隨著科技進(jìn)步，智能化產(chǎn)品與日俱增。從電腦、智能手機(jī)，再到汽車電子、人工智能，如今在我們的生產(chǎn)生活中已隨處可見(jiàn)。它們之所以能夠得以發(fā)展，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部收發(fā)信號(hào)的半導(dǎo)體芯片是關(guān)鍵。

我們這里講的半導(dǎo)體為IC（集成電路）或者LSI（大規(guī)模集成電路）。制造的芯片可以分為邏輯芯片、存儲(chǔ)芯片、模擬芯片、功率器件。根據(jù)摩爾定律，每18-24個(gè)月，集成電路上可以容納的器件數(shù)目就會(huì)增加一倍，這將讓更多的科技應(yīng)用逐步實(shí)現(xiàn)，并得以優(yōu)化。應(yīng)用場(chǎng)景和市場(chǎng)的擴(kuò)大，半導(dǎo)體芯片的需求無(wú)疑也會(huì)隨之增長(zhǎng)，對(duì)其質(zhì)量則有了更高的要求。

比如汽車行業(yè)，除了傳統(tǒng)的汽車電子，目前也有許多目光投向了自動(dòng)駕駛。像這樣高度涉及人身安全的車用芯片，在高溫、低溫、受潮、老化、長(zhǎng)期工作等因素下，性能都必須保持穩(wěn)定。所以，無(wú)論從半導(dǎo)體芯片的研發(fā)設(shè)計(jì)，再到前道工序，后道工序，甚至最終投入使用，每一個(gè)流程都需要有必要的檢測(cè)來(lái)護(hù)航。

芯片制作流程概括性示意

對(duì)于芯片制造商來(lái)說(shuō)，單純知道芯片是否達(dá)標(biāo)，以此來(lái)淘汰壞品保證輸出產(chǎn)品質(zhì)量，是遠(yuǎn)不夠的。還需要“知其所以然”，保證良率，追根溯源，節(jié)約成本的同時(shí)給企業(yè)創(chuàng)造更高的效益。所以圍繞著這個(gè)主題，將進(jìn)行一系列的檢測(cè)，我們將此稱為半導(dǎo)體失效分析。它的意義在于確定半導(dǎo)體芯片的失效模式和失效機(jī)理，以此進(jìn)行追責(zé)，提出糾正措施，防止問(wèn)題重復(fù)出現(xiàn)。

失效分析檢測(cè)簡(jiǎn)直就像一場(chǎng)“追兇”之旅。通過(guò)初步證據(jù)鎖定嫌疑范圍，再通過(guò)各種方法獲得更多證據(jù)，步步鎖定，撥開(kāi)層層“疑云”去獲得最終的真相。檢測(cè)流程上，一般來(lái)說(shuō)，制造商會(huì)首先對(duì)待測(cè)半導(dǎo)體晶圓（wafer）或裸片（die）實(shí)施傳統(tǒng)的電性測(cè)量。一方面來(lái)確定芯片是否有故障的情況存在；一方面，若故障確切存在，也可以為后續(xù)失效分析提供必要的信息。

已經(jīng)過(guò)諸多工藝處理后的晶圓（wafer），裸片（die）即從其切割而來(lái)

但想達(dá)到溯源的目的，僅憑傳統(tǒng)的電性測(cè)試是遠(yuǎn)不夠的。還需要進(jìn)一步了解缺陷具體存在的位置，甚至還原出失效的場(chǎng)景、模式，用以了解失效機(jī)理。這也就是在半導(dǎo)體失效分析中重要而困難的一項(xiàng)，缺陷定位。失效分析工程師結(jié)合測(cè)試機(jī)測(cè)得的失效模式以及其他故障信息，可以初步判斷需要采取的定位方法，然后不斷結(jié)合獲得的新數(shù)據(jù)，逐步推測(cè)出失效發(fā)生在芯片的哪層結(jié)構(gòu)中，及其根本緣由。

缺陷定位

而半導(dǎo)體工藝日新月異發(fā)展飛速，制程上，從70年代的微米級(jí)芯片早已經(jīng)提升至納米級(jí)芯片。芯片層數(shù)增加和晶體管數(shù)量的急劇增加，讓失效點(diǎn)越來(lái)越難以發(fā)現(xiàn)。不斷提升的集成度，對(duì)檢測(cè)設(shè)備的性能提出了更多的挑戰(zhàn)。

1971年到2000年，英特爾芯片的發(fā)展

挑戰(zhàn) 1：更高的弱光探測(cè)能力

首先，芯片集成化程度越來(lái)越高，芯片的層數(shù)也將逐漸增多，電路會(huì)變得越來(lái)越細(xì)，電壓要求也隨之降低。因此，在檢測(cè)過(guò)程中，故障處可能發(fā)出的光信號(hào)就變得微弱，再加上層數(shù)的疊加，光信號(hào)將再次被削弱，這要求檢測(cè)儀擁有更高的弱光探測(cè)能力。

挑戰(zhàn) 2：更多檢測(cè)功能

不斷提高的集成度在帶來(lái)了日趨強(qiáng)大的芯片功能外，也讓可能出現(xiàn)的故障風(fēng)險(xiǎn)變得更多。一旦出現(xiàn)失效，其故障原因亦可能更加復(fù)雜。因此，在失效定位時(shí)，需要發(fā)展出更多、更細(xì)化的測(cè)試方法和功能模塊，去對(duì)應(yīng)這樣的變化。

挑戰(zhàn) 3：無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的推進(jìn)

對(duì)于出現(xiàn)問(wèn)題返廠的成品芯片，一般會(huì)在完成一系列無(wú)損檢測(cè)（如X射線檢測(cè)），以及打開(kāi)封裝后的顯微鏡檢查后，再進(jìn)入到傳統(tǒng)電性測(cè)試這一步。對(duì)于愈加高集成化、緊湊的芯片來(lái)說(shuō)，打開(kāi)封裝時(shí)內(nèi)部裸片受損的可能性會(huì)增大，而這一步亦是不可逆的。受損后，失效模式將難以還原，繼而無(wú)法得出失效的真正原因。因此，需要時(shí)，可以盡量達(dá)到無(wú)損檢測(cè)，也是給失效定位提出的又一挑戰(zhàn)。

早在30余年前，濱松就開(kāi)始了在半導(dǎo)體失效分析應(yīng)用中的研究。1987年，推出了第一代微光顯微鏡，并在此后逐漸組建起了專門針對(duì)半導(dǎo)體缺陷位置定位的PHEMOS系列產(chǎn)品。針對(duì)應(yīng)用中呈現(xiàn)出的諸多要求，濱松亦在技術(shù)上做出了進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。

濱松半導(dǎo)體失效分析系統(tǒng)PHEMOS系列

為了增強(qiáng)微光探測(cè)能力，濱松開(kāi)發(fā)了C-CCD、Si-CCD、InGaAs等多類高端相機(jī)。用戶可根據(jù)樣品制程和結(jié)構(gòu)，選擇不同的相機(jī)加裝在設(shè)備中。

IPHEMOS-MP的信號(hào)偵測(cè)示意

除了相機(jī)以外，濱松還不斷為PHEMOS系列開(kāi)發(fā)出了新的功能模塊，實(shí)現(xiàn)更多元、更深入的檢測(cè)，以應(yīng)對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的故障原因：

· 可通過(guò)Probing的方式給樣品加電，廣泛適用于從prober card到12英寸wafer的測(cè)試；

· 可搭載波長(zhǎng)為1.3 μm的激光，實(shí)現(xiàn)OBIRCH（Optical beam induced resistance change 激光誘導(dǎo)電阻改變測(cè)試）。也可選配其他光源，將樣品連接測(cè)試機(jī)進(jìn)行DALS， EOP/EOFM測(cè)量，實(shí)現(xiàn)樣品的動(dòng)態(tài)缺陷檢測(cè)分析。通過(guò)這些誘導(dǎo)偵測(cè)方法，能有效的截獲因溫度、頻率、電壓的改變而導(dǎo)致sample時(shí)好時(shí)壞的困擾；

· 可選配Laser marker功能，方便后續(xù)分析。Laser marker為脈沖激光，可自定義設(shè)置打點(diǎn)位置、次數(shù)、能量強(qiáng)度、打點(diǎn)形狀等；

· 可選配Nano lens & Sil cap，從樣品背面觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。Nano lens & Sil cap在工作時(shí)會(huì)與樣品表面完全接觸，增加了圖像的清晰度，提升了分辨率便于觀察更細(xì)的線路。搭配Nano lens的使用，用戶還可以選配tilt stage，將樣品調(diào)平，增強(qiáng)信號(hào)偵測(cè)強(qiáng)度;

· 除了Emission功能外，PHEMOS系列還具備Thermal的功能模塊。通過(guò)配備InSb材料的高靈敏度熱成像相機(jī)，可探測(cè)發(fā)射熱點(diǎn)源，方便用于package樣品偵測(cè)，不需要給待測(cè)品去除封裝，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)。設(shè)備可以同時(shí)滿足給樣品加多路電，有效降低噪聲提升信號(hào)敏感度。（可提供單獨(dú)擁有此功能的Thermal-F1）

高靈敏度熱成像相機(jī) C9985-06

半導(dǎo)體制造涉及眾多工序，過(guò)程復(fù)雜。除了失效分析以外，濱松還有眾多產(chǎn)品都被應(yīng)用在了其中，以保證生產(chǎn)制造的順利進(jìn)行以及產(chǎn)品的質(zhì)量。以沉淀了60余年的光子技術(shù)，為半導(dǎo)體制造提供支持。

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