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作者：MIZYhe, SiSC
2021年10月13日，《半导体芯科技》杂志于线举办第七届晶芯钻研会（CHIPChina Webinar）。集会吸引了近700位听众的存眷，现实于线听会人数400人以上；他们是来自供给商/原厂（23%）、芯片设计（6.7%）、晶圆代工（8%）、IDM（4.9%）、OSAT（2.4%）以和教诲/科研单元（15%）等企业或者单元的治理职员、技能卖力人、采购和市场职员等，包括沈阳主动化、江苏影速、胜科纳米、OPPO、中国电子工程设计院、中科飞测、华进、南边科技年夜学、北京中科、合肥沛顿、通富微电、上海海思、广电计量、汇顶科技、上海微电子、厦门润积、安世半导体、厦门士兰明镓、三英精控、中科智芯、华润微、抱负晶延、Semilab、深圳年夜学、中科潞安、VLSIresearch、广东工业年夜学、国软检测、复兴微电子、紫光集团、闻泰科技，等等。此中，约42%的听众来自封装测试和主动化/软件范畴，此中又因此治理职员/技能卖力人/研发 开发为主，共占比53%摆布。
作为纳米描摹及标准丈量的标记性技能，原子力显微镜（AFM）于半导体检测中起到了主要作用，重要于前端工艺中的标准精测及F/A试验室的纳米电机能丈量。AFM也于掩模修复中起到了日趋主要的作用。
来自中科院沈阳主动化所的研究员苏全平易近博士，于题为《原子力显微镜于半导体精测中的运用及挑战》的陈诉中，就AFM于晶圆出产前道工艺的作用，以和AFM技能于进步前辈节点特别是5nm、7nm FinFET布局丈量中所面对的挑战、针对于像CD丈量、CMP晶圆外貌描摹精测做了具体阐发，与听众分享。
Lord Kelvin曾经经说过，“假如你不克不及丈量，你就没法改善”；画龙点睛了测试丈量于现代化工业中的主要性，检测的水准决议了产物的良率与品质。
检测贯串了整个半导体系体例程，从芯片设计验证、晶圆制造到封装测试。半导体检测装备重要用于半导体系体例程中检测芯片机能与缺陷。险些每一一道要害工艺以后都需要过一道检测，有时甚至反重复复，如许可以及时监测整个制程，以确保产物质量的可控性。
前道量测装备重要用作制程监控，按照功效的差别分为两种：一为量测类装备，二为缺陷检测类。据SEMI统计，前道检测装备占半导体装备投资额的11%~13%，此中量测装备、缺陷检测装备、节制软件三者占比别离为34%、55%、11%。于细分范畴，此中膜厚丈量、CD-SEM 丈量均约占12%，OCD、描摹丈量和套刻偏差丈量别离占10%、6%和9%；缺陷检测中patterned与unpatterned晶圆检测别离占比32%、5%；末了电子束检测与宏不雅缺陷检测别离占比11%与6%。
• 量测类装备：1）丈量透明或者不透明薄膜的厚度，则别离利用椭偏仪或者四探针；2）丈量膜应力、掺杂浓度、要害尺寸、套准精度等指标，则利用原子力显微镜（AFM）、CD-SEM、OCD装备等。
• 缺陷检测类装备：用来检测晶圆外貌的缺陷，分为明/暗场光学图形图片缺陷检测装备(patterned)、无图形外貌检测装备(un-patterned)、宏不雅缺陷检测装备如AOI等。
苏全平易近博士于陈诉中指出，半导体良率是权衡财产化程度的标记，从上世纪六七十年月的50-60%晋升到此刻的95%以上，毫无疑难，“于线纳米丈量与质量管控体系是晋升半导体财产良率的金尺度”。
甚么是AFM？
原子力显示镜（AFM）由G. Binning在1986年发现的原子级高分辩外貌不雅测仪器，它是于扫描地道显微镜（STM）基础上成长起来的，经由过程丈量样品外貌份子（原子）与AFM微悬臂探针之间的彼此作使劲（原子级力场），来不雅测样品外貌的描摹。AFM现已经广泛运用在半导体、纳米质料、生物、医药研究等范畴中。
与STM比拟，AFM的上风有三点：1）能不雅测导电或者非导电样品（如金属质料、高份子聚合物、生物细胞等），合用性更广泛；2）AFM分辩力远超在SEM以和轮廓仪等；3）AFM能丈量高分辩率3D描摹，优在需要做切片的全主动扫描电镜。
AFM是扫描探针显微镜的典型代表，使用一种小探针于样品外貌上扫描。AFM的探针一般由悬臂梁和针尖所构成，针尖与样品间的原子力使悬臂梁孕育发生微细位移，使用光束偏折技能可测患上外貌描摹。
因为探针与样品间孕育发生原子间的排斥力是纳牛级（10-6-10-9·N），接触式探针仍可能会粉碎外貌布局。非接触式探针使用微弱的范德华力对于探针的振幅变化举行反馈，范德华力限定了探针与样品的间隔和振幅（2-5nm），且年夜气情况下样品外貌笼罩5-10nm厚的水份子膜，造成为了反馈机制掉效。在是于此基础上成长出小扣式探针，探针做共振运动（振幅为10-300KHz），与样品外貌有间歇性稍微跳动接触（作使劲约10-12·N），探针于振荡至波谷时接触样品，因为样品的外貌凹凸升沉，使患上振幅转变，反馈获得高分辩率影像（图1）。此时高频次事情状况的探针存于消耗，这类事情机制也带来检测效率以和靠得住性问题。
图1. 采用小扣式探针的AFM事情道理。来历：呆板人国度重点试验室，苏全平易近@《原子力显微镜于半导体精测中的运用及挑战》
总之，AFM的运用规模广，可以于真空、气相、液相等情况下，以高倍率不雅察具有必然外貌光洁度的样品的三维描摹（图2）；于具有试样制备的条件下，多年来AFM乐成用在CD丈量、外貌粗拙度、膜厚、颗粒度阐发、断面外形阐发、突出/凹坑的统计、缺陷阐发等（图3）。将来，AFM的方针运用还有将拓展到纳米化学丈量以和纳米电丈量。是以，对于在AFM装备的软件处置惩罚能力要求越强。
图2. AFM于半导体产线的运用，从晶圆、芯片前段/后段、进步前辈封装，AFM重要有三个运用：外貌精测、要害尺寸CD精测、外貌粗拙度；AFM与白光干预干与仪、轮廓仪以和SEM的最年夜区分于在差别轴向的分辩率。来历：呆板人国度重点试验室，苏全平易近@《原子力显微镜于半导体精测中的运用及挑战》
丈量手腕存于空间标准问题。光学丈量于微米级，电子束丈量以和离子束丈量，AFM属在探针丈量，其丈量标准从几十微米至纳米甚至是原子甚至到原子的高阶份量。从力学作用标准来区别，AFM能丈量原子之间的作使劲，从10-10 pN（亚pN指的是原子与原子之间的范德华键协力）；固体丈量年夜多于纳牛量级。
于上世纪九十年月中期，AFM进入了半导体离线丈量，后期进入了by-line丈量，涵盖了畴前端-后端-封装。最经常使用的丈量就是外貌粗拙度，其横向分辩率可达纳米标准，年夜部门粗拙度丈量只需微米级就能够了；然而其纵向的要求很是高，须到达3σ@10~几十个pm。平整度很是主要，特别于Hybrid bonding这块，每一条横线暗示每一道CMP或者者镀膜以后都需要做粗拙度丈量。
别的一种丈量是做CD标准精测（node于32nm以上），包括深度、宽度、侧壁以和主要的标准；还有有一种是年夜标准丈量，如针对于几十毫米长宽的die，要用很高的分辩率测出其几何变化，用在辨认于CMP外貌的缺陷 (dishing) 与侵蚀 (erosion) 变化。于半导体差别工艺阶段对于应有差别的丈量要领，白光干预干与仪被认为是与AFM相干的是一种孪生技能，其纵向分辩率于亚纳米级，而横向分辩率却遭到影响限在纳米级，可是白光干预干与仪因其效率高获得广泛利用，其力所不逮的丈量规模就交给AFM处置惩罚。
另外一种需要外貌精测是full-die mapping工艺，因质料差异致使的dishing及erosion会孕育发生纳米标准沟槽，若升沉规模跨越1nm以上，下一道CMP工艺会将影响沟槽外形。此处需要对于侧壁举行AFM丈量，对于应的探针外形是特制的。
于质量监控方面，咱们凡是想法寻觅缺陷和沾污，SEM可以很是正确的找到缺陷，再用EDS举行阐发，但EDS对于在高份子作用不年夜，是以使用AFM阐发来辨认污染源的来由，也即经由过程对于质料硬度的分类找到产线制程中颗粒的来历。
图3. AFM用在FinFET布局的描摹以和CD丈量。来历：呆板人国度重点试验室，苏全平易近@《原子力显微镜于半导体精测中的运用及挑战》
苏博士援引了Christoph Gerber的“AFM Globe”图，图中每一个结点都是AFM可以或许丈量的，包括电学、力学、化学、机械、生物，等等。于半导体工艺中，电机能及力学机能都必需丈量的。电机能包括载流子，外貌功函数（KPFM）、介电常数、通道应力，以和不管是CMOS器件还有是memory或者logic器件，其最主要的电机能参数如Ion、Ioff和Vth都能用AFM举行丈量。此外，对于沾污（有机质料）举行化学阐发今朝还有是一个空缺范畴。只管电丈量盘踞三分之二的“AFM Globe”运用，该项运用面对着巨年夜的挑战。三十年以来，电丈量技能没有多年夜晋升，缘故原由是它缺少情况节制，外貌附着的5-10nm厚的水份子膜一直存于。于描摹丈量时探针碰到水份子膜依旧会扎进去，影响不年夜；但是电丈量则否则，水的介电常数是80（天然界最高），探针一旦接触到水，有试验数据证实KPFM差异很年夜。别的一个是几何极限，半导体已经成长到纳米级，探针的尺寸很难跟患上上，即便探针能伸入沟槽中，探针与样品外貌的彼此作使劲跨越其他。末了一个是AFM丈量效率的问题，它的效率远不如扫描电镜。
于纳米化学阐发范畴，AFM最主要的变化是将力学探针转化成红外光谱探针，使之实现红外光谱（FTIR）成像。红外光谱可以丈量质料的化学差异，此处AFM既能测出描摹、化学阐发质料（PS-b-PMMA漫衍）以和杂质阐发。今朝纳米化学阐发也逐渐进入半导体行业。
末了，苏博士呼吁厂商介入进来，为AFM于电丈量、纳米化学阐发等将来运用方面提供试样制备及技能撑持！
苏全平易近博士Q A
Q：AFM自身怎样以最好机能连续运行？
A：“连续”象征着将MTBF晋升至其他装备具有的几百或者上千个小时：1）于电节制与机械节制，AFM装备厂商如Bruke和其竞争敌手于这个方面下了年夜光阴，此刻的AFM装备能到达200小时以上；2）探针针尖是个硬伤，其掉效存于两个因素：a.物理磨损，供给商能从节制彼此作使劲着手来减缓，b.多是上个process的残留物致使的污染源，针尖会于历程中接触到并是以转变外形与性子，这点检测装备厂家比力难以节制，探针的靠得住性年夜年夜降落，独一的措施就是勤换探针。
Q：晶圆有哪些工艺需要测试厚度，分辩率要求几多？
A：厚度于每一个工艺阶段都需要测试，当成硅刻蚀的时辰，咱们需要知道刻蚀的标准及描摹，横向分辩率取决在运用，比喻说逻辑IC，按照所需测试阶段是Fan-out导线还有是Logic device等，一般分辩率是从几个到几十个纳米（3σ于亚纳米量级）；镀膜时一般都需要严酷监控金属膜厚度，针对于不透明膜可用AFM或者台阶仪丈量，这时候的横向分辩率不过高，纵向分辩率则高达亚埃级。
Q：将碳纳米管整合到探针针尖上，今朝的技能难点是甚么？
A：好问题，曾经于Bruke与5个以上紧密亲密团队举行过交流互助，今朝仍患上不到产物，缘故原由是碳纳米管于标准节制上很严酷。1）将自己不不变、2nm直径/10nm长的碳纳米管物理安装到针尖上，2）于针尖上长碳纳米管，虽可节制探针的形状、走向和高度，但层错会年夜年夜降低其力学机能。接待新的团队插手研发。3）经由过程硅做各向异性的刻蚀而形成的探针针尖外形，oxide sharpen至纳米标准（图中蓝色部门）。
Q：原子力显微镜图谱是否是有专门的软件来阐发？A：有的，好比Gwyddion，可以阐发所有厂家的数据。
Q：AFM于降噪方面具备哪些特色？A：AFM重要经由过程机械断绝，声学断绝降噪，对于电磁噪音相对于不敏感。
Q：怎样防止描摹扫描历程中的图象掉真呢？A：留意反馈回路的偏差旌旗灯号，偏差旌旗灯号最小时图象也掉真起码。
Q：原子力显微镜是怎样有用削减束斑巨细的？A：AFM分辩力取决在探针锐度，对于统一个探针是固定的，必需改换探针转变分辩力。
Q：原子力显微镜是否是可以自行卖力扫描前及扫描时期的所有设置？A：可以的，差别厂家均已经经实现。布鲁克的ScanAsyst就能主动设置。
Q：于CD-AFM测试历程中，怎样防止样品的描摹致使的电流旌旗灯号的变化？A：用好Liftmode，留意探针tuning，Q不要过高。CAFM及描摹的瓜葛是内禀的，可经由过程阐发除了去contact area（描摹）的孝敬。
Q：AFM于半导体的掉效阐发可以解决哪些详细的问题，尤其是第三代半导体范畴？于测试历程中针尖的外形效应要怎么降服？A：重要是电机能，发烧，力学机能变化等纳米标准的丈量。
Q：甚么型号？针对于AFM的装备的量测效率的晋升怎样告竣？A：高度依靠在您的运用来配置。
Q：实现pitch于百纳米之内的外貌精测，可以用平凡探针实现么？A：可以。
Q：半导体范畴外貌粗拙度有尺度吗？A：没有ISO尺度，基本是厂家自定。
Q：海内有无做的比力好的原子力显微镜企业，于制造、封测范畴利用原子力显微镜的环节多未几？A：海内正于追逐，Hybrid-bonding、SoC都需要。
Q：请问此刻的Fab产线中是否有AFM机台做于线检测？每一个fab年夜概配置几多台？还有是今朝只能做离线的研究？A：离线于所有F/A试验室都有；于线重要用在OCD标定，粗拙度丈量，fab-line一班配一台；有时多线共用。
Q：请问AFM丈量Ion、Ioff、Vth的基来源根基理是如何的？A：多探针丈量，探针取代连线，测I/V。
Q：怎么从原子力显微镜图象上阐发晶面间距及厚度?A：X-Ray阐发更靠得住。
Q：按照扫描图象是否是可以阐发出反应质料功函数巨细的外貌电势?A：可以，情况节制很主要。
Q：AFM测外貌平展度切确度怎样？A：3σ于10pm摆布。
Q：可以用在阐发质料的微纳描摹布局吗？A：是的。
《于电子/半导体行业显微镜运用案例分享：常见问题水到渠成！》
跟着5G的普和，半导体事情的邃密化不停成长，对于产物的检测、阐发要求也愈来愈高，这次先容拥有富厚的数码显微镜于IC行业的不雅察案例（如BGA、线邦定联合、接触式探针等技能资讯和案例），同时还有先容对于在传统显微镜的各类拍摄难点及解决方案。帮忙那些从事半导体行业的客户以和工业显微镜用户。
据相识，光学显微镜可提供几倍至上千倍的放年夜倍数，它对于半导体的某些多层布局也具备透明性。一般先经由过程低倍显微镜不雅察总体描摹及缺陷，再用高倍显微镜进一步确认缺陷。经常使用的显微镜不雅测方式有明场，暗场，干预干与照明，偏振光，荧光显微镜等。
这次基恩士Draven带来的演讲自己很是乐成，经由过程播放现场操作VHX软件的视频，不雅众可以瞥见该微米级off-line显微镜的强盛软件功效，很好地解决了平凡显微镜于景深、放年夜倍率碰到没法分身的问题；此外，VHX的用户体验很好，可360度3D描摹不雅测，无需切换画面、无需从头标的便可于数秒内完成两个相距较远方针之间的视觉平移；末了经由过程明场（同轴光）与暗场（环形光）之间的光源切换，使患上用户清楚瞥见外貌的高低、划痕、瑕疵，以和PCB或者BGA等方针上的外不雅描摹，甚至是PCB板的翘曲度都能经由过程软件计较并出现陈诉。堪称纤毫毕现，功效强盛。
VHX的最年夜倍率是6000，采用光学与数码合成的方式；可按照用户的需求配置响应尺寸的平台。今朝VHX定位在试验室级的数码显微镜，暂时不合适产线运用，可是基恩士夏总暗示开放与客户的互助拓展装备的运用范畴。
关在这个演讲，笔者保举列位不雅看视频回放，亲自感触感染效果更佳！
炎天齐教员Q A
Q：VR系列与VK系列别离合用规模？A：VR合用在总体轮廓的丈量，VK合用在局部微不雅的。
Q：VR装备可否举行加热下的动态丈量？A：大都还有是用在常温下，VH可以录相，可是动态丈量还有是需要利用高速相机的。
Q：可以用来抄数码？A：可以主动导出丈量成果而且输出陈诉。
Q：能同时测试两个纬度的差别翘曲度吗？A：可以，还有可以举行3D比对于。
Q：VR系列产物，能否于PCB路线上有零部件的环境下，测试出路线板自己的弯曲度？A：可以，彻底没问题。
Q：请问能丈量的最小弧度是几多？A：都是微米级的。
Q：请问VHX能否用在封测fab于线主动检测？A：这款装备自己定位是离线装备，没法主动判别，不外经由过程您的运用也能够交流一下，看可否革新成产线上的运用。
Q：这款显微镜不错，采办接洽方式有吗？A：基恩士-炎天齐，18918251039。
Q：周全对于焦最年夜放年夜倍率几多？A：6000倍。
Q：凹凸分辩的分辩率和精度是几多？A：最年夜检测规模是49妹妹，最小分辩率时0.1μm。
Q：针对于取点偏差怎样解决？A：经由过程最小二乘法，形成一个选择规模，于规模内主动筛除了偏差点来实现的。
Q：倍率能到几多？样品尺寸限定多年夜？A：最高6000倍，至在样品尺寸，可按照您的需求调解平台巨细，没有非凡要求的。
Q：可以分屏显示吗？A：可以的，至多可以做到自力操作的9分屏。
Q：今朝Fab内常见的基恩士产物是传感器，请问有无显微镜产物用在芯片出厂前的检测？A：暂无尺度品，有许多客户会定制用在产线丈量，需要与基恩士工程师接洽去现场沟通测试。
Q：咱们想测试差别温度下芯片的形变数据，这个显微镜有加热底座吗？A：这个暂时没有测试过，大都环境下还有是用在常温下的不雅测。
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