半导体工艺和晶圆缺陷检测技术的发展
光刻技术光源发展史图片来源:google.com
同样的原理对于光学晶圆缺陷检测也同样适用。目前科磊公司和应用材料公司生产的光学晶圆缺陷检测设备，被广泛应用于各代半导体工艺上。目前最先进的宽谱明场检测产品采用193nm波长，已被证明能够可靠的捕捉到20-30nm的晶圆缺陷。
然而当工艺发展到现如今小于5/7nm的阶段，在一些多次曝光，或者采用EUV工艺的关键节点上，5-10nm的缺陷就已足以杀死整个芯片。如此高精度的需求，再一次对光学检测提出了巨大挑战。首当其冲的就是其敏感度还能否捕捉到这些极小的缺陷。物理极限导致光学检测系统的光源在DUV范围内继续缩短波长已几乎不再可能，而如果研发EUV光源的检测系统，不仅技术上尚未成熟，其研发成本也将极其高昂。
也因此，最新的光学检测技术，已经不再简单的依靠解析晶圆上的图案来捕捉其缺陷，而是通过复杂的信号处理和软件算法等手段，在图像对比中的过程中寻找’异常’。检测结果也从曾经的晶圆图案，演变成了现如今的’亮斑’和’暗斑’。尽管这些方法在20nm及以上的工艺中依然有效，但在今天的工艺上已经不再像之前那样可靠。相比于真正的缺陷，噪声在检测结果中的比例极具提高-有些甚至可以达到90%以上。且简单的通过观察结果中的光斑，也无法判断所捕捉到的信号是否为真实缺陷。于是第二轮的高精度reviewSEM的回看，和人工分类，成为了另一个不可或缺的步骤，也致使每次扫描产生结果的时间大幅度增加，生产成本急剧提升。
光学模版检测图像对比图片来源:SPIE.com
电子束晶圆检测
（e-beaminspection-EBI）技术
由于光学技术的种种局限性，电子束成像技术在先进半导体工艺中作为光学技术的替代品，起到了不可或缺的作用。
电子束晶圆检测-EBI，是扫描电子显微镜（SEM）技术的应用。其使用高能电子与晶圆表面的物质发生相互作用时所激发出的信息进行成像。然后再通过图像处理和运算来实现对晶圆缺陷进行检测的目的。
电子束晶圆检测系统的主要结构：
1.电子枪
用来产生电子的装置，半导体设备中均采用热场发射的原理。其在给枪尖通过电流的情况下，由阴极释放自由电子，并通过阳极来进行加速。在极短的距离内，两个极板之间的电压差要达到十或数十kV以上，来产生足够高能的电子流。
2.电磁透镜
用来将电子成束的装置，其包括汇聚透镜和物镜，分别位于电子光路的最上方和最下方。
3.汇聚透镜
由于电子被激发后成发散状态，因此在电子枪下，需要一系列透镜将电子汇聚，并通过下方的光圈，从而获得方向高度一致的电子束。另外，透过调节汇聚透镜的线圈电流，配合不同的光圈孔径，可以实现对入射电流的调节。
4.物镜
将电子束精细的汇聚在晶圆表面，对晶圆的图案进行成像。
5.偏转器
通过给主电流增加偏转电压，进而实现扫描的功能。越大的偏转电压可以扫描更大的图像，从而达到更高的扫描速度。然而过大的偏转电压会造成图像的畸变，因此如何取舍，以及如何矫正也是一项关键的技术。
6.样品架（工作台）
将晶圆吸附在工作台上，并进行高精度的移动。通过编码器和激光回馈的机制，其精度已经可以达到几纳米的级别。
7.探测器
用来探测电子的数量从而进行成像。高能电子与晶圆发生作用后，会激发一系列电子-俄歇电子，二次电子，背散射电子，x射线等。其中二次电子和背散射电子的数量被用作信号进行成像。激发出的电子数量越多，信号越强，在图像中的该像素也就越亮，反之则图像越暗。
InteractionVolume示意图图片来源:SPIE.com
8.后端成像系统
将探测器上获得的模拟信号放大，并转换为数字信号，搭配后端的软件算法，进行图像处理。目前所应用最先进的技术，图像处理速度可以达到每秒数亿像素甚至数十亿像素量级。
9.真空系统
整套系统都要运行在高真空下。其中电子枪对真空的要求最高，为防止污染及氧化，要达到E-10量级。真空柱要运行在E-8量级，而工作台也要运行在E-6的真空度下，使得激发出的电子拥有足够高平均自由程，并被探测器收集到。
SEM结构示意图图片来源:google.com
电子束晶圆检测系统的主要应用
如此复杂的电子束系统，为半导体工艺检测提供了十分丰富的应用。
1.高精度缺陷扫描和测量
电子束系统聚焦后的电子斑直径可以达到小于1nm，可以解析5nm甚至更小的晶圆缺陷。
然而传统的SEM，由于受到图像场大小（fieldofview-FOV）的限制，扫描速度极慢。扫描速度不只单纯的受限于获取图像的时间，还包括工作台移动，稳定的时间。同样的扫描面积，当图像场越小，工作台移动的次数也就越多。在做大面积晶圆扫描时，99%以上的时间都耗费在工作台移动上。也因此，SEM只用在回看光学系统已经捕捉到的缺陷，测量一些关键尺寸，或进行材料分析上。
电子束晶圆扫描系统的研发，大幅度将图像FOV提升了>100倍。从而极大的提高了扫描效率和扫描速度，也使得高精度的大面积缺陷检测成为可能。
因此在一些图案密度非常高关键节点，例如前段的源区(activearea)，中段的金属触点（metalcontact），直至复杂的金属导线（metal）工艺，都已经开始使用EBI系统来进行大面积扫描，以捕捉这些极小的缺陷。
高精度电子束缺陷检测实例图片来源:google.com
不仅如此，在EUV工艺的研发过程中，EBI也被广泛应用于捕捉局域关键尺寸不均匀（localCDU）导致的曝光缺陷。随着图案密度的提升，传统CD-SEM非常有限的覆盖范围，虽然在DUV技术中仍然行之有效，但在EUV工艺下，统计概率上已经远远不足以捕捉到这些缺陷。如果将CDSEM与EBI进行比较，可以发现，CDSEM的测量结果仍然完美的贴合正态分布曲线，而覆盖范围更大的EBI，可以侦测到3sigma之外的异常。
另外，在光学临近矫正（OPC），工艺窗口再验证（PWQ）等复杂的技术中，EBI正逐渐的取代光学和传统SEM，成为最新的中坚力量。
2.电压衬度（voltagecontrast）
如上所述，电子与晶圆发生作用后，会产生一系列电子。如果我们进一步调节参数，将其细分，则能够产生更多的应用。
入射电子束与晶圆发生非弹性碰撞会产生大量二次电子。二次电子的能量较低，大约50eV，因此只有非常表面的二次电子可以从物体表面逃逸出来，到达探测器。
利用这些二次电子，我们可以在金属接触层（metalcontact）通过在晶圆表面积累电荷的方式，来判断contact是否成功与底层连通，从而检测一些蚀刻过程中造成的缺陷。
电压衬度缺陷检测实例图片来源:google.com
3.材料衬度（materialcontrast）
不只是二次电子可以被用来作为信号检测缺陷，在相互作用过程中产生的背散射电子，也同样为我们提供了独特的信息。当入射电子能量够高，其与原子核发生激励，产生出这些相对高能的背散射电子。其能量可高达上千eV，也意味着可以其可以为我们带来晶圆更底层信息。由于与原子核发生作用，背散射电子的数量不同，也意味着物质的不同。这些信息便可以被用于检测蚀刻或研磨工艺后材料的残余。
材料衬度缺陷检测实例图片来源:SPIE.com
电子束晶圆检测技术的挑战和未来发展
尽管图像FOV的增加，为我们带来了巨大扫描速度上的提升。但是目前的EBI系统仍然面临着很大的挑战。高精度扫描的条件下，晶圆覆盖率仍然远不足5%。
如何继续提升扫描速度仍是这项技术发展的重中之重。ASML、应用材料、科磊等业界领头公司也都在分别研发自己的最新技术。其主要可归为两个技术方向：多电子柱（multi-column）扫描技术和多电子束（multi-beam）扫描技术。其中multi-column技术由于其固定的柱间距，在应用前景上十分有限，主要被应用于光罩检测中。而multi-beam技术正在成为业界研究的主要方向。在未来的5-10年，如果这项技术的种种难关可以被克服，半导体工艺的发展又将获得强有力的推进。
作者：叶海生张云杨
北京国保金泰信息安全技术有限公司
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卡脖子的半导体产业，如何通过智能复合机器人打造无人生产车间
随着智能制造的崛起，数智化的生产制造模式已是大势所趋。
当下，自动化及柔性生产是制造业企业正在致力于去实现的目标，引入移动机器人是半导体行业提高工厂自动化与信息化的关键举措。
在万亿的半导体行业，机器人正在帮助打通生产与物流的自动化，不仅可以适应高频的产线变化，还能降低生产成本。
不过，值得注意的是，半导体行业的作业环境亦对机器人提出了十分严苛的要求，如要求不影响产线节拍、清洁作业、防震作业、高精度作业等。
在半导体产线当中，能够同时实现“手脚”两项功能的复合型机器人，已经逐渐成为了半导体行业应用中被广泛使用的成熟智能设备。
同样的，对于移动机器人企业而言，半导体行业同样也是极具想象空间的红海市场。
捷螺系统成立于2015年，专注于智能机器人、物联网与工业4.0系统的研发。
在半导体行业，捷螺系统专攻半导体晶圆级搬运机器人的应用。
目前，捷螺移动机器人当前已在半导体行业得到广泛应用。
捷螺系统基于半导体行业需求，推出了智能无轨晶圆搬运机器人、智能无轨手臂机器人、车队派遣管理系统等多款产品。
另外，捷螺系统也已和全球第一大半导体封装厂合作完成全球首座智慧无人工厂。
目前已经在国内最大的封装测试厂和晶圆制造厂的产线上应用。
3月15日，投资人说&科创最前线与捷螺系统联合创始人兼技术总监张振义进行交流，探讨了关于《智能半导体复合机器人如何打造半导体无人生产车间》的话题。
以下内容基于捷螺系统联合创始人兼技术总监张振义分享整理，投资人说&科创最前线编辑。
关注「科创最前线」公众号，后台回复“捷螺系统”，可获取本期直播回放地址。
01
半导体行业的整体发展趋势
机器人与自动化，无疑是未来科技发展趋势的重要组成部分，人们非常明显的看到，各行业的无人化和机器人产业化正在进一步加快。
例如在农业领域，十几年前种地还需要人工，如今，农业已经开始实现无人化了。
所以，未来几十年，工厂的无人化也是非常自然的事情。
事实上，机器人早就开始服务包括石油石化、汽车装配制造等等传统产业。
以半导体行业为例，捷螺系统联合创始人兼技术总监张振义表示，半导体企业在使用移动式机器人时，一共有3点优势。
第一，机器人能够增加半导体企业的设备使用率。
与人工相比，设备的整体使用率能够提升25%。
为什么机器人能够提高设备使用率？
原因在于以往人工派货时，很容易造成整体信息混乱。
而当企业开始部署无人工厂之后，相关的派货信息都非常清晰且完整透明，而且设备可以实现自动搬运。
在捷螺系统服务某半导体企业时，实际的整体使用率可以提升25%。
第二，企业可以大量避免制程错误。
以前由于人工派货，工人难免出现错误。
例如在ERP中进行错误记录，那么这种情况出现，就会导致出现重大制程错误。
而由于半导体的价格都非常昂贵，所以半导体厂商在出现制程错误后，就可能面临巨额赔偿，并且同时损失商誉。
这些对企业发展来说都是非常重大的打击。
除了制程错误之外，人工搬运时，货物还有可能会出现因人为的暴力搬运而出现的货物损失。
而使用移动式机器人进行无人搬运后，这些与人相关的人为错误都可以避免。
第三，降低成本。
据捷螺系统联合创始人兼技术总监张振义透露：
捷螺系统所服务的半导体厂商，原来整个厂区共有80个工人，每天8小时共分4班次进行生产。
而在上了自动化机器人之后，该半导体企业从80人最后减少到只剩12人，原有4班次工作制度不变，每班次只有3人。
与之前相比，这3个工人重点进行部件测试、品质管控等附加值较高的工作，而不再进行具体的搬运操作。
总结来看，提高设备使用率、避免自身错误、降低人工成本等，是企业在使用移动机器人与自动化系统所直接享受的3点价值。
张振义介绍，目前，半导体行业，特别是封装测试领域的智慧工厂，实际上目前制程设备已经全面实现了自动化。
而wafer（晶圆，制作硅半导体电路所用的硅晶片）的搬运，目前大多还是依靠人力，未来也将在移动机器人的支撑下全面实现自动化。
在捷螺系统的判断中，未来的半导体行业里，不会再有工人与自走车。
目前，捷螺系统已经在服务于很多大半导体企业，提供整体的天车与智慧型移动机器人的完整解决方案，来解决半导体的生产运输。
02
半导体无人工厂系统需求
在过去的5~6年时间里，捷螺系统的解决方案已经处理过多种不同型号的设备，例如8寸的OpenCassette、FrameCassette等等。
这些不同型号的设备，以往在工厂中都是用人工进行搬运，而目前都已经在用自动机器人进行搬运。
并且这些设备的成本都非常高昂，大约在30万美元左右。
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其实智能移动机器人在半导体工厂场景中的工作流程非常简单，基本就是在多个设备和电子货架之间进行搬运。
但难点在于，这些机器人硬件必须搭配相应的智能高效的派货与派工系统，以及实现对设备货物的定位、智能仓储移载等，运输路线导航等等，来组成一个完整的无人搬运解决方案。
具体来说，半导体封装测试厂中的切割机与镭射切割机的搬运，以往都是人工进行搬运。
但事实上人工搬运这些设备非常难，因为货物实在太重，所以很多工人大概干1~2个月就离职了，人员流动性非常高。
这些设备就需要依靠移动机器人进行搬运。实际上捷螺系统最开始也是从这些设备的搬运做起。
从系统架构层面来看，底层的控制系统会整合上层的AGV移动机器人，AGV会整合物料管理系统；
而物料管理系统又会整合上面的实时派工系统，最后与客户的ERP等系统对接，实现整体的自动化搬运解决方案。
需要注意的是，工厂内部的设备不同，如何进行顺利的搬运？
例如设备型号不同、摆放位置不同等。
这些问题，以往依靠天车是很难处理的。
而移动机器人解决方案，实际上与人工具有一样的灵活度。
简单总结下来，捷螺系统认为，当半导体企业想借助移动机器人实现无人工厂时，有三个关键点一定要注意，那就是产品安全、人员安全与设备安全。
这三个安全必须要达到。
目前，捷螺系统提供的机器人设备，采用的都是万向轮配置，可以进行前后左右的任意方向移动，并且机器人配置了超过100个产品安全、设备安全的部件，来保证相关的生产安全。
另外，捷螺系统的整车也获得了手臂认证、电池认证、整车认证、充电器认证等等，符合半导体行业产品认证及法规需求。
值得一提的是，目前捷螺系统采用的机器人设备是目前市面上领先的4槽位设备，相比传统设备的工作效率要更高，而且可以很稳定的很顺利的在各个场域做运行。
据张振义判断，未来4槽位的设备也将在半导体行业中流行。
关注公众号可获取直播回放03
移动机器人技术需求与解决方案
在大概10年前，半导体等工厂都在用磁轨的解决方案。
但如今在弹性制造的整体需求背景下，磁轨已经不再适用。
目前的半导体产业的趋势，客户要求已经非常明确，只接受用SLAM（同步定位与地图构建）。
也就是在未知环境和未知地点的状况下，搜集感测器信息，通过特殊的算法，同时建立环境信息及自身位置。
SLAM是目前协作型机器人自我定位及移动的必备技术，不需要更改任何的环境设施。
也就是说，客户在车间里完全不用做任何操作，只要移动机器人在其中进行相关的地图扫描，半天时间就可以上线工作。
当然有部分区域需要高精度定位，还可以用进一步精度定位方法进行定位，做到“该弹性时弹性，该精准时精准”。
简单来说，目前行业对整个移动机器人产品的需求大致分为以下几类：
2000KG顶升、500KG顶升、自走搬运车、Payload5KG移动机器人和Payload12KG移动机器人（4槽位）
这些是过去几年捷螺系统的机器人产品，都在半导体产业有广泛应用。
需要指出的是，如果只有自走车，是没办法完成搬运的，一定要配套使用相关的物料追踪管理系统、派工派货系统、车队管理系统、电子货架等等，也就是半导体无人工厂周边配套方案，才能够让半导体无人工厂正常运转起来。
举例来说，目前捷螺系统能够提供的Payload5KG移动机器人，既可以做无人搬运、也可以进行巡检、抄表等动作。
比如厂房里有400台打线机，就可以配置移动机器人对这些设备进行巡检。
需要强调的是，通常移动机器人还需要配备NearToolBuffer，也就是设备旁的wafer暂存区，用来进行设备的运输暂存。
软件系统同样是无人工厂的重要组成部分，目前捷螺系统能够提供完整的系统。
包括多车管理系统、路径规划系统、以及与客户的系统进行对接，包括相关的接口等等，捷螺系统都能够提供完整的解决方案。
另外，捷螺系统的机器人手臂上还安装了摄像头，以及对位的Landmark，让手臂操作的精度能够达到±0.1mm，在很多场域都已经得到了验证。
与其他同类产品相比，同类产品通常使用AC的机器人，而捷螺系统则采用的是DC的机器人。
这里有什么差异？
简单来说就是DC比AC的电池使用效率能够高30%，单次充电后的操作续航能够实现6~8小时的操作。
特别值得一提的是，捷螺系统的自走车机器人还有一个很重要的特征，就是导入了GoldenPort概念。
这在半导体厂中的落地非常重要。
通常来说，半导体厂比如有100台设备，可能会设置300~400个port，这里的教导点位就需要大约30天的时间。
而采用GoldenPort的方案时，只需要大概3天多的时间就可以做完，效率提高超过900%。
总结下来，客户其实要的并不是自走车，而是一个完整的无人工厂解决方案，自走车只是其中很重要的一环而已，周边的配套设备、系统等也需要完善。
捷螺系统经过多年研发、测试、部署，已经有了一套完整的无人工厂配套方案，已经完全符合工业4.0的智能工厂的标准套件。
这套标准套件加上落地的经验，让捷螺系统已经实现超过30多家半导体场域的成功部署。
“我们的产品从硬件机器人，到整个无人工厂的配套方案，再加上产品的可靠度、产量等，相信对所有半导体产业都会有巨大的帮助。”张振义说。
04
互动问答
问：万向轮有什么优点，是否考虑把万向轮底座开发跟别人合作？
答：万向轮底座的好处是可以更容易地跟设备做对接。
另外，机器人市场非常大，一家是吃不下来的，我们正在研究授权给同业或是想做机器人的公司。
因为我们这个技术已经非常稳定，万向轮底座在市场上还是很少看到，我们在评估怎样和同业从业者合作。
任何有兴趣做机器人的公司可以找我们一起探讨。
问：捷螺只做半导体场景吗，是否考虑扩展到其他领域？
答；场景方面自我们从半导体切入的原因是全世界前十大的封装测试厂中七家是我们的客户，目前已经在超过30个厂中试点。
除了半导体之外，我们在化工厂、汽车厂场景中都进行了投入，如LED厂、面板厂都在做。除了半导体，我们正积极地向各个场景的客户拓展。
问：机器人的应急预案有吗？当面临到突发情况的时候，是怎么去解决的？
答：突发情况分不同种类。
warning报警状态下，机器人会自动复归继续走。
但如果更严重的话，车子是很难实现全自动识别危险的，通常就是停下来让工作人员进行问题解决。
因为考虑到产品安全、设备安全，半导体厂的要求很高，我们现在还不敢用AI的方法来让车子自行处理突发状况问题。
目前我们在单个场域中，有10台车在跑，每天最多会出现一到两次突发状况，通常是WiFi断线这方面的问题，然后隔了几秒后连接上了又继续工作了。
这些状态与产品安全不相关的，如果是危险的，比如有人或是事物挡住就停下来，必须工作人员确认ok按钮后才会继续行进。
发布于：北京