专利名称：一种用于电光探测器电压校准的方法
技术领域：
本发明属于集成电路电光采样技术领域，具体涉及一种对电光探测器的调制信号电压进行校准的方法。
背景技术：
随着微电子芯片制造技术的发展，芯片的集成度和运行速度越来越高。为了改进集成电路的设计和制造工艺，提高集成电路的可靠性，需要对发生故障的集成电路芯片进行检测分析。电光检测是一种用光学方法对芯片内部电压特性进行无损检测的方法，被国内外研究者证实具有皮秒量级的时间分辨率、小于
的电压灵敏度和0.5μm的空间分辨率，一直是微电子可靠性研究领域中令人关注的课题。
由于芯片在高频运行时存在寄生电容、分布参数不确定性等问题，集成电路芯片的内部电压特性的检测分析和故障诊断通常在近直流的低频条件下进行。近二十年来有大量文章介绍电光技术在GHz及THz探测中的应用，而在故障诊断的近直流的低频区域的电光特性研究却没有报道。本发明在MHz以下的近直流区域，利用电光介质的压电共振特性提高电光检测的电压灵敏度。为了测定和比较集成电路芯片内部各电路结点上的电压分布，需要对电光检测得到的信号实现电压定标。这个问题得不到完善的解决，就会妨碍着电光检测技术的推广应用。
发明内容
本发明是一种芯片内部电压特性无损检测技术，原理是待测的集成电路9表面存在信号电场，会引起位于集成电路9表面的电光探头8中电光介质层21的折射率发生变化，从而使电光探头中从集成电路9表面反射回来的探测光受到调制，进而通过对电光调制信号的分析，实现对集成电路表面电场的逐点探测。
发明通过参考电极19引入电压幅度已知的标准信号来实现电压定标，解决了电光检测实用化的问题。
本发明的电光探测器的结构如图1所示，具体可分为光学部分和电学部分，其中光学部分又可分为探测系统部分和照明系统部分。
探测系统部分半导体激光器1发出波长为1.31μm的激光作为探测光，探测光经过球透镜2整形为平行光束，再经过偏振分束镜3和λ/4波片4后，由二色镜5和二色镜6反射进入聚焦物镜7，探测光经过电光探头8聚焦在待测电路9的金属传输线上，经反射回来的探测光再次通过电光探头8和聚焦物镜7，其中10％的光经过二色镜6、二色镜11进入CMOS摄像头12，最后探测光的聚焦光点在集成电路表面的位置被显示在监视器13；经反射的探测光90％由二色镜6反射到二色镜5，再经过波片4由偏振分束镜3反射进入InGaAs探测器14。
前面所述的半导体激光器1，是指光功率0～10mW可调的直流半导体激光器，发出波长为1.31μm的线偏振激光。调整半导体激光器1的方向使发出的激光的偏振方向垂直于纸面。
球透镜2把半导体激光器1发射的发散的激光聚成平行光束。
偏振分束镜3使偏振方向垂直于纸面的光(探测光)穿过偏振分束镜3，而偏振方向平行于纸面的光(调制光)偏振分束镜3被反射。
1/4波片4的光轴与探测光的偏振方向成45°角，使探测光通过波片过由线偏振光调制为圆偏振光；由待测电路9的金属传输线反射回来的调制光再次穿过λ/4波片，其偏振方向由垂直于纸面方向转化为平行于纸面方向，不能穿过偏振分束镜3而被反射进入探测器14。
二色镜5对1.31μm波长的探测光束45°角入射时的反射率大于99.9％，以减少探测光的损耗。
二色镜6对1.31μm波长的探测光束45°角入射时的反射率为90％，保证监视器能清楚地观察探测光斑的情况下，尽可能少地减少探测光的损耗。
聚焦物镜7使探测光聚焦成3μm的光斑，聚焦在待测电路9表面的金属传输线上，提高电光检测装置的空间分辨率。
待测电路9是电光检测装置的测量对象。
照明系统部分发光管10发出1.06μm波长的光作为照明光，其一半被被二色镜11反射，然后穿过二色镜6、聚焦物镜7和电光探头8，最后照在待测电路9的表面，被金属传输线反射。反射回来的照明光依次经过电光探头8、聚焦物镜7、二色镜6和二色镜11，进入CMOS摄像头12，最后待测电路的表面图案被显示在监视器13。
发光管10发出1.06μm波长的光，其光功率为0～10mW可调。因为波长1.06μm和探测光波长1.31μm相近，可以防止经过多个光学元件后和探测光发生色差使得成像不清晰。
二色镜11对1.06μm的光半透半反，使照明光从电路返回之后，能够尽可能多的进入CMOS摄像头12，使电路成像更清晰。
二色镜6对1.06μm的光的透过率大于99％，减少照明光的损耗。
电学部分探测器14把经过电光调制的光强信号转化为电信号，再由锁相放大器15放大，最后由示波器16显示电光调制的电信号的大小，从而用来确定待测电路9表面金属传输线的电压幅值。在电光检测时，信号发生器17给待测电路供电，给锁相放大器和示波器提供触发信号。
前面所述的探测器14为电子科技集团重庆四十四所生产的GD3561T型InGaAs探测器，当探测器外加反偏压为5V时，对1.31μm的响应度为0.85A/W。探测器对某一特定波长光的响应度是一定的，所以探测器把电光调制后的光强按照0.85A/W的响应度转化为电信号。
锁相放大器15由于电光调制的光强是μw量级的弱信号，示波器16无法显示。只有通过锁相放大器15把弱信号放大后，示波器16才能显示该信号。锁相放大器15是EG&G公司5209型号的LOCK-IN AMPLIFIER。信号发生器17发出的电信号被送到锁相放大器15的触发信号端口。锁相放大器15的信号通道中有带通滤波器，使得锁相放大器15具有带通滤波作用。于是，与触发信号同频的电光调制电信号可以通过，而频率通带以外的信号例如由探测器、市电、外界机械振动等引起的噪声信号则不能通过。
示波器16用来显示被锁相放大器15放大后的电光调制光电信号的幅度、波形、频率，从而确定待测电路9表面电压信号的幅度、波形、频率。
图2为电光探头8的结构示意图。电光探头8依次由透明基底18、作为参考电极的透明导电层19、反射膜20和电光介质层21组成。电光检测时，调节微调架使电光探头8靠近待测电路9的表面。因为透明基底18和透明导电层19的折射率较小，所以这两层的材料本身对光的反射忽略不计。
探测光8-1从透明基底19入射，在反射膜20处一部分被反射作为参考光8-2，其余部分穿过电光介质层21被待测电路9上的金属传输线反射作为调制光8-3。在低频范围内，由于电光介质层21的材料同时具有压电和电光特性，在电光介质层21内调制光8-3的光程会随集成电路表面电场信号强弱发生线性变化。而参考光8-2没有经过电光介质层21，光程始终不变。因此，调制光8-3和参考光8-2干涉后的调制光强将随着待测电路9表面电场信号变化，且调制光强的大小与待测电路9电场信号大小是线性相关的，调制光和集成电路传输线上电压的频率、相位、波形是一致的。
前面所述的透明基底18是对探测光无双折射效应的固体透明材料如透明玻璃、熔融石英和有机玻璃等，其上下两面近似平行且是光学抛光的，其厚度可以为3～10mm。在本发明中，我们采用的是熔融石英材料，其厚度为5mm，直径为3mm。
透明导电层19可以通过磁控溅射的方法，在透明基底18上生长ITO或AlZnO透明导电薄膜的方法来实现，其厚度为几百纳米到几微米。我们采用的是用磁控溅射方法，在熔融石英材料表面生长的ITO薄膜作为透明导电层，其厚度为600nm。
电光材料层21上表面有材料本身的界面反射或镀一层反射膜20，垂直入射时对探测光波长有0.3～0.4的反射率和0.6～0.7的透射率。
电光介质层21为折射率椭球的旋转对称轴垂直于界面的电光材料，它可以是电光晶体(如GaAs、GaP、LiNbO3等)、多晶电光薄膜(如c轴取向的ZnO)、极化聚合物薄膜(如DR1-SiO2、DR1-PMMA等)、有机晶体(如DAST)以及液晶材料(如P0616A、SLC1717、SLC2510-000等)，其厚度为几百纳米到几十微米。我们采用的是<100>晶向的GaAs晶体，减薄并光学抛光后使用，其厚度为10μm。
信号发生器17为待测电路9提供正弦电信号，当幅值固定而频率变化时，检测到的电光调制电信号(示波器16显示的信号)是与其频率相同的正弦信号，其峰峰值Vp-p随待测信号频率变化的色散曲线如图3所示。
但是，当电光探头8套上不同重量的砝码环时，色散曲线的形状及峰值位置发生变化(如图3所示)，这说明电光介质层的频率色散现象是由逆压电效应引起的。把电光介质层21看作是一个压电振子，由材料逆压电效应的理论可知，压电振子纵向伸缩振动的平移运动方程为 式中C33、η3、u3为沿Z方向的弹性系数、粘滞系数和质点位移矢量，ρ为平均体密度，F0为外加电压对振子的作用力，ω为外加电压的频率。
根据解析近似计算，得到u3(h，t)与ω的关系 式中ω0为压电振子的谐振频率。由公式2可以看出压电效应引起的压电材料的位移幅值与外加电压频率是相关的，并且当ω＝ω0幅值u3(h，t)有最大值。而ω0与电光探头8的外加压力有关，所以不同的外加压力引起频率色散曲线的变化，相应的砝码重量在图3中标出，其中最小压力为0.07g，对应没有加砝码时，透明基底的重量。
由图3可以看出，在逆压电谐振峰附近测得的电光调制信号比在平坦区域时大两个数量级。由于本发明是在电光介质层21的逆压电谐振峰附近测量待测电路9的电压信号，大大提高了电光检测的电压灵敏度。
将信号发生器17提供的正弦电信号的频率固定在1kHz(谐振峰附近，对应的压力为0.07g)，改变其幅值，检测到的电光调制信号峰峰值Vp-p与待测信号幅值的关系如图4所示。A、B、C三条曲线是待测电路同一传输线上随机三个测量点的测量结果。实际上，待测电路同一传输线上各点的电压是相同的，但测得的调制电光信号的大小却不相同，也就是说通过这种方式测得的信号不能对待测电压信号进行准确的定标。其原因有两个第一、电光探头8的姿态以及探头和待测电路间空气隙的影响，由于是用光学方法检测电路，电光探头8的姿态有波长量级的变化就有可能引起光强从极强到极弱的变化，需要准确测定待测电路的电压就需要对电光探头8有纳米量级的定位；第二，电光调制信号的幅度取决于待测点的信号电场的电路表面法向分量的大小，而这个法向分量的大小受待测点邻近的电路布线的影响，邻近导体间隔越小，信号电场的法向分量越小，横向分量越大，因为电力线力求缩短，导致电场信号幅度与其感生的电光信号幅度之间的对应关系的不确定性。
经过对电光调制信号随待测电压变化关系的研究，发现频率在谐振峰附近时，调制信号的幅值和外加电压的幅值呈较好的线性关系，图4中对曲线A、B、C线性拟合得到的线a、b、c也可说明这一问题。本发明利用线性关系，并通过引入参考电极，给出了电压定标测量的合理实施方案，从而能够把上面存在的问题通过参考电极的引入而解决。
将电光探头8用微调架固定在聚焦物镜7下面，可以微调探头的位置及角度，精度为微米量级。电光探头8上的参考电极19的接法如图2所示，信号发生器22给参考电极19供电，其频率与待测信号相同，波形为正弦，幅值0～10V可调，相位可取与待测信号同相和反相两种状态，信号发生器22与为待测电路9供电的信号发生器17共地。
在不知道待测信号频率和相位的情况下，可以先将参考电极19接地，由于电光调制信号与待测电路表面传输线的电压信号是同频、同相的，可通过获得的调制信号确定待测信号的频率和相位。
在测量待测电路上传输线某一点时电压时，保持电光探头8与该点相对位置不变。为研究方便，先设该测量点待测的正弦电压信号的大小为x，在参考电极19上分别接三组与待测信号幅值及相位不同、但频率相同的参考电压。
先是接与x反相位的电信号V1和V3，则在测量点处跨在电光介质层21两端的电场为V1+x、V3+x，再根据电光调制信号的峰峰值与待测电压的线性关系，可得 S1＝k*(V1+x)+b(3) S3＝k*(V3+x)+b(4) 再在参考电极19上接与待测信号同相位的电信号V2，即得 S2＝k*(V2-x)+b(5) 其中V1、V2、V3是已知幅值的参考正弦信号(信号发生器22产生)，S1、S2、S3分别为示波器16读取的相应的电光调制信号的峰峰值Vp-p，k为在该点测量线性关系的斜率，b为仪器或人为测量误差。由于测量点相同，测量条件相同，因此，三组测量数据的k、b值均相同，因此，得到以下公式 由公式(7)经过计算，即可得到待测电路上测量点的真实电压值。
本发明中利用在压电谐振峰附近可实现电压定标的电光检测器有如下的应用效果 1、电光检测技术在集成电路故障诊断的近直流区域，材料的电光效应和逆压电效应都能感应纵向电场信号从而引起探测光的光强的变化。本发明利用了逆压电效应的谐振峰来测量电场，大大提高了电光检测技术的电压灵敏度。
2、采用上述说明中电压定标测量的方法，电光检测技术在相同间距的共面波导线、不同间距的共面波导线和经过电阻分压的波导线上都能准确地测量电压信号幅值。此项技术对电光检测的实用化有着重要的意义。
3、开封并对实际集成电路进行电光检测，用本发明的方法能够对集成电路传输线上的电压信号定标，说明此项技术已经可以用于实际的集成电路故障诊断。
图1本发明所述的电光检测实验装置示意图； 其中各部件的名称为1.311.31μm半导体激光器1、球透镜2、偏振分束镜3、波片4、二色镜5、二色镜6、聚焦物镜7、电光探头8、待测电路9、1.06μm照明光源10、二色镜11、CMOS摄像头12、监视器13、探测器14、锁相放大器15、示波器16、信号发生器17； 图2电光探头8的基本结构示意图； 其中各部件的名称为待测电路9、信号发生器17、透明基底18、透明导电层(参考电极层)19、反射膜20、电光介质层21、信号发生器22，共中8-1为探测光、8-2为由电光介质层上表面反射的参考光、8-3为由待测电路9表面金属传输线反射的调制光； 图3不同压力下，电光调制信号Vp-p与待测信号频率的色散曲线； 图4电光调制信号VP-P峰峰值与待测信号X的关系曲线 图5(a)电场均匀分布的共面波导线电路图； (b)测量结果曲线； 其中，17为信号发生器，23为共面波导线电路的传输线； 图6(a)电场不均匀分布的共面波导线电路图； (b)电场梯度分布的共面波导线电路图； 其中，17为信号发生器，24、25为共面波导线电路传输线； 图7(a)集成电路器件开封后的版图； (b)由CMOS监测器观察到的待测电路表面的图案；
具体实施例方式 实施例1制作表面电场均匀分布的共面波导线电路作为测量和研究对象 首先在光学抛光后的透明基底(如玻璃)上蒸镀1μm厚的金薄膜，再用光刻方法出如图5(a)所示的规则结构的波导线电路。共面波导线电路中的传输线相当于集成电路芯片上的传输线，所以它可以替代集成电路芯片作为实验的测量对象。
用前面所述的压电定标方法测量共面波导线电路23上传输线的电压，传输线上的任何位置与周围波导电路的距离都是相同的，因此电场分布是相同的。
利用本发明所述的电光采样装置，在共面波导线电路23的传输线上的不同位置取8个点进行电压测量。每进行一个点的电压测量时，电光探头8的参考电极19都分别由图2所示的信号发生器22提供三组电压V1、V2和V3，测量值由图1所示的示波器16给出，分别为S1、S2和S3。为了简化测量和计算，公式(7)的三组参考电压中，取V1＝V2＝5V，V1-V3的值在表1中给出。
信号发生器17作为共面波导线电路23的电源，加到传输线上的电压实际值(X)为1.68V。经过测量和计算后，可以得到传输线上各点电压的测量计算值x。如图5(b)所示为每次测量值与实际值的关系曲线，可见测值均在实际值上下起伏，8个测量点的计算平均值为1.67V，平均误差小于6％。
表1；共面波导线电路23取多点测量数据 实施例2制作表面电场不均匀分布的共面波导线电路作为测量和研究对象 如6(a)所示，共面波导线电路24中传输线上的各点与邻近的地线间距不同，从而使电力线力分布不同，导致电场信号幅度与其感生的电光调制信号幅度之间的对应关系不确定，但在公式(7)中，测量计算值与波导线间距无关，因此同样可以准确测量和计算得到波导线上各点的准确电压值。
采用上述发明的利用参考电压的方法，测测量结果如表2，同一导线上的测量结果在误差范围内是相同的。
表2共面波导线电路24取多点测量数据 实施例3制作表面电场梯度分布的共面波导线电路作为测量和研究对象 如6(b)所示，共面波导线电路25为用三个2k欧姆电阻分压的电路，用本发明的电压定标方法测量三根传输线上的电压，测量数据如表3所示，实测结果1.66∶1.125∶0.6≈3∶2∶1符合分压原理。
表3共面波导线分压电路的测量数据 综上所述，所有测量计算值与实际电压值相符合。同一传输线上不同测量点、不同间距的传输线和经过电阻分压的传输线上的电压信号都能被准确地定标。测量结果证明采用这种方式来用于解决电光检测的电压校准问题是可行的，对电光检测技术的实用化有重要意义。
实施例4 前面所述的共面波导线电路可以看成是最简单的集成电路，而电光检测作为集成电路故障诊断的技术，有必要对实际芯片进行测量。
开封集成电路器件(型号为LT4780)，并取内部芯片右侧传输线上的点作为测量点，如图7(a)所示。图7(b)为电光检测时CMOS摄像头12观察到的电路表面的图案，其中较大的亮斑为照明光的照明区域，小亮斑为探测光的聚焦斑点，其大小为3μm。在芯片右侧的结点上引出传输线上的实际电信号并在示波器16的一个通道上显示，其信号为Vp-p＝5V、频率为1kHz的正弦信号。采用本发明的电压定标方法，经多次测量取平均值后，计算结果为Vp-p＝4.86V与实际值很接近。
权利要求
1.一种用于电光探测器电压校准的方法，电光探测器的光电光探头(8)依次由透明基底(18)、作为参考电极的透明导电层(19)、反射膜(20)和电光介质层(21)组成，其特征在于利用电光介质层(21)逆压电效应和电光效应产生的电光调制信号随待测电路(9)表面电压信号变化的一致性，在电光材料层(21)的逆压电谐振峰附近测量待测电路(9)的表面电压信号，进一步由示波器(16)显示电光探头(8)探测到的待测电路(9)表面某一点的电光调制信号的峰峰值Vp-p值，经过电压定标后得到待测电路(9)表面某一点的电压信号，从而提高电光检测的电压灵敏度。
2.如权利要求1所述的用于电光探测器电压校准的方法，其特征在于在作为参考电极的透明导电层(19)上引入与待测电路(9)表面电压信号频率相同的已知幅值的参考信号，来实现待测电路(9)表面的电压信号的定标测量。
3、如权利要求2所述的用于电光探测器电压校准的方法，其特征在于在测量待测电路(9)表面某一点的电压信号时，在参考电极(19)上引入三组已知幅值的参考信号V1、V2、V3，其中V1、V3与待测电路(9)表面的电压信号相位相反、频率相同，V2与待测电路(9)表面的电压信号的相位相同、频率相同；从而待测电路(9)表面某一点的电压信号其中，S1、S2、S3分别为示波器(16)显
示的、引入三组参考信号对应的电光调制信号的峰峰值Vp-p。
4、如权利要求3所述的用于电光探测器电压校准的方法，其特征在于是先将参考电极(19)接地，由于电光调制信号与待测电路表面的电压信号是同频、同相的，因此通过获得的调制信号来确定待测信号的频率和相位。
全文摘要
本发明属于集成电路电光采样技术领域，具体涉及一种对电光探测器的调制信号电压进行校准的方法，是对集成电路故障诊断时在近直流区域(10MHz以内)对被测电压定标校准的新技术。电压定标测量一直是电光检测技术有待解决的问题。本发明利用近直流的低频区域内电光材料的压电谐振峰，提高电光检测的电压灵敏度两个数量级。在探头的电光介质层的上表面引入参考电极，并在参考电极上接入与被测电路相同频率的并与被测电压信号同相和反相的已知电压幅度的电信号作为比较标准，实现对被测电压幅值的标定，平均测量误差小于6％，满足集成电路故障诊断的需求。
文档编号G01R31/28GK101609134SQ20091006724
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月3日 优先权日2009年7月3日
发明者孙洪波, 金如龙, 衣茂斌, 罕 杨, 迪 赵 申请人:吉林大学