DE4002531A1 - Verfahren und anordnung zur spektralanalyse eines signals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Spektralanayse eines Signals an einem oder mehreren Meßpunkten sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Überprüfung der Funktionsweise hochintegrierter Schal­ tungen erfolgt üblicherweise in rechnergesteuerten Test­ systemen, in denen die vorhandenen Fehler durch Analyse der an den Ausgängen der untersuchten Schaltung in Abhängigkeit von den jeweils eingespeisten Bitmustern gemessenen Spannungspegel zwar erkannt, aber nur sehr schwer lokalisiert werden können. Deshalb müssen insbesondere während der Entwicklungsphase zu­ sätzliche Messungen im Innern hochintegrierter Schaltungen durchgeführt werden.

Als für diese Zwecke besonders geeignet, haben sich die in allen Bereichen der Entwicklung und Fertigung mikroelektro­ nischer Bauelemente eingesetzten Korpuskularstrahl-Meßver­ fahren und hier wieder besonders die Elektronenstrahl-Meß­ technik herausgestellt. Mit Hilfe dieser Meßtechniken läßt sich beispielsweise die elektrische Potentialverteilung in integrierten Schaltungen abbilden (hier sind insbesondere die dem Fachmann unter der Bezeichnung "Voltage Coding" bzw. "Logic-State Mapping" bekannten Verfahren zu nennen) oder der zeitliche Potentialverlauf an einem einzelnen Knotenpunkt be­ stimmen ("Waveform-Messung"). Eine Zusammenfassung der zur Zeit gewöhnlich eingesetzten Testverfahren der Elek­ tronenstrahl-Meßtechnik ist in der Veröffentlichung "Electron Beam Testing" von E. Wolfgang (Zeitschrift "Microelectronic Engineering", Band 4, 1986, Seiten 77-106) und der Ver­ öffentlichung "Electron Beam Testing" von K. Ura und H. Fujioka (Zeitschrift "Advances in Electronics and Electron Physics", Band 73, 1989, Seiten 233-317) wiedergegeben.

Eine wichtige Aufgabenstellung besteht dabei auch darin, festzustellen, ob an einer Leiterbahn ein Signal mit einer bestimmten Frequenz vorliegt oder nicht bzw. welches Fre­ quenzspektrum das Signal am jeweiligen Meßpunkt aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe wurden verschiedene Frequenzbereichs- Meßverfahren entwickelt. In der deutschen Offenlegungsschrift DE-OS 35 19 392 wurde ein Verfahren beschrieben, bei dem mit Hilfe eines unmodulierten Primärelektronenstrahls eine Signal­ komponente im Frequenzbereich gewonnen wird. Durch Variation der Referenzfrequenz eines Lock-in-Verstärkers kann man das in Frage kommende Frequenzspektrum durchfahren und so bei unbe­ kannter Frequenz die auf einem Meßpunkt, beispielsweise einer Leiterbahn in einem integrierten Schaltkreis auftretenden Fre­ quenzen feststellen. Nachteil dieses Verfahrens ist seine niedrige Grenzfrequenz. Sie liegt, da das zu analysierende Signal über das Sekundärelektronen-Detektionssystem übertragen werden muß, maximal bei der Grenzfrequenz dieses Detektions­ systems - bei herkömmlichen Systemen also bei wenigen MHz.

Um auch höhere Frequenzen untersuchen zu können wurde das Fre­ quency-Mapping-Verfahren entwickelt. Diese Verfahren ist aus­ führlich in der Veröffentlichung "Frequency Tracing and Mapping in Theory and Praxis" von H.-D. Brust und F. Fox (Zeitschrift "Microelectronic Engineering", Band 2, 1984, Sei­ ten 299-323) beschrieben. Beim Frequency-Mapping-Verfahren wird der Primärelektronenstrahl mit einer bestimmten Frequenz moduliert. Durch geringen Frequenzversatz derjenigen Frequenz, mit der der Primärelektronenstrahl moduliert wird, gegenüber der Frequenz des gesuchten Signals erreicht man, daß durch die Wechselwirkung des in der Probe ablaufenden periodischen Vor­ gangs mit dem Primärelektronenstrahl das gesuchte Signal stets auf eine feste Zwischenfrequenz gemischt wird. Die feste Zwischenfrequenz kann sodann leicht ausgefiltert und danach demoduliert werden. Da die Signalkette eines Rasterelektronen­ mikroskops nur die relativ niedrige feste Zwischenfrequenz übertragen muß, können in einer Probe Signale sehr hoher Fre­ quenz analysiert werden. Durch Wobbeln derjenigen Frequenz, mit der der Primärelektronenstrahl 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. In der deutschen Patentanmeldung 39 17 411 wird eine Erweiterung die­ ses Verfahrens, bei dem die Spektralanalyse mit Hilfe eines Hochfrequenz-Spektrumanalysators durchgeführt wird, beschrie­ ben.

Besonders nützlich sind die Frequenzbereichs- Verfahren bei der Untersuchung asynchroner Schaltungen, da dort die ubrigen Verfahren der Elektronenstrahl-Meßtechnik, die auf Sampling­ techniken beruhen, mangels Synchronisation versagen.

Bei den bisherigen Realisierungen der Frequenzbereichsmethoden stand im wesentlichen die Ermittlung der räumlichen Verteilung einzelner Spektrallinien (das sogenannte Frequency-Tracing- Verfahren, siehe die obengenannte Veröffentlichung von H.-D. Brust und F. Fox) im Vordergrund. Die Durchführung der eigent­ lichen Spektralanalyse wird dadurch u. U. recht aufwendig. Außerdem unterscheiden sich die bei derartigen Messungen er­ haltenen Ergebnisse nicht unerheblich von den in der Hochfre­ quenzmeßtechnik sonst erzielten Spektralanalysen, was die Interpretation vor allem komplizierter Spektren erschwert und einem mit der Elektronenstrahl-Meßtechnik wenig vertrauten Benutzer erhebliche Probleme bereiten kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Spektralanalyse eines Signals bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung nach Anspruch 13 gelöst. Ausge­ staltungen und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen, der Beschreibung und den Zeichnungen dargestellt.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt vor allem darin, daß die erhaltenen Meßergebnisse unmittelbar den in der Hochfrequenzmeßtechnik üblichen Darstellungen entsprechen. Damit entfällt für den Benutzer eine spezielle Einarbeitungs­ zeit. Außerdem kann anders als bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Durchführung der Spektralanalyse ein Spektrumanalysator mit niedriger Grenzfrequenz eingesetzt wer­ den, was den erforderlichen Aufwand erheblich verringert. Ins­ besondere kann auch ein FFT-Analysator verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 das Grundprinzip der Frequenzbereichsmethoden

Fig. 2 eine schematische Darstellung verschiedener Spek­ tren, wie sie bei der Durchführung des Verfahrens auftreten,

Fig. 3 eine weitere Darstellung verschiedener Spektren, wie sie bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens auftreten, und

Fig. 4 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens.

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

Bei den Meßverfahren der Elektronenstrahlmeßtechnik richtet man einen fein fokussierten Primärelektronenstrahl auf die zu untersuchende Meßstelle der integrierten Schaltung. Die dort auftreffenden Primärelektronen lösen aus der Probenoberfläche Sekundärelektronen aus, die durch die elektrischen Potentiale auf der Probenoberfläche beeinflußt werden. Diese Beeinflus­ sung äußert sich in einem Sekundärelektronenstrom, der vom Potential am Meßort abhängt, bzw. in einer Energieverschiebung der Sekundärelektronen, die ebenfalls vom elektrischen Poten­ tial am Meßort bestimmt wird und mit Hilfe eines Energie­ spektrometers gemessen werden kann. Diesen Effekt bezeichnet man als Potentialkontrast.

Im Prinzip sollte es also genügen die Meßstelle mit Primär­ elektronen zu beaufschlagen, den entsprechenden Sekundär­ elektronenstrom zu registrieren und das Sekundärelektronen- Signal einem herkömmlichen Spektrumanalysator zuzuleiten und von diesem dann eine Spektrumanalyse durchführen zu lassen. Dies ist auch in der Tat möglich, allerdings nur bei relativ geringen Frequenzen des zu untersuchenden Signals. Der Grund dafür ist die Tatsache, daß die zur Registrierung der Sekun­ därelektronen erforderlichen Detektoren gewöhnlich nur eine relativ geringe Bandbreite von einigen MHz aufweisen. Daher muß auch bei den Zeitbereichsverfahren zur Erzielung einer hohen Zeitauflösung ein Abtastverfahren eingesetzt werden, bei dem der zeitliche Verlauf des Signals am Meßort ähnlich wie bei einem Sampling-Oszilloskop mit kurzen Elektronenimpulsen auf ein Triggersignal hin abgetastet wird.

Dieses Problem kann dadurch überwunden werden (und auch schon bei den Frequenzbereichsverfahren "Frequency Tracing" und "Frequency Mapping" bedient man sich dieses Kunstgriffs), daß man die im allgemeinen recht hohe zu untersuchende Signalfre­ quenz noch vor dem die Bandbreite begrenzenden Detektor auf eine niedrige, vom Sekundärelektronen-Detektor leicht zu übertragende Zwischenfrequenz heruntermischt. Für diesen Mischvorgang bedient man sich dabei des Potentialkontrasts als nichtlinearer Wechselwirkung. Fig. 1 verdeutlicht dieses Prin­ zip. Der Potentialkontrast sorgt dafür, daß der Sekun­ därelektronenstrom i_SE zum einen dem Primärelektronenstrom i_PE proportional ist und zum anderen vom Signal u(t) am Meßort abhängt. Es gilt also die Beziehung

i_SE(t) = i_PE(t) g(u(t)) (1)

wobei g die Potentialkontrastkennlinie, also den Zusammenhang zwischen der Signal u(t) am Meßort und dessen Einfluß auf den Sekundärelektronenstrom, bezeichnet. In erster Näherung kann man diese Kennlinie als linear und damit die Beziehung (1) als rein multiplikativen Zusammenhang ansehen. Hat nun das Signal u(t) in seinem Spektrum eine Signalfrequenz f_S so kann diese auf die niedrige Zwischenfrequenz f_ZF gemischt werden, indem man den Primärelektronenstrahl PE und damit auch den Primär­ elektronenstrom i_PE(t) mit einer Frequenz f_B, die geringfü­ gig, nämlich genau um f_ZF, gegen die zu messende Signalfre­ quenz f_S verschoben ist, moduliert. Genauer gesagt, muß die Mischbedingung

| n · f_B - m · f_S | = f_ZF (2)

erfüllt werden. Für die folgende Beschreibung wird dabei ohne Beschränkung der Allgemeinheit jeweils eine Grundwellen­ mischung, also der Fall n=m=1 zugrundegelegt. Die Oberwellen­ mischung erfolgt analog, lediglich muß dann jeweils f_B durch nf_B bzw. f_S durch mf_S ersetzt werden.

Beim Frequency-Mapping-Verfahren wird nun eine (durch den Meß­ aufbau vorgegebene) feste Zwischenfrequenz f_ZF gewählt und die Modulationsfrequenz f_B über den interessieren­ den Frequenzbereich gewobbelt. Gemäß der Mischbedingung (2) werden dadurch dann in Abhängigkeit vom aktuellen Wert der Modulationsfrequenz f_B jeweils auch unterschiedliche Signal­ frequenzen f_S auf die Zwischenfrequenz f_ZF gemischt und dadurch eine Spektralanalyse durchgeführt.

Im Gegensatz dazu wählt man beim erfindungsgemäßen Verfahren eine beliebige aber feste Modulationsfrequenz f_B und führt die Spektralanalyse durch eine Variation der Zwischenfrequenz f_ZF durch. Voraussetzung dafür ist, daß es sich bei dem zu unter­ suchenden Signal um ein Bandpaßsignal handelt oder aber daß es sich in einzelne Teilspektren zerlegen läßt die getrennt gemessen werden können. Speziell wenn man modulierte Signale - z. B. eine frequenzmodulierte Schwingung - mißt, ist diese Bedingung erfüllt.

Fig. 2 verdeutlicht die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das oberste mit IC gekennnzeichnete Spektrum, soll das Spektrum des zu analysierenden Signals sein. Es handelt sich um demnach um ein Bandpaßsignal mit den Grenzfrequenzen f_c1 und f_c2. In der Praxis besitzen zwar sehr viele Signale (z. B. frequenzmodulierte Signale) zumindest theoretisch ein unendlich ausgedehntes Spektrum, doch wird man stets Grenzfre­ quenzen f_c1 und f_c2 so angeben können, daß der Beitrag des Spektrums außerhalb der Grenzen vernachlässsigt werden kann. Man wählt nun eine feste Modulationsfrequenz f_B knapp unter­ halb der unteren Grenzfrequenz f_c1 des zu analysierenden Spek­ trums. Dies ist im zweiten Spektrum, das das Spektrum des Pri­ märelektronenstrahls angibt und daher mit PE bezeichnet ist, dargestellt. Durch den Potentialkontrast als nichtlinearer Zu­ sammenhang wird nun gemäß der Mischbedingung (2) das Spektrum des zu analysierenden Signals im entstehenden Sekundärelektro­ nenstrom in einen niedrigeren Frequenzbereich, nämlich in den Bereich zwischen f_c1-f_B und f_c2-f_B, transformiert. Die Form und Struktur des Spektrums bleibt dabei unverändert. Diese neue Frequenzebene ist sozusagen die Zwischenfrequenzebene, weshalb dieses Spektrum mit ZF bezeichnet ist.

Entscheidend ist nun, daß das Spektrum in der Zwischenfrequenzebene im Gegensatz zu dem wesentlich höherfre­ quenteren Spektrum des zu analysierenden Signals vom Sekundär­ elektronen-Detektionssystem übertragen werden kann. Voraus­ setzung ist dafür lediglich, daß die obere Grenzfrequenz f_c2-f_B des Spektrums in der Zwischenfrequenzebene noch unterhalb der Grenzfrequenz des Detektionssystems liegt. Dies läßt sich durch geeignete Wahl der Modulationsfrequenz f_B immer errei­ chen, wenn das Spektrum des zu analysierenden Signale eine Ausdehnung besitzt, die kleiner als die Bandbreite des Detek­ tionssystems ist. Die konkrete Wahl der Modulationsfrequenz f_B ist dabei, solange die obengenannte Bedingung erfüllt wird, prinzipiell beliebig. Allerdings empfiehlt es sich in der Pra­ xis, das Spektrum in der Zwischenfrequenzebene möglichst hoch zu legen, da der Stör- und Rauschpegel bei niedrigen Frequen­ zen gewöhnlich besonders hoch ist. Das Signal in der Zwischen­ frequenzebene kann dann mit einem herkömmlichen (niederfre­ quenten!) Spektrumanalysator analysiert werden. Man gewinnt dadurch die Struktur des Spektrums des zu analysierenden Si­ gnals. Das tatsächliche Spektrum des zu analysierenden Signale erhält man, indem man einfach die Frequenzachse des Spektrums in der Zwischenfrequenzebene um den Wert f_B verschiebt.

Übrigens wird das zu messende Spektrum bei der Mischung über den Potentialkontrast nicht nur in die niederfrequente Zwischenfrequenzebene sondern zugleich auch in eine zweite wesentlich höherfrequente Frequenzebene (ungefähr bei der doppelten Modulationsfrequenz f_B transformiert, doch liegen diese Frequenzen gewöhnlich so hoch, daß sie vom Detektions­ system nicht übertragen werden und daher ignoriert werden können.

Die beiden wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfah­ rens bestehen also in der Transformation des sehr hochfrequen­ ten zu analysierenden Spektrums in eine niederfrequente Zwischenfrequenzebene durch einen mit der Modulationsfrequenz f_B modulierten Primärelektronenstrahl und einer nachfolgenden konventionellen Spektralanalyse in der Zwischenfrequenzebene, die dort im niederfrequenten Bereich ohne großen Aufwand durchgeführt werden kann (eine Spektralanalyse in der Zwischenfrequenzebene entspricht dabei der eingangs erwähnten Variation der Zwischenfrequenz in der Mischbedingung (2)). Bei der Interpretation des so erhaltenen Spektrums ist lediglich zu berücksichtigen, daß die Frequenzachse des so erhalteten Spektrums um f_B verschoben werden muß, um das tatsächliche Spektrum zu gewinnen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens erreicht man eine Transformation des zu analysierenden Signals in eine niederfrequente Zwischenfrequenzebene, indem man die Modulationsfrequenz geringfügig über die obere Grenz­ frequenz f_c2 stellt. Dieser Fall ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dieser Wahl der Modulationsfrequenz f_B wird das zu analy­ sierende Signal in der Zwischenfrequenzebene in einen Bereich zwischen f_B-f_c2 und f_B-f_c1 transformiert. Zwar bleibt dabei die prinzipielle Struktur des Spektrums erhalten, doch er­ scheint es in Kehrlage, d. h. es wird sozusagen gespiegelt und hohe Frequenzen im ursprünglichen Spektrum werden auf niedrige Frequenzen in der Zwischenfrequenzebene abgebildet, während niedrige Signalfrequenzen in der Zwischenfrequenzebene als be­ sonders hohe Frequenzen erscheinen. Für eine korrekte Inter­ pretation des erhaltenen Spektrums muß also hier nicht nur die Frequenzachse um f_B verschoben werden, sie muß zuvor auch noch in Ihrer Richtung umgekehrt werden.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung, mit der dieses Ver­ fahren realisiert werden kann. Das Kernstück dieser Anordnung bildet ein beispielsweise aus den US-Patentschriften 42 20 853 und 42 23 220 bekanntes Elektronenstrahl-Meßgerät bzw. ein Raster-Elektronenmikroskop. In der elektronenoptischen Säule eines solchen Elektronenstrahl-Meßgerätes wird ein fein gebün­ delter Primärelektronenstrahl PE erzeugt. Diese elektronenop­ tische Säule weist neben einer Vielzahl in der Fig. 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten Blenden und elektrischen oder magnetischen Linsensystemen zur Strahlfor­ mung, Strahlablenkung und zur Strahlfokussierung eine Elektro­ nenquelle ES, die den Primärelektronenstrahl PE erzeugt, auf.

Die Elektronenquelle ES hat die Aufgabe, den mit der Frequenz f_B modulierten Primärelektronenstrahl zu generieren. In Fig. 4 ist sie aus einer im wesentlichen aus einer Kathode, die die Primärelektronen durch thermische Emission erzeugt, einer Anode und einer Wehnelt-Elektrode bestehenden Elektronenkanone EG und einem Strahlmodulations- oder -austastsystem BBS aufge­ baut. Mit Hilfe des Strahlmodulationssystems BBS wird der von der Kathode gelieferte kontinuierliche Primärelektronenstrom in seiner Intensität moduliert. Auf diese Weise kann ein Pri­ märelektronenstrom mit der Frequenz f_B erzeugt werden. Mög­ liche Ausführungsformen von Elektronenkanone EG und Strahlmodulationssystem BBS sind beispielsweise in der Veröf­ fentlichung "Electron beam chopping systems in the SEM" von E. Menzel und E. Kubalek (Scanning Electron Microscopy, SEM Inc., AMF O′Hare, 1979/I, Seiten 305-317) beschrieben. Ein geeig­ netes Strahlmodulationssystem ist beispielsweise aus der US- Patentschrift 41 69 229 bekannt.

Zur Erzeugung des modulierten Primärelektronenstroms ist ein Strahlmodulationsgenerator BBG mit dem Modulationseingang MI der Elektronenquelle ES verbunden. Der Strahlmodulationsgene­ rator BBG steuert das Strahlmodulationssystem BBS mit einem Modulationssignal MS an. In dieser Realisierung besteht das Modulationssignal MS aus Rechteckimpulsen, die mit konstanter Wiederhol-frequenz f_B auftreten. Andere Möglichkeiten zur An­ steuerung des Strahlmodulationssystems mit unterschiedlichen Signalformen sind ebenfalls in der zitierten Veröffentlichung von E. Menzel und E. Kubalek beschrieben und könnten im Prin­ zip ebenfalls verwendet werden. Jeder Rechteckimpuls des Modulationssignals MS tastet den Primärelektronenstrahl PE kurz ein und erzeugt so einen Primärelektronenimpuls. Die Breite der Rechteckimpulse bestimmt dabei die Dauer der Primärelektronenimpulse. Im Gegensatz zu den Zeitbereichsme­ thoden wird der Strahlmodulationsgenerator BBS nicht mit der übrigen Meßanordnung synchronisiert.

In Fig. 4 ist dabei eine besonders vorteilhafte Struktur des Strahlmodulationsgenerators BBG dargestellt. Er besteht in diesem Beispiel aus einem freilaufenden Sinusgenerator SG, der ein Sinussignal mit der Modulationsfrequenz f_B an den Trig­ gereingang eines nachgeschalteten Pulsgenerators PG abgibt. Der Pulsgenerator PG wird im "External Width"-Modus betrieben. Die Einstellung der Triggerschwelle bestimmt dann das Tastver­ hältnis der Ausgangsimpulse des Pulsgenerators, die zugleich auch die Ausgangsimpulse des Strahlmodulationsgenerators BBG sind und die das Modulationssignal MS bilden. Im Gegensatz zum Frequency-Mapping-Verfahren, bei dem ein schneller wobbelbarer Generator erforderlich ist, spielt beim erfindungsgemäßen Ver­ fahren die Einschwingzeit des Strahlmodulationsgenerators BBG keine Rolle. Es kann daher ein einfacheres Gerät verwendet werden.

Die so erzeugten Primärelektronenimpulse werden dann durch die in Fig. 3 nicht dargestellten Linsensysteme auf die Probe IC, beispielsweise eine integrierte Schaltung, fokussiert. Dort lösen die auftreffenden Primärelektronen PE Sekundärelektronen SE aus, die vom Detektor DT registriert und in Lichtimpulse umgewandelt werden. Diese Lichtimpulse werden dann uber einen Lichtleiter zu dem gewöhnlich außerhalb der Probenkammer des Elektronenstrahlmeßgerätes befindlichen Photomultiplier PM ge­ leitet, der die Lichtimpulse wieder in ein elektrisches Signal umsetzt, das dann, gegebenenfalls nach weiterer Verstärkung in einem dem Photomultiplier PM nachgeschalteten Vorverstärker PA, als (in diesem Fall elektrisches) sekundäres Signal SS zur weiteren Auswertung zur Verfügung steht.

Die zu untersuchende Probe IC wird zur Reproduktion des in­ teressierenden Vorgangs, z. B. eines Fehlers, zyklisch betrie­ ben. Dazu wird die Probe IC von einer Ansteuerung ICA mit Ver­ sorgungsspannungen und gegebenenfalls Eingangssignalen zur Stimulation versorgt. Als Ansteuerung ICA kann dabei insbeson­ dere ein Funktionstester dienen.

Das sekundäre Signal SS wird sodann zur Durchführung der Spek­ tralanalyse einem konventionellen (niederfrequenten) Spektrum­ analysator SPA zugeführt. Aufbau und Wirkungsweise derartiger Spektrumanalysatoren sind beispielsweise in dem Buch "Modern Spectrum Analyzer Theory and Applications" von M. Engelson (Artech House, Dedham, Mass., 1984, vor allem Kapitel 1 und 5) beschrieben und dem Fachmann bekannt. Im einfachsten Fall kann der Spektrumanalysator SPA aus einem durchstimmbaren Filter mit nachgeschaltetem Amplitudendemodulator bestehen, wobei die Mittenfrequenz des Filters über den interessierenden Bereich in der Zwischenfrequenzenee gewobbelt und das Ausgangssignal des Amplitudendemodulators als Funktion der Mittenfrequenz aufgezeichnet wird.

Besonders vorteilhaft läßt sich als Spektrumanalysator SPA auch ein sogenannter FFT-Analysator einsetzten. Ein solcher Analysator tastet das sekundäre Signal im Zeitbereich ab und digitalisiert es. Die so erhaltenen Meßwerte werden dann mit Hilfe eines Algorithmus′ zur diskreten Fourier-Transformation rechnerisch in den Frequenzbereich transformiert.

Das Spektrum in der Zwischenfrequenzeben erscheint auf der Ausgabeeinheit des Spektrumanalysators beispielsweise einem Display. Werden die Daten unmittelbar an einen Rechner über­ tragen, kann dieser noch vor der Ausgabe der Meßergebnisse die notwendige Verschiebung des Spektrums um f_B sowie gege­ benenfalls eine Spiegelung des Spektrums durchführen, um die Interpretation des Spektrums durch den Benutzer zu erleich­ tern. Im Gegensatz zum Frequency-Mapping-Verfahren, bei dem jede Spektrallinie im zu analysierenden Signal zwei Peaks im gemessenen Spektrum hervorruft, liefert das erfindungsgemäße Verfahren ein Meßergebnis das bis auf die Verschiebung um f_B in seiner Struktur exakt dem Spektrum des zu analysierenden Signals entspricht.

Bislang war stets von einem Spektrumanalysator die Rede. Damit ist in diesem Zusammenhang ein Gerät zu verstehen, das eine Spektrumanalyse durchführt, und dazu den interessierenden Fre­ quenzbereich durchwobbelt. Unter diese Definition fällt insbe­ sondere auch ein sogenannter Network-Analyzer. Ein solches Ge­ rät mißt nicht nur wie ein herkömmlicher Spektrumanalysator das Amplituden- sondern zusätzlich noch das Phasenspektrum. Ein solcher Network-Analyzer kann daher ebenfalls zur Reali­ sierung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden. Nach einer weiteren Ausgestaltung dieses Verfahren macht man von den erweiterten Möglichkeiten eines Network-Analyzers Gebrauch und mißt zusätzlich auch noch das Phasenspektrum des Signals u(t) am Meßort. Dazu ist es allerdings erforderlich, die Probenansteuerung, den Stahlmodulationsgenerator und den Network-Analyzer zu synchronisieren. Dies kann beispielsweise durch eine gemeinsame Referenzfrequenz, die allen Geräten zugeführt wird und synchron zu der dann die Ausgangssignale erzeugt werden geschehen. In Fig. 4 sind die erforderlichen Verbindungen der Geräte gestrichelt eingezeichnet. Alternativ dazu kann auch die Phasenbeziehung zwischen den Ausgangssigna­ len der Probenansteuerung ICA und dem Modulationssignal MS mit einem Phasendetektor (z. B. einem Mischer) gemessen und dem Network-Analyzer als Referenzphase zugeführt werden. Auf diese Art und Weise kann man Amplituden- und Phasenspektrum des Si­ gnals u(t) am Meßort gleichzeitig messen. Mit diesen beiden Informationen kann man dann sogar rechnerisch durch eine Fourier-Rücktransformation in den Zeitbereich den zeitlichen Verlauf des Signale u(t) am Meßort bestimmen.

Natürlich sind auch andere Ausführungsformen der Elektronen­ quelle ES als die in den Fig. 2-5 gezeigte möglich. So kann z. B. an Stelle der geheizten Kathode, die durch thermische Emission Primärelektronen PE erzeugt, eine Feld­ emissionskathode oder eine Photokathode, die durch Laserim­ pulse zur Aussendung von Elektronen angeregt wird, treten. Ebenso ist es möglich eine Halbleiterkathode zu verwenden. Bei einer Halbleiterkathode kann die Intensität der Emission sehr einfach durch Variation des Kathodenstroms erfolgen. Ein ei­ genständiges Strahlmodulationssystem hinter der Kathode kann dann entfallen, und das Modulationssignal MS steuert direkt den Kathodenstrom.

Neben dem in Zusammenhang mit Fig. 2-5 beschriebenen Sekun­ därelektronendetektor lassen sich selbstverständlich auch an­ dere Detektoren zur Ableitung des sekundären Signals ein­ setzen. Beispiele dafür sind Szitillationszähler, Faraday- Käfige oder Halbleiterdetektoren. Dem Detektor selbst kann selbstverständlich stets auch eine Einrichtung zur Verviel­ fachung der Sekundärelektronen (wie z. B. eine Kanalplatte) vorgeschaltet sein. Im Prinzip kann jeder Detektor, der beim Auftreffen von Sekundärelektronen ein Meßsignal abgibt, Ver­ wendung finden.

Zur Gewinnung des sekundären Signals SS kann insbesondere ein Energiespektrometer SP in die Anordnung eingebracht werden. Dies ist in den Fig. 2-5 durch ein Gegenfeldnetz ange­ deutet. Besonders gut eignet sich dazu ein Gegenfeld­ spektrometer, wie es beispielsweise aus der US-Patentschrift 42 92 419 bekannt ist. Wie ein solches Spektrometer zur Gewin­ nung eines Signale benutzt werden kann, ist dem Fachmann be­ kannt. Eine besonders einfache Möglichkeit ist z. B. das An­ legen einer konstanten Spannung an das Gegenfeldnetz.

Die Erfindung ist auch nicht so zu verstehen, daß der Primär­ strahl PE fein fokussiert nur die Meßstelle bestrahlt, sondern ebenso ist es im Rahmen der Erfindung möglich, daß er die Probe großflächig bestrahlt und daß die Definition der Meß­ stelle erst durch eine ortsaufgelöste Gewinnung des sekundären Signals SS erfolgt. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist die Messung von Oberflächenpotentialen mit Photoelektronen mittels des Potentialkontrasts. Dazu kann die Probe auf ihrer ganzen Oberfläche mit Licht bestrahlt werden (der Primärstrahl PE ist also hier sehr stark aufgeweitet) und die entstehenden Photoelektronen SE können dann mit Hilfe eines Vielkanaldetek­ tors nach ihrem Enstehungsort getrennt registriert und zu einem sekundären Signal umgeformt werden.

Die Mischung auf die Zwischenfrequenz f_ZF und damit die Trans­ formation der Signalfrequenzen in die Zwischenfrequenzebene beruht auf einem nichtlinearen Zusammenhang und der Modulation des Primärelektronenstrahles. Man kann dies aber auch errei­ chen, wenn man anstelle der Primärelektronen die Sekundärelek­ tronen oder das sekundäre Signal (SS) in Ihrer Intensität moduliert. Dies ist beispielsweise möglich, indem man die Energieschwelle eines Gegenfeldspektrometers mit der Modula­ tionsfrequenz f_B moduliert Durch Berücksichtigung der Spek­ trometer-Kennlinie kann man sogar eine sinusförmige Modulation des Sekundärelektronen-Signals erreichen, und so eventuelle Schwierigkeiten mit Kreuzmodulationsprodukten, wie sie beim beschriebenen Verfahren unter Umständen auftreten konnen, ver­ meiden. Durch die höheren umzuladenden Kapazitäten und die Energiedispersion der Sekundärelektronen ist allerdings die Grenzfrequenz geringer. Außerdem wird durch das Spektrometer das Gesichtsfeld eingeschränkt. Analog kann man auch den Photomultiplier zusammen mit einer Gate-Schaltung betreiben oder im Video-Signalpfad modulieren. In diesem Fall ist die erreichbare Bandbreite indes niedriger.

Die Erfindung wurde bisher anhand des Potentialkontrasteffekts in einem Elektronenstrahlmeßgerät beschrieben. Ihre Anwendung ist aber keinesfalls darauf beschränkt. Anstelle der Primär- und Sekundärelektronen können auch beliebige andere Korpuskel, wie z. B. Ionen, oder eine beliebiege Strahlung, insbesondere Lichtstrahlung treten. Verwendet man beispielsweise als Primärstrahl PE einen Laserstrahl, so kann dieser auf der Probenoberfläche Photoelektronen auslösen, die dann aufgrund des Potentialkontrasts von den elektrischen Feldern an der Probenoberfläche beeinflußt werden und, wie zuvor beschrieben, als Sekundärelektronen detektiert werden können. Aber auch andere Wechselwirkungen können anstelle des Potentialkontrasts treten. Dazu zählt beispielsweise die Beeinflussung der von einem Primärelektronenstrahl PE erzeugten Sekundärelektronen SE durch ein magnetisches Feld. Durch Ausnutzung dieses soge­ nannten "magnetischen Kontrasts" ließe sich etwa die Bewegung magnetischer Domänen in Magnetblasenspeichern untersuchen. Auch braucht das sekundäre Signal SS keineswegs von einem Sekundäkorpuskelstrom herzurühren, der mit Hilfe eines Detek­ tors registriert wird. Ebenso ist es beispielsweise möglich, das sekundäre Signal direkt von der Probe abzuleiten, indem man z. B. den vom Primärstrahl PE in der Probe IC induzierten Strom mißt. Ein Beispiel für eine solche Technik, ist die dem Fachmann wohlbekannte EBIC (Electron beam induced current)- Technik.

Selbstverständlich kann man die verschiedenen Abwandlungen auch kombiniert einsetzen. Verwendet man wiederum einen Laser­ strahl als Primärstrahl PE und eine integrierte Schaltung als Probe IC, so kann der Laserstrahl in den pn-Übergängen der Probe IC Elektron-Loch-Paare und damit freie Ladungsträger er­ zeugen. Dies macht sich dann in einer Änderung der Stromauf­ nahme der Probe IC bemerkbar. Wie groß diese Änderung ist, hängt auch vom Schaltzustand des jeweiligen pn-Übergangs ab. Eine Änderung des Schaltzustands eines pn-Übergangs ließe sich deshalb leicht durch eine Messung des Versorgungsstroms der Probe IC feststellen. Der Versorgungsstrom der Probe bzw. seine Abweichung vom Ruhestrom kann in diesem Fall unmittelbar als sekundäres Signal SS dienen, ein besonderer Detektor ist nicht erforderlich. Ebenso ist es möglich einen Laserstrahl als Primärstrahl zu benutzen, um das Oberflächenpotential der Probe IC zu messen. Die Wechselwirkung, die den multipli­ kativen Zusammenhang zur Verfügung stellt, sind in diesem Fall elektrooptische Effekte. Man bringt dazu einen elek­ trooptischen Kristall auf die Probenoberfläche auf. Zur Gewin­ nung des sekundären Signals könnte der Primärstrahl PE auf den elektrooptischen Kristall gerichtet und das reflektierte Licht über einen Polarisator geleitet und einem Detektor, bei­ spielsweise einem Photomultiplier, zugeführt werden. Wenn der elektrooptische Kristall in Abhängigkeit vom Ober­ flächenpotential der Probe die Polarisationsebene des Lichts dreht, liefert der Photomultiplier an seinem Ausgang ein Si­ gnal, dessen Signalhöhe vom Oberflächenpotential der Probe ab­ hängt und daher als sekundäres Signal benutzt werden kann.

Claims (19)

1. Verfahren zur schnellen Durchführung einer Spektralanalyse eines wiederkehrenden Signals (u(t)) an wenigstens einem Meß­ punkt einer Probe (IC) bei dem:

• - die Probe (IC) mit einem Primärstrahl (PE) beaufschlagt wird,
• - eine Wechselwirkung zwischen dem Primärstrahl (PE) und der Probe (IC) besteht,
• - von der Probe ein sekundäres Signal (SS) abgeleitet wird, das von der Wechselwirkung zwischen Primärstrahl und Probe beeinflußt wird,
• - bei dem der Primärstrahl (PE) oder die Sekundärstrahlung bzw. der Strom der Sekundärkorpuskel (SE) oder eine Ein­ richtung zur Gewinnung oder Verarbeitung des sekundären Signals (SS) mit einer Modulationsfrequenz (f_B) moduliert wird,
• - bei dem durch diese Modulation und durch die Wechsel­ wirkung wenigstens ein Teil des Spektrums des wieder­ kehrenden Signals (u(t)) im sekundären Signal (SS) in eine niederfrequente Zwischenfrequenzebene (ZF) gemischt wird und
• - bei dem das sekundäre Signal (SS) einer Spektralanalyse unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Spektralanalyse um eine Analyse sowohl des Ampli­ tuden- als auch des Phasenspektrums handelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Spektralanalyse als Meßergebnis erhaltene Spektrum um den Wert der Modulationsfrequenz (f_B) verschoben und/oder "gespiegelt" wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekenn­ zeichnet, daß das sekundäre Signal (SS) mit Hilfe eines Detek­ tors (DT) von der Probe (IC) abgeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüsche 1 bis 4 dadurch gekenn­ zeichnet, daß das sekundäre Signal (SS) mit Hilfe eines Spek­ trometers (SP) von der Probe abgeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekenn­ zeichnet, daß es sich bei der Wechselwirkung zwischen dem Pri­ märstrahl und der Probe um die Erzeugung von Sekun­ därelektronen (SE) durch den Primärstrahl (PE) und die nach­ folgende Beeinflussung der Sekundärelektronen durch den Poten­ tialkontrast handelt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekenn­ zeichnet, daß es sich bei der Wechselwirkung zwischen dem Pri­ märstrahl und der Probe um die Erzeugung von Sekun­ därelektronen (SE) durch den Primärstrahl (PE) und die nach­ folgende Beeinflussung der Sekundärelektronen durch den magne­ tischen Kontrast handelt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekenn­ zeichnet, daß es sich bei der Wechselwirkung zwischen dem Pri­ märstrahl (PE) und der Probe (IC) um den EBIC-Effekt handelt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekenn­ zeichnet, daß es sich bei der Wechselwirkung zwischen dem Pri­ märstrahl (PE) und der Probe (IC) um einen elektrooptischen Effekt handelt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Primärstrahl (PE) durch thermische Emisssion erzeugt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Primärstrahl (PE) durch Feldemission erzeugt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Primärstrahl (PE) durch Photoemission er­ zeugt wird.

13. Anordnung zur Durchführung einer Spektralanalyse eines wiederkehrenden Signals (u(t)) an wenigstens einem Meßpunkt einer Probe (IC) mit folgenden Merkmalen:

• - die Anordnung enthält eine Primärstrahlquelle (ES) zur Erzeugung eines Primärstrahls,
• - die Anordnung enthält eine Vorrichtung zur Führung und Fokussierung des Primärstrahls (PE) auf die Probe (IC), die von einer Ansteuerung (ICA) mit Versorgungsspannungen und/oder Ansteuersignalen versorgt wird,
• - die Anordnung enthält eine Vorrichtung (DT, PA) zur Ab­ leitung eines sekundären Signals (SS) von der Probe (IC), wobei dieses sekundäre Signal (SS) von einer Wechselwir­ kung zwischen dem Primärstrahl (PE) und der Probe (IC) beeinflußt wird,
• - die Anordnung enthält eine Vorrichtung (BBS) zur Modu­ lation des Primärstrahls (PE) oder der Sekundärstrahlung bzw. des Stroms der Sekundärkorpuskel (SE) oder einer Einrichtung zur Gewinnung oder Verarbeitung des sekun­ dären Signals (SS) mit einer Modulationsfrequenz (f_B) und
• - die Anordnung enthält einen Spektrumanalysator (SPA), dem das sekundäre Signal (SS) zur Spektralanalyse zugeführt wird und dessen Eingang dazu mit dem Ausgang der Vorrich­ tung zur Ableitung des sekundären Signale (SS) verbunden ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Spektrumanalysator (SPA) um einen Network-Analy­ sator handelt.

15. Anordnung nach Anspruch 13 oder dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Spektrumanalysator (SPA) um einen FFT- Analysator handelt.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Primärstrahlquelle (ES) aus einer Elek­ tronenkanone (EG) zur Erzeugung eines unmodulierten Stroms von Primärkorpuskeln (PE) und einem nachgeschalteten Strahlmodula­ tionsystem (BBS) als Vorrichtung zur Modulation besteht.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektronenkanone (EG) eine Halbleiterka­ thode enthält, deren Primärkorpuskelemission durch den Strom durch die Kathode gesteuert werden kann.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektronenkanone (EG) eine Photokathode enthält, die durch Lichtimpulse zur Emission von Primär­ korpuskelimpulsen angeregt werden kann.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 18 dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Ausgang des Spektrumanalysator mit einem Eingang einer Aufzeichnungseinrichtung verbunden ist, wobei der Aufzeichnungseinrichtung wenigstens ein weiteres Signal zugeführt wird, das Informationen über den Ort des jeweiligen Meßpunkts trägt.