Требуется больше стандартов на комплектующие полупроводникового оборудования

Требуется больше стандартов на комплектующие полупроводникового оборудования

Выпуск 19(6693) от 26 сентября 2019 г.
РУБРИКА: ОБОРУДОВАНИЕ

Производители ИС осваивают новые технологические процессы с меньшими топологиями и борются за снижение уровня дефектности. Традиционно возникновение дефектов связывалось с непредвиденными сбоями во время осуществления технологического процесса. Однако сейчас все большую роль в этом начинает играть ранее считавшийся маловероятным источник – ​само оборудование заводов по обработке пластин, точнее его компоненты и подсистемы.

Как правило, поставщики оборудования создают производственные системы на основе качественных компонентов. Тем не менее время от времени могут возникать проблемы, вызванные некоторыми составляющими инструментальных средств и неисправными компонентами, что ведет к возникновению нежелательных дефектов на пластине. Такие случаи влияют на выход годных и издержки, приводят к отклонениям параметров технологического процесса или непредвиденным событиям на заводах по обработке пластин.

Проблемы с компонентами инструментальных средств заводов по обработке пластин существуют уже давно, но сейчас появляется все более настоятельная потребность решить эту проблему. Кремниевые заводы, поставщики логических приборов и схем памяти расширяют использование на своих производственных линиях наиболее современных и дорогостоящих технологических процессов. По мере роста издержек и уменьшения допусков производители полупроводниковых приборов не могут позволить себе допустить в рамках поточного производства возникновения таких серьезных проблем, как сбой оборудования или отклонения в производственном процессе.

Возникновение сбоя в одной из частей современной полупроводниковой производственной системы – ​серьезная задача: трудно найти неисправные компоненты и устранить возникшие неполадки. Действительно, сложное производственное оборудование может включать в себя более 50 тыс. узлов и компонентов различных поставщиков. В состав большинства инструментальных средств входят технологические камеры, насосы, радиочастотные генераторы, уплотнители и клапаны.

Проблемы с компонентами оборудования заводов по обработке пластин иногда становятся очень серьезными. Кремниевые заводы уже неоднократно сталкивались со снижением качественных показателей из-за смены поставщиков и недостаточного входного контроля. Например, специалисты корпорации GlobalFoundries, исследуя вопросы снижения качества, почти всегда обнаруживают возможность снижения рисков при условии своевременной осведомленности о проблемах качества компонентов – ​до их установки в оборудование. Соответственно, они считают необходимым повысить надежность обеспечения качества компонентов полупроводникового оборудования путем создания специализированных отраслевых стандартов.

Ситуация осложняется тем, что стандарты обеспечения качества распространяются менее чем на 1% узлов и компонентов, используемых в инструментальных средствах полупроводниковой промышленности. Владельцы оборудования мало знают о допусках используемых ими компонентов. При закупке узлов и компонентов покупатель не всегда может быть уверен, что они полностью подходят для его задач и их использование не снизит эксплуатационные характеристики парка установленного оборудования. Владельцам полупроводникового оборудования также не хватает надежной прослеживаемости происхождения узлов и компонентов. Если на заводе по обработке пластин возникли отклонения параметров технологического процесса, приведшие к изменению параметров выпускаемых полупроводниковых приборов, то покупатели этих приборов желают знать, на каком этапе и как это произошло, а также что производители намерены сделать, чтобы предотвратить повторение подобной ситуации. В то же время производителю полупровод-никовых приборов нелегко повернуть вспять всю цепочку поставок и выявить причину возникших отклонений процесса или параметров приборов.

GlobalFoundries не одинока – ​ее позицию поддерживают многие производители ИС и поставщики полупроводникового производственного оборудования. Это предполагает их более тесное сотрудничество, включая разработку стандартов для компонентов и подсистем инструментальных средств заводов по обработке пластин.

Для решения этих проблем Международная организация поставщиков оборудования и материалов для полупроводниковой промышленности (SEMI) создала специализированную рабочую группу по полупроводниковым компонентам, инструментальным средствам и подсистемам (Semiconductor Components, Instruments, and Subsystems, SCIS). В ее задачи входит разработка новых стандартов надежности, тестирования и происхождения.

SCIS уже разработала несколько стандартов, но до сих пор это был трудный процесс. Как правило, производители ИС и поставщики оборудования обладают собственными цепочками поставок и им трудно обмениваться данными – ​особенно о собственных инструментальных средствах и компонентах. Однако в будущем некоторые из них намерены содействовать ускорению стандартизации компонентов инструментальных средств.


Источники дефектов

Современные заводы по обработке полупроводниковых пластин – ​это автоматизированные производственные мощности, в чистых комнатах которых осуществляется обработка пластин с использованием разнообразного оборудования. По данным Калифорнийского университета в Беркли, теоретическому заводу по обработке 300-мм пластин мощностью 50 тыс. стартовых пластин в месяц требуется следующее оборудование:

50 сканеров или установок пошаговой литографии;

10 сильноточных и 8 среднеточных установок ионной имплантации;

40 установок травления;

30 инструментальных средств химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ).

На заводах по обработке пластин используется и другое оборудование. В процессе обработки партия пластин транспортируется от одной установки к другой и обрабатывается на основе заданного технологического процесса. При изготовления современного логического прибора пластина может пройти более тысячи этапов технологического процесса. И это не единственная трудность – ​современные логические приборы и схемы памяти становятся все сложнее, оборудование должно обрабатывать на каждом технологическом уровне8 все меньшие топологические элементы со все большей точностью. При этом дефекты также становятся все меньше и их все сложнее обнаруживать.

Проблемы, с которыми сегодня сталкивается полупроводниковая промышленность, связаны как с продолжением масштабирования, так и с появлением 3D-структур. Кроме того, появились новые архитектуры, такие как круговые затворы (gate-all-around), а также новые материалы, например кобальт и рутений.

Идеальных технологических процессов не существует, и дефекты в условиях завода по обработке пластин могут возникнуть из-за недостаточной чистоты используемых материалов (примеси), проблем с самим прибором (недостатки архитектуры, конструкции), сбоев оборудования и т. д.

Производители ИС используют различное оборудование для поиска и устранения дефектов. Инструментальные средства метрологии, применяемые для измерения структур с целью точного определения и устранения проблем, развертываются после осуществления значительного числа этапов технологического процесса. Для поиска катастрофических дефектов на пластинах также используются средства контроля. Чем сложнее процесс, тем больше потребность в применении подобных инструментальных средств.


Проблемы узлов и частей инструментальных средств завода по обработке пластин

Дефекты, порожденные процессом, не единственная проблема. Появление дефектов в ИС может быть вызвано неисправностью компонентов и подсистем технологического оборудования. Результатом становится снижение выхода годных и повышение производственных издержек. По оценкам, более 75% потерь выхода годных обусловлено неисправными компонентами оборудования. Речь идет не только о возникновении относительно легко выявляемых катастрофических дефектов, но и о формировании скрытых дефектов, которые, как правило, проявляются на последующих этапах производства и при эксплуатации конечных электронных систем, где их обнаружение и устранение (а также определение момента и источника возникновения) становится существенно дороже и сложнее.

По мере перехода на новые технологические уровни с меньшими топологическими нормами проблемы только усложняются. Возрастает важность взаимодействия изготовителей ИС с производителями оборудования и поставщиками материалов. Это, в свою очередь, приводит к росту затрат, становящихся все более значительными, особенно по сравнению с тем, с чем полупроводниковая промышленность имела дело в прошлом.

Существует несколько вариантов решений. Один из них – ​поддержка статус-кво, но с определенными тонкостями. Производители оборудования по-прежнему отвечают за разработку инструментальных средств заводов по обработке пластин и цепочку поставок компонентов оборудования. Они ужесточают требования к своей базе поставщиков по всей цепочке поставок и переходят к более строгому контролю качества. Такое уже происходит. То, что сейчас продается в полупроводниковой промышленности, должно соответствовать всем необходимым стандартам, причем их перечень достаточно длинный, а объем требуемых данных – ​довольно внушительный.

Таким образом, отрасль нуждается в большей степени интеграции в цепочке поставок на всех уровнях. Например, некоторые производители ИС стали тесно сотрудничать с поставщиками компонентов оборудования. Ряд производителей ИС даже перешел на взаимодействие только с избранными поставщиками компонентов. Но этого может быть недостаточно: многие поставщики ИС и даже поставщики инструментальных средств желают появления стандартов на компоненты инструментальных средств и на отслеживаемость происхождения этих компонентов.

Все эти вопросы обсуждались в вялотекущем режиме многие годы. Однако в начале текущего десятилетия, по мере перехода производителей ИС на технологические процессы со все меньшими топологиями, они начали восприниматься более серьезно. Благодаря этому в 2013 г. SEMI совместно с несколькими кремниевыми заводами, поставщиками инструментальных средств и компонентов для них сформировали новую специализированную группу – ​SCIS, которая приступила к рассмотрению проблем и формированию стандартов на компоненты технологического оборудования. Со временем в рамках SCIS были сформированы семь рабочих групп (рис. 1), приступивших к разработкам стандартов по конкретным направлениям.



Источник: SEMI

Рисунок 1. Организационная структура специальной группы SEMI по полупроводниковым компонентам, инструментальным средствам и подсистемам (SCIS)


Разработка стандартов на компоненты оборудования – ​сложный процесс, требующий не только сотрудничества между различными сторонами. Необходимо также совместное использование фирменных (проприетарных) данных, что пока чуждо для индустрии оборудования.

Тем не менее в 2015 г. SCIS опубликовала свой первый стандарт – ​SEMI F51, руководство по технологии эластомерного уплотнения (рис. 2). Это основное руководство по использованию уплотнений в оборудовании заводов по обработке пластин. Технологии уплотнения, в частности, подразумевают использование уплотнительных колец. В каждом инструментальном средстве завода по обработке пластин используется несколько типов уплотнений, в том числе для крышек, портов, окон.



Источник: SEMI

Рисунок 2. Статус инициатив SCIS в области стандартизации

* SCIS WIP – документ, разрабатываемый SCIS.

** CIP (cement in place) – отверждаемый на месте.


С тех пор SCIS опубликовала еще несколько стандартов. Самым последним стал SEMI E135, посвященный радиочастотным генераторам, содержащимся в тонкопленочном технологическом оборудовании. Опубликованный в 2018 г., этот стандарт определяет отклик РЧ-генератора, работающего при номинальной, высокой и малой импедансных нагрузках. В стадии разработки находится еще ряд стандартов, ориентированных на различные проблемы.

Следующая серьезная задача – ​разработка стандартов прослеживаемости происхождения компонентов оборудования. Если в системе отказывает какой-либо узел, деталь или компонент, подобный стандарт обеспечит возможность проследить его происхождение и получить лучшее представление о проблеме. Минимум, необходимый производителям ИС, – ​информация о поставщике данного компонента, номер партии и дата производства.

Стандарты прослеживаемости происхождения компонентов имеют смысл, так как используемые сейчас методы не всегда срабатывают. Действительно, телефонное общение со множеством поставщиков с целью уточнения проблем, спецификаций, условий производства компонентов оборудования не всегда дает результат и отнимает слишком много времени. Теоретически стандарт прослеживаемости происхождения может помочь решить эту проблему, так как в соответствии с ним поставщикам компонентов придется указывать всю необходимую производителям ИС информацию. Благодаря этому производитель ИС сможет не только лучше понять причины отказа, но и определить другие места в своих производственных мощностях, где могут возникнуть аналогичные риски, а также найти способ исправить ситуацию.

Учитывая потребности изготовителей ИС, SCIS разработала проект стандарта по одному из аспектов прослеживаемости, касающемуся маркировки узлов, деталей, компонентов. Другие относящиеся к проблематике прослеживаемости стандарты по-прежнему находятся в стадии разработки. Но это только часть более крупной задачи. Можно создать цепочку данных в качестве основы, к которой возвращаются, если позднее что-то пойдет не так. Такие цепочки данных при ретроспективном анализе помогают выяснить основную причину возникновения той или иной проблемы, причину выхода из строя конкретных узлов, деталей, компонентов оборудования. Впрочем, пока остается неясным, как реализовать это в условиях завода по обработке пластин. В свое время SCIS намеревалась использовать для хранения и распространения данных о прослеживаемости происхождения интернет-структуры, однако промышленность отказалась от такого подхода из-за проблем безопасности.

В настоящее время отраслевые специалисты рассматривают пригодность другой модели – ​изготовители ИС, производители оборудования и поставщики комплектующих для оборудования разрабатывают собственные методы обмена данными прослеживаемости.


Трудности разработки стандартов

При освоении новых технологических уровней и процессов изготовителям ИС требуется больше стандартов прослеживаемости происхождения и стандартов на компоненты инструментальных средств. Причем лучше раньше, чем позже. Но разработка новых стандартов сопряжена с определенными трудностями.

Например, изготовители ИС наращивают число используемых процессов. Эти процессы отличаются друг от друга, и каждый требует определенного набора инструментальных средств. В свою очередь, каждое из них состоит из множества компонентов, каждый из которых может приобретаться у разных поставщиков. Кроме того, формулирование жестких метрик по большому числу компонентов, а тем более по всем компонентам, вряд ли возможно. Путь к созданию универсального для всей отрасли стандарта труден и тернист.

На протяжении многих лет самым большим препятствием в области разработки стандартов были вопросы интеллектуальной собственности (СФ-блоки). У каждого поставщика полупроводникового оборудования есть критические для конкурентоспособности его инструментальных средств СФ-блоки. Если информация по ним станет общедоступной, поставщик оборудования рискует потерять свои конкурентные преимущества – ​ведь открытыми данными могут воспользоваться его основные соперники. Кроме того, существуют малые фирмы и независимые поставщики, весь актив которых – ​один-два или чуть больше типов комплектующих для полупроводникового оборудования. У них мало ресурсов, и улучшение конкурентоспособности за чужой счет – ​один из путей сохранения своего места на рынке или улучшения позиций.

Наконец, применение стандартов и постоянное обновление открытой информации требуют от поставщиков оборудования дополнительных затрат. На это готова не каждая фирма.


Заключение

Потребность в стандартах производителей ИС и полупроводникового оборудования и комплектующих очевидна. Необходимость сотрудничества для решения многочисленных проблем отрасли, включая проблему комплектующих инструментальных средств производства ИС, бесспорна.

Один из основных факторов решения проблем стандартизации – ​обмен данными и их распределенное использование. Но для обеспечения данного подхода также требуется надежная защита прав интеллектуальной собственности как физического, так и виртуального уровней.


LaPedus Mark. Wanted: More Fab Tool Part Standards. Semiconductor Engineering, August 15, 2019: https://semiengineering.com/wanted-more-fab-tool-part-standards/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ