CN1316771A - 有机电光材料的反射干涉式纵向电场探测器 - Google Patents

Abstract

本发明是有机电光材料的电场探测器。有机电偶极分子的取向垂直于基板平面并在其外表面涂有选择反射膜。光束传播方向、有机分子极化方向和被测信号电场方向近似平行。由于激光在电光介质的前后两界面的反射分量的相干叠加，使反射光强受到被测电场的线性调制，成为电场信号探测器。本发明的有机电光材料的介电常数小并且电光系数高，因而这种电场传感器对被测电场的侵扰小，有利于提高电光探测系统的电压灵敏度、空间分辨率和时间分辨率。

Description

有机电光材料的反射干涉式纵向电场探测器

本发明为一种电场信号探测器。

现代信息产业的发展迫切需要提高信息处理的速率，这要求减小集成电路(IC)芯片中的器件尺寸，提高IC的集成度，提高IC的工作速率。在这种高速集成电路的发展过程中，IC芯片中的热效应、寄生参数效应以及器件模型参数的不确定性等问题，使IC的设计与研制工作需要经历一个逐渐完善的过程。在这过程中，需要对IC芯片内部各电路结点上的动态特性进行检测，为改进设计和制造工艺提供必要的数据资料。这种检测仪器要同时具备必要的电压灵敏度、时间分辨率和空间分辨率。现有的这方面的检测技术还没有达到满足高速集成电路发展所需要的水平。

目前可资利用的高分辨率检测技术主要有三种：扫描电子显微镜、原子力显微镜和电光取样探测器。

扫描电子显微镜可以达到足够高的空间分辨率，但它的时间分辨率不可能很高。在这种测量中，把待测的IC芯片放在扫描电镜的真空室内，在IC芯片内部的信号传输线上，用电子束激励二次电子发射，信号电场的变化表现为它对二次电子的排斥和吸引力的变化，根据所收集到的二次电子流的变化测定信号电压波形。为了测定IC中的高速信号，需要用脉冲取样法，因而要求电镜的电子束是超短脉冲电子束。为此只能用超短光脉冲帮助扫描电镜产生超短的大电流脉冲电子束，设备复杂而且电子束的脉冲宽度也不能很窄，这就是说，它的时间分辨率也不可能很高。而且电子束激发二次电子发射和二次电子的收集场会改变被测信号的电场，使测量结果失真。

原子力显微镜具有纳米级的空间分辨率。在它的用金箔做成的悬臂上带有一个纳米尖锥的触头，当纳米尖头充分挨近IC芯片内的微带线时，尖头上的原子内的电场与微带线上的信号电场发生作用，信号电场的变化表现为这种作用力的变化，导致悬臂的起伏，并用这种悬臂的起伏表征信号电场的变化。悬臂的机械振动不可能响应很高频率的变化，只能用差频的方法检测单片微波集成电路(MMIC)中的简谐信号。对于高速集成电路中的复杂的数字脉冲信号或模拟信号，它是不可能响应的。

电光取样技术可以达到微微秒的时间分辨率，但它的空间分辨率尚不令人满意，仍在改进中。电光取样技术有两种，一种是衬底内部电光取样技术，它要求IC芯片的衬底是GaAs或InP等具有线性电光效应的化合物半导体晶体，并要求衬底背面被光学抛光，使探测光从衬底背面入射并被聚焦到IC的信号传输线上，信号电场改变电光晶体的双折射，从而改变探测光的偏振状态，达到把电信号调制到光波上的效果。在这种衬底内部电光取样检测的方案中，要求探测光的波长大于衬底的带隙波长，以保证探测光不被IC衬底吸收。目前选用的最佳波长是半导体激光器产生的1.3微米激光，它也就限定了取样探测的光斑尺寸约1微米左右。纵然如此，已有实验结果证明，对于1.3微米波长的探测光和65×/0.7NA的显微物镜头，这种电光探测的空间分辨率可以达到0.5微米。这种衬底内部电光取样测量方法的优点是它的无侵扰性，它的缺点是，它的空间分辨率受带隙波长的限制，而且它不适用于Si或Ge等衬底无电光效应的器件，也不适用于封装在管座上的器件。

另一种是衬底外部电光取样技术。把一小块GaAs或其它电光晶体薄片附着在一个透明基板上构成电光探头，而基板经过一个微调架与长焦距大数值孔径的显微物镜头连接在一起(参考图3)。由激光二极管输出的探测光束经过偏振分束器和补偿波片，再穿过透明基板射入电光探头。电光探头的前端表面镀有反射膜，探测光束在那里被反射回来。当电光探头的前端表面挨近IC芯片的器件面时，IC的微带传输线中的信号电场透过反射膜进入电光晶体，使晶体的双折射发生变化。当探测光被聚焦在微带线上时，探测光的偏振状态被信号电场调制，这种调制是经由晶体双折射的改变实现的。当探测光从电光探头反射回到偏振分束器时，偏振调制借助于检偏作用而转化为强度调制，经光电探测器接收而变换为被测电信号的复制品。这种衬底外部电光取样测量方法的优点是它适用于所有电子器件芯片内部特性的测量，可以是Si或Ge衬底的，也可以是GaAs或InP衬底的；可以是圆片上的管芯，也可以是封装在管座上的管芯。它的缺点是，由于可供应用的电光晶体的介电常数都比较大，ε/ε₀＞10，用它做成的电光探头挨近IC芯片的信号传输线时，信号电场进入电光晶体的电场强度与介电常数成反比，电场分量的主要部分被压缩在电光探头与被测芯片之间的空气隙里，结果使这种衬底外部电光探头的电压灵敏度下降，被测电场的空间分布被扰动，探测的空间分辨率也下降。目前这种外部电光取样测量所达到的空间分辨率约2微米，这不能满足集成电路发展的需要(参见IEEE Trans.Instrum.Meas.,Vol.43,No.6,PP.843～847,1994)。

本发明正是为了解决上述衬底外部电光取样测量存在的问题而提出来的。

极化有机聚合物是一种旋涂在透明基板上的非晶态有机聚合物薄膜，在极化电场作用下使有机聚合物的电偶极分子形成有序排列，产生了以极化取向为光轴Z的∞mm对称性，有类似于6mm晶体对称性的电光性质。这类材料的电光系数可以高达20～70pm/V，比GaAs或CdTe等无机电光材料的电光系数高很多，而其介电常数却与石英玻璃接近。用这种材料做电光探头时，电压灵敏度很高，对被测的信号电场分布的干扰会很小，有利于提高空间分辨率。适当选择材料的组分，使其透明光波段的短波限移向紫外区，我们可以采用短波激光做探测光束，使空间分辨率达到0.1微米。

我们已经研制出一种极化聚合物，用双酚A型环氧树脂和可以极化的胺类物质反应形成加成物，再和具有可光交联或热交联的物质反应形成具有光交联或热交联的可极化的聚合物。其单体特征结构如图1所示，环氧树脂类高分子作为主链，可极化的胺类材料为二阶非线性生色基团并被键接在主链上作为侧链，在主链上同时键接有可光交联或热交联的的侧链基团。材料的选择使透明光波段的短波限拓展到近紫外光。

把这种聚合物溶解稀释，然后旋涂到透明基板上形成厚度均匀的薄膜。对形成的聚合物薄膜进行升温并加电场极化或加电晕极化，在极化的后阶段用紫外光照射或加热，使有机电光材料的交联基团完成交联反应，形成网络结构，稳定材料中生色基团的极化取向，最后将温度降至室温，使电偶极分子的有序排列被“冻”结起来。

在我们的情况下，极化取向垂直于聚合物薄膜的表面，把该表面的法向作为光轴z，可以证明当外加电场的方向与光轴z平行时，在x和y两个方向上的感应折射率是相等的。在我们设计的电光探头中，探测光束可视为平行于极化聚合物的光轴z入射和反射的，如图2所示，可以近似地视为平面偏振光。探测光在图2所示的电光探头的有机电光材料层32里的入射和反射过程中，受到来自IC芯片上的器件电场的作用，但是x和y两方向上的偏振分量间不产生相对位相延迟，因而不产生偏振状态的调制，只产生相同的位相调制。电光探头的透明基板31的上表面，即图2中的表面33，镀有消反射膜，透明基板31与有机电光材料层32的界面34存在着探测光束的反射和透射。当探测光从信号传输线上方的有机电光材料层的表面35和界面34反射回来时，有位相调制的反射光和无位相调制的反射光干涉叠加的结果，使位相调制的光转化为光电探测器可接收的强度调制信号，从而使我们获得IC芯片中电信号的复制品。这是我们设计的有机电光材料的反射干涉式纵向电光取样探测器的工作原理。

目前普遍采用的电光晶体探头输出的光信号是偏振调制的。在它的光学系统中需要用检偏器将偏振调制的光信号转化为强度调制的光信号，并且需要在光路中插入一个补偿波片，把工作点移到线性工作区。而我们发明的电光探头，其输出的光信号已经是强度调制的光信号，所以在我们的光学系统中就不需要那种类型的检偏器和补偿波片。我们所设计的光路如图3所示。其中，部件1为激光器的驱动装置，如要做电光取样测量，可选用适当的部件1使激光器2输出超短脉冲光束；如要做连续光探测，部件1只是个直流偏置电源。由激光器2输出的探测光束经准直透镜3变换为平行光，通过偏振分束器4确定其偏振方向，通过λ/4波片5变换为圆偏振光，经过扩束器6使探测光束的直径略大于显微物镜头9的通光孔径。照明光源16发出的红外照明光经分束镜7的反射，与来自扩束器6的探测光束会合，投射到分束镜8上并被反射到物镜头9。探测光束和照明光被物镜头9会聚到电光探头10里，探测光束的焦点落到有机电光材料层的表面上，即图2中的镀有选择反射膜的表面35。探测光束被该表面反射，红外照明光则透过该表面照射到IC芯片13的器件表面上并从那里反射回来。反射光沿入射时的光路返回，在分束镜8处，一小部分探测光和大部分红外照明光会透过分束镜8到达摄像机17，并在摄像机监视器上显示出IC芯片的器件图案和探测光束聚焦点在器件图案中的位置。利用电光探头的位置微调器12和探头支架11可以把电光探头10从IC芯片13的器件表面上抬起或放置到器件表面的某个位置上。用微波探针14驱动IC芯片上的器件，利用微波探针台15的位置微调机构可以在较大的范围内选择探测的部位。IC芯片上的器件工作时各处于一定的电平，因而产生各自的电场。当电光探头10落在IC芯片13的表面上时，器件的电场会进入探头10的有机电光材料层里，引起感应折射率随信号电场变化，如前面所述，使探测光受到位相调制，并通过探头里的反射干涉过程变换为强度调制。从探头反射回来的探测光的大部分被分束镜8反射，通过分束镜7和扩束器6，到达λ/4波片时圆偏振光又被变换为线偏振光，但其偏振方向与入射时相垂直，于是被偏振分束器反射到光电探测器19。探测器19输出的电信号是IC芯片13上的电信号的复制品，它被输入到弱信号的放大显示装置20。

上述我们发明的电光探测光学系统与现有的其它的电光探测光学系统的区别在于，这里的λ/4波片5和偏振分束器4的作用只是为了在保持同轴光路的条件下把反射回来的光全部反射到光电探测器19。我们也可以不采用同轴光路结构，如图4所示，用一个楔形反射镜代替图3所示的同轴光路中的偏振分束镜4和波片5。光路被简化，光学损耗减小，振动干扰也减小。我们的光学系统的这个特征起源于我们发明的有机电光材料的反射干涉式纵向电光探头的新颖的工作原理。

本发明所设计的有机电光材料的反射干涉式纵向电场探测器可以有如下的效果：

1．与通常使用的无机电光晶体探头相比，极化有机材料的电光探头对被测IC芯片上的电场分布侵扰最小，因为有机电光材料的介电常数很小。这有利于提高电场探测的空间分辨率。

2．极化有机电光材料不但介电常数小，而且电光系数也高。这有利于提高电压灵敏度，因而也有利于提高空间分辨率。

3．适当选择可极化生色基团的材料，极化有机电光材料的透明光波段的短波限可以移向近紫外光区，便于采用短波探测光束，减小聚焦光斑的尺寸。

4．在极化有机材料的电光探头中，利用反射干涉作用将位相调制转化为强度调制，不受半波电压带来的非线性影响，也不需要考虑从偏振调制到强度调制的转化，有利于简化电光取样探测光路。如图4所示，在该光路中没有偏振分束器4和补偿波片5，只用了一个楔形反射镜21将输往探头的光束与从电光探头反射回来的光束分开即可。这种简化有利于减小光路损耗和振动干扰，提高信号的稳定性。

附图说明：

图1是本发明的可极化交联的有机电光材料单体特征结构图。图中聚合物主链为双酚A类环氧树脂，R₁为胺类可极化的非线性生色基团，R₂为光交联基团或热交联基团。

图2是本发明的有机电光材料的电光探头示意图。部件31为透明基板，32为有机电光材料层(有机电偶极子取向垂直于该材料层的表面)，33为透明基板的镀消反射膜的表面，34为透明基板与有机电光材料层的界面(界面上镀有选择反射膜，探测光在此有反射和透射，照明光只有透射)，35为有机电光材料层的表面(表面镀有选择反射膜，它使探测光高反射，照明光透射)，36箭头组表示在有机电光材料层形成的非对称法布里-泊洛特谐振腔中探测光的振荡反射，37箭头表示来自有机电光材料层的反射光，38为入射的探测光，39为电光探头输出的反射干涉光束，40为探头支架，41为探头的位置微调器。

图3是本发明的有机电光材料的反射干涉式纵向电场探测器的测量系统示意图。其中部件1为驱动激光器的电学装置，部件2为激光器，3为准直透镜，4为偏振分束器，5为λ/4波片，6为扩束器，7为分束镜，8为分束镜，9为长焦距大孔径物镜头，10为有机电光材料的反射干涉式纵向电光探头，11为探头支架，12为探头的位置微调器，13为待测的IC芯片，14为微波探针，15为探针台，16为照明光源，17为摄相机，18为摄相机监视器，19为光电探测器，20为探测器输出信号的放大与显示装置。

图4是适用于本发明的电光探测光路的简化设计示意图。图4中的部件1、2、3、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20分别与图3中编号相同的部件为同一部件，部件21为楔形反射镜。

Claims (5)

1．一种可微调位置的透明基板和附着在基板上的有机电光材料层组成的电光探头，由电光探测光学单元产生的探测光束经显微物镜头聚焦后，穿过透明基板、基板与电光材料层的界面和电光材料层，聚焦光斑落在电光材料层的外表面上，并被该表面上的高反射介质膜反射，当聚焦光斑挨近待测的电信号传输线时，信号电场进入有机电光材料层，本发明的特征是电光介质极化方向、探测光传播方向和待测信号电场方向近似平行，组成反射干涉式纵向电场探测器。

2．一种按照权利要求1所述的反射式纵向电场探测器，其特征在于透明基板与有机电光材料层的界面上要有入射光的反射和透射，因此在有机电光材料层中的每一次反射光受到的纵向电光位相调制，通过干涉叠加而转化为强度调制，成为光电探测器能够直接接收的待测电信号的复制品。

3．一种按照权利要求1所述的电光探测光学单元的构造原理是，由可见光激光二极管产生的激光经过准直透镜变换为平行光，经偏振分束器确定其线偏振方向，经λ/4波片变换为园偏振光输出，再经过物镜头聚焦到电光探头，由电光探头反射回来的被强度调制的光，再次经过λ/4波片时重新变换为线偏振光，但其偏振方向与入射时的方向互相垂直，经偏振分束器被全部反射到光电探测器里，其特征在于偏振分束器和λ/4波片的作用是在保持同轴光路的条件下把它的输出光和电光探头反射回来的光完全分开。也可以不用同轴光路结构，用一个楔形反射镜代替偏振分束器和λ/4波片，使电光探测光学单元得到简化。

4．一种按照权利要求1所述的有机电光材料，其特征是用双酚A型环氧树脂材料为主链，可极化的胺类材料为二阶非线性生色基团侧链并键接在主链上。在主链上同时键接可光交联或热交联的侧链基团。上述主链与侧链材料的选择使透明光波段的短波限拓展到近紫外光。

5．一种按照权利要求4所述的有机电光材料的极化方法，其特征是在溶解后旋涂成膜，对形成的薄膜进行升温加电场极化或升温加电晕极化，在极化的后阶段用紫外光照射或加热，使有机电光材料的交联基团完成交联反应，形成网络结构，稳定材料中生色基团的极化取向。

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