专家访谈丨中国“芯”饱受良率之痛，芯片制造该如何破局？

无锡广电计量副总经理

随着集成电路制造技术的不断发展，芯片结构和功能日益复杂，芯片的制造难度也日益增加，新材料、新工艺的导入为芯片设计、生产和制造带来了全新的挑战，特别是工艺制程不断迭代，芯片关键结构的尺寸逐渐减小到常规检测手段无法观测的纳米级尺寸。芯片晶圆制造工艺中的微纳结构的精准分析，是提升芯片制造良率和产品性能的关键，也成为芯片晶圆制造行业普遍关注的问题。

芯片良率就是晶圆上合格芯片数量与芯片总数的比值，这个数值越大，说明有用芯片数量越多，浪费越少，成本也就越低，利润越高。芯片制造的每一个阶段，从晶圆制造、中测、封装到成测，每一步都会对总良率产生影响。

芯片良率如此重要，全行业都非常关注，晶圆厂、IC设计企业、半导体设备和材料厂商，以及行业科研机构都在进行各种研究探索，为提升芯片良率添砖加瓦。在此背景下，分辨率可达到原子尺度的电子显微技术，如透射电子显微镜（TEM）等，就成为了芯片制造工艺监控、失效分析、良率提升、工艺研发和失效分析必不可少的工具。

人眼的分辨能力大概只能到0.1-0.2mm，光学显微镜的分辨能力大概只能到0.2um左右，如果想观察更微小的结构，就需要借助到基于电子显微技术的电子显微镜去实现。电子显微镜是一种借助电子束作为光源，利用电磁透镜聚焦成像的高端科学仪器。它能让人看到纳米级的微观世界，近些年发展的高分辨透射电子显微镜甚至可以让人看到皮米级的原子像。电子显微镜的出现，把人们由宏观世界引入到了微观世界，极大的促进了当代科技的发展。

在工业发展中，电子显微镜是工业的“眼睛”，尤其是高科技相关领域的工业应用中，电子显微镜可以说具有极其重要的地位。电子显微镜常见的主要有三种，分别是透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束电子显微镜（FIB）。透射电子显微镜（TEM）曾被《科技日报》评为制约我国工业发展的35项“卡脖子”技术之一，可见其在工业应用中具有举足轻重的地位。

在芯片领域，为了不断提升芯片性能，制造商们需要将芯片内部的晶体管阵列设计得如同城市网络般复杂纷繁，达到在芯片中容纳更多晶体管的目的。因此，晶体管尺寸被设计得越来越小，它们之间的距离也靠得越来越近。如此精密的设计与排布，也令到行业遇到一个难题：如何才能在不破坏芯片的前提下，去观察芯片的内部结构？电子显微镜的应用，让工程师们能够看清楚芯片的内部结构，确保完工的芯片结构与最初的设计相吻合。

基于电子显微技术的电子显微镜，如透射电子显微镜、聚焦离子束电子显微镜等，在半导体制造领域具有非常广泛的用途，如晶圆制造工艺分析、芯片失效分析、芯片逆向分析等，成为了精准解析先进制程晶圆制造工艺中微纳结构的关键设备。

在半导体制造领域如芯片的晶圆制造领域，电子显微镜通常会作为新工艺研发、量产导入验证、量产工艺监控、量产良率提升和失效分析的分析手段，电子显微镜的使用，贯穿于大部分关键的芯片晶圆制造工艺段，如刻蚀、薄膜生长等工艺段，可以说，电子显微镜是工程师的眼睛，工艺监控和调整，时刻离不开电子显微镜的辅助。

除了应用在半导体制造领域外，电子显微镜还在半导体设备研发、新材料研发、新型微纳器件研发制造等领域具有非常广泛的应用。

在半导体设备研发领域，尤其是刻蚀设备和薄膜生长设备的研发，电子显微镜也充当了工程师的眼睛，是工程师验证设备性能的关键分析手段。

在新材料研发领域，如铁电材料、超导材料、新型电极材料、特种合金材料的研发等，电子显微镜也是关键的分析手段，可以借助电子显微镜的电子衍射、电子能量损失谱、电子能谱仪、高分辨成像等从极微观的角度来分析材料的基本特性，包括原子组成、原子构效关系、晶体结构、微区化学成分等，从而指导新型材料的研发。

在新型微纳器件研发制造领域，如半导体器件MEMS、激光器芯片、量子芯片等，电子显微镜也是辅助人们进行微纳结构设计、解剖、性能优化和量产良率提升的关键手段。

4nm制程晶圆级TEM分析图

国家正大力攻关集成电路领域，着力解决高端芯片 “卡脖子”问题，加快自主创新步伐。广电计量拥有透射电子显微镜（TEM）、双束聚焦离子束（DB FIB）、扫描电子显微镜（SEM）等电子显微分析常用到的高端设备，在半导体显微分析相关领域具有丰富的经验，能够更好地服务我国芯片设计及制造企业，保障自主知识产权安全。

在晶圆制造工艺分析方面，可以提供4nm及以上先进制程晶圆制造工艺分析、存储芯片晶圆制造工艺分析等；

在芯片失效分析方面，可以提供芯片失效点位置微观形貌及微区成分分析，包含漏电、短路、烧毁、异物等异常失效点位的平面制样分析、截面制样分析以及平面转截面分析。包含形貌观察、尺寸量测、微区成分分析，可精准到1.0 nm以内；

在芯片逆向分析方面，可以提供各种半导体器件关键微纳结构的解析能力，包括关键工艺结构解剖、尺寸量测、微区结构成分分析等；

在封装工艺分析方面，可以提供封装工艺异常分析，如TSV孔、Via孔、RDL布线层、凸点等异常分析；在半导体工艺分析方面，可以提供刻蚀设备工艺、成膜设备工艺的异常分析；

在材料分析方面，可以提供高分辨原子级成像分析、微区材料成分定性分析、晶格缺陷分析、析出相分析等。