半導(dǎo)體制造背后的隱秘與偉大

半導(dǎo)體制造背后的隱秘與偉大

半導(dǎo)體晶圓的整個制造過程中包含數(shù)百個步驟，需要一到兩個月的時間。在任意一步如果附著了灰塵或塵粒，就會產(chǎn)生無法預(yù)測的缺陷。如果晶圓表面出現(xiàn)大量缺陷，則無法正確創(chuàng)建電路圖案，從而導(dǎo)致圖案缺失。如果有許多缺陷，它們會阻止電子電路正常工作，從而使芯片成為有缺陷的產(chǎn)品。

如果在流程的早期出現(xiàn)任何缺陷，那么在隨后的耗時步驟中進行的所有工作都將被浪費。因此，需要在半導(dǎo)體制造過程的關(guān)鍵點建立計量和檢查過程，以確?？梢源_認(rèn)和保持一定的良率。

檢測和量測雖然經(jīng)常被認(rèn)為是測量的同義詞，但它是一個更全面的概念，它不僅指測量本身，還指通過考慮誤差和準(zhǔn)確度以及計量設(shè)備的性能和機制進行的測量。如果圖案測量不在給定的規(guī)格范圍內(nèi)，則制造的設(shè)備不會按設(shè)計運行，在這種情況下，電路圖案的曝光轉(zhuǎn)移可能會被重新加工。

半導(dǎo)體晶片制造過程中的量測技術(shù)與工具

測量過程包括使用檢查設(shè)備根據(jù)特定標(biāo)準(zhǔn)檢查合規(guī)或不合規(guī)，以及異?；虿贿m用，是一種檢測晶圓中任何顆?；蛉毕莸倪^程，涉及許多的工具和技術(shù)。

原子力顯微鏡，Atomic Force Microscope，簡稱AFM是一種納米級高分辨的掃描探針顯微鏡，優(yōu)于光學(xué)衍射極限1000倍。該技術(shù)使用微型探針來實現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的測量。

AFM是利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測的目的，具有原子級的分辨率。

CD-SEM。臨界尺寸掃描電子顯微鏡 (CD-SEM) 是晶圓廠的主要計量工具。它用于自上而下的測量。它使用聚焦的電子束在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生信號。CD-SEM 是平面晶體管的關(guān)鍵計量工具，過去這些系統(tǒng)只能為 FinFET 做有限的工作。該工具可以測量FinFET寬度，但無法呈現(xiàn)出FinFET的高度和側(cè)壁角度。

在FinFET中，給定的計量工具必須進行12次或更多不同的測量，例如柵極高度、鰭片高度和側(cè)壁角。這些部分中的每一個還需要一個或多個單獨的測量。然而，CD-SEM 供應(yīng)商最近通過在工具中添加傾斜光束功能進行了升級。通過傾斜，該工具可以測量 FinFET 中的鰭片寬度、鰭片高度和側(cè)壁角度。

一些供應(yīng)商在CD-SEM中添加了其他新功能，例如反向散射。背散射電子檢測器或 BSE 集成到CD-SEM中，作為捕獲背散射電子的手段。這反過來又使 CD-SEM能夠確定結(jié)構(gòu)的成分或表面形貌。

CD-SAXS是下一代X射線散射計量技術(shù)。它測量周期性納米結(jié)構(gòu)的平均形狀、它們的邊緣粗糙度和間距行走。該技術(shù)仍處于研發(fā)階段。主要限制是擁有足夠明亮的X射線源來進行測量。

事實上沒有一種工具可以滿足FinFET的所有計量需求。所以一段時間以來，業(yè)界一直在談?wù)撘环N稱為混合計量的技術(shù)。在這種方法中，芯片制造商使用多種不同工具技術(shù)的混合搭配，然后將每種工具的數(shù)據(jù)結(jié)合起來。在一個示例中，通過CD-SEM和AFM測FinFET結(jié)構(gòu)。然后，將結(jié)果輸入OCD工具以驗證模型。

然而，混合計量仍處于發(fā)展的早期階段。挑戰(zhàn)在于這一過程需要將競爭對手的工具放在同一流程中并告訴競爭對手進行協(xié)作。

基于模型的紅外反射儀 (MBIR)。在基于模型的紅外反射儀中，紅外光被樣品反射。然后，使用樣品結(jié)構(gòu)模型分析反射強度與波長的關(guān)系。MBIR用于對3D NAND和DRAM中的薄膜堆棧進行成像。

散射測量。這是一種流行的光學(xué)臨界尺寸 (OCD) 計量形式。散射測量分析設(shè)備中光強度的變化，多用于內(nèi)存和邏輯芯片的檢測。OCD的關(guān)鍵在于芯片制造商必須開發(fā)復(fù)雜且耗時的模型。獲得參考數(shù)據(jù)的一種方法是切割晶片并使用 TEM 制作器件的橫截面。由于一過程花費極大，業(yè)內(nèi)開發(fā)了一種可以預(yù)測來自 TEM 的參考數(shù)據(jù)的技術(shù)。這可以降低 OCD的成本和上市時間。

光譜橢偏儀。這是光學(xué)臨界尺寸 (OCD) 計量的一種形式。光譜橢偏儀著眼于邏輯和存儲芯片中薄膜結(jié)構(gòu)的特性。橢偏儀是一種非破壞性的光學(xué)技術(shù)。

除了專業(yè)的量測技術(shù)及工具，量測環(huán)節(jié)還在引入其他的技術(shù)手段去提高準(zhǔn)確率。人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)就是正在進入晶圓廠和包裝公司的多個流程的代表性技術(shù)。

新設(shè)計的器件在制造啟動期間可能要對一個晶圓進行數(shù)千次計量過程。而隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈整體工藝的進步，缺陷也越來越難以被機器捕捉。每一個客戶訂購的探針卡，都需要為他們的特定應(yīng)用或芯片量身定制，如何優(yōu)化探針卡以滿足他們的需求是在晶圓上獲得高良率的關(guān)鍵。因此量測廠商正在嘗試建立大型客戶數(shù)據(jù)庫，讓客戶可以利用數(shù)據(jù)庫運行機器學(xué)習(xí)算法來查找N個與此匹配的設(shè)計。

目前人工智能及機器學(xué)習(xí)已經(jīng)被證實在晶圓廠和裝配廠的某些流程中有用。他們是很高效的優(yōu)化工具，在管理熱點或時鐘相移之類的工作中，可以起到及時優(yōu)化的作用。機器學(xué)習(xí)的基本用途則是：晶圓檢查、缺陷檢測、分類和預(yù)測、掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像去噪。

中國半導(dǎo)體檢測和量測實力如何？

中國是最大的半導(dǎo)體消費市場，占全球34.6%，也是最大的半導(dǎo)體設(shè)備市場占18.7%。但中國半導(dǎo)體制造使用的設(shè)備大部分來自美國，其中晶圓制造前端檢測和量測國產(chǎn)化設(shè)備國產(chǎn)化率更是小于2%，并大部分集中于成熟工藝。國內(nèi)龍頭存儲晶圓廠項目中，過程控制設(shè)備國產(chǎn)化率低于 10%。

全球半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備市場主要由海外廠商主導(dǎo)并壟斷，其中KLA 在大多細(xì)分領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢，此外AMAT、ASML、Nova、Hitachi 也有所布局。半導(dǎo)體工藝控制公司中KLA占比超50%。以長江存儲項目2021年上半年設(shè)備中標(biāo)情況來看，2021年上半年長江存儲累計中標(biāo)過程控制類設(shè)備約 350 臺，其中國產(chǎn)設(shè)備累計約14 臺。包括上海精測中標(biāo)6 臺集成式膜厚設(shè)備；中科飛測中標(biāo)1 臺晶圓表面凹陷檢測系統(tǒng)、5 臺光學(xué)表面三維形貌量測設(shè)備；睿勵科學(xué)中標(biāo) 1 臺介質(zhì)薄膜測量系統(tǒng)。與之相對，KLA 的設(shè)備機臺數(shù)量占總數(shù)量約26%，中標(biāo)數(shù)量約93 臺，覆蓋將近40種量測、檢測需求，超過國產(chǎn)半導(dǎo)體量測設(shè)備的6倍。

檢測和量測設(shè)備是半導(dǎo)體設(shè)備最難的領(lǐng)域之一，涉及的知識面非常廣，工程化非常困難，起步相對較晚的國產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在這一領(lǐng)域也相對落后，這一環(huán)節(jié)薄弱的根本原因還是人才儲備不足。

但中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，而且相關(guān)領(lǐng)域的人才也較為匱乏。半導(dǎo)體量測設(shè)備產(chǎn)業(yè)的突破需要結(jié)合物理學(xué)原理及高精密的自動化裝備技術(shù)，而中國物理及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)研究人才相對缺乏，精密設(shè)備及精密器件行業(yè)發(fā)展水平也較低，因此先進半導(dǎo)體量測設(shè)備的研發(fā)受配套行業(yè)技術(shù)水平的約束。

國內(nèi)半導(dǎo)體檢測量測廠商

中國的晶圓制造在全球市場的占比從2010年8.5%到2021年的8.5%，沒有太大變化。檢測作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的眼睛，如果發(fā)展不好，直接會影響半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)前進的步履。因此國產(chǎn)檢測、量測實力的發(fā)展已經(jīng)迫在眉睫，好在目前已經(jīng)有一些公司在探索中取得了一定成績。

上海精測全面布局膜厚及 OCD檢測、SEM 檢測等技術(shù)方向。在膜厚方面，上海精測已經(jīng)推出了膜厚檢測設(shè)備、OCD檢測設(shè)備等多款半導(dǎo)體測量設(shè)備。技術(shù)演進路徑從膜厚檢測的EFILM 200UF 到 EFILM 300IM，再到EFILM 300SS/DS，再到OCD測量的EPROFILE 300FD，功能更加豐富，精密度逐漸提高。在電子光學(xué)SEM 檢測方向，公司已于2020 年底交付首臺電子束檢測設(shè)備、2021 年交付首臺OCD 設(shè)備。

睿勵科學(xué)成立于 2005 年，專注于半導(dǎo)體量測檢測設(shè)備。睿勵的主營產(chǎn)品為光學(xué)膜厚測量設(shè)備和光學(xué)缺陷檢測設(shè)備。22021 年 4 月，睿勵首臺自主研發(fā)的高精度光學(xué)缺陷檢測設(shè)備（WSD200）裝箱出貨。2021 年6 月，公司自主研發(fā)的第三代光學(xué)膜厚測量設(shè)備TFX4000i 交付設(shè)備。

中科飛測總部位于深圳龍華區(qū)，自主研發(fā)針對生產(chǎn)質(zhì)量控制的世界領(lǐng)先的光學(xué)檢測技術(shù)，以工業(yè)智能檢測設(shè)備為核心產(chǎn)品。公司在下游客戶已經(jīng)正式出貨尺寸量測、缺陷檢測設(shè)備等。

深圳埃芯半導(dǎo)體基于半導(dǎo)體前道薄膜量測、關(guān)鍵尺寸量測、材料量測也已經(jīng)推出多系列設(shè)備?？梢詫?yīng)7nm、5nm及以上技術(shù)節(jié)點的量測需求，以及3D NAND的128-256層堆疊結(jié)構(gòu)；也具備了將X射線應(yīng)用在量測設(shè)備中的能力。

作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體設(shè)備支撐起了半導(dǎo)體5500億美元的市場規(guī)模，影響著整個電子產(chǎn)業(yè)。而檢測、量測是貫穿芯片制造的生產(chǎn)線的全部流程，是半導(dǎo)體良率控制的關(guān)鍵。對于Fab來說，上千道工序，由于每道良率需要相乘，有一個0%就意味著產(chǎn)品無法量產(chǎn)，即使全部99.9%，1000個相乘后，成品的良率將只有36.8%。如果檢測、量測設(shè)備被人卡脖子，對于國產(chǎn)半導(dǎo)體的制造也將是沉重的打擊。

檢測和量測在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大鏈條中或許沒那么顯眼，但半導(dǎo)體國產(chǎn)化的進程中必須建立起中國自己的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)之眼。

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