來源:《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,對晶圓上器件或單切裸片(singulated die)進(jìn)行檢測變得越來越復(fù)雜。Spicer Consulting公司的專家解釋了面臨的問題并提出了相應(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)、聲波和磁場的全面方法。
多年來,對更快計(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)測了這一“微縮步伐”,也預(yù)測集成電路發(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“小型化”來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,即使對于老式器件來說,向著更小尺寸晶體管的穩(wěn)步邁進(jìn)已經(jīng)使得測試和測量變得復(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),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)成功地對其不同的部分進(jìn)行成像。
掃描電子束的準(zhǔn)確定位對圖像質(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;交流磁場在圖像中顯示為鋸齒狀線條,而直流磁場則產(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),可以測量X、Y和Z方向上的振動(dòng)、聲波和磁場。這些測量結(jié)果以圖形方式顯示出來,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
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;直流磁場總是存在的(包括地球磁場),而且許多儀器會(huì)產(chǎn)生頻率約為60Hz的交流磁場。有幾種方法可以消除這些磁場。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,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)磁場抵消系統(tǒng),該系統(tǒng)可用于處理來自周圍儀器的雜散磁場,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變化。一種常見的選擇是Spicer的SC24系統(tǒng),此系統(tǒng)由一個(gè)磁場控制單元、一個(gè)或多個(gè)磁場傳感器,以及能夠抵消檢測到的磁場的3軸電纜組成。
03電纜定位
在應(yīng)用中,對電纜進(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平面與柱長正交。這種解決方案的好處是,地板上沒有電纜,而且不需要對房間進(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抵消空間的SEM。
△圖1:減輕磁干擾最簡單的方法。
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房間(圖2),因?yàn)閷h(huán)路拉近將增強(qiáng)系統(tǒng)的磁場抵消能力。
△圖2:為增強(qiáng)干擾緩解效果而采取的電纜布置方案。
對于大型TEM或新的實(shí)驗(yàn)室來說,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。對于現(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,這將損害GIF高度上的X和Y磁場抵消性能。
△圖3:對于大型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,該傳感器通過取兩個(gè)測量值的平均值來測量關(guān)注點(diǎn)上的磁場。SC24有兩種傳感器類型可供選擇:SC24/AC用于檢測交流磁場,而SC24/AC+DC顧名思義則是用于檢測交流和直流磁場。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)品開發(fā)帶來變革;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)量控制測試帶來了新的挑戰(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,但是由于它們對磁場的變化非常敏感,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的儀器可用于檢測和抵消外部磁場,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
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