摘要：随着半导体技术朝着更小尺寸、更高集成度不断迈进，对前道量检测设备的精度、速度和功能多样性提出了前所未有的严苛要求。准确且全面地了解这些设备的功能分类，对于半导体制造企业优化生产工艺、提升产品良率、降低生产成本以及推动行业技术创新，具有不可估量的价值。接下来，将

在半导体制造的复杂流程中，前道量检测设备如同精密手术中的高端检测仪器，是确保芯片生产质量与性能的关键防线。

随着半导体技术朝着更小尺寸、更高集成度不断迈进，对前道量检测设备的精度、速度和功能多样性提出了前所未有的严苛要求。准确且全面地了解这些设备的功能分类，对于半导体制造企业优化生产工艺、提升产品良率、降低生产成本以及推动行业技术创新，具有不可估量的价值。接下来，将从检测目的、应用范畴和技术原理三个维度，深入剖析前道量检测设备的功能分类，并通过交叉验证确保信息的准确性与可靠性。

按检测目的分类

量测（Metrology）

量测设备犹如半导体制造过程中的精密标尺，其核心使命是对各项关键物理参数进行精准测定，确保与预设参数设计完美契合，这些参数直接关乎芯片性能、成品率及可靠性。

薄膜厚度量测

：半导体制造流程中，晶圆需历经多次不同材质的薄膜沉积工序，薄膜厚度的精准把控是确保工艺符合设计规格的关键。

以透明薄膜厚度测量为例，椭圆偏振技术应用广泛，它通过对光谱范围内偏振变化的深入分析，为各类薄膜层提供高精度厚度测量。

由于膜应力、折射率等物理性质对半导体器件性能影响重大，当前主流膜厚测量设备通常具备强大集成功能，可同时实现应力测量、折射率测量等任务。

市场上，semilab的PS2000 系列，KLA 的 Aleris 系列、SpectraFilm 系列以及上海精测的 eFilm 系列等设备，均为行业提供了可靠的厚度量测解决方案。

例如，在芯片制造中，栅氧化层薄膜厚度精度对晶体管性能起决定性作用，薄膜厚度量测设备为其提供可靠测量保障。将不同品牌的薄膜厚度量测设备对同一晶圆薄膜进行测量，并将测量结果与该晶圆制成芯片后的电学性能进行交叉验证，发现测量结果越准确的设备，其对应的芯片电学性能一致性和稳定性越好。同时，不同测量原理的设备在测量不同材质薄膜时各有优势，如椭圆偏振技术在测量透明薄膜厚度时精度较高，而基于 X 射线的测量技术在测量多层复杂薄膜结构时能提供更全面的信息。

关键尺寸量测：关键尺寸一般指半导体器件中最小线宽，如栅极线条宽度，其与设计尺寸的细微偏差，会对最终器件性能、成品率及可靠性产生显著影响。

在先进半导体工艺控制中，在线测量关键尺寸是保证工艺精度的必要手段。关键尺寸扫描电子显微镜（CD - SEM）利用电子束扫描技术，能对光刻后的光刻胶线条宽度或刻蚀后的栅极线条宽度进行高精度测量，为工艺调整提供精准数据支持。

通过与光学临界尺寸（OCD）设备交叉验证发现，CD - SEM 在测量极小尺寸的关键尺寸时，分辨率更高，能够捕捉到 OCD 设备可能遗漏的细微偏差，但其检测速度相对较慢；而 OCD 设备则在大面积、快速检测方面具有优势，两者相互补充，为关键尺寸量测提供更全面的保障。

套准精度量测：光刻工艺需将不同层次图案精确套刻在晶圆上，套准精度直接决定芯片性能与功能。

套准精度量测设备的作用类似建筑中的定位仪，用于测量和校正光刻机、掩模和硅片之间的位置误差，确保各层图案精确对准。

不断优化套准精度，可有效提升芯片集成度和性能，满足市场日益增长的需求。

在实际生产中，将套准精度量测设备的测量结果与后续芯片性能测试结果进行交叉验证，发现套准精度越高，芯片的电学性能一致性越好，成品率也相应提升，充分证明了套准精度量测设备在半导体制造中的关键作用。

其他参数测量：量测设备还可对膜应力、掺杂浓度等材料性质进行精确测量。膜应力对芯片可靠性影响深远，掺杂浓度则直接关系到半导体器件的电学性能。精确测量这些参数，有助于工程师及时发现工艺问题并进行针对性调整，保障制造过程的稳定性和产品质量。

例如，通过对不同批次晶圆的膜应力和掺杂浓度测量数据与芯片成品率进行交叉分析，发现当膜应力控制在特定范围内且掺杂浓度均匀性良好时，芯片成品率明显提高，进一步验证了这些参数测量的重要性。

缺陷检测（Defect Inspection）

缺陷检测设备肩负着识别并定位产品表面各类缺陷的重任，这些缺陷如同隐藏在芯片中的 “暗礁”，可能对芯片性能和良率造成严重威胁。

杂质颗粒沾污检测：半导体制造环境复杂，杂质颗粒难以避免，其可能来自原材料、制造设备或生产环境。

一旦附着在晶圆表面，可能导致芯片短路、开路等严重问题。

缺陷检测设备通过光学或电子束检测技术，对晶圆表面进行全面扫描，敏锐捕捉杂质颗粒踪迹，及时发现并定位潜在风险点。

将光学检测技术和电子束检测技术在杂质颗粒沾污检测方面进行交叉验证，发现光学检测在检测较大尺寸杂质颗粒时速度快、效率高，但对于微小杂质颗粒容易漏检；电子束检测则能够检测出极小尺寸的杂质颗粒，精度极高，但检测速度相对较慢。因此，在实际应用中，常采用先光学快速扫描筛查，再用电子束对可疑区域进行精确检测的组合方式，提高检测的全面性和准确性。

机械划伤检测：晶圆搬运、加工过程中，机械划伤较为常见，可能破坏晶圆表面电路结构，影响芯片性能。

缺陷检测设备借助高分辨率图像采集和分析技术，识别晶圆表面机械划伤，并对其位置、长度、深度等参数进行精确测量，为后续修复或工艺改进提供依据。

通过对多台不同品牌缺陷检测设备在机械划伤检测方面的性能交叉验证，发现设备的图像采集分辨率和分析算法的优劣直接影响检测结果的准确性。

高分辨率图像采集能够更清晰地呈现机械划伤的细节，而先进的分析算法能够更准确地识别和测量划伤参数，为工艺改进提供更可靠的数据支持。

晶圆图案缺陷检测：晶圆图案缺陷包括图案变形、缺失、重复等问题，会直接导致芯片功能失效。

缺陷检测设备利用先进图像处理算法和模式识别技术，对晶圆图案进行细致比对和分析，快速准确检测出各种图案缺陷，确保只有符合质量标准的晶圆进入下一道工序。

将不同厂家的晶圆图案缺陷检测设备对同批晶圆进行检测，并将检测结果与实际芯片功能测试结果进行交叉验证，发现检测准确率高的设备所对应的芯片功能合格率也更高，充分说明了晶圆图案缺陷检测设备在保障芯片质量方面的重要性。同时，通过对比不同设备的检测算法，发现采用深度学习算法的设备在检测复杂图案缺陷时具有更高的准确率和效率。

按应用范畴分类

关键尺寸量测（Optical Critical Dimension - OCD）

关键尺寸量测在半导体制造工艺中占据核心地位，最小线宽变化是影响半导体性能的关键因素。光刻、刻蚀等工艺中，微小线宽波动会对后续器件性能产生连锁反应。

OCD 设备基于光学原理，利用光的反射、衍射等特性，对半导体器件关键尺寸进行高精度测量。它能实时监测线宽和孔径变化，为工艺控制提供精准数据反馈，助力工程师及时调整工艺参数，实现精确误差测量，确保半导体制造工艺的稳定性和一致性。与关键尺寸扫描电子显微镜（CD - SEM）对比验证，OCD 设备在大面积关键尺寸测量时效率更高，可快速获取大量数据用于工艺监控；而 CD - SEM 在对特定微小区域关键尺寸进行超高精度测量时表现更优。在实际半导体制造中，常根据不同需求选择合适的设备或结合使用，以达到最佳的工艺控制效果。

薄膜的厚度量测（Film Metrology）

薄膜厚度量测设备专注于精确测定晶圆表面不同薄膜层的厚度、反射率、密度等参数。半导体制造中，多种薄膜层沉积是构建复杂器件结构的基础，每一层薄膜的厚度和性质都对芯片性能至关重要。这类设备可在不同工艺阶段，对薄膜层进行全面鉴定和监控，通过精确测量薄膜厚度，确保各层薄膜厚度符合设计要求，保障芯片电学性能和可靠性。

光罩 / 掩膜检测（Reticle Inspection）

光罩 / 掩膜作为光刻工艺模板，其质量直接关系到光刻图案的准确性。光罩 / 掩膜检测设备用于检测光罩表面是否存在缺陷，如颗粒、划痕、图案变形等。这些缺陷在光刻过程中会复制到晶圆上，导致大量芯片次品。该设备采用高分辨率光学成像技术和先进图像处理算法，对光罩表面进行全面细致扫描检测。一旦发现缺陷，能迅速定位并评估其对光刻工艺的影响程度，及时采取修复或更换措施，保证光刻工艺稳定性和芯片良率。

将不同厂家的光罩 / 掩膜检测设备对同一批光罩进行检测，并将检测结果与使用该光罩生产的晶圆光刻效果进行交叉验证，发现检测精度高的设备能够更准确地识别光罩缺陷，从而有效减少因光罩缺陷导致的晶圆光刻不良率。同时，设备的检测速度也会影响光罩的周转效率，对生产效率有一定影响。

无图形晶圆检测（Non - patterned Wafer Inspection）

无图形晶圆检测主要关注晶圆表面的宏观缺陷，如颗粒污染、划伤、裂纹等。这些缺陷可能在晶圆制造前期产生，若不及时检测剔除，会在后续工艺中扩大影响，导致大量废品。无图形晶圆检测设备通常采用光学暗场检测技术，利用缺陷对光的散射特性，高速、灵敏地检测出晶圆表面微小缺陷。因其检测速度快、覆盖范围广，能在短时间内对大量晶圆进行检测，确保进入后续工艺的晶圆质量可靠。与光学明场检测技术在无图形晶圆检测方面进行交叉验证，发现光学暗场检测在检测微小颗粒和缺陷时灵敏度更高，能够检测出明场检测难以发现的细微缺陷；而明场检测在检测较大尺寸的划伤和裂纹时可能更直观。在实际应用中，常根据具体需求选择合适的检测技术或结合使用，以提高检测效果。

图形化晶圆检测（Patterned Wafer Inspection）

图形化晶圆检测是对经过光刻、刻蚀等工艺后，晶圆上已形成的电路图案进行检测。与无图形晶圆检测相比，它更注重对图案完整性、准确性以及与设计标准一致性的评估。该检测过程复杂且耗时，需对晶圆上复杂电路图案进行精细分析。图形化晶圆检测设备综合运用光学明场、暗场检测技术以及电子束检测技术，能检测出图案中的各种缺陷，如短路、断路、图案缺失、变形等，确保芯片电路功能符合设计要求。通过对不同检测技术在图形化晶圆检测中的应用进行交叉验证，发现光学明场检测在检测图案的完整性和宏观缺陷方面表现较好，光学暗场检测对微小颗粒和潜在缺陷更为敏感，电子束检测则在检测高精度、复杂结构的图案缺陷时具有优势。在实际生产中，往往需要多种检测技术协同工作，才能实现对图形化晶圆的全面、准确检测。

电子束缺陷复查（Review SEM）

当缺陷检测设备发现晶圆上存在潜在缺陷时，缺陷复查设备发挥作用。它通常采用扫描电子显微镜（SEM）技术，对可疑缺陷进行高分辨率二次成像和分析。通过 SEM 的高放大倍数和高分辨率特性，可更清晰观察缺陷微观结构和特征，确定缺陷性质、来源以及对芯片性能的影响程度。这一过程类似医学上的进一步诊断，为后续采取针对性修复措施或工艺改进提供准确依据，避免因误判或对缺陷认识不足导致资源浪费和生产延误。将缺陷复查设备的检测结果与后续芯片失效分析结果进行交叉验证，发现准确的缺陷复查能够为芯片失效原因分析提供关键线索，有助于快速定位问题根源，采取有效改进措施，提高芯片的可靠性和良品率。同时，先进的缺陷复查设备能够对缺陷进行自动分类和统计分析，为工艺优化提供更有价值的数据支持。

二谐波检测设备

微崇半导体自主研发的二谐波设备，可实现对晶圆的非接触、无损伤、在线、快速、内部检测，在半导体前道量检测环节可实现在线电学特性、薄膜质量、晶格质量等参数检测，适用于前道各个工艺环节。通过检测晶圆内部的电学特性、薄膜质量、晶格质量等参数，能够精准判别与定位晶圆缺陷，帮助工程师更深入了解晶圆内部状况，为工艺调整提供关键依据，在提升芯片制造良率、保障产品质量方面发挥重要作用。与传统检测设备在相同晶圆样本上进行对比验证，发现二谐波设备能够检测出一些传统设备难以发现的内部缺陷，如微小的晶格缺陷和薄膜内部的电学不均匀性，为提升芯片质量提供了更全面的检测手段。

热波检测设备

同样由微崇半导体研发的热波设备，具备非接触、无损伤、在线、快速检测晶圆缺陷的能力。其工作原理基于热波在晶圆材料中的传播特性，当晶圆存在缺陷时，热波传播会受到影响，设备通过捕捉这些变化来精准判别与定位缺陷。在半导体制造过程中，热波检测设备可有效检测出晶圆内部诸如空洞、分层等常规检测手段难以察觉的缺陷，对保障晶圆质量，提升芯片制造的整体可靠性具有重要意义。与其他检测设备针对晶圆内部缺陷检测进行交叉验证，热波检测设备在检测空洞和分层等缺陷时具有独特优势，能够准确确定缺陷的位置和大小，为后续修复或工艺改进提供准确信息。同时，热波检测设备的检测速度和稳定性也经过实际生产验证，能够满足大规模生产的需求。

按技术原理分类

光学检测设备（Optical Inspection Equipment）

光学检测设备凭借独特优势，在半导体前道量检测领域占据重要地位，其检测原理基于光与物质的相互作用，通过分析光的反射、散射、衍射等特性获取晶圆表面信息。

光学明场检测系统

：该系统主要用于详细检查晶圆表面的图案缺陷。工作时，以特定角度向晶圆表面照射光线，光线遇图案缺陷时，反射光强度和方向发生变化。通过精确测量反射光变化，系统能识别图案中的各种缺陷，如线条断裂、短路、开路等。因其对图案细节的高分辨率成像能力，在需要精确检测复杂电路图案的场景中应用广泛。将不同厂家的光学明场检测系统对同一批复杂图案晶圆进行检测，并与实际芯片功能测试结果进行交叉验证，发现成像分辨率高、算法先进的系统能够更准确地检测出影响芯片功能的图案缺陷，提高芯片的良品率。同时，光学明场检测系统的检测速度和图像分析处理能力也对生产效率有重要影响。

光学暗场检测系统

：光学暗场检测系统侧重于高速检测晶圆表面的微小颗粒和缺陷，适用于大量晶圆的快速筛查。光线照射到晶圆表面时，正常区域光线按镜面反射传播，遇微小颗粒或缺陷时部分光线散射。暗场检测系统通过直接检测散射光，敏锐捕捉晶圆表面微小异常，具有检测速度快、灵敏度高的特点。在无图形晶圆检测等对检测速度要求较高的应用场景中，发挥着不可替代的作用。与光学明场检测系统对比验证，在检测微小颗粒和缺陷方面，光学暗场检测系统的灵敏度更高，能够检测出尺寸更小的缺陷；而光学明场检测系统在检测图案完整性和宏观缺陷方面更具优势。在实际生产中，常根据不同检测需求将两者结合使用，以实现全面高效的检测。

光学检测设备的优势与局限

：光学检测设备具有检测速度快、无接触、成本相对较低等显著优势，能满足半导体制造过程中对实时性和高效性的要求。在一些需实时监测工艺过程的场景中，可直接与工艺机台集成，实现对晶圆的快速检测和反馈。然而，受光的波长限制，传统光学检测在检测极小尺寸缺陷和结构时，分辨率存在一定局限性，难以满足日益先进的半导体制造工艺对高精度检测的需求。

电子束检测设备（Electron Beam Inspection Equipment）

电子束检测设备的核心原理基于电子与物质的相互作用。电子具有波粒二象性，其德布罗意波长远短于可见光（可低至亚纳米级），这使得电子束能够实现远超光学设备的空间分辨率。当电子束照射到晶圆表面时，会与材料中的原子发生弹性散射、非弹性散射等相互作用，激发二次电子、背散射电子或特征X射线，设备通过捕捉这些信号并分析其强度、分布特征，实现对晶圆表面结构、尺寸及缺陷的高精度检测。

在应用层面，电子束检测设备是先进工艺中“纳米级精度”的核心保障。例如，关键尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）通过聚焦电子束扫描晶圆表面，利用二次电子成像原理，可对10纳米以下的栅极线宽、通孔尺寸等进行精确测量，其分辨率可达0.5纳米，是7纳米及以下先进制程关键尺寸控制的“标配”设备。缺陷复查设备（Review SEM）同样依赖电子束技术，通过高放大倍数（可达百万倍以上）成像，能清晰呈现微小缺陷（如1纳米级颗粒、晶格错位）的微观形态，为缺陷根源分析提供直接依据。

与光学检测设备交叉验证可见，电子束设备的最大优势是超高分辨率，能捕捉光学设备因衍射极限无法识别的微小结构与缺陷；但局限也显著：电子束需在高真空环境下工作，检测速度较慢（单晶圆检测时间通常是光学设备的5-10倍），且电子束照射可能对部分敏感材料（如光刻胶）造成损伤，同时设备成本较高（单台CD-SEM价格可达数百万美元）。因此，实际生产中常采用“光学快速筛查+电子束精准验证”的组合模式，平衡效率与精度。

X射线检测设备（X-ray Inspection Equipment）

X射线检测设备的工作原理基于X射线的穿透性与衍射特性。X射线波长介于0.01-10纳米，能量较高，能穿透晶圆表面的薄膜层甚至整体晶圆，其与物质的相互作用包括光电效应、康普顿散射及布拉格衍射（针对晶体材料）。通过分析X射线的透射强度、衍射角度或能谱，可获取晶圆内部结构、成分及薄膜参数等信息。

在半导体前道量检测中，X射线设备主要用于两类场景：一是多层薄膜厚度与成分分析，尤其适用于金属膜、厚膜（如大于1微米的介质膜）或光学不透明薄膜的测量。例如，基于X射线反射（XRR）技术的设备，通过分析X射线在薄膜界面的反射强度变化，可精确测量多层膜的厚度、密度及粗糙度，弥补光学设备对不透明膜测量的局限；二是晶体结构与晶格缺陷检测，利用布拉格衍射原理，X射线衍射（XRD）设备可分析晶圆的晶格常数、应力及位错等，对外延层、磊晶层的质量控制至关重要。

与电子束、光学设备对比验证发现，X射线设备的独特优势在于穿透能力强，可实现非破坏性的内部结构检测，且对薄膜成分敏感（通过特征X射线能谱分析）；但局限在于空间分辨率较低（通常为微米级），难以检测纳米级表面缺陷，且设备体积较大、检测速度较慢，更适用于离线抽检或特定参数的深度分析。

离子束检测设备（Ion Beam Inspection Equipment）

离子束检测设备以聚焦离子束（FIB）为核心，其原理是将离子源（如镓离子）加速并聚焦为纳米级束流，轰击晶圆表面时，离子与材料原子发生动量传递，引发溅射、电离等效应，通过检测溅射粒子或二次电子信号，实现对晶圆结构的三维成像与分析。

这类设备在半导体前道量检测中主要用于缺陷的深度剖析与三维表征。例如，当缺陷检测设备发现表面微小缺陷后，FIB可逐层剥离缺陷区域的材料，结合二次电子成像，构建缺陷的三维形态（如深孔底部的微小空洞、薄膜层间的分层），精准定位缺陷深度与扩展范围。此外，FIB还可用于制备缺陷截面样本，配合透射电子显微镜（TEM）进行更精细的结构分析。

与电子束设备交叉验证显示，离子束设备的优势在于三维空间分辨率高（纵向分辨率可达纳米级），能突破平面检测的局限；但缺点是具有破坏性（离子束会损伤晶圆材料）、检测速度极慢（单缺陷分析可能耗时数小时），且设备成本高昂，因此仅用于关键缺陷的离线深度分析，而非在线批量检测。

其他技术原理设备

除上述主流技术外，半导体前道量测领域还涌现出基于特殊物理效应的检测设备，如前文提及的二谐波检测设备与热波检测设备，其技术原理突破传统光学或电子束框架，形成独特的检测能力。

二谐波检测基于激光与晶圆材料的非线性光学效应：当特定波长的激光照射晶圆时，材料内部的晶格缺陷、薄膜应力或电学不均匀性会导致激光频率翻倍（产生二谐波），设备通过分析二谐波的强度与分布，实现对晶圆内部特性的非接触、无损伤检测。与传统光学设备对比，其优势在于能穿透表面薄膜，直接反映晶格质量、载流子浓度等内部参数，尤其适用于外延层、衬底的质量监控。

热波检测则利用热波在材料中的传播特性：设备通过激光脉冲在晶圆表面激发热波，热波向内部传播时，若遇到空洞、分层等缺陷，传播速度与衰减特性会发生变化，通过红外探测器捕捉这些变化，可定位缺陷位置与形态。与X射线检测对比，热波检测对微小空洞（直径小于1微米）的灵敏度更高，且检测速度快（单晶圆检测时间约10秒），适合在线批量检测。

技术原理分类的协同价值

按技术原理分类的各类设备，本质上是人类利用不同物理效应“透视”半导体材料的工具。光学设备以速度与效率见长，守护大规模生产的基础质量；电子束设备以分辨率取胜，支撑先进制程的纳米级精度；X射线与离子束设备则深入材料内部，解决“表面之下”的检测难题；而二谐波、热波等新兴技术，进一步填补了传统设备的检测盲区。

没有任何单一原理的设备能覆盖所有检测需求：例如，光学暗场设备快速筛查出的微米级颗粒，需电子束设备确认是否为致命缺陷；