本简短备忘录总结了半导体计量学中使用的各种方法，用于硅晶圆检测。
半导体计量学涉及对用于生产专用集成电路（ASIC）的晶圆进行精确测量和分析。其目标是确保器件制造过程中原子级晶体管布局的质量和性能，因为即使制造过程中出现皮米级的偏差也会影响良率。
以下是一些用于质量测量的技术和仪器，以及它们在测量过程中的作用概述：
光学显微镜（~2D）
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传统的光学显微镜（用于生物学）需要光线直接穿过（“透射”）样本才能检测相位变化。然而，硅片完全不透明且反射率很高。由于光线无法穿过硅片，因此这些标准系统无法使用。
晶圆检测并非直接检测晶圆表面，而是利用反射光，并有几种不同的方法：明场、暗场和微分干涉对比 (DIC)。明场检测使用垂直照射到晶圆上并反射回来的光线，而暗场检测则使用以较大倾斜角度照射到晶圆上的光线，这种方法可以检测凸起的缺陷，例如颗粒污染、细微划痕和微缺陷。
对于晶圆而言，最有趣的显微镜是微分干涉对比显微镜（DICC）。它利用偏振光和特制的沃拉斯顿棱镜将光线分成两束，使其在晶圆表面反射，然后再重新组合。通过对晶圆进行类似三维的观察，它可以揭示微观的高度差异和表面纹理。
(图片来源：尼康显微镜)
扫描电子显微镜 (SEM)
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扫描电子显微镜 (SEM) 是半导体制造中最常用的仪器之一，因为它能够观察比光学显微镜小得多的特征（分辨率高 100 倍）。SEM 不使用光学显微镜，而是使用聚焦电子束扫描晶圆表面，从而生成晶圆形貌和成分的高分辨率三维图像。
与可以“一次性成像”的光学显微镜不同，扫描电子显微镜（SEM）需要用极细的电子束逐点“扫描”晶圆，然后重建图像，每个像素的亮度取决于从晶圆上相应位置检测到的电子数量。扫描过程不使用机械部件，而是利用磁线圈产生磁场，将电子束聚焦到仅几纳米宽的光斑上（与老式笨重的CRT电视机有些类似）。
原子力显微镜 (AFM)
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原子力显微镜 (AFM) 与扫描电子显微镜 (SEM) 有着本质区别：AFM 不使用电子束，而是利用柔性悬臂梁上的超细探针，在原子尺度上“感知”并绘制表面形貌图，就像盲人阅读盲文一样。AFM 测量的是表面形貌。
与扫描电镜（SEM）类似，原子力显微镜（AFM）也是逐点扫描表面。然而，AFM 并非记录发射的电子，而是测量多个参数，包括探针高度、悬臂梁偏转和相互作用力，从而生成真正的三维表面图。
悬臂梁可以以多种模式与可观测对象相互作用：在接触模式下，探针尖端与晶圆保持持续接触；在轻敲模式下，悬臂梁在其共振频率附近振荡，与表面的短暂接触会改变其振荡幅度；此外，还有一种非接触模式，该模式利用吸引力作为测量原理，但其信噪比通常较低。
X射线衍射 (XRD)
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X射线衍射（XRD）与以前的仪器非常不同，以前的仪器主要检测晶片的表面，而XRD探测材料内部的晶体（或原子）结构。
它是用于检测硅片晶体取向、晶格间距、应变和晶体质量等参数的最重要的无损检测仪器之一。X射线衍射（XRD）必不可少，因为即使硅片在“表面显微镜”下看起来完美无瑕，XRD也能检测到晶格的细微变化，而这些变化会对晶体管的性能和生产良率产生显著影响。
＃＃ 概括
| 方法 | # | 分辨率 | 速度 | 成本 | 典型用途 | | —————— | —- | ———– | ——— | —- | —————————– | | 光学 | ~ 2D | ~0.2 µm | 非常快 | 低 | 常规晶圆检测 | | 扫描电子显微镜 (SEM) | ~ 2D | 1–10 nm | 慢 | 高 | 详细缺陷分析 | | 原子力显微镜 (AFM) | 3D | <1 nm（垂直） | 非常慢 | 高 | 表面粗糙度测量 | | X射线 | 3D | 可变 | 中等 | 高 | 内部结构检测 |
原子力显微镜高级概念
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本备忘录的第二部分介绍的是NearField Instruments公司，该公司是TNO的衍生企业，如今已成为欧洲半导体生态系统中规模化发展的重要力量。他们最新的产品QUADRA是一款原子力显微镜系统。
下图是对 QUADRA 系统的简单概括。
有几点值得注意：
热控制：原子力显微镜对探针周围的温度波动极其敏感。因此，探针运动控制系统产生的热量越少越好。
扫描线与拼接：较新的系统已经从传统的拼接式瓷砖测量发展为完整的扫描线和不间断的晶圆测量。
微调：即使系统需要不断微调，关键在于它能够生成极其可靠和可重复的数据，从而使学习变得可预测。
性能（延迟）：鉴于需要处理的数据量巨大，数据传输性能（以延迟衡量）对于最佳运行至关重要。
数据洞察和数据钻取：QUADRA 会产生大量数据，因此系统需要围绕关键绩效指标 (KPI) 进行操作。对于每个 KPI，用户应该能够深入查看具体的测量数据。
QUADRA 机电一体化设计基于微型原子力显微镜 (MAFM) 探针：每个 QUADRA 系统有 4 个 MAFM，每个 MAFM 都有自己的定位单元 (PU) 臂，以便能够到达晶圆的独立位置。
为了保证原子力显微镜（AFM）测量的准确性，降低机械噪声至关重要。为此，QUADRA采用了一种反向结构，将晶圆真空夹持在卡盘上，探针从下方接近晶圆表面（见下图）。这种设计可以缩短机械回路，并通过消除激励点来降低机械共振引起的噪声。
缩短行程的方法是将MFAM的运动学连接从PU切换到栅格板：栅格板是AFM非常稳定的近距离参考面。一旦AFM测量头锁定在栅格板上，悬臂梁的位置就相对于该局部参考面而非更大的机器结构来确定。这减少了机械误差，提高了测量精度。
(图片来源：2024 NFI 宣传册 )
如前所述，典型的原子力显微镜 (AFM) 使用轻敲模式。QUADRA 拥有一种名为“闪电模式”的创新模式，可实现高达 1 MPix/s（百万像素/秒）的高速扫描。该模式基于三大支柱：先进的 Z 轴扫描器控制算法，可充分利用 Z 轴扫描器的机电带宽进行形貌追踪；对快速响应悬臂梁的主动控制，使作为传感器的悬臂梁能够快速响应形貌变化（即反馈回路）；以及智能数据融合算法，该算法将来自原子力显微镜 (MAFM) 的多个信号融合，以重建形貌图像。
欲了解更多信息，请查看 NFI QUADRA 的深入分析论文
半导体验证：基于芯片组的SoC
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借助如此强大的 QUADRA 系统，可以验证 Positron 的 Asimov 芯片组 SoC 等。
以下是一些需要核实的项目：
- 封装键合：芯片采用超细间距（5–50 µm 微凸点或亚微米级铜-介质直接键合）。原子力显微镜可用于测量表面皮米级形貌图；
电学纳米探测：由于芯片在 2.5D 或 3D 架构中紧密排列，传统的测试探针无法物理接触到内部互连。导电原子力显微镜 (C-AFM)：C-AFM 通过超尖导电探针通电，以绘制局部电学变化图（*NDLR：我不确定 QUADRA 是否支持 C-AFM）。
掺杂分布分析：芯片组SoC的核心优势在于能够混合使用不同的制程节点（例如，将3nm逻辑芯片组与传统的14nm I/O芯片组搭配使用）。配备扫描电容显微镜（SCM）的原子力显微镜（AFM）系统可以绘制不同半导体材料中的载流子浓度和掺杂分布图。这有助于验证工艺节点在经历封装引起的热循环后是否仍能满足其目标电学特性。
界面应力：集成具有不同热膨胀系数 (CTE) 的材料会导致翘曲、分层或热机械应力。原子力显微镜 (AFM) 可测量芯片、中介层和硅桥界面处的弹性、硬度和粘附力。
热特性表征：带有内置微型热电偶的 AFM 探针（又称扫描热显微镜，或 SThM）可以绘制微尺度热边界并跟踪热点散热路径，确保 SoC 的复杂布局不会导致破坏性的局部过热。
一个更有意思的问题是，QUADRA 如何用于确保 Quantware VIO-40K 3D 架构的先进封装和混合键合。我将在后续备忘录中讨论这个问题。
＃ 结论
瞧，这又是一份非常简短的备忘录，我希望它能帮助读者更好地了解硅晶圆计量学面临的挑战和可能的解决方案。
有趣的是，鉴于创新型 AI 推理 ASIC 的进展和活动，从事硅计量的规模化企业拥有光明的未来！
(洁净室 - 来源：NFI)
References:
DrawIO diagrams used in this memo:
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