自光学CD(OCD)度量方法10多年前在半导体产业中亮相以来，一直广泛用于半导体工厂的工艺监测和控制。与其它CD度量工具(如CD-SEM、XSEM、AFM等)比较，它有许多优点：成本相当低、产额高、占地面积小等，这使其成为适用于CD集成度量(IM)的唯一技术。OCD还有非常好的精度，能测量复杂结构中折射率不同的材料界面。这些优点使OCD成为生产环境下设备和工艺控制的热门候选技术。

过去十几年，OCD已从研究机构进入制造工厂。它用于光刻胶修整和栅刻蚀工艺的控制，一些非常具挑战性的存储器结构的工艺监控，用IM的光刻工艺控制等等。但是，考虑到其在制造厂中的部署基础，它还没有成为半导体制造中的主流度量技术。随着半导体产业向32nm技术节点推进，在工艺开发和以后的生产制造中会涌现出很多挑战。在帮助解决这些挑战方面OCD将会起重要作用。

为了抓住这些机遇，需要多方面改进OCD。OCD硬件和软件需要进一步发展，提高系统灵敏度，模拟能力和使用的简便性。进而还需要开发公共的IM和SA（stand-alone）平台和数据处理基础设施，以便在生产环境中充分利用OCD。

OCD技术概述
1990年代中期Sandia System公司首先把OCD技术商品化。按用户需要设计的可变角度反射仪是最基本的光学结构。U.C Berkeley和Timber Technologies 公司在1999年用光谱椭偏仪（SE）这一成熟的薄膜工具作为OCD的光学硬件证明了其完整轮廓图形测量能力。此后，许多度量技术厂家向SA和IM市场推出了各种不同结构的OCD产品，得到IC制造厂广泛采用。虽然为了满足未来技术节点的需要，OCD还要不断改进，但普遍认为OCD将是克服32nm及以后节点严峻挑战的关键度量技术之一。

与薄膜度量技术类似，OCD通过将测得的光学信号与预建的结构模型模拟结果对比测量精细结构。现今大多数OCD系统采用宽带光源。SE是SA设备的主要构成部分。它对大多数结构有很好的灵敏度，由于以前在薄膜度量技术上的投入，该技术已经相当成熟。另一方面，大多数IM系统采用极化或去极化反射设计。这主要是因为IM的特殊要求：占地小、成本低、可靠性好和台与台设备的匹配、以及输出快。宽带系统的一个缺点是需要宽频带nk数据。频繁提取nk数据是制程方案快速设定和获得准确CD结果的主要障碍。

过去10年OCD软件方面取得了巨大进展。生产环境下大多数OCD系统使用基于库的技术，这是由于其MAM时间快和结果可靠，同时，常常用回归法进行模型分析和开发。先进的OCD软件能模拟几乎所有IC结构的光学信号；但很多情况下光学硬件的灵敏度限制了最终的测量结果。与CD-SEM比较，确认一个OCD制程方案仍然更具挑战性。还需要在建立制程方案的简易性方面作出重大改进以使OCD成为真正能用于生产中的度量技术。

当前OCD的应用
随着OCD在现代化实验室中的快速推广，大量应用已被开发出来。将OCD的完整图形数据用于光刻胶修整和刻蚀工艺中晶圆对晶圆（W2W）FF和FB控制已显示出最明显的投资回报。IC工业中10年前就采用run to run控制，但考虑到设备成本和CD-SEM的测量滞后，它主要是用对一批晶圆中的几个取样得到的批次级数据。OCD（特别是IM）显著地降低度量成本，这就能用每一晶圆的数据进行W2W控制。2006年6月IBM首次发表了在90nm光刻胶修整和栅刻蚀工艺中采用CD IM的APC规模生产数据。与用CD-SEM的lot to lot控制比较，用IM的W2W控制CD分布要紧凑44%，在1nm目标内的晶圆百分比从56%提高到88%。

CD-SEM在IC制造中一直是在线CD度量的主角。但是，CD-SEM一般用来测量从上到下剖视图可见的固体材料和空气间界面。对于OCD，有可能解决相邻固体材料间的界面问题，只要它们的折射率不同。图1显示了OCD测量具有嵌入SiGe先进隔离结构的能力。在线测量这种结构的能力对于预知器件特性是至关重要的，它可以提高器件性能和良率。实验数据表明了对关键控制特征（特别是eSiGe附近和没有刻蚀的SOI厚度）灵敏度很高，它有严格的工艺控制要求。

对于集成在工艺设备上的OCD工具，获得所有通过该设备晶圆的CD数据很少过头和延迟。用CD-SEM作为SPC的度量时，由于度量成本问题，只能对每批中的几片晶圆取样，而单晶圆偏移通常是不立即检测的。用IM时，每一晶圆加工后立即测量，因此能在偏移发生时很快检测到。IM产生的大量数据包含很多有关工艺和设备的信息。若分析得当，不用测试晶圆流片就能非常有效地监控工艺和设备（甚至在模块一级）。

未来应用OCD的机遇
为了跟上尺寸按比例缩小的趋势，最根本的是对关键层有越来越严格的CD控制。当然，组成65nm节点控制范围内工艺的设备和控制策略不一定能用于32nm。工艺变动的一个原因是由于设备自身的不稳定性。当尺寸缩小使得半导体工艺接近制造设备的物理极限时，设备状况的一些细微变动都可能被放大到晶圆上印刷的器件中，使其越出工艺窗口。即便设备供应商能使以后各代设备更加稳定，工艺的稳定性还会受到incoming stack稳定性的限制。就45nm光刻工艺来说，SiON BARC厚度的变化能引起数值相当的CD变化。在未来技术节点中，因BARC厚度变化引起CD变化的影响可能由于CD预算收缩而变得严重。除了依靠设备制造商的改进外，IC制造商可以用OCD数据执行他们自身的APC解决方案以补偿光刻设备和输入各层的变化。

器件尺寸比例缩小接近材料的物理极限时，要用创新的器件结构提高性能和密度才能跟上摩尔定律。当开发这些新器件可用于生产的解决方案时，监测和控制某些复杂3D结构的工艺质量常常是必须的。图2解说了需用OCD测量的二种存储器结构。某些关键尺寸在二种固体材料和/或埋在其它层下材料之间。过去，截面SEM是这些结构的唯一度量方法，而现在OCD成了能用于规模制造中这些工艺的关键工具。

光刻胶SWA在刻蚀CD偏置控制中变得越来越重要。进而，其它的剖面细节信息（如根部、侧壁弯曲等等）对作图工艺控制和器件性能也可能是重要的。OCD作为唯一可行的APC全剖面度量技术将在工厂控制结构从SISO向MISO与MIMO（Multiple Input Multiple Output）进展中起关键作用。
EUV用于规模生产前，pitch splitting一直是跟随尺寸按比例缩小趋势的基础工艺。提出了各种各样的pitch splitting技术，其中许多有CD套准混淆问题，需要对CD和套准二者的严格控制。OCD的出现成了能同时精确测量CD和套准的极有前景的度量方法。

由于其在产出和精度方面的卓越性能，OCD也已用于工艺设备的质量认证和调整。随着未来对工艺设备精细调整和快速评定研究工作深入，OCD将更广泛地被采用。

OCD技术满足未来需求的差距
作为一种成长中的技术，OCD抓住这些机遇还需要多方面改善。主要任务是持续提高对较小的CD、复杂结构中的精细图形和套准的性能。尽管先进的OCD软件能模拟绝大多数器件结构，但关键尺寸不一定能用光学信号检测。为了对这些图形有更好的灵敏度，OCD硬件需有更好的信噪比，扩展到更宽的波长范围和可能结合多光学系统以获得更多信号内容。当今最普遍的OCD系统是从薄膜度量设备演变而来，这是由于工作原理类似和这些设备的成熟性。但随着对OCD的要求趋严，充分优化现有OCD硬件或完全重新设计光学系统变得非常重要，这样才能在将来得到更好的系统精度和设备与设备的匹配。这些下一代硬件平台已在客户方处于β测试中。

对OCD产品最常见的不满是确定工作菜单比较困难。与薄膜度量技术比较，OCD大大地扩展了模拟空间，图形参数的灵敏度相对较弱而关联度高。而且，计算所需时间比薄膜叠层要长几个数量级。因此，建立OCD模型常常比薄膜应用要作出更多努力，过去5年已经有了显著进展。OCD要成为生产环境中的主流度量技术还需要在模型自动生成方面有更多进展，以便工艺工程师或操作人员能生成OCD工作菜单而不用依赖具有很多OCD经验的度量工程师们。此外，对于处理复杂3D结构nk变化和计算加速方面的进展也是OCD技术获得广泛采用的关键。

OCD潜在的巨大优点之一是它能共用IM和SA间的公共平台，IM和SA的数据能互相交换使用。就可以用SA系统开发初始制程方案和工艺，然后将制程方案转化到IM。在工艺提升阶段，需要很高的取样率学习和密切监控工艺。此时可用SA设备测量某一部分晶圆，辅助IM的带宽。一旦工艺稳定且进入规模生产阶段，就只需IM用于工艺监测和控制了。虽然具有额外光学系统的SA设备偶尔也可能用于诊断操作，但它们的主要能力可转移到其它工艺的开发。

已经开发出各式各样的OCD软件产品和光学硬件结构：SE、宽带正入射或基于激光的有极化或去极化角度可变反射仪。即使对同一结构（如SE），不同硬件模式的设计也可能相异甚远。好在一些设备和度量技术供应商最近已开始联合开发公共平台，我们可以期待这种产品在不远的将来面世。

结论
过去几年已开发出很多有价值的OCD应用。未来技术节点的严峻挑战为OCD应用空间的扩展提供了巨大的机会。分析了OCD技术需要的种种改进，OCD供应商正在开发应对这些差距的新技术。