CN101844374B - 在切削工件时形成图像 - Google Patents
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Abstract
包括用于成像的扫描电子显微镜(SEM)镜筒和用于切削的聚焦离子射束(FIB)镜筒的双射束仪器常规地用于从半导体晶圆取出样品(薄片)。通过用SEM镜筒观察切削的进展，可以进行该切削工艺的端点指示。本发明提供该问题的备选技术方案，其中使用仅具有FIB镜筒的仪器。为了将薄片切削到例如30nm的其最终厚度，聚焦离子射束100沿薄片重复地扫描。发现，在切削薄片时可以从薄片获得足够的用于端点指示的信号。不需要另外的电子射束用于检查。
Description
技术领域
本发明涉及切削(milling)工件和使工件成像的方法，该工件呈现一面(face)，该方法包括：将工件放置在真空环境中，使聚焦粒子射束射向表面，采用预定图案在表面上扫描所述射束以照射工件的点，从而切削工件，从探测辐射(响应于撞击工件的粒子射束而从工件产生)的探测器采集信号，以及将源自该信号的数据存储在计算机存储器中，该数据由此形成工件的面的表示。
本发明还涉及用于执行根据本发明的方法的软件。
这样的方法从国际申请PCT/US2007/082159中获知。
背景技术
在例如半导体工业中，样品从半导体晶圆获得以在例如透射电子显微镜(TEM)中检查。在TEM中检查的这样的样品典型地是具有大约10μm的边长和小于50nm(优选地30nm)厚度的矩形样品，尽管可使用其他尺寸和厚度。可以通过切削晶圆、留下从晶圆获得的用于进一步处理和/或检查的薄膜片而从晶圆获得这样的样品。
注意在本上下文中切削包括溅射和蚀刻。切削典型地在聚焦离子射束装置(FIB)中完成，在FIB中聚焦离子射束射向晶圆以用于切削。
切削速度常常通过在切削工件时用注气系统(GIS)将适当流体的喷射流射向晶圆使得该流体的层吸附到晶圆的表面而提高。当晶圆和吸附的流体用离子射束照射时该流体引起增强的切削或蚀刻。
当从晶圆脱离时该薄膜片(也称为薄片)常常太厚而不能在TEM中检查，因此进一步处理典型地包括减薄该样品到典型小于50nm、常常在20-40nm厚的范围内的最终厚度。
已知的国际申请描述薄片如何从以半导体晶圆形式的工件上脱离。将晶圆放入FIB并且在晶圆的表面中形成基准标记，一组基准标记用于粗定位而一组基准标记用于精定位。另外保护层局部地附加在待形成薄片的位置以便保护薄片避免不希望的暴露于离子射束。通过使具有相对高的射束电流(beam current)的离子射束采用薄膜片分开两个槽的这样的方式射向晶圆的表面，在晶圆中形成该两个槽。在切削期间槽相对于离子射束的位置通过测量粗基准标记的位置来重复核查。这样消除了工件相对于离子射束的漂移。当槽足够深时，可以减薄该膜片。通过调节离子射束到较低射束电流并且测量离子射束相对于精基准标记的位置而完成减薄。然后通过在膜片的表面上几乎平行地扫描射束而局部减薄膜片，产生膜片的所谓“抛光”。
如本领域内技术人员已知的，用FIB对晶圆成像包括使聚焦离子射束射向晶圆并且采用预定图案(例如，采用光栅)在晶圆的表面上扫描射束。响应于撞击，例如电子和二次离子等的离子射束辐射从晶圆产生。在成像期间射束切削表面是不希望的副作用，因为成像优选地在不损伤基准标记的情况下完成。
注意为了形成图像，单个扫描足够了，尽管重复扫描可用于提高信噪比。
已知的国际申请描述使晶圆的表面成像以确定基准标记的位置以便将射束正确地放置在待切削的晶圆的部分。
已知的国际申请还描述膜片或薄片的最终减薄，该最终减薄常常称为清理切割或清洁截面。在该最终减薄中，离子射束朝感兴趣的特征一次扫描一条线。通过该切割图案，射束以连续模式执行一组线切割以便逐渐使线切割步进暴露的表面以清洁它。当多个切削走材料的线切割到达槽的底部时，线在另一个槽的方向上步进，并且新层从薄片上切削掉。
已知方法的缺点是没有形成通过切削而暴露的面的图像，而且任意端点必须基于如从晶圆的表面形成的图像。
发明内容
本发明计划为此提供技术方案。
在这点上，本发明特征在于射束基本上平行于工件的面来撞击工件，被照射的点形成重复扫描的单个曲线，在每次扫描期间材料从表面不同距离切削掉，并且计算机存储器存储工件上的曲线的多次扫描的数据，由此该面在一个方向上由粒子射束的方向限定而在另一个方向上沿该曲线被限定。
本发明基于以下认识：通过探测当重复切削单个线或曲线时产生的辐射，每个线对应于从表面移除的其他的线或曲线。因此对于垂直于水平表面撞击的射束，垂直面(平行于撞击射束的方向)被成像。这与现有技术成像方式相反，现有技术中射束垂直地撞击水平表面产生被成像的水平面(平行于表面)。
注意用曲线扫描工件是已知的，如前面描述的，这产生一系列线切割。然而，这从未在切削该切削面时与FIB成像结合。相反FIB成像用于使基准标记所在的表面成像。
还注意，使该切削面成像从使用离子射束切削和用电子射束成像的仪器获知，电子射束相对于离子射束倾斜并且在工件的位置与离子射束相交。这些仪器在工业中被广泛接受，但明显比仅具有FIB镜筒(column)的装置更贵。
值得提到的是，图像的质量低于根据现有技术的表面图像的质量。这是由于以下事实：来自槽的更深部分的辐射没有用与表面或靠近表面产生的辐射相同的效率来探测。
图像的进一步退化是由射束在薄片上扫描的粗略方式引起的。结果，已经清洁(抛光、切削)的薄片的部分也被射束余量地地照射从而产生探测到的二次辐射。也就是说：当对薄片的部分(从表面移除的)进行切削以及成像时，表面和正切削的线之间的该面的部分也对成像点有贡献并且切削线和在切削线与表面之间的该面的部分之间发生一种串扰(cross-talk)。
在本发明的方法的一个实施例中，粒子射束大致垂直于表面而撞击。
通常垂直于工件的表面的薄片被挖出。这需要垂直于该表面的离子射束。
在本发明的方法的另一个实施例中，数据用于形成图像。
代表切削面(milled face)的视图的数据可用于在显示器或任何其他成像装置(例如打印机等)上形成图像。
在本发明的方法的更另一个实施例中，曲线是线段，由此，该面是矩形面。
这里矩形面通过重复地扫描线而被成像。
注意矩形面还可通过在交错方向上扫描线段而形成，即：以蛇形方式。
在本发明的方法的再另一个实施例中，曲线是环，由此该面是曲面。
在本发明的方法的另外的实施例中，环是圆圈，由此，该面是圆柱面。
在本发明的方法的另一个实施例中，探测到的辐射包括从工件产生的带电粒子。
通常二次电子用例如配备成探测带电粒子的弗哈特-索恩利探测器(Everhart-Thornley detector)或光电二极管探测。然而，用于探测二次电子和/或例如二次离子的其他类型的探测器对于本领域内技术人员是已知的。
在本发明的方法的再另一个实施例中，聚焦粒子射束是聚焦带电粒子射束。
例如电子或离子等带电粒子的聚焦射束可以由静电场或磁场进行聚焦并且由电或磁偏转器进行扫描。这样的射束的源是众所周知的，并且用于输送这样的聚焦和扫描射束的镜筒是容易获得的。
在本发明的方法的更另一个实施例中，切削包括气体辅助切削或气体辅助蚀刻。
如本领域内技术人员已知的，在FIB中工件通常放置在具有低于1毫巴(典型地10-3毫巴或更低)的压强的样品室中。通过使例如XeF2(二氟化氙)等蚀刻剂流体的喷射流射向工件，一层流体吸附到工件并且增强射束的切削。这样，即使自身不能切削的电子射束可以用于蚀刻工件。
在本发明的方法的更另一个实施例中，存储在计算机存储器中的数据与其他数据比较以确定端点动作。
与存储数据比较的其他数据可以是在观察另一个薄片时采集的数据。该比较可以自动地完成，即：由计算机使用以用于例如图像识别技术，或该比较可以由操作者执行，将由数据形成的图像与另一个图像或CAD模型进行比较。
在本发明的方法的另外的实施例中，该其他数据是使用CAD模型生成的数据。
在本发明的方法的另一个实施例中，曲线用许多停留点建立而成，粒子射束射向每个停留点长达预定的停留期，在该停留期之后粒子射束射向下一个停留点。
射束以固定速度沿曲线移动不是必须的。逐点跳跃是备选的，这常常与现今可获得的扫描发生器和图像存储器一起使用。
在本发明的方法的另外的实施例中，对于每个停留期存储一个数据点在计算机存储器中。
在本发明的方法的另一个实施例中，每个停留期分为许多子停留期，每个子停留期在计算机存储器中产生数据点，每个数据点对应于离表面的不同距离。
当射束射向曲线的一点时，它钻进材料，逐步地切削走材料，该材料不断地从表面移除。在一个这样停留期期间，采集的信息可以按子停留期进行划分，每个时期的信号存储在不同的存储单元(location)中，每个随后的单元代表进一步从表面移除的位置。
在本发明的方法的更另一个实施例中，在将射束射向曲线上的一点之前，相邻点被切削，该相邻点位于使得当使射束射向曲线上的该点时射束不轰击工件表面和被切削的工件部分之间的该面的部分的位置。
通过首先切削靠近已经切削的面的点然后将射束从该已经切削的面稍稍移走，在该切削面上扫过的射束不会生成或至少在较低水平上生成已经切削的面的部分(即：该面在射束切削工件的位置和工件的表面之间的部分)的二次辐射。注意由于在切削该面时射束平行于该面，因此在切削一点时的信号总是包括发生实际切削的位置和表面之间的切削面的一些信号。
附图说明
本发明现在参照附图描述，其中相同的标号指示对应的元件。这里：
图1示意地示出其中切削两个槽的晶圆表面；
图2示意地示出局部减薄的薄片；
图3示意地描绘沿如在图2中示出的线AA’的视图；
图4示意地示出如用现有技术电子射束获得的图像与根据本发明形成的图像的比较，以及
图5示意地示出配备以执行根据本发明的方法的装置。
具体实施方式
图1示意地示出其中切削两个槽的晶圆表面。
图1示出基本上垂直于工件的表面(以晶圆表面101的形式)撞击的以离子射束100的形式的粒子射束。在表面中，切削两组基准标记，一组高精度基准标记102a和一组粗基准标记102b。例如钨或铂的保护层103沉积在该表面上。切削两个槽104，留下它们之间的薄膜片或薄片105。
由离子镜筒产生的例如镓离子射束等的离子射束包括具有例如50keV能量的离子。可以使用其他类型的离子和离子的其他能量。离子射束聚焦在焦点上且具有例如1和10nm之间的直径。在射束轰击表面的地方，材料被溅射走。这样，可通过在表面上扫描射束(例如采用矩形图案)而在表面中切削槽。在表面上扫描射束的工艺常常重复若干次，在每次通过(each pass)后，槽露出更深的层。
在挖掘这些槽之前，在表面中切削两组基准标记，一组粗基准标记102b和一组精基准标记102a。这些基准标记用于在切削时相对于工件来定位射束，并且用于消除例如漂移的影响。为了限定工件和粒子射束的相对位置，形成该表面的图像(包括基准标记)。通过现在在图像中确定基准标记的位置，确定了相对于基准标记的图像(视场)的位置。当工件相对于射束漂移时，基准标记也将在图像中漂移。通过现在改变例如视场的中心，消除了漂移的影响。重新定位视场可以在定期基础上基于例如预期的漂移量而做出。
保护层沉积在将成为薄膜片或薄片的一部分的那部分表面的晶圆表面上。使用离子射束沉积层本身是已知的并且称为离子射束诱发沉积(IBID)。为了在工件上沉积金属层，在工件放置在真空中时例如金属有机气体等前驱流体的喷射流用注气系统(GIS)射向工件。一层前驱气体吸附到工件的表面。将具有吸附层的工件暴露于离子射束导致前驱物分子的分解，由此，金属成份接合于该表面。剩余的有机金属分子形成更易挥发产物，从而从表面释放出并且由装置的真空系统抽出。注意，用于沉积的离子射束也引起一些切削，但例如离子射束电流密度、离子能量、射向工件的流体量等等参数，沉积可以远高于切削。
保护层保护薄片的顶部免受射束的不希望的影响。应该注意，由于例如射束像差(beam aberration)，离子射束的电流密度轮廓接近高斯曲线，射束的直径对应于例如半最大处的全宽度(FWHM)值。因此在远离射束的中心的距离处可能另外发生离子的一些溅射和/或注入。
在晶圆表面上沉积保护层后，射束在表面上扫描，照射两个矩形。在这些照射的位置材料被溅射走，并且形成两个槽104，留下两个槽之间的薄片。
注意，尽管工艺在这里描述以产生具有平底的两个槽，槽常常具有的形状中，最深的部分靠近薄片，而在从薄片进一步移开的位置处的槽是较浅的。
图2示意地示出局部减薄的薄片。
图2可以认为描绘在接着图1中示出的工艺步骤的工艺步骤中的晶圆。薄片105被局部减薄，留下被减薄的部分206。对于该局部减薄(也称为抛光)，射束射向薄片的边缘并且重复地扫描线段，由此，每次扫描移除薄带状的材料。通过重复地扫描线段，移除了薄层，直到移除了最后的条带207。
注意可以通过将靠近基准标记的材料切割走并且凹割薄片的底部而从晶圆取出薄片。薄片可例如在将它与晶圆分开之前胶粘或焊接到操纵器，或它可例如在分离之后焊接、胶粘、静电地或另外连接到操纵器。仍然在底部连接到晶圆的薄片也可被断开而脱离晶圆。
沿线AA’的试图在图3中示出。
图3示意地描绘沿如在图2中示出的线AA’的视图。
图3示出具有保护层103的薄片105，薄片被离子射束100照射。离子射束沿垂直于该图的平面的线在晶圆上扫描。示出射束在该时刻在位置300(射束在这里切削材料)撞击薄片。切削引起二次粒子发出，例如可以被该装置的探测工具探测到的二次电子301等。因为射束在薄片上扫过，一些离子也将撞击该面302的已经抛光的部分，并且位于该暴露面上的晶圆材料的部分将对探测工具探测到的信号有贡献。
当移除足够的条带状材料并且到达抛光面的底部303时，该面的抛光可以停止。
注意，尽管射束是聚焦射束，在切削中使用的开度角(openingangle)通常是如此小(典型地若干毫弧度)使得在待切削的长度(典型地5-15μm)上没有观察到射束直径的变化。
图4示意地示出如用现有技术电子射束获得的图像与根据本发明形成的图像的比较。
图4A示出如在所谓的双射束仪器(dual beam instrument)中形成的图像，其中切削和抛光用离子射束完成而采用一角度下射向该面105的电子射束来观察抛光的进展。图像示出用SEM获得的典型图像质量和图像分辨率。
图4B示出使用根据本发明的方法在FIB中形成的图像。图像质量比在图4A中示出的用电子射束获得的差很多，但发现这足够用于端点指示(endpointing)。
注意在图4B中可以看见的在垂直方向上的拖尾是已经暴露的面302的贡献的结果，如前面解释的。
图5示意地示出配备成执行根据本发明的方法的装置。
图5示出FIB 500，其包括在其上安装FIB镜筒510的真空腔502。FIB镜筒包括用于产生沿光轴线514的离子射束的离子源512。射束由透镜516a和516b聚焦并且可以由偏转器518偏转。FIB镜筒从而产生聚焦离子射束508。
工件504放置在工件支架506上。工件支架配备成相对于由FIB镜筒产生的聚焦离子射束508来定位工件。
FIB还配备有注气系统(GIS)520。GIS包括流体可通过其而射向工件的毛细管522，和容纳流体的容器524。阀526可以调整射向工件的流体的量。这样的流体可用于在工件上沉积保护层，或具有另一种流体的另一个GIS可用于增强切削。
FIB还配备有探测器530用于探测二次辐射。这可例如是用于探测二次电子的弗哈特-索恩利探测器，或例如光电二极管等半导体器件。还已知包括转变二次离子为待探测电子的探测器的其他探测器。
探测器的信号馈入控制器532。该控制器配备有计算机存储器用于存储源自于该信号的数据。控制器还控制FIB的其他部件，例如透镜516、偏转器518、工件支架506、GIS 520的流量和对室502抽空的真空泵(真空泵没有示出)等。因此控制器配备成将离子射束定位在工件上。控制器可在监视器524上形成存储的数据的图像。
注意，尽管本发明在图5中使用FIB解释，本发明可以同样地与例如使用电子射束的装置或既使用离子射束又使用电子射束的装置一起使用。本发明可与使用其他类型的探测器、GIS系统、透镜、偏转器、粒子源及其类似物的装置一起使用。
Claims (14)
1.一种切削工件和使工件成像的方法，所述工件呈现一表面(101)，所述方法包括：
将所述工件放置在真空环境中，
使聚焦粒子射束(100)射向所述表面，
采用预定图案在所述表面上扫描所述射束以照射所述工件的点，从而切削所述工件，
从探测响应于所述粒子射束撞击所述工件而从所述工件产生的辐射的探测器采集信号，以及
将源自所述信号的数据存储在计算机存储器中，所述数据因此形成所述工件的被切削的面的表示，
其特征在于
所述射束基本上平行于所述工件的被切削的面撞击所述工件，
被照射的点形成被重复扫描的单个曲线，
在每次扫描期间，材料从离所述表面不同距离切削掉，以及
所述计算机存储器存储所述工件上的所述曲线的多次扫描的数据，
由此，所述被切削的面在一个方向上由所述粒子射束的方向限定，而在另一个方向上沿所述曲线被限定。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述粒子射束基本上垂直于所述表面撞击。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述数据用于形成图像。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述曲线是线段，由此，所述被切削的面是矩形面。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述曲线是环，由此，所述被切削的面是曲面。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述环是圆圈，由此，所述被切削的面是圆柱面。
7.如权利要求1或2所述的方法，其中所探测到的辐射包括从所述工件产生的带电粒子。
8.如权利要求1或2所述的方法，其中所述聚焦粒子射束是聚焦带电粒子射束。
9.如权利要求1或2所述的方法，其中所述切削能通过气体辅助切削或气体辅助蚀刻来实现。
10.如权利要求1或2所述的方法，其中存储在所述计算机存储器中的数据与在观察另一个薄片时采集的数据或使用CAD模型生成的数据进行比较以确定端点动作。
11.如权利要求1或2所述的方法，其中所述曲线用许多停留点建立而成，所述粒子射束射向所述停留点中的每个长达一预定停留期，在所述预定停留期之后所述粒子射束射向下一个停留点。
12.如权利要求11所述的方法，其中对于每个停留期，存储一个数据点在所述计算机存储器中。
13.如权利要求11所述的方法，其中每个停留期分为许多子停留期，每个子停留期在计算机存储器中产生数据点，每个数据点对应于离所述表面的不同距离。
14.如权利要求11所述的方法，其中在将所述射束射向所述曲线上的一点之前，相邻点被切削，所述相邻点位于使得当使所述射束射向所述曲线上的该点时所述射束不轰击所述工件的表面和被切削的所述工件的部分之间的面的部分的位置。
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