国产量检测开始引入EUV光源，13.5nm波长把缺陷检出灵敏度大幅拉高

EUV不再只是光刻机的事

提到EUV，多数人第一反应是光刻机。但量检测领域也在逐步引入EUV光源。光刻波长从193 nm骤降到13.5 nm，意味着EUV光刻工艺需要全新的元器件和材料，也要求在13.5 nm工作波长下重新开展元器件检测和材料相互作用研究。

半导体生产的每一道工艺都需要定量测量，确保关键物理参数达标，其中光学检测设备占据市场主流。随着芯片制程持续推进，器件物理尺度持续微缩，晶体管从FinFET向环绕栅极（GAA）等三维结构演进，检测需求从二维平面延伸到三维立体，掩埋界面识别、纳米级缺陷检出的难度陡增，传统光学检测的灵敏度已经跟不上精度要求。

为什么EUV量检测被寄予厚望

电子束检测虽然精度更高，但扫描速度慢、吞吐量低，还可能对晶圆材料造成损伤。相比之下，基于EUV光源的检测技术兼具高分辨率、高检测速度，并且属于非接触无损检测。根据散射信号经验公式，信号强度正比于颗粒尺寸的六次方、反比于照明光波长的四次方，波长缩短至13.5nm可大幅提升纳米级缺陷的检出灵敏度，在套刻量测等场景中优势尤为显著。

当前，非破坏性测量已是半导体量检测的主流发展方向，但高端EUV光源长期被海外厂商垄断。

EUV光源的三条技术路线

无论是光刻还是量检测，都需要先解决EUV光源的问题。目前极紫外光源主要有三类技术路线。

第一种是传统等离子体光源，也是光刻主流路线，包括激光等离子体光源（LPP）和放电等离子体光源（DPP）。LPP光源一般用高功率激光轰击熔融锡滴，将其加热至上百万摄氏度形成等离子体，高价锡离子跃迁辐射出13.5 nm EUV光。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室正在研发一种拍瓦级铥激光器，据称其效率比EUV工具中使用的二氧化碳激光器高10倍，并且可以在未来许多年内取代光刻系统中的二氧化碳激光器。DPP光源通过高压放电激发Sn等离子体产生EUV辐射，具有体积紧凑、成本可控的优势，可实现高速、高稳定性在线表征。但在表征多层膜内部缺陷时DPP光源会产生一系列特定问题，且其不可调谐的波长无法适应下一代6.7 nm BEUV光刻，因此长远科研能力略有不足。虽然这两种路线功率高，但系统复杂、污染控制困难、造价昂贵。

第二种是加速器光源，包括自由电子激光（FEL）、同步辐射（SR）和稳态微聚束光源（SSMB）等。自由电子激光的原理是将电子束加速至接近光速后导入周期性磁场，电子受迫摆动释放相干EUV光。同步辐射基于电子储存环，电子在偏转磁场中辐射出连续光谱。稳态微聚束光源结合同步辐射与自由电子激光特性，在电子储存环中形成微聚束以产生高功率相干辐射，由清华大学团队主导研究，2021年原理已获实验验证，被视为大功率EUV光源的潜在新路径。

第三种是高次谐波产生（HHG）光源。HHG技术通过飞秒激光与稀有气体的相互作用，在非线性响应中产生高次谐波，从而输出10–50纳米波段的极紫外光。这种光源有几个显著特点：

• 体积小、造价低，整个系统可实现桌面化部署，远小于传统EUV光源；
• 相干性高、波长可调，光束相干度高，可覆盖多波段，且具有准连续超宽光谱输出；
• 工程化可行性强，不需要复杂的EUV多层膜镜或金属靶污染控制，系统稳定、维护成本低。

缺点是功率较低，目前主要用于掩模版缺陷检测、阿秒物理、超快光谱等科研和量测领域。目前，国际上如ASML、Intel、Samsung、TSMC等公司都已经开始在量测与检测环节使用HHG技术，验证其产业化潜力。美国NIST也将HHG定义为“宽带-超快-相干三位一体的最优路线”，而IRDS 2024国际半导体技术路线图更是明确指出，HHG是下一代EUV量测的核心技术。

EUV量检测具体用在哪里

EUV量检测主要覆盖掩模缺陷检测、晶圆量检测、材料分析等场景，原理主要包括相干衍射成像（CDI）、散射量测（CSM）、瞬态光栅（TG）等。

首先是EUV掩模检测。EUV光刻采用反射式光路，掩模由基底、Mo/Si多层膜与吸收层构成，即使微小缺陷也会导致晶圆关键尺寸大幅偏差，因此无缺陷掩模是量产的核心前提。EUV掩模缺陷可分为振幅缺陷与相位缺陷，传统DUV光源和电子束检测难以穿透Mo/Si多层膜，难以检测到多层膜中的相位缺陷，且成像结果与实际光刻曝光的空间像差异大，无法验证曝光结果的可靠性。

CDI是一种无透镜成像技术，通过在傅里叶域采集样品的衍射图案，利用相位恢复算法重建样品结构，避免了短波长下光学元件像差的苛刻要求。叠层衍射成像则结合扫描技术与CDI，在样品上逐点扫描并采集相邻重叠区域的衍射图案，利用冗余信息稳健重建样品的振幅和相位。瑞士PSI开发的RESCAN工具目标是在7小时内完成EUV掩模版全检，检出小于10nm×10nm的缺陷；华中科技大学提出的EMCI跨尺度检测策略，结合反射式飞扫散射检测与CDI，可实现光化缺陷快速筛查与高分辨复检；日本Hyogo与RIKEN合作的HHG-CSM系统，将线缺陷检测极限从同步辐射源的10nm提升至2nm。

基于HHG-EUV光源的相干散射显微镜（HHG-CSM），可直接使用CCD记录掩模图案的衍射，无需复杂成像系统。三星公司基于此开发了EMDRS（EUV掩模缺陷复检系统），用于验证掩模修复和缺陷规避（MDA）效果。

晶圆量检测与材料分析

其次是晶圆量检测。晶圆量检测一般分为量测和检测。检测指在晶圆表面上或电路结构中，检测其是否出现异质情况，如颗粒污染、表面划伤、开短路等对芯片工艺性能具有不良影响的特征性结构缺陷。随着FinFET向纳米线、GAA结构演进，3D测量难度持续提升；多重图案工艺的叠加，也让套刻精度、周期结构表征的复杂度陡增，同时特征尺寸缩小带来了信噪比下降的问题。

散射量测是半导体领域常用的快速、精确、低成本的量检测技术。ASML和Intel的研究人员利用10–20nm波长的HHG-EUV宽带光源开展散射量测，适用于3D轮廓测量和套刻应用。相比传统可见光，短波长可提供更高分辨率；EUV波段散射以单次散射为主，参数间相关性低，便于物理解释；且穿透深度可达400nm，支持GAA等复杂三维结构的量测。

最后是材料分析，主要应用是光刻胶曝光性能的原位表征。在EUV光刻工艺中，光刻胶的性能直接影响所制造结构的质量和关键尺寸。在EUV曝光期间，光刻胶曝光区域的分子结构和材料成分会发生一定变化，而PEB过程中聚合物的分解可通过光学常数的变化捕捉。EUV反射计作为一种无损计量技术，能够测量样品在EUV光谱范围内的宽带反射率，并在掠入射角条件下结合周期性纳米结构的高灵敏度以及对材料成分的高敏感性，从而实现对周期性结构潜像的表征。

此外，对比曝光与未曝光光刻胶的反射率测量结果，可揭示光刻胶在曝光及烘烤处理后的光学常数变化和厚度收缩情况，进而提取包括潜像轮廓和表面形貌在内的结构参数信息。EUV散射量测在纳米图形和线条的粗糙度表征中也具有重要应用。EUV瞬态光栅利用两束EUV光在样品上干涉形成空间周期性光栅，激发样品的声子或热响应，为材料分析提供新的手段。