带电粒子束系统孔阑的制作方法

专利名称：带电粒子束系统孔阑的制作方法
技术领域：
本发明涉及带电粒子束系统，更具体地说涉及带电粒子束系统中的限束孔阑。
背景技术：
在诸如电子显微镜或聚焦离子束(FIB)系统的带电粒子束系统中，源产生带电粒子，所述带电粒子然后由光学柱体聚焦成射束，并被引导到要成像和/或处理的目标表面上。在柱体中，该射束可被消隐(也就是说可被转向到终点(Stop)内以关掉所述射束)，可被偏斜以使所述射束在目标表面各处移动。具有较低的射束电流(也就是说较少的带电粒子)的射束典型地可聚焦至比具有较高电流的射束小的直径。因此，利用较低的射束电流可提供较高分辨率的成像或加工。较低的射束电流还导致对目标的较小的损伤。离子束可用于从目标的表面以受控模式铣削(mill)或溅蚀材料。铣削速率粗略地与射束电流成比例。因此，较高的射束电流在需要迅速地去除材料时是优选的，虽然较高的射束电流典型地导致较低分辨率的加工。加工有时使用两步加工，其中以高电流的射束迅速地去除材料，并且然后以较低电流的射束更精确地完成铣削。尽管理想的射束使所有的离子均匀地分布在所期望的射束直径内，但实际上，射束电流分布或多或少地为钟形的，并且从射束中心逐渐减少。该“尾部”降低图像分辨率，并使得不能铣削笔直的边缘。有些应用需要成像、粗铣和精铣。尤其地，当需要相对于目标上的预存特征精确地定位铣削图案时，需要首先用低电流的FIB使目标成像，并且然后转换至用于粗铣的较高电流(典型地为较大直径)的FIB，以及然后用于精铣的较低电流的射束。这样的成像/铣削过程的一个重要示例是诸如半导体器件和低温冷冻生物样品的各种类型的样品的薄的“薄片”(lamellae,单数形式为“lamella”)的制备。在半导体器件失效分析的情况下，通过在两面作FIB铣削，使包含有缺陷的器件的材料的薄层(薄片)剩下来，使得集成电路内的、通常包含要分析的有缺陷的器件的特定感兴趣区(RoI)暴露(这些薄片薄到足以用于在原理上可达到原子分辨率的高压透射电子显微镜(TEM)或扫描透射电子显微镜(STEM))。由于薄片仅为数十纳米厚，并且被观察的缺陷可为纳米级，所以形成薄片的铣削非常精确。在薄片的制备期间，需要在利用适于迅速铣削的大电流、大直径射束、用于精铣的较低电流、较小直径射束和用于成像的更低电流、更小直径射束之间转换。这典型地通过改变射束穿过的限束孔阑(BDA)实现。BDA典型地是金属条中的孔，以仅允许穿过孔的带电粒子形成射束。在金属条中典型地有多个BDA或孔，并且转换孔阑典型地需要使条带移动，使得不同直径的孔位于射束的路径中。图1是现有技术的孔阑100的示意性横截面视图。孔110形成于硅衬底108中，大致上具有所期望的孔阑孔的尺寸。层可沉积在诸如SiO2层106和SixNy层104的硅衬底上，以帮助该孔的形成。然后，将钥层102共形地沉积在所有表面上，以保护孔阑免受离子束中的离子的影响。层是薄的，典型地为200-500nm，以避免明显减小孔阑的直径。由于离子束中的离子撞击孔阑结构，侵蚀孔阑结构并使孔扩展，所以离子束系统中的限束孔阑具有有限的寿命。

发明内容
本发明的目的是提供一种改进的、用于带电粒子束系统的限束孔阑，包括聚焦离子束系统、透射电子显微镜、扫描透射电子显微镜和扫描电子显微镜。本发明包括新的孔阑结构及用于制作这些结构的方法。优选的孔阑结构包括由衬底支撑的沉积膜，其中孔阑的尺寸和形状不由衬底确定(即图案形成到衬底中)。 上文已相当宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可更好地理解本发明的随后的详细说明。在下文中将描述本发明的附加的特征和优点。本领域的技术人员应意识到的是，为实现与本发明相同的目的，所公开的概念和具体的实施例可容易地用作用于改进或设计其他结构的基础。本领域的技术人员还应意识到的是，这样的等同的结构没有偏离如在所附权利要求中所提出的本发明的精神和范围。


为了更彻底地理解本发明及本发明的优点，现在将结合附图对以下的说明作出参考，其中:
图1是现有技术的孔阑的示意性横截面视图。图2是现有技术的矩形孔阑的显微照片，其示出当利用轧制钥片金属时在侧壁中典型地发现的有些缺陷。图3是示出制造孔阑的方法的流程图。图4A-4E图示图3的加工步骤。图5是示出制造孔阑的另一方法的流程图。图6A-6H图示图5的加工步骤。图7示出根据图3或图5的步骤制作的孔阑条。图8示出在其上制作与图7所示类似的多个孔阑条的圆片的示例布局。
具体实施例方式现有技术的孔阑孔的检查已揭示源于用于形成孔阑孔的方法(包括机械钻削、激光烧蚀、FIB铣削、蚀刻或电火花加工(EDM))的许多不规则性。这些不规则性包括从孔阑孔向外延伸的大的毛刺、孔阑侧壁中的不规则性、侧壁的不圆度以及垂挂(curtaining)(与射束轴大致平行的垂直凹槽和隆起)。申请人:已研究了孔阑质量对带电粒子束的质量的影响。在现有技术的钥孔阑的侧壁结构上观察到的空隙和分靶区布野(patch fields)被认为导致穿过孔阑的带电粒子(尤其是靠近孔阑侧壁通过的带电粒子)发生不合需要的偏转。该偏转引起虚源尺寸扩大，从而使衬底处的聚焦射束比它们在没有这些孔阑壁影响的情况下大。图2是现有技术的钥孔阑200(在该示例中为矩形开口 200)的显微照片，以图示各种不合需要的方面。该孔阑由薄的钥片制成，所述薄的钥片本身通过轧制烧结的钥材料形成。烧结的钥具有许多微晶粒和空腔，当轧制时，这些机结构被弄平，以形成孔阑的侧壁中所示的层状材料。分层204是可见的，从而导致材料内的空腔。空腔在形成孔阑孔的过程期间暴露，导致如所示的壁中的开口。另外，在孔阑形成过程期间还揭示了具有不同的功函数的“分靶区布野”206，这些分靶区布野如所示地在次级电子成像中显得暗或亮。分靶区布野和空腔由于孔阑内和靠近孔阑的电场的感生局部微扰而对穿过孔阑的带电粒子束可能具有有害的影响。此外，用于制造孔阑结构的有些现有技术的方法是昂贵的。如果孔阑条具有大的孔直径范围，则典型地需要在较小的孔的位置处形成沉孔或空腔，以将孔阑纵横比(即，孔的长度与孔直径的比率)典型地维持在0.5至2.0的范围内，形成这些沉孔或空腔进一步提高孔阑条的成本。孔典型地被单独形成(通过钻削、激光烧蚀、FIB铣削、蚀刻或EDM)，并且制作过程是顺序的(即，一次形成一个孔阑孔)。在典型的现有技术的制作序列中，孔阑孔直径由在钥的沉积之前的硅衬底中(而不是在沉积期间或之后的沉积钥层中)蚀刻的孔110确定。该制作方法的缺点是钥必需相对薄，以避免减小最终的孔阑开口尺寸。在射束将溅蚀孔阑材料的FIB系统中，薄的钥层迅速劣化，导致短的孔阑寿命。本发明的优选实施例包括第一材料的衬底和不同于衬底材料的孔阑材料。孔阑材料的环绕孔的部分没有由衬底直接支撑，也就是说，孔阑材料象鼓框上的鼓皮一样悬置在衬底中的孔上。也就是说，在孔阑材料的开口部分下的衬底中存在空腔或孔。因此，孔阑开口由孔阑材料中的孔(而不是由衬底中的孔)限定。因此，孔阑材料的图案形成(而不是衬底的图案形成)确定孔阑开口。图3是示出制造孔阑结构的第一优选制作方法的流程图。图4A-4图示了图3中的流程图的步骤。在步骤302中，提供硅衬底。图4A示出了初始的硅衬底410。硅衬底优选地为单晶半导体硅圆片。优选地，在两面抛光硅圆片，以便促进平稳的层沉积以及模具到孔阑支撑的最后安装。圆片厚度不重要，因而可使用不同的圆片直径。在步骤304中，将第一导电涂层420 (图4B)沉积到圆片410的顶面上。第一导电涂层优选地是金属的，并且更优选地为钥。可使用诸如钨、钛或者钼的其他金属和诸如石墨或导电金刚石(B掺杂)的非金属。导电涂层420可通过任何已知方法沉积，诸如化学气相沉积(CVD)、溅射或蒸发。轻微可拉伸的(tensile)膜是优选的，以避免横贯沉孔或空腔开口的起皱。在步骤306中，如图4C所示，从衬底410的区域去除衬底材料以在导电层420下方形成空腔430，并使导电层420的一部分的背面暴露。导电层420的暴露部分称为孔阑开口限定部分432。孔阑开口限定部分432可以是形成为叠层的多个导电层的暴露部分。例如可利用深度反应离子蚀刻(DRIE)过程蚀刻衬底材料。在有些实施例中，空腔430的直径为大约1.0mm。对于该蚀刻步骤，导电层420用作蚀刻终止位置(etch stop),因此继续完成衬底蚀刻，以确保空腔430的底部全部是钥。用于DRIE过程的平版图案形成步骤众所周知并且没有示出。在步骤308中，如图4D所示将第二导电涂层沉积到圆片的背面上和沉积到层420的暴露的背侧表面上，以及沉积到空腔430的侧壁上。第二导电涂层优选地包括近似4μπι至5μπι厚的钥。可使用诸如以上就沉积导电层420进行描述的方法的任何沉积方法。轻微可拉伸的膜也是优选的，以避免横贯空腔430的孔阑开口限定区域的起皱。在步骤310中，如图4Ε所示形成通过第一和第二导电层420和440的孔阑开口450。孔阑开口 450例如可通过光刻法或通过离子束铣削形成。两个导电层的组合厚度在该实施例中优选地在8 μ m与10 μ m之间。由于孔阑开口由导电层的图案形成确定，而非象在现有技术中那样由衬底的图案形成确定，所以导电层可厚得多，这制造出了耐离子束蚀刻的较长寿命的孔阑。图5是示出制造孔阑结构的第二优选制作方法的流程图。图6A-6H图示了图5中的流程图的步骤。在步骤502中，提供诸如硅圆片的衬底。图6A示出了优选地为单晶硅圆片610的硅衬底。优选地，在两面抛光衬底，以便促进层沉积和模具到孔阑杆或安装装置的最后安装。圆片厚度不重要，因而可使用不同的圆片直径。在步骤504中，如图6B所示，将第一导电涂层沉积到圆片610的顶面上。第一导电涂层可通过以上就步骤302进行描述的方法沉积，并且可由与层420相同或类似的材料组成。第一导电涂层优选地包括大约8μπι至ΙΟμπι厚的钥层。应指出的是，对于该制作方法，由于最终的孔阑开口限定区域仅由第一钥涂层620材料组成，而非由组合的(或形成为叠层的)第一和第二沉积的导电涂层420和440 (分别在图4D和4Ε中示出)组成，所以该沉积比图4Β的导电涂层420的沉积更厚。轻微可拉伸的膜是优选的，以避免横贯空腔开口的起皱。在可选择的步骤506中，将第二导电涂层630 (图6C)涂敷至圆片610的底面(与第一导电涂层620相对的面)。第二导电层的材料例如可以是就第一导电层进行描述的材料。在一个实施例中，第一和第二导电层包括钥，第二导电层近似4μπι至5μπι厚。可使用诸如以上所描述的方法的任何沉积方法。轻微可拉伸的膜是优选的，以避免横贯沉孔或空腔开口的起皱。在步骤508中，通过平版图案形成和随后的第一 DRIE钥蚀刻将开口 640蚀刻入第二导电涂层630中。在该实施例中，最后所得到的开口 640的直径优选地为大约为1.0mm,并且优选地在步骤510中用作用于诸如DRIE蚀刻的第二蚀刻的硬掩膜。图6Ε示出了在步骤510中的蚀刻过程的结果，如图6Ε所示，其从底面将空腔650形成在圆片610中，将底面上的导电涂层630用作掩膜，将空腔650形成到导电层620下方的圆片中和使导电层620的一部分的背面暴露。导电层620的暴露部分称为孔阑开口限定部分632。孔阑开口限定部分632可以是形成为叠层的多个导电层的暴露部分。空腔650的尺寸由开口 640的尺寸确定，并且直径优选地为大约1.0mm0第一钥层620用作蚀刻终止位置，因此继续完成硅蚀刻，以确保空腔的底部全部是钥。在步骤512中，如图6F所示从圆片610的背面沉积第三导电层660(优选地为钥)，以涂布导电层630、衬底中的蚀刻空腔650的壁和导电层620的底面。轻微可拉伸的膜是优选的，以避免横贯空腔开口的起皱。在步骤514中，涂覆各向异性蚀刻剂，以在使钥的相当大的部分留在空腔650的壁670上的同时，择优地从圆片610的背面和从导电层620的底面去除第三导电层。该步骤的结果是使来自第一钥沉积的导电层620大致保持完整，如图6G所示在空腔650的范围内被悬置(cantilated)。因此，层620沉积的厚度必须足够用作孔阑。尽管没有在所有实施例中要求，但由于有些加工步骤可能涉及XeF2的使用(该物质的特性决定其将侵袭并蚀刻(spontaneously attack and etch)任何暴露的娃表面),所以优选的是使衬底610的所有面(包括空腔650的侧壁)被钥或另外的金属的保护层完全封住。在步骤516中，如图6H所示在层620中形成孔，以形成孔阑开口 680。孔例如可通过光刻法或离子束铣削形成。孔阑开口 680延伸通过钥层620，该钥层来自第一钥沉积，具有8μm与10μm之间的厚度。孔阑的尺寸和形状随带电粒子束系统的要求而变化。孔阑开口直径典型地从几微米变化至几百微米。孔阑开口比空腔的直径小，带电粒子不受衬底影响。孔阑开口的直径优选地小于空腔直径的0.8倍，更优选地小于空腔直径的0.5倍，并且最优选地小于空腔直径的0.1倍。在有些实施例中，孔阑开口形状是椭圆的或卵形的。当孔阑开口不是圆形时，孔阑开口的与衬底表面正交的最长的线直径(linear diameter)优选地小于空腔的与衬底表面正交的最短的线性尺寸(linear dimension)的0.8倍,更优选地小于空腔的与衬底表面正交的最短的线性尺寸的0.5倍，并且最优选地小于空腔的与衬底表面正交的最短的线性尺寸的0.1倍。术语“直径”用于指开口的任何与射束轴正交的主线性尺寸(majorlinear dimension)。衬底典型地比孔阑开口部分厚5倍以上(more than 5 times thickerthan),比孔阑开口部分厚10倍以上，或者比孔阑开口部分厚20倍以上。在有些实施例中，孔阑开口形状为矩形狭缝。孔阑狭缝的示例宽度在具有大约500 μ m的长度的情况下可在1.0-3.0ym的范围内。图7示出了由两排组成的孔阑条700，每排有八个孔阑702。孔阑条700包括蚀刻到衬底704中的十六个空腔。在没有阻挡射束的光阑的情况下，位于孔阑阵列端部处的通孔706使得带电粒子束系统有效地工作成为可能，该孔还用作表示孔阑运动组件中正确的孔阑条取向的标记。取向标记708被蚀刻到孔阑条的两个面内。在另一实施例中，选择性地制作孔阑条，使得将两个或更多个孔阑开口限定部分厚度形成在相同的孔阑条内。换句话说，形成在孔阑开口的导电涂层厚度对于相同孔阑条内的一个或多个孔阑可不同，从而允许不同厚度的孔阑的恒定纵横比仍然相同。当孔阑开口的直径变得较大时，厚度同样可变得较大，以维持直径与厚度的恒定比率。图8示出了布置在150mm直径的圆片上的110个孔阑模具802 (见图7)的示例布局800。没有示出切口或划线道宽度，但存在足够的边缘留空区域(edge exclusion)，以在不需要改变布局的情况下考虑任何必要的切口宽度。在孔阑条的制作过程中可使用任何尺寸的圆片。本发明的有些实施例包括用于带电粒子束系统的孔阑结构，孔阑结构包括:
衬底；
孔阑材料，其由衬底支撑并具有孔阑开口限定部分，所述孔阑开口限定部分包括限定孔阑开口的孔；以及
空腔，其位于孔阑开口限定部分下方的衬底材料中，使得孔阑由孔阑材料中的孔而不是由衬底中的空腔限定。在有些实施例中，衬底包括半导体，并且孔阑材料包括导体。在有些实施例中，衬底包括硅，并且孔阑材料包括钥、钨、钛、钼、石墨或者导电金刚石。在有些实施例中，衬底比孔阑开口限定部分厚10倍以上。在有些实施例中，在孔阑开口限定部分下方的衬底中的空腔具有的与衬底表面正交的最短的线性尺寸至少为孔阑开口的与衬底表面正交的最长的线性尺寸的10倍。在有些实施例中，从衬底材料的材料到孔阑开口的最靠近的距离是孔阑开口的直径的10倍。在有些实施例中，孔阑中的至少两个孔阑在同一衬底上。本发明的有些实施例包括带电粒子束柱体，包括:
带电粒子的源；以及
聚焦柱体，其用于聚焦带电粒子，聚焦柱体包括如以上所描述的孔阑条。本发明的有些实施例包括用于制作限束孔阑的方法，包括:` 将第一导电层沉积在衬底的顶面上；
在衬底的底面上形成空腔，该空腔使第一导电层的底面的一部分暴露；以及 在导电层中形成孔，孔通向(opening into)空腔，使得由孔限定的孔阑由导电涂层上的图案形成而不是由空腔尺寸确定。有些实施例还包括将第二导电层沉积在衬底的底面上，使得空腔的壁和第一导电层的底面被涂布。在有些实施例中，沉积第一导电层包括沉积钥。在有些实施例中，沉积第一导电层包括沉积钨、钛、钼、石墨或者导电金刚石。在有些实施例中，沉积第一导电层包括沉积可拉伸结构。在有些实施例中，形成空腔包括形成具有大约1_的直径的空腔。在有些实施例中，在导电层中形成孔包括形成采用圆形、卵形或矩形狭缝的形式的孔。本发明的有些实施例包括用于制作限束孔阑条的方法，包括:
将第一导电涂层沉积在衬底的顶面上；
在衬底的底面上形成多个空腔，空腔使第一导电涂层的底面暴露；
在一个或多个空腔上方形成通过第一导电层的孔阑开口；以及 将衬底分成多个孔阑条。在有些实施例中，孔阑开口的与射束方向正交的最长的线性尺寸小于孔阑开口的与射束方向正交的最长的线性尺寸的0.8倍。在有些实施例中，第一导电层的厚度小于衬底厚度的5倍。有些实施例还包括选择性地沉积第三导电涂层，以在孔阑开口限定部分处用导电涂层形成导电叠层，使得一个或多个孔阑在孔阑开口处具有与同一孔阑条内的其余孔阑不同的导电涂层厚度。尽管已详细地描述了本发明及其优点，但应理解的是，在不偏离如由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，在此可作出各种变化、替换和变更。例如，尽管实施例描述了每个衬底空腔一个孔阑开口，但有些实施例每个空腔可具有多个孔阑开口。例如，长的薄空腔可包括多个孔阑开口。在有些实施例中可能不需要用导体涂布空腔的面。此外，本申请的范围并不打算被限定于在说明书中所描述的过程、机器、物质的成分、装置、方法和步骤的特定的实施例。作为本领域的一名普通技术人员，其将从本发明的公开内容容易地意识到，根据本发明，可利用目前存在的或者稍后研制的执行与在此所描述的对应实施例大致相同的功能或实现与在此所描述的对应实施例大致相同的结果的过程、机器、制造、物质的成分、装置、方法或步骤。因此，所附的权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质的成分、装置、方法或步骤包括在其范围内。
权利要求
1.一种用于带电粒子束系统的孔阑结构，所述孔阑结构包括: 衬底； 孔阑材料，其由所述衬底支撑并具有孔阑开口限定部分，所述孔阑开口限定部分包括限定孔阑开口的孔；以及 空腔，其位于所述孔阑开口限定部分下方的衬底材料中，使得孔阑由所述孔阑材料中的孔而不是由所述衬底中的所述空腔限定。
2.根据权利要求1所述的孔阑结构，其中所述衬底包括半导体，并且所述孔阑材料包括导体。
3.根据权利要求2 所述的孔阑结构，其中所述衬底包括硅，并且所述孔阑材料包括钥、钨、钛、钼、石墨或者导电金刚石。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的孔阑结构，其中所述衬底比所述孔阑开口限定部分厚10倍以上。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的孔阑结构，其中位于所述孔阑开口限定部分下方衬底中的空腔具有的与衬底表面正交的最短的线性尺寸至少为所述孔阑开口的与所述衬底表面正交的最长的线性尺寸的10倍。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的孔阑结构，其中从所述衬底材料的材料到所述孔阑开口的最靠近的距离是所述孔阑开口的直径的10倍。
7.一种孔阑条，包括在同一衬底上的至少两个根据前述权利要求中的任一项所述的孔阑。
8.一种带电粒子束柱体,包括: 带电粒子的源； 聚焦柱体，其用于聚焦带电粒子，所述聚焦柱体包括根据权利要求7所述的孔阑条。
9.一种用于制作限束孔阑的方法，包括: 将第一导电层沉积在衬底的顶面上； 在所述衬底的底面上形成空腔，所述空腔使所述第一导电层的底面的一部分暴露；以及 在所述导电层中形成孔，孔通向所述空腔，使得由所述孔限定的所述孔阑由所述导电涂层上的图案形成而不是由所述空腔的尺寸确定。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括将第二导电层沉积在所述衬底的所述底面上，使得所述空腔的壁和所述第一导电层的底面被涂布。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中沉积第一导电层包括沉积钥。
12.根据权利要求9-11中的任一项所述的方法，其中沉积第一导电层包括沉积钨、钛、钼、石墨或者导电金刚石。
13.根据权利要求9-12中的任一项所述的方法，其中沉积第一导电层包括沉积可拉伸结构。
14.根据权利要求9-13中的任一项所述的方法，其中形成空腔包括形成具有大约Imm直径的空腔。
15.根据权利要求9-14中的任一项所述的方法，其中在所述导电层中形成孔包括形成采用圆形、卵形或矩形狭缝的形式的孔。
16.一种用于制作限束孔阑条的方法，包括: 将第一导电涂层沉积在衬底的顶面上； 在所述衬底的底面上形成多个空腔，所述空腔使所述第一导电涂层的底面暴露； 在一个或多个所述空腔上方形成通过所述第一导电层的孔阑开口 ；以及 将所述衬底分成多个孔阑条。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括将第二导电涂层沉积在所述硅衬底的所述底面上，使得所述空腔的壁和所述第一导电涂层的所述底面被涂布。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的方法，其中所述衬底包括硅，并且所述第一导电涂层包括钥、钨、钛、钼、石墨或者导电金刚石。
19.根据权利要求16-18中的任一项所述的方法，其中所述孔阑开口的与射束方向正交的最长的线性尺寸小于所述孔阑开口的与所述射束方向正交的最长的线性尺寸的0.8倍。
20.根据权利要求16-19中的任一项所述的方法，其中所述第一导电层的厚度小于所述衬底厚度的5倍。
21.根据权利要求16-20中的任一项所述的方法，还包括选择性地沉积第三导电涂层，以在孔阑开口限定部分处用所述导电涂层形成导电叠层，使得一个或多个孔阑在孔阑开口处具有与同一孔阑条内的 其余孔阑不同的导电涂层厚度。
全文摘要
实现一种改进的限束孔阑结构及制作的方法。在位于支撑衬底中的空腔上方的薄的导电膜中制作孔阑开口，其中孔阑的尺寸和形状由导电膜中的开口确定，而不是由衬底确定。
文档编号H01J37/09GK103094031SQ20121043899
公开日2013年5月8日 申请日期2012年11月6日 优先权日2011年11月7日
发明者N.W.帕克, M.W.乌特劳特, D.塔格尔, J.格雷厄姆 申请人:Fei 公司