微崇半導(dǎo)體董事長(zhǎng)黃崇基：半導(dǎo)體量檢測(cè)新方式探索——二諧波晶圓檢測(cè)

| 半導(dǎo)體量檢測(cè)是半導(dǎo)體工藝的“眼睛”

10月13-14日，由張江高科、芯謀研究聯(lián)合主辦的第九屆張江高科·芯謀研究集成電路產(chǎn)業(yè)領(lǐng)袖峰會(huì)在上海浦東張江召開(kāi)，微崇半導(dǎo)體董事長(zhǎng)黃崇基在次日舉辦的設(shè)備材料分論壇中以《半導(dǎo)體量檢測(cè)設(shè)備報(bào)告》為主題進(jìn)行演講。

半導(dǎo)體質(zhì)量控制貫穿于半導(dǎo)體制造的全過(guò)程，保障著芯片性能與生產(chǎn)良率。隨著制程不斷先進(jìn)，工藝環(huán)節(jié)也逐漸復(fù)雜，對(duì)質(zhì)量控制提出了更高的要求，對(duì)量測(cè)設(shè)備與檢測(cè)設(shè)備的需求量倍增。微崇半導(dǎo)體成立于2021年3月，立足于非線性光學(xué)晶圓檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，致力于研發(fā)先進(jìn)的半導(dǎo)體檢測(cè)技術(shù)與半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備。目前，微崇半導(dǎo)體在開(kāi)發(fā)二諧波檢測(cè)技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

半導(dǎo)體量檢測(cè)是半導(dǎo)體工藝的“眼睛”，是半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域中非常重要的領(lǐng)域。隨著制程與產(chǎn)量的提高，設(shè)備的量檢測(cè)需求增長(zhǎng)非常明顯。2016年至2021年全球半導(dǎo)體檢測(cè)量測(cè)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模的復(fù)合年增長(zhǎng)率為20.0%，2021年全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到102.6億美元；中國(guó)大陸市場(chǎng)規(guī)模5年復(fù)合年增長(zhǎng)率為35.6%，2021年市場(chǎng)規(guī)模為29.6億美元。

黃崇基認(rèn)為，當(dāng)前國(guó)產(chǎn)量檢測(cè)市場(chǎng)需求端，市場(chǎng)變大了，客戶更多了，接受度也更高了。市場(chǎng)需求的變化也在供需端產(chǎn)生量不少影響，客戶對(duì)量檢測(cè)設(shè)備的要求更高，玩家更多，內(nèi)卷也更激烈。他呼吁行業(yè)能夠建立量檢測(cè)設(shè)備能力相應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)呈現(xiàn)報(bào)告的方式讓客戶有更準(zhǔn)確的期待，這樣客戶提要求時(shí)會(huì)站在更客觀、更理性的角度。量檢測(cè)領(lǐng)域的玩家變多了，業(yè)務(wù)多有重疊，人才快速流動(dòng)，競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。在黃崇基看來(lái)，良性的“內(nèi)卷”和“競(jìng)爭(zhēng)”環(huán)境，會(huì)更好地促進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和迭代，也促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

據(jù)黃崇基介紹，量檢測(cè)可分為量測(cè)（metrology）與檢測(cè)（Inspection）。先說(shuō)量測(cè)，黃崇基引用KLA的“You can`t control what you can`t measure”來(lái)做解釋。微崇將量測(cè)分為黃光區(qū)量測(cè)（光刻相關(guān)量測(cè)）和白光區(qū)量測(cè)。黃光區(qū)量測(cè)主要有OVL-IBO、OVL-DBO、In-die OVL-DBO、CD-SEM、HV-SEM、CDU、MASK Insp等；白光區(qū)量測(cè)包括THK、OCD、AFM、XPS、XRF、SDI、XRR、TXRF、FTIR、RS、MASS、TP等。黃崇基提到，現(xiàn)在市場(chǎng)上大概100K的10萬(wàn)片月產(chǎn)能存儲(chǔ)廠大概需求超過(guò)10臺(tái)的一些設(shè)備，比如OVL-IBO、CD-SEM、THK、OCD等。這里給各位簡(jiǎn)單介紹三個(gè)用量較大的量測(cè)設(shè)備和手段：（1）套刻精度量測(cè)OVL，比如用光學(xué)顯微成像IBO以及光學(xué)衍射DBO，測(cè)量層與層之間的套刻精度；（2）薄膜厚度測(cè)量（THK），比如用橢圓偏振或四探針，量測(cè)膜層的厚度和其他膜層參數(shù)，多用于氧化層；（3）關(guān)鍵尺寸測(cè)量（CD），主要用光學(xué)散射測(cè)量OCD、掃描電鏡CD-SEM去測(cè)一些關(guān)鍵的尺寸、高度、測(cè)壁角等。再說(shuō)檢測(cè)，他引用KLA另一句話“You can`t fix what you can`t find”。這一領(lǐng)域主要測(cè)量隨機(jī)發(fā)生的問(wèn)題，如現(xiàn)在比較受關(guān)注的明場(chǎng)BF、暗場(chǎng)DF、無(wú)圖形晶圓的各類缺陷檢測(cè)等。

量檢測(cè)市場(chǎng)是存在剛需的。黃崇基認(rèn)為原因主要在于兩方面。一方面，晶圓產(chǎn)量越大，量檢測(cè)設(shè)備需求會(huì)越大。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)月產(chǎn)能約為60萬(wàn)片（12吋），已規(guī)劃月產(chǎn)能超過(guò)270萬(wàn)片，未來(lái)規(guī)劃新增產(chǎn)能會(huì)超過(guò)210萬(wàn)片/月。另一方面，制程越來(lái)越先進(jìn)，量檢測(cè)設(shè)備也越來(lái)越重要。制程越先進(jìn)，工藝步驟和次數(shù)變得越多且復(fù)雜。28nm工藝建廠花費(fèi)為60億美元，7nm工藝建廠成本120多億美元，5nm這一數(shù)字將增至160億美元。要買更多工藝設(shè)備，就需要更多量檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一條月產(chǎn)能10萬(wàn)片的DRAM工藝產(chǎn)線就需要150臺(tái)以上的量檢測(cè)設(shè)備，每臺(tái)均價(jià)超過(guò)200萬(wàn)美元。

國(guó)產(chǎn)量檢測(cè)市場(chǎng)也存在發(fā)展的限制。首先，國(guó)內(nèi)多發(fā)展成熟制程，工藝步驟和次數(shù)少且良率穩(wěn)定性較高，通常就會(huì)購(gòu)買量檢測(cè)設(shè)備較少；其次，量檢測(cè)設(shè)備優(yōu)先級(jí)低于生產(chǎn)設(shè)備，晶圓廠在做規(guī)劃時(shí)，通常生產(chǎn)預(yù)算的優(yōu)先級(jí)都是工藝設(shè)備高于量檢測(cè)設(shè)備；第三，目前大量多量檢測(cè)設(shè)備，包括用于光學(xué)檢測(cè)的很多激光器，監(jiān)測(cè)器，很多都依賴于國(guó)外供應(yīng)商。黃崇基呼吁國(guó)內(nèi)晶圓制造企業(yè)多支持國(guó)內(nèi)量檢測(cè)領(lǐng)域激光器等領(lǐng)域的廠商們，大家一起把這一領(lǐng)域做起來(lái)，未來(lái)不用再擔(dān)心在這一領(lǐng)域會(huì)“受限”。

對(duì)于國(guó)產(chǎn)量檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展，黃崇基表示，國(guó)產(chǎn)量檢測(cè)設(shè)備發(fā)展近幾年突飛猛進(jìn)，基本全方位覆蓋了所有的量檢測(cè)設(shè)備種類，廣度夠了，深度不夠，性能差異補(bǔ)足超越還需要很長(zhǎng)的時(shí)間。現(xiàn)在部分量檢測(cè)設(shè)備也缺少國(guó)產(chǎn)方案，原因在于：一是難度大，很多設(shè)備是明場(chǎng)做的，如果說(shuō)光刻機(jī)是半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)的“明珠”，明場(chǎng)就是半導(dǎo)體量檢測(cè)的工藝“明珠”。二是研發(fā)周期很長(zhǎng)，國(guó)外頭部先驅(qū)具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)企業(yè)要做得快又做得好，有非常大的挑戰(zhàn)。三是市場(chǎng)太小，有些產(chǎn)線可能就需要一兩臺(tái)量檢測(cè)設(shè)備，創(chuàng)業(yè)公司可能不愿意花成本去做。四是存在非美替代方案，部分量檢測(cè)設(shè)備存在非美方案，比如日本、歐洲、匈牙利、以色列等設(shè)備公司都有更加成熟的方案。

半導(dǎo)體生產(chǎn)制造過(guò)程中，在薄膜沉積、刻蝕、離子擴(kuò)散、清洗等環(huán)節(jié)都存在著亟待解決的問(wèn)題，比如在薄膜沉積過(guò)程中，膜層內(nèi)部也可能存在缺陷；刻蝕過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生PID問(wèn)題，包括深溝槽損傷、淺溝槽損傷、CIS損傷等；擴(kuò)散過(guò)程中的離子注入劑量、速度和角度等檢測(cè)，以及退火的溫度、時(shí)間、方式帶來(lái)的差異。此外，客戶也需要精準(zhǔn)數(shù)據(jù)做PID、PDM問(wèn)題，這些都需要做好量檢測(cè)。

微崇從電學(xué)特性檢測(cè)的視角，使用了一種非常創(chuàng)新的晶圓檢測(cè)技術(shù)——二諧波晶圓檢測(cè)技術(shù)。二諧波晶圓檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)激發(fā)、采集并分析晶圓界面和表面產(chǎn)生的二諧波信號(hào)，對(duì)晶圓的缺陷進(jìn)行表征和診斷的技術(shù)。其原理是各類膜層之間的缺陷，通過(guò)二諧波達(dá)到硅襯底之后，激發(fā)硅襯底躍遷之后被一些缺陷所俘獲，就會(huì)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生二諧波。用這一方式可以檢測(cè)非常多與電學(xué)特性相關(guān)的，如界面態(tài)、積累電荷；薄膜質(zhì)量相關(guān)的，如固定電荷、缺陷電荷、移動(dòng)電荷、晶格缺陷等；和表面質(zhì)量相關(guān)的，如表面電荷分布均勻度等。

黃崇基表示，微崇的二諧波晶圓檢測(cè)技術(shù)已在多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景驗(yàn)證，如28nm以下制程的AP外延層可以做到無(wú)損檢測(cè)，擴(kuò)散環(huán)節(jié)的熱擴(kuò)散、離子注入、退火，以及刻蝕與清洗等環(huán)節(jié)。微崇還與客戶共同研發(fā)，在設(shè)備維護(hù)更換零件后，根據(jù)量檢測(cè)技術(shù)反饋，如何調(diào)整使生產(chǎn)的硅片與之前性能相當(dāng)。利用二諧波晶圓檢測(cè)技術(shù)，微崇幫助晶圓制造企業(yè)從新制程研發(fā)、產(chǎn)能爬坡、提高良率、增效降損，減少良率損失的影響，提升CIP。