晶圆检测显微镜在半导体制程中的关键作用：缺陷检测与质量控制

作为集成电路的物理载体与实现形态，逐渐突破摩尔定律的半导体制程工艺正在推动整个芯片行业进行快速的发展。面对6G、智能驾驶、AI智算等新兴领域的迫切需求和半导体工艺向着更小制程节点2nm发展的背景下，晶圆检测设备已不再是辅助环节，而是决定先进制程能否落地，芯片能否满足行业需求的核心基础设施。如何能在高效测试的同时，保证晶圆检测的精度，确保晶圆从原材料到成品的高质量输出，将是国内检测设备厂商实现从跟跑到并跑的关键核心。

半导体芯片制作工艺介绍

半导体芯片制造是高度精密的工艺，始于高纯硅晶圆的制备。其后通过氧化和化学气相沉积形成薄膜层，并进入核心的光刻环节：涂覆光刻胶后，利用掩模版经紫外光曝光将电路图形转印至光刻胶，显影后完成图形化。再经过刻蚀去除未保护区域的薄膜，实现图形向晶圆的转移，并通过离子注入形成源极、漏极等掺杂区。

半导体芯片制备工艺流程图

以上流程循环数十次，构建出多层三维结构。随后进行互连工艺，沉积金属并刻蚀导线，以连接数以亿计的晶体管。最终经测试、切割和封装，形成完整的芯片产品。

图案化晶圆的缺陷分析

半导体制造是一个高度复杂的过程，涉及多个阶段，每个阶段都需要严格的质量控制，以确保器件无缺陷。从晶圆制造到晶圆级封装，即使是微小的缺陷也会导致显著的良率损失和可靠性问题。

1、划痕及表面冗余物缺陷

在晶圆制造的生产过程中，难免由于环境原因或是操作不当导致如表面冗余物或机械划痕缺陷等。

表面冗余物通常为几十纳米的细微颗粒，在工序中因引入或空气纯净度未达标导致冗余物黏附在晶圆上造成。由于此类颗粒污染也会影响后续芯片的整体特性。机械划痕缺陷主要是在抛光或者切片过程中造成，特别是化学机械研磨（CMP）阶段，缺陷会导致电路连通性受损，造成短路或开路。

划痕和冗余物在明场对比中通常不能很好的观察到，在暗场中可利用边缘的散射光在背景上提供明亮的痕迹。

划痕和污染物在明场（左）和暗场（右）下的观察

2、光学邻近效应OPE

在光刻（Photolithography）工艺中，由于光的衍射和干涉等物理现象，会出现印刷在晶圆上的图形与掩模版（光罩）上的设计图形之间存在差异的现象，也叫光学邻近效应（OPE）。

这种差异会导致多种图形畸变，如线宽比更窄、拐角圆滑化、间距偏差以及线端缩短，最终影响制成的芯片性能。此类现象通常需要通过光学邻近校正（OPC）。

暗场照明是检测OPE相关缺陷最常用的技术。

（左）典型的光学邻近效应图形（右）通过光学邻近校正后的图形

3、边缘凹陷/鼠咬缺陷

在光刻和蚀刻（Etching）过程中，由于工艺问题如掩模版缺陷、光刻胶涂布不均匀、曝光参数异常或刻蚀速率不均等，导致在金属线或图形的边缘或拐角处出现不规则的、类似被老鼠啃咬过的凹陷或缺口的现象，叫做边缘凹陷或鼠咬缺陷（Mouse Bite）。

这类缺陷会改变导线的宽度和横截面积，影响电路性能，在极端情况下，严重的边缘凹陷还可能导致导线断开，造成电路失效。

大多数此类缺陷都可以在明场对比下直接检测出。

微齿轮和波导天线明场图

4、光刻胶残留和浮渣缺陷

光刻胶残留和浮渣缺陷是主要出现在图形化蚀刻工艺和光刻胶去除工艺后。具体来说，在完成离子注入后，光刻胶作为阻挡层，其本身可能被高强度离子冲击并变性，导致难以去除。在光刻胶去胶工艺中，通常未能完全、均匀地将所有光刻胶及其反应副产物去除干净，从而出现残留。

这些残留物并非均匀分布，通常存在于高密度线条的侧壁、深槽的边缘、图形密集或孤立的区域以及先前已有缺陷的薄膜表面上，大多以团状、颗粒状、丝状残留物，或是以一层非常薄、几乎看不见的残留光刻胶薄膜呈现。

此类缺陷的检测，利用荧光的观察方式可以使残留物“发光”，以便于检查。

光刻胶荧光检测图像

Miracle Inspection晶圆检测显微镜

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Miracle Inspection晶圆检测显微镜整合ICCS光学，提供明场、暗场、DIC、偏光以及荧光等多种观察方式，使您能够以最佳的对比度和分辨率检测晶圆和器件。设备可完成自动对焦、景深融合、大图拼接和激光缺陷标记功能，为半导体、面板显示及光伏等工业制造领域提供多维度自动检测方案。

主要应用场景

晶圆制造阶段：监控硅片的材料质量和制备工艺。

光刻与刻蚀工序：检测图形化晶圆的对准精度和缺陷。

镀膜与蚀刻阶段：确认膜层的厚度均匀性和表面光滑度。

最终检测：作为晶圆出厂前的质量把关。

晶圆检测设备的重要性

提高良率：快速发现制造中的问题，减少废品率。

保障性能：确保芯片的电性能和物理特性达到设计要求。

降低成本：通过早期检测减少后续工序的浪费和返工成本。

半导体制造是一个高度复杂的过程，从晶圆制造到封装，即使是微小的缺陷也会导致显著的良率损失和可靠性的问题。Miracle Inspection晶圆检测显微镜作为高精度、多模式的检测设备，在明场、暗场、DIC、偏光及荧光等多种成像模式下，能够有效识别各类缺陷，为半导体制造全流程的质量管控提供支撑，推动半导体产业向更高精度、更高可靠性方向发展。