[原创] 芯片制造良率提升难？这家企业有妙法
2020-07-08
14:00:32
来源: 半导体行业观察
随着特征尺寸的不断微缩，半导体制造设备和制程工艺已逐渐趋于极限，目前，集成电路的晶体管数量，以及功耗和性能已经很难像过去那样，顺畅地按照摩尔定律演进，很大程度上源于工艺难度越来越大，成本也高得吓人。
据Gartner统计，16nm /14nm芯片的平均IC设计成本约为8000万美元，设计7nm芯片则需要2.71亿美元。面对高昂的成本问题，芯片生产厂商需要更加严格的提升半导体制造过程中的产品良率。
影响产品良率的原因有很多，化学分析与检测是提高良率的有效手段。芯片生产除了一系列生产设备（如光刻、薄膜生长、刻蚀、湿法等）外，还需使用到工艺检测和测试设备（如圆片表面颗粒和残留异物检查设备、薄膜材料厚度与物理常数设备等），以及与生产线密切相关的化学分析与检测设备（如无机元素和气态分子污染物AMC检测等）。
集成电路生产企业（Fab）不仅需要对进厂原材料进行检验，在对如清洗、刻蚀，显影等生产工艺监控时，也需要开展相关分析检测。对于Fab上游材料厂来说，则需要对其相应的产品进行生产质量控制与出厂检验。
化学分析与检测对集成电路生产非常重要，为原材料的质量提供眼睛，确保芯片生产质量和改善良率。前不久，业界就发生过因光刻胶中相关金属离子不达标从而引起几亿美金损失的惨痛教训。化学分析与检测样品一般包括硅片体金属与表面金属分析，以及工艺用到的超纯水、高纯化学品、电子特气和靶材等的分析。涵盖的项目一般包括无机离子、气态分子污染物（AMC）、颗粒等。
以无机元素检测分析为例，目前集成电路行业面临的主要挑战来自于两方面，一是对常见样品的分析能力，包括检出能力和该检出能力实现的难易程度与可靠性。另一方面就是一些新兴需求的解决方案，如在线化学品、气体直接进样等。以常见样品，如化学品硫酸为例，现有的技术手段存在分析时间长、部分关键元素检出能力不足、部分元素稳定性不佳以及需要频繁清洗维护等不足。
作为业界著名的分析仪器生产商，珀金埃尔默（PerkinElmer）在SemiCon China 2020接受了半导体行业观察记者的访问，讲述其与半导体检测之间不得不说的故事。
珀金埃尔默应用市场业务部高级产品经理朱敏先生表示，珀金埃尔默是一家具有 80 多年历史的全球性技术公司，始终致力于为创建更健康的世界而持续创新。公司于1978年伴随中国改革开放进入中国，是最早一批进入中国的外资企业之一。
朱敏先生指出，珀金埃尔默进入半导体领域发展是一件顺理成章的事情，因为其产品广泛，同时在业界各细分领域都获得了很大的认可，半导体领域自然也不例外。
以无机元素分析ICP-MS（电感耦合等离子体质谱仪）为例，世界上第一台商用的ICP-MS就是珀金埃尔默于1983年推出的，其推出的带有动态反应池（DRC）的Elan DRC II ICP-MS在半导体业内获得了极大的成功，赢得客户的广泛认可。ICP-MS因其高灵敏度、低检测限和多元素检测能力成了半导体制造商和各原材料供应商的重点关注对象，几乎可以取代传统的元素分析技术，被公认为最理想的无机元素分析方法，经过30多年的发展，已广泛应用于环境、地质、食品、医药、材料，如半导体等诸多领域。
凭借多年来在半导体领域的技术积淀，珀金埃尔默形成了多种领先、可靠的解决方案，主要分为两大类，一是涉及芯片生产过程中的无机元素和气态分子污染物（AMC）检测方案。另一大类是广泛应用于芯片封装中的材料表征类产品和方案，如傅里叶变换红外光谱仪、红外显微镜、差示扫描量热仪、热机械分析仪等。
“在这些产品和方案中，分析无机元素的原子光谱类仪器及其解决方案应用十分广泛。”朱敏说道，特别是基于NexION 系列的ICP-MS解决方案，广泛应用于半导体芯片生产中固体（如硅片体金属和表面金属等）、液体（如各类化学品和清洗液）和气体（如电子特气气体杂质直接进样分析）等样品的分析与检测，为工艺生产质量控制和改善良率提供敏锐的“眼睛”。
朱敏先生着重介绍了今年4月正式对外发布的NexION 5000化学高分辨多重四极杆ICP-MS。他指出，这款产品独有的四组四极杆设计结合碰撞反应池技术，提供超低的背景等效浓度和优异的检测极限，可获得分析结果的高精度和可重现性，性能全面优于现有高分辨HR-ICP-MS、传统三重四极杆和单四极杆ICP-MS。它的到来，必然会为集成电路行业相关化学分析无机元素检测带来质的提升，满足越来越严苛的工艺质控要求。
这款产品的性能十分突出，以化学品硫酸分析为例，它在半导体晶片清洗、半导体晶片蚀刻方面应用广泛，根据SEMI Grade 5标准，对半导体芯片生产中所有使用到的超纯化学品中关键无机元素离子的要求为小于10ppt。由于98%的硫酸具有一定粘度，未经稀释直接引入ICP-MS 进行分析会存在物理干扰，一般需要稀释10倍后再引入ICP-MS进行分析，因此，其要求的元素需要满足小于1ppt。这对于一些因硫酸基质带来的质谱干扰较大的元素如钛（Ti）、锌（Zn）的检测则非常困难。同时，硫酸的强腐蚀性，对ICP-MS仪器的长久稳定分析也提出了很高的要求。“而NexION 5000检测化学品硫酸中Ti和Zn含量都能轻松满足Semi Grade 5要求，同时其在热等离子体条件下进行分析，展现出很强的基体耐受性，长时间运行性能也非常优秀。”朱敏介绍说。
如今，业界也有一些厂商在积极研制和推出元素分析产品助力半导体检测，对于珀金埃尔默来说，除了生产更优质的产品以外，也将更多倾听客户声音，开发更多有针对性的应用方案。
生命不止，奋斗不息，作为科学仪器领域的领军企业，珀金埃尔默期待以不断的创新，将更多先进技术带给半导体检测分析行业，与产业一起进步与发展。
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