有机电光材料的反射干涉式纵向电场探测器制造技术

本发明专利技术是有机电光材料的电场探测器。有机电偶极分子的取向垂直于基板平面并在其外表面涂有选择反射膜。光束传播方向、有机分子极化方向和被测信号电场方向近似平行。由于激光在电光介质的前后两界面的反射分量的相干叠加，使反射光强受到被测电场的线性调制，成为电场信号探测器。本发明专利技术的有机电光材料的介电常数小并且电光系数高，因而这种电场传感器对被测电场的侵扰小，有利于提高电光探测系统的电压灵敏度、空间分辨率和时间分辨率。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
有机电光材料的反射干涉式纵向电场探测器本专利技术为一种电场信号探测器。现代信息产业的发展迫切需要提高信息处理的速率，这要求减小集成电路(IC)芯片中的器件尺寸，提高IC的集成度，提高IC的工作速率。在这种高速集成电路的发展过程中，IC芯片中的热效应、寄生参数效应以及器件模型参数的不确定性等问题，使IC的设计与研制工作需要经历一个逐渐完善的过程。在这过程中，需要对IC芯片内部各电路结点上的动态特性进行检测，为改进设计和制造工艺提供必要的数据资料。这种检测仪器要同时具备必要的电压灵敏度、时间分辨率和空间分辨率。现有的这方面的检测技术还没有达到满足高速集成电路发展所需要的水平。目前可资利用的高分辨率检测技术主要有三种：扫描电子显微镜、原子力显微镜和电光取样探测器。扫描电子显微镜可以达到足够高的空间分辨率，但它的时间分辨率不可能很高。在这种测量中，把待测的IC芯片放在扫描电镜的真空室内，在IC芯片内部的信号传输线上，用电子束激励二次电子发射，信号电场的变化表现为它对二次电子的排斥和吸引力的变化，根据所收集到的二次电子流的变化测定信号电压波形。为了测定IC中的高速信号，需要用脉冲取样法，因而要求电镜的电子束是超短脉冲电子束。为此只能用超短光脉冲帮助扫描电镜产生超短的大电流脉冲电子束，设备复杂而且电子束的脉冲宽度也不能很窄，这就是说，它的时间分辨率也不可能很高。而且电子束激发二次电子发射和二次电子的收集场会改变被测信号的电场，使测量结果失真。原子力显微镜具有纳米级的空间分辨率。在它的用金箔做成的悬臂上带有一个纳米尖锥的触头，当纳米尖头充分挨近IC芯片内的微带线时，尖头上的原子内的电场与微带线上的信号电场发生作用，信号电场的变化表现为这种作用力的变化，导致悬臂的起伏，并用这种悬臂的起伏表征信号电场的变化。悬臂的机械振动不可能响应很高频率的变化，只能用差频的方法检测单片微波集成电路(MMIC)中的简谐信号。对于高速集成电路中的复杂的数字脉冲信号或模-->拟信号，它是不可能响应的。电光取样技术可以达到微微秒的时间分辨率，但它的空间分辨率尚不令人满意，仍在改进中。电光取样技术有两种，一种是衬底内部电光取样技术，它要求IC芯片的衬底是GaAs或InP等具有线性电光效应的化合物半导体晶体，并要求衬底背面被光学抛光，使探测光从衬底背面入射并被聚焦到IC的信号传输线上，信号电场改变电光晶体的双折射，从而改变探测光的偏振状态，达到把电信号调制到光波上的效果。在这种衬底内部电光取样检测的方案中，要求探测光的波长大于衬底的带隙波长，以保证探测光不被IC衬底吸收。目前选用的最佳波长是半导体激光器产生的1.3微米激光，它也就限定了取样探测的光斑尺寸约1微米左右。纵然如此，已有实验结果证明，对于1.3微米波长的探测光和65×/0.7NA的显微物镜头，这种电光探测的空间分辨率可以达到0.5微米。这种衬底内部电光取样测量方法的优点是它的无侵扰性，它的缺点是，它的空间分辨率受带隙波长的限制，而且它不适用于Si或Ge等衬底无电光效应的器件，也不适用于封装在管座上的器件。另一种是衬底外部电光取样技术。把一小块GaAs或其它电光晶体薄片附着在一个透明基板上构成电光探头，而基板经过一个微调架与长焦距大数值孔径的显微物镜头连接在一起(参考图3)。由激光二极管输出的探测光束经过偏振分束器和补偿波片，再穿过透明基板射入电光探头。电光探头的前端表面镀有反射膜，探测光束在那里被反射回来。当电光探头的前端表面挨近IC芯片的器件面时，IC的微带传输线中的信号电场透过反射膜进入电光晶体，使晶体的双折射发生变化。当探测光被聚焦在微带线上时，探测光的偏振状态被信号电场调制，这种调制是经由晶体双折射的改变实现的。当探测光从电光探头反射回到偏振分束器时，偏振调制借助于检偏作用而转化为强度调制，经光电探测器接收而变换为被测电信号的复制品。这种衬底外部电光取样测量方法的优点是它适用于所有电子器件芯片内部特性的测量，可以是Si或Ge衬底的，也可以是GaAs或InP衬底的；可以是圆片上的管芯，也可以是封装在管座上的管芯。它的缺点是，由于可供应用的电光晶体的介电-->常数都比较大，ε/ε0＞10，用它做成的电光探头挨近IC芯片的信号传输线时，信号电场进入电光晶体的电场强度与介电常数成反比，电场分量的主要部分被压缩在电光探头与被测芯片之间的空气隙里，结果使这种衬底外部电光探头的电压灵敏度下降，被测电场的空间分布被扰动，探测的空间分辨率也下降。目前这种外部电光取样测量所达到的空间分辨率约2微米，这不能满足集成电路发展的需要(参见IEEE Trans.Instrum.Meas.,Vol.43,No.6,PP.843～847,1994)。本专利技术正是为了解决上述衬底外部电光取样测量存在的问题而提出来的。极化有机聚合物是一种旋涂在透明基板上的非晶态有机聚合物薄膜，在极化电场作用下使有机聚合物的电偶极分子形成有序排列，产生了以极化取向为光轴Z的∞mm对称性，有类似于6mm晶体对称性的电光性质。这类材料的电光系数可以高达20～70pm/V，比GaAs或CdTe等无机电光材料的电光系数高很多，而其介电常数却与石英玻璃接近。用这种材料做电光探头时，电压灵敏度很高，对被测的信号电场分布的干扰会很小，有利于提高空间分辨率。适当选择材料的组分，使其透明光波段的短波限移向紫外区，我们可以采用短波激光做探测光束，使空间分辨率达到0.1微米。我们已经研制出一种极化聚合物，用双酚A型环氧树脂和可以极化的胺类物质反应形成加成物，再和具有可光交联或热交联的物质反应形成具有光交联或热交联的可极化的聚合物。其单体特征结构如图1所示，环氧树脂类高分子作为主链，可极化的胺类材料为二阶非线性生色基团并被键接在主链上作为侧链，在主链上同时键接有可光交联或热交联的的侧链基团。材料的选择使透明光波段的短波限拓展到近紫外光。把这种聚合物溶解稀释，然后旋涂到透明基板上形成厚度均匀的薄膜。对形成的聚合物薄膜进行升温并加电场极化或加电晕极化，在极化的后阶段用紫外光照射或加热，使有机电光材料的交联基团完成交联反应，形成网络结构，稳定材料中生色基团的极化取向，最后将温度降至室温，使电偶极分-->子的有序排列被“冻”结起来。在我们的情况下，极化取向垂直于聚合物薄膜的表面，把该表面的法向作为光轴z，可以证明当外加电场的方向与光轴z平行时，在x和y两个方向上的感应折射率是相等的。在我们设计的电光探头中，探测光束可视为平行于极化聚合物的光轴z入射和反射的，如图2所示，可以近似地视为平面偏振光。探测光在图2所示的电光探头的有机电光材料层32里的入射和反射过程中，受到来自IC芯片上的器件电场的作用，但是x和y两方向上的偏振分量间不产生相对位相延迟，因而不产生偏振状态的调制，只产生相同的位相调制。电光探头的透明基板31的上表面，即图2中的表面33，镀有消反射膜，透明基板31与有机电光材料层32的界面34存在着探测光束的反射和透射。当探测光从信号传输线上方的有机电光材料层的表面35和界面34反射回来时，有位相调制的反射光和无位相调制的反射光干涉叠加的结果，使位相调制的光转化为光电探测器可接收的强度调制信号，从而使我们获得IC芯片中电信号的复制品。这本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可微调位置的透明基板和附着在基板上的有机电光材料层组成的电光探头，由电光探测光学单元产生的探测光束经显微物镜头聚焦后，穿过透明基板、基板与电光材料层的界面和电光材料层，聚焦光斑落在电光材料层的外表面上，并被该表面上的高反射介质膜反射，当聚焦光斑挨近待测的电信号传输线时，信号电场进入有机电光材料层，本专利技术的特征是电光介质极化方向、探测光传播方向和待测信号电场方向近似平行，组成反射干涉式纵向电场探测器。

【技术特征摘要】
1．一种可微调位置的透明基板和附着在基板上的有机电光材料层组成的电光探头，由电光探测光学单元产生的探测光束经显微物镜头聚焦后，穿过透明基板、基板与电光材料层的界面和电光材料层，聚焦光斑落在电光材料层的外表面上，并被该表面上的高反射介质膜反射，当聚焦光斑挨近待测的电信号传输线时，信号电场进入有机电光材料层，本发明的特征是电光介质极化方向、探测光传播方向和待测信号电场方向近似平行，组成反射干涉式纵向电场探测器。2．一种按照权利要求1所述的反射式纵向电场探测器，其特征在于透明基板与有机电光材料层的界面上要有入射光的反射和透射，因此在有机电光材料层中的每一次反射光受到的纵向电光位相调制，通过干涉叠加而转化为强度调制，成为光电探测器能够直接接收的待测电信号的复制品。3．一种按照权利要求1所述的电光探测光学单元的构造原理是，由可见光激光二极管产生的激光经过准直透镜变换为平行光，经偏振分束器确定其线偏振方向，经λ/4波片变换为园偏振光输出，再经过物镜头聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：衣茂斌，张大明，孙伟，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]