JP2005523428A - 室温光学系を備えた放出型顕微鏡を利用した高感度熱放射検出 - Google Patents

Abstract

光放射顕微鏡は、検査対象のデバイスから室温の投射光学系システムを介して光を受光する低温検出器配列を備えている。可動低温絞りと低温フィルターを備えている低温開口は、該光学系システムによって放出された不所望な熱放射線を吸収する。一実施形態では、２種のカメラに放射光を供与するコンピュータ制御式ミラーを利用して、高解像度CCDカメラを低温検出器配列およびもう１個のカメラと併用することができる。

Description

関連技術との相互参照
本願は2002年4月4日出願の同時係属中の米国特許予備出願連続番号第60/370,128号に基づく優先権を主張するものであるが、前述の出願は実際に本明細書の一部となっている。

本発明は一般に、半導体デバイス検査で使用されるような光放出型顕微鏡に関するものである。

半導体チップの欠陥部はLED効果を示し、0.4μmから1.3μmの波長で冷放射線を放出する。従来、放出型顕微鏡は半導体チップから放出される0.4μmから1.1μmの波長領域の放射線を検出しており、半導体の欠陥を探索するために使用されてきた。

本発明は、放出型顕微鏡の検出範囲を2.2μm範囲まで拡張することを目的とする。より長い波長を検出することにより、放出型顕微鏡は、半導体チップから放出された熱を検出することができる。このために、2.2μmまでの波長に対して高感度の検出器を利用することが必要となり、かつ、前述の波長領域で作動するレンズを用いることが必要となるのは明らかである。しかし、放出型顕微鏡はまた、顕微鏡内とそれ以外の光学構成要素内に放出される寄生熱放射に対しても高感度になっており、このような寄生熱信号がシステムの感度を劇的に劣化させる。この問題を２つある方法のうち一方によって克服しようとする赤外線顕微鏡システムが存在する。２つの方法の第１のものとして、光学構成要素を冷却することで、検出器に衝突する寄生熱放射線を低減する方法がある。これに代わるものとして、チップを加熱することで、チップにより多量の熱放射線を放出させて、光学系内に放出される寄生熱信号を征圧する方法がある。いずれの場合にせよ、検出されるチップ温度は光学構成要素の温度よりも相当に高くなる。光学系を冷却することは厄介であり、というのも、光学構成要素上に水分が凝結したり、霜形成が生じたりする結果となり、従って、冷却された構成要素全部を密閉封止した真空チャンバー内に置くことが必要となるからである。これにより、使用することのできる光学構成要素の種類が著しく制限され、システムの有用性も限られてしまう。半導体チップの加熱は不便であるとともに、解析を遅らせるが、これは、各種チップを加熱するのに特殊な付属具が据付けられなければならないからである。チップの加熱はチップの特性や欠点を変えることもあり得るので、避けるべきである。

本発明は、熱検出器素子に衝突する寄生熱放射線を低減する顕微鏡設計技術を主として扱っており、光学構成要素の大部分を冷却する必要もなく、室温のチップから放出される熱放射線を検出することのできる顕微鏡の構築を許容するものである。これにより、実際にどのような複雑な光学構成でも採用することができるようになり、実施することのできる解析の質を相当に向上させる。

ここで、図１に例示された、顕微鏡対物レンズ、単純な光学系チューブ、および、低温検出器配列を備えた最も簡単な顕微鏡システムを思量するが、ここでは、対物レンズ１０は検出器配列上の検査対象のデバイス１４によって放出された放射線１２を投射する。かかる構成では、光学チューブ２０の壁１８からの熱放射線は検出器配列にも衝突し、検査対象のデバイス（DUT：Device under Test)チップから検出することのできる熱の感度を劣化させることになる。

図２は、検出器配列を保有した冷チャンバー内に前述と同じ光学チューブ２０が封入されている構成を例示している。チューブの壁が室温よりも摂氏100度分下回る場合には、壁から放出される熱放射線が微量となる。倍率を変化させながらチップを視認するには、対物レンズを頻繁に変える必要がある。その結果、透明ウインドウが使用されて、レンズは真空チャンバーの外部で該透明ウインドウの正面に置かれ、透明ウインドウの寸法は必要な最大レンズよりも僅かに大きくなる。しかし、室温レベルのレンズによって放出される寄生熱放射線がまだ幾らか存在し、この寄生放射線が検出器に衝突して、感度を制限してしまう。１つの熱源はレンズの絞り、すなわち、開口絞りである（これは、レンズによって集束される軸線周囲の円錐状のエネルギーを制約するために使用される）。更に、顕微鏡レンズの囲いと該レンズの機械的台座の背部からかなりの量の熱が放出される。この構成は、冷チャンバー内部に照明装置を付与するのが実地では無理なため、経レンズ照明機構を設けることができない。その結果として、該システムは、外付けの軸線を外れた照明システムに頼らざるを得ないが、その画像品質はずっと劣っている。

従来の放出型顕微鏡（非熱放出型）はマクロレンズ構造を利用して、半導体チップを低拡大率で視認していた。マクロレンズ構造は２枚の大型の両面使用可能（バックツーバック）カメラレンズから構成されており、低拡大率においてさえ大きい開口数（＞0.2）を提供する。これに比べて、従来の顕微鏡レンズは、低拡大率レンズでは開口数が非常に小さい（0.05）。非熱放出型顕微鏡では、マクロレンズ構造と顕微鏡レンズとの間で切替えを行うには、モーター動力によるスライドにより、顕微鏡光学系アセンブリ内外にマクロレンズアセンブリを移動させて出し入れする必要がある。これでは、密閉封止された真空チャンバー内部に実装するのが非常に困難になる。大型マクロレンズが使用される場合、透明ウインドウの開口部を大きくする必要があるが、これにより、システムが顕微鏡モードの場合には、寄生熱放射を大量に取り込むことになる。従って、マクロレンズの寸法は顕微鏡レンズの寸法によって制約され、マクロレンズの開口数を小さい数に制限することになる。通例は、顕微鏡レンズは直径が30ミリメートルであり、大型マクロレンズは直径が60ミリメートル以上あることもある。従って、大型60ミリメートルのマクロレンズを収容するには60ミリメートル径の透明開口部を必要とすることになるが、これは、顕微鏡モードで使用されると、大量の寄生熱放射が入るのを容認することを意味する。

本件発明は低温顕微鏡システムの全ての制約を無くする。図３に例示されているように、検査対象のデバイス１４の中間画像を投射するために室温光学顕微鏡システムが使用される。その場合、投射レンズシステム３０がこの中間画像を低温検出器配列１６に結像させる。投射レンズと配列との間には、開口絞りとして作動する小さい円形の開口部を設けた薄型ディスクである低温絞り３２が介在している。この低温絞りは室温より低温で、通例は、サンドブラスト処理された陽極酸化アルミニウムから作成される。本発明の好ましい実施形態では、低温絞りは冷カメラアセンブリの真空３４の内部に配置される。低温絞りが室温よりかなり低い場合には、不透明部分に到達する入射熱放射線全体の90パーセントないし95パーセントを吸収する。本件発明者はこの低温絞りを使って、不所望な寄生熱放射線を吸収させている。低温絞りが或る特定の部位に配置された場合、光学系の壁と、開口絞りと、対物レンズの囲いとによってそれぞれ放出される寄生熱放射線を実質的に全部吸収するため、低温絞りの開口部を通過して検出器配列に到達する放射線のみが検査対象のデバイスによって放出された放射線ということになる。

この低温絞り３２の位置が重要である。低温絞りは、投射レンズが対物レンズの開口の画像を形成する平面に置かれるべきである。この位置で、低温絞りの作用は理想的となる。低温絞りがこの位置から離れた部位に配置されると、結果は相当に質が悪くなる。具体的には、画像は酷いケラレを生じるが、すなわち、画像強度が画像の中心から離れたところで低くなる。この理由は、検査対象のデバイスからの大量の放射線が低温絞りに吸収され、とりわけ、デバイスの端縁部からの放射光が吸収されるせいである。システムの感度は悪くなる。

通常の顕微鏡、または、カメラを基本にしたシステムでは、システムの制限開口は対物レンズ１０の開口である。しかし、本件発明者は本件の低温絞りの開口を制限開口にしている。低温絞りの開口の寸法は重要である。この開口はシステムの制限開口であるのが好ましいとするべきであり、すなわち、対物レンズの開口と同じ寸法か、それより少しだけ小さい寸法にするべきである。この場合、検査対象のデバイスによって放出される放射線のみが検出器に衝突する。対物線の絞りは、低温絞りの開口の周囲では、低温絞りの表面に突出しており、その放射線は全部が低温絞りによって吸収される。顕微鏡の壁２０からの放射線は低温絞りの正面の位置で合焦され、低温絞りはこの放射線の大半を吸収する。

システムでは、マクロレンズと顕微鏡レンズとに必要な開口は互いに非常に異なっている。顕微鏡レンズの開口はｆ16開口に一致する。しかし、マクロレンズの開口はｆ2開口に一致する。本件発明者は、冷カメラチャンバー内に多数開口を取り付けるのに、回転式ホイールを利用している。

中間画像と投射レンズシステムは本発明が適切に作動するのに不可欠である。例えば、図１のシステムに低温絞りを付加するだけでは十分に作動しない。形成される画像は酷いケラレを生じるが、それは、チップの中心から離れる方向に発信される信号が低温絞りに吸収されるせいである。配列の端縁部に達する信号は劇的に減少する。光学系の暖壁から放出された放射線の全部でないにしても幾部分かは吸収される。従って、投射レンズを設けていない場合には、性能が劇的に低下する。

一度、低温絞りが投射レンズと画像検知配列との間に実装されてしまうと、暖光学系の性能制約の大半は失せる。暖マクロレンズ構造はここでは実用的となり、大型カメラレンズの大きい開口数は全く性能上の妥協の原因とはならない。同様に、経レンズ照射機構を設けることも、ここでは実用的であり、というのも、低温光学系を用いた場合、密閉封止された冷チャンバーの内部に照明装置を設置することは実用的ではなかったからである。

熱放射線スペクトルの短い波長を利用するのも望ましいことが分かった。従来は、熱結像と熱検出には3μmから7μmの長い波長を利用してきた。その理由として、長い波長を利用すると、熱放射線が指数関数的に増大するという点が挙げられる。図４を参照されたい。従って、長い波長を用いてシステムを構築することのほうが容易ではある。しかし、システムの空間解像度は周知の制約R＝波長／N.A.によって制約される（N.A.は光学系の開口数である）。

従って、長い波長の利用がシステムの解像度を劣化させることは明らかであり、チップ上の機構寸法を急速に減じると、顕微鏡の解像度を低下させて短い波長を採用する必要性が高くなる。更に、熱コントラスト（摂氏度あたりの熱線束の変化）も波長を短くすると向上し、この点については図５を参照されたい。短い波長を採用するもう一つ別な理由は、シリコンチップの背面からの熱を確認する必要があるからである。昨今のチップはチップの表に複数層の金属表面を設け、流出する熱放射は金属の複数層に捕獲される。この問題は、1.1μmを超える波長ではシリコンが透明であるため、チップを裏側から見ることで解決する。しかし、長い波長では、図６に例示されているように、放出される熱放射線をシリコンが吸収し始め、シリコンからの寄生熱の放出が増大し始める。従って、長い波長では、欠陥部によって生成される熱信号が減衰すると同時に、シリコンからの寄生熱信号が増大する。従って、実用的と言える程度に短い波長を採用することが望ましい。

長い波長を阻止するフィルターの使用が望ましい。ノイズの低減と前段に記載された信号検出を刷新したことで、感度をかなり向上させている。これにより、本件発明者は従来例の波長よりも短いものを採用できるようにした。図７に例示されているように、本件発明者は、0.8μmから2.6μmまでの波長の放射に対して高感度であるセンサーとして、MERCAD（HgCdTe）を採用しており、また、本件発明者は低温フィルター４２を使って、不所望の波長が配列に衝突するのを阻止している。本件発明者の経験から明らかなのは、2.2μmを超える放射線を遮断するフィルターを利用することにより低熱線束状況（例えば、室温より数度高い温度のチップ欠陥部）が最もよく検出されるという点である。しかし、チップがそれより高温になって、熱線束が増えた場合は、1.8μmを超える熱放射を遮断することにより、本件発明者はより良好な熱コントラストと温度分解能を達成している。しかし、室温のフィルターは熱を放出するため、結果としてフィルタも冷却されなければならず、フィルタが低温の密閉封止されたカメラチャンバー４４の内部に配置される。チップは出力が上昇されると、0.4μmから1.4μmの間の低温再結合放射線を放出することもある。本件発明者が見出したところによると、熱欠陥部を低温放出部位と適切に区別するには、短い波長（＜1.5μm）を遮断しなければならない。従って、本件発明者は３つのフィルタ型を利用しているが、1.6μmないし2.2μmの帯域フィルタを低線束熱欠陥部に適用し、1.6μmないし1.8μmの帯域フィルタを高線束熱欠陥部に適用し、1.5μmの低域フィルタを低温放出欠陥部に適用している。フィルターは回転円形ホイールに搭載される。本発明の第１の実施形態では、共通のホイールが低温フィルターと互いに異なる開口とを装備しており、その後の実装に際して、本件発明者は別個の開口ホイールとフィルターホイールを採用することを起案している。

熱画像を形成する他にも、チップの高解像度反射光画像（照射画像）を形成する必要がある。CCDカメラ４６を用いた高解像度反射画像の必要性は、熱画像をチップ表面の各種機構と照合するのに役立てることである。これは、熱画像を反射光画像とコンピュータで重畳させることにより実施される。反射光画像の解像度は最大限にされる必要がある。これは、反射光画像を形成するのに可能な限り短い波長を採用することにより達成される。HgCdTe検出器配列４０は0.8μmから2.5μmの間の波長に対して高感度となる。そのため、本件発明者はチップを標準タングステンフィラメントランプなどの広帯域光源で照射してうえで、フィルターを使用して長い波長を除去している。反射光画像の質を最適化する別な手段は、赤外線熱画像装置の標準である横方向照射機構ではなく、経レンズ照明を採用することである。経レンズ照明は実験室の顕微鏡の標準ではあるが、熱画像装置や赤外線システムでは使用されない。照明装置の構成要素からの熱放出のせいで、経レンズ照明は低温カメラでは実用的とは言えない。本件発明者は、カメラ内に据えた低温絞りにより、照明装置の側壁からの熱放出を排除している。ミラー４８も放出された寄生熱を反射するが、それを最小限に抑えるために、本件発明者は部分鍍銀ミラーを使わずに、現在の平面ガラスミラーを使用している。照明装置ミラーによる寄生熱の反射を最小限に抑えるために、ミラーの反射率は1.8μmないし2.1μmの範囲で最小限にされなければならない。平面ガラスは7パーセントの反射率を有しているが、本件発明者はこのスペクトルにおける反射率を低減する特殊被膜を開発している。

HgCdTe検出器配列はロックウエル・サイエンティフィック社によって製造されており、256×256フォーマットを有しており、この配列はPICNIC配列として市場で周知である。本件発明者も、本件発明者と連携してロックウエル・サイエンティフィックによって開発された低信号検出エレクトロニクスを採用している。このエレクトロ二クスからの信号は、パーソナルコンピュータ５０の内部に常駐しているフレームグラバ（フレーム取り装置）に送られる。本件発明者は、フレームグラバによって捕獲された画像を幾つかの方法で処理している。まず、画像が数回読み出されて平均化されて、電子ノイズを最小限に抑えている。低線束状況では、本件発明者は信号を８回読み出して、読み出した信号を平均化している。高線束状況では、複数回の読み出しは実施されない。第２に、検出器配列の互いに異なる画素は異なる利得とオフセットを有している。本件発明者はフラットフィールディングとして画像処理技術で周知のプロセスにより、これらのムラを補正している。それには、システムが製造された後で利得パラメータとオフセットパラメータをコンピュータ内に保存する工程と、必要な機械的動作を適用する工程とが含まれている。

獲得された処理画像は全て、モニタ５２に表示される。システムの好ましい実施形態では、コンピュータモニタは表示モニタとしても同様に作動し、処理画像はウインドウの内側に表示される。画像は全てハードディスクにバックアップファイルとして保存され、システムは８個の最も新しい画像のディスクコピーを維持する。

この段階で、本件発明者はチップによって放出された熱線束のマップを作成している。しかし、本件発明者はチップの出力をオフ状態にしたまま、まず先にこのマップを作成してから、チップの出力をオン状態にしたまま、マップ作成を繰り返す。続いて、２個の画像の差が計測されるが、この差とは、チップに動力を投入したためにチップによって放出される余剰放射線のことである。これはチップの高温点探しには適している。この熱線束マップはコンピュータによって反射光画像の上に重畳されてもよいし、或いは、代替例として、チップのCADマップ上に重畳されてもよい。この重畳画像はチップ上の高温点の位置を探るのに役立つ。この動作は対物レンズの拡大率をどんどん上昇させながら反復され、最終的には、最高拡大率画像が得られて、欠陥部の位置を探るのに役立つ。結局のところ、ユーザーはこの位置をさらに高い拡大率で見るために走査電子顕微鏡を使用することになるが（なぜならば、電子顕微鏡はもっと高い拡大率を有しているから）、これは、高温点の原因となっている欠陥部の高解像度画像を得ることを期待してのことである。或る適用例については、熱線束のマップの代わりに、チップの温度マップを入手することが必要となる。その理由は、幅広い差異のある放射率を有する互いに異なる素材からチップが構成されているせいである。物体から放出される熱線束は、その物体の温度と放射率の両方の関数である。例えば、アルミニウムは0.05という非常に低い放射率を有しているが、酸化アルミニウムは0.80という高放射率を有している。同じ温度上昇率に対して、酸化アルミニウムはアルミニウムの19倍の熱線束を放出する。温度マップを開発するためには、チップ上の全画素の放射率を算定することによって、画像処理をもっと進めることが必要となる。これを達成する手段として、コンピュータ制御の高温チャック（旋盤つかみ）を利用してチップ上の全画素について２種の異なる温度の熱線束を測定する方法があるが、従って、コンピュータが全画素の放射率を算定し、この情報を使って熱線束マップを温度マップに変換するのである。

本件発明者が採用したこのHgCdTe検出器配列は、256×256フォーマットに制限されている。より高い寸法の配列を利用することもできるが、価格は天文学的に高い。昨今のチップはできるだけ高い解像度を必要としている。本件発明者はこれを達成するにあたり、２個のカメラを使用する解決策を採用している。HgCdTe検出器配列に加えて、本件発明者は、1317×1035の解像度を有するコダック製の天文学用等級のCCD配列４６も採用している。CCDカメラ４６によって得られる高解像度画像は、照射画像としても利用することができる。これを達成するのに、カメラ切替え能力を備えているツイン光学経路構造を採用するという手段を採っている。投射レンズシステムは、鍍金ミラーを中間に配した両面使用可能な２枚のｆ2レンズから構成されている。HgCdTeカメラとCCDベースのカメラは投射レンズの第１素子は共用するが、第２レンズの素子は別々のものを有している。一方のカメラから他方のカメラに切り替えるのに、ミラー４８を移動させて一方の位置から他方の位置に切り替える必要がある。これは、高精度のコンピュータ制御のモータによって達成される。CCD４６は0.4μmから1.1μmの間の波長でスペクトル反応する。そのため、そのスペクトル反応は、0.8μmを下回る再結合放出欠陥については、HgCdTe検出器配列の反応を補足する。そのため、CCDセンサーは、放射画像または照射画像のいずれかを形成するように機能し得る。該システムは、HgCdTe検出器配列のカメラ空間にCCDカメラ空間をマッピングするソフトウエア較正機能を備えている。これにより、本件発明者は、CCDカメラで撮像した照射画像にHgCdTeで撮像した放射画像を重畳させることができた。全体として、２重カメラ構造により、HgCdTe検出器配列と天文学用等級のCCDの両方の働きのうち最善の働きをすることができるようになっている。

本発明を特定の実施形態に言及しながら説明してきたが、詳細な説明は発明の例示である。添付の特許請求の範囲の各請求項に限定されているような発明の真の精神と範囲から逸脱せずに、多様な変更を行うことができる。

放出型顕微鏡の概略図である。 光学系チューブが冷チャンバー内に封入された放出型顕微鏡を例示する図である。 室温光学系を備えた放出型顕微鏡の一実施形態を例示する図である。 熱線束と波長の関係を示す折れ線グラフである。 画像コントラストと波長の関係を例示する図である。 シリコン光透過率と波長およびドープ剤の関係を示す折れ線グラフである。 低温光放出カメラと高解像度CCDカメラの組合わせを例示する図である。

Claims (19)

1. 顕微鏡であって、該顕微鏡は、
   1.5μmを超える熱放射に比例する電子信号を出力する低温検出器配列と、
   検査対象のデバイスにより放出された熱放射線を画像化して、照射画像を投射する複数の対物レンズとを備えており、複数の対物レンズは互いに異なる拡大率を有しており、該顕微鏡は、
   検出器配列上に中間画像を結像させるための投射レンズシステムと、
   システムの制限開口であり、投射レンズシステムと検出器配列との間に配置される低温開口とを更に備えており、低温開口は光学システム内部に放出された不所望の熱放射線を吸収し、また、低温開口は対物レンズの出口絞りと共役の平面に配置されており、該顕微鏡は、
   不所望の波長が配列に衝突するのを遮断する低温光学フィルター手段と、
   低温検出器配列に連結されて、ノイズを除去するとともに信号を強調するプロセッサ手段と、
   プロセッサ手段に連結されて、検査対象のデバイスにより放出された熱の熱画像を表示する表示手段とを更に備えていることを特徴とする、顕微鏡。
2. 前記低温フィルター手段は2.2μmを超える熱放射線を遮断することを特徴とする、請求項１に記載の顕微鏡。
3. 1.5μmから2.2μmの間の放射線を透過させる低温フィルターを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の顕微鏡。
4. 前記低温フィルター手段は1.8μmを超える熱放射線を遮断することを特徴とする、請求項１に記載の顕微鏡。
5. 1.5μmから1.8μmの間の放射線を透過させる低温フィルターを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の顕微鏡。
6. 多数の低温フィルターを使えるようにする可動手段を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の顕微鏡。
7. 前記検出器配列は非熱放射線（＜1.3μm波長）に対して高感度であることを特徴とする、請求項６に記載の顕微鏡。
8. 高解像度反射光画像を得られるようにする短い波長（＜1.3μm）の経レンズ照明手段を備えており、該反射光画像は同じ対物レンズにより得られた熱画像の上に重畳することができることを特徴とする、請求項７に記載の顕微鏡。
9. 各対物レンズごとに最適化された多数の低温開口を使えるようにする可動手段を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の顕微鏡。
10. 請求項１の前記多数の対物レンズは、デバイスの二次的領域を視認するために高拡大率を供与する顕微鏡レンズばかりでなく、デバイスの全体像を視認するための高開口数（＞0.05）のマクロレンズをも備えていることを特徴とする、請求項９に記載の顕微鏡。
11. 前記マクロ対物レンズは２枚の両面使用可能な高開口数（＞0.1）のレンズを備えていることを特徴とする、請求項１０に記載の顕微鏡。
12. 2.2μmよりも長い波長の熱放射線を遮断する低温フィルターを備えていることを特徴とする、請求項１１に記載の顕微鏡。
13. 前記低温フィルターは1.5μmと2.2μmの間の放射線を透過させることを特徴とする、請求項１２に記載の顕微鏡。
14. 1.8μmより長い波長の放射線を遮断する可動低温フィルターを備えていることを特徴とする、請求項１１に記載の顕微鏡。
15. 1.5μmから1.8μmの間の波長の放射線を透過させる低温フィルターを備えていることを特徴とする、請求項１２に記載の顕微鏡。
16. 多数の低温フィルターを使えるようにする可動手段を備えていることを特徴とする、請求項１０に記載の顕微鏡。
17. 前記検出器配列は非熱放射線（＜1.3μm波長）に対して高感度であることを特徴とする、請求項１６に記載の顕微鏡。
18. 高解像度反射光画像を得られるようにする短い波長（＜1.3μm）の経レンズ照射手段を備えており、該反射光画像は同じ対物レンズによって得られた熱画像の上に重畳することができることを特徴とする、請求項１７に記載の顕微鏡。
19. 各対物レンズごとに最適化される多数の低温開口を使えるようにする可動手段を備えていることを特徴とする、請求項１０に記載の顕微鏡。

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