技術路線圖始終是雙向的，一半來自技術方面的進步，另一半來自市場的需求。

在摩爾定律的世界中，較小的節點會出現較大的問題已成為眾所周知的現狀。隨著晶圓廠轉向納米片晶體管（Nanosheets） ，由于其他多層結構的深度和不透明度，檢測線邊緣粗糙度和其他缺陷變得越來越具困難。因此，計量學采用了更多的混合方法，一些著名的工具從實驗室轉移到了晶圓廠。

納米片（Nanosheets）是FinFET的繼任者，架構的演變促使業界持續渴望提高速度、容量和功率。它們還有助于解決導致電流泄漏的短通道效應。先進平面 MOSFET 結構的最大弱點在于它們永遠不會完全“關閉”。由于它們的配置，其中金屬氧化物柵極位于溝道頂部（在源極和漏極端子之間傳導電流），即使沒有向柵極施加電壓，一些電流也會繼續流動。

FinFET將通道提升為一個“鰭”。然后，柵極在該鰭上呈拱形，允許其三面連接。然而，柵極的底部和鰭的底部是相互平齊的，所以仍然有一些電流可以通過。環柵設計將鰭片變成多個堆疊的納米片水平“穿透”柵極，覆蓋所有四個面，并包含電流。另一個好處是納米片的寬度可以改變，以實現器件優化。

FinFET 和 gate-all-around 與納米片的比較。來源：Lam Research不幸的是，一個問題解決了，其他問題就出現了。IBM 工藝技術總監 Nelson Felix 表示：“對于納米片架構，許多可能導致晶體管失效的缺陷都不是視線范圍內的。它們位于納米片的底部，或其他難以接近的地方。因此，在沒有任何先驗知識的情況下快速發現缺陷的傳統方法不一定有效。”

因此，雖然從進化的角度來看這可能是線性的，但許多工藝和材料挑戰必須解決。Nelson說：“由于納米片是如何形成的，創建硅鍺溝道不像FinFET一代那樣簡單。”

混合組合

目前正在使用幾種技術，從光學顯微鏡到掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、X射線，甚至拉曼光譜等更快的方法。

KLA 等知名光學供應商提供一線工具，采用散射測量法和橢圓偏振測量法等技術，以及高功率電子束顯微鏡。

Onto Innovation戰略營銷高級技術專家 Nick Keller 表示，由于有多個柵極堆棧，光盤測量需要將一個層次與下一個層次分開。在堆疊式納米片器件中，每個片的物理尺寸都需要單獨測量——特別是在選擇性源極-漏極凹陷蝕刻（決定驅動電流）和內部間隔物蝕刻（決定源極-柵極電容，也影響晶體管性能）之后。我們已經與所有主要參與者進行了演示，他們對能夠區分單個納米片寬度非常感興趣。”

Onto的光學臨界尺寸（OCD）解決方案將光譜反射法和光譜橢圓偏振法與AI分析引擎（稱為AI衍射）相結合，提供埃級 CD 測量，與傳統 OCD 工具相比，具有卓越的層對比度。

光譜橢偏儀或光柵反射儀（散射儀）等技術可以測量 CD 并研究特征形狀。KLA 將散射測量描述為使用寬帶光照亮目標以進行測量。反射信號被輸入算法，將信號與基于已知材料特性和其他數據創建的模型庫進行比較，以查看 3D 結構。該公司最新的 OCD 和形狀計量系統可識別一系列工藝層中 CD、高 k 和金屬柵極凹槽、側壁角度、抗蝕劑高度、硬掩模高度、間距步距的細微變化。改進的階段和新的測量模塊有助于提高吞吐量。

芯片制造商依靠人工智能引擎和計量學中的深度計算來處理數據流。Cyber Optics 首席執行官Subodh Kulkarni 說：“他們為我們當天應該看的東西做建模數據，這對我們有幫助。提供快速的分辨率和準確度。這很難實現。我們最終依靠CMOS的分辨率和GPU的帶寬來處理所有數據。因此，在某種程度上，我們依靠這些芯片來開發這些芯片的檢測解決方案。”

除了海量數據處理之外，來自不同工具的數據必須無縫組合。“混合計量是一種流行趨勢，因為每種計量技術都非常獨特，并且具有明確的優勢和劣勢，”布魯克產品營銷總監 Lior Levin 說。“沒有一種單一的計量方法可以滿足所有需求。”

混合方法被廣泛接受。“系統制造商正在將兩種不同的技術集成到一個系統中，”布魯克微電子 AFM 的董事兼業務經理 Hector Lara 說。他說，布魯克根據實際經驗，決定反對這種方法，這表明它會導致次優性能。

另一方面，混合工具可以節省時間，并在晶圓廠中實現更小的占地面積。例如，Park Systems 將 AFM 精度與白光干涉儀 （WLI） 集成到單個儀器中。根據 Park Systems Americas 總裁 Stefan Kaemmer 的說法，其目的是在線吞吐量。雖然 WLI 可以快速發現缺陷，但“您只需將樣品移幾厘米至 AFM 頭部，而不必花時間將其卸載然后將其加載到另一個工具上，”Kaemmer 說。

與此同時，布魯克公司為 3D 邏輯應用提供了 X 射線衍射 （XRD）/X 射線反射儀 （XRR） 和 X 射線熒光 （XRF）/XRR 的組合。“對于絕大多數應用來說，這種方法是一種非常專業的工具，具有單一的計量功能，”萊文說。“然后將數據進行混合。這是最好的選擇。”

AFM（原子力顯微鏡）提供的功能

AFM在納米片檢測中受到關注，因為它們能夠區分細微細節，這種能力已經在 3D NAND 和 DRAM 生產中得到證明。“在 AFM 中，我們并沒有真正發現缺陷，”Kaemmer 解釋說。“主要是，我們讀取通常來自某些 KLA 工具的缺陷圖，然后我們去客戶選擇的任何地方仔細檢查。之所以有用，是因為光學工具會告訴你有一個缺陷，但一個缺陷實際上可能是三個較小的缺陷，它們靠得太近，光學工具無法區分它們。”

關于AFM的標準笑話是，當它們在近四十年前首次開發時，它們的操作更容易解釋。1985 年，當電唱機在每個家庭中時，幾乎不需要想象一種樂器，其中一個從懸臂伸出的尖銳尖端沿著表面摸索以產生信號。通過電磁（有時是化學）修改，這本質上是所有現代 AFM 的硬件設計。現在，在包括硅、金剛石和鎢在內的一系列材料中，尖端的幾何形狀有很多變化，從金字塔形到圓錐形。

有兩種基本的操作模式。一是敲擊。顧名思義，懸臂在其自然共振頻率下進行振蕩，為 AFM 控制系統提供最高精度的力控制。結果是半導體結構的納米級空間拓撲繪制。第二種使用亞共振模式，在尖端-樣品相互作用期間產生最大的力控制。這種方法對于高縱橫比結構非常重要，因為它可以提供高精度的深度測量，在某些結構中，還可以提供側壁角度和粗糙度。

當今的商業生產工具適用于特定應用，例如缺陷表征或表面輪廓測量。與光學顯微鏡不同，AFM的改進集中在提高分辨率上，例如，AFM正在研究用于混合鍵合的鍵合焊盤的細微輪廓變化，或揭示分子粘附等缺陷特征。

“粘合確實是 AFM 的最佳選擇，”布魯克高級應用科學家肖恩·漢德 （Sean Hand） 說。“它真的是平面的，它是平坦的，我們能夠看到納米級的粗糙度，以及重要的納米級坡度變化。”

此外，由于尖端可以施加足夠的力來移動粒子，原子力顯微鏡可以發現誤差并進行校正。近二十年來，它們一直被用于生產中，以去除碎片并對光刻掩模進行圖案調整。從 EUV 掩模中去除污染物，使光掩模迅速恢復生產使用。這延長了掩模和標線的壽命，并避免了濕法清潔造成的表面退化。

基于 AFM 的顆粒去除是一種成本顯著降低的干洗工藝，并且不會在光掩模表面增加殘留污染物，這會降低掩模壽命。表面相互作用是缺陷的局部，這將污染其他掩模區域的可能性降至最低。該工藝的高精度允許在脆弱的掩模特征內進行清潔，而不會造成損壞。

在高級的光刻技術中，AFM也用于評估許多高 NA EUV 的候選光刻膠，包括金屬氧化物光刻膠和更傳統的化學放大光刻膠。“通過對高NA EUV研究的薄抗蝕劑評估，現在可以看到更薄的抗蝕劑溝槽。”Imec 研發計量經理 Anne-Laure Charley 說。“這成為 AFM 的一個非常好的用例。”

然而，AFM的缺點是它們僅限于表面表征。它們無法測量層的厚度，并且可能在深度 3D 輪廓信息方面受到限制。Charley 人合著了一篇論文，探討了AFM中垂直（z）漂移問題的深度學習校正。“如果你的結構有一個小溝槽開口，但它很深，你將無法用溝槽底部的尖端來回答，那么你將無法表征完整的邊緣深度，并且溝槽底部的輪廓，”她說。

拉曼光譜

拉曼光譜依賴于對非彈性散射光的分析，是一種成熟的離線材料表征技術，正在逐步進入晶圓廠。據 IBM 的 Felix 稱，它很可能會上線以回答 3D 計量的難題。“有一套晶圓表征技術在歷史上一直是離線技術。例如，拉曼光譜可以讓你真正探測鍵合的樣子，”他說。“但有了nanosheet，這不再是一個數據集，你可以只進行抽查，讓它成為單向信息。我們必須以一種截然不同的方式使用這些數據。將這些技術引入晶圓廠，并能夠在不斷移動的晶圓上非破壞性地使用它們，這是真正需要的，因為材料集和幾何結構非常復雜。”

XRD/XRF

除了 AFM，其他強大的技術也被引入納米片計量庫。例如，布魯克正在使用 X 射線衍射 （XRD），這是一種晶體學技術，羅莎琳德·富蘭克林 （Rosalind Franklin） 在 1952 年利用該技術創造了著名的“照片 51”來顯示 DNA 的螺旋結構。

據 Levin 介紹，在 FinFET 發展的鼎盛時期，企業采用了 XRD 技術，但主要用于研發。“看起來在這一代設備中，X 射線計量的采用率要高得多。”

Levin 說：“對于周圍的柵極，我們將 XRD——最先進的 XRD，高亮度源 XRD，用于測量納米片堆疊 ，與 XRF 相結合，他們兩個都是測量殘留部分，確保所有東西都連接起來，以及那些凹陷的邊緣臺階。XRF 可以提供非常準確的體積測量。它可以測量單個原子。因此，您可以以一種非常靈敏的方式測量凹邊，即凹邊后剩余的材料。它是一種直接測量，不需要任何校準。您獲得的信號與您要測量的信號成正比。因此，這兩種技術在 GAA 初始開發中得到了廣泛采用。”

Bruker Semi X 射線的首席技術專家 Matthew Wormington 提供了更多細節：“高分辨率X射線衍射和X射線反射測量是兩種技術，對各個層的厚度和成分非常敏感，這是控制3D工藝下游某些X參數的關鍵。柵極全方位結構構建在工程基板上。第一步是平面結構，即硅和硅鍺層的周期性陣列。X 射線測量在這個非常關鍵的步驟中至關重要，因為一切都建立在此之上。這是一個關鍵的啟用測量。因此，現有技術變得更有價值，因為如果你的基底基板不正確——不僅僅是硅，還有 SiGe/Si 多層結構——之后的一切都會受到挑戰。”

結論

納米片晶體管和其他 3D 結構的引入要求更廣泛地使用 AFM、X 射線系統、橢偏儀和拉曼光譜等工具。Imec 的 Charley 說：“我們發現，晶片堆疊存在一些具體的挑戰。最終需要通過硅進行測量。因為將兩個晶片堆疊在一起時，需要通過背面進行測量或檢查，最終仍然有一個相對較厚的硅。這意味著要使用不同的波長，特別是紅外。因此，供應商正在為此類用例開發使用紅外線的特定疊加工具。”

至于誰將最終推動研究，這取決于你何時提出這個問題。“技術路線圖始終是雙向的，”Lior 說。“這很難量化，但大約一半來自技術方面的進步，另一半來自市場的需求。每隔兩三年，我們就會推出新一代工具。”