发光强度测量与计算在探针测试中的应用

田洪涛，李 斌，宋婉贞

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京101601)

传统的探针测试设备只能对电信号进行测试与分类，本文介绍的测试方式引入光谱仪，并对其进行控制，通过正确的计算，能够将光谱测试融入到探针设备中，从而增加了探针设备的功能与实用价值。

1 光谱介绍以及光谱仪的选型

光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。例如波长范围为620～760 nm 的红光，如图1 所示。

发光强度/kcd 10 20 30….

图1 红光光谱

光谱仪是以光电倍增管等光探测器在不同波长位置，测量谱线强度的装置。能够将复色光分离成单色光谱。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。

探针设备的测试方法是将待测芯片移动到固定位置进行测试，所以我们选用红光光谱仪与显微镜（或者收光器）的组合，固定在待测芯片正上方，达到最佳测试效果。下文我们就以红光为例介绍光强的各项参数在半导体行业中的应用。

2 光谱的计算

光谱包含的参数有发光强度、峰值波长、中心波长、半波宽、主波长、色纯度、XYZ 三色刺激值和XYZ 的可见色度等。在半导体行业中，这些都是比较重要的发光强度参数。下面我们就根据图谱介绍一些常用光谱参数的计算方法。

2.1 光强的测量

发光强度方程：C=R（R）+G（G）+B（B）式中：C 表示待配色光；（R）、（G）、（B）代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位量；R、G、B 分别为匹配待配色所需要的红、绿、蓝三原色的数量，称为三刺激值。国际照明委员会（CIE）规定红、绿、蓝三原色的波长分别为700 nm、546.1 nm、435.8 nm 。

在光强匹配实验中，为了表示R、G、B 三原色各自在R+G±B 总量中的相对比例，我们引入色度坐标r、g、b。

r=R/(R+G+B)，g=G/(R+G+B)，b=B/(R+G+B)，如图2 所示。

图2 CIE1931RGB 真实三原色表色系统关系图

2.2 光谱辐照度校准

Scope 模式的数据是CCD 每个像素点经过A/D 转换后的原始数据。由于光谱仪在不同的波长点上的响应效率不同，Scope 模式的数据并不等于真实的数据。

图3 分别是3 100 K 色温下，Scope 模式下的光谱和真实光谱。

发光强度/kcd 10 20 30….

系统响应曲线是基于不同波长上的响应度曲线。有许多影响系统响应曲线的因素，主要包括：探测器的灵敏度，光栅的效率，准直镜和聚焦镜的反射率，建立系统所需的光纤和光学附件的传输率。我们根据Scope 模式的光谱的计算公式，应用系统响应曲线与光栅响应曲线可以得到：

真实光谱+光栅的响应曲线+CCD 的响应曲线= Scope 模式的光谱如图4 所示。发光强度/kcd 10 20 30….

图3 LS-1 光源在Scope 模式下的光谱与光源的真实光谱

图4 Scope 模式的光谱计算过程

2.3 1931CIE-XYZ 标准色度系统

所谓1931CIE-xyz 系统，就是在RGB 系统的基础上，用数学方法，选用3 个理想的原色来代替实际的三原色，从而将CIE-RGB 系统中的光谱三刺激值和色度坐标r、g、b 均变为正值。我们的计算公式如下：

两组光强空间的X、Y、Z 三刺激值有以下关系：

X=0.490R+0.310G+0.200B

Y=0.177R+0.812G+0.011B

Z=0.010G+0.990B

两组光强空间色度坐标的相互转换关系为：

x = (0.490r+0.310g+0.200b)/(0.667r+1.132g+1.200b)

y =(0.117r+0.812g+0.010b)/(0.667r+1.132g+1.200b)

z=(0.000r+0.010g+0.990b)/(0.667r+1.132g+1.200b)

2.4 CIE1976 L*a*b* 色度空间

CIE1976 L*a*b* 色度空间由CIEXYZ 系统通过数学方法转换得到，我们所应用的转换公式有：

L*=116(Y/Y0)1/3-16

a*=500[(X/X0)1/3-(Y/Y0)1/3]

b*=200[(Y/Y0)1/3-(Z/Z0)1/3]

其中X、Y、Z 是物体的三刺激值，X0、Y0、Z0为CIE 标准照明体的三刺激值；

L* 表示光亮度；a*、b* 为色度坐标，如图5所示。

明度差：△L=L1-L2

色度差：△a=a1-a2△b=b1-b2

图5 CIE1976 L*a*b* 色度空间

总色差：△E*ab=[(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2

2.5 光强的计算

匹配物体反射色光所需要红、绿、蓝三原色的数量为物体色三刺激值，即X、Y、Z，也是物体色的色度值。物体色彩感觉形成的四大要素是光源、光强物体、眼睛和大脑，物体色三刺激值的计算涉及到光源能量分布S(λ)、物体表面反射性能ρ(λ)和人眼的光强视觉三方面的特征参数，即：

对于照明光源而言，光源三刺激值（X0、Y0、Z0）的计算仅涉及到光源的相对光谱能量分布S(λ)和人眼的光强视觉特征参数，因此光源的三刺激值可以表示为：

峰值波长，半波宽等光强参数可以通过C 语言对其进行寻峰计算，从而得出相应的结果。

3 在整机设备中的应用

通过以上光强的计算方法，加上代码对底层光谱仪的控制，设备就可以对待测芯片的光强进行采集和计算，如表1。

然后将测试值取出，进行分析。对测试结果进行分类，对待测芯片进行在线观察与分析，如图6所示，以便进入下一道工序，见表2。

表1 主要函数代码列表

图6 在线分析样片

表2 测试结果显示与分类

4 总 结

将光强计算方法融入到探针测试设备中，不仅能够对传统意义的芯片进行电参数测试，还能够进行光参数测试，从而大大丰富了设备的功能，提升了该设备对业内半导体产品检测的能力。

[1] GB/T11319-2005，海洋光学编程规则[S]. 2005，28(5)：866-892.

[2] 田宗宪《现场总线技术与计算机控制类别》[M]. 中国物探研究，2006，1(1)：15-187.