CN103808552B - 处理材料试样的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在材料试样1中产生光滑表面23的方法，包括：通过粒子束蚀刻将第一材料量去除来产生基本光滑的第一表面区域21，其中，所述第一材料量由所述第一表面区域部分地限定，并且其中，射束方向15与第一表面区域21的表面法线之间的角度大于80°且小于90°；并且通过去除第二材料量II来产生基本光滑的第二表面区域23，其中，所述第二材料量由第一表面区域21′部分地限定且由第二表面区域23部分地限定，并且其中，所述射束方向15与第二表面区域23的表面法线之间的角度α小于60°。

Description

处理材料试样的方法
技术领域
本公开涉及通过使用粒子束来加工材料试样的方法。特别地，本发明涉及通过粒子束蚀刻来从材料试样中去除材料的方法，以使得在材料试样上产生具有小表面粗糙度的基本光滑的表面区域。
背景技术
在半导体行业及其他领域的技术中，需要分析和/或修改嵌入在大量材料试样中的对象，比如嵌入的半导体结构或半导体元件中的引线层。例如，电子显微镜可用于分析，以产生感兴趣的对象的图像。由于感兴趣的对象嵌入在材料试样中，所以该对象的表面必须通过之前从材料试样中去除材料量而被暴露。关于这种处理方法的背景信息可从例如由Jon Orloff和Mark Utlaut，Kluwer学术/全会出版商的书《高分辨率聚焦离子束：FIB及其应用》的6.10章中获取。
通过使用离子束，材料量可由离子束蚀刻而被精确地去除。由于通过离子束蚀刻去除材料是一个相对缓慢的过程，所以至少一部分的材料量还可以通过激光束处理或者通过其他机械或化学的方法而被去除。与离子束蚀刻相比，通过使用激光束处理及其他可行的方法，可以去除每单位时间更多的材料量。然而，通过使用离子束蚀刻来去除材料试样的材料比通过使用激光束处理及其他方法可以更精确地产生具有所需形状的表面区域。
人们常常希望从材料试样中去除材料，以使得产生材料试样的具有基本光滑形状即小粗糙度的表面区域。
发明内容
本发明已将上述因素考虑在内。本发明的一些实施例提供了一种处理材料试样的方法，用于通过粒子束蚀刻来从材料试样中去除材料，从而产生材料试样的基本光滑的表面区域。
根据示例性实施例，一种处理材料试样的方法包括：在粒子束柱的处理区域中处置材料试样1，并且在第一方向上相对于所述粒子束柱定向材料试样1；通过使用由所述粒子束柱产生的粒子束17由粒子束蚀刻将第一材料量I从所述材料试样中去除来产生材料试样的基本光滑的第一表面区域21，其中，第一材料量I由第一表面区域21部分地限定，并且其中，在所述粒子束与第一表面区域21的交叉点18处的粒子束17的射束方向15与第一表面区域21的表面法线12之间的角度β大于80°且小于90°；在所述粒子束柱的处理区域中处置材料试样1，并且在第二方向上相对于粒子束柱定向材料试样，从而使在粒子束17与第一表面区域21的交叉点18处的粒子束17的射束方向15与第一表面区域21的表面法线12之间的角度β小于70°；通过使用由所述粒子束柱产生的粒子束17由粒子束蚀刻将第二材料量II从所述材料试样中去除来产生材料试样的基本光滑的第二表面区域23，其中，第二材料量II由第一表面区域21′部分地限定且由第二表面区域23部分地限定，并且其中，在粒子束17与第二表面区域23的交叉点20处的粒子束17的射束方向15与第二表面区域23的表面法线14之间的角度α小于60°。
在产生基本光滑的第一表面区域的过程中，所述材料试样在第一方向上相对于粒子束柱而被定向。在这里，所述粒子束在粒子束与第一表面区域的交叉点以相对于第一表面区域小于10°的小角度即相对于第一表面区域的表面法线大于80°的大角度入射到第一表面区域上，并且通过控制粒子束柱中的偏转器可以对粒子束进行控制，以使得在与粒子束的射束方向横向的方向上观察，所述第一表面区域是基本光滑的。在粒子束的射束方向上观察，所述第一表面区域也是基本光滑的，因为粒子束以相对于第一表面区域小于10°的小角度入射到第一表面区域上，对应于在第一表面区域上的粒子束的基本掠入射(substantially gracing incidence)。通过使用在第一表面区域上的粒子束的这样的掠入射，在第一表面区域上的凸点或材料突起被有效地去除，以使得第一表面区域可以以简单的方式产生，从而使材料试样的表面基本上是光滑的，并且具有小的粗糙度。在第一表面区域上的粒子束的这样的基本掠入射还可以通过使用粒子束的射束方向与第一表面区域之间甚至更小的角度而实现。这样，这个角度例如可以是小于6°或小于3°。
在产生基本光滑的第一表面区域之后，所述材料试样相对于粒子束柱被定向，以使得粒子束的射束方向与第一表面区域之间的角度大于20°，即在粒子束与第一表面区域的交叉点的粒子束的射束方向与第一表面区域的表面法线之间的角度小于70°，因此粒子束不会再以掠入射而入射到第一表面区域上。使用相对于第一表面区域的这种方向的粒子束，粒子束所产生的每单位面积的材料的烧蚀率与入射到单位面积上的粒子剂量成比例。另外，所述的材料的烧蚀率只稍微地取决于相对于粒子束方向的单位面积的方向。如果均匀的粒子剂量射到具有光滑或不光滑形状表面的面积区域上，则材料从该表面区域被均匀地去除，以使得在去除材料之后所产生的材料试样的表面的形状保持不变。由于第一表面区域已经具有基本光滑的表面，所以通过使用致使所述表面区域具有光滑形状的粒子束蚀刻以非掠入射将粒子束射到第一表面区域上，可能还会产生表面区域。为此，每单位面积的粒子剂量仅须得到相应的控制。
例如，由于在去除第二材料量后第二表面区域可以定向为平行于第一表面区域，所以射到材料试样上的且投射到第二面积区域上的每单位面积的粒子剂量在整个第二面积区域上应该是恒定的。如果所期望的是第二表面区域相对于第一表面区域以非零角度被定向，则射到材料试样上的且投射到第二面积区域上的粒子剂量沿着第一表面区域的外推表面与第二表面区域的外推表面之间的切割(cut)的方向而应被选择为常数，并且根据与该切割的距离而成比例地增加。
通过使用剂量分布的这样的控制，基于基本光滑的第一表面区域，可以产生第二表面区域，从而使第二表面区域也是基本光滑的，且相对于第一表面区域具有所期望的角度。
根据进一步的实施例，所述粒子束的射束方向与第二表面区域之间的角度大于80°并且可以特别是90°或接近90°，即在所述粒子束与第二表面区域的交叉点处的粒子束的射束方向与第二表面区域的表面法线之间的角度小于10°，特别是0°或接近0°。
在所述第一表面区域与第二表面区域之间的角度，即在所述第一表面区域的平坦部分的表面法线与第二表面区域的平坦部分的表面法线之间的角度可以大于20°、大于30°或大于40°。所述第一表面区域与第二表面区域之间的角度还可以小于60°，特别是小于50°。
根据进一步的实施例，所述方法还包括在粒子束柱的处理区域中处置材料试样之前通过从材料试样中去除第三材料量来产生材料试样的第三表面区域，并且在所述第一方向上相对于所述粒子束柱定向材料试样，其中，所述第一材料量由所述第三表面区域部分地限定。
通过可以执行得更快或成本小于粒子束蚀刻的处理方法，可将所述第三材料量去除，从而可以更快更便宜地在原始材料试样内所期望的位置产生所期望的第二表面区域。
例如，所述第三材料量可以通过激光束处理而从材料试样中去除。
在这里，如果具有所期望的小粗糙度的光滑表面不能通过使用所选择的用于去除第三材料量的处理方法而产生，则将会是不利的，因为以粒子束的掠入射所产生的第一表面区域具有所期望的小粗糙度，并且所期望的第二表面区域通过以非掠入射将粒子束射到第一表面区域上而产生。
因此，所述第三表面区域的粗糙度可以比较大，并且可以达到0.5μm或以上、特别是3μm或以上的值，而所述第二表面区域的粗糙度显著更小，并且达到小于0.2μm、特别是小于0.05μm的值。在这里，粗糙度例如可以通过确定在边长为10μm的正方形区域内的表面区域的表面的凸点与凹点之间的相关表面区域的表面法线的方向上测量的最大距离而确定。
下面参照附图阐述处理材料试样的方法的实施例。
附图说明
参照附图，从示例性实施例的以下详细说明中，本公开的上述及其他有利的特征将变得更加显而易见。要注意的是，并非所有可能的实施例一定表现出本文所确定的优点中的每一个或者任何一个。
图1至图5示出了在处理材料试样的方法的多个连续状态中的材料试样的横截面；以及
图6示出了根据常规方法所处理的材料试样的比较例的横截面。
具体实施方式
在下面所述的示例性实施例中，功能上和结构上相似的元件尽可能地通过相似的附图标记来表示。因此，为了理解特定实施例的各个组成部分的特征，应参照本公开其它实施例及发明内容的说明。
图1示出了材料试样1的横截面，其包含要分析的感兴趣的区域3，其中，感兴趣的区域3具有基本光滑的表面5，特别是平坦的表面。为了分析感兴趣的区域3以及特别是其表面5，表面5必须被暴露，这需要从材料试样1中去除大的材料量。在本实施例中，所述感兴趣的区域应通过使用电子显微镜进行分析，并且至少一部分的材料量应通过粒子束蚀刻而被去除。由于通过粒子束蚀刻去除材料比较慢，所以相对大部分的材料量应当进一步通过另一种更快的处理而被去除。在下面描述的实施例中，激光束处理用作另一种处理，而离子束蚀刻用作通过粒子束蚀刻的处理，其中，离子束射到材料试样的表面上，以便从材料试样中去除材料。在这里，由离子束或者由因离子束而从材料试样中出现的二次电子激活的处理气体也可以被供给至材料试样上离子束的入射位置，以便在材料试样的表面与材料反应，并且形成从材料试样的表面中溶解的化合物。
材料试样的处理及其分析可以例如与US2010/0051828A1和US2011/0198326A1中所描述的系统进行，其公开的内容通过引用并入本文。
图2示出了第一处理步骤后根据图1的材料试样1的横截面。在所述第一处理步骤中，图2中标有III的阴影线材料量从材料试样1中去除。材料量III通过将激光束7射到材料试样1的表面2上由激光束处理而被去除。该处理可以包括激光束7扫过整个材料试样，并且设定射到材料试样上的每单位面积的激光剂量，以使得材料量从材料试样中去除，从而使表面区域11产生于材料试样1上，其在前面的描述中也被称为第三表面区域，并且其位置选在材料试样中，以便其对于以下的处理步骤来说是有利的。在这里，实际上期望的是，表面区域11具有如在图2中由虚线13所示的基本光滑的表面形状。然而，通过激光束处理不可能实现表面区域11的所期望的光滑形状13，从而使实际上所产生的表面区域具有相对大的粗糙度且偏离所期望的形状13。
图6示出了在通常用于基于图2所示的处理步骤制备感兴趣的对象3的表面5的附加处理步骤之后的材料试样1的横截面。在这里，在通过根据图2的激光束处理去除材料量III之后，额外的材料量V通过离子束蚀刻而被去除。为此，材料试样1设置在离子束柱的处理区域中并且被定向，从而在离子束17的射束方向15与表面区域11之间角度α′大致等于90°值，即在离子束17与表面区域11的交叉点的射束方向15与表面区域11的表面法线之间的角度α大致等于0°。前者角度(α′)还对应于离子束17的射束方向15与感兴趣的对象3的表面5之间的角度。为了去除材料量V，图6中箭头17所示的离子束扫过表面区域11的部分区域，其中，相同的离子剂量射到该部分区域的每单位面积上。由于材料的烧蚀率只是稍微取决于相对于离子束的单位面积的方向，所以对于该部分区域的每个单位面积来说实现相同的材料烧蚀率，以使得在去除材料量V后所产生的表面区域19具有与由位于上面的激光束处理所产生的用标号11′标记的表面区域11的部分相同或几乎相同的表面形状，因为其在离子束蚀刻之前存在。因此，表面区域11的形状在深度上通过离子束蚀刻而被再现，并且如果开始进行离子束蚀刻的原来的表面区域11之前并不光滑，则不可以通过简单的离子束蚀刻来产生基本光滑的表面区域19。
因此，参照图6，根据本文所描述的方法的实施例，不进行离子束蚀刻，但是参照图3，通过离子束蚀刻进行的处理步骤如下所述。
图3示出了在应用至图2所示的材料试样的处理步骤后的材料试样1的横截面。在该处理步骤中，标记I的阴影线材料量从材料试样1中去除。材料量I的去除是通过在整个材料试样1上扫描由箭头17所表示的离子束并且控制入射到材料试样1上的每单位面积的离子剂量由离子束蚀刻进行的，从而使所去除的材料量I具有所期望的形状。因此，新的表面区域21产生于材料试样1中，其中，新的表面区域21在前面的描述中也被称为第一表面区域，并部分地限定材料体积I且具有基本光滑的表面形状，即具有比较小的粗糙度。这是通过以特定的方式相对于离子束的射束方向定向材料试样1而实现的。该离子束的射束方向在图3中采用标号15标记，离子束17的射束方向15与材料试样1的表面区域21之间的角度标记为β′，在离子束17与表面区域21的交叉点18的该离子束的射束方向15与材料试样1的表面区域21的表面法线12之间的角度标记为β。角度β′的值小于10°，特别是小于6°，即角度β的值大于80°，特别是大于84°，从而在去除材料量I与产生表面区域21的过程中，离子束17以基本掠入射而射到表面区域21上。在离子束掠入射到表面区域21上时，凸点和材料突起可以通过离子束蚀刻而被有效地去除。通过离子束的基本掠入射而产生的表面区域21将致使表面区域21具有基本光滑的表面形状，前提是如果离子剂量得以适当地控制。在这里，材料试样相对于离子束柱而定向，以使得离子束的射束方向倾斜地定向于感兴趣的对象3的表面5，由此不定向成与其正交或平行。
在根据图3产生表面区域21之后，所述处理随着下面参照图4所描述的附加处理步骤而继续进行。
图4示出了在产生表面区域21之后从材料试样1中去除图4中标记有II的阴影线的材料量后的材料试样1的横截面。由于从材料试样1中去除材料量II，所以部分地限定材料量II的表面区域23产生于材料试样1中，其中，所述表面区域23在前面的描述中也被称为第二表面区域。材料量II的去除是通过离子束蚀刻进行的，其中，与参照图3所描述的处理相比，材料试样1相对于离子束的射束方向15而被不同地定向。为了产生表面区域23，材料试样1相对于离子束的射束方向15而被定向，从而使射束方向15与表面区域23之间的角度α′精确达到或几乎达到90°的值，即在离子束17与表面区域23的交叉点20的射束方向15与表面区域23的表面法线14之间的角度α精确达到或几乎达到0°的值。其中具有大于30°、大于40°、大于50°或大于60°的值的偏离角α′，即具有小于60°、小于50°、小于40°或小于30°的值的角度α也是可能的。在图示的实施例中，表面区域23定向成平行于感兴趣的区域3的表面5，并且设置成与其相隔小距离。
在图示的实施例中，表面区域23以由表面区域21的表面法线12与表面区域23的表面法线14之间的角度所示的角度γ相对于表面区域21而定向。离子束的射束方向15与表面区域23之间的角度α′，以及相应地，在离子束15与表面区域23的交叉点20的射束方向15与表面区域23的表面法线14之间的角度α，达到这样，也就是即使考虑到角度γ时，离子束17在紧接着根据图3的材料试样的状态的处理过程中以非掠入射而射到表面区域21上。为了避免掠入射到表面区域21上，例如，下面的条件可以保持：
γ+20°≤α′≤90°
图4中所示的表面区域23的位置和方向可以通过控制射到材料试样1上的每单位面积的离子剂量基于图3所示的表面区域21由离子束蚀刻而实现，以使得所去除的材料量II具有楔形形状。在这里，投射到表面区域23上的离子剂量必须加以控制，以使得离子剂量根据与表面区域21和23之间的切口25的距离而成比例地增加，并且沿着定向成与切口25平行即垂直于图4的投影面的线而恒定。使用通过由以非掠入射离子束的离子束蚀刻的这种处理，在这里，图3的表面区域21的初始面的表面形状如参照图6所述而得以再现。由于初始面21已经具有因其通过使用基本掠入射的离子束而产生的基本光滑的形状，所以通过使用非掠入射由离子束蚀刻所产生的表面区域23可以具有其表面的基本光滑的形状。
表面区域23的形状由所去除的材料量II的形状限定。所去除的材料量II的形状基本上仅取决于射到材料试样1上的每单位面积的离子剂量，并且基本上不取决于相对于离子束的表面区域的方向。通过适当地控制射到材料试样1上的每单位面积的离子剂量就可以实现表面区域23的几乎任意形状。在参照图4所描述的实施例中，表面区域23产生为与感兴趣的对象3的表面5相平行的面。然而，还可以产生弯曲的或具有不同形状的所期望的表面形状的表面区域，同时是光滑的，即具有小的粗糙度且与所期望的表面形状仅具有带有高空间频率的轻微偏差。
在参照图4所描述的处理步骤结束时，表面区域23得以产生，其紧密地设置至感兴趣的对象3的表面5并且在其表面中具有小的粗糙度，从而使人们可以通过使用电子显微镜或者在离子束的帮助下开始分析感兴趣的区域3。为此，聚焦的电子束或离子束扫过整个表面区域23或其部分区域上，以便记录表面区域23的电子显微镜或离子显微镜图像。电子或离子有助于该图像的创建，其在表面区域23的表面被反射，或者分别处于表面下面的材料的较小深度处作为后向散射的粒子，比如电子和离子，或者作为二次电子发出。
在此分析的上下文中，通过从相对于图4所示的离子束的射束方向的材料试样1的方向开始的额外的离子束蚀刻，可以进一步使表面区域23接近感兴趣的对象3，如下面将参照图5所述。
尽管分析了表面区域23和感兴趣的对象3，但是感兴趣的对象3还可以通过烧蚀来自感兴趣的对象3的材料而进行修改，例如，通过粒子束蚀刻或者通过在感兴趣的对象3的材料的粒子束诱导沉积。
图5示出了在去除通过控制离子剂量而产生的标记有IV的额外的阴影线材料量后的材料试样1，以使得感兴趣的对象3的表面5得以暴露并且可以通过直接使用电子显微镜或离子显微镜来进行研究。在这里，人们可以一步一步地进行：记录表面区域23的电子显微镜或离子显微镜图像，根据该图像确定在材料试样1的每单位面积的离子剂量的分布，根据所确定的剂量分布执行离子束蚀刻的步骤以及在记录该部分的然后新产生的表面的电子显微镜或离子显微镜图像后再次计划离子束蚀刻的下一个步骤，以实现感兴趣的对象3的表面5的精确的暴露，而不存在由离子束蚀刻所造成的毁坏。
此外或可替代地，还可以使用在材料量IV的类似扫描的烧蚀的过程中出现的电子和/或离子，用于记录表面区域23的图像，以便使表面5精确地暴露。
此外，通过使用电子显微镜还可以监视参照图1至4所描述的所有处理步骤，并且随其而控制这些处理步骤。
参照图1至6，描述了处理的方法。这些图中的每个仅示意性地示出了材料试样的横截面，其中，基本上不同的几何形状存在于实际的材料试样处理过程中。例如，材料量III可以基本上大于材料量I或材料量II，并且表面区域2与表面区域11之间的距离也可以基本上大于表面区域11与表面区域23之间的距离。
在前面描述的实施例中，激光束处理的方法用作去除材料量III的处理的快速方法，其在单独使用时不足以产生具有所期望的小粗糙度的材料表面。代替或除此之外，可以使用另一种方法。用于去除材料量III的这样的处理方法的示例是处理的机械方法，比如锯切和铣削，或者处理的化学方法，比如蚀刻。
在前面描述的实施例中，离子束蚀刻被进一步用作用于去除材料量I、材料量II以及材料量IV的处理的方法，其允许产生具有所期望的小粗糙度的材料表面。代替或除此之外，可以使用另一种方法。用于去除材料量I、材料量II以及材料量IV的这样的处理方法的示例是粒子束蚀刻方法，比如与施加由电子束蚀刻所使用的电子束或因电子束而从材料试样中出现的二次电子激活的处理气体相结合的电子束蚀刻，以便与材料试样的表面上的材料反应，并且形成从材料试样的表面中溶解的化合物。
同样在离子束蚀刻用作粒子束蚀刻的情况下，由离子束或因离子束比如二次电子而从材料试样中出现的二次粒子激活的处理气体可被另外施加，以便加速材料烧蚀。
虽然已经参照特定的示例性实施例对本公开进行了描述，但是很明显，对于本领域技术人员来说，许多替换、修改及变化将是显而易见的。因此，本文所阐述的本公开的示例性实施例旨在是说明性的，不以任何方式受到限制。在不脱离下面的权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年11月12日在德国提交的专利申请号为102012022168.1的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

Claims (10)

1.一种处理材料试样的方法，其中，所述方法包括：
在粒子束柱的处理区域中处置所述材料试样，并且在第一方向上相对于所述粒子束柱定向材料试样；
通过使用由所述粒子束柱产生的粒子束由粒子束蚀刻将第一材料量从所述材料试样中去除来产生材料试样的基本光滑的第一表面区域，其中，所述第一材料量由所述第一表面区域部分地限定，并且其中，在所述粒子束与第一表面区域的交叉点处的粒子束的射束方向与第一表面区域的表面法线之间的角度大于80°且小于90°；
在所述粒子束柱的处理区域中处置所述材料试样，并且在第二方向上相对于粒子束柱定向材料试样，从而使在所述粒子束与第一表面区域的交叉点处的粒子束的射束方向与第一表面区域的表面法线之间的角度小于70°；
通过使用由所述粒子束柱产生的粒子束由粒子束蚀刻将第二材料量从所述材料试样中去除来产生材料试样的基本光滑的第二表面区域，其中，所述第二材料量在所述第一表面区域的一部分的下面，且由所述第二表面区域部分地限定，并且其中，在所述粒子束与第二表面区域的交叉点处的粒子束的射束方向与第二表面区域的表面法线之间的角度小于60°。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述粒子束与第二表面区域的交叉点处的粒子束的射束方向与第二表面区域的表面法线之间的角度小于10°。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一表面区域的平坦部分的表面法线与所述第二表面区域的平坦部分的表面法线之间的角度满足下列条件中的至少一个
20°<γ<90°
和
γ<60°。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述粒子束柱的处理区域中处置所述材料试样之前通过从材料试样中去除第三材料量来产生材料试样的第三表面区域，并且在所述第一方向上相对于所述粒子束柱定向材料试样，其中，所述第一材料量由所述第三表面区域部分地限定。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第三材料量通过激光束处理而从所述材料试样中去除。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第三表面区域具有的粗糙度大于0.5μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二表面区域具有的粗糙度小于0.2μm。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粒子束是离子束，所述粒子束柱是离子束柱，以及所述粒子束处理是离子束蚀刻。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粒子束是电子束，所述粒子束柱是电子束柱，以及所述粒子束处理是电子束蚀刻。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述粒子束处理过程中将处理气体供给至在所述材料试样上的粒子束的入射位置。
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