第465期|3nm制程突破：新莱应材如何用气体管控破局半导体洁净“卡脖子”?

本期大咖

范志旻

新莱应材市场部总监

博士，在UHP超高纯气体领域拥有丰富经验，SEMI全球气体技术委员会成员，参与编写了中国第一部特气管道与管件标准。

昆山新莱洁净应用材料股份有限公司2000年创立于江苏昆山，2011年在深交所创业板上市(股票代码:300260)，是中国高洁净应用材料与流体系统领域的本土龙头企业，拥有完整技术体系，国际同行业中亦具竞争力。公司专注于以高纯不锈钢为母材的高洁净流体管路系统及超高真空系统关键组件(含真空室、泵、阀等)的研发、生产与销售，产品广泛应用于半导体、生物医药、食品饮料等需制程污染控制的领域。

当芯片制程向3纳米乃至18埃米冲刺时，微观世界的“洁净之战”正成为制程突破的隐形门槛，微米级颗粒、微量金属离子都可能成为电路失效的隐患。

过去聚焦关键腔室的洁净管控模式，在需要构建四五百层结构的先进工艺前渐显乏力。行业数据显示，3纳米制程良率若波动5%~10%，年损失或达1亿美元，这让洁净防线不得不延伸至每个组件。

本期我们邀请到参与国内外气体管控标准制定的范志旻博士，他将拆解洁净技术从通用型到先进工艺级的升级逻辑，解析材料处理、组件控制背后的“洁净密码”。透过这些藏在芯片制造深处的技术细节，或许能让我们了解制程突破的底层支撑的必要性。

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以下文字为播客内容的文字版整理

3nm制程背后的“空气战争”：新莱如何用气体管控突破半导体洁净封锁？

幻实：本期我们非常荣幸邀请到了一家在A股颇具知名度的公司做客节目。坐在我旁边的，正是昆山新莱应用材料股份有限公司（以下简称：新莱应材）的市场部总监范志旻范博士。接下来我们将与范博士深入探讨，新莱深耕行业20余载，取得诸多成就后，为何仍不懈奋进背后的奥秘。

范志旻：大家好，我是新莱应材的范志旻。

昆山新莱应用材料股份有限公司市场部总监 范志旻 做客芯片揭秘

幻实：据我所知，新莱的产品已经覆盖了生物、医药、食品、半导体、电子洁净这些赛道。今天我们先从相对科普的角度来聊一聊您平时对空气的洁净这类事情关注吗？半导体行业的洁净又有什么样的要求？你们怎么解决在特殊的场景上来完成这些要求？

范志旻：大概两年前，我们共同经历过疫情。当时N95口罩广为人知。N95口罩的核心功能就是过滤，它主要过滤粉尘、雾霾、病毒甚至Covid-19等等。实际上，在半导体的应用方面，我们也要过滤这些东西。我们公司为什么叫新莱应材，因为我们在做的是洁净类应用材料。从生物、食品、真空行业，到半导体领域，尤其是我专注在半导体领域这一块。在半导体整个的输送过程中有很多端点，我们通常会用英文的代号来称呼这些端点。例如：POS(气体输送点)和POD(交付点)。我们强调如果等到POD与晶圆接触时再来进行管控，实际上是来不及的。过去，SEMI(国际半导体与材料协会)的标准要求将洁净度管控到Critical Chamber Part 关键腔室零部件。作为SEMI全球技术委员，我们正逐步将管控节点前移——从传统的关键腔体层级，延伸至每个component(组件)乃至元器件层面。

我们原来是有三种清洗规范，现在提升到第四种。第一种叫GP(general purpose)，即通用型气体，一般指无腐蚀性且纯度要求不高的气体，例如用于吹扫的压缩空气。第二种是高纯气体(High Purity)，我们一般也用来吹扫。第三种是UHP(Ultra High Purity)超高纯的气体，这种超高纯的气体就是工艺气体或叫制程气体。第四种属于先进工艺。先进工艺是什么概念？7纳米以下的先进工艺，需要构建四五百层以上的复杂结构。我去年在复旦大学进行的演讲，讲的就是如何来管控先进工艺。同时，在我的要求之下，我司目前整个清洁水的标准已经可以达到跟晶圆厂的等级一样。所以我们可以根据客户的需求，客户需要哪个等级，我们就为其配套相应产品。这就像口罩一样，从一般的口罩，到抗病毒的口罩，甚至到N95的口罩，能满足多样化需求。

幻实：很多人都觉得晶圆生产的洁净度是一个很玄学的东西，因为影响的因素太多，所以新莱现在已经能有信心做到想要哪一级的洁净都能将其实现了吗？

范志旻：我们可以保守来讲，3纳米制程是没问题的。但3纳米再往下走，有很多地方很容易被污染到，这些污染是我们肉眼看不到的。比如说我们最喜欢拿7纳米的例子来解释：7纳米是什么概念？您摸一下自己的头发，感觉一下一根头发的粗细。您再将头发的直径除以1万，7纳米的线径就是这么细。在这么细的情况下，哪怕是肉眼根本看不见的particle，也就是颗粒，都可能带来大麻烦。如果这个颗粒带着正电或负电，或者本身是金属离子。那对IC来说就很危险。集成电路就像一套精密的电路结构。在没有导通的情况下，只要有一个金属离子，就可能导致电路错误导通，整个芯片就报废了，所以这个就是一个例子。这就是为什么我们在半导体制造中要严格控制particle(颗粒)追求超高洁净度——因为我们芯片的尺寸越做越小，任何细微杂质都可能造成致命影响。

面板型-耐热-位置传感器（图源：新莱应材）

幻实：这个听起来是非常炫酷的。我还是想问问新莱是通过哪些产品来实现对这种洁净的管控的？这些产品都是新莱自研的，还是有一些市场上的友商的一个集成？

范志旻：以前我在台湾，跟台积电体系的人交流。一开始他们认为，我们就是一个做管道、管件、阀门的，跟半导体的晶圆能有啥关系？我跟他说很抱歉，关系可大了！因为实际上我们在晶圆芯片上来讲，它的最主要的前道工艺就是这些设备。这些设备不外乎PVD(物理气相沉积)、CVD(化学气相沉积)、ALD(原子层沉积)或dry etch(干法刻蚀)，这些工艺跟气都是有关系的，而气体输送就牵扯到管道、管线、阀门。输送气体的过程中，需要一个正压，处理完正压还需要一个负压，所以这就与真空技术有关。要确保整个真空环境符合需求，在不同的工艺上，我们首先从管道入手进行控管。再从阀门的开关进行控管，按照其使用寿命的比例去进行控管。那至于说如何去实现，因为阀门单纯的只是开跟关，但是在先进工艺等级来讲，它已的精度经达到了毫米级。

幻实：也就是说，因为有毫米级的精度之后，对阀门的要求也变得不一样了。

范志旻：没错，这里面牵扯到一个相关的控制算法和流量管理的问题。就整个控制的算法来看，由于我们通常所使用的气体不是单一的气体，而是混合气或者是化合物半导体，因此算法变得很复杂。若混合气体的比例出现偏差，可能导致刻蚀不足或者刻蚀方向偏差，这对IC整体的结构就产生了一个安全性的问题。另外，流量的多与少关系到工艺的稳定性。材料纯度更为重要，若材料纯度不足，会持续释放不纯的杂质，污染整个生产环境。

5毫秒决定1亿美元损失：原子层工艺里的ALD阀藏着哪些技术秘密？

幻实：感谢范博士！我们以前在聊阀的时候，没有那么强的感受。因为好多家做ALD设备相关的公司的高层都上过我们芯片栏目。但您刚刚提到的，像ALD里边必须要有一种阀能解决它的开关的次数。我想问问，像你们现在最新的这个方向，对这个阀体要达到什么样的要求？它现在的难度又在哪里？能给我们稍微科普一下吗？

定制型PVM阀门（图源：新莱应材）

范志旻：我们去年在参加行业论坛的时候，有4位教授均聚焦ALD展开研讨，这也印证了ALD是我们现在发展的关键。事实上，进入先进工艺领域，ALD已是不可或缺的核心技术。除了ALD，更重要的是ALE，E是etch(刻蚀)，ALE是原子层刻蚀。这些工艺都离不开一个关键的零部件——ALD阀。这种ALD阀，我们新莱也已经开发出来了。它的响应速度跟目前头部的ALD阀门的开关一样，都可以达到5毫秒。其次，芯片制程工艺以纳米作为度量单位，经历了从14纳米、12纳米、7纳米、5纳米这样持续的迭代。甚至已经进入了18Å(埃)级别，18埃就等于1.8纳米。在此有必要强调，当前纳米尺度已经无法满足技术发展需求了，我们现在的研发方向要往埃米走。如果说我们仍使用那种传统的傻大笨粗的技术，是完全没办法满足现在的工艺的。

当前我们的工作重点是把所有的化学物质全部气化。也就是说，不论其初始状态是固态还是液态，或者本身是气态，我们都要将其气化。只有在气态的沉积条件下，才能够如同盖房屋般，一个一个砖头的往上盖。当砖头盖的过多的时候，就要刻蚀掉多余的部分，这就是ALD的概念。目前ALD已经到达了原子层级。原子层级依靠的是什么？假设5毫秒的响应速度有延迟，就会导致两方面的问题。首先是前驱体滞留的问题。ALD工艺中会用到多种特殊的前驱体。有些前驱体非常的昂贵，因为这些前驱体大多并非单独存在，而是跟别的化合物的半导体或化学物质合并存在的化合物。但是在反应腔室里面变化的时候，可以经由各种的配方，把它吹扫掉，或者是沉积掉。我们将其合并反应，所以这个前驱体很关键。有人问我们的响应速度为什么那么快，只有5毫秒。其实5毫秒只是它的响应时间，而整个cycle(循环)大概需要20毫秒，也就是说，任何超过原子层沉积需求的多余部分都要被吹扫掉，多余的部分的没有用。其次，如果前驱体响应速度慢下来，可能会造成交叉污染，产生非常可怕的影响。

例如，当我们正在处理A前驱体，截取到了A前驱体中需要的东西的时候，B前驱体进入反应腔了，并且它含有残留的物质。由于这个残留，导致结合成了非预期的化合物，那就会影响到整体的品质。有关于良率的问题我还可以举个例子，在芯片制造领域，三纳米制程的良率是重要的技术指标。若该良率的误差下降5%~10%，假设以每日可以做1万片的生产规模估算，一年将会损失1亿美元。所以我们通过对材料、结构方面的优化，提升工艺响应速度，从而达到我们的质量要求。

定制型双头阀门（图源：新莱应材）

幻实：前面我向您请教了有关洁净的要求，以及了解了阀相关的问题。我了解到，您之前在其他报告中提到，洁净材料要攻克颗粒污染、金属离子、气态分子污染这三大关卡。您能否根据这个话题，帮我们再去理解一下为什么要突破这三道关卡？新莱的产品又是如何来解决这三道关卡的？

范志旻：解决这三大关卡，我们可以举个例子来说明。首先是颗粒的污染，它就像水里面的泥沙一样。假设说0.1微米的颗粒，就相当于头发丝的1/500，那它足以导致光刻胶出现缺陷，甚至造成电路短路。那么，新莱的首要解决方案就是电解抛光。通过电解抛光，我们可以把表面粗糙度从常规的1.6微米降到0.1微米，大大减少了在管道和阀门里面的颗粒吸附。

其次要解决的关卡是金属离子，其实金属离子现在处于非常关键的一个时刻，大家都想听我来讲这一部分。在工艺制程中，如有像铁、镍等金属离子的杂质混入，将会破坏整个晶体管阈值的电压。在破坏之后，这些杂质会导致芯片的功耗异常，这是很可怕的。我们从两方面来解决：一方面，使用Vim Var(真空感应熔炼+真空自耗重熔)的双熔炼，316L不锈钢材。另一方面，使用钝化膜技术。我们的钝化膜已经通过全球最大的半导体厂商的验证，其膜层厚度可达3纳米甚至更高，该钝化膜能够将金属离子牢牢锁在内部，有效防止金属离子析出。

最后要解决的关卡是气态分子污染，我们叫AMC，这类气态分子的污染物，就像空气中异味一样。这个部分因为有不同的污染物，所以它会让比如说像光刻胶这类的材料变性。假设在28纳米制程的一个图谱中，在光刻的时候出现这种情况，误差会非常的大。针对这一问题，我们有一套解决方案：首先，使用电子束焊和全密封技术，让它不会有这方面的污染。再来利用我们的气体淋浴系统，让它整个的吸附提升率达到99.99%。

所以，我们就像是让晶圆洗了个纳米澡。就像洗澡一样的步骤一样，第一个是去角质。我们举个例子，比如EP管就像纳米级的一个搓澡布，把这些污染物搓掉。再来，是进行无残留的冲洗，没有残留的冲洗用到Vim Var技术，确保冲洗过程像用纯净水洗澡水这样的纯净。第三步是“香薰防护”，通过AMC确保隔绝外面的污染。我们举一个例子来讲，有些人的血管有堵塞，导致他可能会中风。他的这个血管是负责输送血液的。我们现在的这个管道负责输送气体，我刚刚讲过，现在所有的东西越做越小，所有的化学物质都有把它气化，那在气化、在传输的过程中，任何的污染都会影响到它的纯度，以及可能会产生其他的不良反应。

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台商背景的新莱应材在半导体自主化浪潮中走出“全链条破局”之路

幻实：谢谢范博士！我还特别好奇，现在这种行情下，新莱要做这么先进的工艺控制的产品，对材料怎么有着怎样的考量？你们要自己去做材料吗？那如果不做，怎么保证你们的产品的良率和质量能达到你们的要求？

范志旻：我们目前只做应用材料，暂时不做材料本身。或许后续我们会有其他的考量，但是现阶段，我们的重点是选择好的材料。针对材料做好的选型，方便可以应用到各种不同的层级。

幻实：因为新莱的特色其实是台商背景，也是很早一批来大陆工作的企业。我想问问这么多年新莱陪伴中国半导体产业的发展，以及作为台商的身份，有没有什么感受和我们分享一下？

芯片揭秘 主播幻实（左）对话

新莱应材 市场部总监 范志旻博士（右）

范志旻：您讲的这个问题真的是讲到我的心坎里了。因为我来自祖国的宝岛。在宝岛，我个人觉得大家都很关注台积电，但台积电主要做的是代工。

我觉得整个半导体产业发展可以分为四步走：代工、做产品、创品牌、立标准。新莱应材也正在沿着这条路稳步前行。从代工逐步迈向拥有自主产品、自有品牌。我们积极参与行业标准建设，不仅参与制定了中国的第一套的气体管道环境标准，同时我个人既是中华人民共和国的国家标准委员，也是全球SEMI气体技术委员。整个中国大陆的供应链是一个完整的全供应链，我们从芯片自主化，到高端的半导体的装备自主，每一步都在扎实推进。

但是我觉得材料的自主，和整个知识体系的构建更为重要。我现在也有加入相关的会议、联盟，一直在致力于推动产学研合作，试图从两方面拉动整体的发展。首先是供应链的建立，其次是整个产学研合作。完完整整的上下游的配套，推动我们可以走向半导体的全部自主。而且最重要的就是我们的民族品牌，不必再受人卡脖子。

W型阀组（图源：新莱应材）

幻实：我觉得您这番话讲出了大国的威严，我们就是属于全体系全生产、全目录覆盖的全方位布局的定位。

范志旻：我上次在接受中央台的采访的时候说过，半导体产业不属于美国，这是我们大家都可以自主探索，自主发展的领域，中国有14亿人口，有各种应用场景，我们虽然起步晚，但只要找准切入点，在不同的应用领域发力，未来大有可为。

幻实：谢谢范博士的精彩分享。最后我还想请您作为行业的老法师，给现在新入行的一些从业者，比如说初级的设备工程师，材料工程师一些建议。您会给他们提什么样的心得，给他们什么样的建议？

范志旻：我个人给各位做参考的建议是这样的，就以材料工程师来讲，我推荐选择一个小的切口，研究高纯气体的输送特性，这一块是非常关键的。即使在现有的fab厂中，这个问题始终存在——即便我用的气体非常纯，但是在反应完之后，有一些残余的反应气体没有及时抽真空抽走，就会污染到前道制程。这一块相当有研究的分量，而且经常会影响到成品的良率，所以我建议可以从这方面去下功夫深入研究，实事求是的去解决这方面的问题。

第二点从优势分析，通过研究高纯气体的传输特性，提升国内产业链的整体水平，降低对国外技术的依赖。目前，我们在气体提纯等技术上还较为依赖美日，其实我们可以不断的去突破把自身优势体现出来。

实施的策略是这样的，第一个是技术的累积与创新，我们从现有技术出发，不是从零开始。我们站在科学家、前者的肩膀上往前走，不停的进行文献探讨。第二个是产学研合作，产学研不能够脱节——生产产品只知道如何去降成本，学习知识时只知道如何去发表论文，研究只知道闭门造车。产学研三者应该形成一条完整的研究链条，并且以市场需求为重点。产品只有卖的出去才能够获得利润，获得利润才能支撑研究，这是一个良性循环。最重要的是，千万要避免闭门造车。举个例子，卖手机的那一家，他原来只卖手机，可是后来被逼无奈，只能一直往上走，自己来做芯片，自己来做设备。所以我觉得很多事情我们可以高瞻远瞩，看到目前的问题点，不要被逼着走。同时，我们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独家功夫是别人没有的。就像国内第一个讲Ultra High Purity(超高纯度)的就是我本人。

幻实：谢谢范博士的分享，怪不得新莱能在这条技术路线上走得那么深远，那么前沿。既离不开独到的观点，也离不开认真的态度，更离不开大家一如既往地扎实投入工作。今天跟您交流我学到了很多，期待有机会范博士再来我们芯片揭秘做客。

采访 | 幻实 编辑 | 令悦 审核 | 幻实

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