1.研究背景

隨著亞10 nm集成電路芯片逐步進(jìn)入消費(fèi)電子、互聯(lián)硬件、電子醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，對典型缺陷進(jìn)行高速識別、定位與分類，將極具挑戰(zhàn)性。而納米光子學(xué)、計算成像、定量相位成像、光學(xué)渦旋、多電子束掃描、熱場成像以及深度學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，在提升缺陷靈敏度、分辨率以及對比度等方面已嶄露頭角，這將為晶圓缺陷檢測提供新的可能。

2.晶圓缺陷檢測標(biāo)準(zhǔn)是什么？

評價準(zhǔn)則

為了更便捷地研究晶圓缺陷的可檢測性，研究者們建立了缺陷檢測靈敏度這一概念，以定量評估檢測方法所具備的最小尺寸缺陷的檢測能力。目前，在晶圓缺陷檢測領(lǐng)域，缺陷散射信號的信噪比通常被用于反映缺陷檢測靈敏度，即缺陷散射信號強(qiáng)度與噪聲幅度的比值，其能夠可靠地揭示空間像和空間像差分中缺陷特征的顯著程度，以及可靠地反映缺陷檢測結(jié)果的置信水平。

材料復(fù)折射率的影響

圖像對比度主要依賴于遠(yuǎn)場光學(xué)檢測設(shè)備的光學(xué)分辨率，以及缺陷材料復(fù)折射率、圖案材料復(fù)折射率和基底材料復(fù)折射率這三者之間的差異性。當(dāng)光波長減小時，檢測設(shè)備的光學(xué)分辨率會相應(yīng)增加，高圖像對比度將更易實現(xiàn)。然而，Barnes等[1]的研究工作證實，若縮減光波長使得缺陷與基底材料的復(fù)折射率差異變小，則會造成圖像對比度和缺陷散射信號信噪比減小。因此，光波長的合理選擇也需要考慮盡量放大缺陷與基底材料的復(fù)折射率差異。

圖1 材料光學(xué)特性的對比結(jié)果。（a）折射率對比；（b）消光系數(shù)對比；（c）法向反射率對比；（d）趨膚深度對比

圖1可以看出，當(dāng)缺陷材料與晶圓背景圖案材料之間體材料復(fù)折射率差異越大時，其法向反射率差異也會越大，較高的圖像對比度越容易實現(xiàn)，缺陷散射信號的信噪比也越容易被保證。

晶圓拓?fù)湫蚊驳挠绊?/strong>

由缺陷尺寸、缺陷類型、背景圖案結(jié)構(gòu)尺寸、背景圖案形態(tài)所構(gòu)成的晶圓拓?fù)湫蚊彩悄軌蝻@著影響缺陷散射信號信噪比與圖像對比度的關(guān)鍵因素之一。這里，關(guān)鍵缺陷尺寸設(shè)置為與圖案結(jié)構(gòu)中的線寬相等，圖2的仿真結(jié)果展示了缺陷尺寸對缺陷檢測靈敏度的影響。

圖2 常規(guī)照明和環(huán)形照明配置下的缺陷散射信號強(qiáng)度。（a）橋接缺陷；（b）斷線缺陷；（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(xué)檢測系統(tǒng)

光學(xué)檢測最直接的方法是從原始光強(qiáng)圖像中提取缺陷特征信號?；谡穹驈?qiáng)度的光學(xué)檢測系統(tǒng)一般使用明場、暗場等照明方式。

明場照明是最常用的照明配置，通常包括與收集光路大致重合的定向照明光路。相反，暗場照明則是指與收集光路明顯分離的定向照明光路，這在對高反射表面成像或產(chǎn)生邊緣效應(yīng)的情形中是特別有效的，如圖3(a)和3(b)。在圖3(c)中，圖案化晶圓缺陷檢測系統(tǒng)將測試芯片的空間像與相鄰芯片的空間像進(jìn)行比較，以獲得僅有非零隨機(jī)缺陷特征信號的空間像差分圖像。

圖3 圖案化晶圓缺陷傳統(tǒng)光學(xué)檢測方法。（a）明場照明缺陷檢測方法；（b）暗場照明缺陷檢測方法；（c）圖案化晶圓缺陷在線檢測原理圖

基于相位的光學(xué)檢測系統(tǒng)

光學(xué)偽電動力學(xué)顯微鏡（OPEM）是一種由光學(xué)照明所誘導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)散射力測量方法，鑒于受緩變電場（如平面波）所輻照的納米級目標(biāo)物的散射力與相位的空間梯度成正比，因而也可視為一種特殊的相位成像技術(shù)。

圖4 基于相位的光學(xué)缺陷檢測系統(tǒng)。（a）共光路衍射相位顯微鏡；（b）光學(xué)偽電動力學(xué)顯微鏡

基于偏振的光學(xué)檢測系統(tǒng)

Hong等[2]提出了干涉測量式交叉偏振顯微成像方法（ICPM），是用于顆粒物缺陷成像檢測的一種出色的信噪比增強(qiáng)方法，其通過將傳統(tǒng)交叉偏振顯微鏡與光學(xué)外差干涉測量術(shù)相結(jié)合，能夠有效地放大來自尺寸小至5 nm的顆粒物所散射的微弱信號，并且能夠極大地抑制系統(tǒng)的散粒噪聲，如圖5所示。

圖5 基于干涉測量式交叉偏振顯微成像的缺陷檢測。（a）干涉測量式交叉偏振顯微鏡原理示意圖；（b）Au納米顆粒物的光學(xué)振幅成像檢測結(jié)果；（b）Au納米顆粒物的光學(xué)相位差成像檢測結(jié)果

基于軌道角動量的光學(xué)檢測系統(tǒng)

Wang等[3]提出了一種缺陷檢測策略，在相干傅里葉散射測量法（CFS）中使用軌道角動量（OAM）光束作為探頭。只要圖案結(jié)構(gòu)具有反射對稱性，那么基于OAM的CFS將是獨(dú)一無二的，因為其不依賴于對預(yù)先構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫的參考，如圖6所示。

圖6 高斯光束與軌道角動量光束輻照于具有振幅缺陷的光板基底時所產(chǎn)生的遠(yuǎn)場衍射圖案特征。（a）和（b）顯示了由無缺陷基底與有缺陷基底所產(chǎn)生的復(fù)數(shù)場；（c）展示了干涉光強(qiáng)圖案；（d）展示了遠(yuǎn)場衍射圖案，即基底與缺陷場、干涉光強(qiáng)圖案的光強(qiáng)之和；（e）至（h）展示了基于±1階OAM光束的CFS的相應(yīng)結(jié)果

基于X射線相干疊層成像的缺陷檢測系統(tǒng)

Tanksalvala等[4]最近提出了基于桌面型高次諧波光源的相位敏感型成像反射計，其基本原理與X射線疊層衍射成像方法相同，該方法能夠無損地重構(gòu)器件的表面拓?fù)湫蚊病雍穸?、界面質(zhì)量以及摻雜濃度分布等，如圖7所示。

圖7 （a）具有大面積、空間和深度分辨力的振幅與相位敏感成像反射計示意圖；（b）和（c）在精確實施三維傾斜相位校正和全變分正則化之前與之后的放大EUV疊層衍射成像相位重構(gòu)結(jié)果；（d）完整寬視場的振幅重構(gòu)

多電子束掃描缺陷檢測系統(tǒng)

大規(guī)模并行電子束掃描陣列將成百倍地提高傳統(tǒng)電子顯微鏡的成像效率，HMI正在研發(fā)面向7 nm及以下節(jié)點的多電子束檢測系統(tǒng)（MBI），其電子束數(shù)量已從9束增加至25束，如圖8所示。

圖8 （a）HMI集成的MBI系統(tǒng)；（b）上方為用于晶圓對齊的大視場MBI圖像，下方為帶有斷線、橋接缺陷的46 nm間距周期線圖像

熱成像缺陷檢測系統(tǒng)

日本東北大學(xué)設(shè)計了一種基于熱效應(yīng)的缺陷檢測系統(tǒng)[5]，該檢測系統(tǒng)由晶圓旋轉(zhuǎn)掃描裝置與放置在壓電陶瓷上的熱傳感探頭組成。其中，所使用熱傳感探頭其核心部件是一個熱探測單元，該熱探測單元通過兩側(cè)的電極提供偏置電壓，如圖9所示。

圖9 (a)基于熱效應(yīng)的晶圓缺陷檢測系統(tǒng)裝置示意圖；(b)熱探測單元結(jié)構(gòu)原理圖；(c)熱探測單元的一幅典型熱輸出輪廓圖像

4.后處理算法

缺陷檢測的后處理方法一般有三類：“Die-to-Die”、“Cell-to-Cell”、“Die-to-Database”，其關(guān)鍵是確保后處理圖像（例如差分圖像）中的缺陷特征信號強(qiáng)度顯著大于預(yù)定義的閾值。此外深度學(xué)習(xí)也為缺陷的識別、定位與分類提供了一種相對易于實現(xiàn)的方案。

5.未來可期

隨著現(xiàn)代集成電路中材料和晶體管幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不斷增加，單一缺陷檢測技術(shù)已經(jīng)越來越難以適用多種復(fù)雜場景，多種系統(tǒng)的組合以應(yīng)對各種復(fù)雜檢測挑戰(zhàn)將是一種趨勢。盡管如此，我們大膽預(yù)測晶圓缺陷檢測領(lǐng)域?qū)⒀刂臈l主線方向不斷發(fā)展：1、基于傳統(tǒng)明場照明、暗場照明的光學(xué)檢測手段；2、基于極短波長的晶圓缺陷檢測；3、基于多電子束的缺陷檢測；4、基于結(jié)構(gòu)光場特征的光學(xué)檢測方法。

晶圓缺陷檢測雖然是一個長期存在的工程問題，但隨著消費(fèi)電子、智能設(shè)備的爆炸式增長以及納米光子學(xué)、電子成像、光熱成像、結(jié)構(gòu)光場、計算成像、定量相位成像和深度學(xué)習(xí)等新興技術(shù)的融合，晶圓缺陷檢測正逐步走上舞臺，成為一個以應(yīng)用為導(dǎo)向、學(xué)術(shù)和工程相互交叉的前沿課題。

圖10 晶圓缺陷檢測領(lǐng)域概述及潛在發(fā)展路線圖