TWI416091B - 電子顯微鏡試片與其製備方法以及製作三維影像之方法 - Google Patents

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Description

電子顯微鏡試片與其製備方法以及製作三維影像之方法
本發明係關於一種電子顯微鏡試片與其製備方法，特別是一種適合建構三維立體影像的電子顯微鏡試片與其製備方法。
隨著半導體元件的微縮化，利用各種分析方法來觀察半導體元件的微結構已越來越重要。例如，透過掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)或穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM)來達成半導體元件的微結構的觀察。其中，穿透式電子顯微鏡由於具有較佳的解析度，因此被廣泛地被應用於半導體元件分析。
然而，由於半導體積集度的提升及各種特殊半導體元件的結構被提出，目前二維影像分析技術並不能正確反應產品的結構，尤其是針對具高曲率結構的元件，例如插拴(vias)等。因此，目前業界發展出一種三維立體影像的技術，其係擷取試片在不同角度下的二維影像，再將這些二維影像結合建構為三維影像，以得到較接近真實的產品結構圖像。
由於這樣的三維立體影像必須擷取不同角度的影像，因此其試片(specimen)的設計也較特殊。請參考第1圖與第2圖，所繪示為習知用以建構三維影像的試片之示意圖。如第1圖所示，試片100包含一試片座102以及一待測物104，待測物104突出於試片座102上而形成具有柱狀(pillar)結構的試片100。透過電子顯微鏡中的電子束(electron beam)106，即可偵測待測物104上之晶圓結構。為了得到不同角度之影像，可將試片100沿著軸心順著箭頭A的方向旋轉，或者，如第2圖所示，將試片100沿著箭頭B上、下旋轉正負α度，藉以得到蒐集到更多的二維影像資訊。但習知試片座102與待測物104的設計有先天上的限制，例如將試片100轉動超過α度後(通常為45度)，試片座102便會擋住電子束106，故電子顯微鏡無法擷取待測物104之影像，造成了將近45度的楔形資訊遺失(missing wedge)。由於試片座102之厚度以及待測物104之高度已經到達其臨界點，已無法突破其45度的臨界值。故目前業界仍需要特殊結構的試片以及其製備方法，以克服上述問題。
本發明於是提出了一種電子顯微鏡試片與其製備方法，以改善習知三維影像建構時楔形資訊遺失的問題。
本發明之一實施例中提出一種電子顯微鏡試片的製備方法。此方法提供一晶圓樣品，其具有一待測區。接著進行一切割步驟，以在晶圓樣品中切割出一待測片。待測片包含一標靶柱狀結構，且待測區會位於標靶柱狀結構之一頂端。最後，進行一薄化步驟，以薄化標靶柱狀結構之頂端。
本發明之一實施例中提出了一種製作三維影像的方法。此方法首先提供一試片，其係利用如前述實施例所述電子顯微鏡試片的製備方法所形成。接著進行一影像擷取步驟，利用一電子顯微鏡擷取試片於不同角度下之二維影像。最後再將這些不同角度之二維影像建構組合成一三維影像。
本發明之一實施例中提出了一種電子顯微鏡試片。此電子顯微鏡試片包含一載具以及位於載具上的一待測片。待測片包含一基底部、一柱狀結構以及一尖端部。柱狀結構設置於基底部上，且與基底部形成一階梯狀結構。尖端部設置於柱狀結構上，且尖端部之頂端具有一待測區。
本發明一種電子顯微鏡試片的製備方法由於使用了一切割步驟，以及後續的一薄化步驟，可製造出一較佳結構的試片，故得以避免習知技術中試片座擋住電子束而產生楔形資訊遺失的問題。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之數個較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
請參考第3圖至第10圖，所繪示為本發明電子顯微鏡試片的製備方法的示意圖。如第3圖所示，首先提供一晶圓樣品300，其中，晶圓樣品300的表面上具有一待測區(或待測點)302。待測區302內有在後續步驟中欲以電子顯微鏡分析的微結構。晶圓樣品300較佳是一晶圓片(wafer)，但也可以是其他可在電子顯微鏡下觀測之材料，例如是生物材料或生物晶片等。接著，將晶圓樣品300黏附至一輔助樣品304上。於本發明較佳實施例中，晶圓樣品300係透過一黏附層306與輔助樣品304結合，黏附層306較佳具有熱融性，例如是一蠟層、熱融性樹脂等，但並不以此為限。輔助樣品304較佳為另一晶圓片，但也可以是其他可支撐晶圓樣品300的材質，其硬度以接近晶圓樣品300為佳。
請參考第4圖與第5圖，第5圖為第4圖中沿AA’切線之剖面圖。接著，進行一第一切割(dicing saw)步驟，例如使用一刀具或者雷射製程，以在晶圓樣品300上形成兩條第一切割道308以及兩條第二切割道310，其中待測區302會位於兩第一切割道308與兩第二切割道310所圍成的區域A中。於本發明較佳實施例中，兩條第一切割道308彼此平行，兩條第二切割道310彼此平行，且第一切割道308實質上垂直於第二切割道310，而形成一長方形之區域A。但於其他實施例中，第一切割道308也可以不垂直於第二切割道310，而形成一平行四邊形之區域A。於其他實施例中，兩第一切割道308之間也可以不平行，兩第二切割道310之間也可以不平行，但以能圍成一封閉之區域A為原則。
如第5圖所示，利用多次切割技術或一次成型的切割技術，可在兩第一切割道308中形成一內縮的階梯結構312，此階梯結構312可定義出一長度L，一長度l，以及一高度h，而在第二切割道310之間則定義出一寬度W，關於上述長度L、長度l、高度h以及寬度W的描述，在後文中會詳細說明。於本實施例中，第一切割道308以及第二切割道310的深度會大於晶圓樣品300的高度，也就是說，第一切割道308和第二切割道310都會超過黏附層306而深入至輔助樣品304中。
接著，進行一第二切割步驟，請參考第6圖與第7圖，第7圖為第6圖中沿著BB’切線之剖面圖。如第6圖與第7圖所示，第二切割步驟在晶圓樣品300上形成複數個第三切割道314。於本發明較佳實施例中，各第三切割道314與各第二切割道310彼此平行，且位於兩條之第二切割道310之間，各第三切割道314之的間距實質上相同，且第三切割道314的深度大致上和高度h相同。在第一切割步驟以及第二切割步驟後，接著進行一加熱步驟，使得區域A之晶圓樣品300在黏附層306融化後可取下，而到一待測片316。
請參考第8圖，所繪示為本發明待測片的立體示意圖。如第8圖所示，待測片316包含一基底部318以及複數個柱狀結構320，各柱狀結構320突出於基底部318且和基底部318間形成階梯狀結構312，使得各柱狀結構320在基底部318上呈現城垛狀(battlement-shaped)的排列。待測片316具有一長度L、一寬度W以及一高度H，而各柱狀結構320具有一長度l、一寬度w以及一高度h。上述之長度L、寬度W、高度H與長度l、寬度w、高度h可被第一切割道308、第二切割道310以及第三切割道314所決定。舉例來說，在進行第一切割製程時，如第5圖所示，第一切割道308可以定義出待測片316之長度L以及柱狀結構320之長度1與高度h，如第4圖所示，第二切割道308可以定義出待測片316的寬度W。在進行第二切割製程時，如第7圖所示，第三切割道314可以定義出柱狀結構的寬度w。於本發明較佳實施例中，柱狀結構320的長度1和寬度w大致上相同，其數值越小越好，但並不以此為限。於本發明之一實施例中，待測片316的長度L大約為90微米，寬度W大約為2毫米，高度H大約為780微米，而柱狀結構320之長度1大約為40微米，寬度w大約為40微米，高度h大約為150微米。如第8圖所示，待測區302會位於其中之一柱狀結構320上，稱為標靶柱狀結構320a，而其他不具有待測區302則為假(dummy)柱狀結構320b。較佳者，待測柱狀結構320a會在柱狀結構320的中間。
接著，如第9圖所示，將此待測片316與一載具(holder)結合，例如是一金屬半環322。於本發明其一實施例中，金屬半環322之直徑R大致上為3微米，且其厚度T大致上為0.04微米，與待測片316結合的方式可以透過一樹脂或其他具有黏著性之材料。然後，將不具有待測區302的假柱狀結構320b去除，而保留有待測區302的標靶柱狀結構320a，例如在顯微鏡下直接以金屬針(needle)剔除假柱狀結構320b。
最後，如第10圖所示，進行一薄化製程324，例如使用一聚焦離子束(focus ion beam,FIB)，以在標靶柱狀結構320a上形成一尖端部326，待測區302會位於尖端部324的頂端。於本發明較佳實施例中，在進行薄化步驟之前可先在標靶柱狀結構320a上形成一保護層(圖未示)，較佳為金屬薄膜，例如是金屬鉑、金屬鎢或其他適當材料之薄膜，以避免待測區302在薄化製程324受損。尖端部326具有一尖端高度a，於本發明較佳實施例中，a約為60微米。
在完成了上述步驟後，即可得到一試片328。接著可利用電子顯微鏡擷取試片328上之待測區302於不同角度下的二維影像。這些二維影像透過軟體之演算即可建構出一三維影像。請參考第11圖，所繪示為本發明之試片在電子顯微鏡中之示意圖。如第11圖所示，本發明之試片在電子顯微鏡中進行轉動時(可同時與第2圖比較)，可以得到一較大的可視角α。請參考第11圖左半部放大圖，於本發明較佳實施例中，尖端部326的尖端長度a大致上為60微米，而標靶柱狀結構320a的長度的一半(1/2)大致上為20微米，故電子束330與尖端部326所形成的夾角β大致上為20度，也就是說，本發明的試片在電子顯微鏡下轉動，可以得到一可視角α至少為70度。相較於習知45度的臨界角度，可大大降低過去楔形資訊遺失的現象。考慮試片於電子顯微鏡之物鏡中傾斜角的限制，於本發明之一實施例中，標靶柱狀結構320a長度的一半(1/2)與尖端高度a的比值(即tanβ)小於0.35(β為20度)，較佳者會介於1(β為45度)與0.35(β為20度)之間，也就是說，本實施例的標靶柱狀結構320a長度1與尖端高度a的比值會介於2與0.7之間。
綜上所述，本發明電子顯微鏡試片的製備方法係使用了一切割製程以及一薄化製程，而形成了特殊的柱狀結構以及其上的尖端部，故可得到一較大的可視角，而降低了建構三維影像時楔形資訊遺失的現象。且本發明由於導入了切割製程，可較習知使用聚焦離子束來形成試片的方法快速，且更能控制其形狀而得到一較佳結構的試片。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100．．．試片
102．．．試片座
314．．．第三切割道
316．．．待測片
104‧‧‧待測物
106‧‧‧電子束
300‧‧‧晶圓樣品
302‧‧‧待測區
304‧‧‧輔助樣品
306‧‧‧黏附層
308‧‧‧第一切割道
310‧‧‧第二切割道
312‧‧‧階梯結構
318‧‧‧基底部
320‧‧‧柱狀結構
320a‧‧‧標靶柱狀結構
320b‧‧‧假柱狀結構
322‧‧‧金屬半環
324‧‧‧薄化製程
326‧‧‧尖端部
328‧‧‧試片
330‧‧‧電子束
第1圖與第2圖繪示了習知用以建構三維影像的試片之示意圖。
第3圖至第10圖繪示了本發明電子顯微鏡試片的製備方法的示意圖。
第11圖繪示了本發明之試片在電子顯微鏡下之結構示意圖。
302‧‧‧待測區
316‧‧‧待測片
318‧‧‧基底部
320a‧‧‧標靶柱狀結構
322‧‧‧金屬半環
326‧‧‧尖端部
328‧‧‧試片
330‧‧‧電子束

Claims (20)

  1. 一種電子顯微鏡試片的製備方法，包含：提供一晶圓樣品，具有一待測區；進行一切割步驟，以在該晶圓樣品中切割出一待測片，該待測片包含一標靶柱狀結構以及一基底部，且該待測區位於該標靶柱狀結構之一頂端；以及進行一薄化步驟，以薄化該標靶柱狀結構之該頂端，以形成一尖端部，其中，該標靶柱狀結構、該基底部以及該尖端部為一體成型結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，其中該切割步驟包含：進行一第一切割步驟，於該晶圓樣品上形成兩條第一切割道以及兩條第二切割道，其中該第一切割道定義出該標靶柱狀結構之一高度與一長度；以及進行一第二切割步驟，於該第二切割道之間形成複數個第三切割道，其中該第三切割道定義出該標靶柱狀結構之一寬度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，其中該長度實質上等於該寬度。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，其中 該第二切割步驟還包含形成複數個假柱狀結構。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，於該第二切割步驟後，還包含去除該等假柱狀結構。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，其中各該第一切割道與各該第二切割道的深度大於該晶圓樣品的高度。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，其中該等三切割道的深度實質上等於該標靶柱狀結構之該高度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，於該切割步驟之後，還包含將該待測片結合至一載具。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，其中該載具包含一金屬半環。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，在進行該切割步驟之前，還包含將該待測片黏附至一輔助樣品上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，在進行該晶圓切割步驟之後，還包含進行一加熱製程，以將該待測片自該輔助樣品上移除。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，於該薄化步驟之前，還包含於該柱狀結構上形成一保護層。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，其中該保護層包含金屬。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，其中該薄化步驟包含使用一聚焦離子束。
  15. 如申請專利範圍第2項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，其中該薄化製程係於該標靶柱狀結構之該頂端形成一尖端部，且該待測區位於該尖端部。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電子顯微鏡試片的製備方法，其中該尖端部具有一尖端高度，且該標靶柱狀結構之該長度與該尖端高度的比值實質上介於2至0.7之間。
  17. 一種製作三維影像之方法，包含：提供一試片，其係利用如申請專利範圍第1項所述之電子顯微鏡試片的製備方法所形成；進行一影像擷取步驟，利用一電子顯微鏡擷取該試片於不同角度下之二維影像；以及將該等不同角度之二維影像建構組合成一三維影像。
  18. 一種電子顯微鏡試片，包含：一載具；以及一待測片，設置於該載具上，該待測片包含：一基底部；一柱狀結構，設置於該基底部上，且與該基底部形成一階梯狀結構；以及一尖端部，設置於該柱狀結構上，且該尖端部之頂端具有一待測區，其中，該柱狀結構、該基底部以及該尖端部為一體成型結構。
  19. 如申請專利範圍第18項之電子顯微鏡試片，其中該尖端部具有一尖端高度，該柱狀結構之一長度與該尖端高度的比值大體上介於2至0.7之間。
  20. 如申請專利範圍第18項之電子顯微鏡試片，其中該載具包含一金屬半環。
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