一项测量结果能保持有效多久？从“测得准确”到“结果有效”

当在整片晶圆（blanket wafer）上测得的薄膜结果符合规格要求时，该测量结果通常会沿用到后续整个工艺流程。但进行测量时所处的环境可能发生显著变化，从而导致一些未被察觉的异常问题，直到器件在实际应用中发生失效才暴露出来。

工艺流程中的每一个步骤都可能影响其他步骤。一片工艺晶圆会经过图形化和刻蚀。随后，芯粒（die）会被减薄并键合到封装中，而封装在固化过程中还会经历加热，之后连接到基板并放入测试插座。从这里开始，每个器件都需要通过检测，此后可能直到表面贴装时才会再次进行测量，而此时可能已经引入了新的机械约束和热路径。贴装过程可能改变测试接口，而热量不仅会改变器件的行为，也可能改变测量系统本身的特性。

其结果是，测量精度与持续的测量有效性之间的差距不断扩大。精度关注的是：测量发生时，这个数值是否正确。有效性关注的则是：这个数值现在是否仍然能够准确描述正在评估的结构。对于具有充足裕量的成熟工艺而言，可以通过保护带（guard band）吸收这种差异，但在先进制程芯片中，这种缓冲空间正在消失。随着多芯粒封装、更严格的电气限制以及更小的工艺窗口出现，早期的准确测量结果，可能已经不再适合作为后续决策的依据。

“可重复性意味着相同的设置能够得到相同的答案。可再现性则意味着这个答案能够经受现实世界的考验。”Keysight Technologies负责AI超大规模数据中心客户业务的高级业务拓展负责人Ram Channappa表示，“间歇性、依赖工作负载的漏检问题，就存在于两者之间的差距中。”

如今，仅凭时间戳和校准记录已经无法解决这个问题。制造商需要了解对象所处的物理状态、进行测量时所处的条件，以及测量路径本身的状态。此外，他们还需要记录部件在测量之后经历了什么。

测量需要的是状态，而不仅仅是时间戳

测量有效性包含四个维度：

结构状态。 整片晶圆、经过图形化的器件、切割后的芯粒、键合组件以及最终封装可能拥有相同的设计血统，但它们并不是可以相互替代的测量对象。

环境状态。 温度、施加的功率、机械约束以及工作负载都可能改变电阻、时序、漏电、对准状态和应力。因此，在室温下进行的测量，可能无法充分反映同一结构在持续通电状态下的情况。

测量路径。 测量路径本身也具有自己的状态。仪器、探针卡、插座、负载板、夹具、测试程序、校准状态以及软件配置都会对最终数值产生影响，而其中任何一项都可能在最初完成验证之后发生变化。

解释状态。 这是四者中最难把握的一个。工程师有时会发现，一个曾被认为只是正常波动的参数，实际上一直与某种失效机制存在相关性，而这种失效机制在最初评估测量结果时却无人知晓。数值本身没有发生变化，但它所代表的意义发生了变化。

要保持测量结果的意义，仅仅保存数值是不够的。制造商还需要将结构和物理数据与其可能影响的器件行为联系起来，并在产品沿供应链流转的过程中保持这种关联关系不被破坏。

Onto Innovation首席营销官兼战略高级副总裁Mike Rosa表示，“客户非常清楚，加强供应链协作可能带来的潜在收益。目前有三个关键方面受到高度关注——计量与检测数据、与器件性能变量之间的关联，以及一种严谨的方法，用于在整个供应链中实现集成且完全兼容的可追溯性。”

可追溯性能够保存数值及其历史记录，但关联性才能保存数值的意义，二者缺一不可。如果缺少其中任何一项，上游测量结果即使作为历史记录仍然准确，也可能缺乏足够的背景信息，无法支持后续的处置决策。

但这并不意味着每一个工艺步骤都应该触发一次新的计量测试。这样做会迅速叠加成本和产能损失，而额外的搬运本身也会带来风险。更实际的任务，是识别失效触发条件（invalidation triggers），即那些会产生足够不确定性的事件，使得此前的测量结果不再具有参考价值。例如，对已测量薄膜进行图形化可能属于这种情况，组件的键合或固化、插座回流焊，或者在参考器件上发现不断扩大的偏差，也可能属于这种情况。但触发条件应当依据可能改变测量结果的机制来确定，而不是依据固定的时间间隔。

整片晶圆数据可能无法在图形化后保留

整片晶圆计量仍然是控制沉积、成分、应变、厚度和界面质量最有效的方法之一。裸晶圆上仅覆盖待测薄膜，因此可以提供一个面积大且均匀的目标，从而实现高精度测量和清晰的建模，非常适合生产环境。

图1： 即使器件、测量路径或解释方式发生变化，早期测量结果可能不再能准确反映当前状态，但作为历史记录，它们仍然具有准确性。来源：半导体工程

不过，这些优势也限制了结果的适用范围。整片晶圆并不是经过图形化的晶体管、互连结构、存储器通道或光学结构。图形化会引入局部尺寸、侧壁、刻蚀效应和空间变化，而这些因素在进行整片晶圆测量时根本不存在。测量结果所能保留下来的，是关于沉积过程的证据，而这可能不足以证明产品晶圆上的实际情况。

Bruker产品营销经理Juliette van der Meer表示，“计量领域的一个关键目标，是首先在整片晶圆上进行测量，然后再对经过图形化的结构进行相同类型的测量。在X射线计量领域，真正理想的目标，是能够在小尺寸图形化目标上复现我们目前已经可以在大面积整片晶圆上完成的测量。这将需要新型X射线源。”

要将这种测量应用到图形化目标上，并不只是把同一台设备对准一个更小的区域。光斑尺寸、信号强度、模型假设、目标设计以及测量时间都可能发生变化。与此同时，测量工具仍然必须在远小于原来的特征上，将正常波动与具有实际影响的偏离区分开来。当工艺窗口逐渐接近测量本身的不确定度时，风险会进一步上升，因为接近规格上限的结果可能反映真实的材料变化、测量波动，或者两者的混合。

“计量精度必须比工艺窗口本身严格10倍。”van der Meer表示，“这样的精度能够让芯片制造商有信心判断一个参数是否仍处于可接受范围内，或者是否正在接近临界阈值。”

随着薄膜越来越薄、可接受的偏差范围越来越小，这一点也越来越难以满足。不确定度开始占据可用裕量中越来越大的比例，并降低后续步骤的置信度。

偏差也会不断累积。一种结构可能通过每一次中间测量，但在漫长的工艺流程中，小幅偏差不断积累。这正是高层数3D NAND堆叠结构中发生的情况，通道必须在不断增加的层数中始终保持受控。

“在3D NAND中，字线凹槽通道（word-line recess channel）连接器件从顶部到底部的各层。”Rosa表示，“通道填充过程中出现的变窄、变形或变化，可能通过每一个计量和检测阶段，而没有表现出明显的重大偏离。但随着这些影响在连续的层或层级之间不断累积，它们可能叠加成为潜在缺陷或致命的器件缺陷。”

单个测量结果本身并不一定不准确。问题在于，分阶段的验收标准可能无法反映微小偏差在最终结构中的累积情况。有效性来自于保持整片晶圆、图形化结构以及后续电气结果之间的关系，而不是假设一个没有发生变化的早期结果适用于之后的每一种状态。

封装组装会创造一个不同的物理器件

一旦经过验证的良品组件被组装进多芯粒封装，这种变化会更加明显。减薄、切割、键合、固化、底部填充（underfill）、再分布层、基板、散热盖以及相邻芯粒都会创造出单个组件测量时不存在的条件。芯粒之间以及封装内部会形成新的热通路，并由于热膨胀系数不匹配而产生应力。随着材料升温和降温，键合和固化会固定住原本可以独立移动的结构，而一个组件消耗的功率也可能升高另一个组件的温度。这些影响甚至在出现任何可见缺陷之前，就可能改变器件的电气性能。

Synopsys首席产品经理Lang Lin表示，“额定工作温度高达100摄氏度的设计可能会因意外的热辐射而影响相邻元件。场的最大机械应力可能远小于制造装配过程中产生的机械应力。”

虽然机械应力可能改变受应力影响的器件和导线的电气参数，但机械行为和电气行为仍然往往被分开分析。因此，最终组装体可能暴露出两种分析都没有捕捉到的相互作用。协同仿真和多物理场工具能够缩小这一差距，但现代多芯粒系统迫使工程师依赖降阶模型，以及对于哪些影响可以安全忽略的假设。即使一个模型在其定义条件下具有很高的准确性，在键合引入不同组合的翘曲、约束和工艺之后，也可能需要重新校准。

Intel Foundry高级半导体研究工程师Yi Shi在近期一次会议演讲中表示：“实验数据可以反馈到有限元模型中，对模型进行校准和改进，从而为工艺优化建立功能更强大的数字孪生模型。随着我们开展更多实验，高阶残差还可以作为工艺监控信号，帮助我们识别工艺中的某个参数何时开始发生偏离。”

键合后的计量能够提供重新校准模型所需的细节。在Intel Foundry的研究中，芯粒厚度和翘曲影响了缩放畸变，而键合喷嘴的几何形状改变了方向性畸变模式。早期测量结果仍然可以作为模型输入，但需要键合后的计量来确定工艺实际产生的状态。

热模型也面临类似的局限性。仿真可以预测热量应该在哪里产生，但完成后的封装会引入材料界面、热传导路径和时间常数，而这些因素在组装前可能无法得到充分体现。

“即使工程师拥有用于热系统建模的全部计算能力，预测性能与实际性能之间似乎仍然存在差距。”Teradyne电源与热测试仪器解决方案产品经理Damian Megna表示，“我可以想象，先进封装中的情况会更加严重，因为同一芯片内部存在不同的工艺节点、不同的连接机制，以及各种不同的热时间常数。”

需要通过直接测量来确定实际工作负载下有源结构所承受的情况。大型封装中的不同区域以不同速率升温，并在不同的稳态下达到平衡，因此，晶圆卡盘（chuck）、夹具或环境温度可以描述测试环境，而无法全面描述器件的实际工作状态。

“客户希望我们的测试仪器能够监测尽可能多的这些温度，并在测试程序执行过程中对它们进行分析，同时结合所有其他变量，这样他们就能看到测试流程中实际发生了什么。”Megna表示。

光学组件也呈现出同样的规律。随着对准结构和胶黏剂在加热过程中发生移动，芯粒平整度和光纤对准精度可能随温度发生漂移。一个在室温下对准正确的光学封装，在工作条件下可能发生偏移，就像一个电气封装可能满足组件级规格，却在集成之后产生局部热点一样。在这两种情况下，早期测量结果对于当时的状态都是准确的。错误在于把它视为关于组装系统的绝对证据。

测量系统本身也有生命周期

发生变化的不只是半导体产品。插座、接触器、探针卡、负载板、线缆和夹具本身也都是独立的物理系统。因此，它们同样会受到安装应力、磨损、污染、热膨胀、清洁和维修的影响。来料检验能够在组件安装之前验证其状态，但对于回流焊、安装、维护或经过数千次插拔之后的几何形状或电气路径，它无法提供任何信息。

插座尤其值得关注，因为每一次电气测量都依赖于一个必须为每个器件重新建立的机械接触。接口会回到大致相同的位置，却不会回到完全相同的物理状态。弹簧会压缩和释放，接触表面会发生移动，碎屑会四处分布，而反复动作会逐渐改变器件、插座和负载板之间的关系。

“如果插座工作良好，那么第一次测试就应该是一次有效的测试，不应该需要通过重新测试来挽回这些随机失效。”Modus Test应用与产品管理总监Jack Lewis表示，“每次重新激活插座，它都会发生细微变化。这种变化以及它的稳定程度，是一个重大问题。”

重新测试时的高恢复率可能意味着测量路径无法在每次动作之间可靠地返回相同的结果。两次测试之间，器件本身未必发生了变化，但接口可能已经发生变化。

其中一些变化甚至在反复使用开始之前就已经出现。回流焊、电路板翘曲、机械固定以及正常的组装公差，都可能改变插座的安装平面，而该插座在出厂时可能还处于完全符合规格的状态。

“插座和互连计量领域最大的缺口，是安装后的验证。”Nordson Test & Inspection业务开发总监Vidya Vijay表示，“触点几何形状会在表面贴装过程中发生变化，但大多数工厂在没有检查共面度、间距以及贴面平整度是否仍在规格范围内的情况下，就将插座送回生产。”

这里的失效触发条件非常明确。安装改变了物理结构，因此应该触发对最有可能发生变化的尺寸进行验证。

“多数工厂都具备引脚级电阻映射，但从未将其作为正式的控制图运行；而来料插座验证也几乎被跳过，因为复杂检测需要耗费时间。”Vijay表示。

同样的逻辑贯穿接口的整个生命周期。清洁可能恢复接触电阻，但同时增加机械磨损。此外，即使测试仪仍然处于校准状态，污染也会不断累积，弹簧会失去弹力，热循环也会改变电路板和插座的特性。物理检测能够识别几何形状变化，而电气监测则能够发现运行过程中逐渐出现的性能退化。

“我们可以检查force端和sense端之间的电压降。”Advantest测试技术总监Fabio Pizza表示，“探针组件前方的扩展sense连接还可以实时监测探针接触电阻。这样就能够看到探针何时开始退化，并在测量路径偏离标准运行状态时触发警报。”

接口生命周期中的一切都指向同一个区别。校准用于确定仪器相对于某个参考标准的准确性。系统验证则用于确定仪器、板卡、触点、热条件以及物理路径是否仍然能够产生一个能够代表被测器件的结果。

再验证应当跟随状态，而不是日期

大多数测量系统仍然根据日期、插拔次数、预防性维护计划或良率明显下降来进行重新验证。这些控制方法假定设备退化会以可预测的速度发生，而随着裕量缩小，这一假设越来越站不住脚。插座可能在安装过程中就已经损坏，远在达到其规定插拔次数上限之前。探针卡可能出现不均匀的污染，而软件版本更新也可能悄然改变此前已经验证过的测量条件。这些变化都不会按照具体日期发生。

这里真正的问题是：系统是否已经发生足够大的变化，以至于需要重新验证？一些触发条件很明显，例如回流焊、维修和硬件更换，以及异常的温度变化。其他问题则会逐渐从数据中显现出来，例如不同测试位置之间的差异扩大、临界值区间发生偏移，或者参考器件上的偏差不断增大。

“校准正在从依据具体时间转向依据状态。”Keysight的Channappa表示，“固定的年度周期实际上是在赌漂移发生得缓慢且均匀。随着裕量缩小，答案是要在两次校准之间进行持续的原位验证，并利用SPC监控检查标准，让验证间隔根据系统的实际情况进行调整，而不是根据日期确定。可追溯性必须延伸到测量结果本身，而不仅仅是仪器。”

校准证书可以证明仪器在某个特定时刻满足规定标准，但对于产生某一生产结果时插座、夹具、负载板、去嵌入模型、软件配置以及热环境的状态，它并不能说明任何问题。当新产品进入现有测试单元时，这一点尤其重要。此前的验证可能针对的是裕量更大或时序要求更低的器件，因此测量路径本身可能完全没有退化，但其验证结果已经不再适用于新的使用场景。

有效性记录必须将测量结果与产生该结果的条件联系起来，包括仪器和校准状态、测试位置和通道、接口硬件、测试程序和软件版本、温度和功率，以及产品在整个流程中所处的位置。否则，就只能等到物理变化最终转化为一次良率事件。

Nordson的Vijay表示：“插座的规格已经非常成熟。唯一真正的问题是，你是在良率事件发生之前测量它们，还是在事件发生之后测量。”

这就是预测性控制与反应式控制之间的实际区别。反应式维护是在器件被错误分档、重新测试或被留待调查之后，才发现测量路径已经失效。预测性控制则会寻找系统即将达到失效点的证据，并根据实际表现延长或缩短维护间隔。测量系统不存在固定的有效期。它的有效性取决于经历过哪些事件，以及它仍然代表合格状态的证据。

早期结果必须保持可审计性

一项早期测量可能直到数月之后才受到审查，例如，当可靠性问题被追溯到某一材料批次、某一插座系列出现意外的磨损机制，或者更新后的检测程序发现了原有方法遗漏的缺陷时。此时，工程师需要的不只是证明器件通过测试的记录。他们还需要测量值、剩余裕量，以及获得该结果时所处的条件。

“我们的模型会将芯片的实际测量结果与根据其工艺和时序特征预测的行为进行比较。”proteanTecs高级业务发展总监Nir Sever表示，“我们曾经遇到客户保留了被我们标记为潜在异常值的器件，而几个月后，这些器件又以RMA（退货授权）的形式返回。当他们回头查看时，那个警告其实早已存在，而他们已经不愿意再承担同样的风险。”

后续发生的失效并不一定意味着原始测量结果无效。它可能表明，一个被当作正常波动处理的参数，实际上是某种失效机制的早期指标，而当时人们还没有理解这种机制。只有当底层数值及其背景信息得以保留时，才能重新发现这种区别。

这并不意味着需要永久保存每一条原始波形。数据保留取决于产品、失效风险和经济因素。必须保留下来的是足以重构原始决策的信息，包括测得的参数值、其距离规格上限的裕量、测试位置的标识、接口硬件、温度、功率状态、软件版本、上游批次信息，以及任何异常行为，例如重新测试后的恢复情况。如果缺少这些背景信息，调查人员可能能够确定某些东西发生了变化，却无法确定哪些早期结果值得重新审查。

来自不同插入环节的测量结果结合起来，也比各自独立存在时发挥更大的作用。晶圆测试、芯粒级测试、组装后测试、老化测试以及系统级测试分别观察产品所处的不同状态。以往，这些测试环节作为彼此独立的关卡运行，这掩盖了器件在不同环节之间发生的变化。

“过去，不同的测试环节彼此独立，互不关联。”Advantest的Pizza表示，“现在，早期测试环节收集的数据可以被重新用于优化后续测试环节。一个器件可能先在芯粒级或晶圆级进行测试，然后在组装后再次测试，因此跟踪边缘批次，并针对组装后的器件采用正确的限制条件和测试模式非常重要。”

早期结果的价值可能更多是用于比较，而不是描述当前状态。它能够确定器件在键合、封装应力或新的热环境出现之前是什么状态。一个在晶圆测试中表现出较大裕量、组装后却变成边缘状态的芯粒，会将调查人员引向封装引起的应力、供电或热行为。一个原本就已经逐渐向分布边缘漂移的器件，则可能意味着封装放大了原有缺陷，而不是产生了新的缺陷。

“它已经不再是一个具有固定限制和固定测试模式的静态测试流程。”Pizza补充道，“复杂器件需要一个动态测试生态系统。”

跨测试环节的可追溯性使有选择性的隔离成为可能。当后续出现的异常与某个材料批次、工艺设备、组装条件、测试单元或插座群体建立关联时，制造商可以隔离那些历史记录与风险存在重叠的器件，而不是将某个宽泛时间窗口内的所有器件都视为可疑对象。这样一来，早期测量结果就可以根据测量发生时尚不存在的新信息进行确认、重新解释或撤销。

结论

单独来看，薄膜测量、图形化器件测量或最终电气测试的结果都可能是正确的。当其中一个测量结果被用于描述与获得该结果时不同的物理状态时，问题就会出现。

当晶圆状态发生变化、测量路径发生变化，或者工程师发现原始解释并不完整时，一项测量结果的有效性就会持续降低。图形化、组装、热暴露、安装、污染、磨损以及后来才被理解的失效机制，都可能单独或共同改变早期测量结果所代表的意义。

这并不意味着早期测量结果没有价值。整片晶圆的测量结果仍然可以识别沉积偏离，芯粒级测量结果也可以提供隔离组装影响所需的基准。但此时，它已经成为历史证据，而不是当前状态的证明。

真正的问题不是一项测量结果有多“老”，而是条件是否发生了变化，以及赋予这一结果意义的那些假设是否也发生了变化。