A TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.5
A mágneses térerő mérése roncsolásmentes hibavizsgálat céljából Tárgyszavak: elektronikus (integrált) áramkörök vizsgálata; vezetékstruktúra ellenőrzése; mágneses térerő; mérés.
Számos olyan mágneses detektortípus létezik, amelyek működési elve különböző fizikai tulajdonságokon alapul, azonban közülük csupán néhány alkalmas a tokozott integrált áramkörök vezetékstruktúrájának felmérésére. Az erre a célra alkalmazható detektorral szemben három, alapvető jelentőségű követelményt kell támasztani. Mindenekelőtt az érzékenységnek 1 mikrotesla (µT) határértéken belül kell lennie. Miután előreláthatólag a térgradiens is kicsiny, néhány nT nagyságrendű felbontóképességre, más szavakkal kifejezve 60 dB dinamikus tartományra van szükség. Ha csak gradiométeres vizsgálatról van szó, az utóbbi követelmény részben figyelmen kívül hagyható. Ennek ellenére ez az első követelmény kizárja a hagyományos Halldetektor használatának lehetőségét, bár segítségével mikrométer nagyságrendű térbeli felbontóképesség érhető el.
A térerő-érzékelés jelenlegi helyzete A jelenleg létező legérzékenyebb mágnestérerő-detektor a Squid. Ennek működése a Josephson-jelenségre épül, amely a fluxus kvantum Φ0 = 2 · 10–15 Wb töredékének érzékelését teszi lehetővé. Megfelelő elektronikus hálózat igénybevétele esetében a felbontóképesség 10–20 nagyságrendű lehet, ami egy 1 cm átmérőjű tekercs esetében mintegy 5 fT térerőnek felel meg. Összehasonlítás kedvéért: a Föld mágnesterének fluxusa mintegy 10 nagyságrenddel nagyobb. A szupravezetőknek egészen alacsony hőmérsékleteken nincs villamos ellenállásuk. Az a hőmérséklet, amely alatt szupravezetés jön létre, az anyag sajátos fizikai jellemzője, és kritikus hőmérsékletnek nevezik. Ez alatt a hőmérséklet alatt az áram szabadon áramlik a vezetőn keresztül. Azonban ehhez – a szupravezető anyagtól függően – cseppfolyós He-ra, vagy N-re, ennek
következtében a vizsgált minta és a detektor között viszonylag nagy távolság betartására van szükség. A fluxuskapu-detektor kis telítésű ferromágneses maggal van ellátva. Bár elvileg nT nagyságrendű felbontóképességet képes elérni – a mag mérete következtében – nem biztosíthat mikrométer nagyságrendű térbeli felbontóképességet. Az anyag mágneses permeabilitásának változásán alapuló GMI (giant magneto-impedance, óriás mágneses impedancia) eszközzel – különösen rezonancia-áramkörbe kapcsolt formában – rendkívül hatékony detektálórendszer megvalósítására nyílik lehetőség. Azonban a GMI magját nem lehet mikrométer nagyságrendűre csökkenteni, ha még elfogadható érzékenységre törekszünk. Tehát a térbeli felbontóképesség a második alapvető követelmény. Azonban a térbeli felbontóképesség egyáltalán nem érvényesül, ha a detektor nincs elég közel a vizsgálandó minta felületéhez. Első közelítésben a térbeli felbontóképesség nagyságrendje a vizsgálati távolságnak felel meg. Ez viszont függ a detektor méretétől. Vagyis a lehetséges vizsgálati távolság a mágneses detektor konstrukciójának harmadik alapvető fontosságú tényezője. Bár a Squid-detektorokkal érhető el a legnagyobb érzékenység, a mélyhűtési igény miatt a vizsgálati távolság nem felel meg a mikrométeren belüli felbontóképesség követelményének még akkor sem, ha magának a detektornak a mérete mikrométer nagyságrendű. Másrészt méretük és az elérhető vizsgálati távolság következtében a Hall-detektorok segítségével van némi lehetőség helyileg korlátozott mágneses információ érzékelésére. A szobahőmérsékleten felhasználható magnetorezisztív alkatrészek mikrométer nagyságrendű konstrukciós megoldást tesznek lehetővé. Ezért szóba kerülhet az AMR (anizotróp mágneses ellenállás) és GMR (óriás megneses ellneállás) detektorok felhasználása. Az AMR detektor ellenállás-változása néhány % nagyságrendű, míg a GMR esetében 100% fölötti. A többi (Squid, fluxuskapu) detektorhoz viszonyítva ezek a detektorok kedvező kompromiszszumot képviselnek a méret és az érzékenység között.
Kísérleti eredmények Vezetékstruktúra-felmérő rendszer Különböző magneto-ellenállásos detektorok összehasonlító értékelése céljából koordináta-mérőasztalból és szinkronizált differenciál detektáló áramkörből álló rendszert állítottak össze. A nyomtatott áramkörös áramforrást koordináta-mérőasztalon rögzítették. A detektor az erre a síkra merőleges irányban elmozdítható. A mérőáramkör a zajos detektorjel amplitúdóját és fázisát érzékeli. A zaj nagy részét keskenysávú szűrőhálózat szűri ki. A jelfrekvenciát és ennek megfelelően a szűrő át-
eresztési sávját az a referenciajel szabja meg, amelyet a szinkronizált detektálási folyamattal együtt érzékel az áramkör. A referenciajel a mérendő jel modulációs frekvenciájával egyezik meg. A mérés automatizálására és az eredmények kimentésére alkalmas szoftvert dolgoztak ki. Anizotróp magneto-ellenállásos (AMR) detektorok A magnetorezisztív hatás lényege, hogy az anyag ellenállása a mágneses tér hatására megváltozik. Az AMR detektor igen érzékeny a gyenge mágneses terekre. Maximális ellenállás-változásuk 3–4 % nagyságrendű. A detektor anyaga mágnesesen anizotróp, ferromágneses vékonyréteg (permalloy). A detektor érzékenysége függ a mágneses hiszterézishurok szélességétől és az ellenállás fajlagos változásától. Akkor változik meg az ellenállás, ha a mágneses vektor külső mágnestér hatására a könnyű mágnesezhetőség irányából 90°-kal elfordul. Az ellenállás-változás feszültséggé való átalakítása céljából a detektort Wheatstone-hídba kapcsolt négy önálló ellenállás formájában valósítják meg. Az első vizsgálatokhoz egy, a kereskedelemből beszerezhető AMR detektort használtak fel. A Honeywell gyártmányú, HMC1001 detektor lényegében egyszerű, hídkapcsolású ellenállás, amely csupán tápfeszültséget igényel. A szilíciumszeletre, sávellenállás formájában felvitt nikkel-vas vékonyréteg mágnesezési vektora a rá merőleges irányú mágneses tér hatására elfordul. A vektor irányszögének megváltozása következtében módosul a villamos ellenállás, és ennek megfelelően megváltozik a Wheatstone-híd kapcsolás kimeneti feszültsége. A detektorokat úgy gyártják, hogy a könnyű mágnesezés iránya a vékonyréteg hosszába mutasson. Ebben az esetben, adott feszültség esetén maximális lesz a permalloy vékonyréteg ellenállásának változása. Amennyiben azonban a könnyű mágnesezhetőség irányában túl nagy (10 gauss fölötti) a mágnestér, a vékonyréteg mágnesezési polaritása átbillen, és ezzel megváltozik a detektor jelleggörbéje. Ilyen esetben rövid ideig ható, nagy ellenirányú mágnestérrel kell visszaállítani a detektor eredeti jelleggörbéjét. A detektort a vizsgált nyomtatott áramkör vezetőmintázatával párhuzamosan, azoktól 500 mikrométer távolságra helyezték el. A Wheatstone-híd kapcsolás négy eleme közül kettőt leárnyékoltak, hogy ellenállásuk a mágnestér jelenlétében ne változzon. Ezzel a kapcsolással közvetlenül lehet mérni a mágnestér hatására létrejövő változásokat. A huzalhálózat fölött elmozdított detektor jelét néhány kHz frekvenciával modulálták. A vizsgálatot három huzalon végezték. A középső huzal feszültségmentes volt. A huzalok 5 mA áramterhelésig pontosan detektálhatók. Ez 2 µT mért térerőnek felel meg. Ezek a megfigyelt értékek megfelelnek a kereskedelmileg szavatolt adatoknak.
Óriás magneto-ellenállásos (GMR) detektor Az óriási magneto-ellenállásos hatás olyan kvantummechanikai jelenség, amikor a rendkívül vékony mágneses rétegből álló struktúrán áthaladó elektronok spin-állapotukkal összhangban nagy szóródás hatásának vannak kitéve. Ennek megfelelően változik (általában 10%-nál nagyobb mértékben) az anyag villamos ellenállása. Az ilyen elven működő legegyszerűbb struktúra két, egymással nem egyenértékű ferromágneses rétegből áll, amelyeket nem mágneses távtartó réteg választ el egymástól. Ezek a különlegesen vékony, általában néhány nm vastag rétegek olyan óriási mágneses molekulaként viselkednek, amelyekben a kvantummechanikai kölcsönhatási erő elég nagy ahhoz, hogy teljesen ellensúlyozza a dipólusteret és az egyes rétegekben rendezze a spinirányokat. Ennek következtében az egyes rétegek úgy viselkednek, mintha egyetlen spin-vektorral, vagy mágneses momentummal rendelkeznének. A külső tér intenzitásának hatására a vektor iránya megváltozik, de nagysága állandó marad. Amikor a rétegek mágnesezettsége azonos irányú, mindkét irányba végighaladhatnak rajtuk az elektronok, anélkül, hogy számottevően szóródnának. Amikor azonban a rétegek mágnesezettsége ellenirányú, kis térerő hatására az egyik spin-állapot erősen szóródásos, ami nagyon megnöveli a teljes ellenállást. A GMR detektorok mágneses rétegek által közrefogott rézötvözetből készülnek. A mágneses rétegek sem homogének, hanem kobalt-vas kettős rétegek. A detektor ellenállás-változása elérheti a 70%-ot. A GMR detektorok kimenőjele nagyobb, mint a hagyományos anizotróp magneto-ellenállásos detektoroké. Ezen túlmenőleg a nagy térerő nem „bilenti át” a GMR detektorokat, mint ahogy az az AMR detektorok esetében történik. A GMR detektor (NVE AA002) felhasználásakor mindenekelőtt azt vizsgálták, mekkora a minimálisan detektálható áramerősség. A mérésnél a detektor a nyomtatott áramkör vezetékhálózatától 200 µm távolságra volt. A minimális érzékelhető áramerősség 1 µA nagyságrendű volt, ami 1 nTnak felel meg. A térbeli felbontóképesség szempontjából a detektor és a nyomtatott áramköri huzalozás közötti vizsgálati távolság túl nagy ahhoz, hogy a mérés megbízható eredményt adjon.
Következtetések A GMR detektorokkal végzett kísérletek során a felbontóképesség szempontjából kedvező eredményeket értek el. Ennek ellenére ez a megoldás – a detektor mérete következtében – még távolról sem elégíti ki a nagymértékben integrált áramkörök vizsgálatának követelményeit. A továbbiakban meg kell vizsgálni, milyen más lehetőségek kínálkoznak a detektorméret csökkentésére. (Dr. Barna Gyögyné)
Crépel, O.; Goupil, C. stb.: Magnetic field measurements for non destructive failure analysis. = Microelectronics Reliability, 42. k. 9–11. sz. 2002. p. 1763–1766. Gwinn, J. P.; Webb, R. L.: Performance and testing of thermal interface materials. = Microelectronics Journal, 34. k. 3. sz. 2003. p. 215–222.
