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在集成電路制造與質(zhì)量控制中，可視化內(nèi)部電流分布一直是技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)電學(xué)探針方法不僅無法全面獲取內(nèi)部電流路徑，還可能對(duì)敏感元件造成損傷。近日，印度科研團(tuán)隊(duì)利用量子金剛石顯微鏡（Quantum Diamond Microscope, QDM），成功在晶圓級(jí)非晶銦鎵鋅氧（a-IGZO）薄膜晶體管電路中實(shí)現(xiàn)高精度電流成像，為柔性電子器件的無損檢測(cè)與性能優(yōu)化提供了新思路。
研究團(tuán)隊(duì)包括印度科學(xué)教育與研究院博帕爾分校（IISER Bhopal）的 Mayana Yousuf Ali Khan、Pralekh Dubey 和 Phani Kumar Peddibothla，以及印度理工學(xué)院坎普爾分校（IIT Kanpur）的 Lakshmi Madhuri P、Ashutosh Kumar Tripathi 和 Pydi Ganga Bahubalindruni。他們?cè)诮诎l(fā)表的論文《Sensing Electric Currents in an a-IGZO TFT-Based Circuit Using a Quantum Diamond Microscope》中，詳細(xì)介紹了這一研究成果。
團(tuán)隊(duì)基于 a-IGZO 薄膜晶體管（TFT）制作了一個(gè)由 16 個(gè)晶體管組成的電流鏡電路，并在晶圓級(jí)別利用 QDM 進(jìn)行磁場(chǎng)成像，從而反推出電流分布。結(jié)果表明：
QDM 獲取的電流密度分布與傳統(tǒng)電學(xué)測(cè)試高度一致；
能夠揭示常規(guī)探針方法無法直接訪問的電流路徑；
在不接觸電路的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電路工作狀態(tài)的高精度表征。
技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)
QDM 基于金剛石中氮-空位（NV）中心的磁場(chǎng)靈敏性實(shí)現(xiàn)工作。NV 中心是金剛石晶格中由氮原子替代碳原子并伴隨空位形成的量子缺陷，其量子力學(xué)特性使其對(duì)極弱磁場(chǎng)高度敏感。
當(dāng)電路中存在直流電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。QDM 能夠捕捉這些磁場(chǎng)分布，并生成二維磁場(chǎng)圖像。研究人員進(jìn)一步將這些磁場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電流密度分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件內(nèi)部電流流動(dòng)路徑的可視化。這一方法完全非侵入，不會(huì)破壞或影響被測(cè)器件。
相比傳統(tǒng)電學(xué)探針，QDM 具有以下優(yōu)勢(shì)：
非接觸式測(cè)量，避免損傷敏感結(jié)構(gòu)；
揭示隱藏電流路徑，提升診斷完整性；
量化精度高，與常規(guī)電學(xué)測(cè)試結(jié)果高度吻合。
研究背景與發(fā)展
NV 中心磁場(chǎng)測(cè)量的原理早在 Gruber 等（1997）和 Doherty 等（2013）的研究中確立，其在納米磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域的潛力已被多次驗(yàn)證。后續(xù)研究（Reuss, Nomura, Roth, Tetienne, Broadway, Abrahams 等）在提升靈敏度、空間分辨率和應(yīng)用場(chǎng)景方面不斷拓展，為 QDM 的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
此次研究將 QDM 應(yīng)用于 a-IGZO TFT 電路成像，是該技術(shù)在柔性電子檢測(cè)中的一次重要實(shí)踐，驗(yàn)證了其在新型半導(dǎo)體材料質(zhì)量控制中的應(yīng)用前景。
該研究表明，QDM 對(duì)電流分布的高靈敏成像能力可用于：
工藝優(yōu)化：幫助工程師識(shí)別并消除制造過程中的缺陷；
柔性電子質(zhì)量控制：為 a-IGZO 等新興材料器件提供無損檢測(cè)；
性能評(píng)估：精準(zhǔn)分析電流路徑與器件性能間的關(guān)聯(lián)。
未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃拓展 QDM 至更復(fù)雜的集成電路，并探索實(shí)時(shí)電流監(jiān)測(cè)與三維成像能力。這將為芯片級(jí)診斷、缺陷追蹤和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供更豐富的數(shù)據(jù)支持。
量子金剛石顯微鏡通過 NV 中心磁場(chǎng)成像，實(shí)現(xiàn)了非接觸式、高精度的電流分布測(cè)量，并在 a-IGZO TFT 電路中完成了晶圓級(jí)驗(yàn)證。這一成果不僅為柔性電子制造提供了可靠的無損檢測(cè)手段，也為半導(dǎo)體行業(yè)的質(zhì)量控制與設(shè)計(jì)優(yōu)化開辟了新路徑。隨著成像技術(shù)與數(shù)據(jù)分析方法的進(jìn)一步發(fā)展，QDM 有望成為先進(jìn)電子器件研發(fā)與生產(chǎn)過程中的重要工具。
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