میکروسکوپ squid روبشی

بندانگشتی|چپ: شماتیک یک میکروسکوپ SQUID روبشی در یخچال هلیوم-۴. نگهدارنده سبز برای کاوشگر SQUID به یک دیاپازون کوارتز متصل است. قسمت پایین یک صفحه نمونه پیزوالکتریک است. راست: تصویر میکروسکوپ الکترونی از یک کاوشگر SQUID و تصویر آزمایشی نوارهای Nb/Au که با آن ضبط شده است.در فیزیک مادهٔ چگال، میکروسکوپ SQUID پیمایشی (Scanning SQUID Microscopy) روشی است که در آن از یک دستگاه تداخل‌سنج کوانتومی ابررسانا یا SQUID برای تصویربرداری از شدت میدان مغناطیسی سطح، با قدرت تفکیک در مقیاس میکرومتر، استفاده می‌شود. یک SQUID بسیار کوچک بر روی نوکی نصب می‌شود و سپس این نوک در فاصله‌ای بسیار نزدیک به سطح نمونه، به‌صورت رفت‌وبرگشتی (Raster) حرکت داده می‌شود تا میدان مغناطیسی نمونه اندازه‌گیری گردد. از آن‌جا که SQUID حساس‌ترین آشکارساز میدان مغناطیسیِ شناخته‌شده است و می‌توان آن را با پهناهایی در حد زیرمیکرومتر به کمک لیتوگرافی ساخت، میکروسکوپ SQUID پیمایشی امکان اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی را با حساسیت و تفکیکی بی‌نظیر فراهم می‌کند. نخستین میکروسکوپ SQUID پیمایشی در سال ۱۹۹۲ توسط بلک و همکاران ساخته شد. از آن زمان تاکنون، این تکنیک برای تأیید ابررسانایی نامتعارف در چندین ابررسانای دمای بالا، از جمله ترکیبات YBCO و BSCCO، به‌کار رفته است.
## اصول عملیاتی
میکروسکوپ SQUID پیمایشی بر پایهٔ SQUID جریان مستقیم با فیلم نازک (Thin-film DC SQUID) عمل می‌کند. یک DC SQUID از الکترودهای ابررسانا تشکیل شده است که به‌صورت یک حلقه آرایش یافته‌اند و به‌وسیلهٔ دو پیوند ضعیف از نوع اتصال‌های جوزفسون به یکدیگر متصل می‌شوند (مطابق شکل). هنگامی که جریان از مقدار بحرانی اتصال‌های جوزفسون فراتر رود، اختلاف ولتاژ ایده‌آل بین الکترودها به‌صورت زیر داده می‌شود:
بندانگشتی|نمودار یک SQUID DC. جریان I وارد شده و به دو مسیر تقسیم می‌شود که هر کدام جریان‌های Ia و Ib را دارند. موانع نازک روی هر مسیر، اتصالات جوزفسون هستند که با هم دو ناحیه ابررسانا را از هم جدا می‌کنند. Φ نشان دهنده شار مغناطیسی ورودی به داخل حلقه SQUID DC است.
\begin{align}
V &= \frac{R}{2}\sqrt{I^2 - I_0^2},\\
  &= \frac{R}{2}\left(I^2 - \left( 2I_c\cos\left(\pi\frac{\Phi}{\Phi_0}\right)\right)^2 \right)^\frac{1}{2},
\end{align}

که در آن، R مقاومت بین الکترودها، *I* جریان اعمال‌شده، *I*0 بیشینهٔ جریان ابررسانا، *I<sub>c</sub>* جریان بحرانی اتصال‌های جوزفسون، Φ شار مغناطیسی کل عبوری از حلقه، و Φ0کوانتوم شار مغناطیسی است.

از این‌رو، یک DC SQUID می‌تواند به‌عنوان یک مبدل شار به ولتاژ به کار رود. با این حال، همان‌گونه که در شکل نشان داده شده است، ولتاژ بین الکترودها به‌صورت سینوسی نسبت به مقدار شار مغناطیسی عبوری از دستگاه نوسان می‌کند. در نتیجه، یک SQUID به‌تنهایی تنها قادر است تغییرات میدان مغناطیسی را نسبت به یک مقدار مرجع معلوم اندازه‌گیری کند، مگر آن‌که میدان مغناطیسی یا اندازهٔ دستگاه آن‌قدر کوچک باشد که Φ 0, باشد ـ نیز توسط سیم‌پیچ بایاس اعمال می‌گردد. این میدان AC یک ولتاژ AC ایجاد می‌کند که دامنهٔ آن متناسب با مؤلفهٔ DC شار در SQUID است. مزیت این روش آن است که می‌توان فرکانس سیگنال ولتاژ را به‌گونه‌ای انتخاب کرد که از فرکانس‌های مربوط به منابع احتمالی نویز فاصلهٔ زیادی داشته باشد. با استفاده از تقویت‌کنندهٔ قفل‌شونده (Lock-in Amplifier)، دستگاه تنها سیگنالی را که در فرکانس متناظر با میدان مغناطیسی قرار دارد آشکار می‌کند و بدین‌ترتیب بسیاری از منابع دیگر نویز نادیده گرفته می‌شوند.

## ابزار دقیق
میکروسکوپ SQUID پیمایشی یک سامانهٔ تصویربرداری میدانِ نزدیک با حساسیتی بسیار بالا برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی ضعیف است که با حرکت دادن یک دستگاه تداخل‌سنج کوانتومی ابررسانا (SQUID) بر روی یک ناحیه عمل می‌کند. این میکروسکوپ می‌تواند با اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسیِ ناشی از جریان‌ها، سیم‌های حامل جریانِ مدفون را آشکارسازی و نقشه‌برداری کند، یا برای تصویربرداری از میدان‌های تولیدشده توسط مواد مغناطیسی به کار رود. با ترسیم نقشهٔ جریان در یک مدار مجتمع یا یک پکیج الکترونیکی، می‌توان محل اتصال‌های کوتاه را شناسایی کرد و طرح‌های تراشه را از این نظر راستی‌آزمایی نمود که آیا جریان دقیقاً در مسیرهای مورد انتظار در حال عبور است یا خیر.

از آن‌جا که مادهٔ SQUID باید ابررسانا باشد، انجام اندازه‌گیری‌ها مستلزم دماهای پایین است. معمولاً آزمایش‌ها در دماهایی پایین‌تر از دمای هلیوم مایع (۴٫۲ کلوین) و در یخچال‌های هلیوم-۳ یا یخچال‌های رقیق‌سازی انجام می‌شوند. با این حال، پیشرفت‌ها در رشد فیلم‌های نازکِ ابررساناهای دمای بالا امکان استفاده از سرمایش نسبتاً ارزانِ نیتروژن مایع را نیز فراهم کرده است. حتی می‌توان نمونه‌هایی در دمای اتاق را اندازه‌گیری کرد، مشروط بر آن‌که تنها یک SQUID با دمای بحرانی بالا (High-Tc) سرد شود و جداسازی حرارتی مناسبی میان SQUID و نمونه برقرار گردد. در هر دو حالت، به دلیل حساسیت فوق‌العادهٔ پروب SQUID به میدان‌های مغناطیسیِ سرگردان، عموماً از نوعی محافظت مغناطیسی استفاده می‌شود. رایج‌ترین روش، به‌کارگیری پوششی از مو-متال است که گاه با یک «محفظهٔ» ابررسانا نیز ترکیب می‌شود (تمام ابررساناها به‌واسطهٔ اثر مایسنر میدان‌های مغناطیسی را دفع می‌کنند).

پروب SQUID معمولاً با روش‌های لایه‌نشانی فیلم نازک ساخته می‌شود و ناحیهٔ SQUID به‌وسیلهٔ لیتوگرافی تعریف می‌گردد. طیف گسترده‌ای از مواد ابررسانا را می‌توان به کار گرفت، اما دو مادهٔ متداول‌تر نیوبیوم و YBCO هستند؛ نیوبیوم به دلیل مقاومت نسبتاً خوب در برابر آسیب‌های ناشی از چرخه‌های حرارتی، و YBCO به سبب دمای بحرانی بالای آن (بیش از ۷۷ کلوین) و سهولت نسبی لایه‌نشانی در مقایسه با دیگر ابررساناهای دمای بالا. در هر صورت، باید ابررسانایی انتخاب شود که دمای بحرانی آن بالاتر از دمای کاری دستگاه باشد. خود SQUID می‌تواند به‌عنوان سیم‌پیچ دریافت‌کنندهٔ میدان مغناطیسی عمل کند؛ در این حالت، قدرت تفکیک دستگاه متناسب با اندازهٔ SQUID است. با این وجود، جریان‌هایی که درون یا در نزدیکی SQUID جاری می‌شوند میدان‌های مغناطیسی‌ای ایجاد می‌کنند که در سیم‌پیچ ثبت شده و می‌توانند منبع نویز باشند. برای کاهش این اثر، می‌توان اندازهٔ خود SQUID را بسیار کوچک ساخت، اما آن را به یک حلقهٔ ابررسانای خارجیِ بزرگ‌تر که در فاصله‌ای دورتر از SQUID قرار دارد متصل کرد. در این حالت، شار عبوری از حلقه آشکارسازی و اندازه‌گیری می‌شود و با القای ولتاژ در SQUID ثبت می‌گردد.

تفکیک‌پذیری و حساسیت دستگاه هر دو به اندازهٔ SQUID وابسته‌اند. یک SQUID کوچک‌تر تفکیک‌پذیری بالاتری دارد، اما حساسیت آن کمتر است. تغییر ولتاژ القاشده متناسب با اندوکتانس دستگاه است و محدودیت‌ها در کنترل میدان مغناطیسی بایاس، به‌همراهٔ مسائل مربوط به الکترونیک، مانع از آن می‌شوند که در همهٔ شرایط ولتاژی کاملاً ثابت حفظ گردد. با این حال، در عمل حساسیت اغلب میکروسکوپ‌های SQUID پیمایشی برای بسیاری از کاربردها و تقریباً برای هر اندازهٔ SQUID کافی است؛ از این‌رو، گرایش معمول آن است که برای افزایش تفکیک‌پذیری، SQUID تا حد امکان کوچک ساخته شود. با بهره‌گیری از لیتوگرافی پرتو الکترونی (e-beam lithography) می‌توان دستگاه‌هایی با مساحت کلی حدود ۱ تا ۱۰ میکرومتر مربع ساخت، هرچند SQUIDهایی با مساحت‌هایی در بازهٔ چند ده تا چند صد میکرومتر مربع رایج‌ترند.

خود SQUID بر روی یک کانتیلور نصب می‌شود و یا در تماس مستقیم با سطح نمونه، یا در فاصله‌ای بسیار اندک بالای آن به کار گرفته می‌شود. موقعیت SQUID معمولاً به‌وسیلهٔ نوعی موتور پله‌ای الکتریکی کنترل می‌گردد. بسته به کاربرد مورد نظر، دقت‌های متفاوتی در تنظیم ارتفاع دستگاه مورد نیاز است. کار در فاصله‌های کمتر میان نوک پروب و نمونه، حساسیت و تفکیک‌پذیری را افزایش می‌دهد، اما مستلزم سازوکارهای پیشرفته‌تری برای کنترل ارتفاع پروب است. افزون بر این، برای حفظ کنترل دقیق ارتفاع، چنین سامانه‌هایی به سامانه‌های گستردهٔ میراکنندهٔ ارتعاش نیاز دارند.

### میکروسکوپ SQUID روبشی با دمای بالا
بندانگشتی|میکروسکوپ اسکن SQUID
یک میکروسکوپ SQUID پیمایشیِ دمای بالا که از یک SQUID ساخته‌شده از YBCO استفاده می‌کند، قادر است میدان‌های مغناطیسی‌ای به کوچکی ۲۰ پیکوتسلا را اندازه‌گیری کند؛ مقداری که حدود دو میلیون بار ضعیف‌تر از میدان مغناطیسی زمین است. حساسیت حسگر SQUID به حدی بالاست که می‌تواند حتی یک سیم را در شرایطی آشکار کند که تنها ۱۰ نانوآمپر جریان از آن عبور می‌کند و این سیم در فاصله‌ای ۱۰۰ میکرومتری از حسگر SQUID قرار دارد، آن هم با میانگین‌گیری یک‌ثانیه‌ای.

این میکروسکوپ از یک طراحی ثبت‌شده (پتنت‌شده) بهره می‌برد که امکان می‌دهد نمونهٔ مورد بررسی در دمای اتاق و در هوا قرار داشته باشد، در حالی که حسگر SQUID در خلأ نگه داشته شده و با استفاده از یک سردکن برودتی (Cryocooler) تا دمایی کمتر از ۸۰ کلوین سرد می‌شود. در این سامانه از نیتروژن مایع استفاده نمی‌شود. در جریان تصویربرداری غیرتماسی و غیرمخرب از نمونه‌های دمای اتاق در هوا، دستگاه به یک تفکیک‌پذیری فضایی خام و بدون پردازش دست می‌یابد که برابر است با فاصلهٔ میان حسگر و جریان یا اندازهٔ مؤثر حسگر—هرکدام که بزرگ‌تر باشد.

با این حال، برای تعیین دقیق محل یک اتصال کوتاه در یک لایهٔ مدفون، می‌توان از تکنیک پس‌تحول مبتنی بر تبدیل فوریهٔ سریع (FFT Back-Evolution) استفاده کرد تا تصویر میدان مغناطیسی به یک نقشهٔ معادل از جریان در یک مدار مجتمع یا برد مدار چاپی تبدیل شود. سپس این نقشهٔ جریان با دیاگرام مدار مقایسه می‌گردد تا محل عیب مشخص شود. با این پردازش پسین بر روی تصویر مغناطیسی و با توجه به نویز بسیار کم موجود در تصاویر SQUID، می‌توان تفکیک‌پذیری فضایی را تا پنج برابر یا بیشتر نسبت به تصویر مغناطیسی محدود به میدانِ نزدیک بهبود داد.

خروجی سامانه به‌صورت یک تصویر رنگ کاذب نمایش داده می‌شود که شدت میدان مغناطیسی یا—پس از پردازش—بزرگی جریان را بر حسب موقعیت روی نمونه نشان می‌دهد. پس از پردازش برای استخراج بزرگی جریان، این میکروسکوپ توانسته است اتصال‌های کوتاه را در رساناها با دقتی در حدود ±۱۶ میکرومتر و در فاصلهٔ ۱۵۰ میکرومتری میان حسگر و جریان، با موفقیت مکان‌یابی کند.

## عملیات
بندانگشتی|شکل ۱: شماتیک الکتریکی یک SQUID که در آن Ib جریان بایاس، I0 جریان بحرانی SQUID، Φ شار عبوری از SQUID و V پاسخ ولتاژ به آن شار است.
راه‌اندازی و کار با میکروسکوپ SQUID پیمایشی اساساً شامل سرد کردن پروب و نمونه و سپس حرکت دادن نوک پروب به‌صورت رفت‌وبرگشتی (Raster) بر روی ناحیه‌ای است که اندازه‌گیری در آن مورد نظر است. از آن‌جا که تغییر ولتاژ متناظر با میدان مغناطیسی اندازه‌گیری‌شده بسیار سریع رخ می‌دهد، شدت میدان مغناطیسی بایاس معمولاً به‌وسیلهٔ الکترونیکِ بازخوردی کنترل می‌شود. مقدار این میدان سپس توسط یک سامانهٔ رایانه‌ای ثبت می‌گردد؛ سامانه‌ای که هم‌زمان موقعیت پروب را نیز رهگیری می‌کند. افزون بر این، می‌توان از یک دوربین نوری برای دنبال‌کردن موقعیت SQUID نسبت به نمونه استفاده کرد.
بندانگشتی|شکل 2 الف) نمودار جریان بر حسب ولتاژ برای یک SQUID. منحنی‌های بالا و پایین به ترتیب مربوط به nΦ0 و (n+1/2)Φ0 هستند. شکل 2 ب) پاسخ ولتاژ تناوبی ناشی از شار عبوری از یک SQUID. تناوب برابر با یک کوانتوم شار، Φ0 است.
همان‌گونه که از نام SQUID برمی‌آید، این ابزار از مواد ابررسانا ساخته می‌شود؛ ازاین‌رو، لازم است تا به دماهای برودتی سرد شود: برای SQUIDهای دمای بالا به دماهایی کمتر از ۹۰ کلوین (دمای نیتروژن مایع) و برای SQUIDهای دمای پایین به دماهایی کمتر از ۹ کلوین (دمای هلیوم مایع). در سامانه‌های تصویربرداری مغناطیسی جریان، از یک SQUID دمای بالای کوچک (با پهنایی در حدود ۳۰ میکرومتر) استفاده می‌شود. این  سامانه به‌گونه‌ای طراحی شده است که یک SQUID دمای بالا، ساخته‌شده از YBa₂Cu₃O₇، را در حالی که در خلأ قرار دارد و تا دمایی کمتر از ۸۰ کلوین سرد شده است نگه دارد، در حالی که دستگاهِ تحت آزمون در دمای اتاق و در هوا قرار دارد.

یک SQUID از دو اتصال تونلی جوزفسون تشکیل می‌شود که در یک حلقهٔ ابررسانا به یکدیگر متصل شده‌اند (نگاه کنید به شکل ۱). یک اتصال جوزفسون از دو ناحیهٔ ابررسانا تشکیل می‌شود که به‌وسیلهٔ یک سد عایقِ بسیار نازک از هم جدا شده‌اند. در این اتصال، جریان می‌تواند بدون هیچ افت ولتاژی تا یک مقدار بیشینه—که جریان بحرانی Io نامیده می‌شود—عبور کند. هنگامی که SQUID با یک جریان ثابت بایاس شود که از جریان بحرانی اتصال فراتر رود، تغییرات شار مغناطیسی Φکه حلقهٔ SQUID را قطع می‌کند، موجب تغییر در افت ولتاژ دو سر SQUID می‌شود (نگاه کنید به شکل ۱). شکل ۲(a) مشخصهٔ جریان–ولتاژ (I–V) یک SQUID را نشان می‌دهد که در آن ∆V عمق مدولاسیون SQUID ناشی از میدان‌های مغناطیسی خارجی است. ولتاژ دو سر SQUID تابعی غیرخطی و تناوبی از میدان مغناطیسی اعمال‌شده است که دورهٔ آن برابر با یک کوانتوم شار، Φ0=2.07×10−15 Tm2 ، می‌باشد (نگاه کنید به شکل ۲(b)). برای تبدیل این پاسخ غیرخطی به پاسخی خطی، از یک مدار بازخورد منفی استفاده می‌شود تا شار بازخوردی‌ای به SQUID اعمال کند و بدین‌ترتیب شار کل عبوری از SQUID را ثابت نگه دارد. در چنین سامانه‌ای که به آن حلقهٔ قفل‌شدهٔ شار (Flux-Locked Loop) گفته می‌شود، اندازهٔ این شار بازخوردی متناسب با میدان مغناطیسی خارجیِ اعمال‌شده به SQUID است. توضیحات تفصیلی‌تر دربارهٔ فیزیک SQUIDها و میکروسکوپ SQUID را می‌توان در منابع دیگر یافت.

### تشخیص میدان مغناطیسی با استفاده از SQUID
تصویربرداری مغناطیسی جریان از میدان‌های مغناطیسیِ تولیدشده توسط جریان‌ها در ادوات الکترونیکی برای به‌دست‌آوردن تصویر آن جریان‌ها استفاده می‌کند. این کار بر پایهٔ رابطهٔ بنیادی فیزیکی میان میدان مغناطیسی و جریان، یعنی قانون بیو–ساوار، انجام می‌شود:

d\vec B=\frac{\mu_0}{4\pi}\frac{Id\vec l\times\vec r}{r^3} \, .

در نتیجه، با دانستن تنها فاصلهٔ میان جریان و حسگر میدان مغناطیسی، می‌توان مقدار جریان را مستقیماً از میدان مغناطیسی محاسبه کرد. جزئیات این محاسبهٔ ریاضی در منابع دیگر آمده است، اما آن‌چه در این‌جا اهمیت دارد آن است که این محاسبه مستقیم بوده و تحت تأثیر مواد یا اثرات دیگر قرار نمی‌گیرد، و نیز با بهره‌گیری از تبدیل‌های فوریهٔ سریع (FFT) می‌توان این محاسبات را با سرعت بسیار بالا انجام داد. به‌گونه‌ای که یک تصویر میدان مغناطیسی را می‌توان در حدود ۱ تا ۲ ثانیه به تصویری از چگالی جریان تبدیل کرد.

## برنامه های کاربردی
میکروسکوپ روبشی SQUID در ابتدا برای آزمایشی جهت بررسی تقارن جفت شدن ابررسانای کوپرات دمای بالا YBCO توسعه داده شد. ابررساناهای استاندارد از نظر خواص ابررسانایی خود ایزوتروپیک هستند، یعنی برای هر جهتی از تکانه الکترونk در ابررسانا، بزرگی پارامتر نظم و در نتیجه شکاف انرژی ابررسانایی یکسان خواهد بود. با این حال، در ابررساناهای کوپرات دمای بالا، پارامتر نظم از معادله{\displaystyle \Delta (k)=\Delta _{0}(cos(k_{x}a)-(k_{y}a))} پیروی می‌کند، به این معنی که هنگام عبور از هر یک از جهت‌های [110] در فضای تکانه، تغییر علامت در پارامتر نظم مشاهده می‌شود. شکل این تابع برابر با تابع هارمونیک کروی l = 2 است که به آن ابررسانایی موج d می‌گویند. از آنجایی که الکترون‌های ابررسانا توسط یک تابع موج همدوس واحد، متناسب با exp(-iφ) توصیف می‌شوند، که در آن φ به عنوان فاز تابع موج شناخته می‌شود، این ویژگی را می‌توان به عنوان تغییر فاز π تحت چرخش ۹۰ درجه نیز تفسیر کرد.
[بندانگشتی|[گرداب‌های کوانتومی در YBCO که توسط میکروسکوپ SQUID روبشی تصویربرداری شده‌اند.]]
این ویژگی توسط تسویی و همکارانش با ساخت مجموعه‌ای از اتصالات جوزفسون حلقه‌ای YBCO که از صفحات براگ [110] یک کریستال YBCO عبور می‌کردند (شکل) مورد بهره‌برداری قرار گرفت. در یک حلقه اتصال جوزفسون، الکترون‌های ابررسانا، درست مانند یک ابررسانا، یک تابع موج همدوس تشکیل می‌دهند. از آنجایی که تابع موج باید در هر نقطه فقط یک مقدار داشته باشد، ضریب فاز کلی به‌دست‌آمده پس از پیمایش کل مدار جوزفسون باید مضرب صحیحی از 2π باشد، زیرا در غیر این صورت، بسته به تعداد دفعات پیمایش حلقه، مقدار متفاوتی از چگالی احتمال به‌دست می‌آید.

در YBCO، پس از عبور از صفحات [110] در فضای تکانه (و حقیقی)، تابع موج دچار تغییر فاز π خواهد شد. از این رو، اگر یک دستگاه حلقه جوزفسون تشکیل شود که در آن این صفحه به تعداد دفعات (2n+1) عبور کند، اختلاف فاز (2n+1)π بین دو اتصال مشاهده خواهد شد. برای 2n یا تعداد زوج عبور، مانند B، C و D، اختلاف فاز (2n)π مشاهده خواهد شد. در مقایسه با مورد اتصالات موج s استاندارد، که در آن هیچ تغییر فازی مشاهده نمی‌شود، هیچ اثر غیرعادی در موارد B، C و D انتظار نمی‌رفت، زیرا خاصیت تک مقداری حفظ می‌شود، اما برای دستگاه A، سیستم باید کاری انجام دهد تا شرایط φ=2nπ حفظ شود. در همان خاصیت پشت میکروسکوپ SQUID روبشی، فاز تابع موج نیز با مقدار شار مغناطیسی عبوری از اتصال تغییر می‌کند و از رابطه Δφ=π(Φ0) پیروی می‌کند. همانطور که توسط سیگریست و رایس پیش‌بینی شده بود، شرایط فاز می‌تواند در محل اتصال توسط یک شار خودبه‌خودی در محل اتصال با مقدار Φ0/2 حفظ شود.

تسویی و همکارانش از میکروسکوپ SQUID روبشی برای اندازه‌گیری میدان مغناطیسی محلی در هر یک از دستگاه‌های موجود در شکل استفاده کردند و میدانی را در حلقه A تقریباً با بزرگی برابر با Φ0/2A مشاهده کردند، که در آن A مساحت حلقه بود. این دستگاه میدان صفر را در B، C و D مشاهده کرد. نتایج یکی از اولین و مستقیم‌ترین تأییدهای تجربی جفت شدن موج d در YBCO را ارائه داد.

میکروسکوپ SQUID روبشی می‌تواند انواع اتصال کوتاه و مسیرهای رسانا از جمله نقص‌های مقاومتی باز (RO) مانند برآمدگی‌های ترک خورده یا خالی، مسیرهای لایه لایه شده، مسیرهای ترک خورده/گازگرفتگی موش و سوراخ‌های ترک خورده (PTH) را تشخیص دهد. این میکروسکوپ می‌تواند توزیع توان را در بسته‌ها و همچنین در مدارهای مجتمع سه‌بعدی (IC) با مسیرهای سیلیکونی عبوری (TSV)، سیستم در بسته (SiP)، ماژول چند تراشه‌ای (MCM) و قالب انباشته شده نقشه‌برداری کند. اسکن SQUID همچنین می‌تواند اجزای معیوب را در دستگاه‌های مونتاژ شده یا برد مدار چاپی (PCB) جدا کند. 

### محلی‌سازی کوتاه در بسته پیشرفته نیمه‌رسانای Wirebond
بندانگشتی|تصویر فعلی، تصویر نوری قطعه و طرح کلی قطعه را پوشانده است.
بندانگشتی|تصویر نوری از پیوندهای سیمی بدون کلاهک که از قالب جدا شده و با پیوند سیمی دیگری تماس پیدا می‌کنند
پکیج‌های وایرباند پیشرفته، برخلاف پکیج‌های متداول آرایهٔ شبکه‌ای توپکی (Ball Grid Array یا BGA)، دارای چندین ردیف پَد بر روی دای و چندین تراز (لایه) بر روی زیرلایه هستند. این فناوری پکیجینگ، چالش‌های تازه‌ای را در حوزهٔ تحلیل خرابی پدید آورده است. تا به امروز، میکروسکوپ آکوستیکی پیمایشی (SAM)، تحلیل بازتاب‌سنجی حوزهٔ زمان (TDR) و بازرسی پرتوی ایکس بلادرنگ (RTX) از جمله ابزارهای غیرمخربی بوده‌اند که برای شناسایی عیوب اتصال کوتاه به کار می‌رفتند. متأسفانه، این روش‌ها در پکیج‌های وایرباند پیشرفته کارایی چندان مطلوبی ندارند. به‌سبب چگالی بالای وایرباندینگ در این پکیج‌ها، مکان‌یابی دقیق اتصال کوتاه با استفاده از بازرسی متداول RTX بسیار دشوار است. در نبود اطلاعات دقیق دربارهٔ محل احتمالی اتصال کوتاه، تلاش برای دکپسولاسیون مخرب به‌منظور آشکارسازی هم‌زمان سطح دای و سیم‌های باندینگ، با ریسک بالایی همراه است. همچنین، اچ شیمیایی تر برای حذف ترکیب قالب‌گیری (mold compound) در یک ناحیهٔ وسیع، غالباً به اچ بیش‌ازحد منجر می‌شود. افزون بر این، حتی اگر پکیج با موفقیت دکپسوله شود، بازرسی بصری سیم‌های باندینگ چندلایه عملاً به جست‌وجویی کور بدل می‌گردد.

داده‌های میکروسکوپ SQUID پیمایشی (Scanning SQUID Microscopy یا SSM) شامل تصاویر چگالی جریان و تصاویر قلهٔ جریان هستند. تصاویر چگالی جریان، اندازهٔ جریان را نشان می‌دهند، در حالی که تصاویر قلهٔ جریان مسیر جریان را با تفکیک‌پذیری حدود ±۳ میکرومتر آشکار می‌کنند. به‌دست‌آوردن داده‌های SSM از اسکن پکیج‌های وایرباند پیشرفته تنها نیمی از کار است؛ زیرا مکان‌یابی عیب همچنان ضروری باقی می‌ماند. گام حیاتی در این فرایند آن است که تصاویر جریان یا مسیر جریانِ SSM با فایل‌های CAD—مانند دیاگرام‌های باندینگ یا تصاویر RTX—هم‌پوشانی (Overlay) داده شوند تا محل دقیق عیب مشخص گردد. برای امکان‌پذیرشدن این هم‌ترازی، از یک هم‌ترازی مرجع نوری دو‌نقطه‌ای استفاده می‌شود. لبهٔ پکیج و نشانک مرجع (fiducial) پکیج، مناسب‌ترین نشانه‌ها برای این هم‌ترازی هستند. بر پایهٔ تحلیل داده‌ها، مکان‌یابی عیب به کمک SSM باید اتصال کوتاه را در یکی از سه ناحیهٔ دای، سیم‌های باندینگ یا زیرلایهٔ پکیج ایزوله کند. پس از آن‌که تمامی روش‌های غیرمخرب به کار گرفته شد، گام نهایی پردازش مخرب برای تأیید داده‌های SSM است. بسته به محل عیب ایزوله‌شده، تکنیک‌های پردازش مخرب می‌توانند شامل دکپسولاسیون، لپینگ موازی یا مقطع‌برداری (Cross-section) باشند.

### کوتاه در بسته‌های چندلایه
بندانگشتی|شکل 1(الف) شماتیک سیم‌های اتصال معمولی را در یک بسته قالب سه‌تایی نشان می‌دهد، شکل 1(ب) نمای جانبی اشعه ایکس از بسته قالب سه‌تایی واقعی.
بندانگشتی|شکل ۲: همپوشانی تصاویر چگالی جریان، نوری و CAD در بسته‌بندی قالب سه‌تایی با حالت خرابی اتصال کوتاه الکتریکی.
اتصال‌های کوتاه الکتریکی در پکیج‌های دارای دای‌های چندلایهٔ انباشته، به‌ویژه زمانی که تعداد زیادی سیم باندینگ به‌نحوی دچار اتصال کوتاه شده باشند، می‌توانند به‌شدت دشوار و حتی غیرممکن برای ایزوله‌سازی غیرمخرب باشند. برای نمونه، اگر اتصال کوتاه ناشی از تماس دو سیم باندینگ با یکدیگر باشد، تحلیل پرتوی ایکس ممکن است به شناسایی محل‌های بالقوهٔ عیب کمک کند؛ اما عیوبی مانند مهاجرت فلز در پَدهای وایرباند یا تماس سیم‌های باندینگ با سایر ساختارهای رسانا، اغلب با روش‌های غیرمخربی که ماهیت الکتریکی ندارند به‌سختی قابل تشخیص‌اند. در چنین شرایطی، در دسترس بودن ابزارهای تحلیلی‌ای که بتوانند جریان الکتریکی درون پکیج را نقشه‌برداری کنند، اطلاعاتی بسیار ارزشمند در اختیار تحلیل‌گر خرابی قرار می‌دهد تا او را به سوی محل‌های محتمل عیب هدایت کند.

شکل ۱a شماتیکی از نخستین مطالعهٔ موردی ما را نشان می‌دهد که شامل یک پکیج با سه دای انباشته‌شده است. تصویر پرتوی ایکس در شکل ۱b برای نمایش چالش‌هایی ارائه شده است که تحلیل‌گران خرابی در یافتن محل‌های بالقوهٔ اتصال کوتاه با آن روبه‌رو هستند. به‌طور خاص، این پکیج یکی از مجموعه‌ای از واحدها بود که در آزمون‌های قابلیت اطمینان به‌صورت ناپایدار دچار خرابی و سپس بازیابی می‌شدند. بر روی این واحدها، تحلیل بازتاب‌سنجی حوزهٔ زمان و تحلیل پرتوی ایکس انجام شد، اما هیچ‌یک به ایزوله‌سازی عیب منجر نشد. همچنین، هیچ نشانهٔ روشنی از عیوبی که بتوانند حالت خرابیِ اتصال کوتاه مشاهده‌شده را ایجاد کنند، به دست نیامد. در نهایت، دو نمونه از این واحدها با استفاده از SSM مورد تحلیل قرار گرفتند.
بندانگشتی|شکل ۳: تصویر مقطعی که یک سیم اتصال را نشان می‌دهد که با قالب در تماس است و باعث نشت سیگنال به زمین می‌شود.
با اتصال الکتریکی پایهٔ معیوب به یک پایهٔ زمین، مسیر جریان الکتریکیِ نشان‌داده‌شده در شکل ۲ ایجاد شد. این مسیر به‌روشنی نشان می‌دهد که جریان به‌نوعی از طریق تمامی شبکه‌های زمین و از مسیر رسانایی که—از نمای بالایی پکیج—بسیار نزدیک به پَدهای وایرباند قرار دارد، عبور می‌کند. بر اساس تحلیل الکتریکی و بررسی چیدمان پکیج، می‌توان نتیجه گرفت که جریان یا از طریق پَدهای وایرباند عبور می‌کند یا این‌که سیم‌های باندینگ در آن ناحیه به‌نحوی با یک ساختار رسانای دیگر تماس پیدا کرده‌اند. پس از مشاهدهٔ نتایج مشابه SSM در دو واحدِ تحت آزمون، تحلیل‌های مخرب تکمیلی بر روی همان ناحیهٔ کوچک و محتملِ اتصال کوتاه متمرکز شد و نشان داد که سیم باندینگِ پایهٔ معیوب در مختصات XY مشخص‌شده توسط تحلیل SSM، با سطح زیرین یکی از دای‌های انباشته‌شده تماس پیدا کرده است. نمای مقطع‌برداری‌شدهٔ یکی از این واحدها در شکل ۳ ارائه شده است.

عیبی مشابه نیز در واحد دوم شناسایی شد.

### اتصال کوتاه بین پین‌ها در بسته‌بندی ترکیب قالب‌گیری
خرابی در این مثال به عنوان یک اتصال کوتاه هشت اهمی بین دو پین مجاور مشخص شد. سیم‌های اتصال به پین‌های مورد نظر بدون هیچ تأثیری بر اتصال کوتاه اندازه‌گیری شده در پین‌های خارجی بریده شدند، که نشان می‌دهد اتصال کوتاه در بسته وجود داشته است. تلاش‌های اولیه برای شناسایی خرابی با آنالیز رادیوگرافی معمولی ناموفق بود. مسلماً دشوارترین بخش این روش، شناسایی محل فیزیکی اتصال کوتاه با درجه اطمینان کافی است تا بتوان از تکنیک‌های مخرب برای آشکارسازی ماده اتصال کوتاه استفاده کرد. خوشبختانه، اکنون دو تکنیک تحلیلی در دسترس هستند که می‌توانند اثربخشی فرآیند مکان‌یابی خطا را به میزان قابل توجهی افزایش دهند.

#### تشخیص دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID)
بندانگشتی|شکل ۱ تصویر SQUID بسته‌بندی که محل اتصال کوتاه را نشان می‌دهد.
ویژگی مشترکی که همهٔ اتصال‌های کوتاه در آن سهیم‌اند، حرکت الکترون‌ها از پتانسیل بالاتر به پتانسیل پایین‌تر است. این جابه‌جایی فیزیکی بار الکتریکی، میدان مغناطیسی کوچکی را پیرامون الکترون ایجاد می‌کند. هنگامی که تعداد زیادی الکترون به حرکت درمی‌آیند، میدان مغناطیسی تجمعی حاصل می‌تواند توسط حسگرهای ابررسانا آشکارسازی شود. ابزارهایی که به چنین حسگرهایی مجهز هستند قادرند مسیر یک اتصال کوتاه را در طول حرکت آن درون یک قطعه دنبال کنند. آشکارساز SQUID سال‌هاست که در تحلیل خرابی به کار گرفته می‌شود و اکنون به‌صورت تجاری برای استفاده در سطح پکیج نیز در دسترس است. توانایی SQUID در رهگیری جریان، نوعی نقشهٔ راه مجازی از اتصال کوتاه فراهم می‌آورد که شامل محل مادهٔ اتصال‌دهنده در نمای پلان پکیج نیز می‌شود.
بندانگشتی|شکل ۲: تصویر رادیوگرافی با وضوح بالا از فیلامنت، با عرض ۲.۹ میکرومتر. تصویر، فیلامنتی را نشان می‌دهد که از زیر هر دو سیم اتصال کوتاه شده عبور می‌کند.
در این مطالعه، برای بررسی خرابی پکیج مورد نظر، از تجهیزات SQUID شرکت Neocera استفاده شد؛ در حالی که پایه‌ها جریانی برابر با ۱٫۴۷ میلی‌آمپر در ولتاژ ۲ ولت را حمل می‌کردند. تحلیل SQUID قطعه، یک مسیر جریانِ روشن میان دو پایهٔ مورد نظر را آشکار ساخت که محل مادهٔ رسانایی را که این دو پایه را به یکدیگر متصل کرده بود نیز به‌وضوح نشان می‌داد. تصویر اسکن SQUID از قطعه در شکل ۱ ارائه شده است.

#### رادیوگرافی کم توان
دومین روش مکان‌یابی عیب—که اندکی خارج از ترتیب زمانی معرفی می‌شود—پس از تحلیل SQUID و به‌عنوان نمونهٔ ارزیابی برای یک تأمین‌کنندهٔ تجهیزات به کار گرفته شد. توانایی تمرکز و تفکیک پرتوهای X کم‌انرژی و تشخیص حضور یا عدم حضور آن‌ها تا حدی بهبود یافته است که اکنون می‌توان از رادیوگرافی برای شناسایی ویژگی‌هایی استفاده کرد که پیش‌تر تشخیص آن‌ها ناممکن بود. در این تحلیل، از تجهیزات شرکت Xradia برای بررسی خرابی مورد نظر استفاده شد. نمونه‌ای از نتایج به‌دست‌آمده در شکل ۲ نشان داده شده است. ویژگی مشاهده‌شده—که همان مادهٔ عامل خرابی نیز هست—یک فیلامان مسی با سطح مقطع تقریبی سه میکرومتر است؛ ساختاری که با تجهیزات رادیوگرافی داخلی ما به‌هیچ‌وجه قابل تفکیک نبود.

نقص اصلی این روش آن است که عمق میدان آن بسیار کوتاه است و برای آشکارسازی ذرات یا فیلامان‌های بسیار کوچک، به انجام «برش‌های» متعدد روی یک نمونه نیاز دارد. در بزرگ‌نمایی‌های بالایی که برای تفکیک ساختارهای در حد میکرومتر لازم است، این روش می‌تواند از نظر زمان و هزینه به‌شدت پرهزینه شود. در عمل، برای بهره‌برداری حداکثری از این تکنیک، تحلیل‌گر باید از پیش تا حد زیادی بداند خرابی در کجا قرار دارد. این امر سبب می‌شود که رادیوگرافی کم‌انرژی به‌عنوان مکملی سودمند برای SQUID مطرح باشد، اما جایگزینی عمومی و کارآمد برای آن به شمار نیاید. به‌احتمال زیاد، بهترین کاربرد آن بلافاصله پس از SQUID است؛ زمانی که SQUID محل عیب را مشخص کرده و رادیوگرافی بتواند برای بررسی ریخت‌شناسی و عمق مادهٔ اتصال‌دهنده به کار رود.

### فیلم کوتاه در بسته‌بندی سه‌بعدی
بندانگشتی|شکل ۱: نمای خارجی ماژول EEPROM محور مختصات مورد استفاده در هنگام انجام تصویربرداری جریان مغناطیسی متعامد را نشان می‌دهد. این محورها برای تعریف صفحات اسکن در بدنه کاغذ استفاده می‌شوند.
[بندانگشتی|شکل ۲: [رادیوگرافی، که سه نمای متعامد از قطعه را نشان می‌دهد، ساختار داخلی ماژول را آشکار می‌کند.]]
بررسی ماژول نشان‌داده‌شده در شکل ۱ در آزمایشگاه تحلیل خرابی، هیچ نشانهٔ خارجی‌ای از وقوع خرابی آشکار نکرد. محورهای مختصات دستگاه، همان‌گونه که در شکل ۱ نشان داده شده‌اند، انتخاب شدند. تصویربرداری پرتوی ایکس از ماژول در سه نمای عمود بر هم—نمای جانبی، نمای انتهایی و نمای بالا به پایین—انجام گرفت؛ چنان‌که در شکل ۲ مشاهده می‌شود. برای مقاصد این مقاله، نمای پرتوی ایکسِ بالا به پایین، صفحهٔ x–y ماژول را نشان می‌دهد؛ نمای جانبی، صفحهٔ x–z و نمای انتهایی، صفحهٔ y–z را به تصویر می‌کشد. در تصاویر رادیوگرافی، هیچ ناهنجاری‌ای مشاهده نشد. هم‌ترازی بسیار مناسب اجزا بر روی مینی‌بردها، امکان مشاهدهٔ نمایی بالا به پایین و بدون آشفتگی از مدارهای کوچک را فراهم کرد. ساختار داخلی ماژول شامل هشت مینی‌برد انباشته‌شده بود که هر یک دارای یک میکرو‌مدار و یک خازن بودند. مینی‌بردها از طریق پوشش خارجیِ آبکاری‌شده با طلای پکیج، به پایه‌های خارجی ماژول متصل می‌شدند. بازرسی ظاهری نشان داد که شیارهای برش‌خورده با لیزر یک مدار خارجی بر روی دستگاه ایجاد کرده‌اند که برای فعال‌سازی، خواندن یا نوشتن روی هر یک از هشت حافظهٔ EEPROM در پشتهٔ عمودیِ کپسوله‌شده به کار می‌رود. از نظر نام‌گذاری، پنل‌های طلاییِ شیارخورده با لیزر بر روی دیواره‌های خارجی پکیج با شمارهٔ پایه‌ها برچسب‌گذاری شده بودند. هشت مینی‌برد با عناوین TSOP01 تا TSOP08 نام‌گذاری شدند که از پایین پکیج، نزدیک پایه‌های دستگاه، آغاز می‌شدند.

بندانگشتی|شکل ۳: تصویر جریان مغناطیسی که روی تصویر اشعه ایکس ماژول EEPROM قرار گرفته است. از آستانه‌گذاری برای نمایش تنها قوی‌ترین جریان در خازن مینی برد TSOP08 استفاده شده است. فلش‌ها پین‌های Vcc و Vss را نشان می‌دهند. این تصویر در صفحه x-y است.
آزمون‌های الکتریکیِ پایه به پایه تأیید کردند که پایه‌های Vcc شمارهٔ ۱۲، ۱۳، ۱۴ و ۱۵ از نظر الکتریکی مشترک‌اند؛ که به‌احتمال زیاد این اشتراک از طریق پنل طلاییِ خارجیِ مشترک بر دیوارهٔ پکیج برقرار شده است. به همین ترتیب، پایه‌های Vss شمارهٔ ۲۴، ۲۵، ۲۶ و ۲۷ نیز مشترک بودند. مقایسه با تصاویر پرتوی ایکس نشان داد که این چهار پایه به یک مسیر پهن واحد بر روی مینی‌بردها همگرا می‌شوند. تمامی پایه‌های Vss با پایه‌های Vcc دچار اتصال کوتاه بودند و مقاومتی که از شیب منحنی I–V به دست آمد، حدود ۱٫۷۴ اهم بود؛ این مقاومتِ کم نشان می‌دهد که منشأ عیب چیزی فراتر از یک نقص تخلیهٔ الکترواستاتیکی (ESD) است. همچنین، اضافه‌تنش الکتریکی نیز به‌عنوان علت خرابی محتمل تلقی نشد، زیرا قطعه از زمان تأیید در کارخانه تاکنون تحت تغذیه قرار نگرفته بود. هندسهٔ سه‌بعدی ماژول EEPROM استفاده از تصویربرداری جریان مغناطیسی (Magnetic Current Imaging یا MCI) را بر روی سه—یا حتی بیش از سه—سطح تخت پیشنهاد می‌کرد تا مسیر جریانِ اتصال کوتاه درون ماژول بازسازی شود. همان‌گونه که اشاره شد، محورهای مختصات برگزیده برای این تحلیل در شکل ۱ نشان داده شده‌اند.

### تصویربرداری جریان مغناطیسی
SQUID‌ها حساس‌ترین حسگرهای مغناطیسی شناخته‌شده‌اند. این ویژگی امکان اسکن جریان‌هایی در حد ۵۰۰ نانوآمپر را در فاصلهٔ کاری حدود ۴۰۰ میکرومتر فراهم می‌کند. همانند تمامی شرایط میدان نزدیک، تفکیک‌پذیری به فاصلهٔ اسکن—یا در نهایت—به اندازهٔ حسگر محدود می‌شود (SQUIDهای متداول پهنایی در حدود ۳۰ میکرومتر دارند)، هرچند بهبودهای نرم‌افزاری و ارتقای فرایند جمع‌آوری داده‌ها امکان مکان‌یابی جریان‌ها را با دقتی تا ۳ میکرومتر فراهم کرده است. برای عملکرد، حسگر SQUID باید سرد (حدود ۷۷ کلوین) و در خلأ نگه‌داری شود، در حالی که نمونه—در دمای محیط—به‌صورت شطرنجی (Raster) در زیر حسگر و در فاصلهٔ کاری z اسکن می‌شود؛ فاصله‌ای که به‌وسیلهٔ یک پنجرهٔ نازک و شفاف الماسی، حسگر را از محفظهٔ SQUID جدا می‌کند. این آرایش امکان کاهش فاصلهٔ اسکن تا ده‌ها میکرومتر از خود حسگر را فراهم می‌آورد و در نتیجه، تفکیک‌پذیری ابزار بهبود می‌یابد.

پیکربندی متداول حسگر در MCI نسبت به میدان‌های مغناطیسی در راستای عمود z حساس است (یعنی نسبت به توزیع جریانِ درون‌صفحه‌ای x–y در DUT). این بدان معنا نیست که اطلاعات عمودی نادیده گرفته می‌شوند؛ در ساده‌ترین حالت، اگر مسیر جریان از صفحه‌ای به صفحهٔ دیگر بپرد و در این فرایند به حسگر نزدیک‌تر شود، این تغییر به‌صورت شدت میدان مغناطیسی قوی‌تر برای بخشی که به حسگر نزدیک‌تر است و نیز به شکل شدت بالاتر در نقشهٔ چگالی جریان نمایان می‌شود. بدین ترتیب، می‌توان اطلاعات عمودی را از تصاویر چگالی جریان استخراج کرد. جزئیات بیشتر دربارهٔ MCI را می‌توان در منابع دیگر یافت.

## منابع


## پیوند به بیرون

* John Kirtley, one of the pioneers in scanning SQUID microscopy.http://www.kirtleyscientific.com/
* Design and applications of a scanning SQUID microscope Archived 2008-07-06 at the Wayback Machinehttps://www.neiu.edu/~pjdolan/Link5/
* http://www.csr.umd.edu/csrpage/research/scanningprobe/index.htm
* http://www.neocera.com/
رده:میکروسکوپ
رده:اثر جوزفسون
رده:میکروسکوپ‌های پرآب پویشی
رده:ابررسانندگی