每當半導體製程依循摩爾定律(Moore’s Law)往更先進節點前進,人們的目光焦點就會集中在各家晶圓廠,關注新技術的量產進度與良率表現。實際上,每一個製程世代的順利發展,除了半導體製造業者本身的技術實力,包括設備、材料等晶圓廠供應鏈所有廠商的齊心協力是缺一不可;特別是當製程節點來到了個位數字奈米時代,這些晶圓廠供應鏈業者所扮演的角色重要性更為顯著,只因為7奈米以下製程的高生產良率,取決於「純淨」這個關鍵詞。

電子氣體純化是先進製程良率關鍵

從眾家廠商在年度SEMICON Taiwan 2018國際半導體展透露的訊息,可以明顯看出以上趨勢。如專長電子與半導體製程應用之氣體與化學品生產的聯華林德(Linde LienHwa)電子技術與創新研發總監Carl Jackson接受EE Times Taiwan訪問時就表示,半導體製程中應用的化學氣體之純化對於先進節點非常重要,因為奈米等級元件的電路接觸點,已經微縮至只有幾個原子大小,生產過程中所使用的各種原料必須要確保純淨無雜質,才能避免晶片電路連結出現錯誤。

而Jackson也指出,半導體製程所使用的氣體種類相當複雜,包括沉積、蝕刻、晶圓清潔、摻雜與微影等等步驟使用的氣體都不相同,生產不同元件會需要的氣體之化學配方與溫度等參數也會有差異,因此氣體供應商必須要與半導體製造商密切配合,才能讓晶片生產順利。

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在半導體製程不同步驟會使用不同的電子氣體
(圖片來源:聯華林德)

聯華林德是總部位於德國的化學大廠林德集團(The Linde Group)與台灣聯華實業合資成立的公司,除了專注於工業用氣體的純化,為服務本地的客戶並降低運輸成本與風險,該公司不但在兩年前將技術研發中心由美國移至台灣,也持續在本地投資生產線,目前在竹科、中科與南科皆有工廠據點。林德集團負責大中華區業務的電子材料副總裁Ahsual Sarda表示,確保可靠、穩定的供應是對客戶的基本承諾,而聯華林德也非常注重氣體在運輸與應用上的安全性,會指派駐廠人員協助客戶在生產過程中安全使用各種氣體。

材料純化還不夠 輸送過程也要徹底乾淨

提供晶圓廠專用特殊化學品、先進材料,以及半導體生產線污染控制、晶圓輸送等解決方案的美商英特格(Entegris),則是將「純淨」的範圍更進一步擴大,除了注重所供應化學材料(包括氣體與液體)的純化,還能為客戶提供化學品運輸過程、以及在生產線上輸送過程都保持潔淨的整體化解決方案,例如化學品儲存容器、流體輸送系統管線接頭與閥門、過濾裝置/濾芯,還有晶圓片輸送盒等產品,以及為半導體客戶提供上述產品的清潔服務與生產線微污染控制。

英特格副技術長Montray Leavey接受EE Times Taiwan採訪時表示,當半導體製程前進至10奈米以下,甚至到7奈米、5奈米,對生產線純淨度的要求只會更為嚴苛,而且生產線上可能出現的雜質粒子數量雖然會因為技術的演進而減少,但尺寸也會大幅縮小、更難以察覺,因此能否謹慎地在每一個生產步驟控制污染物,對於製程良率有絕對的影響;而該公司所扮演的角色不只是晶圓廠的供應商、更是策略夥伴,在推進每一個節點時都需要與IC製造業者密切合作,克服將新材料導入製程以及防治污染物的種種挑戰。

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英特格台灣分公司總經理謝俊安
(圖片來源:Entegris)

「我們的期望是在業界只要提到『純淨』,第一個想到的就是英特格;」英特格台灣分公司總經理謝俊安指出,台灣是英特格最重視的市場之一,在本地不僅設置有技術研發中心,還有以奈米熔噴(Nano Melt Blown)技術生產化學機械研磨(CMP)過濾器使用之濾芯、供應全球市場的生產線。為進一步服務客戶,英特格還投資了600萬美元(約1.8億台幣)在台灣技術研發中心設置了先進的晶圓檢測設備、Class 10無塵室等等精密儀器,以提供先進製程所需的更純淨、高可靠度解決方案。

晶圓檢測設備扮演最後把關者

除了從生產原料與製造流程中確保「純淨」,在製程後段則得靠檢測設備扮演最後的「把關」角色;KLA-Tencor資深副總裁暨行銷長Oreste Donzella就表示,半導體業者在先進製程中「幾乎沒有出錯的空間;但晶圓片上可能導致良率損失的缺陷尺寸已經小於現有檢測系統的極限。」

為此KLA開發了新一代晶圓缺陷檢測系統,在光源、感測器以及軟體演算法上導入創新技術,提高了檢測的解析度,能針對包括污染粒子、刮痕、滑移線與層疊缺陷(stacking faults)等缺陷類型進行分類,找出影響良率的最小「殺手」。其中Voyager 1015系統提供了檢測圖案化晶圓的功能,包括能在光阻顯影後、晶圓尚可重做的情況下立即在微影單元中進行檢查;Surfscan SP7系統則是為裸晶圓與平滑/粗糙薄膜提供更高的缺陷檢測靈敏度,及早發現晶片製程問題所在,這對於7nm奈米以下邏輯製程與先進記憶體製程節點至關重要。

有鑑於晶圓級封裝(WLP)技術日益受到市場重視,KLA在今年SEMICON Taiwan還發表了兩款針對先進封裝製程打造的晶圓檢測系統,以協助晶圓廠或是半導體封測業者(OSAT)提升封裝製程良率以及晶片分類(sorting)的精確度;包括可提供關鍵製程控制與材料處置訊息的Kronos 1080,以及能在晶圓切割後對封裝進行檢查並根據關鍵缺陷類型快速分類晶片的ICOS F160。

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KLA專為先進封裝製程打造之晶圓檢測系統
(圖片來源:KLA-Tencor)

Donzella表示,先進封裝技術是半導體產業「超越摩爾定律」(Moore than more)的關鍵解決方案;先進的封裝技術更小的元件特徵、更高密度的金屬圖案和重分佈層,都需要更高標準甚至創新的檢測解決方案。結合多模光學系統、感測器以及專有缺陷檢測演算法的Kronos 1080系統,旨在檢測先進的晶圓級封裝製程步驟,為製程控制提供各種缺陷類型資訊,並導入了KLA-Tencor的IC晶片製造檢測解決方案FlexPoint,將檢測集中在晶片內缺陷會產生最大影響的關鍵區域,因此能檢測出像是扇出型封裝會有的晶圓翹曲等問題。

在晶圓級封裝通過測試和切割之後,則由ICOS F160執行檢測和晶片分類,以發現在晶圓切割過程中產生的雷射光刻槽、髮絲裂縫和側壁裂縫;垂直於晶片表面的側壁裂縫通常難以檢測,無法以傳統目測方法發現,而這類缺陷在用以隔離高密度金屬佈線的較脆弱新材料上特別容易發生。能以高靈敏度檢測出先進半導體元件的缺陷所在,會是確保製程高良率以及為終端使用者帶來更高品質產品的關鍵步驟。