DE19733194B4

DE19733194B4 - Laser-Scanning-Mikroskop

Info

Publication number: DE19733194B4
Application number: DE1997133194
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Simon; Rainer Dipl.-Phys. Danz; Ralf Wolleschensky
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2017-08-02
Also published as: DE19733194A1; JPH11125509A

Abstract

Halbleiter- Inspektionsmikroskop zur Erzeugung nichtoptischer Nachweise für Fehlstellen bei der Materialuntersuchung nach dem OBIC oder LIVA – Verfahren, bestehend aus einem konfokalen Laser – Scanning – Mikroskop mit einem Kurzpulslaser zur Mehrphotonenanregung der Anregungslicht mit einer Wellenlänge größer 1000 nm erzeugt.

Description

Bei der 2-Photonen-Anregung (als Spezialfall der Multi-Photonen-Anregung) handelt es sich um die Anregung eines Übergangs in der Anregungsstruktur (Termschma) eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers (wie elektronische, Vibrations-, Rotationsübergänge oder Feinstrukturen) durch die quasi-simultane Absorption zweier Photonen der längeren Wellenlängen λ₁ und λ₂ (wobei λ₁ und λ₂ gleich oder unterschiedlich sein können), wozu anderenfalls ein einzelnes Photon der kürzeren Wellenlänge (λ₁ + λ₂)/4 erforderlich wäre. Zwei Photonen im 'Langwelligen' (z.B. im Roten) können so z.B. einen UV-absorbierenden Übergang anregen, der üblicherweise (d.h. im konventionellen 1-Photonen-Anregungsfall) im 'Kurzwelligen' (z.B. im Blauen) absorbiert (1a und 1b). Da zur Anregung eines 2-Photonen-Überganges jeweils 2 Photonen benötigt werden, hängt die Übergangsrate für einen gegebenen Übergang vom Quadrat der Anregungsintensität ab. Zur 2-Photonen-Anregung werden daher i.a. intensive gepulste Laserquellen eingesetzt, wobei bei konstanter mittlerer Lichtleistung die 2-Photonen-Übergangs-Wahrscheinlichkeit zunimmt, wenn kürzere, dafür aber intensivere Lichtpulse eingesetzt werden.
Die erste experimentelle Beobachtung einer 2-Photonen-Absorption 1961 durch Kaiser und Garrett beschreibt die Anregung eines Eu²⁺ dotierten CaF₂ Kristalls im optischen Bereich, die erst nach der Entwicklung von hochleistungs-monochromatischen Rubinlasern möglich wurde. Theoretisch beschrieben wurde die Möglichkeit der 2-Photonen-Absorption oder 2-Photonen stimulierte Emission bereits 1931 durch Maria Göpper-Mayer. Der Einsatz der 2-Photonen-Technik in der Laser Scanning Mikroskopie wurde erstmals durch Denk, Strickler und Webb (1990) vorgeschlagen.

Aus WO 91/07651 A1 ist ein Zwei- Photon- Laser – Scanning – Mikroskop bekannt, mit Anregung durch Laserpulse im Subpicosekundenbereich bei Anregungswellenlängen im roten oder infraroten Bereich.

EP 666473 A1 , WO 95/30166 A1, DE 4414940 A1 beschreiben Anregungen im Picosekundenbereich und darüber, mit gepulster oder kontinuierlicher Strahlung.

Ein Verfahren zum optischen Anregen einer Probe mittels einer Zwei- Photonen – Anregung ist in DE 4331570 C2 beschrieben.

DE 29609850 U1 der Anmelderin beschreibt die Einkopplung der Strahlung von Kurzpulslasern in in einen mikroskopischen Strahlengang über Lichtleitfasern.

Stand der Technik:

In der Detektion von Gitterdefekten werden heute i.a. Prober-Techniken, wie OBIC und LIVA eingesetzt. Bei OBIC (Optical Beam Induced Current), siehe US 5493236 A , handelt es sich um die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren mittels hinreichend energetischer Laserstrahlung, d.h. Photonen, die den Bandabstand des untersuchten Halbleiters überspringen können (d.h. die Energie der eingestrahlten Photonen ist größer als die Bandlückenenergie E_G des Halbleiters; 2). Der auf diese Weise durch den scannenden Laserstrahl erzeugte ortsabhängige Ladungsträgerstrom kann zur Lokalisierung von Gitterfehlstellen im Kristall herangezogen werden. Dazu wird entweder der zu untersuchende Wafer kontaktiert (prober station) oder der Wafer wird 'gepackaged' und die Technik am fertigen integrierten Schaltkreis angewandt. Dieser Ladungsträgerstrom bildet nach Verstärkung das 'Videosignal' in Abhängigkeit der Scanposition (nicht-optisches Detektionsignal). Nachteil dieser Methode ist, daß die Erzeugung von Elektron-Loch Paaren auf diese Weise nicht z-selektiv ist. Dadurch wird zur Bereitstellung der z-Information erforderlich, daß nach Lokalisierung einer Fehlstelle mittels der 2D-Technik der Wafer mühsam Schicht für Schicht abpoliert wird und nach jedem Polierschritt mittels Elektronen-Mikroskopie inspiziert wird, um den Defekt auch in der z-Koordinate zu lokalisieren. LIVA (Light Induced Voltage Alteration) ist eine der OBIC-Technik verwandte Technik, wobei eine konstante Spannung an die Prober-Elektroden (oder die IC-Pins) angelegt wird und Spannungsänderungen in Abhängigkeit des scannenden Laserstrahls detektiert werden.

Zur Untersuchung von Silizium-Wafern mittels 1-Photonen-Laser-Scanning Mikroskopie nutzt man i.a. einen scannenden nah-infraroten Laserstrahl (z.B. Nd:YAG-Laser bei einer Wellenlänge ~ 1064 nm), der hinreichend gut auch durch dotiertes Silizium transmittiert wird und damit tief in den Silizium-Wafer einzudringen kann. Insbesondere wird es damit möglich, bei optisch undurchdringbarer Metallbeschichtung der IC-Oberseite, mit dem Laserstrahl das ganze Silizium-Substrat (einige mm Dicke) von hinten optisch zu durchdringen (Backside-Imaging oder Backside OBIC), um die strukturierte Oberseite zu erreichen.

3D-OBIC

Die Erfindung beschreibt den Einsatz der Multi-Photonen-Laserscanning-Mikroskopie in der Materialuntersuchung, insbesondere der Untersuchung von strukturierten Silizium-Wafern mittels nicht-optischen Nachweistechniken, wie z.B. OBIC oder LIVA. Durch die hohe Lokalisierung der Multi-Photonen-Anregung in allen drei Raumkoordinaten bei Einsatz von hochaperturigen Mikroskop-Objektiven wird dadurch die zerstörungsfreie dreidimensionale Lokalisierung von Kristalldefekten in den Halbleiterstrukturen möglich. Diese Technik umgeht vorteilhaft den Nachweis von Gitterdefekten mittels 2D-Techniken (z.B. der Laser-Scanning Mikroskopie, nicht-konfokal oder bei Nachweis nicht-optischer Detektionssignale) und das anschließend erforderliche sukzessive mechanische Abtragen der Kristallstruktur, gekoppelt mit der Elektronenmikroskopie zur Detektion der Fehlstelle auch in der dritten Dimension.

In vielen Fällen ist man an der räumlichen (x-y-z) Auflösung der zu untersuchenden Silizium-Strukturen in 3D interessiert. Durch die Verwendung von Anregungslicht im NIR (? > 1100 nm), d.h. jenseits der Bandkante von Silizium erreicht man, daß die Strahlung mit geringer Absorption durch das i.a. dicke (i.a. dotierte) Silizium-Substrat transmittiert wird. Nur am Ort des durch das i.a. hoch-aperturige Mikroskop-Objektiv geformten Fokus erreicht man dann hinreichend hohe Intensitäten, daß Elektronen-Loch Paare durch den nicht-linearen Multi-Photonen-Anregungsprozeß generiert werden. Mit Hilfe der 2-Photonen-Mikroskopie lassen sich damit mit Strahlung im Wellenlängenbereich des 'optischen Fensters' von Silizium mit hoher z-Diskriminierung Elektron-Loch-Paare induzieren.

Abbildungen:
1a) Darstellung der Propagation des mittels eines hochaperturigen Mikroskop-Objektivs fokussierten Laserstrahls. Im 1-Photonen-Anregungsfall resultiert Anregung längs des gesamten Laserstrahlkonus. Durch den Einsatz einer konfokalen Blende kann jedoch das aus dem Fokus kommende Licht gegen das außerfokale Licht diskriminiert werden.
1b) Darstellung der Propagation des mittels eines hochaperturigen Mikroskop-Objektivs fokussierten Laserstrahls. Im 2-Photonen-Anregungsfall resultiert Anregung nur in der Region höchster Intensität, d.h. im Laserstrahlfokus. Damit ist diese Technik auch ohne den Einsatz einer konfokalen Blende tiefendiskriminierend.
2) Ist die Bandlückenenergie E_G kleiner als die Photonenenergie E des einfallenden Lichtes, entstehen in einem Halbleiter Elektron-Loch Paare (1). Im homogenen Halbleiter rekombinieren sie i.a. sehr schnell. Geschieht das in der Nähe eines gesperrten p-n-Übergangs, findet die Trennung der Löcher und Elektronen statt (2). Da die Elektronen vom p-dotierten Bereich in den n-dotierten Bereich hinüberdiffundieren, fließt ein lichtinduzierter Strom, der über einen Verstärker 3 detektiert wird. An entsprechenden Kontaktpunkten wird dieser Strom in Abhängigkeit von der Position, d.h. synchron zur Abtastung des scannenden Laserspots registriert und zum Aufbau eines elektronischen Bildes verwendet.
3) Kombination von konfokaler Laser Scanning Mikroskopie und Multi-Photonen-Anregung in einem Gerätesystem (am Beispiel eines inversen Mikroskopsystems).
3 zeigt beispielhaft die Kombination eines konfokalen Laserscanningmikroskopes mit einem System zur Multiphotonenanregung.
Hier sind ein Kurzpulslaser 1 und ein weiterer Laser 2 in einem gemeinsamen Gehäuse 3 vorgesehen, als Bestandteil eines Scankopfes eines Laser- Scanning – Mikroskopes oder als separate Einheit, die in bekannter Weise (US Ser. No. 08/826,906, DE 29609850 U1 ) über Lichtleitfasern mit einer Scaneinheit verbunden sind.
Das Laserlicht der Laser 1 und 2 gelangt über einen Strahlteiler 4, einen weiteren dichroitischen Strahlteiler 5 auf eine zweidimensionale Ablenkeinheit 6 und von dieser über eine Scanninglinse 7 und eine Tubuslinse 8 sowie einen weiteren Strahlteiler 9 und die Objektivlinse 10 auf das Objekt 11, das zumindest in vertikaler Richtung definiert verstellbar ist.
Das vom Objekt 11 kommende Licht gelangt über den Strahlteiler 9 auf einen Direktdetektor 12 mit vorgeordnetem Filter 13 sowie einer Abbildungsoptik 14, um eine Detektion ohne den Durchgang des Objektlichtes durch den Scanstrahlengang zu ermöglichen, was gerade für die Multiphotonenanwendung von Bedeutung ist.
Über den Strahlteiler 9 wird weiterhin ein LSM Standard – Detektionsstrahlengang in Richtung eines Detektors 15 mit vorgeordnetem Pinhole 17 sowie Filter 16 ausgeblendet. Weiterhin ist eine nichtoptische Detektion 18 gemäß 2 synchron zur Laserabtastung (Lit.) vorgesehen.
Optische Vorgänge direkt an der Probe, ohne den Abbildungsstrahlengang des Mikroskops, werden durch einen weiteren Detektor 19 oder eine Bildaufnahmeeinheit zusätzlich erfaßt.

Claims

Halbleiter- Inspektionsmikroskop zur Erzeugung nichtoptischer Nachweise für Fehlstellen bei der Materialuntersuchung nach dem OBIC oder LIVA – Verfahren, bestehend aus einem konfokalen Laser – Scanning – Mikroskop mit einem Kurzpulslaser zur Mehrphotonenanregung der Anregungslicht mit einer Wellenlänge größer 1000 nm erzeugt.
Halbleiter- Inspektionsmikroskop nach Anspruch 1, zur Inspektion strukturierter Silizium – Wafer
Halbleiter- Inspektionsmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, zur zerstörungsfreien dreidimensionalen Lokalisierung von Kristalldefekten
Halbleiter- Inspektionsmikroskop nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, mit Pulsdauern des Lasers im Picosekunden – oder Subpicosekundenbereich
Halbleiter- Inspektionsmikroskop nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei optische Detektionsmittel zur Erfassung der von der Probe kommenden Strahlung vorgesehen sind
Halbleiter- Inspektionsmikroskop nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei neben dem Kurzpulslaser mindestens ein weiterer Laser in den Scanstrahlengang eingekoppelt wird
Halbleiter- Inspektionsmikroskop nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Detektion von Strömen in Synchronisation mit der Abtastung erfolgt.
Halbleiter- Inspektionsmikroskop nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, mit zusätzlichen optischen Detektionsmitteln zur Erfassung von der Probe kommender Strahlung direkt, d.h. vor dem Rücklauf über die Scanmittel ausgekoppelt.
Halbleiter- Inspektionsmikroskop nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur optischen Erfassung des Halbleiters ein Infrarot- Mikroskop oder Emissionsmikroskop vorgesehen ist.
Halbleiter- Inspektionsmikroskop nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Detektion eines optischen Reflektionssignals in einem Gerätesystem mit dem Halbleiter- Inspektionsmikroskop vorgesehen ist.
Halbleiter- Inspektionsmikroskop nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, als Kombination der Multi-Photonen-Laserscanning-Mikroskopie und/oder der konfokalen Laser-Scanning Mikroskopie und/oder der Infrarot-Mikroskopie und/oder der Emissionsmikroskopie (EMIC) in einem Gerätesystem.
Verwendung eines konfokalen Laser – Scanning – Mikroskopes mit einem Kurzpulslaser zur Mehrphotonenanregung, der Anregungslicht im NIR mit einer Wellenlänge größer 1000 nm erzeugt, zur Erzeugung nichtoptischer Nachweise für Fehlstellen bei der Materialuntersuchung zur Halbleiterinspektion nach dem OBIC oder LIVA – Verfahren.