DE4210394C2 - Vorrichtung zur Messung von Magnetfeldern und Strömen - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Magnetfeldern (B-Feldern) in der Umgebung eines Körpers und insbesondere zur berührungslosen Messung des in einem Leiter fließenden Stromes durch Messung des mit dem Strom verbundenen Magnetfeldes.

Derartige Vorrichtungen sind für eine Reihe von Anwen­ dungsgebieten von Bedeutung:

Beispielsweise wachsen derzeit der Marktanteil und die Bedeutung gemischt analog-digitaler Bausteine, so daß mit zunehmender Integration derartiger Bausteine geeig­ nete Verfahren zum Prototypentest derartiger Bausteine erforderlich sind.

Stand der Technik

Verfahren zur kontaktlosen Messung Baustein-interner Signale, wie z. B. das Elektronenstrahltestverfahren haben sich hierzu wegen ihrer zu vernachlässigenden Beeinflussung des Prüflings sehr gut bewährt.

Diese Verfahren ermöglichen jedoch nur die Messung von Signalen, die als elektrische Spannungen vorliegen. Hierzu wird beispielsweise auf die DE 29 02 495 A1 verwiesen, in der eine Einrichtung zur berührungslosen Potentialmessung mit einem Primärelektronenstrahl be­ schrieben ist, der an der Meßstelle eines elektroni­ schen Bauelements, vorzugsweise eines integrierten Schaltkreises, Sekundärelektronen auslöst, deren Ener­ gie mit einem Spektrometer bestimmt wird. Die Einrich­ tung ist dabei so aufgebaut, daß in einem vorbestimmten Abstand von der Meßstelle nacheinander eine Absaugelek­ trode und eine Gegenfeldelektrode angeordnet sind, die als Gitterelektroden gestaltet und wenigstens annähernd parallel zur Oberfläche des Bauelements angeordnet sind.

In DE 35 32 781 A1 ist eine Anordnung zur Detektion von Sekundär- und/oder Rückstreuelektronen in einem Elek­ tronenstrahlgerät beschrieben, bei der ein mittels einer Objektivlinse fokussierter Primärstrahl auf einen Punkt oder sequentiell auf eine Reihe von Punkten einer Probe gerichtet wird, wobei die an den Punkten austre­ tende Sekundärelektronen und/oder Rückstreuelektronen ein elektrisches Absaugfeld durchlaufen und zu einem Detektor gelangen. Die Meßanordnung weist in einer zur elektronenoptischen Achse senkrechten Ebene zwei Elek­ troden auf, zwischen denen ein die Sekundärelektronen und/oder Rückstreuelektronen zu der einen Elektrode hin absaugendes elektrisches Feld vorhanden ist, wobei sich der Detektor hinter dieser Elektrode befindet. In der genannten Ebene sind zwei Magnetpolstücke vorgesehen, zwischen denen ein auf dem elektrischen Feld senkrecht stehendes magnetisches Feld vorhanden ist. Stärke und Richtung des magnetischen Feldes sind so gewählt, daß es auf die Elektronen des Primärstrahls eine Kraft ausübt, die die durch das elektrische Feld ausgeübte Krafteinwirkung kompensiert, jedoch auf die Sekundär­ elektronen und/oder Rückstreuelektronen eine Kraft ausübt, die das Absaugen derselben auf den Detektor hin unterstützt.

Eine Vorrichtung zum Messen von Magnetfeldern in der Umgebung eines Körpers, bei der ein Elektronenstrahl in dem Magnetfeld abgelenkt wird und bei der aus der mittels eines positionsempfindlichen Detektors bestimmten Ablenkung das Magnetfeld ermittelt wird, ist aus der Veröffent­ lichung IEEE Transactions on Magnetics, Band MAG-20, 1984, Nr. 5., Seiten 866 bis 868 bekannt.

Die vorstehend aufgeführten Vorrichtungen zur kontakt­ losen Messung bausteininterner Signale ermöglichen jedoch keine direkte Strommessung, die aber gerade in analogen Schaltungsteilen, in den Signale oft als Strom vorliegen, von besonderer Bedeutung ist. Die Berechnung des Stromes aus einer gemessenen Spannung bzw. einer gemessenen Potentialdifferenz scheitert aber oft daran, daß der Widerstand des Leiters in einem Chip nicht mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist, und daß darüber­ hinaus die Spannungsauflösung der bekannten Elektronen­ strahltestverfahren mit ca. 10 mV zu gering ist.

Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Messung von Magnetfeldern (B-Feldern) in der Umgebung eines Körpers und insbesondere zur berührungs­ losen Messung des in einem Leiter fließenden Stromes durch Messung des mit dem Strom verbundenen Magnetfel­ des anzugeben, die inbesondere eine kontaktlose bzw. berührungslose Messung von Strömen in Leitbahnen inte­ grierter Schaltungen und damit die Beurteilung und Testung der zugehörigen Schaltungsbausteine erlaubt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, ein Mag­ netfeld bzw. den Strom, der durch einen Leiter fließt, durch den Einfluß des von ihm hervorgerufenen Magnet­ feldes auf bewegte Ladungsträger, die durch die Lo­ rentzkraft abgelenkt werden, indirekt zu bestimmen.

Da jedoch die Ablenkungen höherenergetischer Ladungs­ träger, wie beispielweise Elektronen mit einer Energie von 1 keV bis 1,5 keV, wie sie für Primärelektronen­ strahlen typisch sind, im Bereich von einigen µm/A (A: Ampere) liegen und damit meßtechnisch in der Praxis nur sehr schwer nachweisbar sind, werden erfindungsge­ mäß niederenergetische Ladungsträger verwendet, die aus einem Oberflächenbereich des Körpers bzw. des Leiters austreten, der mit einem (Primär)-Strahl derart beauf­ schlagt wird, daß die austretenden niederenergetischen Ladungsträger eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zum B-Feld aufweisen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner eine Detektoranordnung mit wenigstens einem Detektor auf, die die Richtungsverteilung der aus dem Leiter austre­ tenden Ladungsträger erfaßt. Eine Auswerteeinheit er­ mittelt aus dem Ausgangssignal der Detektoranordnung das Magnetfeld bzw. den dieses Magnetfeld erzeugenden Strom.

Als Primärstrahlen können im Prinzip beliebige Strahlen verwendet werden, die eine Emission niederenergetischer Ladungsträger aus dem bestrahlten Oberflächenbereich auslösen. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwen­ dung eines Elektronenstrahls (Anspruch 3) oder Laser­ strahls (Anspruch 4), die als niederenergetische La­ dungsträger (Sekundär)-Elektronen (Anspruch 2) auslö­ sen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Ein elektrischer Strom, d. h. die Bewegung elektrisch geladener Teilchen, erzeugt ein Magnetfeld, dessen räumlicher Verlauf durch die Stromverteilung bestimmt ist. Fließt der zu messende Strom in einem Leiter, so können durch Bestrahlen eines sehr kleinen Oberflächen­ bereichs dieses Leiters beispielsweise mit Elektronen oder Licht Ladungsträger geringer kinetischer Energie (Sekundärelektronen) aus der Oberfläche des Leiters herausgelöst werden.

Diese Ladungsträger treten anfänglich mit symmetrischer Richtungsverteilung nach der Lambert-Cosinusverteilung aus. Bei Durchlaufen des den Leiter umgebenden, vom Strom im Leiter verursachten Magnetfeldes wird diese Richtungsverteilung jedoch zunehmend asymmetrisch.

Durch eine geeignete Detektoranordnung kann diese Asym­ metrie meßtechnisch erfaßt und dadurch der das Magnet­ feld verursachende Strom bestimmt werden.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die Sekundärelektronen-Stromasymmetrie ein lineares Maß für die Stromstärke in Leitbahnen integrierter Schaltungen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich damit ins­ besondere zur kontaktlosen Messung von Strömen in inte­ grierten Schaltungen. Die erfindungsgemäß möglich ge­ wordene kontaktlose Messung von Strömen ermöglicht auch die Prüfung größerer digitaler Schaltungsteile, da z. B. die Stromaufnahme ganzer Blöcke gemessen und so deren Funktion beurteilt werden kann (Anspruch 8). Ein sol­ ches Vorgehen ist aus der einschlägigen Literatur bis­ her nicht bekannt.

Da sich die Sekundärelektronen aufgrund sonstiger in der Vorrichtung vorhandener Magnetfelder - beispiels­ weise für die Fokussierung des Primärstrahles - auf einer Spiralbahn bewegen, können die Detektoren der Detektoreinheit in einem Winkel << 0° zur Leiter-Längs­ achse angeordnet werden, um die Sekundärelektronen- Stromasymmetrie zu erfassen.

Dabei ist es bevorzugt, wenn die Detektoren so angeord­ net sind, daß sich ein maximales Signal aufgrund der Sekundärelektronen-Stromasymmetrie ergibt. Ferner ist es möglich, vier oder mehr Detektoren zu verwenden, deren Ausgangssignale korrelliert werden.

Im Anspruch 5 ist eine Ausbildung der Detektoreinheit angegeben, bei der zwei Detektoren in Längsrichtung des untersuchten Leiters beabstandet angeordnet sind. Hier­ durch ist gewährleistet, daß die beidseitig vom Auf­ treffpunkt des Primärstrahls bzw. Austrittspunkt der Sekundärelektronen entlang der Leiterbahn sich quasi in zwei Quadranten hineinbewegenden Ladungsträger getrennt für jeden Quadranten erfaßt und ausgewertet werden. Die beiden Quadranten werden dabei zwischen der Leiterbahn­ oberfläche und dem senkrecht auf die Leiterbahn auf­ treffenden Primärstrahl aufgespannt.

Gemäß Anspruch 6 ist die Differenz der in beiden Detek­ toren nachgewiesenen Sekundärelektronenströme - wie Rechnungen zeigen - in weiten Bereichen proportional dem Strom in dem untersuchten Leiter. Die Proportiona­ litätskonstante hängt von der Form des Leiters, seinem Material (Austrittsarbeit), der mittleren Reichweite des Magnetfeldes und der Detektoranordnung ab, also von Größen, die bei der Meßwertauswertung leicht zu berück­ sichtigen sind.

Für genaue Meßergebnisse müssen solche Parameter, wie Leiterbahngeometrie, Austrittsarbeit des Leiterbahnma­ terials bekannt sein oder als Korrekturfaktor bestimmt werden.

Dabei ist es bevorzugt, wenn bei der berührungslosen Messung von Strömen in integrierten Schaltungen im Feinvakuum gearbeitet wird (Anspruch 7).

Die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann gemäß Anspruch 9 durch die Verwendung rauscharmer Detektoren und Verstärker erhöht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Im folgenden soll die Erfindung an einem Ausführungs­ beispiel ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungs­ gedankens beschrieben werden. In den zugehörigen Zeich­ nungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Meßobjektes und der Meßverhältnisse und

Fig. 2 eine Veranschaulichung des Meßvorganges bzw. der Meßvorrichtung.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt schematisch ein Meßobjekt und die Meßver­ hältnisse. Auf eine stromdurchflossene Leitbahn (1) einer integrierten Schaltung, die sich in der x-y-Ebene erstreckt, treffen entlang der z-Achse mittels eines Primärstrahls (2) in einem sehr kleinen Oberflächenbe­ reich (3) der Leitbahn Elektronen (e) oder ein (nicht dargestellter) Laserstrahl auf, die eine nicht darge­ stellte Bestrahleinheit erzeugt. Dabei erfolgt die Messung im Feinvakuum.

Durch den elektrischen Strom, der durch die Leitbahn fließt, wird ein Magnetfeld (4) verursacht, dessen räumlicher Verlauf durch die Stromverteilung bestimmt wird.

Fig. 2 veranschaulicht den Meßvorgang. Zwei Detektoren (9.1, 9.2) sind in Längsrichtung der Leitbahn (1) ange­ ordnet.

Am Strahlauftreffpunkt (3) treten niederenergetische Sekundärelektronen (5) mit verschiedenen Richtungen und Energien aus dem Leiter aus. Diese werden durch das Magnetfeld (4) um den Leiter (1) entgegen der Strom­ flußrichtung abgelenkt, was zu einer Asymmetrie ihrer Richtungsverteilung führt.

Für die folgende Erläuterung soll beispielhaft angenom­ men werden, daß der Strom in Richtung der x-Achse fließt. Der in z-Richtung einfallende Primärstrahl erzeugt u. a. Sekundärelektronen, die mit kleiner posi­ tiver x-Komponente des Impulses, d. h. die unter einem Winkel Φ < Φ_krit (Winkelbereich 6) austreten.

Unter dem Einfluß der Lorentzkraft wird die Impuls­ komponente dieser Elektronen negativ. Das bedeutet, daß Sekundärelektronen, die unter kleinen Winkeln zur y-z- Ebene in ein "kritisches" Raumsegment (6) austreten, aus dem Raumquadranten (7) der positiven x-Achse in den Raumquadranten (8) der negativen x-Achse abgelenkt werden. Werden nun die Sekundärelektronen mit zwei Detektoren (9.1, 9.2) getrennt für jeden Quadranten nachgewiesen, so wird sich die Differenz der Detektor­ ströme mit dem Leiterstrom monoton ändern.

Ist die Detektorstromdifferenz Null für den stromlosen Leiter, so beträgt sie bei stromdurchflossenem Leiter gerade das Doppelte des auf das kritische Raumsegment entfallenden Sekundärelektronen-Stromes. Der kritische Segmentwinkel hängt außer vom Magnetfeld auch von der Sekundärelektronen-Energie ab. Als (dimensionsloses) Maß für die Sekundärelektronen-Stromasymmetrie kann der Quotient aus Detektorstromdifferenz und Detektorstrom­ summe dienen.

Die Winkelverteilung von Sekundärelektronen (Lambert- Cosinus-Verteilung) zeigt, daß sehr viele Sekundärelek­ tronen gerade in kleinen Winkeln zur Oberflächennorma­ len austreten, was den erwarteten Effekt erhöht. Der Anteil der Sekundärelektronen, die in das kritische Raumsegment austreten, ergibt sich durch Integration der Verteilung über den Raumwinkelbereich des Segments.

Die Energieverteilung der Sekundärelektronen zeigt, daß der überwiegende Anteil der Sekundärelektronen mit sehr geringen Energien austritt, was ebenfalls günstig für den erwarteten Effekt ist.

Der auf das kritische Raumsegment entfallende Sekundär­ elektronen-Strom (und damit die Sekundärelektronen- Stromasyinmetrie) läßt sich nun mit dem Integral der Sekundär-elektronen-Energieverteilung und einer Funkti­ on des kritischen Segmentwinkels, der ebenfalls von der Sekundärelektronen-Energie abhängt, über die Sekundär­ elektronen-Energie ermitteln.

Die Sekundärelektronen-Stromasymmetrie wächst in weiten Bereichen streng linear mit dem Leiterstrom und liegt (bezogen auf den Leiterstrom) in der Größenordnung 0,1/A.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Messung von Magnetfeldern (B-Fel­ dern) in der Umgebung eines Körpers und insbesondere zur berührungslosen Messung des in einem Leiter flie­ ßenden Stromes durch Messung des mit dem Strom verbun­ denen Magnetfeldes, mit

• - einer Bestrahleinheit, die einen Oberflächenbereich (3) des Körpers bzw. des Leiters (1) mit einem Strahl (2) beaufschlagt, so daß niederenergetische Ladungsträger, die eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zum Magnetfeld (4) aufweisen, aus diesem Oberflä­ chenbereich austreten,
• - einer Detektoranordnung (9), die wenigstens einen Detektor aufweist und die Richtungsverteilung der aus dem Leiter austretenden durch das Magnetfeld (4) abgelenkten Ladungsträger (5) erfaßt,
• - und einer Auswerteeinheit, die aus dem Ausgangs­ signal der Detektoranordnung das Magnetfeld bzw. den dieses Magnetfeld erzeugenden Strom ermittelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die niederenergetischen Ladungsträger (Sekundär)-Elektronen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl ein Elektronen­ strahl ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl ein Laserstrahl ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (9) zwei Detektoren (9.1, 9.2) aufweist, die in Längsrich­ tung des untersuchten Leiters (1) beabstandet sind, so daß sie die aus dem Oberflächenbereich (3) im Umfeld des Auftreffpunktes des Strahls (2) austretenden Ladungsträger bzw. Sekundärelektronen (5) in zwei längs des Leiters aneinander angrenzenden Quadranten (7, 8) erfassen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit aus der Differenz der Ausgangssignale der beiden Detektoren (9.1, 9.2) das Magnetfeld bzw. den Strom ermittelt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Strommessung in integrierten Schaltungen im Feinvakuum (10^-3 Pa) gear­ beitet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren rauscharm sind, und daß diesen Detektoren rauscharme Verstärker zur Verstärkung der Detektor-Ausgangssignale nachge­ schaltet sind.

9. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Messung des Stromaufnahmeverhaltens ganzer Schaltungsblöcke.