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晶圓廠面臨的新挑戰
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隨著晶片製造商向下一代 3D NAND 和 finFET 器件遷移,保持成本可接受的同時實現高產量的難度正變得越來越大——但這並不僅僅是因為光刻問題的複雜度越來越大。

舉個例子,為了製造一片先進的邏輯晶片,一片晶圓要在晶圓廠中從一台設備移到另一台設備,其中的工藝步驟可多達 1000 步以上。設備或工藝過程中的任何瑕疵都可能導致晶圓缺陷,進而影響產量。原因可能是設備本身中的看似不重要的部件或子系統出現了故障。

簡單來說,由晶圓設備中對工藝至關重要的元件帶來的缺陷會影響產量,SEMI 的半導體元件、儀器和子系統(SCIS)特別興趣組的成員如此表示,這個組織可以代表元件和子系統的供應商。這些問題已經存在了一些時日了,但據 SCIS 稱,隨著晶片製造商往 10/7nm 及以後的節點遷移,這些問題將會變得更加棘手。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商。

晶圓廠設備中的元件和子系統常被理所當然地認為也就那樣,但它們在半導體供應鏈中發揮著至關重要的作用。比如說,一些更為複雜的晶圓廠工具集成了來自數十家供應商的超過 50000 個零部件。腔室、泵、射頻發生器、密封件和閥門就是其中的一些關鍵元件。

一般來說,這些元件是很穩健的,不會帶來問題,但有時候它們會給晶圓廠帶來麻煩。根據來自晶片製造商的真實案例,這裡列舉了幾個晶圓廠中可能出問題的地方,而這只是可能出現的問題中的一小部分:

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

超純水系統中的壓力調節器故障,會導致工藝過程中出現污染。

在一個散裝化學品配送系統出現襯料洩漏,導致設備腐蝕。

“子元件對設備系統有重大影響,這又會進一步影響晶圓廠設備的性能表現。”美光科技全球設備和企業 EHS 總經理 Norm Armor 說,“我們的子元件和材料供應商在緊跟我們的發展路線圖上表現很好。但時不時就會出現小挫折。這些小挫折可以打亂整個生態系統的步伐。”

為此,半導體行業的供應鏈正在發生一些變化。不久前,設備廠商還主要從供應商那裡指定所需的工具元件。現在,除了工具製造商,晶片製造商也參與進來了,而且它們正與元件供應商合作,以防止晶圓廠中可能出現的問題。

“這個故事要表達的是你不僅必須設定你的晶圓廠工具元件的規格,還必須關注你的子元件。”Armour 在最近舉辦的美國西部半導體展(Semicon West)上說,“我們已經在工具方面合作了 40 年。為什麼不與子元件製造商也一起合作呢?”

然而,合作只是解決方案的一部分。在先進節點,半導體行業希望對工具元件進行更加嚴格的測試,但在如何測量這些零部件的缺陷方面,它們也還需要找到更好的方法。問題是測量標準要麼不夠,要麼就根本沒有。比如說,在 IC 行業的 O 形圈密封件上的標準規格很少,甚至沒有;而這種東西在 1800 年代就已經為蒸汽機開發出來了。

要找到解決這些問題的方法,SEMI 的 SCIS 特別興趣組正在著手制定用於測量元件引入的缺陷的新標準和新方法。此外,在解決這個問題上還存在其它解決方案,比如先進計量技術、晶圓監控和模擬技術。

晶圓廠難題
今天的晶圓廠有大量移動組件。據加州大學伯克利分校的研究,一個每月需要 50000 片初制晶圓的理論晶圓廠需要以下設備:

50 台掃描器/步進機外加晶圓軌道;
10 台大流量和 8 台中等流量的離子注入機
40 台蝕刻機器
30 台 CVD 工具
 
此外,300mm 晶圓廠也是自動化工廠,會用到各種自動化材料處理系統和晶圓傳送機制。
 
在這樣的晶圓廠中,工具必須處理更小更準確的特徵。而且在每個節點,缺陷也會變得更小,也就更難以找到,因此就會需要新的先進計量技術。Coventor 的首席技術官 David Fried 說:“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 種不同的計量技術。”

但有時候問題會出現在晶圓廠流程上。缺陷可能會在過程中的任何部分產生。然後,晶圓廠中的工具可能會遇到問題,這可能意味著問題的數量很大。

一般而言,一台晶圓廠工具會裝配多種感測器。這些感測器可以監控該工具內的許多功能,比如氣流、問題、壓力和射頻功率。“每台工具都有數百個乃至數千個感測器。”Fried 說,“每個感測器都有一個可接受範圍。如果工具的一個感測器檢測到了一個錯誤,它通常會觸發警報並自行脫離工廠的自動調度系統,這樣就不會有更多晶圓送入這台工具加工處理了。”

也可能會出現其它問題。他說:“在大多數工藝步驟之後,會執行測量或計量操作以衡量這個工藝過程是否成功。如果這些測量結果不符合規格,這些工具就會暫停使用,以便進一步評估。但這也會導致之前過程的工具下線進行維護或進一步測試。”

儘管如此,晶圓廠的目標是不停步地持續運轉。他說:“流程中沒有任何步驟是晶圓必須經過某台工具。任何晶圓廠都有許多台一樣的工具,從而讓工廠可以實現大量的生產製造,即使有的工具停工也無妨。”

無論如何,晶圓工具需要維護。每一台工具都有預防性的維護計畫,這時候系統要下線進行清潔和升級。所以晶圓廠會存留一些備用零部件。

“一些晶圓廠是自己做維護,通常由被稱為‘設備工程(Equipment Engineering)’的團隊來做。”他說,“很多晶圓廠購買的工具帶有‘供應商維護合同’,這意味著如果工具由於意外原因下線,可以要求供應商來提供服務。這種時候對雙方來說都很有壓力。”

確實如此,如果一台工具出了問題,找到並解決這個問題是一項艱巨的任務。而且這個過程也可能非常耗時而且高成本。

比如說,一個元件可能不僅在一個工具中出故障,而且可能導致工藝流程引起的缺陷。元件的數量因工具而各不相同,但更複雜的系統的零部件數量簡直讓人難以置信。比如蔡司公司用於極紫外(EUV)光刻應用的 AIMS 系列光掩模檢測工具。根據英特爾的資料,該系統由 4500 個子系統和來自 134 家不同供應商的 64000 個單獨零部件構成。這款 AIMS 工具是目前市場上更先進的系統,但它也能體現出當前工具的複雜性。

假設在現場工作的 AIMS 工具出現了一個問題,那這個問題就可能是由該系統中的一個或多個零部件導致的。要找到這些零部件絕非易事。英特爾的一位技術支援專家Ya-hong Neirynck 說:“如果我們要搜尋該工具的一個缺陷,我們就像是在乾草堆裡找一根針。”

在晶圓廠已經很複雜的供應鏈和工藝流程中,元件的潛在問題不過是晶片製造商又一個需要擔憂的事情罷了。“能夠影響你的晶圓的變數更多了。”GlobalFoundries 的全球來料品質總監 Pawitter Mangat 說,“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導致出現這些變數。我們不能承受有的零部件的表現無法維持的情況。從成本和每次更換一個 O 形圈時就要檢查是否合格以及驗證的方面考慮一下。”

而且隨著晶片製造商向 10/7nm 及以後節點遷移,晶圓廠已經沒有容忍誤差的空間了。Mangat 說:“必須要控制住變化。我們要知道我們一直以來都看到的工藝的變化情況將不再是先進節點的慣例,而將需要嚴格得多的控制、規格限制和操作。”

但希望還是有的。在元件/子系統方面,Mangat 為半導體行業列出了幾種解決方案:

供應鏈增進合作
增強元件供應商的品質程式
為元件制定基準指標和缺陷測試標準
設計追蹤問題的方法
增進合作

當工具製造商開發出了新系統時,一種工藝就開始了。為此,設備製造商需要為該系統採購元件。

過去許多年來,工具製造商已經有了自己更偏愛的元件供應商,而且他們瞭解並且信任這些供應商。他們也知道需要避開哪些供應商。

甚至晶片製造商也在密切關注供應商。“我們遵循一套非常嚴格的內部 SOP(標準作業程式),以確保我們的零部件和子系統符合品質標準。”聯華電子公司(UMC)官方稱,“其中的措施包括檢查安全性、硬體性能和確保得到的結果符合要求的規格。UMC 內部有一個獨立的品質認證流程,這讓我們可以設置我們自己的嚴格品質基準以及控制涉及認證新來的工具或材料的參數和條件。”

很顯然,供應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題之前就預見到潛在的問題。

“各家供應商的情況都有不同。”Applied Materials 公司 Applied Global Services 部門服務產品開發副總裁 Kirk Hasserjian說,“其中一些技術對特定類型的缺陷非常敏感。其它技術則沒有這麼敏感。CMOS 圖像感測器就是一個典型案例。它們對金屬污染物和微量金屬極其敏感。”

此外,工具製造商必須繼續向他們的供應商反復強調對品質的需求,而且他們也有充分的理由這麼做。TEL 的先進半導體技術部門副總裁兼總經理 Aki Sekiguchi 表示:“技術在變化。對 10nm 可行的技術可能對 7nm、5nm等等就不行了。一般而言,隨著技術越來越緊密,規格要求也越來越嚴格。”

但也存在一些限制。為關鍵元件實現更加嚴格的控制和測試是合理的,但卻不可能為每種零部件都實現同樣的控制,因為成本實在太高了。

但每個零部件都必須滿足標準。因此工具供應商和他們的元件供應商必須在測試程度和成本之間找到平衡。Sekiguchi 說:“這是一種互相關聯的成本。如果你真的嚴格控制每個元件,那這種經濟模式就會崩潰。”

元件供應商嘗試提供最好的解決方案,但一般而言他們並不清楚他們的產品在實際過程中會遇到的確切條件或配方。有時候晶片製造商和工具供應商並不想向他們的供應商披露自己的關鍵智慧財產權。

這種傳統業務方法的一個弊端是當一個零部件故障時,供應商對於它不符合要求的原因可能毫無頭緒或只有些模糊的感覺。合作是顯而易見的解決方案。為此,各方都必須更多地參與到產品開發流程中。

合作面臨的難題在於各方需要共用 IP。共用基本零部件的 IP 很簡單。但對於工藝腔等更關鍵的元件的 IP,公司會謹慎得多。

為瞭解決這些問題,行業必須找到一個讓人樂意的中間程度。Sekiguchi 說:“必須要有一個平衡。你必須在你分享的信息量和你分享的資訊類型之間找到平衡。”

在晶片製造商向更先進的節點遷移時,元件將需要更加嚴格的特性描述和測試。但具體的實現方式還不清楚。

SEMI 戰略計畫高級經理 Paul Trio 表示:“到目前為止,在如何測量各種元件和子元件的缺陷以及如何報告結果上,行業還沒有達成一致。”

以 O 形圈為例。O 形圈是一種在兩個或多個零部件之間密封介面的小物件。每種晶圓廠工具都有幾種不同的密封件類型,包括那些用於蓋子、埠和視窗的密封件。但每家密封件供應商都在開發專有產品。因此,每家供應商的產品都有不同的專有的資料,沒有什麼可以用來測試或封裝這些東西的標準方法。

Applied Seals North America 首席執行官兼 SCIS 聯合主席 Dalia Vernikovsky 說:“問題是為蒸汽機發明的規格也是當今這些密封件所使用的一樣的規格。這裡面是有問題的。也就是規格並不存在。”

許多其它類型的元件也有類型的問題,需要標準。所以在 2013 年,SEMI 和其它公司機構發起了 SCIS。除了主要的晶片製造商,Applied Materials、ASMI、ASML、KLA-Tencor、Lam 和 TEL 以及一些元件供應商都是 SCIS 的成員。
 
SCIS 的目標是讓晶片製造商、工具供應商和零部件供應商聚到一起,敲定“由對工藝至關重要的元件所引入的缺陷的測量基準”。
SEMI 的 Trio 說:“事實上,前兩年用在了為密封雜質制定測試方法上。SCIS 已經擴展到了其它關鍵元件。”
今天,SCIS 已有 8 個工作組,分佈在以下領域:腔室、氣體運輸、液體運輸、泵、射頻發生器、密封件和閥門。第 8 個組是可追溯性驗證組(Traceability Verification Group),他們正在開發一個“資訊交換模型(Information Exchange Model)”。這涉及通過雲為晶圓廠中的潛在問題提供可追溯性資料。
 
到目前為止,這個組已經在幾個方面取得了進展。“這取決於我們討論的元件的類型。行業應該全部參與到更簡單的元件上,比如閥門、泵、密封件、輔助設備區域和消毒。” Applied Seals 的 Vernikovsky 說,“沖淋噴頭等元件可能被認為對 IP 敏感,可能需要更長的時間。IP 上的顧慮可能會讓我們無法實現目標,但許多子元件已經有某種類型的定義了,並且得到了所有人的一致贊成。”
標準是有價值的,原因有很多。“行業標準會很重要,能提供一致的參數讓用戶比較相似的零部件和評估性能差異。”SEMI 的 Trio 說,“晶片製造商和工具供應商可以參考這些指標規範,以確保他們的供應商或潛在供應商是以同樣的方法測量的。這樣做讓用戶可以比較相似的零部件、評估性能表現的差異和選擇最適合他們的目標工藝應用的元件。”
 
其它解決方案
合作、標準和測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。
如果出現了一個問題,通過測試晶圓廠的每個元件來找到問題是不現實的。“在我看來,你的解決方案很快就會變得完全無法解決。”Coventor 的 Fried 說,“要找到任何一個可能的缺陷出現的地方,你很快就會招架不住。”
所以晶圓廠不僅要能找到工具的問題,還應該從晶圓的角度來看待這些問題。Fried 說:“如果我從晶圓的角度來看任何給定的工藝操作,肯定會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。”

通過觀察晶圓,晶圓廠就可以借此來解決問題。他說:“你無法同時應對宇宙裡的每一個問題,而且還給它們配置同等的資源。你必須首先解決會致命的缺陷,然後你再去處理那些較低層次的缺陷。你必須考慮生產製造方面,然後你才能理解這個由元件、子元件和材料構成的龐大系統。”

為此,晶片製造商可以選擇幾條不同的路。其中之一是使用模擬技術來預測潛在的問題。通過對工藝建模,晶片製造商可以減少矽學習週期和開發成本。

另一種方法是工具監控(tool monitoring)。在工具監控中,晶圓廠加工的是裸晶圓。然後會有一種檢查工具來確定一台給定的晶圓廠設備是否是晶圓上缺陷的根本原因。如果是,就將該工具下線並進行評估。
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