CN1766592B - 真空室中样品形成和微量分析的方法和装置 - Google Patents

真空室中样品形成和微量分析的方法和装置 Download PDF

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Abstract

公开了在真空室中形成目标物样品、从该目标物提取样品和对该样品进行微量分析的方法和设备，该微量分析包括表面分析和电子透明度分析。在一些实施例中，提供了一种用于对提取的样品的目标横截面成像的方法。可选择地，在该真空室内反复薄化和成像该样品。在一些实施例中，该样品位于包括可选择的孔的样品支撑件上。可选择地，该样品位于该样品支撑件的表面上以使得该目标横截面基本上平行于样品支撑件表面。一旦安装在样品支撑件上，就或在该真空室中对该样品进行微量分析，或将其装载到装载站上。在一些实施例中，通过基本上垂直地入射到目标横截面的电子束来对该样品成像。

Description

真空室中样品形成和微量分析的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2004年7月14日提出的美国临时申请序列No.60/588272的优先权，通过全文参考将其并入这里。
发明领域
本发明总体上涉及半导体器件监视，特别是用于测试制造出的器件的内部结构的薄样品的制备和成像。
发明背景
在对电子材料和用于将这些材料制造成电子结构的工艺的研究中，为了故障分析和器件有效性检查，经常将电子结构的样本用于微观检验。例如，经常在扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)中分析电子结构比如硅晶片的样本，以研究晶片中的具体特有性能。这种特有性能可包括制造的电路和在制造过程期间形成的任何缺陷。电子显微镜是用于分析半导体器件的微观结构的最有用设备之一。
在预备用于电子微观检验的电子结构的样本中，能利用各种抛光和粉碎工艺来剖开该结构直到露出具体特有性能。
随着连续地减小器件尺寸至亚半微米级，用于制备在电子显微镜中研究的样品的技术变得越来越重要。由于光学显微镜的无法接受的分辨率，所以通过光学显微镜研究结构的传统方法就不能用来研究现代电子结构中的特征。
在聚焦离子束(FIB)技术中，将聚焦离子束用于局部淀积或去除材料。当通过高强度源产生时，典型的离子束具有尺寸小于100nm的聚焦光斑。这种高强度离子源可以是液态金属离子源或气体场离子源。这些源都具有针型形态，其依靠场电离或蒸发来产生离子束。在产生离子束后，使离子束在高真空中偏转并将其引导至期望的表面区域。该聚焦离子束能合适地用于半导体加工工业中的切割或贴附方法中，以执行电路修复、掩模修复或显微机械加工工艺。通过用聚焦离子束局部溅射到表面来执行普通的切割工艺。
在离子束粉碎工艺中，可选择地通过聚焦成亚微米直径的一束离子比如Ga+来蚀刻材料，该技术通常被称为聚焦离子束蚀刻或粉碎。FIB粉碎对于在掩模或集成电路上重构图案和对于微结构的诊断横切是非常有用的技术。在典型的FIB蚀刻工艺中，离子束比如Ga+入射在将要蚀刻的表面上并且使该离子束偏转以产生期望的图案。该聚焦离子束能用来辐射样品表面以在电子结构的表面上形成空腔，以检查用于电子微观检查的该结构的特有性能。
FIB工艺利用初离子束在高电流时去除材料层并且观察在低电流时重新形成的表面。通过检测当通过这些离子辐射该表面时从样品表面发射的二次电子来完成该表面观察。使用检测器接收从该表面发射的二次电子以形成图象。即使FIB方法不能产生象在SEM/TEM中可获得的高分辨率图象，FIB方法也能用来充分地鉴别重新形成的包含将要被检查的特有性能的横切表面。该FIB技术用于执行下至5-10nm分辨率观察的可能性使得能够在电子结构中进行精确平面的切割，以使得可随后通过SEM或TEM技术以高于FIB能获得的分辨率检查该电子结构。
尽管TEM技术能提供比使用SEM技术能得到的更高分辨率图象和其内部结构的更详细描述，但是它们仅对电子透明样品有效。因此，对于TEM样品来说基本需求是该样品必须足够薄以使该电子束能穿透并且足够薄得能避免多路散射，多路散射能导致图象模糊。但是，在现有技术中知道从晶片中提取的薄样品可能是易碎的并且易破碎或破裂。而且，加工提取薄样品的易碎的薄提取样品装置难以自动化，因此阻碍了使这些工艺自动化的工作。目前正需求获得和成像TEM样品的可靠且自动化的技术，以使TEM取样成为半导体分析和生产的可行部分。
用于以纳米级空间分辨率指导电子透明度分析的另外的技术是扫描透射电子显微镜(STEM)。该TEM是一种装置，在该装置中将电子束辐射在样品上并且使用透镜放大发射的电子束。另一方面，STEM是一种装置，在该装置中将电子束聚焦在微区域且当该电子束在该样品上扫描时通过测量发射的电子束的强度获得二维图象。通过参考并入此的US20030127595公开了用于扫描透射电子显微镜的方法和装置。
在单个器件中能通过自动、多层柱工具组合SEM和FIB、用于获得和成像SEM样品的自动技术已众所周知，并且其在自动检查缺陷中运用并用于加工监测。这种多层柱工具的商用模型的样例包括SEMVisionTMG2FIB(Applied Materials，Santa Clara，CA)和DualBeamTM(FEI公司，Hillsboro，Oregon)。值得注意的是SEMVisionTMG2FIB也用于工艺控制。
下面是例举的美国专利列表，所公布的美国专利申请公开了潜在的相关背景材料。每一个下面的美国专利和公开的美国专利申请通过全文参考并入此：
Li等人的名为“透射电子显微镜样品的制备”的美国专利6,194,720；
本发明人之一和共同工作者的名为“用于引导铣床的系统和方法”的美国专利6,670,610；
Kelly等人的名为“取样用于微量分析的样品的方法”的美国专利6,700,121；
Kelly等人的名为“取样用于微量分析的样品的方法”的美国公布的专利申请2001/0044156；
Moore等人的名为“用于样品分离和提走的方法”的美国公布的专利申请2001/0045511；
Alani的名为“用于电子镜检样品制备的离子束切割系统和方法”的美国公布的专利申请2002/0000522；
Moore等人的名为“用于从带电粒子仪器提取样品的总释放方法”的美国公布的专利申请2002/0121614；
Robinson等人的名为“透射电子显微镜样品制备”的美国公布的专利申请2004/0245466；
Adachi等人的名为“样品生产装置”的美国公布的专利申请2004/0129897；
Grunewald的名为“用于透射电子镜检的样品制备”的美国公布的专利申请2004/0164242；
Iwasaki等人的名为“微量取样拾取装置和微量取样拾取方法”的美国公布的专利申请2004/0246465；
Rasmussen的名为“样品操纵系统”的美国公布的专利申请2004/0178355。
近来，在大多半导体生产设施中，用于镜检分析的半导体晶片的电子透明样品在现场获得，并因此运往电子镜检实验室以用于电子透明度分析。
工艺监视延迟的时间和仅在某一延迟时间后的生产工艺中鉴别出缺陷对于半导体生产是昂贵的。因此，期望尽可能并且优选在现场鉴别有缺陷的生产工艺。
目前正需求用于电子镜检微量分析的从晶片提取样品的方法和系统。优选地，这些方法能以单独的工具实现。更优选地，这种方法能在单独的工具中自动化，以有利于它们结合半导体生产工艺。优选地，这些方法允许样品提取而不在晶片中钻孔、分割晶片，或换句话说不会在样品提取后交付不可使用的半导体晶片。
而且，目前知道在缺陷分析和工艺控制分析的环境中，经常需要对晶片样品的横截面成像。因此，正需求用于微量分析包含特有性能的样品横截面的技术。
发明内容
可以通过本发明的几个方面来满足上述的需求。
现在第一次公开了一种从位于真空室中的目标物形成和提取样品以及对该真空室里的该样品执行电子透明度分析的方法和装置。公开的装置包括真空室、用于形成该样品的离子束源、用于提取和操纵该样品的机器人操纵器和用于对该样品成像的第一电子镜检装置，以使电子束的至少第一部分横断该样品的至少一部分。
根据许多实施例，该离子束源、机器人操纵器和第一电子镜检装置都至少部分地位于真空室内。
根据一些实施例，该装置还包括至少一个用于支撑该目标物和可选择地支撑该样品的台阶。
在一些实施例中，该台阶包括配置的以支撑200mm或更大晶片的支撑面。
在一些实施例中，该台阶包括具有至少30,000平方毫米的表面面积的支撑面。
在一些实施例中，提供一个台阶用于支撑目标物和样品。在另外的实施例中，提供一个台阶用于支撑该目标物，并且提供分离的台阶用于支撑该样品。在另一些实施例中，仅为该目标物提供仅仅一个台阶，并且在通过探针或针连接并支撑的同时，该样品实施电子透明度分析。
根据一些实施例，至少一个台阶是可移动的。
在一些实施例中，离子束源是相对于支撑目标物的台阶可倾斜的离子束柱。
根据一些实施例，第一电子镜检装置包括：电子束源，用于发射电子束；以及电子检测器，用于探测电子束第一部分产生的电子，该电子束横断该样品的至少一部分，每一个至少部分地位于真空室里。在一些实施例中，电子束源和电子检测器位于支撑样品的台阶的上表面的相对侧。
根据一些实施例，配置该电子束源以在能量足够高时发射电子束以横断电子薄样品。
在一些实施例中，第一电子镜检装置是STEM装置。可选择地，第一电子镜检装置为TEM装置。
可选择地，当前公开的装置还包括用于对提取的样品做表面分析的检测器。因此，一些实施例还提供至少一个附加的电子检测器以用于探测电子散射离开提取的样品表面产生的电子。在一些实施例中，电子检测器可操作以探测电子束的第二部分散射离开提取的样品表面产生的电子。在具体的实施例中，第一电子镜检装置包括SEM电子柱、STEM检测器和用于探测二次和/或反向散射电子的SEM检测器。
电子的散射离开样品表面产生的典型电子包括二次电子、反向散射的电子和俄歇电子。
可选择地，该装置包括x射线检测器，用于探测电子束散射离开样品表面产生的x射线。
在一些实施例中，公开的装置包括可选的第二指定电子镜检装置以用于电子透明度分析。在一些实施例中，配置第一电子镜检装置以不仅用于电子透明度分析而且还用于表面分析，而第二电子镜检装置优选用于电子透明度分析。
在一些实施例中，第二电子镜检装置是STEM装置。可选择地，第二电子镜检装置为TEM装置。
在一些实施例中，当前公开的装置包括两个或更多电子束源、两个或更多电子束柱以及多重检测器。
根据一些实施例，控制器可操作地耦合到选自离子束源、电子镜检装置、第二电子镜检装置、机器人操纵器和控制台阶运动的发动机中的至少一个部件。在一个具体实施例中，程序设计该控制器以执行在此公开的至少一个方法，以用于由该目标物形成的且可选择地安装在样品支撑件上的样品的电子透明度分析。
根据一些实施例，机器人操纵器包括双向连接到该样品的探针或针。
根据一些实施例，电子镜检装置包括透射电子镜检装置。可替换地，电子镜检装置包括扫描透射电子镜检装置。
根据一些实施例，该装置还包括至少一个带电粒子检测器，比如适合于探测样品或目标物遇到离子束产生的离子和/或电子的离子检测器或电子检测器。
在许多实施例中，期望提取的样品在相同工具中进行表面分析，其中样品由目标物构成。典型的表面分析技术包括SEM成像、x射线和俄歇电子探测。
现在第一次公开了用于形成、提取和成像晶片样品的装置，其包括真空室、至少部分地位于真空室里的用于形成该样品的离子束源、至少部分地位于真空室里的用于提取和操纵该样品的机器人操纵器、用于散射电子束离开样品表面的电子束源和用于检测样品遇到电子束产生的俄歇电子的俄歇电子检测器。
现在第一次公开了用于形成、提取和成像晶片样品的装置，其包括真空室、至少部分地位于真空室里的用于形成该样品的离子束源、至少部分地位于真空室里的用于提取和操纵该样品的机器人操纵器、用于散射电子束离开样品表面的电子束源和用于检测样品遇到电子束产生的x射线的x射线检测器。
根据本发明的一些实施例，提供了在真空室中样品形成和成像的方法。该方法包括：将目标物放置在真空室中；从目标物形成样品和对该样品成像以使电子束的至少一部分横断样品的至少一部分。值得注意的是在一些实施例中，形成和成像在真空室中完成。
根据一些实施例，目标物基本上是圆柱形状目标物比如半导体晶片。根据其它实施例，该目标物是棱柱形的目标物比如模具。
根据一些实施例，在形成阶段期间，穿透该目标至目标厚度的至多10％的深度。根据其它实施例，在形成阶段期间，穿透该目标至目标厚度的至多3％、5％、20％或50％的深度。
根据一些实施例，形成的样品适合位于样品支撑件上且当位于样品支撑件上时就地成像。根据一些实施例，使用机器人操纵器达到该位置。
根据一些实施例，形成阶段包括聚焦的离子或电子束切割。根据本发明的一些实施例，形成阶段排除机械劈开。根据本发明的一些实施例形成阶段排除激光切割。
根据一些实施例，形成阶段包括从由离子束切割和电子束切割组成的组中选择的束切割。
不希望理论约束，因为它们仅在提取样品的区域附近损坏了该晶片，所以现在公开了用于样品形成的方法是值得期望的，其中形成阶段包括离子束切割且排除机械劈开。
根据具体实施例，形成阶段包括使用离子束在目标物中进行第一切割，该第一切割至少部分围绕该目标物表面上的目标位置并且使用离子束在该目标物中与该目标物平面成锐角地进行第二切割，因此底割该目标位置。
可选择地，形成阶段包括使FIB柱相对于台阶倾斜，该目标物定位在该台阶上。可替换地或可选择地，使台阶自身倾斜。
在一些实施例中，形成阶段包括在目标物平面内旋转该目标物。
根据具体实施例，样品支撑件包括至少一个孔。根据具体实施例，电子束切断一个孔的至少一部分。根据具体实施例，在该孔上定位该样品的至少一部分。
根据一些实施例，成像包括对样品的目标横截面成像。根据一些实施例，对该样品成像以使电子束基本垂直地入射在样品的目标横截面上。不希望受理论限制，现在在一些实施例中公开的对样品的目标横截面成像揭示了该目标物横截面的详细内部结构，并且其在缺陷分析中是有用的。
根据一些实施例，在样品支撑件表面上定位该样品，以使样品的目标横截面基本上平行于样品支撑件的表面。不希望受理论限制，现在公开的在样品支撑件上以该方向定位样品在某些情形下是有用的，在这些情形中因此期望在相对横截面的预定方向对横截面辐射粒子束。
根据一些实施例，样品包括具有两个基本上平行的表面的部分。
根据一些实施例，样品包括具有两个基本上平行的表面的部分，该两个表面基本上垂直于样品的外部表面。
可选择地，在样品支撑件上安装样品后，样品在成像前和/或之后进一步变薄。在一些实施例中，样品变薄包括对样品的目标横截面辐射聚焦的离子束，该聚焦离子束垂直入射到目标横截面。
根据一些实施例，样品支撑件包括TEM栅格。
在一些实施例中，样品支撑件是圆柱形状的并且正好包括一个孔。
样品支撑件包括现有技术中已知的任何合适的材料。合适的材料包括但并不限于铜、镍、钼和铂。
在其它的实施例中，样品支撑件除了TEM栅格，还优选为大部分固态的扁平支撑件，在该固态扁平支撑件中，至少一个孔决不占据样品支撑件上表面压倒的大部分。不希望受理论限制，已发现这种样品支撑件的使用稳定了该工艺，因此该样品位于该样品支撑件上，再次排除了该方法需要专业技术人员完成。
根据一些实施例，至少一个孔占据少于样品支撑件表面面积的98％左右。根据具体实施例，至少一个孔占据少于样品支撑件表面面积的50％左右。
根据一些实施例，样品包括具有两个基本上平行的表面的部分，并且探针以几何方向贴到样品上，以使得当从该目标物中提取样品并旋转样品时样品的一个平行表面面向地离开该目标物。
根据一些实施例，在成像前探针贴到样品上。一个贴附探针的典型位置是形成的样品的外部表面。
根据一些实施例，探针基本上不平行于外部表面。
根据一些实施例，探针定向地远离外部表面。可选择地，探针以与样品外部表面的法向矢量基本上成55度角定向。
在一些实施例中，当从目标物移走样品时，在样品支撑件上安装之前将其旋转大约120度。
用于贴附针或探针的任何已知技术都适合本发明。根据一些实施例，通过离子束金属淀积将针或探针的尖端固定在样品上。可替换地，通过静电吸引将针或探针的顶端贴附在样品上。
在电子透明成像前可选择地从样品分离探针。分离探针或针的典型技术包括离子束切割。
根据一些实施例，成像阶段包括将样品定位于样品支撑件上，并且所述探针在定位后从该样品分离。
任何形状的目标物都适合于该公开的方法。因此，在一些实施例中，样品由基本上是圆柱形的晶片构成。在一些实施例中，在放置在真空室中之前预先劈开晶片以形成并提取样品。在一些实施例中，该目标物基本上是棱柱形的。
现在第一次公开了样品和成像的方法，其包括：将目标物放置在真空室中；由该目标物形成样品；以及对样品的目标横截面进行微量分析；其中当样品位于真空室中时完成该形成和微量分析。
根据一些实施例，微量分析包括对样品辐射选自由离子束和电子束组成的组中的粒子束，其中粒子束基本上垂直地入射所述目标横截面。
现在第一次公开了提取和安装样品的方法。该公开的方法包括：由目标物形成样品以使样品包括该目标物的目标横截面；以及将至少一个样品定位于样品支撑件表面上，该样品支撑件包括至少一个孔，以使样品的目标横截面基本上平行于样品支撑件的表面。
根据一些实施例，在相同的真空室中对样品还进行电子透明度分析，该样品由目标物形成。可替换地，至少一个样品安装在装载装置或盒上。可选择地，能将该装载装置或盒子运送到用于电子透明度分析的单独工具。
根据一些实施例，样品的形成产生在目标物中的刻痕，并且该方法还包括淀积材料到该刻痕中。
根据具体实施例，在真空室中完成淀积。根据具体实施例，通过淀积材料完全填满该刻痕。根据具体实施例，该淀积包括聚焦离子束淀积。
不希望受理论限制，在仍允许包括晶片横截面电子透明度的缺陷分析和工艺控制的同时，现在公开了本发明实施例提供的方法会对半导体晶片造成最小的损坏。而且，现在公开的以淀积材料来可选择地填满刻痕最小化了取样工艺对晶片的损坏。
现在第一次公开了在真空室中形成目标物的样品的方法、以及在真空室中反复地薄化样品和对样品成像的方法、产生多个图象的方法。该公开的方法包括：在真空室中提供目标物；在真空室中由目标物形成样品；以离子束薄化样品的至少一部分；以及对薄化的样品成像；其中对所述样品的至少一部分辐射电子束。
在一些实施例中，至少一个所述的成像阶段包括电子束透明度分析。
在一些实施例中，至少一个所述的成像阶段包括检测选自由二次电子、反向散射电子、俄歇电子和光子组成的组中的粒子。
在一些实施例中，在第一次成像阶段期间样品厚于电子透明度门限值，并且样品在所述随后的成像阶段期间是电子透明的。
在一些实施例中，实施至少一个成像阶段还包括对样品的至少一部分进行光学镜检。
在一些实施例中，在通过所述薄化消除所述电子镜检样品的所述至少一部分之前，至少重复一次地进行薄化和成像。
用于以离子束薄化样品的任何已知的方法都适合于该公开的方法。合适的方法包括但不限于对样品辐射聚焦离子束和从离子枪对样品辐射氩离子束。
在一些实施例中，薄化包括选择性的材料去除。
不希望受理论限制，公开的叙述样品的反复薄化和电子透明度分析的本发明实施例也适合于在从晶片去除的时候不必电子透明的样品。由于结构上越可靠的样品越不易于机械损坏比如在形成时或从晶片去除时破裂，所以本发明的该实施例尤其有利。越稳定的样品越容易处理，并且特别适合于使样品制备和成像的方法自动化的实施例。
而且，值得注意的是对于一些实施例，用于成像的优选样品厚度不是先前已知的。因此，本发明的实施例提供了用于获得多个成像、每一个反映不同样品厚度的方法。在一些实施例中，自动执行交替的样品薄化和成像。
在具体实施例中，当在样品支撑件上安装样品时，在原处执行交替的离子束切割和电子镜检成像。值得注意的是对于一些实施例，这允许比其它使用的样品更厚和更稳定的样品的安装。
尽管本发明的某些实施例不排除在样品形成前预先劈开目标物或半导体晶片，但是本发明的技术不需要在提取样品前预先劈开晶片，并且不需要机械切割作为样品形成工艺的一部分。不预先劈开晶片的实施例和方法更容易自动化，因此，以对半导体最低程度破坏的方式为缺陷分析和工艺控制提供生产实践。不希望受理论限制，值得注意的是使用本发明的方法从晶片获得样品仅对晶片产生最小的损坏，留下了极大部分完整晶片，并且对于生产工艺的总成本来说最小化了缺陷分析的经济影响。
本发明第一次公开了一种工具，其包括：真空室；离子束源，用于由目标物形成样品；机器人操纵器，用于提取和操纵形成的样品；以及电子镜检装置，用于在该工具里执行从目标物提取的样品的电子镜检分析。迄今，由于与样品处理相关的困难，更具体地，由于自动化地去除电子透明样品和安装用于成像的样品的困难，该自动化工具是不可能的。更具体地，不限于在形成该样品的相同真空室中从晶片的样品转移工艺中粉碎样品的标本至很小厚度的工艺的缺乏阻碍了在此公开的工具的形成。不希望受理论限制，值得注意的是本发明实施例的方法克服了这些难点。
根据下面详细的描述和实例，这些和更多的实施例将更加明显。
附图说明
图1提供了从其中获得样品的晶片的透视图；
图2A提供了样品形成的示例性实施例的透视图；
图2B提供了样品形成的示例性实施例的横截面图；
图2C提供了样品形成的示例性实施例的横截面图；
图2D提供了样品形成的示例性实施例的透视图；
图3A提供了探针贴附样品的示例性实施例的透视图；
图3B提供了样品形成的示例性实施例的透视图；
图3C提供了与针方向(1，1，1)成各种旋转角的说明；
图4A提供了示例性的在样品从晶片提取后的透视图；
图4B提供了示例性的旋转后的样品的透视图；
图5A提供了示例性的位于样品支撑件上的样品的透视图；
图5B提供了在探针离开样品后示例性的样品的透视图，该样品位于示例性的样品支撑件上；
图5C提供了示例性样品的等比例说明图，在位于示例性样品支撑件上时对该示例性样品辐射粒子束；
图6提供了其中多于一个样品位于样品支撑件上的示例性实施例的透视图；
图7A-B提供了位于示例性样品支撑件上的示例性样品的等比例说明图；
图7C提供了示例性样品的等比例说明图，在位于示例性样品支撑件上时对该示例性样品辐射粒子束；
图8A提供了工具的等比例说明图，该工具用于根据本发明一些实施例进行样品形成和形成的样品的电子透明度分析；
图8B-8E提供了工具的等比例断开的说明图，该工具用于根据本发明一些实施例进行样品形成和形成的样品的电子透明度分析；
图9A-9C提供了根据本发明的某些实施例的X-Y-Z-Θ机器人样品操纵器的说明；
图10A提供了工具的等比例说明图，该工具用于根据本发明一些实施例进行样品形成和该形成的样品的表面分析；
图10B-10F提供了工具的等比例的断开说明图，该工具用于根据本发明一些实施例进行样品形成和该形成的样品的表面分析；
图11提供了根据本发明的一些实施例的样品形成和安装的流程图；
图12A-D提供了用于根据本发明一些实施例的样品形成、样品重新薄化和微量分析的重复方法的多种实施例流程图；
图13提供了根据本发明一些实施例的样品薄化的示例性图；
图14提供了多种样品交付选项的流程图。
本发明的具体描述
应该理解在此描述的该类实施例仅在此提供了创新教导的许多有利使用中的一些实例。通常，本申请的详述中做出的陈述不必对任何各种要求的发明定界。而且，一些陈述可能关系到一些创造性特征而不是其它。
根据本发明的许多实施例，用于样品形成的公开的方法以切割目标物的一部分开始。在一个具体实施例中，该目标物为半导体晶片，然而在其它实施例中，示例性的目标物包括生物材料、微机械装置、薄膜等。
图1提供了目标物102的示例性说明，从该目标物102在目标位置106附近提取一部分，该目标物102包括上或下表面112。在图1中，描述的目标物102是圆柱形状的，但这决不是限制，且本发明可以以任何形状的目标物实施，包括基本上为直角棱镜形状的目标物、不规则尺寸的目标物或任何其它形状。在一些实施例中，目标物102是半导体晶片。值得注意的是对于许多实施例来说，目标物102是圆柱形状的半导体晶片，并且目标物102的直径的相对尺寸和在图1中描述的目标物102的厚度不成比例。对于许多这种实施例来说，晶片相对于图1中示出的直径更薄。
在许多实施例中，初始切割穿透了目标物102的上表面。在具体实施例中，基于存在的有关许可的具体特征，使用电子透明度分析进一步研究选择目标位置106。示例性的特征包括故障半导体器件比如由许多连续淀积层组成的电容器，或存储单元中的金属连接。在该半导体工业中，通常使用各种表面和电压特征通过电故障点图来定位这种故障器件。这种特征一般具有渗入一批晶片的微结构，并且其可以通过其它微结构比如其它单元电路包围。为了说明，将重要性特性假设在Z和Y轴限定的Y-Z平面内。可以理解因为该特征包括于Y-Z平面内，所以Y-Z平面限定了将在样品制备中露出的目标物102的横截面平面。
尽管在目标物102的上表面112上仅说明了一个目标位置106，但是在各种实施例中存在多于一个的目标位置106，并且从多个目标位置提取样品和对其成像。
在确定具体位置106之后，穿过上表面112通过切割目标物102形成样品。尽管不是特殊需求，但是在许多实施例中，切割技术包括离子束切割技术，优选聚焦离子束切割技术。在聚焦离子束(“FIB”)技术中，目标物102或目标物102的小部分安装在样品固定器(未图示)上并且方便地放置在聚焦离子束腔(未示出)中用于聚焦离子束切割。值得注意的是对于许多实施例，其中使用FIB技术来切割目标物102，本发明提供了用于样品提取的方法，其中目标物的其它部分不会遭受意外损坏。这种意外损坏对于其中的目标物102是半导体晶片的实施例来说是特别昂贵的。
FIB可以为单束模型或双束模型。典型的FIB仪器是通过实用材料(Applied Materials，Santa Clara，CA)生产的那些仪器，该实用材料(AppliedMaterials)包括SEMVisionTM G2FIB和从Oregon的Hillsboro的FEI公司买得到的那些，比如模型200、820、830或835。本领域普通技术人员可参考Shemesh等人的名为“控制铣床的系统和方法”的美国专利6,670,610。
如图1中指示的X-Y平面称为“目标物平面”。
图2A至2C说明了本发明的示例性实施例，其中经由目标物102的上表面112通过离子束产生两个基本上平行的沟槽110和108以初始形成样品104。在图2A中，矢量B代表离子束的入射矢量，而矢量N代表样品104外部表面124的外法线。如此处使用的，样品的“外部表面”指相应于目标物102的外部表面112的在样品中贴附的表面。当随后从目标物102去除样品104并旋转样品104时，贴附在此的样品104的外部表面124随着样品旋转。
在图2A-D中描述的实施例中，样品104是具有两个基本上平行的壁的薄样品，或者是薄膜形状的样品，并且样品104包括基本上是直角棱镜形状的区域。在某些示例性实施例中该直角棱镜沿着Y轴的宽度为-沿Z轴的直角棱镜深度为-在其它示例性实施例中，该直角棱镜的深度不大于10微米，在一些实施例中不大于20微米，在一些实施例中不大于50微米。
在想要对样品104的一部分进行电子透明度分析的一些实施例中，沿着X轴的厚度为20-100nm。然而，该厚度范围不应构成限制，比如本发明实施例提供了用于在相同真空室中薄化从目标物提取的样品的装置和方法，其中在该真空室中形成了该样品。因此，在想要对样品104的一部分进行电子透明度分析的一些实施例中，沿着X轴的厚度大于100nm，甚至属于微米量级一类。对于这些实施例，在电子透明度分析之前形成后薄化该样品。不希望受理论限制，值得注意的是，越厚的样品越少可能破裂或破碎。
对于想要对样品104进行微量分析而不是电子透明度分析的实施例来说，样品可以为沿着X轴的任何厚度。在一些实施例中，样品厚度大于100nm。
前述的这些尺寸仅仅是示例性的值，并且可以理解不同尺寸的样品同样可以接受。
如图2B中说明的一样，薄膜形状的样品104包括外部表面124和近侧120和远侧122目标横截面。如在此使用的，“样品壁”是贴附在样品上的样品104的表面，其基本上垂直于贴附在样品里的外部表面。样品壁的实例包括近侧120和远侧122目标横截面。在一些实施例中，样品壁与外部表面相邻。
在一些实施例中，样品包括具有两个基本上平行的表面的部分。如在此使用的，“目标横截面”是贴附在样品上的样品壁，在平行沟槽形成时该样品壁基本上平行于沟槽110和108。示例性目标横截面包括近侧120和远侧122目标横截面。
根据本发明一些实施例，本发明人已发现对样品壁尤其是目标横截面进行微量分析是有利的，其中对样品壁或目标横截面辐射电子束以产生微量分析图象。
可选择地，反复薄化和微量分析该目标横截面，提供多幅图象，其中每幅图象代表不同的曝光目标横截面。
注意对于图2B中描述的样品形成阶段来说，在远侧和近侧样品壁之间没有根本区别，并且用于样品形成的方法在样品几何结构中暂时不需要任何不对称。因此，称呼表面120和122为“近侧”和“远侧”目标横截面对于图2B中描述的样品形成阶段来说是任意的。根据本发明一些实施例，在后面阶段的样品形成和提取工艺中区别对待近侧120和远侧122目标横截面。
在形成薄膜形状样品104后，从周围的目标物102中移去样品104。
用于切割完整形成的样品和用于从晶片移去该样品的各种技术在本领域中是公知的。例如U.S.6,700,121公开了通过形成两个相邻的平行沟槽从较大的目标物中切割样品的方法，其中样品以连接该样品到该较大目标物的系绳形成。随后使用微型操纵器将该样品从该较大目标物分离。示例性技术包括但不限于U.S.6,188,072中所公开的，并且将U.S.6,188,072通过全文参考并入这里。
在美国公布的专利申请2002/0121614中公开了用于切割完整形成的样品和用于随后分离该样品的另外的技术，通过全文参考将该专利申请并入这里，其公开了样品分离方法和通过以离子束基本上垂直入射对晶片进行第一切割、随后以离子束对该晶片进行第二次切割、下部切割该目标以使得从该晶片完全释放该样品的提走方法。能通过将探针贴附到该样品从该晶片移走该样品，然后通过该探针从晶片分离该样品。应当理解：依照本发明可以使用这些公开的任何方法和本领域普通技术人员公知的用于从晶片的一部分形成样品和从该晶片移去该样品的其它方法。
图2C说明了用于底部切割薄膜形状样品104的示例性方法。在图2C中描述的实施例中，束B的入射角移向矢量B，以致于为了形成直角棱镜下面的楔126它从该表面112斜移。值得注意的是在形成基本上平行的沟槽110和108后，通过FIB束可选择地抛光近侧120或远侧122目标横截面或两个面。
现有技术中已知有用于相对该束入射的目标物而重新定向微粒子束的不同技术。在一些实施例中，该目标物位于旋转和倾斜台阶上，并且通过旋转和/或倾斜该台阶改变入射角。在一些实施例中，该束源是离子束柱，并且通过旋转或倾斜该束柱改变入射角。例如，在US5,329,125中公开了可得到的微粒子束柱的旋转，通过参考并入此。然而，不限于此，并且值得注意的是现有技术中用于斜移束柱的其它技术同样适合于本发明。
同样值得注意的是已知技术的组合同样适合于本发明。
图2D提供了样品形成的下一步的透视图，借此，切掉将样品104连接到目标物102的两个剩余壁之一121。在图2D的示例性实施例中，使用离子束切掉该薄连接壁121。值得注意的是根据一些实施例，可选择地以与X轴成角度θ来切割该薄连接壁121。θ的示例性值从约0.01°到约0.2°的范围变动。
如图2D的实施例中所述，当以角度θ切割连接壁121时，破坏了在近侧目标横截面120和远侧目标横截面122之间的任何几何对称。
在具体实施例中，在样品移走前，为了从晶片移走该样品，将探针或针贴附到样品上。在一些实施例中目标物102被搁在台阶(未示出)上，并且一旦将针或探针贴附到目标物102，就通过降低该台阶移走该样品。
值得注意的是合适的针来自例如The Micromanipulator Co.，Inc(CarsonCity，NV)。
图3A提供了示例性系统的说明，其中通过FIB使用金属淀积将针128焊接到样品104。应该理解焊接只是将针128贴附到样品104上的一种方法，并且包括使用静电吸引力或粘接来贴附针128的任何其它技术都适合于本发明的实施。
通过操作员可以控制、或可替换地可通过机器人控制器控制针128的平移和旋转运动。
在具体实施例中，使用真空或空气操纵器控制针的位置。在自动化执行本发明方法的实施例中，通过机器人控制器控制针的运动。尽管针或探针可以以任何角度连接到样品并且可连接到样品104的外部表面124上的任何位置，但是现在公开了具体方向，针或探针通过该具体方向与样品104连接。图3A和3B说明了示例性的针的方向和位置。因此，根据一些实施例，将探针或针贴附到样品的所述外部表面124以使得所述探针基本上不平行于样品的外部表面124。
在图3A和图3B中说明的示例性实施例中，值得注意的是探针或针128定向离开外部表面124。根据一些实施例，该定向表示：在外部表面124中心125和代表所述探针投射在外部表面上的矢量之间的最小距离通过外部表面124中心125和探针或针128与样品124的外部表面之间的接触点127之间的距离给出。根据一些实施例，探针或针128以基本上与样品104的外部表面124的法向矢量成55度角定向。
值得注意的是在图3A和3B中所述的实施例中，将起源于探针或针方向中的接触点127的探针或针矢量定向在相对于贴附在样品104上的x-y-z轴的(1，1，1)方向。值得注意的是该贴附针的(1，1，1)方向再一次区分了近侧目标横截面120和远侧目标横截面122。
在一些实施例中，探针或针的方向有利于样品104在从目标物102中移走时旋转，以使得一旦已从晶片102中移走样品104，近侧目标横截面120就面向上。在一些实施例中，如图3C中所述该旋转基本上是120度旋转。
图3B说明了本发明的一种实施例，其中一旦贴附探针或针，就切掉连接样品104和目标物102的第二壁123。在一些实施例中，以聚焦离子束实现执行第二壁123的切割。
一旦切掉并从目标物102分离贴附有探针或针128的样品104，就从目标物102移走了样品104。在一些实施例中，通过贴附的探针128从目标物提走样品104来实现移走。在一些实施例中，通过降低台阶(未示出)实现移走样品104，在样品贴附到针或探针128的同时将目标物102搁在该台阶上。
图4A和4B中提供了在从目标物102中提取并旋转样品104后样品104的示例性说明。值得注意的是图4A-B中描述的薄膜形状样品104在Y-Z平面内成射束形状。尽管射束形状不是本发明的要求，并且应该理解该形状可浸染样品使之有特别的稳定性，降低了在样品形成、样品移走或样品成像期间该样品将破裂或损坏的可能性。应理解如果原始样品104太薄(根据图4A中提供的轴的X方向上)，那么样品更可能易碎，并且可能在从晶片移走时被物理损坏，或之后还可能对自动化该工艺产生不利的影响作用。另一方面，对于期望对样品进行电子透明度分析的那些实施例来说，如果原始样品104太厚，这可能阻碍随后的该样品的薄化以允许在厚尺寸(图4A中描述的X尺寸)下的电子透明度分析的工作。对于随后使用FIB切割来薄化该样品的实施例来说，初始太厚的样品伴随地增加了FIB将样品切割至适于电子透明度分析的厚度所必需的时间。
如图5A中所说的，在从目标物102提取样品104后，将样品104贴附到样品支撑件134的上部表面130。在一些实施例中，当将样品104从目标物104提取、贴附到探针或针128和悬挂在真空室中时，样品104在离子束下面。随后，使得固定样品支撑件134的台阶在样品104下面，以使得可将它降低到样品支撑件134的期望位置上。
要注意的是在图5A中所述的实施例中，将样品104贴附到样品支撑件134以使得样品104的外部表面124基本上垂直于样品支撑件134的上表面130，因此允许随后样品104的横截面的电子透明度分析。在一个实施例中，如图4B中所述旋转样品104以使得样品104完成相对于样品支撑件130的期望定向。
可选择地，旋转样品104以使得目标横截面基本上平行于样品支撑件134的上表面130。在一些实施例中，旋转样品104以使得近侧目标横截面120基本上平行于样品支撑件134的上表面130。
根据一些实施例，“基本上平行于样品支撑件的表面”的样品的目标横截面在至多10度的容差范围内平行于样品支撑件的该表面。在一些实施例中，该容差至多为5度。在一些实施例中，该容差至多为3度。在一些实施例中，该容差至多为1度。
在具体实施例中，在样品104位于样品支撑件134上之后移去针128和其它合适的探针。
然后可选择地将样品104贴附到合适的样品支撑件以用于可选择的微量分析。在示例性实施例中，该微量分析包括透明度分析。
如图5A和5B中所说，样品支撑件134包括至少一个可选择的孔132，在电子透明度分析期间电子束能通过该孔132。在具体实施例中，将样品104定位在样品支撑件134的上表面130上以使得样品104的至少一部分在孔132之一上或上方。在其它实施例中，该样品支撑件是固体，并且缺乏孔。
在具体实施例中，当样品104安装到样品支撑件134上时，对样品104进行电子透明度分析。因此，将样品104定位在样品支撑件134的上表面130上以使得样品104的至少一部分在孔132之一上或上方，这允许电子束横穿样品104的至少一部分和孔132。
如图5C中所示的，在安装在样品支撑件134上之后，对样品104辐射粒子束142比如电子束或离子束象从束源140发射的聚焦离子束。如图5C中所示，电子束基本上垂直地入射到样品104的目标横截面比如近侧120或远侧122目标横截面。如图5C中所示的，电子束与一直线共线，该直线基本上垂直于样品支撑件134的上表面130。
根据一些实施例，在电子透明度分析的环境中“基本上垂直地入射”到样品表面的电子束在至多5度的容差范围内垂直地入射到该表面的局部平面。在一些实施例中，该容差至多为3度。在一些实施例中，该容差至多为1度。在一些实施例中，该容差至多为0.5度。
根据一些实施例，在表面分析的环境中“基本上垂直地入射”到样品表面的电子束在至多10度的容差范围内垂直地入射到该表面的局部平面。在一些实施例中，该容差至多为5度。在一些实施例中，该容差至多为3度。在一些实施例中，该容差至多为1度。
根据一些实施例，在样品形成或薄化的环境中“基本上垂直地入射”到样品或目标物表面上的聚焦离子束在至多10度的容差范围内垂直地入射到该表面的局部平面。在一些实施例中，该容差至多为5度。在一些实施例中，该容差至多为3度。
样品支撑件134包括至少一个所述孔132，并且在具体实施例中，样品支撑件134包括许多所述孔132，以使得可将多于一个的样品104贴附到样品支撑件134，每一个贴附的样品104使得该样品104的一部分在孔132上或上方。图6中提供了将多于一个的样品104贴附于样品支撑件134的实施例的一种实例。
在一些示例性实施例中，在样品支撑件上安装的样品的密度属于每平方毫米100个样品的量级。不希望受理论限制，值得注意的是在一些实施例中样品支撑件上的多个样品的安装有利于该工艺，借此工艺不同的样品可重新使用单个的样品支撑件而不需要从该工具移走该样品支撑件。
值得注意的是在图6的实施例中，孔132仅仅占据了样品支撑件134表面区域的少量面积。这应当不构成本发明的限制。包括固体表面和至少一个孔的任何样品支撑件都适合于本发明。其它示例性样品支撑件包括现有技术中已知的TEM栅格，其中孔占据了样品支撑件表面区域压倒的多数。然而知道，如果这些孔决不占据样品支撑件表面区域压倒的多数，则通常更容易自动化在固体支撑件表面上定位样品的工艺。
值得注意的是如图5-6中提供的对样品104在样品支撑件134上的安装成像仅仅说明了本发明的某些实施例。可替换地，在几何方向上而不是前述方向上将样品104安装在样品支撑件134上，在前述方向中横截面基本上平行于样品支撑件134的上表面130。
图7A和7B提供了根据本发明某些实施例在样品支撑件134上安装的样品104的说明。如图7C中所示，在安装在样品支撑件134后，对样品104辐射粒子束142比如电子束或离子束象从束源140发射的聚焦离子束。如图7C中所述，电子束基本上垂直地入射到样品104的目标横截面比如近侧120或远侧122目标横截面。如图7C中所述，电子束和与样品支撑件134上表面130倾斜的直线共线。
在某些实施例中期望对样品的至少一部分进行电子透明度分析。在具体实施例中，当贴附到样品支撑件134的薄膜形状样品104对于电子透明度分析太厚时，其中厚度是在近侧目标横截面120和远侧目标横截面122之间的距离，在贴附到样品支撑件134的同时将样品104切割成合适的厚度，优选使用离子束切割装置。
然而在其它实施例中，合适的样品厚度不是先前已知的，并且当将薄膜形状样品104贴附到样品支撑件134上时，其可能需要在原处确定。
现在第一次公开了用于形成、提取目标物的样品和对目标物的样品成像的自动化工具，其包括用于对样品成像以使得电子束的至少一部分横穿样品的至少一部分的电子镜检装置。值得注意的是：尤其在需要可用于缺陷分析和工艺控制的工具的半导体生产领域，当前正需求既包括离子束切割装置又包括电子透明度镜检装置的工具。
在一些实施例中，该装置包括一个或更多的用于支撑目标物和可选择地支撑获得的样品的台阶。在将获得的样品支撑在台阶上的一些实施例中，将电子束源和电子检测器定位在至少一个台阶的上表面的相对点。在一些实施例中，该几何学结构为检测穿过位于台阶上的样品的电子做准备。可替换地，该装置包括用于支撑目标物的台阶并且该装置不包括用于支撑该样品的台阶。
在该装置中从示例性目标物中提取样品，该示例性目标物包括但不限于半导体晶片。在一些实施例中，至少一个台阶适合于支撑硅晶片。在一些实施例中，至少一个台阶包括用于支撑目标物的支撑面，其中该支撑面具有至少30,000mm2的尺寸，并且足够大以支撑200mm或更大的晶片。
在样品不支撑在台阶上的具体实施例中，当通过针或探针贴附和支撑时，使用电子透明度分析对该样品成像。在这些实施例中，在进行电子束透明度分析时，定位电子束源和电子检测器以使得它们处于将要定位该样品的区域的相对侧。
在具体实施例中，该工具还包括机器人操纵器，该机器人操纵器包括针或探针以用于从目标物通过离子束移走形成的样品。可选择地，编程该机器人操纵器以在用于镜检分析的电子镜检样品支撑件上定位获得的样品。
图8A-E提供了第一多层柱工具322的根据本发明一些实施例的设备的等比例的说明图和等比例的断开说明图，该第一多层柱工具322包括可动台阶、FIB装置、样品操纵装置和用于电子透明分析的电子镜检装置。现在参考图8A-E，可以看到第一多层柱工具322包括：FIB柱310，用于从较大的目标物比如晶片或模具中形成样品；电子束源308，用于对该样品辐射电子束以使得电子束的至少一部分横穿该样品；电子检测器306，用于检测横穿的电子束的一部分产生的电子；至少一个台阶312；以及机器人操纵器320，用于提取和操纵形成的样品。在示例性实施例中，将至少一个台阶312、FIB柱310、电子束源308、电子检测器306和机器人操纵器320部分地或将它们的全部定位在用于容纳这些元件的真空室304中。
在一些实施例中，该台阶可以在三维空间中转移，并且包括旋转轴(未示出)。可选择地，台阶312包括倾斜轴，用于倾斜位于台阶312上的晶片。
在具体实施例中，将目标物放置在台阶312上，如图8C-8D中所示，该台阶包括可选择的孔358，可选择地，电子检测器306的一部分伸出孔358。
可选择地，该台阶312是可移动的，尤其是可转移的和可旋转的。在一些实施例中，将台阶可操作地连接到发动机。如图8C、8C和8E中所示的，将可动台阶安装在轨道340上。在一些实施例中，当对样品进行电子透明度分析时，台阶312和样品支撑件载体350还用于支撑可选择地位于样品支撑件上的样品。如图8中所述，将样品支撑件载体350定位在台阶312中的孔358中。
在一些实施例中，台阶312包括被构成以支撑200mm或更大晶片336的上表面或支撑面360。
在一些实施例中，台阶312包括具有至少30,000平方毫米表面面积的上表面或支撑面360。
可选择地，FIB柱310和/或电子束柱308能相对台阶312倾斜。
可以理解当对样品进行电子透明度分析时，除了台阶312(未示出)第二台阶也适合于支撑样品的任务。可选择地，第二台阶能倾斜。
用于样品支撑件的第二台阶可以是操纵器，其完全或部分地位于真空中。
如图8D中所示，该装置包括可选的用于多个样品支撑件的固定器338。
如图8B、8E中所示，样品操纵器320包括针或探针342。
如图8A-8E中所示，该装置包括可选的FIB检测器330比如离子检测器或电子检测器。
如图8A-8E中所示，单一的电子束源308发射电子，该电子通过电子透明度检测器306和可选的反向散射和/或第二电子检测器334比如SEM检测器检测。然而，可以理解在一些实施例中，有多于一个的电子束源308。在一些实施例中，电子束源308是SEM柱。在一些实施例中，电子束源308是SEM柱，并且可选择地起到切割该样品的作用。
如图8A-E中所示，电子束源308和电子透明度检测器306位于将要成像的样品的相对侧。如图8D中所示，电子束源308和电子透明度检测器306位于支撑样品支撑件的样品支撑件载体350的相对侧上，并且也位于台阶312的上表面360的相对侧上，该样品支撑件用于固定安装的样品。
相反，如图8E中明显的，可选择的SEM检测器334在与电子束源308相同的台阶312的同一侧。
尽管这适合于图8A-E中所示的实施例，但是该几何结构不是本发明尤其不是实施例的限制，在该实施例中，当通过贴附的探针或针而不是台阶来支撑样品时，对该样品进行电子透明度分析。可以理解对于这些实施例来说，在电子透明度分析时间期间，必须将电子束源308和电子检测器306定位在定位了被分析的样品的位置的相对点上，以使得通过电子束源308提供的电子束能横穿将通过电子检测器306检测的该样品的至少一部分。
可以理解在一些实施例中，该装置包括多于一个的反向散射和/或二次电子检测器334和/或多于一个的电子透明度检测器306。在一些实施例中，该装置包括可选的光学显微镜装置(未图示)。在一些实施例中，该装置包括可选的光子检测器(未示出)，可选择地构成以检测X射线。
在一些实施例中，电子束源308是SEM柱，并且电子透明度检测器306是STEM检测器。在其它实施例中，电子透明度检测器306是TEM检测器。
如图8E中所说，台阶312在FIB切割区域内。在一些实施例中，电子透明度检测器306是可收回的，并且如图8E中所说，在将该台阶移动到FIB切割区域前收回电子透明度检测器306。
在具体实施例中，第一多层柱工具322还包括控制器(未示出)，该控制器包括处理器和存储器，其可操作地耦合到选自由离子束源310、电子束源308、电子检测器306、可移动的台阶312、第二电子镜检装置(未示出)和机器人操纵器320组成的组中的至少一个装置。在具体实施例中，控制器(未示出)可操作地耦合到离子束源310、电子束源308和机器人操纵器320。在具体实施例中，该控制器(未示出)可操作控制包含在该装置中的可选择的任何其它微量分析装置。
在一些实施例中，该工艺控制器可操作以控制至少一个台阶比如可移动台阶312的转移和/或旋转。
在一些实施例中，第一多层柱工具322还包括用于EDX分析的可选择的俄歇电子检测器(未示出)和/或x射线检测器(未示出)。
在一些实施例中，编程该工艺控制器以使得该工具执行用于样品形成、样品旋转、定位样品在样品支撑件上和在此公开的样品微量分析的程序。
图9A-9C提供了根据本发明的某些实施例的X-Y-Z-Θ机器人样品操纵器320的说明。尽管如图9A-9C中公开的机群体操纵器320适合于图8A-8E和10A-10F中描述的多层柱工具322和362，但是可以理解将图9A-9C中说明的机器人操纵器320提供为一种实例，并且不应该构成为限制。
值得注意的是在图9A-9C中所示的工具轴和贴在目标物和/或前述提取的样品内的轴之间没有连接。而且，可以理解能对图9A-9C中所说的机器人样品操纵器做出修改，因此这些图是想要说明而不是限制。
如图9A-9C中所示，机器人样品操纵器包括位于旋转轴502上的可弯曲的波纹管508内的旋转轴512。当保持真空密封时，该可弯曲波纹管508允许旋转轴的轴向和横向运动。该旋转机构包括旋转轴承和封口。
在旋转轴的末段是针或探针128，在一些实施例中，该针能用来从目标物提取形成的样品。
如图9A-9B中所示，旋转轴502定向为基本上与操纵器底部504法线成55度。
图9C提供了X-Y-Z-Θ机器人样品操纵器的横截面图。该样品操纵器包括真空密封表面514。
图10A-10F提供了第二多层柱工具362的等比例的说明图和等比例的断开说明图，该第二多层柱工具362用于提取目标物的样品和对样品进行表面分析。
现在参考图10A F，可看到第二多层柱工具362包括：FIB柱310，用于从较大的目标物比如晶片或模具中形成样品；电子束源308B，用于散射电子束离开样品表面；至少一个台阶312B；以及机器人操纵器320，用于提取和操纵形成的样品；EDX装置364；以及俄歇电子检测器366；所有元件都部分地或完全在用于容纳这些元件的真空室304内。尽管如图10A-F所述的示例性的多层柱工具362既包括EDX 364也包括俄歇电子检测器366，但是可以理解本发明某些实施例提供了仅仅带有EDX 364和俄歇电子检测器366之一的多层柱工具。
在一些实施例中，台阶312B可在三维空间中转移，并且包括旋转轴(未示出)。而且，台阶312包括倾斜轴，用于倾斜位于台阶312B上的目标物或样品。
在具体实施例中，将目标物放置在台阶312B上，该台阶312B是可移动的，尤其是可转移的和可旋转的。在一些实施例中，将台阶可操作地连接到发动机。如图10B-F中所示的，将移动台阶安装在轨道340上。在一些实施例中，台阶312B包括支撑件表面360，其构成以用于支撑200mm或更大的晶片336。
在一些实施例中，台阶312包括具有至少30,000平方毫米的表面面积的支撑面360。
可选择地，FIB柱310和/或电子束柱308能相对台阶312倾斜。
可以理解当对样品进行电子透明度分析时，除了台阶312B(未示出)的用于支撑目标物或晶片的第二台阶也适合于支撑样品的任务。用于样品支撑的第二台阶可以是完全地或部分地在真空内的操纵器。
如图10C-F中所示，该装置包括可选的用于多个样品支撑件的固定器338。
如图10B-E中所示，样品操纵器320包括针或探针342。
如图10B-C中所示，该装置包括可选的FIB检测器330比如离子检测器或电子检测器。
多层柱工具362包括用于晶片导航的SEM检测器334。
如图10E中所示，在通过机器人操纵器的针或探针342从晶片336提取样品104后，将样品放置在用于表面微量分析的样品支撑件134C上，该表面微量分析使用电子束源308B和EDX装置364的俄歇电子检测器366与x射线检测器中的至少一个。
在具体实施例中，第二多层柱工具362还包括控制器(未示出)，该控制器包括处理器和存储器。
在一些实施例中，编程该工艺控制器以使得该工具执行用于样品形成、样品旋转、定位样品在样品支撑件上和在此公开的样品微量分析的程序。
如图10A-F中所示，第二多层柱工具362缺少电子透明度分析装置，尽管可以理解能将可选的电子透明度分析装置加到工具362中。
图11提供了流程图，其描述了根据本发明一些实施例获得样品和在样品支撑件上定位该样品的方法。根据一些实施例，在单个的真空室中执行图11中公开的方法，这种单个的真空室为图8A-E的多层柱工具322或图10A-F中的多层柱工具362的真空室304，因此，根据这些实施例，通过来自FIB柱310的聚焦离子束初始地从晶片形成(400)具有目标横截面(120或122)的样品104。随后，将针或探针128贴附到样品104(402)。在一些实施例中，该贴附(402)是利用来自FIB柱310的聚焦离子束。
接着将样品104从目标物102移走(404)，并且相对于样品支撑件134重新定向以使得样品的外部表面124基本上垂直于样品支撑件134的上表面130(406)。可选择地，旋转样品104以使得目标横截面基本上平行于样品支撑件134的上表面130。在一些实施例中，旋转样品104以使得近侧目标横截面120基本上平行于样品支撑件134的上表面130。
然后当通过针或探针128支撑样品时，在该样品下定位台阶比如固定样品支撑件134的台阶312(407)。值得注意的是在一些实施例中步骤406在步骤407之前。可替换地，步骤407在步骤406之前。
在一些实施例中，通过台阶312支撑样品支撑件134。
然后通过机器人操纵器320在样品支撑件134上安装样品104(408)，并且通过来自FIB柱310的聚焦离子束贴附或焊接样品(410)
值得注意的是在一些实施例中，对在单个工具或真空室中产生的样品在单个工具或真空室内反复进行微量分析和薄化。
图12A-D提供了重复该方法的各种实施例的流程图，其中该方法根据本发明一些实施例用于在单个工具中的样品形成、样品再薄化和微量分析。根据图12A-D描述的实施例，当样品保持在单个的真空室中时，可替换地对形成的样品进行微量分析和薄化，因此产生一系列图象，其中每幅图象来源于不同厚度样品的微量分析。在一些实施例中，在成像该样品的同样真空室内从较大的目标物中形成样品后，反复地薄化样品并对样品成像。
可以理解可利用独立于在此描述的本发明其它方面的图12A-D中描述的工艺。在具体实施例中，将该样品贴附到样品支撑件，在该样品支撑件上它交替地成像和薄化。在具体实施例中，在单个的工具中执行该工艺，该单个的工具既包括FIB又包括能进行电子透明度分析的电子镜检装置。
在一些实施例中，样品的再薄化包括对样品辐射聚焦离子束以使得该聚焦离子束基本上垂直地入射到样品的目标横截面。
在一些实施例中，微量分析包括电子透明度分析。
在一些实施例中，微量分析包括选自由二次电子检测、反向散射电子检测和包括x射线的光子检测组成的组中的至少一个工艺。
值得注意的是在一个工具中完成该工艺排除了将样品在不同工具间来回地传送的需要，其允许在图12A-D中描述的工艺自动化。
图12A-D提供了描述本发明一些实施例的流程图。该工艺通过在真空室中形成样品602开始。如图12A中所示，在产生样品后，对样品进行表面分析604和通过薄化606来表面移去的反复工艺。在一些实施例中，表面分析604包括与散射电子离开样品表面相关的任何工艺，比如SEM、EDX和俄歇电子检测。可选择地，对样品进行光学镜检。在一些实施例中，在表面分析604时，样品更厚以用于检测二次电子。根据一些实施例，在表面分析604时，在微量分析的样品下面不需要检测器。
值得注意的是已知的用于样品薄化的任何方法都适合于本发明。在一些实施例中，使用聚焦离子束薄化该样品(606)。在一些实施例中，通过溅射离子束实现通过薄化的表面移去。
在合适次数地重复通过薄化(606)的表面移去后，样品足够薄以用于电子透明度分析。可以理解，其中样品变得足够薄以用于电子透明度分析的“电子透明度门限值”不根据特定数值的厚度确定，因为该数取决于许多因素，比如电子束源的能量、将接受电子透明度分析的材料特性等等。不希望受理论限制，值得注意的是在一些情况下，以属于电子透明度门限值量级的厚度薄化样品能提供电子透明度分析成像的分辨率。
一旦充分地薄化了该样品，就对它进行电子透明度分析(608)。在一些实施例中，在透明度分析(608)阶段期间需要在被分析的样品下面的探测器。而且，值得注意的是将数据收集步骤610A-D解释为图12A-D中的最后步骤，尽管可以理解自始自终任何说明的步骤都可收集数据。
在一个示例性实施例中，样品的成像部分代表目标物的横截面比如半导体晶片。
值得注意的是在一些深思熟虑中对样品进行不止一类微量分析。而且，尽管该公开的方法可应用于电子透明度分析，但是这不是限制，并且在一些实施例中，使用除了电子透明度分析以外的微量分析技术。
在一些实施例中，该薄化包括使用FIB可选择地从该样品表面移去某些材料。因此，在示例性实施例中FIB离子切割包括引入相互作用的物质比如二氟化氙。
图12B提供了样品再薄化和成像的重复工艺的交替实施例的说明。在图12B中描述的实施例中，微量分析612的单个步骤需要表面和透明度分析。
图12C提供了其中微量分析仅包括透明度分析的实施例的描述。
图12D提供了其中微量分析仅包括表面分析并且排除透明度分析的实施例的描述。
图13提供了根据本发明一些实施例的样品薄化的示例性图。
可选择地，使用在此描述的方法和设备制备的位于样品支撑件上至少一个样品，传送到该工具外，并且在装载站上装载。图14提供了不同样品传递选项的流程图。因此，根据一个实施例，将产生的样品602卸载以用于表面分析630。可选择地，在卸载以用于表面和/或透明度分析634之前，通过636或不通过632的微量分析薄化该样品。在一些实施例中，自动化在装载站的装载和传送，并且通过机器人手臂(未示出)控制，提供完全自动化工艺以用于获得安装到样品支撑件的样品。
在本申请的描述和权利要求中，每一个动词，“包括(comprise)”、“包括(include)”和“具有(have)”以及其使动词变化用来表示该动词的宾语不必是构件、组件、元件或主语的一部分或该动词的主语的完整列表。
已经使用其实施例的详细描述说明了本发明，通过实例的方式提供了这些实施例并且不想限制本发明的范围。该描述的实施例包括不同特征，不是全部特征都需要包括在本发明的所有实施例中。本发明的一些实施例利用仅仅这些特征中的一些或这些特征的可能组合。本领域普通技术人员将能想到描述的本发明实施例的变化和包括记录在所述实施例中的特征的不同组合的本发明实施例。仅仅通过下面的权利要求来限定本发明的范围。

Claims (13)

1.一种样品形成和成像的方法，包括：
a)将目标物放置在真空室中；
b)从所述目标物形成样品；和
c)对所述样品成像，所述成像阶段包括将所述样品定位到样品支撑件上，该样品支撑件包括至少一个孔，并且所述的至少一个孔占据小于所述样品支撑件的表面的约98％的面积，其中(i)电子束的至少一部分横穿所述样品的至少一部分，(ii)其中在所述真空室中完成所述形成和成像，以及(iii)在所述形成阶段期间，将所述目标物穿透到所述目标物厚度的至多10％的深度。
2.如权利要求1的方法，其中所述形成阶段包括选自由离子束切割和电子束切割组成的组中的束切割。
3.如权利要求1的方法，其中所述的电子束基本上垂直地入射到所述样品的目标横截面。
4.如权利要求1的方法，其中所述成像包括对所述目标横截面成像。
5.如权利要求1的方法，其中所述样品位于所述样品支撑件的所述表面上以使得所述样品的目标横截面基本上平行于所述样品支撑件的所述表面。
6.一种样品形成和成像的方法，包括：
a)在真空室中提供目标物；
b)在所述真空室中从该目标物形成样品；
c)通过离子束薄化该样品的至少一部分；和
d)成像该薄化的样品，其中对所述样品的至少一部分经过电子束的作用，其中当所述样品在所述真空室中时，重复所述薄化和成像至少一次，由此提供多幅图象，其中至少一个所述成像阶段包括选自由电子透明度分析和检测电子组成的组的至少一个处理，其中所述检测电子选自由二次电子、反向散射电子和俄歇电子组成的组中，其中在第一次所述成像阶段期间的某时所述样品厚于电子透明度门限值，并且在随后的成像阶段期间的某时所述样品是电子透明的。
7.如权利要求6的方法，其中所述形成阶段包括选自由离子束切割和电子束切割组成的组中的束切割。
8.如权利要求6的方法，其中所述成像包括对该样品的目标横截面成像。
9.如权利要求6的方法，其中至少一个所述成像阶段包括检测光子。
10.如权利要求6的方法，其中至少重复一次所述薄化和成像直到通过所述的薄化消除所述样品的所述至少一部分。
11.如权利要求6的方法，其中所述薄化阶段包括对所述样品进行至少一束离子束的作用，该离子束选自由聚焦离子束和氩离子束组成的组中。
12.如权利要求6的方法，其中所述薄化包括材料的选择性去除。
13.如权利要求6的方法，其中所述薄化包括对所述样品进行粒子束的作用，该粒子束基本上垂直地入射到所述目标横截面，所述粒子束选自由离子束和电子束组成的组中。
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