半導體芯片制造中的檢測和量測技術(shù)

來源：行業(yè)研究筆記， 作者：暴走滴肉夾饃

質(zhì)量控制設備是芯片制造的關鍵核心設備之一，對于確保芯片生產(chǎn)的高良品率起著至關重要的作用。集成電路制造流程復雜，涉及眾多工藝步驟，每一道工序都需要達到近乎“零缺陷”的高良品率，才能最終保證芯片的整體質(zhì)量。因此，質(zhì)量控制貫穿集成電路制造的全過程，是保障芯片生產(chǎn)良品率的關鍵環(huán)節(jié)。

集成電路的質(zhì)量控制分為前道檢測、中道檢測和后道測試三個階段。前道檢測主要采用光學和電子束等非接觸式檢測手段，針對光刻、刻蝕、薄膜沉積、清洗、化學機械拋光（CMP）等晶圓制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量進行監(jiān)控。中道檢測則面向先進封裝環(huán)節(jié)，主要通過光學等非接觸式手段，對重布線結(jié)構(gòu)、凸點與硅通孔等制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量進行控制。后道測試則側(cè)重于利用接觸式的電性測試手段，對芯片的功能和參數(shù)進行測試，包括晶圓測試和成品測試兩個環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)從事前道檢測和中道檢測設備研發(fā)與生產(chǎn)的本土廠商數(shù)量較少，行業(yè)自給率也相對較低。

圖1. 檢測和量測設備在集成電路前道制程和先進封裝生產(chǎn)過程中的應用環(huán)節(jié)

資料來源：中科飛測，廣發(fā)證券

量測主要針對芯片的制成尺寸（如薄膜厚度、關鍵尺寸、套準精度等）以及材料性質(zhì)（如膜應力、摻雜濃度等）進行精確測量，以確保其符合設計參數(shù)要求。而檢測則主要用于識別和定位產(chǎn)品表面的雜質(zhì)顆粒污染、機械劃痕、晶圓圖案缺陷等問題。檢測和量測對于提升芯片制造的良率和經(jīng)濟效益具有至關重要的作用。

晶圓不合格的原因通常源于制造過程中的技術(shù)誤差或外部環(huán)境污染，幾乎所有工藝環(huán)節(jié)（如氧化、光刻、刻蝕、離子注入等）都可能成為問題的源頭。因此，必須在各個工藝步驟之間穿插進行測量和檢查，以便及時定位出問題的工藝環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)并解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，從而有效避免重大經(jīng)濟損失。

圖2. 缺陷檢測&尺寸量測

資料來源：KLA

從技術(shù)原理來看，檢測和量測技術(shù)主要包括光學檢測技術(shù)、電子束檢測技術(shù)和X光技術(shù)等。光學檢測技術(shù)基于光學原理，通過對光信號進行計算和分析來獲取檢測結(jié)果。由于其采用非接觸式檢測模式，對晶圓本身的破壞性極小，具有顯著優(yōu)勢。電子束檢測技術(shù)通過聚焦電子束掃描樣品表面，生成高分辨率的樣品圖像以得出檢測結(jié)果，其特點是精度極高，但檢測速度相對較慢。X光技術(shù)則利用X光的強穿透力和無損傷特性，適用于特定應用場景的測量。

圖3. 不同檢測技術(shù)原理及應用

資料來源：中科飛測，廣發(fā)證券

在檢測環(huán)節(jié)，光學檢測技術(shù)可分為以下三大類：無圖形晶圓激光掃描檢測技術(shù)、圖形晶圓成像檢測技術(shù)和光刻掩膜版成像檢測技術(shù)。在量測環(huán)節(jié)，光學檢測技術(shù)利用光的波動性和相干性，實現(xiàn)對遠小于光波長的微觀尺度的測量，主要包括三維形貌量測、薄膜膜厚量測、套刻精度量測和關鍵尺寸量測等。

圖4. 光學檢測技術(shù)在檢測環(huán)節(jié)的應用

資料來源：中科飛測

圖5. 光學檢測技術(shù)在量測環(huán)節(jié)的應用

資料來源：中科飛測

無圖形晶圓檢測：無圖形化檢測是指在正式生產(chǎn)前，對裸晶圓進行的一系列檢測流程。這一過程首先在晶圓制造商處完成認證，隨后在半導體晶圓廠再次進行認證。無圖形的硅片通常指裸硅片或僅覆蓋有空白薄膜的硅片。由于這些晶圓尚未形成圖案，因此可以直接進行缺陷檢測。其工作原理是利用單波長光束照射晶圓表面，當激光束遇到晶圓表面的顆?；蚱渌毕輹r，會散射出部分光線。設備通過收集這些散射光信號，并結(jié)合多維度光學模式和多通道信號采集技術(shù)，能夠?qū)崟r識別晶圓表面的缺陷類型、判斷缺陷種類，并準確報告缺陷的位置。

圖6. 無圖形表面檢測系統(tǒng)原理圖

資料來源：Hitachi

圖形晶圓成像檢測：此類設備主要用于先進封裝環(huán)節(jié)的晶圓出貨檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)對晶圓表面的高精度、高速成像。檢測過程通常采用明場、暗場照明，或兩者的組合方式來識別缺陷。設備通過深紫外到可見光波段的寬光譜照明，或深紫外單波長高功率激光照明，獲取晶圓表面電路圖案的圖像。通過對晶圓上測試芯片圖像與相鄰芯片圖像的對比，進行圖案對準、降噪和分析，從而精準捕捉晶圓表面的圖形缺陷。

圖7. 圖形晶圓成像檢測原理圖

資料來源：半導體行業(yè)觀察、國盛證券研究所

光刻掩膜板成像檢測：掩膜板在芯片制造過程中發(fā)揮著至關重要的作用。光罩上的任何缺陷或圖案位置偏差都可能被復制到產(chǎn)品晶圓上的眾多芯片中，從而對芯片性能產(chǎn)生嚴重影響。因此，光刻掩膜板的檢測是確保芯片制造高良率的關鍵環(huán)節(jié)之一。檢測過程主要通過在晶圓上對同一位置和同一特征尺度進行多次重復測量來實現(xiàn)。采用寬光譜照明或深紫外激光照明技術(shù)獲取光刻掩膜板上的圖案圖像，并以測量結(jié)果的標準差作為設備重復性精度的衡量指標。這一指標能夠直觀地反映設備在測量晶圓同一位置和同一特征尺度時結(jié)果的波動幅度。

圖8. 光刻掩膜板成像檢測原理圖

資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院

三維形貌量測：通過寬光譜、大視野的相干性測量技術(shù)，能夠獲取相關區(qū)域電路圖形的高精度三維形貌。該技術(shù)可對晶圓表面的粗糙度、電路特征圖案的高度均勻性等參數(shù)進行精確測量，從而有效保障晶圓的良品率。

套刻精度量測：集成電路中，電路圖形各部分之間的相對位置套刻對準對器件的整體性能、成品率和可靠性起著至關重要的作用。套刻精度的測量原理是利用光學顯微成像系統(tǒng)獲取兩層刻套目標圖形的數(shù)字化圖像，隨后基于數(shù)字圖像算法計算每一層的中心位置，進而確定套刻誤差。

薄膜膜厚量測：在半導體制造中，晶圓需經(jīng)過多次不同材質(zhì)的薄膜沉積工藝，薄膜的厚度及其特性對晶圓的成像處理結(jié)果具有決定性影響。膜厚測量環(huán)節(jié)通過精確測量每一層薄膜的厚度、折射率和反射率，并進一步分析晶圓表面薄膜厚度的均勻性分布，從而確保晶圓的高良品率。膜厚測量根據(jù)薄膜材料可分為兩大類：不透明薄膜和透明薄膜。對于不透明薄膜，通常利用四探針測量方塊電阻來計算厚度；而透明薄膜的厚度則通過橢偏儀測量光線的反射和偏振值來計算。

關鍵尺寸量測：在半導體制程中，最小線寬通常被稱為關鍵尺寸（CD）。通過測量從晶圓表面反射的寬光譜光束的光強、偏振等參數(shù)，可以對光刻膠曝光顯影、刻蝕和化學機械拋光（CMP）等工藝后的晶圓電路圖形的線寬進行測量，以確保工藝的穩(wěn)定性。由于任何圖形尺寸的偏差都可能影響最終器件的性能和成品率，因此先進的工藝控制需要對關鍵尺寸進行精確測量。

根據(jù)設備運用原理的不同，關鍵尺寸測量設備可分為關鍵尺寸掃描電子顯微鏡（CD-SEM）和光學關鍵尺寸（OCD）測量設備。其中，OCD設備彌補了CD-SEM需要將待測晶圓置于真空環(huán)境的不足，具有高精度、良好的穩(wěn)定性和能夠一次性獲取多種工藝尺寸參數(shù)的優(yōu)勢，已成為先進半導體制造工藝中的主要工具。