DE2813948C2

DE2813948C2 -

Info

Publication number: DE2813948C2
Application number: DE2813948A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Dipl.-Ing. 8000 Muenchen De Feuerbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-03-31
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1988-06-16
Also published as: DE2813948A1; JPS54134571A; NL7902518A; US4223220A; GB2017940A; GB2017940B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektro nischen Abbildung des Potentialverlaufs in einem elek tronischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Funktionsprüfung von elektronischen Bauelementen mit einem Rasterelektronenmikroskop wird bekanntlich ein Ver fahren angewendet, das in der Literatur als "Voltage Coding" bezeichnet wird. Dabei wird die Potentialver teilung des Bauelementes auf einem Fernsehschirm abge bildet, indem der Primärelektronenstrahl das Bauelement im Zeilensprungverfahren nach dem Fernsehprinzip rastert. Das elektronische Bauelement, beispielsweise ein inte grierter Schaltkreis, wird mit Signalen angesteuert, deren Frequenz ein Vielfaches der Zeilenfrequenz des Bild schirms ist.

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 verhält nismäßig 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 Bild schirm. Potentialabweichungen an der Meßstelle ergeben somit eine entsprechende Hell-Dunkel-Änderung auf dem Bildschirm, und die Potentialverteilung kann somit durch diesen Potentialkontrast auf dem Bildschirm sichtbar ge macht 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 Potentialver teilung sich beispielsweise mit einer Frequenz von 60 kHz ändert, erfaßt der Primärelektronenstrahl die Potential änderung während eines Zeilendurchganges 8mal. Die auf dem Bildschirm dargestellten Signale können zeitlich ein ander zugeordnet werden, und man kann deshalb auch jede Zeitverschiebung der Potentiale mit dem Auge erkennen. Durch das verhältnismäßig geringe Signal-Rausch-Verhält nis wird jedoch die Bildqualität eines Fernsehbildes nicht erreicht. Man ist deshalb gezwungen, einen verhält nismäßig großen Primärelektronenstrom einzustellen. Diese große Stromstärke vermindert andererseits die Auflösung und kann außerdem für empfindliche elektronische Bauele mente 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).

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren zur elektronischen Abbildung der Potentialver teilung 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 Potential verteilung 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 Ober fläche 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 ge führt. Die Impulse des Primärelektronenstrahls haben eine feste Phasenlage in bezug auf das Potential an der Meß stelle und man erhält ein Bild der statischen Potential verteilung an der Oberfläche des Bauelements bei einer vorbestimmten Phasenlage. Durch Phasenverschiebung ergibt sich jeweils ein weiteres Bild. Man kann zwar diese ein zelnen Bilder vergleichen; es ist jedoch nicht möglich, die unmittelbare zeitliche Änderung des Potentialverlaufs zu erkennen ("J. Sci. Instr." 1968, Serie 2, Vol. 1, Seiten 595 bis 600).

Die genannte Aufgabe wird deshalb erfindungsgemäß durch ein Verfahren der genannten Art gelöst, welches die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist.

Mit diesem Verfahren wird die Phasen lage durch die Steuerung der Zeitverzögerung mehrmals während einer Zeile von 0 bis 360° durchlaufen. Der Pha senwechsel wird durch den Potentialkontrast auf dem Bild schirm sichtbar, und es wird auch die dynamische Potential verteilung auf dem Bildschirm erkennbar. Man erhält eine hohe Zeitauflösung, die eine Bandbreite bis zu mehreren GHz ergibt. Es können somit beispielsweise auch Signal flanken 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 Bildaufzeich nung mit einem Rasterelektronenmikroskop, das mit einer Tasteinrichtung und einer Zeilenablenkung für den Primär elektronenstrahl versehen ist, erweitert. Sie kann bei spielsweise mit einer Synchronisiereinrichtung versehen werden, die über einen Verzögerungsgenerator die Tast einrichtung für den Primärelektronenstrahl steuert. Diese Synchronisiereinrichtung steuert zugleich synchron über einen Rastergenerator die Zeilenablenkung des Primärelek tronenstrahls.

In einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung kann dem Rastergenerator noch ein besonderer Frequenzteiler vorgeschaltet sein, der den Rastergenerator mit verminder ter Frequenz synchron mit der Zeitverzögerung für die Tast einrichtung steuert. Ferner kann die Zeitverzögerung für die Tasteinrichtung beispielsweise durch den Rastergene rator über einen Multiplikator gesteuert werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich nung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 ein Ausführungs beispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 2 bis 6 sind die Verfahrensschritte in ver schiedenen Diagrammen erläutert.

In Fig. 1 ist ein Raster elektronenmikroskop mit 2 bezeichnet, das eine Elektronen kanone 4 für einen Primärelektronenstrahl 14, eine Tast einrichtung 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 be zeichnet wird und dessen Potentialverteilung auf einem Bildschirm sichtbar gemacht werden soll. Der Primär elektronenstrahl 14 löst an einer Meßstelle M Sekundär elektronen 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 Photo multiplier 28 zugeordnet ist, der im allgemeinen mit einem sehr empfindlichen, in der Figur nicht dargestell ten Vorverstärker gekoppelt ist. Zwischen der Meßstelle 11 und dem Kollektornetz 22 besteht eine Potentialdifferenz, beispielsweise 300 V. Das Ausgangssignal des Photomulti pliers 28 wird einem Verstärker 30 zugeführt, dessen Aus gangssignal V _A die Spannung an der Wehnelt-Elektrode des Bildschirms 32 und damit die Amplitude des Bildschirm signals steuert.

Die Zeitablenkung t des Bildschirms 32, das ist die Zei lensteuerung, wird von einem Rastergenerator 50 vorgegeben, der zugleich die Ablenkung 10 für den Primärelektronen strahl 14 steuert.

Die Probe 16 erhält ihre Versorgungsspannungen sowie Takte und Testmuster von einer Steuerlogik 34, die zugleich über einen Rate-Generator 36, der als Impulsformer dient, einen Verzögerungsgenerator 38 steuert, der mit einem Pulsgene rator 40 die Steuereinrichtung für die Tasteinrichtung 8 bildet. Die Verzögerung der Pulse des Verzögerungsgene rators 38 wird durch eine Folge von Sägezähnen V _s be stimmt, die von einer Synchronisiereinrichtung 46 vorge geben wird. Diese Synchronisiereinrichtung 46 steuert zu gleich vorzugsweise über einen Frequenzteiler 48 und den Rastergenerator 50 die Ablenkung 10 für den Primärelektro nenstrahl 14. Der Frequenzteiler 48 teilt die Frequenz der Sägezähne V _s der Synchronisiereinrichtung 46 durch eine ganze Zahl.

Eine weitere, in der Figur nicht dargestellte Ausführungs form der Meßanordnung besteht beispielsweise darin, daß die Steuerung der Verzögerung vom Rastergenerator 50 durch geführt wird. In dieser Ausführungsform wird beispiels weise dem Rastergenerator 50 ein in der Figur nicht darge stellter Multiplikator nachgeschaltet, der mit einer ent sprechend erhöhten Pulszahl über die Synchronisierein richtung 46 den Verzögerungsgenerator 38 steuert.

Durch die Synchronisiereinrichtung 46 wird die Verzöge rung der Pulse des Primärelektronenstrahls 14 so gesteuert, daß jeweils während des Durchlaufs einer Zeile am Bild schirm 32 ein Zyklus des Potentials an der Meßstelle M mehrmals von 0 bis 360° durchlaufen wird. Der Phasen wechsel wird dann durch den Frequenzteiler 48 bzw. durch den erwähnten Multiplikator synchron gesteuert.

In Fig. 2 ist die Sägezahnspannung V _s der Synchronisier einrichtung 46 in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Mit zunehmender Höhe der Stirnflanke des Sägezahns V _s wird die Phase der Ausgangsimpulse des Verzögerungsgenerators 38 und damit auch die Phasenlage der Pulse I _p des Primär elektronenstrahls 14 kontinuierlich verschoben, wie dem Diagramm nach Fig. 3 zu entnehmen ist, in dem diese Pulse I _p des Primärelektronenstrahls 14 in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen sind. Mit zunehmender Sägezahnspannung V _s ändert sich die Phasenlage Φ ₁ bis Φ ₇ der Pulse I _p je weils in bezug auf eine nicht näher bezeichnete Bezugs phasenlage. Zur Vereinfachung sind lediglich sieben Pulse I _p des Primärelektronenstrahls 14 innerhalb der Durchlauf zeit T _s eines Sägezahns der Sägezahnspannung V _s angedeutet. In der praktischen Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens werden in der Durchlaufzeit T _s von beispielsweise 15 ms vorzugsweise wenigstens 100 Pulse, insbesondere wenigstens 1000 Pulse I _p, auf die Probe 16 ge geben.

Durch die Zeitverzögerung der Steuerimpulse der Tastein richtung 8 werden die Pulse I _p des Primärelektronenstrahls 14 über einen Zyklus in bezug auf das Potential an der Meß stelle M verschoben, wie dem Diagramm nach Fig. 4 zu ent nehmen ist, in dem die Meßspannung V _M an der Meßstelle M in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist. Mit der Phasenverschiebung von Φ ₁ bis Φ ₃ bleiben die Pulse I _p noch in den Zwischenräumen der Pulsfolge der Meßspannung V _M, die als Rechteckimpulse angenommen sind. Die Phase Φ ₄ soll in der Anstiegsflanke des Impulses der Spannung V _M liegen.

Die beiden Phasen Φ ₅ und Φ ₆ sollen im Scheitel des Zy klus der Meßspannung V _M und die Phase Φ ₇ in der Abfall flanke liegen. In gleicher Weise wird mit dem folgenden Säge zahn der Spannung V _s die Phase der Pulse I _p des Primär elektronenstrahls 14 über einen Zyklus der Meßspannung V _M verschoben.

Mit der Verlagerung der Pulse I _p in den Puls der Meß spannung V _M liefert der Verstärker 30 zur Zeit t ₁ ein Ausgangssignal, wie es in Fig. 5 angedeutet ist, in der die Ausgangsspannung V _A des Verstärkers 30 in Ab hängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist. Dieses Signal endet zur Zeit t ₂ mit dem Ende des Sägezahns V _s und der Verschiebung der Pulse I _p in die Zwischenräume der Meß spannung V _M. In gleicher Weise wird von t ₃ bis t ₄ ein Verstärkerausgangssignal V _A geliefert.

Während eines Zeilendurchlaufs des Primärelektronen strahls 14 sollen nach dem Diagramm der Fig. 6 von der Synchronisiereinrichtung 46 beispielsweise sieben Säge zahnsignale V _s geliefert werden. Somit wird während der Zeitdauer T _z einer Zeile der Zyklus T _M der Meßspannung V _M durch Phasenverschiebung 7mal durchlaufen. Dement sprechend erscheinen über der Breite B des Bildschirms 32 nach Fig. 1 sieben vom Verstärker 30 gelieferte Pulse der Ausgangsspannung V _A. In der durchlaufenen Zeit sind entsprechend dem Nullpotential jeweils die Zwischenräume der Meßspannung V _M hell und die Pulse, beispielsweise von t ₁ bis t ₂ und t ₃ bis t ₄, sind entsprechend dem positiven Potential der Meßspannung V _M dunkel.

Die Frequenz f _s = ¹/_Ts der Zeitverzögerung der Phasen steuerung wird als Vielfaches der Frequenz f _z = ¹/_Tz der Zeilenablenkung des Elektronenstrahls 14 und syn chron zur Zeilenablenkung gewählt.

Wegen der endlichen Dicke der Leiterbahn auf der Probe 16 erscheinen auf dem Bildschirm 32 mehrere Zeilen mit der gleichen Hell-Dunkel-Verteilung. Sobald der Elektro nenstrahl eine andere Leiterbahn mit einer abweichenden Potentialverteilung abtastet, ergibt sich durch den Potentialkontrast auch ein entsprechend abweichendes Bild.

Claims

1. Verfahren zur elektronischen Abbildung des Potential verlaufs in einem elektronischen Bauelement durch berührungslose Potentialmessung in einem Rasterelektronen mikroskop, dessen Primärelektronenstrahl synchron mit einem periodischen Potentialverlauf eingetastet und in Zeilen über das Bauelement abgelenkt wird, und durch Darstellung des Potentialverlaufs auf dem Bildschirm eines Sichtgerätes mittels Potentialkontrast, dessen Schreibstrahl synchron mit dem Primärelektronenstrahl abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse (I _p) des Primärelektronenstrahls (14) durch Zeitverzögerung in bezug auf den periodischen Potentialverlauf in der Phase (Φ ₁ bis Φ ₇) verschoben werden, daß der Potentialverlauf mindestens einmal während eines jeden Zeilendurchlaufs abge tastet wird, daß als Frequenz (f _s) der Zeitverzögerung ein Vielfaches der Frequenz (f _z) der Zeilenablenkung des 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 Tastein richtung (8) und zugleich synchron über einen Rastergene rator (50) die Ablenkung (10) des Primärelektronenstrahls (14) steuert.

3. Eine Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Rastergenerator (50) ein Frequenzteiler (48) vorgeschaltet ist.

4. Eine Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Multiplikator vorge sehen ist, der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Rastergenerators (50) über die Synchronisiereinrichtung (46) den Verzögerungsgenerator (38) steuert.