1.研究背景

隨著亞10 nm集(ji)成(cheng)電(dian)(dian)路芯片逐步進(jin)入消費電(dian)(dian)子、互聯硬件、電(dian)(dian)子醫療設備等領域(yu)，對典型缺(que)陷進(jin)行高速識別、定位(wei)與(yu)分類，將(jiang)極(ji)具挑(tiao)戰性。而(er)納(na)米光子學、計算成(cheng)像(xiang)、定量(liang)相位(wei)成(cheng)像(xiang)、光學渦旋、多(duo)電(dian)(dian)子束(shu)掃描、熱(re)場成(cheng)像(xiang)以(yi)及(ji)深度學習等新(xin)興技術，在提升缺(que)陷靈敏度、分辨率(lv)以(yi)及(ji)對比度等方面已嶄露頭(tou)角，這(zhe)將(jiang)為晶(jing)圓(yuan)缺(que)陷檢測提供新(xin)的(de)可(ke)能(neng)。

2.晶圓缺陷檢測標準是什么？

評價準則

為了更便(bian)捷地(di)(di)研究(jiu)晶(jing)圓(yuan)缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)可(ke)(ke)檢測(ce)性，研究(jiu)者們建立了缺(que)陷(xian)檢測(ce)靈(ling)(ling)敏(min)度(du)這一概念，以(yi)定量(liang)評估檢測(ce)方法所具備的(de)(de)(de)最小尺寸缺(que)陷(xian)的(de)(de)(de)檢測(ce)能力。目前，在晶(jing)圓(yuan)缺(que)陷(xian)檢測(ce)領域，缺(que)陷(xian)散(san)射信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)信(xin)噪比(bi)通常被用于反(fan)映缺(que)陷(xian)檢測(ce)靈(ling)(ling)敏(min)度(du)，即(ji)缺(que)陷(xian)散(san)射信(xin)號(hao)強度(du)與噪聲幅度(du)的(de)(de)(de)比(bi)值，其能夠可(ke)(ke)靠(kao)地(di)(di)揭示空間像和空間像差分(fen)中缺(que)陷(xian)特征的(de)(de)(de)顯著(zhu)程度(du)，以(yi)及可(ke)(ke)靠(kao)地(di)(di)反(fan)映缺(que)陷(xian)檢測(ce)結果的(de)(de)(de)置信(xin)水平。

材料復折射率的影響

圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)對比(bi)度(du)主要依賴于遠場光學檢測設備的(de)(de)光學分(fen)辨(bian)率(lv)，以(yi)及(ji)缺陷材(cai)料(liao)(liao)復折(zhe)射率(lv)、圖(tu)(tu)(tu)案材(cai)料(liao)(liao)復折(zhe)射率(lv)和(he)基底(di)材(cai)料(liao)(liao)復折(zhe)射率(lv)這三者之間的(de)(de)差(cha)異(yi)性。當光波長減(jian)小時，檢測設備的(de)(de)光學分(fen)辨(bian)率(lv)會(hui)相(xiang)應增加，高圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)對比(bi)度(du)將更易實現。然而，Barnes等(deng)[1]的(de)(de)研究工作(zuo)證(zheng)實，若縮減(jian)光波長使得缺陷與(yu)基底(di)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)復折(zhe)射率(lv)差(cha)異(yi)變(bian)小，則會(hui)造成圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)對比(bi)度(du)和(he)缺陷散(san)射信號(hao)信噪比(bi)減(jian)小。因此，光波長的(de)(de)合理選擇也(ye)需要考慮盡量放大缺陷與(yu)基底(di)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)復折(zhe)射率(lv)差(cha)異(yi)。

圖1 材料光學(xue)特性的對(dui)比(bi)(bi)結果。（a）折射(she)率(lv)對(dui)比(bi)(bi)；（b）消光系數對(dui)比(bi)(bi)；（c）法向反射(she)率(lv)對(dui)比(bi)(bi)；（d）趨膚深度對(dui)比(bi)(bi)

圖(tu)1可以看出，當缺陷材(cai)料(liao)與晶圓背景圖(tu)案材(cai)料(liao)之間體材(cai)料(liao)復折射率差異(yi)越大時，其(qi)法向反(fan)射率差異(yi)也會越大，較高的(de)圖(tu)像對(dui)比度越容易(yi)實現，缺陷散射信(xin)號(hao)的(de)信(xin)噪比也越容易(yi)被保證(zheng)。

晶圓拓撲形貌的影響

由缺(que)陷(xian)(xian)(xian)尺寸(cun)(cun)、缺(que)陷(xian)(xian)(xian)類型、背(bei)景圖(tu)案結(jie)構尺寸(cun)(cun)、背(bei)景圖(tu)案形態所(suo)構成的(de)晶圓拓撲形貌是能夠顯(xian)著(zhu)影(ying)響(xiang)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)散射(she)信號信噪(zao)比與圖(tu)像對(dui)比度(du)的(de)關鍵因素之(zhi)一。這里，關鍵缺(que)陷(xian)(xian)(xian)尺寸(cun)(cun)設置(zhi)為與圖(tu)案結(jie)構中的(de)線寬(kuan)相(xiang)等，圖(tu)2的(de)仿(fang)真結(jie)果展(zhan)示了缺(que)陷(xian)(xian)(xian)尺寸(cun)(cun)對(dui)缺(que)陷(xian)(xian)(xian)檢測(ce)靈敏度(du)的(de)影(ying)響(xiang)。

圖2 常(chang)規照明(ming)和環(huan)形照明(ming)配置(zhi)下(xia)的缺陷散射(she)信號強(qiang)度(du)。（a）橋接缺陷；（b）斷線(xian)缺陷；（c）顆粒物缺陷

3.晶圓缺陷檢測都有什么方法？

基于幅值的光學檢測系統

光學(xue)檢(jian)測最直接的方法是(shi)從原始光強圖像(xiang)中提取缺(que)陷特征信號。基(ji)于振幅或強度(du)的光學(xue)檢(jian)測系統一般使用明場(chang)、暗(an)場(chang)等照明方式。

明(ming)(ming)(ming)場(chang)(chang)照(zhao)(zhao)明(ming)(ming)(ming)是(shi)最(zui)常用(yong)的(de)(de)(de)照(zhao)(zhao)明(ming)(ming)(ming)配置，通(tong)常包括與(yu)(yu)收集(ji)光路(lu)大致重合的(de)(de)(de)定向(xiang)照(zhao)(zhao)明(ming)(ming)(ming)光路(lu)。相反，暗(an)場(chang)(chang)照(zhao)(zhao)明(ming)(ming)(ming)則是(shi)指與(yu)(yu)收集(ji)光路(lu)明(ming)(ming)(ming)顯分(fen)離的(de)(de)(de)定向(xiang)照(zhao)(zhao)明(ming)(ming)(ming)光路(lu)，這在對高反射表面(mian)成(cheng)像(xiang)或產生邊緣效(xiao)應的(de)(de)(de)情(qing)形中(zhong)是(shi)特別有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)，如圖(tu)(tu)(tu)3(a)和3(b)。在圖(tu)(tu)(tu)3(c)中(zhong)，圖(tu)(tu)(tu)案(an)化晶(jing)圓缺陷檢(jian)測系(xi)統將(jiang)測試芯片(pian)的(de)(de)(de)空間像(xiang)與(yu)(yu)相鄰(lin)芯片(pian)的(de)(de)(de)空間像(xiang)進(jin)行比較，以獲得僅有(you)非零隨(sui)機缺陷特征信(xin)號的(de)(de)(de)空間像(xiang)差分(fen)圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)。

圖(tu)3 圖(tu)案化(hua)晶圓缺(que)陷(xian)(xian)傳(chuan)統光學檢測(ce)方法。（a）明(ming)場(chang)照(zhao)明(ming)缺(que)陷(xian)(xian)檢測(ce)方法；（b）暗場(chang)照(zhao)明(ming)缺(que)陷(xian)(xian)檢測(ce)方法；（c）圖(tu)案化(hua)晶圓缺(que)陷(xian)(xian)在線檢測(ce)原理(li)圖(tu)

基于相位的光學檢測系統

光學偽電(dian)動力學顯微(wei)鏡（OPEM）是一(yi)種由光學照明(ming)所誘(you)導的(de)納(na)米結構散射力測(ce)量方(fang)法，鑒于受緩變電(dian)場（如平(ping)面波）所輻(fu)照的(de)納(na)米級(ji)目(mu)標(biao)物的(de)散射力與相位的(de)空間梯(ti)度(du)成(cheng)正比，因而(er)也(ye)可視為(wei)一(yi)種特殊(shu)的(de)相位成(cheng)像(xiang)技術(shu)。

圖(tu)4 基(ji)于(yu)相位的光(guang)(guang)學缺陷檢(jian)測系統(tong)。（a）共(gong)光(guang)(guang)路衍射相位顯(xian)微(wei)鏡；（b）光(guang)(guang)學偽電動力學顯(xian)微(wei)鏡

基于偏振的光學檢測系統

Hong等[2]提(ti)出了干涉(she)測(ce)量(liang)式交叉(cha)偏振(zhen)顯(xian)微(wei)成(cheng)像(xiang)方法（ICPM），是用于顆粒(li)物缺陷成(cheng)像(xiang)檢測(ce)的(de)一(yi)種(zhong)出色的(de)信噪(zao)比增強方法，其通過將傳統交叉(cha)偏振(zhen)顯(xian)微(wei)鏡(jing)與光(guang)學外差干涉(she)測(ce)量(liang)術相結合，能(neng)夠(gou)有效地(di)放大(da)來自尺寸小至5 nm的(de)顆粒(li)物所散射的(de)微(wei)弱信號，并(bing)且能(neng)夠(gou)極大(da)地(di)抑制系統的(de)散粒(li)噪(zao)聲，如圖(tu)5所示(shi)。

圖5 基于(yu)干涉(she)測量式交(jiao)叉偏(pian)振顯微成(cheng)像(xiang)的缺(que)陷檢(jian)測。（a）干涉(she)測量式交(jiao)叉偏(pian)振顯微鏡原理示意圖；（b）Au納(na)(na)米(mi)顆粒物的光學振幅成(cheng)像(xiang)檢(jian)測結(jie)(jie)果；（b）Au納(na)(na)米(mi)顆粒物的光學相位差成(cheng)像(xiang)檢(jian)測結(jie)(jie)果

基于軌道角動量的光學檢測系統

Wang等[3]提出了一(yi)種缺陷(xian)檢測策(ce)略(lve)，在(zai)相干傅里葉散射測量(liang)法(fa)（CFS）中使(shi)用(yong)軌道角動量(liang)（OAM）光(guang)束作為探(tan)頭(tou)。只要圖(tu)案結構(gou)具有反射對稱(cheng)性，那么基(ji)于OAM的CFS將(jiang)是獨一(yi)無二的，因(yin)為其不依賴于對預先構(gou)建的數據庫的參考，如圖(tu)6所示。

圖6 高斯光(guang)(guang)(guang)束與軌(gui)道角動量光(guang)(guang)(guang)束輻照于具(ju)有振幅缺(que)陷(xian)(xian)的光(guang)(guang)(guang)板基(ji)底(di)(di)時所產生(sheng)的遠(yuan)場衍(yan)射圖案(an)(an)特征。（a）和（b）顯示了(le)(le)由無缺(que)陷(xian)(xian)基(ji)底(di)(di)與有缺(que)陷(xian)(xian)基(ji)底(di)(di)所產生(sheng)的復數場；（c）展(zhan)示了(le)(le)干涉(she)光(guang)(guang)(guang)強(qiang)圖案(an)(an)；（d）展(zhan)示了(le)(le)遠(yuan)場衍(yan)射圖案(an)(an)，即基(ji)底(di)(di)與缺(que)陷(xian)(xian)場、干涉(she)光(guang)(guang)(guang)強(qiang)圖案(an)(an)的光(guang)(guang)(guang)強(qiang)之(zhi)和；（e）至（h）展(zhan)示了(le)(le)基(ji)于±1階(jie)OAM光(guang)(guang)(guang)束的CFS的相應結果

基于X射線相干疊層成像的缺陷檢測系統

Tanksalvala等[4]最近提(ti)出(chu)了基于(yu)桌面(mian)(mian)型(xing)高次(ci)諧波(bo)光源的(de)相(xiang)位敏感型(xing)成(cheng)(cheng)像反射計，其基本原理與X射線疊層(ceng)衍射成(cheng)(cheng)像方(fang)法(fa)相(xiang)同，該方(fang)法(fa)能(neng)夠(gou)無損地重構器件(jian)的(de)表面(mian)(mian)拓撲形(xing)貌、層(ceng)厚度、界面(mian)(mian)質(zhi)量以及摻雜濃度分布等，如圖7所(suo)示。

圖7 （a）具(ju)有(you)大面積、空間和深度(du)分辨力的(de)振(zhen)幅與相(xiang)(xiang)位敏感成像反射計示(shi)意圖；（b）和（c）在精確實施(shi)三維傾斜相(xiang)(xiang)位校(xiao)正(zheng)(zheng)和全變分正(zheng)(zheng)則化之前與之后的(de)放大EUV疊(die)層衍射成像相(xiang)(xiang)位重構結(jie)果；（d）完整寬視場的(de)振(zhen)幅重構

多電子束掃描缺陷檢測系統

大(da)規模并行電子(zi)(zi)束(shu)掃描陣(zhen)列將成百(bai)倍地提高(gao)傳統電子(zi)(zi)顯(xian)微鏡(jing)的成像效率，HMI正在研發(fa)面向7 nm及(ji)以下(xia)節點的多電子(zi)(zi)束(shu)檢(jian)測系(xi)統（MBI），其(qi)電子(zi)(zi)束(shu)數量(liang)已(yi)從9束(shu)增加至25束(shu)，如(ru)圖8所(suo)示。

圖8 （a）HMI集成(cheng)的MBI系(xi)統(tong)；（b）上(shang)方為用(yong)于晶圓對(dui)齊的大視場MBI圖像(xiang)，下方為帶有斷線、橋接(jie)缺陷的46 nm間距周期線圖像(xiang)

熱成像缺陷檢測系統

日(ri)本東(dong)北(bei)大(da)學設計了一種基于熱效應的缺陷檢(jian)測系(xi)統[5]，該(gai)檢(jian)測系(xi)統由晶圓旋轉掃描裝置與(yu)放置在壓(ya)電(dian)(dian)陶(tao)瓷上的熱傳感探頭(tou)組成。其中，所(suo)使用熱傳感探頭(tou)其核(he)心部件是一個熱探測單(dan)元(yuan)，該(gai)熱探測單(dan)元(yuan)通過兩(liang)側的電(dian)(dian)極提供偏(pian)置電(dian)(dian)壓(ya)，如圖9所(suo)示。

圖(tu)9 (a)基(ji)于熱效應(ying)的晶圓缺陷檢(jian)測系(xi)統裝置示意圖(tu)；(b)熱探(tan)測單元結(jie)構原理(li)圖(tu)；(c)熱探(tan)測單元的一幅典型熱輸出(chu)輪廓圖(tu)像

4.后處理算法

缺陷檢測(ce)的后(hou)(hou)處理(li)方(fang)法一般(ban)有三類：“Die-to-Die”、“Cell-to-Cell”、“Die-to-Database”，其關鍵是確保后(hou)(hou)處理(li)圖(tu)像（例如差分圖(tu)像）中(zhong)的缺陷特征信號(hao)強(qiang)度顯著大于(yu)預定義的閾值。此外深度學習也(ye)為缺陷的識別、定位與(yu)分類提供了一種相對易于(yu)實現的方(fang)案。

5.未來可期

隨著現代集成電路中材料和晶(jing)(jing)體管(guan)幾何結(jie)構的(de)復(fu)雜性不斷(duan)增加，單一缺陷檢測(ce)(ce)(ce)技術已經越(yue)來(lai)越(yue)難以(yi)(yi)適(shi)用多(duo)種(zhong)復(fu)雜場景(jing)，多(duo)種(zhong)系統的(de)組(zu)合以(yi)(yi)應對各種(zhong)復(fu)雜檢測(ce)(ce)(ce)挑戰將是(shi)一種(zhong)趨(qu)勢。盡管(guan)如(ru)此，我(wo)們大(da)膽預測(ce)(ce)(ce)晶(jing)(jing)圓(yuan)缺陷檢測(ce)(ce)(ce)領(ling)域(yu)將沿著四條主線方(fang)向不斷(duan)發展(zhan)：1、基(ji)于傳統明場照明、暗場照明的(de)光學(xue)檢測(ce)(ce)(ce)手段；2、基(ji)于極(ji)短(duan)波長的(de)晶(jing)(jing)圓(yuan)缺陷檢測(ce)(ce)(ce)；3、基(ji)于多(duo)電子束的(de)缺陷檢測(ce)(ce)(ce)；4、基(ji)于結(jie)構光場特征(zheng)的(de)光學(xue)檢測(ce)(ce)(ce)方(fang)法。

晶圓(yuan)缺陷檢測(ce)雖(sui)然(ran)是一個長期存在的(de)(de)工程問(wen)題(ti)，但隨(sui)著消費電子、智(zhi)能(neng)設備的(de)(de)爆炸式(shi)增(zeng)長以(yi)及納米(mi)光子學、電子成(cheng)像(xiang)(xiang)、光熱成(cheng)像(xiang)(xiang)、結構(gou)光場、計算成(cheng)像(xiang)(xiang)、定量相(xiang)位成(cheng)像(xiang)(xiang)和(he)深度學習等新興(xing)技(ji)術(shu)的(de)(de)融合，晶圓(yuan)缺陷檢測(ce)正逐(zhu)步走上舞臺(tai)，成(cheng)為(wei)一個以(yi)應用為(wei)導向、學術(shu)和(he)工程相(xiang)互交叉的(de)(de)前沿課題(ti)。

圖(tu)10 晶(jing)圓缺陷(xian)檢測領域概(gai)述及潛在發展路線(xian)圖(tu)