使用激光扫描显微镜测定二硅化钼中的电迁移
2025年5月23日
本文介绍了一种利用激光扫描显微镜测定待测金属线中电迁移体积的工作流程。通过改变不同的实验变量，可以获得大量关于电迁移的信息。本研究中确定了电迁移起始阶段的长度。
我的研究范围是确定二硅化钼中的电迁移现象，并考察影响因素，例如被测线路的长度以及封装材料对有效离子电荷和去激活能参数的影响。当前的实验挑战在于将该方法扩展至更高温度。与其他技术相比，我们的方案采用激光扫描显微镜，而其他技术通常使用扫描电子显微镜。使用扫描电子显微镜进行测量时，通常需要样品制备，而样品制备可能会影响测得的激活能和有效离子电荷；而在我们的方法中，无需进行这种复杂的样品制备，因此也更为快速。我们将重点研究高温下二硅化钼的有效离子电荷，以及高温下未掺杂和掺杂了不同掺杂元素的二硅化钼的激活能，同时还将考察在不同材料中人工生成空洞的变化情况。
[讲师] 首先，打开激光扫描显微镜，并启动测量与分析软件。使用合适的样品 holder，将样品固定在显微镜载物台上，确保扫描过程中样品保持稳定。准备一个精确的电流源及必要的连接导线，并调节显微镜载物台的高度。接着，将样品置于激光扫描显微镜下的样品 holder 中。调整样品使其与显微镜台面平行，并固定牢固，防止测量过程中发生移动。根据实验装置，将电流源的输出端连接至样品或样品 holder。通过光学检查确认键合导线仍牢固连接在样品上。调节物镜与样品之间的高度差，使用最低放大倍数的物镜将目标区域调至焦点。可手动对焦，或在测量软件的观察窗口中点击自动对焦。更换至更高放大倍数的物镜，并重新对目标区域进行对焦。重复此过程，直至在观察窗口中以最高放大倍数（例如150X）清晰可见目标区域。在软件中设置工具、测量和平均计数为4，然后点击“选项”，再点击“自动保存”，选择保存路径文件夹，输入文件名前缀和样品名称，点击“确定”。打开测量窗口，选择专家模式，依次选择测量设置、表面轮廓、超精细2048×1536，以及高精度模式。为增大物镜与样品之间的距离，点击向上箭头，直至窗口中整个表面呈现黑色，然后点击“设置上位 POS”。接着，使用向下箭头减小距离，直至整个表面可见，并继续调节至表面再次变黑，然后点击“设置下位 POS”。点击“自动增益”，然后点击“开始测量”，以启动表面扫描。在对样品施加应力前，使用向上箭头将物镜与样品之间的距离增加数毫米至一厘米，使激光失焦。按照预设条件（如电流密度和时间）施加电流应力，达到指定时间后停止电流。施加电流应力后3至5分钟，待样品恢复至室温时，重新将激光扫描显微镜对焦于目标区域。持续对焦，直至样品不再自行偏移焦点，以确保因温度变化引起的表面测量漂移已被消除。使用与电流应力前完全相同的设置，对同一区域进行再次扫描。打开分析软件，点击“文件”和“打开”，找到正确的文件。若文件已打开，则在选择“处理图像”和“校正倾斜”后，启动倾斜校正窗口。在校正窗口中，将显示图像设置为“激光加光学”，选择校正方法为“平面倾斜三点法”，以在图像上显示三个点。移动引导线，使每条线的大部分位于背景区域，并将三个点调整至靠近目标区域。接着，移动这三个点，使横截面中由两条直线表示的平面与背景对齐。选择“不调整偏移高度为零数据”和“自动调整高度范围”，然后点击“执行”，再点击“关闭”以应用校正。为打开裁剪窗口，点击“处理图像”和“裁剪”。根据目标区域选择合适的裁剪宽度和高度，并调整选择矩形以完全包含目标区域。保存校正并裁剪后的图像，点击“文件”并定位到正确文件。为导出保留三维信息的目标区域，点击“文件”，然后选择“输出3D CAD数据”以打开输出参数窗口。设置跳过量为1，实际数值显示精度为10，XY缩放比为X1，增强高度为100%，然后选择“表面”并点击“设置”以确认参数。选择点群数据以保存唯一标记的数据。导出完成后，将出现确认窗口。打开评估软件及其配套程序。点击箭头图标以启动程序。点击“打开”后，导航至包含ASC文件的文件夹，并选择适当的保存路径。从列表中选择正确的样品名称，将ASC文件加载到程序中。确保已选中“区域”选项，然后点击“交叉”，再点击“区域”。使用鼠标在基底表面选择一个矩形，以定义高度的标尺。检查电流应力前后位于目标区域图像旁的两个高度直方图，并调整选择范围，确保两个直方图均呈正态分布且尽可能相似。现在，点击标记为“背景”的“零”按钮，将此高度设为背景水平。在待测线路顶部的平坦区域选择第二个矩形。再次检查并调整直方图，使其呈正态分布且尽可能一致。点击“待测线路”，然后点击“确定”以保存此高度值。接着，再次点击箭头图标以重新运行程序。在标记为IMG compare的图像中，使用鼠标左键在单个隆起（hillock）或空洞（void）边缘附近绘制一个矩形。利用放大图像（如标记为relaxed crop的图像）调整矩形，使其紧密贴合结构边缘。进一步优化所选区域，使矩形精确包围隆起或空洞。最后，点击IMG compare旁边的“保存”按钮，以基于像素总和保存积分体积。电流应力后形成的隆起高度通常约为190纳米，最小可清晰检测的隆起为34纳米，横向尺寸约为一微米。电迁移体积随待测线路长度增加而增大，如图中指数趋势线所示。电迁移体积随电流密度升高而增加，两种不同厚度的高温二氧化硅封装层表现出不同的电迁移起始点。在较低电流密度（2.56×10¹⁰ A/m²）下，可用数据表明电迁移体积随线路长度增加呈上升趋势。
概述
本研究介绍了一种利用激光扫描显微技术研究二硅化钼中电迁移现象的工作流程。通过调控多种实验参数，可以获得关于电迁移过程的深入认识，包括电迁移起始所需的时间。
关键研究组成部分
科学领域
- 电迁移
- 材料科学
- 显微技术
背景
- 电迁移会影响电子材料的可靠性。
- 二硅化钼是高温应用中的关键材料。
- 传统方法通常需要大量的样品制备。
- 激光扫描显微技术提供了一种无需改变样品的快速替代方法。
研究目的
- 确定二硅化钼中的有效离子电荷和激活能。
- 探究温度对电迁移现象的影响。
- 分析不同掺杂元素对材料性能的影响。
使用的方法
- 利用激光扫描显微镜进行表面分析。
- 在受控条件下施加电流应力。
- 在施加电流前后测量表面形貌。
- 使用专用软件进行倾斜校正和三维数据输出的分析。
主要结果
- 成功测量二硅化钼中的电迁移效应。
- 确定了导线长度与电迁移起始之间的关系。
- 展示了激光扫描显微技术相较于传统方法的优势。
- 揭示了掺杂与未掺杂二硅化钼的行为差异。
结论
- 该研究证实了激光扫描显微镜在电迁移研究中的有效性。
- 较高温度显著影响电迁移参数。
- 未来的工作将基于这些发现，进一步拓展至其他掺杂元素种类。
常见问题
执行层面的行业相关性
随着器件微型化和先进材料中电流密度的增加，电迁移仍然是一个关键的可靠性挑战。采用激光扫描显微技术对二硅化钼中的电迁移现象进行分析，能够快速、可重复地量化原子迁移行为，且无需复杂的样品制备过程。该工作流程可在半导体研发项目的关键转折点，为材料选择和工艺优化提供可靠的预测依据。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 可对新型导电材料中原子迁移机制进行定量研究。
- 通过阐明封装层和掺杂剂对电迁移参数的影响，支持降低材料选择风险。
- 有助于对失效起始进行预测性建模，为材料筛选与优先级排序提供依据。
筛选与检测方法开发
- 提供标准化、可重复的表面轮廓测量流程，适用于通电应力前后的表面形貌分析。
- 输出电迁移体积、起始长度等定量结果，支持对不同材料变体进行比较筛选。
- 相较于基于扫描电子显微镜（SEM）的检测方案，降低了实验制备的时间与复杂性，提高了通量。
转化与临床前研究
- 将材料性能数据与器件集成的下游可靠性要求相匹配。
- 实现从发现阶段的材料评估到临床前可靠性建模的连续性。
- 基于定量失效阈值，支持对候选材料进行风险调整后的推进。
流程与工作流整合
该激光扫描显微镜工作流程整合了从早期发现到筛选及临床前可靠性评估的各个环节，适用于先进的导电材料研究。
- 发现生物学：量化有效离子电荷和活化能，支持机制假说的验证。
- 筛选：标准化电迁移体积和起始长度的测量，用于材料比较。
- 分析：提供三维表面轮廓和统计输出，实现可靠的跨条件分析。
- 转化研究：将微观迁移现象与器件级可靠性模型关联。
- 企业级复用：提供一种可扩展、劳动强度较低的替代方法，用于重复性材料评估，取代扫描电子显微镜（SEM）。
运营与企业影响
- 科学价值：提高材料可靠性的预测置信度，并减少机制上的不确定性。
- 操作价值：简化样品制备和测量流程，提升可重复性和通量。
- 战略价值：为材料研发和工艺优化的决策提供依据，支持推进或终止的判断。
- 项目组合影响：基于定量的电迁移阈值，实现对材料的风险调整后优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备激光扫描显微镜和表面分析软件的专业知识。
- 需要能够使用精密电流源以及可靠的样品固定装置。
- 要求跨团队统一测量与分析流程的标准。
- 只需极少的流程调整，即可适用于多种导电材料和封装系统。
- 虽然精度略低于扫描电子显微镜（SEM），但因其制样时间更短、通量更高而得到补偿。
