Elektronenstrahl-Mikrosonde Die im Patentanspruch des Hauptpatentes definierte Erfindung betrifft eine Elektronenstrahl-Mikrosonde, die sich dadurch auszeichnet, dass an einen Sekundär elektronen auffangenden Schnelligkeitsauswerter ein Rückführungskreis angeschlossen ist um das Potential des Objektträgers in bezug auf das Elektronenenergie niveau des Schnelligkeitsauswertes beim Abtasten des Objektes zu regeln. Diese Mikrosonde kann besonders vorteilhaft zur Prüfung von integrierten Schaltung ver wendet werden.
Wie im Hauptpatent wird auch hier unter Schnelligkeitsauswerter eine Vorrichtung verstanden, welche ein Ausgangssignal angibt, das proportional ist zur Eintrittsgeschwindigkeit von Elektronen in den Auswerter, welche Energien aufweisen, die innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen.
Mit der Mikrosonde nach dem Patentanspruch des Hauptpatentes ist es möglich, ein qualitatives Bild der Variation der Potentialgradienten auf der Oberfläche eines Objekts zu erhalten, indem man dieses abtastet, wobei das Ausgangssignal des Geschwindigkeitsaus- werters aufgezeichnet wird, wenn der Primärelektronen- strähl über die Oberfläche des Objekts streicht. Bei einer solchen Aufzeichnung werden üblicherweise den Details, die von Potentialgradienten auf der Oberfläche her rühren, Details, die zur Topologie der Oberfläche gehören, und die Variationen des Sekundäremissions- Koeffizienten und weitere Effekte überlagert sein.
Das gewünschte Spannungsdetail kann jedoch leicht erhalten werden durch Bildung des Differenzsignales zwischen zwei Abtastungen, wovon die eine mit und die andere ohne die notwendige Spannung ausgeführt wird, die an das Muster angelegt werden muss, um die Potentialver teilung auf seiner Oberfläche zu erhalten. Es ist jedoch nicht leicht, ein quantitatives Abbild der Potential verteilungen aus diesen Messungen zu erhalten wegen des nicht eindeutigen Zusammenhanges, zwischen dem Ausgangsignal des Schnelligkeitsauswerters und der Va riation der Spannung am Punkt der Oberfläche des Objektes, auf welchem der Primärelektronenstrahl auf tritt.
Bei vielen Anwendungen und insbesondere beim Prüfen von integrierten Schaltungen ist es wünschens wert, ein quantitatives Bild der Potentialgradienten auf der Oberfläche des Musters zu erhalten.
Dies wird durch eine Verbesserung der Elektronen strahl-Mikrosonde nach dem Patentanspruch des Haupt patentes ermöglicht, welche nach der vorliegenden Er findung darin besteht, dass der Rückführungskreis durch das Ausgangssignal des Schnelligkeitsauswerters derart steuerbar ist, dass die beim Abtasten eines Objektes auftretenden Änderungen des genannten Ausgangs signals vermindert werden und dass zwischen dem Objekthalter und dem Schenlligkeitsauswerter ein Gitter vorgesehen ist zum Anlegen eines elektrischen Poten tials, so dass die Bahnen der beim Abtasten der Objektoberfläche durch den Elektronenstrahl von dieser emittierten Sekundärelektronen von der Potentialver teilung auf der Objektoberfläche praktisch unabhängig sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung, welche ein Blockschema der Mikrosonde zeigt, näher beschrieben.
In der Zeichnung ist mit 10 ein Elektronenstrahl generator bezeichnet, der eine Einrichtung zur Fokussie- rung und Abtastung enthält. Dieser Generator 10 erzeugt einen Primärelektronenstrom 11, welcher auf ein Objekt 12 auffällt, das aus einer integrierten Schaltung besteht und zwei Anschlüsse 12a und 12b aufweist, über welche die integrierte Schaltung vorgespannt werden kann. Ein Geschwindigkeitsauswerter 13 ist so angeord net, dass er die unter dem Einfluss des Primär elektronenstromes vom Objekt emittierten Sekundär- elektronen auffangen kann.
Dieser Geschwindigkeitsaus- werter gibt ein Ausgangssignal ab, das abhängig ist von der Eintreffrate von eingefangenen Elektronen, deren Energien innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen, welcher fest ist in Bezug auf Erdpotential und dadurch auch in Bezug auf das Kathodenpotential des Elektro- nenstrahlgenerators. Das - Ausgangssignal des Ge- schwindigkeitsauswerters ist an einen Verstärker 14 angelegt, dessen Ausgangsspannung an die Objekt klemme 12a und an eine Ausgangsklemme 15 angelegt ist. Die Objektklemme 12b ist über einen Spannungs generator 16 mit der Objektklemme 12a verbunden.
Vorausgesetzt, dass die Potentialvariation auf der Oberfläche des Objekts, welche durch den Spannungs generator 16 erzeugt wird, unbedeutend ist verglichen mit dem Potential zwischen dem Objekt und der Kathode des Elektronenstrahlgenerators, wie dies immer der Fall ist bei der Prüfung von integrierten Schaltungen, ist es klar, dass die ursprüngliche Geschwindigkeitsver teilung der aus dem Objekt austretenden Sekundär elektronen praktisch unabhängig ist vom Potential jenes Teiles der Oberfläche des Objektes, von welchem sie emittiert werden.
Auf seinem Weg von der Oberfläche des Objektes zum Geschwindigkeitsauswerter wird je doch ein Sekundärelektron um einen Betrag beschleu nigt, der abhängig ist von der Potentialdifferenz zwi schen den zwei Orten. Es ist also ersichtlich, dass beim Fehlen der Rückkopplungsschleife, die durch die Ver bindung zwischen dem Ausgang des Schnelligkeitsaus- werters 13 und dem Objekt 12 über den Verstärker 14 gebildet ist, der Wert der ursprünglichen Geschwindig keit von Elektronen, die vom Schnelligkeitsauswerter eingefangen werden, abhängig ist von der Potential differenz, welche sie auf dem Weg zum Sehnelligkeits- auswerter durchlaufen haben.
Wenn die Rückkoppel schleife vorhanden ist, wird das Ausgangssignal des Geschwindigkeitsauswerters auf einen festen Wert stabi lisiert, der durch den Spannungsteiler 17 einstellbar ist. Wenn also der Spannungsgenerator 16 auf Null einge stellt wird, so dass das ganze Objekt auf dem Potential der Klemme 12a ist, und nun der Elektronenstrahl sich auf einem Punkt des Objektes bewegt, der eine grössere Emission ergibt, will das Ausgangssignal des Schnellig- keitsauswerters grösser werden, wodurch das Ver stärkerausgangssignal auf ein positiveres Potential ge bracht wird.
Dies macht das Objekt positiver, was bewirkt, dass die Beschleunigung der Sekundär elektronen auf ihrem Weg zum Schnelligkeitsauswerter vermindert wird und dadurch die Sekundärelektronen, die vom Schnelligkeitsauswerter eingefangen werden, eine höhere anfängliche Geschwindigkeit haben. Vor ausgesetzt, dass die Einstellung des Spannungsteilers derart ist, dass der Schnelligkeitsauswerter Sekundär elektronen in jenem Teil der Verteilungskurve auf nimmt, in welchem die Anzahl der Sekundärelektronen mit höheren Energien abnimmt, ist die Einrichtung stabil. Wenn also der Verstärkungsgrad des Verstärkers gross ist, ist das Ausgangssignal des Schnelligkeitsaus- werters praktisch konstant.
Wenn nun ohne Änderung des Eintreffpunktes des Primärelektronenstrahles der Spannungsgenerator 16 so eingestellt wird, dass eine bestimmte Potentialdifferenz zwischen den Klemmen 12a und 12b vorhanden ist und dadurch die integrierte Schaltung 12 vorgespannt wird, sodass Potentialgradienten auf seiner Oberfläche vor handen sind, wird das Ausgangssignal des Geschwindig- keitsauswerters vergrössert oder verkleinert, je nach dem, ob das Potential in jenem Teil der Oberfläche des Objektes unter dem Primärelektronenstrom abgesenkt oder erhöht wurde.
Wie vorher wird nun die Rück koppelschleife derart wirken, dass das Ausgangssignal des Schnelligkeitsauswerters auf seinem ursprünglichen Wert gehalten wird. Nun kann die Erhöhung der Ausgangsspannung des Verstärkers 14, die notwendig ist, um den Ausgang des Schnelligkeitsauswerters auf seinen ursprünglichen Wert zurückzubringen, gerade gleich der Potentialdifferenz zwischen der Objekt klemme 12a und dem Punkt auf der Oberfläche des Objektes betrachtet werden, der gerade im Brennpunkt des Primärelektronenstrahles liegt.
Es ist ersichtlich, dass eine quantitative Aufzeichnung der Potential gradienten auf der Oberfläche des Objektes erhalten werden kann, indem die Differenz zwischen dem Aus gangssignal an der Ausgangsklemme 15 aufgezeichnet wird, das auftritt, wenn der Spannungsgenerator 16 auf die erforderliche Speisespannung für die integrierte Schaltung eingestellt wird, und jener Ausgangsspannung, die auftritt, wenn der Spannungsgenerator 16 auf Null gestellt ist.
Eine solche Messung kann jedoch Fehlern unterwor fen sein, die beträchtlichen Umfang annehmen können. Dieser Fehler wird bewirkt durch die Tatsache, dass normalerweise ein üblicher Schnelligkeitsauswerter nicht in der Lage ist, alle vom Objekt emittierten Sekundär elektronen einzufangen. Aus diesem Grunde wird jede ändernde Feldverteilung, welche den Einfangwirkungs grad des Schnelligkeitsauswerters ändert, einen Fehler in die Messungen bringen. Eine solche Situation ist vorhan den, wenn die Sekundärelektronen, welche das Objekt verlassen, durch eine Verteilung des elektrischen Feldes beeinflusst werden, die vorwiegend durch die Potential verteilung in jenem Teil der Oberfläche des Objektes bestimmt wird, die den Eintreffpunkt des Primärelektro nenstrahles umgibt.
Wenn nun die Elektronen vergleichsweise langsam wandern, genügt ein vergleichs weise kleiner Feldgradient, um die Bahnen der Sekundärelektronen bemerkenswert zu verändern, so- dass diese Bahnen an einen Ort neben der Eingangs blende des Geschwindigkeitsauswerters führen.
Diese Schwierigkeit kann überwunden werden durch die Ein= führung eines Gitters 18, das nahe beim Objekt angeord net ist und auf einem hinreichend hohen Potential (VM1) in Bezug auf das Objekt gehalten wird, um zu bewirken, dass die Sekundärelektronen stark von der Objektnähe weg beschleunigt werden, sodass deren Bahnen praktisch unabhängig werden von den Potential gradienten in der Oberflächenzone des Objekts, die den Eintreffpunkt des Primärelektronenstrahles umgibt. Bei der vorliegenden Mikrosonde hat dieser Schirm die Form eines feinen Netzes, das auf einer Spannung von ungefähr 1 kV gegenüber dem Objekt gehalten wird und von diesem ungefähr 2 mm weit entfernt ist.
Die Grösse der Öffnungen im Netz ist gerade gross genug, dass der Primärelektronenstrahl das Objekt abtasten kann, ohne dass er durch das Netz gehindert wird.
Vorteilhafterweise wird ein zweites Netz 19 auf einem festen Potential (VM2), nahe dem Objekt potential, zwischen dem Beschleunigungsgitter 18 und dem Schnelligkeitsauswerter 13 angeordnet, sodass die Sekundärelektronen nach dem Durchgang durch das Beschleunigungsgitter 18 rasch verzögert werden, wobei das in relativ grossem Abstand vom Geschwindigkeits- auswerter geschieht.
Electron beam microprobe The invention defined in the claim of the main patent relates to an electron beam microprobe, which is characterized in that a feedback circuit is connected to a secondary electron-collecting speed evaluator in order to increase the potential of the slide in relation to the electron energy level of the speed evaluation when scanning the object regulate. This microprobe can be used particularly advantageously for testing integrated circuits.
As in the main patent, a speed evaluator is understood to mean a device which gives an output signal that is proportional to the speed of entry of electrons into the evaluator which have energies that are within a certain range.
With the microprobe according to the patent claim of the main patent, it is possible to obtain a qualitative picture of the variation of the potential gradients on the surface of an object by scanning it, the output signal of the speed evaluator being recorded when the primary electron beam passes over the surface of the object. In such a recording, the details that arise from potential gradients on the surface, details that belong to the topology of the surface, and the variations of the secondary emission coefficient and other effects are usually superimposed.
The desired voltage detail can, however, easily be obtained by forming the difference signal between two scans, one of which is carried out with and the other without the necessary voltage which must be applied to the sample in order to obtain the potential distribution on its surface. However, it is not easy to obtain a quantitative image of the potential distributions from these measurements because of the ambiguous relationship between the output signal of the speed evaluator and the variation of the voltage at the point on the surface of the object on which the primary electron beam occurs.
In many applications, and particularly in integrated circuit testing, it is desirable to obtain a quantitative image of the potential gradients on the surface of the pattern.
This is made possible by improving the electron beam microprobe according to the claim of the main patent, which according to the present invention consists in the fact that the feedback circuit can be controlled by the output signal of the speed evaluator in such a way that the changes in said output when an object is scanned signals are reduced and that a grid is provided between the object holder and the Schenlligkeitsauswerter to apply an electrical potential, so that the paths of the secondary electrons emitted by the electron beam when scanning the object surface are practically independent of the potential distribution on the object surface.
An embodiment of the invention will now be described in more detail with reference to the drawing, which shows a block diagram of the microprobe.
In the drawing, 10 denotes an electron beam generator which contains a device for focusing and scanning. This generator 10 generates a primary electron current 11 which is incident on an object 12 which consists of an integrated circuit and has two connections 12a and 12b via which the integrated circuit can be biased. A speed evaluator 13 is arranged in such a way that it can capture the secondary electrons emitted by the object under the influence of the primary electron flow.
This speed evaluator emits an output signal that is dependent on the rate of arrival of trapped electrons, the energies of which are within a certain range, which is fixed in relation to earth potential and thus also in relation to the cathode potential of the electron beam generator. The output signal of the speed evaluator is applied to an amplifier 14, the output voltage of which is applied to the object terminal 12a and to an output terminal 15. The object terminal 12b is connected to the object terminal 12a via a voltage generator 16.
Provided that the potential variation on the surface of the object generated by the voltage generator 16 is insignificant compared to the potential between the object and the cathode of the electron beam generator, as is always the case when testing integrated circuits, it is It is clear that the original speed distribution of the secondary electrons emerging from the object is practically independent of the potential of that part of the surface of the object from which they are emitted.
On its way from the surface of the object to the speed evaluator, however, a secondary electron is accelerated by an amount that is dependent on the potential difference between the two locations. It can therefore be seen that in the absence of the feedback loop, which is formed by the connection between the output of the speed evaluator 13 and the object 12 via the amplifier 14, the value of the original speed of electrons that are captured by the speed evaluator, depends on the potential difference that you have passed through on the way to the tenderness evaluator.
If the feedback loop is present, the output signal of the speed evaluator is stabilized to a fixed value that can be set by the voltage divider 17. So when the voltage generator 16 is set to zero so that the whole object is at the potential of the terminal 12a, and the electron beam now moves to a point on the object that produces a higher emission, the output signal of the speed evaluator wants to be higher be, whereby the Ver stronger output signal is brought to a more positive potential ge.
This makes the object more positive, which has the effect that the acceleration of the secondary electrons on their way to the speed evaluator is reduced and thereby the secondary electrons that are captured by the speed evaluator have a higher initial speed. Given that the setting of the voltage divider is such that the speed evaluator takes secondary electrons in that part of the distribution curve in which the number of secondary electrons decreases with higher energies, the device is stable. So if the gain of the amplifier is high, the output signal of the speed evaluator is practically constant.
If now, without changing the point of incidence of the primary electron beam, the voltage generator 16 is set so that a certain potential difference is present between the terminals 12a and 12b and the integrated circuit 12 is thereby biased so that potential gradients are present on its surface, the output signal of the speed becomes - keitsauswerters increased or decreased, depending on whether the potential in that part of the surface of the object under the primary electron flow was lowered or increased.
As before, the feedback loop will now act in such a way that the output signal of the speed evaluator is kept at its original value. Now the increase in the output voltage of the amplifier 14, which is necessary to bring the output of the speed evaluator back to its original value, can be considered to be just equal to the potential difference between the object terminal 12a and the point on the surface of the object which is currently in the focus of the Primary electron beam lies.
It can be seen that a quantitative recording of the potential gradients on the surface of the object can be obtained by recording the difference between the output signal at the output terminal 15 that occurs when the voltage generator 16 is set to the required supply voltage for the integrated circuit and that output voltage which occurs when the voltage generator 16 is set to zero.
However, such a measurement can be subject to errors which can be of considerable magnitude. This error is caused by the fact that normally a standard speed evaluator is not able to capture all secondary electrons emitted by the object. For this reason, any changing field distribution that changes the trapping efficiency of the speed evaluator will introduce an error into the measurements. Such a situation exists when the secondary electrons leaving the object are influenced by a distribution of the electric field that is primarily determined by the potential distribution in that part of the surface of the object that surrounds the point of incidence of the primary electron beam.
If the electrons now migrate comparatively slowly, a comparatively small field gradient is sufficient to change the orbits of the secondary electrons remarkably so that these orbits lead to a location next to the entrance aperture of the speed evaluator.
This difficulty can be overcome by the introduction of a grid 18 which is arranged close to the object and is kept at a sufficiently high potential (VM1) with respect to the object to cause the secondary electrons to move strongly away from the object vicinity are accelerated so that their orbits are practically independent of the potential gradients in the surface zone of the object that surrounds the point of arrival of the primary electron beam. In the case of the present microprobe, this screen is in the form of a fine network which is kept at a voltage of approximately 1 kV with respect to the object and is approximately 2 mm away from it.
The size of the openings in the network is just large enough that the primary electron beam can scan the object without being hindered by the network.
A second network 19 is advantageously arranged at a fixed potential (VM2), close to the object potential, between the acceleration grid 18 and the speed evaluator 13, so that the secondary electrons are quickly decelerated after passing through the acceleration grid 18, which is at a relatively large distance from Speed evaluator happens.