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芯片被稱為信息產業的糧食和“大腦"，是信息社會的基石，在信息化、智能化不斷加快的今天，芯片已經成為戰略性、基礎性產業?？梢哉f，芯片作為支撐中國經濟持續高質量發展、特別是支撐戰略性新興產業崛起，其地位更是難以替代。然而，芯片制造是一項極為復雜和精細的工藝，很多重要環節都需要精密的檢測手段發現缺陷。本期“專家訪談"欄目邀請半導體顯微技術大咖、無錫廣電計量副總經理陳振博士，暢談電子顯微技術在芯片、半導體檢測領域的應用，破解芯片制造難題。
陳 振
無錫廣電計量副總經理
復旦大學博士，上海“科技創新行動計劃"專業技術服務平臺項目負責人，江蘇省第三代半導體器件性能測試與材料分析工程研究中心副主任，南京大學和西安電子科技大學碩士研究生兼職導師，所主持的先進制程芯片顯微分析項目獲得2023年度上海市“十項檢驗檢測創新案例"。
精通多種顯微分析技術，在顯微分析技術領域擁有近10年的研究積累，主要從事半導體材料及工藝的顯微分析、芯片失效分析等相關技術的研究與工程應用工作，具有豐富的為晶圓廠、封裝廠、芯片設計公司等提供半導體分析檢測服務的經驗。參與多項GJ級研究課題，發表SCI論文及英文論著十多篇。
隨著集成電路制造技術的不斷發展，芯片結構和功能日益復雜，芯片的制造難度也日益增加，新材料、新工藝的導入為芯片設計、生產和制造帶來了全新的挑戰，特別是工藝制程不斷迭代，芯片關鍵結構的尺寸逐漸減小到常規檢測手段無法觀測的納米級尺寸。芯片晶圓制造工藝中的微納結構的精準分析，是提升芯片制造良率和產品性能的關鍵，也成為芯片晶圓制造行業普遍關注的問題。
芯片良率就是晶圓上合格芯片數量與芯片總數的比值，這個數值越大，說明有用芯片數量越多，浪費越少，成本也就越低，利潤越高。芯片制造的每一個階段，從晶圓制造、中測、封裝到成測，每一步都會對總良率產生影響。
芯片良率如此重要，全行業都非常關注，晶圓廠、IC設計企業、半導體設備和材料廠商，以及行業科研機構都在進行各種研究探索，為提升芯片良率添磚加瓦。在此背景下，分辨率可達到原子尺度的電子顯微技術，如透射電子顯微鏡（TEM）等，就成為了芯片制造工藝監控、失效分析、良率提升、工藝研發和失效分析不可少的工具。
人眼的分辨能力大概只能到0.1-0.2mm，光學顯微鏡的分辨能力大概只能到0.2um左右，如果想觀察更微小的結構，就需要借助到基于電子顯微技術的電子顯微鏡去實現。電子顯微鏡是一種借助電子束作為光源，利用電磁透鏡聚焦成像的科學儀器。它能讓人看到納米級的微觀世界，近些年發展的高分辨透射電子顯微鏡甚至可以讓人看到皮米級的原子像。電子顯微鏡的出現，把人們由宏觀世界引入到了微觀世界，極大的促進了當代科技的發展。
在工業發展中，電子顯微鏡是工業的“眼睛"，尤其是高科技相關領域的工業應用中，電子顯微鏡可以說具有極其重要的地位。電子顯微鏡常見的主要有三種，分別是透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）和聚焦離子束電子顯微鏡（FIB）。透射電子顯微鏡（TEM）曾被《科技日報》評為制約我國工業發展的35項“卡脖子"技術之一，可見其在工業應用中具有舉足輕重的地位。
在芯片領域，為了不斷提升芯片性能，制造商們需要將芯片內部的晶體管陣列設計得如同城市網絡般復雜紛繁，達到在芯片中容納更多晶體管的目的。因此，晶體管尺寸被設計得越來越小，它們之間的距離也靠得越來越近。如此精密的設計與排布，也令到行業遇到一個難題：如何才能在不破壞芯片的前提下，去觀察芯片的內部結構？電子顯微鏡的應用，讓工程師們能夠看清楚芯片的內部結構，確保完工的芯片結構與最初的設計相吻合。
基于電子顯微技術的電子顯微鏡，如透射電子顯微鏡、聚焦離子束電子顯微鏡等，在半導體制造領域具有非常廣泛的用途，如晶圓制造工藝分析、芯片失效分析、芯片逆向分析等，成為了精準解析先進制程晶圓制造工藝中微納結構的關鍵設備。
在半導體制造領域如芯片的晶圓制造領域，電子顯微鏡通常會作為新工藝研發、量產導入驗證、量產工藝監控、量產良率提升和失效分析的分析手段，電子顯微鏡的使用，貫穿于大部分關鍵的芯片晶圓制造工藝段，如刻蝕、薄膜生長等工藝段，可以說，電子顯微鏡是工程師的眼睛，工藝監控和調整，時刻離不開電子顯微鏡的輔助。
除了應用在半導體制造領域外，電子顯微鏡還在半導體設備研發、新材料研發、新型微納器件研發制造等領域具有非常廣泛的應用。
在半導體設備研發領域，尤其是刻蝕設備和薄膜生長設備的研發，電子顯微鏡也充當了工程師的眼睛，是工程師驗證設備性能的關鍵分析手段。
在新材料研發領域，如鐵電材料、超導材料、新型電極材料、特種合金材料的研發等，電子顯微鏡也是關鍵的分析手段，可以借助電子顯微鏡的電子衍射、電子能量損失譜、電子能譜儀、高分辨成像等從極微觀的角度來分析材料的基本特性，包括原子組成、原子構效關系、晶體結構、微區化學成分等，從而指導新型材料的研發。
在新型微納器件研發制造領域，如半導體器件MEMS、激光器芯片、量子芯片等，電子顯微鏡也是輔助人們進行微納結構設計、解剖、性能優化和量產良率提升的關鍵手段。
聚焦顯微分析技術領域 找準“中國芯"對策
4nm制程晶圓級TEM分析圖
國家正大力攻關集成電路領域，著力解決高級芯片 “卡脖子"問題，加快自主創新步伐。廣電計量擁有透射電子顯微鏡（TEM）、雙束聚焦離子束（DB FIB）、掃描電子顯微鏡（SEM）等電子顯微分析常用到的高級設備，在半導體顯微分析相關領域具有豐富的經驗，能夠更好地服務我國芯片設計及制造企業，保障自主知識產權安全。
在晶圓制造工藝分析方面，可以提供4nm及以上先進制程晶圓制造工藝分析、存儲芯片晶圓制造工藝分析等；
在芯片失效分析方面，可以提供芯片失效點位置微觀形貌及微區成分分析，包含漏電、短路、燒毀、異物等異常失效點位的平面制樣分析、截面制樣分析以及平面轉截面分析。包含形貌觀察、尺寸量測、微區成分分析，可精準到1.0 nm以內；
在芯片逆向分析方面，可以提供各種半導體器件關鍵微納結構的解析能力，包括關鍵工藝結構解剖、尺寸量測、微區結構成分分析等；
在封裝工藝分析方面，可以提供封裝工藝異常分析，如TSV孔、Via孔、RDL布線層、凸點等異常分析；在半導體工藝分析方面，可以提供刻蝕設備工藝、成膜設備工藝的異常分析；
在材料分析方面，可以提供高分辨原子級成像分析、微區材料成分定性分析、晶格缺陷分析、析出相分析等。
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