1. 半导体制造工艺

半导体芯片是形成在半导体晶片上的具有晶体管和布线等许多元件的电路。包含众多这些元件的电子设备称为“集成电路 (IC)”。元件的布局通过计算机在光掩模 (掩模版) 上进行图案化，并在下述制造工艺中投影到半导体晶片上。

1) 晶圆加工
在IC制造工序中，在硅晶圆表面形成包含晶体管等元件的电子电路。
IC形成基础
在晶圆上沉积形成布线、晶体管等元件的薄膜层（沉积）。
薄膜上涂有光刻胶。然后使用光刻技术将光掩模（光罩）的电路图案投影到光刻胶上。
显影的光刻胶用作蚀刻掩模，将薄膜加工成布线等元件的形状。

参见图2）前端工序和后端工序。

这样就形成了一层电路。晶体管形成在最底层。然后重复类似的过程，并形成多层电路。

在集成电路制造过程中，有检查和测量步骤来检查图案是否按照设计制造。如果发现缺陷，将中断制造以从工艺中去除缺陷并对制造条件进行微小更改以进行纠正。单个晶圆上制造了一百多个半导体芯片。目前，最大的硅晶圆直径为 300 毫米。半导体制造商正在研究未来使用 450 毫米直径的硅晶圆。

2) 前端工序和后端工序
半导体器件通过下文所述的前端工序（晶圆加工工序）和后端工序（组装工序）完成。
（在以下元件工序的描述中，晶圆表面的很小一部分被放大并示意性地显示。）
成品半导体器件已用于日常生活中的各种产品，例如个人电脑、智能手机和汽车（另请参阅“日常生活中的半导体”）。

2. 半导体 - 计量和检测
计量和检测对于半导体制造过程的管理非常重要。半导体晶圆的整个制造过程有 400 到 600 个步骤，这些步骤在一到两个月内完成。如果在过程中早期出现任何缺陷，那么后续耗时步骤中的所有工作都将白费。
因此，在半导体制造过程的关键点建立了计量和检测流程，以确保能够确认和维持一定的产量。
计量和检测
什么是计量？
以下是半导体晶圆制造过程中计量的示例。

计量 1：
在半导体晶圆的特定位置测量电路图案的线宽和孔径（CD-SEM）。
（示例）L=28nm，φ=30nm
1nm：1 纳米或 1/1,000,000,000m
以下测量值仅供参考。
人类头发：60 - 100μm（60,000 - 100,000 nm）
细菌：1μm（1,000nm）
香烟烟雾：100nm

计量2：
半导体晶片表面薄膜厚度测量（椭圆仪等）
（例）D=100nm

计量 3：
计量系统用于检查套刻精度（套刻机台）
进行测量以检查转移到晶圆上的第一层和第二层图案的镜头叠加精度。

计量通常是指一种测量数字和体积的方法，主要使用计量设备。
计量虽然通常被认为是测量的同义词，但它是一个更全面的概念，不仅指测量行为本身，还指考虑误差和准确性以及计量设备的性能和机制而进行的测量。如果图案测量不在给定的规格范围内，则制造的设备将无法按设计运行，在这种情况下，电路图案的曝光转移可能会被重新加工。
测量点的数量因半导体设备制造商或设备而异。
计量是根据以下抽样方法进行的：
-一个芯片 10 到 100 个点*
-从一个晶圆上取 5 到 20 个芯片
-从一个批次（25 个晶圆）中取 1 到 2 个晶圆。
在制造的启动期间，新设计的设备可能要经过数千个针对一个晶圆的计量过程。
*
Die：
Die 是半导体晶圆上排列的电子电路的一个单元。大量包含相同电子电路的芯片被制成，并以网格状图案排列在晶圆上。芯片可以比作印章上的印章。最终，它们都被切割成单独的半导体芯片（切割），然后封装以制造最终的半导体产品。

晶圆检查
什么是检查？
半导体晶圆制造过程中的检查
检查是指使用检查设备根据特定标准检查是否符合要求以及是否存在异常或不适用情况。检查是检测晶圆中是否存在颗粒或缺陷的过程。具体来说，检查的目的是找到缺陷的位置坐标（X、Y）。
缺陷的原因之一是灰尘或颗粒的粘附。因此，无法预测缺陷会出现在何处。如果晶圆表面出现大量缺陷，电路图案将无法正确创建，从而导致图案缺失。如果存在大量缺陷，它们将阻止电子电路正常运行，从而使晶圆作为缺陷产品被批量生产*。
检测缺陷并指定其位置（位置协调）是检查设备的主要作用。

lot out：
制造的产品在检验阶段发现有缺陷，如不符合要求的规格等，而无法发货的情况。批拒收、拒收批

3. 半导体 - 准确度与精密度
什么是高性能半导体计量设备？
传统的“性能”可以分为两种：“准确度与精密度”，或“真实度与重复性”。
“准确度”是衡量其接近“真实值”的程度。另一方面，“精密度”是衡量多次测量值变化的指标，也称为“重复性”。
请参考下图。

左图（图 3-1）显示了按时间序列绘制的半导体器件测量结果。
如果使用计量系统重复测量同一半导体对象，则测量结果应该始终相同。
但实际上，测量值会根据干扰和噪声而变化。
测量值的频率分布如图 3-2 所示。
当收集大量测量数据时，数据分布将近似于高斯（正态）分布，如图 3-2 所示。分布的特征用平均值：μ（mu）和标准偏差：σ（sigma）表示。数据落入 μ±3σ 内的概率为 99.73%。

μ：平均值
σ：标准偏差

图3-3（a）中σ较小，表示变异较小；图3-3（b）中σ较大，表示变异较大。变异较小时，精度（或重复性）较高（良好）。

这可以比作用枪射击目标。
当变化小时，弹孔将停留在一小块区域内（图 3-3（a）右图）。
当变化大时，弹孔将扩散到大面积区域（图 3-3（b）右图）。
高重复性并不能保证真实值（正确值或目标中心）。图 3-4 是远离真实值（目标中心）的测量值的示例。
当平均值（μ）接近真实值时，真实性或准确度就很高。

以下是简要总结：
变化（σ）小意味着精度高（好）。
平均值（μ）接近真实值意味着准确度高（好）。
如图 3-5 所示。

像临界尺寸 SEM (CD-SEM) 这样的测量系统需要高精度。
高精度系统意味着高性能测量系统。CD-SEM 的测量重复性约为 3σ 内测量尺寸的 1%。
可以使用标准微量尺等测量标准进行校准，调整精度，使测量值与真实值一致。

4. CD-SEM - 什么是临界尺寸SEM？
临界尺寸SEM（CD-SEM：临界尺寸扫描电子显微镜）是一种专用系统，用于测量半导体晶圆上形成的精细图案的尺寸。CD-SEM主要用于半导体电子设备的生产线。
CD-SEM与通用SEM的三个主要区别在于：
照射到样品上的CD-SEM一次电子束的能量低至1keV或以下。
降低CD-SEM电子束的能量可以减少由于充电或电子束照射对样品造成的损坏。
通过最大限度地提高放大倍率校准，可以保证CD-SEM测量的准确性和重复性。
CD-SEM的测量重复性约为测量宽度的1% 3σ。
晶圆上的精细图案测量是自动化的。样品晶圆放在晶圆盒（或Pod / FOUP）内，晶圆盒放在CD-SEM上。尺寸量测的条件与步骤，会预先输入至配方*中，当量测开始时，CD-SEM 会自动将样品晶圆从卡匣中取出，并放入 CD-SEM 中，量测样品上所需的位置，量测完成后，晶圆会放回卡匣中。

测量原理
CD-SEM 使用 SEM 图像的灰度（对比度）信号。
首先，光标（位置指示器）在 SEM 图像上指定测量位置。
然后获取指定测量位置的线轮廓。线轮廓基本上是指示测量特征的地形轮廓变化的信号。
线轮廓用于获取指定位置的尺寸。CD-SEM 通过计算测量区域中的像素数来自动计算尺寸。
CD-SEM 图像
下面显示了 CD-SEM 获得的 SEM 图像示例。图 4-1 显示了在光刻胶线的 SEM 图像上方绘制的线轮廓。光刻胶线的横截面图与 SEM 图像之间的关系如图 4-2 所示。
此外，线横截面与其线轮廓之间的关系如图 4-3 所示。

也就是说，图 4-1 中的图像给出了线轮廓，而轮廓又给出了线宽。如果线横截面呈梯形，如图 4-3 所示，则顶部和底部的宽度将不同。在这种情况下，测量位置将在配方中指定。此外，还可以指定所需的高度位置。

测量过程
临界尺寸测量主要在晶圆制造工艺的以下操作中进行。
显影后光刻胶图案的临界尺寸测量
蚀刻后接触孔直径/通孔直径和布线宽度的测量
产品
日立先进高分辨率 CD-SEM
自 1984 年日立推出第一台 CD-SEM 以来，它一直遵循基于 SEM 图像的临界尺寸测量方法，30 多年来不断发展并保持出色的测量重复性。在保持与半导体微加工趋势兼容的高分辨率的同时，日立提供具有高可用性的强大 CD-SEM，并结合了满足客户需求的制造和开发线所需的各种新功能。

介绍先进高分辨率临界尺寸 - 扫描电子显微镜 (Hitachi CD-SEM) 产品系列

5. 晶圆缺陷检测系统
晶圆缺陷检测系统检测晶圆上的物理缺陷（称为粒子的异物）和图案缺陷，并获取缺陷的位置坐标（X，Y）。缺陷可分为随机缺陷和系统缺陷。
随机缺陷主要由附着在晶圆表面的粒子引起，因此无法预测其位置。晶圆缺陷检测系统的主要作用是检测晶圆上的缺陷并找出其位置（位置坐标）。
另一方面，系统缺陷是由掩模和曝光工艺的条件引起的，并且会出现在所有投影的芯片的电路图案上的相同位置。它们出现在曝光条件非常困难且需要微调的位置。
晶圆缺陷检测系统通过比较相邻芯片的电路图案的图像来检测缺陷。因此，有时无法使用传统的晶圆缺陷检测系统检测到系统缺陷。
可以在图案化工艺晶圆或裸晶圆上进行检查。它们中的每一个都有不同的系统配置。以下是典型检查系统的说明；图案化晶圆检测系统和非图案化晶圆检测系统。

缺陷检测原理
图案化晶圆检测系统
图案化晶圆检测系统有很多种，包括电子束检测系统、明场检测系统和暗场检测系统。每种系统都有自己的特点，但基本的检测原理是相同的。
在半导体晶圆上，相同图案的电子器件并排制作。顾名思义，随机缺陷通常是由灰尘等颗粒引起的，并且发生在随机位置。它们在特定位置重复出现的可能性极低。
因此，图案化晶圆检测系统可以通过比较相邻芯片（也称为裸片）的图案图像并获得差异来检测缺陷。

图 5-1 显示了检测图案化晶圆上的缺陷的原理。
晶圆上的图案通过电子束或光线沿芯片阵列捕获。通过比较待检测芯片的图像 (1) 和相邻芯片的图像 (2) 来检测缺陷。如果没有缺陷，则通过数字处理将图像 2 从图像 1 中减去的结果将为零，并且不会检测到任何缺陷。相反，如果芯片 (2) 的图像中有缺陷，则缺陷将保留在减去后的图像 (3) 中，如图所示。然后检测缺陷并记录其位置坐标。
非图案化晶圆检测系统
非图案化晶圆检测系统用于晶圆制造商的晶圆出货检测、设备制造商的晶圆入货检测以及使用虚拟裸晶圆进行的设备状态检查，以监控设备的清洁度。设备制造商在出货检测时也会进行设备状态检查，设备制造商在设备入货检测时也会进行设备状态检查。
为了检查设备的清洁度，将用于清洁度监测的裸晶圆装入设备中，然后移动设备内部的平台来监测颗粒的增加情况。

图 5-2 显示了检测无图案晶圆上的缺陷的原理。
由于没有图案，因此无需图像比较即可直接检测缺陷。
将激光束投射到旋转的晶圆上，并沿径向移动，以便激光束能够照射晶圆的整个表面。

当激光束投射到旋转晶圆的颗粒/缺陷上时，光会发生散射并被检测器检测到。因此，检测到颗粒/缺陷。根据晶圆旋转角度和激光束的半径位置，计算并记录颗粒/缺陷的位置坐标。镜面晶圆上的缺陷除了颗粒外，还包括COP等晶体缺陷。
一般来说，明场检测系统用于详细检查图案缺陷。另一方面，暗场检测系统可以高速检测，用于大量晶圆的缺陷检测。
在电子束检测系统中，电子束照射到晶圆表面，检测发射的二次电子和背向散射电子。
此外，电子束检测系统根据设备内部布线的导电性，将二次电子的数量检测为图像对比度（电压对比度）。如果检测高深宽比的接触孔底部的电导率，可以检测到超薄厚度的SiO2残留物。

6. ReviewSEM - 什么是review SEM？
缺陷review  SEM 是一种扫描电子显微镜 (SEM)，用于审查晶圆上发现的缺陷。半导体晶圆缺陷检测系统检测到的缺陷使用审查 SEM 放大为高倍图像，以便对其进行审查和分类。缺陷审查 SEM 主要与电子设备和其他半导体生产线中的检测系统一起使用。

Review SEM 的作用
Review SEM 的工作方式一般如下：
事先使用检查系统检测晶圆缺陷。
检查系统列出缺陷的位置坐标并将其输出到文件中。
将检查的晶圆和检查结果文件加载到 Review SEM 中。
拍摄列表中缺陷的图像。
根据缺陷列表中的位置信息确定缺陷位置。然后由 Review SEM 拍摄并存储缺陷图像。
使用检查系统检测几千到几万个缺陷，并将数据输出到文件中。可以在 Review SEM 的配方操作设置中指定是否检查并拍摄所有或部分缺陷的照片。
有时无法使用缺陷数据文件中的位置信息找到晶圆上的缺陷。由于各种错误，仅使用位置信息很难找到缺陷。
在缺陷检查系统中，将缺陷图像与相邻的芯片图像（参照图像）进行比较，并根据图像差异（差异图像处理）检测缺陷。
Review SEM 与缺陷检测系统类似，通过与相邻芯片的电路图案进行比较来检测缺陷，并获得缺陷的正确位置。然后将缺陷移到视野中心并拍摄放大的照片。
在 Memory IC 的缺陷检查中，其中单元图案重复排列，单元的最小单位图像预先注册为参考图像。在 Review SEM 上检测缺陷的一种方法是使用差异图像处理将缺陷图像与参考图像进行比较。这种方法可以加快 Review SEM 上的缺陷检测速度，因为可以将多个部分与同一参考图像进行比较。

ADR功能
ADR代表自动缺陷检查。缺陷检查的目的是更详细地观察、分类和分析晶圆检测系统检测到的缺陷和颗粒的形状和成分。
自动缺陷检查使用缺陷检查中获得的缺陷信息（坐标等）自动获取所需缺陷的图像。数据存储并整理到数据库中。
在缺陷检查SEM中，使用ADR功能自动获取并存储缺陷图像。
ADC功能
ADC代表自动缺陷分类。存储在图像服务器中的缺陷图像信息由分类软件根据预定规则根据缺陷原因进行分类，然后在分类服务器中恢复。分类信息被发送到产量管理系统（YMS）和IC制造商的主机，以便可用于故障和缺陷分析。
一些系统可以结合缺陷检查SEM的ADR功能使用ADC对缺陷进行分类。ADR获得的缺陷信息也可以在后期进行集体分类。

7. 蚀刻系统 - 什么是蚀刻系统？
蚀刻系统使用液体化学品、反应气体或离子化学反应将薄膜塑造成所需的图案。蚀刻系统用于半导体和其他电子设备的生产线。
图 7-1 显示了蚀刻工艺的流程。

蚀刻系统有两种：“湿蚀刻系统”和“干蚀刻系统”。
以下对每种系统进行说明。
（1）蚀刻系统 - 湿式
使用酸或碱去除暴露部分。
湿式蚀刻系统特点
廉价化学液体（蚀刻剂）
同时集体处理多个晶圆
各向同性蚀刻

(2) 蚀刻系统 - 干式
使用高真空等离子体
从气体中产生等离子体，通过化学反应和加速离子去除蚀刻材料。
干式蚀刻系统特点
微加工和各向异性方面表现优异
蚀刻系统使用等离子体
比湿式蚀刻更昂贵

什么是等离子体？
等离子体是一组整体上几乎保持电中性的带电粒子。带正电荷的离子和带负电荷的电子在电离状态下均匀分布。干蚀刻系统的各种等离子体方法如下所示。

ECR是什么？
ECR是电子回旋共振的缩写。对真空系统施加磁场，电子在磁场中以磁力线为中心开始旋转运动，称为回旋运动。当入射频率ω与旋转速度匹配的微波时，回旋运动与电场之间发生能量共振，电场能量被电子吸收。这称为电子回旋共振。它有效地加速电子，并可以施加大量能量。以这种方式施加能量产生的等离子体称为ECR等离子体。微波为2.45GHz，相应的共振磁场为875高斯。