DE3923177A1 - Elektro-optische signalmessung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Signals auf einem Leiter an einer vorge­ gebenen vom Leiter beabstandeten Stelle, einen elektro-op­ tischen Abtaster für elektrische Felder im Submikronbereich sowie ein System zum Messen eines elektrischen Signals auf einem Leiter an einer vom Leiter beabstandeten Stelle.

Die vorliegende Erfindung betrifft also ein elektro-optisches Meßverfahren sowie eine elektro-optische Meßeinrichtung und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zu kontakt- und berührungsfreien optischen Messungen von elektrischen Signalen auf Leitern (womit auch Elektroden, Leitungen und andere Elemente gemeint sind), die solche Signale tragen.

Die Erfindung ist besonders geeignet für Messungen von elektrischen Signalen von Submikron-Vorrichtungen und -Strukturen, wie integrierten Schaltungen, wobei die räumliche Auflösung im Mikronbereich und Signalmessungen mit Picosekunden- und sogar Subpicosekunden-Auflösung erwünscht sind.

Elektro-optische Messungen von elektrischen Signalen wurden unter Verwendung elektro-optischen (E-O) Kristallen vorgenom­ men, dere Brechungsindices, die sich in Abhängigkeit von der Stärke des elektrischen Feldes ändern, gemessen werden. Dieses Signal kann sich entlang des Leiters ausbreiten. Ein Abtast-Laserstrahl wird in dem Kristall auf den Bereich des streuenden E-Feldes gebündelt. Durch elektro-optisches Abtastenn kann das Signal extrahiert und mit Picosekunden- und sogar mit Subpicosekunden-Auflösung dargestellt (oszillographiert) werden. Die räumliche Auflösung wird bestimmt durch die Größe des Strahldurchschnitts (Laserlichtpunkt) in dem elektro-optischen Kristall oder elektro-optischen Substrat, wenn der Kristall als solcher gebraucht wird. Bezug wird genommen auf die folgenden Patente sowie Artikel, in denen weitere Informationen mit Hinblick auf den oben genannten elektro-optischen Messungsansatz gegeben sind: Mourou und Valdmanis, US-PSen 44 46 426, Mai 1984 und 46 18 819, Oktober 1986 sowie Mourou und Mayer, 46 03 293, Juli 1986. Ein weiteres Patent, herausgegeben im Juli 1987 als 46 18 449 beschreibt auch die Techniken und das System der oben genannten Mourou, et al. Patente.

Bei neueren Untersuchungen der sog. Multiple-Quantum-Well- (MQW)-Vorrichtungen wurden deutliche Veränderungen der optischen Absorption bei angelegten elektrischen Feldern (Elektroabsorption) beobachtet. Diese Studien sind in den folgenden Artikeln beschrieben. T.P. Van Eck, et al., Appl. Phys. Lett. 49 (3), 21. Juli 1986, 135 and D.S. Chemla, et al. Abschnitt 5, Seiten 279 bis 318 in dem Text, Semiconductors and Semimetals, Ausgabe 24, copyright 1987, Bell Telephone Laboratories Incorporated.

Im Gegensatz zu den E-O-Kristallen reagieren MQW-Vorrichtungen auf ein elektrisches Feld durch eine Veränderung der Absorption. Zusätzlich ist eine MQW-Vorrichtung nicht polaritätsempfindlich und eigentlich sogar rektifizierend bzw. gleichrichtend. Daher kann die Polarität des Feldes nicht direkt mit einer MQW-Vorrichtung gemessen werden. Zusätzlich kann die Messung, dort wo benachbarte felderzeugende Elemente sind, von falschen Signalen infolge der Felder von solchen benachbarten Leitern beeinflußt sein. Dieses Problem wird noch vergrößert, wenn die Abstände zwischen den Leitern extrem klein sind, wie bei integrierten Schaltkreis-(IC)-Strukturen im Submikronbereich.

In Zusammenhang mit der Erfindung wurde festgestellt, daß eine MQW-Vorrichtung (auch als MQW-Modulator bekannt) geschaffen werden kann, bei der bzw. dem die gesamte Absorption im wesentlichen innerhalb eines Bereichs auftritt, was eine genaue räumliche Auflösung des gemessenen Signals ermöglicht. Mit anderen Worten, das Signal kann gemäß der Erfindung extrahiert werden, ohne mit dem Leiter in Kontakt zu kommen, und zwar von einem Bereich des Leiters innerhalb des Mikron- (oder Submikron)-Bereiches. Spezifisch gewünschte Leiter oder Teile von Leitern können abgetastet werden, und zwar unabhängig von der Leitergeometrie. Absolute bipolare Messungen können auch durch den Gebrauch von polaritätsunempfindlichen elektro-optischesn Effekten (Elektroabsorption) erhalten werden. Dies ermöglicht, daß solche Messungen ohne die Komplexität von Elektronenmikroskop-Spannungskontrastmesstechniken gemacht werden, bei denen Sekundärelektronen, die bei einem Elektronenstrahlbeschuß entstehen, entsprechend dem Feld auf dem Leiter elektrostatisch gefiltert werden. Die Erfindung kann auch in elektro-optischem Kristall (Pockels cell) elektro-optischen Messungssystemen verwendet werden. In diesem Fall ist der Longitudinal-Operationsmodus wichtig. In dem System, das in dem oben genannten Patent 44 46 426 beschrieben ist, wird dieser Modus nicht verwendet.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes System (Verfahren und Vorrichtung) und Vorrichtungen zum Messen von elektrischen Signalen, welche auf Leitern auftreten, mit einer räumlichen Auflösung des Mikronbereichs zu schaffen, was im wesentlichen eine räumliche Auflösung im Submikronbereich und mit Picosekunden zeitlicher Auflösung ermöglicht.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Systeme und Vorrichtungen zur Durchführung von Signalmessungen an leitenden Elementen mit Submikronstrukturen, wie integrierten Schaltkreisen zu liefern ohne die Leiter, auf denen die Signale auftreten, zu kontaktieren, und zwar sogar auch wenn die Leiter Abstände im Mikronbereich haben.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Systeme und Vorrichtungen zum Erstellen von absoluten Spannungsmessungen an Leitern mit räumlicher Auflösung im Mikronbereich trotz der Verwendung einer elektro-optischen Vorrichtung zu liefern, die nicht polaritätsempfindlich ist, wie dies bei einer MQW-Struktur der Fall ist.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes System zur Durchführung von Messungen von Signalen durch elektro-optisches Reagieren auf die Felder zu schaffen, welche von solchen Signalen entstehen, derart, dass die Meßfehler, (infolge von fehlerhaften Signalen, wie Rauschen, Störungen oder Übersprechen bzw. Crosstalk erzeugen) infolge von Feldern von benachbarten Leitern, reduziert.

Kurz beschrieben, verwendet ein System (Verfahren und Vorrichtung) zum Messen von elektrischen Signalen auf einem Leiter an einer vorbestimmten vom Leiter beabstandenden Stelle des Leiters, einen Abtaster (Probe) aus elektro-optischen Material, der in dem elektrischen Streufeld des Leiters an der interessierenden Stelle angebracht ist. Der Abtaster ist vorzugsweise ein Körper (Substrat) aus transparentem und vorzugsweise aus einem mit einem hohen Widerstand versehenen Halbleitermaterial mit einer Oberfläche, auf der eine Vielzahl von Schichten, die eine MQW-Struktur definieren, angeordnet ist. Die Struktur kann sich zu einer Kante auf der Oberfläche des Substrats, auf dem es angeordnet ist, erstrecken, um das Plazieren des MQW-Abtasters im Bereich des Streufeldes oder des zu messenden Signals zu ermöglichen. Dieser Bereich hat als Grenze eine Elektrode aus leitendem Material, welche auf der MQW-Oberfläche aufgebracht ist und sich in den E-Feldbereich erstreckt. Die Elektrode dient nicht nur als Bezugsebene, sondern auch als Spiegel, um einen Lichtstrahl (welcher ein gepulster Strahl sein kann, wenn Abtasttechniken für die Signalmessung und Darstellung verwendet werden). Der Abtaststrahl ist in dem interessierenden Bereich gebündelt und wird zu einem Detektor reflektiert, wo er in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieses elektrische Signal kann gefiltert und verstärkt (wie bei dem Gebrauch eines Lock-In-Verstärkers) werden, bevor es in einen Rechner eingegeben wird. Die Funktion des Rechners ist es, das Lock-In-Signal zu lesen und auf Null zu reduzieren, und zwar durch Einstellen der Spannungsamplitude und Polarität, die an der Bezugsebene angelegt wird. Dieses Signal wird zu der Bezugsebene zurückgeführt und kann als Bezugs- oder Rückkoppelsignal bezeichnet werden. Das Bezugssignal hat eine Polarität und Amplitude entsprechend dem gemessenen Signal. Demgemäß liefert die Messung dieses Rückkoppelsignals eine Messung des interessierenden Signals. Die Bezugselektrode arbeitet auch, indem es den elektro-optischen Abtaster von ungewollten Feldern, erzeugt durch benachbarte Elemente auf der Rückseite des Abtasters, abschirmt. Beim Anbringen des Abtasters, um auf solche das Übersprechen erzeugende Felder zu reagieren, können diese gemessen und von der Messung des interessierenden Signals subtrahiert werden, um die Übersprecheffekte zu reduzieren.

Die meisten integrierten Schaltungen (ICs) haben keine gewachsenen Ebenen. Herkömmliche E-O-Abtastungen messen das Feld zwischen benachbarten Elektroden, welches hoch oder niedrig oder dazwischen sein kann, und eine Messung oder eine absolute Spannung wird nicht erzeugt. Die Erfindung ermöglicht, daß die absolute Spannung sogar in Abwesenheit einer Masseebene gemessen werden kann.

Auch besitzen die meisten ICs eine SiO₂-Passivierungsschicht, die die gesamte Schaltung abdecken. Verläßt man sich nur auf Streufelder, wie bei der herkömmlichen E-O-Abtastung ergibt dies eigentlich keine Feldlinien, im E-O-Medium auftreten, was die Messung nachteilig beeinflußt (reduziert Signal/Rauschverhältnis). Gemäß der Erfindung werden Streufelder zu der Oberfläche des IC und in das E-O-Medium gezogen, und zwar infolge der Bezugselektrode, welche sich sehr nahe der IC-Oberfläche befindet. Auch weist der Abtaster gemäß der Erfindung niedrige kapazitive Aufladung in umgebenden Flächen um den zu untersuchenden Punkt auf.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. es zeigen:

Fig. 1 eine graphische, perspektivische Ansicht eines Abtasters zur Durchführung der Messungen von elektrischen Signalen auf Leitern gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine fragmentarische Schnittansicht des Teils des Abtasters, der unmittelbar an der Elektrodenstruktur des Leiters angrenzt, der das interessierende Signal erzeugt, und wobei Fig. 2′ ein vergrößerter Ausschnitt ist, um die MWQ-Struktur zu zeigen;

Fig. 3 eine fragmentarische graphische perspektivische Ansicht eines Abtasters gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 eine fragmentarische Schnittansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 eine fragmentarische Endansicht des Abtasters gemäß Fig. 4;

Fig. 6 ein schematisches Diagramm, das ein System zum Durchführen von elektro-optischen Abtastmessungen illustriert, das den Abtaster gemäß Fig. 3 bis 5 verwendet;

Fig. 7 ein Kurvenverlauf als Reaktion des MQW-Abtasters zeigt; und

Fig. 8 eine fragmentarische Schnittansicht eines Abtasters gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Substrat 10 gezeigt, auf dem Elek­ troden 12 und 14 angeordnet sind. Diese Elektroden 12 und 14 sind typische Leiter aus den Leiterbereichen einer integrier­ ten Schaltung Sie können sehr gering beabstandet sein, z. B. mit einem Abstand von einem Mikron. Um das Streufeld einer solchen Elektrodenstruktur abzutasten, wird ein Abtastsystem 16 verwendet. In diesem Abtastsystem ist eine MQW-Struktur 18 zwischen einem Halbleitersubstrat 20 und Superstrat 22 ange­ ordnet. Das Substrat und Superstrat sind mit optischem Kleber an Glasprismen 24 und 26 angeklebt. Ein Lichtstrahl von einem Laser mit einer Wellenlänge, die auf den Absorptionsrand (Ezitonspitze) für die MQW-Struktur eingestellt ist, wird durch eine Linse 28 gebündelt, um einen Strahl 30 zu liefern. Der Strahldurchmesser ist geeigneterweise in Mikronbereich. Der Strahl wird durch innere Totalreflexion von der Endfläche 31 des Substrats 20 und des Superstrats 22 sowie der MQW-Struktur 18 reflektiert, die, nachdem die Prismen geklebt sind, poliert werden, um eine glatte optisch reflektierende Fläche zu liefern. Der Ausgangsstrahl 32 wird durch eine Linse 34 auf einem Photodetektor gebündelt und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Feld, welches infolge des Signals in den Leitern entsteht, verändert den optischen Strahl gemäß der Stärke des Feldes und liefert ein Ausgangssignal, welches ein Maß für die Amplitude des optischen Signals ist.

Das Substrat und Superstrat besteht aus AlGaAs, welches trans­ parent für die Lichtstrahlen 30 und 32 ist. Die MQW-Struktur wird durch Lagen geschaffen, die auf der Oberfläche des Sub­ strats 20 gewachsen sind, sodaß eine perfekte Einkristall­ qualität mit einer einzigen Monoschichtgenauigkeit beibehalten wird. Die Schichten werden in größerem Detail in der Einfügung (Fig. 2) gezeigt. Die MQW-Anordnung kann so dünn wie 500 Å (2 Paare von Wells) oder so dick wie wenige Mikrons (Hunderte von Paaren von Wells), abhängend von der größten erforderlichen räumlichen Auflösung gewachsen sein. Wie in den oben genannten Artikeln erklärt wurde, kann Molekular-Strahl-Epitaxie oder metallorganisches chemisches Bedampfen eingesetzt werden, um die MQW-Struktur zu erzeugen. Molekular-Strahl-Epitaxie kann über verschiedene Zeitdauern gebraucht werden, um die MQW-Dicke zu steuern. Das Superstrat, das auch aus AlGaAs besteht, ist auf der MQW-Struktur gewachsen. Der Bereich 40, wo sich der optische Strahl und das streuende Feld beein­ flussen, ist der einzige aktive Bereich der Struktur. Dieser Bereich ist sehr klein und paßt zwischen die Leiter. Auch weil er so klein ist, kann er das Streufeld und somit das Signal an jeder Stelle des Leiters abtasten und somit eine große räum­ liche Auflösung liefern. Wie durch den Zwischenraum 36 in Fig. 2 gezeigt ist, steht der Abtaster nicht in Berührung mit den Leitern.

Da hohe Lichtintensitäten oder erhöhte Temperaturen die Ezitonen ionisieren können, die die steile Absorptionskante der MQW-Struktur und somit dessen Empfindlichkeit als ein Modulator erhöhen, ist es wünschenswert, die Temperatur unter 350°K zu halten. Dies kann durch eine Wärmepumpe 38, welche eine Peltier-Übergangsanordnung sein kann, erreicht werden, die gut oberhalb des Abschnitts 40 beabstandet angeordnet ist, wo sich der Strahl und die Felder beeinflussen.

Die Prismen und das Substrat 20 stellen sicher, daß der Strahl nahezu senkrecht auf die Schichten auffällt, die die Quanten­ wells bilden. Auch sind die elektrischen Feldlinien senkrecht zu der Ebene der Quantenwells. Wenn Strahlenwege, welche vom senkrechten Einfall wesentlich abweichen (z. B. 20° oder mehr) verwendet werden, ist es vorzuziehen, polarisiertes Licht zu benutzen bei dem der E-Vektor des Lichts parallel zu den MQW-Ebenen ist.

Eine räumliche Auflösung im Mikronbereich wird eher durch die Weite der MQW-Struktur als durch die Laserlichtpunktgröße erreicht. Es ist trotzdem vorteilhaft, einen Laserlichtpunkt mit kleinem Durchmesser zu verwenden, sodaß der größte Prozentsatz des Laserstrahls mit den Streufeldern zusam­ menwirkt, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert wird. Pikosekunden oder Subpikosekunden zeitlicher Auflösung werden erreicht, da die Lichtpunktgröße des Kurzimpulslasers im Mikronbereich liegt. Zum Beispiel erfordert eine Lichtpunkt­ größe von fünf Mikron für elektrische Signale, welche sich entlang des Leiters mit einer maximalen Ausbreitungsge­ schwindigkeit von 30 Mikron pro Picosekunde ausbreiten, daß die zeitliche Auflösung innerhalb des Subpikosekunden-Bereichs ist.

Ein weiterer Vorteil des Systems besteht in der Verwendung von Halbleitermaterial mit hohem Widerstand, welches die kapaziti­ ve Aufladung auf der Schaltung, die die Leiter 12 und 14 um­ faßt, auf ein Minimum reduziert.

In den Fig. 3, 4 und 5 ist ein transparenter Glasträgerkörper 44 eines elektro-optischen Abtasters gezeigt. Die Trägerstruk­ tur 44 ist mit dem Substrat 46 verklebt, welches eine Außen­ fläche besitzt, auf dem die MQW-Struktur 48 gewachsen ist. Diese Struktur erstreckt sich zu dem unteren Ende 50 des Substrats 46. Diese Endfläche 50 umfaßt das Ende der MQW-Struktur 48. AlGaAs und eine AlGaAs-GaAs-MQW-Struktur des in Fig. 3 gezeigten Typs kann auch für die MQW-Struktur 48 verwendet werden.

Eine reflektierende, vorzugsweise aus Gold bestehende Bezugs­ elektrode 52 (mit einer Dicke von ca. 1000 Å) ist auf der Außenfläche der MQW-Struktur aufgebracht. Diese Elektrode neigt sich zu dem aktiven Bereich 54 herab, der entlang der Kante 56 der Oberfläche 52 eine Breite von etwa zehn Mikron aufweist.

Der optische Strahl wird auf diesen aktiven Bereich 54 durch eine Linse 58 gebündelt. Der Strahl ist im wesentlichen senk­ recht zu den MQW-Ebenen. Wegen des kleinen Einfallwinkels an der Fläche, auf dem die Elektrode 52 angeordnet ist, nimmt der reflektierte Strahl einen getrennten Weg in Richtung der Linse 60. Es sei bemerkt, daß die Dicke der Schichten, die die MQW-Struktur 48 schafft, immer noch viel kleiner ist als der Abstand zwischen den Leitern 12 und 14. Der Abtaster ist über, aber nicht in Kontakt mit den Leitern angeordnet. Dies wird vorzugsweise erreicht durch das Bewegen der Vorrichtung 10, auf dem die Leiter 12 und 14 angeordnet sind und dem Sta­ tionärhalten des Abtasters und des Lasers, während die Vor­ richtung 10 seitlich bewegt hochgehoben, gedreht oder in anderer Weise bewegt wird.

Die Bezugselektrode 52 wirkt als Schild und schirmt das Feld des Leiters 12 von der MQW-Struktur ab. Alle anderen Leiter, die sich auf der linken Abschirmelektrode 52 befinden, beein­ flussen nicht die Messung, da sie durch die Elektrode 52 abgeschirmt oder abgedeckt sind. Das interessierende Signal erzeugt das Feld, welches durch die Bezugselektrode abgegrenzt ist. Die Bezugselektrode wirkt auch in der Weise, daß es die Feldlinien in den Bereich des elektro-optischen Materials zieht. Dies ist wichtig, wenn Submikron-Elektroden mit einem etwa einen Mikron großen Lichtpunkt-Laserabtaster abgefragt werden. Häufig ist eine ein Mikron dicke Passivierungsschicht aus SiO₂ auf der Schaltung aufgewachsen. In dieser Situation kann die Bezugselektrode die Feldlinien aus dem SiO₂- in den E-O-Abschnitt ziehen.

Die Bezugselektrode wird auf einem Potential gehalten, um dem Feld entgegenzuwirken, sodaß eine polaritätempfindliche Mes­ sung erhalten wird, wie später noch näher beschrieben wird. In jedem Fall sollte der Laserstrahl auf eine sehr kleine Licht­ punktgröße, zum Beispiel auf ein Mikron Durchmesser gebündelt werden, wo er von der Bezugselektrode 12 mit einem kleinen Winkel von dem Eingangsstrahl reflektiert wird, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

Das in Fig. 6 gezeigte System benutzt den Abtaster aus Fig. 3 mit seiner MQW-Struktur 48 zum Messen des Signals auf dem Leiter 12 an einem vorbestimmten Punkt entlang seiner Länge und weiterhin zum elektro-optischen Abtasten, um das Signal darzustellen, wie es sich entlang des Leiters ausbreitet.

Die MQW-Vorrichtung 43, wie sie in Fig. 6 gezeigt wird, ist ähnlich der Vorrichtung, die in Fig. 3 bis 5 gezeigt wird. Der optische Strahl wird durch eine Laserdiode 60 erzeugt. Ein Hochfrequenz (geeigneterweise ungefähr 100 MHz)-Generator 62 beaufschlagt eine Stufenverzögerungsdiode (step recovery diode) 64, welche Impulse zum Aktivieren der Laserdiode 60 produziert. In dem dargestellten Falle, bei dem das Treiber­ signal bei ungefähr 100 MHz liegt, werden durch die Diode ungefähr 100 pS-Impulse mit einer 100 MHz Rate 64 produziert und durch die Laserdiode in optische Impulse umgesetzt. Diese optischen Impulse werden durch die Eingangslinse 58, welche eine Mikroskop-Objektivlinse ist, auf den aktiven Bereich 54 projiziert, wo die Bezugselektrode sich zu der Kante 56 der MQW-Struktur herabneigt. Das Licht, welches von der MQW-Struk­ tur reflektiert wird, gelangt durch die Ausgangslinse 60 (siehe Fig. 3) auf einen Photosensor in der Form einer PIN-Photodiode 66, wo das optische Signal in ein entsprechen­ des elektrisches Signal umgewandelt wird und an einen Lock-in-Verstärker 68 angelegt wird. Dieser Verstärker besitzt einen Oszillator zum Erzeugen eines Lock-in- oder Synchronisier-Bezugssignals; zum Beispiel einen Impulszug von 1 kHz Folgefrequenz. Für mehr Informationen über Lock-in-Ver­ stärkersysteme wird auf die oben zitierten Moutou et al-Paten­ te Bezug genommen werden. Der Lock-in-Verstärker erzeugt ein Lock-in-Signal V ₂, welches als Steuer- bzw. Regelsignal an den Rückkopplungsrechner 70 angelegt wird. Der Rechner arbeitet in der Lock-in-Signalfrequenz, da das Lock-in-Signal daran ange­ legt ist. Der Rechner erzeugt ein Ausgangssignal in der Form eines Ausgangsimpulses mit der Amplitude V ₁. Diese Signale gelangen zu einer Anzeige 78, geeigneterweise ein Kathoden­ strahloszilloskop (CRO) und weiterhin zu der Bezugselektrode 52, wo sie ein Feld erzeugen, welches gegen mit dem Feld auf dem Leiter 12 zusammenwirkt.

Das Treibersignal vom Hochfrequenzgenerator 62 wird durch einen Phasenschieber 72 an einem Impulsgeber 74 angelegt, der die 100 MHz-Impulse in Bursts mit der Lock-in-Frequenz dem Leiter 12 bereitstellt. Diese 100 MHz-Impulse pflanzen sich auf dem Leiter 12 fort. Die Stellung des Abtasters wird durch einen Mikromanipulator 76 eingestellt.

Wenn sich eine Reihe von Impulsen entlang des Leiters 12 ausbreitet, wird ein Feld, das proportional zur Signalstärke ist, erzeugt, welches den aktiven Bereich auf der MQW-Struktur 48 passiert. Der andere Leiter 14 ist durch die Bezugselek­ trode 52 abgedeckt und tritt nicht in die Messungen ein. Die Elektroabsorption durch den MQW-aktiven Bereich variiert entsprechend der Feldstärke, so daß die optische Strahlinten­ sität dementsprechend variiert. Der Photosensor 66 liefert dann ein Signal entsprechend zu dem elektsrischen Signal, welches sich entlang des Leiters zur Zeit des Impulses aus­ breitet. Der Lock-in-Verstärker stellt dem Rechner 70 ein Gleichstromsignal V ₂ bereit. Der Rechner erzeugt Impulse, welche in der Amplitude variieren, sodaß ein Feld erzeugt wird, welches mit dem Feld infolge des Signals auf dem Leiter 12 zusammenwirkt bzw. diesem entgegenwirkt. Diese entgegen­ wirkende bzw. zusammenwirkende Spannung kann bipolar sein, ungeachtet dessen, daß das Signal V ₂ unipolar ist.

Die Elektronenabsorptions-Kennlinie als Funktion der Feldstärke ist in Fig. 7 gezeigt. Das Ziel ist es, ein gegenwirkendes Feld zu schaffen, was zur Übertragung bzw. Transmission an der Spitze der Kennlinie (E-Feld = O) führt. Der Rechner arbeitet gemäß dem folgenden Algorithmus. Gemäß C/Pascal-Programmiersprache: Wenn der absolute Wert von V ₂ großer ist als ein kleiner Wert y, entsprechend der Ubertragung in der Spitze gemäß Fig. 7, sonst Ausgangsignal V ₁. Dann reduziere V ₁, wenn der absolute Wert von V ₂ abnimmt. Andern­ falls erhöhe V ₁, wenn der absolute Wert von V ₂ abnimmt. Anhand eines spezifischen Beispiels sei angenommen, daß die gegen­ wirkende Spannung V ₁ mit O beginnt, während das Feld, wie durch den Abtaster 43 abgezogen +3 ist. Der Rechner folgt seinem Algorithmus und reduziert dann V ₁, zum Beispiel auf -1. Dies liefert ein Nettofeld von -4. Das Signal V ₂ erhöht sich in Abhängigkeit von diesem Feld eher als es abnimmt. Daher wird V ₁ bei der nächsten Iteration erhöht. Eine Erhöhung von V ₁ zurück auf O bewirkt eine Abnahme auf V ₂. Bei der nächsten Iteration wird sich V ₁ wieder erhöhen, zum Beispiel zu +1, V ₂ wieder abnehmen. Bei nachfolgender Iteration wird der Wert von V ₁ auf -3 abnehmen, wobei V ₂ zu diesem Zeitpunkt y nicht über­ schreiten wird, und die Spannung V ₁ wird beibehalten.

V ₁ wird auf der CRO-Anzeige 78 dargestellt. Die Phase des Impulses, der sich entlang des Leiters 12 ausbreitet, wird dann durch den Gebrauch des Phasenschiebers 72 verändert. Die nächste Messung zeigt dann ein Signal mit einem leicht ver­ zögertem Zeitinkrement und eine andere Probe bzw. Abtastung wird auf dem CRO dargestellt. Aufgrund des Verschiebens mittels des Phasenschiebers durch aufeinanderfolgend größere Verzögerungsinkremente in aufeinanderfolgenden Schritten, wird das gesamte Signal abgetastet und auf der CRO-Anzeige 78 dar­ gestellt. Anstelle des Phasenschiebers 72 kann eine optische Verzögerung in dem optischen Strahlweg verwendet werden, wie in den oben genannten Mourou et al-Patenten beschrieben.

Wenn das Rauschverhältnis verringert wie das Über- oder Nebensprechen von Leitern zum rechten Leiter 12 werden soll, können die oben beschriebenen Messungen mit dem Abtaster 43 durchgeführt werden, der so positioniert ist, daß die Elektrode 52 auf der rechten Seite des Leiters 12 ist. Diese Messung entspricht dem Hintergrundsignal und wird dann von dem Signal substrahiert, weches aus der anfänglichen Abtastposition gewonnen wurde. Die genaue Positionierung des Abtasters ist nicht wichtig, wenn die benachbarte Elektrode links (Leiter 14) abgeschirmt ist. Das Wegziehen des Abtasters von der Elektrode bedingt ein Abfall des Signals/Rausch-Verhältnisses für die erhaltene Wellenform.

Fig. 8 zeigt einen Abtaster, der insofern dem Abtaster 43 entspricht als ein AlGaAs-Substrat 46 auf einer MQW- Struktur 48 verwendet wird. Eine Elektrode 52 kann auch auf der Außenfläche der MQW-Struktur vorgesehen sein. Die Elek­ trode definiert den aktiven Bereich 54 des Abtasters in der MQW-Struktur. Um den optischen Strahl zu dem aktiven Bereich 54 zu liefern, wird eine optische Faser 80 mit einer Umhüllung und einem Kern 82 zur Halterung des Abtasters gebraucht. Der Faserkern ist in Ausrichtung und steht daher in optischer Übertragung mit einem Wellenführungstunnel 84, der in dem Substrat 46 gewachsen ist. Der Faserkern und der Tunnel können einen Durchmesser von ein bis fünf Mikron haben, um den Strahl auf den aktiven Bereich 54 des Abtasters 43 zu be­ schränken.

Aus der vorhergehenden Beschreibung geht hervor, daß ein verbessertes elektro-optisches berührungsloses Signal­ messungssystem (Verfahren und Vorrichtung) und verbesserte Abtaster zur Verwendung in solchen Systemen vorgeschlagen wurde. Abwandlungen des hier beschriebenen Systems mit seinem Verfahren und seiner Vorrichtung gemäß der Erfindung werden sich selbst dem Fachmann anbieten. Zum Beispiel kann die Erfindung unter Verwendung eines Pockels-Effekt E-O Kristalls mit einem Longitudinal-Operationsmodus, ausgeführt werden. Materialien für diese Anwendung umfassen jedes epitaxial gewachsenes E-O-empfindliches Medium das GoAs und ALGoAs umfaßt. Beide können leicht ionenbombardiert werden, um die Leitfähigkeit zu hemmen, während der wichtige E-O-Effekt bei­ behalten wird. Demgemäß sollte die vorhergehende Beschreibung als Illustration und nicht in einem einschränkenden Sinne gesehen werden.

Claims (26)

1. Verfahren zum Messen eines elektrischen Signals auf einem Leiter an einer vorgegebenen vom Leiter beabstandeten Stelle, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Plazieren eines Abtasters aus elektro-optischen Materialien in einem elektrischen Streufeld des Leiters an der genann­ ten Stelle; Durchstrahlen des Abtasters mit einem Licht­ strahl; Umwandeln des Strahls in ein zweites elektrisches Signal nach Durchgang durch den Abtaster; und Erzeugen eines Feldes an dem Abtaster mit einem dritten elek­ trischen Signal, wobei dieses Feld das Streufeld im Bezug auf das zweite elektrische Signal aufhebt und wobei das dritte Signal eine Messung des erstgenannten Signals ermöglicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Feld erzeugende Verfahrensschritt folgendes umfaßt: Plazieren einer Bezugselektrode auf der dem Leiter gegen­ überliegenden Seite des Abtasters und zwar in über­ schneidender Beziehung mit dem Feld, und Anlegen des dritten Signals an die Bezugselektrode.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter einer aus einer Mehrzahl von Leitern auf einem Körper ist und daß folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind:
Anbringen des Abtasters zwischen den einen Leiter und diejenigen Leiter der genannten Mehrzahl von Leitern, die auf der einen Seite des einen Leiters angeordnet sind, wobei die Elektrode zwischen der einen Seite des einen Leiters und denen der Mehrzahl von Leitern auf der einen Seite den durchgehenden Strahl ausführen, Verfahrens­ schritte zum Umsetzen und Erzeugen, um eine Signalkom­ ponente bereitzustellen, die die Messung des Beitrags zu dem dritten Signal von dieses der die Mehrzahl von Leiter ist;
Anbringen des Abtasters auf der Seite des Leiters, die der genannten einen Seite abgewandt ist, wobei sich der Abtaster zwischen der abgewandten Seite und der Bezugs­ elektrode befindet; Durchführen der Verfahrenschritte Durchstrahlen, Umwandeln und Erzeugen um das dritte Signal zu liefern und von diesem dritten Signal die Komponente zu subtrahieren um die Messung des ersten Signals zu ermög­ lichen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Durchstrahlens durch Reflektieren des Strahls an der Bezugselektrode ausgeführt wird, und der Umwandlungsschritt die Photodetektion des reflek­ tierten Strahls umfaßt.

5. Verfahren nach einem der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter einer aus einer Mehrzahl von Leitern ist, die voneinander beanstandet auf einem Substrat angeordnet sind, daß der Abtaster eine MQW- Struktur mit einer Breite zwischen den gegenüberliegenden Seiten aufweist, die kleiner ist als der Abstand zwischen den Leitern, daß der Verfahrensschritt des Anbringens durch das Anbringen der MQW-Struktur zwischen den Leiter ausgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle Abmessungen im Mikronbereich hat und weiterhin folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind: Anbringen einer Bezugselektrode in der Form einer Schicht leitenden Materials mit einer Fläche Mikronbereich auf einer der gegenüberliegenden Seiten der MQW-Struktur, wobei der Verfahrensschritt des Plazierens ausgeführt wird um den Bereich zwischen den Leitern im Feld von dem einen Leiter zu lokalisieren.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Durchstrahlens durch Bündeln des Strahls auf die genannte Fläche durchgeführt wird, sodaß der Strahl durch die MQW-Struktur hindurchgeht, von der Elektrode an der Fläche reflektiert wird und wieder durch die MQW-Struktur hindurchgeht, und daß der Verfahrens­ schritt des Umwandelns am Strahl ausgeführt wird, nachdem er wieder durch die Fläche hindurchgegangen ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das erste Signal entlang des Leiters ausbreitet und der Strahl in Impulsen erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: relative Phasenverzögerung eines der Impulse des Strahls und des Signals auf dem Leiter zueinander, Meßabtastungen bei Auftreten jedes Impulses und Anzeigen des dritten Signals von diesen Meßabtastungen.

10. Elektro-optischer Abtaster für elektrische Felder im Submikronbereich, gekennzeichnet durch ein Substrat mit einer Seitenfläche und einer eine Kante aufweisenden Endfläche, eine Multi-Quantum-Well-(MQW)-Struktur auf derjenigen Seitenfläche mit einer Mehrzahl von Schichten die parallel zu der Seitenfläche sind und sich zu der Kante erstrecken, wobei Struktur eine Breite aufweist, die ungefähr ein Mikron nicht überschreitet um die Endfläche des Abtasters festzulegen durch den das Feld in einen Bereich der MQW-Struktur hindurchgeht, Einrichtungen zum Durchstrahlen der MQW-Struktur, die auf diesen Bereich begrenzt ist, mit einem Lichtstrahl.

11. Abtaster nach Anspruch 10 gekennzeichnet durch ein Superstrat, das auf der MQW-Struktur angeordnet ist, wobei das Substrat eine Seitenfläche, auf der die MQW-Struktur angeordnet ist, sowie eine Endfläche, aufweist, die auch die Endfläche des Abtasters definiert.

12. Abtaster nach Anspruch 10 oder 11 gekennzeichnet durch Temperatursteuer- bzw. Regeleinrichtungen, die mit der MQW- Struktur thermisch gekoppelt sind.

13. Abtaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch ein transparentes Element, auf dem das Substrat angeordnet ist.

14. Abtaster nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein auf dem transparenten Element angeordnetes Prisma das Flächen zum Brechen des Strahls durch den Bereich entlang eines Weges der im wesentlichen parallel zu der Endfläche ist, aufweist.

15. Abtaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schicht aus leitfähigem Material, welches auf der dem Substrat abgewandten Seite der MQW-Struktur angeordnet ist und sich zur Endfläche erstreckt.

16. Abtaster nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich angeordnet und sich die Schicht aus leitfähigem Material zur Endfläche in einer Fläche, die ungefähr gleich der Fläche des Bereichs ist, neigt, wobei Durch­ strahlungseinrichtungen Mittel umfassen, die den Strahl auf die Fläche der Schicht aus leitfähigem Material richten, von dem der Strahl reflektiert wird.

17. Abtaster nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlrichtmittel eine optische Wellenführung aufweisen, die sich durch das Substrat entlang der Endfläche zu dem Bereich der MQW-Struktur erstreckt.

18. Abtaster nach Anspruch 17 gekennzeichnet durch eine optische Faser auf, durch die sich der Strahl ausbreitet, wobei die Wellenführung und die Faser miteinander zur Lichtübertragung gekoppelt ist.

19. System zum Messen eines elektrischen Signals auf einem Leiter an einer vom Leiter beabstandeten Stelle des Leiters gekennzeichnet durch einen Abtaster aus elektro-optischem Material, der in dem elektrischen Streufeld des Leiters an der genannten Stelle angeordnet ist; Einrichtungen zum Durchstrahlen des Abtasters mit einem Lichtstrahl; Einrichtungen zum Umwandeln des Strahls nach dem Hindurchgehen durch den Abtaster in ein zweites elektrisches Signal; Einrichtungen, die mit einem dritten elektrischen Signal ein Feld an dem Abtaster erzeugen, das mit dem Streufeld in Abhängigkeit vom zweiten elektrischen Signal zusammenwirkt bzw. ihm entgegenwirkt; Einrichtungen zur Durchführung einer Messung des zuerst genannten Signal aus dem dritten Signal.

20. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die felderzeugenden Einrichtungen eine Bezugselektrode auf­ weisen und zwar auf der Seite des Abtasters die dem Leiter gegenüberliegt, sodaß es sich mit dem Feld überschneidet und Einrichtungen zum Anlegen des dritten Signals an die Bezugselektrode aufweisen.

21. System nach Anspruch 19 oder 20 gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Reflektieren des Strahls an der Bezugs­ elektrode, wobei die Umwandlungseinrichtungen auf den reflektierten Strahl reagieren.

22. System nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaster eine Multi-Quantum-Well- (MQW)-Struktur mit einer Breite zwischen den gegenüber­ liegenden Seiten aufweist, die kleiner als ungefähr ein Mikron ist.

23. System nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle Abmessungen im Mikronbe­ reich aufweist und daß eine Bezugselektrode und Abschir­ mung in Form einer Schicht aus leitfähigen Material mit einer Fläche im Mikronbereich auf einer der gegenüber­ liegenden Seiten der MQW-Struktur vorgesehen ist, wobei die Abschirmung so angeordnet ist, daß sie die MQW- Struktur von anderen Feldern als dem Feld des Leiters abschirmt.

24. System nach einem der Ansprüche 19 bis 23 gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Bündeln des Strahls auf die Fläche, sodaß der Strahl der durch die MQW-Struktur hin­ durchgeht, an der Elektrode in dem Bereich reflektiert wird und wieder durch die MQW-Struktur hindurchgeht, wobei die Umwandlungseinrichtungen auf den reflektierten Strahl reagieren, nachdem er durch die MQW-Struktur hindurchge­ gangen ist.

25. System nach einem der Ansprüche 19 bis 23 gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Ausbreiten des ersten Signals entlang des Leiters und Einrichtungen zum Erzeugen des optischen Strahls in Impulsform.

26. System nach Anspruch 25 gekennzeichent durch Einrichtungen zur Phasenverzögerung eines der Impulse des Strahls und des Signals, welches an den Leiter angelegt ist, zueinan­ der, sowie Einrichtungen zum Messen von Abtastungen beim Auftreten von jedem der Impulse und Einrichtungen zum Anzeigen des dritten Signals von den Abtastungen.