DE102012022168A1

DE102012022168A1 - Verfahren zum bearbeiten eines materialstücks

Info

Publication number: DE102012022168A1
Application number: DE201210022168
Authority: DE
Inventors: Roland Salzer
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2014-05-28
Also published as: EP2743026A3; EP2743026A2; CN103808552A; EP2743026B1; US20140131315A1; US9543117B2; CN103808552B

Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen einer planen Oberfläche 23 an einem Materialstück 1 umfasst: ein Erzeugen eines im wesentlichen planen ersten Oberflächenbereichs 21 des Materialstücks durch Entfernen eines ersten Materialvolumens von dem Materialstück durch Partikelstrahlätzen mit einem Partikelstrahl 17, wobei das erste Materialvolumen teilweise durch den ersten Oberflächenbereich begrenzt ist und wobei ein Winkel zwischen der Strahlachse der Partikelstrahlsäule und dem ersten Oberflächenbereich kleiner als 10° ist; und ein Erzeugen des im wesentlichen planen zweiten Oberflächenbereichs 23 durch Entfernen eines zweiten Materialvolumens II von dem Materialstück durch Partikelstrahlätzen mit dem Ionenstrahl 17, wobei das zweite Materialvolumen teilweise durch den ersten Oberflächenbereich 21' und teilweise durch den zweiten Oberflächenbereich 23 begrenzt ist und wobei ein Winkel α zwischen der Strahlachse und dem zweiten Oberflächenbereich größer als 30° ist.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Bearbeiten eines Materialstücks mit einem Partikelstrahl. Insbesondere betrifft die Erfindung hierbei Verfahren, um von dem Materialstück durch Partikelstrahlätzen Material derart zu entfernen, dass an dem Materialstück ein im Wesentlichen planer Oberflächenbereich mit einer geringen Rauheit entsteht.
In der Halbleiterindustrie und anderen Bereichen der Technik besteht ein Bedarf daran, in einem Volumen eines Materialstücks eingebettete Objekte, wie beispielsweise eingebettete Halbleiterstrukturen oder Leitungsschichten in einem Halbleiterbauelement, zu analysieren und/oder zu modifizieren. Zur Analyse kann beispielsweise ein Elektronenmikroskop eingesetzt werden, um ein Bild des interessierenden Objekts zu erzeugen. Da das interessierende Objekt in dem Materialstück eingebettet ist, muss dessen Oberfläche zuvor durch Entfernen eines Materialvolumens des Materialstücks freigelegt werden. Hintergrundinformation zu derartigen Bearbeitungsverfahren ist beispielsweise dem Kapitel 6.10. des Buches "High Resolution Focused Ion Beams: FIB and Its Applications" von Jon Orloff und Mark Utlaut, Kluwer Academic/Plenum Publishers zu entnehmen.
Das Materialvolumen kann beispielsweise durch Ionenätzen mithilfe eines Ionenstrahls präzise entfernt werden. Da das Entfernen von Material durch Ionenätzen ein relativ langsamer Vorgang ist, kann wenigstens ein Teil des Materialvolumens auch durch Laserstrahlbearbeitung oder durch andere mechanische oder chemische Verfahren entfernt werden. Durch Laserstrahlbearbeitung und andere mögliche Verfahren kann mehr Materialvolumen pro Zeiteinheit entfernt werden als durch Ionenätzen, dafür kann ein Oberflächenbereich mit einer gewünschten Gestalt durch Entfernen von Material des Materialstücks durch Ionenätzen wesentlich präziser erzeugt werden als durch Laserstrahlbearbeitung und andere Verfahren.
Häufig ist es wünschenswert, von dem Materialstück Material derart zu entfernen, dass ein Oberflächenbereich des Materialstücks erzeugt wird, welcher eine im Wesentlichen plane Gestalt hat, d. h., eine geringe Rauheit aufweist.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bearbeiten eines Materialstücks vorzuschlagen, um von dem Materialstück Material durch Partikelstrahlätzen so zu entfernen, dass ein im Wesentlichen planer Oberflächenbereich des Materialstücks entsteht.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bearbeiten eines Materialstücks ein Anordnen des Materialstücks vor einer Partikelstrahlsäule und Orientieren des Materialstücks relativ zu der Partikelstrahlsäule entsprechend einer ersten Orientierung; ein Erzeugen eines im wesentlichen planen ersten Oberflächenbereichs des Materialstücks durch Entfernen eines ersten Materialvolumens von dem Materialstück durch Partikelstrahlätzen mit einem durch die Partikelstrahlsäule erzeugten Partikelstrahl, wobei das erste Materialvolumen teilweise durch den ersten Oberflächenbereich begrenzt ist und wobei ein Winkel zwischen einer Strahlachse der Partikelstrahlsäule und dem ersten Oberflächenbereich kleiner als 10° ist; ein Anordnen des Materialstücks vor der Partikelstrahlsäule und Orientieren des Materialstücks relativ zu der Partikelstrahlsäule entsprechend einer zweiten Orientierung, so dass der Winkel zwischen der Strahlachse der Partikelstrahlsäule und dem ersten Oberflächenbereich größer als 20° ist; ein Erzeugen eines im wesentlichen planen zweiten Oberflächenbereichs des Materialstücks durch Entfernen eines zweiten Materialvolumens von dem Materialstück durch Partikelstrahlätzen mit dem durch die Partikelstrahlsäule erzeugten Partikelstrahl, wobei das zweite Materialvolumen teilweise durch den ersten Oberflächenbereich und teilweise durch den zweiten Oberflächenbereich begrenzt ist und wobei ein Winkel zwischen der Strahlachse der Partikelstrahlsäule und dem zweiten Oberflächenbereich größer als 30° ist.
Während des Erzeugens des im Wesentlichen planen ersten Oberflächenbereichs ist das Materialstück relativ zu der Partikelstrahlsäule entsprechend der ersten Orientierung orientiert. Hierbei trifft der Partikelstrahl unter einem kleinen Winkel von weniger als 10° auf den ersten Oberflächenbereich, und der Partikelstrahl kann durch Ansteuern von Deflektoren in der Partikelstrahlsäule so gesteuert werden, dass der erste Oberflächenbereich, gesehen in eine Richtung quer zu der Strahlachse der Partikelstrahlsäule, im Wesentlichen plan ist. Gesehen in Richtung der Strahlachse der Partikelstrahlsäule wird der erste Oberflächenbereich ebenfalls im Wesentlichen plan sein, da der Partikelstrahl unter dem kleinen Winkel von weniger als 10° auf den ersten Oberflächenbereich trifft, was einen im Wesentlichen streifenden Einfall des Partikelstrahls auf den ersten Oberflächenbereich entspricht. Bei einem solchen streifenden Einfall des Partikelstrahls auf den ersten Oberflächenbereich werden Erhebungen oder Materialvorsprünge an dem ersten Oberflächenbereich wirksam entfernt, so dass es auf einfache Weise möglich ist, den ersten Oberflächenbereich so zu erzeugen, dass dort die Oberfläche des Materialstücks im Wesentlichen plan ist und eine geringe Rauheit aufweist. Ein solcher im Wesentlichen streifender Einfall des Partikelstrahls auf den ersten Oberflächenbereich kann auch mit noch kleineren Winkeln zwischen der Strahlachse der Partikelstrahlsäule und dem ersten Oberflächenbereich realisiert werden. So kann dieser Winkel beispielsweise kleiner als 6° oder kleiner als 3° sein.
Nach dem Erzeugen des im Wesentlichen planen ersten Oberflächenbereichs wird das Materialstück relativ zu der Partikelstrahlsäule so orientiert, dass der Winkel zwischen der Strahlachse der Partikelstrahlsäule und dem ersten Oberflächenbereich größer als 20° ist und der Partikelstrahl damit nicht mehr streifend auf den ersten Oberflächenbereich auftrifft. Bei dieser Orientierung des Partikelstrahls relativ zu dem ersten Oberflächenbereich ist die durch den Partikelstrahl erzeugte Abtragsrate an Material pro Flächenelement proportional zu der auf das Flächenelement treffenden Partikeldosis. Ferner hängt die Materialabtragsrate nur geringfügig von der Orientierung des Flächenelements relativ zur Richtung des Partikelstrahls ab. Wird auf einen Flächenbereich mit einer planen oder nicht planen Gestalt der Oberfläche eine gleichförmige Partikeldosis gerichtet, so wird von dem Oberflächenbereich gleichmäßig Material entfernt, so dass die nach dem Entfernen des Materials entstehende Oberfläche des Materialstücks seine Gestalt unverändert beibehält. Nachdem der erste Oberflächenbereich bereits die im Wesentlichen plane Oberfläche aufweist, können durch Richten des Partikelstrahls auf den ersten Oberflächenbereich unter nicht-streifendem Einfall durch Partikelstrahlätzen weitere Oberflächenbereiche erzeugt werden, welche dann ebenfalls eine plane Gestalt aufweisen. Hierzu muss lediglich die Partikeldosis pro Flächenelement entsprechend gesteuert werden.
Wenn nach dem Entfernen des zweiten Materialvolumens der erzeugte zweite Oberflächenbereich parallel zu dem ersten Oberflächenbereich orientiert sein soll, sollte die auf das Materialstück gerichtete und auf den zweiten Flächenbereich projizierte Partikeldosis pro Flächenelement über den gesamten zweiten Flächenbereich konstant sein. Wenn es gewünscht ist, dass der zweite Oberflächenbereich unter einem Winkel zu dem ersten Oberflächenbereich orientiert ist, sollte die auf das Materialstück gerichtete und auf den zweiten Flächenbereich projizierte Partikeldosis so gewählt sein, dass sie in Richtung einer Schnittlinie zwischen der extrapolierten Oberfläche des ersten Oberflächenbereichs und der extrapolierten Oberfläche des zweiten Oberflächenbereichs jeweils konstant ist und mit dem Abstand von dieser Schnittlinie proportional zunimmt.
Durch eine solche Einstellung der Dosis ist es möglich, ausgehend von dem im Wesentlichen planen ersten Oberflächenbereich den zweiten Oberflächenbereich so zu erzeugen, dass dieser ebenfalls im Wesentlichen plan ist und einen gewünschten Winkel relativ zu dem ersten Oberflächenbereich aufweist.
Gemäß weiterer Ausführungsformen ist der Winkel zwischen der Strahlachse der Partikelstrahlsäule und dem zweiten Oberflächenbereich größer als 80° und kann insbesondere genau 90° oder fast 90° betragen.
Der Winkel zwischen dem ersten Oberflächenbereich und dem zweiten Oberflächenbereich kann größer als 20°, größer als 30° oder größer als 40° sein. Ebenso kann der Winkel zwischen dem ersten Oberflächenbereich und dem zweiten Oberflächenbereich kleiner als 60° und insbesondere kleiner als 50° sein.
Gemäß weiterer Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner ein Erzeugen eines dritten Oberflächenbereichs des Materialstücks durch Entfernen eines dritten Materialvolumens von dem Materialstück wobei das dritte Materialvolumen teilweise durch den ersten Oberflächenbereich begrenzt ist, und zwar zeitlich vor dem Anordnen des Materialstücks vor der Partikelstrahlsäule und dem Orientieren des Materialstücks relativ zu der Partikelstrahlsäule entsprechend der ersten Orientierung.
Das dritte Materialvolumen kann durch ein Bearbeitungsverfahren entfernt werden, welches schneller ausgeführt werden kann oder mit geringeren Kosten verbunden ist als das Partikelstrahlätzen, so dass die Erzeugung des gewünschten zweiten Oberflächenbereichs an einem gewünschten Ort innerhalb des ursprünglichen Materialstücks schneller und günstiger möglich ist.
Das dritte Materialvolumen kann beispielsweise durch Laserstrahlbearbeitung von dem Materialstück entfernt werden.
Hierbei wirkt es sich nicht nachteilig aus, wenn mit der zum Entfernen des dritten Materialvolumens gewählten Bearbeitungsmethode selbst plane Oberflächen einer gewünschten geringen Rauheit nicht herstellbar sind, da der erste Oberflächenbereich, welcher unter streifendem Einfall des Partikelstrahls erzeugt wird, die gewünschte geringe Rauheit aufweist und der gewünschte zweite Oberflächenbereich durch Richten des Partikelstrahls unter nicht-streifendem Einfall auf den ersten Oberflächenbereich erzeugt wird.
Die Rauheit des dritten Oberflächenbereichs kann somit vergleichsweise groß sein und Werte von 0,5 μm oder mehr, insbesondere 3 μm oder mehr, aufweisen, während die Rauheit des zweiten Oberflächenbereichs wesentlich kleiner ist und Werte von weniger als 0,2 μm, insbesondere weniger als als 0,05 μm, aufweisen kann. Hierbei kann die Rauheit beispielsweise durch das Ermitteln des in Richtung einer Oberflächennormalen des betreffenden Oberflächenbereichs gemessenen maximalen Abstands zwischen Erhebungen und Vertiefungen der Oberfläche des Oberflächenbereichs innerhalb einer quadratischen Fläche von 10 μm Kantenlänge bestimmt werden.
Ausführungsformen des Verfahrens zum Bearbeiten eines Materialstücks werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 bis 5 das Materialstück in mehreren aufeinanderfolgenden Stadien des Verfahrens im Querschnitt, und
6 ein Vergleichsbeispiel eines Materialstücks im Querschnitt, welches gemäß einem herkömmlichen Verfahren bearbeitet wird.
1 zeigt ein Materialstück 1 im Querschnitt, in dessen Innerem ein interessierender Bereich 3 enthalten ist, welcher analysiert werden soll, wobei der interessierende Bereich 3 eine im Wesentlichen plane Oberfläche 5 aufweist. Um den interessierenden Bereich 3 und insbesondere dessen Oberfläche 5 zu analysieren, muss die Oberfläche 5 freigelegt werden, wozu ein Entfernen eines größeren Materialvolumens von dem Materialstück 1 notwendig ist. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel soll der interessierende Bereich mit einem Elektronenmikroskop untersucht werden, und wenigstens ein Teil des Materialvolumens soll durch Partikelstrahlätzen entfernt werden. Da das Entfernen von Material durch Partikelstrahlätzen vergleichsweise langsam vonstatten geht, soll ferner ein relativ großer Teil des Materialvolumens durch eine andere, schnellere Bearbeitung entfernt werden. In dem nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiel wird für diese andere Bearbeitung eine Laserstrahlbearbeitung eingesetzt, während für die Bearbeitung durch Partikelstrahlätzen ein Ionenätzen eingesetzt wird, wobei ein Ionenstrahl auf die Oberfläche des Materialstücks gerichtet wird, um Material von diesem zu entfernen. Hierbei kann dem Auftreffort des Ionenstrahls auf das Materialstück auch ein Prozessgas zugeführt werden, welches durch den Ionenstrahl oder von diesem aus dem Materialstück herausgelösten Sekundärelektronen aktiviert wird, um mit dem Material an der Oberfläche des Materialstücks zu reagieren und Verbindungen einzugehen, welche sich von der Oberfläche des Materialstücks ablösen.
Die Bearbeitung des Materialstücks und dessen Analyse kann beispielsweise mit einem System erfolgen, welches in der US 2010/0051828 A1 und der US 2011/0198326 A1 beschrieben ist, deren Offenbarungen durch Inbezugnahme vollumfänglich in die vorliegende Patentanmeldung aufgenommen werden.
2 zeigt einen der 1 entsprechenden Querschnitt des Materialstücks 1 nach einem ersten Bearbeitungsschritt. In dem ersten Bearbeitungsschritt wird ein in 2 mit III bezeichnetes und schraffiert dargestelltes Materialvolumen von dem Materialstück 1 entfernt. Das Materialvolumen III wird durch Laserstrahlbearbeitung entfernt, indem ein Laserstrahl 7 auf die Oberfläche 2 des Materialstücks 1 gerichtet wird. Diese Bearbeitung kann das Scannen des Laserstrahls 7 über das Materialstück und ein Einstellen der auf das Materialstück gerichteten Laserdosis pro Flächenelement derart umfassen, dass ein Materialvolumen von dem Materialstück derart entfernt wird, dass an dem Materialstück 1 ein Oberflächenbereich 11 erzeugt wird, der in der vorangehenden Beschreibung auch als dritter Oberflächenbereich bezeichnet wird und dessen Lage in dem Materialstück so gewählt ist, dass es für die nachfolgenden Verfahrensschritte günstig ist. Hierbei ist es eigentlich gewünscht, dass der Oberflächenbereich 11 eine im Wesentlichen plane Oberflächengestalt aufweist, wie dies durch die gestrichelte Linie 13 in 2 repräsentiert ist. Allerdings ist es nicht möglich, durch Laserstrahlbearbeitung die gewünschte plane Gestalt 13 des Oberflächenbereichs 11 zu realisieren, so dass der tatsächlich erzeugte Oberflächenbereich eine relativ große Rauheit aufweist und von der planen Gestalt 13 abweicht.
Es wird nun auf 6 Bezug genommen, welche das Materialstück 1 im Querschnitt nach einem weiteren Bearbeitungsschritt zeigt, wie er herkömmlicherweise eingesetzt wird, um ausgehend von dem in 2 gezeigten Zustand die Oberfläche 5 des interessierenden Objekts 3 freizupräperieren. Hier wurde nach der Entfernung des Materialvolumens III durch Laserstrahlbearbeitung gemäß 2 ein weiteres Materialvolumen V durch Ionenätzen entfernt. Hierzu wurde das Materialstück 1 vor einer Ionenstrahlsäule angeordnet und so orientiert, dass ein Winkel zwischen einer Strahlachse 15 der Ionenstrahlsäule und dem Oberflächenbereich 11 im Wesentlichen 90° beträgt. Dieser Winkel entspricht auch einem Winkel α zwischen der Hauptachse 15 der Ionenstrahlsäule und der Oberfläche 5 des interessierenden Objekts 3. Zur Entfernung des Materialvolumens 5 wird der in 6 durch Pfeile 17 repräsentierte Ionenstrahl über einen Teilbereich des Oberflächenbereichs 11 gescannt, wobei auf jedes Flächenelement dieses Teilbereichs eine gleiche Ionendosis gerichtet wird. Da die Materialabtragsrate in dieser Situation nur relativ wenig von der Orientierung des Flächenelements relativ zu dem Ionenstrahl abhängt, wird an einem jeden Flächenelement des Teilbereichs eine gleiche Materialabtragsrate erzielt, so dass der nach Entfernen des Materialvolumens V erzeugte Oberflächenbereich 19 die gleiche oder annähernd die gleiche Oberflächengestalt aufweist wie der darüber liegende, mit dem Bezugszeichen 11 versehene Teil des durch Laserstrahlbearbeitung erzeugten Oberflächenbereichs 11, wie er vor Beginn des Ionenätzens vorlag. Damit wird die Gestalt des Oberflächenbereichs 11 durch Ionenätzen in der Tiefe reproduziert, und es ist nicht möglich, durch einfaches Ionenätzen einen im Wesentlichen planen Oberflächenbereich 19 zu erzeugen, wenn der ursprüngliche Oberflächenbereich 11, mit welchem das Ionenätzen begonnen wird, nicht bereits plan war.
Deshalb wird gemäß dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel des Verfahrens das Ionenätzen nicht so durchgeführt, wie es anhand der 6 erläutert wurde, sondern es wird ein Bearbeitungsschritt durch Ionenätzen durchgeführt, wie er nachfolgend anhand von 3 erläutert wird.
3 zeigt das Materialstück 1 im Querschnitt nach einem Bearbeitungsschritt, der auf das in 2 dargestellte Materialstück angewendet wird. In diesem Bearbeitungsschritt wurde von dem Materialstück 1 ein mit I bezeichnetes und schraffiert dargestelltes Materialvolumen entfernt. Das Entfernen des Materialvolumens I erfolgt durch Ionenätzen, indem ein durch Pfeile 17 repräsentierter Ionenstrahl über das Materialstück 1 gerastert wird und die pro Flächenelement auf das Materialstück 1 treffende Ionendosis so gesteuert wird, dass das entfernte Materialvolumen I die gewünschte Gestalt aufweist. Hierdurch wird an dem Materialstück 1 ein neuer Oberflächenbereich 21 erzeugt, welcher in der vorangehenden Beschreibung auch als erster Oberflächenbereich bezeichnet wird und welcher das Materialvolumen I teilweise begrenzt und eine Oberflächengestalt aufweist, welche im Wesentlichen plan ist, d. h. eine vergleichsweise geringe Rauheit hat. Dies wird dadurch erreicht, dass das Materialstück 1 relativ zu der Strahlachse der Ionenstrahlsäule auf eine spezielle Weise orientiert wird. Eine zu der Strahlachse der Ionenstrahlsäule parallele Gerade ist in 3 mit dem Bezugszeichen 15 versehen, und der Winkel zwischen der Strahlachse 15 der Ionenstrahlsäule und dem Oberflächenbereich 21 des Materialstücks 1 ist mit β bezeichnet. Der Wert des Winkels β ist kleiner als 10° und insbesondere kleiner als 6°, so dass der Ionenstrahl 17 während der Erzeugung des Oberflächenbereichs 21 durch Entfernen des Materialvolumens I im Wesentlichen streifend auf den Oberflächenbereich 21 trifft. Beim streifenden Einfall des Ionenstrahls auf den Oberflächenbereich 21 können Unebenheiten und Materialvorsprünge an dem Oberflächenbereich durch Ionenätzen wirksam entfernt werden. Die Erzeugung des Oberflächenbereichs 21 durch im Wesentlichen streifenden Einfall des Ionenstrahls sorgt dafür, dass der Oberflächenbereich 21 bei geeigneter Steuerung der Ionendosis eine im Wesentlichen plane Oberflächengestalt aufweisen kann. Hierbei ist das Materialstück relativ zu der Ionenstrahlsäule so orientiert, dass die Strahlachse des Ionenstrahls schräg zu der Oberfläche des interessierenden Objekts orientiert ist und damit nicht orthogonal und nicht parallel zu dieser orientiert ist.
Nach der Erzeugung des Oberflächenbereichs 21 gemäß 3 wird die Bearbeitung mit einem weiteren Bearbeitungsschritt fortgesetzt, welcher nachfolgend anhand der 4 erläutert wird.
4 zeigt das Materialstück 1 im Querschnitt, nachdem nach der Erzeugung des Oberflächenbereichs 21 ein in 4 mit II bezeichnetes und schraffiert dargestelltes Materialvolumen von dem Materialstück 1 entfernt wurde. Durch das Entfernen des Materialvolumens II von dem Materialstück 1 wird ein das Materialvolumen II teilweise begrenzender Oberflächenbereich 23 an dem Materialstück 1 erzeugt welcher in der vorangehenden Beschreibung auch als zweiter Oberflächenbereich bezeichnet wird. Das Entfernen des Materialvolumens II erfolgt durch Ionenätzen, wobei das Materialstück 1 relativ zu der Hauptachse 15 der Ionenstrahlsäule anders orientiert ist als während der anhand der 3 erläuterten Bearbeitung. Zur Erzeugung des Oberflächenbereichs 23 wird das Materialstück 1 relativ zu der Hauptachse 15 der Ionenstrahlsäule so orientiert, dass ein Winkel α zwischen der erzeugten Oberfläche 23 und der Strahlachse 15 exakt oder nahezu 90° beträgt. Hiervon abweichende Winkel α mit Werten von größer als 30°, größer als 40°, größer als 50° oder größer als 60° sind ebenfalls möglich. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Oberflächenbereich 23 parallel zu der Oberfläche 5 des interessierenden Objekts 3 ausgerichtet und mit einem kleinen Abstand von dieser angeordnet.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Oberflächenbereich 23 unter einem Winkel γ relativ zu dem Oberflächenbereich 21 orientiert. Der Winkel α zwischen der Strahlachse 15 der Ionenstrahlsäule und dem Oberflächenbereich 23 ist so bemessen, dass auch unter Berücksichtigung des Winkels γ der Ionenstrahl 17 bei der dem Zustand gemäß 3 des Materialstücks unmittelbar nachfolgenden Bearbeitung nicht-streifend auf den Oberflächenbereich 21 trifft. Um den streifenden Einfall auf den Oberflächenbereich 21 zu vermeiden, kann deshalb beispielsweise gelten: γ + 20° ≤ α ≤ 90°
Die in 4 dargestellte Lage und Orientierung des Oberflächenbereichs 23 kann, ausgehend von dem in 3 dargestellten Oberflächenbereich 21 durch Ionenätzen dadurch erreicht werden, dass die auf das Materialstück 1 pro Flächenelement gerichtete Ionendosis so gesteuert wird, dass das entfernte Materialvolumen II eine keilförmige Gestalt aufweist. Hierzu muss die auf den Oberflächenbereich 23 projizierte Ionendosis so gesteuert werden, dass sie proportional mit dem Abstand von einer Schnittlinie 25 zwischen den Oberflächenbereichen 21 und 23 zunimmt und entlang von Linien, welche parallel zu der Schnittlinie 25, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der 4, orientiert sind, konstant ist. Bei dieser Art von Bearbeitung durch Ionenätzen unter nicht-streifendem Einfall des Ionenstrahls wird die Oberflächengestalt einer Ausgangsfläche, hier des Oberflächenbereichs 21 der 3, reproduziert, wie dies anhand der 6 erläutert wurde. Da die Ausgangsfläche 21 bereits aufgrund ihrer Erzeugung durch im Wesentlichen streifenden Einfall des Ionenstrahls eine im Wesentlichen plane Gestalt hat, kann auch der durch Ionenstrahlätzen im nicht-streifenden Einfall erzeugte Oberflächenbereich 23 eine im Wesentlichen plane Gestalt seiner Oberfläche aufweisen.
Die Gestalt des Oberflächenbereichs 23 ist durch die Gestalt des entfernten Materialvolumens II definiert. Die Gestalt des entfernten Materialvolumens II hängt im Wesentlichen nur von der pro Flächenelement auf das Materialstück 1 gerichteten Ionendosis und im Wesentlichen nicht von der Orientierung des Oberflächenbereichs zum Ionenstrahl ab. Durch geeignete Steuerung der pro Flächenelement auf das Materialstück 1 gerichteten Ionendosis kann dadurch eine nahezu beliebige gewünschte Gestalt des Oberflächenbereichs 23 realisiert werden. In dem anhand der 4 erläuterten Ausführungsbeispiel ist der Oberflächenbereich 23 als eine zu der Oberfläche 5 des interessierenden Objekts 3 parallele Fläche realisiert. Es ist jedoch auch möglich, Oberflächenbereiche zu erzeugen, welche gewölbt sind oder eine anders geformte gewünschte Oberflächengestalt aufweisen und dabei glatt sind, d. h. eine geringe Rauheit aufweisen und nur geringe Abweichungen mit hoher Raumfrequenz von der gewünschten Oberflächengestalt aufweisen.
Am Ende des anhand der 4 erläuterten Bearbeitungsschritts ist ein Oberflächenbereich 23 erzeugt, welcher nahe der Oberfläche 5 des interessierenden Objekts 3 angeordnet ist und eine geringe Rauheit seiner Oberfläche aufweist, so dass mit der Analyse des interessierenden Bereichs 3 mittels eines Elektronenmikroskops oder auch mit Hilfe eines Ionenstrahls begonnen werden kann. Hierzu wird ein fokussierter Elektronenstrahl oder Ionenstrahl über den Oberflächenbereich 23 oder einen Teilbereich desselben gerastert, um ein elektronenmikroskopisches oder ionenmikroskopisches Bild des Oberflächenbereichs 23 zu erzeugen. Zur Entstehung dieses Bildes tragen Elektronen oder Ionen bei, welche an der Oberfläche des Oberflächenbereichs 23 oder in einer geringen Tiefe des Materials unterhalb der Oberfläche als rückgestreute Teilchen, wie etwa Elektronen bzw. Ionen, reflektiert werden oder als Sekundärelektronen freigesetzt werden.
Im Rahmen dieser Analyse ist es möglich, durch weiteres Ionenätzen bei der in 4 dargestellten Orientierung des Materialstücks 1 relativ zu der Hauptachse der Ionenstrahlsäule den Oberflächenbereich 23 weiter an das interessierende Objekt 3 anzunähern, wie dies nachfolgend anhand der 5 erläutert wird.
Abgesehen von der Analyse des Oberflächenbereichs 23 und des interessierenden Objekts 3 kann das interessierende Objekt 3 auch modifiziert werden, und zwar durch Abtragen von Material von dem interessierenden Objekt 3 oder durch Abscheiden von Material an dem interessierenden Objekt 3, beispielsweise durch Partikelstrahlätzen oder durch ein durch einen Partikelstrahl induziertes Abscheiden von Material an dem interessierenden Objekt 3.
5 zeigt das Materialstück 1 nachdem ein weiteres, mit IV bezeichnetes und schraffiert dargestelltes Materialvolumen entfernt wurde, welches durch Steuern der Ionendosis so gestaltet ist, dass die Oberfläche 5 des interessierenden Objekts freigelegt ist und direkt elektronenmikroskopisch oder ionenmikroskopisch untersucht werden kann. Hierbei kann schrittweise vorgegangen werden, indem ein elektronenmikroskopisches oder ionenmikroskopisches Bild des Oberflächenbereichs 23 aufgenommen wird, in Abhängigkeit davon eine Verteilung der Ionendosis pro Flächenelement an dem Materialstück 1 bestimmt wird, ein Schritt des Ionenätzens gemäß der bestimmten Dosisverteilung durchgeführt wird und der nächste Schritt des Ionenätzens wiederum nach Aufnehmen eines elektronenmikroskopischen oder ionenmikroskopischen Bildes der dann neu erzeugten Oberfläche des Teilstücks geplant wird, um ein präzises Freilegen der Oberfläche 5 des interessierenden Objekts 3 und ohne deren Zerstörung durch Ionenätzen zu erreichen.
Zusätzlich oder alternativ hierzu besteht auch die Möglichkeit, dass während des rasterförmigen Abtragens des Materialvolumens IV mit dem Ionenstrahl die dabei entstehenden Elektronen und/oder Ionen zum Aufnehmen eines Bildes des Oberflächenbereiches 23 genutzt werden, um die Oberfläche 5 präzise freizulegen.
Zudem ist es auch möglich, sämtliche Bearbeitungsschritte, die anhand der 1 bis 4 erläutert wurden, durch Beobachtung mit dem Elektronenmikroskop zu überwachen und die Bearbeitungsschritte damit zu steuern.
Das Bearbeitungsverfahren wurde vorangehend anhand der 1 bis 6 erläutert. Diese Figuren zeigen jeweils den Querschnitt des Materialstücks lediglich schematisch, wobei bei der Bearbeitung von Materialstücken in der Praxis wesentlich andere Geometrien vorliegen werden. Beispielsweise kann das Materialvolumen III wesentlich größer sein als das Materialvolumen I oder das Materialvolumen II, und auch der Abstand zwischen dem Oberflächenbereich 2 und dem Oberflächenbereich 11 kann wesentlich größer sein als der Abstand zwischen dem Oberflächenbereich 11 und dem Oberflächenbereich 23.
In dem vorangehend erläuterten Ausführungsbeispiel wurde als schnelles Bearbeitungsverfahren zum Entfernen des Materialvolumens III ein Laserstrahlbearbeitungsverfahren eingesetzt, mit welchem es alleine nicht möglich ist, eine Materialoberfläche mit der gewünschten geringen Rauheit zu erzeugen. Statt dessen oder in Ergänzung hierzu kann auch ein anderes Bearbeitungsverfahren eingesetzt werden. Beispiele für ein solches Bearbeitungsverfahren zum Entfernen des Materialvolumens III sind mechanische Bearbeitungsverfahren, wie etwa Sägen und Fräsen oder chemische Bearbeitungsverfahren wie Ätzen.
In dem vorangehend erläuterten Ausführungsbeispiel wurde ferner als Bearbeitungsverfahren zum Entfernen des Materialvolumens I, des Materialvolumens II und des Materialvolumens IV Ionenätzen eingesetzt, mit welchem es möglich ist, eine Materialoberfläche mit der gewünschten geringen Rauheit zu erzeugen. Statt dessen oder in Ergänzung hierzu kann auch ein anderes Bearbeitungsverfahren eingesetzt werden. Beispiele für ein solches Bearbeitungsverfahren zum Entfernen des Materialvolumens I, des Materialvolumens II oder des Materialvolumens IV sind Partikelstrahlätzen, wie etwa Elektronestrahlätzen unter Zuführung eines Prozessgases, welches durch den zum Elektronestrahlätzen eingesetzten Elektronenstrahl oder von diesem aus dem Materialstück herausgelösten Sekundärelektronen aktiviert wird, um mit dem Material an der Oberfläche des Materialstücks zu reagieren und Verbindungen einzugehen, welche sich von der Oberfläche des Materialstücks ablösen.
Auch in dem Fall, dass ein Ionenstrahlätzen als das Partikelstrahlätzen eingesetzt wird, kann zusätzlich ein Prozessgas zugeführt werden, das vom Ionenstrahl oder durch von dem Ionenstrahl aus dem Materialstück herausgelöste Sekundärteilchen, beispielsweise Sekundärelektronen, aktiviert wird, um den Materialabtrag zu beschleunigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0051828 A1 [0022]
US 2011/0198326 A1 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kapitel 6.10. des Buches ”High Resolution Focused Ion Beams: FIB and Its Applications” von Jon Orloff und Mark Utlaut, Kluwer Academic/Plenum Publishers [0002]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten eines Materialstücks (1), wobei das Verfahren umfasst: Anordnen des Materialstücks (1) vor einer Partikelstrahlsäule und Orientieren des Materialstücks (1) relativ zu der Partikelstrahlsäule entsprechend einer ersten Orientierung; Erzeugen eines im wesentlichen planen ersten Oberflächenbereichs (21) des Materialstücks durch Entfernen eines ersten Materialvolumens (I) von dem Materialstück durch Partikelstrahlätzen mit einem durch die Partikelstrahlsäule erzeugten Partikelstrahl (17), wobei das erste Materialvolumen (I) teilweise durch den ersten Oberflächenbereich (21) begrenzt ist und wobei ein Winkel (β) zwischen einer Strahlachse (15) der Partikelstrahlsäule und dem ersten Oberflächenbereich (21) kleiner als 10° ist; Anordnen des Materialstücks (1) vor der Partikelstrahlsäule und Orientieren des Materialstücks relativ zu der Partikelstrahlsäule entsprechend einer zweiten Orientierung, so dass der Winkel (β) zwischen der Strahlachse (15) der Partikelstrahlsäule und dem ersten Oberflächenbereich (21) größer als 20° ist; Erzeugen eines im wesentlichen planen zweiten Oberflächenbereichs (23) des Materialstücks durch Entfernen eines zweiten Materialvolumens (II) von dem Materialstück durch Partikelstrahlätzen mit dem durch die Partikelstrahlsäule erzeugten Ionenstrahl (17), wobei das zweite Materialvolumen (II) teilweise durch den ersten Oberflächenbereich (21') und teilweise durch den zweiten Oberflächenbereich (23) begrenzt ist und wobei ein Winkel (α) zwischen der Strahlachse (15) der Partikelstrahlsäule und dem zweiten Oberflächenbereich (23) größer als 30° ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Winkel (α) zwischen der Strahlachse (15) der Partikelstrahlsäule und dem zweiten Oberflächenbereich (23) größer als 80° ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Winkel (γ) zwischen dem ersten Oberflächenbereich (21) und dem zweiten Oberflächenbereich (23) größer als 20° und/oder kleiner als 60° ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend Erzeugen eines dritten Oberflächenbereichs (11) des Materialstücks durch Entfernen eines dritten Materialvolumens (III) von dem Materialstück (1) und zwar zeitlich vor dem Anordnen des Materialstücks vor der Partikelstrahlsäule und dem Orientieren des Materialstücks relativ zu der Partikelstrahlsäule entsprechend der ersten Orientierung, wobei das erste Materialvolumen (I) teilweise durch den dritten Oberflächenbereich (11) begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das dritte Materialvolumen (III) durch Laserstrahlbearbeitung (7) von dem Materialstück entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der dritte Oberflächenbereich (11) eine Rauheit größer als 0,5 μm, insbesondere größer als 3 μm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zweite Oberflächenbereich (23) eine Rauheit von kleiner als 0,2 μm, insbesondere kleiner als 0,05 μm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Partikelstahl ein Ionenstrahl ist, die Partikelstrahlsäule eine Ionenstrahlsäule ist und das Partikelstrahlbearbeiten ein Ionenätzen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Partikelstahl ein Elektronenstrahl ist, die Partikelstrahlsäule eine Elektronenstrahlsäule ist und das Partikelstrahlbearbeiten ein Elektronenätzen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei während der Partikelstrahlbearbeitung ein Prozeßgas an einen Auftreffort des Partikelstrahls auf das Materialstück geleitet wird.