DE2137619A1

DE2137619A1 - Verfahren zum pruefen des elektrischen durchganges

Info

Publication number: DE2137619A1
Application number: DE2137619A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl Phys Bohlen; Helmut Dipl Phys Dr Engelke; Juergen Landrock
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1971-07-28
Filing date: 1971-07-28
Publication date: 1973-02-08
Also published as: JPS4823385A; US3764898A; JPS579218B1

Description

Böblingen, den 7. Mai 1971 bm-sz

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket GE 9 71 018

Verfahren zum Prüfen des elektrischen Durchganges

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontaktlosen Prüfen des elektrischen Durchganges in einem Leiterzug mit Hilfe von Elek- ' tronenstrahlen.

Im Zuge der Miniaturisierung elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente, werden auch die zugeordneten Verdrahtungselemente immer kleiner. Ihre Prüfung bereitet daher in zunehmendem Maße Schwierigkeiten. So können durch die Einführung von Vielschichttechnxken optische Tests zur Prüfung der Leiterzüge auf elektrischen Durchgang nicht mehr durchgeführt werden. Andererseits werden durch die hohe Dichte der nebeneinander liegenden Leiterenden auch die elektrischen Testverfahren, die mit der konventionellen Kontaktierung der Leiterenden arbeiten, erheblich erschwert.

Es ist bekannt, diese Schwierigkeiten durch die Verwendung von Elektronenstrahlen zu umgehen. Elektronenstrahlen erscheinen deshalb für Prüfverfahren im Mikrobereich besonders aussichts-

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reich, weil sie sehr fein fokussiert und positioniert werden können und weil sie auf einen bestrahlten Leiterzug elektrisch einwirken. Die bekannten Verfahren beruhen auf dem folgenden Grundgedanken: Der zu prüfende Leiterzug wird an einem Ende mit einem Elektronenstrahl aufgeladen. Durch den im Leiterzug erfolgenden Ladungsausgleich ändert sich dabei auch das Potential des gegenüberliegenden Leiterendes. Mit einem zweiten Elektronenstrahl wird daher das Potential an diesem Leiterende abgefragt. Hierzu kann man einen Strahl sehr langsamer Elektronen verwenden, der vor dem Leiterende abgebremst und reflektiert wird. Eine andere Möglichkeit ist die Benutzung eines hochenergetischen Abfragestrahls. Die von diesem Strahl erzeugten Sekundärelektronen werden nach ihrer kinetischen Energie analysiert und geben so Aufschluß über das Potential des Leiterendes.

Die genannten Verfahren haben den gemeinsamen Nachteil, daß die Unterscheidung zwischen Durchgang und Unterbrechung bei sehr

9 10 hohen Widerstandswerten im Bereich von etwa 10 bis 10 Ω liegt.

Dies rührt daher, daß die Kapazitäten der Leiterzüge sehr klein sind. Der Transport der winzigen Ladungsmengen vom einen Ende des Leiterzuges zum anderen hin kann deshalb während der Potentialmessung auch über den hohen Widerstand einer Unterbrechung erfolgen. Schlechte Isolationswiderstände können darüber hinaus das Testergebnis verfälschen. Außerdem muß die Prüfung während eines Zeitabschnittes erfolgen, der nur wenige Mikrosekundan umfaßt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum kontaktlosen Prüfen des elektrischen Durchgangs in einem Leiterzug mit Hilfe von Elektronenstrahlen anzugeben, dessen Unterscheidungsgrenze zwischen Durchgang und Unterbrechung bei wesentlich niedrigeren Widerstandswerten liegt als bei dem bekannten Verfahren, das erheblich genauer arbeitet als diese und mit dem durch die Herstellung stationärer Zustände beliebig lange Prüfzeiten, möglich sind. Diese Aufgabe wird bei dem genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein

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Ende des Leiterzuges mit Elektronenstrahlen beschossen und durch gesteuerte Sekundärelektronenemission auf ein vorgegebenes Potential gebracht wird, derart, daß zwischen den beiden Enden des Leiterzuges eine Potentialdifferenz auftritt, die einen feststellbaren Stromfluß durch den Leiterzug bewirkt. Vorzugsweise wird die gesteuerte Sekundärelektronenemission eines Leiterendes durch einen in der Nähe dieses Leiterendes befindlichen, auf ein bestimmtes Potential gebrachten Kollektor bewirkt. Dabei kann jedem der Enden eines Leiterzuges ein Kollektor zugeordnet und zwischen die Kollektoren eine Spannung gelegt werden. Vorteilhaft wird der Stromfluß durch den Leiterzug über den von ihm abhängigen Strom in der Zuleitung zu einem der Kollektoren festgestellt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Vorrichtung zur Durchführung

des Verfahrens nach der Erfindung,

Fign. 2a u. 2b Diagramme über die Stärke der Sekundäremission

in Abhängigkeit von der Energie der Primärelektronen und vom Potential des Leiterendes und .

Fig. 3 eine Lochmaske für das Prüfen einer größeren

Anzahl von Leiterzügen auf einem Träger für mehrere Halbleiterplättchen.

In Fig. 1 ist ein Leiter 1 in einen Träger 2 aus Isoliermaterial eingebettet. Die beiden Leiterenden treten auf der oberen Seite des Trägers 2 an dessen Oberfläche. Der elektrische Durchgang des Leiters 1 soll nun geprüft werden. Hierzu wird parallel zur oberen Fläche des Trägers 2 in geringem Abstand von dieser eine Lochmaske 3 angeordnet. Diese weist nur oberhalb der Leitungsenden öffnungen 4 und 5 auf, durch die die Leiterenden in Rich-

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tung der Pfeile mit Elektronenstrahlen beschossen werden können. Die Lochmaske 3 selbst ist aus drei übereinanderliegenden Schichten aufgebaut. Eine obere Metallschicht 6 ist durch eine Isolierschicht 7 von einer unteren Metallschicht 8 getrennt. Die Metallschicht 8 wiederum ist in zwei voneinander isolierte Segmente 9 und 10 unterteilt, die infolge ihrer Wirkungsweise auch als Kollektoren bezeichnet werden. Die Kollektoren sind jeweils mit einem elektrischen Anschluß versehen, so daß sie über Klemmen 11 bzw. 12 auf ein bestimmtes Potential gebracht werden können. Die Kollektoren dienen zum Einfangen der aus dem jeweils gegenüberliegenden Leiterende austretenden Sekundärelektronen. Die obere Metallschicht 6 dient zur Abschirmung gegen Primärelektronen. Sie wird außerdem in nicht dargestellter Weise auf eine negative Vorspannung von etwa 100 V gegenüber den Kollektoren 9 und 10 gebracht und verbessert dadurch das Einfangen der Sekundärelektronen durch die Kollektoren,

Um den Leiter 1 zu prüfen, wird zwischen die Kollektoren 9 und 10 eine kleine Gleichspannung gelegt. Dann werden zwei in der Nähe maximaler Sekundäremission arbeitende Elektronenstrahlen durch die Öffnungen 4 und 5 der Lochmaske 3 auf die Leiterenden gelenkt.

Die Fig. 2a zeigt den Verlauf der Sekundärelektronenausbeute δ als Funktion der Energie E der Primärstrahlen. Die Ausbeutet ist definiert als Verhältnis des Stromes I der emittierten Sekundärelektronen zum Strom I der Primärelektronen; die Primärenergie E ist gleich der Differenz zwischen dem Potential V des bestrahlten Leiterendes und dem Kathodenpotential V, , multi-

Jc

pliziert mit der Elektronenladung e:
δ E iiL- ; E_pr E e (V-V_k) .

Liegt das Leiterende auf freiem Potential und ist E > E , .

pr crl'

so lädt es sich unter der Wirkung des Elektronenstrahls auf den

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stabilen Gleichgewichtswert V „ auf. Für diesen ist die Ausbeute 6=1. Die zugehörige Primärenergie E ₂ heißt wie E crossover-Energie. Der Wert von E ' hängt vom Material des beschos-

C IC £

senen Leiterendes ab und schwankt je nach Oberflächenbeschaffenheit um einen Mittelwert.

Auf etwas andere Weise kann das Potential des Leiterendes stabilisiert werden, wenn sich in der Nähe ein Kollektor befindet (sog. Kollektor-Stabilisierung). Voraussetzung hierfür ist, daß im Gebiet hoher Ausbeute (δ > 1) gearbeitet wird. Fi,g. 2b zeigt

(c)
die Abhängigkeit der Ausbeute δ vom Leiterendenpotential bei Anwesenheit eines Kollektors. Der Kollektor besitzt das Poten-

(c) tial V . Er bewirkt, daß sich im Gleichgewichtszustand (δ =1)

das Potential des Leiterendes auf den Wert V einstellt, der einige Volt über dem Kollektorpotential liegt. Dies wird durch den steilen Abfall der Ausbeutekurve bewirkt, welcher daher rührt, daß langsame Sekundärelektronen im Feld zwischen Leiterende und Kollektor abgebremst werden, auf das Leiterende zurück-

(c)
fallen und daher nicht zum Strom I beitragen. Eine Verschie-

bung des Kollektorpotentials V hat daher eine ebensolche Ver-

"G

Schiebung des Leiterendenpotentials V zur Folge.

Der Kollektor ist in zweifacher Hinsicht vorteilhaft: Durch ihn wird das sich einstellende Potential V am Leiterende unabhän-

eq

gig von dessen Oberflächenbeschaffenheit und außerdem wird die von der Steilheit der Ausbeutekurve im Gleichgewichtspunkt abhängige Unterscheidungsgrenze zwischen Durchgang und Unterbrechung des Leiters erheblich herabgesetzt.

Bei der Prüfung des Leiters 1 wird zwischen die Kollektoren 9 und 10 eine Spannung gelegt. Die Elektronenstrahlen versuchen die Leiterenden auf verschiedene Gleichgewichtspotentiale jeweils etwas oberhalb der Kollektorpotentiale aufzuladen. Ist der Leiter unterbrochen, so stellt sich der Gleichgewichtszustand an jedem Leiterende unabhängig ein. Bei durchgehendem Leiter wird dagegen ein gemeinsamer.Gleichgewichtszustand er-

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reicht, welcher sich durch einen durch den Leiter fließenden stationären Strom auszeichnet. Die Potentiale der Leiterenden gleichen sich bei der Einstellung des Gleichgewichtes so lange einander an, bis ihre Differenz dem Spannungsabfall im Leiterzug entspricht. Die Ströme in den Zuleitungen zu den Kollektoren werden durch den Leiterstrom beeinflußt und können daher zu dessen Nachweis verwendet werden.

Die Stärke des Stromes durch den Leiterzug hängt von dessen Widerstand R ab. Solange dieser klein gegenüber einem charakteristischen Wert R ist, nimmt der Strom einen vom Widerstand unabhängigen Wert an. Er fällt jedoch für R=R auf den halben " Wert ab und verschwindet, wenn R groß gegenüber R wird.

Im stationären Gleichgewicht eines Leiterzuges während der Bestrahlung mit zwei Elektronenstrahlen, die gleiche Primärenergien (E , = E _) und gleiche Strahlströme (I , = I „ = I ) ? prl pr2 ^ prl pr2 pr

besitzen, ergibt sich für den Wert R die folgende Beziehung:

R=V (-i— + -i—) = ^
Olli

prl pr2 pr

V ist die mittlere Energie der langsamen Sekundärelektronen und beträgt etwa 5 V. Für Primärströme von 1 mA erhält man für R_ einen charakteristischen Wert von 10 kfl. Dieser Wert kann f etwa als Unterscheidungsgrenze zwischen Durchgang und Unterbrechung angesehen werden.

Um ein Prüfungsergebnis zu erhalten, muß der durch den Leiterzug fließende Strom erfaßt werden. Da dieser jedoch nicht direkt gemessen werden kann, wird einer der beiden Kollektorströme zum Nachweis des Stromes im Leiterzug verwendet. Für ein Leiterende gilt die folgende Strombilanz:

I - I +1-1=0
pr r c

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Hierin bedeuten: I den Primärstrom des auf das Leiterende ge-

pr

richteten Elektronenstrahles, I den Strom der vom Leiterende rückgestreuten Elektronen, I den·Strom im Leiter und I den

Strom in der Zuleitung zum dem betreffenden Leiterende zugeordneten Kollektor. Verwendet man die Beziehung I = η · I , wobei η den Zurückstreukoeffizienten darstellt, so erhält man für den Kollektorstrom den Ausdruck: I =(1-η)·Ι + I.

Ca* - XT

Eine Trennung der beiden Beiträge zum Kollektorstrom I ist möglich, wenn man beim Prüfen zwischen den beteiligten Kollektoren keine Gleichspannung, sondern eine kleine Wechselspannung geeigneter Frequenz anlegt. Dann kann der Strom I im Leiter als Wechselstromanteil des Kollektorstromes I gemessen werden.

Auch bei einer konstanten Spannung zwischen den Kollektoren kann der Strom im zu prüfenden Leiterzug festgestellt werden ._s Hierzu wird die Intensität der auf ein Leiterende gerichteten Elektronenstrahlen geändert. Damit ergibt sich auch eine Änderung des Stroms durch den Leiterzug, die wiederum als Änderung des Stromes in der Zuleitung zum dem anderen Leiterende zugeordneten Kollektor gemessen werden kann. Weiterhin ist es zur Ermittlung des Leiterstroms möglich, zwischen den Kollektoren eine Wechselspannung anzulegen und außerdem die Intensität der auf ein Leiterende gelenkten Elektronenstrahlen zu verändern, wobei wiederum der Strom zum dem anderen Leiterende zugeordneten Kollektor gemessen wird.

Das beschriebene Prüfverfahren ist auch dann anwendbar, wenn Leiterzüge vorliegen, die auf einer Seite mit einem Anschlußstift des Verdrahtungsbauelementes verbunden sind. In diesem Fall ist nur ein Elektronenstrahl für das freie Leiterende erforderlich. Durch Kollektor-Stabilisierung an diesem Leiterende und Anlegen einer kleinen Spannung zwischen den Kollektor des freien Leiterendes und den Anschlußstift wird ein Strom im Leiterzug erzeugt, der diesmal direkt gemessen werden kann.

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Die Fig. 3 zeigt teilweise im Schnitt eine Lochmaske 13, die zum Prüfen eines nicht dargestellten Verdrahtungsbauelementes dient, an das insgesamt 25 Halbleiterplättchen angeschlossen werden. Das Verdrahtungsbauelement ist gleichzeitig als Träger für die Halbleiterplättchen vorgesehen. Die rechteckigen Halbleiterplättchen besitzen an den Randstreifen Anschlußstellen, denen Leiterenden an der Oberfläche des Verdrahtungsbauelementes zugeordnet sind. Entsprechend ist auch die Lage der öffnungen 14 in der Lochmaske 13. Die Lochmaske besitzt, wie bereits an Hand von Fig. 1 beschrieben, eine durchgehende obere leitende Schicht 15, eine darunterliegende Isolierschicht 16 und eine untere Schicht 17, die die einzelnen voneinander isolierten Kollektoren 18 enthält. Jeder Kollektor kann durch einen der Anschlüsse 19 an ein bestimmtes Potential gelegt werden.

Die Verbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen eines Halbleiterplättchens werden über dieses selbst und nicht über das Verdrahtungsbauelement geführt. Aus diesem Grund muß nicht jedes Leiterende mit einem eigenen Kollektor versehen werden, sondern es kann für die mit den Anschlußstellen eines Halbleiterplättchens zu kontaktierenden Leiterenden ein gemeinsamer Kollektor verwendet werden. Es können somit Leiterzüge des Verdrahtungsbauelementes geprüft werden, die ein Halbleiterplättchen mit einem anderen Halbleiterplättchen oder mit einem herausgeführten Anschlußstift verbinden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden: Es wird ein Verfahren beschrieben, mit dem kontaktlos der elektrische Durchgang von Leiterzügen geprüft werden kann. Die Unterscheidungsgrenze zwischen Durchgang und Unterbrechung liegt im Bereich von 10 kß. .Das Verfahren verwendet eine speziell aufgebaute Lochmaske und ein oder zwei im Gebiet annähernd·maximaler Sekundäremission arbeitende Elektronenstrahlen. Durch Kollektor-Stabilisierung der Potentiale der Leiterenden wird im Leiterzug ein stationärer Strom erzeugt. Dieser kann als Wechselstromanteil in einem

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der, Kollektorströme nachgewiesen werden. Das Verfahren bietet die folgenden Vorteile: Die Oberfläche des den Leiterzug enthaltenden Bauelementes erleidet durch die Prüfung keine mechanischen oder chemischen Veränderungen. Die elektrische Kontaktierung der Leiterenden durch den Elektronenstrahl ist zuverlässig. Sie hängt nur von dessen gut beherrschbaren Parametern und seiner genauen Positionierung ab. Bei einer hohen Dichte der Leiterenden ist diese Eigenschaft von entscheidender Bedeutung. Eine Unterscheidungsgrenze von etwa 10 kfl ist ausreichend, um Unterbrechungen der Leiterzüge eindeutig zu identifizieren. Das vorgeschlagene Verfahren arbeitet wesentlich genauer als die bisher bekannten Elektronenstrahl-Verfahren zum Prüfen von Leiterzügen.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum kontaktlosen Prüfen des elektrischen Durchgangs in einem Leiterzug mit Hilfe von Elektronenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ende des Leiterzugs mit Elektronenstrahlen beschossen und durch gesteuerte Sekundärelektronenemission auf ein vorgegebenes Potential gebracht wird, derart, daß zwischen den beiden Enden des Leiterzuges eine Potentialdifferenz auftritt, die einen feststellbaren Stromfluß durch den Leiterzug bewirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Sekundärelektronenemission eines Leiterendes durch einen in der Nähe dieses Leiterendes befindlichen, auf ein bestimmtes Potential gebrachten Kollektor bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Enden eines Leiterzuges ein Kollektor zugeordnet und zwischen die Kollektoren eine Spannung gelegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß durch den Leiterzug über den von ihm abhängigen Strom in der Zuleitung zu einem der Kollektoren festgestellt wird.

It
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Kollektoren eine Wechselspannung gelegt wird und der Stromfluß durch den Leiterzug als Wechselstromanteil in der Zuleitung zu einem der Kollektoren festgestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Kollektoren eine konstante Spannung gelegt,

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die Intensität der auf ein Leiterende gelenkten Elektronenstrahlen geändert und der Strom in der Zuleitung zu dem dem anderen Leiterende zugeordneten Kollektor festgestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Kollektoren eine Wechselspannung gelegt, die Intensität der auf ein Leiterende gelenkten Elekronenstrahlen geändert und der Strom in der Zuleitung zu dem dem anderen Leiterende zugeordneten Kollektor festgestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine von den Kollektoren gebildete Lochmaske verwendet wird, die den Zutritt der Elektronenstrahlen zu den Leiterenden ermöglicht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren auf der den Leiterenden gegenüberliegenden Seite mit einer leitenden, von den Kollektoren isolierten Schicht bedeckt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht eine gegenüber den Kollektoren negative Vorspannung erhält»
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für mehrere, mit den Anschlußstellen eines Halbleiterplättchens zu kontaktierende Leiterenden ein gemeinsamer Kollektor verwendet wird.

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