發光強度測量與計算在探針測試中的應用

田洪濤，李 斌，宋婉貞

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京101601)

傳統的探針測試設備只能對電信號進行測試與分類，本文介紹的測試方式引入光譜儀，并對其進行控制，通過正確的計算，能夠將光譜測試融入到探針設備中，從而增加了探針設備的功能與實用價值。

1 光譜介紹以及光譜儀的選型

光譜是復色光經過色散系統（如棱鏡、光柵）分光后，被色散開的單色光按波長（或頻率）大小而依次排列的圖案，全稱為光學頻譜。光譜中最大的一部分可見光譜是電磁波譜中人眼可見的一部分，在這個波長范圍內的電磁輻射被稱作可見光。例如波長范圍為620～760 nm 的紅光，如圖1 所示。

發光強度/kcd 10 20 30….

圖1 紅光光譜

光譜儀是以光電倍增管等光探測器在不同波長位置，測量譜線強度的裝置。能夠將復色光分離成單色光譜。光譜儀有多種類型，除在可見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。按探測方法分，有直接用眼觀察的分光鏡，用感光片記錄的攝譜儀，以及用光電或熱電元件探測光譜的分光光度計等。單色儀是通過狹縫只輸出單色譜線的光譜儀器，常與其他分析儀器配合使用。

探針設備的測試方法是將待測芯片移動到固定位置進行測試，所以我們選用紅光光譜儀與顯微鏡（或者收光器）的組合，固定在待測芯片正上方，達到最佳測試效果。下文我們就以紅光為例介紹光強的各項參數在半導體行業中的應用。

2 光譜的計算

光譜包含的參數有發光強度、峰值波長、中心波長、半波寬、主波長、色純度、XYZ 三色刺激值和XYZ 的可見色度等。在半導體行業中，這些都是比較重要的發光強度參數。下面我們就根據圖譜介紹一些常用光譜參數的計算方法。

2.1 光強的測量

發光強度方程：C=R（R）+G（G）+B（B）式中：C 表示待配色光；（R）、（G）、（B）代表產生混合色的紅、綠、藍三原色的單位量；R、G、B 分別為匹配待配色所需要的紅、綠、藍三原色的數量，稱為三刺激值。國際照明委員會（CIE）規定紅、綠、藍三原色的波長分別為700 nm、546.1 nm、435.8 nm 。

在光強匹配實驗中，為了表示R、G、B 三原色各自在R+G±B 總量中的相對比例，我們引入色度坐標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 真實三原色表色系統關系圖

2.2 光譜輻照度校準

Scope 模式的數據是CCD 每個像素點經過A/D 轉換后的原始數據。由于光譜儀在不同的波長點上的響應效率不同，Scope 模式的數據并不等于真實的數據。

圖3 分別是3 100 K 色溫下，Scope 模式下的光譜和真實光譜。

發光強度/kcd 10 20 30….

系統響應曲線是基于不同波長上的響應度曲線。有許多影響系統響應曲線的因素，主要包括：探測器的靈敏度，光柵的效率，準直鏡和聚焦鏡的反射率，建立系統所需的光纖和光學附件的傳輸率。我們根據Scope 模式的光譜的計算公式，應用系統響應曲線與光柵響應曲線可以得到：

真實光譜+光柵的響應曲線+CCD 的響應曲線= Scope 模式的光譜如圖4 所示。發光強度/kcd 10 20 30….

圖3 LS-1 光源在Scope 模式下的光譜與光源的真實光譜

圖4 Scope 模式的光譜計算過程

2.3 1931CIE-XYZ 標準色度系統

所謂1931CIE-xyz 系統，就是在RGB 系統的基礎上，用數學方法，選用3 個理想的原色來代替實際的三原色，從而將CIE-RGB 系統中的光譜三刺激值和色度坐標r、g、b 均變為正值。我們的計算公式如下：

兩組光強空間的X、Y、Z 三刺激值有以下關系：

X=0.490R+0.310G+0.200B

Y=0.177R+0.812G+0.011B

Z=0.010G+0.990B

兩組光強空間色度坐標的相互轉換關系為：

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 系統通過數學方法轉換得到，我們所應用的轉換公式有：

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 標準照明體的三刺激值；

L* 表示光亮度；a*、b* 為色度坐標，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 光強的計算

匹配物體反射色光所需要紅、綠、藍三原色的數量為物體色三刺激值，即X、Y、Z，也是物體色的色度值。物體色彩感覺形成的四大要素是光源、光強物體、眼睛和大腦，物體色三刺激值的計算涉及到光源能量分布S(λ)、物體表面反射性能ρ(λ)和人眼的光強視覺三方面的特征參數，即：

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

峰值波長，半波寬等光強參數可以通過C 語言對其進行尋峰計算，從而得出相應的結果。

3 在整機設備中的應用

通過以上光強的計算方法，加上代碼對底層光譜儀的控制，設備就可以對待測芯片的光強進行采集和計算，如表1。

然后將測試值取出，進行分析。對測試結果進行分類，對待測芯片進行在線觀察與分析，如圖6所示，以便進入下一道工序，見表2。

表1 主要函數代碼列表

圖6 在線分析樣片

表2 測試結果顯示與分類

4 總 結

將光強計算方法融入到探針測試設備中，不僅能夠對傳統意義的芯片進行電參數測試，還能夠進行光參數測試，從而大大豐富了設備的功能，提升了該設備對業內半導體產品檢測的能力。

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

[2] 田宗憲《現場總線技術與計算機控制類別》[M]. 中國物探研究，2006，1(1)：15-187.