БЕСКОНТАКТНОЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЕРХБЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ТЕСТЕРОВ ИС Российский патент 1996 года по МПК G01R31/28 

Изобретение относится к электрическим измерениям и предназначено для проведения тестового функционального и динамического контроля сверхбыстродействующих ИС.

Целью изобретения является повышение чувствительности электрооптического измерительного устройства сверхбыстродействующего тестера без снижения производительности измерений.

Цель достигается тем, что в электрооптическом измерительном устройстве тестера, содержащем пластину из электрооптического материала с металлизированными областями на поверхности, зондирующий импульсный лазер с устройством управления поляризацией на выходе, сканирующую оптическую систему, расположенную между пластиной и лазером, двухканальный анализатор, расположенный на пути отраженного от металлизированной области излучения, и приемно-усилительную систему с фотодетекторами, расположенными в обоих каналах анализатора, и усилителем, подключенным к фотодетекторам, фотодетекторы выполнены в виде линеек фотоприемных элементов, а в каждый канал анализатора между анализатором и линейкой фотоприемных элементов дополнительно введены дефлекторы с блоком синхронизации, вход которого имеет оптическую или электрическую связь с импульсным лазером, а выходы электрически соединены с дефлекторами, и фокусирующей оптической системой, расположенной между дефлектором и линейкой фотоприемных элементов.

Совокупность быстродействующего дефлектора и линейки фотоприемников дает возможность параллельно регистрировать сигналы, соответствующие сразу n (по числу фотоприемных элементов в линейке) импульсам тестовой последовательности, причем требование сверхбыстродействия ни к фотоприемнику, ни к усилителю не предъявляется. Благодаря этому можно значительно повысить вольтовую чувствительность электрооптического измерительного устройства тестера за счет применения фотоприемников в режиме с накоплением заряда при многократном прохождении теста. При K-кратном накоплении чувствительность измерений возрастает в раз, причем для этого требуется K•M•m/n проходов теста, где M и m число импульсов в тестовой последовательности и число точек стробирования на одном импульсе соответственно. Таким образом, получить выигрыш в чувствительности в раз можно, не уменьшая производительность измерений по сравнению с режимом без накопления, если выбрать K/n≅1. Увеличение времени на накопление компенсируется параллельной регистрацией сразу n импульсов. Кроме того, в предлагаемом устройстве для съема информации используется каждый лазерный импульс, без "прореживания", а чем больше точек регистрируется за один проход теста, тем меньше диапазон линий задержки и тем меньшее число проходов теста требуется для регистрации всей последовательности, т.е. общее время измерений сокращается.

Дополнительным преимуществом предложенного решения является возможность увеличения временного разрешения измерителя. Благодаря отказу от режима регистрации фотоответа в реальном времени ограничение временного разрешения измерителя, накладываемое шириной полосы фотоприемника и усилительной системы, снимается. Временное разрешение в предлагаемом устройстве не зависит от быстродействия фотоприемников и определяется длительностью зондирующего лазерного импульса. Следовательно, даже при использовании менее быстродействующих фотоприемников и усилителя оно может быть увеличено путем использования лазера с более короткими импульсами (1-2 пс вместо 100 пс в прототипе).

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства, где: 1 пластина из электрооптического материала с металлизированными площадками, 2 зондирующий импульсный лазер, 3 устройство управления поляризацией, 4 оптическая сканирующая система, включающая объектную линзу 5 и двухкоординатный сканер 6, 7 двухканальный анализатор излучения, 8 дефлектор, 9 блок синхронизации дефлекторов, 10 линейка фотоприемников, 11 усилитель, 12 - светоделительное зеркало, 13 фотоприемник системы синхронизации, 14 формирователь управляющего сигнала дефлектора, 15 фокусирующая система.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы сигналов в различных точках измерительного устройства, где: 1 измеряемая тестовая последовательность, 2 зондирующие лазерные импульсы, 3, 4 оптические сигналы на двух соседних элементах линейки фотоприемников, 5 информационный сигнал на выходе дифференциального усилителя в фазе считывания.

На фиг. 3 показаны принципиальная схема одного из возможных вариантов выполнения формирователя и временная диаграмма входных и выходного сигналов: K_i токовые ключи, T_i триггеры, ЛЗ корректирующие линии задержки, R_н сопротивление нагрузки, Вх входные импульсы от фотоприемника 13 (фиг. 1), Вых выходное управляющее напряжение на дефлектор 8 (фиг. 1).

На фиг. 4 представлена принципиальная блок-схема тестера, включающего электрооптическое измерительное устройство. Здесь: 16 управляющая ЭВМ, 17 - плата синхронизации, 18 плата входных данных, 19 адресная плата, 20 - pin-драйверы, 21 электрооптическое измерительное устройство, 22 общая шина управления, остальные позиции те же, что на фиг. 1.

При конкретном выполнении устройства, соответствующего принципиальной схеме на фиг. 1, составные части его могут быть реализованы различным образом, так же как в основу метода измерений могут быть положены различные электрооптические эффекты. Наиболее удобен для измерительного устройства линейный продольный эффект Поккельса (наведенное электрическим полем двулучепреломление), на примере которого рассмотрим работу одного из вариантов предлагаемого устройства.

Пусть электрооптическая пластина 1 представляет собой кристалл LiNbO₃ с металлизированными площадками на поверхности с характерным размером ≈100 x 10 мкм². Кристаллографическая ориентация пластины [010] Используется лазер 2 на красителях с пассивной синхронизацией мод, который является высокостабильным источником сверхкоротких (1-2 пс) импульсов излучения с длиной волны из области прозрачности LiNbO₃ и частотой следования 70-100 МГц. Устройство 3 управления поляризацией состоит из поляризатора и четвертьволновой пластинки. Оптическая система 4 включает объектную линзу 5 и двухкоординатный зеркальный сканер 6, расположенный в фокусе объективной линзы и направляющий зондирующий луч в заданную точку электрооптической пластины 1 по сигналам от управляющей ЭВМ 16 (фиг. 4), входящей в состав тестера. Вместо зеркального сканера можно использовать и X-Y акустооптический дефлектор. Требования по фокусировке умеренные благодаря размеру металлизированных площадок. Двухканальный анализатор 7 излучения выполнен в виде призмы Волластона.

В качестве дефлекторов 8 используются быстродействующие электрооптические дефлекторы, например, на кристалле LiNbO₃. Такой дефлектор обеспечивает временное разрешение в диапазоне 10^-10 с при числе разрешимых позиций более 100 и максимальном угле отклонения более 2^o. Блок 9 синхронизации состоит из полупрозрачного зеркала 10, расположенного на пути зондирующего лазерного излучения, фотоприемника 13, расположенного за полупрозрачным зеркалом, и формирователя 14 управляющего сигнала дефлектора, имеющего электрическую связь с фотоприемником 13. Формирователь (фиг. 3) представляет собой генератор ступенчатого напряжения, выполненный по известной схеме. Ступенчатое управляющее напряжение получается путем суммирования токов на общей нагрузке, включенной в анодные цепи токовых ключей K_i с неравными, но кратными величинами токов. Синхронизация дефлектора с частотой лазерных импульсов обеспечивается тем, что входной управляющий сигнал генератора ступенчатого напряжения формируется из сигнала фотоприемника, воспринимающего часть излучения лазера.

В качестве линеек фотоприемников 10 используются ПЗС-фотоприемники с числом элементов n, превышающим отношение максимальной длительности тестовой последовательности сигналов к периоду следования зондирующих лазерных импульсов. Например, можно использовать фоточувствительную ИС с зарядовой связью К1200ЦЛ1. Функционально эта ИС представляет собой фоточувствительную секцию накопления с числом элементов 1024, считывающий регистр, входное и выходное устройства. Выходные сигналы с ПЗС-фотоприемников поступают на дифференциальный усилитель 11, в котором разностный сигнал усиливается и преобразуется в цифровую форму.

Оптическая система 15 представляет собой линзу или объектив, в одном фокусе которой расположен дефлектор, а во втором линейка фотоприемников. Фокусное расстояние линзы подбирается таким, чтобы размер пятна d соответствовал размеру фотоприемного элемента. Если, например, размер элемента 20 мкм, а расходимость лазерного луча γ=2′ то согласно формуле d=γ′f, f 30 мм. Если используется 100-элементная линейка, то максимальный угол отклонения луча с такой оптической системой менее 2^o.

Предлагаемое бесконтактное электрооптическое измерительное устройство предназначено для применения в сверхбыстродействующих тестерах ИС и работает в составе тестера следующим образом.

Основные функциональные подсистемы известного электрооптического тестера показаны на фиг. 4: управляющая ЭВМ 16, подсистема 17 синхронизации с опорной частотой, задаваемой частотой следования лазерных импульсов посредством фотоприемника 13, плата 18 входных данных, плата 19 адресов, платы 20 быстродействующей pin-электроники, формирующие последовательность входных сигналов на выводах измеряемой ИС, электрооптическое измерительное устройство 21. Все исполнительные устройства тестера подключены к общей шине 22 управления. Лазерные зондирующие и входные электрические импульсы жестко синхронизованы с помощью системы 17 синхронизации, причем так, что тактовая частота тестовой последовательности является точной гармоникой частоты следования лазерных импульсов. (Лазер в режиме синхронизации мод является высокоточным источником опорной частоты для всей системы синхронизации тестера.) Система синхронизации содержит управляемые линии задержки, позволяющие сдвигать последовательность входных сигналов относительно зондирующих лазерных импульсов.

В тестере требуемая последовательность входных сигналов (далее тест) поступает на измеряемую ИС в периодическом режиме с максимальной частотой, определяемой длиной теста L. Для больших сверхбыстродействующих ИС размер теста может достигать 1000 и более импульсов с длительностью порядка 1 нс. Сигналы, которые нужно измерить, через интерфейсную плату передаются на металлизированные площадки на поверхности электрооптической пластины 1, входящей в состав предлагаемого измерительного устройства.

Измерение электрических сигналов на металлизированных площадках на поверхности электрооптической пластины 1 осуществляется бесконтактным способом путем зондирования лазерным лучом через подложку и анализа поляризации отраженного от металлизации излучения. Индуцированное электрическим полем двулучепреломление проявляется в изменении исходной поляризации излучения после прохождения через электрооптический материал. Устройство 3 управления поляризацией служит для установления исходной циркулярной поляризации излучения лазера. Оптическая система 4 по сигналам управляющей ЭВМ направляет зондирующее излучение поочередно на нужные металлизированные площадки через противоположную поверхность пластины. На пути отраженного от металлизированной площадки излучения помещен анализатор 7, расщепляющий излучение на два луча, линейно поляризованные в перпендикулярных плоскостях. При этом, если отраженное излучение циркулярно поляризовано, интенсивности этих лучей одинаковы. Благодаря описанной системе синхронизации тестера каждый лазерный импульс совпадает по времени с каждым N-м импульсом теста (см. фиг. 2). Например, если частота следования лазерных импульсов 100 МГц, а тактовая частота тестовой последовательности 1000 МГц, то каждый 10-й импульс теста будет совпадать по времени с лазерным импульсом.

Электрооптическая модуляция отраженного излучения, возникающая вследствие электрического эффекта в пластине в моменты совпадения лазерного и электрического импульсов, приводит к эллиптической поляризации отраженного излучения и, как результат, к изменению соотношения интенсивностей в первом и втором каналах после анализатора. Разность этих интенсивностей и является полезным сигналом, пропорциональным величине электрического сигнала в момент прихода зондирующего импульса излучения.

Два быстродействующих электрооптических дефлектора 8 в каждом канале синхронно с частотой следования лазерных импульсов направляют излучение последовательно на элементы линейки фотоприемников 10 так, что первый (с момента начала теста) зондирующий импульс направляется на первый элемент, второй на второй и т.д. (фиг. 2). Синхронность обеспечивается тем, что в блоке синхронизации дефлектора с лазером входной сигнал генератора управляющего напряжения формируется из сигнала фотоприемника, воспринимающего часть излучения лазера, либо из сигнала, управляющего формированием лазерных импульсов. Оптическая система 13 служит для согласования размеров отклоняемого луча с размером фотоприемных элементов в линейке фотоприемников. Число элементов в линейке фотоприемников n желательно выбрать по крайней мере на 1 больше отношения длительности теста L к периоду следования лазерных импульсов T. Например, если длительность теста 992 нс, а период лазерных импульсов
10 нс, то следует взять линейку фотоприеников со 100 элементами. В этом случае для регистрации всех импульсов тестовой последовательности потребуется простробировать временной интервал не более Т 10 нс. Таким образом, за один проход теста n пар фотоприемных элементов фиксируют сигналы, соответствующие сразу n импульсам тестовой последовательности. При повторных проходах теста цикл работы дефлекторов также повторяется, т.е. каждый зондирующий импульс направляется на тот же фотоприемный элемент, что и при первом проходе. К фотоприемникам не предъявляется требование сверхвысокого быстродействия, они работают в режиме с накоплением заряда, позволяющим значительно увеличить отношение сигнал/шум.

Считывание информации с линеек фотоприемников осуществляется с частотой, в К раз меньшей частоты повторения теста, если К число накоплений. Отношение сигнал/шум возрастает в раз. При использовании линейных ПЗС фотоприемников типа К1200ЦЛ1 с пространственным разделением областей накопления и сдвигового регистра накопление производится одновременно со считыванием зарядов, поступивших на сдвиговый регистр ранее. Считываемые сигналы с обеих линеек синхронно поступают на дифференциальный усилитель 9, а разностный сигнал с выхода усилителя в запоминающее устройство тестера. Сопряжение линейных ПЗС с ЭВМ принципиальных трудностей не представляет, технические решения известны. Синхронность считывания, как и синхронность взаимодействия всех систем тестера, обеспечивается управляющей программой тестера.

После К повторений в соответствии с заложенной программой с помощью управляемых линий задержки, входящих в состав тестера, происходит сдвиг тестовой последовательности относительно лазерного импульса на заданный шаг, например на время, равное длительности одного электрического импульса, и весь цикл повторяется. При этом регистрируются следующие n импульсов теста. После N-1 сдвигов информация, соответствующая всем импульсам теста в данной точке ИС, будет записана в ЗУ для последующего представления в необходимом виде. Это режим функционального контроля. В режиме контроля динамики измерения производятся с более мелким шагом линии задержки, при этом фиксируются фронты и форма измеряемых импульсов.

Технико-экономический эффект изобретения по сравнению с известным устройством проявляется, прежде всего, в увеличении чувствительности без снижения производительности измерений, а также в возможности существенного увеличения временного разрешения. Например, при использовании линейки из 100 фотоприемных элементов за один проход теста регистрируется сразу 100 импульсов тестовой последовательности, т.е. без увеличения времени измерения по сравнению с известным устройством можно осуществить 100=кратное накопление сигнала, что даст 10-кратное увеличение чувствительности. Выбрав K/n < 1, можно одновременно повысить чувствительность и сократить время измерений по сравнению с известным устройством. Так, при 50-кратном накоплении на 100 фотоприемных элементах чувствительность увеличивается более чем в 7 раз, а время измерения одной площадки сокращается в 2 раза. Даже при работе в режиме без многократного накопления заряда предложенное устройство обеспечивает более высокую производительность, чем прототип, поскольку для съема информации используется каждый лазерный импульс, а в прототипе в результате "прореживания" только каждый 76-й.

Поскольку в предлагаемом устройстве отсутствует регистрация зондирующих импульсов в реальном времени, можно использовать лазер в режиме с компрессией, т.е. со значительно более короткими импульсами. Увеличение временного разрешения за счет лазера составит не менее 20 раз менее 5 пс вместо 100 пс.

Дополнительный положительный эффект определяется снижением требований к другим системам тестера. Например, снимаются очень жесткие требования к быстродействию фотоприемников, ширине полосы приемно-усилительной системы и мощности лазера. Кроме того, параллельно-последовательное измерение тестовой последовательности в предлагаемом устройстве позволяет значительно (например, в 100 раз) уменьшить диапазон управляемой линии задержки, что не только сокращает время измерения теста, но и существенно упрощает устройство.

Изобретение относится к электрооптическим измерениям и предназначено для проведения тестового функционального и динамического контроля сверхбыстродействующих ИС. Измерительное устройство содержит пластину из электрооптического материала с металлизированными областями на поверхности, зондирующий импульсный лазер с устройством управления поляризацией, сканирующую оптическую систему, расположенную между пластиной и лазером, двухканальный анализатор, расположенный на пути отраженного от металлизированной области излучения, и приемно-усилительную систему с фотодетекторами, расположенными в обоих каналах анализатора. Фотодетекторы выполнены в виде линеек фотоприемных элементов, в каждый канал анализатора между анализатором и линейкой фотоприемных элементов дополнительно введен дефлектор с блоком синхронизации, вход которого функционально связан с импульсным лазером, а выходы электрически соединены с дефлекторами и фокусирующей оптической системой, расположенной между дефлектором и линейкой фотоприемных элементов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Бесконтактное электрооптическое измерительное устройство для сверхбыстродействующих тестеров ИС, содержащее пластину из электрооптического материала с металлизированными областями на поверхности, зондирующий импульсный лазер с устройством управления поляризацией, на выходе сканирующую оптическую систему, расположенную между пластиной и лазером, двухканальный анализатор, расположенный на пути отраженного от металлизированной области излучения, и приемно-усилительную систему, включающую фотодетектор, расположенный в обоих каналах анализатора, и усилитель, подключенный к фотодетектору, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности без снижения производительности измерительного устройства, фотодетекторы выполнены в виде линеек фотоприемных элементов, а в каждый канал анализатора между 2-х канальным анализатором и линейкой фотоприемных элементов дополнительно введены дефлекторы с фокусирующей оптической системой, расположенной между дефлектором и линейкой фотоприемных элементов и блоком синхронизации дефлекторов, вход которого функционально связан с зондирующим импульсным лазером, а выходы электрически соединены с дефлекторами. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что линейки фотоприемных элементов выполнены в виде ПЭС-фотоприемников. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве дефлекторов используются электрооптические дефлекторы, а блок синхронизации дефлектора выполнен в виде полупрозрачного зеркала, расположенного за полупрозрачным зеркалом формирователя управляющего сигнала дефлектора имеющего электрическую связь с фотоприемником.