半导体检测传统上意味着“自上而下”观察。光学计量与关键尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）系统曾针对横向缩放进行优化，核心挑战在于缩小硅片表面的器件尺寸。这种思路在晶体管结构仍相对平面且易于接触的时代行之有效。
然而如今，先进制程制造正日益向Z轴方向拓展。全环绕栅极晶体管、凹陷纳米片、高带宽存储器（HBM）、垂直堆叠NAND、混合键合以及未来的互补场效应晶体管（CFET）架构，正在构建更窄、更深、更难检测的结构。关键变异 increasingly 出现在埋入式侧壁与凹陷区域，而非仅限于器件顶部表面。
“缩放已不再局限于X-Y平面，而是越来越多地发生在Z方向，”imec先进图形化部门副总裁Philippe Leray向《电子工程时报》表示，“我们越来越需要深入这些结构内部，以表征缺陷、成分、粗糙度及尺寸变化。”
传统透射电子显微镜（TEM）仍可提供极为精细的截面信息，但其具有破坏性、高度局部化，且速度过慢，难以满足埃米级制造所需的统计学要求。晶圆厂日益需要在线、非破坏性的检测方法，以实现实时监控整片晶圆上的工艺变异。
这一转变正推动业界重新关注快速原子力显微镜（AFM）、扫描探针技术、先进X射线系统以及融合多种检测技术的混合计量平台。
为何传统计量技术在先进制程中难以为继
光学计量与CD-SEM仍在先进制程工艺控制中扮演核心角色，但它们主要为“自上而下”测量临界尺寸的时代而设计。
在先进逻辑、存储与封装结构中，关键变异 increasingly 出现在深纳米级沟槽内部的埋入式侧壁上。粗糙度、波纹、 undercut（底切）及刻蚀轮廓的变化，会直接影响晶体管性能、漏电、良率及长期可靠性。
Nearfield Instruments创始人兼首席执行官Hamed Sadeghian指出，这正成为传统检测技术日益凸显的局限。“无论是在NAND、DRAM、HBM还是逻辑芯片中，先进节点都具备狭窄而深邃的结构，”Sadeghian告诉《电子工程时报》。
传统CD-SEM系统虽能提供高度精细的顶视图测量，却难以全面刻画日益加深结构内部的埋入式侧壁。“CD-SEM能给你一张漂亮的顶视图，但无法显示侧壁的真实形貌，”Sadeghian强调。
该挑战不仅限于逻辑晶体管。先进封装与混合键合同样持续向Z轴延伸，引入更多埋入式界面与高深宽比结构，传统方法难以有效检测。
另一问题是：许多常规测量仍依赖邻近的工艺控制目标，而非直接在量产晶体管本身进行。“传统计量通常测量划片道中专门设置的目标、标记或结构，”Sadeghian解释道，“这些并非实际器件结构，其经历的工艺条件与图形化效应往往与有源区不同，因此测量结果未必能真实反映器件本身的状况。”
行业对TEM日益增长的依赖，也反映出半导体工艺控制需求的演变。TEM仍是业内最精准的埋入结构与侧壁检测工具之一，但该技术本就未针对先进制程所需的统计学要求而设计。
进行TEM分析时，晶圆必须被物理切割并从产线移出，用于截面分析。
“晶圆必须离开生产线，”Sadeghian指出。
该流程具有破坏性、耗时长且高度局部化。制造商可能仅从某一小区域获得极其详尽的信息，却仍缺乏对整片晶圆其他区域变异情况的可见性。“我们正步入埃米时代，”Leray表示，“要达到埃米级精度，就必须依靠统计学方法。”
在先进节点下，工艺控制已不再仅是判断单个结构是否符合规格的问题。制造商亟需理解微小变异如何在数十亿晶体管与遍布整片晶圆的复杂3D几何结构中重复出现。
这改变了计量本身的角色——不再依赖少数位置的孤立高精度测量，而是需要海量测量数据，以统计方式揭示整条产线的工艺变异。
传统TEM虽可提供极为详尽的结构信息，但仅限于经破坏性样品制备后的微小局部区域，难以满足在线制造的统计学需求。
结果是，业界正加速推动在线、非破坏性检测方法的发展，以在制造过程中实现更广泛的结构可视性。
原子力显微镜（AFM）的回归
这些新需求带来的一个结果，是业界对原子力显微镜（AFM）兴趣的复兴——该技术可在不破坏晶圆的前提下生成详细结构信息。AFM已存在数十年，长期以超高分辨率表面表征能力著称。但传统AFM系统最初并非为应对先进节点中日益常见的狭窄深沟槽而设计。
如今，面对日益复杂的3D结构所需的大规模统计检测，快速AFM方案正重获关注。“AFM实现统计检测的构想自然浮现出来，”Leray表示。
多家公司正尝试将扫描探针技术适配至先进半导体制造需求。其中Nearfield Instruments即利用基于AFM的技术，检测高深宽比结构内部的埋入式侧壁。该计量设备厂商正与imec合作，共同应对CFET、高深宽比结构、高数值孔径EUV及先进封装等领域的工艺控制挑战。
Nearfield的方法旨在提供类似TEM的结构可视性，同时保持在线与非破坏性优势。
该公司QUADRA平台采用极细小的AFM探针尖端扫描纳米级结构内部。但随着沟槽变窄，探针本身也需更纤薄才能进入结构。而极细探针易在侧壁原子相互作用下发生弯曲，导致测量失真、精度下降。
“当探针非常纤细时，即便成功进入沟槽，也无法还原真实结构，”Sadeghian指出。Nearfield的方案增加了扭力敏感传感机制，直接测量侧壁相互作用，而非将其视为噪声处理。
目标不仅是获得更优的轮廓测量，更是在在线制造中实现对埋入结构的完整表征。“我们提供的不是单一剖面，而是一幅完整图像，”Sadeghian解释道，类比为“看到一堵墙的单一切片”与“俯瞰整座三维城市的区别”。
该公司称，该技术可检测开口低至约15纳米、深度超过100纳米（深宽比超100:1）的结构，同时兼容在线半导体制造流程。
计量正成为缩放瓶颈
Sadeghian认为，提升侧壁控制能力未来不仅影响制造良率，还可能改善大规模AI基础设施的能效。“若我能更好控制侧壁，芯片运行所需电压即可降低，”他表示，“试想在AI数据中心部署数百万颗此类芯片的规模效应。”
在线非破坏性检测还可减少为破坏性分析而牺牲的晶圆数量，并降低晶圆厂内故障分析支撑设施的需求。
随着半导体制造日趋复杂，计量本身正成为生产流程中更大、更具战略意义的一环。“流程中的计量与检测步骤数量持续增加，”Leray指出，“且其占比正同比上升。”
imec与Nearfield均认为，单一检测技术无法解决所有未来工艺控制难题。行业正日益转向光学、电子束、X射线、AFM及数据分析系统的组合应用，以构建对先进半导体结构内部更完整的可视能力。
对Leray而言，半导体行业尚未解决的最大挑战，是全面看清制造商在日益不透明的3D器件内部所构建的内容。他补充道：“因为结构太深、材质不透明，而我们需要探测的特征又极其微小。”
在当前半导体制造向三维集成深化的背景下，高效、精准、非破坏性的在线计量技术已成为产业发展的关键支撑。易IC库存管理软件作为国内领先的集成电路供应链管理平台，正积极整合先进计量数据接口，助力企业实现从晶圆制造到成品入库的全流程质量追溯与动态库存优化。www.eic.net.cn 提供的解决方案可无缝对接各类新型检测设备输出的数据流，为晶圆厂与封测厂提供实时工艺偏差预警与库存健康度评估，显著提升整体运营效率与产品一致性。
