用于带电粒子束系统的电路探头的制作方法

用于带电粒子束系统的电路探头的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于带电粒子束系统的电路探头。探头组件可以与其在真空室内的电气线束连接和断开以使得安装有工件的探头组件可以在没有来自电缆的干扰的情况下被旋转和倾斜并且然后可以在不打开真空室的情况下被重新连接。而且描述了一种当探头组件与其电气线束断开时使样本和探头接地的装置以及一种通过确保探头在操作期间不会向上突出太远来防止对探头机构和探头自身的损坏的装置。
【专利说明】用于带电粒子束系统的电路探头

【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及与带电粒子束系统一起使用的电气探头。

【背景技术】
[0002]将纳米规模的小导体用于探测电路被称为纳米探测。纳米探测被广泛地用在半导体市场中用于故障分析和设备特征化。可以以比1nm更好的分辨率来定位一些探头以便测量或施加用来电气测试电路的电压或电流。
[0003]在探测之前，需要例如通过暴露掩埋导体以便电气接入电路来制备样本。双束系统(即包括离子束柱和电子束柱的带电粒子束系统)是一种用于样本分析的强大工具。在双束系统中，离子束可以被用来例如暴露电路的掩埋层，并且电子束可以被用来形成电路的暴露层的高度放大的图像。一些双束系统的优点是台可以倾斜和旋转以便从不同角度将工件暴露到电子束和离子束以用于铣削不同结构和用于成像。一些系统的另一优点是可以在射束通过最终聚焦透镜之后以及在射束碰撞电路之前将电压施加到台的一部分以便降低射束的能量，由此在维持高分辨率的同时降低样本损坏。
[0004]用于在电子显微镜之内定位的纳米探头组件是例如从德国罗伊特林根的Kleindiek Nanotechnik GmbH可得到的。探头组件可以具有任何数目的电气探头(有时4个、6个或8个)，它们可以施加或感测来自被测电路的电压。每个探头包括操纵器，它可以抬起或降低探头尖端以便接触电路。探头尖端通常与操纵器电气隔离。然而，当探头组件被安装在双束系统中时，双束的灵活性的大部分丢失了。到探头组件的电缆敷设约束了台的移动，所以以带电粒子束处理所需的方式来旋转和倾斜样本可能是不可能的。探头组件的电子器件可以防止将减速电压(retarding voltage)施加于台或样本,使得在经过聚焦透镜之后电子束能量不能被降低。
[0005]因为双束系统中探头组件的存在降低了系统的灵活性，防止了旋转和束减速，所以必需从具有探头组件的系统中移除工件并且将其插入到另一双束系统中来处理该工件。然后该工件可以被移动回到包括探头组件的第一系统中。


【发明内容】

[0006]本发明的一个目的是提供与探头组件结合的双束系统的灵活性。
[0007]本发明的一些实施例提供一种机构，该机构使探头组件与其在真空室内的电气线束连接和断开以使得安装有工件的探头组件可以在没有来自电缆的干扰的情况下被旋转和倾斜并且然后可以在不打开真空室的情况下被重新连接。本发明的一些实施例提供一种当探头组件与其电气线束断开时使样本和探头接地的装置。本发明的一些实施例提供一种通过确保探头在操作期间没有向上突出太远(诸如通过气锁或倾斜台)来防止对探头机构和探头自身的损坏的装置，其中探头位于可以损坏它们的物体附近。
[0008]前述内容已经相当宽广地概括本发明的特征和技术优点以便可以更好地理解后面的本发明的详细描述。将在下文中描述本发明的附加特征和优点。本领域技术人员应该认识到，可以容易地将所公开的概念和具体实施例用作用于修改或设计实施本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还应该认识到此等同结构未偏离如在所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

【专利附图】

【附图说明】
[0009]为了更透彻地理解本发明以及其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，在其中:
图1示意性地示出在高分辨率台的滑架(carriage)上的探头组件。
[0010]图2A和2B示出处于不同配置中的探头组件、样本和导电柱。图2A示出被配置成探测样本的探头并且图2B示出被移动成接触接地柱以用于带电粒子束处理的样本。
[0011]图3A和3B在不同配置中示出探头、样本和具有水平元件的接地柱。图3A示出在其中样本不与接地柱或探头接触的中性配置。在图3B中，样本被移动成接触接地柱的水平元件。
[0012]图4A、4B、4C和4D在不同配置中示出探头、样本、接地柱和探头接地导体。图4A示出处于中性位置的探头和样本，其中探头、样本、接地柱和探头接地导体彼此都不接触。图4B示出用于利用带电粒子数来处理样本的配置，其中样本与接地柱接触且探头与探头接地导体接触。图4C示出用于探测样本的配置，其中探头接触样本并且不接触探头接地导体，并且样本不接触接地柱。图4D示出探头组件的顶视图，示出接触接地电极的样本和多个探头上面的探头接地导体。
[0013]图5更详细地示出图1的电气连接和断开机构。
[0014]图6示出高度构造器，其限制探头机构的仰角以便例如当被移入和移出真空室时或当台被倾斜时防止对探头和探头机构的损坏。
[0015]图7示出在带电粒子束系统的真空室中的探头组件。
[0016]图8示出从负载锁插入并且安装到真空室中的台上的探头组件。
[0017]图9示出倾斜台上的探头组件并且示出探头组件相对于透镜的位置。
[0018]图1OA到1D示出从负载锁加载探头组件、将其连接到电气连接器、并且将其移入用于带电粒子束观察的观察位置的步骤。
[0019]图11示出探头组件的示意图。
[0020]图12A和12B示出定位成分别与探头组件上的插孔连接和断开连接器的连接器组件。

【具体实施方式】
[0021]期望能够在不从真空室移除样本的情况下来在使用纳米探头电气测试样本和使用带电粒子束处理而处理样本之间来回切换。
[0022]在处理期间， 申请人:已经认识到在一些样本制备过程中，期望:
a.感兴趣的样本区域处于束的重合点处；
b.样本被接地；
c.针被接地；
d.样本可以倾斜到52度；以及 e.当处于42度倾斜时，台可以完全通过+/-180度来旋转。
[0023]将电信号载送到探头组件并且载送来自探头组件的电信号的布线线束必须在倾斜或旋转之前被断开，并且断开将消除与样本和探针的接地连接。而且，布线线束必须在将台偏置到高压之前被断开，这降低束能量，以避免损坏探头电子器件以及创建不安全的情况。
[0024]图11示出探头组件1102的实施例。探头组件通常具有多个探头，诸如六个或八个探头，然而仅示出了一个探头1104。探头1104包括操纵器1106，其可以在水平面中移动并且可以抬起和降低支撑探头尖端1110的臂1108。可以在三个维度上(即在x-y平面以及垂直地)移动样本的探头样本台1120支撑样本1122。柱脚(stub) 1124安装在显微镜的台中并且插孔1126为探头和样本台提供电气连接。
[0025]图1示出一种探头组件，其可以通过在真空室内移动台来使电气线束与探头组件连接和断开。 申请人:发现精密台的驱动机构提供的力不足以简单地将布线线束电气连接器推上和推离探头组件电气连接器。图1示出探头组件，其使用控制杆102来从台移动增加力以便使布线线束电气连接器与探头组件电气连接器连接或断开。
[0026]探头组件优选地定位于五轴台上，即该台可以在X、Y和Z方向上移动并且可以倾斜和旋转。图1中仅示出Y轴移动机构。探头组件被示为定位在Y轴承座(bearing block)之内移动的超高分辨率(UHR) Y滑架上。具有控制杆102的连接器配合组件被附着到探头组件的可分离部分。当UHR Y滑架在箭头110的方向上移动时，控制杆接触致动器销120，并且控制杆在与箭头110相反的方向上移置，从而将连接器拉出探头组件连接。尽管该实施例使用控制杆，但是可以使用任何机构，诸如凸轮、电缆或任何东西。可以使用机器人或电动机驱动机构。在连接器被断开之后，探头组件然后在由台提供的范围上自由行进。探头组件可以在布线线束126不约束其运动的情况下与台倾斜和旋转。而且，可以通过已知方法使台电气偏置以便在没有高偏压传输通过电缆的风险的情况下降低束能量。
[0027]在例如通过对聚焦离子束进行铣削或使用电子束成像来对样本进行处理之后，UHR Y滑架在与箭头110相反的方向上移动，控制杆102接触致动器销122，其迫使连接器回到探头组件上的连接器中以使得样本可以被探测。该过程可以被重复，例如当使用离子束从样本移除不同层，以及暴露的层被依次电气探测时。本发明的实施例允许在不使真空室向大气排气的情况下在真空室之内连接和断开到探头组件的电气连接。
[0028]图5示出用于选择性地连接和断开探头组件的连接机构。如图8中所示，探头组件安装在台上。当台被移动时，连接器机构被致动移动。当致动器臂(控制杆)施压于其行进末端上的致动器销时，连接器与连接器连接或断开。图8示出连接到配合机构的连接器的布线线束。布线线束通常延伸到端口以便在真空室的内部和外部之间传导信号。
[0029]图12A和12B示出用于将连接器连接到探头组件或者将连接器从探头组件断开的处于不同位置的台上的连接器组件，没有示出探头组件但是它将被安装在所示的圆盘上。图12A示出其中控制杆将迫使连接器进入探头组件上的插孔中的连接器组件位置。图12B示出其中控制杆将迫使连接器离开探头组件上的插孔从而使得其断开的连接器组件位置。
[0030]如图11中所示，每个探头包括操纵器部分和导电探头部分。该导电探头部分与操纵器部分以及与探头组件的基座电气绝缘，该探头组件的基座通过台接地。探头组件中的样本固定器与探头组件的基座电气绝缘。通过探头组件的布线线束来完成与导电探头部分和样本的电气接触。
[0031]当从探头组件断开布线线束时，样本和探头是电浮动的，也就是它们未接地。当带电粒子束指向样本时,如果样本没有接地则它会变成带电的。图2A和2B示出使样本接地的一种方法。探头组件202包括用于测试样本200的六个探头204。探头可以被用来将信号应用于样本或者测量样本上的信号。柱206从探头组件的基座延伸。当样本没有被电气探测而是被带电粒子束处理时，样本被移动到电气接触柱206。柱206通过探头组件的基座接地，该探头组件的基座通过系统台接地。操作员可以在将探头组件加载到真空室中之前抵靠着接地元件将子台(substage)推到探头组件上。可替换地，探头组件可以与连接器紧密配合以便向子台供电，于是使用电动机来驱动该子镜台直到它接触接地元件为止。在一些实施例中，操纵器可以被用来抵靠着接地元件移动子台。探头现在远离带电粒子束将影响样本的所处的点，并且样本现在接地。
[0032]图3A和3B示出用于使样本200接地的另一实施例。不是如图2A和2B中那样在水平面中移动样本以接触柱200，而是垂直地移动样本以便接触具有水平部分310的柱302。与水平地移动样本一样，可以在样本子台被插入到真空室中之前抵靠着接地柱手动地移动该样本子台；可以对样本子台供电并且使它抵靠着接地柱移动，或者在探头组件之外的操纵器可以移动子台。
[0033]图2A、2B、3A和3B的实施例提供一种使样本接地的方式，但是探头本身不接地。图4A-4D示出探头上面的接地元件(即“中间件(mezzanine)”)的使用，当探头致动器抬起探头以接触中间件时将使探头接地。在结合图2A、2B、3A或3B中的任一个的接地柱使用时，中间件可以在布线线束与探头组件断开时为探头和为样本提供接地接触。中间件通过探头组件的基座以及通过系统台接地。
[0034]图4A示出当样本200和探头306都不接地时的配置。在图4B中，样本已经被移动至接触接地电极206，并且探头306已经被操纵器406抬起以接触接地中间件402。还可以在被置于真空室中之前手动地移动该探头以便接触中间件，或者操纵器可以被用来定位探头。在所示的配置中，探头和样本二者都接地。因此可以通过带电粒子束来对样本进行操作，并且没有静电荷将积累在样本或针上。在图4C中示出的配置中，样本被探测。样本和针都不接地。Y滑架已经被移动以使得用于探头组件的连接器已经重新连接到探头组件，并且探头被降低以接触用于电气测试的样本。图4D示出处于接地配置的具有柱206和中间件402的探头组件。
[0035]中间件不仅用来使探头接地，而且其还可以用来当探头在物理运动期间向上倾斜时(例如在探头组件被插入到真空系统的气锁中的同时或者当具有样本的探头组件被倾斜用于带电粒子束处理时)防止探头提升到它将被损坏的位点。图6示出用于通过阻止过度地提升探头来防止对探头组件的损坏的另一结构。该结构包括环状物602，其具有从环状物延伸并且防止探头的操纵器608部分以及因此探头的导电部分608在探头组件基盘上面延伸太远的调整片(tab) 604，当该探头组件基盘靠近另一结构时(诸如当探头组件通过锁并且进入真空室时或者当台被倾斜从而将探头组件带到带电粒子束柱的聚焦透镜附近时)它可能损坏探头。在一些实施例中，调整片604被定位成使得操纵器608的运动范围允许它们从调整片下面移出以便容易地更换各个探头。图9示出在样本台被倾斜的情况下真空室的内部。图7示出当台被倾斜时探头组件非常靠近透镜。使探头在样本探头固定器上面不显著延伸是必要的，否则探头将撞到透镜并且被损坏。
[0036]图7示出真空室的内部。倾斜台702支撑平移台714，该平移镜台714支撑具有插孔716的探头组件704。探头组件被带入到通过负载锁的负载锁滑梭(shuttle) 710上的真空室中。图7示出用于将带电粒子聚焦到在位于探头组件上的样本上的透镜706。
[0037]图1OA到1B示出将探头组件加载到台上的步骤。将探头组件带入负载锁滑梭上的真空室中并且置于台载片(mount)上，如图1OA中所示。通过滑梭将台组件降低到图1OB中所示的位置。图1OC示出台被水平地移动以便如上所述将连接器组件上的连接器紧密配合到探头组件上的插孔。在图1OD中，抬起与探头组件电气连接的台以使得样本位于全对中处(at the eucentric),即在束为重合点并且在台的旋转或倾斜期间将保持重合的点处。
[0038]本发明的一个方面提供一种用于电气探测真空室中的工件的系统，包括:
真空室；
可移动且可旋转台；
适于在可旋转台上被支撑的探头组件，该探头组件包括:
一个或多个电气探头，其用来接触工件并且提供或感测电气信号；以及电气连接器，其用于将电气信号提供给探头或者从探头接收电气信号；
电气连接器，被配置成使得台的运动可以选择性地连接或断开电气连接器以便在电气连接器被断开时允许台自由移动。
[0039]在一些实施例中，该系统还包括安装在台的第一部分上的一个或多个第一元件以及安装在台的相对于该第一部分可移动的第二部分上的一个或多个第二元件，第一元件中的一个接触第二元件中的一个以便物理地断开或重新连接电气连接器。
[0040]在一些实施例中，该第一元件中的一个或多个包括致动器销，并且该第二元件中的一个或多个包括通过致动器销移动的控制杆。
[0041]在一些实施例中，该系统还包括用于在电气连接器被断开时使样本接地的导体。
[0042]在一些实施例中，该导体是通过移动台而被样本接触的柱。
[0043]在一些实施例中，该系统还包括用于在电气连接器被断开时使探头针接地的导体。
[0044]在一些实施例中，该系统还包括在探头之外限制探头的延伸的机械屏障。
[0045]本发明的一些方面包括一种操作带电粒子束系统的方法，包括:
使探头组件插入通过真空室的负载锁，该探头组件包括:
多个探头；以及
样本位置，其用于在由多个探头进行探测期间支撑样本；
在真空室中使用带电粒子束来处理样本；
在不打开真空室的情况下，使探头组件上的第一电气连接器与真空室中的第二电气连接器紧密配合；以及
使多个探头中的一个或多个接触样本以便在样本上执行电气测试。
[0046]在一些实施例中，该方法还包括在使用带电粒子束对样本进行处理并且使多个探头中的一个或多个接触样本之后，对样本执行电气测试；
断开第一电气连接器和第二电气连接器； 使用带电粒子束来第二次处理样本；
使第一电气连接器与第二电气连接器第二次紧密配合；以及使多个探头中的一个或多个接触样本以便第二次对样本执行电气测试。
[0047]在一些实施例中，该方法还包括在使用聚焦离子束第一次或第二次处理样本之前，使样本接地。
[0048]在一些实施例中，该方法还包括:在使用带电粒子束第一次或第二次处理样本期间，使样本电气偏置以便在探头组件连接器没有被连接的同时降低碰撞到样本上的带电粒子的能量。
[0049]在一些实施例中，该方法还包括在使用带电粒子束在真空室中处理样本的同时使探头接地。
[0050]在一些实施例中，使样本接地包括水平或垂直地移动样本以便与接地导体接触。
[0051]在一些实施例中，该方法还包括对探头的最大高度提供在探头本身之外的物理约束以便防止对探头的损坏。
[0052]在一些实施例中，本发明包括用于使安装在真空室中的探头组件中的样本接地的方法和装置，该方法包括水平地或垂直地移动样本或样本台以便接触接地柱。
[0053]在一些实施例中，本发明包括用于使安装在真空室中的探头组件中的探头接地的方法和装置，该方法包括移动探头以便接触在探头上面或下面的接地导体。
[0054]在一些实施例中，本发明包括用于保护安装在真空室中的探头组件中的探头的方法和装置，该方法包括提供约束探头的运动的外部约束以便防止探头在探头组件上面延伸足够远以致于与气锁或透镜或其它结构碰撞。
[0055]本发明的优选方法或装置具有许多新颖方面，并且因为本发明可以在用于不同目的的不同方法或装置中具体实施，所以不是每个方面需要被呈现在每个实施例中。此外，所述实施例中的许多方面可以被单独地授予专利权。例如，与用于电气连接和断开探头组件的方法和装置不同的用于使样本接地的方法和装置被认为是可授予专利权的。而且，用于使探头接地的方法和装置以及用于通过限制探头的运动范围来保护探头的方法和装置是单独地可授予专利权的。这些发明可以独立地使用并且不需要一起使用。本发明具有广泛的适用性并且可以如上面示例中描述和示出的那样提供许多益处。实施例将根据具体应用而变化很大，并且不是每个实施例都将提供所有益处并且满足由本发明可实现的所有目标。
[0056]尽管先前描述的大部分针对来自钻孔切割的矿物样本，但是本发明可以被用于制备任何适当材料的样本。在本申请中可互换地使用术语“工件”、“样本”、“基底”和“样品”，除非另外指示。此外，本文中无论何时使用术语“自动的”、“自动化的”或类似术语，那些术语将被理解成包括自动或自动化过程或步骤的手动启动。
[0057]在下面的讨论中和在权利要求中，以开端的方式来使用术语“包括”和“包含”，并且因此应该将其解释为意指“包括，但不限于…”。就在该说明书中未具体限定的任何术语的范围来说，意图给予术语其平常且普通的含义。附图意图帮助理解本发明，并且除非另外指示，未按照比例来绘制。适合于实施本发明的粒子束系统是商业上可获得的，例如从本申请的受让人FEI公司。
[0058]尽管已经详细地描述了本发明及其优点，但是应该理解可以在不偏离如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下对这里描述的实施例作出各种改变、替换和更改。此外，本申请的范围不意图受限于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员根据本发明的公开内容将容易认识到的那样，根据本发明可以利用当前存在或稍后研发的执行与本文所述的对应实施例基本相同的功能或者实现与其基本相同结果的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，意图使所附权利要求将这样的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围之内。
【权利要求】
1.一种用于电气探测真空室中的工件的系统，包括: 真空室； 可移动且可旋转台； 适于支撑在可旋转台上的探头组件，该探头组件包括: 一个或多个电气探头，其用来接触工件并且提供或感测电气信号；以及 电气连接器，其用于将电气信号提供给探头或者从探头接收电气信号； 电气连接器被配置成使得台的运动能够选择性地连接或断开电气连接器以便在电气连接器被断开时允许台自由移动。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括安装在台的第一部分上的一个或多个第一元件以及安装在台的相对于该第一部分可移动的第二部分上的一个或多个第二元件，第一元件中的一个接触第二元件中的一个以便物理地断开或重新连接电气连接器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一元件中的一个或多个包括致动器销，并且该第二元件中的一个或多个包括通过致动器销移动的控制杆。
4.根据上述权利要求中的任一个所述的系统，还包括用于在电气连接器被断开时使样本接地的导体。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述导体是通过移动台而被样本接触的柱。
6.根据权利要求1至3中的任一个所述的系统，还包括用于在电气连接器被断开时使探头针接地的导体。
7.根据权利要求1至3中的任一个所述的系统，还包括在探头之外限制探头的延伸的机械屏障。
8.一种操作带电粒子束系统的方法，包括: 使探头组件插入通过真空室的负载锁，该探头组件包括: 多个探头；以及 样本位置，其用于在由多个探头进行探测期间支撑样本； 在真空室中使用带电粒子束来处理样本； 在不打开真空室的情况下，使探头组件上的第一电气连接器与真空室中的第二电气连接器紧密配合；以及 使多个探头中的一个或多个接触样本以便在样本上执行电气测试。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括在使用带电粒子束对样本进行处理并且使多个探头中的一个或多个接触样本之后，对样本执行电气测试: 断开第一电气连接器和第二电气连接器； 使用带电粒子束来第二次处理样本； 使第一电气连接器与第二电气连接器第二次紧密配合；以及 使多个探头中的一个或多个接触样本以便第二次对样本执行电气测试。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，还包括在使用聚焦离子束第一次或第二次处理样本之前，使样本接地。
11.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，还包括:在使用带电粒子束第一次或第二次处理样本期间，使样本电气偏置以便在探头组件连接器没有被连接的同时降低碰撞到样本上的带电粒子的能量。
12.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，还包括在使用带电粒子束在真空室中处理样本的同时使探头接地。
13.根据权利要求10所述的方法，其中使样本接地包括水平或垂直地移动样本以便与接地导体接触。
14.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，还包括对探头的最大高度提供在探头本身之外的物理约束以便防止对探头的损坏。
15.一种用于使安装在真空室中的探头组件中的样本接地的方法和装置，该方法包括水平地或垂直地移动样本或样本台以便接触接地柱。
16.一种用于使安装在真空室中的探头组件中的探头接地的方法和装置，该方法包括移动探头以便接触在探头上面或下面的接地导体。
17.一种用于保护安装在真空室中的探头组件中的探头的方法和装置，该方法包括提供约束探头的运动的外部约束以便防止探头在探头组件上面延伸足够远以致于与气锁或透镜或其它结构碰撞。
【文档编号】H01J49/08GK104377101SQ201410396973
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2013年8月14日
【发明者】P.J.L.巴伦兹, M.P.W.范登布加德, P.布伦达奇 申请人:Fei 公司