半導體制造背后的隱秘與偉大
半導體制造背后的隱秘與偉大
半導體晶圓的整個制造過程中包含數百個步驟，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，就會產生無法預測的缺陷。如果晶圓表面出現大量缺陷，則無法正確創建電路圖案，從而導致圖案缺失。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品。
如果在流程的早期出現任何缺陷，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，需要在半導體制造過程的關鍵點建立計量和檢查過程，以確保可以確認和保持一定的良率。
檢測和量測雖然經常被認為是測量的同義詞，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確度以及計量設備的性能和機制進行的測量。如果圖案測量不在給定的規格范圍內，則制造的設備不會按設計運行，在這種情況下，電路圖案的曝光轉移可能會被重新加工。
半導體晶片制造過程中的量測技術與工具
測量過程包括使用檢查設備根據特定標準檢查合規或不合規，以及異常或不適用，是一種檢測晶圓中任何顆粒或缺陷的過程，涉及許多的工具和技術。
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，優于光學衍射極限1000倍。該技術使用微型探針來實現芯片結構的測量。
AFM是利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達到檢測的目的，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構表面產生信號。CD-SEM 是平面晶體管的關鍵計量工具，過去這些系統只能為 FinFET 做有限的工作。該工具可以測量FinFET寬度，但無法呈現出FinFET的高度和側壁角度。
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、鰭片高度和側壁角度。
一些供應商在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能夠確定結構的成分或表面形貌。
CD-SAXS是下一代X射線散射計量技術。它測量周期性納米結構的平均形狀、它們的邊緣粗糙度和間距行走。該技術仍處于研發階段。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，業界一直在談論一種稱為混合計量的技術。在這種方法中，芯片制造商使用多種不同工具技術的混合搭配，然后將每種工具的數據結合起來。在一個示例中，通過CD-SEM和AFM測FinFET結構。然后，將結果輸入OCD工具以驗證模型。
然而，混合計量仍處于發展的早期階段。挑戰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，使用樣品結構模型分析反射強度與波長的關系。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臨界尺寸 (OCD) 計量形式。散射測量分析設備中光強度的變化，多用于內存和邏輯芯片的檢測。OCD的關鍵在于芯片制造商必須開發復雜且耗時的模型。獲得參考數據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，業內開發了一種可以預測來自 TEM 的參考數據的技術。這可以降低 OCD的成本和上市時間。
光譜橢偏儀。這是光學臨界尺寸 (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構的特性。橢偏儀是一種非破壞性的光學技術。
除了專業的量測技術及工具，量測環節還在引入其他的技術手段去提高準確率。人工智能和機器學習技術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。
新設計的器件在制造啟動期間可能要對一個晶圓進行數千次計量過程。而隨著半導體產業鏈整體工藝的進步，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用或芯片量身定制，如何優化探針卡以滿足他們的需求是在晶圓上獲得高良率的關鍵。因此量測廠商正在嘗試建立大型客戶數據庫，讓客戶可以利用數據庫運行機器學習算法來查找N個與此匹配的設計。
目前人工智能及機器學習已經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，可以起到及時優化的作用。機器學習的基本用途則是：晶圓檢查、缺陷檢測、分類和預測、掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像去噪。
中國半導體檢測和量測實力如何？
中國是最大的半導體消費市場，占全球34.6%，也是最大的半導體設備市場占18.7%。但中國半導體制造使用的設備大部分來自美國，其中晶圓制造前端檢測和量測國產化設備國產化率更是小于2%，并大部分集中于成熟工藝。國內龍頭存儲晶圓廠項目中，過程控制設備國產化率低于 10%。
全球半導體檢測和量測設備市場主要由海外廠商主導并壟斷，其中KLA 在大多細分領域具有明顯優勢，此外AMAT、ASML、Nova、Hitachi 也有所布局。半導體工藝控制公司中KLA占比超50%。以長江存儲項目2021年上半年設備中標情況來看，2021年上半年長江存儲累計中標過程控制類設備約 350 臺，其中國產設備累計約14 臺。包括上海精測中標6 臺集成式膜厚設備；中科飛測中標1 臺晶圓表面凹陷檢測系統、5 臺光學表面三維形貌量測設備；睿勵科學中標 1 臺介質薄膜測量系統。與之相對，KLA 的設備機臺數量占總數量約26%，中標數量約93 臺，覆蓋將近40種量測、檢測需求，超過國產半導體量測設備的6倍。
檢測和量測設備是半導體設備最難的領域之一，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半導體產業在這一領域也相對落后，這一環節薄弱的根本原因還是人才儲備不足。
但中國半導體產業基礎相對薄弱，而且相關領域的人才也較為匱乏。半導體量測設備產業的突破需要結合物理學原理及高精密的自動化裝備技術，而中國物理及數學基礎研究人才相對缺乏，精密設備及精密器件行業發展水平也較低，因此先進半導體量測設備的研發受配套行業技術水平的約束。
國內半導體檢測量測廠商
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。檢測作為半導體產業的眼睛，如果發展不好，直接會影響半導體產業前進的步履。因此國產檢測、量測實力的發展已經迫在眉睫，好在目前已經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 檢測等技術方向。在膜厚方面，上海精測已經推出了膜厚檢測設備、OCD檢測設備等多款半導體測量設備。技術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SEM 檢測方向，公司已于2020 年底交付首臺電子束檢測設備、2021 年交付首臺OCD 設備。
睿勵科學成立于 2005 年，專注于半導體量測檢測設備。睿勵的主營產品為光學膜厚測量設備和光學缺陷檢測設備。22021 年 4 月，睿勵首臺自主研發的高精度光學缺陷檢測設備（WSD200）裝箱出貨。2021 年6 月，公司自主研發的第三代光學膜厚測量設備TFX4000i 交付設備。
中科飛測總部位于深圳龍華區，自主研發針對生產質量控制的世界領先的光學檢測技術，以工業智能檢測設備為核心產品。公司在下游客戶已經正式出貨尺寸量測、缺陷檢測設備等。
深圳埃芯半導體基于半導體前道薄膜量測、關鍵尺寸量測、材料量測也已經推出多系列設備。可以對應7nm、5nm及以上技術節點的量測需求，以及3D NAND的128-256層堆疊結構；也具備了將X射線應用在量測設備中的能力。
作為半導體產業的基礎，半導體設備支撐起了半導體5500億美元的市場規模，影響著整個電子產業。而檢測、量測是貫穿芯片制造的生產線的全部流程，是半導體良率控制的關鍵。對于Fab來說，上千道工序，由于每道良率需要相乘，有一個0%就意味著產品無法量產，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、量測設備被人卡脖子，對于國產半導體的制造也將是沉重的打擊。
檢測和量測在半導體產業的巨大鏈條中或許沒那么顯眼，但半導體國產化的進程中必須建立起中國自己的半導體產業之眼。
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