半导体行业正面临一项根本性挑战：随着3D晶体管架构和多层互连堆栈的出现，工艺集成日益复杂，许多关键缺陷已无法通过光学手段分辨。PDF Solutions的DirectScan解决方案依托eProbe电子束检测设备，通过一种截然不同的电压对比检测方法，有效应对了这一挑战。
在2025年PDF Solutions用户大会上，我们就eProbe的技术、应用、价值主张及行业应用情况进行了专题演讲。演讲资料请点击此处查看。
什么是先进工艺节点中的“检测缺口”？
现代半导体制造技术已发生翻天覆地的变化。FinFET 已让位于全栅极（GAA）纳米带晶体管，而线中（MOL）堆叠结构则因多色光刻工艺而变得愈发复杂。其结果是，致命缺陷越来越多地深埋于这些三维结构之中，使得数十年来作为行业主力军的传统光学检测方法已难以胜任。
此外，先进制程节点中的缺陷很少是随机的。它们通常出现在特定的工艺与布局组合中——通常被称为“热点”——并在芯片和晶圆内的特定位置系统性地出现。许多良率问题具有产品特异性，其根源在于每种设计固有的独特布局缺陷。
这造成了一个悖论：我们需要利用电子束电压对比检测来发现与电路相关的缺陷，但电子束检测的本质速度却比光学方法慢。解决之道在于极致的高效。
什么是 DirectScan？——电子束检测领域的范式转变
DirectScan 整合了三个关键组件：eProbe（电子束检测工具）、FIRE（PDF 的 GDS 分析平台）以及 Exensio（用于数据分析）。其核心是一项名为 PointScan 的技术，该技术从根本上重新定义了电子束检测的工作原理。
传统的电子束检测仪的工作原理是沿感兴趣区域进行扫描，捕获完整图像，然后进行芯片间对比以识别缺陷像素。它们会扫描所有区域，包括无法产生有用电压对比信号的介电区域，且在扫描过程中并不知道具体在检测哪些特征。
相比之下，eProbe的PointScan则作为一款非接触式电气测试仪运行。它能在被测设备（DUT）之间快速切换，在特定关注点测量电压差，同时完全跳过介电区域。该工具能精确掌握每时每刻的扫描对象：每个检测点的确切“GPS位置”及布局属性。这才是真正意义上的“设计感知型检测”。
效率提升非常显著。在一个针对金属层3开孔过孔的后端工艺案例中，FIRE™分析发现，在总计120米的金属走线长度中，仅需检测3米：仅占可用面积的2.5%。 对于MOL栅极-漏极短路检测，仅需扫描总接触点的1%。即使在栅极串线检测等情况较不极端的案例中，尽管需要检查30%的接触点，该工具仍可避免扫描50%至75%的介质区域，与传统方法相比，整体检测面积占比低于10%。
根据被测设备（DUT）的密度，PointScan 的吞吐量可达传统单光束设备的 20 至 100 倍，每小时可扫描数十亿个被测设备。
如何在电子束检测中运用设计感知学习与属性分析？
DirectScan 与 FIRE 的集成支持跨多层的精细布局分析。对于每个触点或焊盘，FIRE 会提取相关属性：包括是否为漏极或栅极触点、晶体管阈值电压、极性、与扩散中断区的距离等。
eProbe® KLARF 的输出数据中包含一个属性 ID，该 ID 与这些预先挖掘出的特征相对应。这使得能够直接计算任何属性或属性组合的失效率，从而快速识别出哪些晶体管类型或布局配置最易出现缺陷。这些可操作的信息使工艺工程师能够优化后续的检测配方，逐步将重点放在最关键的失效模式上。
这一功能使检测从简单的缺陷发现，转变为快速了解产品特定弱点的学习工具。
DirectScan有哪些新兴应用？
PointScan 的低电荷沉积特性在复杂的检测场景中具有显著优势。背侧供电网络（BSPDN）晶圆和 3D DRAM 存在独特的检测难题，因为键合晶圆形成的绝缘层会阻碍电荷到达接地的背面。这种电荷积聚会导致电子束偏转和失焦，使得传统的电子束检测难以实施。
PointScan 技术通过大幅降低单位面积沉积电荷，有效缓解了这些问题，使得此前难以实现的检测成为可能。PDF 已在 BSPDN 和 3D DRAM 晶圆上成功展示了其应用效果。
或许最具创新性的，是其可控的“充电与检测”功能，而这正是PointScan独有的特性。该工具可在特定位置停留以有针对性地对其充电，随后跳转至其他位置以采集电压对比信号。这一功能在检测DRAM阵列中的短路方面已被证明特别有效。通过对字线触点进行充电，特定的岛节点会变亮，从而揭示出与悬浮的相邻触点之间的短路——这种检测方法是光栅扫描无法实现的。
DirectScan 在行业中的应用实例有哪些？
自2022年初以来，eProbe系统已部署于多家尖端逻辑芯片工厂，目前有两台设备已投入量产，第三台设备正在逐步投产。其应用涵盖整个工艺流程：
前沿逻辑：
- MOL：GAA栅极-漏极短路，栅极-接触点开路，栅极-外延层/硅化物开路
- BEOL：M0、1x 和 2x 层出现系统性接触开路和金属短路
- BSPDN：电源过孔和源极/漏极过孔的开路与短路
- 随机逻辑中的泄漏估计
尖端DRAM（2024-2025年）：
- 周边检测：栅极-栅极串联短路、栅极-漏极短路、字线-字线短路及开路，并附定位信息
- 阵列检测：利用受控充电和检测技术检测存储节点短路
该解决方案可实现高通量产品检测，缩短识别工艺缺陷的周转时间，降低先进键合结构的晶圆电荷积累，并通过电荷控制与检测技术，开辟出全新的检测方法。
结论
随着半导体工艺向日益复杂的3D架构迈进，检测技术必须突破传统范式。DirectScan 正是这一演进的体现——它融合了 PointScan 的精准高效、基于设计理念的智能分析以及针对特定产品的学习能力，从而应对新一代器件的检测挑战。在埋藏缺陷、系统性缺陷和电气相关缺陷是导致良率损失主要原因的行业中，这种方法提供了一条兼顾电子束检测灵敏度与批量生产吞吐量需求的解决方案。