DE2819165C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rasterelektronen­ mikroskop nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Durch das Rasterelektronen­ mikroskop wird die Probe auf einem Bildschirm vergrößert abgebildet.

Zur Funktionsprüfung elektronischer Bauelemente, insbe­ sondere integrierter Schaltkreise, können bekanntlich be­ rührungslos Potentialmessungen mit dem Rasterelektronen­ mikroskop durchgeführt werden. Das Rasterelektronenmikros­ kop besteht im wesentlichen aus einer elektronenoptischen Säule, die eine sogenannte Elektronenkanone enthält und im allgemeinen mit einer Einrichtung zum Tasten des Elek­ tronenstrahls und zur Ablenkung des Elektronenstrahls ver­ sehen ist. Diese Einrichtungen sind innerhalb der elektronenoptischen Säule im Vakuum angeordnet. Das zu untersuchende Bauelement befindet sich in einer Probenkammer, die ebenfalls eva­ kuiert ist.

Der Primärelektronenstrahl löst an der Meßstelle aus einer Leiterbahn des Bauelements Sekundärelektronen aus, die von einem Elektronenkollektor gesammelt und in elektrische Signale umgewandelt werden. Die Zahl der vom Primärelek­ tronenstrahl an der Meßstelle ausgelösten Sekundärelek­ tronen ist abhängig vom Potential an der Meßstelle. Bei positivem Potential werden nur verhältnismäßig wenige Sekundärelektronen aus der Oberfläche der Leiterbahn aus­ gelöst, und auf einem Bildschirm erscheint ein entsprechend schwach beleuchteter Bildpunkt. Nullpotential und negatives Potential ergeben eine erhöhte Zahl von Sekundärelektronen mit einem entsprechend hellen Bildpunkt. Leiterbahnen mit positivem Potential erscheinen deshalb auf dem Bildschirm dunkel und Leiterbahnen mit negativem Potential ergeben helle Teile des dargestellten Bildes.

Durch Abtasten der Leiterbahnen der Probe kann somit der Potentialverlauf auf den Leiterbahnen durch diese Potential­ kontrastmessung ermittelt und auf dem Bildschirm darge­ stellt werden.

Für quantitative Potentialmessung ist das Rasterelektronen­ mikroskop mit einem Spektrometer, beispielsweise einem Gegenfeldspektrometer, versehen. Ein zylindrischer Ablenk­ kondensator führt die Sekundärelektronen durch ein Verzöge­ rungsfeld dem Elektronenkollektor zu, dem ein Regelver­ stärker nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal über eine Rückkopplung das Spektrometer steuert. Die Gitter­ spannung an der Gegenfeldelektrode wird so lange nachge­ regelt, bis die Spannung zwischen Gitter und Meßpunkt wie­ der ihren ursprünglichen konstanten Wert erreicht hat. Dann entspricht die Änderung der Gitterspannung direkt der Potentialänderung an der Meßstelle der Probe.

Zur Funktionsprüfung oder Fehleranalyse sowie zur Dar­ stellung der Potentialverteilung durch diese Potential­ messung werden beispielsweise integrierte Schaltungen mit ihrem Keramikgehäuse in die Probenkammer eingebracht. Die elektrischen Anschlußleiter werden in besonderen Ka­ beln zusammengefaßt und mit Hilfe von Vakuumdurchfüh­ rungen durch die Probenkammerwand hindurchgeführt. Lange Steuerleitungen sind aber insbesondere bei der Übertra­ gung hochfrequenter Steuersignale störanfällig und kön­ nen zur Abflachung der Anstiegs- und Abfallflanken und zum Über- und Unterschwingen der Signale sowie zum Über­ sprechen führen. Die zur Positionierung der Probe in be­ zug auf den Primärelektronenstrahl erforderliche Bewe­ gungseinrichtung befindet sich ebenfalls im Vakuum und muß somit über vakuumdichte Durchführungen von außen angetrieben werden (Scanning Electron Microscopy/ IITRI, Chicago/USA, April 1976 (Part IV), Seiten 615 bis 624).

Zum Probenwechsel wird das Rasterelektronenmikroskop ab­ geschaltet und die Probenkammer geöffnet. Die eintreten­ de Luft strömt auch in die elektronenoptische Säule, und die Gefahr einer Verschmutzung dieser empfindlichen Teile ist somit nicht auszuschließen. Nach dem Einsetzen der Probe muß sowohl die Probenkammer als auch die elek­ tronenoptische Säule wieder evakuiert werden.

Aus der DE-AS 23 25 994 ist ein Rasterelektronenmikroskop der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Trageinrichtung für den Objekttisch durch einen vakuumdicht in einer Öffnung eines zylindrischen Körpers drehbar gelagerten Rundstab gebildet ist. Der zylindrische Körper ist seinerseits in einer Öffnung der Probenkammer vakuumdicht drehbar gelagert.

Ein Rasterelektronenmikroskop mit hängender elektronen­ optischer Säule ist aus der Veröffentlichung von V. K. Zworykin "A Scanning Electron Microscope", ASTM Bulletin, Aug. 1942, S. 15-23 bekannt.

Aus der DE-OS 14 89 658 ist eine Probenhalterung bekannt, die den unteren Gehäuseteil eines Elektronenstrahlge­ rätes zur Röntgenmikroanalyse abschließt. Die Probenhal­ terung ist auf dem Gehäuse einer Probenkammer verschiebbar gelagert und wird durch den äußeren Luftdruck in ihrer jeweiligen Lage fixiert. Mittels eines Schiebers können die Vakuumräume der Probenkammer und der elektronenoptischen Säule voneinander getrennt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Raster­ elektronenmikroskop der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei der Untersuchung der Funktion elektronischer Bauelemente die erwähnten Einflüsse der Leitungsführung wesent­ lich vermindert werden und ein Probenwechsel in einfacher Weise möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Raster­ elektronenmikroskop der eingangs genannten Art gelöst, welches die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Bei dem Rasterelektronenmikroskop nach der Erfindung befinden sich die elektrischen Anschlüsse des elektronischen Bauelements an der Leiterplatte und damit außerhalb des Vakuums, so daß störende Zuleitungen entfallen. Eine integrierte Schaltung kann direkt auf ihrem Testaufbau, beispielsweise auf ihrem rechnergesteuerten Testplatz, untersucht werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Figur Bezug genommen, in der ein Ausführungsbei­ spiel eines Rasterelektronenmikroskops nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Die elektronenoptische Säule 2 eines Rasterelektronenmikro­ skops enthält nach Fig. 1 eine Elektronenkanone 4, die im wesentlichen aus einer Kathode 5, einer Wehnelt-Elektrode 6 und einer Anode 7 besteht. Die Elektronenkanone 4 erzeugt einen Primärelektronenstrahl 10, der in der Figur strich­ punktiert angegeben ist und mit Hilfe einer Tasteinrich­ tung 12 in eine Impulsfolge umgewandelt werden kann. Ferner ist eine Ablenkeinrichtung 14 mit Spulen 15 und 16 vorgesehen, mit deren Hilfe der Elektronenstrahl 10 abge­ lenkt und somit auf einem elektronischen Bauelement posi­ tioniert werden kann, das als Probe 22 dient, das in einer Probenkammer 20 im Vakuum angeordnet ist und beispielsweise ein integrierter Schaltkreis sein kann. Die Probe 22 ist auf einem Probenhalter 24 befestigt.

Die an der Probe 22 ausgelösten Sekundärelektronen werden mit Hilfe eines zylinderförmigen Ablenkkondensators 26 über das Verzögerungsfeld zweier Gegenfeldelektronen 28 und 29 eines Gegenfeldspektrometers einem Elektronenkollektor 30 zugeführt. Der Elektronenkollektor 30 enthält im allge­ meinen zwischen einem Kollektornetz 32 und einem nicht dargestellten Szintillator eine Beschleunigungsstrecke für die Sekundärelektronen, deren Weg 27 in der Figur durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Die am Szintillator ausgelösten Photonen werden über einen Lichtleiter 34 einem Photomultiplier 36 zugeführt, der im allgemeinen mit einem empfindlichen Vorverstärker gekoppelt ist. Dem Photomulti­ plier 36 ist ein Regelverstärker 38 nachgeschaltet, der beispielsweise über eine in der Figur nicht dargestellte Rückkopplungsschleife das Verzögerungsfeld der Gegenelek­ troden 28 und 29 steuern kann.

Zur Vereinfachung ist in der Figur eine gemeinsame Elek­ tronik 40 vorgesehen, die sowohl die Tasteinrichtung 12 als auch die Ablenkeinrichtung 14 für den Primärelektronen­ strahl 10 als auch das Gegenfeldspektrometer steuert. Die Elektronik 40 soll außerdem auch noch die Stromversorgung für die Probe 22 übernehmen und beispielsweise Testimpulse für die Probe 22 liefern, wie es in der Figur durch ge­ strichelte Wirkungslinien angedeutet ist.

In Verbindung mit einem integrierten Schaltkreis als Probe 22 wird dieser auf einem Probenhalter 24 ange­ ordnet, der einen Teil eines vakuumdichten Verschlus­ ses 25 für die Probenkammer 20 bildet, der aus einer Leiterplatte 50 für den integrierten Schaltkreis und einer Verstärkung 48 besteht. Der Probenhalter 24 ist mit Hilfe von Steckkontakten befestigt, von denen in der Figur nur zwei angedeutet und mit 44 und 46 bezeichnet sind. Die Buchsen 52 bzw. 54 der Steckkontakte dienen als vakuum­ dichte Durchführungen und können beispielsweise mit der Leiterplatte 50 verlötet sein. Diese Leiterplatte 50 dient zur Aufnahme der Leitungsabschlußelemente für die elektri­ schen Zuleitungen zur Probe 22. Die elektrischen Verbin­ dungsleiter werden über die vakuumdichten Durchführun­ gen 52 und 54 und in der Figur nicht näher bezeichnete Durchführungen im Probenhalter 24 zur Probe 22 geführt. Die Vakuumdichtung zwischen dem Verschluß 25 und dem Ge­ häuse 55 der Probenkammer 20 wird durch eine Vakuum­ dichtung 58 hergestellt. Das Gehäuse 55 der Probenkam­ mer 20 kann beispielsweise aus einem Behälter 56 und einem Deckel 57 bestehen. Alle durch das Gehäuse 55 hin­ durchgeführten Teile sind mit zum Teil nicht näher be­ zeichneten Vakuumdichtungen versehen. Zwischen dem Ge­ häuse 56 und der Verstärkung 48 ist ein Axiallager 60 vorgesehen, das eine Verschiebung des Probenhalters 24 und damit der Probe 22 in der Ebene senkrecht zum Pri­ märelektronenstrahl 10 ermöglicht.

In einer einfacheren Ausführungsform der Probenkammer 20, wie sie beispielsweise für Potentialkontrastmessungen in der Probe 22 erforderlich ist, kann anstelle der darge­ stellten Lagerung mit einem Axialkugellager 60 auch eine Gleitlagerung durch entsprechende Bearbeitung der Auflage­ flächen zwischen der Verstärkung 48 und dem Gehäuse 56 der Probenkammer vorgesehen sein.

Die gewünschten Bereiche der Probe 22 können durch Ver­ schiebung des Probenhalters 24 gegenüber dem Elektronen­ strahlerzeugersystem in der Ebene senkrecht zum Primär­ elektronenstrahl 10 eingestellt werden. Zu diesem Zweck ist der Probenhalter 24 über die Verstärkung 48 sowie die Leiterplatte 50 mit einem Rahmen 62 verbunden, der mittels Führungsstangen 64 und 65 für die Bewegung in Längsrichtung und Führungsstangen 66 für die Bewegung in Querrichtung mit einem Lagerbock 68 verbunden ist. Der Rahmen bildet mit den Führungsstangen und dem Lagerbock einen Schlitten, der eine beliebige Positionierung der Probe 22 in bezug auf den Pri­ märelektronenstrahl 10 ermöglicht.

Die Probenkammer 20 ist mit einem Stutzen 72 versehen, an den eine Vakuumpumpe 70 angeschlossen ist. Die elektronen­ optische Säule 2 ist ebenfalls mit einer Vakuumpumpe 74 versehen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Raster­ elektronenmikroskops besteht darin, daß zwischen der elek­ tronenoptischen Säule 2 und der Probenkammer 20 ein Ver­ schluß 76 vorgesehen ist, der einen Schieber 77 enthält und vorzugsweise vakuumdicht sein kann. Er ist über eine elektrische Isolierung 78, beispielsweise aus Glas, mit einem Schaft 79 verbunden, der zur Betätigung dient. Der Schieber 77 ist mit einer Öffnung 80 für den Primärelek­ tronenstrahl 10 versehen und mit einem Dichtungssystem 82, beispielsweise aus Keramik, mit nicht näher bezeichneten Vakuumdichtungen gegen Polschuhe 84 und 85 einerseits und die Probenkammer 20 andererseits abgedichtet. Zum Proben­ wechsel wird der Verschluß 76 durch seitliches Verschieben des Schiebers 77 betätigt und das Vakuum der Säule 2 von der Probenkammer 20 getrennt, womit die Verschmutzungs­ gefahr für die inneren Einrichtungen der Säule 2 ent­ sprechend vermindert ist und eine erneute Evakuierung der Säule 2 nach dem Probenwechsel entfällt.

Die Probenkammer 20 ruht auf einem Tisch 86, der in der Figur lediglich schematisch als Gestell angedeutet ist.

Im Ausführungsbeispiel wurde als zu untersuchende Probe ein integrierter Schaltkreis gewählt. Das Rasterelektro­ nenmikroskop kann aber auch zur Untersuchung anderer elektronischer Bauelemente, beispielsweise Transistoren, verwendet werden.

Claims (4)

1. Rasterelektronenmikroskop mit elektronenoptischer Säule (2) zur Prüfung einer im Vakuum in einer Probenkammer (20) auf einem Probenhalter (24) angeordneten Probe (22), insbe­ sondere einen elektronischen Bauelement, bei dem der Proben­ halter (24) Teil eines vakuumdichten Verschlusses (25) für die Probenkammer (20) ist und bei dem der Verschluß (25) gegenüber dem Gehäuse (55) der Probenkammer verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (25) eine Leiterplatte (50) und eine auf dem Ge­ häuse (55) der Probenkammer (20) vakuumdicht verschiebbar gelagerte Verstärkung (48) aufweist und daß die Probe (22) über vakuumdichte Durchführungen (52/54) in der auf der Verstärkung (48) angeordneten Leiterplatte (50) mit elektri­ schen Anschlüssen außerhalb des Vakuums leitend verbunden ist.

2. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine hängende Anordnung der elek­ tronenoptischen Säule (2) unterhalb der Probenkammer (20).

3. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet durch einen zwischen der elek­ tronenoptischen Säule (2) und der Probenkammer (20) ange­ ordneten Schieber (77), der eine Öffnung zum Durchtritt des Primärelektronenstrahls (10) aufweist.

4. Rasterelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein zwischen der Ver­ stärkung (48) und dem Gehäuse (55) angeordnetes Axialkugel­ lager (60).