DE3941178A1 - Verfahren zur quantitativen potentialmessung mit einer korpuskularsonde - Google Patents

Verfahren zur quantitativen potentialmessung mit einer korpuskularsonde

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Potentialmessung mit einer Korpuskularsonde nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Funktionsweise mikroelektronischer Bauelemente wird üblicherweise in rechnergesteuerten Testsystemen durch Analyse der an den Bauelementausgängen abgegriffenen Signale überprüft. Da diese Tests im allgemeinen keine Rückschlüsse auf die Fehlerursache bzw. den Fehlerort zulassen, ist man insbesondere im Bereich der Entwicklung mikroelektronischer Bauelemente gezwungen, zusätzliche Messungen im Innern der jeweiligen Schaltung durchzuführen. Besonders aufschlußreiche Hinweise zur Lokalisierung fehlerhafter Schaltungskomponenten erhält man aus dem Vergleich gemessener interner Bausteinsignale mit den aus Simulationsrechnungen gewonnenen Sollsignalen.
Bei der Aufzeichnung hochfrequenter Signale in Bauelementen der Mikroelektronik bedient man sich üblicherweise einer auf die interessierende Leiterbahn gerichteten Elektronensonde, wobei insbesondere das aus Scanning Electron Microscopy (1979) I, SEM Inc. AMF O'Hare, Seite 285 bis 296 bekannte stroboskopische Abtastverfahren zur Anwendung kommt. Dieses Verfahren erlaubt zwar die Unterdrückung der durch Kontamination der Meßstelle hervorgerufenen Meßfehler, kann aber die Auswirkungen der in der Phasensteuereinheit des Elektronenstrahlmeßgeräts auftretenden Drifterscheinungen nicht kompensieren.
Aus der DE-A-28 23 642 ist ein Verfahren bekannt, bei dem man die durch phasenabhängige Driften und Instabilitäten des Meßsystems hervorgerufenen Störungen durch Nachführung des Arbeitspunktes des dem Sekundärelektronenspektrometer zugeordneten Regelkreises kompensiert. Um das Steigungsmaximum der Spektrometerkennlinie zu bestimmen, ist man allerdings gezwungen, das Potential der Gegenfeldelektrode des Spektrometers mit einer Wechselspannung zu modulieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das phasenabhängige Driften und Instabilitäten des Meßsystems in einfacher Weise kompensiert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß auch hochfrequente Signale (ν < 1 GHz) in Ga-As- Schaltungen stroboskopisch abgetastet und aufgezeichnet werden können.
Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im folgenden anhand der Zeichnungen erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren. Hierbei zeigt:
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer bekannten Vorrichtung zur Messung des Potentials einer Meßstelle.
Fig. 2 und 3 Vorrichtungen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren.
Fig. 4 die Kennlinie eines Sekundärelektronenspektrometers.
Die bekannte Vorrichtung zur quantitativen Messung des Potentials VMS einer Meßstelle MS, beispielsweise einer Leiterbahn einer integrierten Schaltung, umfaßt ein aus einer Absaugelektrode AE, einer Gegenfeldelektrode GE und einem Ablenkelement bestehendes Spektrometer SP, eine Detektor-Verstärkereinheit DT (Szintillator-Photomultiplier-System) zum Nachweis der auf der Meßstelle MS von einem primären Elektronenstrahl PE ausgelösten Sekundärelektronen SE und einen Regler R (Operationsverstärker), der das Potential VGE der Gegenfeldelektrode GE steuert. Den Elektronenstrahl PE erzeugt man üblicherweise in einem modifizierten Rasterelektronenmikroskop, das neben einem Strahlerzeuger, mehreren Kondensorlinsen, einer Objektivlinse und einer Ablenkeinheit zusätzlich noch ein Strahlaustastsystem zur Modulation der Intensität des Strahlstroms aufweist. Um die dem jeweiligen Meßstellenpotential VMS proportionale Verschiebung der Energieverteilung der ausgelösten Sekundärelektronen SE zu bestimmen, wird das Potential VGE der Gegenfeldelektrode GE und damit die im Spektrometer SP aufgebaute Potentialbarriere mit Hilfe des Reglers R so lange geändert, bis das Ausgangssignal VDT der Detektor-Verstärkereinheit DT einem vorgegebenen Sollwert XS entspricht. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß mit jeder Änderung ΔVMS des Meßstellenpotentials eine gleich große Änderung ΔVGE des Potentials der Gegenfeldelektrode GE einhergeht.
Die bekannte Vorrichtung arbeitet so lange fehlerfrei, wie eine Potentialänderung ΔVMS an der Meßstelle MS nur zu einer entsprechenden Verschiebung der Kennlinie des Spektrometers SP (Ausgangssignal VDT des Detektors oder der Detektor-Verstärkereinheit DT in Abhängigkeit vom Potential VGE der Gegenfeldelektrode GE, s. Fig. 4) führt. Die eingangs erwähnten Driften und Instabilitäten, wie sie beispielsweise in den für die Phasensteuerung verantwortlichen Komponenten des Elektronenstrahlmeßgeräts auftreten, haben allerdings zur Folge, daß sich der mittlere Primärelektronenstrom iPE in Abhängigkeit von der jeweils vorgegebenen Phasenlage ϕ der Elektronenimpulse bezüglich des Meßstellenpotentials VMS ändert (iPE (ϕ1) ≠ iPE (ϕ2)). Jede Änderung des Strahlstroms iPE wirkt sich gemäß der Beziehung
δ: Sekundärelektronenausbeute
EES: Energie der Sekundärelektronen
eVeff = e(VMS-VGE): im Spektrometer aufgebaute Potentialbarriere
e: Elementarladung
aber unmittelbar auf den im Detektor gemessenen Sekundärelektronenstrom iSE und damit auch auf die Höhe des Ausgangssignals VDT der Detektor-Verstärkereinheit DT aus. Eine Signaländerung ΔVDT setzt sich somit aus zwei Anteilen ΔV (VMS) und ΔV (ϕ) zusammen, wobei ΔV (VMS) die vom Meßstellenpotential VMS abhängige und damit die eigentlich interessierende Meßgröße und ΔV (ϕ) die durch phasenabhängige Driften und Instabilitäten verursachte Störung bezeichnet. Da der Regelkreis auf die Störung ΔV (ϕ) in der gleichen Weise wie auf eine Änderung des Meßstellenpotentials VMS reagiert und das Potential VGE der Gegenfeldelektrode GE entsprechend einstellt, entstehen Meßfehler.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 2 werden solche Meßfehler vermieden, indem man nicht den im Detektor gemessenen Sekundärelektronenstrom, sondern das Verhältnis N
N: = NSE (ESE ≳ ES)/NSE (ESE < ES) (2)
unabhängig vom jeweiligen Meßstellenpotential VMS und der Phasenlage ϕ der Elektronenimpulse durch Nachregelung des Sollwertes XS konstant hält. Hierbei bezeichnen NSE (ESE≳ES) und NSE (ESE<ES) jeweils die Anzahl der Sekundärelektronen SE, deren Energie ESE größer oder annähernd gleich bzw. kleiner ist als eine durch die Höhe der Potentialbarriere eVeff=e (VMS-VGE) definierte und durch das Potential VGE der Gegenfeldelektrode GE einstellbare Schwellenenergie ES=e Veff. Aus Gleichung (2) läßt sich unmittelbar ableiten, daß auch die entsprechenden Ströme
iSE: = (d/dt) NSE (ESE≳ES) (3)
iRE: = (d/dt) NSE (ESE<ES)
der Bedingung
iSE (ϕ)/iRE (ϕ) = iSE (ϕ₀)/iRE (ϕ₀) = konstant (4)
genügen, wobei ϕ und ϕ₀ die jeweilige Phasenlage der Elektronenimpulse bezüglich des Meßstellenpotentials VMS bezeichnen. Gleichung (2) wird also immer dann erfüllt, wenn man den Sollwert XS des Regelkreises während der Abtastung des Meßstellenpotentials VMS (ϕ) entsprechend der Beziehung
vorgibt. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dies dadurch erreicht, daß man das Spektrometer SP als Faraday-Käfig benutzt und den über das Gehäuse und die Elektroden abfließenden Sekundärelektronenstrom iRE (ϕ) in einem hochempfindlichen Strommesser TV (Trennverstärker) um den konstanten Faktor v= XS (ϕ₀)/iRE (ϕ₀) verstärkt. Das Ausgangssignal des Strommessers TV liefert dann den gewünschten Sollwert XS (ϕ), so daß die durch phasenabhängige Driften und Instabilitäten hergerufenen Effekte aber auch die beispielsweise durch Kontamination der Meßstelle MS oder der elektronenoptischen Komponenten verursachten Störungen kompensiert werden. Da der Großteil der Sekundärelektronen mit einer Energie ESE<ES=e (VMS-VGE) an der Absaugelektrode AE abgefangen wird, genügt es im allgemeinen, den über diese Elektrode abfließenden Sekundärelektronenstrom iRE zu messen und entsprechend zu verstärken.
In der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung werden die durch phasenabhängige Driften und Instabilitäten hergerufenen Störungen dadurch kompensiert, daß man den Sollwert XS des Regelkreises in Abhängigkeit von der Phasenlage ϕ der Elektronenimpulse gemäß der Beziehung
einstellt, wobei a eine Zahl kleiner 1, V (ϕ) das bei einem Potential VGE»0 der Gegenfeldelektrode GE gemessene Ausgangssignal der Detektor-Verstärkereinheit DT und V (ϕ) das bei einem Potential VGE«0 gemessene Ausgangssignal bezeichnet. Wie die in Fig. 4 dargestellte Spektrometerkennlinie zeigt (aufgetragen ist das Ausgangssignal VDT der Detektor- Verstärkereinheit DT in Abhängigkeit vom Potential VGE der Gegenfeldelektrode GE) geht der im Detektor gemessene Sekundärelektronenstrom und damit auch VDT bei nicht zu hohen negativen Potentialen VGE im allgemeinen sehr schnell gegen Null, so daß sich Gleichung (6) zu
XS (ϕ) = a V (ϕ) (7)
vereinfacht.
Zur Bestimmung des Maximums V (ϕ) der Kennlinie wird das Spektrometer SP mit Hilfe des Schalters S1 periodisch vom Regelkreis abgekoppelt, um die Gegenfeldelektrode GE mit einem hohen positiven Potential V»0 zu beaufschlagen. Das Potential V ist hierbei so zu bemessen, daß man nahezu alle der auf der Meßstelle MS ausgelösten Sekundärelektronen SE im Detektor registriert. Das am Ausgang der Detektor-Verstärkereinheit DT anliegende Signal V wird über den Schalter S2 an den Eingang einer Abtast- und Haltevorrichtung SH1 geführt und dort zwischengespeichert. Nach der erneuten Ankopplung des Spektrometers SP an den Regelkreis kann man das Potential VMS (ϕ) der Meßstelle MS bei der Phase ϕ in der bekannten Weise aufzeichnen, wobei ein Potentiometer POT den Sollwert XS gemäß Gleichung (7) mit beispielsweise a≈0,5 vorgibt. Da der Arbeitspunkt XS des Regelkreises für a≈0,5 üblicherweise im Bereich des Wendepunktes der Kennlinie liegt, führen auch kleine Signaländerungen ΔVMS an der Meßstelle MS zu vergleichsweise großen Änderungen des Ausgangssignals VDT.
Zur Zwischenspeicherung des Meßwertes (Potential VGE) der Gegenfeldelektrode GE) ist eine mit einem Schalter S3 ansteuerbare Abtast- und Haltevorrichtung SH2 vorgesehen, die ebenso wie die erste Abtast- und Haltevorrichtung SH1 und die Schalter S1 bis S3 von einem der Synchronisation dienenden Signalgenerator SG angesteuert wird. Dieser liefert ein Ausgangssignal, dessen Frequenz etwa 10 bis 1000 Hz beträgt.
Sollte das Minimum V (ϕ) der Kennlinie aufgrund des Spektrometeraufbaus auch bei hohen negativen Potentialen VGE«0 nicht gegen Null gehen, so muß man den Sollwert XS gemäß Gleichung (6) vorgeben. Die Größe V (ϕ) wird dann ebenso wie das Maximum V (ϕ) mit Hilfe einer weiteren Abtast- und Haltevorrichtung und einem dieser Einheit zugeordneten Schalter bestimmt. Weiterhin ist dann ein dem Potentiometer POT vorgeschalteter Subtrahierer vorzusehen, an dessen beiden Eingängen die in den jeweiligen Abtast- und Haltevorrichtungen zwischengespeicherten Werte V (ϕ) und V (ϕ) anliegen.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist es ohne weiteres möglich, an Stelle eines Gegenfeld-Spektrometers SP eine andere Energiefiltereinheit zu verwenden. Außerdem kann man den primären Elektronenstrahl PE durch jeden Sekundärteilchen SE auslösenden Korpuskularstrahl, insbesondere einen Laserstrahl, ersetzen.
Zur Kompensation der durch phasenabhängige Driften und Instabilitäten hervorgerufenen Effekte wurde vorgeschlagen, den Sollwert XS des Regelkreises nachzuführen. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Verstärkung v der Detektor-Verstärkereinheit DT gemäß der Beziehung
nachzuregeln, um das in Gleichung (2) definierte Verhältnis N konstant zu halten. Als Detektor-Verstärkereinheit DT kommt hierbei insbesondere ein Szintillator-Photomultiplier-System in Betracht, wobei v mit Hilfe der Photomultiplierspannung eingestellt wird.

Claims (10)

1. Verfahren zur quantitativen Potentialmessung mit einer Korpuskularsonde, bei dem die Korpuskularsonde (PE) auf eine mit einem Potential (VMS) beaufschlagte Meßstelle (MS) gerichtet wird und bei dem die dem Meßstellenpotential (VMS) proportionale Verschiebung der Energieverteilung der ausgelösten Sekundärteilchen (SE) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis N = NSE(ESE ≳ ES)/NSE(ESE<ES)unabhängig vom jeweiligen Meßstellenpotential (VMS) konstant gehalten wird, wobei NSE (ESE ≳ ES) die Anzahl der Sekundärteilchen (SE) bezeichnet, deren Energie ESE größer oder annähernd gleich ist einer vorgegebenen Schwellenenergie ES und NSE (ESE < ES) die Anzahl der Sekundärteilchen (SE) bezeichnet, deren Energie ESE kleiner ist als die Schwellenenergie ES.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (N) durch Nachregelung der Schwellenenergie (ES) konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenenergie ES durch Änderung einer in einem Energiefilter (SP) aufgebauten Potentialbarriere (eVeff) eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom (iRE) der Sekundärteilchen (SE) gemessen wird, deren Energie (ESE) kleiner ist als die Schwellenenergie (ES), daß ein diesem Strom iE proportionaler Sollwert (XS) erzeugt und mit einem Ausgangssignal (VDT) einer Detektor-Verstärkereinheit (DT) verglichen wird, und daß eine Abweichung des Sekundärteilchensignals (VDT) vom Sollwert (XS) ein Regelsignal zur Einstellung der Schwellenenergie (ES) bestimmt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom (iRE), der in einem Energiefilter (SP) abgefangen Sekundärteilchen gemessen und zur Erzeugung des Sollwertes (XS) herangezogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom (iRE) der Sekundärteilchen (SE) gemessen wird, deren Energie (ESE) kleiner ist als die Schwellenenergie (ES), daß ein in einem Detektor erzeugtes Sekundärteilchensignal (VDT) um einen diesem Strom (iRE) proportionalen Faktor (V) verstärkt und mit einem Sollwert (XS) verglichen wird und daß eine Abweichung des Sekundärteilchensignals (VDT) von dem Sollwert (XS) ein Regelsignal zur Einstellung der Schwellenenergie (ES) bestimmt.
7. Verfahren zur quantitativen Potentialmessung mit einer Korpuskularsonde, bei dem die Korpuskularsonde (PE) auf eine Meßstelle (MS) gerichtet wird und bei dem die dem Meßstellenpotential (VMS) proportionale Verschiebung der Energieverteilung der ausgelösten Sekundärteilchen (SE) durch Vergleich des Ausgangssignals (VDT) einer Detektor-Verstärkereinheit (DT) mit einem Sollwert (XS) und Nachregelung der Höhe einer in einer Energiefiltereinheit (SP) aufgebauten Potentialbarriere (eVeff) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialbarriere (eVeff) soweit verringert wird, daß das Ausgangssignal (VDT) der Detektor-Verstärkereinheit (DT) einen für das jeweilige Meßstellenpotential (VMS) maximalen ersten Wert annimmt und daß der erste Wert gemessen und zur Einstellung des Sollwertes (XS) herangezogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert (XS) stets einem vorgegebenen Bruchteil (a) des ersten Wertes entspricht.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des ersten Wertes und die Einstellung des Sollwertes (XS) periodisch vorgenommen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialbarriere (eVeff) soweit erhöht wird, daß das Ausgangssignal (VDT) der Detektor-Verstärkereinheit (DT) einen für das jeweilige Meßstellenpotential (VMS) minimalen zweiten Wert annimmt und daß die aus dem ersten und dem zweiten Wert , gebildet Differenz zur Einstellung des Sollwertes (XS) herangezogen wird.
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