本土IC领域又一关键技术获得突破！

2020-04-27 15:54:00 来源: 张国斌

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在集成电路领域，除了设计和制造外，晶圆测试技术也非常关键，随着5G以及毫米波通信技术兴起，该领域芯片测量面临很大挑战，因此发展全新的非破坏高分辨微波场近场成像技术对芯片的功能和失效分析至关重要，这个领域需要创新新的测试技术，这也成为本土IC有望突破的一个点。

近日，南京邮电大学教授、南京昆腾科技有限公司创始人杜关祥博士带领的课题小组在这领域获得突破，他们提出了基于金刚石NV色心的固态量子体系作为传感单元，通过分析NV色心基态自旋在共振微波场中的量子态演化规律，采用全光学的方法，获得微波场分布的一种精密测量方法。该方法通过搭建光学成像系统进行一次成像来获得芯片整体的微波场分布，具有高效、对近场干扰小等优点，有望在芯片电磁兼容测试、微波芯片失效分析和天线近场分布成像等应用上提供一种全新的测量方案。和传统技术相比，最突出的特点是分辨率高，非侵入性最好，量子标定。而且胜任在复杂场景下的测量，比如高温高湿和高腐蚀应用场合。

1月12日，他们的成果--”芯片表面微波磁场高分辨测量关键技术”项目科技成果评价会在京举行，评价会由中国民营科技促进会秘书长周迎主持召开；由中国工程院院士刘永坚任评价专家委员会主任，中国工程院院士陆军、苏东林任副主任，中国电子科技集团有限公司首席科学家年夫顺、中国电子科学研究院研究员陈竹梅等 10 位专家任委员共同组成评价委员会。中国民营科技促进会常务副秘书长苏川、促进会产业技术研究院常务副院长王静鸿，委托评价单位代表及嘉宾共 30 余人参加了评价会。

评价会上，杜关祥博士就 " 芯片表面微波磁场高分辨测量关键技术 " 项目作了详细讲解和汇报。评价委员会认真听取了项目的技术总结报告，审查了相关资料，并经质询和讨论，形成了鉴定意见。

杜关祥博士介绍说，" 芯片表面微波磁场高分辨测量关键技术 " 项目技术复杂，难度很大，在锥形光纤亚微米级金刚石 NV 色心探头和芯片电磁近场的高分辨高速成像方法等方面有重大创新，拥有自主知识产权，核心技术自主可控，整体水平达到国际先进水平，其中锥形光纤亚微米级金刚石 NV 色心探头属于国际首创。项目成果已在多家企业应用，具有良好的经济效益，推广应用前景广阔。

南京邮电大学教授、南京昆腾科技有限公司创始人杜关祥博士

评价委员会认为，该科技成果面向芯片表面微波磁场测量要求，提出了扫描式和成像式两种测量新方法，研制了锥形光纤亚微米级金刚石 NV 色心探头和芯片表面微波磁场高分辨高速成像系统，实现了芯片表面微波磁场高分辨测量，对提高芯片设计和测试能力具有重要意义。尤其锥形光纤亚微米级金刚石 NV 色心探头属于国际首创，这点更是意义很大。

据介绍，南京昆腾科技有限公司面向全球集成电路产业的重大需求，立足源创技术，打造有核心竞争力的专业芯片测试和分析平台，助力芯片设计企业改进芯片设计，缩短芯片制造周期，降低开发成本。公司落地在江苏南京国家级江北集成电路产业中心，在行业产业链中定位于芯片高分辨精密测量解决方案提供商，公司目前已经研发出高分辨光纤近场探头、芯片表面电流高分辨成像仪和芯片表面微波磁场显微镜产品，现已在北京大学、南京大学、东南大学、兰州大学、中兴微电子、华为技术等行业高端用户得到应用。

技术原理

杜关祥博士指出近30年来，随着凝聚态物理和量子光学的发展，基于量子物理和基本物理常数的量子计量技术获得了长足的发展，相关成果彻底重塑了现代科技的基础 - 物理量的计量标准。

碱金属气体泡微波磁场成像

2010年，瑞士巴塞尔大学的科学家首次基于激光冷却原子实现了对原子芯片（Atomic Chip）微波近场分布的非破坏测量。2012到2014年，杜关祥博士在该小组工作期间进一步将这一原理从装置复杂的冷原子体系推广至简单实用的热原子体系，并证实了这一技术实现高分辨微波场成像的可行性，获得了共面波导的微波场分布图像。该小组还就这一技术申请了美国专利，申请人Theodor W. Hänsch是2005年诺贝尔物理学奖得主，足见这一新技术的前瞻性和重要性。杜关祥博士在巴塞尔小组工作期间，还和全球知名射频测试设备提供商就该技术在射频集成电路产品表征上的应用展开探讨。

这一技术基于量子二能级体系在共振微波场中的拉比振荡现象。量子二能级原子体系，在量子计算和量子精密测量中，也称量子比特。电子自旋，有向上和向下两种本征态，就是一个典型的二能级体系。碱金属原子具有类氢原子结构，最外层有一个自由电子，处于S基态的电子和原子核自旋耦合，形成超精细结构基态。原子的总自旋是电子自旋和核自旋之和，二者平行和反平行，构成原子的两个基态，等价于抽象的自旋体系，其动力学演化行为可用量子二能级原子描述。正是因为这个外层电子和原子的相互作用，可以通过光学的方法，对自旋基态进行初始化，这一过程称为光泵浦。通过超窄谱线的光吸收，可以测量自旋处于某一能级的几率，这一过程称为光探测，不仅如此，自旋还可以在共振微波场的作用下，发生动力学拉比振荡。通过测量拉比振荡的频率，可以获得微波场的信息。基于热原子体系，加上成像光学则可获得微波场的空间分布图像。

金刚石NV色心微波磁场成像

从实用的角度分析，该系统仍然有以下技术缺陷，因为装载原子气体的容器壁有一定厚度，现有玻璃泡制备技术做到100微米量级有很大难度，使得原子“探针”不可能真正接近待测微波芯片近场；而且，该系统需要对气体泡加热和温控，增加了样品装载的难度；再者，气体的热扩散限制了图像的分辨率，目前这一系统的分辨为150*100*100微米。

基于金刚石NV色心(Nitrogen Vacancy)的微波/毫米波成像系统，克服了上基于碱金属气体原子的微波成像技术的上述缺陷，既可以用于微波毫米波器件的表面局域电磁场分布表征和测量，又可以用于芯片电磁兼容检测、材料成分检测、微波近场无损探测和微波生物医学成像，具备广阔的应用空间。

目前业界主要通过以下几种方法对微波毫米波器件的近场进行测量、表征和分析：

（a）通过软件仿真和数值计算方法对微波毫米波器件表面的电磁场近场分布进行推算，常用的软件例如HFSS。

（b）通过传统的黑盒子网络分析仪对微波毫米波器件的S参数进行测量。

（c）采用场强仪配合特制的高频探头（E&H天线）对微波毫米波器件的表面进行高分辨扫描。

上述主流的测量技术存在以下几个问题：1、软件仿真和数值计算方法在对微波毫米波的高频和高集成度芯片进行仿真的情况下，由于电磁场近场的复杂性，软件仿真不可避免的存在一定的失真，这种失真在高频和高复杂度的芯片设计时将十分严重，以致模拟结果和实际器件性能有很大偏差。2、采用传统的黑盒子网络分析仪对微波毫米波器件的散射参数进行测量仅能对器件的输入输出特征进行测量，说明不了信号在器件内部的局域特性，比如微波电流在复杂芯片上的分布。3、采用场强仪配合特制的高频天线对微波毫米波器件的表面进行扫描的方法，由于特制的高频天线本身的尺寸往往比较大，扫描的精度有限；此外特制的高频天线本身是金属制作的，天线本身对电磁场存在较大扰动，降低了测量的准确性。而采用高频近场磁场探头对微波毫米波器件的表面进行扫描的方法，由于高频探头本身是基于法拉第电磁感应原理而设计的，目前商用高频探头的尺寸最小也在毫米量级，相对于微波毫米波芯片的微米级布线，这类近场探头还是太大，不能提供表征芯片近场分布的有效信息。

基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统及方法将可以满足针对微波毫米波芯片表面的近场电磁场成像的场景的需求。这样的系统具备几个特点：1、高分辨率，该系统采用光学成像的方法对金刚石的荧光进行成像，可以达到亚微米的成像分辨率；2、基于脉冲光探测磁共振方法的磁场探测灵敏度可以达到纳特斯拉(nT/√Hz），这大大提高了磁场成像的灵敏度；3、金刚石颗粒本身的化学成分为碳和杂质氮，这两种物质均对电磁场没有扰动，因此这一技术可以做到真正的非破坏电磁场成像。4、该技术主要采用光学探测的方法，利用软件进行数值处理并成像，系统的结构简单。

微波场的近场成像方法近年来越来越受到学术界和工业界重视。微波近场可用于对材料微波属性的非破坏表征，测量材料的电解质常数。微波扫描探针技术利用一个带针尖的高品质因子微波谐振腔扫描样品，通过测量品质因子的变化，获得材料局域介电常数的高分辨图像。利用微波收发芯片的近场回波，可实现对隐蔽目标和缺陷的排查，应用于医学肿瘤成像和桥梁路基工程的裂缝检测。

随着5G和毫米波通信技术开始普及，未来这样的测试方法会大有用武之地，杜博士指出这样的测试方法相对传统测试方法无论从成本还是效率方面都大大胜出，希望这样的技术也可以尽早普及，让更多公司获益。

（根据网路信息整理）

责任编辑：sophie