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

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。

说明书

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28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26、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24，在侧壁导电层24上引出导线；流体电光材料层27填充在环状绝缘层26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1mm～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AlZnO，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24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28在反射层25处的透射和反射比，即调节参考光281和探测光282的光强比，从而提高电光转化效率；

侧壁导电层24的材料为金、银、铝等金属，厚度为100nm～1μm，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26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26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24，侧壁导电层24的制备方法为磁控溅射法或热蒸发法，其厚度为100nm～1μm，然后在侧壁导电层24上用电焊或金属点焊机引出导线；由于侧壁导电层24与透明导电层23相连，在侧壁导电层24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26；环状绝缘层26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26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26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1.31μm且平行的入射光28，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28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281；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282；参考光281和探测光282干涉叠加后的反射光283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283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28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0～10mW的直流半导体激光器，其能够发出波长为1.31μm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28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28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283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CCD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1.31μm，属于近红外光，所以探测器10采用的是InGaAs红外探测器，对1.31μm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283的光强变化，并反射光283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24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28的总光强为I_i，参考光281的光强为I_ref，探测光282的光强为I_mod。在不考虑损耗的情况下，光强之间的关系为I_i＝I_ref+I_mod。参考光281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281与探测光282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1.31μm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：

$I=I_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{mod}}+2\sqrt{I_{\mathrm{ref}}{I}_{\mathrm{mod}}}\cos \delta$

其中δ为参考光281与探测光282之间的位相差。当边缘场21为零时，流体电光材料层27的折射率保持不变，即位相差δ不变，反射光强为恒值。当边缘场21不为零时，流体电光材料的折射率随边缘场21变化，即位相差δ随电场变化，位相差Δδ的变化量可表示为：

$\mathrm{\Delta \delta }=\frac{2\pi }{\lambda }\stackrel{·}{n_0^3}\mathrm{\gamma V}$

其中n₀是流体电光层材料27的折射率；γ是流体电光层材料27的电光系数，即折射率随电场变化的系数；V是穿过流体电光层材料27的电压；λ是激光的波长。因为参考光281与探测光282之间的位相差Δδ受到待测电路8的边缘场21影响，所以反射光的光强负载着电场信号，其表达式如下：

$I=I_{\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{mod}}+2\sqrt{I_{\mathrm{ref}}{I}_{\mathrm{mod}}}\cos ({\delta }_0+\frac{2\pi }{\lambda }{n}_0^3\mathrm{\gamma V})$

通过这种方式，电信号的变化被转化成光强信号的变化。

采用流体电光材料是本发明的核心。由于流体电光介质材料的流动性和无固定形态等特点。一方面消除了空气隙的影响，大大提高了电光转化效率；另一方面从机理上改进提高电压灵敏度。电介质对于电场的响应主要分为三种：电子云极化，离子极化和取向极化。固体电光材料的电光效应一般来自于材料的电子云极化和离子极化。这两种极化使电激发的偶极矩形变，从而导致固体材料折射率的变化。然而，流体电光材料由于其分子在电场下的转动性，其电光效应主要来自于取向极化。电场使偶极分子在统计学上随取向转动，因此其折射率也随之变化。取向极化引起折射率变化的量要远远大于电子云极化和离子极化。因此，流体电光材料从本质上改变传统固体电光材料的电压灵敏度低的缺点。

本发明中把流体电光材料用于集成电路故障诊断的电光探测技术有如下应用效果：

1、新型的流体电光探头的透明基底22与待测电路8的大小可以相近，观察电路的视野能达到整个电路。然而，传统固体探头的尖端通常之后几十微米见方，观察电路的视野狭窄。

2、流体电光探头7的基底部分与待测电路8之间充满流体电光介质，即新型的流体电光探头与待测电路8是个整体，所以流体电光探头7的定位不依赖于定位装置。流体电光层27的厚度由环状绝缘层26的厚度决定。然而，固体电光探头与待测电路8是相对分立的，测量电路时，需要对固体电光探头进行定位，并且需要亚微米的定位精度。因此，新型的基于流体电光材料的探测技术减少了高精度的定位装置，降低了仪器成本。

2、流体电光材料解决了固体电光材料与待测电路8之间不可避免存在的空气隙问题。图2(b)所示，固体电光探头不可避免存在空气隙29。对于微米量级的集成电路传输线或节点来说，1微米的空气隙就降低了70％的电光转化效率。然而，流体电光材料很好地解决了这个问题。流体电光探头7的导电层23能把所有待测电路8发出的边缘场21屏蔽在流体电光材料层27内，电光转化效率能达到100％。

3、由于流体电光材料的偶极分子的自由转动特性，取向效应在材料的电光效应中其主导作用。相比于固体的电光材料，流体电光材料表现出更高的电光系数和电压分辨率。

4、新型的流体电光探头克服了固体电光材料的耐磨性差等缺点。流体电光材料是涂覆在电路表面，只要移动测量光斑就可以实现对电路的逐点扫描测量。固体电光材料在多次测量之后容易因磨损而损坏，导致测量误差甚至无法测量。

5、流体电光材料的选择范围广、制备简单。固体电光材料局限于非中心对称的晶体或有取向排列的有机物，需要晶体生长技术或高温高压极化。流体电光材料可以是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。

附图说明

图1：本发明所述的基于流体电光材料的集成电路的电光探测技术实验装置示意图；

其中各部件的名称为：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、流体电光探头7、待测电路8、摄像机9、探测器10、锁相放大器11、示波器12。

图2(a)：本发明所述的流体电光探头7的结构示意图；

图2(b)：传统结构的固体电光探头示意图；

其中各部分的名称为：边缘场21、透明基底22、透明导电层23、侧壁导电层24、反射层25、环状绝缘层26、流体电光材料层27、待测电路8、入射光28、参考光281、探测光282、反射光283、空气隙29、锥形或光纤基底30、固体电光探头的导电层31、固体电光探头的反射层32、固体电光探头的电光材料层33。

图3(a)：共面波导电路示意图；

图3(b)：测量时通过摄像机9观察到的待测电路8表面的测量光斑及测量点示意图；

图3(c)：应用本发明电光探头的实测曲线；其中曲线41为示波器12上显示的待测电路8的测量信号，曲线42为待测电路8上施加的实际信号，也由示波器12显示。

图4：流体电光探头对不同波形的测量曲线

在待测电路8上施加方波电信号51时，在示波器上得到的方波测量信号50；

在待测电路8上施加三角波信号53时，在示波器上得到的三角波测量信号52；

在待测电路8上施加的正弦波信号55时，在示波器上得到的正弦波测量信号54；

图5：流体电光探头的电压校准曲线。在侧壁导电层24处接入标准正弦信号，由示波器记录标准正弦信号的峰峰值，即外加电压值；再将应用流体电光探头7测量得到的电光调制信号，由示波器记录该电光调制信号的峰峰值，即信号值。根据外加电压值和信号值做出流体电光探头的电压校准曲线。

具体实施方式

实施例1：

流体电光探头7的结构如图2(a)所示，制作步骤如下，：

1、选择1mm厚且上下表面为光学抛光的k9玻璃作为透明基底22的材料，对探测光1.31μm的折射率为1.50；用划片机切割出大小为2mm＊2mm的方形作为流体电光探头7的透明基底22；

2、在透明基底22的表面用磁控溅射方法溅射一层厚度为100nm左右的ITO薄膜作为透明导电层23；

3、把透明基底22和透明导电层23层用锡纸包裹，并露出透明基底22的侧壁的一面，用热蒸发法在侧壁上蒸发上一层厚度为0.2μm的金薄膜，作为侧壁导电层24，点焊机用铝丝在该金薄膜引出电极；

4、在透明导电层23的表面上热蒸发制备厚度为30nm左右厚的铝膜作为反射层25，其起到对探测光1.31μm的反射率为30％左右。

5、制作环状绝缘层26。用面积比反射层25小的圆形锡纸覆盖在反射层25的中心部分，将溶胶凝胶法配制的SiO₂溶胶滴锡纸上并在反射层25上进行旋涂(转数为1000转/分)，再去除锡纸，经过90摄氏度烘干2小时形成SiO₂膜作为环状绝缘层26，其厚度为5μm左右。溶胶凝胶法配制的溶液的方法为：按材料配比配制混合溶液(正硅酸乙酯：1mol，乙醇：3.2mol，水：3.2mol，盐酸：0.08mol)，再在室温搅拌30分钟。环状绝缘层26的环的宽度可根据待测电路8的测量区域而定，实验中只要锡纸把待测电路8的测量区域用锡纸覆盖。

6、在待测电路8上涂覆一层二甲基甲酰胺溶液(分析纯，天津光复化工研究所)。二甲基甲酰胺是一种极性的有机溶剂，具有固有偶极矩，在电场作用下产生取向极化，因此具有电光效应。在二甲基甲酰胺溶液之上覆盖上前面制作的电光探头，并压紧。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，而且其厚度为环状绝缘层26的厚度。

实施例2：

电光系统按图1所示连接，其中，几个重要部件的实施如下：

半导体激光器1：北京半导体所制作的1.31μm的直流半导体激光器。

偏振分束镜2和λ/4波片3：根据实验参数由山东曲阜师范大学激光研究所订制。

聚焦物镜6：我们采用德国蔡司公司生产的焦距为7mm，数值孔径为0.4，放大倍数为20的物镜。

探测器10：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。

锁相放大器11：EG&G公司5209型号的LOCK-IN AMPLIFIER。

示波器12：Rigol的DS1104B的多道数字示波器，其测量带宽为100MHz。

实施例3：制备用于电光探测的共面波导

在2mm厚且上下表面为光学抛光的k9玻璃上采用热蒸法制备一层厚度为0.5μm的金薄膜，大小为2cm＊3cm；再利用平版光刻技术和化学腐蚀法在金薄膜上刻出共面波导，其结构如图3(a)所示。

在共面波导的中心导线上通入电信号，电信号由信号发生器(EM33151DDS全数字合成函数信号发生器)提供，共面波导的中心导线的两侧为地线。此共面波导是在实验中模拟集成电路作为待测电路8。中心导线的线宽为100μm，模拟集成电路上的传输线。中心导线上的电信号模拟实际集成电路上的电信号。

实施例4：流体电光探头的电信号的测量及高灵敏度的实现

用摄像机9观察共面波导及探测光斑，如图3(b)所示，任意选择共面波导的中心导线上的一点进行探测。如图3(c)可知，示波器记录的电光探测信号与共面波导线上的实际电信号有相同的波形。其中待测电路上的电信号41为通入共面波导的中心导线的电信号，测量信号40是示波器12记录的电光转化所得的信号。在输入共面波导的中心导线的电信号幅值降到大约15mV时，如图3(c)，测量信号依然有清晰地与之相同的波形，由此可见最小可测量电压能达到10mV量级。而在同一电学系统中，用固体探头探测时最小可测量电压只能达到1V量级。因此，采用流体电光材料的电光探测技术能提高电光探测的电压灵敏度2个数量级。图4分别是用流体电光探头分别探测方波、三角波和正弦波等信号。

实施例5：绘制电压校准曲线

在对待测电路的某点探测之前，通过侧壁导电层24在导电层23引入信号发生器发出的标准正弦参考信号。在不同电压幅值的标准参考信号的作用下，由示波器测量并记录与之对应的电光调制信号的电压幅值，经数据拟合后即可绘制出电压校准曲线，如图5所示。

实施例6：测量精度的分析

在实验室的研究过程中，加上待测电路上某一点的电压可由示波器直接进行测量，即实际值。

通过本发明所述的方法对该待测电路上同一点的电光调制信号进行测量后并计算出该点的电压值，即计算值。

将计算值与实际值进行比较，其结果如表1所示，由此可见，本发明所述的基于流体电光材料的电光探头用于集成电路的电场探测的平均误差小5％，基本实现了电压校准的测量。

表1：

  实际值(V)  计算值(V)  误差  1.6  1.5  6.25％  2.4  2.49  3.75％  2.8  2.83  1.07％  3.2  3.28  2.50％  3.68  3.62  1.63％  4.08  3.96  2.93％  2.4  2.42  0.08％