CN1782690B - 用于真空腔室中样品形成和微观分析的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开了用于形成物体的样品、从物体提取样品以及在真空腔室中对所述样品进行包括表面分析和电子透明度分析的微观分析的方法和装置。在一些实施例中，提供一种成像提取样品的物体横截表面的方法。可选择地，在真空腔室中重复地变薄和成像样品。在一些实施例中，样品位于具有可选择孔隙的样品支撑件上。可选择地，样品位于样品支撑件的表面之上，以使物体横截表面基本上平行于样品支撑件的表面。一旦装配于样品支撑件之上，在真空腔室中对样品进行微观分析或装载于装载位置。在一些实施例中，利用基本上垂直地入射至物体横截表面的电子束成像样品。

Description

用于真空腔室中样品形成和微观分析的方法和设备
相关申请的交叉参考
本申请要求于2004年7月14日申请的序列号为60/588272的U.S.临时申请的优先权，于此将其内容全部参照结合。
技术领域
本发明通常涉及半导体装置监控，并且更具体地涉及用于测试预制装置的内部结构的薄样品的制造和成像。
背景技术
在研究电子材料和将这些电子材料制造成电子结构的程序中，为了故障分析和装置确认，电子结构的样品常常用于微观检测。例如常常在扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)中分析比如硅片的电子结构的样品，以研究晶片中的具体特性特征。这种特性特征可以包括制备的电路以及制备工艺过程中形成的任何缺陷。电子显微镜是用于分析半导体装置的微观结构的一种最有用的设备。
在用于电子微观检测的电子结构的制备样品中，各种抛光和铣削处理可以用于剖视结构，直至暴露出具体的特性特征。
当装置尺寸被连续减小至次半微米水平，用于制备用于电子显微镜中研究的样品的技术变得更为重要。通过光学显微镜用于研究结构的传统方法不能用于研究现代电子结构中的特征，这是由于光学显微镜的不可接受的分辨率。
在聚焦离子束(FIB)技术中，聚焦离子束用于局部沉积材料或去除材料。当通过高强度源制造时，典型的离子束具有小于100nm的聚焦光点直径。这种高强度离子的源可以是液态金属离子源或气体场离子源。这些源都具有基于场电离或蒸发以产生离子束的针类型形式。在产生离子束之后，它在高真空中偏离，并被导引至期望的平面区域。聚焦离子束可以合适地用于以切割或连接方法的半导体处理工业，从而执行电路检修、掩膜检修或微切削加工处理。通常通过利用聚焦离子束局部溅射表面执行切割处理。
在离子束铣削处理中，通过比如聚焦至次毫米直径的Ga+的离子束选择性地蚀刻材料，该技术常常被称为聚焦离子束蚀刻或铣削。FIB铣削对于重构掩膜或集成电路上的图案以及对于微观结构的横截面诊断是非常有用的技术。在典型的FIB蚀刻处理中，将比如Ga+的离子束导引至被蚀刻的表面之上，并且偏离射束以产生期望的图案。聚焦离子束可以用于轰射样品表面，以使在电子结构的表面上形成空穴，从而再观察结构的特性特征，以用于电子微观检验。
该FIB技术采用主要的离子束以高强度电流来去除材料层，并用低电流观察新近形成的表面。当利用离子粒子轰射表面时，通过检测从该样品表面发射的二次电子进行表面的观测。检测器用于接收从表面发射的二次电子，以形成图像。即使FIB方法不能产生象在SEM/TEM中可获得的高分辨率的图像，FIB方法仍可用于充分识别新近形成的横截表面，所述表面可以包括被检验的特性特征。用于获得直到5-10nm的分辨率的FIB技术的能力允许电子结构中精确平面的切割，以使通过比利用FIB时高的分辨率的SEM/TEM技术随后可以检测电子结构。
尽管TEM技术比利用SEM技术可以提供内部结构的更高的分辨率图像和更详细的说明，但它们只能有效地用于电子透明样品。所述样品必须充分地薄以可被电子束穿过，并充分地薄以避免多次散射，这是对于TEM样品的基本要求，多次散射会引起图象模糊。尽管如此，可以理解，在本领域中从晶片提取薄的样品会是易碎的，并会断裂或破碎。此外，薄的提取样品的易碎特征意味着自动执行用于提取薄样品的处理是困难的，这样妨碍自动这些处理的劳动。存在对于可靠和自动技术的正在进行的需要，以用于获得和成像TEM样品，从而使TEM采样半导体分析和制造的可行部分。
用于以毫微米水平的空间分辨率控制电子透明度分析的其他技术是扫描透射电子显微镜(STEM)。TEM是其中电子束辐射至于样品之上的设备，并且利用透镜放大透射的电子束。另一方面，STEM是其中电子束聚焦于微区域之上的设备，并且通过测量透射电子束的强度获得两维图像，同时电子束被扫描于样品之上。US20030127595公开了用于扫描透射电子显微镜的方法和设备，于次将其参照结合。
自动执行的、在单独装置中组合SEM和FIB的多层柱工具、用于获得和成像SEM样品的自动技术是熟知的，并且被应用于缺陷的自动再观察和处理监控中。这种多层柱工具的商业上可用模型的例子包括SEMVisionTMG2 FIB(应用的材料、Santa Clara，CA)和DualBeamTM(FEI Company，Hillsboro，Oregon)。需要指出，SEMVisionTMG2 FIB也用于处理控制。
下面是一系列美国专利、公开的美国专利申请的枚举，其公开了可能的相关背景材料。将下面的美国专利、公开的美国专利申请的每一个于此全部参照结合。
Li等人的美国专利6,194,720、名称为“Preparation of Transmission ElectronMicroscope Samples”；
本发明人和共同工作者的其中一个美国专利6,670,610、名称为“Systemand Method for Directing a Miller”；
Kelly等人的美国专利6,700,121、名称为“Methods of Sampling Specimensfor Microanalysis”；
Kelly等人的美国公开专利申请2001/0044156、名称为“Methods of SamplingSpecimens for Microanalysis”；
Moore等人的美国公开专利申请2001/0045511、名称为“Method for SampleSeparation and Lift-out”；
Alani的美国公开专利申请2002/0000522、名称为“Ion Beam Milling Systemand Method for Electron Microscopy Specimen Preparation”；
Moore等人的美国公开专利申请2002/0121614、名称为“Total ReleaseMethod for Sample Extraction from a Charged-Particle Instrument”；
Robinson等人的美国公开专利申请2004/0245466、名称为“Transmissionelectron microscope sample preparation”；
Adachi等人的美国公开专利申请2004/0129897、名称为“Samplemanufacturing apparatus”；
Grunewald的美国公开专利申请2004/0164242、名称为“Sample preparationfor transmission electron microscopy”；
Iwasaki等人的美国公开专利申请2004/0246465、名称为“Micro-samplepick-up apparatus and micro-sample pick-up method”；
Rasmussen的美国公开专利申请2004/0178355、名称为“Sample ManipulationSystem”。
目前，在大多的半导体制造设施中，现场获得用于微观分析的半导体晶片的电子透明度样品，并随后被运载至电子显微镜实验室，以用于电子透明度分析。
对于半导体制造者，仅在确定的时间延迟之后的制造处理中的时间延迟处理监控和缺陷识别将是昂贵的，并且希望尽可能快地和现场就识别有缺陷的制造处理。
存在从晶片提取样品以用于电子透明度微观分析的方法和系统的继续需要。优选地，在单独的工具中将可实施这种方法。更优选地，将在单独的工具中自动化这种方法，以便有利于它们集成于半导体制造工艺过程。优选地，这种方法将允许样品的提取，而不用晶片中钻孔、分离晶片或在样品提取之后提供不可用的半导体晶片。
此外，可以理解在缺陷分析和过程控制分析的内容中，常常必须成像晶片的样品的横截表面。这样，存在用于微观分析包括特性特征的样品的横截面的技术的继续需要。
发明内容
通过本发明的几个方面满足前述需要。
现在首次公开一种用于形成和提取来自位于真空腔室中的物体的样品、并在真空腔室中的样品上执行电子透明度分析的方法和设备。公开的设备包括真空腔室，用于成像样品的离子束源，用于提取和控制样品的机器人控制器，以及用于成像样品的第一电子显微装置，以使电子束的至少第一部分穿过样品的至少一部分。
依据多个实施例，离子束源、机器人控制器和第一电子显微装置全部至少部分地位于真空腔室中。
依据一些实施例，所述设备进一步包括用于支持物体和可选择样品的至少一个平台。
在一些实施例中，所述平台包括支持表面，将所述支持表面设置成支持200mm或更大的晶片。
在一些实施例中，所述平台包括具有至少30,000mm2的表面积的支持表面。
在一些实施例中，配备平台以用于支持物体和样品。在其它实施例中，提供平台以用于支持物体，并且提供分离的平台以用于支持样品。在进一步的实施例中，仅为物体配备平台，并且当其连接至探针或针和被支持时，对样品进行电子透明度分析。
依据一些实施例，至少一个平台是可移动的。
在一些实施例中，所述离子束源是相对于支持物体的平台可倾斜的离子束柱。
依据一些实施例，第一电子显微装置包括用于发射电子束的电子束源，以及用于检测从通过样品的至少一部分的电子束的第一部分获得的电子的电子检测装置，其每一个至少部分地位于真空腔室中。在一些实施例中，电子束源和电子检测器位于支持样品的平台的上表面的相对侧上。
依据一些实施例，将电子束源设置成发射充分高的能量以通过电子薄样品的电子束。
在一些实施例中，第一电子显微装置是STEM装置。可替代地，第一电子显微装置是TEM装置。
可选择地，现在公开的设备进一步包括用于提取样品的表面分析的检测器。这样一些实施例进一步提供至少一个附加的电子检测器，其用于检测从样品的表面散射的电子而获得的电子。在一些实施例中，电子检测器是可操作的，以检测从提取样品的表面的电子束的第二部分的散射获得的电子。在具体实施例中，第一电子显微装置包括SEM电子柱、STEM检测器和SEM检测器，其用于检测二次电子和/或反向散射的电子。
从样品的表面的电子的散射获得的示范性电子包括二次电子、反向散射电子和螺旋式电子。
可选择地，所述设备包括x-射线检测器，其用于检测从样品的表面散射的电子获得的x-射线。
在一些实施例中，公开的设备包括可选择的第二专门电子显微装置，其用于电子透明度分析。在一些实施例中，设置第一电子显微装置，以用于电子透明度分析以及表面分析，同时最佳化二次电子显微装置，以用于电子透明度分析。
在一些实施例中，第二电子显微装置是STEM装置，可替代地，第二电子显微装置是TEM装置。
在一些实施例中，当前公开的设备包括两个或多个电子束源，两个或多个离子束柱以及多种检测器。
依据一些实施例，控制器可操作地耦合至从离子束源、电子显微装置、第二电子显微装置、机器人控制器和控制平台的运动的电动机中选择出的至少一个部件。在一个具体实施例中，控制器是可编程的，以执行用于从物体和可选择装配于样品支撑件形成的样品的电子透明度分析的于此公开的至少一种方法。
依据一些实施例，所述机器人控制器包括可逆地连接至样品的探针或针。
依据一些实施例，电子显微装置包括透射电子显微装置。可替代地，电子显微装置包括扫描透射电子显微装置。
依据一些实施例，所述设备进一步包括至少一个带电粒子检测器，比如离子检测器或电子检测器，其适于检测众受离子束支配的样品和物体获得的离子和/或电子。
在多个实施例中，期望使提取样品受同一工具中表面分析的支配，其中从物体形成样品。示范性的表面分析技术包括SEM成像、x-射线和螺旋式电子的检测。
现在首次公开一种用于形成、提取和成像晶片的样品的设备。其包括真空腔室，用于形成样品的离子束源，其至少部分地位于所述真空腔室中，用于提取和控制样品的机器人控制器，其至少部分位于所述真空腔室中，以及用于散射样品的表面的电子束的电子束源；以及螺旋式电子检测器，其用于检测从所述物体受所述电子束支配获得的螺旋式电子。
现在首次公开一种用于形成、提取和成像晶片的样品的设备。其包括真空腔室，用于形成样品的离子束源，其至少部分地位于所述真空腔室中，用于提取和控制样品的机器人控制器至少部分位于所述真空腔室中的，以及用于散射样品的表面的电子束的电子束源；以及x-射线检测器，其用于检测从样品受所述电子束支配获得的x-射线。
依据本发明的一些实施例，提供一种真空腔室中样品形成和成像的方法，该方法包括将物体放置于真空腔室中，形成来自物体的样品，并成像样品，以使电子束的至少一部分通过样品的至少一部分。需要注意在一些实施例中，在真空腔室中实施形成和成像。
依据一些实施例，物体基本上是圆柱形的物体，比如半导体晶片。依据其它实施例，物体是棱形物体，比如膜片。
依据一些实施例，在形成过程中，物体穿过物体的厚度的最大10％的深度。依据其它实施例，在形成过程中，物体穿过物体的厚度的最大3％、5％、20％或50％的深度。
依据一些实施例，当其位于样品支撑件之上时，形成的样品位于样品支撑件之上并在现场成像，。依据一些实施例，利用机器人控制器定位。
依据一些实施例，形成阶段包括聚焦离子束或电子束铣削。依据本发明的一些实施例，形成阶段不包括机械裂开。依据本发明的一些实施例，形成阶段不包括激光切割。
依据一些实施例，形成阶段包括从由离子束铣削和电子束铣削组成的组中选择出的射束铣削。
不希望被理论约束，现在公开用于样品形成的方法，其中形成阶段包括离子束铣削，并期望地排除了机械裂开，这是由于它们仅在从其中提取样品的区域的临近处损坏晶片。
依据具体实施例，形成阶段包括利用离子束首先在物体中切割第一切口，第一切口至少部分地围绕物体的表面上的目标位置，并利用离子束以对物体的平面的锐角在物体中切割第二切口，从而凹割目标位置。
可选择地，形成阶段包括基于设置目标相对于平台倾斜FIB柱。可替代或此外地，倾斜平台自身。
在一些实施例中，形成阶段包括在目标平面中旋转物体。
依据具体实施例，样品支撑件包括至少一个孔隙。依据具体实施例，电子束通过一个孔隙的至少一部分。依据具体实施例，样品的至少一部分位于孔隙之上。
依据一些实施例，成像包括成像样品的物体横截表面。依据一些实施例，成像样品，以使电子束基本上垂直地入射至样品的物体横截表面。不希望被理论约束，在一些实施例中，现在公开的成像样品的物体横截表面显示出了物体的横截面的内部结构，并有用于缺陷分析。
依据一些实施例，样品位于样品支撑件的表面，以使样品的物体横截表面基本上平行于样品支撑件的表面。不希望被理论约束，现在公开的利用所述定向使样品位于样品支撑件上有用于某些情况，其中期望利用相对于横截表面的预定定向使横截表面连续受微粒束的支配。
依据一些实施例，样品包括具有两个基本上平行的表面的分段。
依据一些实施例，样品包括分段，该分段具有基本上垂直于样品的外表面的的两个基本上平行的表面。
可选择地，在将样品装配于样品支撑件上之后，在成像之前和/或之后进一步变薄样品。在一些实施例中，样品变薄包括使样品的物体横截表面受垂直于物体横截表面入射的聚焦离子束的支配。
依据一些实施例，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，并精确地包括一个孔隙。
样品支撑件包括本领域已知的任何合适的材料。合适的材料不局限于此地包括铜、镍、钼以及铂。
在其它实施例中，样品支撑件不是TEM栅格，优选为主要地固态平坦支持，其中小于通过至少一个孔隙占据样品支撑件的上表面的绝大多数。不希望被理论约束，一旦再次消除对于通过熟练技术人员实施该方法的需要，已经发现这种样品支撑件的使用稳定了工艺过程，从而使样品位于样品支撑件之上。
依据一些实施例，通过至少一个孔隙占据样品支撑件的表面区域的不到大约98％。依据具体实施例，通过至少一个孔隙占据样品支撑件的表面区域的不到大约50％。
依据一些实施例，样品包括分段，该分段具有两个基本上平行的表面，并且探针以几何形状定向附固于样品，以使样品的平行表面的一个远离面对物体，因为样品被从物体提取，并被旋转。
依据一些实施例，在成像之前，探针附固于样品。连接探针的一个示范性的位置是形成样品的外表面。
依据一些实施例，探针基本上不平行于外表面。
依据一些实施例，远离外表面地定向探针。可选择地，以基本上与样品的外表面的法向矢量的55度的角度定向探针。
在一些实施例中，当从物体移走样品，在装配于样品支撑件上之前基本上120度地将其旋转。
用于附固针或探针的任何已知技术适用于本发明。依据一些实施例，通过离子束金属沉积固定针或探针的尖端至样品。可替代地，通过静电吸引固定针或探针的尖端至样品。
在电子透明度成像之前从样品可选择地分开探针。用于分开针或探针的示范性技术包括离子束铣削。
依据一些实施例，成像的平台包括使样品位于样品支撑件之上，并且在定位之后所述探针与样品分开。
任何形状的物体都适用于公开的方法。这样，在一些实施例中，从基本上为圆柱形的晶片形成样品。在一些实施例中，在真空腔室中设置之前先裂开晶片，以形成和提取样品。在一些实施例中，物体基本上是棱形的。
现在首次公开了样品和成像的方法，其包括设置物体于真空腔室中，形成来自物体的样品，并对样品的物体横截表面进行微观分析，其中在样品在真空腔室中的同时实施形成和微观分析。
依据一些实施例，微观分析包括使样品受由离子束和电子束组成的组选择出的粒子束的支配，其中粒子束基本上垂直地入射至所述物体横截表面。
现在首次公开了提取和监控样品的方法。公开的方法包括形成来自物体的样品，以使样品包括物体的物体横截表面，并在包括至少一个孔隙的样品支撑件的表面上设置至少一个样品，以使样品的物体横截表面基本上平行于样品支撑件的表面。
依据一些实施例，在从物体形成样品的同一真空腔室中对样品进一步进行电子透明度分析。可替代地，至少一个装配样品在装载部位或盒子上。可以可选择地运载装载部位或盒子至分离的工具，以用于电子透明度分析。
依据一些实施例，样品的形成产生物体中的凹槽，并且所述方法进一步包括沉积材料于凹槽中。
依据具体实施例，在真空腔室中实施沉积。依据具体实施例，通过沉积材料完全填满凹槽，依据具体实施例，沉积包括聚焦离子束沉积。
不希望被理论约束，现在公开通过本发明的实施例提供的方法，其引起半导体晶片的最小损坏，同时仍允许缺陷分析和工艺过程控制，包括晶片的横截面的电子透明度。此外，现在公开利用沉积材料凹槽的可选择填充进一步最小化了由于样品处理对晶片提供的损坏。
现在首次公开在真空腔室中形成物体的样品的方法，并重复地变薄和成像真空腔室内部的样品，产生多个图像。公开的方法包括提供真空腔室中的物体，在真空腔室内部形成来自物体的样品，利用离子束变薄样品的至少一部分，并成像被变薄的样品，其中所述样品的至少一部分受电子束的支配。
在一些实施例中，成像的至少一个所述平台包括电子透明度分析。
在一些实施例中，成像的至少一个所述阶段包括检测从由二次电子、反向散射的电子、螺旋式电子和光子组成的组中选择出的微粒。
在一些实施例中，在成像的第一阶段过程中样品厚于电子透明度阈值，并且样品是成像的所述随后阶段过程中时的电子透明度。
在一些实施例中，成像的至少一个阶段进一步包括对样品的至少一部分进行光学显微。
在一些实施例中，重复变薄和成像至少一次，直至通过所述变薄消除所述电子显微样品的至少一部分。
利用离子束用于变薄样品的任何已知方法适用于公开的方法。适用的方法不局限于此地包括使样品受聚焦离子束的支配，以及使样品受来自离子枪的氩离子束的支配。
在一些实施例中，变薄包括材料的选择性的移走。
不希望被理论约束，公开本发明的实施例，其讲述了基于从晶片的移走，样品的重复变薄和电子透明度分析也适用于电子透明不是必须的样品。本发明的该实施例特别有利，由于更多结构的声音样品不大可能使机械损坏，比如基于从晶片的形成或形成的特征。样品越稳定就更容易处理，并且特别适用于其中样品制备和成像是自动的实施例。
此外，需要注意，对于一些实施例，先前不知道用于成像的最佳样品厚度。这样，本发明的实施例提供了用于获得多个图像的方法，每一个图像反映不同的样品厚度。在一些实施例中，自动执行可替代的样品变薄和成像。
在具体实施例中，当样品装配于样品支撑件上时，在现场执行可替代的离子束铣削和电子显微成像。需要指出对于一些实施例，这允许更厚和更稳定的样品的装配，而不是其他。
尽管本发明的具体实施例不排除在样品形成前物体或半导体晶片的先裂开，本发明的技术不需要在提取样品之前先裂开晶片，并且不需要机械铣削作为样品形成工艺过程的一部分。其中不先裂开晶片的实施例和方法更容易自动化，这样以对本导体制备实践最小破坏的方式提供缺陷分析和工艺过程控制。不希望被理论约束，需要指出利用本发明的方法获得来自晶片的样品仅最小程度地损坏晶片，留下更多完整的晶片，并最小化在制造工艺过程的全部成本上缺陷分析的经济影响。
本发明首次公开了一种工具，其包括真空腔室，用于形成来自物体的样品的离子束源，用于提取和控制形成的样品的机器人控制器，以及电子显微装置，其用于执行来自工具内物体的的提取样品的电子透明度分析。至今，该自动工具是不可能的，这是由于与样品处理相关的困难，并且更具体地，由于自动移走电子透明度样品和用于成像而装配样品的困难。更具体地，不包括于此公开的工具，其他工具缺乏可以铣削样品的样品至非常小的厚度的步骤，该厚度不受从其中形成样品的同一真空腔室中晶片的样品转移处理的限制。不希望被理论约束，需要指出本发明的实施例的方法克服了这些困难。
这些和进一步的实施例将从下面的详细说明和例子显而易见。
附图说明
图1提供了从其获得样品的晶片的透视图；
图2A提供了样品形成的示范性实施例的透视图；
图2B提供了样品形成的示范性实施例的横截面图；
图2C提供了样品形成的示范性实施例的横截面图；
图2D提供了样品形成的示范性实施例的透视图；
图3A提供了连接至样品的探针的示范性实施例的透视图；
图3B提供了样品形成的示范性实施例的透视图；
图3C提供了利用(1，1，1，)的指针方向的各种旋转角度的说明。
图4A提供了从晶片提取示范性样品之后的透视图；
图4B提供了被旋转之后示范性样品的透视图；
图5A提供了位于样品支撑件之上的示范性样品的透视图；
图5B提供了探针与样品分开之后位于示范性的样品支撑件之上的示范性样品的透视图；
图5C提供了示范性的样品受微粒束的支配、同时位于示范性的样品支撑件之上的等比示意图；
图6提供了其中多于一个的样品位于同一样品支撑件之上的实施例的透视图；
图7A-B提供了位于示范性的样品支撑件之上的示范性的样品的等比示意图；
图7C提供了示范性的样品受微粒束的支配、同时位于示范性的样品支撑件之上的等比示意图；
图8A提供了依据本发明的一些实施例用于样品形成和形成样品的电子透明度分析的工具的等比示意图；
图8B-8E提供了依据本发明的一些实施例用于样品形成和形成样品的电子透明度分析的工具的等比分解示意图；
图9A-9C提供了依据本发明的确定实施例的X-Y-Z-Θ机器人样品控制器的说明。
图10A提供了依据本发明的一些实施例用于样品形成和形成样品的表面分析的工具的等比分解示意图；
图10B-10F提供了依据本发明的一些实施例用于样品形成和形成样品的表面分析的工具的等比分解示意图；
图11提供了依据本发明的一些实施例样品形成以及装配的流程图；
图12A-D提供了依据本发明的一些实施用于样品形成、样品重变薄和微观分析的重复方法的各种实施例的流程图；
图13提供了依据本发明的一些实施样品变薄的示范性附图；
图14提供了各种样品传送选择的流程图。
具体实施方式
可以理解，于此描述的实施例的类别(class)仅提供了这里的创新立意教导的多种有利应用的一些例子。通常，在本申请的说明书中进行的陈述不必限定任何的各种要求的发明。此外，一些陈述可以应用至一些有创造性的特征，而不是应用于其它特征。
依据本发明的多个实施例，公开的用于采样形成物的方法始于物体的一部分的切割。在一个具体实施例中，物体是半导体晶片，而在其它实施例中，示范性的物体包括生物材料、微机械装置、薄膜等等。
图1提供了物体102的示范性说明，在目标位置106附近从物体102中提取一个部分，物体102包括上或外表面112。在图1中，示出的物体102是圆柱形，尽管其不局限于此，并且可以以任何形状的物体实践本发明，包括基本上直角棱形的物体、不规则尺寸的物体或任何其它形状。在一些实施例中，物体102是半导体晶片。需要指出，对于多个实施例，物体102是圆柱形半导体晶片，并且不度量如图1所示的物体102的直径的相对尺寸和物体102的厚度。对于多个这种实施例，晶片要比在图1中示出的直径相对要薄的多。
在多个实施例中，初始切割穿透物体102的上表面。在具体实施例中，利用电子透明度分析，基于确保进一步研究的感兴趣的具体特征的存在选择目标位置106。示范性特征包括有缺陷的半导体装置，比如由多个顺序地沉积的层制成的电容器，或存储单元中的金属接点。在半导体工业中，利用各种表面和电压特征，通常通过电气故障位置图定位这种有缺陷的装置。这种特征正常地将具有刺入晶片体的微观结构，并被比如其它单元电路的其它微观结构围绕。为了说明，假定本发明的兴趣特征在通过Z和Y轴限定的Y-Z平面中。可以理解，由于特征被包括在Y-Z平面中，Y-Z平面限定了被暴露于样品制备的物体102的横截面。
尽管仅在物体102的上表面112上说明了目标位置106，在各种实施例中，存在多于一个的目标位置106，并从多重目标位置提取和成像样品。
在识别具体位置106之后，通过穿过上表面112切割物体102形成样品。尽管没有特定的需要，在多个实施例中，切割技术包括离子束铣削技术、优选的聚焦离子束铣削技术。在聚焦离子束(“FIB”)技术中，在样品支架(未示出)上装配物体102或物体102的局部，并且便利地将其放置于聚焦的离子束腔室(未示出)中，以用于聚焦离子束铣削。需要指出，对于其中FIB技术用于切割物体102的多个实施例，本发明提供了用于样品提取的方法，其中物体的其它部分不会随同损坏。对于其中物体102是半导体晶片的实施例，这种随同损坏代价特别高。
FIB可以是单波束模型或是双波束模型。典型的FIB工具是由包括SEMVisionTMG2 FIB的Applied Materials(Applied Materials，Santa Clara，CA)制造和从Hillsboro，Oregon的FEI公司可获得的FIB工具，如模型200、820、830或835。熟练的专业人员参照Shemesh等人的名称为“用于导向铣床的系统和方法”专利US6,670,610。
在图1中示出的X-Y平面被称作“物体平面”。
图2A至2C说明了本发明的示范性实施例，其中通过产生穿过物体102的上表面112的两个基本上平行的沟槽110和108的离子束初始形成样品104。在图2A中，矢量B表示离子束的入射矢量，而矢量N表示样品104的外表面124的外法线。如于此使用的，样品的“外表面”是指对应于物体102的上表面112的样品中附固的表面。当从物体102连续地移走样品104，并旋转时，于此附固的样品104的外表面124随样品旋转。
在图2A-D中示出的实施例中，样品104是具有两个基本上平行壁的薄样品、或膜形状的样品，并且样品104包括具有基本上直角棱形形状的区域。在某些示范性实施例中，沿着Y轴的所述直角棱形的宽度是15-20μm，沿着Z轴的所述直角棱形的深度是3-5μm。在另一些示范性实施例，所述直角棱形的深度不大于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。
在其中一些试图使样品104的一部分受电子透明度分析支配的一些实施例中，沿着X轴的厚度是20-100nm。尽管如此，不应将所述厚度范围进行限制，因为本发明的实施例提供用于变薄从其中形成样品的相同真空腔室中的物体提取的样品的设备和方法。这样，在其中一些试图使样品104的一部分受电子透明度分析支配的一些实施例中，沿着X轴的厚度大于100nm，甚至在微米的数量级上。对于这些实施例，在电子透明度分析之前的形成之后变薄样品。不希望被理论约束，需要指出的是样品越厚就越不可能断裂或破碎。
对于其中试图对样品104进行微观分析而不是电子透明度分析的实施例，样品可以是沿着X轴的任何厚度。在一些实施例中，样品厚度大于100nm。
这些前述的尺寸仅仅是示范性值，并且可以理解不同尺寸的样品也是可以接受的。
如果图2B所示，膜形样品104包括外表面124、近120和远122物体横截表面。如于此使用的，“样品壁”是附固于基本上垂直于附固于样品中的外表面的样品上的样品104的表面。样品壁的例子包括近120和远122物体横截表面。在一些实施例中，样品壁邻近外表面。
在一些实施例中，样品包括具有两个基本上平行的表面的分段。如于此使用的，“物体横截表面”是附固于基本上平行于基于平行沟槽的形成的平行沟槽110和108的样品的样品壁。示范性的物体横截表面包括近120和远122物体横截表面。
依据本发明的一些实施例，已经发现本发明可用于受试样品壁，更具体地用于为了微观分析的物体横截表面，其中样品壁或物体横截表面受电子束的支配，以产生微观分析图像。
可选择地，反复地变薄和微观分析物体横截表面，提供多个图像，其中每个图像表示不同的暴露的物体横截表面。
需要指出，对于在图2B中示出的样品形成的情形，在近和远样品壁之间不存在根本的差别，并且在这种情形下，用于样品形成的方法不需要样品几何形状方面的任何不对称。这样，对于在图2B中示出的样品形成的情形，把表面120和122表示为“近”和“远”物体横截表面是可选择的。根据本发明的一些实施例，在样品形成和提取工艺过程中，在较后阶段，处理近120和远122物体横截表面是不同的。
在膜形样品104形成之后，从围绕物体102移走样品104。
用于切割完全形成的样品和用于从晶片移走样品的各种技术在本领域是熟知的。例如，U.S.6,700,121公开了通过形成临近的平行沟槽从较大的物体切割样品，其中利用绳连接样品至较大的物体形成样品。利用显微操作设备使样品接着与较大的目标分开。示范性的技术不局限于此地包括U.S.6,188,072中公开的内容，因此于此将其全部参照结合。
在美国公开的专利申请2002/0121614中公开了用于切割完全形成的样品和用于接着分开样品的其它技术，于此将其全部参照结合，其公开了通过利用离子束在基本上的法线入射处首先切割成晶片的样品分离和提取的方法，并随后利用离子束再次切割成晶片，凹割目标，以使样品完全从晶片解除。通过附固至样品的探针可以从晶片移走样品，并且然后利用探针使样品与晶片分离。可以理解的是，依据本发明，可以采用用于从晶片的一部分形成样品以及用于从晶片移走样品的这些公开的方法以及本领域的普通技术人员已知的其它方法的任何方法。
图2C示出了用于凹割膜形样品104的示范性方法。在图2C示出的实施例中，移动射束B的入射角以朝向矢量B，从而使其与表面112倾斜以形成在直角棱形下面的楔126。需要指出，在基本上平行的沟槽110和108的形成之后利用FIB射束可以可选择抛光近120和远122物体横截表面或两个表面。
在本领域中已知用于相对于物体重新定向微粒束的不同技术，射束入射到该物体上。在一些实施例中，所述物体位于可旋转和可倾斜的平台上，并且通过旋转和/或倾斜所述平台改变入射角度。在一些实施例中，射束源是离子束柱，并且通过旋转或倾斜所述离子束柱改变入射角度。例如在US5,329,125中就公开了微粒射束柱的旋转，于此将其参照结合。尽管如此，其不局限于此，并且需要注意在本领域中已知的用于倾斜射束柱的其它技术也适用于本发明。
需要指出，已知技术的组合也适用于本发明。
图2D提供了样品形成的下一步骤的透视图，由此切掉连接样品104至物体102的两个剩余壁的一个121。在图2D的示范性实施例中，利用铣削射束切掉薄的连接壁121。需要指出，依据本发明的一些实施例，以相对X轴的角度θ可选择切割薄的连接壁121。θ的示范性值是从大约0.01°至大约0.2°的范围。
如图2D的实施例中所示，当以角度θ切割连接壁121时，就破坏了近物体横截表面120和远物体横截表面122之间的任何几何对称。
在具体实施例中，在样品移走之前，将探针或针连接至样品，以从晶片移走样品。在一些实施例中，物体102搁置于平台(未示出)之上，并且一旦针或探针连接至物体102，就通过降低平台移走样品。
需要指出，可从例如Micromanipulator Co.，Inc(Carson City，NV)获得任何针。
图3A提供了示范性系统的说明，其中使用利用FIB的金属沉积将针128焊接至样品104。可以理解，焊接仅仅是附固针128至样品104的一种方法，并且任何其他技术也适用于本发明的实践，包括利用静电吸引力或粘附的附固针128。
通过操作员、或可替代的可以通过机器人控制器可以控制针128的平移和旋转运动。
在具体实施例中，利用真空或大气操纵器控制针的位置。在其中自动执行本发明的方法的实施例中，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至样品并连接至样品104的外表面124上的任何位置，现在公开了具体的定向，通过所述定向，针或探针连接至样品104。图3A和3B说明了示范性的针定向和定位。这样，依据一些实施例，探针或针附固至样品的所述外表面124，以使所述探针基本上不平行于样品的外表面124。
在图3A和3B示出的示范性实施例中，需要注意远离外表面124地定向探针或针128。依据一些实施例，该方向是指由外表面124的中心125和探针或针128和样品124的外表面之间的触点127之间的距离给出的外表面124的中心125和表示所述探针投影到外表面上的矢量之间的最小距离。依据一些实施例，以与样品104的外表面124的法向矢量基本上55度的角度定向探针或针128。
需要指出，在图3A和3B中示出的实施例中，在相对于附固至样品104的x-y-z轴的(1，1，1)方向上确定在探针或针的方向上的触点127处始发的探针或针矢量的方向。需要注意，连接针的(1，1，1)方向再一次区别近物体横截表面120和远物体横截表面122。
在一些实施例中，探针或针方向有利于基于从物体102的移走样品104的旋转，这样一旦已从晶片102上移走样品104，近物体横截表面120面向上。在一些实施例中，如图3C所示，旋转基本上是120度。
图3B说明了本发明的实施例，其中一旦连接探针或针，就切掉连接样品104至物体102的第二壁123。在一些实施例中，利用聚焦的离子束的作用执行第二壁123的切割。
一旦切掉以探针或针128连接的样品104，并与物体102分开，从物体102移走样品104。在一些实施例中，这种移走通过利用附固探针128从物体上提起样品104来实施。在一些实施例中，样品104的移走通过降低平台(未示出)来实施，当样品104与探针或针128相连时，物体102静置在该平台上。
在图4A和4B中提供了从物体102提取样品104之后样品104的示范性说明以及其旋转。需要注意，在图4A-B中示出的膜形样品104具有Y-Z平面中的射束形状。尽管射束形状不是本发明的需要，但可以理解该形状浸染样品具有特别的稳定性，降低了在样品形成、样品移走或样品的成像过程中样品会破裂或断开的可能性。可以理解，如果初始样品104太薄(依据在图4A中配备的轴的X方向)，那么样品就更易碎，并且会由于从晶片的移走造成物理损坏，或其后，也会不利于自动化该过程。另一方面，对于其中期望使样品经受电子透明度分析的那些实施例，如果初始样品104太厚，这会不利于为了允许在厚度尺寸(在图4A中示出的X尺寸)上的电子透明度分析而变薄样品的随后劳动。对于其中利用FIB铣削使样品连续变薄的实施例，初始太厚的样品伴随地增加了FIB铣削样品至适于电子透明度分析的厚度所必须的时间。
如图5A所示，在从物体102提取样品104之后，样品104附固于样品支撑件134的上表面130。在一些实施例中，当从物体104提取、连接至探针或针128以及悬挂于真空腔室中时，样品104在离子束之下。随后，保持样品支撑件134的平台被拿到样品104之下，以使它可以降低至样品支撑件134的期望位置之上。
需要注意，在图5A中示出的实施例中，样品104附固于样品支撑件134，以使样品104的外表面基本上垂直于样品支撑件134的上表面130，从而允许样品104的横截面的随后的电子透明度分析。在一个实施例中，如图4B所示地旋转样品104，以获得相对于样品支撑件130的样品104的期望定向。
可选择地，旋转样品104，以使物体横截表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，以使近物体横截表面120基本上平行于样品支撑件134的上表面130。
依据一些实施例，“基本上平行于样品支撑件的表面的”样品的物体横截面是平行于为在最大10度的公差范围中的样品支撑件的表面。在一些实施例中，所述公差最大为5度。在一些实施例中，所述公差最大为3度。在一些实施例中，所述公差最大为1度。
在具体实施例中，在样品104位于样品支撑件134上之后移走针128或其它合适的探针。
为了可选择的微观分析，样品104然后可选择地附固于合适的样品支撑件。在示范性的实施例中，微观分析包括透明度分析。
如图5A和5B所示，样品支撑件134包括至少一个可选择的孔隙132，在电子透明度分析过程中，电子束能够通过该孔隙。在具体实施例中，在样品支撑件134的上表面130上定位样品104，以使样品104的至少一部分在孔隙132的一个之上或越过孔隙132的一个。在其它实施例中，样品支撑件是固态的，并且没有孔隙。
在具体实施例中，当其装配于样品支撑件134之上时，对样品104进行电子透明度分析。这样，在样品支撑件134的上表面130上定位样品104，以使样品104的至少一部分在孔隙132的一个之上或越过孔隙132的一个，这样允许电子束跨过样品104的至少一部分和孔隙132。
如图5C所示，在装配于样品支撑件134之后，样品104受粒子束142的支配，比如电子束或离子束，所述离子束比如从射束源140发射的聚焦离子束。如图5C所示，电子束基本上垂直地入射至比如近120和远122物体横截表面的样品104的物体横截表面。如图5C所示，电子束与基本上垂直于样品支撑件134的上表面130的线共线。
依据一些实施例，在电子透明度分析过程中，“基本上垂直入射”于样品表面的电子束垂直入射至为最大5度的公差范围中的表面的局部平面。在一些实施例中，所述公差最大为3度。在一些实施例中，所述公差最大为1度。在一些实施例中，所述公差最大为0.5度。
依据一些实施例，在电子透明度分析过程中，“基本上垂直入射”到样品表面的电子束垂直入射至为最大10度的公差范围中的表面的局部平面。在一些实施例中，所述公差最大为5度。在一些实施例中，所述公差最大为3度。在一些实施例中，所述公差最大为1度。
依据一些实施例，在样品形成或变薄的过程中，“基本上垂直入射”到样品的表面的的聚焦离子束垂直入射至为最大10度的公差范围中的表面的局部平面。在一些实施例中，所述公差最大为5度。在一些实施例中，所述公差最大为3度。
样品支撑件134包括至少一个这种孔隙132，并且在具体实施例中，样品支撑件134包括多个这种孔隙132，以使多于一个的样品104可以附固于样品支撑件134，由于每一样品104的附固，以使样品104的一部分在孔隙132之上或越过孔隙132。在图6中提供了其中多于一个的样品104附固于样品支撑件134的实施例的例子。
在一些示范性的实施例中，装配于样品支撑件上的样品的密度是每平方毫米100个样品的数量级。不希望被理论约束，需要指出在一些实施例中，样品支撑件上多个样品的装配有利于工艺过程，从而单独的样品支撑件可再用于不同的样品，而不需要从工具移走样品支撑件。
需要注意，在图6的实施例中，孔隙132仅占据样品支撑件134的少数表面积。本发明不局限于此。包括固体表面和至少一个孔隙的任何样品支撑件都适用于本发明。其它示范性的样品支撑件包括本领域熟知的TEM晶格，其中孔隙占据样品支撑件的表面积的绝大多数。尽管如此，可以理解，如果孔隙占据小于样品支撑件的表面积的绝大多数，通常更容易自动化在固体支持表面上的定位过程。
如图5-6中提供的装配样品104至样品支撑件134的图像仅说明了本发明的某些实施例。可替代地，以几何方向将样品104装配于样品支撑件134之上，而不是其中物体横截表面基本上平行于样品支撑件134的上表面130的先前所述的定向。
图7A和7B提供了依据本发明的某些实施例将样品104装配于样品支撑件134之上的说明。如图7C所示，在装配于样品支撑件134上之后，样品104受比如电子束或离子束的粒子束142的支配，所述离子束比如从射束源140发射的聚焦的离子束。如图7C所示，电子束基本上垂直地入射至比如近120和远122物体横截表面的样品104的物体横截表面。如图7C所示，电子束与样品支撑件134的上表面130倾斜的线共线。
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，当附固于样品支撑件134的膜形样品104对电子透明度分析太厚时，其中所述厚度是近物体横截表面120和远物体横截表面122之间的距离，当附固于样品支撑件134时，铣削样品104至合适的厚度，优选利用离子束铣削装置。
在另一个实施例中，在膜形样品104附固于样品支撑件134上时，合适的样品厚度可以不是已经先验的，并且需要在现场确定。
现在首次公开用于形成、提取和成像物体的样品的自动工具，自动工具包括用于成像样品以使电子束的至少一部分跨过样品的至少一部分的电子微观分析装置。需要注意，存在对于工具的工作需要，工具包括离子束铣削装置和电子透明度显微装置，特别是在半导体加工领域，在这种情况中，存在对于用于缺陷分析和工艺过程控制的工具的需要。
在一些实施例中，所述装置包括用于支持物体和可选择获得样品的一个或多个平台。在其中在平台上支持获得的样品的一些实施例中，电子束源和电子检测器位于至少一个平台的上表面的相对位置上。在一些实施例中，该几何结构提供了通过位于平台上的样品的电子的检测。可替代地，所述装置包括用于支持物体的平台，并且所述装置不包括用于支持样品的平台。
在装置中从其提取样品的示范性的物体不局限于此地包括半导体晶片。在一些实施例中，至少一个平台适于支持硅晶片。在一些实施例中，至少一个平台包括用于支持物体的支持表面，其中支持表面具有至少30,000mm2的尺寸，并且充分大以支持200mm或更大的晶片。
在其中在平台上支持样品的具体实施例中，当通过针或探针连接和支持时，利用电子透明度分析成像样品。在这些实施例中，定位电子束源和电子检测器：以使它们要定位在要进行电子透明度分析的样品所在区域的相对侧面上。
在具体实施例中，所述工具也包括机器人控制器，所述机器人控制器包括用于移走利用离子束从物体形成的样品的针或探针。可选择地，编程机器人控制器，以为了微观分析在电子显微样品支撑件上定位获得的样品。
图8A-E提供了依据包括可移动的平台、FIB装置、样品操作装置和用于电子透明度分析的电子显微装置的第一多层柱工具322的本发明的一些实施例的设备的等比说明图和等比分解说明图。现在参照图8A-E，可以看出：第一多层柱322包括FIB柱310，其用于从较大的物体形成样品，比如晶片或膜片(die)，第一多层柱322还包括电子束源308，其用于使样品受电子束的支配，以使电子束的至少一部分通过样品，第一多层柱322还包括电子束检测器306，其用于检测从通过至少一个平台312的电子束的一部分获得的电子，第一多层柱322还包括机器人控制器320，其用于提取和操作形成的样品。在示范性实施例中，至少一个平台312、FIB柱310、电子束源308、电子检测器306和机器人样品控制器320部分或整体地位于封装部件的真空腔室304中。
在一些实施例中，平台可在多至三维的方向上移动，并包括旋转轴(未示出)。平台312可选择地包括倾斜轴，所述倾斜轴用于倾斜位于平台312上的晶片。
在具体实施例中，在平台312上放置物体，如图8C-8D所示，所述平台312包括可选择口358。可选择地，电子检测器306的一部分突出通过孔隙358。
平台312是可选择地可移动的，特别是可移动和可旋转的。在一些实施例中，平台操作性地连接至电动机。如图8B、8C和8E所示，在轨道340上装配可移动的平台。在一些实施例中，当对样品进行电子透明度分析时，平台312和样品支撑件载体350也用于支持可选择位于样品支撑件之上的样品如图8所示，样品支撑件载体350位于平台312中的孔隙358中。
在一些实施例中，平台312包括上表面或支持表面360，将这些表面设置成支持200mm或更大的晶片336。
在一些实施例中，平台312包括上表面或支持表面360，所述表面具有至少30,000平方毫米的表面积。
可选择地，FIB柱310和/或电子束柱308也可以相对于平台312倾斜。
可以理解，当对样品进行电子透明度分析时，除了平台312的第二平台(未示出)也适用于支持样品。可选择地，也可以倾斜第二平台。
用于样品支撑件的第二平台可以是完全或部分地在真空中的控制器。
如图8D所示，装置包括用于多个样品支撑件的可选择固定器338。
如图8B、8E所示，样品控制器320包括针或探针342。
如图8A-8E所示，装置包括可选择的FIB检测器330，比如离子检测器或电子检测器。
如图8A-8E所示，单独的电子束源308发射电子，通过电子透明度检测器306和比如SEM检测器的可选择的反向散射和/或第二电子检测器334检测所述电子。尽管如此，可以理解在一些实施例中，存在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，并且可选择地用于切割样品。
如图8A-E所示，电子束源308和电子透明度分析检测器306位于被成像的样品的相对侧面上。如图8D所示，电子束源308和电子透明度分析检测器306位于支持用于保持被装配的样品的样品支撑件的样品支撑件载体350的相对侧面上，并也位于平台312的上表面360的相对侧面上。
相反，如从图8E中显而易见的，可选择的SEM检测器334与电子束源308位于平台312的同一侧上。
尽管这适于如图8A-E所示的实施例，所述几何形状不是本发明的限制，特别是对于其中那些当由探针或针支持时对样品进行电子透明度分析的实施例。可以理解，对于这些实施例，在电子透明度分析的时间过程中，对于电子束源308和电子检测器306位于其中被分析样品的位置的相对侧上是必须的，以使由电子束源308提供的电子束能够穿过被电子检测器306检测的样品的至少一部分。
可以理解，在一些实施例中，所述装置包括多于一个的反向散射和/或第二电子检测器334和/或多于一个的电子透明度检测器306。在一些实施例中，所述装置包括可选择的光学显微装置(未示出)。在一些实施例中，所述装置包括可选择的光电检测器(未示出)，将这些可选择的光电检测器设置成检测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，在其它的实施例中，电子透明度检测器306是TEM检测器。
如图8E所示，平台312在FIB切割区域。在一些实施例中，电子透明度检测器306是可伸缩的，并且如图8E所示，在移动平台至FIB切割区域之前电子透明度检测器306是可缩进的。
在具体实施例中，第一多层柱工具322也包括控制器(未示出)，所述控制器包括可操作地耦合至从由离子束源310、电子束源308、电子检测器306、可移动的平台312、第二显微装置(未示出)以及机器人控制器320组成的组中选择出的至少一个装置的处理器和存储器。在具体实施例中，控制器(未示出)可操作地耦合至离子束源310、电子源308以及机器人控制器320。在具体实施例中，控制器(未示出)可操作地控制可选择包括在所述装置中的任何其他微观分析装置。
在一些实施例中，处理器控制器可操作地控制比如可移动平台312的至少一个平台的平移和/或旋转。
在一些实施例中，第一多层柱工具322进一步包括用于EDX分析的可选择螺旋式电子检测器(未示出)和/或x-射线检测器(未示出)。
在一些实施例中，处理控制器是可编程的，以使所述工具执行用于样品形成、样品旋转、在样品支撑件上定位样品以及于此公开的样品微观分析的方法。
图9A-9C提供了依据本发明的某些实施例的示范性的X-Y-Z-Θ机器人样品控制器320的说明。尽管如图9A-9C中公开的机器人控制器320适用于如图8A-8E和10A-10E中所述的多层柱工具322和362，但可以理解，作为例子提供如图9A-9C中所示的机器人控制器320，并且不局限于此。
需要指出，如图9A-9C中所示的工具轴和前述的物体和/或提取样品中的附固轴之间没有连接。此外，可以理解，可对图9A-9C中所示的机器人样品控制器进行修改，并且这样这些附图仅是说明性的而不是限制性的。
如图9A-9C所示，机器人样品控制器包括位于旋转轴502上的挠性波纹管508中的旋转轴512。挠性波纹管508允许旋转轴轴向和横向运动，同时保持真空密封。旋转机构包括旋转轴承和密封。
针或探针128在旋转轴末端。在一些实施例中，针可以用于提取从物体形成的样品。
如图9A-9B所示，旋转轴502的方向与垂直于控制器基座504的方向的夹角基本上为55度。
图9C提供了X-Y-Z-Θ机器人样品控制器的横截面图。样品控制器包括真空密封表面514。
图10A-10F提供了依据本发明的一些实施例用于提取物体的样品并使样品受表面分析的第二多层柱工具362等比说明的图示和等比分解示意图。
现在参照图10A-F，可以看出第二多层柱工具362包括用于从比如晶片或膜片(die)的较大的物体形成样品的FIB柱310、用于在样品的表面散射电子束的电子束源308B、至少一个平台312B以及用于提取和控制形成的样品的机器人控制器320、EDX装置364和螺旋式电子检测器366，所有部件部分或整体地位于用于封装部件的真空腔室304中。尽管如图10A-F中示出的示范性多层柱工具362包括EDX364和螺旋式电子检测器366，但可以理解本发明的某些实施例提供了仅具有一个EDX364和螺旋式电子检测器366的多层柱工具。
在一些实施例中，平台312B可多至在三维中移动，并包括旋转轴(未示出)。此外，平台312包括倾斜轴，其用于倾斜位于平台312B之上的物体或样品。
在具体实施例中，物体放置在可选择地移动、特别是可移动和旋转的平台312B之上。在一些实施例中，所述平台可操作地连接至电动机。如图10B-F所示，在轨道340上装配可移动的平台。在一些实施例中，平台312B包括支持表面360，将所述支持表面360设置成支持200mm或更大的晶片336。
在一些实施例中，平台312包括具有至少30,000平方毫米的表面积的支持表面360。
可选择地，FIB柱310和/或电子束柱308可以相对于平台312倾斜。
可以理解，当对样品进行表面微观分析时，用于支持物体或晶片的除了平台312B的第二平台(未示出)也适于完成支持样品的任务。用于样品支撑件的第二平台可以是完全或部分在真空中的控制器。
如图10C-F所示，所述装置包括用于多个样品支撑件的可选择的固定器338。
如图10B-E所示，机器人样品控制器320包括针或探针342。
如图10B-C所示，所述装置包括比如离子检测器或电子检测器的可选择FIB检测器330。
多层柱工具362包括用于晶片导航的SEM检测器334。
如图10E所示，在利用机器人控制器的针或探针342从来自晶片336的样品104提取之后，将样品放置于样品支撑件134C之上，以用于利用电子束源308B和螺旋式电子检测器366的至少一个以及EDX装置364的x-射线检测器进行表面微观分析。
在具体实施例中，第二多层柱工具362也包括控制器(未示出)，所述控制器包括处理器和存储器。
在一些实施例，处理器控制器是可编程的，以使所述工具执行于此公开的用于样品形成、样品旋转、样品支撑件上样品的定位以及样品表面微观分析的方法。
如图10A-F所示，第二多层柱工具362没有电子透明度分析装置，尽管可以理解可将这种可选择电子透明度分析装置增加至所述工具362。
图11提供了描述依据本发明的一些实施例获得样品以及在样品支撑件上定位所述样品的方法的流程图。依据一些实施例，在单独的真空腔室中实施图11中公开的方法，比如图8A-E的多层柱工具322或图10A-F的多层柱工具362的真空腔室304。这样，依据这些实施例，利用来自FIB柱310的聚焦离子束从晶片首先形成400具有横截表面(120或122)的样品104。随后，针或探针128连接402至样品104。在一些实施例中，利用来自FIB柱310的聚焦离子束进行连接402。
下一步从物体102移走404样品104，并相对于样品支撑件134重定向406，以使样品的外表面124基本上垂直于样品支撑件134的上表面130。可选择地，旋转样品104，以使物体横截表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，以使近物体横截表面120基本上平行于样品支撑件134的上表面130。
当其被针或探针128支持时，随后在样品下面定位407固定样品支撑件134的(比如平台312)平台。需要注意，在一些实施例中，步骤406先于步骤407。可替代地，步骤407先于步骤406。
在一些实施例中，通过平台312支持样品支撑件134。
然后利用机器人控制器320将样品104装配408于样品支撑件134之上，并利用来自FIB柱310的聚焦离子束将其连接或焊接410。
需要注意，在一些实施例中，在单独的工具或真空腔室中产生的样品要反复地进行微观分析，并在单独的工具或真空腔室中将其变薄。
图12A-D提供了依据本发明的一些实施例用于单独的工具中的样品形成、样品重变薄和微观分析的重复方法的各种实施例的流程图。依据在图12A-D中示出的实施例，当其保持位于单独的真空腔室中时，对形成的样品可替代地进行微观分析和变薄，由此产生一些列的图像，其中可从不同厚度的样品的微观分析获得每一图像。在一些实施例中，在从其中成像样品的同一真空腔室中的较大的物体形成之后，样品被重复地变薄和成像。
可以理解，可以独立于于此描述的本发明的其他方面地采用在图12A-D中示出的工艺过程。在具体实施例中，样品附固于样品支撑件，在这种情况中对其交替地成像和变薄。在具体实施例中，在包括FIB和允许电子透明度分析的电子微观分析装置的单独工具中实施所述工艺过程。
在一些实施例中，样品重变薄包括使样品受聚焦离子束的支配，以使聚焦离子束基本上垂直于样品的物体横截表面入射。
在一些实施例中，微观分析包括电子透明度分析。
在一些实施例中，微观分析包括从由次级电子的检测、反向散射的电子的检测以及包括x-射线的光子检测组成的组中选择出的至少一个工艺过程。
a.需要注意，在一个工具中实施所述工艺过程消除了在两个不同的工具向后和向前转移样品的需要，使在图12A-D中示出的工艺过程的自动化成为可能。
图12A-D提供了描述本发明的一些实施例的流程图。通过在真空腔室中形成样品602开始所述工艺过程。如图12A所示，在产生样品之后，对它进行表面分析604的重复处理，并通过变薄606表面切除。在一些实施例中，表面分析604包括与从样品的表面的电子散射相关的任何工艺过程，比如SEM、EDX和螺旋式电子检测。可选择地，对样品进行光学显微处理。在一些实施例中，在表面分析604时，对于次级电子的检测样品是较厚的。依据一些实施例，在样品分析604时，检测器不需要在微观分析样品之下。
需要指出，用于样品变薄的任何已知方法适用于本发明，在一些实施例中，利用聚焦离子束变薄样品606。在一些实施例中，通过飞溅氩离子束来实施利用变薄的表面切除。
在通过变薄606表面切除的重复的合适的数量之后，样品充分地薄，以用于电子透明度分析。可以理解，“电子透明度阈值”不限定具体数量的厚度，其中“电子透明度阈值”是样品变得足够地薄以用于电子透明度分析的值，因为所述数量取决于因素的数量，比如电子束源的能量、受电子透明度分析的材料的特性等。不希望被理论约束，需要指出在一些例子中，变薄具有和电子透明度分析阈值的量同一数量级的厚度的样品能够改进电子透明度分析图像的分辨率。
一旦样品充分变薄，对其进行电子透明度分析608。在一些实施例中，在透明度分析608过程中，需要分析在样品之下的检测器。此外，需要注意，如图12A-D中的最后步骤描述了收集步骤610A-D，尽管可以理解在任何描述的工艺过程中可以收集数据。
在示范性的实施例中，样品的成像部分表示比如半导体晶片的物体的横截面。
需要注意，在一些实施例中，对样品进行多于一种类型的微观分析。此外，尽管所述公开的方法适用于电子透明度分析，但其不局限于此，并且在一些实施例中，采用除了电子透明度分析的微观分析技术。
在一些实施例中，变薄包括利用FIB，其从样品的表面选择性地移走某些材料。这样，在示范性的实施例中，FIB研磨包括引入复核素，比如二氟化氙。
图12B提供了样品再变薄和成像的重复工艺过程的可替代的实施例的说明。在图12B中示出的实施例中，微观分析612的单独步骤需要表面和透明度分析。
图12C提供了其中微观分析仅包括透明度分析的实施例的描述。
如12D提供了其中微观分析仅包括表面分析并排除透明度分析的实施例的描述。
图13提供了依据本发明的一些实施例样品变薄的示范性附图。
可选择地，利用于此说明的方法和设备制备的至少一种样品位于样品支撑件之上、从工具中移走并被装载于装载位置之上。图14提供了不同的样品传送选择的流程图。这样，依据一个实施例，卸载产生的样品602，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，利用微观分析636或不利用微观分析632地变薄样品。在一些实施例中，至装载位置上的装载和转移是自动的，并通过机器人臂(未示出)对其控制，提供了用于获得装配于样品支撑件的样品的完全自动工艺过程。
在本申请的说明书和权利要求书中，每一个动词“包括”、“包含”和“具有”以及其实结合用表示动词的物体或目标不必是列出的部件、元件、装置或动词的对象或主题的一部分。
利用通过例子提供的本发明的实施例的详细说明已经描述的本发明，并且其试图不限制本发明的范围。说明的实施例包括不同的特征，不是本发明的全部实施例中需要的全部特征。本发明的一些实施例仅采用所述特征的一些或所述特征的可能组合。对本领域的人来说，会想到所述的本发明的实施例的变形和包括在说明的实施例中指出的特征的不同组合的所述的本发明的实施例。仅通过下面的权利要求限定本发明的范围。

Claims (21)

1.一种用于形成、提取和成像物体的样品的设备，所述设备包括：
a)真空腔室；
b)用于形成样品的离子束源，至少部分地位于所述真空腔室中；
c)用于提取和控制样品的机器人控制器，至少部分位于所述真空腔室中，以及
d)用于成像样品的第一电子显微装置，以使电子束的至少第一部分穿过样品的至少一部分，第一电子显微装置至少部分位于所述真空腔室中；
e)至少一个用于支撑所述物体的平台；
f)用于支撑所述样品的样品支撑件，其中所述样品支撑件包括一电子束能够通过的孔隙；
g)用于发射所述电子束的电子束源，至少部分地位于所述真空腔室中，以及
h)用于检测从所述电子束的所述第一部分获得电子的电子检测装置，至少部分地位于所述真空腔室中，其中所述电子束源位于样品支撑件的上表面上方，而所述电子检测装置位于样品支撑件的上表面下方。
2.权利要求1的设备，其中至少一个所述平台包括具有至少30,000mm2的表面积的支持表面。
3.权利要求1的设备，其中所述离子束源包括相对于所述平台可倾斜的离子束柱。
4.权利要求1的设备，其中所述机器人控制器包括可逆地连接至样品的针。
5.权利要求1的设备，进一步包括：
i)控制器，可操作地耦合至从由所述离子束源、所述第一电子显微装置以及所述机器人控制器组成的组中选择出的至少一种部件。
6.权利要求1的设备，其中所述电子束源以足够能穿过电子薄样品的能量发射所述电子束。
7.权利要求1的设备，其中所述第一电子显微装置是透射电子显微装置。
8.权利要求1的设备，其中所述第一电子显微装置是扫描透射电子显微装置。
9.权利要求1的设备，进一步包括：
i)电子检测装置，用于检测从所述样品的表面的所述电子束的第二部分的散射获得的电子。
10.权利要求9的设备，其中所述获得的电子从由二次电子、反向散射的电子以及螺旋式电子组成的组中选择出。
11.权利要求9的设备，进一步包括：
j)x-射线检测器，用于检测从所述电子束散射获得的x-射线。
12.权利要求9的设备，进一步包括：
j)专用的第二电子显微装置，用于电子透明度分析。
13.权利要求12的设备，其中所述第二电子显微装置是透射电子显微装置。
14.权利要求1的设备，进一步包括：
i)用于检测从受支配物体获得的离子的离子检测器，所述受支配物体是从样品和受从所述离子束源发射的离子束支配的物体组成的组中选择。
15.权利要求1的设备，进一步包括：
i)用于检测从受支配物体获得的电子的电子检测器，所述受支配物体是从样品和受从所述离子束源发射的离子束支配的物体组成的组中选择。
16.一种用于形成、提取和成像物体的样品的设备，所述设备包括：
a)真空腔室；
b)用于形成样品的离子束源，至少部分地位于所述真空腔室中；
c)用于提取和控制样品的机器人控制器，至少部分位于所述真空腔室中，以及
d)电子束源，用于散射样品的表面的电子束，所述电子束源至少部分地位于所述真空腔室内；
e)螺旋式电子检测器，用于检测从所述物体受所述电子束获得的螺旋式电子，所述螺旋式电子检测器至少部分地位于所述真空腔室内；
f)用于支撑所述物体的至少一个平台；以及
g)用于支撑所述样品的样品支撑件，其中所述样品支撑件包括一电子束能够通过的孔隙。
17.权利要求16的设备，其中至少一个所述平台包括具有至少30,000mm2的表面积的支持表面。
18.权利要求16的设备，其中所述机器人控制器包括可逆地连接至样品的针。
19.一种用于形成、提取和成像物体的样品的设备，所述设备包括：
a)真空腔室；
b)用于形成样品的离子束源，至少部分地位于所述真空腔室中；
c)用于提取和控制样品的机器人控制器，至少部分位于所述真空腔室中；
d)电子束源，用于散射样品的表面的电子束，所述电子束源至少部分地位于所述真空腔室内；
e)x-射线检测器，用于检测从受所述电子束支配的样品中获得的x-射线，所述x-射线检测器至少部分地位于所述真空腔室内；
f)用于支撑所述物体的至少一个平台；以及
g)用于支撑所述样品的样品支撑件，其中所述样品支撑件包括一电子束能够通过的孔隙。
20.权利要求19的设备，其中至少一个所述平台包括具有至少30,000mm2的表面积的支持表面。
21.权利要求19的设备，其中所述机器人控制器包括可逆地连接至样品的针。
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