40年半导体量测史，芯片微缩背后的技术接力

大约在2005年之前，半导体行业的发展路径几乎可以预判。摩尔定律指引晶体管密度微缩，登纳德缩放定律保障功率密度保持稳定，并且这一切实现的同时，成本仅小幅上涨。但自2000年代中期开始，原有发展路径逐渐失效，促使行业逐步引入新材料、更先进的光刻与图形化工艺，以及全新器件架构。展望未来，受人工智能爆发式增长及其多元化需求驱动，想要延续摩尔定律，就必须开拓全新技术方向。除平面维度微缩（XY方向缩放）之外，全系统栈协同优化将成为前进方向，而3D集成（Z方向缩放）是其中关键支撑技术之一。

器件复杂度提升、平面微缩技术迭代，叠加3D集成技术兴起，对量测与检测技术提出不断变化的新要求。在半导体制造中，量测检测的重要性怎么强调都不为过：它通过管控制造工艺，保障芯片良率、性能与可靠性。在此过程中诞生了诸多全新量测技术，其中不少由imec（比利时微电子研究中心）及其量测领域合作伙伴率先研发，用于补充早期传统技术。

本文中，imec量测领域专家回顾晶圆厂内部40年的量测与检测技术发展历程，对应逻辑工艺微缩路线图的四个发展阶段，并给出imec对未来技术路线的判断。本次回顾的起点为1986年，原子力显微镜（AFM）、宽带等离子体（BBP）等量测技术在这一年首次投入应用，如今已是先进半导体制造不可或缺的组成部分。

图1 imec自1986年以来逻辑微缩路线图，标注光刻与器件领域重大创新

晶圆厂量测与检测的核心驱动指标：准确度、缺陷检出能力、精密度、吞吐量、成本与可持续性

晶圆厂半导体量测、检测技术贯穿芯片加工全流程，用于工艺验证（检验工艺是否满足设计规格）或者工艺控制。工艺控制流程为：加工产品样片，测量关键参数，调整工艺参数，让下一片加工晶圆更贴合设计指标。

开发晶圆厂全新量测检测技术，需要综合多项评判标准。量测工具的核心要求是准确度，主要用于测量量化尺寸参数，例如图形结构的关键尺寸（CD）。检测技术的评判标准有所不同，目标是在晶圆多个工艺节点检出各类缺陷，核心看重晶圆级缺陷检出能力，不需要做尺寸测量。

无论是量测还是检测，在晶圆厂实际工况下，还需要满足精密度、吞吐量指标，同时兼顾成本与绿色可持续要求。

黄金缩放时代：光学量测为主，电子束、散射测量工具登场

1986‑2005年属于 “顺畅缩放时代”：半导体行业依靠芯片器件的尺寸缩小实现迭代，曝光机采用KrF光刻系统，工作波长248纳米。

量测检测领域以光学设备为主，例如光学显微镜、椭偏仪，依靠光源与被测结构相互作用完成检测。光学设备用于测量线宽、膜层厚度、套刻误差，同时承担晶圆检测工作。早期大多依靠人工完成，采样样本数量少，量测检测仅用于工艺验证。

随着器件尺寸持续缩小，逻辑工艺推进至130nm节点，分辨率要求进一步提升，电子束相关技术逐步落地：CD‑SEM（关键尺寸扫描电镜）测量线宽；Review‑SEM用于缺陷复核与分类；检测型SEM完成晶圆级缺陷检测。

尺寸微缩同时压缩了多层图形之间的套刻误差容限，比如后端金属层之间的套刻。好在1990年代量测技术持续迭代，自动化、采样能力、准确度全面提升，行业得以利用套刻测量实现层间偏移的管控与修正。

顺畅缩放时代末期，散射测量技术问世。这是一种基于衍射原理的新型光学量测工具，利用周期性结构对光线的散射效应工作。该技术不仅可以测量更小周期图形的线宽，还可以获取图形高度、轮廓等额外信息。因其非破坏性、高吞吐量的特点，迅速成为晶圆厂管控先进工艺的核心设备。

器件创新与193nm浸没式光刻：新材料表征与工艺诱发缺陷检测需求

2000年代初至2011年前后，摩尔定律的完美缩放路径首次出现偏离。为延续摩尔定律、保障性能提升，90nm MOSFET器件在硅导电沟道引入应力，例如在源漏区生长硅锗应力层，以此提升载流子迁移率。45nm节点起，传统二氧化硅 / 多晶硅栅堆叠被高k介质‑金属栅堆叠取代，重新实现栅极对沟道的管控，改善短沟道效应。

将新材料作为性能提升的技术手段，给量测带来全新挑战：需要实现新材料的表征。X射线技术由此进入产线：在线X射线衍射（XRD）表征应力沟道；在线X射线光电子能谱（XPS）用于高k‑金属栅的检测分析。

光刻方面，持续尺寸微缩对分辨率提出更高要求，ArF光刻系统登场，曝光波长相比KrF更短，为193nm。从干式193nm光刻，进一步演进到193nm浸没式光刻机。该技术将镜头与晶圆之间的介质由空气替换为水，数值孔径提升45%，以此形成更高分辨率光刻图像。

但分辨率提升也带来新问题：水会产生气泡缺陷，检测设备需要能够在整片晶圆上识别这类微小的工艺诱发缺陷。

193nm浸没式光刻推动宽带等离子体设备正式进入晶圆产线，该设备采用激光泵浦等离子体光源，时至今日依旧用于先进器件结构表征以及后端工艺缺陷检测。

FinFET时代与多重图形化：套刻路线要求提升、EPE指标诞生、初代3D量测技术

第三个阶段为FinFET时代，是晶体管发展史上一次重大架构变革。FinFET中源漏之间的导电沟道为三维鳍状结构，栅极从三个方向包裹沟道。22nm节点引入该多栅架构，缓解栅长缩短带来的短沟道效应恶化问题。

三维器件的萌芽，开启了3D量测时代。上一阶段诞生的散射测量技术，在三维场景下充分发挥能力。行业同时提出混合量测思路：融合多种技术，例如光学关键尺寸量测（OCD）与CD‑SEM，获取更多、更精准的参数信息。

同一时期光刻图形化迎来历史性变化：为等待极紫外（EUV）光刻量产成熟，行业采用双重图形化技术延伸193nm光刻的生命周期。双重 / 多重图形化把一套芯片图案拆分到两块或多块掩模版，以此印刷更小尺寸图形，但制造复杂度与成本随之上升。

双重图形化大幅提升两层图形之间的套刻要求，套刻误差容限被压缩。imec与量测行业提出边缘放置误差EPE指标，描述实际图形位置相对设计目标的偏移。量测行业需要测量所有影响EPE的参数，倒逼套刻工艺控制能力升级，同时CD‑SEM配套全新算法，区分两次光刻图形生成的两组不同关键尺寸。

EUV时代：量测技术应对随机效应

2019年，半导体行业将0.33NA低数值孔径EUV光刻用于7nm逻辑芯片量产。EUV曝光采用13.5nm波长，相比193nm，抵达晶圆的光子数量大幅减少，带来光刻随机效应，在印刷图形上引入随机偏差。imec及其合作伙伴针对随机效应开展大量先导研究，推动对应量测技术迭代 。

图2（上）EUV曝光光子数下降引发随机效应；（下）表现为线粗糙度上升

随机效应主要分为两类，每一类都催生量测技术创新。

第一类，随机效应加剧线条粗糙度，包含线边缘粗糙度、线条顶部粗糙度。改进型CD‑SEM实现无偏粗糙度测量，消除设备自身噪声干扰，还原图形真实粗糙度；原子力显微镜AFM则用于表征线条顶部粗糙度。

第二类为随机缺陷，表现为随机的线条桥接、线条断裂、接触孔闭合或桥连。需要同时满足两项矛盾需求：检出10nm甚至更小的缺陷，同时完成整片晶圆大范围扫描。单一技术很难兼顾。光学检测可以扫描大片区域，但对微小缺陷检出能力不足；电子束检测对微小缺陷灵敏度高，但整片晶圆检测吞吐量过低。解决方案是两种技术结合，完成EUV图形缺陷表征，确定EUV光刻的无失效工艺窗口。

未来量测与检测路线图：兼顾XY平面与Z向缩放，降低量测环节碳足迹

尺寸微缩依旧是逻辑工艺演进、释放下一代AI算力的基础。当前行业使用0.33NA EUV加工3nm、2nm逻辑节点关键层。与此同时，imec及产业伙伴全力推进0.55NA高NA‑EUV光刻技术，支撑2nm以下节点，实现更高分辨率，减少多重图形化依赖，同时支持1.5D、2D、曲线图形等新型设计 。

图形工艺迭代之外，器件架构与材料迎来颠覆性创新。环绕栅纳米片晶体管已经商用落地；按照imec逻辑路线图，A7节点之后互补型场效应晶体管CFET将会登场。器件架构持续向三维发展。存储领域同样如此，3D NAND成为主力存储，DRAM向三维架构演进。三维技术还催生全新芯片互连方案，例如背面供电网络、CFET器件背面接触。未来计算系统高度依赖3D集成，包括芯片‑晶圆、晶圆‑晶圆混合键合。

重大挑战：XY缩放与Z缩放对量测提出差异化要求

以上技术演进，为量测检测带来机遇与巨大挑战。

XY平面微缩（先进光刻图形化）：需要更高平面分辨率；表征曲线轮廓；大晶圆面内检出微小缺陷；同时具备纵向灵敏度，解析轮廓多变的结构。

Z向缩放（三维器件、三维集成）：需要表征多层堆叠、高深宽比结构；穿透不透明材料；适配多尺度表面形貌；完成晶圆边缘、晶圆背面的测量。

imec量测检测技术路线图

上述挑战构成imec量测、检测、表征路线图，明确各类技术成熟落地、实现产业应用的时间节点。

图3 imec面向先进光刻、逻辑、存储、封装的量测检测表征路线图

两大方向驱动技术演进：硬件创新、数据技术深度应用。

1. 硬件迭代提升灵敏度：更高加速电压电子束量测提升分辨率；更短波长光学量测捕获微小缺陷；X射线实现硅更深层探测。同时兼顾吞吐量与分辨率、缺陷灵敏度：多头原子力显微镜、多电子束检测已经验证可以实现高吞吐微小缺陷检测。

2. 数据与算法补齐能力短板，提升量测性能。其一，AI算法对电子束图像等原始测量数据降噪。其二，虚拟量测（无实体测量量测）：实体量测设备采集的数据，搭配虚拟量测模型做推演扩展。虚拟量测依托工艺设备传感器采集的功率、温度、气体流量等工况数据，预测量测结果。

图4 虚拟量测工作原理

降低碳足迹

当前与未来研发同样重视降低量测检测的碳排放。imec利用imec.netzero虚拟晶圆厂模型，量化28nm逻辑工艺中量测环节的环境影响。对比刻蚀、薄膜沉积等其他工艺，量测本身碳排放占比相对有限。但在关键工艺节点精准完成量测，能够提升良率、减少报废，因此量测对降低芯片制造的环境负担具备重要价值。

图5 28nm逻辑工艺各工序总碳排放，基于imec.netzero v6.1.57平台输出

总结

回望40年发展，各类全新量测检测技术不断涌现，丰富工具集，应对持续尺寸微缩与工艺复杂度上涨。imec及其量测领域合作伙伴，在支撑逻辑工艺路线图的新技术研发中扮演重要角色。

早期单纯依靠光学的技术并未被淘汰，经过迭代升级，至今仍是先进芯片工艺验证、工艺控制的核心组成。未来XY方向持续微缩叠加Z向三维集成普及，会进一步扩充量测工具库，既有硬件持续升级，数据算法的占比也会不断提高。

未来40年，量测行业机遇广阔，同时也带来诸多疑问：自动化与AI在量测领域深度普及，如何保障测量数据具备物理实际意义？量测工程师的定位将如何变化？需要新增哪些传感器赋能虚拟量测？还有哪些实验室技术可以迁移至晶圆产线？