劉鵬程，馬英起*，韓建偉

（1.中國科學院國家空間科學中心 空間天氣學國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學 天文與空間科學學院，北京 100049）

1 引 言

在集成電路動態(tài)缺陷檢測過程中通常需要采集芯片內部傳輸的電信號進行分析驗證，以往都是通過機械探針和電子束探針這兩種傳統(tǒng)的技術手段從芯片正面探測其內部電信號[1］。然而，隨著芯片集成度的提高，芯片正面的金屬互聯(lián)層不斷增加，倒封裝工藝也被廣泛應用，從芯片正面探測其內部電信號的難度不斷增加。同時，為了確保芯片能夠正常工作，測試過程中還要盡可能地減少對芯片的破壞，保持芯片功能的完整性[2-3］。由于芯片背部的硅襯底對紅外激光基本上是透明的[4］，激光可透過芯片背部的硅襯底被物鏡聚焦在芯片內部有源區(qū)位置，一小部分聚焦激光在光與半導體材料之間微弱的電光相互作用下被器件的電學活動調制。因此，聚焦激光被有源區(qū)附近的金屬層反射時，反射回來的激光中將攜帶器件內部的電活動信息?；诖嗽?，斯坦福大學的研究人員首先提出一種利用激光從芯片背部開封裝探測其內部電信號的非接觸式光學探針技術，即電光探針技術[5］。該技術通過分析反射光的光強變化就能夠定性地提取芯片內部傳輸的電信號，有效地避免了在芯片正面探測電信號時遇到的困難[6］。

由于反射光中攜帶器件信息的那部分光強度較弱，會被淹沒在噪聲中，電光探針系統(tǒng)中通常采用一個高靈敏度的光電探測器探測從器件中反射回來的光，光電探測器將反射光信號轉變?yōu)殡娦盘?，隨后再通過一些信號處理技術將反射光中攜帶的器件內部電學信息從噪聲中提取出來[3，7］。其中，頻域測量技術和平均處理技術是電光探針系統(tǒng)中常用的兩種信號提取技術[8-10］。頻域測量技術通過傅里葉變換將反射光信號從時域變換到頻域，在頻域中將噪聲頻率和信號頻率分離，然后再通過一個窄帶濾波器濾除噪聲頻率，輸出一個信號強度與所選頻率下的調制強度成比例的頻域信號強度[3］。頻域測量技術能夠快速地鎖定目標信號頻率在芯片上的位置，但是通過該方法只能得到某個頻率點對應的信號強度信息，并不能得到器件內部電信號的時序波形信息[11］。平均處理技術是一種有效的時序波形提取技術，電光探針系統(tǒng)中常采用示波器實現(xiàn)平均處理過程[3，12］。該技術利用噪聲信號具有無序性的特點，在感興趣的時間窗口上采集數千個波形，隨后將采樣的波形求平均以消除噪聲提高信噪比，從而將微弱的信號波形從噪聲中提取出來。但是，平均處理技術僅能對平均值為零的噪聲進行處理，且因為需要采集多個波形求平均，提取單個有效波形花費的時間比較長，不適合快速處理，實時性較差[13］。近年來法國國家科學研究中心和法國國家空間研究中心的研究人員又嘗試將小波濾波方法應用到器件電光信號的探測過程中，在保持良好信噪比的同時可以顯著地減少器件內部時序波形信號的提取時間。小波濾波方法是以小波變化中的小波分解和重構為理論基礎，對微弱信號中所包含的高低頻成分進行分離，最終達到去噪聲的目的[11］。但是使用小波變化時小波母函數的選取比較困難，若母函數選取不合適，將會導致最終結果不夠理想，同時運算量大，難以做到即時處理。綜上所述，有必要發(fā)展一種新的噪聲抑制能力強、操作簡單的器件內部時域波形提取技術，在滿足電光探針技術高探測靈敏度要求的同時，還能快速地提取信號波形。此外，國內針對電光探針技術的研究相對較少，自行研究設計電光探針系統(tǒng)，對國內集成電路動態(tài)缺陷檢測領域的研究和發(fā)展也至關重要。

本文首先介紹了電光探針技術的原理，然后分析了器件電光信號的特點，提出了將鎖相放大技術和平均處理技術融合在一起的器件電光信號提取方法，隨后設計了基于共光路干涉儀的探測光路探測器件電光信號。最后，選擇一款收發(fā)器芯片開展器件內部電光信號的探測實驗，驗證了本文提出的基于鎖相放大的電光探針技術的有效性。

2 探測原理與系統(tǒng)設計

2.1 電光探針技術原理

電光探針技術通常用于探測以某個頻率周期性開關的晶體管。激光器發(fā)出的光經過一系列的光學變換后透過芯片背部的硅襯底被物鏡聚焦在芯片內部，在這個過程中激光會經過不同的界面和材料，激光被反射、傳播或吸收[14］。最終，所有后向傳播的光將會互相干涉，即多光束干涉，形成一個總的反射光，即器件的電光信號[15-16］。電光探針技術常采用的激光波長是1 319 nm/1 340 nm，對于這兩個波段的激光，主要的效應是自由載流子折射和吸收[17］。已有的理論研究表明自由載流子效應引起的材料折射率變化是器件電光信號產生的主要原因，器件電光信號的強度大約在10-6量級[15-16，18］。因 此，需 要 一 個 靈 敏 的 探 測 技 術 去探測器件的電光信號。

2.2 基于鎖相放大的信號提取方法

自由載流子效應引起的反射光中有用的信號強度比較弱，源于不同噪聲源（熱噪聲、散粒噪聲、1 f噪聲等）的噪聲強度通常比反射光中有用的信號強度高幾個數量級，因此我們需要探測的是一個被噪聲淹沒的弱振幅周期性變化信號[11］。對于常規(guī)的帶通濾波與平均處理相結合的信號探測方法，要想獲得足夠高信噪比的信號，帶通濾波器帶寬需要足夠窄，這也就意味著濾波器品質因數也必須非常高，實際中往往很難實現(xiàn)。此外，帶通濾波器品質因數過高會導致帶通濾波器不穩(wěn)定，溫度、供電電壓的波動均會使濾波器的中心頻率發(fā)生變化，導致其通頻帶不能覆蓋信號頻率，不利于信號探測。

鎖相放大技術是一種利用相關理論中的互相關原理將具有特定頻率特性的微弱信號從嘈雜的背景噪聲中提取出來的技術。該技術通過相敏檢測的方法提取以參考頻率為中心的指定頻帶內的信號，可有效地濾除其他無用的信號頻率分量[19］。由于鎖相放大技術是通過低通濾波器而不是帶通濾波器來抑制帶寬噪聲，低通濾波器的頻帶可以很窄，其頻帶寬度不受調制頻率的影響，穩(wěn)定性遠優(yōu)于帶通濾波器。此外，鎖相放大技術還能有效地避開噪聲對信號的不利影響。因此，本文采用鎖相放大技術和平均處理技術相結合的方式來提取器件的電光信號。

圖1是本文提出的信號處理流程圖，光電探測器輸出的電信號首先經過一個隔直器去除掉無用的、大的直流背景分量，隨后進行鎖相放大處理。圖2給出了鎖相放大原理圖。

圖1 信號處理流程圖Fig.1 Flow chart of signal processing

圖2 鎖相放大原理圖Fig.2 Schematic diagram of lock-in amplifier

設來自光電探測器的輸入電信號Vs(t)為：

利用前置放大器對輸入電信號Vs(t)進行交流放大，然后再通過帶通濾波器濾掉噪聲和干擾。選擇一個參考信號Vr(t)與濾波后的電信號Vs(t)相乘（也稱混頻），Vr(t)選擇正弦波，但也可采用其他信號。設參考信號Vr(t)為：

Vs(t)和Vr(t)混頻后得到一個包含信號頻率與參考頻率的差頻信號分量及和頻信號分量的信號Vp(t)：

隨后利用低通濾波器將Vp(t)中的和頻信號分量濾掉只保留差頻項得到輸出信號Vout(t)：

若低通濾波器的帶寬很窄，只允許直流信號通過，這時將只有fs=fr的信號通過，交流信號被轉變成直流信號輸出。上述鎖相放大的信號處理過程實質上就是在待測信號中找到與參考信號同頻率的交流信號分量，然后將它變成直流分量并放大，同時濾除入射信號中的其他交流干擾信號，達到強噪聲背景下檢測微弱信號的目的。

考慮到低通濾波器的帶寬在實際應用中并不能達到理想的那種帶寬很窄的狀態(tài)，經過鎖相放大處理后的信號還可能包含一些小的噪聲信號。因此，為了進一步提高器件電光信號的信噪比，將經過鎖相放大處理的信號再進行平均處理。由于通過鎖相放大技術已經消除了絕大部分的噪聲干擾，相比于單純使用平均處理技術來說，也能有效地減少平均處理過程中所需的波形數，從而減少信號提取的時間。

2.3 探測光路設計

自由載流子效應引起的材料折射率變化會導致入射激光的相位發(fā)生改變，通過干涉可將激光的相位變化轉化為光強變化進而提取出器件內部的電信號，而且干涉手段靈敏度高，可以檢測到極微小的相位變化。圖3是我們設計的基于共光路干涉儀的探測光路示意圖，該光路利用共光路干涉的方法將激光的相位變化轉變?yōu)楣鈴娮兓痆20］，光路中包含激光器，光隔離器，偏振分束棱鏡，λ8波片和物鏡。

圖3 基于共光路干涉儀的探測光路示意圖Fig.3 Schematic diagram of the detection optical path based on the common-path interferometer

圖3中激光器發(fā)出的線偏振光經光隔離器后偏振態(tài)旋轉45度，調整偏振分束棱鏡的位置，使激光全部透過，隨后穿過λ8波片被物鏡聚焦在器件有源區(qū)。偏振分束棱鏡后的線偏振光可看成兩束相位和振幅都相同的垂直偏振光和水平偏振光的疊加，兩束線偏振光分別與晶體管的柵長和柵寬方向對齊。由于晶體管的本征不對稱性，柵寬方向的線偏振光作為探測光會受到器件電活動的影響，在自由載流子效應的作用下產生隨電信號變化的相移φ；柵長方向的線偏振光作為參考光不受器件電活動的影響，相位不變[14］。兩束光被芯片正面的金屬布線反射，在偏振分束棱鏡處兩束線偏振光的偏振方向被調整到同一方向發(fā)生干涉，兩光之間的相位變化轉變?yōu)楣鈴娮兓还怆娞綔y器接收，光信號轉化為電信號后再通過鎖相放大技術提取出信號波形。

偏振分束棱鏡后的探測光路是一個共光路干涉光路，可等效為一個邁克爾遜干涉儀（見圖4），圖4中信號臂和參考臂上的光分別對應兩束等效的線偏振光。圖3中的λ8波片對應圖4中的相位補償器，波片的快軸和慢軸分別與兩束等效線偏振光的偏振方向對齊，光往返一次后相位補償器會在兩束光之間引入一個固定的相位差θ。

假設等效干涉儀的入射光光強為Ii，則入射光的電場：

光電探測器處干涉光的電場：

根據（6）式可計算出光電探測器處的干涉光強：

其中：Ii是常量，θ是自變量，Ir是因變量，Δθ=-φ。當θ取某個值時，該處的斜率k=ΔIrΔθ越大，則ΔIr的值越大，整個探測系統(tǒng)對被測器件電活動造成的相位變化φ越敏感，越有利于探測器件內部的信號。圖5是式（7）中各點的斜率k隨θ變化曲線圖，從圖5中可以看到，當θ=±π2時（激光往返一次的固定相位延遲），該處斜率k的值最大，整個系統(tǒng)的探測靈敏度最高，因此圖3中波片選擇λ8波片。

圖5 公式（7）斜率曲線圖Fig.5 Slope curve graph of equation（7）

圖6 基于鎖相放大的電光探針裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the electro-optical probing setup based on lock-in amplifier

3 實驗裝置

圖6是我們自主設計搭建的基于鎖相放大的電光探針裝置示意圖。圖7是中國科學院國家空間科學中心的電光探針裝置實物圖。該裝置主要由激光器、探測光路系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、載物系統(tǒng)和控制計算機組成。激光器提供1 319 nm連續(xù)激光，探測光路系統(tǒng)用于調控激光的光學參量，包括光隔離器、偏振分束棱鏡、λ8波片和物鏡。

檢測系統(tǒng)中光電探測器探測反射光信號，探測器帶寬為1.5 MHz。隔直器消除光電探測器中無用的、大的直流背景分量，鎖相放大器對來自隔直器的電信號進行鎖相放大處理，鎖相放大器的參考信號由外部的測試系統(tǒng)提供。隨后信號進入到示波器中，利用示波器的平均處理功能對來自鎖相放大器的信號進行多次采測求平均，從而將反射光中攜帶的器件內部電信號信息從噪聲中提取出來。

測試系統(tǒng)主要功能是對被測器件供電以及提供被測器件的輸入信號和鎖相放大器的參考信號，包括直流電源和信號發(fā)生器等；載物系統(tǒng)用于調整被測器件相對于聚焦激光的位置，包括三維移動臺及其控制箱；控制計算機作為控制終端協(xié)調各個子系統(tǒng)之間的運行。

圖7 電光探針裝置實物圖Fig.7 Real picture of the electro-optical probing setup based on lock-in amplifier

4 實驗驗證與結果

4.1 實驗樣品

實驗樣品是一款GLB3251型收發(fā)器芯片，圖8是配套的芯片功能測試電路板。實驗前對芯片進行背部開封裝處理，暴露出芯片背部硅襯底。同時在電路板芯片位置處開一個孔，方便激光入射到芯片背部。實驗過程中只使用收發(fā)器芯片的發(fā)送功能，該功能下芯片可將輸入的TTL/CMOS邏輯電平信號轉換為RS-232邏輯電平信號輸出。樣品的供電電壓Vcc=3.3 V，外部信號發(fā)生器提供一個占空比50%，頻率40 kHz，低電壓0 V，高電壓3.3 V的方波信號來模擬TTL邏輯電平信號作為收發(fā)器芯片的輸入信號，示波器的一個通道與收發(fā)器芯片的輸出信號管腳連接用來監(jiān)控芯片的輸出電信號是否正常。實驗前通過分析芯片的設計版圖和芯片背部紅外成像結果確定芯片上每個功能單元的位置，隨后通過三維移動臺將聚焦激光移動到芯片發(fā)送電路單元偏置電流支路1的位置進行探測，聚焦光斑的直徑約為1μm，聚焦激光在被測器件上的位置如圖9所示。

圖8 芯片功能測試電路板（紅色區(qū)域為芯片背部的硅襯底）Fig.8 Chip function test circuit board（the red area is the silicon substrate on the backside of the chip）

4.2 實驗結果

圖10和圖11是利用電光探針裝置在圖9所示工作電流為μA量級偏置電流支路1位置的探測結果。圖10和11分別為無鎖相和有鎖相放大實驗結果，其中，紅色曲線是來自芯片管腳的輸出電信號，藍色曲線是利用激光探測到的芯片電光信號。實驗過程中，圖10和圖11采用了不同的信號處理手段。圖10是直接通過示波器采集來自光電探測器的1 214個信號波形進行平均處理得到的器件電光信號，信號波形雜亂無章，直接利用平均處理手段未能恢復器件內部電信號波形；圖11是首先將來自光電探測器的電信號進行鎖相放大處理，然后再通過示波器采集1 214個信號波形進行平均處理得到的器件電光信號。雖然圖11中的藍色曲線形狀與通過示波器采集到的紅色電信號波形相比略有畸變，但是二者的總體變化趨勢一致，獲取的波形依舊能夠用于判斷信號電平的高低。

信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR，ISNR）作為信號處理領域中評估信號處理效果重要技術指標，可以直接用來定量評估鎖相放大技術的信號處理效果。信噪比計算公式如下：

其中：Vs表示信號電壓幅值，Vn表示噪聲電壓幅值。通過對圖11中的藍色曲線進行傅里葉變換，得到信號電壓幅值Vs=8.92μV，噪聲電壓幅值Vn=5.02μV，利用式（8）可得到圖11中藍色波形的信噪比為4.99 dB。同樣對圖10中藍色波形進行傅里葉變換得到信噪比為-44.29 dB。因此，相比于直接平均處理的信號處理手段，信號處理過程中通過引入鎖相放大技術能夠更有效地抑制噪聲，顯著提高波形信噪比，從而提取出淹沒在噪聲中的微弱信號。

圖9 聚焦激光在被測器件上的位置Fig.9 Position of the focused laser on the device under test

圖10 無鎖相放大實驗結果Fig.10 Experimental results without lock-in amplifier

圖11 有鎖相放大實驗結果Fig.11 Experimental results with lock-in amplifier

5 結 論

本文針對集成電路動態(tài)缺陷檢測領域對芯片內部傳輸電信號時序波形的探測需求，提出了基于鎖相放大的非接觸式無損光學探測方法。設計搭建的電光探針裝置將鎖相放大技術和共光路干涉技術巧妙地結合在一起，既能保證探測系統(tǒng)高的探測靈敏度，又能從強背景噪聲中提取出被噪聲淹沒的器件電光信號。收發(fā)器芯片的實驗結果表明，利用本文所提方法設計搭建的電光探針裝置可探測芯片內部動態(tài)工作電流為μA量級的電路節(jié)點處的電光信號，電光信號的信噪比可達4.99 dB。本文所提的方法可滿足絕大部分集成電路電光信號的探測需求，在集成電路動態(tài)缺陷檢測領域具有廣闊的應用前景。