vc累计正电荷为什么会黑

VC作为一种常用的分析手段,在die level的失效分析中用的很多，比如在做去层分析到CT层次时，通过SEM图像的明暗来判断CT以下的结构（比如栅氧）是否有异常，通常会在Low KV（~0.7KV）和High KV（>5KV）下来检查。

在解释VC之前，先简单了解一下SEM成像的原理：

电子束经过加速，打到样品表面，会产生很多种信号，比如X射线，俄歇电子，二次电子，背散射电子等等，其中由于二次电子的成像分辨率比较高而广泛用于SEM成像。当入射电子打到样品表面时，会发生非弹性碰撞，一些核外的电子获得能量跑到样品表面，这些电子叫做二次电子， SEM机台内部的二次电子的探头检测这些二次电子从而成像。

下面进入正题：

我们通常用的基本上都是PVC（Passive voltage contrast），也就是说只需要借助SEM拍照就能实现，此外还有AVC（Active voltage contrast），这就需要SEM内的探针对IC加上偏置以后再检查VC图像。这次我们重点讨论PVC，以下简称VC。

既然SEM图像的明暗是由被探测器接收到二次电子的量来决定的，那二次电子的产生对于我们来说至关重要。二次电子的产率可以通过下面这张图来解释：

σ=Ns/Ne

Ns：发射出二次电子数目； Ne：入射电子数目；其中E1 大约在0.5KV，E2 大约在2KV。

1. 当发射二次电子数目Ns >入射二次电子数目Ne，对应上图绿色区域，此时发生的是positive charge由于能量守恒，此时会在样品表面累积正电荷；（对应Low KV下的VC。）

2. 当发射二次电子数目Ns <入射二次电子数目Ne，对应上图紫色区域，此时发生的是negative charge由于能量守恒，此时会在样品表面累积负电荷；（对应High KV下的VC。）

3. 当两者数目相等，此时没有电荷累积。

Positive VC 的情况:

1.对于floating的位置，由于累积了正电荷，在电场作用下，二次电子向下运动，从而很难被二次电子的探头探测到，此时成像就是暗色；

2.对于grounded的位置，由于没有电荷累积，二次电子被正常探测到，此时成像为亮色。

而在实际应用中，不仅仅存在floating/grounded 的情况，还有别的情况，比如通过CT连出来的N+ in P well, P+ in N well. 其实道理一样，如下：

3. N+ in P well：PN结对于正电荷反偏，这里的CT处会累积正电荷，并且成像偏暗；

4. P+ in N well：PN结对于正电荷正偏，这里的CT处无法累积大量的正电荷，并且成像较亮；

下面这张VC图片和LAYOUT一一对应的情况有助于理解：

Negative VC 的情况:

1. 对floating 的位置，负电荷累积会增加二次电子的接受率，因此显示为亮；

2. 对于grounded的位置，没有负电荷累积，二次电子接受率没有增加，显示为暗；

3. 对于N+ in P well，PN结对负电荷为正偏，不能累积大量负电荷，显示为较暗；

4. 对于P+ in N well，PN结对负电荷为反偏，负电荷累积，显示为较亮。

失效分析方法主要有五种，分别是：

1、外观检查。

外观检查就是目测或利用一些简单仪器，如立体显微镜、金相显微镜甚至放大镜等工具检查PCB的外观，寻找失效的部位和相关的物证，主要的作用就是失效定位和初步判断PCB的失效模式。

2、X射线透视检查。

对于某些不能通过外观检查到的部位以及PCB的通孔内部和其他内部缺陷，只好使用X射线透视系统来检查。X光透视系统就是利用不同材料厚度或是不同材料密度对X光的吸湿或透过率的不同原理来成像。

3、切片分析。

切片分析就是通过取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察等一系列手段和步骤获得PCB横截面结构的过程。通过切片分析可以得到反映PCB（通孔、镀层等）质量的微观结构的丰富信息，为下一步的质量改进提供很好的依据。

4、扫描电子显微镜分析。

扫描电子显微镜（SEM）是进行失效分析的一种最有用的大型电子显微成像系统，其工作原理是利用阴极发射的电子束经阳极加速。扫描电镜图像景深远远大于光学显微镜，是针对金相结构、显微断口以及锡须等不平整样品的重要分析方法。

5、光电子能谱（XPS）分析。

样品受X射线照射时，表面原子的内壳层电子会脱离原子核的束缚而逸出固体表面形成电子，测量其动能Ex,可得到原子的内壳层电子的结合能Eb,Eb因不同元素和不同电子壳层而异，它是原子的“指纹”标识参数，形成的谱线即为光电子能谱（XPS）。

失效分析的系统方法：在设计生产使用各环节都有可能出现失效，失效分析伴随产品全流程。

一、C-SAM（超声波扫描显微镜)，属于无损检查:

检测内容包含：

1.材料内部的晶格结构、杂质颗粒、夹杂物、沉淀物

2.内部裂纹

3.分层缺陷

4.空洞、气泡、空隙等。

二、 X－Ray（X光检测），属于无损检查:

X-Ray是利用阴极射线管产生高能量电子与金属靶撞击，在撞击过程中，因电子突然减速，其损失的动能会以X-Ray形式放出。而对于样品无法以外观方式观测的位置，利用X-Ray穿透不同密度物质后其光强度的变化，产生的对比效果可形成影像，即可显示出待测物的内部结构，进而可在不破坏待测物的情况下观察待测物内部有问题的区域。

检测内容包含：

1.观测DIP、SOP、QFP、QFN、BGA、Flipchip等不同封装的半导体、电阻、电容等电子元器件以及小型PCB印刷电路板

2.观测器件内部芯片大小、数量、叠die、绑线情况

3.观测芯片crack、点胶不均、断线、搭线、内部气泡等封装缺陷，以及焊锡球冷焊、虚焊等焊接缺陷

三、SEM扫描电镜/EDX能量弥散X光仪（材料结构分析/缺陷观察，元素组成常规微区分析，精确测量元器件尺寸）,

SEM/EDX（形貌观测、成分分析）扫描电镜（SEM）可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。EDX是借助于分析试样发出的元素特征X射线波长和强度实现的，根据不同元素特征X射线波长的不同来测定试样所含的元素。通过对比不同元素谱线的强度可以测定试样中元素的含量。通常EDX结合电子显微镜（SEM）使用，可以对样品进行微区成分分析。

检测内容包含：

1.材料表面形貌分析，微区形貌观察

2.材料形状、大小、表面、断面、粒径分布分析

3.薄膜样品表面形貌观察、薄膜粗糙度及膜厚分析

4.纳米尺寸量测及标示

5.微区成分定性及定量分析

四、EMMI微光显微镜。对于故障分析而言，微光显微镜（Emission Microscope, EMMI）是一种相当有用且效率极高的分析工具。主要侦测IC内部所放出光子。在IC元件中，EHP（Electron Hole Pairs）Recombination会放出光子（Photon）。如在P-N结加偏压，此时N阱的电子很容易扩散到P阱，而P的空穴也容易扩散至N，然后与P端的空穴（或N端的电子）做EHP Recombination。

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