X射线成像技术在工业中的应用

  X射线成像技术在工业中的应用

          这一技术不仅为纳米生物医学研究所急需，而且在微电子等方面得到了广泛的应用。用高分辨率硬X射线三维成像技术，无需复杂的制样，可以非破坏性地直接观察半导体芯片中埋藏在深度不同、线宽为100纳米的金属布线，检测芯片多层电路的缺陷，并且还可以清楚地显示出各层电路之间的关系（图7）。

    图7  半导体芯片的X射线三维断层图

    自从1958年美园的Kilby做出了首块集成电路之后，集成电路经历了小规模集成、中规模集成、大规模集成、超大规模集成，达到了今天的特大规模集成水平。
    而相应的IC行业的工艺技术要求为：
❀ 超高集成度，硅圆化的大直径化；
❀ 超细微化，芯片和元器件尺寸越来越小；
❀ 超高密度化，单位面积元器件数逐渐增加；
❀ 多层布线，芯片厚度增加。
    但在追求性能的同时，还要考虑到产品的可靠性、有效性、寿命的长短问题。我们常听说某某的电脑CPU烧了，某品牌某一款显示器突然大范围变色或坏了。这不仅使公司蒙受巨大的经济损失，还涉及到用户的人身安全问题。下面列举了一些影响因素：
☆ 芯片的频率性能的提高，但相应的功率也提高了，我们面临散热问题。膜层上可能出现小滴，会引起失效和短路的问题。
☆ 电迁移，孔穴的生成，引起断路或电阻升高。
☆ 尺寸变小带来的效应：热力学力。
☆ 线宽变小，微缺陷问题突现。因此还要研究一开始出现的缺陷究竟达到什么程度才会有很明显的影响。
☆ 不同的连线材料孔穴的生成机制。Al和Cu不一样，Al线外面会生成氧化膜，Cu没有。因此他们孔穴生成机制就不一样。比如Al生成的孔穴就不会移动，但是Cu的会。
☆不同的绝缘层和覆盖层材料，也会使芯片的失效机制不一样。
☆ 芯片设计和布线的合理性。
☆新低介电常数材料开发。由互连引线引起的串扰噪音及RC延迟限制了ULSI的频率性能的提高，同时考虑到电迁移和功率损耗，人们开始寻找新的互连材料；低电阻率的铜互连材料和低介电常数介质的结合可以有效地改善互连线的性能。
        因此，研究这些因索随着新的工艺技术要求而产生的影响至关重要。如随着集成度的提高，线宽越来越细，因此任何小的缺陷（如孔洞）均能够引起电路失效；同时芯片为多层电路结构，无损检测这种多层电路的缺陷的方法将十分重要。由于X射线的强穿透能力，X射线成像是芯片检测的重要方法之一，同时结合芯片使用的时间效应，可以研究芯片失效随时间变化的动力学过程。
       X射线显微成像可以实时原位地研究微电子器件钝化下的Cu导线在电子迁移作用下的失效的动力学过程（图8）。

    图8 Cu导线在电子迁移作用下的失效的动力学过程

    可以看出是芯片中的Cu导线随着使用时间的变化，电迁移导致的物质传输：如孔穴、小滴的生成、移动、愈合、断裂等；不断有新孔穴的生成；孔穴位置明显迅速的变化；物质的分布等等。到目前为止X射线显微成像是研究这一动力学过程的有效的工具。

    图9 钨插拴阵列中出现的孔穴的三维成像

    图9是对集成电路失效后，钨插拴阵列中出现的孔穴进行的三维成像，分辨率达60nm。