从基恩士产品一窥半导体制造之高端精密

半导体制造的高端精密性

半导体制造是涉及多学科、超长产业链的工业领域，属于高端精密制造业，这里的高端和精密可以概括为在微观尺度上，以极高的精度、纯净度和一致性，进行大规模、复杂结构的物理和化学制造。具体体现除了极致的微观尺度，这是最直观体现精密的地方，单位从微米到纳米，现已进入埃时代，以及超高的复杂性与集成度，一颗先进的处理器芯片如CPU/GPU可以集成数百亿个晶体管，同时向三维立体结构延伸，而制造这些立体结构需要多次薄膜沉积、刻蚀和抛光步骤，工艺极其复杂，芯片内部有数十层相互连接的金属布线层，目前高端芯片已超过15层，将数十亿晶体管连接成一个整体系统。这些线路设计错综复杂，如同一个超级立交城市。

具体到制造环节，要具备极限的制造环境与材料控制，符合包括超净环境、超纯材料和超纯水等要求，其中超净环境指芯片制造需要在Class 1/ISO 3或更高级别的超净间中进行。这意味着每立方英尺空气中大于0.1微米的颗粒物不能超过1颗，哪怕一颗微小的灰尘落在晶圆上，就相当于一颗炸弹炸毁一个街区，导致整个芯片报废。超纯材料指制造芯片所需的硅晶圆、特种气体、化学品、光刻胶等都必须达到电子级纯度，杂质含量通常要求低于十亿分之一ppb甚至更低。任何微量杂质都会改变材料的电学特性。而超纯水指清洗晶圆所用的水是超纯水，经过多重纯化，几乎去除了所有离子和有机物。其纯度是实验室一级水的1000倍以上。

同时制造设备也极其精密，包括光刻机、刻蚀机、薄膜沉积等，并且对量测与检测也有极高要求，在制造过程中，需要随时用电子显微镜、光学散射仪等设备检测线宽、膜厚、缺陷等。其测量本身就需要达到纳米甚至亚纳米精度，是确保良率的关键。

此外，这种高端精密也体现在严苛的工艺控制和良率管理上，整个芯片制造过程包含上千个步骤，耗时1-2个月。任何一个步骤的微小偏差都会导致前功尽弃。需要对每个工艺参数包括温度、压力、时间、气体流量等进行极其严格的控制。同时一块晶圆上通常有数百个芯片，在如此复杂的工艺下，初期良率可能很低，通过持续的数据分析和工艺优化，才能将良率提升到可盈利的水平，管理纳米尺度上的良率是一项巨大的挑战。

伴随自动化、数字化和智能化的深入渗透，半导体制造中的自动化和智能化要求也越来越高，很多晶圆厂是高度自动化的，晶圆在天车系统的搬运下，在数百台设备之间流转，全程无人接触，通过制造执行系统进行调度和追溯。人工智能也正被越来越多地用于预测设备故障、优化工艺和提升良率。

在后道的封测环节，其精密度同样不容小觑，尤其在高端芯片中。如今，性能提升不再只靠缩小晶体管，更依赖封装技术，如2.5D/3D封装、Chiplet等，将不同工艺、不同功能的芯片像搭积木一样集成在一起。这需要在微米级别上进行芯片的堆叠、互连，对封装精度和散热提出了极高要求。同时在测试环节，需要设计复杂的测试方案和探针卡，在极短的时间内对数百亿个晶体管中的关键电路进行功能、性能和功耗测试，筛选出故障芯片，保证出厂产品的可靠性。

半导体制造的高端与精密是一个系统性工程，它绝不仅仅是某一台机器或某一种技术的强大。正因如此，也对整个产业链上的企业和供应商提出了很高的要求和挑战，这其中就包括基恩士。

基恩士在半导体产业链中的价值

成立于1974年的基恩士以无工厂、直销模式和高利润率等特点著称，其产品线极其广泛，主要围绕传感、测量、视觉、控制和标识五大核心能力展开，也涵盖了众多行业的在线（生产线）和离线（非生产线，主要是测试、实验室等）两大主要应用场景。

“在整个半导体市场，我们基于对上市公司的统计，半导体制造相关的公司中，有60%已经在和基恩士合作，设备厂商中80%的企业已经和我们有合作。”在一场基恩士媒体沟通日活动中，该公司市场总监Avy Ruan对包括与非网在内的行业媒体介绍，“全球的OEM厂商中，其中封测行业有着绝大多数的客户，晶圆代工部分很高比例的客户，以及硅片制造环节大部分的厂商都跟我们有密切合作。”这反映基恩士在半导体产业的市场覆盖率，在晶圆制造、代工和封测环节都有广泛的客户基础。

Avy Ruan 也提到，“我们在半导体行业的优势包括专业团队，把握行业的know-how，以及陪伴客户做到周到、及时的服务。”

考虑到半导体行业高端精密制造的特点，技术实力无疑是市场竞争的第一要素，在交流中我们了解到，基恩士服务半导体客户的代表性产品和技术包括：

精密测量。其代表产品包括彩色激光同轴位移计CL-3000系列，这是一款点激光的测量仪，可以测量产品的高度、振动、厚度、翘曲度等，在半导体产业的适用场景包括光刻机真空内双工作台（六自由度）位置与倾斜检测，曝光对焦控制，坐标台位置监测。薄膜工艺设备（PVD/CVD/ALD）中真空腔内机械手高度监控，晶圆翘曲度测量（预防晶片滑落）。以及刻蚀设备中通过视窗进行晶圆传输过程的翘曲检测。

据介绍这款产品的核心性能优势主要体现在：

耐极端环境：支持超高真空和200℃高温；

超高精度：亚微米级测量精度；

特殊光源：激光荧光效应光源，亮度高、光谱宽，适用于各种材料（金属、橡胶、镜面、玻璃、凝胶体）；

光谱共聚焦：光点大小不随距离改变，测量更准；

紧凑设计：体积小，光路可转向，节省空间；

真空环境针对性优化：感测头无电路、无有机黏合剂（采用氧化锆等材料），不会在真空环境中放气。

智能传感器。基恩士面向半导体产业的传感器产品非常广泛，其中让与非网记者印象深刻的产品是其IV系列AI图像识别传感器，这款产品可用于晶圆追溯来识别晶圆表面的批次字符码，也可用于晶圆盒检测超薄片（<0.3mm）的斜片、弯片和叠片。

主要性能优势包括：
操作简单，AI自动调焦、调光，只需框选字符即可自动学习识别；

内置字体，兼容SEMI标准字体及各种变体；

材质兼容，可稳定读取透明晶圆、碳化硅片、有图案工艺片上的字符。

流量传感器。基恩士流量传感器产品主打夹钳式超声波流量计，产品的非接触式测量特性使其非常适用于半导体行业对洁净度和维护便捷性要求极高的各种液路监控场景。典型应用场景包括：

超纯水供应系统，监控清洗机台、研磨机等设备的超纯水供应流量是否正常；

化学品输送系统，监控CMP、刻蚀、清洗等工艺中各类酸碱化学品、研磨液、光刻胶的输送流量，确保工艺配方精确执行；

腔体冷却循环系统，监控工艺腔室冷却水的流量，确保设备散热正常，防止因过热导致停机或工艺漂移；

废气洗涤塔，监控洗涤液循环流量，确保废气处理效率。

产品的主要性能优势体现在：

非接触式测量，夹钳在管道外部，不直接接触液体，无污染风险，无压力损失，无需中断生产过程即可安装和维护；

广泛兼容性，适用于多种液体包括纯水、化学品等，且不受液体导电性限制；

独特双路设计，内部超声波发射为双路设计，能有效抵消安装位置和管道结构带来的误差，降低安装难度和对直管段的要求；

高精度与便捷校准，出厂前经过水标定，在现场可根据实际液体通过称重法等方式进行快速二次校准，精度高且操作简便；

多功能监测：除瞬时流量外，通常还可监测累计流量、报警等。

视觉系统。该产品线提供从定位、检测到读码的全套机器视觉解决方案，核心优势在于稳定性、小体积和高效数据管理。在半导体产业的应用场景包括：

定位。包括光刻、刻蚀等设备中晶圆的精确定位，以及真空腔内定位环节创新使用内窥镜方案解决真空腔体内视觉检测难题。

外观检测。包括衬底片检测表面颗粒物并分析大小，工艺片中检测图案表面的划痕、液体残留等缺陷，以及在封边/倒角部分检测倒角处的崩边，预防碎片。

防错。包括炉管设备中识别Dummy片，防止误入高温区熔化，以及湿法设备中在机械手放入槽体前，检测晶圆有无斜插、叠片，预防撞碎等。

OCR读码。读取各类材质晶圆上的字符码，并可同时完成定位功能，实现一机两用。

产品的性能优势体现在：

硬件优势。
- 超小相机：仅6厘米长，易于在空间受限的设备内集成。
- 高稳定性：与PC连接型相机系统相比，基恩士相机自带独立控制器，运行更稳定、速度更快。
- 数据加密狗：实现数据管理和离线编程、无线更新程序，无需停产。

软件算法。
此外，基恩士的2.5DLUMITRAX线扫，可模仿人眼，通过多角度打光消除反光，能抽取背景图案，只检测缺陷（划痕、异物）；以及基恩士视觉系统的典型案例——AI OCR，边缘计算，无需云端，内置半导体行业字体，能在复杂背景（残胶、不同图案）下稳定读码。

显微系统。据介绍，基恩士的显微系统产品线提供离线的精密观测、测量和分析工具，是实验室、质量部门进行失效分析和精密计量的“全能平台”。针对半导体产业的主要应用场景包括：

IC图形检测，完成芯片电路设计验证与尺寸测量；

晶圆表面缺陷分析，观测和测量缺陷的真实3D形貌（凸起或凹陷）；

微结构测量，测量晶圆表面微孔的大小、数量、密度；

封装测试，包括在焊线绑定部分观测金线弧度和高度测量，在焊球检测中测量Bump的3D形貌和尺寸，以及在探针台部分检查探针痕迹和探针针尖形貌；

失效分析，包括完成清洁度分析，统计和分析颗粒污染物的尺寸和数量，以及异物分析，即快速识别异物元素成分，追溯污染源等。

本次基恩士主要介绍了数码显微镜VHX-X1系列产品，其产品的性能优势包括：
观察能力。具备超大景深，低倍下景深是传统显微镜20倍以上，无需频繁对焦；可实现景深合成，高倍下也可通过扫描合成全清晰图像；真3D形貌，可生成表面3D图像，测量高度、粗糙度；同时可实现超大视野拼接，支持12寸晶圆全范围（300x300mm）高倍拼接，像素可达100亿；

效率工具。可自动追焦，移动样品时自动保持对焦，无需手动操作；可快速重播，一键重复之前的测量流程，大幅提升重复性工作效率；同时可一键校准，数分钟内完成所有倍率的自动化校准，带计量证书；

平台化与拓展性。基恩士显微系统实现模块化和多功能一体化，一台设备可替代体视镜、金相镜、测量显微镜、粗糙度仪等多种设备，并通过模块化组装灵活实现不同功能；同时可实现空气中元素分析（Opt-SEM），与显微镜联动，无需真空，1秒内快速识别异物元素成分，用于污染源分析。

最后，针对半导体制造和设备领域复杂多样的客户需求和应用场景，Avy Ruan对与非网记者表示，“基恩士会基于我们广泛的通用产品线为客户提供定制化解决方案，满足其差异化竞争的需求，同时也会及时了解客户痛点以及最新挑战，并在我们的新产品定义中体现以更好的帮助客户解决他们的问题。”