半導體測試是什麼？找出不良晶片的檢查流程與設備

生活中的例子

手機和電腦裡的晶片，都是出貨前通過多次測試的產品。手機處理器裡有數十億個小開關，用眼睛看也分不出好壞。所以要輸入電訊號，用機器確認是否回傳正確的答案。

進入半導體公司後，常會聽到「測試製程」「良率」「bin」這類詞。不只工廠的人，業務和採購人員談價格和交期時也會用到。本文依照製程的順序，說明這些詞的意思。

整體流程：「看的檢查」與「電性測試」

找出不良品的作業，大致分成兩種。一種是用光學或電子顯微鏡觀察製造途中的晶圓，尋找微粒或形狀的偏差，並量測尺寸。另一種是讓電流通過完成的晶片，確認它能不能正常運作。

本文把前者稱為「檢查」，後者稱為「測試」。不過在現場，兩者常合稱為檢查，這並不是嚴格的規定。在晶圓上做出電路的階段稱為前段製程，把晶片切開、封裝的階段稱為後段製程。下圖顯示晶片在製程中前進時，會在哪裡接受檢查。

為什麼檢查這麼重要

不管做得多仔細，晶圓上總會有一定比例的不良晶片。做出的晶片中良品所占的比例，稱為良率。良率低，能賣的晶片就少，每顆晶片的成本也會上升。

不良品越晚發現，代價越高。把不良的晶片封裝，封裝的材料和工夫就白費了。如果已經焊到機器裡的電路板（基板）上，就得連基板一起修理或丟掉。如果產品已經交到使用者手上，就會有回收和更換的費用，也會影響公司的信譽。

所以要在製程的各處安排檢查和測試，盡量在早期攔下不良品。不過，檢查得越多，時間和設備的費用也越高。決定在哪裡、檢查什麼、檢查到什麼程度，也是重要的工作之一。

製造途中的檢查：看與量

前段製程要反覆幾十次沉積薄膜、轉印圖案、蝕刻的作業。在這過程中，會把晶圓放進專用設備，檢查它的狀態。目的是確認是否照預定做好，有偏差就及早修正製程。

第一種是尋找微粒和圖案缺損的檢查。光照到晶圓上時，有微粒的地方光會散射。也有比對相鄰晶片的影像、找出不同處的方法。這類設備稱為缺陷檢測設備。

找到的缺陷，並不是全都會造成不良。例如把導線從中切斷，或把導線彼此連在一起的缺陷，會讓晶片變成不良品。這種缺陷稱為致命缺陷，減少它的數量是提高良率的捷徑。

第二種是量測指定位置尺寸的量測作業。轉印圖案的線寬，是用細細的電子束從上方觀察的專用顯微鏡來量。這種顯微鏡稱為CD-SEM。

膜的厚度，是照光後從反射光性質的變化求出。這種量法之一稱為橢圓偏光術。因為不必接觸薄膜就能量，產品晶圓可以直接檢查。這類檢查與量測設備的主要廠商，有美國的科磊（KLA）等。

晶圓測試：用針接觸，逐顆測試

完成前段製程的晶圓上，晶片像棋盤格一樣排列著。在還沒切開的這個狀態下，用電逐顆測試晶片。這稱為晶圓測試。

晶片表面排著用來與外部連接的小電極。把排著許多細針的零件壓在這些電極上。這個零件稱為探針卡。針是配合晶片電極的位置排列的。

搬運晶圓、讓針和電極的位置精準對齊的設備，稱為探針台。主要廠商是東京威力科創和東京精密。每測完一顆，就移動晶圓，把針移到下一顆晶片。有時也會一次測試好幾顆。

產生並送出訊號，把回傳的答案和正確答案比較，自動判定是否為良品的設備是測試機。正式名稱是ATE（自動測試設備）。主要廠商是日本的愛德萬測試和美國的泰瑞達。設備的全貌，在「半導體設備是什麼？」中介紹。

結果會依晶片的位置記錄下來。這份紀錄稱為晶圓圖，判定為不良的晶片之後就不封裝。如果不良集中在特定區域，也能成為推測前段製程某處有問題的線索。

最終測試：封裝後再測一次

把良品晶片切開、封裝後，就成為零件的形狀（「半導體封裝是什麼？」）。封裝過程中，連接的線可能脫落，晶片也可能破裂。所以要把完成的零件再測試一次。這稱為最終測試。

最終測試時，搬運零件的機器會把零件放進測試用的插座（測試座）。這種機器稱為分類機（handler）。分類機會加熱或冷卻零件，讓它能在設定的溫度下量測。測試結束後，再依結果把零件分到不同的容器。

改變溫度來量測，是因為晶片的性能會隨溫度改變。例如車用零件的規格AEC-Q100，訂有使用溫度的等級。最嚴格的Grade 0，環境溫度範圍是−40～150 °C。兩種測試的差異整理成表，請見「晶圓測試與最終測試的差異」。

預燒測試：先找出容易早期損壞的晶片

晶片的故障，容易發生在剛開始使用的時期。因為製造時留下的小弱點，會在早期顯現出來。之後是故障很少的長時間穩定期，接近壽命時故障又會增加。這個形狀像浴缸的剖面，所以稱為浴缸曲線。

因此有一種方法，是在出貨前施加高溫和偏高的電壓讓晶片運作，先把較弱的晶片弄壞。這稱為預燒測試。條件依產品而不同。常被舉出的例子是125 °C、168小時（一週）（美國FDA的電子元件檢查指引等）。

預燒測試需要專用的設備和時間。因此，並不是所有產品都會做。車用、工業設備、資料中心伺服器用的晶片等，一旦故障損失很大的產品，比較常使用。溫度升高為什麼會加快劣化，請見「阿瑞尼斯方程式是什麼？」；做法的種類，請見「預燒測試種類的差異」。

電性測試檢查什麼

測試的內容依產品而不同。這裡大致依順序，列出許多晶片共通的代表性項目。實際的項目會分得更細。

• 有沒有接好：一開始先確認針或端子是否確實接觸晶片的電極。如果這裡失敗，其他結果也都不可信。
• 漏出的電流：量測開關明明關掉，卻還是流過的微小電流。太多的話，電池會耗得比較快。這也是找出不該連接的地方連在一起這類不良的線索。這種電流稱為漏電流。
• 能不能正確動作（功能）：輸入設定好的0與1組合，比較回傳的答案是否和正確答案一致。
• 速度：把電路運作的節拍（時脈）設成指定的速度，確認答案不會出錯。
• 功耗：量測運作時和停止時從電源流入的電流。用停止時的電流尋找缺陷的方法，稱為IDDQ測試。

依速度分級：同一個設計也可能變成不同型號

即使是同一個設計、在同一座工廠做的晶片，成品也會有些微差異。因為圖案的線寬和膜的厚度，都會有一點點不同。結果，能不出錯運作的最高速度，每顆晶片也會略有不同。

所以有時會在測試中量速度，依結果分成幾組。這種分類稱為分級（binning），每一組稱為bin（容器的意思）。速度快的一組當作高階型號賣得貴，慢的一組當作低階型號賣得便宜。2007年的大學研究論文，也把它當作應對差異的一般做法來說明。

不過，型號不同的晶片，並不一定都是同一個設計。哪些型號是從同一個設計分級出來的，廠商常常不公開。這裡能說的只到「同一個設計，也可能依測試結果用不同方式販售」為止。

設計成容易測試：掃描鏈與BIST

有數十億個開關的晶片，只靠外部的端子要測得完整非常困難。因為內部電路的狀態，從外面無法直接看到。所以從設計階段起，就把測試用的機制放進晶片。這種想法稱為DFT（可測試性設計）。

晶片裡有許多記住一個0或1的小電路。這稱為正反器。平常負責把計算途中的結果，記住到下一個節拍。

只有在測試時，才把這些正反器像鏈子一樣串成一列。從入口依序送入0和1，就能在內部電路設定想要的值。讓電路只運作一次，再從出口依序取出結果，和正確答案比較。這條鏈稱為掃描鏈，使用它的方法稱為掃描測試。

另一種方法，是把負責測試的電路本身放進晶片裡。晶片自己產生測試用的值，判定答案是否正確，只把結果告訴外部。這稱為BIST（內建自我測試），常用來檢查晶片內部的記憶體。兩者的差異，可以在「掃描測試與BIST的差異」中比較。

用假設的數字計算良率

我們用假設的數字來算算良率。這不是實際產品的數字，只是用來說明概念的例子。假設一片晶圓上有500顆晶片，晶圓測試有450顆合格。晶圓測試的良率是450÷500，也就是90%。

把合格的450顆封裝後做最終測試，假設有441顆合格。最終測試的良率是441÷450，也就是98%。整體來看，最初的500顆中有441顆可以出貨，約為88%。

像這樣，整體良率是各階段合格比例相乘的值（0.9×0.98≒0.88）。看哪個階段掉最多，就能大致判斷該修正哪道製程。晶片大小和良率的關係，可以用「晶粒良率計算器」試算。

常見的誤解

從數字來看

一片晶圓可以取得數百顆晶片，每一顆都要做電性測試。光是組裝和測試，就要花好幾週。晶片的價格裡，也包含了這些檢查的工夫。

進一步學習

• 製程的入門解說：「半導體晶片是怎麼做出來的？」「矽晶圓是什麼？」「半導體封裝是什麼？」
• 用表格看差異：「晶圓測試與最終測試的差異」「掃描測試與BIST的差異」「HTOL、THB、HAST、溫度循環與高溫儲存試驗的差異」
• 用語的詳細解說：ATPG（自動產生測試用的值）／故障涵蓋率／KGD（在組合多顆晶片的「小晶片（Chiplet）」中特別重要）
• 從工作的角度了解：測試和良率各有專門的人員，稱為測試工程師和良率工程師。