TWI508126B - 具有多重操作模式的氣體場離子顯微鏡 - Google Patents

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Description

具有多重操作模式的氣體場離子顯微鏡
本發明關於具有多重操作模式的離子束系統(例如氣體場離子顯微鏡)及相關方法。
半導體製造典型涉及包含依序沉積與處理的多層材料之製成品(半導體製成品)的準備，以形成積體電路、積體電路元件、及/或不同的微電子裝置。此類製成品典型含有各種特徵(例如由導電材料形成的電路線、以非導電材料填充的井、由半導體材料形成的區域)，其係相對於彼此精確地定位(例如一般是在幾奈米的尺度內)。預定特徵的位置、尺寸(長、寬、深)、成分(化學成分)以及相關性質(傳導性、晶向、磁性質)，對於製成品的性能可具有重要的影響。舉例而言，於一些例子中，若這些參數的一個或更多個是在適當範圍外，則製成品可能因為不能如預期的作用而成為廢品。因此，一般希望在半導體製造期間的各步驟中具有非常好的控制，而有利的是具有能監控製造程序的各種步驟中半導體製成品的製造之工具，而在半導體製造程序的各種步驟中調查一個或更多個特徵的位置、尺寸、成分、及相關性質。如於此所用的，半導體製成品一詞表示在積體電路、積體電路元件、微電子裝置、或製造積體電路、積體電路元件、微電子裝置的程序期間所形成的製成品。舉例而言，半導體製成品可為平面板顯示器的一部分或光伏電池。
半導體製成品的區域可由不同類型(導電、非導電、半導體)的材料所形成。例示的導電材料包含例如鋁、鉻、鎳、鉭、鈦、鎢、及一個或更多個這些金屬的合金(例如鋁銅合金)。金屬矽化物(例如矽化鎳、矽化鉭)亦可為導電的。例示的非導電材料包含一個或更多個這些金屬的硼化物、碳化物、氮化物、氧化物、磷化物、以及硫化物(例如硼化鉭、鍺化鉭、氮化鉭、氮化矽鉭、以及氮化鈦)。例示的半導體材料包含矽、鍺、及鍺砷。選擇性地，半導體材料可為摻雜的(p摻雜、n摻雜)，以加強材料的導電性。
於預定材料層的沉積/處理中的典型步驟包含成像製成品(例如決定所欲形成的特徵應位在何處)、沉積適當材料(例如導電材料、半導體材料、非導電材料)、以及蝕刻而自製成品中的某些位置移除不要的材料。通常將光阻(例如聚合物光阻)沉積/曝光於適當的輻射/選擇性地蝕刻，以助於控制預定特徵的位置及尺寸。典型地，光阻於一個或更多的後續程序中移除，一般而言，最後的半導體製成品希望不要含有可察覺量的光阻。
離子顯微系統可用於產生離子，而用於例如成像半導體樣品、得到關於半導體樣品的化學資訊、及/或對半導體樣品執行化學作用。使用氣體場離子源產生可用於樣品分析(例如成像)的離子之顯微系統，稱為氣體場離子顯微鏡。氣體場離子源為通常包含尖端(典型具有10或更少原子的頂點)的裝置，其中尖端可用於離子化中性氣體物種而產生離子(例如以離子束形式)，其係藉由施加高正電壓(例如相對於擷取器(extractor)為1kV或更多)到導電尖端的頂點時，將中性氣體物種帶到導電尖端附近(例如在約4到5埃的距離範圍內)。
一般而言，本揭露關於氣體場離子顯微系統及相關方法。顯微系統可提供以不同模式操作的強化彈性。於一些實施例，顯微系統可切換於涉及相對低離子束流及/或相對小點尺寸之第一操作模式以及涉及相對高離子束流及/或相對大點尺寸之第二操作模式之間，而無需從微影系統移出樣品(例如無需在顯微系統內移動樣品)。如此可例如對於處理、準備、及/或分析各種類型樣品(例如半導體樣品)造成顯著的效率及成本改善。
例如當尋求以相對較高精準性成像樣品及/或尋求以相對較高精準性執行樣品化學作用(例如蝕刻及/或沉積)時，可能希望使用第一操作模式。例如當以相對較低離子束流及/或較小點尺寸會花費長時間來得到關於樣品的資訊時，可能希望使用第二操作模式。藉由利用相對較高的離子束流及/或相對較大的點尺寸，利用速度的增加可足以補償對於精準性的潛在損失。
舉例而言，於一些案例中，要得到關於樣品資訊(例如化學資訊)而偵測的粒子類型(例如散射離子)，可能以相對較低的豐裕度產生及/或難以利用較高的效率來偵測。於此類案例中，增加離子束流可減少用於蒐集足夠粒子數而得到所需資訊的時間。選替地或此外，於某些例子中，可能希望在相對較短的時間(例如以相對較高的產量程序)對樣品執行化學作用(例如蝕刻樣品及/或沉積材料於樣品上)。於此類狀況下，增加離子束流可減少用於處理預定樣品或預定樣品群的時間。於某些實施例，顯微系統可設計以兩種以上的不同操作模式來操作。於某些實施例，顯微系統可在各種操作模式間切換不同次數。
於一方面，本揭露一般提供一種操作包含氣體場離子源之氣體場離子顯微系統之方法。氣體場離子源包含複數原子之尖端。本方法包含以第一模式操作氣體場離子顯微系統，包含使第一離子束與樣品相互作用。藉由尖端之複數原子之第一原子數量於第一離子束中產生至少約80%的離子。本方法亦包含以第二模式操作氣體場離子顯微系統，包含使第二離子束與樣品相互作用。藉由尖端之複數原子之第二原子數量於第二離子束中產生至少約80%的離子。第一模式不同於第二模式，且第一原子數量不同於第二原子數量。
於另一方面，本揭露一般提供一種操作包含氣體場離子源之氣體場離子顯微系統之方法。本方法包含使離子源所產生的第一離子束與樣品相互作用。第一離子束在樣品之表面具有最多1奈米安培的電流。本方法亦包含使離子源所產生的第二離子束與樣品相互作用。第二離子束在樣品之表面具有至少10微微安培的電流。
於又一方面，本揭露一般提供一種操作包含氣體場離子源之氣體場離子顯微系統之方法。本方法包含使離子源所產生的第一離子束與樣品相互作用。第一離子束在樣品之表面具有第一離子流。本方法亦包含使離子源所產生的第二離子束與樣品相互作用。第二離子束在樣品之表面具有第二離子流，而第二離子流至少為第一離子流的兩倍。
於另一方面，本揭露一般提供一種操作包含氣體場離子源之氣體場離子顯微系統之方法。本方法包含使離子源所產生的第一離子束與樣品相互作用，以得到關於樣品的資訊；以及使離子源所產生的第二離子束與樣品相互作用，以對樣品執行化學作用。第一離子束在樣品之表面具有第一離子流，而第二離子束在樣品之表面具有第二離子流，其中第二離子流不同於在樣品之表面的第一離子流。
於另一方面，本揭露一般提供一種操作包含氣體場離子源之氣體場離子顯微系統之方法。本方法包含使離子源所產生的第一離子束與樣品相互作用，而以第一速率蝕刻樣品；以及使離子源所產生的第二離子束與樣品相互作用，而以不同於第一速率之第二速率蝕刻樣品。
本揭露的其他特徵與優點由說明、圖式、及申請專利範圍可得知。
<一般討論>
關於氣體場離子顯微系統的相關資訊與相關方法一般揭露於例如美國專利申請公開案US 2007/0158558、美國專利臨時申請案U.S.S.N. 61/092,919、以及　美國專利臨時申請案U.S.S.N. 61/074,361中，其整體各於此結合做為參考。
圖1顯示氣體場離子顯微系統100之示意圖，其包含氣體源110、氣體場離子源120、離子光學件130、樣品操控器140、前側偵測器150、後側偵測器160、以及電子控制系統170(例如電子處理器如電腦)，經由通訊線172a-172f電連接系統100的各種組件。樣品180定位於離子光學件130與偵測器150、160之間的樣品操控器140之中/之上。於使用期間，離子束192透過離子光學件130導向到樣品180的表面181，而偵測器150及/或160量測因離子束192與樣品180的相互作用所造成的粒子194。
如圖2所示，氣體源110用於供應一或更多氣體182到氣體場離子源120。氣體源110可用於供應各種純度、流速、壓力、及溫度的氣體。一般而言，氣體源110所供應的至少一氣體為惰性氣體(氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe))，且惰性氣體的離子為離子束192中希望的主要構成。
選擇性地，除了惰性氣體，氣體源110可供應一或更多氣體，此類氣體例如氮氣。典型地，當額外氣體的程度可呈現高於惰性氣體中不純物程度時，額外氣體仍構成氣體源110所導入之總氣體混合物的少數組成。
氣體場離子源120用於接收從氣體源110而來的一或更多氣體182，並由氣體182產生氣體離子。氣體場離子源120包含具有尖頂點187的導電尖端186、擷取器190、以及選擇性的抑制器188。
導電尖端186可由各種材料製成。於一些實施例中，尖端186由金屬所形成(例如鎢(W)、鉭(Ta)、銥(Ir)、錸(Rh)、鈮(Nb)、鉑(Pt)、鉬(Mo))。於某些實施中，導電尖端186可由合金所形成。於一些實施例中，導電尖端186可由不同材料所形成(例如碳(C))。
於使用時，尖端186相對於擷取器190正向偏壓(例如約20kV)，擷取器190相對於外部接地負向或正向偏壓(例如從-20 kV至+50 kV)，而選擇性的抑制器188相對於尖端186正向或負向偏壓(例如從-5 kV至+5 kV)。因為尖端186是由導電材料所形成，所以尖端186在尖端頂點187的電場由尖端頂點187朝外指向。由於尖端186的形狀，電場在尖端頂點187附近最強。尖端186的電場強度可藉由例如改變施加到尖端186的正電壓而改變。以此組態，氣體源110供應的未離子化氣體原子182在尖端頂點187附近被離子化且變成帶正電荷的離子。帶正電荷的離子同時受到荷正電的尖端186排斥且受到荷負電的擷取器190的吸引，而使帶正電荷的離子從尖端186導向到光學件130做為離子束192。抑制器188有助於控制尖端186與擷取器190之間的總電場，因而控制帶正電荷的離子從尖端186到光學件130的軌道。一般而言，可調整尖端186與擷取器190之間的總電場，以控制在尖端頂點187所產生的帶正電荷離子的速率，以及帶正電荷的離子從尖端186移到離子光學件130的效率。
一般而言，離子光學件130用於將離子束192導向到樣品180的表面181。舉例而言，離子光學件130可聚焦、準直、偏向、加速及/或減速離子束192中的離子。離子光學件130亦可讓離子束192中僅部分的離子通過離子光學件130。一般而言，離子光學件130包含許多依所需組態的靜電及其他離子光學元件。藉由操控離子光學件130中一或更多元件(例如靜電偏向器)的電場強度，離子束192可掃描過樣品180的表面181。舉例而言，離子光學件130可包含將離子束192偏向兩個正交方向的偏向器。偏向器可具有變化的電場強度，而使離子束192光柵式掃過表面181的區域。
當離子束192照到樣品180，可產生許多不同類型的粒子194。舉例而言，這些例子包含二次電子、奧杰電子(Auger electrons)、二次離子、中性粒子、初級中性粒子、散射離子及光子(例如X射線光子、IR光子、可見光光子、UV光子)。偵測器150及160定位並用於各量測因離子束192與樣品180相互作用而造成的一或更多不同類型的粒子。如圖1所示，偵測器150定位用於偵測主要源自樣品180表面181的粒子194，而偵測器160定位用於偵測主要自樣品180表面183出現的粒子194(例如穿透粒子)。一般而言，可使用任何數量及組態的偵測器於此所揭示的顯微系統中。於一些實施例，使用多個偵測器，而多個偵測器中的一些偵測器用於量測不同類型的粒子。於某些實施例，偵測器用於提供關於相同類型粒子的不同資訊(例如粒子能量、給定粒子的奧杰分布、給定粒子的總豐裕度)。選擇性地，可使用此類偵測器的組合。例示偵測器包含埃弗哈特-索恩利(Everhart-Thornley)偵測器(例如偵測二次電子)、光子偵測器、微通道板偵測器(例如偵測繼發電子(condary electron)、中性原子、及/或離子)、轉換板(例如偵測離子)、通道倍增偵測器(例如偵測二次電子、離子、及/或中性原子)、螢光偵測器(例如偵測光子)、固態偵測器(例如偵測電子、離子、及/或中性原子)、閃爍偵測器(例如偵測光子)、離子的能量偵測器(例如靜電稜鏡偵測器、磁稜鏡偵測器、四極偵測器)、二次電子的能量偵測器(例如靜電稜鏡偵測器、磁稜鏡偵測器、具有設置於要偵測電子飛行路徑中之負偏壓粒子選擇器之偵測器)、時間飛行偵測器(偵測離子)。
一般而言，偵測器所量測的資訊用於決定關於樣品180的資訊。於一些實施例，例如當所偵測粒子為二次電子時，所偵測粒子用於形成樣品180的影像。於某些實施例，例如當所偵測粒子為奧杰電子、二次離子、二次中性粒子、初級中性粒子、散射離子及/或光子時，所偵測粒子用於決定關於樣品180的化學性質。
藉由將離子束192光柵式掃過表面181，可以分開的步驟得到關於樣品的一個畫素又一個畫素的資訊。偵測器150及/或160可用於偵測各畫素的一或更多不同類型的粒子194。
顯微系統100的操作典型經由電子控制系統170來控制。舉例而言，電子控制系統170可用於控制氣體源110所供應的氣體、尖端186的溫度、尖端186的電位、擷取器190的電位、抑制器188的電位、光學件130之組件的設定、樣品操控器140的位置、及/或偵測器150及160的位置及/或設定。選擇性地，可手動控制一或更多的這些參數(例如經由與電子控制系統170整合的使用者控制介面)。此外或選替地，電子控制系統170可(例如經由電子處理器、例如電腦)用於分析偵測器150及160所收集的資訊，以及提供關於樣品180的資訊(例如形貌資訊、化學資訊、結晶資訊、電壓對比資訊、光學性質資訊、磁性資訊)，其可選擇性為以下形式：影像、圖式、列表、試算表(spreadsheet)或類似者。典型地，電子控制系統170包含使用者介面，具體化為顯示器或其他種類的輸出裝置、輸入裝置、及儲存媒體。
於一些實施例，電子控制系統170可用於控制額外的裝置。舉例而言，電子控制系統170可用於調節傳送到樣品180在離子束192附近的反應氣體的供應(例如控制流量及/或氣體成分)。舉例而言，反應氣體可用於一或更多的束引致化學蝕刻操作，以選擇性移除基板材料。此外或選替地，反應氣體可用於沉積導電材料。
偵測器150及160如圖1與3示意地顯示，其中偵測器150定位成偵測來自樣品180表面181(離子束照到的表面)的粒子，而偵測器160定位成偵測來自樣品180表面183的粒子。一般而言，可使用各式各樣不同的偵測器於顯微系統200，以偵測不同的粒子，且顯微系統200典型可包含任何所需數量的偵測器。可根據要量測的粒子及量測條件，來選擇各種偵測器的組態。於一些實施例，可使用光譜解析偵測器。此類偵測器能偵測不同能量及/或波長的粒子，並基於各偵測粒子的能量及/或波長來解析粒子。
圖3顯示He離子顯微系統的示意圖。顯微系統200包含包圍He離子源與離子光學件130之第一真空殼202，以及包圍樣品180及偵測器150與160之第二真空殼204。氣體源110透過輸送管228輸送He氣體到顯微系統200。流量調節器230控制透過輸送管228輸送的He氣體的流量，而溫度控制器232控制氣體源110中的He氣體溫度。He離子源包含尖端186，其固定於尖端操控器208。He離子源亦包含擷取器190及抑制器188，用於將He離子從尖端186導向到離子光學件130。離子光學件130包含第一透鏡216、對準偏向器220及222、孔徑224、散光校正器218、掃描偏向器219及221、以及第二透鏡226。孔徑224定位於孔徑支架234。樣品180裝設於第二真空殼204內的樣品操控器140之中及/或之上。也定位於第二真空殼204內的偵測器150及160是用於偵測來自樣品180的粒子。氣體源110、尖端操控器208、擷取器190、抑制器188、第一透鏡216、對準偏向器220及222、孔徑支架234、散光校正器218、掃描偏向器219及221、樣品操控器140、及/或偵測器150及/或160，典型由電子控制系統170所控制。選擇性地，電子控制系統170也控制真空泵236及237，其係用於提供殼體202及204內部及光學件130內的降壓環境。
如上所述，一般而言，尖端186可由任何適當的導電材料所形成。於某些實施例中，尖端186可由單晶材料(例如單晶金屬)所形成。典型地，尖端頂點187的終端架(terminal shelf)之特定單晶向在3°或更少之內(例如2°或更少之內、1°或更少之內)對準於尖端186的縱向軸。於一些實施例，尖端186的頂點187可終止於具有某些數量的原子(例如20個原子或更少、15個原子或更少、10個原子或更少、9個原子或更少、6個原子或更少、3個原子或更少、)之原子架(atomic shelf)。舉例而言，尖端186的頂點187可由W(111)形成，且可具有三個原子的終端架(三量素(trimer))。圖4及圖5分別顯示最靠近尖端頂點之W尖端186的兩個原子架之放大上視示意圖及側視示意圖。終端架包含設置成三量素之三個W原子302，且對應於W的(111)表面。不欲受限於理論，相信此三量素表面是有利的(就容易形成、重新形成、及穩定性方面而言)，因為晶面之W(111)的表面能有益於支撐由設置成等邊三角形而形成三量素之三個W原子所形成的終端架。三量素原子302由W原子304的第二架所支撐。
於一些實施例，尖端186可具有包含比三個原子還少或比三個原子來多的終端架。舉例而言，W(111)尖端可具有包含兩個原子的終端架，或包含僅一個原子的終端架。選替地，W(111)尖端可具有包含四個或更多原子的終端架(例如5個或更多原子、6個或更多原子、7個或更多原子、8個或更多原子、9個或更多原子、10個或更多原子、比10個還多的原子)。
此外或選替地，可使用對應於其他W晶向(例如W(112)、W(110)、或W(100))的尖端，而此類尖端可具有包含一個或更多原子的終端架(例如2個或更多原子、3個或更多原子、4個或更多原子、5個或更多原子、6個或更多原子、7個或更多原子、8個或更多原子、9個或更多原子、10個或更多原子、比10個還多的原子)。
於一些實施例，可使用單晶W外之材料形成的尖端於離子源(例如單晶金屬如上述金屬其中之一的單晶金屬)，而此類尖端可具有包含一個或更多原子的終端架(例如2個或更多原子、3個或更多原子、4個或更多原子、5個或更多原子、6個或更多原子、7個或更多原子、8個或更多原子、9個或更多原子、10個或更多原子、比10個還多的原子)。
<多模式系統>
氣體場離子顯微系統可設計成以至少兩個不同的模式操作。舉例而言，於第一模式，離子束在樣品表面具有相對低的離子流及/或相對小的點尺寸。舉例而言，於第二模式，離子束在樣品表面具有對高的離子流及/或相對大的點尺寸。
一般而言，在第二模式下於樣品表面的離子束流大於在第一模式下於樣品表面的離子束流。於一些實施例，在第二模式下於樣品表面的離子束流至少為在第一模式下於樣品表面的離子束流的兩倍(例如至少為3倍、至少為5倍、至少為10倍、至少為25倍、至少為50倍、至少為100倍、至少為500倍、至少為1000倍)，及/或在第二模式下於樣品表面的離子束流最多約為在第一模式下於樣品表面的離子束流的5000倍。-。於某些實施例，在第一模式下於樣品表面的離子流為250微微安培(picoAmps)或更少(例如100 picoAmps或更少、50 picoAmps或更少、25 picoAmps或更少、10 picoAmps或更少、5 picoAmps或更少、1 picoAmp或更少)，及/或在第二模式下於樣品表面的離子流為10 picoAmps或更多(例如25 picoAmps或更多、50 picoAmps或更多、100 picoAmps或更多、500 picoAmps或更多)。
於一些實施例，在第一模式下於樣品表面的離子束點的最大尺寸為25奈米或更少(例如15奈米或更少、10奈米或更少、5奈米或更少)及/或至少1奈米。於某些實施例，在第二模式下於樣品表面的離子束的最大尺寸為10奈米或更多(例如25奈米或更多、50奈米或更多、100奈米或更多)及/或最多為500奈米。
一般而言，氣體場離子顯微系統藉由操控系統，而在第一操作模式及第二操作模式之間切換，使得在離子束中與樣品相互作用的大部分離子是由尖端的僅一個原子所產生(第一模式)，或由尖端的複數原子所產生(第二模式)。舉例而言，於一些實施例，於第一模式下，在離子束中與樣品相互作用的至少80%(例如至少90%、至少95%、至少98%)的離子是由離子源的尖端的僅一個原子所產生(例如形成尖端終端架之三量素的僅一個原子)，及/或於第二模式下，在離子束中與樣品相互作用的至少80%(例如至少90%、至少95%、至少98%)的離子是由離子源的尖端的比一個還多的原子所產生(例如形成尖端終端架之三量素的兩個原子、形成尖端終端架之三量素的三個原子)。
於一些實施例，氣體場離子顯微系統可藉由沿著離子源之尖端與樣品之間的離子束路徑改變一或更多孔徑，而在第一操作模式及第二操作模式之間切換。一般而言，於第一模式下的孔徑小於第二模式的。舉例而言，再次參考圖3，孔徑224可從第一模式下具有相對小的開口改變為在第二模式下具有相對大的開口。於一些實施例，孔徑224可包含具有不同寬度w的複數開口。舉例而言，圖4為碟形孔徑224a(沿圖3之z方向)之上視圖，其包含多個開口225a-225g。孔徑224a用於繞著樞軸點227旋轉，樞軸點227與孔徑224a的中心一致。各開口225a-225g的中心定位於距離樞軸點227相同的距離。因此，可藉由旋轉孔徑碟224a而選擇特定尺寸的孔徑開口，使得所選的開口定位於離子束路徑中，之後如有需要則調動孔徑碟224a，以確保開口與離子束正確對準。圖5為桿形孔徑224b(沿圖3之z方向)之上視圖，其包含延伸通過孔徑224b的多個開口229a-229e。可藉由選擇孔徑224b中的開口而選擇孔徑尺寸。藉由調動孔徑224b於平行箭頭221的方向，而將開口229a-229e其中一個對準離子束，來執行上述的選擇。典型地，開口225a-225g及229a-229e具有可依所需選擇的直徑。舉例而言，於一些實施例，任一開口的直徑可為5μm或更多(例如10 μm或更多、25 μm或更多、50 μm或更多)及/或200 μm或更少(例如150 μm或更少、100 μm或更少)。於某些實施例，開口225a-225g及/或229a-229e的直徑可為5 μm至200 μm(例如5 μm至150 μm、5 μm至100 μm)。
於某些實施例中，氣體場離子顯微系統可藉由操控離子光學件中的一或更多組件(例如第一透鏡216及/或對準偏向器220、222)，而在第一模式及第二模式之間切換。舉例而言，如此可藉由適當選擇施加到第一透鏡216及/或對準偏向器220、222的電位而達到，可改變或不改變孔徑224的尺寸(見以上討論)。此類選擇可造成從第一模式切換到第二模式，藉由例如移動束朝孔徑平面跨越，而使影像尺寸變得比孔徑尺寸小。
選擇性地，氣體場離子顯微系統可在第一模式及第二模式之間切換，而不必將樣品從氣體場離子顯微系統移出(例如不需移動樣品)。
<多模式系統的例示應用>
於一些實施例，第一模式可用於成像樣品。舉例而言，可偵測二次電子以提供造成樣品影像的資訊。當收集二次電子時因為二次電子的產量相當高，可使用相對低的離子束流(例如僅由尖端終端架的一個原子所產生的)。此外，配合二次電子使用的偵測器(例如Everhardt-Thornley偵測器)可客製塑型以配合離子光學件，而讓偵測器位在相當靠近與離子束相互作用之樣品的區域，而可增強二次電子的偵測。再者，二次電子的能量相當低，而在一些範例是具有相當低的分析價值，藉此使用偏壓的電子柵來加速並導引二次電子到偵測器，其可提高有效收集立體角，而實質不干涉取得所需的資訊。再者，使用相對低離子束流(例如僅由尖端之中端架的一個原子所產生的)亦可造成在樣品表面形成相對小的離子點尺寸，導致高精準性的樣品影像。
於某些實施例，第二模式可用於偵測具有相對低產量的粒子及/或針對難以定位偵測器而得到相對高產量的粒子。此類粒子的範例可包含奧杰電子、二次離子、二次中性粒子、初級中性粒子、散射離子及光子(例如X射線光子、IR光子、可見光光子、UV光子)。於許多例子中，此類粒子可用於決定關於樣品的化學資訊(例如關於在樣品表面及/或樣品的次表面區的化學構成的量化資訊)。於此類實施例中，使用相對高離子束流及/或相對大離子束點尺寸可增加在表面產生的粒子數量，而可減少用於決定關於樣品之所需資訊的時間量。
於如前面兩段所討論的實施例中，在第一模式及第二模式操作之間切換，典型不僅涉及操控氣體場離子顯微系統而改變在樣品的離子流及/或離子束點尺寸，也涉及切換偵測器。選擇性地，不需將樣品移出氣體場離子顯位系統就可達成(例如不需移動樣品)。
於一些實施例，第二操作模式(相對高離子束流及/或相對大離子束點尺寸)用於以相對高的速率對樣品執行化學作用，而第一操作模式用於成像樣品(見上述討論)及/或以相對低的速率對樣品執行化學作用。可對樣品(例如半導體樣品)執行的化學作用類型範例包含例如蝕刻樣品及/或沉積材料於樣品上。此類實施例可實施於例如蝕刻樣品的截面而對樣品裸露的感興趣區域進行後續檢查。通常蝕刻樣品以形成截面可花費實質比檢查製成品還久的時間，因此使用相對高的離子束流及/或相對大的離子束點尺寸可減少在準備/分析樣品的時間。選替地或此外，在檢查樣品裸露的感興趣區域之前，可能希望先形成樣品相當初略切割，而後更精準的蝕刻樣品。因此，於初始準備截面時使用相對高離子束流及/或相對大離子束點尺寸是有利的，因為犧牲精準性可換來速度，也因為後續可利用相對低離子束流及/或相對小離子束點尺寸來精準微調截面。於一些實施例，相對高的離子束流及/或相對大的點尺寸用於在樣品中形成截面，而後不需利用相對精準的中間程序來微調截面就取得樣品的影像。於某些實施例，相對高離子束流及/或相對大離子束點尺寸用於在樣品中形成截面，而後利用相對低離子束流及/或相對小離子束點尺寸來修飾樣品截面(例如提供更精準形成的截面)，而後可選擇性地取得樣品的影像。於這些實施例，在第一模式及第二模式之間的切換可能不僅涉及操控氣體場離子顯微系統以改變在樣品的離子流及/或離子束點尺寸，也可能涉及在一個模式使用偵測器而不在另一模式使用。選擇性地，相對高離子流及/或相對大離子束點尺寸操作比相對低高離子流及/或相對小離子束點尺寸的兩倍還要久(例如至少五倍、至少10倍)。
於一些實施例，當蝕刻樣品時，使用相對重的氣體加強蝕刻速率是有利的。舉例而言，可使用Ne、Ar、Kr及/或Xe。如此在例如試圖於樣品形成截面可能特別地有益。
當沉積材料時，於一些實施例，使用相對輕的氣體(例如He、3 He、分子氫)來降低離子束引致的濺鍍可能是有利的，其中濺鍍可能與所需的沉積製程產生競爭及/或干擾。於一些案例中，在樣品上沉積材料涉及離子束與適當氣體(例如Cl2 、O2 、I2 、XeF2 、F2 、CF4 、H2 O、XeF2 、F2 、CF4 、WF6 )間的相互作用。
於某些實施例，當得到關於樣品的化學資訊時，使用相對重的氣體(例如Ne、Ar、Kr及/或Xe)來加強對樣品更高質量構成的靈敏度可能是有利的(例如當偵測散射離子時)。
於一些實施例，例如當執行二次離子質譜分析作為偵測技術時，使用分子氧作為氣體因可造成濺鍍材料較高的離子化分率而可能是有利的。
當第一模式描述為涉及相對低離子流，在第一模式下的亮度及/或展度(etendue)仍可相當高。於第一模式的某些實施例，離子束在樣品表面具有5x108 A/m2 srV或更多降低的亮度(例如1x109 A/cm2 srV或更多、1x1010 A/cm2 srV或更多)。如於此所用的，降低的亮度定義如美國專利申請公開案US 2007/0158558。於第一模式的某些實施例，離子束在樣品表面具有5x10-21 cm2 sr或更少的展度(例如1x10-22 cm2 sr或更少、1x10-23 cm2 sr或更少、1x10-23 cm2 sr或更少、1x10-24 cm2 sr或更少)。如於此所用的，展度定義如美國專利申請公開案US 2007/0158558。於第一模式的一些實施例，離子束在樣品表面具有1x10-16 cm2 sr或更少的降低展度(例如1x10-17 cm2 sr或更少、1x10-18 cm2 sr或更少、1x10-19 cm2 sr或更少)。如於此所用的，降低的展度定義如美國專利申請公開案US 2007/0158558。於第一模式的一些實施例，離子束在樣品表面具有1x109 A/cm2 sr的亮度(例如1x1010 A/cm2 sr或更多、1x1011 A/cm2 sr或更多)。如於此所用的，亮度定義如美國專利申請公開案US 2007/0158558。
雖然實施例以樣品為半導體製成品形式說明，於一些實施例，可使用其他類型的樣品。範例包含生化樣品(例如組織、核酸、蛋白質、碳水化合物、脂質、及細胞膜)、醫藥樣品(例如小分子藥物)、冷凍水(例如冰)、用於磁儲存裝置的讀/寫頭、金屬及合金樣品。例示範例揭露於例如美國專利申請公開案US 2007-0158558。
雖然實施例以第一模式及第二模式用於蝕刻來說明，於一些實施例中，一個模式可用於蝕刻而另一模式可用於沉積。於某些實施例，第一模式及第二模式用於沉積。於一些實施例，利用相對大離子束流及/或相對大離子束點尺寸對樣品執行的化學作用速率，可至少為利用相對低離子束流及/或相對小離子束點尺寸對樣品執行的化學作用速率的兩倍(例如至少為5倍、至少為10倍)。
雖然實施例以氣體場離子顯微系統操作於兩個不同模式來說明，於一些實施例中，可使用比兩個模式還多的模式(例如3個模式、4個模式、5個模式、6個模式、7個模式、8個模式、9個模式、10個模式等)。不同的模式可藉由離子束流、離子束點尺寸、所用偵測器、所偵測粒子、及/或對樣品所執行的化學作用來定義。
雖然實施例以離子束中與樣品相互作用的大部分離子在第一模式是由尖端的一個原子所產生，而第二模式是由尖端的複數個原子所產生來說明，更一般而言，離子束中與樣品相互作用的大部分離子在第一模式是由尖端的原子數量比第二模式的尖端的原子數量還少所產生的(例如少1個原子、少2個原子、少3個原子、少4個原子)。
一般而言，於此所述的任何系統及/或方法可以電腦硬體或軟體或兩者的組合來實施及/或控制。系統及/或方法可實施成使用標準程式化技術遵循於此所述之方法及特徵的電腦程式。程式碼可應用於輸入資料，以執行於此所述的功能並產生輸出資訊。輸出資訊應用於一或更多的輸出裝置，例如顯示監視器。各程式可實施成高階程序或物件導向的程式語言，以與電腦系統溝通。然而，若有需要，程式可實施成組件或機器語言。於任何情況，語言可為編譯的或演繹的語言。再者，程式可執行於針對目的預先規劃的專用積體電路。各此類的電腦程式可儲存於可由一般或特殊目的可程式化電腦所讀取之儲存媒體或裝置(例如ROM或磁碟)，用於當儲存媒體或裝置由電腦讀取而執行於此所述的程序時來組態及操作電腦。於程式執行期間，電腦程式亦可駐存於快取或主記憶體。本方法及其部分亦可實施為組態有電腦程式之電腦可讀取儲存媒體，其中儲存媒體組態成可使電腦以特定預定方式操作，以執行於此所述的功能。
一般而言，前述實施例的各種觀點可依所需結合。
其他實施例由申請專利範圍所涵蓋。
100．．．氣體場離子顯微系統
110．．．氣體源
120．．．氣體場離子源
130．．．離子光學件
140．．．樣品操控器
150．．．前側偵測器
160．．．後側偵測器
170．．．電子控制系統
172a-172f．．．通訊線
180．．．樣品
181．．．表面
182．．．氣體
183．．．表面
186．．．尖端
187．．．尖端頂點
188．．．抑制器
190．．．擷取器
192．．．離子束
194．．．粒子
200．．．顯微系統
202．．．第一真空殼
204．．．第二真空殼
208．．．尖端操控器
216．．．第一透鏡
218．．．散光校正器
219．．．掃描偏向器
220．．．偏向器
221．．．掃描偏向器
222．．．偏向器
224、224a．．．孔徑
225a-225g．．．開口
226．．．第二透鏡
227．．．樞軸點
228．．．輸送管
229a-229e．．．開口
230．．．流量調節器
232．．．溫度控制器
234．．．孔徑支架
236、237．．．真空泵
圖1為離子顯微系統之示意圖。
圖2為氣體場離子源之示意圖。
圖3為氣體場離子顯微系統之示意圖。
圖4為多開口孔徑實施例之上視圖。
圖5為多開口孔徑實施例之上視圖。
100．．．氣體場離子顯微系統
110．．．氣體源
120．．．氣體場離子源
130．．．離子光學件
140．．．樣品操控器
150．．．前側偵測器
160．．．後側偵測器
170．．．電子控制系統
172a-172f．．．通訊線
180．．．樣品
181．．．表面
182．．．氣體
183．．．表面
192．．．離子束
194．．．粒子

Claims (38)

  1. 一種操作包含一氣體場離子源之一氣體場離子顯微系統之方法，該氣體場離子源包含複數原子之一尖端，該方法包含：以一第一模式操作該氣體場離子顯微系統，包含使一第一離子束與一樣品相互作用，其中該第一離子束中至少約80%的離子係藉由該尖端之該複數原子中一第一原子數量而產生；以及以一第二模式操作該氣體場離子顯微系統，包含使一第二離子束與該樣品相互作用，其中該第二離子束中至少約80%的離子係藉由該尖端之該複數原子中一第二原子數量而產生；其中該第一模式不同於該第二模式，且該第一原子數量不同於該第二原子數量，在該第一模式與該第二模式的操作之間並未將該樣品移出該氣體場離子顯微系統。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該尖端之該複數原子中該第一原子數量為一個原子。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該尖端之該複數原子中該第二原子數量為至少兩個原子。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該尖端之該複數原子中該第二原子數量為兩個原子。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該尖端之該複數原子中該第二原子數量為三個原子。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該尖端具有本身有三個原子的一終端架。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該尖端之該複數原子中該第一原子數量為一個原子。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該尖端之該複數原子中該第二原子數量為三個原子。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中在該第一模式與該第二模式的操作之間並未將該樣品移出該氣體場離子顯微系統。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該第二原子數量為三個原子。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一模式包含形成該樣品之一影像。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該第二模式包含得到關於該樣品的化學資訊。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二模式包含得到關於該樣品的化學資訊。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一模式包含偵測粒子，以提供關於該樣品的資訊，而該第二模式包含對該樣品執行化學作用。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中關於該樣品的資訊包含由以下群組所選出的資訊：該樣品的一影像以及關於該樣品的化學資訊。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該化學作用包含蝕刻該樣品。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該化學作用包含沉積材料於該樣品上。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一模式包含對該樣品執行第一類型的化學作用，而該第二模式包含對該樣品執行第二類型的化學作用，該第二類型的化學作用不同於該第一類型的化學作用。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該第一類型的化學作用包含蝕刻該樣品，而該第二類型的化學作用包含沉積材料於該樣品上。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一模式包含對該樣品執行化學作用一段第一時間，而該第二模式包含對該樣品執行化學作用一段第二時間，該段第二時間至少為該段第 一時間的兩倍長。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該段第二時間至少為該段第一時間的五倍長。
  22. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該段第二時間至少為該段第一時間的十倍長。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中對該樣品執行該段第一時間的該化學作用與對該樣品執行該段第二時間的該化學作用是相同類型的化學作用。
  24. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中對該樣品執行該段第一時間的該化學作用與對該樣品執行該段第二時間的該化學作用是不同類型的化學作用。
  25. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一離子束在該樣品之一表面具有1奈米安培或更少的電流。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中該第二離子束在該樣品之該表面具有10微微安培或更多的電流。
  27. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二離子束在該樣品之一表面具有10微微安培或更多的電流。
  28. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一離子束在 該樣品之一表面具有1x109 A/cm2 sr或更多的亮度。
  29. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一離子束在該樣品之一表面具有5x108 A/cm2 srV或更多的降低亮度。
  30. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一離子束在該樣品之一表面具有1x10-16 cm2 sr或更少的降低展度。
  31. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一離子束在該樣品之一表面具有一第一離子流，該第二離子束在該樣品之該表面具有一第二離子流，而該第二離子流為該第一離子流的至少兩倍。
  32. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一離子束在該樣品之一表面具有一第一光點尺寸，該第一光點尺寸具有10奈米或更少的最大尺寸。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之方法，其中該第二離子束在該樣品之該表面具有一第二光點尺寸，該第二光點尺寸具有10奈米或更多的最大尺寸。
  34. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該複數原子中該第一原子數量在該第一離子束中產生至少90%的離子。
  35. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該複數原子中該第一原子數量在該第一離子束中產生至少95%的離子。
  36. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該複數原子中該第二原子數量在該第二離子束中產生至少90%的離子。
  37. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該複數原子中該第二原子數量在該第二離子束中產生至少95%的離子。
  38. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一模式包含偵測由該第一離子束與該樣品相互作用所產生的二次電子，以形成該樣品之一影像，而該第二模式包含偵測離子，以決定關於該樣品的化學資訊。
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