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作者：MIZYhe, SiSC

2021年10月13日，《半导体芯科技》杂志在线举办第七届晶芯研讨会（CHIPChina Webinar）。会议吸引了近700位听众的关注，实际在线听会人数400人以上；他们是来自供应商/原厂（23%）、芯片设计（6.7%）、晶圆代工（8%）、IDM（4.9%）、OSAT（2.4%）以及教育/科研单位（15%）等企业或单位的管理人员、技术负责人、采购及市场人员等，包括沈阳自动化、江苏影速、胜科纳米、OPPO、中国电子工程设计院、中科飞测、华进、南方科技大学、北京中科、合肥沛顿、通富微电、上海海思、广电计量、汇顶科技、上海微电子、厦门润积、安世半导体、厦门士兰明镓、三英精控、中科智芯、华润微、理想晶延、Semilab、深圳大学、中科潞安、VLSIresearch、广东工业大学、国软检测、中兴微电子、紫光集团、闻泰科技，等等。其中，约42%的听众来自封装测试及自动化/软件领域，其中又是以管理人员/技术负责人/研发&开发为主，共占比53%左右。

作为纳米形貌和尺度测量的标志性技术，原子力显微镜（AFM）在半导体检测中起到了重要作用，主要在前端工艺中的尺度精测和F/A实验室的纳米电性能测量。AFM也在掩模修复中起到了日益重要的作用。

来自中科院沈阳自动化所的研究员苏全民博士，在题为《原子力显微镜在半导体精测中的应用和挑战》的报告中，就AFM在晶圆生产前道工艺的作用，以及AFM技术在先进节点尤其是5nm、7nm FinFET结构测量中所面临的挑战、针对像CD测量、CMP晶圆表面形貌精测做了详细分析，与听众分享。

Lord Kelvin曾经说过，“如果你不能测量，你就无法改善”；一语道破了测试测量在现代化工业中的重要性，检测的水准决定了产品的良率与品质。

检测贯穿了整个半导体制程，从芯片设计验证、晶圆制造到封装测试。半导体检测设备主要用在半导体制程中检测芯片性能与缺陷。几乎每一道关键工艺之后都需要过一道检测，有时甚至反反复复，这样可以实时监测整个制程，以确保产品质量的可控性。

前道量测设备主要用作制程监控，根据功能的不同分为两种：一为量测类设备，二为缺陷检测类。据SEMI统计，前道检测设备占半导体设备投资额的11%~13%，其中量测设备、缺陷检测设备、控制软件三者占比分别为34%、55%、11%。在细分领域，其中膜厚测量、CD-SEM 测量均约占12%，OCD、形貌测量及套刻误差测量分别占10%、6%及9%；缺陷检测中patterned与unpatterned晶圆检测分别占比32%、5%；最后电子束检测与宏观缺陷检测分别占比11%与6%。

• 量测类设备：1）测量透明或不透明薄膜的厚度，则分别使用椭偏仪或四探针；2）测量膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、套准精度等指标，则使用原子力显微镜（AFM）、CD-SEM、OCD设备等。

• 缺陷检测类设备：用来检测晶圆表面的缺陷，分为明/暗场光学图形图片缺陷检测设备(patterned)、无图形表面检测设备(un-patterned)、宏观缺陷检测设备如AOI等。

苏全民博士在报告中指出，半导体良率是衡量产业化水平的标志，从上世纪六七十年代的50-60%提升到现在的95%以上，毫无疑问，“在线纳米测量与质量管控系统是提升半导体产业良率的金标准”。

什么是AFM？

原子力显示镜（AFM）由G. Binning于1986年发明的原子级高分辨表面观测仪器，它是在扫描隧道显微镜（STM）基础上发展起来的，通过测量样品表面分子（原子）与AFM微悬臂探针之间的相互作用力（原子级力场），来观测样品表面的形貌。AFM现已广泛应用于半导体、纳米材料、生物、医药研究等领域中。

与STM相比，AFM的优势有三点：1）能观测导电或非导电样品（如金属材料、高分子聚合物、生物细胞等），适用性更广泛；2）AFM分辨力远超于SEM以及轮廓仪等；3）AFM能测量高分辨率3D形貌，优于需要做切片的全自动扫描电镜。

AFM是扫描探针显微镜的典型代表，利用一种小探针在样品表面上扫描。AFM的探针一般由悬臂梁及针尖所组成，针尖与样品间的原子力使悬臂梁产生微细位移，利用光束偏折技术可测得表面形貌。

由于探针与样品间产生原子间的排斥力是纳牛级（10^-6-10^-9·N），接触式探针仍可能会破坏表面结构。非接触式探针利用微弱的范德华力对探针的振幅变化进行反馈，范德华力限制了探针与样品的距离及振幅（2-5nm），且大气环境下样品表面覆盖5-10nm厚的水分子膜，造成了反馈机制失效。于是在此基础上发展出轻敲式探针，探针做共振运动（振幅为10-300KHz），与样品表面有间歇性轻微跳动接触（作用力约10^-12·N），探针在振荡至波谷时接触样品，由于样品的表面高低起伏，使得振幅改变，反馈得到高分辨率影像（图1）。此时高频次工作状态的探针存在耗损，这种工作机制也带来检测效率以及可靠性问题。

图1. 采用轻敲式探针的AFM工作原理。来源：机器人国家重点实验室，
苏全民@《原子力显微镜在半导体精测中的应用和挑战》

总之，AFM的应用范围广，可以在真空、气相、液相等环境下，以高倍率观察具备一定表面光洁度的样品的三维形貌（图2）；在具备试样制备的前提下，多年来AFM成功用于CD测量、表面粗糙度、膜厚、颗粒度分析、断面形状分析、凸起/凹坑的统计、缺陷分析等（图3）。未来，AFM的目标应用还将拓展到纳米化学测量以及纳米电测量。因此，对于AFM设备的软件处理能力要求越强。

图2. AFM在半导体产线的应用，从晶圆、芯片前段/后段、先进封装，AFM主要有三个应用：表面精测、关键尺寸CD精测、表面粗糙度；AFM与白光干涉仪、轮廓仪以及SEM的最大区别在于不同轴向的分辨率。来源：机器人国家重点实验室，苏全民@《原子力显微镜在半导体精测中的应用和挑战》

测量手段存在空间尺度问题。光学测量在微米级，电子束测量以及离子束测量，AFM属于探针测量，其测量尺度从几十微米至纳米甚至是原子甚至到原子的高阶分量。从力学作用尺度来区分，AFM能测量原子之间的作用力，从10^-10 pN（亚pN指的是原子与原子之间的范德华键合力）；固体测量大多在纳牛量级。

在上世纪九十年代中期，AFM进入了半导体离线测量，后期进入了by-line测量，涵盖了从前端-后端-封装。最常用的测量就是表面粗糙度，其横向分辨率可达纳米尺度，大部分粗糙度测量只需微米级就可以了；然而其纵向的要求非常高，须达到3σ@10~几十个pm。平整度非常重要，尤其在Hybrid bonding这块，每条横线表示每道CMP或者镀膜之后都需要做粗糙度测量。

另外一种测量是做CD尺度精测（node在32nm以上），包括深度、宽度、侧壁以及重要的尺度；还有一种是大尺度测量，如针对几十毫米长宽的die，要用很高的分辨率测出其几何变化，用于识别在CMP表面的缺陷 (dishing) 与侵蚀 (erosion) 变化。在半导体不同工艺阶段对应有不同的测量方法，白光干涉仪被认为是与AFM相关的是一种孪生技术，其纵向分辨率在亚纳米级，而横向分辨率却受到影响限于纳米级，但是白光干涉仪因其效率高得到广泛使用，其力所不逮的测量范围就交给AFM处理。

另一种需要表面精测是full-die mapping工艺，因材料差异导致的dishing和erosion会产生纳米尺度沟槽，若起伏范围超过1nm以上，下一道CMP工艺会将影响沟槽形状。此处需要对侧壁进行AFM测量，对应的探针形状是特制的。

在质量监控方面，我们通常设法寻找缺陷及沾污，SEM可以非常准确的找到缺陷，再用EDS进行分析，但EDS对于高分子作用不大，因此利用AFM分析来识别污染源的出处，也即通过对材料硬度的分类找到产线制程中颗粒的来源。

        图3. AFM用于FinFET结构的形貌以及CD测量。来源：机器人国家重点实验室，苏全民@《原子力显微镜在半导体精测中的应用和挑战》

苏博士援引了Christoph Gerber的“AFM Globe”图，图中每个结点都是AFM能够测量的，包括电学、力学、化学、机械、生物，等等。在半导体工艺中，电性能和力学性能都必须测量的。电性能包括载流子，表面功函数（KPFM）、介电常数、通道应力，以及无论是CMOS器件还是memory或logic器件，其最重要的电性能参数如Ion、Ioff及Vth都能用AFM进行测量。此外，对沾污（有机材料）进行化学分析目前还是一个空白领域。尽管电测量占据三分之二的“AFM Globe”应用，该项应用面临着巨大的挑战。三十年以来，电测量技术没有多大提升，原因是它缺乏环境控制，表面附着的5-10nm厚的水分子膜一直存在。在形貌测量时探针遇到水分子膜依旧会扎进去，影响不大；可是电测量则不然，水的介电常数是80（自然界最高），探针一旦接触到水，有实验数据证明KPFM差异很大。另外一个是几何极限，半导体已发展到纳米级，探针的尺寸很难跟得上，即便探针能伸入沟槽中，探针与样品表面的相互作用力超过其他。最后一个是AFM测量效率的问题，它的效率远不如扫描电镜。

在纳米化学分析领域，AFM最重要的变化是将力学探针转化成红外光谱探针，使之实现红外光谱（FTIR）成像。红外光谱可以测量材料的化学差异，此处AFM既能测出形貌、化学分析材料（PS-b-PMMA分布）以及杂质分析。目前纳米化学分析也逐渐进入半导体行业。

最后，苏博士呼吁厂商参与进来，为AFM在电测量、纳米化学分析等未来应用方面提供试样制备和技术支持！

苏全民博士Q&A

Q：AFM自身如何以最佳性能持续运行？

A：“持续”意味着将MTBF提升至其他设备具备的几百或上千个小时：1）在电控制与机械控制，AFM设备厂商如Bruke及其竞争对手在这个方面下了大工夫，现在的AFM设备能达到200小时以上；2）探针针尖是个硬伤，其失效存在两个因素：a.物理磨损，供应商能从控制相互作用力着手来缓解，b.可能是上个process的残留物导致的污染源，针尖会在过程中接触到并因此改变形状与性质，这点检测设备厂家比较难以控制，探针的可靠性大大下降，唯一的办法就是勤换探针。

Q：晶圆有哪些工艺需要测试厚度，分辨率要求多少？

A：厚度在每个工艺阶段都需要测试，当做硅刻蚀的时候，我们需要知道刻蚀的尺度和形貌，横向分辨率取决于应用，比方说逻辑IC，根据所需测试阶段是Fan-out导线还是Logic device等，一般分辨率是从几个到几十个纳米（3σ在亚纳米量级）；镀膜时一般都需要严格监控金属膜厚度，针对不透明膜可用AFM或台阶仪测量，这时的横向分辨率不太高，纵向分辨率则高达亚埃级。

Q：将碳纳米管整合到探针针尖上，目前的技术难点是什么？

A：好问题，曾在Bruke与5个以上密切团队进行过交流合作，目前仍得不到产品，原因是碳纳米管在尺度控制上很严格。1）将本身不稳定、2nm直径/10nm长的碳纳米管物理安装到针尖上，2）在针尖上长碳纳米管，虽可控制探针的外形、走向及高度，但层错会大大降低其力学性能。欢迎新的团队加入研发。3）通过硅做各向异性的刻蚀而形成的探针针尖形状，oxide sharpen至纳米尺度（图中蓝色部分）。

Q：原子力显微镜图谱是不是有专门的软件来分析？
    A：有的，比如Gwyddion，可以分析所有厂家的数据。

Q：AFM在降噪方面具有哪些特点？
    A：AFM主要通过机械隔离，声学隔离降噪，对电磁噪音相对不敏感。

Q：如何避免形貌扫描过程中的图像失真呢？
    A：注意反馈回路的误差信号，误差信号最小时图像也失真最少。

Q：原子力显微镜是如何有效减少束斑大小的？
    A：AFM分辨力取决于探针锐度，对同一个探针是固定的，必须更换探针改变分辨力。

Q：原子力显微镜是不是可以自行负责扫描前和扫描期间的所有设置？
    A：可以的，不同厂家均已经实现。布鲁克的ScanAsyst就能自动设置。

Q：在CD-AFM测试过程中，如何避免样品的形貌导致的电流信号的变化？
    A：用好Liftmode，注意探针tuning，Q不要太高。CAFM和形貌的关系是内禀的，可通过分析除去contact area（形貌）的贡献。

Q：AFM在半导体的失效分析可以解决哪些具体的问题，特别是第三代半导体领域？在测试过程中针尖的形状效应要怎么克服？
    A：主要是电性能，发热，力学性能变化等纳米尺度的测量。

Q：什么型号？针对AFM的设备的量测效率的提升如何达成？
    A：高度依赖于您的应用来配置。

Q：实现pitch在百纳米以内的表面精测，可以用普通探针实现么？
    A：可以。

Q：半导体领域表面粗糙度有标准吗？
    A：没有ISO标准，基本是厂家自定。

Q：国内有没有做的比较好的原子力显微镜企业，在制造、封测领域使用原子力显微镜的环节多不多？
    A：国内正在追赶，Hybrid-bonding、SoC都需要。

Q：请问现在的Fab产线中是否有AFM机台做在线检测？每个fab大概配置多少台？还是目前只能做离线的研究？
    A：离线在所有F/A实验室都有；在线主要用于OCD标定，粗糙度测量，fab-line一般配一台；有时多线共用。

Q：请问AFM测量Ion、Ioff、Vth的基本原理是怎样的？
    A：多探针测量，探针代替连线，测I/V。

Q：怎么从原子力显微镜图像上分析晶面间距和厚度?
    A：X-Ray分析更可靠。

Q：根据扫描图像是不是可以分析出反映材料功函数大小的表面电势?
    A：可以，环境控制很重要。

Q：AFM测表面平坦度精确度如何？
    A：3σ在10pm左右。

Q：可以用于分析材料的微纳形貌结构吗？
    A：是的。

《在电子/半导体行业显微镜应用案例分享：常见问题迎刃而解！》

随着5G的普及，半导体工作的精细化不断发展，对产品的检测、分析要求也越来越高，此次介绍拥有丰富的数码显微镜在IC行业的观察案例（如BGA、线邦定结合、接触式探针等技术资讯及案例），同时还介绍对于传统显微镜的各种拍摄难点和解决方案。帮助那些从事半导体行业的客户以及工业显微镜用户。

据了解，光学显微镜可提供几倍至上千倍的放大倍数，它对半导体的某些多层结构也具有透明性。一般先通过低倍显微镜观察整体形貌和缺陷，再用高倍显微镜进一步确认缺陷。常用的显微镜观测方式有明场，暗场，干涉照明，偏振光，荧光显微镜等。

此次基恩士Draven带来的演讲本身非常成功，通过播放现场操作VHX软件的视频，观众可以看见该微米级off-line显微镜的强大软件功能，很好地解决了普通显微镜在景深、放大倍率遇到无法两全的问题；此外，VHX的用户体验很好，可360度3D形貌观测，无需切换画面、无需重新标的即可在数秒内完成两个相距较远目标之间的视觉平移；最后通过明场（同轴光）与暗场（环形光）之间的光源切换，使得用户清晰看见表面的凹凸、划痕、瑕疵，以及PCB或BGA等目标上的外观形貌，甚至是PCB板的翘曲度都能通过软件计算并呈现报告。可谓纤毫毕现，功能强大。

VHX的最大倍率是6000，采用光学与数码合成的方式；可根据用户的需求配置相应尺寸的平台。目前VHX定位于实验室级的数码显微镜，暂时不适合产线应用，但是基恩士夏总表示开放与客户的合作拓展设备的应用领域。

关于这个演讲，笔者推荐各位观看视频回放，亲自感受效果更佳！

夏天齐老师Q&A

Q：VR系列与VK系列分别适用范围？
    A：VR适用于整体轮廓的测量，VK适用于局部微观的。

Q：VR设备能否进行加热下的动态测量？
    A：多数还是用于常温下，VH可以录像，但是动态测量还是需要使用高速相机的。

Q：可以用来抄数码？
    A：可以自动导出测量结果并且输出报告。

Q：能同时测试两个纬度的不同翘曲度吗？
    A：可以，还可以进行3D比对。

Q：VR系列产品，可否在PCB线路上有零部件的情况下，测试出线路板本身的弯曲度？
    A：可以，完全没问题。

Q：请问能测量的最小弧度是多少？
    A：都是微米级的。

Q：请问VHX可否用于封测fab在线自动检测？
    A：这款设备本身定位是离线设备，无法自动判别，不过通过您的应用也可以交流一下，看能否改造成产线上的应用。

Q：这款显微镜不错，购买联系方式有吗？
    A：基恩士-夏天齐，18918251039。

Q：全面对焦最大放大倍率多少？
    A：6000倍。

Q：高低分辨的分辨率及精度是多少？
    A：最大检测范围是49mm，最小分辨率时0.1μm。

Q：针对取点误差如何解决？
    A：通过最小二乘法，形成一个选择范围，在范围内自动筛除误差点来实现的。

Q：倍率能到多少？样品尺寸限制多大？
    A：最高6000倍，至于样品尺寸，可根据您的需求调整平台大小，没有特殊要求的。

Q：可以分屏显示吗？
    A：可以的，最多可以做到独立操作的9分屏。

Q：目前Fab内常见的基恩士产品是传感器，请问有没有显微镜产品用于芯片出厂前的检测？
    A：暂无标准品，有很多客户会定制用于产线测量，需要与基恩士工程师联系去现场沟通测试。

    Q：我们想测试不同温度下芯片的形变数据，这个显微镜有加热底座吗？
    A：这个暂时没有测试过，多数情况下还是用于常温下的观测。