电子束技术在IC缺陷检测的作用逐渐显著

来源：半导体芯科技编译

多年来，检测领域一直被认为是电子束和光学显微镜之间的斗争。然而，越来越多被认为太慢或太昂贵的其他类型的检测正在被加入到这个组合中。

一般来说，光学仪器是检测领域的主力设备，因为它的高吞吐量，而且在未来几年可能仍然如此。但它正被用于研发和故障分析的电子束，以及用于观察芯片深处的原子力显微镜（AFM）等技术所补充。它们是互补的应用的关系，而不是竞争关系。

图1：潜在缺陷的电子束检查。资料

来源。KLA

现在市场上有几种不同的电子束，每一种都在不断发展以更好地平衡速度、分辨率和具体应用。业界所说的电子束实际上是几种电子显微镜的总称。在大约200纳米的阿贝衍射极限以下，光学显微镜基本上都有散光的问题。本应是边缘的东西却显得很模糊，使人无法区分一个物体和另一个物体。虽然超级分辨率光学显微镜可以解决低于阿贝极限的问题，但由于其复杂性，它通常不用于工业环境中。

在真空中运行的一束电子表现为一种波长很短的辐射。电子显微镜基于这一理论被发明。由于这些较短的波长，电子显微镜可以分辨到约0.1纳米，使它们成为对前沿节点进行成像的理想仪器。此外，至关重要的是，电子束可以穿透到三维架构的深沟底部。基于这两个原因，一些专家预测，有一天电子束将完全取代光学检测。然而，这可能取决于该行业解决成本和产量问题的能力。顶级的光学显微镜一般要花费几万到几十万美元，而工业电子显微镜的价格可以轻松超过100万美元。

大多数电子束系统是扫描电子显微镜（SEM），它使用光栅技术。光束在物体上来回移动以建立图像。但是，如果你需要知道芯片成品率，那么这种方法太耗时，而且它提供了太多的细节。因此，因此，量产检测领域一直是光学显微镜的研究对象，光学显微镜成本更低，能更快地对大面积区域成像。而用于计量的关键尺寸的SEM是一个例外。

虽然SEM的光栅化技术能创造出详细的图像，但其来回精度的缓慢性限制了它的使用范围。”一位工厂经理曾经估计，用电子束扫描一个1cm2的芯片可能需要将近一个星期，”约翰逊说。按此速度，我们对300毫米的晶圆进行全面扫描，虽然可以得到非常好效果的照片，但其所需的时间我们难以计算。

这也是电子束技术继续被少用的原因所在。”如果你想在先进节点（如7纳米或5纳米）的制造线上抓住缺陷，你必须检查数十亿的结构，”PDF Solutions的首席技术官Andrzej Strojwas说。”如果你想在生产线上进行检测，晶圆厂会给你不到两个小时的时间，因为他们不能在工艺步骤之间保持晶圆超过两个小时。”

这也是为什么业界普遍确定使用电子束进行初始研发，光学显微镜进行在线检测，电子束再次进行离线检测和故障分析。然而，由于电子束也能进行电压对比检测，因此在只有电压钳能检测到缺陷的情况下，电子束被用于在线检测，例如3D NAND存储器通道孔的极深特征。

矢量扫描

电子束制造商仍然希望通过提供能够提供更快的检查的仪器来扩大他们的市场。与标准的SEM或其他电子束检测硬件不同，PDF使用矢量扫描的方法来定位单个产品结构，如通孔或触点，而不是光栅扫描整个晶圆。其解决方案的一个重要组成部分是一个布局提取工具和分析软件，作为一个指导系统。因此，虽然光学扫描的速度更快，但它缺乏电子束的分辨率。而且，由于它不能检测真正的电气故障，它可能会发现很多最终不影响性能的缺陷。因此，光学的速度优势被审查SEM站重复检查它所标记的每个缺陷的时间所削弱。

图2：不同分辨率和面积的不同强度。资料

来源。KLA

多光束电子束

多年来，业界期待着多光束扫描电镜的出现。多光束仍然是一个扫描SEM，但不是一个光束，该工具通过使用几个光束来实现更快的吞吐量，然后使用算法来结合它们的结果。2020年，ASML推出了一个3 x 3阵列的9个光束的SEM。它最近推出了一个5 x 5阵列的25光束系统，声称它将比单光束电子束工具的吞吐量提高15倍，适合于常规的在线检测，包括电压对比和物理检测。

其他方法

还有其他一些的技术也正在进入生产环节。例如，原子力显微镜，多年来它被认为是一种研究工具，但现在它已经达到了足够的速度，可以进入对质量至关重要的生产环境中。

布鲁克公司在原子力显微镜方面积累多年关于前馈算法的知识产权，便于我们在进行结构扫描时，帮助我们观察道其形貌。若当我们看到重复的形貌时，人工智能算法就会加快扫描速度，并保持精度。若有可预测、重复的结构时候，人工智能算法就会将扫描速度提高更快。对于较大区域的扫描，布鲁克采用AFM和剖析器的组合方式。另外布鲁克考虑连接半导体公司的图形数据系统，使用他们的设计来输入AFM, 这样就可精确地导航到一个点，避免任何高点或低点。通过在GDS层面获得输入，精确到这个关注的区域。

此外，这不再只是检查时间的问题。需要消化的数据量是巨大的，所以公司正在投资方式来优化这些数据的利用方式。对于人工智能来说尤其如此，它被添加到检测系统中，以加快获得结果的时间。

透射电子显微镜

还有一些设备可能永远不会走出实验室。我们熟悉的鳍式晶体管的横截面图像是用透射电子显微镜（TEM）而不是扫描电镜制作的。TEMs需要更薄的样品，因为光束穿过样品，而不是在它上面扫描。

TEM可能永远不会被用于在线生产，因为将模具切成片状的过程具有破坏性。然而，它们在故障分析中发挥着重要作用。虽然SEM的最大放大倍数为50万倍，但TEM可以达到5000万倍。

结论

哪个是最好的仪器取决于任务。一个制造商说，有时他们的客户要求显微镜的功率比他们实际需要的要大。着陆能量很重要，因为在分辨率和潜在退化之间存在严重的权衡。正常运行时间也是如此，这对吞吐量有很大的影响。对正常运行时间影响最大的是真空本身，因为污染会导致散射事件。将电子束保持在制造状态，使其成为可行的生产工具的支持成本是巨大的。这就是光学设备将永远是其中一部分的原因之一——因为他们找到了支持结构的商业模式。

参考文章

来源：https://semiengineering.com/e-beams-role-grows-for-finding-ic-defects/

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