比傳統(tǒng)快300倍！AI+激光重塑芯片檢測。

半導(dǎo)體芯片是21世紀(jì)數(shù)字創(chuàng)新與全球經(jīng)濟(jì)的基石。AI產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展、量子計(jì)算的持續(xù)突破，以及對更快、更高效算力的不斷需求，都極大推動了對高性能芯片的需求。

然而，芯片故障檢測與缺陷篩查仍是一項(xiàng)關(guān)鍵且復(fù)雜度極高的挑戰(zhàn)。在這一背景下，量子成像、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的下一代成像技術(shù)，以及以數(shù)據(jù)分析為驅(qū)動的檢測與維護(hù)方案，能夠提升生產(chǎn)效率、增強(qiáng)芯片可靠性，并支持更可持續(xù)的制造模式。

納米級缺陷檢測的挑戰(zhàn)

芯片制造過程中的光刻工藝會產(chǎn)生各類納米級缺陷，尤其是在EUV極紫外光刻環(huán)節(jié)。隨著芯片尺寸持續(xù)縮小，再加上高端AI芯片所需的高精度納米級圖形工藝，使得亞納米級缺陷極易在檢測環(huán)節(jié)中被忽略。

傳統(tǒng)的掃描電子顯微鏡（SEM） 耗時耗力，對現(xiàn)代亞納米缺陷檢測效果不佳，經(jīng)濟(jì)效益也很低。原子力顯微鏡（AFM）在納米缺陷檢測上的效果不如SEM，成本卻高于傳統(tǒng)設(shè)備。

隨著EUV光刻的普及，檢測時間大幅增加，因?yàn)檫@種超高精度工藝會產(chǎn)生高度微型化的隨機(jī)缺陷。用于缺陷檢測的電子束景深（DOF）較低，迫使廠商采用更薄的光刻膠和新型底層材料，這也成為缺陷檢測的一大障礙。

基于EUV光源與光學(xué)系統(tǒng)的檢測設(shè)備極其昂貴，即便在今天，使用EUV光束完成整片晶圓檢測依然不現(xiàn)實(shí)。

量子成像：下一個前沿方向

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，量子成像作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體缺陷檢測的局限。這類成像技術(shù)優(yōu)勢顯著：不損傷晶圓、分辨率與靈敏度更高、成像細(xì)節(jié)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方案。

利用量子糾纏與量子關(guān)聯(lián)的成像技術(shù)，可在芯片制造過程中精準(zhǔn)識別亞納米級缺陷。通過操控光的量子態(tài)，研究人員能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)在空間分辨率上的物理限制，使量子成像成為高端半導(dǎo)體缺陷檢測的有力候選方案。

量子鬼成像（QGI）在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用

量子鬼成像是一種創(chuàng)新成像方法，利用光子對的關(guān)聯(lián)性實(shí)現(xiàn)納米級成像。在QGI系統(tǒng)中，非線性晶體通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）產(chǎn)生光子對，在滿足能量與動量守恒的前提下，可捕捉半導(dǎo)體中的納米級缺陷。此外，QGI在近紅外（NIR）弱光成像方面表現(xiàn)突出，性能優(yōu)于傳統(tǒng)成像技術(shù)。

基于自旋缺陷的量子傳感技術(shù)

固態(tài)缺陷可在室溫下實(shí)現(xiàn)量子傳感，無需專用設(shè)備與真空環(huán)境。將量子傳感與成像設(shè)備結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)無與倫比的檢測靈敏度，其中金剛石NV色心是研究最廣泛的技術(shù)路線。

基于缺陷的量子傳感正成為晶圓檢測的主流方向之一，尤其適用于復(fù)雜電路與三維復(fù)合結(jié)構(gòu)分析。金剛石NV色心作為一種非侵入式、超分辨缺陷檢測工具，在現(xiàn)代半導(dǎo)體檢測，特別是磁學(xué)與電學(xué)特性研究中展現(xiàn)出巨大潛力。

量子傳感在半導(dǎo)體器件檢測與缺陷診斷中的典型應(yīng)用包括：

• 現(xiàn)代磁隨機(jī)存儲器（MRAM）中的單比特檢測
• 分析并調(diào)控3D集成電路器件中的電流分布
• 檢測架構(gòu)缺陷、排除制造故障

下一代成像技術(shù)

業(yè)內(nèi)專家還在利用超快激光、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）等數(shù)字技術(shù)，開發(fā)面向半導(dǎo)體器件的超高效率成像方案。

激光成像技術(shù)正成為半導(dǎo)體缺陷檢測的關(guān)鍵手段，可最大化提升芯片制造良率。激光方案具有更高通量、非接觸式、成像效率優(yōu)異等特點(diǎn)，使超快激光成像非常適合在線缺陷檢測。

研究人員開發(fā)出一套高靈敏度激光定量相位成像系統(tǒng)，搭配落射照明衍射相位顯微鏡，非常適用于半導(dǎo)體與硅晶圓缺陷檢測。該系統(tǒng)采用倍頻Nd:YAG 532 nm固體激光器，在22 nm節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)缺陷陣列（IDA）晶圓上完成了面內(nèi)成像。該系統(tǒng)抗振動干擾，可一次性重建振幅與相位圖像，能高效識別 20 nm × 100 nm × 110 nm 的缺陷。

團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了另一套更強(qiáng)大的系統(tǒng)，采用405 nm二極管激光器，對9 nm節(jié)點(diǎn)IDA晶圓進(jìn)行分析成像，成功在高密度圖形晶圓上識別出 5 nm × 90 nm × 35 nm 的缺陷。這表明，超快激光成像正成為識別現(xiàn)代納米級芯片缺陷的關(guān)鍵技術(shù)。

AI驅(qū)動的下一代半導(dǎo)體量檢測技術(shù)

邁入亞納米時代的三維半導(dǎo)體架構(gòu)，已讓傳統(tǒng)量測技術(shù)失效。專家將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）等AI算法引入高精度光學(xué)量測領(lǐng)域，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代理模型，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動建模實(shí)現(xiàn)納米級幾何參數(shù)與光學(xué)響應(yīng)的非線性映射。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型效率極高，可實(shí)現(xiàn)非破壞性、實(shí)時缺陷監(jiān)測，效率比傳統(tǒng)光學(xué)成像提升約300倍。

行業(yè)巨頭與初創(chuàng)企業(yè)布局

行業(yè)龍頭與初創(chuàng)企業(yè)正大力研發(fā)與落地下一代成像系統(tǒng)，以顯著提升芯片制造良率。

• IBM開發(fā)了視覺Transformer（ViT）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于SEM半導(dǎo)體圖像的自動缺陷分類，在300 mm晶圓的7500多張圖像分析中實(shí)現(xiàn)超過90%的準(zhǔn)確率。
• IBM還推出AI工具IBM Maximo，加速缺陷檢測流程，大幅提升芯片制造效率并降低成本。
• 西門子收購初創(chuàng)企業(yè)Canopus AI，革新計(jì)算與AI驅(qū)動的缺陷檢測流程，重構(gòu)AI系統(tǒng)，打造更穩(wěn)定、高效、高產(chǎn)的端到端EDA數(shù)字系統(tǒng)，縮短檢測時間，提升良率。
• EuQlid等初創(chuàng)企業(yè)專注于利用量子傳感技術(shù)，以超高效率與精度檢測半導(dǎo)體互連線路與3D堆疊結(jié)構(gòu)中的納米缺陷。其QuMRI量子傳感平臺可非接觸式精準(zhǔn)測繪深層半導(dǎo)體互連中的電流分布，缺陷檢測速度比傳統(tǒng)方案快約100倍。

科技巨頭的布局與各類初創(chuàng)企業(yè)的涌現(xiàn)，都預(yù)示著下一代半導(dǎo)體檢測成像系統(tǒng)的成功與廣闊前景。

盡管下一代成像系統(tǒng)與量子技術(shù)看似是完美解決方案，但仍有若干技術(shù)與成本問題阻礙其大規(guī)模普及。目前尚未實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比、自動化的下一代芯片缺陷成像系統(tǒng)：新型系統(tǒng)與現(xiàn)有產(chǎn)線的兼容問題、創(chuàng)新組件的高昂研發(fā)成本，都使其相比傳統(tǒng)方案不占優(yōu)勢。

當(dāng)下，新一代成像系統(tǒng)的研發(fā)與使用成本，讓許多制造商繼續(xù)沿用成熟的傳統(tǒng)方案，因?yàn)檫@些方案無需對制造流程進(jìn)行大幅改動。此外，受視場邊緣效應(yīng)等因素影響，部分現(xiàn)代成像系統(tǒng)存在誤檢與虛警問題，嚴(yán)重影響了廠商對新技術(shù)的信任，不少企業(yè)仍在等待技術(shù)進(jìn)一步成熟、成本進(jìn)一步下降。

半導(dǎo)體制造業(yè)持續(xù)蓬勃發(fā)展，預(yù)計(jì)2036年全球銷售額將突破2萬億美元。隨著高性能AI芯片需求爆發(fā)，半導(dǎo)體檢測的未來將是量子成像系統(tǒng)與機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)算法深度融合，實(shí)現(xiàn)更實(shí)時、更快速的缺陷檢測。

電子束檢測、量子成像、超快激光缺陷檢測、AI量測等技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，將推動成像類半導(dǎo)體缺陷檢測設(shè)備行業(yè)在未來十年迎來爆發(fā)式增長。

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