在关键尺寸的在线量测环节，所运用的设备主要涵盖 CD-SEM 以及 OCD（optical critical dimention，光学关键尺寸）量测设备。其中，CD-SEM 借助电子束成像技术，其量测精度颇高，能够敏锐探测局部区域的尺寸变化情况，故而成为量测线宽的关键手段。不过，电子束在照射光刻胶时，会致使光刻胶线宽出现约 4nm 的缩小现象，就光刻胶而言，这属于破坏性检测方式。鉴于此，通常不会针对产品区域开展检测，而是选择对切割道中的监测图形进行量测操作。反观 OCD，它是依靠光学计算来获取线宽数据。该设备的检测光斑尺寸较大，需要针对尺寸大致为 50um 的监测 OCD 图形区域实施量测，并通过计算得出平均线宽数值。OCD 设备的显著优势在于，检测过程无需真空环境，且采用可见光检测，不会受到电荷累计效应的干扰，更为关键的是，量测过程不会对光刻胶的线宽造成任何影响。然而，其缺点也较为明显，仅能检测光栅形式的测试图形，对于其他形式的图形则无能为力。而在线下量测线宽时，所采用的透射电子显微镜，不仅能够提供更高的量测精度，还能获取图形截面信息。凭借其超高分辨率，能够实现对原子排布以及界面镜像的细致观察，并且结合能谱分析，还可开展元素分布分析工作，因此成为失效分析所倚重的主要设备之一。但需要注意的是，其制样过程会对硅片造成破坏。

CD-SEM 的结构如图1所示，它借助二次电子信号成像原理来观测样品的表面形态。具体而言，是运用极狭窄的电子束对样品进行扫描，电子束与样品相互作用会引发多种效应，进而激发出各类物理信息。通过对这些信息进行接收、放大以及显示成像处理，最终获取测试样品的表面形貌信息。扫描电子显微镜主要由真空系统、电子束系统以及成像系统这三大部分构成。当一束极为纤细的高能入射电子对扫描样品表面进行轰击时，被激发的区域将会产生二次电子、俄歇电子、特征 X 射线、连续谱 X 射线、背散射电子、透射电子，同时还会在可见光、紫外光、红外光区域产生电磁辐射，并且能够产生电子 - 空穴对、晶格振动（声子）以及电子振荡（等离子体）。由于边缘效应的存在，电子在尖细、粗糙的表面区域，其功函数相对较小，所释放出的二次电子数量较多。在图形的侧面位置，由于倾斜角度较大，侧面积也较大，所以放出的电子数量同样较多。如此一来，硅片表面不同形貌位置所发射的二次电子数量存在差异，进而形成对比度。探测器利用二次电子信号的对比度进行成像，软件则通过计算边缘之间的距离，从而得出线宽、周期、孔径等相关信息，量测结果如图2所示。当下，CD-SEM 的精度能够达到 1.35nm 以下。

OCD 的基本工作原理是，借助内部的偏振式反射测量仪，使宽波段的偏振光垂直入射到晶圆表面的 OCD 检测区域 [见图3(a)，该区域为周期排布的线条]，随后收集散射光信息 [见图3(b)，这些信息涵盖光强、传播方向、偏振状态以及相位信息等]，通过严格耦合波分析（rigorous coupled wave analysis，RCWA）方法，获取线条的线宽、高度、周期等截面轮廓信息 [见图3(c)]。OCD 检测区域的设计一般包含三种类型，分别是设计规则所规定的最密集图形、半密集图形（周期约为最小周期的 1.8 倍）以及孤立图形（周期为最小周期的 5 倍以上，但小于约 4um 周期，需保证至少存在 10 个周期）。OCD 的主要应用领域包括量测薄膜厚度、线条 CD、沟槽深度、Cu 的高度和 CD、侧墙厚度等。

标准 SEM 设备的分辨率范围处于 20 - 30 之间，难以满足高精度量测的需求。而透射电子显微镜（TEM）的量测分辨率提升至 2，属于一种高精度的离线量测方式。TEM 的工作原理是，将经过加速和聚集的电子束投射到极其薄的样品上，电子与样品中的原子发生碰撞后改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度密切相关，基于此能够形成明暗各异的影像，该影像在经过放大、聚焦处理后，会在成像器件上显示出来。大型透射电镜一般采用 80 - 300kV 的电子束加速电压，不同型号对应不同的电子束加速电压，其分辨率与电子束加速电压相关，可达 0.2 - 0.1nm，高端机型更是能够实现原子级分辨。鉴于电子束的穿透力极为微弱，用于电镜检测的标本必须制成厚度约为 50nm 的超薄切片。TEM 样品制样一般采用聚焦离子束设备，通过 Ga 或者 Xe 离子束进行切割操作，定点提取样品并将其减薄至 100nm 以下，方可用于 TEM 观察，具体流程如图4所示。

DFI 是一种借助散射光实施检测的技术，其检测原理见图6。该技术通过激光照射晶圆表面，使用探测器收集表面的散射光，因而 DFI 主要针对晶圆表面的缺陷展开分析，同样也是通过对比左右芯片单元图像及差异来确定是否存在缺陷。DFI 处理的光数据量较少，在检测灵敏度方面与 BFI 相比存在一定差距，然而其机台的检测速度更快，能够达到 BFI 的 3 至 4 倍。

最新的光学检测技术，已不再单纯依靠解析晶圆上的图案来捕捉缺陷，而是借助复杂的信号处理以及软件算法等手段，在图像对比过程中搜寻 “异常” 情况。检测结果也从以往的晶圆图案，转变为如今的 “亮斑” 和 “暗斑”。尽管这些方法在 20nm 及以上工艺中仍具有一定效果，但在当下的工艺环境里，已不像过去那般可靠。相较于真正的缺陷，噪声在检测结果中所占比例急剧上升，部分情况甚至能超过 90%。并且，仅仅通过观察结果中的光斑，难以判断所捕捉到的信号是否为真实缺陷。基于此，对 BFI 和 DFI 检测出的缺陷进行高精度的 SEM review 回看，并开展人工分类，便成为另一个必不可少的步骤，具体流程见图7。SEM review 具有电子波长短、成像分辨率高的优势，能够对形貌、材质以及元素成分进行检测，还可通过旋转或多角度倾斜来检测缺陷，为探究缺陷的形成原因提供直接依据。