JPH0775155B2 - ストロボ電子ビーム装置 - Google Patents

ストロボ電子ビーム装置

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JPH0775155B2
JPH0775155B2 JP60182308A JP18230885A JPH0775155B2 JP H0775155 B2 JPH0775155 B2 JP H0775155B2 JP 60182308 A JP60182308 A JP 60182308A JP 18230885 A JP18230885 A JP 18230885A JP H0775155 B2 JPH0775155 B2 JP H0775155B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔目次〕 〔概要〕 〔産業上の利用分野〕 〔従来の技術〕 〔発明が解決しようとする問題点〕 〔問題点を解決するための手段〕 〔作用〕 〔実 施 例〕 {ストロボ電子ビーム装置の構成 (第1図,第2図)} {ストロボ電子ビーム装置の動作の概略説明 (第1図)} 《動作1》 《動作2》 《動作3》 《動作4》 《動作5》 {2次電子信号加算回路11の動作説明 (第1図,第13図)} {ストロボ遅延回路12の動作説明 (第1図,第4図)} {2次電子信号処理回路13の動作説明 (第1図,第14図)} {分析電圧制御回路14の動作説明 (第1図,第3図,第15図)} {位相制御回路15の動作説明 (第1図,第16図,第17図)} {ランダムアドレス発生回路16の動作説明 (第1図,第18図)} {分析電圧データ処理回路17の動作説明 (第1図,第19図)} {収束判定回路18の動作説明 (第1図,第20図)} {繰り返し回数設定回路19の動作説明 (第1図,第21図)} {位相送りカウンタ回路20の動作説明 (第1図,第22図)} {位相走査カウンタ回路21の動作説明 (第1図,第23図)} {収束フラグ設定回路22の動作説明 (第1図,第24図)} {分析電圧加算カウンタ回路23の動作説明 (第1図,第25図)} {発明の原理についての説明 (第6図〜第10図)} {本発明による実験結果 (第11図,第12図)} 〔発明の効果〕 〔概要〕 本発明は,エネルギ分析器を有する集積回路電圧測定用
ストロボ電子ビーム装置において,測定位相に連動しエ
ネルギ分析器の分析電圧を設定して2次電子信号のサン
プリングを行い,1回もしくは複数回の位相走査動作を行
い2次電子信号波形を取得し,該2次電子信号波形とス
ライスレベルの差分に適当な係数を掛けた積を分析電圧
に加算し,補正する手段,2次電子信号波形のスライスレ
ベルに対する分散値から分析電圧の収束を判定するため
の手段,所望のS/N比を持つ分析電圧測定値を得るため
の分析電圧の加算,平均手段,ランダムな位相走査を行
うための手段を有し,それにより所望のS/N比を有する
測定値を容易に得ることを可能とするストロボ電子ビー
ム装置である。
〔産業上の利用分野〕
本発明は,電圧測定用エネルギ分析器を有し,高速動作
する被検集積回路の電圧波形を定量的に観測するストロ
ボ電子ビーム装置に係り,特に位相走査動作に連動しエ
ネルギ分析器に供給する分析電圧を制御することにより
電圧波形の定量化を行うストロボ電子ビーム装置に関す
る。
〔従来の技術〕
ストロボ電子ビームを用いて集積回路内部の電圧波形を
定量化する方法としては,1回の位相走査動作で電圧波形
を取得する方法(1回位相走査法)が知られている。
絶縁膜を介して,集積回路内部の電圧波形を測定する方
法としては,シリアルな位相走査による多数回位相走査
法,プリチャージ(消去)法が知られている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら,上述の1回位相走査法では,1位相点で1
時に多量のEB(電子ビーム)照射を行うため,絶縁膜を
介した電圧波形測定はチャージアップのため困難であ
る。また,1回位相走査法では,直接金属配線部分をプロ
ービングした場合でもコンタミネーションの成長が起こ
るためベースラインサンプリングを行わなければ安定な
電圧波形の測定は困難である。
プリチャージ法は,1回位相走査法と併用し電圧波形の定
量化ができるが,消去動作を行う必要があり,測定時間
が長大となる。
また,通常のシリアルな多数回位相走査法では,1位相走
査当たりのEB照射量を減少させなければ,絶縁膜下配線
の電圧波形をチャージアップの影響無しに取得すること
ができない。シリアルな多数回位相走査法で,チャージ
アップの影響を除くことが可能なように位相走査を高速
に行うと,エネルギ分析器の周波数応答は,10MHz以上必
要となり,電圧波形の定量化の実現が困難であった。
本発明は上記問題点を除くために,エネルギ分析器の分
析電圧の補正手段と位相走査のランダムな組み換え手段
とを有することにより,分析時間を短縮でき分析精度を
向上させることのできるストロボ電子ビーム装置を提供
することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は上記問題点を解決するために,高速動作する被
検集積回路10の電圧を検知するためのストロボ電子ビー
ム手段2と,ストロボ電子ビーム6の位相走査を行う位
相走査手段15と,該各位相走査毎に前記被検集積回路10
から得られる2次電子のエネルギ分析を行うエネルギ分
析手段9と,前記各位相走査毎にエネルギ分析された2
次電子を検出する2次電子検出手段8,11,13と,それに
より得られる各2次電子信号量から前記各位相走査毎に
前記エネルギ分析手段9に供給する分析電圧を補正する
分析電圧補正手段14と,該補正分析電圧の誤差を計算し
判定を行う収束判定手段18と,該収束判定手段18によ
り,前記誤差が所定値以上であると判定されれば前記位
相走査・2次電子検出・分析電圧補正及び収束判定の動
作を繰り返す繰り返し手段と,前記収束判定手段18によ
り前記誤差が所定値以下であると判定されれば前記位相
走査・2次電子検出・分析電圧補正の動作を前記誤差及
び所望の電圧測定精度とから定まる所定回数だけ繰り返
しそれにより得られる各補正分析電圧の加算平均を前記
各位相走査毎に計算し出力する分析電圧加算平均手段1
7,19とを有することを特徴とするストロボ電子ビーム装
置を提供するものであり,加えて前記ストロボ電子ビー
ム装置は,前記位相走査手段15に対してランダムな位相
走査を指示するランダム位相走査指示手段16と該指示手
段における位相走査指示の順序を1組の位相走査指示毎
に組み換える指示順序組換手段20,21とを有することを
特徴とするストロボ電子ビーム装置を提供するものであ
る。
〔作用〕
上記手段によれば,分析電圧を所定の関係に基づき短時
間で補正,収束させることが可能になり,また,その収
束値の分散値と電圧測定精度との関係から所望のS/N比
の分析測定電圧を得ることができる。
一方,ランダムな位相走査を行うことにより,低い繰り
返し周波数で動作する配線を,等価的に高い周波数で動
作する配線として測定できる。これにより,絶縁膜下配
線の電圧波形をチャージアップによる減衰無しにしサン
プリングすることが可能となる。
また,位相走査の順番の組み換えを行うため,測定位相
に依らず統計的には絶縁物表面の電荷の状態が一定の値
となる。従来プリチャージ法では,このような状態を作
るため,ビームの予備照射を行っていたが,本発明によ
れば,予備照射を行わず全く同等の条件を作ることか可
能である。
〔実 施 例〕
以下,本発明の実施例につき詳細に説明を行う。
{ストロボ電子ビーム装置の構成(第1図, 第2図)} 本発明の一実施例としてのストロボ電子ビーム装置のブ
ロック図を第2図に示す。本発明は,信号処理装置1,エ
ネルギ分析器を有するストロボ電子ビーム手段2,制御装
置3,クロック信号発生装置4,を具備する。ストロボ電子
ビーム手段2は、たとえば走査型電子顕微鏡であり、1
次電子ビームをパルス化するブランカ5,ストロボ電子ビ
ーム6により被検IC10から放出される2次電子7のエネ
ルギ分析を行うエネルギ分析器9,2次電子を検出して電
気信号(2次電子信号)に変換する2次電子検出器8か
らなる。
101は信号処理装置の起動信号,156は信号処理装置の終
了信号,158はクロック信号,160はブランキングパルス,1
63は分析電圧,164は2次電子信号である。
第1図に,信号処理装置1の構成を示す。信号処理装置
1は,2次電子信号加算回路11,ストロボ遅延回路12,2次
電子信号処理回路13,分析電圧制御回路14,位相制御回路
15,ランダムアドレス発生回路16,分析電圧データ処理回
路17,収束判定回路18,繰り返し回数設定回路19,位相送
りカウンタ回路20,位相走査カウンタ回路21,収束フラグ
設定回路22,分析電圧加算カウンタ回路23,及びAND,OR回
路24〜34より構成される。
{ストロボ電子ビーム装置の動作の概略説明 (第1図)} 上記構成のストロボ電子ビーム装置の動作につき,ま
ず,その概略を説明する。
《動作1》 まず,ランダムアドレス発生回路16はN点のランダムな
アドレス情報を順次発生し,その時のランダムな情報を
読みだすためのNカウントは位相送りカウンタ回路20に
よって発生される。そして、各アドレスごとに位相制御
回路15によって対応する位相データが発生され,ストロ
ボ遅延回路12,ブランカ5(第2図)を介して対応する
各位相の電子ビーム6が被検IC10に照射される。
同時に,上記各位相に対応する分析電圧が分析電圧制御
回路14内のレジスタから読みだされ,エネルギ分析器9
(第2図)に印加される。この時のレジスタのアドレス
は,上記ランダムアドレス発生回路16で発生される前記
各アドレスに等しい。
続いて,上記各位相において2次電子信号検出器8(第
2図)から2次電子信号164がL回検出され,2次電子信
号加算回路11によってL回分加算平均される。そして,
上記各位相ごとの加算平均結果は2次電子信号処理回路
13内の各レジスタに加算される。この時,各レジスタの
アドレスは前記ランダムアドレス発生回路16で発生され
た各アドレス値を有する。
上記動作によって,ランダムに発生されたN位相点ごと
に,Lサンプルの検出2次電子信号の加算平均が得られ
る。
《動作2》 動作1をJ回繰り返す。J回の繰り返しは,位相走査カ
ウンタ回路21によって制御される。その結果,ランダム
に発生されたN位相点ごとに,M=L×Jサンプルの検出
2次電子信号の加算平均が2次電子信号処理回路13内の
N個のレジスタに得られる。
《動作3》 動作2の終了後,N位相点の2次電子信号の加算平均結果
から,次回のN位相点に対応する分析電圧を決定し,分
析電圧制御回路14内の各レジスタにその分析電圧値をセ
ットする。この時,前回の各分析電圧値と所定の収束係
数αが用いられる。
《動作4》 動作3の終了後,収束判定回路18は所定スライスレベル
SLにたいする前記N位相点の2次電子信号加算平均値の
標準偏差の3倍(3σ)であるVerr1を計算する。この
時,収束係数αが用いられる。Verr1が所定の1次収束
判定値Vconv以下でなければ,分析電圧を補正しつつ前
記の動作1〜3を繰り返す。
Verr1がVconv以下になったら,所定回数Kだけ前記の動
作1〜3をさらに繰り返し,N位相点ごとにK回の分析電
圧値の加算平均を計算する。此の時,Kの値は,Verr1と所
定の2次収束判定値Verr2との比から決定される。ま
た,上記加算平均は,分析電圧データ処理回路17によっ
て行われ,繰り返し回数Kの設定及び制御は繰り返し回
数設定回路19,及び収束フラグ設定回路22によって行わ
れる。
《動作5》 動作4によって求まったN位相点ごとのK回の分析電圧
値の加算平均結果(N個)を最終出力として制御装置3
へ出力する。
以上,動作1〜5により,N位相点分の電圧測定結果を所
定精度Verr2以内で精度良く求めることができる。以
下,各回路の動作につき詳細に説明を行う。
{2次電子信号加算回路11の動作説明 (第1図,第13図)} 以下は、2次電子信号加算回路11の動作の説明である。
2次電子信号加算回路11内部には,第13図に示す16Bit
深さのReg1,Reg2と32Bit深さのReg3がある。2次電子
信号加算回路11は,起動信号101からストローブを受け
ると制御装置3から2次電子信号加算回数LをReg1へ
読み込み,全2次電子信号加算回数MをReg2へ読み込
んだ後,信号線12を高電位に,マスク157を低電位にす
る。信号線102は,信号線111が高電位になるとリセット
される。Reg1,Reg2へのデータ設定手段,信号線102の
リセット手段は省略した。2次電子信号加算回路11は,
信号線125からストローブを受け取ると,Reg3をクリア
した後,マスク157を高電位にする。すると,ストロボ
遅延回路12から,ブランキングパルス160に同期したサ
ンプリングストローブ162が送られる。サンプリングス
トローブ162は,2次電子信号164のAD変換のトリガとな
り,AD変換されたデータは浮動少数点化されReg3に足し
込まれる。2次電子信号加算回路11は,L回のサンプリン
グストローブ162を受け取ると,マスク157を低電位に
し,Reg3の内容を1/M倍することによって2次電子信号
のAD変換値を加算平均した値である2次電子信号データ
126を生成し、最終回のAD変換値の最下位ビットをLSBデ
ータ127とした後,信号線128にストローブを発する。LS
Bデータ127は,0または1の値を取る自然乱数であり,後
述する位相走査の順番のランダムな組み換えに用いる。
{ストロボ遅延回路12の動作説明 (第1図,第4図)} 以下は,ストロボ遅延回路12の動作の説明である。第4
図にストロボ遅延回路12の動作タイミングを示す。スト
ロボ遅延回路12は,クロック159にIPH×100psの遅延を
持つブランキングパルス160を発生する。サンプリング
ストローブ162は,ブランキングパルス160に対してτde
l秒の固定された遅延を持つ,IPHは符号無整数形式の位
相データ161により与えられる。位相データ16は,16Bit
データすなわち約65,000レベルで与えられるため,ブラ
ンキングパルス160の遅延時間は最大約6.5μsである。
{2次電子信号処理回路13の動作説明 (第1図,第14図)} 以下は,2次電子信号処理回路13の説明である。2次電子
信号処理回路13の内部には,第14図に示すように2次電
子信号データを加算するための0〜255のアドレスで指
定される32Bit深さの256個のレジスタ群Reg4が有る。R
eg4は各位相走査ごとの2次電子信号データ126を格納
するレジスタであり,そのアドレスはランダムアドレス
発生回路16からの相対アドレスデータ122により与えら
れる。2次電子信号処理回路13は,OR回路25からの信号
線112からストローブを受け取ると加算モードになり,R
eg4をクリアした後,AND回路26への信号線113を高電位
にする。信号線113は,信号線115が高電位になるとリセ
ットされる。信号線113のリセット手段は,省略した。
上記加算モードでは,2次電子信号処理回路13は,信号線
128にストローブを受けると,2次電子信号データ126をラ
ンダムアドレス発生回路16からの相対アドレスデータ12
2により指定されるReg4内の各レジスタに加算する。ま
た,加算モードでは,2次電子信号読出要求136,141はマ
スクされる。
次に,信号読出しモードの動作について説明する。2次
電子信号処理回路13は,位相走査カウンタ回路21からの
信号線135からストローブを受け取ることにより信号読
出しモードとなる。信号読出しモードに切り換わり,分
析電圧制御回路14からの2次電子信号データ読出し要求
136として初めてストローブを受けると、Reg4内のアド
レス40で指定されるレジスタの内容が2次電子信号デー
タ137として分析電圧制御回路14に転送される。次回以
降、2次電子信号データ読出し要求136としてストロー
ブを受けると、前回のアドレスをインクリメントしたア
ドレスで指定されるReg4内のレジスタのデータが、2
次電子信号データ137として分析電圧制御回路14に転送
される。以上の動作は収束判定回路18との間の2次電子
信号読出し要求141,2次電子信号データ142に関しても同
様である。なお,信号読出しモードでは,信号線128は
マスクされる。
{分析電圧制御回路14の動作説明 (第1図,第3図,第15図)} 以下は,分析電圧制御回路14の説明である。
分析電圧制御回路14の内部には,第15図に示すように分
析電圧データを格納するための0〜255のアドレスで指
定される32Bit深さの256個のレジスタ群Reg5,スライス
レベルSLを格納するための32BitレジスタReg6,収束係数
αを格納するための32BitレジスタReg7がある。Reg
は各位相走査ごとの次回分析電圧を格納するレジスタで
あり,そのアドレスはランダムアドレス発生回路16から
の相対アドレスデータ122により与えられる。分析電圧
制御回路14は,起動信号101からストローブを受け取る
と,Reg5の256個の分析電圧データの初期値を0Vとし,
制御装置3からスライスレベルSLを読み込みReg6に設
定し、同じく収束係数αを読み込みReg7に設定した後A
ND回路24への信号線104を高電位にする。信号線104は,
信号線111が高電位になるとリセットされる。スライス
レベルSLは第3図に示すようにエネルギ分析器9(第2
図)の分析電圧を+20V及び−20Vでサンプリングした2
次電子信号量の中間値,収束係数αは,スライスレベル
と分析カーブの交点における分析カーブの傾きの逆数で
あり、これらの値は実際の測定に際して予め求められ、
以降定数として設定される。制御装置3からのReg6,Reg
7へのデータ設定手段,スライスレベルSL及び収束係数
αの決定手段,信号線104のリセット手段は,省略し
た。
分析電圧制御回路14は,ランダムアドレス発生回路16か
らの信号線121にストローブを受けると分析電圧設定モ
ードとなり,相対アドレスデータ122で指定されるReg
の内容をDA変換しエネルギ分析器9(第2図)への分析
電圧163とする。分析電圧163の値が静定すると,AND回路
30への信号線123が高電位となる。信号線123は,信号線
125が高電位になるとリセットされる。信号線123のリセ
ット手段は,省略した。
次に,分析電圧制御回路14は,位相走査カウンタ回路21
からの信号線135にストローブを受け取ると分析電圧更
新モードとなる。分析電圧更新モードでは,2次電子信号
処理回路13への2次電子信号データ読出し要求136とし
て順次ストローブを発し,2次電子信号データ137を読出
し,次式に従いReg5の内容を更新する。
VR(I)=VR(I)−α(S(I)−SL), ・・・・
(5) I=0,・・・255 VR(I)は,アドレスIで指定されるReg5の分析電圧
データ,S(I)は,アドレスIで指定されるReg4の2
次電子信号データである。
Reg5の内容更新が終了すると,分析電圧制御回路14はA
ND回路31及び33への信号線138を高電位にし,分析電圧
読出しモードとなる。信号線138は,信号線150または,
信号線140が高電位になるとリセットされる。信号線138
のリセット手段は,省略した。分析電圧読出しモードに
切り換わり,分析電圧データ処理回路17からの分析電圧
データ読出し要求152に初めてストローブを受けると,R
eg5内のアドレス0で指定さるレジスタの内容が,分析
電圧データ153に現れる。次回以降,分析電圧信号読出
し要求152にストローブを受けると,前回のアドレスを
インクレメントしたアドレスで指定されるReg5の内の
レジスタのデータを分析電圧データ153を介して分析電
圧データ処理回路17に送る。
{位相制御回路15の動作説明 (第1図,第16図,第17図)} 以下は,位相制御回路15の動作の説明である。
位相制御回路15内部には第16図に示すように各測定位相
についての位相情報を格納する,16Bit深さの0〜255の
アドレスで指定される256個のレジスタ群Reg8が有る。
位相制御回路15は,起動信号101からストローブを受け
るとReg8は第17図に示した形に初期化される。φini
φstpはそれぞれ100ps単位で指定された測定波形の初期
位相と位相きざみである。Reg8の初期化が終了すると,
AND回路24への信号線106は高電位となる。信号線106
は,信号線111が高電位になるとリセットされる。Reg
の初期化手段,信号線106のリセット手段は,省略し
た。位相制御回路15は,信号線121にストローブを受け
ると,ランダムアドレス発生回路16からの相対アドレス
データ122で示されるReg8の内容を位相データ161に送
り出した後,AND回路30への信号線124を高電位にする。
信号線124は,信号線125が高電位になるとリセットされ
る。信号線124のリセット手段は,省略した。
{ランダムアドレス発生回路16の動作説明 (第1図,第18図)} 以下は,ランダムアドレス発生回路16の説明である。ラ
ンダムアドレス発生回路16内部には,第18図に示すよう
に0〜511のアドレスで指定される8Bit深さの512個のレ
ジスタ群Reg9と,9Bit深さのポインタレジスタReg10,R
eg11,Reg12がある。ランダムアドレス発生回路16は起動
信号101からストローブを受けるとReg9の0〜255のア
ドレスで指定される部分に,予め制御装置3で発生した
0〜255の数値をランダムに組み換えたデータを書込
み,Reg10を0,Reg11を256,Reg12を511に設定した後に,A
ND回路24への信号線105を高電位にする。信号線105は,
信号線111が高電位になるとリセットされる。
なお,Reg9へのデータ設定手段と,信号線105のリセッ
ト手段は省略した。
ランダムアドレス発生回路16は,OR回路27から信号線116
にストローブを受けるとAND回路28への信号線117を高電
位にする。信号線117は,信号線119が高電位になるとリ
セットされる。信号線117のリセット手段は,省略し
た。ランダムアドレス発生回路16は,位相走査カウンタ
回路21からの信号線133にストローブを受けると,その
時のReg10の値が0であれば,Reg10=256,Reg11=0,Reg
12=255とし,その時のReg10の値が256であれば,Reg10
=0,Reg11=256,Reg12=511とした後,OR回路27への信号
線134にストローブを発する。ランダムアドレス発生回
路16は,OR回路29からの信号線120にストローブを受ける
と,アドレスデータ131とReg10の内容を加算した値をア
ドレスとしReg9から読出したデータを相対アドレスデ
ータ122に設定した後121にストローブを発する。ランダ
ムアドレス発生回路16は,2次電子信号加算回路11からの
信号線128にストローブを受けると,LSBデータ127が1の
場合は,相対アドレスデータ122をReg11をアドレスとし
て指定されるReg9内のレジスタに書込み,Reg11をイン
クレメントし,LSBデータ127が0の場合は,相対アドレ
スデータ122をReg12をアドレスとして指定されるReg
内のレジスタに書込み,Reg12をデクレメントし,位相
送りカウンタ回路20への信号線129にストローブを発す
る。
{分析電圧データ処理回路17の動作説明 (第1図,第19図)} 以下は,分析電圧データ処理回路17の説明でる。分析電
圧データ処理回路17内部には,第19図に示すように0〜
255のアドレスで指定される32Bit深さの256個のレジス
タ群Reg13と,8Bit深さのレジスタReg14が有る。Reg13は
各位相走査毎の分析電圧を積算・格納するレジスタであ
る。分析電圧データ処理回路17は起動信号101にストロ
ーブを受けると,Reg13,Reg14をクリアし,AND回路24へ
の信号線107を高電位にする。信号線107は,信号線111
が高電位になるとリセットされる。信号線107のリセッ
ト手段は省略した。分析電圧データ処理回路17は,OR回
路32からの信号線151にストローブを受けると分析電圧
データ読出し要求152に順次ストローブを発し,分析電
圧制御回路14内のReg5より各分析電圧データ153を読出
し,次式に従い,Reg13の内容を更新する。
VRsum(I)=VRsum(I)+VR(I),・・・・(6) I=0,・・・,255 VRsumは,256個の各Reg13の内容(分析電圧データ加算
値),VRは256個の各Reg5の内容(分析電圧データ),I
は,Reg5,Reg13の256個のデータを指定するためのアド
レスである。Reg13の更新が終わると,分析電圧データ
処理回路17は,Reg14をインクレメントし,分析電圧加
算カウンタ回路23への信号線154にストローブを発す
る。Reg13の内容は最終的な分析電圧測定値となり制御
装置3から読み出せるが,ここではその手段は省略す
る。
{収束判定回路18の動作説明(第1図,第20図)} 以下は,収束判定回路18の説明である。収束判定回路18
の内部には,第20図に示すように分析電圧の1次収束判
定値Vconvを格納するための32BitレジスタReg15,収束係
数αを格納するための32BitレジスタReg16,スライスレ
ベルSLを格納するための32BitレジスタReg17が有る。収
束判定回路18は起動信号101にストローブを受けると,
制御装置3からReg15に分析電圧の1次収束判定値Vconv
を,Reg16に収束係数αを,Reg17にスライスレベルSLを
読み込んだ後,AND回路24への信号線109を高電位にす
る。信号線109は,信号線111か高電位になるとリセット
される。信号線109のリセット手段とレジスタReg15〜R
eg17へのデータ設定手段は省略した。収束判定回路18は
AND回路33からの信号線140からストローブを受け取る
と,2次電子信号処理回路13への信号線141に順次ストロ
ーブを発し,Reg4から256個の2次電子信号データ142
を読み出し分析電圧の1次収束誤差Verr1を次式に従い
計算する。
・・・・・(7) ここで,S(I)は,Reg4内のアドレスIで示されるレ
ジスタの内容である。上記(7)式の右辺の係数1/2
は、α(S(I)−SL)の分散が加算平均を行う前の分
散の2倍になることを補正するためのファクタである。
すなわち、α(S(I)−SL)の物理的な意味は、加算
平均を行う前の異なる2つの電圧波形の差分であるが、
この2つの電圧波形に重畳するノイズはホワイトノイズ
であり相関がないため、差分波形の分散は加算平均前の
電圧波形に重畳している雑音電圧の分散の2倍になる。
係数1/2は、この補正のために用いている。また、上記
(7)式の右辺の係数3は、ばらつきの度合い(また
は、収束の度合い)を評価するために統計学で一般的に
用いられている3σを算出するためのものである。さら
に、上記(7)式の右辺の255は、256−1によって得ら
れる値であるが、これは、256(一般には、自然数Nで
表す)個のサンプリングデータに対して分散または標準
偏差を求めるときに、Σを用いて256個のデータの和を
計算した後にサンプリングデータ数で除算する場合、N
=1に対して分散または標準偏差を計算することは無意
味であるために、Nの代わりにN−1を用いているもの
であり、統計学では一般に行われている手法である。収
束判定回路18は,Verr1Vconvの場合,Verr1の値を繰り
返し回数判定回路19への分析電圧精度データ145に書き
出した後収束フラグ設定回路22への収束フラグ設定要求
144にストローブを発し,Verr>Vconvの場合OR回路25へ
の信号線143にストローブを発する。
{繰り返し回数設定回路19の動作説明 (第1図,第21図)} 以下は,繰り返し回数設定回路19の説明である。繰り返
し回数設定回路19の内部には,第21図に示すように電圧
波形測定において,必要とされる電圧測定精度である2
次収束誤差Verr2を格納するための,32BitのレジスタReg
18が有る。繰り返し回数設定回路19は,起動信号101か
らストローブを受けると,制御装置3からReg18にVerr2
を読み込んだ後,AND回路24への信号線110を高電位にす
る。信号線110は,信号線111が高電位になるとリセット
される。信号線110のリセット手段と,Reg18へのデータ
設定手段は省略した。繰り返し回数設定回路19は,収束
フラグ設定回路22からの信号線146にストローブを受け
ると,収束判定回路18からの分析電圧精度データ145よ
り1次収束誤差Verr1を読み込み,前記(4)式に従い繰り
返し回数Kを求めた後,切り上げによる整数比を行い,K
を分析電圧加算カウンタ回路23への繰り返し回数データ
147に書き出し,信号線148にストローブを発する。この
時,Kは制御装置3にも送り出されるが,その手段は省略
した。
{位相送りカウンタ回路20の動作説明 (第1図,第22図)} 以下は,位相送りカウンタ回路20の説明である。位相送
りカウンタ回路20の内部には,第22図に示すように8Bit
のカウンタレジスタReg19と1Bitのカウンタレジスタの
オーバーフローを表示するオーバーフローフラグReg20
がある。位相送りカウンタ回路20は,AND回路26からの信
号線115よりストローブを受けると,Reg19,Reg20をクリ
アした後AND回路28への信号線118を高電位にする。信号
線118は信号線119が高電位になるとリセットされる。信
号線118のリセット手段は,省略した。位相送りカウン
タ回路20は,ランダムアドレス発生回路16からの信号線
129にストローブを受けると,オーバーフローフラグReg
20がセットされている場合は位相走査カウンタ回路21へ
の信号線132にストローブを発生する。オーバーフロー
フラグReg20がセットされていない場合は,Reg19の内容
をランダムアドレス発生回路16へのアドレスデータ131
に設定し,さらに,OR回路29への信号線130にストローブ
を発した後,Reg19をインクレメントする。もしReg19に
オーバーフローが生じた場合はReg20にオーバーフロー
フラグをセットする。
{位相走査カウンタ回路21の動作説明 (第1図,第23図)} 以下は,位相走査カウンタ回路21の説明である。位相走
査カウンタ回路21の内部には,第23図に示すように位相
走査回数Jを設定するための16BitレジスタReg21と位相
走査のカウンタReg22がある。位相走査カウンタ回路21
は,起動信号101にストローブを受けると,制御装置3
からReg21に位相走査回数Jを設定した後,AND回路24へ
の信号線103を高電位にする。信号線103は,信号線111
が高電位となるとリセットされる。信号線103のリセッ
ト手段は省略した。
位相走査カウンタ回路21は,OR回路25からの信号線112か
らストローブを受け取ると,Reg21の内容をReg22に転送
した後,AND回路26への信号線114を高電位にする。信号
線114は,信号線115が高電位になるとリセットされる。
信号線114のリセット手段は省略した。位相走査カウン
タ回路21は信号線132からストローブを受けると,Reg22
の内容をデクレメントする。その結果,Reg22の内容が,
0となれば,ランダムアドレス発生回路16への信号線133
へストローブを発し,その他の場合は,2次電子信号処理
回路13,分析電圧制御回路14への信号線135へストローブ
を発する。位相走査回数Jと,Reg1の内容の2次電子
信号加算回数L,Reg2の内容の全2次電子信号加算回数
Mの関係は, (8)式の通りである。
M=L×J ・・・・・(8) {収束フラグ設定回路22の動作説明 (第1図,第24図)} 以下は,収束フラグ設定回路22に関する説明である。収
束フラグ設定回路22の内部には,第24図に示すように収
束フラグを格納するための1BitのレジスタReg23があ
る。収束フラグ設定回路22は,起動信号101からストロ
ーブを受け取ると,Reg23をクリアし,AND回路24への信
号線108を高電位にする。信号線108は,信号線111が高
電位になるとリセットされる。信号線108のリセット手
段は省略した。AND回路33への収束フラグ139には,Reg2
3の内容が現れる。収束フラグ設定回路22は,収束判定
回路18からの収束フラグ設定要求144からストローブを
受けるとReg23に収束フラグをセットし,収束フラグ139
の値が確定すると繰り返し回数設定回路19への信号線14
6へストローブを発する。
{分析電圧加算カウンタ回路23の動作説明 (第1図,第25図)} 以下は,分析電圧加算カウンタ回路23に関する説明であ
る。分析電圧加算カウンタ回路23の内部には,第25図に
示すように分析電圧加算回数を格納するための10Bitの
レジスタReg24がある。分析電圧加算カウンタ回路23
は,繰り返し回数設定回路19からの信号線148からスト
ローブを受け取ると,繰り返し回数データ147のデータ
をReg24に格納した後,OR回路32への信号線149にストロ
ーブを発する。分析電圧加算カウンタ回路23は分析電圧
データ処理回路17からの信号線154からストローブを受
けると,Reg24をデクレメントして,Reg24が0の場合は
終了信号156へストローブを発し,Reg24が0以外であれ
ばOR回路25への信号線155へストローブを発する。
以上で説明した発明の全体の動作は,第5図に示した動
作シーケンスに従う。
第5図において,ループ1,2,3,4及び4′,5は各々前記
概略説明の動作1,2,3,4,5に対応する。
{発明の原理についての説明(第6図〜第10図)} 以下では,本発明の原理について説明する。
第6図に,本発明による電圧波形定量化の原理を示し
た。図でVRは電圧測定用エネルギ分析器の分析電圧で,
発明の実施例におけるReg5のデータであり,2次電子信
号量Sは、2次電子信号の大きさを表し、発明の実施例
におけるReg4のデータである。右肩の添字は,分析電
圧の更新回数を示す。Nは,全測定位相点数であり,実
施例では,N=256である。位相φは,発明の実施例にお
けるReg8のデータである。位相φ(i)分析電圧V
R l(i)で2次電子信号のサンプリングを行うとS
l(i)が得られる。位相走査を行い全測定位相でSl
求まると,分析電圧VR lは,前記(2)式に従い更新す
る。
上の分析電圧更新動作を繰り返すことにより,分析電圧
は初期値VR 0(実施例では0V)から収束値に近づき,2次
電子信号量Sはノイズ成分を除き,スライスレベルSLと
一致する。
本発明において収束係数αを前記(1)式で与える理由
と分析電圧の収束を前記(2)式に従い分析電圧を更新
することにより行う1次収束と,1次収束以降に更新され
た分析電圧データの加算平均を行い2次収束誤差Verr2
という精度を持つ分析電圧を得るための,分析電圧の加
算平均回数Kが前記(3),(4)式から与えられる理
由を以下に示す。第7図は,分析電圧の初期値を0Vにし
た場合に,前記(2)式に従い分析電圧を更新した場合
の分析電圧更新回数と分析電圧の関係を5種類の収束係
数αについて測定したものである。第7図より収束係数
αを前記(1)式と等しく選択した場合,最も早く最終
的な収束値4.18Vに収束することがわかる。
収束係数αを前記(1)式で示される値に設定する第2
の理由を以下に述べる。スライスレベルSL近傍での分析
電圧VRと2次電子信号量Sの関係は,第8図より近似的
に(9)式で示される。この近似は、分析カーブがスラ
イスレベルSLの近傍で直線であるとみなしたものであ
り、前述した分析電圧の1次収束誤差Verr1が1次収束
判定値Vconv(白色雑音程度)よりも小さくなったとき
に有効になる。分析電圧の補正回数を示す添字lは,式
(9)〜(11)では乗算回数と区別するため右下に書い
た。nlは,白色雑音である。VRconvは、図3または図8
に示す分析カーブとスライスレベルSLとの交点における
分析電圧の値である。
(2)式に従って分析電圧の補正を行うとVRは、(10)
式により与えられる。
(10)式で、 とすると、VRlは、(11)式に示されるように、白色雑
音nlにαを掛けた値と、VRconvによって表すことができ
る。
VRl=VRconv−αnl−1 ・・・・・・(11) K回の加算平均う行うことにより分散がK-1/2比例して
減少するという,白色雑音のよく知られた性質から,分
析電圧がスライスレベル近傍に収束してからK回の分析
電圧の補正と加算平均を行うことにより,分析電圧測定
値のS/Nを に向上することができる。すなわち、上記(11)式の右
辺の第2項の値が√Kに比例して減少し、分析電圧はVR
convに収束してゆく。
また,2次電子信号量Sと分析電圧VRの関係が線形で
(9)式が成立するような条件では,分析電圧の誤差Ve
rr1は前記(3)式により求まるため,所望の電圧測定
誤差Verr2を得るためには、上記加算平均回数と白色雑
音の減少の性質を考慮すれば、前記(4)式で求まる回
数だけ,分析電圧を加算平均すればよい。
次に,通常のシリアルな位相走査法に対するランダム位
相走査法の効果とランダム位相走査の実現方法について
述べる。
絶縁膜のチャージアップ現象を説明するための単純なモ
デルでは,絶縁膜に電子ビームを打ち続けた場合,第9
図に示すように絶縁膜表面電圧Vsufの初期値Viniがどの
ような値であっても,最終的に絶縁膜表面電圧Vsufはあ
る緩和時間τで,平衡表面電圧Vegとなる。ここで,τ
は連続電子ビームに対する緩和時間である。ストロボ電
子ビームのパルス幅tω・10-9・s,繰り返し周波数をf
×106Hzとすると,ストロボ電子ビームの場合の緩和時
間τstbは次式で表わされる。
典型的な例として,τ=5μsec,ストロボ電子ビームの
パルス幅1ns,繰り返し周波数1MHzとした場合τstbは5ms
ecとなる。繰り返し周波数1MHzの電圧波形を256位相点
で測定する場合,1位相点で打ち込む電子ビームパルス
(以下、EBパルス)数をLとすると,1位相スキャンに要
する時間τscanは次式のようになる。
τscan=256・L・10-6sec ・・・・(13) 通常のシリアルな位相スキャン法では,(14)式の条件
を満たす場合に,ほぼ忠実な電圧波形の測定が可能とな
る。ここで, τscan《τstb ・・・・・(14) 例えば,10τscan=τstbとすると,L=2程度となる。し
かし,この場合,本特許の方式で電圧波形の定量化を行
う場合エネルギ分析器の分析電圧を2μsecで切り換え
る必要があり,エネルギ分析手段と位相走査手段のエネ
ルギ分析器に分析電圧を供給する部分は,10MHz程度の周
波数応答が必要となる。また,測定位相点数が増した場
合には,さらに周波数応答を向上させる必要があり実現
が困難となる。
一方,プリチャージ法という技術を用いることにより,1
位相点で1回のプリチャージ動作当たり210個のEBパル
スを打ち込んでのサンプリングが可能となる。また,EB
パルスの打込数は,測定位相点数に依存しない。しか
し,プリチャージのためにサンプリングの場合に照射す
る10倍程度の量のEBパルスを打ち込む必要があり,測定
時間が長大となる。
従来,プリチャージは,特定位相でEBパルスを打ち込む
ことにより行っていたが,位相をランダムに変えながら
EBパルスの打ち込みを行っても同等の効果を得ることが
できる。従って,位相走査をランダムに行いながら2次
電子信号のサンプリングを行うと,プリチャージと同時
にサンプリングを行うこととなるため,測定位相点数の
多少によらず,1位相点当たり210個のEBパルスをサンプ
リングのために打ち込むことが可能となる。また,エネ
ルギ分析器等の応答速度は20KHz程度あれば十分で,こ
れは容易に実現される。
さらに,ランダムな位相走査を行うことにより,低い周
波数成分の電圧波形を等価的に高い周波数成分の電圧波
形として測定することになるのも絶縁膜を介した測定で
は好都合である。
次にランダム位相走査の実現方法について説明する。電
子ビームによるランダムな位相走査では,1回の位相走査
で,全測定位相が必ず1回だけ設定され,位相走査毎に
異なる順番に位相走査が行われる必要がある。そのよう
な位相走査の実現方法を第10図に示す。Reg9のアドレ
スデータの0〜255番地には,0〜255までの数をランダム
に組み換えた値が格納されている。Reg10のベースアド
レスポインタの内容0とReg19の位相送り用カウンタの
内容I1を加算して得られる値I1をアドレスとしてReg
のアドレスデータよりデータを読み出すとI2が得られ
る。
I2をアドレスとしてReg8の位相データから読み出した
値を位相データ161に設定し,I2をアドレスとしてReg
の分析電圧データから読み出した値をDA変換し,分析電
圧163に設定し,2次電子信号をサンプリングし,その値
をReg4の2次電子信号データのアドレスI2の部分に書
込む。LSBデータ127か1であれば,I2をReg11のアドレス
ポインタの内部P1をアドレスとしてReg9に書込みReg11
をインクレメントし,Reg19をインクレメントする。LSB
データ127が0であれば,I2をReg12のアドレスポインタ
の内容としてReg9に書込みReg12をデクレメントし,R
eg19をインクレメントする。Reg19がオーバーフローし
た時,Reg10が0であればReg10=256,Reg11=0,Reg12=
255,Reg19=0と設定し,Reg10が256であれば,Reg10=
0,Reg11=256,Reg12=511,Reg19=0に設定すれば自然
乱数であるLSBデータ127により発生された新たな乱数系
列により位相走査を行うことができる。
{本発明による実験結果(第11図,第12図)} 第11図に本発明の実験結果を示す。測定は,1μmの厚さ
の絶縁保護膜(PSG)下の5μm幅配線に,振幅5V,周波
数1MHzの矩形波を与えて行った。電子ビーム加速電圧
は,1kV,EBパルス幅は1ns,1回の位相スキャンで1位相点
当たり照射したEBパルス数は210である。移送幅は8nsで
ある。第12図は,同様の条件でPSGを除去したICで波形
の測定を行ったものである。シリアルな位相走査で見ら
れる波形の歪みが,ランダムな位相走査を行うことによ
り除かれている。絶縁膜を通して電圧波形を測定した場
合の振幅の減少は,絶縁膜内部に生じた電界による電圧
降下によるものである。
このように,本発明を用いることにより,絶縁膜下配線
の電圧波形を絶縁膜を介して定量的に測定できた。
〔発明の効果〕 本発明によれば,分析電圧を短時間で補正,収束させる
ことが可能となり,また,S/N比の高い分析測定電圧を得
ることができる。さらに,位相走査をランダムに行うこ
とにより、絶縁膜下配線に対しても,分析精度の高い測
定を短時間に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による信号処理装置の構成図, 第2図は本発明によるストロボ電子ビーム装置の構成
図, 第3図は分析カーブと収束係数αの関係図, 第4図はストロボ遅延回路の動作タイミングチャート, 第5図は本発明の動作シーケンス図, 第6図は電圧波形定量化の原理図, 第7図は分析電圧更新回数対分析電圧の関係図, 第8図はスライスレベルSL近傍での分析電圧VRと2次電
子信号量Sの関係図, 第9図は絶縁膜表面電圧と電子ビーム照射時間の関係
図, 第10図はランダム位相走査方式の説明図, 第11図はランダムな位相走査の効果説明図, 第12図は絶縁膜無集積回路電圧波形測定図, 第13図は2次電子信号加算回路のレジスタ構成図表, 第14図は2次電子信号処理回路のレジスタ構成図表, 第15図は分析電圧制御回路のレジスタ構成図表, 第16図は位相制御回路のレジスタ構成図表, 第17図はReg8の初期化形式, 第18図はランダムアドレス発生回路のレジスタ構成図
表, 第19図は分析電圧データ処理回路のレジスタ構成図表, 第20図は収束判定回路のレジスタ構成図表, 第21図は繰り返し回数設定回路のレジスタ構成図表, 第22図は位相送りカウンタ回路のレジスタ構成図表, 第23図は位相走査カウンタ回路のレジスタ構成図表, 第24図は収束フラグ設定回路のレジスタ構成図表, 第25図は分析電圧加算カウンタ回路のレジスタ構成図
表. 1……信号処理装置, 2……ストロボ電子ビーム手段, 3……制御装置, 9……エネルギ分析器, 11……2次電子信号加算回路, 12……ストロボ遅延回路, 13……2次電子信号処理回路, 14……分析電圧制御回路, 15……位相制御回路, 16……ランダムアドレス発生回路, 17……分析電圧データ処理回路, 18……収束判定回路, 19……繰り返し回数設定回路, 20……位相送りカウンタ回路, 21……位相走査カウンタ回路, 22……収束フラグ設定回路. 23……分析電圧加算カウンタ回路.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 善朗 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 石塚 俊弘 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 尾崎 一幸 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−7049(JP,A) 特開 昭59−220940(JP,A) 特開 昭59−180372(JP,A) 特開 昭59−31549(JP,A) 山内,森口、一松 共編「電子計算機の ための数値計算法▲I▼」培風館(昭40− 1−20)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高速動作する被検集積回路(10)の電圧を
    検知するためのストロボ電子ビーム手段(2)と、 ストロボ電子ビーム(6)の位相走査を行う位相走査手
    段(15)と、 該各位相毎に前記被検集積回路(10)から得られる2次
    電子のエネルギ分析を行うエネルギ分析手段(9)と、 前記各位相走査毎にエネルギ分析された2次電子を検出
    する2次電子検出手段(8,11,13)と、 該2次電子検出手段により得られる各2次電子信号量か
    ら前記各位相走査毎に前記エネルギ分析手段(9)に供
    給する分析電圧を、測定位相点数N,測定位相φ(I)I
    =1,・・・,Nに対して分析電圧VR(I)I=1,・・・,N
    及び2次電子信号量S(I)I=1,・・・,Nが得られた
    場合に、(1)式より求まる前記分析電圧VRと2次電子
    信号量Sの関係として求まる分析カーブとスライスレベ
    ルSLの交点における分析カーブの傾きの逆数として表さ
    れる収束係数αを用い(2)式に従って補正する分析電
    圧補正手段(14)と、 (3)式で得られる補正分析電圧の誤差(Verr1)を計
    算し、該誤差が白色雑音とみなせる値以上であると判定
    したときには前記位相走査・2次電子検出・分析電圧補
    正の動作を繰り返して収束判定を継続し、前記誤差が白
    色雑音とみなせる値以下であると判定したときには分析
    電圧加算平均手段(17,19)に対し前記位相走査・2次
    電子検出・分析電圧補正の動作を(4)式に従って所望
    の電圧測定精度(Verr2)によって表される加算・平均
    回数(K)だけ繰り返し、それにより得られる各補正分
    析電圧の加算平均を前記位相走査毎に計算し出力させる
    旨を指示する収束判定手段(18)を有することを特徴と
    するストロボ電子ビーム装置。 VR l+1(I)=VR l(I)−α(Sl(I)−SL) ‥‥‥
    (2) K=(Verr1/Verr2)2 ‥‥‥(4) 上記(2)式において、I=1,2,・・・,N 右肩の添字lまたはl+1は、分析電圧の補正回数
  2. 【請求項2】高速動作する被検集積回路(10)の電圧を
    検知するためのストロボ電子ビーム手段(2)と、 ストロボ電子ビーム(6)の位相走査を行う位相走査手
    段(15)と、 該各位相毎に前記被検集積回路(10)から得られる2次
    電子のエネルギ分析を行うエネルギ分析手段(9)と、 前記各位相走査毎にエネルギ分析された2次電子を検出
    する2次電子検出手段(8,11,13)と、 該2次電子検出手段により得られる各2次電子信号量か
    ら前記各位相走査毎に前記エネルギ分析手段(9)に供
    給する分析電圧を、測定位相点数N,測定位相φ(I)I
    =1,・・・,Nに対して分析電圧VR(I)I=1,・・・,N
    及び2次電子信号量S(I)I=1,・・・,Nが得られた
    場合に、(1)式より求まる前記分析電圧VRと2次電子
    信号量Sの関係として求まる分析カーブとスライスレベ
    ルSLの交点における分析カーブの傾きの逆数として表さ
    れる収束係数αを用い(2)式に従って補正する分析電
    圧補正手段(14)と、 前記位相走査手段(15)に対してランダムな位相走査を
    指示するランダム位相走査指示手段(16)と、 該ランダム位相走査指示手段における位相走査指示の順
    序を1組の位相走査指示毎に組み換える指示順序組換手
    段(20,21)と、 前記ランダム位相走査指示手段(16)が指示する順番に
    従って位相走査することによって得られる2次電子信号
    量S(I)を位相走査ごとに加算平均して位相点ごとの
    分析電圧を求め、その誤差が白色雑音とみなせる値にま
    で収束した後に、前記ランダム位相走査指示手段(16)
    が指示する順番に従って位相走査することによって得ら
    れる各補正分析電圧の加算平均を所定回数行うことによ
    って得られる値を加算平均して出力する分析電圧加算平
    均手段(17,19)と、 を有することを特徴とするストロボ電子ビーム装置。 VR l+1(I)=VR l(I)−α(Sl(I)-SL) ‥‥‥(2) 上記(2)式において、I=1,2,・・・,N 右肩の添字lまたはl+1は、分析電圧の補正回数
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