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是Thermal，不是Thermal——濱松TD Imaging熱點(diǎn)定位新技術(shù)發(fā)布

2025-06-29

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在過(guò)去的十幾年里，EMMI和OBIRCH已被證實(shí)是芯片失效分析中極具價(jià)值的工具。對(duì)于常規(guī)器件，當(dāng)正面金屬層過(guò)于密集時(shí)，無(wú)論是熱信號(hào)還是光信號(hào)都難以穿透，從樣品正面獲取信號(hào)變得極為困難。此時(shí)，從樣品背面進(jìn)行分析的 EMMI 和 OBIRCH 技術(shù)便顯得尤為重要。

然而，隨著芯片結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，例如在 BS-PDN（Backside Power Delivery Network）結(jié)構(gòu)中，背面還附加了用于供電的金屬層，這使得傳統(tǒng)的 EMMI 和 OBIRCH 方法在面對(duì)這種“三明治”結(jié)構(gòu)時(shí)，無(wú)論是從正面還是背面都無(wú)法有效定位內(nèi)部器件層的失效問(wèn)題。

濱松最新發(fā)布的 TD Imaging（ThermoDynamic Imaging）技術(shù)，為這一難題提供了創(chuàng)新的解決方案。TD Imaging 技術(shù)能夠有效解決在正反面都有金屬層或樣品本身很厚的情況下如何進(jìn)行失效定位的問(wèn)題，為更先進(jìn)制程和技術(shù)提供了一種更高精度的失效定位方案。

在詳細(xì)介紹這項(xiàng)突破性技術(shù)之前，讓我們先回顧一下目前主流的 Thermal（熱成像）技術(shù)。

對(duì)于大多數(shù)芯片而言，一旦通電，半導(dǎo)體器件和金屬導(dǎo)線必然會(huì)發(fā)熱。這些熱量傳導(dǎo)至芯片表面，再由熱成像相機(jī)精準(zhǔn)捕捉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)的精確定位，這便是熱成像技術(shù)的核心原理。而我們通常將通過(guò)紅外相機(jī)捕捉熱信號(hào)的這一過(guò)程稱為L(zhǎng)IT（Lock-In Thermography），以便進(jìn)一步介紹熱反射技術(shù)——TD Imaging。
盡管熱成像是一種主流的熱分析方法，但它也存在一些不足。

首先，其空間分辨率較低，影響顯微鏡成像的一個(gè)因素是光的波長(zhǎng)，通常使用阿貝判據(jù)來(lái)衡量光學(xué)系統(tǒng)的分辨能力。
圖片
不難看出，波長(zhǎng)越短，顯微鏡的分辨能力就越好。紅外相機(jī)的探測(cè)波段通常在中紅外波段（3um-5um），從波長(zhǎng)上對(duì)顯微鏡的分辨率造成了限制。
其次放大倍率低，目前市面上常見(jiàn)的熱點(diǎn)定位設(shè)備中，放大倍率最大的中紅外物鏡僅為15倍，難以滿足更高精度的熱點(diǎn)定位需求。
此外，熱存在擴(kuò)散，熱信號(hào)在傳導(dǎo)到器件表面的過(guò)程中會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，就像水滴落在紙巾上一樣“暈開(kāi)”，使得很難從這“一灘”信號(hào)中分辨出實(shí)際的失效點(diǎn)，從而無(wú)法為失效分析（PFA）提供明確的定位。
同時(shí)，熱成像還容易受到材料的影響，例如對(duì)于Cu/Al等金屬材料，其較強(qiáng)的吸熱能力會(huì)使熱信號(hào)看起來(lái)像是被屏蔽了一樣。
最后，受相機(jī)幀速限制，熱成像相機(jī)的幀速通常在幾百Hz以內(nèi)，無(wú)法進(jìn)行更高頻的分析。

那么如何更精確地定位熱信號(hào)，提高PFA的成功率呢？下面我們將通過(guò)一個(gè)實(shí)際案例介紹 TD Imaging，并進(jìn)行對(duì)比。

案例分享


對(duì)同一表面金屬間隔排布的VNAND樣品，使用LIT和TD Imaging兩種技術(shù)來(lái)采集信號(hào)。首先使用Thermal相機(jī)，在8倍中紅外鏡頭下得到的信號(hào)圖如下： 

2.png

放大后（下圖左）可以看出，樣品的熱信號(hào)被導(dǎo)線結(jié)構(gòu)所遮擋，僅從金屬間隙間透過(guò)。使用TD Imaging對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行掃描，得到的信號(hào)圖（下圖右）中，信號(hào)明顯更加集中。

3.png

 對(duì)TD Imaging的圖像進(jìn)一步處理，可以將熱點(diǎn)定位在2 μm以內(nèi)。

4.png

 為了更直觀地體現(xiàn)兩種方法的結(jié)果差異，我們將兩組信號(hào)疊加起來(lái)：

圖片

由此可見(jiàn)，對(duì)于表面有金屬覆蓋的樣品，使用TD Imaging可以有更多機(jī)會(huì)抓到金屬下的熱點(diǎn)信號(hào)。

熱反射技術(shù) ——TD Imaging


TD Imaging是一種使用光束掃描器件表面，通過(guò)對(duì)比入射光和出射光之間的信號(hào)差異，進(jìn)行失效定位的技術(shù)。反射光的強(qiáng)度變化，與樣品表面的反射率有關(guān)，而反射率本身對(duì)溫度變化非常靈敏。

  • 熱成像技術(shù)得到信號(hào)過(guò)程：

樣品內(nèi)部產(chǎn)生熱→熱傳導(dǎo)到樣品表面→樣品表面發(fā)生熱輻射→被紅外相機(jī)捕捉→得到信號(hào)

  • 熱反射技術(shù)得到信號(hào)過(guò)程：
樣品內(nèi)部產(chǎn)生熱→影響樣品表面溫度→樣品表面的光反射率變化→反射光到傳感器→得到信號(hào)

材料對(duì)電磁波的反射率+透射率+吸收率=1。這意味著，物體的反射率越高，吸收率就越低；反之，反射率越低，吸收率越高。在日常生活中，這一原理也隨處可見(jiàn)。比如在陽(yáng)光下，穿深色衣服會(huì)比穿淺色衣服更熱，原因就在于深色衣物的光反射率較低，光吸收率較高，因此反射的陽(yáng)光較少；而淺色衣物反射能力強(qiáng)，吸收能力弱，自然就更涼爽。熱反射技術(shù)和熱成像技術(shù)是相互補(bǔ)充的。對(duì)于不同材料，結(jié)合使用這兩種技術(shù)，可以在減少定位耗時(shí)的同時(shí)，顯著提高定位精度。

TD Imaging 的優(yōu)勢(shì)


從上文案例的結(jié)果來(lái)看，TD Imaging探測(cè)到了金屬層下的熱點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)一步縮小了定位范圍。由于信號(hào)波長(zhǎng)從中紅外轉(zhuǎn)為近紅外，可選用放大倍率更高的透鏡來(lái)收集信號(hào)，同時(shí)空間分辨率也更好。

濱松的TD Imaging技術(shù)可用1300 nm/670 nm的非相干光掃描待測(cè)樣品，更小的波長(zhǎng)使得分辨率得到提升。同時(shí)，對(duì)于Cu/Al材料，670 nm的反射率更高，圖像的信噪比也更高。 

6.png

如上圖，分別使用1300 nm和670 nm進(jìn)行對(duì)比，在相同強(qiáng)度下，670 nm的信號(hào)明顯更多、更集中、效果更好。

總結(jié)


TD Imaging 是一種基于光束掃描的熱反射成像技術(shù)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)熱成像在空間分辨率上的不足，尤其在金屬等材料的熱信號(hào)收集和分析方面表現(xiàn)出色。它為高精度定位需求提供了全新的解決方案。如果您有相關(guān)測(cè)試或調(diào)研需求，歡迎掃碼添加工程師微信。我們計(jì)劃于今年 7 月開(kāi)放此功能的測(cè)試與體驗(yàn)。

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