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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Entnehmen mikroskopischer
Proben aus Substraten zur weiteren Analyse.
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Hintergrund der Erfindung
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Transmissions-Elektronenmikroskope (TEMs)
ermöglichen
es Betrachtern, extrem kleine Merkmale in der Größenordnung von Nanometern zu sehen.
Eine TEM-Probe muß jedoch
ausreichend dünn
sein, damit Elektronen durchgehen. TEM-Proben sind typischerweise
zwischen etwa 20 nm und 200 nm dick.
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Es
sind verschiedene Techniken zum Herstellen von TEM-Proben bekannt. Diese
Techniken können
entweder Spalten, chemisches Polieren, mechanisches Polieren, oder
Breitstrahl-Niederenergie-Ionenfräsen oder
die Kombination von einem oder mehren des obigen umfassen. Der Nachteil
dieser Techniken ist, daß sie
nicht standortspezifisch sind und es häufig erfordern, daß das Ausgangsmaterial
in immer kleinere Stücke
geschnitten wird, wodurch ein großer Teil der ursprünglichen
Probe zerstört
wird.
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Andere
Techniken, die im allgemeinen als „Aushebe"-Techniken
bezeichnet werden, verwenden fokussierte Ionenstrahlen, um die Probe
von einem Substrat oder einer Hauptprobe abzuschneiden, ohne umgebende
Teile des Substrats zu zerstören oder
zu beschädigen.
Solche Techniken sind bei der Analyse der Ergebnisse von Prozessen
nützlich,
die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet werden,
sowie von Materialien, die in den physikalischen oder biologischen
Wissenschaften verbreitet sind. Diese Techniken können verwendet werden,
um Proben in jeder Orientierung (z. B. entweder im Querschnitt
oder in der Draufsicht) zu analysieren. Einige Techniken entnehmen
eine Probe, die zur direkten Verwendung in einem TEM ausreichend
dünn ist;
andere Techniken entnehmen einen „Abschnitt" oder große Probe, die eine zusätzliche Verdünnung vor
der Betrachtung erfordert. Zusätzlich können diese „Aushebe"-Proben außer durch
TEM auch direkt durch andere analytische Werkzeuge analysiert werden.
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Zum
Beispiel beschreibt das
US-Patent
Nr. 5,270,552 von Ohnishi u. a. die Verwendung eines fokussiertes
Ionenstrahls, um eine Probe zu entnehmen, indem zuerst ein rechteckiges
Loch nahe eines interessierenden Bereichs gefräst wird, und dann der Strahl
in die Seitenwand des Rechtecks gerichtet wird, um einen „Boden" unter einem interessierenden Bereich
zu schneiden, wobei der Boden nahezu parallel zur Substratoberfläche verläuft. Der
Ionenstrahl schneidet dann teilweise um den Umfang des interessierenden
Bereichs, und es wird eine Sonde an der zu entnehmenden Probe befestigt.
Nachdem die Sonde befestigt ist, wird der Rest des Umfangs mit dem
Ionenstrahl abgeschnitten, und die Probe wird einschließlich des
interessierenden Bereichs durch die Sonde entfernt, an der sie befestigt
worden ist.
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Eine
andere Technik mit fokussiertem Ionenstrahl wird beschrieben im
US-Patent Nr. 6,570,170 von
Moore, das das Entnehmen einer Probe beschreibt, indem ein „U"-förmiger Schnitt
vorgenommen wird und dann die Probe unter einem Winkel von der fehlenden
Seite des „U" geschnitten wird,
um die Probe zu unterschneiden und freizumachen. Nachdem die Probe
freigemacht ist, wird eine Sonde an der Probe befestigt, und sie
wird herausgehoben.
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In
einer Technik, die eine dünne
Probe erzeugt, die eine minimale zusätzliche Bearbeitung vor der
TEM-Betrachtung benötigt,
schneidet ein fokussierter Ionenstrahl zwei benachbarte Rechtecke
auf einem Substrat, wobei das verbleibende Material zwischen den
beiden Rechtecken eine dünne
vertikale Scheibe bildet, die einen interessierenden Bereich umfaßt. Es wird
teilweise ein U-förmiger
Schnitt unter einem Winkel längs
des Umfangs der Scheibe vorgenommen, der die Scheibe an einer Nase
an einer Seite am oberen Teil der Scheibe hängen läßt. Es wird eine Sonde mit
der Probe verbunden, und dann werden die Nasen unter Verwendung
des fokussierten Ionenstrahls durchgeschnitten, wobei die Probe freigemacht
wird.
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Alle
diese Verfahren sind zeitaufwendig. Da mehr und mehr TEM-Proben
benötigt
werden, um Nanoherstellungsprozesse zu überwachen, wird ein effizienteres
Verfahren zur Probenentnahme benötigt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein effizientes Verfahren zum Entnehmen
einer Probe aus einem Substrat bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß werden
mindestens zwei überlappende
Umfangsschnitte um einen interessierenden Bereich gemacht. Der erste
Umfangsschnitt kann schnell vorgenommen werden, da er sich nicht bis
zur vollen Tiefe der zu entnehmenden Probe fräsen muß. Da der Strahl eine schräge Seitenwand
erzeugt und da sich die anschließenden Schnitte mit den vorhergehenden
Schnitten überlagern,
trifft der Strahl in den anschließenden Schnitten die Seitenwand
unter einem verhältnismäßig großen Einfallswinkel
von nahezu 89 Grad in einigen Ausführungsformen. Der große Einfallswinkel
erhöht
beträchtlich die
Fräsgeschwindigkeit,
so daß eine
Probe um einen Umfang in einer beträchtlich reduzierten Zeit freigemacht
werden kann. Ein zusätzlicher
Schnitt unter den interessierenden Bereich macht die Probe frei. Es
kann eine Sonde befestigt werden, bevor oder nachdem die Probe freigemacht
wird.
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Das
vorhergehende hat die Merkmale und technischen Vorteile der vorliegenden
Erfindung ziemlich grob skizziert, damit die folgende detaillierte Beschreibung
der Erfindung besser verstanden werden kann. Es werden im folgenden
zusätzliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung beschrieben. Es sollte durch
Fachleute erkannt werden, daß die
Konzeption und die offenbarte spezifische Ausführungsform leicht als eine
Grundlage zum Modifizieren oder Entwerfen von anderen Strukturen genutzt
werden können,
um dieselben Zwecke wie die vorliegende Erfindung auszuführen. Es
sollte durch Fachleute auch erkannt werden, daß solche äquivalenten Konstruktionen
nicht den Geist und Rahmen der Erfindung verlassen, die in den beigefügten Ansprüchen dargelegt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für ein gründlicheres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden
Beschreibungen Bezug genommen, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
vorgenommen werden. Es zeigen:
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1 einen
Ablaufplan, der die Schritte einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2A eine
veranschaulichende, nicht maßstabsgerechte
Gaußsche
Stromdichteverteilung eines typischen Systems mit fokussiertem Ionenstrahl.
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2B ein
Loch, das durch einen Strahl mit der in 2A gezeigten
Stromdichteverteilung gefräst
wird.
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3A eine
Draufsicht eines zylindrischen Lochs, das als ein erster Schnitt
gefräst
wird, der gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgenommen wird.
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3B eine
Querschnittsansicht des Lochs der 3A.
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4 einen
Querschnitt des Lochs der 3B, nachdem
ein zweiter überlappender
Schnitt vorgenommen wird.
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5 einen
Querschnitt eines Werkstücks, nachdem
mehrere überlappende
Schnitte vorgenommen worden sind und die Probe um ihren Umfang freigemacht
ist.
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6 die
Probe der 5, die durch einen winkligen
Schnitt vom Substrat freigemacht worden ist.
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7 ein
System mit fokussiertem Ionenstrahl, das zur Ausführung der
vorliegenden Erfindung geeignet ist.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind auf Verfahren und eine Vorrichtung
zur effizienten Entnehmen mikroskopischer Proben aus Substraten
gerichtet. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wird eine Probe entnommen, indem mehrere, überlappende
Schnitte unter Verwendung eines Strahls, wie eines fokussierten
Ionenstrahls gemacht werden, um einen Graben um eine Probe zu erzeugen,
und dann die Probe unterschnitten wird, um sie freizumachen.
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Wie
unten in näheren
Einzelheiten erläutert wird,
nimmt bis zu einem gewissen Punkt die Zerstäubungsausbeute zu, wenn der
Strahleinfallswinkel zunimmt (obwohl die Ausbeute scharf abfällt, wenn sich
der Einfallswinkel 90° nähert). Die
vorliegende Erfindung nutzt die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel
und der Fräsgeschwindigkeit
aus, indem ein Fräsalgorithmus
eingesetzt wird, der die Strahleinfallswinkel während des Fräsens maximiert.
Der Frässtrahl
wird verwendet, um eine Reihe sich überlappender Umfangsschnitte
um das interessierende Objekt zu machen. Für jeden aufeinanderfolgenden Schnitt überlappt
sich die Strahlposition mit einer vorhergehenden Kantenposition,
die sich vom Außendurchmesser
zu einem Innendurchmesser zum interessierenden Bereich erstreckt.
Als Ergebnis fräst
der Ionenstrahl nach dem ersten Schnitt immer an einer Kante oder
Probenseitenwand, die durch einen vorhergehenden Schnitt erzeugt
wird. Der erhöhte
Einfallswinkel, der vom Fräsen
an einer Seitenwand herrührt,
erhöht
die Zerstäubungsausbeute
(d. h. den Durchsatz) und ergibt einen tieferen Graben zum interessierenden
Bereich. Nachdem das Umfangsfräsen
vollendet worden ist, wird der Probenabschnitt (einschließlich des
interessierenden Bereichs), auf allen Seiten mit der Ausnahme des
Bodens freigemacht, in einem Graben gewünschter Tiefe stehengelassen.
Die Probe kann dann am Boden freigemacht werden, indem der Frässtrahl
unter einem Winkel gerichtet wird, um die freistehende Probe zu unterschneiden
und sie vollständig
vom Substratmaterial zu lösen.
Sobald die Probe freigeschnitten ist, kann eine Sonde an der Probe
befestigt werden. Die Probe kann dann herausgehoben und zu einem
Probenrost oder Halter manipuliert werden, sie kann zur Analyse
weiter gefräst
werden, oder sie kann direkt analysiert werden.
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Wie
er hierin erwähnt
wird, ist der Ausdruck „Umfang" nicht auf kreisförmige Formen
beschränkt, sondern
wird verwendet, um eine geschlossene Kurve mit jeder erwünschten
Form zu bezeichnen, die sich um ein interessierendes Objekt erstreckt.
Fachleute werden erkennen, daß die
Form des Strahlwegs während
der Umfangsschnitte die Form der Probe definieren wird, die schließlich entnommen werden
wird. Es könnte
eine Reihe von Umfangsschnitten gemacht werden, so daß die stehengelassene
Probe jede gewünschte
Form (z. B. Kreis, Oval, Quadrat, Dreieck, Achteck, Freiform, Polygon
usw.) aufweisen wird. Ebenso ist die Verwendung des Ausdrucks „Durchmesser" nicht auf kreisförmige Formen beschränkt, sondern
wird verwendet, um den Abstand über
einen Umfang eines Umfangsschnitts jeder Form zu bezeichnen.
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1 ist
ein Ablaufplan, der die Schritte einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zum Entnehmen einer Probe, die einen interessierenden Bereich
umfaßt,
aus einem Substrat zeigt, ohne das Substrat vom Probenbereich entfernt
zu beschädigen.
Wenn zum Beispiel das Substrat eine Halbleiterscheibe wäre, auf
der mehrere integrierte Schaltungen hergestellt werden, könnte die
Probe aus einer Schaltung entnommen werden, ohne die restlichen Schaltungen
beschädigen.
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Im
Schritt 100 kann der interessierende Bereich zum Beispiel
unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops oder unter Verwendung
einer Ionenabbildung über
ein Mikroskop mit fokussiertem Ionenstrahl gekennzeichnet werden.
Es wird dann ein Probenabschnitt definiert, der entnommen werden
soll und der den interessierenden Bereich enthält. Der Schritt 102 zeigt,
daß ein
erster Schnitt um einen Umfang vorgenommen wird, der den zu entfernenden
Probenabschnitt umgibt, jedoch vom interessierenden Bereich beabstandet
ist, um zusätzliche Schnitte
zu ermöglichen,
die unten beschrieben werden, ohne den interessierenden Bereich
zu beschädigen.
Der Strahl könnte
zum Beispiel einen Kreis, ein Rechteck oder eine andere regelmäßige oder
unregelmäßige Form
auf der Werkstückoberfläche durchlaufen.
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Obwohl
ein Großteil
der folgenden Beschreibung auf die Verwendung des FIB-Fräsens gerichtet ist,
könnte
der Frässtrahl
zum Beispiel einen Elektronenstrahl, einen Laserstrahl oder einen
fokussierten oder geformten Ionenstrahl aus zum Beispiel einer Flüssigmetallionenquelle
oder einer Plasmaionenquelle, oder irgendeinen anderen geladenen
Teilchenstrahl aufweisen. Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet eine Galliumflüssigmetallionenquelle,
um einen Strahl von Galliumionen zu erzeugen, der auf einen Submikrometerfleck
fokussiert wird. Solche Systeme mit fokussiertem Ionenstrahl sind zum
Beispiel von der FEI Company, dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung
kommerziell erhältlich. Der
Strahl weist vorzugsweise ein Stromdichteprofil auf, in dem der
Strom oder die Energiedichte vom Zentrum des Strahls weg abfällt. Zum
Beispiel weist ein System mit fokussiertem Ionenstrahl typischerweise
eine kreissymmetrische, im wesentlichen Gaußsche Stromdichteverteilung
auf, wie in 2A dargestellt wird, die eine
graphische Darstellung der Ionenstromdichte als Funktion der Position
längs einer
radialen Achse zeigt. Da es im Zentrum des Strahls mehr und an den
Rändern
weniger Ionen gibt, ist das „Loch", das durch den Strahl
erzeugt wird, in der Mitte tiefer. 2B zeigt
die Form eines Lochs, das durch einen stationären Strahl gefräst würde, der die
in 2A gezeigte Form aufweist. Wie in der Technik
wohlbekannt ist, würde
ein sich bewegender Strahl einen „Schnitt" oder Graben mit demselben allgemeinen
Querschnitt fräsen,
der in 2B gezeigt wird.
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3A zeigt
eine Draufsicht eines Substrats 300, in dem im Schritt 102 ein
erster Schnitt 302 gemacht wurde, und 3B zeigt
einen Querschnitt des ersten Schnitts. 3B zeigt,
daß der
Schnitt infolge des ungleichmäßigen, in
diesem Fall Gaußschen
Stromdichteprofils des Strahls schräge Seitenwände aufweist. Da es mehr Ionen
im Zentrum des Strahls und weniger an den Rändern gibt, ist das durch den
Strahl gefräs te
Loch in der Mitte tiefer. Die Form des Schnitts hängt mit
dem Inversen des Strahlstromdichteprofils zusammen.
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Im
Schritt 104 macht der Ionenstrahlschnitt einen zweiten, überlappenden
Schnitt. Der zweite Schnitt weist dieselbe Form wie der erste Schnitt
auf, jedoch ist der zweite Schnitt vorzugsweise zum interessierenden
Bereich hin versetzt, und überlappt
sich mit dem ersten Schnitt. Das sich der zweite Schnitt mit dem
ersten Schnitt überlappt,
treffen die Ionen im Strahl während
des zweiten Schnitts auf die schrägen Seitenwände des ersten Schnitts. Im
Fall von kreisförmigen
Schnitten weist der zweite Schnitt einen geringfügig kleineren Durchmesser als
der erste Schnitt auf, so daß die
Schnitte konzentrische Kreise mit abnehmendem Durchmesser bilden.
Im Fall von nicht kreisförmigen
Schnitten wird der Ionenstrahl vorzugsweise so gerichtet, daß die Ionen
im Strahl nächstgelegen
zum interessierenden Bereich (die innere Seitenwand) auf die Seitenwand
des ersten Schnitts treffen. In einigen Ausführungsformen kann der Einfallswinkel
für die
Ionen im zweiten Schnitt (bezüglich
des normalen Einfalls) nahezu 89 Grad betragen, obwohl die Strahlachse
weiterhin normal zur Oberfläche
des Substrats 300 verläuft.
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Die
Geschwindigkeit, mit der ein Ionenstrahl Material von einem Werkstück entfernt,
das heißt
die Fräsgeschwindigkeit,
hängt vom
Einfallswinkel des Strahls ab, das heißt dem Winkel, mit dem die
Ionen auf die Oberfläche
treffen. Ionen, die die Oberfläche mit
einem steilen Winkel treffen, entfernen bedeutend mehr Material
als Ionen, die senkrecht auf die Oberfläche treffen. Es wird geschätzt, daß bei einem
hohen Einfallswinkel die Fräsgeschwindigkeit
zehnfach zunehmen kann. Folglich wird für ein gegebenes Target die
Zerstäubungsgeschwindigkeit
und daher der Probenherstellungsdurchsatz zunehmen, wenn mit dem
Ionenstrahl gefräst
wird, der nahezu parallel zu einer Probekante verläuft, anstatt
daß mit
dem Strahl senkrecht zu einer Target-Oberfläche gefräst wird. Die vorliegende Erfindung
nutzt die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel und der Fräsgeschwindigkeit
aus, indem ein Satz von Umfangsfrässtrahlschnitten so geschrieben
wird, daß jede
Strahlposition sich mit einer vorhergehenden Kantenposition überlappt,
die sich vom Außendurchmesser
zu einem Innendurchmesser zum interessierenden Bereich erstreckt,
wobei nur eine Blendeneinstellung (d. h. 20 nA) verwendet wird.
Da die Ionen des zweiten Schnitts auf die Seitenwände des
ersten Schnitts treffen, ist der Einfallswinkel höher, und
der zweite Schnitt entfernt das Material sehr viel schneller als der
erste Schnitt. Aufgrund der schnelleren Fräsgeschwindigkeit und der Überlappung
ist der zweite Schnitt tiefer als der erste Schnitt, selbst wenn
die Bearbeitungsparameter (Strahlenergie, Strom, Stromdichte und
Verweilzeit) dieselben bleiben. 4 zeigt
die Form des Lochs 402 nach dem zweiten Schnitt, die einem
Bild des ersten Schnitts 302 überlagert ist, der in gestrichelten
Linien gezeigt wird.
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In
den meisten Fällen
werden im optionalen Schritt 106 mehrere zusätzliche
Umfangsschnitte durchgeführt,
wobei sich jeder Schnitt nach innen zum interessierenden Bereich
bewegt. Im Fall von kreisförmigen
Schnitten wird jeder nachfolgende Schnitt vorzugsweise einen geringfügig kleineren Durchmesser
als der vorhergehende Schnitt aufweisen, so daß die Schnitte eine Reihe von
konzentrischen Kreisen mit abnehmendem Durchmesser bilden. Der Betrag
des Versatzes zwischen aufeinanderfolgenden Schnitten wird vorzugsweise
kleiner als die Ionenstrahlfleckgröße (Durchmesser) sein, so daß (nachdem
der erste Schnitt vollendet ist) der größte Teil der Ionen im Strahl
auf die schrägen
Seitenwände
des vorhergehenden Schnitts treffen wird, was zu höheren Einfallswinkeln
führt.
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5 zeigt
einen Querschnitt des Substrats, der von mehreren überlappenden
Schnitten herrührt. Fachleute
werden erkennen, daß das,
was als ein Einzelschnitt bezeichnet wird, wie der Schnitt im Schritt 102 oder 104,
typischerweise ein dünner
ringförmiger
Schnitt ist, der durch den Ionenstrahl gemacht wird, der sich in
einer Reihe von kreisförmigen Wegen
bewegt, wobei jeder Weg nacheinander einen kleineren Durchmesser
aufweist und dann die Kreise im Ring mehrmals wieder holt werden,
bevor mit dem nächsten
Schnitt fortgefahren wird. Folglich umfaßt das tatsächliche Verfahren einer bevorzugten Ausführungsform
das mehrmalige Bewegen des Strahls in einer Reihe von kreisförmigen Wegen
mit abnehmenden Durchmesser innerhalb eines Rings und dann die Wiederholung
des Verfahrens im nächsten
Ring, der an den vorhergehenden Ring angrenzt und konzentrisch zu
ihm, jedoch näher
zur Probe verläuft,
das heißt,
einen kleineren Durchmesser aufweist. Mindestens zwei und vorzugsweise mehr
als 5 und bevorzugter um 10 oder mehr als 10 Ringe werden gefräst, um den
Graben zu erzeugen, bevor die Probe unterschnitten wird. Alternativ
können
die Schritte 102, 104 und 106 beliebig
häufig
wiederholt werden, um die vorhergehend gefrästen Schnitte zu vertiefen.
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Während sie
ferner zur einfacheren Erläuterung
als unterschiedliche Schnitte bezeichnet werden, umfassen der „erste
Schnitt", der „zweite Schnitt" und die „anschließenden Schnitte", die hierin erläutert werden,
Umfangsschnitte, die vorzugsweise als ein einziger Vorgang durchgeführt werden,
und man kann sie sich als einen einzigen Schnitt vorstellen. Es
sind keine Änderungen
des Winkels oder der Strahlparameter (wie des Strahldurchmessers,
der Strahlenergie, des Stroms, der Verweilzeit oder der Stromdichte)
erforderlich, daher wird die Probe von allen Seiten mit der Ausnahme
des Bodens in einem einzigen Vorgang isoliert. Obwohl die Strahlparameter
während
jedes Durchgangs des Strahls dieselben bleiben, erhöht sich
die Tiefe des Schnitts zum Zentrum des Schnitts aufgrund der Wirkung
der Ionen, die auf die schräge
Seitenwand treffen. Ein Anwender kann einen interessierenden Bereich
oder einen Graben festlegen, der gefräst werden soll, und der Graben
kann schnell gefräst
werden.
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Da
der erste Schnitt nicht bis zur gesamten Tiefe der Probe fräsen muß, kann
der erste Schnitt im Vergleich zum Stand der Technik verhältnismäßig oberflächlich sein
und kann sehr viel schneller als in Techniken des Stands der Technik
durchgeführt
werden, die es erfordern, daß mit
dem Ionen strahl mit einem senkrechten Einfallswinkel die gesamte
Dicke der Probe bis zur erforderlichen Tiefe gefräst wird. Jeder
anschließende
Schnitt ist tiefer als der vorhergehende Schnitt (da jeder anschließende Schnitt
die Seitenwand mit einem großen
Einfallswinkel trifft, obwohl die Strahlparameter dieselben sind),
und die Seitenwand ist für
jeden anschließenden
Schnitt länger. 5 zeigt,
daß der
Graben 502 schräge
Seitenwände 504 aufweist,
wobei der Abschnitt des Grabens, der zuletzt gefräst wurde,
das heißt,
der Abschnitt, der einer Probe 506 am nächsten ist, deutlich tiefer
als der zuerst gefräste
Teil des Grabens ist, wobei der Graben zum Zentrum dazwischen zunehmend
tiefer wird.
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Die
Tiefe des Grabens nimmt zur Probe hin zu, so daß der Graben ausreichend tief
ist, um eine Probe, die den interessierenden Bereich enthält, durch
einen Unterschnitt freizumachen. Der Graben ist ausreichend breit,
so daß es
eine verminderte Gelegenheit gibt, daß sich das zerstäubte Material
zwischen den Grabenwänden
und der Probe wieder abscheidet, wobei es möglicherweise die Probe wieder befestigt.
Die Tiefe und Breite des Grabens und die Anzahl der Durchgänge mit
dem Ionenstrahl wird von der Größe der Probe
abhängen,
die entnommen wird. In einigen Ausführungsformen ist die Breite
des Grabens größer als
ein Zehntel der Breite der Probe, die im Zentrum des Grabens verbleibt.
In anderen Ausführungsformen
ist die Grabenbreite vorzugsweise größer als 1/3 der Probenbreite,
größer als
1/2 der Probenbreite, oder größer als
die Breite der Probe. Die Kombination der Säulen- und Schalenstruktur, die
sich aus dem Umfangsfräsen
ergibt, reduziert die Möglichkeit,
daß die
Probe umfällt
oder aus dem Schnittbereich herausfällt, wenn sie aus dem Substrat
freigemacht wird.
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Nachdem
mehrmals vollständig
um den Umfang gefräst
worden ist, wird die Probe, die auf allen Seiten mit der Ausnahme
des Bodens freigemacht ist, in einem Graben stehengelassen, und
dann kann die Probe durch Unterschneiden freigemacht werden. Im
Schritt 108 wird ein Ionenstrahl unter einem Winkel A1
auf die Oberfläche
gerichtet, der vorzugsweise zwischen 10 Grad und 80 Grad liegt,
um eine Probe zu unterschneiden, wobei sie vom Substrat freigemacht
wird, wie in 6 gezeigt. Dieses winklige Loch
kann rechteckig sein oder irgendeine andere Form aufweisen. Abhängig von
der Tiefe des Umfangsgrabens und seines Außendurchmessers kann der Unterschnitt
entweder außerhalb
oder innerhalb des Grabendurchmessers begonnen werden. In der dargestellten
Ausführungsform
wird der Ionenstrahl, der verwendet wird, um den Umfangsgraben zu
fräsen,
unter einem Winkel normal zur Substratoberfläche gerichtet (d. h. 90 Grad
zwischen dem Strahl und der Oberfläche) während der Unterschneidungsionenstrahl
unter einem spitzeren Winkel bezüglich
der Oberfläche
gerichtet wird. Fachleute werden erkennen, daß um unter die Probe zu schneiden,
der Winkel zwischen dem Unterschneidungsionenstrahl und der Oberfläche kleiner
als der Winkel zwischen der Oberfläche und dem Strahl sein muß, der verwendet wird,
um den Umfangsgraben zu fräsen.
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Im
Schritt 110 wird eine Sonde an der freigemachten Probe
befestigt. Die Sonde kann zum Beispiel unter Verwendung einer Ionenstrahlabscheidung,
Elektronenstrahlabscheidung, elektrostatischen Anziehung, mechanischen
Einspannung oder irgendeines anderen Verfahrens befestigt werden. Die
Sonde kann eine Komponente eines Mikromanipulatorwerkzeugs sein,
das es ermöglicht,
daß die Sonde
(und die befestigte Probe) mittels des Mikromanipulators positioniert
wird, wie es in der Technik wohlbekannt ist. Im Schritt 112 wird
die entnommene Probe vorzugsweise durch Polieren oder durch Verwendung
eines fokussierten Ionenstrahls geformt oder verdünnt. In
einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die Probe vor der „endgültigen" Verdünnung zu
einem Probenrost oder Halter manipuliert werden. Nachdem die Probe
verdünnt ist,
wird sie im Schritt 114 in einem Transmissions-Elektronenmikroskop
oder anderen analytischen Werkzeug betrachtet.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann nach dem Umfangsfräsen (jedoch
bevor die Probe unterschnitten wird) der Mittenabschnitt der Probe
(die freistehende Probe) zu einer gewünschten Form oder Dicke poliert
oder FIB-gefräst
werden. Dann kann die Probe gekippt und frei unterschnitten werden,
und/oder sie kann aus dem Kammersystem zu einer außerhalb
befindlichen Manipulatorstation entfernt werden, wo die Probe zur
zukünftigen
Analyse herausgehoben und manipuliert werden kann, falls notwendig.
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In
vielen Ausführungsformen
können
alle Schnitte unter Verwendung eines einzigen Strahlstroms, zum
Beispiel eines Strahlstroms von 20 nA, unter Verwendung von Strahlenergien,
die leicht mit vielen kommerziellen FIB-Instrumenten erhältlich sind
(z. B. Dutzende keV), mit einer Verweilzeit und Überlappung durchgeführt werden,
die typischerweise zum FIB-Fräsen von
Si verwendet werden. Während
bevorzugte Verfahrensparameter beschrieben werden, werden Fachleute
verstehen, daß die
bevorzugten Verfahrensparameter sich mit der Größe und Form der Probe und dem
Material des Substrats ändern
werden. Fachleute werden imstande sein, leicht geeignete Verfahrensparameter
zum Entnehmen von Proben in unterschiedlichen Anwendungen zu bestimmen.
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Die
Erfindung stellt gegenüber
dem Stand der Technik mehrere Vorteile bereit. In vielen Ausführungsformen
erfordert das Verfahren nur zwei Schneideschritte, mit nur einer
einzigen Neuorientierung der Probe und des Strahls während des
gesamten Verfahrens.
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In
einigen Ausführungsformen
erzeugt die Erfindung eine Probe, die am Boden, dicker ist, was dafür sorgt,
daß die
Probe in der Regel im Graben aufrecht bleibt, was die Befestigung
der Sonde erleichtert. Der schalenförmige Graben reduziert die Wahrscheinlichkeit,
daß die
Probe aus dem Graben fällt,
wenn sie freigemacht wird.
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In
Ausführungsformen,
in denen die anschließenden
Schnitte nach innen zur Probe fortschreiten, wird die Wiederabscheidung
von zerstäubtem
Material hauptsächlich
auf den Sub stratwänden abgeschieden
und nicht auf der Probe (da sie ständig gefräst wird), so daß wenig
oder kein Material auf die Probe selbst wieder abgeschieden wird.
Diese Art des Fräsmusters
reduziert außerdem
Wiederabscheidungsartefakte, die bewirken können, daß zerstäubtes Material Gräben oder
Löcher
verschließt, die
schon gefräst
wurden. Im Stand der Technik wird typischerweise eine verhältnismäßig dünne Linie
teilweise, jedoch nicht vollständig
um den Durchmesser geschnitten. Material, das während des Unterschneidevorgangs
zerstäubt
wird, scheidet sich in der Regel in den verhältnismäßig dünnen Schnitt wieder ab, was
zu einer Überbrückung durch
Wiederabscheidung führt,
die die Probe wieder am Substrat befestigt. Es sind dann zusätzliche
Ionenstrahlschnitte normal zur Oberfläche erforderlich, um das zerstäubte Material
zu entfernen und die Probe wieder freizumachen. Die zusätzlichen
Schnitte erfordern zeitaufwendige Vorgänge des Änderns des Winkels des Strahls
relativ zur Probe durch Kippen des Objekttischs und Neuausrichtung
des Strahls, um den (die) zusätzlichen
Schnitt(e) vorzunehmen. Im Gegensatz dazu reduziert der verhältnismäßig breite
Graben, der in Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erzeugt wird, die Wahrscheinlichkeit
einer Wiederabscheidungsüberbrückung während des
Schritts 108.
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Die
Technik der vorliegenden Erfindung ist schneller als die meisten
Verfahren des Stands der Technik und erleichtert die Automation
besser, da die vertikalen Schnitte kontinuierlich ohne Unterbrechung
gemacht werden können,
das heißt,
wiederholt um den Umfang gehen, statt einen Teil wegzufräsen und
dann andere Arbeitsgänge
durchzuführen, wie
im Stand der Technik. Da der Ionenstrahl in den anschließenden Schnitten
auf die Seitenwände
trifft, ist die benötigte
Zeit, um einen Bolzen freizumachen, bedeutend kürzer als die benötigte Zeit,
wenn ein einzelner Schnitt gemacht wird, obwohl mehrere Umfangsdurchgänge mit
dem Strahl gemacht werden. In Tests hat sich gezeigt, daß das vorliegende
Verfahren erheblich schneller als die Verfahren des Stands der Technik
ist. Obwohl ein Umfangsgraben auch unter Verwendung eines herkömmlichen
Rastermusters gefräst
werden könnte,
würde ein
solcher Graben mit einer gleichmäßigen Tiefe
gefräst.
Indem in einer kreisförmigen
Weise vom Außen-
zum Innendurchmesser gefräst
wird, wird die durch den Innendurchmesser definierte Position die
tiefste sein. Da das Material am Außenumfang des Kreises nicht
so tief sein braucht wie der Bereich, der durch den inneren Kreisdurchmesser
definiert wird, ist die Zeit zum Fräsen kürzer.
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7 zeigt
ein typisches Strahlsystem, ein System 10 mit fokussiertem
Ionenstrahl, das zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung geeignet
ist. Das System 10 mit fokussiertem Ionenstrahl umfaßt eine
evakuierte Hülle 11 mit
einem oberen Halsabschnitt 12, in dem sich eine Flüssigmetallionenquelle 14 und
eine Fokussiersäule 16 befinden,
die Extraktionselektroden und ein elektrostatisches optisches System
enthält.
Es können
andere Ionenquellen, wie eine Multicusp- oder andere Plasmaionenquellen verwendet
werden, und es könnten
auch andere optische Säulen,
wie geformte Strahlsäulen,
sowie ein Elektronenstrahl und ein Lasersystem verwendet werden.
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Ein
Ionenstrahl 18 geht von der Quelle 14 durch die
Säule 16 und
zwischen elektrostatischen Ablenkeinrichtungen, die schematisch
bei 20 angezeigt werden, zu einer Probe 22, die
zum Beispiel eine Halbleitervorrichtung aufweist, die auf einem
beweglichen X-Y-Objekttisch 24 in einer unteren Kammer 26 angeordnet
ist. Eine Systemsteuereinrichtung 19 steuert die Arbeitsschritte
der verschiedenen Teile des Systems 10. Durch die Systemsteuereinrichtung 19 kann
ein Anwender durch Befehle, die in eine herkömmliche (nicht gezeigte) Benutzerschnittstelle
eingegeben werden, den Strahl 18 so steuern, daß er in einer
erwünschten
Weise geführt
wird. Alternativ kann die Steuereinrichtung 19 das System 10 gemäß programmierter
Befehle steuern.
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Zum
Beispiel kann ein Anwender einen interessierenden Bereich auf einem
Anzeigebildschirm unter Verwendung einer Zeigevorrichtung skizzieren, und
dann könnte
das System automa tisch die in 1 beschriebenen
Schritte durchführen,
um eine Probe zu entnehmen. In einigen Ausführungsformen enthält das System 10 eine
Bilderkennungssoftware, wie eine Software, die von der Cognex Corporation, Natick,
Massachusetts kommerziell erhältlich
ist, um automatisch interessierende Bereiche zu erkennen, und dann
kann das System manuell oder automatisch Proben gemäß der Erfindung
entnehmen. Zum Beispiel könnte
das System automatisch ähnliche Merkmale
auf Halbleiterscheiben lokalisieren, die mehrere Vorrichtungen umfassen,
und Proben dieser Merkmale an anderen (oder denselben) Vorrichtungen
entnehmen.
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Es
wird eine Ionenpumpe 28 zum Evakuieren des Halsabschnitts 12 eingesetzt.
Die Kammer 26 wird mit einem Turbomolekular- und mechanischen
Pumpsystem 30 unter der Kontrolle einer Vakuumsteuereinrichtung 32 evakuiert.
Das Vakuumsystem stellt in der Kammer 26 ein Vakuum zwischen annähernd 1,3 × 10–7 mbar
und 6,6 × 10–4 mbar
bereit. Wenn ein Ätzhilfs-,
ein Ätzverzögerungsgas
oder ein Abscheidungsvorläufergas
verwendet wird, kann der Kammerrestdruck typischerweise auf etwa
1,3 × 10–5 mbar
steigen.
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Es
ist eine Hochspannungsstromversorgung 34 mit der Flüssigmetallionenquelle 14 sowie
mit geeigneten Elektroden in der Fokussiersäule 16 verbunden,
um einen Ionenstrahl 18 mit annähernd 1 keV bis 60 keV zu bilden
und ihn nach unten zu richten. Es ist eine Ablenksteuereinrichtung
und -Verstärker 36,
der gemäß eines
vorgeschriebenen Musters betrieben wird, das durch einen Mustergenerator 38 bereitgestellt
wird, mit Ablenkplatten 20 gekoppelt, wodurch der Strahl 18 manuell
oder automatisch so gesteuert werden kann, daß er ein entsprechendes Muster
auf der Oberseite der Probe 22 zeichnet. In einigen Systemen
sind die Ablenkplatten vor der letzten Linse angeordnet, was in
der Technik wohlbekannt ist. Strahlaustastelektroden 70 bewirken,
daß der
Strahl 18 auf eine Austastblende 72 anstatt auf das
Target 22 trifft, wenn eine Austaststeuereinrichtung 76 eine
Austastspannung an die Austastelektrode 70 anlegt.
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Die
Quelle 14 liefert typischerweise einen Metallionenstrahl
aus Gallium. Die Quelle kann typischerweise zu einen unter einem
Zehntel Mikrometer breiten Strahl auf die Probe 22 fokussiert
werden, um entweder die Oberfläche 22 durch
Ionenfräsen,
gesteigertes Ätzen,
Materialabscheidung, oder zum Zwecke der Abbildung auf der Oberfläche 22 zu
modifizieren. Ein Detektor 40 für geladene Teilchen, wie ein
Everhart Thornley oder eine Mehrkanalplatte, der zur Detektion einer
Sekundärionen-
oder Elektronenemission verwendet wird, ist mit einem frequenzempfindlichen
Verstärker,
wie einem synchronisierten Verstärker 80,
und einer Videoschaltung 42 verbunden, wobei der letztgenannte,
der Treibersignale für einen
Videomonitor 44 liefert, außerdem Ablenksignale von der
Steuereinrichtung 36 empfängt.
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Die
Stelle des Detektors 40 für geladene Teilchen in der
Kammer 26 kann in verschiedenen Ausführungsformen variieren. Zum
Beispiel kann ein Detektor 40 für geladene Teilchen koaxial
mit dem Ionenstrahl sein und ein Loch aufweisen, um den Ionenstrahl
durchgehen zu lassen. In anderen Ausführungsformen können Sekundärteilchen
durch eine letzte Linse gesammelt werden und dann von der Achse
weg zur Sammlung abgelenkt werden. Ein Rasterelektronenmikroskop 41 ist
zusammen mit seiner Stromversorgung und Steuerungen 45 optional mit
dem FIB-System 10 versehen.
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Es
erstreckt sich optional ein Gaszufuhrsystem
46 in die untere
Kammer
26, um gasförmigen Dampf
einzuleiten und zur Probe
22 zu leiten. Das
US-Patent Nr. 5,851,413 von Casella
u. a. für „Gas Delivery
Systems For Particle Beam Processing", das an den Rechtsnachfolger der vorliegenden
Erfindung über
tragen ist, beschreibt ein geeignetes Gaszufuhrsystem
46.
Ein anderes Gaszufuhrsystem wird im
US-Patent
Nr. 5,435,850 von Rasmussen für ein „Gas Injection System" beschrieben, das
ebenfalls an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen
ist. Zum Beispiel kann Jod zugeführt
werden, um die Ätzung
zu verbessern, oder es kann eine metall-organische Verbindung zugeführt werden,
um ein Metall abzuscheiden.
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Es
wird eine Tür 60 geöffnet, um
die Probe 22 auf dem Objekttisch 24 einzusetzen,
der geheizt oder gekühlt
werden kann, und um außerdem
ein inneres Gaszufuhrreservoir 50 zu bedienen, wenn eines
verwendet wird. Die Tür
wird verriegelt, so daß sie
nicht geöffnet
werden kann, wenn sich das System unter Vakuum befindet. Die Hochspannungsstromversorgung
liefert zur Erregung und Fokussierung des Ionenstrahls 18 eine
geeignete Beschleunigungsspannung an die Elektroden in der Ionenstrahlsäule 16.
Wenn er die Probe trifft, wird Material zerstäubt, das physikalisch aus der
Probe ausgestoßen wird.
Alternativ kann der Ionenstrahl 18 ein Vorläufergas
zersetzen, um ein Material abzuscheiden. Systeme mit einem fokussierten
Ionenstrahl sind zum Beispiel von der FEI Company, Hillsboro, Oregon,
dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung kommerziell erhältlich.
Während
ein Beispiel einer nutzbaren Hardware oben bereitgestellt wird,
ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, als irgendeine bestimmte
Art von Hardware ausgeführt
zu werden.
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Während die
beschriebene Ausführungsform einen
fokussierten Ionenstrahl verwendet, ist die Erfindung nicht auf
irgendeinen bestimmten Typ Strahl beschränkt und könnte für unterschiedliche Materialien
unter Verwendung eines Elektronenstrahls mit einem chemischen Ätzmittel,
einem Laserstrahl oder einem anderen Strahl oder einer Kombination
von einem oder mehreren der Strahlen ausgeführt werden. Anstatt einen fokussierten
Strahl zu verwenden, ist es möglich,
einen geformten Strahl zu verwenden. Die Ionenstrahl-Bearbeitung
kann mit oder ohne ein ätzsteigerndes
Gas verwendet werden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile im Detail beschrieben
worden sind, sollte es sich verstehen, daß verschiedene Änderungen,
Ersetzungen und Abänderungen
hierin vorgenommen werden können,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist.