基于锁相放大的集成电路内部电信号光学探测方法

刘鹏程，马英起*，韩建伟

（1.中国科学院国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室，北京 100190；2.中国科学院大学 天文与空间科学学院，北京 100049）

1 引 言

在集成电路动态缺陷检测过程中通常需要采集芯片内部传输的电信号进行分析验证，以往都是通过机械探针和电子束探针这两种传统的技术手段从芯片正面探测其内部电信号[1］。然而，随着芯片集成度的提高，芯片正面的金属互联层不断增加，倒封装工艺也被广泛应用，从芯片正面探测其内部电信号的难度不断增加。同时，为了确保芯片能够正常工作，测试过程中还要尽可能地减少对芯片的破坏，保持芯片功能的完整性[2-3］。由于芯片背部的硅衬底对红外激光基本上是透明的[4］，激光可透过芯片背部的硅衬底被物镜聚焦在芯片内部有源区位置，一小部分聚焦激光在光与半导体材料之间微弱的电光相互作用下被器件的电学活动调制。因此，聚焦激光被有源区附近的金属层反射时，反射回来的激光中将携带器件内部的电活动信息。基于此原理，斯坦福大学的研究人员首先提出一种利用激光从芯片背部开封装探测其内部电信号的非接触式光学探针技术，即电光探针技术[5］。该技术通过分析反射光的光强变化就能够定性地提取芯片内部传输的电信号，有效地避免了在芯片正面探测电信号时遇到的困难[6］。

由于反射光中携带器件信息的那部分光强度较弱，会被淹没在噪声中，电光探针系统中通常采用一个高灵敏度的光电探测器探测从器件中反射回来的光，光电探测器将反射光信号转变为电信号，随后再通过一些信号处理技术将反射光中携带的器件内部电学信息从噪声中提取出来[3，7］。其中，频域测量技术和平均处理技术是电光探针系统中常用的两种信号提取技术[8-10］。频域测量技术通过傅里叶变换将反射光信号从时域变换到频域，在频域中将噪声频率和信号频率分离，然后再通过一个窄带滤波器滤除噪声频率，输出一个信号强度与所选频率下的调制强度成比例的频域信号强度[3］。频域测量技术能够快速地锁定目标信号频率在芯片上的位置，但是通过该方法只能得到某个频率点对应的信号强度信息，并不能得到器件内部电信号的时序波形信息[11］。平均处理技术是一种有效的时序波形提取技术，电光探针系统中常采用示波器实现平均处理过程[3，12］。该技术利用噪声信号具有无序性的特点，在感兴趣的时间窗口上采集数千个波形，随后将采样的波形求平均以消除噪声提高信噪比，从而将微弱的信号波形从噪声中提取出来。但是，平均处理技术仅能对平均值为零的噪声进行处理，且因为需要采集多个波形求平均，提取单个有效波形花费的时间比较长，不适合快速处理，实时性较差[13］。近年来法国国家科学研究中心和法国国家空间研究中心的研究人员又尝试将小波滤波方法应用到器件电光信号的探测过程中，在保持良好信噪比的同时可以显著地减少器件内部时序波形信号的提取时间。小波滤波方法是以小波变化中的小波分解和重构为理论基础，对微弱信号中所包含的高低频成分进行分离，最终达到去噪声的目的[11］。但是使用小波变化时小波母函数的选取比较困难，若母函数选取不合适，将会导致最终结果不够理想，同时运算量大，难以做到即时处理。综上所述，有必要发展一种新的噪声抑制能力强、操作简单的器件内部时域波形提取技术，在满足电光探针技术高探测灵敏度要求的同时，还能快速地提取信号波形。此外，国内针对电光探针技术的研究相对较少，自行研究设计电光探针系统，对国内集成电路动态缺陷检测领域的研究和发展也至关重要。

本文首先介绍了电光探针技术的原理，然后分析了器件电光信号的特点，提出了将锁相放大技术和平均处理技术融合在一起的器件电光信号提取方法，随后设计了基于共光路干涉仪的探测光路探测器件电光信号。最后，选择一款收发器芯片开展器件内部电光信号的探测实验，验证了本文提出的基于锁相放大的电光探针技术的有效性。

2 探测原理与系统设计

2.1 电光探针技术原理

电光探针技术通常用于探测以某个频率周期性开关的晶体管。激光器发出的光经过一系列的光学变换后透过芯片背部的硅衬底被物镜聚焦在芯片内部，在这个过程中激光会经过不同的界面和材料，激光被反射、传播或吸收[14］。最终，所有后向传播的光将会互相干涉，即多光束干涉，形成一个总的反射光，即器件的电光信号[15-16］。电光探针技术常采用的激光波长是1 319 nm/1 340 nm，对于这两个波段的激光，主要的效应是自由载流子折射和吸收[17］。已有的理论研究表明自由载流子效应引起的材料折射率变化是器件电光信号产生的主要原因，器件电光信号的强度大约在10-6量级[15-16，18］。因 此，需 要 一 个 灵 敏 的 探 测 技 术 去探测器件的电光信号。

2.2 基于锁相放大的信号提取方法

自由载流子效应引起的反射光中有用的信号强度比较弱，源于不同噪声源（热噪声、散粒噪声、1 f噪声等）的噪声强度通常比反射光中有用的信号强度高几个数量级，因此我们需要探测的是一个被噪声淹没的弱振幅周期性变化信号[11］。对于常规的带通滤波与平均处理相结合的信号探测方法，要想获得足够高信噪比的信号，带通滤波器带宽需要足够窄，这也就意味着滤波器品质因数也必须非常高，实际中往往很难实现。此外，带通滤波器品质因数过高会导致带通滤波器不稳定，温度、供电电压的波动均会使滤波器的中心频率发生变化，导致其通频带不能覆盖信号频率，不利于信号探测。

锁相放大技术是一种利用相关理论中的互相关原理将具有特定频率特性的微弱信号从嘈杂的背景噪声中提取出来的技术。该技术通过相敏检测的方法提取以参考频率为中心的指定频带内的信号，可有效地滤除其他无用的信号频率分量[19］。由于锁相放大技术是通过低通滤波器而不是带通滤波器来抑制带宽噪声，低通滤波器的频带可以很窄，其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性远优于带通滤波器。此外，锁相放大技术还能有效地避开噪声对信号的不利影响。因此，本文采用锁相放大技术和平均处理技术相结合的方式来提取器件的电光信号。

图1是本文提出的信号处理流程图，光电探测器输出的电信号首先经过一个隔直器去除掉无用的、大的直流背景分量，随后进行锁相放大处理。图2给出了锁相放大原理图。

图1 信号处理流程图Fig.1 Flow chart of signal processing

图2 锁相放大原理图Fig.2 Schematic diagram of lock-in amplifier

设来自光电探测器的输入电信号Vs(t)为：

利用前置放大器对输入电信号Vs(t)进行交流放大，然后再通过带通滤波器滤掉噪声和干扰。选择一个参考信号Vr(t)与滤波后的电信号Vs(t)相乘（也称混频），Vr(t)选择正弦波，但也可采用其他信号。设参考信号Vr(t)为：

Vs(t)和Vr(t)混频后得到一个包含信号频率与参考频率的差频信号分量及和频信号分量的信号Vp(t)：

随后利用低通滤波器将Vp(t)中的和频信号分量滤掉只保留差频项得到输出信号Vout(t)：

若低通滤波器的带宽很窄，只允许直流信号通过，这时将只有fs=fr的信号通过，交流信号被转变成直流信号输出。上述锁相放大的信号处理过程实质上就是在待测信号中找到与参考信号同频率的交流信号分量，然后将它变成直流分量并放大，同时滤除入射信号中的其他交流干扰信号，达到强噪声背景下检测微弱信号的目的。

考虑到低通滤波器的带宽在实际应用中并不能达到理想的那种带宽很窄的状态，经过锁相放大处理后的信号还可能包含一些小的噪声信号。因此，为了进一步提高器件电光信号的信噪比，将经过锁相放大处理的信号再进行平均处理。由于通过锁相放大技术已经消除了绝大部分的噪声干扰，相比于单纯使用平均处理技术来说，也能有效地减少平均处理过程中所需的波形数，从而减少信号提取的时间。

2.3 探测光路设计

自由载流子效应引起的材料折射率变化会导致入射激光的相位发生改变，通过干涉可将激光的相位变化转化为光强变化进而提取出器件内部的电信号，而且干涉手段灵敏度高，可以检测到极微小的相位变化。图3是我们设计的基于共光路干涉仪的探测光路示意图，该光路利用共光路干涉的方法将激光的相位变化转变为光强变化[20］，光路中包含激光器，光隔离器，偏振分束棱镜，λ8波片和物镜。

图3 基于共光路干涉仪的探测光路示意图Fig.3 Schematic diagram of the detection optical path based on the common-path interferometer

图3中激光器发出的线偏振光经光隔离器后偏振态旋转45度，调整偏振分束棱镜的位置，使激光全部透过，随后穿过λ8波片被物镜聚焦在器件有源区。偏振分束棱镜后的线偏振光可看成两束相位和振幅都相同的垂直偏振光和水平偏振光的叠加，两束线偏振光分别与晶体管的栅长和栅宽方向对齐。由于晶体管的本征不对称性，栅宽方向的线偏振光作为探测光会受到器件电活动的影响，在自由载流子效应的作用下产生随电信号变化的相移φ；栅长方向的线偏振光作为参考光不受器件电活动的影响，相位不变[14］。两束光被芯片正面的金属布线反射，在偏振分束棱镜处两束线偏振光的偏振方向被调整到同一方向发生干涉，两光之间的相位变化转变为光强变化被光电探测器接收，光信号转化为电信号后再通过锁相放大技术提取出信号波形。

偏振分束棱镜后的探测光路是一个共光路干涉光路，可等效为一个迈克尔逊干涉仪（见图4），图4中信号臂和参考臂上的光分别对应两束等效的线偏振光。图3中的λ8波片对应图4中的相位补偿器，波片的快轴和慢轴分别与两束等效线偏振光的偏振方向对齐，光往返一次后相位补偿器会在两束光之间引入一个固定的相位差θ。

假设等效干涉仪的入射光光强为Ii，则入射光的电场：

光电探测器处干涉光的电场：

根据（6）式可计算出光电探测器处的干涉光强：

其中：Ii是常量，θ是自变量，Ir是因变量，Δθ=-φ。当θ取某个值时，该处的斜率k=ΔIrΔθ越大，则ΔIr的值越大，整个探测系统对被测器件电活动造成的相位变化φ越敏感，越有利于探测器件内部的信号。图5是式（7）中各点的斜率k随θ变化曲线图，从图5中可以看到，当θ=±π2时（激光往返一次的固定相位延迟），该处斜率k的值最大，整个系统的探测灵敏度最高，因此图3中波片选择λ8波片。

图5 公式（7）斜率曲线图Fig.5 Slope curve graph of equation（7）

图6 基于锁相放大的电光探针装置示意图Fig.6 Schematic diagram of the electro-optical probing setup based on lock-in amplifier

3 实验装置

图6是我们自主设计搭建的基于锁相放大的电光探针装置示意图。图7是中国科学院国家空间科学中心的电光探针装置实物图。该装置主要由激光器、探测光路系统、检测系统、测试系统、载物系统和控制计算机组成。激光器提供1 319 nm连续激光，探测光路系统用于调控激光的光学参量，包括光隔离器、偏振分束棱镜、λ8波片和物镜。

检测系统中光电探测器探测反射光信号，探测器带宽为1.5 MHz。隔直器消除光电探测器中无用的、大的直流背景分量，锁相放大器对来自隔直器的电信号进行锁相放大处理，锁相放大器的参考信号由外部的测试系统提供。随后信号进入到示波器中，利用示波器的平均处理功能对来自锁相放大器的信号进行多次采测求平均，从而将反射光中携带的器件内部电信号信息从噪声中提取出来。

测试系统主要功能是对被测器件供电以及提供被测器件的输入信号和锁相放大器的参考信号，包括直流电源和信号发生器等；载物系统用于调整被测器件相对于聚焦激光的位置，包括三维移动台及其控制箱；控制计算机作为控制终端协调各个子系统之间的运行。

图7 电光探针装置实物图Fig.7 Real picture of the electro-optical probing setup based on lock-in amplifier

4 实验验证与结果

4.1 实验样品

实验样品是一款GLB3251型收发器芯片，图8是配套的芯片功能测试电路板。实验前对芯片进行背部开封装处理，暴露出芯片背部硅衬底。同时在电路板芯片位置处开一个孔，方便激光入射到芯片背部。实验过程中只使用收发器芯片的发送功能，该功能下芯片可将输入的TTL/CMOS逻辑电平信号转换为RS-232逻辑电平信号输出。样品的供电电压Vcc=3.3 V，外部信号发生器提供一个占空比50%，频率40 kHz，低电压0 V，高电压3.3 V的方波信号来模拟TTL逻辑电平信号作为收发器芯片的输入信号，示波器的一个通道与收发器芯片的输出信号管脚连接用来监控芯片的输出电信号是否正常。实验前通过分析芯片的设计版图和芯片背部红外成像结果确定芯片上每个功能单元的位置，随后通过三维移动台将聚焦激光移动到芯片发送电路单元偏置电流支路1的位置进行探测，聚焦光斑的直径约为1μm，聚焦激光在被测器件上的位置如图9所示。

图8 芯片功能测试电路板（红色区域为芯片背部的硅衬底）Fig.8 Chip function test circuit board（the red area is the silicon substrate on the backside of the chip）

4.2 实验结果

图10和图11是利用电光探针装置在图9所示工作电流为μA量级偏置电流支路1位置的探测结果。图10和11分别为无锁相和有锁相放大实验结果，其中，红色曲线是来自芯片管脚的输出电信号，蓝色曲线是利用激光探测到的芯片电光信号。实验过程中，图10和图11采用了不同的信号处理手段。图10是直接通过示波器采集来自光电探测器的1 214个信号波形进行平均处理得到的器件电光信号，信号波形杂乱无章，直接利用平均处理手段未能恢复器件内部电信号波形；图11是首先将来自光电探测器的电信号进行锁相放大处理，然后再通过示波器采集1 214个信号波形进行平均处理得到的器件电光信号。虽然图11中的蓝色曲线形状与通过示波器采集到的红色电信号波形相比略有畸变，但是二者的总体变化趋势一致，获取的波形依旧能够用于判断信号电平的高低。

信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR，ISNR）作为信号处理领域中评估信号处理效果重要技术指标，可以直接用来定量评估锁相放大技术的信号处理效果。信噪比计算公式如下：

其中：Vs表示信号电压幅值，Vn表示噪声电压幅值。通过对图11中的蓝色曲线进行傅里叶变换，得到信号电压幅值Vs=8.92μV，噪声电压幅值Vn=5.02μV，利用式（8）可得到图11中蓝色波形的信噪比为4.99 dB。同样对图10中蓝色波形进行傅里叶变换得到信噪比为-44.29 dB。因此，相比于直接平均处理的信号处理手段，信号处理过程中通过引入锁相放大技术能够更有效地抑制噪声，显著提高波形信噪比，从而提取出淹没在噪声中的微弱信号。

图9 聚焦激光在被测器件上的位置Fig.9 Position of the focused laser on the device under test

图10 无锁相放大实验结果Fig.10 Experimental results without lock-in amplifier

图11 有锁相放大实验结果Fig.11 Experimental results with lock-in amplifier

5 结 论

本文针对集成电路动态缺陷检测领域对芯片内部传输电信号时序波形的探测需求，提出了基于锁相放大的非接触式无损光学探测方法。设计搭建的电光探针装置将锁相放大技术和共光路干涉技术巧妙地结合在一起，既能保证探测系统高的探测灵敏度，又能从强背景噪声中提取出被噪声淹没的器件电光信号。收发器芯片的实验结果表明，利用本文所提方法设计搭建的电光探针装置可探测芯片内部动态工作电流为μA量级的电路节点处的电光信号，电光信号的信噪比可达4.99 dB。本文所提的方法可满足绝大部分集成电路电光信号的探测需求，在集成电路动态缺陷检测领域具有广阔的应用前景。