晶圆的检测方法及缺陷

半导体工业对于晶圆表面缺陷检测的要求，一般是要求高效准确，能够捕捉有效缺陷，实现实时检测。较为普遍的表面检测技术主要可以分为两大类：针接触法和非接触法，接触法以针触法为代表;非接触法又可以分为原子力法和光学法。在具体使用时，又可以分为成像的和非成像的。 [1] 针触法顾名思义是通过触针与被检材料的接触来进行检测，是制造业中比较早的表面检测方法。被测表面的形状轮廓信息是通过触针传递给传感器的，所以触针的大小和形状就显得尤其重要。按照针触法的检测原理，针尖的半径趋近于 0才有可能检测到被测物真实的轮廓。但是触针的针尖越细，被测表面产生的压力也会越大，触针容易受到磨损，划伤被测物表面。对于镀膜表层和软质金属，接触式检测容易损伤被测样品表层，一般是不可使用的。

1981 年 Binnig 和 Rohrer 等发明了扫描隧道显微镜(STM)。STM 的利用量子隧道效应，针尖和被测物体表面作为两极。用极细的针尖去接近样品表面，当距离很近的时候，形成隧道结。针尖与样品表面的距离保持恒定，使针尖在样品的表面进行三维运动，将针尖感觉到的原子高度传入计算机中，经过后期处理就得到被测物品表面的三维形貌。 由于 STM 的使用有其局限性，Binnig 等人在 STM 基础上又研制了原子力显微镜(AFM)。AFM 检测针尖和试件之间的吸引或排斥力，所以可用于导体和非导体材料。

扫描近场光学显微镜(SNOM)是利用被测样品表面附近近光场的特性，来探测其表面形貌。其分辨率可远远超过常规显微镜分辨率的限制(λ/2)。 [1] 目前半导体工业中常用的成像检测方法主要包括自动光学检测、X 射线检测、电子束检测等。扫描电子显微镜(SEM)是 1965 年发明的显微物体研究工具。SEM是用电子束去扫描样品，造成样品的二次电子发射，二次电子能够产生样品表面放大的形貌像。这种图像是逐点成像放大，有一定的顺序。SEM 的优点是分辨率极高。X 射线无损检测技术与数字图像处理技术相结合，可以对器件内部连线进行高分辨率检测。安捷伦的市场占有率较高，典型产品有 5DX 系统。自动光学检测(AOI)技术是一种基于光学原理的检测技术，它通过精密仪器平台的运动、图像采集装置结合数字图像处理技术，对样品表面的缺陷进行检测，优点是检测速度较快。AOI 设备是近几年在国内发展比较迅速，算得上比较有市场潜力。AOI 技术是通过 CCD 或 CMOS 传感器获得图像，模数转换后传入计算机，经过数字图像处理，将其与标准图像进行对比。

晶圆分为无图案晶圆(Bare Wafer)和图案晶圆(Patterned wafer)，如图6所示。考虑两种晶圆的缺陷类型的出发点有些不同。晶圆表面的缺陷类型很多，既有可能是工艺产生也有可能材质本身的缺陷。采用不同的缺陷检测方式，可能会对缺陷进行不同的划分。综合考虑缺陷的物理属性和后面缺陷检测算法的针对性，缺陷可以简单地分为表面冗余物(颗粒，污染物等)，晶体缺陷(滑移线缺陷，堆垛层错)，划痕，图案缺陷(针对图案晶圆)。

晶圆表面的冗余物种类比较多，小到几十纳米的微小颗粒，大到几百微米的灰尘，以及前一个工序留下的表面残留物。颗粒是可能引入的工序有刻蚀、抛光、清洗等。冗余物缺陷主要来自于生产加工中晶圆表面的灰尘、空气纯净度未到达标准以及加工过程中化学试剂等。这些颗粒在光刻时会遮挡光线，造成集成电路结构上的缺陷，污染物可能会附着在晶圆表面，造成图案的不完整，影响芯片的电气特性。