DE19733194B4

DE19733194B4 - Laser Scanning Microscope

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: JPH11125509A; DE19733194A1

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.Semiconductor- Inspection microscope for generating non-optical evidence of defects during the material examination according to the OBIC or LIVA procedure, consisting of a confocal laser scanning microscope with a short pulse laser for multiphoton excitation, the excitation light having a wavelength greater than 1000 nm generated.

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.2-photon excitation (as a special case of multi-photon excitation) is the excitation of a transition in the excitation structure (termschma) of a gas, a liquid or a solid (such as electronic, vibrational, rotational transitions or fine structures) by the quasi-simultaneous absorption of two photons of the longer wavelengths λ ₁ and λ ₂ (where λ ₁ and λ _{2 may be the} same or different), which would otherwise require a single photon of the shorter wavelength (λ ₁ + λ ₂ ) / 4. For example, two photons in the 'longwave' (eg in the red) can excite a UV-absorbing transition, which usually (ie in the conventional 1-photon excitation case) absorbs in the 'shortwave' (eg in the blue) ( 1a and 1b ). Since 2 photons are required to excite a 2-photon transition, the transition rate for a given transition depends on the square of the excitation intensity. Intensive pulsed laser sources are therefore generally used for 2-photon excitation, with 2-photon transition probability increasing at constant average light output when shorter, but more intense, light pulses are used.

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.The first experimental observation of 2-photon absorption by Kaiser and Garrett in 1961 describes the excitation of an Eu ²⁺ -doped CaF ₂ crystal in the optical domain, which became possible only after the development of high-performance monochromatic ruby lasers. Theoretically, the possibility of 2-photon absorption or 2-photon stimulated emission was already described in 1931 by Maria Göpper-Mayer. The use of the 2-photon technique in laser scanning microscopy was first proposed by Denk, Strickler and Webb (1990).

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.Out WO 91/07651 A1 discloses a two-photon laser scanning microscope, with excitation by Subpicosecond laser pulses at excitation wavelengths in the red or infrared area.

EP 666473 A1 , WO 95/30166 A1, DE 4414940 A1 beschreiben Anregungen im Picosekundenbereich und darüber, mit gepulster oder kontinuierlicher Strahlung. EP 666473 A1 , WO 95/30166 A1, DE 4414940 A1 describe excitations in the picosecond range and above, with pulsed or continuous radiation.

Ein Verfahren zum optischen Anregen einer Probe mittels einer Zwei- Photonen – Anregung ist in DE 4331570 C2 beschrieben.A method for optically exciting a sample by means of a two-photon excitation is in DE 4331570 C2 described.

DE 29609850 U1 der Anmelderin beschreibt die Einkopplung der Strahlung von Kurzpulslasern in in einen mikroskopischen Strahlengang über Lichtleitfasern. DE 29609850 U1 The applicant describes the coupling of the radiation of short-pulse lasers in a microscopic beam path via optical fibers.

Stand der Technik:State of the art:

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.In the detection of lattice defects today prober techniques are used, such as OBIC and LIVA. For OBIC (Optical Beam Induced Current), see US 5493236 A , is the generation of electron-hole pairs by means of sufficiently energetic laser radiation, ie photons that can skip the band gap of the examined semiconductor (ie the energy of the irradiated photons is greater than the bandgap energy E _{G of} the semiconductor; 2 ). The location-dependent carrier current generated in this way by the scanning laser beam can be used to localize lattice defects in the crystal. For this purpose, either the wafer to be examined is contacted (prober station) or the wafer is 'packed' and the technology applied to the finished integrated circuit. After amplification, this carrier current forms the 'video signal' as a function of the scanning position (non-optical detection signal). Disadvantage of this method is that the generation of electron-hole pairs in this way is not z-selective. Thus, to provide the z-information, after localization of a defect by the 2D technique, the wafer is laboriously polished off layer by layer and inspected after each polishing step by electron microscopy to locate the defect in the z-coordinate , LIVA (Light Induced Voltage Alteration) is a technique related to the OBIC technique whereby a constant voltage is applied to the prober electrodes (or the IC pins) and voltage changes are detected as a function of the scanning laser beam.

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.to Investigation of silicon wafers using 1-photon laser scanning Microscopy is used i.a. a scanning near-infrared laser beam (e.g., Nd: YAG laser at a wavelength ~ 1064 nm), which is sufficient well also by doped silicon is transmitted and thus deep can penetrate into the silicon wafer. In particular, it gets away with it possible, with optically impenetrable metal coating of the IC top, with the laser beam the whole silicon substrate (a few mm thickness) optically penetrate from behind (backside imaging or backside OBIC) to the to reach structured top.

3D-OBIC3D 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.The invention describes the use of multi-photon laser scanning microscopy in material analysis, in particular the investigation of structured silicon wafers by means of non-optical detection techniques, such as OBIC or LIVA. Due to the high localization of the multi-photon excitation in all three spatial coordinates when using high-aperture microscope objectives, the non-destructive three-dimensional localization of crystal defects in the semiconductor structures is possible. This technique advantageously avoids the detection of lattice defects by means of 2D techniques (eg laser scanning microscopy, non-confocal or detection of non-optical detection signals) and the subsequent successive mechanical removal of the crystal structure, coupled with electron microscopy for detection of the defect as well in the third 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.In many cases is one at the spatial (x-y-z) resolution the silicon structures to be examined interested in 3D. By using excitation light in the NIR (?> 1100 nm), i. beyond the band edge of silicon is achieved that the radiation with less Absorption by the i.a. thick (i.a. doped) silicon substrate is transmitted. Only at the place of the i.a. high-aperture microscope lens Shaped focus is then reached sufficiently high intensities, that electron hole Pairs generated by the non-linear multi-photon excitation process become. With the help of 2-photon microscopy can be so with radiation in the wavelength range of the 'optical window' of silicon with high z-discrimination induce electron-hole pairs.

Abbildungen:pictures:

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. 1a ) Representation of the propagation of the focused by means of a high-aperture microscope objective laser beam. In the 1-photon excitation case, excitation results along the entire laser beam cone. By using a confocal aperture, however, the light coming out of focus can be discriminated against the extra-focal light.

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. 1b ) Representation of the propagation of the focused by means of a high-aperture microscope objective laser beam. In the 2-photon excitation case excitation results only in the region of highest intensity, ie in the laser beam focus. Thus, this technique is deeply discriminatory even without the use of a confocal diaphragm.

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. 2 ) If the bandgap energy E _{G is} smaller than the photon energy E of the incident light, pairs (in a semiconductor electron-hole) are formed ( 1 ). In the homogeneous semiconductor, they usually recombine very quickly. If this occurs near a blocked pn junction, the holes and electrons are separated ( 2 ). As the electrons diffuse from the p-doped region into the n-doped region, a light-induced current flows through an amplifier 3 is detected. At corresponding contact points, this current is registered as a function of the position, ie synchronously with the scanning of the scanning laser spot, and used to construct an electronic image.

3) Kombination von konfokaler Laser Scanning Mikroskopie und Multi-Photonen-Anregung in einem Gerätesystem (am Beispiel eines inversen Mikroskopsystems). 3 ) Combination of confocal laser scanning microscopy and multi-photon excitation in a device system (using the example of an inverted microscope system).

3 zeigt beispielhaft die Kombination eines konfokalen Laserscanningmikroskopes mit einem System zur Multiphotonenanregung. 3 shows by way of example the combination of a confocal laser scanning microscope with a system for multiphoton excitation.

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.Here are a short pulse laser 1 and another laser 2 in a common housing 3 provided as part of a scan head of a laser scanning microscope or as a separate unit which is prepared in a known manner (US Ser. DE 29609850 U1 ) are connected via optical fibers with a scanning unit.

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.The laser light of the laser 1 and 2 passes through a beam splitter 4 , another dichroic beam splitter 5 on a two-dimensional deflection unit 6 and from this via a scanning lens 7 and a tube lens 8th and another beam splitter 9 and the objective lens 10 on the object 11 , which is defined adjustable at least in the vertical direction.

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.The object 11 coming light passes through the beam splitter 9 on a direct detector 12 with upstream filter 13 as well as an imaging optics 14 in order to enable detection without the passage of the object light through the scanning beam path, which is currently of importance for the multiphoton application.

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.About the beam splitter 9 continues to be an LSM standard detection beam path in the direction of a detector 15 with upstream pinhole 17 as well as filters 16 hidden. Furthermore, a non-optical detection 18 according to 2 provided synchronously to the laser scanning (Lit.).

Optische Vorgänge direkt an der Probe, ohne den Abbildungsstrahlengang des Mikroskops, werden durch einen weiteren Detektor 19 oder eine Bildaufnahmeeinheit zusätzlich erfaßt.Optical processes directly on the sample, without the imaging beam path of the microscope, are performed by another detector 19 or an image acquisition unit additionally detected.

Claims

Semiconductor inspection microscope for the generation of non-optical evidence of defects in the material examination according to the OBIC or LIVA method, consisting of a confocal laser scanning microscope with a short-pulse laser for Multiphoton excitation of the excitation light with a wavelength greater than 1000 nm generated.

Semiconductor inspection microscope according to claim 1, for the inspection of structured silicon wafers

Semiconductor inspection microscope according to claim 1 or 2, non-destructive three-dimensional localization of crystal defects

Semiconductor inspection microscope after at least one of the preceding claims, with pulse durations of the laser in the picosecond or subpicosecond range

Semiconductor inspection microscope after at least one of the preceding claims, wherein optical detection means for detecting the of the sample coming radiation are provided

Semiconductor inspection microscope after at least one of the preceding claims, wherein in addition to the short pulse laser at least one further laser in the Scan beam path is coupled

Semiconductor inspection microscope after at least one of the preceding claims, wherein a detection of currents in synchronization with the scan.

Semiconductor inspection microscope after at least one of the preceding claims, with additional optical detection means for detecting the sample coming from the sample Radiation directly, i. before the return over the Scanning device decoupled.

Semiconductor inspection microscope after at least one of the preceding claims, wherein for the optical detection of the semiconductor, an infrared microscope or emission microscope is provided.

Semiconductor inspection microscope after at least one of the preceding claims, wherein a detection of a reflection optical signal in a device system is provided with the semiconductor inspection microscope.

Semiconductor inspection microscope after at least one of the preceding claims, as a combination of multi-photon laser scanning microscopy and / or Confocal laser scanning microscopy and / or infrared microscopy and / or emission microscopy (EMIC) in a device system.

Using a Confocal Laser Scanning Microscope with a short pulse laser for multiphoton excitation, the excitation light in the NIR with one wavelength greater than 1000 nm generated to generate non-optical evidence of defects Material examination for semiconductor inspection according to the OBIC or LIVA procedure.