國產(chǎn)集成電路裝備驗證線標準體系研究與設(shè)計

張冰 羅超 禹慶榮 菅端端 趙夢晗

摘 要：本文針對國內(nèi)開展集成電路裝備驗證線技術(shù)研究、項目試點“靶場”建設(shè)等實際需求，詳細分析了集成電路裝備驗證線的組成結(jié)構(gòu)及其標準體系架構(gòu)。依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)標準體系建設(shè)的現(xiàn)狀，設(shè)計了涵蓋通用基礎(chǔ)、研制生產(chǎn)、產(chǎn)品、檢測及評價等4個方面的技術(shù)標準體系，并針對每個方面進行深入剖析，提出部分標準的技術(shù)框架。本標準體系設(shè)計填補了國內(nèi)尚無8英寸裝備驗證線標準體系的空白，可為國產(chǎn)裝備驗證評估提供依據(jù)與參考。

關(guān)鍵詞：裝備驗證線，標準體系，國產(chǎn)集成電路

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.10.012

Research and Design of the Standards System for Domestic Integrated Circuit Equipment Verifi cation Line

ZHANG Bing1 LUO Chao2 YU Qingrong2 JIAN Duanduan3 ZHAO Menghan3

（1.China Academy of Electronic and Information Technology； 2. The 48th Research Institute of CETC； 3. China Electronics Standardization Institute）

Abstract： Through investigating and surveying the actual demands for the technology of integrated circuit equipment verification line and the pilot project construction， this article analyzes composition structure and standards system framework of integrated circuit equipment verification line. According to the current situation of relevant standards systems at home and abroad， it designs the technical standards system consisting of general basis， production research and development， manufacture， detection and evaluation， and provides technical content for some standards. This standards system is designed for fi lling the gap with complete domestic integrated circuit equipment verifi cation line， which can provide a certain reference for the domestic equipment verifi cation and evaluation.

Keywords： equipment verifi cation line， standards system， domestic integrated circuit

0 引 言

集成電路產(chǎn)業(yè)是信息技術(shù)的核心，是支撐國防安全和國民經(jīng)濟的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)。自主可控的集成電路制造能力是國防科技工業(yè)先進制造能力的重要組成部分，是事關(guān)國家安全的重大問題。當(dāng)前，半導(dǎo)體裝備是我國集成電路制造能力的短板，正面臨西方國家“卡脖子”，是我國重點支持和解決的問題。

集成電路制造遵循著“全球化布局、國際化分工”產(chǎn)業(yè)規(guī)律在迅速發(fā)展。目前，半導(dǎo)體設(shè)備提供商主要為西方，國內(nèi)國產(chǎn)化程度最高的生產(chǎn)線關(guān)鍵工藝設(shè)備國產(chǎn)化率僅為14%。國際上半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)工藝經(jīng)驗豐富，常常通過自建平臺或第三方獨立半導(dǎo)體研發(fā)機構(gòu)（如IMEC）進行設(shè)備工藝開發(fā)與驗證服務(wù)。

2014年6月24日，國務(wù)院正式批準發(fā)布的《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》指出，要突出“芯片設(shè)計-制造-封測-裝備材料”全產(chǎn)業(yè)鏈的布局。中國已經(jīng)是全球集成電路市場的大國，但集成電路大量依賴進口[1]。在此背景下，我國采取了國產(chǎn)化替代的一系列舉措，并在刻蝕機、注入機等領(lǐng)域取得了大量成果，但是離國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備成套成線配備的要求相距甚遠。即使單臺（套）設(shè)備研制成功，由于缺乏驗證平臺（整線），國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備離真正走向整線應(yīng)用還有相當(dāng)長的距離。因此，建立一條集成電路裝備驗證線（簡稱“裝備驗證線”）為國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備提供器件級驗證評估是一項具有戰(zhàn)略意義的重要任務(wù)[2]。

在國產(chǎn)裝備驗證線實施過程中，遇到了質(zhì)量管控、可靠性設(shè)計與評估、執(zhí)行標準、計量手段等一系列問題，亟需開展基礎(chǔ)領(lǐng)域的系統(tǒng)性研究。在標準化技術(shù)基礎(chǔ)專業(yè)領(lǐng)域，目前集成電路裝備標準主要參照國外已有標準，因其缺乏體系規(guī)劃、面向生產(chǎn)而非裝備驗證、企業(yè)標準實際代替行業(yè)標準等因素，不能滿足我國自主建設(shè)裝備驗證線的標準化需求。而現(xiàn)有國內(nèi)標準體系尚不涉及裝備的整線驗證，因此，需要在現(xiàn)有標準體系的框架下，補充裝備驗證相關(guān)標準，建立滿足裝備驗證線要求的標準體系，填補國產(chǎn)集成電路裝備驗證的標準空白。

1 國內(nèi)外標準對國產(chǎn)裝備的單機工藝驗證支撐水平分析

1.1 國外研究現(xiàn)狀

半導(dǎo)體設(shè)備處于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的上游，是一個擁有極高技術(shù)門檻的行業(yè)，當(dāng)前，來自美國、荷蘭和日本等少數(shù)巨頭企業(yè)高度壟斷了整個行業(yè)，在資金、技術(shù)、研發(fā)能力以及產(chǎn)品市場占有率等方面遙遙領(lǐng)先其他設(shè)備廠商，表1中列出了2017年全球位列前10的IC設(shè)備廠商營收總額排名[3]。

國際上集成電路裝備領(lǐng)域較多使用的標準為SEMI（Semiconductor Equipment and Materials Inernational，國際半導(dǎo)體設(shè)備和材料協(xié)會的簡稱）標準[4]，主要是針對半導(dǎo)體、平板顯示器、微機電系統(tǒng)、光伏和高亮度LED行業(yè)的自愿技術(shù)協(xié)議。SEMI標準以各專業(yè)系統(tǒng)為分支選擇標準化對象，詳細分析了通用標準與專用標準的關(guān)系。

目前，SEMI標準共957項，涵蓋了許多與電子制造相關(guān)的標準化對象：3D-IC、設(shè)備自動化（硬件和軟件）、平板顯示器、設(shè)備、氣體、高亮度LED、MEMS/NEMS、材料、微細光刻、封裝、光伏、工藝化學(xué)品、硅材料和過程控制以及可追溯性，此外，還制定了有關(guān)安全問題的準則。其中，加工方法標準22項、接口協(xié)議標準3項、材料規(guī)格標準125項、平板顯示標準72項、過程管理標準180項、安裝調(diào)試標準111項、封裝規(guī)范標準93項、LED材料標準13項、晶圓要求標準150項、光罩材料標準45項、光伏工藝標準94項、設(shè)備安全標準27項、追溯機制標準22項。SEMI標準體系如圖1所示。

SEMI標準體系內(nèi)容主要側(cè)重于半導(dǎo)體器件生產(chǎn)、研制所直接需要的設(shè)備、氣體、試劑、材料、材料的條碼標識、版圖設(shè)計、封裝材科、結(jié)構(gòu)等方面的規(guī)定。其體系特征為：

首先，在半導(dǎo)體材料標準中，對硅片和圓片的尺寸規(guī)格、結(jié)晶學(xué)取向特征及表面缺陷值給出了標準化的技術(shù)指標規(guī)定，這些規(guī)定一般以滿足最基本的要求為準，規(guī)定的標準參數(shù)并不很嚴格。但為確保硅片的質(zhì)量，SEMI還專門制定了“定貨單項目中硅片技術(shù)規(guī)格的格式”標準，標準中包括了硅片的各種特征參數(shù)，但具體參數(shù)指標由供需雙方協(xié)商，并要求供需雙方對定貨單的全部內(nèi)容和要求都要了解清楚。這一點，反映了標準化工作的特征，即標準是一個靜態(tài)與動態(tài)協(xié)同發(fā)展的產(chǎn)物，應(yīng)遵循共性的統(tǒng)一，但又不可忽略應(yīng)用過程中的特殊需求。

其次，SEMI標準體系中以半導(dǎo)體制備材料為對象的規(guī)范標準較多，而對半導(dǎo)體器件生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)范標準較少，這主要是因為國外裝備大廠的內(nèi)部標準已經(jīng)成為事實標準，而在我國，裝備企業(yè)相對弱小，這種模式還不能適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要通過國家或者行業(yè)標準的形式規(guī)范設(shè)備的互聯(lián)方式，提高設(shè)備在生產(chǎn)線的適配能力。

最后，SEMI標準涉及的檢測標準，很少單獨制定，大量是引用美國材料協(xié)會（ASTM）的標準以及其他國家（如德國DIN）標準，這使得采用直接轉(zhuǎn)化SEMI標準為我所用的方式會受到不同機構(gòu)的限制，且3年前SEMI組織已經(jīng)代表其相關(guān)標準機構(gòu)對我國的標準轉(zhuǎn)化進程提出了侵權(quán)警告。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

根據(jù)SEMI統(tǒng)計，目前我國已建成6英寸以上生產(chǎn)線46條。其中，境內(nèi)主要8英寸晶圓生產(chǎn)線有25條，如表2所示，占總數(shù)的54%。境內(nèi)集成電路生產(chǎn)線是在引進西方技術(shù)、成套設(shè)備基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。一條8英寸晶圓生產(chǎn)線需投資30～50億元人民幣，其中70%以上是設(shè)備投資。

從設(shè)備角度看，我國已完成了國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備體系布局，刻蝕機、注入機、CMP、清洗機等實現(xiàn)銷售，但是進入生產(chǎn)線應(yīng)用仍然十分困難。同時，國外半導(dǎo)體設(shè)備龍頭企業(yè)壟斷帶來了極大的市場壁壘，客戶間競爭合作又帶來了極高的認可壁壘，這使得現(xiàn)有生產(chǎn)線很難為國產(chǎn)裝備提供長期、可靠的設(shè)備驗證服務(wù)，嚴重制約了我國國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備自主發(fā)展的進程。我國半導(dǎo)體設(shè)備國產(chǎn)化替代工作亟待加速推進。尤其在國產(chǎn)裝備不斷成熟和國產(chǎn)化替代不斷深入的背景下，國產(chǎn)裝備驗證評估問題更加迫切。

從流片情況來看，境內(nèi)的商用代工線已進入12英寸28 nm制程量產(chǎn)，中芯國際、上海華虹等企業(yè)開始具有一定的行業(yè)影響力。我國中高端芯片產(chǎn)品約有65%以上需要在8英寸工藝線上流片。因此，提高8英寸硅外延片產(chǎn)品質(zhì)量、保障國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不受制于人、實現(xiàn)半導(dǎo)體自主化可控迫在眉睫[5]。

從驗證評估角度看，盡管我國半導(dǎo)體設(shè)備取得了長足進步，但由于設(shè)備制造與生產(chǎn)線產(chǎn)品工藝結(jié)合不緊密，驗證手段缺乏，導(dǎo)致國產(chǎn)裝備穩(wěn)定性、可靠性、工藝適用性差距較大，難以承擔(dān)國產(chǎn)化替代設(shè)備驗證評估任務(wù)。

在現(xiàn)有標準方面，半導(dǎo)體設(shè)備國家標準主要涉及半導(dǎo)體設(shè)備的可靠性、可用性和維修性，裝配、包裝、運輸、拆包及安放等方面，電磁兼容性要求和有毒與可燃性氣體檢測系統(tǒng)評價等設(shè)備行業(yè)必須進行的驗證項。半導(dǎo)體設(shè)備電子行業(yè)標準覆蓋設(shè)計文件要求、工藝管理、術(shù)語、標識、分類等基礎(chǔ)通用標準[6]；安全與可靠性標準，鍛件、機箱、真空、制冷、焊接熱處理等部件/備件標準；以及40余種設(shè)備的產(chǎn)品規(guī)范標準。集成電路相關(guān)國家軍用標準現(xiàn)存有效量約為45項。

2 國產(chǎn)集成電路裝備驗證線架構(gòu)

國產(chǎn)裝備驗證線項目主要包括5大設(shè)備工藝區(qū)，45臺（套）關(guān)鍵工藝裝備。其中，擴散注入?yún)^(qū)域配備擴散爐、氧化爐、注入機等設(shè)備；濕法區(qū)域配備濕法清洗機、濕法腐蝕機等設(shè)備；光刻區(qū)域配備光刻機、涂膠顯影等設(shè)備；干法刻蝕區(qū)域配備多晶、二氧化硅及金屬刻蝕機等設(shè)備；薄膜區(qū)域配備LPCVD、PECVD、HTCVD、HDP CVD等設(shè)備。

3 國產(chǎn)集成電路裝備驗證線質(zhì)量提升標準體系架構(gòu)

結(jié)合國際SEMI標準體系以及國防科技工業(yè)半導(dǎo)體制造相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)狀，裝備驗證線標準體系按照通用基礎(chǔ)標準、研制生產(chǎn)標準、產(chǎn)品標準和檢測評價標準等四個部分，其中，通用基礎(chǔ)標準主要包括文字符號、外形尺寸、安全、型號命名方法、計量校準規(guī)范、包裝貯存與運輸?shù)攘糠謽藴剩谎兄粕a(chǎn)標準主要包括設(shè)計、材料準入、工藝和過程控制等四部分標準；產(chǎn)品標準主要包括設(shè)備技術(shù)、設(shè)備準入、設(shè)備互聯(lián)互通等三部分標準；檢測評價標準主要包括驗證方法、測試方法、評估技術(shù)、可靠性評估、應(yīng)用等五部分標準，如圖2所示。

具體而言，“A通用基礎(chǔ)標準”包括文字符號、外形尺寸、安全、型號命名方法、計量校準規(guī)范和包裝貯存與運輸?shù)攘箢悾挥诩呻娐穱a(chǎn)化裝備驗證線標準體系第一層，是B研制生產(chǎn)標準、C產(chǎn)品標準和D檢測評價標準的支撐?！癇研制生產(chǎn)標準”是裝備驗證線在全壽命周期維度所組成的制造平面的投影，其中設(shè)計對應(yīng)應(yīng)用產(chǎn)品、工藝設(shè)備和測量儀器的相關(guān)技術(shù)要素，原材料準入對應(yīng)裝備驗證線所需工藝、晶圓以及成品的資源要素，工藝對應(yīng)裝備驗證線的資源要素與系統(tǒng)集成，過程控制對應(yīng)裝備驗證線的質(zhì)量管控要素?！癈產(chǎn)品標準”面向裝備驗證線驗證對象具體需求，提出工藝設(shè)備、測量儀器等驗證對象的互聯(lián)互通及其他相關(guān)準入要素?！癉檢測評價標準”對B研制生產(chǎn)標準、C產(chǎn)品標準進行細化和落地，驗證和評價裝備驗證線的可靠性以及其它性能指標要素。

3.1 通用基礎(chǔ)標準研究

集成電路裝備的通用基礎(chǔ)標準主要用于確定集成電路裝備相關(guān)概念，解決集成電路裝備基礎(chǔ)共性關(guān)鍵問題，主要覆蓋文字符號、外形尺寸、安全、型號命名方法、計量校準規(guī)范、包裝貯存與運輸?shù)攘鶄€部分。

文字符號標準，用于統(tǒng)一集成電路相關(guān)概念、文字符號，為其他各部分標準制定提供基礎(chǔ)，引用SJ/T 10152-1991《集成電路主要工藝設(shè)備術(shù)語》、SJ/T 10672-1995《電子工業(yè)用工藝裝備分類編號》等標準。

外形尺寸標準，用于規(guī)定集成電路設(shè)備的外形和尺寸相關(guān)參數(shù)，規(guī)范集成電路設(shè)備外形。

安全標準，保障設(shè)備在運行過程中發(fā)生故障時正確執(zhí)行其安全功能，避免生產(chǎn)事故、信息安全隱患和人因安全隱患。

型號命名方法標準，用于設(shè)備的型號制定，為設(shè)備型號的命名提供指南，引用GB 3430-82《國產(chǎn)半導(dǎo)體集成電路型號命名方法》。

計量校準規(guī)范，用于設(shè)備計量和校準方法的規(guī)定。

包裝貯存與運輸標準，引用標準GB/T 29845-2013《半導(dǎo)體制造設(shè)備的最終裝配、包裝、運輸、拆包及安放導(dǎo)則》。

3.2 研制生產(chǎn)標準研究

研制生產(chǎn)標準主要是對產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)制定的技術(shù)規(guī)格、材料準入、工藝要求和過程控制等標準，主要目的是從設(shè)計之初就對裝備和工藝的可靠性進行管控，分為四大類：設(shè)計、原材料準入、工藝和過程控制。

（1）設(shè)計標準

設(shè)計標準包含兩大類，一類是加工產(chǎn)品的設(shè)計標準，依據(jù)所要加工產(chǎn)品的性能及可靠性要求提出對集成電路裝備和工藝的要求，滿足特殊產(chǎn)品加工過程中的定制化需求。另一類是設(shè)備設(shè)計標準，依據(jù)集成電路國產(chǎn)裝備體系的整體要求，從裝備研制階段就考慮到集成電路裝備的國產(chǎn)化需求和自主可控要求。

（2）原材料準入標準

原材料包括工藝原材料和芯片原材料，原材料的優(yōu)良管控是集成電路工藝線合格率的重要保障。

重點對特殊氣體、化學(xué)品、固體材料和晶圓制定相應(yīng)的準入標準，對材料的規(guī)格、特性、標識、濃度等指標進行詳細的說明，對材料的檢驗方法和驗收準則進行規(guī)定。由于集成電路生產(chǎn)線所涉及工藝原材料和芯片原材料種類眾多，需要逐項進行梳理和標準化，對常用的如正硅酸乙酯、三乙基硼烷、四甲基哌啶氮氧化物、磷酸三乙酯、氧氣、氦氣、氬氣、三氟化氮和六氟乙烷等材料優(yōu)先制定相應(yīng)的標準。

（3）工藝標準

工藝標準是研制生產(chǎn)標準的主要內(nèi)容，它囊括了工藝生產(chǎn)過程及各階段對所使用設(shè)備的基本要求。不同工藝階段對設(shè)備的要求有差異，這部分工藝標準體系建設(shè)的核心思想是根據(jù)不同產(chǎn)品使用的工藝步驟，提出在生產(chǎn)此類產(chǎn)品的特定工藝步驟下所使用的工藝設(shè)備和量測設(shè)備。所以該部分標準首先是按照生產(chǎn)芯片產(chǎn)品的類別進行分類，對于確定類型的芯片產(chǎn)品，如TMOS晶體管，會對應(yīng)一套工藝。

（4）過程控制標準

過程控制主要側(cè)重質(zhì)量管控，為裝備能夠順利接入工藝提供保障，通過對裝備接口和可靠性的研究，最終形成“集成電路國產(chǎn)化裝備驗證線應(yīng)用驗證通用要求”和“集成電路國產(chǎn)化裝備驗證線質(zhì)量管理要求”2個標準。

3.3 產(chǎn)品標準研究

設(shè)備儀器標準方面，主要研究集成電路生產(chǎn)所要使用到的裝備的具體要求，涉及互聯(lián)互通和設(shè)備準入等，與“工藝驗證標準”不同，本部分標準更加側(cè)重設(shè)備自身的功能和性能，是集成電路裝備性能的保障性標準。

設(shè)備儀器標準主要分為兩大部分：工藝設(shè)備和檢測儀器。

（1）工藝設(shè)備：根據(jù)使用區(qū)域分為擴散注入?yún)^(qū)設(shè)備、光刻區(qū)設(shè)備、干法刻蝕區(qū)設(shè)備、薄膜區(qū)設(shè)備和濕法區(qū)設(shè)備。以濕法區(qū)設(shè)備為例，包括：柵氧前濕法清洗機、工藝濕法清洗機、金屬前濕法清洗機、金屬后濕法清洗機、濕法腐蝕機、雙面擦片機（前段）、雙面擦片機（后段）、晶背濕法蝕刻機、控片清洗機（前段）、控片清洗機（后段）等設(shè)備，每臺設(shè)備都有對應(yīng)的互聯(lián)互通標準和準入標準。

（2）檢測儀器：用于在設(shè)備調(diào)試和工藝分析過程中對參數(shù)進行測試，定量的確定新入設(shè)備對生產(chǎn)線的影響，從而確定調(diào)試方向。具體包括：顆粒檢測儀、膜厚儀、硼磷含量檢測儀等專用設(shè)備。

3.4 檢測評價標準研究

集成電路裝備檢測評價標準用于指導(dǎo)集成電路裝備和系統(tǒng)在測試過程中的科學(xué)排序和有效管理，促進企業(yè)不斷提升國產(chǎn)化裝備驗證能力，包括驗證方法、測試方法、評估技術(shù)、可靠性評估、應(yīng)用標準等五部分。

驗證方法標準用于集成電路裝備和系統(tǒng)的驗證，規(guī)范裝備驗證線的需求、應(yīng)用驗證指標體系構(gòu)建方法、應(yīng)用驗證試驗項目設(shè)計要求、國產(chǎn)裝備驗證流程設(shè)計方法。

測試方法標準用于設(shè)備的實驗步驟、方法、過程等內(nèi)容。

評估技術(shù)標準用于評價設(shè)備現(xiàn)狀、工藝水平、能力成熟度。

可靠性評估標準用于規(guī)范裝備驗證線系統(tǒng)裝備可靠性，保障了裝備驗證線生產(chǎn)能力、質(zhì)量和水平。

應(yīng)用標準用于規(guī)范集成電路產(chǎn)品的應(yīng)用，主要分為分立器件產(chǎn)品和集成電路產(chǎn)品，規(guī)范裝備應(yīng)用驗證成果和Trench MOS管的性能評價。

4 結(jié) 論

本文通過全面系統(tǒng)梳理國際、國內(nèi)半導(dǎo)體制造相關(guān)標準，跟蹤研究SEMI國際標準，分析我國各級標準化協(xié)會發(fā)布的半導(dǎo)體制造相關(guān)標準，全面分析了國際標準、國家標準、國家軍用標準和行業(yè)標準在國防科技工業(yè)中的適用性。提出了裝備驗證線標準體系初步框架，按照通用基礎(chǔ)標準、研制生產(chǎn)標準、產(chǎn)品標準和檢測評價標準等四大部分搭建了技術(shù)標準體系框架。該標準體系框架，建立了國產(chǎn)裝備驗證評估機制，填補了國內(nèi)尚無8英寸裝備驗證線標準體系的空白，將為后續(xù)急需標準編制提供規(guī)范和指導(dǎo)作用，進一步帶動國防科技工業(yè)電子行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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作者簡介

張冰，碩士，高級工程師，主要從事標準化管理與裝備試驗鑒定技術(shù)標準研究工作。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）