來源：《半導體芯科技》雜志 12/1月刊

伴隨著每一個新的世代更迭，半導體產品的尺寸不斷縮小，由于環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）進行檢測變得越來越復雜。Spicer Consulting公司的專家解釋了面臨的問題并提出了相應的補救措施，旨在為確保實現快速和準確的測試和計量評估提供幫助。

△>Spicer Consulting SC11分析系統提供了一種評估振動、聲波和磁場的全面方法。

多年來，對更快計算速度的需求導致半導體產品的尺寸大幅縮小。我們看到“摩爾定律”在20世紀60年代預測了這一“微縮步伐”，也預測集成電路發展演進將會不斷加速，這種情況一直保持到了21世紀初期。雖然下一代半導體產品可能遵循經典的Dennard縮放比例定律，未來將出現2D/3D器件，有些采用芯粒（chiplet），但是，其他器件仍將會通過“小型化”來提高性能和降低成本，正如英特爾聯合創始人戈登·摩爾幾十年前所預言的那樣。

當今的尖端器件現已達到個位數的納米級，然而，即使對于老式器件來說，向著更小尺寸晶體管的穩步邁進已經使得測試和測量變得復雜。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量控制會很棘手。透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM）雖然提供了所需的準確度，但是，由于它們對擾動很敏感，因此必須消除任何干擾（比如振動和外部磁場），以確保提供良好的分辨率，這一點很重要。

01外部干擾會降低圖像質量

半導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，這得益于一個簡單的事實，即組件尺寸的微縮減小了電子所需移動的距離，這使得產生的熱量有所減少，并將能量損失降至最低；而且，電路通路的縮短還轉化為信號處理速度的提升。

不管半導體產品演變的好處是什么，這類小型器件的制造和驗證都是具有挑戰性的，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線移動時成功地對其不同的部分進行成像。

掃描電子束的準確定位對圖像質量有著極大的影響；在實際應用中，電子束的偏差不得大于被檢查的部分。諸如振動、或由交流和直流源產生的電磁干擾等擾動，都將使電子束的位置發生偏移，導致分辨率下降；交流磁場在圖像中顯示為鋸齒狀線條，而直流磁場則產生波浪狀特征。不幸的是，這些類型的擾動在生產和測試半導體的環境中是相當普遍的，因為為了節省空間，敏感的成像儀器往往不得不與大型工業設備“共處一室”。因此，在安裝電子顯微鏡之前需進行環境調查，以確保高質量的成像，這一點是很重要的。Spicer Consulting是磁場抵消技術領域的一家領軍企業，它提供了專為完成此項任務而設計的SC11分析系統，可以測量X、Y和Z方向上的振動、聲波和磁場。這些測量結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驗室中干擾最低的某個空間里，仍然會存在一些干擾；直流磁場總是存在的（包括地球磁場），而且許多儀器會產生頻率約為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率的鐵磁鎳鐵合金制成的金屬片進行錳游合金屏蔽（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，因為材料的磁導率會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磁場抵消系統，該系統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，此系統由一個磁場控制單元、一個或多個磁場傳感器，以及能夠抵消檢測到的磁場的3軸電纜組成。

03電纜定位

在應用中，對電纜進行合適的定位，以在電子顯微鏡的周圍形成閉環-使其立柱周圍的磁場保持靜態。電纜可以采用不同的方式進行定位，以在復雜性、成本和性能之間找到最佳的平衡。最簡單和最廉價的解決方案是將電纜（X、Y和Z）拉成三個環路，形成三個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行重大的改動。然而，由于電纜離顯微鏡立柱較遠，因此動態范圍和磁場的抵消量有所減小。這種設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電纜應該在顯微鏡立柱的正上方穿過房間（圖2），因為將環路拉近將增強系統的磁場抵消能力。

△圖2：為增強干擾緩解效果而采取的電纜布置方案。

對于大型TEM或新的實驗室來說，改造不會干擾其他儀器，這種情況下的最優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，因為GIF位于顯微鏡立柱的下方，并要求在較低的高度上抵消磁場。對于現有的顯微鏡裝置而言，埋設電纜并非選項，電纜的底部可以與地面平齊，并用適當的電纜保護套進行覆蓋。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、在建的新實驗室、或者改造不會影響正常運行的實驗室，此圖給出了一種優化的干擾緩解解決方案，包括采用雙環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可以與一個或兩個相同類型的傳感器一起使用。將兩個傳感器一起使用（放置在顯微鏡立柱的兩側），形成一個“虛擬”傳感器，該傳感器通過取兩個測量值的平均值來測量關注點上的磁場。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時的抵消因子為100，直流時的抵消因子大于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。

05總結

半導體組件尺寸的不斷縮小提供了許多好處，繼續為OEM產品開發帶來變革；半導體的確影響了現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量控制測試帶來了新的挑戰。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確度。電子顯微鏡提供了一種實用的解決方案，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量，這一點很重要。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驗室或預算額度的有效解決方案。

審核編輯黃宇