聚合物涂層法電光檢測技術(shù)研究

安玲玲

(閩南理工學(xué)院 電子與電氣工程系，福建 石獅 362700)

聚合物涂層法電光檢測技術(shù)研究

安玲玲

(閩南理工學(xué)院 電子與電氣工程系，福建 石獅 362700)

研究了針對于集成電路的聚合物涂層法電光檢測技術(shù)，測量了模擬和數(shù)字的集成電路，從實驗上取得了很高的系統(tǒng)空間分辨率。

電光檢測;空間分辨率;聚合物涂層

0 引言

隨著集成電路集成度的提高和多芯片集成技術(shù)的應(yīng)用，對工作在幾個GHZ以上的高速集成電路的測量和分析變得至關(guān)重要，現(xiàn)在高速集成電路測量的主要問題已不再是外部特性的整體測量，而是對集成電路內(nèi)部進(jìn)行無侵?jǐn)_的動態(tài)在片測量。傳統(tǒng)的GaP電光探測技術(shù)在測試的水平和精度上滿足不了集成電路的發(fā)展需要。但較之于GaP測試系統(tǒng)，聚合物涂層法沒有GaP與集成電路間的會造成電場大部分損失的空氣縫，也沒有GaP下表面會形成極化電荷電場屏蔽的介質(zhì)反射膜，而且當(dāng)信號線寬度小于探測光直徑時，其金屬線外的探測光將全部透射損失掉，可輔助增強空間分辨率，提高檢測的效果。

1 聚合物材料的極化

由于聚合物材料具有低散射和快速的電響應(yīng)以及介電常數(shù)小和透明波長短等明顯優(yōu)點，使它們在集成光學(xué)和高速光開關(guān)及電光調(diào)制器上變得越來越重要。由于有機材料的二階非線性光學(xué)效應(yīng)與線性電光效應(yīng)是相關(guān)的，因此對有機材料電光方面的研究和應(yīng)用也迅速發(fā)展起來。在電光測量中空間分辨率的高低是衡量集成電路測量的重要參數(shù)。影響空間分辨率的因素主要有兩個，一個是光斑尺寸的大小，它主要取決于探測光波長和物鏡的數(shù)值孔徑;一個是探頭的結(jié)構(gòu)。實驗證明，通過縮短探測光的波長帶來的分辨率的提高有限。目前的外部電光測試系統(tǒng)的空間分辨率最高在2μm左右，難以適應(yīng)亞微米集成電路的測量。德國Duisburg大學(xué)的G.DAVID采用大數(shù)值孔徑(N.A=0.7)的物鏡和1.064μm的YAG激光器，使用背面入射式內(nèi)部電光采樣系統(tǒng)成功測試了制作在GaAs襯底上的0.5μm指狀電極，使空間分辨率達(dá)到0.5μm。這給我們以啟示，能不能利用聚合物涂層構(gòu)成直接接觸待測電極的探頭使正面入射和襯底內(nèi)部測量結(jié)合起來，以達(dá)到襯底內(nèi)部探測時所能達(dá)到的高空間分辨率。

和無機或半導(dǎo)體材料相比，極化聚合物材料在研究之初存在著耐熱性能差，易產(chǎn)生熱分解等缺點，但是它所具有的許多優(yōu)異的性質(zhì)依然吸引了大量的研究者加入這一領(lǐng)域，并取得了許多重要的進(jìn)展。表1列舉了典型的無機晶體LiNbO3、半導(dǎo)體材料GaAs和極化聚合物作為電光探頭時各參數(shù)的對比。

表1 電光材料參數(shù)對比

從表1可以看出，相對于無機晶體和半導(dǎo)體材料而言，較低的介電常數(shù)，較大的電光系數(shù)及透明波長可調(diào)是極化聚合物材料最大且最為重要的優(yōu)點。

在研究中，可使用的聚合物為PMMA和分散紅1的摻雜熱膠聯(lián)型聚合物。該聚合物為紅色，在紅外有很好的透明性，可用白光照明，有利于測試中的電路圖案的觀察，且由于光是垂直通過薄膜，光學(xué)損失非常小，器件的尺寸也會有實質(zhì)性減小，可以減少單位面積上的電容，提高器件的工作頻率，還可增加單位面積上的器件密度并減少損耗和散射，厚度低于15微米的薄膜可以認(rèn)為傳播損失很低，但現(xiàn)在問題是這種縱向電場傳感器的調(diào)制深度較小。極化過程見圖1。

極化效果對測試結(jié)果有較大影響。常見的電場的極化方式是平行電場極化和電暈極化。較之與接觸式的平行電場極化，電暈極化一般為接觸式的極化，電暈極化能減少聚合物缺陷的產(chǎn)生或使缺陷定位，而且溫度高(大約在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度)，可以增加分子運動，便于生色團(tuán)的取向，且電場越大聚合物的非線性性質(zhì)越明顯。實驗采用的是針型的高溫電暈極化，在電極上加有的高壓使針尖放電使其周圍氣氛發(fā)生電擊穿，由于電極附近有極高的電場，存在于其四周的氣體電子能量被加速到足夠時分子和原子解理的程度，帶電的離子可以沉積于非線性聚合物的絕緣表面上。

圖1 聚合物的極化過程

2 極化聚合物電場傳感器的理論分析

這里n1，nA分別為聚合物和空氣的折射率。對極化聚合物(EPNAC)薄膜，n1=1.6，nA=1.0，得到r1=0.23。若高反射鏡成為全反射面時，則其振幅反射率為100%，即r2=1，此時形成多光束干涉，根據(jù)反射光的復(fù)振幅迭加原理，可以得到反射光的復(fù)振幅表達(dá)式為:

式中Φ為正入射時光線在膜內(nèi)往返一次的位相差

在實驗中，將聚合物在有高反射膜的載體上旋涂成膜后進(jìn)行電暈極化，當(dāng)極化方向和通光方向平行且垂直于聚合物表面時，利用聚合物自身的反射率構(gòu)成不對稱的法布里－帕羅(AFP)膜，用這種AFP聚合物電場傳感器的自由放置技術(shù)和反射式光路來構(gòu)造檢測集成電路的內(nèi)部電光檢測系統(tǒng)。極化聚合物AFP膜結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中r1為聚合物材料的自然反射率，r2為高反射膜的反射率。設(shè)入射光的振幅為A，取入射位置的初始位相為零，則入射光的電場表達(dá)式可寫為E=Aeiωt，

圖2 極化聚合物AFP膜結(jié)構(gòu)

由(3)式確定的位相因子ψ為:

由(3)、(4)兩式可知，當(dāng)r2=1時，反射光是相位受調(diào)制的光，而相位調(diào)制的光并不改其強度(IR=I0)，因此，若要將相位調(diào)制的光轉(zhuǎn)變?yōu)楣馓綔y器可檢測的強度受調(diào)制的光，需要引入?yún)⒖脊馐蛑瞥筛鞣N干涉結(jié)構(gòu)，將其變換為強度受調(diào)制的光束。由于在實驗中巧妙地將極化聚合物薄膜旋涂于有高反射膜的載體上進(jìn)行縱向(垂直于極化膜)的電暈極化，利用極化膜自身的反射率r1和高反射膜的反射率r2(r2＜1)構(gòu)成不對稱的法－珀(AFP)多光束干涉膜，因此在不需要參考光束的情況下，可將輸出光束變換為強度受調(diào)制的光。將AFP膜自由放置在ITO共面條形電極(CPS)上，利用極化膜的電光效應(yīng)，對ITO CPS上的電信號進(jìn)行測量。分別寫出兩個面多次反射的反射光束復(fù)振幅并依次疊加，得到不對稱法－帕多光束干涉膜的反射光復(fù)振幅為:

可見當(dāng)r1、r2為確定值時，歸一化反射光強(IR/I0)是位相因子2Φ 的函數(shù)，分別畫出r1=0.23及r2=0.60、0.80、0.90時IR/I0和2Φ關(guān)系曲線如圖3所示。由此可以看出，反射光強隨r2的增加而增加，變化的幅度隨r2的增加而減小，當(dāng)r2趨近1時，IR/I0趨近于1;當(dāng)r2=1時，IR/I0=1，即全反射，出射光強不隨相位的變化而改變。

圖3 IR/I0和2Φ關(guān)系曲線

3 聚合物涂層法探測技術(shù)

在實驗中，干涉調(diào)制原理為基于非對稱F－P腔的多光束干涉型電光調(diào)制。為了提高空間分辨率，我們借鑒了外部探測時的結(jié)構(gòu)，提出了聚合物涂層法探測技術(shù)，系統(tǒng)如圖4所示，與GaP外部測試儀的不同之處為采用極化電光聚合物旋涂在待測電路表面作為探頭，使探頭和待測電極密切接觸。

圖4 聚合物涂層法探測系統(tǒng)

圖5 CD74HCT112引腳

4 聚合物涂層法的集成電路電光測量

利用自行構(gòu)建的涂層法電光測量系統(tǒng)對集成電路進(jìn)行在片測量，可以得到較好的測量結(jié)果。在實驗中選用日本產(chǎn)CD74HCT112型集成電路作為測量對象。CD74HCT112型為雙JK帶有復(fù)位和置零的下降沿觸發(fā)的觸發(fā)器，利用了襯底的CMOS工藝以相當(dāng)LSTTL的工作速度，具有標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路低功耗的特點，也具有驅(qū)動10個LSTTL負(fù)載的能力。這種觸發(fā)器有獨立的J，K，置位，復(fù)位和時間輸入、輸出端。這種74HCT系列在功能上與標(biāo)準(zhǔn)的74LS系列完全兼容。引腳圖如圖5所示。

實驗中將旋涂有聚合物且已極化的電路放在待測臺上，通過CMOS攝像頭和顯微鏡可以在顯示器上觀察到CD74HCT112的表面電路分布圖，探測激光束通過顯微鏡頭聚焦，入射到片子上，再反射回電光測量系統(tǒng)進(jìn)入光探測器，同時在顯示器上還可以觀察到激光光斑的位置。由于集成電路工作時在信號線上存在電壓，因此其上方會形成由其決定的電場分布，對穿過電光聚合物的激光束進(jìn)行調(diào)制，從而將集成電路形成的電信號轉(zhuǎn)化為光信號。為了直觀的檢測測量系統(tǒng)集成電路的結(jié)果，可以把CD74HCT112當(dāng)作分頻器來使用。

在輸入端輸入一頻率為1.027KHZ的正弦波信號，通過內(nèi)部電光測量系統(tǒng)，在它的輸入與輸出端引腳1與引腳5、9附近的傳輸線上分別用探測器找到三點，并進(jìn)行電光測量。測量結(jié)果如圖6所示。

從圖中看出，我們在靠近引腳5、9附近檢測到了二分頻與四分頻正弦波信號?？梢钥闯?，用此內(nèi)部電光測量系統(tǒng)可以精確的檢測出集成電路內(nèi)部各節(jié)點的動態(tài)特性。而且由于系統(tǒng)采用正面入射式，因此可用照明系統(tǒng)進(jìn)行集成電路表面各節(jié)點的動態(tài)時域無侵?jǐn)_精確定位測量。

由于實驗采用的是Si基CMOS集成電路，必然考慮1.27μm的激光脈沖對電路的影響。為此使用階梯儀測量了有無激光時場效應(yīng)管的特性曲線，從實驗結(jié)果可知1.27μm的激光對MOS場效應(yīng)管的工作特性無明顯影響。但同時也可發(fā)現(xiàn)當(dāng)加大入射照明光時，會有微小影響。為了使激光穿過聚合物對Si集成電路進(jìn)行無侵?jǐn)_電光探測，首先必須保證采樣光束的波長對Si襯底來說是透明的，另外考慮到實際測量中需要同時觀察電路圖案和探測光的位置，所以探測光波長在攝像頭的光譜響應(yīng)范圍之內(nèi)。因為Si的禁帶寬度1.107eV，對應(yīng)于吸收波長為1.120μm，采樣探測光束的波長是1.27μm，入射光的波長大于截止波長，入射光的能量不足以使價帶上的電子躍到導(dǎo)帶上成為電荷載流子，對產(chǎn)生光電流無影響，所以1.27μm激光不會干擾被測集成電路。此外，采用CMOS攝像頭代替CCD器件作為成像裝置，能得到很好的成像效果。

圖6 分頻實驗測量結(jié)果

5 結(jié)語

通過構(gòu)造一個聚合物涂層法電光測量系統(tǒng)，對數(shù)字電路TC74HCT112A進(jìn)行了測量，取得了滿意的測量結(jié)果，獲得了較高的空間分辨率，為聚合物正面入射式涂層法電光測量的實用性提供了實驗保障。

［1］ 周秀云.光電檢測技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［2］ 曾光宇.光電檢測技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［3］ 高岳.光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

Research on Photoelectric Detection Technology by Polymer Coating

AN Ling-ling
(Department of Electrical and Electronic Engineering，Minnan University of Science and Technology，Shishi 362700，China)

This paper researches the photoelectric detection technology by polymer coatings in integrated circuit，measures the analog and digital integrated circuit and achieves the high system spatial resolution through experiments.

photoelectric detection;spatial resolution;polymer coating

TN407

A

1009－3907(2011)10－0001－04

2011-08-23

安玲玲(1980-)，女，吉林圖們?nèi)耍v師，主要從事電子信息工程技術(shù)方面研究。

責(zé)任編輯:吳旭云