量測(cè)和檢測(cè)對(duì)于半導(dǎo)體制造過(guò)程的管理非常重要。半導(dǎo)體晶圓的整個(gè)制造過(guò)程有400到800個(gè)步驟，需要一到兩個(gè)月的時(shí)間。如果在流程的早期出現(xiàn)任何缺陷，后續(xù)耗時(shí)工藝中所做的所有工作都將被浪費(fèi)。因此，在半導(dǎo)體制造工藝的關(guān)鍵點(diǎn)建立量測(cè)與檢測(cè)流程，可以有效確保和維持良率。

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半導(dǎo)體中的量測(cè)

在半導(dǎo)體制造過(guò)程中，"量測(cè)"（Metrology）指的是使用各種技術(shù)和設(shè)備對(duì)晶圓（wafer）和芯片進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控，以確保制造工藝的精度和產(chǎn)品的質(zhì)量。量測(cè)技術(shù)在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用貫穿整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，從前道工序（如光刻、刻蝕、沉積等）到后道工序（如封裝和測(cè)試），確保每一步工藝的精度和質(zhì)量，最終提高產(chǎn)品的良率和性能。量測(cè)在半導(dǎo)體制造中扮演著關(guān)鍵角色，以下是一些常見(jiàn)的量測(cè)技術(shù)和它們的應(yīng)用：

1. 光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）

• 應(yīng)用：用于檢測(cè)晶圓表面的圖形和缺陷。
• 光學(xué)顯微鏡：通過(guò)光學(xué)方法放大圖像，適用于較大特征的觀測(cè)。
• SEM：通過(guò)電子束掃描樣品表面，提供高分辨率圖像，適用于微小特征和缺陷的檢測(cè)。

2. 薄膜厚度測(cè)量

• 橢圓偏振測(cè)量?jī)x（Ellipsometer）：通過(guò)測(cè)量偏振光在薄膜上的變化，精確測(cè)量薄膜的厚度和光學(xué)性質(zhì)。
• 光譜反射率儀（Spectroscopic Reflectometer）：通過(guò)分析光在薄膜表面的反射光譜，測(cè)量薄膜厚度。

3. 關(guān)鍵尺寸（Critical Dimension, CD）量測(cè)

• CD-SEM：用于測(cè)量半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵尺寸（如線寬、間距等），確保它們符合設(shè)計(jì)規(guī)范。
• 原子力顯微鏡（AFM）：通過(guò)測(cè)量表面形貌和高度，提供納米級(jí)精度的尺寸量測(cè)。
• 套刻誤差（Overlay）：半導(dǎo)體制造的難點(diǎn)在于需要上百甚至上千個(gè)步驟的緊密配合，每一步都要按照設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行，才能最終制作出所需的器件。各個(gè)工藝步驟之間的協(xié)調(diào)和前后對(duì)準(zhǔn)是基本要求。因此，套刻誤差監(jiān)控是必不可少的。

4. 光掩模（Photomask）和掩模檢測(cè)

• 光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)：用于檢測(cè)光掩模上的缺陷和圖形錯(cuò)誤。
• EUV掩模檢測(cè)：專門(mén)用于極紫外光（EUV）光刻掩模的檢測(cè)，確保高精度的圖形轉(zhuǎn)移。

5. 電特性測(cè)量

• 四探針測(cè)量（Four-Point Probe）：用于測(cè)量半導(dǎo)體材料的電阻率。
• 參數(shù)分析儀：用于測(cè)量器件的電特性參數(shù)，如電流-電壓特性、閾值電壓等。

6. X射線和光電子能譜（XPS）

• X射線光電子能譜（XPS）：用于分析材料的化學(xué)組成和化學(xué)鍵狀態(tài)。
• X射線衍射（XRD）：用于測(cè)量晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力。

7. 化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）量測(cè)

• 表面輪廓儀（Profilometer）：用于測(cè)量拋光后的表面平整度和輪廓。
• 厚度測(cè)量?jī)x：用于測(cè)量拋光前后的薄膜厚度變化。

8. 顆粒檢測(cè)和表面缺陷檢測(cè)

• 顆粒計(jì)數(shù)儀：用于檢測(cè)和計(jì)數(shù)晶圓表面的顆粒和微小雜質(zhì)。
• 表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)：通過(guò)光學(xué)和激光掃描方法，檢測(cè)晶圓表面的缺陷和污染。

9. 翹曲度測(cè)量

• 例如晶圓基體彎曲翹曲（Bow/Warp）測(cè)量以及薄膜應(yīng)力測(cè)試。

 

02

量測(cè)案例

量測(cè)1：測(cè)量半導(dǎo)體晶圓指定位置的電路圖案的線寬和孔徑（CD-SEM）。

量測(cè)2：測(cè)量半導(dǎo)體晶片表面薄膜的厚度（橢偏儀等）。

量測(cè)3：用于檢測(cè)套刻精度的量測(cè)系統(tǒng)（套刻工具）。執(zhí)行測(cè)量以檢測(cè)轉(zhuǎn)移到晶圓上的第一層圖案和第二層圖案的重疊的精度。

 

量測(cè)通常是指使用量測(cè)設(shè)備來(lái)測(cè)量關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)與體積的方法。

量測(cè)雖然通常被認(rèn)為是測(cè)量的同義詞，但它是一個(gè)更全面的概念，它不僅指測(cè)量行為本身，還指通過(guò)考慮誤差和精度以及量測(cè)設(shè)備的性能和機(jī)制來(lái)執(zhí)行的測(cè)量。如果圖案測(cè)量結(jié)果不在給定的規(guī)格范圍內(nèi)，則制造的器件不能按設(shè)計(jì)運(yùn)行，在這種情況下，電路圖案的曝光轉(zhuǎn)移可能需要返工。測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量因半導(dǎo)體器件制造商或器件而異。新設(shè)計(jì)的器件在制造的啟動(dòng)階段可能會(huì)經(jīng)歷數(shù)千個(gè)晶圓的量測(cè)過(guò)程。

 

03

半導(dǎo)體中的檢測(cè)

涉及使用檢測(cè)設(shè)備根據(jù)特定標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)是否符合要求，以及異?；虿贿m合的情況，是一個(gè)檢測(cè)晶圓中任何顆?；蛉毕莸倪^(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，其目的是找到缺陷的位置坐標(biāo)（X，Y）。

缺陷的原因之一是灰塵或顆粒的粘附。因此不可能預(yù)測(cè)哪里會(huì)出現(xiàn)缺陷。如果晶圓表面出現(xiàn)大量缺陷，則無(wú)法正確創(chuàng)建電路圖案，從而導(dǎo)致圖案缺失，阻止電子電路正常運(yùn)行，從而使晶圓成為有缺陷的產(chǎn)品。檢測(cè)缺陷并指定其位置（位置協(xié)調(diào)）是檢測(cè)設(shè)備的主要作用。

 

主要的半導(dǎo)體制造工藝包括相當(dāng)于印刷版的光掩模制造工藝、作為半導(dǎo)體基礎(chǔ)的晶圓制造工藝、利用光掩模在晶圓上形成精細(xì)電路結(jié)構(gòu)的前端工藝以及后端工藝。電路形成后封裝單個(gè)半導(dǎo)體芯片的最終過(guò)程。如果我們看細(xì)節(jié)的話，有上百個(gè)流程。

檢測(cè)設(shè)備在生產(chǎn)率如此高的半導(dǎo)體制造過(guò)程中極其重要，可以盡早剔除缺陷產(chǎn)品，降低成本，提高質(zhì)量和可靠性。選擇半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮晶圓的直徑、要使用的工藝以及要檢測(cè)的缺陷類型。

半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備用于半導(dǎo)體制造過(guò)程的各個(gè)階段。檢測(cè)缺陷包括光掩模和晶圓上的變形、裂紋、劃痕和異物，前道工序中形成的電路圖案的錯(cuò)位，尺寸缺陷，后道工序中的封裝缺陷等。半導(dǎo)體制造的難點(diǎn)在于需要上百甚至上千個(gè)步驟的緊密配合，每一步都要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行，才能最終制作出所需的器件。各個(gè)工藝步驟之間的協(xié)調(diào)和前后對(duì)準(zhǔn)是基本要求。因此，缺陷檢測(cè)和過(guò)程監(jiān)控至關(guān)重要。

缺陷檢測(cè)(Defect Inspection)

指在半導(dǎo)體制造過(guò)程中，使用各種技術(shù)和設(shè)備對(duì)晶圓和芯片進(jìn)行檢查，以識(shí)別和定位潛在的缺陷。這些缺陷可能包括顆粒污染、劃痕、蝕刻殘留、膜層不均勻等。主要包括無(wú)圖形缺陷檢測(cè)(Non-patterned Defect Inspection)和有圖形缺陷檢測(cè)(Patterned Defect Inspection) 。

3.1 無(wú)圖形缺陷檢測(cè)

在半導(dǎo)體制造過(guò)程中，無(wú)圖形缺陷檢測(cè)專注于在晶圓和芯片的無(wú)圖形區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別缺陷。與圖形化區(qū)域不同，無(wú)圖形區(qū)域通常是平滑的，沒(méi)有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特征，因此更容易識(shí)別微小的缺陷。無(wú)圖形缺陷包括顆粒污染、表面粗糙度異常、薄膜厚度不均勻、微裂紋等。

 

3.1.1 主要檢測(cè)方法

a.光學(xué)檢測(cè)(Optical Inspection)

• 亮場(chǎng)檢測(cè)(Bright-field Inspection)：利用普通光源照射無(wú)圖形區(qū)域，檢測(cè)表面上的顆粒和其他缺陷。
• 暗場(chǎng)檢測(cè)(Dark-field Inspection)：利用傾斜光源照射樣品表面，增強(qiáng)微小缺陷的可見(jiàn)度。

b.激光散射檢測(cè)(Laser Scattering Inspection)

• 光學(xué)顆粒計(jì)數(shù)儀(Optical Particle Counter)：利用激光束照射無(wú)圖形表面，檢測(cè)和計(jì)數(shù)表面顆粒。顆粒的散射光信號(hào)可以被敏感探測(cè)器捕捉到，從而識(shí)別出微小顆粒。

c.掃描電子顯微鏡(SEM)

• 低能量電子束檢測(cè)：利用低能量電子束掃描無(wú)圖形區(qū)域，識(shí)別表面微裂紋和其他細(xì)小缺陷。

d.原子力顯微鏡(AFM)

• 表面形貌測(cè)量：利用探針掃描樣品表面，提供高分辨率的表面形貌圖，檢測(cè)表面粗糙度和微小缺陷。

e.光學(xué)輪廓儀 (Optical Profilometer)

• 表面輪廓檢測(cè)：利用干涉測(cè)量技術(shù)，測(cè)量無(wú)圖形區(qū)域的表面輪廓和薄膜厚度變化，識(shí)別不均勻性和缺陷。

f.化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)檢測(cè)

• 拋光后表面檢查：專門(mén)用于檢測(cè)CMP工藝后無(wú)圖形區(qū)域的表面缺陷，如殘留物、劃痕和表面不平整。

 

3.1.2 應(yīng)用場(chǎng)景

• 薄膜沉積工藝后的檢查：確保薄膜表面均勻、無(wú)顆粒污染和薄膜厚度均勻。
• 氧化和擴(kuò)散工藝后的檢查：檢查無(wú)圖形區(qū)域的表面質(zhì)量，確保沒(méi)有微裂紋和其他缺陷。
• CMP工藝后的檢查：確保拋光后的表面平整、無(wú)劃痕和殘留物。

 

3.1.3 總結(jié)

無(wú)圖形缺陷檢測(cè)對(duì)于確保半導(dǎo)體器件的整體質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要。盡管這些區(qū)域沒(méi)有復(fù)雜的圖形，但任何微小缺陷都可能在后續(xù)工藝中被放大，影響器件的性能和可靠性。因此，及時(shí)檢測(cè)和修復(fù)無(wú)圖形區(qū)域的缺陷是保證高質(zhì)量半導(dǎo)體產(chǎn)品的關(guān)鍵。

3.2 有圖形缺陷檢測(cè)

有圖形缺陷檢測(cè)是半導(dǎo)體制造過(guò)程中至關(guān)重要的一部分，主要關(guān)注在已經(jīng)刻蝕或形成圖形的區(qū)域內(nèi)檢測(cè)缺陷。這些缺陷可能包括圖形偏差、蝕刻缺陷、殘留物、顆粒污染等，直接影響到器件的功能和性能。

3.2.1 主要檢測(cè)方法

a.自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(Automated Optical Inspection, AOI)

• 亮場(chǎng)檢測(cè)(Bright-field Inspection):利用光源直接照射樣品，通過(guò)檢測(cè)反射光來(lái)識(shí)別圖形區(qū)域的缺陷，如顆粒、殘留物和圖形偏差。
• 暗場(chǎng)檢測(cè)(Dark-field Inspection):利用傾斜光源照射樣品，通過(guò)檢測(cè)散射光來(lái)識(shí)別微小缺陷，尤其適用于檢測(cè)邊緣粗糙度和微小顆粒。

b.掃描電子顯微鏡(SEM)

• CD-SEM( Critical Dimension SEM):用于測(cè)量關(guān)鍵尺寸(如線寬、間距)并檢測(cè)圖形缺陷，如蝕刻殘留、溝槽和橋接缺陷。
• 缺陷復(fù)查SEM:用于詳細(xì)檢查和分析自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷，提供高分辨率圖像。

c.電子束檢測(cè)(E-beam Inspection)

• 高分辨率檢測(cè):利用電子束掃描樣品表面，通過(guò)檢測(cè)電子的反射或透射信號(hào)來(lái)識(shí)別細(xì)微缺陷，適用于檢測(cè)高密度圖形區(qū)域。

d.光學(xué)干涉檢測(cè)(Optical Interference Inspection)

• 干涉顯微鏡:通過(guò)光學(xué)干涉技術(shù)，檢測(cè)圖形區(qū)域的高度差異和表面缺陷，如凹陷和突起。

e.缺陷分類和分析軟件

• 缺陷分類:結(jié)合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)檢測(cè)到的缺陷進(jìn)行自動(dòng)分類和分析，幫助工程師快速定位和修復(fù)問(wèn)題。

f. 化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)后的圖形缺陷檢測(cè)

• 表面形貌和厚度變化檢測(cè):確保拋光后的圖形區(qū)域無(wú)劃痕、殘留物和不均勻性。

3.2.2 應(yīng)用場(chǎng)景

• 光刻工藝后的檢查:確保圖形正確形成，無(wú)顯影缺陷和顆粒污染。
• 蝕刻工藝后的檢查:檢測(cè)蝕刻后的圖形區(qū)域是否存在殘留物、刻蝕不完全和側(cè)壁缺陷。
• 薄膜沉積后的檢查:確保沉積層在圖形區(qū)域的厚度均勻，無(wú)顆粒污染和裂紋。

3.2.3 總結(jié)

有圖形缺陷檢測(cè)對(duì)于保證半導(dǎo)體器件的性能和可靠性至關(guān)重要。任何微小的圖形缺陷都可能導(dǎo)致器件失效或性能下降，因此需要高精度的檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)這些缺陷。這不僅提高了生產(chǎn)良率，還確保了最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

3.3 掩模版缺陷檢測(cè)(Reticle Inspection)

掩模版缺陷檢測(cè)是在半導(dǎo)體光刻過(guò)程中，對(duì)光掩模(也稱為掩膜版或光罩)進(jìn)行檢查以發(fā)現(xiàn)并修復(fù)缺陷的過(guò)程。光掩模是光刻工藝中將電路圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上的關(guān)鍵組件，其質(zhì)量直接影響到晶圓上圖形的精確度和最終器件的性能。這些缺陷可能包括顆粒污染、圖形斷裂、橋接缺陷和光掩模材料的缺陷。

3.3.1 主要檢測(cè)方法

a.光學(xué)顯微鏡(Optical Microscopy)

• 高倍光學(xué)顯微鏡：使用高倍率光學(xué)顯微鏡檢查掩模版表面的明顯缺陷和污染。

b.自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(Automated Optical Inspection,AOI)

• 亮場(chǎng)檢測(cè)(Bright-field Inspection)：利用直射光源照射掩模版，通過(guò)檢測(cè)反射光來(lái)識(shí)別圖形缺陷和污染。
• 暗場(chǎng)檢測(cè)(Dark-field Inspection)：利用傾斜光源照射掩模版，通過(guò)檢測(cè)散射光來(lái)識(shí)別微小缺陷，特別適用于檢測(cè)表面顆粒和邊緣缺陷。

c.掃描電子顯微鏡(SEM)

• 高分辨率SEM檢測(cè)：提供高分辨率圖像，詳細(xì)檢查掩模版上的微小缺陷，如斷線、短路和邊緣粗糙度。

d.電子束檢測(cè)(E-beam Inspection)

• 高精度檢測(cè)：使用電子束掃描掩模版，檢測(cè)圖形的精細(xì)結(jié)構(gòu)和細(xì)微缺陷，適用于復(fù)雜圖形的詳細(xì)檢查。

e.激光散射檢測(cè)(Laser Scattering Inspection)

• 顆粒檢測(cè)：通過(guò)激光散射技術(shù)檢測(cè)掩模版表面的微小顆粒和污染物。

f.光學(xué)干涉檢測(cè)(Optical Interference Inspection)

• 干涉顯微鏡：使用光學(xué)干涉技術(shù)檢測(cè)掩模版表面的高度差異和缺陷，如凹陷和突起。

g.缺陷修復(fù)

• 激光修復(fù)：使用激光修復(fù)系統(tǒng)修復(fù)掩模版上的細(xì)小缺陷。
• 電子束修復(fù)：使用電子束修復(fù)系統(tǒng)對(duì)掩模版上的圖形進(jìn)行精細(xì)修復(fù)。

3.3.2 應(yīng)用場(chǎng)景

• 掩模制造工藝中的質(zhì)量控制：確保新制造的掩模版無(wú)缺陷。
• 掩模使用前的檢查：在光刻工藝前對(duì)掩模版進(jìn)行檢查，確保其在使用前無(wú)缺陷。
• 掩模清洗后的檢查：在掩模版清洗和處理后進(jìn)行檢查，確保清洗過(guò)程中沒(méi)有引入新的缺陷。

3.3.3 總結(jié)

掩模版缺陷檢測(cè)對(duì)于半導(dǎo)體制造的成功至關(guān)重要。掩模版上的任何缺陷都會(huì)在光刻過(guò)程中被放大并轉(zhuǎn)移到晶圓上，導(dǎo)致器件性能下降甚至失效。因此，通過(guò)高精度的缺陷檢測(cè)和及時(shí)的修復(fù)，保證掩模版的質(zhì)量，對(duì)于提高生產(chǎn)良率和確保最終產(chǎn)品的可靠性至關(guān)重要。

 

04

其他

4.1 半導(dǎo)體 - 準(zhǔn)確度與精密度

什么是高性能半導(dǎo)體計(jì)量設(shè)備？
傳統(tǒng)的“性能”可以分為兩種：“準(zhǔn)確度與精密度”，或“真實(shí)度與重復(fù)性”。

“準(zhǔn)確度”是衡量其接近“真實(shí)值”的程度。另一方面，“精密度”是衡量多次測(cè)量值變化的指標(biāo)，也稱為“重復(fù)性”。
請(qǐng)參考下圖。

Fig.4.1.1 An example of shifts in measurement values

 

圖 4.1.1顯示了按時(shí)間序列繪制的半導(dǎo)體器件測(cè)量結(jié)果。
如果使用計(jì)量系統(tǒng)重復(fù)測(cè)量同一半導(dǎo)體對(duì)象，則測(cè)量結(jié)果應(yīng)該始終相同。但實(shí)際上，測(cè)量值會(huì)根據(jù)干擾和噪聲而變化。
測(cè)量值的頻率分布如圖 4.1.2 所示。
當(dāng)收集大量測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)分布將近似于高斯（正態(tài)）分布，如圖 4.1.2 所示。分布的特征用平均值：μ（mu）和標(biāo)準(zhǔn)偏差：σ（sigma）表示。數(shù)據(jù)落入 μ±3σ 內(nèi)的概率為 99.73%。

μ：平均值

σ：標(biāo)準(zhǔn)偏差

Fig.4.1.2 Gaussian (normal) distribution

 

圖 4.1.3（a）中σ較小，表示變異較小；圖4-3（b）中σ較大，表示變異較大。變異較小時(shí)，精度（或重復(fù)性）較高（良好）。

Fig.4.1.3 Gaussian(normal) distribution (Part 2)

 

這可以比作用槍射擊目標(biāo)。
當(dāng)變化小時(shí)，彈孔將停留在一小塊區(qū)域內(nèi)（圖 4.1.4（a）右圖）。
當(dāng)變化大時(shí)，彈孔將擴(kuò)散到大面積區(qū)域（圖 4.1.4（b）右圖）。
高重復(fù)性并不能保證真實(shí)值（正確值或目標(biāo)中心）。圖 4.1.4 是遠(yuǎn)離真實(shí)值（目標(biāo)中心）的測(cè)量值的示例。
當(dāng)平均值（μ）接近真實(shí)值時(shí)，真實(shí)性或準(zhǔn)確度就很高。

Fig.4.1.4 Gaussian (normal) distribution (Part 2)

 

以下是簡(jiǎn)要總結(jié)：

變化（σ）小意味著精度高（好）。
平均值（μ）接近真實(shí)值意味著準(zhǔn)確度高（好）。
如圖 4.1.5 所示。

Fig.4.1.5 Precision and accuracy

 

像臨界尺寸 SEM (CD-SEM) 這樣的測(cè)量系統(tǒng)需要高精度。

高精度系統(tǒng)意味著高性能測(cè)量系統(tǒng)。CD-SEM 的測(cè)量重復(fù)性約為 3σ 內(nèi)測(cè)量尺寸的 1%。
可以使用標(biāo)準(zhǔn)微量尺等測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)，調(diào)整精度，使測(cè)量值與真實(shí)值一致。

4.2 CD-SEM - 什么是臨界尺寸SEM？

臨界尺寸SEM（CD-SEM：臨界尺寸掃描電子顯微鏡）是一種專用系統(tǒng)，用于測(cè)量半導(dǎo)體晶圓上形成的精細(xì)圖案的尺寸。CD-SEM主要用于半導(dǎo)體電子設(shè)備的生產(chǎn)線。
CD-SEM與通用SEM的三個(gè)主要區(qū)別在于：
1）照射到樣品上的CD-SEM一次電子束的能量低至1keV或以下。
2）降低CD-SEM電子束的能量可以減少由于充電或電子束照射對(duì)樣品造成的損壞。
3）通過(guò)最大限度地提高放大倍率校準(zhǔn)，可以保證CD-SEM測(cè)量的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。
CD-SEM的測(cè)量重復(fù)性約為測(cè)量寬度的1% 3σ。
晶圓上的精細(xì)圖案測(cè)量是自動(dòng)化的。樣品晶圓放在晶圓盒（或Pod / FOUP）內(nèi)，晶圓盒放在CD-SEM上。尺寸量測(cè)的條件與步驟，會(huì)預(yù)先輸入至配方*中，當(dāng)量測(cè)開(kāi)始時(shí)，CD-SEM 會(huì)自動(dòng)將樣品晶圓從卡匣中取出，并放入 CD-SEM 中，量測(cè)樣品上所需的位置，量測(cè)完成后，晶圓會(huì)放回卡匣中。

Fig.4.2.1 Measuring a fine pattern on a wafer.

* Recipe: A recipe is a program (a collection of procedures, processing methods, parameters and input data) input into manufacturingsystem such as CD-SEM.

測(cè)量原理
CD-SEM 使用 SEM 圖像的灰度（對(duì)比度）信號(hào)。
首先，光標(biāo)（位置指示器）在 SEM 圖像上指定測(cè)量位置。
然后獲取指定測(cè)量位置的線輪廓。線輪廓基本上是指示測(cè)量特征的地形輪廓變化的信號(hào)。
線輪廓用于獲取指定位置的尺寸。CD-SEM 通過(guò)計(jì)算測(cè)量區(qū)域中的像素?cái)?shù)來(lái)自動(dòng)計(jì)算尺寸。
CD-SEM 圖像
下面顯示了 CD-SEM 獲得的 SEM 圖像示例。圖 4.2.2 顯示了在光刻膠線的 SEM 圖像上方繪制的線輪廓。光刻膠線的橫截面圖與 SEM 圖像之間的關(guān)系如圖 4.2.3 所示。
此外，線橫截面與其線輪廓之間的關(guān)系如圖 4.2.4 所示。

Fig.4.2.2 Photoresist line (SEM image) and line profile

也就是說(shuō)，圖 4.2.2 中的圖像給出了線輪廓，而輪廓又給出了線寬。如果線橫截面呈梯形，如圖 4.2.4 所示，則頂部和底部的寬度將不同。在這種情況下，測(cè)量位置將在配方中指定。此外，還可以指定所需的高度位置。

SEM image

A schematic cross-sectional view

Fig.4.2.3Relationship between the SEM image ofline & space and the schematic cross-sectionalview

Line profile

A schematic cross-sectional view

Fig.4.2.4 Relationship between the line schematiccross-sectional view and the line profile

測(cè)量過(guò)程
臨界尺寸測(cè)量主要在晶圓制造工藝的以下操作中進(jìn)行。
顯影后光刻膠圖案的臨界尺寸測(cè)量
蝕刻后接觸孔直徑/通孔直徑和布線寬度的測(cè)量

4.3 晶圓缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

晶圓缺陷檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)晶圓上的物理缺陷（稱為粒子的異物）和圖案缺陷，并獲取缺陷的位置坐標(biāo)（X，Y）。缺陷可分為隨機(jī)缺陷和系統(tǒng)缺陷。
隨機(jī)缺陷主要由附著在晶圓表面的粒子引起，因此無(wú)法預(yù)測(cè)其位置。晶圓缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的主要作用是檢測(cè)晶圓上的缺陷并找出其位置（位置坐標(biāo)）。
另一方面，系統(tǒng)缺陷是由掩模和曝光工藝的條件引起的，并且會(huì)出現(xiàn)在所有投影的芯片的電路圖案上的相同位置。它們出現(xiàn)在曝光條件非常困難且需要微調(diào)的位置。
晶圓缺陷檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)比較相鄰芯片的電路圖案的圖像來(lái)檢測(cè)缺陷。因此，有時(shí)無(wú)法使用傳統(tǒng)的晶圓缺陷檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到系統(tǒng)缺陷。
可以在圖案化工藝晶圓或裸晶圓上進(jìn)行檢查。它們中的每一個(gè)都有不同的系統(tǒng)配置。以下是典型檢查系統(tǒng)的說(shuō)明；圖案化晶圓檢測(cè)系統(tǒng)和非圖案化晶圓檢測(cè)系統(tǒng)。

缺陷檢測(cè)原理
圖案化晶圓檢測(cè)系統(tǒng)
圖案化晶圓檢測(cè)系統(tǒng)有很多種，包括電子束檢測(cè)系統(tǒng)、明場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)和暗場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。每種系統(tǒng)都有自己的特點(diǎn)，但基本的檢測(cè)原理是相同的。
在半導(dǎo)體晶圓上，相同圖案的電子器件并排制作。顧名思義，隨機(jī)缺陷通常是由灰塵等顆粒引起的，并且發(fā)生在隨機(jī)位置。它們?cè)谔囟ㄎ恢弥貜?fù)出現(xiàn)的可能性極低。
因此，圖案化晶圓檢測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)比較相鄰芯片（也稱為裸片）的圖案圖像并獲得差異來(lái)檢測(cè)缺陷。

Fig.4.3.1.Principles of defect detection on a patterned wafer

圖 4.3.1 顯示了檢測(cè)圖案化晶圓上的缺陷的原理。
晶圓上的圖案通過(guò)電子束或光線沿芯片陣列捕獲。通過(guò)比較待檢測(cè)芯片的圖像(1) 和相鄰芯片的圖像 (2) 來(lái)檢測(cè)缺陷。如果沒(méi)有缺陷，則通過(guò)數(shù)字處理將圖像 2 從圖像 1 中減去的結(jié)果將為零，并且不會(huì)檢測(cè)到任何缺陷。相反，如果芯片 (2) 的圖像中有缺陷，則缺陷將保留在減去后的圖像 (3) 中，如圖所示。然后檢測(cè)缺陷并記錄其位置坐標(biāo)。
非圖案化晶圓檢測(cè)系統(tǒng)
非圖案化晶圓檢測(cè)系統(tǒng)用于晶圓制造商的晶圓出貨檢測(cè)、設(shè)備制造商的晶圓入貨檢測(cè)以及使用虛擬裸晶圓進(jìn)行的設(shè)備狀態(tài)檢查，以監(jiān)控設(shè)備的清潔度。設(shè)備制造商在出貨檢測(cè)時(shí)也會(huì)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢查，設(shè)備制造商在設(shè)備入貨檢測(cè)時(shí)也會(huì)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢查。
為了檢查設(shè)備的清潔度，將用于清潔度監(jiān)測(cè)的裸晶圓裝入設(shè)備中，然后移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的平臺(tái)來(lái)監(jiān)測(cè)顆粒的增加情況。

Fig.4.3.2.Principle of defect detection on a non-patterned wafer(1)

圖 4.3.2 顯示了檢測(cè)無(wú)圖案晶圓上的缺陷的原理。
由于沒(méi)有圖案，因此無(wú)需圖像比較即可直接檢測(cè)缺陷。
將激光束投射到旋轉(zhuǎn)的晶圓上，并沿徑向移動(dòng)，以便激光束能夠照射晶圓的整個(gè)表面。

 

Fig.4.3.3 Principle of defect detection on a non-patterned wafer(2)

 

當(dāng)激光束投射到旋轉(zhuǎn)晶圓的顆粒/缺陷上時(shí)，光會(huì)發(fā)生散射并被檢測(cè)器檢測(cè)到。因此，檢測(cè)到顆粒/缺陷。根據(jù)晶圓旋轉(zhuǎn)角度和激光束的半徑位置，計(jì)算并記錄顆粒/缺陷的位置坐標(biāo)。鏡面晶圓上的缺陷除了顆粒外，還包括COP等晶體缺陷。
一般來(lái)說(shuō)，明場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)用于詳細(xì)檢查圖案缺陷。另一方面，暗場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)可以高速檢測(cè)，用于大量晶圓的缺陷檢測(cè)。
在電子束檢測(cè)系統(tǒng)中，電子束照射到晶圓表面，檢測(cè)發(fā)射的二次電子和背向散射電子。
此外，電子束檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備內(nèi)部布線的導(dǎo)電性，將二次電子的數(shù)量檢測(cè)為圖像對(duì)比度（電壓對(duì)比度）。如果檢測(cè)高深寬比的接觸孔底部的電導(dǎo)率，可以檢測(cè)到超薄厚度的SiO2殘留物。

Fig.4.3.4. An example of detecting the residue at thebottom of a contact hole.

Introducing the product lineup of Defect Review SEM& Defect Inspection Systems

4.4 ReviewSEM - 什么是review SEM？

缺陷review  SEM是一種掃描電子顯微鏡 (SEM)，用于審查晶圓上發(fā)現(xiàn)的缺陷。半導(dǎo)體晶圓缺陷檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的缺陷使用審查 SEM 放大為高倍圖像，以便對(duì)其進(jìn)行審查和分類。缺陷審查 SEM 主要與電子設(shè)備和其他半導(dǎo)體生產(chǎn)線中的檢測(cè)系統(tǒng)一起使用。

Review SEM 的作用
Review SEM 的工作方式一般如下：
事先使用檢查系統(tǒng)檢測(cè)晶圓缺陷。
檢查系統(tǒng)列出缺陷的位置坐標(biāo)并將其輸出到文件中。
將檢查的晶圓和檢查結(jié)果文件加載到 Review SEM 中。
拍攝列表中缺陷的圖像。
根據(jù)缺陷列表中的位置信息確定缺陷位置。然后由 Review SEM 拍攝并存儲(chǔ)缺陷圖像。
使用檢查系統(tǒng)檢測(cè)幾千到幾萬(wàn)個(gè)缺陷，并將數(shù)據(jù)輸出到文件中?？梢栽?Review SEM 的配方操作設(shè)置中指定是否檢查并拍攝所有或部分缺陷的照片。
有時(shí)無(wú)法使用缺陷數(shù)據(jù)文件中的位置信息找到晶圓上的缺陷。由于各種錯(cuò)誤，僅使用位置信息很難找到缺陷。
在缺陷檢查系統(tǒng)中，將缺陷圖像與相鄰的芯片圖像（參照?qǐng)D像）進(jìn)行比較，并根據(jù)圖像差異（差異圖像處理）檢測(cè)缺陷。
Review SEM 與缺陷檢測(cè)系統(tǒng)類似，通過(guò)與相鄰芯片的電路圖案進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)缺陷，并獲得缺陷的正確位置。然后將缺陷移到視野中心并拍攝放大的照片。
在 Memory IC 的缺陷檢查中，其中單元圖案重復(fù)排列，單元的最小單位圖像預(yù)先注冊(cè)為參考圖像。在 Review SEM 上檢測(cè)缺陷的一種方法是使用差異圖像處理將缺陷圖像與參考圖像進(jìn)行比較。這種方法可以加快 Review SEM 上的缺陷檢測(cè)速度，因?yàn)榭梢詫⒍鄠€(gè)部分與同一參考圖像進(jìn)行比較。

ADR功能
ADR代表自動(dòng)缺陷檢查。缺陷檢查的目的是更詳細(xì)地觀察、分類和分析晶圓檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的缺陷和顆粒的形狀和成分。
自動(dòng)缺陷檢查使用缺陷檢查中獲得的缺陷信息（坐標(biāo)等）自動(dòng)獲取所需缺陷的圖像。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并整理到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
在缺陷檢查SEM中，使用ADR功能自動(dòng)獲取并存儲(chǔ)缺陷圖像。
ADC功能
ADC代表自動(dòng)缺陷分類。存儲(chǔ)在圖像服務(wù)器中的缺陷圖像信息由分類軟件根據(jù)預(yù)定規(guī)則根據(jù)缺陷原因進(jìn)行分類，然后在分類服務(wù)器中恢復(fù)。分類信息被發(fā)送到產(chǎn)量管理系統(tǒng)（YMS）和IC制造商的主機(jī)，以便可用于故障和缺陷分析。
一些系統(tǒng)可以結(jié)合缺陷檢查SEM的ADR功能使用ADC對(duì)缺陷進(jìn)行分類。ADR獲得的缺陷信息也可以在后期進(jìn)行集體分類。

 

本文轉(zhuǎn)載自：芯系半導(dǎo)體、Semi Dance

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