WO2015075100A1 - Vorrichtung und verfahren zur s-parameter-charakterisierung von elektronischen bauelementen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur s-parameter-charakterisierung von elektronischen bauelementen Download PDF

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WO2015075100A1
WO2015075100A1 PCT/EP2014/075079 EP2014075079W WO2015075100A1 WO 2015075100 A1 WO2015075100 A1 WO 2015075100A1 EP 2014075079 W EP2014075079 W EP 2014075079W WO 2015075100 A1 WO2015075100 A1 WO 2015075100A1
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radiation
waveguide
detector
dut
thz
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PCT/EP2014/075079
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Jan-Martin Rämer
Georg Von Freymann
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/302—Contactless testing
    • G01R31/308—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation
    • G01R31/311—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation of integrated circuits
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/16—Spectrum analysis; Fourier analysis
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    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/265—Contactless testing
    • G01R31/2656—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for the optoelectronic S-parameter characterization of electronic components in the frequency range above 100 GHz.
  • the invention also relates to a use for said method.
  • An important method for characterizing electronic components is the measurement of the scattering parameters, so-called S-parameters.
  • S-parameters are used to describe the behavior of linear electrical components and networks in small signal behavior by means of wave sizes.
  • the S-parameters are used in dimensioning and calculations in the field of high-frequency technology, eg communication systems and systems of communications engineering.
  • the meaning of the S-parameters lies above all in the metrological field, since, in contrast to other parameter representations, such as the Z, Y and H parameters, the S-parameters are recorded with the wave impedance, which is also present in normal operation at the terminals available. As a result, unwanted impedance transformations are avoided in the measurements of the S parameters at the inputs and outputs of a network, due to the necessary measurement lines and the spatial dimensions.
  • the measurement of the S-parameters is carried out by means of network analyzers which generate test signals in a purely electronic way.
  • Such analyzers are used in electronics, communications engineering and especially in high-frequency technology to measure the scattering parameters (S-parameters), as reflection and transmission, of electrical measurement objects (English: device under test - DUT) as a function of frequency.
  • the network analyzer sends a signal (outgoing wave) to the DUT. Its frequency, amplitude and phase are known.
  • the test piece reflects a part of this signal (running wave at the entrance). The rest runs into the measurement object, where it is changed and appears at the point of origin of the DUT as a transmitted signal (wave propagating at the output). From the ratio of reflected to transmitted signal, the reflection of the measurement object is measured, and from the ratio of transmitted to transmitted signal, the transmission of the measurement object is measured.
  • the network analyzers are able to penetrate into the THz range. However, they are each limited to the bands given by respective waveguides (e.g., W band, H band, X band).
  • Waveguides are waveguides for electromagnetic waves in the centimeter wave range and below. These are usually metal tubes with mostly rectangular, circular or elliptical cross-section, in which such high frequencies can be transferred very low loss in contrast to cables. Hollow conductors can also be used under elevated internal gas pressure in order to be able to transmit higher powers without flashovers or air blows occurring.
  • Such a method is for example from D.H. Auston et al., Applied Physics Letters, 45 (3): 284-286, 1984, known as terahertz time domain spectroscopy.
  • THz radiation is generated by means of ultrashort laser pulses, guided by optical elements onto a sample to be examined and from there onto a detector.
  • the process allows many processes in polymers to be investigated spectroscopically.
  • the electrical parameters such as the absorption and the refractive index, but also the thickness of a sample can be determined simultaneously.
  • the glass transition of a polymer can be characterized by means of the time domain spectrometer.
  • semiconductors can be characterized by so-called terahertz time domain spectroscopy.
  • the applications are concerned with investigating properties of the investigated semiconductor itself, eg charge carriers, lifetime, charge carrier mobility, doping profiles and phonons.
  • the objective is a better understanding of the physical processes in semiconductors.
  • the relevant prior art contains no indication that other investigations, in particular the behavior of complete Components are also feasible with this method.
  • the object of the present invention is to avoid the described disadvantages of the prior art, in particular the use of network analyzers.
  • the invention accordingly provides a device for measuring S-parameters for the purpose of characterizing electronic components.
  • This device has a radiation source, a device for coupling an electronic component and at least one detector.
  • Radiation is generated in the frequency range above 100 GHz
  • the radiation source is preferably a device in which THz radiation is generated by means of ultrashort laser pulses.
  • THz radiation is generated by means of laser pulses, preferably ultrashort laser pulses and directed to the electronic component (DUT) and from there to the detector.
  • the signal is sampled in the detector.
  • this scanning is carried out by ultrashort laser pulses which are shifted in time with respect to the emitter pulses. Since this measures the electric field, both phase and amplitude information are accessible; according to the invention, it operates at frequencies above 100 GHz. Preferred are ranges from 100 GHz to 5 THz, more preferably 100 GHz to 4 THz.
  • the device according to the invention and the method according to the invention enable measurements of reflection or transmission. Likewise, both measurements can be combined in one device.
  • the measuring heads can be connected to the system either by means of free-beam optics or by means of glass fibers.
  • the methods of frequency domain measurement can also be used.
  • Emitter photomixers K. A. Mclntosh, Applied Physics Letters, 67, 26: 3844, 1995 can be used for this purpose. These emit an electrical signal with the frequency of the mutual detuning of two stimulating continuous wave lasers.
  • the coupling to a DUT is analogous to the pulsed measurement.
  • the detection in this case takes place by means of another photomixer (S. Verghese et al., Applied Physics Letters, 73, 26): 3824, 1998) or an electro-optic crystal ⁇ Ajay Nahata et al .; Applied Physics Letters, 75 (17): 2524, 1999).
  • the coupling of the components to the DUT can be carried out according to the invention in various ways:
  • the DUT may be coupled to a waveguide.
  • Such waveguides may have any configuration. Accordingly, the embodiments described above come into consideration.
  • the THz radiation can be coupled by means of an antenna in the waveguide or generated directly in this.
  • the detection can be done by means of another waveguide module.
  • the radiation can be decoupled by means of an antenna and coupled by free-beam optics to the detector.
  • the detector is integrated in a waveguide.
  • the coupling to the DUT can be achieved by plugging the waveguide.
  • Standard are rectangular waveguide, but also conceivable ribbed waveguide
  • the bandwidth is limited to that of the corresponding waveguide, depending on the implementation of the waveguide is independent of the actual emitter or detector.
  • a wafer sample here means a device that transmits the radiation by means of electrical contact, but mostly not exclusively in a coplanar waveguide geometry, to the DUT via stylus tips (cf., for this purpose, EM Godshalk, 1993 IEEE-Mitt-S-Digest S 171-174).
  • stylus tips cf., for this purpose, EM Godshalk, 1993 IEEE-Mitt-S-Digest S 171-174.
  • the DUT can be coupled to the emitter and detector by means of free-beam optics.
  • the bandwidth is limited only by the emitter and detector.
  • bandwidths up to about 4 THz accessible bandwidths up to about 4 THz accessible.
  • Figure 1 shows the structure for measuring the reflection of the DUT, and the coupling using free-beam optics.
  • FIG. 2 shows the structure for measuring the reflection of the DUT and the coupling by means of a waveguide-coupled measuring head.
  • FIG. 3 shows the structure for measuring the reflection of the DUT and the coupling by means of free-jet measuring heads to a waveguide-coupled DUT.
  • FIG. 4 shows the structure for measuring the transmission of the DUT and the coupling by means of free-beam optics.
  • FIG. 5 shows the structure for measuring the transmission of the DUT and the coupling by means of waveguide-coupled measuring heads.
  • FIG. 6 shows the structure for measuring the transmission of the DUT and the coupling by means of free-jet measuring heads to a waveguide-coupled DUT.
  • FIG. 7 shows the structure for measuring both the reflection and the transmission of the DUT and the coupling by free-beam optics.
  • FIG. 8 shows the structure for measuring both the reflection and the transmission of the DUT and the coupling by means of waveguide-coupled measuring heads.
  • FIG. 9 shows the structure for measuring both the reflection and the transmission of the DUT and the coupling by means of free-jet measuring heads to a waveguide-coupled DUT.
  • FIG. 10 shows the structure for measuring both the reflection and the transmission of the DUT and the coupling by means of free-jet measuring heads to a waveguide-coupled DUT. Number component figures
  • 111 THz detector 1 2, 3a, 3b, 3c, 4, 5, 6, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
  • optical beam splitter 1 2, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
  • optical beam splitter 1 2, 3a, 3b, 3c, 4, 5, 6, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
  • 311 delay unit 1 2, 3a, 3b, 3c, 4, 5, 6, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
  • Solid lines represent laser radiation.
  • two lasers can be used, which are detuned with respect to their repetition rate.
  • the division of the reflected signal by means of a waveguide coupler or a beam splitter for THz radiation can be done.
  • the detection crystal of the excited THz beam can be transilluminated, as shown in Figure 3 b.
  • FIG. 1 shows a structure for measuring the reflection of the DUT and the coupling by means of free-beam optics.
  • the laser radiation reaches the optical beam splitter 302. From there, radiation is deflected via the delay unit 311 onto the detector 111. Another portion of the radiation passes to the THz emitter 101. The THz radiation then passes to the THz beam splitter 401. The radiation passes to the focusing THz optic 411 and thence to the DUT 121. The radiation reflected from the DUT 121 Radiation passes through the THz beam splitter 401 to the detector 111.
  • FIG. 2 shows a design for measuring the reflection of the DUT and the coupling by means of waveguide-coupled measuring heads. From the laser 001 the radiation reaches the optical beam splitter 302, from where a part of the beam is directed to the delay unit 311 and from there to the detector 111. Another part of the beam goes into the THz emitter 101. To this emitter, a waveguide 213 is coupled. Downstream of this is a waveguide coupler 221, which is partly connected to the detector via a waveguide 215 and partly via an input waveguide 211 to the DUT 121. The radiation reflected by the DUT passes to the detector 111.
  • FIG. 1 shows a design for measuring the reflection of the DUT and the coupling by means of waveguide-coupled measuring heads.
  • alternative 3 shows a structure for measuring the reflection of the DUT and the coupling by means of free-jet heads to a waveguide-coupled DUT.
  • Alternative 1 the laser 001 passes the radiation to the optical beam splitter 302. Part of the radiation goes to the delay unit 311 and from there to the detector 111, while the other part of the radiation reaches the THz emitter 101. From there, the radiation passes via an antenna 231 into a waveguide 211, which is coupled to the DUT 121. The radiation reflected by the DUT 121 reaches the detector 111.
  • the laser radiation reaches the optical beam splitter 302 from the laser 001 and the detector 111 via the delay unit 311.
  • the other part of the radiation enters the THz emitter 101, from where the THz radiation passes through the antenna 231 passes into the waveguide 211, which is coupled to the DUT 121.
  • the radiation reflected by the DUT 121 passes into the detector 111.
  • laser radiation from device 001 is directed into emitter 101.
  • the radiation enters the optical beam splitter 302, from where part of the radiation is directed via the delay unit 311 to the detector 111.
  • the THz radiation reaches the antenna 231, which extends into the waveguide coupler 221.
  • This waveguide coupler 221 is in turn connected to the input waveguide 211, which in turn is connected to the DUT 121.
  • Another antenna 233 is connected to the waveguide coupler 221 by means of an antenna 233. This antenna connects the waveguide coupler 221 to the detector 111. In turn, radiation from the DUT 21 enters the detector.
  • FIG. 4 shows a design for measuring the transmission of the DUT 121 and the coupling by means of free-beam optics.
  • the laser 001 again serves as the radiation source, from which the radiation passes partly via an optical beam splitter 302 into the delay unit 311 and from there into the detector 111 and partly to the THz emitter 101.
  • the THz radiation enters from this emitter 101 the focusing THz optics 411. Downstream of this optics of the DUT 121.
  • the exiting radiation enters the focusing THz optic 412 and from there into the THz detector 111.
  • FIG. 5 shows a design for measuring the transmission of the DUT 121 and the coupling by means of waveguide-coupled measuring heads.
  • the laser radiation reaches the optical beam splitter 302, from where part of the radiation is deflected via the delay unit 311 to the detector 111.
  • the other part of the radiation enters the THz emitter 101.
  • the output waveguide 212 is coupled to the DUT 121, which in turn is connected to the THz detector 111 via the waveguide 215.
  • FIG. 6 shows the structure for measuring the transmission of the DUT 121 and the coupling by means of free-jet measuring heads to the waveguide-coupled DUT 121.
  • Radiation reaches the optical beam splitter 302 from the laser 001, from where the deflected radiation reaches the detector 111 via the delay unit 311. The other part of the radiation enters the THz emitter 101.
  • the THz radiation passes via the antenna 231 into the input waveguide 211 of the DUT 121.
  • This input waveguide 211 is coupled directly to the DUT 121.
  • An output waveguide 212 is coupled to the DUT 121, from where again THz radiation reaches the THz detector 111 via the antenna 232.
  • FIG. 7 shows a design for measuring and reflecting as well as the transmission of the DUT 121 and the coupling by means of free-beam optics in two alternatives:
  • the radiation coming from the laser 001 is conducted via an optical beam conductor 301.
  • the radiation is redirected and another part given to another beam splitter 302.
  • part of the radiation is conducted into the delay unit 311 and from there via the optical beam splitter 303 into the detectors 111 and 112.
  • laser radiation passes into the THz emitter 101.
  • the THz radiation passes from there via the THz beam splitter 401 to the focusing THz optics 411 and from there into the DUT 121.
  • the radiation reflected by the DUT 121 passes through the beam splitter 401 in the detector 111.
  • the DUT 121 is followed by a further optics, namely the Focussing THz optics 412, through which the THz radiation reaches the THz beam splitter 402, from which the radiation is conducted into the detector 112. This means that the transmission is measured.
  • the other half of the radiation conducted via the beam splitter 302 arrives at the THz emitter 102, from where the radiation is again directed to the DUT 121 via the focusing optics 411.
  • the radiation reflected by the DUT 121 is conducted into the detector 112.
  • the radiation passes through the DUT 121 and the beam splitter into the detector 111. That is, in this system, both the reflection and the transmission of the DUT 121 are measured.
  • the other half of the radiation reaches the optical beam splitter 302.
  • Part of the radiation passes here via the optical beam splitter 303 and the delay unit 311 to the detector 111, or via the delay unit 312 to the detector 112.
  • the other part of the radiation arrives via the beam splitter 302 the THz emitter 101, the THz radiation radiation passes through the focusing THz optics 411 to the DUT 121.
  • the exiting radiation reaches the THz beam splitter 402. From there, the radiation reaches the detector 112.
  • On the other side passes via the beam splitter 302, radiation via the DUT 121 to the detector 112. That is In this system, reflection and transmission are measured.
  • FIG. 8 shows the structure for measuring both the reflection and the transmission of the DUT and the coupling by means of waveguide-coupled measuring heads.
  • the radiation is passed, which comes from the beam splitter 301. Radiation enters the DUT 121 from the emitter 102. The transmission is measured in the detector 111. Reflection detection occurs in the detector 112.
  • the radiation from there via the waveguide 213, 221, 211 to the DUT 121 passes via the waveguide 215 to the detector 111 or via the waveguide 212, 222, 216 to the detector 112, where accordingly the transmission can be measured.
  • Radiation emerging from the THz detector 111 is conducted via the beam splitter 303 to the delay unit 311.
  • the laser radiation from the laser device 001 passes through the beam splitter 301 and 302 to the THz emitter 101.
  • the radiation 302 split in the optical beam splitter passes in part to and from the delay unit 311 via the optical beam splitter 303 to detector 111.
  • the other part of the laser beam split at beam splitter 303 passes via the delay unit 312 to the detector 112.
  • To the THz emitter 101 of the waveguide 213 is connected.
  • This waveguide 213 is in turn connected to the waveguide coupler 221, which is connected to the THz detector 111 via the waveguide 215.
  • the waveguide coupler 221 via the waveguide 211 is coupled to the input of the DUT 121.
  • the waveguide 2 2 serves as output waveguide for the DUT 121.
  • a waveguide coupler 222 is also provided here.
  • This waveguide coupler 222 is connected to the THz detector 112 via the waveguide 216.
  • the waveguide coupler 222 is connected to the emitter 102 via the waveguide 214. To this passes from the beam splitter 301 radiation.
  • FIG. 9 shows the structure for measuring both the reflection and the transmission of the DUT and the coupling by means of free-jet measuring heads to waveguide-coupled DUT 121. Shown are three alternatives:
  • the radiation divider 301 Part of the radiation is guided by the radiation divider 301 to the emitter 102. From there, the radiation is supplied to the DUT 121. The radiation reflected by the DUT 121 or the radiation passing through the DUT 121 are measured by the detectors 111 and 112. Via the beam conductor 303, the radiations are guided to the detectors 111 and 112. In alternative 2 (b), the beam splitters 401 and 402 are saved. In detail, the radiation from the laser 001 passes through the beam splitter 301 and 302 to the THz emitter 101. A portion of the radiation is deflected to the beam guide 302 and from there to the delay unit 311. From there, the laser radiation reaches the detectors 111 and 112 by means of a beam splitter 303.
  • the antenna 231 which is connected to the input waveguide coupler 231.
  • This input waveguide coupler is connected to the DUT 121.
  • the detector 112 Via the output waveguide of the DUT 212, further radiation reaches the detector 112 via the antenna 232. There, the transmission is accordingly measured.
  • the detector 111 the radiation reflected by the DUT 121 is measured.
  • the radiation passing through the DUT 121 is detected there via the emitter 102.
  • the radiation reaching the emitter 102 via the beam splitter 301 is guided to the DUT 121.
  • the transmission is measured in the detector 111 and the reflection in the detector 112.
  • radiation from the laser 001 passes to the beam splitter 301.
  • a portion of the radiation is redirected to the THz emitter 102.
  • Another portion of the radiation passes via the beam splitter 302 to the THz emitter 101.
  • From the beam splitter 302 a portion of the radiation to the delay unit 311 and from there via beam splitter 303 to the detectors 111 and 112.
  • From the THz emitter 101 passes through the antenna 231 for the waveguide, the radiation in the waveguide 221.
  • This serves as a waveguide coupler to the input waveguide 211 of the DUT 121.
  • the waveguide coupler 211 is connected to the detector 111.
  • the DUT 121 is connected to the output waveguide 212 and the waveguide coupler 222.
  • the antenna 232 is attached to the waveguide coupler 222.
  • the partial radiation derived via the beam splitter 301 passes via the emitter 102 to the antenna 232. That is, the radiation coming from the emitters 101 and 102 can be reflected by the DUT 121 and measured in the detectors 111 and 112. Likewise, emitters 101 and 102 may be scanned by the DUT 121 by passing radiation in the detectors 111 and 112.
  • FIG. 10 shows the structure for measuring both the reflection and the transmission of the DUT 121 and the coupling by means of free-jet measuring heads to a waveguide-coupled DUT. Shown are three alternatives. In alternative 1 (a), radiation from the laser 001 passes via the beam splitter 301 and 302 to the THz emitter 101.
  • a portion of the radiation is diverted from the beam splitter 302 to the beam splitter 303, and from there to the delay units 311 and 312. From there, the laser radiation is directed to the detectors 111 and 112, respectively.
  • Part of the radiation is diverted by the beam splitter 301 to the THz emitter 102.
  • THz radiation from the THz emitter 101 reaches the beam splitter 401.
  • THz radiation emitted by the THz emitter 102 reaches the beam splitter 402.
  • Radiation passes from the beam splitter 401 to the antenna 231 for the waveguide 211, which is the input waveguide for the DUT 121.
  • the waveguide 212 is in turn the output waveguide for the DUT 121.
  • An antenna 232 is connected to the waveguide 212.
  • the THz radiations coming from the THz emitters 101 and 102 can pass through the DUT 121 and in this way the transmissions in the detectors 111 and 112 can be measured. On the other hand, it is also possible to measure the reflection of the DUT 121 in the respective detectors.
  • the beam splitters 401 and 402 are absent. Incidentally, construction and operation according to the alternative 1.
  • Alternative 3 differs from the previous alternatives in that the detectors 111 and 112 are connected via the antennas 233 and 234 to waveguide couplers 221 and 222, respectively.
  • the waveguide couplers are in turn arranged via the antenna 231 or 232 in the beam path which comes from the emitters 101 and 102.
  • the waveguide couplers 221 and 222 are in turn connected to the waveguide 211 (the waveguide to the DUT 221) and the waveguide 212 (the output waveguide for the DUT).
  • the waveguide 211 the waveguide to the DUT 221
  • the waveguide 212 the output waveguide for the DUT

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur S-Parameter Charakterisierung von elektrischen Bauelementen, bei welchen eine Strahlungsquelle (001) ein Emitter (101) nachgeordnet ist, welcher an ein elektronisches Bauteil (121) angekoppelt und mit einem Detektor (111) verbunden ist sowie ein Verfahren zur Charakterisierung der S-Parameter des elektronischen Bauteils sowie die Verwendung der Vorrichtung in dem genannten Verfahren.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR S-PARAMETER-CHARAKTERISIERUNG VON ELEKTRONISCHEN BAUELEMENTEN
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optoelektronischen S-Parameter-Charakterisierung elektronischer Bauelemente im Frequenzbereich oberhalb von 100 GHz. Ebenfalls betrifft die Erfindung eine Verwendung für das genannte Verfahren. Eine wichtige Methode zur Charakterisierung elektronischer Bauelemente ist die Messung der Streuparameter, sog. S-Parameter.
S-Parameter dienen zur Beschreibung des Verhaltens linearer elektrischer Komponenten und Netzwerke im kleinen Signalverhalten mittels Wellengrößen. Anwendung finden die S- Parameter bei der Dimensionierung und Berechnungen im Bereich der Hochfrequenztechnik, z.B. Kommunikationssysteme und Systeme der Nachrichtentechnik. Die Bedeutung der S-Parameter liegt vor allem im messtechnischen Bereich, da im Gegensatz zu anderen Parameterdarstellungen, wie den Z-, Y- und H-Parametern die Erfassung der S-Parameter mit der Wellenimpedanz erfolgt, welche auch im normalen Betrieb an den Anschlüssen vorhanden sind. Dadurch werden bei den Messungen der S- Parameter an den Ein- und Ausgängen eines Netzwerks, bedingt durch die notwendigen Messleitungen und den räumlichen Ausdehnungen, unerwünschte Impedanztransformationen vermieden. Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird die Messung der S-Parameter mittels Netzwerkanalysatoren durchgeführt, welche Testsignale auf rein elektronischem Weg erzeugen. Derartige Analysatoren werden in der Elektronik, Nachrichtentechnik und besonders in der Hochfrequenztechnik eingesetzt, um die Streuparameter (S-Parameter), als Reflektion und Transmission, von elektrischen Messobjekten (englisch: device under test - DUT) als Funktion der Frequenz zu messen. Der Netzwerkanalysator sendet ein Signal (hin laufende Welle) auf das Messobjekt (DUT). Dessen Frequenz, Amplitude und Phase, sind bekannt. Der Prüfling reflektiert einen Teil dieses Signals (weglaufende Welle am Eingang). Der Rest läuft in das Messobjekt, wird dort verändert und tritt am Ausgangspunkt des DUT als übertragendes Signal (weglaufende Welle am Ausgang) in Erscheinung. Aus dem Verhältnis von reflektiertem zu gesendetem Signal wird die Reflektion des Messobjekts gemessen und aus dem Verhältnis von übertragenem zu gesendetem Signal wird die Transmission des Messobjekts gemessen.
Mittels Frequenzvervielfachung sind die Netzwerkanalysatoren in der Lage, in den THz- Bereich vorzudringen. Sie sind aber jeweils auf die durch entsprechende Hohlleiter vorgegebenen Bänder beschränkt (z.B. W-Band, H-Band, X-Band). Hohlleiter sind Wellenleiter für elektromagnetische Wellen im Zentimeter-Wellenbereich und darunter. Es handelt sich in der Regel um Metallrohre mit meist rechteckigen, kreisförmigen oder elliptischem Querschnitt, in denen sich derart hohe Frequenzen im Gegensatz zu Kabeln sehr verlustarm übertragen lassen. Hohlleiter können auch unter erhöhtem Gas- Innendruck eingesetzt werden, um höhere Leistungen übertragen zu können, ohne dass Überschläge bzw. Luftdurchschläge auftreten.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus D.H. Auston et al-, Applied Physics Letters, 45 (3): 284 - 286, 1984, die sog. Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie bekannt. Danach wird mittels ultrakurzer Laserpulse THz-Strahlung erzeugt, durch optische Elemente auf eine zu untersuchende Probe und von dort auf einen Detektor gelenkt. Mit dem Verfahren lassen sich viele Vorgänge in Polymeren spektroskopisch untersuchen. Mit Hilfe eines Zeitbereichsspektrometers können gleichzeitig die elektrischen Parameter, wie die Absorption und der Brechungsindex, aber auch die Dicke einer Probe bestimmt werden. Bei der Untersuchung von Polymeren lassen sich mittels des Zeitbereichsspektrometers die Glasübergänge eines Polymers beispielsweise charakterisieren.
Ebenso lassen sich mit der sog. Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie Halbleiter charakterisieren. Die Anwendungen befassen sich damit, Eigenschaften des untersuchten Halbleiters selbst, z.B. Ladungsträger, Lebensdauer, Ladungsträgermobilität, Dotierprofile und Phononen, zu untersuchen. Die Zielsetzung ist ein besseres Verständnis für die physikalischen Vorgänge in den Halbleitern. Der betreffende Stand der Technik enthält keinen Hinweis, dass andere Untersuchungen, insbesondere das Verhalten kompletter Bauteile, mit diesem Verfahren ebenfalls durchführbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik, insbesondere des Einsatzes von Netzwerkanalysatoren zu vermeiden.
Gegenstand der Erfindung ist demgemäß eine Vorrichtung zur Messung von S- Parametern zwecks Charakterisierung von elektronischen Bauteilen. Diese Vorrichtung weist eine Strahlungsquelle, eine Vorrichtung zur Ankopplung eines elektronischen Bauteils sowie wenigstens einen Detektor auf.
Erfindungsgemäß wird demgemäß ein Verfahren zur S-Parameter-Charakterisierung von elektronischen Bauelementen vorgeschlagen, bei welchem
Strahlung im Frequenzbereich oberhalb von 100 GHz erzeugt wird,
- diese über einen Emitter auf das zu untersuchende elektronische Bauteil (DUT) und auf einen Detektor gelenkt wird.
Ferner ist Gegenstand der Erfindung, die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung zur S-Parameter-Charakterisierung von elektronischen Bauteilen.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, in Bandbreiten bis zu mehreren THz zu arbeiten und damit höhere Frequenzen als die bisherigen, rein elektronischen Systeme zu erreichen. Eine Begrenzung auf Frequenzbänder findet nur dann statt, wenn Hohlleiter eingesetzt werden. Begrenzungen können aber z.B. durch Verwendung einer Freistrahl- Geometrie umgangen werden.
Bei der Strahlungsquelle handelt es sich vorzugsweise um eine Vorrichtung, bei welcher mittels ultrakurzen Laserimpulsen THz-Strahlung erzeugt wird. Erfindungsgemäß wird demgemäß mittels Laserimpulsen, vorzugsweise ultrakurzen Laserimpulsen, THz-Strahlung erzeugt und auf das elektronische Bauteil (DUT) und von dort auf den Detektor gelenkt. Im Detektor findet eine Abtastung des Signals statt. Vorzugsweise erfolgt diese Abtastung durch ultrakurze Laserpulse, die zeitlich gegenüber den Emitter-Pulsen verschoben sind. Da hierdurch das elektrische Feld gemessen wird, sind sowohl Phasen- als auch Amplitudeninformationen zugänglich, Erfindungsgemäß wird mit Frequenzen oberhalb von 100 GHz gearbeitet. Bevorzugt sind Bereiche von 100 GHz bis 5 THz, besonders bevorzugt 100 GHz bis 4 THz.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen Messungen der Reflektion oder der Transmission. Ebenso lassen sich beide Messungen in einer Vorrichtung kombinieren.
Zur Erzeugung und Detektion können übliche gepulste THz-Detektoren und -Emitter verwendet werden. So sind beispielsweise photoleitende Schalter (D.H. Auston et al., Applied Physics Letters, 45 (3): 284 - 286, 1984), Halbleiteroberflächen {T. Dekorsy et al., Physical Review Letters, 74 (5): 738-741 , 1995, Gasplasmen (DJ Cook, Optics Letters, 25 (16): 1210-2, August 200; Jinsong Liu et al., Optical Letters, 38 (7): 1104-6, April 2013), elektrooptische oder nicht-lineare Kristalle (ZG Lu et al., Applied Physics Letter, 71 (5): 593, 297; K.H. Yang, Applied Physics Letter, 19 (9): 320, 197) oder ein interferometrischer Aufbau (B.l. Greene, Applied Physics Letter, 19 (9): 320, 1991) beschrieben worden. Die Messköpfe können entweder mittels Freistrahloptiken oder mittels Glasfasern an das System angekoppelt werden. Anstelle der Zeitbereichsmessung {D.H.Auston et al., Applied Physics Letters, 45 (3): 284 - 286, 1984) können auch die Methoden der Frequenzbereichsmessung eingesetzt werden. Dazu können als Emitter Photomischer (K.A. Mclntosh, Applied Physics Letters, 67, 26: 3844, 1995) verwendet werden. Diese strahlen ein elektrisches Signal mit der Frequenz der gegenseitigen Verstimmung zweier anregender Dauerstrichlaser ab.
Die Ankopplung an einen DUT erfolgt analog zur gepulsten Messung. Die Detektion findet in diesem Fall mittels eines weiteren Photomischers (S. Verghese et al., Applied Physics Letters, 73, 26): 3824, 1998) oder eines elektrooptischen Kristalls {Ajay Nahata et al.; Applied Physics Letters, 75 (17): 2524, 1999) statt. Die Ankopplung der Bauteile an das DUT kann erfindungsgemäß auf verschiedenen Wegen erfolgen:
Es kann das DUT an einen Hohlleiter gekoppelt sein. Solche Hohlleiter können beliebige Ausgestaltung haben. Demgemäß kommen auch die oben beschriebenen Ausführungsformen in Betracht.
Die THz-Strahlung kann mittels einer Antenne in den Hohlleiter eingekoppelt oder in diesem direkt erzeugt werden. Die Detektion kann mittels eines weiteren Hohlleiter-Moduls erfolgen. Aus diesem kann die Strahlung mittels einer Antenne ausgekoppelt und per Freistrahloptik an den Detektor gekoppelt sein. Alternativ ist es auch möglich, dass der Detektor in einen Hohlleiter integriert ist. Die Kopplung an das DUT kann durch Zusammenstecken der Hohlleiter erreicht werden. Standard sind rechteckige Hohlleiter, denkbar sind aber auch Rippenwellenleiter
Bei den beschriebenen Kopplungsformen ist die Bandbreite auf die des entsprechenden Hohlleiters beschränkt, wobei je nach Implementierung der Hohlleiter unabhängig vom eigentlichen Emitter bzw. Detektor ist. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, den Kontakt mittels einer Wafer-Probe herzustellen. D.h. die Wafer-Probe wird per Hohlleiter an den Detektor und einen Emitter gekoppelt. Unter einem Wafer-Probe ist hierbei ein Gerät zu verstehen, dass die Strahlung mittels elektrischen Kontakts, meistens aber nicht ausschließlich in einer koplanaren Wellenleitergeometrie, über Tastspitzen auf das DUT überträgt (vgl. hierzu E.M. Godshalk, 1993 IEEE-Mitt-S-Digest S. 171-174). Durch die Hohlleiterkopplung entsteht auch in diesem Fall eine Bandbreitenbeschränkung.
In einer weiteren Alternative der Erfindung kann mittels Freistrahloptik das DUT an den Emitter und Detektor gekoppelt werden. Durch die Vermeidung von Wellenleitern ist bei dieser Geometrie die Bandbreite nur durch Emitter und Detektor beschränkt. Damit sind mit kommerziell erhältlichen Komponenten Bandbreiten bis ca. 4 THz zugänglich. Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Hierbei haben die einzelnen Ziffern folgende Bedeutung:
Abbildung 1 zeigt den Aufbau zur Messung der Reflektion des DUTs, und die Ankopplung per Freistrahloptik.
Figur 2 zeigt den Aufbau zur Messung der Reflektion des DUTs und die Ankopplung per Hohlleiter gekoppelten Messkopf. Die Figur 3 zeigt den Aufbau zur Messung der Reflektion des DUTs und die Ankopplung per Freistrahlmessköpfen an Hohlleiter gekoppeltes DUT.
Die Figur 4 zeigt den Aufbau zur Messung der Transmission des DUTs und die Ankopplung per Freistrahloptik.
Figur 5 zeigt den Aufbau zur Messung der Transmission des DUTs und die Ankopplung per Hohlleiter gekoppelten Messköpfen.
Figur 6 zeigt den Aufbau zur Messung der Transmission des DUTs und die Ankopplung per Freistrahlmessköpfen an Hohlleiter gekoppeltes DUT.
Figur 7 zeigt den Aufbau zur Messung sowohl der Reflektion als auch der Transmission des DUTs und die Ankopplung per Freistrahloptik. Figur 8 zeigt den Aufbau zur Messung sowohl der Reflektion als auch der Transmission des DUTs und die Ankopplung per Hohlleiter gekoppelten Messköpfen.
Figur 9 zeigt den Aufbau zur Messung sowohl der Reflektion als auch der Transmission des DUTs und die Ankopplung per Freistrahlmessköpfen an Hohlleiter gekoppeltes DUT.
Figur 10 zeigt den Aufbau zur Messung sowohl der Reflektion als auch der Transmission des DUTs und die Ankopplung per Freistrahlmessköpfen an Hohlleiter gekoppeltes DUT. Nummer Bauteil Figuren
001 Laser 1 , 2, 3a, 3b, 3c, 4, 5, 6, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
101 THz-Emitter 1 , 2, 3a, 3b, 3c, 4, 5, 6, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
102 zweiter THz-Emitter 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
111 THz-Detektor 1 , 2, 3a, 3b, 3c, 4, 5, 6, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
112 zweiter THz-Detektor 1 , 2, 3a, 3b, 3c, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
121 DUT 2, 3a, 3b, 3c, 4, 5, 6, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
211 Eingangshohlleiter des DUTs 5, 6, 8a, 8b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
212 Ausgangshohlleiter des DUTs 5, 6, 8a, 8b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
213 Hohlleiter des Emitters 2, 5, 8a, 8b
214 Hohlleiter des zweiten Emitters 8a, 8b
215 Hohlleiter des Detektors 2, 5, 8a, 8b
216 Hohlleiter des zweiten Detektors 8a, 8b
221 Hohlleiterkoppler 2, 3c, 8a, 8b, 9c, 9c
222 Hohlleiterkoppler 8a, 8b, 9c, 9c
231 Antenne für Hohlleiter 3a, 3b, 3c, 6, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
232 Antenne für Hohlleiter 6, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
233 Antenne für Hohlleiter 3c, 9c, 9c
234 Antenne für Hohlleiter 9c, 9c
301 optischer Strahlteiler 1 , 2, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
302 optischer Strahlteiler 1 , 2, 3a, 3b, 3c, 4, 5, 6, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
303 optischer Strahlteiler 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
311 Verzögerungseinheit 1 , 2, 3a, 3b, 3c, 4, 5, 6, 8a, 8b, 7a, 7b, 9a, 10a, 9b, 10b, 9c, 9c
312 zweite Verzögerungseihheit 8b, 7b, 10a, 10b, 9c
411 Fokussierende THz-Optik 1 , 7a, 7b
412 Fokussierende THz-Optik 7a, 7b
401 THz-Strahlteiler 1 , 3a, 4, 7b, 9a, 10a
402 THz-Strahlteiler 4, 7b, 9a, 10a
In den Abbildungen haben die einzelnen Darstellungen folgende Bedeutungen:
Gestrichelte Linien stellen THz-Strahlung dar.
Durchgezogene Linien stellen Laserstrahlung dar.
Nicht bezeichnete Elemente stellen Spiegel bzw. Spiegelsysteme dar.
Anstelle einer Verzögerungsstrecke können erfindungsgemäß auch zwei Laser eingesetzt werden, die gegenüber ihrer Repetitionsrate verstimmt sind. Derartiges ist z.B. in der US 20080165355 A1 beschrieben. Bei Reflektionsmessungen kann die Aufteilung des reflektierten Signals mittels eines Hohlleiterkopplers oder eines Strahlteilers für THz-Strahlung geschehen. Im Fall der Ankopplung von freistrahlenden Messköpfen und Hohlleiter-gekoppelten DUTs ergeben sich damit zwei Geometrien, wie sie in den Figuren 3 a und 3 c dargestellt sind. Zusätzlich kann bei der elektro-optischen Detektion der Detektionkristall vom angeregten THz-Strahl durchleuchtet werden, wie dies in Figur 3 b dargestellt ist.
Für Transmissionsmessungen sind die in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellten Varianten möglich.
In Figur 1 ist ein Aufbau zur Messung der Reflektion des DUTs und die Ankopplung per Freistrahloptik dargestellt. Aus dem Laser 001 gelangt die Laserstrahlung zu dem optischen Strahlteiler 302. Von dort wird Strahlung über die Verzögerungseinheit 311 auf den Detektor 111 umgelenkt. Ein weiterer Teil der Strahlung gelangt zu dem THz-Emitter 101. Die THz-Strahlung gelangt sodann zu dem THz-Strahlteiler 401. Die Strahlung gelangt zu der fokussierenden THz-Optik 411 und von dort zu dem DUT 121. Die von dem DUT 121 reflektierte Strahlung gelangt über den THz-Strahlteiler 401 zum Detektor 111.
Figur 2 zeigt einen Aufbau zur Messung der Reflektion des DUTs und die Ankopplung per Hohlleiter gekoppelten Messköpfen. Aus dem Laser 001 gelangt die Strahlung auf den optischen Strahlteiler 302, von wo ein Teil des Strahls zu der Verzögerungseinheit 311 und von dort zum Detektor 111 geleitet wird. Ein anderer Teil des Strahls geht in den THz- Emitter 101. An diesen Emitter ist ein Hohlleiter 213 angekoppelt. Dem nachgeschaltet ist ein Hohlleiterkoppler 221 , welcher einesteils mit dem Detektor über einen Hohlleiter 215 und anderenteils über einen Eingangshohlleiter 211 mit dem DUT 121 verbunden ist. Die vom DUT reflektierte Strahlung gelangt zum Detektor 111. Die Figur 3 zeigt einen Aufbau zur Messung der Reflektion des DUTs und die Ankopplung per Freistrahlköpfen an Hohlleiter gekoppeltes DUT Dargestellt sind drei Alternativen: In der Alternative 1 (a) gelangt aus dem Laser 001 die Strahlung zu dem optischen Strahlteiler 302. Ein Teil der Strahlung geht zur Verzögerungseinheit 311 und von dort zum Detektor 111 , während der andere Teil der Strahlung zu dem THz-Emitter 101 gelangt. Von dort gelangt die Strahlung über eine Antenne 231 in einen Hohlleiter 211 , welcher an das DUT 121 angekoppelt ist. Die von dem DUT 121 reflektierte Strahlung gelangt zum Detektor 111.
In der Alternative 2 (b) gelangt aus dem Laser 001 die Laserstrahlung zu dem optischen Strahlteiler 302 und über die Verzögerungseinheit 311 zum Detektor 111. Der andere Teil der Strahlung gelangt in den THz-Emitter 101 , von wo die THz-Strahlung über die Antenne 231 in den Hohlleiter 211 gelangt, welcher an das DUT 121 gekoppelt ist. In den Detektor 111 gelangt wiederum die vom DUT 121 reflektierte Strahlung.
In der Alternative 3 (c) wird Laserstrahlung aus der Vorrichtung 001 in den Emitter 101 geführt. Zuvor gelangt die Strahlung in den optischen Strahlteiler 302, von wo ein Teil der Strahlung über die Verzögerungseinheit 311 zum Detektor 111 gelenkt wird. Von dem THz-Emitter 101 gelangt die THz-Strahlung zu der Antenne 231 , welche in den Hohlleiterkoppler 221 reicht. Dieser Hohlleiterkoppler 221 ist seinerseits mit dem Eingangshohlleiter 211 verbunden, welcher seinerseits mit dem DUT 121 verbunden ist. Eine weitere Antenne 233 ist mittels einer Antenne 233 mit dem Hohlleiterkoppler 221 verbunden. Diese Antenne verbindet den Hohlleiterkoppler 221 mit dem Detektor 111. In den Detektor gelangt wiederum von dem DUT 21 reflektiere Strahlung.
Figur 4 zeigt einen Aufbau zur Messung der Transmission des DUTs 121 und die Ankopplung per Freistrahloptik. Hierbei dient wiederum als Strahlungsquelle der Laser 001 , von welchem die Strahlung über einen optischen Strahlteiler 302 einesteils in die Verzögerungseinheit 311 und von dort in den Detektor 111 gelangt und anderenteils zu dem THz-Emitter 101. Von diesem Emitter 101 gelangt die THz-Strahlung in die fokussierende THz-Optik 411. Nachgeschaltet ist dieser Optik des DUT 121. Die austretende Strahlung gelangt in die fokussierende THz-Optik 412 und von dort in den THz-Detektor 111. Figur 5 zeigt einen Aufbau zur Messung der Transmission des DUTs 121 und die Ankopplung per Hohlleiter gekoppelten Messköpfen. Ausgehend von der Strahlenquelle 001 gelangt die Laserstrahlung zu dem optischen Strahlteiler 302, von wo ein Teil der Strahlung über die Verzögerungseinheit 311 zum Detektor 111 umgelenkt wird. Der andere Teil der Strahlung gelangt in den THz-Emitter 101. An diesem Emitter ist der Hohlleiter 213 angekoppelt. Dieser ist wiederum über den Eingangshohlleiter 211 mit dem DUT 121 verbunden. An das DUT 121 ist wiederum der Ausgangshohlleiter 212 angekoppelt, welcher seinerseits über den Hohlleiter 215 mit dem THz-Detektor 111 verbunden ist.
Figur 6 zeigt den Aufbau zur Messung der Transmission des DUTs 121 und die Ankopplung per Freistrahlmessköpfen an Hohlleiter gekoppeltes DUT 121. Aus dem Laser 001 gelangt Strahlung zu dem optischen Strahlteiler 302, von wo die umgelenkte Strahlung über die Verzögerungseinheit 311 zum Detektor 111 gelangt. Der andere Teil der Strahlung gelangt in den THz-Emitter 101. Die THz-Strahlung gelangt über die Antenne 231 in den Eingangshohlleiter 211 des DUT 121. Dieser Eingangshohlleiter 211 ist direkt an das DUT 121 angekoppelt. Ein Ausgangshohlleiter 212 ist an das DUT 121 angekoppelt, von wo wiederum über die Antenne 232 THz-Strahlung zu dem THz-Detektor 111 gelangt.
Figur 7 zeigt einen Aufbau zur Messung und der Reflektion sowie der Transmission des DUTs 121 und die Ankopplung per Freistrahloptik in zwei Alternativen:
In der Alternative 1 (a) wird die aus dem Laser 001 kommende Strahlung über einen optischen Strahlleiter 301 geleitet. Hier wird die Strahlung umgeleitet und ein anderer Teil auf einen weiteren Strahlteiler 302 gegeben. Von hier wird ein Teil der Strahlung in die Verzögerungseinheit 311 und von dort über den optischen Strahlteiler 303 in die Detektoren 111 und 112 geleitet. Von dem optischen Strahlteiler 302 gelangt Laserstrahlung in den THz-Emitter 101. Die THz-Strahlung gelangt von dort über den THz- Strahlteiler 401 zu der fokussierenden THz-Optik 411 und von dort in das DUT 121 . Die von dem DUT 121 reflektierte Strahlung gelangt über den Strahlteiler 401 in den Detektor 111. Dem DUT 121 nachgeschaltet ist wiederum eine weitere Optik, nämlich die fokussierende THz-Optik 412, Durch diese gelangt die THz-Strahlung zu dem THz Strahlteiler 402, von der die Strahlung in den Detektor 112 geleitet wird. D.h. insoweit wird die Transmission gemessen. Die andere Hälfte der über den Strahlteiler 302 geleiteten Strahlung gelangt zu dem THz- Emitter 102, von wo die Strahlung über die fokussierende Optik 411 wiederum zum DUT 121 geleitet wird. Einerseits wird die von dem DUT 121 reflektierte Strahlung in den Detektor 112 geleitet. Andererseits gelangt die Strahlung über den DUT 121 und den Strahlteiler in den Detektor 111. D.h. in diesem System wird sowohl die Reflektion als auch die Transmission des DUT 121 gemessen.
In ähnlicher Weise arbeitet die Alternative (b). Bei dieser gelangt Strahlung aus dem Laser 001 zu dem optischen Strahlteiler 301. Von dem optischen Strahlteiler gelangt ein Teil der Strahlung zu dem THz-Emitter 102. Von hier führt Strahlung zum DUT 121 . Die reflektierte Strahlung gelangt in den Detektor 112 und die durch den DUT 121 hindurch tretende Strahlung in den Detektor 101.
Die andere Hälfte der Strahlung gelangt zu dem optischen Strahlteiler 302. Ein Teil der Strahlung gelangt hier über den optischen Strahlteiler 303 und die Verzögerungseinheit 311 zu Detektor 111 , beziehungsweise über Verzögerungseinheit 312 zu Detektor 112 , Der andere Teil der Strahlung gelangt über den Strahlteiler 302 zu dem THz-Emitter 101 , Die THz-Strahlung Strahlung gelangt über die fokussierende THz-Optik 411 zu dem DUT 121. Die austretende Strahlung gelangt zu dem THz-Strahlteiler 402. Von dort gelangt die Strahlung in den Detektor 112. Auf der anderen Seite gelangt über den Strahlteiler 302 Strahlung über den DUT 121 zu dem Detektor 112. D.h. in diesem System werden Reflektion und Transmission gemessen.
Figur 8 zeigt den Aufbau zur Messung sowohl der Reflektion als auch der Transmission des DUTs und die Ankopplung per Hohlleiter gekoppelten Messköpfen.
In der Alternative 1 (a) gelangt aus dem Laser 001 Strahlung zu dem optischen Strahlteiler 301. Von dort gelangt Strahlung zu dem optischen Strahlteiler 302, von wo Strahlung über die Verzögerungseinheit 311 zum optischen Strahlteiler 303 geführt wird. Ein Teil der dort auftreffenden Laserstrahlung gelangt zu Detektor 111, der andere zu Detektor 112. Andererseits gelangt Strahlung in den THz-Emitter 101 , an welchen der Hohlleiter 213 angekoppelt ist. An diesen ist wiederum der Hohlleiterkoppler 211 angekoppelt, welcher einesteils mit dem THz-Detektor 111 gekoppelt ist und andererseits mit dem Hohlleiter 211 verbunden ist, welcher als Eingangshohlleiter für das DUT 121 fungiert. An das DUT 121 ist wiederum ein Hohlleiter 212 angekoppelt, welcher als Ausgangshohlleiter fungiert. An diesen Hohlleiter ist wiederum ein Hohlleiterkoppler 222 angeschlossen, welcher über den Hohlleiter 216 mit dem Detektor 112 verbunden ist und andererseits über den Hohlleiter 214 mit dem Emitter 212 verbunden ist.
In den Emitter 121 wird die Strahlung geleitet, welche von dem Strahlteiler 301 kommt. Von dem Emitter 102 gelangt Strahlung in das DUT 121. Die Transmission wird in dem Detektor 111 gemessen. Die Reflektionsdetektion erfolgt in dem Detektor 112.
Entsprechendes gilt für die von dem Emitter 101 kommende Strahlung. Die von dort über den Hohlleiter 213, 221 , 211 zu dem DUT 121 gelangende Strahlung gelangt über den Hohlleiter 215 zu dem Detektor 111 oder über den Hohlleiter 212, 222, 216 zum Detektor 112, wo demgemäß die Transmission gemessen werden kann. Aus dem THz-Detektor 111 austretende Strahlung wird über den Strahlteiler 303 zu der Verzögerungseinheit 311 geleitet. Gleiches gilt für die aus dem THz-Detektor 112 austretende Strahlung. In diesem System kann somit die von dem DUT 121 reflektierte Strahlung und die Transmission durch das DUT 121 detektiert werden. In der Alternative 2 (b) gelangt die Laserstrahlung aus dem Lasergerät 001 über den Strahlteiler 301 und 302 zu dem THz-Emitter 101. Die in dem optischen Strahlteiler geteilte Strahlung 302 gelangt zum Teil zu der Verzögerungseinheit 311 über den optischen Strahlteiler 303 und von dort zu Detektor 111. Der andere Teil der an Strahlteiler 303 geteilten Laserstrahlung gelangt über die Verzögerungseinheit 312 zu Detektor 112. An den THz-Emitter 101 ist der Hohlleiter 213 angeschlossen. Dieser Hohlleiter 213 ist wiederum mit dem Hohlleiterkoppler 221 verbunden, welcher an den THz-Detektor 111 über den Hohlleiter 215 angeschlossen ist. Andererseits ist der Hohlleiterkoppler 221 über den Hohlleiter 211 an den Eingang des DUT 121 angekoppelt. Der Hohlleiter 2 2 dient als Ausgangshohlleiter für das DUT 121. Analog zu der vorhergehenden Anordnung ist auch hier ein Hohlleiterkoppler 222 vorgesehen. Dieser Hohlleiterkoppler 222 ist über den Hohlleiter 216 mit dem THz-Detektor 112 verbunden. Auf der anderen Seite ist der Hohlleiterkoppler 222 über den Hohlleiter 214 mit dem Emitter 102 verbunden. Zu diesem gelangt von dem Strahlteiler 301 Strahlung.
Aus den Detektoren 111 und 112 gelangt wiederum Strahlung in die Verzögerungseinheit 311 über den Strahlteiler 303 bzw. die Verzögerungseinheit 312. Über den Strahlteiler kann im Weiteren ein Teil der Strahlung, welche von dem Strahlteiler 302 kommt, auch zu der Verzögerungseinheit 312 geleitet werden. Auch bei dieser Variante können mithin die von den Emittern 101 und 102 kommenden Strahlen von dem DUT 121 reflektiert werden oder durch das DUT 121 hindurch treten. Figur 9 zeigt den Aufbau zur Messung sowohl der Reflektion als auch der Transmission des DUTs und die Ankopplung per Freistrahlmessköpfen an Hohlleiter gekoppeltes DUT 121. Dargestellt sind 3 Alternativen:
In Alternative 1 (a) gelangt aus dem Laser 001 Strahlung über den optischen Strahlteiler 301 zu dem Strahlteiler 302. Von dem Strahlteiler 302 gelangt ein Teil der Strahlung über die Verzögerungseinheit 311 zum optischen Strahlteiler 303 und von dort zu den Detektoren 111 und 112. Der andere Teil der Strahlung geht zu dem THz-Emitter 101. Von dort wird THz-Strahlung zu der Antenne 231 in den Hohlleiter 211 geführt. Der Hohlleiter 211 ist der Eingangshohlleiter für das DUT 121 , an welches wiederum der Ausgangshohlleiter 212 angekoppelt ist. An diesem Ausgangshohlleiter ist die Antenne 232 angekoppelt. Von dort gelangt Strahlung zu dem Strahlungsteiler 402 und zum Detektor 112. Die von DUT 121 reflektierte Strahlung gelangt über den Strahlteiler 401 zum Detektor 113. Ein Teil der Strahlung wird von dem Strahlungsteiler 301 zu dem Emitter 102 geführt. Von dort wird die Strahlung dem DUT 121 zugeführt. Die von dem DUT 121 reflektierte Strahlung bzw. die durch das DUT 121 hindurch tretende Strahlung werden von den Detektoren 111 und 112 gemessen. Über den Strahlleiter 303 werden die Strahlungen zu den Detektoren 111 und 112 geführt. In der Alternative 2 (b) sind die Strahlungsteiler 401 und 402 eingespart. Im Einzelnen gelangt die Strahlung von dem Laser 001 über den Strahlteiler 301 und 302 zu dem THz- Emitter 101. Ein Teil der Strahlung wird zu dem Strahlleiter 302 umgelenkt und von dort weiter zu der Verzögerungseinheit 311 geleitet. Von dort gelangt die Laserstrahlung mittels Strahlteiler 303 zu den Detektoren 111 und 112.
Ein anderer Teil der Strahlung gelangt zu der Antenne 231 , welche mit dem Eingangshohlleiterkoppler 231 verbunden ist. Dieser Eingangshohlleiterkoppler ist mit dem DUT 121 verbunden. Über den Ausgangshohlleiter des DUT 212 gelangt über die Antenne 232 weitere Strahlung zu dem Detektor 112. Dort wird demgemäß die Transmission gemessen. In dem Detektor 111 wird die von dem DUT 121 reflektierte Strahlung gemessen. Zugleich wird dort über den Emitter 102 die durch das DUT 121 hindurch tretende Strahlung detektiert. Die über den Strahlteiler 301 zu dem Emitter 102 gelangende Strahlung wird zum DUT 121 geführt. Die Transmission wird im Detektor 111 und die Reflektion im Detektor 112 gemessen.
In Alternative 3 (c) gelangt Strahlung von dem Laser 001 zu dem Strahlteiler 301. Ein Teil der Strahlung wird umgeleitet auf den THz-Emitter 102. Ein anderer Teil der Strahlung gelangt über den Strahlteiler 302 zum THz-Emitter 101. Von dem Strahlteiler 302 gelangt ein Teil der Strahlung zu der Verzögerungseinheit 311 und von dort über Strahlteiler 303 zu den Detektoren 111 und 112. Von dem THz-Emitter 101 gelangt über die Antenne 231 für den Hohlleiter die Strahlung in den Hohlleiter 221. Dieser dient als Hohlleiterkoppler zu dem Eingangshohlleiter 211 des DUT 121. Über die Antenne 233 ist der Hohlleiterkoppler 211 mit dem Detektor 111 verbunden. Der DUT 121 ist mit dem Ausgangshohlleiter 212 und dem Hohlleiterkoppler 222 verbunden. An den Hohlleiterkoppler 222 ist die Antenne 232 angebracht. Die über den Strahlteiler 301 abgeleitete Teilstrahlung gelangt über den Emitter 102 zu der Antenne 232. D.h. die von den Emittern 101 und 102 kommende Strahlung kann durch das DUT 121 reflektiert werden und in den Detektoren 111 und 112 gemessen werden. Ebenso kann von den Emittern 101 und 102 durch das DUT 121 durch tretende Strahlung in den Detektoren 111 und 112 abgetastet werden. Figur 10 zeigt den Aufbau zur Messung sowohl der Reflektion als auch der Transmission des DUTs 121 und die Ankopplung per Freistrahlmessköpfen an Hohlleiter gekoppeltes DUT. Dargestellt sind drei Alternativen. In Alternative 1 (a) gelangt von dem Laser 001 Strahlung über den Strahlteiler 301 und 302 zu den THz-Emitter 101. Von dem Strahlteiler 302 wird ein Teil der Strahlung zu Strahlteiler 303, und von dort zu den Verzögerungseinheiten 311 und 312 umgelenkt. Von dort wird die Laserstrahlung zu den Detektoren 111 beziehungsweise 112 geleitet. Von dem Strahlteiler 301 wird ein Teil der Strahlung zu dem THz-Emitter 102 umgelenkt. Von dem THz-Emitter 101 gelangt THz-Strahlung zu dem Strahlteiler 401. Auf der anderen Seite gelangt von dem THz-Emitter 102 abgegebene THz-Strahlung zu dem Strahlteiler 402. Von dem Strahlteiler 401 gelangt Strahlung zu der Antenne 231 für den Hohlleiter 211 , welcher der Eingangshohlleiter für das DUT 121 ist. Der Hohlleiter 212 ist wiederum der Ausgangshohlleiter für das DUT 121. An den Hohlleiter 212 ist eine Antenne 232 angeschlossen. Die von den THz-Emittern 101 und 102 kommenden THz-Strahlungen können durch das DUT 121 hindurch treten und auf diese Art die Transmissionen in den Detektoren 111 und 112 gemessen werden. Andererseits ist es auch möglich, die Reflektion des DUT 121 in den betreffenden Detektoren zu messen. In der Alternative 2 sind die Strahlteiler 401 und 402 nicht vorhanden. Im Übrigen sind Aufbau und Funktionsweise entsprechend der Alternative 1.
Alternative 3 unterscheidet sich von den vorgängigen Alternativen dadurch, dass die Detektoren 111 und 112 über die Antennen 233 und 234 mit Hohlleiterkopplern 221 bzw. 222 verbunden sind. Die Hohlleiterkoppler sind wiederum über die Antenne 231 bzw. 232 in dem Strahlengang angeordnet, welcher von dem Emittern 101 und 102 kommt. Die Hohlleiterkoppler 221 und 222 sind ihrerseits mit dem Hohlleiter 211 (dem Hohlleiter zum DUT 221) bzw. dem Hohlleiter 212 (dem Ausgangshohlleiter für das DUT) verbunden. Auch hier wird somit erreicht, dass die von den Emittern 101 und 102 in das DUT 121 gelangende THz-Strahlung hinsichtlich Reflektion und Transmission gemessen wird.

Claims

Ansprüche:
1. Vorrichtung zur S-Parameter Charakterisierung von elektrischen Bauelementen, bei welcher eine Strahlungsquelle (001) einem Emitter (101) nachgeordnet ist, welcher an ein elektronisches Bauteil (121) angekoppelt und mit einem Detektor (111) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass im THz-Strahlengang zwischen Emitter (101) und Detektor (111) das elektronische Bauteil (121) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Emitter, elektronisches Bauteil und Detektor über wenigstens einen Hohlleiter miteinander gekoppelt sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass an Detektor (111) und Emitter (101) wenigstens eine Wafer-Probe angekoppelt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung von Emitter (101), elektronischem Bauteil (121) und Detektor (112) mittels Freistrahloptik erfolgt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Emitter (101), elektronisches Bauteil (121) und Detektor (111) angekoppelte Hohlleiter (213, 211 und 215) aufweisen, welche ihrerseits mit einem zentralen Hohfleiterkoppler (221) verbunden sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Emitter (101) und Detektor (111) über Antennen (231 , 233) mit einem Hohlleiterkoppler (221) verbunden sind, der mit einem Eingangshohlleiter (211) an die elektronische Baueinheit (121) gekoppelt ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Emitter (101) erzeugte THz-Strahlung zu dem elektronischen Bauteil (121) gelangt und die von dort reflektierte Strahlung in dem Detektor (111) gemessen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Emitter (101) erzeugte THz-Strahlung in ein elektronisches Bauteil (121) gelangt und die von dort ausgehende Strahlung in dem Detektor 111 als Transmissionsstrahlung gemessen wird.
10. Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7 für die S-Parameter- Charakterisierung elektronischer Bauelemente.
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