241

Рис. 39 Закоротка в формовочной массе, вызванная диффузией медных линий.

Влияние облучения на образец

Рентгенолучевая инспекция обычно считается неразрушающей, потому что она не вызывает заметных структурных измерений. Однако потенциальные функциональные повреждения устройства после длительной экспозиции возможны. Поскольку рентгеновские лучи повреждают образцы в первую очередь при ионизации, металлические структуры, включающие столбиковые выводы и межсоединения, обычно не подвержены радиационным повреждениям. Но такие устройства как компоненты ТСЛ и КМОП, а также кварцевые кристаллы с большой вероятностью могут быть повреждены высоким уровнем радиации. В большинстве случаев функционирование устройства нарушается без заметных структурных изменений на рентгеновском изображении.

Доза экспозиции, поглощенная образцом, часто измеряется в двух единицах: Грей или Рад, где 1 Грей равен 100 Рад. Предел дозы облучения для этих компонентов лежит в диапазоне от 1 кГр для КМОП до 1МГр для ТСЛ []. Например, на рис. 40 показано радиационное повреждение pn-перехода, характеризующееся током утечки, зависящим от дозы облучения []. Эта зависимость из-

242

меняется после получения дозы рентгеновского облучения порядка нескольких кГр. Для сравнения, доза, необходимая для формирования двумерного изображения с разрешением 1 мкм, составляет около 10 Гр. В современных рентгеновских инспекционных установках эта доза дается в образец на время экспозиции менее 1 секунды. Множество двумерных изображений или несколько томографических комплектов данных может быть получено без риска радиационного повреждения. Хорошей практикой является поддержание радиационной экспозиции настолько короткой, насколько это возможно, путем перекрывания рентгеновского пучка в те моменты, когда не идет формирование изображения. Когда необходимо сделать томографическое изображение образцов, чувствительных к облучению, бывает полезно применить принцип дробления дозы, который позволяет выполнить реконструкцию с хорошим соотношением сигнал-шум по множеству относительно зашумленных проекций.

Рис. 40 Радиационное повреждение pn-перехода, измеренное по форме зависимости тока утечки от поверхностной дозы.

9.2РАСТРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

Растровая электронная микроскопия (РЭМ) остается наиболее универсальным инструментом лаборатории анализа брака и отказов для создания изображений с высоким разрешением [93]. Другие методы, такие как просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) или атомно-силовая микроскопия (АСМ) могут иметь большее предельное разрешение, но РЭМ, как правило, использует-

243

ся намного чаще из-за простой подготовки образцов, большой глубины резкости и легкости перемещения по образцу.

Для сравнения, ПЭМ требует утонения образца до 100 нм или меньше и, следовательно, может быть исследована только малая область образца. АСМ требует использования тонкого зонда для сканирования по поверхности образца. Таким образом, тоже только очень малая область может быть исследована и форма поверхности образца может быть искажена искривлением иглы. РЭМ требует минимальной или не требует вовсе подготовки образцов и могут исследоваться достаточно большие образцы. При хороших условиях на РЭМ можно достигнуть разрешения 1 нм, что очень близко к ПЭМ и АСМ. РЭМ в сочетании с рентгеновским энергодисперсным детектором обеспечивает возможность проведения химического микроанализа объекта исследования.

9.2.1 Сравнение РЭМ и оптического микроскопа

Перед проведением РЭМ исследований обычно проводят инспекцию образца в оптическом микроскопе. Очевидно, что РЭМ имеет намного более высокое разрешение, чем оптический микроскоп. Однако наилучшее изображение в РЭМ получается при медленной развертке сканирования, а телевизионная (быстрая) развертка дает худшее разрешение и контраст изображения. Таким образом, часто очень трудно найти необходимый объект в РЭМ. Более того, дефекты, которые имели хороший контраст в оптическом микроскопе, могут иметь слабый контраст или вообще не иметь контраста в РЭМ.

Преимуществом оптического микроскопа является также то, что диэлектрические слои в нем прозрачны, и малая глубина фокусировки (резкости) может, как не странно, быть преимуществом, так как это позволяет определить, какие элементы лежат в той же самой горизонтальной плоскости. Поэтому предварительный план РЭМ исследований формируется с использованием визуальной инспекции в оптическом микроскопе. Сравнение характеристик РЭМ и оптического микроскопа приведено в таблице 67.

244

Таблица 67. Сравнение характеристик РЭМ и оптического микроскопа.

Принципы сканирования электронным пучком.

Растровый электронный микроскоп состоит из электронно-оптической колонны, столика объектов и одного или нескольких детекторов (см. рис. 41).

Рис. 41 Блок-схема сканирующего электронного микроскопа.

245

Рис. 42 РЭМ изображение интегральной схемы с малым увеличением.

Хотя такие изображения легко интерпретируются, способ их получения может приводить к некоторой путанице. Во-первых, перспектива на образце такая, как если бы на него смотреть сверху из колонны микроскопа, а не из детектора. На самом деле детектор обеспечивает эффект «источника освещения», то есть вторичные электроны могут легче попадать в детектор, когда они эмитируются с той части образца, которая обращена к детектору.

Следовательно, всегда необходимо знать, как образец расположен относительно детектора вторичных электронов. На рисунках 43(а) и 43(б) один и тот же объект показан по-разному: при освещении сверху и снизу. Корректное изображение на рис. 43(а) – бугорок на шероховатой поверхности.

246

Рис. 43а РЭМ изображение бугорка на шероховатой поверхности. Детектор вторичных электронов сверху (верхнее освещение).

Рис. 43б РЭМ изображение того же самого объекта, как на рис. 43а, но используется некорректное освещение снизу.

Обычно в РЭМ детектор установлен сверху образца, однако пользователи

могут развернуть растр, например, для удобства наблюдения поперечного сечения.

247

Внутрилинзовый детектор Некоторые новые растровые микроскопы могут иметь дополнительный

детектор вторичных электронов, расположенный внутри объективной линзы. Такой детектор называется внутрилинзовым. Так как этот детектор собирает электроны перпендикулярно поверхности, изображение, полученное с таким детектором, будет иметь намного меньше топографического контраста, чем изображения, полученные с обычным детектором, установленным в камере. Однако использование внутрилинзового детектора облегчает сбор электронов из глубины контактных окон в образце, которые в другом случае будут затенены. Иногда эффект зарядки образца может быть минимизирован путем использования внутрилинзового детектора или комбинации сигналов от внутрилинзового и внутрикамерного детекторов.

Увеличение Другим результатом процесса сканирования является то, что увеличение

изображения это просто геометрическое отношение размера растра на телевизионном мониторе к соответствующему размеру поля на поверхности образца. Как показано на рис. 44, увеличение М равно:

M = L/l

где:

L – длина объекта на телевизионном мониторе l – длина объекта на поверхности образца

Для повышения увеличения необходимо просто уменьшить размер растра на образце. Таким образом, высокое увеличение достигается использованием очень малой области сканирования на образце. Необходимо помнить, что при малом увеличении используется максимальный ток в катушках отклонения, поэтому не следует оставлять РЭМ в работающем состоянии на низком увеличении долгое время.

248

Рис. 44 Увеличение равно геометрическому отношению размера растра на телевизионном мониторе к размеру поля сканирования на поверхности образца.

Максимальное полезное увеличение будет достигнуто, когда размер пятна на образце соответствует размеру пикселя на мониторе. Любое другое большее увеличение изображения будет «бесполезным увеличением» так как просто размазывает пятно, а не улучшает изображение. Как показано на рис. 45, если размер пятна пучка электронов на образце равен d, то размер пятна передаваемого на телевизионный монитор будет d*M. Человеческий глаз не может сфокусироваться на объект меньше чем 0,2 мм, и это типичный размер одного элемента картинки или «пикселя» на цифровом экране компьютера.

Если размер электронного пятна, передаваемый на монитор, меньше, чем диаметр одного пикселя, то изображение будет сфокусированным, но если размер пятна превышает два, и более пикселей, то изображение будет размытым. Следовательно, максимальное полезное увеличение будет равно: Mmax = 0,2 мм

/ d.

Для размера пятна d = 5 нм, максимальное полезное увеличение составляет 40000 крат. Новейшие РЭМ, использующие катод с полевой эмиссией, могут иметь пятно диаметром до 1 нм, что соответствует максимальному полезному увеличению 200000 крат. На очень высоком увеличении более 100000 крат факторы взаимодействие пучка с образцом могут ограничивать полезное увеличение, и, следовательно, для того чтобы получить хорошее изображение, может потребоваться специальная методика.

249

Рис. 45 Иллюстрация максимального полезного увеличения.

Яркость Как обсуждалось выше, лучшее разрешение достигается, когда размер

пятна на поверхности образца мал. Однако существуют два дополнительных фактора, которые необходимы для получения качественных изображений: большой ток и малый угол схождения пучка (апертурный угол). Большой ток необходим для создания сильного сигнала на детекторе. Малый угол схождения необходим для того, чтобы получить большую глубину резкости и уменьшить аберрации линз (искажение изображения), например сферическую аберрацию, которая может испортить изображение. Предполагая наличие большого тока в малом пятне и малый угол схождения, можно определить величину, называемую яркостью β, которая может быть вычислена как β = ток / площадь * телесный угол = 4* I /π2*D2* α2, где I – ток, D = диаметр пучка, α = угол схождения.

Яркость является фундаментальной характеристикой качества электрон- но-оптической системы и зависит от типа источника электронов. Линзы и диафрагмы могут влиять на размер пятна и апертурный угол, но яркость при этом остается постоянной. Яркость источника - это характеристика, которая будет неизменной в любом месте электронно-оптической колонны.

Катоды РЭМ В течение многих лет поиск более ярких источников приводил к сущест-

венному улучшению электронных микроскопов. Главный вопрос, как взять большое количество электронов из материала таким образом, чтобы они сформировали компактно сфокусированный пучок. Электроны удерживаются в материале потенциальным барьером, который называется работой выхода. Материал

250

можно нагреть до температуры, при которой электроны будут иметь достаточно энергии, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Это явление называется термоэмиссией.

Кроме этого, к источнику электронов можно приложить сильное электрическое поле, что заставит электроны проникать через потенциальный барьер, и это называется полевой эмиссией. Источник электронов часто называют катодом, так как он имеет отрицательный потенциал относительно земли.

Самым распространенным источником электронов является вольфрамовый термоэмиссионный эмиттер. В этом источнике электронов тонкая вольфрамовая проволока нагревается до тех пор, пока не начнет испускать электроны. Так как для этого источника электронов не нужен очень высокий вакуум, он является относительно дешевым и часто используется в недорогих микроскопах. Основным недостатком таких катодов является их относительно короткое время жизни – приблизительно две недели.

Относительно недавно был разработан катод на основе искусственного кристалла гексаборида лантана (LaB6), который имеет низкую работу выхода и, следовательно, более высокую яркость при меньшей рабочей температуре. Ресурс источника электронов на основе LaB6 достигает шести месяцев и более, а его высокая яркость позволяет получить больше тока в меньшем пятне. Однако, катод LaB6 очень чувствителен к загрязнению его поверхности и, следовательно, требует более высокого вакуума. Это делает микроскоп с таким источником более дорогим.

В современных электронных микроскопах часто используется источник электронов с полевой эмиссией. Эти источники электронов состоят из вольфрамовой проволоки с очень тонким кончиком, находящимся в электрическом поле, так, что электроны туннелируют через потенциальный барьер. Источники с полевой эмиссией имеют очень высокую яркость, что позволяет иметь высокое разрешение даже при низком ускоряющем напряжении. Однако такие источники электронов требуют сверх высокого вакуума и, следовательно, они наиболее дорогие.

Катоды с холодной полевой эмиссией очень чувствительны к рассеянным атомам газа, которые могут высаживаться на катод, так как это приводит к не-