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Verfahren und Vorrichtung zur Spektralanalyse eines
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Signals an einem Punkt einer Probe Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Detektion und/oder qualitativen und/oder quantitativen
Abbildung eines Punktes einer Probe, der ein Signal wenigstens einer bestimmten
Frequenz führt, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 6.
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Aus dem Stand der Technik sind bisher drei Verfahren bekannt, mit
deren überprüft werden kann, ob bestimmte interne periodische Signale bestimmter
Frequenz an einem Meßpunkt innerhalb einer Probe, z.B. einer integrierten Schaltung,
vorhanden sind. Aus "Scanning Electron Microscopyl' 1975 (part I), Proc. of the
Eigth Annual Scanning Electron Microscope Symposium, Chicago, IIT Research Institute,
Seiten 465-471, ist das Verfahren des soge.-nannten voltage coding" bekannt. Das
"voltage coding"-Verfahren bildet die dynamische Potentialverteilung einer integrierten
Schaltung auf einem Fernsehmonitor ab. Das "voltage coding"-Verfahren ermöglicht
eine zeitliche Zuordnung der Schaltzustände in den verschiedenen Bauelementen und
ist daher besonders zur schnellen Funktionsüberprüfung von integrierten Schaltungen
geeignet. Das "voltage codingt'-Verfahren hat jedoch schwerwiegende Nachteile, die
zwangsläufig durch die Zeilen frequenz des Elektronenstrahls entstehen.
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Aus der US-Patentschrift 4 223 220 ist das sogenannte "Logic State
Mapping"-Verfahren bekannt. Bei dem "Logic St 1 Sti/29.05.1985
State
Mapping"-Verfahren wird die dynamische Potentialverteilung mit Hilfe eines Stroboskopeffekts
abgebildet.
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Dieses Logik State Mapping-Verfahren liefert, verglichen mit dem "voltage
coding"-Verfahren bei gleicher Potentialauflösung, eine um Größenordnungen höhere
Zeitauflösung. Das Logik State Mapping"-Verfahren vereinfacht außerdem die Aufzeichnung,
da die Abbildungen der dynamischen Potentialverteilung direkt vom Fotobildschirm
eines Raster-Elektronenmikroskops abfotografiert werden können. Bei dem "voltage
coding"-Verfahren ist dagegen eine Aufzeichnung der dynamischen Potentialverteilung
nur mit einem Bandspeicher oder mit Fotos von einem Fernsehmonitor möglich.
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Nach einem dritten bekannten Verfahren (Verfahren von J.P. Collin
in Proc. of Journée d'Electronique 1983, Testung Complex Integrated Circuits: A
Challenge", herausgegeben vom Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, Schweiz,
Seiten 283-298, Titel: "Un Alternative Économique au Contraste de Potentiel Stroboscopique:
Le Traitement du Signal d'Electrons Secondaires d'un Microscope a Balayage") wird
das Auffinden bestimmter Frequenzen an einem Meßpunkt im Innern einer integrierten
Schaltung unter Verwendung eines "lock-in"-Verstärkers durchgeführt. Dabei wird
aus einem an einem Meßpunkt im Innern einer integrierten Schaltung gewonnenen Potentialkontrastsignal
mit Hilfe. des " "lock-in"-Verstärkersein Signal mit der gesuchten Frequenz ausgefiltert
und dann die Intensität dieses Signals als Helligkeitsschwankung abgebildet.
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Die drei genannten Verfahren, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt
sind, sind teilweise nur schwer durchführbar und erlauben teilweise nur eine Überprüfung
einiger weniger Leitbahnen in der integrierten Schaltung.
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Uberdies setzen die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren
voraus, daß man die Frequenz eines zu suchenden Signals kennt bzw. daß ein zu dem
zu suchenden Signal synchrones Signal von außen zugänglich ist. Ist die Frequenz
eines gesuchten Signals unbekannt, so wird die Suche nach einem solchen Signal sehr
mühsam und aufwendig. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Frequenz eines zu suchenden
Signals durch eine Teilung durch 255 statt durch eine Teilung durch 256 erzielt
wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit deren Hilfe eine
Spektralanalyse eines an einem Punkt einer Probe geführten Signals, das durch einen
in der Probe ablaufenden periodischen Vorgang hervorgerufen wird, auch dann möglich
ist, wenn eine oder mehrere Frequenzen aus dem Spektrum dieses Signals unbekannt
sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Anspruch
1 und durch eine Vorrichtung nach dem Anspruch 6 gelöst. Ausgestaltungen und Vorteile
der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung dargestellt.
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Durch Variation der Mitten frequenz eines durchstimmbaren Filters
kann man das in Frage kommende Frequenzspektrum durchfahren und so bei unbekannter
Frequenz die auf einem Meßpunkt, beispielsweise einer Leiterbahn in einem integrierten
Schaltkreis, auftretenden Frequenzen feststellen. Ein Verfahren und eine Vorrichtung
nach der Erfindung ermöglichen eine Darstellung der innerhalb einer Probe vorkommenden
Signalfrequenzen, falls eine oder mehrere Frequenzen eines gesuchten Signals nicht
bekannt sind.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
aus dem Bereich der Elektronenstrahlmeßtechnik erläutert werden. Bei der untersuchten
Probe handelt es sich um eine integrierte Schaltung. In der untersuchten integrierten
Schaltung läuft jeweils ein periodischer Vorgang ab - z.B. arbeitet ein Mikroprozessor
wiederholt eine Programmschleife ab -, so daß auf den Leiterbahnen der integrierten
Schaltung periodische elektrische Signale verschiedener Frequenz auftreten. Bestrahlt
man eine solche Leiterbahn mit einem Primärelektronenstrahl, so lösen die Primärelektronen
beim Auftreffen auf die Probenoberfläche niederenergetische Sekundärelektronen aus,
die von einem Detektor abgesaugt und registriert werden können. Die Sekundärelektronen
werden dabei von den durch die elektrischen Signale auf der Leiter bahn hervorgerufenen
elektrischen Feldern über der Probenoberfläche beeinflußt - eine Wechselwirkung,
die man als Potentialkontrast bezeichnet.
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Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung zur Spektralanalyse eines Signals
an einem oder an mehreren Punkten einer Probe.
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Obwohl sich das folgende Ausführungsbeispiel auf ein Elektronenmikroskop
bezieht, ist die Erfindung so zu verstehen, daß anstelle von Elektronen auch Ionen
oder andere Korpuskeln verwendet werden können, und zwar sowohl als Primärkorpuskeln
als auch als Sekundärkorpuskeln.
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Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung zur Detektion und/oder qualitativen
und/oder quantitativen Abbildung eines Meßpunkts oder einer Leiterbahn und der Ermittlung
einer oder mehrerer Frequenzen, die im Frequenzspektrum eines Signals an einem Meßpunkt
(Leiterbahn) enthalten
sind. Aus einer Elektronenquelle EG treten
Primärelektronen PE aus, die auf einen Meßpunkt (Leiterbahn) innerhalb eines integrierten
Schaltkreises (IC) auftreffen und dort Sekundärelektronen SE auslösen. Diese Sekundärelektronen
SE werden in einem Detektor DT nachgewiesen. In Abhängigkeit von dem Sekundärelektronenstrom,
der auf den Detektor DT auftrifft, wird in diesem Detektor DT ein Sekundärelektronensignal
erzeugt, das zu einem Fotomultiplier PM geführt und dort verstärkt wird. Das im
Fotomultiplier PM verstärkte Sekundärelektronensignal wird weiter zu einem Vorverstärker
PA geleitet. Das im Vorverstärker PA weiter verstärkte Sekundärelektronensignal
gelangt schließlich in einen "lock-in"-Verstärker LI.
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Als "lock-in"-Verstärker LI kann beispielsweise ein Ithaco-Verstärker
Typ 491A verwendet werden. Das Ausgangssignal dieses lock-in-verstärkers LI kann
beispielsweise die Intensität eines Elektronenstrahls in einer Bildröhre CRT steuern.
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Der lock-in2t-Verstärker LI dient hier als durchstimmbares Filter,
dessen Mittenfrequenz fb jeweils der Frequenz des Referenzsignals REF entspricht.
Grunsätzlich kann aber anstelle des "lock-in"-Verstärkers LI jedes durchstimmbare
Filter, gegebenenfalls mit nachgeschaltetem Gleichrichter, treten, dessen Mittenfrequenz
fb sich durch ein Referenzsignal REF steuern läßt. Hierfür kommen beispielsweise
"switched-capacitor"-Filter oder ein Mischer mit nachgeschaltetem Bandfilter in
Betracht.
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Die integrierte Schaltung IC wird von einer Ansteuerung CON aus mit
einem Signal der Frequenz n.fs angetrieben.
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Wenn der Strahl der Primärelektronen PE auf einen Meßpunkt innerhalb
der integrierten Schaltung IC oder innerhalb einer sonstigen Probe trifft, und wenn
dieser
Meßpunkt ein Signal mit der zunächst unbekannten Frequenz
fs führt, enthält auch der Strom der Sekundärelektronen SE, der letzten Endes als
Sekundärelektronensignal dem "lock-in"-Verstärker zugeführt wird, ein Signalanteil
mit der zunächst unbekannten Frequenz fs. Aus diesem Sekundärelektronensignal kann
daher im "lock-in" Verstärker LI dieser Signalanteil mit der zunächst unbekannten
Frequenz fs dann ausgefiltert werden, wenn dem "lock-in"Verstärker LI als Referenzsignal
REF ein Signal zugeführt wird, dessen Frequenz fb mit der zunächst unbekannten Frequenz
fs im Frequenzspektrum des Sekundärelektronensignals übereinstimmt. Die Amplitude
z dieses Signals mit der zunächst unbekannten Frequenz fs, welches Bestandteil des
Sekundärelektronensignals gewesen ist, kann dann, wenn die Frequenz fb des Referenzsignals
REF mit dieser Frequenz fs übereinstimmt, als Ausgangssignal des "lock-in"-Verstärkers
LI die Intensität des Elektronenstrahls in der Bildröhre CRT eines Raster-Elektronenmikroskops
steuern. Gleichzeitig kann mit einem Signal SR, das dem Wert der Frequenz fb des
Referenzsignals REF entspricht, ebenfalls die Bildröhre CRT oder eine andere Aufzeichnungseinrichtung,
wie beispielsweise ein Rechner oder ein Plotter, angesteuert werden.
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Über einen Rastergenerator RG kann die Ablenkeinrichtung eines Raster-Elektronenmikroskops
angesteuert werden. Die Information darüber, auf welchen Meßpunkt einer Fläche der
Strahl der Primärelektronen PE dadurch gerade abgelenkt worden ist, kann ebenfalls
der Bildröhre CRT oder einem beliebigen anderen Aufzeichnungsgerät, wie beispielsweise
einem Rechner oder einem Plotter, zugeführt werden. Auf diese Weise kann als Endergebnis
einer Messung angegeben werden, welcher Meßpunkt an welchem Ort innerhalb einer
Probe welche Frequenz fb führt. Wird bei der Detektion der Sekundärelektronen SE
ein Spektrometer
SP verwendet, wie es beispielsweise aus der US-Patentschrift
4 292 519 bekannt ist, so lassen sich quantitative Messungen durchführen. Bei Verwendung
eines solchen Spektrometers SP können zusätzlich in absoluten Zahlen Amplitudenibestimmter
Frequenzen in Frequenzspektren, die an verschiedenen Meßpunkten ermittelt werden,
verglichen werden. Die Erfindung ermöglich somit eine wirkliche Spektralanalyse,
wobei Grundschwingungen und Oberschwingungen von Signalen aufgrund der Intensität
der einzelnen Fourier-Komponenten unterschieden werden können. Zur Darstellung der
einzelnen Fourier-Komponenten eines Signals an einem Meßpunkt wird sinnvollerweise
die Frequenz fb an einer Bildröhre CRT in x-Richtung und die Signalhöhe der Fourier-Komponenten
in y-Richtung der Bildröhre CRT aufgetragen. Wenn das Referenzsignal REF eine aktuelle
Frequenz fb aufweist, entspricht das zugehörige Ausgangssignal des lock-in-Verstärkers
LI der Signalhöhe der zu der Frequenz fb gehörenden Fourier-Komponente im Spektrum
des Signals am gerade überprüften Meßpunkt. Sollen anstelle eines einzigen Meßpunkts
oder mehrerer Meßpunkte auf einer Linie mehrere beliebig verteilte Meßpunkte (Leitbahnen)
sukzessive oder kontinuierlich auf das Frequenzspektrum der in ihnen geführten Signale
hin überprüft werden, so ist als Aufzeichnungsmedium einer Bildröhre CRT ein Rechner
vorzuziehen.
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Bei Verwendung eines Rechners als Aufzeichnungsmedium können auch
Meßpunkte in einer zweidimensionalen Fläche mit dem Strahl der Primärelektronen
PE abgerastert werden, solange Information über die jeweils aktuelle Frequenz fb
und sofern Information über die Position des Strahls der Primärelektronen PE in
den Rechner oder in ein anderes Aufzeichnungsmedium eingegeben werden.
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Tastet der Strahl der Primärelektronen PE Meßpunkte auf einer Probe
nur entlang einer Linie (beispielsweise in x-
Richtung) ab, so
kann der eindimensionalen Variation des Auftreffortes des Strahles der Primärelektronen
PE auf der Probe eine Variation der Frequenz fb überlagert werden. Zu diesem Zweck
erzeugt ein Generator SG ein Rampensignal oder ein Treppensignal SR. Dieses Rampensignal
oder Treppensignal SR wird einem Eingang der Bildröhre CRT zugeführt und steuert
zugleich einen spannungsabhängigen Oszillator (VCO -voltage controlled oscillator)
G an. Der Generator G liefert das Referenzsignal REF mit einer solchen Frequenz
fb, die der Größe des Rampensignals SR entspricht. Der Strahl der Primärelektronen
PE tastet ständig kontinuierlich oder sprungweise entlang einer Linie (line scan)
in x-Richtung, während zugleich die Frequenz fb des Referenzsignals REF den in Frage
kommenden Frequenzbereich überstreicht. Eine der aktuellen Frequenz fb proportionale
Spannung SR lenkt gleichzeitig den Elektronenstrahl in der Bildröhre CRT in y-Richtung
ab. Immer dann, wenn die Frequenz fb den Wert einer Frequenz fs erreicht, die im
Frequenzspektrum eines Signals an einem Meßpunkt vorhanden ist, erscheint auf dem
Bildschirm der Bildröhre CRT ein Strich und man erhält so eine Darstellung der Frequenzen
fs, die die abgetasteten Meßpunkte führen. Wenn dem "lock-in"-Verstärker LI eine
Komparatorschaltung nachgeschaltet wird, erscheinen die Striche auf dem Bildschirm
CRT hell.
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Anderenfalls wird der Grauwert des jeweiligen Striches durch die Größe
der jeweiligen FourierKomponente bestimmt. Der Komparator dient im wesentlichen
zur Unterdrückung unerwünschter Störsignale, die z.B. durch starkes Rauschen verursacht
werden können.
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Der Strahl der Primärelektronen PE kann eine Gruppe von Meßpunkten
mehrfach hintereinander jeweils so rasch abtasten, daß sich der Wert der Frequenz
fb bei einem einmaligen Abtasten dieser Gruppe von Meßpunkten nicht zu
stark
ändert. Die hierbei maximal zulässige Frequenzänderung wird durch die Eingangsbandbreite
des "lockin"-Verstärkers LI bestimmt.
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Schließlich können noch die Geschwindigkeitsverhältnisse von Strahlablenkung
der Primär elektronen PE und Überstreichen eines Frequenzbereichs bezüglich der
Frequenz fb umgekehrt werden. Die Strahlablenkung der Primärelektronen PE kann dabei
wiederum entweder kontinuierlich oder durch Springen zwischen mehreren Meßpunkten
(Leiterbahnen) erfolgen. Dazu wird z.B. der Strahl der Primärelektronen PE zunächst
auf den ersten Meßpunkt (Leiterbahn) positioniert und wird sodann bezüglich der
Frequenz fb der interessierende Frequenzbereich durchgefahren. Daraufhin springt
der Strahl der Primärelektronen PE zum nächsten Meßpunkt (Leiterbahn), wo erneut
die Frequenz fb durchgewobbelt wird.
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Natürlich braucht der zu untersuchende Frequenzbereich keineswegs
kontinuierlich durchfahren zu werden. Weiß man beispielsweise, daß in einer integrierten
Schaltung nur bestimmte diskrete Frequenzen auftreten können, so genügt es, das
durchstimmbare Filter nur auf diese Gruppe von diskreten Frequenzen (und gegebenenfalls
noch ihre Oberschwingungen und Kombinationsfrequenzen) abzustimmen, wobei die Reihenfolge,
in der dies geschieht, beliebig ist.
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Als Grundgerät für eine Vorrichtung nach der Erfindung oder zur Durchführung
eines Verfahrens nach der Erfindung kann ein Raster-Elektronenmikroskop verwendet
werden, wie es aus den US-PSn mit den Nummern 4 220 853 bzw. 4 220 854 bzw. 4 277
679 für eine quantitative Potentialmessung und aus der US-PS 4 223 220 für eine
qualitative Potentialmessung bekannt ist.
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Zur Kontrastverbesserung kann man dem "lock-in"-Verstärker LI eine
Komparatorschaltung nachschalten.
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Das Ausgangssignal des "lock-in"-Verstärkers LI muß nicht notwendigerweise
zur Helligkeitsmodulation der Bildröhre CRT benutzt werden. Man kann es auch zur
x-Ablenkung der Bildröhre ORT hinzuaddieren und erhält dann eine Art "Wasserfall"-Diagramm.
Ein ähnliches Darstellungsverfahren ist in der Elektronenmikroskopie als y-Modulation
bekannt.
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Die Verwendung eines Spektrometers SP ist nicht nur zur Spannungsmessung
nützlich. Benützt man keine Rückkopplungsschleife, sondern legt an das Gegenfeldnetz
eines Gegenfeldspektrometers eine konstante Spannung, so entsteht das Detektorsignal
nicht mehr durch Potentialkontrast an der Probenoberfläche, sondern durch die Verschiebung
der Sekundärelektronen-Energieverteilung.
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Dadurch werden Störeinflüsse lokaler Felder unterdrückt.
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Weiterhin können anstelle des Potentialkontrasts auch andere Wechselwirkungen
ausgenutzt werden. Dazu zählt beispielsweise die Beeinflussung der von einem Primärelektronen-
bzw. Laserstrahl erzeugten Sekundär- bzw.
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Photoelektronen durch ein magnetisches Feld. Durch Ausnutzung dieses
sogenannten magnetischen Kontrasts" ließe sich etwa die Bewegung magnetischer Domänen
in Magnetblasenspeichern untersuchen.
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Der Primärstrahl muß keineswegs ein Partikelstrahl sein, sondern kann
auch aus einer beliebigen Strahlung bestehen. Benutzt man etwa einen Laserstrahl
als Primärstrahl PE und wiederum eine integrierte Schaltung als Probe IC, so kann
der Laserstrahl in den pn-Übergängen der Probe IC Elektronen-Loch-Paare und damit
freie La-
dungsträger erzeugen. Dies macht sich dann in einer Änderung
der Stromaufnahme der Probe IC bemerkbar. Wie groß diese Änderung ist, hängt auch
vom Schaltzustand des jeweiligen pn-Übergangs ab. Eine periodische Anderung des
Schaltzustandes eines pn-Übergangs ließe sich daher leicht durch eine Messung des
Versorgungsstromes der Probe IC feststellen. Der Versorgungsstrom der Schaltung
bzw. seine Differenz zum Ruhestrom kann in diesem Fall unmittelbar als Meßsignal
dienen, ein besonderer Detektor ist nicht erforderlich.
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