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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entnahme einer mikroskopischen
Probe von einem Substrat mit den Schritten:
Ausführen eines
Schneidvorgangs, wobei das Substrat mit einem Strahl bestrahlt wird,
so daß die
Probe aus dem Substrat ausgeschnitten wird, und Ausführen eines
Haftvorgangs, wobei die Probe an einer Sonde haftet.
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Ein
solches Verfahren ist aus der US-Patentschrift 5 270 552 und aus
US-2002/050565 bekannt.
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Ein
Verfahren wie dieses wird insbesondere in der Halbleiterindustrie
verwendet, wo Proben mit mikroskopischen Ausmaßen von Substraten, wie etwa
Wafer, entnommen werden, um eine Analyse und/oder eine weitere Bearbeitung
zu ermöglichen. Zur
Zeit haben diese Proben Abmessungen in der Größenordnung von 10 μm bei einer
Dicke von 100 nm. Eine Tendenz zu einer noch weiteren Verkleinerung
der Größe der interessierenden
Strukturen und infolge dessen einer weiteren Verkleinerung der zu extrahierenden
Proben ist zu beobachten.
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Die
Analysen, die mit solchen mikroskopischen Proben gemacht werden,
können
zum Beispiel mit einem TEM (Transmissions-Elektronenmikroskop),
SEM (Rasterelektronenmikroskop), SIMS (Sekundärionen-Massenspektroskop) oder
mit Röntgenanalysegeräten ausgeführt werden.
Die weiteren Bearbeitungen können
zum Beispiel das Dünnermachen
der Probe mit Hilfe eines Ionenstrahls zwecks Analyse mit einem
TEM einschließen.
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Mit
dem in der vorstehend erwähnten
Patentschrift beschriebenen Verfahren wird eine nadelförmige Sonde
durch einen Manipulator in eine Position auf einem Substrat bewegt,
von dem eine Probe extrahiert werden soll. Die Probe wird vom Substrat
abgeschnitten, indem mit einem fokussierten Ionenstrahl Material
aus zwei verschiedenen Richtungen entnommen wird.
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Vor
dem vollständigen
Ausschneiden der Probe aus dem Substrat wird die Probe durch Metallabscheidung
oder dgl. am äußersten
Ende der Sonde festgehalten. Nachdem die Probe vollständig abgeschnitten
ist, wird die Probe, die an der Sonde haftet, mit dem Manipulator
in eine andere Position bewegt.
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Man
beachte, daß vor
Beginn des Haftvorgangs zuerst ein Teil des Schneidvorgangs ausgeführt werden
muß. Schließlich bewirkt
das Vorhandensein der nadelförmigen
Sonde eine Schattenbildung; das Vorhandensein der Sonde macht einen Abschnitt
des Substrats für
den ausgelösten
Ionenstrahl unsichtbar. Deshalb ist es erforderlich, zuerst den
Schneidvorgang zu beginnen, und dann bei Beendigung des Schneidens
erst die Sonde in die Position der Probe in denjenigen Bereich des
Substrats zu bewegen, der dann im Schatten des Probenhalters liegt.
Erst wenn dies geschehen ist, kann der Haftvorgang begonnen werden,
woraufhin der Schneidvorgang wieder aufgenommen werden kann, um
die Probe vollständig
zu extrahieren.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Alternative zu dem Verfahren
bereitzustellen, das beispielsweise in der bekannten US-Patentschrift
erwähnt
ist, wobei diese Alternative eine Zeiteinsparung ermöglicht.
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Zu
dem Zweck ist ein erfindungsgemäßes Verfahren
dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidvorgang
und der Haftvorgang einander zeitlich überschneiden.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Haftung der Probe an
der Sonde im allgemeinen kein unmittelbarer bzw. kurzzeitiger Vorgang
ist. Eine Haftung unter Verwendung beispielsweise von Metallabscheidung
oder eines Klebemittel ist ein Vorgang von einer nicht vernachlässigbaren
Dauer, wobei die Verbindung, die die Haftung herstellt, an einem
bestimmten Punkt hinreichend stark ist, um die Probe gegen den Zug
der Schwerkraft zu halten. Jedoch ist die Verbindung in diesem Stadium
nicht hinreichend stark, um die Probe zu halten, wenn andere Kräfte auftreten.
Solche zusätzlichen
Kräfte
sind beispielsweise die Beschleunigungskräfte, die in Verbindung mit
der Bewegung und der Handhabung der Probe entstehen, und die Kräfte, die
in Verbindung mit einer möglichen
mechani schen Berührung
("Kollision") der Probe oder
der Sonde mit anderen Objekten auftreten.
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Durch
zeitliches Überschneiden
des Schneidvorgangs und des Haftvorgangs wird eine Zeiteinsparung
im Vergleich zu einem Verfahren realisiert, bei dem diese Vorgänge nacheinander
ausgeführt
werden oder wo die ( bzw. zumindest Teile der) beiden Vorgänge nicht
gleichzeitig ausgeführt
werden.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Probe vollständig
abgeschnitten, sobald die Verbindung hinreichend stark ist, um die
Probe gegen den Zug der Schwerkraft zu halten. Die Verbindung verstärkt sich
(und überschneidet
sich dabei vorübergehend
mit der vollständigen
Extraktion), bis sie hinreichend robust ist. Die Verstärkung der
Verbindung wird im allgemeinen fortgesetzt, nachdem die Probe vollständig abgeschnitten
worden ist.
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Die
Verstärkung
der Verbindung kann in Form einer Metallabscheidung auftreten, die
mit der Zeit zunimmt (wie in der vorstehend erwähnten Patentschrift beschrieben
ist), aber sie kann beispielsweise auch in Form einer andauernden
Aushärtung eines
Klebemittels auftreten.
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Es
ist auch vorstellbar, daß man
die Probe zuerst mit einem weniger robusten Verfahren – beispielsweise
mit elektrostatischen Kräften – an der Sonde
festhält,
woraufhin eine robustere Haftung ausgeübt wird, beispielsweise unter
Verwendung eines Klebemittels oder einer Metallabscheidung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bietet ferner die Möglichkeit – während der
Haftvorgang noch nicht beendet ist - zur Ausführung weiterer Bearbeitungen
beispielsweise der Probe, wie etwa das Dünnermachen der Probe. Durch
gleichzeitige Ausführung
dieser weiteren Bearbeitungen mit dem Anhaftvorgang (anstelle von
einer aufeinanderfolgenden Ausführung)
wird auch ein Zeiteinsparung erreicht.
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Man
beachte, daß noch
ein weiteres Verfahren zur Extraktion einer mikroskopischen Probe
aus der US-Patentschrift 6 570 170 bekannt ist. Das Verfahren in
dieser Patentschrift unterscheidet sich vom vorher erwähnten bekannten
Verfahren insofern, als hier die Haftung der Probe an der Sonde
erfolgt, nachdem die Probe vollständig abgeschnitten worden ist.
Jedoch werden auch in diesem Verfahren der Schneidvorgang und der
Haftvorgang nicht gleichzeitig ausgeführt, so daß auch dieses Verfahren die
Zeiteinsparung, die das erfindungsgemäße Verfahren bietet, nicht
bieten kann.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
des Verfahrens schließt
das Festhalten der Probe an der Sonde das Bestrahlen der Probe mit
einem Strahl ein.
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In
den Fällen
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
in denen die Haftung der Probe mit Hilfe von Bestrahlung erfolgt,
ist ein zweiter Strahl, der verwendet wird, um die Probe an der
Sonde festzuhalten, zusätzlich
zum Schneidstrahl, der die Probe extrahiert, vorhanden.
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Man
beachte, daß die
Strahlen nicht von derselben Art sein müssen. Beispielsweise ist es
möglich,
einen Ionenstrahl zum Schneiden und einen Photonenstrahl, wie etwa
einen Laserstrahl, zum Aushärten
und Verstärken
eines Klebemittels zu verwenden.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
des Verfahrens erfolgt das Schneiden – für mindestens einen Teil der
Zeit – unter
Verwendung von zwei Strahlen.
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Die
Sonde hindert im allgemeinen den Strahl, der die Extraktion der
Probe ausführt,
daran, das gesamte Substrat zu erreichen; Schattenbildung tritt
auf. Es ist deshalb notwendig, zunächst die Probe teilweise auszuschneiden,
bevor die Sonde zur Probe bewegt wird.
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Wenn
zwei Strahlen von vielen verschiedenen verwendet werden, wobei beide
Strahlen zum Schneiden verwendet werden können, besteht ein attraktiver
Vorschlag darin, zunächst
mit beiden Strahlen Material zu entnehmen, um dann an einem Punkt, wo
Abschattungseffekte durch die Sonde nicht länger zu befürchten sind, einen der Strahlen
zu verwenden, um die Probe an der Sonde festzuhalten. Schließlich ergibt
sich bei Verwendung beider Strahlen zur Ausführung des Schneidens für mindestens
einen Teil der Zeit eine Zeiteinsparung im Vergleich zu der Situation,
wo nur ein Strahl schneidet.
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Man
beachte, daß es
möglich
ist, die Funktion eines Ionenstrahls von Erosion (Entfernen von Material)
in Ablagerung (Aufbringen von Material) durch Ändern von Eigenschaften des
Strahls, wie etwa der Stromdichte, zu ändern.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
des Verfahrens bleibt die Orientierung des Substrats in bezug auf
die Einrichtung, die den/die Schneidstrahl(en) erzeugt, während des Schneidens
unverändert.
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Um
die Probe vom Substrat abzuschneiden, muß im allgemeinen ein keilförmiger Schnitt
durchgeführt
werden. Bei Verwendung eines einzigen Strahls ist es deshalb erforderlich,
den Einfallswinkel des Schneidstrahls in bezug auf das Substrat
zu ändern. Wenn
jedoch mehr als ein Strahl verfügbar
ist, bilden diese Strahlen im allgemeinen einen Winkel zueinander.
Deswegen kann die Probe vollständig
abgeschnitten werden, ohne daß die
Orientierung des Substrats geändert
wird.
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Man
beachte, daß eine Änderung
der Orientierung des Substrats in bezug auf den Strahl gewöhnlich eine Änderung
der Position des Substrats bedeutet. Deswegen macht eine Änderung
der Orientierung eine Neupositionierung des Substrats in bezug auf
die Einrichtung, die die Strahlen erzeugt, erforderlich.
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Wenn
keine Neupositionierung mehr erforderlich ist, wird ein nichtvernachlässigbarer
Betrag an Zeit gespart. Schließlich
muß die
Neupositionierung von Substrat und Strahl mit einem hohen Grad an
Genauigkeit erfolgen. Zur Zeit hat eine zu extrahierende Probe Abmessungen
in der Größenordnung
von 10 μm
bei einer Dicke von 100 nm. Die Neupositionierung besteht deshalb
im allgemeinen nicht nur aus einer Bewegung das Substrats, sondern
auch aus einer Bestimmung der Position der Probe mit Genauigkeit
unter einem Mikrometer in bezug auf die Einrichtung, die beide Strahlen
erzeugt.
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Man
beachte, daß der
Strahl im allgemeinen in bezug auf das Substrat mit Hilfe einer
Krümmungseinrichtung
positioniert wird. Die Orientierung des Strahls ändert sich hierdurch geringfügig in bezug
auf das Substrat. Diese Winkeländerung
kann jedoch im allgemeinen nicht verwendet werden, um die Probe ringsherum
auszuschneiden. Um eine keilförmige Probe
abzuschneiden, ist es schließlich
ein Erfordernis, daß sich
die Strahlen in der Probe überschneiden;
eine Leistung, die nicht auf einfache Weise zu erreichen ist, wenn
die Strahlen durch Krümmungseinrichtungen
gekrümmt
werden, die sich außerhalb des
Substrats befinden.
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In
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform
des Verfahrens schließt
die vorstehend erwähnte
Bestrahlung das Bestrahlen mit elektrisch geladenen Teilchen ein.
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Ein
attraktiver Vorschlag besteht darin, zum Entnehmen von Material
beispielsweise einen Ionenstrahl zu verwenden. Mit diesem Verfahren,
das an sich bekannt ist, kann Material mit der gewünschten Positionsgenauigkeit
entnommen werden, woraufhin die extrahierte Probe dann analysiert
werden kann.
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Man
beachte, daß die
Strahlen nicht von derselben Art sein müssen. Beispielsweise ist es
möglich,
einen Ionenstrahl zum Schneiden zu verwenden und einen Laserstrahl
oder einen Elektronenstrahl zum Aushärten und Verstärken eines
Klebemittels zu verwenden.
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Man
beachte auch, daß die
Bestrahlung mit elektrisch geladenen Teilchen gleichzeitig beispielsweise
bei Vorhandensein von besonderen Gasen erfolgen kann, wobei beispielsweise
die Schnittgeschwindigkeit des Strahls bzw. der Strahlen erhöht werden
kann oder die Anwendung einer Metallablagerung möglich wird.
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In
noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Verfahrens schließt die vorstehend
erwähnte
Bestrahlung das Bestrahlen mit Photonen ein.
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Die
Haftung der Probe an der Sonde kann beispielsweise mit Hilfe eines
Klebemittels erreicht werden. Das Aushärten eines solchen Klebemittels kann
mit einem Strahl beispielsweise aus Photonen beschleunigt werden,
wogegen das Schneiden beispielsweise mit einem Ionenstrahl erfolgen
kann.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform schließt die vorstehend
erwähnte
Bestrahlung das Bestrahlen mit einem fokussierten Strahl ein.
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Das
Verfahren wird verwendet, um eine mikroskopische Probe örtlich eingeschränkt zu extrahieren,
wobei die mit dem Extraktionsverfahren verbundene Beschädigung und
Zerstörung
des Substratmaterials ebenfalls nur örtlich eingeschränkt erfolgt.
Es ist daher ein attraktiver Vorschlag, wenn nicht überhaupt
unabdingbar, einen fokussierten Strahl zu verwenden.
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Die
Erfindung wird auf der Grundlage von Figuren näher erklärt, wobei entsprechende Elemente mit
denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Diese zeigen folgendes:
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1A ist
eine schematische Darstellung eines Substrats von dem eine Probe
durch zwei Strahlen abgeschnitten wird,
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1B ist
eine schematische Darstellung eines Querschnitts von 1A,
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Substrats mit einer teilweise
abgeschnittenen Probe, die an einem nadelförmigen Ende einer Sonde angebracht
ist, und
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3 ist
eine schematische Darstellung eines Substrats mit einer vollständig abgeschnittenen Probe,
an der eine Sonde befestigt ist.
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1A und 1B stellen
schematisch ein Substrat in Form eines Wafers 2 dar, von
dem eine Probe 1 durch zwei Strahlen 4 und 5 abgeschnitten wird.
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1A zeigt,
wie die Probe 1 durch zwei Ionenstrahlen 4 und 5 gleichzeitig
abgeschnitten wird. Da die beiden Strahlen 4 und 5 einen
Winkel zueinander aufweisen, ist es möglich, die Probe 1 ringsherum
auszuschneiden, ohne daß der
Wafer 2 eine andere Orientierung in bezug auf die (nicht
dargestellte) Einrichtung, die die Ionenstrahlen erzeugt, annehmen
muß. In
der gezeigten Situation ist die Unterseite der Probe 1 bereits
größtenteils
abgeschnitten, woraufhin die Probe 1 nur durch die Verbindung 7 zwischen
dem Wafer 2 und der Probe 1 mit dem Wafer 2 verbunden
bleibt.
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Heutzutage
hat eine zu extrahierende Probe normalerweise Abmessungen in der
Größenordnung von
10 μm (d.
h. Länge
senkrecht zur Linie AA')
und eine Dicke (d. h. Abmessung in Richtung der Linie AA') von 100 nm.
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1B zeigt
einen Schnitt entsprechend der in 1A dargestellten
Linie AA', wobei
deutlich zu sehen ist, daß die
untere Fläche
der Probe 1 vom Wafer 2 abgetrennt ist.
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2 stellt
schematisch eine Probe 1 dar, die an einem nadelförmigen Ende
der Sonde 3 befestigt ist.
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Der
Schneidvorgang ist in der dargestellten Situation hinreichend weit
fortgeschritten, so daß kein
weiterer Schatteneffekt durch die Sonde 3 zu befürchten ist.
Das nadelförmige
Ende der Sonde 3 wird zur Position der zu extrahierenden
Probe 1 bewegt. Die Probe 1 ist mit der Sonde 2 durch
Bestrahlung mit einem Ionenstrahl 5 verbunden, wobei eine
Metallablagerung 6 die Probe 1 an der Sonde 3 festhält. Gleichzeitig
wird die verbleibende Verbindung 7 zwischen der Probe 1 und
dem Wafer 2 mit dem Ionenstrahl 4 entfernt.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung der extrahierten Probe 1,
wobei die Verbindung 6 zwischen der Probe 1 und
der Probe 3 weiter verstärkt ist.
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Die
Probe 1 ist vom Wafer 2 vollständig abgeschnitten. Solange
der Wafer 2 und die Probe 1 nicht bewegt werden,
wird die auf die Verbindung 6 ausgeübte Kraft lediglich vom Gewicht
der Probe 1 bestimmt. Die Verbindung 6 wird durch
den Strahl 5 weiter verstärkt, bis diese Verbindung hinreichend
robust ist, um größeren Kräften als
lediglich den durch das Gewicht der Probe 1 verursachten
standzuhalten. Eine weitere Bearbeitung, wie etwa ein weiteres Dünnermachen
der Probe 1 kann gleichzeitig mit Strahl 4 erfolgen,
während
Strahl 5 die Verbindung 6 verstärkt.