來(lái)源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志 12/1月刊

伴隨著每一個(gè)新的世代更迭，半導(dǎo)體產(chǎn)品的尺寸不斷縮小，由于環(huán)境和共處的磁干擾電子源的存在，對(duì)晶圓上器件或單切裸片（singulated die）進(jìn)行檢測(cè)變得越來(lái)越復(fù)雜。Spicer Consulting公司的專家解釋了面臨的問(wèn)題并提出了相應(yīng)的補(bǔ)救措施，旨在為確保實(shí)現(xiàn)快速和準(zhǔn)確的測(cè)試和計(jì)量評(píng)估提供幫助。

△>Spicer Consulting SC11分析系統(tǒng)提供了一種評(píng)估振動(dòng)、聲波和磁場(chǎng)的全面方法。

多年來(lái)，對(duì)更快計(jì)算速度的需求導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)品的尺寸大幅縮小。我們看到“摩爾定律”在20世紀(jì)60年代預(yù)測(cè)了這一“微縮步伐”，也預(yù)測(cè)集成電路發(fā)展演進(jìn)將會(huì)不斷加速，這種情況一直保持到了21世紀(jì)初期。雖然下一代半導(dǎo)體產(chǎn)品可能遵循經(jīng)典的Dennard縮放比例定律，未來(lái)將出現(xiàn)2D/3D器件，有些采用芯粒（chiplet），但是，其他器件仍將會(huì)通過(guò)“小型化”來(lái)提高性能和降低成本，正如英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾幾十年前所預(yù)言的那樣。

當(dāng)今的尖端器件現(xiàn)已達(dá)到個(gè)位數(shù)的納米級(jí)，然而，即使對(duì)于老式器件來(lái)說(shuō)，向著更小尺寸晶體管的穩(wěn)步邁進(jìn)已經(jīng)使得測(cè)試和測(cè)量變得復(fù)雜。由于檢查不同的電路需要非常高的放大倍率，所以此類小型組件的質(zhì)量控制會(huì)很棘手。透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM）雖然提供了所需的準(zhǔn)確度，但是，由于它們對(duì)擾動(dòng)很敏感，因此必須消除任何干擾（比如振動(dòng)和外部磁場(chǎng)），以確保提供良好的分辨率，這一點(diǎn)很重要。

01外部干擾會(huì)降低圖像質(zhì)量

半導(dǎo)體組件必需盡可能小，以改善其性能并降低其能耗。尺寸的縮減提升了性能，這得益于一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)，即組件尺寸的微縮減小了電子所需移動(dòng)的距離，這使得產(chǎn)生的熱量有所減少，并將能量損失降至最低；而且，電路通路的縮短還轉(zhuǎn)化為信號(hào)處理速度的提升。

不管半導(dǎo)體產(chǎn)品演變的好處是什么，這類小型器件的制造和驗(yàn)證都是具有挑戰(zhàn)性的，而且，只有TEM和SEM能夠提供所需的放大倍率，以在硅晶圓沿著代工廠生產(chǎn)線移動(dòng)時(shí)成功地對(duì)其不同的部分進(jìn)行成像。

掃描電子束的準(zhǔn)確定位對(duì)圖像質(zhì)量有著極大的影響；在實(shí)際應(yīng)用中，電子束的偏差不得大于被檢查的部分。諸如振動(dòng)、或由交流和直流源產(chǎn)生的電磁干擾等擾動(dòng)，都將使電子束的位置發(fā)生偏移，導(dǎo)致分辨率下降；交流磁場(chǎng)在圖像中顯示為鋸齒狀線條，而直流磁場(chǎng)則產(chǎn)生波浪狀特征。不幸的是，這些類型的擾動(dòng)在生產(chǎn)和測(cè)試半導(dǎo)體的環(huán)境中是相當(dāng)普遍的，因?yàn)闉榱斯?jié)省空間，敏感的成像儀器往往不得不與大型工業(yè)設(shè)備“共處一室”。因此，在安裝電子顯微鏡之前需進(jìn)行環(huán)境調(diào)查，以確保高質(zhì)量的成像，這一點(diǎn)是很重要的。Spicer Consulting是磁場(chǎng)抵消技術(shù)領(lǐng)域的一家領(lǐng)軍企業(yè)，它提供了專為完成此項(xiàng)任務(wù)而設(shè)計(jì)的SC11分析系統(tǒng)，可以測(cè)量X、Y和Z方向上的振動(dòng)、聲波和磁場(chǎng)。這些測(cè)量結(jié)果以圖形方式顯示出來(lái)，從而幫助用戶為自己的儀器找到最佳的安放位置。

02抵消磁場(chǎng)

即使顯微鏡被安裝在實(shí)驗(yàn)室中干擾最低的某個(gè)空間里，仍然會(huì)存在一些干擾；直流磁場(chǎng)總是存在的（包括地球磁場(chǎng)），而且許多儀器會(huì)產(chǎn)生頻率約為60Hz的交流磁場(chǎng)。有幾種方法可以消除這些磁場(chǎng)。其中之一是用具有非常高磁導(dǎo)率的鐵磁鎳鐵合金制成的金屬片進(jìn)行錳游合金屏蔽（mu-metal shielding）。不過(guò)，這種解決方案的成本極為昂貴，并且存在一些局限性，因?yàn)椴牧系拇艑?dǎo)率會(huì)由于采用了非最佳的處理方法而有所下降。更可靠的解決方案是安裝主動(dòng)磁場(chǎng)抵消系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于處理來(lái)自周圍儀器的雜散磁場(chǎng)，以及由于電梯或金屬門等大型移動(dòng)鐵磁性物體引起的地球磁場(chǎng)變化。一種常見(jiàn)的選擇是Spicer的SC24系統(tǒng)，此系統(tǒng)由一個(gè)磁場(chǎng)控制單元、一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器，以及能夠抵消檢測(cè)到的磁場(chǎng)的3軸電纜組成。

03電纜定位

在應(yīng)用中，對(duì)電纜進(jìn)行合適的定位，以在電子顯微鏡的周圍形成閉環(huán)-使其立柱周圍的磁場(chǎng)保持靜態(tài)。電纜可以采用不同的方式進(jìn)行定位，以在復(fù)雜性、成本和性能之間找到最佳的平衡。最簡(jiǎn)單和最廉價(jià)的解決方案是將電纜（X、Y和Z）拉成三個(gè)環(huán)路，形成三個(gè)不與顯微鏡相交的平面（圖1），其中X和Y平面是平行的，而Z平面與柱長(zhǎng)正交。這種解決方案的好處是，地板上沒(méi)有電纜，而且不需要對(duì)房間進(jìn)行重大的改動(dòng)。然而，由于電纜離顯微鏡立柱較遠(yuǎn)，因此動(dòng)態(tài)范圍和磁場(chǎng)的抵消量有所減小。這種設(shè)置可以用于具有小立柱、且在儀器周圍不需要大量磁場(chǎng)抵消空間的SEM。

△圖1：減輕磁干擾最簡(jiǎn)單的方法。

如果需要更好的性能，那么X和Y電纜應(yīng)該在顯微鏡立柱的正上方穿過(guò)房間（圖2），因?yàn)閷h(huán)路拉近將增強(qiáng)系統(tǒng)的磁場(chǎng)抵消能力。

△圖2：為增強(qiáng)干擾緩解效果而采取的電纜布置方案。

對(duì)于大型TEM或新的實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，改造不會(huì)干擾其他儀器，這種情況下的最優(yōu)解決方案是使用雙回路電纜（dual loop cables），并將部分電纜埋在地板下面（圖3）。該解決方案能提供最佳的性能，建議用于帶有Gatan成像過(guò)濾器（Gatan Imaging Filter, GIF）的TEM，因?yàn)镚IF位于顯微鏡立柱的下方，并要求在較低的高度上抵消磁場(chǎng)。對(duì)于現(xiàn)有的顯微鏡裝置而言，埋設(shè)電纜并非選項(xiàng)，電纜的底部可以與地面平齊，并用適當(dāng)?shù)碾娎|保護(hù)套進(jìn)行覆蓋。不過(guò)，這將損害GIF高度上的X和Y磁場(chǎng)抵消性能。

△圖3：對(duì)于大型TEM、在建的新實(shí)驗(yàn)室、或者改造不會(huì)影響正常運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)室，此圖給出了一種優(yōu)化的干擾緩解解決方案，包括采用雙環(huán)路電纜以及將部分電纜埋在地面以下。

04選擇合適的傳感器

SC24可以與一個(gè)或兩個(gè)相同類型的傳感器一起使用。將兩個(gè)傳感器一起使用（放置在顯微鏡立柱的兩側(cè)），形成一個(gè)“虛擬”傳感器，該傳感器通過(guò)取兩個(gè)測(cè)量值的平均值來(lái)測(cè)量關(guān)注點(diǎn)上的磁場(chǎng)。SC24有兩種傳感器類型可供選擇：SC24/AC用于檢測(cè)交流磁場(chǎng)，而SC24/AC+DC顧名思義則是用于檢測(cè)交流和直流磁場(chǎng)。SC24/AC能夠抵消頻率為2.5Hz至5kHz的干擾，在60Hz頻率下的抵消因子（cancelling factor）大于50，而SC24/DC+AC可以成功地抵消從5kHz直到直流的干擾，60Hz時(shí)的抵消因子為100，直流時(shí)的抵消因子大于400。

△>Spicer Consulting SC24提供了多種傳感器選擇和眾多的頻率干擾抵消選項(xiàng)。

05總結(jié)

半導(dǎo)體組件尺寸的不斷縮小提供了許多好處，繼續(xù)為OEM產(chǎn)品開(kāi)發(fā)帶來(lái)變革；半導(dǎo)體的確影響了現(xiàn)代生活的幾乎方方面面。但是，日漸縮小的集成電路尺寸給制造和質(zhì)量控制測(cè)試帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為了正確地探察這些組件的缺陷，需要很高的放大倍率和極高的準(zhǔn)確度。電子顯微鏡提供了一種實(shí)用的解決方案，但是由于它們對(duì)磁場(chǎng)的變化非常敏感，因此必須消除任何局部性干擾，以確保良好的圖像質(zhì)量，這一點(diǎn)很重要。Spicer Consulting的儀器可用于檢測(cè)和抵消外部磁場(chǎng)，從而提供了適合任何實(shí)驗(yàn)室或預(yù)算額度的有效解決方案。

審核編輯黃宇