半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)不斷的進(jìn)步，芯片制成工藝越來(lái)越精細(xì)化，同時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致保持良品率的挑戰(zhàn)難度越來(lái)越高，而一塊潔凈，均一，完*的晶圓（wafer）是后續(xù)所有工藝有效實(shí)施的前提。為了保證質(zhì)量，*理想的狀態(tài)是晶圓出廠前每片一檢并分類保證其出廠品質(zhì)；而在進(jìn)行精細(xì)制程前也每片一檢并分類，用于進(jìn)一步規(guī)避晶圓轉(zhuǎn)運(yùn)，存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)不當(dāng)操作造成的污染。
因此帶來(lái)了無(wú)圖型晶圓)檢測(cè)應(yīng)用的兩個(gè)需求要點(diǎn)：
第一是最小靈敏度，即設(shè)備能夠檢測(cè)到晶圓表面缺陷的最小尺度，最好成做到與芯片制程有可比性的小尺度。
第二是吞吐量，即單位時(shí)間能夠完成的晶圓檢測(cè)量，最好是能做到制程前每片一檢。
對(duì)于此類無(wú)圖型晶圓檢測(cè)應(yīng)用，基于光學(xué)的激光散射法比起電子束法和x射線法在吞吐量上具備碾壓性的優(yōu)勢(shì)。
圖一.激光散射法做無(wú)圖型晶圓檢測(cè)
如圖一.激光光束經(jīng)過(guò)聚焦鏡以一定的傾斜角照射到晶圓表面，大部分激光會(huì)發(fā)生鏡面反射然后被人工放置的激光吸收器(damper）吸收，小部分會(huì)被晶圓表面吸收，極小部分會(huì)向各個(gè)方向散射。我們?cè)诖怪钡姆较蚍胖靡粋€(gè)探測(cè)器檢測(cè)散射光的強(qiáng)度，通過(guò)晶圓的高速旋轉(zhuǎn)疊加徑掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)于晶圓上所有點(diǎn)的檢測(cè)。正常狀態(tài)下探測(cè)器檢測(cè)到的是微弱的散射本底，向而當(dāng)激光光束掃描照射到晶圓上的瑕疵時(shí)，由于瑕疵點(diǎn)的微區(qū)散射率會(huì)小幅度直至大幅度的增加，探測(cè)器輸出的信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)等比的變化，以此我們實(shí)現(xiàn)了晶圓上瑕疵點(diǎn)的掃描檢測(cè)。
這些可以導(dǎo)致微區(qū)散射率變化的瑕疵包括：
1）顆粒污染（Particle）：如微小塵埃、金屬顆粒、有機(jī)殘留；
2）劃痕與機(jī)械損傷（Scratches）：比如由拋光或搬運(yùn)過(guò)程中造成的細(xì)微劃痕；
3）晶格缺陷（Crystal Defects）：如晶格位錯(cuò)、層錯(cuò)等微觀結(jié)構(gòu)異常；
4）表面凹坑與凸起（Pits & Bumps）：包括納米級(jí)凹坑、凸起、表面粗糙度異常
5）殘留膜或堆積物（Residue Deposits）：一些在制程工藝中未完*去除的沉積物。
大致有這樣一些實(shí)驗(yàn)規(guī)律：
1) 激光波長(zhǎng)越短，可實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)的最小尺度越精細(xì)，所以對(duì)于高*高精細(xì)度的半導(dǎo)體制程，默認(rèn)是采用266nm甚至更短波長(zhǎng)的激光器以保證檢測(cè)到盡可能更小尺度的瑕疵（大致可做到約20-30nm的最小靈敏度），另外深紫外DUV激光的穿透深度很淺（如266nm激光對(duì)于硅片的穿透深度1-10nm); 所以DUV激光比較適合于檢測(cè)晶圓表面缺陷。
2) 激光波長(zhǎng)越則對(duì)于晶片的穿透性越好，比如對(duì)于硅片而言，532nm激光的穿透深度約1-5um；而1064nm近紅外激光可穿透硅片。所以相對(duì)而言，可見(jiàn)光激光適合于同時(shí)檢測(cè)到淺表層的內(nèi)部缺陷，而紅外激光適合于同時(shí)檢測(cè)到晶圓內(nèi)部缺陷。
3) 以266nm激光為例，照射到晶片完好面發(fā)生的是鏡面反射，其伴生的散射是瑞利散射，散射強(qiáng)度大致僅為激光功率的0.1%；而掃描到納米尺度的微小缺陷點(diǎn)時(shí)(20-100nm);其發(fā)生的散射時(shí)米散射，散射強(qiáng)度會(huì)增大到0.5%-3%,由此可見(jiàn)，當(dāng)無(wú)圖型晶圓檢測(cè)掃描到納米尺度缺陷點(diǎn)時(shí)，設(shè)備會(huì)檢測(cè)到一個(gè)信號(hào)的突變，以此來(lái)定位缺陷點(diǎn)位置。當(dāng)缺陷尺度達(dá)到微米量級(jí)（比如劃痕等機(jī)械損傷）其散射是幾何散射（或稱邊沿散射），其散射強(qiáng)度甚至可達(dá)3%-10%；一個(gè)設(shè)計(jì)良好的數(shù)據(jù)處理軟件可以通過(guò)數(shù)據(jù)建模辨別哪里有缺陷，有什么大小的缺陷和那種形式的缺陷。
結(jié)合以上的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，我們大致介紹一下做無(wú)圖型晶圓檢測(cè)所需激光器的選型以及歷史沿革。
在大致1980年前后，就已經(jīng)有基于激光激發(fā)的半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)設(shè)備了，彼時(shí)一般采用的是氦氖（HeNe-632.8nm),氦鎘（HeCd-325nm/442nm)，氬離子（Arion488nm/514nm）激光器，激光功率是mW到幾十mW量級(jí)，能耗從幾十瓦到上百瓦不等；少數(shù)水冷氬離子激光器有瓦量級(jí)激光輸出，能耗為千瓦級(jí)。氣體激光器工作穩(wěn)定，價(jià)格便宜。但同時(shí)也存在一些問(wèn)題，比如：
-激光轉(zhuǎn)化效率很低，導(dǎo)致體積較大，能耗較高
-激光管壽命一般在幾千小時(shí)，7天24小時(shí)工業(yè)應(yīng)用下需要頻繁更換激光管
-很難做到紫外波段，輸出功率較低
基本在1990年后，上述氣體激光器就已經(jīng)逐漸被新涌現(xiàn)的半導(dǎo)體泵浦的全固態(tài)激光器（DPSSL-Diode Pumped Solid State Laser)所取代（如果一些老設(shè)備的氬離子Ar,氦鎘HeCd激光器的換管或更新業(yè)務(wù)，您可咨詢聯(lián)系先鋒科技公司）
繼續(xù)講，半導(dǎo)體泵浦的全固態(tài)激光器除了成本高導(dǎo)致價(jià)格較高之外，其余全部是優(yōu)點(diǎn)
-能量轉(zhuǎn)化效率高，導(dǎo)致體積小，能耗低
-激光器壽命通常超過(guò)1萬(wàn)小時(shí)，哪怕7天24小時(shí)工業(yè)應(yīng)用也很少需要維護(hù)
-基頻輸出功率很容易做到百瓦以上，從而有實(shí)力級(jí)聯(lián)接駁倍頻晶體以及和頻晶體，達(dá)成較高功率的紫外乃至深紫外激光輸出，比如基于1064nm基頻輸出的DPSS激光器，
接駁一級(jí)倍頻晶體，則獲得532nm二倍頻輸出
接駁一級(jí)倍頻晶體加一級(jí)和頻晶體，則獲得355nm三倍頻輸出
接駁兩級(jí)級(jí)聯(lián)的倍頻晶體，則獲得266nm四倍頻輸出
接駁一級(jí)倍頻晶體加一級(jí)三倍頻晶體，則獲得213nm五倍頻輸出
對(duì)于全固態(tài)激光器，266nm甚至213nm的深紫外輸出實(shí)驗(yàn)室以做到瓦級(jí)，商品化設(shè)備以百毫瓦級(jí)別為推薦。對(duì)于無(wú)圖型晶圓檢測(cè)應(yīng)用的激光選型上，三個(gè)小貼士：
1) 激光波長(zhǎng)越短，則可測(cè)缺陷最小尺度越小，213nm/193nm在波長(zhǎng)上相對(duì)有優(yōu)勢(shì)
2) 激光輸出波長(zhǎng)越短，激光系統(tǒng)價(jià)格越貴，激光輸出功率越低，特別是考慮到價(jià)格成本上，266nm的數(shù)百毫瓦的全固態(tài)激光被認(rèn)為是一個(gè)性價(jià)比較高的選擇。
3) 對(duì)于深紫外激光器哪怕是百毫瓦量級(jí)的輸出，對(duì)于最后一級(jí)紫外晶體而言，也是一個(gè)比較沉重的負(fù)擔(dān)，通常而言大致幾百到一千小時(shí)的連續(xù)工作就會(huì)產(chǎn)生明顯的衰減，所以較高*的深紫外全固態(tài)激光器會(huì)在最后一級(jí)非線性晶體上設(shè)計(jì)電動(dòng)切換裝置，在一個(gè)工作點(diǎn)即將到壽命時(shí)切換到下一個(gè)工作點(diǎn)，以此保證上萬(wàn)工作小時(shí)的壽命。后續(xù)提及的三款266/213/193nm全固態(tài)激光器均由此配置。
一. 推薦激光器：
1. 德國(guó)Crylas公司 FQCW266nm深紫外全固態(tài)激光器
2. 德國(guó)Xiton公司Impress 213nm深紫外全固態(tài)激光器
3. 德國(guó)Xiton公司Ixion 193nm深紫外全固態(tài)激光器
注：此193nm全固態(tài)激光器波長(zhǎng)短，輸出功率較低，做晶圓檢測(cè)相對(duì)勉強(qiáng)，在半導(dǎo)體制程行業(yè)更適合于做架構(gòu)掩膜缺陷檢測(cè)儀，深紫外超高精度光譜校準(zhǔn)等工作。
激光量測(cè)設(shè)備對(duì)晶圓檢測(cè)設(shè)備的輔助作用。
1. 法國(guó)Physics 公司波前分析儀
可用于優(yōu)化與校準(zhǔn)無(wú)圖形晶圓缺陷檢測(cè)儀的光學(xué)系統(tǒng)（比如檢測(cè)深紫外顯微物鏡以及深紫外光路系統(tǒng)），也可用于檢測(cè)與優(yōu)化深紫外激光照明指向不穩(wěn)定度等應(yīng)用
法國(guó)Physics公司SiD4-UV-HR波前探測(cè)器
SiD4-UV-HR | |
波長(zhǎng)范圍 | 190-400 nm |
有效面積 | 13.3×13.3 mm2 |
空間分辨率 | 26μm |
相位/強(qiáng)度采樣數(shù) | 512×512 |
相位分辨率 | <2 nm RMS |
絕對(duì)準(zhǔn)確度 | 20 nm RMS |
幀速率 | 15 fps |
2. 以色列Ophir公司激光功率能量計(jì)：
激光功率計(jì)是半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)設(shè)備激光器子部分的系統(tǒng)裝調(diào)與維護(hù)的常用設(shè)備，除此之外還有一些妙用：即時(shí)監(jiān)控激光功率自身的波動(dòng)并給出反饋信號(hào)。我們知道，半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)設(shè)備傾向選用噪聲低的激光器作為光源，其實(shí)還有另外一個(gè)方式實(shí)時(shí)歸一化掉激光器自身的噪音。方法很簡(jiǎn)單，用一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的紫外激光分束器，采樣4%-5%的激光功率到激光功率探頭上，剩余的94%-95%激光功率用于晶圓檢測(cè)。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)能浖幚恚總€(gè)時(shí)刻的激光功率波動(dòng)都可以被歸一化掉，以此降低整套系統(tǒng)的噪聲水平，提升信噪比。
推薦配置：
激光功率表頭： VEGA多功能激光功率能量計(jì)表頭，USB2.0接口
激光功率探頭1（激光維護(hù)裝調(diào)用）：3A 激光功率探頭，0.19-20um, 10uW-3W測(cè)試范圍
激光功率探頭2（實(shí)時(shí)反饋用）：PD300R-UV 激光功率探頭，200-1100nm, 20pW-300mW測(cè)試范圍
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