芯片表面微波磁场测量技术
发布时间:2020-04-26 14:39:11 编辑:麓帮主 阅读次数:559

 

团队简介

杜关祥博士是南京邮电大学通信与信息工程学院教授。他先后于兰州大学和中科院物理研究所获得理学学士和博士学位。他是日本学术振兴会特别研究员奖学金获得者,先后在日本东北大学、瑞士巴塞尔大学和德国马普生物物理化学研究所从事科研工作。2016年他以校长特聘教授受聘南京邮电大学通信与信息工程学院。他是北京市科技奖一等奖获得者,江苏特聘教授,南京邮电大学“鼎山学者”和江苏省第十三批“六大人才高峰”高层次人才,目前担任江苏省Peter Grünberg研究中心副主任。杜关祥博士团队致力于发展实用化量子精密测量技术,他面向芯片表面微波磁场测量要求,提出了扫描式和成像式两种测量新方法,研制了锥形光纤亚微米级金刚石NV色心探头和芯片表面微波磁场高分辨高速成像系统,实现了芯片表面微波磁场高分辨测量,对提高芯片设计和测试能力具有重要意义。

 

//  国内外芯片测试技术的产业现状  //

 

高集成度芯片是我国制造业卡脖子的核心技术。测试在芯片的设计和生产阶段的重要性占比高达30%。尤其是CP(Chip Probing)测试,是芯片封装前可靠性验证的主要环节。随着高频芯片的集成度和复杂度不断提升,多层布线间的信号串扰问题突出且错综复杂,传统CP测试遇到很大的挑战,很难找出芯片失效的源头。而且我国芯片测试技术全部依赖进口,这严重限制了技术原始创新的步伐。

有没有一种技术能像光学显微镜一样对芯片的近场提供亚微米分辨的实时成像?答案是,已经有了。微波毫米波芯片晶圆测试是元件性能关键一环。基于探针系统的S参数表征,提供符合用户要求的网络参数和电流电压数据,为EDS等芯片设计软件提供数据接口,是复杂芯片系统设计的基础。随着芯片复杂度和集成度的提高,芯片功能模块之间的距离越来越靠近,特征线宽越来越窄,射频芯片堆叠层数越来越多,层间耦合更加复杂,如何定点分析芯片内部的信号路径、信号完整性,为射频工程师在错综复杂的射频网络中为信号定位尤为关键。这时候,传统基于网络参数的黑盒子分析技术遇到重重困难,有没有可能发展出基于近场的定位分析测试技术,越来越成为经验丰富的射频芯片工程师的共识。但目前业界基于近场的测试技术主要还是低频(小于6 GHz)低分辨的器件级粗定位扫描成像,还主要用于场强度的初步定位,这些分析技术不能解决芯片的问题。因为芯片测试要求的分辨率达到亚微米级,频率高达100 GHz。

另一方面,传统的电路分析基于路的分析,在高频器件里,路的概念因为耦合串扰受到挑战,必须转向基于电磁场的分析。为什么要做场分析?首先麦克斯韦方程不含有源项,无法模拟有源器件和非线性器件,这使得EDS等设计软件也无法真实模拟有源元件内部的真实物理环境,据我们所知,近场测试是我们技术所能及的最接近器件内部真实电磁过程的测试途径。另外,更重要的一点,高频高复杂度器件下,通过软件模拟所能获得的信息有限,甚至是完全失真的。这是因为,模拟只是对真实元器件的一种简化,随着线宽的变小,趋肤效应使得高频电流局限在信号线的边缘(铜的趋肤深度在10 GHz为670 nm),任何细微的加工缺陷,沿信号走线的累积都将导致模拟结果的严重失真。

南邮量子精密测量小组另辟蹊径,创造性地把量子精密测量实验物理前沿技术应用到毫米波太赫兹芯片测试中。国际首创了无损、量子标定的100 GHz以上高分辨芯片近场成像技术。国际首创了高速芯片近场显微技术,将光学显微技术应用到芯片电磁场近场这一前沿应用中,高速的(百万帧率)芯片近场定量测量可以为芯片可靠性和老化过程提供至关重要的实测数据。表1是量子场探头和传统技术的性能和应用场景对比。

 

表1  传统电磁场探头和原子电磁场探头的对比

  

 

//  多物理量高分辨测量技术的优势  //

 

1

无损测量

 

量子场探头是原理型创新技术,通过光学的方法,基于金刚石晶体量子原子缺陷的量子基态在共振微波场的拉比震荡规律,测得微波场的绝对幅值。将场强的测量转换为对量子态演化频率的准确测量。这一拉比震荡的快慢直接由场强弱决定。拉比震荡频率除以已知的正比例系数(和量子态初始态和终态的对称性相关),可以获得场强的绝对测量,这一测量是定量的,准确的,是量子标定的。

 

2

分辨率

 

传统场探头包括电场探头和磁场探头都是基于微带天线对场能量的收集,经过阻抗匹配网络和前置放大,实现对弱场的测量。商用分辨率为100 μm(德国Langer EMV)。基于EO和MO的电光和磁光场探头分辨率也在10 μm量级,已经接近现代微弱信号探测的工程极限。而基于固态量子比特的量子场探头是含有氮空位色心的金刚石微晶体,我们已有的实验技术已经能以高保真度控制单个氮空位色心,实验技术成熟度高。也就是说,量子场探头的分辨率取决于微晶体的尺寸,典型尺寸是5 nm-1 μm。量子场探头能实现亚微米的微波场测量,是目前世界上最小的场探头,是世界上最小的频谱分析仪。

 

3

适合芯片级CP测试

 

传统场探头广泛应用于PCB板级器件的近场诊断,定位封装后芯片失效的区域,在器件的电磁兼容和失效分析领域应用广泛。传统场探头之所以不适合芯片晶圆级测试,是因为探头分辨率(大于10 μm)远大于芯片走线的特征线宽(小于1 μm)。量子场探头的高分辨率特别适合于芯片进程测试应用,可以说,这一技术第一次使得芯片级近场的高分辨测量成为可能。

 

4

工作频率带宽超越传统场探头

 

所有场探头都有固有的带宽,传统金属或电介质场探头主要应用于sub-6GHz应用,带宽以6–20 GHz为主。个别大厂商比如华为拥有高达40 GHz的场探头,但不是商业标准品。而量子场探头基于对其内部量子能级的调谐,可以实现覆盖100 GHz甚至太赫兹的场探头。

 

5

高速近场分布显微

 

所有传统场探头都是基于点扫描或阵列扫描的原理,实现比如100 × 100阵列的快速扫描,但工程上不现实。而量子场探头基于光学测试的原理,光学中发展成熟的实验技术可以应用于微波场的成像。实验室已经演示的芯片近场成像帧率是1000帧每秒。通过材料和微弱信号的创新,这一成像帧率还可以提高1000倍,达到百万帧每秒。量子场探头可以实现高速近场成像,为芯片可靠性和失效分析中需要的高速动态全局成像第一次提供了可能。

 

6

量子标定,不需要校准

 

传统场探头基于微波毫米波功率的测量,每一个探头需要定期到计量机构做标定,这增加了维护成本。而量子场探头测量的是场的绝对值,是量子标定的。

 

7

可实现电磁场和温度场的高分辨成像

 

传统场探头不具备芯片测试这一特殊应用所需的高分辨率指标,也不可能同时测量电磁场之外的其他物理量。而基于金刚石氮空位色心的量子场探头,既可以准确测量电磁场,灵敏度高达5*10-9Tesla/√Hz,而且可以测量芯片的局部温度,分辨率高。因为金刚石的小体积和高导热,和芯片接触后,可以快速和被测区域建立热平衡,并且由于小体积伴随的小热容,探头基本不会改变被测对象的温度,可实现高分辨的接触式无损温度测量,这一多物理量芯片测试对发展异质集成毫米波芯片至关重要。

 

//  发展自主集成电路产业的新使命   //

 

打破国外在芯片设计和测试技术领域的技术垄断势在必行,这一重要性已经上升到国家安全的角度。从半导体高端仪器国产化到半导体大数据库的建立,值得青年一代为之奋斗,而这一事业也和杜关祥博士对仪器研制的浓厚兴趣和长久技术积累高度契合,自2003考入中科院物理所读博士学位,就在导师的鼓励和支持下,发展了低温和强磁场电子输运谱学精密测试系统。在日本从事研究工作期间,提出并发展了一种快速的磁光谱测试方法,彻底改变了160多年来科学家们获取材料磁光效应谱的方式,通过引入阵列CCD光谱分析技术,极大提升了磁光谱的测试速度。后来到瑞士和德国从事量子精密测量技术实验研究,发展了国际首套接近实用化原子微波场成像系统。

 

 

 

相关参考文献:

1.G. B. Chen, W. H. He, M. M. Dong, Y. Zhao and G. X.Du,“Orientated Nitrogen-Vacancy Axis in Diamond Micro-Crystal for Tunable RFVectorial Field Sensing” , IEEE Sensors Journal, DOI:10.1109/JSEN.2019.2953359.

2.B. Yang, M. M. Dong, W. H. He, Y. Liu, C. M. Feng,Y. J. Wang, G. X. Du, “Using Diamond Quantum Magnetometer to Characterize NearField Distribution of Patch Antenna”, IEEE trans. on Micr. Theo. and Tech.,DOI: 10.1109/TMTT.2019.2908399.

3.Z. Z. Hu, B. Yang, M. M. Dong, Y. Liu, Y. J. Wang,and G. X. Du, “Optical sensing of broadband RF magnetic field using amicrometer sized diamond”, IEEE Trans. Magn. 55, 6500304 (2019).

4.M. M. Dong, Z. Z. Hu, Y. Liu, B. Yang, Y. J. Wang, G.X. Du, “A fiber based diamond RF B-field sensor and characterization of a smallhelical antenna”, Appl. Phys. Lett. 113, 131105 (2018).

5.B. Yang, Y. Dong, Z. Z. Hu, G. Q. Liu, Y. J. Wang,G. X. Du, “Noninvasive Imaging Method of Microwave Near Field Based on SolidState Quantum Sensing”, IEEE trans. on Micr. Theo. and Tech. 66, 2276 (2018). 

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