电子束在检测芯片缺陷方面的作用日益增强

摘要：目前常见采用两种检测方法：电子束（e-beam）检测和光学检测。这两种方法都有明显的优缺点，适用于不同类型的检测。如今，光学检测仍是主流，并且在未来几年内仍将如此。需要注意的是，光学检测是电子束检测和原子力显微镜（AFM）等技术的补充，他们是互补关系，而非竞争

随着芯片尺寸不断缩小，以及对芯片寿命更长、可靠性更高的要求不断提高，芯片检测已成为晶圆厂和封装厂的关键技术之一。

目前常见采用两种检测方法：电子束（e-beam）检测和光学检测。这两种方法都有明显的优缺点，适用于不同类型的检测。如今，光学检测仍是主流，并且在未来几年内仍将如此。需要注意的是，光学检测是电子束检测和原子力显微镜（AFM）等技术的补充，他们是互补关系，而非竞争关系。

▲ 阴极射线显像管与电子显微镜技术

然而，随着晶体管密度的增加，电子束检测的作用也越来越大。“我们的等离子光学检测仪报告的缺陷会用电子束工具进行检查，以确定所捕获的缺陷类型，”KLA 营销副总裁 Satya Kurada 说道。

电子束检测在晶圆的应用

电子束晶圆检测系统包括电子枪、镜筒、探测器和晶圆台。

在操作中，晶片被放置在系统中。然后，电子枪产生电子，电子沿着电子柱向下移动。工作台将晶圆移动到给定位置。然后，电子撞击芯片上的一小部分。创建了图像。将图像与数据库进行比较，以确定是否存在缺陷。

当光学检测发现潜在缺陷时，电子束检测可用于对问题进行更详细的分析。对于 3D IC 和其他复杂结构，电子束检测能够检测晶圆多层的缺陷。

▲ 图片来源：KLA

电子束检测通常需要在真空环境中进行。这是因为电子束在空气或其他气体中会与气体分子发生散射，从而降低电子束的能量和分辨率，影响检测的精度。在真空环境下，电子束可以自由传播，不会受到气体分子的干扰，确保能够精确地聚焦并达到检测所需的分辨率。

真空环境对于各种基于电子束的检测设备至关重要，例如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、电子束光刻机等。这些设备通过保持真空环境来确保电子束能稳定、精确地到达样品表面并提供高质量的成像或加工效果。

电子束检测的优缺点

目前市场上有几种不同的电子束，每种电子束都在不断发展，以更好地平衡速度、分辨率和特定应用。

电子束检测系统擅长检测纳米级缺陷，灵敏度在 1 nm 范围内。这远远优于光学检测系统。光学检测系统在约 200 nm 的阿贝衍射极限以下，光学显微镜本质上存在像散问题。边缘会变得模糊，无法区分一个物体和另一个物体。虽然超分辨率光学显微镜可以解决阿贝衍射极限的问题，但由于其过于复杂，通常不用于工业环境。

▲ 光学检测盒电子束检测技术对比，电子束检测对于识别亚微米缺陷（如颗粒、图案偏差和划痕）特别有效来源：AMAT

电子显微镜基于 Louis deBroglie 的一个重要见解：“在真空中传播的电子束表现为一种波长极短的辐射”。由于波长较短，电子显微镜可以分辨到大约 0.1 nm，使其成为成像的理想仪器。最重要的是，电子束可以穿透三维架构的深沟槽底部。出于以上两点，部分专家预测，未来电子束检测将完全取代光学检测。

但成本及产能问题是目前电子束检测最大的阻碍。

首先，顶级光学显微镜通常售价数万至数十万美元，但工业电子显微镜的价格高达100万美元，投入成本昂贵。其次，由于电子束扫描的时间和资源密集型特性，通常只能检查晶圆的一小部分，检测扫描区域有限，这限制了其检测较大区域缺陷方面的实用性。另外，长时间暴露在电子束中可能会损坏晶圆上的敏感结构。

大多数电子束系统都是扫描电子显微镜（SEM），使用光栅技术。电子束在物体上来回移动以形成图像。但是，如果只需要知道芯片成品率，那么这种方法太耗时且提供了过多细节。因此，芯片量产检测一直使用的是光学显微镜，其成本更低，也可以更快地对大面积区域成像。

虽然 SEM 的光栅技术可以创建详细的图像，但其扫描速度限制了它的应用。据实操人员估计，用电子束扫描1平方厘米的芯片可能需要近一周的时间，如果对300毫米晶圆进行全面积扫描需要很久。

这也是为什么电子束技术很少被应用的原因。在实际生产环节，晶圆检测时间不会超过两个小时，因为他们不能在工艺步骤之间保持晶圆超过两个小时。所以，业界通常决定使用电子束检测进行初始研发，然后用光学显微镜进行在线检测，最后用电子束进行离线检测和故障分析。

解决办法与机遇

先进的电子束制造商如 PDF Solutions. 仍希望提供更快检测的仪器来扩大市场。与标准 SEM 或其他电子束检测硬件不同，PDF 使用矢量扫描方法来追踪单个产品结构（如通孔或触点），而不是对整个晶圆进行光栅扫描。其解决方案的重要组成部分是布局提取工具和分析软件。

▲ 不同分辨率和面积对应的不同强度。来源：KLA

❷ 多光束电子束

多年来，业界一直期待着多光束 SEM 的出现。多光束扫描电镜拥有更快的效率，比如2020 年 ASML 就推出了 3 x 3 阵列的九光束 SEM。2022年还推出了 5 x 5 阵列的 25 光束系统，据了解它的速率是单光束电子束工具的15倍，并且适用于常规在线检查，包括电压对比和物理检查。

❸ 其他方法

还有一些技术也渐渐被引入工业生产。例如，原子力显微镜一直被应用于科学研究，但现在部分产品的扫描速度已经达标，并引入人工智能算法以提升扫描速度，优化检测数据，加快获取检测结果。