集成电路芯片持续朝着密度不断增加和器件尺寸不断微缩的方向发展，制造工艺窗口也随之变得越来越小，任何工艺参数的微小变化都会造成器件尺寸的变化，其中最为关键的一个参数就是栅极线条宽度。任何经过光刻后的光刻胶线条宽度或刻蚀后栅极线条宽度与设计尺寸的偏离都会直接影响最终器件的性能、成品率及可靠性，所以先进的工艺控制都需要对线条宽度进行在线测量，通常称为关键尺寸(Crtical Dimension, CD)测量。

传统的基于光学显微镜成像系统的CD测量设备由于受到人射光波长和显微物镜光学分辨率的限制，已无法满足先进工艺的CD测量的需求。关键尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)凭借其高精度的CD测量和可测量线宽变化(CD

Variation)及线边缘粗糙度( Line Edge Roughness, LER)的功能，已成为一种重要的CD测量设备。但是，CD-SEM需要将待测圆片置放在真空中，因而测量速度慢，设备体积大，而不利于集成。由于高电压电荷积累可能对样品材料具有破坏性，CD-SEM不能有效地测量具有多边结构的多晶栅极(Poly Gate)线宽、浅沟道隔离(STI) 的深度和剖面图形形貌(Cross Section Profile) 等。

另外，CD-SEM测量局部数据点线宽时，需要多次取样测量以得到高信任度的平均值，所以CD-SEM不能满足先进的在线工艺控制应用对关键尺寸测量的要求。目前，基于衍射光学原理的非成像光学关键尺寸(OCD)测量设备已成为先进集成电路制造工艺中的主要工具，它可以实现对器件关键线条宽度及其他形貌尺寸的精确测量，并具有很好的重复性和长期稳定性。

通过OCD测量可以一次性获得诸多工艺尺寸参数，而在以前这些参数通常需要使用多种设备( 如扫描电子显微镜、原子力显微镜、光学薄膜测量仪等)才能完成。由于OCD测量方法具有非接触性，非破坏性，同时测量多个工艺特征，可实现在线测量等诸多优势，因此越广泛地用于先进的集成电路制造工艺控制过程中。光学关键尺寸测量系统是一种非成像的线宽测量系统，其基本工作原理如图8-191所示。

(1)采集光谱信号:基于宽带光谱的偏振反射测量技术和椭圆偏振测量技术，如图8-192所示。宽带光谱光束经过起偏器人射样品的被测周期性结构区城，经过样品的衍射，衍射光中包含了样品的结构、材料等信息。行射光中的反射光束通过检偏器被光谱传感器接收，并进-步经过信号处理形成包含被测样品信息的特征测量光谱，其物理表征形式可以是反射率R，和R, (椭圆偏振光中S光和P光的反射率)、偏振态变化的描述tang 和cos4、偏振态分析的傅里叶系数a和b，或者直接输出描述散射过程的穆勒矩阵( Mueller Matrix)等。

目前，主流的OCD测量光谱范围为210~ 1000m,针对一些应用 (如3D NAND等)，设备厂商也会将光谱范围延伸到近红外(大于200m)。总之，光谱范围越宽，覆盖的应用越多。

(2)建模和建库: OCD 测量技术需要依据被测器件的工艺和结构优化设计光栅参考图形，这些图形通常制作在划片槽区域，或者嵌入芯片区域中。根据待测样品的基本信息，如器件的2D/3D结构、使用材料等信息，建立高自由度模型，将一个复杂的被测器件用一.系列参数来表征，如寬度、高(厚)度和边倾角等，如图8-193 所示。根据被测器件模型的参数和测量设备的系统参数

(3)光谱匹配:将采集的测量光谱与理论光谱库中的光谱逐一匹配，寻找与测量光谱均方差最小的一条理论光谱作为最佳匹配，并索引出相应用于产生这理论光谱的参数组合值，作为最终的测量结果。匹配的计算过程非常快，可以在OCD测量设备采集测量光谱的时间内同步完成。OCD测量误差主要来自测量设备、制造工艺和计算算法等，这些误差的存在对0CD测量的精确度和长期稳定性带来了很大的挑战，具体包括如下4个方面。

(1)硬件设备包含诸多的子系统设置参数，在采集光谱过程中的不稳定性和随机性，可能造成测量光谱中的噪声。

(2)制造工艺变化形成的线边缘粗糙度(LER)。

(3)样品建模中有限参数表征得不完善。

(4)电磁场数值计算算法存在的数值误差。

目前，OCD测量设备的国外的供应商主要有KLA-Tencor、Nanomeries 和Nova, 国内的供应商有容励科学仪器(上海)有限公司。