專利名稱：一種基于流體電光材料的電光探頭及用于探測電場的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于集成電路故障診斷技術領域，具體涉及一種新型的基于流體電光材料的電光探頭及應用該電光探頭對集成電路表面電場進行探測的方法。
背景技術：
隨著集成電路制造業(yè)的發(fā)展，芯片的集成度越來越高，運行速率越來越快，門限電壓越來越低，對集成電路測試特別是故障診斷提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。集成電路的故障診斷就是要找出引起故障發(fā)生的地點或原因，從而為集成電路的設計和制作工藝的改進提供幫助。因此，故障診斷對提高集成電路可靠性有重要意義，也一直是微電子研究工作的重要方面。目前，集成電路故障診斷的方法有直接測量法、建立模型法、故障字典法等。電光探測技術是一種直接對集成電路進行動態(tài)實時無侵擾測量的方法。此項技術利用的是材料的電光特性，即在電場的作用下，電光材料的光學特性發(fā)生變化，如折射率、吸收譜等變化。 通過測量并記錄集成電路的邊緣場引起的電光材料光學特性的變化量，從而推導出測量點的電壓特性，實現(xiàn)集成電路故障診斷。在國內外報道中，用于集成電路故障診斷的電光探測技術的電光材料都是固態(tài)的。通常把固態(tài)的電光材料粘附在錐形透明基底或光纖的尾端， 然后把電光探頭固定在微定位裝置上去逐點掃描探測待測電路的測量點。在實際的使用中，由于采用的是固態(tài)介質，有以下幾個缺點(1)集成電路表面的傳輸線或節(jié)點的邊緣場通常局限在離電路表面幾微米之內，這就對電光探頭的定位裝置提出至少亞微米量級的精度要求，大大增加了電光系統(tǒng)的成本。(2)因為在探頭定位裝置有限的精度和集成電路自身表面形貌的起伏，電光材料和測量點之間存在不可避免的空氣隙。測量點的大部分邊緣場被屏蔽在空氣隙中，導致了電光轉化效率的降低。(3)無法有效地探測電光材料和測量點之間空氣隙的大小，使不同測量點的電光轉化效率的大小無法確定，從而無法從測量的信號準確地推斷出測量點的實際電信號的大小。(4)固體的電光材料本身的電光系數(shù)小(通常固體電光材料的折射率變化系數(shù)為幾pm/V)，導致電光探測系統(tǒng)的電壓靈敏度不高，需要一套低噪聲和高倍數(shù)的電學弱信號測量系統(tǒng)。(5)由于固體電光材料的硬度和抗磨性不高，多次測量或大面積測量對電光材料造成不可恢復的損壞。(6)觀察集成電路表面的視野很狹小。因為在固體探頭的基底往往是錐形體或是光纖，而且錐形體的尖端或光纖的端面只有幾十微米見方，所以探測時對集成電路的觀察區(qū)域也只有幾十微米見方，這對尋找集成電路表面的探測點造成極大不便。為了改進集成電路故障診斷的電光探測技術，我們提出利用新型的基于流體電光材料的探測集成電路內部電場的方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種基于流體電光材料的流體電光探頭，以及其該電光探頭探測集成電路內部電場的方法。本發(fā)明的基本原理是集成電路運行時，其傳輸線或節(jié)點相當于帶電體發(fā)散出電場，該電場稱之為邊緣場；把流體電光材料置于傳輸線或節(jié)點的邊緣場中，通過測量電光材料的光學特性的變化，從而推導出集成電路上該傳輸線或節(jié)點的電壓信號的幅值和波形； 把測量點的理論信號與測量信號作對比，即可實現(xiàn)對集成電路故障診斷。根據(jù)流體的特性，新型流體電光探頭7不以孤立的探頭形式存在，而設計成與待測電路8為一個整體。流體電光探頭7的結構如圖2(a)所示。本發(fā)明所述的流體電光探頭7在沿入射光觀的方向上依次由透明基底22、透明導電層23、反射層25、環(huán)狀絕緣層沈、 流體電光材料層27、待測電路8組成。在透明基底22和透明導電層23的側壁上，制備有側壁導電層對，在側壁導電層M上引出導線；流體電光材料層27填充在環(huán)狀絕緣層沈內， 并緊密覆蓋在待測電路8上。透明基底22的材料為低折射率的透明介質，折射率為1. 4 1. 6，如石英玻璃、K9 玻璃、氟化鎂或有機玻璃等，其厚度為Imm 5mm，大小比待測電路8略小或能覆蓋待測電路 8所有的測量點；透明導電層23的材料為ITO或AlSiO，厚度為100 300nm ；在透明導電層23的作用下，待測電路8的邊緣場21全部被屏蔽在流體電光材料層27內，從而提高了電光轉化效率，并可通過側壁導電層M接入標準參考信號；反射層25的材料為金、銀、鋁等金屬，厚度為20 50nm，用于調節(jié)入射光觀在反射層25處的透射和反射比，即調節(jié)參考光281和探測光觀2的光強比，從而提高電光轉化
效率；側壁導電層M的材料為金、銀、鋁等金屬，厚度為IOOnm Ιμπι，通過側壁導電層 24向透明導電層23接入標準參考信號；環(huán)狀絕緣層沈的材料可以是二氧化硅、有機玻璃或塑料等絕緣介質，環(huán)厚1 10 微米，環(huán)狀絕緣層的所在區(qū)域是在待測電路8上沒有測量點的區(qū)域，通常在反射層25的邊緣；環(huán)狀絕緣層26的厚度可控制流體電光材料層27的厚度，并防止反射層25與待測電路 8接觸。流體電光材料層27的厚度近似于環(huán)狀絕緣層沈的厚度，其材料有以下幾類可以是極性溶液如硝基苯、二甲基亞砜、乙酸乙酯、酒精、丙酮或二甲基甲酰胺等有機溶劑；可以是帶電棒狀微米或納米微粒的懸濁液或乳濁液，如帶氧化物棒狀顆粒分散在水中的懸濁液、極性乳膠棒分散在水中的懸濁液、生物粒子分散在水中的懸濁液、納米或微米水滴分散在油中的乳濁液；可以是液晶，如5CB、7CB、TEB50A、TEB30A等液晶材料。本發(fā)明所述的流體電光探頭7，可按如下方法進行制作a.在透明基底22的表面制備一層厚度為100 300nm透明導電層23，制備的方法是磁控濺射法或金屬有機氣相沉積法；b.在透明基底22和透明導電層23的側壁制備側壁導電層對，側壁導電層M的制備方法為磁控濺射法或熱蒸發(fā)法，其厚度為IOOnm 1 μ m，然后在側壁導電層M上用電焊或金屬點焊機引出導線；由于側壁導電層M與透明導電層23相連，在側壁導電層M接入電信號會傳送到透明導電層23上，從而在電壓校準過程中起到引入?yún)⒖夹盘柕淖饔?；c.在透明導電層23的表面上熱蒸發(fā)金屬制備厚度為20 50nm的反射層25 ；d.在反射層25的表面上制作環(huán)狀絕緣層沈；環(huán)狀絕緣層沈主要起到兩個作用 一是防止由于重力作用導致導電層23和金屬材料制作的反射層25與待測電路8電接觸而引起電路的損壞，起到隔離和支撐的作用；二是控制流體電光材料層27的厚度，同時由于流體電光材料自身表面張力的作用，使其能夠局限于環(huán)狀絕緣層內而不會流失掉；環(huán)狀絕緣層沈的中心位置為待測電路8的待測點區(qū)域；e.將流體電光材料層27填充于環(huán)狀絕緣層沈內，并緊密覆蓋在待測電路8的表面上；流體電光材料由于自身表面張力的作用，使其能夠局限于環(huán)狀絕緣層內而不會流失掉，且其厚度為環(huán)狀絕緣層26的厚度。本發(fā)明所述的基于流體電光材料的電光探頭用于探測電場的方法，其包括如下步驟一、搭建用于探測待測電路內部電場的實驗系統(tǒng)；二、電光調制信號的校準；三、實際測量。一、如

圖1所示，搭建用于探測待測電路8內部電場的實驗系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)由帶準直透鏡的半導體激光器1、偏振分束鏡2、λ /4波片3、反射鏡4、反射鏡5、聚焦物鏡6、攝像機9、探測器10、鎖相放大器11、示波器12組成。帶準直透鏡的半導體激光器1發(fā)出波長為1. 31 μ m且平行的入射光觀，入射光28 經(jīng)過偏振分束鏡2和λ /4波片3后，由反射鏡4和反射鏡5兩次反射后進入聚焦物鏡6， 調整聚焦物鏡6與流體電光探頭7的距離，使穿過電光探頭7后激光的焦點落在待測電路 8的傳輸線或節(jié)點上，從而被傳輸線或節(jié)點反射；入射光觀在電光探頭7的反射層25被分為兩部分，一部分被反射，稱之為參考光；另一部分穿過流體電光材料層27，受到待測電路8的邊緣場21調制且被金屬傳輸線或節(jié)點反射，稱之為探測光觀2 ；參考光281和探測光282干涉疊加后的反射光觀3的光強負載著待測電路8的電信號，從而達到對待測電路的電場進行測量的目的；經(jīng)過聚焦物鏡6的反射光觀3的10%透過反射鏡5后進入攝像機9，其余90 %的反射光283被反射鏡5和反射鏡4反射后沿入射光觀的路徑返回偏振分束鏡2，再被偏振分束鏡2反射后進入探測器10。前面所述的半導體激光器1，是指帶準直透鏡的、光功率0 IOmW的直流半導體激光器，其能夠發(fā)出波長為1. 31 μ m且平行的入射光28，入射光28的光斑直徑為5mm。偏振分束鏡2的偏振方向垂直于紙面，以激光方向為軸旋轉半導體激光器1，使入射光的偏振方向與偏振分束鏡2的偏振方向一致，從而使入射光能夠透過偏振分束鏡2 ；入射光被待測電路8反射后的反射光283經(jīng)過偏振分束鏡2時，其偏振方向平行于紙面而被偏振分束鏡 2垂直反射進入探測器10。λ /4波片3的擺放方式為其光軸方向與入射光觀的偏振方向成45°角，入射光 28穿過偏振分束鏡2時是線偏振光，所以入射光觀在第一次經(jīng)過λ /4波片3后被轉化為圓偏振光；反射光283是經(jīng)過待測電路8的電場調制的圓偏振光，再次經(jīng)過λ /波片3后被轉化為線偏振光。然而，反射光觀3的偏振方向由原來垂直于紙面的方向轉化為平行于紙面的方向，所以不能夠穿過偏振分束鏡2而完全被反射進入探測器10。反射鏡4 反射鏡4對激光45°角入射時的反射率大于99. 9%。反射鏡5 反射鏡5對激光45°角入射時的反射率為90%，透射率為10%。反射光283有一小部分(10% )能透過反射鏡5進入攝像機9，用于觀察待測電路 8表面的測量光斑及確定測量位置；大部分光(90% )被反射進入探測器10，用于電光調制信號測量。聚焦物鏡6 聚焦物鏡6使平行的激光束聚焦成直徑為微米或亞微米量級的光斑，提高電光探測技術的空間分辨率。我們采用的焦距為7mm，數(shù)值孔徑為0. 4，放大倍數(shù)為20 的物鏡。待測電路8 待測電路8是用于故障診斷的被拆封的集成電路或共面波導電路。攝像機9 攝像機9通常是CXD或CMOS紅外攝像頭，用于觀察電路的形貌及探測光的聚焦光斑。探測器10 因為半導體激光器1的波長是1. 31 μ m，屬于近紅外光，所以探測器10 采用的是InGaAs紅外探測器，對1. 31 μ m波長的光響應度為0. 85A/VV。其作用是探測電場調制后的反射光觀3的光強變化，并反射光觀3的光信號轉化為電信號；鎖相放大器11 鎖相放大器11通過帶通濾波器，把探測器10送入的電信號中雜散的噪聲和直流部分去除，放大倍數(shù)可達到106。示波器12 用來顯示和記錄被鎖相放大器12放大后的電光調制信號。二、電光調制信號的校準在對待測電路8表面某一測量點進行實際測量前，通過側壁導電層M在導電層 23中引入信號發(fā)生器發(fā)出的標準信號。標準信號的電壓幅值(峰峰值)、頻率、波形及相位均已知并且由示波器12記錄；在不同幅值標準信號的作用下，電光調制信號的幅值(峰峰值)、頻率、波形及相位也由示波器12記錄；進行多組數(shù)據(jù)測量后，即可繪制標準信號峰峰值-電光調制信號峰峰值的電壓校準曲線；三、實際測量在對待測電路8表面某一測量點進行實際測量時，根據(jù)示波器12記錄的電光調制信號的幅值(峰峰值)，根據(jù)所繪制的標準信號峰峰值-電光調制信號峰峰值的電壓校準曲線，即可獲得待測電路8表面某一測量點的電壓信號的幅值。本發(fā)明的機理可作如下解釋假設流體電光探頭7的入射光觀的總光強為Ii,參考光的光強為I,ef，探測光觀2的光強為Im。d。在不考慮損耗的情況下，光強之間的關系為Ii = I,ef+Im。d。參考光
與探測光282之間的強弱關系由反射層25的反射率決定。當參考光與探測光觀2的光強相同時，光電轉化效率最高。此處考慮到有激光的界面損耗和散射損耗的情況下，取反射層25對1. 31 μ m激光的反射率為0. 3 0. 5。由光強矢量疊加原理可知，反射后參考光 281與探測光282疊加的光強可表示為
權利要求
1.一種基于流體電光材料的電光探頭，其特征在于在沿入射光08)的方向上依次由透明基底(22)、透明導電層(23)、反射層(25)、環(huán)狀絕緣層( )、流體電光材料層(XT)和待測電路(8)組成，同時在透明基底0 和透明導電層的側壁上制備有側壁導電層 (M)，在側壁導電層04)上引出導線，從而通過側壁導電層04)在透明導電層03)上接入標準參考信號；透明導電層把待測電路(8)的邊緣場屏蔽在流體電光材料層(27)內；流體電光材料層(XT)填充在環(huán)狀絕緣層06)內，并緊密覆蓋在待測電路(8)的表面上。
2.如權利要求1所述的一種基于流體電光材料的電光探頭，其特征在于透明基底(22)的材料是石英玻璃、K9玻璃、氟化鎂或有機玻璃，其厚度為Imm 5mm，其折射率為 1.4 1.6，大小比待測電路⑶略小或能覆蓋待測電路⑶所有的測量點。
3.如權利要求1所述的一種基于流體電光材料的電光探頭，其特征在于透明導電層(23)的材料為ITO或AlZnO薄膜，厚度為100 300nm。
4.如權利要求1所述的一種基于流體電光材料的電光探頭，其特征在于反射層05) 的材料為金、銀或鋁，厚度為20 50nm，用于調節(jié)入射光Q8)在反射層05)處的透射和反射比。
5.如權利要求1所述的一種基于流體電光材料的電光探頭，其特征在于側壁導電層(24)的材料為金、銀或鋁，厚度為IOOnm Ιμπι。
6.如權利要求1所述的一種基于流體電光材料的電光探頭，其特征在于環(huán)狀絕緣層 (26)的材料為二氧化硅、有機玻璃或塑料，環(huán)厚1 10微米，環(huán)狀絕緣層06)的所在區(qū)域是在待測電路(8)的邊緣沒有測量點的區(qū)域。
7.如權利要求1所述的一種基于流體電光材料的電光探頭，其特征在于流體電光材料層(XT)的材料是極性溶液、帶電棒狀微米或納米微粒的懸濁液或乳濁液、或液晶。
8.如權利要求8所述的一種基于流體電光材料的電光探頭，其特征在于極性溶液是硝基苯、二甲基亞砜、乙酸乙酯、酒精、丙酮或二甲基甲酰胺；帶電棒狀微米或納米微粒的懸濁液或乳濁液是氧化物棒狀顆粒分散在水中的懸濁液、極性乳膠棒分散在水中的懸濁液、 生物粒子分散在水中的懸濁液、納米或微米水滴分散在油中的乳濁液；液晶是5CB、7CB、 TEB50A 或 TEB30A。
9.一種基于權利要求1所述流體電光材料電光探頭用于探測電場的方法，其步驟如下(一)搭建用于探測待測電路(8)內部電場的實驗系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)由帶準直透鏡的半導體激光器(1)、偏振分束鏡( 、λ /4波片C3)、反射鏡(4)、反射鏡( 、聚焦物鏡(6)、攝像機(9)、探測器(10)、鎖相放大器(11)和示波器(12)組成；帶準直透鏡的半導體激光器(1)發(fā)出波長為1. 31 μ m且平行的入射光(觀)，入射光(28)經(jīng)過偏振分束鏡(2)和λ/4波片(3)后，由反射鏡⑷和反射鏡(5)兩次反射后進入聚焦物鏡(6)，調整聚焦物鏡(6)與流體電光探頭(7)的距離，使穿過電光探頭(7)后激光的焦點落在待測電路⑶的傳輸線或節(jié)點上，從而被傳輸線或節(jié)點反射；反射光083)的光強負載著待測電路(8)的電信號，從而達到對待測電路的電場進行測量的目的；經(jīng)過聚焦物鏡(6)的反射光083)的10%透過反射鏡(5)后進入攝像機(9)，其余90%的反射光 (283)被反射鏡(5)和反射鏡(4)反射后沿入射光08)的路徑返回偏振分束鏡O)，再被偏振分束鏡O)反射后進入探測器(10)；探測器(10)將反射光283的光信號轉化為電信號，鎖相放大器(11)把探測器(10)送入的電信號中雜散的噪聲和直流部分去除，放大后由示波器(1 來顯示和記錄。(二)在對待測電路(8)表面某一測量點進行實際測量前，通過側壁導電層04)的導線在導電層中引入信號發(fā)生器發(fā)出的標準信號，標準信號的電壓峰峰值、頻率、波形及相位均已知且由示波器(1 記錄；在不同峰峰值標準信號的作用下，電光調制信號的峰峰值、頻率、波形及相位也由示波器(1 記錄；進行多組數(shù)據(jù)測量后，繪制標準信號峰峰值-電光調制信號峰峰值的電壓校準曲線，從而對前面步驟得到的電光調制信號進行校準；(三)對待測電路⑶表面的測量點進行實際測量，根據(jù)此時示波器(12)記錄的電光調制信號的峰峰值，在前面步驟所繪制的電壓校準曲線中即可得到待測電路(8)表面該測量點的實際電壓信號的幅值，從而完成對電場的探測。
10.如權利要求9所述的基于流體電光材料電光探頭用于探測電場的方法，其特征在于入射光的偏振方向與可通過偏振分束鏡O)的偏振方向一致，λ/4波片( 的光軸方向與入射光08)的偏振方向成45°角；反射鏡(4)對激光45°角入射時的反射率大于 99.9%，反射鏡(5)對激光45°角入射時的反射率為90%，透射率為10%。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路故障診斷技術領域，具體涉及一種新型的基于流體電光材料的電光探頭及應用該電光探頭對集成電路表面電場進行探測的方法。電光探頭在沿入射光的方向上依次由透明基底、透明導電層、反射層、環(huán)狀絕緣層、流體電光材料層和待測電路組成。本發(fā)明利用流體態(tài)的電光材料作為電信號轉化為光信號的媒介，一方面解決了傳統(tǒng)的固體探頭與被測電路之間不可避免存在空氣隙的問題，因此降低了電光轉化損耗，提高電場測量的靈敏度；另一方面由于電光材料的可轉動的特性，電光分子在電場作用下的取向效應從本質上提高了電場測量的靈敏度，本發(fā)明使最小可測量電壓達到10mV量級。
文檔編號G01R29/12GK102207514SQ20111006970
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權日2011年3月23日
發(fā)明者于顏豪, 孫洪波, 楊罕, 衣茂斌, 金如龍 申請人:吉林大學