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半导体是干什么的半导体元器件日韩

日期:2019-10-03 01:42 来源: 半导体检测

  

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  前、后道检测设备的研发具有很高的技术和资金壁垒,该市场同光刻、刻蚀一样,也呈现出国外巨头高度垄断的状况。 前道量检测设备的下游客户是晶圆代工厂, 在该领域内科磊以 52%的市场份额稳坐第一把交椅,其薄膜厚度测量、缺陷检测产品具有较高的市占率。后道检测设备下游客户是 IC 封测企业, 其中东京精密在探针台细分市场份额高达 60%,泰瑞达与爱德万在检测台市场共拥有超过 90%的市占率,而爱德万、科休和爱普生的分选机产品拥有超过 60%的市场份额。 目前, 检测设备已经可以与光刻、刻蚀等设备的精度保持同步发展,该工艺的设备精度也逐渐成为制约集成电路产业发展的瓶颈之一。

  套准精度: 集成电路最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。光刻套准精度测量用于确保整个电路图形必须被正确地定位于晶圆表面, 并且电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的,否则将会导致整个电路的失效。光刻操作步骤的数目之多和光刻工艺层的数量之大,导致光刻是半导体制造工艺的一个主要缺陷来源, 因此, 套准精度对整个半导体产线的良率起着重要的作用。现在测量套准精度的主要方法是相干探测显微镜,它根据干涉原理辨别出样品内部的结构,并以此判断光刻掩模版的套准精度。

  通过全球布局抢占市场份额、紧跟行业趋势进行产品更新、 强势进军 SoC 测试台市场,爱德万立志垄断整个后道检测设备市场。

  受下游半导体产品市场增长的影响, 2017、 2018 年半导体后道检测设备市场同样迎来新的增长。按照历史平均数据,后道检测设备市场投资额与半导体设备总体投资额的比值约为 9%, 据此估计 2017 年该设备的市场规模为 50.96 亿美元, 2018 年该市场规模预计将扩大到 56.46 亿美元,同比增长 10.79%。

  前道量检测设备种类繁多,但大体上都是根据光学和电子束原理进行工作。 根据检测标的对良率的影响程度, 椭偏仪、四探针、 热波系统、相干探测显微镜、光学显微镜和扫描电子显微镜是前道量检测领域内比较重要的设备。为满足未来更加严格的精度要求,设备企业除了在原有技术的基础上进行工艺改进,性能提升外, 还会增加扫描电子显微镜、隧道显微镜和原子力显微镜在前道量检测工艺中的应用比重。

  CP 测试过程为: 进行 CP 测试时,探针台和测试台连接,根据测试台的算法完成测试。 首先, 待测硅片被放置到可以进行垂直移动的真空托盘上, 其次, 探针在软件的控制下自动完成对准并接通电路完成测试。测试一旦完成,不合格的芯片会记录在计算机的数据库内并被墨水打点,这样不合格的芯片会在封装步骤前被放弃。

  交流参数测试(AC) 是对电路工作时的时间关系进行测量,它最看重的是最大测试速率和重复性能,其次是准确度。 该参数测试以时间为单位验证相关芯片电路的建立时间、保持时间、上升时间、下降时间以及传输延迟时间等参数。

  未来探针台发展方向:增加测试标的&较少晶圆测试损伤测试品种增多。 早期的探针台主要针对一些分立器件进行测试,测试精度要求不是很高。随着信息化技术的发展其产品测试已经扩展到 SOC 等领域,预期在未来工艺的推动下,会有针对更加先进产品的探针台不断问世。微变形接触技术。 晶圆是高价值产品, 所以在操作过程中尽量避免出现任何损坏晶圆的可能性。

  前道量检测使整条前道工艺产线的控制达到最佳化,同时也为追寻芯片生产中发现的问题提供了重要的追寻线索。半导体芯片制造工艺步骤极多,各步骤之间可能会相互影响, 因此很难根据最后出厂产品的检测结果准确分析出影响产品性能与合格率的具体原因。而且如果不能在生产过程中及时检测到工艺缺陷,则此批次工艺中生产出来的大量不合格产品也会额外增加厂商的生产成本。 因此前道量检测贯穿芯片制造环节始终,对加工制造过程进行实时的监控,确保每一步加工后的产品均符合参数要求。 而且, 产品小组可以通过分析前道量检测产生的检测数据及时发现问题根源, 使之能够采取最有效的方式进行应对,从而制造出参数均匀、成品率高、可靠性强的芯片。

  测试台随着半导体工艺的发展, 其检测的产品更加复杂、检测速度也在逐渐提高。 从上世纪 60 年起,测试台已经从最初的针对简单、 低芯片引脚数的低速测试系统逐步发展到适用于超大规模、复杂结构集成电路的高速测试系统。

  精测电子成立于 2006 年 4 月,是一家专业从事面板测试系统研发、生产、销售与服务的高科技企业。 2016 年 11 月,公司首次公开发行股票并在创业板上市。 公司产品贯穿于平板显示产品的整个制造过程,考察整个生产制造工艺的可行性与稳定性。 公司在国内面板检测领域处于绝对领先地位, 经过 10 多年的技术积累,已经具备了提供全面的面板检测解决方案的能力, 并形成了光、机、电一体化产品体系。

  四探针: 测量不透明薄膜厚度。 由于不透明薄膜无法利用光学原理进行测量,因此会利用四探针仪器测量方块电阻,根据膜厚与方块电阻之间的关系间接测量膜厚。 方块电阻可以理解为硅片上正方形薄膜两端之间的电阻, 它与薄膜的电阻率和厚度相关, 与正方形薄层的尺寸无关。 四探针将四个在一条直线上等距离放置的探针依次与硅片进行接触, 在外面的两根探针之间施加已知的电流,同时测得内侧两根探针之间的电势差,由此便可得到方块电阻值。

  前道量检测工艺对芯片制造有着至关重要的意义,它是提高产线良率、降低生产成本的重要环节,在很大程度上决定了代工厂的竞争能力。 晶圆代工厂商的成败依赖于产品的良率,良率不达标会显著影响厂商的成本与收益,据估计产品良率每降低一个百分点,晶圆代工厂商将损失 100-800 万美元。而且由于芯片新产品推广的市场窗口很小,加上市场份额的激烈竞争,客户会优先选择生产良率高,供应能力强的半导体企业进行供货,这也意味着减少产线缺陷将会极大提高企业的竞争实力。因此晶圆厂商会在制造流程中通过前道量检测设备监控加工工艺,确保工艺过程符合既定的要求,并通过定位生产中问题的根源,及时采取修正措施,从而达到减少缺陷、提升产线良率的目的。

  平移拾取和放置式分选机以真空方式吸取半导体, 依靠传动臂的水平方向移动来完成产品在测试工位之间的传递,进而完成整个测试流程。 该类设备优点是结构相对简单;可靠性高;对重量较重和外形较大的产品尤为合适。缺点是该类分选机的每小时产品比较低,对于体积较小的产品操作性能不佳。

  公司产品主要是膜厚、线nm 制程的膜厚、线宽测量系统已经实现在生产线上的小批量应用,而应用于 14nm 制程的光学尺寸测量设备也已经步入生产线 OCD 是公司两款明星产品, TFX3000 是由睿励自主研发,可应用于 12 英寸硅片的全自动光学膜厚测量系统;而 TFX3000 OCD 是睿励在 TFX3000 系统的基础上集成了光学关键尺寸测量模块。 除具有膜厚测量能力外,还可以进行关键尺寸、 特征和形貌的测量。

  科磊(KLA-Tencor) 于 1997 年由 KLA 仪器公司和 Tencor 仪器公司合并创立, 总部位于美国加州米尔皮塔斯市,公司主要为半导体、数据存储、 LED 及其他相关纳米电子产业提供前道工艺控制和良率管理的解决方案。 科磊自成立起便深耕于半导体前道量检测设备行业, 目前其产品种类已经覆盖加工工艺环节的各类前道光学、电子束量检测设备。 凭借其检测产品高效、精确的性能特点, 科磊以 52%的市场份额在行业内具有绝对的龙头地位。三星电子、台积电、 Intel、 海力士、联华、华虹、 中芯国际、 东芝、 美光等 IDM/Foundry 均是公司重要客户。

  在全球布局策略下, 公司在全球 50 多个国家和地区一共拥有超过 4400 名员工, 由此为公司及时占领全球市场提供了坚定的支撑。海外市场已经成为公司主要的营收来源, 2017 财年公司 93.15%的营收来自于日本本土以外的地区,其中台湾、韩国稳居收入榜前两名,中国大陆是公司第三大市场,其收入占比为 13.80%, 与去年相比大陆收入占比有所增加。凭借其全球销售网络, 截至 2017 年 7 月,公司在全球共销售超过 20000 台测试台, 6000 台分选机,在半导体供应链中起着不可忽视的重要作用。

  前道量测、检测均会用到光学技术和电子束技术, 但是两种技术在量测与检测下各具不同的特点。光学量测通过分析光的反射、衍射光谱间接进行测量,其优点是速度快、分辨率高、非破坏性,但缺点是需借助其他技术进行辅助成像;电子束量测是根据电子扫描直接放大成像,其优点是可以直接成像进行测量,但缺点是速度慢、分辨率低,而且使用电子束进行成像量测操作时需要切割晶圆,因此电子束量测具有破坏性。光学检测是通过光信号对比发现晶圆上存在的缺陷,其优点是速度快,但缺点是无法呈现出缺陷的具体形貌; 而电子束检测可以直接呈现缺陷的具体形貌,但是该方法在精度要求非常高的情况下会耗费大量的时间。

  后道检测工艺有效降低封装成本,并确保出厂产品质量。 CP 测试在封装前对芯片进行测试,测试不合格的产品将不会进入封装环节, FT 测试则对最终产品进行性能测试,确保出厂产品均达到客户预定功能, 同时也可根据产线良率反馈的结果,进行生产工艺上的优化。

  长川目前的主营设备包括测试台和分选机。 公司生产的测试台包括大功率、模拟/数模混合测试机等;分选机包括重力下滑式分选机、平移式分选机。 此外公司已开始进行对探针台的研发工作, 目前已经完成了前期技术的预研工作以及各个模块的设计和搭建。

  测设台是后道检测中最为重要的设备,始终占据着后道检测设备市场 60%以上的投资比例。 2017 年全球测试台销量达到 33.5 亿美元,同比增长 19.64%, 占后道设备总投资比值为 66%; 2018 年测试台销量将维持高速增长趋势,达到 42 亿美元,同比增长 25.37%,投资占比值上升至 78%。 在测试台细分领域内,由于 5G 通信, AI, 物联网,数字货币等产业兴起将推动 SoC 测试台 2018 年的销售额达到 28 亿美元,同比增长 16.67%;而高容、高速存储器的强劲需求将拉动存储器测试台销量出现大幅增长,预计 2018 年销售额将到达 8.5 亿美元, 同比增长 30.77%。

  目前, 泰瑞达在中国大陆的收入占比为 12.19%,已经超越美国成为公司第二大市场。凭借对新兴产品的敏锐嗅觉,公司捷足先登 SoC 测试设备市场。 SoC 产品作为一门新兴技术,自上世纪 90 年代初才逐渐兴起并成为产业重要的发展趋势。泰瑞达凭借其对市场发展的敏锐嗅觉,于 1997 年便率先发布第一款 SoC测试设备 Catalyst。 随后公司针对高性能 SoC 产品又发布 Tiger 测试台。借助于 Catalyst 和 Tiger 两款测试系统,公司于 21 世纪初便已经成为 SoC 测试的市场领导者。并通过潜心研发进行产品创新,逐渐扩大公司在该领域的市场份额。

  后道检测通过 CP、 FT 测试能够对该批次产品进行结果检验, 确保合格产品进入封装环节或进入市场, 并得出产品的良率进行反馈。 如此可以帮助前道厂商改进加工工艺,进一步提高产线的加工精度。 根据工艺在封装环节的前后顺序, 后道检测可以分为 CP 测试和 FT 测试。

  (设计验证和后道检测涉及到的检测原理、检测设备相同,其设备本质上属于一类设备,且设计验证所需检测产品数量很少,对应设备需求很小,因此本文主要研究前道量检测、后道检测工艺及相应设备。)

  未来分选设备正朝着高速率、稳定性强、柔性化测试等方向发展。 分选机的单位产能低和换测时间长意味着厂商在同样的时间内,只能测试数量较少的芯片,这样无疑会降低公司的竞争能力,为此,各家设备厂商会着重于提升分选机的测试能力,提高测试速率; 而当分选机高批量进行自动化的作业方式时会对系统的稳定性提出更高的要求,会要求设备具有较低的故障率; 此外, 集成电路未来封装形式的多样性会要求分选机具备在不同的封装形式下快速切换测试模式的能力,从而形成更强的柔性化生产能力。

  测试台是检测芯片功能和性能的专用设备。测试时, 测试台对待测芯片施加输入信号, 得到输出信号与预期值进行比较,判断芯片的电性性能和产品功能的有效性。在 CP、 FT 检测环节内,测试台会分别将结果传输给探针台和分选机。当探针台接收到测试结果后,会进行喷墨操作以标记出晶圆上有缺损的芯片;而当分选器接收到来自测试台的结果后,则会对芯片进行取舍和分类。

  椭偏仪: 测量透明、半透明薄膜厚度的主流方法,它采用偏振光源发射激光,当光在样本中发生反射时, 会产生椭圆的偏振。 椭偏仪通过测量反射得到的椭圆偏振,并结合已知的输入值精确计算出薄膜的厚度,是一种非破坏性、非接触的光学薄膜厚度测试技术。 在晶圆加工中的注入、刻蚀和平坦化等一些需要实时测试的加工步骤内, 椭偏仪可以直接被集成到工艺设备上, 以此确定工艺中膜厚的加工终点。

  公司常年呈现出强劲的盈利能力。 凭借着行业的技术壁垒以及在 SoC 测试台、分选机上的垄断地位, 公司将毛利率基本维持在 50%以上的水平。报告期间,公司实现毛利率 51.44%, 而且受益于公司经营效率的提升, 2017 财年营业净利润达到 1.70 亿美元,同比增长 27.5%。

  后道检测设备与前道量检测设备相比,其技术门槛相对较低,而泰瑞达作为行业内的领先企业,其成长哲学值得国内有志于在后道检测市场发展的相关企业进行学习。 即公司通过全球布局增加营收来源, 借助敏锐嗅觉积极开拓新兴市场, 以高额的研发费用支撑产品创新能力,成功的并购策略紧紧抓住最大市场份额。

  后道检测工艺涉及到的检测设备主要有测试台、探针台和分选机。其中测试台与探针台组合运用于 CP 测试。因为此时的晶圆尚未进行产品封装,晶圆上集成着众多微小尺寸的待测芯片, 需要通过探针台与晶圆芯片进行精确接触,以连通待测芯片与测试台之间的电路。而 FT 测试使用的设备主要有测试台和分选机。 因为此时的芯片经历了封装

  泰瑞达(Teradyne)公司由两位毕业于麻省理工学院的工程师于 1960 年创立,总部设在美国马萨诸塞州的波士顿。经过近 60 年的专注发展, 公司是唯一能够覆盖模拟、混合信号、存储器及 VLSI 器件测试的设备提供商。 公司的下游客户遍布半导体整条产业链, 世界知名厂商台积电、 JA 三井租赁株式会社、三星电子、 Intel、美光、意法半导体、伟创力、高通公司、德州仪器、联发科、恩智浦、日月光、安靠、苹果、西部数据、希捷、东芝等都是其重要客户,其中台积电、 JA 三井租赁株式会社连续两年成为公司最大的客户。

  光学显微镜 : 快速定位表面缺陷。 光学显微镜使用光的反射或散射来检测晶圆表面缺陷,由于缺陷会导致硅片表面不平整,进而表现出对光不同的反射、散射效应。 根据对收到的来自硅片表面的光信号进行处理,光学显微镜就可以定位缺陷的位置。光学显微镜具有高速成像,成本经济的特点, 是目前工艺下的一种主要的缺陷检测技术。

  热波系统:测量掺杂浓度。 热波系统通过测量聚焦在硅片上同一点的两束激光在硅片表面反射率的变化量来计算杂质粒子的注入浓度。 在该系统内, 一束激光通过氩气激光器产生加热的波使硅片表面温度升高, 热硅片会导致另一束氦氖激光的反射系数发生变化,这一变化量正比于硅片中由杂质粒子注入而产生的晶体缺陷点的数目。 由此, 测量杂质粒子浓度的热波信号探测器可以将晶格缺陷的数目与掺杂浓度等注入条件联系起来,描述离子注入工艺后薄膜内杂质的浓度数值。

  后道检测设备市场呈现寡头垄断的局面, 这是因为后道检测设备具有较高的技术壁垒, 设备的核心技术均掌握在少数几个西方国家的厂商手中。其中, 爱德万与泰瑞达两家公司以超过 90%的市场份额垄断测试台市场; 在探针台领域内,东京精密一家公司的市占率已经达到了 60%;同样的在分选机市场内, 爱德万、 科休、 爱普生三家公司的市场份额已经超过了 60%。

  睿励科学仪器公司成立于 2005 年,是一家拥有自主核心技术的半导体设备企业。 目前, 国内生产半导体检测设备的企业, 其覆盖范围均在半导体的后道检测领域, 而进入半导体前道量检测产业的设备厂商国内只有睿励一家企业。公司产品填补了国家半导体产业链中的重要空白。 其检测设备已挺进国际一流大客户的生产线。

  公司龙头地位巩固,高壁垒带来高盈利。公司 2017 财年营业收入创下历史新高,达到 34.80 亿美元,同比增长 16.60%。因为前道量检测设备具有较高的技术壁垒,公司的绝对龙头地位赋予了产品定价的能力,所以科磊常年具有很高的盈利能力。 公司于 2017 年实现毛利润 21.92 亿美元,同比增长 20.37%,并于 2016、 2017 年分别实现 61.02%、 63.00%的毛利率。

  凭借每年近 20%的研发强度, 公司能够及时开发新产品满足市场需求。 爱德万始终重视公司的研发投入,即使是在2009 年市场低迷阶段,也能维持 20%以上的研发强度, 因此公司具有很强的产品开发能力。以存储芯片为例, 纵观整个存储芯片的发展历史,也可以将其看作是爱德万存储器测试设备的发展史。 公司于 1971 年进入半导体市场,仅用时 5 年,便于 1976 年开发出世界首台 DRAM 测试设备 T310/31,在全球市场获得巨大的成功。随着 1980 年T-3331 推向市场,公司形成一套测试速度完备的存储器测试机系列产品。 多年的技术沉淀使得公司具备惊人的研发能力。上世纪 90 年代,公司在新存储器问世 2-3 年内便可迅速推出相应种类的测试设备。而在 2000 年后,公司已经可以在当年内就开发出相应的测试台。 目前,公司在存储器测试设备市场拥有 50%以上的市场份额。

  量测的主要作用在于“量”,即测定晶圆制造过程中薄膜厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸、套刻精度等关键参数是否符合设计要求。对于一条正常运转的产线来说,量测的结果应该都是符合设计要求的,一旦出现量测结果持续偏离设计值的情况,就表明产线工艺出现了问题,需要进行问题的排查。

  芯片功能测试用来验证芯片是否能够实现设计的既定功能。 所施加的激励信号以一定方式在电路中传输,确保能够对电路内部的所有部分都进行验证,以测试电路的所有部分是否都正常工作。功能测试的基本方法是,用一组有序的组合测试图形作用于待测器件,比较电路的输出与预期数据是否相同,以此判别该电路的功能是否正常。

  前道量检测贯穿晶圆制造过程始终, 如下图所示, 每一道制造工艺完成后,都需要对数个参数进行测量,对缺陷情况进行检测,确保工艺的稳定并达到设计要求。

  转塔式分选机是以直驱电机为中心,各工位模块在旁协调运行的测试机。 芯片通过转塔式分选机主转盘的转动,一步一步的被各个工位测试,直到芯片完成所有的测试。 转塔式分选机的优点是设备的每小时产量比较高,当前市场上速度最快的设备每小时可以完成 5 万枚芯片的测试。 而此类分选机最大的缺点来源于其旋转式传动所造成的离心作用力, 使得该类设备不能应用于重量较重、外形尺寸较大的产品。

  膜应力量测: 在衬底表面上沉积多层薄膜可能会引入强的局部力量,这种局部力量被称之为膜应力。 膜应力可能会导致衬底发生形变,进而影响器件的稳定性。 产线上一般通过分析由于薄膜淀积造成的衬底曲率半径变化来进行膜应力测试,此种技术可用于包括金属、介质和聚合物在内的各种标准薄膜。进行薄膜应力测试时经常使用的技术有电子扫描显微镜、原子力显微镜。

  重力式分选机以半导体器件自身的重力和外部的压缩空气作为器件运动的驱动力,器件自上而下沿着分选机的轨道运动,在半导体运动的同时分选机的各部件会完成整个测试过程。 该类分选机的优点是设备结构简单,易于维护和操作;生产性能稳定,故障率低。缺点是因为器件由重力驱动, 所以设备的每小时产量相对较低; 而且该种类分选机的硬件结构也导致了设备不能支持体积比较小的产品和球栅阵列封装等特殊封装类型产品的测试。

  公司测试台整体市占率全球居首, 又是 SoC 测试台的绝对龙头。 公司是世界领先的测试台制造商和供应商, 测试台整体市场份额长期处于行业第一位,其中 2017 年市场份额为 50%,预计该值在 2021 年将增加至 54%-56%。细分市场看,公司是 SoC 测试台领域的绝对龙头, 2017 年在 SoC 测试台的市占率为 56.60%, 提升了 6.60 个百分点, 为业

  在分选机市场, 国外先进厂商凭借几十年设备研发的先动优势以及技术沉淀, 已经形成了对该市场的绝对垄断, 其产品性能可以很好的满足下游厂商对设备的需求。 而国产设备经过多年的潜心研发, 已经取得了很大的技术进步,未来将在设备的每小时产能、适用的芯片封装种类、换测时间以及系统的稳定性等方面取得重要的成果。

  扫描电子显微镜:对缺陷进行精准成像。 扫描电子显微镜的放大倍数能够达到百万倍,能够提供尺寸更小缺陷的信息,其放大性能明显高于光学显微镜。 扫描电子显微镜通过波长极短的电子束来扫描硅片,通过收集激发和散射出的二次电子、散射电子等形成硅片表面的图形,并得到不同材料间显著的成分对比。

  可以预见高测试速率、 强通用性将会成为未来测试台发展的方向。 提高检测速率可以使得测试台在单位时间内测试更多的芯片,如此便会降低单个芯片上所负担的生产成本。 传统的检测台是面向分立器件、存储器、数字电路等特定类型的半导体产品, 如今随着集成电路种类界限愈发模糊,柔性检测方式因其通用式的检测方法可以为下游半导体检测厂商极大的节省成本并缩短检测时间,故而通用性强的全自动检测设备已经成为未来各大生产厂商的主攻方向。

  成立全资子公司,多渠道实现设备国产化。 2018 年 6 月 19 日,经董事会一致同意,公司拟出资人民币 1 亿元在上海成立全资子公司。该公司将通过自主构建研发团队及海外并购引入国产化等手段,实现半导体测试、制程设备的技术突破及产业化,并依靠精测电子在国内面板检测市场的领先地位实现快速做大做强。

  目前,公司产品已在京东方、夏普、华星光电、中电熊猫、富士康、友达光电等国内外知名企业得到批量应用, 2017 年公司正式进入苹果、三星供应商体系。

  缺陷检测从无图形向有图形方向发展。无图形的硅片主要是裸硅片或有一些空白薄膜的硅片,常用做生产流程的测试片,在工艺进行时可用以提供氧化层厚度、表面颗粒度等工艺条件的特征信息,无图形的硅片在工艺进行后通常可清洗及再利用。但由于无图形硅片与产品片在结构上存在不同,随着半导体产品制程越来越小,结构越来越复杂,晶圆代工厂开始转为使用生产中的有图形的产品片进行在线检测监控, 以便更直接反映工艺流水线中发生的情况,为制作团队提供更加精准的信息,且有助于降低无图形硅片成本。对于表面缺陷的检测,常使用光学显微镜的光散射技术和扫描电子显微镜检查技术。

  FT 测试过程为: 分选机将封装好的芯片传送至测试工位, 芯片引脚通过测试工位上的金手指、专用连接线与测试台的功能模块进行连接。测试台对集成电路施加测试命令,采集输出信号,并判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性。测试结果通过通信接口传送给分选机,分选机据此对被测芯片进行标记、分类、收料或编带。

  掺杂浓度量测: 离子注入是半导体掺杂工艺中一种重要的技术,通过在硅片的一些区域内注入不同种类的离子,可以使不同区域硅片具有不同的电性能。 工艺中使用的杂质浓度通常介于1010个粒子/cm3到1018个粒子/cm3之间, 杂质粒子的浓度和分布会对半导体的性能产生重要影响。 由于杂质粒子造成的晶格缺陷会改变硅片表面的光线反射率,根据此原理便可计算出杂质浓度。 目前广泛应用于测量杂质浓度的方法为热波系统法。

  CP 测试(Circuit Probing,电路测试) : CP 检测位于芯片封装步骤之前,用于识别晶圆上能够正常工作的芯片,确保只有能实现正常数据通信,通过电参数、 逻辑功能测试的芯片才会进入封装环节,以此节省不必要的封装成本,同时可以为晶圆厂提供批次产品的良率数据,及时发现工艺中存在的不足。 此阶段的测试可能在晶圆厂进行,也可能被送到工厂附近的代工厂进行测试。

  探针台的发展历史可以追溯到上世纪 60 年代,经历了多年的技术耕耘, 该行业如今主要为东京精密(Accretech)、东京电子(Tokyo Electron Ltd)与伊智(Electroglas)三家公司所垄断。 虽然国内厂商近几年奋起直追,但是在设备的关键技术方面仍与国外先进厂商存在较大的差距,未来国产设备公司将会有很大的增长空间。

  公司的测试台已经实现了规模化国产替代,未来将会进一步向 SoC 测试台方向发展。 长川科技新一代的模拟电路测试台 CTA8290 测试技术和配置规模达到了业内高端设备的水平, 已经可以直接替代国外高端测试系统。 而公司的功率器件测试台 CCT3320 在测试精度、测试速度、并测效率等方面都有了显著的提升, 已经成为国内并测能力最强的设备。 目前, 在测试台领域内公司已经着手对更加复杂的 SoC 测试台进行研发, 并已经取得了巨大的研发成果。

  光学、电子束技术相结合,高效分析缺陷产生原因。 目前, 根据光学检测快速定位,电子束检测直接成像的特点,行业内对硅片缺陷检测的普遍做法为:光学技术与电子束技术相结合。其中光学检测设备用来寻找并快速锁定缺陷位置,电子束检测设备对缺陷进行成像处理, 借此技术,工程师便可高效寻找缺陷产生原因, 尽快提出解决方案。

  爱德万(Advantest)成立于 1954 年,总部位于日本东京市, 1972 年爱德万正式跨足半导体测试领域, 经过 40 多年的发展,公司已经成为世界上后道检测设备领先企业。 公司一直致力于集成电路测试技术的开发, 拥有种类完善的半导体后道测试台和分选机,公司的主要客户有 Intel、三星电子、 AMD、德州仪器、安靠、日月光、台星科、长电科技、力成、西部数据、通富微电等企业。

  017 财年公司业绩创新高。 受下游存储器、车用半导体、面板企业投资方向调整影响, 公司存储器、非存储器业务均出现增长,公司 2017 财年业绩创下自 2006 年以来的历史新高,其中营业收入大幅增长到 19.50 亿美元,同比增长 39.70%,进一步缩小了与泰瑞达之间的营收差距; 公司接收订单共计 23.32 亿美元,同比增加 50.50%。

  设计验证用于 IC 设计阶段,主要采用电学检测技术验证样品是否实现预定的设计功能。 前道量检测运用于晶圆的加工制造过程,它是一种物理性、功能性的测试,用以检测每一步工艺后产品的加工参数是否达到了设计的要求,并且查看晶圆表面上是否存在影响良率的缺陷,确保将加工产线的良率控制在规定的水平之上。后道检测主要运用于晶圆加工之后、 IC 封装环节内,是一种电性、功能性的检测,用于检查芯片是否达到性能要求, 后道检测又细分为 CP 测试、 FT 测试。 CP 测试确保工艺合格的产品进入封装环节, FT 测试确保性能合格的产品最终才能流向市场。

  在储存器测试台细分市场领域, 爱德万以 40%的市占率长期位居全球首位, 2011 年爱德万成功收购惠瑞捷(Verigy)进军 SoC 测试,并一度成为全球最大的测试台设备厂商,目前仅次于泰瑞达位居第二。 此外公司分选机的性能已经达到了业界的先进水平, 其中存储芯片分选机的并行测试容量为 768,非存储类芯片分选机可同时测量 32 枚芯片。

  全球布局有助于公司抓住产业转移的机遇。 自 2010 年起泰瑞达每年约 85%以上的收入份额便来自于海外市场,作为最近一轮产业转移的目的地, 台湾地区一直是公司最大的市场。但是随着近年来半导体产业出现向中国大陆转移的趋势,为全力支持快速发展的中国电子市场,泰瑞达于 2001 年在上海成立了分公司。 2007 年, 公司将主要的生产业务——半导体测试设备的生产和测试全部外包给了苏州伟创力(Flex International Ltd),在美国仅保留了新产品的生产线。

  2018 前道量检测设备市场空间将达到 58 亿美元。 据 SEMI 统计及预测, 2017、 2018 年全球半导体设备投资额分别为 566.20、 627.30 亿美元,同比增长 37.29%、 10.79%。其中晶圆厂前道制造设备投资额占比 80%,达到为 452.96、501.84 亿美元。按历史数据统计,前道量检测设备约占据晶圆厂前道制造设备 11.5%的投资比例, 据此估计 2017年该市场规模约为 52 亿美元, 而 2018 年该市场规模将进一步扩大到 58 亿美元。

  检测重点在于“检”,即检查生产过程中有无产生表面杂质颗粒沾污、晶体图案缺陷、机械划伤等缺陷, 晶圆缺陷可能会导致半导体产品在使用时发生漏电、断电的情况, 影响芯片的成品率。 通过晶圆缺陷检测来监控工艺,可以减少产量损失, 提高工艺良率。尤其现在工艺尺寸正在向 14nm 以下制程方向发展,晶圆表面的缺陷尺寸变得越来越小, 缺陷产生的原因也越来越多, 频率也越来越高, 前道检测的重要性已得到了广泛的认知。

  东京精密(TOKYO SEIMITSU)成立于 1949 年,是一家主要从事半导体设备和精密测量仪器研发、生产和销售的上市公司,公司于 1986 年在东京证券交易所 1 部上市。 在半导体制造装置方面, 东京精密于 1964 年便研发出第一台晶圆探针台设备, 该公司探针台产品占有国际市场 60%的份额,为世界第一大探针台制造商。 目前公司在全球共有雇员 2821 人。

  探针台是晶圆后道测试的高精密装备, 其技术壁垒主要体现在系统的精准定位、微米级运动以及高准确率通信等关键参数。

  集成电路分选设备应用于芯片封装之后的 FT 测试环节, 它是提供芯片筛选、分类功能的后道测试设备。 分选机负责将输入的芯片按照系统设计的取放方式运输到测试模块完成电路压测, 在此步骤内分选机依据测试结果对电路进行取舍和分类。 分选机按照系统结构可以分为三大类别,即重力式(Gravity)分选机、转塔式(Turret)分选机、平移拾取和放置式(Pick and Place)分选机。

  KLA-Tencor 以 52%的市占率垄断前道量检测设备市场。 前道量检测设备行业具有极高的技术、资金壁垒,对业内公司研发能力有很强要求。目前市场呈现高度垄断的局面,美国厂商 KLA-Tencor 占据 52%的市场份额,是行业内的绝对龙头, 遥遥领先排在第二位的 AMAT。 凭借在前道量检测设备领域的垄断地位, KLA 在 2016 年名列全球半导体设备商第五位。

  前道量检测根据测试目的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。

  探针台用于晶圆加工之后、封装工艺之前的 CP 测试环节, 负责晶圆的输送与定位, 使晶圆上的晶粒依次与探针接触并逐个测试。 探针台的工作流程为,首先通过载片台将晶圆移动到晶圆相机下,通过晶圆相机拍摄晶圆图像,从而确定晶圆的坐标位置;再将探针相机移动到探针卡下面,从而确定探针头的坐标位置;得到两者的位置关系后,即可将晶圆移动到探针卡下面,通过载片台垂直方向运动实现对针功能。

  公司既有能满足高端产品测试需求的解决方案,也兼顾工程研发初期或小规模量产验证的测试设备。

  探针台是东京精密占比最大的业务板块, 预期 2018 财年该业务板块占比将会继续扩大。 2017 财年,探针台收入占比约为 40.49%,是公司最大的业务板块。 同时, 该年度内公司增加研发支出至 0.68 亿美元,同比增长 11.24%,其目的在于支持探针台产品得到进一步的发展。 2018 财年,受 5G 通讯、人工智能、物联网和中国新建晶圆厂的影响,公司预计探针台的销售占比将达到 44.75%,与此相应,东京精密也在预算中增加了 9.72%的研发费用。

  关键尺寸: 半导体工艺技术的进步往往表现在器件关键尺寸的减小,在 COMS 技术中,栅宽决定了沟道长度,进而影响器件的反应速度。 关键尺寸测量的一个重要原因是要达到对产品所有线宽的精确控制, 因为芯片关键尺寸的变化通常显示出半导体制造工艺中一些关键环节的不稳定性。 关键尺寸测量需要精度和准确性优于 2nm的测量仪器,能够获得这种测量水平的仪器是扫描电子显微镜(SEM)。

  薄膜厚度量测: 芯片制造过程中需要不断地沉积各类薄膜,一般一个芯片会具有几十层薄膜结构, 而薄膜的厚度、均匀性会对晶圆成像处理的结果产生关键性的影响。 因此, 为生产性能可靠的芯片, 薄膜的质量是保证产品最终良率的关键。 半导体薄膜按材料划分有金属、介质、多晶硅和光刻胶,它们或者是透明的薄膜或者是不透明的薄膜。 业界内一般使用四探针通过测量方块电阻计算不透明薄膜的厚度; 通过椭偏仪测量光线的反射、偏射值计算透明薄膜的厚度。

  长川科技成立于 2008 年, 是一家专注于从事集成电路后道检测设备的研发、生产和销售的上市公司。 公司主要为集成电路封装测试企业、晶圆制造企业、芯片设计企业等提供测试设备。目前, 公司产品已经先后进入了本土封测龙头企业以及国际一流公司的生产线,长电科技、华天科技、通富微电、士兰微、华润微电子等国内企业以及日月光等国际封测行业龙头都是公司的重要客户。

  泰瑞达营收多年居于后道检测设备行业榜首。 2017 年公司营收创造新高达到 21.37 亿美元,同比增长 21.91%,公司营业收入连续 6 年为后道检测设备行业第一名。

  伊智公司推出“MircoTouch” 微接触技术,它减少了晶圆测试时的接触破坏,并且实现了对垂直升降系统的精准控制,大大降低了探针接触晶圆时的冲击力,同时也提高了测试过程中探针的精确度。非接触测量技术。 随着电磁波理论和 RFID(射频识别)技术的成熟,非接触式测试将会因为更低的晶圆测试损伤、更短的测试时间以及更少的产品成本等优点,将会是行业未来发展的方向。目前,意法半导体公司已经提出非接触式 EMWS 技术, 在此方法下的每个硅片内含天线,探针台通过电磁波与其通信, 如此便可以消除在标准测试过程中偶然发生的测试盘被损事件。

  在实际的芯片制造过程中,光学技术与电子束技术常常被结合使用,比如检测环节一般先采用光学检测定位缺陷位置,再使用电子束检测对缺陷进行精确扫描成像,两种技术的结合使用可以提高量检测的效率,并降低对芯片的破坏性。

  强强联手进军半导体检测设备产业。 精测联手韩国半导体检测设备公司 IT&T 成立合资公司,依托其技术基础与合资公司平台加快公司半导体测试设备的产品突破和产业化进程, 推动公司在半导体检测设备业务的突破和落地。合资公司已完成工商注册登记手续, 并取得了《营业执照》。 合资公司的技术及业务团队正处于组建扩充过程中,产品技术认证亦在同步推进之中。 此外, 面板检测和半导体检测在技术上具有很高相通性,公司在面板检测领域的技术积累和龙头地位将为公司开拓半导体市场提供强大助力。

  相干探测显微镜:套准精度测量设备。 相干探测显微镜主要是利用相干光的干涉原理,将相干光的相位差转换为光程差。 它能够获得沿硅片垂直方向上硅片表面的图像信息,通过相干光的干涉图形可以分辨出样品内部的复杂结构,增强了 CMP 后低对比度图案的套刻成像能力。

  FT 测试(Final Test,终测): FT 测试位于芯片封装步骤之后,是对封装后的单个芯片进行的性能测试,在此步骤内只有测试结果合格的产品才会最终被推向市场,同时分选器会根据测试结果对芯片进行分类。 以 Intel“酷睿”系列处理器的分类标准为例:若检测到处理器内损坏两个 CPU, 则被用作“酷睿 i3”处理器; CPU 若无损坏,但是工作频率不高,被用作“酷睿 i5”处理器;如果一点问题都没有,那么被用作“酷睿 i7”处理器。

  公司潜心研发, 在光学测量设备领域成功突破国际垄断,并得到三星的认可。 在经过三星一年的设备测试后, 2014年底公司获得了三星数台订单, 其后又多次获得三星重复订单, 是唯一进入韩国三星集成电路生产线的国内厂商,由此充分说明了睿励在技术层面上的竞争力。 凭借这个核心 IP, 睿励成功取代 Nanometrics,成为三星膜厚测量设备的第二梯队供应商。 另外, 国内公司长江存储也于近期对公司产品下了订单,并表示如果第一批产品性能良好,将在未来实现 50%的设备替代。 我们预计公司在未来将会收到更多来自海内外公司的订单。

  集成电路检测根据工艺所处的环节可以分为设计验证、前道量检测和后道检测。 集成电路芯片的生产主要分为 IC设计、 IC 前道制造和 IC 后道封装测试三大环节,狭义上对集成电路检测的认识集中在封测环节,事实上集成电路检测贯穿生产流程的始终,起始于 IC 设计, 在 IC 制造中继续,终止于对封装后芯片的性能检测,根据检测工艺所处的环节,集成电路检测被分为设计验证、前道量检测和后道检测。

  公司重视研发, 掌握多项核心技术。 前道检测设备具有极高的技术壁垒, 公司自成立之初就选择了自主研发核心技术的荆棘之路,多年来通过持续地产品研发, 睿励已掌握多项自主核心技术, 具有各种类型专利共计 90 余项,实现国产设备在前道量检测领域内零的突破。

  测试台的内部具有各种不同类型的测试功能电路板, 它能对集成电路进行直流参数、交流参数和芯片功能测试。直流参数测试(DC) 是对电路的电学参数进行测量, 主要考虑的是芯片每个引脚的测试效率和测试的准确度。 该参数测试以电压或者电流的形式验证高低电平的电压、功耗、驱动能力和噪声干扰等电气参数。常用的方法有施加电压测量电流(IFVM) 或施加电流测量电压(VFIM)。

半导体检测

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