半导体工艺控制设备1-编程知识

半导体工艺控制设备对芯片良率至关重要，随着制程微缩需求倍增。工艺节点每缩减一代，工艺中产生的致命缺陷数量会增加 50%，因此每一道工序的良品率都要保持在非常高的水平才能保证最终的良品率。当工序超过 500 道时，只有保证每一道工序的良品率都超过 99.99%，最终的良品率方可超过 95%；当单道工序的良品率下降至 99.98%时，最终的总良品率会下降至约 90%，因此，制造过程中对工艺窗口的挑战要求几乎“零缺陷”。工艺控制设备在半导体设备中约占比11%。

一、半导体检测工艺分类

（一）根据流程分类

1、面向晶圆制造的前道检测：主要是针对光刻、刻蚀、薄膜沉积、清洗、CMP 等每个工艺环节的质量控制的检测；

2、面向先进封装的中道检测：主要为针对重布线结构、凸点与硅通孔等环节的质量控制；

3、面向芯片功能和电参数的后道检测：主要是利用电学对芯片进行功能和电参数测试，主要包括晶圆测试和成品测试两个环节。

（二）根据技术原理分类

1、光学检测

检测速度快，比电子束快 1000 倍以上。光学检测技术基于光学原理，通过对光信号进行计算分析以获得检测结果，光学检测技术对晶圆的非接触检测模式使其具有对晶圆本身的破坏性极小的优势；通过对晶圆进行批量、快速的检测，能够满足晶圆制造商对吞吐能力的要求。在生产过程中，晶圆表面杂质颗粒、图案缺陷等问题的检测和晶圆薄膜厚度、关键尺寸、套刻精度、表面形貌的测量均需用到光学检测技术。

2、电子束检测

电子束波长比光波短，因而检测精度高，目前主要用于电子束缺陷检测和电子束缺陷复查。电子束检测技术是指通过聚焦电子束至某一探测点，逐点扫描晶圆表面产生图像以获得检测结果。电子束的波长远短于光的波长，而波长越短，精度越高。因此，电子束检测技术的相对低速度导致其应用场景主要在对吞吐量要求较低的环节，如纳米量级尺度缺陷的复查，部分关键区域的表面尺度量测以及部分关键区域的抽检等。

3、X 光量测技术

用于特定金属成分测量和超薄膜测量等领域，应用场景相对较窄。

从技术原理上看，检测和量测包括光学检测技术、电子束检测技术和 X 光量测技术等。应用光学检测技术、电子束检测技术及 X 光量测技术的设备市场份额占比分别为 75.2%、18.7%及2.2%（2020年）。

二、半导体工艺控制设备：检测+量测

工艺目的上看，半导体工艺控制设备=检测+量测。其中，缺陷检测设备市场占比 62.6%，量测设备市场占比33.5%。

（一）检测设备

占比为 62.6%，包括无图形晶圆缺陷检测设备、图形晶圆缺陷检测设备、纳米图形缺陷检测设备、掩膜检测设备等，其中纳米图形缺陷检测设备需求最大，整体占比 24.7%。

1、无图形晶圆缺陷检测（9.7%）

无图形晶圆一般指裸硅片或有一些空白薄膜的硅片，后者主要用作测试片，检测的缺陷主要包括表面的颗粒、残留物、刮伤、裂纹等，这些缺陷会影响后续工艺质量，最终影响产品良率。

2、有图形晶圆缺陷检测（6.3%）

有图形缺陷检测是指晶圆在光刻、刻蚀、沉积、离子注入、抛光等工艺过程中，对晶圆进行检测，主要的缺陷不仅包括纳米颗粒、凹陷、凸起、刮伤、断线、桥接等表面缺陷，还包括空洞、材料成分不均匀等亚表面和内部缺陷。

3、电子束缺陷检测与复检（5.75%）

通过聚焦电子束扫描样片表面产生样品图像以获得检测结果，具有高精度、速度较慢的特点，通常用于纳米级尺度缺陷的复查以及部分关键区域的抽检等。

4、掩模板缺陷检测（11.2%）

在光刻工艺中，必须事先设计并制备一组具有特定几何图形的光刻掩模（mask），作为复制批量生产用版，供光刻工艺曝光之用。在实际的光刻掩模生产制造过程中，也不可避免地会存在各种缺陷，而且这些缺陷会经由光刻工艺批量复制到所有硅片中。

（二）量测设备

占比为 33.5%，包括三维形貌量测设备、薄膜膜厚量测设备（晶圆介质薄膜量测设备）、套刻精度量测设备、关键尺寸量测设备、掩膜量测设备等，其中关键尺寸测量（包括电子束关键尺寸测量）占比 18.3%。

1、关键尺寸测量+电子束关键尺寸测量（18.3%）

关键尺寸测量：CD-SEM电子束关键尺寸测量+OCD光学关键尺寸量测。扫描电子显微镜测量（CD-SEM）作为传统的测量技术，可实现纳米级尺度的尺寸测量，但也存在测量速度慢、成本高、设备操作复杂的缺点。与之对比，光学测量技术具有速度快、成本低、无接触对样本无损的优点。在IC 制造中，应用光学原理对纳米结构 CD（关键尺寸）、高度、侧壁角等形貌参数的测量主要采用“非成像式光学技术——光学散射仪”，也称为 OCD 测量仪。