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(gè)制造過(guò)程中包含數(shù)百個(gè)步驟，需要一到兩個(gè)月的時(shí)間。在任意一步如果附著了灰塵或塵粒，就會(huì)產(chǎn)生無(wú)法預(yù)測(cè)的缺陷。如果晶圓表面出現(xiàn)大量缺陷，則無(wú)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(huì)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(shí)步驟中進(jìn)行的所有工作都將被浪費(fèi)。因此，需要在半導(dǎo)體制造過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)建立計(jì)量和檢查過(guò)程，以確保可以確認(rèn)和保持一定的良率。
檢測(cè)和量測(cè)雖然經(jīng)常被認(rèn)為是測(cè)量的同義詞，但它是一個(gè)更全面的概念，它不僅指測(cè)量本身，還指通過(guò)考慮誤差和準(zhǔn)確度以及計(jì)量設(shè)備的性能和機(jī)制進(jìn)行的測(cè)量。如果圖案測(cè)量不在給定的規(guī)格范圍內(nèi)，則制造的設(shè)備不會(huì)按設(shè)計(jì)運(yùn)行，在這種情況下，電路圖案的曝光轉(zhuǎn)移可能會(huì)被重新加工。
半導(dǎo)體晶片制造過(guò)程中的量測(cè)技術(shù)與工具
測(cè)量過(guò)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(cè)晶圓中任何顆?；蛉毕莸倪^(guò)程，涉及許多的工具和技術(shù)。
原子力顯微鏡，Atomic Force Microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)AFM是一種納米級(jí)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(lái)實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的測(cè)量。
AFM是利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測(cè)的目的，具有原子級(jí)的分辨率。
CD-SEM。臨界尺寸掃描電子顯微鏡 (CD-SEM) 是晶圓廠(chǎng)的主要計(jì)量工具。它用于自上而下的測(cè)量。它使用聚焦的電子束在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生信號(hào)。CD-SEM 是平面晶體管的關(guān)鍵計(jì)量工具，過(guò)去這些系統(tǒng)只能為 FinFET 做有限的工作。該工具可以測(cè)量FinFET寬度，但無(wú)法呈現(xiàn)出FinFET的高度和側(cè)壁角度。
在FinFET中，給定的計(jì)量工具必須進(jìn)行12次或更多不同的測(cè)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(gè)還需要一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的測(cè)量。然而，CD-SEM 供應(yīng)商最近通過(guò)在工具中添加傾斜光束功能進(jìn)行了升級(jí)。通過(guò)傾斜，該工具可以測(cè)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(cè)器或 BSE 集成到CD-SEM中，作為捕獲背散射電子的手段。這反過(guò)來(lái)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(xiàn)散射計(jì)量技術(shù)。它測(cè)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(xiàn)源來(lái)進(jìn)行測(cè)量。
事實(shí)上沒(méi)有一種工具可以滿(mǎn)足FinFET的所有計(jì)量需求。所以一段時(shí)間以來(lái)，業(yè)界一直在談?wù)撘环N稱(chēng)為混合計(jì)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(lái)。在一個(gè)示例中，通過(guò)CD-SEM和AFM測(cè)FinFET結(jié)構(gòu)。然后，將結(jié)果輸入OCD工具以驗(yàn)證模型。
然而，混合計(jì)量仍處于發(fā)展的早期階段。挑戰(zhàn)在于這一過(guò)程需要將競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的工具放在同一流程中并告訴競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手進(jìn)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(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系。MBIR用于對(duì)3D NAND和DRAM中的薄膜堆棧進(jìn)行成像。
散射測(cè)量。這是一種流行的光學(xué)臨界尺寸 (OCD) 計(jì)量形式。散射測(cè)量分析設(shè)備中光強(qiáng)度的變化，多用于內(nèi)存和邏輯芯片的檢測(cè)。OCD的關(guān)鍵在于芯片制造商必須開(kāi)發(fā)復(fù)雜且耗時(shí)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(guò)程花費(fèi)極大，業(yè)內(nèi)開(kāi)發(fā)了一種可以預(yù)測(cè)來(lái)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(shí)間。
光譜橢偏儀。這是光學(xué)臨界尺寸 (OCD) 計(jì)量的一種形式。光譜橢偏儀著眼于邏輯和存儲(chǔ)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(zhuān)業(yè)的量測(cè)技術(shù)及工具，量測(cè)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(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)就是正在進(jìn)入晶圓廠(chǎng)和包裝公司的多個(gè)流程的代表性技術(shù)。
新設(shè)計(jì)的器件在制造啟動(dòng)期間可能要對(duì)一個(gè)晶圓進(jìn)行數(shù)千次計(jì)量過(guò)程。而隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈整體工藝的進(jìn)步，缺陷也越來(lái)越難以被機(jī)器捕捉。每一個(gè)客戶(hù)訂購(gòu)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(mǎn)足他們的需求是在晶圓上獲得高良率的關(guān)鍵。因此量測(cè)廠(chǎng)商正在嘗試建立大型客戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)，讓客戶(hù)可以利用數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)查找N個(gè)與此匹配的設(shè)計(jì)。
目前人工智能及機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)被證實(shí)在晶圓廠(chǎng)和裝配廠(chǎng)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(diǎn)或時(shí)鐘相移之類(lèi)的工作中，可以起到及時(shí)優(yōu)化的作用。機(jī)器學(xué)習(xí)的基本用途則是：晶圓檢查、缺陷檢測(cè)、分類(lèi)和預(yù)測(cè)、掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像去噪。
中國(guó)半導(dǎo)體檢測(cè)和量測(cè)實(shí)力如何？
中國(guó)是最大的半導(dǎo)體消費(fèi)市場(chǎng)，占全球34.6%，也是最大的半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)占18.7%。但中國(guó)半導(dǎo)體制造使用的設(shè)備大部分來(lái)自美國(guó)，其中晶圓制造前端檢測(cè)和量測(cè)國(guó)產(chǎn)化設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率更是小于2%，并大部分集中于成熟工藝。國(guó)內(nèi)龍頭存儲(chǔ)晶圓廠(chǎng)項(xiàng)目中，過(guò)程控制設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率低于 10%。
全球半導(dǎo)體檢測(cè)和量測(cè)設(shè)備市場(chǎng)主要由海外廠(chǎng)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(shì)，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(zhǎng)江存儲(chǔ)項(xiàng)目2021年上半年設(shè)備中標(biāo)情況來(lái)看，2021年上半年長(zhǎng)江存儲(chǔ)累計(jì)中標(biāo)過(guò)程控制類(lèi)設(shè)備約 350 臺(tái)，其中國(guó)產(chǎn)設(shè)備累計(jì)約14 臺(tái)。包括上海精測(cè)中標(biāo)6 臺(tái)集成式膜厚設(shè)備；中科飛測(cè)中標(biāo)1 臺(tái)晶圓表面凹陷檢測(cè)系統(tǒng)、5 臺(tái)光學(xué)表面三維形貌量測(cè)設(shè)備；睿勵(lì)科學(xué)中標(biāo) 1 臺(tái)介質(zhì)薄膜測(cè)量系統(tǒng)。與之相對(duì)，KLA 的設(shè)備機(jī)臺(tái)數(shù)量占總數(shù)量約26%，中標(biāo)數(shù)量約93 臺(tái)，覆蓋將近40種量測(cè)、檢測(cè)需求，超過(guò)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體量測(cè)設(shè)備的6倍。
檢測(cè)和量測(cè)設(shè)備是半導(dǎo)體設(shè)備最難的領(lǐng)域之一，涉及的知識(shí)面非常廣，工程化非常困難，起步相對(duì)較晚的國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在這一領(lǐng)域也相對(duì)落后，這一環(huán)節(jié)薄弱的根本原因還是人才儲(chǔ)備不足。
但中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，而且相關(guān)領(lǐng)域的人才也較為匱乏。半導(dǎo)體量測(cè)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(dòng)化裝備技術(shù)，而中國(guó)物理及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)研究人才相對(duì)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(jìn)半導(dǎo)體量測(cè)設(shè)備的研發(fā)受配套行業(yè)技術(shù)水平的約束。
國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體檢測(cè)量測(cè)廠(chǎng)商
中國(guó)的晶圓制造在全球市場(chǎng)的占比從2010年8.5%到2021年的8.5%，沒(méi)有太大變化。檢測(cè)作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的眼睛，如果發(fā)展不好，直接會(huì)影響半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)前進(jìn)的步履。因此國(guó)產(chǎn)檢測(cè)、量測(cè)實(shí)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(jī)。
上海精測(cè)全面布局膜厚及 OCD檢測(cè)、SEM 檢測(cè)等技術(shù)方向。在膜厚方面，上海精測(cè)已經(jīng)推出了膜厚檢測(cè)設(shè)備、OCD檢測(cè)設(shè)備等多款半導(dǎo)體測(cè)量設(shè)備。技術(shù)演進(jìn)路徑從膜厚檢測(cè)的EFILM 200UF 到 EFILM 300IM，再到EFILM 300SS/DS，再到OCD測(cè)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(cè)方向，公司已于2020 年底交付首臺(tái)電子束檢測(cè)設(shè)備、2021 年交付首臺(tái)OCD 設(shè)備。
睿勵(lì)科學(xué)成立于 2005 年，專(zhuān)注于半導(dǎo)體量測(cè)檢測(cè)設(shè)備。睿勵(lì)的主營(yíng)產(chǎn)品為光學(xué)膜厚測(cè)量設(shè)備和光學(xué)缺陷檢測(cè)設(shè)備。22021 年 4 月，睿勵(lì)首臺(tái)自主研發(fā)的高精度光學(xué)缺陷檢測(cè)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(cè)量設(shè)備TFX4000i 交付設(shè)備。
中科飛測(cè)總部位于深圳龍華區(qū)，自主研發(fā)針對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量控制的世界領(lǐng)先的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，以工業(yè)智能檢測(cè)設(shè)備為核心產(chǎn)品。公司在下游客戶(hù)已經(jīng)正式出貨尺寸量測(cè)、缺陷檢測(cè)設(shè)備等。
深圳埃芯半導(dǎo)體基于半導(dǎo)體前道薄膜量測(cè)、關(guān)鍵尺寸量測(cè)、材料量測(cè)也已經(jīng)推出多系列設(shè)備?？梢詫?duì)應(yīng)7nm、5nm及以上技術(shù)節(jié)點(diǎn)的量測(cè)需求，以及3D NAND的128-256層堆疊結(jié)構(gòu)；也具備了將X射線(xiàn)應(yīng)用在量測(cè)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(chǎng)規(guī)模，影響著整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)。而檢測(cè)、量測(cè)是貫穿芯片制造的生產(chǎn)線(xiàn)的全部流程，是半導(dǎo)體良率控制的關(guān)鍵。對(duì)于Fab來(lái)說(shuō)，上千道工序，由于每道良率需要相乘，有一個(gè)0%就意味著產(chǎn)品無(wú)法量產(chǎn)，即使全部99.9%，1000個(gè)相乘后，成品的良率將只有36.8%。如果檢測(cè)、量測(cè)設(shè)備被人卡脖子，對(duì)于國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體的制造也將是沉重的打擊。
檢測(cè)和量測(cè)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的巨大鏈條中或許沒(méi)那么顯眼，但半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程中必須建立起中國(guó)自己的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)之眼。
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