KR100819953B1 - 투과 전자 현미경 표본 홀더를 준비하기 위한 쿠폰 및 표본준비 방법 - Google Patents

투과 전자 현미경 표본 홀더를 준비하기 위한 쿠폰 및 표본준비 방법 Download PDF

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Abstract

TEM 홀더(170)를 준비하기 위한 쿠폰(100)은, TEM 표본 홀더 형(170)을 구비하는 재료(120)의 시트를 포함한다. TEM 표본 홀더 형(170)을 시트(120)의 다른 부분에 연결하는 시트(102)의 적어도 일부분이 존재한다. TEM 표본 홀더(170)는, 프레스에서 쿠폰으로부터 TEM 표본 홀더 형(170)을 절단하는 것에 의해서 형성된다. 절단에 의해 미세 조작기 프로브 팁(10)의 팁 포인트(160)가 형성된 TEM 표본 홀더(170)와 접합된다. 팁 포인트(160)는 TEM에서 검사를 위해 부착된 표본(140)을 갖는다.

Description

투과 전자 현미경 표본 홀더를 준비하기 위한 쿠폰 및 표본 준비 방법{METHOD AND APPARATUS FOR RAPID SAMPLE PREPARATION IN A FOCUSED ION BEAM MICROSCOPE}
본 발명은 투과 전자 현미경(transmission electron microscope: TEM)에서의 후속 분석을 위해 표본의 준비를 위한 집속 이온 빔(focused ion beam: FIB) 현미경의 사용 및 이러한 활동을 용이하게 하는 장치에 관한 것이다.
장치 영역에서의 구조적 인공물 및 어떤 구조 층과 전류 집적 회로 장치의 상호접속 적층은 너무 작아서 스캐닝 전자 현미경(Scanning Electron Microscope: SEM) 또는 대략 3nm의 큰 표면 영상 해상도를 제공하는 FIB에서의 2차 전자 영상으로는 확실하게 검출할 수 없다. 대조적으로, TEM 검사는 훨씬 미세한 해상도(<0.1nm)를 제공하지만, 3mm 직경의 그리드 디스크(grid disk)에 장착된 표본의 전자 투과(두께 <100nm)부를 필요로 한다.
FIB에서 준비하기 전에 최초의 반도체 다이 표본의 예비적인 기계적 준비를 거의 또는 전혀 필요로 하지 않는 검사를 위해 표본을 절단 또는 제거하는 기술이 최근에 개발되었다. 이러한 상승(lift-out) 기술은 FIB 챔버의 외측에서 수행되는 "현장외"(ex-situ) 방법 또는 FIB 내에서 수행되는 "현장내"(in-situ) 방법을 포함한다.
현장내 상승 기술은 TEM 또는 다른 분석 기구에서 후속 관찰을 위한 현장 특유 표본을 생성하기 위해 사용되는 일련의 FIB 연마 및 표본 이동 단계이다. 현장내 상승 도중에, FIB에서의 이온 빔 연마를 사용하여, 관심 영역을 포함하는 재료(주로 쐐기 형상)의 표본이 반도체 웨이퍼나 다이와 같은 큰 표본으로부터 처음으로 완전하게 제거된다. 이러한 표본의 크기는 통상적으로 10x5x5㎛이다. 그 다음, FIB 공구와 함께 이용 가능한 이온 빔 지원 화학적 증착(CVD) 공정과 함께 내부 미세 조작기를 사용하여 상승 표본의 제거가 수행된다. 적절한 미세 조작기 시스템은 미국 텍사스주 댈러스 소재의 옴니프로브 인코포레이티드에 의해 제조되는 옴니프로브 오토프로브(Omniprobe AutoProbe) 200이다. CVD 공정에서 증착되는 재료는 통상적으로 금속 또는 산화물이다.
그 다음, FIB의 시야에서 TEM 표본 홀더가 위치되고, 미세 조작기를 사용하여 표본 홀더의 가장자리로 상승 표본을 하강시킨다. 그 다음, FIB 진공 챔버의 내측의 CVD 금속 증착 성능을 이용하여 TEM 표본 홀더에 표본을 고정시킨다. 일단 표본이 TEM 표본 홀더에 부착되면, 프로브의 팁 포인트(tip point)는 이온 밀링(ion milling)에 의해 표본으로부터 분리된다. TEM 표본 홀더를 포함하는 작업을 포함하는 방법의 일부분을 "홀더 부착" 단계라 칭한다. 그 다음, 종래의 FIB연마 단계를 사용하여 표본을 연마하여 TEM 검사 또는 다른 분석을 위한 얇은 영역을 준비한다. 현장내 상승 방법의 상세한 설명은 미국 특허 제 6,420,722 호 및 6,570,170 호의 명세서를 참조하기 바란다. 이들 특허의 명세서는 본 발명에 참고로 인용되지만, 이 기술 배경부에서 본 발명에 대한 종래 기술로서 도입되는 것은 아니다.
현장내 상승 기술은, FIB의 독특한 성능을 이용하고 그리고 이러한 성능을 차세대 장치에서의 구조 또는 결함의 검사까지 연장시키는 것을 허용하기 때문에, 인기를 얻어 왔다. 신규한 FIB 기구에 의해 달성될 수 있는 소형 이온 빔 스폿 크기(예컨대, <10nm)로 인해서, FIB 표본 준비 기술은 구역 특이성이 요구되는 최선의 공간 해상도를 제공한다.
이러한 현장내 상승 공정의 변형은, 상승 표본의 "후방 연마"를 포함한다. 이러한 변형은 "샤워 커튼" 효과로 공지된 문제점에 응답하여 개발되었는데, 샤워 커튼 효과란, 집적 회로의 표면상의 불 균일한 고밀도 재료가 TEM 준비를 위한 박형화 후에 상승 표본에 비 평면을 생성하는 것이다. 이러한 비 평면은 이온 빔 방향에 평행한 수직 융기를 갖는데, 이러한 수직 융기는, 표본의 상부 근처의 밀집한 재료의 샤워 이온 밀링율로부터 발생되고, 상부는 이온 빔 소스에 가장 근접한 가장자리로서 규정된다. 그러한 불균일한 층은 구리 또는 알루미늄 상호접속 흔적 및 청스텐 접점 등의 집적 회로에서 아주 흔하다. TEM 검사를 위해 박형화된 영역에서의 상승 표본상의 평면은 전자 레이저사진술 등의 TEM 기술에 중요하다. 후면 연마는, 최종 박형화 전에 표본을 역전시켜, 당해 회로의 활성층 또는 그 부근의 고밀도의 재료가 이온 밀링의 결과로서 더 이상 충돌하지 않도록 하는 것을 포함한 다.
현장내 상승 공정은 3개의 연속적인 단계로 단순화될 수 있다. 제 1 단계는, 초점을 맞춘 이온 빔 연마를 사용하는 표본의 절제 또는 도랑(trench)으로부터의 표본의 절제이다. 제 2 단계는, 표본이 TEM 프로브 끝 점상에서 표본 홀더로 이동하는 동안의 "홀더 부착" 단계이다. 그 다음, 표본은 TEM 표본 홀더(통상적으로는 이온 비임 유도 금속 부착에 의해)에 부착되고 그 후에 프로브 끝 점으로부터 분리된다. 제 3 최종 단계는, 초점을 맞춘 이온 빔 연마를 사용하여 표본을 전자 투과 박형부로 박형화하는 것이다.
현장내 상승에 의해 TEM 표본을 완성하는데 필요한 총 시간 중 상당 부분은 홀더 부착 단계 도중에 소비된다. 관련 시간의 상대적인 양은 최초의 큰 표본(이온 빔 연마 속도)로부터 상승 표본을 기계적으로 고립시키는데 필요한 시간의 양에 의존하지만, TEM 표본 준비를 위한 총 시간의 30% 내지 60%에서 변화할 것이다. 홀더 부착 단계를 배제하면, TEM 표본을 TEM 표본 홀더로 이동시켜 부착할 필요성의 배제로 인해서, 여러 가지의 이득 및 자원 관련 이점이 제공된다.
예컨대, 홀더 부착 단계가 없으면, 반도체 웨이퍼는 상승 직후에 공정 흐름으로 복귀될 수 있다. 표본의 박형화는, 오프 라인 FIB에서 나중에 수행된다. 이것은, 중요한 온 라인(청정실) FIB에 대한 부하를 감소시켜, 공정 제어를 위한 상승을 보다 실용적으로 만들고 또 인라인 FIM를 조작하는 공정 기술자가 필요로 하는 전문 기술의 수준을 감소시킨다.
홀더 부착 단계를 제거하기 위해서는, 표본이 부착된 프로브 팁 포인트을, 상승 표본과 프로브 팁 포인트간의 부착을 유지하고 그리고 TEM에서의 저장 및 검사 도중에 프로브 팁 포인트와 표본이 표본 홀더로부터 분리되는 것을 방지하게 될 적절한 방법에 의해서 TEM 표본 홀더를 형성할 재료에 직접 접합할 수 있다. 조립체는 TEM 또는 다른 의도하는 분석 기구의 정상적인 작동을 방해하지 않아야 하고, 그리고 TEM 또는 다른 의도하는 분석 기구의 내부 환경에서 적절히 생존해야 한다. 이러한 적절한 방법은, 한정적인 것은 아니지만, 표본 홀더 재료 또는 프로브 팁 포인트 재료 또는 그 양자의 기계적인 변형, TEM 표본 홀더 재료에 대한 프로브 팁 포인트의 전기적 또는 내부 접합(전기 용접 등), 적절한 아교 또는 접착제에 의한 이 재료에 대한 프로브 팁 포인트의 접합, CVD 또는 증발 재료에 의한 TEM 표본 홀더에 대한 프로브 팁 포인트의 접합 또는 다른 적절한 수단을 포함한다. 표본이 부착된 프로브 팁 포인트를 TEM 표본 홀더에 부착하는 이러한 직접 부착은, FIB 또는 다른 분석 기구의 진공 챔버의 내측 또는 외측에서 수행될 수 있다.
발명의 요약
바람직한 실시예는 TEM 표본 홀더를 준비하는 쿠폰을 포함한다. 이 쿠폰은 재료 시트, 바람직하게는 구리 또는 몰리브덴을 포함하고, 그것의 표면은 평탄하거나 또는 파형 구조를 가질 수도 있다. 시트는 TEM 표본 홀더 형태를 포함하고, 이 TEM 표본 홀더 형태를 시트의 다른 부분에 연결하는 시트의 적어도 한 부분이 존재한다.
다른 바람직한 실시예에 있어서, TEM 표본 홀더 형태는 C자 형상의 구멍을 갖는 재료의 시트를 포함한다. C자 형상의 구멍은 링의 외주를 규정하고, 그리고 C자 형상의 구멍의 입구는 재료의 랜드부(land)를 규정한다. 랜드부는 링을 시트에 연결하고, C자 형상 구멍을 시트의 가장자리에 연결하는 시트를 횡단하는 경로가 존재한다.
TEM 표본 홀더는 링을 포함하고, 링은 원주방향 틈새를 갖는다. 원주방향 틈새는, 이 형태를 2개의 다이 사이에서 압착하는 것에 의해서 TEM 표본 홀더 형태로부터 원주방향 틈새를 절단함으로써 형성된다. TEM 표본 홀더는 링에 매립된 하나 이상의 프로브 팁 포인트를 더 포함할 수도 있는데. 전체의 프로브 팁 포인트는 부착 표본을 더 포함한다. 프로브 팁 포인트는 링과 하나 이상의 팁 포인트에 압력을 가함으로써 링에 매립되어, 생크의 주위에 링 재료의 소성 유동을 유발시킬 수 있거나, 또는 접착제를 사용하거나 또는 전기 또는 열 용접 기술에 의해서 TEM 표본 홀더에 부착될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, TEM 표본 홀더는 장방형형 또는 임의의 다른 기하학적 형상을 포함하는데, 이것은 각각 부착 표본을 포함하는 하나 이상의 프로브 팁 포인트에 사용된다.
TEM에서 검사용 표본을 준비하는 방법은, 프로브의 팁 포인트에 표본을 부착하는 단계와, 프로브의 팁 포인트를 TEM 표본 홀더에 접합하는 단계와, 프로브 팁 포인트와 TEM 쿠폰으로부터 TEM 표본 홀더를 형성하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예는, TEM 쿠폰으로부터 TEM 표본 홀더를 절단하고 표본이 부착된 프로브 팁 포인트를 TEM 표본 홀더에 접합하는 프레스(press)를 더 포함한다. 이러한 프레스는, 외측 다이와, 외측 다이의 내측에 위치된 내측 다이와, 내측 및 외측 다이와 대향된 모형 로드(former rod)와, 모형 로드와 동축으로 위치된 전단 펀치(shear punch)를 포함한다. 억제 스프링(hold-down spring)이 모형 로드를 내측 다이쪽으로 가압한다. 모형 로드와 내측 다이에 응답하는 시동기 또는 다른 기구와, 시동기에 응답하는 액츄에이터가, 전단 펀치를 내측 및 외측 다이쪽으로 구동시킨다. 이러한 프레스는 FIB 또는 다른 분석 기구의 진공 챔버의 내측 또는 외측에 배치될 수 있다.
도 1은 표본 홀더가 링 형상을 가지며 하나의 프로브 팁이 사용될 예정인 바람직한 실시예의 TEM 쿠폰의 평면도,
도 2는 매립하고 절단하기 전에 그것을 가로질러 위치된 프로브 팁을 도시하는, 도 1의 TEM 쿠폰의 평면도,
도 3은 표본 홀더가 링 형상을 가지며 4개의 프로브 팁이 사용될 예정인 다른 실시예의 TEM 쿠폰의 평면도,
도 4는 도 1의 TEM 쿠폰으로부터 형성된 TEM 표본 홀더 및 프로브 팁의 조합의 평면도로서, 상승 표본의 상부면이 FIB 이온 밀링을 가능하게 하는 링 개구를 갖는 도면,
도 5는 도 2의 TEM 구폰으로부터 형성된 TEM 표본 홀더와 4개의 프로브 팁 조합체의 평면도로서, 상승 표본의 상부면의 FIB 이온 밀링을 가능하게 하는 링 개 구를 갖는 도면,
도 6은 TEM 쿠폰에 매립된 프로브 팁 포인트의 단면도,
도 7은 전기적 또는 열 접합을 거쳐 TEM 주름 쿠폰에 부착된 프로브 팁 포인트의 단면도,
도 8은 접착제를 사용하여 TEM 표본 홀더에 부착된 프로브 팁 포인트의 단면도,
도 9는 CVD 또는 증발 재료에 의해 TEM 표본 홀더에 접합된 프로브 팁 포인트의 단면도,
도 10은 바람직한 실시예의 프레스 및 전단 펀치의 부분 단면도,
도 11은 도 10의 프레스 및 전단 펀치의 확대 부분 단면도,
도 12는 도 10의 전단 펀치와 내측 및 외측 다이의 사시도,
도 13은 쿠폰과 프로브 팁의 결합을 도시하는 도 10의 전단 펀치의 사시도,
도 14는 프로브 팁 포인트와 프로브 팁 포인트 위에 위치된 바람직한 실시예의 팁 모형 로드와, 프로브 팁 포인트가 매립된 TEM 표본 홀더의 횡방향 도면,
도 15는 도 14에 도시된 TEM 표본 홀더와 프로브 팁 포인트의 조합의 평면도로서, 후면 연마를 위한 표본 홀더 링 내에 링 개구가 형성된 도면,
도 16은 도 5에 도시된 TEM 표본 홀더와 4개의 프로브 팁 포인트의 조합의 평면도로서, 후면 연마를 위한 링 개구가 형성된 도면,
도 17은 주름진 TEM 쿠폰의 횡방향 도면,
도 18은 TEM 쿠폰 내에 매립된 프로브 팁 포인트의 횡방향 도면,
도 19는 바람직한 실시예의 TEM 쿠폰의 평면도로서, 표본 홀더가 장방형 형상을 가지며 4개의 프로브 팁이 사용 예정이고, 표본 상부 표면의 FIB 이온 밀링을 가능하게 하는 개구가 형성된 도면,
도 20은 바람직한 실시예의 TEM 쿠폰의 평면도로서, 표본 홀더가 장방형 형상을 가지며 4개의 프로브 팁이 사용 예정이고, 상승 표면의 바닥면의 후면 FIB 이온 밀링을 가능하게 하는 개구가 구비된 도면.
바람직한 실시예는 표본이 부착된 프로브 팁을, 종래의 방법의 홀더 부착 단계를 대체하는 TEM 표본 홀더에 접합하는 신규한 방법 및 장치를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 이러한 기계적 공정은 진공 챔버의 외측에서 수행되지만, FIB 챔버의 내측에서도 수행될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 현장내 상승 과정의 제 1 단계(표본의 절제)가 FIB에서 완성된 다음, 표본이 부착된 프로브 팁 포인트가 FIB 챔버로부터 제거된다. 이러한 제거는, 한정적인 것은 아니지만, 프로브 팁 및 부착된 표본을 도어를 구비한 FIB의 표본 도어를 통해 제거하는 것, 프로브 팁 및 부착된 표본을 미세 조작기상의 진공 에어록(airlock)을 통해 이동시키는 것, 또는 프로브 팁 및 부착된 표본을 FIB 챔버상의 진공 에어록을 통과하는 카셋트상에서 이동시키는 것을 포함하는 다수의 수단에 의해 달성될 수 있다. 열거한 제 1 수단은 FIB 진공 챔버가 대기중으로 통기될 필요가 없으므로, 사이클 시간의 감소와 장기간의 설비의 신뢰도의 이점을 제공한다.
쿠폰
바람직한 실시예에 있어서, 미세 조정기 프로브(150)의 프로브 팁 포인트(160)는 조합된 기계 성형 및 절단 작업에 의해 TEM 쿠폰(100)에 부착된다. 도 1에 도시된 바와 같이, TEM 쿠폰(100)은 최종 표본 홀더(170)와 두께가 거의 동일한 재료 시트이다. TEM 쿠폰(100)은 최종 표본 홀더(170)의 형상("TEM 예비성형")을 포함하고 있지만, 이러한 예비 성형은 완전히 기계적으로 격리되지 않는다. 전형적인 3mm TEM 표본 홀더(170)의 최종 형상의 대부분은 소모 가능한 쿠폰(100)으로서 시트에 미리 형성될 수 있다. 이라한 예비 성형품은 표본 홀더 재료(120)의 탭, 랜드부 또는 다른 부분에 의해 쿠폰(100)에 부착된다. 예비 성형품은 최종 TEM 표본 홀더(170)의 일부가 될 링(180)을 갖는다. 따라서, 이 링(180)은 쿠폰(100)내의 C자 형상 구멍(135)에 의해 규정된다. C자형 구멍(135)의 입구는 부착 랜드부(120)이다. 장방형형 등의 다른 에워싸는 형상이 사용될 수도 있다.
홀더 재료는 연성 구리인 것이 바람직하지만, 용도에 적합하면, 몰리브덴, 알루미늄, 금, 은, 니켈 또는 베릴륨일 수도 있다. 쿠폰(100)은 표본 홀더 형태(170)를 배향시키고, 그리고 후술하는 격리 공정의 기계적 단계 중에 그것을 정위치에 유지시킨다. 도 2는 쿠폰(100)을 가로질러 배치된 미세 조작 프로브 팁(150)을 도시하고 있다. 이 프로브(150)는 분석을 위해 표본(140)을 고정하는 프로브 팁 포인트(160)를 갖는다. 통상적으로, 프로브 팁 포인트(160)는 미세한 텅스텐 바늘이다.
TEM 쿠폰(100)은 몰리브덴 등의 구리보다 견고한 재료로부터 조립될 수도 있거나 또는 쿠폰 재료에서의 프로브 팁 포인트(160)의 기계적 매립을 용이하게 하는 표면 구조를 가질 수도 있다. 양호한 예는 프로브 팁 포인트(160)의 직경과 거의 같거나 그보다 작은 주기를 갖는 파형부(175)를 갖는 표면 구조이다. 도 7 및 17은 파형 구조의 단면을 도시하고 있다. 도 7에서, 파형 주기는 프로브 팁 포인트(160)의 직경의 대략 절반이다. 파형부(175)는, 프로브 팁 포인트의 방향으로 대략적으로 정렬된 연속 열 또는 융기, 개별 기둥의 열 또는 비 주기적 자유 형태의 상승부와 같이 주기적이다. 이러한 구조는 프로브 팁 포인트(160)를 정 위치에 고정하기 위해 용이하게 변형될 수 있다.
부분적으로 형성된 TEM 표본 홀더(170)를 쿠폰(100)에 연결하는 쿠폰 재료의 나머지의 탭, 또는 랜드부(120)는 후술하는 조합된 기계적 성형 및 절단 작업 중에 절단된다. TEM 표본 홀더(170)는 이 TEM 표본 홀더(170)의 평면에서 표본(140)의 상부면 또는 바닥면의 후속 FIB 이온 밀링을 가능하게 하기 위해 원주방향 틈새(190)를 갖는 링(180)의 형상으로 제조되는 것이 바람직하며, 그에 따라 TEM 표본 홀더(170)의 평면에 대략 평행하게 될 전자 투과 박형부를 생성한다. 형성된 TEM 표본 홀더(170)의 링(180)에 원주방향 틈새(190)를 고려하는 다른 형상이 사용될 수도 있다. 도 19 및 20은, 예를 들면 2개의 틈새(190)를 갖는 TEM 표본 홀더(170)를 도시하는데, 여기서 TEM 표본 홀더(170)의 형상은 장방형형이다.
도 4, 5 및 19는 표본(140)의 상부측 이온 밀링을 위한 프로브 팁 포인트(160)가 장착된 TEM 표본 홀더(170)를 도시하고 있다. 도 16 및 20은 표본(140)의 후면 연마를 위한 프로브 팁 포인트(160)가 장착된 TEM 표본 홀더(170)를 도시하고 있다.
TEM 표본 홀더의 형성 방법
표본(140)이 부착된 프로브 팁 포인트(160)는 TEM 표본 홀더(170)를 형성할 재료에 접합되어, 표본(140)과 프로브 팁 포인트(160)간의 부착을 유지하고 또 TEM 에서의 운반, 저장 또는 검사 도중에 TEM 표본 홀더(170)로부터 프로브 팁 포인트(160) 및 표본(140)이 분리되는 것을 방지할 수 있다. 조립체는 TEM 또는 다른 의도하는 분석 기구의 정상적인 작동을 방해하지 않아야 하고 그리고 TEM 또는 다른 의도하는 분석 기구의 내부 환경에서 양호하게 생존해야 한다.
도 6 내지 9 및 18은 프로브 팁 포인트(160)를 TEM 쿠폰(100)에 접합하는 방법을 도시하고 있다. 도 6은 쿠폰(100) 또는 프로브 팁 포인트(160) 또는 그 양자의 재료의 기계적 변형의 절단 도면이다. 도 7은 쿠폰(100)에 대한 프로브 팁 포인트(160)의 전기적 또는 열적 접합(320), 예컨대 용접을 도시하고 있다. 또한, 도 7은 TEM 표본 홀더 재료내의 파형부(175)를 도시하고 있는데, 이 경우에 파형부의 주기는 프로브 팁 포인트(160)의 직경과 거의 동일하다. 도 8은 적절한 아교 또는 접착제(330)로 프로브 팁 포인트(160)를 TEM 표본 홀더(170)에 접합하는 것을 도시하고 있다. 도 9는 CVD 또는 증발 재료(340)로 프로브 팁 포인트(160)를 TEM 표본 홀더(170)에 접합하는 것을 도시하고 있다.
일단, 표본(140)이 부착된 하나 이상의 프로브 팁 포인트(160)를 갖는 TEM 표본 홀더(170)가 만들어지면, 그것은 최종 박형화 작업을 위해 FIB로 복귀될 수 있고, 그 동안 상승 표본(140)의 소망의 부분이 전자 투명도(통상적으로, 50~250nm)로 박형화된다. 이러한 최종 박형화는 오프라인 FIB에서 수행되어, 인라인 FIB의 처리량을 최대화하고 그리고 청정실의 외측에 배치될 수 있는 오프라인 FIB 실험실의 효율, 전문 기술 및 전용 수단을 이용할 수 있다. 그러나, 표본을 TEM 표본 홀더에 부착하는 장치가 FIB의 내측에 배치되면, 최종 박형화 작업이 즉시 수행될 수 있다.
다른 방법에 있어서, 상승 단계 후에 그리고 표본(140)이 부착된 프로브 팁 포인트(160)가 FIB 외측의 TEM 표본 홀더에 부착하기 위해 FIB로부터 제거되지 전에, 최종 박형화 단계가 FIB에서 수행될 수 있다. 이 방법에서는, 표본(140)이 부착된 기계적으로 형성된 TEM 표본 홀더(170)를 최종 박형화를 위해 FIB로 복귀시킬 필요는 없다. 그러나, 최종 박형화 단계는 최초의 FIB에서 추가의 시간을 필요로 한다. 이 방법에서는, 표본(140)이 부착된 프로브 팁 포인트(160)가 FIB 내의 적절한 위치로 이동한 다음, FIB 내의 이온 비임을 사용하여 최종 박형화 단계가 실행된다. 그 다음, 박형화된 표본(140)이 부착된 프로브 팁 포인트(160)가 FIB로부터 제거되고 상술한 기계적 성형 및 절단 공정을 사용하여 TEM 표본 홀더(170)에 부착된다. 필요한 것은 아니지만, FIB 챔버에 대한 프로브 팁 포인트(160)의 임의의 진동을 허용가능한 수준을 감소시키도록 프로브 팁 포인트(160)를 기계적으로 안정시키거나 또는 FIB 챔버에 대한 프로브 팁 포인트(160)의 임의의 기계적 이동을 감소시키는 것이 권고된다. 표본(140)이 부착된 프로브 팁 포인트(160)는, 프로브 팁 포인트(160)와 FIB 내의 적절히 안정화된 표면 사이에 또는 표본(140)과 FIB 내의 적절한 표면 또는 대상물 사이에 기계적인 접촉을 형성하는 것에 의해서 기계적으로 안정화될 수 있다. 예컨대, FIB 스테이지에 부착된 기계적 구조체의 가장자리 또는 모서리와 프로브 팁 포인트(160)는 함께 기계적으로 접촉할 수 있다. 또는, 표본(140)의 바닥 가장자리는 표본 스테이지의 표면 또는 표본 스테이지에 부착된 임의의 안정된 기계적 대상물(예컨대, 웨이퍼의 표면)과 기계적으로 접촉할 수 있다. 안정된 대상물은 강성이거나 또는 소성 또는 탄성 변형에 의해 변형되어, 프로브 팁 포인트(160) 또는 상승 표본(140)의 형상을 수용하고 그리고 프로브 팁 포인트(160) 내의 임의의 상대적 기계적 진동을 감쇄시킬 수 있다.
다른 변형 방법에 있어서, 상승 단계 후에 그리고 표본(140)이 부착된 프로브 팁 포인트(160)가 FIB 진공 챔버 내측의 TEM 표본 홀더에 접합되기 전에, FIB에서 최종 박형화 단계가 수행될 수 있다. 이 방법에서는, 상승 표본(140)이 부착된 프로브 팁 포인트(160)가 FIB 내의 적절한 위치로 이동한 후에, FIB 내의 이온 비임을 이용하여 최종 박형화 단계가 수행된다. 그 다음, 상술한 기계적 성형 및 절단 공정을 사용하여, 박형화된 표본(140)을 갖는 프로브 팁 포인트(160)가 FIB 진공 챔버 내측의 TEM 표본 홀더(170)에 부착될 수 있다. 이 방법에서는, 표본을 TEM 표본 홀더에 부착하는 장치가 동일한 FIB 진공 챔버의 내측에 위치된다. 그러므로, 표본이 부착된 현장내 상승 프로브 팁 포인트의 TEM 표본 홀더에 대한 부착과, 최종 박형화 작업이 FIB 진공 챔버의 내측에서 하나의 공정의 단계로서 수행될 수 있다.
표본 홀더 성형 장치
도 1 및 2는 상술한 TEM 쿠폰(100)을 도시하고 있다. 쿠폰(100)의 표본 홀더부(170)를 쿠폰(100)의 나머지 부분에 연결하는 랜드부(120)가, 절단 및 성형 작업 도중에 TEM 표본 홀더를 형성하도록 절단될 것이다. 쿠폰(100)의 두께는, 쿠폰(100) 재료에 프로브 팁 포인트(160)를 매립하고 기계적으로 고정시키면서도, 프로브 팁 포인트(160)의 매립 위치에서 TEM 표본 홀더(170)의 원치 않는 접힘 또는 분리를 방지하도록 최종 표본 홀더(170)의 충분한 기계적 강도를 제공하는데 필요한 두께에 의해서 결정된다. 예컨대, 125㎛(0.005인치) 직경의 텅스텐 프로브 팁 포인트(160)의 경우에, 250~500㎛(0.010 인치~0.020 인치) 두께의 구리가 쿠폰(100)에 적당하다. 표본 홀더(170) 재료 및 주위 쿠폰(100) 재료는 프로브 팁 포인트 절단 구역(130)에서 약간 오목하게 되어, 표준 TEM 표본 홀더(170)의 3mm 외경을 지나 연장하거나 또는 임의의 다른 형성의 표준 TEM 표본 홀더(170)의 외측 가장자리를 지나 연장하는 절단된 프로브 팁 포인트(160)의 임의의 부분을 남겨두는 일 없이 프로브 팁 포인트(160)를 절단하기 위해 절단면의 여유를 허용한다.
절단 및 성형 작업을 수행하는 기계 장치에서 쿠폰(100)의 정렬을 허용하기 위해 정렬 구멍(110)이 포함된다. C자 형상의 TEM 표본 홀더(170)의 경우에, 프로트 팁 포인트의 유격 슬롯(125)(도 3)은 쿠폰(100)을 통과하는 직선 슬롯이고, TEM 표본 홀더(170)의 외경을 지나 TEM 표본 홀더(170)의 중심으로부터 방사상 방향으로 뻗고, 이것은 절단 및 성형 작업 전에 TEM 표본 홀더(170)의 표면을 따라 프로브 팁 포인트(160)의 정렬을 가능하게 하기 위해 프로브 팁 포인트(160)에 여유를 제공한다.
절단 및 성형 작업 도중에, TEM 표본 홀더(170)는 쿠폰(100)(도 4)으로부터 절단된다. 상술한 바와 같이, TEM 표본 홀더(170)는 C자 형태 또는 원주방향 틈새(190)를 갖는 다른 형상으로 제작되어, TEM 표본 홀더(170)의 평면내의 상승 표본의 후속 FIB 이온 밀링에 의해 TEM 표본 홀더(170)에 거의 평행한 전자 투과 박형부를 만들 수 있거나, 또는 동일한 공정을 허용하는 임의의 다른 형상으로 제작될 수 있다. 표본(140)의 상부면의 후속 연마를 위해, 쿠폰(100)에 형을 연결하는 랜드부(120)를 규정하는 C자형 구멍(135)의 입구부에서 형으로부터 틈새(190)가 절단될 수 있다. 표본(140)의 바닥면의 후속 연마를 위해, 구멍(135)의 입구부와 거의 반대측의 위치에서 형으로부터 틈새가 절단될 수 있다.
절단 및 성형 작업 도중에, 견고한 텅스텐 프로브 팁 포인트(160)가 TEM 표본 홀더(170)의 연성 재료 내로 압착되고, TEM 표본 홀더(170)의 외경 외측으로 3mm 연장되는 프로브 팁 포인트(160)의 일부분은 절단된다. TEM 표본 홀더(170) 재료는 탄성 변형되어 구리 재료가 프로브 팁 포인트(160)를 정위치에 고정하도록 그것을 기계적으로 포위한다(도 6).
도 10 내지 13은 절단 및 성형 작업의 전형적인 공정을 도시한 것이다. 조작자는 외측 다이(die)(280)상에 TEM 쿠폰(100)을 배치하고[이 작업은, FIB의 외측에서 수행되는 경우에는 수동으로 수행되거나 또는 동일한 FIB 진공 챔버의 내측에서 수행되는 경우에는 자동으로 수행된다], 전체의 프로브 팁 포인트(160)가 프로브 팁 포인트 유격 슬롯(125)과 정렬되는 방법으로 전체의 프로브 팁 포인트(160)를 정렬하고, 프로브 팁 포인트(160)에 부착된 표본(140)은 TEM 표본 홀더(170)의 평면에 평행하게 배향된다. 내측 다이(290) 및 외측 다이(280)의 양자는 표본 홀더(170) 및 프로브 팁 포인트(160)를 지지한다. 일단 전체의 프로브 팁이 고정되면, 조작자는 수동으로 또는 작동으로 프로브 팁, TEM 쿠폰(100) 및 전체의 지지 하드웨어를 주 장착 블록(220)의 하부에 위치 설정하고, 공기 스위치(310)를 조작하여, 주 장착 블록(220) 및 부착된 하드웨어를 주 장착 블록(220)의 상부에 배치된 액츄에이터(300)의 작용하에 하방향으로 이동시킨다. 액츄에이터(300)는 공기 액츄에이터인 것이 바람직하지만, 유압 또는 전기 액츄에이터가 사용될 수도 있다. 공기 액츄에이터용의 배기 라인(305)도 존재한다.
도 11 내지 13은 주 장착 블록(220)을 하방향으로 이동시킬 때의 성형 및 절단 작업을 도시한 것이다. 모형 로드(250)는 전체의 프로브 팁 포인트(160)에 접촉하여 그것은 TEM 표본 홀더(170) 재료 내로 누른다. 이것은, TEM 표본 홀더 및 프로브 팁 포인트의 경계면이 억제 스프링(230)의 힘을 극복할 정도의 저항을 형성할 때까지 계속된다. 억제 스프링(230)의 힘은, 전체의 프로브 팁 포인트(160)가 TEM 쿠폰(100) 내로 충분히 눌려지는 것을 확보하도록 스프링 조정 스크류(240)에 의해 소정의 힘으로 설정된다. 모형 로드(250)는 하나 이상의 치형(teeth)(260)을 포함하는데, 이 치형은 프로브 팁 포인트(160) 주위로 홀더 재료를 흘려서 프로브 팁 포인트가 눌러짐에 따라 그것을 에워싼다.
스프링(230)에 대한 저항이 극복되고 모형 로드(250)의 작동이 정지하면, 내측 다이(290) 및 외측 다이(280) 양자의 지지부를 사용하여 전단 펀치(270)가 하방향으로 계속 이동하여 전체의 프로브 팁 포인트(160)를 소정의 길이로 자르고, TEM 쿠폰(100)의 나머지로부터 TEM 표본 홀더(170)를 연결하는 탭(120)을 절단하고, 홀더(170)에 C자형 개구 또는 임의의 다른 적절한 형상의 개구를 형성한다. 그 다음, 조작자는 공기 스위치를 해제시켜 주 장착 블록(220) 및 부착된 하드웨어를 최초의 위치로 복귀시키고, TEM 쿠폰(100)으로부터 분리되고 표본(140)이 부착된 하나 이상의 프로브 팁 포인트(160)를 수용하는 TEM 표본 홀더(170)를 남겨 둔다.
당업자라면 상술한 특정 실시예를 수정할 수 있다. 본 발명자는 청구범위에 그러한 수정 및 등가물이 포함될 것으로 판단한다.

Claims (44)

  1. 투과 전자 현미경(TEM) 표본 홀더를 준비하기 위한 쿠폰에 있어서,
    재료의 시트를 포함하고,
    상기 재료의 시트는, TEM 표본 홀더 형(form)과,
    상기 시트를 관통하여 상기 TEM 표본 홀더 형을 상기 시트의 가장자리에 연결하는 하나 이상의 통로를 포함하는
    쿠폰.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 시트는 구리, 몰리브덴, 알루미늄, 금, 은, 니켈 및 베릴륨으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 금속을 포함하는
    쿠폰.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 시트는 표면 파형부를 갖는
    쿠폰.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 쿠폰을 프레스 내에서 정렬하기 위한 정렬 구멍을 더 포함하는
    쿠폰.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 TEM 표본 홀더 형의 외측 경계를 한정하는 쿠폰 내의 적어도 하나의 구멍을 더 포함하고,
    상기 구멍은 입구부를 포함하며,
    상기 구멍의 입구부는 재료의 랜드부를 한정하고,
    상기 랜드부는 TEM 표본 홀더 형을 시트에 연결하고,
    상기 시트를 통한 하나 이상의 통로가 상기 구멍을 상기 시트의 가장자리에 연결하는
    쿠폰.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구멍은 C자 형상을 갖는
    쿠폰.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 TEM 표본 홀더는 장방형 형상을 갖는
    쿠폰.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 구멍은 장방형 형상을 갖는
    쿠폰.
  9. TEM 표본 홀더에 있어서,
    원주방향 틈새를 갖는 링을 포함하고,
    상기 원주방향 틈새는 TEM 표본 홀더 형으로부터 원주방향 틈새를 절단함으로써 형성되는
    TEM 표본 홀더.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 링은 TEM 표본 홀더를 준비하기 위한 쿠폰 내의 구멍에 의해 규정되고, 상기 구멍은 입구부를 가지며, 상기 틈새는 상기 구멍의 입구부에서 상기 TEM 표본 홀더 형으로부터 원주방향 틈새를 절단함으로써 형성되어, 표본의 상부면의 집속 이온 빔(FIB) 연마를 가능하게 하는
    TEM 표본 홀더.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 링은, TEM 표본 홀더를 준비하는 쿠폰의 구멍에 의해 한정되고, 상기 구멍은 입구부를 가지며, 상기 틈새는 상기 구멍의 입구의 반대측의 위치에서 상기 TEM 표본 홀더 형으로부터 원주방향 틈새를 절단함으로써 형성되어, 표본의 바닥면의 FIB 연마를 가능하게 하는
    TEM 표본 홀더.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 절단 작업은 2개의 다이(die) 사이에서 상기 TEM 표본 홀더 형을 가압하는 것을 포함하는
    TEM 표본 홀더.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 링에 매립된 하나 이상의 프로브 팁 포인트와,
    상기 프로브 팁 포인트에 부착된 하나 이상의 표본을 더 포함하는
    TEM 표본 홀더.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 프로브 팁 포인트는 링과 프로브 팁 포인트에 압력을 인가함으로써 링 내에 매립되어, 상기 프로트 팁 포인트 둘레로 소성 유동을 발생시키는
    TEM 표본 홀더.
  15. TEM에서 검사하기 위한 표본을 준비하는 방법에 있어서,
    프로브 팁의 포인트에 표본을 부착하는 단계와,
    TEM 표본 홀더 쿠폰에 프로브 팁 포인트를 접합하는 단계와,
    상기 프로브 팁 포인트 및 상기 TEM 쿠폰으로부터 TEM 표본 홀더를 형성하는 단계를 포함하는
    표본 준비 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 표본은 FIB 진공 챔버 외부에서 상기 TEM 검사를 위해 준비되는
    표본 준비 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 표본은 인라인 FIB 진공 챔버 내부에서 상기 TEM 검사를 위해 준비되는
    표본 준비 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    하나 이상의 상기 프로브 팁 포인트를 상기 TEM 쿠폰에 접합하고 TEM 표본 홀더를 형성하는 상기 단계는,
    상기 TEM 쿠폰에 상기 TEM 표본 홀더를 제공하는 단계와,
    상기 표본이 상기 TEM 표본 홀더의 중앙에 배치되도록 상기 프로브 팁 포인트 및 TEM 쿠폰을 배향하는 단계와,
    TEM 홀더 형 내에 상기 프로브 팁 포인트를 매립하는 단계와,
    상기 TEM 표본 홀더 형 경계의 외측에서 전체의 프로브 팁 포인트의 일부를 절단하는 단계와,
    상기 TEM 쿠폰으로부터 상기 TEM 표본 홀더를 절단하는 단계를 더 포함하는
    표본 준비 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 매립 단계는 상기 TEM 표본 홀더 및 상기 프로브 팁 포인트에 압력을 인가하여, 상기 프로브 팁 포인트의 주위로 TEM 표본 홀더 재료의 소성 유동을 발생시키는 단계를 더 포함하는
    표본 준비 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 접합 단계는 상기 프로브 팁 포인트를 TEM 표본 홀더에 용접하는 단계를 더 포함하는
    표본 준비 방법.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 접합 단계는 상기 프로브 팁 포인트를 TEM 표본 홀더에 접착제로 부착하는 단계를 더 포함하는
    표본 준비 방법.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 접합 단계는 상기 프로브 팁 포인트를 TEM 표본 홀더에 화학적 증착에 의해 부착하는 단계를 더 포함하는
    표본 준비 방법.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 TEM 홀더 경계 외측의 프로브 팁 포인트의 일부분을 절단하는 단계와, 상기 TEM 표본 홀더를 절단하는 단계가 동시에 수행되는
    표본 준비 방법.
  24. TEM에서 검사하기 위한 표본을 준비하는 방법에 있어서,
    팁 포인트를 갖는 하나 이상의 프로브 팁을 제공하는 단계와,
    FIB 내측의 기재로부터 표본을 절제하는 단계와,
    FIB 내측의 상기 프로브 팁 포인트에 표본을 부착하는 단계와,
    전체의 프로브 팁 포인트 및 상기 프로브 팁 포인트에 부착된 표본을 FIB로부터 제거하는 단계와,
    전체의 프로브 팁 포인트를 FIB 외측의 TEM 쿠폰에 접합하는 단계와,
    상기 프로브 팁 포인트 및 TEM 쿠폰으로부터 TEM 표본 홀더를 형성하는 단계를 포함하는
    표본 준비 방법.
  25. TEM에서 검사하기 위한 표본을 준비하는 방법에 있어서,
    팁 포인트를 갖는 하나 이상의 프로브 팁을 제공하는 단계와,
    FIB 내측의 기재로부터 표본을 절제하는 단계와,
    FIB 내측의 상기 프로브 팁 포인트에 표본을 부착하는 단계와,
    전체의 프로브 팁 포인트 및 상기 프로브 팁 포인트에 부착된 표본을 FIB로부터 제거하는 단계와,
    전체의 프로브 팁 포인트를 FIB 내측의 TEM 쿠폰에 접합하는 단계와,
    FIB 진공 챔버 내측의 상기 프로브 팁 포인트 및 TEM 쿠폰으로부터 TEM 표본 홀더를 형성하는 단계를 포함하는
    표본 준비 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 프로브 팁 포인트를 TEM 쿠폰에 접합하고 TEM 표본 홀더를 형성하는 단계는,
    TEM 쿠폰에 TEM 표본 홀더를 제공하는 단계와,
    상기 표본이 상기 표본 홀더의 중앙에 배치되도록 상기 프로브 팁 포인트 및 TEM 쿠폰을 배향하는 단계와,
    TEM 홀더 형 내에 상기 프로브 팁 포인트를 매립하는 단계와,
    TEM 표본 홀더 형 외측 경계의 외측에서 상기 프로브 팁 포인트의 일부를 절단하는 단계와,
    상기 TEM 쿠폰으로부터 상기 TEM 표본 홀더를 절단하는 단계를 더 포함하는
    표본 준비 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 매립 단계는 상기 TEM 표본 홀더 및 프로브 팁 포인트에 압력을 인가하여, 상기 프로브 팁 포인트의 주위로 상기 TEM 표본 홀더 재료의 소성 유동을 발생시키는 단계를 더 포함하는
    표본 준비 방법.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 접합 단계는 상기 프로브 팁 포인트를 TEM 표본 홀더에 용접하는 단계를 더 포함하는
    표본 준비 방법.
  29. 제 24 항에 있어서,
    상기 접합 단계는, 상기 프로브 팁 포인트를 TEM 표본 홀더에 접착제로 부착하는 단계를 더 포함하는
    표본 준비 방법.
  30. 제 24 항에 있어서,
    상기 접합 단계는, 상기 프로브 팁 포인트를 TEM 표본 홀더에 화학적 증착에 의해 부착하는 단계를 더 포함하는
    표본 준비 방법.
  31. 제 24 항에 있어서,
    상기 TEM 표본 홀더 외측의 프로브 팁 포인트의 일부분을 절단하는 단계와, 상기 TEM 표본 홀더를 절단하는 단계가 동시에 수행되는
    표본 준비 방법.
  32. 제 24 항에 있어서,
    상기 TEM 표본 홀더를 형성한 후에 박형화하기 위해 FIB로 표본을 복귀시키는 단계를 더 포함하는
    표본 준비 방법.
  33. TEM 쿠폰으로부터 TEM 표본 홀더를 절단하고 표본이 부착된 프로브 팁 포인트를 상기 TEM 표본 홀더에 접합하는 프레스에 있어서,
    외측 다이와,
    상기 외측 다이 내측에 위치된 내측 다이와,
    상기 내측 및 외측 다이에 대향된 모형 로드와,
    상기 모형 로드와 동축으로 위치된 전단 펀치와,
    상기 모형 로드를 상기 내측 다이 쪽으로 가압하는 억제 스프링과,
    상기 전단 펀치를 상기 내측 및 외측 다이쪽으로 구동하는 액츄에이터를 포함하는
    프레스.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 모형 로드는 프로브 팁 포인트 주위로 상기 TEM 표본 홀더 재료를 유동시키기 위한 치형부를 갖는
    프레스.
  35. TEM 표본 홀더를 준비하기 위한 키트에 있어서,
    적어도 하나의 TEM 쿠폰과,
    프로브 팁 포인트를 갖는 적어도 하나의 프로브 팁과,
    전체의 프로브 팁 포인트를 상기 TEM 쿠폰에 접합하고 상기 TEM 쿠폰으로부터 TEM 표본 홀더를 절단하기 위한 프레스를 포함하는
    키트.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 쿠폰은, 재료의 시트와,
    상기 시트를 관통하여 상기 TEM 표본 홀더를 상기 시트의 가장자리에 연결하는 하나 이상의 통로를 더 포함하는
    키트.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 시트는 구리, 몰리브덴, 알루미늄, 금, 은, 니켈 및 베릴륨으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 금속을 포함하는
    키트.
  38. 제 36 항에 있어서,
    상기 시트는 표면 파형부를 갖는
    키트.
  39. 제 35 항에 있어서,
    상기 쿠폰은 이 쿠폰을 프레스 내에서 정렬하기 위한 정렬 구멍을 더 포함하는
    키트.
  40. 제 35 항에 있어서,
    TEM 표본 홀더 형의 외측 경계를 한정하는 쿠폰 내의 적어도 하나의 구멍을 더 포함하고,
    상기 구멍은 입구부를 포함하며,
    상기 구멍의 입구부는 재료의 랜드부를 한정하고,
    상기 랜드부는 TEM 표본 홀더 형을 시트에 연결하고,
    상기 시트를 관통하는 적어도 하나의 통로가 상기 구멍을 상기 시트의 가장자리에 연결하는
    키트.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 구멍은 C자 형상을 갖는
    키트.
  42. 제 40 항에 있어서,
    상기 TEM 표본 홀더는 장방형 형상을 갖는
    키트.
  43. 제 35 항에 있어서,
    상기 프레스는,
    외측 다이와,
    상기 외측 다이 내측에 위치된 내측 다이와,
    상기 내측 및 외측 다이에 대향된 모형 로드와,
    상기 모형 로드와 동축으로 위치된 전단 펀치와,
    상기 모형 로드를 상기 내측 다이 쪽으로 가압하는 억제 스프링과,
    상기 전단 펀치를 상기 내측 및 외측 다이쪽으로 구동하는 액츄에이터를 더 포함하는
    키트.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 모형 로드는 프로브 팁 포인트 주위로 상기 TEM 표본 홀더 재료를 유동시키기 위한 치형부를 갖는
    키트.
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