DE4400949C1

DE4400949C1 - Verfahren zum berührungslosen Messen von Spannungen innerhalb von integrierten Schaltungen

Info

Publication number: DE4400949C1
Application number: DE19944400949
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Ing Lackmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: LACKMANN, RAINER, PROF.,DR,.ING., 40239 DUESSELDOR
Priority date: 1994-01-14
Filing date: 1994-01-14
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2014-01-15

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum berüh rungslosen Messen von Spannungen innerhalb von integrierten Schaltungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einem berührungslosen Meßverfahren innerhalb von integrierten Di gitalschaltungen, bei dem wenigstens zwei verschiedene Span nungsbereiche, die innerhalb von Digitalschaltungen den lo gischen Pegeln 0 und 1 entsprechen, optisch erfaßbar sind.

Eine der bekannten Techniken zum Messen von Spannungen in nerhalb von integrierten Schaltungen bedient sich sogenann ter Elektronenstrahltester. Elektronenstrahltester prüfen eine integrierte Schaltung, die innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet ist, mit vergleichsweise hohen Strahlenergien, so daß eine Zerstörung der zu prüfenden Schaltung insbesondere im Fall von CMOS-Schaltungen nicht ausgeschlossen werden kann. Die Notwendigkeit der Messung innerhalb einer Vakuum kammer bei Einsatz eines Elektronenstrahltesters bedingt einen enorm hohen technischen und finanziellen Aufwand, der eine berührungslose Spannungsmessung mittels Elektronen strahltestern für viele Anwender ausschließt. Ferner kann das Meßverfahren mit Elektronenstrahltestern aufgrund der erwähnten Gefährdung der Schaltungen häufig nicht eingesetzt werden.

Ferner ist es bekannt, eine berührungslose Spannungsmessung innerhalb von integrierten Schaltungen dadurch vorzunehmen, daß ein Flüssigkristall zur Erfassung elektrischer Felder oberhalb der integrierten Schaltung verwendet wird, wobei innerhalb des Flüssigkristalls die vom elektrischen Feld abhängige Ausrichtung von Molekülen ausgenutzt wird, um mit tels eines Polarisationsmikroskopes eine Potentialkontrast darstellung zu erzeugen.

So offenbart beispielsweise die Fachveröffentlichung D.J. Burns: "Microcircuit Analysis Technigues Using Field-Effect Liquid Crystals", IEEE Trans. on Electron Devices, Januar 1979, Seiten 90-95 unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein derar tiges, allgemein übliches Meßverfahren unter Verwendung von Flüssigkristallen, bei dem zunächst Flüssigkristalle auf die integrierte Schaltung aufgetragen werden, dann eine optisch transparente Platte auf den Flüssigkristall aufgelegt wird, die üblicherweise geeignet vorbehandelt ist, um eine Voraus richtung der Flüssigkristalle zu gewährleisten, wobei nach Anlegen von elektrischen Spannungen an die integrierte Schaltung Bereiche mit hohen Feldstärkeänderungen bei Be trachtung im Polarisationsmikroskop hell, feldfreie Bereiche hingegen dunkel erscheinen.

Dieses bekannte Verfahren hat zwar den Vorteil, daß gleich zeitig im Polarisationsmikroskop die Bereiche verschiedener Spannungen mit im Beispielsfall 0 bzw. 5 Volt darstellbar sind, jedoch versagt das bekannte Verfahren, wenn mehrere, nebeneinander liegende Leiterbahnen auf gleichem Potential liegen. In heutigen integrierten Schaltungen liegen häufig Bündel von eng nebeneinander liegenden Leiterbahnen auf gleichem Potential. Da in diesem Fall zwischen benachbarten Leiterbahnen kaum Feldstärkeänderungen auftreten, versagt die Anzeige über das Polarisationsmikroskop.

Die genannte Entgegenhaltung offenbart ferner für den ver gleichsweise ungewöhnlichen Fall, daß Signale mit Spannungen gemessen werden sollen, die unterhalb der dem verwendeten Flüssigkristall abhängigen Ansprechspannung liegen, den Ein satz einer Feldplatte oder Elektrode, die mit einer getak teten, nicht konstanten, polaritätsmäßig zu der nachzuwei senden Spannung entgegengesetzten Spannung gepulst wird. Einerseits ermöglicht dieses Verfahren nur die Darstellung des zum jeweiligen Potential der Feldplatte oder Elektrode mit der entgegengesetzten Spannung beaufschlagten Bereiches im Polarisationsmikroskop, so daß ein derartiges Verfahren zur gleichzeitigen Darstellung verschiedener Spannungsbe reiche nicht tauglich ist. Andererseits bezeichnet sogar der Autor dieser Entgegenhaltung die von ihm durchgeführten Ex perimente in dieser Beziehung als nicht erfolgreich, da es zu einer Kontaktzerstörung zwischen dem Flüssigkristall und der Feldplatte gekommen ist.

Aus der DE 39 22 204 C1 ist be reits ein gattungsgemäßes Verfahren zum berührungslosen Mes sen von Spannungen bekannt. Dieses bekannte Verfahren nutzt zur kontaktlosen Messung elektrischer Spannungen an Leiter bahnen in einer integrierten Schaltung die vom elektrischen Feld abhängige Ausrichtung der Moleküle nematischer Flüssig kristalle. Zur Vorbereitung der Messung wird die Oberfläche der integrierten Schaltung mit einer Lezithinschicht ver sehen. Durch diese Beschichtung wird im feldfreien Fall eine homöotrope Ausrichtung der Moleküle an der Oberfläche be wirkt. Auf die Lezithinschicht wird nunmehr ein Flüssig kristall aufgetragen. Mit Hilfe eines Manipulators, der auf einem Kreuztisch eines Polarisationsmikroskopes befestigt ist, wird eine Glasplatte auf die Flüssigkristallschicht ab gesenkt. Die Glasplatte ist mit einer dünnen, elektrisch leitenden und optisch transparenten Schicht versehen, die eine Gegenelektrode für die durchzuführende Spannungsmessung bildet. Mit einer äußeren Spannungsquelle wird zwischen die ser Gegenelektrode und der Schaltungsmasse eine Potential differenz eingestellt. Bei Änderung des Potentiales von Leiterbahnen der Schaltung gegenüber dem Potential der Ge genelektrode ergeben sich Änderungen der elektrischen Feld stärke im Flüssigkristall. Bei genügend hohen Feldstärke änderungen drehen sich die Moleküle des Flüssigkristalls, so daß eine Doppelbrechung beobachtet werden kann. Mit dem Polarisationsmikroskop erhält man eine Potentialkontrast darstellung, wobei feldfreie Gebiete der integrierten Schal tung dunkel erscheinen. Obgleich mit diesem Verfahren auch Spannungen an eng benachbarten Leiterbahnen mit einem ähn lichen Pegel erfaßt werden können, was bei dem oben ge schilderten bekannten-Verfahren nicht der Fall ist, hat das bekannte Verfahren eine Beschränkung dahingehend, daß nur langsame Änderungen der Leiterbahnpotentiale beobachtet werden können, da die Moleküle des Flüssigkristalles schnel len Änderungen der Feldstärke nicht zu folgen vermögen.

Aus der DE-OS 23 09 371 ist bereits ein Verfahren zum berührungslosen Messen von Spannungen bekannt, bei dem ein Zusammenhang zwischen dem an die Elektrode angelegten Potential und dem an das zu prüfende Objekt angelegten Potential besteht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum berührungslosen Messen von Spannungen der oben geschilderten Art (vergleiche DE-39 22 204C1) so weiterzubilden, daß auch Spannungen in integrierten Schaltungen erfaßbar sind, die sich schnell ändern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum berührungslosen Mes sen von Spannungen innerhalb von integrierten Schaltungen, bei dem wenigstens zwei verschiedene Spannungsbereiche in der integrierten Schaltung optisch erfaßbar sind, mit fol genden Verfahrensschritten:

- Auftragen eines Flüssigkristalles auf die integrierte Schaltung;
- in Berührung Bringen einer optisch transparenten Platte mit dem Flüssigkristall;
- Anordnen einer Gegenelektrode zur Festlegung einer Äquipotentialfläche in einem bestimmten Abstand zu der integrierten Schaltung;
- Anlegen von elektrischen Spannungen an die integrierte Schaltung; und
- Erfassen der Spannung in der integrierten Schaltung durch optisches Erfassen der vom elektrischen Feld in dem Flüssigkristall bewirkten Teilchenausrichtung,

wobei an die Gegenelektrode eine in einer zeitlichen Beziehung zu der Spannung eines Spannungsbereiches der integrierten Schaltung stehende Impulsspannung ange legt wird.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen definiert.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens wird nachfolgend näher erläutert.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, wie sie in der DE-39 22 204C1 offenbart ist. Zur Vorbereitung des Spannungsmeßverfahrens wird auf die Oberfläche einer integrierten Schaltung eine Lezithin schicht aufgetragen, die in der bereits geschilderten Art im feldfreien Fall eine homöotrope Ausrichtung der Moleküle an der Oberfläche bewirkt. Nunmehr wird die Lezithinschicht mit einer Flüssigkristallschicht versehen. Mittels eines Mikro manipulators wird eine Glasplatte auf die Flüssigkristall schicht abgesenkt. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Glasplatte mit einer dünnen, elektrisch leitenden und optisch transparenten Schicht versehen, die eine Gegenelek trode bildet.

In Abweichung von dieser Ausgestaltung ist es möglich, die Gegenelektrode unabhängig von der Glasplatte auszugestalten.

Bei Verwendung einer Glasplatte wird es als bevorzugt ange sehen, diese auf ihrer der integrierten Schaltung zuge wandten Seite zu bürsten und ebenso wie die integrierte Schaltung selbst mit einer Lezithinschicht zu versehen.

Die Einstellung der Schichtdicke des Flüssigkristalles kann durch Verdünnen desselben mit einem flüssigen Lösungsmittel geschehen.

Das Einstellen der Glasplatte mittels des Mikromanipulators wird derart durchgeführt, daß die Glasplatte in einem Ab stand von beispielsweise 10 Mikrometer von der Oberfläche der integrierten Schaltung beabstandet an dem Flüssigkri stall anliegt.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren wird die Gegenelek trode mit einer Impulsspannung beaufschlagt, die zeitlich zu der interessierenden Leiterbahnspannung der integrierten Schaltung korreliert ist. Bei einem periodischen digitalen Leiterspannungssignal wird die impulsförmige Spannung, die an die Gegenelektrode angelegt wird, in einer einstellbaren Phasenlage gegenüber der Phase der Leiterbahnspannung er zeugt. Bei diesem Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Ver fahrens wird in der nachfolgend beschriebenen Weise der Effektivwert der Spannungsdifferenz zwischen der Leiter spannung und der Spannung an der Gegenelektrode eingestellt. Hierbei wird ausgenutzt, daß der Effektivwert dieser Span nung unterschiedliche Werte annimmt, je nach dem, ob das Impulsdach der Impulsspannung mit dem niedrigen oder mit dem hohen Pegel einer Leiterbahnspannung zeitlich zusammen trifft. Der Effektivwert ist hierbei der über eine Periode gebildete Mittelwert des Quadrats der Spannungsdifferenz.

Bei der Einstellung wird vorzugsweise damit begonnen, daß zunächst an die Gegenelektrode eine konstante Spannung angelegt wird, die später dem Pegel des Impulsbodens ent spricht. Diese Spannung wird derart eingestellt, daß der Effektivwert der Spannungsdifferenz die Schwellenspannung des verwendeten Kristalls nicht erreicht, d. h. keine Aus wirkung auf das optische Verhalten des Kristalles zeigt. Nach Einschalten des Impulses wird der Pegel des Impuls daches gerade so eingestellt, daß nur bei einem Zusammen treffen mit einem niedrigen Leiterbahnpegel der Effektivwert der Spannungsdifferenz die Schwellenspannung überschreitet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an die Gegenelek trode also eine von der Meßgröße, die bei dem gezeigten Aus führungsbeispiel die Leiterbahnspannung ist, zeitlich abge leitete impulsförmige Spannung angelegt. Durch zeitliche Verschiebung des Abtastimpulses bezogen auf die Phase der Meßgröße, also der Leiterbahnspannung, ist es möglich, den zeitlichen Verlauf der Digitalsignale auf der Leiterbahn zu bestimmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Zeitauflösung nicht mehr durch den Flüssigkristall beschränkt, sondern hauptsächlich durch die Impulsbreite des verwendeten Impul ses festgelegt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Erfassen von Datensignalen von hoher Datenrate auf Lei terbahnen in integrierten Schaltungen trotz der Verwendung eines Flüssigkristalles, dessen Moleküle sich bei Änderung des angelegten Feldes nur relativ langsam ändern.

Zur optischen Erfassung der Molekülausrichtung innerhalb des Flüssigkristalles kann auch bei dem erfindungsgemäßen Ver fahren in an sich üblicher Weise ein Polarisationsmikroskop verwendet werden, das im wesentlichen aus einer Lichtquelle mit einem ersten Polarisator und einer Betrachtungsoptik mit einem zu dem ersten Polarisator gekreuzt angeordneten zwei ten Polarisator besteht. Übliche industrielle Auflichtpola risationsmikroskope haben einen derartigen, für die Zwecke der Erfindung geeigneten Aufbau. Bei Betrachtung mit dem Polarisationsmikroskop werden feldfreie Gebiete dunkel und Gebiete mit hohem Feld hell dargestellt.

Für die Zwecke der Erfindung eignen sich nicht nur ferro elektrische Flüssigkristalle, die die Erfassung von Span nungen hoher Frequenzen aufgrund ihrer kurzen Relaxations zeiten ermöglichen, sondern auch Flüssigkristalle mit langen Relaxationszeiten, die bei bekannten Verfahren Grenzfrequen zen von einigen Kiloherz bezüglich der erfaßbaren Meßsignale vorgaben, jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Erfassung von Signalen im Hochfrequenzbereich ermöglichen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ferner die Dar stellung des Potentialkontrastbildes unter Verwendung eines Laser-Raster-Mikroskopes.

Grundsätzlich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Spannungsmessung, wenn nach einer Kalibrierung der Im pulsamplitude eine quantitative Messung der Drehung der Polarisationsebene durchgeführt wird.

Hauptsächliche Anwendungsfälle des erfindungsgemäßen Verfah rens betreffen die Untersuchung von Prototypen integrierter Schaltungen und die Fehleranalyse bei der Serienfertigung von integrierten Schaltungen.

Claims

1. Verfahren zum berührungslosen Messen von Spannungen in nerhalb von integrierten Schaltungen, bei dem wenigstens zwei verschiedene Spannungsbereiche in der integrierten Schaltung optisch erfaßbar sind,
mit folgenden Verfahrensschritten:

- Auftragen eines Flüssigkristalles auf die integrierte Schaltung;
- in Berührung Bringen einer optisch transparenten Plat te mit dem Flüssigkristall;
- Anordnen einer Gegenelektrode zur Festlegung einer Äquipotentialfläche in einem bestimmten Abstand zu der integrierten Schaltung;
- Anlegen von elektrischen Spannungen an die integrierte Schaltung; und
- Erfassen der Spannungen in der integrierten Schaltung durch optisches Erfassen der vom elektrischen Feld in dem Flüssigkristall bewirkten Teilchenausrichtung,

dadurch gekennzeichnet,
daß an die Gegenelektrode eine in einer zeitlichen Be ziehung zu der Spannung eines Spannungsbereiches der integrierten Schaltung stehende Impulsspannung angelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbereiche Leiterbahnen der integrierten Schaltung sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte zur Spannungseinstellung:
Anlegen einer konstanten Spannung an die Gegenelektrode, deren Pegel dem Impulsboden der Impulsspannung ent spricht, derart, daß der Effektivwert der Spannungs differenz zwischen der Leiterbahnspannung und der Span nung der Gegenelektrode die Schwellenspannung des ver wendeten Flüssigkristalls nicht erreicht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel des Impulsdaches der angelegten Impuls spannung derart eingestellt wird, daß nur bei einem Zusammentreffen mit einem der möglichen Leiterbahnpegel der Effektivwert der Spannungsdifferenz die Schwellen spannung des verwendeten Flüssigkristalles überschrei tet, während bei einem Zusammentreffen mit einem anderen der möglichen Leiterbahnpegel der Effektivwert der Spannungsdifferenz die Schwellenspannung nicht erreicht.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, daß der zeitliche Verlauf der Leiterbahnspannung durch Veränderung der Phasenlage des Impulses der Impulsspan nung gegenüber der Phase der Leiterbahnspannung bestimmt wird, wobei die Zeitauflösung durch die gewählte Impuls breite unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit der Lage der Moleküle des Flüssigkristalles bei Änderung des elektrischen Feldes festgelegt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des in Berührung Bringens der optisch transparenten Platte mit dem Flüssigkristall und der Verfahrensschritt des Anordnens der Gegenelektrode gleichzeitig durch Absenken einer mit der Gegenelektrode versehenen Glasplatte in Richtung auf die integrierte Schaltung hin bis zur Berührung der Glasplatte mit dem Flüssigkristall durchgeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Absenken der Gegenelektrode mittels eines Mikro manipulators durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß zur optischen Erfassung der Teilchenausrichtung im Flüssigkristall ein Polarisationsmikroskop verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen Erfassung der Teilchenausrichtung im Flüssigkristall ein Laser-Raster-Mikroskop verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekenn zeichnet durch den Verfahrensschritt der Lezithinbe schichtung der Glasplatte.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Bürstens der Glasplatte.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekenn zeichnet durch den Verfahrensschritt der Lezithinbe schichtung der integrierten Schaltung.