晶圆表面光刻胶残留与有机污染物可视化检测

荧光显微镜用于检测晶圆和半导体的质量控制、故障分析和研发&D 如何造福电子行业

Optical microscope image, which is a composition of both brightfield and fluorescence illumination, showing organic contamination on a wafer surface. The inset images in the upper left corner show the brightfield image (above) and fluorescence image (below with dark background). Organic_contamination_on_a_wafer_surface.jpg

总结

人们对功能更强大、速度更快的电子设备（智能手机、电脑、平板电脑、显示器等）的需求日益增长，这促使集成电路芯片和半导体元件的图案化尺寸不断缩小到 10 纳米以下 [1-3]。为了实现更小的纳米尺寸，紫外光刻制版步骤的数量有所增加，同时也增加了制版缺陷和有机污染的可能性 [2]。这种残留污染可能
对工艺控制、产量以及电子元件的性能和可靠性产生负面影响。

在半导体加工过程中，需要使用光刻胶对晶片进行图案化。图案形成后，必须去除光刻胶以便进一步加工，但往往会留下光刻胶残留物和其他有机污染物。在晶片、掩膜、焊盘和半导体元件的表面可以发现许多不同类型的有机污染物。典型的例子包括光刻胶残留物、外来有机颗粒和液体、灰尘以及材料中的纤维。另一个常见的有机污染源是人的头发、皮屑和来自皮肤的油性物质。

因此，随着半导体图案尺寸越来越小，集成电路制造量越来越大，晶片表面的光刻胶残留物和有机物污染问题越来越严重。集成电路的密度越来越高，因此在生产过程中保持表面清洁至关重要。荧光显微镜与明场或暗场等其他照明方法相比具有优势 [4]。

核心要点：

  • 在晶圆质量控制 (QC) 过程中有效地可视化有机污染，从而缩短检测时间、提高产量并改善半导体元件质量。
  • 可靠、快速地监控 OLED（有机发光二极管）平板显示器的 RGB 阵列输出质量。

随着半导体集成电路 (IC) 的尺寸缩小到 10 纳米以下，在晶圆检测过程中有效检测光刻胶残留物等有机污染物和缺陷变得越来越重要。光学显微镜仍是常用的检测方法，但对于有机污染而言，明视野和其他类型的照明都有其局限性。本文讨论了在半导体行业的质量控制、故障分析和研发&D 过程中，如何利用荧光显微镜有效检测晶片上的光刻胶残留物和其他有机污染物。

检查晶片是否存在有机污染和光刻胶差异时面临的挑战

在晶圆检测过程中，使用光学显微镜高效、可靠地检测光刻胶残留物和残留有机污染物是一项挑战。使用光学显微镜进行晶片检测通常需要多种对比方法。这些残留物并不总是很容易用较常见的显微镜照明（如明视场或暗视场 [5] ）看到，这取决于有机污染的体积（参见图 1）。由于
在半导体图案化接近纳米级尺寸时，即使是极少量的光刻胶残留物或其他残留污染也会给进一步加工带来严重问题。因此，使用普通显微镜照明进行精确的晶片检测既费时又低效。

Optical microscope images taken of the same area of a patterned wafer with A) brightfield, B) darkfield, and C) fluorescence illumination. Organic material like photoresist and contamination appear dark in the brightfield and darkfield images, but with a greenish tint in the fluorescence image.
Fig. 1: Optical microscope images taken of the same area of a patterned wafer with A) brightfield, B) darkfield, and C) fluorescence illumination. Organic material like photoresist and contamination appear dark in the brightfield and darkfield images, but with a greenish tint in the fluorescence image.

荧光显微镜及其如何造福电子和半导体行业

荧光显微镜是观察晶片和半导体上有机材料的有力工具。它基于光致发光原理，即原子和分子被较高能量（较短波长）的光（如紫外线）激发，然后通过发射较低能量（较长波长）的光（如可见光）来弛豫 [6]。荧光显微镜和明视野显微镜的区别如图 2 所示。以下各小节将举例说明荧光显微镜在检测光刻胶残留物和有机污染物以及检测有机发光二极管显示器中的 RGB 像素方面的应用。

Diagram comparing the light paths through a microscope’s optics for fluorescence (A) and brightfield (B) microscopy.
Fig. 2: Diagram comparing the light paths through a microscope’s optics for fluorescence (A) and brightfield (B) microscopy.

在质量控制和研发过程中检测光刻胶残留物和有机污染&D

光刻胶和许多有机材料在紫外线的激发下会发出荧光。与典型的显微镜照明（如明视野）相比，荧光显微镜更容易在晶片表面对这些材料进行定位和量化（参见图 3）。因此，荧光显微镜可用于晶圆检测，并能有效地观察这些有机残留物，从而缩短检测时间、提高产量并改善半导体元件的质量。

Images of the same area of a patterned wafer which were acquired with: A & D) brightfield illumination, B & E) fluorescence, and C & F) overlay of brightfield and fluorescence. Photoresist residue and contamination is clearly seen in the fluorescence and overlaid images.
Fig. 3: Images of the same area of a patterned wafer which were acquired with: A & D) brightfield illumination, B & E) fluorescence, and C & F) overlay of brightfield and fluorescence. Photoresist residue and contamination is clearly seen in the fluorescence and overlaid images.

检查 OLED 显示屏的像素

荧光显微技术的另一个应用实例是 OLED（有机发光二极管）显示器的生产或检测。OLED 显示器由一个或多个发光有机分子层组成的 RGB 像素阵列堆叠而成（参见图 4） [7]。层的均匀性和厚度对于保持高像素效率和质量非常重要，必须在制造过程中进行精确监控。此外，银（Ag）涂层上的 RGB 像素分子有机层不应有间隙。这些有机分子也能发出荧光。因此，使用荧光显微镜（也可使用非荧光显微镜和电致发光）可以高效可靠地监测 OLED 显示屏 RGB 阵列输出的质量[参见图 5]。

Cross-section schematic showing an example of a side-by-side stacked RGB pixel design for an OLED display
Fig. 4: Cross-section schematic showing an example of a side-by-side stacked RGB pixel design for an OLED display (adapted from reference 7).
Optical microscope image of an RGB pixel array in an OLED display. The pixels can be inspected in terms of their emission colors.
Fig. 5: Optical microscope image of an RGB pixel array in an OLED display. The pixels can be inspected in terms of their emission colors.

用于晶片检测的徕卡荧光显微镜解决方案

DM8000 M（参见图 6）、DM12000 M 和 DM6 M 显微镜专为检测 8 英寸、12 英寸和 6 英寸晶圆、大型半导体元件以及 OLED 显示器等平面电子元件而设计。
它们为用户提供以下服务：

  • 配备选定的荧光立方体时，可用于荧光显微镜检查
  • 可选的电动操作与手动操作相比，成像效率更高
  • 利用宏观检测模式进行高效的晶片或组件检测
  • 多种照明和对比方法，包括明视野、暗视野、DIC、偏振、红外、斜视和紫外。

由于 DM8000、DM12000 或 DM6 M 具有多种对比和照明技术（包括荧光）以及较大的放大倍率范围，用户可以将其配置为满足特定需求的检测工具。

The DM8000 M microscope which is designed for high-throughput inspection of 8"-wafers and semiconductor components during production, QC, failure analysis, and R&D.
Fig. 6: The DM8000 M microscope which is designed for high-throughput inspection of 8"-wafers and semiconductor components during production, QC, failure analysis, and R&D.

结论

对更快、更小、更复杂的集成电路和半导体元件的需求日益增长，这就要求采用快速可靠的方法来检测晶片上的有机污染（光刻胶残留物、外来有机颗粒和液体）。明场或暗场等多种对比方法的光学显微镜通常用于晶片检测，但在观察残留有机污染物方面受到限制，使检测
耗时且效率低下。这里介绍了在半导体行业的质量控制、故障分析和研发&D 过程中，如何利用荧光显微镜对晶片进行有效的有机污染检测。未来，晶片表面的有机污染物会显示出不同的荧光信号，即在紫外光的激发下会发出不同波长和颜色的荧光，这意味着可以利用这一现象来区分污染物的类型。使用合适的荧光显微镜，就可以进行 "根本原因分析"，以确定各种有机污染物的来源。

参考资料

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