CN1038784C

CN1038784C - 高速电路芯片电光采样分析仪

Info

Publication number: CN1038784C
Application number: CN94103062A
Authority: CN
Inventors: 衣茂斌; 孙伟; 田晓建
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1994-02-28
Publication date: 1998-06-17
Anticipated expiration: 2014-02-28
Also published as: CN1093831A

Abstract

高速电路芯片电光采样分析仪可用于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体为衬底的平面型高速器件和集成电路芯片内部各点上的动态特性的在片检测。一种内照明摄像体视显微镜被用于微波探针测量操作和采样光点的观察，通过微波探针台的微调位移实现高速电路芯片在高速运转状态下相对于采样光点的位置调节，利用电光采样光学组件提高光学系统的稳定性，利用大型工具显微镜的机架和工作台完成高速电路芯片电光采样分析仪各部件的组装。

Description

高速电路芯片电光采样分析仪

本发明是一种高速电路芯片内部的动态特性的在片检测仪器。

所说的高速电路主要是指高速集成电路，也包括其它的平面型高速器件和微带电路。

利用微波探针可以对高速电路管芯的动态特性实现在片检测，在此基础上再利用微微秒电光采样技术，可以对III-V族化合物半导体材料为衬底的高速电路管芯内部各点上的动态特性实现在片检测和诊断。这种多功能的测量装置是发展高速电子器件的重要工具。

现有的高速电路电光采样测试装置，有的采用带有脉冲压缩器的Nd：YAG锁模激光器做光源(见IEEE J.Quantum Electron.Vol.24.PP.198，1988)，有的采用增益开关InGaAsP/InP半导体激光器做光源(见Electron.Lett.，Vol.22，PP.1068，1986)。用半导体激光器做超短脉冲光源，简单而且便宜，有利于做成结构紧凑的仪器。用半导体激光器做光源的电光采样测试装置的主要部件如下：半导体激光器产生增益开关超短光脉冲，光脉冲的重复频率为f_o，超短脉冲光束由该激光器发出后，经自聚焦透镜准直后变为平行的采样脉冲光束，再经过光隔离器，偏振分束器、补偿波片、反射镜和聚焦物镜，射入具有线性电光效应的半导体衬底，并被聚焦到高速电路芯片内的信号传输线上。只要半导体激光器的波长大于电路芯片衬底材料的价带与导带间的带隙波长，衬底对于采样光束就是透明的。被传输线的金属膜反射的采样脉冲光束逆入射光路行进。采样脉冲光在芯片内被微带传输线中的信号电场调制，当它反射回来再次经过偏振分束器时，调制产生的偏振分量被反射出来，变为强度调制的光信号，投射到光探测器上。设被测的集成电路的时钟信号频率为f，且f＝f_o+Δf，则采样光脉冲对于被测电压信号波形的扫描频率为Δf。由光探测器输出的电信号是采样脉冲的包络，是被测电压信号的“复制品”。为了确定被测的电压信号是取自集成电路芯片的什么部位，需要用红外摄像显微镜观测采样光斑在集成电路表面上的位置。由于采样光束具有较高的强度，照射到摄像机的靶面上会产生面积相当大的光斑，为准确判定电光采样探测点的位置带来困难。为了改变采样光斑在集成电路芯片表面上的位置，有人提出用转动反射镜的办法，这种改变光路的办法，不仅为测量结果引入附加的位相差，而且不利于采样光路的稳定性，为制造实用化仪器带来困难。已经公开发表的集成电路电光采样测量系统仍是原理性的，属于隔震光学平台上的实验装置。

本发明的目的就在于克服这些困难，提出观测采样光点位置的新方法和调节采样光点在集成电路中的相对位置的新方法。并给出将内照明摄像体视显微镜、微波探针台和半导体激光电光采样光学单元组装成一个结构紧凑的仪器的方法。这种仪器就是本发明的高速电路芯片电光采样分析仪。我们的实验结果证明，它有良好的抗震性能，可以放在木制实验台上进行测试应用，勿需特殊的隔震措施。

本发明所设计的高速电路芯片电光采样分析仪由如下三个单元组成(见附图1和它的说明)：内照明摄像体视显微镜、安装在大型微动台上的微波探针台和电光采样光学单元。内照明摄像体视显微镜是个可变倍率的体视显微镜1.它带有内照明2和摄像机接管3.装在接管3上面的是摄像机4，所说的可变倍率体视显微镜1是指“显微镜使用与维护”一书(任秉潮编，江苏科学技术出版社1980年11月第一版)中第37页图2-9所描绘的当前中国通用的XTB-01型高倍体视显微镜。在本发明的应用中。2倍大物镜被摘除，两只变倍物镜的光轴共面，相交成一定的立体视角，该角的平分线即是它的对称轴。利用体视显微镜1和内照明2，可以操作微波探针微调架5和可转动的圆样品台7.使微波探针11的触点对准集成电路芯片10上的压焊点，并使它们紧密接触。同样地可以操作微波探针微调架6.使它的微波探针的触点对准集成电路芯片的另一边上的压焊点，并使之紧密接触，一般情况下，微波探针台上安装有4个微波探针微调架。这里为了简单示意，只画出其中的两个，利用微波探针把电路的直流偏置和输入输出信号线路都接通后，集成电路芯片处于正常运转状态，圆样品台7的中央有一个通光孔，通光孔的上面镶嵌着0.5mm厚或更薄一些的透明白宝石片9，被测的高速电路的芯片10被放在白宝石片9的上面，微波探针微调架被固定在微波探针台8的两侧。圆样品台7位于微波探针台8的中央。圆样品台7的下面镶着一个齿轮环。用一个齿轮杆带动齿轮环，可使圆样品台7相对于微波探针台8转动一个所需要的角度。部件5、6、7、8、9、11合成一体，有时简称做微波探针台。微波探针台8被固定在一个大型微动台的横向滑板12上，横向滑板12的导轨被固定在纵向滑板13上。在部件7、12和13的中央有一个互相连通的通光孔21。采样光束的聚焦物镜20向上伸在通光孔21中。聚焦物镜20的光轴垂直于样品台7的载物面，与体视显微镜1的两个物镜的对称轴共线。这样的装配关系使采样光束不直接射入显微镜的物镜筒，利用摄像机4和它的电视监视器(图上未画出)能够看到1.3微米波长的平行的采样光束经物镜20聚焦后在焦平面上产生的绕射圆环。同时利用内照明2也能在摄像机4的监视器上看到被测芯片表面上的电路图案。利用绕射圆环的中心点标识采样光点在电路图案中的位置，清晰准确。摄像机4是硅CCD摄像机，实验证明利用它对1.3微米波长光的残余响应能够清晰地观察到所说的绕射圆环。为了提高通过摄像机4的监视器观察电路图案时的放大倍率，在摄像机接管3里装有放大透镜。

1.3微米波长的半导体激光器14产生的增益开关超短脉冲光，经过自聚焦准直透镜15变成平行的采样光束，再经过偏振分束器16和λ/8波片，以45°的入射角照射到直角反射棱镜18的反射镜面上，然后垂直向上沿聚焦物镜20的光轴传播，采样光束被物镜20聚焦后，穿过白宝石载物片9和被测电路芯片10的被抛光的衬底面，采样光束的焦点落在芯片10的器件表面上。通过改变滑板12和13的位置来改变采样光束聚焦点在器件表面上的位置。当焦点落在集成电路的信号传输线上时，采样光束被传输线的金属膜反射，并沿原光路返回。当集成电路芯片已经被微波探针的输入信号驱动时，被测电路上便出现电压信号，信号电场使电路芯片10的衬底产生感应双折射，从而使采样光束的偏振状态被调制。因此，被信号传输线反射的采样光束沿原光路返回到偏振分束器16时，调制产生的偏振分量被反射出来，被光探测器19接收，变为电信号输出。完成上述功能的电光采样光学单元是由部件14、15、16、17、18、19和20组成的。把这些光学部件通过齿条支架22、齿轮盒23(附带旋钮24、25)和微调架26紧凑地安装在一块刚性的基准平板27上，构成电光采样光学组件，见附图2及其说明。其中，自聚焦准直透镜15可以是NSGAmerica Inc.的产品，规格为SLH-1.8-0.23-A2-1.3μm或者性能类似的产品，聚焦物镜20可以是普通的20倍显微镜物镜头。在这个组件内，在部件14、15、16、17、18和19之间传播的采样光束是平行于安装板27的基准平面的。用直角棱镜18的45°角斜面做反射镜面。来自半导体激光器的采样光束被直角棱镜18反射后，反射线与安装板27的基准面垂直，而且与聚焦物镜20的光轴共线。聚焦物镜20通过齿条22与齿轮盒23连接。齿轮盒23被固定在基准平板27上。利用粗调旋钮24和细调旋钮25可以调节物镜20的高度，从而调节采样光束聚焦点的高度。由于被测电路芯片的厚度互不相同，需要调节聚焦点的高度。半导体激光器14是个可能更换的部件，为使激光器更换后仍能以自聚焦准直透镜15的光轴为基准恢复原光路，部件14被安装在一个精密微调架26上，部件26的各微调螺杆上带有定位螺栓。部件16、17、18、19、20的均匀通光孔径都要比部件15输出的平行光束的截面直径大两倍以上。部件15、16、17、18和19在按采样光路的要求校准方位之后，都固定在各自的基座上不动，构造这种电光采样光学组件的目的是为了增强光学系统的稳定性并减小体积，半导体激光器的波长也可以不是1.3微米，只要采样光束的波长大于电路芯片衬底材料的价带与导带间的带隙波长，从而不被电路芯片的衬底吸收即可，但是部件15、16、17上的增透膜和直角棱镜18上的反射膜必需选择得与激光器的辐射波长一致。

上述三个仪器单元的一个实用而且低成本的组装方法，是利用中国制造的JGX-2型大型工具显微镜(新添光学仪器厂、上海光学机械厂)提供的精密机械部件改装，附图3是按照已经改装成的高速电路芯片电光采样分析仪的照片画出来的仪器轮廓图，用这幅图可以说明直接引用大型工具显微镜的部件和改装方法，在附图1、2和3中出现的同一个部件，采用同一个编号，直接引用的大型工具显微镜的部件有(见附图3)：铸铁底座28，安装在铸铁底座28上的纵向滑板13及其位移的微调鼓轮29.安装在纵向滑板13上的横向滑板12及其位移的微调鼓轮30.安装在横向滑板12上的齿轮环及调节其转角的手轮31(齿轮环未能单独标记，是因为圆样品台7安装在齿轮环上，在附图中不露出)，位于纵向滑板13旁边并固定在底座28上的连接座32.安装在连接座32上的立柱33.借助立柱33上的燕尾导轨和齿条可以调节高度的悬臂34.调节立柱33倾角的螺杆36.调水平用的螺丝腿36.改装的部件有：在用手轮31调节转角的齿轮环(附图3中未能标记出来)上，原大型工具显微镜上装着一个大型圆工作台，现已被拆除，改装上一个小型的圆样品台7，并把微波探针台8装在横向滑板12上；由部件1、2、3、4组成的内照明摄像体视显微镜被安装在悬臂34上，代普原大型工具显微镜的测量机械工件用的显微镜；附图2表述的电光采样光学组件被装在底座28里，该光学组件的基准平板27通过3个调水平用的螺丝腿36(附图3中只标出两个腿，第三个未能标出)被固定在底座28上，因底座28是铁铸件，有较大的重量，增强了光学系统的抗震性，同时也完成了对电光采样光学组件的屏蔽。

本发明的一个特征是，电光采样光学单元的各部件14、15、16、17、18、19、20、22、23、24、25、26被紧凑地安装在一块基准平板上，构造成性能稳定的电光采样光学组件，被安装在仪器的铸铁底座28里，增强了仪器的屏蔽和抗震性。

本发明的第二个特征是，采样光束经聚焦物镜后照射在体视显微镜的两个物镜头的对称中心处，采样光束不能直接射入显微镜的物镜筒里，从而能在摄像机监视器的屏幕上清晰显示出采样光束在聚焦物镜的焦平面上产生的绕射圆环，并用绕射圆环的中心点标识采样光点的位置。

本发明的第三个特征是，微波探针台被安装在一个大型微动台上，当集成电路芯片处于高速运转状态时，仍可用移动芯片的方法改变采样光点在芯片表面上的电路图案中的相对位置，采样光点始终位于显微镜视场中心保持不动。

本发明的第四个特征是，利用JGX-2型大型工具显微镜的现成的精密机械部件组装高速电路芯片电光采样分析仪，简化制造工艺、降低仪器成本、

附图说明：

图1是本发明的高速电路芯片电光采样分析仪的示意图，部件1为可变倍率的体视显微镜，2为内照明，3为摄像机接管(为增加摄像显示的倍率，在接管内装有放大镜)，4为摄像机，5和6是微波探针微调架，7是圆样品台，8是微波探针台，9是白宝石载物片，10是被测的集成电路芯片，11是微波探针，12是横向滑板，13是纵向滑板，14是半导体激光器，15是自聚焦准直透镜，16是偏振分束镜，17是λ/8波片，18是直角反射棱镜，19是光探测器，20是聚焦物镜，21为通光孔。图2是电光采样光学组件的示意图。图2中的部件14、15、16、17、18、19、20分别与图1中编号相同的部件为同一部件、部件22为齿条，23为齿轮盒，24为粗调旋钮，25为细调旋钮，26是精密微调架，27是刚性基准平板。图3是说明改装JGX-2型大型工具显微镜的示意图。图3中的部件1、2、3，4、5、6、7、8、9、10、11、12、13分别与图1中编号相同的部件为同一部件，图3中的部件27与图2中的部件27相同，图3中的部件28为铸铁底座，29和30皆为微调鼓轮，31为转动齿轮环的手轮，32为连接座，33为立柱，34为悬臂，35为倾斜螺杆，36为调水平用螺丝腿。

Claims

1、一种高速电路芯片电光采样分析仪，其结构特征在于把电光采样光学组件(14、15、16、17、18、19、20、22、23、24、25、26)固定在微波探针台(8)的下面，使电光采样光学组件的聚焦物镜(20)的光轴垂直向上，穿过微波探针台的圆样品台(7)的中心，并与内照明摄像体视显微镜的两个物镜的对称轴共线，电光采样光路在高速电路芯片电光采样分析仪中的方位固定不动，改变采样光点在被测电路芯片表面上的位置，是通过移动微波探针台实现的。

2、一种组装高速电路芯片电光采样分析仪的方法，是利用现有的大型工具显微镜改装，所说的大型工具显微镜是指中国制造的JGX-2型大型工具显微镜，或者工作台结构与JGX-2型相同的其它型号的大型工具显微镜，所说的改装，是将大型工具显微镜上原有的测量机械工件用的显微镜、固定在二维微调滑板上的圆工作台和铸铁底座里的照明光路这三部分，分别用内照明摄像体视显微镜、微波探针台及其圆样品台和电光采样光学组件代替。

3、按照权利要求1所述的高速电路芯片电光采样分析仪，其特征在于其中的微波探针台和它的圆样品台，被安装在权利要求2中所述的JGX-2型大型工具显微镜原有的二维水平微调滑板(12)和(13)上，其特征在于用微波探针使电路芯片处于高速运转状态的同时，可以在互相垂直的两个水平方向上整体地微调移动微波探针台及其圆样品台，从而改变电光采样探测点在高速电路芯片表面上的相对位置，采样光点始终位于显微镜视场中心保持不动。

4、按照权利要求1所述的高速电路芯片电光采样分析仪，其特征在于其中的电光采样光路使采样光束不直接射入体视显微镜的物镜筒，从而在内照明摄像体视显微镜的电视监视器上，显示出采样光束在聚焦物镜(20)的焦平面上产生的绕射圆环，同时也显示出被测电路的图案，其特征在于用绕射圆环的中心点标识电光采样探测点在被测电路芯片表面上电路图案中的位置。

5、按照权利要求2所述的组装方法，其特征在于把电光采样光学组件的刚性基准平板(27)通过三个调水平用的螺钉固定在大型工具显微镜的铸铁底座(28)里，使电光采样光学组件上的聚焦物镜的光轴取向满足权利要求1所说的结构特征。

6、按照权利要求1所述的高速电路芯片电光采样分析仪，其特征在于其中的电光采样光学组件里的自聚焦准直透镜(15)的光孔直径是它输出的平行光束所通过的各部件的均匀通光孔直径的1/2或更小，聚焦物镜(20)的光轴以45°角穿过反射镜(18)的中心，并垂直于安装板(27)的基准面，半导体激光器(14)、自聚焦准直透镜(15)、偏振分束镜(16)、λ/8波片(17)和光探测器(19)的光轴都按光路与安装板(27)的基准面平行的方式固定。

7、按照权利要求1所述的高速电路芯片电光采样分析仪，其特征在于其中的内照明摄像体视显微镜的摄像机接管内装有放大透镜，以提高通过摄像机监视器观察被测电路图案时的放大倍率，所说的摄像机是硅CCD摄像机，利用硅CCD摄像机对1.3微米波长的残余响应观察采样光束的绕射圆环。