关键尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)是集成电路前段制造流程中的重要测量设备，主要用于对芯片生产过程中的关键尺寸(CD)的在线测量和关键设备(如光刻机、显影涂胶设备)的性能监控:另外，CD-SEM 对产品研发阶段的光学邻近效应校正(OPC)中的模型修正也有很重要的作用。目前，这种设备的主要供应商是日立高新(Hitachi High-Tech)和应用材料( Applied Materials)。

1. CD-SEM工作原理

图8-188所示为SEM成像原理图。图左侧是待测量图形的剖面图，由于在斜坡处人射电子有效作用面积最大，二次电子产生率也相应最高。转换为SEM图像时，图形边缘的亮度总是最高的，于是就可以据此计算线宽，即CD值。

2. CD-SEM在集成电路制造中的应用

CD -SEM不同于实验室所用的SEM,其主要特点在于它是一台高速运行的!半导体芯片测量设备，所以具备快速面精准的自动图形识别能力是极为重要的。CD-SEM最终要测量的图形的大小可能仅有十几纳米，而样品台移动精度一般是pum量级，所以CD-SEM采用多倍率寻址方法来保证其定位精度，即先在低倍事条件下寻找特征图形，然后根据特征图形与待测量图形的相对位置来定位最终测量图形，利用高精度的电子束移动来保证定位精度。图8- 189所示的是常见的CD-SEM自动测量流程图。

在CD-SEM获得测量图形的影像后，CD- SEM进行测量并将测量数据上传到管理系统中。为了使测量结果能够真实而准确地反映产品的性能，CD-SEM在测量算法上也需要不断优化和提高。-方面，要适应半导体工艺的发展，推出各种新的测量方式，如边缘粗糙度(Edge Roughness)、间隙(Gap)、 扭曲度(Wigling)、叠对(Overlay)、 图形重心(Center Grarvity)等的测量方式;另一方面，仍需不断提高测量的可靠性，以及对产品工艺波动的敏感度。

3.集成电路制造工艺发展对于CD-SEM的新挑战

(1)由于电子東直接照射在圆片表面，会引起新型光刻胶材料(如ArF光刻胶)的收缩(Shrinkage), 使测量结果与真实CD之间存在差异。相应的解决方案是，提高电子束扫描速度，以减少扫描时间;在低电压、低放大倍率、低扫描帧数的条件下，给出可以达到测量精度要求的影像;开发更高效的图像处理技术。

(2)关键尺寸(CD)越来越小，对于CD-SEM的分辨率和测量重复精度提出了更高的要求。相应的解决方案是，进步改进电子光学系统， 增 强其物理分辨率;开发更高效的图像处理技术;开发自动化的电子光学调节系统，以保证设备长期运转的稳定性。

(3)半导体3D器件结构的发展趋势，要求CD-SEM不仅可以测量当前层的CD,还可以测量与前一.层的套刻(Overlay) 情况，以及对于深孔底部的测量。相应的解决方案是，提供更大的电子束电压和电流的可调范围:改造电子信号接收器，使其不仅能接收二次电子信号，还要能接收背向散射电子(Backword Sattering Eletrons, BSE) 信号。

(4) OPC 2D图形的建模: GDS设计图形与实际SEM影像的叠对，从SEM影像提取轮廓线(Contour), 并将其导人到CDS设计模型中。