一种芯片多物理场逐点扫描式测量成像系统及成像方法

1.本发明属于芯片多物理场测量技术领域，具体的说是涉及一种芯片多物理场逐点扫描式测量成像方法。


背景技术：

2.芯片制造已逐渐成为制造业的核心技术。然而，如今的集成电路工艺节点达到了7nm，从技术上来说，已经接近半导体单晶硅的极限了，戈登
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摩尔提出的摩尔定律正在失效。在此背景下，具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高键合能等优点的第三代半导体登上了世界的舞台，它将满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，对5g通信、电动汽车、新能源、国防等具有重要意义，因此，成为了各国半导体研究领域的热点。集成度的大幅度提高、线宽的极限性缩小使得第三代半导体芯片研发周期增长、良品出厂效率低。芯片热管理不当是芯片失效最常见的原因，温度测试是极其重要的环节。
3.然而，目前市场上常见的半导体温度测量技术、红外显微成像技术由于分辨率不高、测温范围窄、效率低等缺陷已经不满足如今的要求，急需一种新的高分辨温度场测量技术。
4.此外，芯片的电磁兼容测试也不容忽视。由于精密零部件在质检环节普遍存在产品批量大、要求品质高、操作流程要求规范严的特点，传统的人工方式成本高、稳定性低，特别是面对如芯片制造、精密仪器制造等领域，而温度测量和电磁兼容测试又是芯片设计制造过程中不可或缺的关键步骤，因此更需要高精度、高效率的质检解决方案。


技术实现要素：

5.针对现有芯片测量技术存在的分辨率低、灵敏度低和测量效率低的瓶颈问题，本发明提供了一种集成微波场和温度场测量的芯片表面多物理场扫描成像方法。本发明通过采用亚微米级金刚石锥形光纤探头、微米级步进电动位移台、fpga集成板块来提高分辨率和测量效率。
6.为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
7.本发明是一种芯片多物理场逐点扫描式测量成像系统，包括激光源、光路、fpga、金属线圈、雪崩光电二极管、频谱分析仪、电动位移台、微波源和计算机；所述fpga、频谱分析仪与计算机连接；所述激光源和微波源与fpga连接；所述激光源用于产生绿色激光；所述微波源用于产生调制微波信号；所述fpga用于产生控制激光源和微波源的脉冲信号；所述雪崩光电二极管用于收集荧光信号；所述频谱分析仪用于处理收集到的荧光信号；所述电动位移台搭载待测芯片进行逐点扫描成像；所述计算机用于编写软件程序控制各仪器的同步运行。
8.本发明的进一步改进在于：fpga发出脉冲信号对激光源进行调制，产生可调占空比的532nm绿色激光。
9.本发明的进一步改进在于：所述金刚石锥形光纤探头是将光纤通过熔融拉锥手段使尖端熔成锥形，再将尺寸相近的金刚石颗粒附着在光纤末端，实现高分辨金刚石锥形光纤探头。
10.本发明的进一步改进在于：扫描成像时通过计算机控制电动位移台，即可实现微米级步进电动扫描成像。
11.本发明是一种芯片多物理场逐点扫描式测量成像方法，包括：
12.fpga对激光源产生的激光和微波源产生的微波信号进行脉冲调制控制，金刚石在激光和微波的作用下产生红色荧光边带信号，通过光纤返回，再通过二相色镜滤除激光信号，最后通过物镜聚焦在雪崩光电二极管上，雪崩光电二极管将光信号转化为电信号传输给频谱分析仪，最后处理得到数据结果。
13.测量微波场时，微波源直接连接待测芯片，将金刚石靠近芯片表面，进行rabi振荡实验，再通过测量所得的rabi振荡频率即可计算出该点的微波场强，最后通过电动位移台控制金刚石逐点扫描得出芯片表面微波场成像图。
14.测量温度时，微波源连接金属线圈，将微波传输到金属线圈上，再将金属线圈置于金刚石锥形光纤探头附近，使得探头周围微波场保持恒定。然后一起贴近芯片表面，再通过odmr技术测量得出nv色心的零场d值，根据d值-温度变化公式计算得出该点温度，最后通过电动位移台控制金刚石逐点扫描得出芯片表面温度场成像图。
15.本发明的有益效果是：
16.本发明实现了芯片的高分辨多物理场测量，既可以测量芯片表面微波场，又可以测量芯片表面温度场，大大提高了测量精度和测量效率。
17.本发明可应用于芯片、先进封装芯片和精密器件质检，通过准确度高、空间分辨率高的物理场图像数据，准确定位芯片热设计缺陷和热点，有效指导芯片设计，缩短研发周期，减少成本，提出针对小样本缺陷识别的精密器件质检解决方案，和产业上下游合作，为芯片测试提供整体解决方案。
18.本发明在分辨率和工作频率上有显著优势。
附图说明
19.图1是本发明成像系统的结构示意框图。
20.图2是本发明中绿色激光从激光源发出到达待测芯片后红色荧光信号传回频谱仪的过程详解图。
21.图3是本发明含有金刚石nv色心的锥形光纤和金属线圈组成的探头图，其中金刚石nv色心样品在探头的尖端。
22.图4是本发明实施例中微波场测量成像图。
23.图5是本发明实施例中限幅器芯片表面温度成像图。
24.图6是本发明odmr测量结果图。
25.图7是本发明rabi测量结果拟合图。
具体实施方式
26.以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在
以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与组件在图式中将以简单的示意的方式绘示之。
27.如图1所示，本发明是一种芯片多物理场逐点扫描式测量成像系统，该成像系统包括微波源5、微波源12、光路、用于产生脉冲信号的fpga系统9、测量探头、信号处理装置、电动扫描装置和计算机1，所述激光源5、微波源12分别与fpga9电连接；所述激光源5用于产生激光；所述微波源12用于产生调制微波信号；测量探头用于对芯片表面进行多物理场探测扫描成像；包括金刚石探头11和金属线圈13，金刚石nv色心设置在所述金刚石探头11下端。
28.如图3所示，所述金刚石探头11为金刚石锥形光纤探头，所述金属线圈13环绕锥形光纤探头，以提供芯片温度测量时的微波，将光纤通过熔接手段使尖端熔成锥形，所述金刚石锥形光纤的直径以及附着在锥形光纤简单的金刚石的直径均为5微米。常规型光纤端面直径为125微米，本发明锥形光纤直径可达5微米，配合5微米尺寸的金刚石颗粒样品，能对荧光收集效率提升12倍。
29.所述光路包括与所述fpga系统9连接的激光源12，所述光路还包括二相色镜6、滤波片7、物镜10和雪崩光电二极管8，微波源5产生微波信号，所述激光源12产生激光信号，所述fpga系统9发出脉冲信号对激光源12和微波源5进行调制，产生可调占空比的532nm绿色激光和高频微波。fpga对微波源进行脉冲副载波调制，对微波信号新增两路副载波即采用fpga对微波的调制方法，实现对信噪比更佳的边带信号的测量，使测量信噪比提升12db。
30.所述激光源12产生的绿色激光打入所述光路经反射镜折射射向所述二相色镜6，通过所述物镜10聚焦至所述金刚石探头11下端的金刚石nv色心的探头处，所述光路负责发射绿色激光对所述金刚石nv色心进行激发且所述光路负责通过雪崩光电二极管8完成红色荧光信号的收集，荧光信号收集到信号采集器4中；然后将收集到的荧光信号传输到信号处理装置的频谱分析仪3进行分析和处理。所述信号处理装置包括频谱分析仪3和人工智能系统2，所述频谱分析仪3对光路中信号采集器4采集到的红色荧光信号进行处理分析，再将数据结果送进rnn神经网络，再送进gan网络，进行成像还原，最后再通过人工智能系统2自动识别芯片表面瑕疵点。
31.人工智能系统包括两部分，一部分神经网络处理，一部分为ai自动瑕疵识别。神经网络处理指将频谱分析仪处理的数据结果送进rnn神经网络，得到一个较低精度的成像，再送进gan神经网络，进行成像还原，输出成像结果，可以大幅度提高测量结果成像图的精度同时缩短成像时间，提高成像效率。ai自动瑕疵识别指采用人工智能自动对芯片数据集进行学习，然后对芯片进行温度场和微波场测量，当发现所测部位的测量值与芯片设计过程中的模拟仿真所得数据或者其他同批次芯片相同部位测量数据相差过大时，向工程师提出报警，指示芯片此处部位存在瑕疵，大大提高芯片出厂良品率。
32.所述电动扫描装置包括电动位移台15，电动位移台15为微米级三维电动位移台，上面固定有待测芯片14，所述金刚石探头11置于所述待测芯片14的表面，所述电动扫描装置为待测芯片14表面进行多物理场逐点式扫描。所述fpga9、频谱分析仪3、电动位移台15分别与计算机1电连接；
33.所述微波源5直接连接所述待测芯片14时测量微波场；测量微波场时，所述微波源5直接连接待测芯片14，将所述金刚石探头11靠近所述待测芯片14的表面，进行rabi振荡实
验，再通过测量所得的rabi振荡频率即可计算出该点的微波场强，最后通过所述电动位移台15控制所述金刚石探头11逐点扫描得出芯片表面微波场成像图。
34.所述微波源5连接所述金属线圈13时对金刚石探头11提供微波信号，测量温度。测量温度时，所述微波源5连接所述金属线圈13，将微波传输到所述金属线圈13上，再将所述金属线圈13置于所述金刚石探头11附近，使得所述金刚石探头11周围微波场保持恒定，然后所述金刚石探头11和所述金属线圈13贴近所述待测芯片14表面，再通过odmr技术测量得出金刚石nv色心的零场d值，根据d值-温度变化公式计算得出该点温度，最后通过所述电动位移台15控制所述金刚石探头11逐点扫描得出芯片表面温度场成像图。
35.如图2所示，激光源发出绿色激光，经过半波片、透镜和分束器组成的偏振系统，通入偏振系统的激光会被分成多条光路，平行的激光光束聚焦于声光调制器，在经过fpga进行脉冲调制之后通过反射镜反射射入光阑限制光束，再经过二相色镜反射和物镜聚焦射入光纤，光纤末端探头位于待测芯片表面上方，金刚石nv色心受到绿色激光激发后发出红色荧光，原路返回后通过二相色镜和透镜之后照射在雪崩光电二极管的感光区，雪崩光电二极管将采集到的红色荧光信号转化为电信号传输给频谱分析仪进行数据处理。fpga同时发出脉冲信号对微波源进行调制，高频微波信号连接待测芯片，在芯片表面展现出不同的微波场强，对金刚石nv色心造成影响，通过测量rabi振荡频率即可测量出芯片表面金刚石探头处的微波场强，最后通过电动位移台控制金刚石探头与待测芯片的相对位置改变，逐点测量即可获得待测芯片表面微波场分布成像图。
36.除此之外，本发明还提供了一种芯片多物理场逐点扫描式测量成像系统的成像方法，该成像方法包括如下步骤：
37.步骤1：计算机1控制fpga系统发出脉冲信号对激光源和微波源进行调制，产生可调占空比的532nm绿色激光和高频微波；
38.步骤2：所述微波源直接连接待测芯片，将所述金刚石探头靠近所述待测芯片的表面，进行rabi振荡实验，rabi测量结果拟合图如图7所示，rabi振荡实验后再通过测量所得的rabi振荡频率即可计算出该点的微波场强，最后通过所述电动位移台控制所述金刚石探头逐点扫描得出芯片表面微波场成像图；微波场测量成像图如图4所示。微波场测量原理就是根据rabi振荡的最前面这段接近于线性的上升直线，微波场强的变化会改变前面这段的陡峭程度，微波场强变大会使得这段变陡，本发明只需要固定横坐标测量其纵坐标的值的变化就能知道微波场强变化。
39.步骤3：测量温度时，所述微波源连接所述金属线圈，将微波传输到所述金属线圈上，再将所述金属线圈置于所述金刚石探头附近，使得所述金刚石探头周围微波场保持恒定，然后所述金刚石探头和所述金属线圈贴近所述待测芯片表面，再通过odmr技术测量得出金刚石nv色心的零场d值，根据d值-温度变化公式：测量点温度＝(d-2870)
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0.074 室温，计算得出该点温度，最后通过所述电动位移台控制所述金刚石探头逐点扫描得出芯片表面温度场成像图。本实施例提供了一种限幅器芯片表面温度成像，成像图片如图5所示。具体的odmr测量结果图如图6所示。d值指的是双峰之间的最低点，这个点会受到温度的影响左右偏移。
40.步骤4：将步骤2和步骤3的测量结果再通过人工智能系统处理，同时对所述待测芯片表面进行瑕疵识别。
41.本发明通过采用亚微米级金刚石锥形光纤探头、微米级步进电动位移台、fpga集成板块来提高分辨率和测量效率。
42.以上所述仅为本发明的实施方式而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理的内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的权利要求范围之内。