來源：行業(yè)研究筆記， 作者：暴走滴肉夾饃

質(zhì)量控制設(shè)備是芯片制造的關(guān)鍵核心設(shè)備之一，對(duì)于確保芯片生產(chǎn)的高良品率起著至關(guān)重要的作用。集成電路制造流程復(fù)雜，涉及眾多工藝步驟，每一道工序都需要達(dá)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(guān)鍵環(huán)節(jié)。

集成電路的質(zhì)量控制分為前道檢測(cè)、中道檢測(cè)和后道測(cè)試三個(gè)階段。前道檢測(cè)主要采用光學(xué)和電子束等非接觸式檢測(cè)手段，針對(duì)光刻、刻蝕、薄膜沉積、清洗、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）等晶圓制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。中道檢測(cè)則面向先進(jìn)封裝環(huán)節(jié)，主要通過光學(xué)等非接觸式手段，對(duì)重布線結(jié)構(gòu)、凸點(diǎn)與硅通孔等制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量進(jìn)行控制。后道測(cè)試則側(cè)重于利用接觸式的電性測(cè)試手段，對(duì)芯片的功能和參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，包括晶圓測(cè)試和成品測(cè)試兩個(gè)環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)從事前道檢測(cè)和中道檢測(cè)設(shè)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(duì)較低。

圖1. 檢測(cè)和量測(cè)設(shè)備在集成電路前道制程和先進(jìn)封裝生產(chǎn)過程中的應(yīng)用環(huán)節(jié)

資料來源：中科飛測(cè)，廣發(fā)證券

量測(cè)主要針對(duì)芯片的制成尺寸（如薄膜厚度、關(guān)鍵尺寸、套準(zhǔn)精度等）以及材料性質(zhì)（如膜應(yīng)力、摻雜濃度等）進(jìn)行精確測(cè)量，以確保其符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求。而檢測(cè)則主要用于識(shí)別和定位產(chǎn)品表面的雜質(zhì)顆粒污染、機(jī)械劃痕、晶圓圖案缺陷等問題。檢測(cè)和量測(cè)對(duì)于提升芯片制造的良率和經(jīng)濟(jì)效益具有至關(guān)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(gè)工藝步驟之間穿插進(jìn)行測(cè)量和檢查，以便及時(shí)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(jì)損失。

圖2. 缺陷檢測(cè)&尺寸量測(cè)

資料來源：KLA

從技術(shù)原理來看，檢測(cè)和量測(cè)技術(shù)主要包括光學(xué)檢測(cè)技術(shù)、電子束檢測(cè)技術(shù)和X光技術(shù)等。光學(xué)檢測(cè)技術(shù)基于光學(xué)原理，通過對(duì)光信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和分析來獲取檢測(cè)結(jié)果。由于其采用非接觸式檢測(cè)模式，對(duì)晶圓本身的破壞性極小，具有顯著優(yōu)勢(shì)。電子束檢測(cè)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(cè)結(jié)果，其特點(diǎn)是精度極高，但檢測(cè)速度相對(duì)較慢。X光技術(shù)則利用X光的強(qiáng)穿透力和無損傷特性，適用于特定應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)量。

圖3. 不同檢測(cè)技術(shù)原理及應(yīng)用

資料來源：中科飛測(cè)，廣發(fā)證券

在檢測(cè)環(huán)節(jié)，光學(xué)檢測(cè)技術(shù)可分為以下三大類：無圖形晶圓激光掃描檢測(cè)技術(shù)、圖形晶圓成像檢測(cè)技術(shù)和光刻掩膜版成像檢測(cè)技術(shù)。在量測(cè)環(huán)節(jié)，光學(xué)檢測(cè)技術(shù)利用光的波動(dòng)性和相干性，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)的微觀尺度的測(cè)量，主要包括三維形貌量測(cè)、薄膜膜厚量測(cè)、套刻精度量測(cè)和關(guān)鍵尺寸量測(cè)等。

圖4. 光學(xué)檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

資料來源：中科飛測(cè)

圖5. 光學(xué)檢測(cè)技術(shù)在量測(cè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

資料來源：中科飛測(cè)

無圖形晶圓檢測(cè)：無圖形化檢測(cè)是指在正式生產(chǎn)前，對(duì)裸晶圓進(jìn)行的一系列檢測(cè)流程。這一過程首先在晶圓制造商處完成認(rèn)證，隨后在半導(dǎo)體晶圓廠再次進(jìn)行認(rèn)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(jìn)行缺陷檢測(cè)。其工作原理是利用單波長(zhǎng)光束照射晶圓表面，當(dāng)激光束遇到晶圓表面的顆?；蚱渌毕輹r(shí)，會(huì)散射出部分光線。設(shè)備通過收集這些散射光信號(hào)，并結(jié)合多維度光學(xué)模式和多通道信號(hào)采集技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別晶圓表面的缺陷類型、判斷缺陷種類，并準(zhǔn)確報(bào)告缺陷的位置。

圖6. 無圖形表面檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

資料來源：Hitachi

圖形晶圓成像檢測(cè)：此類設(shè)備主要用于先進(jìn)封裝環(huán)節(jié)的晶圓出貨檢測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)晶圓表面的高精度、高速成像。檢測(cè)過程通常采用明場(chǎng)、暗場(chǎng)照明，或兩者的組合方式來識(shí)別缺陷。設(shè)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(zhǎng)高功率激光照明，獲取晶圓表面電路圖案的圖像。通過對(duì)晶圓上測(cè)試芯片圖像與相鄰芯片圖像的對(duì)比，進(jìn)行圖案對(duì)準(zhǔn)、降噪和分析，從而精準(zhǔn)捕捉晶圓表面的圖形缺陷。

圖7. 圖形晶圓成像檢測(cè)原理圖

資料來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察、國(guó)盛證券研究所

光刻掩膜板成像檢測(cè)：掩膜板在芯片制造過程中發(fā)揮著至關(guān)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(fù)制到產(chǎn)品晶圓上的眾多芯片中，從而對(duì)芯片性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，光刻掩膜板的檢測(cè)是確保芯片制造高良率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。檢測(cè)過程主要通過在晶圓上對(duì)同一位置和同一特征尺度進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量來實(shí)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(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差作為設(shè)備重復(fù)性精度的衡量指標(biāo)。這一指標(biāo)能夠直觀地反映設(shè)備在測(cè)量晶圓同一位置和同一特征尺度時(shí)結(jié)果的波動(dòng)幅度。

圖8. 光刻掩膜板成像檢測(cè)原理圖

資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院

三維形貌量測(cè)：通過寬光譜、大視野的相干性測(cè)量技術(shù)，能夠獲取相關(guān)區(qū)域電路圖形的高精度三維形貌。該技術(shù)可對(duì)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(jìn)行精確測(cè)量，從而有效保障晶圓的良品率。

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

薄膜膜厚量測(cè)：在半導(dǎo)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(duì)晶圓的成像處理結(jié)果具有決定性影響。膜厚測(cè)量環(huán)節(jié)通過精確測(cè)量每一層薄膜的厚度、折射率和反射率，并進(jìn)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(cè)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(duì)于不透明薄膜，通常利用四探針測(cè)量方塊電阻來計(jì)算厚度；而透明薄膜的厚度則通過橢偏儀測(cè)量光線的反射和偏振值來計(jì)算。

關(guān)鍵尺寸量測(cè)：在半導(dǎo)體制程中，最小線寬通常被稱為關(guān)鍵尺寸（CD）。通過測(cè)量從晶圓表面反射的寬光譜光束的光強(qiáng)、偏振等參數(shù)，可以對(duì)光刻膠曝光顯影、刻蝕和化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）等工藝后的晶圓電路圖形的線寬進(jìn)行測(cè)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(jìn)的工藝控制需要對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行精確測(cè)量。

根據(jù)設(shè)備運(yùn)用原理的不同，關(guān)鍵尺寸測(cè)量設(shè)備可分為關(guān)鍵尺寸掃描電子顯微鏡（CD-SEM）和光學(xué)關(guān)鍵尺寸（OCD）測(cè)量設(shè)備。其中，OCD設(shè)備彌補(bǔ)了CD-SEM需要將待測(cè)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(shì)，已成為先進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝中的主要工具。