DE3725355A1 - Spannungsmessung mit einer elektronensonde durch messung im frequenzbereich mittels eines unmodulierten primaerstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsmessung mit einer Elektronensonde durch Messungen im Frequenzbereich mittels eines unmodulierten Primärstrahls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind bisher eine Vielzahl von Methoden bekannt, die Signalverläufe periodischer Meßsignale mit dem Elektronenstrahl zu erfassen. Eine Zusammenfassung der zur Zeit gängigen Testverfahren ist in der Veröffentlichung "Microelectronic Engineering" 4 (1986) Seiten 77 bis 106, Electron Beam Testing von E. Wolfgang, insbesondere auf Seiten 83, wiedergegeben. Man unterscheidet Messungen, die im Zeitbereich und solche, die im Frequenzbereich erfolgen. Zu ersterem gehört beispielsweise das "voltage coding" (siehe auch "Scanning Electron Microscopy" 1975 (Part I) Proc. of the Eigth Annual Scanning Electron Microscope Symposium, Chicago, IIT Research Institute, Seiten 465 bis 471) oder das "Logic State Mapping" (siehe auch US- Patentschrift 42 23 220), während zu letzterem das sogenannte "Frequency-Mapping-Verfahren" oder das in dieser Erfindung aufgeführte Meßverfahren gehört.

Bei beiden zuletzt genannten Verfahren richtet man den Elektronenstrahl auf den Meßpunkt und mißt das Frequenzspektrum des dort anliegenden Signals. Die Offenlegungsschrift DE 35 19 392 A1 gibt ein Verfahren an, bei der eine Signalkomponente im Frequenzbereich gewonnen wird. Durch Variation der Mittenfrequenz 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 Halbkreis, auftretenden Frequenzen feststellen. Die Grundlagen des "Frequency-Mapping"-Verfahrens sind in der Veröffentlichung Microelectronic Engineering, Vol. 2, No. 4, 1985, "Frequency Tracing and Mapping in Theory and Practice" NH 1 Sti/29. 05. 1987, von H. D. Brust und F. Fox, Seiten 304 bis 311 und in der DE-OS 35 19 401 wiedergegeben. Beim "Frequency-Mapping"- Verfahren muß das Strahlaustastsystem nicht mit kurzen elektrischen Pulsen angesteuert werden, wie beispielsweise beim "Logic State Mapping"-Verfahren, sondern es genügt, eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz anzulegen, um den Primärstrahl zu modulieren. Im Prinzip ist auch die Ansteuerung mit einer rein sinusförmigen Spannung möglich. Durch geringen Frequenzversatz derjenigen Frequenz, mit der der Primärstrahl moduliert wird, gegenüber der Frequenz eines gesuchten Signals erreicht man, daß durch die Wechselwirkung des in der Probe ablaufenden periodischen Vorgangs mit dem Primärstrahl das gesuchte Signal stets auf eine feste Zwischenfrequenz gemischt wird. Diese feste Zwischenfrequenz kann sodann leicht ausgefiltert und danach demoduliert werden. Da die Signalkette eines Rasterelektronenmikroskop nur die relativ niedrige feste Zwischenfrequenz übertragen muß, können in einer Probe Signale sehr hoher Frequenz detektiert bzw. abgebildet werden. Durch Wobbeln derjenigen Frequenz, mit der der Primärstrahl moduliert wird, kann man das in Frage kommende Frequenzspektrum durchfahren und kann so bei unbekannter Frequenz eines gesuchten Signals die in einem Punkt der Probe auftretenden Frequenzen feststellen.

Bei Messungen im Zeitbereich ist es erforderlich, das Strahlaustastsystem mit möglichst kurzen elektrischen Impulsen anzusteuern. Dies stößt vor allem bei höheren Frequenzen und damit kürzeren Zeiten auf erhebliche Probleme. Für sehr kurze Pulse (100 Pikosekunden bis 1 Nanosekunde) müssen spezielle Pulsgeneratoren benützt werden. Die Steuerung des Auslösezeitpunkts des Elektronenpulses, die sogenannte Phasensteuerung, kann beispielsweise dabei über eine steuerbare Verzögerungsleitung erfolgen. Aber auch dies stößt bei sehr kurzen Zeiten auf erhebliche Probleme. Andererseits erhält man durch die Anwendung des "Frequency-Mapping"-Verfahrens lediglich eine Aussage über die Frequenz, seine Oberwellen, sowie über die zugehörigen Amplituden des zu messenden Signals.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den zeitlichen Signalverlauf periodischer Meßsignale mit dem Elektronenstrahl zu erfassen und wiederzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zeitliche Meßsignal entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 im Frequenzbereich erfaßt und anschließend wieder in den Zeitbereich rücktransformiert wird.

Weitere Ausführungen sowie Realisierungen zum erfindungsgemäßen Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche und werden dort näher erläutert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen darin, daß durch das Verfahren das Puls-Pause-Verhältnis von ca. 1 : 1000 bei früheren Meßverfahren im Zeitbereich auf ca. 1 : 1 verbessert werden kann, was zu einem verbesserten Signalrauschverhältnis führt. Das Verfahren arbeitet schnell und belastet die Probe dadurch wenig und ist überdies bis zu einer durch die Grenzfrequenz des Detektors bestimmten Arbeitsfrequenz von im allgemeinen 30 Megahertz einsetzbar.

Obwohl sich die folgenden Ausführungsbeispiele auf ein Elektronenmikroskop beziehen, ist die Erfindung so zu verstehen, daß anstelle von Elektronen auch Ionen oder andere Korpuskel verwendet werden können, und zwar sowohl als Primärkorpuskel als auch als Sekundärkorpuskel.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Übersichtsdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 und Fig. 3 je eine Vorrichtung zum erfindungsgemäßen Verfahren, wobei in Fig. 2 zur Gewinnung der zwei Merkmale eines Signals ein Lock-in-Verstärker und in Fig. 3 ein abstimmbarer Bandpaß mit einem nachgeschalteten Amplituden- und Phasendemodulator verwendet wird.

Fig. 1 zeigt die zwei grundsätzlichen Möglichkeiten zur Spannungsmessung mit einer Elektronensonde. Das zu messende Signal f(t) kann wahlweise entweder im Zeitbereich gemessen werden und man erhält die Funktion g(t), die sich rechnerisch als ein Faltungsprodukt aus der zu messenden Funktion f(t) und der Funktion h(t), die die Impulsantwort eines Detektors mit nachfolgender Signalkette darstellt, in erster Näherung den Primärelektronenstrom beschreibt oder es besteht die Möglichkeit, die zu messende Funktion f(t) im Frequenzbereich zu ermitteln. Durch Nutzung des zweiten Weges, der auch dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegt, ergibt sich die zu messende Funktion G(w) im Frequenzbereich als ein Produkt der Funktionen F(w) und H(w). Die Zeitfunktion des Meßsignals g(t) erhält man anschließend wieder über eine Fourier-Rücktransformation von G(w). Dazu ist es erforderlich, das Spektrum G(w) eindeutig zu bestimmen, d. h. die einzelnen Spektralkomponenten müssen nach Betrag und Phase bzw. Real- und Imaginärteil oder allgemeiner noch zwei Quadraturkomponenten gemessen werden.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung für die Spannungsmessung mit der Elektronensonde zur zeitlichen Detektion und/oder qualitativen und/oder quantitativen Abbildung eines Meßpunktes oder einer Leiterbahn. Aus einer Elektronenquelle 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 Photomultiplier geführt und dort verstärkt wird. Das im Photomultiplier PM verstärkte Sekundärelektronensignal gelangt über einen eventuell dazwischengeschalteten Vorverstärker in eine Meßverarbeitungsanordnung MV. Die Meßverarbeitungsanordnung MV besteht in Fig. 2 aus einem sogenannten Lock-in-Verstärker. Neben einem Lock-in-Verstärker kann dabei aber auch jeder phasenempfindliche Detektor verwendet werden, mit dessen Hilfe die zwei Quadraturkomponenten des sekundären Signals bestimmt werden. Als Lock-in-Verstärker kann beispielsweise ein Ithaco- Verstärker Typ 491A verwendet werden. Der Lock-in-Verstärker ermittelt die beiden zur eindeutigen Beschreibung des Spektrums erforderlichen Signalmerkmale aus dem Sekundärelektronensignal. Zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs des Meßsignals muß dann eine Fourier-Rücktransformation des gemessenen Spektrums in den Zeitbereich durchgeführt werden. Dazu ist der Lock-in-Verstärker mit seinen beiden Ausgängen mit einem Rechner verbunden, der die Rücktransformation vornimmt. Weiterhin ist an den Rechner R eine Ausgabeeinheit AE angeschlossen, über die der zeitliche Verlauf dargestellt werden kann. Als Ausgabeeinheit können dabei eine Bildschirmeinheit oder eine Platte oder aber eine Speichereinheit dienen.

Der Lock-in-Verstärker dient hierbei einmal als durchstimmbares Filter, dessen Mittenfrequenz jeweils der Frequenz fr des Referenzsignals entspricht. Grundsätzlich kann aber dazu anstelle des Lock-in-Verstärkers jedes durchstimmbare Filter treten, dessen Mittenfrequenz sich durch ein Referenzsignal steuern läßt. Zum anderen bestimmt der Lock-in-Verstärker jeweils die zur eindeutigen Beschreibung der durch das Referenzsignal ausgewählten Spektralkomponente erforderlichen beiden Signalkomponenten.

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 SE kann daher im Lock-in-Verstärker dieser Signalanteil mit der zunächst unbekannten Frequenz fs dann ausgefiltert werden, wenn dem Lock-in-Verstärker als Referenzsignal ein Signal zugeführt wird dessen Frequenz fr mit der zunächst unbekannten Frequenz fs im Frequenzspektrum des Sekundärelektronensignals SE übereinstimmt. Ein Signal mit der Frequenz fs oder einem Vielfachen oder einem Bruchteil der Frequenz fs ist im allgemeinen in der Ansteuerung CON oder der Schaltung IC selbst vorhanden, so daß das benötigte Referenzsignal der Frequenz fs leicht durch Frequenzteilung bzw. -vervielfältigung daraus gewonnen werden kann. Insbesondere sind auch dazu die aus der Literatur bekannten Frequenzsyntheseverfahren einsetzbar. Bei der hier dargestellten Anordnung wurde angenommen, daß ein Signal der Frequenz fs unmittelbar von der Ansteuereinheit CON geliefert wird. Da es sich bei dem Meßsignal um ein periodisches Signal der Grundfrequenz fs handelt, genügt es, die Spektralanteile bei der Grundfrequenz fs und dessen Oberschwingungen n · fs (n = natürliche Zahl) zu messen, um das Spektrum vollständig zu messen. Daher wird in der dargestellten Anordnung dem Lock-in-Verstärker über einen Frequenzvervielfacher FP das Referenzsignal der Frequenz fr = n · fs zugeführt (das Referenzsignal könnte aber auch beispielsweise aus der erwähnten Frequenzsyntheseeinheit gewonnen werden). Zur Steuerung des Vervielfältigungsfaktors n des Frequenzvervielfachers und damit zur Vorgabe, in welchem Frequenzbereich das Meßsignal ausgefiltert werden soll, ist der Frequenzvervielfacher FP mit dem Rechner R verbunden.

Der Strahl der Primärelektronen PE kann eine Gruppe von Meßpunkten mehrfach hintereinander jeweils so rasch abtasten, daß sich die Frequenz fr des Referenzsignals bei einem einmaligen Abtasten dieser Gruppe von Meßpunkten nicht ändert. Dadurch ist dann eine gleichzeitige Spannungsmessung an mehreren Meßpunkten möglich.

Schließlich können noch die Geschwindigkeitsverhältnisse von Strahlablenkung der Primärelektronen PE und Überstreichen eines Frequenzbereichs bezüglich der Frequenz fr des Referenzsignals umgekehrt werden. Die Strahlablenkung der Primärelektronen PE kann dabei wiederum entweder kontinuierlich oder durch Springen zwischen mehreren Meßpunkten (Leiterbahn) erfolgen. Dazu wird zum Beispiel der Strahl der Primärelektronen PE zunächst auf dem erstem Meßpunkt (Leiterbahn) positioniert und wird sodann bezüglich der Frequenz fr des Referenzsignals der interessierende Frequenzbereich durchgefahren. Daraufhin springt der Strahl der Primärelektronen PE zum nächsten Meßpunkt (Leiterbahn), wo erneut die Frequenz fr des Referenzsignals durchgewobbelt wird.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Spannungsmessung mit der Elektronensonde, die sich von der Anordnung in Fig. 2 dadurch unterscheidet, daß anstelle des Lock-in-Verstärkers ein abstimmbarer Bandpaß BP mit nachgeschalteten Amplitudendemodulator AD und Phasendemodulator PD verwendet wird. Der Rechner R liefert ein Steuersignal an den Bandpaß BP, durch das die Mittelfrequenz des Bandpaßfilters BP bestimmt wird. Der Amplitudendemodulator AD und der Phasendemodulator PD sind parallel hinter dem variablen abstimmbaren Bandpaß BP angeordnet. Normalerweise wird als Phasenmodulator PD eine PLL (phase locked loop)-Schaltung verwendet. PLL-Schaltungen sind dem Fachmann beispielsweise aus einem Frequenzsynthesesystem für Fernsehgeräte bekannt. Die PLL-Schaltung ermöglicht eine echte Synchrondemodulation. Zur Synchronisation kann dem Phasendetektor PD ein Referenzsignal der Frequenz fr zugeführt werden. Die Gewinnung dieses Referenzsignals kann dabei ebenso wie die des Referenzsignals der in Fig. 2 dargestellten und zuvor beschriebenen Anordnung erfolgen.

Wird bei der Detektion der Sekundärelektronen SE in der Abbildung Fig. 2 oder Fig. 3 ein Spektrometer SP, insbesondere ein Gegenfeldspektrometer, verwendet, wie es beispielsweise aus der US-Patentschrift 42 92 519 bekannt ist, so lassen sich quantitative Messungen durchführen. Die Verwendung eines Spektrometers ST ist nicht nur zur Spannungsmessung nützlich. Benützt man keine Rückkopplungsschleife, sondern legt an das Gegenfeldnetz eines Gegenfeldspektrometers eine konstante Spannung so werden nur Sekundärelektronen mit einem Potential, das über der der Gegenfeldelektrode liegt, durchgelassen. Dadurch werden Störeinflüsse lokaler Felder unterdrückt.

Weiterhin können anstelle des Potentialkontrasts auch andere Wechselwirkungen ausgenutzt werden. Dazu zählt beispielsweise die Beeinflussung der von einem Primärelektronen- bzw. Laserstrahl erzeugten Sekundär- bzw. Photoelektronen durch ein magnetisches Feld. Durch Ausnutzung dieses sogenannten "magnetischen Kontrasts" ließe sich etwa die Bewegung magnetischer Domänen im Magnetblasenspeicher untersuchen.

Der Primärstrahl muß keineswegs ein Partikelstrahl sein, sondern kann auch aus einer beliebigen Strahlung bestehen. Benützt man 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-Lochpaare und damit freie Ladungsträger 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 Änderung des Schaltzustandes eines pn-Überganges ließe sich daher leicht durch eine Messung des Versorgungsstroms der Probe IC feststellen. Der Versorgungsstrom der Schaltung bzw. seine Differenz zum Ruhestrom kann in diesem Falle unmittelbar als Meßsignal dienen, ein besonderer Detektor ist nicht unbedingt erforderlich.

Anstelle des Rechners R können auch eine Steuereinheit zur Steuerung der Durchführung der Messung und eine festverdrahtete Einheit zur Durchführung der Fourier-Rücktransformation dienen.

Claims (17)

1. Spannungsmessung mit der Elektronensonde zur zeitlichen Detektion und/oder qualitativen und/oder quantitativen Abbildung eines Punktes einer Probe, der ein Signal wenigstens einer Frequenz (fs) führt, mit Hilfe eines Mikroskops, in dem der Punkt mit einem Primärstrahl (PE) beaufschlagt wird, wobei von dem Punkt ein sekundäres Signal, insbesondere über einen Detektor (DT) abgeleitet und gegebenenfalls zu einem Meßsignal weiterverarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem sekundären Signal oder dem Meßsignal über einer Meßverarbeitungsanordnung (MV, MV′) zwei, für die vollständige Beschreibung eines Signals im Zeitbereich erforderliche Merkmale eines Signals im Frequenzbereich gewonnen werden und daß anschließend über eine Fourier-Rücktransformation der zwei Merkmale des Signals in einem Rechner der zeitliche Verlauf des sekundären Signals oder des Meßsignals gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderlichen Signalkomponenten über ein durchstimmbares Filter gewonnen werden, daß dem durchstimmbaren Filter ein Steuersignal zugeführt wird, das die Mittenfrequenz des durchstimmbaren Filters bestimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal ein Referenzsignal mit der Frequenz fr ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Merkmale des Signals das Betrags- und Phasenspektrum bilden, die mit Hilfe eines Amplituden- (AD) und Phasenmodulators (PD) in der Meßverarbeitungseinheit (MV, MV′) gewonnen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das sekundäre Signal und/ oder das Meßsignal aus einem elektrischen Signal besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei periodischen sekundären Signalen das Spektrum im Frequenzbereich nicht kontinuierlich, sondern an diskreten Frequenzen gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die diskreten Frequenzen die Grundfrequenz oder/und deren Vielfaches sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahl wiederholt eine Gruppe von Punkten abtastet und daß dabei die Mittenfrequenz variiert wird, wobei ihre Änderungsgeschwindigkeit gleich ist gegenüber der Ablenkgeschwindigkeit des Primärstrahls (PE).

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahl (PE) auf einem einzigen Punkt gerichtet wird, daß dabei die Mittenfrequenz innerhalb eines Frequenzbereichs variiert wird und daß dieser Vorgang gegebenenfalls an einem oder mehreren Punkten wiederholt wird.

10. Vorrichtung zur Detektion und/oder qualitativen und/oder quantitativen Abbildung eines Punkts einer Probe, der ein Signal wenigstens einer Frequenz (fs) führt, mit Hilfe eines Mikroskops, mit einer Primärstrahlquelle zur Emission eines Primärstrahls (PE), mit einer Signalkette zur Verarbeitung eines sekundären Signals, das von dem Punkt abgeleitet wird, insbesondere in ein elektrisches Signal, wobei die Signalkette insbesondere ein Detektor (DT) und eine Meßverarbeitungsanordnung (MV, MV′) aufweist, daß die Probe mit einer Ansteuerschaltung (CON) verbunden ist, daß die Ansteuerschaltung (CON) mit der Meßverarbeitungsanordnung (MV, MV′) verschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßverarbeitungsanordnung (MV, MV′) mit einem Rechner (R) verbunden ist, daß an dem Rechner (R) eine Ausgabeeinheit (AE) angeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ansteuerschaltung (CON) und der Meßverarbeitungsanordnung (MV, MV′) ein Frequenzvervielfacher (FP) geschaltet ist, daß der Frequenzvervielfacher (FP) mit dem Rechner verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßverarbeitungsanordnung (MV) aus mindestens einem phasensensitiven Detektor besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßverarbeitungsanordnung (MV) aus einem Lock-in-Verstärker besteht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßverarbeitungsanordnung (MV′) ein durchstimmbarer Filter (BP), ein Phasen- (PD) und ein Amplitudendemodulator (AD) enthalten ist, daß der Phasen- (PD) und der Amplitudendemodulator (AD) parallel hinter dem durchstimmbaren Filter (BP) angeordnet sind, daß ein Ausgang des Phasendemodulators (PD) und ein Ausgang des Amplitudendemodulators mit dem Rechner (R) verbunden sind, daß der Phasendemodulator (PD) über den Frequenzvervielfacher (FP) mit der Ansteuerschaltung (CON) und mit dem Rechner (R) verschaltet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch ein Spektrometer (SP) zur quantitativen Messung des sekundären Signals.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrometer (SP) ein Gegenfeldspektrometer ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrometer (SP) als Gegenfeldspektrometer mit einer konstanten Spannung an der Gegenfeldelektrode ausgebildet ist.