第465期|3nm制程突破：新萊應材如何用氣體管控破局半導體潔凈“卡脖子”?

本期大咖

范志旻

新萊應材市場部總監

博士，在UHP超高純氣體領域擁有豐富經驗，SEMI全球氣體技術委員會成員，參與編寫了中國第一部特氣管道與管件標準。

昆山新萊潔凈應用材料股份有限公司2000年創立于江蘇昆山，2011年在深交所創業板上市(股票代碼:300260)，是中國高潔凈應用材料與流體系統領域的本土龍頭企業，擁有完整技術體系，國際同行業中亦具競爭力。公司專注于以高純不銹鋼為母材的高潔凈流體管路系統及超高真空系統關鍵組件(含真空室、泵、閥等)的研發、生產與銷售，產品廣泛應用于半導體、生物醫藥、食品飲料等需制程污染控制的領域。

當芯片制程向3納米乃至18埃米沖刺時，微觀世界的“潔凈之戰”正成為制程突破的隱形門檻，微米級顆粒、微量金屬離子都可能成為電路失效的隱患。

過去聚焦關鍵腔室的潔凈管控模式，在需要構建四五百層結構的先進工藝前漸顯乏力。行業數據顯示，3納米制程良率若波動5%~10%，年損失或達1億美元，這讓潔凈防線不得不延伸至每個組件。

本期我們邀請到參與國內外氣體管控標準制定的范志旻博士，他將拆解潔凈技術從通用型到先進工藝級的升級邏輯，解析材料處理、組件控制背后的“潔凈密碼”。透過這些藏在芯片制造深處的技術細節，或許能讓我們了解制程突破的底層支撐的必要性。

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以下文字為播客內容的文字版整理

3nm制程背后的“空氣戰爭”：新萊如何用氣體管控突破半導體潔凈封鎖？

幻實：本期我們非常榮幸邀請到了一家在A股頗具知名度的公司做客節目。坐在我旁邊的，正是昆山新萊應用材料股份有限公司（以下簡稱：新萊應材）的市場部總監范志旻范博士。接下來我們將與范博士深入探討，新萊深耕行業20余載，取得諸多成就后，為何仍不懈奮進背后的奧秘。

范志旻：大家好，我是新萊應材的范志旻。

昆山新萊應用材料股份有限公司市場部總監 范志旻 做客芯片揭秘

幻實：據我所知，新萊的產品已經覆蓋了生物、醫藥、食品、半導體、電子潔凈這些賽道。今天我們先從相對科普的角度來聊一聊您平時對空氣的潔凈這類事情關注嗎？半導體行業的潔凈又有什么樣的要求？你們怎么解決在特殊的場景上來完成這些要求？

范志旻：大概兩年前，我們共同經歷過疫情。當時N95口罩廣為人知。N95口罩的核心功能就是過濾，它主要過濾粉塵、霧霾、病毒甚至Covid-19等等。實際上，在半導體的應用方面，我們也要過濾這些東西。我們公司為什么叫新萊應材，因為我們在做的是潔凈類應用材料。從生物、食品、真空行業，到半導體領域，尤其是我專注在半導體領域這一塊。在半導體整個的輸送過程中有很多端點，我們通常會用英文的代號來稱呼這些端點。例如：POS(氣體輸送點)和POD(交付點)。我們強調如果等到POD與晶圓接觸時再來進行管控，實際上是來不及的。過去，SEMI(國際半導體與材料協會)的標準要求將潔凈度管控到Critical Chamber Part 關鍵腔室零部件。作為SEMI全球技術委員，我們正逐步將管控節點前移——從傳統的關鍵腔體層級，延伸至每個component(組件)乃至元器件層面。

我們原來是有三種清洗規范，現在提升到第四種。第一種叫GP(general purpose)，即通用型氣體，一般指無腐蝕性且純度要求不高的氣體，例如用于吹掃的壓縮空氣。第二種是高純氣體(High Purity)，我們一般也用來吹掃。第三種是UHP(Ultra High Purity)超高純的氣體，這種超高純的氣體就是工藝氣體或叫制程氣體。第四種屬于先進工藝。先進工藝是什么概念？7納米以下的先進工藝，需要構建四五百層以上的復雜結構。我去年在復旦大學進行的演講，講的就是如何來管控先進工藝。同時，在我的要求之下，我司目前整個清潔水的標準已經可以達到跟晶圓廠的等級一樣。所以我們可以根據客戶的需求，客戶需要哪個等級，我們就為其配套相應產品。這就像口罩一樣，從一般的口罩，到抗病毒的口罩，甚至到N95的口罩，能滿足多樣化需求。

幻實：很多人都覺得晶圓生產的潔凈度是一個很玄學的東西，因為影響的因素太多，所以新萊現在已經能有信心做到想要哪一級的潔凈都能將其實現了嗎？

范志旻：我們可以保守來講，3納米制程是沒問題的。但3納米再往下走，有很多地方很容易被污染到，這些污染是我們肉眼看不到的。比如說我們最喜歡拿7納米的例子來解釋：7納米是什么概念？您摸一下自己的頭發，感覺一下一根頭發的粗細。您再將頭發的直徑除以1萬，7納米的線徑就是這么細。在這么細的情況下，哪怕是肉眼根本看不見的particle，也就是顆粒，都可能帶來大麻煩。如果這個顆粒帶著正電或負電，或者本身是金屬離子。那對IC來說就很危險。集成電路就像一套精密的電路結構。在沒有導通的情況下，只要有一個金屬離子，就可能導致電路錯誤導通，整個芯片就報廢了，所以這個就是一個例子。這就是為什么我們在半導體制造中要嚴格控制particle(顆粒)追求超高潔凈度——因為我們芯片的尺寸越做越小，任何細微雜質都可能造成致命影響。

面板型-耐熱-位置傳感器（圖源：新萊應材）

幻實：這個聽起來是非常炫酷的。我還是想問問新萊是通過哪些產品來實現對這種潔凈的管控的？這些產品都是新萊自研的，還是有一些市場上的友商的一個集成？

范志旻：以前我在臺灣，跟臺積電體系的人交流。一開始他們認為，我們就是一個做管道、管件、閥門的，跟半導體的晶圓能有啥關系？我跟他說很抱歉，關系可大了！因為實際上我們在晶圓芯片上來講，它的最主要的前道工藝就是這些設備。這些設備不外乎PVD(物理氣相沉積)、CVD(化學氣相沉積)、ALD(原子層沉積)或dry etch(干法刻蝕)，這些工藝跟氣都是有關系的，而氣體輸送就牽扯到管道、管線、閥門。輸送氣體的過程中，需要一個正壓，處理完正壓還需要一個負壓，所以這就與真空技術有關。要確保整個真空環境符合需求，在不同的工藝上，我們首先從管道入手進行控管。再從閥門的開關進行控管，按照其使用壽命的比例去進行控管。那至于說如何去實現，因為閥門單純的只是開跟關，但是在先進工藝等級來講，它已的精度經達到了毫米級。

幻實：也就是說，因為有毫米級的精度之后，對閥門的要求也變得不一樣了。

范志旻：沒錯，這里面牽扯到一個相關的控制算法和流量管理的問題。就整個控制的算法來看，由于我們通常所使用的氣體不是單一的氣體，而是混合氣或者是化合物半導體，因此算法變得很復雜。若混合氣體的比例出現偏差，可能導致刻蝕不足或者刻蝕方向偏差，這對IC整體的結構就產生了一個安全性的問題。另外，流量的多與少關系到工藝的穩定性。材料純度更為重要，若材料純度不足，會持續釋放不純的雜質，污染整個生產環境。

5毫秒決定1億美元損失：原子層工藝里的ALD閥藏著哪些技術秘密？

幻實：感謝范博士！我們以前在聊閥的時候，沒有那么強的感受。因為好多家做ALD設備相關的公司的高層都上過我們芯片欄目。但您剛剛提到的，像ALD里邊必須要有一種閥能解決它的開關的次數。我想問問，像你們現在最新的這個方向，對這個閥體要達到什么樣的要求？它現在的難度又在哪里？能給我們稍微科普一下嗎？

定制型PVM閥門（圖源：新萊應材）

范志旻：我們去年在參加行業論壇的時候，有4位教授均聚焦ALD展開研討，這也印證了ALD是我們現在發展的關鍵。事實上，進入先進工藝領域，ALD已是不可或缺的核心技術。除了ALD，更重要的是ALE，E是etch(刻蝕)，ALE是原子層刻蝕。這些工藝都離不開一個關鍵的零部件——ALD閥。這種ALD閥，我們新萊也已經開發出來了。它的響應速度跟目前頭部的ALD閥門的開關一樣，都可以達到5毫秒。其次，芯片制程工藝以納米作為度量單位，經歷了從14納米、12納米、7納米、5納米這樣持續的迭代。甚至已經進入了18?(埃)級別，18埃就等于1.8納米。在此有必要強調，當前納米尺度已經無法滿足技術發展需求了，我們現在的研發方向要往埃米走。如果說我們仍使用那種傳統的傻大笨粗的技術，是完全沒辦法滿足現在的工藝的。

當前我們的工作重點是把所有的化學物質全部氣化。也就是說，不論其初始狀態是固態還是液態，或者本身是氣態，我們都要將其氣化。只有在氣態的沉積條件下，才能夠如同蓋房屋般，一個一個磚頭的往上蓋。當磚頭蓋的過多的時候，就要刻蝕掉多余的部分，這就是ALD的概念。目前ALD已經到達了原子層級。原子層級依靠的是什么？假設5毫秒的響應速度有延遲，就會導致兩方面的問題。首先是前驅體滯留的問題。ALD工藝中會用到多種特殊的前驅體。有些前驅體非常的昂貴，因為這些前驅體大多并非單獨存在，而是跟別的化合物的半導體或化學物質合并存在的化合物。但是在反應腔室里面變化的時候，可以經由各種的配方，把它吹掃掉，或者是沉積掉。我們將其合并反應，所以這個前驅體很關鍵。有人問我們的響應速度為什么那么快，只有5毫秒。其實5毫秒只是它的響應時間，而整個cycle(循環)大概需要20毫秒，也就是說，任何超過原子層沉積需求的多余部分都要被吹掃掉，多余的部分的沒有用。其次，如果前驅體響應速度慢下來，可能會造成交叉污染，產生非?？膳碌挠绊憽?/p>

例如，當我們正在處理A前驅體，截取到了A前驅體中需要的東西的時候，B前驅體進入反應腔了，并且它含有殘留的物質。由于這個殘留，導致結合成了非預期的化合物，那就會影響到整體的品質。有關于良率的問題我還可以舉個例子，在芯片制造領域，三納米制程的良率是重要的技術指標。若該良率的誤差下降5%~10%，假設以每日可以做1萬片的生產規模估算，一年將會損失1億美元。所以我們通過對材料、結構方面的優化，提升工藝響應速度，從而達到我們的質量要求。

定制型雙頭閥門（圖源：新萊應材）

幻實：前面我向您請教了有關潔凈的要求，以及了解了閥相關的問題。我了解到，您之前在其他報告中提到，潔凈材料要攻克顆粒污染、金屬離子、氣態分子污染這三大關卡。您能否根據這個話題，幫我們再去理解一下為什么要突破這三道關卡？新萊的產品又是如何來解決這三道關卡的？

范志旻：解決這三大關卡，我們可以舉個例子來說明。首先是顆粒的污染，它就像水里面的泥沙一樣。假設說0.1微米的顆粒，就相當于頭發絲的1/500，那它足以導致光刻膠出現缺陷，甚至造成電路短路。那么，新萊的首要解決方案就是電解拋光。通過電解拋光，我們可以把表面粗糙度從常規的1.6微米降到0.1微米，大大減少了在管道和閥門里面的顆粒吸附。

其次要解決的關卡是金屬離子，其實金屬離子現在處于非常關鍵的一個時刻，大家都想聽我來講這一部分。在工藝制程中，如有像鐵、鎳等金屬離子的雜質混入，將會破壞整個晶體管閾值的電壓。在破壞之后，這些雜質會導致芯片的功耗異常，這是很可怕的。我們從兩方面來解決：一方面，使用Vim Var(真空感應熔煉+真空自耗重熔)的雙熔煉，316L不銹鋼材。另一方面，使用鈍化膜技術。我們的鈍化膜已經通過全球最大的半導體廠商的驗證，其膜層厚度可達3納米甚至更高，該鈍化膜能夠將金屬離子牢牢鎖在內部，有效防止金屬離子析出。

最后要解決的關卡是氣態分子污染，我們叫AMC，這類氣態分子的污染物，就像空氣中異味一樣。這個部分因為有不同的污染物，所以它會讓比如說像光刻膠這類的材料變性。假設在28納米制程的一個圖譜中，在光刻的時候出現這種情況，誤差會非常的大。針對這一問題，我們有一套解決方案：首先，使用電子束焊和全密封技術，讓它不會有這方面的污染。再來利用我們的氣體淋浴系統，讓它整個的吸附提升率達到99.99%。

所以，我們就像是讓晶圓洗了個納米澡。就像洗澡一樣的步驟一樣，第一個是去角質。我們舉個例子，比如EP管就像納米級的一個搓澡布，把這些污染物搓掉。再來，是進行無殘留的沖洗，沒有殘留的沖洗用到Vim Var技術，確保沖洗過程像用純凈水洗澡水這樣的純凈。第三步是“香薰防護”，通過AMC確保隔絕外面的污染。我們舉一個例子來講，有些人的血管有堵塞，導致他可能會中風。他的這個血管是負責輸送血液的。我們現在的這個管道負責輸送氣體，我剛剛講過，現在所有的東西越做越小，所有的化學物質都有把它氣化，那在氣化、在傳輸的過程中，任何的污染都會影響到它的純度，以及可能會產生其他的不良反應。

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臺商背景的新萊應材在半導體自主化浪潮中走出“全鏈條破局”之路

幻實：謝謝范博士！我還特別好奇，現在這種行情下，新萊要做這么先進的工藝控制的產品，對材料怎么有著怎樣的考量？你們要自己去做材料嗎？那如果不做，怎么保證你們的產品的良率和質量能達到你們的要求？

范志旻：我們目前只做應用材料，暫時不做材料本身。或許后續我們會有其他的考量，但是現階段，我們的重點是選擇好的材料。針對材料做好的選型，方便可以應用到各種不同的層級。

幻實：因為新萊的特色其實是臺商背景，也是很早一批來大陸工作的企業。我想問問這么多年新萊陪伴中國半導體產業的發展，以及作為臺商的身份，有沒有什么感受和我們分享一下？

芯片揭秘 主播幻實（左）對話

新萊應材 市場部總監 范志旻博士（右）

范志旻：您講的這個問題真的是講到我的心坎里了。因為我來自祖國的寶島。在寶島，我個人覺得大家都很關注臺積電，但臺積電主要做的是代工。

我覺得整個半導體產業發展可以分為四步走：代工、做產品、創品牌、立標準。新萊應材也正在沿著這條路穩步前行。從代工逐步邁向擁有自主產品、自有品牌。我們積極參與行業標準建設，不僅參與制定了中國的第一套的氣體管道環境標準，同時我個人既是中華人民共和國的國家標準委員，也是全球SEMI氣體技術委員。整個中國大陸的供應鏈是一個完整的全供應鏈，我們從芯片自主化，到高端的半導體的裝備自主，每一步都在扎實推進。

但是我覺得材料的自主，和整個知識體系的構建更為重要。我現在也有加入相關的會議、聯盟，一直在致力于推動產學研合作，試圖從兩方面拉動整體的發展。首先是供應鏈的建立，其次是整個產學研合作。完完整整的上下游的配套，推動我們可以走向半導體的全部自主。而且最重要的就是我們的民族品牌，不必再受人卡脖子。

W型閥組（圖源：新萊應材）

幻實：我覺得您這番話講出了大國的威嚴，我們就是屬于全體系全生產、全目錄覆蓋的全方位布局的定位。

范志旻：我上次在接受中央臺的采訪的時候說過，半導體產業不屬于美國，這是我們大家都可以自主探索，自主發展的領域，中國有14億人口，有各種應用場景，我們雖然起步晚，但只要找準切入點，在不同的應用領域發力，未來大有可為。

幻實：謝謝范博士的精彩分享。最后我還想請您作為行業的老法師，給現在新入行的一些從業者，比如說初級的設備工程師，材料工程師一些建議。您會給他們提什么樣的心得，給他們什么樣的建議？

范志旻：我個人給各位做參考的建議是這樣的，就以材料工程師來講，我推薦選擇一個小的切口，研究高純氣體的輸送特性，這一塊是非常關鍵的。即使在現有的fab廠中，這個問題始終存在——即便我用的氣體非常純，但是在反應完之后，有一些殘余的反應氣體沒有及時抽真空抽走，就會污染到前道制程。這一塊相當有研究的分量，而且經常會影響到成品的良率，所以我建議可以從這方面去下功夫深入研究，實事求是的去解決這方面的問題。

第二點從優勢分析，通過研究高純氣體的傳輸特性，提升國內產業鏈的整體水平，降低對國外技術的依賴。目前，我們在氣體提純等技術上還較為依賴美日，其實我們可以不斷的去突破把自身優勢體現出來。

實施的策略是這樣的，第一個是技術的累積與創新，我們從現有技術出發，不是從零開始。我們站在科學家、前者的肩膀上往前走，不停的進行文獻探討。第二個是產學研合作，產學研不能夠脫節——生產產品只知道如何去降成本，學習知識時只知道如何去發表論文，研究只知道閉門造車。產學研三者應該形成一條完整的研究鏈條，并且以市場需求為重點。產品只有賣的出去才能夠獲得利潤，獲得利潤才能支撐研究，這是一個良性循環。最重要的是，千萬要避免閉門造車。舉個例子，賣手機的那一家，他原來只賣手機，可是后來被逼無奈，只能一直往上走，自己來做芯片，自己來做設備。所以我覺得很多事情我們可以高瞻遠矚，看到目前的問題點，不要被逼著走。同時，我們除了要掌握所有的通用技能，更重要的在于是不是有真正的獨家功夫是別人沒有的。就像國內第一個講Ultra High Purity(超高純度)的就是我本人。

幻實：謝謝范博士的分享，怪不得新萊能在這條技術路線上走得那么深遠，那么前沿。既離不開獨到的觀點，也離不開認真的態度，更離不開大家一如既往地扎實投入工作。今天跟您交流我學到了很多，期待有機會范博士再來我們芯片揭秘做客。

采訪 | 幻實 編輯 | 令悅 審核 | 幻實

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