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Entwicklung einer kontaktlosen

1. Bild 9 12 Zielpr paration der kurzgeschlossenen Leiterbahn rot Zum Vergleich eine gleichartige Leiterbahn die keinen Kurzschluss aufweist Somit kann der Fehler der zum Ausfall des ICs f hrt mit Hilfe der hier entwickelten Strommesstechnik eindeutig erkannt und lokalisiert werden Mit diesen Strommessungen kann demonstriert werden dass es m glich ist Strompfadverfolgungen durchzuf hren selbst wenn die Leiterbahn n tieferen Metallisierungsebenen verl uft 9 3 Weiterf hrende Messungen Durch eine Linienrasterung in Messpunkt MP3 mit verschiedenen Str men kann beobachtet werden dass die Kennlinie nicht rein Ohmscher Natur sein kann 123 9 3 Weiterf hrende Messungen Bei einer Messung des in den IC flie enden Stroms kann die in Bild 9 13 dargestellte U I Kennlinie ermittelt werden I NONAOOON ARO Pay f Strom mA 0 100 200 300 400 U Spannung mV Bild 9 13 Extern gemessene U I Kennlinie Die Pfeile geben die Durchlaufrichtung der Spannung an Diese Kennlinie wird auch bei einer IC nternen Strommessung mit dem MKM nachgewiesen Ein entsprechendes Messergebnis an Messpunkt MP2 gemessen mit ansteigendem und abnehmendem Strom ist in Bild 9 14 dargestellt Amplitude 0 0 S S oN oN SA fe N n 400 i 400 pri 0pm 100 pr O urm AO pm 100 pm a Ort uber der Probe Ort uber der Probe Amplitude Phase 400 400 gt El S p 5
2. aufgedampfte Kobaltschicht Bild 7 33 Prinzipielle Darstellung des Bedampfungsprozesses Jedoch ist diese Vorgehensweise aufgrund der geringen Hebelarmdimensionen und des relat v gro en Abstandes zwischen Hebelarm und Blende n cht besonders pr zise Die sehr unterschiedlichen Bedampfungsergebnisse dieser Aufdampftechnik sind sehr gut an den beiden Vergleichsaufnahmen in Bild 7 34a und 7 34b zu erkennen Bild 7 34a zeigt ein sehr gutes Bedampfungsresultat bei dem nur der vordere Bereich der Messsonde mit Kobalt bedampft wurde w hrend Bild 7 34b eine fehlerhaft bedampfte Messsonde zeigt bei der ein Teil des Hebelarms mitbedampft worden ist 102 7 5 Einfluss des Hebelarms a b Bild 7 34 Bedampfte Messsonde a optimal bedampfte Messsonde b fehlerhaft bedampfte Messsonde Mit der bedampften Messsonde aus Bild 7 34a wurden Strommessungen vorgenommen Es konnten Messergebnisse erzielt werden die eine fast vollst ndige Eliminierung des Hebelarmeinflusses zeigten Bild 7 35 W hrend die Messergebnisse unter Verwendung von Standard Messsonden den oben erw hnten asymmetrischen Verlauf aufweisen zeigen die Messergebnisse der verbesserten Messsonde einen zur Leiterbahn fast vollst ndig symmetrischen Verlauf Standard MKM Messsonde Verbesserte MKM Messsonde Amplitude a u 0 Ort ber der Probe um Bild 7 35 Vergleichsmessung zwischen Standard Messsonde und optimierter Messsonde Aufgrund eines
3. Z an 2 13 ae OZ OZ i Das hei t die Kraft ist proportional der ersten Ableitung des magnetischen Feldes H in z Richtung sowie der Gr e des magnetischen Dipolmoments mo Nach dem Hookschen Gesetz Gleichung 2 1 ergibt sich damit eine direkte Proportionalit t zwischen dem Gradienten des magnetischen Feldes der Probe und der Auslenkung des Hebelarms die letztlich gemessen werden kann Ah F a M mag z Ah F_ AH mag z 2 14 Zur Steigerung der Messempfindlichkeit wird das MKM dynamisch betrieben Hierbei wird die Messsonde nahe ihrer Resonanzfrequenz zum Schwingen angeregt und in einem konstanten Abstand ber die Probe gerastert Nicht Kontaktmodus mit Anregung Kap 2 1 Gemessen wird die Phasen nderung Ag der Schwingung Sie ist proportional der 2 Ableitung des magnetischen Feldes H der Probe in z Richtung Lohndorf 1997 Wehner 2001 O 180 OH BZ MoHo er CH OZ 2 15 QO ist dabei die G te des Hebelarms Nanosensors 2001 MDT 2000 mit der Federrate c 19 2 3 Strommessung mit dem Maenetkraftmikrosko 2 3 Strommessung mit dem Magnetkraftmikroskop MKM Zur Messung von Str men in integrierten Schaltungen wird im Rahmen dieser Arbeit das MKM eingesetzt Dabei wertet man wie in Bild 2 10 dargestellt das vom Stromfluss in einer Leiterbahn erzeugte Magnetfeld mit dem MKM aus Bild 2 10 Prinzip der Strommessung Mit einem Detektorsystem dessen Ausgangssignal proportion
4. z a oF 2 N 0 D pm AO um 100 um 2 0 0 um FO a 100 rm b Ort ber der Probe Ort ber der Probe Bild 9 14 Strommessung am Messpunkt MP2 a abnehmender Strom b ansteigender Strom 124 9 3 Weiterf hrende Messungen Ah A0 5 ge 2 0 8 2 0 6 u oe 04 302 f 0 0 0 80 160 240 320 400 U Spannung mV Bild 9 15 Extrahierte Linienrasterung f r ansteigenden rot und abnehmenden Strom er n aus Bild 9 14 In Bild 9 14a ist deutlich zu sehen dass ein Stromfluss in der hier untersuchten Leiterbahn erst bei ca U 200 mV deutlich messbar ist Wie erwartet steigt der dann einsetzende Strom sprungf rmig an In Bild 9 14b ist bei abnehmender Stromst rke zu erkennen dass bei ca U 40 mV noch ein deutlicher Stromfluss nachzuweisen ist Mit dieser Strommessung kann demonstriert werden dass IC intern die Stromst rke aufgrund der direkten Proportionalitat zwischen Messsignalpegel und dem in einer Leiterbahn flieBenden Strom qualitativ vermessen werden kann Fur eine quantitative Strommessung w re die Kenntnis aller Parameter erforderlich siehe Kap 2 Das ist schon aufgrund des Fehlens einer exakten H henkontrolle bei diesem Testsystem und der daraus resultierenden Unkenntnis des exakten Abstandes der Messspitze zur Leiterbahn nicht m glich 9 4 Strommessungen an einem passivierten IC Alle beschriebenen Messergebnisse k nnen auch an einem passivierten IC erreicht werden da die Strommessungen am unpass
5. J Vac Sci Technol Vol 14 2 S 1202 1996 Produktkatalog der Firma Oriel 2000 Produktkatalog der Firma Physics Instruments 2000 Produktkatalog der Firma Physics Instruments 2001 B Picart et al Internal Non Contact Testing Method Using Ferroelectric Liquid Crystals Microelectronic Eng Vol 12 S 149 1990 144 12 Literaturverzeichnis Pohl 1995 Pratzer 2001 Pretorius 1997 Proksch 1999 Rajsuman 1995 Richter 1992 Robrock 1990 Sarid 1991 D W Pohl Near field optics light for the world of nano scale science Thin solid Films Vol 264 S 250 1995 M Pratzer et al Atomic scale magnetic domain walls in quasi one dimensional Fe nanostripes Phys Rev Lett Vol 87 S 127201 2001 M Pretorius et al Transverse magneto optical Kerr effect of Fe at the Fe 3p threshold Phys Rev Vol 55 S 14133 1997 R Proksch et al Maesuring the gigahertz response of recording heads with the magnetic force microscope App Phys Lett Vol 74 Nr 9 S 1308 1999 R Rajsuman IDDQ Testing for CMOS VLSI Artech House Inc 1995 H Richter Test Chip for the Characterization of Electron Beam Measurement Systems Microelectronic Engeneering Vol 16 S 225 1992 K H Robrock Rasterkraftmikroskopie IFF Bulletin Forschungs zentrum Julich Vol 37 1990 D Sarid Scanning Force Microscopy with Applications to Electric
6. Prozessorroadmap Intel 2002 J Isenbart et al Physical Principles of Scanning Capacitance Microscopy Appl Phys A Vol 72 S 243 2001 J Israelachvili Intermolecular and Surface Forces 2nd Ed Academic Press Inc New York 1992 T Itoh et al Self excited force sensing microcantilevers with piezoelectric thin films for dynamic scanning force microscopy Sensors and Actuators Vol 54 S 477 1996 D L Klipstein Auf dem Weg zur Nano Entwicklung VDI Nachrichten Nr 3 1997 K H Knapp Chip Fertiger sto en an atomare Grenzen VDI Nachrichten Nr 3 1997 V Koutsos et al Atomic Force Microscopy and Real Atomic Reasolution Simple Computer Simulations Europhys Lett Vol 26 Nr 2 S 103 1994 K Krieg et al Electrical Probing of Deep Sub Micron ICs Using Scanning Probes ISTFA proceedings 1999 http www suss com products prober istfa_99 pap pdf E Kubalek Werkstoffe der Elektrotechnik 2 Vorlesungsskript Universit t Duisburg FB 9 WET 2000 140 12 Literaturverzeichnis Kupfermuller 1990 Lemke 1990 Lennard 1932 Leutfeld 2002 Leyk 1998 Linnemann 1995 Liu 1999 Lohau 1999 K K pferm ller Einf hrung in die theoretische Elektrotechnik Springer Verlag 1990 H Lemke et al Improved microtips for scanning probe microscopy Rev Sci Instrum Vol 61 S 2538 1990 J E Lennard Jones Proc
7. aufgetragen Amplitude a u Bild 7 2 Simulation der Messwerte bei einer Strommessung an einer beschalteten Leiterbahn am Ort x 0 auf der y Achse ist die Rasterhohe h dargestellt auf der x Achse der Ort tiber der Leiterbahn im Nullpunkt befindet sich die Leiterbahn auf der Ah Achse ist der erwartete Messwert dargestellt Bild 7 2 zeigt deutlich den bei Vergr erung der Rasterh he A sehr stark abnehmenden Betrag der Kraft F Messwert Die Strommessungen in Bild 7 3 und 7 4 werden mit dem in Kap 4 gezeigten kommerziellen Messstand realisiert Bei dieser Untersuchung wird an der b 2 um breiten Leiterbahn G der ITG Teststruktur bei einem Strom von 1 mA eine Linienrasterung durchgef hrt Bei der Strommessung in Bild 7 3 wird in einem extrem gro en Arbeitsabstand h von etwa h 0 5 um bis h 4 5 um gemessen 76 7 2 Einfluss der Rasterhohe Ah Abstand h 4 5 um p 1 Abstand h 2 5 um Abstand h 4 5 um Abstand h 0 5 um Abstand h 2 5 um gt 99 Abstand h 0 5 um S er aD O 3 0 5 S ya A lt 0 10 0 10 10 0 10 Ort ber der Probe um Ort ber der Probe um a b Bild 7 3 Strommessung bei I mA Stromfluss an einer b 2 um breiten und a 500 nm hohen Leiterbahn mit unterschiedlich gro er Rasterh he von h 0 5 bis h 4 5 um In Bild 7 3 ist deutlich erkennbar dass die Rasterh he h wie bei diesem gro en Abstand erwartet kaum einen signifikanten Einfluss auf
8. 131 11 Zusammentassung kontaktlosen Messung von Stromen Parallel zum Aufbau des zweiten Testsystems wurde mit dem ersten Testsystem die Charakterisierung dieser Messtechnik vollzogen Das neu entwickelte Testsystem schlie t vor allem Probleme wie die schlechte Handhabung welche die Messungen sehr langwierig gestaltet und die mangelnde Adaptionsfahigkeit neuer Komponenten oder Messsonden aus Zu nennen sind hier neben den in Kap 7 vorgestellten multifunktionalen Messsonden neue Sondenkonzepte wie beispielsweise der Nadelsensor Das neuentwickelte Testsystem konnte au erdem durch eine Verbesserung der Empfindlichkeit der Detektionseinheit berzeugen Breit angelegte Serienuntersuchungen konnten aber aufgrund softwaretechnischer Probleme noch nicht durchgef hrt werden Eine deutliche Abweichung der Messergebnisse von denen des ersten Testsystems konnte nicht festgestellt werden Es war jedoch weltweit erstmals m glich Strom und Spannung s multan mit den im Rahmen der Arbeit entwickelten multifunktionalen Messsonden zu messen Die Automatisierungsarbeiten sind allerdings noch nicht abgeschlossen Messtechnisch wurden zun chst einige kommerziell verf gbare MKM Messsonden m Hinblick auf ihre Verwendbarkeit bei der Strommessung untersucht Es stellten sich zwei Messsondentypen als die geeignetsten heraus Eine Messsonde der Firma MDT besitzt die gr te Empfindlichkeit Eine Messsonde der Firma Nanosensors weist aufgrund deutlich
9. 1992 S C Minne et al Parallel atomic force microscopy using cantilevers with integrated piezoresistive sensors and integrated piezoelectric actuators Appl Phys Lett Vol 67 S 3918 1995 Nanosensors Produktkatalog Edition 2000 Nanosensors Produktkatalog Edition 2001 M Neinhys Kontaktlose Strom und Spannungsmessungen mit dem Nadelsensor Studienarbeit Universitat Duisburg 2001 C Ney Entwicklung und Aufbau eines eigenst ndigen Rasterkraftmikroskop Testsystems zur Spannungs und Strom messung an integrierten Schaltkreisen Diplomarbeit Universit t Duisburg 2000 143 12 Literaturverzeichnis Nikawa 1998 Nikawa 2000 Ohnesorge 1993 Omicron 2000 Oral 1996 Oriel 2000 PT 2000 PT 2001 Picart 1990 K Nikawa et al Near field optical probe induced resistance change detection NF Obirch method for identifying defects in Al and TiSi interconnects Microelectronics Reliability Vol 38 S 833 1998 K Nikawa IR OBIRCH analysis systemu AMOS 200 Produkt katalog Hamamatsu 2000 F Ohnesorge et al True Atomic Resolution by Atomic Force Microscopy Through Repulsive and Attractive Forces Science Vol 260 S 1451 1993 Omicron Newsletter UHV 4 PROBE For Nano Devices Vol 4 Nr 1 2000 http www omicron de newsletter NItl 00 pdf A Oral et al Scanning Hall probe microscopy of superconductors and magnetic materials
10. 2000 B Courtois CAD and Testing of ICs and systems Where are we going TIMA Labouratorys 1993 den Boef et al Preparation of magnetic tips for a scanning force microscope Appl Phys Lett Vol 56 S 2045 1990 DI Produktkatalog DI Advanced 1998 136 12 Literaturverzeichnis EG amp G 2001 Elezzabi 1996 Ericksen 1987 Fehr 1992 Gao 1995 Gao 1997 Gelnovatch 1991 Goel 1992 Gotszalk 1998 EG amp G Produktkatalog 2001 A Y Elezzabi et al Ultrafast magneto optic sampling of picosecond current pulses Appl Phys Lett Vol 68 S 3546 1996 J L Ericksen et al Theory and Applications of liquid Crystals Springer Verlag New York 1987 J Fehr et al Electron beam testing of monolithic integrated micro and millimeterwave circuits Microelectronic Engineering Vol 16 S 165 1992 Y Gao A miniature magnetic field probe for measuring fields in planar high frequency circuits IEEE MTT S Digest S 1159 1995 Y Gao A near field measurement system for measuring electric and magnetic fields in planar high frequency circuits Dissertation Universitat Duisburg 1997 V G Gelnovatch Prognostications from the edge Microwave Journal Nr 5 S 26 April 1991 J Goel Enraging technologies IEEE MTT S Newsletter Vol 5 5 Springer 1992 T Gotszalk et al Fabrication of multipurpose piezoresistive Whea
11. blicherweise fur das MKM verwendet werden fur die Strommessung nicht geeignet sind Unter diesen Voraussetzungen konnten an Leiterbahnen der Breite bi 2 um Gleichstr me von 1 mA und niederfrequente 1 Einleitung und Problemstellung Wechselstr me von 1 uA gemessen werden Campbell 1994 Hochfrequente Messungen sind mit diesen Messsonden ausgeschlossen Eine kritische Betrachtung der Theorie des MKM zeigt dagegen mehrere m Dipolmodell vernachl ssigte Einfl sse So wird in dem Dipolmodell Hartmann 1989 die gesamte Magnetisierung der Messspitze als ein konstanter magnetischer Dipol angenommen Bei genauer Betrachtung stellt man jedoch fest dass die GroBe des Dipols nicht unabhangig von der Gr e des au en anliegenden magnetischen Feldes sein kann Sueoka 1991 Die daraus resultierenden nichtlinearen Effekte begr nden die Hoffnung dass es mit Standard Messsonden m glich sein wird hochfrequente Str me zu messen Im Verlauf der Arbeit best tigten auch anderen Gruppen diese These durch hochfrequente Magnetfeldmessungen Proksch 1999 Des weiteren geht das Modell nur von einem einzigen Dipol aus der sich im unteren Bereich der Messspitze befindet Da jedoch die gesamte Hebelarmunterseite mit einem magnetischen Material bedampft ist kann man auch hier davon ausgehen dass weitere Modellanpassungen erforderlich sind Im Rahmen dieser Arbeit wird deshalb ein Messsystem basierend auf der Magnetkraftmikroskopie entwickelt Mi
12. ohne den eigentlichen IC zu besch digen Das Ergebnis dieser Pr paration st n Bild 9 4 zu sehen Bild 9 4 Foto des pr parierten Geh uses Durch die Pr paration ist es m glich mit der Messsonde an die Oberfl che des ICs zu gelangen Jedoch bleibt der Testzugriff weiterhin eingeschr nkt siehe Messbereich in Bild 9 5 da der Halter der Messsonde gegen die Seitenw nde des Geh uses zu sto en droht Der Messbereich kann durch Entfernen der Seitenw nde vergr ert werden sofern die Kontakte nicht zum Beschalten ben tigt werden Bild 9 5 Darstellung des m glichen Messbereichs im ge ffneten IC 118 9 2 Fehleranalyse 9 2 Fehleranalyse Zur Demonstration der Leistungsf higkeit werden erste Strommessungen an der Leiterbahn die in der Hot Spot Analyse eine gro e W rmeentwicklung zeigte durchgef hrt Sie ist in Bild 9 1 rot markiert An dem unpassivierten IC kann sofort ein Stromfluss in der Leiterbahn wie n Bild 9 6 dargestellt gezeigt werden y Amplitude y Phase 100 um 100 prm 2 2 2 A ax 3 KO um 5 AO pm D D O O 0 um R um pm AO um 100 um 0 um AQ um 100 um Ort ber der Probe Ort ber der Probe Bild 9 6 Strommessung bei ca I 6 mA ber der b n 100 um breiten Leiterbahn Die dunkle Linie 1m Amplitudenbild zeigt das Minimum der Normalkomponenten des gemessenen Magnetfeldes und befindet sich ber der Mitte der Leiterbahn Zu den R ndern hin steigt das gemessene Signal an w
13. was in der Regel die Zerst rung des ICs bedeutet Zur Verifizierung der elektrischen Funktion ben tigt man somit chipinterne kontaktlose und damit zerst rungsfreie Messtechniken Mit den vorhandenen Messtechniken hat man nur die M glichkeit Spannungen Menzel 1983 Sch ttler 1994 Fehr 1992 zu untersuchen Zur Fehleranalyse ist jedoch die Kenntnis des flie enden Stroms erforderlich und wird zunehmend an Bedeutung gewinnen Mit der Strommessung k nnen verlustbehaftete Teilschaltungen innerhalb eines ICs entdeckt werden Durch Ver nderung dieser Teilschaltungen kann man so die Verlustleistung des ICs optimieren Auch Kurzschl sse und Leckstr me innerhalb des ICs k nnen mit Hilfe der Strommessung am schnellsten und effektivsten detektiert werden Zur Strommessung an aktuellen Leiterbahnstrukturen von einer Breite unter 5 1 um mit Frequenzen im GHz Bereich und bei Str men lt l mA existiert zur Zeit kein Testsystem Zimmer 1999 Eine Befragung der Mitgliedsfirmen der mit dieser Problematik befassten Fachgruppe Kontaktloses Testen elektronischer 1 Einleitung und Problemstellung Bauelemente der Informationstechnischen Gesellschaft ITG des Verein Deutscher Ingenieure VDI ergab dass die Entwicklung eines entsprechenden kontaktlosen Strommessverfahrens zur Zeit Priorit t besitzt So wird derzeit z B ein vom Bundesministertum f r Bildung und Forschung BMBF gefordertes Projekt Neue Methoden zur Mikrocharakterisierung von
14. 3 2 Foto des realisierten Messsystems Rechts m Bild s nd die S gnalgeneratoren HP 3325a HP 1978 und der Lock In Verst rker EG amp G EG amp G 2001 zu sehen Links 1m Foto ist das Rasterkraftmikroskop Accurex 1 der Firma Topometrix Topometrix 1997 abgebildet Es ist zur Abschirmung elektrischer magnetischer und akustischer Wellen in ein mit Schaumstoff ausgekleidetes Alublechgehause eingebaut Links daneben auf dem Bild nicht mehr zu sehen befindet sich der PC des RKM Die S gnalzuf hrung ist nicht f r hochfrequente Signale ausgelegt da nur Koaxialdurchfuhrungen n das Alublechgehause vorhanden sind 43 3 1 Aufbau des Testsystems Bild 3 3 zeigt ei Foto des Rasterkopfes ber dem Probenhalter der auf xyz Mikromanipulatoren befestigt ist Bild 3 3 a Foto des realisierten Messaufbaus zum Positionieren des Rasterkopfes uber der Probe b Foto des Originalger tes Topometrix 1997 Das RKM des Typs Accurex der Firma Topometrix liefert fur diesen Messaufbau nur noch den Rasterkopf in Bild 3 3 rot eingerahmt die Elektronik und den Steuer PC Die Probenaufnahme fur die zu testenden Bauelemente wird gegen einen 40 poligen Dilgeh use Textoolsockel ausgetauscht um in geh usten ICs messen zu k nnen Die Komponenten die zum Positionieren der Probe vorgesehen s nd werden gegen die n Bild 3 3a unten dargestellten exakteren xyz Mikromanipulatoren bzw den schwingungsarmen Alublock ausgetauscht Die Mikroman
15. A 5 So D D je O O X X 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 c Ort ber der Probe um d Ort ber der Probe um Bild 7 19 Die Messergebnisse der zeitgleichen Spannungs und Strommessung a Amplitudenverteilung der Spannung b Phasenverteilung der Spannung c Amplitudenverteilung des Stroms d Phasenverteilung des Stroms Hartmann 2001 Genauere Auswertungen sind auf Grund der noch schlechten Qualit t der Messergebnisse nicht m glich Hier sind in der Zukunft deutliche Verbesserungen zu erwarten Zu 3 Elektrische Abschirmung der Probe Eine weitere vielversprechende M glichkeit zur Minimierung des St reinflusses durch die Coulombkraft Fy besteht darin das Potenzial der Messspitze dem Potenzial der Probe anzugleichen so dass keine Coulombkraft Fez wirkt Eine Real sierungsm glichkeit zeigt Bild 7 20 90 7 4 Einfluss der Spannung U Us V Passivierung Verbindungsleitungen Bild 7 20 Eliminierung des Spannungseinflusses durch Abschirmung Hierzu wird auf die Passivierung der Leiterbahnen eine Abschirmungsschicht aufgebracht und elektrisch mit der Messspitze verbunden Dadurch wird das gleiche Potenzial an Messspitze und Messpunkt erzeugt Das Material der Abdeckschicht sollte para oder diamagnetisch sein um die magnetischen Felder nicht zu ver ndern Der Nachteil dieses Verfahrens liegt in der groben Dicke der Passivierung und der Abschirmungsschicht Dadurch wird eine gr ere Arbeitsh
16. A new test method for contactless quantitative current measurement via scanning magneto resistive probe microscopy Microelectronics Reliability 38 S 969 1998 S Bae et al Contactless current detection at megahertz band width via implementation of the heterodyne mixing technique Proc of 3rd International Conference and Exibition Micro Materials MicroMat 2000 Berlin 2000 J Bangert Entwicklung eines schaltungsinternen Rastersonden Spannungs Testverfahrens Dissertation Universit t Duisburg 2001 K Bartzke et al The needle sensor a micromechanical detector for atomic force microscope Int J Optoelectron Vol 8 S 669 1993 134 12 Literaturverzeichnis Binning 1986 Blume 1994 Bludau 1998 Born 2000 B hm 1995 Braun 1990 Bridges 1992 Brockhaus 1996 Bronstein 1997 G Binning Atomic force microscopy Phys Rev Lett Vol 56 S 930 1986 S Blume Theorie elektromagnetischer Felder Huthing Heidelberg 1994 W Biludau Lichtwellenleiter in Sensorik und optischer Nachrichtentechnik Berlin Springer 1998 A Born Nanotechnologische Anwendungen der Rasterkapazit ts mikroskopie und verwandter Rastersondenmethoden Dissertation Universit t Hamburg 2000 C B hm Elektrische Charakterisierung mikroelektronischer Bauelemente mittels der Rasterkraftmikroskopie VDI D sseldorf Reihe 8 Nr 524 1995 M Braun T
17. Folge der Hebelarmverbiegung und somit der Veranderung des Plattenabstandes blicherweise wird zur Kapazit tsmessung ein Wechselspannungssignal verwendet Durch die Beschaltung k nnen die Messergebnisse aufgrund der elektrischen Kraftwechselwirkung stark beeintr chtigt werden Die Werte f r die dynamische Aufl sungsgrenze bei der Detektion von Hebelarmauslenkungen in Tabelle 2 2 wurden auf 1 Hz normiert um einen Vergleich zu erm glichen Detektionsverfahren Aufl sungsgrenze Laserinterferometer Statisch 20 pm aufwendig teuer storanfallig Dynamisch 0 05 pm Hz Lasertriangulie Statisch 100 pm einfach aufwendige Justage Dynamisch 3 pm Hz Laserdiodenr ckkoppelung Dynamisch 3 pm Hz storanfallig aufwendig Tunnelstrom Detektor Statisch 5 pm aufwendig benotigt Vakuum Kapazitiver Detektor Statisch 100 pm beeinflusst die Messung da der Hebelarm beschaltet ist Resistiver Sensor Statisch 10 pm aufwendige Herstellung der Messsonden patentrechtlich geschiitzt gt keine kommerziellen MKM Messsonden Tabelle 2 2 Gegen berstellung der unterschiedlichen Detektionssysteme eines Raster kraftmikroskops Sarid 1991 Burnham 1991 Alle diese Detektionsverfahren haben ihre Vor und Nachteile F r das MKM eignen sich unter Normalbedingungen aus den oben genannten Gr nden nur die Lasertriangulie und die kapazitiven oder resistiven Detektoren 36 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikro
18. Topografiemessung eingesetzten Betriebsmodi existieren weitere Betriebsmodi die speziell zur Detektion der Kr fte m Fernfeld verwendet werden Sie eignen sich jedoch nicht zur topografischen Abbildung von Oberfl chen Nicht Kontaktmodus mit konstantem Abstand und ohne mechanische Anregung der Messsonde Messungen m Nicht Kontaktmodus mit konstantem Abstand werden berwiegend zur elektrischen Sarid 1991 und magnetischen Hartman 1994 Kraftmikroskopie also zur Detektion langreichweitiger Kr fte eingesetzt Diese Betriebsart wird als statisch elektrische Kraftmikroskopie bzw statisch magnetische Kraftmikroskopie bezeichnet Die Messsonde wird nicht zum Schwingen angeregt und es wird keine Regelung vorgenommen Die Messsonde rastert wie in Bild 2 7 dargestellt in konstanter H he ber die Probe Dabei muss der Abstand zwischen Probenoberfl che und Messsonde so gro sein dass keine atomaren Kr fte mehr wirksam sind d h die Messspitze darf w hrend der Messung nicht n das n Bild 2 7 dunkelgrau dargestellte Nahfeld eintauchen Piezosteller Piezosteller Piezosteller Piezosteller Probe Nahfeld x Bild 2 7 Prinzip der statisch elektrischen bzw statisch magnetischen Kraftmikroskopie Nicht Kontaktmodus mit konstantem Abstand und mit mechanischer Anregung der Messsonde Messungen m Nicht Kontaktmodus mit konstantem Abstand und Anregung der Messsonde stellen die bli
19. V D J 0 8 3 0 6 204 5 0 2 300 3 10 505 910 b Ort uber der Probe um Spannungsmessung mit U 1 5 V a Amplitudenverteilung b Linienrasterung Auch hier stimmt der gemessene Amplitudenverlauf der Linienrasterung mit dem nach dem erweiterten Modell erwarteten Verlauf aus Bild 7 11 berein Um den Spannungseinfluss zu demonstrieren wird der Widerstand R w hrend der Strommessung kontinuierlich erh ht Bei der in Bild 7 16 dargestellten Strommessung wird der Widerstand von R 0 Q bis R 3 kQ angehoben Der Strom wird dabei konstant bei I 500 uA gehalten Die Erh hung des Widerstands R bewirkt eine Erh hung der Spannung auf der stromdurchflossenen Leiterbahn auf U 1 5 V Dadurch wird die Messspitze und somit der Hebelarm nicht mehr ausschlie lich durch die magnetische Kraft Fimagz sondern auch durch die Coulombkraft Faz beeinflusst Dies f hrt zu einer Ver nderung des Ergebnisses der Strommessung in Bild 7 16 Ort ber der Probe um 10 10 10 Ort ber der Probe um a Bild 7 16 R 0Q ieh U 3 kQ 1 5 V Ah F U 1 5kQ 0 75 V 10 U 0k2 0V gemessene Amplitude Ort Uber der Probe um b Strommessung mit wachsendem Spannungseinfluss a Amplitudenverteilung b Linienrasterung 87 7 4 Einfluss der Spannung Zu erkennen ist dass das Minimum der Hebelarmschwingungsamplitude Ah in Bild 7 16 dunkel dargestellt das sich nach der Modellvorstellung uber
20. der Arbeit vorgestellten Modellerweiterungen ist unerl sslich Ohne diese Simulation sind Strommessungen an dicht neben und untereinander liegenden Leiterbahnen sehr schwer zu interpretieren Vorstellbar sind hier R ckrechenalgorithmen die nach einer automatisierten Kalibrierungsmessung durch Strommessungen in unterschiedlichen Rasterh hen den im IC flie enden Strom quantitativ errechnen o Quantitative Strommessung Zur Entwicklung einer quantitativen Strommessung kommen mehrere M glichkeiten in Betracht Die einfachste M glichkeit ist es mit Hilfe einer durch eine Kalibrierungsmessung generierte Eichkurve die Stromst rke zuruckzurechnen Denkbar ist auch ein angelegtes definiertes Magnetfeld mit dem die Kraft auf die Messspitze kompensiert wird Dabei k nnten ber die Messung des f r die Kompensation erforderlichen Magnetfeldes R ckschl sse auf die Gr e des in der Leiterbahn flie enden Stroms gezogen werden Hierbei stellt sich jedoch das Problem des bersprechens einzelner Leiterbahnen wie es in Kap 9 bereits bei der Ortsaufl sung diskutiert wurde o Untersuchung digitaler Signale Zur Analyse digitaler Signale st zweifelsohne d e Kenntnis der Spannungszust nde von hoher Priorit t Aber auch die Messung des beim Schalten der Transistoren flie enden Stroms ist von Bedeutung Eine Untersuchung n wieweit digitale Signale mit diesem Testsystem analys ert werden k nnen steht noch aus Bei harmonischen Signalen
21. der Mitte der Leiterbahn befinden musste nach links verschoben ist Gleichzeitig wachst eines der Maxima deutlich an was in Bild 7 16a an den hellen Stellen zu erkennen ist Aus diesem Grund l sst sich bei einem wachsenden Spannungseinfluss keine Aussage mehr ber die genaue Position des in einer Leiterbahn flie enden Stroms treffen Vergleicht man diese Messergebnisse Bild 7 16 mit den entsprechenden S mulationen aus Bild 7 12 so ist eine sehr gute bereinstimmung zu sehen Zusammenfassend kann gesagt werden dass das Problem des Spannungseinflusses mit dem hier vorgestellten Modell zu erkl ren ist Eliminierung des Spannungseinflusses Zur Eliminierung des Spannungseinflusses sind unterschiedliche Ans tze denkbar 1 Rechnerische Eliminierung des Einflusses mit Hilfe einer Simulation 2 Verwendung einer multifunktionalen Messsonde 3 Elektrische Abschirmung der Probe 4 Isolierung der Messspitze Zu 1 Rechnerische Eliminierung des Spannungseinflusses mit Hilfe einer Simulation Es bietet sich ein R ckrechenalgorithmus an Mit diesem sollte es m glich sein die Messergebnisse aufgrund der gesammelten Erfahrungen derart aufzuarbeiten dass eine Strommessung durchgefuhrt werden kann Dies ist jedoch aufgrund vieler unbekannter Parameter sehr schwierig und somit ungenau Zu 2 Verwendung einer multifunktionalen Messsonde Eine weitere Moglichkeit besteht darin eine multifunktionale Messsonde zu verwenden die mi
22. der effektive Arbeitsabstand f r Standard Messsonden bei z 2 2 um unter der Annahme einer Leiterbahnh he von A600 nm einem Abstand des im Modell angenommenen Dipols vom Messspitzenende von ca 1800 nm und einem Arbeitsabstand von h 100 nm Die Gr e des magnetischen Dipols m der Standard Messsonden liegt bei ca 125 10 Am Hartmann 1994 Die minimal zu detektierende Kraft F betr gt ohne Ber cksichtigung des Rauschens ca F 10 N Burnham 1991 Setzt man diese Werte in Gleichung 2 24 ein und l st nach auf so erh lt man einen minimal zu detektierenden Strom von Jmin 6 34 uA Dies kann nur als grobe Sch tzung angesehen werden da wie in Kap 4 vorgestellt die Parameter der f r diese Absch tzung verwendeten Messsonden sehr gro e Abweichungen zeigten Die hier angenommenen Werte sind Durchschnittswerte Als Testobjekt zur Demonstration der Leistungsfahigkeit dieses Testsystems wird die Struktur G der ITG Teststruktur aus Kap 3 2 verwendet Wird bei einer Integrationszeit von tn 100 ms und einer Rastergeschwindigkeit von vr 0 25 Linien s gemessen so erreicht man eine Stromnachweisgrenze von ca Jmin 10 uA In Bild 8 1 ist eine entsprechende Strompfadverfolgung bei 25 uA abgebildet Eine Strommessung wie in Bild 8 1 dargestellt dauert bei 100 mal 100 Bildpunkten Messpunkten zwischen 5 und 10 Minuten Y 20 pr ZU pm D Ka 2 5 10 5 10 10 um D urn gt E 2 5 5 O 0 um x 0 pm pm 10
23. die Qualitat der Strommessungen hat Zu erkennen ist das an der Steilheit der Flanken und der berh hung zum Rauschen In der Strommessung die in Bild 7 4 dargestellt ist wird der Arbeitsabstand von h 50 nm auf h 1200 nm vergr ert Analog zur Strommessung in Bild 7 3 liegt ein konstanter Strom von I 1 mA an einer Leiterbahnbreite von b 2 um an Abstand h 1 2 um Abstand h 0 25 um Abstand h 0 1 um Abstand h 0 05 um 5 oT ros lt x Ort ber der Probe um Ort ber der Probe um a b Bild 7 4 Strommessung bei I mA Stromfluss an einer b 2 um breiten und a 500 nm hohen Leiterbahn mit unterschiedlich gro er Rasterh he von h 50 nm bis h 1200 nm Bei der Strommessung in Bild 7 4 kann man deutlich sehen wie sich die Qualit t der Messergebnisse mit zunehmendem Abstand h der Messsonde verschlechtert 71 7 2 Einfluss der Rasterhohe Man kann festhalten dass eine Reduzierung der effektiven Messh he h eine deutliche Verbesserung der Messergebnisse mit sich bringt Da sich die Messh he A wie in Kap 2 beschrieben aus unterschiedlichen Parametern ergibt k nnen durch gezielte Messsonden optimierung noch einige Verbesserungen erwartet werden Ein gro es Problem bei der Strommessung in so geringen Arbeitsabst nden stellt die Drift der Rastereinheit dar Verringert oder vergr ert sich w hrend einer Strommessung der Arbeitsabstand h auch nur geringf gig so hat dies er
24. die normierte Wechselwirkung zwischen Messspitze und Probe dar w hrend der erste Term k den konstanten Hebelarmeinfluss repr sentiert Daraus l sst sich folgende normierte Funktion mit dem Verlauf in Bild 7 11 ableiten Un a 7 7 x 1 F el z mit k k U h 83 7 4 Einfluss der Spannun berechnete Amplitude a u xX 10 5 0 5 10 Ort ber der Probe um Bild 7 11 Berechnete EKM Linienrasterung Modell f r den Spannungseinfluss auf die Strommessung Die theoretischen berlegungen lassen darauf schlie en dass sich die Gesamtkraft F die auf die Messspitze wirkt aus der Superposition der magnetischen Kraft Fmagz und der Coulombkraft Fe zusammensetzt Das f hrt zu der Gleichung F Z F F magz T Pelz 7 8 Um die Gesamtkraft F unter Variation der Spannung U und einem konstanten Strom zu berechnen wird in Gleichung 7 8 ein Formfaktor amp f r die elektrische Kraft Faz eingef hrt Hiermit kann eine Variation des Einflusses der elektrischen Kraft Fy auf die Gesamtkraft F vorgenommen werden Da diese elektrische Kraft Faz wie oben erw hnt proportional der Spannungsdifferenz Usp zwischen Messsonde und der Leiterbahn ist und die Messsonde auf Massepotenzial liegt entspricht dies der Variation der Spannung U Diese Aussage stimmt allerdings nur bedingt da die Spannung U einen quadratischen Einfluss auf die elektrische Kraft Faz hat Jedoch erfolgt die Strommessung mit Hil
25. eingestellte Perspektive relativ zur Messsonde beizubehalten Die Kamera wird jedoch nicht mit dem Messkopf mitgerastert sodass das Bild w hrend der Messung feststeht Auch das Ann hern oder Entfernen der Messspitze f hrt n cht zu einer Ver nderung des Kontrollbildes Ein unter der xyz Positioniereinheit angebrachter Parktisch mit einem Verfahrweg von 30 cm erm glicht das schnelle Entfernen des gesamten Messkopfes um ohne Behinderung an der Probe arbeiten zu k nnen Dies hat neben dem erh hten Platzangebot auch den Vorteil dass die Messsonde nicht unbeabsichtigt zerst rt werden kann zum Beispiel bei der Positionierung von Nadelprobern Beim Parken kann die vorherige Position der Messsonde 49 3 1 Aufbau des Testsystems gespeichert und mit den Motoren bis auf ca s 2 um wieder angefahren werden Durch den Einsatz von Zusatzkomponenten wie Positionsgebern verbessert sich dieser Wert auf Sy 0 5 um PI 2001 Dies ist bei einem Rasterbereich des Piezoverschiebetisches von Srx 100 um s y 100 um und s 20 um jedoch nicht erforderlich Die Probenaufnahme und Beschaltung wird wie beim zuvor vorgestellten System durch einen 40 poligen Textoolsockel mit koaxialen Zuleitungen realisiert Wegen des s 5 cm gro en Verfahrweges des Messkopfes in z Richtung hat man im Bezug auf neue Probenaufnahmen neue Geh use oder Prober einen sehr gro en Spielraum Die Ansteuerelektronik des Piezotisches und der Messeing nge stam
26. kann d e Spannung U am Messpunkt durch Ver nderung des Widerstands R variiert werden w hrend der Strom konstant gehalten wird Messungen Zun chst wird eine Strommessung realisiert Die Messung in Bild 7 14 ist mit einem Strom von 500 uA beschaltet Der Widerstand R ist kurzgeschlossen so dass die verbleibende Spannung U am Messpunkt annahernd zu vernachlassigen ist Bild 7 14 zeigt das Ergebnis der Strommessung mit der zugeh rigen Linienrasterung Strommessung 0 5 mA toI 098 Ah F TERET isis S 1 0 TEREE E 2 N 2 oo Eg i D TERRI lt 04 EEE 2 3 Bit 5 02 pettus 7 TEREE 0 0 O 1 u 0 x 5 x 10 10 on 10 5 0 5 10 Ort ber der Probe um Ort ber der Probe um b a Bild 7 14 Strommessung ohne Spannungseinfluss mit einem Strom von 500 uA a Amplitudenverteilung b Linienrasterung Die gestrichelten Linien in Bild 7 14a geben die geometrische Lage der Leiterbahnen an Der Amplitudenverlauf der gemessenen Linienrasterung stimmt mit dem berechneten Verlauf aus Bild 7 8 ann hernd berein Weitere Strommessungen bei denen die Verbindung des Widerstands R zur Masse durchtrennt wird zeigen EKM Ergebnisse Bild 7 15 Die Spannung U an der Leiterbahn betr gt dabei U 1 5 V 86 7 4 Einfluss der Spannung 10 R o 1 j Ld 1 a Ort ber der Probe um 10 a Bild 7 15 10 10 Ort ber der Probe um T Ah F Spannungsmessung ay 0 U 1 5
27. kleinerer Messspitzenradien von Ro 10 bis Ro 15 nm die beste Ortsauflosung bei der Messung an kleinen Leiterbahnen auf Eine neuartige Gleichstrommesstechnik konnte ebenfalls erstmalig vorgestellt werden wenngleich nur bestimmte Bauelemente mit geringen kapazitiven oder induktiven Komponenten untersucht werden konnten Mit ihr ist es m glich die Empfindlichkeit der Gleichstrommessung von 15 mA mit Standard Messsonden auf einige 10 uA zu verbessern Somit hat man erstmals die M glichkeit in der Gr enordung von Leckstr men einzelner Transistoren die bei 1 bis 10 uA liegen Str me zu messen Erstmals konnte m Rahmen der Arbeit auf Bas s des bestehenden Dipolmodells eine Weiterentwicklung im Hinblick auf eine Hochfrequenzmesstechnik vorgestellt werden Parallel zu dieser Arbeit best tigten auch andere Gruppen die hier gezeigten Modell erweiterungen zur Messung hochfrequenter Magnetfelder Die Grundlage war geschaffen erstmals hochfrequente Str me mit dem Magnetkraftmikroskop zu detektieren Dies war eine entscheidende Voraussetzung f r die Anwendung der hier vorgestellten Strommesstechnik in der Funktions und Fehleranalyse Die Demonstration von Strommessungen mit Frequenzen von ber 4 GHz gelang hier weltweit erstmals Dieser Wert stellt derzeit auch die gr tm glichen hochfrequenten Magnetfeldmessungen dar 132 11 Zusammentassung Ausf hrliche Reihenuntersuchungen des Testsystems zeigten einige erwartete und e
28. pm 20 um um 10 pm 20 um a Ort ber der Probe b Ort ber der Probe Bild 8 1 Strommessung von I 25 uA mit Umschaltung der Leiterbahnen an einer b 2um breiten Leiterbahnstruktur a Amplitudenverteilung b Phasenverteilung 107 8 1 Empfindlichkeit Wird die Integrationszeit auf f 300 ms erh ht erfordert dies eine Verringerung der Rastergeschwindigkeit auf vr 0 1 Linien s Die Strommessung dauert doppelt so lange Mit diesen Einstellungen liegt die Stromnachweisgrenze wie die Strommessung in Bild 8 2 zeigt bei Jmin 1 7 uA Man sieht deutlich wie die Qualit t der Messung abnimmt Es ist zu erkennen dass die exakte Lage des Minimums uber der Leiterbahnmitte nicht bei jeder gemessenen Linie an der gleichen Position liegt Somit sinkt bei solch empfindlichen Messungen auch wie in Bild 8 2 zu sehen die Ortsaufl sung Y y ZU um 2U um nD D 3 2 rae A gt 10 um 2 10 um 5 5 5 6 urm 0 um f 7 0 um 10 um el um 0 um 10 um el um a Ort tiber der Probe b Ort uber der Probe Bild 8 2 Strommessung von I 1 7 uA an einer bh 2um breiten Leiterbahnstruktur a Amplitudenverteilung b Phasenverteilung Eine Steigerung der Empfindlichkeit st wie oben erw hnt ber eine Erh hung der Integrationszeit m glich jedoch steigt der Zeitbedarf f r eine Strommessung erheblich an Die unzureichende Langzeitstabilitat des hier eingesetzten Testsystems macht es unm glich die Messzeit weiter zu erh hen In dem Ergebni
29. sehr geringen Wechselwirkungsvolumens das bei der hier angewendeten Art der Sondenpraparation zur Verf gung steht konnten nur relativ hohe Str me ab 1 mA detektiert werden Technologisch existieren jedoch weit bessere lithographische Verfahren mit denen es m glich ist das Problem des Hebelarmeinflusses auf die Strommessung zu l sen Diese lithographischen Verfahren sind jedoch aus Kostengr nden nur bei der 103 7 5 Einfluss des Hebelarms Produktion in groBen Stuckzahlen anwendbar da hierfur neue Maskensatze hergestellt werden m ssten Zusammenfassung In diesem Abschnitt wurde erstmals der Einfluss der ferromagnetischen Schicht des Hebelarms dmag einer MKM Messsonde auf die Strommessung erl utert Es konnte ein Modell erstellt werden welches auf der Bas s des n der Literatur am h ufigsten verwendeten Dipolmodells Hartmann 1989 eine Erkl rung dieses Einflusses erm glicht Aufgrund der experimentellen Ergebnisse und des Modells folgten zwei L sungsans tze zur Eliminierung des Hebelarmeinflusses Eine L sungsm glichkeit besteht n der Optimierung der Messsonde Hierbei soll das ferromagnetische Material nur auf die Messspitze aufgebracht und somit der Hebelarmeinfluss eliminiert werden Die m Rahmen der Arbeit hergestellten Prototypen konnten d e Funktionsweise belegen waren allerdings aufgrund hrer Herstellung sehr viel unempfindlicher als vergleichbare konventionelle Messsonden Beim Aufbringen der Spitzenb
30. thermischen Verh ltnisse in der Arbeitsumgebung da dieses Verfahren extrem anfallig gegen Temperaturdrift ist Au erdem werden Laser mit extrem langen Wellenz gen ben tigt die wiederum einen hohen Kostenfaktor darstellen Aus diesem Grund wird das Laserinterferometer trotz seiner sehr hohen Empfindlichkeit vorwiegend im Vakuum eingesetzt w hrend an Luft betriebene Rasterkraftmikroskope andere Detektionsverfahren bevorzugen Lasertriangulie Bei der Lasertriangulie handelt es sich ebenfalls um ein optisches Auswertungsverfahren Es zeichnet sich durch seine geringen Kosten einfache Justage sowie mit einer minimal zu detektierenden Hebelarmauslenkung von ca Ah 100 pm aus Dieses Detektionsverfahren wird heute berwiegend n kommerziellen Rasterkraftmikroskopen verwendet Auch das n dieser Arbeit eingesetzte RKM verf gt ber einen solchen Detektor Topometrix 1997 Die Funktionsweise der Lasertriangulie bas ert auf der Detektion der Strahlablenkung eines auf 32 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops den Hebelarm fokussierten Laserstrahls Die Ablenkung des Laserstrahls in Folge der Hebelarmverbiegung wird mittels eines positionssensitiven Detektors gemessen Hierf r werden hauptsachlich Vierquadrantendioden oder Flachendioden verwendet Positionsempfindlicher Detektor x u Tr gerk rper gt Lichtstrahl Hebelarm Bild 2 20 Prinzip der Lasertriangulie Hartmann 2000 Die Strahlable
31. um die Jahrtausendwende ein Wettlauf um den ersten 1 GHz Desktop Prozessor zwischen Advanced Micro Devices AMD und Intel statt Intel 1999 AMD 1999 Heute ist bereits die 2 GHz Grenze berschritten Intel 2002 und im Labor wurden schon Transistoren fur Prozessorfrequenzen von f 10 GHz auf Siliziumbasis demonstriert Intel 2001 Bei der Verwendung schnellerer IIVV Halbleiter sind bereits Frequenzen bis f 3 THz gezeigt worden van der Weide 1993 Um die Produktionskosten der Konsumgerate zu senken und gleichzeitig ihre Ausfall sicherheit und Funktionalit t zu steigern werden immer mehr Funktionen in einen Chip integriert sogenannte System on Chip TSMC 2002 Long 2002 Chappell 2002 ChipPac 2002 Dies hat einen enormen Anstieg der Komplexit t der ICs zur Folge SIA 1999 Au erdem verk rzt sich trotz der gestiegenen Komplexit t die Zeit eines Entwicklungszyklus von 36 Monaten m Jahre 1999 auf 32 Monate m Jahre 2002 m Jahre 2005 werden nur noch 30 Monate zur Verf gung stehen SIA 1999 Der hierdurch f r die Hersteller entstehende Zeitdruck verlangt nach einer zeitoptimierten Entwicklung Hierf r ist das schnelle Entdecken und Lokalisieren auftretender Fehler unerl sslich Simulationen sind aufgrund teilweise n chtvorhandener Daten oder mangelndem Verst ndnis der Vorg nge nicht ausreichend Sietmann 1995 Messungen von au en sind bei 1 Einleitung und Problemstellung der Komplexit t heutiger ICs wenig erfolg
32. 0 uA Gleichstrom an einer b 2 um breiten Leiterbahn a Amplitudenverteilung b Phasenverteilung Durch Verbesserungen der Empfindlichkeit des Testsystems sind auch hier Verbesserungen zu erwarten 8 3 2 Hochfrequenzmessungen Die n Kap 6 vorgestellte hochfrequente Testtechnik erm glicht erstmals das Messen von Str men oberhalb der Resonanzfrequenz des Hebelarms Die Gr e der auf die Messspitze wirkenden Kraft F ist nach Gleichung 6 8 frequenzabh ngig Au erdem ist sie um einige 113 8 3 Zeitauflosung und Bandbreite Gr enordnungen kleiner als die Kraft die bei Strommessung in Resonanz zu detektieren ist Genauere Untersuchungen zur Frequenzabhangigkeit stehen noch aus so dass zur Zeit keine zuverlassigen Aussagen uber die Empfindlichkeit der Hochfrequenzmessungen gemacht werden k nnen Strommessungen wie n Bild 6 3 dargestellt haben jedoch gezeigt dass bei kleinen Frequenzen von einigen f 10 MHz Strommessungen deutlich unter 1 mA m glich sind Wie in Kap 4 beschrieben spielt hierbei die Beschichtung der Messsonde eine entscheidende Rolle die aber noch nicht abschlie end untersucht worden ist Fur die Strommessungen mit Frequenzen ber 100 MHz kann die ITG Teststruktur aufgrund hrer hohen D mpfung be hohen Frequenzen nicht verwendet werden Deshalb wird die in Kap 3 vorgestellte Koplanarleitungs Teststruktur benutzt F r die Messungen wird die Ausgangsleistung des HF Synthesizers mit Pur 15 dBm und di
33. 5 Gao 1997 Die Auswertung des vom Stromfluss erzeugten Magnetfeldes mit Hilfe von Hall Sonden zeigte eine Ortsaufl sung von Ao 1 um bei 1 mA Stromfluss Oral 1996 In wieweit die Hall Sonden hochfrequenztauglich s nd kann derzeit nicht gesagt werden Au erdem stellt die Miniaturisierung dieser Sonden technologisch einige Probleme dar Ob diese n der n heren Zukunft schneller zu l sen sind als die Strukturbreiten der zu untersuchenden ICs sinken ist fraglich 1 Einleitung und Problemstellung Das o g Problem der Miniaturisierung verhindert auch den Einsatz sogenannter Fluxgate Sensoren Wende 1999 Diese bestehen aus einer Halbleiterspule und k nnen ber Verstimmungen der Resonanzfrequenz infolge des auf sie wirkenden Magnetfeldes diese Magnetfelder sehr pr zise vermessen Ihre Miniaturisierung ist allerdings vollst ndig an die Entwicklung der Halbleiterindustrie gekoppelt so dass sie n emals kleiner werden k nnen als die zu untersuchenden Leiterbahngeometrien Die erforderliche Ortsaufl sung von unter Ao 100 nm ist somit derzeit ausgeschlossen Wende 1999 Eine sehr vielversprechende Alternative stellt die Vermessung der durch den Stromfluss generierten Magnetfelder mit Hilfe der XMR Sensoren van den Berg 1996 Mattheis 1999 dar Hierbei wird der in den 80er Jahren entdeckte magneto resistive Effekt ausgenutzt Die XMR Sensoren werden zur Zeit berwiegend in Festplattenk pfen eingesetzt Mit hnen konnten bereits
34. 98 Lindemann 1995 Ihre Realisierung erfolgt durch etablierte Halbleitertechnologien und ist so mit hoher Gute und Prazision durchfuhrbar Die Kontaktierung des Hebelarms erfolgt ber den Tr gerk rper und darin integrierte Zuleitungen Dieses System ist sehr einfach zu verwenden da keine Justage erforderlich ist Zur Zeit wird eine breite Anwendung durch Patentrechte verhindert Aussage Dr Rangelaw Erste Labormuster scheinen vielversprechend zu sein jedoch ist die Reproduzierbarkeit dieser Muster zur Zeit ungekl rt Tunnelstrom Detektor Der Tunnelstrom Detektor stellt die lteste Methode der Auswertung der Hebelarmverbiegung dar Hierbei befindet sich eine Tunnelstrommessspitze ber dem leitenden Hebelarm einer RKM Messsonde Lindemann 1995 Zwischen beide Spitzen wird eine Spannung angelegt und der Tunnelstrom zwischen hnen wird als Ma f r die Verbiegung des Hebelarms ausgewertet Dieses Detektionsverfahren st sehr aufwendig da die Tunnelstrommessspitze sehr exakt ber dem Hebelarm positioniert werden muss und zum Tunneln ein Vakuum erforderlich ist Damit kann dieses Detektionsverfahren nicht f r die Magnetkraftmikroskopie an Luft verwendet werden 35 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops Kapazitiver Detektor Der kapazitive Detektor besitzt eine zweite leitende Fl che ber der leitenden Fl che des Hebelarms als Kapazitat Als Messsignal wird die Kapazit ts nderung verwendet Diese entsteht in
35. BIRCH System eng Optical Beam Induced Resistance Change Es basiert auf der Widerstandsanderung einer Leiterbahn bei Erw rmung Nikawa 2000 Hierbei wird ein Laserstrahl ber die Probe rasterf rmig gef hrt und mit Hilfe eines sehr empfindlichen Strommessger tes wird die dabei auftretende Stromanderung an einem Ausgang des ICs gemessen Somit k nnen in Einzelf llen Kurzschl sse entdeckt werden IC nterne Messungen im Betrieb des ICs sind dagegen nicht m gl ch Strommessungen an Leiterbahnen ohne Kontakt nach au en sind hiermit auch nicht durchf hrbar Andere Strommessverfahren bas eren auf magnetooptischen Effekten w e dem Kerr Pretorius 1997 oder Faradayeffekt Elezzabi 1996 haben aber die Problematik der begrenzten Ortsauflosung wie das elektrooptische Testen Mertin 1994 Abhilfe konnte hier das SNOM eng Scanning Near Field Optical Microscopy Pohl 1995 schaffen bei dem durch die Anwendung einer sehr scharfen Glasfaserspitze auch Messungen mit hoherer Ortsaufl sung m gl ch werden Nikawa 1998 Jedoch mangelt es derzeit an fundierten Erkenntnissen bez glich der Strommessung die eine Beurteilung dieser Testtechnik erlauben Die Vermessung des n der Leiterbahn flie enden Stroms durch Auswertung elektromagnetisch abgestrahlter Wellen mit Hilfe von Feldsonden in Form von Antennen ist nur f r sehr hohe Arbeitsfrequenzen m glich Niederfrequente oder Gleichstrommessungen sind hiermit ausgeschlossen Budka 199
36. D P ae cos 2a t 29 a t 9 l ee 6258 be Mh cos 2H t 29 1 9 76 ir M cos t p l a tLe hr cosQo t 29 20 29 l 2 06 mM i cos 2 1 20 20 t 29 l A 12 oa Mm cos 2 t 29 l A re em cos 2 t 29 6 11 Die Charakteristik der Messsondenschwingung entspricht einem Tiefpass B hm 1995 Der Verlauf dieses Tiefpasses ist n Bild 6 2 rot eingezeichnet 71 6 1 Grundlagen und Messaufbau F ci z mag c 0 51 0 25M 1 c 0 57 0 25M 1 0 5c 7 m 0 5c 1M c ifm 0 25c f 1 0 5cm 0 50 0 125c im 0 125 m Q U a 2a 00 0 20 20 2 2 2a gt 20 0 20 0 Bild 6 2 Spektrum der auf die Messspitze wirkenden Kraft bei einem amplituden modulierten Signal Fur die weitere Auswertung sind aufgrund des Tiefpassverhaltens der Messsonde alle hochfrequenten Anteile das hei t Anteile mit einer Frequenz deutlich ber der Resonanzfrequenz der Messsonde zu vernachl ssigen Au erdem wird wie in Kap 3 beschrieben ein Lock In Verstarker zur Auswertung der Messsignale verwendet so dass der Gleichstromanteil keinen Einfluss auf das Messergebnis hat Um auch bei der Hochfrequenzmessung die maximale Sensitivit t zu erreichen w hlt man die Resonanzfrequenz der Messsonde als Modulationsfrequenz Unter diesen Voraussetzungen berechnet sich die zu messende Kraft Fesz auf die Messspitze zu Fa Cp i M cos t o 6 12 Somit existiert eine quadratische Abh ng
37. Entwicklung einer kontaktlosen Magnetkraftmikroskopie Messtechnik fur Gleich und Wechselstrome in integrierten mikroelektronischen Schaltungen Vom Fachbereich Elektrotechnik der Gerhard Mercator Universitat Gesamthochschule Duisburg zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor Ingenieurs genehmigte Dissertation von Dipl Ing Rainer Weber aus Swisttal Morenhoven Referent Prof Dr Ing Erich Kubalek Korreferent Prof Dr Ing Edmund Gerhard Tag der m ndlichen Pr fung 10 Dezember 2002 Danksagung Die vorliegende Arbeit wurde von mir wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Angestellter im Fachgebiet Werkstoffe der Elektrotechnik der Gerhard Mercator Universitat Duisburg angefertigt An dieser Stelle m chte ich ganz besonders dem Leiter des Fachgebiets Herrn Prof Dr Ing Erich Kubalek daf r danken dass er mir die M glichkeit gab diese Arbeit in seinem Fachgebiet durchzuf hren Die fachlichen und pers nlichen Anregungen aber auch die kompetente Unterst tzung bei Probleml sungen und die h ufigen Diskussionen haben ma geblich zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen Herrn Prof Dr Ing Edmund Gerhard Leiter des Fachgebiets Elektromechanische Konstruktion der Gerhard Mercator Universit t Duisburg danke ch herzlich f r die bernahme des Korreferates Herrn Dr Ing Wolfgang Mertin danke ich ganz besonders f r die hilfreichen konstruktiven Diskussionen und Hinweise zu dieser Arbeit Die Be
38. Federrate c den erwarteten Einfluss auf die Messergebnisse hat Je kleiner die Federrate c ist umso gr er ist die Hebelarmauslenkung Ah bei gleicher Kraft F Jedoch ist die Schlussfolgerung falsch dass durch beliebige Verringerung der Federrate c eine beliebige Verbesserung der Stromnachweisempfindlichkeit Imin erreicht werden kann Je kleiner die Federrate c umso gr er ist bei gleicher Kraft F die Schwingungsamplitude Ah Somit muss ein deutlich gr erer mittlerer Arbeitsabstand A eingehalten werden um den Einfluss der Topografie zu vermeiden Dieser gr ere mittlere Arbeitsabstand h f hrt wiederum zu einer kleineren auf die Messspitze wirkenden Kraft F Ein weiteres Problem stellt der Wasserfilm dar der sich bei Strommessungen an der Atmosph re auf allen Proben niederschlagt Die dadurch wirkenden Kapillarkr fte k nnen Messsonden mit sehr geringen Federraten c deutlich st rker beeinflussen Cappella 1999 Israelachvili 1992 als jene mit gr eren Federraten c Au erdem nimmt die Stabilit t der Schwingung mit abnehmender Federrate c ebenfalls deutlich ab so dass ein starkes St rsignal entsteht 75 7 2 Einfluss der Rasterhohe 7 2 Einfluss der Rasterhohe Die Rasterhohe hat nach Gleichung 2 24 einen umgekehrt quadratischen Einfluss auf die wirkende Kraft F der in diesem Abschnitt durch Strommessungen veranschaulicht wird In Bild 7 2 ist die Abh ngigkeit des Betrags der Kraft F Messwert ber die Rasterh he A
39. Halbleiterbauelementen an der Gerhard Mercator Universitat Duisburg in Zusammenarbeit mit der Infineon Technologie AG M nchen durchgef hrt Aufgrund der oben beschriebenen Tendenzen in der Halbleitertechnologie lassen sich einige Anforderungen an ein kontaktloses C internes Strommessverfahren ableiten Eine Gleichstrommesstechnik die einige uA nachweisen kann ist zur Untersuchung komplexer ICs erforderlich Au erdem muss ein Strommessger t das in der Funktions und Fehleranalyse eingesetzt werden soll eine M glichkeit aufweisen hochfrequente Str me m GHz Bereich zu detektieren Ein solches Testsystem sollte um auch an den in der Zukunft stetig kleiner werdenden Leiterbahnen messen zu k nnen eine Ortsaufl sung von Ao lt 100 nm besitzen Da der Stromfluss nicht direkt gemessen werden kann hat man die M glichkeit ber unterschiedliche physikalische Gr en R ckschl sse auf den Strom zu ziehen Am s nnvollsten erscheint die Messung des durch den Stromfluss hervorgerufenen Magnettfeldes Aber auch die durch den Stromfluss erzeugte W rme oder die durch externe W rmeeinwirkung bedingte Widerstands nderung n der Leiterbahn kann zur Auswertung herangezogen werden Eine sehr unpr zise aber leicht zu handhabende und daher oft eingesetzte Messtechnik zur Entdeckung von Kurzschlussstr men ist die Liquid Crystal Testing Technik Blinov 1983 P cart 1990 Bei dieser Technik k nnen erw rmte Bereiche zum Beispiel durc
40. KM Messsonde der Firma MDT a Schematischer Aufbau b REM Aufnahme Deutlich ist zu sehen dass sich die Messspitze dieser Messsonden unmittelbar am Ende des Hebelarms befindet Im Gegensatz dazu weist der Hebelarm der Messsonde der Firma Nanosensors einen Uberhang von ca 20 um auf Typ CSC17 der Firma MDT Die Messsonde des Typs CSC17 der Firma MDT MDT 1999 hat eine Lange von 460 um und eine Breite von b 50 um Ihre Dicke wird mit ca d 2 um angegeben was durch Gleichung 4 1 zu einer Resonanzfrequenz von ca f 12 kHz und einer Federrate von c 0 15 N m f hrt Die Dicke des magnetisch aktiven Materials bei dieser Messsonde Kobalt betragt ca dmag 15 nm 56 4 1 Messsonden Typ NSC15Co der Firma MDT Die Messsonde des Typs NSC15Co der Firma MDT hat eine L nge von 125 um und eine Breite von b 35 um Ihre Dicke wird mit ca d 4 um angegeben woraus sich eine Resonanzfrequenz von ca 325 kHz und eine Federrate von c 40 N m ergibt Der magnetische Film auf der Messsonde besteht aus Kobalt in einer St rke von dnag 15 nm Typ NSCI5Ni der Firma MDT Die Messsonde des Typs NSC15Ni der Firma MDT entspricht in ihren Ma en der vorherigen der Unterschied liegt in der ferromagnetischen Beschichtung Die Schichtdicke des Nickels betr gt dmag 15 nm und ist von einer dmag schutz gt nm dicken Goldschicht berzogen Dies hat keinen bzw nur einen geringen Einfluss auf die Messung da Gold paramagnetisch ist Bei dieser Messsonde wur
41. Kobalt und Chrom nicht aber deren Zusammensetzung bekannt Die Form der Sonde ist in Bild 4 1 zu sehen Hebelarm Ferromagnetische Beschichtung a b Bild 4 1 MKM Messsonde der Firma Nanosensors a Schematischer Aufbau b REM Aufnahme Das Bild wurde nach dem Gebrauch aufgenommen Die Verschmutzungen der Sonde durch den Messvorgang sind deutlich zu erkennen Die Messsonde hat eine Lange von 225 um eine Breite von b 28 um und ihre Dicke betr gt etwa d 3 um Aus der allgemeinen Gleichung f r die Resonanzfrequenz einer Messsonde Nanosensors 2001 N oo OE 4 1 ergibt sich diese mit den oben genannten Gr en zu 75 kHz Wobei in dieser Gleichung dem Elastizitatsmodul und p der Dichte des Siliziums entspricht Die Federrate c dieses Messsondentyps kann mit Nanosensors 2001 _ E b d C 4 1 4 2 zu c 2 8 N m bestimmt werden Die Dicke der magnetischen Schicht betr gt ca dmag 50 nm 55 4 1 Messsonden Messsonden der Firma MDT Alle Messsonden der Firma MDT die in dieser Arbeit Verwendung finden weisen den gleichen Aufbau auf und bestehen aus Silizium als Basismaterial Sie differieren lediglich in der Geometrie d h Lange und Dicke des Hebelarms sowie n ihrer ferromagnetischen Beschichtung Die Messsonden unterscheiden sich in ihrem Aufbau deutlich von der oben genannten Messsonde der Firma Nanosensors Hebelarm Ferromagnetische Beschichtung a b Bild 4 2 M
42. Magnetic and Atomic Forces Oxfort Series in Optical Imaging Science Oxfort Press New York Editors M Lapp H Stark 1991 145 12 Literaturverzeichnis Saurenbach 1990 Schottler 1994 Schonenberger 1990 Schwarz 2000 STA 1997 STA 1999 Sietmann 1995 Sokolov 1994 Sonden 1992 F Saurenbach et al Imaging of ferroelectric domain walls by force microscopy Appl Phys Lett Vol 56 1990 M Sch ttler et al Die Messgenauigkeit begrenzende Fehler beim Elektronenstrahltest an mikroelektronischen Schaltungen Dissertation Universit t Duisburg 1994 Schonenberger et al Observation of Single Charge Carriers by Force Microscopy Phys Rev Lett Vol 65 S 3162 1990 U D Schwarz et al Atomic resolution in scanning force microscopy Concepts requirements contrast Mechanisms and image Interpretation Phys Rev B Vol 62 S 13089 2000 International Technology Roadmap for Semiconductors 1997 Edition International Technology Roadmap for Semiconductors 1999 Edition R Sietmann Kleiner feiner zuverl ssiger VDI Nachrichten Nr 17 1995 I Y Sokolov On the limits of spectroscopic ability of AFM and the interaction between AFM Tipp and a sample Surface Science Vol 311 S 287 1994 J M Sonden et al IDDQ Testing A Review J Electronic Testing Theory and Applications Vol 3 1992 146 12 Literaturverzeichni
43. Messergebnisse ist dieses erweiterte Modell gut geeignet 98 7 5 Einfluss des Hebelarms Verifikation der theoretischen Ergebnisse anhand von Messungen Zur Demonstration des Hebelarmeinflusses bietet die in Kap 3 verwendete ITG Teststruktur ideale Bedingungen Sie erm glicht die Strommessung an identischen Leiterbahnen ohne Umbau und somit ohne Anderung der Parameter Der Hebelarm befindet sich einmal wie in Bild 7 23 dargestellt senkrecht O4 90 zur Leiterbahn und einmal parallel Q4 0 zu dieser Jeweils die mittlere Leiterbahn ist mit einem Strom von 1 mA beschaltet Bild 7 31 zeigt eine Stromkontrastmessung mit der zugeh rigen Linienrasterung an einer bp 2 um breiten Leiterbahn Leiterbahn 10 E O D F lt gt 0 D D i o 3 3 a 10 10 0 10 x 0 10 xX a Ort ber der Probe um b Ort ber der Probe um gemessener Kraftverlauf F gemessener Kraftverlauf F b Ah F berechneter Kraftverlauf F Ah F berechneter Kraftverlauf F 1 l z E gt 90 5 90 5 B lt lt 0 X 0 X 10 0 10 10 0 10 Ort ber der Probe um 4 Ort ber der Probe um c Bild 7 31 Vergleich der berechneten Kraftverl ufe mit experimentellen Ergebnissen a c Messsonde senkrecht a 90 zur Leiterbahn b d Messsonde parallel a 0 zur Leiterbahn 99 7 5 Einfluss des Hebelarms In Bild 7 31 ist zu erkennen dass die Ergebnisse aus de
44. Messsonde kann nahezu jede RKM Messsonde verwendet werden vorausgesetzt Sie ist mit einem ferromagnetischen Film berzogen MDT 2001 siehe Bild 2 9 Diese Art der MKM Messsonde wird standardm ig in reproduzierbarer Qualit t von unterschiedlichen Herstellern angeboten Die Messsonden berzeugen vor allem durch ihre hohe mechanische G te Q Nanosensors 2000 und die extrem kleinen Messspitzenradien von weniger als Ro lt 10 nm Die Rohlinge k nnen in relativ gro en St ckzahlen und somit preisg nstig durch Mikrostrukturierungsverfahren der Halbleitertechnik hergestellt werden Durch das Aufbringen eines ferromagnetischen Films verschlechtern sich die Messspitzenradien auf Ro gt 10 nm z B Ro 30 nm nn Hebelarm u Magnetischer Dipol a b Bild 2 16 Ferromagnetisch beschichtete Messsonde a Foto b Modell mit magnetischem Dipol in der Spitze 28 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops RKM Messsonde mit ferromagnetischem Vollmaterial an der Messspitze Anstelle des oben erw hnten Aufdampfens eines ferromagnetischen Films besteht auch die M glichkeit die Messspitze in eine Schmelze aus ferromagnetischem Material einzutauchen Der Aufbau dieser Messsonden ist in Bild 2 17 dargestellt Ferromagnetisches Material Bild 2 17 Aufbau einer speziell fur die Strommessung prdparierten MKM Messsonde Die exakte Menge des an der Spitze haftenden Materials ist unbekannt Durch das im Geg
45. Nadelsensor Bartzke 1993 darstellt reagieren zu k nnen Zur L sung der Aufgaben beinhaltet Kap 2 die Vorstellung der physikalischen und apparat ven Grundlagen eines Rasterkraftmikroskops und der Strommesstechnik Au erdem wird der Stand der Technik diskutiert In Kap 3 folgt die Beschreibung der beiden 1m Rahmen der Arbeit realisierten Messsysteme Zun chst werden kurz die notwendigen Modifikationen an dem bestehenden Messaufbau erl utert die Schw chen im Anschluss diskutiert und anhand derer die Neukonstruktion vorgestellt In Kap 4 schlie t sich die Evaluation einiger zur Zeit kommerziell verf gbarer und prinzipiell geeigneter Messsonden an In den beiden darauf folgenden Kapiteln 5 und 6 ist die in dieser Arbeit neu entwickelte Gleichstrommesstechnik sowie erstmals eine hier neuentwickelte Hochfrequenzmesstechnik dargestellt Kap 7 stellt Einflusse auf die neuentwickelte Strommesstechnik vor Es werden neben den gem dem vorgestellten Dipolmodell erwarteten Parametern auch einige andere St reinfl sse untersucht Es folgt ihre theoretische Erkl rung anhand von Modellerweiterungen und die Entwicklung von L sungen zu deren Eliminierung In Kap 8 schlie t sich die Charakterisierung des entwickelten Messsystems sowie der Vergleich zwischen den zu erwartenden Testcharakteristika und den messtechnisch erreichten Werten an Kap 9 zeigt eine Fehleranalyse an einem realen Problem Da beiden Messsysteme
46. Nanosensors Messsonde c Amplitude und d Phase der MDT Messsonde stark verrauschtes Signal Es ist zu erkennen dass die Messsonde der Firma Nanosensors bei dieser Strommessung die bedeutend bessere Leistungsf higkeit bietet Sie weist einen gr eren Signalpegel und einen deutlich stabileren Phasensprung auf 4 3 Zusammenfassung Eine optimale Messsonde existiert derzeit nicht Die Messsonde des Typs CSC17 der Firma MDT zeigt aufgrund hres langen Hebelarms mit Abstand die gr te Aufl sungsgrenze Mit ihr konnten selbst Str me von nur 1 8 uA auf einer bL 2 um breiten Leiterbahn wie in Kap 8 demonstriert detektiert werden Gro e Nachteile zeigt diese Messsonde bez glich der Ortsaufl sung So konnten beispielsweise bei einer Messung an zwei beschalteten Leiterbahnen nur noch die 5 4 um breiten Leiterbahnen mit einem Abstand von ar 2 um 62 4 3 Zusammenfassung einzeln aufgel st werden Bei kleineren Strukturen wurde lediglich ein gesamter Stromfluss gemessen Die Detektion eines Stromflusses bei Frequenzen oberhalb der Resonanz der Messsonde war nur schlecht m glich Die Messsonde der Firma Nanosensors ist bez glich der Ortsaufl sung die geeignetste Ihre Aufl sungsgrenze liegt jedoch deutlich unter der der MDT Messsonde Bei den in Kap 6 vorgestellten Messtechniken au erhalb der Resonanzfrequenz zeigte dieser Messsondentyp die besten Ergebnisse Zu erwarten ist dass durch st ndige Abweichungen im Herstellung
47. Stromaufl sungen von Alo 10 uA Bae 1998 Bae 2001 Ortsaufl sungen von Ao 2 um und Frequenzen bis f 2 MHz gezeigt werden Bae 2000 Das gr te Problem dieser Messtechnik besteht dar n geeignete Sensoren herzustellen Aufgrund der zu erwartenden hohen Entwicklungskosten ist zur Zeit nicht mit einer schnellen Realisierung zu rechnen Eine noch vielversprechendere Alternative wurde bereits 1994 vorgestellt Hierbei wird eine Var ante des Rasterkraftmikroskops das Magnetkraftmikroskop MKM Campbell 1994 zur Untersuchung der durch den Stromfluss erzeugten Magnetfelder verwendet Das MKM rastert eine sehr feine magnetische Messspitze in einem sehr geringen Abstand h 50 nm bis h 100 nm ber die Probenoberflache und misst die durch die Magnetfelder hervorgerufenen Kr fte Sarid 1991 Somit bietet das MKM mit einer maximalen Ortsaufl sung von derzeit Ag 0 nm Grutter 1990 beste Voraussetzungen sich als Testtool f r die Strommessung in der Halbleiterindustrie zu etablieren Zur Beschreibung der Kraftwechselwirkungen beim MKM dient das Dipolmodell Hartmann 1989 in dem man die magnetische Messspitze als einen einzelnen magnetischen Dipol annimmt Zur Strommessung wurden Messspitzen aus Silizium verwendet die durch Eintauchen in eine Schmelze aus einer Eisenlegierung NdFeB als magnetischer Sensor Campbell 1994 brauchbar gemacht wurden Damals zeigte sich dass Standard Messspitzen mit einem aufgedampften magnetischen Film wie sie
48. aill sungen und Verbesserungen m Bezug auf d e oben genannten Defizite werden vorgenommen so dass die Messergebnisse beider Ger te vergleichbar sind Bei diesem RKM wird die Positionierung der Messsonde nicht mehr durch Verfahren der Probe sondern durch Verfahren des Messkopfes erreicht Nur die Verkippung der Probe ist uber zwei Verkipptische in beide Raumrichtungen geregelt Somit hat man die Moglichkeit mit Nadelprobern die nach der Ausregelung der zum Messkopf relativen Verkippung aufgesetzt werden jeden beliebigen Punkt auf der Probe anzufahren Dabei wirken wie in Kap 2 4 4 beschrieben keine Beschleunigungskr fte auf die empfindlichen Nadeln In Bild 3 5 st der realisierte Messaufbau zu sehen Bild 3 4 zeigt den schematischen Aufbau des neuentwickelten RKM 45 3 1 Aufbau des Testsystems xyz Verschiebetische A A A ccd Kamera Objektiv xyz Piezotisch Messspitze z Verschiebetisch JL nn z Y E x Parktisch y Verschiebetisch Bild 3 4 Aufbau des neuentwickelten RKM 6 Verkipptisch 0 Verkipptisch uw h k Z Verschiebetisch u _ N A Xx Motortisch I Vierquadrantendiode Probenhalter Verkipptische a mm 1 Strahlengang Bild 3 5 Foto des Messaufbaus Ney 2000 46 3 1 Aufbau des Testsystems In Bild 3 5 ist die optische Kontrolle eine Kamera mit Verschiebemotoren entfernt worden um den Blick au
49. aktor 1500 auf etwa 10 uA verbessert werden ebenso die Ortsaufl sung an einer beschalteten Leiterbahn mit 5JL 100 nm Bei der Aufl sung zweier Str me die nebeneinander flie en konnte erstmals noch bei einem Abstand von h 2 um eine Aufl sung der Einzelstr me demonstriert werden Abschlie end belegte die entwickelte Messtechnik ihre hervorragende Eignung anhand eines konkreten Beispiels Der IC der Firma Infineon zeigte einen Kurzschluss zwischen der Versorgungsspannung und der Masse Anschlie ende Untersuchungen konnten den hier aufgedeckten Fehler best tigen Zur Zeit exsistiert kein kommerzielles Testsystem mit dem die Lokalisierung des Kurzschlusses m glich gewesen ware Die hier entwickelte Strommesstechnik ist aufgrund der demonstrierten Leistungsdaten und ihrer vielf ltigen M glichkeiten hervorragend f r eine kontaktlose schaltungsinterne Funktions und Fehleranalyse heutiger und zuk nftiger ICs geeignet 133 12 Literaturverzeichnis Albrecht 1988 AMD 1999 AMD 2002 Babcock 1996 Bae 1998 Bae 2000 Bangert 2001 Bartzke 1993 T R Albrecht Imaging and modification of polymers by scanning tunnelling and atomic force microscopy J Appl Phys 64 3 1 08 1988 Prozessor Roadmap AMD 1999 Prozessor Roadmap AMD 2002 K L Babcock et al Field dependence of microscopic probes in magnetic force microscopy Appl Phys Lett Vol 69 S 705 1996 S Bae et al
50. al der Hebelarmverbiegung Ah ist wird die auf die Messspitze wirkende Kraft F ausgewertet Diese Kraft F r hrt aus der Interaktion der ferromagnetischen Messspitze mit dem durch den Stromfluss erzeugten magnetischen Feld A Die horizontale Komponente des Magnetfeldes spielt hierbei keine Rolle Hartmann 1989 2 3 1 Allgemeine Betrachtung Zur Betrachtung des durch einen Stromfluss hervorgerufenen Magnetfeldes legt man die 1 Maxwellsche Gleichung die als Durchflutungsgesetz bezeichnet wird zugrunde Die vollst ndige Maxwellsche Gleichung f r zeitlich schnell ver nderliche Magnetfelder H lautet in Integralform Wolf 1997 GE as S naa ff D na 2 16 C A dt 20 2 3 Strommessung mit dem Magnetkraftmikroskop Bei der Untersuchung quasistationarer Felder kann nach Gleichung 2 16 bei Auftreten einer Leitungsstromdichte S der Anteil der Erregungsstromstarke Verschiebungsstromstarke dem nach der Zeit abgeleiteten Integral ber die elektrische Erregung D zum Gesamtstrom vernachl ssigt werden Blume 1994 Das Durchflutungsgesetz lautet n der vereinfachten Form pH ds S nda 2 17 C A Als zeitlich langsam ver nderliche Felder quas station re Felder werden die Felder bezeichnet deren Wellenl nge immer sehr viel gr er ist als die Abmessungen der auftretenden Bauelemente bzw der betrachteten Feldbereiche Wolff 1997 Die Wellenl nge 1 l sst sich ber die Lichtgeschwindigkeit co im freien R
51. ann man deutlich sehen dass bei einer sehr geringen Rasterh he die technisch nur schwer zu erreichen sein wird beide Leiterbahnen gut zu unterscheiden sind Bei steigendem Arbeitsabstand erh lt man nur noch ein Minimum was darauf zur ckzuf hren ist dass man den Summenstrom misst Auf die Messungen an zwei beschalteten Leiterbahnen wird in Kap 8 n her eingegangen 7 3 Abh ngiskeit der Messergebnisse von der Stromst rke Die Stromst rke hat nach dem einfachen Dipolmodell einen linearen Einfluss auf die Kraft F Nach dem in Kap 6 vorgestellten erweiterten Modell hat die Kraft F jedoch keinen linearen Einfluss auf das Messsignal Bei der Strommessung in dieser Arbeit werden Messungen nur bei der Resonanzfrequenz des Hebelarms res mit Hilfe eines Lock In Verst rkers durchgef hrt Dabei muss man beachten dass dieser Anteil der Kraft F direkt proportional dem in der Leiterbahn flie enden Strom Z ist Die direkte Proportionalitat wird hier anhand einer Strommessung die n Bild 7 6 dargestellt ist demonstriert l 1 lt lt E E 0 1 m 0 1 E Ort uber der Probe Ort uber der Probe Ah Ah tae l 90 vo oO ss Bos 205 2 Ss 5 3 lt lt 90 0 x 0 X X 10 0 10 l 0 1 10 0 10 C Ort ber der Probe um d Strom mA Ort ber der Probe um Bild 7 6 Strommessung an einer b 2 um breiten und a 500 nm hohen Leiterbahn mit unterschiedlich groben Str men Angefangen mit I mA wurde al
52. as auf der Zunahme der Normalkomponenten beruht Entsprechend den Erwartungen ist im Phasenbild ber der Mitte der Leiterbahn ein Phasensprung von 180 zu erkennen der dem Vorzeichenwechsel der magnetischen Kraft entspricht Es kann ein Stromfluss bis zum letzten Messpunkt MP6 der in Bild 9 7 zu erkennenden und rot markierten Leiterbahn verfolgt werden 119 9 2 Fehleranalyse Bild 9 7 En a fi MP6 MP5 Lichtmikroskopische Aufnahme des Chips mit eingezeichneten Messpunkten Ein Stromfluss au erhalb der Leiterbahn kann nicht detektiert werden Dieses Messergebnis weist darauf hin dass kein oder sehr wenig Strom in andere Bereiche des ICs abflie t Bild 9 8 Ah Messsignalamplitude 0 20 40 60 80 100 Ort uber der Probe um Linienrasterungen an verschiedenen Messpunkten der Leiterbahn 120 9 2 Fehleranalyse Wie in Bild 9 8 zu sehen kann durch Vergleich der Linienrasterungen MP1 MP4 verifiziert werden dass der Messsignalpegel ber die gesamte Leiterbahn hin konstant bleibt Bei Aufteilung des Stroms auf alle Bereiche des ICs musste der Strom aufgrund der Linearitat des Signalpegels im Bezug auf die Stromst rke ber die Leiterbahn hin abnehmen BETT LALLA in pa an Ca J orev J ae gt al ee E a er MP8 MP7 Bild 9 9 Lichtmikroskopische Aufnahme des Bereichs A am Leiterbahnende vgl Bild 9 7 In Bild 9 9 ist der Bereich A des ICs in dem die stromf hrende Leiterbahn a
53. at man erstmalig die M glichkeit sehr einfach verlustbehaftete Teilschaltungen in einem IC ausfindig zu machen und zu lokalisieren ohne den IC zu zerst ren Ebenfalls bietet diese Methode das einfache Auffinden und Lokalisieren von Kurzschl ssen mit extrem hoher Ortsaufl sung und Stromaufl sungsgrenze sowie das Auffinden von Leckstr men 67 6 Realisierung einer hochfrequenten Strommesstechnik Ein Ziel dieser Arbeit ist es eine Strommesstechnik zu entwickeln die es erm glicht auch hochfrequente Str me zu untersuchen Mit dem in Kap 2 vorgestellten Dipolmodell ist das aufgrund der direkten Proportionalitat zwischen der Kraft und dem zu messenden Strom nicht m glich Lediglich Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz des Hebelarms k nnen untersucht werden Die Resonanzfrequenzen der Hebelarme liegen jedoch deutlich unter 1 MHz Um Mischtechniken wie sie bei der elektrischen Kraftmikroskopie angewendet werden Bohm 1995 Leyk 1998 verwenden zu k nnen muss eine nichtlineare optimalerweise eine quadratische Abh ngigkeit zwischen Strom und Kraft vorliegen In dem Modell aus Kap 2 ist f r einen punktf rmigen Leiter die magnetische Kraft auf die Messspitze gegeben durch _ OH a SZ ad F Hal ae A a S 6 1 Betrachtet man das Dipolmodell welches der Gleichung 6 1 zu Grunde liegt so fallt auf dass die Magnetisierung der gesamten ferromagnetischen Schicht als ein einzelner magnetischer Dipol der Gr e m angenommen w
54. ato ZA Ao a0 n Zeit a u IC Bild 5 1 Prinzip der Probenansteuerung 64 5 1 Grundlagen und Messaufbau Dabe muss davon ausgegangen werden dass die zu untersuchende Leiterbahn keine Kapaz t ten und Induktivit ten besitzt da sonst keine eineindeutige Beziehung zwischen Gleich und Wechselstromanteil besteht Somit sind R ckschl sse aus dem Wechselsignal auf das Gleichstromsignal nicht mehr m glich Geht man allerdings von einer rein Ohmschen Beziehung aus folgt aus der beschriebenen Beschaltung dass n der zu untersuchenden Leiterbahn der Strom I ges 4 gleich wechsel 5 2 flie t Geht man von einem Wechselstromanteil wechsel I cos t 5 3 wechsel aus ergibt sich f r den in der Leiterbahn flie enden Strom Ln I ges gleich I cos a t 5 4 Der mit dieser Messtechnik zu messende Anteil ist allerdings nur der Wechselstromanteil Iwechse Unter der oben genannten Voraussetzung einer Ohmschen Beziehung kann ein eineindeutiger Ruckschluss von Wechselstromanteil wechse auf den Gleichstromanteil gieich erfolgen Der zur Strommessung verwendete Messaufbau ist schematisch in Bild 5 2 dargestellt ID Auswerte MF Amplitude Elektronik Lock In Verstarker e Detektorsystem s gt ot gt ar J Phase Ans
55. aum unter Ausnutzung der Frequenz f ermitteln St cker 1998 Cy f 4 bzw 2 18 je 2 19 F 2 19 Bei den Messungen in dieser Arbeit wird von quasistation ren Feldern ausgegangen da die Anderungsfrequenz f der Magnetfelder mit f 10 Hz bis 5 GHz als niederfrequent im Bezug auf die Bauteilgr e einzustufen ist Mit der Anderungsfrequenz von beispielsweise f 1 GHz ergibt sich nach der Gleichung 2 19 mit c 2 99792 10 M eine Wellenl nge von A 0 299 m Da die Abmessungen des Testchips im um Bereich ieri kann man selbst bei dieser hohen Frequenz noch von quasistation ren Feldern ausgehen F r das magnetische Feld au erhalb eines kreisf rmigen Leiters des Radius r also f r r gt r ergibt sich unter Ber cksichtigung dass die Integration der Stromdichte ber eine Fl che die den gesamten Leiter einschlie t immer die Gesamtstromstarke J ist pH ds H 27r S nda 1 2 20 A C Daraus folgt f r das magnetische Feld H Hutte 1996 2 21 21 2 3 Strommessung mit dem Magnetkraftmikroskop Durch die Transformation der Gleichung 2 19 n ein kartesisches Koordinatensystem folgt fur das magnetische Feld Bronstein 1997 ER E 2 22 2 2 DHX Z X F r die einzelnen Komponenten des magnetischen Feldes in x und in z Richtung lauten die Gleichungen I Z pr und 2 23 I X H On x tz Bild 2 11 verdeutlicht den Verlauf der Komponenten des magnetischen Feldes H um
56. belarms Diese lasst sich aus der Geometrie b Breite d Dicke L nge und dem Material E Elastizitatsmodul des Hebelarms berechnen Nanosensors 2000 und ist f r einen Rechteckquerschnitt Ebd 4 2 2 2 Grundlagen und Stand der Technik der Stromkontrastmessung Durch den Einsatz unterschiedlicher Messsonden und Rasterh hen k nnen verschiedene Kr fte untersucht werden Prinzipiell ist es m gl ch jede beliebige Kraft zu messen Bislang werden haupts chlich die atomaren die elektrischen Sarid 1991 und die magnetischen Krafte Saurenbach 1990 Lohndorf 1996 Pratzer 2001 Hartmann 1994 fur Untersuchungen genutzt Diese werden kurz vorgestellt Atomare Kraft Betragt der Abstand der Messspitze zur Probenoberflache weniger als einige Nanometer so treten anz ehende und absto ende Kr fte auf die mit steigendem Abstand sehr stark abnehmen Sie werden deshalb als Kr fte m Nahfeld bezeichnet Bereits bei einem Abstand weniger Nanometer sind sie praktisch abgeklungen Die Ursache der anziehenden Kr fte sind die van der Waals Kr fte Robrock 1990 welche die Wechselwirkungen zwischen elektrischen Dipolen beschreiben Ihre Entstehung liegt in der nderung der Ladungsverteilung begr ndet Binning 1986 Die absto enden Kr fte werden durch die berlagerung der Elektronenh llen und der daraus resultierenden quantenmechanischen Effekte wie der Verletzung des Pauli Prinzips generiert Meyer 1992 Daneben t
57. che Betriebsart eines MKM dar Sie wird haupts chlich zur Untersuchung konstanter Magnetfelder verwendet 16 2 1 Betriebsarten des Rasterkraftmikroskops In dieser Betriebsart befindet sich die Messsonde au erhalb des Nahfeldbereichs Die Messsonde wird analog zum topografieabbildenden Nicht Kontaktmodus unter Nutzung der Resonanzfrequenz mechanisch zum Schwingen angeregt Ein gro er Vorteil dieser Betriebsart liegt dar n dass man zur Auswertung des gemessenen S gnals einen Lock In Verst rker verwenden kann Dieser erm glicht die Detektion stark verrauschter Signale Hammer 1975 a b c Piezosteller 5 Piezosteller Piezosteller Piezosteller Nahfeld x Bild 2 8 Prinzip der dynamisch elektrischen bzw dynamisch magnetischen Kraftmikroskopie Einige Ger tehersteller haben diesen Modus noch erweitert Der Abstand der Messsonde zur Probenoberfl che wird nicht in einer bestimmten H he sondern ber eine zuvor ermittelte und abgespeicherte Oberfl chentopografie konstant gehalten DI 1998 Hierbei folgt die Messsonde der abgespeicherten Oberfl chentopografie n einem exakten Abstand Diese Technik setzt eine extrem gro e Driftstabilitat voraus was von den meisten Ger ten nicht geleistet werden kann H ufig kommt es zu einem ungewollten Kontakt der Messsonde mit der Probenoberfl che was sowohl die Messergebnisse beeinflussen als auch die verwendete Messsonde zerst r
58. chematische Darstellung der Strommessung an einer rechteckf rmigen Leiterbahn 23 2 3 Strommessung mit dem Magnetkraftmikroskop Das magnetische Feld H umeinen rechteckf rmigen Leiter Wolf 1997 mit der Breite b und der H he A l sst sich mit der Gleichung 2 25 berechnen if zu 24 b 2m a b 2 j x b4 x 24 arctan ar arctan x b4 arctan na arctan z Der effektive Abstand des Dipols der in Gleichung 2 25 mit zp bezeichnet wird setzt sich aus der Rasterh he h dem Abstand des Dipols vom Ende der Messspitze sowie der halben Leiterbahndicke h1 2 zusammen Somit ist zn gegeben durch z ET ZUG 2 26 Typische Werte sind h 50 nm bis A 500nm f r die Rasterh he und 200 nm bis O 2000 nm f r den Abstand zwischen Messspitzenende und magnetischem Dipol Wehner 2001 Betrachtet man diesen recht gro en Abstand zn vom Leiterbahnmittelpunkt so kann man zur Evaluierung der Ergebnisse die Naherung aus Gleichung 2 24 verwenden die deutlich einfacher und bersichtlicher ist Leutfeld 2002 2 3 2 Messungen von Gleichstr men Zur Messung von Gleichstr men existieren zwei Alternativen Diese werden hier kurz vorgestellt Statische Messung Die statische Gleichstrommessung basiert auf dem Nicht Kontaktmodus mit konstantem Abstand wie er auch zur Magnetfeldmessung eingesetzt wird Das Magnetfeld einer 24 2 3 Strommessung mit dem Magnetkraftmikroskop stromdurchflossenen Leiterbahn f
59. ckelten Messstand adaptiert werden Die Arbeiten hierf r haben schon begonnen Eine weitere Option ist sofern technisch in reproduzierbarer Qualit t herstellbar die Verwendung von magnetoresistiven XMR Sensoren die schon beachtliche Erfolge erzielen konnten Bae 1998 Auch die Adaption eines SNOM Messaufbaus kann in Erwagung gezogen werden wenn Glasfasern mit den geeigneten Spezifikationen verfugbar sind Hiermit waren aufgrund der sehr kurzen Pulsbreiten heutiger Laser Messungen bis zu einigen THz denkbar 127 10 Ausblick o Weiterentwicklung der multifunktionalen Messsonden Die Weiterentwicklung der multifunktionalen Messsonden sollte vorangetrieben werden wobei auf die Moglichkeit einer industriellen Fertigung zu achten ist da nur so eine reproduzierbare Qualit t in ausreichender St ckzahl realisierbar ist Mit diesen Messsonden hat man erstmals die Moglichkeit Strom und Spannung innerhalb eines ICs kontaktlos und beeinflussungsarm zu messen Eine weitere Verkleinerung des Abstands der Hebelarme zueinander ware erstrebenswert o Vergr erung des Rasterbereichs Fur die praktische Anwendung ist ein gr erer Rasterbereich w nschenswert Wie in Kap 2 beschrieben erkauft man s ch diesen m Augenblick jedoch mit geringeren Ortsaufl sungen Au erdem erh ht sich bei einem gr eren Rasterbereich auch die Messzeit quadratisch Eine L sung k nnte hier ein zweistufiges Rastersystem bilden mit einer gro en Rasterei
60. d einem Wechselstromanteil von 20 oder 6 uA zeigen y Amplitude y 50 um D D 3 2 A ar 5 25 u gt 25 u 5 D 5 5 0 um gt 0 um O um 25 um 50 um 0 um 25 um 50 um a Ort ber der Probe b Ort ber der Probe Bild 5 3 Messung an der ITG Teststruktur mit I 30 uA DC und einem berlagerten Wechselstromanteil von 20 a Amplitudenbild b Phasenbild 66 5 2 Zusammentassung 5 2 Zusammenfassung Die hier vorgestellte Gleichstrommessung basiert auf der niederfrequenten dynamischen Stromkontrastmessung Mit dieser Gleichstrommessung kann kein Gleichstrom sondern nur der berlagerte Wechselstromanteil gemessen werden Dies hat f r die Praxis einige Einschr nkungen zur Folge So ist es nicht m glich in analogen Schaltungen zu messen die im Frequenzbereich der Hebelarmresonanz liegen ohne die Funktionsweise der Schaltungen durch die berlagerung stark zu beeinflussen Auch in digitalen Schaltungen k nnen Gleichstr me nur gemessen werden solange keine oder nur sehr geringe kapazitive oder induktive Elemente existieren Sonst sind keinerlei R ckschl sse auf den flie enden Gleichstrom m glich So kann z B hinter einer Kapazit t ein gleichgro er Wechselstrom anteil gemessen werden ohne das Vorhandensein eines Gleichstroms Trotz allem stellt diese neue Strommesstechnik zur Zeit die einzige M glichkeit dar Gleichstr me unter 1 mA kontaktlos in einem integrierten Schaltkreis zu verfolgen Somit h
61. de ein spezielles Aufdampfverfahren erprobt das es ermoglicht nur den vorderen Teil der Messsonde zu bedampfen Typ CSC12Co der Firma MDT Dieser sogenannte Multilever Chip integriert sechs verschieden lange Messsonden auf einem Tragerchip Nadelspitzen ZS Tr gerk rper Nadelspitzen Hebelarme N Hebelarme Bild 4 3 Schematische Abbildung eines Multilever Chips Die sechs Hebelarme sind jeweils b 35 um breit und d 2 um dick Die Dicke der Beschichtung aus Kobalt betr gt je ca dmag 15 20 nm An der einen Seite des Multilever Chips befinden sich sehr lange Hebelarme Sie messen 350 um F21 kHz c 0 30 N m 7300 um 28 kHz c 0 35 N m und 250 um 741 kHz c 0 65 N m Die Hebelarme an der anderen Seite sind 130 um 150 kHz c 4 5 N m 110 um 210 kHz c 7 5 N m und 90 um 315 kHz c 14 N m lang 57 4 1 Messsonden Damit stehen f r die Untersuchungen jeweils drei bis auf die Hebelarmlange identische Messsonden zur Verf gung ohne dass ein Umbau notwendig ist Der Multilever Chip ermoglicht die Untersuchung des Einflusses der Hebelarmlange auf die Strommesstechnik Die Ergebnisse dieser Messungen werden in Kap 7 1 vorgestellt Typ CSC12Ni der Firma MDT Dieser Multilever Chip entspricht in seinen Abmessungen und physikalischen Eigenschaften dem oben beschriebenen Multilever Chip Typ CSC12Co der Firma MDT Lediglich das Beschichtungsmaterial hier Nickel ist unterschiedlich 4 2 Versuchsdurchf hrung und Erg
62. e Amplitude des zur Modulation verwendeten NF Signals mit U 1 7 V eingestellt Diese Grundeinstellungen erm glichen Str me bis zu einer Frequenz von f 4 623 GHz messtechnisch nachzuweisen wie die Strommessung in Bild 8 8 belegt HU prm a ZU z D O j ER a E lt ee PE a ees 2 gt 25 urm T ae aa TRTI E E _ D a he 2 ila Eaa O E r San P nl x pm x O pm 25 prm AO pr O pr 25 ur 50 pm a Ort ber der Probe b Ort ber der Probe Bild 8 8 Strommessung mit einer Frequenz von f 4 623 GHz a Amplitudenverteilung b Phasenverteilung 8 4 Zusammenfassung In diesem Kapitel wurden Absch tzungen bez glich der Orts Zeit und Stromaufl sung vorgestellt Man kann davon ausgehen dass die zur Zeit geltende MKM Ortsaufl sungsgrenze von Apmin 10 nm Gr tter 1990 zu erreichen ist Die Demonstration 114 8 4 Zusammentassung von Strommessungen gelang weltweit erstmalig an Leiterbahnstrukturen mit Breiten von bis zu bi 100 nm Die Bandbreite dieser Messtechnik ist theoretisch unbegrenzt Fur die Gleichstrommessung konnte eine neue Messtechnik entwickelt werden mit der eine Steigerung der Gleichstromaufl sungsgrenze um den Faktor 500 gegen ber den Messungen vor Beginn dieser Arbeit zu erreichen st Eine Absch tzung ab welchen Frequenzen St reinfl sse die Strommessungen zu stark beeinflussen oder die Gr e der Kraft nicht mehr detektierbar ist ist augenblicklich noch nicht
63. ebnisse Mit jedem Messsondentyp werden zun chst an der in Kap 3 vorgestellten ITG Teststruktur Str me an unterschiedlichen Leiterbahnbreiten gemessen Ermittelt w rd der Messsignalpegel bei einem Strom von lmA an Leiterbahnen zwischen br 2 um und bi 16 um Breite Ebenfalls wird der kleinste noch zu detektierende Strom verglichen und die Ortsaufl sung bei zwei nebeneinander liegenden stromf hrenden Leiterbahnen untersucht Ergebnisse zu den Messsonden des Typs NSC15Co und NSC15Ni der Firma MDT Beide Messsondentypen basieren auf dem gleichen Sonden Rohling und unterscheiden sich nur n der Art der Bedampfung und dem dazu verwendeten Material Die Messsonde des Typs NSC15Co ist mit Kobalt ber den gesamten vorderen Teil des Hebelarms in einer St rke von ca dmag 15 nm bedampft die Messsonde des Typs NSC15Ni mit einer Nickelbeschichtung in einer Dicke von ca dmag 15 nm nur auf der eigentlichen Messspitze Bei beiden Messsonden ist die resultierende Kraft m Verh ltnis zur sehr hohen Federrate von c 40 N m sehr gering und verursacht nur minimale Biegemomente Da die Verbiegung des Hebelarms zur Auswertung detektiert wird st die Aufl sungsgrenze u erst gering Es k nnen nur Str me in Gr enordnungen von einigen 10 mA detektiert werden Das Ziel der selektiven Bedampfung der Messsonde des Typs NSCI5Ni ist die Erh hung der Ortsaufl sung bei der Stromdetektion Da der Umstand dass nur die eigentliche Spitze des Hebelarms m
64. efindet sich im unteren Bereich jedoch nicht am Ende der Messspitze Dieses Modell wurde vor allem zur Beschreibung von Wechselwirkungen der Messspitze mit r umlich sehr kleinen Magnetfeldern entwickelt Zur Beschreibung von Magnetfeldern mit gr eren r umlichen Abmessungen wie sie gro fl chige Leiterbahnen erzeugen ist das Modell nicht ausreichend Hierf r wird in Kap 7 5 eine Erweiterung des Modells vorgestellt welche auch die Magnetisierung des Hebelarms ber cksichtigt Betrachtet man die Geometrie des Hebelarms an dem die Messspitze befestigt ist so weist er nur eine Kraftsensitivitat in z Richtung auf Sarid 1991 Aus diesem Grund k nnen alle anderen Komponenten f r die weitere Betrachtung vernachl ssigt werden Daraus folgt f r die Kraft in z Richtung Bauen 2 11 18 2 2 Einf hrung in die Magnetkraftmikroskopie Um die maximale Empfindlichkeit zu erreichen ist die Beschichtung der Messspitze nur in eine Richtung im gew hlten Koordinatensystem die z Richtung magnetisiert Da wie oben erw hnt die Magnetisierung M der gesamten Spitze im Dipolmodell aus Bild 2 9 als ein einziger magnetischer Dipol mit dem magnetischen Dipolmoment m angenommen wird kann man davon ausgehen dass m nur eine Komponente in z Richtung enth lt in m 0 J 2 12 Unter diesen Voraussetzungen erh lt man folgenden Zusammenhang f r die Kraft Fimagz die in z Richtung auf die Messspitze wirkt OW OH OH ____
65. eichen Um diese Eigenschaft f r eine Rastereinrichtung in alle drei Raumrichtungen zu nutzen k nnen unterschiedliche je nach erforderlichem Rasterbereich aufgebaute Systeme verwendet werden Prinzipiell lassen sich zwei Piezorastersysteme unterscheiden Rohrenscanner Der Rohrenscanner wird fur kleinere Rasterbereiche von unter s 20 nm lateral und bis Srx l um bzw s y lum in xy Richtung eingesetzt Der Aufbau eines solchen Piezorastersystems ist in Bild 2 23 zu sehen O piezoelektrische R hre Elektroden Messsonde Bild 2 23 Schematischer Aufbau eines Piezorastersystems Rohrenscanner Wie in Bild 2 23 dargestellt besteht ein R hrenscanner aus einem rohrf rmigen piezoelektrischen Werkstoff an dem drei oder vier Elektroden angebracht sind Diese 38 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops Elektroden werden angesteuert um eine Bewegung in x und y Richtung zu erreichen Eine Bewegung in z Richtung erzielt man durch ein gleichzeitiges Ansteuern aller Elektroden Mit dieser Piezorastereinrichtung sind Positioniergenauigkeiten von As lt 1 nm m glich Piezostapel in jeder Raumrichtung F r gr ere Rasterbereiche bis s gt 200 um werden Piezorastersysteme mit jeweils einem Piezostapel in jede Raumrichtung eingesetzt Die maximal zur Verf gung stehende Betriebsspannung bei der die Piezostapel eingesetzt werden k nnen unterscheidet s ch n cht von der Betriebsspannung der R hrenscanner und lie
66. einen punktf rmigen Leiter der aus den Gleichungen 2 23 resultiert Hy H 0 6 on a a Magnetfeldkomponenten 0 5 0 0 0 5 Ort ber der Leiterbahn 1 0 Bild 2 11 Verlauf der Magnetfeldkomponenten Hx in x Richtung und H in z Richtung Nach dem Dipolmodell Bild 2 9 wird die gesamte Magnetisierung der Messspitze als ein Dipol angesehen Rastert die Messsonde n einem konstanten Abstand ber die Probe und 22 2 3 Strommessung mit dem Magnetkraftmikroskop kommt die Messspitze dabei in die N he des Magnetfeldes so f hrt die resultierende magnetische Kraft n z Richtung zu einer Hebelarmverbiegung Wird dieses Magnetfeld von einer stromdurchflossenen Leiterbahn auf der Probe erzeugt so erh lt man die resultierende Kraft n z Richtung aus der Gleichung 2 24 OH a x z I DS uom Hm 2 24 a T x 27 Fur die Kraftkomponenten in z Richtung ergibt sich nach Gleichung 2 24 der in Bild 2 12 dargestellte Kraftverlauf O es on 2 on gt 1 0 0 5 0 0 0 5 1 0 Ort ber der Probe a u Kraftkomponente in z Richtung a u Bild 2 12 Verlauf der magnetischen Kraftkomponente in z Richtung bei einer stromdurchflossenen Leiterbahn Betrachtet man reale Leiterbahngeometrien wie sie n Bild 2 13 dargestellt sind werden die mathematischen Beschreibungen ungleich aufwendiger Bild 2 13 S
67. elkr fte und die asymmetrische Anordnung der Dipole erh lt man den in Bild 7 27 dargestellten asymmetrischen Kraftverlauf Es ist deutlich zu erkennen dass sich bei dieser Anordnung ein weiteres Nebenminimum ausbildet In einem n chsten Schritt wird das erweiterte Dipolmodell auch f r den Fall angewandt dass der Winkel zwischen Hebelarm und Leiterbahn ayur gt 0 betr gt Bild 7 23b Hier ist ein symmetrischer Kraftverlauf zu erwarten Zu diesem Zweck wird die Messsonde von vorne betrachtet Bild 7 28 und eine Spiegelsymmetrie angenommen 96 7 5 Einfluss des Hebelarms Hebelarm a b Bild 7 28 Messsonde fur die Magnetkraftmessung a Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer MKM Messsonde b Schematischer Aufbau der Messsonde Die Gleichung fur die Kraftwirkung ergibt sich wieder aus der Superposition der einzelnen Anteile Unter Beachtung der symmetrischen Anordnung der Dipole ergibt sich folgende Gleichung 2 bY 2 i etz t2 O 2 7 12 Nimmt man jeweils einen Dipol auf der rechten und einen Dipol auf der linken Seite relativ zur Messspitze an so erh lt man folgenden Kraftverlauf Verlauf nach dem Dipolmodell Verlauf nach dem erweiterten Modell mit einem Dipol auf beiden Seiten 0 5 Amplitude a u 0 0 10 5 0 5 Ort ber der Probe um Bild 7 29 Verlauf der z Komponente der Kraft bei symmetrischer Dipolverteilung 97 7 5 Einfluss des Hebelarms I
68. em Accurex der Firma Topometrix mit einigen apparativen Erweiterungen die in Bild 3 1 gr n dargestellt sind Diese dienen dem Erzeugen der Signale der Beschaltung der Probe und der Auswertung der erhaltenen S gnale Au erdem wird die Probenaufnahme und die Positioniereinrichtung der Probe des RKM ersetzt Bild 3 1 zeigt ein Blockschaltbild des realisierten Gesamtaufbaus Computer ria RKM Messkopf Amplitude Phase Referenz u Trigger Probe IC Bild 3 1 Gesamtaufbau des Messsystems zu Strommessung 3 1 Aufbau des Testsystems Die Signalerzeugung wird je nach Bedarf mit nieder oder hochfrequenten Synthesizern bzw mit Gleichstromquellen realisiert Diese m ssen jeweils ber ein Triggersignal phasenstarr miteinander verbunden sein um unn tige St rsignale durch Phasenverschiebungen in den zu testenden Bauelementen zu vermeiden Ein weiteres Triggersignal wird als Referenzsignal f r den Lock In Verst rker ben tigt Der Lock In Verst rker wertet die von der Detektoreinheit des RKM ausgegebenen Messsignale aus Hierbei werden wie bereits in Kap 2 2 beschrieben die Amplitude der Hebelarmschwingung und die Phase des Eingangssignals im Bezug auf das Referenzsignal gemessen Diese Messwerte k nnen ber die beiden am RKM befindlichen Analogeing nge aufgezeichnet und ber die RKM Software dargestellt werden Bild 3 2 zeigt ein Foto des realisierten Messaufbaus Bild
69. en Messsondentypen am besten Die Unterschiede bei den Messergebnissen zeigen die folgenden Messungen Die Messung in Bild 4 4 zeigt die Ergebnisse einer Strommessung an einer bp 2 um breiten Leiterbahn mit l mA 70 75 mA 0 5 mA und 0 25 mA Stromfluss 59 4 2 Versuchsdurchf hrung und Ergebnisse Zeit t Zeit t halite 0 pm 10 pr 20 pur b 0 um 10 pr 20 um a a Ort ber der Probe Ort ber der Probe Zeitt Zeit t 0 25 mA 0 10 zu i d 0 10 zu um Lm Lm um um uri 2 Ort ber der Probe Ort ber der Probe Bild 4 4 Linienrasterungen mit Str men von I 1 I 0 75 I 0 5 und I 0 25 mA von oben nach unten a Amplitude und b Phase der Nanosensors Messsonde c Amplitude und d Phase der MDT Messsonde Wie in Bild 4 4 zu sehen ist die Ortsaufl sung der MFM Messsonde der Firma Nanosensors deutlich besser als die der CSC17 Messsonde der Firma MDT Dies liegt vermutlich an dem kleineren mittleren Arbeitsabstand bedingt durch eine kleinere Auslenkung der k rzeren Nanosensors Messsonde bei gleicher Kraft Auch die Ortsaufl sung des Messsondentyps MFM der Firma Nanosensors bei zwei nebeneinander liegenden stromdurchflossenen Leiterbahnen ist deutlich besser als bei den langen Messsonden der Firma MDT Bei der Untersuchung und Detektion kleiner Str me erweist sich jedoch die MDT Messsonde als berlegen Die Strommessung in Bild 4 5 zeigt eine Strommessung an der bi 2 um breiten Leiterbahn der ITG Teststruktur mi
70. en Parameter m c als gegeben voraus so bleiben weitere die einen Einfluss auf die Strommessung haben und bisher noch nicht erw hnt wurden Zu nennen s nd hier die Integrationszeit des Lock In Verst rkers seine Empfindlichkeit sein Eigenrauschen usw Auf die meisten dieser Parameter hat man bei den gegebenen Ger ten keinen Einfluss Lediglich die Wahl des Messbereichs und die Variation der Integrationszeit ist m glich Der Messbereich wird blicherweise so klein wie m glich gew hlt um so die maximale Stromnachweisgrenze des Ger tes zu nutzen Die Integrationszeit ist 1m Hinblick auf die Stromnachweisgrenze entscheidend Je gr er sie gew hlt wird um so pr ziser und rauscharmer sind die Ergebnisse Jedoch ist die Integrationszeit umgekehrt proportional zur Rastergeschwindigkeit und somit proportional zur Messzeit Ein Anstieg der Messzeit hat noch weitere negative Auswirkungen Bei langen Messzeiten treten Drifteffekte auf da sich die Position der Messsonde im Bezug zur Probe und somit auch die Messh he ndern kann 106 8 1 Empfindlichkeit Bei den hier vorgestellten Strommessungen wurden zur Detektion minimaler Strome neben einer sehr empfindlichen Messsonde langer Hebelarm gt niedrige Federrate geringere Rastergeschwindigkeiten gew hlt Die Stromnachweisgrenze kann theoretisch mit Gleichung 2 24 bestimmt werden Hierf r muss ein effektiver Arbeitsabstand angenommen werden Nach den Ausf hrungen n Kap 2 3 liegt
71. en kann 2 2 Einf hrung in die Magnetkraftmikroskopie Das Magnetkraftmikroskop MKM ist ein Rasterkraftmikroskop Mit dem MKM kann man Magnetfelder mit sehr hoher Ortsaufl sung von etwa Ap 10nm messen Gr tter 1990 Hartmann 1999 Bei der Magnetkraftmikroskopie verwendet man wie oben erw hnt spezielle Messsonden Diese Messsonden bestehen vollst ndig aus einem ferromagnetischen 17 2 2 Einf hrung in die Magnetkraftmikroskopie Material Lemke 1990 G ddenhenrich 1990 oder aus einem mit einer ferromagnetischen Schicht berzogenen Halbleitermaterial Rugar 1990 Mamin 1989 den Boef 1990 Seneoka 1991 Letzteres hat den Vorteil dass Mikrostrukturierungstechniken der Halbleiterindustrie eingesetzt werden k nnen und so eine hohe Reproduzierbarkeit bei vergleichsweise geringen Kosten erzielt werden kann Zur Beschreibung der auf die Messspitze wirkenden Kraft F ist die oben vorgestellte Gleichung 2 9 n vorliegender Form sehr aufwendig Daher wird zu einer vereinfachten Betrachtungsweise bergegangen Das n der Literatur am h ufigsten verwendete Modell ist das Dipolmodell Hartman 1989 Bild 2 9 Hebelarm Ferromagnetische Beschichtung Aufbau einer MKM Messsonde Modellvorstellung einer MKM Messsonde Bild 2 9 Modellvorstellung einer MKM Messsonde Bei dem Modell n mmt man an dass die gesamte ferromagnetische Beschichtung der Messsonde wie ein einziger magnetischer Dipol der Magnetisierung m wirkt Er b
72. enplateaus Ro Bei realen Messspitzenradien von Ro 10 nm Leyk 1998 und Rasterh hen von h 50 nm bis h 500 nm ist diese Voraussetzung nicht mehr gegeben Dar ber hinaus wechselwirkt nicht nur die Messspitze sondern auch der Hebelarm Wittphal 2000 mit den Feldern der Probe Aus diesem Grund muss zun chst das bestehende Modell f r die elektrische Kraftmikroskopie erweitert werden Das erweiterte Modell ber cksichtigt vor allem die Geometrie der Messspitze Leyk 1998 aber auch den Hebelarmeinfluss Wittphal 2000 82 7 4 Einfluss der Spannun Bild 7 10 Erweitertes Modell des EKM Bei diesem Modell Bild 7 10 werden 2 Plattenkondensatoren zur Beschreibung der Anordnung angenommen Dabei reprasentiert eine Elektrode des ersten Plattenkondensators die als parabelf rmige Kondensatorelektrode angenommen wird die Messspitze Die zweite reprasentiert die Probe Der zweite Plattenkondensator bildet die Anordnung des Hebelarms ab Daraus erh lt man die resultierende elektrische Kraft F aus der Addition der auf den Hebelarm wirkenden Kraft F gt und der auf die Messspitze wirkenden Kraft la gt Hiz Fi F 7 5 Der Einfluss des sehr weit entfernten Hebelarms kann als konstant und relativ klein angesehen werden Der daraus resultierende Verlauf der elektrischen Kraft Fy in z Richtung wird durch folgende Funktion beschrieben h 2 Pay k k U Fir 7 6 Der zweite Term der Gleichung 7 6 stellt
73. ensatz zu den Standard Messsonden gro e Volumen des ferromagnetischen Materials und der daraus im Dipolmodell siehe Kap 2 1 resultierenden Gr e des magnetischen Dipols m ist bei gleichbleibendem Magnetfeld nach Gleichung 2 24 mit einer deutlich erh hten Krafteinwirkung auf die Spitze zu rechnen Aufgrund ihres extrem gro en Wechselwirkungsvolumens sind diese Messsonden sehr empfindlich Ihre Nachteile sind jedoch erheblich Eine topografische Abbildung der Oberfl che zur exakten Positionierung der Messsonde ber dem zu untersuchenden Testgebiet st aufgrund der Gr e des ferromagnetischen Materials nahezu unm glich Diese Messsonden werden nicht kommerziell angeboten sondern von einigen MKM Anwendern manuell pr par ert Campbell 1994 Dies hat zur Folge dass sie nicht in einer reproduzierbaren Qualitat hergestellt werden k nnen und somit sind die einzelnen Messergebnisse nicht vergleichbar Aus dem Grund spielen diese Messsonden praktisch keine Rolle in der Magnetkraftmikroskopie Bei der Strommessung mit dem MKM konnten jedoch die bisher empfindlichsten Messungen mit den 0 g Messsonden durchgef hrt werden Campbell 1994 RKM Messsonde aus einem ferromagnetischen Draht Eine weitere M glichkeit MKM Messsonden herzustellen besteht darin ferromagnetisches Vollmaterial wie z B Draht durch geeignete Mikrostrukturierungsverfahren f r die Messung zu praparieren Schematisch ist eine solche MKM Messsonde n Bild 2 18 dargeste
74. er Praxis mit einer Stromauflosungsgrenze 112 8 3 Zeitauflosung und Bandbreite von ber 1 mA zu unempfindlich Einzige Ausnahme ist die hier entwickelte Testtechnik aus Kap 5 die es erm glicht deutlich kleinere Str me zu messen Sie weist jedoch einige Einschr nkungen auf Unter der Annahme dass die Stromaufl sungsgrenze des Testsystems bei der Wechselstrommessung mit Str men bei der Resonanzfrequenz des Hebelarms bei I 2 uA liegt ergibt sich aus den in Kap 5 beschriebenen Voraussetzungen 20 Toleranz der ICs eine Gleichstromauflosungsgrenze von F10uA Selbst bei einem Wechselstromanteil von nur einem Prozent kann ein Gleichstrom von nur 7 100 uA nachgewiesen werden Somit liegt die Leistungsf higkeit dieser Testtechnik bedeutend ber der Leistungsf higkeit der n Kap 2 vorgestellten Gleichstrommesstechniken Zur Verifikation der Leistungsfahigkeit dieses Testsystems wird die in Kap 5 vorgestellte Probenbeschaltung eingesetzt Als Testobjekt dient die Leiterbahnstruktur G der ITG Teststruktur In Bild 8 7 ist eine Strommessung mit einem Gleichstrom von 30 uA auf den ein 6 uA Wechselstrom aufmoduliert ist zu sehen 50 ne F Hmi oe ee nn 2 2 gt O a TES em Ka T z gt Be a MB a F n Be 2 2A umf Be 2 25 urm F o s u Be O O T hide Oum P ump eee x yum 25 um A um 0 pm 25 pm AO pm a Ort ber der Probe b Ort ber der Probe Bild 8 7 Strommessung von I 3
75. erbahn flieBenden Strom hat man die M glichkeit ber geeignete Modulationsverfahren auch hochfrequente Str me zu messen Hier bietet sich die Amplitudenmodulation auf der Leiterbahn Wittphal 2000 an die in der elektrischen Kraftmikroskopie bereits erfolgreich eingesetzt wird 69 6 1 Grundlagen und Messaufbau 6 1 Grundlagen und Messaufbau Zur Messung hochfrequenter Str me wird auf die in Kap 2 bzw Kap 3 vorgestellte niederfrequente Strommesstechnik zur ckgegriffen Die Probe wird wie in Bild 6 1 dargestellt mit einem modulierten Strom beschaltet on I ho Spannung V h Oo 5 10 15 20 Zeit a u L on amp hy Spannung V 5 10 15 20 0 5 10 15 20 Zeit a u Zeit a u m Spannung V E Bild 6 1 Prinzip der Probenansteuerung Hierbei wird der hochfrequente Strom der Frequenz in der Leiterbahn mit einem niederfrequenten Strom der Frequenz moduliert Das Verh ltnis beider Str me wird als Modulationsgrad m bezeichnet Setzt man f r den Strom das mit Gleichung 6 10 beschriebene amplitudenmodulierte Stromsignal A I i l m cos t cos a t mit fi NE 6 10 Ly in Gleichung 6 9 ein so erhalt man fur die Kraft die auf die Messspitze wirkt 70 6 1 Grundlagen und Messaufbau l Ss E F fy m i Z 4 2 T C ky COS W t Q l E E a a O EROR l Sm EA t Q l a2 Cyc cos 2 t 29 e 0 fp g C2 T l a R
76. ere im Rahmen der Arbeit eingesetzte Teststruktur ist die im Fraunhofer Institut M nchen hergestellte und in Bild 3 10 dargestellte Struktur SINE AY iO aan FJ Pa Bild 3 10 Lichtmikroskopische Aufnahme der Teststruktur Sie besteht aus S l z umsubstrat und hat f nf Testanordnungen von jeweils drei parallelen Leiterbahnen Die Leiterbahnen bestehen aus h 5 nm Titan und hj 25 nm Gold Die Breite der Leiterbahnen betr gt jeweils 5 1000 nm b1 500 nm b1 250 nm bi 100 nm und bi 75 nm Der Abstand entspricht der Breite der Leiterbahnen Je drei dieser Strukturen befinden sich in einem Dil 40 Gehause wobei der Chip h her eingebaut ist als normal vorgesehen So entstehen keine Probleme bez glich des Testzugriffes Die b1 75 nm breiten Leiterbahnen s nd aufgrund von Defekten zur Strommessung ungeeignet 3 2 3 Hochfrequenz Koplanarleitungen Die hochfrequenzf hige Probe besteht aus einer Leiterbahnstruktur die auf Agyy 510 um dickem semiisolierenden GaAs Substrat aufgebaut ist Bild 3 11 zeigt den Aufbau dieser Leiterbahnanordnung Die Struktur befindet sich in einem Geh use das bis 40 GHz ausgelegt ist Mertin 1994 a2 3 2 Verwendete Teststrukturen w 20um s 13um 3 w 40um s 26um T w 40um S 26um 2 X t w 40um S 26 m w 100um s 65um a Bild 3 11 HF Teststruktur a Foto der Hochfrequenz Teststruktur b Foto der Testobjekthalterung Darin ist der Tr gerk rper eingebaut auf dem sich die Tes
77. ereich a gemessene Kraftverlaufe b simulierte Kraftverl ufe In Bild 7 32 sind verschiedene Kraftverl ufe in Abh ngigkeit von der Rasterh he A aufgetragen Der hier dargestellte Ausschnitt in dem die Nebenminima deutlich zu erkennen sind ist sehr weit vom Hauptminimum entfernt 100 7 5 Einfluss des Hebelarms Eliminierung des Hebelarmeinflusses Zur Eliminierung des Hebelarmeinflusses sind zwei Ans tze m glich 1 Strommessung in zwei unterschiedlichen Arbeitsabstanden 2 Optimierung der Messsonde 1 Strommessung in zwei unterschiedlichen Arbeitsabstanden Zweihohenmessung Die Methode der Zweihodhenmessung basiert auf der Differenzbildung zweier Kraftmessungen in verschiedenen Arbeitsabstanden A Die Gesamtkraft bei den H hen h und hz sei gegeben als F h Fopitze A Tr F hevel h J 7 13 F h Z F spitze h Fieber h 7 14 Wird die Differenz der Kr fte F h und F h gt Gleichungen 7 13 und 7 14 gebildet so erh lt man F h F h AF pizo AF Heber 7 15 pitze Da der Hebelarm aufgrund der Geometrie der Messspitze in der Regel viel weiter vom Testpunkt entfernt ist h gt 10um als das untere Ende der Messspitze h lt 1 um kann man aufgrund des Abfalls des magnetischen Feldes in positive Richtung davon ausgehen dass die Differenz zwischen Fryebei A1 und Frebei h2 sehr gering ist Die Differenz zwischen Fspitze h1 und Fspitze h2 ist deutlich gr er Somit ist AFyebe seh
78. eringe mechanische G te ferromagnetischem manuelle Pr paration nicht reproduzierbar Vollmaterial an der schlechte Stabilit t Messspitze RKM Messsonde aus gro es magnetisches geringe mechanische G te Volumen manuelle Pr paration einem ferromagnetischen schlecht reproduzierbar schlechte Stabilit t schlechtes Schwingungsverhalten Draht Tabelle 2 1 Vor und Nachteile der einzelnen Messsondenarten 30 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops 2 4 3 Detektionseinheiten Die Aufgabe der Detektionseinheit besteht darin die Auslenkung des Hebelarms hervorgerufen durch die auf die Messspitze wirkende Kraft zu messen Hierf r existieren unterschiedliche Konzepte Sarid 1991 Hartman 1994 Burnham 1991 Das Problem liegt darin die je nach Federrate des Hebelarms sehr geringen Auslenkungen mit Ah lt I nm zu messen Eine erste Unterscheidung kann zwischen optischen und elektrischen Detektionskonzepten getroffen werden Diese werden im Einzelnen kurz vorgestellt und ihre Vor und Nachteile im Hinblick auf die Stromkontrastmessung diskutiert a Optische Detektoren Laserinterferometer Die Laserinterferometrie ist ein optisches Verfahren zur Auswertung der Hebelarm auslenkung bei dem ein Laserstrahl n zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird Einer dieser Teilstrahlen wird als so genannter Referenzstrahl verwendet und von einem ortsfesten Spiegel reflektiert Der zweite Teilstrahl der so genannte Messstrahl
79. ersuchen zu k nnen ist eine der wichtigsten Voraussetzungen f r die Zukunft dieser Testtechnik da die Frequenzen zuk nftiger ICs stetig wachsen SIA 1997 Weil die Kraft bei der Hochfrequenz Strommessung um GroBenordungen kleiner ist als bei der Strommessung mit einem Strom der Resonanzfrequenz des Hebelarms kann das Modell aus Kap 2 f r die Betrachtung der Strommessungen be Resonanz weiter verwendet werden Hierbei ist es m glich den frequenzabhangigen Kraftanteil aufgrund seiner Gr e zu vernachl ssigen 73 7 Untersuchung von Einfl ssen auf die Strommessung Dieses Kapitel besch ftigt sich mit dem Einfluss verschiedener Parameter wie z B der Federrate c und der Rasterh he h auf die Strommessung Die Ergebnisse werden den theoretischen Erwartungen aus dem in Kap 2 vorgestellten Dipolmodell gegen bergestellt Einige Messergebnisse weichen zum Teil erheblich von den erwarteten Ergebnissen ab In diesem Kapitel werden deshalb erstmals unterschiedliche Faktoren untersucht die diese Abweichungen erkl ren k nnen Hierbei wird das vorhandene Dipolmodell erweitert und somit die M glichkeit geschaffen eine optimale Strommesssonde zu entwickeln 7 1 Einfluss der Hebelarml nge In diesem Abschnitt w rd der Einfluss der Federrate c bzw der Hebelarml nge auf die Strommessung evaluiert Die in Kap 5 5 vorgestellten Multilever Messsonden des Typs MDT CSC12Co bieten die M glichkeit den Einfluss der Federrate c zu unter
80. eschichtung w hrend des lithografischen Produktionsprozesses ist nicht nur eine bessere Qualitat in Bezug auf die genaue Positionierung der Kobaltschicht auf die Spitze m glich Auch sollte ein gr eres Wechselwirkungsvolumen durch gr ere Schichtdicken verf gbar sein Mit diesen Messsonden ist man dann wahrscheinlich in der Lage erheblich geringere Str me lt 1 uA zu detektieren Gleichzeitig wird sich auch die Ortsaufl sung Ap mit dieser Art von Messsonden verbessern da im Gegensatz zu den verwendeten Messsonden die Kobaltbeschichtung bedeutend prazisere Kanten aufweisen sollte Insgesamt werden sich die neuen Messsonden daher in Bezug auf ihre Empfindlichkeit im Bereich der bisher getesteten handels blichen Messsonden bewegen ohne jedoch den ausgepr gten Hebelarmeinfluss dieser aufzuweisen Die Produktion der hier vorgestellten Messsonden stellt laut Aussage des Herstellers Firma Anfatec Chemnitz in Vertretung der Firma MDT Russland technologisch kein Problem dar Die Verf gbarkeit kann be Bedarf n wenigen Monaten gegeben sein 104 7 6 Forderungen an eine optimale Strommesssonde 7 6 Anforderungen an eine optimale Strommesssonde Aufgrund der oben vorgestellten Untersuchungen k nnen die Anforderungen an das Design einer idealen Strommesssonde aufgestellt werden 1 Ein gro es magnetisches Wechselwirkungsvolumen V ist Voraussetzung um eine gr tm gliche Empfindlichkeit zu erreichen 2 Eine geringe effek
81. esses of absorption and diffusion on solid particles Trans Faraday Soc Vol 28 S 333 1932 H Leutfeld Untersuchungen zur Ortsauflosung bei der schaltungsinternen Strommessung mit der Magnetkraftmikroskopie an parallelen Leiterbahnen Studienarbeit Universit t Duisburg 2002 A Leyk Entwicklung eines Hochfrequenz Rasterkraftmikroskop Testsystems f r die Untersuchung von Hochfrequenzbauelementen und schaltungen VDI Verlag D sseldorf Reihe 8 Nr 694 1998 R Linnemann et al Characterization of a cantilever with an integrated deflection sensor Thin Solid Films Vol 264 S 159 1995 Q Liu et al Structural properties of MOVPE grown ZnSe studied by X ray diffractometry atomic force microscopy and electron microscopy Journal of Crystal Growth 197 S 507 1999 J Lohau et al Quantitative determination of effective dipole and monopole moments of magnetic force microscopy tips J appl Phys Vol 86 S 3410 1999 141 12 Literaturverzeichnis Long 2002 L hndorf 1996 Lohndorf 1997 Mamin 1989 Marcus 1990 Martin 1987 Mattheis 1999 MDT 1999 M Long Fujitsu Rolls New Cell Series for Networking Wireless Designs Electronic News 3 26 2002 http www e insite net electronicnews M L hndorf et al Domain Structure of Co Pt Multilayers studied by Magnetic Force Microscopy J Vac Sci Technol B Vol 14 S 1214 1996 M L
82. esssonde ihre Funktionst chtigkeit unter Beweis stellen Ein weiterer gro er Vorteil dieser Messsonden liegt in ihrer F higkeit bei einer Messung nicht nur den Strom sondern auch die zugeh rige Spannung U zu messen Das Verfahren mit isolierten Messsonden konnte nicht realisiert werden da die zur Zeit verf gbaren Messsonden aus hochdotiertem also leitfahigem Silizium bestehen Polymere Messspitzen sind in der Entwicklung standen jedoch nicht f r Strommessungen zur Verf gung Mit der Erstellung einer geeigneten Simulation wurde begonnen jedoch sind hier noch keine Ergebnisse verf gbar 7 5 Einfluss des Hebelarms Bei der Messung von Str men mit dem MKM soll nach dem Modell aus Kap 2 2 ein senkrecht zur Leiterbahn symmetrischer Verlauf der Kraft detektiert werden Einige Strommessungen weisen allerdings starke Asymmetrien auf Weitergehende Untersuchungen zeigten dass diese Asymmetrien abh ngig von der Positionierung der Messsonde in Bezug auf die stromf hrende Leiterbahn sind Es zeigt sich dass die gr ten Asymmetrien auftreten wenn Messsonde und stromf hrende Leiterbahn senkrecht zueinander positioniert sind Bild 7 23a Liegen beide parallel zueinander so ist der Kraftverlauf nahezu symmetrisch Bild 7 23b 93 7 5 Einfluss des Hebelarms O E E at A 3 3 D E je O 0 20 X 0 20 x a Ort ber der Probe um b Ort ber der Probe um Bild 7 23 Messanordnung fur die Stromme
83. estsystem an Leiterbahnen dieser Art Strompfadverfolgungen realisiert werden k nnen Zur Untersuchung wird das auf dem kommerziellen Rasterkraftmikroskop basierende Testsystem verwendet 116 9 1 IC Pr paration 9 1 IC Pr paration Die Strommessung an dem defekten IC kann zun chst aus mangelndem Testzugriff nicht durchgef hrt werden Das von Infineon standardm ig aufge tzte Geh use verhindert dass die Messsonde an den Chip herangef hrt werden kann Bonddr hte Geh use nschlussbeine Bild 9 2 Messsonde ber einem ge ffneten Geh use stilisiert Wie in Bild 9 2 dargestellt und in Kap 3 bereits erw hnt ist der Testzugriff mit einem hebelarmbasierten Rasterkraftmikroskop insofern problematisch als dass der Tr gerk rper bzw der Halter auf dem Geh use aufsetzt und d e Bonddr hte zerst rt Der zu untersuchende IC ist jedoch nur an drei Seiten gebondet wie in Bild 9 3 zu sehen z a z ta ka Fu is Sa iz i 11 a M ni a Fr Bild 9 3 Foto des im ge ffneten Geh use befindlichen ICs 117 9 1 IC Praparation Durch das Fehlen der Bonddrahte an einer Seite ist es m glich ber diese Seite in den IC zu gelangen ohne seine Funktion einzuschr nken Ein weiteres Atzen des Geh uses kann nicht erfolgen da es den Geh userahmen Leadframe zerst ren w rde Zur L sung des Problems werden mit einer Diamants ge Teile des Geh uses abges gt
84. etriebsmodi und ihre hauptsachlichen Einsatzgebiete vorgestellt Kontaktmodus Contact Mode Zur Messung im Kontaktmodus wird die Messsonde in das Nahfeld der Probenoberfl che gebracht Dabei wird die Messsonde nach dem Lennard Jones Modell in einem stabilen Arbeitspunkt gehalten in dem sich ein Kr ftegleichgewicht einstellt In diesem Arbeitspunkt wirkt keine resultierende auslenkende Kraft auf den Hebelarm Die Spitze der Messsonde befindet sich in einem Abstand von ca h 0 25 nm ber der Probenoberfl che Wird die Messsonde ber die Probe gerastert folgt die Messspitze wie oben beschrieben der Probenoberfl che ber eine Regelung kann die Verbiegung des Hebelarms und somit die auf die Messspitze wirkende Kraft konstant gehalten werden Die Positionierung der Messsonde im Bezug zur Probenoberfl che erfolgt durch Piezostellglieder Dadurch wird die Messsonde der Oberfl che nachgefiihrt und bildet diese ab blicherweise wird nicht die Kraft bzw das der Kraft proportionale Signal der Detektoreinheit aufgezeichnet sondern das Regelsignal Dieses Regelsignal entspricht der Oberflachenstruktur der Probe Bild 2 4 zeigt schematisch die Funktionsweise dieses Modus Die Probe ist hellgrau dargestellt das Nahfeld der Probenoberflache dunkelgrau und die Position des Messspitzenendes w hrend des 13 2 1 Betriebsarten des Rasterkraftmikroskops Rastervorgangs rot Die obere schwarze Linie verdeutlicht die Langenausdehnung des Pi
85. ezostellgliedes wahrend des Rastervorgangs Piezosteller Piezosteller Piezosteller 6 Piezosteller f Bild 2 4 Prinzip des Kontaktmodus Nicht Kontaktmodus Non Contact Mode Bei Messungen im Nicht Kontaktmodus DI 1998 nutzt man die Eigenschaft dass die Messsonde bestehend aus dem an einem Tr gerk rper befestigten Hebelarm mit einer an seinem Ende befindlichen Messspitze ein schwingungsfahiges System mit hoher mechanischer G te darstellt Leyke 1998 In Bild 2 5 ist die bertragungsfunktion der Messsonde dargestellt p o 90 Bild 2 5 bertragungsfunktion einer RKM Messsonde Resonanzfrequenz Eigenfrequenz p Phase der Auslenkung Die Resonanzstelle ist in Bild2 5 deutlich zu erkennen In diesem Punkt ist bei gleichbleibender Anregung die Schwingungsamplitude H lo des Hebelarms am gr ten Dar ber hinaus weist die Messsonde ein Tiefpassverhalten auf das in ihrer Massentr gheit 14 2 1 Betriebsarten des Rasterkraftmikroskops begr ndet ist Der Phasenverlauf weist bei der Eigenfrequenz einen Phasensprung von g 180 auf Aufgrund des Schwingungsverhaltens der Messsonde ergibt sich diese grundlegend andere Art der Topografieabbildung der so genannte Nicht Kontaktmodus Dabei wird die Messsonde uber ein Piezostellglied zum Schwingen angeregt Dies geschieht durch ein dem Regelsignal berlagertes niederfrequentes Schwingungssignal das de
86. f die Detektionseinheit freizugeben Durch die offene Bauweise der Detektionseinheit ist es m glich die Neigung der Messsonde nahezu beliebig zu ver ndern blicherweise betr gt der Winkel der Messsonde zur Probenoberflache nur 15 was Messungen an gebondeten ICs verhindert Bonddr hte Anschlussbeine Bonddr hte es Anschlussbeine Geh use Bild 3 6 Schematische Darstellung des Testzugriffs an geh usten ICs Bild 3 6 verdeutlicht das Problem In dem neuen Aufbau kann der Winkel zwischen Messsonde und Probe deutlich gr er sein Dies erm glicht die Messung in ICs wenn auch nur n flachen Geh usen Auch die Form der Messsondenhalterung an welcher der Tr gerk rper der Messsonde angeklebt wird ist deutlich verbessert Sie l uft spitz zu so dass der ben tigte Platz wesentlich minimiert werden konnte Eine weitere Verbesserung ist die Aufnahme der Messsondenhalterung die nicht durch eine Feder wie in Bild 3 6 zu sehen sondern durch eine Schraube die ber einen Winkel an den Messkopf befestigt st realisiert wird Somit kann ein zus tzlicher Platzgewinn zwischen Probe und Messsondenhalterung wie das Foto n Bild 3 7 zeigt erreicht werden Ney 2000 47 3 1 Aufbau des Testsystems Adapter mit Messsonde in A Probenhalterung Bild 3 7 Foto der Messsondenhalterung Ney 2000 Durch die Gr e der Aufnahme f r die Messsondenhalterung und der Halterung selbst ist eine gute Handhab
87. fe eines Lock In Verstarkers so dass nur ein linearer Term ausgewertet wird Somit erhalt man 7 9 F el z Frogs O F 84 7 4 Einfluss der Spannung Aus Gleichung 7 9 l sst sich der in Bild 7 12 dargestellte Amplitudenverlauf f r die i Hebelarmschwingung Ah proportional zu berechnen berechnete Amplitude a u Ort ber der Probe a u Bild 7 12 Berechneter Verlauf der Linienrasterung bei Superposition der elektrischen Kraft Fe mit der magnetischen Kraft F magz unter Variation des elektrischen Anteils Messaufbau Grunds tzlich wird f r die Untersuchungen der in Kap 3 vorgestellte Messaufbau verwendet Um den Spannungseinfluss bei der Strommessung mit dem MKM zu zeigen muss die Spannung U am Messpunkt ver ndert werden k nnen w hrend der Strom konstant bleibt Das erreicht man durch die in Bild 7 13 dargestellte Probenbeschaltung Ye SPUOS Bild 7 13 Topografie der Teststruktur und ihre Beschaltung 85 7 4 Einfluss der Spannung Gemessen wird wie bei den vorherigen Untersuchungen an der b 2 um breiten mittleren Leiterbahn G der ITG Teststruktur Diese besitzt einen Innenwiderstand von R 34 Dieser Widerstand ist 1m Vergleich zu dem ver nderbaren Widerstand R der einen maximalen Widerstandswert von R 10 kQ besitzt vernachl ssigbar Damit ist die Spannung U am Messpunkt auf der Leiterbahn nahezu gleich der Spannung U am Widerstand R Mit dieser Beschaltung
88. gen des Magnetkraftmikroskops Zun chst wird ein berblick ber den prinzipiellen Aufbau des MKM gegeben Eine ausf hrliche Vorstellung entscheidender Details wie die verwendeten Messsonden das Detektorsystem und die Rastereinrichtung schlie t sich an 2 4 1 Prinzipieller Aufbau eines Magnetkraftmikroskops Grunds tzlich besteht ein MKM aus einer Messsonde deren Verbiegung aufgrund der auf die Messspitze w rkenden magnetischen Kraft mittels eines Detektorsystems gemessen wird Diese Anordnung wird mit einem Rastersystem ber die Probenoberfl che bewegt Bild 2 15 zeigt den schematischen Aufbau des MKM Regelsignal Referenzsignal Detektorsystem r gerk orpet ASE Rastersystent gt ehe y x Je Bild 2 15 Prinzipieller Aufbau eines MKM Das MKM ist zur Detektion statischer Magnetfelder konzipiert Zur Strommessung nutzt man die in Kap 2 2 vorgestellte Betriebsart Nicht Kontaktmodus mit konstantem Abstand mit 27 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops mechanischer Anregung Hierf r besitzt das MKM einen integrierten Phasendetektor sowie einen integrierten Synthesizer zur Anregung der Messsonde 2 4 2 Messsonden Die Messsonde ist die entscheidende Komponente des MKM In diesem Kapitel wird ein berblick ber die m glichen alternativen Messsonden die f r das MKM zur Verf gung stehen gegeben RKM Messsonde mit ferromagnetischer Beschichtung Als MKM
89. gt bei einigen hundert Volt Daher ist auch die Aufl sung der Rastersysteme basierend auf Piezostapeln schlechter als die der R hrenscanner Die Aufl sung des Piezorastersystems ist n der Regel durch die Genauigkeit mit der die Betriebsspannung gesteuert werden kann limitiert Die maximale Aufl sung der Piezostapel nimmt somit etwa um den Faktor ab mit dem der Rasterbereich gr er wird Bild 2 24 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Rastersystems d A x Piezostapel Dehnungsmessstreifen g 2 A Elektrode O RE lt Elektroden gt o 5 A am N Messsonde Bild 2 24 Schematischer Aufbau eines Piezorastersystems mit Piezostapeln Ein weiterer Nachteil dieses Piezorastersystems besteht darin dass aufgrund seines Aufbaus Nichtlinearitaten und eine Hysterese auftreten Die Hersteller dieser Piezorastersysteme versuchen die Verzerrungen durch R ckkoppelungen zu verhindern Eine M glichkeit besteht dar n Dehnungsmessstreifen an die Piezostapel anzubringen und so die Nichtlinearit t auszuregeln Topometrix 1997 Eine weitere etwas exaktere M glichkeit bietet eine kapazitive Messeinrichtung f r die R ckkoppelung PI 2001 Rastereinrichtungen mit dieser 39 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops Technik k nnen mit einer Wiederholgenauigkeit von sy 7 5 nm bei einem Rasterbereich von s 200 um realisiert werden Diese Piezorastersysteme sind je nac
90. h Aufbau in der Lage Lasten von einigen Kilogramm zu bewegen Dies erm glicht das Rastern komplexer Aufbauten Es muss jedoch beachtet werden dass bei einem schnellen Rastervorgang extrem gro e Kr fte aufgrund der sehr kurzen Brems und Beschleunigungswege von wenigen Mikrometern auftreten 2 5 Stand der Technik bei der Strommesstechnik mit dem MKM Zusammenfassend wird hier der Stand der Technik zur Strommessung mit dem MKM dargestellt Mit dieser Technik ist es bereits m glich Str me an Leiterbahngeometrien b von einigen wenigen Mikrometern zu messen Die von Campbell 1994 verwendeten Proben wiesen eine Breite von 5bi 2 um auf Die Empfindlichkeit der Technik ist fur die Untersuchung niederfrequenter Wechselstr me unter Verwendung spezieller Messsonden siehe Kap 2 4 2 RKM Messsonde mit ferromagnetischem Vollmaterial an der Messspitze mit 1 uA als ausreichend anzusehen Die Empfindlichkeit bei Standard Messsonden die in gro er St ckzahl zu fertigen sind wird als ungen gend bewertet Campbell 1994 Hochfrequente Str me konnten bisher noch nicht gemessen werden Die Gleichstrommessung mit den o g Messsonden ist mit 1 mA zu unempfindlich Inwieweit hier mit Standard Messsonden Verbesserungen oder Verschlechterungen zu erwarten sind war bei Beginn dieser Arbeit noch nicht untersucht worden In der folgenden Tabelle sind stichpunktartig die wichtigsten Gr en aufgef hrt 40 2 5 Stand der Technik bei der Stromkontra
91. h den erh hten Stromfluss infolge eines Kurzschlusses hervorgerufen n einem IC erkannt werden Dabei ist die Ortsaufl sung Ag mit einigen 10 um sehr schlecht Mit dem Elektronenstrahl Tester E Beam Helmreich 1992 der heute zur kontaktlosen IC internen Analyse elektrischer Spannungen eingesetzt wird kann man ber die Ablenkung der Sekund relektronen das durch einen n der Leiterbahn flie enden Strom generierte Magnetfeld messen Diese Messtechnik erreicht aber nur Stromaufl sungen von Ab gt 100 mA und ist somit f r die Analyse heutiger integrierter Schaltungen unbrauchbar Eine weitere Strommesstechnik bietet ein auf dem SQUID Effekt eng Scanning Quantum Interference Device bas erendes Messsystem Vanderlinde 2000 Hierbei wird der SQUID 1 Einleitung und Problemstellung Sensor zur Auswertung des durch den Stromfluss erzeugten Magnetfeldes verwendet Um extrem kleine Magnetfelder messen zu k nnen muss sich der Sensor im Ultrahochvakuum und unter extrem tiefen Temperaturen befinden Der gro e Nachteil des Messsystems liegt in der geringen Ortsauflosung von ca Ao 16 um Dies ist dadurch bedingt dass der Sensor aufgrund der Vakuumkammer nur in sehr gro em Abstand von h gt 10 um an die Probe herangef hrt werden kann Somit ist dieses Ger t fur die C interne Strommessung mit Ausnahme einiger Spezialf lle ebenfalls ungeeignet Eine andere M glichkeit Str me zu messen jedoch nur einzelne Spezialfalle ist das O
92. he A erzwungen und somit wird das detektierte Nutzsignal schw cher Zur Untersuchung dieses Verfahrens wurden einige ITG Teststrukturen mit Passivierung wie in Bild 7 21 zu sehen durch Abscheiden einer Abschirmung mit Hilfe eines FIB eng Focused Ion Beam ber Teilen der Leiterbahnstruktur prapariert Substrat l Leiterbahnen a b Bild 7 21 Pr parierte ITG Teststruktur a lichtmikroskopische Aufnahme b schematischer Querschnitt der Teststruktur 91 7 4 Einfluss der Spannung Diese Pr paration wurde bei Infineon Technologies AG Munchen Abteilung FA Fehleranalyse durchgef hrt Beim Abscheiden der Abschirmung wird zun chst ein Loch in die Pass vierung ge tzt und ein Kontakt zwischen der aufgebrachten Abschirmung und den unter der Passivierung liegenden Massefl chen hergestellt Mit der Abschirmung ist es m glich den Spannungseinfluss nahezu zu eliminieren Bild 7 22 zeigt eine Strommessung bei der mit einem Strom von 100 uA und einer Spannung von U 4 V zun chst ber der Abdeckschicht gemessen wurde oberes Viertel Bild 7 22 Nach der H lfte der Messung wurde die Probe derart positioniert dass die Messsonde neben der Abdeckschicht rastert Es st deutlich zu erkennen dass m ersten Teil der Messung die Beeinflussung durch die Spannung U fast eliminiert werden konnte Die gleiche Vorgehensweise wurde f r eine Spannung von U 0 V wiederholt untere H lfte Bild 7 22 Wie aufgrund der Theorie zu erwar
93. heblichen Einfluss auf das Messergebnis Eine exakte Regelung ist unerl sslich Das Linearisierungssystem der Firma Topometrix ist kaum geeignet da die Dehnungsmessstreifen nicht in der Lage sind solche Aufgaben zu ubernehmen Die hier prasentierten Strommessungen konnten erst nach einigen Stunden durchgef hrt werden nachdem sich das Rasterkraftmikroskop 1m thermischen Gleichgewicht befand Somit ist dieses Testsystem in der jetzigen Form f r die Praxisanwendung nicht geeignet Abhilfe wird hier das neu entwickelte Testsystem aus Kap 3 bringen bei dem eine kapazitive Regelung verwendet wird Diese ist deutlich empfindlicher und somit auch stabiler als die Dehnungsmessstreifen P 2001 Weitaus gr ere Schwierigkeiten stellen sich bei mehreren parallel laufenden Leiterbahnen Bei zunehmender Rasterhohe h kann nicht mehr zwischen den einzelnen Leiterbahnen unterschieden werden Zur Verdeutlichung dieser Problematik ist in Bild 7 5 eine Berechnung des erwarteten Messergebnisses bei einer Strommessung an zwei beschalteten Leiterbahnen dargestellt E D pa lt Bild 7 5 Simulation einer Strommessung an zwei beschalteten Leiterbahnen auf der y Achse ist die Rasterh he dargestellt auf der x Achse ist der Ort ber den Leiterbahnen dargestellt der Nullpunkt befindet sich zwischen den Leiterbahnen auf der Ah Achse ist das erwartete Messergebnis dargestellt 78 7 2 Einfluss der Rasterhohe An den drei Minima k
94. heoretische Grundlagen der Mechanik Vorlesung Universit t Duisburg Studienrichtung Elektrotechnik 1990 G E Bridges et al High frequency circuit characterization using the AFM as a reactive near field probe Ultramicroscopy S 42 1992 Brockhaus Brockhaus Die Enzyklop die Leipzig Mannheim 20 berarb und aktualisierte Aufl 1996 I N Bronstein Taschenbuch der Mathematik Frankfurt Main Verlag Harr Deutsch 1997 135 12 Literaturverzeichnis Budka 1995 Burnham 1991 Campbell 1994 Cappella 1999 Chappell 2002 ChipPac 2002 Coherent 2000 Courtois 1993 den Boef 1990 DI 1998 T P Budka A Microwave Circuit Electric Field Imager IEEE MTT S Diegest S 1139 1995 N A Burnham et al Force Microscopy VCH Publisher 1991 A N Campbell et al Magnetic force microscopy current contrast imaging A new technique for internal current probing of ICs Microelectronic Engineering Vol 24 Nr 1 4 11 22 1994 B Cappella et al Force distance curves by atomic force microscopy Surf Sci Rep Vol 34 S 1 1999 J Chappell Teradyne Flexes its Muscle Electronic News 3 20 2002 http www e insite net electronicnews China Grants ChipPac Premier Customs Classification Electronic News 11 7 2002 http www e insite net electronicnews Produktkatalog Coherent The Cathalog for Laser and Photonics Applications
95. hier nicht explizit aufgef hrt s nd II Inhaltsangabe Verzeichnis der verwendeten Abk rzungen VII Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abkurzungen Vill 1 Einleitung und Problemstellung 1 2 Grundlagen und Stand der Technik der Stromkontrast messung 8 2 1 Betriebsarten des Rasterkraftmikroskops 13 2 2 Einf hrung in die Magnetkraftmikroskopie 17 2 3 Strommessung mit dem Magnetkraftmikroskop MKM 20 2 3 1 Allgemeine Betrachtung 20 2 3 2 Messungen von Gleichstr men 24 2 3 3 Messungen von Wechselstr men 26 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops 27 2 4 1 Prinzipieller Aufbau eines Magnetkraftmikroskops 27 2 4 2 Messsonden 28 2 4 3 Detektionseinheiten 31 2 4 4 Rastersystem f r das Rasterkraftmikroskop 37 2 5 Stand der Technik bei der Strommesstechnik mit dm MKM 40 3 Realisierung einer Strommesstechnik 42 3 1 Aufbau des Testsystems 42 3 2 Verwendete Teststrukturen 50 3 2 1 ITG Teststruktur 51 3 2 2 Leiterbahnen mit 75 1000 nm Breite Fraunhoferstruktur 52 3 2 3 Hochfrequenz Koplanarleitungen 52 4 Evaluation geeigneter Messsonden 54 4 1 Messsonden 54 4 2 Versuchsdurchf hrung und Ergebnisse 58 4 3 Zusammenfassung 62 IV Danksagung 5 Realisierung einer neuen Gleichstrommesstechnik 64 5 1 Grundlagen und Messaufbau 64 5 2 Zusammenfassung 67 6 Realisierung einer hochfrequenten Strommesstechnik 68 6 1 Grundlagen und Messaufbau 70 6 2 Zusammenfassung 73 7 Untersuchung von Einfl ssen auf die Stromme
96. hrt direkt zu einer statischen Kraft die eine Hebelarmverbiegung hervorruft Die mit dieser Messtechnik erhaltenen Ergebnisse entsprechen den nach Kapitel 2 3 1 bzw Bild 2 12 zu erwartenden Ergebnissen Die Stromaufl sungsgrenze dieser Messtechnik ist nicht sehr hoch Berechnungen Wehner 2001 zeigten dass unter Verwendung handels blicher Standard MKM Messsonden theoretisch ein minimaler Strom von ca 8 5 mA gemessen werden kann Praktisch konnten bislang sogar nur 30 mA demonstriert werden Wehner 2001 Aufgrund hrer Unempfindlichkeit ist diese Art der Gleichstrommessung nicht f r die Messung an integrierten Schaltungen geeignet Dynamische Gleichstrommessung Die dynamische Gleichstrommessung wurde bereits 1994 vorgestellt Campbell 1994 Mit ihr war es m glich unter Verwendung spezieller Messsonden die in Kap 2 4 2 beschrieben werden Gleichstr me von 1 mA zu messen Bei den verwendeten Messsonden handelte es sich um einzeln praparierte Unikate mit denen reproduzierbare Messungen nicht m glich waren Als Betriebsmodus verwendet man den Nicht Kontaktmodus mit konstantem Abstand mit mechanischer Anregung Diese Technik ist deutlich empfindlicher als die statische Gleichstrommessung da mit einem Lock In Verst rker gearbeitet werden kann wodurch ein deutlich verbessertes S gnal Rauschleistungs Verh ltnis zu erwarten ist Aufgrund der gro en Ausdehnung des ferromagnetischen Materials st nicht damit zu rechnen dass Lei
97. hweite der magnetischen Krafte ebenfalls groBer als die der atomaren Krafte ist wird ein Abstand zwischen Messspitze und Probenoberflache von h gt 10 nm gew hlt So k nnen die atomaren Kraftwechselwirkungen vernachlassigt werden Martin 1987 Bei Rasterung der Messsonde mit der Magnetisierung M ber der Probenoberfl che wird die Messsonde durch das magnetische Feld H angezogen oder abgesto en Die Magnetisierungsenergie der ferromagnetischen Messsonde ergibt sich zu Hartmann 1989 W m H MaV 2 6 Die Magnetisierung M ergibt sich nach Gleichung 2 6 als Summe ber das Produkt der Dipoldichte N mit dem magnetischen Dipolmoment m jeder Dipolsorte Kubalek 2000 Z M N m 2 7 i l Die Energie W ist definiert als Kraft F mal Weg s Stocker 1998 12 2 Grundlagen und Stand der Technik der Stromkontrastmessung W F ds 2 8 Mit dieser Definition ergibt sich f r die Kraft als Gradient der Energie W F gradW Ox y 0 z Ge ow w 2 9 Diese Beschreibung ist aus Grunden ihrer Komplexitat fur den praktischen Gebrauch nicht geeignet Ein einfacheres Modell wird in Kapitel 2 2 vorgestellt 2 1 Betriebsarten des Rasterkraftmikroskops Das Rasterkraftmikroskop RKM kann in zwei verschiedenen Modi dem bereits zuvor erw hnten Kontaktmodus Contact Mode oder im so genannten Nicht Kontaktmodus Non Contact Mode Howland 1997 betrieben werden In diesem Abschnitt werden die unterschiedlichen B
98. ie Auswertung mit einem Lock In Verstarker ist man nicht mehr in der Lage die der Kraft proportionale Verbiegung des Hebelarms zu messen Stattdessen werden die Amplitude und die Phasenlage der Hebelarmschwingung im Bezug zu einem Referenzsignal gemessen Die Amplitude ist dabei dem Betrag der auf die Messspitze wirkenden Kraft proportional der Phasensprung uber der Leiterbahn entspricht dem Vorzeichenwechsel der Kraft Da diese Phase nur relativ ausgewertet werden kann sind die absoluten Werte wenig aussagekraftig Jedoch ndert die magnetische Kraft in z Richtung wie in Bild 2 12 dargestellt ber der Leiterbahn ihr Vorzeichen so dass ein Phasensprung von 180 gemessen werden kann Bild 2 14 zeigt den Verlauf der magnetischen Kraft sowie des vom Lock In Verst rker ausgegebenen Signals fur die Amplitude und die Phase F p 1 0 80 60 0 5 40 Fi 5 20 a 0 0 0 2 20 Z 0 5 40 60 1 0 80 x 04 02 00 02 04 0 4 0 2 00 02 0 4 i Ort ber der Probe a u Ort ber der Probe a u b Bild 2 14 Verlauf der z Komponente der magnetischen Kraft sowie die von einem Lock In Verst rker gemessenen Verl ufe die dem Betrag der magnetischen Kraft entsprechen und deren Phase 26 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops Dieser Abschnitt befasst sich mit den apparativen Grundla
99. igkeit der Kraft Fesz von dem hochfrequenten modulierten Strom in einer Leiterbahn Da die Konstante c2 um einige Gr enordnungen kleiner ist als die Konstante c ist auch die Kraft bei einem amplitudenmodulierten Strom um Gr enordnungen kleiner als die Kraft die bei einem Strom mit der Resonanzfrequenz des Hebelarms gemessen werden kann Somit ist auch die Aufl sungsgrenze der Messsonde um Gr enordnungen geringer cz ist au erdem frequenzabhangig 2 6 1 Grundlagen und Messaufbau Erste Strommessungen im Rahmen der Arbeit konnten wie in Bild 6 2 dargestellt eine Strompfadverfolgung von 1 mA bei einer Frequenz von 10 MHz belegen Amplitude y y BU um BO um O O Fa Fa O O A A D 25 pr 5 25 um oO Oo m a ra ra T T O O 0 um 2 7 0 um D pm 25 um BO um D pm fed um Sa puri Ort ber der Probe Ort ber der Probe a b Bild 6 3 Messergebnis f r eine 10 MHz AM Messung a Amplitudenbild b Phasenbild 6 2 Zusammenfassung Die hier vorgestellte Messtechnik erm glicht erstmals die Messung von Str men oberhalb der Resonanzfrequenz der Hebelarme Mit dieser Testtechnik konnten Magnetfelder mit einer Frequenz von f gt 1 GHz bereits demonstriert werden Proksch 1999 Strommessungen mit einer Frequenz oberhalb von f gt 4 GHz konnten im Rahmen der Arbeit gezeigt werden Die entsprechenden Ergebnisse der Strommessungen sind in Kap 8 aufgef hrt Die M glichkeit hochfrequente Str me unt
100. igt den Spannungseinfluss anhand systematischer Strommessungen sowie die Entwicklung eines Modells zur Verifizierung der Strommessungen Es folgt die Vorstellung und Evaluation geeigneter Verfahren zur Elimination des Spannungseinflusses Aus diesem Grund wird das Dipolmodell aus Kap 2 nochmals kurz vorgestellt und erweitert Wie bereits in Kap 2 2 gezeigt wird die Magnetisierung M der Messspitze als ein einzelner magnetischer Dipol m angenommen Bild 7 7 Hebelarm Hebelarm ferromagnetische Beschichtung magnetischer gt Dipol S a b Bild 7 7 MKM Messspitze a Prinzipielle Darstellung einer MKM Messsonde b Modell einer MKM Messsonde 80 7 4 Einfluss der Spannung Die messbare Verbiegung des Hebelarms Ah die proportional der auf die Messspitze wirkenden Kraft Finagz ist Kann nach dem Modell mit Gleichung 7 2 beschrieben werden xh Ah F f m _ Ho Z x h Y mag mag z 2 Hierbei wird wie in Kap 2 beschrieben von einer idealen masselosen Leiterbahn ausgegangen Diese Vereinfachung erlaubt es nahezu alle Parameter zu vernachl ssigen und zu eins zusammenzufassen Das f hrt zu folgender normierter Funktion und dem Verlauf n Bild 7 8 X F x k 7 3 ee l x 1 Ah F r 1 0 mag Z 5 0 8 oO Oo 5 0 6 as lt 0 4 0 2 oO 5 0 0 x 4 2 0 2 4 Ort ber der Probe a u Bild 7 8 Berechnete MKM Linienrasterung Fur die ele
101. inige unerwartete Einfl sse auf die Strommessung So konnte die zu erwartende lineare Abh ngigkeit der Messgr e m Bezug zur Kraft messtechnisch belegt werden Das Aufzeigen des gro en Einflusses der Rasterh he anhand von Messungen und die Demonstration der Problematik der Ortsaufl sung und der Empfindlichkeit war m glich Der Einfluss der Federrate des Hebelarms auf die Strommessung konnte messtechnisch wie nach dem Dipolmodell erwartet belegt werden Neben diesen Strommessungen zur Verifizierung des Dipolmodells gelang auch die Entdeckung neuer st render Effekte wie der Spannungs einfluss oder der Einfluss der Hebelarmbeschichtung auf die Strommessung Diese wurden theoretisch anhand von Modellerweiterungen erkl rt und messtechnisch verifiziert Daran schloss sich die Diskussion einiger Alternativen zur Eliminierung dieser Effekte an Die am sinnvollsten erscheinenden M glichkeiten kamen zur Realisierung und mit ihrer Hilfe konnte sowohl eine L sung f r das Problem des Hebelarmeinflusses als auch f r den Spannungseinfluss vorgestellt werden Anhand von Strommessungen gelang d e Demonstration einer Stromnachweisempfindlichkeit dieser neu entwickelten Strommesstechnik auf unter 2 uA Die messtechnisch realisierten Hochfrequenzmessungen mit einer deutlich geringeren Stromnachweisempfindlichkeit von immer noch kleiner l1 mA konnten auf ber 74 GHz ermittelt werden Die Gleichstrommessung mit Standard Messsonden konnte um den F
102. ion bietet nicht weiter zu verfolgen 105 8 Demonstration der Leistungsfahigkeit der Messtechnik und des Testsystems In diesem Kapitel wird die Leistungsfahigkeit des in Kap 3 vorgestellten Testsystems demonstriert Daf r werden beispielhaft die durch Strommessungen 1m Rahmen der Arbeit erzielten Messwerte vorgestellt Die Ergebnisse werden mit den nach den hier vorgestellten Modellen zu erwartenden Messergebnissen verglichen Es wurden n nahezu allen Belangen weltweit unerreichte Messwerte erzielt Vor allem die neuen M glichkeiten bez glich der Hochfrequenztauglichkeit und der Ortsaufl sung sind besonders hervorzuheben Fur die relevanten Strommessungen wird ausschlie lich das auf dem kommerziellen RKM bas erende Testsystem verwendet Es bietet derzeit die gr te Reproduzierbarkeit der Messergebnisse Das neuentwickelte Testsystem ist dem hier verwendeten zwar in vielen Belangen berlegen jedoch weist es zur Zeit noch einige Software und Stabilitatsprobleme auf die aussagekr ftige Reihenuntersuchungen behindern 8 1 Stromnachweisgrenze und Messdauer Die Stromnachweisgrenze dieses Testsystems h ngt von vielen Parametern ab Nach dem in den Kap 2 bis Kap 7 vorgestellten Modell ist vor allem der effektive Arbeitsabstand h die Gr e des magnetischen Dipols m sowie die Federrate c des Hebelarms relevant Jedoch sind diese Parameter wie in Kap 7 beschrieben nicht beliebig zu variieren Setzt man die messsondenspezifisch
103. ipulatoren sind mit elektrischen Verstelleinheiten sogenannten Micromikes Oriel 2000 Coherent 2000 ausgestattet Diese erm glichen es die Probe bei geschlossenem Geh use von au en zu verfahren um exakte Positionswechsel auch w hrend einer Messung durchf hren zu k nnen 44 3 1 Aufbau des Testsystems Das Alublechgehause besitzt Durchf hrungen fur spezielle Zuleitungen wie beispielsweise Hochfrequenzsignale Diese Durchf hrungen sind wenn sie nicht ben tigt werden durch Abdeckbleche verschlossen Bei Bedarf kann der Textoolsockel leicht gegen einen anderen Probenhalter ausgetauscht werden Somit sind auch Messungen an Bauelementen m glich die nicht im Dil Geh use aufgebaut sind Das hier verwendete RKM weist einige Defizite auf Diese sind e schlechter Testzugriff aufgrund des kompakten Aufbaus des RKM Messkopfes und der gro en Messsondenhalterung e schlechte Handhabung beim Messsondenwechsel e schlechte Justage der Detektionseinrichtung e starke Drift der xyz Piezostellglieder trotz einer Linearisierung ber DMS e stark verrauschtes Detektorsignal schlechte Verst rkerbausteine e schwieriger Einbau neuartiger Sensorkonzepte und e begrenzte M glichkeiten der Probenbeschaltung Aufbau des neuentwickelten Testsystems Das 1m Rahmen der Arbeit entwickelte Testsystem bas ert auf dem selben Konzept wie das oben vorgestellte Testsystem und auf den n Kap 2 aufgef hrten physikalischen Grundlagen Einige Det
104. ird Dies beschreibt die realen Verh ltnisse nicht hinreichend m M 6 2 Bei genauerer Betrachtung des magnetischen Dipols ist zu erkennen dass die Gr e des Dipols auch eine Abh ngigkeit vom angelegten magnetischen Feld besitzt Proksch 1999 Dies ist durch die ferromagnetischen Eigenschaften der Beschichtung bedingt m m x 0 H 6 3 Auch hierbei gilt dass der Hebelarm der Messsonde nur Kr fte in z Richtung aufnehmen kann Somit ist es m glich die Gleichung analog den Annahmen aus Kap 2 zu vereinfachen zu m 7 H 6 4 68 6 Realisierung einer HF Strommesstechnik Da jedoch das Magnetfeld direkt proportional dem in der Leiterbahn flie enden Strom ist ae Z 6 5 X Qn x z besteht ebenso eine Abh ngigkeit zwischen dem magnetischen Dipol m und dem in der Leiterbahn flieBenden Strom Z Poa l l Z M M Xn I 6 6 2m x z x Mit der Gleichung 6 6 ergibt sich f r die Kraft in z Richtung aus Gleichung 6 1 x z x z I l x F u m U c 6 7 Hall ey Mo tn n x 27 Qn x 27 02 bzw F ya 2 zn PE E 6 8 r x z 2m x an z Zur besseren bersicht werden die ortsabh ngigen stromunabh ngigen Terme im Folgenden mit c x y z und c2 x y z bezeichnet Somit ergibt sich f r Gleichung 6 9 F c I c I 6 9 Durch die quadratische Abh ngigkeit der auf die Messspitze wirkenden Kraft im Bezug zu dem in der Leit
105. it einer d nnen Schicht Nickel berzogen ist ein um Gr enordnungen 58 4 2 Versuchsdurchf hrung und Ergebnisse geringeres Wechselwirkungsvolumen erm glicht sind die entsprechenden Ergebnisse nicht mehr detektierbar So kann man f r beide Messsonden davon ausgehen dass s e n keiner Weise f r die angestrebte Strommesstechnik kleinster Str me und an kleinsten Strukturen geeignet sind Multilever Chip Messsonden Typ CSC12Co und CSC12Ni der Firma MDT Aufgrund gleicher Abmessungen verhalten sich die Messsonden der beiden Multilever Chips im Anwendungsbereich der Topografie identisch Bei der MKM Messung die der Strommessung zugrunde liegt zeigt der Multilever Chip CSC12Ni mit seiner nur Amag 12 nm dmag 15 nm dicken Nickelbeschichtung eine geringere Aufl sungsgrenze als der kobaltbeschichtete Multilever Chip CSC12Co Eine Ursache der schlechten Ergebnisse der nickelbeschichteten Messsonde kann m unterschiedlichen magnetischen Verhalten von Kobalt und Nickel liegen Dies kann sich auch auf die jeweils resultierende Kraft auswirken und so unterschiedliche Aufl sungsgrenzen erkl ren Eine Untersuchung des Einflusses der Hebelarml nge und somit der Federrate c auf die Messempfindlichkeit wird n Kap 7 1 vorgestellt Ergebnisse zu den Messsondentypen MFM der Firma Nanosensors und CSC17 der Firma MDT Die topografische Aufl sung beider Messsonden ist nahezu gleich Hinsichtlich der Strommessung eignen s ch diese beid
106. iten Leiterbahnstruktur der in Kap 3 vorgestellten Fraunhofer Teststruktur mit einem Stromfluss von 70 uA Eine Umschaltung auf eine andere Leiterbahn ist nicht m glich da nur eine Leiterbahn dieser Struktur funktionsf hig ist m 5 pr 10 um 0 prn 5 Hm 10 pri a Ort ber der Probe b Ort ber der Probe Bild 8 4 Strommessung an einer b 100 nm breiten Leiterbahnstruktur Linienrasterung a Amplitudenverteilung b Phasenverteilung Diese Strommessungen zeigen dass die Ortsauflosung des Testsystems die Anforderungen heutiger ICs 1m vollen Umfang erf llt Eine Demonstration an kleineren Leiterbahnen konnte aufgrund mangelnder Verf gbarkeit von Teststrukturen nicht durchgef hrt werden 8 2 2 Zwei nebeneinander liegende Leiterbahnen Ein weiteres gro es Problem bez glich der Ortsaufl sung ist die Aufl sung dicht nebeneinander flie ender Str me Hier stellt vor allem das Design der Messsonden wie in Kap 4 beschrieben ein Hindernis dar in die sub um Bereiche vorzusto en Mit den im Rahmen der Arbeit verwendeten Messsonden konnten zwei gleiche Amplitude und Phase Str me noch getrennt betrachtet werden wenn eine Leiterbahnbreite von b 2 um und ein Abstand von mindestens aL 1 um vorlagen Eine entsprechende Strommessung ist in Bild 8 5 dargestellt Bei dieser Strommessung werden zwei Str me mit einer Stromst rke von je J 100 uA und einer Phasenverschiebung von A g 0 zueinander an der 5br 2 um breiten Leiterbahnstru
107. itr ge von Studien und Diplomarbeiten haben es erm glicht diese Arbeit m hier vorliegenden Umfang zu realisieren Ich m chte mich ganz herzlich bei den Studenten Dipl Ing Christian Ney Dipl Ing Claus Hartmann cand ing Frank Seifert cand ing Markus Neinh s cand ing Niht lerie cand ing Holger Leutfeld cand ing Michael Urlich fur ihren Einsatz bedanken Frau Dipl Phys Anne Dorothea M ller von der Firma Anfatec Chemnitz und ihrem Mann Falk Muller von der Universitat Chemnitz danke ich sowohl fur die hilfreichen Diskussionen bei der Neukonstruktion als auch f r die vielen hilfreichen Anregungen Au erdem bedanke ich mich fur die Sonderanfertigungen der Messsonden wie die multifunktionalen Messsonden oder die Spezialbedampfungen der Messsonden Bei Dipl Ing Ulf Behnke und Dipl Ing Song Bae bedanke ich mich f r die Einweisung in die Technik der am Lehrstuhl vorhandenen Rasterkraftmikroskope sowie fur die konstruktive Kritik und Anregung Ein besonderer Dank gilt Herrn Helmut Lebeau der aufgrund seiner umfangreichen praktischen Erfahrungen entscheidend den Aufbau des neukonstruierten Testsystems pragte I Danksagung Vor allem bedanke ich mich fur die hilfreiche Unterstutzung bei der Entwicklung der Elektronik aber auch bei der L sung vieler Detailprobleme in deren Umfeld Herrn Ruppig und seinen Kollegen aus der mechanischen Werkstatt danke ich fur die Metallarbeiten und die guten Verbesserungsvorsch
108. ivierten IC aufgrund der gro en Strukturen bei einem sehr gro en Arbeitsabstand durchgef hrt werden Es ergibt sich nur eine zu vernachl ssigende Beeinflussung der Messverl ufe wie n Bild 9 16 exemplarisch dargestellt 125 9 4 Strommessungen an einem passivierten IC Ah Passivierte Probe 1 00 Unpassivierte Probe 0 75 xe 0 50 Q 5 0 25 5 gt 0 00 a lt 0 20 40 60 80 100 Ort uber der Probe um Bild 9 16 Linienrasterungen im Messpunkt MP2 mit Passivierung rot und ohne Passivierung schwarz Die Messhohe h ist bei beiden Messungen gleich 9 5 Zusammenfassung Zusammenfassend kann gesagt werden dass diese Strommesstechnik zur Zeit die einzige Methode darstellt den hier ermittelten Fehler zu lokalisieren Die vorangegangene Hot Spot Analyse bietet weder die erforderliche Ortsaufl sung noch die erforderliche Empfindlichkeit Auch andere Strommessverfahren f hren hier aufgrund der mangelnden Empfindlichkeit zu keinem befriedigenden Messergebnis Weitere Strommesstechniken wie sie in der Einleitung beschrieben sind wie z B die Strommesstechnik basierend auf dem Kerr oder Faraday Effekt oder auch die Verwendung von Festplattenk pfen zur Magnetfeldauswertung k nnten unter Umst nden vergleichbare Ergebnisse liefern jedoch bei einem ungleich gr eren Aufwand 126 10 Ausblick In den vorherigen Kapiteln wurde eine Strommesstechnik f r die Funktions und Fehleranaly
109. kseite Bei Auftreffen eines Lichtstrahls teilt sich der durch das Licht generierte Fotostrom auf die einzelnen Elektroden auf der Oberfl che auf Je n her eine Elektrode dem Leuchtpunkt ist desto geringer ist der Widerstand und umso gr er ist der flie ende Fotostrom Bild 2 22 zeigt schematisch die zweidimensionale Betrachtung des Aufbaus eines solchen Detektors Einfallendes Licht np m ae Ay i Soe n LYS lat la2 Vbias a Bild 2 22 Prinzip einer positionssensitiven Flachendiode Hartmann 2000 34 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops Laserdiodenruckkoppelung Bei der Laserdiodenr ckkoppelung wird ebenfalls ein reflektierender Hebelarm verwendet Das reflektierte Licht wird in den Strahlengang der Laserdiode zur ckgekoppelt was dort zu einer messbaren St rung f hrt Da dieser Effekt in der Regel nichtlinear ist gestaltet sich die Auswertung sehr aufwendig Eine gro e technische Bedeutung besitzt dieser Detektor daher nicht b Elektrische Detektoren Resistiver Sensor im Hebelarm Bei diesem Detektionsverfahren befindet sich ein piezoresistiver Widerstand in dem Hebelarm Itoh 1996 Minne 1995 Bei Verbiegung des Hebelarms ver ndert sich der Widerstandswert Zur Verbesserung der Aufl sung im Bezug auf die Hebelarmauslenkung Ah und zur Vermeidung von Temperatureinfl ssen werden diese Widerst nde auch in Form von Br cken ausgef hrt Gotszalk 19
110. ktrische Kraftwechselwirkung wird eine analoge Vorgehensweise gewahlt Das Modell aus Kap 2 muss zunachst erweitert werden um eine hinreichende Genauigkeit bez glich der Messergebnisse zu erzielen Die Coulombkraft F el verursacht eine Hebelarmauslenkung Aha Zur Erkl rung des Zusammenhangs zwischen der Hebelarmauslenkung Ah und dem Potenzialunterschied zwischen Messspitze und Messpunkt kann man in erster N herung das Modell des Plattenkondensators heranziehen Sarid 1991 Bild 7 9 8 1 7 4 Einfluss der Spannun a Bild 7 9 Prinzip des EKM a Prinzipielle Darstellung einer EKM Messung b Modell einer EKM Messung Dabe wird das Messspitzenplateau als eine Plattenkondensatorelektrode mit der Spannung Us und die dem Messspitzenende gegen berliegende Probenoberfl che als eine zweite Elektrode mit der Spannung Up beschrieben Man kann annehmen dass d e Spannungen Us und Up ortsunabh ngig also konstant sind Au erdem wird beim EKM nur die z Komponente des elektrischen Feldes ausgewertet Die Hebelarmauslenkung Aha bzw die dazu proportionale elektrische Kraft in z Richtung Fy berechnet s ch somit folgenderma en Het ie az 55 U U V 7 4 Bei dem in Kap 2 beschriebenen Modell werden die Seitenw nde der Messspitze nicht ber cksichtigt Die Gleichung 7 4 ist nur dann g ltig wenn der Arbeitsabstand h zwischen der Messspitze und der Probenoberfl che kleiner ist als der Durchmesser des Messspitz
111. ktur G der ITG Teststruktur dargestellt 110 8 2 Ortsauflosung Zeit t Zeit t 0 80um 0 80um a Ort ber der Probe b Ort ber der Probe Bild 8 5 Strommessung an zwei beschalteten Leiterbahnen in gleicher Richtung a Amplitudenverteilung b Phasenverteilung Eine Verbesserung dieser Messwerte h ngt vor allem von einem verbesserten Sondendesign ab das einen geringen effektiven Arbeitsabstand siehe Kap 7 erm glicht In der Praxis ist diese Einschr nkung nicht allzu problematisch da zwei dicht nebeneinander liegende Str me nur selten auch Phasengleichheit aufweisen FlieBen die Str me nicht in die gleiche Richtung ist eine Unterscheidung der Einzelstrome durch das Phasensignal sehr gut m glich wie in Bild 8 6 zu sehen Bei dieser Strommessung auf dem bj 2 um breiten Leiterbahnst ck der Leiterbahn G der ITG Teststruktur flie en zwei Str me in entgegengesetzter Richtung bei einer Stromst rke von 100 uA N N 80um 0 80um a Ort iiber der Probe b Ort iiber der Probe Bild 8 6 Strommessung an zwei beschalteten Leiterbahnen in entgegengesetzter Richtung a Amplitudenverteilung b Phasenverteilung 111 8 2 Ortsauflosung Der gro e Abstand der beiden Minima in Bild 8 6 ist bedingt durch den gro en effektiven Arbeitsabstand und entspricht den nach dem Dipolmodell aus Kap 2 erwarteten Messwerten 8 2 3 Unterschiedliche Verdrahtungsebenen Die Strommessung in tieferen Verdrahtungsebene
112. l ge Herrn Udo Doerk und Herrn Horst Watzel m chte ch f r den Aufbau und das Bonden der Testchips danken Dem Fraunhofer Institut Duisburg danke ich f r die Bereitstellung von Dil Geh usen Bedanken m chte ich mich auch bei allen Teilnehmern des BMBF Projektes Neue Methoden zur Mikrocharakterisierung von Halbleiterbauelementen der Universit ten in Hamburg und Wuppertal Vor allem jedoch gilt mein Dank Herrn Dipl Phys Gunnar Zimmermann von der Firma Infineon AG Munchen f r die Bereitstellung von Proben und deren Pr paration Bei Kerstin Fehr m chte ich mich f r die hervorragenden Fotoarbeiten sowie die Unterst tzung bei der Probenpr paration bedanken Mein Dank geb hrt auch Herrn Udo Rau f r die zahlreichen Elektronenmikroskopieaufnahmen von Proben und Messsonden Weiterhin m chte ich mich noch bei allen Kollegen des Fachgebiets fur die konstruktiven fachlichen und au erfachlichen Diskussionen sowie die kollegiale Zusammenarbeit und Unterst tzung bedanken Besonderen Dank schulde ich meiner Freundin Andrea Ebach d e durch hren Beistand und ihre Mithilfe einen gro en Ante l am Gelingen dieser Arbeit hat Meinen Eltern danke ch f r hre Unterst tzung und f r hr wohlwollendes Interesse an meinem Studium und meiner Promotion Zum Schluss m chte ich noch all denjenigen danken die mich 1m Verlauf der Arbeit mit Ratschl gen Ger ten Reparaturen oder anderen Dingen unterst tzt haben und
113. l die Magnetisierung des Hebelarms M in fest definierten Abst nden zu einem Dipol zusammengefasst Hebelarm Bild 7 26 Erweitertes Dipolmodell die magnetische Beschichtung des Hebelarms wird durch zus tzliche Dipole entlang des Hebelarms ber cksichtigt Bild 7 26 zeigt die Anordnung der magnetischen Dipole Dabe muss die Kraftwirkung jedes einzelnen Dipols n Abh ngigkeit von seiner geometrischen Lage ber cksichtigt werden Die Kraftwirkung der gesamten Anordnung ergibt sich aus der Superposition der einzelnen Anteile Gleichung 7 9 erweitert sich zu folgender Form ER yn ba zi 5 Py x h 7 10 bP 2 2 ven Gaa o 95 7 5 Einfluss des Hebelarms mit o Hob 7 11 TT Dabei beschreibt der erste Term die magnetischen Dipole links der Messspitze verschoben um b mit der H he z Der zweite Term repr sentiert die Messspitze und der dritte Term repr sentiert die magnetischen Dipole rechts der Messspitze mit dem Verschiebeparameter 5 und der H he z Dies ist in Bild 7 27 zum leichteren Verst ndnis dargestellt Der durch die Superposition erwartete theoretische Kraftverlauf mit der Anordnung in Bild 7 26 nimmt folgende Form an Verlauf nach dem Dipolmodell Verlauf nach dem erweiterten Modell Amplitude a u Ort ber der Probe um Bild 7 27 Verlauf der z Komponente der Kraft nach dem erweiterten Dipolmodell Durch die Superposition der Einz
114. le 10 Rastervorg nge der Strom um Al 100 uA verringert a Amplitudenverteilung b Phasenverteilung c extrahierte Linien aus Bild a d extrahierte Linien aus Bild a e extrahierte Linien aus Bild b 79 7 3 Abhangigkeit der Messergebnisse von der Stromstarke Dieses Bild zeigt deutlich den erwarteten linearen Zusammenhang W hrend der Strommessung wird nach je 10 Linien der Strom verringert Dadurch kann ein treppenartiger Verlauf ber die Zeit festgestellt werden Bild 7 6d Das leichte Ansteigen der einzelnen Treppenstufen liegt an der starken H hendrift des verwendeten Testsystems 7 4 Einfluss der Spannung Strommessungen m Rahmen dieser Arbeit haben eine starke Abweichung von den nach dem einfachen Dipolmodell aus Kap 2 2 erwarteten Ergebnissen gezeigt Der Aufbau der Messsonden gleicht den Messsonden die f r das elektrische Kraftmikroskop EKM Leyk 1998 B hm 1995 verwendet werden Dies liegt darin begr ndet dass durch die magnetische Beschichtung meist aus Kobalt oder Nickellegierungen eine elektrisch leitende Schicht die Messspitze und den Hebelarm berzieht Aufgrund dieser Tatsache f hrt der Potenzialunterschied zwischen Messpunkt und Messspitze zum Auftreten der Coulombkraft F die additiv zur magnetischen Kraft F vc wirkt Die Coulombkraft F welche die grundlegende Kraft des elektrischen Kraftmikroskops ist wurde in Verbindung mit der Strommessung noch nicht n her untersucht Dieser Abschnitt ze
115. llt 29 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops Ferromagnetischer Draht Bild 2 18 Schematischer Aufbau einer MKM Messsonde aus ferromagnetischem Vollmaterial Der Vorteil dieser Messsonde liegt in dem deutlich gr eren Wechselwirkungsvolumen im Vergleich zu den beschichteten Messsonden Lemke 1990 Sie ist jedoch aufgrund hres Aufbaus deutlich instabiler bez glich der Spitzenradien Bestehen die RKM Messonden Rohlinge aus Silizium also einem sehr harten Material so sind Dr hte aus Nickel oder Kobaltlegierungen eher als weiches Material einzustufen Das hei t dass bei leichtem Kontakt mit der Probenoberfl che starke Deformationen die Folge sind und somit st die erzielbare Ortsaufl sung gering Au erdem ist ihr Schwingungsverhalten nicht wie bei den blichen Hebelarmgeometrien auf die z Richtung beschr nkt sondern aufgrund der Geometrie runder Querschnitt mindestens in y und z Richtung gleichstark ausgepr gt was eine Interpretation der Ergebnisse deutlich erschwert Das tzen geeigneter Messspitzen stellt ebenfalls ein gro es Problem dar da die Spitze des Drahtes w e n Bild 2 18 zu sehen ist abgeknickt sein muss RKM Messsonde mit hohe mechanische G te e geringes magnetisches Volumen einfache Herstellung ferromagnetischer kommerziell erh ltlich hohe Reproduzierbarkeit Beschichtung hohe Ortsaufl sung RKM Messsonde mit sehr gro es magnetisches schlechte Ortsaufl sung Volumen g
116. lternative bietet es sich an eine spezielle Messkammer mit Gasen zu fluten bei denen dieser Film nicht vorhanden ist Entwicklung einer optimalen Strommesssonde Wie bereits mehrfach erw hnt ist die Entwicklung einer neuen Messsonde die speziell fur die Belange der Strommessung konzipiert wird erstrebenswert Die Anforderungen sind in Kap 7 dargestellt 130 11 Zusammenfassung Die immer komplexer werdenden ICs und die immer k rzeren Entwicklungszyklen verlangen nach einer schnellen und prazisen Funktions und Fehleranalyse Ziel ist das schnelle und zuverl ssige Auffinden auftretender Fehler und somit die kosteng nstige Fehlerbehebung Viele etablierte Messtechniken sto en aufgrund der sinkenden Strukturbreiten und der steigenden Taktfrequenzen an ihre Grenzen Die Entwicklung neuer Messtechniken die dem Testingenieur erm glichen eine Vielzahl physikalischer Gr en zu messen ist folglich unabdingbar Zur Strommessung an aktuellen Leiterbahnstrukturen von unter b 1 um Breite mit Frequenzen im GHz Bereich und bei Str men unter 1 mA existiert zur Zeit kein Messsystem Ziel der hier vorliegenden Arbeit war daher die Entwicklung einer auf die Belange der Funktions und Fehleranalyse abgestimmten Strommesstechnik Hierzu wurde vorab basierend auf einem kommerziellen Rasterkraftmikroskop ein Testsystem realisiert Ein zweites Testsystem wurde m Rahmen der Arbeit entwickelt das viele Detaill sungen bietet welche die Ha
117. m glich Messtechnisch konnten hier weltweit erstmalig hochfrequente Strommessungen bis uber 4 GHz vorgestellt werden Auch die Stromauflosungsgrenze dieser Messtechnik in dieser Arbeit ausschlie lich mit kommerziellen Messsonden realisiert wurde erstmalig mit Messungen im Mikroampere Bereich demonstriert Noch 1994 galten die hier verwendeten Messsonden als zu unempfindlich f r die Strommessung Campbell 1994 115 9 Praktischer Einsatz der neu entwickelten Testtechnik an einem IC der Firma Infineon In diesem Kapitel wird anhand einer Strommessung an einem IC der Firma Infineon die Leistungsfahigkeit des im Rahmen der Arbeit entwickelten Testsystems demonstriert Dieser fehlerhafte IC war funktionsunfahig produziert worden und wurde von der Abteilung Fehleranalyse zur Verf gung gestellt Mittels herk mmlicher Messtechniken wie z B der Hot Spot Analyse Ericksen 1987 kann eine starke W rmeentwicklung entlang einer Versorgungsleiterbahn in der Mitte des ICs in Bild 9 1 rot markiert festgestellt werden Die unbest tigte Ausfallursache ist laut Angaben der Firma Infineon ein Designfehler der zu einem Kurzschluss zwischen den Versorgungsleiterbahnen Vss und Vpp f hrt a b Bild 9 1 a Lichtmikroskopische Aufnahme des ICs b Thermographieaufnahme des in a rot markierten Bereichs Die U I Kennlinie soll ein Ohmsches Verhalten aufweisen Ziel der Untersuchung ist es zu zeigen dass mit dem in dieser Arbeit entwickelten T
118. mitte zu messen ist Aus dieser Tatsache und dem vergleichbar gro en Signalpegel kann man anhand der Strommessung feststellen dass zwei ungef hr gleich gro e Str me am unteren Ende des ICs zu beiden Seiten nach au en hin flie en Dies setzt jedoch voraus dass sie in der selben Verdrahtungsebene flie en S chtbare Leiterbahnen sind an dieser Stelle nicht zu erkennen Das legt die Vermutung nahe dass s ch dort n tieferen Metallisierungsebenen Versorgungsleitungen befinden Der Spannungseinfluss kann bei dieser Messung vernachl ssigt werden da die anliegende Spannung deutlich unter einem Volt liegt Dadurch 122 9 2 Fehleranalyse dominiert die Kraftwirkung des Magnetfeldes Den Hebelarmeinfluss kann man jedoch deutlich an dem unsymmetrischen Verlauf der Amplitude erkennen In der Fehleranalyseabteilung der Firma Infineon wurde zur Verifikation der Ergebnisse der oben vorgestellten Strommessung eine Zielpraparation durchgef hrt Der in Bild 9 12 dargestellte Querschliff zeigt nochmals den Ausschnitt A aus Bild 9 7 Rechts sind zwei Leiterbahnen an ihrem Endpunkt zu erkennen Oben ist eine mit dem Rahmen kurzgeschlossene Leiterbahn zu sehen Dieser Kurzschluss stellt die Ausfallursache f r den IC dar Zum Vergleich ist unter dem Bild der fehlerhaften Leiterbahn ein fehlerfreies Leiterbahnende dargestellt Man kann deutlich erkennen dass zwischen Rahmen unten und Leiterbahn ein Abstand vorliegt der im Bild schwarz zu sehen ist
119. mponenten des Magnetfeldes Amplitude der niederfrequenten Stromstarke Amplitude der hochfrequenten Stromstarke Stromstarke Stromauflosungsgrenze Stromauflosung Gesamtstromstarke Gleichstromstarke Wechselstromstarke Proportionalitatsfaktoren Lange des Hebelarms Lange des Hebelarm berhangs IX Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abk rzungen N oO A Sm S Sx Sys Sz Srs Sr xs Sr ys ST z Sws Sw xs Sw y Sw z As Magnetisches Dipolmoment Modulationsgrad Betrag des magnetischen Dipolmomentes Betrag des magnetischen Dipolmomentes in z Richtung Magnetisierung der Messsonde Dipoldichte Mechanische Gite Leistung eines Hochfrequenzsignals Radius der Leiterbahn Radius des Messspitzenendes Weg Messbereich Verfahrweg Rasterbereich Wiederholgenauigkeit Positioniergenauigkeit Stromdichte Zeit Integrationszeit Spannung Spannung zwischen Messspitze und Probenoberflache Spannung an der Messspitze Spannung auf der Probenoberflache Versorgungsspannung Modulationsspannung Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abk rzungen VR Spitze pot LJ X Y Z Zh QML Ap AD Xm Rastergeschwindigkeit Volumen der Messspitze Energie Potenzielle Energie Koordinaten des ausgezeichneten Koordinatensystems Effektiver Abstand des Dipols zum Leiterbahnmittelpunkt Proportionalit tsfaktor Winkel zwischen Leiterbahn und Messsonde Abstand des Dipols vom Ende der Messs
120. mt von der Firma Anfatec Sie erm glicht die Ansteuerung des ber kapazitive Sensoren linearisierten Piezoverschiebetisches Die Elektronik der xyz Verfahrtische liefert die Firma PI die auch die entsprechenden Tische herstellt Die verwendete Software basiert auf einer Freewarelosung der Firma Anfatec bei der alle Quellcodes frei und unentgeltlich zuganglich sind Als Signalquellen dienen die bereits oben vorgestellten Synthesizer und DC Quellen Die Auswertung der Detektorsignale erfolgt ebenfalls analog dem obigen Messstand mittels des Lock In Verstarkers Beim Aufbau wird auf groBtmogliche Modularitat geachtet so dass das Adaptieren neuer Messsonden sehr schnell durch Anpassung einzelner Komponenten realisiert werden kann So ist es zum Beispiel m glich den Nadelsensor der ein vielversprechendes Konzept 1m Hinblick auf den Testzugriff darstellt Neinhys 2001 an diesem Ger t zu betreiben 3 2 Verwendete Teststrukturen Im Rahmen dieser Arbeit finden unterschiedliche Teststrukturen Verwendung F r den berwiegenden Teil der Messungen dient ein Testchip der Informationstechnischen Gesellschaft ITG der zur Evaluation der Leistungsf higkeit unterschiedlicher Elektronenstrahltester entworfen wurde Richter 1992 Da diese Teststruktur nur Leitungsgeometrien zur Strommessung von b 2 32 um besitzt wird f r Messungen an kleineren Leiterbahngeometrien eine Teststruktur hergestellt am Fraunhofer Institut M nchen verwendet Zur Messu
121. n Bild 7 29 ist zu erkennen dass sich der Kraftverlauf des erweiterten Dipolmodells zwar von dem einfachen Dipolmodell unterscheidet die Symmetrie bleibt jedoch wie erwartet erhalten Abschatzung der Dipolanzahl und der Geometrie Zur Abschatzung der notwendigen Anzahl der Dipole und ihrer geometrischen Lage wird der Kraftverlauf fur unterschiedliche Anordnungen untersucht Dabei ist festzustellen dass sich ab einer gewissen Anzahl und Konstellation der Dipole kaum noch ein Unterschied im Verlauf der Kraft ergibt Iler 2001 So s nd bei seitlicher Betrachtung des Hebelarms Bild 7 30a insgesamt f nf Dipole f r die qualitative Beurteilung ausreichend Ileri 2001 Dabei repr sentiert ein Dipol die Messspitze und vier Dipole reprasentieren den Hebelarm drei auf der einen Seite und einer auf der anderen Seite der Messspitze Bild 7 30 Hebelarm Hebelarm Magnetische Dipole Magnetische Dipole a b Bild 7 30 Hinreichende Anzahl der Dipole a seitliche Ansicht der MKM Messsonde b Vorderansicht der MKM Messsonde Ein Modell mit insgesamt funf Dipolen zwei an jeder Seite der Messspitze und einem der die Messspitze repr sentiert weist eine hinreichende Genauigkeit auf Bild 7 30b Vorderansicht Sowohl die Gr e als auch die Position der angenommenen Dipolmomente m ssen sich nach der L nge und der Breite des Hebelarms beziehungsweise des Uberhangs richten F r eine qualitative Beurteilung der
122. n eine neue Messtechnik zugrunde liegt und es sich bei beiden Ger ten um Neuentwicklungen handelt steht au er Frage dass sich weitere Untersuchungen und Entwicklungen an diese Arbeit anschlie en m ssen Diese werden im Ausblick in Kap 10 vorgestellt bevor in Kap 11 die erzielten Ergebnisse der Arbeit noch einmal zusammenfassend dargestellt sind 2 Grundlagen und Stand der Technik der Stromkontrastmessung Das Rasterkraftmikroskop RKM wurde 1986 von Binning u a Binning 1986 vorgestellt Es erm glicht eine topografische Abbildung nichtleitender Oberfl chen mit atomarer Ortsaufl sung Albrecht 1988 Das physikalische Prinzip des RKM beruht auf der Auswertung der lokalen Kraftwechselwirkung zwischen Oberfl chenkr ften der Probe und einer atomar feinen Messspitze Hierzu wird die Messsonde in der Regel bestehend aus einer an einem Hebelarm befestigten Messspitze und einem Tr gerk rper zeilenweise ber die Probenoberfl che gerastert An jedem Punkt entlang des Rasterpfades wird d e lokale auf die Messspitze w rkende Kraft aufgenommen Detektorsystem Hebelarm EEE BEE EEE a a HE HE m a Em m ee en Bild 2 1 Funktionsprinzip des Rasterkraftmikroskops Die auf die Messspitze wirkende Kraft F f hrt zu einer Verbiegung Ah des Hebelarms Diese Verbiegung st nach dem Hookschen Gesetz proportional der wirkenden Kraft Braun 1990 F c Ah 2 1 Die GroBe c entspricht dabei der Federrate des He
123. n wird durch den zunehmenden Arbeitsabstand immer schwieriger Au erdem berlagern sich die magnetischen Felder so dass Strommessungen an ubereinander liegenden Leiterbahnen nicht mit befriedigenden Ergebnissen zu realisieren sein werden Verbesserungen sind hier nur durch sehr ausgereifte Simulationen der zu erwartenden Kraft und den Vergleich mit der gemessenen Kraft moglich Die Passivierung der Bauelemente hat keinen Einfluss auf die Messergebnisse mit Ausnahme des gewachsenen minimalen Arbeitsabstands Dies kann anhand der in Kap 9 vorgestellten Strommessung belegt werden Hierbei konnten auch Messungen an tieferliegenden Verdrahtungsebenen demonstriert werden 8 3 Zeitaufl sung und Bandbreite Die Bandbreite dieses Testsystems wird im Folgenden abgesch tzt und messtechnisch evaluiert Hierbei wird auch auf die unterschiedlichen Empfindlichkeiten bei der Gleichstrommessung und der Hochfrequenzmessung eingegangen Wie Gleichung 6 8 zu entnehmen ist tritt eine direkte Begrenzung der Zeitauflosung nicht auf Praktisch liegt diese in der Gr enordnung der technologisch zu realisierenden Signalerzeuger und Signalleiter In wiefern bereits vorher die frequenzabhangige Kraft F auf die Messspitze derart gering wird dass sie nicht mehr messbar ist wurde noch nicht evaluiert 8 3 1 Gleichstrom Wie in Kap 2 bzw Kap 5 vorgestellt hat man unterschiedliche M glichkeiten Gleichstr me mit dem MKM zu messen Alle Verfahren sind in d
124. ndhabung in der Praxis deutlich verbessern und somit den Schritt hin zum professionellen Anwender erm glichen Beide Testsysteme unterscheiden sich nicht in ihrer prinzipiellen Arbeitsweise und der Gr enordnung ihrer Leistungsdaten Die der Testsysteme zugrunde liegende Strommesstechnik wurde bez glich hrer Leistungsdaten charakterisiert und ihre Einsetzbarkeit durch Messungen demonstriert Zur Realisierung wurde nach der Vorstellung der Rasterkraftmikroskopie und den Grundlagen der Magnetkraftmikroskopie eine Einf hrung n das entwickelte Dipolmodell gegeben Anschlie end folgte die Darstellung grundlegender Messtechniken des Magnetkraft mikroskops und die Erl uterung der darauf bas erenden Strommesstechnik Eine Absch tzung an realen Bauelementgeometrien zeigte dass aufgrund der relat v gro en effektiven Rasterh he f r die Evaluation der in dieser Arbeit entwickelten Strommesstechnik eine vereinfachte Annahme einer masselosen punktf rmigen Leiterbahn zugrunde gelegt werden konnte Die Diskussion m glicher Realisierungsformen einzelner Baugruppen eines Magnetkraftmikroskops sowie unterschiedlicher Messsondendesigns 1m Hinblick auf ihre Eignung zur Strommessung schloss sich an Praktisch wurden zwei Testsysteme entwickelt die sich in Ihrer Funktionsweise nicht unterschieden Das erste Testsystem bestand haupts chlich aus einem kommerziellen Rasterkraftmikroskop Einige apparative Erweiterungen erm glichten den Einsatz zur
125. ng der Messung durch die Kr fte im Umkehrpunkt zu vermeiden Beweste Probe feststehende Messsonde Das Bewegen der Probe hat den Vorteil dass keine zus tzlichen Beschleunigungskr fte auf die Messspitze und die Detektionseinheit wirken Allerdings eignet s ch dieses Verfahren nicht f r Proben die eine aufwendige Kontaktierung erfordern Ein Aufbau mit Nadel oder Hochfrequenzprobern ist nahezu unm glich da im Umkehrpunkt extrem gro e 37 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops Beschleunigungskrafte wirken Dies k nnte zu einer Bewegung der einzelnen Prober relativ zur Probe f hren Man kann festhalten dass es f r die Anwendung 1m Funktions und Fehleranalyselabor nur sinnvoll ist die Sonde ber der Probe zu bewegen Andernfalls m sste die maximale Rastergeschwindigkeit derart gering gew hlt werden dass eine Messung mehrere Stunden dauern w rde Mit herk mmlichen mechanischen Positioniereinrichtungen k nnen die erforderlichen Genauigkeiten nicht mehr erreicht werden Deshalb werden f r diese Aufgabe Piezorastereinheiten verwendet Piezoelektrische Werkstoffe sind Werkstoffe mit einem nicht zentralsymmetrischen Kristallsystem Bei ihnen bewirkt eine angelegte elektrische Spannung eine mechanische Ausdehnung die nahezu direkt proportional dem angelegten elektrischen Feld ist Somit hat man die M glichkeit bei einer ausreichenden Spannungsgenauigkeit eine hochgenaue Ausdehnung des Werkstoffes zu err
126. ng hochfrequenter Str me dient eine Koplanarleitung Die Teststrukturen sind 1m Folgenden dargestellt 50 3 2 Verwendete Teststrukturen 3 2 1 ITG Teststruktur Entwickelt wurde die ITG Teststruktur zur Evaluation der Leistungsf higkeit des E Beam Testers Richter 1992 Bei ihr handelt es sich um eine Teststruktur auf einem Siliziumsubstrat Auf einer Fl che von As 4 5 mm x 4 5 mm befinden sich unterschiedliche Leiterbahnanordnungen Ein Foto der Teststruktur ist in Bild 3 9 zu sehen H 20m Bild 3 9 ITG Teststruktur a Lichtmikroskopische Aufnahme b RKM Aufnahme der in a markierten Stelle Die Strommessungen im Rahmen dieser Arbeit werden ausschlie lich an der Struktur G der Teststruktur durchgef hrt Diese Leiterbahnstruktur aus drei nebeneinander verlaufenden Leiterbahnen ist als Koplanarleitung ausgef hrt und verj ngt sich 4 mal von 5b 32 um durch jeweiliges Halbieren der Strukturbreite auf b1 2 um Der Abstand der einzelnen Leiterbahnen zueinander betr gt jeweils die halbe Leiterbahnbreite Die Leiterbahnbreite am 90 Winkel betr gt 5 4 um Dieser Winkel ist in Form von zwei 45 Winkeln ausgef hrt Umgeben sind die hr 600 nm hohen Leiterbahnstrukturen von einer ebenfalls hs 600 nm hohen Massefl che Sowohl die Leiterbahnen als auch die Massefl chen bestehen aus Aluminium 51 3 2 Verwendete Teststrukturen 3 2 2 Leiterbahnen mit bi 75 nm bis b 1000 nm Breite Fraunhoferstruktur Eine weit
127. nheit f r Grobmessungen An einigen wenigen selektierten Messstellen kann anschlie end mit Hilfe einer zweiten exakteren Rastereinrichtung erneut gerastert werden o Evaluation der Leistungsgrenzen der Hoch und H chstfrequenzmesstechnik Die Leistungsgrenzen der Hoch und H chstfrequenzmesstechnik aus Kap 6 sind ausgiebig zu untersuchen Hierbei ist die Evaluation der Eignung weiterer kommerzieller aber auch sonderangefertigter Messsonden mit neuen Materialien durchzuf hren Der Untersuchung der Werkstoffeigenschaften kommt besondere Bedeutung zu um ein optimales magnetisches Material fur die Messsonden zu finden Gro er Wert sollte hierbei auf d e Untersuchung der Frequenzeigenschaften des Materials gelegt werden Somit kann die Abh ngigkeit der magnetischen Kraft uber die Frequenz ermittelt und Aussagen ber die Qualit t des in der Leiterbahn flie enden Stroms k nnen get tigt werden o Simulationen Die wichtigste Aufgabe besteht in der Erstellung einer multiphysikalischen Simulation unter Ber cksichtigung mechanischer und elektromagnetischer Kr fte S e bildet die Basis f r ein tiefergehendes Verst ndnis der Vorg nge bei Strommessungen an komplexen Leiterbahnstrukturen Hierin sollten neben den oben erw hnten Werkstoffeigenschaften und den magnetischen Feldern ebenso die mechanischen Probleme z B der Winkel der Messsonde m Bezug zur Probenoberfl che einbezogen 128 10 Ausblick werden Die Beachtung der in
128. nkung kann sowohl in x als auch in y Richtung gemessen werden Somit bietet die Lasertriangulie die M glichkeit neben den Verbiegungen des Hebelarms in z Richtung auch dessen Torsion zu messen Der segmentierte optische Positionsdetektor hier in Form der Vierquadrantendiode besteht aus mehreren n diesem Fall vier einzelnen Dioden Trifft ein Lichtstrahl auf diesen Detektor so generiert er einen Stromfluss in den beleuchteten Segmenten Dieser ist proportional der einfallenden Lichtmenge Die bei diesem Detektionsverfahren eingesetzten Laserdioden besitzen eine ber den Leuchtpunkt gleichm ig verteilte Lichtintensit t so dass die einfallende Lichtmenge proportional der beschienenen Fl che auf der jeweiligen Diode ist Bewegt sich dieser Leuchtpunkt ber den Detektor so ndern sich die einzelnen Fotostr me n den Dioden Durch eine nachgeschaltete Elektronik Hartmann 2000 kann ein Quotient gebildet werden welcher der Bewegung in x und y Richtung auf dem Detektor proportional ist 33 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops 1 ye iA L L L I _GU 4 U3 4 I L L L I Bild 2 21 Prinzip der Vierquadrantendiode Der positionssensitive Detektor kann auch durch eine Fl chendiode realisiert werden Der Aufbau dieser Detektoren besteht aus einer gro fl chigen Fotodiode die an den Kanten der Oberseite vier Elektroden besitzt Eine weitere Versorgungselektrode befindet sich auf der R c
129. ohndorf Untersuchung mikromagnetischer Eigenschaften d nner Schichten mit dem Magnetkraftmikroskop Dissertation Universit t Hamburg 1997 Mamin et al Magnetic force microscopy of thin Permalloy films Appl Phys Lett Vol 55 S 318 1989 R B Marcus Measurement of high speed signals in solid State devices Semiconductors and semimetals Vol 28 Academic Press Inc 1990 Y Martin et al Magnetic imaging by force microscopy with 1000 A resolution Appl Phys Lett Vol 50 Nr 20 S 1455 1987 R Mattheis et al Determination of the anisotropy field strength in ultra thin magnetic films using longitudinal MOKE and a rotating field the ROTMOKE method J Magn Mater Vol 205 S 143 1999 Produktkatalog 1999 der Firma Silicon MDT 142 12 Literaturverzeichnis MDT 2001 Menzel 1983 Mertin 1994 Meyer 1992 Minne 1995 Nanosensors 2000 Nanosensors 2001 Neinhys 2001 Ney 2000 Produktkatalog 2001 der Firma Silicon MDT E Menzel et al Fundamentals of electron beam testing of integrated circuits Scanning 5 S 103 1983 W Mertin Kontaktloses Testen monolithisch integrierter Mikrowellenschaltungen mit der direkten elektrooptischen Testtechnik VDI D sseldorf Reihe 8 Nr 425 1994 E Meyer et al Scanning Force Microscopy SFM Scanning Tunneling Microscopy II Surface Science Vol 28 Springer Verlag Berlin S 99
130. pitze Permittivit t Wellenl nge Magnetische Feldkonstante Kreiszahl Dichte des S l z ums Phasenverschiebung zwischen Hebelarmschwingung und Referenzsignal Phasenverschiebung zwischen zwei Str men Phasen nderung Magnetische Suszeptibilitat Kreisfrequenz XI 1 Einleitung und Problemstellung In den letzten Jahren hat eine rasante Entwicklung von Halbleiter Bauelementen stattgefunden Verbesserte Herstellungsmethoden durch best ndig gestiegenes physikalisches Wissen erm glichen die Produktion u erst leistungsf higer integrierter Schaltungen ICs Dies hat zur Folge dass n fast allen technischen Ger ten ICs zum Einsatz kommen Die stetig gewachsene Anzahl an mobilen elektronischen Ger ten verlangt von den ICs eine hohe Funktionalit t bei geringem Energieverbrauch Zur Minimierung der Verlustleistung der ICs m ssen die Strukturbreiten verkleinert werden Klipstein 1997 Seit den 60er Jahren haben sie sich nahezu alle 2 Jahre halbiert Knapp 1997 Dieser Trend wird sich auch in Zukunft weiter fortsetzen Die Strukturbreiten heutiger Mikroprozessoren sind bereits bei 5 130 nm angekommen Intel 2002 Sie sollen im Jahre 2003 die 100 nm Grenze mit Strukturbreiten von 5b 90 nm unterschreiten AMD 2002 Im Jahre 2008 sollen die Strukturbreiten bei 5 70 nm und im Jahre 2014 bei b 35 nm liegen SIA 1999 Zur Steigerung der Leistungsf higkeit werden die Taktfrequenzen der ICs weiter steigen So fand beispielsweise
131. r Resonanzfrequenz der Messsonde entspricht Der Abstand zwischen Messsonde und Probenoberflache vergr ert sich Im Verlauf der Rasterung taucht wie in Bild 2 6 dargestellt die Messspitze immer wieder kurz in den Nahfeldbereich ein und das Schwingungsverhalten der Messsonde ndert sich mit dem Abstand zur Probenoberfl che Hierbei ndern sich folgende Parameter die Resonanzfrequenz die Amplitude und die Phase der Schwingung Jede dieser Gr en kann zur Regelung verwendet werden Mit den Piezostellgliedern wird die entsprechende Gr e auf einen konstanten Wert geregelt blicherweise wird als Regelsignal das Phasensignal ausgewertet da hier sowohl der gr te Anstieg der Messwerte als auch ein eineindeutiger Zusammenhang zwischen der Kraft F und der Messgr e besteht Dieses Signal ist dabei proportional dem Gradienten der auf die Messspitze wirkenden Kraft Sarid 1991 Bei Betrachtung der Geometrie des Hebelarms mit der mechanischen G te Q Nanosensors 2001 MDT 2000 muss sich auf die z Komponente beschr nkt werden Hartmann 1989 Somit ist die Phasenverschiebung der Hebelarmschwingung Ag 2 10 Dabei ist es m gl ch analog dem Kontaktmodus uber das Regelsignal die Topografie aufzunehmen Piezosteller Piezosteller Piezosteller Piezosteller Co NZ Bild 2 6 Prinzip des Nicht Kontaktmodus 15 2 1 Betriebsarten des Rasterkraftmikroskops Neben den zur
132. r Simulation prinzipiell mit den experimentellen Ergebnissen bereinstimmen sowohl f r die Anordnung der Messsonde senkrecht a 90 zur Leiterbahn Bild 7 3la c als auch f r die Anordnung parallel zur Leiterbahn Bild 7 31b d Die Abweichung in den Bildern 7 31 ist dadurch zur erkl ren dass in den verwendeten Berechnungen keinerlei Randparameter wie z B die Geometrie der Leiterbahn ber cksichtigt wurden Bei Betrachtung verschiedener Messspitzen Probenabst nde h zeigt sich nach dem erweiterten Dipolmodell neben dem in Bild 7 27 dargestellten Nebenminimum ein weiteres Zun chst st nur das eine zu detektieren jedoch spaltet sich dieses unter Verringerung des Messspitzen Probenabstandes A in zwei diskrete Nebenminima auf Die nach dem Modell zu erwartenden Nebenminima sind in Bild 7 32b aufgezeigt Die in Bild 7 31 dargestellte Strommessung zeigt diese Minima noch nicht Aus diesem Grunde werden die Messungen in einem gr eren Rasterbereich durchgef hrt Abstand Probe und Messspitze h 2 um Are Abstand Probe und Messspitze h 1 um corre Abstand Probe und Messspitze h 0 6 um ma Ah F Z 5 1 0 Abstand Probe und Messspitze h 2 um en Abstand Probe und Messspitze h 1 um _ Abstand Probe und Messspitze h 0 6 um Ah F gemessene Amplitude 7 berechnete Amplitude a u Ort ber der Probe um b Ort uber der Probe um a Bild 7 32 Kraftverl ufe in Abh ngigkeit der Rasterh he mit gro em Rasterb
133. r viel kleiner als Af spitze Fur die Differenz der Gesamtkraft AF ergibt sich daher n herungsweise AF AF Spitze 7 16 Der Differenzausdruck AF ist folglich ann hernd unabh ngig vom Hebelarmeinfluss Auf eine eingehende Untersuchung der Zweih henmessung wird jedoch verzichtet da aus der elektrischen Kraftmikroskopie Withphal 2000 bekannt st dass die Zweih henmessung eine erhebliche Reduzierung der Messgr e bewirkt und so mit einer deutlich schlechteren Stromnachweisgrenze min zu rechnen ist 101 7 5 Einfluss des Hebelarms 2 Messsondenoptimierung Zur Optimierung der Messsonde wird nur die Messspitze nicht aber der Hebelarm mit ferromagnetischem Material bedampft In diesem Fall konnen sich im Hebelarm keine magnetischen Dipole ausrichten und der Hebelarmeinfluss ist f r die Strommessung eliminiert Diese speziell fur die Strommessung entwickelten und gefertigten Sonden konnten in Zusammenarbeit mit der Firma Anfatec in Chemnitz realisiert werden Sondenrohlinge der Firma MDT aus Russland wurden mittels eines neuen Bedampfungsverfahrens m glichst nur an der Messspitze des Hebelarms mit einer ca dmag 50 nm dicken Kobaltschicht berzogen Der Hebelarm und der Tr gerk rper war mit einer Blende abgedeckt so dass die Beschichtung im Idealfall tats chlich nur die Messspitze erreichte Der prinzipielle Aufbau dieser Messsonden ist schematisch n Bild 7 33 dargestellt gerichtete Bedampfung mit Kobalt
134. reibung der Kraftwechselwirkung zwischen Messspitze und Probenoberfl che stellt das Plattenkondensatormodell dar Hou 1992 Messspitze Bild 2 3 Plattenkondensatormodell Hierbei geht man davon aus dass der Abstand A der Messspitze zur Probenoberfl che so gering ist dass das Messspitzenende mit dem Radius R mit der Probenoberfl che einen Plattenkondensator bildet Die Spannung Uo ist die Differenz zwischen der Spannung an der Messspitze Us und der Spannung auf der Probe Up bezogen zur Masse U U Up 2 4 11 2 Grundlagen und Stand der Technik der Stromkontrastmessung Die Kraft zwischen Messspitze und Probenoberflache auf die einzelnen Elektroden mit dem Radius R und einem Abstand h kann man mit Hilfe der Maxwellschen Gleichungen Wolf 1997 zu gt ETR n g el 2 h 0 2 5 bestimmen e Einheitsvektor Hiermit ist es m glich Dotierstoffkonzentrationen Isenbart 2001 Born 2000 und Potenzialverteilungen zu untersuchen Leyk 1998 Bridges 1992 B hm 1995 Magnetische Kraft Die magnetische Kraft ist neben der elektrischen Kraft die zweite bedeutende Kraft im sogenannten Fernfeld Hartmann 1994 Zum Messen dieser Kraft kommen Messsonden zum Einsatz bei denen sowohl die Messspitze als auch der Hebelarm aus ferromagnetischem Material bestehen Lemke 1990 G ddenhenrich 1990 oder mit einem ferromagnetischen Film beschichtet sind Rugar 1990 Mamin 1989 den Boef 1990 Seneoka 1991 Da die Reic
135. reten noch weitere Wechselwirkungen wie die van der Waals Kraft auf Die resultierende atomare Kraft E kann so nach dem Lennard Jones Modell Lennard 1932 berechnet werden zu W Ber Kap K n F un pot LJ Sh A MH 2 3 In Gleichung 2 3 sind Kap und Kan Proportionalitatsfaktoren f r die jeweiligen absto enden bzw anz ehenden Kr fte Der Verlauf der resultierenden Kraft in Abh ngigkeit vom Abstand Bild 2 2 zeigt dass sich bei einem Abstand der Atomkernmittelpunkte im Subnanometerbereich ein Kr ftegleichgewicht zwischen anziehenden und absto enden Kr ften einstellt 2 Grundlagen und Stand der Technik der Stromkontrastmessun F ges AS NZ TA N j Fa Il Il Bild 2 2 Verlauf der resultierenden Kraft Fi im Nahfeld nach dem Lennard Jones Modell Befindet sich eine RKM Messspitze in die N he der Probenoberfl che wird sie idealerweise in den Arbeitspunkt h 0 gezogen wo die resultierende Kraft Fi null ist Beim Rastern der Sonde ber die Probenoberfl che f hrt eine topografische Erh hung zu einer Verringerung des Abstandes zwischen Messspitze und Probenoberfl che Dadurch dominieren dann die absto enden Kr fte auf die Messspitze woraus eine messbare Bewegung der Messspitze und somit des Hebelarms resultiert Bei einer topografischen Vertiefung werden die anz ehenden Kr fte auf die Messsonde dominant und ziehen die Messspitze in den Arbeitspunkt Daraus resultiert eine messbare entgegenge
136. rgestellte MKM Messsonden zur Strommessung zum Einsatz Ihre unterschiedliche Geometrie die verschiedenen Materialien sowie die Ergebnisse der Untersuchungen bez glich ihrer Leistungsf higkeit werden in diesem Kapitel pr sentiert 4 1 Messsonden Folgende kommerzielle Messsondentypen wurden untersucht Messsondentyp Lange Breite b Beschichtung Resonanz Besonderheiten Dicke din um Material Dicke frequenz in kHz Nanosensors MFM 225 b 28 CrCo 50 d 3 Sooo Poo MDT CSC17 460 b 50 d 2 Co 15 sd o Oe SSS O MDT NSC15Co 125 b 35 d 4 Co 15 a e 21 28 MDT NSCI5Ni 125 b 35 d 4 Ni 15 Au 5 325 nur Messspitze beschichtet Im Rahmen der Arbeit wurden weitere Messsonden in Kooperation mit der Firma Anfatec an MDT CSC12Co 350 b 35 d 2 Co 15 300 b 35 d 2 250 b 35 d 2 130 b 35 d 2 110 b 35 d 2 90 b 35 d 2 MDT CSC12Ni s o CSC12Co __ Ni 15 Tabelle 4 1 Aufstellung der untersuchten Messsondentypen der Universitat Chemnitz auf Basis des Sondenrohlings NCS17 der Firma MikroMasch entwickelt Ziel war es St reinfl sse wie in Kap 7 beschrieben zu unterbinden Die entwickelten Messsonden sowie erste Messergebnisse werden n Kap 7 2 und Kap 7 3 vorgestellt 54 4 1 Messsonden Messsonde des Typs Nanosensors MFM Von der MFM Messsonde der Firma Nanosensors Nanosensors 2001 sind lediglich die Hauptbestandteile der magnetischen Schicht der Legierung
137. roskop eng Scanning Near Field Optical Microscope eng Scanning Quantum Interference Device Verein Deutscher Ingenieure auf einem magnetoresistiven Effekt basierender Sensor VII Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abk rzungen AL Ao Aomin A Str by bs C1 C2 Co C d dp dinag dmag schutz fs ae by I ot Leiterbahndicke Abstand zweier Leiterbahnen Flache Ortsaufl sung Ortsaufl sungsgrenze Fl che einer Teststruktur Breite des Hebelarms Leiterbahnbreite Strukturbreite Federrate Konstante Lichtgeschwindigkeit Kapazit t Dicke des Hebelarms Dicke eines Bonddrahtes Dicke der magnetischen Schicht Dicke der Schutzschicht Elektrische Erregung Elastizitatsmodul Frequenz Kraft auf die Messspitze Elektrische Kraft Coulombkraft Elektrische Kraft Coulombkraft in z Richtung VII Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Abk rzungen F Hebel h hy ho hy Astr Asub Ah H H Hx Hy H bp Ly I Lmin AI ges I gleich I wechsel Koh kek i an l ly Kraft auf den Hebelarm Magnetische Kraft in z Richtung Resultierende Kraft auf die Messspitze Kraft auf die Messspitze Kraft in z Richtung Resultierende Kraft in z Richtung Abstand der Messspitze von der Probenoberfl che Rasterh he Arbeitsabstand Leiterbahnhohe Strukturh he Substratdicke Hebelarmauslenkung Amplitude Betrag des magnetischen Feldes Magnetisches Feld Ko
138. s Hartmann 2000 Helmreich 1992 Hou 1992 Howland 1997 HP 1978 H tte 1996 Ileri 2001 Intel 1999 Intel 2000 C Hartmann Auswahl und Adaption eines Detektionssystems f r die Hebelarmauslenkung in einem Rasterkraftmikroskop Test System Studienarbeit Universit t Duisburg 2000 K Helmreich Entwurfsgesteuerte Fehleranalyse in gemischten analog digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen durch Spannungs und Strommessungen mit einem Elektronenstrahltest Dissertation Universit t Erlangen N rnberg 1992 A S Hou et al Picosecond Electrical Sampling Using A Scanning Force Microscope Electronic Letters Vol 28 Nr 25 1992 R Howland et al A Practical Guide to Scanning Probe Microscopy Park Scientific Instruments 1997 Bedienungsanleitung des Synthesizers HP 3325a 1978 H Czichos Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften 30 Auflage Herausgeber Akademischer Verein H tte e V Berlin Springer Verlag 1996 N Ileri Untersuchung und Deutung des Hebelarmeinflusses auf die lokale Strommessung in integrierten Schaltungen mit Hilfe des Magnetkraftmikroskops Studienarbeit Universit t Duisburg 2001 Prozessorroadmap Intel 1999 Pressemitteilung 11 12 2000 139 12 Literaturverzeichnis Intel 2002 Isenbart 2001 Israelachvili 1992 Itoh 1996 Klipstein 1997 Knapp 1997 Koutsos 1994 Krieg 1999 Kubalek 2000
139. s Stocker 1998 Sueoka 1991 Taschner 1993 Thompson 1998 Topometrix 1997 TSMC 2002 van den Berg 1996 Vanderlinde 2000 H Stocker Taschenbuch der Physik 3 Auflage Verlag Harri Deutsch 1998 K Sueoka et al Study of tip magnetization behaviour in magnetic face microscope J Vac Sci Technol Vol 9 2 S 1313 1991 P Taschner Konzeption und Aufbau eines Rasterkraftmikroskop Test Systems zur elektrischen Charakterisierung von integrierten Bauelementen Diplomarbeit Universit t Duisburg 1993 S Thompson MOS Scaling Transistor Challenges for the 21st Century Intel Technology Journal 3 Quartal 1998 http www intel com technology itj q3 1998 pdf trans pdf Benutzerhandbuch Topometrix Accurex 1997 SOC Ziat MoSys TSMC Partner for 90nm based 1T SRAM Electronic News 3 29 2002 http www e insite net electronicnews H A M van den Berg et al GMR angle detector with artificial antiferromagnetic subsystem AAF J Magn Mater Vol 165 S 524 1996 W E Vanderlinde et al Localizing Power to Ground Shorts in a Chip First MCM by Scanning SQUID Microscopy IEEE 38th Annual International Reliability Physics Symposium San Jose 2000 147 12 Literaturverzeichnis Wehner 2001 Wende 1999 Wittpahl 2000 Wolf 1997 Zimmer 1999 A Wehner Bestimmung der Gleichstromst rke in integrierten Schaltungen mittels Magne
140. s das in Bild 8 2 dargestellt ist ist bereits ein Einfluss der Hohendrift zu erkennen Man sieht deutlich wie sich im unteren Bildbereich das Messsignal verschlechtert Sowohl die Lage des Phasensprungs als auch die Aufweitung des Minimums in der Amplitudenverteilung ist zu erkennen Mit dem vorgestellten Testsystem ist beim Einsatz kommerzieller Messsonden eine maximale Stromnachweisgrenze von Jpin 1 WA bis nin 2 uA festzuhalten Verbesserungen an den Messsonden wie sie in Kap 4 und Kap 7 vorgestellt wurden werden eine h here Stromnachweisgrenze erm glichen Des weiteren werden nderungen hinsichtlich der thermischen Drift der Empfindlichkeit des Detektors des Signal Rauschleistungsverh ltnises des Verst rkers sowie die Verwendung eines empfindlicheren Lock In Verst rkers eine Steigerung der Stromnachweisgrenze mit sich bringen 108 8 2 Ortsauflosung 8 2 Ortsauflosung Die Ortsauflosung ist eines der wichtigsten Kriterien Die Strukturbreite in den zu untersuchenden Bauteilen sinkt stetig Die mit der Strommesstechnik 1994 demonstrierte Ortsaufl sung von Ao 2 um ist aus heutiger Sicht nicht mehr ausreichend Die Ortsaufl sung des Magnetkraftmikroskops liegt derzeit bei Ao 10 nm Gr tter 1990 Es kann davon ausgegangen werden dass Leiterbahnen in dieser Gr enordnung die ein hinreichend gro es Magnetfeld erzeugen mit dieser Messtechnik noch zu untersuchen sind Wenn die Geometrien der Leiterbahnen derart klein
141. se integrierter Halbleiterbauelemente entwickelt und vorgestellt Sie erfullt die in Kap 1 geforderten Anspr che in vollem Umfang Da es sich aber um eine Neuentwicklung handelt sind Weiterentwicklungen und Verbesserungen unabdingbar Der zweite neukonstruierte Messstand bietet hierf r beste Voraussetzungen O Testzugriff Zur Verbesserung des in Kap 3 und Kap 9 beschriebenen Testzugriffs mit Hilfe eines steileren Winkels der Messsonde im Bezug zur Probenoberfl che m ssen die Messsondendesigns angepasst werden Dabei ist allerdings zu untersuchen in wieweit sich die Stromnachweisgrenze ver ndert Apparative Verbesserungen F r den neuentwickelten Messaufbau sind noch einige apparative Verbesserungen notwendig Diese betreffen vor allem die Software und deren Stabilit t sowie gro e Teile der Automatisierung Durch den vollst ndig motorisierten Messaufbau wird mit Hilfe von Automatisierungsalgorithmen z B das Fokussieren des Lasers auf die Messsonde verbessert Eine deutliche Vereinfachung und Beschleunigung des Anfahrens eines Messpunktes auf einer Probe ist w nschenswert Ein gro es Zeitproblem das Ausregeln des Verkippungswinkels zwischen Probe und Rasterebene sollte durch eine Funktion automatisiert werden Adaption neuer Messsondenkonzepte in das bestehende Messsystem Ein neues und vielversprechendes Sensorkonzept der Firma Omicron konnte bereits erste Strommessungen zeigen Neinhys 2001 es sollte an den neuentwi
142. setzte Verbiegung des Hebelarms Dabei ist zu erw hnen dass sowohl die R ckstellkraft des Hebelarms als auch die Schwerkraft sowie u ere elektrische oder magnetische Felder eine Verschiebung des Arbeitspunktes bewirken k nnen Somit ist eine exakte Bestimmung des sich n einer Messung einstellenden Abstandes nicht m glich Eine wesentlich umfangreichere Beschreibung der vorgestellten Problematik ist in Sarid 1991 Koutsos 1994 Sokolov 1994 dargestellt Wird die Messsonde 1m Arbeitspunkt ber die Oberfl che gef hrt bezeichnet man dies als Messung im Kontaktmodus Er wird zur topografischen Abbildung von Oberfl chen mit einer 10 2 Grundlagen und Stand der Technik der Stromkontrastmessung Auflosung bis in den atomaren Bereich eingesetzt Schwarz 2000 Ohnesorge 1993 Daneben existieren weitere topografische Abbildungsverfahren die sp ter eingehend erl utert werden Elektrische Kraft Neben der atomaren Kraft kann man durch Verwendung einer leitfahigen Messsonde auch eine elektrische Kraft die Coulomb Kraft zwischen der Probenoberflache und der Messspitze aufzeichnen Da die Reichweite der elektrischen Kraft Sarid 1991 sehr viel gr er ist als die der atomaren Kraft k nnen in einem Abstand von h gt 10 nm die elektrischen Kr fte nahezu beeinflussungsfrei gemessen werden Aufgrund des gr eren Arbeitsabstandes geh rt diese Kraft zu den so genannten Kr ften 1m Fernfeld Das einfachste Modell zur Besch
143. skops Beachtet man dass das MKM zur Strommessung eingesetzt wird so fallen alle Verfahren die eine Beschaltung der Messsonde erfordern weg da sie eine unnotige Beeinflussung des Testobjektes mit sich bringen Somit steht nur die Lasertriangulie zur Verf gung Die Laserinterferometrie ist zwar deutlich empfindlicher jedoch auch sehr anf ll g gegen kleinste Temperaturschwankungen 2 4 4 Rastersystem f r das Rasterkraftmikroskop Es existieren unterschiedliche M glichkeiten die Messsonde relativ zur Probenoberfl che zu bewegen Diese werden kurz vorgestellt Grunds tzlich kann sowohl die Probe als auch die Messsonde bewegt werden Feststehende Probe bewegte Messsonde Bei Messungen mit einer bewegten Messsonde liegt der Vorteil darin dass die Probe ortsfest und somit mechanisch und elektrisch gut zu erreichen st Das bedeutet dass Nadelprober oder elektrische Tester ohne gro en Aufwand angeschlossen und so die zu untersuchende Schaltung betrieben werden kann Der Nachteil besteht darin dass sowohl die Messsonde als auch die Detektionseinheit bewegt werden m ssen Die relativ gro e Masse f hrt zu enormen Beschleunigungskraften auf den Messkopf und dessen Halterung Au erdem k nnen die Messwerte durch die auf die Messsonde wirkenden Beschleunigungskr fte 1m Bereich des Umkehrpunktes verf lscht werden Es st darauf zu achten dass der zu untersuchende Bereich kleiner als der Rasterbereich ist um eine Verf lschu
144. smessstreifen an ihre Grenzen st t Topometrix 1997 Das neu aufgebaute Testsystem verwendet analog dem Topometrix Accurex die Lasertriangulie als Detektionsverfahren mit einer V erquadrantendiode als positionssensitivem Detektor Jedoch ist es durch geeignete Anpassung der Verst rkereinheit 48 3 1 Aufbau des Testsystems der Auswerteelektronik moglich die Auflosungsgrenze des Systems sowohl im statischen als auch im fur die Strommessung entscheidenden dynamischen Fall um den Faktor 12 gegentiber dem oben vorgestellten Testsystem zu steigern Hartmann 2000 2900 2000 T 1500 17 4 Quadranten Diode ON S 1000 Topometrix lt 500 0 T WO O O O O O O O O WAN DO TF O N O Anregespannung V Bild 3 8 Vergleich des mit einem Lock In Verst rker gemessenen Detektorausgangssignals zwischen dem Accurex und dem neu entwickelten RKM Hartmann 2000 Bei der in Bild 3 8 dargestellten Messung wird die Messsonde mit einem Piezokristall der sich zwischen Rastereinheit und Messsonde befindet ber ein Wechselsignal bei der Resonanzfrequenz zum Schwingen angeregt Im Diagramm ist das Ausgangssignal des Detektorsystems ber die Anregespannung am Piezoglied dargestellt Die optische Kontrolle des Testsystems ist ebenfalls deutlich verbessert Die Kamera ist in alle Raumrichtungen frei beweglich wird aber in x und y Richtung von den Lineartischen mitbewegt Dies erm glicht es eine einmal
145. sprozess der Messsonden die oben getroffenen Aussagen zun chst nur f r d e entsprechende m Test verwendete Charge von Messsonden g ltig sind Messungen zeigten dass einzelne Chargen der MFM Messsonde von Nanosensors z B nicht hochfrequent messen konnten N here Untersuchungen der Herstellparameter und ihre Auswirkungen auf die Strommessungen sollten in Zukunft vorgenommen werden 63 5 Realisierung einer neuen Gleichstrommesstechnik Mit der in Kap 2 3 2 vorgestellten Gleichstrommessung konnten bisher keine befriedigenden Messergebnisse erzielt werden Wehner 2000 Dieses Kapitel stellt eine alternative leistungsf hige Gleichstrommesstechnik vor die es erm glicht deutlich kleinere Str me zu untersuchen Diese Messtechnik basiert auf der in Kap 2 2 vorgestellten Strommessung im Nicht Kontaktmodus mit konstantem Abstand 5 1 Grundlagen und Messaufbau Zur Messung von Gleichstr men wird eine auf der Wechselstrommessung basierende Strommesstechnik angewendet Hierzu berlagert man die Versorgungsspannung Uy mit einem Wechselspannungssignal U_ von maximal 20 von Uy Dieser Wert entspricht den Spezifikationen f r die Versorgungsspannung der meisten handels blichen integrierten Schaltungen Die Versorgungsspannung der Probe Up folgt somit zu U U U_ o 5 1 Das Prinzip dieser Gleichstrommessung ist in Bild 5 1 dargestellt Enon Spannung V Ee E Era E Zeit a u gt 4 wee Z 0 z 5 2
146. ssung a Winkel zwischen Messsonde und stromf hrender Leiterbahn Qy 90 b Winkel zwischen Messsonde und stromfuhrender Leiterbahn Qy 0 Diese Verfalschung der Strommessung ist auf den Einfluss des Hebelarms zur ckzuf hren Ahnliches ist aus der elektrischen Kraftmikroskopie bekannt Wittpahl 2000 Aus diesem Grund muss das vorhandene Dipolmodell aus Kap 2 so erweitert werden dass die geometrische Form der Messsonde insbesondere die des Hebelarms mit ber cksichtigt wird Wie in Bild 7 24 dargestellt ist bei Standard Messsonden nicht nur die Spitze mit einer magnetischen Schicht uberzogen sondern auch der Hebelarm Die Kraft F die auf die magnetische Schicht des Hebelarms wirkt wird im einfachen Dipolmodell nicht ber cksichtigt Hebelarm Ferromagnetische Beschichtung a b Bild 7 24 Messsonde f r die Magnetkraftmessung a Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer MKM Messsonde b Schematischer Aufbau der Messsonde Bei dem einfachen Dipolmodell aus Kap 2 geht man davon aus dass sich die Magnetisierung M der gesamten Messspitze wie ein einzelner magnetischer Dipol der Gr e m verh lt Bild 7 25 94 7 5 Einfluss des Hebelarms Hebelarm Magnetischer Dipol Bild 7 25 Modellvorstellung einer MKM Messsonde Erweitertes Dipolmodell In dem erweiterten Dipolmodell das die ferromagnetische Beschichtung des Hebelarms der Messsonde ber cksichtigt wird analog zum einfachen Dipolmodel
147. ssung 74 7 1 Einfluss der Hebelarml nge 74 7 2 Einfluss der Rasterh he 76 7 3 Abh ngigkeit der Messergebnisse von der Stromst rke 79 7 4 Einfluss der Spannung 80 7 5 Einfluss des Hebelarms 93 7 6 Anforderungen an eine optimale Strommesssonde 105 8 Demonstration der Leistungsf higkeit der Messtechnik und des Testsystems 106 8 1 Stromnachweisgrenze und Messdauer 106 8 2 Ortsaufl sung 109 8 2 1 Eine beschaltete Leiterbahn 109 8 2 2 Zwei nebeneinander liegende Leiterbahnen 110 8 2 3 Unterschiedliche Verdrahtungsebenen 112 8 3 Zeitaufl sung und Bandbreite 112 8 3 1 Gleichstrom 112 8 3 2 Hochfrequenzmessungen 113 8 4 Zusammenfassung 114 9 Praktischer Einsatz der neuentwickelten Testtechnik an einem IC der Firma Infineon 116 9 1 IC Pr paration 117 9 2 Fehleranalyse 119 9 3 Weiterf hrende Messungen 123 9 4 Strommessungen an einem passivierten IC 125 Danksagung 9 5 Zusammenfassung 126 10 Ausblick 127 11 Zusammenfassung 131 12 Literaturverzeichnis 134 VI Verzeichnis der verwendeten Abkurzungen AlO Co DMS EKM FIB IC ITG MKM MP NdFeB NF Ni OBIRCH PC RKM SNOM SQUID VDE XMR Aluminiumoxid Keramik Kobalt Dehnungsmessstreifen Elektrisches Kraftmikroskop eng Focused Ion Beam Integrierte Schaltung Informationstechnische Gesellschaft Magnetkraftmikroskop Messpunkt Neodym Eisen Bor Legierung Niederfrequent Nickel eng Optical Beam Induced Resistance Change Personalcomputer Rasterkraftmik
148. stmesstechnik Hochfrequente Wechselstrome zur Zeit nicht m glich Niederfrequente Wechselstr me bis 1 uA ausreichend jedoch nur durch die in Kap 270 kHz 242 vorgestellten Messsonden mit Vollmaterial an der Spitze erreichbar Verdrahtungsebenen Gleichstrommessung mA nicht ausreichend auch unter Verwendung der 0 8 Messsonden mit Vollmaterial wegen St rfelder n oberen Leiterbahnen kaum zu verbessern Ortsaufl sung Leiterbahngeometrie 2 um heute nicht mehr ausreichend Tabelle 2 3 Strommessungen mit dem Magnetkraftmikroskop Zeitgleich mit dieser Arbeit wurde an der Universit t Hamburg die Gleichstrommessung mit reproduzierbar herstellbaren Messsonden untersucht Es wurde eine theoretische Aufl sungsgrenze von 4 5 mA f r Standard Messsonden ermittelt Messtechnisch konnten jedoch nur 8 mA erzielt werden Wehner 2001 41 3 Realisierung einer Strommesstechnik Dieses Kapitel stellt die Gesamtkonzeption des Messsystems vor Im Rahmen der Arbeit finden zwei Testsysteme Verwendung die sich in ihrem physikalischen Prinzip nicht unterscheiden F r den berwiegenden Teil der Messungen wurde ein kommerzielles RKM mit einigen Modifikationen genutzt Das Beheben auftretender M ngel und die Nutzung der Erfahrungen mit dem ersten System f hrten zur Entwicklung und Konstruktion eines zweiten optimierten Systems 3 1 Aufbau des Testsystems Das erste Testsystem besteht aus dem kommerziellen Rasterkraftsyst
149. suchen Alle Hebelarme der Messsonde sind identisch in ihrem Aufbau und in ihren Geometrien Lediglich die L ngen der einzelnen Hebelarme unterscheiden sich Nach Gleichung 4 1 beeinflusst die Lange auch die Resonanzfrequenz fres der einzelnen Hebelarme und nach Gleichung 4 2 die Federrate c Mit dem MKM wird die Kraft F auf die Messspitze wie in Kap 2 3 erwahnt indirekt d h ber die Verbiegung des Hebelarms Ah gemessen Diese Verbiegung Ah ist nach dem Hookschen Gesetz proportional der auf die Messspitze wirkenden Kraft F und umgekehrt proportional der Federrate c Ah 7 1 C Mit den in Kap 4 vorgestellten Messsonden hat man eine Federrate von c 0 03 N m bis c 1 75 N m zur Verf gung Mit jeder einzelnen Messspitze wurde ein Strom von 1 mA gemessen Diese Strommessung wurde an der in Kap 3 vorgestellten Struktur G der ITG Teststruktur mit einer Leiterbahnbreite von br 2 um durchgef hrt Die Linienrasterungen der einzelnen Strommessungen sind in Bild 7 1 dargestellt 74 7 1 Einfluss der Hebelarmlange Ah F c 0 03 N m c 0 05 N m c 0 08 N m c 0 6 N m c 0 95 N m c 1 75 N m Amplitude a u w aA OT O O 0 4 8 12 16 20 Ort ber der Probe um Bild 7 1 Strommessung bei I mA Stromfluss an einer b 2 um breiten und a 500 nm hohen Leiterbahn mit unterschiedlich langen Hebelarmen und Federraten von c 0 03 N m bis c 1 75 N m Die Strommessung in Bild 7 1 zeigt dass die
150. t einem Strom von 25 uA W hrend der Strommessung wurde zwischen den einzelnen Leiterbahnen umgeschaltet 60 4 2 Versuchsdurchf hrung und Ergebnisse Zeit t Zeit t a b ee eae oD D N NI Eee 0 10 zu i d 0 u 10 20 i prn urn pm pm pm pm 2 Ort ber der Probe Ort ber der Probe Bild 4 5 Linienrasterung mit I 25 uA W hrend der Messung wurde zwischen den einzelnen Leiterbahnen umgeschaltet a Amplitude und b Phase der Nanosensors Messsonde c Amplitude und d Phase der MDT Messsonde Wie in Bild 4 5 zu sehen ist mit der MDT Messsonde ein deutlicheres Messergebnis zu erzielen F r die Messung von Str men au erhalb der Resonanzfrequenz der Messsonde wie sie in Kap 6 vorgestellt wird erwiesen sich alle getesteten Messsonden mit Ausnahme der Nanosensors MFM und der MDT CSC17 als ungeeignet Zur Strommessung der in Bild 4 6 dargestellten Ergebnisse wird wie in Kap 6 ausf hrlich vorgestellt ein amplitudenmodulierter Strom von 10 MHz verwendet 61 4 2 Versuchsdurchf hrung und Ergebnisse y A pm D 2 Ne E 2 a A 5 i F 25 pm Oo 2 E z O z x pm x 0 pm 25 pm BU prn O um 25 um 5O pm a Ort ber der Probe b Ort uber der Probe oO 2 Ne z a oO F D ke He 3 5 S O um H pm Hu pm O prn 25 um Sl pym c Ort ber der Probe d Ort ber der Probe Bild 4 6 Strommessung mit f 10 MHz amplitudenmoduliertem Strom a Amplitude und b Phase der
151. t ihm soll es m gl ch sein Str me in integrierten Halbleiterbauelementen kontaktlos zu bestimmen Au erdem findet eine Anpassung der bestehenden Theorie zur Beschreibung der Wechselwirkungen des MKM an die Bed rfnisse der Strommessung mit dem MKM statt Schwerpunkt soll vor allem die Verbesserung der bisher erzielten Leistungsparameter sein sowie die Evaluierung des Systems fur die Messung hochfrequenter Str me Zun chst findet eine kritische Analyse eines existierenden Rasterkraftmikroskop Testsystems das f r die Anwendung von XMR Sensoren konzipiert war Bae 1999 statt Daran schlie t sich die Weiterentwicklung des Systems f r den Einsatz zur Funktions und Fehleranalyse in integrierten Schaltungen an Aufgrund der Abgeschlossenheit dieses Messsystems folgt basierend auf den Erfahrungen die Neukonstruktion eines speziell auf die Belange der Strommessung ausgerichteten optimierten Messsystems Dabei werden das gleiche physikalische Prinzip und die gleichen Messsonden zur Anwendung kommen so dass die Messergebnisse bertragbar sind Mit der Charakterisierung der Messtechnik an sich kann parallel zum Aufbau des neuen Ger tes begonnen werden Bei der Konstruktion des neuen Ger tes ist auf gr tm gliche Modularitat sowie auf freien Zugang zu allen eingesetzten Programmquellcodes zu achten Hierdurch soll die M glichkeit 1 Einleitung und Problemstellung gewahrt bleiben auf zukunftige Entwicklungen wie sie zum Beispiel der
152. t zwei Hebelarmen ausgestattet ist 88 7 4 Einfluss der Spannun S Ah F Detektorsystem 9 jy F F 2 2 mag el Messspitze Bild 7 17 Aufbau einer m glichen multifunktionalen Messsonde Wie in Bild 7 17 dargestellt sind die beiden Hebelarme mit Ausnahme der Beschichtung identisch Einer der Hebelarme ist mit einem dia oder paramagnetischen aber leitfahigen Material der zweite mit einem magnetischen Material beschichtet Somit konnen simultan elektrische und magnetische Strommessungen erfolgen Da die magnetische Strommessung durch die elektrische Kraftwechselwirkung beeinflusst wird kann das elektrische Signal von dem simultan gemessenen magnetischen Signal abgezogen werden Somit ist eine Auswertung des reinen Stromsignals moglich Bild 7 18 zeigt ein Foto der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten multifunktionalen Messsonde Zur Zeit existiert kein kommerzielles RKM das diese Messsonden verwenden kann Das in Kap 3 vorgestellte eigenentwickelte Testsystem bietet jedoch die M glichkeit diese Messsonden einzusetzen Bild 7 18 Multifunktionale Messsonde Erste Messungen sehen sehr vielversprechend aus und zeigen dass es m glich ist Strom 7 und Spannung U s multan zu messen 89 7 4 Einfluss der Spannung Spannungsmessung y 100 g cI 80 2 2 2 60 on 3 5o D D B je O E X a Ort ber der Probe um b Ort ber der Probe um Strommessung y 100 E El 80 D E E 60 A
153. ten war ist hier kein Unterschied zwischen den Messergebnissen mit Abschirmung und ohne Abschirmung zu erkennen J y 100 pm U 4V 100 urm mit Abschirmung m ohne Abschirmung Re O AD Hl uri KO uri D U 0V j mit Abschirmung je ohne Abschirmung QO Um r 0 um l m ura F um 100 um um F um 100 um D Ort ber der Probe um b Ort ber der Probe um Bild 7 22 Uberpriifung der Wirksamkeit der Abschirmmethode a Amplitudenverteilung b Phasenverteilung Zu 4 Isolierung der Messspitze Diese M glichkeit die nur f r niedrige Frequenzen geeignet ist setzt eine Messsonde voraus die vollst ndig gegen ber der Messsondenhalterung isoliert ist Je besser die Isolierung ist umso geringer st der st rende Spannungseinfluss Idealerweise sollte eine nichtleitende Messsonde verwendet werden die zur Zeit jedoch nicht kommerziell verf gbar ist 92 7 4 Einfluss der Spannung Zusammenfassung In diesem Abschnitt wurden die Untersuchungen zum Einfluss der Spannung U auf die Strommessung vorgestellt Ein Modell zur Klarung dieses Einflusses wurde prasentiert Ein Vergleich der Messergebnisse mit den nach dem Modell erwarteten Werten zeigte eine sehr gute Ubereinstimmung Es folgte die Pr sentation von Verfahren die eine Eliminierung des Spannungseinflusses erm glichen Zum einen konnten mit der Abschirmung des Testobjektes gute Ergebnisse erzielt werden zum anderen konnte auch die multifunktionale M
154. terbahnen die einige Mikrometer nebeneinander verlaufen noch einzeln aufgel st werden k nnen Die theoretisch minimal zu detektierende Stromst rke bei dieser Art der Gleichstrommessung unter Verwendung kommerzieller MKM Messsonden wird mit 4 5 mA beziffert Wehner 2001 Die derzeit messtechnisch erreichbaren Werte unter Verwendung dieser Messsonden liegen bei etwa 8 mA Wehner 2001 und sind somit deutlich besser als die Werte der statischen Gleichstrommessung Aber auch diese Messtechnik ist f r den Einsatz in der Funktions und Fehleranalyse noch zu unempfindlich 23 a 2 3 Strommessung mit dem Magnetkraftmikroskop 2 3 3 Messungen von Wechselstromen Bei der dynamischen Messung niederfrequenter Wechselstr me wird als Betriebsart der Nicht Kontaktmodus mit konstantem Abstand verwendet Dabe hat der n der Leiterbahn eingepr gte Strom die Frequenz die der Resonanzfrequenz der Messsonde entspricht Dies erm glicht die Verwendung eines Lock In Verst rkers zur Messsignalauswertung Diese Messtechnik wurde ebenfalls bereits 1994 von Campbell Campbell 1994 vorgestellt Dabe wurden die in Kap 2 4 2 ausf hrlich beschriebenen sonderangefertigten Messsonden verwendet mit denen eine Stromaufl sungsgrenze von 1 uA demonstriert werden konnte Die oben dargelegten Probleme bei der Aufl sung dicht nebeneinander flie ender Str me treten bedingt durch die verwendeten Messsonden auch bei dieser Messtechnik auf Durch d
155. teuerung 8888888 NF Laser PC Anschluss Mi Synthesizer strahl E A xyz Piezo 8888888 DC j Spannungs a quelle 7 P PC Cu m I ca Probenbeschaltung a Rasterkraftmikroskop Bu messtechnische Auswertung Bild 5 2 Schematischer Messaufbau zur Gleichstrommessung 65 5 1 Grundlagen und Messaufbau Die Funktionsweise heutiger ICs ist wie bereits oben erw hnt gew hrleistet solange die Versorgungsspannung in einem Bereich von minus 20 bis plus 20 der Sollspannung liegt Somit wird in der Regel der zu testende IC auch bei einem der Versorgungsspannung berlagerten Wechselstromsignal von lt 20 noch fehlerfrei funktionieren Problematisch sind jedoch analoge ICs wie Verst rker oder Filterbausteine die im Frequenzbereich der Hebelarme arbeiten Die Untersuchungen an der Leiterbahnstruktur G der ITG Teststruktur zeigen dass niederfrequente Wechselstrome mit einer Aufl sungsgrenze von unter A 2 uA mit kommerziellen Messsonden noch detektiert werden k nnen Unter der Voraussetzung dass diese A 2 uA Wechselstrom dem aufmodulierten Spannungssignal entsprechen und der IC ein Ohmsches Verhalten aufweist k nnten theoretisch ca A 10 uA als minimal zu detektierende Gleichstromst rke angenommen werden Erste Strommessungen im Rahmen der Arbeit konnten wie in Bild 5 3 dargestellt eine Strompfadverfolgung mit einem Gleichstrom von 30 uA un
156. tive Messh he A ist erforderlich d h der magnetische Dipol m sollte dicht am Ende der Messspitze liegen Dies ist entscheidend f r die Ortsaufl sung Ag Vor allem dicht nebeneinander flie ende Str me k nnten so deutlich besser untersucht werden Auch bez glich der Empfindlichkeit sind durch eine Verringerung der effektiven Messh he h deutliche Verbesserungen zu erwarten 3 Es sollte keine elektrische Kontaktierung der Messspitze vorliegen um den elektrischen Einfluss so gering wie m glich zu halten Als Basismaterial ist ein nichtleitender Werkstoff als optimal anzusehen 4 Der Hebelarm sollte zur Vermeidung des Hebelarmeinflusses nicht mit magnetischem Material bedampft sein So kann ebenfalls ein Beitrag zur Steigerung der Ortsaufl sung Ao an dicht nebeneinander flie enden Str men erbracht werden Unterschiedlichste Realisierungen sind vorstellbar Jedoch sollte vor allem darauf geachtet werden dass eine Serienproduktion mit den Techniken der Halbleitermikrostrukturierung m glich st damit die Messsonden auch sp ter n der Praxis zur Verf gung stehen Aus diesem Grund erscheint zur Zeit ein Sondendesign das nur mit Hilfe der additiven Elektronenstrahllithografie hergestellt werden kann nicht sinnvoll Auch Sondendesigns die auf die Bearbeitung mit einem fokussierten Ionenstrahl FIB angewiesen sind Wehner 2001 sind aufgrund der aufwendigen und somit teuren Praparation die keine Aussichten auf eine Serienprodukt
157. tkraftmikroskopie Diplomarbeit Universit t Hamburg 2001 U Wende Modellierung und Testverfahren f r CMOS kompat ble Fluxgatesensoren mit planaren weichmagnetischen Kernen Dissertation Universit t Duisburg 1999 V Wittpahl Entwicklung einer elektrischen Rasterkraft mikroskopie Messtechnik zur quantitativen Bestimmung von Gleich und Wechselspannungen bis ber 100 GHz in integrierten und mikroelektrischen Schaltungen Dissertation Universit t Duisburg 2000 I Wolf Maxwellsche Theorie Springer Verlag Berlin 4 Auflage 1997 G Zimmer Integrierte Schaltungen 1 Vorlesungsskript Fraunhofer Institut Duisburg 1999 148
158. tschaltung befindet In Bild 3 11 ist deutlich zu erkennen dass die As 3 mm x 2 mm gro e Teststruktur aus drei koplanaren Leiterbahnen besteht Die Geometrie der Strukturen ist derart gew hlt dass s e jeweils einen Wellenwiderstand von R 50 Q besitzen Die Goldschicht der Leitungs und Masseelektroden ist hs4 3 um dick Die Testchips sind auf Aluminiumoxid Keramik Al203 Tr gern angebracht da ein Dil Geh use nicht die f r hochfrequente Messungen notwendige Leitungsspannung von einem Wellenwiderstand R 50 Q aufweist Auf der Oberfl che des Tragers befinden sich wellenangepasste koplanare Leiterbahnstrukturen aus Gold Die elektrischen Verbindungen zwischen Testobjekt und Testtrager werden jeweils durch Bonddr hte der Dicke dg 25 um hergestellt Die Keramiktr ger werden wie in Bild 3 11 zu sehen anschlie end n Testobjekthalterungen eingebaut Diese dienen neben einer mechanisch stabilen Fixierung auch dem bergang von den Hochfrequenzkabeln auf die Koplanarleitungen die auf dem Keramiktr ger aufgebracht sind Die Ubertragungs eigenschaft der Teststruktur ist nicht ber den gesamten Frequenzbereich gleichbleibend Mertin 1994 53 4 Evaluation geeigneter Messsonden Zur Strommessung mit dem Magnetkraftmikroskop wurden in der Vergangenheit ausschlieBlich speziell angefertigte Messsonden aus ferromagnetischem Vollmaterial an der Messspitze siehe Kap 2 4 2 benutzt Campbell 1994 In dieser Arbeit kommen erstmals kommerziell he
159. tstone bridge cantilevers with conductive microtips for electrostatic and scanning capacitance J Vac Sci Technol B Vol 16 S 3948 1998 137 12 Literaturverzeichnis IG ddenhenrich 1990 IG ddenhenrich 1990 Grutter 1990 Hammer 1975 a Hammer 1975 b Hammer 1975 c Hartmann 1989 Hartmann 1994 Hartmann 1999 Goddenhenrich et al Magnetic force microscopy of domain wall stray fields on single crystal iron whiskers Appl Phys Lett Vol 56 S 2578 1990 Goddenhenrich et al Probe calibration in magnetic force microscopy Appl Phys Lett Vol 57 S 2612 1990 P Grutter et al 10 nm resolution by magnetic force microscopy on FeNdB J Appl Phys Vol 67 3 S 1437 Feb 1990 D Hammer Elektronische Messung verrauschter Signale G I T Fachz Lab 19 Jahrgang S 413 Mai 1975 D Hammer Elektronische Messung verrauschter Signale G I T Fachz Lab 19 Jahrgang S 780 Sep 1975 D Hammer Elektronische Messung verrauschter S gnale G I T Fachz Lab 19 Jahrgang S 881 Okt 1975 U Hartmann The Point Dipole Approximation In Magnetic Force Microscopy Phys Lett A Vol 137 S 475 1998 9 U Hartmann Advances In Electronics and Electron Physics Academic Press Inc Vol 87 S 49 1994 U Hartmann MAGNETIC FORCE MICROSCOPY Annu Rev Mater Sc Vol 29 S 53 1999 138 12 Literaturverzeichni
160. ung m glich Auch das Aufkleben der Messsonden gestaltet sich durch einen externen Aufbau zum Befestigen der Messsondenhalterung sehr einfach So kann die ben tigte Zeit zum Wechseln einer Messsonde deutlich reduziert werden Eine weitere Verbesserung in der Handhabung stellt der voll motorisierte Messkopf dar Mit ihm kann man den Laser sehr schnell und einfach auf der Messsonde positionieren Dies ist nicht zuletzt dadurch unterst tzt dass die Motoren den Laser parallel zu den Monitorkanten verfahren Ebenso kann durch eine zweidimensionale Darstellung des Auftreffpunktes auf dem positionssensitiven Detektor eine sehr schnelle Einstellung des Detektors erreicht werden Als Rastereinheit dient ein xyz Piezopositioniertisch der Firma PI PI 2000 Er ist mit einer Positioniergenauigkeit von As 7 5 nm und einem Verfahrweg von s 100 um in x und y Richtung und s 20 um in z Richtung spezifiziert Dieser Tisch verf gt durch den Einsatz kapazitiver Sensoren ber eine sehr gute aktive Linearisierung und besitzt somit eine Wiederholgenauigkeit von s 1 5 nm in z und sy 7 5 nm in x und y Richtung Diese Aufl sung wird vor allem durch die Ansteuerelektronik bestimmt Die kapazitive Linearisierung funktioniert deutlich besser als die Linearisierung ber Dehnungsmessstreifen PI 2000 Somit kann auch das Driften deutlich reduziert werden vor allem bei sehr kleinen Messbereichen von sm 5 um bei denen die Linearisierung durch den Einsatz von Dehnung
161. us Bild 9 7 rot eingezeichnet endet vergr ert zu sehen Durch einige Strommessungen in der Umgebung des sichtbaren Leiterbahnendes die in Bild 9 9 blau eingezeichnet s nd st es m glich den weiteren Weg des Stromflusses zu finden und den n Bild 9 9 gr n eingezeichneten weiteren Strompfad zu verfolgen Es kann festgestellt werden dass sich am Ende der Leiterbahn der Strom verzweigt Bild 9 10 zeigt die Strommessung in Messpunkt MP7 und Bild 9 11 zeigt die Strommessung in Messpunkt MP8 121 9 2 Fehleranalyse y Amplitude y Phase 100 um 100 pm O Oo S a a aD FO um Re 50 pr i T cas O O 2 5 z e O um j pm 0 um 50 prn 100 prn X U prm BO um 100 um Ort ber der Probe Ort ber der Probe Bild 9 10 Strommessung in Messpunkt MP7 y Amplitude y Phase 100 um 100 um O V 5 Ra S z gt p D 50 pm 50pm gt fe tH O V Es 0 5 5 O U um m U um U pm KO pr 100 pr U pm AU um 100 m Ort ber der Probe Ort ber der Probe Bild 9 11 Strommessung in Messpunkt MP8 Durch die Strommessungen rechts Messpunkt MP7 und links Messpunkt MP8 neben der Leiterbahn s ehe Bild 9 9 kann festgestellt werden dass die Richtung des Stroms in den beiden Messpunkten wie erwartet gegensinnig ist Dies kann man eindeutig in den Bildern 9 10 und 9 11 sehen da die Phase bei den Messergebnissen um 180 gedreht ist und somit ein Vorzeichenwechsel n entgegengesetzter Richtung ber der Leiterbahn
162. versprechend Sie erm glichen lediglich eine umfassende Funktionsanalyse eine Fehlerlokalisation kann dagegen n der Regel nicht durchgef hrt werden Ein schaltungsinterner Test an beliebigen Messpunkten innerhalb des ICs ist somit nicht nur w nschenswert sondern notwendig Marcus 1990 Courtois 1993 Kontaktbehaftete chipinterne Messtechniken werden aufgrund der steigenden Frequenzen und der sinkenden Strukturbreiten in Zukunft immer mehr an Bedeutung verlieren da die Funktionsweise der ICs durch die Kontaktierung derart beeinflusst wird dass aussagekr ftige Messungen nicht m glich sind Zimmer 1999 Versuche mit Hilfe von Rasterkraft mikroskopmesssonden eine Kontaktierung der kleinsten Leiterbahnen vorzunehmen sogenanntes Picoprobing Omicron 2000 Krieg 1999 befinden sich noch in der Entwicklung Hierbei treten drei gro e Probleme auf e Das erste Problem st die Kontaktierung derart kleiner Strukturen ber einen l ngeren Zeitraum Durch Drifteffekte n der Positioniereinrichtung kann die Position der Messsonden nicht gehalten werden e Eine weitere Schwierigkeit bei der Kontaktierung stellt das isolierende Oxid dar das sich auf den zu untersuchenden Strukturen an Luft bildet e Das dritte gro e Problem liegt wie bei allen kontaktierenden Messtechniken in der Beeinflussung der Probe durch die angeschlossenen Messgerate Fur eine Strommessung muss au erdem die zu untersuchende Leiterbahn aufgetrennt werden
163. werden steigt die Stromdichte bei gleichem Strom in der Leiterbahn enorm an Daher muss man ber cksichtigen dass ein noch zu detektierender Strom s ehe Kap 8 1 n der Leiterbahn flie t Bez glich der Ortsaufl sung wird auf einige differenzierte Aspekte eingegangen Man muss unterscheiden zwischen den kleinsten noch zu detektierenden Leiterbahnen und dem kleinsten noch zu detektierenden Abstand zweier parallel laufender Leiterbahnen Ein weiterer Aspekt ist die Aufl sung in tieferen Verdrahtungsebenen 8 2 1 Eine beschaltete Leiterbahn Zur Demonstration werden die n Kap 3 n her beschriebenen Fraunhofer Teststrukturen verwendet Diese stellen die derzeit kleinste verf gbare Teststruktur dar Bild 8 3 zeigt eine Strompfadverfolgung mit Leitungsumschaltung an einer bp 500 nm breiten Leiterbahn struktur Wie man sieht ist die Ortsaufl sung der Messsonde ausreichend um die drei verschiedenen Leiterbahnen zu unterscheiden Yy YA ZU um 5 ZU Lum 2 z 3 10 um 3 10 um D D 2 O Dumi Tr 0 um a ym 10 um 20 um 0 um 10 um 20 prn a Ort ber der Probe b Ort ber der Probe Bild 8 3 Strommessung an einer b 500 nm breiten Leiterbahnstruktur mit Leitungsumschaltung mittlere gt rechte gt linke Leiterbahn a Amplitudenverteilung b Phasenverteilung 109 8 2 Ortsauflosung Bei den Messergebnissen die in Bild 8 4 dargestellt sind handelt es sich um eine Strommessung an der b 100 nm bre
164. wie dem Takts gnal kann auf Grund des Tiefpassverhaltens der Messsonde auf jeden Fall die erste Oberwelle gemessen werden Jedoch st bei komplexen Bitfolgen augenblicklich noch keine Aussage ber die Qualit t der zu erwartenden Messergebnisse zu treffen o Detaillierte Untersuchung des bersprechens an mehreren geschalteten Leiter bahnen Eine genauere Betrachtung des bereits erw hnten bersprechens und der dadurch geringen Ortsaufl sung bei dicht nebeneinander flie enden Str men sollte erfolgen Hierbei k nnte eine Modifikation der Messsonde wie in Kap 7 beschrieben eine deutliche Verbesserung bringen 129 10 Ausblick O Minimierung der effektiven Rasterhohe Die effektive Rasterhohe ist entscheidend f r eine Verbesserung der Messergebnisse Sowohl die Ortsaufl sung als auch die Stromnachweisgrenze w rden von einer Minimierung deutlich profitieren Erreicht werden kann diese Minimierung neben einem Neudesign der Messsonde durch sehr geringe Rasterh hen Hierf r sind ein extrem stabiler Messaufbau und sehr gute thermische Rahmenbedingungen erforderlich Eine weitere M glichkeit dichter an die Probenoberfl che zu gelangen ohne einen Topografieeinfluss zu messen ist die Eliminierung des auf jeder Oberfl che befindlichen Wasserfilms H erf r m sste der Messaufbau 1m Vakuum betrieben werden was wegen der schlechten Erreichbarkeit der Probe und dem hohen technischen Aufwand wenig w nschenswert ist Als A
165. wird auf den Hebelarm gerichtet der mit einer Reflexschicht beschichtet st und von dort aus reflektiert Die beiden Teilstrahlen werden in einem Punkt zur Interferenz gebracht wobei es zu Ausloschungen bzw zur Verst rkung des resultierenden Laserlichtes kommt Dessen Intensit t ist proportional der Hebelarmauslenkung und kann mit einem Fotodetektor gemessen werden Es besteht die M glichkeit ein solches Interferometer durch Glasfasern mit geeigneten Kopplern aufzubauen und somit die Positionierung auf dem Hebelarm zu realisieren Bild 2 19 zeigt den schematischen Aufbau eines Interferometers Bludau 1998 31 2 4 Apparative Grundlagen eines Magnetkraftmikroskops Spiegel N Fotodetektor K l Reflexionsbeschichtung Trennplatte Lichtquelle Q Hebelarm Bild 2 19 Beispiel eines Interferometers Aufbau eines Michelson Zweistrahlinterferometers 6 Mit diesem Aufbau lassen sich Hebelarmauslenkungen von Ah 20 nm messen Brockhaus1996 Durch einige Modifikationen Bludau 1998 auf die nicht n her eingegangen wird k nnen erheblich kleinere Wegl ngen gemessen werden Das zur Zeit empfindlichste interferometrische Prinzip stellt das Fabry Perot Interferometer dar bei dem die einzelnen Strahlen mehrfach interferieren und so die Detektion einer Hebelarmauslenkung m subatomaren Bereich m glich wird Bludau 1998 Die Anwendung der Laserinterferometrie stellt sehr hohe Anspr che an die

Entwicklung einer kontaktlosen

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