[发明专利]在聚焦离子束显微镜中进行快速样品制备的方法和装置

说明书

本申请是申请日为2004年11月3日、国际申请号为 PCT/US2004/036560、国家申请号为200480033062.7、发明名称为“在聚焦 离子束显微镜中进行快速样品制备的方法和装置”的发明专利申请的分案 申请。

优先权要求

本申请要求2003年11月11日提交的美国临时专利申请No.60/19,046 的优先权。

技术领域

本发明涉及聚焦离子束(FIB)显微镜的使用，其用于制备样品，供在 透射电子显微镜(TEM)中进行后续分析，还涉及便于进行这些活动的装 置。

背景技术

在当前集成电路器件的器件区域和互连叠层中，结构化的人工制品， 甚至是某些结构化层可以小到不能用扫描电子显微镜(SEM)中的辅助电 子图像或者FIB来进行可靠检测，该显微镜可提供约为3nm的体表面图像 分辨率。与之相比，TEM检验可提供更精细的图像分辨率(＜0.1nm)，但 是需要安装在3mm直径栅格盘上的样品具有能透过电子(electron transparent)(＜100nm厚度)的部分。

后来发展的技术可以用于切出或移走样本以用于检查，该检查很少需 要或者不需要在FIB中进行制备之前进行初始半导体模具样品的初步机械 制备。这些取样技术包括在FIB室外面进行的“离位”方法，以及在FIB 内进行的“原位”方法。

这种原位取样技术是一系列FIB研磨和样品移动步骤，用于产生具体 与位置相关的样本，用于在TEM或其他分析仪器中进行随后的观察。在原 位取样过程中，包含感兴趣区域的材料样品(通常是楔形的)首先通过FIB 中的离子束研磨过程从块样品如半导体晶片或模具中完全分离出来。此样 品通常为10×5×5μm大小。然后使用内部纳操纵器与离子束辅助化学汽 相沉积(CVD)工艺相结合进行取样样品的去除，该CVD工艺可用FIB工 具获得。合适的纳操纵器系统是由Dallas，Texas的Omniprobe Inc.，制造的 Omniprobe AutoProbe 200。在CVD工艺中所沉积的材料通常为金属或氧化 物。

然后将TEM样品架定位在FIB的视场中，且用纳操纵器使取样样品降 到样品架的边缘。然后用FIB真空室内的CVD金属沉积量将样品固定到 TEM样品架上。一旦样品连接到该TEM样品架上，探针针尖就通过离子 研磨与样品分离。该方法中涉及包括TEM样品架的操作的部分被称为“样 品架连接”步骤。然后可以使用传统的FIB研磨步骤对样品进行研磨，以 准备出一个薄的区域，用于进行TEM检验或其他分析。关于原位取样方法 的详细介绍可以在美国专利No.6,420,722和6,570,170的说明书中找到。这 些专利说明书的内容结合在此作为参考，但它们并不应该被认为由于在此 背景部分中提及而构成相对于本发明的现有技术。

原位取样技术已被广泛使用，因为该方法允许人们利用FIB的独特能 力，并将这些能力扩展到对下一代器件中的结构和缺陷进行检验。由于新 FIB仪器可获得小的离子束光斑尺寸(例如＜10hm)所以目前的FIB样本制 备技术可以在对位置特征有需求的地方提供最好的空间分辨率。

这种原位取样方法的变化涉及取样样品的“背面研磨”。这一变化根据 “浴帘(shower curtain)”效应这一问题而提出的，其中，在集成电路表面 上的非均匀高密度材料会在TEM制备的最终减薄过程后在取样样品上产生 不平的面。这些不平的面具有与离子束方向平行的竖直脊，这是由于在样 品顶部附近的较密材料具有较慢的离子研磨速度，在此处，顶部被限定为 最靠近离子束源的边缘。在集成电路中这种非均匀层是相当普遍的，例如， 铜或铝互连布线以及钨质电接触器材。在为TEM检验而减薄的区域中取样 样品上的平表面对于TEM技术而言是非常重要的，例如电子全息摄影术。 背面研磨包括在最终减薄过程之前将样品倒置，从而集成电路的活性层之 中或附近的高密度材料不会再对离子研磨结果产生影响。

原位取样过程可以被简化为三个连续的步骤。第一步是使用聚焦离子 束研磨来分离样品并将样品从其沟道中取出。第二步是“样品架连接”步 骤，在该步骤中，样品在探针针尖上被移动到TEM样品架上。然后被连接 到TEM样品架上(通常用离子束诱导的金属沉积)且然后与探针针尖分开。 第三步也是最后一步是使用聚焦离子束研磨将样品减薄成能透过电子的薄 部分。