DE3327497A1

DE3327497A1 - Bildwiedergabesystem fuer ein abtast-elektronenmikroskop

Info

Publication number: DE3327497A1
Application number: DE19833327497
Authority: DE
Inventors: Satoru Kokubunji Fukuhara; Hideo Tokyo Todokoro
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-08-13
Filing date: 1983-07-29
Publication date: 1984-02-16
Also published as: JPH05814B2; JPS5931549A; US4581534A; DE3327497C2

Description

HITACHI, LTD., 27. Juli 1983

6, Kanda Surugadai 4-chome, A 4775 F/hu

Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Beschreibung

Bildwiedergabesystem für ein Abtast-Elektronenmikroskop

Die Erfindung betrifft ein Bildwiedergabesystem für ein Abtast-Elektronenmikroskop, insbesondere ein Bildwiedergabesystem für ein stroboskopisches Abtast-Elektronenmikroskop .

Ein stroboskopisches Abtast-Elektronenmikroskop ist ein Abtast-Elektronenmikroskop mit einem Pulstor und einem Synchronkreis. Fig. 1 zeigt das Prinzip eines stroboskopischen Abtast-ElektronenmikroskopeSjS.a.G.S. Plows und w.C. Nixon; "Stroboscopic Scanning Electron Microscopy", J. Phys. E., Ser. II, pp595 - 600, 1968. Die Figuren 2A, 2B zeigen Diagramme für die Erläuterung der prinzipiellen Funktion solcher Mikroskope. Ein Elektronenstrahl 2, s. Fig.1, wird von einem Elektronenstrahler 1 ausgesendet, auf eine Probe 10 fokusiert, wobei die Probe über eine Elektronenlinse 6 betrachtet werden kann, und abgelenkt über eine Abtastspule oder Deflektor 8, ähnlich wie in einer Fernsehkameraröhre. Da der Elektronenstrahl beim Auftreffen auf einen festen Körper reflektiert wird oder Sekundärelektronen von dort auslöst, werden die reflektierten oder Sekundärelektronen durch einen Detektor aufgespürt, dessen Bild auf einem Display 7 wiedergegeben wird. Das Vorstehende gibt die prinzipielle

Arbeitsweise eines Abtast-Elektronenmikroskopes wieder.

Soll eine.Probenänderung mit sehr hoher Geschwindigkeit durch ein Abtast-Elektronenmikroskop betrachtet werden, S so kann die Abtastung und / oder die Detektion dem Probenwechsel nicht folgen, mit dem Ergebnis, daß der Gesamtwechsel in überlagerter Weise wiedergegeben wird. Um diesem Nachteil zu begegnen wird ein Pulstor, welches die Kombination einer Ablenkplatte 3 und einer Apertur 4 ist, hinzugefügt, welches ein Zerhacken des Strahls in Zusammenhang mit einem, mit einem Treiber 11 synchronisiertem Pulskreis 12 ausführt, wobei der Treiber innnerhalb oder außerhalb der Probe angeordnet sein kann und den Status der Probe ändert. Diese Konstruktion nach

¹^ dem Stand der Technik kann den die Probe bestrahlenden Elektronenstrahl nur in einer bestimmten Phase des Probenwechsels regeln, mithin den Zustand der Probe ausschließlich zum Moment der Bestrahlung detektieren.

In Fig. 2A ist ein Diagramm zum Erklären des oben erwähnten Steuerns enthalten. Zum besseren Verständnis sei angenommen, daß ein Punkt eines Objekts mit hoher Geschwindigkeit und periodisch innerhalb der Probe wandert als A-»B+C-*B->A. Wird die Phase der Bewegung über einen Phaseneinsteller 5 so eingestellt, daß der Elektronenstrahl zu einer Zeit a ausgesendet wird, so wird unter der Annahme, daß das Punktobjekt sich immer in der Position A zur Zeit a befindet, dieser Punkt ständig

in der Position A wie in Fig. 2B dargestellt wahrgenommen. 30

Dementsprechend gilt, daß die Phase der Bewegung zu den Zeiten b und c_ so eingestellt wird, daß das Punktobjekt ständig in den Positionen B und C erscheint.Hiermit ist das Prinzip beschrieben, nach welchem Objekte mit großer

Geschwindigkeit unter einem stroboskopischen Abtast-Elektro 35

nenmikrosop betrachtet werden können.

Ein stroboskopisches Abtast-Elektronenmikroskop wird hauptsächlich benutzt, um die mit hoher Geschwindigkeit erfolgenden Spannungswechsel innerhalb eines hoch integrierten Schaltkreises (LSI) zu beobachten. Viele LSI's sind mit einer Passivierungsschicht abgedeckt. Die Passivierungsschicht ist aus den folgenden Gründen erforderlich. Wird eine Sperrspannung auf einen PN-Übergang aufgeschaltet, so wird eine Verarmungsschicht mit starkem elektrischem Feld auf der Oberfläche erzeugt. Dieses Feld ist den äußeren Einflüssen ausgesetzt; die elektrischen Eigenschaften des PN-Übergangs werden bestimmt durch die Parallelverbindung der internen Last und der Oberflächenschicht. Die elektrischen Eigenschaften des PN-Übergangs weisen eine große Abhängigkeit von der Charakteristik der Oberflächenschicht auf, welche ihrerseits empfindlich gegenüber äußeren Bedingungen ist und daher insgesamt als unstabil erscheint. Aus diesem Grunde wird der LSI mit einer Isolierschicht, normalerweise SiO₂, abgedeckt, wobei diese Deckschicht als Passivierungsschicht bezeichnet wird.

Wird der mit einer Passivierungsschicht bedeckte LSI unter dem stroboskopischen Abtast-Elektronenmikroskop betrachtet, so wird der Elektronenstrahl niedriger Energie, beschleunigt bei etwa 1000 V ^ benutzt, um zu verhindern, daß die Passivierungsschicht über den Elektronenstrahl elektrisch geladen wird. In diesem Fall wirkt die Passivierungsschicht wie ein Kondensator, da er aus Isolationsmaterial besteht und zwischen der auszumessenden Elektrode und dem Elektro-

30nenstrahl angeordnet ist. Die Anwesenheit dieses Kondensators bedeutet, daß die gleichförmige Spannung, Gleichspannung, nicht beobachtet werden kann.Da das stroboskopische System das Hochgeschwindigkeitsphänomen gleichförmig macht, d.h. der gepulste Elektronenstrahl bestrahlt die Probe um den Status der Probe zu fixieren und beobachten zu können, liegt die gleiche Situation wie zuvor beschrieben vor. Das bedeutet mithin, daß das Bild einer Spannung konstanter Phase innerhalb des LSI, welcher mit einer

Passivierungsschicht bedeckt ist, nicht in vollem Umfang durch ein stroboskopisches Abtast-Elektronenmikroskop beobachtet werden kann, da der Kontrast des Potentials verlorengegangen ist.
5

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Bildwiedergabesystem für ein stroboskopisches Abtast-Elektronenmikroskop anzugeben mit welchem die Hochgeschwindigkeitsstatuswechsel in einem LSI oder einer Probe, welche mit einer Passivierungsschicht bedeckt ist, beobachtet werden können ohne das Bilddefekte auftreten.

Diese Aufgabe ist gemäß dem Patentanspruch gelöst.

Das stroboskop!sehe Abtast-Elektronenmikroskop zeichnet sich durch einen zusätzlichen Phasenkreis aus, mit welchem periodisch die Phase der Pulse zum Zerhacken des Elektronenstrahls geändert wird. Ein Torkreis, welcher zwischen einem Detektor für die Sekundär - oder reflektierten Elektronen und . . einer Bildwiedergabe zur Wiedergabe des Videosignals der Sekundär - oder reflektierten Elektronen geschaltet ist, wird mit dem Phasenwechsel des Phasenkreises synchronisiert, so daß das Videosignal nur während einer bestimmten Phasenwechselperiode passieren und angezeigt

*°werden kann.

Die Erfindung ist an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines stroboskopischen

Abtast-Elektronenmikroskopes Fig. 2A, 2B Diagramme zum Erklären der Prinzipien eines stroboskopischen Systems Fig. 3A, 3B, 3C Schaltkreise, in denen ein mit einer Passivierungsschicht bedeckter LSI mittels eines stroboskopischen Abtast-Elektronenmikroskops beobachtet wird

Fig.4A, 4B Diagramme für die Erläuterung des Erfindungsprinzips

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung

Fig.6A, 6B, 6C die Diagramme für die Erläuterung des Blockschaltbildes nach Fig. 5 Fig. 7 Ausführungen eines Phasenkreises und eines Torkreises

Fig. 8A, 8B, 8C, 8D Signalverläufe innerhalb des Schaltkreises nach Fig. 7

Zunächst seien einige grundsätzliche Erörterungen vorausgesetzt.

Die Beziehung der Kondensatorfunktion der Passivierungsschicht und die resultierenden Signalverläufe sind bei-

15spielhaft in den Figuren 3A, 3B und 3C dargestellt.

In Fig. 3A ist das Modell einer Schaltbeziehung zwischen der Probe und der Spannungsdetektion dargestellt, Fig. 3B zeigt beispielshaft Phasenpunkte für eine Messung und Fig. 3C das Modell für den Wechsel eines zu detektierenden

20stromes.

Auf eine Elektrode18, welche sich innerhalb der Probe oder des LSI befindet, wird eine Spannung V über eine Hochfrequenz versorgung 17 aufgebracht. Ein Schalter 14 dient zum Ein-25_und Ausschalten des Pulsstrahles. Im geschlossenen Zustand kann ein Strom 16, ein sekundärer Elektronenstrom, durch einen Widerstand 15, entsprechend einem Detektionskreis, fließen, so daß die Spannung auf der Passivierungsschicht detektiert werden kann. Es soll angenommen werden, daß die

Pulsspannung auf die Elektrode 18 des LSI bzw. der Schalter 14 nur zu den mit Pfeilen bezeichneten Zeiten in Fig. 3B geschlossen ist. Fig.3C zeigt den Verlauf des Stromes 16 (I) über der Zeit, welcher durch den Widerstand 15 fließt. Wie aus Fig. 3C entnommen werden kann, sinkt der Strom 16 graduell mit der Zeit ab, da die Messung durch einen Kondensator 13 (C) vorgenommen wird. Die Sinkrate des Stromes wird durch die Zeitkonstante RC bestimmt. Es ist klar, daß der Kontrast des Potentials beim Messen durch die Passivie-

-r-7-

rungsschicht verlorengeht.

Um dies zu verhindern ist es erforderlich den Einsatztakt des Schalters 14 zu ändern, bevor der Strom 16 zu Null geworden ist. Dies geschieht zum Beispiel, wie in Fig. 4A
dargestellt, dadurch, daß der Schalter 14 immer dann eingeschaltet ist, wenn Spannung während 4 Zyklen aufgeschaltet ist und immer dann ausgeschaltet wird, wenn keine
Spannung während der folgenden 4 Zyklen zugeschaltet ist.

Auf diese Art und Weise wird die Hochfrequenzspannung wie in Fig. 4B dargestellt reproduziert. Praktisch bedeutet
dies, da die Phase absolut angepaßt eingestellt werden kann, daß eine Dauerwelle abgeleitet werden kann. Ist die Periode der Bewegung der Phase sehr viel kleiner als die Zeitkonstante, so ist die Dämpfung fast völlig vernachlässigbär.Ist .zuiri Beispiel die Zeitkonstante RC 10 msec und die Periode des
Phasenwechsels 0,1 msec, so ist die Dämpfung um ein 1,%,
ein Wert, welcher vollständig vernachlässigt werden kann.

Auf dem geschilderten Prinzip basiert die Erfindung. Eine Ausführung der Erfindung ist an Hand der Fig. 5 näher erläutert.

Diese Ausführung der Erfindung enthält das stroboskopische Abtast-Elektronenmikroskop wie in Fig.1 dargestellt, einen Phasenkreis 20, der in der Lage ist periodische Phasenwechsel herbeizuführen und einen Torkreis 21, welcher mit dem Phasenkreis 20 synchronisiert ist.In Fig.6A ist der
Spannungsverlauf, welcher auf die Probe geschaltet wird dar- °® gestellt, Fig. 6B zeigt den Wellenverlauf, wie er als

Signal detektiert wird. Fig. 6C zeigt den Ausgangsverlauf des Torkreises 21, welcher gleichzeitig die Beziehung zwischen den Figuren 6A und 6B beinhaltet.Wird zum Beispiel die Probe mit einer Hochfrequenz von einem MHz bis 100 MHz versorgt, siehe Fig.6A, so wird das detektierte Signal zu einer relativ niedrigen Frequenz periodischer Wechsel des Phasenkreises 20 umgesetzt, zum Beispiel von 20 kHz bis 50 kHz, siehe Fig. 6B. Dies resultierte daraus, daß die Phase des

Pulses 12 zum Zerhacken des Elektronenstrahls periodisch den Phasenkreis 20 ändert. Dieses Signal spiegelt die Wellenform der Fig. 6A wieder. Der Torkreis 21, welcher in Synchronität mit dem Phasenkreis 20 arbeitet,läßt Signale bestimmter Phasen der in Fig. 6B dargestellten Wellenform durch bzw. Signale nur während der in Fig. 6C dargestellten Pulse und führt diese dem Wiedergabegerät zu. Die Folge hiervon ist, daß ein Bild des Spannungswechsels unter dem Einfluß der Passivierungsschicht an bestimmten Phasen-2Q punkten als stehendes Bild dargestellt werden kann.

In Fig. 7 sind spezielle Ausführungen des Phasenkreises 20 und des Torkreises 21 dargestellt. Ein Multiplexer 22 dient dazu, an Hand des Ausgangs eines Zählers 34 Eingangspulse von einem Eingang 31 auf Verzögerungsleitungen 23 bis 30 zu schalten. An einem Ausgang 32 werden daher im Verhältnis zum Eingangspuls verzögerte Pulse abgenommen. Im Ausführungsbeispiel sind 8 Verzögerungsleitungen dargestellt, selbstverständlich können die Verzögerungsleitungen bis zu 1000 und mehr betragen. Der Zähler 34 wird über einen Oscillator 33 getaktet, mit welchem die Änderungsgeschwindigkeit der Phase als Folge der Änderung der Oscillationsfrequenz eingestellt werden kann.

Im folgenden wird der Torkreis für das Videosignal näher beschrieben.Die Fundamentalfreguenz des Zählers 34 wird einem logischen Kreis 37 zugeführt.und zwar über einen Zweifachfrequenzmultiplizierer 35 und einen Vierfachfrequenzmultiplizierer 36, wobei die Ausgänge der Multiplizierer dem Logikkreis 37 aufgeschaltet werden. Der Logikkreis 37 erzeugt die logischen Summen all der Signale wie in den Figuren 8A bis 8C dargestellt. Fig. 8A zeigt das Signal der Fundamentalfrequenz, Fig 8B das Zweifachfrequenzsignal und Fig.8C das Vierfachfrequenzsignal. Die logische Summe an dieser Signale ist in der Fig. 8D dargestellt. Das in Fig. 8D dargestellte Signal dient dazu einen Analogschalter 39 einzuschalten. Als Folge davon wird im ersten 1/8 der totalen Periode das Videosignal von einem Eingang 38

* am Eingang 40 abgebildet. Durch Wechsel der Logik kann das Signal von 1/8 Periode an jeder Position ausgewählt werden.

Da im Zusammenhang mit dieser Erfindung lediglich das Signal einer bestimmten Periode wiedergegeben wird, werden die mit der Passivierungsschicht zusammenhängenden Probleme gelöst und ein ruhendes Bild erzeugt.

Darüberhinaus ist es möglich, bei Verwendung einer Vielzahl von Torkreisen und einer Bildwiedergabe oder Speicher für den graduellen Wechsel der Phase mit der die Tore ausgelöst werden, stroboskopische stehende Bilder zu unterschiedlichen Phasen simultan zu beobachten und

^ auch aufzuzeichnen.

Leerseite

Claims

BARDEHLE, PAGENBEPG, DOST₁.ALTETNBURG & PARTNER

ECHTSANWALTt PAIfNTANWALTE. - EUROPEAN PAICNT ATTORNC YS.

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!ERNHARD FROHWITTER dipl -ing ■ WOLFGANG A. DOST db.oui-chim

SÜNTER FRHR. v. GRAVENREUTH dipi ing (γηι· UDO W. ALTENBURG dipl -phye

POSTFACH 86Ο62Ο. 8000 MÜNCHEN

TELEFON (089)980361

TELEX 522 791 pad d

CABLE: PADBÜRO MÜNCHEN

BÜRO: GALILEIPLATZ 1. 8 MÜNCHEN

Datum 28. Juli 1983 A 4775 F/hu

Patentanspruch

Bildwiedergabesystem für ein stroboskopisches Abtast-Elektronenmikroskop, gekennzeichnet durch-Einrichtungen (12, 3, 4) für die Erzeugung eines Pulses zum Zerhacken eines Elektronenstrahls (-2), welcher von einer Elektronenschleuder (1) erzeugt wird;

Einrichtungen (6, 8) zum Abtasten einer Probe (10) mit dem zerhackten Elektronenstrahl (2) und zum zufälligen Wechsel der Phasenbeziehung zwischen einer auf die Probe (10) aufgeschalteten Spannung und dem Zerhackerpuls; Phasenkreis (20) zum periodischen Wechseln der Phase des ._ Zerhackerpulses;

Torkreis (21), welcher zwischen einem Detektor (9) zum Detektieren der Sekundär - oder reflektierten Elektronen dient, welche durch das Abtasten des Elektronenstrahls (2) auf der Probe (10) erzeugt werden und der Bildwiedergabeeinrichtung (7) zur Wiedergabe des Videosignals der Sekundäroder abgelenkten Elektronen, so daß das Videosignal während einer bestimmten Periode des Phasenwechsels in Synchronität mit dem Phasenwechsel durch das Tor gelangen kann.