微崇半導體董事長黃崇基：半導體量檢測新方式探索——二諧波晶圓檢測

| 半導體量檢測是半導體工藝的“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)領袖峰會在上海浦東張江召開，微崇半導體董事長黃崇基在次日舉辦的設備材料分論壇中以《半導體量檢測設備報告》為主題進行演講。

半導體質量控制貫穿于半導體制造的全過程，保障著芯片性能與生產(chǎn)良率。隨著制程不斷先進，工藝環(huán)節(jié)也逐漸復雜，對質量控制提出了更高的要求，對量測設備與檢測設備的需求量倍增。微崇半導體成立于2021年3月，立足于非線性光學晶圓檢測技術領域，致力于研發(fā)先進的半導體檢測技術與半導體檢測設備。目前，微崇半導體在開發(fā)二諧波檢測技術方面積累了豐富的經(jīng)驗。

半導體量檢測是半導體工藝的“眼睛”，是半導體檢測設備領域中非常重要的領域。隨著制程與產(chǎn)量的提高，設備的量檢測需求增長非常明顯。2016年至2021年全球半導體檢測量測設備市場規(guī)模的復合年增長率為20.0%，2021年全球市場規(guī)模達到102.6億美元；中國大陸市場規(guī)模5年復合年增長率為35.6%，2021年市場規(guī)模為29.6億美元。

黃崇基認為，當前國產(chǎn)量檢測市場需求端，市場變大了，客戶更多了，接受度也更高了。市場需求的變化也在供需端產(chǎn)生量不少影響，客戶對量檢測設備的要求更高，玩家更多，內卷也更激烈。他呼吁行業(yè)能夠建立量檢測設備能力相應的評估標準，通過呈現(xiàn)報告的方式讓客戶有更準確的期待，這樣客戶提要求時會站在更客觀、更理性的角度。量檢測領域的玩家變多了，業(yè)務多有重疊，人才快速流動，競爭越來越激烈。在黃崇基看來，良性的“內卷”和“競爭”環(huán)境，會更好地促進產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和迭代，也促進行業(yè)的發(fā)展。

據(jù)黃崇基介紹，量檢測可分為量測（metrology）與檢測（Inspection）。先說量測，黃崇基引用KLA的“You can`t control what you can`t measure”來做解釋。微崇將量測分為黃光區(qū)量測（光刻相關量測）和白光區(qū)量測。黃光區(qū)量測主要有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)在市場上大概100K的10萬片月產(chǎn)能存儲廠大概需求超過10臺的一些設備，比如OVL-IBO、CD-SEM、THK、OCD等。這里給各位簡單介紹三個用量較大的量測設備和手段：（1）套刻精度量測OVL，比如用光學顯微成像IBO以及光學衍射DBO，測量層與層之間的套刻精度；（2）薄膜厚度測量（THK），比如用橢圓偏振或四探針，量測膜層的厚度和其他膜層參數(shù)，多用于氧化層；（3）關鍵尺寸測量（CD），主要用光學散射測量OCD、掃描電鏡CD-SEM去測一些關鍵的尺寸、高度、測壁角等。再說檢測，他引用KLA另一句話“You can`t fix what you can`t find”。這一領域主要測量隨機發(fā)生的問題，如現(xiàn)在比較受關注的明場BF、暗場DF、無圖形晶圓的各類缺陷檢測等。

量檢測市場是存在剛需的。黃崇基認為原因主要在于兩方面。一方面，晶圓產(chǎn)量越大，量檢測設備需求會越大。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有國內月產(chǎn)能約為60萬片（12吋），已規(guī)劃月產(chǎn)能超過270萬片，未來規(guī)劃新增產(chǎn)能會超過210萬片/月。另一方面，制程越來越先進，量檢測設備也越來越重要。制程越先進，工藝步驟和次數(shù)變得越多且復雜。28nm工藝建廠花費為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。要買更多工藝設備，就需要更多量檢測設備進行檢測。據(jù)統(tǒng)計，一條月產(chǎn)能10萬片的DRAM工藝產(chǎn)線就需要150臺以上的量檢測設備，每臺均價超過200萬美元。

國產(chǎn)量檢測市場也存在發(fā)展的限制。首先，國內多發(fā)展成熟制程，工藝步驟和次數(shù)少且良率穩(wěn)定性較高，通常就會購買量檢測設備較少；其次，量檢測設備優(yōu)先級低于生產(chǎn)設備，晶圓廠在做規(guī)劃時，通常生產(chǎn)預算的優(yōu)先級都是工藝設備高于量檢測設備；第三，目前大量多量檢測設備，包括用于光學檢測的很多激光器，監(jiān)測器，很多都依賴于國外供應商。黃崇基呼吁國內晶圓制造企業(yè)多支持國內量檢測領域激光器等領域的廠商們，大家一起把這一領域做起來，未來不用再擔心在這一領域會“受限”。

對于國產(chǎn)量檢測設備的發(fā)展，黃崇基表示，國產(chǎn)量檢測設備發(fā)展近幾年突飛猛進，基本全方位覆蓋了所有的量檢測設備種類，廣度夠了，深度不夠，性能差異補足超越還需要很長的時間?，F(xiàn)在部分量檢測設備也缺少國產(chǎn)方案，原因在于：一是難度大，很多設備是明場做的，如果說光刻機是半導體工藝生產(chǎn)的“明珠”，明場就是半導體量檢測的工藝“明珠”。二是研發(fā)周期很長，國外頭部先驅具有先發(fā)優(yōu)勢，國內企業(yè)要做得快又做得好，有非常大的挑戰(zhàn)。三是市場太小，有些產(chǎn)線可能就需要一兩臺量檢測設備，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，部分量檢測設備存在非美方案，比如日本、歐洲、匈牙利、以色列等設備公司都有更加成熟的方案。

半導體生產(chǎn)制造過程中，在薄膜沉積、刻蝕、離子擴散、清洗等環(huán)節(jié)都存在著亟待解決的問題，比如在薄膜沉積過程中，膜層內部也可能存在缺陷；刻蝕過程中也會產(chǎn)生PID問題，包括深溝槽損傷、淺溝槽損傷、CIS損傷等；擴散過程中的離子注入劑量、速度和角度等檢測，以及退火的溫度、時間、方式帶來的差異。此外，客戶也需要精準數(shù)據(jù)做PID、PDM問題，這些都需要做好量檢測。

微崇從電學特性檢測的視角，使用了一種非常創(chuàng)新的晶圓檢測技術——二諧波晶圓檢測技術。二諧波晶圓檢測技術是通過激發(fā)、采集并分析晶圓界面和表面產(chǎn)生的二諧波信號，對晶圓的缺陷進行表征和診斷的技術。其原理是各類膜層之間的缺陷，通過二諧波達到硅襯底之后，激發(fā)硅襯底躍遷之后被一些缺陷所俘獲，就會動態(tài)產(chǎn)生二諧波。用這一方式可以檢測非常多與電學特性相關的，如界面態(tài)、積累電荷；薄膜質量相關的，如固定電荷、缺陷電荷、移動電荷、晶格缺陷等；和表面質量相關的，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技術已在多個應用場景驗證，如28nm以下制程的AP外延層可以做到無損檢測，擴散環(huán)節(jié)的熱擴散、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)，在設備維護更換零件后，根據(jù)量檢測技術反饋，如何調整使生產(chǎn)的硅片與之前性能相當。利用二諧波晶圓檢測技術，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。