現(xiàn)在半導(dǎo)體業(yè)遇到了兩個轉(zhuǎn)折點：第一，技術(shù)上的轉(zhuǎn)折點——新的應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、自動駕駛和VR/AR等，都在推動半導(dǎo)體技術(shù)不斷進步；第二，半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)折點在中國，中國的半導(dǎo)體項目在遍地開花。

但是，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展到今天，也呈現(xiàn)出各種新的技術(shù)趨勢與挑戰(zhàn)。在工藝演進方面，有兩大趨勢：一是工藝的縮小，二是深紫外光的引進。另外還有一些特殊的趨勢，比如3D存儲器，它不會變得更小，只是變得更深。這就帶來了套刻(overlay)對準(zhǔn)的挑戰(zhàn)。因此，工藝控制變得越來越重要。

日前，在SEMICONChina展會上，KLA-Tencor（科磊半導(dǎo)體）資深客戶合作副總及CMOOresteDonzella在該公司新聞發(fā)布會上，探討了中國半導(dǎo)體的崛起、技術(shù)上的挑戰(zhàn)——包括KLA-Tencor特別專注的工藝控制部分，及其如何幫助中國加速半導(dǎo)體的成長。

何為工藝控制？

Donzella表示，工藝控制既簡單又困難。簡單是說，就是怎么樣在客戶的半導(dǎo)體晶圓的制造過程中，幫助他們維持其產(chǎn)品和設(shè)備完美地符合他們需要的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。這個標(biāo)準(zhǔn)不管是缺陷、套刻還是光刻的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)統(tǒng)都要按照客戶設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)來走。這就是工藝管理的意義所在。

困難是說，現(xiàn)在最新的工藝有差不多1000個生產(chǎn)步驟，有數(shù)十億個晶體管和數(shù)英里長的電線，通通放在一個郵票大的晶圓里面。整個工藝都要完美，中間出現(xiàn)任何一個問題，將來都會造成器件工作上的困難。

其實，工藝控制可以分成兩大部分：一個是檢測，一個是測量。檢測就是把在工藝上發(fā)生的任何缺陷找出來，測量就是確定所有的步驟可以符合設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)?！叭绻冕橆^到病毒到DNA來作對照，現(xiàn)在最先進的10nm半導(dǎo)體工藝，已經(jīng)到了DNA這個級別了?！盌onzella類比道。

“正因為半導(dǎo)體工藝對精密度和正確性的要求，如果我們只是在最開始和最后檢測這類產(chǎn)品，就像以前傳統(tǒng)的QC（質(zhì)量控制）概念那樣，如果中間出了任何問題，最后半導(dǎo)體工藝絕對做不出來產(chǎn)品?！盌onzella強調(diào)，“為什么我們要和客戶一起合作，介紹工藝控制的策略（下圖中圓圈是檢測，三角形是測量），原因是我們在1000個最新的半導(dǎo)體工藝步驟中間，必須要加入很多檢測和測量的步驟，才可以確保在器件制造期間不會出任何致命性的問題，而導(dǎo)致最后產(chǎn)品的良率為零?！?/p>

下圖是一個簡單的在線檢測策略，包含薄膜、化學(xué)機械研磨、光刻和蝕刻等幾個半導(dǎo)體生產(chǎn)步驟。在這幾個步驟中間，都要加入檢測和測量的步驟，才可以確保生產(chǎn)步驟是照著當(dāng)初設(shè)計來進行的。

半導(dǎo)體工藝控制涉及三個步驟，要求各不一樣

一般，半導(dǎo)體工藝控制涉及三個步驟：研發(fā)、初期生產(chǎn)（ramp）以及大量生產(chǎn)。每一個步驟期間工藝控制的策略（檢測和測量的需要）是不一樣的?！芭e例來說，在研發(fā)的時候，幾乎1000步當(dāng)中，有三五百步都需要做檢測、測量。而到了大量生產(chǎn)的時候，知道問題出在哪里，把這些問題都在研發(fā)和ramp階段解決掉后，到大量生產(chǎn)的時候就可以稍微調(diào)整工藝控制的策略?！盌onzella說。

下圖是KLA-Tencor很有名的良率圖，Y軸是良率，X軸是時間。“我們希望可以借助工藝控制的能力，幫助我們的客戶從原本可以做到的最底下的黃色的線，達到最左上角綠色的線，就是可以幫助客戶在更短的時間，達到更高的良率。”Donzella解釋說，“我們在任何一個時間點，比如說新產(chǎn)品在研發(fā)6個月以后，原本客戶只計劃它可以達到30%的良率，但是如果借助工藝控制，可以提升到60%的良率。良率越高，回收越高，因此KLA-Tencor可以幫助客戶要么在良率上提高很多，要么在工藝進步上面，時間能夠提早很多。更早進入市場，其實也是幫助我們的客戶能夠賺更多的錢?！?/p>

他指出，在研發(fā)時代，KLA-Tencor的工藝控制有三個主要的貢獻：

第一，幫助客戶了解工藝上到底需求是什么。

第二，可以解決出現(xiàn)在工藝上任何本來不能解決的問題，即所謂缺陷上的差距。

第三，可以優(yōu)化工藝控制的策略。

在研發(fā)階段，工藝控制就是可以幫助客戶了解問題并解決問題。“在很多新技術(shù)引進的時候，包含立體3D和新的材料，由于工藝窗口越來越小，我們必定會碰到很多新的挑戰(zhàn)、過去沒有碰到的缺陷、沒有碰到的套刻上的困難。工藝控制可以幫助客戶在研發(fā)階段盡早地把問題解決，從而為下一步生產(chǎn)做準(zhǔn)備?！盌onzella表示。

在初期生產(chǎn)階段，工藝控制的重點是怎么樣能夠很快地幫助客戶發(fā)現(xiàn)并且解決所有良率碰到的問題。“因為第一個研發(fā)階段，主要是控制工藝上的問題，第二階段，即大量生產(chǎn)之前，就是怎么樣把良率問題全部解決掉，并且能夠幫助客戶加速他們產(chǎn)品上市的時間?！?/p>

這個階段，在良率學(xué)習(xí)方面有兩個重點?！耙皇?，一個最新的300mm（12英寸）Fab，要花費一百億美元的資金。按照正常的折舊，一天就要耗費四百萬美金。這個折價的壓力非常大，我們需要把新的產(chǎn)品盡快推向市場。二是，市場流行的趨勢也非?？欤硪惶爝M入市場，等于能夠賣的價錢就會一直下降。因此，在大量生產(chǎn)之前，良率學(xué)習(xí)非常重要?！盌onzella透露。

在第三個階段，即能夠大量生產(chǎn)的時候，工藝控制的重點，第一是怎么樣能夠幫助客戶保持高和穩(wěn)定的良率，第二是怎么樣能夠改善可預(yù)測性——“大家知道，半導(dǎo)體最怕碰到突然哪一天線上出現(xiàn)問題。工藝控制能夠改進這個預(yù)測性?！薄詈笫悄軌蚝芸彀l(fā)現(xiàn)并且解決良率的這種不確定性?！耙驗楝F(xiàn)在的晶圓廠都是大規(guī)模的，而且晶圓成本非常高，所以任何1%良率的提升，都可以轉(zhuǎn)換成千萬美金的營收?！盌onzella說。