1.研究背景

隨著亞10 nm集成電路芯片逐步進入消費電子、互聯硬件、電子醫療設備等領域，對典型缺陷進行高速識別、定位與分類，將極具挑戰性。而納米光子學、計算成像、定量相位成像、光學渦旋、多電子束掃描、熱場成像以及深度學習等新興技術，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.晶圓缺陷檢測標準是什么？

評價準則

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果的置信水平。

材料復折射率的影響

圖像對比度主要依賴于遠場光學檢測設備的光學分辨率，以及缺陷材料復折射率、圖案材料復折射率和基底材料復折射率這三者之間的差異性。當光波長減小時，檢測設備的光學分辨率會相應增加，高圖像對比度將更易實現。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折射率差異。

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

圖1可以看出，當缺陷材料與晶圓背景圖案材料之間體材料復折射率差異越大時，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，缺陷散射信號的信噪比也越容易被保證。

晶圓拓撲形貌的影響

由缺陷尺寸、缺陷類型、背景圖案結構尺寸、背景圖案形態所構成的晶圓拓撲形貌是能夠顯著影響缺陷散射信號信噪比與圖像對比度的關鍵因素之一。這里，關鍵缺陷尺寸設置為與圖案結構中的線寬相等，圖2的仿真結果展示了缺陷尺寸對缺陷檢測靈敏度的影響。

圖2 常規照明和環形照明配置下的缺陷散射信號強度。（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？

基于幅值的光學檢測系統

光學檢測最直接的方法是從原始光強圖像中提取缺陷特征信號。基于振幅或強度的光學檢測系統一般使用明場、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生邊緣效應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將測試芯片的空間像與相鄰芯片的空間像進行比較，以獲得僅有非零隨機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光學檢測方法。（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

基于相位的光學檢測系統

光學偽電動力學顯微鏡（OPEM）是一種由光學照明所誘導的納米結構散射力測量方法，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。

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

基于偏振的光學檢測系統

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方法，其通過將傳統交叉偏振顯微鏡與光學外差干涉測量術相結合，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納米顆粒物的光學振幅成像檢測結果；（b）Au納米顆粒物的光學相位差成像檢測結果

基于軌道角動量的光學檢測系統

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。只要圖案結構具有反射對稱性，那么基于OAM的CFS將是獨一無二的，因為其不依賴于對預先構建的數據庫的參考，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生的遠場衍射圖案特征。（a）和（b）顯示了由無缺陷基底與有缺陷基底所產生的復數場；（c）展示了干涉光強圖案；（d）展示了遠場衍射圖案，即基底與缺陷場、干涉光強圖案的光強之和；（e）至（h）展示了基于±1階OAM光束的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器件的表面拓撲形貌、層厚度、界面質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結果；（d）完整寬視場的振幅重構

多電子束掃描缺陷檢測系統

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

圖8 （a）HMI集成的MBI系統；（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

日本東北大學設計了一種基于熱效應的缺陷檢測系統[5]，該檢測系統由晶圓旋轉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的電極提供偏置電壓，如圖9所示。

圖9 (a)基于熱效應的晶圓缺陷檢測系統裝置示意圖；(b)熱探測單元結構原理圖；(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”，其關鍵是確保后處理圖像（例如差分圖像）中的缺陷特征信號強度顯著大于預定義的閾值。此外深度學習也為缺陷的識別、定位與分類提供了一種相對易于實現的方案。

5.未來可期

隨著現代集成電路中材料和晶體管幾何結構的復雜性不斷增加，單一缺陷檢測技術已經越來越難以適用多種復雜場景，多種系統的組合以應對各種復雜檢測挑戰將是一種趨勢。盡管如此，我們大膽預測晶圓缺陷檢測領域將沿著四條主線方向不斷發展：1、基于傳統明場照明、暗場照明的光學檢測手段；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、基于結構光場特征的光學檢測方法。

晶圓缺陷檢測雖然是一個長期存在的工程問題，但隨著消費電子、智能設備的爆炸式增長以及納米光子學、電子成像、光熱成像、結構光場、計算成像、定量相位成像和深度學習等新興技術的融合，晶圓缺陷檢測正逐步走上舞臺，成為一個以應用為導向、學術和工程相互交叉的前沿課題。

圖10 晶圓缺陷檢測領域概述及潛在發展路線圖