半导体工艺常见缺陷检测原理

在半导体制造中，几乎每个步骤都会产生缺陷的可能，因此在工艺步骤之间穿插缺陷检测是十分有必要的。缺陷检测核心就是希望能够看到晶圆表面的污染和瑕疵，因此检测本质上就是给晶圆拍照并找不同，通过对晶圆上有缺陷晶粒(die)与正常晶粒的对比扫描，通过运算寻找出其差异(即缺陷)。当然这就需要足够高的分辨率以及相对快速的处理。目前应用最为广泛的是明场（BFI）和暗场（DFI）检测，以及需要极致分辨率情况下的电子束检测（EBeam）。

场光学检测（Bright-Field Inspection, BFI）

1.基本光路：一束光（通常为可见光或紫外光）垂直或近乎垂直地照射到平坦、光滑的晶圆表面。

(a)理想反射：如果表面完美无瑕，光线会像照镜子一样，以相同的角度被镜面反射直接原路返回，并被上方的探测器接收，图像呈现明亮、均匀的状态。

(b)缺陷干扰：当表面存在颗粒、划痕、凹陷（pit）或图案异常（如线条宽度不对、缺失）等缺陷时，会导致局部反射率改变。颗粒/突出物：会产生额外的漫反射，使部分光线偏离，导致探测器接收到的反射光减弱，图像上对应位置变暗。凹陷/划痕：会形成阴影或改变光的反射方向，同样会导致局部光强变化。

2.图像对比：系统通过高精度光学系统成像，并由图像传感器捕获。通过算法将捕获的图像与标准参考图像（如设计数据或相邻的正常Die图像）进行比对，识别出光强差异超出阈值的区域，从而定位和分类缺陷。

3.应用场景：对有图形的工艺层具有更好的缺陷捕获能力，图案结构制程（Etch，STI）；但同时对晶圆表面薄膜厚度变化（色斑） 非常敏感，这些由正常工艺引起的微小厚度变化会产生强烈的干扰信号，可能掩盖真实缺陷。

暗场光学检测（Dark-Field Inspection, DFI）

1.基本光路：照明光束以较大的倾斜角（而非垂直）照射晶圆表面。

(a)“暗场”的形成：系统光学设计使探测器仅接收散射光，而阻挡了镜面反射光。这意味着，当一个完美光滑、无缺陷的表面被照射时，其强烈的镜面反射光会被特意“挡掉”而无法进入探测器，视野呈现一片“黑暗”——这也是“暗场”名称的由来。

(b)缺陷信号凸显：当表面存在任何粗糙度变化、颗粒、凹坑、划痕或图形边缘不规则时，这些地方会将一部分入射光散射到各个方向。这部分散射光中，有一部分恰好能被探测器捕获。于是，在漆黑的背景上，缺陷会像夜空中的星星一样，成为明亮的光点被清晰地识别出来。

3.应用场景：平面结构制程（CMP）；对缺陷的高度、深度等形貌信息不敏感，难以直接判断缺陷是凸起还是凹陷。通常主要用于缺陷的发现和定位，但其信号强度与缺陷尺寸之间缺乏简单、线性的对应关系，因此难以直接对缺陷尺寸进行精确量化。

电子束检测（E-beam Inspection, EBI或EBI）

EBI的基本原理与扫描电子显微镜（SEM）类似：
系统产生一束极细的、高能量的聚焦电子束。电子束在真空环境下对晶圆表面进行逐点扫描。高能电子与样品原子发生相互作用，会激发出多种信号，主要是二次电子和背散射电子。

二次电子：能量较低，主要来自样品表面极浅的区域（几个纳米）。其信号强度对表面形貌（凹凸） 极为敏感，能产生高分辨率、立体感强的图像，非常适合观察缺陷的3D形貌。

背散射电子：能量较高，来自样品更深的区域。其信号强度对样品原子的原子序数（即材料成分） 敏感，可用于区分不同材料或检测材料残留、污染。

2.缺陷识别：通过对比检测区域的图像与相邻正常Die（Die对Die比对）或标准设计数据库（数据库比对）的图像，发现异常信号点，从而定位缺陷。

3.应用场景：不用于在线全检，而是对光学检测（明场/暗场）筛选出的可疑区域或已知的高风险结构进行高分辨率复检和深度分析。