CD-SEM概述

在過去的半個(gè)多世紀(jì)，集成電路產(chǎn)業(yè)依照摩爾定律不斷向更小的特征尺寸（critical dimension，CD）發(fā)展，這就使得集成電路的生產(chǎn)需要更嚴(yán)格的制造環(huán)境、更先進(jìn)的制造工藝以及更少的制造缺陷，因此，集成電路晶圓（wafer）關(guān)鍵層圖案圖像線寬尺寸測量和缺陷檢查越來越成為現(xiàn)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵問題。

半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步往往表現(xiàn)在器件關(guān)鍵尺寸的減小，柵寬決定了溝道長度，進(jìn)而影響器件的反應(yīng)速度。關(guān)鍵尺寸即柵極線條寬度，通常是指我們所說的“線寬”，任何經(jīng)過光刻后的光刻膠線條寬度或刻蝕后柵極線條寬度與設(shè)計(jì)尺寸的偏離都會(huì)直接影響最終器件的性能、成品率及可靠性，所以先進(jìn)的工藝控制都需要對線條寬度進(jìn)行在線測量。

關(guān)鍵尺寸測量需要精度和準(zhǔn)確性優(yōu)于2nm的測量儀器，能夠獲得這種測量水平的儀器是掃描電子顯微鏡。此類掃描電鏡被稱為關(guān)鍵尺寸掃描電子顯微鏡（Critical Dimension Scanning Electron Microscopy，即CD-SEM），是晶圓廠的主要計(jì)量工具。雖然兩者在技術(shù)原理上有很多相似之處，但由于不同的應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)，CD-SEM和普通SEM在實(shí)際的配置和使用中存在較大區(qū)別。

與通用 SEM 相比，CD-SEM 有三大特點(diǎn)：

1、CD-SEM照射樣品的一次電子束能量較低，為1keV或以下。這是由于光刻膠或其他微結(jié)構(gòu)很脆弱，降低CD-SEM電子束的能量可以減少電子束照射對樣品的損傷，這樣有利于晶圓進(jìn)行下一步工序。

2、CD-SEM注重于高精度和高速度的尺寸測量，通常配備有專門設(shè)計(jì)的電子槍、透鏡和檢測器，以實(shí)現(xiàn)在高吞吐率和高重復(fù)性下獲得精確的線寬測量。CD-SEM 的測量重復(fù)性約為測量寬度的 1% 3σ。

3、CD-SEM與SEM的自動(dòng)化操作步驟：將樣品晶圓放入晶圓盒內(nèi)，然后將晶圓盒放置在 CD-SEM/SEM 上。預(yù)先將尺寸測量的條件和程序輸入到配方（recipe）中。當(dāng)測量過程開始時(shí)，CD-SEM /SEM會(huì)自動(dòng)從盒中取出樣品晶圓，將其加載到 CD-SEM /SEM中并測量樣品上所需的位置。測量完成后，晶圓將返回到晶圓盒中。

普通的SEM也可以執(zhí)行自動(dòng)化操作，但與CD-SEM相比，其自動(dòng)化能力不如CD-SEM那么精細(xì)和高效。CD-SEM通常在半導(dǎo)體制程控制中需要執(zhí)行大量的重復(fù)測量，因此具有較強(qiáng)的自動(dòng)化能力。而普通SEM則可能更注重于圖像的質(zhì)量和分辨率。當(dāng)然CD-SEM通常還包含一套完整的數(shù)據(jù)分析和報(bào)告生成工具，可以自動(dòng)分析測量數(shù)據(jù)、生成統(tǒng)計(jì)報(bào)告并等。

市場概況

根據(jù)VLSI Research的統(tǒng)計(jì)，2020 年半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備市場各類設(shè)備占比如下表所示，其中，檢測設(shè)備占比為 62.6%，包括無圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備、圖形晶圓缺陷檢測設(shè)備、掩膜檢測設(shè)備等；量測設(shè)備占比為 33.5%，包括三維形貌量測設(shè)備、薄膜膜厚量測設(shè)備（晶圓介質(zhì)薄膜量測設(shè)備）、套刻精度量測設(shè)備、關(guān)鍵尺寸量測設(shè)備、掩膜量測設(shè)備等，具體情況如下：

數(shù)據(jù)顯示，電子束關(guān)鍵尺寸量測設(shè)備全球銷售額約6.2億美元，占半導(dǎo)體量檢測設(shè)備總銷售額的8.1%。目前，全球半導(dǎo)體檢測和量測設(shè)備市場也呈現(xiàn)國外設(shè)備企業(yè)壟斷的格局，CD-SEM也不例外。目前主要CD-SEM廠商是日立高新，國內(nèi)主要廠商包括上海精測和東方晶源。

CD-SEM當(dāng)前市場主流產(chǎn)品型號(hào)包括 AMAT 的 VeritySEM 系列和 PROVision 系列，以及日立高科的 SEM 系列；國產(chǎn)突破上看，東方晶源面向 8 吋產(chǎn)線的首臺(tái) CD-SEM 設(shè)備 SEpA-C300 系列已于 2022年4月出貨給燕東微，面向 12 吋產(chǎn)線的首臺(tái)設(shè)備 已于 2021 年 7 月出機(jī)中芯國際。

CD-SEM國外主流企業(yè)及進(jìn)展

1、日立高科

自 1984 年推出第一臺(tái) CD-SEM 以來，日立一直遵循基于 SEM 圖像的關(guān)鍵尺寸測量方法，30 多年來一直不斷發(fā)展并保持出色的測量可重復(fù)性。在保持與半導(dǎo)體微納加工趨勢兼容的高分辨率的同時(shí)，日立提供強(qiáng)大的CD-SEM，以展示高可用性，并結(jié)合制造和開發(fā)線所需的各種新功能，以滿足客戶的需求。

隨著半導(dǎo)體器件制造工藝的發(fā)展，N2（2 nm制程節(jié)點(diǎn)）和A14（14 埃制程節(jié)點(diǎn)）的研發(fā)正在進(jìn)行中。除了在最先進(jìn)的器件中應(yīng)用高數(shù)值孔徑 EUV光刻之外，器件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性預(yù)計(jì)還會(huì)增加，例如 GAA 和 CFET 結(jié)構(gòu)。因此，在尖端半導(dǎo)體器件工藝開發(fā)中，在研究階段和量產(chǎn)階段，對在各種測量條件下進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集以測量各種材料和結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定運(yùn)行以及進(jìn)一步提高工具間匹配的需求正在增加。2023年12月12日，日立高新技術(shù)宣布推出GT 2000高精度電子束計(jì)量系統(tǒng)。

GT2000高精度電子束測量系統(tǒng)

GT2000配備了尖端3D半導(dǎo)體器件的新型檢測系統(tǒng)。它還利用低損傷高速多點(diǎn)測量功能實(shí)現(xiàn)高數(shù)值孔徑EUV光刻膠晶圓成像，以最大限度地減少光刻膠損壞并提高批量生產(chǎn)中的良率。日立GT2000 CD-SEM將在日益小型化和復(fù)雜化的先進(jìn)半導(dǎo)體器件的制造過程中實(shí)現(xiàn)高精度、高速的測量和檢測，并為提高客戶在研發(fā)和量產(chǎn)方面的良率做出貢獻(xiàn)。

GT2000有三大關(guān)鍵技術(shù)：

1. 100V超低加速電壓和超高速多點(diǎn)測量功能，適用于高數(shù)值孔徑EUV工藝

在高數(shù)值孔徑EUV光刻工藝中，使用的光刻膠更薄，因此，為了高精度測量，計(jì)量工具必須盡可能少地對光刻膠造成損壞。GT2000將開創(chuàng)性的100V超低加速電壓與專有的高速掃描功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低損傷和高精度測量。此外，它還配備了超高速多點(diǎn)測量模式，可快速確定制造工藝條件，檢測研發(fā)階段的異常情況。

2. 3D器件結(jié)構(gòu)高靈敏度檢測系統(tǒng)

除了傳統(tǒng)的 CD 測量外，具有 GAA、CFET 和 3D 存儲(chǔ)器等結(jié)構(gòu)的 3D 設(shè)備還需要測量圖案的深度、孔和溝槽的底部。GT2000配備了新的高靈敏度檢測系統(tǒng)，可有效檢測背散射電子，從而能夠?qū)θ找鎻?fù)雜的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行高精度成像，并擴(kuò)展了新測量應(yīng)用的可能性。

3. 改善工具間匹配的新平臺(tái)和新電子光學(xué)系統(tǒng)

負(fù)責(zé)過程監(jiān)控的CD-SEM最重要的性能要求之一是多個(gè)工具之間的測量值差異很小。GT2000 新平臺(tái)和電子光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，消除了導(dǎo)致測量值差異的任何因素，從而改善了工具之間的匹配。

2、應(yīng)用材料（AMAT）

應(yīng)用材料是世界上最大的半導(dǎo)體設(shè)備廠之一，多年穩(wěn)居半導(dǎo)體設(shè)備市場榜首。1997年，為了進(jìn)入集成電路生產(chǎn)過程檢測和監(jiān)控設(shè)備市場，應(yīng)用材料先后分別以1.75億美元和1.1億美元收購兩家以色列公司Opal Technologie和Orbot Instruments。其中，Opal是一家領(lǐng)先的半導(dǎo)體CD-SEM系統(tǒng)供應(yīng)商。由此應(yīng)用材料成功打入CD-SEM市場。

今年2月28日，2月28日，應(yīng)用材料公司推出了一款新型電子束測量系統(tǒng)，專門設(shè)計(jì)用于精確測量采用EUV和新興高數(shù)值孔徑EUV光刻技術(shù)的半導(dǎo)體器件特征的關(guān)鍵尺寸。

隨著光刻膠在EUV中變得更薄，尤其是高數(shù)值孔徑EUV，測量半導(dǎo)體器件特征的關(guān)鍵尺寸變得更具挑戰(zhàn)性。為了捕獲提供精確亞納米測量的高分辨率圖像，CD-SEM必須能夠?qū)⒄娮邮_地施加到極薄光刻膠占據(jù)的小區(qū)域。電子束能量與光刻膠相互作用，如果著陸能量過高，抗蝕劑會(huì)收縮，扭曲圖案并產(chǎn)生誤差。傳統(tǒng)的CD-SEM不能產(chǎn)生足夠窄的光束，以足夠低的著陸能量創(chuàng)建高分辨率圖像，以盡量減少與精致的高數(shù)值孔徑光刻膠的相互作用。

應(yīng)用材料公司的新型VeritySEM 10系統(tǒng)具有獨(dú)特的架構(gòu)，與傳統(tǒng)的CD-SEM相比，能夠以2倍的分辨率實(shí)現(xiàn)低著陸能量。它還提供更快30%的掃描速率，以進(jìn)一步減少與光刻膠的相互作用并提高通量。該系統(tǒng)具有行業(yè)領(lǐng)先的分辨率和掃描速率，可改進(jìn)對EUV和高數(shù)值孔徑EUV光刻和蝕刻工藝的控制，幫助芯片制造商加快工藝開發(fā)并最大限度地提高大批量生產(chǎn)的良率。

VeritySEM 10系統(tǒng)也被芯片制造商用于3D設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵尺寸計(jì)量應(yīng)用，包括Gate-All-Around（GAA）邏輯晶體管和3D NAND存儲(chǔ)器，其中系統(tǒng)的背向散射電子能夠?qū)ι顚咏Y(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率成像。在GAA芯片的應(yīng)用中，VeritySEM 10用于測量和表征選擇性外延過程，這是晶體管性能的關(guān)鍵。對于3D NAND存儲(chǔ)器，該系統(tǒng)提供大視野和高焦深，以測量整個(gè)樓梯互連結(jié)構(gòu)并幫助調(diào)整蝕刻工藝配方。

3、KLA

KLA（中文科磊），1976年成立于美國加州硅谷，是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體檢測設(shè)備供應(yīng)商，為半導(dǎo)體制造及相關(guān)行業(yè)提供產(chǎn)能管理和制程控制解決方案。目前KLA的量檢測產(chǎn)品主要集中于光學(xué)檢測，其電子束檢測多為缺陷檢測產(chǎn)品。

不過KLA也曾推出過CD-SEM的量測產(chǎn)品，比如曾在1999年推出了 8100XP-R，這是一款臨界尺寸掃描電子顯微鏡 （CD-SEM），專為涉及低 k1 光刻和 0.18 微米設(shè)計(jì)規(guī)則的半導(dǎo)體計(jì)量而設(shè)計(jì)。該工具設(shè)計(jì)用于測量掩模版和晶圓，而無需任何硬件或軟件轉(zhuǎn)換。

今年美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST）聯(lián)合KLA 的研究人員共同開發(fā)電子束傾斜測量技術(shù)，以提升芯片制造SEM測量水平。當(dāng)電子束通過SEM時(shí)，它會(huì)受到精細(xì)控制。電子束與理想路徑的輕微偏差或電子束撞擊芯片表面的角度的微小錯(cuò)位都會(huì)使生成的 SEM 圖像失真并歪曲器件的結(jié)構(gòu)。NIST和KLA通過考慮電子束的這些角度錯(cuò)位，提高了SEM的精度。該聯(lián)合研究項(xiàng)目測量光束傾斜的精度小于一毫弧度，即百分之五度，這需要在角分辨率和測量驗(yàn)證方面取得進(jìn)步。

4、TCK

TCK株式會(huì)社自2005年成立以來，為半導(dǎo)體行業(yè)開發(fā)并銷售了許多獨(dú)特的半導(dǎo)體相關(guān)設(shè)備，其基礎(chǔ)技術(shù)包括精密載物臺(tái)、真空控制技術(shù)、電子束控制和圖像處理技術(shù)等。因此，在2014年，開發(fā)并銷售了世界上最小水平的高分辨率和超高真空SEM，并收到了來自各個(gè)方面的大量反饋。 近年來，在半導(dǎo)體領(lǐng)域開發(fā)的精密技術(shù)得到應(yīng)用。

TCK的Minimal CD-SEM專門用于電子顯微鏡中晶圓圖案的尺寸測量。該設(shè)備的特點(diǎn)是可移動(dòng)的尺寸和重量（縱深459mm，高1440mm，寬297mm，120kg），在工廠實(shí)現(xiàn)高分辨率/超高真空，同時(shí)能夠在AC 100V的電源中工作。為了本儀器的便攜性，安裝了各種網(wǎng)絡(luò)連接方式，例如通過USB / LAN電纜連接PC和通過IR云互聯(lián)網(wǎng)連接紅外互聯(lián)網(wǎng)。

5、HOLON

HOLON是一家基于電子束的檢測和測量工具的制造商，產(chǎn)品主要用于半導(dǎo)體制造所需的光掩模和晶圓。

用于光掩模的CD-SEM是HOLON的旗艦產(chǎn)品，在半導(dǎo)體制造工藝中使用的光掩模制造工藝中發(fā)揮著不可或缺的作用。光掩模制造工藝所需的工具主要分為兩種類型。一種是電子束直寫（圖案成型）系統(tǒng)，另一種是檢查（或修復(fù)）系統(tǒng)。HOLON提供電子束檢測系統(tǒng)。公司主要的CD-SEM產(chǎn)品是ZX系列，其中ZX-D是用于傳統(tǒng)工藝節(jié)點(diǎn)的光掩模CD-SEM。ZX-D 和 ZX 建立在相同的技術(shù)平臺(tái)上，ZX-D 可以在需要時(shí)升級(jí)到完整的 ZX 配置。

ZX CD-SEM 將 HOLON 在掩模計(jì)量方面的技術(shù)領(lǐng)先地位擴(kuò)展到 10nm 以下節(jié)點(diǎn)的最先進(jìn)器件。HOLON行業(yè)領(lǐng)先的像差校正和電荷緩解技術(shù)已經(jīng)過改進(jìn)和實(shí)施，以滿足測量和成像前沿半導(dǎo)體光掩模的所有要求。ZX 已交付給全球多家半導(dǎo)體制造商、代工廠和光掩模車間，并在其中使用。該產(chǎn)品可以在納米尺度上高速、高精度地測量圖案；改進(jìn)了像差校正，以獲得更清晰的圖像和更高的信噪比；通過低真空技術(shù)實(shí)現(xiàn)電荷減輕的高質(zhì)量圖像；集成應(yīng)用，包括多點(diǎn) CD 測量、輪廓提取、新型 2D 測量、方法、缺陷檢查和“鳥瞰”（3D） 視圖；適用于各種基材，包括EUV掩模、移相掩模、NIL Qz模具、PET薄膜模具和DSA薄膜。

6、ADVANTEST

Advantest （ADVANTEST CORPORATION）是一家日本半導(dǎo)體設(shè)備公司，專門提供廣泛的半導(dǎo)體設(shè)備測試解決方案。該公司成立于1954年，現(xiàn)已成為半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)之一。

隨著多重曝光技術(shù)的進(jìn)步，更細(xì)間距和更復(fù)雜電路的發(fā)展，以及光罩?jǐn)?shù)量和各光罩測量點(diǎn)數(shù)量的增加，需要對光罩上形成的布線圖案尺寸進(jìn)行穩(wěn)定的高精度測量和評估。愛德萬E3600系列產(chǎn)品滿足先進(jìn)設(shè)備的需求，具有高測量可重復(fù)性和穩(wěn)定產(chǎn)能。

E3650是采用愛德萬專有電子束掃描技術(shù)的新系統(tǒng)，以更高的精度和穩(wěn)定性測量光罩上的精細(xì)圖案尺寸。E3650是公司E3600系列的最新產(chǎn)品，廣受光罩SEM市場的青睞。與現(xiàn)有型號(hào)E3640相比，其測量產(chǎn)量增加了一倍。E3650能夠大規(guī)模測量更加復(fù)雜的圖案以及因多重圖案而增加的光罩?jǐn)?shù)量。除了前沿光罩技術(shù)外，新系統(tǒng)在測量EUV光罩和納米壓印應(yīng)用主模板時(shí)也顯示出卓越的性能。

CD-SEM國內(nèi)企業(yè)及進(jìn)展

1、東方晶源

東方晶源微電子科技（北京）股份有限公司成立于2014年，總部位于北京亦莊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，是一家專注于集成電路良率管理的企業(yè)。東方晶源推出的12英寸、6/8英寸關(guān)鍵尺寸量測設(shè)備CD-SEM均已進(jìn)入產(chǎn)線量產(chǎn)多時(shí)，可支持Line/Space, Hole/Elliptic，LER/LWR等多種量測場景、滿足多種成像需求。據(jù)了解，該公司CD-SEM此前已向中芯國際、燕東微完成交付。目前公司CD-SEM最新型號(hào)為SEpA-c300和SEpA-c400，分別針對8寸和12寸晶圓產(chǎn)品。

2023年9月5日，證監(jiān)會(huì)發(fā)布了關(guān)于東方晶源微電子科技（北京）股份有限公司首次公開發(fā)行股票并在科創(chuàng)板上市輔導(dǎo)備案報(bào)告，輔導(dǎo)機(jī)構(gòu)為中信建投證券股份有限公司。

2、上海精測

上海精測半導(dǎo)體技術(shù)有限公司成立于2018年7月，主要從事以半導(dǎo)體量檢測設(shè)備為主的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，同時(shí)也開發(fā)一部分顯示和新能源領(lǐng)域的檢測設(shè)備。

2021 年，上海精測完成了首臺(tái) CD-SEM 項(xiàng)目的訂單交付。2022年12月底，精測半導(dǎo)體宣布首臺(tái)CD-SEM設(shè)備（eMetric）已順利發(fā)貨華南客戶。eMetric是上海精測半導(dǎo)體本土研發(fā)團(tuán)隊(duì)打破國外公司的壟斷、依靠自身力量全新自主研發(fā)的電子束晶圓關(guān)鍵尺寸量測設(shè)備（CD-SEM），具有核心零部件的全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高深寬比特征量測和overlay測量，且可滿足6/8/12英寸晶圓從微米小視場到百微米級(jí)大視場的截然不同的量測需求。

3、蘇州矽視

蘇州矽視科技有限公司于2021年6月成立，專注于高端半導(dǎo)體晶圓量檢測設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)，致力于自主研發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、滿足行業(yè)需求的國產(chǎn)電子束成像量檢測設(shè)備。

矽視科技在短短兩年多時(shí)間里，已經(jīng)推出CDSEM等多種類型設(shè)備，并獲得蘇州市姑蘇領(lǐng)軍人才、相城區(qū)獨(dú)角獸企業(yè)、相城區(qū)重點(diǎn)創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)多項(xiàng)榮譽(yù)。其中，CDSEM（關(guān)鍵尺寸量測設(shè)備）主要是通過對于關(guān)鍵尺寸的采樣測量，實(shí)現(xiàn)對IC制造過程中，光刻工藝后所形成圖形尺寸進(jìn)行監(jiān)控，以確保良率。該設(shè)備對標(biāo)業(yè)內(nèi)主流量產(chǎn)產(chǎn)品，并研發(fā)特有的荷電控制方法和位置偏差的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，在分辨率、視場、采樣頻率、定位精度和吞吐率等均可滿足市場要求。

2023年12月14日，蘇州矽視科技有限公司首臺(tái)關(guān)鍵尺寸量測設(shè)備（CDSEM）出機(jī)。蘇州矽視科技表示，該設(shè)備為蘇州矽視科技自主研發(fā)，其中最重要的電子光學(xué)系統(tǒng)具有自主的核心技術(shù)，完全擺脫進(jìn)口，主要性能指標(biāo)媲美國外同類產(chǎn)品，為國產(chǎn)替代再添新軍。

4、青田恒韌

青田恒韌成立于2022年，是由CD-SEM領(lǐng)域資深人士創(chuàng)立的CD-SEM設(shè)備公司，研發(fā)中心位于北京市豐臺(tái)區(qū)，公司主要專注于CD-SEM設(shè)備研發(fā)、設(shè)計(jì)與銷售，核心團(tuán)隊(duì)在CD-SEM領(lǐng)域具有豐富的研發(fā)設(shè)計(jì)和經(jīng)營管理經(jīng)驗(yàn)。

據(jù)悉，CD-SEM設(shè)備研發(fā)難度大技術(shù)門檻高，青田恒韌研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年在底層物理、數(shù)學(xué)、材料、軟件、工藝等上的深入研究，后續(xù)更是耗時(shí)近兩年時(shí)間在阿里云服務(wù)器上的仿真CD-SEM設(shè)備跑數(shù)據(jù)，最終取得突破性進(jìn)展。

今年8月，青田恒韌完成Pre-A輪融資，由方富創(chuàng)投、明德投資共同投資；天使輪融資機(jī)構(gòu)為北京中關(guān)村協(xié)同創(chuàng)新基金。本輪融資將主要用于研發(fā)CD-SEM設(shè)備，目標(biāo)是研制并生產(chǎn)能夠完全替代Hitachi CG5000的CD-SEM產(chǎn)品。

整體來看，國際龍頭企業(yè)在技術(shù)和市場上都處于主導(dǎo)地位，國產(chǎn)替代難度大。而國產(chǎn)企業(yè)普遍成立研發(fā)相關(guān)設(shè)備較晚，人才團(tuán)隊(duì)也多來自海外歸國技術(shù)人員，出貨的產(chǎn)品不多，大部分仍處于早期研發(fā)階段，但國產(chǎn)破局曙光初現(xiàn)。