理的绿色激光)。多模光纤通道44在直径上小于图像传送通道45是有利的，以便减少杂散光和增加图像内最佳对比度和边缘清晰度的一致性。多模光纤通道有效地充当照明源可变光阑孔径(irisa perture)。
图像传送通道45可以是单个梯度指数光纤或者可选地是相干成束的分段指数光纤像素。梯度指数光纤具有保持相位的优点。如果需要通道的机械柔性则优选相干光纤束。
值得注意的是，这一光学系统除了收集可见光图像之外还能够检测红外线强度，由此允许原位监视样品温度以控制由光热性引起的工艺。这一能力可以扩展成包括原位分光镜和/或干涉仪的监视和控制技术。
图5示出了在聚焦离子束(FIB)装置中安装的图4的光学成像系统50。照明和图像传送导引件44、45连同物镜32、微立方体41和显微棱镜42一起可以在样品21的表面上方在方向51伸展和缩回。在这一实施例中，照明导引件44传送用于形成样品图像的红光。如图5中所示，导引件(光纤通道)平行于样品表面并且仅在它之上相距一个短的距离(通常少于约5mm)进行移动。当伸展该系统50以使在束的路径中的样品区域成像时，离子束10受到束板52阻挡。指引图像47通过红光滤波器53并且进入检测器(例如CCD照相机)54。取代滤波器53或者除了滤波器53之外，还可以使用辅透镜以便将图像重新聚焦到检测器(或者其它观察设备)上从而优化分辨率和对比度。
在图6中示出了将如本发明中那样的光学成像系统结合于其中的FIB工具(或者SEM)的更具一般性的横截面图。列20位于样品21上方，该样品搁置于XYZ运动台22上。另一XYZ运动台61具有与之附接的成像系统50的各种组件(例如光纤通道44、45、微立方体43、滤波器53和成像设备54)。XYZ运动台61相对于束路径来伸展和缩回光学系统，相对于FIB束中心(或者SEM图像中心)来对准该系统，并且将物镜聚焦在样品上。运动台61自身可以方便地装配于工具室的凸缘62上。现有的FIB/SEM工具因此可以容易地适应于包括光学成像系统。凸缘62可以包括用于电连接到控制设备(未示出)的馈通，这些控制设备包括具有适当控制软件的计算机。
如果希望在样品的修复/度量位置处执行和观察光解和光化学反应，则如图7中所示将气体递送系统70附加到室中的光学成像系统。具有微分配阀72的多个气体入口71馈送到具有单个输出喷嘴74的歧管73以便将所需气体混合物递送到该位置。如上所述，可以将比如绿(488nm氩)激光这样的辅光学源耦合到图像传送导引件45以便引起光解反应；类似地，可以使用红外线或者可见激光辐射来引起光热反应。
将理解到本发明的光学成像系统具有多个优点，包括：
1)显微物镜具有垂直于样品的入射角以及短的工作距离和高的数值孔径。这允许亚微米范围的空间分辨率(用于成像或者执行光过程或者热化学过程)。
2)样品的线内同轴照明允许以短的工作距离在小的空间中高分辨率的成像。
3)各种光学组件(例如极化滤波器、光圈、微分束器和检测器)可以集成到系统中(例如微立方体43，在将图像重定向到检测器的同时传送照明)。
4)通过减少物镜与照明源之间的距离来最小化源成像(并且由此最大化照明均匀性)。
5)光纤图像传送导引件将图像移动到工具室中的可以方便地对其它光学组件进行定位的区域。
6)用于光处理的光源可以通过使用图像传送通道和在观察/成像器件附近的分束器(例如激光照明40、微立方体43)来容易地附加到该系统。
7)高的数值孔径适合于非接触式红外线测高温(用于感测和控制样品温度)和适合于可见光或者红外线的非接触式光谱测定(用于感测和原位控制化学过程)。
尽管已经结合具体实施例描述了本发明，但是根据以上描述不言而喻，许多替换、修改和变化对于本领域技术人员将是明显的。因而，本发明旨在于涵盖所有这些落入本发明和所附权利要求的精神和范围内的替换、修改和变化。
Claims (18)
1.一种用于形成在带电粒子束设备的室中设置的工件的区域的高分辨率图像的系统，所述带电粒子束设备相对于所述工件具有一工作距离，所述系统包括：
图像收集部分，包括显微物镜，所述显微物镜具有垂直于所述工件的表面的入射角；
图像传送部分，包括第一光学通道以及在所述第一光学通道的末端处的光学组件，所述第一光学通道基本上平行于所述工件的表面，以及所述光学组件用于将来自所述图像收集部分的图像信息引向所述第一光学通道；以及
检测器部分，用于检测所述图像信息，
其中：
所述图像收集部分和所述图像传送部分定位于所述工作距离内，并且
所述图像传送部分还包括用于向所述工件的区域传送照明的第二光学通道，所述第一光学通道和所述第二光学通道基本上平行。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括用于将所述图像收集部分伸展到所述工件的区域并且从所述区域收回所述图像收集部分的移动设备。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光学通道和所述第二光学通道各自包括光纤。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光学通道的直径大于所述第二光学通道的直径。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一光学通道和所述第二光学通道具有相干光纤束。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光学通道还适于向所述工件传送照明，从而使用所述第一光学通道和所述第二光学通道二者来照亮所述工件。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括用于向所述工件的所述区域递送反应物的气体递送系统，并且来自所述图像传送部分的照明促进所述反应物与工件材料之间的化学反应。
8.根据权利要求2所述的系统，其中所述移动设备装配于所述室的壁的可移动部分上。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述图像收集部分和所述图像传送部分与所述工件的距离在约5mm内。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述图像收集部分和所述图像传送部分适于向所述检测器传送红外线图像信息，由此指示所述工件的区域的温度。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学组件包括用于将所述图像信息旋转90度来引导所述图像信息的棱镜。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学组件包括分束器。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括用于将所述图像信息引向所述检测器部分的第二光学组件。
14.根据权利要求3所述的系统，其中所述光纤是梯度指数光纤。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述梯度指数光纤保持所述图像信息的相位。
16.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一光学通道和所述第二光学通道包括柔性光纤，且所述光纤在所述移动设备缩回所述图像收集部分时弯曲。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述带电粒子束设备是聚焦离子束(FIB)工具和扫描电子显微镜(SEM)中的一个。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述工件的区域以所述带电粒子束设备的束中心为中心。
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