0 引言

    近年來(lái)，隨著軍用航空航天、5G技術(shù)、衛(wèi)星通信、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、汽車電子等應(yīng)用領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，微波毫米波技術(shù)因其頻譜寬、可靠性高、方向性好、波長(zhǎng)短等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞，微波毫米波器件的產(chǎn)生也推動(dòng)了半導(dǎo)體市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。現(xiàn)如今，芯片等高集成度電路的工作頻率越來(lái)越高，最小線寬不斷縮小，制造工藝、加工精度也不斷地提升，整個(gè)系統(tǒng)逐漸小型化、微型化。芯片測(cè)試作為芯片設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，為保證芯片的功能正常性與性能指標(biāo)的準(zhǔn)確性，起著非常重要的作用，但是芯片測(cè)試與失效分析技術(shù)發(fā)展的速度遠(yuǎn)趕不上芯片設(shè)計(jì)與制造工藝發(fā)展的速度。傳統(tǒng)的芯片微波近場(chǎng)測(cè)量一般利用金屬開(kāi)放式波導(dǎo)，由于金屬探頭會(huì)對(duì)待測(cè)微波磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，且探頭本身尺寸相較于芯片的微米級(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，因此開(kāi)發(fā)一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。

    氮空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心是金剛石中由替換碳原子的氮原子與其相鄰空位構(gòu)成的一種具有熒光特性的缺陷。NV色心在空間中具有矢量敏感特性，沿著NV軸方向的靜磁場(chǎng)與垂直于NV軸平面的極化電磁場(chǎng)都會(huì)影響NV色心的熒光特性。根據(jù)金剛石的正四面體原子結(jié)構(gòu)可知，具有多個(gè)NV色心的金剛石顆粒中共有4種不同固定方向的NV色心，因此可以進(jìn)行靜磁場(chǎng)以及微波場(chǎng)的矢量測(cè)量^[1]。

    基于金剛石NV色心的光學(xué)性質(zhì)和矢量敏感特性^[2]，利用末端粘有金剛石NV色心的錐形光纖探頭作為傳感器，研究了一種微波器件表面的微波近場(chǎng)矢量測(cè)量技術(shù)。該技術(shù)采用全光學(xué)的方法，不會(huì)對(duì)待測(cè)器件表面的電磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，屬于非破壞性測(cè)量，且金剛石顆粒尺寸可以達(dá)到亞微米甚至納米級(jí)別，能夠無(wú)障礙進(jìn)入器件內(nèi)部，物理接近待測(cè)近場(chǎng)，空間分辨率得到顯著提高。除此之外，由于使用量子標(biāo)定的手段，理論上可以做到完全的磁場(chǎng)或者電場(chǎng)敏感，工作頻率在DC-100 GHz之間，可用于微帶天線、微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)芯片等微波器件的表征以及失效分析工作。

    本文介紹了3 μm金剛石探頭的制作流程和光學(xué)系統(tǒng)的搭建，詳細(xì)闡述了器件表面微波磁場(chǎng)矢量測(cè)量的原理和過(guò)程，并在不同的微波頻率作用下，分別對(duì)諧振頻率為2.87 GHz的微帶天線進(jìn)行近場(chǎng)矢量成像，驗(yàn)證了該技術(shù)的有效性與可操作性。

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作者信息：

王  昊1，顧邦興1，陳國(guó)彬1，2，杜關(guān)祥1

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003；2.宿遷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷223800)