CN108416778A - 集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征***与方法，所述包括中波红外相机、数据采集卡、计算机、三维移动台和直流电源，其中：所述计算机控制数据采集卡控制直流电源触发并对集成电路样件进行幅值调制变化，使频率恒定的电流注入；所述计算机同时控制数据采集卡控制中波红外相机进行同步触发采集图像序列；所述中波红外相机采集的图像序列传送至计算机进行同步锁相处理，得到该频率下的幅值图和相位图，通过改变频率得到不同频率的幅值与相位图，利用计算机的锁相热成像层析软件得到集成电路样件的深度层析结果。本发明是一种具有信噪比高、无损伤、快速、直观、准确、探测面积大及效率高等优势的红外热波无损检测新方法。

Description

集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征***与方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种集成电路的锁相热成像层析表征***与方法，适用于集成电路微缺陷的深度信息定量化检测。

背景技术

微电子器件在当今生产需求中扮演着越来越重要的角色，由于设计、生产和使用等因素不合理产生不同深度和程度的缺陷，这些缺陷会造成集成电路失效，因此及时检测集成电路中的缺陷为集成电路失效分析以及提高产品稳定性具有重要的意义和市场推广价值。目前传统的检测技术有扫描电子显微镜、工业CT等检测技术，该类技术具有效率低且设备成本高等局限性，限制了其推广范围。

由于大多数的微电子潜在故障（如电路短路、氧化层或结区损坏及闩锁效应等）都会造成局部热损耗，利用稳态红外热成像检测技术的非接触、大面积及快速等优点对其功率热损耗进行成像检测可以大大提高检测效率。但近年来集成电路单位面积集成程度越来越高，尺寸及功耗越来越低，传统的红外热成像由于热分辨率、热横向扩散等条件限制很难对小尺寸故障或微缺陷进行检测分析，同时检测信息无法提供深度信息，为失效分析、生产工艺改进及产品稳定性提高提出了挑战。

发明内容

为了克服以上困难，本发明提供了一种集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征***与方法，应用锁相热成像检测技术，得到不同调制频率的表面温度或热波信号信息，分析特征信息结合材料热物性和热波扩散理论达到不同深度缺陷层析，是一种具有信噪比高、无损伤、快速、直观、准确、探测面积大及效率高等优势的红外热波无损检测新方法，在微电子等领域具有广泛的应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征***，包括中波红外相机、具有模拟信号输出功能的数据采集卡、计算机、三维移动台和具有模拟输入输出功能的直流电源，其中：

所述中波红外相机安装在三维移动台上；

所述中波红外相机通过第三信号传输线与计算机相连，通过第四信号传输线与数据采集卡相连；

所述数据采集卡通过第一信号传输线与直流电源相连，通过第二信号传输线与计算机相连；

所述计算机通过第二信号传输线控制所述数据采集卡控制所述直流电源触发并对所述集成电路样件进行幅值调制变化，使频率恒定的电流注入；所述计算机同时控制所述数据采集卡控制所述中波红外相机进行同步触发采集图像序列；所述中波红外相机采集的图像序列通过所述第三信号传输线传送至计算机进行同步锁相处理得到该频率下的幅值图和相位图，通过改变频率得到不同频率的幅值与相位图，利用计算机的锁相热成像层析软件得到所述集成电路样件的深度层析结果。

一种利用上述***对集成电路微缺陷进行锁相热成像层析表征的方法，包括如下步骤：

步骤（1）：确定要测量的集成电路样件，将其放置在样件平台上；

步骤（2）：开启集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征***；

步骤（3）：将直流电源的正负极与集成电路样件的电源输入端正负极相连；将中波红外相机固定在三维移动台上，调整中波红外相机的焦距和三维移动台，使集成电路样件在中波红外相机视野内清晰可见；

步骤（4）：利用计算机控制中波红外相机采集背景环境下的图像，为后续缺陷定位做好准备；

步骤（5）：计算机控制锁相热成像层析软件发出调制信号，通过数据采集卡模拟输出通道输出，使其控制直流电源的模拟输入，使电流按照调制规律变化，同时此调制信号控制中波红外相机进行实时图像数据采集；

步骤（6）：中波红外相机采集的图像序列反馈至计算机，计算机对中波红外相机采集的图像序列进行记录，并通过锁相热成像层析软件进行图像数据处理与信号提取，进而进行同步锁相运算，得到幅值图与相位图Δφ ₁；

步骤（7）：通过计算机改变调制信号，重复步骤（5）-步骤（6），得到该频率下的幅值图与相位图Δφ ₂；

步骤（8）：重复步骤（7），得到不同频率下的幅值图与相位图Δφ _n ；

步骤（9）：输入材料的热物性参数，根据得到不同调制频率的扩散长度和检测深度，其中：d为缺陷深度，Λ为热扩散长度，，i为不同调制次数，α为热扩散系数，f为调制频率；结合步骤（4）采集的背景图像，利用锁相热成像层析软件对以上图像进行处理，得到深度层析结果和横向定位结果，至此完成对集成电路样件微缺陷的锁相热成像层析表征。

本发明具有如下优点：

1、本发明采用锁相红外热成像检测技术对集成电路微缺陷进行层析表征，锁相红外成像检测技术采用数字锁相技术有效提取微弱交流信号（缺陷产生），大大提高了信噪比，同时也是本方法对集成电路微缺陷层析的关键技术之一。

2、本发明有效地抑制了热波的横向扩散，通过改变不同的锁相调制频率得到不同的探测深度信息，达到深度层析的目的，可实现深度方法的层析检测，为产生工艺和失效分析提供有力手段。

3、本发明利用电激励方式，与集成电路正常工作状态激励相同，减少了对集成电路的二次损伤。

4、本发明利用非接触成像检测方法，可在位检测，大大提高了检测能力和检测效率，为大面积集成电路微缺陷高效检测提供了有效方法。

附图说明

图1为本发明集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征***的原理框图，图中：1-Y向平台，2-中波红外相机，3-Z向平台，4-X向平台，5-样件平台、6-样件、7-直流电源正极输出线、8-直流电源负极输出线、9-锁相热成像层析软件、10-计算机、11-直流电源、12-第一信号传输线、13-数据采集卡、14-第二信号传输线、15-第三信号传输线、16-第四信号传输线；

图2为部分集成电路深度组成及不同芯片层相位信息。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征***由三维移动台、中波红外相机2、样件平台5、集成电路样件6、锁相热成像层析软件9、计算机10、直流电源11、直流电源正极输出线7、直流电源负极输出线8、信号传输线和数据采集卡13构成，其中：

所述三维移动台上设置有样件平台5和中波红外相机2；

所述样件平台5上设置有集成电路样件6；

所述集成电路样件6的正极通过直流电源正极输出线7与直流电源11的正极相连，集成电路样件6的负极通过直流电源负极输出线8与直流电源11的负极相连；

所述中波红外相机2通过第三信号传输线15与计算机10相连，通过第四信号传输线16与数据采集卡13相连；

所述数据采集卡13通过第一信号传输线12与直流电源11相连，通过第二信号传输线14与计算机10相连；

所述计算机10通过第二信号传输线14控制所述数据采集卡13控制所述直流电源11触发并对所述集成电路样件6进行幅值调制变化，使频率恒定的电流注入；所述计算机10同时控制所述数据采集卡13控制所述中波红外相机2进行同步触发采集图像序列；所述中波红外相机2采集的图像序列通过所述第三信号传输线15传送至计算机1进行同步锁相处理得到该频率下的幅值图和相位图，通过改变频率得到不同频率的幅值与相位图，利用锁相热成像层析软件9得到所述集成电路样件6的深度层析结果。

本发明的集成电路微缺陷的锁相热成像层析检测***是基于锁相热成像原理结合热波基础理论，采用计算机10通过第二信号传输线14控制数据采集卡13产生调制频率固定的信号（正/余弦信号或者方波信号），该信号通过第一信号传输线12控制直流电源11使其电流强度按调制规律变化，调制变化的电流注入集成电路样件6后产生周期变化的热损耗，缺陷部位产生的热损耗比正常位置产生热损耗高，使得中波红外相机2接受信号高于正常位置，而自然光等环境噪声热辐射信号频率与调制频率不匹配，通过锁相处理算法提取集成电路样件6表面温度信息，抑制噪声信息达到该频率下的锁相相位图像信息，通过改变调制频率可以得到不同的相位图像信息，结合热波基本理论可以计算热扩散长度与相位信息之间的关系，进而得到集成电路样件6不同深度的信息。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用具体实施方式一所述***对集成电路的微缺陷进行锁相热成像层析表征的方法，所述方法具体实施步骤如下：

步骤（1）：确定要测量的集成电路样件6，将其放置在样件平台5上；

步骤（2）：开启集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征***，此步骤包括计算机10、数据采集卡13、直流电源11、中波红外相机2，三维移动台等设备供电开启；

步骤（3）：将直流电源正极输出线7与集成电路样件6的正极连接，直流电源负极输出线8与集成电路样件6的负极连接，调整中波红外相机2的焦距和三维移动台，使集成电路样件6在中波红外相机2视野内清晰可见；

步骤（4）：利用计算机10通过第三信号传输线15控制中波红外相机2采集背景环境下的图像，为后续缺陷定位做好准备；

步骤（5）：计算机10控制锁相热成像层析软件9发出调制信号（频率f ₁，幅值A），通过数据采集卡13模拟输出通道输出，使其控制直流电源11的模拟输入，使电流按照调制规律变化，同时此调制信号通过触发第三信号传输线15控制中波红外相机2进行实时图像数据采集；

步骤（6）：计算机10通过第三信号传输线15对中波红外相机2的图像序列进行记录，并通过锁相热成像层析软件9进行图像数据处理与信号提取，进而进行同步锁相运算，得到幅值图与相位图Δφ ₁；

步骤（7）：通过计算机10改变调制信号（频率f ₂，幅值A），重复步骤（5）-步骤（6），得到该频率下的幅值图与相位图Δφ ₂；

步骤（8）：重复步骤（7），得到不同频率下的幅值图与相位图Δφ _n ，如图2所示；

步骤（9）：利用热波理论，热扩散长度Λ满足以下关系：，其中i为不同调制次数，α为热扩散系数，f为调制频率。由于热波扩散单位个扩散长度，相位延迟π，因此缺陷深度d满足，通过输入材料的热物性参数，便可得到不同调制频率的扩散长度和检测深度，结合步骤（4）采集的背景图像，利用锁相热成像层析软件9对以上图像进行处理，得到深度层析结果和横向定位结果，至此完成了对集成电路样件6微缺陷的锁相热成像层析表征。

Claims (2)

1.一种集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征***，其特征在于所述***包括中波红外相机、数据采集卡、计算机、三维移动台和直流电源，其中：

所述中波红外相机安装在三维移动台上；

所述中波红外相机通过第三信号传输线与计算机相连，通过第四信号传输线与数据采集卡相连；

所述数据采集卡通过第一信号传输线与直流电源相连，通过第二信号传输线与计算机相连；

所述计算机通过第二信号传输线控制所述数据采集卡控制所述直流电源触发并对所述集成电路样件进行幅值调制变化，使频率恒定的电流注入；所述计算机同时控制所述数据采集卡控制所述中波红外相机进行同步触发采集图像序列；所述中波红外相机采集的图像序列通过所述第三信号传输线传送至计算机进行同步锁相处理得到该频率下的幅值图和相位图，通过改变频率得到不同频率的幅值与相位图，利用计算机的锁相热成像层析软件得到所述集成电路样件的深度层析结果。

2.一种利用权利要求1所述***对集成电路微缺陷进行锁相热成像层析表征的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

步骤（1）：确定要测量的集成电路样件，将其放置在样件平台上；

步骤（2）：开启集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征***；

步骤（3）：将直流电源的正负极与集成电路样件的电源输入端正负极相连；将中波红外相机固定在三维移动台上，调整中波红外相机的焦距和三维移动台，使集成电路样件在中波红外相机视野内清晰可见；

步骤（4）：利用计算机控制中波红外相机采集背景环境下的图像，为后续缺陷定位做好准备；

步骤（5）：计算机控制锁相热成像层析软件发出调制信号，通过数据采集卡模拟输出通道输出，使其控制直流电源的模拟输入，使电流按照调制规律变化，同时此调制信号控制中波红外相机进行实时图像数据采集；

步骤（6）：中波红外相机采集的图像序列反馈至计算机，计算机对中波红外相机采集的图像序列进行记录，并通过锁相热成像层析软件进行图像数据处理与信号提取，进而进行同步锁相运算，得到幅值图与相位图Δφ ₁；

步骤（7）：通过计算机改变调制信号，重复步骤（5）-步骤（6），得到该频率下的幅值图与相位图Δφ ₂；

步骤（8）：重复步骤（7），得到不同频率下的幅值图与相位图Δφ _n ；

步骤（9）：输入材料的热物性参数，根据得到不同调制频率的扩散长度和检测深度，其中：d为缺陷深度，Λ为热扩散长度，，i为不同调制次数，α为热扩散系数，f为调制频率；结合步骤（4）采集的背景图像，利用锁相热成像层析软件对以上图像进行处理，得到深度层析结果和横向定位结果，至此完成对集成电路样件微缺陷的锁相热成像层析表征。