Zpûsob odstraneni hmoty

Oblast techniky

Vynalez se tÿka zpùsobu rovnomerného odstraneni vrstev materialu z povrchu vzorkù, zejména pak polovodicovÿch zarizeni, pomoci odprasovani povrchu vzorku skenovanim fokusovanÿm iontovÿm svazkem.

Dosavadni stav techniky

Rostouci pozadavky na vÿkon polovodicovÿch zarizeni a jejich neustalé zmensovani vede k tomu, ze jsou vytvarena polovodicova zanzeni s velmi vysokou hustotou polovodicovÿch soucastek. V klasickÿch polovodicovÿch zarizenich jsou polovodicové soucastky umisteny do jednotlivÿch vrstev, které jsou umisteny na sebe. Aby bylo mozné zobrazit a zkoumat polovodicové soucastky umistené v hlubsich vrstvach polovodicového zarizeni, napriklad pro analÿzu poruch nebo reverzniho inzenÿrstvi, je nutné nejprve odstranit hmotu polovodicového zarizeni prekrÿvajici tyto soucastky.

Jednim ze zpùsobù, kterÿm se doposud provadi odstranovani hornich vrstev polovodicovÿch zarizeni, je mechanické lesteni. Tento zpùsob je sice pomerne rychlÿ, ale zanechâvâ na povrchu opracovaného zarizeni hluboké vrypy, které je nutné v dalsim kroku odstranit jinou technikou. Mechanickÿm lestenim je zpravidla také dotcena a poskozena pomerne velka oblast polovodicového zarizeni.

Dalsim zpùsobem odstraneni materialu polovodicového zarizeni je odprasovani pomoci svazku castic s velkou hybnosti. Pn narazu castice s velkou hybnosti do povrchu vzorku dojde k vyrazeni casti hmoty z povrchu vzorku neboli k odprasovani. Tohoto efektu je vyuzito napnklad u takzvanÿch iontovÿch lesticek se sirokÿm iontovÿm paprskem (BIB). Takové zarizeni zpravidla obsahuje zdroj iontù a prostredky pro vedeni paprskù iontù smerem k polovodicovému zarizeni. Nevÿhodu tohoto zarizeni je, ze pri rùzné odprasovaci rychlosti materialù mùze dojit k vytvoreni nezadoucich nerovnosti na opracovavaném povrchu. K eliminaci techto nerovnosti je s ùspechem vyuzivano rotace a pripadne i naklon vzorku v prùbehu odprasovani, jak je popsano v patentové prihlasce US 20120298884 A1. Prùbeh odprasovani je pak mozné sledovat pomoci optické mikroskopie, nebo pomoci skenovaciho elektronového mikroskopu (SEM). Nevÿhodou optické mikroskopie je nizké rozliseni, které neumoznuje rozeznat detailni struktury polovodicového zarizeni. Oproti tomu SEM poskytuje dostatecné rozliseni. Nevÿhodou SEM je, ze pri lesteni pomoci BIB dochazi k uvolneni velkého mnozstvi signalnich castic z odprasované oblasti, coz zpùsobuje velké ruseni na detektoru a znemoznuje zobrazeni této oblasti. Pokud ma bÿt vzorek dobre pozorovatelnÿ pomoci SEM, musi bÿt navic ve stacionarni poloze vùci skenovacimu mikroskopu a nemel by bÿt soucasne ozarovan pomoci BIB. Zarizeni zahrnujici soucasné pouziti SEM a BIB je popsano napriklad v patentové prihlasce US 20120298884 A1, nicméne SEM v pripade narokovaného zarizeni neslouzi k pozorovani povrchu behem odprasovani, ale k urceni koncového bodu odprasovani pomoci prostorové distribuce signalnich elektronù.

Vÿse zminené nedostatky je mozné odstranit pomoci odprasovani materialu z povrchu pomoci fokusovaného iontového svazku (FIB). FIB na rozdil od BIB je sbihavÿ svazek koncentrujici ionty dopadajici na vzorek do velmi malé oblasti. V soucasné dobe je beznou praxi vyuzivam FIB k odprasovani malÿch objemù materialu (tzv. sputtering). V polovodicovém prùmyslu je ovsem kladen dùraz na odprasovani mnohem vetsich ploch, respektive objemù (tzv. delayering), a to z povrchù polovodicovÿch zarizeni, které obecne obsahuji vice komponent s rùznou odprasovaci rychlosti. Pri odprasovani mnohdy dochazi k tomu, ze v dùsledku rùznÿch odprasovacich rychlosti vznikaji na povrchu nerovnosti prekâzejici dalsimu zkoumani. Tyto nerovnosti jsou v praxi casto redukovany napriklad vhodne nastavenou detekci koncového bodu

- 1 CZ 310048 B6 nebo pouzitim plynù pro homogenizaci povrchu pred nebo behem odprasovâni. Tyto metody jsou vsak zpravidla pomerne casove nârocné a vyzaduji zkuseného operâtora. Casto je také nutné upravovat parametry systému v prùbehu odprasovani. Znacnou vÿhodou by bezesporu byla i vizualizace odprasovani SEM, a to z dùvodu vysokého rozliseni, nebo vyuziti odprâseného materialu (câstic) k dodatecnÿm analÿzâm na zaklade jejich vlastnosti.

Podstata vynâlezu

Predmetem vynalezu je zpùsob odstraneni jedné nebo nekolika vrstev hmoty z vybrané oblasti na vzorku odprasovanim pomoci skenovani povrchu vzorku fokusovanÿm iontovÿm svazkem (FIB) spocivajici v tom, ze vybrana oblast je odprasovana z vice smerù pod malÿm ùhlem tak, ze v prvnim kroku je vzorek umisten do prvni polohy vùci FIB a prvni skenovaci oblast, zahrnujici vybranou oblast, je odprasovana v prvnim smeru pomoci FIB a v nejméne jednom dalsim kroku je vzorek umisten do druhé polohy vùci FIB a druha skenovaci oblast, zahrnujici vybranou oblast, je odprasovana pomoci FIB, pricemz prvni smer odprasovani a druhÿ smer odprasovani jsou vzajemne pootoceny. Osa iontového tubusu vytvarejiciho FIB a normala vybrané oblasti sviraji ùhel α o velikosti mezi 70 az 90 stupni.

Zpùsob provedeni podle vynalezu zahrnuje prvni krok, ve kterém je vzorek umisten do prvni polohy vùci FIB. Nasledne je v prvni poloze prvni skenovaci oblast na vzorku odprasovana pomoci FIB. Zpùsob provedeni dale zahrnuje nejméne jeden druhÿ krok, ve kterém je vzorek umisten do druhé polohy vùci FIB. Ve druhé poloze je druha skenovaci oblast na vzorku odprasovana pomoci FIB. Druha poloha mùze bÿt vùci prvni poloze otocena okolo normaly kolmé k povrchu vzorku o ùhel β, pricemz se skenovaci oblasti alespon castecne prekrÿvaji. V prekryvu skenovacich oblasti se nalézâ vybranâ oblast. Jako ùhel otoceni β je v textu rozumen ùhel sviranÿ dvema prùmety os FIB do roviny povrchu vybrané oblasti v jednotlivÿch polohâch neboli mezi smery odprasovâni. Tyto kroky mohou bÿt opakovâny do doby, nez je vytvoren ve vybrané oblasti priblizne rovnÿ a hladkÿ povrch v pozadované hloubce, napriklad v predem urcené vrstve polovodicového zarizeni. V ideâlnim pripade jsou jednotlivé polohy vzdy otoceny o stejnÿ ùhel oproti poloze predeslé. Vsechny polohy mohou bÿt navic nakloneny o stejnÿ ùhel α, kterÿ je svirân normâlou vybrané oblasti a osou FIB. Odprasovânim vzorku pod ùhlem α z vice smerù se vÿrazne redukuje vytvâreni povrchovÿch nerovnosti pri odprasovâni komponent s rùznou odprasovaci rychlosti.

Skenovânim, ve smyslu vynâlezu, se rozumi systematické a postupné prejizdeni FIB ve skenovaci oblasti na vzorku. Toto skenovâni probihâ tak, ze FIB opisuje zpravidla lineârni drâhu a dostane-li se na okraj skenovaci oblasti, posune se nebo zmeni smer a zacne opisovat dalsi lineârni drâhu, a to do doby, nez je oskenovâna celâ skenovaci oblast.

Hmota vzorku mùze bÿt slozena ze dvou a vice komponent majicich rùznou odprasovaci rychlost. Tyto komponenty mohou bÿt tvoreny stejnÿm materiâlem obsahujicim napriklad câstice s rùznou prostorovou orientaci nebo mohou bÿt tvoreny vice rùznÿmi materiâly. Vzorkem mùze bÿt napriklad polovodicové zarizeni. V polovodicovém zarizeni jsou bezne pouzivanÿmi materiâly zejména med, tantal, kremik, oxid kremicitÿ, galium, arsen a dalsi.

Opracovâvanÿ vzorek je zpravidla umisten ve vakuové komore na ùlozné plose umistené na manipulacnim stolku. Manipulacni stolek mùze bÿt uzpùsoben k rotaci kolem normâly povrchu vzorku.

FIB je charakterizovân osou FIB, urychlovaci energii a druhem pouzitÿch iontù. Urychlovaci energie bezne pouzivané pro odprasovâni mohou bÿt v rozmezi 1-30 keV. Nejcasteji pouzivanÿmi ionty jsou ionty Ga tvorené iontovÿm zdrojem na bâzi tekutého kovu nebo ionty Xe tvorené plazmovÿm iontovÿm zdrojem. Existuji vsak i jiné, moderni iontové zdroje, jako

- 2 CZ 310048 B6 napriklad zdroje vyuzivajici ionizaci laserem chlazeného atomického paprsku (tzv. Cold atomic beam ion source), umoznujici vytvâret siroké spektrum rùznÿch iontù.

Zmëna polohy vzorku mezi jednotlivÿmi polohami mùze probihat za neprerusovaného skenovani vzorku nebo s prerusenÿm skenovânim v prùbëhu zmëny polohy. Nepreruseného skenovani mùze bÿt vyuzito zejména v pripadë, kdy je vzorek presunut mezi polohami rotaci kolem normâly vybrané oblasti vzorku.

Zarizeni k provâdëni vynâlezu mùze dale zahrnovat alespon jeden detektor signâlnich castic. Signâlni castice vzniklé postupnÿm odprasovanim pri skenovani povrchu skenovaci oblasti mohou bÿt timto detektorem detekovany. Signal vytvorenÿ tëmito casticemi mùze bÿt zpracovan technickÿmi prostredky pro vyhodnoceni a zobrazeni signalu, které mùze nâslednë generovat a zobrazovat dvourozmërnÿ obraz skenované oblasti na vzorku v prùbëhu odstranovâni vrstev.

Dale mùze bÿt zarizeni vybaveno alespon jednim dalsim zarizenim generujicim svazek nabitÿch castic. Timto zarizenim mùze bÿt napriklad skenovaci elektronovÿ mikroskop nebo skenovaci iontovÿ mikroskop. Princip vyuziti skenovaciho mikroskopu pro ziskani obrazu povrchu skenované oblasti je vseobecnë znamÿ. V zarizeni pro provâdëni zpùsobu podle vynâlezu vybaveném elektronovÿm skenovacim mikroskopem je mozné vyuzit sekundârnich anebo zpëtnë odrazenÿch elektronù pro pozorovâni odprasovâni vzorku v pripadë, kdy neni vzorek vystaven FIB. V pripadë, ze je skenovaci elektronovÿ mikroskop dâle vybaven zarizenim pro filtraci signâlnich câstic je mozné pouzivat toto zarizeni i pri soucasném skenovâni pomoci FIB. Zatimco dopadajici FIB produkuje iontovë indukované sekundârni elektrony a sekundârni ionty, elektronovÿ svazek dopadajici na vzorek produkuje sekundârni elektrony a zpëtnë odrazené elektrony. Vzhledem k tomu, ze se sekundârni a zpëtnë odrazené elektrony lisi svoji energii a trajektorii, je mozné pomoci filtrace tyto câstice oddëlit a detekovat na detektoru pouze zpëtnë odrazené elektrony. Diky tomu je mozné pozorovat povrch vzorku skenovacim elektronovÿm mikroskopem i v prùbëhu odprasovâni FIB.

Objasnëni vÿkresù

Obr. 1 Zarizeni pro provedeni vynâlezu.

Obr. 2 Odprasovâni vzorku se dvëma komponentami.

Obr. 3 Zpùsob provedeni vynâlezu.

Obr. 4 Dalsi zpùsob provedeni vynâlezu.

Obr. 5 Priklady vÿsledkù provedeni vynâlezu.

Obr. 6 Zarizeni pro provedeni vynâlezu zahrnujici detektor.

Obr. 7 Zarizeni pro provedeni vynâlezu zahrnujici skenovaci elektronovÿ mikroskop.

Priklady uskutecnëni vynâlezu

Na obr. 1 je schematicky znâzornëno zarizeni k provâdëni vynâlezu. Zarizeni zahrnuje iontovÿ tubus 1 pro vytvâreni a vedeni fokusovaného iontového svazku majici osu 2. Podél osy 2 mùze bÿt siren fokusovanÿ iontovÿ svazek smërem na vzorek 3. Vzorkem 3 mùze bÿt napriklad polovodicové zarizeni. Vzorek 3 je umistën na ùlozné plose 4, kterâ mùze bÿt oddëlitelnâ nebo neoddëlitelnâ od manipulacniho stolku 5. Manipulacni stolek 5 a iontovÿ tubus 1 jsou alespon câstecnë umistëny uvnitr vakuové komory 16. Dâle je manipulacni stolek 5 vybaven pohybovÿm

- 3 CZ 310048 B6 mechanizmem umoznujicim rotacni pohyb kolem normaly 6 povrchu vzorku 3. Normala 6 povrchu vzorku 3 svira s osou 2 ùhel α, kterÿ mûze bÿt v rozmezi 70 az 90 stupnû. Pritom zpravidla plati, ze cim vyssi je ùhel alfa, tim rovnejsiho povrchu Ize dosahnout. Z tohoto pohledu se jevi jako nejvhodnejsi ùhel α o velikosti priblizne 87 stupnû.

Obr. 2a ukazuje schematicky odprasovani vzorku 3 v prvnim smeru. Vzorek 3 obsahuje komponenty 7a, 7b s vyssi odprasovaci rychlosti a komponentu 8 s nizsi odprasovaci rychlosti. Pri odprasovani v prvnim smeru je komponenta 7a s vyssi odprasovaci rychlosti odprasovana rychleji nez komponenta 8 s nizsi odprasovaci rychlosti. Komponenta 7b s vyssi odprasovaci rychlosti je v zakrytu komponenty 8 s nizsi odprasovaci rychlosti a presto, ze ma vyssi odprasovaci rychlost nez komponenta 8 s nizsi odprasovaci rychlosti, je odstranovana priblizne stejnou rychlosti jako komponenta 8 s nizsi odprasovaci rychlosti.

Obr. 2b ukazuje schematicky dalsi krok odprasovani vzorku 3, tedy odprasovani ve druhém smeru. Vzorek obsahuje dve komponenty 7a, 7b s vyssi odprasovaci rychlosti a komponentu 8 s nizsi odprasovaci rychlosti. Komponenta 7b s vyssi odprasovaci rychlosti je odprasovana rychleji nez komponenta 8 s nizsi odprasovaci rychlosti. Naopak komponenta 7a s vyssi odprasovaci rychlosti je stinena komponentou 8 s nizsi odprasovaci rychlosti a k odprasovani témer nedochazi az do doby, nez je komponenta 8 s nizsi odprasovaci rychlosti odprasena priblizne na ùroven komponenty 7a s vyssi odprasovaci rychlosti.

Obr. 3 schematicky znazornuje zpûsob provedeni, kdy prvni skenovaci oblast 9a vzorku 3 umisteného na ùlozné plose 4 je v prvnim kroku odprasovana fokusovanÿm iontovÿm svazkem v prvnim smeru 2a odprasovani. Ve druhém kroku je vzorek 3 umisten do druhé polohy a druha skenovaci oblast 9b je odprasovana v druhém smeru 2b odprasovani, pricemz smery 2a, 2b odprasovani jsou prûmety osy 2 fokusovaného iontového svazku do roviny kolmé na normalu 6 povrchu vzorku 3 a sviraji ùhel β o velikosti 45 stupnû. V prûniku skenovacich oblasti 9a, 9b se naléza vybrana oblast 10.

Obr. 4 zobrazuje dalsi zpûsob provedeni, kdy je vzorek 3 odprasovan fokusovanÿm iontovÿm svazkem postupne z osmi rûznÿch smerû 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h. odprasovani. Tyto smery 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h odprasovani sviraji mezi sebou navzajem ùhel β o velikosti 45 stupnû nebo jeho nasobky.

Obr. 5 zobrazuje nekteré z moznÿch vÿsledkû 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f provedeni vynalezu. Vzorek 3 je umisten na ùlozné plose 4, ktera umoznuje krome rotace kolem normaly 6 také posuvy ve smeru os x a y. Osy x, y jsou na sebe navzajem kolmé. Posuv a rotace ùlozné plochy 4 nebo manipulacniho stolku 5 umoznuji snadno vytvaret vice diskrétnich vybranÿch oblasti 10 na vzorku 3.

Ve vÿsledku 11a provedeni je vzorek 3 odprasovan ve 4 smerech, které mezi sebou vzajemne sviraji nasobky ùhlu β o velikosti 90 stupnû.

V dalsim vÿsledku 11b provedeni je vzorek 3 odprasovan ze 4 smerû, kdy prvni smer s druhÿm smerem a treti smer se ctvrtÿm smerem mezi sebou sviraji ùhel β o velikosti 45 stupnû a druhÿ smer s tretim smerem a ctvrtÿ smer s prvnim smerem ùhel β o velikosti 135 stupnû.

V dalsim vÿsledku 11c provedeni je vzorek 3 odprasovan v 6 smerech, kdy prvni smer s druhÿm smerem, treti smer se ctvrtÿm smerem, ctvrtÿ smer s patÿm smerem a sestÿ smer s prvnim mezi sebou sviraji ùhel β o velikosti 30 stupnû a druhÿ smer s tretim smerem a patÿ smer s sestÿm smerem ùhel β o velikosti 120 stupnû.

V dalsim vÿsledku 11d provedeni je vzorek 3 odprasovan v 6 smerech, které mezi sebou vzajemne sviraji nasobky ùhlu β o velikosti 60 stupnû.

- 4 CZ 310048 B6

V dalsim vÿsledku 11e provedeni je vzorek 3 odprasovan v 10 smerech, které mezi sebou vzajemne sviraji nasobky ùhlu β o velikosti 36 stupnù.

V dalsim vÿsledku 11f provedeni je vzorek 3 odprasovan kontinualne v prùbehu rotace vzorku 3 kolem normaly 6 prislusného bodu ve vybrané oblasti 10.

Obr. 6 ukazuje schematicky dalsi zarizeni k provedeni vynalezu. Toto zarizeni je, na rozdil od zarizeni na obr. 1, vybaveno navic detektorem 13 signalnich castic 12. Detektor 13 je umisten uvnitr vakuové komory 16. Signalni castice 12, které vznikaji pri odprasovani povrchu vzorku 3 fokusovanÿm iontovÿm svazkem je mozné detektorem 13 zachytit. Signalni castice 12 na detektoru 13 vytvari signal, kterÿ je technickÿmi prostredky 14 pro vyhodnoceni a zobrazeni signalu preveden do podoby obrazu povrchu vzorku 3. Takto je mozné pozorovat vzorek 3 behem odprasovani. Signalnimi casticemi 12 mohou bÿt sekundarni ionty nebo iontove indukované sekundarni elektrony.

Obr. 7 ukazuje schematicky dalsi zarizeni k provedeni vynalezu. Na rozdil od provedeni na obr. 6 zarizeni zahrnuje skenovaci elektronovÿ mikroskop 15 umoznujici vytvaret elektronovÿ svazek a smerovat jej na vzorek 3 podél osy 17 elektronového mikroskopu 15. Skenovaci elektronovÿ mikroskop 15 dale umoznuje vychÿlit elektronovÿ svazek smerem od osy 17 elektronového mikroskopu 15 a skenovat jej po povrchu vzorku 3. Elektronovÿ svazek pri kontaktu se vzorkem 3 vytvari signalni castice 12 skladajici se zejména ze sekundarnich elektronù 18, zpetne odrazenÿch elektronù 19 a dalsich. V provedeni zarizeni podle obrazku 7 je dale detektor 13 signalnich castic 12 umisten uvnitr tubusu skenovaciho elektronového mikroskopu 15. Detektoru 13 je predrazeno filtracni zarizeni 20, které ma v tomto pripade podobu mrizky pripojené ke zdroji napeti umoznujici rozdelit signalni castice 12 tak, ze pouze zpetne odrazené elektrony 19 mohou dosahnout detektoru 13, zatimco sekundarni elektrony 18 jsou filtracnim zarizenim 20 odkloneny. Zpetne odrazené elektrony 19 je tedy mozné detekovat i pri skenovani skenovacim elektronovÿm mikroskopem 15 a soucasném odprasovani pomoci fokusovaného iontového svazku.