世界上僅有的幾家光刻機設備製造商正在開發一種新型的晶圓檢測系統，以應對在發現先進芯片中發現缺陷的挑戰。
在每個節點上，芯片的特徵尺寸越來越小，而缺陷更難發現。缺陷是芯片中不希望有的偏差，會影響良率和性能。新的檢查系統有望解決這些挑戰，但它們也比以前的工具昂貴，芯片製造商可能需要購買它們的混合物。
傳統的前道量檢測一般採用 多用光檢測 和 單子束相結合 的方式，但光檢測無法適用於7nm以下的先進製程，電子束檢測效率極其低。
ASML近期推出多光束檢測方案，能夠同時產生、控制九道電子束，將產能提升600%，對先進製程的良率提升十分重要。
近日，光刻機巨頭阿斯麥（ASML）在官網宣佈，完成了用於5nm及更先進工藝的第一代HMI多光束檢測機HMI eScan1000的測試。
據官網介紹，這台多光束檢測機具有9束3×3配置的完整多光束系統，能夠同時產生、控制九道電子束，與單個電子束檢查工具相比，將使吞吐量提高達600％。
多光束檢測機用於製造過程中的晶圓檢測，是晶圓製造廠商的上游，對先進製程晶圓成品的良率十分重要。
隨着在半導體工藝競賽愈演愈烈的情況下，5nm已經成為各晶圓廠商爭奪的下一個佔地，台積電、三星、英特爾等企業蓄勢待發。HMI eScan1000的出現讓5nm之戰更加激烈。
一
握住晶圓檢測的命門，
光刻機巨頭不止有光刻機
提起荷蘭阿斯麥（ASML），第一時間聯想到的肯定是光刻機。這家全球唯一的光刻機供應商掌控着高端光刻機市場的100%份額，台積電和三星等半導體巨頭都要時刻看其眼色行事。
光刻機是晶圓從設計到製造環節中必不可少的一個設備，原理是用光將設計好的電路投射到硅片上。阿斯麥以其獨有的沉浸式光刻技術降低光源波長，將稼動率（實際的生產數量與可能的生產數量的比值）維持在95%上下，牢牢掌控着半導體行業這個皇冠中最大的那顆明珠，市值高達700億歐元。
但實際上，阿斯麥掌控的命門並不只是光刻機。
在晶圓製造過程中，除了光刻機，還有另外一個與光刻環節相輔相成，且技術壁壘高、對製造結果極其關鍵的步驟——前道量檢測。
關於集成電路檢測技術，狹義上的認知集中在封測環節，實際上檢測貫穿生產流程的始終，起始於IC設計，在IC製造中繼續，終止於對封裝後的性能檢測，分別被稱為設計驗證、前道量檢測和後道量檢測。
阿斯麥此次推出的HMI eScan1000就屬於前道量檢測設備，是晶圓製造廠商的上游，也是所有檢測步驟中技術門檻最高的那一個。
前道量檢測與晶圓製造步密切相關，每一道製造工藝完成後都要測量參數、檢測缺陷，確保工藝穩定性達到設計要求。
量測內容包括「量」和「檢」，量測薄膜厚度、膜應力、摻雜濃度、關鍵尺寸、套刻精度等關鍵參數以及檢測生產過程中有無產生表面雜質顆粒沾污、晶體圖案缺陷、機械劃傷等缺陷。
為製造更高端製程晶圓，晶圓廠往往要經歷600-1000個甚至更多步驟，一點小的故障都會使芯片出現物理缺陷，比如橋接、突起和空隙。並且步驟之間會相互影響，很難通過出場產品準確定位哪一個步驟出現了問題。
這些物理缺陷最終可能導致半導體產品使用時發生漏電、斷電的現象，影響產品良率。
「良率」可以説是晶圓製造廠商的命門。半導體市場份額競爭激烈，客户會優先選擇生產良率高的企業供貨。對於製造廠商來説，產品良率每降低一個百分點，就可能損失100-800萬美元。更為嚴重的情況下，檢測不到位會導致後續生產工作全部被浪費。
2019年2月，台積電就在一次報告中稱最近生產的晶圓「來自化學材料供應商的一批光阻劑含有一種特殊成分，經不正常處理後，在光阻劑中生成一種外來聚合物。這種外來聚合物對Fab 14B的12/16納米晶圓片產生了不良影響。」成千上萬的晶圓在此次事故中報廢，台積電當季營收減少約5.5億美元。
所以，前道量檢測設備的需求也比較大，佔晶圓廠前道製造設備11.5%的投資比例，2020年市場規模約58億美元。
在晶圓製造過程中，前道量檢測和光刻技術相輔相成，前者測量硅晶片上的成像性能，並將數據實時實時反饋到光刻系統中，有助於在大批量芯片製造中保持穩定的光刻性能。二者結合就是一個完整的光刻解決方案。
前道量檢測的一種方法是光檢測，收集從晶圓處反射回的光確定缺陷，和光刻機技術相似。阿斯麥有三款Yield Star系列光檢測設備，作為光刻整體解決方案的一部分。
YieldStar 375F
2016年，阿斯麥以31億美元收購了Hermes Microvision Inc. (簡稱HMI，漢科微)，後者成立於1988年，目前目前已經成為世界各大晶圓代工廠與晶圓記憶體廠最大的電子束檢測設備供應商，主要客户是台積電和英特爾，擁有三款HMI eScan系列電子束檢測設備。
但是在整個前道量檢測市場，光刻機巨頭阿斯麥並沒能在前排留坐，市佔率僅為8.6%左右。這片市場一大半都長期被美國企業科磊（KLA-Tencor）壟斷。
二
首台多光束檢測機，產能提升600%
市場份額如此之低，阿斯麥顯然不甘心如此為人後，一直在潛心研發多光束檢測設備。
什麼是多光束檢測？這要從前道量檢測的基本方法説起，它一般分為光學量測和電子束量測。
光學量測通過向晶圓發射光源，通過光的反射、收集從缺陷處反射回來的光進行衍射光譜間接測量，類似於雷達成像原理。
光檢測分為明場和暗場，明場在更大角度測量光線，暗場可測量以較小角度反射的光。從缺陷處反射回來的光在白色背景下會顯得較暗，藉助此特徵可定位缺陷區域，然後藉助一定手段將缺陷區域數字化。
目前光學檢測設備多使用193nm光源。其優點在於成像快，分辨率高，一小時可以檢測1到2個晶片。缺點是無法直接成像，需要藉助其他工具，檢測精度也有限，根據ASML和其他公司的數據，明場在SRAM中的靈敏度低於5nm，而暗場低於15nm。
電子束量測利用電子的特性，來自電子束的電子撞擊並穿透樣品表面，然後電子散射並反彈回工具中的檢測器。
電子束量測示意圖
電子束檢查工具可以檢測兩種類型的信號-背向散射電子（BSE）和二次電子。BSE是源自結構深處的電子。二次電子來自表面。通過信號檢測電子束可以在晶圓掩膜上「寫」出缺陷處圖案。
優點是可以直接呈現缺陷的具體形貌，且檢測精度非常高，可以發現低於1nm的結構缺陷。一個缺點是電子束成像量測操作時需要切割晶圓，具有破壞性。
電子束檢測最大的問題是吞吐量太慢，比光學檢查時間慢1000倍。對於7nm及以上製程的複雜掩膜，寫入時間甚至超過了30小時。
目前前道量檢測常用的辦法是光學檢測和電子束檢測相結合，先用光束快速確定缺陷區域，再用電子束對缺陷區域精確成像。提高檢測效率並降低對晶圓的破壞性。
這種方法存在的問題是，受限於光束的精度缺陷，光量測無法定位高製程的晶圓缺陷，電子束又太慢，7nm及更高製程的晶圓缺陷都很難定位到。
與單光束工具相比，多光束掩膜寫入器使用成千上萬個細小束，可以以更快的速度對高級掩膜進行圖案化或寫入，也能寫入更復雜的掩膜圖案。IMS多光束工具平均12個小時可以完成掩膜寫入工作。
所以，ASML、NuFlare、KLA-Tencor以及被英特爾收購的IMS Nanofabrication等公司多年來都在研發「多光束檢測」。但由於製造複雜，出貨量非常小。且多光束一直存在光束之間互相干擾的問題。
IMS Nanofabrication的多光束工具
阿斯麥推出的HMI eScan1000獨創性在於是第一個具有9束3×3配置的完整多光束系統，能夠同時產生、控制九道電子束，將產能提升了600%。
新的MBI系統還包括一個電子光學系統，該系統能夠創建和控制多個一次電子小束，然後收集和處理所產生的二次電子束，將電子束對電子束的串擾限制在2％以下，並提供一致的成像質量。它還具有一個高速平台以提高系統的整體吞吐量，並具有一個高速計算架構來實時處理來自多個子束的數據流。
三
多光束檢測點燃5nm之戰
從實際意義來看，HMI eScan1000可以推動5nm及更高製程的晶圓檢測進程。
在半導體工藝競賽愈演愈烈的情況下，5nm已經成為各晶圓廠商爭奪的下一個佔地，目前玩家包括台積電、三星和英特爾。
其中台積電進展最迅速，已經拿下了蘋果和華為兩個大客户的旗艦手機芯片訂單，下半年開啓量產，2020年營收佔比預計會超過10%。
三星的5nm製程也提上了進度，目前正加速韓國華城5nm生產工廠V1的建設，預計6月底前完成生產線建設，今年年底前實現量產。據外媒傳言，三星也正與谷歌正合作開發採用三星5nm LPE工藝的定製Exynos芯片組，將搭載於谷歌的Pixel智能手機、Chrome OS設備甚至數據中心服務器中。
之前在製程之戰中淡出許久的英特爾也蓄勢待發，宣佈要進軍5nm製程。但並未透露更多具體的時間和信息，僅表示目前工藝研發進程可觀，若一切正常，將在2023年正式推出。
5nm之戰與其他節點最大的不同在於，這將是一場涉及代工廠、設備廠和材料廠等全產業鏈戰局的大爆發。
從工藝上説。5nm是摩爾定律的一個轉折點，它用finFET晶體管結構，與本質上是2D的傳統平面晶體管不同，與以往的2D結構晶體管相比，FinFET工藝的特點在於，它將閘門設計成了像魚鰭般的3D結構，把以往水平的芯片內部結構變垂直，把晶體厚度變薄。不僅能很好地接通和斷開電路兩側的電流，大大降低了芯片漏電率高的問題，還大幅地縮短了晶體管之間的閘長。
同時，5nm的晶體管集成度和精細化程度比以往都更高，這導致器件關鍵缺陷部位尺寸變小，結構複雜，與工藝提高相對應的是檢測設備要求的提高。
低於10nm的掩模節點的極其複雜的掩膜圖案
目前，HMI eScan1000多光束檢測設備已經進入客户驗證階段。雖然尚未透露客户是誰，但從市場情況猜測，很有可能是台積電，因為台積電是離量產最近的企業。
如果是台積電，那麼這台多光束光刻機的出現將會大大提升台積電5nm產品良率，在5nm製程之戰中又做實了晶圓製造龍頭的地位。
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原標題：《點燃5nm製程之戰：光刻機巨頭推出光檢測殺手鐧，產能有望提升六倍》