隨著芯片制造商向下一代 3D NAND 和 finFET 器件遷移，保持成本可接受的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量的難度正變得越來(lái)越大——但這并不僅僅是因?yàn)楣饪虇?wèn)題的復(fù)雜度越來(lái)越大。

舉個(gè)例子，為了制造一片先進(jìn)的邏輯芯片，一片晶圓要在晶圓廠中從一臺(tái)設(shè)備移到另一臺(tái)設(shè)備，其中的工藝步驟可多達(dá) 1000 步以上。設(shè)備或工藝過(guò)程中的任何瑕疵都可能導(dǎo)致晶圓缺陷，進(jìn)而影響產(chǎn)量。原因可能是設(shè)備本身中的看似不重要的部件或子系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，由晶圓設(shè)備中對(duì)工藝至關(guān)重要的元件帶來(lái)的缺陷會(huì)影響產(chǎn)量，SEMI 的半導(dǎo)體元件、儀器和子系統(tǒng)（SCIS）特別興趣組的成員如此表示，這個(gè)組織可以代表元件和子系統(tǒng)的供應(yīng)商。這些問(wèn)題已經(jīng)存在了一些時(shí)日了，但據(jù) SCIS 稱，隨著芯片制造商往 10/7nm 及以后的節(jié)點(diǎn)遷移，這些問(wèn)題將會(huì)變得更加棘手。SCIS 特別興趣組的成員公司包括GlobalFoundries、IM Flash、英特爾、美光、TI、三星以及主要的晶圓廠工具和元件供應(yīng)商。

晶圓廠設(shè)備中的元件和子系統(tǒng)常被理所當(dāng)然地認(rèn)為也就那樣，但它們?cè)诎雽?dǎo)體供應(yīng)鏈中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。比如說(shuō)，一些更為復(fù)雜的晶圓廠工具集成了來(lái)自數(shù)十家供應(yīng)商的超過(guò) 50000 個(gè)零部件。腔室、泵、射頻發(fā)生器、密封件和閥門(mén)就是其中的一些關(guān)鍵元件。

一般來(lái)說(shuō)，這些元件是很穩(wěn)健的，不會(huì)帶來(lái)問(wèn)題，但有時(shí)候它們會(huì)給晶圓廠帶來(lái)麻煩。根據(jù)來(lái)自芯片制造商的真實(shí)案例，這里列舉了幾個(gè)晶圓廠中可能出問(wèn)題的地方，而這只是可能出現(xiàn)的問(wèn)題中的一小部分：

在輔助間（sub-fab）的一部分安裝了錯(cuò)誤的 O 形圈，這可能導(dǎo)致流體被污染。O 形圈是系統(tǒng)中一種用作密封件的零件。

超純水系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)器故障，會(huì)導(dǎo)致工藝過(guò)程中出現(xiàn)污染。

在一個(gè)散裝化學(xué)品配送系統(tǒng)出現(xiàn)襯料泄漏，導(dǎo)致設(shè)備腐蝕。

“子元件對(duì)設(shè)備系統(tǒng)有重大影響，這又會(huì)進(jìn)一步影響晶圓廠設(shè)備的性能表現(xiàn)?！泵拦饪萍既蛟O(shè)備和企業(yè) EHS 總經(jīng)理 Norm Armor 說(shuō)，“我們的子元件和材料供應(yīng)商在緊跟我們的發(fā)展路線圖上表現(xiàn)很好。但時(shí)不時(shí)就會(huì)出現(xiàn)小挫折。這些小挫折可以打亂整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的步伐?！?/p>

為此，半導(dǎo)體行業(yè)的供應(yīng)鏈正在發(fā)生一些變化。不久前，設(shè)備廠商還主要從供應(yīng)商那里指定所需的工具元件?，F(xiàn)在，除了工具制造商，芯片制造商也參與進(jìn)來(lái)了，而且它們正與元件供應(yīng)商合作，以防止晶圓廠中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

“這個(gè)故事要表達(dá)的是你不僅必須設(shè)定你的晶圓廠工具元件的規(guī)格，還必須關(guān)注你的子元件。”Armour 在最近舉辦的美國(guó)西部半導(dǎo)體展（Semicon West）上說(shuō)，“我們已經(jīng)在工具方面合作了 40 年。為什么不與子元件制造商也一起合作呢？”

然而，合作只是解決方案的一部分。在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)希望對(duì)工具元件進(jìn)行更加嚴(yán)格的測(cè)試，但在如何測(cè)量這些零部件的缺陷方面，它們也還需要找到更好的方法。問(wèn)題是測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)要么不夠，要么就根本沒(méi)有。比如說(shuō)，在 IC 行業(yè)的 O 形圈密封件上的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格很少，甚至沒(méi)有；而這種東西在 1800 年代就已經(jīng)為蒸汽機(jī)開(kāi)發(fā)出來(lái)了。

要找到解決這些問(wèn)題的方法，SEMI 的 SCIS 特別興趣組正在著手制定用于測(cè)量元件引入的缺陷的新標(biāo)準(zhǔn)和新方法。此外，在解決這個(gè)問(wèn)題上還存在其它解決方案，比如先進(jìn)計(jì)量技術(shù)、晶圓監(jiān)控和仿真技術(shù)。

晶圓廠難題

今天的晶圓廠有大量移動(dòng)組件。據(jù)加州大學(xué)伯克利分校的研究，一個(gè)每月需要 50000 片初制晶圓的理論晶圓廠需要以下設(shè)備：

50 臺(tái)掃描儀/步進(jìn)機(jī)外加晶圓軌道；

10 臺(tái)大流量和 8 臺(tái)中等流量的離子注入機(jī)

40 臺(tái)蝕刻機(jī)器

30 臺(tái) CVD 工具

圖 1：一家晶圓廠內(nèi)部，來(lái)自 GlobalFoundries

此外，300mm 晶圓廠也是自動(dòng)化工廠，會(huì)用到各種自動(dòng)化材料處理系統(tǒng)和晶圓傳送機(jī)制。

圖 2：統(tǒng)一的晶圓廠傳送系統(tǒng)，來(lái)自 Daifuku

在這樣的晶圓廠中，工具必須處理更小更準(zhǔn)確的特征。而且在每個(gè)節(jié)點(diǎn)，缺陷也會(huì)變得更小，也就更難以找到，因此就會(huì)需要新的先進(jìn)計(jì)量技術(shù)。Coventor 的首席技術(shù)官 David Fried 說(shuō)：“每一代我們都將電路的面積縮減 50%。你將在晶圓廠中使用 30 種不同的計(jì)量技術(shù)?！?/p>

但有時(shí)候問(wèn)題會(huì)出現(xiàn)在晶圓廠流程上。缺陷可能會(huì)在過(guò)程中的任何部分產(chǎn)生。然后，晶圓廠中的工具可能會(huì)遇到問(wèn)題，這可能意味著問(wèn)題的數(shù)量很大。

一般而言，一臺(tái)晶圓廠工具會(huì)裝配多種傳感器。這些傳感器可以監(jiān)控該工具內(nèi)的許多功能，比如氣流、問(wèn)題、壓力和射頻功率?！懊颗_(tái)工具都有數(shù)百個(gè)乃至數(shù)千個(gè)傳感器?！盕ried 說(shuō)，“每個(gè)傳感器都有一個(gè)可接受范圍。如果工具的一個(gè)傳感器檢測(cè)到了一個(gè)錯(cuò)誤，它通常會(huì)觸發(fā)警報(bào)并自行脫離工廠的自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)，這樣就不會(huì)有更多晶圓送入這臺(tái)工具加工處理了?！?/p>

也可能會(huì)出現(xiàn)其它問(wèn)題。他說(shuō)：“在大多數(shù)工藝步驟之后，會(huì)執(zhí)行測(cè)量或計(jì)量操作以衡量這個(gè)工藝過(guò)程是否成功。如果這些測(cè)量結(jié)果不符合規(guī)格，這些工具就會(huì)暫停使用，以便進(jìn)一步評(píng)估。但這也會(huì)導(dǎo)致之前過(guò)程的工具下線進(jìn)行維護(hù)或進(jìn)一步測(cè)試?！?/p>

盡管如此，晶圓廠的目標(biāo)是不停步地持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。他說(shuō)：“流程中沒(méi)有任何步驟是晶圓必須經(jīng)過(guò)某臺(tái)工具。任何晶圓廠都有許多臺(tái)一樣的工具，從而讓工廠可以實(shí)現(xiàn)大量的生產(chǎn)制造，即使有的工具停工也無(wú)妨?！?/p>

無(wú)論如何，晶圓工具需要維護(hù)。每一臺(tái)工具都有預(yù)防性的維護(hù)計(jì)劃，這時(shí)候系統(tǒng)要下線進(jìn)行清潔和升級(jí)。所以晶圓廠會(huì)存留一些備用零部件。

“一些晶圓廠是自己做維護(hù)，通常由被稱為‘設(shè)備工程（Equipment Engineering）’的團(tuán)隊(duì)來(lái)做?！彼f(shuō)，“很多晶圓廠購(gòu)買的工具帶有‘供應(yīng)商維護(hù)合同’，這意味著如果工具由于意外原因下線，可以要求供應(yīng)商來(lái)提供服務(wù)。這種時(shí)候?qū)﹄p方來(lái)說(shuō)都很有壓力。”

確實(shí)如此，如果一臺(tái)工具出了問(wèn)題，找到并解決這個(gè)問(wèn)題是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。而且這個(gè)過(guò)程也可能非常耗時(shí)而且高成本。

比如說(shuō)，一個(gè)元件可能不僅在一個(gè)工具中出故障，而且可能導(dǎo)致工藝流程引起的缺陷。元件的數(shù)量因工具而各不相同，但更復(fù)雜的系統(tǒng)的零部件數(shù)量簡(jiǎn)直讓人難以置信。比如蔡司公司用于極紫外（EUV）光刻應(yīng)用的 AIMS 系列光掩模檢測(cè)工具。根據(jù)英特爾的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)由 4500 個(gè)子系統(tǒng)和來(lái)自 134 家不同供應(yīng)商的 64000 個(gè)單獨(dú)零部件構(gòu)成。這款 AIMS 工具是目前市場(chǎng)上更先進(jìn)的系統(tǒng)，但它也能體現(xiàn)出當(dāng)前工具的復(fù)雜性。

假設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)工作的 AIMS 工具出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，那這個(gè)問(wèn)題就可能是由該系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)零部件導(dǎo)致的。要找到這些零部件絕非易事。英特爾的一位技術(shù)支持專家Ya-hong Neirynck 說(shuō)：“如果我們要搜尋該工具的一個(gè)缺陷，我們就像是在干草堆里找一根針?！?/p>

在晶圓廠已經(jīng)很復(fù)雜的供應(yīng)鏈和工藝流程中，元件的潛在問(wèn)題不過(guò)是芯片制造商又一個(gè)需要擔(dān)憂的事情罷了?！澳軌蛴绊懩愕木A的變量更多了?！盙lobalFoundries 的全球來(lái)料質(zhì)量總監(jiān) Pawitter Mangat 說(shuō)，“追蹤這些變體、追蹤這些元件和追蹤這些工藝的可追溯性全都會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)這些變量。我們不能承受有的零部件的表現(xiàn)無(wú)法維持的情況。從成本和每次更換一個(gè) O 形圈時(shí)就要檢查是否合格以及驗(yàn)證的方面考慮一下?！?/p>

而且隨著芯片制造商向 10/7nm 及以后節(jié)點(diǎn)遷移，晶圓廠已經(jīng)沒(méi)有容忍誤差的空間了。Mangat 說(shuō)：“必須要控制住變化。我們要知道我們一直以來(lái)都看到的工藝的變化情況將不再是先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的慣例，而將需要嚴(yán)格得多的控制、規(guī)格限制和操作?！?/p>

但希望還是有的。在元件/子系統(tǒng)方面，Mangat 為半導(dǎo)體行業(yè)列出了幾種解決方案：

供應(yīng)鏈增進(jìn)合作

增強(qiáng)元件供應(yīng)商的質(zhì)量程序

為元件制定基準(zhǔn)指標(biāo)和缺陷測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)追蹤問(wèn)題的方法

增進(jìn)合作

當(dāng)工具制造商開(kāi)發(fā)出了新系統(tǒng)時(shí)，一種工藝就開(kāi)始了。為此，設(shè)備制造商需要為該系統(tǒng)采購(gòu)元件。

過(guò)去許多年來(lái)，工具制造商已經(jīng)有了自己更偏愛(ài)的元件供應(yīng)商，而且他們了解并且信任這些供應(yīng)商。他們也知道需要避開(kāi)哪些供應(yīng)商。

甚至芯片制造商也在密切關(guān)注供應(yīng)商?！拔覀冏裱惶追浅?yán)格的內(nèi)部 SOP（標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序），以確保我們的零部件和子系統(tǒng)符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?！甭?lián)華電子公司（UMC）官方稱，“其中的措施包括檢查安全性、硬件性能和確保得到的結(jié)果符合要求的規(guī)格。UMC 內(nèi)部有一個(gè)獨(dú)立的質(zhì)量認(rèn)證流程，這讓我們可以設(shè)置我們自己的嚴(yán)格質(zhì)量基準(zhǔn)以及控制涉及認(rèn)證新來(lái)的工具或材料的參數(shù)和條件。”

很顯然，供應(yīng)商也必須做自己的功課。他們必須理解一種給定元件的特性，這樣他們才能在晶圓廠出問(wèn)題之前就預(yù)見(jiàn)到潛在的問(wèn)題。

“各家供應(yīng)商的情況都有不同。”Applied Materials 公司 Applied Global Services 部門(mén)服務(wù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)副總裁 Kirk Hasserjian說(shuō)，“其中一些技術(shù)對(duì)特定類型的缺陷非常敏感。其它技術(shù)則沒(méi)有這么敏感。CMOS 圖像傳感器就是一個(gè)典型案例。它們對(duì)金屬污染物和微量金屬極其敏感?！?/p>

此外，工具制造商必須繼續(xù)向他們的供應(yīng)商反復(fù)強(qiáng)調(diào)對(duì)質(zhì)量的需求，而且他們也有充分的理由這么做。TEL 的先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)部門(mén)副總裁兼總經(jīng)理 Aki Sekiguchi 表示：“技術(shù)在變化。對(duì) 10nm 可行的技術(shù)可能對(duì) 7nm、5nm等等就不行了。一般而言，隨著技術(shù)越來(lái)越緊密，規(guī)格要求也越來(lái)越嚴(yán)格。”

但也存在一些限制。為關(guān)鍵元件實(shí)現(xiàn)更加嚴(yán)格的控制和測(cè)試是合理的，但卻不可能為每種零部件都實(shí)現(xiàn)同樣的控制，因?yàn)槌杀緦?shí)在太高了。

但每個(gè)零部件都必須滿足標(biāo)準(zhǔn)。因此工具供應(yīng)商和他們的元件供應(yīng)商必須在測(cè)試程度和成本之間找到平衡。Sekiguchi 說(shuō)：“這是一種互相關(guān)聯(lián)的成本。如果你真的嚴(yán)格控制每個(gè)組件，那這種經(jīng)濟(jì)模式就會(huì)崩潰?！?/p>

元件供應(yīng)商嘗試提供最好的解決方案，但一般而言他們并不清楚他們的產(chǎn)品在實(shí)際過(guò)程中會(huì)遇到的確切條件或配方。有時(shí)候芯片制造商和工具供應(yīng)商并不想向他們的供應(yīng)商披露自己的關(guān)鍵知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

這種傳統(tǒng)業(yè)務(wù)方法的一個(gè)弊端是當(dāng)一個(gè)零部件故障時(shí)，供應(yīng)商對(duì)于它不符合要求的原因可能毫無(wú)頭緒或只有些模糊的感覺(jué)。合作是顯而易見(jiàn)的解決方案。為此，各方都必須更多地參與到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中。

合作面臨的難題在于各方需要共享 IP。共享基本零部件的 IP 很簡(jiǎn)單。但對(duì)于工藝腔等更關(guān)鍵的元件的 IP，公司會(huì)謹(jǐn)慎得多。

為了解決這些問(wèn)題，行業(yè)必須找到一個(gè)讓人樂(lè)意的中間程度。Sekiguchi 說(shuō)：“必須要有一個(gè)平衡。你必須在你分享的信息量和你分享的信息類型之間找到平衡?！?/p>

在芯片制造商向更先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)遷移時(shí)，元件將需要更加嚴(yán)格的特性描述和測(cè)試。但具體的實(shí)現(xiàn)方式還不清楚。

SEMI 戰(zhàn)略計(jì)劃高級(jí)經(jīng)理 Paul Trio 表示：“到目前為止，在如何測(cè)量各種元件和子元件的缺陷以及如何報(bào)告結(jié)果上，行業(yè)還沒(méi)有達(dá)成一致。”

以 O 形圈為例。O 形圈是一種在兩個(gè)或多個(gè)零部件之間密封接口的小物件。每種晶圓廠工具都有幾種不同的密封件類型，包括那些用于蓋子、端口和窗口的密封件。但每家密封件供應(yīng)商都在開(kāi)發(fā)專有產(chǎn)品。因此，每家供應(yīng)商的產(chǎn)品都有不同的專有的數(shù)據(jù)，沒(méi)有什么可以用來(lái)測(cè)試或封裝這些東西的標(biāo)準(zhǔn)方法。

Applied Seals North America 首席執(zhí)行官兼 SCIS 聯(lián)合主席 Dalia Vernikovsky 說(shuō)：“問(wèn)題是為蒸汽機(jī)發(fā)明的規(guī)格也是當(dāng)今這些密封件所使用的一樣的規(guī)格。這里面是有問(wèn)題的。也就是規(guī)格并不存在?！?/p>

許多其它類型的元件也有類型的問(wèn)題，需要標(biāo)準(zhǔn)。所以在 2013 年，SEMI 和其它公司機(jī)構(gòu)發(fā)起了 SCIS。除了主要的芯片制造商，Applied Materials、ASMI、ASML、KLA-Tencor、Lam 和 TEL 以及一些元件供應(yīng)商都是 SCIS 的成員。

圖 3：SCIS 的參與公司，來(lái)自 SEMI

SCIS 的目標(biāo)是讓芯片制造商、工具供應(yīng)商和零部件供應(yīng)商聚到一起，敲定“由對(duì)工藝至關(guān)重要的元件所引入的缺陷的測(cè)量基準(zhǔn)”。

SEMI 的 Trio 說(shuō)：“事實(shí)上，前兩年用在了為密封雜質(zhì)制定測(cè)試方法上。SCIS 已經(jīng)擴(kuò)展到了其它關(guān)鍵元件?！?/p>

今天，SCIS 已有 8 個(gè)工作組，分布在以下領(lǐng)域：腔室、氣體運(yùn)輸、液體運(yùn)輸、泵、射頻發(fā)生器、密封件和閥門(mén)。第 8 個(gè)組是可追溯性驗(yàn)證組（Traceability Verification Group），他們正在開(kāi)發(fā)一個(gè)“信息交換模型（Information Exchange Model）”。這涉及通過(guò)云為晶圓廠中的潛在問(wèn)題提供可追溯性數(shù)據(jù)。

圖 4：SCIS 的組織結(jié)構(gòu)，來(lái)自 SEMI SCIS

到目前為止，這個(gè)組已經(jīng)在幾個(gè)方面取得了進(jìn)展?！斑@取決于我們討論的元件的類型。行業(yè)應(yīng)該全部參與到更簡(jiǎn)單的元件上，比如閥門(mén)、泵、密封件、輔助設(shè)備區(qū)域和消毒?！?Applied Seals 的 Vernikovsky 說(shuō)，“沖淋噴頭等元件可能被認(rèn)為對(duì) IP 敏感，可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間。IP 上的顧慮可能會(huì)讓我們無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，但許多子元件已經(jīng)有某種類型的定義了，并且得到了所有人的一致贊成?！?/p>

標(biāo)準(zhǔn)是有價(jià)值的，原因有很多?！靶袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)很重要，能提供一致的參數(shù)讓用戶比較相似的零部件和評(píng)估性能差異。”SEMI 的 Trio 說(shuō)，“芯片制造商和工具供應(yīng)商可以參考這些指標(biāo)規(guī)范，以確保他們的供應(yīng)商或潛在供應(yīng)商是以同樣的方法測(cè)量的。這樣做讓用戶可以比較相似的零部件、評(píng)估性能表現(xiàn)的差異和選擇最適合他們的目標(biāo)工藝應(yīng)用的元件?！?/p>

圖 5：SCIS 的活動(dòng)狀態(tài)，來(lái)自 SEMI SCIS

其它解決方案

合作、標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法向正確的方向邁出了一大步，但也存在其它解決方案。

如果出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，通過(guò)測(cè)試晶圓廠的每個(gè)元件來(lái)找到問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的。“在我看來(lái)，你的解決方案很快就會(huì)變得完全無(wú)法解決?！盋oventor 的 Fried 說(shuō)，“要找到任何一個(gè)可能的缺陷出現(xiàn)的地方，你很快就會(huì)招架不住。”

所以晶圓廠不僅要能找到工具的問(wèn)題，還應(yīng)該從晶圓的角度來(lái)看待這些問(wèn)題。Fried 說(shuō)：“如果我從晶圓的角度來(lái)看任何給定的工藝操作，肯定會(huì)有某些特定類型的缺陷、有缺陷的材料、不同的缺陷大小和缺陷位置。那基本上就描述了任何給定步驟的每種缺陷。其中一些是致命的，一些則不是?！?/p>

通過(guò)觀察晶圓，晶圓廠就可以借此來(lái)解決問(wèn)題。他說(shuō)：“你無(wú)法同時(shí)應(yīng)對(duì)宇宙里的每一個(gè)問(wèn)題，而且還給它們配置同等的資源。你必須首先解決會(huì)致命的缺陷，然后你再去處理那些較低層次的缺陷。你必須考慮生產(chǎn)制造方面，然后你才能理解這個(gè)由元件、子元件和材料構(gòu)成的龐大系統(tǒng)?！?/p>

為此，芯片制造商可以選擇幾條不同的路。其中之一是使用仿真技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)潛在的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)工藝建模，芯片制造商可以減少硅學(xué)習(xí)周期和開(kāi)發(fā)成本。

另一種方法是工具監(jiān)控（tool monitoring）。在工具監(jiān)控中，晶圓廠加工的是裸晶圓。然后會(huì)有一種檢查工具來(lái)確定一臺(tái)給定的晶圓廠設(shè)備是否是晶圓上缺陷的根本原因。如果是，就將該工具下線并進(jìn)行評(píng)估。