有缺陷的计算机芯片是半导体行业的祸根。由数十亿个电气连接组成的芯片中即便是一个看似微小的缺陷，也可能导致计算机或其它敏感电子设备中的关键操作一败涂地。
美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员通过修改现有的识别缺陷的技术，开发出了一种方法，可以同时定位同一芯片上多个微电路中的单个电气缺陷。由于这种技术运用了一种相对价廉且常见的成像工具——原子力显微镜（AFM），它将为测试工厂的计算机芯片的互连线路提供一种新方法。
原子力显微镜的特点是将一个超锋利的针尖连接到一个像跳水板一样振动的微小悬臂上。在标准的操作模式下，科学家们在扫描平行埋在硅芯片表面下几微米（百万分之一米）的每根电线时，会对针尖施加交流（AC）电压。针尖和每根电线之间的电压差产生了一种电动力，显示出振动针尖的频率或振幅（高度）的变化。一根电线的断裂或缺陷都会让针尖的振动产生突然变化。
NIST的研究人员开发出了一种技术，可以同时定位同一芯片上多个微电路中的单个电气缺陷。
图片来源：S. Kelley/NIST
然而，用原子力显微镜寻找缺陷的方法，即静电力显微镜（EFM）。针尖的振动不仅受到所研究的电线的静态电场的影响，而且还受到所有相邻电线的电压的影响。这些不相干的信号干扰了对正在扫描的电线的缺陷进行清晰成像的能力。
NIST的科学家Joseph Kopanski、Evgheni Strelcov、Lin You通过将特定的交流电压（由外部发电机提供）施加到相邻的每根电线上，而不是施加到针尖，解决了这个问题。交流电压在正值和负值之间交替变化，随着时间的推移，电压就类似于一个具有峰值和谷值的波。在一个周期内，电压达到其最大的正电压（峰值），然后下降到最低的负电压（谷值）。
利用这种周期性的特性，研究人员对相邻的电线施加了与正在进行扫描的电线相同的交流电压，但有一个重要区别：邻近电线的电压完全异相。每当电线的电压达到最高值时，相邻电线的电压就处于最低值。
异相的交流电压（用正负号表示）被施加到相邻的电线上。当针尖沿着电线移动时，针尖振动的明显变化显示了缺陷的存在。
图片来源：S. Kelley/NIST
异相的电压在原子力显微镜的针尖上施加静电力，与向被扫描电线施加的力相反。这些方向相反的力在原子力显微镜的图像上转化为高对比度的区域，使其更容易区分出所关注的电线的信号。
科学家们使用一块具有四对埋在表面下4微米的电线的测试芯片，证明了他们的技术能够产生清晰、准确的缺陷图像。在定制应用于每根电线的交流电压，使其具有不同的频率时，研究人员表明，他们可以同时对几根相邻电线的缺陷进行成像。
由于这种技术依赖于远程施加在电线上的交流电压，而不是施加于原子力显微镜，研究人员将该技术称为远程偏压诱导的静电力显微镜。
“在电线上施加电压而不是在原子力显微镜的针尖上施加电压看起来是一个小创新，但它却产生了很大的不同效果，”Kopanski说。“这种方法不需要新的仪器，半导体行业很容易就能实施，”他补充说。
Strelcov指出，其它用于发现缺陷的技术，包括X射线或磁场，也是高度准确的，但需要更昂贵的设备。
研究人员于11月3日在加利福尼亚州帕萨迪纳举行的第48届国际测试与故障分析研讨会上介绍了他们的研究工作。
