先進制程節點下，污染已成為系統級的良率限制因素，且尚無簡單的解決辦法

核心要點

1. 最先進的制程節點中，污染物的識別難度大幅提升，晶圓廠不得不重新思考污染控制的實現方式

2. 污染引發的問題可能表現為電學異常或統計性偏差，而非顆粒雜質，且并非在制程初期就顯現

3. 行業亟需可靠的污染物分類方法，以精準識別關鍵污染問題，減少在無影響失效問題上耗費的時間與精力

在半導體行業發展的大部分歷程中，污染一直被視為顆粒雜質問題。良率損失可追溯至異物進入非目標區域，而制程控制也主要圍繞過濾、清洗和雜質分類展開。

只要能將顆粒雜質控制在臨界尺寸閾值以下，企業就能通過提高潔凈室標準、逐步優化材料和制程衛生條件，解決污染問題。但在先進制程節點下，污染的形式變得愈發隱蔽，隔離與排查的難度也大幅增加。

如今，良率損失的誘因更多來自界面問題、殘留物質和制程狀態的累積影響，這些問題幾乎不會表現為可見缺陷。在許多情況下，污染問題的首個信號并非光學可檢測的，而是電學異常或統計數據偏差：器件通過檢測后，卻在后續出現無法解釋的性能波動；制程看似穩定，卻因微小偏差的不斷累積，最終造成可量化的良率損失。

泛林集團全球產品事業部高級副總裁塞莎?瓦拉達拉揚在近期的一場會議中表示：“在 10 納米制程中可接受的性能波動，在埃米時代完全無法容忍。即便業界已掌握光刻工藝微縮的核心原理，整個產業生態仍需進行全方位轉型，才能滿足先進制程在缺陷控制和工藝保真度上的嚴苛要求。”

當器件特征尺寸逼近原子尺度，即便是微量的殘留物質或化學試劑，也會對材料表面特性造成不可逆的影響。“潔凈” 不再是非黑即白的二元狀態，而是具有場景性、制程依賴性的相對概念，其定義也愈發偏向表面狀態和界面制程歷史，而非簡單的 “無可見雜質”。

原子尺度下，污染的定義被重新改寫

在前沿制程節點中，污染不再以碎屑、顆粒或可見殘留物為前提，當尺度縮小至原子級別，傳統的污染定義已然失效。一旦化學物質改變了表面反應、界面形成過程或薄膜的連續性，其本身就成為了污染物。

這一轉變意義重大，因為它顛覆了制造業中關于 “潔凈” 的長期固有認知。傳統的污染控制以隔離防護為核心，防止外來物質進入制程環境；而在原子尺度下，污染問題的核心不僅是 “進入系統的物質”，更在于殘留在系統中的物質。

這一區別讓污染問題的本質從 “潔凈度問題”，轉變為全生命周期問題和材料問題。表面殘留物質可能會改變反應路徑、延緩成核過程，或對器件電學特性造成難以即時察覺的細微影響。這些效應在產生初期可能無法被檢測，但會沿制程鏈向下游傳遞，往往在后續環節以性能波動或可靠性問題的形式顯現。

這也是先進制程節點下污染問題愈發難以診斷的原因：污染的作用機制真實存在，但其表征卻具有間接性。當良率損失達到可量化的程度時，污染事件本身可能早已發生，被后續的多層制程覆蓋，且與正常的制程波動難以區分。

工藝裕量消失，界面敏感度驟升

半導體行業面臨的污染挑戰，并非源于制程衛生條件的惡化，而是因為工藝容忍度的急劇降低。過去處于可接受工藝裕量范圍內的微小偏差，如今直接落在了器件的工作窗口之內。

格林 - 圖德公司全球工程經理拉爾夫?基亞羅沃洛蒂表示：“可接受的污染標準，會隨著每一代制程節點的升級而改變。在 7 納米以下制程中，即便是極微小的顆粒，如今也被歸為污染物 —— 這要求制程達到原子層沉積級別的精度，過去被認為無害的物質，如今都成了問題。”

現代沉積工藝依賴于極高精度的表面化學控制，尤其是原子層沉積（ALD），其核心在于可重復的表面端基和受控制的反應位點，任何殘留污染都會改變薄膜的成核和生長過程。

泛林集團 Semiverse 解決方案產品董事總經理約瑟夫?歐文稱：“我們正致力于將器件特征尺寸精準控制到埃米級別，哪怕是 1 納米的偏差，都至關重要。”

當薄膜厚度達到這一量級，材料表面狀態與器件性能已密不可分。過去影響可忽略不計的殘留物質，如今會直接影響薄膜的連續性、均勻性和器件電學性能，且這類性能波動一旦產生，在后續制程中幾乎無法修復。工藝裕量的消失，從根本上改變了污染管理的思路。

新思科技資深專家維克多?莫羅茲表示：“我們可以逐個原子構建器件結構，觀察表面反應，以及后續原子如何與前驅原子結合。制程的核心是讓化學沉積過程保持單層生長，但偶爾會出現缺陷，這時候就無法實現 100% 的保形涂覆。”

在埃米級的工藝容差下，性能波動本身就成為了良率限制因素。污染無需造成顯著的損傷，只需持續存在，就會引發良率問題。

非暴露式污染：無外源接觸的污染途徑

現代污染最具破壞性的特征之一，是無需暴露在外部環境、無操作失誤、無設備故障，也能進入制程環節。一些影響重大的污染途徑，甚至會在密封良好的設備內部持續、隱蔽地發生。

在沉積系統中，彈性體密封件等聚合物部件會長期暴露在真空、活性等離子體和反復的熱循環環境中。在這類條件下，污染通常并非由災難性泄漏引發，而是源于分子滲透和等離子體誘導的材料相互作用。

基亞羅沃洛蒂指出：“我們發現，這類彈性體部件引發的主要污染途徑是滲透，其中氧滲透帶來的風險尤為顯著，因為它會直接在超薄的原子層沉積薄膜中產生缺陷。”

值得注意的是，這些氧氣并非一定由密封件本身釋放，而是包括大氣氧在內的小分子，在正常工作條件下透過聚合物材料發生滲透。即便密封件無破損，分子也能通過密封路徑進入沉積環境，引入微量氧氣，而該環境本應滿足嚴苛的真空標準。

在原子尺度的沉積厚度下，微量氧氣會改變原子層沉積過程中的表面行為，影響成核特性或薄膜的化學計量比。

等離子體暴露則會引發第二種污染機制：臭氧、鹵素自由基、氫等離子體等活性物質會與彈性體表面發生反應，造成化學腐蝕、重量損失，并產生揮發性副產物。

“直接等離子體（物理等離子體或離子轟擊）主要造成機械侵蝕，而遠程等離子體則會對材料產生自由基或化學腐蝕，引發這類化學失效。” 基亞羅沃洛蒂補充道。

在反復的等離子體暴露下，這些反應會加劇殘留化合物或降解碎片的釋氣效應，向腔室環境中引入低濃度的揮發性有機化合物（VOCs）或氟化無機物質。

由于分子滲透和等離子體誘導的降解是持續性過程，而非突發式事件，其影響會逐步累積：制程中不會出現異常波動、突發泄漏或顆粒濃度驟升等觸發警報的信號，而當良率受到影響時，這類污染途徑可能已持續運作了數月。

這類污染機制難以管控的核心原因，是它們繞開了傳統的污染控制手段。顆粒監測儀、空氣過濾系統和暴露管控規程的設計初衷，是防止外部環境的污染物侵入，卻無法解決完整材料中的分子傳輸，或設備內部由等離子體驅動的表面化學變化問題。

“潔凈標準必須貫穿整個制造流程，從原材料配方、加工，到最終的封裝。” 基亞羅沃洛蒂表示，“我們是首家在潔凈室環境中生產全氟聚醚橡膠（FFKM）的企業，這一做法如今已成為行業標準。”

在先進制程節點下，污染控制的起點正逐步前移，從制程后的清洗，轉向材料選擇、密封件幾何設計和滲透路徑工程。

隱形污染：以性能波動為表征的隱蔽缺陷

當污染機制脫離直接觀測的范疇，其影響也愈發表現為性能波動，而非離散的顯性缺陷。檢測和計量手段仍不可或缺，但已無法完整反映材料表面或界面的真實狀態。行業面臨的挑戰，并非缺乏數據，而是缺乏可見性。

昂通創新產品營銷總監韓佑永表示：“缺陷分類在半導體制造中至關重要，區分導致良率損失的異常缺陷與無影響的偽缺陷，是制程控制的核心。致命缺陷的特征是極有可能引發器件功能失效，包括參數超標、電學開路或短路、可靠性下降，或阻礙后續制程，若未能檢測到這類缺陷，會導致失效器件流出，最終造成客戶端的產品報廢。”

這一區分的重要性在于，并非所有缺陷對良率的影響都是等同的：非活性區域的顆粒可能可見但無害，而細微的界面不規則可能不可見，卻具有致命影響。若無可靠的分類方法，晶圓廠要么會對無影響的偽缺陷過度檢測，要么會遺漏關鍵的致命缺陷。在先進制程節點下，污染機制愈發隱蔽，表觀缺陷與實際致良率損失缺陷之間的差距正不斷擴大。

“無影響缺陷雖在檢測中可見，但對器件的電學性能或功能良率幾乎無影響，典型例子包括非關鍵的表面顆粒、器件活性區域外的微小凹坑，以及制程誘導的噪聲。這類缺陷的誤分類，會導致不必要的晶圓返工、人為的良率損失，并降低生產效率。” 韓佑永補充道。

計量手段只能捕捉制程的瞬時快照，而其固有的稀疏采樣特性，讓許多污染效應難以被直接檢測。微小的表面或界面偏差，在檢測中可能從未觸發警報，卻足以改變器件電學行為，帶來下游制程風險。污染往往能通過篩選環節，在后續以可靠性問題的形式顯現。

西門子 EDA 產品管理總監喬?關在近期的會議演講中表示：“實際生產中，我們僅能對部分芯片、甚至芯片的特定區域進行計量檢測，收集到的數據其實非常稀疏。”

這些稀疏的數據，可能會掩蓋軟缺陷—— 這類缺陷對應的器件連接仍能正常工作并通過檢測，但其性能已出現小幅衰減，存在現場失效的風險。這也是污染能規避傳統控制策略的關鍵：它隱藏在可接受的指標范圍內，通過合格驗證，卻在器件實際部署后才暴露問題。

污染與系統性失效：跨制程的累積效應

當與污染相關的缺陷顯現時，它們往往已被多層制程覆蓋，此時要定位單一的根本原因，幾乎是不可能的。究其原因，污染極少源于單一制程步驟，而是跨制程、跨設備、隨時間不斷累積的結果。

從光刻、金屬化到最終封裝，污染控制必須貫穿全程，因為制程初期產生的缺陷可能長期隱蔽，直到后續環節才會顯現其影響。

盡管原子級污染的重要性日益凸顯，晶圓廠仍需關注更大尺寸的宏觀缺陷，以及各類中間尺度的污染問題。

微電科技應用總監埃羅爾?阿科默表示：“在每一個掩膜層，我們都會發現晶圓廠各環節產生的缺陷，既有熱點、閃光區、旋涂缺陷等典型的光刻類缺陷，也有化學機械拋光（CMP）缺陷、旋涂玻璃層缺陷、多晶硅霧狀缺陷，以及刻蝕或沉積工藝帶來的問題。”

這種全域分布的特征，讓污染成為系統級問題，而非局部失效。而一旦缺陷被金屬化和封裝層覆蓋，后期檢測幾乎無法確定其源頭。

“若依賴最終檢測或出廠檢測，根本無法發現被多層金屬化層覆蓋的缺陷。” 阿科默說。

采樣檢測、缺陷流出與控制假象

與污染相關的缺陷持續存在，并非單純的檢測能力問題，也源于檢測和控制策略的發展基礎—— 其背后的假設如今已不再成立。隨著器件微縮，行業高度依賴更高分辨率的檢測工具和選擇性采樣，且往往認為：在少量晶圓上檢測到更小的缺陷，就足以實現良率管控。

而當污染在同批次晶圓中分布不均，或其源頭位于上游、無法被采樣檢測捕捉時，這一假設便會失效。一旦污染被互連層覆蓋，檢測就基本失去了實時性，即便能完美觀測，也幾乎沒有糾正價值 —— 缺陷已嵌入器件結構，后續的補救措施往往成本極高。

這一特點也解釋了，為何污染如今愈發表現為可靠性風險，而非制程初期的良率損失：器件可能通過探針測試和最終檢測，卻在后續的應力條件下失效。污染事件本身可能發生在制程初期，但其影響會被延遲，直到器件在工作條件下工藝裕量耗盡才顯現。

微電科技營銷副總裁邁克?拉托拉卡稱：“這些器件就是‘帶傷運行者’—— 能通過檢測，卻并非最可靠的芯片。”

“帶傷運行者” 的概念凸顯了一個核心問題：先進制程節點下的污染，并非總會造成明顯的失效，更多時候，它僅輕微削弱器件結構，使其足以通過篩選，卻在現場應用中發生失效。這一結果比早期的芯片報廢更具破壞性，因為它將制造問題轉化為直面客戶的可靠性問題。

時間：污染的隱形變量

現代污染最違背直覺的特征之一，是時間的作用。傳統的污染模型往往聚焦于離散事件 —— 制程中的環境暴露、操作失誤或設備故障，而在先進制程節點下，污染往往并非由單一觸發事件引發，而是隨時間悄然累積的結果。

分子滲透、等離子體誘導的材料降解和環境暴露，都是持續性的過程。其影響會隨著晶圓在晶圓廠內的傳輸、制程間隙的靜置，以及反復的工藝循環不斷累積：晶圓在制程系統中停留的時間越長，細微污染機制影響表面狀態的可能性就越大。

密封件的老化就是典型例子：在反復的工藝循環中，單次暴露并不會導致密封件失效，損傷是累積且相互作用的。

格林 - 圖德的基亞羅沃洛蒂表示：“等離子體暴露、材料在強腐蝕性等離子體化學環境中的抗重量損失能力，以及密封件的壓縮永久變形程度，共同決定了其在這類應用中的使用壽命。”

這一原理同樣適用于設備本身：制程腔室并非靜態系統，在兩次維護之間，其物理狀態會發生變化，進而影響制程結果。

時間維度的加入，讓污染的檢測和控制變得更為復雜：制程中可能沒有可追責的單一步驟、無異常波動可標記，且可接受的制程波動與污染引發的風險之間，也無明確的界限，整個系統只是在逐步漂移。為此，處理高靈敏度制程的晶圓廠，會通過縮短校正間隔來應對這一問題。

“在最先進的晶圓廠中，他們制造的晶體管尺寸僅 1.4 納米，維持系統持續穩定運行的價值極高，因此會每幾周就進行一次預防性維護，確保從根本上杜絕污染。” 基亞羅沃洛蒂說。

這也是污染愈發難以通過傳統根因分析解決的原因：其作用機制具有分布性、時間依賴性，且往往存在相互作用，當良率或可靠性出現變化時，最初的污染條件可能早已不復存在。

從直接檢測到推理分析：污染控制的思維轉變

當污染機制脫離直接觀測的范疇，晶圓廠不得不重新思考污染控制的實現方式。檢測和計量手段仍有必要，但已無法單獨滿足管控需求，污染控制愈發依賴推理分析—— 將稀疏的測量數據與設計目標、制程歷史和系統行為關聯，以此推斷無法直接觀測的污染狀態。

這一轉變，反映了制造業管控不確定性的整體思路變革：晶圓廠不再試圖測量所有變量，而是判斷哪些變量能通過足夠可靠的推理分析，為決策提供指導。

“理想狀態是對每個位置、每顆芯片、每片晶圓都進行檢測，但所有人都知道，這一成本過于高昂。” 喬?關說。

稀疏采樣并非系統的缺陷，而是經濟現實。行業面臨的挑戰，是如何在這一約束下實現高效的制程管控，尤其是在污染效應可能永遠無法被直接觀測的情況下。

基于推理分析的方法，試圖通過整合設計、制程和歷史行為的已知信息，彌補這一差距：當污染無法被直接觀測時，就根據系統的響應推斷其存在。

“我們如今已建立相關模型，僅通過稀疏的數據，就能預測器件最終的電學指標表現，以及芯片未來的失效概率。” 喬?關補充道。

在這一框架下，污染成為潛變量：它無法被直接測量，但其存在可通過對器件電學行為、性能波動和長期可靠性的影響來推斷，污染控制也從檢測模式轉向了預測模式。

為何單靠清洗，已無法解決污染問題

對推理分析的依賴日益增加，也反映了糾正措施的局限性。在先進制程節點下，一旦污染改變了界面狀態或削弱了器件結構，往往就無法被徹底清除；在大尺寸制程中能恢復已知基準的清洗步驟，在原子尺度下可能引入新的風險。

強清洗工藝可能改變材料表面狀態、留下清洗殘留，或加劇材料降解，甚至在某些情況下，將一種污染機制轉化為另一種。“清洗能重置系統狀態” 的假設，已不再適用于所有場景。

因此，污染控制必須轉向主動預防：盡可能通過工程設計從源頭消除污染；無法消除時，限制其影響范圍；并深入理解污染與時間、制程歷史和系統設計的相互作用。

這也是污染控制的范疇，如今愈發跨越曾經相互獨立的學科的原因：材料選擇、設備設計、制程排序、操作基礎設施和數據分析，都會影響最終的污染管控結果，單一環節的優化已無法滿足需求。

結語

在前沿制程領域，污染的形式和影響，早已超越了傳統檢測工具的識別范圍。它不再以顆粒、劃痕或可見缺陷的形式顯現，而是隱藏在界面、化學過程，以及無法直接觀測的時間依賴性相互作用中。

在這一背景下，能取得成功的晶圓廠，并非擁有最潔凈的潔凈室或最激進的檢測策略的企業，而是那些將污染視為潛在的系統級變量，并建立起間接管控能力的企業。

這需要企業具備嚴謹的設計規范，防止污染進入制程系統；深入的制程理解，預判污染的演化規律；以及完善的建模能力，在污染無法被直接測量時推斷其存在。當可觀測性下降，預測行為的能力，與測量的能力變得同等重要。

在先進制程節點下，污染已不再是能被徹底消除的問題，而是需要劃定范圍、通過推理分析識別、結合場景進行管控的課題。在這一階段，“潔凈” 不再是一種固定狀態，而是一種需要持續動態把控的制程平衡。