DE102015016021A1

DE102015016021A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung von statischen elektrischen und/oder statischen magnetischen Feldern und der Topologie von Bauteilen mittels einer auf Quanteneffekten beruhenden Sensortechnologie

Info

Publication number: DE102015016021A1
Application number: DE102015016021.4A
Authority: DE
Inventors: Pablo David Esquinazi; Jan Meijer; Fedor Jelezko
Original assignee: Universitaet Leipzig
Current assignee: Quantum Technologies GmbH
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2017-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren und eine Anordnung zur Detektion kleiner statischer elektrischer (bis zu 200 V/cm/√Hz) und/oder magnetischer Felder (bis zu 1 nT/√Hz) mit hoher lateraler Auflösung mittels Quantensensoren von sehr kleiner Ausdehnung. Dabei werden mittels periodischer Bewegung der Probe mögliche Hintergrundfelder von dem zu messenden Signal getrennt. In weiterer Ausgestaltung werden verschiedene Sensoren zusammengefasst, um die Signalstärke zu erhöhen. Die Quantensensoren weisen dabei eine möglichst lange Kohärenzzeit auf, um eine optimale Signalstärke zu gewähren. Diese lange Kohärenzzeit wird beispielhaft bei NV-Zentren in Diamant gefunden. Durch Anwendung einer Filterfunktion wird ein „Lock-in” mit der in Schwingungen versetzte Probe erreicht. Die Signalstärke kann weiterhin durch eine μ-Linse oder durch photonische Kristalle verstärkt werden. Die laterale Auflösung lässt sich weiter durch Adressierung einzelner Quantensensoren steigern (z. B. durch Änderung des Ladungszustandes). Die quantenmechanischen Elemente lassen sich ebenfalls so anordnen, dass eine gleichzeitige Auslesung mehrere Elemente zur Erhöhung der Auslesegeschwindigkeit ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung von statischen elektrischen und/oder statischen magnetischen Feldern und der Topologie von Bauteilen mittels einer auf Quanteneffekten beruhenden Sensortechnologie mit hoher lateraler Auflösung und geringem Hintergrundrauschen.
Die Bestimmung derartiger Parameter steht in allen Bereichen, in denen konstante EM-Felder auftreten, insbesondere jedoch in der Analyse integrierter und höchst integrierter Schaltungen. So wird festgestellt, ob die Funktion eines Bauelementes oder dessen Zuführung fehlerhaft ist bzw. ein falsches Zeitverhalten zeigt. Die Messungen erfolgen berührungslos, ohne dass die Schaltung verändert oder manipuliert werden muss. Dies ist insbesondere in der Qualitätssicherung sensibler Bauelemente von Vorteil. Hierzu werden das oder die durch Bauelemente oder eine Probe erzeugten statischen elektrischen und/oder statischen magnetischen Feldes (EM-Feld) mit hoher lateraler Auflösung und extrem hoher Präzision bei Raumtemperatur erfasst. Die Möglichkeit zur gleichzeitigen Bestimmung von Magnetfeldern in Flächen erhöht die Auslesegeschwindigkeit.
Es sind verschiedene Verfahren zur Bestimmung derartiger Parameter bekannt. Die Untersuchung der Bauelemente erfolgt derzeit über Infrarotaufnahmen oder dem Öffnen der Bauelemente z. B. mittels FIB Technologie. Beide Verfahren sind für höchstintegrierte Schaltungen im Routinebetrieb wenig geeignet: Infrarot besitzt eine große Wellenlänge und der fehlerhafte Bereich kann daher nur auf μm² eingegrenzt werden. Das Öffnen der Bauelemente ist sehr zeitintensiv und verändert deren Eigenschaften. Diese Verfahren geben daher oftmals nur schwache Hinweise auf den Fehler. Demgegenüber vorteilhafter ist der Einsatz von magnetischen Verfahren wie MFM (Magnetic Force Mikroskopie), also eine AFM (Atomic Force Mikroscope) mit Magnetsensor. Diese Verfahren erlauben eine Untersuchung, ohne dass das Bauelement verändert oder geöffnet wird. Für den Routinebetrieb sind diese Verfahren jedoch zu langsam. Zudem besitzt das MFM ein eigenes Magnetfeld, das mit dem System interferieren kann.
Weiterhin ist bekannt, die Untersuchung mittels Hallsonden oder SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Device) durchzuführen: Hallsonden lassen sich nicht mit der gewünschten Präzision und Empfindlichkeit herstellen. SQUIDs besitzen diese Eigenschaften, arbeiten jedoch nur bei sehr tiefen Temperaturen und sind somit ebenfalls nicht für diesen Zweck leicht anwendbar. Schließlich wurden unter Nutzung quantenmechanischer Eigenschaften von einzelnen Farbzentren in Diamant, die sogenannten Stickstoff-Fehlstellen(NV)-Zentren, neuartige Sensoren entwickelt, die selbst bei Raumtemperatur funktionieren. Diese basieren auf der Möglichkeit, den Spin des Elektrons gezielt zu manipulieren. Hierbei ist es möglich, einen Überlagerungszustand von beiden Spins eines Elektrons zu erreichen. Dieser Überlagerungszustand reagiert jedoch sehr empfindlich auf insbesondere Magnetfelder und dient als Sensor. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass die Verwendung derartiger Sensoren für die Untersuchung von magnetischen Wechselfeldern gut geeignet ist. Hierbei wird der Spin des Elektrons mit der gleichen Frequenz um 180° bewegt und so eine bestimmte Frequenz gezielt ausgefiltert. Da diese Methode auf quantenmechanischen Eigenschaften beruht, können Empfindlichkeiten von nT/√Hz bei Raumtemperatur erreicht werden. Die Messungen von Wechselfeldern finden sich in WO 2009073736 A1 (Spin Based Magnetometer) zur Untersuchung von konstanten Magnetfeldern. Das Verfahren erlaubt nur für Wechselfelder eine magnetische Auflösung von einigen 10 nT/√Hz. Statische Felder können nur mit einigen 100 nT/√Hz bestimmt werden. Das bisher bekannte auf ESR oder Ramsey Interferometrie angewandte Verfahren zeigt eine um zwei Größenordnungen geringere Auflösung.
Die Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, das in der Lage ist, EM-Felder mit extrem hoher Empfindlichkeit (bis zu 200 Vcm/√Hz oder 1 nT/√Hz) und lateraler Auflösung (nm) zu bestimmen und um möglichst große Flächen in kurzer Zeit auslesen zu können. Ziel ist es, fehlerhafte Bauelemente in integrierten Schaltkreisen zu erkennen und zu bewerten, Flusslinien bzw. magnetische Domänen und ihre Verteilung auf den Oberflächen von supraleitenden bzw. magnetischen Materialien zu erkennen und zu bestimmen, das magnetische Moment von einzelnen magnetischen Ionen oder Gitterdefekten zu bestimmen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das im Anspruch 1 dargestellte Verfahren und die in Anspruch 9 dargestellte Anordnung gelöst. In weiteren Ansprüchen werden das Verfahren und die Anordnung vorteilhaft ausgestaltet.
Die wesentliche Neuerung gegenüber den bekannten Verfahren ist es, das für die Wechselfelder benutzte Verfahren auch für statische Felder zu nutzen und so die Auflösung wesentlich zu steigern. Das Verfahren beruht darauf, die Probe oder deren Magnetfeld in Schwingungen zu versetzen und so aus dem statischen Feld ein Wechselfeld zu erzeugen. Mittels Veränderung der Schwingungsfrequenz kann zudem der Quantensensor auf diese Schwingfrequenz abgestimmt werden. Durch die Modulation der Schwingfrequenz oder Phasenverschiebung ist eine optimale Abkoppelung von Störfeldern (z. B. Erdmagnetfeld) gegeben. Es lassen sich hiermit Felder im Bereich weniger nT bestimmen. Das NV-Zentrum besitzt eine laterale Ausdehnung von weniger als einem Nanometer. Hierdurch ist eine extrem hohe laterale Auflösung möglich. Manipuliert und ausgelesen wird das natürliche oder synthetisch erzeugte NV-Zentrum mittels einer lichtaussendenden Baugruppe wie Laser. Dabei ist es möglich, mehrere Zentren gleichzeitig zu erfassen. Des Weiteren kann eine Kompensationsspule angebracht werden, um einen optimalen Arbeitspunkt für den Sensor oder die Sensoranordnung zu erreichen. Die Kompensationsspule ermöglicht es den Sensor in einem optimalen Arbeitsbereich zu arbeiten.
Die Vorteile des Verfahrens gegenüber bisherigen Methoden bestehen in der hohen Sensibilität, Zeitverhalten und der geringen lateralen Auflösung. So entfällt das bei MFM Verfahren notwendige Abtasten der Oberflächentopologie mittels einer nicht magnetischen Spitze. Ebenfalls wird die Probe nicht durch das Magnetfeld der MFM Spitze beeinflusst. Gegenüber dem Stand der Technik erlaubt die Erfindung auch statische Felder bzw. Felder mit sehr kleiner Frequenz zu bestimmen. Dies ist mit der bisherigen Methode nicht oder nur mit einer um eine Größenordnung reduzierten Auflösung möglich. Des Weiteren können Störfelder aktiv unterdrückt werden. Um eine hohe Auflösung zu erreichen, ist es somit nicht notwendig, die Umgebung vollständig abzuschirmen. Das Verfahren kann als parallele Messtechnik ausgeführt werden. Hierdurch wird es möglich, viele Messungen in kurzer Zeit durchzuführen. Die Messung wird hierbei durch Anordnung von NV-Zentren im Diamanten angebracht. Des Weiteren können die NV-Zentren elektrisch geschaltet werden, indem der Ladungszustand der NV-Zentren durch geeignete Strukturen verändert wird. Dies erlaubt es, die laterale Auflösung weiter zu steigern. Ebenfalls ist es möglich, gekoppelte NV-Zentren zu nutzen. Die Kohärenz dieser Kopplungen reagiert weitaus empfindlicher auf Störungen und kann die Empfindlichkeit verbessern. Die NV-Zentren besitzen im Diamant vier verschiedene Richtungen. Durch eine vorteilhafte Anordnung von NV-Zentren in verschiedene Richtungen kann so neben der hohen Auflösung auch die Richtung der Felder bestimmt werden. Man erhält so eine vektorielle Magnetfeldverteilung. Dies ist mit bisherigen Methoden nicht möglich. Ein weitere Vorteil besteht darin, dass Quantensensoren – wie Atomuhren – auf elementare Konstanten beruhen und nicht kalibriert werden müssen. Dies erlaubt es, die Sensoren in unterschiedlichen Umgebungen zu nutzen.
Im Folgenden wird die Erfindung in zwei Ausführungsbeispiel ausgeführt, ohne sie dabei einzuschränken. Die beiden Abbildungen zeigen in 1 die Bloch-Kugel zur Verdeutlichung der Messung und in 2 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens mittels eines Rasterkraftmikroskops.
Ausführungsbeispiel 1
Die 1 verdeutlicht das Messverfahren an Hand der Bloch-Kugel. Dargestellt wird:

a) Der Spin wird ausgerichtet Ψ = |0 >,
b) mit Hilfe eines π/s Pulses wird eine Überlagerung erreicht
c), d) Durch ein π Puls nach jedem Richtungswechsel des sich bewegenden Objektes wird die durch das Magnetfeld gestörte Phase θ = c∫B(t)dt akkumuliert, Störungsfelder werden hingegen gedämpft.
e) Am Ende erfolgt ein π/2 Puls und das Auslesen des Spins. Die Phasenänderung erhöht die Wahrscheinlichkeit den Zustand |1 > vorzufinden mit einer entsprechenden Reduzierung der Fluoreszenz.

Prinzipiell kann ein Quantensensor mit verschiedenen Methoden ausgelesen und maskiert werden. Hier wird die derzeit gebräuchlichste Methode mittels einer XY8 Sequenz dargestellt. Möglich sind jedoch auch andere Verfahren wie einfaches Hahn-Echo. Im ersten Schritt werden die NV-Zentren mittels eines Laserpulses Ψ = |0 > ausgerichtet und mittels eines π/2 Pulses in
überführt. Dabei ist die Phase durch θ = c∫B(t)dt gegeben. Ein XY8 – K Sequenz mit einer definierten τ führt nun zu einer Maskierung und definiert eine Filterfunktion. Fluktuationen werden unterdrückt mit Ausnahme der Magnetfelder mit einer Frequenz von ω = π / τ.
X-τ-Y-τ-X-τ-Y-τ-Y-τ-X-τ-Y-τ-X
Hierbei entspricht X einem π-Puls in x Richtung und Y einem π-Puls in Y Richtung. Bei jedem π-Puls ist die Störung mittels Mikrowellenstrahlung so groß, dass sich der Zustand vollständig und definiert umkehrt. Am Ende erfolgt ein π/2 Puls und die Fluoreszenz wird mittels einer Laseranregung bestimmt. Das NV-Zentrum befindet sich nun im Ψ = |0 > Zustand. Die Fluoreszenz ist etwa um 30% höher, als wenn sie im Ψ = |1 > vorgefunden wird. Ein Feld mit der Frequenz ω führt somit zu einer geringeren Fluoreszenzausbeute.
Die Messung des Feldes erfolgt, indem das Experiment mehrfach für verschiedene τ wiederholt wird. Die Messungen der Fluoreszenz des NV-Zentrums (Auslesen) ergeben dann den bekannten Zusammenhang:
mit der durch das Magnetfeld beschriebenen bekannten Störungsfunktion S:
B(t) ist bestimmt durch das mittels Schwingung variierende Magnetfeld und ergibt durch
dabei entspricht r₀ dem mittleren Abstand zwischen dem das Magnetfeld erzeugenden Objekt (hier als Dipol approximiert) und dem NV-Zentrum.
So wie die bekannte Filterfunktion F durch die XY8 – K:
Die Richtung des Spins wird immer nach einer Änderung einer Bewegung umgedreht, wodurch die Störung, durch das zu bestimmende statische Feld, akkumuliert. Dies zeigt sich in der Veränderung der Phase und somit in der Fluoreszenzausbeute des NV-Zentrums. Die Länge der π-Pulse (X, Y) sollte dabei möglichst kurz im Vergleich zu τ sein. Dies kann über die Intensität der Mikrowelle in einem gewissen Rahmen gesteuert werden.
Ausführungsbeispiel 2
Die 2 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens durch Nutzung eines oder mehrere parallel arbeitender Cantilever 1 eines Rasterkraftmikroskops (AFM) mit einer Positioniereinheit 2. Hierbei ist die Spitze 3 der AFM aus Diamant ausgebildet und mit einem oder mehrere NV-Zentren versehen. Die NV-Zentren werden durch ein Objektiv 4 mit hoher numerischer Apertur mit einem Laserstrahl 5 angeregt und die Floreszenz 6 des NV-Zentrums ebenfalls mit dem gleichen Objektiv aufgefangen und detektiert. Der Laser arbeitet mit einer Wellenlänge von < 635 nm. Zusätzlich werden die Quantenzustände mittels einer Mikrowellen verändert. Die Mikrowelle wird mittels eines in der Nähe der Probe oder Wafer (nachfolgend nur Probe) 7 angebrachten Drahtes 8 an das NV-Zentrum angekoppelt. Der Draht 8 ist eine Mikrowellenzuleitung zur Manipulation des Spinzustandes des NV-Zentrums. Die Probe 7 wird mittels einer Positioniereinrichtung 9 justiert und mit einem unter der Probe 7 befindlichen schnellen Schwingquarz 10 in Bewegung versetzt, um aus einem statischen Magnetfeld ein magnetisches Wechselfeld zu generieren. Diese Bewegung erfolgt in fester Frequenzbeziehung zu den eingestrahlten Mikrowellenpulsen, um einen Quanten-Lock-In zu gewährleisten. So werden externe Felder oder Rauschen minimiert. In einer weiteren Ausführung wird das Wechselfeld mittels Anlegen einer Wechselspannung oder Wechselstrom anstatt einer Bewegung der Probe erzeugt. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft für die Qualitätskontrolle und Fehlersuche von Schaltkreisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009073736 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Bestimmung von statischen elektrischen und/oder statischen magnetischen Feldern und der Topologie von Bauteilen mittels einer auf Quanteneffekten beruhenden Sensortechnologie, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines in einem kohärenten Zustand befindlichen quantenmechanisch schaltbaren Elementes, insbesondere einem Schwingquarz, dieses durch elektrische Ansteuerung, insbesondere periodische Ansteuerung, die zu untersuchende Probe in Bewegung und/oder Schwingungen versetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das quantenmechanisch schaltbare Elemente aus einem Spin gebildet wird, das mittels eines Lasers in einem statischen Magnetfeld polarisiert und durch Mikrowellen in einem überlagerten Zustand gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Filterfunktion ein XY-K, Uhlig oder CMK Schema genutzt wird mit k > 0, wobei XY eine vollständige Umkehrung des Zustandes durch Einstrahlung der Störung in X bzw. Y-Richtung bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 mit einem Sensor, basierend auf mindestens zwei quantenmechanisch schaltbaren Elementen mit jeweils mindestens zwei quantenmechanisch definierten Zuständen, wobei eine gezielte manipulierbare quantenmechanische Überlagerung dieser Zustände über eine Zeit von mindestens 1 μs erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das quantenmechanische Element aus einen Stickstoff-Vacancy(NV)-Zentrum im Diamant gebildet wird und das NV-Zentrum mit einem negativen Ladungszustand eine Kohärenzzeit von mindestens 30 μs aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Ladungszustandes des quantenmechanisch schaltbaren Elements herbeigeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die quantenmechanischen Elemente regelmäßig angeordnet und/oder in eine photonische Struktur oder μ-Linse eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmäßig angeordneten quantenmechanischen Elemente gleichzeitig ausgelesen werden.
Anordnung zur Bestimmung von statischen elektrischen und/oder statischen magnetischen Feldern und der Topologie von Bauteilen mittels einer auf Quanteneffekten beruhenden Sensortechnologie unter Verwendung eines an sich bekannten Rasterkraftmikroskopes, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (7) auf einer Positionierungseinrichtung (9) mit einem Schwingquarz (10) angeordnet ist und die quantenmechanischen Elemente in einem Abstand von mindestens 500 nm angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die periodische Bewegung des statischen elektrischen oder statischen magnetischen Feld erzeugenden Objekts durch ein Material erzeugt wird, das Schwingen mit einer Frequenz größer 1 MHz ermöglicht.