從晶圓到晶元：無損成像法將降低缺陷率！

導讀

最近，德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的科學家團隊通過無損成像法，獲取了晶體內部的三維圖像，從而測量晶體內部的位錯，為計算機晶元製造工藝的優化提供幫助。

背景

位錯，又可稱為差排（英文：dislocation）。在材料科學中，指晶體材料的一種內部微觀缺陷，即原子的局部不規則排列（晶體學缺陷）。從幾何角度看，位錯屬於一種線缺陷，可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線，其存在對材料的物理性能，尤其是力學性能，具有極大的影響。

「位錯」這一概念最早由義大利數學家和物理學家維托·伏爾特拉（Vito
Volterra）於1905年提出。為了直觀的認識位錯這一概念，我們先來看一幅有關晶體位錯的透射電鏡顯微圖像。

（圖片來源：維基百科）

這種線缺陷很大程度地影響著晶體的形變行為，這一數據對於計算機晶元的製造來說也非常重要。在硅晶圓內部，即使存在少量的位錯也會導致有缺陷的計算機晶元，因此導致產品報廢。

創新

最近，德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的科學家團隊通過無損成像法，獲取了晶體內部的三維圖像，從而判斷晶體內部的位錯。正如《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌所報道的，科學家們將兩種X光方法與特種光學顯微鏡術相結合來實現這一技術。

（圖片來源：D. H?nschke/KIT）

技術

KIT 光子科學與同步輻射研究所的物理學家 Daniel H?nschke 博士表示，在特殊工藝例如熱量的影響下，理解機械錶面的微小缺陷是如何傳播到晶體深處，顯得非常重要。他的團隊成功地精準測量位錯，研究它們之間如何交互以及外部影響。

科學家們分析了單個表面缺陷如何擴散到一組六邊形缺陷線中，同時完全無損的區域也保持在這樣一個三維網路的中心。H?nschke 指出，結果產生的集體運動會提高或者降低晶圓另一端的大表面區域的面積，從而形成台階。這些台階將會對微結構的製造與功能產生不利影響。

通過數學模型的計算，研究成果將有利於更好理解深層的物理原理。團隊的另一成員 Elias Hamann 博士解釋道，目前使用的模型主要基於在很小的晶體樣本中利用電子顯微技術測量到的數據。他們的方法也可以應用於研究大型平面晶體，例如商用晶圓。這是判斷初始損傷與最終形成的廣泛晶體形變之間的細微關係，這些晶體形變引發的主要問題遠遠超過起初的缺陷。

（圖片來源：D. H?nschke/KIT）

這種新型的測量方法，將KIT KARA 同步設施和位於法國格勒諾布爾的歐洲同步輻射光源（ESRF）同步設施中的X射線技術，與CDIC光學顯微鏡術相結合。

價值

研究成果將幫助改善預測缺陷形成和缺陷傳播的現有模型，從而為計算機晶元製造工藝的優化提供幫助。

在一平方厘米的晶圓表面上排列著的晶體管已達幾十億，且有增加的趨勢。即使是在晶體表面和內部存在的最小缺陷，也會引起數千的小型電路失效，以及相應的晶元無法使用。產業界對於未來進一步最小化缺陷率，顯示出高度興趣。

關鍵字

晶體、半導體、晶元、晶圓

參考資料

【1】https://www.kit.edu/kit/english/pi_2017_168_wafer-to-chip-x-ray-imaging-for-reduced-defect-rate.php

【2】D. H?nschke, A. Danilewsky, L. Helfen, E. Hamann, T. Baumbach. Correlated Three-Dimensional Imaging of Dislocations: Insights into the Onset of Thermal Slip in Semiconductor Wafers. Physical Review Letters, 2017; 119 (21) DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.215504

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