半導體制造設備系列(9)-過程控制檢測設備

電子系統故障檢測存在“十倍法則”，即如果一個芯片中的故障沒有在芯片測試時發現，則在電路板（PCB）環節發現故障的成本為芯片級別的十倍。因此，檢測設備在半導體產業中扮演著十分重要的角色，從設計驗證到最終測試都不可或缺，貫穿整個半導體制造過程。

表1：檢測、量測在半導體前道制程中的應用

半導體檢測的分類及應用：

半導體檢測包括設計驗證測試、工藝控制檢測、晶圓測試（CP，Circuit Probe）和成品測試（FT，Final Test）。從涉及的設備類型來看，工藝工程控制測試可分為一類，設計驗證測試、CP測試以及FT測試可以歸為一類。

工藝控制檢測應用于晶圓的加工環節，所以也稱為是前道測試，主要內容包括形狀、膜厚、線寬、缺陷檢測、電阻率、離子注入濃度等，測試類型主要為光學測試，目標客戶為芯片制造企業及代工廠。

設計驗證測試、CP及FT測試所使用的設備類型基本一致，包括測試機、分選機以及探針臺，主要測試內容則包括DC/AC參數測試、功能測試，基本為電學性能測試，應用環節包括芯片前期的設計驗證環節、晶圓加工完成后環節、芯片封裝前后。設備的下游目標客戶主要為芯片設計企業以及封測企業。

圖1：檢測在集成電路全過程中的應用

根據測試目的，過程控制檢測可以細分為量測和檢測。量測主要是對芯片的薄膜厚度、關鍵尺寸、套準精度等制成尺寸和膜應力、摻雜濃度等材料性質進行測量，以確保其符合參數設計要求；而檢測主要用于識別并定位產品表面存在的雜質顆粒沾污、機械劃傷、晶圓圖案缺陷等問題。

檢測和量測對于提高芯片制造的良率以及經濟效益至關重要。晶圓不合格的原因來源于制造過程中發生的技術誤差或者外部環境污染， 幾乎每個工藝環節如氧化、光刻、刻蝕、離子注入等都有可能成為導火索。因此必須在各工藝步驟之間穿插進行測量、檢查，以便及時定位出問題的工藝環節，并發現和解決生產過程中出現的問題，可以有效避免重大經濟損失。

圖2：缺陷檢測&尺寸量測

市場規模及競爭格局：

2020 年全球過程控制設備市場空間約 73 億美元，其中光刻相關（套刻誤差量測、掩膜板測量及檢測等）相關需求約20億美元、缺陷檢測需求約39億美元、膜厚測量需求約11 億美元。過程控制市場中在全球市場比例基本維持在11~13%之間，相對穩定，隨著制程微縮、3D堆疊推進，晶圓制造對于量測、檢測需求不斷增加，精度要求也不斷提高，過程控制設備持續有升級需求。

圖3：全球過程控制檢測市場（百萬美元）

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