藏之

　　芯片的前身要經(jīng)歷什么

　　在集成電路（IC）行業(yè)，每一顆完美芯片成品背后都是一長段復(fù)雜的工藝制作流程，簡單來說分為IC 設(shè)計、制造、封裝、測試等環(huán)節(jié)。

　　最初的IC 設(shè)計環(huán)節(jié)和我們設(shè)計一個房屋的過程類似，得先分析各部分的“需求”：想實現(xiàn)什么功能、性能指標(biāo)、接口要求等等。根據(jù)這些需求再去設(shè)計芯片的整體結(jié)構(gòu)，比如存儲、計算每個模塊怎么劃分。

　　接著就是設(shè)計電路，想實現(xiàn)的功能最終要落實在硬件上，所以要提前設(shè)計好每一個邏輯電路該怎么走，這一步一般會用工具來輔助模擬；邏輯設(shè)計模擬得差不多了，就該選擇合適的晶體管、電阻、電容等元件，繼續(xù)設(shè)計電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，保證芯片的性能和功耗。

　　整個電路圖設(shè)計好，就該真的“走線”了，也就是轉(zhuǎn)化為芯片版圖，包括晶體管的擺放、布線、電源和地線的連接等。

　　當(dāng)我們建造一座房屋，設(shè)計師團隊把整個空間的布局、水電線路設(shè)計好后就該把設(shè)計圖交給裝修施工團隊了，芯片行業(yè)同樣如此。當(dāng)設(shè)計好一切，就該輪到臺積電、三星、英特爾等企業(yè)進行后續(xù)的制造、封裝和最終測試。

　　但是在把設(shè)計圖交給“裝修隊”之前，還有一步很重要：驗證與調(diào)試，這是IC 設(shè)計的最后一步。

　　房屋設(shè)計團隊要確定設(shè)計圖中標(biāo)注的每個房間、每個設(shè)計都能滿足客戶的要求，例如動線合理、臥室朝南有陽臺等等；在IC 設(shè)計上，要最終確認(rèn)晶圓的金屬接線、各層之間結(jié)構(gòu)、元件等沒有任何可疑的缺陷或異常。

　　但是多片晶圓樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)會有什么問題，光是靠模擬軟件可不行，而是要像微創(chuàng)手術(shù)一樣把晶圓“切開”，詳細(xì)觀察。但是怎么“開刀”也是門學(xué)問。

　　給樣品“開刀”檢查

　　為了檢測設(shè)計圖的可靠程度，要先對晶圓做一個“樣品制備（Sample preparation）”，這可是納米級別的先進制程芯片也逃不過的一步。

　　晶圓一般是圓形的大塊材料，是集成電路產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的原材料。晶圓在經(jīng)過精細(xì)工藝后會形成許多個小塊塊半導(dǎo)體材料“晶粒（Die）”，它才是芯片的前身。

　　要去觀察IC 設(shè)計有何缺陷，可以直接用機械手法拋光至所需觀察的某層位置嗎？可以，這是非常傳統(tǒng)的機械研磨手段，優(yōu)勢是能收獲一個大面積的觀察范圍（15厘米以內(nèi)）。

　　機械研磨常常用來檢視晶圓的全面性結(jié)構(gòu)的堆疊或是尺寸測量等，但缺點是，機械操作應(yīng)力很可能會“誤傷”目標(biāo)觀測區(qū)，產(chǎn)生變形、刮痕等。還有幾個更精密、盡量做到不損傷樣品的方式。

　　首先就是常在蝕刻階段提及的“離子束”。帶電粒子被加速時產(chǎn)生的就是離子束，當(dāng)它轟擊樣品表面時，同樣可以達(dá)到“切削”的效果，還不會造成金屬延展或變形的問題。

　　離子束切削可以說是目前最精密、最微細(xì)的加工工藝，精度可達(dá)納米級。

　　但離子束不是直接上場的，它仍需機械研磨做準(zhǔn)備工作才行，所以依然可能傷到目標(biāo)觀察區(qū)。研究者換了一種分析方式：用電來聚焦離子束顯微鏡（Plasma FIB，PFIB）。

　　簡單來說，PFIB 能邊用電流、離子束切，邊通過顯微鏡觀察，避免了因盲目切削而誤傷到目標(biāo)區(qū)的狀況。

　　這種方式有點像現(xiàn)在外科醫(yī)生操縱達(dá)芬奇手術(shù)刀，能在一定距離外操縱手術(shù)刀，還能看到術(shù)中實時操作的情況。

　　目前最先進的還有一種方式“雙束聚焦離子束 （Dual Beam FIB，DB-FIB）”，它和PFIB 有點類似：DB-FIB 手法同時具有掃描電子顯微鏡（SEM）和聚焦離子束（FIB）的功能。電子顯微鏡先對目標(biāo)點定位、成像，離子束同時對樣品進行切割、沉積、燒蝕，從而獲得目標(biāo)區(qū)域的成分與晶體結(jié)構(gòu)的信息，很多時候不用切割多少就能觀測到納米尺度的異常區(qū)域。

　　可別小看這一步，芯片制造商們看重的良率往往和晶圓設(shè)計質(zhì)量息息相關(guān)，想要降低生產(chǎn)成本，提高盈利能力，忽視這一步可不行。

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