共焦光学显微镜
激光聚焦在晶圆上，照亮一个光斑，反射光重新聚焦在接收平面上，通过对光的分析，从而实现对硅片表面的检测。这种显微镜是一个当激光聚焦在硅片上时，反射光被设计成使用接收器也能完成聚焦的系统称为共焦光学系统。也就是说散焦信息不会通过接收平面因而可以获得高分辨率高对比度的图像。
当然，光学显微镜的分辨率有限，也有利用SEM进行监测的设备。
颗粒检测设备
硅片上的颗粒会直接导致成品率下降，例如在先进的LSI中，LSI的布线尺寸为几十纳米。如果鬼片表面存在颗粒则在形成布线时，容易破坏图案，因此需要严格控制表面颗粒。
对于裸晶片，使用的是光学散射监测方法。激光照射晶圆表面，通过监视器监测颗粒的散射量，从而监测颗粒的大小、数量、位置，雾度。
如果是带薄膜的晶圆，需要使用另外的监测设备。
为了不受膜表面粗糙度的影响，用比裸晶圆低的入射角进行光照。或者如图所示将激光的波长设置为另一个波长。
具有晶圆装载和卸载功能的自动化监测设备是最常见的。颗粒的位置会立即以图像的形式显示。
带图案晶圆缺陷检测设备
在带图案晶圆表面上的图案、颗粒和缺陷，对S／N比和分辨率都有较高的要求。
带图案晶圆的表面监测方法虽然也会用到光散射法，但图案对比法是主流技术。在该方法中，用照明光照射晶圆，在监测面上成像，将得到的图像信号输入计算机，通过相同图案的图像信号的相互比较来监测缺陷。通过这种方法可以消除底层图案和不均匀形状的影响，
对实际晶圆表面得到的图案进行比较。
如果两个图案有出入，即可检出缺隐。
如何进行比较取决于产品。例如，在内存等规则图案的情况下，可以通过相邻单元格进行比较，在逻辑器件等不规则图案的情况下，可以通过在不同芯片上相同图案的部分进行比较。在比较方法这一方面，各个半导体制造商都做出了各种努力。这种模式的比较方法是一种可靠的方法，但它的局限是会降低监测设备的吞吐量。
作为一种可靠的方法，它也被应用在掩膜的监测上。
用于观察晶圆的SEM
SEM是Scanning Electron Microscope（扫描电子显微镜）的缩写。SEM主要定位是一个观察设备。SEM的存在对于促进前段制程的精细化是必不可缺少的。SEM能观察工艺结果并改善工艺条件。SEM作为晶圆厂领域的工艺监控器也是不可或缺的。两者联系是如此紧密，以至于半导体的精细化促进了SEM的高分辨率化。
将电子束照射到样品上会产生二次电子束。除此之外，还有反射电子和阴极光等，但这里不重要，所以省略了。电子枪包括热电子枪、场发射（FE，Field Emission）电子枪和肖特基电子枪。
二次电子束在SEM中很重要。就SEM而言，它是一个电磁光学系统，其原理和结构如图。从样品发射的二次电子束被检测器捕获，以形成图像。同时也添加另一个X射线探测器，以识别元素类别（特征X射线因元素而异）。该设备被称为EDX分析设备。EDX已经是SEM设备的可选模块了。
EDX
energy Dispersive X-Ray Spectrometer
可以通过SEM确认缺陷的位置，然后使用EDX分析设备对该缺陷位置进行元素分析。
当晶圆尺寸小的时候，存在过可以直接容纳晶圆的监测设备，但是作为工艺流程观察的设备时，就需要将待观察的部分做成碎片状的切片样品进行观察。也就是说，这是一种破坏性检查。
追求高分辨率的SEM是一种透镜式物镜，结构上更适合观察碎片状样品而不是晶圆。透镜式物镜剖面如图所示。由于切片样品需要放置在物镜中（虚拟），这限制了样品的大小，并且制作切片样品也是一个技术活，需要积累经验。但SEM并不是万能的，例如使用电子束照射样品有时候会对特定样品结构产生反应，从而使电荷聚集形成充电效应。但这并不影响SEM对于半导体工艺开发和晶圆厂运营起到至关重要的作用。
CD SEM
能够最快监测光刻结果的就是CD-SEM。用于日夜监测光阻的分辨率图案。这当然是非破坏性监测。
监测抗蚀剂的分辨率是一项重要的在线监测。该过程中CD SEM是必不可少的。虽然如今SEM已经是主流方法，但最初因为图案尺寸还没有那么小，使用的是光学显微镜的监测方法。当设计尺寸接近1μm时，无法以光学显微镜的分辨率测量抗蚀剂图案，SEM的方法应运而生。此外，SEM的焦距约为光学显微镜的1000倍，具有可在抗蚀剂图案的顶部和底部测量长度的功能。测量长度的方案，检测图案的线边是很重要的，这种情况下是焦距越大越有优势。如图所示，图案顶部和底部的长度测量值不同。
测量长度方法有很多种，但一般的方法是使用如图所示的谱线轮廓（Line Profile）。这种成谱的原理利用了在倾斜角变大时，信号也会变大的事实。图中有峰值法、阈值法、直线近似法，但常用的是阈值法和直线近似法。
该设备的主要组成部分是晶圆的自动装卸载部分、测量长度的SEM部分和图像处理部分。当然，就设备性能而言，分辨率是最重要的，同时也会要求有可以进行高速处理和自动功能。
光刻必须的Overlay 测量设备
分辨率在光刻中很重要，overlay精度同样重要。这是因为半导体工艺使用到数十个掩膜来形成分层图案。
图显示了在高级逻辑器件工艺中W插塞和第一个Cu布线的重叠例子。当然，如图10-11a所示，Cu布线没有完全覆盖W插塞的情况肯定是不符合工艺要求的。如图10-11b所示，Cu布线完全覆盖W插塞头部的情况才是符合精度要求的。以上是一个极端的例子，但必须注意的是，LSI是一个将各种图案分层以创建集成电子电路的工艺，所以重叠精度是很重要的。
通过监测品圆上预先形成的标记和光罩上的标记之间的重叠间隙进行重叠的监测。这些标记被称为 Ber in Bar 和 Box in Box， 标记本身的大小约为 20um。这些标记或光罩位于每个曝光镜的四个角上。在一个晶圆上进行多个曝光镜的测量，数据经统计处理后反馈给曝光设备。
人们提出了各种模型来解释重叠误差的原因，其中可能的原因有光罩或者晶圆与曝光设备的光轴形成倾斜角。也有可能是由透镜像差引起的。曝光系统的每个主要透镜都是由达到大师级水平的人手工打磨的，即便如此透镜之间微小的差异仍然是不可避免的。重叠精度的英文为 Overlay Accuracg。
如何监测 CMP 后的平坦化标记等工艺运用上的问题仍然是存在的。
膜厚测量设备
半导体工艺的膜厚测定方法大概有以下3类。
①物理接触测量。
②光学测量。
③X射线测量。
最常见的是光学测量，这种方法是非破坏性和非接触式的测量方法。X射线测量设备可用于测量金属薄膜。光学测量方法是利用光学干涉的分光膜厚测量法，原理如图10-13所示。在该方法中，膜厚的计算是需要预先知道薄膜类型，指定折射率，并根据分光光谱的峰值波长进行的。薄膜变薄时，峰值会变得不清晰，这时候可以利用偏振光的椭圆偏振仪的薄膜厚度测定设备。
其他量测设备
显微镜的趋势
由于 SEM 不适合观察四凸的表面，因此扫描隧道显微镜 (STM, Scanning Tunnel
Microscope）或原子力显微镜 (APM, Atomie Foree Microscope）等探针型显微镜也开始广泛使用。这些设备通过用悬臂跟踪表面进行扫描，并监测尖端的隧道电流和原子力，以测量表面细微的四凸形状。这些设备分辨率高，但测量区城不大。
其他工艺中需要的测量设备包括电阻测量设备和平面度测量设备。前者监测离子注人和热处理后的电阻值，以监测和控制掺杂结果。后者测量 CMP 后的平整度。平面度的测量方法有很多种，以 AFM 为代表的接触式设备的特点是分辨率高，但测量范围较窄，属于离线监测。另一方面，非接触式使用光学千涉显微镜，虽然分辨率较差，但可以扩大测量区城，因此可以用于在线监测。下图 给出了一个平面度监测设备的例子。
TEM
在直接观察有缺陷的部分时，可能需要使用透射电子显微镜（以下简称 TEM)。FIB
是制备这些观察样品的一个非常强大的工具。
TEM 是 Transparent Eleetron Mieroscope（透射电子显微镜）的缩写。
在SEM 的情况下，主要监测二次电子束，但在TEN 的情况下，使用的是透射电子和弹性散射电子，由于样品很薄，因此需要具有特殊的制作技术。当然可以手动制作，但是需要相当高的技巧。
TEM 的分辨率优于 SEM，网格图像在0.Inm 水平。电子枪使用 SEM 部分提到的热电子枪，通过用直流电加热 LaB。（正式名称为六硼化钢）灯丝来产生电子。
TEM 光学系统也是类似于 SEM 的电磁光学系统，其结构类似于图 所示。但是，加速电压和监测器等是完全不同的，因此无法将 SEM 改造成 TEM。
FIB 是Focused Ton Beam 的缩写，翻译为聚焦高子束。离子源产生的离子通过静电透镜系统聚焦在光束上并加速射向样品，从而通过溅射作用蚀刻样品。离子源不同于高子注人设备中的离子源，如图所示，以供参考。
目前，使用液态 Ga 离子源，缩小Ga 离子束以实现对局部区城的精细处理。20世纪
90年代后半期开始，通过 FTB 和 SEM、FIB 和 TEM 的结合，开发了半导体的缺脂分析手法，如今已经普及。在pIB 和TEM 的结合中，用P1B 制作三维样品，将其运送到TN，并用TEM 对其进行结构分析，这样的应 用场景充分展示了该组合的优点。
FIB 作为使用离子束的加工技术以各种方式得到了广泛的应用，还可以通过添加沉积成分气体进行局部的成膜（破损部分的修复等）。
事实上，在20世纪 80年代初，曾有一段将FIB 作为下一代光刻技术的候选进行研究的历史。该方法需要一种光学系统，该光学系统通过使光束穿过掩膜而利用静电透镜系统在晶圆上形成图像。
通过检测设备提高良率
工艺处理后的监测/测量的结果将反馈到每个工艺，这种反馈机制有助于稳定工艺质量。此外，与颗粒相关的监测结果会反馈给无尘室，帮助更好地管理和制造设备的维护。
这里我们进一步给出了一个积极进行缺陷分析并有助于提高成品率的示例，图 10-18
显示了在工艺进行时使用带图案晶圆监测设备监控同一晶圆的示例。在晶圆上的同一位置进行比较时，图中的a缺陷是从工序1 开始被监测出来了，上缺陷也是从中问被监测出来的，通过如此的追踪监测可以确定引起缺陷的工序。
另一方面，像C这样在中间消失的颗粒结果可能是误报，或者即使有颗粒，它们也可能在过程中间被移除。其他白色缺陷也是如此（比如，工序4之后监测到的缺陷是继续保留还是在工序5中被移除，需要在工序5后再次对图案缺陷进行监测才能做出判断)。这是利用图案缺陷检测设备的基本方法。可以看出a 和b的部分很可能有缺陷。
利用FMB 进行比较
FBM 是 Fail Bit Map 的缩写。在品圆工艺完成或中问取出晶圆后，通过探测设备测量，判断为有缺陷的地方的展现形式见图 10-19 左侧。通过将这种图与右侧带图案晶圆缺陷监测设备的缺陷图进行比较，可以确定哪些缺陷是致命缺陷。
除了进行品圆工艺完成后的缺陷分析外，还会使用这种方法进行工艺的实时监测，这种应用场景下，能够快速分析新发现缺陷的功能就很重要了，因为它可以帮助我们及早识
別某个缺陷是否会成为致命缺陷，并将其反做给工艺管理机制。这时，的面介绍的 TEN/FB 将发挥积极作用。不用说，这些监测设备同样需要进行映射处理。
这里介绍的是几个容易理解的例子。通过这些例子，我们也可以知道将这些检查/测
最分析设备，以及利用获取数据实现分析的系统集成为一种产量管理系统 (YMS, XidldNanagement System）是很有必要的。
