晶圓檢測顯微鏡：可靠觀察細微高度差異

本文介紹了一種配備自動化和可重復(fù)的 DIC（微分干涉對比）成像的 6 英寸晶圓檢測顯微鏡，無論用戶的技能水平如何。制造集成電路（IC）芯片和半導(dǎo)體組件需要進行晶圓檢測，以驗證是否存在影響性能的缺陷。這種檢測通常使用光學(xué)顯微鏡進行質(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)之間的細微高度差異，可以使用 DIC 。

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

什么是 DIC 以及為什么要使用它？

微分干涉對比（DIC） ，也被稱為諾馬斯基對比，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（參見圖1A）。起偏器和檢偏器的偏振面相互垂直（交叉于 90° )   。通過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)路徑長度，導(dǎo)致一束光與另一束光相比發(fā)生相移。經(jīng)過物鏡棱鏡和分析器的再次通過后，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 使得通常使用明場或暗場等其他類型的照明無法輕易觀察到的高度差異變得明顯可見。有關(guān) DIC 的更多信息，請參考參考文獻1和2。

下圖是一個使用微分干涉對比（DIC）與明場和暗場照明相比，增強樣品表面高度差異的示例（見圖1）。DIC 被用來拍攝一 個圖案化的晶圓樣品。在 DIC 下，特征之間的高度差異更加明顯可見。

使用 DIC 時的挑戰(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，但對許多用戶來說，使用起來可能相當復(fù)雜。正確調(diào)整 DIC 棱鏡對于實現(xiàn)最佳對比度和準確、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（進入或離開樣品的水平面）在很大程度上取決于棱鏡對光波的剪切。因此，剪切影響觀察到的結(jié)構(gòu)之間的任何高度差異，即圖像中的一個結(jié)構(gòu)是否看起來比另一個更高或更低。剪切通常表示為具有正向或負向的偏差（參見下文圖2） ，但偏差通常不與實際的高度差異相關(guān)。對于大多數(shù)光學(xué)顯微鏡，除了起偏器和檢偏器的交叉之外，還需要手動調(diào)整 DIC 棱鏡。然而，用戶應(yīng)該具有高水平的經(jīng)驗才能獲得可比較、一致的 DIC 結(jié)果。獲得具有非常好 DIC 對比度的圖像可能需要用戶花費大量的時間和精力進行手動調(diào)整。

自動化和可重復(fù)的 DIC 成像的優(yōu)勢

對于手動 DIC 操作，顯微鏡的照明和對比度設(shè)置必須始終由用戶直接進行調(diào)整。圖像結(jié)果在很大程度上取決于用戶的經(jīng)驗和技能水平。然而，通過提供自動化 DIC 操作的顯微鏡，可以高效地實現(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)驗較少的用戶也可以輕松地進行可重復(fù)的 DIC 成像，只需進行最少的設(shè)置更改。只需按下按鈕，就可以選擇適當?shù)睦忡R并調(diào)整其位置以實現(xiàn)所需的入射光波的剪切，此外，設(shè)置會自動存儲并易于調(diào)用。當使用 DIC 時，這一特性對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（參見圖3） ，可以快速可靠地檢查6英寸晶圓。由于以下特點，它提供了晶圓和半導(dǎo)體組件的自動化和 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，因為 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和暗場照明下記錄的圖像。

總結(jié)和結(jié)論

描述了一種帶有自動化和可重復(fù)的微分干涉對比（DIC）技術(shù)的 6 英寸晶圓檢查顯微鏡，即帶有晶圓載物臺的 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)驗較少的用戶，使用自動化和可重復(fù)的 DIC 也能在檢查期間高效地進行 DIC 成像。

參考文獻：

1. D. Diez, J. DeRose，《超越明場》章節(jié)，《金相學(xué) - 簡介：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，《使用顯微鏡對比方法進行快速半導(dǎo)體檢測：通過光學(xué)顯微鏡揭示關(guān)鍵細節(jié)，在電子行業(yè) 中高效可靠地進行半導(dǎo)體質(zhì)量控制》，  Science Lab（2023 年）徠卡顯微系統(tǒng)。