电子束与光学检测

晶圆检测业务正在升温，因为芯片制造商在先进设备中遇到了新的微小致命缺陷。

上个月，阿斯麦控股公司签署了一项协议，以31亿美元收购世界上最大的电子束检测供应商Hermes Microvision (HMI)。这一提议推动阿斯麦进入电子束晶圆检测市场。

此外,应用材料本周正式进入电子束晶圆检测市场，推出了一款分辨率可达1nm的新工具。有了该工具，应用材料公司现在是电子束和光学检测市场的参与者。

不甘示弱，KLA-Tencor扩展了其检测工具组合，包括引入下一代193nm光学系统。(10月，Lam Research签署协议，以106亿美元收购KLA-Tencor。这笔交易仍悬而未决。)

基本上，电子束和光学检测是用于定位晶圆缺陷的两种主要技术。电子束和光学工具是互补的技术，在检测流程中具有不同的功能。

每种技术都有一些权衡。例如，电子束检测可以发现最小的缺陷，但吞吐量很慢。这就是电子束检测主要用于研发的原因。

相比之下，在生产流程中使用光学检测。光学的速度更快，但在高级节点上已经达到了极限。

那么最大的问题是什么呢?缺陷一直是有问题的，但是在每个节点上发现它们的能力变得越来越困难和昂贵。随着业界向10nm及以上的类似3d的finfet迁移，这一点尤其如此。即使是先进的平面dram的缺陷也很难发现。

应用材料公司过程诊断与控制业务部门战略营销副总裁Lior Engel表示:“3D架构限制了检测和测量的能力。“需要更先进的检测技术。”

不过，幸运的是，工具制造商正在光学和电子束方面进行改进，从而为芯片制造商提供了一个解决10nm及以上缺陷问题的机会。

但在检测流程中，光学和电子束是碰撞的。电子束检测想要在生产流程中发挥更大的作用，对光学构成威胁。与此同时，光学阵营正在采取措施阻止电子束。

“光学仍是(在晶圆厂)的主力，”恩格尔说。“我不认为光学技术会消失。客户和供应商将尽一切可能延长光学的寿命。但在越来越多的情况下，光学无法检测。由于所有这些挑战(finfet和其他架构)，它有越来越多的差距。”

因此，芯片制造商必须密切关注电子束和光学检测市场。Gartner的数据显示，总体而言，2016年花纹晶圆检测市场预计将达到15.2亿美元，高于2015年的13.6亿美元。

Gartner的数据显示，其中光学检测预计将从2015年的11.2亿美元增长到2016年的12.8亿美元。与此同时，据该公司称，电子束检测预计在2016年将达到2.358亿美元，低于2015年的2.414亿美元。

的挑战
与此同时，芯片制造商多年来一直在使用晶圆检测工具，但挑战曾经相对简单。例如，在平面设备中，检测和计量工具可以简单地在二维空间中生成视距图像。

但随着行业的发展3 d与非，finFETs和先进的后发展出，这些工具必须在三维空间中看到复杂的结构和材料。根据应用材料公司(Applied Materials)的说法，以下是在10nm及更远波长下的一些检验挑战:

• 缺陷可以深入finFET结构。更糟糕的是，缺陷可能会被掩盖。
• 在pet结构中很难看到桥的缺陷。
• nfet中可能发生未检测到的外延过度生长。

该公司高级副总裁兼首席技术官戴夫•海姆克表示:“另一个方面是，当芯片尺寸缩小到10nm以下时，工艺控制方面变得越来越重要。林的研究．“有很多变化。现在我们在原子水平上控制事物，非常小的变化都会影响最终结果。这不仅是从缺陷率的角度来看，也是从设备性能的角度来看。”

这些只是晶圆检测中的一些挑战。

剖析流程
晶圆检测流程包括四部分:工程分析;关键线监测;线监测;以及工具监控。

电子束检测用于研发组内部的工程分析。光学检测用于生产线和刀具的监控。关键的和定期的生产线监测发现晶圆的缺陷。工具监控决定是否一个给定的晶圆厂设备是晶圆缺陷的根本原因。

在晶圆厂的主要光学技术被称为明场检测。Brightfield收集缺陷反射的光。反过来，缺陷在白色背景下看起来是黑色的。

电子束vs.光学
检查流程从研发开始，其目标是捕获尽可能多的缺陷。为此，电子束检测用于发现最小的缺陷，因为该技术的灵敏度可达3nm或更低。

在电子束检测系统中，工作台将晶圆移动到给定的位置。然后，电子击中晶圆上的一个小点大小。然后在像素的基础上收集图像数据。

传统上，电子束检测已用于电压对比和物理缺陷应用。在电压对比应用中，电子束检测工具可以寻找结构中隐藏的缺陷、开口和断裂。

晶圆检测的大市场是物理缺陷领域。电子束和光学检测都用于发现研发和晶圆厂的物理缺陷。物理缺陷，设计中的微小和/或致命缺陷，包括空洞，突出和桥梁。

有时，电子束检查可以发现光学工具无法捕捉到的微小缺陷。电子束检测专家奥利弗·帕特森(Oliver Patterson)在2015年ASMC会议上的一次演讲中说:“使用电子束检测来检测物理缺陷已经变得非常流行，因为这些缺陷类型已被证明难以用于宽带等离子体检测，也被称为亮场检测。”(帕特森发表演讲时在IBM工作，现在是GlobalFoundries的高级技术人员。)

但和以前一样，电子束检测的问题是吞吐量。据专家介绍，一般来说，电子束检测时间比光学检测慢1000倍(或更多)。

提高通量的一种方法是增加表面的光斑大小。为此，该工具在表面产生了更多的电子。

然而，这并不总是有效。基本上，电子不喜欢彼此。有时，电子可能会在表面上相互排斥。

因此，电子束检查不用于检查整个晶圆。相反，它只用于发现晶圆的一小部分缺陷。这有时被称为热点检查。

通常，芯片制造商使用光学检测来检查整个晶圆。光学检测的吞吐量范围为1小时1片或更多片。

高德纳(Gartner)分析师鲍勃•约翰逊(Bob Johnson)表示:“电子束仍不具备及时进行大面积扫描的能力。”“真正的好处来自于扫描模具的小区域，寻找特定的缺陷。虽然有一些人声称电子束可以扫描足够多的晶圆芯片来获得晶圆级缺陷特征，但这些缺陷特征仍然是通过扫描晶圆上多个芯片上非常小的区域来完成的。”

总而言之，电子束检测不会取代晶圆厂的光学检测。但是芯片制造商仍然需要电子束检测工具，尽管他们希望系统具有更好的分辨率和更高的吞吐量。

为了解决这个问题，应用材料公司推出了所谓的Provision系统，这是一种新的电子束检测工具。新系统中的柱体在较小的光斑上产生了相对大量的电子。这反过来又使系统能够处理低至1nm的分辨率。据应用材料公司称，该工具的速度比目前市场上的机器快三倍。

即便如此，电子束也不会取代光学。但应用材料公司系统的性能将拓宽电子束检测的应用领域。

应用材料公司的恩格尔说:“电子束检测仍大量用于研发。“但随着复杂性的不断增加，我们已经看到它在斜坡上的应用。在今天的节点中，仍然存在一些系统性问题。然后客户将需要监控这些问题。”

事实上，HMI和Applied正在追求一个被称为热点过程监控的检查领域。这不仅包括在研发过程中捕捉电气和物理缺陷，还包括在晶圆厂进行在线监控。

为此，应用材料公司的工具使用了一种称为大规模采样的技术。例如，芯片制造商会在一个模具上的特定部件上寻找缺陷，然后他们会在多个模具上寻找问题。

应用材料公司称，通过大规模采样技术，芯片制造商可以在几分钟内找到异常来源。以前，这个过程可能需要几天时间。

还有其他电子束检测应用。例如，通过收购HMI, ASML将进入电子束检测领域。ASML还将其视为加强其过程控制策略的一种方式。

例如，ASML有一个内联覆盖计量工具。数据从叠加工具输入到ASML的计算光刻模型中，作为优化扫描仪控制的一种手段。

HMI的电子束检测工具可以完成类似的任务。“HMI拥有强大的设计到数据库解决方案，”阿斯麦计算光刻部门Brion Technologies的晶圆厂产品副总裁尼尔·卡兰(Neal Callan)说。“所以他们可以进行密集的缺陷发现。”

从那里，数据从HMI的电子束工具输入模型。“我们可以利用这种能力来改进我们的模型，”Callan说。“这一切都能带来更好的过程控制。”

与此同时，ASML的模型将有助于引导HMI的电子束工具到设备的更关键的部分。根据ASML的说法，这反过来将缩短电子束检测时间，使其更具成本效益。

因此，电子束检测至少在一定程度上正在破坏生产流程。Gartner的Johnson称，"一旦基本的产率问题得到解决，我认为电子束技术不会大幅进入生产流程。"“在这一点上，检查主要是在晶圆层面上进行的，总缺陷计数是根据可接受的水平进行跟踪的。”

光学到永远吗?
对于晶圆厂的晶圆级检测，芯片制造商仍然依赖传统技术——光学技术。KLA-Tencor的客户参与副总裁Mark Shirey说:“所以，你会想要尽可能地扩展光学技术。

不过，就像电子束检测一样，光学在10nm及以上的波长会变得更加困难。Shirey说:“显然，在前沿领域不缺乏挑战，特别是在缺陷和计量方面。”“很多这样的挑战导致了更多的采样要求。”

据专家称，光学检测技术还没有走到尽头，尽管该技术已被拉伸到20纳米到10纳米之间的极限。“缺陷检测存在很多噪音挑战。在很多方面，噪音正在变成信号。那些曾经是噪音的东西现在变得重要起来。”

“当然，还有经典缩放，”他说。“随着客户转向10nm和7nm，以及(高级)dram，他们发现的缺陷越来越小。”

总而言之，芯片制造商希望通过光学检测提高信噪比和更快的吞吐量。传统上，关键线监测的吞吐量是每小时1至2片晶圆。拥有成本也是关键。

为了解决这一问题，KLA-Tencor正式推出了下一代光学晶圆检测工具。该工具被称为3900系列，由波长低至193nm的光源组成，而之前的系统为257nm。工具的分辨率可以通过移动到更短的波长来提高。

有了新工具，KLA-Tencor将光学检测扩展到了所谓的灰色区域之外。“当缺陷对3900的这些波长产生反应时，我们看到的是10nm以下的缺陷，”Shirey说。“我们所见过的最好的缺陷就是有点突出。它是5nm。”

3900补充了KLA-Tencor的另一种新工具。该工具被称为2930系列，是该公司宽带等离子检测工具系列的新版本。

使用波长更长的光源，2930仍然可以完成最苛刻的工作。“这是因为缺陷被材料掩盖了。我们发现紫外线可见光能穿透类似聚类的物质，并能探测到它。”“这并不总是关于决心。但这是关于材料对比度和光与缺陷的相互作用。”

3900和2930都在大约一个小时内提供完整的晶圆检查。这反过来又允许在流程中快速收集晶圆级和批量级缺陷数据。

此外，KLA-Tencor还推出了其他检测工具。这包括eDR7280，一种新的电子束检查工具。该系统为光学工具检测到的缺陷群体提供了更准确的表示，从而减少了发现缺陷所需的时间。

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