CN102207472B - 用于观察特征的自动化片状铣削 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于观察特征的自动化片状铣削。提供一种利用带电粒子束系统执行切削和观察技术的方法和设备。通过机器视觉定位样品图像中的感兴趣的特征，并且至少部分地通过分析由所述机器视觉收集的数据来确定将在后续切削和观察迭代中铣削及成像的区域。所确定的铣削区域可以被表示成围绕特征的限位框，其维度可以根据所述分析步骤而改变。于是，在双束系统中，相应地调节FIB以便在后续切削和观察迭代中切削和铣削出新的面，并且SEM对所述新的面进行成像。由于本发明精确地定位所述特征并且确定将要铣削及成像的区域的适当尺寸，因此就通过防止对不包含所感兴趣的特征的基底进行不必要的铣削而提高了效率。

Description

用于观察特征的自动化片状铣削
技术领域
本发明总体上涉及用于纳米技术的带电粒子束成像，并且更具体来说涉及一种用于自动地定位样品中的特征以便进行片状铣削（slice milling）和观察的方法。
背景技术
电子显微术提供了在高分辨率下研究3D中的材料构造的机会。例如在生物科学的领域中，电子显微术允许观测疾病的分子机制、柔性蛋白质结构的构象以及各种单独的病毒和蛋白质在其自然生物情境中的行为。与电子显微术一起采用来分析生物材料的一种技术例如是所谓的Slice-and-ViewTM（在下文中称作“切削和观察（slice and view）”）。这种技术通常利用双束系统来执行，即组合聚焦离子束（FIB）与扫描电子显微镜（SEM）的系统，比如商业上可以从FEI公司（本发明的受让人）买到的DualBeam®（下文中称作“双束（dual beam）”）仪器。
在所述切削和观察技术中，FIB以高精度切割以及切削样品从而显露出其3D内部结构或特征。FIB通常暴露出与具有待观察的隐藏特征的样品材料的表面（surface）的顶部垂直的截面或面（face）。由于SEM射束轴通常相对于FIB射束轴成锐角，因此优选地去除所述面前方的一部分所述样品，从而使得SEM射束可以接近以便对该面进行成像。在通过SEM获得所述面的图像之后，可以利用FIB去除该面处的另一层基底，显露出所述特征的新的更深的面，并且从而显露出所述特征的更深的截面。由于只有处在所述面的极（very）表面处的特征部分对于SEM来说才是可见的，因此通过顺序重复切割和成像或者切削和观察，提供把所切削的样品重建成所述特征的3D表示所需要的数据。所述3D结构随后被用于分析所述特征。
如果处理样品的一大部分，那么通过切削和观察进程对所述样品的处理可能会花费很长时间。这一点即使在所感兴趣的特征相对于所述样品相对小的情况下也是成立的，因为通常不会以用于把FIB和SEM的射束引导到包含所述特征的样品的紧接区域的足够高的精度知晓所述特征的位置。因此，对怀疑具有所述特征的样品的一大部分进行处理以便定位该特征。利用SEM的典型最大视场是大约150微米，对这样尺寸的区域进行片状铣削和成像可能需要投入大量时间，特别地对于SEM上的高分辨率设定尤其如此。可替换地，可以对所述区域的许多较小部分成像，但是这样做会生成大量图像数据，并且通常需要把所得到的图像缝合在一起以形成更大的复合图像。这样的处理当前能够持续从几小时到几天的任何时间。
在现有技术方法中，对于所述切削和观察进程的每一次迭代已经需要处理相对较大的部分，因为还没有精确地预测出所述特征在样品中的形状或方向。这一问题对于通过样品具有长而蜿蜒的形状的某些特征来说尤其严重，比如血管或神经就是这种情况。
为了节省时间，片状铣削对于观察感兴趣的特征所必需的相对较少量的基底材料将是更加高效。此外，对包含所述特征的相对较小的基底部分进行成像也将是更加高效。
发明内容
在这里提供一种利用切削和观察技术来处理特征的方法和设备的各实施例，其与现有技术方法相比执行起来所需要的时间较少，并且因此更加高效。
本发明包括一种用于片状铣削前进进入样品截面壁的面中的多个顺序切口（cut）的方法和设备，其中通过去除显露出特征并对其进行成像所必需的最少量样品材料来形成所述切口。某些实施例包括在所述切削和观察过程的每一次迭代之后（也就是说随着每一次切削显露出当特征延伸通过样品时该特征的位置改变）自动确定是否要改变特定射束参数。为此目的，使用机器视觉来跟踪及检测所述特征的质心及其边缘，以便提供围绕所述特征的边界框，所述边界框有助于确定在其对样品进行处理时是否要改变射束参数以及改变程度。某些实施例允许自动确定一项特征从一个切削面到下一个切削面是否分开或是否出现分支以及要跟踪哪一个分支。此外，某些实施例自动去除阻碍SEM射束具有到达经片状铣削的面的直接视线的样品材料。
前面相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点以便遵循本发明的详细描述被更好地理解。下面将描述本发明的附加特征和优点。本领域技术人员应当认识到，可以很容易地利用所公开的概念和具体实施例以作为修改或设计用于实施与本发明相同的目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应当认识到，这样的等效构造不偏离如在所附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更加透彻地理解本发明及其优点，现在将参照结合附图所得到的以下描述，其中：
图1A示出了具有所感兴趣的特征的样品的透视图，其中所述特征通过样品具有非线性路径；
图1B示出了从图1A的线“1B”看去的所述样品；
图2示出了具有所感兴趣的特征的样品的透视图，其中所述特征通过样品具有非线性路径，所述样品标有参考位置以供后面讨论；
图3A到3G示出了图2的样品的各种截面视图；
图4A示出了将垂直于通过样品具有非线性路径的所感兴趣的特征的纵向截面进行的切削的一个实例；
图4B示出了将要沿着通过样品具有非线性路径的所感兴趣的特征的所述路径彼此平行地进行的切削的一个实例；
图5A示出了FIB射束和SEM射束关于妨碍通过SEM对特征进行成像的所述样品的阻碍区域的关系；
图5B示出了所述样品的阻碍部分被去除以便允许通过SEM对特征进行成像；
图6是示出了本发明的优选实施例的步骤的流程图，其中平行四边形“A”导向图7；
图7是示出了图6的附加步骤的流程图，其跟随在图6的平行四边形“A”之后；以及
图8示出了被用来实施本发明的典型的双束系统。
具体实施方式
根据本发明的优选实施例，一种利用切削和观察技术来处理样品的方法和设备包括：在样品的切片图像中自动定位及测量所感兴趣的特征；预测所述特征在后续切片中的位置；以及确定在后续的切削和观察迭代中包括所述特征的将要切削及成像的区域尺寸。在确定了将要切削及成像的区域之后，从前一次迭代调节FIB和SEM以便在后续迭代中处理所确定的区域。通过仅仅切削和观察对于收集有关感兴趣的特征的期望信息所必需的区域尺寸，与利用现有技术方法的通常可能的情况相比，本发明允许切削和观察相对较小的样品区域。因此，能够更快地处理样品。
确定将要铣削的样品材料的尺寸和形状包括观察从所述技术的每一次迭代成像的所述特征的尺寸和形状。因此，即使相对于所述特征的前一图像，特征的尺寸改变或者所述特征实际上朝向或远离样品的另一侧改变方位或位置的情况下，也随着所述技术的每一次迭代调节FIB和SEM以处理所述特征。
这里所使用的术语“铣削”一般意味着去除材料，并且术语“切削”或“片状铣削”意味着以切片的形状去除材料。术语“切片”在这里被用作名词时意味着在执行片状铣削去除材料以暴露出表面之后所能看到的该表面。通过FIB铣削处理产生的铣削切片通常处在20nm－100nm之间，但是取决于应用可以高达500nm。但是，切片厚度优选地处在大约30nm和大约60nm之间，更加优选的是处在大约35nm和大约45nm之间，并且最为优选的是处在大约35nm和大约40nm之间。在一个实施例中，申请人发现大约38nm的切片厚度足以捕获相对小的特征的图像，同时仍然提供具有良好对比度的图像。还优选的是，取决于视场的尺寸，每一个切片在图像中的厚度是一个或两个像素。优选地通过“线铣削”而不是“体铣削”来产生所述切片，也就是说通过实质上铣削一维线而不是矩形来产生所述切片。在X或Y维上（即宽度和高度）处于10µm－100µm之间的切片是优选的。该区域可以被表示为样品图像上的“限位框”。这里使用的“图像”例如意味着在显示器单元上或者在诸如纸张的一次性介质上显示的图像以及其在计算机存储器中的表示。
对于所有的切削和准备步骤，用于优选实施例的FIB操作电流在大约30kV的电压下处于100pA－1nA之间，但是本领域技术人员将认识到，射束直径和射束电流通常是特定于系统的。还可以结合FIB或SEM过程使用射束化学。对于利用FIB的铣削，选择性碳蚀刻或绝缘体增强蚀刻可能是优选的。对于表面保存，在铣削步骤期间可以在期望保护的区域上施加铂、碳或钨。
SEM电子束通常操作在5kV的电压下并且可以优选地使用通过透镜（through-the-lens）检测器。应当认识到，如前面描述的FIB的情况那样，SEM的操作参数根据所成像的材料而变化，并且应当对于每一次使用进行优化而无需过度实验。举例来说，SEM射束电压被优选地设定在从500V到高达30kV的任何数值。
虽然利用本发明最为有利地观测的对象通常是生物结构（例如神经、血管、细胞结构等等），但是应当理解的是，本发明不限于这些材料，并且可以包括诸如金属、催化剂、聚合物以及半导体电路之类的其他材料。图1A和1B的所感兴趣的特征10示出了生物结构，其具有通过样品12的不均匀形状，并且可能还具有分支部件14。
在精度和自动化方面优选的是通过由机器视觉收集的信息来确定将要铣削的区域的尺寸和形状。机器视觉在本领域内是已知的。在机器视觉中，使用计算机来处理通常从SEM图像获得的图像信息，以便确定特征的物理属性，比如特征的边缘、尺寸和质心。用于机器视觉的软件例如可以包括来自Cognex Corporation（Nantick，MA）的Cognex VisionPro软件。典型的机器视觉软件操作用于根据诸如平均灰度级、对比度和纹理之类的图像属性来识别样品区域中的特征。举例来说，可以为图像中的每一个像素给出指定的值（比如单一数字），其代表该像素关于周围像素的纹理质量。所感兴趣的特征通常具有不同于在其中对所述特征进行成像的周围样品的图像属性（比如纹理）。因此，可以把所感兴趣的特征识别为其平均纹理处在不同于周围图像的特定值参数内的像素组。所述机器视觉软件优选地在每一个所成像的样品切片中自动定位及测量所感兴趣的特征。图3A－3G示出了在样品24内的各个深度处取得的图2的特征20和分支22的不同切片。
一旦定位了所述特征并且获得测量，计算机软件就基于这些测量预测将在切削和观察过程的下一次迭代中铣削切片的区域的尺寸。举例来说，如图3A中所示的特征30看起来理想地为圆形，这暗示着该特征在下一个切片中的方位将处于与特征30相同的位置。在这种情况下，如果没有显露出特征形状和尺寸的改变，切削和观察过程将通过在直线方向上继续深入样品来跟随特征结构。
在确定将在后续片状铣削步骤中铣削的区域时，首先确定所成像的特征与该特征的先前成像的切片相比是否改变了尺寸或形状，这可能表明对于后续切片来说特征方位的改变。举例来说，管状形状的特征偏离正常轴向截面倾向于表明在后续切片中该特征的方位与前一个切片相比可能改变。如果表明了这样的改变，则将对FIB射束和SEM射束进行调节以便在所述特征改变尺寸、形状或位置时“跟随”该特征。
为了进一步说明这一点，如果诸如血管或神经之类的管状特征的图像被示为圆形，则可能的情况是截面在该切片中与所述特征的纵轴基本上垂直，并且所述特征有可能至少在即刻与切割（切削）面的平面垂直地通过样品延伸。示出基本上呈圆形或环状特征的后续图像将用来证实这一确定。但是如果后面图像示出呈椭圆形的特征，这将暗示着所述特征不是垂直于切削面延伸，而是延伸到可以通过所述椭圆的定向确定的方向。
举例来说，图3B的所成像的切片示出特征31的形状与特征30相比略微呈椭圆形。在这里，在图3A和3B的切片之间的某点处，确定了特征形状在改变，从而表明所述特征的位置在继续的处理中会发生后续改变。特征31表明该特征正在朝向样品的左侧（如页面上所示）改变方位。图3C证实所述特征的方位已经远朝左改变了。此外，特征32的高度呈椭圆的形状也将用来表明在要进行的后续切削中的更大位置改变，特征31的仅仅略微呈椭圆的形状也是如此。在这里可以预测出应当更加朝左执行后续切削。图3D示出了更加朝左的特征33，从而证实了图3C的预测。但是特征33示出较少椭圆形的形状，从而表明所述特征正在“转直（straightening out）”。图3E示出了靠近样品24末端的特征34。注意到所述特征从图3A开始到图3E的位置改变。
在本发明的至少一个实施例中，可能希望跟随结构的分支。可以如图3F的切片中所示对分支进行成像和定位，其中特征35是主结构，并且36是分支。如果跟随分支36，则其被示为在图3G中所示的结构37处达到顶点。
优选的是为图像上的该区域指定代表性“限位框”，其在图3A－3G中被示为围绕每一个特征的实线框。所述限位框包括所感兴趣的特征以及围绕该特征周界的区域。围绕所述特征周界的区域被包括在内以进行铣削，以便在后续将要执行的切削中考虑到对于所述特征的位置、尺寸和形状的预测中的误差余量，并且为机器视觉提供足够的样品区域以便把所感兴趣的特征与周围样品材料进行比较。图3A－3G当中的每一幅内的限位框比起代表将在典型的现有技术方法中铣削的区域的虚线框要小很多。
前面的示例的实施例包括片状铣削（及成像）平行切片，正如图4B中所示出的那样。但是，其他实施例可以包括沿着通过对特征的机器视觉测量而确定的该特征的轴向中心垂直进行片状铣削（及成像）。也就是说，随着所成像的特征开始示出椭圆结构，相应地移动FIB和SEM（或者具有样品的台架）以便保持射束垂直处理沿着结构体的轴向切片，正如图4A中所示出的那样。换句话说，在至少一些实施例中可能优选的是通过移动样品来对新区域进行成像，而不是像图4B中所做的那样改变与该功能（function）相关联的射束参数。例如可以通过移动台架或其他设备来移动样品，从而关于射束移动样品。本领域普通技术人员将认识到，图4A中所示的实施例通过关于射束重新定位样品而允许跟踪移出射束的最大视场的特征。
由于本发明允许跟随样品中的特征并且与现有技术方法相比铣削较少基底材料，因此由于典型双束系统的定向，未被铣削的基底材料可能会妨碍获得切削面的不受阻挡的图像。FIB的离子束柱通常被定向成样品表面的法向或者离法向几度，而SEM的电子束通常被定向成关于所述离子束柱成大约52度。随着通过进一步切削样品而继续对所述样品进行处理，特征的显著位置改变可能会把所述特征置于样品材料的阻碍的后方，从而妨碍SEM射束直接接近。为了解决这一问题，本发明的各实施例允许清除样品材料的阻碍零料。
如图5A中所示，SEM 50的射束56无法撞击在特征58的部分54上。在这里，FIB 52被引导成清除样品59的阻碍57。图5B示出了去除阻碍47的样品59，以及具有到达特征58的部分54的直接视线的SEM射束56。
优选地可以利用更快但是精确度较低的铣削进程来执行所述清除过程，从而快速地去除阻碍的样品材料。在该粗略铣削过程中，取决于所述阻碍的尺寸及其材料成分，FIB操作参数优选地处于21nA－6.5nA之间。
在利用更快的铣削进程来铣削所述零料的过程中可能出现的一个问题是再沉积。也就是说所述零料材料的粒子可能会再沉积在将要成像的特征的面上，从而在对具有再沉积的材料的面进行成像的情况下可能会导致不合期望的图像分辨率。在这里，在对该面进行成像之前可以执行清洁步骤。所述清洁步骤优选地包括把比用来清除所述零料材料的离子束的质量更高的质量的射束导向所述面。取决于特征尺寸和材料，用于清洁步骤的FIB电流设定优选地处于2.8nA－500pA之间。
可替换地，可以预先确定后续片状铣削进程将导致SEM与新的面之间的样品材料阻碍。在这种情况下可以在铣削后续新的面之前预防性地清除所述样品材料阻碍（或零料），从而防止执行单独的清洁步骤。
图6和7（其中图6的平行四边形“A”导向图7）是示出了根据本发明的各实施例的一种方法的优选步骤的流程图。如图中所示的优选实施例的步骤广泛地包括：切削和成像步骤、利用机器视觉定位所感兴趣的特征、在所得到的图像中评估及测量所述特征以及根据所述评估步骤的结果调节所述双束系统以用于继续处理。
在操作中，把样品加载到成像系统中，所述成像系统比如来自FEI公司的DA-300 缺陷分析器（Defect Analyzer）或Helios NanoLab 400 双束（DualBeam）工具。在步骤602中，在垂直于样品的上表面的样品中切割出切片，从而产生铣削面区域。如果这是第一次切削到样品中则其是初始切削，并且与后续切削的可能的不同之处在于，可能无法以所期望的确定度水平知晓所感兴趣的特征的位置。如果预先确定在初始切削之前将无法精确地确定所感兴趣的特征在初始图像中的位置，则优选的是执行较大的初始切削以便在所得到的该区域的图像中定位所感兴趣的特征。如果将以高度确定度水平知晓所感兴趣的特征的位置，则可以进行相对较小的切削以节省时间。
通过跟随导向图7的图6的平行四边形“A”，在步骤702中确定是否存在对切削面进行成像的SEM的自由且畅通路径。如果没有自由路径，正如在初始切削之后或者在如下所述的进一步处理之后所常见的那样，则在步骤706中清除阻碍。如前所述，清除阻碍可能会导致样品材料再沉积到刚刚切割的面上。在这种情况下，在步骤708中重新显露出所述面。可替换地，可以在形成初始面之前优先去除被预先确定为对于SEM是阻碍的一部分样品材料。如果存在到切削面的SEM的自由路径，则步骤704把所述处理返回到图6的步骤608。
在产生面并且去除对于SEM的任何阻碍之后，随后可以在步骤604中通过SEM获得切削区域的图像。在步骤606中，对所述图像进行评估以便定位及测量所感兴趣的特征。所述评估步骤优选地包括由在与机器视觉相关联的计算机上操作的软件或其他程序来评估所述图像，或者它可以由操作人员来进行评估。但是优选的是将评估计算机化，从而可以将评估自动化以便快速地评估（例如定位及测量）在切削和观察过程的每一图像中的特征。如前所述，定位及测量特征的优选方式包括边缘检测与质心检测的对比度比较。如果人工执行的话，例如可以由操作员利用计算机鼠标、指示笔或等效装置在计算机图像或显示器上标示质心。
在对图像进行评估之后，在步骤608中确定是否应当继续切削。为了通过这种技术重建特征的3D图像，取决于所述特征的尺寸或所期望的3D细节，希望获得许多图像。这一步骤允许在其对样品中的特征进行处理时对所述切削和观察技术的迭代进行计数。所述过程可以继续直到已经执行了预定次数的切削为止，或者其可以在某一触发事件下或者在这样许多次迭代之后要求其他输入，而不仅仅是进行计数来确定是否应当继续处理。在任一种情况下，如果确定所述重复迭代切削过程已经结束，则流程遵循“否”路径以便在步骤612中分析图像结果。在该步骤中，通常对图像进行处理以便把所述特征重建成3D图像。随后通常由人工操作员对所述3D图像进行分析。用于3-D构建的软件例如可以优选地包括来自Visage Imaging, Inc.（San Diego，CA）的Amira三维成像软件或者来自VSG, Visualization Sciences Group, Inc.（Burlington，MA）的Avizo三维可视化软件。如果确定重复迭代切削过程应当继续，则流程遵循“是”路径到步骤610。
在步骤610中，对特征图像和来自评估步骤606的信息进行分析，以便是否对于后续的切削和观察步骤602和604改变系统或射束、参数。为此目的，包含所述特征的限位框是有用的。优选地，在这些步骤的先前迭代的评估步骤606中或者在前一个调节步骤610中（即如果这不是在该过程中初始执行该步骤）为图像指定所述限位框。如前所述，围绕所述特征的限位框优选地延伸超出所述特征的边缘某一标称数量，以便考虑到在下一图像中生长的特征的可能性。
所述限位框的尺寸和位置改变表明要在所述切削和观察过程的后续迭代中射束参数及其被引导到的位置的改变。也就是说，关于所述限位框维度的改变，对于后面的切削和观察迭代改变将要切削和观察的区域的X和Y维度。举例来说，如果特征尺寸和形状显著改变，则调节限位框维度并且相应地调节射束，以便切削和观察下一个面。如果特征维度减小，则调节（在X和Y维度当中的一个或更多维度中减小）限位框维度，从而调节FIB以便进行更小区域的切削，因此需要较少时间来进行切削和观察。如果限位框尺寸增大，则射束将切削和观察更大的基底区域。在任一种情况下，对射束进行调节以便切削和观察包括所感兴趣的特征以及围绕该特征的最小区域在内的基底区域。为此目的，优选的是限位框的宽度（X维度）小于所感兴趣的特征的宽度（X维度）的300%，更加优选的是限位框的宽度小于所感兴趣的特征的宽度的200%，并且甚至更优选的是限位框的宽度小于所感兴趣的特征的宽度的150%。并且如果特征方位或位置关于该特征的前一图像改变，则相应地把射束引导到该位置中。此外还优选的是，作为对将要被片状铣削的区域进行调节的替代或除其之外，可以关于射束重新定位样品，正如前面关于图4A中所示的实施例所描述的那样。
在调节了（如果需要的话）将要铣削及成像的样品位置和区域之后，或者在重新定位样品之后，处理流程回到步骤602以重复迭代所述过程。但是在继续到步骤602之前，优选的是确定继续下一次切削是否将导致阻碍利用SEM的成像。在这里，处理流程通过平行四边形“A”并且遵循图7的各步骤，正如前面所讨论的那样。
在图8中示出了一种用于执行前面描述的方法的优选实施例的优选设备，图中示出了典型的双束系统810，其具有垂直安装的SEM柱和被安装成与垂直方向近似成52度角的聚焦离子束（FIB）柱。这样的双束系统商业上例如可以从作为本申请的受让人的FEI公司（Hillsboro，Oregon）买到。虽然在下面提供了适当硬件的一个例子，但是本发明不限于用任何特定类型的硬件来实施。
向双束系统810提供扫描电子显微镜841以及电源和控制单元845。通过在阴极852与阳极854之间施加电压从阴极852发射电子束843。借助于聚光透镜856和物镜858把电子束843聚焦到精确的光点上。借助于偏转线圈860，电子束843被二维地扫描在所述样本上。聚光透镜856、物镜858和偏转线圈860的操作由电源和控制单元845控制。
电子束843可以被聚焦到基底822上，所述基底822位于较低腔室826内的可移动X-Y台架825上。当所述电子束中的电子撞击基底822时，发射次级电子。这些次级电子被次级电子检测器840检测到，如下面所讨论的。位于TEM样品固定器824和台架825下方的STEM检测器862可以收集通过安装在TEM样品固定器上的样品透射的电子，如上面所讨论的。
双束系统810还包括聚焦离子束（FIB）系统811，其包括具有上颈部812的抽空腔室，其中放置了离子源814以及包括提取器电极和静电光学系统的聚焦柱816。聚焦柱816的轴从所述电子柱的轴倾斜52度。离子柱812包括离子源814、提取电极815、聚焦元件817、偏转元件820和聚焦离子束818。离子束818从离子源814穿过柱816并且在820处示意性地标示出的静电偏转装置之间朝向基底822，所述基底例如包括定位于较低腔室826内的可移动X-Y台架825上的半导体器件。
台架825还可以支撑一个或更多TEM样品固定器824，从而可以从所述半导体器件中提取出样品并将其移到TEM样品固定器。台架825可以优选地在水平平面（X和Y轴）中移动以及垂直地（Z轴）移动。台架825还可以围绕Z轴倾斜近似六十（60）度并旋转。在某些实施例中，可以使用单独的TEM样品台架（未示出）。这样的TEM样品台架也将优选地可以在X、Y和Z轴上移动。打开门861以便把基底822插入到X-Y台架825上，并且如果使用内部供气储存器的话还为之服务。所述门被联锁，从而如果所述系统处于真空中则无法打开它。
采用离子泵828来抽空颈部812。在真空控制器832的控制下利用涡轮分子和机械泵浦系统830来抽空腔室826。所述真空系统在腔室826内提供近似处于1x10-5帕斯卡和7x10-2帕斯卡之间的真空。如果使用蚀刻辅助、蚀刻阻滞气体或沉积前驱气体，则腔室背景压力可能通常升高到大约1.33x10-3帕斯卡。
所述高压电源为离子束聚焦柱816聚焦中的电极提供适当的加速电压，以用于激励和聚焦离子束818。当所述离子束撞击基底822时，材料从样品上喷溅出来（即物理地射出）。可替换地，离子束818可以分解前驱气体以便沉积材料。
高压电源834连接到液体金属离子源814以及离子束聚焦柱816中的适当电极，从而形成近似1keV到60keV的离子束818并且将其导向样品。根据由模式发生器838提供的规定模式进行操作的偏转控制器和放大器836耦合到偏转板820，从而可以按照人工或自动方式控制离子束818以便在基底822的上表面上描绘出相应的模式。在某些系统中，所述偏转板被放置在最终透镜之前，正如本领域内所公知的那样。离子束聚焦柱816内的射束消隐电极（未示出）在消隐控制器（未示出）向所述消隐电极施加消隐电压时使得离子束818撞击到消隐孔径（未示出）上而不是撞击到基底822上。
液体金属离子源814通常提供镓的金属离子束。所述源通常能够在基底822处被聚焦成亚十分之一微米宽的射束，以用于通过离子铣削、增强蚀刻、材料沉积对基底822进行修改，或者用于对基底822进行成像的目的。
被用于检测次级离子或电子发射的带电粒子检测器840（比如Everhart Thornley或多通道板）连接到视频电路842，所述视频电路842为视频监视器844提供驱动信号并且接收来自系统控制器819的偏转信号。带电粒子检测器840在较低腔室826内的位置在不同实施例中可以发生变化。举例来说，带电粒子检测器840可以与离子束同轴并且包括允许离子束穿过的孔。在其他实施例中，可以通过最终透镜收集次级粒子并且随后将其偏离轴以用于收集。
微操作器847（比如来自Omniprobe, Inc.（Dallas，Texas）的AutoProbe200TM或者来自Kleindiek Nanotechnik（Reutlingen，Germany）的Model MM3A）可以在所述真空腔室内精确地移动对象。微操作器847可以包括位于真空腔室外部的精密电动机848，其提供对位于真空腔室内的部分849的X、Y、Z和θ（theta）控制。微操作器847可以装配不同的末端执行器以用于操作小的对象。在这里描述的实施例中，所述末端执行器是细探针850。
气体递送系统846延伸到较低腔室826中以用于引入气态蒸汽并且将其导向基底822。授予Casella等人的标题为“Gas Delivery Systems for Particle Beam Processing（用于粒子束处理的气体递送系统）”的美国专利号5,851,413被转让给本发明的受让人，其描述了一种适当的气体递送系统846。在授予Rasmussen的标题为“Gas Injection System（气体注入系统）”的美国专利号5,435,850中描述了另一种气体递送系统，其也被转让给本发明的受让人。举例来说，可以递送碘以便增强蚀刻，或者可以递送金属有机化合物以便沉积金属。
系统控制器819控制双束系统810的各部件的操作。通过系统控制器819，用户可以通过输入到传统用户界面（未示出）中的命令以期望的方式导致离子束818或电子束843被扫描。可替换地，系统控制器819可以根据存储在存储器821中的编程指令来控制双束系统810。在某些实施例中，双束系统810合并如前所述的图像识别软件或机器视觉。
实验实例。
用于在典型的生物样品上执行本发明的一个优选实施例的优选FIB参数的实例包括：设定在21nA的粗略铣削射束电流、设定在2.8nA的清洁铣削电流、设定在460pA的片状铣削电流。优选的SEM参数包括1kV的射束加速电压和170pA的电流。
在利用这些系统设定所执行的实验期间，以经过数字反转的对比度和亮度值以及25µm的图像水平场宽（HFW）收集反向散射电子（BSE）图像。切片厚度为30nm，并且对于6－8小时的完成时间处理200－300个切片。
虽然已经关于图8的包括离子束柱811和电子束柱841的双束系统描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，本发明也可以替换地在具有倾斜柱或工作台架组件的单束系统中被具体化，比如在2000年3月21日授予Charles J. Libby等人美国专利号6,039,000中公开的粒子束系统，该专利被通过参考整体合并到本申请中。也就是说，可以根据本发明的实施例使用包括工作台架组件和单一粒子束源的用于与工件进行交互的粒子束系统和方法。在这样的实施例中，所述工作台架组件被适配成用于：a）支撑工件；b）沿着第一轴平移；c）沿着垂直于第一轴的第二轴平移；以及d）围绕垂直于第一轴和第二轴二者的第三轴旋转。所述工作台架组件具有基本上平行于第三轴的工作台架轴。用于与工件进行交互的粒子束源由所述工作台架组件支撑。所述粒子束源具有粒子束轴。在一个实施例中，第一粒子束源被定向成使得第一粒子束轴与第三轴形成一定角度。在另一个实施例中，所述粒子束源可以从其中第一粒子束轴基本上平行于第三轴的第一位置倾斜到其中第一粒子束轴与第三轴形成一定角度的第二位置。因此，所述粒子束系统可以在不使工作台架轴偏移第三轴的情况下蚀刻工件的垂直截面并对其进行成像。
按照这样的方式，本发明可以在单束系统中被具体化。举例来说，可以使用聚焦离子束来铣削第一切片，并且随后可以关于支持基底的工作台架倾斜离子束柱。在铣削了第一切片之后，同一离子束柱可以用于在不同角度下引导聚焦离子束以便形成第一切片的图像。可替换地，在铣削了第一切片之后，可以关于离子束柱倾斜支持基底的工作台架，并且可以使用同一离子束柱在不同角度下引导聚焦离子束以形成第一切片的图像。
本发明的一个实施例包括一种利用带电粒子束系统观测特征的方法。所述方法包括：把带电粒子束导向基底以便在所述基底中铣削第一切片，所述第一切片暴露出将要被观测的特征的一部分。所述方法还包括：把带电粒子束导向第一切片，以便形成所述特征的暴露部分的射束图像。所述方法还包括：对所述特征的射束图像进行分析，以便确定用来暴露出该特征的附加部分的后续铣削操作的尺寸和方位。所述方法还包括：把带电粒子束导向基底以便通过执行所述后续铣削操作在所述基底中铣削第二切片，其中所述后续铣削操作所暴露出的第二切片具有不同于第一切片的尺寸或定向的尺寸或定向，以及/或者所述后续铣削操作在垂直于离子束的方向上产生偏移第一切片的第二切片。
在某些实施例中，所述带电粒子束包括聚焦离子束。在其他实施例中，所述带电粒子束包括电子束。并且在其他实施例中使用双束系统，其中通过把第一带电粒子束导向基底来铣削第一切片，并且其中通过把第二带电粒子束导向基底来形成第一切片的射束图像。在又一个实施例中，第一带电粒子束是聚焦离子束，并且第二带电粒子束是电子束。
在某些实施例中，对特征的射束图像进行分析包括：确定相对于周围基底材料的对比度、灰度级、边缘边界和/或纹理。
在某些实施例中，所述方法还包括：基于对特征的射束图像的分析来调节基底的方位或定向。此外，把带电粒子束导向基底以执行后续铣削操作包括：进行铣削以暴露出垂直于所述特征的纵轴的截面。
在某些实施例中，所述方法还包括：确定是否存在阻挡到达第二切片区域的射束路径的阻碍，并且响应于确定存在阻碍而铣削掉所述阻碍。
在某些实施例中，所述方法还包括：铣削第一切片或第二切片以便去除再沉积的基底材料。
在某些实施例中，对特征的射束图像进行分析以确定后续铣削操作的步骤包括：基于感兴趣的特征的所测量和/或记录的位置和/或维度，预测感兴趣的特征在后续切削和观察迭代中的位置和/或维度。所述分析步骤还包括：确定针对后续迭代应当对带电粒子束参数系统进行何种调节（如果要调节的话），以及/或者确定针对后续迭代应当对关于射束的样品方位进行何种调节（如果要调节的话）。所述分析步骤还包括：根据所述确定步骤，调节带电粒子束参数并且/或者调节样品方位，以便根据所预测的位置和/或维度来执行后续的切削和观察迭代。所述分析步骤还包括：执行后续的切削和观察迭代。可以重复迭代地执行前面的各步骤，直到遇到触发事件为止。
在某些实施例中，在没有人工干预的情况下自动执行所述各步骤。
在某些实施例中，至少定位所述特征的步骤包括：通过使用机器视觉来自动定位所述特征，并且通过在计算机上操作的软件来自动执行至少所述测量、预测和确定步骤。
在某些实施例中，所述方法还包括：确定在电子束与切割面之间是否存在用于对所述切割面进行成像的畅通路径或者是否将在后续切削迭代中存在用于对所述切割面进行成像的畅通路径，并且如果确定不存在畅通路径，则利用双束系统的聚焦离子束产生畅通路径。
在某些实施例中，所述方法还包括清洁步骤，其用来去除由于利用 FIB产生畅通路径的所述步骤而再沉积在所述切割面上的材料。
在某些实施例中，确定应当对射束参数或样品方位进行何种调节（如果要调节的话）包括：确定其宽度小于感兴趣的特征的宽度的300%的将要片状铣削的区域。
在某些实施例中，所确定的将要片状铣削的区域的宽度小于感兴趣的特征的宽度的200%。
在某些实施例中，所确定的将要片状铣削的区域的宽度小于感兴趣的特征的宽度的150%。
本发明的另一个实施例包括一种利用双带电粒子束观测特征的设备，其包括：用于生成、聚焦及引导离子束的离子束柱；用于生成、聚焦及引导电子束的电子束柱；以及用于控制所述电子束和离子束的操作的控制器。所述控制器包括存储有计算机指令的存储器。当所述控制器执行所存储的计算机指令时，其使得所述设备将离子束导向基底以便在所述基底中铣削第一切片，所述第一切片暴露出将要观测的特征的一部分。所述控制器还使得所述设备将电子束导向第一切片，以便形成所述特征的暴露部分的电子束图像。所述控制器还使得所述设备分析所述特征的电子束图像，以便确定用以暴露出该特征的附加部分的后续铣削操作的尺寸和方位。所述控制器还使得所述设备将离子束导向基底以便通过执行所述后续铣削操作在所述基底中铣削第二切片，其中所述后续铣削操作所暴露出的第二切片具有不同于第一切片的尺寸或定向的尺寸或定向，并且/或者所述后续铣削操作在垂直于离子束的方向上产生偏移第一切片的第二切片。
在某些实施例中，用于分析特征的电子束图像的所存储的计算机指令包括用于确定所述特征相对于周围基底材料的对比度、灰度级、边缘边界和/或纹理的所存储的计算机指令。
在某些实施例中，用于分析特征的电子束图像的所存储的计算机指令包括用于为所述特征的中心指定坐标值的所存储的计算机指令。
本发明的另一个实施例包括一种利用带电粒子束观测特征的设备。所述设备包括：用于生成、聚焦及引导带电粒子束的带电粒子束柱；用于支撑基底的工作台架组件；以及用于控制所述带电粒子束的操作的控制器。所述控制器包括计算机可读存储器，其包括用于使得所述设备执行以下步骤的所存储的计算机指令：将带电粒子束导向基底以便在所述基底中铣削第一切片，所述第一切片暴露出将要观测的特征的一部分；将带电粒子束导向第一切片，以便形成所述特征的暴露部分的射束图像；分析所述特征的射束图像，以便确定用以暴露出该特征的附加部分的后续铣削操作的尺寸和方位；将带电粒子束导向基底以便通过执行所述后续铣削操作在所述基底中铣削第二切片，其中所述后续铣削操作所暴露出的第二切片具有不同于第一切片的尺寸或定向的尺寸或定向，并且/或者所述后续铣削操作在垂直于离子束的方向上产生偏移第一切片的第二切片。
在某些实施例中，可以通过关于带电粒子束柱移动工作台架组件来改变基底与带电粒子束之间的角度。在其他实施例中，可以通过关于工作台架组件移动离子束柱来改变基底与带电粒子束之间的角度。
虽然已经详细描述了本发明的各实施例及其优点，但是应当理解的是，在不偏离如所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下可以在此处对其做出各种改变、替换和更改。举例来说，虽然所提供的实例结合典型的切削和观察进程示出了对于本发明的使用，但是这里描述的方法和设备的替换实现方式可以使用激光器来进行粗略铣削并且使用电子束化学来进行细的切削。此外，在本发明的范围内还考虑到，FIB与SEM之间的角度可以不是52度，比如可以是45－54度。此外，本申请的范围不意图限制到本说明书中描述的过程、机器、制造、物质成分、装置、方法以及步骤的具体实施例。本领域普通技术人员从本发明的公开内容可以容易认识到，根据本发明可以利用执行与这里描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当前已存在或者以后开发的过程、机器、制造、物质成分、装置、方法或步骤。相应地，所附权利要求书意图将这样的过程、机器、制造、物质成分、装置、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (20)

1.一种利用带电粒子束系统观测特征的方法，其包括：
把带电粒子束导向基底以便在所述基底中铣削第一切片，所述第一切片暴露出将要观测的特征的部分；
把带电粒子束导向第一切片，以便形成所述特征的暴露部分的射束图像；
其特征在于，所述方法还包括：
对所述特征的射束图像进行分析，以便确定用以暴露出所述特征的附加部分的后续铣削操作的尺寸和方位；以及
把带电粒子束导向基底以便通过执行所述后续铣削操作在所述基底中铣削第二切片，所述后续铣削操作所暴露出的第二切片具有不同于第一切片的尺寸或定向的尺寸或定向，以及/或者所述后续铣削操作在垂直于离子束的方向上产生偏移第一切片的第二切片。
2.权利要求1的方法，其中，所述带电粒子束包括聚焦离子束。
3.权利要求1的方法，其中，所述带电粒子束包括电子束。
4.权利要求1的方法，其中，通过把第一带电粒子束导向基底来铣削第一切片，并且其中通过把第二带电粒子束导向基底来形成第一切片的射束图像。
5.权利要求4的方法，其中，第一带电粒子束包括聚焦离子束，并且第二带电粒子束包括电子束。
6.权利要求1的方法，其中，对所述特征的电子束图像进行分析包括：确定相对于周围基底材料的对比度、灰度级、边缘边界和/或纹理。
7.权利要求1的方法，还包括基于对所述特征的射束图像的分析来调节基底的方位或定向，并且其中把带电粒子束导向基底以执行后续铣削操作包括进行铣削以暴露出垂直于所述特征的纵轴的截面。
8.权利要求1的方法，其还包括：
确定是否存在阻挡到达第二切片区域的带电粒子束路径的阻碍；以及
响应于确定存在阻碍而铣削掉所述阻碍。
9.权利要求1的方法，还包括铣削第一切片或第二切片以便去除再沉积的基底材料。
10.权利要求1的方法，其中，对所述特征的射束图像进行分析以确定后续铣削操作包括：
基于感兴趣的特征的所测量和/或记录的位置和/或维度，预测感兴趣的特征在后续切削和观察迭代中的位置和/或维度；
如果要调节的话则确定针对后续迭代应当对带电粒子束参数进行何种调节，以及/或者如果要调节的话则确定针对所述后续迭代应当对关于带电粒子束的样品方位进行何种调节；
根据所述确定步骤，调节带电粒子束参数以及/或者调节样品方位，以便根据所预测的位置和/或维度来执行后续的切削和观察迭代；
执行后续的切削和观察迭代；以及
重复迭代地执行前面的各步骤，直到遇到触发事件为止。
11.权利要求1的方法，其中，在没有人工干预的情况下自动执行所述各步骤。
12.权利要求1的方法，其中，至少定位所述特征的步骤包括：通过使用机器视觉来自动定位所述特征，并且通过在计算机上操作的软件来自动执行至少所述测量和预测和确定步骤。
13.权利要求1的方法，其中，如果要调节的话则确定应当对射束参数或样品方位进行何种调节包括：确定其宽度小于感兴趣的特征的宽度的300%的将要片状铣削的区域。
14.权利要求13的方法，其中，所确定的将要片状铣削的区域的宽度小于感兴趣的特征的宽度的200%。
15.权利要求13的方法，其中，所确定的将要片状铣削的区域的宽度小于感兴趣的特征的宽度的150%。
16.一种利用带电粒子束观测特征的设备，其包括：
用于生成、聚焦及引导离子束的带电粒子束柱；
用于支撑基底的工作台架组件；用于控制电子束和离子束的操作的控制器，所述控制器被配置为：
将离子束导向基底以便在所述基底中铣削第一切片，所述第一切片暴露出将要观测的特征的部分；
将带电粒子束导向基底以便在所述基底中铣削第一切片，所述第一切片暴露出将要观测的特征的部分；
将带电粒子束导向第一切片，以便形成所述特征的暴露部分的射束图像；
其特征在于，所述设备被配置为：
分析所述特征的射束图像，以便确定用以暴露出所述特征的附加部分的后续铣削操作的尺寸和方位；以及
将带电粒子束导向基底以便通过执行所述后续铣削操作在所述基底中铣削第二切片，所述后续铣削操作所暴露出的第二切片具有不同于第一切片的尺寸或定向的尺寸或定向，以及/或者所述后续铣削操作在垂直于离子束的方向上产生偏移第一切片的第二切片。
17.权利要求16的设备，其中，能够通过关于带电粒子束柱移动工作台架组件和/或通过关于工作台架组件移动带电粒子束柱来改变基底与带电粒子束之间的角度。
18.权利要求16的设备，其中，所述带电粒子束包括聚焦离子束或电子束。
19.权利要求16的设备，其还包括第一带电粒子束柱和第二带电粒子束柱，其中通过利用第一带电粒子束柱把第一带电粒子束导向基底来铣削第一切片，并且其中通过利用第二带电粒子束柱把第二带电粒子束导向基底来形成第一切片的射束图像。
20.权利要求19的设备，其中，第一带电粒子束柱包括聚焦离子束柱，第一带电粒子束包括聚焦离子束，第二带电粒子束柱包括电子束柱，以及第二带电粒子束包括电子束。
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