加快电子束检测

晶圆检测，即发现芯片致命缺陷的科学，正处于一个关键时刻。光学检测是晶圆厂的主力技术，在先进的节点上正被发挥到极限。电子束检测可以发现微小的缺陷，但在吞吐量方面仍然很慢。

因此，为了填补这一空白，业界一直在研究一种新型的多束电子束检测工具，其中包括卡尔蔡司公司的一项很有前景的技术，该技术已经对老鼠的大脑进行了成像。但问题是多波束晶圆检测距离量产还有几年的时间。

W.R. Hambrecht/Summit Research的分析师Srini Sundararajan说:“多束电子束检测是一项很难实施的技术。”“简单来说，如果两束电子束靠得太近，它们就会相互排斥。所以电子束的整个路径都必须被屏蔽。在我看来，它就像EUV．科学已经存在，但技术实施需要更长的时间。”

因此，在此期间，芯片制造商已经找到了利用现有的单束电子束检测工具来加快吞吐量的新方法。但是，对多光束检测技术的需求仍然非常迫切，特别是在euv掩模检测和传统晶圆检测两个市场。

光学与电子束
整个晶圆检测市场被细分为两种主要的工具技术——光学和电子束。根据Gartner和电子束检测工具供应商Hermes Microvision (HMI)的数据，2014年，光学检测占晶圆检测市场的86%，电子束检测占14%。Gartner和HMI的数据显示，2014年晶圆检测市场总计达到17亿美元，高于2013年的16亿美元。

光学检测应用于生产流程中，主要包括暗场检测和明场检测两种技术。暗场检测是对较低角度反射光的测量。在晶体管制造过程中，brightfield用于发现缺陷，收集从缺陷反射的光。反过来，缺陷在白色背景下看起来是黑色的。

光学绝不是失去动力。英特尔过程诊断与控制事业部战略营销副总裁Lior Engel表示:“我们认为光学检测仍然是10nm和7nm晶圆厂的检测主力应用材料．“光学检测将通过提高关键缺陷的信噪比来继续改进。这可以通过改进来自缺陷的信号和消除噪声机制来实现。缺陷信号可以通过减小波长和提高光预算来增强。

电子束检测一般用于工程和研发组。在电子束检测中，工作台将晶圆移动到给定位置。电子束扫描晶圆的选定部分并收集图像。

“电子束检验在生产中用于统计抽样的程度有限。在研发领域，这是不可或缺的，”W.R. Hambrecht/Summit Research的桑达拉拉詹说。“电子束检测可能在10nm、7nm和5nm节点变得更加重要，因为特征和相应的缺陷都更小。”

电子束检测工具可以检测到两种类型的缺陷。“一种是电压反差型缺陷，例如电气短路或接触处的开口或铜互连中的空隙。此外，电子束检测还可以检测到非常小的缺陷，这些缺陷因为太小而无法被明场检测发现。”

电子束检测的灵敏度可达3nm，但该技术的问题已被广泛记录。该公司首席营销官布莱恩•特拉法斯(Brian Trafas)表示:“电子束检查是有一席之地的KLA-Tencor．“你可以用电子束得到很好的分辨率，但问题是吞吐量。如果我想检查一个完整的模具来鉴定一个新面具，用电子束检查需要7天。如果使用光学检测工具，这将需要一个小时。”

这就是电子束检测主要用于研发而不是生产的原因。应用材料公司的恩格尔说:“电子束检测市场正在增长，未来将继续增长。”“为了实现大批量生产，电子束检测吞吐量必须显著提高，才能成为缺陷密度水平较低的有效检测工具。当这种情况发生时，我们看到甚至更高的生长速度，其中一些可能是以光学检测为代价的。”

两个方向
电子束检测分为两个方向。首先，该行业正在加速传统的单束电子束检测。其次，最大的希望是行业能够加快发展多束电子束光刻检查。

在当今的单束电子束检测工具中，一个关键的控制特性是着陆能量。这是指每个电子在撞击表面之前所传递的能量。如果着陆能量增加，那么更多的电子可以穿透到更深的表面。这反过来又使工具能够在更清晰的图像上检测到更多的缺陷。

不久前，单束电子束检测工具的着陆能量级别高达3000伏。今天的主流工具的着陆能量水平为5000伏特，但有些可以高达11000伏特。

IBM开发工程师理查德·哈弗(Richard Hafer)表示，在1,000伏电压下，钨的最大穿透深度为2纳米，铜为4纳米，氧化物为20纳米。哈弗说:“在5000伏特时，这些深度几乎是原来的25倍。”

这是好消息。坏消息是吞吐量。该公司电子束检测高级工程师Oliver Patterson表示:“像素越小，采样频率就越慢。IBM．“我们的检查时间比其他类型的(光学)检查慢了1000倍，或者可能是5000倍。”

为此，IBM和HMI设计了一种加快电子束检测的新方法。这种方法被称为目标关键区域检查。帕特森说:“我们的想法是只扫描芯片的密集区域，使用有针对性的热点检测。”

在这种方法中，电子束瞄准结构的一个选择和关键部分。该工具为给定的区域分配一个矩形形状。矩形的左下角和右上角被分配了X和Y坐标。然后，工具的视场(FOV)检查这些坐标周围。

在一个案例研究中，HMI的电子束检测工具被用于在8mm2测试芯片的金属一层中发现短路。研究中使用了具有8个平均值的7nm像素尺寸。大约25%的芯片区域被扫描。

研究人员比较了扫描阶段中两个不同像素大小的区域1k x 1k和2k x 2k。结果是混合的，因为工具捕获了许多但不是所有的缺陷。但Patterson说，通过观察超过25%的芯片，该工具可以捕捉到更多的缺陷。

吞吐量怎么样?1k x 1k扫描速度太慢。“2k x 2k的扫描率是完整扫描率的36%，扫描时间是完整产品扫描的58%，从而节省42%的时间。这种节省可能是值得的。”

不过，很明显，为了加快吞吐量，油气行业需要多波束检测。理论上，这项技术不仅可以发现低至2nm的缺陷，而且比目前的单束电子束工具还要快。

应用材料、HMI、Maglen、Multibeam和Sematech/Zeiss一直在研究这项技术。“几家公司正在对现有技术进行渐进式改进，研究多束电子束检测。Sematech公司的高级技术专家Matt Malloy表示:“尽管与单光束方法相比，这种方法的吞吐量提高有限，但在未来几年内就可以实现。”“真正大规模平行电子束检测需要充分发挥该技术的潜力。原型机可能需要两年时间，商用系统可能需要四年时间。”

Sematech和蔡司一直在共同开发一种大规模平行电子束检测工具。这个想法是采用蔡司现有的MultiSEM电子显微镜，并将其用于晶圆检查。

在一项生物研究中，MultiSEM被用于小鼠大脑成像，因此声名狼藉。该系统由61个平行电子束组成。每个波束生成一个选定区域的图像。

在实验室中，该工具已用于检测28nm和14nm半基音高模式。结果很有希望。该系统能够在47分钟内检查一个未指定的结构。

随着时间的推移，Sematech希望将该工具扩展到331束。但是将显微镜转化为可用于生产的晶圆检测系统并不是一件简单的任务。“这是一个挑战，”马洛伊说。“你必须考虑算法和图像数据。问题是你如何发现缺陷?”

其他的也在研发阶段。例如，Maglen公司正在开发一种用于电子束检测的模块化2D多列阵列。该阵列由69列组成，基于永磁透镜技术。

“这个概念是基于模块的，”麦格伦创始人托尼•罗(Tony Luo)表示。“第一步是测试和优化一个小型阵列模块。下一步将是复制它们并将它们组合在一起。”

马格伦和其他人面临的问题是，开发一种可行的工具需要数百万美元。即使到那时，用于大批量生产的工具可能也要到2020年才能出现。

这项技术很有前景，但它能奏效吗?时间会证明一切。KLA-Tencor的Trafas表示:“多年来，油气行业投入了大量资金，试图制造更高通量的电子束工具。“与光学的吞吐量相比，它还有很长的路要走。”