身處后摩爾時代，半導(dǎo)體行業(yè)正面臨著一場艱苦的“良率”戰(zhàn)斗。隨著芯片越來越復(fù)雜化，晶體管密度成倍增加，芯片制造良率管理難度也呈指數(shù)級增長，特別是對于那些追求先進制程的晶圓廠而言，更是會成為致命傷。
良率：半導(dǎo)體工廠的生命線
良率是半導(dǎo)體工廠的核心競爭力所在，也被稱為是半導(dǎo)體工廠的“生命線”。
半導(dǎo)體良品率是實際生產(chǎn)的芯片總數(shù)與一個晶圓上最大芯片（集成電路）數(shù)的百分比，換句話說，良率是實際生產(chǎn)的數(shù)量與投入的總數(shù)量之比。良品率越高，生產(chǎn)率就越高，良率直接影響著成本和產(chǎn)能利用率。因此，提高良品率在半導(dǎo)體行業(yè)非常重要。同時，良率也是評估企業(yè)競爭力的重要標(biāo)志之一，直接反映了制造過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。
在邏輯芯片領(lǐng)域，按著摩爾定律的指引，目前能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)的最先進工藝是3納米。在該領(lǐng)域，臺積電和三星是兩大主要的玩家，兩家在這場3nm之戰(zhàn)中展開了激烈角逐。
三星于2022年6月率先宣布3nm量產(chǎn)，比臺積電早幾個月。三星是業(yè)界率先在3nm中引入柵極環(huán)繞 (GAA) 工藝的廠商，相比之下，臺積電仍然采用FinFET晶體管架構(gòu)。但是三星卻在良率上遭遇了滑鐵盧，雖然三星近日否認了韓媒ZDNet Korea所報道的，三星3nm良率低于20%的消息，然而由于良率問題，三星3nm確實流失了大量客戶。
谷歌的Tensor處理器在第四代之前都委托給三星電子代工部門，但從引入 3nm 工藝的第五代開始，就轉(zhuǎn)向了臺積電。三星自家的Exynos 2500芯片也深受良率困擾，6月25日，知名分析師郭明錤在X（原推特）平臺上發(fā)布社交動態(tài)評論，稱由于三星自研的Exynos 2500處理器3納米芯片良率低于預(yù)期而無法出貨。
預(yù)計今年，包括智能手機、服務(wù)器、人工智能等在內(nèi)的Fabless公司及IT大廠都將開始將3nm作為主要制程。在良率這個重要的考核指標(biāo)面前，由于臺積電的領(lǐng)先優(yōu)勢，預(yù)計將獲得大部分大廠的3nm訂單，這將有可能進一步拉大臺積電與三星電子的市占率差距。
然而，即使是臺積電，目前其3nm工藝的良率相較上一代也并不高。臺積電目前也在積極提升3nm的良率。
良率低的問題不僅限于邏輯芯片領(lǐng)域，存儲芯片也面臨著同樣的挑戰(zhàn)。生成式AI正在消耗大量的HBM存儲芯片，但是良率一直是Nvidia GPU芯片大規(guī)模量產(chǎn)的攔路虎之一。據(jù)路透社報道，三星的高帶寬存儲HBM3芯片的生產(chǎn)良率約為10%~20%，而SK海力士的HBM3良率可達60%~70%。在傳統(tǒng)的DRAM存儲方面，三星第五代10納米級（1b）制程DRAM的良率未達業(yè)界80%至90%的一般目標(biāo)，迫使三星在上個月成立專門工作小組以解決這一問題。
而接下來，生成式AI還在滾滾向前，對芯片算力的需求望不到底。為了獲得更高性能、更高算力的AI芯片：
一方面，邏輯廠商正在積極向2nm工藝突破，臺積電和三星目前都計劃在2025年開始2nm大規(guī)模量產(chǎn)，與此同時，還在發(fā)力FOPLP（扇出型面板級封裝）等先進封裝技術(shù)；
另一方面，存儲廠商也在大力投入下一代HBM（即HBM4）的研發(fā)，各種先進的技術(shù)也在考慮當(dāng)中，例如混合鍵合。
可想而知，屆時良率又會成為一大難關(guān)。據(jù)《韓國經(jīng)濟日報報道》，SK海力士正在招聘數(shù)十名與HBM相關(guān)的職位，在其招聘啟事中顯示，希望尋找芯片專家能夠通過改進代工工藝和測試邏輯芯片，進而提高HBM芯片的良率。
良率低是半導(dǎo)體廠商普遍面臨的難題，也是制約芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。從經(jīng)濟學(xué)角度上講，提升芯片良率也可以視為摩爾定律的另一種延續(xù)。如何在新技術(shù)不斷推陳出新的背景下，提高良率，成為每一家半導(dǎo)體廠商必須解決的關(guān)鍵問題。
良率提升，為何如此難？
想要提高良率，首先要明確導(dǎo)致良率低的原因有哪些？影響半導(dǎo)體制造良率的因素眾多，但無外乎“人、機、料、法、環(huán)、測”。
具體而言：
人：操作人員的技術(shù)水平和操作規(guī)范性直接影響生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性
機：半導(dǎo)體制造設(shè)備的精度和穩(wěn)定性直接影響芯片的微觀結(jié)構(gòu)和尺寸
料：原材料的純度和一致性影響芯片的質(zhì)量
法：工藝參數(shù)控制和操作精度對良率至關(guān)重要
環(huán)：生產(chǎn)車間的環(huán)境因素會影響芯片的制造過程
測：測試設(shè)備性能和測試方法影響良率評估的準(zhǔn)確性
然而，隨著芯片制程不斷向先進制程邁進，影響良率的因素更是讓人“難以捉摸”：
一方面，工藝的進步所涉及的工藝步驟和材料種類增多，芯片上的缺陷種類也越來越繁多，而且缺陷成因復(fù)雜，難以分析和排查。另一方面，新工藝、新材料、新設(shè)備的不斷引入也給良率提升帶來了新的挑戰(zhàn)。此外，提升良率需要投入大量的資金和人力，包括研發(fā)投入、設(shè)備投入、人才培養(yǎng)等。而且一些先進的檢測和分析手段也需要較高的成本。
這也是為何行業(yè)每往前邁進一個制程，良率都愈發(fā)難以提高。
為了提高良率，行業(yè)絞盡腦汁
為了提高半導(dǎo)體制造的良率，行業(yè)各方正不遺余力地進行多方面的優(yōu)化和創(chuàng)新。
減少污染物：半導(dǎo)體的紛繁復(fù)雜的多個工藝步驟過程要用到大量的氣體和溶液，作為半導(dǎo)體制造的“血液”，這些氣/液體的純度和可靠性在很大程度上決定著半導(dǎo)體器件的性能品質(zhì)和良率。根據(jù)業(yè)內(nèi)人士估計，污染造成的產(chǎn)量損失高達50%。
污染控制是半導(dǎo)體制造過程中至關(guān)重要的一環(huán)。如果氣體和溶液中存在污染物，例如顆粒、雜質(zhì)等，就會導(dǎo)致芯片出現(xiàn)缺陷，降低良率，甚至造成芯片報廢。因此，如何有效去除這些污染物，確?！把骸钡募儍?，是半導(dǎo)體制造面臨的重大挑戰(zhàn)。
為了滿足產(chǎn)業(yè)對先進工藝的迫切需求和對良率提升的挑戰(zhàn)，全球過濾、分立和純化解決方案的專家，頗爾公司（Pall corporation）近年來持續(xù)加大投資，去年，頗爾位于北京工廠的Gaskleen和Profile II雙產(chǎn)線正式投產(chǎn)上市，今年6月份，頗爾又宣布新加坡工廠投產(chǎn)，新增了Litho光刻和WET濕法化學(xué)兩條重要的過濾器產(chǎn)品線，可為當(dāng)下先進工藝節(jié)點的邏輯和存儲芯片制造提供強有力的支持。
頗爾北京氣體過濾產(chǎn)品
頗爾能夠提供全系列的半導(dǎo)體過濾器，涵蓋CMP過濾器、光刻過濾器、氣體過濾、氣體純化系統(tǒng)、超純水過濾器、濕式蝕刻過濾器等等，這些強大的過濾器具有先進的納米級雜質(zhì)攔截功能，可在不同的關(guān)鍵工藝中清除顆粒、雜質(zhì)等污染物，確保芯片的高品質(zhì)和高良率。此外，高效的過濾技術(shù)可以減少污染物對設(shè)備的損害，延長設(shè)備的使用壽命，降低維護成本。
工藝優(yōu)化：工藝優(yōu)化是提高良率的基石。通過不斷改進制程工藝，提高生產(chǎn)工藝的精度和可控性，減少缺陷的發(fā)生。例如，采用EUV光刻技術(shù)、3D封裝/Chiplet/CoWos等各種先進封裝技術(shù)等先進工藝。
引入AI和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)：在半導(dǎo)體制造過程中，存在著大量的工藝參數(shù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)。借助AI、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)實現(xiàn)更高的良率和更少的投入，已經(jīng)成為行業(yè)共識。半導(dǎo)體工廠的數(shù)據(jù)管理向智能化升級是大勢所趨。
工程智能（EI）、計算機集成制造（CIM）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等工業(yè)軟件是半導(dǎo)體制造的重要工具。隨著AI和大數(shù)據(jù)技術(shù)的融入，這些軟件也在不斷升級，為半導(dǎo)體工廠提供更加智能化的功能。在智能制造模式下，生產(chǎn)過程更加透明、可控，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著提升。
自動化升級：減少人為操作環(huán)節(jié)，降低人為操作失誤導(dǎo)致的缺陷率是提高良率的重要手段。自動引導(dǎo)車（AGV）、天車和自主移動機器人（AMR）的引入，正在加速半導(dǎo)體制造邁向智能制造的新時代。自動化設(shè)備的應(yīng)用，可以有效減少人為操作環(huán)節(jié)，將工人從繁重的體力勞動和重復(fù)性工作中解放出來，從而降低人為操作失誤導(dǎo)致的缺陷率，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
由此可以看出，提高半導(dǎo)體制造良率是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要半導(dǎo)體廠商從材料、工藝、設(shè)備、管理等多方面入手，不斷創(chuàng)新和改進，才能有效降低缺陷率，提升產(chǎn)品競爭力。
結(jié)語
當(dāng)今，良率提升成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心驅(qū)動力之一。我們也看到像頗爾這樣的過濾器廠商積極進取，擴產(chǎn)建廠，不斷提升過濾技術(shù)的水平和產(chǎn)能，為先進工藝的應(yīng)用和良率的提高保駕護航。
相信通過全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作，持續(xù)攻堅克難，半導(dǎo)體行業(yè)一定能夠不斷提升良率水平，推動行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，為全球經(jīng)濟增長貢獻更大的力量。