GF 实验室利用最新技术看到几乎看不见的东西

作者：加里-达加斯丁

"半导体制造不是火箭科学，你知道吗--要难得多"，这是许多半导体制造厂常说的一句玩笑话。虽然火箭科学家可能不同意这句话，但毫无疑问，设计和制造当今的重要芯片包含了许多令人难以置信的高难度工程挑战。

毕竟，我们谈论的是可能包含数百万或数十亿晶体管的小块硅片。它们由 40、60 或更多层具有独特电气特性的材料制成，其特征尺寸接近 DNA 分子的尺寸--只有几个纳米。晶体管之间的相互连接方式越来越复杂，如果将指甲盖大小的芯片内的所有线路端对端地铺设，其长度将以米为单位。

但是，我们如何才能知道如此复杂的系统中究竟发生了什么？我们如何了解是否存在设计问题、电气故障、热效应或其他会影响性能的意外情况？此外，我们如何确保制造过程尽可能高效？

这些问题的答案可通过我们遍布全球的分析实验室所采用的多种表征技术来获取。GlobalFoundries (GF) 拥有该领域顶尖的技术专家，并配备了业内设备最齐全的实验室之一，其中配备了最新的电子显微镜及其他必要工具，用于检测和评估这些微小且极其复杂的器件。

GF 自己的 C.S.I. 部队

"我们是 GlobalFoundries 的 C.S.I. 部门，"GF 位于纽约马耳他的总部和制造工厂的全球分析实验室主任 Julie Lee 说。"我们在制造过程中收集芯片的物理证据，对其进行细致的检查，以了解如何改进其性能，并向工厂建议如何实现这些改进。

Lee 领导的实验室是公司最新的物理、材料、电气、光学和封装分析设施。该实验室是全球分析实验室组织的一部分，在美国、新加坡和德国都设有分支机构，拥有 250 多名具备各种专业知识的工程师和技术人员，全天候为晶圆厂提供支持。

在其他先进仪器中，它拥有最先进的透射电子显微镜（TEM），可将物体放大到 200 万倍。这种功能可实现原子级别的可视化，例如，可以看到和评估硅的 "掺杂"（即添加到硅中以改变其电气性能的杂质）。TEM 还能分析无法直接看到的错误，如电气故障。

GF 首席技术人员 Frieder Baumann 博士说："随着半导体尺寸的缩小，观察其特征所需的显微镜也在不断发展，GF 的实验室包含了光学和电子技术的组合。

“光学显微镜曾经是主力设备，但现在它们主要与光子设备配合使用，例如GF公司的Fotonix™平台，”他说，“我们还拥有多台扫描电子显微镜（SEM），它们具有高通量，分辨率可达几纳米。 我们利用它们观察特定材料层，例如芯片的抗蚀层，并检查芯片互连层或布线中的裂纹。虽然扫描电子显微镜在过去几年曾是主力显微技术，但如今在GF，它们的主要用途是进行在线检测，以确保制造流程顺畅运行。”

使用 TEM 仔细观察

TEM 是显微镜的最新发展，它的视野更大，分辨率也比 SEM 高得多，还允许用户在屏幕上即时看到正在研究的芯片样本中的确切情况。

TEM已经从一种纯粹的成像工具发展成为一种用于综合物理和成分表征的多功能仪器，并与我们用于制备研究样品的新技术相结合，"Baumann说，"如果不使用聚焦离子束（FIB）工具制备样品，不使用TEM了解样品内部的情况，现代半导体制造几乎是不可想象的。"如果不使用聚焦离子束 (FIB) 工具制备样品，不使用 TEM 了解样品内部的情况，进行现代半导体制造几乎是不可想象的。

位于马耳他、纽约和其他 GF 所在地的分析实验室团队使用一套 TEM 工具（包括老式和新型号），每月在全球范围内对数千个样品进行研究。

"Baumann说："TEM技术在如此短的时间内取得了如此大的进步，如今的机器用途如此广泛，令人惊叹。例如，汽车是 GF 的一个重要市场，而嵌入式存储器在汽车应用中的重要性与日俱增，因为它是非易失性的，能够经受住汽车运行的恶劣实际环境。"得益于我们先进的 TEM 能力，我们是业内仅有的几家能够全面鉴定存储单元 中每一个元素的公司之一，以确定它实际上是正确构建和运行的"。

实验室生活

除了先进的显微技术外，实验室还提供各种技术，并参与生产运营的许多方面，从进料化学分析到生产加工和客户反馈。

"Lee说："正如GF在全球各地的工厂相互转让技术和能力以在全球建立多个生产基地一样，我们在全球各地的实验室也参与并支持技术转让。"作为一个全球性的实验室组织，我们拥有材料工程师、物理学家、数学家和技术人员。我们定期在物理、化学和电气分析等所有垂直领域的全球团队之间分享知识和经验教训，讨论具体问题，并利用所学知识提高 GF 的整体制造性能。

归根结底，李表示，这个实验室也给她和同事们带来了极大的个人满足感。“身处一个专注于解决问题和创新的环境中，我感到非常充实。当找到解决方案，并见证团队成员的成长时，那种满足感尤为强烈。”