半导体制造中的量测（Metrology）与检测（Inspection）解析

一、量测（Metrology）与检测（Inspection）

在半导体制造中，量测（Metrology）与检测（Inspection） 是保障产品良率与性能的核心环节。在关键工艺节点部署精确的量测与检测流程， 对于确保和维持高良率至关重要。

根据 Tech Navio 的数据，晶圆检测设备按类型分为光学检测和电子束检测， 其中光学检测仍为主流（约 80%）， 但电子束检测增速更快（约 9.7% CAGR）； 按应用划分，后端工艺检测增长最快；从终端用户来看， 晶圆厂（Foundries）是主要使用方。地理分布上， 亚太地区在整体规模上占据主导，北美地区增速领先， 其中台湾地区和美国市场表现尤为突出。

“量测”和“检测”是两个截然不同但同样重要的概念。简单来说，核心区别在于：

量测（Metrology）：回答“是多少？”的问题， 目的是获取精确的物理尺寸或参数数据，例如厚度、长度、角度、 形貌、化学成分等。

检测（Inspection）：回答“有没有？”的问题， 重点在于发现和识别缺陷、污染或异常，例如颗粒、划痕、短路、断路等， 从而为良率分析和工艺优化提供依据。

二、半导体量测（Metrology）

量测（Metrology）指利用专业设备对晶圆及芯片的各类物理、 化学、电学参数进行精确量化，是监控工艺稳定性与一致性的关键。 量测应用贯穿整个制造过程，对工艺窗口的建立与维护、良率爬坡都有重要意义。

1、形貌与尺寸量测

（1）关键尺寸量测（CD-SEM）： 主要用于测量晶体管栅极线宽等关键尺寸，确保其符合设计规格， 是先进制程工艺控制的核心手段之一。

（2）原子力显微镜（AFM）： 能够提供纳米级分辨率的三维表面形貌和高度信息， 可用于评估表面粗糙度、台阶高度等。

（3）套刻误差量测（Overlay）： 半导体制造往往需要上百个工艺层精确对准。套刻误差量测通过对对准标记进行量化分析， 监控层间对准精度，是保障电路功能正常和良率稳定的基础。

2、薄膜特性量测

（1）椭偏仪（Ellipsometer）： 通过分析偏振光在样品表面的相位与振幅变化，精确测量薄膜厚度及其折射率、 消光系数等光学性质，适用于多层薄膜与超薄膜表征。

（2）光谱反射仪（Spectroscopic Reflectometer）： 通过分析反射光谱曲线，快速测定薄膜厚度与均匀性， 适合量产线上的在线监控。

3、材料结构与成分分析

（1）X 射线衍射（XRD）： 用于分析材料的晶体结构、取向以及应力/应变状态， 在外延层质量评估和缺陷研究中发挥重要作用。

（2）X 射线光电子能谱（XPS）： 通过测量材料表面原子的光电子能谱，分析元素组成及化学键状态， 常用于界面化学、表面改性等研究。

4、电性参数量测

（1）四探针测试法（Four-Point Probe）： 用于精确测量半导体材料或薄膜的电阻率，避免传统二探针测量中的接触电阻影响。

（2）参数分析仪： 利用专用参数测试仪器测量晶体管等器件的 I–V 特性、阈值电压、 漏电流等关键电学参数，是器件特性评估与模型提取的重要工具。

5、工艺监控量测

（1）化学机械抛光后量测（CMP Metrology）： 使用表面轮廓仪、厚度测量仪等设备，监控抛光后的表面平整度、 膜厚均匀性及局部凹陷/过抛等问题，确保后续光刻和图形转移精度。

（2）晶圆翘曲与应力测量（Bow/Warp & Stress Metrology）： 通过激光扫描或干涉等技术监控晶圆在加工过程中的翘曲度和薄膜应力， 防止因严重翘曲导致后续工艺对准失败或封装可靠性问题。

6、缺陷检测与复查

（1）光学与电子显微镜： 光学显微镜可用于快速进行宏观缺陷筛查； 扫描电子显微镜（SEM）则用于对检测发现的缺陷进行高分辨率成像和分类复查， 帮助定位工艺根因。

（2）颗粒与表面缺陷检测系统： 利用光学和激光扫描技术，对晶圆表面的颗粒污染及宏观缺陷进行检测和计数， 是良率监控的基础。

（3）光掩模检测： 包括光学和极紫外（EUV）掩模检测，用于保证图形母版的完好无缺， 防止缺陷在晶圆上被大面积复制。

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