 1引言 半导体检测是提高产线良率、提高竞争实力的关键。半导体检测贯穿于产品生产制造流程始终，产品小组通过分析检测数据确保产品工艺参数符合设计需求，并用以确定问题来源，及时采取修正措施，从而达到减少缺陷、提升产线良率的目的。半导体检测虽不直接参与生产，却是厂商市场竞争能力的关键影响因素。 检测工艺根据所处的环节主要有前道量检测和后道检测两类。前道量检测监控工艺流程，后道检测确保产品质量。 前道量检测位于晶圆制造环节，可进一步细分为量测与检测，量测用于测量产品的制成尺寸和材料性质，确保其符合设计要求，检测用于识别并定位产品表面存在的各类缺陷。通过对制造流程的实时监控，可及时发现问题、锁定问题来源，进行工艺改进。  图1 半导体行业检测全景图 2 量检测工艺是集成电路产线的重要环节 集成电路检测根据工艺所处的环节可以分为设计验证、前道量检测和后道检测。集成电路芯片的生产主要分为IC设计、IC 前道制造和 IC 后道封装测试三大环节，狭义上对集成电路检测的认识集中在封测环节，事实上集成电路检测贯穿生产流程的始终，起始于 IC 设计，在 IC 制造中继续，终止于对封装后芯片的性能检测。 设计验证用于 IC 设计阶段，主要采用电学检测技术验证样品是否实现预定的设计功能。 前道量检测运用于晶圆的加工制造过程，它是一种物理性、功能性的测试，用以检测每一步工艺后产品的加工参数是否达到了设计的要求，并且查看晶圆表面 上是否存在影响良率的缺陷，确保将加工产线的良率控制在规定的水平之上。 后道检测主要运用于晶圆加工之后、IC 封装环节内，是一种电性、功能性的检测，用于检查芯片是否达到性能要求，后道检测又细分为 CP 测试、FT 测试。CP 测试确保工艺合格的产品进入封装环节，FT 测试确保性能合格的产品最终才能流向市场。  图2 半导体检测工艺流程图 前、后道检测设备的研发具有很高的技术和资金壁垒，该市场同光刻、刻蚀一样，也呈现出国外巨头高度垄断的状况。前道量检测设备的下游客户是晶圆代工厂，主要是薄膜厚度测量、缺陷检测。后道检测设备下游客户是 IC 封测企业。目前，检测设备已经可以与光刻、刻蚀等设备的精度保持同步发展,该工艺的设备精度也逐渐成为制约集成电路产业发展的瓶颈之一。  图3 前、后道检测工艺简介 3 量检测是芯片厂提高竞争实力的关键 前道量检测工艺对芯片制造有着至关重要的意义，它是提高产线良率、降低生产成本的重要环节，在很大程度上决定了代工厂的竞争能力。晶圆代工厂商的成败依赖于产品的良率，良率不达标会显著影响厂商的成本与收益，据估计产品良率每降低一个百分点，晶圆代工厂商将损失 100-800万美元。而且由于芯片新产品推广的市场窗口很小，加上市场份额的激烈竞争，客户会优先选择生产良率高，供应能力强的半导体企业进行供货，这也意味着减少产线缺陷将会极大提高企业的竞争实力。 因此晶圆厂商会在制造流程中通过前道量检测设备监控加工工艺，确保工艺过程符合既定的要求，并通过定位生产中问题的根源，及时采取修正措施，从而达到减少缺陷、提升产线良率的目的。 后道检测工艺有效降低封装成本，并确保出厂产品质量。CP 测试在封装前对芯片进行测试，测试不合格的产品将不会进入封装环节，FT测试则对最终产品进行性能测试，确保出厂产品均达到客户预定功能，同时也可根据产线良率反馈的结果，进行生产工艺上的优化。  图4 检测工艺控制良率流程图 4 前道量检测是芯片生产线的“监督员” 前道量检测使整条前道工艺产线的控制达到最佳化，同时也为追寻芯片生产中发现的问题提供了重要的追寻线索。 半导体芯片制造工艺步骤极多，各步骤之间可能会相互影响，因此很难根据最后出厂产品的检测结果准确分析出影响产品性能与合格率的具体原因。而且如果不能在生产过程中及时检测到工艺缺陷，则此批次工艺中生产出来的大量不合格产品也会额外增加厂商的生产成本。 因此前道量检测贯穿芯片制造环节始终，对加工制造过程进行实时的监控，确保每一步加工后的产品均符合参数要求。而且，产品小组可以通过分析前道量检测产生的检测数据及时发现问题根源，使之能够采取最有效的方式进行应对，从而制造出参数均匀、成品率高、可靠性强的芯片。 前道量检测根据测试目的可以细分为量测和检测。量测主要是对芯片的薄膜厚度、关键尺寸、套准精度等制成尺寸和膜应力、掺杂浓度等材料性质进行测量，以确保其符合参数设计要求；而检测主要用于识别并定位产品表面存在的杂质颗粒沾污、机械划伤、晶圆图案缺陷等问题。  图5 前道量检测分类及主要技术 前道量测、检测均会用到光学技术和电子束技术，但是两种技术在量测与检测下各具不同的特点。 光学量测通过分析光的反射、衍射光谱间接进行测量，其优点是速度快、精度高、非破坏性，但缺点是需借助其他技术进行辅助成像；电子束量测是根据电子扫描直接放大成像，其优点是可以直接成像进行测量，但缺点是速度慢、精度低，而且使用电子束进行成像量测操作时需要切割晶圆，因此电子束量测具有破坏性。 光学检测是通过光信号对比发现晶圆上存在的缺陷，其优点是速度快，但缺点是无法呈现出缺陷的具体形貌；而电子束检测可以直接呈现缺陷的具体形貌，但是该方法在精度要求非常高的情况下会耗费大量的时间。 在实际的芯片制造过程中，光学技术与电子束技术常常被结合使用，比如检测环节一般先采用光学检测定位缺陷位置，再使用电子束检测对缺陷进行精确扫描成像，两种技术的结合使用可以提高量检测的效率，并降低对芯片的破坏性。 前道量检测贯穿晶圆制造过程，如下图6所示，每一道制造工艺完成后，都需要对数个参数进行测量，对缺陷情况进行检测，确保工艺稳定并达到设计要求。  图6 前道量检测工艺全景图 量测的主要作用在于“量”，即测定晶圆制造过程中薄膜厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、套刻精度等关键参数是否符合设计要求。 薄膜厚度量测：芯片制造过程中需要不断地沉积各类薄膜，一般一个芯片会具有几十层薄膜结构，而薄膜的厚度、均匀性会对晶圆成像处理的结果产生关键性的影响。因此，为生产性能可靠的芯片，薄膜的质量是保证产品最终良率的关键。半导体薄膜按材料划分有金属、介质、多晶硅和光刻胶，它们或者是透明的薄膜或者是不透明的薄膜。业界内一般使用四探针通过测量方块电阻计算不透明薄膜的厚度；通过椭偏仪测量光线的反射、偏射值计算透明薄膜的厚度。 膜应力量测：在衬底表面上沉积多层薄膜可能会引入强的局部力量，这种局部力量被称之为膜应力。膜应力可能会导致衬底发生形变，进而影响器件的稳定性。产线上一般通过分析由于薄膜淀积造成的衬底曲率半径变化来进行膜应力测试，此种技术可用于包括金属、介质和聚合物在内的各种标准薄膜。进行薄膜应力测试时经常使用的技术有电子扫描显微镜、原子力显微镜。 掺杂浓度量测：离子注入是半导体掺杂工艺中一种重要的技术，通过在硅片的一些区域内注入不同种类的离子，可以使不同区域硅片具有不同的电性能。工艺中使用的杂质浓度通常介于1010个粒子/cm3到1018个粒子/cm3之间，杂质粒子的浓度和分布会对半导体的性能产生重要影响。由于杂质粒子造成的晶格缺陷会改变硅片表面的光线反射率，根据此原理便可计算出杂质浓度。目前广泛应用于测量杂质浓度的方法为热波系统法。 关键尺寸：关键尺寸(Critical-Dimension，CD）是指在集成电路光掩模制造及光刻工艺中，为评估及控制工艺的图形处理精度设计的一种反映集成电路特征线条宽度的专用线条图形，关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对产品所有线宽的准确控制。 半导体工艺技术的进步往往表现在器件关键尺寸的减小，在COMS技术中，栅宽决定了沟道长度，进而影响器件的反应速度。关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对产品所有线宽的精确控制，因为芯片关键尺寸的变化通常显示出半导体制造工艺中一些关键环节的不稳定性。关键尺寸测量需要精度和准确性优于2nm的测量仪器，能够获得这种测量水平的仪器是扫描电子显微镜。 套准精度：集成电路最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。光刻套准精度测量用于确保整个电路图形必须被正确地定位于晶圆表面，并且电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的，否则将会导致整个电路的失效。光刻操作步骤的数目之多和光刻工艺层的数量之大，导致光刻是半导体制造工艺的一个主要缺陷来源，因此，套准精度对整个半导体产线的良率起着重要的作用。现在测量套准精度的主要方法是相干 探测显微镜，它根据干涉原理辨别出样品内部的结构，并以此判断光刻掩模版的套准精度。 检测重点在于“检”，即检查生产过程中有无产生表面杂质颗粒沾污、晶体图案缺陷、机械划伤等缺陷，晶圆缺陷可能会导致半导体产品在使用时发生漏电、断电的情况，影响芯片的成品率。通过晶圆缺陷检测来监控工艺，可以减少产量损失，提高工艺良率。尤其现在工艺尺寸正在向14nm以下制程方向发展，晶圆表面的缺陷尺寸变得越来越小，缺陷产生的原因也越来越多，频率也越来越高，前道检测的重要性已得到了广泛的认知。 光学、电子束技术相结合，高效分析缺陷产生原因。目前，根据光学检测快速定位，电子束检测直接成像的特点，行业内对硅片缺陷检测的普遍做法为：光学技术与电子束技术相结合。 缺陷检测从无图形向有图形方向发展。无图形的硅片主要是裸硅片或有一些空白薄膜的硅片，常用做生产流程的测试片，在工艺进行时可用以提供氧化层厚度、表面颗粒度等工艺条件的特征信息，无图形的硅片在工艺进行后通常可清洗及再利用。 但由于无图形硅片与产品片在结构上存在不同，随着半导体产品制程越来越小，结构越来越复杂，晶圆代工厂开始转为使用生产中的有图形的产品片进行在线检测监控，以便更直接反映工艺流水线中发生的情况，为制作团队提供更加精准的信息，且有助于降低无图形硅片成本。  图7无图形晶圆与有图形晶圆示意图 前道量检测设备种类繁多，但大体上都是根据光学和电子束原理进行工作。根据检测标的对良率的影响程度，椭偏仪、四探针、热波系统、相干探测显微镜、光学显微镜和扫描电子显微镜是前道量检测领域内比较重要的设备。 为满足未来更加严格的精度要求，设备企业除了在原有技术的基础上进行工艺改进，性能提升外，还会增加隧道显微镜和原子力显微镜在前道量检测工艺中的应用比重。  图8 前道量检测标的、设备及原理 椭偏仪原理：测量透明、半透明薄膜厚度的主流方法，它采用偏振光源发射激光，当光在样本中发生反射时，会产生椭圆的偏振。椭偏仪通过测量反射得到的椭圆偏振，并结合已知的输入值精确计算出薄膜的厚度，是一种非破坏性、非接触的光学薄膜厚度测试技术。在晶圆加工中的注入、刻蚀和平坦化等一些需要实时测试的加工步骤内，椭偏仪可以直接被集成到工艺设备上，以此确定工艺中膜厚的加工终点。 四探针原理：测量不透明薄膜厚度。由于不透明薄膜无法利用光学原理进行测量，因此会利用四探针仪器测量方块电阻，根据膜厚与方块电阻之间的关系间接测量膜厚。方块电阻可以理解为硅片上正方形薄膜两端之间的电阻，它与薄膜的电阻率和厚度相关，与正方形薄层的尺寸无关。四探针将四个在一条直线上等距离放置的探针依次与硅片进行接触，在外面的两根探针之间施加已知的电流，同时测得内侧两根探针之间的电势差，由此便可得到方块电阻值。 热波系统原理：测量掺杂浓度。热波系统通过测量聚焦在硅片上同一点的两束激光在硅片表面反射率的变化量来计算杂质粒子的注入浓度。在该系统内，一束激光通过氩气激光器产生加热的波，使硅片表面温度升高，热硅片会导致另一束氦氖激光的反射系数发生变化，这一变化量正比于硅片中由杂质粒子注入而产生的晶体缺陷点的数目。由此，测量杂质粒子浓度的热波信号探测器可以将晶格缺陷的数目与掺杂浓度等注入条件联系起来，描述离子注入工艺后薄膜内杂质的浓度数值。 相干探测显微镜原理：套准精度测量设备。相干探测显微镜主要是利用相干光的干涉原理，将相干光的相位差转换为光程差。它能够获得沿硅片垂直方向上硅片表面的图像信息，通过相干光的干涉图形可以分辨出样品内部的复杂结构，增强了 CMP 后低对比度图案的套刻成像能力。 光学显微镜原理：快速定位表面缺陷。光学显微镜使用光的反射或散射来检测晶圆表面缺陷，由于缺陷会导致硅片表面不平整，进而表现出对光不同的反射、散射效应。根据对收到的来自硅片表面的光信号进行处理，光学显微镜就可以定位缺陷的位置。光学显微镜具有高速成像，成本经济的特点，是目前工艺下的一种主要的缺陷检测技术。 扫描电子显微镜：对缺陷进行精准成像。扫描电子显微镜的放大倍数能够达到百万倍，能够提供尺寸更小缺陷的信息，其放大性能明显高于光学显微镜。扫描电子显微镜通过波长极短的电子束来扫描硅片，通过收集二次电子、背散射电子信号形成硅片表面的图形，得到形貌及不同材料间显著的成分对比。  图9 量检测的细分领域 KLA-Tencor：前道检测设备绝对龙头，垄断半导体前道量检测设备市场。科磊（KLA-Tencor）于1997年由KLA仪器公司和Tencor仪器公司合并创立，总部位于美国加州米尔皮塔斯市，公司主要为半导体、数据存储、LED及其他相关纳米电子产业提供前道工艺控制和良率管理的解决方案。 科磊自成立起便深耕于半导体前道量检测设备行业，目前其产品种类已经覆盖加工工艺环节的各类前道光学、电子束量检测设备。凭借其检测产品高效、精确的性能特点，科磊以 52%的市场份额在行业内具有绝对的龙头地位。  图10前道量检测设备厂商及KLA-Tencor 部分展品实物图  图11 KLA公司发展历史 5 后道检测工艺是芯片生产线的“质检员” 后道检测通过CP、FT 测试能够对该批次产品进行结果检验，确保合格产品进入封装环节或进入市场，并得出产品的良率进行反馈。如此可以帮助前道厂商改进加工工艺，进一步提高产线的加工精度。根据工艺在封装环节的前后顺序，后道检测可以分为 CP 测试和FT测试。 CP测试确保只有正常工作的芯片才会进入封装环节。CP测试（Circuit Probing，电路测试）：CP检测位于芯片封装步骤之前，用于识别晶圆上能够正常工作的芯片，确保只有能实现正常数据通信，通过电参数、逻辑功能测试的芯片才会进入封装环节，以此节省不必要的封装成本，同时可以为晶圆厂提供批次产品的良率数据，及时发现工艺中存在的不足。此阶段的测试可能在晶圆厂进行，也可能被送到工厂附近的代工厂进行测试。 CP 测试过程为：进行CP测试时，探针台和测试台连接，根据测试台的算法完成测试。首先，待测硅片被放置到可以进行垂直移动的真空托盘上，其次，探针在软件的控制下自动完成对准并接通电路完成测试。测试一旦完成，不合格的芯片会记录在计算机的数据库内并被墨水打点，这样不合格的芯片会在封装步骤前被放弃。  图12 CP 测试晶圆喷墨示意图 FT 测试确保只有性能合格的产品才会最终流入市场。FT 测试（Final Test，终测）：FT测试位于芯片封装步骤之后，是对封装后的单个芯片进行的性能测试，在此步骤内只有测试结果合格的产品才会最终被推向市场，同时分选器会根据测试结果对芯片进行分类。 以 Intel“酷睿”系列处理器的分类标准为例：若检测到处理器内损坏两个 CPU，则被用作“酷睿i3”处理器；CPU若无损坏，但是工作频率不高，被用作“酷睿 i5”处理器；如果一点问题都没有，那么被用作“酷睿 i7”处理器。 FT 测试过程为：分选机将封装好的芯片传送至测试工位，芯片引脚通过测试工位上的金手指、专用连接线与测试台的功能模块进行连接。测试台对集成电路施加测试命令，采集输出信号，并判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性。测试结果通过通信接口传送给分选机，分选机据此对被测芯片进行标记、分类、收料或编带。  图13后道检测工艺流程图 后道检测工艺涉及到的检测设备主要有测试台、探针台和分选机。其中测试台与探针台组合运用于CP 测试。因为此时的晶圆尚未进行产品封装，晶圆上集成着众多微小尺寸的待测芯片，需要通过探针台与晶圆芯片进行精确接触，以连通待测芯片与测试台之间的电路。而FT测试使用的设备主要有测试台和分选机。因为此时的芯片经历了封装环节，每个芯片上均有引脚可以与分选机上的“金手指”相连接。  图14 后道检测设备全景图 测试台是检测芯片功能和性能的专用设备。测试时，测试台对待测芯片施加输入信号，得到输出信号与预期值进行比较，判断芯片的电性性能和产品功能的有效性。 在 CP、FT 检测环节内，测试台会分别将结果传输给探针台和分选机。当探针台接收到测试结果后，会进行喷墨操作以标记出晶圆上有缺损的芯片；而当分选器接收到来自测试台的结果后，则会对芯片进行取舍和分类。 测试台的内部具有各种不同类型的测试功能电路板，它能对集成电路进行直流参数、交流参数和芯片功能测试。 直流参数测试（DC）是对电路的电学参数进行测量，主要考虑的是芯片每个引脚的测试效率和测试的准确度。该参数测试以电压或者电流的形式验证高低电平的电压、功耗、驱动能力和噪声干扰等电气参数。 交流参数测试（AC）是对电路工作时的时间关系进行测量，它最看重的是最大测试速率和重复性能，其次是准确度。 芯片功能测试用来验证芯片是否能够实现设计的既定功能。所施加的激励信号以一定方式在电路中传输，确保能够对电路内部的所有部分都进行验证，以测试电路的所有部分是否都正常工作。 测试台随着半导体工艺的发展，其检测的产品更加复杂、检测速度也在逐渐提高。从上世纪 60 年起，测试台已经从最初的针对简单、低芯片引脚数的低速测试系统逐步发展到适用于超大规模、复杂结构集成电路的高速测试系统。  |
