專利名稱：高速電路電光采樣分析儀的制作方法
技術領域：
本發明是一種高速電路芯片內部的動態特性的在片檢測儀器。
所說的高速電路主要是指高速集成電路，也包括其它的平面型高速器件和微帶電路。
利用微波探針可以對高速電路管芯的動態特性實現在片檢測，在此基礎上再利用微微秒電光采樣技術，可以對Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料為襯底的高速電路管芯內部各點上的動態特性實現在片檢測和診斷。這種多功能的測量裝置是發展高速電子器件的重要工具。
現有的高速電路電光采樣測試裝置，有的采用帶有脈沖壓縮器的NdYAG鎖模激光器做光源(見IEEE J.Quantum Electron.Vol.24，PP.198，1988)，有的采用增益開關InGaAsP/InP半導體激光器做光源(見Electron.Lett.，Vol.22，PP.1068，1986)。用半導體激光器做超短脈沖光源，簡單而且便宜，有利于做成結構緊湊的儀器。用半導體激光器做光源的電光采樣測試裝置的主要部件如下1.3微米波長的半導體激光器產生增益開關超短光脈沖，光脈沖的重復頻率為f0，超短脈沖光束由該激光器發出后，經準直透鏡后變為平行的采樣脈沖光束，再經過光隔離器，偏振分束器、補償波片、反射鏡和聚焦物鏡，射入具有線性電光效應的半導體襯底，并被聚焦到高速電路芯片內的信號傳輸線上，被傳輸線的金屬膜反射的采樣脈沖光束逆入射光路行進。采樣脈沖光在芯片內被微帶傳輸線中的信號電場調制，當它反射回來再次經過偏振分束器時，調制產生的偏振分量被反射出來，變為強度調制的光信號，投射到光探測器上。設被測的集成電路的時鐘信號頻率為f，且f·f0+△f，則采樣光脈沖對于被測電壓信號波形的掃描頻率為△f。由光探測器輸出的電信號是采樣脈沖的包絡，是被測電壓信號的“復制品”。為了確定被測的電壓信號是取自集成電路芯片的什么部位，需要用紅外攝像顯微鏡觀測采樣光斑在集成電路表面上的位置。由于采樣光束具有較高的強度，照射到攝像機的靶面上會產生面積相當大的光斑，為準確判定電光采樣探測點的位置帶來困難。為了改變采樣光斑在集成電路芯片表面上的位置，有人提出用轉動反射鏡的辦法，這種改變光路的辦法，不僅為測量結果引入附加的位相差，而且不利于采樣光路的穩定性，為制造實用化儀器帶來困難。已經公開發表的集成電路電光采樣測量系統仍是原理性的，屬于隔震光學平臺上的實驗裝置。
本發明的目的就在于克服這些困難，提出觀測采樣光點位置的新方法和調節采樣光點在集成電路中的相對位置的新方法。并給出將內照明攝像體視顯微鏡、微波探針臺和半導體激光電光采樣光學單元組裝成一個結構緊湊的儀器的方法。這種儀器就是本發明的高速電路電光采樣分析儀。我們的實驗結果證明，它有良好的抗震性能，可以放在木制實驗臺上進行測試應用，勿需特殊的隔震措施。
本發明所設計的高速電路電光采樣分析儀由如下三個單元組成(見附圖1和它的說明)內照明攝像體視顯微鏡、按裝在大型微動臺上的微波探針臺和電光采樣光學單元。內照明攝像體視顯微鏡是個可變倍率的體視顯微鏡1，它帶有內照明2和攝像機接管3，裝在接管3上面的是攝像機4。利用體視顯微鏡1和內照明2，可以操作微波探針微調架5和可轉動的園樣品臺7，使微波探針11的觸點對準集成電路芯片10上的壓焊點，并使它們緊密接觸。同樣地可以操作微波探針微調架6，使它的微波探針的觸點對準集成電路芯片的另一邊上的壓焊點，并使之緊密接觸。一般情況下，微波探針臺上按裝有4個微波探針微調架。這里為了簡單示意，只畫出其中的兩個。利用微波探針把電路的直流偏置和輸入輸出信號線路都接通后，集成電路芯片處于正常運轉狀態。園樣品臺7的中央有一個通光孔，通光孔的上面鑲嵌著0.5mm厚或更薄一些的透明白寶石片9，被測的高速電路的芯片10被放在9的上面。微波探針微調架被固定在微波探針臺8的兩側。園樣品臺7位于微波探針臺8的中央。園樣品臺7的下面鑲著一個齒輪環，用一個齒輪桿帶動齒輪環，可使園樣品臺7相對于微波探針臺8轉動一個所需要的角度。部件5、6、7、8、9、11合成一體，有時簡稱做微波探針臺。微波探針臺8被固定在一個大型微動臺的橫向滑板12上，橫向滑板12的導軌被固定在縱向滑板13上。在部件7、12和13的中央有一個互相連通的通光孔21。采樣光束的聚焦物鏡20向上伸在通光孔21中。聚焦物鏡20的光軸垂直于樣品臺7的載物面，與體視顯微鏡1的兩個物鏡的對稱軸共線。這樣的裝配關系避免采樣光束直接射入顯微鏡筒，利用攝像機4和它的電視監視器(圖上未畫出)能夠看到1.3微米波長的平行的采樣光束經物鏡20聚焦后在焦平面上產生的繞射園環。同時利用內照明2也能在攝像機4的監視器上看到被測芯片表面上的電路圖案。利用繞射園環的中心點標識采樣光點在電路圖案中的位置，清晰準確。攝像機4是硅CCD攝像機，實驗證明利用它對1.3微米波長光的殘余響應能夠清晰地觀察到所說的繞射園環。為了提高通過攝像機4的監視器觀察電路圖案時的放大倍率，在攝像機接管3里裝有放大透鏡。
1.3微米波長的半導體激光器14產生的增益開關超短脈沖光，經過自聚焦準直透鏡15變成平行的采樣光束，再經過偏振分束器16和λ/8波片，以45°的入射角照射到直角反射棱鏡18的反射鏡面上，然后垂直向上沿聚焦物鏡20的光軸傳播，采樣光束被物鏡20聚焦后，穿過白寶石載物片9和被測電路芯片10的被拋光的襯底面，采樣光束的焦點落在芯片10的器件表面上。通過改變滑板12和13的位置來改變采樣光束聚焦點在器件表面上的位置。當焦點落在集成電路的信號傳輸線上時，采樣光束被傳輸線的金屬膜反射，并沿原光路返回。當集成電路芯片已經被微波探針的輸入信號驅動時，被測電路上便出現電壓信號，信號電場使電路芯片10的襯底產生感應雙析射，從而使采樣光束的偏振狀態被調制。因此，被信號傳輸線反射的采樣光束沿原光路返回到偏振分束器16時，調制產生的偏振分量被反射出來，被光探測器19接收，變為電信號輸出。完成上述功能的電光采樣光學單元是由部件14、15、16、17、18、19和20組成的。把這些光學部件緊湊地按裝在一塊剛性的基準平板27上，構成電光采樣光學組件，見附圖2及其說明。在這個組件內，在部件14、15、16、17、18和19之間傳播的采樣光束是平行于按裝板27的基準平面的。用直角棱鏡18的45°角斜面做反射鏡面。來自半導體激光器的采樣光束被18反射后，反射線與27的基準面垂直，而且與聚焦物鏡20的光軸共線。聚焦物鏡20通過齒條22與齒輪盒23連接。齒輪盒23被固定在基準平板27上。利用粗調旋鈕24和細調旋鈕25可以調節物鏡20的高度，從而調節采樣光束聚焦點的高度。由于被測電路芯片的厚度互不相同，需要調節聚焦點的高度。半導體激光器14是個可能更換的部件，為使激光器更換后仍能以自聚焦準直透鏡15的光軸為基準恢復原光路，部件14被按裝在一個精密微調架26上，部件26的各微調螺桿上帶有定位螺栓。部件16、17、18、19、20的均勻通光孔徑都要比部件15輸出的平行光束的截面直徑大兩部以上。部件15、16、17、18和19在按采樣光路的要求校準方位之后，都固定在各自的基座上不動。構造這種電光采樣光學組件的目的是為了增強光學系統的穩定性并減小體積。半導體激光器的波長也可以不是1.3微米，只要采樣光束不被電路芯片的襯底吸收即可，但是部件15、16、17上的增透膜和18上的反射膜必需選擇得與激光器的輻射波長一致。
上述三個儀器單元的一個實用而且低成本的組裝方法，是利用中國制造的JGX-2型大型工具顯微鏡(新添光學儀器廠、上海光學機械廠)提供的精密機械部件改裝。附圖3是按照已經改裝成的高速電路電光采樣分析儀的照片畫出來的儀器輪廓圖，用這幅圖可以說明直接引用大型工具顯微鏡的部件和改裝方法。在附圖1、2和3中出現的同一個部件，采用同一個編號，直接引用的大型工具顯微鏡的部件有(見附圖3)，底座28，按裝在底座28上的縱向滑板13及其位移的微調鼓輪29，按裝在縱向滑板13上的橫向滑板12及其位移的微調鼓輪30，按裝在橫向滑板12上的齒輪環及調節其轉角的手輪31(齒輪環未能單獨標記，是因為園樣品臺7按裝在齒輪環上，在附圖中不露出)，位于縱向滑板13旁邊并固定在底座28上的連接座32，按裝在連接座32上的立柱33，借助立柱上的燕尾導軌和齒條可以調節高度的懸臂34，調節立柱傾角的螺桿35，調水平用的螺絲腿36。改裝的部件有在用手輪31調節轉角的齒輪環(附圖3中未能標記出來)上，原大型工具顯微鏡是裝著一個大型園工作臺，現已被拆除，改裝上一個小型的園樣品臺7，并把微波探針臺8裝在橫向滑板12上，由部件1、2、3、4組成的內照明攝像體視顯微鏡被按裝在懸臂34上，代替原大型工具顯微鏡的測量機械工件用的顯微鏡，附圖2表述的電光采樣光學組件被裝在底座28里，該光學組件的基準平板27通過3個調水平用的螺絲腿36(附圖3中只標出兩個腿，第三個未能標出)被固定在底座28上。底座28是鐵鑄件，有較大的重量，增強了光學系統的抗震性，同時也完成了對電光采樣光學組件的屏蔽。
本發明的一個特征是，把電光采樣光學單元的各部件14、15、16、17、18、19、20、22、23、24、25、26被緊湊地按裝在一塊基準平板上，構造成性能穩定的電光采樣光學組件，被按裝在儀器的鑄鐵底座里，增強了儀器的屏蔽和抗震性。
本發明的第二個特征是，采樣光束經聚焦物鏡后照射在體視顯微鏡的兩個物鏡頭的對稱中心處，避免采樣光束直接射入顯微鏡筒里，從而能在攝像機監視器的屏幕上清晰顯示出采樣光束在聚焦物鏡的焦平面上產生的繞射園環，并用繞射園環的中心點標識采樣光點的位置。
本發明的第三個特征是，微波探針臺被按裝在一個大型微動臺上，當集成電路芯片處于高速運轉狀態時，仍可用移動芯片的方法改變采樣光點在芯片表面上的電路圖案中的相對位置。采樣光點始終位于顯微鏡視場中心保持不動。
本發明的第四個特征是，利用JGX-2型大型工具顯微鏡的現成的精密機械部件組裝高速電路電光采樣分析儀，簡化制造工藝、降低儀器成本。
圖1是本發明的高速電路電光采樣分析儀的示意圖。部件1為可變倍率的體視顯微鏡，2為內照明，3為攝像機接管(為增加攝像顯示的倍率，在接管內裝有放大鏡)，4為攝像機，5和6是微波探針微調架，7是園樣品臺，8是微波探針臺，9是白寶石載物片，10是被測的集成電路芯片，11是微波探針，12是橫向滑板，13是縱向滑板，14是1.3微米波長的半導體激光器，15是自聚焦準直透鏡，16是偏振分束鏡，17是λ/8波片，18是直角反射棱鏡，19是光探測器，20是聚焦物鏡，21為通光孔。圖2是電光采樣光學組件的示意圖。圖2中的部件14、15、16、17、18、19、20分別與圖1中編號相同的部件為同一部件，部件22為齒條，23為齒輪盒，24為粗調旋鈕，25為細調旋鈕，26是精密微調架，27是剛性基準平板。圖3是說明改裝JGX-2型大型工具顯微鏡的示意圖。圖3中的部件1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13分別與圖1中編號相同的部件為同一部件，圖3中的部件27與圖2中的部件27相同，圖3中的部件28為底座，29和30皆為微調鼓輪，31為轉動齒輪環的手輪，32為連接座，33為立柱，34為懸臂，35為傾斜螺桿，36為調水平用螺絲腿。
權利要求
1.一種高速電路電光采樣分析儀的構造方法，把電光采樣光學組件固定在微波探針臺的下面，使電光采樣光學組件的聚焦物鏡的光軸垂直向上，通過微波探針臺的園樣品臺的中心，并與內照明攝像體視顯微鏡的兩個物鏡的對稱軸共線。本發明的高速電路電光采樣分析儀的特征在于，電光采樣光學組件的聚焦物鏡的光軸與內照明攝像體視顯微鏡的兩個物鏡的對稱軸共線，電光采樣光路在高速電路電光采樣分析儀中的方位固定不動，改變采樣光點在被測電路芯片表面上的位置，是通過移動微波探針臺實現的。
2.一種把高速電路電光采樣分析儀的各部件組裝成結構緊湊的儀器的方法，是利用現有的大型工具顯微鏡改裝。所說的大型工具顯微鏡是指中國制造的JGX-2型(新添光學儀器廠、上海光學機械廠)或者工作臺結構與JGX-2型相同的其它型號產品。所說的改裝，是將大型工具顯微鏡上的測量機械工件用的顯微鏡、園工作臺和照明光路這三部分，分別用本發明所設計的內照明攝像體視顯微鏡、微波探針臺的園樣品臺和電光采樣光學組件代替。
3.一種按照權利要求1、2所述的微波探針臺和它的園樣品臺，被按裝在JGX-2型大型工具顯微鏡的橫向滑板上，而它的橫向導軌又被固定在縱向滑板上。其特征在于用微波探針對高速電路的動態特性進行在片檢測的同時，可以在互相垂直的兩個方向上移動處于高速運轉狀態的電路芯片，從而改變電光采樣探測點在高速電路芯片表面上的位置。
4.一種按照權利要求1所述的光路裝配方法，避免采樣光束直接射入顯微鏡筒里，在內照明攝像體視顯微鏡的電視監視器上，顯示出采樣光束在聚焦物鏡的焦平面上產生的繞射園環，同時也顯示出被測電路的圖案，其特征在于用繞射園環的中心點標識電光采樣探測點在被測電路芯片表面上電路圖案中的位置。
5.按照權利要求1、2所述的方法，把電光采樣光學組件按裝在大型工具顯微鏡的鑄鐵底座里，使電光采樣光學組件上的聚焦物鏡的光軸垂直向上穿過園樣品臺的中心，所說的光軸與攝像體視顯微鏡的兩個物鏡的對稱軸共線，把電光采樣光學組件的剛性基準平板通過三個調水平用的螺釘固定在所說的鑄鐵底座上。
6.按照權利要求1、2、5所述的電光采樣光學組件，其特征在于自聚焦準直透鏡的光孔直徑是它輸出的平行光束所通過的各部件的均勻通光孔直徑的1/2或更小，聚焦物鏡的光軸以45°角穿過反射鏡中心，并垂直于按裝板27的基準面，其余各部件都按光路與所說的基準面平行的方式固定。
7.按照權利要求1、2、4所述的內照明攝像體視顯微鏡，其特征在于攝像機接管內裝有放大透鏡，以提高通過攝像機監視器觀察被測電路圖案時的放大倍率，所說的攝像機是硅CCD攝像機，利用硅CCD攝像機對1.3微米波長的殘余響應觀察采樣光束的繞射園環。
全文摘要
高速電路電光采樣分析儀可用于III-V族化合物半導體為襯底的平面型高速器件和集成電路芯片內部各點上的動態特性的在片檢測，一種內照明攝像體視顯微鏡被用于微波探針測量操作和采樣光點的觀察，通過微波探針臺的微調位移實現高速電路芯片在高速運轉中相對于采樣光點的位置調節，利用電光采樣光學組件提高光學系統的穩定性，利用大型工具顯微鏡的機架和工作臺完成高速電路電光采樣分析儀各部件的組裝。
文檔編號H01L21/66GK1093831SQ9410306
公開日1994年10月19日 申請日期1994年2月28日 優先權日1994年2月28日
發明者衣茂斌, 孫偉, 田曉建 申請人:吉林大學