DE102015016021A1 - Method and device for the determination of static electric and / or static magnetic fields and the topology of components by means of a sensor technology based on quantum effects - Google Patents

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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.The invention relates to a method and an arrangement for detecting small static electrical (up to 200 V / cm / √Hz) and / or magnetic fields (up to 1 nT / √Hz) with high lateral resolution by means of very small expansion quantum sensors. By means of periodic movement of the sample, possible background fields are separated from the signal to be measured. In a further embodiment, various sensors are combined to increase the signal strength. The quantum sensors have the longest possible coherence time in order to ensure optimum signal strength. This long coherence time is found by way of example at NV centers in Diamant. By applying a filter function, a lock-in is achieved with the vibrated sample. The signal strength can be further enhanced by a μ-lens or by photonic crystals. The lateral resolution can be further increased by addressing individual quantum sensors (eg by changing the charge state). The quantum mechanical elements can also be arranged so that a simultaneous reading several elements to increase the read speed is possible.

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.The invention relates to a method and an arrangement for determining static electrical and / or static magnetic fields and the topology of components by means of a sensor technology based on quantum effects with high lateral resolution and low background noise.

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.The determination of such parameters is in all areas in which constant EM fields occur, but especially in the analysis of integrated and highly integrated circuits. Thus it is determined whether the function of a component or its supply is faulty or shows a wrong time behavior. The measurements are made without contact, without the circuit having to be changed or manipulated. This is particularly advantageous in the quality assurance of sensitive components. For this purpose, the static electrical and / or static magnetic field (EM field) generated by components or a sample is detected at high lateral resolution and with extremely high precision at room temperature. The possibility of simultaneous determination of magnetic fields in areas increases the read-out speed.

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.Various methods for determining such parameters are known. The investigation of the components is currently done via infrared or the opening of the components z. B. by FIB technology. Both methods are not very suitable for highly integrated circuits in routine operation: Infrared has a large wavelength and the faulty range can therefore be limited only to μm 2 . The opening of the components is very time-consuming and changes their properties. Therefore, these methods often give only weak indications of the error. In contrast, the use of magnetic methods such as MFM (Magnetic Force Microscopy), ie an AFM (Atomic Force Microscope) with magnetic sensor, is more advantageous. These methods allow an examination without the component being changed or opened. However, these procedures are too slow for routine operation. In addition, the MFM has its own magnetic field that can interfere with the system.

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.Furthermore, it is known to carry out the investigation by means of Hall probes or SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Device): Hall probes can not be produced with the desired precision and sensitivity. SQUIDs have these properties, but work only at very low temperatures and thus are also not easily applicable for this purpose. Finally, using quantum mechanical properties of individual color centers in diamond, the so-called nitrogen vacancy (NV) centers, novel sensors have been developed that function even at room temperature. These are based on the ability to manipulate the spin of the electron targeted. Here it is possible to achieve a superposition state of both spins of an electron. However, this superposition state is very sensitive to magnetic fields in particular and serves as a sensor. In particular, it has been shown that the use of such sensors is well suited for the investigation of alternating magnetic fields. In this case, the spin of the electron with the same frequency is moved by 180 ° and thus selectively filtered out a certain frequency. Since this method is based on quantum mechanical properties, sensitivities of nT / √Hz at room temperature can be achieved. The measurements of alternating fields can be found in WO 2009073736 A1 (Spin Based Magnetometer) for the investigation of constant magnetic fields. The method allows only for AC fields a magnetic resolution of some 10 nT / √Hz. Static fields can only be determined with some 100 nT / √Hz. The previously known method applied to ESR or Ramsey interferometry shows a resolution two orders of magnitude lower.

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.The object is to develop a method and an arrangement capable of determining EM fields with extremely high sensitivity (up to 200 Vcm / √Hz or 1 nT / √Hz) and lateral resolution (nm) and to be able to read the largest possible areas in a short time. The aim is to detect and evaluate defective components in integrated circuits, to detect flux lines or magnetic domains and their distribution on the surfaces of superconductive or magnetic materials, and to determine the magnetic moment of individual magnetic ions or lattice defects.

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.According to the invention the object is achieved by the method shown in claim 1 and the arrangement shown in claim 9. In further claims, the method and the arrangement are advantageously designed.

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.The main innovation over the known methods is to use the method used for the alternating fields for static fields and thus to significantly increase the resolution. The method is based on vibrating the sample or its magnetic field and thus to generate an alternating field from the static field. By changing the oscillation frequency, the quantum sensor can also be tuned to this oscillation frequency. By the modulation of the oscillation frequency or Phase shift is an optimal decoupling of interference fields (eg geomagnetic field) given. It can be used to determine fields in the range of a few nT. The NV center has a lateral extent of less than one nanometer. As a result, an extremely high lateral resolution is possible. The natural or synthetically generated NV center is manipulated and read out by means of a light-emitting assembly such as a laser. It is possible to record several centers at the same time. Furthermore, a compensation coil can be mounted to achieve an optimum operating point for the sensor or sensor assembly. The compensation coil allows the sensor to work within an optimal working range.

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.The advantages of the method over previous methods consist in the high sensitivity, time response and the low lateral resolution. Thus, the scanning of the surface topology by means of a non-magnetic tip, which is necessary in MFM processes, is eliminated. Also, the sample is not affected by the magnetic field of the MFM tip. Compared to the prior art, the invention also allows to determine static fields or fields with very low frequency. This is not possible with the previous method or only with an order of magnitude reduced resolution. Furthermore, interference fields can be actively suppressed. In order to achieve a high resolution, it is therefore not necessary to completely shield the environment. The method can be carried out as a parallel measurement technique. This makes it possible to perform many measurements in a short time. The measurement is done by placing NV centers in the diamond. Furthermore, the NV centers can be electrically switched by changing the charge state of the NV centers by suitable structures. This allows to further increase the lateral resolution. It is also possible to use coupled NV centers. The coherence of these couplings is much more sensitive to interference and can improve sensitivity. The NV centers have four different directions in diamond. By an advantageous arrangement of NV centers in different directions, the direction of the fields can be determined in addition to the high resolution. This gives a vectorial magnetic field distribution. This is not possible with previous methods. Another advantage is that quantum sensors - such as atomic clocks - are based on elementary constants and do not need to be calibrated. This allows to use the sensors in different environments.

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.In the following, the invention is carried out in two embodiments, without restricting it. The two pictures show in 1 the Bloch ball to clarify the measurement and in 2 a schematic representation of the arrangement for performing the method by means of an atomic force microscope.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 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
    Figure DE102015016021A1_0002
  • 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.
The 1 clarifies the measurement method using the Bloch ball. Is pictured:
  • a) The spin is aligned Ψ = | 0>,
  • b) an overlap is achieved by means of a π / s pulse
    Figure DE102015016021A1_0002
  • c), d) A π pulse after each change of direction of the moving object accumulates the phase θ = c∫B (t) dt, which is disturbed by the magnetic field, but noise fields are attenuated.
  • e) At the end, there is a π / 2 pulse and the reading of the spin. The phase change increases the probability of finding the state | 1> with a corresponding reduction in fluorescence.

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

Figure DE102015016021A1_0003
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-XIn principle, a quantum sensor can be read out and masked with different methods. Here the currently most common method is represented by an XY8 sequence. However, other methods such as simple cock echo are possible. In the first step, the NV centers are aligned by means of a laser pulse Ψ = | 0> and by means of a π / 2 pulse in
Figure DE102015016021A1_0003
transferred. The phase is given by θ = c∫B (t) dt. An XY8 - K sequence with a defined τ leads to a masking and defines a filter function. Fluctuations are suppressed with the exception of the magnetic fields with a frequency of ω = π / τ.
X-Y-τ-τ-x-τ-τ-Y-Y-τ-x-τ-τ-Y-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.Here, X corresponds to a π-pulse in the x direction and Y to a π-pulse in the Y direction. With every π-pulse, the disturbance by means of microwave radiation is so great that the state completely and clearly reverses. At the The end is a π / 2 pulse and the fluorescence is determined by means of a laser excitation. The NV center is now in the Ψ = | 0> state. The fluorescence is about 30% higher than when it is found in Ψ = | 1>. A field with the frequency ω thus leads to a lower fluorescence yield.

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:

Figure DE102015016021A1_0004
mit der durch das Magnetfeld beschriebenen bekannten Störungsfunktion S:
Figure DE102015016021A1_0005
B(t) ist bestimmt durch das mittels Schwingung variierende Magnetfeld und ergibt durch
Figure DE102015016021A1_0006
dabei entspricht r0 dem mittleren Abstand zwischen dem das Magnetfeld erzeugenden Objekt (hier als Dipol approximiert) und dem NV-Zentrum.The measurement of the field is made by repeating the experiment several times for different τ. The measurements of the fluorescence of the NV center (readout) then give the known relationship:
Figure DE102015016021A1_0004
with the known disturbance function S described by the magnetic field:
Figure DE102015016021A1_0005
B (t) is determined by the oscillating magnetic field and results in
Figure DE102015016021A1_0006
where r 0 corresponds to the average distance between the object generating the magnetic field (approximated here as a dipole) and the NV center.

So wie die bekannte Filterfunktion F durch die XY8 – K:

Figure DE102015016021A1_0007
Like the well-known filter function F through the XY8 - K:
Figure DE102015016021A1_0007

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.The direction of the spin is always reversed after a change of motion, whereby the disturbance accumulates through the static field to be determined. This is reflected in the change in phase and thus in the fluorescence yield of the NV center. The length of the π-pulses (X, Y) should be as short as possible compared to τ. This can be controlled by the intensity of the microwave to a certain extent.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 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.The 2 shows an arrangement for carrying out the method by using one or more parallel working cantilevers 1 an atomic force microscope (AFM) with a positioning unit 2 , Here's the tip 3 The AFM is made of diamond and provided with one or more NV centers. The NV centers are powered by a lens 4 with high numerical aperture with a laser beam 5 stimulated and the florescence 6 of the NV center also caught and detected with the same lens. The laser operates at a wavelength of <635 nm. In addition, the quantum states are changed by means of a microwave. The microwave is determined by means of a near the sample or wafer (hereinafter sample only) 7 attached wire 8th connected to the NV Center. The wire 8th is a microwave feed to manipulate the spin state of the NV center. The sample 7 is by means of a positioning device 9 adjusted and with one under the sample 7 located fast quartz crystal 10 set in motion to generate a magnetic alternating field from a static magnetic field. This movement is in fixed frequency relation to the irradiated microwave pulses to ensure quantum lock-in. This minimizes external fields or noise. In a further embodiment, the alternating field is generated by applying an alternating voltage or alternating current instead of a movement of the sample. This method is particularly advantageous for quality control and troubleshooting of circuits.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2009073736 A1 [0004] WO 2009073736 A1 [0004]

Claims (10)

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.Method for the determination of static electrical and / or static magnetic fields and the topology of components by means of a sensor technology based on quantum effects, characterized in that by means of a coherent state quantum mechanically switchable element, in particular a quartz crystal, this by electrical control, in particular periodic Control, the sample to be examined in motion and / or oscillations. 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.A method according to claim 1, characterized in that the quantum mechanically switchable elements is formed from a spin, which is polarized by means of a laser in a static magnetic field and brought by microwaves in a superimposed state. 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.A method according to claim 1 and 2, characterized in that is used as a filter function, an XY-K, Uhlig or CMK scheme with k> 0, wherein XY denotes a complete reversal of the state by irradiation of the disorder in the X or Y direction. 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.The method of claim 1, 2 and 3 with a sensor based on at least two quantum mechanically switchable elements each having at least two quantum mechanically defined states, wherein a targeted manipulated quantum mechanical superposition of these states over a period of at least 1 microseconds is achieved. 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.The method of claim 1 to 4, characterized in that the quantum mechanical element is formed from a nitrogen vacancy (NV) center in the diamond and the NV center with a negative state of charge has a coherence time of at least 30 microseconds. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung des Ladungszustandes des quantenmechanisch schaltbaren Elements herbeigeführt wird.A method according to claim 5, characterized in that a change in the state of charge of the quantum mechanically switchable element is brought about. 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.A method according to claim 1 to 6, characterized in that the quantum mechanical elements arranged regularly and / or introduced into a photonic structure or μ-lens. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die regelmäßig angeordneten quantenmechanischen Elemente gleichzeitig ausgelesen werden.A method according to claim 1 to 7, characterized in that the regularly arranged quantum mechanical elements are read out simultaneously. 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.Arrangement for the determination of static electric and / or static magnetic fields and the topology of components by means of a quantum effect-based sensor technology using a known atomic force microscope, characterized in that the sample ( 7 ) on a positioning device ( 9 ) with a quartz crystal ( 10 ) is arranged and the quantum mechanical elements are arranged at a distance of at least 500 nm. 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.Arrangement according to claim 9, characterized in that the periodic movement of the static electric or static magnetic field generating object is generated by a material that allows oscillation with a frequency greater than 1 MHz.
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