十六種分析儀器助力半導(dǎo)體工藝檢測
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半導(dǎo)體器件生產(chǎn)中，從半導(dǎo)體單晶片到制成最終成品，須經(jīng)歷數(shù)十甚至上百道工序。為了確保產(chǎn)品性能合格、穩(wěn)定可靠，并有高的成品率，根據(jù)各種產(chǎn)品的生產(chǎn)情況,對所有工藝步驟都要有嚴(yán)格的具體要求。因而,在生產(chǎn)過程中必須建立相應(yīng)的系統(tǒng)和精確的監(jiān)控措施，首先要從半導(dǎo)體工藝檢測著手。
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半導(dǎo)體工藝檢測的項目繁多，內(nèi)容廣泛，方法多種多樣，可粗分為兩類。第一類是半導(dǎo)體晶片在經(jīng)歷每步工藝加工前后或加工過程中進行的檢測，也就是半導(dǎo)體器件和集成電路的半成品或成品的檢測。第二類是對半導(dǎo)體單晶片以外的原材料、輔助材料、生產(chǎn)環(huán)境、工藝設(shè)備、工具、掩模版和其他工藝條件所進行的檢測。第一類工藝檢測主要是對工藝過程中半導(dǎo)體體內(nèi)、表面和附加其上的介質(zhì)膜、金屬膜、多晶硅等結(jié)構(gòu)的特性進行物理、化學(xué)和電學(xué)等性質(zhì)的測定。其中許多檢測方法是半導(dǎo)體工藝所特有的。
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工藝檢測的目的不只是搜集數(shù)據(jù)，更重要的是要把不斷產(chǎn)生的大量檢測數(shù)據(jù)及時整理分析，不斷揭示生產(chǎn)過程中存在的問題，向工藝控制反饋，使之不致偏離正常的控制條件。因而對大量檢測數(shù)據(jù)的科學(xué)管理，保證其能夠得到準(zhǔn)確和及時的處理，是半導(dǎo)體工藝檢測中的一項重要關(guān)鍵。同時半導(dǎo)體檢測也涉及大量的科學(xué)儀器，針對于此，對一些半導(dǎo)體檢測的儀器進行介紹。
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橢偏儀
橢偏儀是一種用于探測薄膜厚度、光學(xué)常數(shù)以及材料微結(jié)構(gòu)的光學(xué)測量儀器。由于測量精度高，適用于超薄膜，與樣品非接觸，對樣品沒有破壞且不需要真空，使得橢偏儀成為一種極具吸引力的測量儀器。
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目前，橢偏儀是測量透明、半透明薄膜厚度的主流方法，它采用偏振光源發(fā)射激光，當(dāng)光在樣本中發(fā)生反射時，會產(chǎn)生橢圓的偏振。橢偏儀通過測量反射得到的橢圓偏振，并結(jié)合已知的輸入值精確計算出薄膜的厚度，是一種非破壞性、非接觸的光學(xué)薄膜厚度測試技術(shù)。在晶圓加工中的注入、刻蝕和平坦化等一些需要實時測試的加工步驟內(nèi)，橢偏儀可以直接被集成到工藝設(shè)備上，以此確定工藝中膜厚的加工終點。
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四探針測試儀
四探針測試儀是用來測量半導(dǎo)體材料（主要是硅單晶、鍺單晶、硅片）電阻率，以及擴散層、外延層、ITO導(dǎo)電箔膜、導(dǎo)電橡膠方塊電阻等的測量儀器。
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測量半導(dǎo)體電阻率方法的測量方法主要根據(jù)摻雜水平的高低，半導(dǎo)體材料的電阻率可能很高。有多種因素會使測量這些材料的電阻率的任務(wù)復(fù)雜化，包括與材料實現(xiàn)良好接觸的問題。特殊的探頭設(shè)計用于測量半導(dǎo)體晶片和半導(dǎo)體棒的電阻率。這些探頭通常由諸如鎢的硬質(zhì)金屬制成，并接地到探頭。在這種情況下，接觸電阻很高，必須使用四點共線探針或四線絕緣探針。兩個探針提供恒定電流，另外兩個探針測量整個樣品一部分的電壓降。通過使用所測電阻的幾何尺寸來計算電阻率。
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薄膜應(yīng)力測試儀
薄膜應(yīng)力作為半導(dǎo)體制程、MEMS微納加工、光電薄膜鍍膜過程中性能測試的必檢項，其測試的精度、重復(fù)性、效率等因素為業(yè)界所重點關(guān)注。對應(yīng)產(chǎn)品目前業(yè)界有兩種主流技術(shù)流派：1）以美國FSM、KLA、TOHO為代表的雙激光波長掃描技術(shù)（線掃模式），盡管是上世紀(jì)90年代技術(shù)，但由于其簡單高效，適合常規(guī)Fab制程中進行快速Q(mào)C，至今仍廣泛應(yīng)用于相關(guān)工廠。2）以美國kSA為代表的MOS激光點陣技術(shù)，抗環(huán)境振動干擾，精于局部區(qū)域內(nèi)應(yīng)力測量，這在研究局部薄膜應(yīng)力均勻分布具有特定意義。線掃模式主要測量晶圓薄膜整體平均應(yīng)力，監(jiān)控工序工藝的重復(fù)性有意義。但在監(jiān)控或精細(xì)分析局部薄膜應(yīng)力，激光點陣技術(shù)具有特殊優(yōu)勢，比如在MEMS壓電薄膜的應(yīng)力和缺陷監(jiān)控。
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熱波系統(tǒng)
熱播系統(tǒng)主要用來測量摻雜濃度。熱波系統(tǒng)通過測量聚焦在硅片上同一點的兩束激光在硅片表面反射率的變化量來計算雜質(zhì)粒子的注入濃度。在該系統(tǒng)內(nèi)，一束激光通過氬氣激光器產(chǎn)生加熱的波使硅片表面溫度升高，熱硅片會導(dǎo)致另一束氦氖激光的反射系數(shù)發(fā)生變化，這一變化量正比于硅片中由雜質(zhì)粒子注入而產(chǎn)生的晶體缺陷點的數(shù)目。由此，測量雜質(zhì)粒子濃度的熱波信號探測器可以將晶格缺陷的數(shù)目與摻雜濃度等注入條件聯(lián)系起來，描述離子注入工藝后薄膜內(nèi)雜質(zhì)的濃度數(shù)值。
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ECV設(shè)備
ECV又名擴散濃度測試儀，結(jié)深測試儀等，即電化學(xué)CV法測擴散后的載流子濃度分布。電化學(xué)ECV可以用于太陽能電池、LED等產(chǎn)業(yè)，是化合物半導(dǎo)體材料研究或開發(fā)的主要工具之一。電化學(xué)ECV主要用于半導(dǎo)體材料的研究及開發(fā)，其原理是使用電化學(xué)電容-電壓法來測量半導(dǎo)體材料的摻雜濃度分布。電化學(xué)ECV(CV-Profiler, C-V Profiler)也是分析或發(fā)展半導(dǎo)體光-電化學(xué)濕法蝕刻(PEC Etching)很好的選擇。
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少子壽命測試儀
載流子壽命就是指非平衡載流子的壽命。而非平衡載流子一般也就是非平衡少數(shù)載流子（因為只有少數(shù)載流子才能注入到半導(dǎo)體內(nèi)部、并積累起來，多數(shù)載流子即使注入進去后也就通過庫侖作用而很快地消失了），所以非平衡載流子壽命也就是指非平衡少數(shù)載流子壽命，即少數(shù)載流子壽命。例如，對n型半導(dǎo)體，非平衡載流子壽命也就是指的是非平衡空穴的壽命。
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少子壽命是半導(dǎo)體材料和器件的重要參數(shù)。它直接反映了材料的質(zhì)量和器件特性。能夠準(zhǔn)確的得到這個參數(shù)，對于半導(dǎo)體器件制造具有重要意義。少子壽命測試儀可以直接獲得長硅的質(zhì)量參數(shù)。
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拉曼光譜
拉曼光譜是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學(xué)家C.V.Raman在1928年所發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉(zhuǎn)動方面信息并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究的一種分析方法。
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拉曼光譜在材料科學(xué)中是物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的有力工具，在相組成界面、晶界等課題中可以做很多工作。半導(dǎo)體材料研究中，拉曼光譜可測出經(jīng)離子注入后的半導(dǎo)體損傷分布，可測出半磁半導(dǎo)體的組分，外延層的質(zhì)量，外延層混品的組分載流子濃度。?
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紅外光譜儀
紅外光譜儀是利用物質(zhì)對不同波長的紅外輻射的吸收特性，進行分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析的儀器。紅外光譜儀通常由光源，單色器，探測器和計算機處理信息系統(tǒng)組成。根據(jù)分光裝置的不同，分為色散型和干涉型。對色散型雙光路光學(xué)零位平衡紅外分光光度計而言，當(dāng)樣品吸收了一定頻率的紅外輻射后，分子的振動能級發(fā)生躍遷，透過的光束中相應(yīng)頻率的光被減弱，造成參比光路與樣品光路相應(yīng)輻射的強度差，從而得到所測樣品的紅外光譜。
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紅外光譜法操作簡單，不破壞樣品，使其在半導(dǎo)體分析的應(yīng)用日趨廣泛。半導(dǎo)體材料的紅外光譜揭示了晶格吸收、雜質(zhì)吸收和自由載流子吸收的情況，直接反映了半導(dǎo)體的許多性質(zhì)，如確定紅外透過率和結(jié)晶缺陷，監(jiān)控外延工藝氣體組分分布，測載流子濃度，測半導(dǎo)體薄層厚度和襯底表面質(zhì)量。
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二次粒子質(zhì)譜
二次粒子質(zhì)譜是借助入射粒子的轟擊功能，將樣品表面原子濺出，由質(zhì)譜儀測定二次粒子質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)譜峰位的質(zhì)量數(shù)，可以確定二次離子所屬的元素和化合物，從而可精確測定表面元素的組成。這是一種常用的表面分析技術(shù)。其特點是高靈敏度和高分辨率。
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利用二次離子質(zhì)譜對摻雜元素的極高靈敏度的特點，對樣品的注入條件進行分析，在生產(chǎn)中可以進行離子注入機臺的校驗，并確定新機臺的可以投入生產(chǎn)。同時，二次離子質(zhì)譜對于CVD沉積工藝的質(zhì)量監(jiān)控尤其是硼磷元素的分布和生長比率等方面有不可替代的作用。通過二次離子質(zhì)譜結(jié)果的分析幫助CVD工程師進行生長條件的調(diào)節(jié)，確定最佳沉積工藝條件。對于雜質(zhì)污染的分析,可以對樣品表面結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)摻雜情況進行詳細(xì)了解，保證芯片的有源區(qū)的潔凈生長，對器件的電性質(zhì)量及可靠性起到至關(guān)重要的作用。對摻雜元素退火后的形貌分析研究發(fā)現(xiàn)通過改變摻雜元素的深度分布，來保證器件的電學(xué)性能達(dá)到設(shè)計要求。可以幫助LTD進行新工藝的研究對于90nm/65nm/45nm新產(chǎn)品開發(fā)起到很大作用。
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X射線光電子能譜儀
X射線光電子能譜儀以X射線為激發(fā)源。輻射固體表面或氣體分子，將原子內(nèi)殼層電子激發(fā)電離成光電子，通過分析樣品發(fā)射出來的具有特征能量的光電子，進而分析樣品的表面元素種類、化學(xué)狀態(tài)和電荷分布等信息，是一種無損表面分析技術(shù)。
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這種技術(shù)分析范圍較寬，原則上可以分析除氫以外的所有元素，但分析深度較淺，大約在25~100 ?范圍，不過其絕對靈敏度高，測量精度可達(dá)10 nm左右，主要用于分析表面元素組成和化學(xué)狀態(tài)，原子周圍的電子密度，特別是原子價態(tài)及表面原子電子云和能級結(jié)構(gòu)。
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X射線衍射
當(dāng)一束單色X射線入射到晶體時，由于晶體是由原子規(guī)則排列成的晶胞組成，這些規(guī)則排列的原子間距離與入射X射線波長有X射線衍射分析相同數(shù)量級，故由不同原子散射的X射線相互干涉，在某些特殊方向上產(chǎn)生強X射線衍射，衍射線在空間分布的方位和強度，與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，每種晶體所產(chǎn)生的衍射花樣都反映出該晶體內(nèi)部的原子分配規(guī)律。這就是X射線衍射的基本原理。
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半導(dǎo)體制造中的大部分材料是多晶材料，比如互連線和接觸孔。XRD能夠?qū)⒍嗑Р牧系囊幌盗刑匦粤炕＿@其中最重要的特性包括多晶相(鎳單硅化物，鎳二硅化物)，平均晶粒大小，晶體織構(gòu)，殘余應(yīng)力。
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陰極熒光光譜
陰極熒光譜是利用電子束激發(fā)半導(dǎo)體樣品，將價帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，之后由于導(dǎo)帶能量高不穩(wěn)定，被激發(fā)電子又重新跳回價帶，并釋放出能量E≤Eg（能隙）的特征熒光譜。CL譜是一種無損的分析方法，結(jié)合掃描電鏡可提供與形貌相關(guān)的高空間分辨率光譜結(jié)果，是納米結(jié)構(gòu)和體材料的獨特分析工具。利用陰極熒光譜，可以在進行表面形貌分析的同時，研究半導(dǎo)體材料的發(fā)光特性，尤其適合于各種半導(dǎo)體量子肼、量子線、量子點等納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光性能的研究。
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例如，對于氮化鎵單晶，由于陰極螢光顯微鏡具有高的空間分辨率并且具有無損檢測的優(yōu)點，因此將其應(yīng)用于位錯密度的檢測已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)廣泛采用的方法。目前也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。
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輪廓儀
輪廓儀是一種兩坐標(biāo)測量儀器，儀器傳感器相對被測工件表而作勻速滑行，傳感器的觸針感受到被測表而的幾何變化，在X和Z方向分別采樣，并轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號經(jīng)放大和處理，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號儲存在計算機系統(tǒng)的存儲器中，計算機對原始表而輪廓進行數(shù)字濾波，分離掉表而粗糙度成分后再進行計算，測量結(jié)果為計算出的符介某種曲線的實際值及其離基準(zhǔn)點的坐標(biāo)，或放大的實際輪廓曲線，測量結(jié)果通過顯示器輸出，也可由打印機輸出。
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而利用先進的3D輪廓儀可以實現(xiàn)對硅晶圓的粗糙度檢測、晶圓IC的輪廓檢測、晶圓IC減薄后的粗糙度檢測。
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掃描電子顯微鏡
這是一種利用量子理論中的隧道效應(yīng)探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器。作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。
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近年來發(fā)展起來的聚焦離子束（FIB）技術(shù)利用高強度聚焦離子束對材料進行納米加工，配合掃描電鏡（SEM）等高倍數(shù)電子顯微鏡實時觀察，成為了納米級分析、制造的主要方法。目前廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路修改、切割和故障分析、TEM制樣等。
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AOI （自動光學(xué)檢測）
AOI的中文全稱是自動光學(xué)檢測，是基于光學(xué)原理來對焊接生產(chǎn)中遇到的常見缺陷進行檢測的設(shè)備。AOI是新興起的一種新型測試技術(shù)，但發(fā)展迅速，很多廠家都推出了AOI測試設(shè)備。當(dāng)自動檢測時，機器通過攝像頭自動掃描PCB，采集圖像，測試的焊點與數(shù)據(jù)庫中的合格的參數(shù)進行比較，經(jīng)過圖像處理，檢查出PCB上缺陷，并通過顯示器或自動標(biāo)志把缺陷顯示/標(biāo)示出來，供維修人員修整。
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運用高速高精度視覺處理技術(shù)自動檢測PCB板上各種不同貼裝錯誤及焊接缺陷。PCB板的范圍可從細(xì)間距高密度板到低密度大尺寸板，并可提供在線檢測方案，以提高生產(chǎn)效率，及焊接質(zhì)量。通過使用AOI作為減少缺陷的工具，在裝配工藝過程的早期查找和消除錯誤，以實現(xiàn)良好的過程控制。早期發(fā)現(xiàn)缺陷將避免將壞板送到隨后的裝配階段，AOI將減少修理成本將避免報廢不可修理的電路板。
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ATE測試機
廣義上的IC測試設(shè)備我們都稱為ATE（AutomaticTest Equipment），一般由大量的測試機能集合在一起，由電腦控制來測試半導(dǎo)體芯片的功能性，這里面包含了軟件和硬件的結(jié)合。
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在元器件的工藝流程中，根據(jù)工藝的需要，存在著各種需要測試的環(huán)節(jié)。目的是為了篩選殘次品，防止進入下一道的工序，減少下一道工序中的冗余的制造費用。這些環(huán)節(jié)需要通過各種物理參數(shù)來把握，這些參數(shù)可以是現(xiàn)實物理世界中的光，電，波，力學(xué)等各種參量，但是，目前大多數(shù)常見的是電子信號的居多。ATE設(shè)計工程師們要考慮的最多的，還是電子部分的參數(shù)比如，時間，相位，電壓電流，等等基本的物理參數(shù)。就是電子學(xué)所說的，信號處理
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