CN115219480B - 一种锁相微光显微成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锁相微光显微成像方法及装置，其中方法包括设置激励源参数；采集样品图像；获取强度图像；将强度图像与所述样品图像叠加；输出结果。本发明通过将激励信号通入被测样品的电极中，使被测样品通电后在其失效点周期性地发出光信号，利用显微系统光学放大并由相机采集样品图像，通过数字锁相算法，即利用三角函数的正交性，分离出与激励源同频的像素值随时间周期性变化的幅度大小，进而抑制由于电子元器件的温漂、热噪声以及因环境扰动而导致的测量数据中的不规则波动，以此可以极大提高测量数据的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测及失效分析技术领域，尤其涉及一种锁相微光显微成像方法及装置。
背景技术
半导体微电子器件是利用微电子工艺技术实现的微型化电子系统芯片和器件，其已经在各领域被广泛使用，半导体微电子器件在使用过程中难免会出现非正常的工作状态，找出该半导体微电子器件在非正常工作状态的失效原因，并采取有效措施可以使同类的失效问题不再重复发生，极大地避免经济损失，甚至可以避免人员伤亡。因此对微电子器件的失效分析是尤其重要的。
目前，在半导体微电子器件使用的微电子电路中，栅漏电流、电介质击穿、PN结界面漏电、氧化物缺陷等故障都会导致电子-空穴的复合，电子-空穴的复合会产生光子，从材料中发出的光子可以被相机探测到。在半导体领域的失效分析检测中，常常利用对材料上某个位置发光点的探测来实现对故障点的定位。
随着半导体工艺的不断优化，半导体微电子器件的特征尺寸越来越小，为了在检测过程中不对电子器件造成破坏，给电子器件施加的电压、电流也越来越小。相应的，微电子器件的故障点所发出的光子越来越少，辐射强度变得越来越弱。为了能够有效探测到这些非常微弱的光辐射，现有技术采用降低感光器件（探测器）温度的方法来降低相机的暗电流，提高成像结果的信噪比和灵敏度，但此类探测方法常具有问题如下：
（一）上述降温方法需要将探测器温度降至液氮温度，装置复杂、操作难度大、能耗高。
（二）某些故障点发光强度大，容易在图像上形成一片光斑，无法准确定位器件的失效点。
（三）被测器件必须处于暗室中，防止外界的光信号干扰探测器对器件上发出的微弱光信号的测量。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种锁相微光显微成像方法及装置，以解决现有技术中的一个或多个问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种锁相微光显微成像方法，包括以下步骤：
设置激励源参数；
采集样品图像；
获取强度图像；
将强度图像与所述样品图像叠加；
输出结果。
进一步的，所述采集样品图像包括步骤如下：
通过周期性激励源激励被测样品，使被测样品的失效点周期性地发出光信号；
通过显微系统接收所述光信号并通过光学放大获取样品图像；
相机拍摄所述样品图像。
进一步的，所述相机的拍摄帧率与激励源的频率呈固定整数倍关系。
进一步的，所述相机的拍摄开始时间与所述激励源的信号开始时间相同或不同。
进一步的，所述被测样品、显微系统及相机在样品图像的拍摄保持相对静止。
进一步的，所述获取强度图像包括步骤如下：
将样品图像与激励源同频的正弦参考信号做内积，以获取正弦分量的累加结果；
将样品图像与激励源同频的余弦参考信号做内积，以获取余弦分量的累加结果
根据信号正交性获取正弦分量累加结果以及余弦分量累加结果并利用该结果计算指定位置像素点的像素值随激励信号周期性变化的幅度大小。
进一步的，所述样品图像与激励源同频的正弦参考信号内积的计算公式如下：
其中
为像素点的空间位置坐标，
表示为相机拍摄的第
张图像。
则表示第
张图像中位于
位置处像素点的像素值大小，
代表周期数，
代表相机在激励信号变化的每个周期内拍摄的样品图像的数量，而
表示为正弦分量的累加结果，
表示正弦参考信号。
进一步的，所述样品图像与激励源同频的余弦参考信号内积的计算公式如下：
其中
为像素点的空间位置坐标，
表示为相机拍摄的第
张图像。
则表示第
张图像中位于
位置处像素点的像素值大小，
代表周期数，
代表相机在激励信号变化的每个周期内拍摄的样品图像的数量，而
表示为余弦分量的累加结果，
表示余弦参考信号。
进一步的，所述指定位置像素点的像素值随激励信号周期性变化的幅度大小的计算公式如下：
其中
为指定位置像素点的像素值随激励信号周期性变化的幅度大小，而
表示为正弦分量的累加结果，
表示为余弦分量的累加结果。
相应的，本发明还提供一种锁相微光显微成像方法进行成像的装置，包括
激励源，所述激励源用于激励被测样品，使被测样品的失效点周期性地发出光信号；
显微系统，所述显微系统用于接收所述光信号并通过光学放大获取样品图像；
相机，所述相机用于相机拍摄所述样品图像并发送至计算机；
计算机，所述计算机用于获取所述样品图像，并通过数字锁相算法获取强度图像，将所述强度图像与所述样品图像叠加并输出结果。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下
（一）本发明通过将激励信号通入被测样品的电极中，使被测样品通电后在其失效点周期性地发出光信号，利用显微系统光学放大并由相机采集样品图像，通过数字锁相算法，即利用三角函数的正交性，分离出与激励源同频的像素值随时间周期性变化的幅度大小，进而抑制由于电子元器件的温漂、热噪声以及因环境扰动而导致的测量数据中的不规则波动，以此可以极大提高测量数据的信噪比。
（二）进一步的， 本发明不再需要将探测器温度降低至液氮温度，有效实现了能耗的节约，并且被测器件不需要处于暗室，避免了因外界的光信号干扰探测器对器件上发出的微弱光信号的测量。
附图说明
图1示出了本发明实施例一种锁相微光显微成像装置的结构示意图。
图2示出了本发明实施例一种锁相微光显微成像方法的流程示意图。
图3示出了本发明实施例一种锁相微光显微成像方法中被测样品的示意图。
图4示出了本发明实施例一种锁相微光显微成像方法中输出结果的示意图。
附图中标记：1、计算机；2、相机；3、显微系统；4、被测样品；5、激励源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种锁相微光显微成像方法及装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
实施例一：
一种锁相微光显微成像装置，包括激励源5、显微系统3、相机2以及计算机1。
请参考图1，所述被测样品4设置于激励源5与显微系统3之间，具体的，在本实施例一所述锁相微光显微成像装置中，所述被测样品4为晶圆样品。
请继续参考图1，在本实施例一所述锁相微光显微成像装置中，所述激励源5产生测量用的激励信号，该激励信号即为电信号，将该激励信号通入晶圆样品的电极中，使晶圆上的失效点周期性地发出光信号。
具体的，晶圆样品通电后其电子-空穴对复合，发出光信号，所述光信号进入显微系统3，优选的，所述显微系统3采用已有公知技术，优选为探针台显微镜，具体包括目镜、物镜转盘、管镜以及探针台、载物台，目镜、物镜转盘以及管镜均设置于载物台的上方，在探针台的内部具有可移动的探针座，探针座上具有探针，其将待测样品吸附在载物台后推入探针台，利用探针座精密移动探针，通过目镜、物镜转盘以及管镜组成的显微镜的观察将探针与被测样品4接触，由所述显微系统3接收所述光信号并实现光学放大，以获取放大的图像信息即样品图像。
进一步的，请继续参考图1，所述相机2用于从所述显微系统3中拍摄所述样品图像并传送至计算机1。
进一步的，请继续参考图1，所述计算机1用于获取所述样品图像，在本实施例中，所述样品图像的获取可以由计算机1上的USB接口来实现，所述计算机1在获取样品图像之后通过数字锁相算法（该数字锁相算法在下述方法中详细描述）处理获取强度图像，将强度图像与所述样品图像叠加并输出结果。
当然，在本发明的其他实施例中，所述样品图像的获取也可以通过除USB接口之外的其他方式获取，例如可以通过以太网、CameraLink的方式传输，或者也可以通过无线方式传输，对此，本发明不作进一步限制。
一种利用上述锁相微光显微成像装置进行显微成像的方法，包括步骤如下：
S1:设置激励源参数，所述激励源参数包括电压频率、电流频率、电压幅值、电流幅值、限压保护、限流保护中的任意一种或多种的组合。
S2：采集样品图像，所述采集样品图像的具体步骤如下：
S200：通过周期性激励源激励被测样品4，具体的，所述激励源为电信号，在本实施例一所述锁相微光显微成像方法中，所述电信号是随时间变化的方波。当然，在本发明的其他实施例中，所述电信号也可以是其他形式的周期性电流信号或电压信号，对此本发明不作进一步赘述。
进一步的，将该激励信号通入被测样品4即晶圆样品的电极上，具体的，将被测样品4放置在显微系统3的探针台上，开启照明光源，光源通过电动落射照明装置以及50/50的可见光半透半反镜片将光照射至被测样品4，利用显微系统3中的目镜观察被测样品4，并操作探针压到被测样品4中指定的电极上，即将激励信号通入被测样品4。
进一步的，上述压探针的方式可以在正面压探针，即通过目镜观察被测样品4。在本发明的其他实施例中，也可以在背面压探针，即通过探针台显微镜中包含的摄像头进行观察。
在激励源即电信号的激励下，被测样品4通电后其失效点（即特定区域）会周期性地发出光信号。具体的，上述激励源的电流为微弱电流，若采用强电流会损坏半导体电子器件。
S201：由于被测样品4失效点发出光信号的区域较小，因此需要经过显微系统3将该区域放大，该显微系统3接收光信号后通过光学放大后获取样品图像。
S202：具体的，通过电动落射照明装置的反射镜片切换成近红外波段的50/50半透半反镜片和近红外波段的高通滤片组合，光源中的近红外光照射到被测样品4中，即显微系统3获取该样品图像，然后由相机2采集样品图像。样品图像请参考图3。
进一步的，所述相机2的采集开始时间与激励源的信号开始时间不同，即所述相机2的拍摄动作不需要与激励源即电信号时域同步，但在相机2的拍摄过程中，所述相机2的拍摄帧率与激励源的频率呈固定整数倍关系。
上述相机2的拍摄帧率与激励源的频率呈固定整数倍关系的目的是保证激励源变化的周期内，相机2拍摄的照片数量是一致的。即在激励源变化的若干个周期内以相同的条件进行采样及计算，最后计算之后的结果才可以最大程度地减小噪声带来的影响。
进一步的举例说明即：相机2的第一个周期采集10张样品图像，相机2的第二个、第三个……以及第n个周期都采集10张样品图像，即相机2的拍摄帧率与激励源的频率保持固定的10倍关系。
所述被测样品4与所述相机2的拍摄以及显微系统3保持相对静止，即所述被测样品4上发出光信号的区域所对应的像素点的位置在拍摄以及采集的样品图像中保持不变，但该像素点的像素值随图片序列发生周期性的变化，最终该样品图像通过相机2传送至计算机1。
具体的，在被测样品4的失效位置处会存在电子-空穴对复合或载流子与声子、缺陷等发生相互作用，使能量以光子的形式从被测样品4中发出，进而在失效位置形成发光点。上述发光点发出的光经过显微系统3的物镜和管镜后到达相机2。
进一步的，由于锁相过程需要叠加多张图像来进行降噪，进而锁定发光点的位置，因此被测样品4上发出光信号的区域所对应的像素点的位置在拍摄以及采集的样品图像中保持不变，这样每个像素位置的计算结果准确，进一步可以得到准确的发光点位置。
S3：获取强度图像，所述获取强度图像包括步骤如下：
S300:将样品图像与激励源同频的正弦参考信号做内积，以获取正弦分量的累加结果。
具体的，所述样品图像与激励源同频的正弦参考信号做内积的计算公式如下：
其中
为像素点的空间位置坐标，
表示为相机拍摄的第
张图像。
则表示第
张图像中位于
位置处像素点的像素值大小，
代表周期数，
代表相机在激励信号变化的每个周期内拍摄的样品图像的数量，而
表示为正弦分量的累加结果，
表示正弦参考信号。
S301：将样品图像与激励源同频的余弦参考信号做内积，以获取余弦分量的累加结果。
具体的，所述样品图像与激励源同频的余弦参考信号做内积的计算公式如下：
其中
为像素点的空间位置坐标，
表示为相机拍摄的第
张图像。
则表示第
张图像中位于
位置处像素点的像素值大小，
代表周期数，
代表相机在激励信号变化的每个周期内拍摄的样品图像的数量，而
表示为余弦分量的累加结果，
表示余弦参考信号。
S302：根据正弦分量累加结果以及余弦分量累加结果计算指定位置像素点的像素值随激励信号周期性变化的幅度大小，其计算公式如下：
其中
为指定位置像素点的像素值随激励信号周期性变化的幅度大小，而
表示为正弦分量的累加结果，
表示为余弦分量的累加结果。
通过上述计算结果，利用三角函数的正交性，可分离出与激励信号同频的像素值随时间的变化，同时可以极大地抑制由于电子元器件的温漂、热噪声以及因环境扰动而导致的测量数据中的不规则波动，以此可以极大提高测量数据的信噪比。并且随着测量时间即测量周期数的延长，信噪比可以不断提高。
S4：将强度图像与样品图像叠加，所述叠加动作由计算机执行，具体是将相机2拍摄的采样图像作为背景，将强度图像中强度高的保留，强度低的设置为透明，然后叠加后显示出样品上的失效位置。
S5：计算机1输出计算结果并以图像示意，请参考图4，从图4中可看出图像中亮部对应的位置即为该半导体电子器件失效点的位置。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种锁相微光显微成像方法，其特征在于包括以下步骤：
设置激励源参数，所述激励源参数包括电压频率、电流频率、电压幅值、电流幅值、限压保护、限流保护中的任意一种或多种的组合；
采集样品图像；
获取强度图像；
将强度图像与所述样品图像叠加；
输出结果；
其中所述采集样品图像包括步骤如下：
通过周期性激励源激励被测样品，使被测样品的失效点周期性地发出光信号；
通过显微系统接收所述光信号并获取样品图像；
相机拍摄所述样品图像；相机的拍摄帧率与激励源的频率呈固定整数倍关系；
其中所述获取强度图像包括步骤如下：
将样品图像与激励源同频的正弦参考信号做内积，以获取正弦分量的累加结果，所述样品图像与激励源同频的正弦参考信号内积的计算公式如下：
将样品图像与激励源同频的余弦参考信号做内积，以获取余弦分量的累加结果，所述样品图像与激励源同频的余弦参考信号内积的计算公式如下：
根据信号正交性获取正弦分量累加结果以及余弦分量累加结果并利用该结果计算指定位置像素点的像素值随激励信号周期性变化的幅度大小，所述指定位置像素点的像素值随激励信号周期性变化的幅度大小的计算公式如下：
其中
为像素点的空间位置坐标，
表示为相机拍摄的第
张图像，
则表示第
张图像中位于
位置处像素点的像素值大小，
代表周期数，
代表相机在激励信号变化的每个周期内拍摄的样品图像的数量，而
表示为正弦分量的累加结果，
表示为余弦分量的累加结果，
表示正弦参考信号，
表示余弦参考信号，
为指定位置像素点的像素值随激励信号周期性变化的幅度大小。
2.如权利要求1所述的一种锁相微光显微成像方法，其特征在于：相机的拍摄开始时间与所述激励源的信号开始时间相同或不同。
3.如权利要求1所述的一种锁相微光显微成像方法，其特征在于：所述被测样品、显微系统及相机在样品图像的拍摄保持相对静止。
4.利用如权利要求1～3任意一项所述一种锁相微光显微成像方法成像的装置，其特征在于：包括
激励源，所述激励源用于激励被测样品，使被测样品的失效点周期性地发出光信号；
显微系统，所述显微系统用于接收所述光信号并通过光学放大获取样品图像；
相机，所述相机用于拍摄所述样品图像并发送至计算机；
计算机，所述计算机用于获取所述样品图像，通过数字锁相算法获取强度图像，将所述强度图像与所述样品图像叠加并输出结果。
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