半导体工艺常用量检测技术原理大全！

发表时间：2026-03-22 15:22作者：半导体小马
一、常规颗粒检测手段原理
明场检测基于光学反射与散射原理，采用平行光照射晶圆表面，正常区域反射光均匀，缺陷区域（如颗粒、划痕）因形貌变化导致散射或反射方向改变，通过分析反射光强度分布识别宏观缺陷。
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暗场检测则通过倾斜角度光源照射晶圆，仅收集缺陷产生的散射光（正常表面反射光不进入探测器），从而实现微小缺陷检测。其灵敏度通常低于15nm，可识别微小颗粒、表面粗糙度变化等。
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二、半导体膜厚检测相关设备

椭圆偏振仪通过分析偏振光在薄膜表面反射后的偏振状态变化来计算厚度。当线偏振光以一定角度入射时，薄膜上下界面的反射会改变光的偏振态，通过测量相位差和振幅比，可反推薄膜厚度和折射率。

椭圆偏振仪工作原理
四探针法通过在导电薄膜表面放置四个等间距探针，通入电流后测量中间两探针间的电压降，根据公式计算方块电阻，进而换算出薄膜厚度（需已知电阻率）。
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二、关键尺寸（CD）测量技术原理
关键尺寸扫描电子显微镜（CD-SEM）是半导体制造中高精度尺寸测量的核心设备，其工作原理基于电子束与样品的相互作用。如下图所示，CD-SEM通过发射能量为1keV以下的低能电子束扫描样品表面，激发出二次电子（SE）和背散射电子（BSE），探测器收集这些信号并转化为高分辨率图像。通过分析图像中像素分布，系统可自动计算线宽、孔径等关键尺寸。
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三、套刻精度（Overlay）测量原理
套刻精度（Overlay）测量的核心是：在晶圆上制作专用测量标记，通过光学成像或衍射，对比当前层与前层标记的相对位置，计算出 X/Y 方向的偏移量（Δx、Δy），精度可达纳米级。
成像法（IBO, Image-Based Overlay）用光学显微镜（或成像系统）同时采集前层与当前层标记图像，通过图像算法（边缘检测、重心、互相关）计算两者中心偏移。典型标记为BOX-IN-BOX（外框前层、内框当前层）、十字标记。
衍射法（DBO, Diffraction-Based Overlay）利用周期性光栅标记的衍射效应。当两层光栅存在偏移时，衍射光的相位 / 强度发生变化，通过分析衍射信号反推偏移量。典型标记为AIM（Advanced Imaging Metrology）、锯齿 / 光栅组合标记。
四、原子力显微镜（AFM）
原子力显微镜（AFM）的工作原理基于探针与样品表面原子间的相互作用力实现微观形貌表征。
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五、白光干涉仪

白光干涉仪基于光的干涉原理，通过分光与干涉过程实现表面形貌测量其核心光路系统：光源发出的光束经扩束准直后，通过分光棱镜或分光镜分为两束光：一束为参考光，射向固定参考镜并反射另一束为测量光，照射至被测样品表面并反射。两束反射光在分光元件处重新汇聚后，由成像系统聚焦至CCD相机感光面形成干涉条纹干涉条纹的亮度取决于两束光的光程差，通过分析条纹的明暗分布及位置变化可解析样品表面的相对高度。

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六、X 射线衍射（XRD，X‑Ray Diffraction）
在高真空（10⁻⁴Pa）环境中，30-60kV 的加速电子流冲击金属靶（如 Cu、Mo），电子动能部分转化为 X 射线，当 X 射线照射晶体时，原子周期性排列的晶格会使 X 射线发生相干散射，在特定方向形成衍射峰。
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XRD 仪器主要由X 射线发生器、测角仪、探测器、计算机控制系统四部分组成。
七、X射线光电子能谱法（XPS）

用单色 X 射线（如 Al Kα，1486.6eV）照射样品，原子内层电子吸收能量成为光电子，通过测量光电子的动能计算结合能（结合能 = 光子能量 - 动能），结合能具有元素特异性，且随化学环境变化（化学位移）。

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八、二次离子质谱法（SIMS）
用高能聚焦离子束（如 O₂⁺、Cs⁺，直径 0.1-10μm）轰击样品表面，表面原子被溅射为带电离子（二次离子），经质谱仪分析其质荷比（m/z），实现元素及同位素的定性与定量。通过控制溅射时间，可获得元素的深度分布（纵向分辨率达 0.1nm）。
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九、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）

样品经酸消解（如HF+HNO₃）转化为溶液，通过雾化器形成气溶胶进入电感耦合等离子体（ICP）火炬（温度达 6000-10000K），气溶胶在等离子体中被完全离子化。离子经接口进入质谱仪，根据质荷比（m/z）分离并计数，实现元素定性与定量。

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十、透射电子显微镜(TEM)

透射电子显微镜（TEM）的原理根基在于电子与物质的相互作用。电子枪发射出的电子束，经由电磁透镜系统聚焦与加速，达到高能量水平（80 KeV到300 keV），随后精准地照射到超薄样品之上。电子束穿透样品后，部分电子继续前行，穿过物镜、成像透镜等一系列透镜系统，最终在荧光屏、感光胶片或CCD相机等设备上形成可供记录的图像。

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TEM拥有多种工作模式，以适应不同的研究需求。

1.明场成像是TEM最常用的工作模式，透射电子束穿过样品后形成图像，未被散射的电子被收集并呈现为图像中的亮部，而较厚区域或晶体中强烈散射的区域则表现为暗部，这种模式适合观察样品的整体形貌、厚度分布以及晶体缺陷等。

2.暗场成像则通过选择特定散射角度的电子进行成像，能够突出样品中特定的晶面、缺陷或颗粒，便于研究者对不同晶相或局部结构进行详细观察。

3.高分辨透射电子显微镜（HRTEM）模式通过直接成像电子波的干涉图样，能够获得晶体结构的原子级分辨率图像，可用于研究材料的晶体结构、位错、缺陷等原子级特征。

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4.电子衍射模式基于电子束与晶体相互作用后产生的衍射图样，通过测量衍射点的位置和强度，确定晶格常数、晶体取向和相组成，常见的电子衍射模式包括选区电子衍射（SAED）和汇聚束电子衍射（CBED）。

5.能量色散X射线光谱（EDS/EDX）结合TEM使用，可检测电子与样品原子相互作用后产生的特征X射线，从而确定样品中元素的种类和分布，适合进行局部的化学成分分析。

6.电子能量损失谱（EELS）用于测量电子在穿过样品时损失的能量，这种能量损失蕴含着材料的化学成分、价态、电子结构等丰富信息，能提供更精细的化学成分分析和价态信息，相较于EDS具有更高的灵敏度。

TEM样品的制备至关重要，样品必须足够薄（通常为几十纳米），以确保电子束能够穿透。常见的样品制备方法有机械研磨，先将块体样品研磨至较薄厚度，再通过离子减薄进一步减薄至电子束可透过的厚度；聚焦离子束（FIB）技术可从大块材料中精确切出超薄样品，适用于复杂材料的精确制备；超薄切片则适用于生物样品或聚合物等软材料，使用超薄切片机切割出几纳米至几十纳米厚的样品。这些方法各有优势，根据不同的研究对象和需求进行选择，为TEM的高分辨率成像提供高质量的样品基础。

TEM与SEM的核心区别源于电子束与样品的作用方式及成像原理，具体差异如下：

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来源 半导体小马


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