在半导体与微系统技术领域，关键尺寸（critical dimension，简称CD）是指由电路设计人员或工艺工程师在测试结构中定义的一个或多个尺寸参数。通过系统评估这些参数，可以判定某一工艺步骤的制造质量。常见的关键尺寸包括线宽或接触孔直径。与控制套刻误差一样，控制关键尺寸是微电子产品制造过程中最重要的环节之一。
测量
关键尺寸的测量方法多种多样，具体选择取决于特征尺寸以及预期的测量成本与复杂度。在微电子技术发展初期，典型特征尺寸大多达微米及以上级别，关键尺寸主要通过光学显微镜进行测量。随着器件尺寸不断缩小，受衍射效应限制，光学显微镜不再适用，业界转而采用其他测量技术。如今通常利用低加速电压（UB,max. ≈ 1.5 keV）的扫描电子显微镜进行测量，并配合自动图像分析系统。在该方法中，首先将复杂的结构形貌简化为特定模型（例如梯形截面）。随后，系统会提取扫描电子显微镜图像中二次电子的强度分布轮廓，将其映射到沟槽结构的顶部（）、底部（）或其他特征点上，从而计算出这些位置的关键尺寸。其他测量方法还包括（也称光学关键尺寸测量）以及采用特制探针的原子力显微镜。
散射测量是一种相对较新的关键尺寸测量技术。该技术通过分析光在周期性沟槽或线条结构上的反射光谱来进行测量。测得的反射光谱会与已知或依据结构模型计算出的光谱进行比对，进而推导出相关结构参数（如沟槽开口处的关键尺寸）。散射测量的主要优势在于测量速度快，且与扫描电子显微镜等技术不同，它不会损伤光刻胶或敏感的低介电常数材料层。此外，该技术还能测量膜厚或侧壁角度等其他结构参数。然而在实际应用中，结构模型的复杂性会导致拟合计算量呈指数级增长，庞大的光谱数据库也限制了该技术的发挥。同时，必须获取充足的测量参数（如入射角、波长、偏振等），才能确保光谱比对结果具有唯一性。
利用原子力显微镜测定关键尺寸的过程极为缓慢且繁琐，通常被视为实验性手段或仅用于单次测量。测量时，仪器控制特制探针沿结构的侧壁与底部进行扫描。借此可获取结构的三维形貌，进而计算出关键尺寸。若采用靴形探针（），甚至能测量底切的结构形貌。
典型测量结构
在生产控制环节，关键尺寸通常在专用的工艺调节测量结构（即音叉结构，）中进行测量。此类结构由密集、半密集以及孤立的沟槽或线条组成（例如在光刻胶内或由光刻胶构成的图案）。区分结构密度至关重要，因为密度差异会直接影响曝光工艺。这些结构通常沿衬底的X或Y方向排列，并与划片槽平行。针对通孔层，也存在由密集、半密集和孤立孔洞组成的类似测量结构。测试结构通常布设在裸晶的划片槽区域。除此之外，芯片内部也会放置部分测量结构（通常经过缩小处理）。某些关键参数也会直接在电路结构上测量，例如静态随机存取存储器模块中的栅极结构，或多重曝光工艺中的间距。
重要性与应用
在工业生产中，关键尺寸的测量与评估主要集中在光刻与刻蚀工艺环节。如今，测量数据会直接输入工艺控制系统，用于指导同一工艺步骤中后续的加工。除关键尺寸的绝对值外，其统计分布特性对电路性能同样具有决定性影响。以栅极的关键尺寸为例，它直接影响晶体管的电学特性（通常栅长越短，晶体管开关速度越快）。为保障整体电路的正常运作，关键尺寸的均值必须符合设计目标（以控制漏电流等参数），且数值波动需尽可能降至最低。否则晶体管开关速度的不一致将引发器件之间或与时钟信号之间的。关键尺寸的测量不仅限于集成电路与微系统的制造，在采用相似工艺生产光刻掩模版的过程中同样不可或缺。
在光刻工艺中，主要测量显影后的光刻胶结构。生产控制阶段测量的对象即为前文提及的各类测试结构，包括前段制程与互连层中的密集、半密集与孤立的沟槽及线条，以及用于形成层间导通孔的孔洞。通过测量不同密度的结构，能够确定并监控曝光的最佳工作点。在当今的亚波长光刻技术中，即便曝光剂量与焦距相同，密集结构与孤立结构的关键尺寸也往往存在差异。生产过程中必须尽可能缩小这种尺寸偏差。此外，部分专项测量用于评估并调控由等因素诱发的制造工艺薄弱点。焦距和曝光剂量是光刻工艺的核心影响因素，它们共同决定了结构的形貌与大小，进而直接影响关键尺寸，这使得针对光刻胶结构进行测量变得极为有效。通常在光刻胶顶部与底部之间的中段区域进行测量，因为绝大多数光刻胶结构的侧壁极其陡峭，在生产中无需进行额外评估。
在刻蚀结构（如接触孔）时，图案化的光刻胶层通常作为掩模，用于刻蚀其下方薄膜。此阶段关注的重点参数通常是结构顶部与底部的关键尺寸。这些数值对于评估侧壁角度至关重要，而侧壁角度又直接关系到后续导电金属种子层的制备与互连线的电化学沉积质量；此外，它们也反映了接触孔孔底的实际大小。在所有工艺环节中，整个晶圆表面（从中心到边缘）关键尺寸的均匀性均是一项核心控制指标，唯有确保高度均匀，才能保证各区域集成电路具备一致的电学特性。
文献
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参考
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