憑借一系列的檢測(cè)系統(tǒng)、發(fā)射顯微鏡及其它以圖像為基礎(chǔ)的工具，IBM的工程師得以優(yōu)化其300mm芯片制造工廠的工藝。

在300mm的硅片上使用深亞微米工藝制造高性能的微處理器需要化的工藝、清晰的設(shè)計(jì)規(guī)則和的誤差。為了使公司的產(chǎn)品達(dá)到預(yù)期的性能，IBM微測(cè)試和開(kāi)發(fā)部門(Micro Test and Development，MTD)診斷實(shí)驗(yàn)室的工程師使用大量的圖像工具，對(duì)半導(dǎo)體硅片和封裝的器件進(jìn)行精密的探測(cè)。IBM技術(shù)協(xié)作部門的電子工程師Pat McGinnis和他的六個(gè)同事一道，使用ATE系統(tǒng)對(duì)被測(cè)試器件進(jìn)行測(cè)試，并設(shè)計(jì)出能同DUT（device under test）交互工作的設(shè)備。他們所使用的諸多圖像系統(tǒng)中都嵌入了DUT。
“我們的首要職責(zé)是對(duì)IBM系統(tǒng)和技術(shù)集團(tuán)生產(chǎn)的處理器加入電源激勵(lì)，并進(jìn)行測(cè)試，” McGinnis解釋說(shuō)，“我們圖像診斷實(shí)驗(yàn)室不僅為IBM自己生產(chǎn)的300mm產(chǎn)品提供服務(wù)，也為其它客戶的300mm工藝開(kāi)發(fā)提供診斷服務(wù)。到目前為止，我們已經(jīng)對(duì)近生產(chǎn)的雙核IBM POWER6處理器、STI(Sony、Toshiba、 IBM)的處理器、XBOX 360游戲機(jī)芯片以及Nintendo PowerPC的游戲機(jī)處理器進(jìn)行了完全的SOC測(cè)試和圖像診斷。

測(cè)試IBM開(kāi)發(fā)的處理器的步一般是交給MTD部門的MTD測(cè)試實(shí)驗(yàn)室完成，該實(shí)驗(yàn)室由 Franco Motika領(lǐng)導(dǎo)。MTD測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的ATE系統(tǒng)包括Advantest 的6671/6672/6682測(cè)試平臺(tái)和Teradyne的 Ultra Flexes 測(cè)試平臺(tái)。研究人員使用ATE系統(tǒng)進(jìn)行一系列的結(jié)構(gòu)和功能測(cè)試，從而查找產(chǎn)品及工藝中的問(wèn)題。如果電性能測(cè)試的結(jié)果表明有必要進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試，研究人員就將產(chǎn)品交給McGinnis所屬的圖像診斷小組。

McGinnis說(shuō)，圖像診斷實(shí)驗(yàn)室初的主要任務(wù)是隔離工藝開(kāi)發(fā)的缺陷。然而，隨著300mm硅片技術(shù)的出現(xiàn)，單獨(dú)的工藝和產(chǎn)品測(cè)試并不能達(dá)到預(yù)期的效果。他解釋說(shuō)，將二者結(jié)合起來(lái)能簡(jiǎn)化技術(shù)革新產(chǎn)生的問(wèn)題，而且，隨著工藝開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，兩者結(jié)合的方法變得越來(lái)越重要。McGinnis說(shuō)，他們的實(shí)驗(yàn)室有能力進(jìn)行各種測(cè)試，包括對(duì)位于同一硅片上兩個(gè)管芯之間的切口進(jìn)行在線測(cè)試，以及對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完整的功能測(cè)試。

如果有產(chǎn)品或工藝在McGinnis的實(shí)驗(yàn)室被檢測(cè)出有問(wèn)題，這是否說(shuō)明產(chǎn)品或工藝完全失效呢？“完全不是這樣”，McGinnis說(shuō),“工藝開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)是同步進(jìn)行的。你不能簡(jiǎn)單地把問(wèn)題歸咎于工藝開(kāi)發(fā)者或產(chǎn)品設(shè)計(jì)者，因?yàn)樗麄兌荚谕瑫r(shí)采用新的工藝和新的設(shè)計(jì)。通常情況下，出現(xiàn)問(wèn)題的主要原因在于這里存在不為任何人知道的東西。因此，工藝開(kāi)發(fā)人員和產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員必須合作。只有這樣才能解決所有的問(wèn)題——有可能需要對(duì)工藝做出修改或?qū)υO(shè)計(jì)做出更正。一個(gè)團(tuán)隊(duì)，如果不知道其合作伙伴正在做的事情，那是不能很好地做好自己的本職工作的?！?/p>

 “由于圖像診斷實(shí)驗(yàn)室使用了諸多的先進(jìn)技術(shù)，這就對(duì)實(shí)驗(yàn)室的工程師提出了很高的要求。因?yàn)橐粋€(gè)工程師同時(shí)也必須知道他的同事所做的事情，”McGinnis說(shuō)，“我通常認(rèn)為我們自己都只是對(duì)所有的技術(shù)略知一二，并沒(méi)有完全掌握任何技術(shù)，因此，我們?cè)诰幹茰y(cè)試程序和理解制造工藝時(shí)都非常依賴我們的合作伙伴。我同IBM內(nèi)部任何你能想到的部門的人員打交道——生產(chǎn)線前端的工作人員、后端的工藝開(kāi)發(fā)工程師、設(shè)計(jì)工程師、測(cè)試工程師?！?/p>

McGinnis也同IBM的客戶打交道：“IBM非常在乎它的客戶。如果我們的合作伙伴在使用我們的工藝時(shí)碰到了問(wèn)題，即使這些技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到他們的制造廠，我們?nèi)匀粫?huì)盡量幫助他們解決這些問(wèn)題?！?/p>

除了進(jìn)行工藝及產(chǎn)品方面的診斷，McGinnis的實(shí)驗(yàn)室還有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即他們?cè)诮橛陔娦阅軠y(cè)試和物理失效分析之間的領(lǐng)域具有自己的優(yōu)勢(shì)?！半娦阅軠y(cè)試，不管是在線測(cè)試、終的硅片測(cè)試還是終的模塊測(cè)試，都能給予測(cè)試者很多信息?！备鶕?jù)電性能測(cè)試的結(jié)果，IBM的以Fishkill為基礎(chǔ)的物理失效分析(physical failure analysis，PFA)實(shí)驗(yàn)室將進(jìn)一步使用諸如掃描電子顯微鏡的設(shè)備來(lái)確定實(shí)際的物理缺陷。隨著器件變得越來(lái)越微小，將PFA團(tuán)隊(duì)的注意力引向可能存在缺陷的區(qū)域就變得很重要了。

另外，McGinnis指出，硬缺陷不再占主導(dǎo)地位，那些對(duì)環(huán)境敏感的缺陷產(chǎn)生的概率越來(lái)越高，而且用傳統(tǒng)的方法難以探測(cè)這些缺陷?！斑@正是我們所專注的領(lǐng)域。我們將諸如場(chǎng)發(fā)射顯微鏡等傳統(tǒng)的PFA工具與能對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試的ATE系統(tǒng)相結(jié)合。我們動(dòng)態(tài)地測(cè)試器件，這些器件可以是硅片或模塊，并開(kāi)發(fā)出能讓我們的圖像工具觀測(cè)器件的設(shè)備。對(duì)測(cè)試不通的設(shè)計(jì)，我們都要定制出能與圖像工具相匹配的此類設(shè)備?！?/p>

“我們實(shí)驗(yàn)室有一套帶有定制設(shè)備的圖像工具，這樣，在對(duì)器件進(jìn)行圖像分析的同時(shí)能完全控制器件。我們的圖像工具包括Credence的 Emiscope III PICA(皮秒成像電路分析)，Hamamatsu的 Phemos 1000場(chǎng)發(fā)射顯微鏡以及各種能匹配不通測(cè)試硬件的半自動(dòng)的探測(cè)系統(tǒng)，包括Suss的 NC-1非接觸測(cè)試機(jī)。”

至于測(cè)試器件的ATE系統(tǒng)主要是Agilent Technologies 93000。公司開(kāi)始使用的是空氣冷卻的HP 82000 ATE測(cè)試系統(tǒng)。負(fù)責(zé)工程開(kāi)發(fā)、測(cè)試和圖像顯示的John Sylvestri正是使用這一系統(tǒng)進(jìn)行圖像診斷的。McGinnis認(rèn)為HP 82000是現(xiàn)今使用的所有SOC測(cè)試系統(tǒng)的先驅(qū)。這一測(cè)試系統(tǒng)的壽命已經(jīng)有20年了，而且HP/Agilent對(duì)其已經(jīng)不提供客戶服務(wù)。但這臺(tái)機(jī)器已經(jīng)使用了15年，并且工作狀況良好。

McGinnis指出，82000速度慢于現(xiàn)今的測(cè)試工具，但這并不是進(jìn)行圖像診斷的主要的缺陷?！霸谠\斷模式下，所有的設(shè)備可以在較慢的速度下工作。而且能與高速下工作得到相同的結(jié)果。在過(guò)去的五年間，由于速度較快，線上的時(shí)間損失或者來(lái)回的延時(shí)并不造成很大的問(wèn)題。你所需做的只是使你的測(cè)試設(shè)備同你的測(cè)試器件同步?！?/p>

但McGinnis同時(shí)指出，82000缺少處理測(cè)試數(shù)據(jù)所必須的向量存儲(chǔ)器，而這是測(cè)試先進(jìn)的ASIC和微處理器所必需的。這也是為什么他的實(shí)驗(yàn)室使用Agilent 93000的原因之一。目前Agilent 93000是用來(lái)同圖像觀測(cè)工具協(xié)同工作的主要測(cè)試平臺(tái)。

McGinnis解釋說(shuō)，Agilent 93000的主要優(yōu)點(diǎn)在于該設(shè)備將引腳集成到測(cè)試頭中，這使得將所需的測(cè)試資源傳至合適的圖像工具變得簡(jiǎn)單易行。而且當(dāng)他們的實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買這一設(shè)備的時(shí)候，即便不是的，也是當(dāng)時(shí)世界上僅有的擁有如此高性能的幾臺(tái)SOC測(cè)試設(shè)備的廠商之一。另一獨(dú)特的性能是當(dāng)人工操作時(shí)，能在較大的范圍內(nèi)將電源和冷卻水傳輸至測(cè)試頭上。

Rich Oldrey 指出：“許多實(shí)驗(yàn)室為每一臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)配備一套工具，如探測(cè)平臺(tái)、場(chǎng)發(fā)射顯微鏡或波形工具如PICA，但是我們并不這么做?！边@套工具的主要任務(wù)包括工程硬件設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和圖像顯示。

McGinnis說(shuō)：“那種方法成本更高。測(cè)試系統(tǒng)必須與裝載平臺(tái)完全匹配。所有的I/O引腳的印記主要由測(cè)試頭的設(shè)計(jì)者設(shè)置。我們自己設(shè)計(jì)了一個(gè)電纜接口，通過(guò)這一接口可以將測(cè)試頭中的I/O傳入子卡或其它工具中。這樣，我們就能以模塊或器件為基礎(chǔ)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。然后，通過(guò)在子卡或固定工具上的跳線，我們能以任何方式設(shè)置電源。我們可以遠(yuǎn)程或者就地探測(cè)電壓降，例如，在測(cè)試頭或探測(cè)環(huán)上。我們很幸運(yùn)，次便達(dá)到了我們的目的。這一電纜接口是通用的接口，它可以處理很低的電壓和超過(guò)1000W的功率。”

McGinnis將固定設(shè)備策略( )的成功歸功于Oldrey 和 Darrell Miles。他們主要負(fù)責(zé)設(shè)備維護(hù)、DUT硬件設(shè)計(jì)和制造以及圖像診斷支持。Oldrey將成功歸因于他和John Sylvestri 在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和缺陷方面所積累的長(zhǎng)達(dá)25年的工作經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于功耗大的器件，Miles提出了一種方法，即在DUT的陶瓷基底和鋼片之間形成密封。鋼片主要有兩個(gè)作用，一是將器件固定在插槽中形成電連接，另一個(gè)作用是形成空腔。這樣，在冷卻器中可以通過(guò)空腔抽取并終形成水冷吸熱系統(tǒng)。其吸熱效率達(dá)200 W/cm2，而同時(shí)保持較小的厚度使之能插入圖像工具中()。

發(fā)射顯微鏡和激光掃描顯微鏡（LSM）

在擺放好固定設(shè)備后，下一個(gè)步驟就是通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)接口運(yùn)行DUT并進(jìn)行以圖像為基礎(chǔ)的分析。“我們的圖像分析工具Hamamatsu Phemos 1000場(chǎng)發(fā)射顯微鏡，其中集成了激光掃描顯微鏡，” McGinnis說(shuō)，“場(chǎng)發(fā)射已經(jīng)成為快速便捷地尋找不通缺陷的實(shí)用方法。當(dāng)然，要掃描15層金屬存在困難。但是，使用我們自己開(kāi)發(fā)的固定設(shè)備，通過(guò)懸臂裝配方法，我們可以進(jìn)行接觸檢測(cè)。然后，將整個(gè)封裝體翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，可以看到硅片上的器件?！?/p>

這一方法不僅需要擁有高靈敏探測(cè)器的共焦顯微鏡，還需要合適的固定設(shè)備?！耙话愕膱?chǎng)發(fā)射顯微鏡都使用CCD探頭。但是Phemos 1000使用的卻是MCT(mercury cadmium telluride)探頭。雖然MCT探頭分辨率要低于CCD探頭，但在量子效率上要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。更不要說(shuō)光譜帶寬了?！盡cGinnis說(shuō)，“將由發(fā)射顯微鏡和激光掃描顯微鏡產(chǎn)生的圖像疊加，可以實(shí)現(xiàn)各種不通類型的缺陷的隔離。至少，可以確定潛在的產(chǎn)品或工藝問(wèn)題?！?/p>

診斷實(shí)驗(yàn)室使用的其它工具包括Credence Systems 公司的Emiscope III，該工具是在IBM發(fā)明的PICA技術(shù)的基礎(chǔ)上制造的。Emiscope能獲得被測(cè)試器件的時(shí)序信息。McGinnis說(shuō)，Emiscope能在幾分鐘內(nèi)得到波形，而在五年前，這需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間。另外，當(dāng)硅片厚度薄至150nm~200nm以允許光子吸收時(shí)，通常將內(nèi)置的散熱器去除，這將導(dǎo)致散熱困難。而Emiscope解決了這一問(wèn)題，那就是Credence Systems 公司研制的水冷噴灑系統(tǒng)。這能保證被測(cè)試器件能得到冷卻。

諸如Emiscope之類的工具能夠顯示劃口的位置，但卻不能探測(cè)電壓。為達(dá)到這一目的，McGinnis的研究小組使用測(cè)試系統(tǒng)。McGinnis所采用的一種方法是將一測(cè)試臺(tái)放入聲絕緣的腔體中。他說(shuō)，這一方法能獲得與100nm大小的目標(biāo)的阻抗接觸而不用擔(dān)心聲學(xué)噪聲的干擾。

當(dāng)然，電阻性測(cè)試會(huì)對(duì)被測(cè)電路增加負(fù)載。為避免這一缺點(diǎn)，McGinnis一直在努力研制無(wú)接觸測(cè)試系統(tǒng)。他解釋說(shuō)，“這里只存在極小的在范德華吸引力范圍內(nèi)的與電有關(guān)的引力。如果通過(guò)同步的測(cè)試機(jī)接口保持被測(cè)器件的功能，便可以檢測(cè)由于該引力引起的阻尼效應(yīng)。你必須使探針位于被測(cè)器件表面的某一穩(wěn)定的高度，你必須能校準(zhǔn)探針的機(jī)械阻尼以便探測(cè)此處的振動(dòng)情況。然后，你將這一信號(hào)數(shù)字化并依靠同步和后處理，終你獲得了需要的信號(hào)。這一信號(hào)不僅提供高分辨率的時(shí)序信息，還提供了非揮發(fā)性的峰-峰電壓值。而這是以激光為基礎(chǔ)或以場(chǎng)發(fā)射為基礎(chǔ)的檢測(cè)系統(tǒng)所不能達(dá)到的?！?/p>

通過(guò)初步的研究，McGinnis研制出了一臺(tái)無(wú)接觸測(cè)試系統(tǒng)，并能用于實(shí)際工作中。他說(shuō)，“但你需要4個(gè)博士生來(lái)操作這一設(shè)備，而且是不能重復(fù)的設(shè)備。一個(gè)的問(wèn)題在于同步?！?/p>

這一問(wèn)題的存在促成了McGinnis同Dan Ouellette領(lǐng)導(dǎo)的小組的合作。Dan Ouellette是Suss Microtec公司無(wú)接觸檢測(cè)系統(tǒng)部門的經(jīng)理。IBM提供被測(cè)試器件的樣品，Suss小組提供開(kāi)發(fā)NC-1的工程力量。NC-1是去年推出的無(wú)接觸探測(cè)系統(tǒng)的商用產(chǎn)品（參考文獻(xiàn) 1和2)。McGinnis說(shuō)，“Dan Ouellette和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)投入了大量的時(shí)間和努力，以使系統(tǒng)重復(fù)易用?！彼麄儗⒗^續(xù)在諸如樣品制備技術(shù)等問(wèn)題上進(jìn)行合作。

當(dāng)然，的工具并非總是的。除了那臺(tái)古老的HP 82000，McGinnis說(shuō)他們的實(shí)驗(yàn)室還有一臺(tái)老的Zeiss LSM?！拔曳Q之為L(zhǎng)SM中的賓利。它確實(shí)很古老、很丑陋，但效果卻不錯(cuò)?！彼€說(shuō)，Miles將繼續(xù)在未來(lái)的五年提升它的性能。

對(duì)老工具進(jìn)行不斷的改進(jìn)有助于實(shí)驗(yàn)室控制支出。McGinnis說(shuō)：“你就不必花費(fèi)數(shù)萬(wàn)美元去買別的設(shè)備。" 改進(jìn)老的工具只是這個(gè)計(jì)劃的一部分，另一個(gè)目的就是鼓勵(lì)儀器供應(yīng)商在一臺(tái)設(shè)備上集成多個(gè)功能?！坝绕涫荋amamatsu 一直都是我們很好的設(shè)備供應(yīng)商。" 他們主動(dòng)地在一臺(tái)設(shè)備上集成了場(chǎng)發(fā)射顯微鏡和激光掃描顯微鏡。

基于現(xiàn)有的工具，McGinnis 領(lǐng)導(dǎo)的小組從哪開(kāi)始他們的計(jì)劃呢？“實(shí)際上，大多數(shù)情況下，在線測(cè)試數(shù)據(jù)或晶圓終測(cè)試數(shù)據(jù)給了我們一個(gè)很好的想法，因?yàn)槲覀兦宄麄€(gè)過(guò)程。但我們并不能永遠(yuǎn)正確的得到這些數(shù)據(jù)。但是對(duì)重要的部分，如果我知道有門級(jí)泄漏電流，但不清楚短路機(jī)制，使用場(chǎng)發(fā)射顯微鏡就可以幫助我們找到泄漏電路，成功率高達(dá)百分之七十。如果從參數(shù)掃描知道有一個(gè)死短路，那么用電阻變化產(chǎn)生光束是的尋找故障的方法。比如非接觸探測(cè)系統(tǒng)就是設(shè)計(jì)邊緣的常用的工具，而初始數(shù)據(jù)會(huì)準(zhǔn)確地告訴我們使用什么樣的工具?！?/p>

展望圖像診斷的未來(lái)，光譜測(cè)定已使我們看到了SOI 技術(shù)的希望。McGinnis說(shuō)，很多研究人員發(fā)現(xiàn)它們可以測(cè)量發(fā)射波長(zhǎng)，并且他們已經(jīng)了解了很多晶體管級(jí)發(fā)生的事情，比如，晶體管是否飽和或者接近崩潰?！安恍业氖牵话銇?lái)說(shuō)微電子發(fā)展的速度要比檢測(cè)儀器的開(kāi)發(fā)速度快，所以這就像一個(gè)追趕游戲。到圖像檢測(cè)工具完美的時(shí)候，這些測(cè)試儀器只能使用于90nm工藝，而此時(shí)工藝已經(jīng)發(fā)展到了45nm?！?/p>

然而，McGinnis 仍然準(zhǔn)備去適應(yīng)這一現(xiàn)象?！拔遗蛣傔M(jìn)入這一行業(yè)的同行分享我職業(yè)生涯中學(xué)到的一個(gè)教訓(xùn)，就是你不能吃老本。在我們這個(gè)行業(yè)里，你5年前學(xué)到的東西就不適用于你現(xiàn)在的工作，你必須不斷地學(xué)習(xí)。我們?cè)赪atson 研究中心、Fishkill、Poughkeepsie、 Burlington、 Austin和 Rochester 等地的科學(xué)家們總是有新的想法，并且他們總能想到新的方法去測(cè)試他們遇到的問(wèn)題。所以這是一個(gè)非常有趣的工作，并且總有新事情出現(xiàn)。”

參考文獻(xiàn)：

1．"Noncontact Probe System Targets 65-nm Technology," Test Industry News, Test & Measurement World, July 18, 2005.
2．Nelson, Rick, "Failure analysis gains electrical, microscopy tools," Test & Measurement World, September 2005.