专利名称：一种基于流体电光材料的电光探头及用于探测电场的方法
技术领域：
本发明属于集成电路故障诊断技术领域，具体涉及一种新型的基于流体电光材料的电光探头及应用该电光探头对集成电路表面电场进行探测的方法。
背景技术：
随着集成电路制造业的发展，芯片的集成度越来越高，运行速率越来越快，门限电压越来越低，对集成电路测试特别是故障诊断提出了严峻的挑战。集成电路的故障诊断就是要找出引起故障发生的地点或原因，从而为集成电路的设计和制作工艺的改进提供帮助。因此，故障诊断对提高集成电路可靠性有重要意义，也一直是微电子研究工作的重要方面。目前，集成电路故障诊断的方法有直接测量法、建立模型法、故障字典法等。电光探测技术是一种直接对集成电路进行动态实时无侵扰测量的方法。此项技术利用的是材料的电光特性，即在电场的作用下，电光材料的光学特性发生变化，如折射率、吸收谱等变化。 通过测量并记录集成电路的边缘场引起的电光材料光学特性的变化量，从而推导出测量点的电压特性，实现集成电路故障诊断。在国内外报道中，用于集成电路故障诊断的电光探测技术的电光材料都是固态的。通常把固态的电光材料粘附在锥形透明基底或光纤的尾端， 然后把电光探头固定在微定位装置上去逐点扫描探测待测电路的测量点。在实际的使用中，由于采用的是固态介质，有以下几个缺点(1)集成电路表面的传输线或节点的边缘场通常局限在离电路表面几微米之内，这就对电光探头的定位装置提出至少亚微米量级的精度要求，大大增加了电光系统的成本。(2)因为在探头定位装置有限的精度和集成电路自身表面形貌的起伏，电光材料和测量点之间存在不可避免的空气隙。测量点的大部分边缘场被屏蔽在空气隙中，导致了电光转化效率的降低。(3)无法有效地探测电光材料和测量点之间空气隙的大小，使不同测量点的电光转化效率的大小无法确定，从而无法从测量的信号准确地推断出测量点的实际电信号的大小。(4)固体的电光材料本身的电光系数小(通常固体电光材料的折射率变化系数为几pm/V)，导致电光探测系统的电压灵敏度不高，需要一套低噪声和高倍数的电学弱信号测量系统。(5)由于固体电光材料的硬度和抗磨性不高，多次测量或大面积测量对电光材料造成不可恢复的损坏。(6)观察集成电路表面的视野很狭小。因为在固体探头的基底往往是锥形体或是光纤，而且锥形体的尖端或光纤的端面只有几十微米见方，所以探测时对集成电路的观察区域也只有几十微米见方，这对寻找集成电路表面的探测点造成极大不便。为了改进集成电路故障诊断的电光探测技术，我们提出利用新型的基于流体电光材料的探测集成电路内部电场的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于流体电光材料的流体电光探头，以及其该电光探头探测集成电路内部电场的方法。本发明的基本原理是集成电路运行时，其传输线或节点相当于带电体发散出电场，该电场称之为边缘场；把流体电光材料置于传输线或节点的边缘场中，通过测量电光材料的光学特性的变化，从而推导出集成电路上该传输线或节点的电压信号的幅值和波形； 把测量点的理论信号与测量信号作对比，即可实现对集成电路故障诊断。根据流体的特性，新型流体电光探头7不以孤立的探头形式存在，而设计成与待测电路8为一个整体。流体电光探头7的结构如图2(a)所示。本发明所述的流体电光探头7在沿入射光观的方向上依次由透明基底22、透明导电层23、反射层25、环状绝缘层沈、 流体电光材料层27、待测电路8组成。在透明基底22和透明导电层23的侧壁上，制备有侧壁导电层对，在侧壁导电层M上引出导线；流体电光材料层27填充在环状绝缘层沈内， 并紧密覆盖在待测电路8上。透明基底22的材料为低折射率的透明介质，折射率为1. 4 1. 6，如石英玻璃、K9 玻璃、氟化镁或有机玻璃等，其厚度为Imm 5mm，大小比待测电路8略小或能覆盖待测电路 8所有的测量点；透明导电层23的材料为ITO或AlSiO，厚度为100 300nm ；在透明导电层23的作用下，待测电路8的边缘场21全部被屏蔽在流体电光材料层27内，从而提高了电光转化效率，并可通过侧壁导电层M接入标准参考信号；反射层25的材料为金、银、铝等金属，厚度为20 50nm，用于调节入射光观在反射层25处的透射和反射比，即调节参考光281和探测光观2的光强比，从而提高电光转化
效率；侧壁导电层M的材料为金、银、铝等金属，厚度为IOOnm Ιμπι，通过侧壁导电层 24向透明导电层23接入标准参考信号；环状绝缘层沈的材料可以是二氧化硅、有机玻璃或塑料等绝缘介质，环厚1 10 微米，环状绝缘层的所在区域是在待测电路8上没有测量点的区域，通常在反射层25的边缘；环状绝缘层26的厚度可控制流体电光材料层27的厚度，并防止反射层25与待测电路 8接触。流体电光材料层27的厚度近似于环状绝缘层沈的厚度，其材料有以下几类可以是极性溶液如硝基苯、二甲基亚砜、乙酸乙酯、酒精、丙酮或二甲基甲酰胺等有机溶剂；可以是带电棒状微米或纳米微粒的悬浊液或乳浊液，如带氧化物棒状颗粒分散在水中的悬浊液、极性乳胶棒分散在水中的悬浊液、生物粒子分散在水中的悬浊液、纳米或微米水滴分散在油中的乳浊液；可以是液晶，如5CB、7CB、TEB50A、TEB30A等液晶材料。本发明所述的流体电光探头7，可按如下方法进行制作a.在透明基底22的表面制备一层厚度为100 300nm透明导电层23，制备的方法是磁控溅射法或金属有机气相沉积法；b.在透明基底22和透明导电层23的侧壁制备侧壁导电层对，侧壁导电层M的制备方法为磁控溅射法或热蒸发法，其厚度为IOOnm 1 μ m，然后在侧壁导电层M上用电焊或金属点焊机引出导线；由于侧壁导电层M与透明导电层23相连，在侧壁导电层M接入电信号会传送到透明导电层23上，从而在电压校准过程中起到引入参考信号的作用；c.在透明导电层23的表面上热蒸发金属制备厚度为20 50nm的反射层25 ；d.在反射层25的表面上制作环状绝缘层沈；环状绝缘层沈主要起到两个作用 一是防止由于重力作用导致导电层23和金属材料制作的反射层25与待测电路8电接触而引起电路的损坏，起到隔离和支撑的作用；二是控制流体电光材料层27的厚度，同时由于流体电光材料自身表面张力的作用，使其能够局限于环状绝缘层内而不会流失掉；环状绝缘层沈的中心位置为待测电路8的待测点区域；e.将流体电光材料层27填充于环状绝缘层沈内，并紧密覆盖在待测电路8的表面上；流体电光材料由于自身表面张力的作用，使其能够局限于环状绝缘层内而不会流失掉，且其厚度为环状绝缘层26的厚度。本发明所述的基于流体电光材料的电光探头用于探测电场的方法，其包括如下步骤一、搭建用于探测待测电路内部电场的实验系统；二、电光调制信号的校准；三、实际测量。一、如
图1所示，搭建用于探测待测电路8内部电场的实验系统。实验系统由带准直透镜的半导体激光器1、偏振分束镜2、λ /4波片3、反射镜4、反射镜5、聚焦物镜6、摄像机9、探测器10、锁相放大器11、示波器12组成。带准直透镜的半导体激光器1发出波长为1. 31 μ m且平行的入射光观，入射光28 经过偏振分束镜2和λ /4波片3后，由反射镜4和反射镜5两次反射后进入聚焦物镜6， 调整聚焦物镜6与流体电光探头7的距离，使穿过电光探头7后激光的焦点落在待测电路 8的传输线或节点上，从而被传输线或节点反射；入射光观在电光探头7的反射层25被分为两部分，一部分被反射，称之为参考光；另一部分穿过流体电光材料层27，受到待测电路8的边缘场21调制且被金属传输线或节点反射，称之为探测光观2 ；参考光281和探测光282干涉叠加后的反射光观3的光强负载着待测电路8的电信号，从而达到对待测电路的电场进行测量的目的；经过聚焦物镜6的反射光观3的10%透过反射镜5后进入摄像机9，其余90 %的反射光283被反射镜5和反射镜4反射后沿入射光观的路径返回偏振分束镜2，再被偏振分束镜2反射后进入探测器10。前面所述的半导体激光器1，是指带准直透镜的、光功率0 IOmW的直流半导体激光器，其能够发出波长为1. 31 μ m且平行的入射光28，入射光28的光斑直径为5mm。偏振分束镜2的偏振方向垂直于纸面，以激光方向为轴旋转半导体激光器1，使入射光的偏振方向与偏振分束镜2的偏振方向一致，从而使入射光能够透过偏振分束镜2 ；入射光被待测电路8反射后的反射光283经过偏振分束镜2时，其偏振方向平行于纸面而被偏振分束镜 2垂直反射进入探测器10。λ /4波片3的摆放方式为其光轴方向与入射光观的偏振方向成45°角，入射光 28穿过偏振分束镜2时是线偏振光，所以入射光观在第一次经过λ /4波片3后被转化为圆偏振光；反射光283是经过待测电路8的电场调制的圆偏振光，再次经过λ /波片3后被转化为线偏振光。然而，反射光观3的偏振方向由原来垂直于纸面的方向转化为平行于纸面的方向，所以不能够穿过偏振分束镜2而完全被反射进入探测器10。反射镜4 反射镜4对激光45°角入射时的反射率大于99. 9%。反射镜5 反射镜5对激光45°角入射时的反射率为90%，透射率为10%。反射光283有一小部分(10% )能透过反射镜5进入摄像机9，用于观察待测电路 8表面的测量光斑及确定测量位置；大部分光(90% )被反射进入探测器10，用于电光调制信号测量。聚焦物镜6 聚焦物镜6使平行的激光束聚焦成直径为微米或亚微米量级的光斑，提高电光探测技术的空间分辨率。我们采用的焦距为7mm，数值孔径为0. 4，放大倍数为20 的物镜。待测电路8 待测电路8是用于故障诊断的被拆封的集成电路或共面波导电路。摄像机9 摄像机9通常是CXD或CMOS红外摄像头，用于观察电路的形貌及探测光的聚焦光斑。探测器10 因为半导体激光器1的波长是1. 31 μ m，属于近红外光，所以探测器10 采用的是InGaAs红外探测器，对1. 31 μ m波长的光响应度为0. 85A/VV。其作用是探测电场调制后的反射光观3的光强变化，并反射光观3的光信号转化为电信号；锁相放大器11 锁相放大器11通过带通滤波器，把探测器10送入的电信号中杂散的噪声和直流部分去除，放大倍数可达到106。示波器12 用来显示和记录被锁相放大器12放大后的电光调制信号。二、电光调制信号的校准在对待测电路8表面某一测量点进行实际测量前，通过侧壁导电层M在导电层 23中引入信号发生器发出的标准信号。标准信号的电压幅值(峰峰值)、频率、波形及相位均已知并且由示波器12记录；在不同幅值标准信号的作用下，电光调制信号的幅值(峰峰值)、频率、波形及相位也由示波器12记录；进行多组数据测量后，即可绘制标准信号峰峰值-电光调制信号峰峰值的电压校准曲线；三、实际测量在对待测电路8表面某一测量点进行实际测量时，根据示波器12记录的电光调制信号的幅值(峰峰值)，根据所绘制的标准信号峰峰值-电光调制信号峰峰值的电压校准曲线，即可获得待测电路8表面某一测量点的电压信号的幅值。本发明的机理可作如下解释假设流体电光探头7的入射光观的总光强为Ii,参考光的光强为I,ef，探测光观2的光强为Im。d。在不考虑损耗的情况下，光强之间的关系为Ii = I,ef+Im。d。参考光
与探测光282之间的强弱关系由反射层25的反射率决定。当参考光与探测光观2的光强相同时，光电转化效率最高。此处考虑到有激光的界面损耗和散射损耗的情况下，取反射层25对1. 31 μ m激光的反射率为0. 3 0. 5。由光强矢量叠加原理可知，反射后参考光 281与探测光282叠加的光强可表示为
权利要求
1.一种基于流体电光材料的电光探头，其特征在于在沿入射光08)的方向上依次由透明基底(22)、透明导电层(23)、反射层(25)、环状绝缘层( )、流体电光材料层(XT)和待测电路(8)组成，同时在透明基底0 和透明导电层的侧壁上制备有侧壁导电层 (M)，在侧壁导电层04)上引出导线，从而通过侧壁导电层04)在透明导电层03)上接入标准参考信号；透明导电层把待测电路(8)的边缘场屏蔽在流体电光材料层(27)内；流体电光材料层(XT)填充在环状绝缘层06)内，并紧密覆盖在待测电路(8)的表面上。
2.如权利要求1所述的一种基于流体电光材料的电光探头，其特征在于透明基底(22)的材料是石英玻璃、K9玻璃、氟化镁或有机玻璃，其厚度为Imm 5mm，其折射率为 1.4 1.6，大小比待测电路⑶略小或能覆盖待测电路⑶所有的测量点。
3.如权利要求1所述的一种基于流体电光材料的电光探头，其特征在于透明导电层(23)的材料为ITO或AlZnO薄膜，厚度为100 300nm。
4.如权利要求1所述的一种基于流体电光材料的电光探头，其特征在于反射层05) 的材料为金、银或铝，厚度为20 50nm，用于调节入射光Q8)在反射层05)处的透射和反射比。
5.如权利要求1所述的一种基于流体电光材料的电光探头，其特征在于侧壁导电层(24)的材料为金、银或铝，厚度为IOOnm Ιμπι。
6.如权利要求1所述的一种基于流体电光材料的电光探头，其特征在于环状绝缘层 (26)的材料为二氧化硅、有机玻璃或塑料，环厚1 10微米，环状绝缘层06)的所在区域是在待测电路(8)的边缘没有测量点的区域。
7.如权利要求1所述的一种基于流体电光材料的电光探头，其特征在于流体电光材料层(XT)的材料是极性溶液、带电棒状微米或纳米微粒的悬浊液或乳浊液、或液晶。
8.如权利要求8所述的一种基于流体电光材料的电光探头，其特征在于极性溶液是硝基苯、二甲基亚砜、乙酸乙酯、酒精、丙酮或二甲基甲酰胺；带电棒状微米或纳米微粒的悬浊液或乳浊液是氧化物棒状颗粒分散在水中的悬浊液、极性乳胶棒分散在水中的悬浊液、 生物粒子分散在水中的悬浊液、纳米或微米水滴分散在油中的乳浊液；液晶是5CB、7CB、 TEB50A 或 TEB30A。
9.一种基于权利要求1所述流体电光材料电光探头用于探测电场的方法，其步骤如下(一)搭建用于探测待测电路(8)内部电场的实验系统，实验系统由带准直透镜的半导体激光器(1)、偏振分束镜( 、λ /4波片C3)、反射镜(4)、反射镜( 、聚焦物镜(6)、摄像机(9)、探测器(10)、锁相放大器(11)和示波器(12)组成；带准直透镜的半导体激光器(1)发出波长为1. 31 μ m且平行的入射光(观)，入射光(28)经过偏振分束镜(2)和λ/4波片(3)后，由反射镜⑷和反射镜(5)两次反射后进入聚焦物镜(6)，调整聚焦物镜(6)与流体电光探头(7)的距离，使穿过电光探头(7)后激光的焦点落在待测电路⑶的传输线或节点上，从而被传输线或节点反射；反射光083)的光强负载着待测电路(8)的电信号，从而达到对待测电路的电场进行测量的目的；经过聚焦物镜(6)的反射光083)的10%透过反射镜(5)后进入摄像机(9)，其余90%的反射光 (283)被反射镜(5)和反射镜(4)反射后沿入射光08)的路径返回偏振分束镜O)，再被偏振分束镜O)反射后进入探测器(10)；探测器(10)将反射光283的光信号转化为电信号，锁相放大器(11)把探测器(10)送入的电信号中杂散的噪声和直流部分去除，放大后由示波器(1 来显示和记录。(二)在对待测电路(8)表面某一测量点进行实际测量前，通过侧壁导电层04)的导线在导电层中引入信号发生器发出的标准信号，标准信号的电压峰峰值、频率、波形及相位均已知且由示波器(1 记录；在不同峰峰值标准信号的作用下，电光调制信号的峰峰值、频率、波形及相位也由示波器(1 记录；进行多组数据测量后，绘制标准信号峰峰值-电光调制信号峰峰值的电压校准曲线，从而对前面步骤得到的电光调制信号进行校准；(三)对待测电路⑶表面的测量点进行实际测量，根据此时示波器(12)记录的电光调制信号的峰峰值，在前面步骤所绘制的电压校准曲线中即可得到待测电路(8)表面该测量点的实际电压信号的幅值，从而完成对电场的探测。
10.如权利要求9所述的基于流体电光材料电光探头用于探测电场的方法，其特征在于入射光的偏振方向与可通过偏振分束镜O)的偏振方向一致，λ/4波片( 的光轴方向与入射光08)的偏振方向成45°角；反射镜(4)对激光45°角入射时的反射率大于 99.9%，反射镜(5)对激光45°角入射时的反射率为90%，透射率为10%。
全文摘要
本发明属于集成电路故障诊断技术领域，具体涉及一种新型的基于流体电光材料的电光探头及应用该电光探头对集成电路表面电场进行探测的方法。电光探头在沿入射光的方向上依次由透明基底、透明导电层、反射层、环状绝缘层、流体电光材料层和待测电路组成。本发明利用流体态的电光材料作为电信号转化为光信号的媒介，一方面解决了传统的固体探头与被测电路之间不可避免存在空气隙的问题，因此降低了电光转化损耗，提高电场测量的灵敏度；另一方面由于电光材料的可转动的特性，电光分子在电场作用下的取向效应从本质上提高了电场测量的灵敏度，本发明使最小可测量电压达到10mV量级。
文档编号G01R29/12GK102207514SQ20111006970
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者于颜豪, 孙洪波, 杨罕, 衣茂斌, 金如龙 申请人:吉林大学