Die steigende Nachfrage nach leistungsfähigeren Kommunikations- und Sensorsystemen erfordert die Entwicklung immer komplexerer integrierter Hochfrequenz (HF)-Schaltungen. Dies erfordert die kontinuierliche Innovation von Messmethoden, da die detaillierte Charakterisierung und Überprüfung ein wesentlicher Bestandteil der Entwicklung und Fertigung von integrierten HF-Schaltungen ist. Die Fähigkeiten konventioneller, kontaktbasierter Messmethoden zur Charakterisierung miniaturisierter Schaltkreise sind durch die erforderlichen, relativ großen Kontakt-Pads begrenzt. Um die Einschränkungen vorhandener Methoden zu überwinden, werden Konzepte aus der Rasterkraftmikroskopie mit kontaktlosen HF-Messmethoden kombiniert. Die entwickelten Messkonzepte können Informationen über zuvor unzugängliche Schaltkreiseigenschaften liefern und somit zu einer effizienteren Entwicklung von integrierten HF-Schaltungen beitragen. Eine miniaturisierte Cantilever-Sonde mit einer scharfen Spitze wird als kapazitiv gekoppelte Messsonde verwendet, um kontaktlose Spannungsmessungen innerhalb von HF-Schaltungen bei Frequenzen von zunächst bis zu 13 GHz zu ermöglichen. Die präzise Messung der Cantilever-Auslenkung ermöglicht es dem System, die HF-Spannung in einem kontinuierlichen Bereich von Entfernungen zwischen der Sondenspitze und der Schaltkreisoberfläche aufzuzeichnen. Ein analytisches Modell der Kopplungskapazität wird verwendet, um die lokale HF-Spannung an einer bestimmten Schaltungsposition vom Übersprechen anderer Schaltungsteile in größerer Entfernung von der Spitze zu trennen. Dieser Ansatz ermöglicht die Erfassung von HF-Spannungen innerhalb von Geräten mit einer räumlichen Auflösung von einzelnen Mikrometern. Das modellbasierte Verfahren ermöglicht die Reduzierung von Übersprechen, ohne die Empfindlichkeit der Messung zu beeinträchtigen. Im Gegensatz zu bestehenden Methoden mit einer vergleichbaren räumlichen Auflösung führt das entwickelte Verfahren zu einer um den Faktor 4.9 verbesserten Empfindlichkeit. Die Limitierungen des entwickelten Messkonzepts werden durch eine Kombination aus elektrostatischen Simulationen und HF-Messungen an Teststrukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Abmessungen analysiert. Es zeigt sich, dass die isolierende Passivierungsschicht, die auf den analysierten integrierten HF-Schaltungen aufgebracht ist, die erreichbare räumliche Auflösung auf etwa das Doppelte der Schichtdicke begrenzt. An einer Teststruktur mit interdigitalen Elektroden und einer Fingerbreite von 2 μm, auf die eine 1 μm dicke Passivierungsschicht aufgebracht ist, ermöglicht das entwickelte Messsystem eine präzise HF-Spannungsmessung, wobei Messfehler durch Übersprechen auf unter < 1 % reduziert werden. Die Empfindlichkeit des Messsystems beträgt 6.3 mV/ √Hz bei einer Messfrequenz von 26.5 GHz. Eine breitbandige Messsonde wird entwickelt, um HF-Spannungsmessungen bei Frequenzen von 1 GHz bis zu 26.5 GHz zu ermöglichen. Die Implementierung der Sonde ist so gestaltet, dass ausreichend Platz besteht um die Sondenspitze nahe an einer Kontakt-Spitze zu platzieren, welche das HF-Signal in den untersuchten Schaltkreis einspeist. Der begrenzte verfügbare Platz stellt eine bedeutende Herausforderungen für die Integration neuartiger Messkonzepte in übliche Wafer-Probing-Systeme dar. Als Schritt hin zu einer kompakteren Implementierung von HF-Spannungsmessungen auf Basis von Rasterkraftmikroskopen werden Cantilever-Sonden mit integrierten Auslenkungssensoren als Alternative zur konventionellen optischen Messung der Auslenkung betrachtet. Speziell wird eine neuartige mechatronische Demodulationsmethode zur Bestimmung von Cantilever-Oszillationen entwickelt. Zwei piezoresistive Elemente an der Basis des Cantilevers sind in AC-Brückenschaltungen verbunden, die mit in-Phase- und Quadratur-Sinus-Signalen versorgt werden. Die Methode integriert somit die Lock-in-Methode direkt in die Elektronik zur Auslenkungsmessung und ermöglicht eine effiziente Erfassung von Cantilever Oszillationen, ohne dass ein externer Demodulator erforderlich ist.
Mathias Poik (Wed,) studied this question.