本簡短備忘錄總結了半導體計量學中使用的各種方法，用於矽晶圓檢測。

半導體計量學涉及對用於生產專用積體電路（ASIC）的晶圓進行精確測量和分析。其目標是確保裝置製造過程中原子級電晶體佈局的品質和性能，因為即使製造過程中出現皮米級的偏差也會影響良率。

計量技術 Link to heading

以下是一些用於品質測量的技術和儀器，以及它們在測量過程中的作用概述：

光學顯微鏡（~2D） Link to heading

傳統的光學顯微鏡（用於生物學）需要光線直接穿過（“透射”）樣本才能檢測相位變化。然而，矽片完全不透明且反射率很高。由於光線無法穿過矽片，因此這些標準系統無法使用。

晶圓檢測並非直接檢測晶圓表面，而是利用反射光，並有幾種不同的方法：明場、暗場和微分乾涉對比 (DIC)。明場偵測使用垂直照射到晶圓上並反射回來的光線，而暗場偵測則使用以較大傾斜角度照射到晶圓上的光線，這種方法可以檢測凸起的缺陷，例如顆粒污染、細微刮痕和微缺陷。

對於晶圓而言，最有趣的顯微鏡是微分乾涉對比顯微鏡（DICC）。它利用偏振光和特製的沃拉斯頓棱鏡將光線分成兩束，使其在晶圓表面反射，然後重新組合。透過對晶圓進行類似三維的觀察，它可以揭示微觀的高度差異和表面紋理。 (圖片來源：Nikon顯微鏡)

掃描電子顯微鏡 (SEM) ![](/images//asic-metrology/scanning-electron-microscope.webp#right-h.webp. Link to heading

掃描電子顯微鏡 (SEM) 是半導體製造中最常用的儀器之一，因為它能夠觀察到比光學顯微鏡小得多的特性（解析度高 100 倍）。 SEM 不使用光學顯微鏡，而是使用聚焦電子束掃描晶圓表面，從而產生晶圓形貌和成分的高解析度三維影像。

與可以「一次性成像」的光學顯微鏡不同，掃描電子顯微鏡（SEM）需要用極細的電子束逐點「掃描」晶圓，然後重建圖像，每個像素的亮度取決於從晶圓上相應位置檢測到的電子數量。掃描過程不使用機械部件，而是利用磁線圈產生磁場，將電子束聚焦到僅幾奈米寬的光點上（與老式笨重的CRT電視機有些類似）。

原子力顯微鏡 (AFM) Link to heading

原子力顯微鏡 (AFM) 與掃描電子顯微鏡 (SEM) 有著本質區別：AFM 不使用電子束，而是利用柔性懸臂樑上的超細探針，在原子尺度上「感知」並繪製表面形貌圖，就像盲人閱讀盲文一樣。 AFM 測量的是表面形貌。

與掃描電子顯微鏡（SEM）類似，原子力顯微鏡（AFM）也是逐點掃描表面。然而，AFM 並非記錄發射的電子，而是測量多個參數，包括探針高度、懸臂梁偏轉和相互作用力，從而產生真正的三維表面圖。

懸臂梁可以以多種模式與可觀測對象相互作用：在接觸模式下，探針尖端與晶圓保持持續接觸；在輕敲模式下，懸臂梁在其共振頻率附近振盪，與表面的短暫接觸會改變其振盪幅度；此外，還有一種非接觸模式，該模式利用吸引力作為測量原理，但其信噪比通常較低。

X射線衍射 (XRD) Link to heading

X射線衍射（XRD）與先前的儀器非常不同，先前的儀器主要檢測晶片的表面，而XRD則偵測材料內部的晶體（或原子）結構。

它是檢測矽片晶體取向、晶格間距、應變和晶體質量是否正確的最重要的無損檢測儀器之一。 X射線衍射（XRD）必不可少，因為即使矽片在「表面顯微鏡」下看起來完美無瑕，XRD也能檢測到晶格的細微變化，而這些變化會對電晶體的性能和生產良率產生顯著影響。

＃＃概括

| 方法 | # | 解析度 | 速度 | 成本 | 典型用途 | | —————— | —- | ———– | ——— | —- | —————————– | | 光學 | ~ 2D | ~0.2 µm | 非常快 | 低 | 常規晶圓檢測 | | 掃描電子顯微鏡 (SEM) | ~ 2D | 1–10 nm | <1 nm（垂直） | 非常慢 | 高 | 表面粗糙度測量 | | X射線 | 3D | 可變 | 中 | 高 | 內部結構檢測 |

原子力顯微鏡進階概念 Link to heading

本備忘錄的第二部分介紹的是NearField Instruments公司，該公司是TNO的衍生企業，如今已成為歐洲半導體生態系統中規模化發展的重要力量。他們最新的產品QUADRA是一款原子力顯微鏡系統。

系統概覽 Link to heading

下圖是對 QUADRA 系統的簡單概括。

近場儀器 QUADRA

有幾點值得注意：

熱控制：原子力顯微鏡對探針周圍的溫度波動極為敏感。因此，探針運動控制系統產生的熱量越少越好。
掃描線與拼接：較新的系統已從傳統的拼接式磁磚測量發展為完整的掃描線和不間斷的晶圓測量。
微調：即使系統需要不斷微調，關鍵在於它能夠產生極其可靠且可重複的數據，從而使學習變得可預測。
效能（延遲）：鑑於需要處理的資料量龐大，資料傳輸效能（以延遲衡量）對於最佳運作至關重要。
數據洞察和數據鑽取：QUADRA 會產生大量數據，因此系統需要圍繞關鍵績效指標 (KPI) 進行操作。對於每個 KPI，使用者應該能夠深入查看具體的測量數據。

機電一體化進階概述 Link to heading

QUADRA 機電一體化設計基於微型原子力顯微鏡 (MAFM) 探針：每個 QUADRA 系統有 4 個 MAFM，每個 MAFM 都有自己的定位單元 (PU) 臂，以便能夠到達晶圓的獨立位置。

為了確保原子力顯微鏡（AFM）測量的準確性，降低機械雜訊至關重要。為此，QUADRA採用了一種反向結構，將晶圓真空夾持在卡盤上，探針從下方接近晶圓表面（見下圖）。這種設計可以縮短機械迴路，並透過消除激勵點來降低機械共振引起的雜訊。

可切換運動連接 Link to heading

縮短行程的方法是將MFAM的運動學連接從PU切換到柵格板：柵格板是AFM非常穩定的近距離參考面。一旦AFM測量頭鎖定在柵格板上，懸臂樑的位置就相對於該局部參考面而非更大的機器結構來決定。這減少了機械誤差，提高了測量精度。

(圖片來源：2024 NFI 宣傳冊 )

照明模式 Link to heading

如前所述，典型的原子力顯微鏡 (AFM) 使用輕敲模式。 QUADRA 擁有名為「閃電模式」的創新模式，可實現高達 1 MPix/s（百萬像素/秒）的高速掃描。此模式基於三大支柱：先進的 Z 軸掃描器控制演算法，可充分利用 Z 軸掃描器的機電頻寬進行形貌追蹤；對快速響應懸臂樑的主動控制，使作為感測器的懸臂樑能夠快速響應形貌變化（即反饋迴路）；以及智慧數據融合演算法，該演算法將來自原子力顯微鏡 (MAFM) 的多個訊號融合，以重建特徵演算法將來自原子力顯微鏡 (MAFM) 重建的多個特徵。

欲了解更多信息，請查看 NFI QUADRA 的深入分析論文

半導體驗證：基於晶片組的SoC Link to heading

Position Asimov ASIC 借助如此強大的 QUADRA 系統，可以驗證 [Positron 的 Asimov](https://qsysarch.com/posts/ai-inference-hardcture-inference-hardcture 晶片組。

以下是一些需要核實的項目：

封裝鍵結：晶片採用超細間距（5–50 µm 微凸點或亞微米級銅-介質直接鍵結）。原子力顯微鏡可用來測量表面皮米級形貌圖；

模組化Chiplet系統架構

電學奈米探測：由於晶片在 2.5D 或 3D 架構中緊密排列，傳統的測試探針無法物理接觸到內部互連。導電原子力顯微鏡 (C-AFM)：C-AFM 透過超尖導電探針通電，以繪製局部電學變化圖（*NDLR：我不確定 QUADRA 是否支援 C-AFM）。
摻雜分佈分析：晶片組SoC的核心優勢在於能夠混合使用不同的製程節點（例如，將3nm邏輯晶片組與傳統的14nm I/O晶片組搭配使用）。配備掃描電容顯微鏡（SCM）的原子力顯微鏡（AFM）系統可以繪製不同半導體材料中的載子濃度和摻雜分佈圖。這有助於驗證製程節點在經歷封裝引起的熱循環後是否仍能滿足其目標電特性。
界面應力：整合具有不同熱膨脹係數 (CTE) 的材料會導致翹曲、分層或熱機械應力。原子力顯微鏡 (AFM) 可測量晶片、中介層和矽橋界面處的彈性、硬度和黏著力。
熱特性表徵：具有內建微型熱電偶的 AFM 探針（又稱掃描熱顯微鏡，或 SThM）可以繪製微尺度熱邊界並追蹤熱點散熱路徑，確保 SoC 的複雜佈局不會導致破壞性的局部過熱。

一個更有趣的問題是，QUADRA 如何用於確保 Quantware VIO-40K 3D 架構的先進封裝和混合鍵結。我將在後續備忘錄中討論這個問題。

Quantware VIO3D 40K 3D架構