7、先进热成像技术助力集成电路故障分析

先进热成像技术助力集成电路故障分析

1. 扫描热显微镜（SThM）技术

1.1 背景与需求

随着现代设备封装密度和工作频率的不断增加，功率密度也持续上升，局部热耗散会引发设备故障、加速老化甚至损坏。因此，准确测量集成电路内部的温度分布和热导率对于检测设备故障、理解热生成机制至关重要。传统的故障分析技术，如红外 CCD 相机结合光学显微镜，以及荧光微热成像（FMI），其空间分辨率有限，难以满足最小特征尺寸接近 150 nm 时的分析需求。

1.2 SThM 系统原理

SThM 系统使用一个微观电阻元件作为扫描力显微镜（SFM）的热探针。该探针由 Wollaston 工艺线制成，包含一个直径约 5 µm 的铂芯，周围是直径约 75 µm 的银护套。通过蚀刻露出约 200 µm 长的铂丝作为热元件。

在所需的温度范围内（室温至几十开尔文以上），铂丝电阻与温度呈线性关系，这使得能够简单而准确地确定样品表面温度。通过将热探针作为惠斯通电桥的一个臂，并施加恒定电流，样品表面温度变化导致探针电阻变化，进而影响电桥的电压平衡，最终通过测量电路输出电压的变化来获取温度信息。为了减少自热效应，通过探针的电流被选择得足够小，使探针主要对温度差异敏感。同时，采用交流电流和锁相检测技术，有效降低了约翰逊噪声和散粒噪声，提高了电阻测量的灵敏度和信噪比。

1.3 实验设置

SThM 测量的距离控制方案借鉴了传统 SFM 测量，通过反馈激光束从固定在 Wollaston 线上的小镜子反射来实现。在恒定力模式下操作 SThM，保持探针与样品表面的接触面积恒定，从而使测量的电阻变化与样品表面温度变化成正比。在扫描样品表面时，同时获取地形和热数据，生成二维温度分布。

1.4 实验结果

以双轨曲折结构样品为例进行温度分布测量。样品具有三个金属化层，由 SiO₂ 钝化层分隔。通过对顶层较小金属线施加电流进行焦耳加热，观察到随着加热功率的增加，样品表面温度相应升高。在水平方向上，尽管温度升高近 10 K，但在 50 µm 的扫描范围内温度分布均匀。

进一步分析温度微图，发现加热功率增加会导致温度对比度增强。通过对加热线边缘的温度微图和线轮廓分析，确定了 SThM 系统的空间分辨率小于 400 nm，温度分辨率可达 20 mK。此外，采用交流加热代替直流加热可以产生更大的温度梯度，提高空间分辨率。

1.5 结论

SThM 技术能够以纳米级的空间分辨率确定钝化器件的温度分布。通过优化加热机制和改进探针设计，可以进一步提高测量的分辨率和灵敏度。目前正在进行集成电阻热探针的纳米制造研究，以实现更小尺度的全面热分析。

2. 液晶热点检测方法的改进

2.1 背景与原理

液晶热点检测方法自 1979 年以来一直用于集成电路故障分析，其原理是利用集成电路表面的薄液晶膜在液晶相时对光的偏振特性来检测热点。该方法的检测灵敏度取决于局部温度控制、时间稳定性、空间温度均匀性和膜特性。

2.2 技术改进

2.2.1 温度控制

使用 Peltier 热电冷却器与热校准的半导体二极管相结合，实现对集成电路温度的精确控制。Peltier 器件每输入 1 mV 可产生约 20 mK 的温度差，二极管传感器在正向偏置时电压随温度变化约 2 mV/K。通过将二极管传感器的温度读数作为输入，实现对 Peltier 加热器的闭环控制，在大多数情况下可将集成电路温度控制在 ±30 mK 以内。

2.2.2 接近平衡状态

为了提高表面温度均匀性，采用开放式顶部插座和泡沫顶部绝缘层，结合玻璃盖玻片作为对流屏障，减少封装侧面和顶部的热损失，使热条件更接近平衡。对于裸片，虽然会因空气对流导致热损失，但由于没有导热封装，在一定程度上可以补偿这种损失。

2.2.3 膜特性优化

惠普公司使用的氰基联苯家族液晶对介电材料的润湿性较差。传统方法通过机械涂抹较厚的液晶层来补偿，但会导致偏振效率低、横向热传导大等问题。通过预先沉积聚乙烯醇（PVOH）聚合物膜，可以优化液晶的润湿性和光学响应。PVOH 明显减少了膜厚度，提高了润湿性和光偏振效率，但高地形金属线会因相消干涉而变暗，不过这并不一定妨碍热点检测。此外，PVOH 还可以减少液晶在键合线周围的芯吸现象。

2.3 技术结果

新方法多次成功检测到传统方法无法识别的热点。在实际应用中，约三分之一的高电流情况通过改进的液晶检测方法得以定位。检测结果表明，检测能力与缺陷功率耗散的关系较弱，除了缺陷功率外，功率空间密度和垂直缺陷位置也会影响检测效果。

2.4 热建模与分析

通过使用 Spice 工具对集成电路的热行为进行建模，模拟了不同功率耗散、垂直缺陷位置和功率密度分布下的温度分布。结果表明，缺陷的垂直位置对表面温度有强烈影响，电介质是影响液晶检测缺陷的主要障碍，而金属化层对检测的阻碍较小。此外，较高的功率密度在表面附近不一定使缺陷更易检测，在较低层可能反而更难检测。

2.5 总结与建议

通过使用局部 Peltier 加热、局部绝缘和 PVOH 聚合物预沉积，可以提高液晶热点检测的灵敏度。未来的改进方向包括更好的热控制、更精确的液晶层厚度控制、更快的热稳定速度和减小液晶向列 - 各向同性转变宽度。同时，建议采用基于最小可维持稳态接近目标温度的指标来评估液晶技术的灵敏度，以避免样品特定变量的干扰。

3. 两种技术对比

技术	优点	缺点	适用场景
SThM	纳米级空间分辨率，可精确测量温度分布	实验设置复杂，成本较高	对微小结构的温度分布测量和热分析
改进的液晶热点检测	操作相对简单，成本较低，能检测传统方法无法识别的热点	检测灵敏度受多种因素影响，对缺陷深度较敏感	集成电路故障的初步定位和热点检测

4. 流程图

graph LR
    A[开始] --> B[SThM 技术实验]
    B --> C[制备热探针]
    C --> D[设置惠斯通电桥和检测电路]
    D --> E[扫描样品获取数据]
    E --> F[分析温度分布结果]
    A --> G[改进的液晶热点检测实验]
    G --> H[安装 Peltier 器件和二极管传感器]
    H --> I[进行温度控制和绝缘处理]
    I --> J[沉积 PVOH 聚合物膜和液晶]
    J --> K[检测热点并分析结果]
    F --> L[总结 SThM 技术结论]
    K --> M[总结液晶热点检测技术结论]
    L --> N[对比两种技术]
    M --> N
    N --> O[结束]

综上所述，扫描热显微镜（SThM）技术和改进的液晶热点检测方法在集成电路故障分析中都具有重要的应用价值。SThM 技术以其高空间分辨率和精确的温度测量能力，适用于对微小结构的深入热分析；而改进的液晶热点检测方法则通过优化温度控制、膜特性等方面，提高了检测灵敏度，为集成电路故障的初步定位提供了有效的手段。两种技术相互补充，共同推动了集成电路热分析技术的发展。在实际应用中，应根据具体需求选择合适的技术，以实现更准确、高效的故障检测和分析。

5. 技术应用案例分析

5.1 SThM 技术应用案例

在某微纳电子器件研发项目中，需要对一款新型集成电路中微小晶体管的温度分布进行精确测量。由于该晶体管尺寸极小，特征尺寸接近 150 nm，传统的温度测量技术无法满足高空间分辨率的要求。

采用 SThM 技术进行测量，具体操作步骤如下：
1. 制备热探针：按照上述 SThM 系统原理中所述的方法，制作包含铂芯的 Wollaston 工艺线热探针。
2. 设置实验装置：将热探针安装在 SFM 上，并连接惠斯通电桥和检测电路，确保电流稳定且自热效应可忽略。
3. 样品准备：将待测的集成电路样品固定在测量平台上。
4. 扫描测量：在恒定力模式下，控制探针扫描样品表面，同时采集地形和热数据。
5. 数据分析：对采集到的数据进行处理，生成二维温度分布图像。

通过 SThM 技术测量得到的结果显示，能够清晰地观察到晶体管内部的温度分布细节，空间分辨率达到了小于 400 nm 的水平，温度分辨率为 20 mK。这为工程师优化晶体管的散热设计提供了关键依据，有助于提高器件的性能和可靠性。

5.2 改进的液晶热点检测方法应用案例

在某集成电路生产线上，一批产品出现了性能不稳定的问题，怀疑存在局部热点故障。由于产品数量较多，需要一种快速、低成本的检测方法进行初步定位。

采用改进的液晶热点检测方法，具体操作步骤如下：
1. 安装温度控制装置：在集成电路封装上安装 Peltier 器件和热校准的半导体二极管传感器，连接到实验室电源和万用表，实现闭环温度控制。
2. 进行绝缘处理：使用开放式顶部插座和泡沫顶部绝缘层，结合玻璃盖玻片，减少热损失，使热条件更接近平衡。
3. 沉积 PVOH 聚合物膜和液晶：在集成电路表面预先沉积 PVOH 聚合物膜，然后均匀涂抹氰基联苯家族液晶。
4. 检测热点：通过偏振光观察液晶膜的光学变化，检测热点位置。

经过检测，成功定位了部分产品中的热点故障，检测结果与后续的详细分析结果相符。该方法操作相对简单，成本较低，能够在短时间内对大量产品进行初步筛选，提高了生产效率。

6. 未来发展趋势

6.1 SThM 技术发展趋势

• 更高分辨率 ：随着微纳技术的不断发展，对温度测量的空间分辨率和温度分辨率要求将越来越高。未来 SThM 技术有望进一步提高分辨率，实现更小尺度的热分析。
• 多功能集成 ：将 SThM 技术与其他扫描探针显微镜技术（如扫描隧道显微镜、原子力显微镜等）相结合，实现多种物理性质的同时测量，提供更全面的样品信息。
• 实时动态测量 ：开发能够实时监测样品温度变化的 SThM 系统，满足对动态热过程的研究需求，如集成电路的开关过程、材料的相变过程等。

6.2 改进的液晶热点检测方法发展趋势

• 智能化控制 ：进一步优化温度控制和液晶层沉积过程，实现自动化和智能化操作，提高检测的准确性和稳定性。
• 新型液晶材料 ：研发具有更好润湿性、更高偏振效率和更窄相变宽度的新型液晶材料，提高检测灵敏度和噪声免疫力。
• 多模态检测 ：将液晶热点检测方法与其他检测技术（如光子发射显微镜、红外热成像等）相结合，实现多模态检测，提高故障定位的准确性。

7. 总结

本文介绍了扫描热显微镜（SThM）技术和改进的液晶热点检测方法在集成电路故障分析中的应用。两种技术各有优缺点，适用于不同的场景。

7.1 技术优势总结

技术	优势
SThM	纳米级空间分辨率，可精确测量微小结构的温度分布，为深入热分析提供详细信息
改进的液晶热点检测	操作相对简单，成本较低，能快速检测传统方法难以识别的热点，适用于大规模初步筛选

7.2 应用建议

在实际应用中，应根据具体需求选择合适的技术。如果需要对微小结构进行高精度的温度测量和热分析，SThM 技术是首选；如果需要对大量产品进行快速初步定位，改进的液晶热点检测方法更为合适。同时，随着技术的不断发展，两种技术有望相互融合，为集成电路故障分析提供更强大的工具。

graph LR
    A[未来发展需求] --> B[SThM 技术发展]
    A --> C[改进的液晶热点检测方法发展]
    B --> B1[更高分辨率]
    B --> B2[多功能集成]
    B --> B3[实时动态测量]
    C --> C1[智能化控制]
    C --> C2[新型液晶材料]
    C --> C3[多模态检测]

通过不断探索和创新，相信这两种技术将在集成电路领域发挥更大的作用，推动该领域的技术进步和发展。