近50年以來，半導體產業按照摩爾定律發展，其過程從微米水平縮小到今天的單數字納米水平。
Tsmc邏輯過程開發歷史照片
先進的工藝意味著更復雜的圖案，復雜的圖案也需要更細致的缺陷檢測技術。從紫外線(UV)到深紫外線(DUV)、暗場(dark ?field)到光場(bright ?field)，光學晶圓檢測技術繼續半導體工藝的發展。在工藝研究開發、提高生產產量、監測量產的整個產品生命周期中起著不可替代的作用。
光學檢測技術的發展及瓶頸
摩爾定律是半導體行業前進的動力，瑞利判決為我們指引前進的方向。如R=/NA所示，要進一步減小組件大小和提高光學分辨率，主要通過以下兩種方法實現：
1.減少光源波長
在過去的幾十年里，我們看到光波被光刻機使用，從近紫外(NUV)區間進入436納米，從365納米進入深紫外(DUV)區間248納米，193納米。目前最先進的超紫外線(EUV)光刻器的波長縮小到13.5nm，分析了更加精密復雜的電路模式，將曝光效率提高了3 ~ 4倍。
2.增加數值孔徑
黎曼判定還告訴我們，在光源波長相同的情況下，鏡片組的數值孔徑越高，光學分辨率越高，可以解釋更復雜的圖案。因此，利用193納米波長技術，asml開發了浸泡系統，以獲得比大氣更高的NA系數。EUV光刻機也在朝著提高數值孔徑的方向繼續前進。
光刻光源發展史
同樣的原則也適用于光學晶圓缺陷的檢測。目前，果雷公司和應用材料公司生產的光學晶圓缺陷檢測設備被廣泛應用于各代半導體工藝中。目前最先進的光寶名將檢測產品采用193納米波長，證明能可靠地捕捉20-30納米晶圓缺陷。
但是，隨著流程發展到目前不到5/7nm，在多次暴露或使用EUV流程的核心節點上，5-10nm的缺陷會導致整個芯片死亡。如此高精度的需求再次對光學檢查提出了很大的挑戰。首先是敏感度能否捕捉到這些小缺陷。由于物理限制，光學檢測系統的光源幾乎不可能在DUV范圍內繼續減少波長，開發EUV光源檢測系統不僅技術上還不成熟，研發費用也會非常高。因此，最新的光學檢測技術不再單純依靠分析晶圓的模式捕捉缺陷，而是通過復雜的信號處理和軟件算法等在圖像對比過程中尋找“異常”。檢查結果也從以前的晶圓圖案變成了現在的“亮點”和“暗點”。這些方法在20納米以上的工藝中仍然有效，但在今天的工藝中不再像以前一樣可靠。與實際缺陷相比，測試結果中噪音的比例非常高。有些可能會達到90%以上。另外，不能簡單地觀察結果的光斑來確定捕獲的信號是否是實際的缺陷。因此，第二輪高精度review ?SEM的回顧和人工分類成為另一個必要階段，每次掃描產生結果的時間大幅增加，生產成本急劇提高。
光學模板測試圖像比較
電子束晶圓檢測(e-beam ?inspection- EBI)技術
由于光學技術的局限性，電子束成像技術在先進半導體工藝中作為光學技術的替代品發揮了不可缺少的作用。
電子束晶圓檢測-EBI是掃描電子顯微鏡(SEM)技術的應用。利用高能電子和晶圓表面的物質相互作用時產生的信息進行成像。然后，可以通過圖像處理和運算檢測晶圓缺陷。
電子束晶圓檢測系統的主要結構：
1.電子槍
用于產生電子的裝置，半導體設備均采用熱場發射原理。當兩端通過電流時，陰極會釋放自由電子，并通過陽極加速。在很短的距離內，兩個極板之間的電壓差必須達到10 ~數十kV以上，才能產生足夠的高能電子流。
2.電磁透鏡
用于將電子打成團的裝置，包括集合透鏡和水景，分別位于電子光路的頂部和底部。
3.收斂透鏡
因為電子被刺激后會處于發散狀態，所以電子槍下面需要一系列鏡片來收集電子，通過下面的光圈得到方向非常一致的電子束。另外，通過調整會聚鏡頭的線圈電流，可以根據光圈孔徑調整入射電流。
4.物鏡
將電子束細微地收集到晶圓表面，形象化晶圓圖案。
5.導向器
向主電流添加偏轉電壓，實現掃描功能。偏轉電壓越大，掃描圖像越大，掃描速度就越快。但是，由于過大的偏轉電壓，圖像可能會扭曲，因此如何取舍，如何矯正也是重要的技術。6.機架示例(工作臺)
將晶圓吸附在工作臺上，進行高精度移動。通過編碼器和激光反饋機制，準確度已達到幾納米水平。
7.探測器
用于檢測電子的數量以進行成像。高能電子和晶體源起作用時，會刺激一系列電子-Osh電子、二次電子、后向散射電子、x射線等。其中二次電子和后向散射電子的數量用信號成像。電子越多，信號越強，圖像中的像素也越亮，相反，圖像越暗。
Interaction ?Volume圖
8.后端成像系統
放大探測器獲得的模擬信號，將其轉換為數字信號，并與后端軟件算法一起處理圖像。應用目前最先進的技術，圖像處理速度可以達到每秒數億像素，甚至數十億像素的水平。
9.真空系統
整個系統必須在高真空狀態下運行。其中電子槍對真空的要求最高，為了防止污染和氧化，必須達到E-10等級。真空柱子必須在E-8水平工作，工作臺也必須在E-6的真空度下工作，刺激的電子具有足夠高的平均自由距離，由探測器收集。
SEM結構圖
電子束晶圓檢測系統的主要應用
這樣復雜的電子束系統為半導體工藝檢查提供了非常豐富的應用。
1.高精度缺陷掃描與測量
聚焦電子束系統后的電子斑點直徑可以小于1nm，可以分析5nm以下的晶圓缺陷。
但是，由于圖像場大小(field ?of ?view-FOV)，傳統的SEM掃描速度非常慢。掃描速度不僅包括導入圖像的時間，還包括工作臺移動、穩定的時間。在同一個掃描區域中，圖像字段越小，工作區移動的越多。大面積晶圓掃描時，99%以上的時間都花在工作臺移動上。因此，SEM只能用于查看光學系統中已經捕捉到的缺陷、測量主要尺寸或執行材料分析。
電子束晶圓掃描系統的開發使圖像FOV大大提高了100倍以上。這大大提高了掃描效率和掃描速度，并允許高精度的大范圍缺陷檢測。
因此，從上一段的“源區域”(active ?area)、“中間段的金屬接觸”(metal ?contact)到“復雜金屬線”(metal)過程，一些圖案密度非常高的主要節點為了捕捉這些小缺陷，使用EBI系統開始了大范圍的掃描。
高精度電子束缺陷檢測案例
此外，在EUV過程開發過程中，EBI還被廣泛用于捕獲本地密鑰大小不平衡(LOCDU)引起的曝光缺陷。隨著模式密度的增加，傳統CD-SEM在DUV技術上仍然有效，但在EUV過程中，統計概率不足以捕捉到這些缺陷。(大衛亞設、Northern ?Exposure(美國電視連續劇)、Northern ?Exposure(美國電視連續劇))CDSEM和EBI的比較顯示，CDSEM的測量結果仍然完全符合正態分布曲線，適用范圍更大的EBI可以檢測到3sigma格外的異常。
另外，在光學接近校正(OPC)、過程窗口重新驗證(PWQ)等復雜技術中，EBI逐漸取代光學和現有SEM，成為最新的中堅力量。
2.電壓襯里(voltage ?contrast)
如上所述，電子和晶圓作用時，會生成一系列電子。進一步調整參數和細分后，可以創建更多的應用程序。
入射電子束和晶圓的非彈性碰撞會產生大量的二次電子。二次電子的能量低，約為50eV，因此只有非常表面積的二次電子才能從物體表面脫離出來，到達探測器。
使用這種二次電子，金屬接觸層(metal ?contact)可以在晶圓表面積累電荷，判斷contact是否與地面成功連接，從而檢測到一些蝕刻過程中出現的缺陷。
電壓襯里缺陷檢測案例
3.材料襯層(material ?contrast)
不僅可以將二次電子用作信號檢測缺陷，而且在交互過程中產生的后向散射電子也為我們提供了獨特的信息。當入射電子能量足夠高時，它受到原子核和刺激，產生相對高能后向散射電子。(威廉莎士比亞，原子，原子能，原子能，原子能，原子能，原子能，原子能，原子能)其能量可達數千eV。也就是說，它可以給我們帶來決定源的底層信息。由于與核的作用，后向散射電子的數量不同，也意味著物質的差異。該信息可用于檢測蝕刻或拋光工藝后材料的殘留。
材料襯里缺陷檢測案例
電子束晶圓檢測技術的挑戰及未來發展
盡管圖像FOV增加，但也帶來了巨大的掃描速度提高。但是目前的EBI系統仍然面臨巨大的挑戰。在高精度掃描條件下，晶圓覆蓋率仍然低于5%。
如何繼續提高掃描速度仍然是該技術發展的首要任務。ASML、應用材料、KOLEL等行業領先企業也在分別開發自己的最新技術。主要可以分為兩個技術方向：多電子柱(multi-column)掃描技術和多電子束(multi-beam)掃描技術。其中multi-column技術由于固定的柱間距，應用前景有限，主要適用于發動機罩測試。Multi-beam技術正在成為行業研究的主要方向。今后5 ~ 10年，如果能度過這項技術的難關，半導體工藝的發展又將得到強大的推動。