晶圓檢測顯微鏡在半導(dǎo)體制程中的關(guān)鍵作用：缺陷檢測與質(zhì)量控制

作為集成電路的物理載體與實現(xiàn)形態(tài)，逐漸突破摩爾定律的半導(dǎo)體制程工藝正在推動整個芯片行業(yè)進行快速的發(fā)展。面對6G、智能駕駛、AI智算等新興領(lǐng)域的迫切需求和半導(dǎo)體工藝向著更小制程節(jié)點2nm發(fā)展的背景下，晶圓檢測設(shè)備已不再是輔助環(huán)節(jié)，而是決定制程能否落地，芯片能否滿足行業(yè)需求的核心基礎(chǔ)設(shè)施。如何能在高效測試的同時，保證晶圓檢測的精度，確保晶圓從原材料到成品的高質(zhì)量輸出，將是國內(nèi)檢測設(shè)備廠商實現(xiàn)從跟跑到并跑的關(guān)鍵核心。

半導(dǎo)體芯片制作工藝介紹

半導(dǎo)體芯片制造是高度精密的工藝，始于高純硅晶圓的制備。其后通過氧化和化學(xué)氣相沉積形成薄膜層，并進入核心的光刻環(huán)節(jié)：涂覆光刻膠后，利用掩模版經(jīng)紫外光曝光將電路圖形轉(zhuǎn)印至光刻膠，顯影后完成圖形化。再經(jīng)過刻蝕去除未保護區(qū)域的薄膜，實現(xiàn)圖形向晶圓的轉(zhuǎn)移，并通過離子注入形成源極、漏極等摻雜區(qū)。

半導(dǎo)體芯片制備工藝流程圖

以上流程循環(huán)數(shù)十次，構(gòu)建出多層三維結(jié)構(gòu)。隨后進行互連工藝，沉積金屬并刻蝕導(dǎo)線，以連接數(shù)以億計的晶體管。最終經(jīng)測試、切割和封裝，形成完整的芯片產(chǎn)品。

圖案化晶圓的缺陷分析

半導(dǎo)體制造是一個高度復(fù)雜的過程，涉及多個階段，每個階段都需要嚴格的質(zhì)量控制，以確保器件無缺陷。從晶圓制造到晶圓級封裝，即使是微小的缺陷也會導(dǎo)致顯著的良率損失和可靠性問題。

1、劃痕及表面冗余物缺陷

在晶圓制造的生產(chǎn)過程中，難免由于環(huán)境原因或是操作不當導(dǎo)致如表面冗余物或機械劃痕缺陷等。

表面冗余物通常為幾十納米的細微顆粒，在工序中因引入或空氣純凈度未達標導(dǎo)致冗余物黏附在晶圓上造成。由于此類顆粒污染也會影響后續(xù)芯片的整體特性。機械劃痕缺陷主要是在拋光或者切片過程中造成，特別是化學(xué)機械研磨（CMP）階段，缺陷會導(dǎo)致電路連通性受損，造成短路或開路。

劃痕和冗余物在明場對比中通常不能很好的觀察到，在暗場中可利用邊緣的散射光在背景上提供明亮的痕跡。

劃痕和污染物在明場（左）和暗場（右）下的觀察

2、光學(xué)鄰近效應(yīng)OPE

在光刻（Photolithography）工藝中，由于光的衍射和干涉等物理現(xiàn)象，會出現(xiàn)印刷在晶圓上的圖形與掩模版（光罩）上的設(shè)計圖形之間存在差異的現(xiàn)象，也叫光學(xué)鄰近效應(yīng)（OPE）。

這種差異會導(dǎo)致多種圖形畸變，如線寬比更窄、拐角圓滑化、間距偏差以及線端縮短，最終影響制成的芯片性能。此類現(xiàn)象通常需要通過光學(xué)鄰近校正（OPC）。

暗場照明是檢測OPE相關(guān)缺陷常用的技術(shù)。

（左）典型的光學(xué)鄰近效應(yīng)圖形（右）通過光學(xué)鄰近校正后的圖形

3、邊緣凹陷/鼠咬缺陷

在光刻和蝕刻（Etching）過程中，由于工藝問題如掩模版缺陷、光刻膠涂布不均勻、曝光參數(shù)異?；蚩涛g速率不均等，導(dǎo)致在金屬線或圖形的邊緣或拐角處出現(xiàn)不規(guī)則的、類似被老鼠啃咬過的凹陷或缺口的現(xiàn)象，叫做邊緣凹陷或鼠咬缺陷（Mouse Bite）。

這類缺陷會改變導(dǎo)線的寬度和橫截面積，影響電路性能，嚴重的邊緣凹陷還可能導(dǎo)致導(dǎo)線斷開，造成電路失效。

大多數(shù)此類缺陷都可以在明場對比下直接檢測出。

激光直寫光刻后通過電子掃描電鏡觀察下的缺陷圖片

4、光刻膠殘留和浮渣缺陷

光刻膠殘留和浮渣缺陷是主要出現(xiàn)在圖形化蝕刻工藝和光刻膠去除工藝后。具體來說，在完成離子注入后，光刻膠作為阻擋層，其本身可能被高強度離子沖擊并變性，導(dǎo)致難以去除。在光刻膠去膠工藝中，通常未能均勻地將所有光刻膠及其反應(yīng)副產(chǎn)物去除干凈，從而出現(xiàn)殘留。

這些殘留物并非均勻分布，通常存在于高密度線條的側(cè)壁、深槽的邊緣、圖形密集或孤立的區(qū)域以及先前已有缺陷的薄膜表面上，大多以團狀、顆粒狀、絲狀殘留物，或是以一層非常薄、幾乎看不見的殘留光刻膠薄膜呈現(xiàn)。

此類缺陷的檢測，利用熒光的觀察方式可以使殘留物“發(fā)光”，以便于檢查。

Miracle Inspection晶圓檢測顯微鏡

Miracle Inspection晶圓檢測顯微鏡整合ICCS光學(xué)，提供明場、暗場、DIC、偏光以及熒光等多種觀察方式，使您能夠以對比度和分辨率檢測晶圓和器件。設(shè)備可完成自動對焦、景深融合、大圖拼接和激光缺陷標記功能，為半導(dǎo)體、面板顯示及光伏等工業(yè)制造領(lǐng)域提供多維度自動檢測方案。

主要應(yīng)用場景

晶圓制造階段：監(jiān)控硅片的材料質(zhì)量和制備工藝。

光刻與刻蝕工序：檢測圖形化晶圓的對準精度和缺陷。

鍍膜與蝕刻階段：確認膜層的厚度均勻性和表面光滑度。

最終檢測：作為晶圓出廠前的質(zhì)量把關(guān)。

晶圓檢測設(shè)備的重要性

提高良率：快速發(fā)現(xiàn)制造中的問題，減少廢品率。

保障性能：確保芯片的電性能和物理特性達到設(shè)計要求。

降低成本：通過早期檢測減少后續(xù)工序的浪費和返工成本。

半導(dǎo)體制造是一個高度復(fù)雜的過程，從晶圓制造到封裝，即使是微小的缺陷也會導(dǎo)致顯著的良率損失和可靠性的問題。Miracle Inspection晶圓檢測顯微鏡作為高精度、多模式的檢測設(shè)備，在明場、暗場、DIC、偏光及熒光等多種成像模式下，能夠有效識別各類缺陷，為半導(dǎo)體制造全流程的質(zhì)量管控提供支撐，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向更高精度、更高可靠性方向發(fā)展。