KLA-Tencor：世界半導體光學檢測之王

目前台積電（TSMC）、三星電子（Samsung）與英特爾（Intel）的先進位程工藝競賽打得火熱，都紛紛表示已搶進下個製程節點，但都在工藝良品率不理想的痛點中掙扎過，英特爾的10納米再次延期。

當前，工藝製程管控遭遇到非常大的挑戰。從半導體工藝製程的發展來看，隨著工藝節點的不斷縮小，90nm-65/55nm-45/40nm-32/28nm-16/14nm-10nm-7nm，再到5nm、3nm、1nm；工藝步驟也在增多，製造工藝可能包括1000個以上的工藝步驟；晶體管數量越來越多，單顆晶元中晶體管數量超過數十億個；電路布線越來越密集，單晶元有些超過1英里長的布線。

先進位程的推進，帶來工藝難度與製造成本增加的同時，晶圓良率問題成為一大挑戰，任何細小錯誤都將導致重新流片，因此檢測、量測的重要性愈發突顯，越早發現問題，就等同更小損失以及更大利潤空間。

那麼如何發現晶圓、晶元的缺陷，誰來為良率問題保駕護航呢？對，就將這一切交給KLA-Tencor去解決。

KLA-Tencor，全球光學檢測量測之王，擁有廣泛的產品線，為半導體、數據存儲、LED和其他相關納米電子產業提供工藝控制與良率管理產品。公司的產品、軟體和服務能滿足客戶在整個生產製造過程-從研發到最終量產-的檢測與量測需求，幫助客戶解決和應對不同應用、不同市場的挑戰。

KLA-Tencor，作為一個半導體從業人員來說，都不應該陌生。多年來，KLA-Tencor一直位於全球半導體設備供應商前五的位置，2017財年公司銷售額超過34億美元，其中產品收入超過27億美元，創下歷史新高。

KLA-Tencor業務已經涵蓋了半導體的多個領域，從矽片檢測到線寬量測，以及光罩部分，都處於業界領先水平，並在專註的檢測與量測領域排名第一，擁有70%以上的市場佔有率。

40年的光學檢測技術探索路

KLA-Tencor從1976年成立以來，公司就一直強調技術上的革新與發展，重視技術創新所帶來的競爭力量的增強。

我們都知道，在半導體製造過程中，需要在薄晶圓片的表面生長或沉積多層材料。晶圓片通常由硅或砷化鎵組成，並且直徑為5到12英寸，通常要遵循四步程序：一是在晶片上沉積膜；二是摻雜雜質，當引入雜質時控制導電率；三是光刻圖案化，其產生電路的幾何特徵和布局；四是蝕刻，其去除塗膜材料以揭示在光刻過程中圖案化的布局。當然這要取決於器件的複雜性，在將晶圓片切割成單獨的集成電路或晶元之前，可以重複這些步驟許多次。在晶元組裝和封裝之前，可以進行各種測試來清除有缺陷的電路。

早期由於半導體製造工藝的不成熟，在某些情況下，半導體器件的良率不到50%（有時更低於10%），這使得某些類型器件的生產工藝非常昂貴且耗時。隨著晶體管數量的增加，在1970年代變得更小更複雜，而且缺陷檢測問題也隨之升級。

Ken Levy和Bob Anderson希望挖掘行業中仍然被忽略的一面，他們希望可以利用他們對相對較新的圖像處理技術的知識，將先進的光學技術與定製的高速數字電子技術和專有軟體相結合，以取代傳統的基於人眼和相對低科技的視覺輔助工具的基本檢測系統，更容易的找到缺陷，並提高晶元「產量」，從而減少不必要的製造成本。

於是，Ken Levy和Bob Anderson於1976年創辦了一家計算機視覺公司KLA Instruments，並於1978年推出第一個產品-KLARAPID100，該創新產品自動檢測了定義集成電路製造圖案層的光罩，利用先進的光學和圖像處理技術測試用於在矽片上印刷電路設計的「模板」。由於有缺陷的光罩板可能導致數百萬的晶元損壞，因此該系統為確保高晶元良率提供了重要的第一步，並且將光掩膜檢測所需的時間從8小時減少到15分鐘，並可以提供比以前更徹底的檢測。產品一經推出，就獲得了產業的好評。

圖片來源網路

1984年公司推出第二個產品KLA WISARD 2000系列。WISARD 2000系列一個自動化晶圓檢測系統，它可以發現晶圓中存在缺陷，並在光罩圖案投影到晶圓後發現電路錯誤。WISARD系統是確保高晶元產量提高的第二步。

KLA在產業對RAPID和WISARD系統高度認可的情況下，在1980年代末順勢推出了自動測試設備，作為檢測過程的第三步。自動測試設備包括晶圓探測系統和微光顯微鏡（Emission Microscope），晶圓探測系統用於在切割和封裝之前對完成的晶元進行電氣測試；微光顯微鏡用於發現晶元各層之間的電氣「泄漏」。

據悉，到1990年，WISARD、RAPID和自動測試設備各佔總銷售額的約三分之一，成為公司的三大支柱產品，從而奠定了KLA在檢測領域的領先地位。

40年來，KLA-Tencor藉助創新的光學技術、精準的感測器系統以及高性能計算機信息處理技術，持續研發並不斷完善檢測、量測設備及數據智能分析系統，成長為全球工藝控制領域的行業領跑者。

順應市場變化，快速推出新品

1980年代早期，KLA的發展受益於成熟的美國半導體製造業，銷售額近8成來自美國國內市場，到1985年銷售額突破6000萬美元。

然而，在1980年代中期，美國半導體產業開始受到日本半導體企業的強勢挑戰，美國本土製造商不敵日本半導體企業持續上升的壓力，美國半導體產業出現下滑，日本在世界集成電路市場上的份額從1970年代末的0%增加到1980年代後期的近50%。

幸運的是KLA的檢測設備具有強大的競爭力，公司積極開拓日本和歐洲的市場，到1987年公司在歐洲和日本的收入佔到公司總銷售額的40%以上。公司的營收持續攀升，1986年達8250萬美元；1987年達到8800萬美元；1988年更是超過1億美元關口，達到1.13億美元；1990年，公司營收高達1.61億美元。

KLA公司的營收在穩步成長，市場佔有率也非常可觀，已經控制了大約70%的晶圓檢測設備市場和大約80%的光罩檢測業務。可惜的是，但是利潤的增長不如華爾街的預測，導致其股價持續下滑。

與此同時，1990年代初期，由於對尖端半導體製造技術的重視，美國半導體產業開始加溫，加上半導體變得越來越複雜，從而推動了對自動化、高科技設備的需求，以滿足檢測到最微小的缺陷。

這對KLA來說絕對是好消息。因為公司的創始人Ken Levy和Bob Anderson在1980年代未就意識到需要一種新型的「在線」監測設備，它可以作為製造工藝過程中的一個步驟進行整合，並提供實時缺陷檢測，而不必等待測試結果而耗費時間。為此，KLA在研發方面進行了大量投資，以改進其現有產品並創造新的產品線。同時，公司為了滿足新產品推出之後市場擴張的需求，KLA進行了管理層改選，Ken Levy卸任總裁兼首席執行官轉任董事會主席，聘請Kenneth L. Schroeder聘任CEO。1992年Schroeder將KLA重組為五個運營部門：WRING（包括WISARD和RAPID部門）、自動測試系統部門、Watcher部門（包含利用先進光學字元識別技術的新圖像處理系統）、計量部門和SEMSpec部門；並成立了客戶服務部門。他放棄了KLA的微光顯微鏡業務部門。

1990年10月，KLA發布了第二代晶圓檢測系統WISARD2100系列。新系統設計具有在線功能，對缺陷提供了更高的靈敏度，運行速度比第一代的WISARD2000系列快100倍以上，到1993年，WISARD2100系統的訂單超過了140個。

1992年，KLA推出了新的在線光罩檢測系統RAPID300系列，該系列將光罩檢測系統與計算機相結合，形成了KLA331。KLA331提供了世界上最高的檢測靈敏度，並提供了多種速度並改進了原有210e系列的靈活性。到了1993年，KLA已在全球範圍內累計交付了700套RAPID系統。

據當時的消息稱，KLA除了更新其核心WISARD和RAPID產品系列外，還改進了KLA 5000系列，用於提高集成電路器件的良率和性能。SEMspec部門推出了新的電子束成像系統，與傳統的激光光學系統相比，該系統提供了更高的靈敏度和測量能力。

由於公司注重技術研發，在線缺陷監測新產品受到產業界的追捧，加上全球半導體行業的改善，KLA獲得迅速發展。公司強勁的現金流有助於公司繼續保持領先地位。

併購Tencor，強化市場競爭力

1997年為了強化公司的市場競爭力，KLA同意以13億美元一對一的股票互換合併Tencor。事實上，早在1992年雙方就達成了合併意向，但在1993年初中斷了合併協議。

Tencor Instruments,Inc.與KLAInstruments同年成立。儘管兩家公司都生產用於半導體的檢測設備，但雙方的產品線專註於半導體生產的不同部分。KLA專註於缺陷檢測解決方案，而Tencor則致力於量測解決方案。

Tencor的第一款產品是用於測量膜層厚度參數的Alpha-Step；1984年，Tencor開發了一種基於激光掃描技術的粒子和污染物檢測系統Surfscan，這是Tencor的核心產品之一，隨後在1990年代初在增加了缺陷檢查和數據分析工具；1994年，Tencor以4800萬美元的股票收購了另一家薄膜測量系統製造商Prometrix公司。

1996年的半導體市場低迷，KLA和Tencor重新考慮合併，以便節約開發成本。KLA當時擁有2500名員工，年收入約6億美元，；而Tencor當時擁有1400名員工，收入為4.03億美元。華爾街分析師們認為雙方合併是互補，KLA的高端自動光學晶圓檢測、光罩檢測和其他良率工具，加上Tencor的良率監測過程診斷工具，可以為半導體製造商提供了更加完整的離婚率管理產品和服務。1997年5月雙方完成合併，命名為KLA-Tencor Corp.。

合併後的KLA-Tencor憑藉其良好的現金流大肆進行收購，擴充KLA-Tencor的產品組合，強化公司的競爭優勢。

公司2001財年的收入為21億美元，比前一年增加了40%，同時凈利潤提高了74%，反映了公司穩定的收購政策和強大的產品供應，也確保公司成為半導體檢測和量測市場的領先者。當時公司保持每個月平均引入一種新的過程式控制制和成品率管理解決方案，以滿足半導體產業檢測和量測要求，極大的推動了半導體產業的發展。

不畏挑戰，助力客戶實現利潤最大化

隨著技術的進步發展，製程的步驟越來越多，工藝也更加複雜化。如採用多重曝光技術的製程則達到1000多步，而工藝窗口的挑戰則要求幾乎是「零缺陷」，這就對工藝控制水平提出了更高的要求。製造過程中任何細小的錯誤都將導致重新流片，而其代價將會很大，因此在製造過程中，檢測和量測變得越來越重要，越早發現問題所在，可挽回的損失越大。

儘管市場前景光明，但不代表沒有挑戰，集成電路生產面臨著來自於市場、技術、經濟等方面的眾多挑戰，技術上需要實現材料、設計等方面的改進與突破，以滿足低功耗、高可靠性、先進封裝的市場需求，同時還要考慮成本、效率等問題。3D存儲、先進的光刻技術、先進的封裝技術、先進位程、新材料等對檢測與量測都帶來了不同的技術挑戰。

且隨著FAB廠的投資成本越來越大，集成電路製造商必須籍由生產設備獲得效益最大化，為符合此需求，即使在最廣泛的製程層面上，檢測工具仍然必須能夠同時提供可發揮最大成本與效能的缺陷監控能力。

KLA-Tencor在做的事就是通過檢測和量測幫助客戶實現更好的製程管理，其中檢測可以及時發現製程中的缺陷，量測則是保證所有製造步驟符合穩定的設計標準。不能發現就不能解決問題，不能量測就不能控制，KLA-Tencor在憑藉其在檢測和量測40多年的深耕經驗，幫助客戶實現利潤的最大化。

針對製程研發、新品試產和規模量產三種情況，KLA-Tencor可提供不同的製程管控策略。

製程研發階段，製程管控首先需要了解製程需求，因為在新技術引進時會遇到很多新的挑戰、缺陷和困難，KLA-Tencor檢測和量測的貢獻就是幫助儘早發現和解決問題，幫助客戶找出製程的缺陷和差距，從而儘早解決問題。

新品試產階段，製程管控的作用是幫助發現和解決良率問題，加快工藝開發和量產速度。

規模量產階段，製程管控則可以幫助客戶穩定良率，改善製程的可預測性，避免產線出現異常問題。

隨著工藝製程的進步，晶圓成本越來越高，一個百分點的良率提升都將轉化為巨大的經濟價值，KLA-Tencor可在上述三個階段幫助客戶縮短研發時間、提升生產良率。

針對前沿技術領域的客戶、成熟市場規模量產的客戶和新興市場的客戶，KLA-Tencor也有不同的產品策略。

針對前沿技術領域的客戶，公司在產品中引進EUV、電子光學、激光、多頻段，以及計算光學、深度學習和軟體開放的先進技術，同時把新技術融合到產品中來配合客戶的需求。

針對成熟市場的量產客戶，如成熟的200mm製程還有旺盛的需求，很多新項目不斷開展，KLA-Tencor表示考慮重啟生產線以滿足客戶需求，並提供二手翻新設備的服務，為客戶提供更具成本效益的產品。

針對新興市場的客戶，如高亮度HB LED、MEMS、化合物半導體、先進封裝等，KLA-Tencor通過收購整合，開始為客戶提供了大量的先進技術和機台，以滿足良率提升和降低製造成本的要求。特別是在先進封裝領域，KLA-Tencor是目前全球唯一一家擁有全線檢測設備的廠商，從晶圓級到RDL、TSV，直到最後的封裝，都有相應的檢測設備。

公司不滿足於現有系統的性能，利用公司40年豐富的經驗，在2014年開始研發獨特的5D圖案化控制解決方案（包括WaferSight PWG圖案化晶圓幾何測量系統、LMS IPRO6光罩圖案貼裝測量系統和KTAnalyzer? 9.0高級數據分析系統），把矽片平整度和光刻後的Defect數據聯繫起來分析，用於調整優化光刻和曝光工藝，更好的解決了圖案化過程式控制制的五大要素--器件結構的三個幾何尺寸，成效時間和整體設備效率。據悉，5D圖案化控制解決方案可幫助晶元製造商使用現有工藝設備獲得更快、更具成本效益的多重圖案化技術，實現最佳圖案化結果。目前已經在多個客戶大生產線投入使用。

深耕中國市場

隨著近幾年中國政府對發展半導體行業的大力投資，中國半導體產業快速崛起，對全球半導體的貢獻和影響與日俱增。產業規模從2006年的4743億元成長到2017年的13000億元；集成電路銷售額由1000億元成長到5355億元，我國集成電路產業銷售額佔世界集成電路市場份額由6%提高到24%。

特別是近兩年，中國半導體以武漢為中心，從環渤海的大連、北京到珠三角廣州、深圳，從長三角上海、無錫、南京到西南重鎮重慶、成都，從東南廈門到西北名城西安，從齊魯大地的青島到江淮首郡合肥，都在大力發展集成電路製造業，在建擬建的產線超過20條。如此密集的建線潮，讓眾多國際廠商看到中國半導體在向好的方向發展，紛紛加大在中國市場的投資。

KLA-Tencor也不例外，從1999年在中國設立個第一個分公司時，目前，KLA-Tencor在北京、上海、南京、西安、武漢、天津、深圳、大連、廈門、無錫設立了10處辦公室，以可能快速、及時地支持中國本地客戶的需求。其在中國的營收也從兩年前的個位數爬升到兩位數。

從公司財報里可以看出，近幾年來中國成為KLA-Tencor全球重要的區域，2015財年的收入為1.6億美元，佔比不足6%；2016財年的營收達4.3億美元，較2015財年成長164%，占公司全球營收比重達14.5%；2017財年的營收達4.1億美元，較2016財年微幅下調4%，占公司全球營收比重為12%。從2015年的第六大客戶，2016年成為第六大客戶，2017年躍升為第四大客戶。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！