四探针只能测薄膜吗,关于半岛体试验的一些知识汇总 -爱游戏平台

苗坤旺离型膜

电阻率是决定半导体材料电学特性的重要参数,为了表征工艺质量以及材料的掺杂情况,需要测试材料的电阻率。半导体材料电阻率测试方法有很多种,其中四探针法具有设备简单、操作方便、测量精度高以及对样品形状无严格要求的特点。因此,目前检测半导体材料电阻率,尤其对于薄膜样品来说,四探针是较常用的方法。

四探针测试原理

四探针技术要求使用四根探针等间距的接触到材料表面。在外边两根探针之间输出电流的同时,测试中间两根探针的电压差。最后,电阻率通过样品的几何参数,输出电流源和测到的电压值来计算得出。

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国产s型数字源表能四线法测电阻吗?对线缆要求? ①可以的,使用其四线测量模式; ②四探针测试时一般是恒流测电压,而所加的电流一般在ma级,所以对线缆基本没有要求

需要测试的参数: 表面电阻率

需要仪器列表: s型国产源表

探针台或夹具

可编程温箱

软件

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高校相关专业 材料专业

化学专业

普赛斯仪表自主研发的高精度源表(smu),可以在输出电流时测试电压,也可以在输出电压时测试电流。输出电流范围从皮安级到安培级可控,测量电压分辨率 高达微伏级。支持四线开尔文模式,适用于四探针测试,可以简化测试连接,得到准确的测试结果。

上位机软件指导电阻率测试步骤,测试方法清晰明确,即使不熟练的工程师也能迅速掌握测试方法。 内置电阻率计算公式,测试结束后直接从电脑端读取计算结果,方便灵活的做后续处理分析系统主要由源测量单元、探针台和上位机软件组成。四探针可以通过前面板香蕉头或者后面板三同轴接口连接到源表上。

????????开尔文四线检测也被称之为四端子检测(4t检测)、四线检测或4点探针法,它是一种电阻抗测量技术,使用单独的对载电流和电压检测电极,相比传统的两个终端( 2t)传感能够进行更精确的测量。开尔文四线检测被用于一些欧姆表和阻抗分析仪,并在精密应变计和电阻温度计的接线配置。也可用于测量薄膜的薄层电阻。四线检测的关键优点是分离的电流和电压的电极,消除了布线和接触电阻的阻抗。

??????? 四线检测感应也被称为开尔文检测,威廉·汤姆森·开尔文勋爵在1861年发明的开尔文电桥测量低电阻。每两线连接,可以称得上是kelvin连接。

原理:

??????? 假设我们希望一些组件位于一个显着的距离从我们的欧姆表测量电阻。这种情况下会产生问题,因为欧姆表测量所有的电路回路中的电阻,它包括导线的电阻(rwire)连接的欧姆表被测量组件(rsubject):

????????通常情况下,导线的电阻是非常小的(仅几欧姆的导线上的压力表(大小),主要取决于每数百英尺),但如果连接线很长,和/或待测组分有一个非常反正低电阻,引入线电阻测量误差将是巨大的。

??????? 在这样的情况下的电阻测量主体的一个巧妙的方法,涉及的电流表和电压表的使用。我们知道,从欧姆定律,电阻等于电压除以电流(r = e / i)。因此,我们应该能够确定电阻的主体成分,如果我们测量的电流通过,并且两端的电压下降

????????电流在电路中的所有点相同,因为它是一个串联回路。因为我们只测量电压下降的整个主体电阻(而不是导线的电阻)。

????????不过,我们的目标,是从远处来衡量这个主题性,所以我们必须位于电压某处附近电流表,由另一对含有电阻的导线跨接受阻力:

????????起初,我们似乎已经失去了任何电阻测量这种方式的优点,因为现在电压表测量电压通过长着一双引入杂散电阻(电阻)线,再次进入测量电路。然而,经仔细检查可以看出,没有什么损失,因为电流几乎是微乎其微的。因此,那些长导线连接两端的电压表的(rsubject)电阻将下降较小的电压,这是非常几乎相同的,就好像它是受电阻直接跨接在电压表指示:

????????将无法测得的电压表主要载流导线之间的任何电压下??降,这样做没有考虑到在所有的阻力计算。可能会进一步提高测量精度,如果电压表的电流保持在最低限度,或者通过使用一个高品质(由低满量程电流)的动作和/或空电位(均衡)系统。

??????? 这种测量方法,避免了导线的电阻所引起的误差,被称之为开尔文四线检测电阻方法。特殊的连接称为开尔文夹子(下图)

?????????一般来说,“鳄鱼”式夹子,通常在铰链点连接,半“下巴”电是彼此共用的。开尔文夹子,半部分钳口彼此绝缘,只有被测定的导线与夹子的尖端处接触。因此, 目前通过“c(”当前)的半“下巴”不通过“p”(电压)的半“下巴”,而不会产生任何沿其长度的错误诱导压降。

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????????相同的原理,使用不同的接触点的传导电流和电压测量是用在精密分流电阻器,用于测量大量的电流。精密分流电阻器“转换”一个当前值成比例的电压值。因此,电流可以通过测量分流器两端的电压下降被精确地测量。

????????使用分流电阻和电压电流测量,特别适合涉及幅度特别大电流的应用。在这种应用中,分流电阻器的电阻可能会毫欧或微欧的顺序,在满电流的情况下,以便只有适量 的电压将被丢弃。这种低电阻线的连接电阻,表示这样的分流上测量的电压必须这样做,在这样一种方式,以避免检测电压降载电流导线连接,以免引起巨大的测量 误差。为了使由分流电阻本身的电压表的测量电压下降,没有任何杂散电压源自电线或连接电阻,分流器通常配有四个连接端子:

应用:

??????? 开尔文测量可以发现接触不良或意外性电路中的实用工具。直流电源连接到电路,并调整电源,从而提供一个恒定的电流。用数字万用表设置为测量直流电压,测量 在电路中的各个点上的电压降。如果你知道的导线尺寸,可以估算你应该看到的电压降和比较这你测量的电压降。这可以是一个快速和有效的方法,发现接触到的元素,如在照明电路的拖车在布线的连接不良。未通电的的ac导体(确保交流电源不能打开),它也可以很好的工作。例如,你可以在一个光开关测量电压降,并确 定如果接线连接到开关。

集成电路检测根据工艺所处的环节可以分为设计验证、前道量检测和后道检测。集成电路芯片的生产主要分为 ic设计、 ic 前道制造和 ic 后道封装测试三大环节,狭义上对集成电路检测的认识集中在封测环节,事实上集成电路检测贯穿生产流程的始终,起始于 ic 设计, 在 ic 制造中继续,终止于对封装后芯片的性能检测,根据检测工艺所处的环节,集成电路检测被分为设计验证、前道量检测和后道检测。

设计验证用于 ic 设计阶段,主要采用电学检测技术验证样品是否实现预定的设计功能。前道量检测运用于晶圆的加工制造过程,它是一种物理性、功能性的测试,用以检测每一步工艺后产品的加工参数是否达到了设计的要求,并且查看晶圆表面上是否存在影响良率的缺陷,确保将加工产线的良率控制在规定的水平之上。后道检测主要运用于晶圆加工之后、 ic 封装环节内,是一种电性、功能性的检测,用于检查芯片是否达到性能要求, 后道检测又细分为 cp 测试、 ft 测试。cp 测试确保工艺合格的产品进入封装环节, ft 测试确保性能合格的产品最终才能流向市场。

(设计验证和后道检测涉及到的检测原理、检测设备相同,其设备本质上属于一类设备,且设计验证所需检测产品数量很少,对应设备需求很小,因此本文主要研究前道量检测、后道检测工艺及相应设备。)

前、后道检测设备的研发具有很高的技术和资金壁垒,该市场同光刻、刻蚀一样,也呈现出国外巨头高度垄断的状况。前道量检测设备的下游客户是晶圆代工厂, 在该领域内科磊以 52%的市场份额稳坐第一把交椅,其薄膜厚度测量、缺陷检测产品具有较高的市占率。后道检测设备下游客户是 ic 封测企业, 其中东京精密在探针台细分市场份额高达 60%,泰瑞达与爱德万在检测台市场共拥有超过 90%的市占率,而爱德万、科休和爱普生的分选机产品拥有超过 60%的市场份额。目前, 检测设备已经可以与光刻、刻蚀等设备的精度保持同步发展,该工艺的设备精度也逐渐成为制约集成电路产业发展的瓶颈之一。

前、后道检测工艺简介

前道量检测工艺对芯片制造有着至关重要的意义,它是提高产线良率、降低生产成本的重要环节,在很大程度上决定了代工厂的竞争能力。晶圆代工厂商的成败依赖于产品的良率,良率不达标会显著影响厂商的成本与收益,据估计产品良率每降低一个百分点,晶圆代工厂商将损失 100-800 万美元。而且由于芯片新产品推广的市场窗口很小,加上市场份额的激烈竞争,客户会优先选择生产良率高,供应能力强的半导体企业进行供货,这也意味着减少产线缺陷将会极大提高企业的竞争实力。因此晶圆厂商会在制造流程中通过前道量检测设备监控加工工艺,确保工艺过程符合既定的要求,并通过定位生产中问题的根源,及时采取修正措施,从而达到减少缺陷、提升产线良率的目的。

后道检测工艺有效降低封装成本,并确保出厂产品质量。cp 测试在封装前对芯片进行测试,测试不合格的产品将不会进入封装环节, ft 测试则对最终产品进行性能测试,确保出厂产品均达到客户预定功能, 同时也可根据产线良率反馈的结果,进行生产工艺上的优化

前道量检测监控加工工艺很重要

前道量检测使整条前道工艺产线的控制达到最佳化,同时也为追寻芯片生产中发现的问题提供了重要的追寻线索。半导体芯片制造工艺步骤极多,各步骤之间可能会相互影响, 因此很难根据最后出厂产品的检测结果准确分析出影响产品性能与合格率的具体原因。而且如果不能在生产过程中及时检测到工艺缺陷,则此批次工艺中生产出来的大量不合格产品也会额外增加厂商的生产成本。因此前道量检测贯穿芯片制造环节始终,对加工制造过程进行实时的监控,确保每一步加工后的产品均符合参数要求。而且, 产品小组可以通过分析前道量检测产生的检测数据及时发现问题根源, 使之能够采取最有效的方式进行应对,从而制造出参数均匀、成品率高、可靠性强的芯片。

前道量检测根据测试目的可以细分为量测和检测。量测主要是对芯片的薄膜厚度、关键尺寸、套准精度等制成尺寸和膜应力、掺杂浓度等材料性质进行测量,以确保其符合参数设计要求;而检测主要用于识别并定位产品表面存在的杂质颗粒沾污、机械划伤、晶圆图案缺陷等问题。

前道量检测分类及主要技术

前道量测、检测均会用到光学技术和电子束技术, 但是两种技术在量测与检测下各具不同的特点。光学量测通过分析光的反射、衍射光谱间接进行测量,其优点是速度快、分辨率高、非破坏性,但缺点是需借助其他技术进行辅助成像;电子束量测是根据电子扫描直接放大成像,其优点是可以直接成像进行测量,但缺点是速度慢、分辨率低,而且使用电子束进行成像量测操作时需要切割晶圆,因此电子束量测具有破坏性。光学检测是通过光信号对比发现晶圆上存在的缺陷,其优点是速度快,但缺点是无法呈现出缺陷的具体形貌;而电子束检测可以直接呈现缺陷的具体形貌,但是该方法在精度要求非常高的情况下会耗费大量的时间。

在实际的芯片制造过程中,光学技术与电子束技术常常被结合使用,比如检测环节一般先采用光学检测定位缺陷位置,再使用电子束检测对缺陷进行精确扫描成像,两种技术的结合使用可以提高量检测的效率,并降低对芯片的破坏性。

前道量检测特点对比

前道量检测贯穿晶圆制造过程始终, 如下图所示, 每一道制造工艺完成后,都需要对数个参数进行测量,对缺陷情况进行检测,确保工艺的稳定并达到设计要求。

量测的主要作用在于“量”,即测定晶圆制造过程中薄膜厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、套刻精度等关键参数是否符合设计要求。对于一条正常运转的产线来说,量测的结果应该都是符合设计要求的,一旦出现量测结果持续偏离设计值的情况,就表明产线工艺出现了问题,需要进行问题的排查。

薄膜厚度量测:芯片制造过程中需要不断地沉积各类薄膜,一般一个芯片会具有几十层薄膜结构, 而薄膜的厚度、均匀性会对晶圆成像处理的结果产生关键性的影响。因此, 为生产性能可靠的芯片, 薄膜的质量是保证产品最终良率的关键。半导体薄膜按材料划分有金属、介质、多晶硅和光刻胶,它们或者是透明的薄膜或者是不透明的薄膜。业界内一般使用四探针通过测量方块电阻计算不透明薄膜的厚度;通过椭偏仪测量光线的反射、偏射值计算透明薄膜的厚度。

膜应力量测:在衬底表面上沉积多层薄膜可能会引入强的局部力量,这种局部力量被称之为膜应力。膜应力可能会导致衬底发生形变,进而影响器件的稳定性。产线上一般通过分析由于薄膜淀积造成的衬底曲率半径变化来进行膜应力测试,此种技术可用于包括金属、介质和聚合物在内的各种标准薄膜。进行薄膜应力测试时经常使用的技术有电子扫描显微镜、原子力显微镜。

掺杂浓度量测:离子注入是半导体掺杂工艺中一种重要的技术,通过在硅片的一些区域内注入不同种类的离子,可以使不同区域硅片具有不同的电性能。工艺中使用的杂质浓度通常介于1010个粒子/cm3到1018个粒子/cm3之间, 杂质粒子的浓度和分布会对半导体的性能产生重要影响。由于杂质粒子造成的晶格缺陷会改变硅片表面的光线反射率,根据此原理便可计算出杂质浓度。目前广泛应用于测量杂质浓度的方法为热波系统法。

关键尺寸:半导体工艺技术的进步往往表现在器件关键尺寸的减小,在 coms 技术中,栅宽决定了沟道长度,进而影响器件的反应速度。关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对产品所有线宽的精确控制, 因为芯片关键尺寸的变化通常显示出半导体制造工艺中一些关键环节的不稳定性。关键尺寸测量需要精度和准确性优于 2nm的测量仪器,能够获得这种测量水平的仪器是扫描电子显微镜(sem)。

套准精度:集成电路最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。光刻套准精度测量用于确保整个电路图形必须被正确地定位于晶圆表面, 并且电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的,否则将会导致整个电路的失效。光刻操作步骤的数目之多和光刻工艺层的数量之大,导致光刻是半导体制造工艺的一个主要缺陷来源, 因此, 套准精度对整个半导体产线的良率起着重要的作用。现在测量套准精度的主要方法是相干探测显微镜,它根据干涉原理辨别出样品内部的结构,并以此判断光刻掩模版的套准精度。

检测重点在于“检”,即检查生产过程中有无产生表面杂质颗粒沾污、晶体图案缺陷、机械划伤等缺陷, 晶圆缺陷可能会导致半导体产品在使用时发生漏电、断电的情况, 影响芯片的成品率。通过晶圆缺陷检测来监控工艺,可以减少产量损失, 提高工艺良率。尤其现在工艺尺寸正在向 14nm 以下制程方向发展,晶圆表面的缺陷尺寸变得越来越小, 缺陷产生的原因也越来越多, 频率也越来越高, 前道检测的重要性已得到了广泛的认知。

光学、电子束技术相结合,高效分析缺陷产生原因。目前, 根据光学检测快速定位,电子束检测直接成像的特点,行业内对硅片缺陷检测的普遍做法为:光学技术与电子束技术相结合。其中光学检测设备用来寻找并快速锁定缺陷位置,电子束检测设备对缺陷进行成像处理, 借此技术,工程师便可高效寻找缺陷产生原因, 尽快提出爱游戏平台的解决方案。

缺陷检测从无图形向有图形方向发展。无图形的硅片主要是裸硅片或有一些空白薄膜的硅片,常用做生产流程的测试片,在工艺进行时可用以提供氧化层厚度、表面颗粒度等工艺条件的特征信息,无图形的硅片在工艺进行后通常可清洗及再利用。但由于无图形硅片与产品片在结构上存在不同,随着半导体产品制程越来越小,结构越来越复杂,晶圆代工厂开始转为使用生产中的有图形的产品片进行在线检测监控, 以便更直接反映工艺流水线中发生的情况,为制作团队提供更加精准的信息,且有助于降低无图形硅片成本。对于表面缺陷的检测,常使用光学显微镜的光散射技术和扫描电子显微镜检查技术。

前道量检测设备种类繁多

前道量检测设备种类繁多,但大体上都是根据光学和电子束原理进行工作。根据检测标的对良率的影响程度, 椭偏仪、四探针、 热波系统、相干探测显微镜、光学显微镜和扫描电子显微镜是前道量检测领域内比较重要的设备。为满足未来更加严格的精度要求,设备企业除了在原有技术的基础上进行工艺改进,性能提升外, 还会增加扫描电子显微镜、隧道显微镜和原子力显微镜在前道量检测工艺中的应用比重。

前道量检测标的、设备及原理

椭偏仪:测量透明、半透明薄膜厚度的主流方法,它采用偏振光源发射激光,当光在样本中发生反射时, 会产生椭圆的偏振。椭偏仪通过测量反射得到的椭圆偏振,并结合已知的输入值精确计算出薄膜的厚度,是一种非破坏性、非接触的光学薄膜厚度测试技术。在晶圆加工中的注入、刻蚀和平坦化等一些需要实时测试的加工步骤内, 椭偏仪可以直接被集成到工艺设备上, 以此确定工艺中膜厚的加工终点。

四探针:测量不透明薄膜厚度。由于不透明薄膜无法利用光学原理进行测量,因此会利用四探针仪器测量方块电阻,根据膜厚与方块电阻之间的关系间接测量膜厚。方块电阻可以理解为硅片上正方形薄膜两端之间的电阻, 它与薄膜的电阻率和厚度相关, 与正方形薄层的尺寸无关。四探针将四个在一条直线上等距离放置的探针依次与硅片进行接触, 在外面的两根探针之间施加已知的电流,同时测得内侧两根探针之间的电势差,由此便可得到方块电阻值。

热波系统:测量掺杂浓度。热波系统通过测量聚焦在硅片上同一点的两束激光在硅片表面反射率的变化量来计算杂质粒子的注入浓度。在该系统内, 一束激光通过氩气激光器产生加热的波使硅片表面温度升高, 热硅片会导致另一束氦氖激光的反射系数发生变化,这一变化量正比于硅片中由杂质粒子注入而产生的晶体缺陷点的数目。由此, 测量杂质粒子浓度的热波信号探测器可以将晶格缺陷的数目与掺杂浓度等注入条件联系起来,描述离子注入工艺后薄膜内杂质的浓度数值。

相干探测显微镜:套准精度测量设备。相干探测显微镜主要是利用相干光的干涉原理,将相干光的相位差转换为光程差。它能够获得沿硅片垂直方向上硅片表面的图像信息,通过相干光的干涉图形可以分辨出样品内部的复杂结构,增强了 cmp 后低对比度图案的套刻成像能力。

光学显微镜 :快速定位表面缺陷。光学显微镜使用光的反射或散射来检测晶圆表面缺陷,由于缺陷会导致硅片表面不平整,进而表现出对光不同的反射、散射效应。根据对收到的来自硅片表面的光信号进行处理,光学显微镜就可以定位缺陷的位置。光学显微镜具有高速成像,成本经济的特点, 是目前工艺下的一种主要的缺陷检测技术。

扫描电子显微镜:对缺陷进行精准成像。扫描电子显微镜的放大倍数能够达到百万倍,能够提供尺寸更小缺陷的信息,其放大性能明显高于光学显微镜。扫描电子显微镜通过波长极短的电子束来扫描硅片,通过收集激发和散射出的二次电子、散射电子等形成硅片表面的图形,并得到不同材料间显著的成分对比。

前道检测设备市场空间大, kla 一家独大

2018 前道量检测设备市场空间将达到 58 亿美元。据 semi 统计及预测, 2017、 2018 年全球半导体设备投资额分别为 566.20、 627.30 亿美元,同比增长 37.29%、 10.79%。其中晶圆厂前道制造设备投资额占比 80%,达到为 452.96、501.84 亿美元。按历史数据统计,前道量检测设备约占据晶圆厂前道制造设备 11.5%的投资比例, 据此估计 2017年该市场规模约为 52 亿美元, 而 2018 年该市场规模将进一步扩大到 58 亿美元。

半导体前道量检测设备销售额(单位:亿美元)

kla-tencor 以 52%的市占率垄断前道量检测设备市场。前道量检测设备行业具有极高的技术、资金壁垒,对业内公司研发能力有很强要求。目前市场呈现高度垄断的局面,美国厂商 kla-tencor 占据 52%的市场份额,是行业内的绝对龙头, 遥遥领先排在第二位的 amat。凭借在前道量检测设备领域的垄断地位, kla 在 2016 年名列全球半导体设备商第五位。

前道量检测设备厂商市场份额汇总

科磊(kla-tencor) 于 1997 年由 kla 仪器公司和 tencor 仪器公司合并创立, 总部位于美国加州米尔皮塔斯市,公司主要为半导体、数据存储、 led 及其他相关纳米电子产业提供前道工艺控制和良率管理的爱游戏平台的解决方案。科磊自成立起便深耕于半导体前道量检测设备行业, 目前其产品种类已经覆盖加工工艺环节的各类前道光学、电子束量检测设备。凭借其检测产品高效、精确的性能特点, 科磊以 52%的市场份额在行业内具有绝对的龙头地位。三星电子、台积电、 intel、 海力士、联华、华虹、 中芯国际、 东芝、 美光等 idm/foundry 均是公司重要客户。

公司龙头地位巩固,高壁垒带来高盈利。公司 2017 财年营业收入创下历史新高,达到 34.80 亿美元,同比增长 16.60%。因为前道量检测设备具有较高的技术壁垒,公司的绝对龙头地位赋予了产品定价的能力,所以科磊常年具有很高的盈利能力。公司于 2017 年实现毛利润 21.92 亿美元,同比增长 20.37%,并于 2016、 2017 年分别实现 61.02%、 63.00%的毛利率。

kla-tencor 盈利能力(单位:亿美元)

后道检测验证产品质量

后道检测通过 cp、 ft 测试能够对该批次产品进行结果检验, 确保合格产品进入封装环节或进入市场, 并得出产品的良率进行反馈。如此可以帮助前道厂商改进加工工艺,进一步提高产线的加工精度。根据工艺在封装环节的前后顺序, 后道检测可以分为 cp 测试和 ft 测试。

1、 cp 测试确保只有正常工作的芯片才会进入封装环节

cp 测试(circuit probing,电路测试) :cp 检测位于芯片封装步骤之前,用于识别晶圆上能够正常工作的芯片,确保只有能实现正常数据通信,通过电参数、 逻辑功能测试的芯片才会进入封装环节,以此节省不必要的封装成本,同时可以为晶圆厂提供批次产品的良率数据,及时发现工艺中存在的不足。此阶段的测试可能在晶圆厂进行,也可能被送到工厂附近的代工厂进行测试。

cp 测试过程为:进行 cp 测试时,探针台和测试台连接,根据测试台的算法完成测试。首先, 待测硅片被放置到可以进行垂直移动的真空托盘上, 其次, 探针在软件的控制下自动完成对准并接通电路完成测试。测试一旦完成,不合格的芯片会记录在计算机的数据库内并被墨水打点,这样不合格的芯片会在封装步骤前被放弃。

cp 测试晶圆喷墨示意图

ft 测试确保只有性能合格的产品才会最终流入市场。

ft 测试(final test,终测):ft 测试位于芯片封装步骤之后,是对封装后的单个芯片进行的性能测试,在此步骤内只有测试结果合格的产品才会最终被推向市场,同时分选器会根据测试结果对芯片进行分类。以 intel“酷睿”系列处理器的分类标准为例:若检测到处理器内损坏两个 cpu, 则被用作“酷睿 i3”处理器;cpu 若无损坏,但是工作频率不高,被用作“酷睿 i5”处理器;如果一点问题都没有,那么被用作“酷睿 i7”处理器。

ft 测试过程为:分选机将封装好的芯片传送至测试工位, 芯片引脚通过测试工位上的金手指、专用连接线与测试台的功能模块进行连接。测试台对集成电路施加测试命令,采集输出信号,并判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性。测试结果通过通信接口传送给分选机,分选机据此对被测芯片进行标记、分类、收料或编带。

后道检测工艺流程图

后道检测工艺涉及到的检测设备主要有测试台、探针台和分选机。其中测试台与探针台组合运用于 cp 测试。因为此时的晶圆尚未进行产品封装,晶圆上集成着众多微小尺寸的待测芯片, 需要通过探针台与晶圆芯片进行精确接触,以连通待测芯片与测试台之间的电路。而 ft 测试使用的设备主要有测试台和分选机。因为此时的芯片经历了封装环节,每个芯片上均有引脚可以与分选机上的“金手指”相连接。

后道检测设备全景图

1、测试台:芯片功能与性能的检测设备

测试台是检测芯片功能和性能的专用设备。测试时, 测试台对待测芯片施加输入信号, 得到输出信号与预期值进行比较,判断芯片的电性性能和产品功能的有效性。在 cp、 ft 检测环节内,测试台会分别将结果传输给探针台和分选机。当探针台接收到测试结果后,会进行喷墨操作以标记出晶圆上有缺损的芯片;而当分选器接收到来自测试台的结果后,则会对芯片进行取舍和分类。

测试台的内部具有各种不同类型的测试功能电路板, 它能对集成电路进行直流参数、交流参数和芯片功能测试。直流参数测试(dc) 是对电路的电学参数进行测量, 主要考虑的是芯片每个引脚的测试效率和测试的准确度。该参数测试以电压或者电流的形式验证高低电平的电压、功耗、驱动能力和噪声干扰等电气参数。常用的方法有施加电压测量电流(ifvm) 或施加电流测量电压(vfim)。

交流参数测试(ac) 是对电路工作时的时间关系进行测量,它最看重的是最大测试速率和重复性能,其次是准确度。该参数测试以时间为单位验证相关芯片电路的建立时间、保持时间、上升时间、下降时间以及传输延迟时间等参数。

芯片功能测试用来验证芯片是否能够实现设计的既定功能。所施加的激励信号以一定方式在电路中传输,确保能够对电路内部的所有部分都进行验证,以测试电路的所有部分是否都正常工作。功能测试的基本方法是,用一组有序的组合测试图形作用于待测器件,比较电路的输出与预期数据是否相同,以此判别该电路的功能是否正常。

测试台随着半导体工艺的发展, 其检测的产品更加复杂、检测速度也在逐渐提高。从上世纪 60 年起,测试台已经从最初的针对简单、 低芯片引脚数的低速测试系统逐步发展到适用于超大规模、复杂结构集成电路的高速测试系统。

测试台的发展历史

可以预见高测试速率、 强通用性将会成为未来测试台发展的方向。提高检测速率可以使得测试台在单位时间内测试更多的芯片,如此便会降低单个芯片上所负担的生产成本。传统的检测台是面向分立器件、存储器、数字电路等特定类型的半导体产品, 如今随着集成电路种类界限愈发模糊,柔性检测方式因其通用式的检测方法可以为下游半导体检测厂商极大的节省成本并缩短检测时间,故而通用性强的全自动检测设备已经成为未来各大生产厂商的主攻方向。

2、探针台:运用于 cp 环节晶粒与测试台的连接

探针台用于晶圆加工之后、封装工艺之前的 cp 测试环节, 负责晶圆的输送与定位, 使晶圆上的晶粒依次与探针接触并逐个测试。探针台的工作流程为,首先通过载片台将晶圆移动到晶圆相机下,通过晶圆相机拍摄晶圆图像,从而确定晶圆的坐标位置;再将探针相机移动到探针卡下面,从而确定探针头的坐标位置;得到两者的位置关系后,即可将晶圆移动到探针卡下面,通过载片台垂直方向运动实现对针功能。

探针台是晶圆后道测试的高精密装备, 其技术壁垒主要体现在系统的精准定位、微米级运动以及高准确率通信等关键参数。

探针台的发展历史可以追溯到上世纪 60 年代,经历了多年的技术耕耘, 该行业如今主要为东京精密(accretech)、东京电子(tokyo electron ltd)与伊智(electroglas)三家公司所垄断。虽然国内厂商近几年奋起直追,但是在设备的关键技术方面仍与国外先进厂商存在较大的差距,未来国产设备公司将会有很大的增长空间。

国内外先进厂商探针台对比

未来探针台发展方向:增加测试标的&较少晶圆测试损伤测试品种增多。早期的探针台主要针对一些分立器件进行测试,测试精度要求不是很高。随着信息化技术的发展其产品测试已经扩展到 soc 等领域,预期在未来工艺的推动下,会有针对更加先进产品的探针台不断问世。微变形接触技术。晶圆是高价值产品, 所以在操作过程中尽量避免出现任何损坏晶圆的可能性。

伊智公司推出“mircotouch” 微接触技术,它减少了晶圆测试时的接触破坏,并且实现了对垂直升降系统的精准控制,大大降低了探针接触晶圆时的冲击力,同时也提高了测试过程中探针的精确度。非接触测量技术。随着电磁波理论和 rfid(射频识别)技术的成熟,非接触式测试将会因为更低的晶圆测试损伤、更短的测试时间以及更少的产品成本等优点,将会是行业未来发展的方向。目前,意法半导体公司已经提出非接触式 emws 技术, 在此方法下的每个硅片内含天线,探针台通过电磁波与其通信, 如此便可以消除在标准测试过程中偶然发生的测试盘被损事件。

3、分选机:根据测试结果对产品进行筛选与分类

集成电路分选设备应用于芯片封装之后的 ft 测试环节, 它是提供芯片筛选、分类功能的后道测试设备。分选机负责将输入的芯片按照系统设计的取放方式运输到测试模块完成电路压测, 在此步骤内分选机依据测试结果对电路进行取舍和分类。分选机按照系统结构可以分为三大类别,即重力式(gravity)分选机、转塔式(turret)分选机、平移拾取和放置式(pick and place)分选机。

重力式分选机以半导体器件自身的重力和外部的压缩空气作为器件运动的驱动力,器件自上而下沿着分选机的轨道运动,在半导体运动的同时分选机的各部件会完成整个测试过程。该类分选机的优点是设备结构简单,易于维护和操作;生产性能稳定,故障率低。缺点是因为器件由重力驱动, 所以设备的每小时产量相对较低;而且该种类分选机的硬件结构也导致了设备不能支持体积比较小的产品和球栅阵列封装等特殊封装类型产品的测试。

转塔式分选机是以直驱电机为中心,各工位模块在旁协调运行的测试机。芯片通过转塔式分选机主转盘的转动,一步一步的被各个工位测试,直到芯片完成所有的测试。转塔式分选机的优点是设备的每小时产量比较高,当前市场上速度最快的设备每小时可以完成 5 万枚芯片的测试。而此类分选机最大的缺点来源于其旋转式传动所造成的离心作用力, 使得该类设备不能应用于重量较重、外形尺寸较大的产品。

平移拾取和放置式分选机以真空方式吸取半导体, 依靠传动臂的水平方向移动来完成产品在测试工位之间的传递,进而完成整个测试流程。该类设备优点是结构相对简单;可靠性高;对重量较重和外形较大的产品尤为合适。缺点是该类分选机的每小时产品比较低,对于体积较小的产品操作性能不佳。

重力式、转塔式、平移式分选机性能比较

在分选机市场, 国外先进厂商凭借几十年设备研发的先动优势以及技术沉淀, 已经形成了对该市场的绝对垄断, 其产品性能可以很好的满足下游厂商对设备的需求。而国产设备经过多年的潜心研发, 已经取得了很大的技术进步,未来将在设备的每小时产能、适用的芯片封装种类、换测时间以及系统的稳定性等方面取得重要的成果。

国内外先进厂商分选机性能比较

未来分选设备正朝着高速率、稳定性强、柔性化测试等方向发展。分选机的单位产能低和换测时间长意味着厂商在同样的时间内,只能测试数量较少的芯片,这样无疑会降低公司的竞争能力,为此,各家设备厂商会着重于提升分选机的测试能力,提高测试速率;而当分选机高批量进行自动化的作业方式时会对系统的稳定性提出更高的要求,会要求设备具有较低的故障率;此外, 集成电路未来封装形式的多样性会要求分选机具备在不同的封装形式下快速切换测试模式的能力,从而形成更强的柔性化生产能力。

后道检测设备市场空间大

受下游半导体产品市场增长的影响, 2017、 2018 年半导体后道检测设备市场同样汽车voc检测迎来新的增长。按照历史平均数据,后道检测设备市场投资额与半导体设备总体投资额的比值约为 9%, 据此估计 2017 年该设备的市场规模为 50.96 亿美元, 2018 年该市场规模预计将扩大到 56.46 亿美元,同比增长 10.79%。

后道测试设备市场规模(单位:亿美元)

测设台是后道检测中最为重要的设备,始终占据着后道检测设备市场 60%以上的投资比例。2017 年全球测试台销量达到 33.5 亿美元,同比增长 19.64%, 占后道设备总投资比值为 66%;2018 年测试台销量将维持高速增长趋势,达到 42 亿美元,同比增长 25.37%,投资占比值上升至 78%。在测试台细分领域内,由于 5g 通信, ai, 物联网,数字货币等产业兴起将推动 soc 测试台 2018 年的销售额达到 28 亿美元,同比增长 16.67%;而高容、高速存储器的强劲需求将拉动存储器测试台销量出现大幅增长,预计 2018 年销售额将到达 8.5 亿美元, 同比增长 30.77%。

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