Tiêu thụ năng lượng thế giới dự kiến sẽ tăng gần 50% từ năm 2018 đến năm 2050. Khi phần lớn năng lượng chuyển sang điện, các thiết bị bán dẫn công suất nhỏ gọn, hiệu suất cao hơn như điốt, IGBT, MOSFET và HEMT là cần thiết để vận hành từ điện thoại thông minh và xe điện cho đến robot công nghiệp.
Ngày nay, ngành công nghiệp bán dẫn đang vượt ra ngoài silicon để phát triển thiết bị điện thế hệ tiếp theo. Các thiết bị nguồn có dải năng lượng rộng giúp có thể tạo ra các bộ phận có hiệu suất cao hơn, đáng tin cậy hơn giúp cải thiện hiệu suất sử dụng điện và hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Tuy nhiên, những vật liệu này có thể gây ra hư hỏng—và việc sử dụng phân tích sự cố điện truyền thống để xác định nguyên nhân cơ sở có thể là một thách thức, có khả năng ảnh hưởng đến độ tin cậy vận hành và năng suất sản xuất.
Lấy ví dụ như silicon transistor hiệu ứng trường kim loại – oxit bán dẫn (MOSFET). Những transistor này được thiết kế để xử lý các yêu cầu năng lượng cao, là thiết bị phù hợp cho phần lớn các ứng dụng nguồn chuyển mạch. Khi điện áp và tần số cao hơn chuyển đổi thành các hệ số dạng ngày càng nhỏ hơn, hiệu suất của các MOSFET công suất này đang đạt đến giới hạn.
Bằng cách thiết kế lại MOSFET công suất sử dụng vật liệu bán dẫn mới như cacbua silic và gali nitrit, các kỹ sư có thể phát triển các giải pháp tiết kiệm chi phí để chuyển đổi nguồn nhằm đáp ứng nhu cầu về các thiết bị bán dẫn công suất nhỏ gọn và hiệu quả cao.
Những hạn chế của phương pháp phân tích hư hỏng điện truyền thống
Khi các kỹ sư thiết kế những thiết bị này, thách thức chính là loại bỏ tình trạng đoản mạch. Không giống như các mạch tích hợp được tạo thành từ hàng tỷ transistor nhỏ được kết nối bởi các lớp dây mỏng, các thiết bị điện bao gồm một transistor với một dây mỏng được bao phủ hoàn toàn bởi một tấm kim loại. Thiết kế này gây cản trở cho việc mô tả các đường rò rỉ nhỏ—và đòi hỏi các phương pháp phân tích sự cố điện khác với các phương pháp được sử dụng trước đây.
Kính hiển vi phát xạ và sự thay đổi điện trở suất do chùm tia quang học (OBIRCH) là các phương pháp truyền thống để xác định các chế độ hỏng MOSFET nguồn. Tuy nhiên, những phương pháp này bị cản trở bởi tấm kim loại dày bao phủ bề mặt. Để khắc phục hạn chế này, các kỹ sư đôi khi sử dụng các ion phản ứng hoặc hóa chất ướt để tiếp cận hư hỏng tốt hơn. Nhược điểm của phương pháp này là độ tái lập thấp và khả năng vô hiệu hóa hoàn toàn thiết bị cao.
Cần có các phương pháp mới khi các kỹ sư làm việc để thiết kế các thiết bị điện tiên tiến bao gồm các vật liệu có dải năng lượng rộng
Quy trình làm việc mạnh mẽ dành cho các thiết bị bán dẫn công suất thế hệ tiếp theo
Để giải quyết những vấn đề này, Thermo Fisher Scientific đã phát triển một quy trình làm việc mạnh mẽ kết hợp phân tích sự cố điện (EFA) để tách biệt các lỗi và phân tích lỗi vật lý (PFA) để mô tả đặc điểm của cấu trúc vi mô—giúp các kỹ sư xác định hành vi điện bất thường ở cấp độ cấu trúc vi mô. Quy trình làm việc này không chỉ nhanh hơn và chính xác hơn mà còn tạo ra các kết quả có thể lặp lại mà không gây hư hỏng thiết bị.
Quy trình làm việc gồm các bước như sau:
Phân tích sự cố điện của thiết bị bán dẫn điện
- Định vị vùng quan tâm: Hệ thống Thermo Scientific ELITE được sử dụng để tách biệt các lỗi một cách tổng quát bằng cách phát hiện nhiệt tỏa ra ở bất kỳ đâu trên thiết bị, bất kể sự hiện diện của tấm kim loại bao phủ bề mặt. Điều làm cho ELITE trở nên độc đáo là khả năng khóa máy dò ở độ lệch tăng dần và thu được các tín hiệu biên độ và pha riêng biệt. Biên độ là tín hiệu giống như một kính hiển vi nhiệt cơ bản và nó thường cung cấp vị trí hỏng hóc sai lệch. Tín hiệu pha của ELITE khắc phục được vấn đề này bằng cách tăng độ nhạy đối với nguồn nhiệt, thay vì nơi nhiệt tích tụ.
- Tạo khe hở trong tấm kim loại: Helios 5 PFIB DualBeam sử dụng chùm ion khí trơ mịn để tạo khe hở trong tấm kim loại tại vị trí được chỉ định bởi ELITE. Một dòng khí được dẫn qua mẫu để tạo ra một khe hở có đáy phẳng đồng đều trên thiết bị. Kính hiển vi điện tử DualBeam được sử dụng để dừng quá trình nghiền ion một cách chính xác ở lớp thích hợp bên trong thiết bị. Trong một số trường hợp, quá trình “loại bỏ lớp vật liệu” dừng lại khi tấm kim loại được tháo ra và các tiếp điểm nguồn lộ ra. Trong các trường hợp khác, lớp vật liệu của thiết bị loại bỏ sâu hơn vào điện cực cổng. Theo quy trình chuẩn bị mẫu này, thiết bị bán dẫn công suất vẫn duy trì đầy đủ chức năng và hoạt động của bộ phận ban đầu không thay đổi.
- Thăm dò nano để tiếp tục khoanh vùng lỗi: Nếu không thấy được hư hỏng trong bước loại bỏ lớp vật liệuk PFIB, thăm dò nano sẽ được áp dụng để khoanh vùng lỗi thêm. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) thăm dò nano sử dụng Hệ thống Thermo Scientific nProber IV hoặc thăm dò lực nguyên tử sử dụng Hệ thống Thermo Scientific Hyperion định vị các đầu dò tinh vi ở các vị trí riêng biệt trong vùng quan tâm để trích xuất các đường cong dòng điện-điện áp. Những bất thường trong đường cong dòng điện-điện áp cho thấy vị trí sự cố và cho biết khối lượng vật liệu phải được kiểm tra để tìm ra lỗi bằng cách sử dụng phân tích lỗi vật lý.
Phân tích lỗi vật lý của thiết bị bán dẫn điện
- Mô tả cấu trúc vi mô gây ra lỗi: Helios 5 PFIB DualBeam được sử dụng để chuẩn bị mẫu bằng hai phương pháp khả thi:
- Cắt và xem: Kỹ thuật này bao gồm việc thực hiện một loạt các vết cắt FIB, sau đó là chụp ảnh SEM khi các vết cắt được thực hiện xuyên qua vật liệu cho đến khi tìm thấy hư hỏng. Nếu cần hình ảnh chi tiết hơn để mô tả lỗi, thì có thể chuẩn bị và chụp ảnh một mẫu mỏng bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (STEM) như Thermo Fisher Talos (TEM)
- Chuyển trực tiếp đến Talos TEM: Phương pháp chuẩn bị mẫu thay thế là trích xuất một phần vật liệu dày tới vài micron bằng Helios PFIB DualBeam và di chuyển mẫu trực tiếp vào Talos TEM. Đây là cách tiếp cận nhanh nhất, nhưng các mẫu dày hơn có thể yêu cầu làm mỏng và phân tích thêm để xác định đặc điểm chính xác của lỗi
Khi các kỹ sư thiết kế các giải pháp quản lý năng lượng tiên tiến, họ cần các phương pháp phân tích lỗi mới giúp họ phân biệt và mô tả chính xác các lỗi. Quy trình làm việc từ EFA đến PFA của Thermo Fisher cung cấp một cách nhanh chóng và chính xác để cải thiện chất lượng thiết bị điện—mở đường cho thế hệ thiết bị điện tiếp theo cần thiết để cung cấp năng lượng cho nền kinh tế toàn cầu của chúng ta.
Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các sản phẩm SEM, FIB-SEM và TEM hãng Thermo Fisher Scientific.
EN