DE4210185A1 - Vorrichtung zur erzeugung kurzer teilchenstrahlpulse - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Teilchenstrahlpulse.

Vorrichtungen zur Erzeugung kurzer Teilchenstrahlpulse und insbesondere kurzer Elektronenstrahlpulse werden für eine Reihe von Anwendungen benötigt, beispielsweise in Testgeräten zur Untersuchung der Funktion von inte­ grierten Schaltungen.

So weisen Schaltungen in GaAs-Technologie Bandbreiten von einigen 10 GHz auf. Insbesondere der Prototypentest dieser Bausteine erfordert die Messung Baustein-inter­ ner Signale z. B. mit Hilfe von Elektronenstrahltestver­ fahren.

Da die Ursache für das Auftreten von Fehlern in derar­ tig breitbandigen Bausteine oft die Verletzung von kritischen Zeitbedingungen ist, ist es unbedingt erfor­ derlich, die Prototypen-Prüfung - und damit die Bau­ stein-interne Signalmessung - bei der vollen Betriebs­ frequenz des Bausteins durchzuführen.

Hierzu ist jedoch die zeitliche Auflösung des Elektro­ nenstrahltestverfahrens weiter zu steigern.

Kommerziell erhältliche Elektronenstrahltestgeräte er­ reichen Pulsdauern bis hinab zu 50 Ps bei freier Wie­ derholfrequenz, wobei die Elektronenpulse beispielswei­ se durch den Bausteintakt getriggert werden.

Praxisnahe Laborentwicklungen erreichen bei ebenfalls freier Wiederholfrequenz Pulsdauern bis zu 7 ps. Derar­ tige Vorrichtungen sind beispielsweise in der Veröf­ fentlichung von JTL Thong et al., "Ultra High Speed Electron Beam Testing System", Microelectronic Engin­ eering 6 (1987), S. 683-688 oder in dem Artikel von H. Todokoxo et al. "Electron Beam Tester with 10 ps Time Resolution", 1986 International Test Conference, Paper 16B.2 beschrieben.

Laborgeräte, die ohne Rücksicht auf praktische Anwend­ barkeit optimiert wurden, erreichten bereits 0,2 ps Pulsdauer, hierzu wird auf T. Hosokawa et al. "Giga­ hertz stroboscoby with the Scanning Electron Micros­ cope", Rev. Sci. Instrum., (1978), 49(9) verwiesen.

Allen Laborentwicklungen ist jedoch gemeinsam, daß sie ihre kurzen Pulsdauern nur bei weit höheren Strahlener­ gien als in der Praxis vertretbar erreichen. So betra­ gen die Strahlenergien bis zu einigen 10 keV.

Nach allgemeiner Auffassung ist jedoch lediglich bei Strahlenergien von 1 keV bis höchstens 5 keV gewährlei­ stet, daß die zu prüfende Schaltung nicht beschädigt wird.

Eine Herabsetzung der Strahlenergie ist bei den bekann­ ten Vorrichtungen zur Erzeugung kurzer Teilchenstrahl­ pulse in der Regel deshalb nicht möglich, weil die Pulsdauer mit der Pulswiederholfrequenz durch eine Resonanzbedingung verknüpft ist.

In Elektronenstrahltestgeräten werden die Elektronen­ pulse in der Regel dadurch erzeugt, daß ein kontinuier­ licher Elektronenstrahl durch ein zeitlich veränderli­ ches elektrisches Feld zwischen zwei Stäben mit recht­ eckigem Querschnitts relativ zu einer Blende ausgelenkt wird.

Je nach gewünschter Pulsdauer wird der Strahl für eine bestimmte Zeitspanne in die Blendenöffnung eingetastet (lange Pulsdauer) oder mit einer bestimmten Auslenkge­ schwindigkeit über die Blende geführt (kurze Puls­ dauer).

Da die Pulsdauer umso kürzer wird, je größer die Win­ kelgeschwindigkeit des Strahls beim Durchgang durch die Blende ist, gilt es, diese zu maximieren.

Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Erzeugung kurzer Teilchenstrahlpulse anzuge­ ben, die hohe Feldstärkeänderungen in kurzer Zeit, hohe maximale Feldstärken bei gegebener Maximalspannung so­ wie eine große Reichweite des Feldes längs der ursprüng­ lichen Strahlrichtung erzeugt, so daß hohe Strahlaus­ lenkwinkelgeschwindigkeiten und -beschleunigungen er­ zielbar sind.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht von folgender Überlegung aus:
Der Strahl-Ablenkwinkel ist gegeben durch das Verhält­ nis der lateralen zur longitudinalen Teilchengeschwin­ digkeit. Da die longitudinale Geschwindigkeit durch die Strahlenergie festgelegt ist, ist daher die maximale laterale Teilchenbeschleunigung zu erhöhen.

Die laterale Teilchengeschwindigkeit berechnet sich dabei als Integral der lateralen Ablenkfeldkomponente über die Zeit, in der das Teilchen das Feld durchläuft. Um den Wert der Zeitableitung dieses Integrals zu ver­ größern, ist die Anstiegszeit des Feldes zu verkürzen und die wirksame Feldstärke (bei hoher Feldausdehnung in Strahlrichtung) zu erhöhen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Teilchenstrahlpulse weist Mittel bzw. eine Quelle auf, die einen kontinuierlichen Strahl geladener Teilchen bereitstellt, der mittels einer Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes seitlich zur Strahlrichtung bzw. einer Blende ablenkbar ist.

Die Elektrodenanordnung weist mindestens zwei parallele elektrisch leitende Leitungen auf, und erzeugt ein auf den Teilchenstrahl wirkendes elektrisches Feld. Zum Erreichen einer großen Änderungsgeschwindigkeit des Ablenkwinkels des Teilchenstrahls in Bezug auf den Blendenort ändert sich das elektrische Feld in Abhän­ gigkeit vom Eintrittszeitpunkt der Teilchen.

Der Winkel, mit der ein Strahl geladener Teilchen gege­ bener kinetischer Energie durch ein nichtperiodisch - gegebenenfalls triggerbares - veränderliches elektri­ sches Feld seitlich ausgelenkt werden kann, ist nämlich im wesentlichen bestimmt durch die elektrische Feld­ stärke senkrecht zur ursprünglichen Strahlrichtung integriert über die ursprüngliche Strahlrichtung.

Um den Wert der Winkelgeschwindigkeit zu vergrößern, ist die Anstiegszeit des Feldes zu verkürzen und die wirksame Feldstärke (bei hoher Feldausdehnung in Strahlrichtung) zu erhöhen. Die Forderung nach kurzen Feldanstiegszeiten kann bei einer Elektrodenanordnung durch die Möglichkeit der Einkopplung und Ausbreitung steilflankiger elektrischer Signale erfüllt werden. Die Einkopplung ist so zu wählen, daß zusätzlich eine hohe mittlere Feldstärke und eine hohe Feldreichweite er­ zielt wird.

Gemäß Anspruch 2 sind die Leitungen Metalldrähte, die bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt besitzen (An­ spruch 3).

Im Rahmen der Erfindung kann eine koaxiale Elektroden­ anordnung gemäß den Ansprüchen 4 und 5 verwendet werden, bei der der Strahl durch eine desaxierte Bohrung, d. h. den Innenleiter nicht berührend, senkrecht zur Leiter­ achse geführt wird. Das elektrische Feld ist hierbei umgekehrt proportional zum Abstand von der Mittelachse und erreicht daher in der Nähe des Innenleiters hohe Werte. Allerdings ist die Reichweite des Feldes be­ grenzt, da es außerhalb des Außenleiters verschwindet.

Eine erfindungsgemäß besonders vorteilhafte Vorrichtung weist deshalb gemäß Anspruch 6 als Elektrodenanordnung zwei parallele Runddrähte mit insbesondere gleichem Durchmessers auf.

Der Wellenwiderstand selbst kann variabel sein und über das Verhältnis von Abstand der Drähte und Drahtdurch­ messer eingestellt werden (Anspruch 7).

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung besteht nach Anspruch 8 darin, daß an jedem Ende der Wellenleiter ein Übergang auf Koaxial­ verbinder für die Signaleinkopplung und den Leitungs­ abschluß angebracht ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt wegen ihrer Wellenleitereigenschaft hohe Feldstärkeänderungen in kurzer Zeit und weist wegen der gewählten Wellenleiter­ technik eine hohe maximale Feldstärke bei gegebener Maximalspannung sowie eine große Reichweite des Feldes längs der ursprünglichen Strahlrichtung auf. Dadurch sind hohe Strahlauslenkwinkelgeschwindigkeiten und - Beschleunigungen erzielbar.

Bei Ansteuerung mit kurzen Spannungsflanken können mit dieser Vorrichtung durch Auslenkung eines Strahls über einer Blende sehr kurze Strahlpulse erzeugt werden, wobei Pulsdauer und Pulsfolgefrequenz voneinander unab­ hängig sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ohne Beschränkung des allge­ meinen Erfindungsgedankens anhand der Zeichnung be­ schrieben, in der zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Parallel­ drahtanordnung und

Fig. 2 die analoge Darstellung für eine Koaxialanord­ nung.

In Fig. 1 sind zwei parallele Metalldrähte (1) in einem Abstand von D=0,08 mm angeordnet. Die Drähte besitzen einen kreisförmigen Querschnitt und weisen einen Durch­ messer von d=1 mm auf.

Der durch diese geometrischen Verhältnisse eingestellte Wellenwiderstand für einen derartigen "Parallel-Strahl­ austaster" beträgt Z=50 Ohm.

Fig. 2 zeigt die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer koaxialen Elektrodenanordnung.

Diese Anordnung besteht aus einem Innenleiter (2) und einem den Innenleiter umhüllenden ringförmigen Außen­ leiter (3), der senkrecht zur Leiterachse eine Bohrung (4) aufweist, die so eingebracht ist, daß beim Durch­ gang des Elektronenstrahls durch den Hohlraum (5) der Innenleiter (2) nicht berührt wird.

Für das gewählte Ausführungsbeispiel beträgt der Durch­ messer des Innenleiters (2) r_o=1 mm. Der Außenleiter (3) besitzt einen Innendurchmesser von 2,3 mm und einen Außendurchmesser von R=3 mm. Die in den Außenleiter (3) eingebrachte Bohrung (4) für die Stahldurchführung weist einen Durchmesser von 0,3 mm auf; ihr Mittenab­ stand vom Außendurchmesser des Außenleiters (3) beträgt 0,7 mm.

Ein derartig dimensionierter "Koaxial-Strahlaustaster" hat gleichfalls einen Wellenwiderstand von Z=50 Ohm.

Durch die Berechnung von Trajektorien von Elektronen beim Durchlaufen verschiedener Ablenkeinheiten wurden numerisch die Auslenkeigenschaften der einzelnen Anord­ nungen, z. B. herkömmliche Plattenanordnung, Koaxialan­ ordnung, Paralleldrahtanordnung, untersucht.

Die Koaxialanordnung zeigt dabei die geringste Aus­ lenkzeit, aber auch den geringsten Auslenkwinkel, wäh­ rend die Paralleldrahtanordnung bei etwa dreifacher Auslenkzeit einen etwa 8fachen Auslenkwinkel erreicht. Die Plattenanordnung erreicht bei vierfacher Auslenk­ zeit auch etwa den vierfachen Auslenkwinkel.

Die Zeiten für das Überstreichen der Blendenöffnung sind daher unter gleichen Bedingungen für Koaxial- und Plattenanordnung etwa gleich, für die Paralleldraht­ anordnung jedoch um etwa den Faktor 7 bis 8 kürzer, wie sich auch aus dem Vergleich der maximalen Auslenkwin­ kelgeschwindigkeiten ergibt.

Diese Berechnungen sind durch Messungen verifiziert worden, in denen Feldanstiegszeiten in Platten-, Koa­ xial-, und Paralleldrahtanordnungen, bestimmt wurden, indem die Signalflanke von 27 ps Anstiegszeit in Trans­ mission gemessen wurde.

Nach Entfaltung mit der ursprünglichen Signalanstiegs­ zeit ergeben sich 200 ps bis 400 ps für die Plattenan­ ordnung bei verschiedenen Plattenabständen, ca. 25 ps für die Koaxialanordnung und ca. 120 ps für die Paral­ leldrahtanordnung. Dennoch weist die Paralleldrahtan­ ordnung aufgrund der höheren Feldreichweite und der hierdurch größeren Auslenkwirkung eine kleinere erziel­ bare Pulsdauer auf.

Die Feldanstiegszeit kann demnach durch die Verwendung von Wellenleitern wesentlich verbessert werden.

Die Paralleldrahtanordnung ermöglicht somit durch kurze Feldanstiegszeiten, hohe Feldstärken und hohe Feld­ reichweiten die Erzielung großer Ablenkgeschwindigkei­ ten und -beschleunigungen und damit die Erzeugung von Elektronenstrahlpulsen im ps-Bereich bei hoher Puls­ intenzität und in weiten Grenzen wählbarer Wieder­ holfrequenz.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Teilchenstrahl­ pulse, mit

• - Mitteln zur Erzeugung eines kontinuierlichen Teil­ chenstrahls und insbesondere eines Elektronen­ strahls,
• - einer Blende für den Teilchenstrahl, und
• - einer vor der Blende angeordneten Elektrodenanord­ nung, die mindestens zwei parallele elektrisch leitende Leitungen (1) aufweist, und die ein auf den Teilchenstrahl wirkendes elektrisches Feld erzeugt (das zum Erreichen einer großen Änderungsgeschwindigkeit des Ablenkwinkels des Teilchen­ strahls in bezug auf den Blendenort sich in Abhängigkeit vom Eintrittszeitpunkt der Teil­ chen ändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (1) Metall­ drähte sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (1) einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen einen kreis­ förmigen Innenleiter (2) und einen den Innenleiter umgebenden ringförmigen Außenleiter (3) aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Außenleiter (3) senkrecht zur Leiterachse eine Bohrung (4) auf­ weist, die so eingebracht ist, daß beim Strahldurchgang durch den vom Innenleiter (2) und Außenleiter (3) be­ grenzten Hohlraum (5) keine Berührung des Innenleiters (2) erfolgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung aus zwei parallelen Runddrähten (1) mit insbesondere gleichem Durchmesser besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand der Elektrodenanordnung durch Änderung des Verhältnisses aus Abstand der Leitungen und Leitungsdurchmesser va­ riabel und damit einstellbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Endstücken der Lei­ tungen Übergangselemente auf Koaxialverbinder ange­ bracht sind.