DE2813948A1 - Verfahren zur elektronischen abbildung der potentialverteilung in einem elektronischen bauelement - Google Patents

Verfahren zur elektronischen abbildung der potentialverteilung in einem elektronischen bauelement

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DE2813948A1 DE19782813948 DE2813948A DE2813948A1 DE 2813948 A1 DE2813948 A1 DE 2813948A1 DE 19782813948 DE19782813948 DE 19782813948 DE 2813948 A DE2813948 A DE 2813948A DE 2813948 A1 DE2813948 A1 DE 2813948A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München VPA 78 P 7 0 2 3 BRD
Verfahren zur elektronischen Abbildung der Potentialverteilung in einem elektronischen Bauelement und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektronischen Abbildung der Potentialverteilung in einem elekironischen Bauelement durch berührungslose Potentialmessung mit einem Rasterelektronenmikroskop, dessen Primärelektronenstrahl getastet und durch Ablenkung in Zeilen über das Bauelement, insbesondere einen integrierten Schaltkreis, geführt wird, und Darstellung als Potentialkontrast auf einem Bildschirm.
Zur Funktionsprüfung von elektronischen Bauelementen mit einem Rasterelektronenmikroskop wird bekanntlich ein Verfahren angewendet, das in der Literatur als "Voltage Coding" bezeichnet wird. Dabei wird die Potentialverteilung des Bauelementes auf einem Fernsehschirm abgebildet, indem der Primärelektronenstrahl das Bauelement im Zeilensprungverfahren nach dem Fernsehprinzip rastert. Das elektronische Bauelement, beispielsweise ein integrierter Schaltkreis, wird mit Signalen angesteuert, deren Frequenz ein Vielfaches der Zeilenfrequenz des Bildschirms ist. 909841/0141
Kin 2 Sh / 28.3.1978
- * - VPA 78 P 7 O 2 3 BRD
Der Primärelektronenstrahl löst an der Meßstelle aus der metallischen Leiterbahn Sekundärelektronen aus, deren Anzahl durch das Potential an der Meßstelle bestimmt wird. An einer Meßstelle mit positivem Potential werden verhältnismäßig wenige Sekundärelektronen ausgelöst; dies ergibt eine entsprechend geringe Helligkeit auf dem Bildschirm. Nullpotential oder negatives Potential an der Meßstelle ergeben eine entsprechend große Helligkeit auf dem Bildschirm. Potentialabweichungen an der Meßstelle ergeben somit eine entsprechende He11-Dunkel-Änderung auf dem Bildschirm, und die Potentialverteilung kann somit durch diesen Potentialkontrast auf dem Bildschirm sichtbar gemacht werden.
Fernsehbildschirme arbeiten mit einer Zeilenfrequenz von etwa 15 kHz. Der Elektronenstrahl wird im allgemeinen in 625 Zeilen über den Bildschirm geführt. Beim Abtasten eines integrierten Schaltkreises, dessen Potentialverteilung sich beispielsweise mit einer Frequenz von 60 kHz ändert, erfaßt der Primärelektronenstrahl die Potentialänderung während eines Zeilendurchganges 8 mal. Die auf dem Bildschirm dargestellten Signale können zeitlich einander zugeordnet werden, und man kann deshalb auch jede Zeitverschiebung der Potentiale mit dem Auge erkennen. Durch das verhältnismäßig geringe Signal-Rausch-Verhältnis wird jedoch die Bildqualität eines Fernsehbildes nicht erreicht. Man ist deshalb gezwungen, einen verhältnismäßig großen Primärelektronenstrom einzustellen. Diese große Stromstärke vermindert andererseits die Auflösung und kann außerdem für empfindliche elektronische Bauelemente schädlich sein. Ferner haben die Verstärker der elektronischen Signalverarbeitung nur eine verhältnismäßig geringe Bandbreite, so daß Potentiale, die sich mit sehr hoher Frequenz ändern, nicht abgebildet werden können (Scanning Electron Microscopy/1975 (Part I) IITRI Chicago, USA - April 1975, Seiten 465 - 471).
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-« - VPA78P 7023 BRD
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektronischen Abbildung der Potentialverteilung von elektronischen Bauelementen anzugeben, mit dem auch Potentiale erfaßt werden können, die sich mit hoher Frequenz ändern. Sie beruht auf der Erkenntnis, daß mit dem getasteten Elektronenstrahl abweichend vom bekannten Fernsehbetrieb durch die Ausnutzung des Stroboskopeffektes auch eine bildliche Darstellung der dynamischen Potentialverteilung möglich ist, wenn ohne quantitative Messung nur der Potentialkontrast erfaßt wird.
Es ist ferner eine Vorrichtung zur bildlichen Darstellung der Potentialverteilung hochfrequenter Signale an der Oberfläche eines elektronischen Bauelementes stroboskopisch durch Anwendung des Prinzips eines Sampling-Oszillographen mit einem Rasterelektronenmikroskop bekannt, das mit einer Tasteinrichtung für den Primärelektronenstrahl versehen ist. Der gepulste Primärelektronenstrahl wird mit Hilfe einer Ablenkeinrichtung in Zeilen über das Bauelement geführt. Die Impulse des Primärelektronenstrahls haben eine feste Phasenlage in bezug auf das Potential an der Meßstelle und man erhält ein Bild der statischen Potentialverteilung an der Oberfläche des Bauelements bei einer vorbestimmten Phasenlage. Durch Phasenverschiebung ergibt sich jeweils ein weiteres Bild. Mann kann zwar diese einzelnen Bilder vergleichen; es ist jedoch nicht möglich, die unmittelbare zeitliche Änderung des Potentialverlaufs zu erkennen C1J.Sei.Instr." 1968, Serie 2 Vol. 1, Seiten 595 bis 600).
Die genannte Aufgabe wird deshalb erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Pulse des Primärelektronenstrahls durch Zeitverzögerung in bezug auf die Potentialverteilung in der Phase verschoben werden und daß als Frequenz der Zeitverzögerung ein Vielfaches der Frequenz der Zeilenab-
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- * - VPA 78 P 7 O 2 3 BRD
lenkung des Primärelektronenstrahls auf dem Bauelement gewählt wird und daß die Zeitverzögerung synchron zur Zeilenablenkung ist. Mit diesem Verfahren wird die Phasenlage durch die Steuerung der Zeitverzögerung mehrmals während einer Zeile von 0 bis 360° durchlaufen. Der Phasenweclisel wird durch den Potentialkontrast auf dem Bildschirm sichtbar,und es wird auch die dynamische Potentialverteilung auf dem Bildschirm erkennbar. Man erhält eine hohe Zeitauflösung, die eine Bandbreite bis zu mehreren GHz ergibt. Es können somit beispielsweise auch Signalflanken im Potentialverlauf untersucht werden. Durch den Stroboskopeffekt erhält man außerdem ein entsprechend gutes Signal-Rausch-Verhältnis.
Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird die bekannte Vorrichtung zur elektronischen Bildaufzeichnung mit einem Rasterelektronenmikroskop, das mit einer Tasteinrichtung und einer Zeilenablenkung für den Primärelektronenstrahl versehen ist, erweitert. Sie kann beispielsweise mit einer Synchronisiereinrichtung versehen werden, die über einen Verzögerungsgenerator die Tasteinrichtung für den Primärelektronenstrahl steuert. Diese Synchronisiereinrichtung steuert zugleich synchron über einen Rastergenerator die Zeilenablenkung des Primärelektronenstrahls.
In einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung kann dem Rastergenerator noch ein besonderer Frequenzteiler vorgeschaltet sein, der den Rastergenerator mit verminderter Frequenz synchron mit der Zeitverzögerung für die Tasteinrichtung steuert. Ferner kann die Zeitverzögerung für die Tasteinrichtung beispielsweise durch den Rastergenerator über einen Multiplikator gesteuert werden.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In den Figuren 2 bis 6 sind die Verfahrensschritte in verschiedenen Diagrammen erläutert. In Figur 1 ist ein Rasterelektronenmikroskop mit 2 bezeichnet, das eine Elektronenkanone 4 für einen Primärelektronenstrahl 14, eine Tasteinrichtung 8 sowie eine Strahlablenkung 10 enthält. Die Elektronenkanone 4 besteht im wesentlichen aus einer Kathode 5, einer Wehnelt-Elektrode 6 sowie einer Anode 7. Die Elektronenstrahlablenkung 10 kann beispielsweise ein Spulensystem mit Ablenkspulen 11 und 12 enthalten, deren magnetisches Feld zur Zeilenablenkung des Primärelektronen-Strahls 14 auf einem elektronischen Bauelement 16 dient, das vorzugsweise ein integrierter Schaltkreis sein kann und in der folgenden Beschreibung einfach als Probe bezeichnet wird und dessen Potentialverteilung auf einem Bildschirm sichtbar gemacht werden soll. Der Primärelektronenstrahl 14 löst an einer Meßstelle M Sekundärelektronen 18 aus, deren Anzahl vom Potential an der Meßstelle M abhängt. Die Sekundärelektronen 18 gelangen zu einem Elektronenkollektor 20, der beispielsweise aus einem Kollektornetz 22 und einem Szintillator 24 mit einem Lichtleiter 26 bestehen kann und dem ein Photomultiplier 28 zugeordnet ist, der im allgemeinen mit einem sehr empfindlichen, in der Figur nicht dargestellten Vorverstärker gekoppelt ist. Zwischen der Meßstelle und dem Kollektornetz 22 besteht eine Potentialdifferenz, beispielsweise 300 V. Das Ausgangssignal des Photomultipliers 28 wird einem Verstärker 30 zugeführt, dessen Ausgangssignal V. die Spannung an der Wehnelt-Elektrode des Bildschirms 32 und damit die Amplitude des Bildschirmsignals steuert.
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Die Zeitablenkung t des Bildschirms 32, das ist die Zeilensteuerung, wird von einem Rastergenerator 50 vorgegeben, der zugleich die Ablenkung 10 für den Primärelektronenstrahl 14 steuert.
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Die Probe 16 erhält ihre Versorungsspannungen sowie Takte und Testmuster von einer Steuerlogik 34, die zugleich über einen Rate-Generator 36, der als Impulsformer dient, einen Verz-ögerungsgenerator 38 steuert, der mit einem Pulsgenerator 40 die Steuereinrichtung für die Tasteinrichtung 8 bildet. Die Verzögerung der Pulse des Verzögerungsgenerators 38 wird durch eine Folge von Sägezähnen V bestimmt, die von einer Synchronisiereinrichtung 46 vorgegeben wird. Diese Synchronisiereinrichtung 46 steuert zugleich vorzugsweise über einen Frequenzteiler 48 und den Rastergenerator 50 die Ablenkung 10 für den Primärelektronenstrahl 14. Der Frequenzteiler 48 teilt die Frequenz der Sägezähne V der Synchronisiereinrichtung 46 durch eine ganze Zahl.
Eine weitere, in der Figur nicht dargestellte Ausführungsform der Meßanordnung besteht beispielsweise darin, daß die Steuerung der Verzögerung vom Rastergenerator 50 durchgeführt wird. In dieser Ausführungsform wird beispielsweise dem Rastergenerator 50 ein in der Figur nicht dargestellter Multiplikator nachgeschalten, der mit einer entsprechend erhöhten Pulszahl über die Synchronisiereinrichtung 46 den Verzögerungsgenerator 38 steuert.
Durch die Synchronisiereinrichtung 46 wird die Verzögerung der Pulse des Primärelektronenstrahls 14 so gesteuert, daß jeweils während des Durchlaufs einer Zeile am Bildschirm 32 ein Zyklus des Potentials an der Meßstelle M mehrmals von 0 bis 360° durchlaufen wird. Der Phasenwechsel wird dann durch den Frequenzteiler 48 bzw. durch
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den erwähnten Multiplikator synchron gesteuert.
In Figur 2 ist die Sägezahnspannung V der Synchronisiereinrichtung 46 in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Mit zunehmender Höhe der Stirnflanke des Sägezahns V wird die Phase der Ausgangsimpulse des Verzögerungsgenerators 38 und damit auch die Phasenlage der Pulse I des Primärelektronenstrahls 14 kontinuierlich verschoben, wie dem Diagramm nach Figur 3 zu entnehmen ist, in dem diese Pulse I des Primärelektronenstrahls 14 in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen sind. Mit zunehmender Sägezahnspannung V ändert sich die Phasenlage f. bis ä>7 der Pulse I jeweils in bezug auf eine nicht näher bezeichnete Bezugsphasenlage. Zur Vereinfachung sind lediglich sieben Pulse I des Primärelektronenstrahls 14 innerhalb der Durchlaufzeit T eines Sägezahns der Sägezahnspannung V angedeutet. In der praktischen Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens werden in der Durchlaufzeit T von beispielsweise 15 ms vorzugsweise wenigstens 100 Pulse, insbesondere wenigstens 1000 Pulse I , auf die Probe 16 gegeben.
Durch die Zeitverzögerung der Steuerimpulse der Tasteinrichtung 8 werden die Pulse I des Primärelektronenstrahls 14 über einen Zyklus in bezug auf das Potential an der Meßstelle M verschoben, wie dem Diagramm nach Figur 4 zu entnehmen ist, in dem die Meßspannung V„ an der Meßstelle M in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist. Mit der Phasenverschiebung von äL bis Φ_ bleiben die Pulse I noch in den Zwischenräumen der Pulsfolge der Meßspannung L, die als Rechteckimpulse angenommen sind. Die Phase Φ» soll in der Anstiegsflanke des Impulses der Spannung Vw liegen.
Die beiden Phasen Φρ und ifi sollen im Scheitel des Zyklusses der Meßspannung V„ und die Phase S>7 in der Abfall-
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28Ί3948 - * - mit VPA 78 P 7 O 2 3 BRD
flanke liegen. In gleicher Weise wird/dem folgenden Sägezahn der Spannung V die Phase der Pulse I des Primärelektronenstrahls 14 über einen Zyklus der Meßspannung Vw verschoben.
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Mit der Verlagerung der Pulse I in den Puls der Meßspannung V„ liefert der Verstärker 30 zur Zeit t.. ein Ausgangssignal, wie es in Figur 5 angedeutet ist, in der die Ausgangsspannung V. des Verstärkers 30 in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist. Dieses Signal endet zur Zeit t2 mit dem Ende des Sägezahns V und der Verschiebung der Pulse I in die Zwischenräume der Meßspannung V„. In gleicher Weise wird von t, bis t. ein Verstärkerausgangssignal V. geliefert.
Während eines Zeilendurchlaufs des Primärelektronenstrahls 14 sollen nach dem Diagramm der Figur 6 von der Synchronisiereinrichtung 46 beispielsweise sieben Sägezahnsignale V geliefert werden. Somit wird während der Zeitdauer T einer Zeile der Zyklus Tw der Meßspannung Vj. durch Phasenverschiebung 7 mal durchlaufen. Dementsprechend erscheinen über der Breite B des Bildschirms 32 nach Figur 1 sieben vom Verstärker 30 gelieferte Pulse der Ausgangsspannung V.. In der durchlaufenen Zeit sind entsprechend dem Nullpotential jeweils die Zwischenräume der Meßspannung V„ hell und die Pulse, beispielsweise von t. bis t~ und t, bis t., sind entsprechend dem positiven Potential der Meßspannung Vw dunkel.
Die Frequenz f = 1/T der Zeitverzögerung der Phasensteuerung wird als Vielfaches der Frequenz f = 1/T der Zeilenablenkung des Elektronenstrahls 14 und synchron zur Zeilenablenkung gewählt.
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- * - VPA78 P 7 02 3 BRU
Wegen der endlichen Dicke der Leiterbahnen auf der Probe 16 erscheinen auf dem Bildschirm 32 mehrere Zeilen mit der gleichen Hell-Dunkel-Verteilung. Sobald der Elektronenstrahl eine andere Leiterbahn mit einer abweichenden Potentialverteilung abtastet, ergibt sich durch den Potentialkontrast auch ein entsprechend abweichendes Bild.
4 Patentansprüche
6 Figuren
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Claims (4)

Patentansprüche
1. Verfahren zur elektronischen Abbildung der Potentialverteilung in einem elektronischen Bauelement durch berührungslose Potentialmessung mit einem Rasterelektronenmikroskop, dessen Primärelektronenstrahl getastet und durch Ablenkung in Zeilen über das Bauelement geführt wird, und Darstellung als Potentialkontrast auf einem Bildschirm, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse (I) des Primärelektronenstrahls (14) durch Zeitverzögerung in bezug auf die Potentialverteilung in dem Bauelement (16) in der Phase (äL bis $~) verschoben werden, und daß als Frequenz (f ) der Zeitverzögerung als Vielfaches der Frequenz (f ) der Zeilenablenkung des
L·
Primärelektronenstrahls (14) auf dem Bauelement (16) gewählt wird, und daß die Zeitverzögerung synchron zur Zeilenablenkung ist.
2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An-
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Synchronisiereinrichtung (46) vorgesehen ist, die über einen Verzögerungsgenerator (38) die Tasteinrichtung (8) und zugleich synchron über einen Rastergenerator (50) die Ablenkung (10) des Primärelektronenstrahls
(14) steuert.
3. Eine Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rastergenerator (50) ein Frequenzteiler (48) vorgeschaltet ist.
4. Eine Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multiplikator vorgesehen ist, der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Rastergenerators (50) über die Synchronisiereinrichtung
(46) den Verzögerungsgenerator (38) steuert.
909841/0141 ORIGINAL INSPECTED
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