電子束檢測，至關重要

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吞吐量仍然是一個問題，解決方案需要多種技術的結合。

事實證明，電子束檢測對於發現 5 奈米以下尺寸的關鍵缺陷至關重要。現在的挑戰是如何加快這一流程，使其在經濟上符合晶圓廠的接受度。

電子束檢測因靈敏度和吞吐量之間的權衡而臭名昭著，這使得在這些先進節點上利用電子束進行全面缺陷覆蓋尤為困難。例如，對於英特爾的18A邏輯節點（約1.8奈米級）和三星數百層的3D NAND儲存器，缺陷檢測已達到極限。

傳統檢測方法在 5 奈米以下開始遭遇根本性的物理限制。光學檢測系統歷來是缺陷檢測的主力，但由於衍射極限、複雜材料堆疊導致的對比度降低以及日益細微的缺陷特徵，在先進節點上表現不佳。

電子束檢測提供奈米級解析度，能夠捕捉光學工具可能遺漏的微小致命缺陷，但這些優勢也伴隨著顯著的代價。吞吐量是主要瓶頸。用單束電子束掃描整個300毫米晶圓可能需要數小時甚至數天，遠遠超出了現代晶圓廠嚴格的時間預算。

PDF Solutions先進解決方案副總裁 Michael Yu 表示：“如果想在 7nm 或 5nm 等先進節點的生產線上發現缺陷，就必須檢測數十億個結構。如果想在線上完成檢測，先進的晶圓廠只能給你不到兩個小時的時間，因為它們無法在工藝步驟之間將晶圓停留超過兩個小時。”

實際上，這意味著傳統的電子束檢測工具只能對晶片或晶圓的一小部分進行取樣，這可能會遺漏一些關鍵缺陷（在先進晶片上，這些缺陷的發生率通常只有十億分之一）。電子束的解析度優勢也需要付出代價。為了分辨越來越小的特徵，電子束電流和視野受到限制，這進一步降低了檢測速度。

應用材料公司電子束缺陷控制市場主管 Ran Alkoken 表示：“先進節點的一項根本挑戰是平衡檢測速度和解析度。第二代 CFE 技術在不犧牲解析度的情況下顯著提高了電流。這對於管理這些先進節點上遇到的密集缺陷圖至關重要。”

冷場發射 (CFE) 等高亮度電子源有助於提高解析度和信噪比，但只能部分彌補吞吐量差距。電子束掃描工具的速度仍然明顯慢於光學掃描器，因此必須在最關鍵的步驟中策略性地使用它們。

超越速度

除了速度之外，先進的節點還為電子束檢測帶來了物理和電氣方面的挑戰。特徵尺寸小且複雜，意味著每個特徵可用的電子更少，因此除非電子束停留更長時間或對多幀進行平均，否則影像本身就會更加嘈雜，這又會降低吞吐量。

同時，電子束會干擾樣品。絕緣的低k介電材料表面在電子轟擊下會積聚電荷，導致影像扭曲，甚至導致電子束偏轉。如果為了獲得更清晰、更快速的影像而提高電子束能量，則可能會損壞精密結構或改變缺陷特性。因此，檢測人員通常會在較低的入射能量下操作，以避免電荷和損壞，但這會導致訊號較弱。

“電子束檢測的關鍵在於吞吐量，”餘先生說道，“你不能在結構上花費太多時間，但同樣重要的是，不要使用過高的入射能量，因為這會損壞你正在檢測的結構。”

圖1：晶圓中的潛在薄弱點。來源：PDF Solutions

電子束能量、駐留時間和樣品安全性之間的平衡凸顯了在不產生錯誤訊號或損壞器件的情況下捕獲埃級尺寸的每個缺陷是多麼困難。事實上，隨著特徵尺寸縮小到5奈米以下，電子訊號中的隨機噪聲和散粒噪聲變得非常顯著。有限數量的電子必須承擔起揭示原子級空隙或線邊緣粗糙度的重任，這將電子束探測器的靈敏度推向極限。

先進邏輯和儲存器中的三維結構進一步增加了複雜性。現代電晶體和互連線具有顯著的形貌特徵，而像 3D NAND 這樣的晶片則具有極深的垂直通道孔。景深限制意味著電子束可能無法一次性聚焦整個高縱橫比結構。晶圓或晶片即使出現輕微彎曲或翹曲（這在經過多道工藝步驟或先進封裝後很常見），某些區域也會偏離經過精細調整的電子束束柱的焦平面。結果可能會導致這些區域的缺陷模糊不清或被遺漏。如今的電子束系統透過使用動態聚焦和平臺對映來解決這個問題，但在先進節點上，容錯率很低。

Wooptix 營運長 Javier Elizalde 表示：“干涉法仍然在晶圓計量領域佔據主導地位，但它也存在侷限性，尤其是在封裝技術不斷發展的情況下。我們現在看到，對能夠適應新材料、新鍵合方法和新工藝流程的替代測量方法的需求日益增長。”

換句話說，傳統的晶圓形狀測量和校正方法（通常基於干涉測量法）在處理高度翹曲的晶圓或新型薄膜堆疊時可能不再適用。波前相位成像等新型光學技術旨在透過從多個焦平面捕獲相位資訊來快速繪製晶圓形貌。這可以幫助電子束工具在晶圓上動態調整焦距。然而，補償晶圓翹曲和表面形貌仍然是一項重大挑戰。如果沒有精確的高度圖和快速的焦距控制，邏輯柵極奈米片中的多層缺陷或堆疊儲存器層中的輕微錯位可能會因為沒有完全聚焦而無法檢測到。

最後，沒有任何一種檢測方式能夠單獨解決所有這些問題，因此在先進節點，與其他技術的整合至關重要。電子束的吞吐量較低且僅面向表面，這意味著它通常必須與高速光學檢測相結合才能快速掃描整個晶圓，並且必須與能夠檢測埋藏或內部缺陷的方法相結合。

例如，複雜的3D封裝和矽通孔可能隱藏在結構深處的空洞或鍵合缺陷，而光學和表面電子束檢測無法觸及這些缺陷。X射線檢測正逐漸成為這些隱藏缺陷的補充解決方案。

布魯克產品營銷總監 Lior Levin 表示：“X 射線檢測在先進節點至關重要，因為它可以檢測到光學方法無法檢測到的埋藏缺陷。然而，隨著工藝節點向 5 奈米以下發展，僅僅提高解析度是不夠的。人工智慧驅動的演算法對於處理複雜的衍射資料並顯著提高檢測精度至關重要。”

無論是利用X射線斷層掃描技術檢測未見空洞，還是利用電子束技術檢測微小表面缺陷，單靠原始解析度是不夠的。先進節點資料的複雜性要求更智慧的分析方法。在實踐中，晶片製造商現在部署了一種混合策略。高容量光學工具標記晶圓上的潛在異常位置，然後電子束檢查工具放大奈米級缺陷或執行電壓對比度測量。X射線或聲學顯微鏡可用於完全隱藏的介面問題，而電氣測試儀則可以捕捉任何未檢測到的缺陷對效能的影響。

PDF 的 Yu 表示：“在先進的前端工藝節點以及先進的封裝中，即使在最高解析度的顯微鏡下，缺陷也並非總是可見的。如今，將 X 射線、電子束、光學和電氣測試與 AI 驅動的資料分析相結合的整合檢測方法至關重要。您不能依賴單一工具。需要採取整體方法。”

這種整體理念源於必要性。隨著規模擴充套件和新架構的出現，故障模式也愈發微妙和多樣化，孤立的缺陷檢測方法會留下太多盲點。其弊端在於所有這些工具產生的資料量激增，而協調這些資料並非易事。儘管如此，大家一致認為，只有充分利用每種檢測方式的優勢，並將結果整合在一起，晶圓廠才能在 Angstrom 時代保持良率和可靠性。

多光束系統和先進的電子光學系統

為了克服電子束的根本侷限性，裝置製造商正在透過多光束系統、先進的電子光學系統和計算成像技術重塑這項技術。多光束電子束檢測並非採用單束電子束緩慢掃描晶圓，而是將工作量分散到多個並行掃描的子光束上。本質上，如果單束電子束每秒只能覆蓋很小的區域，那麼 5 x 5 束電子束陣列可以將晶片或晶圓的檢測速度提高 15 倍。

這裡的關鍵在於精心設計電子光學系統，以避免電子束之間的干擾。如果一束電子束中的電流過高，會導致電子相互排斥（庫侖相互作用），使焦點模糊。多束系統透過使用多個並聯的低電流電子束來避免這種情況，每個電子束都能保持良好的光斑尺寸。

每個子光束必須精確對準，並同步其訊號。演算法將來自多束光束的影像拼接成一張複合缺陷圖。拼接必須考慮任何輕微的偏移或失真；否則，校準錯誤的子光束可能會在其掃描區域與相鄰掃描區域的接縫處產生虛假的不匹配。

管理如此多的平行光束柱和探測器也增加了校準和維護的複雜性。實際上，多光束裝置就像同時執行數十臺微型掃描電子顯微鏡 (SEM)。早期採用多光束技術的廠商需要應對這些工程挑戰，但最終的回報是革命性的。高產量晶圓廠首次可以考慮在關鍵層上進行線上電子束檢測（在常規生產期間），而不僅僅是用於研發分析或偶爾的取樣。如今，多光束系統已用於先進節點的物理缺陷檢測和電壓對比電學缺陷檢測，能夠捕捉到光學工具可能忽略的通孔、觸點和互連中的細微問題。

多光束架構雖然大大加快了資料收集速度，但也使資料輸出和協調要求成倍增加。一臺25光束檢測儀會生成25個影像流，必須即時處理和組合。海量的影像資料（可能高達每秒數兆兆位的電子訊號）對系統的計算機和儲存系統構成了巨大的資料壓力。更重要的是，要從如此海量的資料中識別出真正的缺陷，需要先進的軟體。這正是人工智慧和計算成像發揮作用的地方。

布魯克的 Levin 指出：“當我們進入 5 奈米以下時，僅僅提高解析度是不夠的。人工智慧驅動的演算法對於處理複雜的衍射資料和顯著提高檢測精度至關重要。”

在實踐中，現代電子束檢測平臺越來越多地與機器學習模型相結合，用於分析電子影像中的微小異常。人工智慧演算法不再僅僅依賴於人為設定的閾值或與參考晶片的簡單比較，而是能夠學習識別缺陷與正常差異之間的細微特徵，從而減少漏檢缺陷和誤報。

“基於人工智慧的檢測不僅能提高產量，”應用材料公司的Alkoken表示，“它還能顯著減少誤報，並簡化缺陷分類。在生產工廠中，得益於這項功能，人工審查的工作量減少了高達50%。”

誤報率的降低意味著工程師可以減少審查良性“缺陷”的時間，從而專注於真正的良率限制因素。此外，AI 可以透過在大型資料集上進行訓練來更快地適應新的缺陷型別，這一點至關重要，因為每個新的工藝節點或 3D 結構都會引入不常見的故障模式。

計算技術也擴充套件到影像增強。例如，軟體可以對電子束影像進行去噪和銳化，甚至可以透過關聯多幀影像來推斷缺失資訊。一些電子束系統利用了設計感知演算法。透過從 CAD 資料中瞭解預期佈局，系統可以更好地區分真正的非預期異常和允許的圖案變化。這種設計整合是另一個改進缺陷捕獲的強大工具。

“為了解決傳統光柵掃描電子束的吞吐量限制，業界正在尋求多光束系統和創新點掃描或向量掃描方法等方法，這些方法有可能顯著提高整體檢查速度，”Yu 補充道。

因此，當今領先的解決方案將設計資料、工藝背景和多模式輸入相結合，使電子束檢測更加智慧。例如，PDF Solutions 採用“DirectScan”向量方法，利用晶片設計引導電子束到達關鍵位置（目標圖案），而非盲目地進行光柵掃描。這種掩模設計內容、光學檢測標記結果以及電子束所見內容之間的資料關聯，對於管理海量資料集和查明缺陷根源至關重要。

它還有助於光束對準和導航。透過參考設計，該工具可以跳轉到疑似弱圖案的座標，並確保子束陣列正確疊加，從而避免浪費時間或與地形衝突。

新型電子束工具中先進的電子光學系統並不侷限於多光束。即使是單光束系統也在不斷發展，配備了更先進的光源和透鏡。冷場發射器提高了亮度和相干性，從而能夠在更快的掃描速度下實現亞奈米解析度。人們正在探索像差校正電子光學系統，以便在更大的場域內保持緊密聚焦。人們還對透過計算方法擴充套件焦深感興趣，例如，透過捕獲離焦影像堆疊並透過演算法將它們組合起來，以保持特徵的頂部和底部都清晰可見。然而，在實踐中，這可能非常耗時。

在硬體方面，一些多光束設計採用模組化立柱，每個子光束都有自己的微型透鏡和探測器，從而可以精細控制每束光束的聚焦和像散。這有助於補償晶圓的局部曲率。擊中略微凸起的晶片角的子光束可以獨立調整以保持聚焦。然而，在數十束光束上實現動態聚焦是一個艱鉅的控制問題。這時，像 Wooptix 的波前相位成像這樣的光學計量技術可以提供幫助，它可以提前為電子束工具提供晶圓的高解析度高度圖。有了精確的形貌圖，電子束的平臺可以調整高度，或者立柱可以預先調整每個區域的焦距，從而動態減輕翹曲效應。

這種混合解決方案模糊了不同型別檢測裝置之間的界限。例如，電子束系統可能包含光學預掃描模式，用於快速對準和區域選擇，而X射線工具則可能將可疑位置交給電子束進行仔細檢查，所有這些都在一個整合的軟體框架下完成。

結論

電子束檢測的未來在於光束控制、設計資料和檢測模式的智慧整合，而非僅僅改進硬體本身。雖然多光束系統和冷場發射源帶來了急需的速度和精度，但它們也帶來了資料過載和系統複雜性。這迫使業界重新思考檢測工具的設計方式、校準方式以及輸出處理方式。人工智慧缺陷分類和影像分析的興起，使得我們能夠跟上資料量和先進節點日益微妙的故障機制的步伐。

同時，獲得檢測裝置的即時反饋對於加速大批次晶圓廠的工藝調整和良率提升至關重要。波前相位成像和設計感知向量掃描等技術正在幫助彌合計量與檢測之間的鴻溝，使檢測裝置能夠更好地預測問題發生的位置，並更智慧地檢測這些區域。透過將光學、X射線和電子束功能整合到一個統一的分析框架下，晶圓廠正逐漸接近預測性缺陷檢測的目標，從而避免任何良率限制因素被忽視。

最終，沒有任何一項單一技術能夠獨自解決埃時代的檢測挑戰。但隨著更緊密的整合、更智慧的分析以及電子束物理學和系統設計的持續進步，電子束檢測不僅有望成為研發或故障分析領域的支柱，更將成為整個生產線的支柱。

參考連結

https://semiengineering.com/e-beam-inspection-proves-essential-for-advanced-nodes/

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