DE102020002735A1 - Photoconductive measuring tip for the spatially resolved near-field measurement of transmitted and reflected terahertz radiation on surfaces - Google Patents

Photoconductive measuring tip for the spatially resolved near-field measurement of transmitted and reflected terahertz radiation on surfaces Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messspitze zur Verwendung in optoelektronischen Messsystemen zur ortsaufgelösten Abtastung von elektromagnetischer Strahlung im Terahertz- (THz-) frequenzbereich von 0.01 THz bis 10. Die Messspitze eignet sich dabei sowohl zur Messung von extern erzeugter und auf die Messspitze eingestrahlter Strahlung als auch zur Messung von in der Messspitze generierter Signale, die von der Messpitze abgestrahlt und wieder auf sie zurückreflektiert werden. Insbesondere können solche Messungen mit Hilfe der vorgestellten Messspitze auch in unmittelbarer Nähe zu Oberflächen - im sogenannten Nahfeldbereich - durchgeführt werden. Sie eignet sich dabei unter anderem für Anwendungen im Bereich der Material- (insbesondere der Dünnfilm-) Analyse auf Basis der THz-Transmissions und Reflexionsspektroskopie. Die Messspitze enthält monolitisch integrierte photoleitende Strukturen zur optoelektronischen Erzeugung und Abtastung elektromagnetischer (EM) Strahlung. Darüber hinaus verfügt die Messspitze über eine Antennenstruktur zur gerichteten Abstrahlung und lokalen Abtastung zurückreflektierter Strahlung sowie eine integrierte Kopplungsstrecke zur Gleichspannungstrennung und THz-Signalübertragung.The invention relates to a measuring tip for use in optoelectronic measuring systems for spatially resolved scanning of electromagnetic radiation in the terahertz (THz) frequency range from 0.01 THz to 10. The measuring tip is suitable for measuring externally generated radiation as well as for Measurement of signals generated in the measuring tip, which are emitted by the measuring tip and reflected back onto it. In particular, such measurements can also be carried out in the immediate vicinity of surfaces - in the so-called near field range - with the aid of the measuring tip presented. Among other things, it is suitable for applications in the field of material (especially thin film) analysis based on THz transmission and reflection spectroscopy. The measuring tip contains monolithically integrated photoconductive structures for the optoelectronic generation and scanning of electromagnetic (EM) radiation. In addition, the measuring tip has an antenna structure for directed radiation and local scanning of back-reflected radiation as well as an integrated coupling path for DC voltage separation and THz signal transmission.

Description

Die hier beschriebene Erfindung betrifft eine Messspitze zur Verwendung in optoelektronischen Messsystemen zur ortsaufgelösten Abtastung von elektromagnetischer Strahlung im Terahertz- (THz-) frequenzbereich von 0.01 THz bis 10. Die Messspitze eignet sich dabei sowohl zur Messung von extern erzeugter und auf die Messspitze eingestrahlter Strahlung als auch zur Messung von in der Messspitze generierter Signale, die von der Messpitze abgestrahlt und wieder auf sie zurückreflektiert werden. Insbesondere können solche Messungen mit Hilfe der vorgestellten Messspitze auch in unmittelbarer Nähe zu Oberflächen - im sogenannten Nahfeldbereich - durchgeführt werden. Sie eignet sich dabei unter anderem für Anwendungen im Bereich der Material- (insbesondere der Dünnfilm-) Analyse auf Basis der THz-Transmissions und Reflexionsspektroskopie. Die Messspitze enthält monolitisch integrierte photoleitende Strukturen zur optoelektronischen Erzeugung und Abtastung elektromagnetischer (EM) Strahlung. Darüber hinaus verfügt die Messspitze über eine Antennenstruktur zur gerichteten Abstrahlung und lokalen Abtastung zurückreflektierter Strahlung sowie eine integrierte Kopplungsstrecke zur Gleichspannungstrennung und THz-Signalübertragung.The invention described here relates to a measuring tip for use in optoelectronic measuring systems for spatially resolved scanning of electromagnetic radiation in the terahertz (THz) frequency range from 0.01 THz to 10. The measuring tip is suitable for both the measurement of externally generated radiation and radiation radiated onto the measuring tip also for measuring signals generated in the measuring tip, which are emitted by the measuring tip and reflected back onto it. In particular, such measurements can also be carried out in the immediate vicinity of surfaces - in the so-called near field range - with the aid of the measuring tip presented. Among other things, it is suitable for applications in the field of material (especially thin film) analysis based on THz transmission and reflection spectroscopy. The measuring tip contains monolithically integrated photoconductive structures for the optoelectronic generation and scanning of electromagnetic (EM) radiation. In addition, the measuring tip has an antenna structure for directed radiation and local scanning of back-reflected radiation as well as an integrated coupling path for DC voltage separation and THz signal transmission.

THz-Spektroskopieverfahren werden bereits in der Analyse von Materialeigenschaften eingesetzt. Beispielsweise bei der berührungsfreien Messung der Dicke von Lackschichten und Kunststoffrohren [Ellrich19] oder zur ortsaufgelösten Messung von Schichtwiderständen auf Halbleiterwafern [Nagel13]. Ein häufiges Problem ist die mangelnde Ortsauflösung so genannter Fernfeldverfahren, bei denen die THz-Strahlung mit Hilfe von Optiken wie Linsen oder Hohlspiegeln fokussiert wird und die zu untersuchenden Oberflächen im Rasterscanverfahren abgetastet werden. Die maximale Ortsauflösung liegt hierbei ungefähr im Bereich der Wellenlänge der verwendeten THz-Strahlung und damit in der Praxis typisch bei 1-3 mm. Zur Verbesserung der Ortsauflösung von Fernfeldverfahren können Hochpass-Frequenzfilter eingesetzt werden, wie in DE102016009132A1 vorgeschlagen, die jedoch den Nachteil haben, dass die herausgefilterten niederfrequenten Signalanteile nicht mehr zur Analyse genutzt werden können und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit die Messgeschwindigkeit des Gesamtsystems stark reduziert werden. So genannte Nahfeldverfahren erreichen deutlich höhere Ortsauflösungen. Es existieren eine Vielzahl verschiedener Ansätze die dem Bereich der Nahfeldverfahren zugeordnet werden können [Adams11]. Gruppiert werden können diese in aktive und passive Nahfeldverfahren. Bei den passiven Verfahren wird eine leitende Struktur verwendet, um die Wechselwirkung zwischen dem eingestrahlten Licht und dem zu untersuchenden Material räumlich zu begrenzen. THz spectroscopy methods are already used in the analysis of material properties. For example, for the non-contact measurement of the thickness of lacquer layers and plastic pipes [Ellrich19] or for the spatially resolved measurement of film resistances on semiconductor wafers [Nagel13]. A frequent problem is the lack of spatial resolution in so-called far-field methods, in which the THz radiation is focused with the help of optics such as lenses or concave mirrors and the surfaces to be examined are scanned using the raster scanning method. The maximum spatial resolution is approximately in the range of the wavelength of the THz radiation used and thus typically 1-3 mm in practice. To improve the spatial resolution of far-field methods, high-pass frequency filters can be used, as in DE102016009132A1 proposed, which, however, have the disadvantage that the low-frequency signal components that have been filtered out can no longer be used for analysis and the signal-to-noise ratio and thus the measurement speed of the overall system are greatly reduced. So-called near-field methods achieve significantly higher spatial resolutions. There are a number of different approaches that can be assigned to the area of near-field methods [Adams11]. These can be grouped into active and passive near-field methods. In the passive method, a conductive structure is used to spatially limit the interaction between the incident light and the material to be examined.

Genutzt werden hierfür unter anderem Wellenleiter [ US20070216422A1 ], Aperturen [ US8148688B2 ] oder Streuelemente [ JP5940603B2 ]. Ein wesentlicher Nachteil der passiven Verfahren ist, dass die Begrenzung der Wechselwirkung immer einhergeht mit einer Reduzierung der messbaren Signalstärke aufgrund von steigenden Kopplungsverlusten zwischen Signalquelle und Detektor. Im Gegensatz dazu nutzen aktive Nahfeldverfahren die direkte Feldabtastung in unmittelbarer Nähe zum Messobjekt mit Hilfe von Detektoren deren Sensorelemente selbst kleiner als die Wellenlänge sind. Bekannt sind hier zum Beispiel elektrooptische [ EP0586202B1 ] oder photoleitende Sensoren [ DE102009000823B3 , WO2011134593A1 ]. Diese aktiven Verfahren zeichnen sich typischerweise durch ein hohes Signal-zu-Rauschverhältnis aus, da die Kopplungsverluste der passiven Verfahren weitgehend vermieden werden können. Methoden zur aktiven Abtastung im Nahfeldbereich beschränken sich jedoch bislang auf Messungen im Transmissionsmodus [Nagel13] wobei die folgenden Nachteile bestehen: a) Es können nur Materialien untersucht werden, die eine ausreichende Transmission der THz Strahlung aufweisen. Diese Einschränkung ist im Halbleiterbereich von großer Relevanz, da typische Ausführungen wie etwa eine Rückseitenmetallisierung oder eine hohe Hintergrunddotierung das THz Transmissionsvermögen stark einschränken bzw. vollständig verhindern können. Ein weiterer Nachteil b) liegt in der zwangsläufigen Erfassung von Substrateigenschaften und einer fehlenden Möglichkeit zur eindeutigen Trennung von Oberflächeneigenschaften bzw. Erfassung von Tiefeninformationen. Diese Nachteile können prinzipiell durch den Wechsel auf eine Reflexionsanordnung vermieden werden, bei der Emitter und Detektor auf derselben Seite der Testoberfläche platziert sind. Es kann hier eine Signalantwort auch an opaken Materialen gemessen werden und durch die Erfassung von Signallaufzeiten können Oberflächen- und Tiefeninformationen getrennt werden.Among other things, waveguides are used for this [ US20070216422A1 ], Apertures [ US8148688B2 ] or scattering elements [ JP5940603B2 ]. A major disadvantage of the passive method is that the limitation of the interaction always goes hand in hand with a reduction in the measurable signal strength due to increasing coupling losses between the signal source and the detector. In contrast to this, active near-field methods use direct field scanning in the immediate vicinity of the measurement object with the aid of detectors whose sensor elements are themselves smaller than the wavelength. For example, electro-optical [ EP0586202B1 ] or photoconductive sensors [ DE102009000823B3 , WO2011134593A1 ]. These active methods are typically characterized by a high signal-to-noise ratio, since the coupling losses of the passive methods can be largely avoided. However, methods for active scanning in the near-field range have so far been limited to measurements in the transmission mode [Nagel13], with the following disadvantages: a) Only materials can be examined that have sufficient transmission of the THz radiation. This restriction is of great relevance in the semiconductor sector, since typical designs such as rear-side metallization or high background doping can severely limit or completely prevent the THz transmittance. Another disadvantage b) lies in the inevitable acquisition of substrate properties and a lack of the possibility of clear separation of surface properties or acquisition of depth information. These disadvantages can in principle be avoided by switching to a reflection arrangement in which the emitter and detector are placed on the same side of the test surface. A signal response can also be measured here on opaque materials, and surface and depth information can be separated by recording signal transit times.

Bisher weisen Reflexionsanordnungen mit aktiver Abtastung im Nahfeld jedoch noch verschiedene Defizite auf: Aus [ WO2011134593A1 , 5] ist eine Messspitze bekannt, die eine THz Emitter- und Detektorstruktur beinhaltet sowie eine Wellenleiterstruktur, die das THz-Signal vom Emitter zum Detektor und von dort zur angenäherten Testoberfläche und zurück zum Detektor überträgt. Diese Messspitze liefert in der Praxis jedoch nur eine niedrige Ortsauflösung, da das detektierte rückreflektierte THz Signal aufgrund der geringen lateralen Feldbegrenzung des verwendeten Wellenleiters einen hohen Hintergrundsignalanteil enthält, der keine Nahfeldinformation aufweist. Dieser Hintergrundsignalanteil und die Nahfeldinformation werden zeitlich und räumlich überlagert vom Detektor erfasst, was zur Trennung beider Signalanteile zum Beispiel einen Modulation/Demodulationsansatz erfordert. Bauartbedingt ist eine Demodulation zur Extraktion der Nahfeldinformation über eine mechanische Oszillation der Messspitze wie in Rasterkraftmikroskopen üblich nicht umsetzbar. Das führt dazu, dass diese Lösung für Reflexionmessungen nur geringe Ortsauflösungen ermöglicht, die ungefähr im Bereich von 200 - 300 µm liegen.So far, however, reflection arrangements with active scanning in the near field still have various deficits: Off [ WO2011134593A1 , 5 ] a measuring tip is known that contains a THz emitter and detector structure as well as a waveguide structure that transmits the THz signal from the emitter to the detector and from there to the approximate test surface and back to the detector. In practice, however, this measuring tip only provides a low spatial resolution, since the detected back-reflected THz signal contains a high background signal component that has no near-field information due to the low lateral field limitation of the waveguide used. This background signal component and the near-field information are temporal and detected spatially superimposed by the detector, which requires, for example, a modulation / demodulation approach to separate the two signal components. Due to the design, demodulation for extracting the near-field information via mechanical oscillation of the measuring tip, as is usual in atomic force microscopes, cannot be implemented. As a result, this solution allows only low spatial resolutions for reflection measurements, which are approximately in the range of 200-300 µm.

Vor kurzem wurde ein weiterer Ansatz vorgestellt ( DE 10 2019 005 412.1 ), bei dem das Problem der Hintergrundsignalunterdrückung dadurch gelöst wird, indem ein nicht wellenleitergekoppeltes Streuelement verwendet und eine Streusignalerfassung außerhalb der spiegelnden Reflexionsrichtung genutzt wird. Diese Anordnung ermöglicht zwar höhere Ortsauflösungen, jedoch sind die erreichbaren Messgeschwindigkeit noch immer stark begrenzt, da zur Erzeugung des Streusignals die Oberfläche mit sehr kleinen Sondenabständen abgefahren werden muss und die kleinen Streusignalamplituden noch verhältnismäßig lange Mittelungszeiten erfordern. Ein weiterer Nachteil dieses Ansatzes ist, dass die Messspitze neben den Messungen im Reflexionsmodus, aufgrund der verwendeten Antennenanordnung nur mit geringer Effizienz für Messungen im Transmissionsmodus verwendet werden kann.Another approach was recently introduced ( DE 10 2019 005 412.1 ), in which the problem of background signal suppression is solved by using a non-waveguide-coupled scattering element and using scatter signal detection outside the specular reflection direction. Although this arrangement enables higher spatial resolutions, the achievable measurement speed is still very limited, since the surface has to be scanned with very small probe distances to generate the scatter signal and the small scatter signal amplitudes still require relatively long averaging times. Another disadvantage of this approach is that in addition to measurements in reflection mode, the measuring tip can only be used with low efficiency for measurements in transmission mode due to the antenna arrangement used.

An diesem Punkt setzt die vorliegende Erfindung an. In erfinderischer Weise wurde eine neuartige Konfiguration gefunden, die erstmals Messungen mit hoher Ortsauflösung und hohem Signalkontrast ermöglich und dabei gleichermaßen für Nahfeld-Messungen im Transmissions- und Reflexionsmodus geeignet ist.This is where the present invention begins. A novel configuration was found in an inventive manner, which for the first time enables measurements with high spatial resolution and high signal contrast and is equally suitable for near-field measurements in transmission and reflection mode.

Diese Aufgabe wird in erfinderischer Weise durch die im Folgenden beschriebene Messspitze und ihre Ausführungsformen gelöst:

  • Die neuartige Messspitze enthält zur THz-Signalerzeugung und -Detektion jeweils mindestens einen photoleitenden Schalter, der jeweils in eine koplanare Streifenleitung integriert ist. An der vordersten Position der Messspitze befindet sich eine einzelne Antennenstruktur, die mit einer koplanaren Streifenleitung und mindestens einem Photoschalter verbunden ist. Die Antennenstruktur wird sowohl zur Abstrahlung von messspitzenintern-erzeugter THz-Signale verwendet, als auch zum Empfang von zurückreflektierter oder direkt eingestrahlter THz-Strahlung. Die Anordnung der Antenne als vorderste Abschlussstruktur der Messspitze ermöglicht hierbei in idealer Weise neben Messungen von an Oberflächen reflektierten Signalen auch die Messung transmittierter Strahlung, da die Antenne im Gegensatz zur bisherigen Lösungen mit zwei separaten beabstandeten Antennen nun maximal an die TestOberfläche angenähert und optimal zur Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung ausgerichtet werden kann.
This object is achieved in an inventive way by the measuring tip described below and its embodiments:
  • The new measuring tip contains at least one photoconductive switch for THz signal generation and detection, each of which is integrated into a coplanar stripline. At the foremost position of the probe tip is a single antenna structure that is connected to a coplanar stripline and at least one photoswitch. The antenna structure is used both to emit THz signals generated internally in the measuring tip and to receive THz radiation that is reflected back or directly irradiated. The arrangement of the antenna as the foremost terminating structure of the measuring tip ideally enables measurements of signals reflected on surfaces as well as the measurement of transmitted radiation, since, in contrast to previous solutions with two separate antennas, the antenna now comes as close as possible to the test surface and optimally to the direction of polarization the incident radiation can be aligned.

Die Problematik der Hintergrundsignalunterdrückung im Reflexionsbetrieb wird auf folgende Weise gelöst: Da die Abstrahlung der beugungsbegrenzten Freiraumwelle erst unmittelbar an der vorderen Apex der Messspitze erzeugt wird, existiert im Gegensatz zu früheren Lösungen im Nahfeld-Abtastbereich noch keine ausgedehnte Freiraumwelle, die die Ortsauflösung reduzieren würde und deshalb als Hintergrundsignal unterdrückt werden müsste.The problem of background signal suppression in reflection mode is solved in the following way: Since the radiation of the diffraction-limited free space wave is only generated directly at the front apex of the measuring tip, in contrast to previous solutions in the near-field scanning range, there is no extended free space wave that would reduce the spatial resolution and therefore it would have to be suppressed as a background signal.

Die hier vorgestellte Messspitze beinhaltet zu diesem Zweck eine Antennenzuleitung in Form einer koplanaren Streifenleitung (Engl. Abk. „CPS“) in der mindestens ein photokonduktiver Schalter integriert ist, der zur Signalerzeugung oder Signalabtastung genutzt wird. An die Antennenzuleitung elektromagnetisch angekoppelt ist eine zweite CPS in der ebenfalls mindestens ein photokonduktiver Schalter integriert ist, der auch entweder zur Signalerzeugung oder zur Signalabtastung genutzt wird. Im Reflexionsbetrieb der Messspitze wird an einem Photoschalter bei elektrostatischer Vorspannung und optischer Anregung ein THz-Signal erzeugt, welches entlang der CPS zur Antenne und über die Koppelstrecke zum zweiten Photoschalter zur Detektion übertragen wird. Die räumliche Trennung beider Photoschalter und der Antennenstruktur ermöglicht eine einfache Signaltrennung der direkt übertragenen und von der Antenne zurück reflektierten bzw. empfangenen Signalanteile, da diese ausreichend große Signallaufzeitunterschiede auf ihrem Weg zum Detektionsschalter erhalten. Die elektromagnetische Koppelstrecke ermöglicht zudem die erforderliche Isolation der am emittierenden Photoschalter anliegenden Vorspannung von dem zur Detektion genutzten zweiten Photoschalter.For this purpose, the probe tip presented here contains an antenna lead in the form of a coplanar stripline (English abbreviation "CPS") in which at least one photoconductive switch is integrated, which is used for signal generation or signal scanning. A second CPS is electromagnetically coupled to the antenna feed line, in which at least one photoconductive switch is also integrated, which is also used either for signal generation or for signal scanning. When the measuring tip is in reflection mode, a photo switch with electrostatic bias and optical excitation generates a THz signal which is transmitted along the CPS to the antenna and via the coupling path to the second photo switch for detection. The spatial separation of the two photoswitches and the antenna structure enables a simple signal separation of the signal components transmitted directly and reflected back or received by the antenna, since these receive sufficiently large signal propagation time differences on their way to the detection switch. The electromagnetic coupling path also enables the necessary isolation of the bias voltage applied to the emitting photoswitch from the second photoswitch used for detection.

Zur Erhöhung des Signalkontrastes und der Empfindlichkeit der Messspitze wird anstatt eines einfachen offenen Wellenleiter-Endes eine Dipol-Antenne mit einem einzelne Direktor-Element verwendet.To increase the signal contrast and the sensitivity of the measuring tip, a dipole antenna with a single director element is used instead of a simple open waveguide end.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der neuen Messspitze betrifft die Ausführung der CPS Strukturen zur Signalübertragung. Diese bestehen in ihren Grundelementen aus einem dielektrischen Trägermaterial und zwei darauf parallel angeordneten metallischen Streifenleitungen. Eine Übertragungsbandbreite von 0.1 - 2 THz wird hierbei ermöglicht durch eine Trägermaterialdicke d < 30 µm sowie einem Brechungsindex n < 2. Für höhere Frequenzen müssen noch weiter reduzierte Trägermaterialdicken verwendet werden. Zur Vermeidung parasitäre Signalreflexionen innerhalb der Messspitze sind die CPS Ausgangsabschnitte mit Signalabsorbierenden Kammstrukturen ausgestattet. Zur mechanische Befestigung und Stabilisierung der Trägerschicht sowie zur Weiterleitung der elektrischen Kontakte an Steckverbindungen ist die CPS Struktur über eine U-förmig ausgesparte Leiterplatte aufgebracht und mit einem selbsthärtendem Unterfüllmaterial fixiert.Another essential feature of the new measuring tip concerns the design of the CPS structures for signal transmission. In their basic elements, these consist of a dielectric carrier material and two metallic strip lines arranged in parallel on it. A transmission bandwidth of 0.1 - 2 THz is made possible by a carrier material thickness d <30 µm and a refractive index n <2. For higher frequencies, even further reduced carrier material thicknesses have to be used. To avoid parasitic signal reflections within the measuring tip, the CPS output sections are equipped with signal absorbing elements Equipped with comb structures. For mechanical fastening and stabilization of the carrier layer as well as for forwarding the electrical contacts to plug connections, the CPS structure is applied over a U-shaped recessed circuit board and fixed with a self-hardening underfill material.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

  • 1: Schematische Darstellung eines Testobjekts (102) und einer erfindungsgemäßen Messspitze (100) in Draufsicht bestehend aus einem dielektrischen Trägermaterial (101) mit einer darauf angeordneten Antennenstruktur (103) und Photoschaltern (105) die mit koplanaren Streifenleitungen (106) verbunden sind, welche ausgangsseitig mit Absorberstrukturen (107) ausgestattet sind. Die Photoschalter (105) jeweils in Form eines lateralen Metall-Halbleiter-Metall-Übergangs werden im Betrieb mit Hilfe eines optischen Pulses angeregt bzw. abgetastet. Mindestens ein Photoschalter (105) wird über eine Spannungsquelle (108) vorgespannt, wodurch dieser bei optischer Anregung THz-Signale generiert. Zur THz-Signaldetektion wird der Ausgangsstrom eines nicht vorgespannten und optisch abgetasteten Photoschalters (105) über einen Transimpedanzwandler und ein Voltmeter (109) ausgelesen. Zwischen den Photoschaltern (105) zur Signalerzeugung und Detektion befindet sich eine elektromagnetische Koppelstrecke (104).
  • 2: Schematische Darstellung zur Beschreibung des Transmissionsbetriebs der erfindungsgemäßen Messspitze (200) mit Hilfe eines Testobjekts (202) und der Draufsicht der Messspitze (200) bestehend aus einem dielektrischen Trägermaterial (201) mit einer darauf angeordneten Antennenstruktur (203) und Photoschaltern (205) die mit koplanaren Streifenleitungen (206) verbunden sind, welche ausgangsseitig mit Absorberstrukturen (207) ausgestattet sind. Die Photoschalter (205) jeweils in Form eines lateralen Metall-Halbleiter-Metall-Übergangs werden im Betrieb mit Hilfe optischer Pulse angeregt bzw. abgetastet. Mindestens ein Photoschalter (205) - vorzugsweise ein Photoschalter (205-a) der unmittelbar in die Antenne (203) integriert ist - wird zur Detektion einer extern erzeugten THz Strahlung (210) genutzt, die durch ein Testobjekt (202) transmittiert wird und von der Antenne (203) empfangen wird. Der Ausgangsstrom des Detektionsphotoschalters (205-a) wird über einen Transimpedanzwandler und ein Voltmeter (209) zur Signaldetektion ausgelesen.
  • 3: Schematische Darstellung zur Beschreibung des Reflexionssbetriebs der erfindungsgemäßen Messspitze (300) mit Hilfe eines Testobjekts (302) und der Draufsicht der Messspitze (300) bestehend aus einem dielektrischen Trägermaterial (301) mit einer darauf angeordneten Antennenstruktur (303) und Photoschaltern (305) die mit koplanaren Streifenleitungen (306) verbunden sind, welche ausgangsseitig mit Absorberstrukturen (307) ausgestattet sind. Die Photoschalter (305) jeweils in Form eines lateralen Metall-Halbleiter-Metall-Übergangs werden im Betrieb mit Hilfe optischer Pulse angeregt bzw. abgetastet. Mindestens ein Photoschalter (305-b) wird über eine Spannungsquelle (308) vorgespannt, wodurch dieser bei optischer Anregung THz-Signale (310) generiert, die entlang der angeschlossenen koplanaren Streifenleitungen (306) übertragen werden. Zur THz-Signaldetektion wird der Ausgangsstrom eines nicht vorgespannten und optisch abgetasteten Photoschalters (305-a) über einen Transimpedanzwandler und ein Voltmeter (309) ausgelesen. Zwischen den Photoschaltern zur Signalerzeugung (305-b) und Detektion (305-a) befindet sich eine elektromagnetische Koppelstrecke (304).
  • 4: Erfindungsgemäßen Messspitze (400) in Draufsicht bestehend aus einem dielektrischen Trägermaterial (401) mit einer darauf angeordneten Antennenstruktur (403) die mit koplanaren Streifenleitungen (406) verbunden sind, welche ausgangsseitig mit Absorberstrukturen (407) ausgestattet sind. Das membranartig dünne Trägermaterial (401) ist zur mechanischen Stabilisierung und zur Ausführung der elektrischen Anschlüsse auf eine U-förmig ausgesparte Leiterplatte (415) aufgebracht, die mit einer Beschaltungelektronik (416) ausgestattet werden kann und Steckverbindungen (412) enthält.
  • 5: Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Photoschalters (505) zur Integration in die koplanaren Streifenleitungen (106, 206, 306, 406, 506). Der Photoschalter (505) besteht aus einer halbleitenden Schicht (513), die den lateralen Ausdehnungsbereich der koplanaren Streifenleitung (506) überragt und mindestens eine Aussparung (514) aufweist. Auf der halbleitenden Schicht (513) sind beabstandete metallische Streifenleitungen strukturiert, die zur Ausbildung eines photoleitenden Bereichs (517) mit einem Metall/Halbleiter/Metall-Übergang eine lokale Abstandsreduzierung der Streifenleitungen aufweisen.
Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in more detail below. Show it:
  • 1 : Schematic representation of a test object ( 102 ) and a measuring tip according to the invention ( 100 ) in plan view consisting of a dielectric carrier material ( 101 ) with an antenna structure arranged on it ( 103 ) and photo switches ( 105 ) those with coplanar striplines ( 106 ) are connected, which on the output side with absorber structures ( 107 ) are equipped. The photo switches ( 105 ) each in the form of a lateral metal-semiconductor-metal transition are excited or scanned during operation with the aid of an optical pulse. At least one photo switch ( 105 ) is supplied via a voltage source ( 108 ) biased, which generates THz signals upon optical excitation. For THz signal detection, the output current of a non-biased and optically scanned photoswitch ( 105 ) via a transimpedance converter and a voltmeter ( 109 ) read out. Between the photo switches ( 105 ) for signal generation and detection there is an electromagnetic coupling path ( 104 ).
  • 2 : Schematic representation to describe the transmission operation of the measuring tip according to the invention ( 200 ) with the help of a test object ( 202 ) and the top view of the measuring tip ( 200 ) consisting of a dielectric carrier material ( 201 ) with an antenna structure arranged on it ( 203 ) and photo switches ( 205 ) those with coplanar striplines ( 206 ) are connected, which on the output side with absorber structures ( 207 ) are equipped. The photo switches ( 205 ) each in the form of a lateral metal-semiconductor-metal transition are excited or scanned during operation with the aid of optical pulses. At least one photo switch ( 205 ) - preferably a photoswitch ( 205-a) which goes directly into the antenna ( 203 ) is integrated - is used to detect externally generated THz radiation ( 210 ) used by a test object ( 202 ) is transmitted and from the antenna ( 203 ) Will be received. The output current of the detection photoswitch ( 205-a) is via a transimpedance converter and a voltmeter ( 209 ) read out for signal detection.
  • 3 : Schematic representation to describe the reflection mode of the measuring tip according to the invention ( 300 ) with the help of a test object ( 302 ) and the top view of the measuring tip ( 300 ) consisting of a dielectric carrier material ( 301 ) with an antenna structure arranged on it ( 303 ) and photo switches ( 305 ) those with coplanar striplines ( 306 ) are connected, which on the output side with absorber structures ( 307 ) are equipped. The photo switches ( 305 ) each in the form of a lateral metal-semiconductor-metal transition are excited or scanned during operation with the aid of optical pulses. At least one photo switch ( 305-b) is via a voltage source ( 308 ) biased, whereby it generates THz signals (310) when optical excitation, which along the connected coplanar strip lines ( 306 ) be transmitted. For THz signal detection, the output current of a non-biased and optically scanned photoswitch ( 305-a) via a transimpedance converter and a voltmeter ( 309 ) read out. Between the photo switches for signal generation ( 305-b) and detection ( 305-a) there is an electromagnetic coupling path ( 304 ).
  • 4th : Measuring tip according to the invention ( 400 ) in plan view consisting of a dielectric carrier material ( 401 ) with an antenna structure arranged on it ( 403 ) those with coplanar striplines ( 406 ) are connected, which on the output side with absorber structures ( 407 ) are equipped. The membrane-like thin carrier material ( 401 ) is for mechanical stabilization and for making the electrical connections on a U-shaped recessed circuit board ( 415 ) applied, which is connected to circuit electronics ( 416 ) can be equipped and plug connections ( 412 ) contains.
  • 5 : Schematic representation of the photoswitch according to the invention ( 505 ) for integration into the coplanar striplines ( 106 , 206 , 306 , 406 , 506 ). The photo switch ( 505 ) consists of a semiconducting layer ( 513 ), which cover the lateral extent of the coplanar stripline ( 506 ) and at least one recess ( 514 ) having. On the semiconducting layer ( 513 ) spaced metallic striplines are structured, which are used to form a photoconductive area ( 517 ) with a metal / semiconductor / metal transition have a local reduction in the spacing of the striplines.

1 zeigt beispielhafte eine Ausführung der Messspitze (100) bestehend aus einem dielektrischen Trägermaterial (101) mit einer darauf angeordneten Antennenstruktur (103) und Photoschaltern (105), die mit koplanaren Streifenleitungen (106) verbunden sind, welche ausgangsseitig mit Absorberstrukturen (107) ausgestattet sind. Die Messspitze wird während des Messbetrieb an die Oberfläche eines Testobjekts (102) angenähert und in einem geeigneten Winkel zur Oberfläche des Testobjekts ausgerichtet. Die Photoschalter (105) jeweils in Form eines lateralen Metall-Halbleiter-Metall-Übergangs werden im Betrieb mit Hilfe eines optischen Pulses angeregt bzw. abgetastet. Mindestens ein Photoschalter (105) wird über eine Spannungsquelle (108) vorgespannt, wodurch dieser bei optischer Anregung THz-Signale generiert. Zur THz-Signaldetektion wird der Ausgangsstrom eines nicht vorgespannten und optisch abgetasteten Photoschalters (105) über einen Transimpedanzwandler und ein Voltmeter (109) ausgelesen. Zwischen den Photoschaltern (105) zur Signalerzeugung und Detektion befindet sich eine elektromagnetische Koppelstrecke (104). 1 shows an example of a design of the measuring tip ( 100 ) consisting of a dielectric carrier material ( 101 ) with an antenna structure arranged on it ( 103 ) and photo switches ( 105 ) connected to coplanar striplines ( 106 ) are connected, which on the output side with absorber structures ( 107 ) are equipped. The measuring tip is attached to the Surface of a test object ( 102 ) approximated and aligned at a suitable angle to the surface of the test object. The photo switches ( 105 ) each in the form of a lateral metal-semiconductor-metal transition are excited or scanned during operation with the aid of an optical pulse. At least one photo switch ( 105 ) is supplied via a voltage source ( 108 ) biased, which generates THz signals upon optical excitation. For THz signal detection, the output current of a non-biased and optically scanned photoswitch ( 105 ) via a transimpedance converter and a voltmeter ( 109 ) read out. Between the photo switches ( 105 ) for signal generation and detection there is an electromagnetic coupling path ( 104 ).

Die Nutzung der erfindungsgemäßen Messspitze (100, 200, 300, 400) im Transmissionsmodus - also zur Messung einer extern erzeugten THz-Strahlung (210), die durch ein Testobjekt (102, 202, 302, 402) transmittiert wird - ist in 2 erläutert. In diesem Betriebsmodus wird mindestens ein Photoschalter (205) - vorzugsweise ein Photoschalter (205-a) der unmittelbar in die Antenne (203) integriert ist - zur Detektion der extern erzeugten und von der Antenne (203) empfangenen THz Strahlung (210) mittels optischer Abtastung genutzt. Die Abtastung innerhalb der Antenne (203) trägt dazu bei, signalreduzierende Übertragungsverluste innerhalb der Messspitze zu vermeiden. Der Ausgangsstrom des Detektionsphotoschalters (205-a) wird über einen Transimpedanzwandler und ein Voltmeter (209) zur Signaldetektion ausgelesen.The use of the measuring tip according to the invention ( 100 , 200 , 300 , 400 ) in transmission mode - i.e. for measuring an externally generated THz radiation (210) that is transmitted by a test object ( 102 , 202 , 302 , 402 ) is transmitted - is in 2 explained. In this operating mode, at least one photo switch ( 205 ) - preferably a photoswitch ( 205-a) which goes directly into the antenna ( 203 ) is integrated - for the detection of the externally generated and the antenna ( 203 ) received THz radiation ( 210 ) used by means of optical scanning. The scanning inside the antenna ( 203 ) helps to avoid signal-reducing transmission losses within the measuring tip. The output current of the detection photoswitch ( 205-a) is via a transimpedance converter and a voltmeter ( 209 ) read out for signal detection.

In 3 ist der Betrieb der Messspitze im Reflexionsmodus erläutert. Die Messspitze (300) ist wiederum an ein Testobjekts (302) angenähert. Mindestens ein Photoschalter (305-b) wird über eine Spannungsquelle (308) vorgespannt, wodurch dieser bei optischer Anregung THz-Signale (310) generiert, die entlang der angeschlossenen koplanaren Streifenleitungen (306) übertragen werden. Ein erster Signalanteil (310) propagiert in Richtung der vorderen Antenne (303), während ein zweiter Signalanteil (310) in Richtung der Koppelstrecke (304) propagiert und dort auf die benachbarte CPS (306) überkoppelt, in der sich ein Photoschalter (305-a) zur optischen Signalabtastung befindet. Zur THz-Signaldetektion wird der Ausgangsstrom dieses Photoschalters (305-a) über einen Transimpedanzwandler und ein Voltmeter (309) ausgelesen. Der erste Signalanteil, der in Richtung der Antenne (303) propagiert ist, wird von dieser abgestrahlt und in Abhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften des Testobjekts von dessen Oberfläche oder von im Volumen des Testobjekts vergrabenen Grenzflächen zurückreflektiert. Zurückreflektierte THz-Signale (310-a) werden von der Antenne (303) empfangen und entlang der angeschlossenen CPS (306), der Koppelstrecke (304) bis zum Detektionsschalter (305-a) übertragen und abgetastet. Über Laufzeitunterschiede ist eine einfache Trennung beider Signalanteile möglich. In 3 the operation of the measuring tip in reflection mode is explained. The measuring tip ( 300 ) is in turn attached to a test object ( 302 ) approximated. At least one photo switch ( 305-b) is via a voltage source ( 308 ) biased, whereby it generates THz signals (310) when optical excitation, which along the connected coplanar strip lines ( 306 ) be transmitted. A first signal component ( 310 ) propagates in the direction of the front antenna ( 303 ), while a second signal component ( 310 ) in the direction of the coupling path ( 304 ) and propagated there to the neighboring CPS ( 306 ), in which a photoswitch ( 305-a) for optical signal scanning. The output current of this photoswitch ( 305-a) via a transimpedance converter and a voltmeter ( 309 ) read out. The first signal component that goes in the direction of the antenna ( 303 ) is propagated, is emitted by it and, depending on the dielectric properties of the test object, is reflected back from its surface or from interfaces buried in the volume of the test object. THz signals (310-a) reflected back are transmitted by the antenna ( 303 ) received and along the connected CPS ( 306 ), the coupling path ( 304 ) to the detection switch ( 305-a) transmitted and scanned. A simple separation of the two signal components is possible by means of differences in transit time.

4 zeigt schematisch ein weiteres wichtiges Ausführungsmerkmal der Messspitze (100, 200, 300, 400): Zur Ermöglichung einer ausreichend großen Übertragungsbandbreite der koplanaren Streifenleitungen (106, 206, 306, 406, 506) im THz-Frequenzbereich ist es von entscheidender Bedeutung die Dicke des Trägermaterials (101, 201, 301, 401) kleiner als 30 µm - vorzugsweise kleiner als 20 µm - zu wählen. Bei gleichzeitig benötigten Streifenleitungslängen im Bereich von über 10 mm wäre eine vollständig freitragende Montage des Trägermaterials (401) zu instabil. Das Trägermaterial wird deshalb im Gegensatz zu bisherigen Ausführungsformen U-förmig umlaufend von einer stabilen Leiterplatte (415) gestützt und an den Auflageflächen mit einer selbsthärtenden Klebeflüssigkeit unterfüllt. Die Leiterplatte (415) hat weiterhin die Aufgaben zusätzlich benötigte elektronische Komponenten (416) wie Überspannungsschutz und Verstärkerelemente aufzunehmen sowie Steckverbindungen (421) zum Anschluss von Vorspannungsquellen und Datenerfassungsmodulen. 4th shows schematically another important design feature of the measuring tip ( 100 , 200 , 300 , 400 ): To enable a sufficiently large transmission bandwidth of the coplanar striplines ( 106 , 206 , 306 , 406 , 506 ) In the THz frequency range, the thickness of the carrier material is of decisive importance ( 101 , 201 , 301 , 401 ) smaller than 30 µm - preferably smaller than 20 µm - to be selected. If stripline lengths in the range of more than 10 mm are required at the same time, a completely self-supporting assembly of the carrier material ( 401 ) too unstable. In contrast to previous embodiments, the carrier material is therefore U-shaped around the circumference of a stable printed circuit board ( 415 ) and underfilled with a self-hardening adhesive liquid on the contact surfaces. The circuit board ( 415 ) still has the tasks of additionally required electronic components ( 416 ) such as surge protection and amplifier elements as well as plug connections ( 421 ) for connecting bias voltage sources and data acquisition modules.

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Claims (9)

Photoleitende Messspitze für die ortsaufgelöste Nahfeld-Messung transmittierter und reflektierter Terahertz-Strahlung an Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass - sie ein isolierendes dielektrisches Trägermaterial mit einer Dicke d < 30 µm und einem Brechungsindex n < 2 verwendet - auf der eine Antennenstruktur mit einer ersten koplanaren Streifenleitungen als Zuleitung und mindestens einem darin integrierten Photoschalter angeordnet ist, - wobei die erste koplanare Streifenleitung über eine begrenzte Länge eng benachbart zu einer zweiten koplanaren Streifenleitung mit mindestens einem weiteren integrierten Photoschalter verläuft und so eine elektromagnetische Koppelstrecke ausbildet.Photoconductive measuring tip for the spatially resolved near-field measurement of transmitted and reflected terahertz radiation on surfaces, characterized in that - it uses an insulating dielectric carrier material with a thickness d <30 µm and a refractive index n <2 - on which an antenna structure with a first coplanar Striplines are arranged as a supply line and at least one photoswitch integrated therein, - the first coplanar stripline running over a limited length closely adjacent to a second coplanar stripline with at least one further integrated photoswitch and thus forming an electromagnetic coupling path. Messspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - das dielektrische Trägermaterial auf einer U-förmig ausgesparten Leiterplatte stabilisierend fixiert ist.Measuring tip after Claim 1 , characterized in that - the dielectric carrier material is fixed on a U-shaped recessed circuit board in a stabilizing manner. Messspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens einer der integrierten Photoschalter elektrisch vorgespannt ist und durch optische Anregung zur THz-Signalerzeugung verwendet wird.Measuring tip after Claim 1 , characterized in that - at least one of the integrated photoswitches is electrically biased and is used by optical excitation to generate THz signals. Messspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens einer der integrierten Photoschalter durch optische Abtastung und Messung des resultierenden Photostroms zur THz-Signaldetektion verwendet wird.Measuring tip after Claim 1 , characterized in that - at least one of the integrated photoswitches is used for THz signal detection by optical scanning and measurement of the resulting photocurrent. Messspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - das Trägermaterial im Wellenlängenbereich von 700 nm - 1600 nm transparent istMeasuring tip after Claim 1 , characterized in that - the carrier material is transparent in the wavelength range from 700 nm to 1600 nm Messspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - das Trägermaterial Polyethylenterephthalat, Polypropylen, Parylen, Benzocyclobuten oder Siliziumdioxid bestehtMeasuring tip after Claim 1 , characterized in that - the carrier material consists of polyethylene terephthalate, polypropylene, parylene, benzocyclobutene or silicon dioxide Messspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Photoschalter als Halbleitermaterial InGaAs oder GaAs verwenden und mindestens eine Aussparung aufweisen.Measuring tip after Claim 1 , characterized in that - the photoswitches use InGaAs or GaAs as semiconductor material and have at least one recess. Messspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Antenne eine Dipol-Antenne mit einem einzelnen Direktor-Element ist.Measuring tip after Claim 1 , characterized in that - the antenna is a dipole antenna with a single director element. Messspitze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Frequenzübertragungsbereich der koplanaren Streifenleitungen zwischen 0,01 und 10 THz liegt.Measuring tip after Claim 1 , characterized in that - the frequency transmission range of the coplanar striplines is between 0.01 and 10 THz.
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