微崇半导体董事长黄崇基：半导体量检测新方式探索——二谐波晶圆检测

| 半导体量检测是半导体工艺的“眼睛”

10月13-14日，由张江高科、芯谋研究联合主办的第九届张江高科·芯谋研究集成电路产业领袖峰会在上海浦东张江召开，微崇半导体董事长黄崇基在次日举办的设备材料分论坛中以《半导体量检测设备报告》为主题进行演讲。

半导体质量控制贯穿于半导体制造的全过程，保障着芯片性能与生产良率。随着制程不断先进，工艺环节也逐渐复杂，对质量控制提出了更高的要求，对量测设备与检测设备的需求量倍增。微崇半导体成立于2021年3月，立足于非线性光学晶圆检测技术领域，致力于研发先进的半导体检测技术与半导体检测设备。目前，微崇半导体在开发二谐波检测技术方面积累了丰富的经验。

半导体量检测是半导体工艺的“眼睛”，是半导体检测设备领域中非常重要的领域。随着制程与产量的提高，设备的量检测需求增长非常明显。2016年至2021年全球半导体检测量测设备市场规模的复合年增长率为20.0%，2021年全球市场规模达到102.6亿美元；中国大陆市场规模5年复合年增长率为35.6%，2021年市场规模为29.6亿美元。

黄崇基认为，当前国产量检测市场需求端，市场变大了，客户更多了，接受度也更高了。市场需求的变化也在供需端产生量不少影响，客户对量检测设备的要求更高，玩家更多，内卷也更激烈。他呼吁行业能够建立量检测设备能力相应的评估标准，通过呈现报告的方式让客户有更准确的期待，这样客户提要求时会站在更客观、更理性的角度。量检测领域的玩家变多了，业务多有重叠，人才快速流动，竞争越来越激烈。在黄崇基看来，良性的“内卷”和“竞争”环境，会更好地促进产品研发、生产和迭代，也促进行业的发展。

据黄崇基介绍，量检测可分为量测（metrology）与检测（Inspection）。先说量测，黄崇基引用KLA的“You can`t control what you can`t measure”来做解释。微崇将量测分为黄光区量测（光刻相关量测）和白光区量测。黄光区量测主要有OVL-IBO、OVL-DBO、In-die OVL-DBO、CD-SEM、HV-SEM、CDU、MASK Insp等；白光区量测包括THK、OCD、AFM、XPS、XRF、SDI、XRR、TXRF、FTIR、RS、MASS、TP等。黄崇基提到，现在市场上大概100K的10万片月产能存储厂大概需求超过10台的一些设备，比如OVL-IBO、CD-SEM、THK、OCD等。这里给各位简单介绍三个用量较大的量测设备和手段：（1）套刻精度量测OVL，比如用光学显微成像IBO以及光学衍射DBO，测量层与层之间的套刻精度；（2）薄膜厚度测量（THK），比如用椭圆偏振或四探针，量测膜层的厚度和其他膜层参数，多用于氧化层；（3）关键尺寸测量（CD），主要用光学散射测量OCD、扫描电镜CD-SEM去测一些关键的尺寸、高度、测壁角等。再说检测，他引用KLA另一句话“You can`t fix what you can`t find”。这一领域主要测量随机发生的问题，如现在比较受关注的明场BF、暗场DF、无图形晶圆的各类缺陷检测等。

量检测市场是存在刚需的。黄崇基认为原因主要在于两方面。一方面，晶圆产量越大，量检测设备需求会越大。统计数据显示，现有国内月产能约为60万片（12吋），已规划月产能超过270万片，未来规划新增产能会超过210万片/月。另一方面，制程越来越先进，量检测设备也越来越重要。制程越先进，工艺步骤和次数变得越多且复杂。28nm工艺建厂花费为60亿美元，7nm工艺建厂成本120多亿美元，5nm这一数字将增至160亿美元。要买更多工艺设备，就需要更多量检测设备进行检测。据统计，一条月产能10万片的DRAM工艺产线就需要150台以上的量检测设备，每台均价超过200万美元。

国产量检测市场也存在发展的限制。首先，国内多发展成熟制程，工艺步骤和次数少且良率稳定性较高，通常就会购买量检测设备较少；其次，量检测设备优先级低于生产设备，晶圆厂在做规划时，通常生产预算的优先级都是工艺设备高于量检测设备；第三，目前大量多量检测设备，包括用于光学检测的很多激光器，监测器，很多都依赖于国外供应商。黄崇基呼吁国内晶圆制造企业多支持国内量检测领域激光器等领域的厂商们，大家一起把这一领域做起来，未来不用再担心在这一领域会“受限”。

对于国产量检测设备的发展，黄崇基表示，国产量检测设备发展近几年突飞猛进，基本全方位覆盖了所有的量检测设备种类，广度够了，深度不够，性能差异补足超越还需要很长的时间。现在部分量检测设备也缺少国产方案，原因在于：一是难度大，很多设备是明场做的，如果说光刻机是半导体工艺生产的“明珠”，明场就是半导体量检测的工艺“明珠”。二是研发周期很长，国外头部先驱具有先发优势，国内企业要做得快又做得好，有非常大的挑战。三是市场太小，有些产线可能就需要一两台量检测设备，创业公司可能不愿意花成本去做。四是存在非美替代方案，部分量检测设备存在非美方案，比如日本、欧洲、匈牙利、以色列等设备公司都有更加成熟的方案。

半导体生产制造过程中，在薄膜沉积、刻蚀、离子扩散、清洗等环节都存在着亟待解决的问题，比如在薄膜沉积过程中，膜层内部也可能存在缺陷；刻蚀过程中也会产生PID问题，包括深沟槽损伤、浅沟槽损伤、CIS损伤等；扩散过程中的离子注入剂量、速度和角度等检测，以及退火的温度、时间、方式带来的差异。此外，客户也需要精准数据做PID、PDM问题，这些都需要做好量检测。

微崇从电学特性检测的视角，使用了一种非常创新的晶圆检测技术——二谐波晶圆检测技术。二谐波晶圆检测技术是通过激发、采集并分析晶圆界面和表面产生的二谐波信号，对晶圆的缺陷进行表征和诊断的技术。其原理是各类膜层之间的缺陷，通过二谐波达到硅衬底之后，激发硅衬底跃迁之后被一些缺陷所俘获，就会动态产生二谐波。用这一方式可以检测非常多与电学特性相关的，如界面态、积累电荷；薄膜质量相关的，如固定电荷、缺陷电荷、移动电荷、晶格缺陷等；和表面质量相关的，如表面电荷分布均匀度等。

黄崇基表示，微崇的二谐波晶圆检测技术已在多个应用场景验证，如28nm以下制程的AP外延层可以做到无损检测，扩散环节的热扩散、离子注入、退火，以及刻蚀与清洗等环节。微崇还与客户共同研发，在设备维护更换零件后，根据量检测技术反馈，如何调整使生产的硅片与之前性能相当。利用二谐波晶圆检测技术，微崇帮助晶圆制造企业从新制程研发、产能爬坡、提高良率、增效降损，减少良率损失的影响，提升CIP。