imec发布半导体量测路线图：AI与X射线助力3D器件检测

要点

• 随着高NA（高数值孔径）EUV、CFET（互补场效应晶体管）、3D存储器走向实用化，以非破坏性方式测量内部结构的技术将变得愈发重要。
• X射线、多电子束以及多探头AFM等技术，可兼顾高灵敏度与高速化。
• 利用AI去噪和虚拟量测，有望缩短量测时间，并降低半导体制造的环境负荷。

xy缩放与z方向缩放面临不同课题

imec将未来的量测与检测挑战划分为两类：平面方向微缩的“xy缩放”，以及垂直方向堆叠的“z缩放”。

在xy缩放方面，挑战包括提升横向分辨率、测量曲线图案形状、检测分布在整片晶圆上的微小缺陷，以及捕捉截面形状所需的垂直方向灵敏度。

在z缩放方面，则需要以非破坏性方式确认多个材料层和高深宽比结构的内部情况。

在3D NAND、CFET和混合键合中，从表面无法看到的结构不断增加。不仅要透过堆叠的不透明材料观察其内部，还必须测量晶圆表面、边缘和背面。

为满足这些要求，imec制定了路线图，根据对象和目的组合使用光学、电子束、原子力显微镜（AFM）、X射线等技术。

图：支持先进光刻、逻辑、存储器和封装技术的imec量测、检测与特性表征路线图（来源：imec）

利用高能电子、短波长光与X射线

在量测与检测设备的硬件方面，研究正致力于提升灵敏度和分辨率。

在电子束量测中，通过提高电子能量来改善分辨率。光学量测则使用更短波长的光，以检测过去难以捕捉的小缺陷。

X射线能够到达硅和堆叠材料内部，因此在对3D器件和先进封装进行非破坏性量测时愈发重要。

另一方面，提高分辨率往往会导致测量时间延长。为了在保持分辨率和缺陷灵敏度的同时提升处理能力，多探头原子力显微镜以及可同时照射多束电子束的多电子束检测技术也在开发中。

用AI校正量测数据

除了硬件进步，利用算法处理所获取的数据、提升量测性能同样重要。

imec举例称，可使用AI去除电子束图像等数据中的噪声，让微小结构和缺陷更容易被发现。

当用AI处理量测数据时，关键在于去除噪声的同时，不能消除实际存在的微细结构或缺陷，也不能生成并不存在的特征。

如何保证量测结果维持物理意义，以及发挥能够验证结果的专家作用，将成为今后的课题。

根据传感器信息预测量测结果的虚拟量测

作为补充物理量测设备数据的技术，imec预计虚拟量测的应用将扩大。

在虚拟量测中，制造设备上安装的传感器会获取温度、功率、流量等工艺条件。将这些数据与过去的量测结果关联起来，即使不实际测量晶圆，也能通过模型预测尺寸、膜厚等量测结果。

不必对每道工序和每片晶圆进行物理测量，而是结合虚拟量测，就有可能在抑制测量次数和时间的同时，持续监控制造工艺。

另一方面，要维持虚拟量测的精度，必须持续将制造设备状态变化、材料批次、环境条件等反映到模型中。用于验证模型的物理量测也依然重要。

图：虚拟量测原理（来源：imec）

量测也有助于降低半导体制造的环境负荷

imec还将降低量测与检测本身的环境负荷，列为今后的技术开发课题。

利用imec.netzero虚拟晶圆厂模型，对采用28nm工艺制造逻辑半导体时的排放量进行分析后发现，与刻蚀、沉积等相比，量测工序在制造整体排放量中所占比例较小。

不过，如果在适当工序中进行高精度测量，就能尽早检测出不良，减少不良晶圆被处理到后续工序的浪费。良率提升还有助于减少材料、电力、水和气体的消耗。

量测与检测技术不仅要降低自身的电力消耗和资源使用量，还承担着提升整条制造线效率的角色。

图：由imec.netzero v6.1.57 Web应用生成的28nm工艺各制造工序CO2总排放量（来源：imec）

3D化与AI让量测技术更加多样化

半导体制造中使用的量测与检测技术，已从以光学技术为中心的时代，朝着组合电子束、X射线、原子力显微镜和散射测量（scatterometry）的方向演进。

早期采用的光学技术并未结束使命，而是在光源、探测器和数据处理不断进步的同时，至今仍支撑着量产工序的检测与工艺控制。

未来，高NA EUV带来的xy方向微缩，以及CFET、3D存储器、混合键合带来的z方向堆叠预计将并行推进。imec将把量测硬件的性能提升，与AI数据处理和虚拟量测相结合，支持逻辑、存储器、光刻和先进封装的技术开发。

图：过去40年采用的量测与检测技术（来源：imec）

imec主导的量测与检测生态系统，还将用于以sub-2nm世代技术开发为目标的欧盟“NanoIC Pilot Line”，承担欧洲半导体产业从研发到量产的桥梁作用。

本文基于imec在SPIE Advanced Lithography and Patterning Conference（SPIE先进光刻与图案化会议）的分会议“2026 Metrology, Inspection and Process Control conference（2026量测、检测与工艺控制会议）”创立40周年纪念活动上的主题演讲内容，并以《Four decades of in-fab metrology and inspection: pivotal milestones, and the road ahead》为题发布，经翻译改编。