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2020 年 5 月 15 日清晨，世界最大的晶圓代工廠臺(tái)積電正式宣布，在美國聯(lián)邦政府及美國亞利桑那州的承諾支持下，興建并運(yùn)營一個(gè)晶圓廠，布局 5nm 工藝制程技術(shù)生產(chǎn)半導(dǎo)體晶圓。越小的工藝意味著更低的能耗、更強(qiáng)的性能，但是同時(shí)也為失效芯片問題檢測(cè)、質(zhì)量優(yōu)化等方面帶來了考驗(yàn)。
賽默飛世爾科技公司(Thermo Fisher Scientific)是全球科學(xué)服務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，幫助客戶加速生命科學(xué)領(lǐng)域的研究、解決在分析領(lǐng)域所遇到的復(fù)雜問題與挑戰(zhàn)、促進(jìn)醫(yī)療診斷和治療的發(fā)展、提高實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)力。
本期我們邀請(qǐng)到賽默飛的業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理唐涌耀先生為我們解讀失效分析在半導(dǎo)體領(lǐng)域未來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
芯片揭秘主播幻實(shí)（左）對(duì)話? 賽默飛業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理唐涌耀經(jīng)理（右）
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本期話題：
1. FA 就是芯片醫(yī)生
2.?透射電子顯微鏡助力失效檢測(cè)
3.?人才融合，技術(shù)進(jìn)步，發(fā)展空間大
FA 就是芯片醫(yī)生
幻實(shí)（主播）：
唐先生從事失效分析工作多久了？
唐涌耀（嘉賓）：
我在芯片相關(guān)失效分析領(lǐng)域工作了 17 年左右。目前擔(dān)任賽默飛業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理，負(fù)責(zé)賽默飛材料科學(xué)部門半導(dǎo)體事業(yè)部的 EFA 業(yè)務(wù)拓展工作。
幻實(shí)（主播）：
半導(dǎo)體 FA 主要分為哪幾塊？
唐涌耀（嘉賓）：
傳統(tǒng)的 FA（failure analysis，失效分析）里面最主要的分為 PFA 和 EFA，PFA 是物性失效分析，EFA 是電學(xué)失效分析，這兩類分析方法都依賴于很多先進(jìn)的儀器。
芯片問題檢測(cè)（來源：西安西谷官網(wǎng)、國海證券研究所）
幻實(shí)（主播）：
賽默飛世爾科技公司是全球科學(xué)服務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，但是您也提到目前國內(nèi)部分失效分析還在開發(fā)完善階段，今天想請(qǐng)您跟我們聊聊失效分析在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的作用和發(fā)展?fàn)顩r。
唐涌耀（嘉賓）：
EFA 屬于失效分析領(lǐng)域的一個(gè)部分，失效分析在整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中都有涉及，尤其半導(dǎo)體制造工藝中起到重要作用。打個(gè)比方，如果半導(dǎo)體有問題有故障，就像病人一樣，F(xiàn)A 就像一個(gè)醫(yī)生，醫(yī)生要為病人看病并且做一些病因分析。
通常分析是需要一些數(shù)據(jù)和工具支持的，F(xiàn)A 的話也需要儀器，同時(shí)通過分析儀器收集到的數(shù)據(jù)來找到失效相關(guān)的原因，從而判斷是什么原因?qū)е碌膯栴}，得以改善這些問題。
所以失效分析在整個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)流程中，包括設(shè)計(jì)、芯片制造、封裝、測(cè)試以及最后的集成，都起到一個(gè)“醫(yī)生”的作用。半導(dǎo)體從設(shè)計(jì)到制造，從封裝到測(cè)試，都有各種各樣失效的產(chǎn)品，這部分失效的產(chǎn)品不僅影響著客戶使用，也影響到了產(chǎn)出質(zhì)量。所以需要去找到失效的原因，找到誘因才能去改善。這也是為什么要進(jìn)行失效分析的原因。
半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中的失效分析（來源：國盛證券研究所）
透射電子顯微鏡助力失效檢測(cè)
唐涌耀（嘉賓）：
如今技術(shù)發(fā)展越來越快，從我剛畢業(yè)的時(shí)候加入國家芯片 909 工程，當(dāng)時(shí)的技術(shù)較現(xiàn)在比較落后，接觸到的工藝制程是 0.35-0.5 微米以及更大的制程產(chǎn)品?，F(xiàn)在技術(shù)越來越先進(jìn)，工藝制程也越來越小。
幻實(shí)（主播）：
集成電路納米尺度越來越小了，一根頭發(fā)絲就有很多晶體管，失效檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)一定很困難吧。
唐涌耀（嘉賓）：
是的，以前芯片的尺寸比較大，傳統(tǒng)方法通過光學(xué)顯微鏡就可以看到缺陷?，F(xiàn)在晶體管越來越小，給檢測(cè)帶來很大難度和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡已經(jīng)無法滿足這樣的需求了，所以現(xiàn)在必須利用電子顯微鏡?，F(xiàn)在的分析技術(shù)更依賴于很尖端的儀器，尤其是選擇電子顯微鏡可以看到納米級(jí)別甚至更小的物理缺陷。
幻實(shí)（主播）：
光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的區(qū)別是什么呢？
唐涌耀（嘉賓）：
主要是分辨率的區(qū)別，學(xué)校里很多使用光學(xué)顯微鏡去看生物結(jié)構(gòu)，光學(xué)顯微鏡只能觀察顯微結(jié)構(gòu)，如細(xì)胞、葉綠體等；而電子顯微鏡能夠觀察到亞微米以下的微觀結(jié)構(gòu)及形貌，即可以看見細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)以及病毒、細(xì)菌等。半導(dǎo)體工作使用透射電子顯微鏡，通過高能電子束打到樣品上進(jìn)行微觀成像，分辨率非常高，可以分辨幾納米，甚至到亞納米級(jí)別。
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ThermoFisher TEM 賽默飛掃描 / 透射電子顯微鏡，型號(hào) Metrios DX（圖片來源：ThermoFIsher）
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FinFET TEM 圖片（圖片來源：ThermoFisher）
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幻實(shí)（主播）：
比光學(xué)顯微鏡又深了一個(gè)層次？價(jià)格怎樣？
唐涌耀（嘉賓）：
是的。半導(dǎo)體芯片檢測(cè)總歸是基于材料的，材料都是由原子組成的，而透射電子顯微鏡就可以看到原子級(jí)別，用這些分析設(shè)備的話就可以進(jìn)行檢測(cè)分析。價(jià)格基于配置，價(jià)位不低。
幻實(shí)（主播）：
更好的配置，性能可以獲得怎樣的提升？
唐涌耀（嘉賓）：
檢測(cè)要求在提高，圖像分辨率要求也在提高。透射電子顯微鏡我們稱為 TEM 穿透式顯微鏡，已經(jīng)是材料學(xué)上極為有效的工具，能夠獲取高分辨率。不僅是芯片產(chǎn)業(yè)，手機(jī)面板等其它行業(yè)現(xiàn)在也對(duì)分辨率有更高的需求。?
人才融合，技術(shù)進(jìn)步，發(fā)展空間大
幻實(shí)（主播）：
國內(nèi)半導(dǎo)失效分析領(lǐng)域發(fā)展?fàn)顩r怎樣？
唐涌耀（嘉賓）：
近年來國家對(duì)科技很重視，從 2016 年開始大力發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，現(xiàn)在隊(duì)伍越來越大，從技術(shù)角度來講，我們部分領(lǐng)域跟世界一些先進(jìn)技術(shù)的差距越來越小，大量的人才從歐美、韓國、中國臺(tái)灣地區(qū)引進(jìn)到大陸,本土的一些技術(shù)人員，技術(shù)能力也隨之越來越強(qiáng)。這是我十幾年來，特別是 2010 年以后，看到的最明顯的進(jìn)步，是一個(gè)很好的現(xiàn)象。這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的越來越好，越來越成熟了。
幻實(shí)（主播）：
也就是說同行者越來越多了，您是怎么走上了這條路？為什么把它作為職業(yè)發(fā)展的方向？
唐涌耀（嘉賓）：
是的，就 FA 領(lǐng)域，圈子比較小，現(xiàn)在去參加一些 conference 也好，會(huì)議也好，碰到的人可能都是認(rèn)識(shí)的，也會(huì)有新人不斷地補(bǔ)充進(jìn)來，但大家都是經(jīng)常接觸的，圈子的里人都比較熟悉?？傮w來說圈子還是相對(duì)較小，所以專業(yè)性比較強(qiáng)。
畢業(yè)之后，我加入半導(dǎo)體制造公司，當(dāng)時(shí)就進(jìn)入了 FA 的團(tuán)隊(duì)，對(duì)這個(gè)工作的我覺得還是很感興趣的。因?yàn)樵趯W(xué)校里面學(xué)的也是微電子和材料物理這方面，也是屬于專業(yè)對(duì)口吧，這一行對(duì)于我來說可能還有一種祖國情懷，做著做著就做了十幾年。有很多原先在這個(gè)領(lǐng)域的朋友，現(xiàn)在都已經(jīng)不做 FA 了，做這么長時(shí)間的 FA 確實(shí)比較少。
幻實(shí)（主播）：
這個(gè)領(lǐng)域前景如何？
唐涌耀（嘉賓）：
確實(shí)我們起步也比較晚，相對(duì)于一些先進(jìn)的技術(shù)的差距也比較大，很多方面尤其是芯片制造這塊的設(shè)備也好，材料也好，大部分都是從國外引進(jìn)。當(dāng)然現(xiàn)在差距在不斷地縮小，還有很大的發(fā)展空間。
目前國家在大力推動(dòng)科技發(fā)展，我覺得對(duì)于我國未來這一領(lǐng)域的發(fā)展，我還是很看好的。
幻實(shí)（主播）：
之后的重點(diǎn)您認(rèn)為是什么呢？
唐涌耀（嘉賓）：
其實(shí)最關(guān)鍵的還是人才的培養(yǎng)和沉淀。我覺得對(duì) FA 的話，其實(shí)在整個(gè)半導(dǎo)體的發(fā)展里面扮演的是檢測(cè)和服務(wù)這樣一個(gè)角色，能讓整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈質(zhì)量更高，產(chǎn)品更加可靠。這次很高興國家能夠大力的發(fā)展這個(gè)行業(yè)，我覺得未來肯定會(huì)越來越好，發(fā)展速度會(huì)越來越快。
幻實(shí)說
一般來說，集成電路在研制、生產(chǎn)和使用過程中失效不可避免，產(chǎn)業(yè)鏈上的失效會(huì)對(duì)企業(yè)造成大量的損失，客戶手中的失效會(huì)影響到用戶體驗(yàn)，甚至造成生命危險(xiǎn)。隨著人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性要求的不斷提高，失效分析工作也顯得越來越重要。失效分析工程師像醫(yī)生一樣，研究失效芯片，開出解決問題的良方。隨著制作工藝的提升，5nm 時(shí)代的到來，相信企業(yè)也會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量愈發(fā)重視，失效分析會(huì)有更大的需求，失效分析工程師會(huì)有更大的前景和挑戰(zhàn)，也希望有更多的人才加入到芯片醫(yī)生的隊(duì)伍。
硬知識(shí)加油站
1. 失效分析:
一門發(fā)展中的新興學(xué)科，針對(duì)失效產(chǎn)品進(jìn)行研究，找出失效原因，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝水平。
2.“909 工程”:
1996 年，我國集成電路發(fā)展嚴(yán)重落后，國家對(duì)建設(shè)超大規(guī)模集成電路芯片生產(chǎn)線的項(xiàng)目正式立項(xiàng)，俗稱的“909 工程”，此后，上海華虹微電子與日本 NEC 公司合作，組建了上海華虹 NEC 作為該工程的主要承擔(dān)者。
3. 亞顯微結(jié)構(gòu):
指在光學(xué)顯微鏡下不能分別清楚細(xì)胞結(jié)構(gòu)，電子顯微鏡可以的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
4. 透射電子顯微鏡:
可以看到在光學(xué)顯微鏡下無法看清的小于 0.2um 的細(xì)微結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)稱為亞顯微結(jié)構(gòu)或超微結(jié)構(gòu)。TEM 穿透式顯微鏡可達(dá) 0.2nm。
