KLA是如何为芯片制造保驾护航的？

李寿鹏 摩尔芯闻 2021-12-30 18:15

图片


得益于芯片厂商、晶圆代工厂和媒体的科普，大家对芯片的制造工艺有了更多的认识，也明白到要制造出更强大的芯片，除了需要更先进的工艺和EDA工具外，还要有更好的材料和设备。当中的设备，更是芯片能够从“文件”走向“现实”的关键。

在过往的很多介绍中，我们知道了光刻机设备在芯片制造中的重要性。其实除此以外，晶圆厂还需要很多设备来为芯片制造保驾护航，KLA所生产的制程控制设备就是其中的一类。

关键的量测设备，独当一面


所谓量测，顾名思义就是测量检测，这在半导体中又被称过程工艺控制设备，其主要作用是对生产步骤的良率进行严格控制，以保证芯片生产环节中每一个步骤的良率。

作为一类几乎贯穿芯片生产流程的设备，半导体量测设备主要功能是对经过每一道工艺的晶圆进行定量测量，以保证工艺的关键物理参数满足工艺指标，如膜厚、关键尺寸（CD）、膜应力、折射率、参杂浓度、套准精度等；半导体检测设备主要用于检测晶圆上的物理缺陷（称为颗粒的异物）和图案缺陷，其细分品类可以分为明/暗场检测设备、电子束检测、光罩检测设备等。

因为集成电路需求量的渐增，半导体量测设备市场也在过去多年里获得了客观的增长，这也吸引了多家供应商深耕其中，而成立于1976年的KLA无疑是其中一家绝对称得上独当一面的供应商。

据行业专业媒体芯思想之前的报道，KLA的业务已经涵盖了半导体的多个领域，从硅片检测到线宽量测，以及光罩部分，都处于业界领先水平，并在专注的检测与量测领域排名第一，拥有70%以上的市场占有率。

KLA 提供的资料也指出，公司量测系统满足了一系列芯片和基片晶圆制造应用所需，包括设计可制造性验证、新工艺表征以及批量制造工艺的监控。通过精确测量图案尺寸、薄膜厚度、层间对齐、图案位置、表面形貌和电光特性，KLA全面的量测系统帮助芯片制造商严格控制其工艺，从而提高器件性能和良率。

正是因为有了KLA这些厂商提供的量测设备，芯片制造商不但能够保证了芯片的交付质量，同时还提升了良率、加快了量产，进而提升了客户的收益。设备供应商也在过去多年的发展中逐步完善其产品，提升其量测能力。

进入最近几年，因为技术的快速演进，量测设备供应商又面临新的挑战。

正如KLA公司屈自豪博士在日前举办的第23届中国集成电路制造年会（CICD 2021）上所说，随着逻辑设计节点的不断缩小，潛在的影響良率的缺陷尺寸也不斷減小。这就让可能之前不算特别关键的缺陷现在变得成为能够影响到我们的缺陷了，进而对检测灵敏度提出更高的要求。这种情况同样出现在量测上。此外，现在在集成电路中引入的3D集成和EUV光刻也给量测带来了新的挑战。

“KLA还将一如既往地通过缺陷检测帮助客户解决遇到的问题。”屈自豪博士补充说。

为了更好的结果，不断推陈出新


按照屈自豪博士在CICD 2021演讲中所说，无图案晶圆检测和晶圆量测是芯片制造的两张“王牌”。

首先看无图案晶圆检测。据屈自豪博士介绍，正是因为晶圆厂能够从最上游的无图案化晶圆就开始检测，这就使得制造商可以在最终制造的良率、工厂的最终效益和成本方面做到严格的控制。他进一步指出，无图案化的缺陷检测在晶圆厂中可以分为几类，分别是：确保在过程中不会出现新的缺陷；确保在过程中不会在晶圆上产生更多的缺陷；达到节省测试片成本的目的。

“KLA面向无图案检测的产品主要是和晶圆几何形貌特性相关，因为在制造过程不同阶段的晶圆几何有自己的特点，我们需要用到稍微不同方法的来支持晶圆几何形貌量测。”屈自豪博士说。其中，Surfscan® 产品系列中SP A2 和SP A3无图案晶圆检测系统正是针对这个应用推出的产品。

资料显示，Surfscan® SP A2 和 Surfscan® SP A3 无图案晶圆检测系统构建于行业领先的Surfscan®平台基础之上，可以处理150 毫米、200 毫米和 300 毫米晶圆，其灵活的配置可以在兼顾性能和价格要求的同时，满足广泛的应用需求。作为一系列采用深紫外（DUV）激光和优化的检测模式的系统，它们可识别影响其性能和可靠性的缺陷及晶圆表面质量问题，还能以其所需的灵敏度协助晶圆厂执行缺陷减少策略。又因为能以标准的暗场和可选的明场检测模式同时运行。这些设备能够捕获关键的良率缺陷和潜在的可靠性缺陷类型并将其分类。面向更先进的工艺，KLA也有广泛的检测系统产品组合，其中包含 Surfscan® SP7无图案晶圆检测系统。

据介绍，Surfscan® SP7系列具备DUV灵敏度和高产能的无图案晶圆表面检测系统，可用于1Xnm以下设计节点的IC产品、基板和设备制造。“逻辑工艺的拓展对设备灵敏度提出了新挑战，SP7正是为了应对这些挑战而生的。”屈自豪强调。他进一步指出，在去年年底，KLA还针对即将亮相的3nm工艺推出了Surfscan® SP7xp 晶圆缺陷检测系统。使用DUV激光器和优化的检查模式，Surfscan SP7XP能为先进技术节点研发和生产能力提供了最高的灵敏度，并支持大批量生产。包括相位对比通道（PCC）和垂直照射（NI）在内的互补检测模式，可以检测裸晶圆、平滑和粗糙膜以及精细的光阻和光刻涂层中独特的缺陷类型。

屈自豪在演讲中也强调，Surfscan®SP7XP不但具有最高的灵敏度（能够达到12.5纳米）；还具有很高的检测通量，适用于研发需求也适用真正集成电路工厂的大规模生产；最后，Surfscan®SP7XP还搭载了新的光源系统和算法，帮助最大化发现不同类型的缺陷。

“不同的缺陷类型是有自己检测灵敏度的，如对于比较浅的疤痕或者埋伏的缺陷检测比较灵敏。然而在这个过程中我们发现，当我们把这两种工艺结合起来，能够为客户提供更完整的缺陷抓取涵盖范围，这就让我们不但会发现颗粒缺陷，还可以发现疤痕缺陷和在外延片上的缺陷，这些都是可以在新的光源系统帮助下成功捕捉到。”屈自豪举例说。在制程控制，除了无图案晶圆检测，晶圆量测是KLA关注的另一个关键工艺。

根据屈自豪观点，晶圆量测是一个比较笼统的概念。当中考量的因素包括但不限于硅片最边缘的纳米几何形貌，还有定理造成的位移和运力情况，这些都是会表现在几何形貌中。而随着技术节点不断缩小，我们对于上述关键点的控制也有越来越高的要求。

“首先，硅片会受到来料的几何影响；其次在集成电路生产的不同过程也会让晶圆的形貌产生变化；另外一个比较关键的方面就是套刻误差，其数据也会对晶圆的几何形貌产生影响。正是在这些原因的驱动下，我们需要探索新的解决方案可以帮助客户达到芯片制造的要求。”屈自豪说。他进一步指出，除了几何形貌外，EUV的引入还会对晶圆的平坦度提出了新的要求，PWG™ 量测平台就是他们面向上述需求提出的解决方案。

据介绍， PWG™ 平台为集成电路制造商提供了一个全面的晶圆翘曲、弯曲、正反面纳米地形、高分辨率平面内位移，畸变和应力测量。通过制程监控和数据前馈，结合光刻工艺的聚焦范围控制和制程步骤的实时监控（如薄膜、蚀刻、CMP和RTP），能够加速良率提升。新一代的PWG5™更是能够给先进的存储器和逻辑产品良率、性能和工厂盈利能力提升提供了新的依仗。

官方资料显示，PWG5™具有高分辨率和高密度采样，可以测量应力引起的晶圆形状变化、晶圆形状引起的图案套刻误差、晶圆厚度变化以及晶圆正面和背面的形貌变化。凭借业界极佳的动态范围，PWG5™还支持在线监测与控制晶圆翘曲和应力，这些翘曲和应力是由于制造高级3D NAND器件的96+层堆叠沉积制程产生的。

又因为PWG5™能从源头识别制程引起的晶圆形状变化，所以开发者可以将其晶圆的制程返工，制程设备的重新校准或与KLA的5D Analyzer®数据分析系统集成，将结果反馈到扫描仪，从而改善产品套刻精度和整体器件的良率。

在2019年的时候，KLA更新了公司的Logo，在新的Logo里面还包含了“+”。据KLA方面透露，这个不发音的“+”代表KLA对创造的技术和对人类的影响非常乐观。如对汽车电子的加倍重视，就是他们助力技术影响人类的一个典型举措。

而在笔者看来，KLA的这个“+”还蕴含着公司对创新孜孜不倦的追求。也正是在这种经营理念推动下，才成就了KLA现今的辉煌，集成电路产业也得以推进至此。这也奠定了他们应对更具挑战性未来的技术底气。


图片