使用在线纳米探测的贯穿工艺流程的芯片内和芯片间的电分析和过程控制的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2014年6月25日提交的、序列号为62/016,650的美国临时申请的优先权，该申请的公开内容以全文引用的方式并入本文中。

本发明属于半导体制造领域，并且更具体而言，经由晶圆级工艺监测的纳米探测来实现电气测量以完成在线监测、缺陷复检以及工艺控制。

背景技术：

工艺工程师试图获得与他们构建的器件和电路有关的尽可能多的信息。器件信息可以分为两组：物理特性和电气特性。电气特性给出了所制造器件的最终性能，如果这些符合设计，则实际上不需要其他的来进行工艺监测和控制。当然，如果工艺从未随着时间而中断或偏移，则电气特性就足够了。然而，当工艺中断或偏移并且工厂产量下降时，工艺工程师需要执行故障分析(fa)以研究故障并找出哪个工艺失败。在这一点上，物理特性(例如，临界尺寸(cd)、膜厚度和均匀性、化学成分、界面等)的获知突然变得重要。工艺工程师需要研究工艺在哪个具体步骤失败。常常使用对器件的物理建模，以便理解电气属性对器件的物理参数和工艺公差的依赖性。这个经典的方案很多年来工作得很好。然而，最近这个方案开始失效，并且由于增加的制造复杂性，预计该方案的失效率将增加。

在当前和未来的芯片中，内部器件与原子尺寸变得相当。这意味着表面和接口对器件性能会产生显著的影响。大型材料模型并未很好地描述器件电气性能对尺寸、材料成分(例如，掺杂、si氮氧化物、hf氧化物等)和物理特性的依赖性。此外，尺寸计量和物理表征的精度也降低。因此，产量和工艺工程师在他们可用的物理和尺寸信息越来越少的情况下，面临着找到故障根本原因的新挑战。

为了解决这个问题，工程师必须使用越来越多的器件本身的电气特性。不幸的是，电气数据仅在形成至少一个互连级时才可用。在大多数情况下，电路的关键元件仅可以在构建了若干层互连件之后才可以被测试。这花费时间和资源，并且常常导致许多昂贵的晶圆废弃。

当前，没有前端在线工艺监测是电气的。实际上所有的电气测量都至少是在第一金属完全被制造之后(即，在后端制造期间)进行的。这在工艺中太晚了，因为到那个阶段已经完成了制造芯片的功能器件(例如，晶体管、存储器单元等，通常被称为前端)所需的所有过程。如果在前端制造步骤期间出现了问题并且在该时间段内未检测出问题，则会废弃许多晶圆。问题发现的越早，预期的损失就越少。当前的前端监测工具常常找出不会影响电气性能的缺陷并且在其它情况错过不会影响性能的缺陷。完全“杀死”器件的缺陷被称为“杀手缺陷”。作为规则，它们仅在ic被完全制造和电测试之后被发现。在可以在物理故障分析(pfa)中识别出“杀手”之前，有缺陷的ic经历故障隔离和纳米探测。如果在工艺流程中早期进行电测量，那么这些“杀手”中的许多和性能缺陷将被提早发现。因此，电纳米探测的对称传导和在流程中的早期进行能够早期地捕获(新的)“杀手”缺陷并防止晶圆废弃。

在实践中，专门使用经设计的测试结构来执行电测试，其中几乎所有的电测试结构都位于切割线上因为ic基板是非常昂贵的，尤其是在生产芯片方面。然而，在本领域中对于技术人员已知的是器件的电特性取决于特定布局(微负载效应)并且还跨管芯/芯片变化(宏负载效应)。处于切割线上而并不是真实芯片的测试结构不会正确地反应芯片内真实器件的电性能。因此，受到微负载效应和宏负载效应对电特性的影响的电气性质的内部芯片分布仅是未知的。

为了对电路进行电气测试，探针必须物理地接触ic内的器件的元件。然而，接触和扫描探针(例如，原子力探针(afp))需要接触和成像力超过制造厂“接受的”所谓的“非接触”力(几纳米牛顿或nn)。针对在工艺流程的早期甚至通过流程逐步地电气表征器件和关键电路的方式，在过去已经提出了各种提议。可能的解决方案的示例可以在美国专利us5,899,703和us6,399,400中找到。

根据一种提议，电介质的牺牲层沉积在感兴趣的层处。新的专门设计的图案(其与芯片的真实电路不同)用于打开感兴趣的过孔(或其它转导元件)。可以通过光刻或使用借助于电子束或激光束的直接刻写来完成图案化。在抛光之后进行的电介质的蚀刻、金属的沉积形成了用于测试感兴趣的器件和电路的牺牲电路。根据作者所言，一旦完成测试，就可以通过蚀刻和抛光来去除顶部金属和电介质层并且可以继续标准流程。

根据另一种提议，设想使用所谓的门阵列ic晶圆制造集成电路(ic)的具体情况。该作者建议停止在互连级，在该互连级可以测试器件和电路的速度。继而根据所获得的关于它们的器件的速度的数据来对晶圆进行分类。速度分级电路位于管芯上或切割线中。在使用互连件的剩余可用层进行测试之后完成了对门阵列晶圆的定制。该提议的目的在于：在完成制造之前对“慢速”“中速”、和“快速”的ic进行分类。

在示例us5,899,703和us6,399,400两者中，牺牲层(顶部或底部层)用于完成晶圆和个体芯片的早期电气诊断。在这两种情况下，需要附加的晶圆处理，其包括对顶部或底部层的昂贵的高分辨率图案化。对晶圆的附加处理和去处理(de-processing)增加了误处理和晶圆废弃的风险。在这两种情况下，大型测试结构(标准测试结构具有40个接触焊盘，其中的每个焊盘都具有50×50μm²或更大的尺寸)的安置受到晶圆和芯片基板的高成本的限制。例如，难以想象若干测试结构跨芯片的安置，例如测试宏负载效应。另外，对标准电气测试结构的使用是微负载效应的限制性研究，因为测试结构具有特定的布局。两种方法对于通过工艺流程试图进行分步实施而言太复杂或/和有风险。换言之，可以偶尔使用这些方法并且在大多数情况下是离线的以解决复杂的监测问题，但难以想象这些方法将按照例程在线使用以用于工艺监测和控制。这只是不切合实际的。

已经开发了能够对个体晶体管和关键性电路进行电气测试的若干纳米探针。现代纳米探针能够对个体器件(晶体管、二极管等)和单个芯片的电路进行电学测试，并且最常用于故障分析。这些工具在单个芯片上运行，而非在晶圆尺寸的样本上。基于afm的探针还可以用于在后接触化学-机械抛光(cmp)工艺步骤对芯片进行非破坏性在线电气探测。不幸的是，对于晶圆尺寸样品的在线afp的实施方式具有若干重要的障碍，一些示例如下所示：

(1)由建立低电阻探针-样品接触部所必需的高探测力引起的样品和探针损坏：

-微粒产生和晶圆污染，

-ic接触损坏(污点)，

-由损坏的迟钝探针引起的低afp空间分辨率。

(2)根据标准工艺流程的晶圆修改和偏离：

-从金属/电介质形貌中显露接触位置所需的层间电介质蚀刻(不能对大多数后cmp样品使用afm来找出接触部)，

-在afp之前需要金属氧化物去除和清洁工艺步骤(接触腐蚀是由金属与cmp浆料或/和大气气体反应产生的)。

因此，至今还未开发晶圆级在线纳米探测器件。相反地，现在使用包括离线纳米探测的新方法来替换传统的工艺控制方案。这些昂贵的离线纳米探测现在被用于技术开发、加强并且甚至是制造控制。这一变化影响了技术开发和制造的成本并且还对最新技术所观察到的产量的系统性降低起作用。

现在没有基于sem的在线晶圆级afm或纳米探针是已知的。已知的是用于测试微芯片的基于sem的离线afm和纳米探针的若干形式。carlzeiss的merlinsem可以与afm和光学显微镜组合。详细信息可以在carlzeiss的“merlinseries”手册中找到。3tb4000系统是nanonicsimagingltd.的组合式afm、fib和sem。该afm使用无激光音叉力传感器。sem和afm混合工具的其它示例是attocubesystemsag(www.attocube.com)和nanosurfag(www.nanosurf.com)、kleindieknanotechnikgmbh(www.kleidiek.com)。在例如美国专利7,285,778、7,319,336、7,675,300和8,536,526中公开了用于测试个体芯片(dut)的具有纳米探针和带电粒子束设备的系统。然而，这些系统不能用于测试晶圆内的芯片并且不能在线使用。

kleindieknanotechnikgmbh已经设计了研究型基于sem和基于fib的离线纳米探针。下一级基于sem的纳米探测由dcgsystems,inc.提供。最新型号nproberⅱ是一种基于sem的离线自动化纳米探针，具有12.5×12.5mm²负载锁定样品、8个低漂移探针和适合于10nm技术的整体能力。

待解决的问题

在上述系统中，纳米针附接到样品台或真空室的侧门。这提供了服务的纳米探针的容易获取，并且实现了纳米探针叉容易到达样品上感兴趣的区域。然而，与半导体晶圆相比，在这样的器件中所使用的样品是极小的。因此，用于晶圆的在线探测的这种布置的使用是不可能的。例如，以几毫米为单位测量纳米探针叉的扫描范围，例如高达10mm。在另一方面，晶圆的直径为200mm、300mm并且很快会为450mm，即大于纳米探针叉的最大范围的量级。因此，在样品台或sem真空室的侧门上安装纳米探针将意味着纳米探针仅可以测试晶圆的其它外围，而不能够达到晶圆内部的感兴趣的区域。即，对于将sem与纳米探针合并，将样品尺寸从芯片改变为晶圆创建了必须克服了的许多障碍。

在仍然采用晶圆形式(包括芯片内部和芯片间)时对关键性器件和电路的电气特性的监测对于产量的提高和工艺的维持而言将是极有帮助的。通过工艺流程结合sem和晶圆的纳米探测并且帮助先进的工艺过程(apc)将是极有益的。这种新获得的信息将显著减少故障分析(fa)循环时间，并且从而减少废弃的材料的量和改进的产量斜坡(yieldramp)。

技术实现要素：

包括了本公开内容的以下发明内容，以便于提供对本发明的一些方面和特征的基本理解。本发明内容并非是对本发明的广泛综述，因此它并非旨在具体指出本发明的关键或重要要素或描述本发明的范围。其唯一目的在于以简化形式呈现本发明的一些概念，作为以下呈现的更详细描述的前序。

本发明的一个目标在于对工艺控制的转折点作出反应并且通过提供新颖的在线纳米探测方法和仪器向本领域已知的问题提供(多个)解决方案。

在线afp方法仍然存在的问题包括：

-微粒产生和晶圆污染，

-纳米探针叉的受限的范围，

-纳米探针的行进和着落速度，

-纳米探针的慢速目标捕获，

-ic接触损坏(污点)，

-由损坏的迟钝探针引起的低afp空间分辨率，

-根据标准工艺流程(层间电介质蚀刻、腐蚀的接触清洁等)由afp晶圆修改和偏离所需的。

在纳米探测期间使用扫描电子显微镜(sem)以用于成像辅助应当有助于解决：(a)与对afm成像和纳米探测使用afp探针有关的样品-探针损坏和成像降级问题，(b)用于创建金属/电介质对照的晶圆修改的需要，(c)在cmp之后在样品扫描期间改进afm质量并降低受到微粒的探针污染的风险的附加晶圆清洁的需要，(d)减少目标获得时间。然而，为了提供工艺控制，应当在晶圆尺寸的样品上、在芯片内部和芯片间级上、以忽略损坏程度、污染和芯片/器件修改以及晶圆回到生产线的多次安全返回的工艺流程的不同步骤在线完成基于sem的纳米探测。

基于sem的纳米探测实施方式存在的问题包括：

-缺少晶圆尺寸样品基于sem的纳米探针设计，

-在样本导航上不足的速度、精度和准确度，

-热探针和机械探针与样品漂移相比的不可接受的高水平，

-在纳米探测期间缺少力控制(对于损坏和无微粒操作)，

-对于免提式配方驱动的纳米探测的自动化不足，

-缺少可靠的自动化电气数据评估、接受和估计，

-远程导航、样品表面方法和数据收集时间(低通量)

本发明的各种实施例提供了解决上述问题的在线纳米探测装置。根据一些实施例，所述装置包括以下特征：工业质量晶圆级在线sem、对于快速且安全的着落控制使用力传感器(例如音叉)、使用sem以实现多目标捕获和同时多探针着落、使用实时sem图像反馈以帮助纳米探针着落、使用学习模式以自动识别目标、使用oqs(光学象限仪传感器)以追踪针对sem偏转器的反馈的晶圆漂移、以及使用oqs以追踪针对探针定位器的反馈的探针漂移。

针对在线纳米探测所公开的实施例解决了以下技术挑战：

1、200/300/450mm晶圆级sem与高性能纳米探针的集成，

2、在这种晶圆上的具有几纳米级的准确度的快速(几秒)探针定位(实现了探针定位的最小不确定性)，

3、在晶圆特征上的快速(几秒)且安全(柔和，nn力水平)的探针着落，

4、与快速台运动结合的弱nm/min系统机械和热漂移，

5、高通量工具操作。

针对晶圆级sem与纳米探针系统的集成所公开的实施例并入了用于将纳米探针插入工业质量sem的系统开发，同时利用了晶圆处理和导航以及聚焦的现有工业解决方案。利用现有的工业sem即时带来了在线探针实施方式的两个问题的解决方案：(1)对大晶圆尺寸的样品的探测以及(2)晶圆上快速、准确且完全自动化的导航。针对晶圆处理和导航使用工业sem是朝向高通量配方驱动纳米探测的重要步骤，因为现有的工业系统提供了极好的(几秒)移动-获得-测量(mam)时间。

根据一些实施例，cdsem用于纳米探测和晶圆级sem集成(示例：amat的veritysem4i和hitachi的cg5000)，因为其提供了高通量、完全自动化的导航、具有低电子束能量和电流的高分辨率成像、远程片下配方设置(导航部分)等。然而，缺陷复检sem和电子束检验系统还可以适于其它实施例，这些其它实施例需要更适合于drsem(缺陷复检sem)和ebi(电子束检验)的不同特征。

免提式的纳米探测应当包括许多等级的工具自动化：(1)用于测量的探测器自测试、校准和准备，(2)样品和探针自动化加载和快速且准确的片上导航(以纳米标度)，(3)通过带有力的探针的快速样品表面方法、接触阻力和损坏控制，(4)电数据收集、评估、接受和设计评估。为了提供具有合理量的数据的制造，在线探测器应当能够有接近每分钟一个位置(或者换言之，在检查每个晶圆的10个位置时接近每小时6个晶圆)的通量。

附图说明

根据参考以下附图做出的具体实施方式，本发明的其它方面和特征将是显而易见的。应当提出，具体实施方式和附图提供了本发明的各个实施例的各个非限制性示例，其由所附权利要求限定。

并入并构成本说明书一部分的附图例示了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释和说明本发明的原理。附图旨在以图解方式例示出示例性实施例的主要特征。附图并非旨在描绘实际实施例的每个特征或所描绘的元件的相对尺寸，并且并非是按比例绘制的。

图1a是示出用于集成cdsem、光学显微镜和纳米探针以及可选的iongun的实施例的截面视图。

图1b是示出用于集成cdsem、光学显微镜和纳米探针以及可选的iongun的另一个实施例的截面视图。

图1c是示出用于集成cdsem、光学显微镜和纳米探针以及可选的iongun的又一个实施例的截面视图。

图2a和2b是示出用于集成cdsem、光学显微镜和纳米探针的实施例的顶部视图。

图3示出了用于监测由于例如热膨胀而产生的目标偏移的光学设置的实施例。

图4示出了用于监测三维中的两个对象的匹配的光学设置的实施例。

图5示出了用于目标获取和对多个纳米探测器的指定的实施例。

图6示出了根据一个实施例的用于集成cdsem和纳米探针的实施例。

图7是示出在测试下多个纳米探针尖端接触器件的示意图。

图8示出了纳米探针尖端接触dut的sem图像。

图9示出了具有处于固定取向的多个纳米探针尖端的纳米探针头的实施例。

具体实施方式

图1a-1c示出了用于将在线晶圆级纳米探针115与晶圆级sem130集成的各种实施例。sem可以用于对感兴趣区域(roi)的标准sem成像以及纳米探针115的着落，在一些实施例中，其包括对导航和着落辅助的实时反馈。纳米探针可以用于执行对roi内的器件(例如，晶体管)的参数测试和特征描述。另外，sem可以用于使roi成像，同时操作纳米探针以执行测试。例如，纳米探针可以用于驱动电流到roi中的器件中，由此改变roi中的某些区域中电势。电势的变化将引起sem图像的变化。类似地，某些短路或电阻区域将引起温度的局部上升，这还可以在sem图像中见到。然而，为了实现这些目的，纳米探针应当接近电子列的光轴放置，以使得它们可以被插入到sem柱的视线中和从sem柱的视线中被去除。当解释图1a-1c时，这个特征在下文中更详细地描述。

所示系统可以用于对新工艺生产线的开发，以用于工艺生产线的产量增强，并且用于在线健康状况监测。在一个实施方式中，该系统可以被用作缺陷复验系统(即，dr-sem)，其中当晶圆检查显露缺陷时，晶圆与由检查系统获得的缺陷图一起被转移到系统。缺陷图用于导航到缺陷位置，并且sem用于使缺陷的区域成像，这有助于使纳米探针着落在由sem成像的不同结构上，并且在纳米探针执行参数测试和特征描述的同时进一步获得sem图像。

在现有技术中，当采用sem图像时，图像具有暗区域、亮区域和灰色区域。暗区域和亮区域表示具有高电势的区域和具有低电势的区域(例如，地)。然而，在现有技术中不能理解灰色区域有什么意义，并且因此在现有技术中器件被切割以便于在灰色区域处检查结构。然而，所执行的研究是分区段的物理特征，而非电特征。相反地，使用本文中所描述的系统，纳米探针涉及着落在灰色区域中所示的结构上以便于执行对这些结构的参数测试和特征描述。另外，在纳米探针测试灰色区域中的结构的时间期间，用sem获取随后的图像并且将其与着落在结构上的纳米探针之前所获取的sem图像进行比较。这样的比较可以引领对开路、短路和电阻式短路的识别。

转到图1a，导航台105位于测试器腔室100内部，测试器腔室100通常由底板101、侧壁102、和顶板104限定。在腔室100的整个内部内维持真空环境。导航台105附接到底板101并且包含能够在x-y上平移并且在z方向上上升的标准轴承和发动机，从而产生台105与顶板104之间的相对移动。卡盘114被安装到台105的顶部上，以支撑其上的晶圆110。卡盘可以是静电卡盘、机械卡盘、或不具有卡紧能力的基座。

在这个实施例中，顶板104是静止的(即，被固定地附接到真空室侧壁102)，并且包括能够安装光学显微镜125和sem柱130的安装工具。可选地，还可以安装离子枪135。离子枪可以是例如等离子枪、聚集的离子束(fib)等。光学显微镜125的光轴、sem130的光轴、以及离子枪135的光轴之间的配准是已知的并且被存储在控制器140中。控制器140控制对系统的操作并且对由光学显微镜125、sem130、离子枪135、以及纳米探针115产生的数据进行分析和存储。在该公开内容中，光学显微镜125、sem130、离子枪135、以及纳米探针115有时可以被总称为显微镜，目前这些设备中的每一种都可以用于观看对于裸眼而言太小的对象。

晶圆110放置在卡盘114上，卡盘114被安装到台105上，以使其可以在x-y方向上以及在z方向上移动，以由此将晶圆内的任何roi放置在光学显微镜125、sem130和离子枪135的光轴下面。在一些实施中，台105还可以包含旋转运动。显著地，通过包含旋转运动，真空室可以被做得更小以使其可以从显微镜的光轴仅延伸一段比晶圆的半径略大的距离。这使得台能够将晶圆的中心放置在任何显微镜的光轴下面。

在图1a-1c的实施例中，探针115中的每一个探针包括探针叉113和探针定位器117。探针115附接到接近柱的顶板104。在叉113的端部存在探针尖端111，其可以为纳米标度的尺寸。尖端通常由导电材料制成，例如钨、铂、金、导体涂层或导电掺杂的金刚石等。在上下文中，接近意指探针可以被引入柱的视场和可选(焦点)的工作距离内；以使得sem柱在被放置在sem的焦点深度内时可以使探针成像并且还可以同时使探针和roi成像。即，探针定位器117中的每一个能够将其叉113并由此探针尖端111放置在sem的视场内。同时，探针运动的范围应当足够大以用于将探针移出sem的视场以为sem柱调谐和高分辨率成像提供最优静电场分布。要注意的是，sem、光学显微镜、离子枪和纳米探针经由顶板104彼此刚性附接，并且在三维中只有晶圆在它们下方移动以便于使roi经由晶圆台105的导航成为最优分析点。纳米探针定位器117附接到与sem的光轴配准的顶板104，以便于精细地调谐探针的放置并且用于指导探针着落。将定位器和探针放置在晶圆上方去除了对基于sem的探测器的样品尺寸的关键限制并且提供了探测器与sem的光轴之间的刚性配准。

图2a示出了图1a-1c的实施例的顶部视图，其示出了晶圆10如何被放置在不同的位置以能够通过光学显微镜125、离子枪135、sem130和纳米探针115使晶圆内的任何roi成像。在图2a的实施例中，多个纳米探针115附接到要被布置在sem的光轴周围的顶板。以这种方式，纳米探针115中的每个纳米探针可以被放置在视场和sem的光轴内。尽管不需要，但在这种具体示例中，多个纳米探针115的布置是关于sem光轴对称的。特别地，在一些所公开的实施例中，根据轴向对称对多个探针进行布置。例如，在图2a的图示中，八个纳米探针以45°的轴向对称进行布置。也就是说，如果全部纳米探针布置关于sem的光轴旋转45°，则会再次得到完全相同的布置，其通常被称为8阶或八倍轴向对称。以类似的方式，如果仅使用四个纳米探针，则可以得到对于四倍轴向对称的90°的轴向对称。当然，45°的对称在其中包含90°的对称、180°的对称等。即，更高阶的轴向对称在其中包含更低阶的轴向对称。因此，在图2a中所示的实施例中，纳米探针布置可以关于sem光轴旋转45°、90°、180°，并且将得到相同的布置。

同样，在一个实施例中，纳米探针中的每个纳米探针被放置在离sem光轴相同的直径距离处，而在其它实施例中，彼此以90°或180°的纳米探针被放置在离sem光轴相同的直径距离处，而以45°对称的相邻探针可以处于离sem光轴不同的直径距离处。

如图2a中所指示的，光学显微镜的光轴与sem之间的光轴配准(oar)被机械地固定。另外，在每个探测器的基底与sem的光轴之间产生了固定的机械探针配准(pr)。当然，探测叉可以将探针尖端移动到探针视场内的各个位置，但由于通过参考探针的基底到sem光轴之间的固定配准将这样的移动与探针的基底配准，所以可以在探针尖端到sem光轴之间产生配准。

图2b示出了与图2a的实施例类似的实施例，除了使用了旋转台以外。如所示的，这使得真空腔室102能够比图2a中的真空腔室明显要小，因为可以仅通过旋转晶圆并且延伸晶圆的边缘以使晶圆的边缘离任一显微镜的光轴不超过一个半径来将晶圆上的每个点放置在任一显微镜的光轴下面。也就是说，当晶圆半径被标示为r时，真空腔室的侧壁102延伸到与r成比例的距离(即r+δ)，其中δ是用于避免晶圆边缘撞到侧壁102的安全范围。也就是说，该距离等于晶圆半径加上安全距离，该安全距离是晶圆半径的一小部分。

图2b示出了可以用于所公开的实施例中的任何实施例的另一特征。如图2b中所示，纳米探针可以被不对称地布置在sem的光轴周围。另外，纳米探针成组或成群布置。例如，纳米探针115’形成了一个群，并且纳米探针115”形成了另一个群，而纳米探针115不成群。这样的群可以被配置为在特定的几何结构上提供尖端的有效着落。例如，群115’可以被配置为实现晶体管的栅极、漏极和源极上的有效着落。在另一方面，单独的纳米探针115可以用于着落在等势线(例如，接地或vdd线)上。

图1b示出了相当类似于图1的实施例的另一个实施例，除了台支架103附接到顶板104，并且台被安装到台支架103上。在这样的构造中，台支架103可以被固定地附接到顶板104，或者可以经由轴承107可移动地附接。例如，轴承107可以实现x-y上的线性移动，而台105可以在上升的z和旋转θ方向上移动。在图1b的构造中，由于台支架103附接到顶板，所以在台相对于顶板104(并由此相对于显微镜的光轴)的位置之间存在提升的配准和稳定性。

图1c示出了又一个实施例，其中测试器腔室被分成真空体积和大气体积。特别地，在图1c的实施例中，台105经由空气轴承107附接到顶板。台105具有平坦底部部分152和在其上端与空气轴承107匹配的垂直壁部分154。底部部分、垂直壁154、以及顶板104形成了真空体积vc。相反地，台105外部的区域保持在被标示为ac的大气压下。空气轴承107使台105能够相对于顶板104在x-y上移动，由此移动晶圆，而在与大气体积ac中的大气环境分隔开的真空体积vc内部保持真空。卡盘被安装到台105的底部部分152上。

在图1c的实施例中还示出的是用于通过结合光学器件和相机162使用纤维光学器件160以提供光学显微镜来减少真空区段的尺寸的能力。纤维光学器件160的入口端可以接近电子束的出口放置。

在一个实施例中，使用基于小型调谐叉力(tff)的无激光着落力控制，实现了快速(几秒钟)且安全(nn的力等级)的探针着落在晶圆上所选择的点上。力控制的其它方法(例如，探针弯曲或使用激光器的振动监测、经沉积的压电层或晶体压电元件等)也可以被使用。在一个示例中，激光照明用于识别目标上的着落。特别地，激光或其它光源168可以经由纤维164照亮叉，并且可以由光传感器(例如相机162或其它光传感器)收集和感测反射。当尖端着落在目标上并且触摸样品时，来自样品的反作用力将引起叉的略微弯曲，由此改变从叉反射的光的方向。光传感器将感测反射的变化，由此指示尖端已着落在样品上。

根据另一个示例，纳米探测叉的振动频率可以用于感测着落在样品上的尖端。纳米探测叉将具有自然的谐振频率。类似地，台上的晶圆将具有自然的谐振频率，这比叉的谐振频率小得多。当尖端着落在样品上时，接触将使尖端的振动频率变化。通过感测这个振动变化，系统确定尖端着落在样品上。可以使用调谐叉、激光器等来监测频率。

根据又一个实施例，通过感测纳米探针上的电势或电流来识别尖端着落。例如，可以将电势施加到探测器。当尖端着落在样品的导电部分时，电流将开始从尖端流动到样品。该系统感测探针中的导电性并且确定着落已经发生。

通过使用sem柱使roi成像在晶圆上来确定电测试的目标位置。在一些实施例中，例如图1a-1c中所示的，使得探针在晶圆的表面上方(但非常接近晶圆的表面)移动直到它们到达它们目标的上方。然后探针直接着落在探测目标上，从而避免将探针拖曳晶圆的表面之上以及损坏晶圆、探针或这两者。当前的先进工艺技术提供了跨各种尺寸的晶圆(例如，300mm的晶圆)的小于几微米的平坦度。我们的经验已经发现探针被安全移动到晶圆上方大于10微米的高度。通过在晶圆上方以安全的20um移动，探针的表面接近时间为大约2秒。使用0.1um的序列表面接近步骤和0.01秒的连续接触力评估时间(在步骤之间的)来完成上述估计。tft传感器可以被用作非常快速的探针-表面触摸检测器。触摸检测是基于频率或/和tff传感器振荡的幅度的变化，这对于探针接近表面是极为敏感的。可以用于在线制造操作的afm的最平缓的所谓的“非接触”模式使用表面接近检测的原理，例如对悬臂振荡的幅度的测量。因此，tff接近保证了快速并且用类似于afm的“非接触”模式的力的探针-样品力损坏了着落在任何表面上的自由探测。

由所公开的实施例解决的另一个问题是实现了低nm/min系统的机械和热漂移。sem柱传送高质量二维“无漂移”图像和亚纳米可再生测量结果。然而，在标准的sem(例如，cdsem、mam(移动需要的测量))中，时间为几秒。实际地，在线纳米探测mam时间可能是大约60秒，即比cdsemmam时间大30倍。相应地，在线晶圆级纳米探测系统的偏移必须比sem漂移小30倍以在测量期间传送相同水平的总探测晶圆变化。

为了实现对探针着落和其位置维持的准确度的必要需求(对于尺寸上为7-15nm的接触)，本发明的实施例产生了大约每分钟几纳米的总漂移。这极小的漂移是即时的而在感兴趣的点处突然停止高速重300mm台的时刻之后无任何延迟。

一旦台被停止以向显微镜呈现roi，被设计用于系统的三个主要组件(柱、晶圆和探针)的最小漂移的刚性连接帮助维持柱-晶圆和柱-探针配准。台设计的低间隙使晶圆-探针漂移的垂直(z)和横向(xy)分量最小化。工业经验是接近大的300mm晶圆系统的“理想”设计不能消除纳米标度的(多个)机械和热漂移。例如，具有1e-6k^-1的最小热膨胀、0.4m片的长度的今日“最好”可用的材料在温度漂移仅0.1°k的情况下改变其长度40nm。这意指甚至在接近理想的系统设计和温度控制的情况下，在需要探测的接触时间期间发生几个纳米的漂移。为了处理这个情形，对纳米级系统漂移控制实施有源柱-晶圆-探针漂移补偿。

在一个实施例中，使用实时电子束位置校正来补偿柱-晶圆漂移。使用分布在台105边界的底部周围的光学象限传感器(oqs)120(图1a-1c和图3)来收集关于柱相对于台的底部(即晶圆)的漂移信息。类似的布置被提供用于使用oqs121的柱-探针对准。可以使用类似于图3中所描绘的光学对准系统实现三维中的两个对象的皮米标度调准。图3示出了用于监测探针-柱-晶圆(oqs120)和柱-探针(oqs)调准的光学设置的实施例，其中稳定的二极管激光器(sdl)340发出光穿过透镜342朝向象限发光二极管oqs344。

oqs操作的原理由图4示出。左侧与右侧之间的差异减半qpd测量出x信号，并且顶部与底部之间的差异减半产生了y信号。垂直运动(z)由总信号推出，这是落在象限发光二极管的四个象限上的总光。xyz信号用于实时维持晶圆与柱oqs120以及柱与定位器oqs121的配准。在本发明中使用的oqs的特征在于oqs(图3和4中的qpd)中的一部分自由地移动直到台被切换为停止(对于oqs120)或探针尖端到达目标位置(对于oqs121)。一旦台或定位器到达目标位置，qpd部分“粘在”腔室或台(例如，顶板104)的静止部分上并且保持这个位置直到测量完成。在该实施例中，qpd使用真空力附接到顶板(104)。其它解决方案是可能的，例如：弹簧、机械夹具、和其它措施。继而，可以通过在四个象限中由qpd344感测到的光强度来检测和测量sdl340与qpd344之间的任何相对运动。

oqs是基于干涉测量法的位置监测的替代方案。oqs用在探针的afm和悬臂垂直位置和力控制，但oqs从不用于探针-样品横向漂移校正。现代的afm具有亚埃(大约20-30pm)的垂直位置噪音级，甚至处于非常高的频率(平均一毫秒噪音)。因此，基于oqs的纳米定位器能够有高速(高频)亚nm位置监测。

多oqs柱-晶圆漂移监测系统不仅监测直线漂移还检测间距、偏航和滚动柱相对于晶圆的漂移。然而，柱(更确切地说，电子束)位置校正是直线(三维)的。即使这样，与漂移分量相关的间距、偏航和滚动是不重要的；各种现代晶圆传送系统(台)的测试已找出与所有(包括非直线)结合的漂移分量有关的最大晶圆失准在300mm的晶圆范围内不会超过几微米。因此，旋转角应当不会超过7e-5半径并且50nm大小的roi的元件位移不会超过0.002nm。因此，可以忽略柱-晶圆漂移的旋转分量。

在图1a-1c中，oqs(120)组件被示出为由指示光轴的线连接的三角形。oqs(120)能够检测台(晶圆)相对于顶板(即，柱)的纳米标度xyz(或xy)漂移。从多个oqs(120)收集到的信息通过计算机140进行实时数学评估以计算roi的平均xyz(或仅xy)漂移向量。然后使用柱电子束控制(柱相对于晶圆的漂移校正)来校正漂移。

附加的oqs(121)用于报告(多个)探针相对于顶板的漂移，在顶板处安装sem柱。在图1a-1c中，仅示出了四个oqs对。两个oqs(120)用于晶圆-柱漂移监测，并且接近柱放置的另外两个oqs对(121)用于柱-探针漂移监测。在其它实施例中，至少两个oqs被提供用于晶圆-柱漂移监测，并且每个探针一个oqs用于探针-柱漂移监测。在一个实施例中，使用了八个纳米探针115，并且提供了八个oqs121，每个纳米探针一个oqs。来自若干oqs(所有的晶圆-柱oqs120和一个柱-探针oqs121)的信息为每个探针相对于晶圆的漂移的实时计算提供数据。换言之，每个探针-晶圆漂移向量被计算为柱-晶圆与探针-柱向量的总和。在这样的实施例中，探针定位器到柱的向量被测量，而非探针到柱的向量。定位器-探针漂移可以被忽略(因为探针的相对小尺寸)或使用可选的sem探针-样品配准来进行校正。垂直定位器-晶圆漂移以纳米级的实时校正使探针保持面向力，并且从而接触电阻常数。使用三维探针(定位器)运动来实时维持晶圆与定位器(或探针)的配准。

根据另一个实施例，使用sem成像完成漂移校正。在该实施例中，在参数测试期间，控制器140在每个给定时期从sem获得图像。例如，如果整个测试需要探针接触其目标30秒，那么控制器140可以每2-5秒钟获得sem对准图像。控制器140继而将每个新sem图像与现有图像进行对比以确定图像是否移位。如果新的图像移位超出规定量，则可以确定发生了漂移并且执行校正程序。根据一个实施例，校正程序包括从它们的接触目标提升尖端并且移动尖端以对漂移进行校正，并且然后将尖端重新着落在先前的目标上，但更好地对准以补偿漂移。

根据另一个实施例，测试序列被分解成多个较短的子序列。然后在每个子序列之间，所有尖端都从它们的接触目标升起并且然后重新着落在具有更新的对准的目标上。根据又一个实施例，对于每个子序列要确定的是需要多少个探针以及被指定用于执行特定子序列的探针的适当数量。对于每个子序列，尖端从它们的接触目标升起，但只有被指定用于接下来的子序列的尖端被重新着落在它们的目标上。

基于在线sem的纳米探针导航序列的实施例可以如下进行。使用光学显微镜提供了用于晶圆配准的光刻投影图(shotmap)。这个信息提供了晶圆上的各个管芯相对于晶圆的中心的对准。同样，特定的管芯光学对准被提供有使用光学图形对准(oga)结构图案识别的±1μm的准确度。这提供了对于晶圆的特定管芯的对准。可以移动台以将roi放置在sem柱下面，并然后停止。在使用空气轴承(例如，图1c)的实施例中，这可以通过停用空气轴承和泵送台的顶部部分与底部部分之间的体积到对于sem成像所需的真空水平来完成。执行与纳米标度准确度相同的管芯的sem对准过程，该过程使用次级图形对准(sga)结构图像识别。使用在芯片特征上的预选择，附加的图案识别是在具有±5nm的准确度的roi附近。探针然后被移动到roi或其它测量目标。

根据一个实施例，纳米探测过程包括以下步骤：

(a)使用具有±1um的准确度的光学显微镜来导航到roi；

(b)停止台运动，并且一起锁定台的顶部部分和底部部分，即行进的和静止的部分；

(c)用sem继续导航以用±5nm的准确度配准roi；

(d)使预配准的探针达到roi；

(e)使用图案识别来配准探针和roi接触部；

(f)将探针着落在roi目标上；

(g)打开晶圆柱和柱探针漂移监测和实时晶圆探针漂移补偿；

(h)使用探针定位器将调节探针-晶圆力以得到所需的接触电阻；

(i)收集电数据：有源电压对比(avc)或/和电流-电压的相关性(i-v)或/和电容-电压的相关性(c-v)或/和电子束吸收电流(ebac)或/和电子束感应电流(ebic)或/和电子束感应电阻变化(ebirch)或/和其它电测量结果；

(j)提升探针；

(k)估计质量并且接收或拒绝数据；

(l)如果数据被拒绝，则重复步骤(e-j)。

在现有技术中，每个单独纳米探针被单独且按顺序地移动到其测试位置。这是冗长且消耗时间的过程。然而，由于所有探针已经被附接在腔室内部并且以与sem的光轴配准的方式进行对准，在所公开的实施例中改进的过程用于使探测器着落。图5是示出感兴趣的区域500的示意图，如通过引导电子束以扫描roi并且收集由roi发出的次级电子而由sem柱得到的。roi包括若干可见结构505，其中的一些可以是对于探测感兴趣的并且其中的另一些不是。根据一个实施例，光标510由控制器140的用户使用以标识感兴趣的目标。根据另一个实施例，自动化图像识别被控制器140利用以识别感兴趣的目标。根据又一个实施例，来自数据可148的设计数据用于帮助识别感兴趣的结构。例如，网表(其为应当与工作电路一起电连接的所有组件端子的列表)可以用于识别一般操作设计中的电流流动并且用于强调roi500中的哪一个元件505应当由那个设计连接。类似地，用于生成不同的光致抗蚀剂掩模(其生成roi中所示的层)的cad数据可以用于识别元件505中的每个元件是哪一个。

根据另一个实施例，sem用于生成电压对比图像，并且电压对比图像用于识别目标。特别地，根据该实施例将电势施加到晶圆。例如，可以使用晶圆支架将电势施加到晶圆，其中晶圆支架包括用于将电势施加到晶圆的电极。根据另一个示例，纳米探针尖端中的一个或多个可以接触晶圆内的导电元件并且施加电势。然后，sem柱用于在roi之上扫描电子束并且收集从roi发出的次级电子。次级电子量将与所施加的电势处的区域以及与电势绝缘的那些区域不同。因此，电压对比图像由次级电子产生，其中处于所施加的电势的区域以与电势绝缘的区域不同的强度出现。电压对比图像继而可以用于识别纳米探针尖端的目标。根据另一个实施例，电压对比图像可以附加在sem形貌图像上或cad图像上以更好地识别适合的目标。另外，网表还可以结合电压对比图像使用以识别适合的目标。

根据又一个实施例，所生成的电压对比图像上覆在“金色”电压对比图像上或来自晶圆上的相邻器件的电压对比图像上。在图像中具有不同强度的区域被选择为用于纳米探测的适当目标。

一旦所有的目标都被识别和指定，控制器140基本上具有描述点的集合的几何设计。例如，如果所有的元件505是要着落的目标，那么点的集合是图5的笛卡尔坐标中绘制的点。这些坐标还可以被描述为图5中所示的向量vi-vn的集合。点或向量的坐标可以涉及roi的角或roi中的颗粒对准元件或对准标记。由于控制器140现在具有点的集合并且还具有每个纳米探针到sem的光轴之间的对准配准，控制器140现在将感兴趣的每个点指定给纳米探针的其中之一，例如，在最接近指定的点的范围内的纳米探针。控制器140继而可以产生新的向量组，每个向量限定了已指定的纳米探针需要移动以便于到达已指定的感兴趣的点上方的距离和方向。控制器还可以计算纳米探针的运动并且检查以确保运动的集合不会导致碰撞。如果检测到可能的碰撞，那么控制器改变了运动向量中的一个或多个向量以避免碰撞。控制器继而可以向每个纳米探测叉同时发送“移动”命令，每个纳米探测叉具有自本身指定的移动向量以便于到达其指定的着落点上方。此外，根据所公开的实施例，控制器还操作sem以实时产生roi的图像，以便于监测纳米探针运动的进行并且按照需要向运动向量实时提供任何校正。

根据其它公开的实施例，在用户指定目标并且控制器向每个探测器指定相对应的运动向量时，控制器积累对感兴趣的点的特定几何布置的了解并且产生这些几何设计的库。此后，控制器140使用图像识别过程以试图将出现在新的roi图像的设计与存储在库中的设计之一匹配。如果找到匹配，控制器继而可以获取对应的运动向量，这些运动向量被存储用于特定的设计并且将运动命令发送到纳米探针。

根据又一个实施例，不同roi中的感兴趣的点的库存储在数据库中。例如，每个新的芯片设计可以包括对于不同roi上的不同位置的着落点的库。当将新的roi图像加载到系统时，任一个用户指定哪一个roi或控制器140可以使用图像识别来确定roi和感兴趣的点。然后，控制器140获取运动命令并将运动命令发送到纳米探针。另外，当控制器140根据sem图像进行实时校正时，那些校正累积并用于更新所存储的运动矢量。

如可以看到的，上述方法的优点是纳米探针中的所有纳米探针同时移动到它们所指定的位置，并且可以使用sem图像实时监测并校正它们的运动。

通过实施所公开的实施例，得到了用于晶圆测试的集成的纳米探针/sem工具，这具有多个优点。由于纳米探针附接到与sem柱相同的物理板，可以在每个纳米探针的基底与sem的光轴之间得到并存储对准配准。同样，由于纳米探针附接到与sem柱相同的板，纳米探测叉可以标准长度制成，这增加了它们的稳定性。同样，由于纳米探针附接在晶圆上方，它们可以达到晶圆上的任何点，即使晶圆的直径为450mm。同样，由于纳米探针被环形布置在sem柱周围，多个纳米探针可以与单个sem电子束一起使用。最终，由于纳米探针被布置在sem柱周围的配准位置，它们可以被同时移动到它们所指定的目标。

此外，由于纳米探针被布置在电子束的光轴周围，纳米探针可以在原地用于研究由sem图像识别出的任何异常。也就是说，不需要将晶圆移动到不同的站点和再次获取异常。相反，晶圆保持在它的位置并且最接近的探针被移动到sem的视线中并且被着落在异常上以对其进行研究。

根据另一个特征，如图1a和1b中所示的，离子枪柱还附接到顶板104。当感兴趣的区域已被识别出时，晶圆被移动到离子枪的位置中并且离子束用于清洁感兴趣的点，尤其是去除从制造的时间到检查的时间中已生长的氧化层。一旦感兴趣的点已被清洁，晶圆返回到位于sem束下面，并且sem图像用于帮助将纳米探针着落在已清洁的位置上。在其它实施例中，离子枪可以位于相邻的腔室中。

以上所描述的实施例专用于具有形成在其中的电子器件的半导体晶圆的纳米探测。使用硬件、软件或硬件和软件的组合来实施本发明的各个特征，以使用纳米探针提供对半导体器件的参数测试。在以下所公开的实施例中，被探测的器件可以采用器件、微芯片或晶圆的形式。通常，当被探测的器件采用微芯片的形式时，它们被解包封，并且有时去除一些层以暴露出接触目标。相反地，当在线探测晶圆时，不允许对晶圆的修改。

接触目标(例如，导电线、接触部或过孔)用于向器件施加电测试信号。所公开的各种实施例提供了改进的工艺以在纳米探针与接触目标之间进行适当的接触。参考图6中所示的测试器布置来解释各个实施例和特征。所述的工艺可以利用自动化、半自动化(即，需要一些用户输入来执行)或手动(即，根据用户的指示来执行)的各个步骤。

参考图6并且根据本发明的实施例，扫描电子显微镜(sem)纳米探针10包括容纳在真空腔32内部的电子枪12、一组扫描线圈14、16、18、20、样品台22以及一组纳米探针24、26、28、30。电子枪12包括阳极和阴极(未示出)，针对其施加加速电压以产生相对大的电势差，该电势差从阴极提取发射电流并且从而通过场发射或热离子发射而生成初级电子束25。位于sem纳米探针10的真空腔32内部的是设有各个聚光透镜、物镜和孔径的柱(column)33，它们共同操作为电子光学器件，在从电子枪12到样品台22的行进路径中聚焦和准直初级电子束25。扫描线圈14、16、18、20也位于真空腔32内部。样品台22在台控制器34的管理下可移动，以将样品36上的不同感兴趣区域置于初级电子束25的视场内。样品36可以是承载集成电路的管芯，制备其用于在sem纳米探针10中进行电气探测以执行根本原因故障分析。替代地，样品36可以是承载多个产品芯片的晶圆。

尽管本文相关于初级电子束25的使用进行了描述，但本领域技术人员将意识到，本发明的实施例还可以适用于结合纳米探测使用包含正离子的聚焦离子束、或者另一种类型的聚焦带电粒子束。本领域技术人员将理解，将工具转换为与其它类型的带电粒子(例如，正离子)一起使用所需的对sem纳米探针10的修改。此外，设备10可以包括sem和离子束柱，例如聚焦离子束、等离子体离子束等。替代地，sem柱可以在真空腔32内部，而离子束柱可以位于相邻的真空腔中。

扫描线圈14、16、18、20设置在电子枪12与样品台22之间的柱33内。激励扫描线圈14、16、18、20以使初级电子束25在两个维度上跨样品36的表面上感兴趣的区域进行扫描。为此，一组扫描线圈14、16被配置为在第一方向上相对于样品36的表面偏转初级电子束25，并且另一组线圈18、20被配置为在与第一方向正交的第二方向上相对于样品36的表面偏转初级电子束25。

在被初级电子束25照射时，从样品36发射二次电子35。二次电子35通过初级电子束25与原子在样品36的表面处或附近相互作用而产生。二次电子35由位于真空腔32内部的二次电子检测器38来收集。通常，二次电子检测器38包括将收集的二次电子35转换成闪光的磷光体或闪烁体、以及将这些闪光转换为放大的电信号的光电培增管。二次电子检测器38被正偏置以吸引二次电子35。

从二次电子检测器38输出的经放大的电信号由图像显示控制单元40转换为视频信号，该视频信号被提供给视频显示单元42用于显示为样品36上的视场的二次电子图像。二次电子图像包含由初级电子束25与样品36的表面的相互作用而促使的二次电子发射的二维强度分布或图。显示在视频显示单元42上的二次电子图像中的个体像素的强度取决于来自样品36上相对应位置的到达二次电子检测器38的二次电子35的数量。替代地，来自样品36的二次电子图像可以在显示在视频显示单元42上之前被数字化为离散的像素，并以数字格式保存在控制器64的储存器70中。从样品36上的任何点发射的二次电子35的数量取决于被暴露于初级电子束25和样品的形貌的材料的类型。

初级电子束25的行进路径穿过sem纳米探针10的柱33中的扫描线圈14、16、18、20。扫描线圈14、16、18、20协作以在x轴和y轴上偏转初级电子束25，以使得在扫描线圈14、16、18、20的下游初级电子束25以预设图案相对于样品36上的表面区域进行扫描。电子束控制单元44被配置为通过具有施加的激励电压的扫描线圈14、16、18、20来监测和控制初级电子束25的偏转。为此，电子束控制单元44被配置为通过使能初级电子束25的光栅扫描、初级电子束25的向量扫描、束停留或扫描定时以及束消隐来生成预设图案。

sem纳米探针10包括用于控制和管理初级电子束25以及样品台22的操作、二次电子成像和电气探测的各个控制模块。对于光栅扫描，可以从电子束控制单元44中的扫描信号发生器电路46向扫描线圈14、16、18、20提供具有与最终放大率相对应的幅度的二维扫描信号。电子束控制单元44的光栅控制模块48被配置为向扫描信号发生器电路46指示光栅组的起始角、扫描速率(或停留和步进率)、光栅扫描线的初始和终止位置、连续光栅扫描线之间的间隔和光栅盒的高度。电子束控制单元44的向量控制模块50被配置为向扫描信号发生器电路46指示初级电子束25的向量扫描线的向量起始点、向量方向、向量终点和扫描速率。

电子束控制单元44的束消隐控制模块52被配置为设置当以光栅扫描或向量扫描而跨样本36移动时初级电子束25的消隐的开始位置和停止位置。束消隐控制模块52可以向一组偏转板53、55施加电压，以将初级电子束25横向偏转到柱33中的下游孔径光阑57上，从而消隐电子束25，以使得初级电子不入射到样品36上。通过从偏转板53、55去除电压来恢复初级电子束25，以使得再次允许初级电子束25通过孔径光阑57中的开口而行进到样品38。当操作束消隐控制模块52以消隐初级电子束25时，来自样品36的二次电子发射停止，因为初级电子束25被阻止行进到样品36。

在光栅扫描模式下，将初级电子束25跨样品36的移动分成被称为扫描线的水平条序列。通过使电子束控制单元44中的扫描信号发生器电路46操作扫描线圈14、16、18、20以从起点到终点沿着平行于一个轴的线性路径以固定增量(或作为连续扫描)偏转初级电子束25来实施每个扫描线。允许初级电子束25在起点与终点之间的每个中间点处停留固定的停留时间。在每条扫描线的终点处，初级电子束25的位置沿着与第一轴正交的第二轴递增地前进。初级电子束25可以返回到第一轴的起点以开始下一连续扫描线，或者初级电子束25可以在相反方向上从终点被偏转返回起点。该过程继续，直到在样品36上已经追迹了所有光栅扫描线并且初级电子束25已经在每条扫描线中的所有点处停留为止。

sem纳米探针10的图像显示控制单元40管理视频显示单元42的操作。在视频显示单元42上周期性地刷新二次电子图像94(图8)。图像显示控制单元40使显示在视频显示单元42上或存储在显示缓冲器54中并周期性地转发到视频显示单元42的二次电子图像94与由电子束控制单元44和扫描线圈14、16、18、20致使的初级电子束25的偏转密切同步。因此，视频显示单元42上得到的二次电子图像94是从样品36上的扫描区域发射的并且与其密切相连的二次电子35的强度的分布图。

图像显示控制单元40具有在视频显示单元42上的二次电子图像94上叠加cad布局并且捕获这种操作者定义的信息以用于由电子束控制单元44控制电子束的能力。图像显示控制单元40包括用于sem放大的补偿控制，以缩放电子束视场的图像以及缩放掩模、区域或cad布局。使用二次电子图像94，纳米探针24、26、28、30由机动化微操纵器56、58、60、62操控以将纳米探针24、26、28、30的尖端定位成与样品36上的导电特征直接接触。在该定位过程期间，使用二次电子图像94来监测样品36上的接触点的位置及可任选地探针24、26、28、30的实时位置。当适当地定位了探针24、26、28、30的尖端时，将电测试信号从探针24、26、28引导到样品36上的导电特征。如本领域技术人员将意识到的，根据电气测试测量的类型，与sem纳米探针10相关联的探针24、26、28、30的确切数量可以不同于图6中所示的代表性数量，并且其范围可以从一(1)个到八(8)个、或甚至多于八个。

sem纳米探针10的操作由与样品台控制器34、图像显示控制单元40和电子束控制单元44电耦合的控制器64协调和控制。控制器64包括处理器66以及与处理器66耦合的存储器68。处理器66可以表示一个或多个个体处理器(例如，微处理器)，并且存储器68可以表示包括控制器64的主储存器的随机存取存储器(ram)设备，以及任何补充级别的存储器，例如高速缓冲存储器、非易失性或备份存储器(例如，可编程存储器或闪存)、只读存储器等。此外，可以认为存储器68包括物理上位于控制器64中其它位置的存储器设备(例如，处理器66中的任何高速缓冲存储器)，以及用作虚拟存储器的任何储存器容量(例如，存储在大容量储存设备70上)。大容量储存设备70可以包含高速缓冲存储器或其它数据储存器，其可以包括一个或多个数据库72。数据库72可以例如包含用于实践本发明的实施例的cad导航数据和cad布局数据。

控制器64通常还接收用于外部通信信息的多个输入和输出。为了与用户或操作者相接口，控制器64通常包括图形用户界面74，其具有一个或多个输入设备(例如，键盘、鼠标、追迹球、操纵杆、触摸板、辅助键盘、触控笔和/或麦克风等)、以及显示器(例如，crt监视器、lcd显示面板)和/或扬声器等、或其它类型的输出设备(例如，打印机)。到控制器64的接口还可以通过直接或远程连接到控制器64的外部终端，或通过经由网络76、调制解调器或其它类型的识别的通信设备与控制器64进行通信的另一计算机。控制器64通过网络接口78在网络76上进行通信。

控制器64在操作系统80的控制下进行操作，并执行或以其它方式依赖于各个计算机软件应用、组件、程序、对象、模块、数据结构等。一般来说，被执行以实施本发明实施例的例程，无论是作为操作系统的一部分还是特定应用、组件、程序、对象、模块或指令序列而实施的，在本文中将被称为“计算机程序代码”或简称为“程序代码”。计算机程序代码通常包括一个或多个指令，其在各个时间驻留在计算机中的各个存储器和储存设备中，并且当被计算机中的一个或多个处理器读取和执行时使得该计算机执行必要的步骤以执行具体化本发明的各个方面的步骤或要素。

sem纳米探针10可以向用户提供利用用于测试器件的各个区域的各个实施例的指令和设置来对控制器64进行编程的能力。例如，用户可以经由用户接口74来提供用于选择纳米探针的接触目标的指令。替代地，可以远程接收用于选择目标和选择测试协议的指令，例如从通过网络76可操作地耦合到控制器64的另一台计算机来接收该指令。

图7是示出多个纳米探针尖端24、26、28和30接触器件36上的各个目标的简图。器件结构82可以是例如场效应晶体管或包含若干场效应晶体管的存储器单元等。探针24、26、28、30的尖端被设置为与端子或接触目标84、86、88、90接触，用于电气表征受测试的器件(dut)的器件结构82。图8示出了器件36的感兴趣区域roi的sem图像，示出了一些接触点和一些纳米探针尖端。同样示于图8中的是可以由用户使用的光标100，如下面将更详细地描述的。为了清楚起见，在图8中未示出叠加与roi相对应的cad设计图像的能力。

根据本发明的实施例，数据库148可以由处理器66经由网络76来询问。替代地，来自数据库的适当数据被发送到存储器68或下载到存储器68上。数据库148中的数据可以采取cad设计数据、网表或两者的形式。相反，cad设计数据和网表可以存储在可以独立地连接到网络76的两个不同的数据库上。cad设计数据描述了集成电路上各层的几何形状，而网表描述了电子设计的连接性，即，单个网表是应当电连接在一起以使电路工作的所有组件端子的列表。因此，尽管cad设计数据提供了可以与sem图像进行比较并且与sem图像配准/对准的可视图像，但网表提供了与sem图像中所示的各个元件相关的电连接性数据。因此，例如，网表可以指示是否以及何时应当将接触部84电连接到接触部86。这种信息不是由cad设计数据或sem图像直接提供的。对这种连接性的知晓有助于确定哪些接触目标适合于执行哪些测试。例如，如果网表指示接触部84和86应当电连接(这对于sem是不可见的，因为连接可能在器件的较低的、被遮蔽的层中)，则一个纳米探针可以向接触部84施加电势，而另一个纳米探针可以用于检查接触部86上的电势，以验证它们确实是电连接的。

根据另一实施例，sem用于生成电压对比图像，并且电压对比图像用于识别目标。具体而言，根据该实施例，将电势施加到晶圆。例如，可以使用晶圆支架将电势施加到晶圆，其中，晶圆支架包括将电势施加到晶圆的电极。根据另一个示例，一个或多个纳米探针尖端可以接触晶圆内的导电元件并施加电势。然后使用sem柱以使电子束对roi进行扫描并收集从roi发出的二次电子。来自处于所施加的电势的区域的二次电子的量将不同于来自与该电势绝缘的那些区域的二次电子的量。因此，从二次电子生成电压对比图像，其中，处于施加电势的区域以不同于与该电势绝缘的区域的强度出现。然后可以使用电压对比图像来识别纳米探针尖端的目标。根据另一实施例，电压对比图像可以叠加在sem形貌图像上或cad图像上以更好地识别适当的目标。另外，网表也可以与电压对比图像结合使用以识别适当的目标。

根据一个实施例，通过处理器66来实现自动目标获取。根据一个示例，处理器执行过程，其中，处理器操作sem以生成roi的sem图像。然后，处理器将sem图像与cad设计数据进行比较，以识别roi相对于dut的其余部分的位置。一旦处理器识别出roi位置，它就识别roi内的元件，例如，接触部84和86以及线92。然后，处理器询问网表以确定roi内的哪些元件应被纳米探针接触以执行电气测试。一旦处理器确定应当接触哪些元件，处理器就将纳米探针指定给每个元件。顺便提及，也可以通过用户操作光标100并点击不同的元件和探测器来对纳米探针执行指定。一旦将纳米探针指定给其各自的元件，处理器66就计算每个纳米探针的运动向量并进行检查以确保根据运动向量的运动不会导致纳米探针的碰撞。当未检测到碰撞时，处理器66向每个纳米探针发出运动向量以使其尖端移向所指定的元件。上述步骤中的每一个都可以自动地、半自动地(即，利用来自用户的一些输入)或手动地执行。

根据另外的实施例，一旦处理器获得roi的cad设计数据，处理器就根据由cad设计数据指示的设计从参数测试库中选择参数测试。例如，处理器66可以根据cad设计数据是否指示roi包括sram、二极管、存储器单元等来选择不同的参数测试。另外，根据cad设计数据，处理器可以选择多个纳米探针以在参数测试中使用。替代地，根据从网表接收的信息来选择测试。

如前所述，可能存在需要将样品转移到另一个设备以进一步研究样品内的特定元件或准备样品以用于进一步研究的时候。然而，在当前技术中，元件是纳米尺寸的，并且即使使用最先进的粒子显微镜也非常难以找到。因此，根据一个实施例，当sem获取感兴趣的目标并且确定可能需要进一步研究样本时，处理器遵循以下过程。处理器确定roi内的安全区域。可以通过用户例如使用光标100指示位置、或者通过处理器自动地、半自动地或结合cad设计数据的询问而执行确定来进行安全区域的确定。安全位置被定义为不是电路的一部分的位置。例如，其可以是绝缘区域，例如图8中所示的区域105。然后，处理器将运动向量发送到纳米探针之一以向安全区域移动。一旦纳米探针到达安全区域，处理器就向纳米探针发出指令以在相同区域中划出标记。为此，根据一个实施例，一个纳米探针装配有专业尖端，例如由例如金刚石或碳化硅(sic)制成的硬化尖端，并且其是用于刮划样品的唯一纳米探针。因此，例如，装置10可以包括具有导电尖端(例如，由钨制成)的若干纳米探针，同时还包括具有硬化尖端的一个或多个纳米探针，其可以由绝缘体制成并且不用于参数测试。替代地，导电尖端纳米探针之一可以用于刮划，尽管由于尖端的钝化或弯曲其可能需要更早的更换。然后，刮划标记可以由其它粒子或光学显微镜使用以容易地找到和识别roi和/或roi内的目标。

根据上述过程，本发明的实施例可以包括一种用于研究样品的方法，其包括：对样品内的感兴趣区域进行成像，识别用于标记roi的安全位置，使用纳米探针在安全位置中划出标记，以及将样品转移到另一个站(例如，受迫离子束)，以及通过使用显微镜(例如，光学或粒子束显微镜)搜索划痕来在下一个站处获取roi。

dut的探测可以包括使用硬化的探针来标记另外的感兴趣区域的步骤。根据该实施例，扫描电子显微镜(sem)和纳米探针的组合用于通过实施以下步骤来探测dut：获得dut中的感兴趣区域(roi)的sem图像；获得roi的cad设计图像；将cad设计图像与sem图像进行配准以识别接触目标；获得对应于接触目标的电气设计，并使用该电气设计来确定应当选择哪个接触目标作为测试目标；对纳米探针导航以将纳米探针着落在每个测试目标上并且形成纳米探针与各自测试目标之间的电气接触；以及使用具有硬化尖端的纳米探针在需要进一步研究的任何roi上做出标记。电气设计可以是网表的形式。

根据另一实施例，执行以下方法以克服系统中的自然漂移，例如由于热变化导致的样品或系统组件的漂移。在一个示例中，一旦确定了要执行的测试类型，则确定执行整个测试所需的时间段。然后将该时间段与阈值时段进行比较。阈值时段可以根据预期或潜在漂移时间来计算。例如，根据样品的材料，可以确定在五秒内漂移就可以大到足以使得与接触元件接触的尖端变形或使尖端滑离接触元件。因此，可以将阈值时段设置为四或五秒。如果确定测试时段大于漂移时段，则将测试分为若干子测试，每个子测试需要总测试时段的一个子时段。例如，如果确定整个测试将花费30秒来完成，则可以将测试分为六个子测试，每个子测试需要五秒来完成。然后在每个子测试之间，将尖端从它们的接触元件升起，对roi成像，如果检测到漂移则校正纳米探针与它们各自的着落目标的对准，并且将尖端重新着落在它们各自的接触元件上用于下一个子测试。

在上述方法中，可能每个子测试需要不同数量的纳米探针，因为每个子测试可能测试roi内的不同元件。在这种情况下，对于每个子测试，该方法继续识别参与这种子测试的接触元件的数量。然后，该方法继续向那些接触元件指定纳米探针。然后，对于每个子测试，仅将纳米探针的子集着落在指定的元件上，按照该特定子测试所需要的。在每个子测试结束时，将着落的纳米探针提离接触元件，并将下一子集着落在下一组接触元件上以执行下一子测试。

本发明的另一实施例有助于通过事先知晓纳米探针的接触元件的预期几何布置来缩短目标获取的时间。例如，相对于图7的图示，设计结构82可以在整个样品中重复许多次。它也可以在相同或相似芯片设计的其它样品中重复。因此，根据该实施例，将设计与接触元件的相关联的几何形状和用于所指定的纳米探针的运动向量一起存储在存储器设备(例如，储存器70或数据库148)中。例如，元件82的图像可以与模拟出现在管芯上的数量6的几何形状以及相关联的运动向量(每个具有其指定的纳米探针)一起存储。然后，当在sem的视场中识别特定形状时，可以立即识别出该图案，并且将运动向量发送到所指定的纳米探针。

另一方面，图9示出了特别适于测试重复图案布置的另一实施例。在图9中，纳米探针包括微操纵器，例如操纵器56。探针臂51在一端附接到操纵器56，使得操纵器可以根据运动向量而移动臂51。探针头59附接在臂51的另一端，并且在本文中有时被称为纳米探针卡。探针头59具有固定地附接到探针头59的多个探针尖端61。探针尖端61以单个特定取向附接到探针头59，例如以对应于接触元件的特定几何形状。在图9的示例中，四个探针尖端61以与dut36的接触元件81的布置相对应的固定取向附接到探针头59。由于探针尖端61以一个单个取向固定地附接到探针头59，该特定探针头可以仅用于利用接触元件81的测试。然而，要注意的是，如果需要，系统中的其它标准纳米探针可以用于接触其它接触元件。然而，对于具有被布置为元件81的接触元件的任何设备，可以使用该特定的探针头。这个布置具有能够使用单个致动器56使四个纳米探针同时着落的优点。

在图9的实施例中，提供了四个单独的引线83，每个探针尖端61一个。以此方式，每个探针尖端可以分别向其接触元件传送不同的电流或信号。当然，如果以相同的电流或测试信号激励所有接触点，则可以使用一个引线83向四个尖端61传送功率。

同样在图9中示出的是提供了替换探针头59'。图9中可见，在探针头上提供了快速拆卸耦合器(coupler)98。在52上提供了相对应的拆卸耦合器，但在图9的图示中不可见。提供拆卸耦合器实现了对探针头的更换以用于测试不同的目标或运行不同的测试。

如在该示例中所示，替换探针头59'具有被设计为接触下部四个接触元件81中的两个接触元件的两个探针尖端以及被定向为着落在接触元件81'上的两个探针尖端61'。因此，根据一个实施例，探针头可以从臂51移除并可以与其它探针头互换。此外，根据一个实施例，每个dut具有为在该特定dut上发现的测试元件专门制造的一组探针头59。因此，当选择dut用于测试时，确定指定给特定dut的探针头集合并且该探针头集合被安装在相应的探针臂上。

根据另一实施例，同样在图9中示出，在探针头的顶部表面上提供了对准目标。这仅在探针头59'上示出，但可以在任何探针头上提供。对准目标被配置为通过sem或其它粒子显微镜可见。这可以使用不同的形貌或材料来完成。例如，探针头59可以由陶瓷材料制成，而目标93可以是沉积或嵌入的导体，例如金。当操纵器56移动臂以使探针尖端对准而着落到其目标上时，sem可以用于对探针头成像并使用对准目标来确保所有探针尖端将确实着落在其接触元件上。

在上述实施例中，在探针尖端着落在它们各自的目标上之后，控制器将测试信号发送到每个探测器。测试信号可以是简单的正、负或地电势，或者实际上可以是变化的模拟或数字信号，或这些的组合。在将这些信号发送到探针尖端时，电路中具有到任何探针尖端处的测试信号的导电路径的区域和元件将承担该电势。可以说元件或区域处于测试信号电势。在该时间期间，操作sem柱以使电子束对roi进行扫描并收集从roi发出的二次电子。二次电子与roi内的每个区域或元件的电势相互关联，并且可以用于生成探针电压对比图像。该探针电压对比图像可以与在尖端着落在目标上之前所生成的电压对比图像进行比较，从而研究电路中的互连缺陷。

本文所使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或另有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。此外，就具体实施方式或权利要求中使用术语“包括”、“具有”、“具备”、“有”或其变型而言，这些术语旨在以类似于术语“包括”的方式是包括性的。还应当理解，本发明的实施例的特征在附图中不一定按比例示出。

针对所公开的过程描述的步骤可以是手动的、部分自动化的或基本上自动化的。例如，手动步骤可以基本上依赖于用户输入。过程的部分自动化实施例可以自动执行过程的动作和/或决策的子集，同时依赖于针对动作/决策的剩余部分的用户输入。部分自动化实施例的自动化方面可以包括过程启动、过程执行、过程监测和/或调整(例如，时间、功率、速度、力等)、过程终止、和/或过程错误等。过程的基本上自动化的实施例可以基本上依赖于自动化机器人和/或其它机械或装置、和/或基本上自动化的计算硬件和/或软件，以使得例如在过程期间对探针的选择可以在基本上没有用户输入的情况下执行。其中自动化程度可以基本上与在特定方法或方法组件或其特定装置或功能期间所需或采用的用户输入的量成反比的规约也适用于该方法的其它方面，并且适用于在本公开内容的范围内的其它方法和装置的方面。

以下权利要求中的所有模块或步骤加功能元件的相对应的结构、材料、动作和等效形式都旨在包括用于与具体要求保护的其它要求保护的元件相结合来执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本发明的描述，但是其并非旨在是穷举性的或者以所公开的形式限制本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变型对于本领域技术人员将是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使得本领域技术人员能够理解具有各种修改的各个实施例的本发明适于预期的特定用途。