在半导体微电路中勘定形貌以进行故障分析(FA)的工作一直非常棘手。 随着技术的进步，FA中目标形貌的尺寸愈来愈小。FA的传统方法是对目标形貌 进行电接触，其又称为探测，其包括使用带有精细探针的机械定位器及一光学 显微镜。该些定位器可为手动或电动精密3轴台定位器，且附装有灵敏的探针。 借助于一传统的光学显微镜及该定位器，使用者可以使用探针对目标FA装置进 行探测。由于光学显微术的局限性，当今半导体技术的日趋小型化尺寸已经使 FA形貌的勘定及探测变得非常困难或甚至于不可能实现。
扫描探针显微术(SPM)是可用来勘定上述形貌的技术之一。使用SPM所 形成、显像及勘定的形貌远远小于传统光学显微术所能勘定的形貌。在SPM技 术中，由于每个扫描探针显微镜仅能够对一个FA目标形貌进行探测，因此，如 果要接触多个形貌，则需要多个扫描探针。对于FA探测而言，使用SPM(又 称为原子力显微术(AFM))的领域称为原子力探测(AFP)。缩写AFP代表该 技术领域及设计用于该领域的仪器，即原子力探针。
现有技术包括许多使用SPM勘定FA形貌的实例，其中包括使用一单个SPM 勘定FA形貌。但是，由于许多用于FA的相关装置均需要2个(如果是二极管)、 3个(如果是晶体管)或甚至更多个探针，所以使用单个探针所能进行的FA实 验是非常有限的。
与多个FA用扫描探针相关的现有技术的局限性在于，为避免碰撞，探针一 次只能扫描一个形貌。此种方法可有效地避免碰撞，至少直到探针移至各自目 标形貌时。但是该方法扫描时间过长，导致发生漂移(例如热漂移)的时间增 加。而且，测量时间过长这一明显事实也是现有技术的一严重缺点。
图1a至1d以象形图形式显示2探针的一现有技术实施例。样品110含有 目标形貌112。对于传统方法，这些目标特征112可能太小以至于很难探测到。 图1a显示扫描探针尖端114大致放置在样品110上并靠近目标形貌112。每一 扫描探针尖端114都将对一扫描区域116进行扫描及显像。图1b显示，第一个 扫描探针尖端114从一起始点118开始对目标区域116进行扫描。图1c显示第 二个扫描探针尖端114所进行的同样过程。在扫描过程中的任何给定点，不同 扫描探针尖端114的扫描方向120可相同或不同。图1b与图1c表示了不同的扫 描方向，此在现有技术中是一普遍现象。图1d显示扫描探针尖端114位于目标 形貌112之上，且已准备进行FA试验。该过程花费的时间为进行一次扫描所需 时间的两倍。同样，如果试验中需要更多的探针，则时间延迟会按探针数量按 比例放大。
此外，此过程还需要一繁琐的初始粗略位置设置。在扫描探针尖端初始设 置完毕后，探针尖端间应充分分开，以便在一个扫描探针尖端进行扫描时，不 会与其他未进行扫描的扫描探针尖端碰撞。如此便要求在初始设置时，扫描探 针尖端之间应保持充分的间距以避免碰撞，而且还应尽可能的靠近以便对困难 的同一区域进行扫描及显像。
因此，理想状况为，使用多个探针进行SPM，且在对单个探针进行一次扫 描所用相同时间内对多个探针进行扫描。其优点为可减少SPM漂移效应产生时 间，以及显而易见地减少测量时间。这亦使得初始粗略位置设置变得更加简便 及有效，原因在于无需避免与未进行扫描的探针尖端之间的碰撞。

本发明涉及一种在重叠或非重叠目标区域上同时扫描多个扫描探针并在最 短时间内勘定相应目标形貌的装置及方法，其至少采用2个扫描探针，每一探 针均由一原子力显微镜(AFM)悬臂支撑。每一AFM中的控制器会接收来自一 主控制器的移动控制信号，该主控制器产生一第一移动控制信号使AFM中的一 第一AFM在一第一轴上移动，并产生一第二移动控制信号使该第一AFM在一 第二轴上移动。该第二轴基本垂直于该第一轴。然后，该主控制器会根据该第 一移动控制信号计算出一第一偏置移动控制信号，使一第二AFM相对于该第一 AFM间隔一定距离在该第一轴上移动；该主控制器还会根据该第二移动控制信 号计算出一第二偏置移动控制信号，使一第二AFM相对于该第一AFM间隔一 定距离在第二轴上移动。
附图说明
结合附图参照下列详细解释可更清楚地了解本发明的该些及其他特征和优 点，其中：
图1a至1d阐述逐一扫描多个扫描探针来对目标形貌进行扫描及探测的现 有技术；
图2a至2c阐述采用本发明的一实施例同时扫描多个扫描探针来对目标形貌 进行扫描及探测；
图3a至3c阐述本发明的一3个探针的实施例；
图4显示3个扫描探针尖端及样品的俯视图；
图5a为一本发明实施例的硬件配置的方块图；
图5b为一探针尖端及悬臂实施例的详细侧视图；
图6a为一本发明实施例通过软件实施某些控制功能的流程图；
图6b为图6a流程图的接续图；
图7a至7f为所述实施例的某些电子波形的示意图；
图8a至8c显示应用本发明的一实施例针同时扫描多个扫描探来对目标形貌 进行扫描及探测，同时避开一特定区域；
图9为针对避开区域的Z轴控制软件实施情况的流程图；及
图10a至10c显示代表图9中所规定控制例行程序的控制信号波形。

如图2a所示，一本发明实施例使用二个或以上扫描探针尖端114a及114b， 其均位于样品110附近。该样品110含有两个目标形貌112a及112b。图2b显 示分别对应于预期扫描区域116a及116b的扫描探针尖端。需注意在所示的实施 例中，扫描区域116a与116b重叠。每一个扫描区域具有一起始点118a与118b， 其相应的扫描探针尖端将从该起始点进行扫描。同样，每一个扫描探针尖端分 别有对应的扫描方向120a与120b。在所示实施例中，对于所有扫描探针尖端， 扫描方向120a与120b始终平行且偏置。因此多个扫描探针相互之间可呈一定 间隔同时移动，从而避免碰撞。图2c显示扫描探针尖端位于目标形貌之上并准 备进行电试验或力试验。
图3a、3b及3c显示一本发明实施例，其增加有一第三个探针114c，用于 同时扫描第三个需要扫描区域116c。同时图示一第三个目标形貌112c。
图4显示在样品110上的三个扫描探针尖端114a、114b与114c之间的几何 关系。探针尖端之间的角度各不相同。扫描探针尖端114a、114b及114c的各平 台角(platen angle)122a、122b与122c分别为从一基准轴126测得的探针中线 124a、124b及124c的角度。每一扫描探针尖端均有一独特的平台角。本发明利 用探针尖端的平台角产生控制信号，在下文中将对此进行详细描述。
图5a为一体现本发明的AFP系统元件的示意图。用户通过计算机130访问 软件程序。该计算机具有一标准配置，其与显示器132、鼠标134及键盘136连 接。扫描图像137显示在计算机显示器上。计算机130产生扫描波形138a、138b 及138c。对于多于3个探针的情况，图中用138i一概表示。关于波形的产生过 程，下文将参照图6进行阐述。对应于每个目标形貌112，均有一组完整的独立 扫描波形来控制一扫描探针的移动。该些扫描波形分别输出至数字模拟转换器 (DAC)140a、140b与140c。对于每个扫描尖端控制，均有一对应的DAC 140。 DAC之间共用一个时钟信号142，其由时钟信号发生器143提供，确保扫描波 形保持同步。另外，DAC之间还共用一个同步脉冲144，其由脉冲发生器145 提供，确保扫描同时启动。DAC驱动控制电路146a、146b及146c。所属领域 的技术人员均熟知SPM操作的控制电子装置。每一个探针均具有一套完整独立 的控制电子装置。该些控制电路均分别与一AFM头148a、148b及148c连接。 每一AFM头均具有一3轴致动器150、一反馈位置传感器152及一偏转传感器 154。3轴致动器支持沿样品110进行的扫描。反馈位置传感器152和控制电子 装置一起提供校准扫描。偏转传感器154与3轴致动器的1轴一起提供恒力AFM 扫描。该系统也可在没有力反馈的情况下操作，其中使用偏转传感器产生扫描 图像。对于期望同时进行探测的目标形貌的每一个形貌均配备一完整且独立的 AFM头。AFM头上附装有悬臂156及扫描探针尖端114。在所示实施例中，该 些AFM头可将多个扫描探针尖端放置为彼此之间非常接近。该些控制电子装置 产生图像数据157，然后将该图像数据传送至模拟-数字转换器(ADC)158。该 些ADC将该图像数据转换为数字模式并将图像传送至计算机。然后，计算机可 通过显示器把图像数据呈示给用户。
图5b为本发明采用的一探针尖端实施例的详细侧视图，其附装至一悬臂。 在该实施例中，偏转传感器使用悬臂的反射背面来测定悬臂的偏转度。图中所 示的探针尖端与悬臂的布置容许多个近距离操作的探针之间具有最大间距。为 达到上述目的，将探针尖端成一角度附装至悬臂上，或在替代实施例中，将悬 臂成一角度附装至AFM上，以使探针尖端的未端尽量远离AFM。
图6为一软件的数学运算的流程图。标准SPM扫描参数输入159包括X扫 描尺寸160、Y扫描尺寸162、X分辨率164、Y分辨率166、X偏置168及Y 偏置170，后继例行程序使用以上参数产生一扫描波形，AFM使用该波形操纵 每一探针尖端。
驱动波形产生例行程序172接收SPM扫描参数输入并输出一驱动波形174， 标识为W，其含有一X值输出176及Y值输出178。在一显示于7c、7d中并于 下文阐述的实施例中，该驱动波形为一三角波形，其波峰及波谷在最后5点处 均进行了舍入修整。该实施例的波形按下列顺序产生。驱动波形的X值以“X 偏置”值为中心。驱动波形X值的幅值为“X扫描尺寸”除以2。驱动波形的X 值每一周期所具有的点数等于“X分辨率”的值乘以2。驱动波形X值的周期 数量等于“Y分辨率”乘以2。驱动波形Y值以“Y偏置”为中心。驱动波形Y 值的幅值为“Y扫描尺寸”除以2。驱动波形的Y值每一周期所具有的点数等 于“Y分辨率”乘以2再乘以“X分辨率”。驱动波形Y值的周期数为1。X偏 置值与Y偏置值界定扫描区域的位置。
在当前实施例中，本文所阐述的用以达到预期AFM控制的代码已使用一 LabVIEW编译器编程。该LabVIEW编辑器可从National Instruments公司(11500 N Mopac Expwy，Austin，TX78759-3504)购得。
起始点旋转例行程序180接收驱动波形W，且基于所期望的起始点输入181 旋转驱动波形X值及驱动波形Y值，使X起始点182及Y起始点184为各波形 中的第一点。该计算结果将探针尖端放置于起始点118a、118b或118c上(如上 文参照图2b及3b所述)，探针从该些位置处开始进行扫描。在该起始例行程序 中，旋转是在软件编程语境下界定；取一1维数字阵列，把一部分数字从后部 移到前部，并将习惯安排在前部的数字置于后部。新波形W’174’的起始点变 换后的X值输入176’及Y值输出178’均是起始变换例行程序的输出结果。
扫描旋转例行程序186将驱动波形W’转换为单个AFM头148的空间参 考系。每一AFM头与相关联的探针尖端的输入参数平台角R 187为从各探针尖 端中线124a、124b或124c至样品上任意参考轴126的角度，分别为122a、122b 或122c，如上文参照图4所述。该例行程序的输出结果为一旋转后的驱动波形 W”174”，其具有一X值输出176”及Y值输出178”。对于此处所述实施例， 用一旋转转换矩阵M 189进行乘积，该旋转转换矩阵M 189根据一等于每一 AFM探针尖端的平台角R的角度值形成。在扫描旋转例行程序中，旋转是在线 性代数的语境下界定；乘以一在扫描旋转例行程序中给定的形式矩阵，以给定 角度绕原点旋转输入阵列。
如果讯问190所确定的所有经旋转驱动波形W均已产生，且如果某些AFM 控制电子装置还未产生驱动波形W”，那么该过程将从波形产生例行程序172开 始重复进行下一SPM。由于本发明采取多个AFM，因此以上例行程序将实施至 少二次，与2个或更多个AFM对应。如果所有AFM均已产生各自旋转驱动波 形W”，则在例行程序191中将重新产生波形，将每一AFM的探针尖端置于各 自的起始点。然后，在例行程序192中，该定位(positioning)波形会装入AFM 控制电子装置中且每一AFM将移动各自探针尖端至起始位置。所有AFM控制 电子装置均用一共用同步脉冲144启动，所以在同一时间动作。而且，所有AFM 控制电子装置均共用一时钟信号142，因此其均以同样的速率运行。
在到达起始点后，例行程序193将旋转后的驱动波形W”输入至相应的AFM 控制电子装置146a、146b或146c。然后，扫描例行程序194开始运行。所有 AFM控制电子装置146均用一共用同步脉冲144进行启动，所以在同一时间动 作。而且，所有AFM控制电子装置均共用一时钟信号142，所以其均以同样的 速率运行。
AFM控制电子装置146的数据在步骤195中搜集并以图像方式在计算机显 示器132上呈示给用户。在扫描例行程序运行过程中，一监控功能同时检查用 户是否已选择计算机显示器132上的探测键。如还未选择，则该扫描例行程序 将继续搜集数据并更新显示图像。应注意，在所示实施例中该探测键为一软件 程序键而非一实物键。如果用户已经选择该探测键(通过操作197表现)，则该 探测点例行程序将接收用户探测位置输入，计算出一波形198，从当前扫描探针 尖端位置移至用户探测位置并输出该波形(通过例行程序200表现)至AFM控 制电子装置。AFM控制电子装置将该些扫描探针尖端移动至用户规定的探测位 置，如块201所示。该例行程序与起始点定位产生例行程序具有相同的功能， 但输入不同。该功能的输入为探测点而非起始点。
图7a至7f显示执行扫描操作过程中某些电信号的实例。图7a为共用的时 钟142，其用于确保所有的AFM保持同步。图7b显示同步脉冲144，其用于向 所有AFM提供信号以在同一时间动作。图7c所示为波形产生例行程序172所 产生的驱动波形176的X值。图7d所示为亦由波形产生例行程序172产生的驱 动波形178的Y值。图7e显示为一AFM头的旋转驱动波形W″188的X值实例， 该AFM头相对于样品110旋转至一示例性任意平台角。图7f显示AFM头经旋 转驱动波形W″的Y值的一个实例。该些波形均由扫描旋转例行程序186产生。 应注意，在扫描旋转例行程序186之后，该经旋转驱动波形188，W’在很大程 度上取决于平台角122。
此处所揭示的本发明实施例的操作按照下文完成。该系统使用多扫描探针 显微术。扫描探针尖端互相之间可非常接近，例如几微米或小于1微米。另外， 该些扫描探针尖端居中运行，集中于一样品上，并可扫描一重叠扫描区域。如 上文参照图2a、2b、2c、3a、3b及3c所述，扫描区域116包括多个目标形貌 112。
用户可通过计算机输入各种扫描参数，例如：X扫描尺寸160、Y扫描尺寸 162、X偏置168、Y偏置170、X分辨率164、Y分辨率166、X起始点182、Y 起始点184及AFM探针尖端的平台角(即本文中所揭示三个实例中的122a、122b 及122c)。
用户对计算机给出扫描开始命令后，在计算机130运行的软件例行程序将 开始图6所示的过程。波形产生例行程序172产生一驱动波形W，以便每一扫 描探针尖端可对扫描参数所描述的区域进行扫描。
起始点旋转例行程序180旋转驱动波形W，以便所有扫描探针尖端在其各 自驱动波形中可从同一点开始。这可以保证AFM探针尖端114之间的间隔在扫 描开始时保持恒定。
然后，扫描旋转例行程序186对驱动波形进行旋转，产生旋转后的驱动波 形W″。此旋转可确保：虽然所有AFM头及其相关的扫描探针尖端具有不同的 平台角，它们将在同一时间以同一方向进行扫描；且还确保，扫描过程中扫描 探针尖端之间的间隔将大致保持恒定。
然后，旋转后的驱动波形W″分别输入至DAC 140a、140b及140c。AFM 位置放置为使扫描探针尖端置于起始点处。一旦输入该些旋转后驱动波形，所 有AFM控制电子装置将共用时钟142。这可以保证各个扫描探针尖端保持同步。 然后，该同步电路发出一同步脉冲144，发出使所有AFM控制电子装置进行扫描 的信号，保证所有AFM在同一时间开始扫描。然后，各DAC将输出各自的旋 转后驱动波形至其AFM控制电子装置。在扫描过程中，扫描探针尖端之间将以 开始扫描时的间隔为准保持恒定间隔移动。每一套AFM控制电子装置均对相关 AFM头148中的反馈位置传感器152及3轴致动器进行控制，以便以校准方式 进行扫描。每一偏转传感器154均对扫描探针尖端114所附装至的悬臂156的 偏转度进行监测。该偏转信号送回SPM控制电子装置146并在计算机显示器132 上呈示给用户。
在扫描过程中，AFM探针尖端在任何时间总向相同的扫描方向120移动， 如图2a至2c及3a至3c所示。同样，对于所有扫描探针尖端来讲，起始点118a、 118b及118c相对于扫描区域116a、116b及116c均处于相同的位置。另外，扫 描探针之间的间距始终恒定不变。
在扫描过程中，计算机130从AFM控制电子装置146搜集数据并将其显示 于计算机显示器132上。当用户在显示器上找出目标形貌112后，其可选择对 该些形貌进行探测。然后，用户首先选择需探测的目标形貌的位置并将其作为 探测位置196，然后选择探测键194。计算机130接下来会计算出一波形并输出 至DAC 140。DAC 140将驱动AFM控制电子装置146。控制电子器件146将各 扫描探针尖端驱动至样品110上一对应于探测位置196相应位点。同上文一样， 各DAC 140将共用其时钟信号142及同步脉冲144。然后，DAC 140将驱动AFM 控制电子装置146。这将促使扫描探针尖端移至探测位置196。应注意，在扫描 开始后，当扫描探针尖端114开始向探测位置196位置移动时，扫描探针尖端 114间的间隔首次不再保持恒定。
对于具有增强功能的本发明替代实施例，图8a显示样品110、目标形貌112a 及112b和一需避开的区域198。在图8a中，扫描探针尖端114a及114b位于样 品110之上。图8b中显示每一扫描探针尖端分别具有其各自的扫描区域116a 与116b，均不包括需避开的区域198。在所示实施例中，扫描探针尖端114a与 114b之间的间隔可能不始终保持恒定。在该实施例中，探针在Z轴即样品平面 外的方向上缩进，以避开待避开的区域。每一扫描区域116均具有一起始点118， 扫描探针尖端114从此处开始扫描。同样，每一扫描探针114均具有一扫描方 向120。在所示实施例中，扫描方向120对于所有探针尖端114来讲大致相同。
图9以流程图方式显示与待避开区域一致的Z轴探针缩进波形的产生，其 叠加于AFM移动的X及Y分量的波形产生之上。图10a与10b为图7c与7d 波形的部分放大图，以便显示清楚。图10c显示与X及Y移动相关的避开区域 的相应Z轴致动。参照图9，待避开区域的X及Y范围作为参数输入202提供 给产生例行程序204，用于被排除区域的控制矩阵206。在本发明的实施例图示 中显示一简单的正方形区域，但其并非对本发明加以限制。为方便解释，此处 仅对1个探针尖端及AFM的操作进行阐述。控制电子装置控制探针尖端的X/Y 位置208，其中如图10b及10a以放大形式所示，对于X位置，探针尖端由相应 的波形178驱动，而对于Y位置，探针尖端由相应的波形176驱动。如果探针 尖端位置已进入排除矩阵值210，则探针将被AFM中的Z轴控制提起212。然 后，对X/Y位置进行监测以测定何时探针尖端不位于排除矩阵值214中，此时 探针被放低216，再继续产生图像数据。
排除区域在图10a中以图形方式显示为Y排除区域218，在图10b中显示 为X排除区域220。所产生的Z轴波形222，如图10c所示，显示当处于排除区 域中时，探针尖端提起。图8c显示探针尖端114位于目标形貌112之上且准备 进行FA试验。
本发明一实施例的商业产品是原子力探针(AFM)系统，其可从本申请案 的受让人MultiProbe公司(10E.Islay Street，Santa Barbara，CA 93101)购买。该 系统可近距离放置扫描探针尖端，即小于几个微米，如图2c或3c所示。该系统 具有适于3轴致动器150的反馈位置传感器152及支持SPM的控制电子装置 146，如图5所示。该系统还可实施图6中以方块图6形式显示的软件例行程序。 对于3个扫描探针尖端114，该显微镜实施图3中所示的操作。
另一可购得的原子力显微镜为具有支持控制电子装置的Veeco Metrology AFM头与，其可从Veeco Metrology Group(112 Robin Hill Road，Santa Barbara， CA 93117)购得。该市售系统现不支持该发明，但却包括图5中所示的元件。 最主要的元件为如图5所示的适于3轴致动器150的反馈位置传感器152及支 持AFM的控制电子装置146。但该系统不具有将多个扫描探针尖端近距离放置 的功能。
现已根据专利法令要求完成对于本发明的详细阐述，所属领域的技术人员 将能识别出本文所揭示特定实施例的修改形式及替代形式。该等修改形式均涵 盖于如随附权利要求书所界定的本发明范围及意图内。
相关申请案交叉参照
本申请案主张优先于2002年7月8日提出申请且名称为“多个扫描探针的 软件同步”的美国临时申请案第60/394,414号的权利，该申请案的全文以引用 方式并入本文中。
版权通知
本发明中所揭示的某些软件程序或例行程序受版权保护且特别保留其所有 权利。在本说明书中揭示此等内容并未打算或意欲将上述版权贡献给公众。