晶片“生病”？准备开刀吧

　　藏之

　　芯片的前身要经历什么

　　在集成电路（IC）行业，每一颗完美芯片成品背后都是一长段复杂的工艺制作流程，简单来说分为IC 设计、制造、封装、测试等环节。

　　最初的IC 设计环节和我们设计一个房屋的过程类似，得先分析各部分的“需求”：想实现什么功能、性能指标、接口要求等等。根据这些需求再去设计芯片的整体结构，比如存储、计算每个模块怎么划分。

　　接着就是设计电路，想实现的功能最终要落实在硬件上，所以要提前设计好每一个逻辑电路该怎么走，这一步一般会用工具来辅助模拟；逻辑设计模拟得差不多了，就该选择合适的晶体管、电阻、电容等元件，继续设计电路的结构和参数，保证芯片的性能和功耗。

　　整个电路图设计好，就该真的“走线”了，也就是转化为芯片版图，包括晶体管的摆放、布线、电源和地线的连接等。

　　当我们建造一座房屋，设计师团队把整个空间的布局、水电线路设计好后就该把设计图交给装修施工团队了，芯片行业同样如此。当设计好一切，就该轮到台积电、三星、英特尔等企业进行后续的制造、封装和最终测试。

　　但是在把设计图交给“装修队”之前，还有一步很重要：验证与调试，这是IC 设计的最后一步。

　　房屋设计团队要确定设计图中标注的每个房间、每个设计都能满足客户的要求，例如动线合理、卧室朝南有阳台等等；在IC 设计上，要最终确认晶圆的金属接线、各层之间结构、元件等没有任何可疑的缺陷或异常。

　　但是多片晶圆样品内部结构会有什么问题，光是靠模拟软件可不行，而是要像微创手术一样把晶圆“切开”，详细观察。但是怎么“开刀”也是门学问。

　　给样品“开刀”检查

　　为了检测设计图的可靠程度，要先对晶圆做一个“样品制备（Sample preparation）”，这可是纳米级别的先进制程芯片也逃不过的一步。

　　晶圆一般是圆形的大块材料，是集成电路产业生产的原材料。晶圆在经过精细工艺后会形成许多个小块块半导体材料“晶粒（Die）”，它才是芯片的前身。

　　要去观察IC 设计有何缺陷，可以直接用机械手法抛光至所需观察的某层位置吗？可以，这是非常传统的机械研磨手段，优势是能收获一个大面积的观察范围（15厘米以内）。

　　机械研磨常常用来检视晶圆的全面性结构的堆叠或是尺寸测量等，但缺点是，机械操作应力很可能会“误伤”目标观测区，产生变形、刮痕等。还有几个更精密、尽量做到不损伤样品的方式。

　　首先就是常在蚀刻阶段提及的“离子束”。带电粒子被加速时产生的就是离子束，当它轰击样品表面时，同样可以达到“切削”的效果，还不会造成金属延展或变形的问题。

　　离子束切削可以说是目前最精密、最微细的加工工艺，精度可达纳米级。

　　但离子束不是直接上场的，它仍需机械研磨做准备工作才行，所以依然可能伤到目标观察区。研究者换了一种分析方式：用电来聚焦离子束显微镜（Plasma FIB，PFIB）。

　　简单来说，PFIB 能边用电流、离子束切，边通过显微镜观察，避免了因盲目切削而误伤到目标区的状况。

　　这种方式有点像现在外科医生操纵达芬奇手术刀，能在一定距离外操纵手术刀，还能看到术中实时操作的情况。

　　目前最先进的还有一种方式“双束聚焦离子束 （Dual Beam FIB，DB-FIB）”，它和PFIB 有点类似：DB-FIB 手法同时具有扫描电子显微镜（SEM）和聚焦离子束（FIB）的功能。电子显微镜先对目标点定位、成像，离子束同时对样品进行切割、沉积、烧蚀，从而获得目标区域的成分与晶体结构的信息，很多时候不用切割多少就能观测到纳米尺度的异常区域。

　　可别小看这一步，芯片制造商们看重的良率往往和晶圆设计质量息息相关，想要降低生产成本，提高盈利能力，忽视这一步可不行。