自动化样品定向的制作方法
【专利摘要】在此披露了一种用于对放置在真空室内的样品进行对准从而使得样品被定向成与聚焦离子束垂直的方法。使用聚焦例程确定样品表面上不同斑点的位置。不同斑点的位置用于创建确定所需要的准确校准的影像线或影像平面。然后，该影像线或影像平面用于对样品台进行校准，从而使得样品被对准成基本上与聚焦离子束垂直。
【专利说明】自动化样品定向
发明【技术领域】
[0001]本发明涉及样品的制备以及用于透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜的分析方法。
发明背景
[0002]半导体制造例如集成电路的制作通常需使用光刻法。上面形成有电路的半导体基底(通常为硅晶片)用例如光致抗蚀剂等材料涂覆，该材料在曝露在辐射下时会改变溶解度。位于辐射源与半导体基底之间的光刻工具例如掩模或光罩投射出一个阴影以控制基底中哪些区域曝露在辐射下。在曝露之后，将光致抗蚀剂从或者曝露区域或者未曝露区域中移除，从而在晶片上留下经图案化的光致抗蚀剂层，该光致抗蚀剂层在随后的蚀刻或扩散过程中保护晶片的各部分。
[0003]光刻工艺允许在每个晶片上形成多个集成电路器件或机电器件，通常称为“芯片”。该晶片随后被切成单独裸片，每个裸片包括单个集成电路器件或机电器件。最终，这些裸片经受额外操作并且被封装到单独集成电路芯片或机电器件内。
[0004]在制造过程中，曝露和聚焦的变化要求连续监控或测量由光刻工艺形成的图案以确定这些图案的尺寸是否在可接受的范围内。通常被称为过程控制的这种监控的重要性随着图案尺寸变小而显著增加，尤其是当最小特征尺寸接近光刻工艺可获得的分辨率极限时。为了实现越来越高的器件密度，需要越来越小的特征尺寸。这可能包括互连线的宽度和间距、接触孔的间距和直径以及各种特征的表面几何形状例如角和边缘。晶片上的特征为三维结构，并且完整的表征不仅必须描述该特征的表面尺寸，例如线或沟槽的顶宽，而且还要描述该特征的完整三维轮廓。工艺工程师必须能精确地测量此些表面特征的临界尺寸(⑶)以对制作过程进行微调并且确保获得所希望的装置几何形状。
[0005]典型地，使用例如扫描电子显微镜(SEM)等仪器来进行⑶测量。在扫描电子显微镜(SEM)中，初级电子束聚焦到一个细斑点上以对有待观察的表面进行扫描。当该表面被初级射束冲击时，从该表面发出次级电子。检测到这些次级电子，随后形成一张影像，其中该影像中每个点处的亮度由射束冲击该表面上的相应斑点时检测到的次级电子的数量决定。然而，随着特征继续变得越来越小，会出现这样一个点，在该点处有待被测量的特征对于普通SEM所提供的分辨率而言过小。
[0006]透射电子显微镜(TEM)允许观察者看到纳米级的极小特征。与只使材料的表面成像SEM，TEM还允许分析样品的内部结构。在TEM中，宽束冲击样品并且透射穿过样品的电子被聚焦以形成样品的影像。样品必须足够薄以允许初级束中的许多电子行进穿过样品并在相反位置上射出。样品(也被称为薄片)厚度通常小于lOOnm。
[0007]在扫描透射电子显微镜(STEM)中，初级电子束聚焦到一个细斑点上，并且跨样品表面对该斑点进行扫描。透射穿过工件的电子由位于样品远侧上的电子检测器收集起来，并且影像上每个点的强度对应于当初级束冲击表面上的相应点时所收集的电子的数量。
[0008]因为样品必须很薄以便用透射电子显微术观察(无论是TEM还是STEM)，所以样品的制备是一项精细、耗时的工作。此处所用的术语“TEM”是指TEM或STEM并且对制备用于TEM的样品的引用被理解成还包括制备用于在STEM上观察的样品。此处所用的术语“S/TEM”也是指TEM和STEM两者。
[0009]用于制备TEM试样的几种技术是众所周知的。这些技术会涉及到劈裂、化学抛光、机械抛光、或宽束低能离子铣削、或结合上述中的一种或多种。这些技术的缺点在于，它们不是位置特定的并且经常需要将起始材料分成越来越小的片，从而破坏大部分原始样品。
[0010]在测量学中，正确的STEM和TEM分析经常需要精确的晶体对准。按照同样道理，非晶体材料需要材料堆叠对准。用于晶体结构的对准或非晶体材料的材料堆叠对准的传统例程涉及到会在定位或倾斜样品时需要多个聚焦例程的非常耗时的例程。
[0011]需要一种使TEM样品与入射TEM或STEM束或带电粒子束对准的可重复的方法。一种使样品对准的不取决于样品的结晶定向的鲁棒且容易的方法的例程会提高分析过程的吞吐量。
发明概述
[0012]因此，本发明的目标是提供一种用于对TEM或STEM分析中的样品进行定向的改进方法。本发明的优选实施例提供了一种选定相关区域、在该相关区域上选择两个点、创建这两个点的影像线以及对该线进行校准使得该影像线垂直于入射的带电粒子束的方法。
[0013]本发明的一些优选实施例提供了一种用于使用来自相关区域的三个点对TEM或STEM分析中的样品进行定向并且创建可以用于校准样品的影像平面的方法。
[0014]为了可以更好地理解以下本发明的详细说明，上文已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点。下文将描述本发明的附加特征和优点。本领域技术人员应认识到所披露的概念和具体实施例可容易地用作改进或设计用于实施本发明相同目的其他结构的基础。本领域的技术人员还应认识到这些同等构造不脱离如所附权利要求中所阐明的本发明的精神和范围。
附图简要说明
[0015]为了更加彻底地理解本发明和本发明的优点，现在结合附图参考以下说明，其中:
[0016]图1为一个流程图，示出了根据本发明的优选实施例的涉及两个点的选定的标准对准程序；
[0017]图2为一个示意图，示出了根据本发明的优选实施例的样品台的变动如何可以准确地使样品与带电粒子束对准；
[0018]图3展示了本发明的优选实施例的对准前的真空室；
[0019]图4展示了本发明的优选实施例的对准后的真空室；
[0020]图5为一个流程图，示出了根据本发明的优选实施例的涉及三个点的选定的标准对准程序；
[0021]图6展示了形成一个平面的三个点的三角测量，从而使得可以根据本发明的优选实施例进行样品的准确对准；以及
[0022]图7展示了本发明的优选实施例的样品台，其示出了如何可以在不同轴上使样品台倾斜。
优选实施方案的详细描述
[0023]本发明的实施例针对用于TEM样品对准的改进方法，通过使用多种方法在样品的分开的位置上聚焦以确定其相对于带电粒子束的定向。一旦确定了定向，则可以在X-Y-Z轴上改变样品台以准确地将样品对准成与带电粒子束垂直。这种方法论允许带有高吞吐能力的各易且鲁棒的样品对准。
[0024]图1示出了根据本发明的一个实施例的方法的流程图。此方法允许通过利用系统在样品的两个分开的点上聚焦并且使用聚焦系统确定距离固定点的距离的能力来对样品进行二维定向。该固定点通常是一个在物镜上共心的点。使用传统自动聚焦方法或手动聚焦方法执行聚焦。传统自动聚焦方法允许使用者辨别出距离固定点的距离。主动自动聚焦例程可以发出超声声波或红外光并且计算其反射的延时以确定距离。被动自动聚焦例程将来自样品的光的反射分成多对并且对它们的相位变化进行对比。手动聚焦例程也允许确定样品上的分开的点距离固定点的距离。FEI公司的TEM链接(TEMLink)的基于Windows?的图形用户界面指导与向导式(Wizard Style)例程的使用在贯穿允许使用者对距离样品位置的距离进行准确确定的特定步骤中指导使用者。该系统可以允许对薄片定向进行确定。
[0025]当样品的一侧高于另一侧时使用样品的二维对准，从而使得样品不与带电粒子束对准。如图2中所示，左侧上的样品201没有准确地对准带电粒子束202。样品201的第一侧203比第二侧204更接近对准带电粒子束202。聚焦例程可以确定第一侧203距离与带电粒子束202共心的固定点206的距离。另一个聚焦例程可以确定第二侧204距离固定点206的距离。通过计算第一侧203和第二侧204的距离之间的差值，可以使用一种算法在第一侧203和第二侧204的点之间绘出一条线并且和与该带电粒子束正交的线相比确定其定向。一旦确定了线的定向，自动控制系统或手动控制系统可以确定在Y轴转动207中转动样品台多少从而使得第一侧203和第二侧204距离固定点206的距离相等。出于计算目的，应该指出的是可以考虑许多其他点作为固定点，如聚焦探针的点。一旦第一侧203和第二侧204距离固定点206的距离相等，则认为相对于带电粒子束202对样品准确地进行了一维定向。
[0026]对于使用者而言，图1的第一步骤102是将样品装到包含带电粒子束的真空室内。该系统可以是TEM或STEM。在下一个步骤104中，在Z轴上用带电粒子束驱动样品。在一种自动共心例程中，可以拍摄影像，然后拍摄参考影像。使样品台倾斜并且拍摄第二参考影像。XY空间沿已知的倾斜移动会产生一个移动该台以校正Z轴的向量。
[0027]在另一种自动共心例程中是通过在连续倾斜样品的过程中使特征移动最小化。在手动例程中，焦点被设置成在共心高度处被优化，其涉及到该台的连续移动，直到影像被清晰地聚焦。一旦影像停止移动，则认为样品处于共心高度。
[0028]根据本发明的实施例，选择样品201的一个区域用于对准，并且在步骤106中，确定该区域的第一斑点。聚焦例程将确定第一次停止的X，Y点位置。在步骤108中，通过将带电粒子束202移动到该位置上并且运行聚焦例程来确定所选区域上的第二斑点的X，Y点位置。在步骤110中，控制器(未示出)用于确定在第一两点之间所绘的线的定向。在步骤112中，使用一种算法，对这两点之间的线的定向与和带电粒子束202垂直的虚法线进行对比。在步骤114中，在Y轴上倾斜样品台以根据上述计算对样品进行定向。如果样品与带电粒子束准确对准(步骤116)，则在步骤118中对准例程结束并且样品准备进一步的成像或分析。如果没有准确地对准样品，则可以通过回到步骤106再次执行该程序。
[0029]图3示出了带有带电粒子束柱302的真空室301，该带电粒子束柱具有带电粒子束202。带电粒子束202指向已经在Z轴被驱动的样品201。样品201具有一个用于对准的区域303。一旦使用者选定了一个用于对准的表面区域303，则使用者将在该区域中为聚焦例程选定不同的点。将通过用于对准的表面区域303的定向来确定样品201的对准。固定点(通常是透镜305上的共心点306)将用于确定经历聚焦例程的点中的每一个点的距离。XY台304能够在Y轴上转动，从而使得用于对准的表面区域303可以用带电粒子束202进行定向。一旦用于对准的表面区域303经历了图1的对准程序，则如图4中所示，用于对准的表面区域303将被对准成与带电粒子束202正交。图4示出了在已经转动XY台304以准确对样品进行定向后的用于对准的系统。
[0030]尽管以上实施例在对一侧比另一侧高时的样品的准确定向进行确定中对使用者具有良好的帮助，但常常并不对样品准确地进行一维以上的定向。例如，样品台上的样品可能具有在一维以上中未准确地用带电粒子束进行定向的相关区域。该相关区域在X和Y方向上可能未对准。在这种情况下，本发明的另一个优选实施例使用了相关区域上的三个点来执行通过计算这三个点共享的平面来对样品的定向进行确定的自动聚焦例程。
[0031]图5示出了优选实施例的流程图，该优选实施例具有三个用于样品与带电粒子束对准的点。与样品的两点对准类似，三点对准从步骤502开始，其中，使用者将样品装到包含带电粒子束的真空室内。在下一个步骤504中，在Z轴上用带电粒子束驱动样品。然后，选择一个用于对准的相关区域303。在步骤506中，确定用于聚焦例程的第一斑点的位置。聚焦例程将确定点在X、Y和Z方向上的确切位置。在步骤508和510中，在X，Y，Z方向上确定第二斑点和第三斑点位置。在执行聚焦例程前将带电粒子束移动至这些位置中的每个位置。在步骤512中，控制器(未示出)用于使用三个点绘制出一个平面，并且在步骤514中，使用三个点的平面的定向与带电粒子束的轴进行对比。
[0032]图6示出了具有点802、803和804的来样801的三维视图。来样801没有与带电粒子束805对准。点802、803和804都可以在距离带电粒子束的共心固定点不同距离处，在大多数情况下，该共心固定点为带电粒子束的透镜上的一个共心点。使用三个点802、803和804确定的平面与带电粒子束的法平面进行对比。常规算法用于限定平面。可以通过使用者选定三角测量的角帮助进行点的图形三角测量。对准后的样品将用所有三个点802、803和804形成一个与带电粒子束805垂直的平面。
[0033]图7示出了样品台701。样品台701具有α -倾斜转动轴702和β -倾斜转动轴703，该β -倾斜转动轴允许XY平面移动，从而使得样品上的相关区域可以被对准成与带电粒子束垂直。形成定向前的样品的影像平面并且执行所必要的α-倾斜转动轴702和
倾斜转动轴703的必要的校准。图5的步骤516示出了根据相关区域的定向在α-倾斜转动轴和β_倾斜转动轴上改变样品台的下一个步骤。如果样品与带电粒子束准确地对准了(步骤518)，则在步骤520中对准例程结束并且样品准备进一步的成像或分析。通过点802、803和804的聚焦例程确定的影像平面的平移允许精确的样品对准，使相关区域与入射的带电粒子束垂直。如果没有准确地对准样品，则可以通过回到步骤506再次执行该程序。
[0034]该例程可以独立于结晶定向，其产生比传统方法论快得多的对样品的定向进行管理的能力。与180秒到360秒完成已知的传统CD-STEM自动化例程相反，本发明利用了一种可以在小于45秒内完成的例程。因此，该例程还可以结合补充性对准步骤将结晶结构考虑在内。
[0035]根据本发明的一些实施例，一种用于在带电粒子束系统中对准样品的方法包括:将样品装到具有带电粒子束的真空室内；将该样品放在带电粒子束下面；将该带电粒子束引导至样品表面上的至少两个不同斑点；在该至少两个不同斑点上聚焦；确定每个斑点距离与该样品基本上共心的固定斑点的距离；以及使用每个斑点的距离对该样品进行定向，从而使得该样品对准聚焦离子束。
[0036]在一些实施例中，两个不同的斑点用于创建一条用于样品定向的线。在一些实施例中，通过在该线上制作与固定斑点等距离的斑点来执行样品定向。在一些实施例中，两个不同的斑点用于创建一个用于样品定向的二维平面。
[0037]在一些实施例中，通过在XY平面中移动该台来执行该样品的定向。在一些实施例中，使用自动聚焦例程执行聚焦。在一些实施例中，使用手动聚焦例程执行聚焦。
[0038]根据本发明的一些实施例，一种用于在带电粒子束系统中对准样品的方法包括:将样品装在具有带电粒子束的真空室内的样品台上；在与该带电粒子束相一致的Z轴上对该样品进行校准；选定该样品的一个区域以进行定向；使该带电粒子束瞄准该样品的该区域的第一斑点以进行定向；执行第一聚焦例程以限定第一 X，Y，Z点；在乂_￥平面中移动该带电粒子束；执行第二聚焦例程以限定第二 X，Y，Z点；使用该第一 X，Y，Z点和该第二 X，Y，Z点确定该样品的定向；以及改变该样品台的定向，从而使得使该样品对准到该带电粒子束。
[0039]在一些实施例中，使用自动聚焦透镜执行该第一聚焦例程和该第二聚焦例程。在一些实施例中，使用手动聚焦程序执行该第一聚焦例程和该第二聚焦例程。
[0040]在一些实施例中，该方法进一步包括以下步骤:执行第三聚焦例程以限定第三X，Y，Z点；以及使用第一 X，Y，Z点和第二 X，Y，Z点以及第三X，Y，Z点确定该样品的二维定向。在一些实施例中，该样品的二维定向用于将该样品对准成基本上与该带电粒子束垂直。在一些实施例中，该第一、第二和第三聚焦例程使用自动聚焦透镜。在一些实施例中，该第一、第二和第三聚焦例程使用手动聚焦例程。
[0041]虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是应理解到，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种变化、代替以及改变。而且，本发明的范围并非旨在局限于在本说明书中所述的工艺、机器、制造物、物质的组合物、手段、方法以及步骤的具体实施例。如本领域的普通技术人员将从本发明的披露中轻易认识到的，可以根据本发明利用现有的或往后要开发的、大体上执行相同功能或大体上实现和此处所述的对应实施例相同结果的工艺、机器、制造物、物质的组合物、手段、方法或步骤。相应地，所附权利要求书是旨在于将此类工艺、机器、制造物、物质的组合物、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。<0
【权利要求】
1.一种用于在带电粒子束系统内对样品进行对准的方法，包括: 将样品装载到具有带电粒子束的真空室内； 将该样品放在带电粒子束下面； 将该带电粒子束引导至该样品表面上的至少两个不同的斑点； 在该至少两个不同斑点上聚焦； 确定每个斑点距离基本上与该样品共心的固定斑点的距离； 使用每个斑点的距离对该样品进行定向，从而使得该样品对准到该聚焦离子束。
2.如权利要求1所述的方法，其中，两个不同的斑点用于创建一条用于样品定向的线。
3.如权利要求2所述的方法，其中，通过使该线上的该斑点距离固定斑点距离相等来执行该样品定向。
4.如权利要求1所述的方法，其中，三个不同的斑点用于创建一个用于样品定向的二维平面。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中，通过在XY平面中移动台来执行该样品的定向。
6.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中，使用自动聚焦例程执行聚焦。
7.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中，使用手动聚焦例程执行聚焦。
8.一种用于在带电粒子束系统内对样品进行对准的方法，包括: 将样品装载到具有带电粒子束的真空室内的样品台上； 在与该带电粒子束相一致的Z轴上对该样品进行校准； 选定该样品的一个区域以进行定向； 使该带电粒子束瞄准该样品的该区域的第一斑点以进行定向； 执行第一聚焦例程以限定第一 X，Y，Z点； 在X-Y平面中移动该带电粒子束； 执行第二聚焦例程以限定第二 X，Y，Z点； 使用该第一 X，Y，Z点和该第二 X，Y，Z点确定该样品的定向；以及 改变该样品台的定向，从而使得使该样品对准到该带电粒子束。
9.如权利要求8所述的方法，其中，使用自动聚焦透镜执行该第一聚焦例程和该第二聚焦例程。
10.如权利要求8所述的方法，其中，使用手动聚焦程序执行该第一聚焦例程和该第二聚焦例程。
11.如权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤: 执行第三聚焦例程以限定第三X，Y，Z点； 使用该第一 X，Y，Z点、该第二 X，Y，Z点以及第三X，Y，Z点确定该样品的二维定向。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该样品的二维定向用于将该样品对准成基本上与该带电粒子束垂直。
13.如权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，该第一、第二和第三聚焦例程使用自动聚焦透镜。
14.如权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，该第一、第二和第三聚焦例程使用手动聚焦例程。
【文档编号】H01L21/68GK103824798SQ201310566530
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2012年11月15日
【发明者】J.阿加瓦奇 申请人:Fei 公司