芯耀
249
?
說(shuō)到半導(dǎo)體，里面可以談的東西可太多了。從一粒沙子變成一個(gè)硅晶圓片，無(wú)數(shù)的半導(dǎo)體人在為之付諸努力。一些有關(guān)與半導(dǎo)體制造的流程，可以點(diǎn)擊這里，與非網(wǎng)小編在之前就與大家分享過(guò)相關(guān)的知識(shí)。今天我們抽絲剝繭，不講籠統(tǒng)的制造流程，而是給大家來(lái)扒一扒其中半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備這一部分。
要知道在半導(dǎo)體時(shí)代的初期，器件是一些簡(jiǎn)單的 2 引腳或 3 引腳元件，如二極管和晶體管，其中的大部分都很容易用通用電子儀器進(jìn)行測(cè)試。而到今天，半導(dǎo)體器件已經(jīng)躋身于人類(lèi)的最復(fù)雜創(chuàng)造之列。例如，現(xiàn)代微處理器要求成千上萬(wàn)技術(shù)人員一起工作若干年的共同努力，以設(shè)計(jì)和每年制造出數(shù)百萬(wàn)個(gè)器件常規(guī)用于計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、汽車(chē)和游戲中。
?
隨著半導(dǎo)體復(fù)雜性的增加，必須發(fā)明能應(yīng)對(duì)期間日益增多的性能和種類(lèi)的測(cè)試需要的新型測(cè)試儀器和儀器組合，在接下來(lái)的文章，與非網(wǎng)小編將帶大家走進(jìn)半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備的世界。
首先我們要知道，在半導(dǎo)體制造過(guò)程中，那些地方需要用到測(cè)試這一環(huán)節(jié)。集成電路檢測(cè)根據(jù)工藝所處的環(huán)節(jié)可以分為設(shè)計(jì)驗(yàn)證、前道量檢測(cè)和后道檢測(cè)。狹義上以為集成電路測(cè)試集中在封測(cè)環(huán)節(jié)，其實(shí)并不是這樣的，檢測(cè)貫穿與生產(chǎn)流程始終。
設(shè)計(jì)驗(yàn)證
設(shè)計(jì)驗(yàn)證用于 IC 設(shè)計(jì)階段，主要采用電學(xué)檢測(cè)技術(shù)驗(yàn)證樣品是否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的設(shè)計(jì)功能。 設(shè)計(jì)驗(yàn)證和后道檢測(cè)涉及到的檢測(cè)原理、檢測(cè)設(shè)備相同，其設(shè)備本質(zhì)上屬于一類(lèi)設(shè)備，且設(shè)計(jì)驗(yàn)證所需檢測(cè)產(chǎn)品數(shù)量很少，對(duì)應(yīng)設(shè)備需求很小，因此本文著重介紹前道檢測(cè)設(shè)備及后道檢測(cè)設(shè)備。
前道檢測(cè)
前道量檢測(cè)運(yùn)用于晶圓的加工制造過(guò)程，它是一種物理性、功能性的測(cè)試，用以檢測(cè)每一步工藝后產(chǎn)品的加工參數(shù)是否達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，并且查看晶圓表面上是否存在影響良率的缺陷，確保將加工產(chǎn)線的良率控制在規(guī)定的水平之上。
前道量檢測(cè)根據(jù)測(cè)試目的可以細(xì)分為量測(cè)和檢測(cè)。 量測(cè)主要是對(duì)芯片的薄膜厚度、關(guān)鍵尺寸、套準(zhǔn)精度等制成尺寸和膜應(yīng)力、摻雜濃度等材料性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，以確保其符合參數(shù)設(shè)計(jì)要求；而檢測(cè)主要用于識(shí)別并定位產(chǎn)品表面存在的雜質(zhì)顆粒沾污、機(jī)械劃傷、晶圓圖案缺陷等問(wèn)題。
前道量檢測(cè)分類(lèi)及主要技術(shù)
?
前道檢測(cè)主要設(shè)備
前道量檢測(cè)設(shè)備種類(lèi)繁多，但大體上都是根據(jù)光學(xué)和電子束原理進(jìn)行工作。 根據(jù)檢測(cè)標(biāo)的對(duì)良率的影響程度， 橢偏儀、四探針、 熱波系統(tǒng)、相干探測(cè)顯微鏡、光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡是前道量檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)比較重要的設(shè)備。為滿足未來(lái)更加嚴(yán)格的精度要求，設(shè)備企業(yè)除了在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝改進(jìn)，性能提升外， 還會(huì)增加掃描電子顯微鏡、隧道顯微鏡和原子力顯微鏡在前道量檢測(cè)工藝中的應(yīng)用比重。
1、橢偏儀
測(cè)量透明、半透明薄膜厚度的主流方法，它采用偏振光源發(fā)射激光，當(dāng)光在樣本中發(fā)生反射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生橢圓的偏振。橢偏儀通過(guò)測(cè)量反射得到的橢圓偏振，并結(jié)合已知的輸入值精確計(jì)算出薄膜的厚度，是一種非破壞性、非接觸的光學(xué)薄膜厚度測(cè)試技術(shù)。在晶圓加工中的注入、刻蝕和平坦化等一些需要實(shí)時(shí)測(cè)試的加工步驟內(nèi)，橢偏儀可以直接被集成到工藝設(shè)備上，以此確定工藝中膜厚的加工終點(diǎn)。
?
2、四探針
測(cè)量不透明薄膜厚度。由于不透明薄膜無(wú)法利用光學(xué)原理進(jìn)行測(cè)量，因此會(huì)利用四探針儀器測(cè)量方塊電阻，根據(jù)膜厚與方塊電阻之間的關(guān)系間接測(cè)量膜厚。方塊電阻可以理解為硅片上正方形薄膜兩端之間的電阻，它與薄膜的電阻率和厚度相關(guān)，與正方形薄層的尺寸無(wú)關(guān)。四探針將四個(gè)在一條直線上等距離放置的探針依次與硅片進(jìn)行接觸，在外面的兩根探針之間施加已知的電流，同時(shí)測(cè)得內(nèi)側(cè)兩根探針之間的電勢(shì)差，由此便可得到方塊電阻值。
?
3、熱波系統(tǒng)
測(cè)量摻雜濃度。熱波系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量聚焦在硅片上同一點(diǎn)的兩束激光在硅片表面反射率的變化量來(lái)計(jì)算雜質(zhì)粒子的注入濃度。在該系統(tǒng)內(nèi)，一束激光通過(guò)氬氣激光器產(chǎn)生加熱的波使硅片表面溫度升高，熱硅片會(huì)導(dǎo)致另一束氦氖激光的反射系數(shù)發(fā)生變化，這一變化量正比于硅片中由雜質(zhì)粒子注入而產(chǎn)生的晶體缺陷點(diǎn)的數(shù)目。由此，測(cè)量雜質(zhì)粒子濃度的熱波信號(hào)探測(cè)器可以將晶格缺陷的數(shù)目與摻雜濃度等注入條件聯(lián)系起來(lái)，描述離子注入工藝后薄膜內(nèi)雜質(zhì)的濃度數(shù)值。
?
4、相干探測(cè)顯微鏡
套準(zhǔn)精度測(cè)量設(shè)備。相干探測(cè)顯微鏡主要是利用相干光的干涉原理，將相干光的相位差轉(zhuǎn)換為光程差。它能夠獲得沿硅片垂直方向上硅片表面的圖像信息，通過(guò)相干光的干涉圖形可以分辨出樣品內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了 CMP 后低對(duì)比度圖案的套刻成像能力。
?
5、光學(xué)顯微鏡
快速定位表面缺陷。光學(xué)顯微鏡使用光的反射或散射來(lái)檢測(cè)晶圓表面缺陷，由于缺陷會(huì)導(dǎo)致硅片表面不平整，進(jìn)而表現(xiàn)出對(duì)光不同的反射、散射效應(yīng)。根據(jù)對(duì)收到的來(lái)自硅片表面的光信號(hào)進(jìn)行處理，光學(xué)顯微鏡就可以定位缺陷的位置。光學(xué)顯微鏡具有高速成像，成本經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，是目前工藝下的一種主要的缺陷檢測(cè)技術(shù)。
?
6、掃描電子顯微鏡
對(duì)缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)成像。掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)能夠達(dá)到百萬(wàn)倍，能夠提供尺寸更小缺陷的信息，其放大性能明顯高于光學(xué)顯微鏡。掃描電子顯微鏡通過(guò)波長(zhǎng)極短的電子束來(lái)掃描硅片，通過(guò)收集激發(fā)和散射出的二次電子、散射電子等形成硅片表面的圖形，并得到不同材料間顯著的成分對(duì)比。
?
市場(chǎng)空間巨大的前道檢測(cè)設(shè)備市場(chǎng)卻被一家獨(dú)霸？
據(jù) SEMI 統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)， 2017、 2018 年全球半導(dǎo)體設(shè)備投資額分別為 566.20、 627.30 億美元，同比增長(zhǎng) 37.29%、 10.79%。其中晶圓廠前道制造設(shè)備投資額占比 80%，達(dá)到為 452.96、501.84 億美元。按歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，前道量檢測(cè)設(shè)備約占據(jù)晶圓廠前道制造設(shè)備 11.5%的投資比例， 據(jù)此估計(jì) 2017 年該市場(chǎng)規(guī)模約為 52 億美元， 而 2018 年該市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大到 58 億美元。
KLA-Tencor 以 52%的市占率壟斷前道量檢測(cè)設(shè)備市場(chǎng)。 前道量檢測(cè)設(shè)備行業(yè)具有極高的技術(shù)、資金壁壘，對(duì)業(yè)內(nèi)公司研發(fā)能力有很強(qiáng)要求。目前市場(chǎng)呈現(xiàn)高度壟斷的局面，美國(guó)廠商 KLA-Tencor 占據(jù) 52%的市場(chǎng)份額，是行業(yè)內(nèi)的絕對(duì)龍頭， 遙遙領(lǐng)先排在第二位的 AMAT。 憑借在前道量檢測(cè)設(shè)備領(lǐng)域的壟斷地位， KLA 在 2016 年名列全球半導(dǎo)體設(shè)備商第五位，如今依舊在列。
?
前道量檢測(cè)設(shè)備廠商
科天（KLA-Tencor）
科天（KLA-Tencor） 于 1997 年由 KLA 儀器公司和 Tencor 儀器公司合并創(chuàng)立， 總部位于美國(guó)加州米爾皮塔斯市，公司主要為半導(dǎo)體、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 LED 及其他相關(guān)納米電子產(chǎn)業(yè)提供前道工藝控制和良率管理的解決方案。 科天自成立起便深耕于半導(dǎo)體前道量檢測(cè)設(shè)備行業(yè)， 目前其產(chǎn)品種類(lèi)已經(jīng)覆蓋加工工藝環(huán)節(jié)的各類(lèi)前道光學(xué)、電子束量檢測(cè)設(shè)備。 憑借其檢測(cè)產(chǎn)品高效、精確的性能特點(diǎn)， 科天以 52%的市場(chǎng)份額在行業(yè)內(nèi)具有絕對(duì)的龍頭地位。三星電子、臺(tái)積電、 Intel、 海力士、聯(lián)華、華虹、 中芯國(guó)際、 東芝、 美光等 IDM/Foundry 均是公司重要客戶。
Applied Materials(AMAT)
應(yīng)用材料公司 Applied Materials, Inc. 創(chuàng)立于 1967 年，總部位于美國(guó)加州圣克拉拉，全職雇員 19,000 人（2018 年 3 月 31 日），是全球精密材料工程的領(lǐng)導(dǎo)廠商，提供全球半導(dǎo)體、平面顯示器、太陽(yáng)能光電(PV)等行業(yè)所需的相關(guān)設(shè)備及服務(wù)，是目前全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備和服務(wù)供應(yīng)商。
日立（HITACHI）
日立（HITACHI），是來(lái)自日本的全球 500 強(qiáng)綜合跨國(guó)集團(tuán)，1979 年便在北京成立了第一家日資企業(yè)的事務(wù)所。日立在中國(guó)已經(jīng)發(fā)展成為擁有約 150 家公司的企業(yè)集團(tuán)。
事業(yè)領(lǐng)域涉及能源系統(tǒng)、保障人們安全舒適出行的鐵路等交通系統(tǒng)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)新的信息系統(tǒng)，以及通過(guò)健康管理、診斷、醫(yī)療技術(shù)等提供健康生活的醫(yī)療保健等等
耐諾公司 Nanometrics(NANO)
耐諾公司 Nanometrics Incorporated 創(chuàng)立于 1975 年，總部位于美國(guó)加州米爾皮塔斯，全職雇員 518 人，在全球范圍內(nèi)提供高性能的過(guò)程控制計(jì)量和檢測(cè)系統(tǒng)，用于集成電路、傳感器、分立元件、高亮度發(fā)光二極管和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的制造。
Hermes Microvision
Hermes Microvision 是 1988 年成立于美國(guó)硅谷的研發(fā)性質(zhì)的高科技公司。2003 年在中國(guó)臺(tái)灣成立集團(tuán)公司。集團(tuán)致力于開(kāi)發(fā)用于 ic 大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線在線檢測(cè)的半導(dǎo)體設(shè)備，為半導(dǎo)體制造廠提供高性能指標(biāo)以及高可靠性產(chǎn)品。該公司與 2016 年 6 月份被阿斯麥以 31 億元美元收購(gòu)。
AstroNova
AstroNova 自 1969 年以來(lái)一直是高速數(shù)據(jù)采集和記錄市場(chǎng)的世界領(lǐng)導(dǎo)者，測(cè)試和測(cè)量業(yè)務(wù)部門(mén)為航空航天 / 國(guó)防、汽車(chē)、軌道交通、能源和通用工業(yè)市場(chǎng)設(shè)計(jì)與制造數(shù)據(jù)采集儀器和用品。
國(guó)產(chǎn)設(shè)備廠商：從細(xì)分領(lǐng)域突圍或許可行
據(jù)估算 2018/19 年中國(guó)大陸檢測(cè)設(shè)備市場(chǎng)空間為 149/218 億元，同比增長(zhǎng) 43%/47%。其中前道檢測(cè)設(shè)備市場(chǎng)空間將分別從 2018 年的 84 億元增長(zhǎng) 47%至 2019 年的 124 億元，市場(chǎng)空間廣闊。
1）涵蓋多種細(xì)分設(shè)備，覆蓋各類(lèi)參數(shù)檢測(cè)。前道檢測(cè)針對(duì)膜厚、膜應(yīng)力、折射率、線寬等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，主要設(shè)備包括有圖形晶圓光學(xué)檢查設(shè)備 / 掩膜檢查設(shè)備 / 薄膜測(cè)量設(shè)備 / 關(guān)鍵尺寸掃描電子顯微鏡等，預(yù)計(jì)以上設(shè)備 2019e 中國(guó)大陸市場(chǎng)空間分別為 40/16/15/12 億元。
2）外資主導(dǎo)市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)設(shè)備有望從細(xì)分領(lǐng)域突圍?？铺?/ 日立 / 應(yīng)用材料分別擁有 53%/13%/12%的份額，CR3 達(dá) 79%，市場(chǎng)基本被外資占據(jù)。目前上海睿勵(lì)在光學(xué)測(cè)量方面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，精測(cè)電子也已有布局，國(guó)產(chǎn)商未來(lái)有望在部分細(xì)分領(lǐng)域取得突破。
?
隨著半導(dǎo)體產(chǎn)能逐漸像中國(guó)大陸轉(zhuǎn)移，我國(guó)檢測(cè)設(shè)備也將迎來(lái)春風(fēng)。本土檢測(cè)設(shè)備成為設(shè)備進(jìn)口替代的先行者指日可待。
欲知下事如何？且聽(tīng)下回分解。
與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載！
?
