半导体制造设备系列(9)-过程控制检测设备

半导体制造设备系列(9)-过程控制检测设备

电子系统故障检测存在“十倍法则”，即如果一个芯片中的故障没有在芯片测试时发现，则在电路板（PCB）环节发现故障的成本为芯片级别的十倍。因此，检测设备在半导体产业中扮演着十分重要的角色，从设计验证到最终测试都不可或缺，贯穿整个半导体制造过程。

表1：检测、量测在半导体前道制程中的应用

半导体检测的分类及应用：

半导体检测包括设计验证测试、工艺控制检测、晶圆测试（CP，Circuit Probe）和成品测试（FT，Final Test）。从涉及的设备类型来看，工艺工程控制测试可分为一类，设计验证测试、CP测试以及FT测试可以归为一类。

工艺控制检测应用于晶圆的加工环节，所以也称为是前道测试，主要内容包括形状、膜厚、线宽、缺陷检测、电阻率、离子注入浓度等，测试类型主要为光学测试，目标客户为芯片制造企业及代工厂。

设计验证测试、CP及FT测试所使用的设备类型基本一致，包括测试机、分选机以及探针台，主要测试内容则包括DC/AC参数测试、功能测试，基本为电学性能测试，应用环节包括芯片前期的设计验证环节、晶圆加工完成后环节、芯片封装前后。设备的下游目标客户主要为芯片设计企业以及封测企业。

图1：检测在集成电路全过程中的应用

根据测试目的，过程控制检测可以细分为量测和检测。量测主要是对芯片的薄膜厚度、关键尺寸、套准精度等制成尺寸和膜应力、掺杂浓度等材料性质进行测量，以确保其符合参数设计要求；而检测主要用于识别并定位产品表面存在的杂质颗粒沾污、机械划伤、晶圆图案缺陷等问题。

检测和量测对于提高芯片制造的良率以及经济效益至关重要。晶圆不合格的原因来源于制造过程中发生的技术误差或者外部环境污染， 几乎每个工艺环节如氧化、光刻、刻蚀、离子注入等都有可能成为导火索。因此必须在各工艺步骤之间穿插进行测量、检查，以便及时定位出问题的工艺环节，并发现和解决生产过程中出现的问题，可以有效避免重大经济损失。

图2：缺陷检测&尺寸量测

市场规模及竞争格局：

2020 年全球过程控制设备市场空间约 73 亿美元，其中光刻相关（套刻误差量测、掩膜板测量及检测等）相关需求约20亿美元、缺陷检测需求约39亿美元、膜厚测量需求约11 亿美元。过程控制市场中在全球市场比例基本维持在11~13%之间，相对稳定，随着制程微缩、3D堆叠推进，晶圆制造对于量测、检测需求不断增加，精度要求也不断提高，过程控制设备持续有升级需求。

图3：全球过程控制检测市场（百万美元）

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