Entwicklung einer leistungsfähigen Detektions-Elektronik für die Multispitzen-Rastersondenmikroskopie zur Fehleranalyse an integrierten Schaltungen

Spiegelberg, Richard; Waser, Rainer; Voigtländer, Bert; Morgenstern, Markus

doi:HT018898152

Entwicklung einer leistungsfähigen Detektions-Elektronik für die Multispitzen-Rastersondenmikroskopie zur Fehleranalyse an integrierten Schaltungen = Development of an efficient detection electronics fort he multi-tip scanning probe microscopy for failure analysis of integrated circuits

Spiegelberg, Richard

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Ingenieur Richard Spiegelberg aus Bedburg

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (174 Seiten) : Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Voigtländer, Bert (Thesis advisor) ; Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH* ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-11-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-011230
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/568175/files/568175.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/568175/files/568175.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Rastersondenmikroskopie (frei) ; Rasterkraftmikroskopie (frei) ; Fehleranalyse (frei) ; PLL (frei) ; FPGA (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und dem Aufbau einer Detektionselektronik, die überwiegend in der Rasterkraftmikroskopie eingesetzt wird. Die Elektronik wurde dabei mithilfe eines Field Programmable Gate Array (FPGA) realisiert. Eine Detektionsmethode in der Rasterkraftmikroskopie ist die Frequenzmodulations-Methode, die meist durch eine phasengesteuerte Regelschleife realisiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Phasendetektion mithilfe eines Hilbertfilters implementiert. Dadurch können sehr hohe Detektionsbandbreiten oberhalb von zehn Kilohertz realisiert werden. Die Implementierung der Phasenbestimmung erfolgt zudem amplitudenunabhängig, was bei der üblicherweise verwendeten Lockin-Methode zur Phasenbestimmung nicht der Fall ist. Die Elektronik wurde im Betrieb mit einem Nadelsensor verwendet und auf Proben aus der Halbleiterindustrie getestet. Durch eine realisierte Abtastrate von 100 MHz können Sensoren für die Rasterkraftmikroskopie mit einer Eigenfrequenz bis zu einigen Megahertz betrieben werden. Die Detektionselektronik erfüllt mit ihrer hohen Bandbreite eine wesentliche Anforderung für den Einsatz bei der Fehleranalyse an integrierten Schaltungen. Dort ist die Abbildung von relativ großen Bereichen (> 10 μm) in kurzer Zeit notwendig. Somit kann die Position einzelner SRAM-Zellen bzw. die Position der Transistoren bestimmt werden, damit diese im Anschluss elektrisch charakterisiert werden können. Dazu werden mehrere Spitzen eines Multispitzen-Rastersondenmikroskops benötigt, deshalb wurde die Elektronik modular aufgebaut und ist für den Betrieb von bis zu zehn Spitzen ausgelegt. Die Detektionselektronik eignet sich auch für die Abbildung atomarer Strukturen, bei denen eine Bandbreite von etwa hundert Hertz verwendet wird. In diesem Fall beträgt die Frequenzauflösung 2 mHz. Der durch die Elektronik verursachte Anteil der spektralen Rauschdichte des Frequenzverschiebungssignals beträgt 5 · 10−5 Hz/sqrt(Hz). Im Hinblick auf das Rauschen wurde gezeigt, dass dies nur durch das thermische bzw. das Detektor-Rauschlevel des verwendeten Verstärkers und nicht durch die verwendete Detektionselektronik limitiertwird.

This thesis deals with the development and construction of a detection electronics which is mainly used in atomic force microscopy. The electronics have been realized by using a field-programmable gate array (FPGA). A detection method in atomic force microscopy is the frequency modulation method, which is usually implemented by a phase-locked loop. In this work, the phase detection is implemented using a Hilbert filter. This allows a very high detection bandwidth in excess of tens of kilohertz. The implementation of the phase determination is amplitude-independent, which is not the case with the usually used lock-in method. The electronics is used in the operation with a needle sensor and tested for samples from the semiconductor industry. By realizing a sampling rate of 100 MHz, sensors for the AFM can be operated at a eigenfrequency up to several megahertz. The detection electronics fulfills with its high bandwidth an essential requirement for an application in failure analysis of integrated circuits. There a short time is required for scanning relatively large areas (> 10 μm). Thus, the position of individual SRAM cells or the position of the transistors can be determined so that they can be contacted electrically. For that purpose, multiple tips of a multiprobe scanning force microscope are needed. Therefore, the electronics was constructed modular and is designed for operations of up to ten tips. The detection electronics is also suitable for the imaging of atomic structures with a detection bandwidth of about hundred hertz. In this case, the frequency resolution is 2 mHz. The noise spectral density of the frequency shift signal caused by the electronics is 5 · 10−5 Hz/sqrt(Hz). With regard to the noise, it has been shown, that it is only limited by the thermal noise and the detector noise of the amplifier and not by the developed detection electronics.

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