NL1025503C1 - Werkwijze en apparaat voor het manipuleren van een microscopisch sample. - Google Patents

Description

Werkwijze en apparaat voor het manipuleren van een microscopisch sample.

5 De uitvinding betreft een werkwijze voor het manipuleren van een uit een substraat uit te nemen microscopisch sample, waarbij de manipulatiebewegingen worden uitgevoerd met behulp van een manipulatiesamenstel bestaande uit een sampledrager en een manipulator, welke werkwijze de volgende stappen omvat: • het bevestigen van het sample aan de sampledrager en het geheel lossnijden van 10 het sample van het substraat, en • het vervolgens aanbrengen van een separatie tussen het sample en de manipulator.

Tevens heeft de uitvinding betrekking op een deeltjes-optisch apparaat voor het uitvoeren van deze werkwijze.

15 Een zodanige werkwijze is bekend uit US-octrooischrift No. 6,420,722 B2.

Dergelijke werkwijzen worden met name gebruikt in de halfgeleiderindustrie, waar samples van microscopische afmetingen uit substraten zoals wafers worden genomen om analyses en/of bewerkingen mogelijk te maken. Zulke samples hébben tegenwoordig afmetingen in de ordegrootte van 10 pm bij een dikte van 100 nm. Er 20 bestaat een tendens naar nog verdere verkleining van de van interesse zijnde structuren en bijgevolg een verdere verkleining van de uit te nemen samples. De analyses kunnen bijvoorbeeld uitgevoerd worden met behulp van een TEM (Transmission Electron Microscope), SEM (Scanning Electron Microscope), SEMS (Secondary Ion Mass Spectroscope) of röntgenanalyse-apparatuur. De verdere bewerkingen kunnen 25 bijvoorbeeld het met behulp van een ionenbundel dunner maken van het sample zijn ten behoeve van analyse met behulp van een TEM.

Bij de in het genoemde octrooischrift beschreven werkwijze wordt een sampledrager in de vorm van een naald aan een manipulator naar een positie op een substraat bewogen waar een sample uit een substraat genomen moet worden. Alvorens het sample geheel 30 los te snijden van het substraat wordt het sample aan het uiteinde van de naaldvormige sampledrager bevestigd door middel van metaaldepositie.

1025503- I In US6,570,170 wordt een alternatieve werkwijze beschreven om een sample los te nemen uit een wafer en met een sampledrager te verbinden. Hierbij wordt het sample I eerst met behulp van een deeltjesbundel volledig losgesneden van het substraat 5 alvorens het sample met de sampledrager wordt verbonden.

I Met beide bekende werkwijzen wordt bereikt dat het sample losgesneden wordt van het I substraat en vastgemaakt wordt aan de samplehouder opdat het sample m.b.v. de I samplehouder gemanipuleerd kan worden.

I 10 Na het volledig lossnijden van het sample met behulp van een deeltjesbundel wordt het aan de manipulator bevestigde sample naar een andere positie gebracht met behulp van I de manipulator.

I Het sample wordt vervolgens op een drager in de vorm van een TEM-grid bevestigd I door middel van metaaldepositie. Het TEM-grid heeit uitsparingen en het sample wordt I 15 aan de rand van zo een uitsparing bevestigd. Na het bevestigen van het sample op het I TEM-grid wordt de separatie tussen de manipulator en het sample aangebracht door I lossnijden met een ionenbundel van de metaaldepositieverbinding tussen sample en I manipulator.

I Een TEM-grid bestaat uit een metalen folie waarin uitsparingen zijn aangebracht die I 20 begrensd worden door spijlen van het genoemde metaal. Het heeft gebruikelijk een I buitendiameter in de orde van grootte van 3 mm, uitsparingen van 15 pm of groter, I begrenst door spijlen met een breedte van 10 pm of meer en een dikte van 10 pm of meer. De uitsparingen kunnen, afhankelijk van de gekozen uitvoering van het TEM- grid, een grootte hebben tot honderden pm’s.

I 25 I Een nadeel van de bekende werkwijze is dat het op de sampledrager gemonteerde I sample door het manipulatorsamenstel met sub-micron nauwkeurigheid gepositioneerd moet worden op het TEM-grid ten einde de hoekpunten van het sample met de rand van I de uitsparing te verbinden zonder de ruimtelijke toegankelijkheid van het sample voor 30 verdere bewerking en/of analyse te bemoeilijken. Het is hierbij belangrijk te beseffen I 1025503- 3 dat het sample een grootte vergelijkbaar met of kleiner dan de breedte van de spijlen van het TEM-grid heeft.

Een ander nadeel van de beschreven werkwijze is dat deze niet de mogelijkheid biedt het sample te bewerken of te analyseren in apparatuur die een andere grid of houder 5 nodig heeft dan die waarop het sample bevestigd is.

Een verder nadeel ligt in het bepalen van de positie van het sample op het TEM-grid, waarbij ergens op het TEM-grid met een afmeting in de ordegrootte van 3 mm en met tientallen tot honderden uitsparingen, het microscopische sample met een afmeting in de ordegrootte van 10 pm aan een spijl gemonteerd is.

10

De uitvinding beoogt een werkwijze te verschaffen die het manipuleren van het microscopische sample beter mogelijk maakt.

Daartoe is een werkwijze volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat de separatie aangebracht wordt tussen de manipulator en de sampledrager zodanig dat na 15 het aanbrengen van de separatie een ten opzichte van het sample uitstekend deel van de sampledrager met het sample verbonden blijft

Door de sampledrager aanzienlijk groter te maken dan het microscopische sample en de sampledrager te manipuleren wordt het manipuleren van het daarop bevestigde microscopische sample met behulp van een (macroscopische) manipulator eenvoudiger 20 dan het manipuleren van het sample zonder de daaraan bevestigde sampledrager.

Door bij montage van het sample op een TEM-grid, met uitsparingen veel groter dan het sample, de sampledrager zó te manipuleren dat het sample zich geheel binnen een uitsparing bevindt en de sampledrager daarbij op één of meer spijlen van het TEM-grid rust, wordt een aanzienlijke reductie in benodigde positioneringsnauwkeurigheid 25 bereikt, en daarmee een eenvoudiger manipulatie.

Een her-montage van het sample kan plaatsvinden door losname, manipulatie en montage van de sampledrager, hetgeen gemakkelijker en trefzekerder is dan losname, manipulatie en montage van het microscopische sample. Zo een her-montage kan nodig zijn om de positie of oriëntatie van het sample te veranderen bij aanvankelijk foutieve 30 plaatsing, of om het sample op een ander grid of een andere houder te monteren voor gebruik in apparatuur waar het sample een volgende bewerking of analyse ondergaat.

1025503- I 4 I Ten slotte is de positiebepaling van het aan de (relatief grote) sampledrager bevestigde I microscopische sample eenvoudiger dan de positiebepaling van het sample zonder sampledrager door eerst de positie van de sampledrager te bepalen en daarna door het I volgen van de vorm van de sampledrager het daaraan bevestigde sample te lokaliseren.

I 5 In een voorkeursuitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding heeft de I sampledrager een staafVormig uiteinde en is de plaats waar het sample aan de I sampledrager wordt bevestigd een uiteinde van de sampledrager. Voordeel van deze I uitvoering is dat het zicht op de plaats waar het uiteinde van de relatief grote I sampledrager aan het microscopische sample wordt bevestigd zo min mogelijk I 10 geblokkeerd wordt door de sampledrager zelf, waardoor het positioneren van het I uiteinde van de sampledrager op het uit te nemen sample vóór dat dit losgesneden wordt zo eenvoudig mogelijk is.

In een verdere uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding wordt de I sampledrager gevormd door een uiteindedeel van een draadvoorraad en wordt daarbij de I 15 separatie aangebracht door het uiteindedeel van de draadvoorraad te separeren van de

I draadvoorraad. Het bijkomend voordeel van deze uitvoering is dat het achterblijvende I

I uiteinde van de draadvoorraad bij herbaalde toepassing van de werkwijze nu gebruikt

I kan worden als een nieuw uiteindedeel van een volgende sampledrager. Daarbij kan de I

separatie omvatten het strekken van de draad van de draadvoorraad zodanig dat I

20 insnoering van de draad optreedt, met als voordeel dat het nieuw gevormde uiteinde van I

de draadvoorraad een geringere diameter heeft dan rest van de sampledrager, wat de I

I positionering van dat uiteinde op het uit te nemen (microscopisch) sample I

I vereenvoudigt I

In een andere uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding is de sampledrager I

I 25 losneembaar gekoppeld aan de manipulator. Het voordeel van deze uitvoering is dat de I

manipulator geautomatiseerd, dus zonder menselijke interventie, de sampledrager uit I

bijvoorbeeld een cassette kan nemen en, na bevestiging van het sample aan de I

I sampledrager en lossnijden van het sample, de sampledrager met het sample in dezelfde I

of een andere cassette kan plaatsen en loskoppelen, waarna deze cassette verwijderd kan I

I 30 worden uit het apparaat waarin deze werkwijze plaatsvindt, ten einde de samples I

I aanwezig in de cassette bewerkingen en/of analyses te laten ondergaan. De I

I 1025503- 5 sampledrager kan een vorm hebben die geschikt is voor gebruik in de apparatuur voor analyses en/of bewerkingen volgend op de uitname van het sample. De sampledrager kan ingericht zijn voor het dragen van meerdere samples, wat de tijd benodigd voor analyse en/of bewerkingen kan verkorten. Ook is het mogelijk de sampledrager te 5 voorzien van een unieke identificatiecode, wat identificatie van het sample in de daarop volgende analyses en/of bewerkingen vergemakkelijkt. Deze uitvoering van de werkwijze is met name een voordeel in omgevingen waar grote hoeveelheden samples worden geanalyseerd, zoals in productieomgevingen van geïntegreerde circuits.

10 De uitvinding wordt beschreven aan de hand van de figuren, waarbij gelijke verwijzingscijfers overeenkomstige elementen aanduiden.

Alhoewel de figuren slechts de werkwijze toelichten waarbij de sampledrager met het sample wordt verbonden alvorens het sample los te snijden uit het substraat, is het evenzeer mogelijk het sample eerst volledig los te snijden alvorens het sample met 15 de sampledrager te verbinden.

Daarbij toont:

Figuur IA een schematische weergave van een wafer met een gedeeltelijk losgesneden sample;

Figuur 1B een schematische weergave van een dwarsdoorsnede uit figuur IA 20 van de wafer met het gedeeltelijk losgesneden sample;

Figuur 2 een schematische weergave van een manipulatorsamenstel met een wafer,

Figuur 3 een schematische weergave van een wafer met een gedeeltelijk losgesneden sample waaraan een sampledrager is bevestigd; 25 Figuur 4 een schematische weergave van een manipulatorsamenstel met een daaraan bevestigd sample waarin de lossnijding van sampledrager en manipulator geschiedt;

Figuur 5 een schematische weergave van een TEM-grid met daarop de sampledrager met daaraan bevestigd sample; 30 Figuur 6 een schematische weergave van een manipulatorsamenstel de sampledrager gevormd wordt uit een draadvoorraad; 1025503- I Figuur 7Α een schematische weergave van mechanische separatiemiddelen zoals I te gebruiken in figuur 6; I Figuur 7B een schematische weergave van mechanische separatiemiddelen zoals te gebruiken in figuur 6; 5 Figuur 8A een losneembare sampledrager;

Figuur 8B een manipulator met mechanische bevestigingsmiddelen voor het manipuleren van een sampledrager als getoond in figuur 8A; I Figuur 9 een losneembare sampledrager ingericht voor bevestiging aan een I vlakke houder; I 10 Figuur 10 een vlakke houder waaraan een sampledrager volgens figuur 9 is I bevestigd.

I De figuren IA en 1B tonen een substraat 2 in de vorm van een wafer met daarin I een gedeeltelijk losgesneden sample 1. Het lossnijden kan op een op zichzelf bekende I 15 wijze gebeuren met een ionenbundel. De onderzijde van het sample 1 is al losgesneden, I en het sample 1 is alleen door de verbinding 7 tussen wafer 2 en sample 1 nog met de I wafer 2 verbonden. Het sample 1 heeft tegenwoordig afmetingen in de orde van grootte van 10 pm (dat wil zeggen lengte loodrecht op lijn AA’) bij een dikte (dat wil zeggen afmeting in de richting van lijn AA’) van 100 nm. De wafer 2 heeft heden ten dage een 20 typische diameter van 300 mm, waarbij het sample uit elke willekeurige positie op de I wafer genomen moet kunnen worden. Figuur 1B toont een dwarsdoorsnede volgens lijn I AA’ weergegeven in figuur IA, waarbij duidelijk te zien is dat het sample 1 aan de I onderzijde vrij is van de wafer 2.

I Figuur 2 toont schematisch een manipulatorsamenstel 5, bestaande uit een I 25 manipulator 4 en een sampledrager 3. De manipulator 4 is in staat de sampledrager 3 zowel in het vlak van de wafer 2 naar de positie van het uit de wafer 2 te nemen sample I 1 (zie figuur IA) te bewegen alsook loodrecht daarop te bewegen. Gezien de afmetingen I van het sample 1 zal dit met een nauwkeurigheid in de orde van grootte van 1 pm I moeten gebeuren. Manipulatoren voor het positioneren van wafers met deze I 30 nauwkeurigheden zijn op zichzelf bekend.

I 1025503- 7

Figuur 3 toont schematisch een uiteinde van de met de manipulator 4 (zie figuur 2) verbonden sampledrager 3 (zie figuur 2) die aan het sample 1 is bevestigd, waarbij de verbinding 6 is uitgevoerd in de vorm van metaaldepositie. Na het lossnijden van de verbinding 7 tussen het sample 1 en de wafer 2 met een deeltjesbundel wordt het sample 5 1 nog slechts door de sampledrager 3 gedragen.

Figuur 4 toont schematisch de manipulator 4 die de daarmee verbonden sampledrager 3 met het daaraan bevestigde sample 1 boven een TEM-grid 14 positioneert. De sampledrager 3 wordt door de manipulator 4 zó boven het TEM-grid 14 gepositioneerd, dat het sample 1 zich na de separatie geheel binnen een uitsparing van 10 het TEM-grid 14 bevindt en de sampledrager 3 op één of meer spijlen van het TEM-grid .14 komt te rusten, zoals nader getoond wordt in figuur 5. Vervolgens wordt met bijvoorbeeld een laser- of deeltjesbundel een separatie op een positie 8 tussen manipulator 4 en sampledrager 3 aangebracht, waarbij het ten opzichte van het sample 1 uitstekende deel van de sampledrager 3 dat met het sample 1 verbonden blijft groot is 15 ten opzichte van het sample 1.

Figuur 5 toont schematisch de positionering van het sample 1 nadat een separatie tussen de sampledrager 3 en de manipulator 4 is aangebracht. De sampledrager 3 rust op één spijl van het TEM-grid 14 en het sample 1 bevindt zich geheel binnen een uitsparing 17 van het TEM-grid 14, waardoor het sample 1 goed toegankelijk is voor 20 bewerkingen en/of analyses in andere apparatuur.

Figuur 6 toont schematisch een uitvoeringsvorm van het manipulatorsamenstel 5 waarbij de sampledrager 3 (zie figuur 2) gevormd wordt door het uiteindedeel 9 van een draadvoorraad 11. Tevens zijn hier schematisch separatiemiddelen 15 getoond, die mechanisch van aard kunnen zijn zoals nader te beschrijven in figuur 7, maar ook 25 uitgevoerd kunnen zijn als scheidingsmiddelen die de separatie uitvoeren met behulp van een laser- of deeltjesbundel. Het gebruik van de draadvoorraad 11 maakt het mogelijk om bij herhaald uitvoeren van de werkwijze op een eenvoudige wijze sampledragers 3 te produceren. De sampledrager 3, en daarmee de draad waaruit de sampledrager 3 gevormd wordt, dient, gezien de afmetingen van het sample 1 waarop 30 de sampledrager 3 gepositioneerd wordt, zeer dun te zijn. Daarbij kan gedacht worden 1025503 = H aan draad zoals voor ‘bonding’ van chips in de halfgeleiderindustrie wordt gebruikt, welke draad tegenwoordig een diameter kan hebben van 10 μιη.

I Figuur 7A toont schematisch een uitvoering van de in figuur 6 genoemde I mechanische separatiemiddelen 15 waarbij het uiteindedeel 9 met naar elkaar toe 5 bewegende messen 16 mechanisch wordt gescheiden van de draadvoorraad 11.

I In figuur 7B toont schematisch een uitvoering van de in figuur 6 genoemde H mechanische separatiemiddelen 15 waarbij het uiteindedeel 9 mechanisch wordt gescheiden van de draadvooiTaad 11 door strekking van de draadvoorraad 11 door het uit elkaar bewegen van klemmen 12 waarbij insnoering van de draad van de 10 draadvoorraad 11 optreedt. De insnoering zal een diameter veel kleiner dan de diameter I van het uiteindedeel 9 hebben, zodat de uit deze insnoering nieuw te vormen naaldvormig uiteinde van uiteindedeel 9 ook veel dunner is dan de diameter van het draad van de draadvoorraad 11, waardoor positionering op het microscopische sample 1 H vergemakkelijkt wordt.

15 Figuur 8A toont in vooraanzicht en tevens in doorsnede volgens lijn AA’ een H sampledrager 3 die losneembaar gekoppeld kan worden aan de in figuur 2 reeds I getoonde manipulator 4. In de figuur is te zien dat de sampledrager 3 gevormd is met I een relatief dik lichaam 18 waarop de manipulator 4 kan aangrijpen ter koppeling, en dun uitlopende vingers 19 voor het bevestigen van samples 1. De vorm van de 20 sampledrager 3 is zodanig gekozen dat gebruik in standaard preparaatdragers van I apparatuur waarin bewerkingen en/of analyses gedaan worden mogelijk is. Dit kunnen preparaatdragers voor gebruik met TEM-grids zijn voor gebruik in TEM apparatuur. De sampledrager 3 is ingericht voor het dragen van meerdere samples 1 door de I aanwezigheid van meerdere vingers 19. Door de vorm, plaats en richting van de vingers I '25 19 wordt bewerkstelligd dat een sample 1 aan het uiteinde van één vinger 19 wordt I bevestigd zonder dat een al aan een andere vinger 19 bevestigd sample 1 in aanraking I komt met de waf» 2, aangezien dit het reeds bevestigde sample 1 kan beschadigen of de I verbinding tussen dit reeds bevestigde sample 1 en de sampledrager 3 kan beschadigen.

I Tevens is sampledrager 3 voorzien van een (unieke) identificatiecode 13, wat I 30 identificatie van de aan de sampledrager 3 bevestigde samples in de daarop volgende I analyses en/of bewerkingen vergemakkelijkt. Deze identificatie is met name een I 1025503' 9 voordeel in omgevingen waar grote hoeveelheden samples worden geanalyseerd, zoals in productieomgevingen van geïntegreerde circuits.

Figuur 8B toont schematisch een sampledrager 3 zoals getoond in figuur 8A, die gekoppeld is aan een manipulator 4 met behulp van een koppelingsmechanisme 10, 5 welk koppelingsmechanisme 10 deel uit maakt van de manipulator 4. De bek van dit koppelingsmechanisme 10 wordt met een niet getoonde actuator gesloten, waarbij de sampledrager 3 vastgeklemd wordt.

Figuur 9 toont schematisch een andere uitvoeringsvorm van een losneembare sampledrager 3, die op zijn beurt weer op een vlakke houder met één of meer 10 uitsparingen 17, zoals een TEM-grid 14, wordt bevestigd, zoals nader getoond in figuur 10. Deze sampledrager 3 heeft een U-vorm met een relatief dik middendeel 20 en dunne poten 21. Het relatief dikke middendeel 20 kan door een koppelingsmechanisme 10 zoals getoond in figuur 8B vastgenomen worden. Aan de dunne poten 21 wordt het sample 1 bevestigd.

15 Figuur 10 toont schematisch de sampledrager 3 zoals getoond in figuur 9 bevestigd aan een vlakke houder in de vorm van een TEM-grid 14 met uitsparingen 17, waarbij de samples 1 verbonden met de sampledrager 3 beide vrij binnen een uitsparing 17 liggen. Tevens is het TEM-grid 14 voorzien van een unieke identificatiecode 13.

20 1025503-

Claims (9)

1. 2 Werkwijze volgens conclusie 1 waarbij de sampledrager een staafvormig I uiteinde heeft en de plaats op de sampledrager waar het sample aan de sampledrager wordt bevestigd het staafvormig uiteinde van de sampledrager is. I 20 I 3 Werkwijze volgens conclusie 1 of 2 waarbij de sampledrager wordt gevormd door een uiteindedeel van een draadvoorraad en waarbij de separatie aangebracht wordt I door het uiteindedeel van de draadvoorraad te separeren van de draadvoorraad. I 25 4 Werkwijze volgens conclusie 3 waarbij de werkwijze omvat het ter plaatse van het separatievlak waar de separatie aangebracht wordt strekken van de draad van de draadvoorraad zodanig dat insnoering van de draad optreedt.
2. 5 Werkwijze volgens conclusie 1 of 2 waarbij de sampledrager losneembaar 30 gekoppeld is aan de manipulator. 1025503-
3. 6 Werkwijze volgens conclusie 5 waarbij de sampledrager is ingericht voor het dragen van meerdere samples.
4. 7 Werkwijze volgens conclusie 5 of 6 waarbij de sampledrager voorzien is van een 5 unieke identificatiecode.
5. 8 Werkwijze volgens conclusie 5,6 of 7 waarbij de sampledrager wordt bevestigd op een vlakke houder met een uitsparing, zó dat het sample zich nagenoeg rondom vrij binnen de uitsparing bevindt. 10
6. 9 Werkwijze volgens 8 waarbij het bevestigen van de sampledrager op de vlakke houder plaatsvindt door mechanische klemming.
7. 10 Werkwijze volgens conclusie 8 of 9 waarbij de vlakke houder voorzien is van 15 een unieke identificatiecode.
8. 11 Deeltjes-optisch apparaat voor het uitvoeren van de werkwijze volgens conclusie 3 of 4, voorzien van • een deeltjesbion voor het voortbrengen van een deeltjesbundel om een 20 sample uit een substraat los te snijden, en • een manipulator voor het bewegen van een sampledrager naar een positie op een substraat waar het sample uit het substraat genomen moet worden, daardoor gekenmerkt dat het deeltjes-optisch apparaat voorzien is van een draadvoorraad voor het vormen van een samplehouder en dat het deeltjes-optisch 25 apparaat voorzien is van scheidingsmiddelen voor het aanbrengen van een separatie tussen draadvoorraad en een uiteindedeel van de draadvoorraad teneinde de sampledrager te verkrijgen.
9. 12 Deeltjes-optisch apparaat voor het uitvoeren van de werkwijze volgens één der 30 conclusies 5 t/m 10, voorzien van 1025503- I 12 I · een deeltjesbron voor het vóórtbrengen van een deeltjesbundel om een I sample uit een substraat los te snijden, en I · een manipulator voor het bewegen van een sampledrager naar een positie op I I een substraat waar het sample uit het substraat genomen moet worden, 5 daardoor gekenmerkt dat de manipulator een koppelingsmechanisme omvat voor het I I losneembaar bevestigen van de sampledrager aan de manipulator. I I 1025503“