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Die Erfindung betrifft ein Infrarot-Mikroskop zur photonischen Chipanalyse.
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Ein solches Infrarot-Mikroskop zur photonischen Chipanalyse ist beispielsweise aus dem Fachartikel „Picosecond imaging of signal propagation in integrated circuits; Frohmann et al., Adv. Opt. Techn. 2017; 6(2): 137-142“ bekannt.
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Das dort beschriebene Infrarot-Mikroskop umfasst ein Objektiv, einen Einzel-Photonen-Detektor, eine NIR-Kamera, einen Messtisch, einen Time-to-Digital-Converter sowie mindestens eine Auswerte- und Steuereinheit. Der Einzel-Photonen-Detektor ist dabei als InGaAs SPAD (single photon avalanche diode) ausgebildet. Die NIR-Kamera ist als NIRoptimierte Silizium-CCD-Kamera ausgebildet. In der optischen Achse des Objektivs ist ein erster Strahlteiler angeordnet, der von der Probe emittiertes oder reflektiertes Licht aufteilt, wobei Licht mit einer Wellenlänge >1.000 nm über eine Linse auf den Einzel-Photonen-Detektor und Licht mit einer Wellenlänge <1.000 nm auf eine Tubus-Linse geleitet wird. Die Tubus-Linse liegt dabei in der optischen Achse des Objektivs. Über einen zweiten Strahlteiler wird dann das Licht mit einer Wellenlänge <1.000 nm auf die CCD-Kamera abgebildet. Der Time-to-Digital-Converter ist dabei mit dem Einzel-Photonen-Detektor und dem Device under Test (DUT) signaltechnisch verbunden. Dabei liefert das DUT Signale, die als Zeit-Referenz für die Signale des Einzel-Photonen-Detektors dienen können, wie beispielsweise Clock-Signale und/oder Eingangssignale für das DUT.
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Das Grundprinzip dieses Infrarot-Mikroskops ist, dass mittels der NIR-Kamera Ortsinformationen von Transistoren bzw. Logikeinheiten ermittelt werden können, wobei anschließend das Mikroskop auf einen ausgewählten Transistor bzw. eine Logikeinheit ausgerichtet wird, sodass dieser Transistor mittels des Einzel-Photonen-Detektors beobachtet wird.
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Weiter wird dort beschrieben, wie die Zeitauflösung für den Schaltzeitpunkt eines Transistors verbessert werden kann. Hierzu werden zwei Messreihen aufgenommen, wobei die Eingangssignale für die beiden Messreihen zeitlich zueinander versetzt sind. Für die beiden Messreihen wird dann jeweils eine Gaußverteilung ermittelt, wobei mittels der Maxima der Gaußverteilungen sowie deren Verschiebungen der Schaltzeitpunkt bestimmt wird.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Infrarot-Mikroskop zur photonischen Chipanalyse zu schaffen, das erweiterte Analysemöglichkeiten bietet.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch ein Infrarot-Mikroskop zur photonischen Chipanalyse mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hierzu umfasst das Infrarot-Mikroskop zur photonischen Chipanalyse ein Objektiv, mindestens einen Einzel-Photonen-Detektor, eine NIR-Kamera, einen Messtisch, einen Time-to-Digital-Converter, eine Auswerte- und Steuereinheit sowie mindestens einen Laser. Mittels des mindestens einen Lasers kann der zu analysierende Chip gezielt gestört werden, was für verschiedene Analysezwecke genutzt werden kann. Die Art der Störung ist dabei abhängig von der Wellenlänge des verwendeten Lasers. So kann beispielsweise ein Laser mit einer Wellenlänge größer 1.100 nm (z.B. 1.340 nm) verwendet werden, der primär Wärme erzeugt, sodass insbesondere der Widerstand verändert wird, was das Schaltverhalten der Logikeinheit beeinflusst. Es kann aber auch ein Laser im Wellenlängenbereich von kleiner 1.100 nm verwendet werden, mittels dessen Elektronen-Loch-Paare generiert werden, um so beispielsweise Schaltprozesse zu beeinflussen. So kann beispielsweise ein Schaltvorgang manipuliert werden, wo ein Transistor in den Sperrzustand geschaltet werden soll (aufgrund der Eingangssignale), was dann durch die generierten Ladungsträger verhindert wird. Hinsichtlich der möglichen Ausgestaltungen der anderen Elemente wird dabei auf den zuvor erwähnten Fachartikel verwiesen.
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In einer Ausführungsform ist der Laser als Laser-Scanner ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass der Laser auf eine beliebige Stelle auf den Chip unabhängig vom Einzel-Photonen-Detektor ausgerichtet werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Infrarot-Mikroskop mindestens zwei Laser auf, wobei die Wellenlänge der mindestens zwei Laser gleich oder verschieden sein kann. Laser mit gleicher Wellenlänge kommen insbesondere zum Einsatz zur Chipanalyse mit zwei Cores, da dann simultan beide Cores manipuliert werden können. Die Verwendung von Lasern unterschiedlicher Wellenlänge erlaubt hingegen vielfältigere Manipulationen, beispielsweise Wärmeeintrag und Elektronen-Loch-Paar-Generierung.
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In einer weiteren Ausführungsform werden die Laserstrahlen des mindestens einen Lasers oder der mindestens zwei Laser in das Objektiv eingekoppelt, sodass auf ein separates Objektiv verzichtet werden kann, was einen sehr kompakten Aufbau erlaubt.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Laserstrahlen der beiden Laser linearpolarisiert, wobei die Laserstrahlen über einen polarisierenden Strahlteiler zusammengeführt werden. Dies erlaubt einen sehr kompakten Aufbau ohne Interferenz der Laserstrahlen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der NIR-Kamera und dem mindestens einen Laser ein Kantenfilter zugeordnet. Der Kantenfilter ist so gewählt, dass möglichst viele Photonen der Photonenemission auf die Kamera treffen und der Laser möglichst verlustfrei in das Mikroskop eingekoppelt wird. Laserlicht, das am DUT oder den Optiken zurück in Richtung des Lasers gestreut wird, wird durch entsprechende Standardmaßnahmen (optische Isolatoren - Faraday Rotatoren) vor den Lasern geblockt, sodass diese nicht zu Störungen in den Lasern führen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist am Ausgang des Lasers ein Lichtwellenleiter angeordnet. Dabei kann der Lichtwellenleiter an seinem dem Laser entgegengesetzten Ende sehr genau zu optischen Elementen, wie beispielsweise den Spiegeln des Laserscanners, justiert werden. Bei einem Ausfall des Lasers kann dann dieser sehr einfach ausgetauscht werden, ohne dass der neue Laser aufwendig justiert werden muss, da dieser nur das Licht in den Wellenleiter einkoppeln muss. Allgemein kann so der Laser sehr einfach gewechselt werden, beispielsweise weil ein Laser mit einer anderen Wellenlänge benutzt werden soll.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerte- und Steuereinheit derart ausgebildet, den Messtisch pseudo-zufällig in mindestens zwei Freiheitsgraden während einer Messreihe zu bewegen. Durch Auswertung der Messreihe bei Kenntnis der Bewegung kann damit die räumliche Auflösung verbessert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Infrarot-Mikroskops.
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In der 1 ist ein Blockschaltbild eines Infrarot-Mikroskops 1 dargestellt. Das Infrarot-Mikroskop 1 weist ein Photonenanalyse-Modul 2, eine Laser-Manipulationseinheit 3, eine Auswerte- und Steuereinheit 4, einen Time-to-Digital-Converter TDC sowie eine Kontroll-Box CB auf. Das Photonenanalyse-Modul 2 weist einen Messtisch 5 auf, der vorzugsweise in allen sechs Freiheitsgraden verstellbar ist. Auf dem Messtisch 5 kann ein zu analysierender Chip (device under test DUT) derart angeordnet werden, dass dieser von der Rückseite beleuchtet werden kann (beispielsweise durch nicht dargestellte Beleuchtungsmittel im Wellenlängenbereich von größer 750 nm). Vorzugsweise werden Wellenlängen ab ca. 800 nm benutzt, wobei die Wahl der geeigneten Wellenlänge neben der Dicke des Substrats auch von der spektralen Empfindlichkeit einer verwendeten NIR-Kamera abhängt. Weiter weist das Photonenanalyse-Modul 2 ein Objektiv 6, einen Einzel-Photonen-Detektor 7 und eine NIR-Kamera 8 auf. Zwischen dem Einzel-Photonen-Detektor 7 und der NIR-Kamera 8 ist ein erster Kantenfilter 9 und zwischen der NIR-Kamera 8 und der Laser-Manipulationseinheit 3 ist ein zweiter Kantenfilter 10 angeordnet. Zwischen dem ersten Kantenfilter 9 und dem Einzel-Photonen-Detektor 7 ist eine Linse 11 angeordnet, die das Licht auf den Einzel-Photonen-Detektor 7 direkt abbildet oder aber in einen Lichtwellenleiter, dessen Ausgang auf den Einzel-Photonen-Detektor 7 ausgerichtet ist. Zwischen dem ersten Kantenfilter 9 und dem zweiten Kantenfilter 10 ist eine Tubus-Linie 11 angeordnet.
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Die Laser-Manipulationseinheit 3 weist einen ersten Laser 12 und einen zweiten Laser 13 auf, die durch einen Treiber 14 angesteuert werden, wobei der Treiber 14 durch die Auswerte- und Steuereinheit 4 angesteuert wird. An den Ausgängen der Laser 12, 13 sind jeweils Lichtwellenleiter 15, 16 angeordnet, die zu Linsen 17, 18 justiert sind. Jedem Laser 12, 13 ist ein Scanner-Modul 19, 20 zugeordnet, das jeweils zwei Spiegel 21, 22 aufweist, wobei die Spiegel 21, 22 durch die Auswerte- und Steuereinheit 4 verschwenkbar sind. Laser 12, 13 und Scanner-Modul 19, 20 bilden zusammen jeweils einen Laser-Scanner. Dabei sind die Laserstrahlen der beiden Laser 12, 13 linearpolarisiert, wobei die Laserstrahlen über einen polarisierten Strahlteiler 23 zusammengeführt werden. Dabei sind die Polarisationsebenen der beiden Laser 12, 13 vorzugsweise um 90° zueinander gedreht. Der zweite Kantenfilter 10 ist dabei für die Laserstrahlen transparent, sodass die Laserstrahlen über die Tubus-Linse 11 durch den ersten Kantenfilter über das Objektiv 6 auf das DUT abgebildet werden. Zwischen dem Ausgang des Scanner-Moduls 19, 20 und dem polarisierenden Strahlteiler 23 kann dabei noch eine weitere Linse angeordnet sein.
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Nachfolgend soll die Funktionsweise des Infrarot-Mikroskops 1 kurz erläutert werden. Die Kontroll-Box CB erhält von der Auswerte- und Steuereinheit 4 Eingangssignale und gegebenenfalls Betriebsspannungssignale für das Device under Test DUT. Die Kontroll-Box CB steuert dabei auch den Time-to-Digital-Converter TDC an und liefert diesem Zeitreferenz-Signale vom DUT wie beispielsweise Takt- und Eingangssignale. Die Kontroll-Box CB ist dabei im Allgemeinen optional und kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn eine direkte Synchronisation des DUTs mit dem Time-to-Digital-Converter TDC und/oder die Kommunikation mit der Auswerte- und Steuereinheit 4 nicht möglich ist. Zunächst wird das DUT großflächig mittels der NIR-Kamera 8 untersucht, sodass beispielsweise die örtliche Verteilung von Transistoren des DUT erfasst wird. Zur Analyse einzelner Transistoren wird dann der Messtisch 5 verfahren, sodass der zu untersuchende Transistor in der optischen Achse des Objektivs 6 liegt. Anschließend kann dann eine Messreihe für diesen Transistor durchgeführt werden, wobei durch den Einzel-Photonen-Detektor 7 ein Photon beim Schalten des Transistors erfasst wird, wenn dieser beim Schalten in die Sättigung getrieben wird. Der Zeitpunkt wird dann durch den TDC jeweils erfasst, wobei durch nachträgliche statistische Auswertung mittels Gaußverteilung die zeitliche Auflösung verbessert werden kann, was zuvor bereits beschrieben wurde. Mittels der Laser 12, 13 kann nun gezielt an einzelnen Stellen manipuliert werden. Beispielsweise können gezielt Elektronen-Loch-Paare generiert werden, um ein statisches und dynamisches Sperren eines Transistors zu verhindern. Durch Beobachtung können dann Funktionen identifiziert werden bzw. eine Manipulationssicherheit überprüft werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Frohmann et al., Adv. Opt. Techn. 2017; 6(2): 137-142 [0002]
