无图形晶圆缺陷Darkfield检测技术介绍

本文介绍了裸晶圆缺陷检测中暗场检测技术。

在半导体制造过程中，无图形晶圆通常指裸硅片或假片，主要用于设备测试以及机台内部环境洁净度的监控。当此类晶圆表面存在过多颗粒、残留物或划痕等缺陷时，需要及时排查来源，以保障工艺的稳定性。为了有效探测这些微小异常，暗场检测技术被广泛应用于无图形晶圆的缺陷检测。

暗场检测的基本原理

无图形晶圆表面较为平整均匀，其正常区域的镜面反射光方向集中。当入射光照射到理想平面时，大部分能量会沿反射定律方向传播；一旦表面出现颗粒或划伤，局部平整结构被破坏，部分入射光会向其他方向散射。暗场检测的核心思路，正是尽量压低正常表面产生的镜面反射背景，同时有效收集来自缺陷的散射光。

与明场检测不同，暗场方式下照明光以斜角照射晶圆表面，正常平面的镜面反射光被引导至成像系统之外，因此无缺陷区域在探测器中所接收到的光很少，背景较暗。当颗粒、划伤或表面起伏等异常结构使光发生散射时，其中一部分散射光进入物镜，缺陷便在暗背景中呈现为亮点或亮环。这种检测方法并不局限于颗粒，凡是能改变局部光场分布、使光偏离正常反射方向的缺陷，均可能在暗场中形成可识别的信号。

散射信号的影响因素

对于尺寸远小于照明波长的简单颗粒，其散射强度与颗粒直径的六次方相关，与照明波长的四次方成反比。这意味着颗粒直径缩小一半，散射强度可能明显下降；而波长缩短则有助于增强小颗粒的散射信号。在实际检测中，较短波长的紫外、深紫外照明常被考虑用于提高对小尺度缺陷的响应能力。

不过，暗场系统真正追求的目标并非单纯增加照明功率，而是提高缺陷散射信号与背景噪声之间的比例。提高入射光强可以增加可用光子数，但波长越短、功率越高，光源、光学材料及探测器响应等方面的实现难度也相应增加。需要指出的是，实际晶圆上的颗粒往往形状不规则，划伤、凹坑及薄膜异常等缺陷的散射特性更为复杂，散射信号还会受到颗粒材料、折射率、偏振及基底反射等多种因素的影响。

暗场检测系统的工作方式

在实际设备中，暗场检测需要综合考虑照明均匀性、镜面反射隔离、散射光收集以及晶圆运动等问题。一种典型方案是采用线激光斜照晶圆，线形光斑覆盖一条检测区域，晶圆在运动平台上连续移动，从而完成大面积扫描。平整晶圆产生的强镜面反射光由光束吸收装置吸收，减少内部杂散光；晶圆上方的物镜主要收集缺陷产生的散射光，并通过后续镜组成像至传感器。例如，有公开实验装置采用405 nm线激光以60°角照射，物镜数值孔径为0.3，通过运动平台实现连续扫描。

由于暗场检测中物镜接收到的缺陷散射光往往非常微弱，而延长曝光时间会降低扫描速度并可能引起运动模糊，因此需要一种兼顾速度与信噪比的方法。时间延迟积分传感器包含多级感光单元，当晶圆上的同一位置依次经过不同感光级时，前一级获得的电荷同步转移至下一级并与新的曝光信号累加。只要晶圆运动速度、像在传感器上的移动速度和电荷转移速度保持同步，即可在连续扫描过程中增加等效积分时间，提高图像信噪比。TDI的价值在于高速运动条件下实现信号积累与扫描同步，但实际效果还受固定图样噪声、照明均匀性及同步误差等因素限制。检测到缺陷并不等同于分辨出其真实形状；即使颗粒尺寸低于系统成像分辨能力，只要散射信号高于背景噪声，仍可能被检出，但图像中的亮点不一定代表缺陷的真实几何轮廓。

常见设备与应用

无图形晶圆缺陷检测设备通常采用暗场散射检测原理，具有高速、高灵敏度的特点，能够实现较高产能。典型设备包括KLA的Surfscan系列、日立高科、Onto及中科飞测等型号。检测时，系统通过特定算法分析探测器接收到的散射光信号，确定每个信号对应的位置，从而统计晶圆表面不同区域的缺陷数量。暗场检测的效果并非由某一参数单独决定，而是光源、光学系统、传感器、运动控制和算法共同作用的结果。