JP2547336B2 - 電子ビームによる電位測定方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電子ビームを用いて、集積回路等の微細な
配線上の電圧波形を測定する電位測定方法および装置に
係り、特に、高速で変化する電圧波形を精度良く測定す
るに好適な電位測定方法および装置に関する。

（従来の技術） 集積回路基板等の、電圧の変化している部分に電子ビ
ームを照射し、そこから発生する二次電子を、メッシュ
状の分析電極（エネルギーフィルタ）を通過させて検出
すると、電子ビーム照射点と分析電極との相対電位差に
より、通過する二次電子の量が変化するために、電子ビ
ーム照射点の電圧Vsに対応して検出される二次電子量が
変化することが知られている。

そして、これを利用して、集積回路基板等の上の微小
点の電圧波形測定を行うことが実現されている。

第３図は、電子ビーム照射点の電圧（Vs）をパラメー
タとして、分析電極電圧（Vg:横軸）を変化させたとき
に検出される二次電子（信号）量（Vi）の変化を示す典
型的な、分析電圧対二次電子等信号量の特性曲線の例で
ある。

従来使用されている測定法には、 （１）分析電極電圧Vgを固定しておいて、二次電子信号
量Viを直接測定する方法（開ループ法）と、 （２）検出された二次電子信号Viを、比較増幅器を介し
て、分析電極へ負帰還し、検出される二次電子信号が一
定値になるように制御して、分析電極の電圧を測定する
方法（閉ループ法） の２つがある。

開ループ法では、例えば第３図のVg1の値に分析電極
電圧Vgを固定しておく。第３図の例では、電子ビーム照
射点の電圧Vsが0Vから＋5V程度の範囲で、電圧Vsに対し
て検出される二次電子量Viが変化するので、Viを測定す
ることによってVsを検出することができる。

しかし、第３図からも容易に分るように、電子ビーム
照射点の印加電圧Vsと、検出される二次電子信号量Viと
の関係は直線的ではなく、しかもその非直線性が一様で
なく、Vgの値等によって変化するため、正確な電圧波形
の測定は困難である。

一方、閉ループ法では、第４図のような負帰還ループ
を形成する。

すなわち、二次電子検出用の検出器５の出力を比較増
幅器16の一入力端子に接続し、前記比較増幅器16の出力
を分析電極４に接続する。比較増幅器16の他入力端子に
は基準電圧Vi1を入力する。なお、集積回路２は電子ビ
ーム１によって照射され、二次電子を発生する。この二
次電子が検出器５によって捕捉される。

同図のように構成した回路において、検出器５によっ
て検出される二次電子信号量Viが、例えば第３図のVi1
の値にバランスするようにする。この例で、Vsが0,1,…
5Vと変化してゆくとすると、バランス点は同図のa,b,c,
d,e,f点と順次に右方へ移行してゆく。

このときの分析電極電圧Vga,Vgb…Vgfであり、電圧Vs
との間には、良好な直線関係が得られるので、分析電極
の電圧Vgを測定して、これを電圧Vsの測定データとする
ことにより、正確な電圧波形測定を行うことができる。

現在はこの閉ループ法が主として用いられている。そ
の例は、文献 日本学術振興会第132委員会第82回研究
会資料（1982年10月25日）第８頁から第13頁、および日
本学術振興会第132委員会第89回研究会資料（1984年11
月10日）第53頁から第56頁などに記載がある。前者はハ
ードウェア回路を用いたものであり、後者はソフトウェ
アを介在させたものであるが、動作原理および効果は同
等である。

（発明が解決しようとする問題点） 前述のように、閉ループ法を用いると正確な電圧波形
測定が可能であるが、この方法では、ループがバランス
するためにはある程度の時間が必要であるから、被測定
点の電圧Vsの時間的変化はこれより遅くなければならな
い。

ハードウェア回路を用いた場合、許されるVsの変化速
度はせいぜい100KHz程度である。実質的にVsの測定帯域
をあげるためにストロボ法を用いているが（例えば、特
願昭62-169475など参照）、この場合にも、サンプリン
グ位相を走査する速度は、ループの応答速度により制限
を受ける。

また、ストロボ法において、帰還ループがバランスす
るためには、原理的に、被測定波形の同一位相で複数回
のパルス電子ビームを照射することが必要であるから、
被測定電圧波形のくり返し周期が長い場合には、その測
定に長い時間を要することになる。

一方、開ループ法では、信号検出、増幅回路等の構成
は比較的単純であり、数10MHz〜100MHz程度の応答速度
を得ることが可能であるが、前述のように測定した電圧
の直線性に欠けるという問題がある。

本発明は開ループ、閉ループ両法の利点のみを生か
し、高速に応答し、かつ直線性の良い測定を行うことの
できる、電子ビームによる電位測定方法および装置を提
供することを目的とするものである。

（問題を解決するための手段） 前記の目的を達成するために、本発明では、被測定点
に予定の電圧波形をくり返し印加しながら、分析電極の
異る複数の電圧（分析電圧）について開ループ法で測定
を行い、得られた測定データの中、前記電圧波形の同一
タイミングでの複数のデータから、検出される二次電子
信号量が予定の値（第３図の例でVi1に相当）になる分
析電極電圧を計算で求め、前記のようにして求めた分析
電極電圧（すなわち、エネルギーフィルタの分析電圧）
を印加電圧波形のタイミング順に連結して前記電圧波形
を得るようにした点に特徴がある。

また、本発明は、電子ビームを細く収束して集積回路
等の配線上に照射する手段と、前記集積回路等にある波
形の電圧を印加する手段と、電子ビームの前記照射によ
って前記集積回路等から発生した二次電子等をエネルギ
ーフィルタを通して検出する手段と、エネルギーフィル
タの分析電圧を順次に変化させる分析電圧制御手段と、
それぞれの分析電圧毎に前記検出手段の出力信号波形を
記憶する出力信号記憶手段と、前記出力信号記憶手段中
の、前記印加電圧波形の同一タイミングにおけるそれぞ
れの出力信号値に基づいて、前記二次電子等の信号量を
予定値にするような前記エネルギーフィルタの分析電圧
を、種々のタイミングに付いて求める手段と、前記のよ
うにして求めたエネルギーフィルタの分析電圧をタイミ
ング順に連結して前記電圧波形を形成する電圧波形形成
手段とを具備した点に特徴がある。

（作用） 分析電極電圧を異る値に設定して開ループ法で測定を
行い、同一のタイミングにおける（換言すれば、被測定
点の同一電圧値に対する）測定値をとり出すと、ある一
定の印加電圧（Vs）に対して異る分析電極電圧で測定し
たデータが得られる。

換言すれば、第３図に示した分析特性曲線のうち、あ
る一定電圧Vsに対応する１つの曲線上の数点の個別デー
タを離散的に測定したことになる。

分析特性曲線は、Vsの値により、第３図の横軸（分析
電極電圧）方向にシフトし、また測定系の利得、電子ビ
ームの電流値等により、たて軸方向に圧縮又は伸長され
るが、特性曲線の形そのものはほぼ同じに保たれる。

それ故に、測定した数点のデータから、分析曲線を近
似して求めることができ、これを第３図のVi1に相当す
る値でスライスして、これと交る分析電極電圧を求めれ
ば、対応する印加電圧（Vs）を求めることができる。

この計算を印加電圧波形のすべてのタイミングについ
て行い、求めた分析電極電圧をそのタイミング順に連結
して電圧波形データとすることにより、直線性の良い波
形データを得ることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図、第２図および第５図
により説明する。

第１図は本発明の全体構成を示すブロック図、第２図
は本発明の一実施例を示すブロック図であり、同図にお
いて、第４図と同一の符号は同一または同等の部分を表
している。

第２図において、検出器５の出力は増幅器６に接続さ
れ、増幅器６の出力はAD変換器７でデジタル値に変換さ
れる。AD変換器７の出力はメモリ10（10a〜10n）に蓄積
される。パターンジェネレータ３は集積回路２に所定波
形の電圧を繰返し供給するとともに、タイミング制御回
路９にトリガ信号を供給する。

タイミング制御回路９はAD変換器７とメモリ10の動作
タイミングを制御する。計算制御装置12は、DA変換器８
を介して分析電極４の電圧を設定するとともに、タイミ
ング制御回路９およびメモリ10、波形データメモリ11の
動作を制御する。

エネルギーフィルタすなわち分析電極４が第３図のよ
うな分析特性を有する場合、分析電極電圧を−6V,−4V,
−2V,0V,＋2V,＋10Vに固定して、第５図（ａ）に示すよ
うな時間的変化をする電圧波形を被測定点に印加して開
ループ法で測定したとすると、それぞれ第５図（ｂ）〜
（ｇ）に示す測定波形が得られる。

第５図（ｈ）は、同図（ｂ）〜（ｇ）の６本のデータ
（測定波形）から、一例として、印加電圧波形上のタイ
ミングｔがt1,t2,t3におけるデータを抜き出し、分析電
極４の電圧Vgを横軸にとってプロットしたものである。

第３図の分析特性曲線を適宜の関数、 Vi＝Kf（Vg＋Vg0） の形で近似し（ここで、関数ｆは予め定められる多項式
であることができる）、第５図（ｈ）の測定値（タイミ
ングt1の曲線）に最も良く一致する定数Ｋ（たて軸方向
の圧縮、伸長）およびVg0（横軸方向のシフト）を求め
る。そしてこの関数ViがスライスレベルVi1となるVg（t
1）の値を求める。

前述の操作を他のすべてのタイミングt2,t3…につい
て行なって、対応するVg（t2）,Vg（t3）…の値を求
め、これをタイミング順に連結すれば第５図（ｉ）の電
圧波形データを作ることができる。ところで、第５図
（ｉ）のたて軸は分析電極４の電圧であるので、このデ
ータは被測定電圧Vsに対してオフセットを有している。

しかし、このオフセット値は、第３図からも分るよう
に、スライスレベルVi1によりほぼ決るので、補正をし
たデータを作ることが容易にできる。尚、オフセットを
問題にしない場合（振幅すなわち絶対電位ではなく、相
対的な電位すなわち電圧Vsの波形が正確に測定できれば
よい場合）には、前記のVg0をそのまま用いてデータと
してもよい。

第５図（ｊ）は、より簡略化した電位測定方法を示す
もので、第５図（ｈ）と同様に、あるタイミングごとに
抜き出したデータの中から、スライスレベルVi1に最も
近い（なるべくは、その両側にある）２点〜数点のデー
タのみを用いて、近似曲線または直線を近似し、これら
がスライスレベルVi1と交る点の分析電極電圧Vg（ti）
を求める方法を図示したものである。

分析特性曲線の飽和値（前出の定数Ｋに相当する）が
ほぼ決った値になるように、測定系の利得をあらかじめ
調整してから測定を行えば、スライスレベルVi1近傍で
は、前記の分析特性曲線は簡単に二次式程度で近似で
き、また定数Ｋの導出が不要となるなど、計算はずっと
簡単になる。

つぎに、第２図に示した本発明の実施例装置の動作を
説明する。

集積回路（IC）２は、パターンジェネレータ３の出力
によりくり返し動作をさせておく。集積回路２上の測定
しようとする配線に電子ビーム１を照射し、発生した二
次電子の中、分析電極４を通過したものを検出器５で検
出する。

このようにして検出した信号を増幅器６で増幅し、AD
変換器７でデジタル信号に変換してメモリ10に格納す
る。

タイミング制御回路９は、パターンジェネレータ３
で、１くり返しパターンごとに１回発生されるトリガ信
号を受けて、AD変換器７に与えるサンプリングパルス
と、メモリ10用のアドレス及びタイミング信号を起動
し、波形データのサンプリングを行う。

分析電極４の電圧は、DA変換器８で与えられる。その
電圧値は計算制御装置12によって設定される。測定は、
以下の手順で行う。

（１）計算制御装置12により、分析電極４の電圧Vgを、
分析曲線が飽和する値（＋10V程度）に設定し、増幅器
６の出力電圧が所望の一定値になるように、検出器５及
び増幅器６の利得を調整する。

（２）分析電極４の電圧Vgを第１の値（例えば、第５図
の例で−6V）に設定し、タイミング制御回路９を、スタ
ンバイ状態にする。

（３）トリガ信号によりタイミング制御回路９が起動さ
れ、第１の測定データ（例えば、第５図の波形ｂ）が検
出器５および増幅器６によって得られ、AD変換器７を介
してメモリ10aに格納される。

（４）以下、分析電極４の電圧Vgを第2,第３…第ｎの値
（例えば、−4,−2V…）に設定して上記（２），（３）
の操作をくり返し、得られた測定データは、順にメモリ
10b,10c…10nへと格納される。

（５）測定終了後、計算制御装置12は、メモリ10a〜10n
の先頭アドレスのデータ、すなわち、第５図の波形
（ａ）〜（ｇ）の最左端のデータを読み出し、前述の計
算処理を行ない、その結果（例えば、第５図ｈまたはｊ
のt1に対応する波形）を波形データメモリ11の先頭アド
レスへ格納する。

（６）以下同様に、メモリ10のすべてのアドレスについ
て、前記第（５）項の計算処理を行い、その結果（例え
ば、第５図ｈまたはｊのt2,t3…に対応する波形）を波
形データメモリ11へ格納する。

（７）メモリ11に記憶した各波形を用い、これに前述の
スライス処理を施こして最終波形データすなわち、第５
図（ｉ）に示したような被測定点の電圧波形を作る。

この場合、分析電極４の電圧値は、測定しようとする
電圧範囲の分析曲線をカバーする範囲で選び、また、測
定する電圧の点数は、要求される電圧精度に応じて適当
な数に設定することができる。

以上、本実施例では、電子ビームを連続照射して直接
信号をサンプリングする方法について述べたが、パルス
電子ビームを用いるストロボ法の場合にも、同様に本発
明の手法を用いることができることは、容易に理解でき
るであろう。

（発明の効果） 本発明によれば、閉ループ法によらずに、直線性のよ
い電圧波形測定を行うことができる。

本発明の最大の効果は、ストロボ法を用いないでも、
高い周波数帯域まで測定できることであり、100MHz程度
までの測定帯域が実現可能である。

また、ストロボ法を用いる場合にも、サンプリング間
隔を短くでき、しかも、閉ループ法で問題になるくり返
し周期が長いときの負帰還ループの不安定さなどが生じ
ない等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の全体構成を示すブロック図、第２図は
本発明の一実施例の構成を示すブロック図、第３図は分
析電極電圧と検出二次電子量の特性曲線を示す図、第４
図は閉ループ法を用いた従来の電位測定装置の一例を示
す概略ブロック図、第５図は本発明の一実施例の方法を
説明するための波形図である。 １……電子ビーム、２……集積回路、３……パターンジ
ェネレータ、４……分析電極、５……検出器、６……増
幅器、７……AD変換器、８……DA変換器、９……タイミ
ング制御回路、10……メモリ、11……波形データメモ
リ、12……計算制御装置

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】細く収束した電子ビームを集積回路等の配
   線上に照射し、発生した二次電子等をエネルギーフィル
   タを通して検出し、検出された二次電子等の信号量から
   前記配線の電圧波形を測定する、電子ビームによる電位
   測定方法であって、前記エネルギーフィルタの分析電圧
   を複数の予定値に順次設定して、複数回の前記二次電子
   等の信号量の測定を行なう段階と、前記電圧波形の同一
   タイミングにおけるそれぞれの測定信号量に基づいて、
   前記二次電子等の信号量を予定値にするような前記エネ
   ルギーフィルタの分析電圧を、種々のタイミングに付い
   て求める段階と、前記のようにして求めたエネルギーフ
   ィルタの分析電圧をタイミング順に連結して前記電圧波
   形を形成する段階とよりなることを特徴とする電子ビー
   ムによる電位測定方法。
2. 【請求項２】前記電圧波形の同一タイミングにおけるそ
   れぞれの測定信号量に基づいて、前記二次電子等の信号
   量を予定値にするような前記エネルギーフィルタの分析
   電圧を、種々のタイミングに付いて求める段階は、前記
   電圧波形の同一タイミングにおけるそれぞれの測定信号
   量の中、少なくとも信号量の前記予定値に近い前記測定
   信号量を用いて近似的な分析電圧対二次電子等信号量の
   特性曲線を演算する段階と、この近似的特性曲線が信号
   量の前記予定値となる前記エネルギーフィルタの分析電
   圧を演算する段階とよりなることを特徴とする前記特許
   請求の範囲第１項記載の電子ビームによる電位測定方
   法。
3. 【請求項３】前記電圧波形は予定の繰返し電圧波形であ
   ることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の電
   子ビームによる電位測定方法。
4. 【請求項４】電子ビームを細く収束して集積回路等の配
   線上に照射する手段と、前記集積回路等にある波形の電
   圧を印加する手段と、電子ビームの前記照射によって前
   記集積回路等から発生した二次電子等をエネルギーフィ
   ルタを通して検出する手段と、エネルギーフィルタの分
   析電圧を順次に変化させる分析電圧制御手段と、それぞ
   れの分析電圧毎に前記検出手段の出力信号波形を記憶す
   る出力信号記憶手段と、前記出力信号記憶手段中の、前
   記印加電圧波形の同一タイミングにおけるそれぞれの出
   力信号値に基づいて、前記二次電子等の信号量を予定値
   にするような前記エネルギーフィルタの分析電圧を、種
   々のタイミングに付いて求める手段と、前記のようにし
   て求めたエネルギーフィルタの分析電圧をタイミング順
   に連結して前記電圧波形を形成する電圧波形形成手段と
   を具備したことを特徴とする電子ビームによる電位測定
   装置。
5. 【請求項５】前記出力信号記憶手段中の、前記印加電圧
   波形の同一タイミングにおけるそれぞれの出力信号値に
   基づいて、前記二次電子等の信号量を予定値にするよう
   な前記エネルギーフィルタの分析電圧を、種々のタイミ
   ングに付いて求める手段は、前記印加電圧波形の同一タ
   イミングにおけるそれぞれの出力信号値の中、少なくと
   も信号量が前記予定値に近い前記出力信号値をそれぞれ
   のタイミング毎に読出す信号読出手段と、このように読
   出した出力信号値を用いてそれぞれのタイミング毎に近
   似的な分析電圧対二次電子等信号量の特性曲線を演算す
   る手段と、このようにして求めた近似的特性曲線が信号
   量の前記予定値となる前記エネルギーフィルタの分析電
   圧をそれぞれのタイミング毎に演算する分析電圧演算手
   段とよりなることを特徴とする前記特許請求の範囲第４
   項記載の電子ビームによる電位測定装置。
6. 【請求項６】前記電圧波形は予定の繰返し電圧波形であ
   ることを特徴とする前記特許請求の範囲第４項記載の電
   子ビームによる電位測定装置。