枢纽尺寸丈量：CD-SEM 丈量+OCD 丈量

　　枢纽尺寸丈量：CD-SEM 丈量+OCD 丈量。当前行业枢纽尺寸丈量次要接纳扫描电子显微镜测 量（CD-SEM）和光学线宽丈量（OCD）两种方法。扫描电子显微镜丈量（CD-SEM）作为传统 的丈量手艺，可完成纳米级标准的尺寸丈量，但也存在丈量速率慢、本钱高、装备操纵复 杂的缺陷。与之比照，光学丈量手艺具有速率快、本钱低、无打仗对样本无损的长处。在 IC 制作中，使用光学道理对纳米构造 CD（枢纽尺寸）、高度、侧壁角等描摹参数的丈量主 要接纳“非成像式光学手艺——光学散射仪”，也称为 OCD 丈量仪。CD-SEM（电子束枢纽尺寸丈量）：当前市场支流产物型号包罗 AMAT 的 VeritySEM 系列和 PROVision 系列，和日立高科的 SEM 系列；国产打破上看，东方晶源面向 8 吋产线的首台 CD-SEM 装备 SEpA@-C300 系列已于 2022 年 4 月出货给燕东微，面向 12 吋产线 月出机中芯国际。

　　环球格式上，KLA 不断处于抢先职位，其推出的 Surfscan SP 系列产物可完成晶圆外表纳米 级缺点的检测常识产权案例，最新推出的 Surfscan SP7XP 缺点检测体系可检测 5nm 及以下的缺点。国产角 度看，今朝中科飞测已推出 SPRUCE-600 和 SPRUCE-800 两大型号产物，别离使用于 130nm 及以上节点和 2Xnm 以上节点，部门完成国产替换；最小活络度目标上来看，SPRUCE-800 最 小活络度 23nm，与 KLA SP3 相称；吞吐量上看，KLA SP3 大于 100wph，中科飞测 SPRUCE800 在 26nm 活络度时吞吐量为 25wph，国产装备仍有提拔空间。

　　缺点检测装备市场占比 62.6%，量测装备市场占比 33.5%。按照中商财产研讨院数据，2020 年半导体量检测装备市场构造中，检测装备占比为 62.6%，包罗无图形晶圆缺点检测装备、 图形晶圆缺点检测装备、纳米图形缺点检测装备、掩膜检测装备等，此中纳米图形缺点检 测装备需求最大，团体占比 24.7%；量测装备占比为 33.5%，包罗三维描摹量测装备、薄膜 膜厚量测装备（晶圆介质薄膜量测装备）、套刻精襟怀测装备、枢纽尺寸量测装备、掩膜量 测装备等，此中枢纽尺寸丈量使用占比 18.3%（包罗电子束枢纽尺寸丈量）。

　　工艺目标上看，半导体工艺掌握装备装备=检测+量测。使用于前道制程和先辈封装的质量 掌握按照工艺可细分为检测（Inspection）和量测（Metrology）两大环节。检测指在晶圆 外表上或电路构造中，检测其能否呈现异质状况，如颗粒净化、外表划伤、开短路等对芯 片工艺机能具有不良影响的特性性构造缺点；量测指对被观察的晶圆电路上的构造尺寸和 质料特征做出的量化形貌，如薄膜厚度、枢纽尺寸、刻蚀深度、外表描摹等物理性参数的 量测。

　　掩模板缺点检测：光刻光源从 DUV 到 EUV 时期，对掩模版缺点检测提出了更高的请求。在光刻工艺中，必需事前设想并制备一组具有特定多少图形的光刻掩模（mask），作为复制 批量消费用版，供光刻工艺暴光之用。在实践的光刻掩模消费制作过程当中，也不成制止地 会存在各类缺点，并且这些缺点会经过光刻工艺批量复制到一切硅片中。跟着光刻工艺进 入 KrF 及 ArF 光源主导的深紫外（DUV）光刻时期，掩模偏差加强因子也将在暴光过程当中 明显地增长，掩模枢纽尺寸平均性与掩模缺点愈来愈难以掌握，同时掩模上的缺点尺寸逐 渐从百纳米量级缩减至数十纳米量级，这对掩模缺点检测波长与光刻波长的波长分歧性、 缺点检测活络度、缺点检测服从提出了更高的请求。日本 Lasertec 公司在 EUV 掩模缺点检测范畴占有把持职位，其研制出了首台 EUV 掩模缺 陷检测体系 ACTIS A150。ACTIS A150 利用了 13.5 nm 波长的 EUV 光源，可分辩半周期 为 35 nm 的光栅掩模，完成了 20 nm 以下标准的掩模构造缺点的检测。

　　到达或靠近光学体系极限分辩率的状况下，最新的光学检测手艺已不再简朴地依托剖析晶 圆的图象来捕获其缺点，而需分离深度的图象旌旗灯号处置软件和算法，在有限的信噪比图象 中寻觅微小的非常旌旗灯号。晶圆检测和量测的算法专业性很强知识星球 批量下载，检测和量测装备关于检测速 度和精度请求十分高，且装备从研发到财产化的周期较长。因而，今朝市场上没有能够直 接利用的软件。业内企业均在本人的检测和量测装备上自行研制开辟算法和软件，将来对 检测和量测装备相干算法软件的请求会愈来愈高。

　　半导体量检测装备厂商关于尺度零部件凡是接纳向供给商直采的形式，而部门枢纽零部件 则由公司设想并由供给商根据设想请求的规格制作。从中科飞测比年供给商来看，活动与 掌握类零部件次要供给商包罗日本的 Rorze、韩国 Soonhan、华卓精科、美国 AEROTECH、美 国 Brooks、北京锐洁机械人等；光学类零部件供给商次要为美国相关公司、日本滨松光子 学等。行业部门枢纽零部件仍次要依靠美日厂商，国产化水平仍相对偏低。

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　　在实践使用中，光学与电子束手艺常常互补共同利用，即当光学手艺检测到缺点后，用电 子束重访已检测到的缺点，对部门枢纽地区外表尺襟怀测的抽检和复查，确保装备检测的 精度和速率。两种手艺之间存在劣势互补的状况。

　　光学检测：检测速率快，比电子束快 1000 倍以上。光学检测手艺基于光学道理，经由过程对光 旌旗灯号停止计较阐发以得到检测成果，光学检测手艺对晶圆的非打仗检测形式使其具有对晶 圆自己的毁坏性极小的劣势；经由过程对晶圆停止批量、快速的检测，可以满意晶圆制作商对 吞吐才能的请求。在消费过程当中，晶圆外表杂质颗粒、图案缺点等成绩的检测和晶圆薄膜 厚度、枢纽尺寸、套刻精度、外表描摹的丈量均需用到光学检测手艺。电子束检测：电子束波长比光波短，因此检测精度高，目上次要用于电子束缺点检测和电 子束缺点复查。电子束检测手艺是指经由过程聚焦电子束至某一探测点，逐点扫描晶圆外表产 生图象以得到检测成果。电子束的波久远短于光的波长，而波长越短，精度越高。因而， 电子束检测手艺的相对低速率招致其使用处景次要在对吞吐量请求较低的环节，如纳米量 级标准缺点的复查，部门枢纽地区的外表尺襟怀测和部门枢纽地区的抽检等。

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　　接纳更短波长光源、利用更大数值孔径光学体系进步光学分辩率。跟着 DUV、EUV 光刻手艺 的不竭开展，集成电路工艺节点不竭晋级，对检测手艺的空间分辩精度也提出了更高请求。今朝开始进的检测和量测装备所利用的光源波长已包罗 DUV 波段，可以不变地检测到小于 14nm 的晶圆缺点，而且可以完成 0.003nm 的膜厚丈量反复性。检测体系光源波长下限进一 步减小和波长范畴进一步拓宽是光学检测手艺开展的主要趋向之一。别的，进步光学体系 的数值孔径也是提拔光学分辩率的另外一个打破标的目的，以图形晶圆缺点检测装备为例，光学 体系的最大数值孔径已到达 0.95，探测器每一个像元对应的晶圆外表的物方平面尺寸最小已 小于 30nm。将来，为满意更小枢纽尺寸的晶圆上的缺点检测，必需利用更短波长的光源， 和利用更大数值孔径的光学体系，才气进一步进步光学分辩率。

　　半导体工艺掌握装备次要包罗“面向晶圆制作的前道检测”和“面向先辈封装的中道检测”。传统的集成电路工艺次要分为前道和后道，跟着集成电路行业的不竭开展前进，后道封装 手艺向晶圆级封装开展，从而衍生出先辈封装工艺。先辈封装工艺指在未切割的晶圆外表 经由过程制程工艺以完成高密度的引脚打仗，完成体系级封装和 2.5/3D 等集成度更高、尺 度更小的器件的消费制作知识星球 批量下载。因而，集成电路工艺进一步细分为前道制程、中道先辈封装和 后道封装测试；贯串于集成电路范畴消费历程的质量掌握环节进一步可分为前道检测、中 道检测和后道测试。前道检测次要是针对光刻、刻蚀、薄膜堆积、洗濯、CMP 等每一个工艺 环节的质量掌握的检测；中道检测面向先辈封装环节，次要为针对重布线构造、凸点与硅 通孔等环节的质量掌握；后道测试次要是操纵电学对芯片停止功用和电参数测试，次要包 括晶圆测试和废品测试两个环节。我们本文所议论的半导体检测和量测装备次要包罗面向 晶圆制作环节的前道检测和面向先辈封装环节的中道检测两大部门。

　　从手艺道理上看，检测和量测包罗光学检测手艺、电子束检测手艺和 X 光量测手艺等。目 前，在一切半导体检测和量测装备中，使用光学检测手艺的装备占大都。光学检测手艺、 电子束检测手艺和 X 光量测手艺的差别次要体如今检测精度、检测速率及使用处景上。根 据 VLSI Research 和 QY Research 的陈述，2020 年环球半导体检测和量测装备市场中， 使用光学检测手艺、电子束检测手艺及 X 光量测手艺的装备市场份额占比别离为 75.2%、18.7%及 2.2%，使用光学检测手艺的装备占比具有抢先劣势，电子束检测手艺亦具有必然 的市场份额。

　　无图形晶圆缺点检测：无图形晶圆普通指裸硅片或有一些空缺薄膜的硅片，后者次要用作 测试片，检测的缺点次要包罗外表的颗粒、残留物、刮伤、裂纹等，这些缺点会影响后续 工艺质量，终极影响产物良率。今朝，国际支流无图形缺点检测装备次要接纳“暗场散射” 道理，即用单波长光束映照晶圆外表，光束会被晶圆外表反射，但当光束碰到晶圆外表的 缺点时，缺点会散射一部门激光常识产权案例网，装备经由过程领受收罗缺点散射光旌旗灯号判定缺点品种和地位。

　　半导体工艺掌握装备对芯片良率相当主要，跟着制程微缩需求倍增。支流半导体系体例程正从 28/14nm 向 10/7/5/3nm 开展，三维 FinFET 晶体管、3D NAND 等新手艺亦逐步成为今朝行业 内支流手艺。跟着手艺的前进开展，集成电路前道制程的步调愈来愈多，工艺也愈加庞大。28nm 工艺节点的工艺步调无数百道工序，因为接纳多层套刻手艺，14nm 及以下节点工艺步 骤增长至近千道工序。按照 Yole 的统计，工艺节点每缩减一代，工艺中发生的致命缺点数 量会增长 50%，因而每道工序的良品率都要连结在十分高的程度才气包管终极的良品率。当工序超越 500 道时，只要包管每道工序的良品率都超越 99.99%，终极的良品率方可 超越 95%；当单道工序的良品率降落至 99.98%时，终极的总良品率会降落至约 90%，因而， 制作过程当中对工艺窗口的应战请求险些“零缺点”。检测和量测环节贯串制作全历程，是保 证芯片消费良品率十分枢纽的环节。跟着制程愈来愈先辈、工艺环节不竭增长，行业开展 对工艺掌握程度提出了更高的请求，制作过程当中检测装备与量测装备的需求量将倍增。

　　电子束缺点检测与复检：经由过程聚焦电子束扫描样片外表发生样品图象以得到检测成果常识产权案例，具 有高精度、速率较慢的特性，凡是用于纳米级标准缺点的复查和部门枢纽地区的抽检等。今朝，使用质料在电子束量检测手艺方面占有主导职位，2021 年环球市占率 51%；其推出 推出电子束缺点复检系列产物 SEMVision G10 和电子束缺点检测系列产物 PrimeVision 10两大系列产物。国际巨子 KLA 在 1998 年收买 Amray Inc 公司后得到电子束检测手艺，今朝 已推出电子束图形晶圆检测体系 eSL10 和电子束缺点复检体系 eDR7xxx 两大系列。

　　OCD（光学枢纽尺寸量测）：光学散射丈量素质上是经由过程丈量周期性纳米构造的散射信息， 求解逆散射成绩来重构纳米构造的三维描摹常识产权案例网。因而，其根本流程次要包罗两个成绩，即正 成绩和反成绩。正成绩是经由过程适宜的散射丈量安装获得待测纳米构造的散射信息，次要涉 及仪器丈量成绩；反成绩是从丈量获得的散射数据中提取待测纳米构造的三维描摹参数。今朝，市场支流型号次要包罗 KLA 的 SpectraShape 系列和 Onto Innovation 的 Aspect 系列、Atlas 系列和 IMPULSE 系列；国产打破上，上海精测 OCD 产物 IM 系列已获得多家批 量定单。

　　有图形晶圆缺点检测：有图形缺点检测是指晶圆在光刻、刻蚀、堆积、离子注入、抛光等 工艺过程当中知识星球 批量下载，对晶圆停止检测，次要的缺点不只包罗纳米颗粒、凸起、突出、刮伤、断线、 桥接等外表缺点，还包罗浮泛、质料身分不服均等亚外表和内部缺点。图形化晶圆缺点检 测体系将测试芯片的空间像与相邻芯片的空间像停止比力，以得到唯一非零随机缺点特性 旌旗灯号的空间差分图象。今朝，财产界支流的图形构造检测装备仍旧是基于光学显微镜手艺 的明场或暗场成像道理。明场照明是最经常使用的照明设置，凡是包罗与搜集光路大抵重合的 定向照明光路，暗场照明是指与搜集光路较着别离的定向照明光路，暗场照明在对高反射 外表成像或发生边沿效应的情况中非常有用。别的，电子束也使用于部门缺点检测及复检 场景。在明场/暗场缺点检测范畴，KLA 一样处于抢先职位，其明场缺点检测装备次要分为 29xx 和 39xx 两大系列，29xx 系列最新产物 2950/2955 和 39xx 系列 3920/3925 都可以使用于 7nm 及 以下节点；国产厂商中，上海精测明场光学缺点检测装备已获得打破性定单常识产权案例网，且已完成首 台套托付。KLA 暗场有图形缺点检测装备次要为 PUMA 系列，最新 PUMA 9980 可以使用于 1Xnm。

　　缺点检测（62.6%）=光学检测（51.9%）+电子束检测（10.7%）。在缺点检测环节，无图形 晶圆检测、图形晶圆检测和掩膜版缺点检测凡是接纳光学检测手艺，合计占比 51.9%，而 电子束手艺次要用于部门枢纽地区的检测和缺点复检，合计占比 10.7%。

　　套刻偏差：确保电路当前层与参考层图形正瞄准。套刻偏差是指 IC 制作中晶圆受骗前层图 形相对参考层图形沿 x 和 y 标的目的的偏向，幻想状况是当前层与参考层的图形正瞄准，即 套刻偏差是零。为了包管在高低两层中所设想的电路可以牢靠地毗连，当前层与参考层的 套刻偏差必需小于图形特性线。套刻偏差的快速丈量与准确评价，是光刻机运 行参数优化与工艺良率办理的枢纽。

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　　半导体工艺掌握装备作为贯串晶圆制作全历程、不成或缺的质量掌握装备，触及光学、物 理学、机器学常识产权案例、算法等多范畴学科，，对装备供给商的手艺气力和跨学科手艺资本的整合能 力有较高请求。硬件层面，装备触及的零部件品种和型号繁多，差别型号和规格的零部件 数目高达上千种。按大类来看，次要可分为六大类：活动与掌握体系类、光学类、电气类、 机器加工件、机器尺度件及其他部件；此中，活动与掌握体系类和光学类零部件为半导体 量检测装备中心零部件。

　　半导体质量掌握装备是晶圆厂的次要投资收入之一，装备的性价比是其选购时的主要思索 身分。质量掌握装备检测速率和吞吐量的提拔将有用低落集成电路制作厂商的均匀晶圆检 测本钱常识产权案例，从而完成降本增效。因而，检测速率和吞吐量更高的检测和量测装备可协助下流 客户更好地掌握企业本钱，进步良品率。整体上，集成电路检测和量测手艺的开展显现出以下趋向：跟着集成电路器件物理标准的 减少，需求检测的缺点标准和丈量的物理标准也在不竭减少；跟着集成电路器件逐步向三 维构造开展，关于缺点检测和标准丈量的请求也从二维平面中的检测逐步拓展到三维空间 的检测。为满意检测和量测手艺向高速率、高活络度、高精确度、高反复性、高性价比的 开展趋向和请求，行业内停止了很多手艺改良，比方加强照明的光强、光谱范畴延展至 DUV 波段、进步光学体系的数值孔径、增长照明和收罗的光学形式、扩展光学算法和光学 仿真在检测和量测范畴的使用等，将来跟着集成电路制作手艺的不竭提拔，响应的检测和 量测手艺程度也将连续进步。

　　膜厚丈量：光学膜厚量测不打仗薄膜外表，操纵光学参数（折射率、消光系数等）完成对 薄膜尺寸的的量测。今朝，市场支流膜厚量测装备次要包罗 KLA 的 SpectraFilm 系列和 Aleris 系列。国产打破上，上海精测使用于金属膜厚量测的 MetaPAM 系列已获得多家批量 定单；睿励仪器的 TFX3000 系列已使用在 65/55/40/28 纳米芯片消费线 纳米 工艺的考证，在 3D 存储芯片产线D NAND 芯片的消费，并正在考证 96 层 3D NAND 芯片的丈量机能；中科飞测介质膜厚量测装备已量产，并正在出力停止金属膜厚量 测装备的开辟。

　　2020 年市场构造上看，集成电路制作和先辈封装环节中的量测装备中，OCD（光学枢纽尺寸 量测）/CD-SEM（电子束枢纽尺寸量测）/掩模板枢纽尺寸量测/套刻精襟怀测/晶圆膜厚量 测/X 光量测/三维描摹量测装备别离占比 10.2%/8.1%/1.3%/7.3%/3.5%/2.2%/0.9%。此中 OCD、CD-SEM、套刻偏差量测、膜厚量测占有次要份额。

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