本文来自微信公众号“半导体产业纵横”。
比传统快300倍！AI+激光重塑芯片检测。
半导体芯片是21世纪数字创新与全球经济的基石。AI产业的飞速发展、量子计算的持续突破，以及对更快、更高效算力的不断需求，都极大推动了对高性能芯片的需求。
然而，芯片故障检测与缺陷筛查仍是一项关键且复杂度极高的挑战。在这一背景下，量子成像、基于机器学习的下一代成像技术，以及以数据分析为驱动的检测与维护方案，能够提升生产效率、增强芯片可靠性，并支持更可持续的制造模式。
纳米级缺陷检测的挑战
芯片制造过程中的光刻工艺会产生各类纳米级缺陷，尤其是在EUV极紫外光刻环节。随着芯片尺寸持续缩小，再加上高端AI芯片所需的高精度纳米级图形工艺，使得亚纳米级缺陷极易在检测环节中被忽略。
传统的扫描电子显微镜（SEM）耗时耗力，对现代亚纳米缺陷检测效果不佳，经济效益也很低。原子力显微镜（AFM）在纳米缺陷检测上的效果不如SEM，成本却高于传统设备。
随着EUV光刻的普及，检测时间大幅增加，因为这种超高精度工艺会产生高度微型化的随机缺陷。用于缺陷检测的电子束景深（DOF）较低，迫使厂商采用更薄的光刻胶和新型底层材料，这也成为缺陷检测的一大障碍。
基于EUV光源与光学系统的检测设备极其昂贵，即便在今天，使用EUV光束完成整片晶圆检测依然不现实。
量子成像：下一个前沿方向
业内专家认为，量子成像作为一项前沿技术，有望突破传统半导体缺陷检测的局限。这类成像技术优势显著：不损伤晶圆、分辨率与灵敏度更高、成像细节远超传统方案。
利用量子纠缠与量子关联的成像技术，可在芯片制造过程中精准识别亚纳米级缺陷。通过操控光的量子态，研究人员能够突破传统光学在空间分辨率上的物理限制，使量子成像成为高端半导体缺陷检测的有力候选方案。
量子鬼成像（QGI）在半导体领域的应用
量子鬼成像是一种创新成像方法，利用光子对的关联性实现纳米级成像。在QGI系统中，非线性晶体通过自发参量下转换（SPDC）产生光子对，在满足能量与动量守恒的前提下，可捕捉半导体中的纳米级缺陷。此外，QGI在近红外（NIR）弱光成像方面表现突出，性能优于传统成像技术。
基于自旋缺陷的量子传感技术
固态缺陷可在室温下实现量子传感，无需专用设备与真空环境。将量子传感与成像设备结合，能实现无与伦比的检测灵敏度，其中金刚石NV色心是研究最广泛的技术路线。
基于缺陷的量子传感正成为晶圆检测的主流方向之一，尤其适用于复杂电路与三维复合结构分析。金刚石NV色心作为一种非侵入式、超分辨缺陷检测工具，在现代半导体检测，特别是磁学与电学特性研究中展现出巨大潜力。
量子传感在半导体器件检测与缺陷诊断中的典型应用包括：
- 现代磁随机存储器（MRAM）中的单比特检测
- 分析并调控3D集成电路器件中的电流分布
- 检测架构缺陷、排除制造故障
下一代成像技术
业内专家还在利用超快激光、机器学习（ML）等数字技术，开发面向半导体器件的超高效率成像方案。
激光成像技术正成为半导体缺陷检测的关键手段，可最大化提升芯片制造良率。激光方案具有更高通量、非接触式、成像效率优异等特点，使超快激光成像非常适合在线缺陷检测。
研究人员开发出一套高灵敏度激光定量相位成像系统，搭配落射照明衍射相位显微镜，非常适用于半导体与硅晶圆缺陷检测。该系统采用倍频Nd:YAG 532 nm固体激光器，在22 nm节点的标准缺陷阵列（IDA）晶圆上完成了面内成像。该系统抗振动干扰，可一次性重建振幅与相位图像，能高效识别20 nm×100 nm×110 nm的缺陷。
团队还开发了另一套更强大的系统，采用405 nm二极管激光器，对9 nm节点IDA晶圆进行分析成像，成功在高密度图形晶圆上识别出5 nm×90 nm×35 nm的缺陷。这表明，超快激光成像正成为识别现代纳米级芯片缺陷的关键技术。
AI驱动的下一代半导体量检测技术
迈入亚纳米时代的三维半导体架构，已让传统量测技术失效。专家将神经网络（NN）等AI算法引入高精度光学量测领域，利用神经网络构建代理模型，通过数据驱动建模实现纳米级几何参数与光学响应的非线性映射。
基于神经网络的模型效率极高，可实现非破坏性、实时缺陷监测，效率比传统光学成像提升约300倍。
行业巨头与初创企业布局
行业龙头与初创企业正大力研发与落地下一代成像系统，以显著提升芯片制造良率。
- IBM开发了视觉Transformer（ViT）神经网络，用于SEM半导体图像的自动缺陷分类，在300 mm晶圆的7500多张图像分析中实现超过90%的准确率。
- IBM还推出AI工具IBM Maximo，加速缺陷检测流程，大幅提升芯片制造效率并降低成本。
- 西门子收购初创企业Canopus AI，革新计算与AI驱动的缺陷检测流程，重构AI系统，打造更稳定、高效、高产的端到端EDA数字系统，缩短检测时间，提升良率。
- EuQlid等初创企业专注于利用量子传感技术，以超高效率与精度检测半导体互连线路与3D堆叠结构中的纳米缺陷。其QuMRI量子传感平台可非接触式精准测绘深层半导体互连中的电流分布，缺陷检测速度比传统方案快约100倍。
科技巨头的布局与各类初创企业的涌现，都预示着下一代半导体检测成像系统的成功与广阔前景。
尽管下一代成像系统与量子技术看似是完美解决方案，但仍有若干技术与成本问题阻碍其大规模普及。目前尚未实现高性价比、自动化的下一代芯片缺陷成像系统：新型系统与现有产线的兼容问题、创新组件的高昂研发成本，都使其相比传统方案不占优势。
当下，新一代成像系统的研发与使用成本，让许多制造商继续沿用成熟的传统方案，因为这些方案无需对制造流程进行大幅改动。此外，受视场边缘效应等因素影响，部分现代成像系统存在误检与虚警问题，严重影响了厂商对新技术的信任，不少企业仍在等待技术进一步成熟、成本进一步下降。
半导体制造业持续蓬勃发展，预计2036年全球销售额将突破2万亿美元。随着高性能AI芯片需求爆发，半导体检测的未来将是量子成像系统与机器学习数据算法深度融合，实现更实时、更快速的缺陷检测。
电子束检测、量子成像、超快激光缺陷检测、AI量测等技术的持续创新，将推动成像类半导体缺陷检测设备行业在未来十年迎来爆发式增长。
