芯耀
259
?
說到半導體，里面可以談的東西可太多了。從一粒沙子變成一個硅晶圓片，無數(shù)的半導體人在為之付諸努力。一些有關與半導體制造的流程，可以點擊這里，與非網(wǎng)小編在之前就與大家分享過相關的知識。今天我們抽絲剝繭，不講籠統(tǒng)的制造流程，而是給大家來扒一扒其中半導體測試設備這一部分。
要知道在半導體時代的初期，器件是一些簡單的 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行測試。而到今天，半導體器件已經(jīng)躋身于人類的最復雜創(chuàng)造之列。例如，現(xiàn)代微處理器要求成千上萬技術人員一起工作若干年的共同努力，以設計和每年制造出數(shù)百萬個器件常規(guī)用于計算機、通信系統(tǒng)、汽車和游戲中。
?
隨著半導體復雜性的增加，必須發(fā)明能應對期間日益增多的性能和種類的測試需要的新型測試儀器和儀器組合，在接下來的文章，與非網(wǎng)小編將帶大家走進半導體測試設備的世界。
首先我們要知道，在半導體制造過程中，那些地方需要用到測試這一環(huán)節(jié)。集成電路檢測根據(jù)工藝所處的環(huán)節(jié)可以分為設計驗證、前道量檢測和后道檢測。狹義上以為集成電路測試集中在封測環(huán)節(jié)，其實并不是這樣的，檢測貫穿與生產(chǎn)流程始終。
設計驗證
設計驗證用于 IC 設計階段，主要采用電學檢測技術驗證樣品是否實現(xiàn)預定的設計功能。 設計驗證和后道檢測涉及到的檢測原理、檢測設備相同，其設備本質(zhì)上屬于一類設備，且設計驗證所需檢測產(chǎn)品數(shù)量很少，對應設備需求很小，因此本文著重介紹前道檢測設備及后道檢測設備。
前道檢測
前道量檢測運用于晶圓的加工制造過程，它是一種物理性、功能性的測試，用以檢測每一步工藝后產(chǎn)品的加工參數(shù)是否達到了設計的要求，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。
前道量檢測根據(jù)測試目的可以細分為量測和檢測。 量測主要是對芯片的薄膜厚度、關鍵尺寸、套準精度等制成尺寸和膜應力、摻雜濃度等材料性質(zhì)進行測量，以確保其符合參數(shù)設計要求；而檢測主要用于識別并定位產(chǎn)品表面存在的雜質(zhì)顆粒沾污、機械劃傷、晶圓圖案缺陷等問題。
前道量檢測分類及主要技術
?
前道檢測主要設備
前道量檢測設備種類繁多，但大體上都是根據(jù)光學和電子束原理進行工作。 根據(jù)檢測標的對良率的影響程度， 橢偏儀、四探針、 熱波系統(tǒng)、相干探測顯微鏡、光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡是前道量檢測領域內(nèi)比較重要的設備。為滿足未來更加嚴格的精度要求，設備企業(yè)除了在原有技術的基礎上進行工藝改進，性能提升外， 還會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工藝中的應用比重。
1、橢偏儀
測量透明、半透明薄膜厚度的主流方法，它采用偏振光源發(fā)射激光，當光在樣本中發(fā)生反射時，會產(chǎn)生橢圓的偏振。橢偏儀通過測量反射得到的橢圓偏振，并結合已知的輸入值精確計算出薄膜的厚度，是一種非破壞性、非接觸的光學薄膜厚度測試技術。在晶圓加工中的注入、刻蝕和平坦化等一些需要實時測試的加工步驟內(nèi)，橢偏儀可以直接被集成到工藝設備上，以此確定工藝中膜厚的加工終點。
?
2、四探針
測量不透明薄膜厚度。由于不透明薄膜無法利用光學原理進行測量，因此會利用四探針儀器測量方塊電阻，根據(jù)膜厚與方塊電阻之間的關系間接測量膜厚。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，與正方形薄層的尺寸無關。四探針將四個在一條直線上等距離放置的探針依次與硅片進行接觸，在外面的兩根探針之間施加已知的電流，同時測得內(nèi)側兩根探針之間的電勢差，由此便可得到方塊電阻值。
?
3、熱波系統(tǒng)
測量摻雜濃度。熱波系統(tǒng)通過測量聚焦在硅片上同一點的兩束激光在硅片表面反射率的變化量來計算雜質(zhì)粒子的注入濃度。在該系統(tǒng)內(nèi)，一束激光通過氬氣激光器產(chǎn)生加熱的波使硅片表面溫度升高，熱硅片會導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)生的晶體缺陷點的數(shù)目。由此，測量雜質(zhì)粒子濃度的熱波信號探測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，描述離子注入工藝后薄膜內(nèi)雜質(zhì)的濃度數(shù)值。
?
4、相干探測顯微鏡
套準精度測量設備。相干探測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，通過相干光的干涉圖形可以分辨出樣品內(nèi)部的復雜結構，增強了 CMP 后低對比度圖案的套刻成像能力。
?
5、光學顯微鏡
快速定位表面缺陷。光學顯微鏡使用光的反射或散射來檢測晶圓表面缺陷，由于缺陷會導致硅片表面不平整，進而表現(xiàn)出對光不同的反射、散射效應。根據(jù)對收到的來自硅片表面的光信號進行處理，光學顯微鏡就可以定位缺陷的位置。光學顯微鏡具有高速成像，成本經(jīng)濟的特點，是目前工藝下的一種主要的缺陷檢測技術。
?
6、掃描電子顯微鏡
對缺陷進行精準成像。掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)能夠達到百萬倍，能夠提供尺寸更小缺陷的信息，其放大性能明顯高于光學顯微鏡。掃描電子顯微鏡通過波長極短的電子束來掃描硅片，通過收集激發(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比。
?
市場空間巨大的前道檢測設備市場卻被一家獨霸？
據(jù) SEMI 統(tǒng)計及預測， 2017、 2018 年全球半導體設備投資額分別為 566.20、 627.30 億美元，同比增長 37.29%、 10.79%。其中晶圓廠前道制造設備投資額占比 80%，達到為 452.96、501.84 億美元。按歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計，前道量檢測設備約占據(jù)晶圓廠前道制造設備 11.5%的投資比例， 據(jù)此估計 2017 年該市場規(guī)模約為 52 億美元， 而 2018 年該市場規(guī)模將進一步擴大到 58 億美元。
KLA-Tencor 以 52%的市占率壟斷前道量檢測設備市場。 前道量檢測設備行業(yè)具有極高的技術、資金壁壘，對業(yè)內(nèi)公司研發(fā)能力有很強要求。目前市場呈現(xiàn)高度壟斷的局面，美國廠商 KLA-Tencor 占據(jù) 52%的市場份額，是行業(yè)內(nèi)的絕對龍頭， 遙遙領先排在第二位的 AMAT。 憑借在前道量檢測設備領域的壟斷地位， KLA 在 2016 年名列全球半導體設備商第五位，如今依舊在列。
?
前道量檢測設備廠商
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， 總部位于美國加州米爾皮塔斯市，公司主要為半導體、數(shù)據(jù)存儲、 LED 及其他相關納米電子產(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體前道量檢測設備行業(yè)， 目前其產(chǎn)品種類已經(jīng)覆蓋加工工藝環(huán)節(jié)的各類前道光學、電子束量檢測設備。 憑借其檢測產(chǎn)品高效、精確的性能特點， 科天以 52%的市場份額在行業(yè)內(nèi)具有絕對的龍頭地位。三星電子、臺積電、 Intel、 海力士、聯(lián)華、華虹、 中芯國際、 東芝、 美光等 IDM/Foundry 均是公司重要客戶。
Applied Materials(AMAT)
應用材料公司 Applied Materials, Inc. 創(chuàng)立于 1967 年，總部位于美國加州圣克拉拉，全職雇員 19,000 人（2018 年 3 月 31 日），是全球精密材料工程的領導廠商，提供全球半導體、平面顯示器、太陽能光電(PV)等行業(yè)所需的相關設備及服務，是目前全球最大的半導體設備和服務供應商。
日立（HITACHI）
日立（HITACHI），是來自日本的全球 500 強綜合跨國集團，1979 年便在北京成立了第一家日資企業(yè)的事務所。日立在中國已經(jīng)發(fā)展成為擁有約 150 家公司的企業(yè)集團。
事業(yè)領域涉及能源系統(tǒng)、保障人們安全舒適出行的鐵路等交通系統(tǒng)，運用大數(shù)據(jù)進行創(chuàng)新的信息系統(tǒng)，以及通過健康管理、診斷、醫(yī)療技術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)提供高性能的過程控制計量和檢測系統(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)存儲設備的制造。
Hermes Microvision
Hermes Microvision 是 1988 年成立于美國硅谷的研發(fā)性質(zhì)的高科技公司。2003 年在中國臺灣成立集團公司。集團致力于開發(fā)用于 ic 大規(guī)模集成電路生產(chǎn)線在線檢測的半導體設備，為半導體制造廠提供高性能指標以及高可靠性產(chǎn)品。該公司與 2016 年 6 月份被阿斯麥以 31 億元美元收購。
AstroNova
AstroNova 自 1969 年以來一直是高速數(shù)據(jù)采集和記錄市場的世界領導者，測試和測量業(yè)務部門為航空航天 / 國防、汽車、軌道交通、能源和通用工業(yè)市場設計與制造數(shù)據(jù)采集儀器和用品。
國產(chǎn)設備廠商：從細分領域突圍或許可行
據(jù)估算 2018/19 年中國大陸檢測設備市場空間為 149/218 億元，同比增長 43%/47%。其中前道檢測設備市場空間將分別從 2018 年的 84 億元增長 47%至 2019 年的 124 億元，市場空間廣闊。
1）涵蓋多種細分設備，覆蓋各類參數(shù)檢測。前道檢測針對膜厚、膜應力、折射率、線寬等關鍵參數(shù)進行測量，主要設備包括有圖形晶圓光學檢查設備 / 掩膜檢查設備 / 薄膜測量設備 / 關鍵尺寸掃描電子顯微鏡等，預計以上設備 2019e 中國大陸市場空間分別為 40/16/15/12 億元。
2）外資主導市場，國產(chǎn)設備有望從細分領域突圍?？铺?/ 日立 / 應用材料分別擁有 53%/13%/12%的份額，CR3 達 79%，市場基本被外資占據(jù)。目前上海睿勵在光學測量方面實現(xiàn)國產(chǎn)化，精測電子也已有布局，國產(chǎn)商未來有望在部分細分領域取得突破。
?
隨著半導體產(chǎn)能逐漸像中國大陸轉移，我國檢測設備也將迎來春風。本土檢測設備成為設備進口替代的先行者指日可待。
欲知下事如何？且聽下回分解。
與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，未經(jīng)許可，不得轉載！
?
