太赫兹透射系统

近日，复旦大学物理系周磊\孙树林课题组利用由高深宽比（20:1）的硅基人工原子构建的超构表面，在太赫兹波段实现了绝对效率高达88%的透射式自旋解耦双功能器件，例如在不同手性太赫兹光照射下实现聚焦\偏折或双全息成像等等不同功能。相关研究成果以“Bifunctional Manipulation of Terahertz Waves with High-Efficiency Transmissive Dielectric Metasurfaces”为题，于2022年12月在线发表在Advanced Science上。太赫兹（Terahertz，THz）波因其在信息通讯、生物医疗和国防安全等领域具有重大应用需求而备受相关科研人员的关注。然而，传统太赫兹器件由于自然材料在该波段的电磁响应很弱，而普遍存在体积庞大、效率低和功能单一等问题。近年来，具有强大电磁波调控能力和超薄结构特性的超构表面的出现为光学器件的小型化和功能多样化方面带来了新的契机。太赫兹超构表面器件研究在成为太赫兹领域研究热点的同时，也面临着诸多困难与挑战：金属欧姆损耗极大限制超构器件的绝对工作效率，现有全介质超构表面器件存在功能相对单一和效率低等问题。针对这些问题，研究团队提出了利用具有高深比的全介质柱人工原子（例如：纯硅）构建透射式太赫兹高效自旋解耦超构表面功能器件的新思路，并实验验证了不同圆偏振太赫兹光激励下的多功能光场调控（见图1）。图1.高效双功能全介质超构表面的示意图复旦大学周磊教授团队在太赫兹波段基于高深宽比（20：1）全介质人工原子构建了多功能超构器件，实验实现了对左右旋圆偏振入射光的高效（绝对效率88%）且完全不同的波前调控（即自旋解耦）。光学器件的效率和多功能操控一直以来都是一个瓶颈问题，对于透射式器件尤为明显。究其本质是构建超构表面的人工原子既要满足全相位覆盖要求，还要具备高的透射效率。团队发现具有高深宽比的全介质人工原子可同时满足上述条件，同时利用散射相消原理在器件反面引入减反结构可进一步提升器件的绝对效率。团队通过将套刻技术与深硅刻蚀Bosch Process工艺相结合，调节刻蚀（etch）和钝化（passivation）工艺平衡，成功制备出了具有100%偏振转化效率的高深宽比双面介质人工原子（如图2所示）。 图2. 器件加工中的Bosch平衡，器件SEM图以及太赫兹光谱图基于上述高效透射型全介质人工原子，团队充分利用与自旋无关的传输相位和与自旋相关的几何相位这两个独立调控自由度，设计和实现了手性完全解锁的高效双功能波前调控器件。图3 展示了高效双功能波前调控器件所对应的透射相位分布及其对应的人工原子的几何参数和旋转角度分布。团队的太赫兹实验远场实验完美验证了该超构器件对左右旋圆偏振光实现的聚焦和偏折效应，其绝对工作效率高达88%。为了进一步验证该设计方法的普适性，团队进一步设计并实验表征了功能更加复杂的高效全息成像双功能器件。在图4中展示了该太赫兹双功能全息超构器件的实验和模拟结果：该器件在不同圆偏振太赫兹光的激励下，可在器件透射端焦平面的左右两侧呈现不同的全息图像（字母“F”和“D”）。 图3.双功能器件的相位分布与SEM图以及实验测试架构和结果 图4. 全息成像器件SEM图、相位分布图以及近场扫描的实验结果与模拟结果周磊教授团队在此项工作中系统地阐述了利用全介质超构表面实现太赫兹高效自旋解耦多功能波前调控的设计方法，并基于成功制备的高深宽比高达20：1的全硅基超构表面样品，实验验证了具有自旋解锁的聚焦/偏折双功能器件和双功能全息超构器件。此项工作可为实现高效、小型化且多功能的透射式太赫兹器件研究提供新思路和新方法，并为未来的片上光子学研究发展提供更多的可能。复旦大学物理学系博士后王卓与博士研究生姚尧为论文的共同第一作者。复旦大学物理学系周磊教授和复旦大学光科学与工程系孙树林研究员为该论文共同通讯作者。该工作还得到上海大学通信学院肖诗逸教授和复旦大学物理学系何琼教授的大力支持与帮助。该研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市科委的项目的支持。

1、前言随着半导体封装变得更小、集成度更高，使用非破坏性、高分辨率技术定位故障的能力变得越来越重要。对失效分析手段提出了挑战，故障高分辨率定位能力的需求逐渐增大。为满足这些要求，Advantest开发了TS9001TDR方案，该系统分析通过利用专有的短脉冲信号处理技术进行高分辨率时域反射测量（Time Domain Reflectometry, TDR），对先进半导体封装、电子元件和印刷电路板中的导线故障区域进行快速、高精度和无损分析。 2、主要应用以3D集成电路为代表的高密度集成电路中存在着无限小的布线结构，布线故障在封装、印刷电路板封装过程中频繁出现。检测故障点需要几十微米分辨率。由于上升时间（约20ps）和抖动（约1ps）的限制，传统示波器TDR方法的故障距离分辨率仍保持数百微米的分辨率。使用TS9001TDR系统可以准确分析各种尖端半导体封装的布线质量，如倒装芯片BGA、晶圆级封装和2.5D/3D IC封装，能够直接连接客户的射频探测系统，针对其设备形状和故障分析环境，实现高速、高分辨率的测量，提供灵活的解决方案。（1） 高度集成的集成电路封装故障分析1) 封装引线故障分析：确定引线故障点位于Si Interposer内还是封装内，识别故障是由预处理还是后处理中的因素引起的2) C4 Bump故障分析：利用测试回路确定和分析安装Si Interposer的条件，对测试回路的菊花链结构进行故障点分析，并对安装条件进行反馈3) TSV、Micro-Bump故障分析：识别层压芯片的故障层4) 印刷电路板PCB故障分析：识别PCB板中通孔和信号线的故障点3、原理与优势（1）原理与技术太赫兹脉冲时域反射计的原理参见上图。其利用两个的飞秒激光器分别泵浦光电导电线，产生高频的太赫兹脉冲信号。飞秒激光器的中心波长1550nm，脉冲宽度50fs。其中，一个飞秒激光器的重复频率50MHz，另一个激光器的重复频率稍有区别。采用两个激光器的重复频率稍有差别的缘由在于，利用两个激光器的差频延迟，可以实现高频太赫兹信号的产生和探测。其工作是高频太赫兹信号通过探针接触芯片的管脚，高频太赫兹信号在芯片封装的引线中传播。当芯片封装没有开断路时，高频太赫兹沿着引线向前传播；当芯片封装的引线等出现开路时，将反射回正峰脉冲信号；当芯片封装引线出现短路时，将反射回负峰脉冲信号。（2）技术优势为了识别故障点，常用的封装无损检测方法包括光发射显微镜(emission microscope)和示波器时域反射计(Time domain Reflectometry, TDR)等，但是这些无损检测方法受到时域信号抖动的限制（信号抖动约1ps），导致分辨率不高，不能定位微米级的失效位置，无法以高分辨率检测开路、短路故障。故亟需高分辨率时域反射计，以提供快速且精准的失效定位。Advantest通过独有的光学采样和电短脉冲生成技术，借助飞秒激光技术，产生抖动小于30fs的超短采样脉冲。可以实现5μm的故障定位分辨率。通过使用自动探针的自动触地功能，进行精确的可重复测量，具有更高精度和效率的故障位置测量。TS9001TDR系统通过自动探针和与CAD设计联动，实例分析芯片封装的引线开路和短路故障定位，可以直观快速定位芯片封装的故障点，实现先进封装的失效分析。4、国内外发展现状Advantest的TS9001TDR系统中采用两个超短脉冲激光器异步采样，采取异步采样技术可以使系统不再需要机械式的光学延迟线，并且具有超高速的信号扫描速度。是目前全球独一的技术，目前国内外没有同类设备。5、发展趋势随着晶圆代工制程不断缩小，摩尔定律逼近极限，先进封装是后摩尔时代的必然选择，3D封装迅猛发展。作为一种全新的实现定位方法，在未来的几年里，太赫兹TDR技术将继续保持高速发展的势头。随着关键技术的不断发展，相关产品的种类将越来越丰富，行业应用和相关配套服务也将越来越广泛。搭载脉冲电磁波产生和高速采样的超短脉冲光纤激光器的太赫兹TDR设备，有助于半导体3D封装的故障分析。 6、总结与展望 在实际芯片测量过程中，太赫兹脉冲信号耦合至芯片内部衰减较为严重，对于太赫兹脉冲的信噪比提出了很高的要求。为了进一步提高测量精度和芯片内的传输路径，提高信噪比是亟需攻克的问题。另外芯片内部的引线存在阻抗不匹配又没有完全开路的情况，对于这类Soft Open的芯片检测，TDR波形分析需要结合信号模拟仿真，增强对信号的解读。对于材料的吸收系数、折射率、介电常数等光谱特性，可以用太赫兹时域光谱仪表征，这也是爱德万测试太赫兹技术的核心应用。目前爱德万测试已经有太赫兹时域光谱成像系统，通过发射和接收时域太赫兹信号至样品，可以实现生物医学样品、食品农产品、化学品、复合材料、通讯材料等的光谱特性表征。（爱德万测试(中国)管理有限公司 供稿）

太赫兹有着光明的应用前景，还是一片未开垦的处女地。电子科技大学太赫兹中心自成立以来，为太赫兹科学研究搭建了更高的合作发展平台，也标志着我国以“国际前沿、”为目标的太赫兹科学研究迈入了崭新阶段。2018年6月，应电子科技大学太赫兹中心对真空环境下进行太赫兹近场光学研究的需求，QD中国工程师配合德国neaspec公司立即展开积响应并为客户量身定制了套真空太赫兹波段近场光学显微系统（HV-THz-neaSNOM），并已成功安装。 图1：电子科技大学太赫兹中心安装调试现场 图2：真空太赫兹波段近场光学显微系统（HV-THz-neaSNOM） 电子科技大学太赫兹中心原有一套大气环境太赫兹波段近场光学显微系统（THz-neaSNOM），空间分辨率~50nm、宽太赫兹时域近场响应波段0.5-2.2THz。由于更进一步的科研需要，客户需在更加严格的真空条件下进行太赫兹实验。为了满足客户的实验需求，德国neaspec公司在原有大气环境THz-neaSNOM的基础上，结合新的低温散射式近场光学显微镜（Cryo-neaSNOM）技术，设计了新的真空腔体系统，改进了原子力显微镜布局，并重新设计了光路，终成功研发出了套真空太赫兹波段近场光学显微系统（HV-THz-neaSNOM）。该套系统成功地继承了德国neaspec公司THz-neaSNOM的设计优势，采用保护的双光路设计，完全可以实现真空环境下太赫兹波段应用的样品测量。HV-THz-neaSNOM在实现30nm高空间分辨率的同时，由于采用0.1-3THz波段的时域太赫兹光源（THZ-TDS），也可以实现近场太赫兹成像和图谱的同时测量。这大地满足真空环境中太赫兹近场光学研究的需求，可以减少大气中水对太赫兹波段的吸收影响，能更好地保持样品的洁净，为用户进一步集成真空设备提供了基础。 图3：系统理论培训 图4：现场实时操作培训 太赫兹波有强的穿透性，对不透明物体能完成透视成像，用来做半导体材料、生物样品等的检测是其应用趋势之一。该套真空太赫兹波段近场光学显微系统（HV-THz-neaSNOM）的集成，将在生物应用、半导体元器件和相变材料载流子等研究及领域都有着广阔的应用前景，有望为广大太赫兹科研工作者提供更多实际研究工作中的便利和支持。