DE69024390T2

DE69024390T2 - Apparat zum Prüfen von Unterbrechungen/Kurzschlüssen bei kapazitiv gekoppelten Netzen in Substraten unter Verwendung von Elektronenstrahlen

Info

Publication number: DE69024390T2
Application number: DE69024390T
Authority: DE
Inventors: Steven Douglas Golladay; Fritz Juergen Hohn; David Joseph Hutson; William D Meisburger; Juergen Rasch
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1989-03-21
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2010-02-21
Also published as: EP0389397B1; JPH02280071A; EP0678752B1; DE69024390D1; EP0678752A1; JPH0792497B2; EP0389397A2; DE69033851T2; EP0389397A3; DE69033851D1; US4943769A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen elektrischer Verbindungen zwischen Leitungen auf einem isolierenden Körper durch Anwenden eines Elektronenstrahls auf der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils.

Verwandte Technik

Die US-Patente 4 578 279, 4 417 203 und 4 415 851 (allgemein der Anmelderin der gegenwärtigen Anmeldung übertragen) beziehen sich alle auf die Verwendung des Elektronenstrahlprüfens von Substraten.
Das US-Patent 4 415 851 von Langner et al. für "System for Contactless Testing of Multi-Layer Ceramics" und US-Patent 4 417 203 von Pfeiffer et al. "System for Contactless Elektrical Property Testing of Multi-layer Ceramics" offenbaren Systeme zum Prüfen des Netzwerkes einschließlich sowohl der Ober- zu Unterseitenverbindungen als auch der Ober- zu Oberseitenverbindungen. Die Systeme enthalten zwei Elektronenflutkanonen und eine Abtaststrahlkanone. Der Abtaststrahl ist angeordnet, um die Oberfläche des Objekts in der Prüfung abzutasten. Eine Elutkanone bestrahlt die Unterseite für die Ober- zu Unterseitenprüfung. Die andere Flutkanone bestrahlt die Oberseite für die Prüfung der Ober- zu Oberseitenverbindungen.
Das US-Patent 4 578 279 von Zingher zur "Inspection of Multilayer Ceramic Circuit Medules by Electrical Inspection of Unfired Green Sheets" beschreibt das Anwenden elektrischer Prüfverfahren einschließlich Elektronenstrahlprüfverfahren.
W. H. Bruenger, F. J. Hohn, D. P. Kern, P. J. Coane und T. H. P. Chang, "Electron Energy Analyzer for Applications in Large Scan Field for Electron Beam Testing", Proceedings of the Symposium on Electron and Ion Beam Science and Technology, Tenth International Conference 1982, The Electrochemical Society, Proceedings Bd. 83-2, Seiten 159 bis 169 (1983), zeigt in Fig. 4 einen Vierkanal-Analysator mit Verzögerungsfeld, mit nachfolgendem Extraktionsgitter, wobei das "Verzögerungsgitter" und das Kollektorgitter in einem 45-Grad-Winkel zur Vertikalen mit Bezug auf das Target des Elektronenstrahls liegen, und mit einem Sensor und einer Photoverstärkerröhre hinter dem Kollektorgitter.
P. J. Fentem und A. Gopinath zeigen auf Seite 931 in "Voltage Contrast Linearization with a Hemispherical Retarding Analyzer", Journal of Physics E: Scientific Instruments, Seiten 930 bis 933 (1974), Bd. 7, ein Paar halbkugelförmige Gitter sowohl in FIG. la als auch in ib, wobei ein Gitter B ein Verzögerungsgitter ist. Der Artikel stellt fest, "... zwei halbkugelförmige Gitter, die einen Verzögerungsanalysator mit dem Objekt in der Mitte bilden". Die FIG. 1b zeigt einen Szintillatorkäfig jenseits von dem Verzögerungsgitter B. In bezug auf den Szintillatorkäfig stellt der Artikel fest: "Ein abschließendes Auffangen wurde erreicht... durch Plazieren eines konventionellen Szintillatorkäfigdetektors nahe bei den Gittern". Es wird bei Fentem et al. mit Bezug auf FIG. 1a festgestellt, daß das Gitter A "auf +60 V gehalten wird, um sicherzustellen, daß Sekundärelektronen, die von dem Objekt emittiert werden, nach außen gezogen werden, obgleich das zur Folge hat, daß das Gitter einige Elektronen sammelt. Dieses Gitter sollte mindestens, etwa 15 V über dem höchsten positiven Potential, das an das Verzögerungsgitter (B) angelegt wird, liegen, weil ein Anstieg im Kollektorstrom an der festen Halbkugel beobachtet wird, wenn sich das Potential des Verzögerungsgitters dem des inneren Gitters nähert". Vom Blickpunkt dieser Erfindung aus hat das von Fentem et al. andere Nachteile. Erstens werden Sekundärelektronen veranlaßt, zur Probe zurückzukehren. Zweitens gibt es keine Spannungsspitze in der Spannungskontrastcharakteristik, das Wünschenswerte daran wird später erörtert. Drittens ist das System nur für relativ kleine Proben geeignet.
S.D. Golladay, H.C. Pfeiffer und M.A. Sturans zeigen in "Stabilizer Grid for Contrast Enhancement in Contactless Testing of MLC Modules", IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 25, Nr. 12, Mai 1983, Seiten 6621 bis 6623, ein Prüfen mit Elektronenstrahlen unter Verwendung eines negativ vorgespannten Stabilisierungsgitters zwischen einer Flutkanone und einer Probe.
Das US-Patent 4 843 330, das am 30. Oktober 1986 von Golladay, Hohn und Pfeiffer für ein "Electron Beam Contactless Testing System with Grid Bias Switching" eingereicht wurde, beschreibt ein Elektronenstrahl-Prüfsystem, wobei ein Gitter über dem zu prüfenden Bauteil angeordnet ist. Das Gitter wird sowohl zum Unterstützen des Aufladens als auch zum Extrahieren von Sekundärelektronen aus dem zu prüfenden Bauteil durch Einschalten der Vorspannung, die an das Gitter angelegt wird, verwendet.
GB-A-2 021 789 offenbart ein Spannungsüberwachungsystem unter Verwendung einer Elektronenstrahlsonde. Die Sekundärelektronen, die infolge des Primärelektronenstrahls von einem elektronischen Bauelement freigesetzt werden, dessen Energie von der Spannung abhängt, werden durch ein Spektrometer detektiert, das mindestens eine Steuerelektrode aufweist. Steuerungsmittel gehören zu dem Spektrometer und dienen der Steuerung der Steuerelektrode in Abhängigkeit von einem Wert, der zu dem Integral der Energieverteilung der Sekundärelektronen proportional ist, so daß, was auch immer die Spannung an dem Meßpunkt ist, im wesentlichen nur Sekundärelektronen erfaßt werden, die Energien aufweisen, die nicht geringer sind, als das Maximum der Energieverteilung der Elektronen, die von dem elektronischen Bauelement freigesetzt werden.

Technische Probleme

Gemäß dem Verfahren, das durch die Vorrichtung dieser Erfindung angewendet wird, ist es erforderlich, daß ein relativ hochenergetischer Strahl die zu prüfende Schaltung auflädt und daß dann ein Strahl mit einer niedrigeren Energie angewandt werden soll, der die vorhandene Spannung auf jedem Punkt des Netzwerks abtasten wird.
Für eine praktische Anwendung dieses Prüfverfahrens ist eine neue Vorrichtung erforderlich, die über die beschriebene Technik hinausgeht. Insbesondere ist das Folgende erforderlich:
1) ein geeigneter Spannungskontrastdetektor,
2) ein Verfahren, um den Aufladeprozeß zu steuern und
3) Verfahren zum Prüfen kapazitiv gekoppelter Netzwerke.
Für die Zwecke der elektrischen Prüfung von Substraten muß ein "geeigneter" Spannungskontrastdetektor die folgenden Eigenschaften aufweisen:
1. einen guten Kontrast zwischen geladenen und ungeladenen Netzen, d.h. einen guten Spannungskontrast,
2. physische Verträglichkeit mit einem großen Abtastfeld,
3. gleichmäßiger kontrast über einem großen Substrat,
4. keine Rückkehr von Sekundärelektronen niedriger Energie auf die Probenoberfläche des zu prüfenden Objekts. Die Rückkehr derartiger Elektronen kann das elektrische Potential auf Anschlußflächen oder Durchkontakten, die an die geprüften Anschlußflächen oder Durchkontakte angrenzen, verändern. Dies kann ein Fehlanzeigen der Detektion von Defekten in dem Objekt erzeugen.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Prüfkosten, verglichen mit mechanischen Prüfsonden wegen des hohen Werkzeugdurchsatzes zu vermindern; eine Technologie bereitzustellen, die auf sehr kleinen Strukturen anwendbar ist; eine Software betriebene Adressierungsmöglichkeit zu verwenden, mit der ihr innewohnenden Flexibilität und der Möglichkeit eines sicheren Prüfens von Materialien, die durch mechanisches Prüfen beschädigt würden.
Gemäß dieser Erfindung wird das Potential eines Schaltungsknotens durch Abtasten der Menge der Sekundärelektronen eines vorbestimmten Bereichs von Energiepegeln, die von jedem Knoten des Netzwerkes emittiert werden, geprüft.
Diese Aufgabe wird durch Verwenden der in Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung erreicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1A zeigt eine schematische Ansicht eines Spannungskontrastdetektors für die Verwendung in einer Elektronenstrahl-Prüfvorrichtung gemäß eines Aspektes dieser Erfindung.
FIG. 1B zeigt eine Darstellung in auseinandergezogener perspektivischer Anordnung des Spannungskontrastdetektors.
FIG. 2 zeigt ein Gesamtsystem, das geeignet ist, die Vorrichtung nach FIG. 1A und 1B einzuschließen.
FIG. 3 ist ein Ausdruck einer Kurve der Empfindlichkeit eines Detektors, wenn das Potential eines Netzes durch den Aufladestrahl erhöht wird.
FIG. 4 zeigt eine Schaltung zur Verwendung einer Spitzende- tektorschaltung, um automatisch den Elektronenstrahl dunkelzutasten, wodurch das Aufladen beendet wird, wenn die gewünschte Spannung auf einem Kontakt auf der Probe erreicht wurde.
FIG. 5 zeigt Ausdrucke mehrerer Spannungskurven als eine Funktion der Zeit für mehrere Verbindungspunkte in der Schaltung der FIG. 4.
FIG. 6 ist eine schematische Darstellung eines Netzwerkes mit einer Unterbrechung zwischen Knoten A und B und mit einem Elektronenstrahl, der an den Knoten A angelegt wird.
FIG. 7 ist eine schematische Darstellung von N-Netzen, die kapazitiv an das N+1'ste-Netz mit einer nominellen Reihenkapazität CS gekoppelt sind und wobei das N+1'ste-Netz über die Kapazität CC mit der Masse verbunden ist.
FIG. 8 ist eine schematische Darstellung einer Baugruppenstruktur, die geeignet ist, ein Prüfverfahren gemäß einem anderen Aspekt dieser Erfindung anzuwenden, indem ein fokussierter Prüfstrahl von oberhalb und ein unfokussierter Beleuchtungsstrahl von unterhalb einer Probe verwendet wird.
FIG. 9 und 10 zeigen Oszillographenleuchtspuren, die ein kapazitives Koppeln zwischen Netzwerken darstellen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Vorrichtung zur großflächigen Spannungskontrastdetektion

FIG. 1A zeigt einen Spannungskontrastdetektor, der für die Verwendung mit einem Elektronenstrahl 21 geeignet ist, welcher auf eine Probe 10 (zu prüfendes Bauteil), die mehrere leitende Elemente aufweist, gerichtet wird. Die Probe 10 wird von dem Träger 9 gestützt. Die Kammerwand 60 befindet sich auf Massepotential.
FIG. 1B zeigt eine Ansicht in auseinandergezogener perspektivischer Anordnung des Systems der FIG. 1A. Der Detektor der Figuren 1A und 1B ist zum Einbauen in ein System der FIG 2 angepaßt, was für den Fachmann verständlich ist, wurde aber zur Vereinfachung der Darstellung in dieser Zeichnung weggelassen. Der Hauptzweck dieser Vorrichtung ist es, Sekundärelektronen wirkungsvoll zu sammeln. Die gesammelten Elektronen sollten ausschließlich zu einem mittleren Bereich von Energiepegeln gehören. Die meisten Elektronen niedriger Energie unterhalb des mittleren Energiepegelbereichs werden durch ein elektrostatisches Feld, das durch einen strategisch angeordneten Abschnitt des Detektors erzeugt wird, zurückgestoßen.
Die meisten Elektronen hoher Energie, d.h. rückgestreute Elektronen, gehen durch eine offene Gitterstruktur, um die Detektorvorrichtung zu verlassen und stoßen auf die Kammerwand und werden dort durch eine Gitterstruktur eingefangen.
Der Strahl 21 in FIG. 1A lädt die leitenden Elemente auf der Probe 10 (Objekt) auf.

Extraktionsgitter

Über der Probe 10 und parallel zu deren oberen Oberfläche ist ein Paar paralleler Extraktionsgitter 11 und 12 gestapelt, die ein unteres Extraktionsgitter 11 und ein oberes Extraktionsgitter 12 umfassen. Das Gitter 11 ist mit einem positiven Potential in bezug auf die Probe 10 vorgespannt, um die Sekundärelektronen, die von der Probe 10 emittiert werden, zu beschleunigen. Die relativ hohe Spannung, die an dem Gitter 11 benötigt wird, würde einen unerwünschten Effekt des Ablenkens des Primärstrahles 21 haben, außer unter Anwesenheit des Gitters 12, das auf einer niedrigeren Spannung V&sub1;&sub2; gehalten wird. V&sub1;&sub2; kann so gewählt werden, daß das Gitter 12 einen tollerierbar kleinen Einfluß auf den Primärstrahl 21 selber hat, während sie den Einfluß des Gitters 11 auf den Raum zwischen Gitter 12 und der Probe begrenzt. Das Gitter 11 befindet sich auf der Spannung V&sub1;&sub1;, die etwa 20 Volt bis 50 Volt, positiv gegenüber der Probe 10 ist, wobei der Wert als eine Funktion der Geometrie der Probe (insbesondere der Größe und dem Abstand zwischen den Leitungen) gewählt wurde, so daß Sekundärelektronen wirksam von der Probe abgesaugt werden.

Rechtwinklige Doppelgittersätze

Es gibt Mittel zum Anziehen von Sekundärelektronen aus der Probe 10, die die lateralen Gitter 15 und 16 umfassen, die in Bezug auf den Strahl 21 und die Probe 10 lateral und über der Probe 10 und den Gittern 11 und 12 angeordnet sind. Die Sätze lateraler Gitter 15 und 16 umfassen einige (vier) rechtwinklige Doppelgittersärze positiver und negativer Gitter 15 bzw. 16, die "konzentrisch" zu dem Elektronenstrahl 21 und oberhalb über dem Rand der vier Kanten des quadratischen Elektronenstrahltargets, d.h. der Probe 10, die durch den Elektronenstrahl 21 zu prüfen ist, angeordnet sind. Das negativ geladene obere Repulsionsgitter 17 ist über und parallel zu der Probe 10 mit einer Durchgangsöffnung für den Elektronenstrahl 21 angeordnet. Im Gegensatz zu den Erscheinungsbildern, erfordert der Entwurf der Elektroden (Gitter> 14, 15, 16 und 17 nicht, sich der Gestalt eines Abschnitts eines halbkugelförmigen Dorns zu nähern. Jedes positive Attraktionsgitter 15 steht der Probe 10 gegenüber und ist an eine leicht positive Spannung angeschlossen. Hinter dem positiven Attraktionsgitter 15 befindet sich in jedem Fall ein zweites Gitter 16, das negativ vorgespannt werden kann, um als ein Verzögerungsgitter für die zurückgestoßenen niederenergetischen Sekundärelektronen zu dienen, um sie daran zu hindern, die Sekundärelektronenwandler 22 zu erreichen, die jeder einen Sensor 18 für die Sekundärelektronen und eine Photoverstärkerröhre 20 umfassen. Der Sensor 18 ist ein Szintillationssensor, der die Sekundärelektronen beschleunigt und die Energie der beschleunigten Elektronen in Photonen umwandelt, die durch die Photoverstärkerröhre 20 empfangen werden. (Das Gitter 16 kann im Entwurf des Systems weggelassen oder auf Masse gelegt werden. Im normalen Betrieb ist es nicht erforderlich, daß es verwendet wird, aber seine Spannung kann angepaßt werden, um die Durchführung durch Abstimmen der rechtwinkligen Doppelgittersätze auf ein bestimmtes System zu optimieren).

Szintillationssensoren

Skintillationssensoren 18 liegen hinter jedem der Verzögerungsgitter 16 und sie aktivieren die Photoverstärkerröhren 20 in Reaktion auf die Sekundärelektronen, die geeignet sind, ein Attraktionsgitter 15 und das korrespondierende Gitter der Verzögerungsgitter 16 zu passieren.

Sekundärelektronenablenkung

Ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung ist es, daß die zurückgestoßenen niederenergetischen Elektronen ein ausreichendes laterales Moment aufweisen, d.h. zu den Seiten des Raumes über der Probe 10 hin, so daß sie nicht auf die Probe zurückfallen werden und falsche Messungen erzeugen. Wenn die Sekundärelektronen das Gitter 12 passieren und sie das Gitter 12 auf ihrem Weg nach dem Starten von der Probe 10 und dem Gitter 11 verlassen, müssen die Sekundärelektronen des vorbestimmten Energiepegels, der bezeichnend für den Zustand der Probe 12 ist, die vier geneigten Sätze rechtwinkliger Attraktionsgitter 15 mit vier Verzögerungsgittern 16, von denen jedes parallel zu dem entsprechenden Attraktionsgitter 15 ist, passieren. Zusätzlich zu den Gittern 15 16 schließt die Vorrichtung dieses Systems negativ geladene Elemente zur Ablenkung der Sekundärelektronen lateral zu dem Strahl 21 und der Probe 10 ein. Solche Mittel zur Ablenkung von Sekundärelektronen schließen dreieckige Gitter 14 zwischen den Gittern 15, und ein oberen Repulsionsgitter 17, das den Raum um den Elektronenstrahl oberhalb der Probe 10 bedeckt, ein. Das Gitter 17 erstreckt sich parallel zu der Probe 10 mit einer Öffnung darin für den Strahl 21.

Dreieckige Gitter

Zwischen benachbarten Sätzen von Attraktions- und Verzögerungsgittern 15 und 16 sind einige (4) dreieckige Repulsionsgitter 14 angeordnet, die relativ zu den Gittern 15 auf ziemlich negativem Potential liegen, um die Elektronen zu den Attraktionsgittern 15 zurückzustoßen. Die Attraktionsgitter 15 und die dreieckigen Repulsionsgitter 14 zusammen mit einem negativ geladenen oberen Gitter 17 (das auch Elektronen zurückstößt) bilden ein elektrisches Feld über der Probe 10. Die Gitter 14 und 17 erzeugen negative, abstoßende elektrische Feldmuster, die dahin tendieren, wenn sie mit den positiven Ladungen der Attraktionsgitter 15 kombiniert werden, Elektronen von mittlerer Energie in Richtung auf die Attraktionsgitter 15 abzulenken, während die Elektronen niedriger Energie hinunter zurück zu der Probe 10 geführt werden. Eine tatsächliche Rückkehr dieser Elektronen zu der Probe 10 wird durch laterale auswärtsgerichtete Kräfte verhindert, die durch die Anziehung der Elektronen durch die positive Vorspannung auf dem zylindrischen Gitter 13, das auf dem Rand des Raumes, der durch die Gitter 13, 14, 15 und 17 und die Probe 10 festgelegt ist, angeordnet ist.

Zylindrisches Attraktionsgitter

Unterhalb der hinteren Enden der rechtwinkligen Gitter 15 und der dreieckigen Gitter 14 ist das zylindrische Attraktionsgitter 13 mit einem positiven Potential zum Sammeln aller niederenergetischer Sekundärelektronen angeordnet, die aus dem Raum nahe den Attraktionsgittern 15 zurückfallen. Das zylindrische Gitter 13 ist koaxial zu demelektronenstrahl 21.
Die genaue Zahl der dreieckigen Gitter 14 und der rechtwinkligen Gitter 15 ist nicht kritisch und ist tatsächlich ideal, je größer die Anzahl von jedem ist, um so besser ist es von dem Blickpunkt der Spannungsgleichförmigkeit aus, aber die höhere Spannung auf den dreieckigen Gittern 14 ist deshalb wichtig, weil sie eine Spitze in der Empfindlichkeitskurve der Spannung gegenüber der Zeit verursacht, im Gegensatz zu der flachen und niedrigen Spannungskurve, die mit einem bisherigen Entwurf erzeugt wird, ohne die vielen zusätzlichen negativ geladenen Gitter, die das Feld zum kanalisieren der Sekundärelektronen mit mittlerem Energiepegel weg von den Randbereichen und hin zu den Szintillationszählern 18, verzerren.
Die Gitter 19 und 23 sind vorgespannt, um die Elektronen mittlerer Energie zu den Zählern 18 der korrespondierenden Sekundärelektronenwandler 22 zu lenken, während den gestreuten Elektronen ermöglicht wird, durch die Gitterwände der Kammer, die durch die Gitter 16, 19 und 23 festgelegt sind, zu passieren. Die Gitter 19 und 23 sind elektrisch voneinander isoliert und sind einzeln in der Vorspannung angepaßt, um die Detektorspannungs-Empfindlichkeitskurve, wie in FIG. 5 gezeigt, zu optimieren.
Es ist wichtig, eine scharfe Empfindlichkeitskurve zu besitzen, weil dies den Kontrast zwischen geladenen und ungeladenen Netzwerken verbessert. Das angewandte Verfahren bedingt eine Selektion von nur solchen Sekundärelektronen innerhalb eines schmalen Bereichs von Energiepegeln, weil solche, die zu viel oder zu wenig Energie haben, nicht den korrekten Bereich kinetischer Energie aufweisen, um durch die rechtwinkligen Gitter 15 hindurch zu passieren und um dann durch den Szintillator 18 getastet zu werden.
FIG. 1B zeigt eine Darstellung in auseinandergezogener perspektivischer Anordnung der gesamten Detektorstruktur. Die Grundplatte 8 trägt die Gitterrahmenbasis 99, die den Rahmen trägt, der die Extraktionsgitter 11 und 12 trägt. Das zylindrische Attraktionsgitter 13 wird von der Grundplatte 8 gestützt. Die zweiten Gitter 16 sind zwischen den dreieckigen Gittern 14 zu sehen. Positive Attraktionsgitter 15 liegen hinter den Gittern 16, deshalb sind sie nicht in FIG. 1B gezeigt. Die Gitter 19 und 23 werden rechts von einem der zweiten Gitter 16 gezeigt. Das obere Repulsionsgitter 17 mit dem Loch für den Elektronenstrahl wird auf der Oberseite der Gesamtstruktur gezeigt.
Es ist selbstverständlich, daß die spezifische Anordnung der Gitter 13, 14, 15, 16, 17 und 19 für eine Ausführung des Konzeptes der Selektion von Sekundärelektronen in einem mittleren oder vorbestimmten Bereich kinetischer Energie, mit der sie die Probe 10 verlassen, bezeichnend ist. Hinter dieser Ausführungsform steht ein Konzept der Rückstoßung solcher Elektronen mit niedrigem Energiepegel nach unten und dann ihrer Attraktion nach außen, was sie veranlaßt, zur Seite der Probe 10 abgelenkt zu werden. Auf ähnliche Weise werden hochenergetische Sekundärelektronen veranlaßt, zu geerdeten Oberflächen weit über der Probe 10 zu passieren. Solche mit einem akzeptablen, mittleren Energiepegel werden zur Seite zurückgestoßen und durch die Gitter 15 und 16 zu den Sensoren 18 hingezogen. Während aus praktischen Gründen die Gitter 15 und 16 gezeigt werden, als seien sie rechtwinklig, ist es naheliegend, daß sie viele andere Formen haben können, die mit den Erfordernissen des Sammelns von Sekundärelektronen mittlerer Energie durch die Gitter 15 und 16 und ihres Ablenkens durch die Gitter 14 und 17 übereinstimmen. Das Gitter 13 kann auf ähnliche Weise aus anderen als einer zylindrischen Form sein, solange es ein laterales Gitter bereitstellt, das die Sekundärelektronen anzieht und sammelt, die zur Probe 10 zurückkehren, weil sie niedrigere Energiepegel aufweisen.

Elektronenstrahl-Detektorsystem

FIG. 2 zeigt den Aufbau eines gesamten Elektronenstrahl-Detektorsystems, in das die Vorrichtung nach FIG. 1A und 1B paßt. Die Vorrichtung ist zum Vorteil der Darstellung und zur Klarheit der Erläuterung der zugrundeliegenden Details vereinfacht. Die Zusammenstellung der Bauelemente ist für Fachleute ohne weiteres verständlich. Eine Elektronenstrahl-Vakuumsäule 50 weist eine Elektronenstrahl-Prüfkanone 52 auf, die an einem Ende daran angeordnet ist. Ein Fokussierlinsensystem 54, das ringförmige Spulen umfaßt, wird verwendet, um den Strahl 21, der von der Kanone 52 ausgeht, zu fokussieren. Ablenkspulen 56, die durch einen Ablenkgenerator und eine Strahl-Ein/Aus-Steuerung 58 erregt werden, werden zur Strahlsteuerung verwendet. Die Elektronenoptik ist ähnlich der eines Rasterelektronenmikroskops, das in der Technik bestens bekannt ist.
Eine Prozeßvakuumkammer 7 mit Kammerwänden 60 hat eine Beladungsstation 62 mit einem Absperrtor 64 zum automatischen Handhaben von Proben 10 zum Prüfen. Eine Beladüngsvorrichtung 66 wird verwendet, um die Proben 10 aufzunehmen, die auf einem Träger bei der Beladungsstation 62 befestigt sind, und um sie zu dem Übergabetisch 70 zu bewegen. Mittels mechanischer Schieber, Lufttechniken und Ahnlichem werden die Proben 10 auf den Trägern 9 vom Übergabetisch 70 auf den Objekttisch 72 bewegt. Der Tisch 72 ist in ausgesuchten X-Y-Richtungen in einer Ebene bewegbar, die senkrecht zu der Achse des Strahls 21 liegt, um bestimmte Abschnitte der Probe 10, einer nach dem anderen der Reihe nach, innerhalb des Strahlenablenkfeldes zu positionieren. Der Tisch 72 hat eine Öffnung 74, die groß genug ist, um die Unterseite der Probe 10 freizulegen. Nachdem die Prüfung beendet ist, werden die Proben 10 in umgekehrter Reihenfolge zurück zur Beladestation 62 gebracht, so daß, wenn das Absperrtor 64 geöffnet wird, die Proben, die vorher geprüft wurden, aus der Kammer 7 entfernt und neue zu prüfende Objekte in die Kammer 7 geladen werden. Das Beladen, das Entladen und das Bewegen des Tisches 72 werden durch ein elektronisches Systemsteuergerät 78 gesteuert, das Anweisungen (Belade/Entlade Tisch) für das Handhabungssteuergerät 80 für die Objekte bereitstellt. Die elektronische Steuerung der Übergabebewegung und der Zugriff zum Tor (in einer Weise, die mit dem gesamten Prüfverfahren koordiniert ist) ist auf dem Fachgebiet bestens bekannt. Solche Verfahren sind auch in der Halbleiterlithographie allgemein bekannt. Die speziellen Merkmale des Systemsteuergerätes 78 und des Steuergerätes 80 gehören allgemein zum Stand der Technik.
Das System der FIG. 2 schließt zwei Elektronenflutkanonen ein, eine obere Flutkanone 82 und eine untere Flutkanone 84. Die Kanonen 82 und 84 werden selektiv betätigt, um die oberen bzw. unteren Flächen der Proben 10 während unterschiedlicher Prüfverfahren aufzuladen.
In der Säule 50 ist der Sekundärelektronenwandler 22, der in FIG. 1A gezeigt wird, angeordnet. Die Sekundärelektronenemission ist eine Folge der Abtastung durch Abtast- oder "Lese"-Strahl 21, der durch die Kanone 52 erzeugt und durch die Wandler 22 erfaßt wird, dadurch wird ein Ausgangssignal auf den Leitungen 87 für einen Eingang des Signalprozessors 86 bereitgestellt, der im Detail in FIG. 4 gezeigt wird. Das sich ergebende Ausgangssignal von dem Prozessor 86, das in eine digitale Form konvertiert ist, wird auf Leitung 88 dem Systemsteuergerät 78 zum Zwecke der Fehlererkennung zur Verfügung gestellt und kann auf einem Echtzeitmonitor (nicht gezeigt) dargestellt und/oder gespeichert werden. Zusätzlich mißt der Signalprozessor 86 das Signal und vergleicht es gegenüber einem vorgegebenen Wert und stellt Dunkeltastsignale auf der Leitung 35 bereit, um die Einheit 58 zu steuern, wie es unten mit Bezug auf FIG. 4 beschrieben wird.
Im Betrieb werden Eingangsdaten dem Systemsteuergerät 78 zugeführt, das die Adressen der zu prüfenden Punkte auf den Proben 10 und die erwarteten Ausgangssignale, wenn elektrischer Durchgang an jedem zu prüfenden Punkt besteht, bereitstellt. Das Steuergerät 78 stellt Signale auf der Leitung 89 für den Ablenkgenerator mit Strahl-Ein/Aus-Steuerung 58 bereit, um zusätzliche Signale bereitzustellen, die zu der Steuerung der Belichtung (Ein-Aus) über die Leitung 90 zu der Dunkeltast-Steuerelektrode 91 gehören. Das Dunkeltasten wird weiterhin in Verbindung mit der Beschreibung der Schaltung der FIG. 4 erörtert.
Das Steuergerät 78 wählt auch aus, wie es bestens in der Elektronenstrahl-Lithographietechnik bekannt ist, welche der Flutkanonen 82 oder 84 betätigt wird und in welcher passenden Reihenfolge sie mit dem Elektronenstrahl 21 betätigt werden. Die Leitung 97 von dem Steuergerät 78 stellt den Verstärkungsregelungseingang der Verstärker 29 in dem Signalprozessor 86 ein. Die Leitung 92 stellt ein Eingangssignal von dem steuergerät 78 zu der anpaßbaren Hystereseschaltung 32 bereit, um die Steuerung des Potentiometers in der anpaßbaren Hystereseschaltung 32 in dem Prozessor 86, wie in FIG. 4 gezeigt, einzustellen. Die Leitung 88 verbindet den Ausgang eines Digitalisiergerätes 93 in dem Prozessor 86 mit dem Steuergerät 78, wie in FIG. 4 gezeigt.
Die Leitung 35 verbindet den Strahldunkeltastausgang von dem Signalprozessor 86 zur Steuerung 58, die die Strahldunkeltastleitung 90 betreibt, wie oben erläutert. Die Steuerung 58 steuert auch die Ablenkung des Prüfstrahls 21 durch Einstellen des Stromes in den Ablenkspulen 56.
Eine der Flutkanonen 82 oder 84 wird betätigt, um eine Oberfläche des Objekts zu laden und kann oder kann nicht ausgeschaltet werden, was von der durchzuführenden Prüfung abhängü. Die untere Flutkanone 84 wird zum Prüfen der Netzwerke verwendet, die Leitungen aufweisen, die sich von der oberen Fläche zu der unteren Fläche einer Probe 10 erstrecken. In diesem Modus wird der Prüfoder Lesestrahl 21 dann über die Leitungsabschnitte auf der oberen Fläche der Probe 10 in einem Vektor- oder Rastermodus zu den Adressen getastet, die durch das Steuergerät 78 geliefert werden. Der Lesestrahl 21 verursacht die Erzeugung von Sekundärelektronen aus der Oberfläche der Probe 10 und die emittierten Sekundärelektronen werden durch den Wandler 22 getastet.
Bezugnehmend auf FIG. 4 durchläuft das Ausgangssignal des Wandlers 22 (oben links) das Kabel 87 zum Signalprozessor 86, wo es verstärkt, digitalisiert und mit einem Standard verglichen wird, um digitale und Strahldunkeltast-Ausgangssignale auf den Leitungen 88 bzw. 35 zu erzeugen. Dies wird unten in größerem Detail erörtert.
Andere Details des Systems können weiterhin durch Bezugnahme auf das allgemein übertragene US-Patent 4 417 203 verständlich werden.

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Aufladens von Leitern durch einen Elektronenstrahl

Das Verfahren des kontaktfreien elektrischen Prüfens von Substraten (wie es in den oben erwähnten, allgemein übertragenen US-Patenten 4 415 851 und 4 417 203 beschrieben wird) beruht auf der Erzeugung von Spannungen aufleitenden Netzwerken durch einen fokussierten Elektronenstrahl von geeigneter Energie. Nachfolgend werden diese Spannungen mit einem anderen Elektronenstrahl und einem geeigneten Spannungskontrastdetektor für Sekundärelektronen getastet, um die Erfassung von Kurzschlüssen und Unterbrechungen in den Netzwerken des Substrats zu ermöglichen.
Für eine korrekte Funktion des Prüfgerätes muß der Aufladevorgang gesteuert werden, so daß alle Netzwerke zuverlässig und reproduzierbar auf eine spezifische Spannung aufgeladen werden können. Dieses ist erforderlich, weil ein zu niedriges Aufladen den Kontrast zwischen geladenen und ungeladenen Netzen vermindert und ihre richtige Unterscheidung verhindern kann. Überladen ist ein noch gravierenderes Problem, weil dort die Möglichkeit eines Aufladens auf mehrere hundert Volt oder mehr gegeben ist, wenn der Aufladestrahlstrom und die Spannung so gewählt werden, um Netzwerke so schnell (Millisekunden) zu laden, wie es für ein automatisches Hochgeschwindigkeitsprüfgerät erforderlich wird. Ein Überladen kann Felder erzeugen, die groß genug sind, um den Aufladestrahl abzulenken, wodurch Adressierungsfehler erzeugt werden. Noch schlimmer ist der Effekt von derartigen Feldern auf Sekundärelektronen mit niedriger Energie, die wesentlich für den Spannungskontrast sind. Deshalb kann selbst ein moderat überladenes Netz mit dem Abtasten von benachbarten Netzen in Wechselwirkung treten. Die Schwierigkeit des Aufladungssteuerproblems ist mit der Tatsache verbunden, daß es für ein Werkzeug mit hohem Durchsatz zwingend notwendig wird, daß ein gesamtes Substrat von 100 mm x 100 mm durch denelektronenstrahl ohne jegliche Substratbewegung adressierbar ist. Es ist sehr schwierig, einen Spannungskontrastdetektor mit perfekt gleichförmiger Reaktion über einer derart großen Fläche zu entwerfen, so daß das Aufladesteuerungsverfahren in Bezug auf Detektorungleichmäßigkeiten wirkungsvoll sein muß.
Das Steuerungsverfahren besteht aus einem besonderen Signalanalyseverfahren, das in Verbindung mit dem Spannungskontrastdetektor der FIG. 1A verwendet wird. Dieser Detektor hat die nachfolgenden Eigenschaften:
1. Der Detektor reagiert, wenn eine Funktion der Spannung des Prüfpunktes bei einer bestimmten Spannung deutlich eine Spitze erreicht, die durch die Anpassung des Potentials auf unterschiedlichen Gittern in dem Detektor ausgewählt werden kann.
2. Die Spannung, die mit der Spitze korrespondiert, ist konstant ±1 Volt über einer Probe.
Wenn das Potential eines Netzes durch den Ladungsstrahl erhöht wird, folgt die Reaktion des Detektors einer Kurve, wie sie in FIG. 3 erläutert wird.
Die Signalprozessorschaltung 86, die in FIG. 4 gezeigt wird, reagiert auf den Wandler 22, der aus Szintillationssensoren 18 besteht, die durch Lichtleiter 27 mit den Photoverstärkerröhren 20 gekoppelt sind. Die Röhren 20 sind durch ein Kabel 87 mit den Summationsoperationsverstärkern 29 verbunden. Die Schaltung 86 veranlaßt die Steuerung 58 automatisch, den Elektronenstrahl 21 mittels der Leitung 35 zur Steuerung 58, zur Leitung 90 und zur Elektrode 91 dunkel zu tasten (Beenden des Aufladens der Probe 10 durch den Strahl 21, wenn das Ausgangssignal E auf der Leitung 35 ansteigt).
Der Sekundärelektronenwandler 22 schließt die Sensoren 18 und Photoverstärkerröhren 20 ein. Die Sensoren 18 erzeugen Licht, das zu den Photoverstärkerröhren 20, wie in FIG. 1A gezeigt, übertragen wird.
FIG. 4 zeigt Einzelheiten des Signalprozessors 86 der FIG. 2. Die Ausgänge der Photoverstärkerröhren 20 sind durch das Kabel 87 mit einem Satz von Summationsoperationsverstärkern 29 in üblicher Weise innerhalb des Prozessors 86 verbunden. Die Ausgänge der Verstärker 29 sind durch Kabel A mit der Filterschaltung 30 verbunden, die eine gefilterte Version des Eingangs von Leitung A auf der Leitung B bereitstellt. Der Strahl 21 wird durch das Signal auf der Leitung 35 dunkelgetastet, wenn die kombiniert getesteten Signale auf dem Kabel 87 unter einen Spitzenwert fallen, der durch einen Betrag einstellbar ist, der durch ΔV in FIG. 5 gekennzeichnet wird und der das Fallen unter die Spitzenspannung am Ausgang C in FIG. 4 darstellt. Der Ausgang des Filters 30 ist über Kabel E mit den Eingängen des Spitzendetektors 31 und dem negativen Eingang des Komparators 33 verbunden. Der Ausgang des Spitzendetektors 31 ist über die Leitung C mit einem ersten Eingang der anpaßbaren Hystereseschaltung 32 verbunden (einschließlich eines Spannungsteilers und eines Potentiometers). Die Hystereseschaltung 32 hat einen Ausgang D, der mit dem positiven Eingang des Komparators 33 verbunden ist. Wie oben festgestellt, ist der negative Eingang des Komparators mit der Leitung B von dem Filter 30 verbunden. Der Komparator 33 wird angeschlossen, um eine positivere Spannung E in FIG. 5 zum Dunkeltasten des Elektronenstrahls 21 zur Zeit Tc bereitzustellen, nachdem ein ausreichendes Aufladen, wie in der oberen Kurve in FIG. 5 gezeigt wird, erfolgt ist. Bezugnehmend auf FIG. 5, die die Spannungen der Signale A bis E als eine Funktion der Zeit in größerem Detail zeigt, durchlaufen die Eingangssignale A (die als ein Verbund gezeigt werden) über Leitung A das Filter 30, das das Signal B erzeugt, das dem Spitzendetektor 31, dem Komparator 33 und dem Digitalisierungsgerät 93 zugeführt wird. Das Ausgangssignal C des Spitzendetektors 31 wird durch die einstellbare Hystereseschaltung 32 gedämpft und ein Ausgangssignal D davon wird gegenüber dem Originaleingangssignal B von dem Filter 30 durch den Komparator 33 verglichen. Wenn das Eingangssignal B unter den modifizierten Spitzenwert zur Zeit Tc in FIG. 5 fällt, wird der Komparator 33 messen, daß das Ausgangssignal B näher zu dem Wert des Ausgangssignal D liegt, so daß der Komparator 33 seinen Zustand umschaltet, um ein Ausgangssignal E mit positivem Wert, wie in FIG. 5 gezeigt, zu liefern. Der positive Wert des Ausgangssignals E erzeugt seinerseits ein Ausgangssignal auf Leitung 35 für die Steuerung 58, die in Reaktion darauf den Strahl 21 dunkeltastet. Die Rückführung eines Teils des Komparatorausgangssignals E zu dem anderen Eingang E an dem rechten Ende der anpaßbaren Hystereseschaltung 32 sichert ein Sperren des Ausgangs des Komparators 33 trotz Rauschens auf den Eingangssignalen A.
Dieses Aufladesteuerungsverfahren wurde erfolgreich angewendet. Das Ergebnis ist, daß während der Prüfung einer Probe bei unterschiedlichen Festsetzungen für ΔV automatisch gesteuerte Aufladekurven erhalten werden.
Das Aufladesteuerungsverfahren weist einige wichtige Vorteile gegenüber jedem alternativen Verfahren auf, das in Betracht gezogen wurde.
1. Alle Netzwerke werden auf die gleiche Spannung geladen trotz unvermeidbarer Variationen im absoluten Signalpegel, die zum Beispiel durch die Oberflächentopographie, durch Kontaminationen oder durch Detektor-Ungleichförmigkeiten verursacht werden.
2. Jedes Netz bleibt auf einer Spannung, die ein maximales Signal erzeugt, wenn das Netz nachfolgend abgetastet wird.
3. Wenn ein Aufladen an einem bereits geladenen Netz versucht wird, sinkt unmittelbar das Rückkopplungssignal und der Strahl wird innerhalb einiger Mikrosekunden dunkelgetastet und es wird ein Schutz gegen Überladen bereitgestellt.
4. Eine einfache Hardware-Ausführung, die für Anwendungen mit hohem Durchsatz geeignet ist.

Verfahren zum Prüfen kapazitiv gekoppelter Netzwerke

Dieses Prüfverfahren verwendet einen Elektronenstrahl geeigneter Energie, um die Knotenpunkte von Leiternetzwerken zu laden, die nachfolgend durch einen zweiten Strahl in Kombination mit einem Spannungskontrastdetektor für Sekundärelektronen (S.E.) abgetastet werden, um Unterbrechungen (offene Schaltkreise) oder Kurzschlüsse (kuzgeschlossene Schaltkreise) zu erfassen.
Wie in US-Patent 4 417 203 von Pfeiffer et al. beschrieben (oben zitiert), besteht die Testfolge aus dem Aufladen eines Knotenpunktes, dem Abtasten aller anderen Knotenpunkte, um die Durchgang festzustellen; und dann mit dem nächsten Netz fortfahren. Kurzschlüsse werden festgestellt, wenn ein Netz vor dem Aufladen abgetastet und herausgefunden wird, daß es geladen ist.
Die Möglichkeit eines relativ hohen Durchsatzes bei komplexen Substraten hängt zu einem großen Teil von dem Wirkungsgrad, der diesem Prüfverfahren zu eigen ist, ab. Indem die Ladungsspeicherung auf den Substratmitteln ausgenutzt wird, steigt die gesamte Prüfzeit proportional mit N, der Gesamtzahl der Prüfpunkte, im Gegensatz zu N², was der Fall bei mechanischer Prüfung wäre, bei der jeder Punkt gegenüber allen anderen geprüft wird.

Das Problem, das durch das Verfahren gelöst wird

Das Prüfverfahren, wie es in dem US-Patent 4 417 203 (ober zitiert) beschrieben wird, hinterläßt ein Problem, das durch elektrostatische Kopplung von Netzwerken in dem Substrat verursacht wird, was in den Figuren 6 und 7 erläutert wird. Das Aufladen eines Netzwerkes auf einem Substrat mit einem Elektronenstrahl auf ein gegebenes Potential kann und wird das Potential anderer benachbarter Netzwerke beeinflussen. In tatsächlichen Substraten ist diese Kopplung häufig so stark, daß Netzwerke miteinander als kurzgeschlossen erscheinen, wenn sie es in Wirklichkeit nicht sind. Alternativ kann eine solche Kopplung so stark sein, daß sie die Erfassung von Unterbrechungen in einem Netzwerk verhindert.
Mit anderen Worten hat der Durchgangsprüfungsmittels Elektronenstrahlen ohne eine Lösung dieser vorgestellten Probleme bei kapazitiver Kopplung unter diesen Umständen Grenzen.
Bezugnehmend auf FIG. 6 wird ein Substrat 67 aus einem isoherenden Material, wie Keramik, betrachtet, mit einer in dem Substrat 67 vergrabenen Leitung 68. Die Leitung 68 ist ein Teil des Netzwerkes zwischen den Knotenpunkten 94 und 98 mit einer Öffnung (Unterbrechung) 69 zwischen den Knotenpunkten 94 und 98. Wenn der Knotenpunkt 94 auf eine Spannung V&sub9;&sub4; geladen ist, hängt das Potential am Punkt 98 von der Reihenkapazität Cs und von der Erdkapazität Cg ab, wie es durch die folgende Gleichung gezeigt wird:
wobei: Cs die Reihenkapazität ist und
Cg die Erdkapazität ist.
Für die Unterbrechung 69 benötigt man für ein zuverlässiges Erfassen folgendes:
V&sub9;&sub4; muß viel weniger als V&sub9;&sub8; sein oder
Cs muß viel weniger als Cg sein für alle Unterbrechungen.
Bei komplexeren Substraten mit einer größeren Anzahl von Netzwerken ist es unter dem Blickpunkt der reduzierten Prüfzeit wünschenswert, ein Prüfverfahren anzuwenden, das eine Ladungsspeicherung auf dem Substrat benutzt.
Anfänglich werden alle Netzwerke auf dem Substrat auf ein gleichförmiges Potential gebracht, was vorteilhaft mit nominell 0 Volt gewählt werden kann. Wie bestens auf dem Fachgebiet bekannt ist, kann dies auf mehrere Arten erreicht werden, z.B. durch Abtasten des Substrats mit einem Elektronenstrahl, dessen Energie so gewählt wurde, daß die Leitungen und das Substrat positiv geladen werden. Das positive Aufladen ist ein selbstbegrenzender Vorgang, der durch die Spannung gesteuert werden kann, die auf ein Gitter über und parallel zu dem Substrat angelegt wird.
Der Durchgang innerhalb der Netzwerke wird durch Aufladen eines Knotens eines Netzwerkes auf ein bestimmtes Potential verwirklicht, dann werden die anderen Knotenpunkte abgetastet, um festzustellen, ob sie auf demselben Potential liegen. Kurzschlüsse zwischen Netzwerken werden durch Abtasten des ersten Knotens von jedem Netzwerk vor dem Durchführen der oben beschriebenen Aufladen/Abtasten-Folge entdeckt.
Wenn festgestellt wird, daß der Knotenpunkt auf dem Aufladepotential vor dem Aufladen durch den Elektronenstrahl liegt, muß er mit einem kurz vorher geladenen Netzwerk kurzgeschlossen sein. Wenn die Prüfung fortschreitet, werden mehr und mehr Netzwerke auf das Aufladepotential geladen sein.
Die elektrostatischen Felder von jedem der Netze beeinflussen das Potential der ungeladenen Netze, die zu prüfen übrigbleiben, bis zu einem Grad, der von der direkten kapazitiven Kopplung zwischen den Netzen abhängt. Das Erhöhen des Potentials durch kapazitive Kopplung ist nicht unterscheidbar von dem, das durch tätsächliche Bestrahlung mit Ladungen durch den Elektronenstrahl verursacht wird.
Bezugnehmend nun auf FIG. 7 werden Netze von 1 bis N + 1 auf einem isolierenden Substrat 95 dargestellt, mit N gleich etwa 10.000, was für ein großes Multi-Chip-Modul typisch ist.
Es wird angenommen, daß die Netze 1 bis N geprüft und auf einer Spannung V1 geladen belassen wurden und daß das anfängliche Abtasten des N + 1'ten Netzes betrachtet wird. Wenn das Netz wirklich zu allen N vorher geprüften Netzen isoliert ist, muß sein Potential VN+1 wieder viel kleiner als V&sub1; sein aber
wobei angenommen wird, daß jedes der Netze 1 bis N mit dem Netz N+1 durch eine Reihenkapazität CS gekoppelt ist. Deshalb wird gefordert :)
N * (CS-Typ) viel kleiner als Gg, für N in der Größenordnung 10.000.
Das ist eine strikte Forderung, die nicht immer von allen Substrattypen erfüllt wird.
Dieser Aspekt dieser Erfindung besteht aus Verfahren, um eine breite Vielfalt von Substrattypen erfolgreich zu prüfen. Das verwendete Verfahren hängt von dem Verhältnis CS/Cg für das spezielle Substrat ab. Zuerst wird das Verfahren für die Situation von CS/Cg in der Größenordnung 1, d.h. ein hoher Grad der Kopplung zwischen typischen Netzwerken und einer relativ kleinen Kapazität zur Masse, beschrieben.

Prüfverfahren für Bauteile mit stark gekoppelten Netzwerken; CS/CG in der Größenordnung 1

In FIG. 8 werden alle Netze zuerst durch den Flutstrahl geladen. Ein Netz wird einzeln unter Verwendung des fokussierten Strahls entladen. Der Durchgang in dem Netz wird durch Abtasten der anderen Netzknoten festgestellt, um zu prüfen, ob sie alle entladen sind. Das nächste Netz wird dann abgetastet. Ein niedriger Abtastwert zeigt einen Kurzschluß mit dem vorher entladenen Netz. Das Netz wird dann entladen und die Prüfung wird auf diese Weise fortgesetzt.
Eine Substratbauteilstruktur, die aus einem Substrat 40 mit Leitungsknotenpunkten A und B von korrespondierenden Netzwerken innerhalb des Substrats 40 zusammengesetzt ist, wird in der FIG. 8 schematisch dargestellt. Das Prüfverfahren benutzt einen fokussierten Prüfstrahl 38 von oberhalb des Substrats 40 und einen nicht fokussierten Flutstrahl 39 von unterhalb des Substrats 40. Die Energie des Prüfstrahls 38 wird so gewählt, daß sie einen Knotenpunkt A oder B positiv auf eine Spannung, die durch das Potential auf der oberen Fläche des Extraktionsgitters 41 bestimmt wird, auflädt. Der Strahlstromdes Strahls 38 wird so gewählt, daß das positive Gleichgewichtspotential in einigen Millisekunden erreicht wird. Das Potential eines Knotenpunktes (z.B.: A oder E) kann durch diesen Strahl ohne bedeutsames Aufladen unter Verwendung kurzer Impulse von einer Mikrosekunde oder so getestet werden. Das ursprüngliche Prüfverfahren von Golliday et al. bestand aus einer ersten negativen Ladung aller Knotenpunkte auf eine Spannung V&sub1;, die durch das Potential des unteren Stabilisierungsgitters 42, das unter dem Substrat 40 liegt, festgelegt ist (S. D. Golladay, H. C. Pfeiffer und M. A. Sturans, "Stabilizer Grid for Gontrast Enhancement in Contactless Testing of MLC Modules", IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 25, Nr. 12, Mai 1983, Seiten 6621 bis 6623). Nachfolgend wird die Flutkanone 39 ausgeschaltet. Das erste Netz B wird dann durch den fokussierten Strahl 38 entladen. Der Durchgang innerhalb des Netzes B wird durch Abtasten der anderen Netzknotenpunkte festgestellt, um zu prüfen, ob sie alle entladen sind. Das nächste Netz A wird dann gemessen. Ein niedriger Abtastwert zeigt einen Kurzschluß zu dem vorher entladenen Netz an. Das Netz A wird dann entladen und die Prüfung auf diese Weise fortgesetzt.
Jedoch ist dieses gerade beschriebene Verfahren gegenüber kapazitiver Kopplung zwischen Netzwerken anfällig. Diese Kopplung wird durch die Oszillographenleuchtspuren in den Figuren 9 und 10 für eine bestimmte Art von Substrat erläutert. Die Leuchtspuren zeigen das Spannungskontrastsignal, wenn der Elektronenstrahl die Knotenpunkte auf der Bauteilprobe ansteuert. Die Höhe der Impulse ist ungefähr proportional der Spannung auf dem Netzwerk (negativere Knoten erzeugen größere Impulse).
Wie in FIG. 9 für ein Experiment EXP. 1 gemäß dieser Erfindung gezeigt wird, gehört der höhere Impuls 45 zu der Spannung, auf die das Netz A in FIG. 8 durch die Flutkanone 39 aufgeladen wurde. Nachdem ein kapazitiv gekoppeltes benachbartes Netz B entladen worden ist, ist das Netz A wiederholt noch einmal abgetastet worden (in der Sekunde von zwei aufeinanderfolgenden Abtastwerten, die in FIG. 9 auf der äußerst rechten Seite gezeigt werden), was einen kleineren Impuls 46 erzeugt hat. Die Potentiale der beiden Netze während des Experimentes werden in FIG. 9 gezeigt. In diesem Fall würde man fälschlicherweise schließen, daß die Netze A und B zusammen kurzgeschlossen sind, obwohl tatsächlich die ähnlichen Potentiale ausschließlich durch die kapazitive Kopplung CS in diesem Beispiel verursacht sind.
Die Grundidee für eine Netzwerk-Entkopplung ist die gleichzeitige Anwendung von einem Elektronenstrahl auf die in der Prüfung befindliche Schaltung und eines anderen Strahls auf die anderen Schaltungen, die kapazitiv mit der ersten Schaltung gekoppelt sind. Mit passend ausgewählten Strahlparametern können die gekoppelten Schaltungen mit unterschiedlichen Spannungen, außer sie sind tatsächlich miteinander kurzgeschlossen, angesteuert werden, wodurch eine Durchgangsprüfung ermöglicht wird. Diese Grundidee kann auf unterschiedliche Weise angewendet werden, was von dem speziellen Substrat abhängt. Für den Chipbaustein der FIG. 8 kann die Entkopplung durch Annahme eines unterschiedlichen Prüfverfahrens erreicht werden, was eine Flutkanonenstrahlung der Flutkanone 39 auf alle Netzwerke während eines gleichzeitigen Prüfens eines einzelnen Netzes A oder Netzes B mit dem fokussierten Strahl 38 einschließt. Wenn man einen genügend niedrigen Strom von der Flutkanone 39 wählt, wird das Netz A durch gleichzeitige Anwendung sowohl des Prüfstrahls 38 als auch des Flutstrahls 39 innerhalb einer Zeit t1 dennoch positiv angesteuert. Wenn die Zeit, die zum Aufladen aller Netze eines Teils auf diesen Wert des Flutkanonenstroms erforderlich ist, t2 ist, dann wird bei Anwendung beider Strahlen für eine Zeit t3, wobei t3 = max (t1,t2), ein Netz positiv geladen, während der Rest auf eine negative Spannung geladen wird. FIG. 10 zeigt die Entkopplung, die auf diese Weise erreicht wird. Wie in Exp. 1 wird das Netz A getestet, bevor und nachdem Netz B entladen wurde, außer daß die Flutkanone während der Entladung des Netzes B eingeschaltet war. Nun werden die nachfolgenden Abtastwerte 47 und 48 des Netzes A nicht unterscheidbar; das Netz A wurde entkoppelt vom Netz B. Der Unterschied zwischen den zwei Spannungskurven A und B ist proportional zu der verstrichenen Zeit.
Für das besondere Bauteil des Exp. 1 kann die Entkopplung durch Flutkanonenbestrahlung der Unterseite erreicht werden, weil alle Netzwerke in diesem Substrat Verbindungen zur Unterseite haben. Alternativ kann, wie es für den Fachmann naheliegend ist, das anfängliche Verfahren auch benutzt werden, indem die Flutkanonen der Oberseite verwendet werden.
In dem Verfahren nach FIG. 9 sind die Schritte wie folgt:
Taste A ab
Entlade B
Taste A ab
In dem Verfahren nach FIG. 10 sind die Schritte wie folgt:
Taste A ab
Entlade B (Flutkanone Ein)
Taste A ab
Das neue Prüfverfahren nach FIG. 10 entlädt jedes Netz, wie oben beschrieben, und dann tastet es alle anderen Netze ab, um sie auf Kurzschlüsse mit dem entladenen Netz zu prüfen (indem keine Duplikation erlaubt wird). Die Prüfzeit ist deshalb proportional zu N², wobei N die Anzahl der zu prüfenden Netze ist. Für die relativ geringe Zahl an Netzwerken bei diesem Bauteiltyp (etwa 200) ist dies immer noch ein geeignetes Verfahren und wurde erfolgreich angewendet.
Große Bauteile haben zu viele Netze, um dafür praktikabel zu sein, deshalb wird ein unterschiedliches Prüfverfahren verwendet und das kapazitive Kopplungsproblem auf einem unterschiedlichen Weg gelöst.

Prüfverfahren für Bauteile mit schwacher Kopplung; CS/CG in der Größenordnung 1/10000

In größeren Bauteilen gibt es 100 bis 500 mal mehr Netzwerke, als in den kleineren oben erörterten Bauteilen. Wenn die Prüfzeit mit dem neuen Prüfverfahren, das oben beschrieben wird mit N² wächst, kann diese Näherung für Bauteile mit vernünftigem Durchsatz unpraktisch werden. Deshalb wird ein Prüfverfahren gefordert, das eine Ladungsspeicherung auf dem Bauteilsubstrat vorsieht, um die Prüfzeit zu vermindern. In diesem Fall stellt diese Erfindung ein Verfahren bereit, durch das dieses erreicht werden kann.
Das Problem ist es sicherzustellen, daß die Forderungen für das Kapazitätsverhältnis der FIG. 6 erfüllt werden. Bezugnehmend auf die Figuren 6 und 8 stellen glücklicherweise einige Bauteilentwürfe einen Weg, um das zu erreichen, bereit; zum Beispiel, wo Substrate stark metallisierte Ebenen 43 einschließen (mit den gleichen Bezugszeichen sowohl in FIG. 6 als auch in FIG. 8 für die Leistungsebenen 43 und den Schalter 44), welche im vervollständigten Funktionsmodul mit unterschiedlichen Spannungen für die Leistungsversorgung verbunden sind. Alle Netze sind stark mit solchen Leistungsebenen 43 gekoppelt. Wenn eine oder mehrere Leistungsebenen 43 (im Substrat 67 bzw. 40) auf irgendeiner passenden Spannung gehalten werden, z.B. Masse durch Schließen des Schalters 44, ist die Wirkung ein enormes Ansteigen von Cg der FIG. 6. Dadurch, daß die Leistungsebenen teilweise als elektrostatische Abschirmungen zwischen den anderen Netzen wirken, gibt es einen zusätzlichen Vorteil, weil die Kapazitäten CS zur glei- chen Zeit vermindert werden.
Die Steuerung über die Spannung der Leistungsebene 43 kann sehr leicht durch Herstellen eines physischen Kontaktes mit einem der großen Ausgangsanschlußflächen der Unterseite des Bauteils erreicht werden (was für den Fachmann bestens verständlich ist). Wenn ein kontaktloses Prüfverfahren gewünscht wird, kann das Potential einer Leistungsebene 43 durch ein Flutkanonen-Stabilisierungsgitter auf der Unterseite des Bauteils gesteuert werden. Da dieses alle anderen Durchverbindungen laden wird, müssen Kurzschlüsse zwischen Durchverbindungen in einer getrennten Prüfung gefunden werden. Da es relativ wenige Netzwerke dieses Typs gibt, kann eine Modifikation des oben beschriebenen Substratprüfverfahrens für stark gekoppelte Bauteile für diese begrenzte Untergruppe der Gesamtprüfung verwendet werden.
Ein alternatives kontaktfreies Verfahren verwendet einen fokussierten Strahl und ein geeignet geformtes Stabilisierungsgitter, so daß ein Knotenpunkt der Leistungsebene bestrahlt wird und das Potential durch einen fokussierten Strahl gesteuert wird. Das Prüfverfahren ist in diesem Fall genau das gleiche wie in dem Fall, wo ein physischer Kontakt mit der Leistungsebene hergestellt wird.

Allgemeiner Fall

Bisher wurde das Prüfverfahren für zwei (2) Arten von Substraten beschrieben, mit beträchtlichen Unterschieden in ihrer Eignung für eine Elektronenstrahlprüfung unter Verwendung eines Aufladespeicherverfahrens. Für das Substrat mit stark gekoppelten Netzen ist Cs/Cg ungefähr Eins und eine Aufladespeicherung kann nicht zum Vermindern der Prüfzeit benutzt werden. Für ein großes Bauteil mit einer internen Leistungsebene, die geerdet ist, kann Cs/Cg in der Größenordnung von 1/10.000 liegen und es kann möglich sein, vorteilhaft die Ladungsspeicherung voll zu nutzen. Das bedeutet, daß für ein Substrat mit 10.000 Netzen das letzte Netz geprüft wird, wenn die 9.999 vorhergehenden Netze alle noch geladen sind.
Im allgemeinen kann man erwarten, daß mit einem Produkt mit dazwischen liegenden Fällen zu rechnen ist (Cs/Cg etwa gleich von 10 bis 1/1.000), und als nächstes wird das Prüfverfahren, das in dieser Situation anwendbar ist, beschrieben.

Das segmentierte Prüfverfahren

Für ein gegebenes Teil und eine gegebene Ordnung der zu prüfenden Netze kann man durch ein Experiment bestimmen, wie viele Netze nacheinander mit dem Aufladespeicherverfahren geprüft werden können, bevor falsche Kurzschlüsse erkannt werden; diese Anzahl wird N genannt. Man kann dann die Prüfung segmentieren, um so weit wie möglich bei der Prüfung in der folgenden Weise die Aufladespeicherung zu verwenden. Angenommen, die zu prüfenden Netze sind auf einer Liste geordnet. Man prüft die ersten NS Netze durch Aufladen/Entladen des ersten Netzes, indem seine Knotenpunkte nach Unterbrechungen getestet werden und setzt mit dem nächsten Netz fort. Kurzschlüsse werden durch Abtasten eines Netzes vor seinem Aufladen erfaßt, dann wird auf Unterbrechungen getestet, usw., wobei kurzzeitig eine Aufladespeicherung für eine "interne Gruppenprüfung" verwendet wird. Wenn alle Netze 1 bis NS in der "internen Gruppe" auf diese Weise geprüft sind, werden alle Netze entladen und die Prüfung beginnt wieder mit der nächsten Gruppe von N Netzen, die mit dem Q + 1'ten Netz beginnt. Das neue Merkmal ist, daß, wenn alle Netze der zweiten Gruppe "intern" geprüft sind, die Gruppe 1 bis NS erneut gemessen wird, um die Kurzschlüsse der "internen Gruppe" zu finden. Dann wird entladen und die interne Gruppenprüfung an der dritten Gruppe von Netzen durchgeführt, gefolgt durch das Abtasten der ersten beiden Gruppen. Dieser Vorgang wird dann für das ganze Teil wiederholt.
Das besondere Verfahren der internen Gruppenprüfung durch Abtasten der vorhergehenden Gruppen kann modifiziert werden, zum Beispiel stattdessen durch Abtasten der nachfolgenden Gruppen, das aber keinen wesentlichen Unterschied zu dem Verfahren bildet. Die Anzahl der Prüfdurchgänge (Abtasten/Aufladen) ist nun ungefähr proportional zu N²/NS.
Zum Erreichen der minimalen Prüfzeit sollte NS so groß wie möglich sein und dies kann dadurch, wie die Netzliste geordnet wird, beeinflußt werden, z.B. durch Bilden von Gruppen von Netzen, die aufgrund des Abstandes untereinander oder durch Abschirmungseffekte nicht stark gekoppelt sind.
Das segmentierte Prüfverfahren ist ein Verfahren zum Prüfen elektrischer Verbindungen und Kurzschlüsse auf einem Körper isolierenden Materials, wobei die Prüfzeit unter Verwenden der Ladungsspeicherung auf den Leiternetzwerken bis zu dem maximal möglichen bestehenden Umfang unter Vermeiden von fehlerhaften Messungen aufgrund kapazitiver Kopplung minimiert ist.
Es wird angenommen, daß die Gesamtheit der Netzwerke, die zu prüfen sind, in Gruppen in der Weise aufgeteilt ist, daß Netzwerke innerhalb einer Gruppe nicht stark miteinander gekoppelt sind. Die Schritte, die durchzuführen sind, sind wie folgt:
I. Führe eine vollständige interne Gruppenprüfung auf der Gruppe 1 durch. Eine interne Gruppenprüfung findet alle Ünterbrechungen auf Netzwerken innerhalb einer Gruppe und alle Kurzschlüsse zwischen Netzen innerhalb einer Gruppe.
Eine interne Gruppenprüfung wird wie folgt durchgeführt:
A. Taste die Knoten eines Netzwerkes 1 ab.
B. Auflade einen Knoten des Netzwerkes 1.
C. Taste die Knoten des Netzwerkes 1 ab.
Wiederholung der Schritte A bis C für Netzwerk 2, d.h.
A. Taste die Knoten des Netzwerkes 2 ab.
B. Auflade einen Knoten des Netzwerkes 2.
C. Taste die Knoten des Netzwerkes 2 ab.
Wiederholung der Schritte A bis C für alle Netzwerke in der Gruppe. Ein Kurzschluß wird erfaßt, wenn ein Netzwerke im Schritt A aufgeladen gefunden wird. Eine Unterbrechung wird erfaßt, wenn ein Knoten gefunden wird, der im Schritt C nicht geladen ist. Die Folge der Schritte A bis C für alle Netze in der Gruppe bildet eine vollständige interne Gruppenprüfung.
II. Entlade die Netzwerke in Gruppe 1.
III. Führe eine vollständige interne Gruppenprüfung in Gruppe 2 durch.
IV. Taste die Netzwerke in Gruppe 1 ab. Jeder Knoten, der auf der Aufladespannung gefunden wird, ist kurzgeschlossen mit einem Netz der Gruppe 2.
V. Entlade Gruppe 2.
VI. Führe eine vollständige interne Gruppenprüfung in Gruppe 3 durch.
VII. Taste die Netzwerke in Gruppe 1 und 2 ab. Jeder Knoten, der auf der Aufladespannung gefunden wird, ist kurzgeschlossen mit einem Netz der Gruppe 3.
VIII.Entlade Gruppe 3.
Dieses Muster wird mit jeder Gruppe wiederholt. Zum Beispiel für die letzte Gruppe, Gruppe N.
IX. Führe eine vollständige interne Gruppenprüfung in der Gruppe N durch.
X. Taste die Netzwerke in Gruppe 1 bis N-1 ab.
Für eine minimale Prüfzeit ist es wichtig, die Anzahl der Gruppen, die für die Durchführung der vollständigen Prüfung verwendet werden, durch Einschließen so vieler Netze wie möglich in jeder Gruppe zu minimieren. Dies wird durch Gruppieren der Netze, die wegen des physischen Abstandes oder elektrostatischer Abschirmung nicht stark kapazitiv gekoppelt sind, erreicht. In der Praxis kann die Grenze für die Anzahl der Netze pro Gruppe mittels Erhöhen der Anzahl der Netze pro Gruppe, bis Ausfallfehler aufgrund kapazitiver Kopplung erfaßt werden, bestimmt werden.

Industrielle Anwendbarkeit

Eine neuartige Vorrichtung der Durchgangsprüfung unter Verwenden eines Elektronenstrahls wurde beschrieben, die es ermöglicht, erfolgreich große und sehr große chipbauteilartigen Erzeugnisse zu prüfen.

Claims

1. Elektronenstrahl-Prüfanordnung umfassend:

- Mittel (50, 52, 21, 91, 54, 56) zum Ausrichten eines Elektronenstrahls (21) auf eine Probe (10), auf der sich ein leitendes Element befindet;

- Auflademittel (82, 84) zum elektrischen Aufladen des leitenden Elementes auf der Probe (10);

- ein Extraktionsgittermittel (11), das über der Probe (10) zum Entwickeln einer positiven Ladung zum Beschleunigen von Sekundärelektronen aus der Probe (10) angeordnet ist, das durch Sekundärelektronenwandler (22) abgetastet wird;

- ein laterales, positives Attraktionsgittermittel (15), das der Probe (10) zugewandt ist und in Bezug auf den Strahl (21) lateral angeordnet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin umfaßt:

- ein negativ geladenes oberes Repulsionsgittermittel (17), das sich parallel zu der Probe (10) befindet und über dem Extraktions- und dem lateralen Gittermittel (11, 15) angeordnet ist;

- negativ geladene Gitter (14) zur Ablenkung der Sekundärelektronen, wobei die Gitter (14) zwischen Gittern des lateralen positiven Attraktionsgittermittels (15) angeordnet sind;

wobei das obere Repulsionsgittermittel (17) und die negativ geladenen Gitter (14) negative elektrische Feldmuster abstoßen, die dahin tendieren, Elektronen mittlerer Energie zu dem Attraktionsgittermittel (15) abzulenken, wenn sie mit den positiven Ladungen des lateralen positiven Attraktionsgittermittels (15) kombiniert werden, während sie die Elektronen niedriger Energie nach unten zurück zu der Probe (10) zurücklenken; und

- ein zylindrisches Attraktionsgittermittel (13), das koaxial zu dem Elektronenstrahl (21) und unter dem lateralen, positiven Attraktionsgittermittel (15) angeordnet ist, um alle Sekundärelektronen niedriger Energie zu sammeln, die aus dem Raum nahe dem lateralen Attraktionsgittermittel (15) zurückfallen.

2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das laterale positive Attraktionsgittermittel (15) ein positives Gitter und ein entsprechendes negatives Gitter (16) zum Abstoßen von Sekundärelektronen niedriger Energie umfaßt und um sie daran zu hindern, den Sekundärelektronenwandler (22) zu erreichen.

3. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das laterale Attraktionsgittermittel (15) einige rechtwinklige Doppelgittersätze positiver Gitter und negativer Gitter (16) umfaßt, deren Sätze konzentrisch zu dem Elektronenstrahl (21) und zur Probe und über dem Rand der Probe (10) angeordnet sind.