230

Глава 9 НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА МИКРОСХЕМ

9.1 РЕНТГЕНОВСКАЯ РАДИОГРАФИЯ И МИКРОТОМОГРАФИЯ

Рентгеновское излучение с момента его открытия активно использовалось для бесконтактной и неразрушающей диагностики в медицинской и промышленной сфере. В настоящее время рядом производителей разработана установка для анализа отказов микросхем на основе построения рентгеновского изображения, способную подавать в объект контроля мощность жесткого рентгеновского излучения от десятков до сотен кэВ. Эти установки позволяют получить разрешение порядка 1 мкм, а также имеют очень простой механизм закрепления образца и систему управления перемещением образца во многих осях, позволяя оператору перемещать, поворачивать и приближать образец с помощью джойстика в процессе его осмотра в режиме реального времени. Эти системы широко применяются в лабораториях анализа отказов закорпусированных микросхем. В связи с тенденциями уменьшения характерных размеров в современных технологиях корпусирования производители ИС повышают требования к аналитическому оборудованию, желая иметь пространственное разрешение ниже 1 мкм. Более того, в связи с быстрым увеличением уровня интеграции и сложности компоновки, двумерные рентгенолучевые изображения становятся очень трудными для интерпретации, из-за того, что на них содержится очень много перекрывающихся элементов. Этот факт требует включения в инструменты для анализа отказов возможности строить количественные трехмерные отображения. Многие производители рентгеновских инспекционных установок разработали системы, удовлетворяющие этим требованиям. В данной главе будет дан короткий обзор этих установок и их практического применения.

9.1.1 Обзор систем формирования рентгеновского изображения

Рассмотрим сначала основные свойства системы формирования рентгеновского изображения для анализа отказов корпусированных ИС. Современные доступные в свободной продаже установки обычно имеют относительно простую проекционную геометрию (см. рис. 31), в которой излучение, полученное от рентгеновского источника, проникает в образец, а прошедшее насквозь излу-

231

чение записывается детектором. При такой конструкции геометрическое увеличение системы составляет:

где LS – расстояние от источника до образца, LD – расстояние от образца до детектора.

Рис. 31 Иллюстрация типичной системы построения рентгеновского изображения.

Излучение, полученное в рентгеновском источнике, сначала достигает образца, а затем проходящее излучение регистрируется детектором системы, который обычно состоит из экрана сцинтиллятора, камеры ПЗС и собирающей оптики.

Таким образом, достижимое разрешение системы можно вычислить следующим образом:

где s – размер пятна рентгеновского источника и δdet – разрешение детектора.

Из этой простой взаимосвязи видно, что для того, чтобы получить высокое разрешение, надо М приблизить к 1. Тогда плоскость образца совпадет с плоскостью детектора, создавая, таким образом, геометрию работы в режиме

232

микрозазора, в котором разрешение системы зависит целиком от детектора. Традиционная пленочная радиография работает именно в этом режиме, чтобы использовать преимущества высокого разрешения регистрирующей среды. С недавнего времени пленки стали заменять сцинтилляционными датчиками высокого разрешения. Альтернативным режимом формирования изображения является режим с М>>1, то есть, увеличивая геометрическое настолько, чтобы элементы образца выглядели достаточно большими, чтобы их можно было зарегистрировать достаточно грубыми детекторами. Такой режим называется проекционным, разрешение в нем приблизительно равно размеру источника. Системы формирования рентгеновского изображения с высоким разрешением могут строиться как на основе проекционного режима, так и режима работы с микрозазором. В проекционном режиме главную сложность составляет найти маленький источник, а в режиме микрозазора – детектор с высоким разрешением.

При неразрушающем анализе или инспекции корпусированных микросхем обычно необходимо подать в образец энергию более 50 кэВ. При таких энергиях детектор с разрешением 1 мкм будет составлять конкуренцию эффективности: обычно только 10% достигает детектора. В проекционном режиме, однако, детектор может иметь низкое разрешение и большую эффективность, но источник рентгеновских лучей должен иметь размер менее 1 мкм. Электроны с энергиями 100-200 кэВ, бомбардирующие твердую мишень, обычно имеют среднюю длину свободного пробега до нескольких десятков микрометров. На рис. 32 показана симуляция Монте Карло вольфрамовой мишени, бомбардируемой электронами энергии 150 кэВ с бесконечно малым фокусом. Эффективный объем, генерирующий рентгеновские лучи, в этом случае составляет 5 мкм. Используя тонкопленочные мишени, можно значительно сократить рассеяние внутри мишени и, следовательно, объем генерации рентгеновских лучей, пожертвовав, правда, некоторой частью рентгеновского потока.

233

Рис. 32 Иллюстрация объема генерации рентгеновского излучения в вольфрамовой мишени, бомбардируемой пучком электронов с энергией 150 кэВ и бесконечно малой фокальной точкой.

В случае массивной мишени эффективный объем вырастает до 5 мкм из-за многократного рассеяния. В случае тонкопленочной мишени, однако, рассеяние сильно уменьшается, и эффективный размер рентгеновского источника сокращается до 1 мкм с приблизительно 50% потерей эффективности.

Как показано на рис. 32, при возбуждении мишени электронами с энергией 150 кэВ, можно достигнуть размера пятна рентгеновского пучка 1 мкм, если использовать в качестве мишени вольфрамовую пленку толщиной 3 мкм на бериллиевой подложке. Это приведет к 50%-ной потере потока. Для сравнения, режим работы с микрозазором имеет много преимуществ (включая контактные отпечатки и меньшие дифракционные искажения) для применения с низкоэнергетическими рентгеновскими лучами (менее 20 кэВ), но режим работы с микрозазором при маленьком диаметре рентгеновского пучка позволяет получить гораздо больший выход полезного излучения, когда необходима энергия рентгеновских лучей свыше 100 кэВ. Самая распространенная на сегодняшний день рентгеновская инспекционная установка основана на проекционном режиме регистрации и использует рентгеновский источник с энергией возбуждения более 150 кэВ. Большинство производителей разработали собственные патентованные рентгеновские источники с микро- и нано-фокусировкой, а также источники с вращающимся анодом. Многие модели достигают разрешения ниже 1 мкм и способны разрешить элемент размером 0.5 мкм.

Кроме размера пятна и выхода полезного сигнала для количественного анализа часто бывает необходима абсолютная калибровка интенсивности рент-