零缺陷與持續(xù)改進計劃助力車規(guī)級芯片質(zhì)量及可靠性
多樣晶圓檢測系統(tǒng)讓全流程中缺陷無所遁形
深度學習模型識別不同晶圓缺陷，更準確，更靈敏
專屬配套軟件服務適應現(xiàn)場不同量測檢測需求，有效調(diào)節(jié)修正準確度
車規(guī)級芯片質(zhì)量和可靠性
汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢有互聯(lián)化、電氣化和智能化等方向，通過賦能工廠“連接”，將座艙智能化，實現(xiàn)軟硬件協(xié)同一體化，智能輔助系統(tǒng)通過激光雷達與傳感器、攝像頭的搭配在視覺算法支持下實現(xiàn)自動駕駛。其中汽車半導體、芯片的需求量巨大，它們能夠感知周圍環(huán)境、作出決策和控制行動，為汽車行業(yè)的未來創(chuàng)造全“芯”機遇。
但與此同時，汽車半導體的質(zhì)量和可靠性非常關鍵。汽車芯片內(nèi)部，可能會隱藏一些潛在的缺陷，外部環(huán)境的變化就有可能引發(fā)安全性和可靠性問題，這些外在因素包括酷暑的高溫而引發(fā)的缺陷擴張，顛簸路段造成的震動，大雨導致的高濕度，寒冷冬天的低溫等極端的條件，會將潛在的缺陷轉(zhuǎn)化為完整的系統(tǒng)故障。
在芯片進入汽車之前，晶圓廠需要發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷并篩選出高風險芯片，隨著汽車行業(yè)的電氣化、智能化，芯片的質(zhì)量和可靠性愈發(fā)重要。SiC等功率器件也不例外，降低這些潛在的風險或減少缺陷逃逸，需要最佳方案降低晶圓廠的整體隨機缺陷水平。
因此必須確保汽車的高質(zhì)量和高可靠性，零缺陷計劃將成為汽車半導體不可或缺的一部分。KLA的零缺陷與持續(xù)改進計劃，幫助汽車芯片與器件在生產(chǎn)的過程中實現(xiàn)全流程的缺陷檢測。持續(xù)改進計劃（CIP）利用無圖案的晶圓缺陷檢測來識別導致缺陷的特定制程設備。借助監(jiān)控CIP的設備，汽車芯片制造廠可以設定客觀目標，減少影響可靠性的制程缺陷。
通過零缺陷篩選，晶圓廠可以在關鍵工藝步驟上對所有晶圓中100%的芯片進行監(jiān)控。這要求檢測設備快速而靈敏，同時又能夠可靠地識別哪些缺陷很重要。使用這種方法，在晶圓廠中就可以將可能發(fā)生故障的芯片從供應鏈中剔除，而這時的成本最低。高靈敏度檢測策略可以與I-PAT篩選方案配合使用，用以發(fā)現(xiàn)關鍵的良率缺陷，從而加速新工藝開發(fā)進度并進一步減少缺陷。
KLA在碳化硅領域的解決方案
如今正在迅速發(fā)展的第三代半導體材料以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）等為代表。自20世紀90年代興起以來，擁有更優(yōu)電子遷移率、寬禁帶的第三代半導體材料，能夠更好地應用在高溫、高頻場景里。其中，碳化硅具有優(yōu)越的物理性能：可以降能耗，動力系統(tǒng)模組縮小5倍，物料成本低，縮短充電時間，以及高溫下的穩(wěn)定晶體結構。這使得碳化硅可以應用在電動汽車的快速充電設施、電池管理系統(tǒng)、DC/DC轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器等等。碳化硅的使用可以有效延長電動汽車的電池壽命和續(xù)航里程。
功率器件應用在各種汽車子系統(tǒng)中，要求的質(zhì)量標準與可靠性和其他汽車IC相同。SiC外延和硅上GaN工藝的專用設備以及SiC襯底的檢測系統(tǒng)可幫助功率器件制造商達到汽車電子要求的缺陷標準。而KLA一直在通過向碳化硅和氮化鎵功率器件市場提供解決方案來推動人類進步，不斷促進汽車和其他行業(yè)的低碳發(fā)展。KLA開發(fā)出一套全面的工藝設備和檢測及量測制程控制解決方案組合，專門用于滿足功率器件的獨特需求。
由于碳化硅襯底和外延層中的缺陷出現(xiàn)的幾率比硅襯底高得多，檢測這些缺陷成為了制造商生產(chǎn)的重點環(huán)節(jié)，而KLA的Candela?8520晶圓檢測系統(tǒng)即是專門為識別碳化硅襯底和外延缺陷設計的。這一系統(tǒng)具備強大的多檢測通道，能夠幫助制造商敏銳捕捉工藝相關問題，識別并分類這些影響良率的缺陷，包括襯底晶圓上的堆垛層錯、外延生長后的基平面錯位（BPDs）、微管、劃痕等。該系統(tǒng)還具有分析工具，例如缺陷審查、芯片分級和輪廓映射，可以生成全面的檢查報告，幫助工藝工程師采取準確的工藝糾正措施。采取了暗場、明場、表面斜率變化、相位、光致發(fā)光這5種互補的檢測技術，能夠?qū)Χ喾N缺陷進行精細分類。
Candela?8520晶圓檢測系統(tǒng)
除了Candela?8520，KLA 8 Series圖形晶圓檢測系統(tǒng)(8913、8920、8930)長久以來一直服務于汽車市場，使硅基芯片制造商能夠快速提高產(chǎn)量，解決工藝引起的缺陷。在SiC器件制造中也看到了一些關鍵的應用，第一是Defect Discovery（缺陷探索），8Series系統(tǒng)構造支持的多類型關鍵缺陷檢測能力在研發(fā)和量產(chǎn)階段至關重要，8 Series幫助SiC設備制造商采取行動迅速糾正工藝問題。靈敏度是早期成功的關鍵，更快的time to result將使設備制造商在這個熱門市場中獲得優(yōu)先競爭的優(yōu)勢。第二個是Automotive Screening，這是汽車芯片制造商為確保質(zhì)量和可靠性而采用的一種關鍵檢測策略，通過檢測所有芯片，最大限度地減少任何能夠?qū)е孪到y(tǒng)故障的風險逃逸，然而為了最大限度地減少逃逸，通常我們會看到overkill die的提高，這對于盈利有直接的影響。
8 Series圖形晶圓檢測系統(tǒng)
而擁有深度學習算法和特殊的透明晶圓處理能力的8 Series提供了將overkill降到最低的方法，將這些功能與8 Series超高產(chǎn)量相結合，使SiC器件制造商能夠?qū)崿F(xiàn)前面所顯示更高的工藝控制水平，8 Series提供的高靈敏度，高產(chǎn)量使該平臺適用于研發(fā)、實驗和量產(chǎn)線。
如果沒有高靈敏度的檢測能力，就無法發(fā)現(xiàn)微小缺陷，在典型的SiC晶圓上，如何穩(wěn)定捕捉小于0.5um的缺陷是8 Series可以克服的挑戰(zhàn)，使我們能夠?qū)崿F(xiàn)此項目標的功能是精準檢測區(qū)域定義技術Flexpoint，以及深度學習系統(tǒng)—Defect Wise，這是8 Series兩項最新創(chuàng)新，用mask分割不同區(qū)域，對減少系統(tǒng)性的信號干擾非常有效，將版圖設計與光學圖像對齊是一項系統(tǒng)級的創(chuàng)新，而使8935的性能與市場其他產(chǎn)品與眾不同。
KLA的8 Series圖形化晶圓檢測系統(tǒng)是“零缺陷”策略的關鍵推動力，該系統(tǒng)能夠以極高的檢測速度捕獲各種缺陷類型。面對SiC電力電子市場的高要求，如何快速識別和解決生產(chǎn)過程出現(xiàn)的問題尤為重要。與基于硅的技術一樣，SiC技術受益于8 Series的高靈敏度和高產(chǎn)能，使得車規(guī)器件在線篩選檢測方案能夠?qū)崿F(xiàn)關鍵缺陷的及早識別和高可信度，從而將全線漏檢風險降到最低，帶來的是器件可靠性的增加和綜合成本的降低。
同時I-PAT?(在線缺陷平均測試）是一種新方法，可使汽車芯片制造商減少半導體元器件中潛在可靠性缺陷的發(fā)生機率，并將有風險的芯片從供應鏈中排除，并減少風險逃逸的比例，同時避免晶圓廠中晶粒過早失效。KLA在I-PAT?方面的創(chuàng)新，將使SiC芯片制造商能夠獲得汽車行業(yè)所需要的高質(zhì)量和高可靠性的產(chǎn)品。同時除了利用檢測大數(shù)據(jù)的分析，更多的比如包括設計支持和人工智能、深度學習在內(nèi)的一系列創(chuàng)新，大大提升了8 Series平臺的性能。
總的來說，KLA Altair 8 Series圖形化晶圓檢測系統(tǒng)以極高的靈敏度和產(chǎn)出量幫助SiC晶圓工廠找出器件制造各段工藝中的明顯關鍵缺陷和潛在可靠性缺陷，為SiC器件的品質(zhì)和可靠性保駕護航，幫助晶圓廠縮短良率達標時間，以更快的速度，更低的成本，更好的質(zhì)量向市場交付產(chǎn)品，以“零缺陷”的策略助推電動汽車實現(xiàn)更為安全可靠的目標。
KLA還帶來了一款用于化合物半導體重疊對準量測的新型ArcherTM Power系統(tǒng)。
結合化合物半導體獨特的需求，KLA基于廣泛采用的用于硅基芯片制造的 ArcherTM 500重疊對準平臺，開發(fā)了新的功能，以提供化合物半導體領域所需的功能和靈活性。據(jù)介紹，ArcherTM Power系統(tǒng)支持多種襯底材料，還支持一系列晶圓尺寸（150mm到300mm）和多種不同的晶圓厚度，可支持客戶對于多種材料、工藝、產(chǎn)品的混合研發(fā)與生產(chǎn)。
ArcherTM Power系統(tǒng)
ArcherTM Power還具有高生產(chǎn)率、可靠性能，以及高靈活性的特點，使化合物半導體制造商能夠測量其全系列產(chǎn)品類型的疊層對準誤差，有助于快速提高良率和可靠性。
對量測來講，需要量得到、量得準、量得快，并且可以適應不同的襯底材料與厚度。除了量測設備，KLA還有一系列的配套系統(tǒng)與工具，包括軟件、算法、服務。配套的系統(tǒng)與工具是非常重要的。我們會講兩點，一點是RDM (Recipe Database Management)，用于管理量測設備的Recipe。化合物半導體晶圓廠的客戶數(shù)量多，但可能每個批次產(chǎn)能不是非常大，多樣性強。RDM可以幫助晶圓廠客戶管控所有的Recipe，保持各個機臺上的Recipe一致且穩(wěn)定。另外，通過RDM的功能可以在不影響機臺使用的情況下，建立新的Recipe。量產(chǎn)廠商的機臺時間很寶貴，這項服務可以節(jié)省大量的機臺時間。
除了Recipe管理，還有另外一套支持的系統(tǒng)叫5D Analyzer。量測數(shù)據(jù)會被用來幫助后續(xù)晶圓的工藝控制。如將Overlay量測的數(shù)據(jù)做分析和運算，并且將運算后得到的結果拿來做后續(xù)的補償，達到更好的Overlay控制。這個補償是最終想要的結果，量測只是前半部分，后半部分是分析和補償。5D Analyzer產(chǎn)品使用歷史悠久，里面有許多功能。量測完有存儲的數(shù)據(jù)，量測的值本身做實時的運算，運算完之后，數(shù)據(jù)變成可以修正的一組量，這組修正的量會實時傳到光刻機上面做修正。
當前技術發(fā)展熱點在車規(guī)級半導體之外，還有先進封裝，通過多種工藝實現(xiàn)芯片的能耗比的優(yōu)化，單位面積上集成度的增加，在微縮之外，開拓另一種發(fā)展途徑。當今的先進封裝技術依靠創(chuàng)新的制程技術來提供改進的IC元器件性能和多功能集成。為了防止有缺陷的器件在供應鏈中向前發(fā)展，篩選和分類是封裝IC組件，IC基板和印刷電路板（PCB）的重要質(zhì)量控制步驟。檢測和量測系統(tǒng)捕獲關鍵缺陷和變化，不斷改進封裝和PCB工藝，可靠性相關的問題以及器件故障的可追溯性。
目前KLA的兩個發(fā)展方向是Defect Engineering以及SPC Monitoring，發(fā)現(xiàn)缺陷的基礎上還要控制制程良率，降低成本，檢測量測設備在這其中發(fā)揮重要作用。作為集成電路制造中的重要環(huán)節(jié)，KLA一直跟隨技術發(fā)展的趨勢來更新升級軟硬件服務，實現(xiàn)零缺陷計劃，提升良率，為車規(guī)級半導體、第三代半導體和先進封裝等提供全流程檢測方案。
