芯片垂直狂奔，计量技术拖了后腿

在半导体领域，传统检测方式以自上而下观测为主。光学量测设备与临界尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM），均围绕平面尺寸微缩完成优化，核心难点集中在硅片表面的制程线宽缩减。在晶体管架构仍以平面结构为主、便于检测的阶段，这套方案行之有效。

然而如今，先进制程的制造工艺不断向Z轴（纵向）延伸。环绕栅极晶体管、凹陷纳米片、高带宽内存（HBM）、三维堆叠闪存、混合键合以及下一代互补场效应晶体管（CFET）等器件，结构变得更细、更深，检测难度大幅提升。器件的关键工艺偏差不再只出现在表层，更多存在于隐蔽侧壁与凹陷区域。

imec先进光刻工艺副总裁Philippe Leray在接受采访时表示：“尺寸微缩不再局限于XY平面，纵向Z轴的工艺迭代愈发关键。我们越来越需要深入器件内部，完成缺陷、材质、表面粗糙度以及尺寸偏差的表征分析。”

传统透射电子显微镜（TEM）能够生成精度极高的截面图像，但该技术属于有损检测，仅能针对极小区域开展分析，且检测速度无法满足埃米级制程对大批量统计数据的需求。晶圆厂如今亟需可在线运行、无损的检测方案，实现对整片量产晶圆工艺偏差的实时监控。

这一行业趋势，让高速原子力显微镜（AFM）、扫描探针技术、新一代X射线设备，以及融合多种检测技术的复合量测平台重新受到关注。

传统量测技术为何难以适配先进制程

光学量测设备与临界尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）依旧是先进制程工艺管控的核心设备，但二者的设计初衷，都是基于可自上而下完成尺寸测量的平面器件时代。

在先进逻辑芯片、存储器及封装结构中，大量关键工艺偏差产生于纳米级深沟槽的隐蔽侧壁。侧壁粗糙度、沟槽波纹、侧向刻蚀、刻蚀轮廓的细微变化，都会直接影响晶体管性能、漏电情况、良率与长期可靠性。

Nearfield Instruments创始人兼首席执行官Hamed Sadeghian指出，这已成为传统检测技术日益凸显的短板。他表示：“无论是三维闪存、动态随机存取存储器、高带宽内存还是逻辑芯片，先进制程器件普遍具备窄而深的结构。”

传统CD-SEM可实现高精度的顶面测量，却难以完整表征深沟内部的隐蔽侧壁。“CD-SEM能清晰呈现器件顶面样貌，却无法反映侧壁的真实状态。”Hamed Sadeghian说道。

这一难题并非仅存在于逻辑晶体管领域。先进封装与混合键合技术同样持续向纵向发展，衍生出更多隐蔽界面与高深宽比结构，传统检测手段对此束手无策。

此外，传统量测大多针对专用工艺监控标记区开展检测，而非直接测量量产晶体管本身。“传统量测一般选取晶圆切割道内的专用靶标、标记或测试结构，”Hamed Sadeghian解释道，“这些并非实际器件结构，其所处工艺环境、光刻效果都与核心器件区域存在差异，测量结果无法真实反映器件本身的状态。”

行业对透射电子显微镜（TEM）依赖度提升，也侧面体现出半导体工艺管控面临的全新挑战。TEM仍是观测隐蔽结构与侧壁精度最高的手段之一，但它从设计之初就无法满足先进制程的批量统计检测需求。

使用TEM开展分析时，必须将晶圆切割取样、脱离产线，才能制作截面样本进行观测。“晶圆会离开正常生产流程。”Hamed Sadeghian表示。

这套流程不仅会破坏样品，检测速度慢，且采样范围极小。即便工作人员能获取某一处结构的精细数据，也无法掌握整片晶圆的整体工艺偏差。“我们已经迈入埃米制程时代，”Philippe Leray说道，“想要达到埃米级的检测精度，就必须依托海量统计数据。”

在先进制程中，工艺管控不再只是判断单一结构是否符合规格。厂商需要掌握数十亿颗晶体管、整片晶圆上复杂三维结构的细微偏差分布规律。这也彻底改变了量测技术的定位。晶圆厂不再依靠少量点位的高精度单点测量，而是需要海量检测数据，从统计维度把控全流程工艺偏差。

传统透射电子显微镜虽能解析精细结构，但取样范围小、且需破坏样品，无法适配在线量产环节的大批量统计检测需求。在此背景下，行业开始大力研发可在线运行、无损的检测技术，实现生产全流程的全域结构观测。

原子力显微镜（AFM）再度兴起

行业需求的转变，让原子力显微镜（AFM）重回大众视野。该技术可在不损伤晶圆的前提下，获取高精度结构数据。原子力显微镜问世已有数十年，凭借超高的表面分辨率被广泛应用，但传统设备并非为先进制程中愈发普遍的窄深沟槽结构所设计。

如今，复杂三维结构的批量统计检测需求，推动高速原子力显微镜技术再度发展。Philippe Leray表示：“利用原子力显微镜获取统计检测数据，自然成为行业探索的方向。”

目前多家企业正针对半导体先进制程，优化扫描探针类技术。Nearfield Instruments便是其中之一，该企业依托原子力显微镜技术，实现高深宽比结构内部隐蔽侧壁的检测，并与imec展开合作，共同攻克互补场效应晶体管、高深宽比结构、高数值孔径极紫外光刻（高NAEUV）以及先进封装领域的工艺管控难题。

Nearfield Instruments的技术方案，力求在在线无损检测的前提下，达到媲美透射电子显微镜的结构观测能力。其推出的QUADRA平台，依靠极细的原子力显微镜探针对纳米级结构内部进行扫描。但沟槽尺寸不断缩小，探针也必须同步细化才能进入结构内部。而超细探针会在与侧壁原子产生相互作用时发生形变，进而造成测量失真、精度下降。

Hamed Sadeghian说：“探针做到极致纤细后，即便能够伸入沟槽，也无法测出结构的真实形态。”对此，该公司搭载了扭力感应传感技术，直接捕捉探针与侧壁的相互作用信号，而非将其当作测量噪声过滤。

这项技术的目标，不只是优化轮廓测量效果，更是在在线生产环节完整还原隐蔽结构全貌。“我们不只是输出单一切面轮廓，而是呈现完整立体图像，”Hamed Sadeghian打比方称，这就好比从只看到一面墙体截面，升级为俯瞰整座城市的三维全景。

据该企业介绍，这套技术可检测开口尺寸低至约15纳米、深度对应的深宽比超100的结构，且完全适配半导体在线量产流程。

量测技术成为制程微缩的瓶颈

Hamed Sadeghian认为，侧壁管控能力的提升，最终不仅会影响制造良率，还将赋能大型人工智能基础设施实现能效优化。“侧壁管控做得越好，芯片工作所需电压就越低，试想将这项优势普及到人工智能数据中心的海量芯片中，效益将十分可观。”

在线无损检测还能减少用于有损分析的晶圆损耗，同时缩减晶圆厂内配套失效分析设施的投入。随着半导体制造工艺日趋复杂，量测与检测环节在整条产线中的占比持续提升，战略地位也愈发重要。Philippe Leray表示：“产线中的量测、检测工序不断增加，其增幅甚至高于其他生产环节。”

imec与Nearfield Instruments均认为，单一检测技术无法解决未来所有工艺管控难题。行业正逐步走向技术融合，结合光学、电子束、X射线、原子力显微镜及数据分析系统，全方位解析先进半导体的内部复杂结构。

在Philippe Leray看来，半导体行业目前最大的技术难题，就是彻底看清日趋封闭的三维器件内部构造，而这一挑战还在不断加剧。“器件内部纵深大、可视性差，且我们需要捕捉的缺陷与偏差又极其微小。”