良率的眼睛：為什麼要在製程中不斷「看」
在奈米尺度下，一條線寬偏差 1 nm、一個 0.1 μm 的顆粒，都可能讓晶片報廢。先進製程數百道步驟，任何一道的微小偏移都會累積放大。因此晶圓廠在製程關鍵節點插入大量量測（Metrology） 與檢測（Inspection） 站點，形成製程控制（process control） 閉環。兩者必須區分：
- 量測（Metrology）：量「尺寸對不對」——線寬（CD）、膜厚、疊對（overlay）、形貌。回答量的問題。
- 檢測（Inspection）：找「有沒有缺陷」——顆粒、刮痕、橋接、孔洞。回答有無的問題。
製程控制設備約佔晶圓設備市場 12～15%，由 KLA 一家獨大（市佔逾五成），是良率工程的命脈。
關鍵尺寸量測：CD-SEM 與 OCD
線寬（Critical Dimension，CD） 是最核心的量測對象，兩大技術：
| 技術 | 原理 | 精度 | 速度 | 特性 |
|---|---|---|---|---|
| CD-SEM | 電子束掃描成像直接量線寬 | 次奈米（< 0.5 nm 重複性） | 慢（破壞性風險、低 throughput） | 直接、直觀，但接觸式電子束有輕微損傷 |
| OCD（光學關鍵尺寸／scatterometry） | 量繞射光譜、反演（regression）出輪廓 | 次奈米 | 快、非破壞 | 量「平均輪廓」與 3D 形貌，需模型 |
OCD（散射量測，scatterometry） 是先進製程的主力：用寬頻光照射週期性結構，量測反射／繞射光譜，再以嚴格耦合波分析（RCWA） 建模反演出線寬、側壁角、高度等完整 3D 輪廓。它非破壞、速度快、可量埋藏結構，但仰賴精確的光學模型，對 FinFET、GAA 等複雜立體結構的建模是一大挑戰。CD-SEM 則作為直接驗證與模型校準的基準。
疊對量測：層與層要對得準
疊對（Overlay） 量的是上下兩層圖案的對位誤差。先進製程的 overlay 預算極緊：
- EUV 製程 overlay 控制目標約 1.5～2 nm（$3\sigma$）。
- 量測精度（TMU，total measurement uncertainty）必須遠優於製程預算，達次奈米等級。
兩大量測法：IBO（影像式，用 box-in-box 標記） 與 DBO（繞射式，用疊合光柵）。DBO 對製程變異更穩健，是先進節點主流。overlay 失控會直接造成層間短路或斷路，是良率殺手。
缺陷檢測：明場、暗場與電子束
缺陷檢測依靈敏度與速度權衡，分三大類：
| 技術 | 偵測原理 | 靈敏度 | 吞吐量 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| 明場光學（BF） | 直接成像比對 | 中（受光學繞射極限約束，~ 數十 nm） | 高（數十片／時） | 大面積快速掃 |
| 暗場光學（DF） | 收集散射光，凸顯顆粒 | 較高 | 高 | 顆粒、刮痕 |
| 電子束檢測（E-beam Inspection） | 電子束掃描，解析度遠超光學 | 最高（可達 nm 級） | 極低（每小時僅檢數張小區） | 缺陷複檢、實體失效定位 |
核心矛盾：靈敏度與吞吐量不可兼得。 光學檢測快但受繞射極限約束（即便用深紫外光源，分辨力也難破數十 nm）；電子束解析度高但throughput 極低，只能抽檢熱點（hot spot）。產業策略是光學掃全片定位可疑點，電子束複檢確認，兩者分工。
缺陷分類仰賴 ADC（自動缺陷分類），近年大量導入機器學習，把killer defect（致命缺陷）從 nuisance（無害雜訊）中區分出來，避免工程師被海量假警報淹沒。
量測策略：抽樣、虛擬量測與 APC
不可能每片每點都量——那會拖垮產能。實務上：
- 抽樣量測（sampling）：依統計選點，平衡覆蓋率與 throughput。
- 虛擬量測（Virtual Metrology，VM）：用製程機台的感測資料（電漿、溫度、氣流）建模，推估未實際量測的晶圓尺寸，補足抽樣空隙。
- 先進製程控制（APC）／run-to-run：把量測結果回授，自動微調下一批的製程參數（如曝光劑量、蝕刻時間），形成閉環。
失效模式與盲點
- 模型誤差：OCD 仰賴光學模型，若實際輪廓與模型假設不符，會量出「看似合理但錯誤」的結果。
- 採樣盲區：抽樣量測可能漏掉非典型缺陷的熱點。
- 埋藏缺陷：堆疊結構深處的缺陷，光學與電子束都難偵測，常要靠 X-ray（如 XRF、XRD）或破壞性截面（FIB-SEM／TEM）。
- 電子束損傷：CD-SEM 反覆掃描會造成光阻收縮（shrinkage），量測本身改變了被量對象。
供應商與趨勢
KLA 在檢測與 overlay 量測幾近壟斷；AMAT、Hitachi High-Tech 在 CD-SEM／E-beam 有份額；OCD 由 KLA、Onto Innovation、Nova 競爭。趨勢是：E-beam 多束（multi-beam） 拉高電子束 throughput、混合量測（hybrid metrology） 融合 OCD＋CD-SEM＋X-ray 互補、以及AI 驅動的缺陷分類與根因分析。
小結
量測檢測不直接「做」晶片，卻決定晶片能不能「做對」。它的本質是一場靈敏度與吞吐量、直接與間接、抽樣與全檢之間的工程權衡。沒有這雙「良率的眼睛」，數百道製程就是盲眼接力，先進節點根本無法量產。
延伸閱讀：〈良率與缺陷管理〉、〈晶圓廠五大類設備機台〉、〈晶片測試：CP、FT 與良率的最後防線〉。