CN105957789A - 用于通过离子铣处理试样的方法、设备、系统和软件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了离子束铣削或机械加工的方法、装置、系统和软件。该装置包括一个试样支架、一个工作台、一个或多个离子源、可旋转离子光学装置和成像装置。试样夹具被配置为在一个固定的位置，在铣削或加工夹持试样。该工作台被配置为能够在三个正交的线性方向和一个角方向上改变试样夹具的固定位置。可旋转离子光学装置，配置为从任何一个或多个离子源的任何一个或多个离子源的任何角度向上向预定位置处发射一个离子束，当该工作台的角方向为0°方向时，该轴与水平面是正交的。该成像装置被构造成能够产生包括预定位置的试样的图像，从而实现铣削或机械加工过程的实时监控。

Description

用于通过离子铣处理试样的方法、设备、系统和软件

相关申请

本申请要求了2014年3月9日提交的美国临时申请61/950,109和2015年3月9日提交的美国专利申请14/642,138的优先权，其通过引用的方式并入文中。

技术领域

本发明通常关于具有或不具有激光束辅助的离子铣(例如，通过离子铣的在原子分辨率处理试样的表面或3D)。更具体地，本发明的实施例涉及用于离子铣试样的方法、装置、系统和软件，改试样用于半导体、材料科学、纳米技术和生命科学和其他领域中。

发明内容

现有的半导体和集成电路计量中的去层方法和失效分析包括使用通用机器或RIE(反应离子刻蚀)抛光进行艰苦的，重复的，和可以说是盲目的抛光步骤，并在这些步骤间伴随着详细的扫描电镜检查。用于具有先进最小线宽的单一样品的平均时间是大约8-12小时，意味着大多数机器可以处理1个样品/天。

各种离子束机械加工适用于不同的最终结果。例如，聚焦离子束可以用于横向截开样品和/或在纳米精度铣样品的一个区域。快离子束(FIB)中的束流倾向于在0.001-10nA的范围内。FIB提供了高精度束和卓越的目标校准能力。等离子体快离子束(PFIB)能够用于普通的铣削，并适用于较宽范围的条件。例如，PFIB能够使用具有1-1000nA范围的束流铣削大约为5-500μm²的样品区域。因此，PFIB的溅射率相对较高。然而，因为在处理相同样品的不同材料时，受限于取得纳米级的粗糙度和平面度，FIB和PFIB技术通常不足以用于微机械加工用途的平面去层化。

宽离子束(BIB)技术能用于在毫米级精度平面抛光和/或铣削样品区域。BIB的束流倾向于在范围1000-20,000nA。然而，BIB通常缺少实时控制和具体定点(例如，目标校准和束精度)能力。更广泛的，普通抛光和RIE效率低下的，非具体定点的，并通常需要间歇的用外部显微镜观察来确定其进程。

对于发明人来说现有技术中没有提供晶圆级的具体定点平面去层方案。因此，在半导体和/或集成电路计量和/或失效分析中通常缺少有效的，可控的和可靠的具体定点去层技术和工具用于先进的45-10nm节点。这样的技术和/或工具被感到有需求。

本“技术背景”部分仅用于提供背景信息。“技术背景”的陈述并不意味着本“技术背景”部分的主旨向本发明承认了现有技术，并且本“技术背景”的任何部分，包括本“技术背景”本身，都不能用于向本发明承认现有技术。

发明内容

本发明的实施例关于微机械加工。去层化，预处理和/或清洁样品的方法、设备、系统和软件。该设备或系统通常包括试样夹具，工作台，一或多个离子源，可旋转的离子光学装置和成像装置。所述试样夹具通常用于在固定位置夹持试样或样品。所述工作台通常用于在三正交线方向和角方向上改变试样夹具的固定位置。所述可旋转的离子光学装置通常用于把离子束从任何离子源在相对于平面的任意角度对准朝向试样上的预定位置，当工作台的角度(即，角度方向)为0°时，该平面正交于所述工作台的水平面。所述成像装置通常用于产生试样的图片，其包括预定位置。

在一些实施例中，所述工作台包括第一结构用于在侧向移动试样夹具，第二结构用于在纵向移动试样夹具，第三结构用于在垂直方向移动试样夹具，和第四结构用于在角度方向移动试样夹具。所述角度方向可以由平面上的轴线所限定，该平面由侧向和纵向所限定。在某些实施例中，试样夹具(其可能执行或控制试样的阶段位置)可以具有多于4个自由度。

当时设备或系统包括多于一个离子源时，所述离子源包括第一离子源和与第一离子源不同的第二离子源。例如，第一离子源可以是惰性气体离子源，且第二离子源是组3、组4或组5离子源(其中组3、组4和组5指代元素周期表中的组3、4、5)。可替换的或追加的，第一离子源可以包括等离子体离子源(例如，双等离子管)，第二离子源可以包括液态金属或气体簇离子源。

在不同实施例中，所述离子光学装置包括(i)第一离子路径用于指引或引导离子束位于相对于试样暴露表面的第一角度，和(ii)第二离子路径用于指引或引导离子束位于相对于试样暴露表面的第二角度，其中第一和第二角度至少相差10°。通常，每个第一和第二离子路径将离子束聚焦到试样上的相同(预定的)区域。离子光学装置还包括第一匹配透镜用于从离子源聚焦离子束，双向偏转器用于指引离子束到第一离子路径或第二离子路径，第一偏转器修正离子束的方向(即，作为接收自离子源)，和/或离子流的监视器用于确定离子束中的离子流。第一离子路径包括束象散矫正装置，物镜，和束扫描板或束扫描电极，第二离子束路径包括第二匹配透镜，第二束偏转器，一或多个束整形透镜和四极束校准器。所述设备还包括马达用于旋转离子光学装置。

所述设备的一个应用中，离子源和成像装置位于试样夹具和工作台的对侧。可替换地，所述离子源和成像装置也可以位于试样夹具和工作台的相同一侧。

所述设备中，成像装置可以包括光学相机，显微镜(即，光学显微镜，金相显微镜，激光显微镜或电子显微镜)，和/或热成像装置。所述设备还可以包括激光器，用于以预定计量的辐射量辐射预定位置和/或干涉仪用于确定在预定位置在试样中的离子铣深度。

所述使用方法通常包括用离子源产生离子束，用可旋转离子光学装置聚焦离子束，指引离子束沿可旋转光学装置中两个路径中的任何一个向着在固定的试样夹具中的试样上的预定位置，并产生所述试样的图像，其包括在预定位置使用成像装置。所述的两个路径相对于试样的暴露面的夹角相差至少10°。所述离子束可以由若干离子源中的任何一个产生，所述离子源可操作的连接或可连接至可旋转的离子光学装置。

在进一步的实施例中，所述方法还包括在产生离子束前，水平旋转可旋转的离子光学装置。此外地或可替换地，所述方法还包括，在产生离子束前在三正交线性方向和/或角度方向上改变固定的试样夹具位置。在改变固定的试样夹具位置钱，所述方法可以还包括将试样固定在固定的试样夹具中。

在一些实施例中，本发明包括软件(即，非暂时性的计算机可读的媒介含有记载的或编译的指令)，当被用于运行软件的信号处理装置运行时，其用于执行在此讨论的全部方法中的一部分。例如，本发明可以关于非暂时性的计算机可读媒介，包括在其上一套编码指令，用以在三线性方向和/或角度方向上改变固定的试样夹具的位置，水平旋转所述可旋转离子光学装置，选择两个路径中的一个用于聚焦，和指引离子束向试样上预定的位置，用离子源产生离子束，聚焦离子束至试样上的预定位置，和产生试样的图像，包括在预定位置使用成像装置。在一些实施例中，所述可旋转离子光学装置用于指引离子束沿两路径中的一个向所述试样上的预定位置。所述两个路径关于试样暴露表面的夹角差不小于10°。在进一步的实施例中，所述计算机可读媒介中的所述指令还可以用于从若干离子源中选择一个用于产生离子束。

本发明相对于现有方法，允许在芯片和晶圆级，纳米级深度分辨率，提高的速度(即，数量级)上平面具体定点去层，实时处理控制，端点检测和自动化，并能够整合现有的分析技术。本设备和/或系统的应用跨度范围从聚焦离子束(FIB)到宽离子束(BIB)，并允许原位离子束铣削和成像。本微机械加工设备、系统和方法提供了便捷的平台用于失效分析和三维记录用于从微电子，到材料科学(即，当与其他分析工具并用时的逐层材料分析，或化学成分和污染分析)，到声明科学。本设备和系统适合于开放概念的模块设计，和用于独立仪器或可集成到现有的扫描电子显微镜，FIB，质谱仪，拉曼光谱仪和其他分析工具。

本系统和/或设备的其他功能和应用中，其可以在此涉及作为“通用离子束(UIB)”机加工系统，设计用于具体定点平面抛光和微机械加工。该创造性过程是优化用于原位去层，用于扫描电子显微镜(SEM)和隧穿电子显微镜(TEM)和/或后-FIB最终清洁的样品制备。例如，溅模，非晶化，和其他离子诱导伪影(即，通过镓或其他相对的重离子)可以最小化或去除。本系统、设备和方法还可以提供卓越的处理精度。例如，所述处理(包括端点监视)，能够由高分辨率/高灵敏度成像和/或分析光学或电学信号控制(即，用于表面分析)提供。这些成像和/或分析光/电信号控制技术的例子包括干涉，光谱反射，电子背散射、质谱、光电子能谱、俄歇能谱、等。本系统、设备和方法提供相对高的流率。例如，每8-12小时进行4-10TEM/STEM取样(即，故障分析实验典型工作的转变)能实验本发明处理。本系统、设备和方法适用于多种应用和样品制备模式。处理精度的自动化控制，指令和终止也能够通过本系统、设备和方法获得。

本离子铣的主要特征包括相对于固定的样品的实质上无限制地束定位和操纵，其允许在实质上全部离子铣过程中进行实时处理控制(由固定的样品所允许)，高指令平面铣削(由在此的方位角和可操作性所允许)，溅射速率控制(由可变的离子束入射角所允许)，和从聚焦(几十纳米)到宽(毫米范围)束尺寸的宽范围，由束光学器件所允许。本设备的所述设计和/或结构允许在单一机器中使用可交换的离子源的联合，用于选择最佳离子应用于特定铣削应用(即，液态金属离子能够用于高精度FIB，氙或氩离子束能够用于高流量束，或一或多个簇气体离子束能够用于提供原子水平的样品表面光洁)。

本发明的这些和其他优点将结合下述各个实施例来简易说明。

附图说明

图1A-1B显示在固定的样品上的典型可旋转离子束系统中的组件，包括一或多个在相对于样品夹具x-y平面有预定角度的离子束，和成像或分析仪器。

图2A是溅射(铣削)量作为束角度的函数图表。

图2B-D显示典型在固定的样品上的典型可旋转离子束系统中的组件，包括一或多个离子束排列，各束在相对于样品夹具x-y平面的预定角度，和成像或分析仪器。

图3A-3D图示了用于典型的可旋转的单向的和双向的离子光学系统的组件，其具有一或多个顶置的相应于本发明的离子源。

图3E显示了可旋转的离子束光学装置用于单向，双束离子光学系统，其具有多个顶置的相应于本发明的离子源。

图4A-4D图示了典型的可旋转的单向和双向离子光学系统，其具有一或多个底置的相应于本发明的离子源。

图5A-5C图示了典型的可以旋转的双向离子光学系统，包含有相应于本发明实施例的环形静电聚光器。

图6A和6B图示了用于可旋转离子光学系统的典型离子束注射机构，包括相应于本发明实施例的环形静电聚光器。

图7A-D分别显示了与本发明一或多个实施例相适应的典型设备/系统的顶部配置的布局，壳外/外壳和横截面。

图8A图示了与本发明一或多个实施例相适应的典型的样品夹具和工作台/操作器。

图8B图示了典型的，实质上完整的系统/设备，其具有与本发明一或多个实施例相适应的典型的可替换的工作台/操作器。

图9图示了可旋转离子光学装置典型的底部配置，其具有与本发明一或多个实施例相适应的两个离子束轨道和一或多个离子源。

图10图示了可旋转离子光学装置的可替换的典型的底部配置，其具有与本发明一或多个实施例相适应的两个离子束轨道和两个可互换离子源。

图11图示了相应于本发明一或多个实施例的另一个可旋转离子光学装置的可替换的典型底部配置和固定的离子源。

图12A图示了相应于本发明一或多个实施例的图8A中的典型系统和/或设备，其配置用于普通离子铣(例如，90°配置或设置)。

图12B显示了相应于本发明一或多个实施例的图8和12A中的典型系统和/或设备中的样品夹具/工作台的细节。

图13A-B分别显示了相应于本发明一或多个样品大面积去层的实施例，使用高角度离子光学装置的侵蚀铣削和使用低角度离子光学装置的柔和的铣削。

图14图示了相应于本发明一或多个实施例的使用高角度离子光学装置的侵蚀铣削用于削薄晶元背侧。

图15A-B分别显示了相应于本发明一或多个实施例的使用可翻转样品夹具前后侧铣削用于制备用于透射电子显微镜(TEM)的样品。

图16A-B分别显示了相应于本发明一或多个实施例的低网格扫描电镜样品制备用于扫描透射电子显微镜(STEM)成像，其通过由前至后顺序铣削样品形成TEM厚度。

图16C显示了相应于本发明一或多个实施例的晶元或段，其具有多具体定点低网格电子透明层。

图17是受到多重去层后样品的照片。

图18是相应于本发明实施例的具有其他工具的不同典型本设备联合的示意图。

图19是流程图，显示了相应于本发明实施例的样品制备和/或成像的典型方法

图20结构图，用于相应于本发明实施例的典型的处理控制。

具体实施例

本发明的各种实施例都会有详细的参照。参照的例证会在附图中得到阐释。本发明会用随后的实施例说明，但本发明不仅限于这些实施例的说明。相反的，本发明还意欲涵盖，可能包括在由附加权利要求规定的本发明的主旨和值域内的备选方案，修订条款和等同个例。而且，在下文对本发明的详细说明中，指定了很多特殊细节，以便对本发明的透彻理解。但是，对于一个所属技术领域的专业人员来说，本发明没有这些特殊细节也可以实现的事实是显而易见的。在其他实例中，都没有详尽说明公认的方法，程序，部件和电路，以避免本公开的各方面变得含糊不清。

随后的一部分详细说明需要用到过程，程序，逻辑块，功能块，处理，和其他代码上的操作符号来表示，数据位，或计算机，处理器，控制器和/或存储器中的数据流方面的术语。数据处理技术领域的专业人员通常用这些说明和表述来把他们工作的实质有效地传达给所属技术领域的其他专业人员。此处的，过程，程序，逻辑块，功能，方法等等通常都视为导向期望的和/或预期的结果的步骤或指令中的继发事件。步骤通常包括物理数量的物理操作。虽然未必，但这些数量通常以在计算机或数据处理系统中的电子，磁力，光，或存储的，转移的，组合的，对照的量子信号及其他被操控的形式表现。对一般用途而言，事实证明，参考这些信号，如位，流，值，要素，符号，特征，项，数字或类似的事物，和它们在计算机程序或软件中的表现形式，如代码仅是为了方便这类说明和表述。

无论如何，我们都应该记住所有这些及类似的术语都与适当的物理量和/或信号有关，并且它们仅仅是适用于这些量和/或信号的符号而已。除非有特别说明和/或否则就如下所述一样显而易见，用贯穿本申请的论述术语诸如“处理”“操作”，“计算”，“判定”，“转换”，“显示”或者诸如此类的涉及电脑或数据处理系统的动作或步骤，或类似装置(如，电气，光学或量子计算，处理装置或电路)来处理和转换数据表示物理量(如，电子)都是允许的。这类术语涉及，在电路，系统或构造(比如，寄存器，存储器，其他这样的信息存储，传输或显示装置等等)的部件值域内，把物理量处理或转换成在相同或者不同系统或构造的其他部件值域中类似的物理量。

此外，除非有特别说明，为方便起见，术语“试样”和“样品”在文中都可交替使用，相互包涵。并且，为了方便起见，术语“数据”，“数据流”，“波形”和“信息”可以交替使用，同样适用于术语“连接至”，“耦合于”，“耦合至”和“通讯于”(其中各个参照直接或间接连接，耦合和通讯)，但是这些术语也通常赋予其本领域公知的含义。

所述系统和/或架构的中心特征是在固定样品上的多方向上的束操纵。所述系统和/或架构允许实质性在样品上无限制的束定位和操纵，并且允许加工区域的原位连续离子铣和成像，并真正实时控制过程质量和终止。在一些实施例中，本系统包括以下装置的联合体，具有旋转离子光学装置的离子源，用于样品观测的光学显微镜(和此类的实时过程控制)，用于样品操纵的高精度纳米定位操作器，和/或优化的气闸用于快速样品装载和真空准备。

所述样品能够全局和同时的为离子铣和成像所接入。尽管所述操作性能够有更少的自由度或更多的自由度，四自由度X-Y-Z-斜度操作器(例如，工作台)允许精确的目标校准和束定位。所述离子铣过程由所述设备控制，并受助于基于各应用的可控离子束形状宽泛的选择范围。所述系统/设备设计允许复杂的定制和过程附加装置。

本设备是在真空环境中的技术系统，其包含(1)静态或固定的试样，装载在系统中并由操作器定位，(2)至少一个离子源，(3)机械的可旋转离子光学装置，其形成和指引离子束在一些可控的入射角朝向试样，并能够围绕试样上的关注区域旋转所述的束，(4)可选择的激光干涉仪，其能够控制过程和影响从试样表面关注局域的材料消除速率，(5)可选的激光束，其辐射所述试样表面的关注区域，同时有离子束提高离子铣的选择性和增加溅射速率，和(6)一或多个成像装置，当定位试样上关注区域时和在铣削/抛光过程中用于可视化控制。本发明，在其各个方面，将结合实施例予以详细说明。

用于可旋转离子束系统的典型组件

图1A-1B显示了在固定的样品上的典型可旋转离子束系统中的组件，包括一或多个离子束，相对于样品夹具的x-y平面成预定的角度和成像或分析仪器(例如，用于表面特性描述的)。图1A的所述可旋转离子束系统100是单向的，单一束系统，其包括精确的样品平台104，其具有至少四个自由度(例如，X,Y,Z和斜度角)，用于夹持和定位样品，目标或试样102，精确的可旋转聚焦离子束(FIB)106用于机加工目的(例如，精确的横截面剖切，切割，钻孔等等)，和表面成像或分析检测装置108。所述成像或分析检测装置108可以包括光学显微镜，激光共聚焦显微镜，激光扫描显微镜(LSM)，质谱分析仪，或其他表面敏感的分析仪器。

精确的可旋转FIB106运至有效(快速)的离子铣入射角α，其范围在关于普通表面(例如，精确样品平台104或当倾角为0°时的试样102的最顶端水平表面)成0°-70°。所述可旋转的FIB106能够绕系统100的主旋转轴线112旋转360°。

所述精确样品平台104能够在三正交方向(即，如果图1A所示的沿x，y和z轴)内任意移动试样102和当离子铣时夹持所述102在一个固定的或静止的位置。在静止位置夹持试样102的样品平台104的优点包括真实时控制(例如，使用表面成像或分析检测装置108)。可旋转离子束106和相联系的光学装置(图中未示出)的优点包括样品102表面卓越的均匀度，平面度和粗糙度，和集成离子束106于各成像和表面敏感度分析仪器(例如，表面成像或分析检测装置108)。

图1B显示了双向的，双束可旋转离子束系统100’，其包括精确的样品平台104，用于夹持和定位试样102，第一和第二精确可旋转FIB106a-b用于机加工目的和表面成像或分析检测装置108。所述样品平台104和成像或分析检测装置108可以与图1A所示的相同。

离子束106a-b能够独立地从不同离子源输运，或从不同方向使用不同离子光束运输装置通过切换或改变束方向(例如，通过绕轴线112旋转束106a和/或束106b和/或倾斜样品平台104)输运。具有束切换功能的多束引导(偏转器，图1A-B中未示出)通过不同的离子束(例如，使用化学惰性离子，例如Ar⁺，Xe⁺等；化学活性原子和分子离子，例如Cl^-，F^-，I^-，Br^-等；簇离子等)允许样品102加工的普遍性，使得其最适用于在单一设备中用于给定的应用。

图2A是一个图表显示了溅射(铣削)量作为束角度的函数。通常，小入射余角允许通过离子铣进行抛光。通常，随着角度从小(例如，10°或更小)到大(例如，60-70°)的增加，在离子铣过程中消除材料的量也在增加。从大约70°到大约90°，铣削量下降显著，但焦点可以得到改进。

图2B显示了单向，双束可旋转离子束系统120，其包括精确样品平台104，其用于夹持和定位所述试样102，精确可旋转FIB106，可旋转掠离子束(GIB)110，和表面成像或分析检测装置108。所述样品平台104，精确可旋转FIB106和成像或分析装置108可以与图1A所示相同。掠离子束(GIB)110提供了表面机加工功能(例如，抛光，柔和铣削等等)。所述GIB110在掠过方向上输运，该方向在很多实施中与样品平台104或试样处于0°时的水平表面相参照的夹角为≤10°。入射角β可以是相对于样品平台104设置在0°下的普通平面，其角度范围在75°-90°。

在一些实施例总，离子束106和110能够从不同的离子源独立的输送。可替换地，离子束106和110能够通过切换离子束路径分别和/或独立地输送。多束导向(或导流板，未示出)具有束切换功能，利用不同的离子束允许样品处理的普遍性，一或多个可以最适于在设备120中的给定应用(例如，化学惰性离子，比如Ar，Xe等等，如此所述的化学活性原子和分子离子，簇离子等等)。

图2c显示了双向，双束可旋转离子束系统120’，其包括精确样品平台104，用于夹持和定位试样102，精确可旋转FIB106a-b，可旋转GIB110a-b和表面成像和分析检测装置108。所述样品平台104和成像或分析检测装置108可以与图1A所示相同，且精确可旋转FIB106a-b和可旋转GIB110a-b可以与图2B中的离子束106和110相同。尽管图2C中的入射角α和β与两个方向(即，分别从可旋转FIB106a-b和可旋转GIB110a-b)分别相同，可旋转FIB106a和106b的角度α可以是不同的，可旋转GIB110a和110b的角度β可以是不同的。

掠离子束(GIB)110a-b提供了表面机加工功能(例如，抛光，柔和铣削等)。所述GIB110a-b沿掠过方向(例如擦过)输运，该方向在很多实施中与样品平台104或试样处于0°时的水平表面相参照的夹角为≤10°。入射角β是与样品平台104设置在0°下的普通平面的夹具，其角度范围在75°-90°。

图2D显示了多方向，双束可旋转离子系统120”，其包括精确样品平台104，其用于夹持和定位所述试样102，精确可旋转FIB106a-c，可旋转掠离子束(GIB)110a-c，和表面成像或分析检测装置108。所述样品平台104和成像或分析装置108a-c可以与图1A所示相同，精确可旋转FIB106a-c，和可旋转GIB110a-c可以与图2B中的离子束160和110相同。每对106a/110a，106b/110b和106c/110c精确可旋转FIB和GIB可以绕轴线112旋转，其旋转角度可以是固定的或相互间是可变的，并且相对于0°参考角发生变化(其可以任意定义)。

典型的“顶侧”可旋转离子束系统

图3A-3D图示指明了对应于本发明的典型的可旋转单向和双向离子光学装置200-200’”。用于光学系统200-200”’的通常组件包括精确的样品平台204，表面成像或分析检测装置208，和离子束限定开口230。不可旋转的组件用虚线表示。所述精确样品平台204可以在三正交方向(即，沿x，y和z轴，如图3A所示)上任意移动试样202，和在离子铣过程中夹持试样202于固定或静止位置。所述表面成像或分析检测装置208能够是或包含，即光学显微镜，激光共聚焦显微镜，激光扫描显微镜(LSM)，电子显微镜，质谱分析仪，或其他用于分析试样202表面的分析仪器。所述固定的离子束限定开口230设置在系统200-200”’主旋转轴上和/或围绕其设置，并为从离子源来的离子束在系统200-200”’的旋转平台上提供共轴的入口。

图3A显示了相应于本发明一或多个实施例的设备200的两个视图，其提供了使用第一离子束路径240高角度(主动铣削)离子光学装置和是有第二离子束路径242的低角度(柔和铣削)离子光学装置。所述设备200还包括离子源212，离子束导流板214，离子光学匹配部件216，双向离子束导向218，精确聚焦离子束(FIB)模组或部件224，离子光学匹配部件220，离子束导流板222。所述离子源212可以是适用于离子铣，表面机加工或其他离子束用途的任何种类的离子源。所述离子束导流板214可以具有一或多个束导向切换功能。所述离子光学匹配部件216可以包括匹配透镜或一或多个束修正电极。所述精确聚焦离子束(FIB)模组或部件224在样品202表面上提供最终离子束206聚焦,形状修正离子束206，定位离子束206，和在试样102表面上扫描离子束206。所述离子光学匹配部件220可以包括匹配透镜或束修正电极。所述离子束导流板222沿掠过方向导向所述离子束210。

离子束路径240或242的选择是基于依靠溅射量的角度(看图2A)。例如，束轨迹的高入射角(例如，>30°和更优选的，从45°到80°左右，看离子束206，其在一个例子中是精确聚焦离子束[FIB])是选择用于主动铣削或切割，而束轨迹的入射余角(例如<30°，和更优选的≤10°，但>0°，看离子束210，其在不同实施例中能够是用于表面机加工的掠离子束[GIB])选择用于柔和铣削或抛光。

所述双向离子束导向218是配置用于改变方向或切换离子束至第一路径240(例如，用于快速铣削)或第二路径242(例如，掠铣)中的一个。使用静电或磁场的不同的控制机构和方法用于改变离子束的方向(例如，束偏移)。各种配置可以应用(例如，圆柱形、球形或环形聚光器导流板、双偏转板简单的静电系统，多电极偏转系统等)。球形和环形导流板提供通过他们的离子束的柱头聚焦，和优选的在系统中用于形成FIB。

例如，图3A和3C中的所述双向离子束导向218可以是双向球形导流板(看图3E的所述可旋转离子束光学装置)。所述双向球形导流板218可以包括135°球形导流板(或聚光器)，在两个电绝缘部分(90°导流板281-1/218-2，和45度导流板219-1/219-2)之间由一个狭窄的缝隙断开。所述90°导流板包括外球形部分218-1和内球形部分218-2，和所述45°导流板包括外球形部分219-1和内球形部分219-2。部分219-2具有出口通道，用于引导离子束210沿正交方向进入第二离子束路径242。所述束方向能通过切换电极219-1和219-2的电压来改变。对于所述束退出至第一离子束路径240(例如，在135°或FIB方向上)，所述电极219-1电连接(例如短接)至电极218-1，并且电极219-2电连接(例如短接)至电极218-2。对于束退出至第二离子束路径242(例如，在正交或GIB方向上)，所述电极219-1和219-2从电极218-1和218-2电断开连接，并且接地(V＝0)。

图3A中的所述设备200能够在此提供宽范围的铣削率(例如从～1nm/min到～20μm/min)。主动铣削能够使用离子束206沿第一离子束路径240所实施。所述样品材料消除速率在主动铣削期间能够从0.1-100μm/min或在此的任何值或任何范围值(例如0.3-20μm/min)。柔和铣削能够使用从第二离子束路径242来的离子束201来实施。所述样品材料消除速率在柔和铣削期间能够从0.1-1000nm/min或在此的任何值或任何范围值(例如1-300nm/min)。在其他例子中，离子束光学装置到样品202表面的工作距离能够从1-100mm或在此的任何值或任何范围值(例如在离子铣期间的10mm)

图3A中的所述设备200包括单一离子源212。与本发明的一个实施例相适应，所述离子源212可以包括离子光学装置子系统，用于形成离子束，其注入可旋转离子光学装置系统。所述离子源212可以产生原子，多原子或簇离子，其具有的能级范围在0.1-50keV，和电流范围在10pA-100μA，以便用于在离子铣削中使用。

所述设备200中的所述光学装置包括可变化的开口230，其提供逐步增加或减少(衰减)的离子束流，注入到所述可旋转离子光学装置系统，所述90°球形离子束导流板214，第一匹配透镜216，和双向球形导流板218，其使离子束偏向至第一离子束路径(例如，FIB模块)或第二离子束路径242中的一个，施加在试样202上(例如，半导体晶元和/或集成电路)。参考图3E，所述FIB模块224可以包括束消象散器，物镜254和束扫描平板256。所述第二离子束路径242通过第二匹配透镜220，掠束导流板222和四极束压缩机/校准器226。所述掠束导流板222是所述束以一角度(90°-α)偏向，其中α是所述束在平板试样或样品202处于0°的一个平面上的入射角，如图3A所示。所述光学装置还包括可选的束流监视器250。

离子束成形的例子包括圆或环形的束，其对于抛光应用特别适用，和椭圆形束，其对于切割应用特别适用。从第一离子束路径240和第二离子束路径242输出的所述束206和210的直径分别可以从大约2μm到大约10mm，或在此的任何值或范围值(例如，从大约10μm到大约2mm)，尽管所述离子束的最小直径可以依赖于离子源或离子源类型(例如，20-30nm束直径可以使用液态金属离子源获得)。从第一或第二离子束路径240或242输出的所述椭圆束206或210的长短轴比率可以多达大约1:20(例如，多达大约1:10)。

所述系统200中的所述可旋转光学装置因此提供了专用的多束206和210(例如，从第一路径240或第二路径242中的一个)，其可以从实质上任何的方向。束210可以沿第二路径242指向第一角度(>0°至大约20°)，或束206可以沿第一路径240指向第二角度(从30°至大约60°)。例如，第一和第一角度可以是大约6°和大约45°，如图3A和3E所示，或在此给出的任何值或范围内的值。正如将在此后所讨论的，本设备通过可变化的离子束角度允许束的导向。

图3B显示了双向双束设备200’的示意图，其包括通常部件如上所述，加上离子源212，双路离子束导流板214’，第一和第二离子光学匹配组件216a-b，第一和第二双向离子束导向218a-b，第一和第二FIB模块或组件224a-b，第一和第二离子光学匹配组件220a-b和第一和第二离子束导流板222a-b。所述离子源212的描述可以参考图3A的系统200，和第一和第二离子光学匹配组件216a-b，第一和第二双向离子束导向218a-b，第一和第二FIB模块或组件224a-b，第一和第二离子光学匹配组件220a-b和第一和第二离子束导流板222a-b的描述可以分别参考图3A中的离子束导流板214，离子光学装置匹配组件216，FIB模块或组件224和离子光学装置匹配组件220，离子束导流板222。

来自离子源212的所述离子束可以在两个分别的和/或独立的路径间由离子导流板214’所切换。该交替束指向朝向第一双向离子束导向218a或第二双向离子束导向218b中的一个。所述离子束的方向能够在第一和第二双向离子束导向218a-b之间以实质上任何期望的速率(例如，大约秒或分帧，低至毫秒、微秒甚至纳秒)切换。所述双向双束设备200’允许用于实质上分别从两个相对的方向上(例如，使用离子束240a和240b，或者离子束242a和242b)均匀铣削或机加工试样202上的区域。

图3C显示了本发明一或多个实施例的具有两个离子束轨迹240和242和多离子源212a-c的可旋转离子光学装置“顶侧”配置200”。图3C所示的可旋转离子光学装置中的所述离子源212a，212b和212c能够是几乎任何已知的或现有的离子源(例如，液态金属离子源(LMIG)212a，惰性气体等离子离子源212b，簇或分子离子源212c，等等)。来自不同离子源212a，212b和212c的不同离子能够引入或指入可旋转离子光学装置，其具有多束导向或导流板232。可替换地，来自所述不同离子源212a，212b和212c的不同离子能够引入或指入可旋转离子光学装置，其具有两个串联的两路束合并器。所述多束、单向系统200”还包括离子光学装置匹配组件234，其中不同实施例可以是或包括匹配透镜或两个或更多束修正电极。

所述多束导向(或导流板)232提供了在各离子源212a，212b和212c之间的束切换功能。在此有多种不同的组件和方法可用于多向注入离子束至单一离子束线路，如图3C所示。例如，静电或磁场可以用于多束导向或导流板232将源自所述离子源212a，212b和212c中的一个引至离子束，其使以如上所述的与双向离子束导向218所类似的方式。典型地，在时间内一个给定的时刻仅有一个离子束是由离子源212a，212b和212c所发射。

例如，所述多束导向或导流板232可以是或包括三向(三路)静电导流板，其包括两个对称连接的90°球体部分(看图3E的可旋转离子束光学装置)。所述多束导向或导流板232在其上半部具有一个普通外部电极232a，和两个内部球形部分232b和232c。在所述导向或导流板232上半部的普通电极232a具有入口或通道用于以直线或线性方向注入离子束。束切换可以由切换电极232a-c直接的电压来实现。例如，注入一个直线束(例如，来自离子源212a的离子束)，所有的电极都保持在接地(V_a,V_b,V_c＝0V)。注入来自离子源212b的离子束，普通电极232保持在预定的电压V_a，电极232b保持在预定的电压V_b，电极232c电连接(例如短接)至普通电极232a。注入来自离子源212c的离子束，所述普通电极232a保留在相同的电压V_a，电极232b电连接(例如短接)至普通电极232a，电极232在预定的电压V_c。

图3D显示了双向多束设备200”’，其包括普通组件如上所述，加上图3c的离子源212a-c，图3B的所述双路离子束导流板214’，第一和第二离子光学匹配组件216a-b，第一和第二双向离子束导向218a-b，第一和第二FIB模组或组件224a-b，第一和第二离子光学匹配组件220a-b，和第一和第二离子束导流板222a-b，如图3B所述。

合并高、低角度的离子光学装置(例如，第一和第二离子束路径240和242)的优点包括在一个单一装置或设备中提供高角度光学装置(例如使用原子第一路径240的精确FIB)用于机加工样品202(例如，精确横截面切割，切割，钻孔等等)和低角度束(例如原子第二路径242的GIB)和光学装置用于表面机加工应用(例如，抛光，柔和铣削等等)。

典型的“底侧”可旋转离子束系统

图4A-4D图示了相应于本发明的可旋转单向和双向离子光学装置系统300-300’”，其具有一或多个底部安装的离子源。光学装置系统300-300’”的普通组件包括精确样品平台304，表面成像或分析装置308，和离子束限定开口330。所述精确样品平台304，表面成像或分析装置308，和离子束限定开口330与图3A-D中限定的精确样品平台204，表面成像或分析装置208，和离子束限定开口230相同或实质上相同。不可旋转的组件由虚线所表示。光学装置系统300-300’”的所述离子束光学装置可以绕主轴328旋转。

图4A显示了单向、双束设备300，其提供使用第一离子束路径340的高角度(主动铣削)离子光学装置和，使用第二离子束路径342的低角度(柔和铣削)离子光学装置，相似与或相同于图3A的第一和第二离子束路径240和242。所述设备300还包括离子源312，离子光学匹配组件316，双向离子束导向318，掠离子束(GIB)模组或组件326，离子光学匹配组件320，离子束导流板322和精确聚焦离子束(FIB)模组或组件324。所述离子源312能够是任何种类的离子源，其适用于离子铣削，表面机加工，或离子束的其他用途。所述离子光学匹配组件316可以包括匹配透镜或一或多个束矫正电极。所述离子光学匹配组件320可以包括匹配透镜或一或多个束矫正电极。所述精确聚焦离子束(FIB)模组或组件324提供了离子束306的最终聚焦，成像矫正和扫描和在样品302表面上的束定位。

在图4A的所述设备300中，双向离子束导向318在快速铣削(路径340)和柔和铣削(路径342)方向之间改变方向或切换离子束。作为结果，所述双向离子束导向318包括内部电极或内部球形部分其知道离子束朝向掠离子束(GIB)模组或组件326基于应用适当的电压。GIB310被双向离子束导向318改变方向的角度大于90°但小于120°(优选的小于等于100°)。在一例子中，所述双向离子束导向318和/或GIB模组或组件326提供掠离子束310的最终聚焦、束成形，控制和/或定位。所述双向离子束导向318还包括外层或外部电极或内部球形部分，其基于应用合适的电压指向所述离子束朝向FIB模组或组件324。

所述离子束导流板322引导离子束340至FIB方向。FIB306被所述离子束导流板322引导的角度是从120°到150°(优选的从125°到140°)。在图4A的所述设备300中，所述离子源312可以永久的连接至离子束光学装置，和可绕离子束光学装置(例如，离子束限定开口330，离子光学匹配组件316，双向离子束导向318，FIB模组或组件324，离子光学匹配组件320和离子束导流板322)旋转。

图4B显示了单向，底侧安装的双束设备300’，其中所述离子源312安装在精确样品平台304以下，并且与主旋转轴328对齐，并且不随着离子束光学装置旋转。所述设备300’还包括离子束导流板314和双向离子束导向318’。所述离子束导流板314以90°改变离子束方向。所述双向离子束导向318’包括底部，其以90°改变离子束，和上部，其包括内部和外部球形部分或电极，类似于或相同于图4A的双向离子束导向318中的这些部分。所述固定离子束限定开口330设置在主轴328上或与其对齐。所述离子束限定开口330提供了在所述设备或系统300’的可旋转平台中的离子束同轴入口。

图4C显示了双向底侧安装双束设备300”，其中离子源312安装在精确样品平台304以下，并且与主旋转轴328对齐，并且不随着离子束光学装置旋转。所述设备300”还包括离子束导流板314’和双向离子束导向318a’-b’。所述离子束导流板314’在两个独立或单独方向(例如，相对的)之间切换源自离子源312的所述离子束的路径，用于形成离子束340a-b或342a-b，依赖于离子束导向318a’-b’指向离子束的方向。所述双向离子束导向318a’和318b’相同或实质上相同于图4B的所述双向离子束导向318’，并且离子束限定开口330相同或实质上相同于图4B。所述离子源312，离子匹配组件316a-b，GIB模组或组件326a-b，离子光学匹配组件320a-b，离子束导流板322a-b，和FIB模组或组件324a-b与图4A和4B中的所述设备或系统300-300’相同或实质上相同。

图4D显示了双向、底侧安装双束设备300”’，类似于图4C的所述设备300”，包括多个离子源312a-c，其位于精确样品平台304以下。所述离子源312a，312b和312c相互之间不相同，并且是独立的液态金属离子源(LMIS)，等离子体离子源，惰性气体离子源，碱金属离子源，气体簇离子源(GCIS)等等。所述设备300”还包括多束导向(或导流板)332，其具有一或多束切换功能和离子光学匹配组件334。所述离子光学匹配组件334能包括或是匹配透镜或一个活多个束修正电极。所述离子束限定开口330，多束导向332，和离子光学匹配组件334与主旋转轴328对齐。所述离子源312a，312b和312c，离子束限定开口330，多束导向332和离子光学匹配组件334不随着离子束光学装置旋转。

用于可旋转离子束系统的典型离子束导流板机构

图5A-5C图示了相应于本发明吗实施例的典型可旋转的、有轨的、双向离子光学系统400，包括球形，圆形或环形静电聚光器。离子源412(如文中其他部分所述)注入或发射离子束436到离子光学匹配组件434，其可以包括一或多个匹配透镜和/或束矫正电极，和其可以实质上相同于离子光学匹配组件334(图4D)或234(图3D)。所述离子束于是通过离子束导流板430(图5B)在两个路径相反的方向之间切换(例如，顺时针方向束旋转[看左侧离子束442]和逆时针方式束旋转[看右侧离子束444]，)。所述离子束限定开口430提供同轴入口用于离子束436进入系统400的转动平台。

所述静电聚光器引导左侧和右侧离子束442和444朝向对应的左侧离子束导流板448和右侧离子束导流板(未示出)。所述离子束导流板引导或导向离子束正交的从静电光聚集器退出。静态表面成像或分析检测装置408(例如，光学金相显微镜，激光显微镜，电子显微镜，质谱仪，或其他表面分析仪器)可以安装在静电光聚集器内部，其还包括内部电极438，外部电极440，上平板452和可旋转平台450，用于安装和/或组装可旋转离子光学系统的组件。所述内部和外部电极438和440，具有预定的电压，提供离子束的轨道运行(例如，相对于主轴428的旋转；看图5B-C)。

所述离子源412，离子光学匹配组件434和离子束导流板414是固定的，作为结果，所述外部电极440，内部电极438和上平板452也是固定的。可替换地，所述外部电极438和上平板452能够绕平板450旋转。所述平板450和离子束导流板(例如448)能够选择最大值接近180°(所述离子束导流板414作为旋转终点)。机械和电子解耦允许平台450旋转并保持内部和外部电极438和440固定是本领域的公知技术。

所述离子束从光聚集器中退出并进入离子光学匹配组件416，其能够是或包括匹配透镜，或一或多个束矫正电极，如文中所述。所述离子束于是被对应的双向离子束导向418a-b指向至FIB模组424a-b或GIB模组426a-b中的一个。所述离子束指向所述GIB模组426a-b还经过离子束导流板422，其在掠过方向上引导所述离子束。所述光学装置还包括离子光学匹配组件420(图5C)，其可以是或包括匹配透镜或一或多个束矫正电极。

如上所述，所述FIB模组或组件424a-b能够提供离子束406(图5C)在样品、目标或试样402表面上的最终聚焦，束成形和/或矫正和定位，还可以提供离子束(FIB)406(例如，用于快速铣削或切割等等)的光栅或扫描。GIB模组或组件426a-b能够提供掠离子束410用于样品、目标或试样402表面的机加工(例如抛光、柔和铣削，掠铣等)的最终聚焦，束成形和/或矫正和定位。所述样品、目标或试样402通过样品平台404上夹持在某位置，所述平台能够相对于X,Y,Z和倾角坐标精确定位和夹持样品、目标、或试样402、

图6A和6B图示了本发明实施例的用于可旋转离子光学系统的交流离子束注入机构，包括球形、环形或圆形静电光聚集器。例如，图6A显示了有轨可旋转离子光学系统500，期具有单一离子束输入机构。所述系统500包括离子源512(如在此所述的)，离子束注入导向536，静电光聚集器，其具有球形、圆形或环形内部和外部电极538和540，离子束导流板546和可旋转平台550，用于安装和/或组装在此所述的可旋转离子光学系统组件。所述内部和外部电极538和540，具有预定的电压，提供离子束560做轨道运动(例如，相对于主轴528旋转)。所述离子束导流板546导向或引导所述离子束560在可旋转平台550的正交退出点548正交退出所述静电光聚集器。所述有轨可旋转离子光学系统500能够相对于0°参考点(例如，点或位置，在所述离子束退出口562)旋转离子束光学装置最多接近至360°(例如，在一个实施例中最多只大约330°)。

图6B显示了有轨可旋转离子光学系统500’，其鱼油双离子束注入机构。所述系统500’包括第一和第二离子源512a和512b(如在此所述的，其可以是相同的或不同的)，其产生或发射左侧离子束542和右侧离子束544。所述系统500’运行实质上相同于图6A的有轨可旋转离子光学系统500，除了离子束光学装置能够相对于0°参考点(例如，点或位置，在所述离子束退出口562a和562b)旋转离子束光学装置最多接近至180°(例如，在一个实施例中最多只大约150°)。

典型的可旋转离子束单元

图7A-D分别显示了相应于本发明实施例典型的相互作用的设备/系统200的上部结构的布局、外部/壳体和横截面。图7C是图7A的所述设备/系统200的沿A-A线的横截面图，图7D是所述设备/系统200的沿B-B线的横截面图。所述集成束单元(IBU)200包括离子源210，多自由度操作器(未示出)，可旋转光学装220，电机225，真空腔250，干涉仪260，一或多个端点探测器和若干可选组件，包括激光器270。所述电机225旋转所述光学装置220，例如通过驱动连接至可旋转光学装置的(例如，在其最上方)轮子或盘片227。所述端点探测器可以包括可视的或红外光显微镜280，热视觉装置282或其他设备(例如光学反射计)，用于确定一或多个铣削操纵是否满足端点的条件。所述集成束单元(IBU)200可以还包括气体注入系统(未示出)和等离子体源(未示出，但其可以使用一或多个源自气体注入系统的气体击出等离子体)。

所述腔250可以是可操作连接到一个能够创造一个相对高真空(例如，<10^-4Torr,<10^-6Torr,或者<10^-4Torr的任何值,例如<5x10^-6Torr)的真空系统。例如，所述室250可以可操作地连接到涡轮分子和/或旋转泵，高、低真空计(测量内室250的压力)，分配阀，和一个负载锁定单元(见，例如，图12A)。多气体供应系统可以提供一种或多种气体(如氩气，Xe或Ar-Xe混合)到室250和/或离子源210。所述设备/系统200可以进一步包括气体注入系统。真空泵和/或系统可以进一步配备液氮冷平台用于捕获潜在的污染物和/或反应物用于束敏感材料。所述设备/系统200还包括一个可操作的防护掩膜，用于保护样品的区域不能被铣削，和允许铣削不受掩膜保护的试样区域，和/或深度探查器(例如，包括干涉仪)其测量孔的深度，通过铣削操作形成切口或开口(例如，过程质量控制和/或端点检测)。深度探查器可能是固定的(例如，包括干涉仪和一个合适的传感器)或扫描。铣削过程的附加组件可以包括反应气体辅助离子刻蚀(RIE)或等离子清洗(未显示)。

在本仪器或系统中铣削过程中的端点检测可以使用集成光学成像装置监测。光学成像装置可包括一个热视觉装置282。另外，光学成像装置可包括可见光显微镜280。在任何情况下，该室250可包含进一步光学装置255用于反射，对准和/或聚焦光到或来自显微镜280，热视觉装置282，激光270，和/或干涉仪260。总的来说，在本装置中的端点检测可包括以下一个或多个：(1)从成像装置获取关注的图像；(2)用显微镜测量铣削深度(例如，通过测量离焦的量或度)；和(3)通过干涉测量铣削深度。

图8A图示了相应于本发明实施例的内部组件300，包括在系统腔内的典型的样品夹具310和工作台/操作器320。如图所示，工作台/操作器320具有四个自由度，用于束342的精确目标对准和定位。因此，工作台/操作器320可以包括一个x平台322，用于左右移动样品夹具310，一个y平台324用于前后移动样品夹具310，一个z平台326用于上下(垂直)移动样品夹具310，和一个倾斜平台328用于相对基座325的x-y(如水平)平面有角度地倾斜或旋转样品夹具310，其中工作台/操作器320的各平台安装在基座325上。所述x平台322和y平台324及其相关的功能是可以互换的(例如，的x平台322可将样品夹具310向前和向后移动，和y平台324可以把样品夹具310左右移动，或“322”可以指定y平台等)。

工作台/操作器320还包括一个或多个电机和/或执行机构(未显示)，用于在的指示方向移动所述的x-,y-,z-和倾斜平台322，324，326和328。对每个平台的电机和/或执行机构包括压电电机，和驱动x-,y-,z-和倾斜平台322，324，326和328移动的机构，可能包括，例如，齿轮齿条式直线驱动器，液压活塞或缸等。工作台/操作器320中x-,y-,z-平台的定位精度可以在±1μM(例如，±0.5μm，±0.2μm，或在±1μM任何其他值)。

所述倾斜平台328可以旋转样品夹具310到90°-β角度，其中β角是当倾斜平台328在0°角时，离子束322从第二离子束路径345相对于基座325或样品夹具310或z-平台326出现的角度。在某些实施例中，倾斜平台328可在从45°至约85°(例如，在该范围内的50°、60°或任何其它角度)范围中以最大角度旋转样品夹具328。用于倾斜平台328的电机可以从10°/秒到45°/秒中最大的角速度移动(例如，20°/秒，或任何其他值在这样的范围内)。

样品夹具310是工作台/操作器的320的z-平台(垂直平台)326上的一部分或贴在其上，但它可以替代不同的平台(例如，x-平台322或y-平台324)的一部分或贴在其上，同时，各平台不一定按显示的顺序，和z-平台326可定位在x-和y-平台322和324下方，用于上下升降x-和y-平台322和324(假设样品夹具310部分或贴上x-和y-平台322和324中的至少一个)。样品夹具310可夹持具有最大尺寸或最大直径为300毫米×300毫米×100毫米的样品(例如，150毫米×150毫米×50毫米，60毫米×60毫米×20毫米，或任何其他尺寸在这样的范围内)。

在使用离子束342的处理过程中，样品夹具310夹持样品330。一般情况下，当样品330中的被加工区域335由离子束342照射时，样品夹具310保持静止。

组件300还包括离子束光学装置(表现为第一和二离子束路径340和345)。因为两个路径340和345和工作台/操作器320的倾斜平台328，离子束光学装置在高、低角度件操纵。如这里所述，离子束光学装置也能够绕轴线旋转，该轴线由z-平台326运动路径，该成像系统350光路，或其他参考线和/或平面定义，当倾斜平台328位于0°角时，前述平面与样品夹具310、z-平台328或基座325中的一个平面正交。

图8B图示了相应于本发明实施例的典型的、实质上完整的系统/设备750，其具有典型的可替换的工作台/操纵器760。图8B的设备750包括图7A-D的集成的束单元(IBU)600，工作台/操纵器760、和外柜770。工作台/操纵器760操纵安装在其最上面表面的样品夹具780。工作台/操纵器760在三个正交方向的各向上(例如，使用x-，y-和z-电极和/或执行器)移动，可以绕一个由X-和Y-线方向定义的轴线倾斜。另外，X和Y-电机和/或执行器可以用一个单一的电机和/或执行器所取代，所述电机和/或执行器在X-Y平面内(即绕Z轴)旋转样品夹具，但这样的布置可能会限制样品夹具沿X轴和Y轴移向目标区域的能力。该工作台/操纵器760被安装在和/或定位在外部机柜的上、下壁/表面之间。某种程度上，所述工作台/操纵器760可密封安装或贴在外柜770上壁的下部或外表面，用于允许在腔650内制造或形成真空。

所述电机通过驱动具有齿轮/轮机构629的轮子或盘片620旋转离子光学装置620。设备750中与其他图中具有相同的标示的其他组件，与其他图中相应的组件相同或实质上相同。

可替换的典型系统/设备

图9图示了按照本发明的一个或多个实施例的具有双离子束轨迹和一个或多个离子源的可旋转离子光学装置的典型的下行配置。所述设备800包括离子源810、离子光学装置820、工作台/操纵器830、腔壳体850和成像装置860。所述离子光学装置820包括第一和第二离子束路径822和824，类似于其他的实施例/图中的第一和第二离子束路径。光学成像装置860可以包括一个集成的扫描激光或电子显微镜(如集成的SEM或LSM)或光学金相显微镜，能够配备有如照相机的成像装置和用于端点检测中的任何一个。

在设备800的配置中，离子源830低于工作台/操纵器810，光学成像器件860高于工作台/操纵器830。第一和第二离子束路径824和822高于工作台/操纵器830，但一般的离子光学装置(未示出)的普通组件横向相邻于工作台/操纵器830。这样的配置允许光学成像装置860被直接定位在样品840的关注区域上。在一个实施例中，离子源810随离子光学装置旋转820。

图10示出了根据本发明的一个或多个实施例的可替换的典型设备800’的下部配置，其具有两个离子束轨迹822和824和两个可互换的离子源810和812。离子光学装置和图10中设备的离子源可以如本文所述的其他设备和/或系统，并且基本上如图9所述，除了在可旋转的离子光学装置820和离子源810和812之间的连接必须是可断开和重新连接的，使离子源能够根据需要和/或期望变化。其结果是，当时从离子光学装置820断开时，离子源810和812可以独立地旋转。

图11图示了进一步替换的典型的的可旋转离子光学装置820的下部配置和固定离子源810。所述设备800”包括离子源810，离子光学装置820、工作台/操纵器830，腔外壳850和光学成像装置860。离子光学装置820包括第一和第二离子束路径822和824，其近似于或相同于在其它实施例中第一和第二离子束路径。然而，离子源810集中在工作台/操纵器830下面、和离子光学装置820′包括90°束导流板824，其集中在工作台/操纵器的830下面，和在90°束导流板824和大于90°束导流板828之间的第一匹配透镜826。该设备800″还包括在90°束导流板824和工作台/操纵器830之间的束流监测器(未示出)。第二匹配透镜842也可在图6-7的实施例中出现。

图12A图示了图8A中的典型的系统和/或设备700，其处于正常离子铣配置(即，所述样品与第一离子束路径524出现的离子束成90°角)。气闸900，其用于在真空腔中加载和卸载的试样，所述气闸900可操作地连接到该腔的壁。除了“传统的”离子铣削，该系统/设备可用于其他功能和/或过程(例如，用于制造深沟槽或切断，用于各向异性蚀刻，用于布置晶界等)。图12B图显示了图8A的样品夹具和工作台700在正常离子铣削的更详细的配置。因此，在本设备中应用的一个例子，该设备可用于正常的离子铣削(例如，样品中加工深槽或切断，各向异性刻蚀样品，确定或布置样品的晶界等)。正常的离子铣削一般在90°配置下进行(即，来自第一离子束路径740的在离子束742在90°角照射所述样品730)。成像系统750可用于监测的正常铣削操作的端点。

典型的应用

可由本设备执行的技术方法和/或应用包括：

1.用离子束对一个静态固定试样处理，该离子束具有选定的入射角度、能量、扫描范围和尺寸，以及围绕关注区域旋转，其中的关注区域和离子束旋转轴同轴。这导致了可控的，平面去除关注区域中的材料，以暴露在试样中的目标特征。

2.用离子束对一个静态固定试样处理，该离子束具有选定的入射角度、能量、扫描范围和尺寸，以及围绕具有使用激光干涉仪控制深度的关注旋转。这允许实时控制从样品中除去材料到一个预定的深度，以及能够检测到的处理端点的能力。

3.用离子束对一个静态固定试样处理，该离子束具有选定的入射角度、能量、扫描范围和尺寸，以及围绕关注旋转，该关注具有同步激光束以选定能量(或剂量)和用于激活试样表面原子的波长来辐射关注区域。这允许增加去除率和控制的铣削过程的选择性。例如，激光具有由金属吸收的发射波长，而不是由周围的电介质，其能够用于选择性加热的金属，从而通过离子铣更选择性地消除金属。

4.用离子束对一个静态固定试样处理，该离子束具有选定的入射角度、能量、扫描范围和尺寸，以及围绕关注旋转，使其能够同步的被一或多个成像装置观测，所述成像装置预先对准相同的焦点和与离子光学装置的旋转轴同轴。优选的，光学装置包括高分辨光学显微镜和热视觉器件。例如，可以利用光学显微镜来调整与离子光学装置旋转轴线与试样的关注区域，在铣削过程中观察关注区域。热视觉装置可用于(1)通过识别离子束的热迹，将离子束定位至试样表面上同轴于离子光学装置的旋转轴线，(2)通过识别激光束的热迹将激光束定位至照射到试样表面上同轴于离子光学装置的旋转轴线，以及/或(3)在关注区域内控制试样的温度。

5.用离子束对交替处理静态固定试样(例如半导体晶元)的前侧和后侧，该离子束具有选定的入射角度、能量、扫描范围和尺寸，以及围绕关注区域旋转。在一个掠角，和所述离子光学装置绕关注区域旋转，所述前侧能够处理至预设深度或直到目标特征被暴露。所述试样前端和背面处理之间的过渡是通过样品(例如，晶片)翻转完成的。所述背面处理可以通过同时结合进行激光束照射和在一个高入射角(这是预期增加的研磨速度)和围绕关注区域旋转的离子光学装置到预先设定的深度或直到目标特征曝光的离子铣削来完成的。这允许在一个单一试样或晶元内不使用重复的晶片样品提取物的制备一或多个计划视图STEM样品。

因此，本装置和方法的应用包括：

1.实时控制的离子抛光

2.具体定点去层化：

2.1.俄歇分析与深度剖析

2.2.电子微探针，扫描探针显微镜

2.3.三维图像重建

3.SEM样品的制备

3.1.切片(横截面剖切)

3.2.计划视图样本

3.3.后-FIB清洗(例如，在传统的FIB后进行清洗，在FIB中试样经常遭受介入的重离子的损伤，例如Ga)

3.4.无网格(Grid-less)型透明TEM样品制备，其用于STEM模式中的SEM

3.5.SEM样品清洗(例如，原位)

4.TEM/STEM样品制备

4.1.TEM切片

4.2.TEM计划视图

4.3.用于TEM的后-FIB最终削薄和清洗

5.从大量物料或物件(例如，掀去法)中取出的样本

6.钻微型孔

7.多晶硅布置

下面的例子说明本系统的各种应用和方法。

图13A-B分别展示了本发明的一个或多个实施例如何在一个单一的设备800在结合使用高角度光学装置840进行的主动离子铣削和使用低角度离子光学装置845进行的柔和离子铣削，可以使样本810(例如，一个集成电路)的大区域815去层到预定深度。图13A显示了在一个固定的样品810上采用大角度离子光学装置840主动铣削。图13B显示在在固定样本810上使用低角度离子光学装置845进行低角度柔和铣削。指定的处理区域为815。使用成像系统可以监视该过程830。当光学装置围绕着系统800的中心轴旋转(图13A-B中随着光线进入成像系统830所定义)、在加工区域815的材料和/或结构从所有或几乎所有的方向上均匀地铣削。在一个实施例中，本装置去层和离子抛光面积＞10μm×10μm的集成电路样品810。所述去层和离子抛光区域被清洁和聚焦。

图14图示了根据本发明的一个或多个实施例，在可旋转的离子束系统800使用高角度离子光学装置840主动铣削用于削薄半导体/集成电路晶片810背侧。对于这样的应用的目的包括元素和分子深度剖析与分析技术在纳米尺度(如SIMS，Auger，XPS和拉曼光谱)，和样品制备用于光电子和LVx显微镜(例如，在芯片级)。加工区815可能有一个尺寸(例如，直径)约10μ米到几毫米。使用本发明的可旋转的离子光学装置800的好处包括溅射坑优越的平整度和粗糙度(使用分析仪器与现有技术的深度相比)，对样本810的热性能和电气完整性影响最小(例如，由于具体定点，非接触式铣削)。同时用激光辐射所述加工区域815，该激光具有能够被基底吸收的发射波长，可以使基底加热，提高铣削速度

图15A-B分别显示前面和背面铣削样品910，其使用可翻转的样品夹具920制备的样品910用于透射电子显微镜(TEM)，其使用本发明的一个或多个实施方式的可旋转离子束系统900中的低角度离子光学主轴945。在本例中的铣削能够执行用于制备计划试图(或俯视图)TEM样品900.图15A显示使用低角度离子光学装置945，在TEM样品夹具920上的网格(没有编号)前方侧铣削样本910。成像系统930可以监视进程的进程。在样品910正面均匀地从所有或几乎所有方向，绕系统900的中心轴旋转(由光进入光学成像系统930定义)铣削和/或抛光加工区域的材料和/或结构。图15B显示在转动或翻转样品夹具920 180°后，使用低角度离子光学装置945背侧铣样品910。所述光学装置的旋转围绕系统900的中心轴旋转，允许离子束铣削和/或抛光样品910(在样品910个正面加工区域的同一区域)前侧和背侧的材料和/或结构，其均匀地从所有或几乎所有的方向。在图15A-B中所示的例子，TEM样品夹具920可能是可翻转的(或“滚动”)，使离子束处理的正面和在同一位置的样品910的背面。在一个例子中，一个集成电路样品中的大面积的STEM图像(>10×10μm)的制造采用先进的技术节点(例如，亚45纳米或亚32纳米)制备。

图16A-B分别显示通过使用本法一或多个实施例的典型可旋转离子束光学系统800由前到后侧铣削样品810至TEM厚度，实现无网格SEM样品制备用于STEM成像。不需要预处理，一般是在样品提取出大样，或一个标准的TEM网格上放置一个预先削薄的样品。图16A显示使用高角度(例如，FIB)光学装置840和低角度(如GIB)光学装置845在无网格样品810中铣削加工区域815。一般而言，高角度光学840和低角度光学845是按顺序操作，而不是同时，但一些实施例中可用有高角度光学装置840和低角度光学装置845同时铣削的样品810。使用所述成像系统可以监视该过程830。图16B显示背侧铣STEM厚度之后翻转或旋转样品夹具820′180°形成无网格薄片815′。在正面和背面铣削过程中，绕系统800(由光进入光学成像系统830所定义)的中心轴旋光学装置，均匀地从所有或几乎所有的方向铣削和/或抛光加工区域815/815′的材料和/或结构。

图16C显示本发明的一个或多个实施方式的晶片或段，在此具有具体定点的无网格电子透明薄片815a-c。因此，本系统和方法，可以制备独特的具体定点的无网格STEM样品。样品大小和观测区域(例如，在STEM模式)的限制与掀去法技术相关，掀去法并未在本系统和方法表述。例如，使用本系统和方法，结合前侧和背侧削薄的SEM样品至TEM厚度可以在比较大的区域(例如，＞200μ平方米)进行。最终，TEM薄片厚度低于10纳米已实现。因此，前侧和背侧铣SEM样品到TEM厚度可以使用本设备和方法在STEM模式(无需TEM网格)进行分析

图17a是一张照片，关于多站点去层的样品。所示的样品是在半导体集成电路中的存储器块。右边的图像是左边的图像在最底去层点，放大2500倍的图片。去层的点在左边的图像(放大32X)从50到200微米的宽度。然而，可以利用现有的设备和方法对目标区域去层，可以从0.01毫米到10毫米之间，或任何值或值的范围内(例如，0.5至3毫米)。本发明的装置和方法也可用于样品的目标特定区域或区域。例如，目标区域或区域可以使用在监视器或其他显示器上的十字线预先对准用于去层。

在另一个例子中，对后FIB最终削薄TEM样品和后FIB清洗由离子轰击引起的损伤和缺陷(如清FIB引入的损伤)进行了研究。FIB目标对齐，束定位于目标。选定的目标在高和低的角度被铣削。使用与可旋转光学装置的中心轴线对准的成像系统监视处理过程。TEM样品(图17b)制备如下：1)进行离子照射(例如，具有旋转的FIB，跟着是具有旋转的GIB)在样品至引入损伤层和表面非晶化。2)在照射区域取得TEM切面。所述离子轰击参数包括1keV离子束能级和7°入射角(即低角铣)持续时间为3分钟。由FIB(即高角铣)得到的TEM样品切面@1.6kV显示约0.6nm的转变(即非晶层厚度约为0.6nm)，和一层厚度约为1.3nm的含点缺陷。因此，本发明使微不足道的表面非晶化，最小化损坏层的厚度，和/或优越的TEM样品晶格图像质量。

图18是本发明实施例中的本发明装置与其他工具的各种典型组合。例如，一个独立的光学系统1000可以安装在一个小，耐振动(或阻尼)工作台1010上。一个独立的基于SEM的系统可能包括本系统1000，其具有可旋转的离子束光学装置和扫描电子显微镜1020，其中离子源1015是位于“底面”配置。本离子束系统1000可以集成有SEM1020和其他分析工具1030，或晶片检测系统1040。其他的组合和应用是可以设想的，并被本发明所包含。

使用离子铣进行样品制备和/或处理的典型方法

图19是一个流程图1100，显示了按照本发明的一个或多个实施例的典型的制备和/或处理方法。该方法反映了一种途径，用于实时控制的微机械加工和应用，在此用于样品分析，故障分析等，其在一个单一的设备中使用各种技术。

在1110，关于样品和目标或关注区域的信息被收集。在一般情况下，这也是当最终目标是预期时。选择一个过程策略，选择或确定目标或预期的端点，并选择或确定任何适用的处理参数。

在1120、执行互动离子铣。在一般情况下，执行离子铣削，该过程是被监控的。离子铣削可以包括用聚焦离子束(FIB)铣削或切割试样，或用掠离子束(GIB)铣削或抛光试样。铣削过程可以通过实时可视化(例如，光学显微镜[在1150沿着或与成像]，热成像等)进行监控。监控还可以通过在1140测量铣削过程(并且知道在加工条件下的铣削率，其可由经验确定)的时间来实现，或通过在1130测量或控制铣削加工的深度(例如，通过使用成像过程测量的深度，或在加工条件下知道铣削速度和控制铣削的时间等)来实现。

在1135，如果已达到预定的铣削深度，所述过程的最终目标完成，并且过程在1160结束。如果未达到预先确定的铣削深度，离子铣削过程继续交互至1130。

在1145，如果预定的时间长度已经过去，该进程的最终目标完成，并且过程在1160结束。如果预定义的时间长度还没有过完，离子铣削过程继续交互至1130。

如果关注的图像已被获得，该过程的最终目标完成，并且过程在1160结束。如果尚未得到关注的图像，离子铣削过程继续交互到1130。

典型的软件

本设备能够由专用的和集成的软件包操作，校准和/或控制。因此，本发明还包括算法、计算机程序、计算机可读介质和/或软件，在配备了传统的数字信号处理器的通用计算机或工作站上可植入的和/或可执行文件，并用于执行一个或多方法和/或一个或多个操作的在此公开的硬件。例如，计算机程序或计算机可读介质通常包含一组指令，当由一个适当的处理装置(例如，信号处理装置，如微控制器、微处理器或DSP器件)执行时，其配置用于执行上述方法，运行，和/或算法。

计算机可读介质可包括任何媒介，可以通过信号处理装置读出中执行存储在其上的代码，如软盘、光盘、磁带或硬盘驱动器。这样的代码可以包含对象代码、源代码和/或二进制代码。该代码一般是数字的，一般是用于处理由传统的数字数据处理器(如微处理器、单片机或逻辑电路，如可编程门阵列，可编程逻辑电路/器件或专用集成电路[ASIC])。

因此，本发明的一个方面涉及一种非暂时性的计算机可读介质，包括指令集编码，其适应用在三个正交方向和/或一个角方向上改变固定的试样夹具的位置；水平旋转可旋转的离子光学装置，可旋转的离子光学装置被配置用于指向离子束，其沿着两个路径中的任一个朝向固定试样夹具中的试样上预定区域；选择两个路径中的一个路径来聚焦和指向离子束到试样上的预定区域，其中两路径的角度相对于试样的暴露表面至少相差10°；生成离子束的离子源，将离子束聚焦到试样上的预定区域，并利用成像设备生成包括预定区域的试样的图像。在一些实施例中，该指令集可以进一步用于选择用于产生离子束的多个离子源中的一个。

图20是根据本发明的一个或多个实施例的典型过程控制中的流程图1200。本发明提供在离子束微细加工过程中，使用计算机软件进行实时计算机过程控制铣削深度，平面度和粗糙度。

离子束单元(IBU)控制块1210控制本系统和/或设备的离子源的选择和可旋转的离子光学装置。块1230允许用户选择一个气体供给和可选的其他气体供给参数(例如，流量)给腔，其罩有可旋转的例子光学装置和/或试样。当设备包括多个离子源时，块1232允许用户选择离子源。块1234允许用户选择离子束提取参数，如束能量，束流等。块1236允许用户选择离子光学装置参数，如离子束路径和离子光学的旋转度或程度。块1238允许用户选择光束转向的参数，例如：试样夹具的X,Y和Z坐标和倾斜角。。

铣控制块1220允许用户选择或控制特定的参数和/或限制铣削过程。例如，用户可以在块1242控制铣削选择性，并在1246试样被研磨的区域。或者，当设备包括热成像设备或系统时，用户可以在块1240中限制表面温度。当该设备包括用于确定试样已研磨深度的机构，用户可以使用块1244控制和/或限制深度，该深度是在该试样中铣削和/或打孔，开口或其他切割。当设备包括适当的成像设备和/或分析仪器，用户可以在铣削过程中使用块1248控制和/或限制试样的表面粗糙度。在1250，基于用户设定的端点参数定义，铣削控制块1220还控制铣削过程的端点检测。

因此，在进一步的实施例中，本设备还包括一个通用计算机或工作站，配备显示器、键盘、鼠标、轨迹球或其他光标操纵装置，并配置为执行参考图20所描述的典型软件。为安全起见，本装置可以包括一个独立的开/关按钮(例如，从通用计算机或工作站分开)和/或急救的关闭按钮。

结论

图解和说明已经详细展示了前述的本发明的特殊实施例。本公开并不限于前述实施例，并且很明显，也可以鉴于以上所述的技术，对本发明进行修改和变更。本文选定实施例并对其进行描述，以便最精确地阐述本发明的原理及它的实际应用，从而使所属专业技术领域的其他人员能最大程度的利用本发明及带有各种修改的实施例，以适用于预期的特殊用途。即，由添加至此的权利要求和它们的等效叙述所定义的发明范围。

Claims (24)

1.一种设备包括：

a)试样夹具，用于在静态位置夹持试样；

b)工作台，用于在三正交线方向和角方向上改变试样夹具的静态位置；

c)一或多个离子源；

d)可旋转离子光学装置，用于从所述一或多个离子源中的任一个，以任意角度朝向试样上的预定区域放射离子束，所述任意角度是关于当角方向为0°角时于工作台水平面的正交轴线的夹角；和

e)成像装置，用于产生包括预定区域的试样的图像。

2.权利要求1所述的设备，其特征在于，所述工作台包括第一机构用于在横向方向移动所述试样夹具，第二机构用于在长度方向移动所述试样夹具，第三机构用于在垂直方向移动所述试样夹具，和第四机构用于在角度方向移动所述试样夹具，所述角度方向由横向和纵向的方向定义的平面中的轴线所限定。

3.权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一或多个离子源包括第一离子源和与第一离子源不同的第二离子源。

4.权利要求3所述的设备，其特征在于，所述第一离子源由以下组中选择，惰性气体离子源和第二离子源由以下组中选择，组3，组4,和组5离子源。

5.权利要求3所述的设备，其特征在于，第一离子源包括双等离子体，第二离子源包括液态金属离子源或簇离子源。

6.权利要求1所述的设备，其特征在于，所述离子光学装置包括(i)第一离子路径用于以第一角度发射离子束，该第一角度相对于试样的暴露表面和(ii)第二离子路径用于以第二角度发射离子束，该第二角度相对于试样的暴露表面，第一和第二角度相差至少10°。

7.权利要求6所述的设备，其特征在于，第一和第二路径中的每个聚焦所述离子束至试样上的预定区域。

8.权利要求6所述的设备，其特征在于，所述离子光学装置还还包括第一匹配透镜用于聚焦来自一或多个离子源的离子束，和双向导流板用于指向所述离子束至第一离子路径或的第二离子路径中的一个。

9.权利要求8所述的设备，其特征在于，所述离子光学装置还包括第一导流板用于接收来自一或多个离子源的离子束，和束流监视器用于确定离子束的束流。

10.权利要求8所述的设备，其特征在于，第一离子路径包括束象散器，物镜，束扫描板，第二离子路径包括第二匹配透镜，第二束导流板和四极束校准器。

11.权利要求6所述的设备，其特征在于，所述一或多个离子源和成像装置位于试样夹具和工作台的相对侧。

12.权利要求6所述的设备，其特征在于，所述一或多个离子源和成像装置位于试样夹具和工作台的同侧。

13.权利要求1所述的设备，还包括电机用于旋转所述离子光学装置。

14.权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成像装置包括光学相机，显微镜和/或热可视装置。

15.权利要求1所述的设备，还包括激光器用于以预定剂量的辐射照射预定区域。

16.权利要求1所述的设备，还包括激光干涉仪用于确定在试样上预定区域的离子铣的深度。

17.权利要求1所述的设备，还包括真空腔用于密封罩住至少试样夹具和离子光学装置。

18.一种方法包括：

a)用离子源产生离子束；

b)用可旋转离子光学装置聚焦所述离子束；

c)指向所述离子束沿可旋转离子光学装置中的两个路径中的一个至试样上的预定区域，该试样在静态的试样夹具中，其中，所述两个路径对于试样上暴露表面的夹具的角度差不少于10°；和

d)使用成像装置生成包括预定区域的试样的图像。.

19.权利要求18所述的方法，还包括，在产生离子束前，水平旋转可旋转的离子光学装置。

20.权利要求18所述的方法，其特征在于，所述离子束由若干个可操作连接或可连接至可旋转离子光学装置的离子源中的任何一个所产生。

21.权利要求18所述的方法，还包括，在产生离子束前，在三正交线方向和/或角方向上任意改变静态试样夹具的位置。

22.权利要求21所述的方法，还包括，在改变静态试样夹具位置钱，将试样固定在静态试样夹具上。

23.非暂时性计算机可读介质，包括在其上编译的指令，适用于：

a)三正交线方向和/或角方向上任意改变静态试样夹具的位置；

b)水平旋转离子光学装置，所述可旋转离子光学装置用于指向离子束沿着两路径中的一个至试样上的预定位置，该试样位于静态试样夹具中；

c)选择所述两个路径中的一个用于聚焦和指向所述离子束朝向试样上的预定区域，其中，所述两个路径对于试样上暴露表面的夹具的角度差不少于10°；

d)用离子源产生离子束；

e)聚焦离子束至所述试样上的预定区域；和

f)使用成像装置生成包括预定区域的试样图像。

24.权利要求23所述的计算机可读介质，所述指令还适用于在若干个离子源中选择一个用于产生离子束。