Способ измерения поверхностных потенциалов

 

Изобретение относится к микрозондовой технике и предназначено для тестирования интегральных схем с целью контроля их работоспособности и анализа отказов в процессе проектирования и производства, определения потенциального рельефа на поверхности электродов и т. д. Способ включает облучение исследуемых участков поверхности объекта электронным зондом, энергетическую фильтрацию вторичноэмиссионных потоков с зондируемых участков объекта, построение вольт-амперных характеристик (BAX) энергоанализатора как функций регистрируемого тока вторичных электронов от потенциала на фильтрующем элементе и определение разности локальных потенциалов на поверхности объекта по сдвигу соответствующих BAX друг относительно друга, при этом ток прошедших энергетическую фильтрацию и усиление вторичных электронов определяют как величину, обратную времени облучения, необходимого для накопления заряда. При измерении периодически изменяющихся со временем потенциалов на поверхности объекта производят синхронное с зондом стробирование выхода преобразователя вторичноэмиссионного сигнала с длительностью строб импульсов преобразователя, в λ раз превышающей длительность импульсов зонда, при этом необходимое для накопления полного заряда количество импульсов определяют экспериметально. При наличии известных потенциалов в двух контрольных точках на поверхности объекта разность локальных потенциолов в любых исследуемых точках определяют как сдвиг между соответствующими BAX, умноженный на поправочный множитель, определяемый по приведенной формуле. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к микрозондовой технике и может быть использовано для тестирования интегральных схем с целью контроля их работоспособности и анализа отказов в процессе проектирования и производства, определения потенциального рельефа на поверхности электретов и т.д.

Известен способ тестирования интегральных схем [1] заключающийся в том, что в номинальном режиме работы подают на тестируемую схему периодическое входное воздействие, облучают контролируемые области тестируемой интегральной схемы острофокусированным пучком электронов, осуществляют энергетическую фильтрацию вторично-эмиссионного потока, преобразуют отфильтрованный вторично-эмиссионный поток в электрический сиг нал и усиливают его, по границе энергетической фильтрации вторично-эмиссионного потока, судят о потенциале контролируемой области интегральной схемы, при этом с целью повышения точности и информативности тестирования интегральных схем за счет расширения частотного диапазона измерения потенциалов в интегральной схеме облучают острофокусированным пучком электронов область тестируемой интегральной схемы с известным постоянным потенциалом и устанавливают величину опорного сигнала, соответствующую известному постоянному потенциалу, периодически прерывают острофокусированный пучок электронов и интегрируют заданное число импульсов электрического сигнала, сравнивают результат интегрирования с опорным сигналом и по результату сравнения изменяют границу энергетической фильтрации. Однако этот способ не гарантирует высокую точность результатов измерений из-за неконтролируемого вклада в полезный сигнал темнового тока преобразователя вторичных электронов и отсутствия сформулированного критерия выбора величины опорного сигнала по заданной точности измерений.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения поверхностных потенциалов и энергетических спектров электронов, эмиттируемых с поверхности твердого тела, с помощью электронного микроскопа [2] при котором электроны, эмиттируемые с поверхности образца, фильтруются по энергии и значения их потоков регистрируются, по потокам судят об измеряемой величине.

Недостатком данного способа является большая систематическая погрешность результатов измерений, обусловленная низким уровнем вторично-эмиссионного сигнала и высоким по сравнению с ним уровнем дробовых шумов в электронных потоках и приемной аппаратуре.

Целью изобретения является повышение точности результатов измерения поверхностных потенциалов путем повышения до определяемого требуемой точностью уровня полезного сигнала за счет его накопления при одновременном снижении шумовых составляющих.

Цель достигается тем, что в известном способе измерения поверхностных потенциалов, заключающемся в облучении исследуемых участков поверхности объекта электронным зондом, энергетической фильтрации вторично-эмиссионных потоков, построении вольт-амперных характеристик (ВАХ) энергоанализатора как функций регистрируемого тока вторичных электронов от потенциала на фильтрующем элементе и определении разности локальных потенциалов на поверхности объекта по сдвигу соответствующих ВАХ, ток прошедших энергоанализатор и усилитель вторичных электронов определяют как величину, обратную времени облучения, необходимого для накопления заряда Q: Q 2,5C1+ , Кл (1) где С отношение сигнал/шум; e заряд электрона, Кл; Δϕ- требуемая точность измерений, В; Ф работа выхода электрона, В; К коэффициент усиления приемной системы; δ- коэффициент истинной вторичной эмиссии; I ток зонда, А; I_пр темновой ток преобразователя, определенный при выключенном зонде, А;
λ коэффициент затягивания сигнала преобразователем;
W передаточная функция энергоанализатора.

Кроме того, при измерении периодически изменяющихся со временем потенциалов на поверхности объекта производится синхронное с зондом стробирование выхода преобразователя вторично-эмиссионного сигнала с длительностью строб-импульсов преобразователя, в λ раз превышающей длительность импульсов зонда, при этом вторично-эмиссионный ток определяют как величину, обратную необходимому для накопления заряда Q количеству импульсов.

При известных потенциалах ϕ₁ и ϕ₂ в двух контрольных точках на поверхности объекта разность локальных потенциалов в любых исследуемых точках поверхности определяется как сдвиг между соответствующими ВАХ, умноженная на поправочный множитель k, определяемый по формуле
k
(2) где ϕ_i, Δϕ₁₂ локальные потенциалы в контрольных точках и сдвиг между соответствующими им ВАХ.

При определении тока прошедших энергоанализатор и усилитель вторичных электронов из отношения накопленного заряда ко времени накопления погрешность измерений уменьшается обратно пропорционально времени накопления. Накопление заряда на измерительном элементе с учетом темнового тока преобразователя до величины, определяемой по формуле (I), обеспечивает гарантированное превышение соответствующей вольтовому разрешению Δϕ разности накапливаемого на измерительном элементе заряда над его флуктуациями, порождаемыми дробовыми шумами в электронных потоках и приемной аппаратуре. При выводе формулы (I) крутизна вольт-амперной характеристики энергоанализатора принята равной максимальной величине, а передаточную функцию энергоанализатора W следует полагать равной произведению коэффициента прозрачности сеток на коэффициент фильтрации 0,84, что соответствует базовому режиму работы фильтра в области максимальной спектральной плотности вторично-эмиссионного потока, определенной на основе аппроксимирующей функции. Величина суммарного накапливаемого заряда определялась как сумма зарядов, обусловленных вторично-эмиссионным потоком и темновым током преобразователя.

Уровень шумов в полезном сигнале определялся квадратичной суммой флуктуаций заряда, обусловленных шумами во вторично-электронном потоке и преобразователе.

Вклад в полезный сигнал тока вторичной эмиссии с поверхностей деталей измерительной системы можно сделать пренебрежимо малым путем использования специальных покрытий. Шумы, порождаемые флуктуациями темнового тока преобразователя, вклад которого при большой скважности строб-импульсов электронного зонда сравним с полезным сигналом, существенным. Для их снижения, позволяющего увеличить точность измерений, предлагается стробировать выход преобразователя вторичных электронов, то есть отключать его в период между импульсами электронного зонда. Для эффективной работы такой системы необходимо правильно задавать моменты включения и выключения преобразователя. Время задержки включения преобразователя относительно стробирующего импульса электронного зонда можно рассчитать, исходя из геометрии электронно-оптиче ской и детекторной систем и энергий первичных и вторичных электронов. Время выключения находится в зависимости от длительности строб-импульса зонда и быстродействия преобразователя. Эти параметры можно определять также экспериментально.

При известных потенциалах в двух точках исследуемого объекта при определении относительного потенциала других участков поверхности предложен способ учета неидеальности фильтрующей системы путем введения поправочного множителя, основанного на линейной аппроксимации передаточной функции энергоанализатора.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается рядом признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна". Высокая точность измерений возможна лишь при учете и снижении вклада в полезный сигнал паразитных зарядов, обусловленных темновым током преобразователя и дробовыми шумами, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит электронный зонд 1, стробоскопическую приставку 2, генератор 3 стробирующих импульсов, исследуемый объект 4, преобразователь 5 вторично-эмиссионного сигнала, цифроаналоговый преобразователь 6 напряжения на фильтрующем элементе, интегратор 7, счетчик 8 импульсов, цифроаналоговый преобразователь 9 напряжения сравнения, компаратор 10, шину данных 11, микрозондовое оборудование 12 растрового электронного микроскопа, энергоанализатор 13 вторичных электронов, вторично-эмиссионный поток 14, персональную ЭВМ 15.

Предлагаемый способ измерения потенциалов на поверхности реализуется следующим образом. Для формирования электронного зонда 1 используется микрозондовое оборудование 12 растрового электронного микроскопа МРЗМ-100, оснащенного стробоскопической приставкой 2. По изображению во вторичных электронах на микросхеме типа К564ЛА7 находится проводник с нулевым потенциалом и облучается пульсирующим электронным зондом длительностью τ= 40 нс и скважностью импульсов Т 1000 нс, величина которых определяется длительностью исследуемого переходного процесса и тактовой частотой работы микросхемы. Вторично-эмиссионный поток 14 от контролируемой области, прошедший через энергоанализатор 13, детектируется и усиливается с помощью преобразователя типа Эверхарта-Торнли, содержащего сцинтиллятор, световод и фотоэлектронный умножитель типа ФЭУ-71, темновой ток которого равен I_пр 10^-8 А, а время затягивания сигнала 400 нс. Электронный зонд, напряжение на микросхеме и выход последнего динода ФЗУ стробируются генератором 3 строб-импульсов типа Г5-59. Реальный уровень полезного сигнала ≈10^-5 А. Напряжение интегратора и цифроаналогового преобразователя ЦАП 9 сравнивается компаратором 10, собранным на микросхеме К556САЗ. Напряжение на фильтрующем элементе 13 задается при помощи ЦАП 6. Управление работой оборудования и снятие информации осуществляются с помощью персональной ЭВМ 15 типа IВМ РС АТ. Связь с компьютером осуществляется по шине 11 данных с помощью интерфейса CETRONIСS, входящего в состав компьютера. Контролируемое программируемым счетчиком 8 количество интегрируемых импульсов, достаточное для накопления на измерительном конденсаторе определенного по формуле (I) заряда, необходимого для обеспечения чувствительности, десятикратно превышающей отношение флуктуаций тока, связанных с дробовыми шумами в электронных потоках и приемно-усилительной аппаратуре, к вольтовому разрешению в 1 мВ, и соответственно которому установлено опорное напряжение на элементе сравнения, порядка 10³. При построении ВАХ, соответствующей участку схемы с нулевым потенциалом, на фильтрующей сетке устанавливается максимальный потенциал ϕ_max= 0. Производится пошаговое построение кривой задержки при последовательно уменьшающемся потенциале на фильтрующей сетке ϕ_i ϕ_max iΔ до потенциала ϕ_min ϕ_max/m (m≈3), с шагом Δ ϕ_max /n (n 10-20). Определяется линейный участок кривой и для соответствующей суженной области процедура построения кривой задержки повторяется с уменьшением шага для достижения приемлемой точности.

При построении кривой задержки, соответствующей вторично-эмиссионному сигналу с исследуемого узла схемы, в соответствующую точку на схеме устанавливается электронный зонд, производится синхронизация стробирующих систем зонда и преобразователя с задающим генератором со сдвигом, соответствующим интересующей фазе периодического электрического сигнала в схеме. На задерживающей сетке анализатора устанавливается потенциал ϕ_max, равный максимальному потенциалу на схеме (от 3 до 15 В в зависимости от напряжения питания). Процедура построения кривой задержки повторяет операции, описанные выше. Разность локальных потенциалов определяется либо как сдвиг соответствующих ВАХ, либо по уточненной формуле (2), при этом процедура снятия кривых задержки проводится трижды: для тестируемого и двух контрольных участков объекта.

Использование предлагаемого способа измерения поверхностных потенциалов обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: снижение вклада в полезный сигнал темнового тока преобразователя вторичных электронов за счет прерывания выхода на интегратор в промежутках между его активной работой позволяет существенно повысить точность результатов измерений.

Сформулированный критерий выбора величины накапливаемого интегратором суммарного заряда обеспечивает достижение заявляемой точности измерений.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ с помощью электронного микроскопа, включающий фильтрацию по энергии электроном, эмиттируемых с поверхности объекта, и регистрацию значений их потоков, по которым судят об измеряемой величине, отличающийся тем, что определяют разность локальных потенциалов на поверхности объекта по сдвигу соответствующих вольтамперных характеристик энергоанализатора (ВАХ) как функций регистрируемого тока вторичных электронов от потенциала на фильтрующем элементе, ток прошедших энергетическую фильтрацию и усиление вторичных электронов определяют как величину, обратную времени облучения t_обл, необходимого для накопления заряда, из формулы

где C отношение сигнал/шум;
e заряд электрона, К;
Δϕ требуемая точность измерений, В;
F работа выхода электрона, В;
K коэффициент усиления приемной системы;
d коэффициент истинной вторичной эмиссии;
I ток зонда, А;
W передаточная функция энергоанализатора;
I_пр темновой ток преобразователя, определяемый при выключенном зонде, А;
коэффициент быстродействия преобразователя;
t_пр время его активной работы, с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при измерении периодически изменяющихся со временем потенциалов на поверхности объекта производят синхронное с зондом стробирование выхода преобразователя вторично-эмиссионного сигнала с длительностью строб-импульсов преобразователя, в λ раз превышающей длительность импульсов зонда, при этом необходимое для накопления полного заряда Q количество импульсов определяют экспериментально.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при наличии известных потенциалов в двух контрольных точках на поверхности объекта разность локальных потенциалов в любых исследуемых точках определяют как сдвиг между соответствующими ВАХ, умноженный на поправочный множитель k, определяемый по формуле

где ϕ_i, Δϕ₁₂ локальные потенциалы в контрольных точках и сдвиг между соответствующими им ВАХ.

РИСУНКИ

Рисунок 1