试论晶圆关键尺寸量测手段和设备的“三体”混动时代

电子束光刻（EBL）手段，自从其超级高手MAPPER和EUV光刻PK完败之后，一直怀才不遇地降维转战至量测领域，凭借其高贵的光刻血统，完成量测可以说是“手拿把掐”；晶圆Fab发展到65nm技术节点阶段，对以栅极宽度为典型对象的量测技术上，电子束手段以其独树一帜的分辨率、自动化、稳定性和高通量的特征，是无可争议，不能替代的独门武艺；电子束关键尺寸（Critical Dimension）量测设备厂家的竞争也到了白热化阶段；异军突起的中国人技术和设备-汉民微测HMI，凭借扎实的技术创新和对用户痛点的逐一攻克，借助一次Intel晶圆厂验证试机的良机，大秀肌肉，赢得了接下来多家IDM大厂的八成以上设备采购，竟将KLA这样的量测设备巨兽挤出了电子束市场，迫使他们暂时关闭了电子束量测部门。

近年来随着半导体行业步伐的加快，由于今天的量测要求比历史上的关键尺寸测量要全面得多，所以半导体晶圆制造行业已经采用了具有各种尺寸量测能力的手段：非电子束光源的量测技术从物理规律的前后两端夹击，不断缩短靠近电子束的分辨率领地：从下方而来的光学量测OCD设备，凭借激光器技术的突破和晶圆光刻光源EUV的降维下放量测（日本公司技术），还有在不需要真空和对环境干扰比起电子束不敏感的先天优势，已经在28nm节点量测稳定发挥（以色列公司技术），并利用和飞秒等离子光刻技术（FPL）一个思维路线的脑洞，突破至14nm量测（新加坡公司技术30mW-1340nm/1320nm/1064nm），逐步挑衅逼近，最终和电子束量测领地短兵相接；而从上方而至的物理探针量测AFM等工具，借助其天然的分辨特长，和来自隧道探针显微术（STM）量子力学的底气，借助其与纳米压痕光刻技术（NIL）一样的思维角度，轻松完成了已经成为电子束瓶颈的极限尺寸量测任务。

明眼人不难看出，只用一类量测手段和工具无法在线量测工艺规范所要求的所有关键尺寸。为了规避这种情况，工艺开发通常使用破坏性量测手段 - 横截面电子显微术（X-SEM），透射电子显微术（TEM）等进行尺寸表征（Thermo Fisher主要供货）。这些离线工具速度慢、成本高昂，并且采样和量测的整体通量低下，是不得已的选择。

先进的工艺需要精确量测复杂结构上的多个复杂细节，随着FinFET、3D-NAND、Multi-Pattern、DRAM等令人乍舌的复杂沟槽结构的出现，以及IBM骤然发布的GAA 2nm变态制程节点，例如侧壁角度（Side Wall Angle），轮廓（Profile），垫片宽度（Sapcer Widths），垫片下拉（Spacer Pull-Down），外延接近（Epitaxial Proximity），基础/底切（footing /undercut），溢出/底部填充（overfill /underfill ）等，而且所有这些特征的尺寸都需要控制在单微束埃的精度水平。为了应对这些不断增长的量测挑战，晶圆厂没有比任何时候更加需要通过引入混合量测技术（Hybrid Metrology），合体使用来自多种设备类型的量测手段，以实现或改进一个或多个关键参数的测量，来彻底改变这一怪兽级别行业的尺寸量测功能的需求。图中描述了量测对象及虚拟混合量测生态系统设想。

现在是时候电子束量测低下高贵的头颅了，因为只有合体混动式量测技术和设备，才能把从不同工具获得的数据集合在一起，拿到量测对象的关键的优质的信息，更好地全面细致地了解晶圆的光刻及整体制造过程。以OCD，SEM和AFM这“三体”集成的横跨光源分辨率限制的混合式量测手段和设备，可以毫不夸张地成为晶圆量测的“革命性”方法，通过焊接三类工具的强项，从而可以分离每个单项工具中严重耦合的参数。混合量测技术对晶圆关键尺寸这朵小花实施了几种不同技术维度的交叉施肥。特别需要承认的是：一个量测手段可以提供另两个无法拿出的样品信息，反之亦然。这样的“三体”手段既可以从所有工具上获得相对独立的通用信息，也可将这“三体”相互交叉、引用以提高最终数据的准确性。换句话说就是：参数之间的干扰相关性降低，从而获得了更好的准确性。让我们把这个脑洞接着开大，就是发挥“三体”量测技术和设备工具的平衡术：由于混动量测技术结合了来自不同手段的信息，因此通常有一种更有效率的方法可以将每个手段按其所长分配给样品，来自一类工具和手段的数据可以与另一类交换，并以互补或协同的方式使用，在速度和测量精度方面提高其整体性能。图中的仿真模拟算法为我们显示了混合量测技术的引入是如何解耦两个几何参数的（SWA和TCD），对比这两个参数在没有混合量测技术的情况下是如何以非物理方式耦合的。

综上所述，混合量测技术和设备使晶圆厂能够成功量测目前难以使用单个工具可靠量测的复杂结构；通过执行混合量测技术，可以获得增强的量测性能，重拾晶圆量测顶到技术天花板而逐渐失去的信心，是晶圆量测手段和设备的未来。