使用激光扫描显微镜测定二硅化钼中的电迁移
May 23rd, 2025
在这里，我们描述了一种使用激光扫描显微镜来确定通过被测金属线的电迁移体积的工作流程。通过改变不同的实验变量，可以获得有关电迁移的大量信息。在这项工作中，确定了电迁移开始的长度。
我的研究范围是确定二硅化钼中的电迁移现象，并研究影响因素，例如被测线的长度和封装材料对有效离子电荷和失活能参数的影响因素。目前的实验挑战在于将这种方法扩展到更高的温度。与其他技术相比，我们的协议使用激光扫描显微镜。其他技术通常使用扫描电子显微镜。对于使用扫描电子显微镜进行测量，您通常需要进行可能会影响测量的活化能和测量的有效离子电荷的样品制备，因此在我们的例子中，我们不需要这种复杂的样品制备。这也使它更快。我们将重点研究二硅化钼在高温下的有效离子电荷，并研究二硅化钼在高温下的活化能和掺杂不同掺杂剂种类的未掺杂的二硅化钼，我们还将研究不同材料中人工产生的空隙的变化。
[导师]首先，打开激光扫描显微镜并打开测量和分析软件。使用适当的样品架固定样品，使其在扫描过程中保持固定在显微镜载物台上。准备准确的电流源和电气连接所需的电线，并调整显微镜载物台的高度。现在，将样品放置在激光扫描显微镜下的样品架中。将样品平行于显微镜的工作台并将其固定到位，以防止测量过程中发生任何移动。根据设置将电流源的电源插座连接到样品或样品架。通过光学检查确认键合线仍然附着在样品上。使用最低放大倍率的物镜调整物镜和样品之间的高度差，使感兴趣区域聚焦。使用手动对焦或在测量软件的观察窗口中单击自动对焦。将物镜更改为更高的放大倍率，并重新聚焦在感兴趣的区域。继续此过程，直到在观察窗口中以最高放大倍率（例如 150 倍）清晰可见感兴趣区域。将工具、度量值和平均计数设置为 4，然后单击选项，然后单击自动保存，选择保存目标文件夹，输入文件名前缀和示例，然后单击确定。打开测量窗口，选择专家模式，然后选择测量设置，然后选择表面轮廓、超细 2048 x 1536 和高精度。要增加物镜和样品之间的距离，请单击向上箭头，直到整个表面在窗口中显示为黑色，然后单击设置上限 POS。接下来，使用向下箭头减少距离，直到整个表面可见，并继续直到表面再次变黑，然后单击设置较低的 POS。单击自动增益，然后开始测量以开始扫描表面。在对样品施加压力之前，使用向上箭头将物镜和样品之间的距离增加几毫米，最多一厘米，使激光散焦。使用预定条件（例如电流密度和时间）施加电流应力，然后在指定时间后停止电流流动。施加电流应力三到五分钟后，当样品恢复到室温时，将激光扫描显微镜聚焦在感兴趣的区域。继续聚焦，直到样品不再自行转移焦点，以确保表面测量不会因温度变化而出现漂移。使用与之前使用的完全相同的设置扫描当前应力之前扫描的同一区域。打开分析软件并单击文件并打开，然后找到正确的文件。如果文件已打开，请在选择过程图像和校正倾斜后继续校正样品的倾斜以启动倾斜校正窗口。在校正窗口中，将显示图像设置为激光加光学，并选择校正方式平面倾斜三点，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中，并调整靠近感兴趣区域的三个点。接下来，移动三个点，使横截面中两条直线表示的平面与背景对齐。选择不调整偏移高度零数据和自动调整高度范围，然后单击执行，然后单击关闭以应用校正。要打开修剪窗口，请单击处理图像和修剪。根据感兴趣区域选择修剪宽度和高度，并调整选择矩形以涵盖整个感兴趣区域。保存校正和修剪后的图像，然后单击 文件 并找到正确的文件。要在保留三维信息的同时导出感兴趣区域，请单击文件，然后单击输出 3D CAD 数据以打开输出参数窗口。 将跳过量设置为 1，实际数字显示精度设置为 10，XY 缩放比例设置为 X1，高度增强为 100%，然后选择表面并单击设置以确认设置。选择点组数据以保存唯一标记的数据。导出完成后，将出现一个确认窗口。打开评估软件和软件包的版本。要启动程序，请单击箭头图标。单击打开并选择适当的保存路径后，导航到包含 ASC 文件的文件夹。从选择列表中使用正确的样品名称将 ASC 文件加载到程序中。确保选择面积选项，然后单击十字，然后单击面积。使用鼠标在基板表面选择一个矩形以定义高度比例。检查当前应力前后的两个高度直方图，位于感兴趣区域图像旁边，并调整选择以确保两个直方图显示正态分布且相似。现在，单击标记为背景的零按钮将此高度设置为背景级别。在被测线顶部的平面部分上选择第二个矩形。再次检查并调整直方图，使它们看起来正态分布并尽可能相似。单击测试下的线，然后单击确定以保存此高度值。接下来，再次单击箭头图标以重新运行程序。在单个小丘的边缘附近绘制一个矩形，或使用鼠标左键在标有 IMG 比较的图像中绘制一个空隙。使用缩放图像调整矩形以与结构的边缘紧密匹配，例如标记为松弛裁剪的图像。细化所选区域，使矩形精确地包围小丘或空隙。最后，点击 IMG 比较旁边的保存按钮，保存基于像素和的积分体积。电流应力后形成的小丘高度通常约为 190 纳米，最小的清晰可检测的小丘为 34 纳米，横向尺寸约为 1 微米。电迁移体积随着被测线的长度而增加，如图中的指数趋势线所示。电迁移体积随电流密度的增加而增加，两种不同厚度的高温氧化硅封装表现出不同的电迁移起始点。在2.56乘以10的较低电流密度下，每平方米10安培的幂，可用数据表明，随着线路长度的增加，电迁移体积呈增加趋势。
概述
本研究介绍了一种利用激光扫描显微镜来研究二硅化钼电迁移的工作流程。通过操纵各种实验参数，可以获得电迁移过程的见解，包括电迁移的开始持续时间。
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。
- 激光扫描显微镜提供了一种更快的替代方案，且不会改变样品。
研究目的
- 确定二硅化钼中的有效离子电荷和活化能。
- 探索温度对电迁移现象的影响。
- 分析不同掺杂剂对材料性质的影响。
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。
- 测量电流应用前后的表面轮廓。
- 使用专门的软件进行数据分析，以进行倾斜校正和3D数据输出。
主要结果
- 成功测量了二硅化钼中的电迁移效应。
- 确定了线长与电迁移开始之间的关系。
- 展示了激光扫描显微镜相对于传统方法的优势。
- 对掺杂和未掺杂的二硅化钼的行为提供了见解。
结论
- 研究证实了激光扫描显微镜在电迁移研究中的有效性。
- 较高的温度显著影响电迁移参数。
- 未来的工作将通过添加更多的掺杂物种来扩展研究结果。
常见问题解答
Executive Industry Relevance
Electromigration remains a critical reliability challenge as device miniaturization and current densities increase in advanced materials. The adoption of laser scanning microscopy for electromigration analysis in molybdenum disilicide enables rapid, reproducible quantification of atomic migration phenomena without extensive sample preparation. This workflow supports predictive confidence in material selection and process optimization at key inflection points in semiconductor R&D portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of atomic migration mechanisms in novel conductive materials.
- Supports de-risking of material choices by clarifying the impact of encapsulation and dopants on electromigration parameters.
- Facilitates predictive modeling of failure onset, informing material triage and prioritization.
Screening & Assay Development
- Provides a standardized, reproducible workflow for surface profile measurement before and after current stress.
- Delivers quantitative outputs such as electromigrated volume and onset length, supporting comparative screening of material variants.
- Reduces assay preparation time and complexity compared to SEM-based protocols, enabling higher throughput.
Translational & Preclinical Research
- Aligns material performance data with downstream reliability requirements for device integration.
- Enables continuity from discovery-stage material evaluation to preclinical reliability modeling.
- Supports risk-adjusted advancement of candidate materials based on quantitative failure thresholds.
Pipeline & Workflow Integration
This laser scanning microscopy workflow integrates from early discovery through screening and preclinical reliability assessment for advanced conductive materials.
- Discovery Biology: Quantifies effective ion charge and activation energy, supporting mechanistic hypothesis testing.
- Screening: Standardizes measurement of electromigrated volume and onset length for material comparison.
- Analytics: Provides 3D surface profiles and statistical outputs for robust cross-condition analysis.
- Translational Research: Links microscopic migration phenomena to device-level reliability models.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, less labor-intensive alternative to SEM for repeated material assessments.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material reliability and reduces mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Streamlines sample preparation and measurement, enhancing reproducibility and throughput.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for material advancement and process optimization.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of materials based on quantitative electromigration thresholds.
Implementation Considerations
- Requires expertise in laser scanning microscopy and surface analytics software.
- Needs access to precision current sources and robust sample mounting infrastructure.
- Demands cross-team standardization of measurement and analysis protocols.
- Adaptable to various conductive materials and encapsulation systems with minimal protocol changes.
- Accuracy is slightly lower than SEM but offset by reduced preparation time and higher throughput.
