基板和掩模/掩模版上的特征尺寸越來(lái)越小，對(duì)起始材料和成品器件的缺陷容忍度越來(lái)越低。我們不僅對(duì)已知缺陷類型（顆粒、晶體缺陷等）接近零容忍，而且隨著制造進(jìn)入深納米級(jí)，制造商不斷發(fā)現(xiàn)設(shè)備對(duì)全新類型缺陷的敏感性。此外，需要用于缺陷檢測(cè)的可用度量以非常接近其工作原理的噪聲水平來(lái)感測(cè)和量化缺陷，并且正在不斷開(kāi)發(fā)新的缺陷檢測(cè)方法。

在本應(yīng)用說(shuō)明中，我們簡(jiǎn)要介紹了晶圓和掩模版檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，并討論了當(dāng)前檢測(cè)機(jī)臺(tái)的特性。

掃描缺陷檢測(cè)

在開(kāi)始生產(chǎn)之前，裸晶圓在晶圓制造商處進(jìn)行質(zhì)量鑒定，并在半導(dǎo)體晶圓廠收到時(shí)再次進(jìn)行鑒定。這些鑒定過(guò)程定位、映射和區(qū)分預(yù)先存在的缺陷與 IC 制造過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷。在生產(chǎn)中只使用缺陷最少的晶圓，其生產(chǎn)前缺陷圖使得制造商得以跟蹤可能導(dǎo)致芯片不良的區(qū)域。在經(jīng)歷被動(dòng)或主動(dòng)工藝環(huán)境之前和之后，還會(huì)測(cè)量裸片或未圖案化的晶片，以確定來(lái)自特定工藝機(jī)臺(tái)的粒子貢獻(xiàn)的基線。

defect detection on rotating non-patterned wafers and the use of specular reflection in dark-field and bright-field image illumination

圖 1: 旋轉(zhuǎn)無(wú)圖案晶圓上的缺陷檢測(cè)（左）以及在暗場(chǎng)和明場(chǎng)圖像照明中使用鏡面反射（右）。

器件制造商使用光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)檢查晶片和掩模是否有顆粒和其他類型的缺陷，并確定這些缺陷在晶片上的XY網(wǎng)格中的位置。用于無(wú)圖案晶圓缺陷檢測(cè)的基本原理相對(duì)簡(jiǎn)單。激光束在旋轉(zhuǎn)的晶圓表面上進(jìn)行徑向掃描，以確保光束投射到晶圓表面的所有部分。激光從表面反射，就像從鏡子反射一樣，如圖1所示。這種類型的反射稱為鏡面反射。當(dāng)激光束遇到晶片表面的顆?；蚱渌毕輹r(shí)，該缺陷會(huì)散射一部分激光。根據(jù)照明場(chǎng)分布，散射光可以直接檢測(cè)（暗場(chǎng)照明）或作為反射光束強(qiáng)度的損失（明場(chǎng)照明）。晶片的旋轉(zhuǎn)位置和光束的徑向位置定義了晶片表面上缺陷的位置。在晶圓檢測(cè)機(jī)臺(tái)中，使用PMT或CCD以電子方式記錄光強(qiáng)度，并生成晶圓表面上散射或反射強(qiáng)度的圖，如圖2所示。該圖提供了有關(guān)缺陷大小和位置以及缺陷的信息由于顆粒污染等問(wèn)題導(dǎo)致的晶片表面的狀況。這種方法需要對(duì)晶圓臺(tái)和光學(xué)元件進(jìn)行高精度和可重復(fù)的旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動(dòng)控制。

L-I curves for a laser diode

圖 2: 檢測(cè)機(jī)臺(tái)中的光收集、處理和晶圓映射。

一般來(lái)說(shuō)，暗場(chǎng)檢測(cè)是非圖案化晶圓檢測(cè)的首選，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)高速掃描，從而實(shí)現(xiàn)高的晶圓產(chǎn)量。圖案化晶圓檢查是一個(gè)慢得多的過(guò)程。它可以使用明場(chǎng)和/或暗場(chǎng)成像，具體取決于應(yīng)用。請(qǐng)注意，圖案表面散射的復(fù)雜性會(huì)降低到檢測(cè)器的總光子通量，從而導(dǎo)致晶圓檢測(cè)的整體周期更長(zhǎng)。

低于100 nm的檢測(cè)機(jī)臺(tái)目前已經(jīng)在制造環(huán)境中使用，以提供引入晶圓的質(zhì)量保證以及用于大批量制造的工藝機(jī)臺(tái)監(jiān)控和鑒定。這些機(jī)臺(tái)采用與設(shè)計(jì)用于更大規(guī)模缺陷檢測(cè)的機(jī)臺(tái)相同的基本工作原理，但使用DUV照明增強(qiáng)型光學(xué)系統(tǒng)。一些制造商聲稱使用復(fù)雜的圖像分析算法可實(shí)現(xiàn)低于20 nm的靈敏度。正如預(yù)期的那樣，在這些應(yīng)用所使用的系統(tǒng)中，晶圓臺(tái)和光學(xué)組件的運(yùn)動(dòng)控制需要很高的精度和準(zhǔn)確度。

由于需要檢測(cè)機(jī)臺(tái)來(lái)感測(cè)和量化更小的顆粒，因此由于散射光信號(hào)的SNR降低，表面微粗糙度（霧度）等因素的影響開(kāi)始影響小顆粒的可檢測(cè)性。非圖案化晶圓的亞100 nm檢測(cè)因規(guī)模問(wèn)題而變得復(fù)雜，SNR是確定檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)晶圓表面上的顆粒和其他缺陷的檢測(cè)極限的關(guān)鍵參數(shù)。來(lái)自環(huán)境濕度等表面化學(xué)污染也會(huì)導(dǎo)致SNR降低。為了幫助抵消這種影響，用于亞100 nm缺陷檢測(cè)的檢測(cè)機(jī)臺(tái)采用高度復(fù)雜的光學(xué)空間濾波、散射信號(hào)的偏振分析和特定信號(hào)的處理算法來(lái)探測(cè)有表面霧氣存在時(shí)的缺陷。

形貌檢測(cè)

測(cè)量裸晶圓形貌的原因有很多。例如，晶片可能會(huì)彎曲，或者支撐晶片的卡盤(pán)（靜電或氣動(dòng)）會(huì)在晶片的接觸點(diǎn)處產(chǎn)生凹痕。這種變形會(huì)影響納米尺度的圖案成像。人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了極其精密的干涉測(cè)量機(jī)臺(tái)以在工藝開(kāi)始之前測(cè)量晶圓形狀的變化。

用于測(cè)量裸晶片形貌的基本設(shè)計(jì)類似于圖3中所示的Fizeau干涉儀。這種干涉測(cè)量技術(shù)將晶片與質(zhì)量和平整度非常高的參考楔（或參考平面）進(jìn)行比較。楔角確保來(lái)自第一表面的反射不會(huì)對(duì)干涉信號(hào)產(chǎn)生影響。從第二表面反射的光用作參考，而一部分光穿過(guò)平面以探測(cè)晶片（測(cè)試平面）。從晶片和測(cè)試平面反射的光被分束器引導(dǎo)到成像系統(tǒng)。最后，對(duì)干涉圖進(jìn)行分析，并使用軟件將測(cè)量結(jié)果拼接在一起，以形成具有納米級(jí)分辨率的完整晶圓圖。在實(shí)際應(yīng)用中，用于測(cè)量裸晶圓形貌的干涉測(cè)量機(jī)臺(tái)極其復(fù)雜，并利用運(yùn)動(dòng)解決方案、大型光學(xué)和照明光源，有助于擴(kuò)大可制造性設(shè)計(jì)的邊界。

Fizeau Interferometer

圖 3: 斐索干涉儀。

差分圖像檢測(cè)

圖案化晶圓的光學(xué)檢測(cè)可以采用明場(chǎng)照明、暗場(chǎng)照明或兩者的組合進(jìn)行缺陷檢測(cè)。圖案化晶圓檢測(cè)系統(tǒng)將晶圓上測(cè)試芯片的圖像與相鄰芯片（或已知無(wú)缺陷的“golden”芯片）的圖像進(jìn)行比較。圖像處理軟件從另一個(gè)圖像中減去一個(gè)圖像。在減法過(guò)程中，其中一個(gè)芯片中的任何缺陷都不會(huì)歸零，而在減法圖像中清楚地顯示出來(lái)（圖4）。確定了這些缺陷的位置就可以在晶片上生成缺陷圖，類似于為非圖案化晶圓生成的圖。與非圖形化晶片檢測(cè)一樣，圖形化晶片檢測(cè)要求晶片工作臺(tái)和檢測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)元件同時(shí)移動(dòng)，因此需要精確和可重復(fù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

Patterned wafer inspection procedure

圖 4: 圖案化晶圓檢測(cè)程序。

亞100 nm 特征結(jié)構(gòu)的DUV晶圓檢測(cè)

亞100 nm圖案化晶圓的缺陷檢測(cè)比非圖案化晶圓檢測(cè)面臨更大的挑戰(zhàn)。用于圖案化晶圓應(yīng)用的基于DUV的光學(xué)檢測(cè)使用與舊的VIS和UV光檢測(cè)系統(tǒng)相同的圖像比較原理。然而，基于 DUV 的方法在光學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制和圖像分析算法方面需要更高的精度。

DUV檢測(cè)機(jī)臺(tái)已成為低至 65 納米特征尺寸的圖案化晶圓檢測(cè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；每小時(shí)高達(dá)幾片晶圓的檢查率使這些系統(tǒng)適用于生產(chǎn)應(yīng)用。DUV 檢測(cè)工具已顯示出檢測(cè)缺陷的高靈敏度，例如淺溝槽隔離空隙、接觸刻蝕缺陷和亞100 nm幾何形狀的光刻膠微橋接。使用寬帶DUV/UV/VIS照明，現(xiàn)代明場(chǎng)圖案晶圓檢測(cè)系統(tǒng)目前可達(dá)到對(duì)DRAM和閃存器件上所有層進(jìn)行缺陷檢測(cè)所需的靈敏度，這些缺陷檢測(cè)小至55 nm特征尺寸。

雖然它們眾所周知的特性加上相對(duì)較低的成本和高吞吐量使DUV光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的繼續(xù)使用具有吸引力，但一些制造商報(bào)告說(shuō)，DUV檢測(cè)系統(tǒng)不具備65 nm以下的幾何形狀所需的精度和靈敏度。一項(xiàng)研究聲稱，DUV暗場(chǎng)光學(xué)圖案檢測(cè)系統(tǒng)的極限缺陷靈敏度在存儲(chǔ)器技術(shù)（例如SRAM）中約為 75 nm，而在邏輯區(qū)域中要大得多。DUV明場(chǎng)系統(tǒng)具有更好的靈敏度，在SRAM中約為50 nm，并且與暗場(chǎng)一樣，在邏輯上更大。此外，使用DUV激光照射圖案化晶片上非常小的、易碎的結(jié)構(gòu)時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生了一些不尋常的問(wèn)題，例如表面材料的激光燒蝕。這些問(wèn)題的解決方案可能在于對(duì)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)使用寬帶等離子體照明（現(xiàn)有的DUV系統(tǒng)采用266 nm波長(zhǎng)并正在轉(zhuǎn)向193 nm照明）或使用具有生產(chǎn)制造能力的電子束檢測(cè)機(jī)臺(tái)。最近推出的基于等離子體產(chǎn)生的寬帶照明的檢測(cè)工具可用于生產(chǎn)環(huán)境。這些系統(tǒng)聲稱具有低于 10 納米的分辨率，因?yàn)檩^短的波長(zhǎng)可在較小的范圍內(nèi)提供更準(zhǔn)確的檢測(cè)。

電子束晶圓檢測(cè)

電子束 (EB)成像也用于缺陷檢測(cè)，尤其是在光學(xué)成像效果較差的較小幾何形狀中。EB檢測(cè)可以提供具有比光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)大得多的動(dòng)態(tài)分辨率范圍的材料對(duì)比度。然而，EB應(yīng)用受到測(cè)量速度緩慢的限制，使其主要用于研發(fā)環(huán)境和工藝開(kāi)發(fā)以驗(yàn)證新的技術(shù)。新的EB工具可用于 10 納米和更低節(jié)點(diǎn)的缺陷檢測(cè)應(yīng)用，并且正在開(kāi)發(fā)具有多達(dá)100列或通道的多EB測(cè)試機(jī)臺(tái)。

掩模版檢測(cè)

掩模版是透射或反射投影掩模，帶有精細(xì)特征圖案，通常比晶圓上所需的圖案尺寸大4到5倍。它們與光學(xué)照明系統(tǒng)一起使用，該系統(tǒng)對(duì)圖案化的光進(jìn)行成像和放大，以選擇性地顯影光刻膠，作為晶圓圖案化過(guò)程的一部分。

可以說(shuō)，掩模版檢測(cè)遠(yuǎn)比非圖案化或圖案化晶圓檢測(cè)重要。這是因?yàn)椋m然裸晶圓或圖案化晶圓上的單個(gè)缺陷有可能“殺死”一個(gè)器件，但掩模版上的單個(gè)未檢測(cè)到的缺陷可能會(huì)毀壞數(shù)千個(gè)器件，因?yàn)樵撊毕輹?huì)在工藝流程中的每個(gè)晶圓上復(fù)制使用那個(gè)光罩。對(duì)于EUV，由于圖案的更精細(xì)分辨率、薄保護(hù)膜的存在以及掩模版的反射設(shè)計(jì)，這個(gè)問(wèn)題變得更加復(fù)雜。

掩模版檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理與晶圓檢測(cè)機(jī)臺(tái)相似，物理要求也相似，但掩模版通常使用透射光而非反射光進(jìn)行檢測(cè)。透射光用于定位紫外線不透明的污漬和其他透射缺陷。掩模版檢測(cè)機(jī)臺(tái)采用高分辨率成像光學(xué)器件和VIS或UV照明，具體取決于缺陷容差和/或特征尺寸，以查找光罩毛坯或圖案化掩模版上的缺陷。在掩模版制造過(guò)程中和整個(gè)掩模版使用過(guò)程中需要定期執(zhí)行檢查。掩模版檢測(cè)機(jī)臺(tái)采用類似于晶圓檢測(cè)機(jī)臺(tái)中使用的復(fù)雜圖像分析軟件和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)使用紫外線照明，在掩模版檢測(cè)系統(tǒng)中使用傳統(tǒng)光學(xué)器件已擴(kuò)展到90 nm特征尺寸。使用 EB 可以以較小的特征尺寸進(jìn)行光罩檢查，因?yàn)榕c圖案化晶圓檢查相比，可以容忍較低的吞吐量。與晶圓檢測(cè)一樣，用于亞100 nm應(yīng)用（空白和圖案化掩模版檢查）的掩模版檢查工具采用DUV照明，通常使用266 nm或193 nm的單一波長(zhǎng)。圖5顯示了掩模版檢測(cè)平臺(tái)的框圖。請(qǐng)注意，除了物鏡光學(xué)系統(tǒng)、電動(dòng)載物臺(tái)和光源外，該平臺(tái)還采用了各種控制器和數(shù)據(jù)分析模塊。掩模版檢查系統(tǒng)可以配置為在檢查過(guò)程中使用穿過(guò)掩模版的透射光或來(lái)自掩模版表面的反射光。與其他檢測(cè)系統(tǒng)一樣，這種掩模版檢測(cè)機(jī)臺(tái)需要對(duì)光學(xué)元件和空氣軸承光罩臺(tái)進(jìn)行高度準(zhǔn)確和精確的運(yùn)動(dòng)控制。

Block diagram of the components in a reticle inspection system

圖 5: 掩模版檢測(cè)系統(tǒng)中的組件框圖。圖經(jīng)富士通有限公司許可轉(zhuǎn)載。

用于半導(dǎo)體檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)控制

我們提供各種適用于晶圓檢測(cè)機(jī)臺(tái)和其他運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的高性能空氣軸承平臺(tái)。HybrYX? XY 混合空氣軸承XY載物臺(tái)是一種成本相對(duì)較低的單平面空氣軸承載物臺(tái)，非常適合半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)系統(tǒng)和許多其他需要超低速度紋波和動(dòng)態(tài)跟隨誤差的掃描應(yīng)用。HybrYX平臺(tái)具有真正的單一位置XY架構(gòu)，提供可用的theta和Z-Tip-Tilt解決方案。它具有高達(dá)600毫米/秒的掃描速度和0.6G加速度和大（> 1 米）XY移動(dòng)范圍。 HybrYX 系統(tǒng)具有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證且可靠的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，非常適合高占空比環(huán)境，例如晶圓檢測(cè)應(yīng)用。DynamYX? 系列掩模版定位平臺(tái)專為半導(dǎo)體晶圓加工和檢測(cè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它們提供商用等級(jí)的高定位性能。這些平臺(tái)廣泛使用陶瓷材料，提供了異常堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。它們通常設(shè)計(jì)為輕型的，這有助于OEM應(yīng)用。

用于晶圓檢測(cè)的定制光學(xué)解決方案

我們?yōu)榫A檢測(cè)機(jī)臺(tái)制造商提供光學(xué)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造解決方案。我們?cè)O(shè)計(jì)和制造了用于光刻、晶圓檢測(cè)、準(zhǔn)分子和EUV光源、計(jì)量和掩模寫(xiě)入應(yīng)用等的光學(xué)子系統(tǒng)。