發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量與計(jì)算在探針測(cè)試中的應(yīng)用

田洪濤，李 斌，宋婉貞

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

傳統(tǒng)的探針測(cè)試設(shè)備只能對(duì)電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試與分類(lèi)，本文介紹的測(cè)試方式引入光譜儀，并對(duì)其進(jìn)行控制，通過(guò)正確的計(jì)算，能夠?qū)⒐庾V測(cè)試融入到探針設(shè)備中，從而增加了探針設(shè)備的功能與實(shí)用價(jià)值。

1 光譜介紹以及光譜儀的選型

光譜是復(fù)色光經(jīng)過(guò)色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開(kāi)的單色光按波長(zhǎng)（或頻率）大小而依次排列的圖案，全稱(chēng)為光學(xué)頻譜。光譜中最大的一部分可見(jiàn)光譜是電磁波譜中人眼可見(jiàn)的一部分，在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁輻射被稱(chēng)作可見(jiàn)光。例如波長(zhǎng)范圍為620～760 nm 的紅光，如圖1 所示。

發(fā)光強(qiáng)度/kcd 10 20 30….

圖1 紅光光譜

光譜儀是以光電倍增管等光探測(cè)器在不同波長(zhǎng)位置，測(cè)量譜線(xiàn)強(qiáng)度的裝置。能夠?qū)?fù)色光分離成單色光譜。光譜儀有多種類(lèi)型，除在可見(jiàn)光波段使用的光譜儀外，還有紅外光譜儀和紫外光譜儀。按色散元件的不同可分為棱鏡光譜儀、光柵光譜儀和干涉光譜儀等。按探測(cè)方法分，有直接用眼觀(guān)察的分光鏡，用感光片記錄的攝譜儀，以及用光電或熱電元件探測(cè)光譜的分光光度計(jì)等。單色儀是通過(guò)狹縫只輸出單色譜線(xiàn)的光譜儀器，常與其他分析儀器配合使用。

探針設(shè)備的測(cè)試方法是將待測(cè)芯片移動(dòng)到固定位置進(jìn)行測(cè)試，所以我們選用紅光光譜儀與顯微鏡（或者收光器）的組合，固定在待測(cè)芯片正上方，達(dá)到最佳測(cè)試效果。下文我們就以紅光為例介紹光強(qiáng)的各項(xiàng)參數(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用。

2 光譜的計(jì)算

光譜包含的參數(shù)有發(fā)光強(qiáng)度、峰值波長(zhǎng)、中心波長(zhǎng)、半波寬、主波長(zhǎng)、色純度、XYZ 三色刺激值和XYZ 的可見(jiàn)色度等。在半導(dǎo)體行業(yè)中，這些都是比較重要的發(fā)光強(qiáng)度參數(shù)。下面我們就根據(jù)圖譜介紹一些常用光譜參數(shù)的計(jì)算方法。

2.1 光強(qiáng)的測(cè)量

發(fā)光強(qiáng)度方程：C=R（R）+G（G）+B（B）式中：C 表示待配色光；（R）、（G）、（B）代表產(chǎn)生混合色的紅、綠、藍(lán)三原色的單位量；R、G、B 分別為匹配待配色所需要的紅、綠、藍(lán)三原色的數(shù)量，稱(chēng)為三刺激值。國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）規(guī)定紅、綠、藍(lán)三原色的波長(zhǎng)分別為700 nm、546.1 nm、435.8 nm 。

在光強(qiáng)匹配實(shí)驗(yàn)中，為了表示R、G、B 三原色各自在R+G±B 總量中的相對(duì)比例，我們引入色度坐標(biāo)r、g、b。

r=R/(R+G+B)，g=G/(R+G+B)，b=B/(R+G+B)，如圖2 所示。

圖2 CIE1931RGB 真實(shí)三原色表色系統(tǒng)關(guān)系圖

2.2 光譜輻照度校準(zhǔn)

Scope 模式的數(shù)據(jù)是CCD 每個(gè)像素點(diǎn)經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后的原始數(shù)據(jù)。由于光譜儀在不同的波長(zhǎng)點(diǎn)上的響應(yīng)效率不同，Scope 模式的數(shù)據(jù)并不等于真實(shí)的數(shù)據(jù)。

圖3 分別是3 100 K 色溫下，Scope 模式下的光譜和真實(shí)光譜。

發(fā)光強(qiáng)度/kcd 10 20 30….

系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)是基于不同波長(zhǎng)上的響應(yīng)度曲線(xiàn)。有許多影響系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)的因素，主要包括：探測(cè)器的靈敏度，光柵的效率，準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡的反射率，建立系統(tǒng)所需的光纖和光學(xué)附件的傳輸率。我們根據(jù)Scope 模式的光譜的計(jì)算公式，應(yīng)用系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)與光柵響應(yīng)曲線(xiàn)可以得到：

真實(shí)光譜+光柵的響應(yīng)曲線(xiàn)+CCD 的響應(yīng)曲線(xiàn)= Scope 模式的光譜如圖4 所示。發(fā)光強(qiáng)度/kcd 10 20 30….

圖3 LS-1 光源在Scope 模式下的光譜與光源的真實(shí)光譜

圖4 Scope 模式的光譜計(jì)算過(guò)程

2.3 1931CIE-XYZ 標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)

所謂1931CIE-xyz 系統(tǒng)，就是在RGB 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)方法，選用3 個(gè)理想的原色來(lái)代替實(shí)際的三原色，從而將CIE-RGB 系統(tǒng)中的光譜三刺激值和色度坐標(biāo)r、g、b 均變?yōu)檎怠Ｎ覀兊挠?jì)算公式如下：

兩組光強(qiáng)空間的X、Y、Z 三刺激值有以下關(guān)系：

X=0.490R+0.310G+0.200B

Y=0.177R+0.812G+0.011B

Z=0.010G+0.990B

兩組光強(qiáng)空間色度坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

x = (0.490r+0.310g+0.200b)/(0.667r+1.132g+1.200b)

y =(0.117r+0.812g+0.010b)/(0.667r+1.132g+1.200b)

z=(0.000r+0.010g+0.990b)/(0.667r+1.132g+1.200b)

2.4 CIE1976 L*a*b* 色度空間

CIE1976 L*a*b* 色度空間由CIEXYZ 系統(tǒng)通過(guò)數(shù)學(xué)方法轉(zhuǎn)換得到，我們所應(yīng)用的轉(zhuǎn)換公式有：

L*=116(Y/Y0)1/3-16

a*=500[(X/X0)1/3-(Y/Y0)1/3]

b*=200[(Y/Y0)1/3-(Z/Z0)1/3]

其中X、Y、Z 是物體的三刺激值，X0、Y0、Z0為CIE 標(biāo)準(zhǔn)照明體的三刺激值；

L* 表示光亮度；a*、b* 為色度坐標(biāo)，如圖5所示。

明度差：△L=L1-L2

色度差：△a=a1-a2△b=b1-b2

圖5 CIE1976 L*a*b* 色度空間

總色差：△E*ab=[(△L*)2+(△a*)2+(△b*)2]1/2

2.5 光強(qiáng)的計(jì)算

匹配物體反射色光所需要紅、綠、藍(lán)三原色的數(shù)量為物體色三刺激值，即X、Y、Z，也是物體色的色度值。物體色彩感覺(jué)形成的四大要素是光源、光強(qiáng)物體、眼睛和大腦，物體色三刺激值的計(jì)算涉及到光源能量分布S(λ)、物體表面反射性能ρ(λ)和人眼的光強(qiáng)視覺(jué)三方面的特征參數(shù)，即：

對(duì)于照明光源而言，光源三刺激值（X0、Y0、Z0）的計(jì)算僅涉及到光源的相對(duì)光譜能量分布S(λ)和人眼的光強(qiáng)視覺(jué)特征參數(shù)，因此光源的三刺激值可以表示為：

峰值波長(zhǎng)，半波寬等光強(qiáng)參數(shù)可以通過(guò)C 語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行尋峰計(jì)算，從而得出相應(yīng)的結(jié)果。

3 在整機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用

通過(guò)以上光強(qiáng)的計(jì)算方法，加上代碼對(duì)底層光譜儀的控制，設(shè)備就可以對(duì)待測(cè)芯片的光強(qiáng)進(jìn)行采集和計(jì)算，如表1。

然后將測(cè)試值取出，進(jìn)行分析。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)，對(duì)待測(cè)芯片進(jìn)行在線(xiàn)觀(guān)察與分析，如圖6所示，以便進(jìn)入下一道工序，見(jiàn)表2。

表1 主要函數(shù)代碼列表

圖6 在線(xiàn)分析樣片

表2 測(cè)試結(jié)果顯示與分類(lèi)

4 總 結(jié)

將光強(qiáng)計(jì)算方法融入到探針測(cè)試設(shè)備中，不僅能夠?qū)鹘y(tǒng)意義的芯片進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試，還能夠進(jìn)行光參數(shù)測(cè)試，從而大大豐富了設(shè)備的功能，提升了該設(shè)備對(duì)業(yè)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)品檢測(cè)的能力。

[1] GB/T11319-2005，海洋光學(xué)編程規(guī)則[S]. 2005，28(5)：866-892.

[2] 田宗憲《現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制類(lèi)別》[M]. 中國(guó)物探研究，2006，1(1)：15-187.