半导体芯片制造中的检测和量测技术

来源：行业研究笔记， 作者：暴走滴肉夹馍

质量控制设备是芯片制造的关键核心设备之一，对于确保芯片生产的高良品率起着至关重要的作用。集成电路制造流程复杂，涉及众多工艺步骤，每一道工序都需要达到近乎“零缺陷”的高良品率，才能最终保证芯片的整体质量。因此，质量控制贯穿集成电路制造的全过程，是保障芯片生产良品率的关键环节。

集成电路的质量控制分为前道检测、中道检测和后道测试三个阶段。前道检测主要采用光学和电子束等非接触式检测手段，针对光刻、刻蚀、薄膜沉积、清洗、化学机械抛光（CMP）等晶圆制造环节的质量进行监控。中道检测则面向先进封装环节，主要通过光学等非接触式手段，对重布线结构、凸点与硅通孔等制造环节的质量进行控制。后道测试则侧重于利用接触式的电性测试手段，对芯片的功能和参数进行测试，包括晶圆测试和成品测试两个环节。目前，国内从事前道检测和中道检测设备研发与生产的本土厂商数量较少，行业自给率也相对较低。

图1. 检测和量测设备在集成电路前道制程和先进封装生产过程中的应用环节

资料来源：中科飞测，广发证券

量测主要针对芯片的制成尺寸（如薄膜厚度、关键尺寸、套准精度等）以及材料性质（如膜应力、掺杂浓度等）进行精确测量，以确保其符合设计参数要求。而检测则主要用于识别和定位产品表面的杂质颗粒污染、机械划痕、晶圆图案缺陷等问题。检测和量测对于提升芯片制造的良率和经济效益具有至关重要的作用。

晶圆不合格的原因通常源于制造过程中的技术误差或外部环境污染，几乎所有工艺环节（如氧化、光刻、刻蚀、离子注入等）都可能成为问题的源头。因此，必须在各个工艺步骤之间穿插进行测量和检查，以便及时定位出问题的工艺环节，发现并解决生产过程中出现的问题，从而有效避免重大经济损失。

图2. 缺陷检测&尺寸量测

资料来源：KLA

从技术原理来看，检测和量测技术主要包括光学检测技术、电子束检测技术和X光技术等。光学检测技术基于光学原理，通过对光信号进行计算和分析来获取检测结果。由于其采用非接触式检测模式，对晶圆本身的破坏性极小，具有显著优势。电子束检测技术通过聚焦电子束扫描样品表面，生成高分辨率的样品图像以得出检测结果，其特点是精度极高，但检测速度相对较慢。X光技术则利用X光的强穿透力和无损伤特性，适用于特定应用场景的测量。

图3. 不同检测技术原理及应用

资料来源：中科飞测，广发证券

在检测环节，光学检测技术可分为以下三大类：无图形晶圆激光扫描检测技术、图形晶圆成像检测技术和光刻掩膜版成像检测技术。在量测环节，光学检测技术利用光的波动性和相干性，实现对远小于光波长的微观尺度的测量，主要包括三维形貌量测、薄膜膜厚量测、套刻精度量测和关键尺寸量测等。

图4. 光学检测技术在检测环节的应用

资料来源：中科飞测

图5. 光学检测技术在量测环节的应用

资料来源：中科飞测

无图形晶圆检测：无图形化检测是指在正式生产前，对裸晶圆进行的一系列检测流程。这一过程首先在晶圆制造商处完成认证，随后在半导体晶圆厂再次进行认证。无图形的硅片通常指裸硅片或仅覆盖有空白薄膜的硅片。由于这些晶圆尚未形成图案，因此可以直接进行缺陷检测。其工作原理是利用单波长光束照射晶圆表面，当激光束遇到晶圆表面的颗粒或其他缺陷时，会散射出部分光线。设备通过收集这些散射光信号，并结合多维度光学模式和多通道信号采集技术，能够实时识别晶圆表面的缺陷类型、判断缺陷种类，并准确报告缺陷的位置。

图6. 无图形表面检测系统原理图

资料来源：Hitachi

图形晶圆成像检测：此类设备主要用于先进封装环节的晶圆出货检测，能够实现对晶圆表面的高精度、高速成像。检测过程通常采用明场、暗场照明，或两者的组合方式来识别缺陷。设备通过深紫外到可见光波段的宽光谱照明，或深紫外单波长高功率激光照明，获取晶圆表面电路图案的图像。通过对晶圆上测试芯片图像与相邻芯片图像的对比，进行图案对准、降噪和分析，从而精准捕捉晶圆表面的图形缺陷。

图7. 图形晶圆成像检测原理图

资料来源：半导体行业观察、国盛证券研究所

光刻掩膜板成像检测：掩膜板在芯片制造过程中发挥着至关重要的作用。光罩上的任何缺陷或图案位置偏差都可能被复制到产品晶圆上的众多芯片中，从而对芯片性能产生严重影响。因此，光刻掩膜板的检测是确保芯片制造高良率的关键环节之一。检测过程主要通过在晶圆上对同一位置和同一特征尺度进行多次重复测量来实现。采用宽光谱照明或深紫外激光照明技术获取光刻掩膜板上的图案图像，并以测量结果的标准差作为设备重复性精度的衡量指标。这一指标能够直观地反映设备在测量晶圆同一位置和同一特征尺度时结果的波动幅度。

图8. 光刻掩膜板成像检测原理图

资料来源：中商产业研究院

三维形貌量测：通过宽光谱、大视野的相干性测量技术，能够获取相关区域电路图形的高精度三维形貌。该技术可对晶圆表面的粗糙度、电路特征图案的高度均匀性等参数进行精确测量，从而有效保障晶圆的良品率。

套刻精度量测：集成电路中，电路图形各部分之间的相对位置套刻对准对器件的整体性能、成品率和可靠性起着至关重要的作用。套刻精度的测量原理是利用光学显微成像系统获取两层刻套目标图形的数字化图像，随后基于数字图像算法计算每一层的中心位置，进而确定套刻误差。

薄膜膜厚量测：在半导体制造中，晶圆需经过多次不同材质的薄膜沉积工艺，薄膜的厚度及其特性对晶圆的成像处理结果具有决定性影响。膜厚测量环节通过精确测量每一层薄膜的厚度、折射率和反射率，并进一步分析晶圆表面薄膜厚度的均匀性分布，从而确保晶圆的高良品率。膜厚测量根据薄膜材料可分为两大类：不透明薄膜和透明薄膜。对于不透明薄膜，通常利用四探针测量方块电阻来计算厚度；而透明薄膜的厚度则通过椭偏仪测量光线的反射和偏振值来计算。

关键尺寸量测：在半导体制程中，最小线宽通常被称为关键尺寸（CD）。通过测量从晶圆表面反射的宽光谱光束的光强、偏振等参数，可以对光刻胶曝光显影、刻蚀和化学机械抛光（CMP）等工艺后的晶圆电路图形的线宽进行测量，以确保工艺的稳定性。由于任何图形尺寸的偏差都可能影响最终器件的性能和成品率，因此先进的工艺控制需要对关键尺寸进行精确测量。

根据设备运用原理的不同，关键尺寸测量设备可分为关键尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）和光学关键尺寸（OCD）测量设备。其中，OCD设备弥补了CD-SEM需要将待测晶圆置于真空环境的不足，具有高精度、良好的稳定性和能够一次性获取多种工艺尺寸参数的优势，已成为先进半导体制造工艺中的主要工具。