DE3689490T2

DE3689490T2 - Elektronenstrahlprüfsonde zur Untersuchung integrierter Schaltungen.

Info

Publication number: DE3689490T2
Application number: DE3689490T
Authority: DE
Inventors: Neil Richardson
Original assignee: Schlumberger Technologies Inc
Current assignee: Schlumberger Technologies Inc
Priority date: 1985-03-15
Filing date: 1986-03-14
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2006-03-15
Also published as: DE196958T1; CA1271997A; EP0196958A2; EP0196958B1; EP0196958A3; US4864228A; DE3689490D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektronenstrahlprüfsondensystem mit den Merkmalen, die in der Präambel des Patentanspruchs 1 niedergelegt sind. Ein solches System nach dem Stand der Technik ist offenbart in SCANNING, Band 5, 2 1983, Seiten 71-83. In diesem bekannten System ist die Elektronenstrahlsäule stationär. Die Sondenkartenmittel sind relativ zu der Säule in drei orthogonalen Richtungen verlagerbar, um so Kontakt mit dem Prüfling herzustellen. Der letztere seinerseits ist verlagerbar relativ zu der Elektronenstrahlsäule zusammen mit den Sondenkartenmitteln, um eine richtige Ausfluchtung mit dem Elektronenstrahl zu ermöglichen. Die Sondenkartenmittel sind über flexible Leitungen nach außen über Vakuumdurchführungen angeschlossen, so daß sie den Verlagerungen des Prüflings folgen können. Die Leitungen übertragen Kräfte auf die Sondenkartenmittel mit der Tendenz, diese relativ zu dem Prüfling zu bewegen, und dies ist besonders erheblich, wenn steife Koaxialleiter und/oder eine große Anzahl von Leitern erforderlich sind, um beispielsweise eine komplexe Schaltung zu prüfen.
Das Dokument JP-A-51-87955 offenbart einen Elektronenstrahlprüfer, bei dem die Elektronenstrahlsäule relativ zu einem Prüfling beweglich ist.
Die vorliegende Erfindung, wie sie durch Patentanspruch 1 definiert wird, sieht die Verlagerung der Elektronenstrahlerzeugungsmittel relativ zu den Prüflingspositioniermitteln vor, die ihrerseits verwendet werden, um den Prüfling in die richtige Position relativ zu den Sondenkartenmitteln zu bringen.
Die abhängigen Ansprüche definieren Besonderheiten von Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung wird im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Prüfsonde gemäß der vorliegenden Erfindung in etwas schematisierter Weise; und
Fig. 2 illustriert die mechanischen Einstellungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind.
Eine gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute Prüfsonde ist schematisch bei 100 in Fig. 1 gezeigt. Sie besteht aus einer Elektronenstrahlquelle, bestehend aus einer Wolframwendel 102, die, wenn sie durch Durchleitung eines elektrischen Stromes erhitzt wird, Elektronen emittiert. Die Faktoren, welche die Konstruktion der Elektronenstrahlquelle beeinflussen, werden weiter unten erörtert. Diese Elektronen werden beschleunigt durch eine Potentialdifferenz, die zwischen der Wendel 102 und einer Beschleunigungselektrode 104 aufrecht erhalten wird. Die von der Elektrode 104 beschleunigten Elektronen werden dann in einen Elektronenstrahl geformt durch die Öffnung 106 in der Elektrode 104. Der Elektronenstrahl wird auf einen Punkt in einem Prüfling 108 fokussiert mittels zweier magnetischer Linsen, der magnetischen Linse 110 und der magnetischen Kollimationslinse 112. Ablenkspulen 114 werden verwendet, um eine Korrektur bezüglich irgendwelcher kleiner Fehlausfluchtungen zwischen der Wendel 102 und der Achse 116 der Elektronenstrahlsäule herbeizuführen. Die Sekundärelektronen, erzeugt in Reaktion auf das Bombardement des Prüflings 108 durch diesen Elektronenstrahl, werden in einen zweiten kollimierten Strahl geformt durch die kollimierende magnetische Linse 112. Dieser zweite kollimierte Strahl läuft in einer Richtung parallel zu dem Elektronenstrahl, der verwendet wurde, um den Prüfling 108 zu bombardieren, und in einer Richtung entgegengesetzt jener des bombardierenden Strahls. Jene Sekundärelektronen mit hinreichender Energie, die durch eine Filterelektrode 118 gelangen, werden in einen Sekundärelektronendetektor 120 abgelenkt durch die Kombination einer negativen Spannung, angelegt an eine Unterdrückerelektrode 122, und ein positives Potential, angelegt an die Oberfläche 124 des Sekundärelektronendetektors 120.
In der bevorzugten Ausführungsform besteht die kollimierende magnetische Linse 112 aus einer Spule, die in eine ringförmige Führung gewickelt ist, ausgebildet in einem Polstück mit einem Schlitz, der abwärts geneigt ist in Richtung des Punktes, an welchem der Prüfling von dem Elektronenstrahl bombardiert wird. Das Polstück hat Toroidform mit einem Durchlaß, der zylindrische Form aufweist mit einer Achse, die zusammenfällt mit der Achse 116 der Elektronenstrahlsäule. Das Polstück ist aus einem ferromagnetischen Material mit hoher magnetischer Permeabilität hergestellt.
Wenn eine Strom die Spule durchfließt, wird ein magnetisches Feld erzeugt. Das so erzeugte magnetische Feld bildet einen Magnetkreis, in dem die Feldlinien in einer Ebene liegen, die senkrecht ist zu der Richtung der Drähte in der Spule. Da das Polstück aus magnetisch hochpermeablem Material hergestellt ist, wird der größte Teil dieses Magnetkreises gezwungen, durch das Polstück zu verlaufen. Da jedoch der Schlitz kein solches hochpermeables Material enthält, "beulen" sich die Flußlinien aus an der Stelle des Schlitzes unter Bildung eines Bereichs intensiven Magnetfeldes an dieser Stelle. Der kleine Anteil des Magnetfeldes, der nicht auf das Polstück beschränkt ist, bildet einen Bereich gleichförmigen schwächeren Magnetfeldes in der Bohrung der magnetischen Linse, wie durch die Flußlinie angedeutet.
Die kollimierende magnetische Linse 112 wirkt auf die Sekundärelektronen in einer Weise analog zur Wirkung einer optischen Linse auf Photonen, die emittiert werden von einer Punktlichtquelle, die sich im Brennpunkt dieser Linse befindet.
Gemäß Fig. 1 wird die Potentialbarriere, die dazu dient, die Energieverteilung der Sekundärelektronen zu erfassen, erzeugt durch Anlegen eines Potentials an eine Filterelektrode 118. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Filterelektrode 118 eine rohrförmige Elektrode, die sich in der Bohrung der kollimierenden magnetischen Linse 112 befindet. Fachleute werden erkennen, daß eine gleichförmige Potentialbarriere am Einlaß 157 der rohrförmigen Elektrode erzeugt wird, wenn ein Potential an die genannte rohrförmige Elektrode angelegt wird, vorausgesetzt, daß der Durchmesser der rohrförmigen Elektrode klein ist im Vergleich mit ihrer Länge. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Länge der rohrförmigen Elektrode vorzugsweise mindestens das Zweifache ihres Durchmessers. Die optimale Plazierung der Filterelektrode 118 liegt in dem Bereich gleichförmigen Magnetfeldes, erzeugt durch die kollimierende magnetische Linse 112, da die Sekundärelektronen in diesem Bereich kollimiert werden. Wenn die Filterelektrode 118 in dem Bereich plaziert wäre, in welchem der Magnetfluß divergiert, würden auch die Sekundärelektronen divergierende Geschwindigkeitsvektoren aufweisen, und demgemäß die Verbesserungen in der Energieauflösung, bewirkt durch die Kollimierung, würde reduziert.
Jene Sekundärelektronen, die genügend Energie haben, um die Potentialbarriere zu überwinden, die durch die Filterelektrode 118 aufgebaut wird, werden in den Sekundärelektronendetektor 120 "gefegt" durch ein elektrostatisches Fegefeld, erzeugt durch eine Kombination eines negativen Potentials, angelegt an die Unterdrückerelektrode 122, und ein positives Potential, angelegt an die Oberfläche 124 des Sekundärelektronendetektors 120. Fachleute erkennen, daß das positive Potential, angelegt an die Oberfläche 124, auch angelegt werden könnte an eine Elektrode, angeordnet zwischen dem Sekundärelektronendetektor 120 und der Unterdrückerelektrode 122. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Unterdrückerelektrode eine rohrförmige Elektrode mit einer Achse, die parallel verläuft zu der der Elektronenstrahlsäule. Ein Abschnitt 158 ist aus der Seite nächst dem Sekundärelektronendetektor 120 entfernt, um einen Durchlaß für die Sekundärelektronen zu schaffen.
Das an die Unterdrückerelektrode 122 angelegte Potential ist so gewählt, daß zwischen Sekundärelektronen von dem Prüfling und rückgestreuten Elektronen diskriminiert wird. Die rückgestreuten Elektronen haben Energien, die viel höher sind als jene der Sekundärelektronen. Demgemäß ist ein viel größeres elektrostatisches Feld erforderlich, um die rückgestreuten Elektronen in den Sekundärelektronendetektor 120 zu fegen. Das an die Unterdrückelektrode 122 angelegte Potential wird hoch genug gewählt, um die Sekundärelektronen in den Sekundärelektronendetektor 120 zu fegen, und niedrig genug, um irgendwelche rückgestreuten Elektronen, die aus der Filterelektrode austreten, in der Bohrung 160 der Unterdrückerelektrode 122 zu belassen. Die meisten dieser rückgestreuten Elektronen stoßen schließlich auf irgend eine Struktur oberhalb der Unterdrückerelektrode 122. Irgendwelche niederenergetischen Elektronen, die durch solche Kollisionen erzeugt werden, beeinflussen nicht die Potentialmessung des Prüflings, da solche Elektronen nicht in der Lage sein werden, den Sekundärelektronendetektor 120 zu erreichen. Der genaue Wert für das Unterdrückerelektrodenpotential hängt ab von den physikalischen Abmessungen der Unterdrückerelektrode 122 und ihrer Positionierung relativ zu den anderen Komponenten der Elektronenstrahlsäule.
In der bevorzugten Ausführungsform ist die Energie des Elektronenstrahls erheblich niedriger als jene, die bei Systemen nach dem Stand der Technik verwendet wird. Die meisten Systeme nach dem Stand der Technik sind im wesentlich Anpassungen von abtastenden Elektronenmikroskopen. Als solche werden sie optimiert für Elektronenstrahlenergien im Bereich von 10 bis 20 keV. Die Prüfsonde der vorliegenden Erfindung verwendet eine Elektronenstrahlenergie im Bereich von 500 bis 1500 Volt.
Prüfsondensysteme nach dem Stand der Technik hatten ein unzureichendes "Sichtfeld" zum Prüfen eines vollständigen VLSI-Kreises. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem überwunden durch Vorsehen von sowohl groben wie auch feinen Einstellmitteln für das Positionieren des Elektronenstrahls relativ zu dem Prüfling. Die Feineinstellmittel bestehen aus Steuermagneten 186, dargestellt in Fig. 1, welche den Elektronenstrahl relativ zu dem Prüfling auslenken. Die Steuermagnete 186 können Elektronenstrahlauslenkungen in jeder von zwei zueinander senkrechten Richtungen senkrecht zu der Richtung des Elektronenstrahls erzeugen. Demgemäß können sie verwendet werden zum Abtasten eines Bereichs auf dem Prüfling, wie auch zum Vorsehen einer Feinpositionierung des Elektronenstrahls auf dem Prüfling. Diese Abtastbewegung kann verwendet werden, um ein Bild der Oberfläche des Prüflings aufzubauen, das akzentuiert ist zur Darstellung der unterschiedlichen elektrostatischen Potentiale, die auf dem Prüfling vorliegen.
In der bevorzugten Ausführungsform bestehen diese Steuermagnete aus Steuerspulen, die auf geringfügig leitfähigen Kunststoffstützen gewickelt sind zum Verbessern ihres Frequenzverhaltens. Für Fachleute versteht es sich, daß die Steuermagnete 186 ersetzt werden könnten durch elektrostatische Ablenkplatten, die den Elektronenstrahl dazu bringen, in ähnlicher Weise abgelenkt zu werden, wenn ein entsprechendes Potential an sie angelegt wird.
Die Grobeinstellmittel sind in Fig. 2 dargestellt. Die Elektronenstrahlsäule 187 ist innerhalb eines Vakuumgefäßes montiert mit einer Begrenzung, die bei 188, 190 und 192 dargestellt ist. Diese Begrenzung umschließt auch eine Bühne 194 mit einer Plattform 196 für das Halten des Prüflings 108. Die Elektronenstrahlsäule umfaßt Mittel für das Positionieren der Säule, dargestellt bei 198 und 200, durch Verlagerung in zwei orthogonalen Richtungen x und y, senkrecht zu der Elektronenstrahlrichtung. Die Elektronenstrahlsäule kann bewegt werden unter Verwendung von Mikrometern 202 und 204, welche die Positioniermittel 198 bzw. 200 steuern. Zusätzlich bildet die Bühne 194 ein Mittel für das Positionieren des Prüflings durch Verlagerung in irgend einer von drei Richtungen x, y und z und mittels Drehung um einen Winkel A um eine Achse parallel zur Elektronenstrahlrichtung. Die verschiedenen translatorischen Bewegungen, die von der Bühne 194 ausgeführt werden, werden mittels Mikrometern 206, 208 und 210 gesteuert. Die Drehbewegung wird gesteuert durch ein Mikrometer 212. In der bevorzugten Ausführungsform werden diese Mikrometer durch Schrittmotore unter Computerüberwachung gesteuert.
Ein flexibler Balgen 190 bildet ein Mittel für die Aufrechterhaltung des Vakuums in dem Gefäß, wenn die Elektronenstrahlsäule relativ zu der Vakuumkammer bewegt wird. Der Balgen 190 ermöglicht, daß die Säulenpositioniermittel außerhalb des Vakuumgefäßes bleiben. Diese Positioniermittel verwenden vorzugsweise konventionelle Lager oder andere geschmierte Oberflächen zur Abstützung der Säulenlast. Das Ausgasen solcher Schmiermittel während des Abpumpprozesses erhöht die Länge der Zeit, die erforderlich ist, um die Vakuumkammer leerzupumpen, wenn ein neuer Prüfling in die Prüfsonde eingeführt wird. Zusätzlich ist das Volumen des Vakuumgefäßes, das jedesmal abgepumpt werden muß, wenn ein Prüfling in das Gerät eingesetzt wird, durch diese Konstruktion ebenfalls minimiert.
Eine Sondenkarte 214 bildet ein Mittel für die Herstellung elektrischer Verbindungen zu dem Prüfling 108, der auf der Plattform oder dem Tisch 196 montiert ist. Diese Sondenkarte 214 enthält ein Loch, durch das der Elektronenstrahl hindurchtritt.
Eine der beabsichtigten Anwendungen des Gerätes der vorliegenden Erfindung besteht darin, Potentialmessungen an integrierten Schaltkreisen auszuführen. Wie Fachleuten auf dem Gebiet der integrierten Schaltungen bekannt ist, werden integrierte Schaltkreise normalerweise auf Wafern hergestellt, die hunderte solcher Schaltkreise enthalten. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um eine einzelne integrierte Schaltung vor ihrer Abtrennung von anderen integrierten Schaltkreisen auf dem Wafer zu prüfen. Solche Messungen erfolgen unter Verwendung der vorliegenden Erfindung durch Positionieren des gewünschten integrierten Schaltkreises, der als ein "Chip" bezeichnet wird, im Sichtfeld des Elektronenstrahls und nachfolgendes Bewegen des Elektronenstrahls auf die verschiedenen Punkte auf dem "Chip", an denen Potentialmessungen gewünscht werden. Der Wafer ist auf dem Tisch 196 bei 108 montiert. Die Positionssteuerungen 206, 208, 210 und 212 werden verwendet, um den gewünschten Chip relativ zu der Sondenkarte 214 zu positionieren. Die Sondenkarte enthält mechanische Sonden 216 für die Übertragung von Leistungs- und Prüfsignalen auf den zu prüfenden Chip.
Wenn der gewünschte Chip korrekt relativ zu der Sondenkarte 214 positioniert ist, wird der interessierende Bereich auf diesem Chip ausgewählt durch Verlagern der Elektronenstrahlsäule 187 relativ zu dem Chip unter Verwendung der groben x-y Positionssteuerungen 198 und 200. Der interessierende Bereich wird dann untersucht unter Anwendung der Steuermagnete 186.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Mittel für das Pulsierenlassen des Elektronenstrahls in kurzen Impulsen. Dies wird bewirkt durch Anlegen eines geeigneten Potentials an die Löschelektroden 220, die in Fig. 1 gezeigt sind. Bei Fehlen eines Potentials an diesen Löschelektroden wird der Elektronenstrahl durch die magnetische Linse 110 in die Apertur 160 abgebildet. Die kollimierende magnetische Linse 112 bildet dann den Elektronenstrahl auf einen kleinen Fleck auf dem Prüfling 108 ab. Wenn ein Potential an die Löschelektroden angelegt wird, wird der Elektronenstrahl soweit ausgelenkt, daß er in die Öffnung 160 nicht mehr eintreten kann.

Claims

1. Ein Elektronenstrahl-Prüfsondensystem für das Messen des Potentials an einem oder mehreren Punkten auf einem Prüfling (108), welches System umfaßt:

- eine Elektronenstrahlsäule (187),

- ein Vakuumgefäß (188, 190, 192),

- eine Prüflingskarte (214) für die Herstellung elektrischer Verbindungen zu dem Prüfling (108),

- Prüflingspositioniermittel (194, 196) für das Positionieren des Prüflings (108) relativ zu der Sondenkarte (214) durch Verlagern in zwei zueinander senkrechten Richtungen (X, Y), senkrecht zu einer vorbestimmten Achse (116), und für die Drehung um einen Winkel (A) um eine Achse parallel zu der vorbestimmten Achse (116),

- welche Elektronenstrahlsäule (187), Sondenkarte (214) und Prüflingspositioniermittel (194, 196) sämtlich in dem Vakuumgefäß (188, 190, 192) enthalten sind, gekennzeichnet durch

Säulenpositioniermittel (198, 200) für das Positionieren der Elektronenstrahlsäule (187) relativ zu der Sondenkarte (214) durch Verlagern in zwei zueinander senkrechten Richtungen (X, Y), senkrecht zu der vorbestimmten Achse (116), welche Säulenpositioniermittel (198, 200) außerhalb des Vakuumgefäßes (188, 190, 192) sind.

2. Das Prüfsondensystem nach Anspruch 1, bei dem die Elektronenstrahlsäule gekennzeichnet ist durch:

- Elektronenstrahlquellenmittel (102) für die Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einer Energie zwischen 500 und 1500 eV,

- Ausfluchtungsmittel (114) für das Ausfluchten des Elektronenstrahls relativ zu der vorbestimmten Achse (116),

- erste Aperturmittel (106) für das Begrenzen der Winkeldivergenz des Elektronenstrahls,

- Mittel für das Erzeugen eines Unterdrückungssignals,

- Unterdrückungselektrodenmittel (220) für das Ablenken des Elektronenstrahls, wenn das Unterdrückungssignal erzeugt wird,

- zweite Aperturmittel (160) für das Auffangen des Elektronenstrahls, wenn der Elektronenstrahl durch die Unterdrückungselektrodenmittel (220) abgelenkt wird,

- erste Magnetlinsenmittel (110) für das Abbilden der Elektronen, die nicht von den ersten Aperturmitteln (106) entfernt wurden, in die zweiten Aperturmittel (160), wenn kein Unterdrückungssignal erzeugt wird,

- Elektronenstrahlsteuermittel (186) für das Ablenken des Elektronenstrahls in jeder von zwei zueinander senkrechten Richtungen, von denen jede senkrecht ist zu der vorbestimmten Achse (116) derart, daß der Elektronenstrahl den Prüfling (108) an einem ausgewählten Punkt auf diesem bombardiert,

- kollimierende Magnetlinsenmittel (112) für das Fokussieren des Elektronenstrahls auf den Prüfling (108) und für das Kollimieren der Sekundärelektronen, die erzeugt werden in Reaktion auf das Elektronenstrahlbombardement des Prüflings (108), wobei die ersten Magnetlinsenmittel (110) den Elektronenstrahl in die kollimierenden Magnetlinsenmittel (112) fokussieren,

- Elektronenerkennungsmittel (120) für das Erfassen von Sekundärelektronen, die durch die kollimierenden Magnetlinsenmittel (112) kollimiert wurden und Energien aufweisen, die größer sind als eine erste spezifizierte Energie und kleiner als eine zweite spezifizierte Energie, wobei die zweite spezifizierte Energie kleiner ist als die Energie der Elektronen von dem Elektronenstrahl, die von dem Prüfling (108) rückgestreut werden.

3. Das Prüfsondensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kollimierenden Magnetlinsenmittel (112) eine Magnetlinse umfassen mit einem Bereich intensiven Magnetflusses, im wesentlichen koinzident mit dem Punkt, an dem der Elektronenstrahl den Prüfling (108) bombardiert, und einen Bereich gleichförmigen Magnetflusses mit Feldlinien, im wesentlichen parallel zu der vorbestimmten Achse (116), und wobei die Elektronenerkennungsmittel (120) umfassen:

- Elektronenzahlmittel für das Zählen von Elektronen,

- Potentialbarrieremittel (118) für das Hindern von Elektronen mit Energien unter der ersten spezifizierten Energie am Erreichen der Elektronenzählmittel; und

- Elektronenablenkmittel (122) für das Ablenken von Elektronen mit Energien unterhalb der zweiten spezifizierten Energie in die Elektronenzählmittel.

4. Das Prüfsondensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüflingspositioniermittel Mittel (210) umfassen für das Verlagern des Prüflings (108) in einer Richtung parallel zu der vorbestimmten Achse (116).