消除EMI有助于确保准确的测试测量

来源：《半导体芯科技》杂志 12/1月刊

伴随着每一个新的世代更迭，半导体产品的尺寸不断缩小，由于环境和共处的磁干扰电子源的存在，对晶圆上器件或单切裸片（singulated die）进行检测变得越来越复杂。Spicer Consulting公司的专家解释了面临的问题并提出了相应的补救措施，旨在为确保实现快速和准确的测试和计量评估提供帮助。

△>Spicer Consulting SC11分析系统提供了一种评估振动、声波和磁场的全面方法。

多年来，对更快计算速度的需求导致半导体产品的尺寸大幅缩小。我们看到“摩尔定律”在20世纪60年代预测了这一“微缩步伐”，也预测集成电路发展演进将会不断加速，这种情况一直保持到了21世纪初期。虽然下一代半导体产品可能遵循经典的Dennard缩放比例定律，未来将出现2D/3D器件，有些采用芯粒（chiplet），但是，其他器件仍将会通过“小型化”来提高性能和降低成本，正如英特尔联合创始人戈登·摩尔几十年前所预言的那样。

当今的尖端器件现已达到个位数的纳米级，然而，即使对于老式器件来说，向着更小尺寸晶体管的稳步迈进已经使得测试和测量变得复杂。由于检查不同的电路需要非常高的放大倍率，所以此类小型组件的质量控制会很棘手。透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）虽然提供了所需的准确度，但是，由于它们对扰动很敏感，因此必须消除任何干扰（比如振动和外部磁场），以确保提供良好的分辨率，这一点很重要。

01外部干扰会降低图像质量

半导体组件必需尽可能小，以改善其性能并降低其能耗。尺寸的缩减提升了性能，这得益于一个简单的事实，即组件尺寸的微缩减小了电子所需移动的距离，这使得产生的热量有所减少，并将能量损失降至最低；而且，电路通路的缩短还转化为信号处理速度的提升。

不管半导体产品演变的好处是什么，这类小型器件的制造和验证都是具有挑战性的，而且，只有TEM和SEM能够提供所需的放大倍率，以在硅晶圆沿着代工厂生产线移动时成功地对其不同的部分进行成像。

扫描电子束的准确定位对图像质量有着极大的影响；在实际应用中，电子束的偏差不得大于被检查的部分。诸如振动、或由交流和直流源产生的电磁干扰等扰动，都将使电子束的位置发生偏移，导致分辨率下降；交流磁场在图像中显示为锯齿状线条，而直流磁场则产生波浪状特征。不幸的是，这些类型的扰动在生产和测试半导体的环境中是相当普遍的，因为为了节省空间，敏感的成像仪器往往不得不与大型工业设备“共处一室”。因此，在安装电子显微镜之前需进行环境调查，以确保高质量的成像，这一点是很重要的。Spicer Consulting是磁场抵消技术领域的一家领军企业，它提供了专为完成此项任务而设计的SC11分析系统，可以测量X、Y和Z方向上的振动、声波和磁场。这些测量结果以图形方式显示出来，从而帮助用户为自己的仪器找到最佳的安放位置。

02抵消磁场

即使显微镜被安装在实验室中干扰最低的某个空间里，仍然会存在一些干扰；直流磁场总是存在的（包括地球磁场），而且许多仪器会产生频率约为60Hz的交流磁场。有几种方法可以消除这些磁场。其中之一是用具有非常高磁导率的铁磁镍铁合金制成的金属片进行锰游合金屏蔽（mu-metal shielding）。不过，这种解决方案的成本极为昂贵，并且存在一些局限性，因为材料的磁导率会由于采用了非最佳的处理方法而有所下降。更可靠的解决方案是安装主动磁场抵消系统，该系统可用于处理来自周围仪器的杂散磁场，以及由于电梯或金属门等大型移动铁磁性物体引起的地球磁场变化。一种常见的选择是Spicer的SC24系统，此系统由一个磁场控制单元、一个或多个磁场传感器，以及能够抵消检测到的磁场的3轴电缆组成。

03电缆定位

在应用中，对电缆进行合适的定位，以在电子显微镜的周围形成闭环-使其立柱周围的磁场保持静态。电缆可以采用不同的方式进行定位，以在复杂性、成本和性能之间找到最佳的平衡。最简单和最廉价的解决方案是将电缆（X、Y和Z）拉成三个环路，形成三个不与显微镜相交的平面（图1），其中X和Y平面是平行的，而Z平面与柱长正交。这种解决方案的好处是，地板上没有电缆，而且不需要对房间进行重大的改动。然而，由于电缆离显微镜立柱较远，因此动态范围和磁场的抵消量有所减小。这种设置可以用于具有小立柱、且在仪器周围不需要大量磁场抵消空间的SEM。

△图1：减轻磁干扰最简单的方法。

如果需要更好的性能，那么X和Y电缆应该在显微镜立柱的正上方穿过房间（图2），因为将环路拉近将增强系统的磁场抵消能力。

△图2：为增强干扰缓解效果而采取的电缆布置方案。

对于大型TEM或新的实验室来说，改造不会干扰其他仪器，这种情况下的最优解决方案是使用双回路电缆（dual loop cables），并将部分电缆埋在地板下面（图3）。该解决方案能提供最佳的性能，建议用于带有Gatan成像过滤器（Gatan Imaging Filter, GIF）的TEM，因为GIF位于显微镜立柱的下方，并要求在较低的高度上抵消磁场。对于现有的显微镜装置而言，埋设电缆并非选项，电缆的底部可以与地面平齐，并用适当的电缆保护套进行覆盖。不过，这将损害GIF高度上的X和Y磁场抵消性能。

△图3：对于大型TEM、在建的新实验室、或者改造不会影响正常运行的实验室，此图给出了一种优化的干扰缓解解决方案，包括采用双环路电缆以及将部分电缆埋在地面以下。

04选择合适的传感器

SC24可以与一个或两个相同类型的传感器一起使用。将两个传感器一起使用（放置在显微镜立柱的两侧），形成一个“虚拟”传感器，该传感器通过取两个测量值的平均值来测量关注点上的磁场。SC24有两种传感器类型可供选择：SC24/AC用于检测交流磁场，而SC24/AC+DC顾名思义则是用于检测交流和直流磁场。SC24/AC能够抵消频率为2.5Hz至5kHz的干扰，在60Hz频率下的抵消因子（cancelling factor）大于50，而SC24/DC+AC可以成功地抵消从5kHz直到直流的干扰，60Hz时的抵消因子为100，直流时的抵消因子大于400。

△>Spicer Consulting SC24提供了多种传感器选择和众多的频率干扰抵消选项。

05总结

半导体组件尺寸的不断缩小提供了许多好处，继续为OEM产品开发带来变革；半导体的确影响了现代生活的几乎方方面面。但是，日渐缩小的集成电路尺寸给制造和质量控制测试带来了新的挑战。为了正确地探察这些组件的缺陷，需要很高的放大倍率和极高的准确度。电子显微镜提供了一种实用的解决方案，但是由于它们对磁场的变化非常敏感，因此必须消除任何局部性干扰，以确保良好的图像质量，这一点很重要。Spicer Consulting的仪器可用于检测和抵消外部磁场，从而提供了适合任何实验室或预算额度的有效解决方案。

审核编辑 黄宇