CN110970281A - 生产带有棒的晶片的方法、将棒附连到微操纵器的方法、微操纵器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于生产带有由微操纵器使用的棒的晶片的方法，包括如下步骤：提供基材；将可移除材料层沉积或者生长到基材上；使多个第一孔和多个第二孔形成通过可移除材料层并进入基材；使多个第一通道和多个第二通道形成到可移除材料层中；使填充材料沉积到所述晶片上，以填充通道和孔；以及从基材移除可移除材料层；由多个第一通道形成棒，由多个第二通道形成与棒相连的连接片，由多个第一孔和多个第二孔形成将棒和连接片保持到基材的锚。本发明还提供用于将棒原位附连到微操纵器的自由端的方法、晶片、微操纵器以及用于制备微操纵器的系统。借助本发明的方法，能够可靠且容易地制造出带有多根棒的晶片，从而简化实验室后续操纵过程。

Description

生产带有棒的晶片的方法、将棒附连到微操纵器的方法、微操 纵器及系统

技术领域

本发明涉及一种用于生产带有由微操纵器使用的(尤其是多根)棒的晶片的方法、一种用于将棒从晶片就地/原位附连到微操纵器的自由末端的方法、一种晶片、一种包括自由末端的微操纵器以及一种用于制备纤维操纵器的系统。

背景技术

提升(Lift-Out，LO)技术已被用于特定位点的透射电子显微镜(TEM)和其他分析用途。使用提升技术可以从初始的大块样品制备试样，而几乎无须或根本无须初始的试样制备。这在执行故障或缺陷分析时特别有用，因为可以避免原始晶圆或大块样品的破坏性制备。

使用提升技术需要用于非原位提升(即EXLO)的微操纵器工位，或用于原位提升(INLO)的真空可兼容的微操纵器探针组件。例如，如本领域所熟知的，使用微操纵器或微操纵器组件可将薄片从大块样品转移到透射电子显微镜(TEM)栅格，以进一步减薄(例如，薄片变薄到电子透明度)和/或进行其它分析。

根据目前的实践，薄片提升技术还包括如下步骤、通常是自动步骤：即，将微操纵器的一端原位成形(例如，FIB(聚焦离子束)研磨)成棒，例如成针。该棒或针为大约1.5-2微米见方且长50-70微米(从FIB测量，没有角度补偿)。

例如，如JP2010181339中所述，在从尖端部分去除材料以形成期望的针形状和尺寸之前，用聚焦离子束处理微操纵器尖端部分。该微操纵器的尖端部分通过用于改变位置和方向的移动机构从不同方向进行FIB(聚焦离子束)铣削。即使在操作期间存在微操纵器的尖端中有污染和损坏，微操纵器的尖端也可以通过FIB再生成可重复使用的形状。

然而，即使在操作期间并没有污染或损坏，所形成的针也将在提升(LO)过程中被连续消耗。例如，除了反复磨成所需的针形状和尺寸之外，每次在提升格栅上掉落薄片时，针的一部分就会被消耗。因此，一旦棒用完，微操纵器的针端必须重新形成(即，重新研磨)：每个平面的且自上而下的薄片消耗2微米，每个倒置的薄片消耗3微米。例如，快速提升(EasyLift)针(现有技术中的一种针类型)的最终形状可通过从锥形到长棱柱(即针)的周期性FIB(聚焦离子束)重新成形来控制。

随着针被消耗时，通过探针锐化过程(如图1所示)所去除的材料量增加，并且使快速提升(EasyLift)针的最终形状成形所需的时间相应地增加。例如，将最终形状重新形成所需的针状需要大约30-75分钟。最后，会在某些时候，将最终形状改造成所需的针头变得不切实际，并且必须将腔室排气以便用新的针来替换最终形状。所有这些状况都减少了系统的正常运行时间，并且使整个操作效率低下。

因此，在本领域中需要大大减少管理微操纵器的端部形状所需的时间量。可以在几分钟内完成的过程是期望的。另外，更换微操纵器的最终形状的频次也需要少得多，因为这对整个提升过程非常重要。

发明内容

在第一方面，本发明提供一种用于生产带有由微操纵器(例如，显微操纵器)使用的棒的晶片的方法，该方法包括如下步骤：提供具有第一端部和第二端部的基材；将可移除材料层沉积或者生长到所述基材上；使多个第一孔形成通过所述可移除材料层并进入所述基材，所述多个第一孔布置在所述第一端部的附近；使多个第二孔形成通过所述可移除材料层并进入所述基材，所述多个第二孔布置在所述第二端部的附近；使多个第一通道形成到所述可移除材料层中，多个第一通道至少在所述多个第一孔和所述多个第二孔之间延伸；使多个第二通道形成于所述可移除材料层中，所述第二通道单独地从第一孔或第二孔延伸到所述多个第一通道中的对应一个通道；使填充材料沉积到所述晶片上，以使得形成于所述可移除材料层中和/或所述基材中的通道和孔被填充有所述填充材料；以及从所述基材移除所述可移除材料层；其中，由所述多个第一通道形成棒，由所述多个第二通道形成与所述棒相连的连接片，由所述多个第一孔和所述多个第二孔形成将所述棒和所述连接片保持到所述基材的锚。

在第二方面，本发明提供一种用于生产带有由微操纵器使用的棒的晶片的方法，所述方法包括如下步骤：提供具有端部的基材；将可移除材料层沉积或者生长到所述基材上；使多个第一孔形成通过所述可移除材料层并进入所述基材，所述多个第一孔布置在所述端部的附近；使多个第二通道形成于所述可移除材料层内，所述第二通道单独地在相邻各第一孔之间延伸，并且使相邻各第一孔连接；使多个第一通道形成于所述可移除材料层内，所述第一通道单独地从所述第二通道以相对于所述第二通道的角度延伸，其中，使用所述多个第一通道来形成多根棒；使填充材料沉积到所述晶片上，以使得形成于所述可移除材料层中和/或所述基材中的通道和孔被填充有所述填充材料；以及从所述基材移除所述可移除材料层；其中，由所述多个第一通道形成棒，由所述多个第二通道形成与所述棒相连的连接片，由所述多个第一孔形成将所述棒和所述连接片保持到所述基材的锚

借助上述两种方法中的任一种，能够可靠且容易地制造出带有多根棒的晶片。特别是，棒具有至晶片的连接件，以使得当期望/需要时能切断这些连接件，这简化了实验室后续操纵过程。

在第三方面，本发明提供一种用于将由前述方法生产的棒原位附连到微操纵器的自由端的方法，所述方法包括如下步骤：将具有多根预制的棒的晶片储存在显微镜内；使所述晶片以与所述微操纵器的所述自由端相匹配的角度定向，以使得多根棒定向成与所述角度匹配；使多根棒中的一根棒的第一端邻抵于所述微操纵器的所述自由端；以及将所述棒的所述第一端附连到所述微操纵器的所述自由端上。

在第四方面，本发明提供一种用于将来自晶片的棒原位附连到微操纵器的自由端的方法，所述方法包括如下步骤：从所述晶片如此切下所述棒，以使得所述棒具有第一自由端，而其与所述第一自由端相对的第二端仍连接于所述晶片；使所述棒以与所述微操纵器的所述自由端相匹配的角度定向；使所述棒的所述第一自由端邻抵于所述微操纵器的所述自由端；将所述棒的所述第一自由端附连到所述微操纵器的所述自由端上；以及在所述棒的所述第二端处切下所述棒，以从所述晶片提取整个棒。

借助以上任一种方法，可以大幅减少原本通过FIB磨尖微操纵器的针头的针最终形状所需的时间量。

在第五方面，本发明提供一种晶片，包括：基材；多根棒，所述多根棒与所述基材间隔开并且彼此也间隔开，其中，每根棒纵向上具有第一端部和第二端部；以及连接件，所述连接件用于在所述第一端端部和所述第二端部中的至少一个处连接所述多根棒中的每根棒，并且将每根棒保持于所述基材；其中，通过将所述棒与所述连接件切断，能从所述晶片单独地提取由微操纵器使用的每根棒。

借助这种晶片，可以容易地制造棒，以附接到微操纵器的端部上，然后该棒就成为所需的针。这是一个更快的过程，可以在几分钟内完成。此外，末端形状需要进行更换以及样品室需要不断排气(这些都会导致工具和过程的更长的正常运行时间)的频次大幅降低。

在第六方面，本发明提供一种微操纵器，所述微操纵器包括自由端，其中，所述微操纵器的所述自由端具有与其附连的针，所述针构造成从前述晶片中切下的棒。

在第七方面，本发明提供一种用于制备微操纵器的系统，所述系统包括：如前所述的晶片；如前所述的微操纵器；以及用于将来自所述晶片的棒固定地附连到所述微操纵器的自由端的装置。

在第八方面，本发明提供一种用于生产带有由微操纵器使用的棒的晶片的方法，所述方法包括如下步骤：a)提供具有第一端部和第二端部的基材；b)将棒材料层沉积或者生长到所述基材上；c)使所述棒材料层形成为多根棒以及连接于相邻两根棒之间的连接片，所述棒从所述第一端部延伸到所述第二端部，并且分别具有相对的两个自由端，其中，在所述棒材料层中还留有支撑元件，所述连接片连接到所述支撑元件；d)在所述棒材料层下方形成一层材料，以使得所述一层材料仅向所述棒材料层的所述支撑元件提供支撑。

借助上述方法，能够以更为简单的方式来生产具有多根棒的晶片。特别是，本来直接延伸到基材中的锚可以不再需要了，这可以使得整个生产晶片的效率大幅提高。

在第九方面，本发明提供还一种晶片，包括：基材；多根棒，所述多根棒与所述基材间隔开并且彼此也间隔开，其中，每根棒纵向上具有第一端部和第二端部；连接片，所述连接片用于在所述第一端端部和所述第二端部中的至少一个处连接所述多根棒中的每根棒；以及用于将所述棒和所述连接片保持到所述基材的支撑元件，其中，通过将所述棒与所述连接片切断，能从所述晶片单独地提取由微操纵器使用的每根棒。

借助这种晶片，可以容易地从该晶片切下所需的棒，并且将该棒附连到微操纵器的末端。即，末端形状需要进行更换以及样品室需要不断排气(这些都会导致工具和过程的更长的正常运行时间)的频次能进一步降低。

附图说明

下面包括附图以提供对本公开的进一步理解，并且这些附图被并入并构成本说明书的一部分，它们示出了实施例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1示出了在现有技术中已知的从圆锥杆磨尖出微操纵器的针的示意图；

图2示出了用于生产延伸棒的方法的第一实施例，在该图中已将通道和孔形成到可移除材料中或者形成通过可移除材料并进入基材中；

图3是晶片的示意立体图，该晶片包含多根棒，且在各棒之间有连接件；

图4是包括连接片的晶片的示意平面图，这些连接片已被切去，以从该晶片释放棒的一端；

图5是使微操纵器与棒的一端对准的方法步骤的示意图；

图6是用于将棒附连到微操纵器的自由末端的双束系统的一个实施例的示意图；

图7是图6中所示的系统的硬件示例的示意图；

图8示出用于生产延伸棒的方法的第二实施例，在该图中，已将一层棒材料沉积在基材上；

图9示出用于生产延伸棒的方法的第二实施例，在该图中，光刻胶已沉积在该层棒材料上；

图10示出用于生产延伸棒的方法的第二实施例，在该图中，已经通过光刻方式暴露出光刻胶；

图11示出用于生产延伸棒的方法的第二实施例，在该图中，已发展出光刻胶的图案；

图12示出用于生产延伸棒的方法的第二实施例，在该图中，已根据图11中的图案来蚀刻该层棒材料；

图13示出用于生产延伸棒的方法的第二实施例，在该图中，已剥去光刻胶；

图14示出用于生产延伸棒的方法的第二实施例，在该图中，已蚀刻了一部分的基材；以及

图15是根据图8-14中所示的实施例制成的晶片的示意立体图。

具体实施方式

本领域技术人员将容易理解，本公开的各个方面可以通过被配置为执行预期功能的任何数量的方法和装置来实现。还应注意，本文提及的附图不一定按比例绘制，但可夸大以说明本公开的各个方面，并且就此而言，附图不应被解释为限制性的。

本发明涉及一种用于从块状样品转移薄片的微操纵器及其附连方式。代替使微操纵器的端部在其磨损和/或在各次使用之间原位成形并磨尖成期望的针状，预制的棒(或者预制的延伸件)将被附连到微操纵器(显微操纵器)的自由端部上，以提供期望的微操纵器针。

棒能以多种方式固定到微操纵器，诸如通过焊接、粘结或其它已知的机制，以提供期望的针。例如，当棒被机械地附连到微操纵器时，可将带有该棒的承载件(支架)放置于系统内，并且使用合适的机械保持系统来接合到微操纵器的末端上。使用来自FIB溅射的再沉积材料以将棒固定到微操纵器的端部的其它无化学技术也是可能的。但焊接在此是较佳的，因为焊接对于针的结构要求较低，焊接时间较短且结构稳定性更高。

与从微操纵器的端部形状原位铣削硬的钨质针的方案相比，将棒附加地(或单独地)连接到微操纵器的端部上则是更快的过程，并且可以在几分钟内完成，例如通过使用GIS(气体注入系统，通常与电子束或离子束结合，以获得焊接材料的电子束诱导沉积(EBID)或离子束诱导沉积(IBID)，例如钨)的焊接来进行。另外，由于微操纵器的末端没有或至少消耗很少，因此需要更换微操纵器的末端并且对整个样品室进行通气的频率就会低得多。

在本发明中，揭示了不同形状的预制的棒。棒的横截面可以是圆形、正方形、椭圆形、三角形、矩形或者任何其它合适的规则或不规则形状。此外，各棒也可以呈不同的长度。各棒可以为不同材料或者由不同的构建技术来形成。由于作为杆的较长部分的材料可以附连(接合)到微操纵器以提供针，因此操作期间的整体效率将大大提高。例如，一旦针被消耗，可以将新的棒附连到、诸如焊接到微操纵器的末端，而不是重新更换微操纵器的末端，否则显然需要系统停机时间。

在一些实施例中，各棒在FIB显微镜中原位形成(例如，在预制的模具上使用钨沉积和XeF2)，而在其他实施例中，它们为非原位预制的(例如，在另一个工作站中或者甚至完全与整个操作分开之处)。

各棒可以单独预制，但优选的是它们在批量生产中预制，使得这些棒的尺寸和形状的可重复性更高。但在任何一种情况下，都希望在系统内部的工具中存储大量的预制的棒(例如在带电粒子显微镜或者其它类似的设备中)，从而无需每次棒被消耗了就要对样品室进行排气和重新泵送(真空)。

生产这种棒的第一实施例是采用基材，诸如硅晶圆(也被称为模具100)，下面将详细介绍该第一实施例(如图2-3中所示)。

·在第一步骤中，将一层容易移除的材料(可称为可移除材料或者“牺牲层”)102沉积或积聚到基材104上，基材例如是裸硅基片。替代地，可移除材料102可以生长在基材104的顶上。可移除材料102可以是氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺或本领域已知的任何其他材料。基材104包括在基材上彼此相对的第一端部和第二端部。可移除材料102上也可以具有与此相应的各端部。在本发明的语境中，术语“端部”可以是指纵向端部或者侧向端部。

·在第二步骤中，多个孔106形成(例如，蚀刻)通过可移除材料102并进入基材104中。

在大多数情况下，每个孔延伸穿过可移除材料102并且穿入基材104，并且因此位于可移除材料102中的孔与位于可移除材料102下方的基材104内的孔是对准的。在本文中可以设想所有可能的孔的形状，诸如渐缩的孔或者带有若干台阶部的孔也在本发明的范围内。

有利地，这些孔106在基材104上布置成一行或多行。在基材104的最终(构成)晶片部分的端部附近可形成至少一些孔106，特别是最终晶片的第一端部附近形成一些孔106。优选地，这些孔106被分成两组，即多个第一孔和多个第二孔，它们在最终晶片200(和可移除材料102)上彼此相对，即在晶片200(和可移除材料102)的相对各端上。多个第一孔的数量可以与多个第二孔的数量相同或不同。在一个实施例中，如图4中最佳所示，多个第一孔和多个第二孔可以分别位于基材104的第一端部和第二端部附近。

·在第三步骤中，如图2中最佳所示，多个通道形成(例如，蚀刻)到可移除材料102中、但并不形成到基材104中。

多个第一通道108从可移除材料102的一个端部形成到其另一个端部。当在基材104上和可移除材料102中仅存在多个第一孔时，多个第一通道108可在多个第一孔和可移除材料102的另一端(即第二端部)之间延伸。当同时存在前述多个第一孔和多个第二孔时，多个第一通道108可以在可移除材料102中的多个第一孔和多个第二孔之间延伸。

然而，应注意，短语“A在B和C之间延伸”不限于A和B之间或A和C之间的直接连接，而是仅描述A相对于B和C的相对位置。

替代地，可能有利的是，多个第一通道108可延伸超出多个第一孔和/或多个第二孔(所在范围)(但仍然在可移除材料102的边界内)，但是第一通道108的超出第一和/或第二孔的这种延伸并不是必需的。

多个第二通道110可以形成在相邻的多个第一孔或相邻的多个第二孔之间。换句话说，多个第二通道110可以单独地从第一孔或第二孔延伸到多个第一通道108中的相应一个通道，以使得多个第一孔和多个第二孔能够连接起来。

在本发明中，毫无疑问，第二步骤和第三步骤可以交换它们的顺序，而不影响棒120的产生。

·在第四步骤中，将诸如钨的填充材料沉积到晶片200上，填充在可移除材料102和基材104中形成的孔106和通道。在该步骤中，形成多个棒120及各棒的连接件130。

·在第五步骤(为可选的步骤)中，晶片可在可移除层的顶上经化学机械抛光(CMP)，以重新拉平该晶片。

·在第六步骤中，从基材104移除前述可移除层(即、牺牲层)，并且露出棒120及其连接件130。例如，蚀刻掉包围钨棒的牺牲层。在去除牺牲层之后，切割基材104以形成晶片200。

如图3中最佳所示，各棒120至少在其一端处、优选地在其两端处彼此连接。棒120可延伸超过它们的连接件130，由此可以分别在一侧或两侧上分别具有自由端。

由于棒120及其连接件130通过仅在可移除层102中用例如钨填充第一和第二通道108、110而形成，因此它们与位于它们下方的基材104隔开。用于在其一端或两端处连接棒120的连接件130也可称为“连接片”。

棒120和它们的连接片130通过所谓的柱或锚140连接到基材104，所述柱或锚140可通过在可移除层和基材104中用例如钨之类的填充材料来填充第一和第二孔而形成。因此，除了通过这些柱140连接到硅基材的未经蚀刻区域的少量钨连接片130之外，钨棒120将是独立式的。

在本公开的上下文中，包括多个棒120及其连接件(这些棒具有自由端部)的基材104可以被称为“晶片”。虽然图2-3示出了晶片(chip)200、多根棒以及在晶片200上形成各棒的过程，但是应该理解，该过程可能在晶圆上执行，该晶圆(wafer)随后被切割或劈开以形成包含多根棒在内的晶片200。在可移除层已从基材移除之后，可切割/切分晶片200。这更适合于棒的大规模生产。在后一种情况下，上述孔和通道可以在晶圆上以阵列形式形成，并且特别是用于形成各棒的通道可以是相当长且连续的通道(尤其是彼此平行的直线状通道)，其中孔在相应的通道上排成行。

晶片200上的每根棒120均可以从基材104上切下来，例如通过切割两根相邻的棒120之间的连接件130(即、连接片)。切割步骤将通过本领域已知的任何常规的切割装置进行。

此外，可以将某些特征蚀刻到通道中，以充当成品棒中的基准点。这些基准点可以帮助(机器)视觉定位微操纵器的端部和/或用作还留下多少棒量的视觉指示器。将基准点添加到棒上可以为改进自动提升过程和使该过程自动化以确定何时用完棒均提供了极好的机会。

上述步骤仅属于生产棒的说明性实例。通道的横截面和通道和孔的尺寸不受限制，并且可以根据实际需要而变化。

替代地，制造具有各棒的晶片的第二实施例是直接蚀刻一层杆材料和一部分基材(或其它牺牲层)。现在将详细解释第一实施例和第二实施例(如图8-13所示)之间的主要差异。

·在第一步骤中，提供基材104’(例如，硅基材/衬底)。该基材包括在基材上彼此相对的第一端部和第二端部。

·在第二步骤中，在上述基材上沉积或替代地生长有一层棒材料300。这里不排除在棒材料层和基材之间的任何层。术语“棒材料层”是指用于制造棒的一层材料或者说棒可直接由该杆材料层构成。

·在第三步骤中，所述棒材料层300可以形成、特别是蚀刻成多根棒，其中连接片(tab,突片)330连接在两个相邻各棒之间。棒从第一端部延伸到第二端部，并且分别具有两个相对的自由端。此外，在所述棒材料层中存在支撑元件350，所述连接片可以连接到所述支撑元件。换句话说，在蚀刻之后，棒材料层的剩余部分至少包括棒120’、连接片330和支撑元件350。这里优选各向同性的蚀刻。蚀刻可以是干蚀刻或湿蚀刻。诸如激光铣削的其他方法制造起来不太方便且成本更高。

·在第四步骤中，位于所述棒材料层下方的一材料层可以形成、尤其是蚀刻为使得该材料层仅提供对棒材料层的支撑元件350的支撑。这里，优选各向异性的蚀刻。

优选地，取决于为棒(以及棒材料层)所选择的金属，可以在基材的顶上、棒材料的下方沉积或生长有牺牲层。在上述第二步骤之前，可以在基材的顶上沉积或生长有该牺牲层或前述可移除材料层。在这种情况下，在所述棒材料层下面的被蚀刻的材料层包括所述可移除材料层(牺牲层)。但是当没有提供牺牲层时，在所述棒材料层下面的被蚀刻的材料层则涉及基材的一部分。

此外，可以将该牺牲层或该可移除材料层选择为使得存在各向异性的蚀刻，其将优先蚀刻牺牲层而不损坏棒材料层。例如，如果选择钨作为棒材料，则在棒材料层下面使用SiOx的牺牲层，并且将HF用于蚀刻SiOx，但留下钨。如果使用铝来制成棒，则不会产生牺牲层，并且将使用XeF2蚀刻硅基材、但留下铝。

在图8-15所示的实施例中，棒材料层的支撑元件包括在基材的第一端部和第二端部之一处或附近的端部分。在所述棒材料层下面的材料层被蚀刻，以便为支撑元件350的端部分提供支撑。

但是应该理解到，这种支撑/支承并不限于端部分。如图13中最佳所示，位于所述棒材料层下面的所述材料层被蚀刻成使得在棒材料层300的支撑元件下方形成“墩状物(pier)550”以支撑它们。

此外，根据本发明的方法的第二实施例还可包括在第三步骤之前在棒材料层的顶上沉积或生长有光刻胶(层)400并将所述光刻胶形成图案450的步骤，例如通过光刻法。在这种情况下，在第三步骤中，根据所述图案蚀刻所述棒材料层300。但是，这里不排除与该图案会存在偏差。

根据上述第二实施例，具有多根棒的晶片可以形成有用于连接各棒和支撑元件的连接片，支撑元件用于将棒和连接片保持到基材。换句话说，棒可以经由支撑元件被所述基材支撑，例如在该基材的一端处被支承。而且，可以想到将“墩状物550”作为棒材料层的支撑元件350和基材104’之间的支撑媒介。

在第二实施例中，当与第一实施例相比时，锚(anchor，锚固件)可能不一定一直到达基材(即，没有如第一实施例中的情况那样使锚延伸到基材中)并且“墩状物”的确连接到基材。如果在第二实施例中在基材的顶上可选地存在牺牲层，则由于从牺牲层蚀刻出的“墩状物”在基材和棒材料层(即、其支撑元件)之间延伸，所以锚不必完全接触到该基材。

因此，在第二实施例中，第一实施例的锚设计已经从沉入基材中的柱改变为将杆(机械地和/或电气地)连接到顶部棒材料层的其余部分的墩状物。这在选择牺牲层方面可允许更大的灵活性，同时仍保持使是棒电接地的能力。作为附带的好处，这也为棒提供了一些保护措施，以防止在操纵期间受到物理损坏，因为它们没有立在基材上(或者至少不需要设置成将它们凹入基材中)。

接下来，将如图4-5所示描述将棒安装到微操纵器的示例性实施例。

为了将棒附连到微操纵器，在本公开中涉及系统(参见图6-7中所示的双束系统)或工位。

除了微操纵器160和晶片200之外，这种系统至少包括用于将棒120固定地连接到微操纵器160的自由端的装置。这种装置可以包括几个部件，这将在下面进一步说明。此外，该系统包括晶片库存盒，用于储存可在需要时使用的多张晶片。

例如，该系统可以包括夹具或固定装置(在附图中未示出)，晶片200安装在该夹具或固定装置上，使得该晶片200中的棒120以与微操纵器160的自由端匹配的角度定向，且棒120的端部122抵靠于微操纵器160的自由端。替代地，也可以将整个晶片定向成与微操纵器的自由端匹配的角度，使得多个棒可以定向成与微操纵器的自由端相匹配的角度。在一些情况下，微操纵器160的端部还需要稍微成形到它可以焊接到预制的棒上的程度，但在其他情况下这显然不是必须的。

在棒120被焊接到微操纵器160上(例如，通过使用标准的钨GIS工艺)的实施例中，将晶片200旋转以面向FIB。这里，用于使晶片200旋转以面向切割装置的装置和/或用于旋转棒以将其附接到微操纵器160的装置可以附加地包括在该系统中。

然后，如图4清楚所示，切割针对该棒120的除了一个连接片130之外的所有连接片130。对于在两个纵向端部上具有用于连接相邻各棒的连接片130的棒120，在该步骤中需要例如切三次。对于仅在其一端具有连接片130的棒120，只需要切一次。在这种情况下，该系统包括切割装置，该切割装置用于从晶片200切下棒120，其中第一端部首先被切割，第二端部再被切割。

替代地，两个直接相邻的连接片在附连到、例如焊接到微操纵器的自由端(与基材分离)之前是未被切割的。在这种情况下，暂时保留两个最接近的连接片(而不是单个连接片)未被切割对于在焊接时尽可能少的弯曲是更佳的。

一旦切割了这些连接片，就旋转晶片200，使得棒120平行于微操纵器160，如图5所示。然后，使用钨或其它合适的材料以离子束诱发沉积(IBID)的方式将钨棒120焊接到钨针上。切下最后一个连接片，并从晶片200提走该棒。

一旦棒120附连到微操纵器的自由端(与基材分离)，可以通过旋转棒120来加强焊接(例如旋转180度，以从其另一侧加强焊接)并且在接合点处添加更多的钨。但这一步是可选的。然后将微操纵器160重新对准延伸部分的末端并使用，直到棒120被消耗。

应该注意的是，由于该系统中的固定装置或夹具可能很小并且可能留在样品室中，因此针对新的棒的整个焊接程序可以完全自动化并且对用户是无缝的。

图6示出了用于执行上述方法的系统的实施例。该系统是双束系统10，其具有垂直安装的柱106(例如SEM柱)和与垂直方向成一角度(例如，大约52度的角度)安装的聚焦离子束(FIB)柱。如上所述，可以通过使用来自晶片200的棒来替换带针的操纵器。这种双束系统可从例如美国俄勒冈州希尔斯伯勒的FEI公司商购获得。

关于该系统的更多细节，该系统的具体示例在图7中示出。虽然下面提供了合适的硬件，但是本发明不限于以任何特定类型的硬件实现。

扫描电子显微镜41与电源和控制单元45一起设置有双束系统10。通过在阴极52和阳极54之间施加电压，从阴极52发射电子束43。电子束43通过聚光透镜56和物镜58被聚焦成一个小点。借助于偏转线圈60电子束43被二维扫描在试样上。聚光透镜56、物镜58和偏转线圈60的操作由电源和控制单元45进行控制。

电子束43可以聚焦到基材104上，该基材104位于下腔室26内的可移动X-Y台25上。当电子束中的电子撞击到基材104时，发射二次电子。如下所讨论的，这些二次电子由二次电子检测器40检测到。位于TEM样品架24和台25下方的STEM检测器62可以收集传送通过安装在TEM样品架上的样品的电子。

双束系统10还包括聚焦离子束(FIB)系统11，该系统包括具有上颈部12的真空室，在该真空室内设置有离子源14和包括提取器电极和静电光学系统的聚焦柱16。聚焦柱16的轴线与电子柱的轴线倾斜一角度，例如成52度。离子柱12包括离子源14、引出电极15、聚焦元件17、偏转元件20和聚焦离子束18。该聚焦离子束18从离子源14通过聚焦柱16并且在静电偏转装置之间(以20示意性地示出)朝向基材104，其包括例如位于下腔室26内的可移动XY台25上的半导体器件。

台25可以优选地在水平平面(X和Y轴)上和垂直(Z轴)地移动。该台25也可以倾斜大约六十(60)度并绕Z轴旋转。在一些实施方案中，可以使用单独的TEM样品台(未示出)。这样的TEM样品台也优选地可在X、Y和Z轴上移动。打开门61，以将基材104插入X-Y平台25上，并且如果使用的话，还用于维修内部气体供应储箱。门是互锁的，因此如果系统处于真空状态，它就无法打开。

离子泵68用于抽空颈部12。腔室26在真空控制器32的控制下用涡轮分子和机械泵送系统30抽空。真空系统在腔室26内提供大约1×10^-7托与5x 10^-4托之间的真空。如果使用蚀刻辅助气体、蚀刻延迟气体或沉积前体气体，则腔室背景压力可升高，通常为约1×10^-5托。

高压电源向聚焦柱16中的电极提供适当的加速电压，用于激励和聚焦离子束18。当离子束撞击到基材104时，从样品溅射被物理喷射的材料。替代地，离子束18可以分解前体气体以沉积材料。

高压电源34连接到液态金属离子源14以及离子束聚焦柱16中的适当电极，以形成大约1keV到60keV的离子束18，并将其导向于样品。根据由图案产生器38提供的规定图案操作的偏转控制器和放大器36联接到偏转板20，由此可以手动或自动控制离子束18以在基材104的上表面上描绘出相应的图案。在一些系统中，偏转板放置在最终透镜之前，如本领域所公知的那样。当消隐控制器(未示出)向消隐电极施加消隐电压时，离子束聚焦柱16内的光束消隐电极(未示出)使离子束18撞击到消隐孔(未示出)、而不是基材104上。

液态金属离子源14通常提供镓的金属离子束。该离子源通常能够在基材104处聚焦成亚十分之一微米宽的光束，以通过离子研磨、增强蚀刻、材料沉积来修改基材104或者是出于对基材104成像的目的。

用于检测二次离子或电子发射的带电粒子检测器40、例如EverhartThornley检测器或多通道板可连接到视频电路42，该视频电路42向视频监视器44提供驱动信号，并从系统控制器19接收偏转信号。带电粒子检测器40在下腔室26内的位置可以在不同实施例中变化。例如，带电粒子检测器40可以与离子束同轴，并且包括用于允许离子束通过的孔。在其他实施例中，可以通过最终透镜收集二次粒子，然后从轴上转移二次粒子以进行收集。

微操纵器160、例如来自德克萨斯州达拉斯的Omniprobe公司的AutoProbe 1000^TM，或来自德国罗伊特林根的Kleindiek纳米技术公司的MM3A型可以精确地移动真空室内的物体。微操纵器160可包括位于真空室外部的精密电动机48，以提供位于真空室内的部分49的X、Y、Z和θ控制。微操纵器160可以配备有不同的末端执行器，用于操纵小物体。在本文所述的实施例中，末端执行器是薄型探针50。

气体输送系统46延伸到下腔室26中，用于将气态蒸汽引入并引向基材104。Casella等人的题为“用于粒子束加工的气体输送系统”的美国专利号5,851,413描述了一种合适的气体输送系统46。另一种气体输送系统描述于美国专利4,522,587中。Rasmussen的美国专利5,435,850描述了一种“气体注入系统”。例如，可以递送碘以增强蚀刻，或者可以递送金属有机化合物以沉积金属。

系统控制器19控制双束系统10的各个部分的操作。通过系统控制器19，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扫描离子束18或电子束43。或者，系统控制器19可以根据存储在存储器21中的编程指令控制双束系统10。

在一些实施例中，双束系统110包括图像识别软件，例如可从马萨诸塞州纳蒂克的康耐视公司(Cognex Corporation，Natick，Massachusetts)商购的软件，以自动识别感兴趣的区域，然后系统可根据本发明手动或自动提取样品。例如，系统可以自动定位包括多个设备的半导体晶片上的类似特征，并在不同(或相同)设备上采集这些特征的样本。

上述实施例使用现有的、强大的GIS技术将棒原位/就地牢固地焊接到微操纵器的端部上。但是，将棒附连到微操纵器的端部上的其他机械或化学方法也在本公开的范围内。

本发明的创新思想是将大量可用的棒装入小包装中。由此可以根据需要形成各棒，而不是在显微镜外部制造并且在使用之前在显微镜内一次成形一根棒。可以将该小包装插入显微镜中以获得已经处于期望尺寸的各针的库存，其可以在需要时使用，而不是需要及时成形过程的一次成形一个。因此，根据本发明的构思将大大简化操作，因为可以将各棒集成到所涉及的系统/组件/工位中。

作为比较例，现有的针磨锐处理的负担可以是整个操作过程的3％-8％。原位棒连接的负担将占整个操作过程的0.3-0.7％。有关针头储备量的成本，倒置的制备负担和平面视图制备负担的详细比较将在下面的表1中说明。术语“倒置的…”和“平面图…”是指当形成薄片时的样品的定向，其不构成对本发明的范围的限制。

在一些实施例中，用于一年供应棒的晶片可以测量为约7.5mm×0.5mm，其可以容易地存储在显微镜内。关于针头消耗和晶片尺寸要求的详细比较将在下面的表2中解释。

·表1：在小双束(SDB)，晶圆双束(WDB)和棒(rod)之间的针头储备量成本、倒置的制备负担和平面图的制备负担的比较：

·表2：针消耗量和晶片尺寸要求

上面已经一般性地并且关于具体实施例描述了本申请的发明。对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在实施例中进行各种修改和变化。因此，实施例旨在覆盖本发明的修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (23)

1.一种用于生产带有由微操纵器使用的棒的晶片的方法，所述方法包括如下步骤：

-提供具有第一端部和第二端部的基材；

-将可移除材料层沉积或者生长到所述基材上；

-使多个第一孔形成通过所述可移除材料层并进入所述基材，所述多个第一孔布置在所述第一端部的附近；

-使多个第二孔形成通过所述可移除材料层并进入所述基材，所述多个第二孔布置在所述第二端部的附近；

-使多个第一通道形成到所述可移除材料层中，所述多个第一通道至少在所述多个第一孔和所述多个第二孔之间延伸；

-使多个第二通道形成于所述可移除材料层中，所述第二通道单独地从第一孔或第二孔延伸到所述多个第一通道中的对应一个通道；

-使填充材料沉积到所述晶片上，以使得形成于所述可移除材料层中和/或所述基材中的通道和孔被填充有所述填充材料；以及

-从所述基材移除所述可移除材料层；

其中，由所述多个第一通道形成棒，由所述多个第二通道形成与所述棒相连的连接片，由所述多个第一孔和所述多个第二孔形成将所述棒和所述连接片保持到所述基材的锚。

2.一种用于生产带有由微操纵器使用的棒的晶片的方法，所述方法包括如下步骤：

-提供具有端部的基材；

-将可移除材料层沉积或者生长到所述基材上；

-使多个第一孔形成通过所述可移除材料层并进入所述基材，所述多个第一孔布置在所述端部的附近；

-使多个第二通道形成于所述可移除材料层内，所述第二通道单独地在相邻各第一孔之间延伸，并且使相邻各第一孔连接；

-使多个第一通道形成于所述可移除材料层内，所述第一通道单独地从所述第二通道以相对于所述第二通道的角度延伸，其中，使用所述多个第一通道来形成多根棒；

-使填充材料沉积到所述晶片上，以使得形成于所述可移除材料层中和/或所述基材中的通道和孔被填充有所述填充材料；以及

-从所述基材移除所述可移除材料层；

其中，由所述多个第一通道形成棒，由所述多个第二通道形成与所述棒相连的连接片，由所述多个第一孔形成将所述棒和所述连接片保持到所述基材的锚。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，每根棒能通过从与所述棒连接的所述连接片切下棒来单独地从所述晶片提取。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在从所述基材移除所述可移除材料层之前，使所述可移除材料层的顶上被化学机械抛光，以重新拉平所述晶片。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，晶圆包括包含多根棒的多个晶片，且从所述晶圆切分出各个晶片。

6.一种用于将由如权利要求1或2所述的方法生产的棒原位附连到微操纵器的自由端的方法，所述方法包括如下步骤：

-将具有多根预制的棒的晶片储存在显微镜内；

-使所述晶片以与所述微操纵器的所述自由端相匹配的角度定向，以使得多根棒定向成与所述角度匹配；

-使多根棒中的一根棒的第一端邻抵于所述微操纵器的所述自由端；以及

-将所述棒的所述第一端附连到所述微操纵器的所述自由端上。

7.一种用于将来自晶片的棒原位附连到微操纵器的自由端的方法，所述方法包括如下步骤：

-从所述晶片如此切下所述棒，以使得所述棒具有第一自由端，而其与所述第一自由端相对的第二端仍连接于所述晶片；

-使所述棒以与所述微操纵器的所述自由端相匹配的角度定向；

-使所述棒的所述第一自由端邻抵于所述微操纵器的所述自由端；

-将所述棒的所述第一自由端附连到所述微操纵器的所述自由端上；以及

-在所述棒的所述第二端处切下所述棒，以从所述晶片提取整个棒。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述棒的所述第一自由端通过原位焊接而附连到所述微操纵器的所述自由端。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，能通过将所述棒围绕其自身中心轴线旋转180度并且从另一侧焊接所述棒的所述第一自由端来增强焊接。

10.如权利要求7-9中任一项所述的方法，其特征在于，通过根据权利要求1或2的方法生产所述棒，并且在焊接之前，除了一个连接片其它所有连接片均被切断。

11.如权利要求7-9中任一项所述的方法，其特征在于，通过根据权利要求1或2的方法生产所述棒，并且在焊接之前，只有两个直接相邻的连接片未被切断。

12.一种晶片，包括：

基材；

多根棒，所述多根棒与所述基材间隔开并且彼此也间隔开，其中，每根棒纵向上具有第一端部和第二端部；以及

连接件，所述连接件用于在所述第一端端部和所述第二端部中的至少一个处连接所述多根棒中的每根棒，并且将每根棒保持于所述基材；

其中，通过将所述棒与所述连接件切断，能从所述晶片单独地提取由微操纵器使用的每根棒。

13.一种微操纵器，所述微操纵器包括自由端，其中，所述微操纵器的所述自由端具有与其附连的针，所述针构造成从根据权利要求12的晶片中切下的棒。

14.一种用于制备微操纵器的系统，所述系统包括：

如权利要求12所述的晶片；

如权利要求13所述的微操纵器；以及

用于将来自所述晶片的棒固定地附连到所述微操纵器的自由端的装置。

15.一种用于生产带有由微操纵器使用的棒的晶片的方法，所述方法包括如下步骤：

a)提供具有第一端部和第二端部的基材；

b)将棒材料层沉积或者生长到所述基材上；

c)使所述棒材料层形成为多根棒以及连接于相邻两根棒之间的连接片，所述棒从所述第一端部延伸到所述第二端部，并且分别具有相对的两个自由端，其中，在所述棒材料层中还留有支撑元件，所述连接片连接到所述支撑元件；

d)在所述棒材料层下方形成一层材料，以使得所述一层材料仅向所述棒材料层的所述支撑元件提供支撑。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，将所述棒材料层形成为带有连接片的多根棒涉及将所述棒材料层蚀刻成带有连接片的多根棒，且在所述棒材料层下方形成一层材料涉及在所述棒材料层下方蚀刻所述一层材料。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述棒材料层的所述支撑元件包括位于所述基材的所述第一端部和所述第二端部中的一者处或附近的端部分，且在所述棒材料层下方蚀刻所述一层材料以使得提供对所述支撑元件的所述端部分的支撑。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述棒材料层下方蚀刻所述一层材料以使得在所述棒材料层的所述支撑元件下方形成桥墩以支承所述支撑元件。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括在步骤b)之前将一层可移除材料沉积或者生长于所述基材的顶上，其中，在所述棒材料层的下方的经蚀刻的所述一层材料涉及所述可移除材料层。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述棒材料层的下方的经蚀刻的所述一层材料涉及所述基材的一部分。

21.如权利要求15-18中任一项所述的方法，其特征在于，还包括将光刻胶沉积或者生长于所述棒材料层的顶上，并且在步骤c)之前借助光刻使所述光刻胶形成为图案，其中，在步骤c)中，根据所述图案来蚀刻所述棒材料层。

22.一种晶片，包括：

基材；

多根棒，所述多根棒与所述基材间隔开并且彼此也间隔开，其中，每根棒纵向上具有第一端部和第二端部；

连接片，所述连接片用于在所述第一端端部和所述第二端部中的至少一个处连接所述多根棒中的每根棒；以及

用于将所述棒和所述连接片保持到所述基材的支撑元件，

其中，通过将所述棒与所述连接片切断，能从所述晶片单独地提取由微操纵器使用的每根棒。

23.如权利要求22所述的晶片，其特征在于，所述棒经由所述支撑元件在所述基材的至少一端处由所述基材来支撑。

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