來源：Semi Dance

在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，晶圓堪稱核心基石，其表面質(zhì)量直接關(guān)乎芯片的性能、可靠性與良品率。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)朝著更小尺寸、更高性能迅猛邁進(jìn)，對(duì)晶圓表面缺陷的檢測(cè)精度和效率提出了前所未有的嚴(yán)苛要求。

一、晶圓表面缺陷類型

（一）表面冗余物

顆粒：顆粒是晶圓表面最常見的冗余物之一，尺寸跨度極大，從幾十納米的微小顆粒到幾百微米的灰塵均有可能出現(xiàn)。這些顆粒可能在多個(gè)工序中引入，如刻蝕、拋光、清洗等。在刻蝕工序里，反應(yīng)副產(chǎn)物若未被徹底清除，就可能以顆粒形式殘留在晶圓表面；

拋光過程中，拋光材料的碎屑或者周圍環(huán)境中的塵埃顆粒也可能附著其上；

清洗工序若清洗不徹底，同樣無法去除先前工序遺留的顆粒以及新引入的污染物。

光刻時(shí)，這些顆粒會(huì)遮擋光線，致使集成電路結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷，比如線寬偏差、短路或斷路等問題 ，嚴(yán)重影響芯片的性能和可靠性。

污染物：除了顆粒，晶圓表面還可能存在各種污染物，包括有機(jī)污染物、金屬離子污染物等。

有機(jī)污染物通常來自光刻膠、光刻工藝中的有機(jī)溶劑殘留，或者是生產(chǎn)環(huán)境中的有機(jī)揮發(fā)物。

這些有機(jī)污染物會(huì)在晶圓表面形成一層薄膜，影響后續(xù)工藝中材料的沉積和刻蝕均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致圖案不完整、器件性能不穩(wěn)定。

金屬離子污染物則可能來源于加工設(shè)備的磨損、化學(xué)試劑中的雜質(zhì)等。

金屬離子一旦附著在晶圓表面，會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體材料內(nèi)部，改變材料的電學(xué)性能，引發(fā)漏電、短路等嚴(yán)重問題，極大地降低芯片的良品率。

（二）晶體缺陷

滑移線缺陷：滑移線缺陷是晶體缺陷中較為常見的一種，主要是由于晶體生長時(shí)加熱不均勻所致。

在晶體生長過程中，如果溫度分布不均，會(huì)使晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過一定程度時(shí)，晶體中的原子就會(huì)沿著特定的晶面發(fā)生滑移，從而在晶圓表面形成一條條水平的細(xì)小直線，通常出現(xiàn)在晶圓的外圍邊緣處。

由于滑移線的尺寸相對(duì)較大，通過簡單的人工觀測(cè)就能夠辨認(rèn)。然而，即便肉眼可見，滑移線缺陷仍會(huì)對(duì)芯片性能產(chǎn)生不容忽視的影響，它可能導(dǎo)致局部區(qū)域的電學(xué)性能不一致，增加信號(hào)傳輸?shù)难舆t和噪聲 ，在高頻電路中，甚至可能引發(fā)信號(hào)失真，影響芯片的正常工作。

堆垛層錯(cuò)：堆垛層錯(cuò)一般出現(xiàn)在外延層中，是由于晶體結(jié)構(gòu)中密排面的正常堆垛順序遭到破壞而產(chǎn)生的。

在理想的晶體結(jié)構(gòu)中，原子按照特定的順序逐層堆疊，形成規(guī)則的晶格。

但在實(shí)際生長過程中，由于各種因素的干擾，如雜質(zhì)原子的摻入、生長速率的波動(dòng)等，可能會(huì)使某一層原子的堆垛順序發(fā)生錯(cuò)誤，形成堆垛層錯(cuò)。

堆垛層錯(cuò)的尺寸通常在微米級(jí)別，雖然相較于一些宏觀缺陷較小，但它會(huì)改變晶體的電子結(jié)構(gòu)，影響載流子的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而降低芯片的電子遷移率和開關(guān)速度，對(duì)芯片的性能造成顯著影響。

此外，堆垛層錯(cuò)還可能成為其他缺陷的源頭，如位錯(cuò)的產(chǎn)生和擴(kuò)展，進(jìn)一步加劇對(duì)芯片性能的損害。

（三）機(jī)械損傷

劃痕：劃痕是晶圓表面機(jī)械損傷的常見形式之一，多數(shù)由化學(xué)機(jī)械研磨（CMP）過程造成。

在CMP工藝中，晶圓與研磨墊之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到研磨液和研磨顆粒的作用。如果研磨過程控制不當(dāng)，例如研磨壓力不均勻、研磨顆粒分布不均或者研磨墊表面有硬質(zhì)顆粒嵌入，都可能導(dǎo)致晶圓表面被劃傷。**劃痕可能呈現(xiàn)為弧狀，也有可能是非連續(xù)點(diǎn)狀分布，其寬度和深度各異。**劃痕不僅會(huì)破壞晶圓表面的平整度，影響后續(xù)薄膜沉積和光刻的精度，還可能直接切斷電路連線，導(dǎo)致芯片功能失效，是一種較為嚴(yán)重的缺陷類型。

其他機(jī)械損傷：除了劃痕，晶圓在切片、搬運(yùn)、封裝等過程中也可能受到其他形式的機(jī)械損傷，如碰撞、擠壓等。切片時(shí)，切割刀具的磨損或者切割參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)使晶圓邊緣產(chǎn)生崩邊、微裂紋等缺陷；搬運(yùn)過程中，如果操作不慎，晶圓與其他物體發(fā)生碰撞，也會(huì)造成表面損傷；封裝過程中，過大的壓力可能導(dǎo)致晶圓變形、破裂。這些機(jī)械損傷同樣會(huì)對(duì)芯片的性能和可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅，可能引發(fā)電氣短路、開路以及機(jī)械穩(wěn)定性下降等問題，在極端情況下，甚至?xí)拐麄€(gè)芯片報(bào)廢。

二、缺陷量測(cè)方式及機(jī)臺(tái)

（一）光學(xué)檢測(cè)技術(shù)

自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）

? 量測(cè)方式：AOI技術(shù)基于光學(xué)原理，通過精密儀器平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)圖像采集裝置對(duì)晶圓表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，獲取晶圓表面的圖像信息。隨后，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，將采集到的圖像與預(yù)先存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行對(duì)比分析，從而識(shí)別出晶圓表面的缺陷。在對(duì)比過程中，算法會(huì)對(duì)圖像的亮度、顏色、紋理等特征進(jìn)行提取和匹配，一旦發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)圖像存在差異的區(qū)域，便判定為可能存在缺陷。

? 量測(cè)機(jī)臺(tái)：市場(chǎng)上知名的AOI量測(cè)機(jī)臺(tái)品牌眾多，如科磊（KLA）的SP系列。該系列機(jī)臺(tái)具有高精度的圖像采集系統(tǒng)和強(qiáng)大的圖像處理算法，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出晶圓表面的各種缺陷。

以Tencor Surfscan SP7為例，它采用了先進(jìn)的激光散射技術(shù)，能夠檢測(cè)出亞微米級(jí)別的顆粒和缺陷，掃描速度快，適用于大規(guī)模生產(chǎn)線上的晶圓檢測(cè)。

? 機(jī)臺(tái)原理：機(jī)臺(tái)發(fā)射特定波長的光線照射在晶圓表面，光線與晶圓表面相互作用后發(fā)生反射、散射等現(xiàn)象。

圖像采集裝置（如相機(jī)/光電倍增管）收集這些反射和散射光，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)通過圖像處理算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，將實(shí)際采集到的圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出兩者之間的差異，并根據(jù)預(yù)設(shè)的缺陷判定規(guī)則，確定缺陷的位置、大小和類型。

光干涉檢測(cè)

? 量測(cè)方式：光干涉檢測(cè)基于光的干涉原理，通過分析光波在晶圓表面缺陷處的干涉圖樣來檢測(cè)缺陷。通常，將一束光分為兩束，一束作為參考光，另一束照射到晶圓表面，兩束光在探測(cè)器處疊加形成干涉圖樣。當(dāng)晶圓表面存在缺陷時(shí)，缺陷處的光波相位和振幅會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致干涉圖樣出現(xiàn)異常。通過對(duì)干涉圖樣的分析，就可以獲取缺陷的相關(guān)信息，如缺陷的深度、高度和形狀等。

? 量測(cè)機(jī)臺(tái)：Zygo公司的NewView系列光學(xué)干涉儀是光干涉檢測(cè)領(lǐng)域的代表性機(jī)臺(tái)。例如NewView 7300，它能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的三維表面形貌測(cè)量，可檢測(cè)出納米級(jí)別的表面缺陷。該系列機(jī)臺(tái)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、光學(xué)元件等制造領(lǐng)域，為晶圓表面質(zhì)量檢測(cè)提供了可靠的手段。

? 機(jī)臺(tái)原理：機(jī)臺(tái)內(nèi)部的光源發(fā)出的光經(jīng)過分光鏡分為參考光和測(cè)量光。參考光直接照射到探測(cè)器上，測(cè)量光則通過物鏡聚焦到晶圓表面，然后反射回來與參考光在探測(cè)器上發(fā)生干涉。探測(cè)器將干涉信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，計(jì)算機(jī)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理和解調(diào)，根據(jù)干涉條紋的變化計(jì)算出晶圓表面各點(diǎn)的高度信息，從而重建出晶圓表面的三維形貌。通過與標(biāo)準(zhǔn)的平坦表面形貌進(jìn)行對(duì)比，即可識(shí)別出表面缺陷。

（二）電子束檢測(cè)技術(shù)

掃描電子顯微鏡（SEM）

? 量測(cè)方式：SEM利用高能電子束掃描樣品表面，電子與樣品原子相互作用，產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號(hào)。通過收集和分析這些信號(hào)，能夠獲得樣品表面的微觀形貌信息。在檢測(cè)晶圓表面缺陷時(shí)，電子束逐行掃描晶圓表面，探測(cè)器接收產(chǎn)生的二次電子信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，從而形成晶圓表面的放大圖像。操作人員通過觀察圖像，識(shí)別出缺陷的位置和特征。

? 量測(cè)機(jī)臺(tái)：日立（Hitachi）的SU8000系列掃描電子顯微鏡是一款性能卓越的檢測(cè)設(shè)備。它具有高分辨率、大景深的特點(diǎn)，能夠清晰地觀察到晶圓表面微小的缺陷，如納米級(jí)的顆粒、細(xì)微的劃痕等。

該系列機(jī)臺(tái)在半導(dǎo)體材料研究、集成電路制造等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，為晶圓表面缺陷的檢測(cè)和分析提供了有力支持。

? 機(jī)臺(tái)原理：電子槍發(fā)射出的高能電子束經(jīng)過電磁透鏡聚焦后，掃描到晶圓表面。電子與晶圓表面的原子相互作用，使原子中的外層電子被激發(fā)出來，形成二次電子。

二次電子的產(chǎn)額與樣品表面的形貌和成分密切相關(guān)，表面凸出的部分產(chǎn)生的二次電子較多，而凹陷的部分產(chǎn)生的二次電子較少。探測(cè)器收集二次電子信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過放大和處理后，在顯示屏上顯示出反映晶圓表面形貌的圖像。

電子束缺陷檢測(cè)（EBD）

? 量測(cè)方式：EBD技術(shù)是專門用于檢測(cè)晶圓表面缺陷的電子束檢測(cè)方法。它通過對(duì)晶圓表面進(jìn)行電子束掃描，利用電子與缺陷相互作用產(chǎn)生的特征信號(hào)來識(shí)別缺陷。

與SEM不同，EBD更側(cè)重于快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出各種類型的缺陷，并對(duì)缺陷進(jìn)行分類和統(tǒng)計(jì)分析。在檢測(cè)過程中，電子束以特定的掃描模式覆蓋整個(gè)晶圓表面，同時(shí)收集缺陷產(chǎn)生的信號(hào)，通過數(shù)據(jù)分析算法判斷缺陷的存在及其性質(zhì)。

? 量測(cè)機(jī)臺(tái)：科磊（KLA）的eDRX系列電子束缺陷檢測(cè)機(jī)臺(tái)在行業(yè)內(nèi)具有較高的知名度。eDRX機(jī)臺(tái)結(jié)合了先進(jìn)的電子光學(xué)系統(tǒng)和智能算法，能夠高效地檢測(cè)出晶圓表面的多種缺陷，包括晶體缺陷、圖案缺陷等。它的檢測(cè)速度快，適用于大規(guī)模生產(chǎn)線上的晶圓質(zhì)量監(jiān)控。

? 機(jī)臺(tái)原理：機(jī)臺(tái)發(fā)射的電子束與晶圓表面的缺陷相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的信號(hào)特征，如電子散射、能量損失等。這些信號(hào)被探測(cè)器收集并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過放大和數(shù)字化處理后，傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。計(jì)算機(jī)通過預(yù)設(shè)的缺陷識(shí)別算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和比對(duì)，判斷缺陷的類型和位置，并生成詳細(xì)的缺陷報(bào)告。

（三）X射線檢測(cè)技術(shù)

X射線衍射（XRD）

? 量測(cè)方式：XRD技術(shù)利用X射線與晶體相互作用產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象來檢測(cè)晶圓內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)缺陷。將X射線照射到晶圓上，當(dāng)X射線的波長與晶體中原子平面間距滿足布拉格條件時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，產(chǎn)生特定的衍射圖樣。通過分析衍射圖樣的特征，如衍射峰的位置、強(qiáng)度和寬度等，可以獲取晶體的結(jié)構(gòu)信息，判斷是否存在晶格畸變、位錯(cuò)等晶體缺陷。

? 量測(cè)機(jī)臺(tái)：布魯克（Bruker）的D8 Discover X射線衍射儀是一款廣泛應(yīng)用的XRD設(shè)備。它具有高分辨率、高靈敏度的特點(diǎn)，能夠精確地測(cè)量晶體的衍射數(shù)據(jù)。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，D8 Discover常用于檢測(cè)晶圓的晶體質(zhì)量，分析晶體缺陷對(duì)芯片性能的影響。

? 機(jī)臺(tái)原理：X射線源發(fā)出的X射線經(jīng)過準(zhǔn)直器后，以一定的角度照射到晶圓樣品上。晶體中的原子平面會(huì)對(duì)X射線產(chǎn)生衍射，衍射后的X射線被探測(cè)器接收。探測(cè)器將接收到的X射線信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過放大和數(shù)字化處理后，傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。計(jì)算機(jī)根據(jù)布拉格定律和晶體結(jié)構(gòu)模型，對(duì)衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，從而確定晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)和缺陷情況。

X射線熒光（XRF）

? 量測(cè)方式：XRF技術(shù)主要用于檢測(cè)晶圓表面的元素組成和雜質(zhì)含量。當(dāng)X射線照射到晶圓表面時(shí)，會(huì)激發(fā)樣品中的原子內(nèi)層電子躍遷，外層電子填補(bǔ)內(nèi)層空位時(shí)會(huì)發(fā)射出特征X射線熒光。每種元素都有其獨(dú)特的特征X射線熒光波長和能量，通過測(cè)量這些特征X射線熒光的波長和強(qiáng)度，就可以確定樣品中存在的元素種類及其含量。

? 量測(cè)機(jī)臺(tái)：賽默飛世爾科技（Thermo Fisher Scientific）的ARL PERFORM'X X射線熒光光譜儀是一款先進(jìn)的XRF檢測(cè)設(shè)備。它具有快速、準(zhǔn)確的分析能力，能夠檢測(cè)出晶圓表面微量的雜質(zhì)元素。在半導(dǎo)體制造過程中，ARL PERFORM'X可用于監(jiān)控原材料的質(zhì)量，檢測(cè)晶圓表面的污染情況，確保芯片制造過程的純凈度。

? 機(jī)臺(tái)原理：X射線管產(chǎn)生的高能X射線照射到晶圓樣品上，激發(fā)樣品中的原子發(fā)射出特征X射線熒光。特征X射線熒光通過晶體分光后，被探測(cè)器接收。探測(cè)器將接收到的X射線熒光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過放大和數(shù)字化處理后，傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。計(jì)算機(jī)通過與標(biāo)準(zhǔn)元素譜庫進(jìn)行比對(duì)，確定樣品中元素的種類和含量。

（四）原子力顯微鏡（AFM）

量測(cè)方式：AFM通過檢測(cè)探針與樣品表面原子間的相互作用力，來獲取樣品表面的形貌信息。將一個(gè)微小的探針接近樣品表面，當(dāng)探針與樣品表面原子之間的距離足夠小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微弱的相互作用力，如范德華力、靜電力等。通過測(cè)量這種相互作用力的變化，控制探針在樣品表面進(jìn)行掃描，同時(shí)記錄探針的垂直位移，從而得到樣品表面的三維形貌圖像，進(jìn)而識(shí)別出表面缺陷。

機(jī)臺(tái)原理：AFM的核心部件是一個(gè)帶有微小探針的懸臂。

當(dāng)探針接近晶圓表面時(shí)，原子間的相互作用力會(huì)使懸臂發(fā)生彎曲或振動(dòng)。

通過檢測(cè)懸臂的彎曲程度或振動(dòng)頻率的變化，就可以測(cè)量出原子間的相互作用力。機(jī)臺(tái)利用光學(xué)杠桿原理，通過一束激光照射在懸臂的背面，反射光被位置敏感探測(cè)器接收。當(dāng)懸臂發(fā)生彎曲時(shí)，反射光的位置會(huì)發(fā)生變化，探測(cè)器將這種變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過放大和處理后，傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

計(jì)算機(jī)根據(jù)電信號(hào)的變化計(jì)算出探針與樣品表面的距離，從而重建出樣品表面的三維形貌。

三、總結(jié)

晶圓表面缺陷的準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)于半導(dǎo)體制造至關(guān)重要。不同類型的缺陷，如表面冗余物、晶體缺陷和機(jī)械損傷，會(huì)對(duì)芯片性能產(chǎn)生不同程度的負(fù)面影響。

通過采用光學(xué)檢測(cè)、電子束檢測(cè)、X射線檢測(cè)和原子力顯微鏡等多種量測(cè)技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的先進(jìn)量測(cè)機(jī)臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)晶圓表面缺陷的高效、精確檢測(cè)。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)晶圓表面缺陷檢測(cè)的要求也將越來越高，未來需要不斷研發(fā)和創(chuàng)新檢測(cè)技術(shù)，以滿足行業(yè)日益增長的需求，推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁向更高的臺(tái)階。