基于金剛石氮-空位色心的微波磁場(chǎng)成像技術(shù)的可靠性研究

唐雨桐，葉 安，付鼎元，李曉林，張 超

（1.華東理工大學(xué) 物理學(xué)院，上海 200237； 2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，以微帶線[1]為代表的微波與毫米波混合集成電路（microwave integrated circuits, MIC）以其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、造價(jià)低以及便于同有源器件相連等優(yōu)點(diǎn)而得到迅速發(fā)展；繼而隨著新型集成介質(zhì)傳輸線、介質(zhì)波導(dǎo)以及諧振器/諧振腔在MIC 的使用[2]以及MIC 加工工藝的進(jìn)一步成熟，出現(xiàn)了將大量有源器件和無(wú)源器件/組件或模塊集成于一塊集成電路（integrated circuit,IC）[3]的單片微波集成電路（monolithic microwave integrated circuit, MMIC）[4]。如今，MMIC 技術(shù)已在高科技領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-8]，它不僅使系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小，加工成本降低[9]，而且令系統(tǒng)的功能性和可靠性得到提升[6]。芯片作為MMIC 的重要部件之一，其測(cè)試是芯片設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，在保證芯片的功能正常性與性能指標(biāo)的準(zhǔn)確性方面起著非常重要的作用[10]。但是現(xiàn)有的芯片測(cè)試與失效分析技術(shù)無(wú)法同時(shí)滿足非侵入式熱態(tài)測(cè)量、直接測(cè)量和寬場(chǎng)測(cè)量需求，例如：探針式測(cè)試只能測(cè)量直流特征；微波探頭測(cè)試雖然可以實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量，但其侵入式測(cè)量的特點(diǎn)使熱態(tài)參數(shù)偏移，單點(diǎn)效率低。

磁成像是探測(cè)生物和物理系統(tǒng)的強(qiáng)有力工具。對(duì)于MMIC 的熱態(tài)失效模式、熱態(tài)參數(shù)、可靠性評(píng)估和故障診斷的研究，相較現(xiàn)有技術(shù)，利用基于金剛石氮-空位（nitrogen-vacancy, NV）色心的微波磁場(chǎng)成像有顯著優(yōu)勢(shì)：1）直接測(cè)量微波場(chǎng)幅度，可以實(shí)現(xiàn)直接測(cè)量，并且測(cè)量帶寬大，可從DC 到100 GHz量級(jí)，刷新率可達(dá)300 kHz；2）金剛石NV 色心作為一種微波窗口材料，對(duì)微波電磁場(chǎng)的影響忽略不計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)非侵入式測(cè)量；3）金剛石NV 色心分布間隔在nm 量級(jí)，同時(shí)金剛石NV 色心片尺寸在cm 量級(jí)，足夠?qū)π酒M(jìn)行大范圍的寬場(chǎng)測(cè)量；4）金剛石NV 色心可高溫（1000 K 以下）工作，滿足高溫可靠性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)需求；5）磁場(chǎng)與光學(xué)、溫度復(fù)合成像，可以進(jìn)行矢量磁場(chǎng)測(cè)量。利用金剛石NV 色心可實(shí)現(xiàn)對(duì)二維矢量磁場(chǎng)的高空間分辨率、高靈敏度快速測(cè)量和重建[11]；進(jìn)一步對(duì)微波芯片內(nèi)部的信息進(jìn)行反演重建，可實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部故障點(diǎn)的精確定位診斷、潛在故障點(diǎn)排除；還可以為芯片設(shè)計(jì)、制備工藝、檢測(cè)工藝提供優(yōu)化所必須的診斷數(shù)據(jù)[12]。因此，開(kāi)發(fā)該種全新的芯片表面微波磁場(chǎng)矢量測(cè)量技術(shù)至關(guān)重要。

本文首先介紹基于NV 色心的高空間分辨率的二維磁場(chǎng)成像原理，并對(duì)基于NV 色心磁成像技術(shù)的應(yīng)用以及通過(guò)磁成像技術(shù)反演電流分布的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了調(diào)研；繼而對(duì)基于NV 色心系綜微波磁場(chǎng)成像技術(shù)的MMIC 熱態(tài)可靠性進(jìn)行研究，給出其總體方案，并概述NV 色心方案較其他方案在芯片失效分析、可靠性評(píng)估、熱態(tài)參數(shù)測(cè)試及故障診斷方面的優(yōu)勢(shì)。

1 基于NV 色心的高空間分辨率的二維磁場(chǎng)成像原理與進(jìn)展

1.1 NV 色心簡(jiǎn)介

如圖1 所示，NV 色心是金剛石中的一種晶格缺陷，由一個(gè)替代碳原子的氮原子（N）和一個(gè)鄰近的空位（V）組成[13]。迄今為止，發(fā)現(xiàn)了NV 色心有兩種不同狀態(tài)：中性態(tài)NV0和負(fù)電荷態(tài)NV-，只有負(fù)電荷態(tài)的NV-缺陷可以應(yīng)用于微波測(cè)量。

圖1 金剛石色心晶體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the crystal structure of diamond color center

1.2 NV 色心測(cè)磁原理

量子自旋態(tài)的制備和相干控制是基于金剛石NV 色心體系進(jìn)行測(cè)量的物理基礎(chǔ)，對(duì)金剛石NV 色心施加連續(xù)的微波和激光來(lái)實(shí)現(xiàn)自旋操控。NV 色心的基態(tài)具有自旋三重態(tài)，表示為|ms=0＞、|ms=-1＞、|ms=1＞，|ms＞代表電子自旋狀態(tài)。當(dāng)微波的頻率與基態(tài)的塞曼分裂能級(jí)差匹配時(shí)，自旋態(tài)為|ms=±1＞的電子布居度將達(dá)到最大。當(dāng)外部磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，|ms=0＞和|ms=±1＞之間的能級(jí)差也會(huì)隨之改變；微波的頻率與基態(tài)塞曼分裂能級(jí)差開(kāi)始出現(xiàn)不匹配，這種不匹配的程度稱(chēng)為偏共振。隨著偏共振程度的增加，|ms=±1＞的布居度最終會(huì)接近于零。金剛石NV 色心基態(tài)的電子布居度變化會(huì)導(dǎo)致熒光強(qiáng)度的變化，在掃描微波頻率時(shí)，可以觀測(cè)到洛倫茲線型的吸收譜曲線。在測(cè)量微波磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，微波信號(hào)以脈沖形式發(fā)送，將微波頻率定于吸收譜線的共振點(diǎn)處，掃描微波脈沖寬度，金剛石NV 色心在|ms=0＞和|ms=±1＞兩種自旋態(tài)之間的布居數(shù)呈現(xiàn)衰減的正弦拉比振蕩，在物理形式上表現(xiàn)為熒光強(qiáng)度的變化[14]，即

式中：V為載波頻率處的熒光強(qiáng)度；V0為邊帶頻率處的熒光強(qiáng)度[15]；V1為調(diào)制頻率處的熒光強(qiáng)度；h為普朗克常數(shù)；ΩR為拉比（Rabi）頻率；t為微波脈沖時(shí)間；τ為拉比振蕩的退相干時(shí)間。當(dāng)式(1)滿足t→0+的條件時(shí)，可近似為

此時(shí)，V與ΩR成線性關(guān)系，hΩR=2πγBMW，其中：γ為NV 色心的旋磁比；BMW為微波磁場(chǎng)強(qiáng)度[16]?？芍?，BMW與ΩR成線性關(guān)系，

當(dāng)時(shí)間遠(yuǎn)小于1 個(gè)振蕩周期時(shí)，可近似為線性，如果固定微波脈寬，則微波磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)與熒光強(qiáng)度成線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度即可測(cè)量微波磁場(chǎng)強(qiáng)度[17]。

1.3 NV 色心二維磁場(chǎng)高分辨成像方法

利用高敏感相機(jī)測(cè)量金剛石色心表面的熒光分布變化，在微波脈沖時(shí)間很短的條件下，熒光強(qiáng)度和微波磁場(chǎng)成線性關(guān)系[14]。通過(guò)每一次測(cè)量待測(cè)樣品不同位置的拉比振蕩，可以推出其位置上的微波磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此只需選取合適的微波脈沖時(shí)間，通過(guò)測(cè)量熒光分布的變化，即可一次性得到待測(cè)樣品表面所有區(qū)域的微波磁場(chǎng)分布情況，并對(duì)應(yīng)得到各點(diǎn)的微波磁場(chǎng)幅值，實(shí)現(xiàn)將微波磁場(chǎng)幅值轉(zhuǎn)換為相機(jī)拍攝的像素點(diǎn)光強(qiáng)讀數(shù)的功能。

1.4 矢量電磁場(chǎng)計(jì)算與重構(gòu)

如圖2[18]所示，金剛石NV 色心有4 種不同的晶向[19]，每種晶向?qū)?yīng)不同的微波共振頻率。在實(shí)際測(cè)量中，要盡可能保證所施加的微波頻率與基態(tài)能級(jí)的共振頻率一致[20]。通過(guò)調(diào)整偏置磁場(chǎng)的大小，可以使4 種不同晶向的NV 色心分別達(dá)到共振狀態(tài)，實(shí)施拉比振蕩。測(cè)量得到的磁場(chǎng)是被測(cè)磁場(chǎng)在各個(gè)晶體軸上形成的矢量投影。如果建立一個(gè)笛卡 爾 坐 標(biāo) 系，NV1、NV2、NV3和NV4分 別 代 表NV 色心的4 種不同晶向的軸。每?jī)蓚€(gè)NV 色心軸之間的夾角是109.47°，NV1軸向?yàn)閇111]；NV2軸向?yàn)?[1ˉ11] ； NV3軸向?yàn)?[11ˉ1] ； NV4軸向?yàn)?[1ˉ1ˉ1]，如圖3 所示。選擇系綜金剛石表面作為坐標(biāo)系的xy平面，z軸和金剛石表面垂直。通過(guò)幾何運(yùn)算，可以得到4 個(gè)軸的矢量表達(dá)式。在這種情況下，磁感應(yīng)強(qiáng)度的各軸向分量分別可以表示為[21]

圖2 金剛石中NV 色心的4 種晶體取向[18]Fig.2 Four crystal orientations of NV color centers in diamond[18]

圖3 用菱形晶格向量定義的NV 對(duì)稱(chēng)軸和實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系方向 x? 、 y?和z?[21]Fig.3 NV symmetry axis defined by rhombic lattice vectors and lab frame directions of x? 、 y? and z?[21]

式中BNVi(i=1, 2, 3, 4)為磁場(chǎng)在4 種不同晶軸的投影。利用色心的多軸分布特性，通過(guò)時(shí)分復(fù)用，多次測(cè)量可得到不同方向微波磁場(chǎng)的幅值投影，經(jīng)過(guò)計(jì)算和重構(gòu)可以得到二維探測(cè)平面上磁場(chǎng)的全部矢量信息。

1.5 其他基于NV 色心的量子傳感方案

基于NV 色心的磁力計(jì)大致分為兩類(lèi)：一是使用單個(gè)NV 色心作為掃描探針單元；二是使用系綜NV 色心進(jìn)行磁場(chǎng)傳感和成像。它們提供了不同的空間分辨率和磁場(chǎng)靈敏度，并應(yīng)用在材料科學(xué)、生物學(xué)和量子技術(shù)的不同研究領(lǐng)域。

1.5.1 基于單個(gè)金剛石NV 色心的量子傳感

基于單個(gè)金剛石NV 色心的量子傳感方案是將單個(gè)金剛石NV 色心集成到原子力顯微鏡（atomic force microscope, AFM）的尖端。將共聚焦顯微鏡、毫瓦天線和AFM 系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，用于記錄NV 色心的獨(dú)立光致發(fā)光（photoluminescence,PL）。在這種方法中，AFM 的針尖和共聚焦顯微鏡放置在樣品的相對(duì)側(cè)（采用倒置配置），或者使用具有長(zhǎng)工作距離的顯微鏡物鏡放置在樣品的同側(cè)。這種布置可以研究透明和不透明的磁性結(jié)構(gòu)。通過(guò)納米定位儀器和毫瓦激光的結(jié)合，NV 色心的電子自旋可以在環(huán)境條件下作為無(wú)擾動(dòng)的原子尺寸掃描探針磁強(qiáng)計(jì)。當(dāng)探針接近目標(biāo)時(shí)，可以感知樣品發(fā)出的任何局部磁場(chǎng)的存在，從而引起相關(guān)的電子自旋共振（electron spin resonance, ESR）移位，從而可定量測(cè)量沿著NV 色心量化軸的磁場(chǎng)投影[22]。

實(shí)現(xiàn)掃描磁傳感器的工程設(shè)計(jì)主要有兩種方式。其中一種直接的方式是將帶有單個(gè)NV 色心的金剛石納米晶體使用UV 固化黏合劑或帶有正電的聚合物（如聚賴(lài)氨酸[23]）固定在AFM 尖端的頂端[24]。在施加固定微波頻率的情況下，通過(guò)記錄NV 缺陷的光致發(fā)光強(qiáng)度對(duì)磁性納米結(jié)構(gòu)周?chē)拇艌?chǎng)輪廓成像，當(dāng)電子自旋躍遷與施加的微波頻率共振時(shí)，光致發(fā)光圖像會(huì)變暗。盡管將金剛石納米晶體接枝到AFM 尖端在實(shí)驗(yàn)中簡(jiǎn)單且可靠，但精確控制AFM 尖端上的納米金剛石位置比較困難，這限制了磁傳感器與目標(biāo)樣品之間的最小可實(shí)現(xiàn)距離。

為了充分發(fā)揮基于金剛石NV 色心的磁強(qiáng)計(jì)的潛力，所選用的金剛石NV 色心應(yīng)具有長(zhǎng)時(shí)間的自旋相干并且能夠進(jìn)行掃描，以便有效地讀取和掃描目標(biāo)樣品。為此，Grinolds 提出了一種方法：使用全金剛石掃描探針尖端，它包含單個(gè)NV 色心，這些尖端是由高純度氣相化學(xué)沉積（chemical vapor deposition，CVD）制造的金剛石樣品制成的[25]。這種單片掃描NV 色心傳感器采用金剛石納米柱作為掃描探針，通過(guò)在柱端大約10 nm 處注入離子來(lái)人工創(chuàng)建單個(gè)NV 色心；金剛石納米柱的典型直徑為200 nm，長(zhǎng)度為1 μm，并制造在幾μm 大小的金剛石平臺(tái)上，這些平臺(tái)單獨(dú)連接到AFM 尖端用于掃描。上述器件均由高純度單晶塊狀金剛石制成，以確保NV 色心具有長(zhǎng)自旋相干時(shí)間；此外，金剛石納米柱作為NV 色心熒光的有效波導(dǎo)，顯著提高了光信號(hào)的收集效率。這種方法下的NV 色心靠近樣品表面，因此具有較高的探測(cè)靈敏度。

1.5.2 基于系綜NV 色心的光纖磁強(qiáng)計(jì)磁場(chǎng)探測(cè)

雖然共聚焦顯微鏡方案已成功實(shí)現(xiàn)了基于NV 色心的高靈敏度磁場(chǎng)傳感和梯度測(cè)量，但在某些情況下，比如在生物系統(tǒng)中測(cè)量磁場(chǎng)和溫度時(shí)，通常需要將基于NV 色心的傳感器與光纖接口結(jié)合使用。一種常見(jiàn)的方法是在光纖的一端附加一小塊金剛石，從而形成一個(gè)小巧且具有高積分電位的實(shí)用磁強(qiáng)計(jì)探頭[26]。在光纖平臺(tái)上對(duì)金剛石NV 色心產(chǎn)生的光探測(cè)磁共振（optical detected magnetic resonance, ODMR）進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)，為室溫磁場(chǎng)成像、磁梯度測(cè)量以及單個(gè)生物細(xì)胞的測(cè)溫提供了一種輕便且強(qiáng)大的固態(tài)量子測(cè)量平臺(tái)。

使用集成了金剛石NV 色心和數(shù)值孔徑（numerical aperture, NA）較高的光子晶體光纖（photonic crystal fiber, PCF）的磁力計(jì)，可以在不影響光纖探頭耐久性的情況下進(jìn)一步提高光纖磁場(chǎng)成像的空間分辨率。這種成像技術(shù)的空間分辨率受NV 色心晶體尺寸和NV 色心附著在光纖芯上的直徑影響。通過(guò)減小NV 色心和光纖芯的尺寸，可以獲得更高的空間分辨率。但是，這種空間分辨率的提高是以光纖捕獲的低PL 信號(hào)為代價(jià)的，會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)測(cè)量的靈敏度較低。因此，光纖的數(shù)值孔徑成為影響空間分辨率、PL 信號(hào)和靈敏度水平的關(guān)鍵參數(shù)。

Duan 等提出了一種改進(jìn)方案，例如在末端增加一面鏡子，以提升熒光的收集效率和空間分辨率[27]。通過(guò)使用合適的微凹反射鏡，將散射的激發(fā)激光聚焦到位于反射鏡焦點(diǎn)的金剛石上；同時(shí)，為避免來(lái)自金剛石晶體的與光纖相反方向的熒光在到達(dá)檢測(cè)器時(shí)丟失，鏡面將這部分熒光重新聚焦到接收光錐區(qū)的光纖中。相較于不使用鏡子的情況，采用微凹反射鏡可以將熒光收集率提高約25 倍，從而有助于獲得高信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）的光檢測(cè)磁共振信號(hào)。此外，通過(guò)在光學(xué)系統(tǒng)中采用1×2 光纖耦合器替代光路中一些笨重的光學(xué)元件，能夠簡(jiǎn)化NV 傳感器系統(tǒng)，使系統(tǒng)的復(fù)雜性降低，同時(shí)有效地從含有微晶金剛石NV 色心中獲得激發(fā)和熒光收集[27]。

Duan 等提出了其他方案，即內(nèi)窺鏡型配置的錐形光纖（tapered optical fiber, TOF），以提高激發(fā)和熒光收集效率[28]。在構(gòu)建基于NV 色心的內(nèi)窺鏡型傳感器時(shí)，利用光纖激發(fā)金剛石中的NV 色心并收集其熒光是至關(guān)重要的。因?yàn)閱蝹€(gè)NV 色心的熒光相對(duì)較弱，容易被綠色激光激發(fā)的光纖芯氧化缺陷的熒光所掩蓋，所以在構(gòu)建內(nèi)窺鏡型傳感器時(shí)，在光纖頂端固定一個(gè)微米級(jí)大小的含有高密度NV 色心的金剛石相較于納米級(jí)金剛石含有單個(gè)或多個(gè)NV 色心是更為可行的選擇。

然而，大多數(shù)光纖的數(shù)值孔徑較小，這限制了熒光收集效率，進(jìn)而影響了基于NV 色心的內(nèi)窺鏡型傳感器的靈敏度和空間分辨率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，TOF 針尖的激發(fā)效率可達(dá)非TOF 光纖針尖的7 倍以上，而熒光收集效率甚至可高達(dá)15 倍以上。這說(shuō)明錐形光纖尖端具有較高的數(shù)值孔徑，因此具備更高的NV 色心激發(fā)和熒光收集效率，有望潛在提升基于NV 色心的內(nèi)窺鏡型傳感器的靈敏度和空間分辨率。

1.6 NV 色心磁力計(jì)磁成像技術(shù)應(yīng)用

基于金剛石NV 色心的微波磁場(chǎng)成像技術(shù)是一種基于固態(tài)電子自旋的全新磁場(chǎng)傳感技術(shù)[11]。金剛石色心因其原子級(jí)的缺陷尺寸、優(yōu)異的溫度適應(yīng)能力、穩(wěn)定的發(fā)光特性、良好的自旋相干性能、可操控的能級(jí)結(jié)構(gòu)以及對(duì)環(huán)境場(chǎng)的高度敏感[29]，在傳感領(lǐng)域尤其在微波場(chǎng)傳感方面具備廣泛的應(yīng)用潛力。

2017 年，墨爾本大學(xué)利用系綜金剛石NV 色心構(gòu)建的量子傳感器陣列，映射了矢量磁場(chǎng)，并對(duì)石墨烯的幾何結(jié)構(gòu)上的矢量電流密度進(jìn)行了重建，對(duì)電流的投影靈敏度小至1 mA，空間分辨率＜1 μm（如圖4[30]所示）；同時(shí)，使用測(cè)量得到的磁場(chǎng)信號(hào)對(duì)石墨烯表面電流進(jìn)行了反演，圖5 展示了與亞微米級(jí)物理缺陷相對(duì)應(yīng)的明顯空間變化[30]。2018 年，巴塞爾大學(xué)基于系綜金剛石NV 色心的磁場(chǎng)測(cè)量成果，研制了一款擁有mm 級(jí)的視場(chǎng)和μm 級(jí)的空間分辨率的寬場(chǎng)微波顯微鏡。該顯微鏡的微波強(qiáng)度靈敏度為動(dòng)態(tài)范圍為48dB，時(shí)間分辨率為1 ms；并利用該顯微鏡對(duì)微波電路元件上方幾μm 范圍內(nèi)2.77 GHz 的微波場(chǎng)進(jìn)行了成像[31]。2020 年，麻省理工學(xué)院利用納米金剛石NV 色心實(shí)現(xiàn)了溫度和磁場(chǎng)的同時(shí)成像測(cè)量，磁場(chǎng)靈敏度達(dá)到量級(jí)，同時(shí)溫度測(cè)量靈敏度也達(dá)到量級(jí)[32]。2021 年，斯圖加特大學(xué)采用外差方式探測(cè)微波場(chǎng)，在對(duì)4 GHz 微波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，獲得了低于1 Hz 的光譜分辨率[33]。

圖4 石墨烯缺陷附近的電流圖像[30]Fig.4 Current image near graphene defects[30]

利用磁場(chǎng)反演得到的電流可以進(jìn)行芯片故障分析。1989 年，美國(guó)物理研究所提出了一種基于Biot-Savart 定律的算法，通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)來(lái)獲取二維電流分布的圖像[34]；2017 年，魏茨曼科學(xué)研究所凝聚態(tài)物理研究部為解決使用該方法產(chǎn)生的過(guò)度平滑問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種直接的磁場(chǎng)反演程序，并引入了一種反射程序，允許重建穿過(guò)測(cè)量窗口邊界的電流[35]。2020 年，墨爾本大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，相比基于平面外場(chǎng)Bz的電流密度重建方法，同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)平面內(nèi)分量（Bx和By）的重建結(jié)果更為理想[36]。同年，哈佛大學(xué)對(duì)具有多個(gè)電流平面的情況且電流被限制為僅具有Jx或Jy分量的電流源進(jìn)行了重建，結(jié)果表明梯度測(cè)量可增強(qiáng)附近所關(guān)注的電流源的可識(shí)別性[37]。2021 年，康奈爾大學(xué)使用NV 色心探測(cè)多層IC 中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并展示了室溫下對(duì)電流密度的三維分量Jx、Jy、Jz的重建，如圖6 和圖7所示[38]，其中圖7[38]中箭頭的厚度和顏色均與總電流密度大小成比例；該研究表明，空間分辨率達(dá)到亞微米級(jí)，并且通過(guò)電流在不同層中的局部化，可以觀察到電子芯片中的異常電流。這一突破性研究為nm 級(jí)電子芯片三維電流映射奠定了基礎(chǔ)[38]。

圖6 電流密度三維分量Jx、Jy、Jz 的圖像[38]Fig.6 Images of the three-dimensional components of Jx, Jy,Jz of current density[38]

圖7 IC 外層的三維表示[38]Fig.7 Three-dimensional representation of the outer layer of IC[38]

2 基于NV 色心系綜微波磁場(chǎng)成像技術(shù)的MMIC 熱態(tài)可靠性研究

2.1 總體方案

如圖8 所示，532 nm 激光器利用聲光調(diào)制器產(chǎn)生光脈沖，通過(guò)放在顯微物鏡前約200 mm、焦距f=250 mm 的柱透鏡創(chuàng)建片狀激光。由于圓柱形透鏡的反射會(huì)造成約100 mW 的激光功率損失，所以將透鏡由垂直激光入射口方向傾斜約60°，以達(dá)到所需的片狀激光厚度。假設(shè)無(wú)進(jìn)一步損失，鉆石上面積為14 μm×1.5 mm 的光斑的強(qiáng)度為3 kW/mm2。使用顯微鏡物鏡后面的兩個(gè)鏡子來(lái)引導(dǎo)激光束入射到鉆石邊緣。鉆石邊緣的激光束由于其路徑與垂直方向有一定的角度，故光束路徑彎曲的角度＜90°。這個(gè)入射光的一部分作為水平片狀激光光片被耦合到鉆石（側(cè)面需打磨成光學(xué)面）中，形成均勻照射，實(shí)現(xiàn)色心態(tài)制備和探測(cè)。色心金剛石與待測(cè)器件緊貼，外加的微波信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)和功放形成微波脈沖作用于色心金剛石，其拉比振蕩頻率與微波磁場(chǎng)幅度成正比。對(duì)于μm 尺寸的微波輻射結(jié)構(gòu)，寬場(chǎng)成像技術(shù)是其探測(cè)的常用技術(shù)手段，不僅可以得到較高的空間分辨率，更重要的是可以快速分辨出不同位置的微波輻射強(qiáng)弱[39]。色心金剛石發(fā)出的熒光通過(guò)物鏡和透鏡，成像到sCMOS 相機(jī)；通過(guò)寬場(chǎng)成像模式，得到熒光二維平面分布；雙色鏡和長(zhǎng)通濾光片濾除雜散的532 nm 激光提高信噪比。通過(guò)對(duì)sCMOS 相機(jī)采集圖像數(shù)據(jù)的處理，可重構(gòu)出色心金剛石表面附近待測(cè)微波芯片的矢量磁場(chǎng)幅值和相位信息。待測(cè)芯片安裝于三維納米促動(dòng)調(diào)節(jié)平臺(tái)上，移動(dòng)待測(cè)芯片掃描測(cè)量位置，可獲得芯片矢量磁場(chǎng)分布全貌。

圖8 系綜金剛石NV 色心微波磁場(chǎng)成像系統(tǒng)原理示意Fig.8 Principle of the integrated diamond NV color center microwave magnetic field imaging system

2.2 NV 色心磁成像技術(shù)應(yīng)用于芯片熱態(tài)可靠性研究

金剛石色心體系具備直接測(cè)量微波幅度與相位信息的功能，屬于非侵入式測(cè)量，可在器件正常工作狀態(tài)下進(jìn)行，且被測(cè)參數(shù)受到探頭的影響可忽略，因此測(cè)量結(jié)果更加接近原值，所提供的MMIC參數(shù)退化和可靠性信息更加準(zhǔn)確。通過(guò)MMIC 芯片近場(chǎng)微波測(cè)量，可得到包括插入損耗、RF 小信號(hào)增益和增益壓縮為1 dB 時(shí)的輸出功率的參數(shù)退化測(cè)試結(jié)果。

2.2.1 失效分析

判斷失效的模式，查找失效原因和機(jī)理，提出預(yù)防再失效的對(duì)策的技術(shù)活動(dòng)和管理活動(dòng)稱(chēng)為失效分析。失效分析是確定芯片失效機(jī)理的必要手段，為有效的故障診斷提供了信息，為生產(chǎn)測(cè)試提供補(bǔ)充，為驗(yàn)證測(cè)試流程優(yōu)化提供信息基礎(chǔ)[40]。

傳統(tǒng)的芯片失效分析方法有金屬球制作接觸式探針、顯微紅外熱成像、電流檢測(cè)等[19]。芯片微波近場(chǎng)測(cè)量一般利用金屬開(kāi)放式波導(dǎo)，但金屬探頭會(huì)對(duì)待測(cè)微波磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，從而降低測(cè)量的準(zhǔn)確性；且探頭本身尺寸相較于芯片的μm 級(jí)布線來(lái)說(shuō)較大，難以進(jìn)入器件內(nèi)部，故無(wú)法滿足高分辨率、非破壞性的矢量微波近場(chǎng)測(cè)試要求[41]。顯微紅外熱成像方法是依據(jù)各種元器件失效導(dǎo)致的光輻射以熱效應(yīng)體現(xiàn)出的原理，通過(guò)分析熱成像來(lái)進(jìn)行失效分析，但對(duì)于無(wú)熱效應(yīng)體現(xiàn)的元器件無(wú)效[17]。目前，失效分析工作使用最多的是電流檢測(cè)方法，但用于測(cè)試生成的算法設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，測(cè)試生成要求較高[19]。

利用基于金剛石NV 色心的微波磁場(chǎng)成像對(duì)微波毫米波芯片的熱態(tài)失效模式進(jìn)行研究，相較于上述方法，有顯著優(yōu)勢(shì)：1）金剛石作為一種通用的微波窗口材料，對(duì)被測(cè)微波場(chǎng)影響可以忽略，具有非侵入性[11]；2）可以以ms 量級(jí)的速率檢測(cè)mm 量級(jí)尺寸的工作區(qū)域[12]，對(duì)一些變化較快的熱態(tài)參數(shù)可捕捉到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；3）成像區(qū)域可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，對(duì)于更小的成像區(qū)域可提供更快的成像速度。失效分析時(shí)，通過(guò)金剛石色心磁場(chǎng)成像，可反演出芯片內(nèi)部微波場(chǎng)分布并得到射頻參數(shù)，研究與飽和漏電流變化的關(guān)系，可以解釋有源器件的失效機(jī)理；可反演出無(wú)源器件附近微波場(chǎng)分布，研究微波損耗和相位的含時(shí)變化，可以進(jìn)行無(wú)源器件的失效分析。

2.2.2 熱態(tài)參數(shù)與可靠性評(píng)估

處于功率激勵(lì)條件下的熱態(tài)器件參數(shù)關(guān)系到器件的輸出功率和效率，以及工作穩(wěn)定性等因素，因此該參數(shù)的獲取對(duì)微波設(shè)計(jì)有重要意義。

給定一個(gè)故障和失效準(zhǔn)則，確定可靠性的最直接方法是將大量樣本在實(shí)際條件下使用，并隨時(shí)間推移對(duì)照故障準(zhǔn)則監(jiān)控其性能。但大多數(shù)產(chǎn)品的使用壽命較長(zhǎng)，因此這種方法不切實(shí)際[10]。芯片等電子元件的可靠性評(píng)估有諸多方法，如星上單機(jī)級(jí)電子產(chǎn)品采用加速壽命試驗(yàn)[42]方法、微波電子產(chǎn)品使用步進(jìn)應(yīng)力加速退化試驗(yàn)（step stress accelerated degradation testing, SSADT）評(píng)估方法等。但這些可靠性評(píng)估方法只能用于批次產(chǎn)品，無(wú)法對(duì)實(shí)際使用的單個(gè)元件進(jìn)行精確、無(wú)損的診斷。

金剛石NV 色心滿足高溫（1000 K 以下）可靠性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)需求[43]。為了在合理的時(shí)間內(nèi)獲取MMIC 可靠性數(shù)據(jù)，可以采用“加速測(cè)試”技術(shù)。這種加速過(guò)程受應(yīng)力-時(shí)間模型的控制，其中阿倫尼烏斯（Arrhenius）公式已被半導(dǎo)體行業(yè)作為指導(dǎo)原則[44]。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者熱力學(xué)仿真結(jié)果通過(guò)阿倫尼烏斯公式處理，可獲得設(shè)備在正常工作溫度下的壽命和可靠度等。

對(duì)阿尼利烏斯公式進(jìn)行改寫(xiě)，可表示為

式中：t1、t2為失效時(shí)間；Eα為材料對(duì)應(yīng)的活化能；k為斯忒藩-玻耳茲曼常量；T1、T2為絕對(duì)溫度。一般而言，電子元器件運(yùn)行溫度每升高10 ℃，其壽命約縮短1/3 到1/2。

針對(duì)GaAs 器件耐高溫的特點(diǎn)，加速實(shí)驗(yàn)選取的環(huán)境溫度范圍為150～300 ℃之間，每種器件需要進(jìn)行以下測(cè)試：

1）室溫參數(shù)。該項(xiàng)測(cè)試參數(shù)包括器件的插入損耗、RF 小信號(hào)增益、增益壓縮為1 dB 時(shí)的輸出功率。

2）高溫參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)每隔5 ℃取一個(gè)溫度點(diǎn)快速提取所需要的敏感參數(shù)，對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值，得出該溫度段內(nèi)每個(gè)溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。

3）加速老化。在給定的溫度范圍內(nèi)施加一定的升溫速率，同時(shí)對(duì)樣品施加恒定電應(yīng)力加速樣品的退化；在與高溫參數(shù)相對(duì)應(yīng)的各溫度點(diǎn)測(cè)量樣品的參數(shù)，提取各個(gè)溫度點(diǎn)下的敏感參數(shù)，達(dá)到所規(guī)定的失效標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止。

4）樣品恢復(fù)。老化實(shí)驗(yàn)后對(duì)未損壞的樣品進(jìn)行測(cè)試，提取與室溫下相對(duì)應(yīng)的各參數(shù)。

基于NV 色心磁成像技術(shù)的可靠性評(píng)估的優(yōu)勢(shì)有：1）通過(guò)簡(jiǎn)單升級(jí)，即可添加磁場(chǎng)與溫度復(fù)合成像功能[45]，在進(jìn)行可靠性測(cè)試的同時(shí)精確測(cè)量局域溫度，為可靠性加速老化實(shí)驗(yàn)提供準(zhǔn)確的溫度參數(shù)；2）可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)器件或芯片中的多個(gè)部位，從而更全面和系統(tǒng)性地開(kāi)展可靠性研究；3）微波器件可以連接前級(jí)和負(fù)載進(jìn)行熱態(tài)測(cè)試，能夠提供被測(cè)件在工作狀態(tài)下的匹配、穩(wěn)定性評(píng)估，以及放大器級(jí)聯(lián)之間的影響等技術(shù)信息，方便進(jìn)行熱態(tài)器件測(cè)量。

2.2.3 故障診斷

電子元器件的故障分析是指借助各種測(cè)試技術(shù)和分析方法明確元器件的失效過(guò)程，分辨失效模式或機(jī)理，從而確定其最終的失效原因[1]。故障樹(shù)分析法（fault tree analysis, FTA）[46]是故障分析常用的一種重要方法：先把所研究系統(tǒng)的最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為分析目標(biāo)；然后找出直接導(dǎo)致這一故障發(fā)生的全部因素；再找出造成下一級(jí)事件發(fā)生的全部直接因素，直到那些故障機(jī)理已知的基本因素為止。微波芯片的典型故障樹(shù)如圖9 所示。

圖9 微波芯片故障樹(shù)[46]Fig.9 Fault tree of microwave chips[46]

利用基于NV 色心的微波磁場(chǎng)成像，可同時(shí)獲得磁場(chǎng)成像與光學(xué)成像，使得定位失效故障器件位置更加方便。

3 結(jié)束語(yǔ)

MMIC 因其體積和質(zhì)量小、生產(chǎn)成本低、一致性好等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。如今，國(guó)外毫米波頻段的放大器、混頻器以及開(kāi)關(guān)等都有MMIC 產(chǎn)品，而且武器裝備中的毫米波星載、彈載以及機(jī)載系統(tǒng)已經(jīng)大量采用MMIC 技術(shù)，甚至一些毫米波多功能模塊，如接收/發(fā)射組件，也已經(jīng)有大量單片成果。但芯片測(cè)試與失效分析技術(shù)的發(fā)展速度遠(yuǎn)不及芯片設(shè)計(jì)與制造工藝發(fā)展的速度。芯片的可靠性研究可以保證芯片的功能正常性與性能指標(biāo)的準(zhǔn)確性，而黑盒測(cè)試、微波探頭測(cè)試和紅外成像等現(xiàn)有方案有缺陷，無(wú)法同時(shí)滿足微波芯片測(cè)試非侵入式熱態(tài)測(cè)量、直接測(cè)量、寬場(chǎng)測(cè)量的需求。目前已有許多基于NV 色心進(jìn)行微波場(chǎng)傳感的應(yīng)用，利用NV 色心系綜微波磁場(chǎng)成像技術(shù)可以滿足對(duì)微波毫米波核心芯片熱態(tài)參數(shù)測(cè)試、可靠性評(píng)估、故障診斷的表面電磁場(chǎng)測(cè)量快速重構(gòu)，以及高精度表征的測(cè)試需求，可以應(yīng)用于高功率微波武器、微波無(wú)線電能傳輸、戰(zhàn)術(shù)通信、微波遙感和雷達(dá)等相關(guān)微波芯片的設(shè)計(jì)和測(cè)試中。