聚合物涂层法电光检测技术研究

安玲玲

(闽南理工学院 电子与电气工程系，福建 石狮 362700)

聚合物涂层法电光检测技术研究

安玲玲

(闽南理工学院 电子与电气工程系，福建 石狮 362700)

研究了针对于集成电路的聚合物涂层法电光检测技术，测量了模拟和数字的集成电路，从实验上取得了很高的系统空间分辨率。

电光检测;空间分辨率;聚合物涂层

0 引言

随着集成电路集成度的提高和多芯片集成技术的应用，对工作在几个GHZ以上的高速集成电路的测量和分析变得至关重要，现在高速集成电路测量的主要问题已不再是外部特性的整体测量，而是对集成电路内部进行无侵扰的动态在片测量。传统的GaP电光探测技术在测试的水平和精度上满足不了集成电路的发展需要。但较之于GaP测试系统，聚合物涂层法没有GaP与集成电路间的会造成电场大部分损失的空气缝，也没有GaP下表面会形成极化电荷电场屏蔽的介质反射膜，而且当信号线宽度小于探测光直径时，其金属线外的探测光将全部透射损失掉，可辅助增强空间分辨率，提高检测的效果。

1 聚合物材料的极化

由于聚合物材料具有低散射和快速的电响应以及介电常数小和透明波长短等明显优点，使它们在集成光学和高速光开关及电光调制器上变得越来越重要。由于有机材料的二阶非线性光学效应与线性电光效应是相关的，因此对有机材料电光方面的研究和应用也迅速发展起来。在电光测量中空间分辨率的高低是衡量集成电路测量的重要参数。影响空间分辨率的因素主要有两个，一个是光斑尺寸的大小，它主要取决于探测光波长和物镜的数值孔径;一个是探头的结构。实验证明，通过缩短探测光的波长带来的分辨率的提高有限。目前的外部电光测试系统的空间分辨率最高在2μm左右，难以适应亚微米集成电路的测量。德国Duisburg大学的G.DAVID采用大数值孔径(N.A=0.7)的物镜和1.064μm的YAG激光器，使用背面入射式内部电光采样系统成功测试了制作在GaAs衬底上的0.5μm指状电极，使空间分辨率达到0.5μm。这给我们以启示，能不能利用聚合物涂层构成直接接触待测电极的探头使正面入射和衬底内部测量结合起来，以达到衬底内部探测时所能达到的高空间分辨率。

和无机或半导体材料相比，极化聚合物材料在研究之初存在着耐热性能差，易产生热分解等缺点，但是它所具有的许多优异的性质依然吸引了大量的研究者加入这一领域，并取得了许多重要的进展。表1列举了典型的无机晶体LiNbO3、半导体材料GaAs和极化聚合物作为电光探头时各参数的对比。

表1 电光材料参数对比

从表1可以看出，相对于无机晶体和半导体材料而言，较低的介电常数，较大的电光系数及透明波长可调是极化聚合物材料最大且最为重要的优点。

在研究中，可使用的聚合物为PMMA和分散红1的掺杂热胶联型聚合物。该聚合物为红色，在红外有很好的透明性，可用白光照明，有利于测试中的电路图案的观察，且由于光是垂直通过薄膜，光学损失非常小，器件的尺寸也会有实质性减小，可以减少单位面积上的电容，提高器件的工作频率，还可增加单位面积上的器件密度并减少损耗和散射，厚度低于15微米的薄膜可以认为传播损失很低，但现在问题是这种纵向电场传感器的调制深度较小。极化过程见图1。

极化效果对测试结果有较大影响。常见的电场的极化方式是平行电场极化和电晕极化。较之与接触式的平行电场极化，电晕极化一般为接触式的极化，电晕极化能减少聚合物缺陷的产生或使缺陷定位，而且温度高(大约在玻璃态转换温度)，可以增加分子运动，便于生色团的取向，且电场越大聚合物的非线性性质越明显。实验采用的是针型的高温电晕极化，在电极上加有的高压使针尖放电使其周围气氛发生电击穿，由于电极附近有极高的电场，存在于其四周的气体电子能量被加速到足够时分子和原子解理的程度，带电的离子可以沉积于非线性聚合物的绝缘表面上。

图1 聚合物的极化过程

2 极化聚合物电场传感器的理论分析

这里n1，nA分别为聚合物和空气的折射率。对极化聚合物(EPNAC)薄膜，n1=1.6，nA=1.0，得到r1=0.23。若高反射镜成为全反射面时，则其振幅反射率为100%，即r2=1，此时形成多光束干涉，根据反射光的复振幅迭加原理，可以得到反射光的复振幅表达式为:

式中Φ为正入射时光线在膜内往返一次的位相差

在实验中，将聚合物在有高反射膜的载体上旋涂成膜后进行电晕极化，当极化方向和通光方向平行且垂直于聚合物表面时，利用聚合物自身的反射率构成不对称的法布里－帕罗(AFP)膜，用这种AFP聚合物电场传感器的自由放置技术和反射式光路来构造检测集成电路的内部电光检测系统。极化聚合物AFP膜结构如图2所示。

图2中r1为聚合物材料的自然反射率，r2为高反射膜的反射率。设入射光的振幅为A，取入射位置的初始位相为零，则入射光的电场表达式可写为E=Aeiωt，

图2 极化聚合物AFP膜结构

由(3)式确定的位相因子ψ为:

由(3)、(4)两式可知，当r2=1时，反射光是相位受调制的光，而相位调制的光并不改其强度(IR=I0)，因此，若要将相位调制的光转变为光探测器可检测的强度受调制的光，需要引入参考光束或制成各种干涉结构，将其变换为强度受调制的光束。由于在实验中巧妙地将极化聚合物薄膜旋涂于有高反射膜的载体上进行纵向(垂直于极化膜)的电晕极化，利用极化膜自身的反射率r1和高反射膜的反射率r2(r2＜1)构成不对称的法－珀(AFP)多光束干涉膜，因此在不需要参考光束的情况下，可将输出光束变换为强度受调制的光。将AFP膜自由放置在ITO共面条形电极(CPS)上，利用极化膜的电光效应，对ITO CPS上的电信号进行测量。分别写出两个面多次反射的反射光束复振幅并依次叠加，得到不对称法－帕多光束干涉膜的反射光复振幅为:

可见当r1、r2为确定值时，归一化反射光强(IR/I0)是位相因子2Φ 的函数，分别画出r1=0.23及r2=0.60、0.80、0.90时IR/I0和2Φ关系曲线如图3所示。由此可以看出，反射光强随r2的增加而增加，变化的幅度随r2的增加而减小，当r2趋近1时，IR/I0趋近于1;当r2=1时，IR/I0=1，即全反射，出射光强不随相位的变化而改变。

图3 IR/I0和2Φ关系曲线

3 聚合物涂层法探测技术

在实验中，干涉调制原理为基于非对称F－P腔的多光束干涉型电光调制。为了提高空间分辨率，我们借鉴了外部探测时的结构，提出了聚合物涂层法探测技术，系统如图4所示，与GaP外部测试仪的不同之处为采用极化电光聚合物旋涂在待测电路表面作为探头，使探头和待测电极密切接触。

图4 聚合物涂层法探测系统

图5 CD74HCT112引脚

4 聚合物涂层法的集成电路电光测量

利用自行构建的涂层法电光测量系统对集成电路进行在片测量，可以得到较好的测量结果。在实验中选用日本产CD74HCT112型集成电路作为测量对象。CD74HCT112型为双JK带有复位和置零的下降沿触发的触发器，利用了衬底的CMOS工艺以相当LSTTL的工作速度，具有标准CMOS集成电路低功耗的特点，也具有驱动10个LSTTL负载的能力。这种触发器有独立的J，K，置位，复位和时间输入、输出端。这种74HCT系列在功能上与标准的74LS系列完全兼容。引脚图如图5所示。

实验中将旋涂有聚合物且已极化的电路放在待测台上，通过CMOS摄像头和显微镜可以在显示器上观察到CD74HCT112的表面电路分布图，探测激光束通过显微镜头聚焦，入射到片子上，再反射回电光测量系统进入光探测器，同时在显示器上还可以观察到激光光斑的位置。由于集成电路工作时在信号线上存在电压，因此其上方会形成由其决定的电场分布，对穿过电光聚合物的激光束进行调制，从而将集成电路形成的电信号转化为光信号。为了直观的检测测量系统集成电路的结果，可以把CD74HCT112当作分频器来使用。

在输入端输入一频率为1.027KHZ的正弦波信号，通过内部电光测量系统，在它的输入与输出端引脚1与引脚5、9附近的传输线上分别用探测器找到三点，并进行电光测量。测量结果如图6所示。

从图中看出，我们在靠近引脚5、9附近检测到了二分频与四分频正弦波信号。可以看出，用此内部电光测量系统可以精确的检测出集成电路内部各节点的动态特性。而且由于系统采用正面入射式，因此可用照明系统进行集成电路表面各节点的动态时域无侵扰精确定位测量。

由于实验采用的是Si基CMOS集成电路，必然考虑1.27μm的激光脉冲对电路的影响。为此使用阶梯仪测量了有无激光时场效应管的特性曲线，从实验结果可知1.27μm的激光对MOS场效应管的工作特性无明显影响。但同时也可发现当加大入射照明光时，会有微小影响。为了使激光穿过聚合物对Si集成电路进行无侵扰电光探测，首先必须保证采样光束的波长对Si衬底来说是透明的，另外考虑到实际测量中需要同时观察电路图案和探测光的位置，所以探测光波长在摄像头的光谱响应范围之内。因为Si的禁带宽度1.107eV，对应于吸收波长为1.120μm，采样探测光束的波长是1.27μm，入射光的波长大于截止波长，入射光的能量不足以使价带上的电子跃到导带上成为电荷载流子，对产生光电流无影响，所以1.27μm激光不会干扰被测集成电路。此外，采用CMOS摄像头代替CCD器件作为成像装置，能得到很好的成像效果。

图6 分频实验测量结果

5 结语

通过构造一个聚合物涂层法电光测量系统，对数字电路TC74HCT112A进行了测量，取得了满意的测量结果，获得了较高的空间分辨率，为聚合物正面入射式涂层法电光测量的实用性提供了实验保障。

［1］ 周秀云.光电检测技术及应用［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［2］ 曾光宇.光电检测技术［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［3］ 高岳.光电检测技术与系统［M］.北京:电子工业出版社，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，吉林图们人，讲师，主要从事电子信息工程技术方面研究。

责任编辑:吴旭云