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基于金刚石氮–空位色心的微波磁场成像技术的可靠性研究

唐雨桐 叶安 付鼎元 李晓林 张超

唐雨桐, 叶安, 付鼎元, 等. 基于金刚石氮–空位色心的微波磁场成像技术的可靠性研究[J]. 航天器环境工程, 2023, 40(6): 682-691 doi:  10.12126/see.2023043
引用本文: 唐雨桐, 叶安, 付鼎元, 等. 基于金刚石氮–空位色心的微波磁场成像技术的可靠性研究[J]. 航天器环境工程, 2023, 40(6): 682-691 doi:  10.12126/see.2023043
TANG Y T, YE A, FU D Y, et al. Study on the reliability of microwave magnetic field imaging technique based on diamond nitrogen-vacancy color centers[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2023, 40(6): 682-691 doi:  10.12126/see.2023043
Citation: TANG Y T, YE A, FU D Y, et al. Study on the reliability of microwave magnetic field imaging technique based on diamond nitrogen-vacancy color centers[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2023, 40(6): 682-691 doi:  10.12126/see.2023043

基于金刚石氮–空位色心的微波磁场成像技术的可靠性研究

doi: 10.12126/see.2023043
基金项目: 民用航天预研项目D040301
详细信息
    作者简介:

    唐雨桐,硕士研究生,主要从事金刚石氮−空穴色心磁场测量研究

    通讯作者:

    张 超,高级工程师,主要从事新型磁场测量技术研究。

  • 中图分类号: TN707; V443

Study on the reliability of microwave magnetic field imaging technique based on diamond nitrogen-vacancy color centers

  • 摘要: 相对于单片微波集成电路(MMIC)芯片的设计与制造工艺发展,芯片的测试与失效分析研究进展缓慢。文章首先调研了基于金刚石氮–空位(NV)色心的高空间分辨率微波磁成像应用及通过磁成像技术反演电流分布的技术进展;继而进行了基于NV色心系综微波磁场成像技术的MMIC热态可靠性研究。结果表明:利用基于金刚石NV色心的微波磁场成像技术,对毫米波微波芯片表面的二维矢量场进行高空间分辨率、高灵敏度的快速成像与重构,可以采集芯片在正常和非正常工作状态下的磁场成像信息;进一步对微波芯片内部的信息进行反演重建,可以实现芯片内部故障点的精确定位诊断和潜在故障点排除。所做研究有望为芯片设计、生产、测试提供可靠性诊断。
  • 图  1  金刚石色心晶体结构示意

    Figure  1.  Schematic diagram of the crystal structure of diamond color center

    图  2  金刚石中NV色心的4种晶体取向[18]

    Figure  2.  Four crystal orientations of NV color centers in diamond[18]

    图  3  用菱形晶格向量定义的NV对称轴和实验室坐标系方向$ \hat{x} $$ \hat{y} $$ \hat{\textit{z}}$[21]

    Figure  3.  NV symmetry axis defined by rhombic lattice vectors and lab frame directions of $ \hat{x} $$ \hat{y} $ and $ \hat{{\textit{z}}} $[21]

    图  4  石墨烯缺陷附近的电流图像[30]

    Figure  4.  Current image near graphene defects[30]

    图  5  利用石墨烯磁场信号反演石墨烯内部电流信号[30]

    Figure  5.  Internal current signal inverted by graphene magnetic field signal[30]

    图  6  电流密度三维分量JxJyJz$ 的 $图像[38]

    Figure  6.  Images of the three-dimensional components of Jx, Jy, Jz of current density[38]

    图  7  IC外层的三维表示[38]

    Figure  7.  Three-dimensional representation of the outer layer of IC[38]

    图  8  系综金刚石NV色心微波磁场成像系统原理示意

    Figure  8.  Principle of the integrated diamond NV color center microwave magnetic field imaging system

    图  9  微波芯片故障树[46]

    Figure  9.  Fault tree of microwave chips[46]

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  • 通讯作者:  张超,
  • 中图分类号:  TN707; V443
  • 收稿日期:  2023-04-06
  • 修回日期:  2023-12-01
  • 网络出版日期:  2023-12-28
  • 刊出日期:  2023-12-25

基于金刚石氮–空位色心的微波磁场成像技术的可靠性研究

doi: 10.12126/see.2023043
    基金项目:  民用航天预研项目D040301
    作者简介:

    唐雨桐,硕士研究生,主要从事金刚石氮−空穴色心磁场测量研究

    通讯作者: 张 超,高级工程师,主要从事新型磁场测量技术研究。
  • 中图分类号: TN707; V443

摘要: 相对于单片微波集成电路(MMIC)芯片的设计与制造工艺发展,芯片的测试与失效分析研究进展缓慢。文章首先调研了基于金刚石氮–空位(NV)色心的高空间分辨率微波磁成像应用及通过磁成像技术反演电流分布的技术进展;继而进行了基于NV色心系综微波磁场成像技术的MMIC热态可靠性研究。结果表明:利用基于金刚石NV色心的微波磁场成像技术,对毫米波微波芯片表面的二维矢量场进行高空间分辨率、高灵敏度的快速成像与重构,可以采集芯片在正常和非正常工作状态下的磁场成像信息;进一步对微波芯片内部的信息进行反演重建,可以实现芯片内部故障点的精确定位诊断和潜在故障点排除。所做研究有望为芯片设计、生产、测试提供可靠性诊断。

English Abstract

唐雨桐, 叶安, 付鼎元, 等. 基于金刚石氮–空位色心的微波磁场成像技术的可靠性研究[J]. 航天器环境工程, 2023, 40(6): 682-691 doi:  10.12126/see.2023043
引用本文: 唐雨桐, 叶安, 付鼎元, 等. 基于金刚石氮–空位色心的微波磁场成像技术的可靠性研究[J]. 航天器环境工程, 2023, 40(6): 682-691 doi:  10.12126/see.2023043
TANG Y T, YE A, FU D Y, et al. Study on the reliability of microwave magnetic field imaging technique based on diamond nitrogen-vacancy color centers[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2023, 40(6): 682-691 doi:  10.12126/see.2023043
Citation: TANG Y T, YE A, FU D Y, et al. Study on the reliability of microwave magnetic field imaging technique based on diamond nitrogen-vacancy color centers[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2023, 40(6): 682-691 doi:  10.12126/see.2023043
    • 自20世纪60年代以来,以微带线[1]为代表的微波与毫米波混合集成电路(microwave integrated circuits, MIC)以其结构紧凑、体积小、重量轻、造价低以及便于同有源器件相连等优点而得到迅速发展;继而随着新型集成介质传输线、介质波导以及谐振器/谐振腔在MIC的使用[2]以及MIC加工工艺的进一步成熟,出现了将大量有源器件和无源器件/组件或模块集成于一块集成电路(integrated circuit, IC)[3]的单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit, MMIC)[4]。如今,MMIC技术已在高科技领域得到广泛应用[5-8],它不仅使系统的体积进一步减小,加工成本降低[9],而且令系统的功能性和可靠性得到提升[6]。芯片作为MMIC的重要部件之一,其测试是芯片设计生产过程的最后一个环节,在保证芯片的功能正常性与性能指标的准确性方面起着非常重要的作用[10]。但是现有的芯片测试与失效分析技术无法同时满足非侵入式热态测量、直接测量和宽场测量需求,例如:探针式测试只能测量直流特征;微波探头测试虽然可以实现直接测量,但其侵入式测量的特点使热态参数偏移,单点效率低。

      磁成像是探测生物和物理系统的强有力工具。对于MMIC的热态失效模式、热态参数、可靠性评估和故障诊断的研究,相较现有技术,利用基于金刚石氮–空位(nitrogen-vacancy, NV)色心的微波磁场成像有显著优势:1)直接测量微波场幅度,可以实现直接测量,并且测量带宽大,可从DC到100 GHz量级,刷新率可达300 kHz;2)金刚石NV色心作为一种微波窗口材料,对微波电磁场的影响忽略不计,可以实现非侵入式测量;3)金刚石NV色心分布间隔在nm量级,同时金刚石NV色心片尺寸在cm量级,足够对芯片进行大范围的宽场测量;4)金刚石NV色心可高温(1000 K以下)工作,满足高温可靠性测试的实验需求;5)磁场与光学、温度复合成像,可以进行矢量磁场测量。利用金刚石NV色心可实现对二维矢量磁场的高空间分辨率、高灵敏度快速测量和重建[11];进一步对微波芯片内部的信息进行反演重建,可实现芯片内部故障点的精确定位诊断、潜在故障点排除;还可以为芯片设计、制备工艺、检测工艺提供优化所必须的诊断数据[12]。因此,开发该种全新的芯片表面微波磁场矢量测量技术至关重要。

      本文首先介绍基于NV色心的高空间分辨率的二维磁场成像原理,并对基于NV色心磁成像技术的应用以及通过磁成像技术反演电流分布的技术进展进行了调研;继而对基于NV色心系综微波磁场成像技术的MMIC热态可靠性进行研究,给出其总体方案,并概述NV色心方案较其他方案在芯片失效分析、可靠性评估、热态参数测试及故障诊断方面的优势。

    • 图1所示,NV色心是金刚石中的一种晶格缺陷,由一个替代碳原子的氮原子(N)和一个邻近的空位(V)组成[13]。迄今为止,发现了NV色心有两种不同状态:中性态NV0和负电荷态NV-,只有负电荷态的NV-缺陷可以应用于微波测量。

      图  1  金刚石色心晶体结构示意

      Figure 1.  Schematic diagram of the crystal structure of diamond color center

    • 量子自旋态的制备和相干控制是基于金刚石NV色心体系进行测量的物理基础,对金刚石NV色心施加连续的微波和激光来实现自旋操控。NV色心的基态具有自旋三重态,表示为|ms=0>、|ms=-1>、|ms=1>,|ms>代表电子自旋状态。当微波的频率与基态的塞曼分裂能级差匹配时,自旋态为|ms=±1>的电子布居度将达到最大。当外部磁场发生变化时,|ms=0>和|ms=±1>之间的能级差也会随之改变;微波的频率与基态塞曼分裂能级差开始出现不匹配,这种不匹配的程度称为偏共振。随着偏共振程度的增加,|ms=±1>的布居度最终会接近于零。金刚石NV色心基态的电子布居度变化会导致荧光强度的变化,在扫描微波频率时,可以观测到洛伦兹线型的吸收谱曲线。在测量微波磁场强度时,微波信号以脉冲形式发送,将微波频率定于吸收谱线的共振点处,扫描微波脉冲宽度,金刚石NV色心在|ms=0>和|ms=±1>两种自旋态之间的布居数呈现衰减的正弦拉比振荡,在物理形式上表现为荧光强度的变化[14],即

      $$ V={V}_{0}-{V}_{1}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(h{\Omega }_{{\mathrm{R}}}t\right){\mathrm{e}}^{{\text-}\tfrac{t}{\tau }} \text{,} $$ (1)

      式中:V为载波频率处的荧光强度;V0为边带频率处的荧光强度[15]V1为调制频率处的荧光强度;h为普朗克常数;ΩR为拉比(Rabi)频率;t为微波脉冲时间;τ为拉比振荡的退相干时间。当式(1)满足t→0+的条件时,可近似为

      $$ V=V_{0}-V_{1}h\Omega_{{\mathrm{R}}}t。 $$ (2)

      此时,VΩR成线性关系,R=2πγBMW,其中:γ为NV色心的旋磁比;BMW为微波磁场强度[16]。可知,BMWΩR成线性关系,

      $$ V=V_{0}-V_{1}2{\text{π}}\gamma B_{\text{MW}}t。 $$ (3)

      当时间远小于1个振荡周期时,可近似为线性,如果固定微波脉宽,则微波磁场强度在一定范围内与荧光强度成线性关系,通过测量荧光强度即可测量微波磁场强度[17]

    • 利用高敏感相机测量金刚石色心表面的荧光分布变化,在微波脉冲时间很短的条件下,荧光强度和微波磁场成线性关系[14]。通过每一次测量待测样品不同位置的拉比振荡,可以推出其位置上的微波磁场强度,因此只需选取合适的微波脉冲时间,通过测量荧光分布的变化,即可一次性得到待测样品表面所有区域的微波磁场分布情况,并对应得到各点的微波磁场幅值,实现将微波磁场幅值转换为相机拍摄的像素点光强读数的功能。

    • 图2[18]所示,金刚石NV色心有4种不同的晶向[19],每种晶向对应不同的微波共振频率。在实际测量中,要尽可能保证所施加的微波频率与基态能级的共振频率一致[20]。通过调整偏置磁场的大小,可以使4种不同晶向的NV色心分别达到共振状态,实施拉比振荡。测量得到的磁场是被测磁场在各个晶体轴上形成的矢量投影。如果建立一个笛卡尔坐标系,NV1、NV2、NV3和NV4分别代表NV色心的4种不同晶向的轴。每两个NV色心轴之间的夹角是109.47°,NV1轴向为[111];NV2轴向为$ [{\bar{1}}11] $;NV3轴向为$ [1{\bar{1}}1] $;NV4轴向为$[{\bar{1}}{\bar{1}}1] $,如图3所示。选择系综金刚石表面作为坐标系的xy平面,z轴和金刚石表面垂直。通过几何运算,可以得到4个轴的矢量表达式。在这种情况下,磁感应强度的各轴向分量分别可以表示为[21]

      图  2  金刚石中NV色心的4种晶体取向[18]

      Figure 2.  Four crystal orientations of NV color centers in diamond[18]

      图  3  用菱形晶格向量定义的NV对称轴和实验室坐标系方向$ \hat{x} $$ \hat{y} $$ \hat{\textit{z}}$[21]

      Figure 3.  NV symmetry axis defined by rhombic lattice vectors and lab frame directions of $ \hat{x} $$ \hat{y} $ and $ \hat{{\textit{z}}} $[21]

      $$ \left\{\begin{aligned} & B_x=\frac{\sqrt{6}}{4}(B_{\mathrm{N}\mathrm{V}_2}-B_{\mathrm{N}\mathrm{V}_1}) \\ & B_y=B_{\mathrm{N}\mathrm{V}_3}-B_{\mathrm{N}\mathrm{V}_4} \\ & B_{\textit{z}}=B_{\mathrm{N}\mathrm{V}_1}+B_{\mathrm{N}\mathrm{V}_2}+B_{\mathrm{N}\mathrm{V}_3}+B_{\mathrm{N}\mathrm{V}_4}\end{aligned}\right.\text{,} $$ (4)

      式中$ B_{\text{NV}_i}\ \left(i=1,\ 2,\ 3,\ 4\right) $为磁场在4种不同晶轴的投影。利用色心的多轴分布特性,通过时分复用,多次测量可得到不同方向微波磁场的幅值投影,经过计算和重构可以得到二维探测平面上磁场的全部矢量信息。

    • 基于NV色心的磁力计大致分为两类:一是使用单个NV色心作为扫描探针单元;二是使用系综NV色心进行磁场传感和成像。它们提供了不同的空间分辨率和磁场灵敏度,并应用在材料科学、生物学和量子技术的不同研究领域。

    • 基于单个金刚石NV色心的量子传感方案是将单个金刚石NV色心集成到原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)的尖端。将共聚焦显微镜、毫瓦天线和AFM系统结合起来,用于记录NV色心的独立光致发光(photoluminescence, PL)。在这种方法中,AFM的针尖和共聚焦显微镜放置在样品的相对侧(采用倒置配置),或者使用具有长工作距离的显微镜物镜放置在样品的同侧。这种布置可以研究透明和不透明的磁性结构。通过纳米定位仪器和毫瓦激光的结合,NV色心的电子自旋可以在环境条件下作为无扰动的原子尺寸扫描探针磁强计。当探针接近目标时,可以感知样品发出的任何局部磁场的存在,从而引起相关的电子自旋共振(electron spin resonance, ESR)移位,从而可定量测量沿着NV色心量化轴的磁场投影[22]

      实现扫描磁传感器的工程设计主要有两种方式。其中一种直接的方式是将带有单个NV色心的金刚石纳米晶体使用UV固化黏合剂或带有正电的聚合物(如聚赖氨酸[23])固定在AFM尖端的顶端[24]。在施加固定微波频率的情况下,通过记录NV缺陷的光致发光强度对磁性纳米结构周围的磁场轮廓成像,当电子自旋跃迁与施加的微波频率共振时,光致发光图像会变暗。尽管将金刚石纳米晶体接枝到AFM尖端在实验中简单且可靠,但精确控制AFM尖端上的纳米金刚石位置比较困难,这限制了磁传感器与目标样品之间的最小可实现距离。

      为了充分发挥基于金刚石NV色心的磁强计的潜力,所选用的金刚石NV色心应具有长时间的自旋相干并且能够进行扫描,以便有效地读取和扫描目标样品。为此,Grinolds提出了一种方法:使用全金刚石扫描探针尖端,它包含单个NV色心,这些尖端是由高纯度气相化学沉积(chemical vapor deposition,CVD)制造的金刚石样品制成的[25]。这种单片扫描NV色心传感器采用金刚石纳米柱作为扫描探针,通过在柱端大约10 nm处注入离子来人工创建单个NV色心;金刚石纳米柱的典型直径为200 nm,长度为1 μm,并制造在几μm大小的金刚石平台上,这些平台单独连接到AFM尖端用于扫描。上述器件均由高纯度单晶块状金刚石制成,以确保NV色心具有长自旋相干时间;此外,金刚石纳米柱作为NV色心荧光的有效波导,显著提高了光信号的收集效率。这种方法下的NV色心靠近样品表面,因此具有较高的探测灵敏度。

    • 虽然共聚焦显微镜方案已成功实现了基于NV色心的高灵敏度磁场传感和梯度测量,但在某些情况下,比如在生物系统中测量磁场和温度时,通常需要将基于NV色心的传感器与光纤接口结合使用。一种常见的方法是在光纤的一端附加一小块金刚石,从而形成一个小巧且具有高积分电位的实用磁强计探头[26]。在光纤平台上对金刚石NV色心产生的光探测磁共振(optical detected magnetic resonance, ODMR)进行光学检测,为室温磁场成像、磁梯度测量以及单个生物细胞的测温提供了一种轻便且强大的固态量子测量平台。

      使用集成了金刚石NV色心和数值孔径(numerical aperture, NA)较高的光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)的磁力计,可以在不影响光纤探头耐久性的情况下进一步提高光纤磁场成像的空间分辨率。这种成像技术的空间分辨率受NV色心晶体尺寸和NV色心附着在光纤芯上的直径影响。通过减小NV色心和光纤芯的尺寸,可以获得更高的空间分辨率。但是,这种空间分辨率的提高是以光纤捕获的低PL信号为代价的,会导致磁场测量的灵敏度较低。因此,光纤的数值孔径成为影响空间分辨率、PL信号和灵敏度水平的关键参数。

      Duan等提出了一种改进方案,例如在末端增加一面镜子,以提升荧光的收集效率和空间分辨率[27]。通过使用合适的微凹反射镜,将散射的激发激光聚焦到位于反射镜焦点的金刚石上;同时,为避免来自金刚石晶体的与光纤相反方向的荧光在到达检测器时丢失,镜面将这部分荧光重新聚焦到接收光锥区的光纤中。相较于不使用镜子的情况,采用微凹反射镜可以将荧光收集率提高约25倍,从而有助于获得高信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)的光检测磁共振信号。此外,通过在光学系统中采用1×2光纤耦合器替代光路中一些笨重的光学元件,能够简化NV传感器系统,使系统的复杂性降低,同时有效地从含有微晶金刚石NV色心中获得激发和荧光收集[27]

      Duan等提出了其他方案,即内窥镜型配置的锥形光纤(tapered optical fiber, TOF),以提高激发和荧光收集效率[28]。在构建基于NV色心的内窥镜型传感器时,利用光纤激发金刚石中的NV色心并收集其荧光是至关重要的。因为单个NV色心的荧光相对较弱,容易被绿色激光激发的光纤芯氧化缺陷的荧光所掩盖,所以在构建内窥镜型传感器时,在光纤顶端固定一个微米级大小的含有高密度NV色心的金刚石相较于纳米级金刚石含有单个或多个NV色心是更为可行的选择。

      然而,大多数光纤的数值孔径较小,这限制了荧光收集效率,进而影响了基于NV色心的内窥镜型传感器的灵敏度和空间分辨率。实验结果显示,TOF针尖的激发效率可达非TOF光纤针尖的7倍以上,而荧光收集效率甚至可高达15倍以上。这说明锥形光纤尖端具有较高的数值孔径,因此具备更高的NV色心激发和荧光收集效率,有望潜在提升基于NV色心的内窥镜型传感器的灵敏度和空间分辨率。

    • 基于金刚石NV色心的微波磁场成像技术是一种基于固态电子自旋的全新磁场传感技术[11]。金刚石色心因其原子级的缺陷尺寸、优异的温度适应能力、稳定的发光特性、良好的自旋相干性能、可操控的能级结构以及对环境场的高度敏感[29],在传感领域尤其在微波场传感方面具备广泛的应用潜力。

      2017年,墨尔本大学利用系综金刚石NV色心构建的量子传感器阵列,映射了矢量磁场,并对石墨烯的几何结构上的矢量电流密度进行了重建,对电流的投影灵敏度小至1 mA,空间分辨率<1 μm(如图4[30]所示);同时,使用测量得到的磁场信号对石墨烯表面电流进行了反演,图5展示了与亚微米级物理缺陷相对应的明显空间变化[30]。2018年,巴塞尔大学基于系综金刚石NV色心的磁场测量成果,研制了一款拥有mm级的视场和μm级的空间分辨率的宽场微波显微镜。该显微镜的微波强度灵敏度为130 $ \mathrm{n}\mathrm{T}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $,动态范围为48 dB,时间分辨率为1 ms;并利用该显微镜对微波电路元件上方几μm范围内2.77 GHz的微波场进行了成像[31]。2020年,麻省理工学院利用纳米金刚石NV色心实现了温度和磁场的同时成像测量,磁场灵敏度达到$ \mathrm{n}\mathrm{T}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $量级,同时温度测量灵敏度也达到$ \mathrm{m}\mathrm{K}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $量级[32]。2021年,斯图加特大学采用外差方式探测微波场,在对4 GHz微波信号进行测量时,获得了低于1 Hz的光谱分辨率[33]

      图  4  石墨烯缺陷附近的电流图像[30]

      Figure 4.  Current image near graphene defects[30]

      图  5  利用石墨烯磁场信号反演石墨烯内部电流信号[30]

      Figure 5.  Internal current signal inverted by graphene magnetic field signal[30]

      利用磁场反演得到的电流可以进行芯片故障分析。1989年,美国物理研究所提出了一种基于Biot-Savart定律的算法,通过测量磁场来获取二维电流分布的图像[34];2017年,魏茨曼科学研究所凝聚态物理研究部为解决使用该方法产生的过度平滑问题,开发了一种直接的磁场反演程序,并引入了一种反射程序,允许重建穿过测量窗口边界的电流[35]。2020年,墨尔本大学研究发现,相比基于平面外场Bz的电流密度重建方法,同时测量两个平面内分量(BxBy)的重建结果更为理想[36]。同年,哈佛大学对具有多个电流平面的情况且电流被限制为仅具有JxJy分量的电流源进行了重建,结果表明梯度测量可增强附近所关注的电流源的可识别性[37]。2021年,康奈尔大学使用NV色心探测多层IC中电流产生的磁场,并展示了室温下对电流密度的三维分量JxJyJz的重建,如图6图7所示[38],其中图7[38]中箭头的厚度和颜色均与总电流密度大小成比例;该研究表明,空间分辨率达到亚微米级,并且通过电流在不同层中的局部化,可以观察到电子芯片中的异常电流。这一突破性研究为nm级电子芯片三维电流映射奠定了基础[38]

      图  6  电流密度三维分量JxJyJz$ 的 $图像[38]

      Figure 6.  Images of the three-dimensional components of Jx, Jy, Jz of current density[38]

      图  7  IC外层的三维表示[38]

      Figure 7.  Three-dimensional representation of the outer layer of IC[38]

    • 图8所示,532 nm激光器利用声光调制器产生光脉冲,通过放在显微物镜前约200 mm、焦距f=250 mm的柱透镜创建片状激光。由于圆柱形透镜的反射会造成约100 mW的激光功率损失,所以将透镜由垂直激光入射口方向倾斜约60°,以达到所需的片状激光厚度。假设无进一步损失,钻石上面积为14 μm×1.5 mm的光斑的强度为3 kW/mm2。使用显微镜物镜后面的两个镜子来引导激光束入射到钻石边缘。钻石边缘的激光束由于其路径与垂直方向有一定的角度,故光束路径弯曲的角度<90°。这个入射光的一部分作为水平片状激光光片被耦合到钻石(侧面需打磨成光学面)中,形成均匀照射,实现色心态制备和探测。色心金刚石与待测器件紧贴,外加的微波信号通过开关和功放形成微波脉冲作用于色心金刚石,其拉比振荡频率与微波磁场幅度成正比。对于μm尺寸的微波辐射结构,宽场成像技术是其探测的常用技术手段,不仅可以得到较高的空间分辨率,更重要的是可以快速分辨出不同位置的微波辐射强弱[39]。色心金刚石发出的荧光通过物镜和透镜,成像到sCMOS相机;通过宽场成像模式,得到荧光二维平面分布;双色镜和长通滤光片滤除杂散的532 nm激光提高信噪比。通过对sCMOS相机采集图像数据的处理,可重构出色心金刚石表面附近待测微波芯片的矢量磁场幅值和相位信息。待测芯片安装于三维纳米促动调节平台上,移动待测芯片扫描测量位置,可获得芯片矢量磁场分布全貌。

      图  8  系综金刚石NV色心微波磁场成像系统原理示意

      Figure 8.  Principle of the integrated diamond NV color center microwave magnetic field imaging system

    • 金刚石色心体系具备直接测量微波幅度与相位信息的功能,属于非侵入式测量,可在器件正常工作状态下进行,且被测参数受到探头的影响可忽略,因此测量结果更加接近原值,所提供的MMIC参数退化和可靠性信息更加准确。通过MMIC芯片近场微波测量,可得到包括插入损耗、RF小信号增益和增益压缩为1 dB时的输出功率的参数退化测试结果。

    • 判断失效的模式,查找失效原因和机理,提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动称为失效分析。失效分析是确定芯片失效机理的必要手段,为有效的故障诊断提供了信息,为生产测试提供补充,为验证测试流程优化提供信息基础[40]

      传统的芯片失效分析方法有金属球制作接触式探针、显微红外热成像、电流检测等[19]。芯片微波近场测量一般利用金属开放式波导,但金属探头会对待测微波磁场产生干扰,从而降低测量的准确性;且探头本身尺寸相较于芯片的μm级布线来说较大,难以进入器件内部,故无法满足高分辨率、非破坏性的矢量微波近场测试要求[41]。显微红外热成像方法是依据各种元器件失效导致的光辐射以热效应体现出的原理,通过分析热成像来进行失效分析,但对于无热效应体现的元器件无效[17]。目前,失效分析工作使用最多的是电流检测方法,但用于测试生成的算法设计过程复杂,测试生成要求较高[19]

      利用基于金刚石NV色心的微波磁场成像对微波毫米波芯片的热态失效模式进行研究,相较于上述方法,有显著优势:1)金刚石作为一种通用的微波窗口材料,对被测微波场影响可以忽略,具有非侵入性[11];2)可以以ms量级的速率检测mm量级尺寸的工作区域[12],对一些变化较快的热态参数可捕捉到实时数据;3)成像区域可动态调节,对于更小的成像区域可提供更快的成像速度。失效分析时,通过金刚石色心磁场成像,可反演出芯片内部微波场分布并得到射频参数,研究与饱和漏电流变化的关系,可以解释有源器件的失效机理;可反演出无源器件附近微波场分布,研究微波损耗和相位的含时变化,可以进行无源器件的失效分析。

    • 处于功率激励条件下的热态器件参数关系到器件的输出功率和效率,以及工作稳定性等因素,因此该参数的获取对微波设计有重要意义。

      给定一个故障和失效准则,确定可靠性的最直接方法是将大量样本在实际条件下使用,并随时间推移对照故障准则监控其性能。但大多数产品的使用寿命较长,因此这种方法不切实际[10]。芯片等电子元件的可靠性评估有诸多方法,如星上单机级电子产品采用加速寿命试验[42]方法、微波电子产品使用步进应力加速退化试验(step stress accelerated degradation testing, SSADT)评估方法等。但这些可靠性评估方法只能用于批次产品,无法对实际使用的单个元件进行精确、无损的诊断。

      金刚石NV色心满足高温(1000 K以下)可靠性测试的实验需求[43]。为了在合理的时间内获取MMIC可靠性数据,可以采用“加速测试”技术。这种加速过程受应力–时间模型的控制,其中阿伦尼乌斯(Arrhenius)公式已被半导体行业作为指导原则[44]。将实验数据或者热力学仿真结果通过阿伦尼乌斯公式处理,可获得设备在正常工作温度下的寿命和可靠度等。

      对阿尼利乌斯公式进行改写,可表示为

      $$ \mathrm{ln}\left(\frac{{t}_{2}}{{t}_{1}}\right)=\frac{{E}_{\alpha }}{k}\left(\frac{1}{{T}_{2}}-\frac{1}{{T}_{1}}\right) \text{,} $$ (5)

      式中:t1t 2为失效时间;Eα为材料对应的活化能;k为斯忒藩–玻耳兹曼常量;T1T2为绝对温度。一般而言,电子元器件运行温度每升高10 ℃,其寿命约缩短1/3到1/2。

      针对GaAs器件耐高温的特点,加速实验选取的环境温度范围为150~300 ℃之间,每种器件需要进行以下测试:

      1)室温参数。该项测试参数包括器件的插入损耗、RF小信号增益、增益压缩为1 dB时的输出功率。

      2)高温参数。在实验温度范围内每隔5 ℃取一个温度点快速提取所需要的敏感参数,对所采集数据进行线性插值,得出该温度段内每个温度点所对应的参数值。

      3)加速老化。在给定的温度范围内施加一定的升温速率,同时对样品施加恒定电应力加速样品的退化;在与高温参数相对应的各温度点测量样品的参数,提取各个温度点下的敏感参数,达到所规定的失效标准时停止。

      4)样品恢复。老化实验后对未损坏的样品进行测试,提取与室温下相对应的各参数。

      基于NV色心磁成像技术的可靠性评估的优势有:1)通过简单升级,即可添加磁场与温度复合成像功能[45],在进行可靠性测试的同时精确测量局域温度,为可靠性加速老化实验提供准确的温度参数;2)可同时监测多个器件或芯片中的多个部位,从而更全面和系统性地开展可靠性研究;3)微波器件可以连接前级和负载进行热态测试,能够提供被测件在工作状态下的匹配、稳定性评估,以及放大器级联之间的影响等技术信息,方便进行热态器件测量。

    • 电子元器件的故障分析是指借助各种测试技术和分析方法明确元器件的失效过程,分辨失效模式或机理,从而确定其最终的失效原因[1]。故障树分析法(fault tree analysis, FTA)[46]是故障分析常用的一种重要方法:先把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为分析目标;然后找出直接导致这一故障发生的全部因素;再找出造成下一级事件发生的全部直接因素,直到那些故障机理已知的基本因素为止。微波芯片的典型故障树如图9所示。

      图  9  微波芯片故障树[46]

      Figure 9.  Fault tree of microwave chips[46]

      利用基于NV色心的微波磁场成像,可同时获得磁场成像与光学成像,使得定位失效故障器件位置更加方便。

    • MMIC因其体积和质量小、生产成本低、一致性好等优点得到广泛应用。如今,国外毫米波频段的放大器、混频器以及开关等都有MMIC产品,而且武器装备中的毫米波星载、弹载以及机载系统已经大量采用MMIC技术,甚至一些毫米波多功能模块,如接收/发射组件,也已经有大量单片成果。但芯片测试与失效分析技术的发展速度远不及芯片设计与制造工艺发展的速度。芯片的可靠性研究可以保证芯片的功能正常性与性能指标的准确性,而黑盒测试、微波探头测试和红外成像等现有方案有缺陷,无法同时满足微波芯片测试非侵入式热态测量、直接测量、宽场测量的需求。目前已有许多基于NV色心进行微波场传感的应用,利用NV色心系综微波磁场成像技术可以满足对微波毫米波核心芯片热态参数测试、可靠性评估、故障诊断的表面电磁场测量快速重构,以及高精度表征的测试需求,可以应用于高功率微波武器、微波无线电能传输、战术通信、微波遥感和雷达等相关微波芯片的设计和测试中。

参考文献 (46)

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