有缺陷的計算機芯片是半導(dǎo)體行業(yè)的禍根。由數(shù)十億個電氣連接組成的芯片中即便是一個看似微小的缺陷，也可能導(dǎo)致計算機或其它敏感電子設(shè)備中的關(guān)鍵操作一敗涂地。
美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員通過修改現(xiàn)有的識別缺陷的技術(shù)，開發(fā)出了一種方法，可以同時定位同一芯片上多個微電路中的單個電氣缺陷。由于這種技術(shù)運用了一種相對價廉且常見的成像工具——原子力顯微鏡（AFM），它將為測試工廠的計算機芯片的互連線路提供一種新方法。
原子力顯微鏡的特點是將一個超鋒利的針尖連接到一個像跳水板一樣振動的微小懸臂上。在標(biāo)準(zhǔn)的操作模式下，科學(xué)家們在掃描平行埋在硅芯片表面下幾微米（百萬分之一米）的每根電線時，會對針尖施加交流（AC）電壓。針尖和每根電線之間的電壓差產(chǎn)生了一種電動力，顯示出振動針尖的頻率或振幅（高度）的變化。一根電線的斷裂或缺陷都會讓針尖的振動產(chǎn)生突然變化。
NIST的研究人員開發(fā)出了一種技術(shù)，可以同時定位同一芯片上多個微電路中的單個電氣缺陷。
圖片來源：S. Kelley/NIST
然而，用原子力顯微鏡尋找缺陷的方法，即靜電力顯微鏡（EFM）。針尖的振動不僅受到所研究的電線的靜態(tài)電場的影響，而且還受到所有相鄰電線的電壓的影響。這些不相干的信號干擾了對正在掃描的電線的缺陷進行清晰成像的能力。
NIST的科學(xué)家Joseph Kopanski、Evgheni Strelcov、Lin You通過將特定的交流電壓（由外部發(fā)電機提供）施加到相鄰的每根電線上，而不是施加到針尖，解決了這個問題。交流電壓在正值和負(fù)值之間交替變化，隨著時間的推移，電壓就類似于一個具有峰值和谷值的波。在一個周期內(nèi)，電壓達到其最大的正電壓（峰值），然后下降到最低的負(fù)電壓（谷值）。
利用這種周期性的特性，研究人員對相鄰的電線施加了與正在進行掃描的電線相同的交流電壓，但有一個重要區(qū)別：鄰近電線的電壓完全異相。每當(dāng)電線的電壓達到最高值時，相鄰電線的電壓就處于最低值。
異相的交流電壓（用正負(fù)號表示）被施加到相鄰的電線上。當(dāng)針尖沿著電線移動時，針尖振動的明顯變化顯示了缺陷的存在。
圖片來源：S. Kelley/NIST
異相的電壓在原子力顯微鏡的針尖上施加靜電力，與向被掃描電線施加的力相反。這些方向相反的力在原子力顯微鏡的圖像上轉(zhuǎn)化為高對比度的區(qū)域，使其更容易區(qū)分出所關(guān)注的電線的信號。
科學(xué)家們使用一塊具有四對埋在表面下4微米的電線的測試芯片，證明了他們的技術(shù)能夠產(chǎn)生清晰、準(zhǔn)確的缺陷圖像。在定制應(yīng)用于每根電線的交流電壓，使其具有不同的頻率時，研究人員表明，他們可以同時對幾根相鄰電線的缺陷進行成像。
由于這種技術(shù)依賴于遠(yuǎn)程施加在電線上的交流電壓，而不是施加于原子力顯微鏡，研究人員將該技術(shù)稱為遠(yuǎn)程偏壓誘導(dǎo)的靜電力顯微鏡。
“在電線上施加電壓而不是在原子力顯微鏡的針尖上施加電壓看起來是一個小創(chuàng)新，但它卻產(chǎn)生了很大的不同效果，”Kopanski說。“這種方法不需要新的儀器，半導(dǎo)體行業(yè)很容易就能實施，”他補充說。
Strelcov指出，其它用于發(fā)現(xiàn)缺陷的技術(shù)，包括X射線或磁場，也是高度準(zhǔn)確的，但需要更昂貴的設(shè)備。
研究人員于11月3日在加利福尼亞州帕薩迪納舉行的第48屆國際測試與故障分析研討會上介紹了他們的研究工作。
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