專利名稱：有機(jī)電光材料的反射干涉式縱向電場探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種電場信號探測器。
現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迫切需要提高信息處理的速率，這要求減小集成電路(IC)芯片中的器件尺寸，提高IC的集成度，提高IC的工作速率。在這種高速集成電路的發(fā)展過程中，IC芯片中的熱效應(yīng)、寄生參數(shù)效應(yīng)以及器件模型參數(shù)的不確定性等問題，使IC的設(shè)計與研制工作需要經(jīng)歷一個逐漸完善的過程。在這過程中，需要對IC芯片內(nèi)部各電路結(jié)點上的動態(tài)特性進(jìn)行檢測，為改進(jìn)設(shè)計和制造工藝提供必要的數(shù)據(jù)資料。這種檢測儀器要同時具備必要的電壓靈敏度、時間分辨率和空間分辨率。現(xiàn)有的這方面的檢測技術(shù)還沒有達(dá)到滿足高速集成電路發(fā)展所需要的水平。
目前可資利用的高分辨率檢測技術(shù)主要有三種掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和電光取樣探測器。
掃描電子顯微鏡可以達(dá)到足夠高的空間分辨率，但它的時間分辨率不可能很高。在這種測量中，把待測的IC芯片放在掃描電鏡的真空室內(nèi)，在IC芯片內(nèi)部的信號傳輸線上，用電子束激勵二次電子發(fā)射，信號電場的變化表現(xiàn)為它對二次電子的排斥和吸引力的變化，根據(jù)所收集到的二次電子流的變化測定信號電壓波形。為了測定IC中的高速信號，需要用脈沖取樣法，因而要求電鏡的電子束是超短脈沖電子束。為此只能用超短光脈沖幫助掃描電鏡產(chǎn)生超短的大電流脈沖電子束，設(shè)備復(fù)雜而且電子束的脈沖寬度也不能很窄，這就是說，它的時間分辨率也不可能很高。而且電子束激發(fā)二次電子發(fā)射和二次電子的收集場會改變被測信號的電場，使測量結(jié)果失真。
原子力顯微鏡具有納米級的空間分辨率。在它的用金箔做成的懸臂上帶有一個納米尖錐的觸頭，當(dāng)納米尖頭充分挨近IC芯片內(nèi)的微帶線時，尖頭上的原子內(nèi)的電場與微帶線上的信號電場發(fā)生作用，信號電場的變化表現(xiàn)為這種作用力的變化，導(dǎo)致懸臂的起伏，并用這種懸臂的起伏表征信號電場的變化。懸臂的機(jī)械振動不可能響應(yīng)很高頻率的變化，只能用差頻的方法檢測單片微波集成電路(MMIC)中的簡諧信號。對于高速集成電路中的復(fù)雜的數(shù)字脈沖信號或模擬信號，它是不可能響應(yīng)的。
電光取樣技術(shù)可以達(dá)到微微秒的時間分辨率，但它的空間分辨率尚不令人滿意，仍在改進(jìn)中。電光取樣技術(shù)有兩種，一種是襯底內(nèi)部電光取樣技術(shù)，它要求IC芯片的襯底是GaAs或InP等具有線性電光效應(yīng)的化合物半導(dǎo)體晶體，并要求襯底背面被光學(xué)拋光，使探測光從襯底背面入射并被聚焦到IC的信號傳輸線上，信號電場改變電光晶體的雙折射，從而改變探測光的偏振狀態(tài)，達(dá)到把電信號調(diào)制到光波上的效果。在這種襯底內(nèi)部電光取樣檢測的方案中，要求探測光的波長大于襯底的帶隙波長，以保證探測光不被IC襯底吸收。目前選用的最佳波長是半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的1.3微米激光，它也就限定了取樣探測的光斑尺寸約1微米左右?？v然如此，已有實驗結(jié)果證明，對于1.3微米波長的探測光和65×/0.7NA的顯微物鏡頭，這種電光探測的空間分辨率可以達(dá)到0.5微米。這種襯底內(nèi)部電光取樣測量方法的優(yōu)點是它的無侵?jǐn)_性，它的缺點是，它的空間分辨率受帶隙波長的限制，而且它不適用于Si或Ge等襯底無電光效應(yīng)的器件，也不適用于封裝在管座上的器件。
另一種是襯底外部電光取樣技術(shù)。把一小塊GaAs或其它電光晶體薄片附著在一個透明基板上構(gòu)成電光探頭，而基板經(jīng)過一個微調(diào)架與長焦距大數(shù)值孔徑的顯微物鏡頭連接在一起(參考圖3)。由激光二極管輸出的探測光束經(jīng)過偏振分束器和補(bǔ)償波片，再穿過透明基板射入電光探頭。電光探頭的前端表面鍍有反射膜，探測光束在那里被反射回來。當(dāng)電光探頭的前端表面挨近IC芯片的器件面時，IC的微帶傳輸線中的信號電場透過反射膜進(jìn)入電光晶體，使晶體的雙折射發(fā)生變化。當(dāng)探測光被聚焦在微帶線上時，探測光的偏振狀態(tài)被信號電場調(diào)制，這種調(diào)制是經(jīng)由晶體雙折射的改變實現(xiàn)的。當(dāng)探測光從電光探頭反射回到偏振分束器時，偏振調(diào)制借助于檢偏作用而轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制，經(jīng)光電探測器接收而變換為被測電信號的復(fù)制品。這種襯底外部電光取樣測量方法的優(yōu)點是它適用于所有電子器件芯片內(nèi)部特性的測量，可以是Si或Ge襯底的，也可以是GaAs或InP襯底的；可以是圓片上的管芯，也可以是封裝在管座上的管芯。它的缺點是，由于可供應(yīng)用的電光晶體的介電常數(shù)都比較大，ε/ε0＞10，用它做成的電光探頭挨近IC芯片的信號傳輸線時，信號電場進(jìn)入電光晶體的電場強(qiáng)度與介電常數(shù)成反比，電場分量的主要部分被壓縮在電光探頭與被測芯片之間的空氣隙里，結(jié)果使這種襯底外部電光探頭的電壓靈敏度下降，被測電場的空間分布被擾動，探測的空間分辨率也下降。目前這種外部電光取樣測量所達(dá)到的空間分辨率約2微米，這不能滿足集成電路發(fā)展的需要(參見IEEE Trans.Instrum.Meas.,Vol.43,No.6,PP.843～847,1994)。
本發(fā)明正是為了解決上述襯底外部電光取樣測量存在的問題而提出來的。
極化有機(jī)聚合物是一種旋涂在透明基板上的非晶態(tài)有機(jī)聚合物薄膜，在極化電場作用下使有機(jī)聚合物的電偶極分子形成有序排列，產(chǎn)生了以極化取向為光軸Z的∞mm對稱性，有類似于6mm晶體對稱性的電光性質(zhì)。這類材料的電光系數(shù)可以高達(dá)20～70pm/V，比GaAs或CdTe等無機(jī)電光材料的電光系數(shù)高很多，而其介電常數(shù)卻與石英玻璃接近。用這種材料做電光探頭時，電壓靈敏度很高，對被測的信號電場分布的干擾會很小，有利于提高空間分辨率。適當(dāng)選擇材料的組分，使其透明光波段的短波限移向紫外區(qū)，我們可以采用短波激光做探測光束，使空間分辨率達(dá)到0.1微米。
我們已經(jīng)研制出一種極化聚合物，用雙酚A型環(huán)氧樹脂和可以極化的胺類物質(zhì)反應(yīng)形成加成物，再和具有可光交聯(lián)或熱交聯(lián)的物質(zhì)反應(yīng)形成具有光交聯(lián)或熱交聯(lián)的可極化的聚合物。其單體特征結(jié)構(gòu)如

圖1所示，環(huán)氧樹脂類高分子作為主鏈，可極化的胺類材料為二階非線性生色基團(tuán)并被鍵接在主鏈上作為側(cè)鏈，在主鏈上同時鍵接有可光交聯(lián)或熱交聯(lián)的的側(cè)鏈基團(tuán)。材料的選擇使透明光波段的短波限拓展到近紫外光。
把這種聚合物溶解稀釋，然后旋涂到透明基板上形成厚度均勻的薄膜。對形成的聚合物薄膜進(jìn)行升溫并加電場極化或加電暈極化，在極化的后階段用紫外光照射或加熱，使有機(jī)電光材料的交聯(lián)基團(tuán)完成交聯(lián)反應(yīng)，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定材料中生色基團(tuán)的極化取向，最后將溫度降至室溫，使電偶極分子的有序排列被“凍”結(jié)起來。
在我們的情況下，極化取向垂直于聚合物薄膜的表面，把該表面的法向作為光軸z，可以證明當(dāng)外加電場的方向與光軸z平行時，在x和y兩個方向上的感應(yīng)折射率是相等的。在我們設(shè)計的電光探頭中，探測光束可視為平行于極化聚合物的光軸z入射和反射的，如圖2所示，可以近似地視為平面偏振光。探測光在圖2所示的電光探頭的有機(jī)電光材料層32里的入射和反射過程中，受到來自IC芯片上的器件電場的作用，但是x和y兩方向上的偏振分量間不產(chǎn)生相對位相延遲，因而不產(chǎn)生偏振狀態(tài)的調(diào)制，只產(chǎn)生相同的位相調(diào)制。電光探頭的透明基板31的上表面，即圖2中的表面33，鍍有消反射膜，透明基板31與有機(jī)電光材料層32的界面34存在著探測光束的反射和透射。當(dāng)探測光從信號傳輸線上方的有機(jī)電光材料層的表面35和界面34反射回來時，有位相調(diào)制的反射光和無位相調(diào)制的反射光干涉疊加的結(jié)果，使位相調(diào)制的光轉(zhuǎn)化為光電探測器可接收的強(qiáng)度調(diào)制信號，從而使我們獲得IC芯片中電信號的復(fù)制品。這是我們設(shè)計的有機(jī)電光材料的反射干涉式縱向電光取樣探測器的工作原理。
目前普遍采用的電光晶體探頭輸出的光信號是偏振調(diào)制的。在它的光學(xué)系統(tǒng)中需要用檢偏器將偏振調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制的光信號，并且需要在光路中插入一個補(bǔ)償波片，把工作點移到線性工作區(qū)。而我們發(fā)明的電光探頭，其輸出的光信號已經(jīng)是強(qiáng)度調(diào)制的光信號，所以在我們的光學(xué)系統(tǒng)中就不需要那種類型的檢偏器和補(bǔ)償波片。我們所設(shè)計的光路如圖3所示。其中，部件1為激光器的驅(qū)動裝置，如要做電光取樣測量，可選用適當(dāng)?shù)牟考?使激光器2輸出超短脈沖光束；如要做連續(xù)光探測，部件1只是個直流偏置電源。由激光器2輸出的探測光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡3變換為平行光，通過偏振分束器4確定其偏振方向，通過λ/4波片5變換為圓偏振光，經(jīng)過擴(kuò)束器6使探測光束的直徑略大于顯微物鏡頭9的通光孔徑。照明光源16發(fā)出的紅外照明光經(jīng)分束鏡7的反射，與來自擴(kuò)束器6的探測光束會合，投射到分束鏡8上并被反射到物鏡頭9。探測光束和照明光被物鏡頭9會聚到電光探頭10里，探測光束的焦點落到有機(jī)電光材料層的表面上，即圖2中的鍍有選擇反射膜的表面35。探測光束被該表面反射，紅外照明光則透過該表面照射到IC芯片13的器件表面上并從那里反射回來。反射光沿入射時的光路返回，在分束鏡8處，一小部分探測光和大部分紅外照明光會透過分束鏡8到達(dá)攝像機(jī)17，并在攝像機(jī)監(jiān)視器上顯示出IC芯片的器件圖案和探測光束聚焦點在器件圖案中的位置。利用電光探頭的位置微調(diào)器12和探頭支架11可以把電光探頭10從IC芯片13的器件表面上抬起或放置到器件表面的某個位置上。用微波探針14驅(qū)動IC芯片上的器件，利用微波探針臺15的位置微調(diào)機(jī)構(gòu)可以在較大的范圍內(nèi)選擇探測的部位。IC芯片上的器件工作時各處于一定的電平，因而產(chǎn)生各自的電場。當(dāng)電光探頭10落在IC芯片13的表面上時，器件的電場會進(jìn)入探頭10的有機(jī)電光材料層里，引起感應(yīng)折射率隨信號電場變化，如前面所述，使探測光受到位相調(diào)制，并通過探頭里的反射干涉過程變換為強(qiáng)度調(diào)制。從探頭反射回來的探測光的大部分被分束鏡8反射，通過分束鏡7和擴(kuò)束器6，到達(dá)λ/4波片時圓偏振光又被變換為線偏振光，但其偏振方向與入射時相垂直，于是被偏振分束器反射到光電探測器19。探測器19輸出的電信號是IC芯片13上的電信號的復(fù)制品，它被輸入到弱信號的放大顯示裝置20。
上述我們發(fā)明的電光探測光學(xué)系統(tǒng)與現(xiàn)有的其它的電光探測光學(xué)系統(tǒng)的區(qū)別在于，這里的λ/4波片5和偏振分束器4的作用只是為了在保持同軸光路的條件下把反射回來的光全部反射到光電探測器19。我們也可以不采用同軸光路結(jié)構(gòu)，如圖4所示，用一個楔形反射鏡代替圖3所示的同軸光路中的偏振分束鏡4和波片5。光路被簡化，光學(xué)損耗減小，振動干擾也減小。我們的光學(xué)系統(tǒng)的這個特征起源于我們發(fā)明的有機(jī)電光材料的反射干涉式縱向電光探頭的新穎的工作原理。
本發(fā)明所設(shè)計的有機(jī)電光材料的反射干涉式縱向電場探測器可以有如下的效果1．與通常使用的無機(jī)電光晶體探頭相比，極化有機(jī)材料的電光探頭對被測IC芯片上的電場分布侵?jǐn)_最小，因為有機(jī)電光材料的介電常數(shù)很小。這有利于提高電場探測的空間分辨率。
2．極化有機(jī)電光材料不但介電常數(shù)小，而且電光系數(shù)也高。這有利于提高電壓靈敏度，因而也有利于提高空間分辨率。
3．適當(dāng)選擇可極化生色基團(tuán)的材料，極化有機(jī)電光材料的透明光波段的短波限可以移向近紫外光區(qū)，便于采用短波探測光束，減小聚焦光斑的尺寸。
4．在極化有機(jī)材料的電光探頭中，利用反射干涉作用將位相調(diào)制轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制，不受半波電壓帶來的非線性影響，也不需要考慮從偏振調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制的轉(zhuǎn)化，有利于簡化電光取樣探測光路。如圖4所示，在該光路中沒有偏振分束器4和補(bǔ)償波片5，只用了一個楔形反射鏡21將輸往探頭的光束與從電光探頭反射回來的光束分開即可。這種簡化有利于減小光路損耗和振動干擾，提高信號的穩(wěn)定性。
圖2是本發(fā)明的有機(jī)電光材料的電光探頭示意圖。部件31為透明基板，32為有機(jī)電光材料層(有機(jī)電偶極子取向垂直于該材料層的表面)，33為透明基板的鍍消反射膜的表面，34為透明基板與有機(jī)電光材料層的界面(界面上鍍有選擇反射膜，探測光在此有反射和透射，照明光只有透射)，35為有機(jī)電光材料層的表面(表面鍍有選擇反射膜，它使探測光高反射，照明光透射)，36箭頭組表示在有機(jī)電光材料層形成的非對稱法布里-泊洛特諧振腔中探測光的振蕩反射，37箭頭表示來自有機(jī)電光材料層的反射光，38為入射的探測光，39為電光探頭輸出的反射干涉光束，40為探頭支架，41為探頭的位置微調(diào)器。
圖3是本發(fā)明的有機(jī)電光材料的反射干涉式縱向電場探測器的測量系統(tǒng)示意圖。其中部件1為驅(qū)動激光器的電學(xué)裝置，部件2為激光器，3為準(zhǔn)直透鏡，4為偏振分束器，5為λ/4波片，6為擴(kuò)束器，7為分束鏡，8為分束鏡，9為長焦距大孔徑物鏡頭，10為有機(jī)電光材料的反射干涉式縱向電光探頭，11為探頭支架，12為探頭的位置微調(diào)器，13為待測的IC芯片，14為微波探針，15為探針臺，16為照明光源，17為攝相機(jī)，18為攝相機(jī)監(jiān)視器，19為光電探測器，20為探測器輸出信號的放大與顯示裝置。
圖4是適用于本發(fā)明的電光探測光路的簡化設(shè)計示意圖。圖4中的部件1、2、3、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20分別與圖3中編號相同的部件為同一部件，部件21為楔形反射鏡。
權(quán)利要求
1．一種可微調(diào)位置的透明基板和附著在基板上的有機(jī)電光材料層組成的電光探頭，由電光探測光學(xué)單元產(chǎn)生的探測光束經(jīng)顯微物鏡頭聚焦后，穿過透明基板、基板與電光材料層的界面和電光材料層，聚焦光斑落在電光材料層的外表面上，并被該表面上的高反射介質(zhì)膜反射，當(dāng)聚焦光斑挨近待測的電信號傳輸線時，信號電場進(jìn)入有機(jī)電光材料層，本發(fā)明的特征是電光介質(zhì)極化方向、探測光傳播方向和待測信號電場方向近似平行，組成反射干涉式縱向電場探測器。
2．一種按照權(quán)利要求1所述的反射式縱向電場探測器，其特征在于透明基板與有機(jī)電光材料層的界面上要有入射光的反射和透射，因此在有機(jī)電光材料層中的每一次反射光受到的縱向電光位相調(diào)制，通過干涉疊加而轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度調(diào)制，成為光電探測器能夠直接接收的待測電信號的復(fù)制品。
3．一種按照權(quán)利要求1所述的電光探測光學(xué)單元的構(gòu)造原理是，由可見光激光二極管產(chǎn)生的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡變換為平行光，經(jīng)偏振分束器確定其線偏振方向，經(jīng)λ/4波片變換為園偏振光輸出，再經(jīng)過物鏡頭聚焦到電光探頭，由電光探頭反射回來的被強(qiáng)度調(diào)制的光，再次經(jīng)過λ/4波片時重新變換為線偏振光，但其偏振方向與入射時的方向互相垂直，經(jīng)偏振分束器被全部反射到光電探測器里，其特征在于偏振分束器和λ/4波片的作用是在保持同軸光路的條件下把它的輸出光和電光探頭反射回來的光完全分開。也可以不用同軸光路結(jié)構(gòu)，用一個楔形反射鏡代替偏振分束器和λ/4波片，使電光探測光學(xué)單元得到簡化。
4．一種按照權(quán)利要求1所述的有機(jī)電光材料，其特征是用雙酚A型環(huán)氧樹脂材料為主鏈，可極化的胺類材料為二階非線性生色基團(tuán)側(cè)鏈并鍵接在主鏈上。在主鏈上同時鍵接可光交聯(lián)或熱交聯(lián)的側(cè)鏈基團(tuán)。上述主鏈與側(cè)鏈材料的選擇使透明光波段的短波限拓展到近紫外光。
5．一種按照權(quán)利要求4所述的有機(jī)電光材料的極化方法，其特征是在溶解后旋涂成膜，對形成的薄膜進(jìn)行升溫加電場極化或升溫加電暈極化，在極化的后階段用紫外光照射或加熱，使有機(jī)電光材料的交聯(lián)基團(tuán)完成交聯(lián)反應(yīng)，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定材料中生色基團(tuán)的極化取向。
全文摘要
本發(fā)明是有機(jī)電光材料的電場探測器。有機(jī)電偶極分子的取向垂直于基板平面并在其外表面涂有選擇反射膜。光束傳播方向、有機(jī)分子極化方向和被測信號電場方向近似平行。由于激光在電光介質(zhì)的前后兩界面的反射分量的相干疊加，使反射光強(qiáng)受到被測電場的線性調(diào)制，成為電場信號探測器。本發(fā)明的有機(jī)電光材料的介電常數(shù)小并且電光系數(shù)高，因而這種電場傳感器對被測電場的侵?jǐn)_小，有利于提高電光探測系統(tǒng)的電壓靈敏度、空間分辨率和時間分辨率。
文檔編號H01L21/66GK1316771SQ01106219
公開日2001年10月10日 申請日期2001年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月27日
發(fā)明者衣茂斌, 張大明, 孫偉 申請人:吉林大學(xué)