精準量測半導體元件是確保電子產品良率的關鍵，為了量測愈來愈細小，並且朝向3D發展的電晶體，工研院打造「線上X光關鍵尺寸量測系統」，可量測半導體2奈米GAA製程關鍵尺寸的量測機台，助攻臺灣打入半導體前段製程的量測市場，並衍生新創公司奈視科技，榮獲2024全球百大科技研發獎。
隨著半導體持續搶進下世代2奈米先進製程，電晶體也轉變至更複雜多層的環繞式閘極（GAA）結構，台積電、英特爾、三星等大廠都已宣布，未來的2奈米製程將確定使用GAA結構，除了線寬持續微縮，架構也從2維轉到3維，不僅有高深寬比，材料組成也更加複雜，想要精準量測電晶體的線寬、間距等關鍵尺寸（CD），不僅是未來量測技術的最大挑戰，也是各家大廠亟欲突破的關卡。
面對這項棘手難題，工研院以X光為基礎，建立「線上X光關鍵尺寸量測系統」，打造全球第一台應用於半導體2奈米GAA製程的量測機台，在設備的X光和鏡組設計擁有獨家專利，針對複雜的GAA結構，提供原子級解析度的關鍵尺寸量測，確保2奈米製程的良率。
善用X光穿透反射特性 找出量測解方
工研院量測技術發展中心副執行長傅尉恩指出，過去業界使用可見光量測關鍵尺寸，只要分析光學訊號就能得知結果，在7奈米、5奈米，甚至3奈米製程，可見光都能派上用場。但當製程推進到2奈米變成3D結構時，可見光往下打，只能看到表面，但穿透不了太深，即便可以穿透，靈敏度也會降低，就算量測到一些訊號，也難以判斷內部實際狀況；此外，可見光還會受檢測材料影響，不同材料有不同光學性質，在做分析時，還要考量材料狀況才行。
於是業界又發展出另一個輔助測量的方式，也就是穿透式電子顯微鏡（TEM），TEM可量測到原子等級，足夠精細，但想要看清電晶體內所有結構，必須要切片觀測。傅尉恩比喻，就像用刀切蛋糕一樣，從剖面觀察內餡，但一切開以後，半導體元件便無法使用，因此過往業界只能採取抽檢而非全檢的方式量測；再者，要精準切到想要的位置也不容易。
X光正好可以解決這項難題。X光最大優勢便是可以直接穿透結構，直達底層，就像平日在醫院照X光穿透人體一樣，而且X光不受檢測材料限制，準確度會比可見光還要高。雖然X光可穿透GAA結構精準量測，但卻有效率問題。傅尉恩指出，整塊晶圓厚度可達750微米，但要量測上面的關鍵尺寸結構，可能只有數十到數百奈米之間，「大部分的X光都被晶圓吸收掉了，訊號變弱，反而沒有效率。」
於是團隊思考以「反射式」的方法，讓X光穿透到底層之後，再反射回來，如果能做到全反射，也就是全部的能量進去，全部的能量出來，訊號就不會被吸收太多，所得到的光學訊號就會更加明確。團隊利用X光本身的特性原理，在非常小的角度入射，就能得到全反射，但緊接而來的另一個難題是，因為入射角度很小，幾乎是貼合物件表面，X光接觸的表面積就會變得非常大，反而把不需量測的地方也都納進來了，無法達到精準量測。
獨門專利技術 克服反射問題
團隊在2016年發展專利找出解方，提高X光入射角度，再透過獨家設計，比如設置特別的反射聚焦鏡，讓X光以聚焦方式打在微小區域裡，產生足夠訊號。隨後在2019年又申請另一項專利，延續先前概念，利用另外一個反射技術，取得各層訊號重組後，就能得到想要量測的三維結構訊號，微區量測面積可精準至50×50微米平方。
團隊不僅克服反射問題，當X光穿過很細的孔隙時，還有繞射問題，為此團隊分析繞射產生的圖譜，從訊號找到與關鍵尺寸的相對關係，「要產生繞射一定會有規矩，比如一定的距離或大小，進而建立一套可分析繞射圖譜的理論模型。」
傅尉恩有感而發地說，因過去無人做過，團隊從無到有打造機台，還要尋找合適的X光光源，設計許多特殊的夾治具，把量測架構組裝起來，一步步才有如今成果，「對我們來說是從0到1，想辦法設計屬於自己的機台，是非常不容易的事。」
前段製程設備的市占率，約占整體半導體設備近8成，商機驚人，但前段量測設備向來掌握在歐美國際大廠手上，傅尉恩期盼，這項技術可以結合國內廠商，組成一個前段製程檢測設備的國家隊，「希望未來真的有一家臺灣公司進入先進製程的前段量測市場，我們是有機會跟這些世界大廠一拚的！」
（本文由工業技術與資訊授權轉載）
