显微镜不同观察方法下的快速半导体检测

显微镜解决方案在半导体制造业的高效可靠检测、质量控制 (QC)、故障分析 (FA) 和研发 (R&D) 中发挥着重要作用。

在半导体制造过程中，不同步骤可能会出现多种类型的缺陷，从而影响设备的正常运行。这些缺陷越早发现越好。这些缺陷可能是由于随机分布在晶片上的灰尘颗粒（随机缺陷），也可能是由于加工条件（例如在刻蚀过程中）造成的涂层和光刻胶的划痕、脱落和残留，并且会出现在晶片的特定区域。由于其尺寸较小，显微镜是识别此类缺陷的首选工具。

尤其是光学显微镜（OM）与电子显微镜（EM）等速度较慢、成本较高的显微镜相比，具有许多优势。由于光学显微镜的多功能性和易用性，它通常用于定性和定量研究裸晶圆和刻蚀/加工晶圆上的缺陷，也用于集成电路（IC）的组装和封装过程。

不同的光学显微观察方法，如明场 (BF)、暗场 (DF)、微分干涉对比 (DIC)、偏光 (POL)、紫外 (UV)、斜照明和红外线 (IR) 透射光 [1-4] 对于在晶圆和集成电路芯片检测过程中快速、准确地检测缺陷至关重要。

随着刻蚀结构和微电子元件尺寸的迅速缩小，生产中对使用较大晶圆的需求不断增加。由于尺寸越来越小，使用光学显微镜观察半导体材料、加工晶圆和集成电路芯片的表面结构和缺陷有时变得非常困难。为了提高检测效率，用户需要在低倍镜下快速扫描晶圆或材料的大面积区域，以确定感兴趣的区域（参见图 1），然后在高倍镜下准确观察非常精细的细节、结构和缺陷。

传统光学显微镜可能难以观察到加工晶片上的某些缺陷，如灰尘、划痕、脱落或涂层和光刻胶残留。在这种情况下，需要将样品转移到电子显微镜或其他仪器上。不过，下文将举例说明不同的光学显微镜观察方法如何使半导体和晶片检测变得高效。

下面给出了用入射光对不透明材料（可见光谱）（如半导体）成像的 OM 观察方法 BF（明场）、DF（暗场）、DIC（微分干涉对比）、POL（偏光）、UV（紫外）、斜照和 IR TL（红外透射光） [1-4] 的基本背景信息。有关这些观察方法的更多详情，请参阅参考文献 1 至 4。

使用常见的 BF 照明时，要看清某些晶片缺陷可能很困难。因此，可能需要使用其他观察方法，如 DF、DIC、POL、UV 和斜照 [1-4]等，才能清楚地看到这些缺陷，从而不必将样品转移到电子显微镜或其他仪器上。

BF 照明 [1-3]​​​​​​​ 是检测缺陷最常用的方法。在 BF 成像过程中，可观察到从半导体或晶片样品表面直接反射的入射白光。平整光亮的表面会将大量光线反射回目镜或相机，因此在观察时样品会显得明亮。相比之下，带有孔洞和其他特征的图案表面会散射光线，因此样品看起来更暗，对比度更高。但是，对于反射样品，一些结构仍然会被明亮的照明 "淹没"，因此不容易看到。使用 BF 照明拍摄的晶片图像示例如图 2 所示。

DF 照明也比较常见 [1-3]。在 DF 成像过程中，大部分入射白光不会反射回物镜，而是会避开物镜，因为光线会以相对于垂直方向的高角度撞击样品表面。因此不存在强光 "淹没 "样品结构的风险。只有一些从非平坦表面特征散射的光线才能真正到达目镜或相机。表面的平整区域看起来较暗，而非平整的图案区域，即使有非常小的特征，如气孔、凸起、划痕和灰尘颗粒，看起来也较亮。使用 DF 照明拍摄的晶片图像示例如图 3 所示。

BF 和 DF 都可用于获取有关横向尺寸的信息，但很少或根本无法获取有关纵向尺寸的信息。

DIC 成像比 BF 或 DF 都不常用 [1-3]。它使用棱镜将偏振入射白光分离成两束光，这两束光从样品表面反射，然后重新穿过棱镜，再汇合在一起。重新汇合的光束发生干涉，形成椭圆偏振光，然后通过检偏器。通过这种干涉，可以观察到样品刻蚀过的表面和结构的微小高度变化。使用 DIC 照明拍摄的晶片图像示例如图 4 所示。

与 BF、DF 或 DIC 相比，POL 成像更较少使用 [1-4]。POL 成像使用 2 个偏振器来提供光学各向异性材料的信息。对比度来自平面偏振光与双折射样品（即双折射样品）的相互作用，产生异相光波。然后，这些光波通过第二偏振器（也称为起偏器）重新组合，从而提供有关样品结构和成分的信息。

紫外成像不像上述其他对比方法那么常见，但它具有显著的优势 [2]。它利用入射紫外光的较短波长，实现了比可见光更高的分辨率 [2,5]，并揭示了晶圆或半导体表面更精细的细节、结构和缺陷。使用白光进行 BF、DF、DIC 或 POL 成像时，这些小结构和缺陷并不总是清晰可见。使用可见白光（400-700 纳米）照明时，横向分辨率限制在 0.25 微米，使用紫外光（365 纳米）照明时，横向分辨率限制在 0.12 微米 [2]。用紫外光照明拍摄的晶片图像示例见图 5。

斜照明是指使用入射可见光（BF）或紫外光，以斜角照射样品表面 [2]斜照明是指使用入射可见光（BF）或紫外光，以斜角照射样品表面[2]。图 6 显示了使用斜 BF 和紫外线照明拍摄的晶片图像示例。

硅等半导体材料通常对红外（IR）光（波长为 1000 纳米或更大）是透明的。这意味着可以利用红外照明来观察晶片表面以下的细节，而这些细节在用可见光观察时是不可见的。因此，通过红外照明可以看到与表面下嵌入层相关的缺陷。图 7 是利用红外照明拍摄的晶片图像示例。

显微镜解决方案可提供多种（如果不是全部）上述观察方法，从而实现快速可靠的半导体、晶圆和微电子检测。上图 2 至图 5 所示的图像说明了观察方法和照明的改变是如何产生不同效果的。将 BF 与紫外线或斜照进行比较时，优势尤为明显（参见图 2B 至 2D，以及图 5A 至 5F）。

徕卡显微镜解决方案可以帮助用户实现这一目标：DM8000 M 和 DM12000 M。它们提供所有 BF、DF、DIC、POL、UV 和斜照明观察方法，并使用户能够通过宏观到微观检测模式对样品表面的宏观到微观缺陷进行高效的主动筛选和检测。该模式可在 0.7x 至 150x 的放大倍率范围内轻松更换物镜（参见图 1、2A、3A 和 4A）。

使用光学显微镜解决方案可以高效、准确地检测半导体材料、加工/刻蚀晶圆和集成电路芯片上的缺陷、结构和污染，该解决方案提供明场 (BF)、暗场 (DF)、微分干涉对比 (DIC)、偏光(POL)、紫外 (UV)、斜射和红外 (IR) 照明等对比方法。首先以低放大倍率和分辨率对样品进行快速扫描，以确定感兴趣的区域。然后，以高倍率和高分辨率检测和观察样品表面的细节、小结构、缺陷和污染。用户可以利用徕卡显微镜提供的这些观察方法。

1. D. Dionis, J. DeRose, Section “Beyond brightfield” in Metallography - an Introduction: How to Reveal Microstructural Features of Metals and Alloys, Science Lab (2020) Leica Microsystems. 
2. M. Doppler, How to Boost your Microelectronic Component Inspection Performance: Overcoming the resolution criterion - Webinar on-demand, Science Lab (2021) Leica Microsystems. 
3. D. Dionis, J. DeRose, Section "Incident illumination contrast methods" in How to Adapt Grain Size Analysis of Metallic Alloys to Your Needs: Precise and practical microscopy solutions, Science Lab (2019) Leica Microsystems. 
4. W. Ockenga, Polarization Contrast: An introduction, Science Lab (2011) Leica Microsystems. 
5. M. Wilson, J. DeRose, C. Greb, Microscope Resolution: Concepts, Factors and Calculation: Airy discs, Abbe’s diffraction limit, the Rayleigh Criterion, and the point spread function (PSF), Science Lab (2023) Leica Microsystems.