晶圓檢測(cè)顯微鏡：可靠觀察細(xì)微高度差異

本文介紹了一種配備自動(dòng)化和可重復(fù)的 DIC（微分干涉對(duì)比）成像的 6 英寸晶圓檢測(cè)顯微鏡，無(wú)論用戶(hù)的技能水平如何。制造集成電路（IC）芯片和半導(dǎo)體組件需要進(jìn)行晶圓檢測(cè)，以驗(yàn)證是否存在影響性能的缺陷。這種檢測(cè)通常使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行質(zhì)量控制、故障分析和研發(fā)。為了有效地可視化晶圓上結(jié)構(gòu)之間的細(xì)微高度差異，可以使用 DIC 。

在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過(guò)程中，晶圓檢驗(yàn)對(duì)于識(shí)別和減少可能影響器件性能的缺陷至關(guān)重要。為了提高檢驗(yàn)的精確性和效率，光學(xué)顯微鏡方案應(yīng)結(jié)合不同的對(duì)比方法，提供關(guān)于圖案化晶圓上可能存在的任何缺陷的準(zhǔn)確可靠信息。其中，在晶圓檢驗(yàn)中起重要作用的一種對(duì)比方法是微分干涉對(duì)比（DIC）。

什么是 DIC 以及為什么要使用它？

微分干涉對(duì)比（DIC） ，也被稱(chēng)為諾馬斯基對(duì)比，有助于可視化樣品表面的高度差異^[1,2]。DIC 使用沃拉斯頓棱鏡、起偏器和檢偏器（參見(jiàn)圖1A）。起偏器和檢偏器的偏振面相互垂直（交叉于 90° )   。通過(guò)棱鏡的偏振光被分割成兩束具有 90° 偏振差異的廣播。在離開(kāi)棱鏡后，這兩束光波從樣品表面反射，并朝著物鏡返回。由于樣品表面形態(tài)或光學(xué)性質(zhì)的差異，光線可能經(jīng)歷不同的光學(xué)路徑長(zhǎng)度，導(dǎo)致一束光與另一束光相比發(fā)生相移。經(jīng)過(guò)物鏡棱鏡和分析器的再次通過(guò)后，光線重新合并成一束，然后它們之間可以發(fā)生干涉。DIC 圖像顯示出強(qiáng)度和顏色的變化，從而呈現(xiàn)出紋理的外觀。DIC 使得通常使用明場(chǎng)或暗場(chǎng)等其他類(lèi)型的照明無(wú)法輕易觀察到的高度差異變得明顯可見(jiàn)。有關(guān) DIC 的更多信息，請(qǐng)參考參考文獻(xiàn)1和2。

下圖是一個(gè)使用微分干涉對(duì)比（DIC）與明場(chǎng)和暗場(chǎng)照明相比，增強(qiáng)樣品表面高度差異的示例（見(jiàn)圖1）。DIC 被用來(lái)拍攝一 個(gè)圖案化的晶圓樣品。在 DIC 下，特征之間的高度差異更加明顯可見(jiàn)。

使用 DIC 時(shí)的挑戰(zhàn)：

DIC 能夠讓使用者觀察到晶圓上結(jié)構(gòu)之間的微小高度差異，但對(duì)許多用戶(hù)來(lái)說(shuō)，使用起來(lái)可能相當(dāng)復(fù)雜。正確調(diào)整 DIC 棱鏡對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳對(duì)比度和準(zhǔn)確、可重復(fù)的結(jié)果至關(guān)重要。例如，在 DIC 圖像中，樣品結(jié)構(gòu)的垂直方向（進(jìn)入或離開(kāi)樣品的水平面）在很大程度上取決于棱鏡對(duì)光波的剪切。因此，剪切影響觀察到的結(jié)構(gòu)之間的任何高度差異，即圖像中的一個(gè)結(jié)構(gòu)是否看起來(lái)比另一個(gè)更高或更低。剪切通常表示為具有正向或負(fù)向的偏差（參見(jiàn)下文圖2） ，但偏差通常不與實(shí)際的高度差異相關(guān)。對(duì)于大多數(shù)光學(xué)顯微鏡，除了起偏器和檢偏器的交叉之外，還需要手動(dòng)調(diào)整 DIC 棱鏡。然而，用戶(hù)應(yīng)該具有高水平的經(jīng)驗(yàn)才能獲得可比較、一致的 DIC 結(jié)果。獲得具有非常好 DIC 對(duì)比度的圖像可能需要用戶(hù)花費(fèi)大量的時(shí)間和精力進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

自動(dòng)化和可重復(fù)的 DIC 成像的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于手動(dòng) DIC 操作，顯微鏡的照明和對(duì)比度設(shè)置必須始終由用戶(hù)直接進(jìn)行調(diào)整。圖像結(jié)果在很大程度上取決于用戶(hù)的經(jīng)驗(yàn)和技能水平。然而，通過(guò)提供自動(dòng)化 DIC 操作的顯微鏡，可以高效地實(shí)現(xiàn)用于質(zhì)量控制（QC）、失效分析和研發(fā)（R&D）的晶圓檢查工作流程。即使是經(jīng)驗(yàn)較少的用戶(hù)也可以輕松地進(jìn)行可重復(fù)的 DIC 成像，只需進(jìn)行最少的設(shè)置更改。只需按下按鈕，就可以選擇適當(dāng)?shù)睦忡R并調(diào)整其位置以實(shí)現(xiàn)所需的入射光波的剪切，此外，設(shè)置會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)并易于調(diào)用。當(dāng)使用 DIC 時(shí)，這一特性對(duì)于可靠的文檔記錄也是bi不可少的。

徠卡的可重復(fù) DIC 解決方案

使用 DM6 M 顯微鏡（參見(jiàn)圖3） ，可以快速可靠地檢查6英寸晶圓。由于以下特點(diǎn)，它提供了晶圓和半導(dǎo)體組件的自動(dòng)化和 可重復(fù)的 DIC 成像：

在工作區(qū)域節(jié)省空間方面還有額外的好處，因?yàn)?DM6 M 的占地面積比通常用于晶圓檢查的顯微鏡要小。

圖4展示了使用 DM6 M 顯微鏡和可重復(fù) DIC 技術(shù)拍攝的圖案化晶圓圖像。為了比較的目的，圖5也展示了同一晶圓在明場(chǎng)和暗場(chǎng)照明下記錄的圖像。

總結(jié)和結(jié)論

描述了一種帶有自動(dòng)化和可重復(fù)的微分干涉對(duì)比（DIC）技術(shù)的 6 英寸晶圓檢查顯微鏡，即帶有晶圓載物臺(tái)的 DM6 M。在半導(dǎo)體行業(yè)中，晶圓檢查用于質(zhì)量控制（QC）、失效分析和研發(fā)（R&D） ，通常需要使用各種對(duì)比方法的光學(xué)顯微鏡。DIC 技術(shù)能夠高效地可視化圖案化晶圓上結(jié)構(gòu)之間的微小高度差異。即使是經(jīng)驗(yàn)較少的用戶(hù)，使用自動(dòng)化和可重復(fù)的 DIC 也能在檢查期間高效地進(jìn)行 DIC 成像。

參考文獻(xiàn)：

1. D. Diez, J. DeRose，《超越明場(chǎng)》章節(jié)，《金相學(xué) - 簡(jiǎn)介：如何揭示金屬和合金的微觀結(jié)構(gòu)特征》，   Science Lab （2020 年）徠卡顯微系統(tǒng)。

2. J. DeRose, D.R. Barbero，《使用顯微鏡對(duì)比方法進(jìn)行快速半導(dǎo)體檢測(cè)：通過(guò)光學(xué)顯微鏡揭示關(guān)鍵細(xì)節(jié)，在電子行業(yè) 中高效可靠地進(jìn)行半導(dǎo)體質(zhì)量控制》，  Science Lab（2023 年）徠卡顯微系統(tǒng)。