DE19701703A1 - Mikroskopisches System zur Erfassung der Emissionsverteilung und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

Description

Zur Fehleranalyse von Halbleiterschaltkreisen sind mikroskopische Systeme bekannt, bei denen die Photoemission auftretender Fehlstellen ("hot spots") spektral untersucht wird.

Unter "hot-spots" versteht man solche schwachen Lichtemissionen, die an Fehlstellen in elektronischen Schaltkreisen bei Stromanschluß auftreten.

Die spektrale Detektion dieser Fehlstellen stellt einen "fingerprint" für die jeweilige Stelle dar, d. h. aus dem spektralen Verlauf kann auf die Herkunft der Fehlstelle im Fertigungsprozeß geschlossen werden. Zur Zeit werden solche "hot-spots" beispielsweise durch Geräte, die mit wechselbaren Metallinterferenzfiltern ausgestattet sind, detektiert.

(Photoemission Spectrum Analysis- A Powerful Tool for Increased Root Cause Success:
J. S. Seo; S. S. Lee; C. S. Choe; S. Daniel; K. D. Hong; C. K. Yoon;
ISTFA 95, 21st International Symposium for Testing and Failure Asnalysis, 6-10 November, 1995, Santa Clara, California).

Sie haben den Nachteil, daß die einzelnen Wellenlängen des zu untersuchenden Spektrums seriell durch Einschwenken entsprechender Filter aufgenommen werden und damit eine Vielzahl von Filtern und Zeitaufwand zur Folge haben, wenn ein hinreichend eng gestaffeltes Spektrum benötigt wird. Weiterhin ist die Kalibrierung problematisch.

Weiterhin wurde vorgeschlagen, die Photoemission mit einem elliptischen Spiegel aufzunehmen und auf einen Fasereingang abzubilden ("A High-Sensirivity Photo Emission Microscope System . . .", Tao, Chim, Chan, Phang, Liu, Centre for Integrated Circuit Failure Analysis, Sigapore). Über die Faser wird dieses Licht einem Scanning- Monochromator mit SEV zugeführt und spektral detektiert. Ein X-Y Positioniertisch bringt den Brennpunkt des Spiegels an die Stelle der Photoemission.

Es sind weiterhin Anordnungen eines Mikroskopes in Verbindung mit einer Kamera bekannt, um die Photoemission auszuwerten. ("Photoemission Spectrum Analysis . . .", ISTFA, 06.-10.11.1995, Santa Clara, California). Die Auswertung erfolgt wellenlängenabhängig mit schmalbandigen, wechselbaren Filtern.

Die spektrale Analyse mikroskopisch kleiner lichtaussendender Objekte ist auch allgemein für technische und biologische Untersuchungen von großer Bedeutung.

Sollen bei der mikroskopischen Betrachtung nur Teilbereiche spektral analysiert werden, so wird im allgemeinen der nichtinteressierende Bereich durch definierte Wahl von Blenden im Strahlengang ausgeschaltet und der verbleibende Rest des mikroskopischen Bildes wird auf den Eintrittsspalt eines nachgeschaltetes Spektrometer abgebildet, welches z. B. unter anderem aus einem dispergierenden Element und einem Flächenempfänger bestehen kann.

Dieser Geräteaufbau benötigt erheblichen Platzbedarf (Zusatzanbau am Mikroskop) und ist insbesondere bei kleinen lichtschwachen Objekten durch den begrenzten Lichtleitwert des Spektrometers problematisch. Diese Lösung verursacht zudem noch erhebliche Kosten.

Kombinationen aus Mikroskopen und Spektrometrischen Anordnungen sind beispielsweise aus DE 44 19 940 A1 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Probleme zu vermeiden und eine einfachere und kostengünstigere Anordnung und ein Verfahren zur Erfassung der Emission sehr kleiner lichtemittierender Objekte, vorzugsweise im Mikrometerbereich zu realisieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Ein grundlegender erfinderischer Gedanke besteht darin, daß die Strahlung, die von kleinen lichtemittierenden Objekten ausgeht, ohne Zwischenabbildung direkt in ein dispergierendes Element gelangt, wobei das dispergierende Element z. B. ein Transmissionsgitter ist.

Das Gitter ist vorteilhaft als geblaztes Gitter ausgeführt, wodurch das vorhandene zu analysierende Licht in ein Spektrum zerlegt wird.

Das auf dem Kamerachip abgebildete Licht der diskret vorliegenden und strahlenden Objekte durchdringt ein Dispersionselement, welches z. B. im parallelen Strahlengang (Filtereinschub im Mikroskop) oder direkt im Kameragehäuse (Konvergentes Licht) angebracht ist. Das Dispersionselement kann ein Prisma (Geradsichtsprisma), ein Transmissionsgitter oder ein elektrooptisch schaltbares Gitter sein. Dadurch wird das Licht durch Brechung oder Beugung in seine spektralen Bestandteile zerlegt, die auf verschiedene Pixel des Flächenempfängers gelangen.

Bei Verwendung eines Gitters läßt sich darüber hinaus die noch vorhandene Strahlung in der 0. Ordnung, die der Ortslage des Objektpunktes ohne Dispersionselement im Gesichtsfeld entspricht, zur Definition der Pixelbelegungen mit den einzelnen Wellenlängen und zur eindeutigen Zuordnung der Spektren hinsichtlich der Quelle benutzen. Damit läßt sich ein sehr vorteilhafter Verfahrensablauf realisieren, auf den noch näher eingegangen wird. Die Pixelgröße herkömmlicher Flächenempfänger, z. B. 27 µm, erlaubt auch für unsymmetrisch emittierende Lichtpunkte erheblicher Ausdehnung ein hinreichendes Auflösungsvermögen.

Neben der Punktgröße der Strahler wird die spektrale Auflösung des Systems durch die Dispersion des Elementes, die Ortslage im Strahlengang (im parallele Strahlengang oder vor dem Kamerachip), die Brennweite der abbildenden Optik und die Pixelgröße der Kamera bestimmt.

Das Dispersionselement wird in einer ersten Ausführung so orientiert, daß das Spektrum längs einer Pixelorientierung des zweidimensionalen Chips verläuft.

Eine in einer zweiten Ausführung diagonale Anordnung des Spektrums ist insbesondere dann von Vorteil, wenn mehrere strahlende Punkte im Bildfeld in einer Reihe hintereinander vorliegen.

Dabei wird die zur Bilddarstellung verwendete Kamera im Analysevorgang gleichzeitig zur spektralen Detektion verwendet.

Da die meisten Mikroskope einen Einschub für Filter oder anderes Mikroskopzubehör besitzen, die zum Einschub eines dispergierenden Elementes genutzt werden können, gestattet die erfindungsgemäße Lösung eine einfache Nachrüstung in diesen Geräten und somit eine breite Anwendbarkeit.

Anwendungsgebiete ergeben sich insbesondere überall dort, wo kleine diskrete Punkte im Objektbild eines Mikroskops oder einer anderen optischen Abbildungsvorrichtung selbst strahlen bzw. zur Strahlung angeregt werden und deren spektrale Lichtverteilung von Interesse ist. Beispiele hierfür sind, wie dargelegt, überraschend vorteilhaft, vor allem die "hot- spots" in elektronischen Schaltungen, aber auch die Fluoreszenzstrahlung, hervorgerufen durch eine Dunkelfeldanregung oder das Vorliegen von punktförmigen Lichtemissionen bei dunklem Hintergrund in einem Mikroskop. Dazu reicht im allgemeinen eine spektrale Auflösung der Anordnung von ca. 10 nm. Durch die Wahl des dispergierenden Elementes kann das Auflösungsvermögen entsprechend den Anforderungen angepaßt werden. Die Lage des dispergierenden Elementes z. B. im Filtereinschub eines Mikroskops gestattet außerdem eine einfache Auswechslung des Elementes entsprechend den vorliegenden Meßanforderungen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Eine erfindungsgemäße Anordnung in einem Mikroskop,

Fig. 2 Ein in den parallelen Strahlengang, in Richtung einer CCD- Kamera vor einer Tubuslinse eines Mikroskopes eingesetztes Transmissionsgitter,

Fig. 3 Die gleichzeitige Detektion mehrerer leuchtender Objektpunkte,

Fig. 4 Die Detektion mit einer zur Chipausrichtung diagonalen Dispersionsrichtung,

Fig. 5 Die Anordnung eines Transmissionsgitters im Gehäuse der Kamera
Beschreibung Fig. 1.

Auf einem in bekannter Weise motorisch, über einen Rechner 1 ansteuerbar, mindestens in X/Y-Richtung verschiebbaren Mikroskoptisch 2 ist ein Objekt 3, beispielsweise ein Halbleiterschaltkreis angeordnet, der einen lichtemittierenden Punkt oder Bereich 3.1 aufweist. In einem mikroskopischen Strahlengang, bestehend aus einem Objektiv 4, einer Tubuslinse 5, einer abschaltbaren Beleuchtung 6, die über eine Beleuchtungsoptik 7 und einen Strahlteiler 8 eingekoppelt wird, einem weiteren Strahlteiler 9 zur Abbildung in Richtung eines Okulars 10, ist zwischen Objektiv 4 und Tubuslinse 5 ein Transmissionsgitter 11 angeordnet, das eine spektrale Aufspaltung der auf einen CCD- Empfänger 15 gelangenden Lichtemission des Punktes 3.1 bewirkt, dargestellt, beispielhaft neben dem Bild 12 des Punktes, der 0. Beugungsordnung, als spektrale Verteilung 13. Beschreibung Fig. 2.

In Fig. 2a sind ein Dispersionselement 14, entsprechend dem Gitter 11 in Fig. 1, die Tubuslinse 5 und der CCD- Empfänger 15 vergrößert schematisch dargestellt Fig. 2b zeigt die auf dem Dispersionselement entstandene Spektralverteilung 13 sowie die 0. Ordnung 12.

Das dispergierende Element wird in den parallelen Strahlengang eingeschaltet (z. B. Filtereinschub) und dadurch die 0. Ordnung neben dem Spektrum (z. B. 1. Ordnung) durch die Tubuslinse auf dem Kamerachip abgebildet. Das Spektrum überstreicht die Pixel entlang einer oder mehrerer Zeilen (Dispersionsrichtung) und legt auf jedem Pixel entsprechend die Signalhöhe fest.

Die Messung ausgewählter Objekte kann auch in folgendermaßen ablaufen:

• - Aufnahme des mikroskopischen Bildes der Chip-Oberfläche (Kameraeinzug)
• - Abschalten der Objektbeleuchtung
• - Elektrischer Anschluß des Elektronikbauelementes Aufnahme der leuchtenden Fehlstellen durch die Kamera
• - Auswahl und Bestimmung deren Ortskoordinaten durch Markieren (Anklicken) der Fehlstellen im Kamerabild (Software) Einschwenken des Transmissionsgitters in den Strahlengang
• - Automatisches Einfahren der ersten Fehlstelle in eine vorgegebene Koordinate im Bildfeld (z. B. Mitte), die als Eintrittsspalt dient. Damit ist die Ortskoordinate der 0. Ordnung und die wellenlängenmäßige Belegung aller Spektrometer-Pixel festgelegt (Wellenlängeneichung)
• - Aufzeichnung des Spektrums der ersten angefahrenen Fehlstelle. Dabei werden senkrecht zur Dispersionsrichtung mehrere Pixel des Kamerachips zusammengeschaltet, damit die gesamte Lichtmenge erfaßt wird.
• - Eingabe weiterer Koordinaten der Fehlstellen und Aufnahme deren Spektren.

In Fig. 3 ist beispielhaft auf dem CCD-Chip 15 mit den Einzelpixeln 16 ein erfaßter Leuchtpunkt 17 mit den Koordinaten xi, yi dargestellt.

Bei eingeschaltetem Dispersionselement entsteht eine spektrale Verteilung λ1-λm, die durch entsprechende Schaltung auf den in der Reihe yi liegenden Pixeln ausgelesen werden kann.

Durch die Tischsteuerung kann aber auch der Leuchtpunkt in vorzugsweise mittlere Koordinaten xo, yo auf dem CCD-Chip gefahren werden, wobei eine parallel zur Richtung yo liegende Pixelfläche 18 quasi als Zeilenempfänger das Spektrum λ1-λm aufnimmt.

Zur Auswertung mehrerer Leuchtpunkte werden diese in analoger Weise nacheinander in eine definierte Koordinate xo, yo gefahren und durch den Zeilenempfänger ausgelesen.

Da durch eine am Mikroskop angeschlossene Kamera ein Flächendetektor in der Regel zur Verfügung steht, ist auch die gleichzeitige Detektion mehrerer leuchtender Objektpunkte mit entsprechender Softwareausstattung möglich.

Für den Fall der Analyse sogenannter "hot-spots" bietet sich aufgrund der x-y-Adressierung bei den lithographischen Herstellungsverfahren (und somit auch der Fehlerlage) der Elektronikchips eine Dispersionsrichtung diagonal zu diesen Vorzugsorientierungen an. Somit läßt sich verhindern, daß sich die Spektren verschiedener eng benachbarter Leuchtpunkte überlagern und das Meßergebnis verfälschen. Softwaremäßig lassen sich die Koordinaten der im Flächendetektor vorliegenden Punkte bestimmen und nach Einschwenken des Dispersionselementes ihre zugeordneten, durch die Dispersionsrichtung entstandenen Spektralverteilungen entsprechend der angrenzenden Pixelenergien alle gleichzeitig aufnehmen. Somit ist keine Bewegung des Objektes zur Aufnahme aller Leuchtpunkte notwendig.

Fig. 4 zeigt eine derartige Anordnung, wobei die Dispersionsrichtung nicht parallel zur Ausrichtung der Empfängerelemente des CCD-Chips liegt.

Hier sind mehrere Leuchtpunkte 19 mit ihrem jeweiligen entstandenen Spektrum 20 dargestellt, wobei die in Dispersionsrichtung liegenden Empfängerelemente zur Auswertung herangezogen werden.

Die geringe Öffnung des durch eine Tubuslinse abgebildeten Bündels auf den Kamerachip gestattet es weiterhin auch vorteilhaft, ein Transmissionsgitter auf dünnem Träger zur spektralen Detektion in das konvergente nach der Tubuslinse Bündel einzuführen. Die 0. Ordnung dient wieder der Festlegung der spektralen Belegung der Kamerapixel und kann auch zur Intensitätsnormlerung herangezogen werden. Die gleichzeitige Detektion mehrerer Leuchtpunkte durch Einstellen einer entsprechenden Dispersionsrichtung ist wiederum möglich.

In Fig. 5 ist ein Dispersionselement, hier ein Transmissionsgitter 21, zwischen der Tubuslinse 5 und dem CCD- Chip 15 im konvergenten Strahlengang angeordnet und bildet einen Bestandteil eines Kameragehäuses 22, das an den Photoausgang eines hier nicht dargestellten Mikroskopes angesetzt wird.

Neben den bisher erwähnten Beugungsgittern können vorteilhaft auch andere Dispersionselemente eingesetzt werden.

Die Verwendung eines Prismas (Geradsichtprismas) im parallelen Strahlengang anstelle eines Beugungsgitters hat den Vorteil, das die gesamte auftreffende Lichtenergie in ein Spektrum zerlegt wird, was bei lichtschwachen Strahlern von Vorteil ist.

Durch die Immersion eines geblazten Gitters mit einem Material veränderlicher Brechzahl, z. B. mit Flüssigkristallen besteht die Möglichkeit, ohne einen mechanischen Stellvorgang den Zustand der Leuchtfleckdetektion bzw. spektralen Analyse zu realisieren, indem zunächst die beugende Struktur durch die Brechzahl der Immersion vollständig in ihrer strahlbeeinflussenden Funktion aufgehoben wird und für den spektralen Analysevorgang der Flüssigkristall geschaltet wird und das Phasengitter das durchtretende Licht entsprechend der spektralen Zusammensetzung beugt.

Derartige Gitter werden beispielsweise in Ferstl, Frisch: "Static and dynamic Fresnel Zone Lenses for optical interconnections", Special Issue of the Journal of Modern Optics on Diffractive Optics, July 1996 beschrieben.

Die Erfindung ist nicht an die dargestellten Ausführungsbeispiele gebunden.

Insbesondere sind weitere konkret modifizierte Anordnungen mit dispergierenden Elementen im Abbildungsstrahlengang eines Mikroskopes denkbar, die spektrale Verteilungen von emittierenden Lichtpunkten auf der CCD-Matrix erzeugen.

Claims (21)

1. Mikroskopisches System zur Erfassung der Emissionsverteilung von mindestens punktweise lichtemittierenden Proben, insbesondere bei der Fehleranalyse von integrierten Schaltkreisen, bestehend aus einem Abbildungsstrahlengang von der Probe in Richtung einer mindestens eindimensionalen Empfängerverteilung, wobei im Abbildungsstrahlengang mindestens ein Element zur spektralen Aufspaltung des mindestes punktweise emittierten Lichtes vorgesehen ist.

2. Mikroskopisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element zur spektralen Aufspaltung ein Dispersionselement ist.

3. Mikroskopisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionselement ein Gitter ist.

4. Mikroskopisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter ein Transmissionsgitter ist.

5. Mikroskopisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter ein über optische Umlenkelemente in die Abbildung einbezogenes Reflexionsgitter ist.

6. Mikroskopisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionselement ein Prisma ist.

7. Mikroskopisches System nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionselement dem Mikroskopobjektiv in Richtung der Abbildung nachgeordnet ist.

8. Mikroskopisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionselement zwischen Objektiv und Tubuslinse eines Mikroskops angeordnet ist.

9. Mikroskopisches System nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionselement Bestandteil eines Kamerasystems ist.

10. Mikroskopisches System nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionselement zwischen Tubuslinse des Mikroskopes und einem CCD-Element eines Kamerasystems angeordnet ist.

11. Mikroskopisches System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionselement im Kameragehäuse des Kamerasystems angeordnet ist.

12. Mikroskopisches System nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionselement in den Abbildungsstrahlengang einschwenkbar und/oder einschaltbar ausgebildet ist.

13. Mikroskopisches System nach einem der Ansprüche 1-12, gekennzeichnet durch Markierungsmittel und/oder Erfassungsmittel zur mindestes punktweisen Markierung und/oder Erfassung von lichtemittierenden Bereichen der Probe mittels einer Auswerteeinheit, Mittel zum Ansteuern und Auslesen von lichtempfindlichen Bereichen der Empfängerverteilung, auf die eine Spektelverteilung abgebildet wird.

14. Mikroskopisches System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein mindestens zweidimensional verfahrbarer Probentisch vorgesehen ist, um einen erfaßten oder markierten Bereich an Sollposition zu bringen, an der die Erfassung durch die Empfängerverteilung erfolgt.

15. Verfahren zum Betrieb eines mikroskopischen Systems nach mindestens einem der Ansprüche 1-14, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Aufnahme emittierender Punkte oder Bereiche durch die Empfängerverteilung,

Bildschirmanzeige und Markierung einer oder mehrerer Punkte oder Bereiche
Einschwenken des Dispersionselementes
Anfahren einer oder mehrerer markierter Stellen in eine vorgegebene Koordinate
Aufzeichnung des Spektrums durch lichtempfindliche Bereiche der Empfängeranordnung.

16. Verfahren zum Betrieb eines mikroskopischen Systems nach mindestens einem der Ansprüche 1-15, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Erfassung, automatisch oder durch Markierung auf einem Bildschirm, von emittierenden Punkten oder Bereichen Ansteuern der erfaßten Punkte oder Bereiche,
Auslesen durch lichtempfindliche Bereichen der Empfängerverteilung, die in der Dispersionsrichtung, vom markierten oder erfaßten Ausgangspunkt aus gesehen, angeordnet sind.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Erfassung und Auswertung in einer Dispersionsrichtung parallel zum Verlauf von Zeilen und/oder Spalten der Empfängerverteilung erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Erfassung und Auswertung in einem Winkel zur Richtung der Zeilen oder Spalten der Empfängerverteilung erfolgt.

19. Verfahren zum Betrieb eines mikroskopischen Systems nach mindestens einem der Ansprüche 1-18, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
gleichzeitige Erfassung und Auswertung mehrerer emittierender Punkte oder Bereiche und ihrer spektralen Verteilung durch Ansteuerung der lichtempfindlichen Bereiche der Empfängerverteilung.

20. Verfahren zum Betrieb eines mikroskopischem Systems nach mindestens einem der Ansprüche 1-19, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Zuordnung der erfaßten spektralen Verteilungen zu Speicherelementen
Erfassung der Häufigkeit/Intensität des Auftretens der einzelnen Wellenlängen durch Auslesen der Speicherelemente gegenseitige Zuordnung der spektralen Verteilungen entsprechend ihrer erfaßten Häufigkeitsverteilung.