【新品】第三代半導(dǎo)體檢測“新玩法——定量相位成像技術(shù)

  ICC訊 在集成電路制造領(lǐng)域，表面缺陷的檢測精度和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的制造精度直接關(guān)系到產(chǎn)品的良率與性能，因此缺陷檢測(defect inspection)和量測(metrology)成為Fab廠質(zhì)量管理的重要課題。在半導(dǎo)體前道制程(FEOL)中，常見的缺陷檢測技術(shù)包括光學(xué)法、電子束法、X射線法等技術(shù)。光學(xué)法成像速度快分辨率適中，電子束法分辨率好成像速度慢，X射線法分辨率一般速度一般，這也造成了如今的市場格局。

表1 FEOL檢測技術(shù)對比 圖1 我國衛(wèi)生醫(yī)療機(jī)構(gòu)中醫(yī)院診療量和數(shù)量占比

  集成電路生產(chǎn)主要采用第一代半導(dǎo)體材料，如硅、化合物半導(dǎo)體則主要是第二代半導(dǎo)體材料(砷化鎵等)、第三代半導(dǎo)體材料(碳化硅、氮化鎵等)以及近年來比較火熱的第四代半導(dǎo)體材料(氧化鎵等)。他們的本質(zhì)區(qū)別是禁帶寬度的大小，從而導(dǎo)致電學(xué)、導(dǎo)熱、光學(xué)等特性天壤之別。最近幾年新能源汽車SiC主驅(qū)、手機(jī)GaN快充、SiC光波導(dǎo)MicroLED等市場發(fā)展火熱，直接推動了SiC、GaN襯底和外延片的產(chǎn)能擴(kuò)張，也加速了產(chǎn)業(yè)的同質(zhì)化內(nèi)卷，第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界迫切需要低成本高質(zhì)量的良率管理方案。

表2全球半導(dǎo)體量檢測設(shè)備份額，來源：沙利文咨詢

  在第三代半導(dǎo)體材料檢測領(lǐng)域，明場、暗場、光致發(fā)光(PL)等技術(shù)各具特色，它們各有所長，也各有局限，適用于不同的檢測場景。目前，KLA-Tencor的Candela、Camtek的Eagle等國際知名企業(yè)的產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)占據(jù)重要地位，廣受青睞。然而，近年來國內(nèi)半導(dǎo)體檢測設(shè)備行業(yè)也迎來了蓬勃發(fā)展的春天，涌現(xiàn)出眾多優(yōu)秀的本土企業(yè)，為行業(yè)注入了新的活力。

  不過，2025年全球晶圓廠新增建廠數(shù)量有所減少，盡管AI、大模型、AR、無人駕駛、無人機(jī)等前沿科技概念仍在持續(xù)推動半導(dǎo)體市場的發(fā)展，但短期內(nèi)成熟制程產(chǎn)能過剩的局面依然存在。這使得國內(nèi)半導(dǎo)體檢測設(shè)備行業(yè)面臨著愈發(fā)激烈的同質(zhì)化競爭，甚至出現(xiàn)了價格戰(zhàn)，競爭程度愈發(fā)白熱化。

  從制造企業(yè)的角度來看，同質(zhì)化競爭在一定程度上有利于降低采購設(shè)備的單價，從而降低生產(chǎn)成本。然而，從檢測設(shè)備企業(yè)的角度來看，這種低價競爭模式猶如飲鴆止渴，最終會嚴(yán)重影響企業(yè)自身的運(yùn)營和發(fā)展，而這些成本壓力最終還是會轉(zhuǎn)嫁到用戶身上，形成惡性循環(huán)。

  我們不禁思考：是否有一種新技術(shù)，能夠打破傳統(tǒng)技術(shù)的局限，為設(shè)備用戶和制造商帶來雙贏的局面?這種技術(shù)需要在高分辨率、高速度的前提下，實(shí)現(xiàn)低成本的缺陷檢測，從而推動整個行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

  答案已然揭曉。濱松最新推出的定量相位成像光學(xué)模組C16999系列，憑借其創(chuàng)新的干涉顯微技術(shù)和模塊化設(shè)計，為高精度、高效率在線檢測提供了革命性的低成本解決方案。

什么是定量相位成像技術(shù)?

  光是一種電磁波，根據(jù)麥克斯韋電磁理論，它攜帶兩種重要信息：振幅(amplitude)和相位(phase)。振幅代表光的強(qiáng)度(intensity)，是我們?nèi)粘Ｉ钪心芸吹降墓獾拿靼党潭?而相位則描述光波的振動狀態(tài)和位置，它能反映物體的厚度和折射率變化。不過，人眼是無法直接感知相位信息的，只能感受到光的強(qiáng)弱和均勻性?；谌搜鄣倪@種感知方式，人們發(fā)明了光學(xué)顯微鏡和自動光學(xué)檢測設(shè)備。這些設(shè)備通過光學(xué)探測器(如CCD/CMOS相機(jī))將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再利用計算機(jī)自動判斷缺陷，這就是振幅成像技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是檢測結(jié)果直觀，與人眼判斷相近，但缺點(diǎn)是只能檢測材料表面的缺陷，對于較厚或透明材料的內(nèi)部缺陷則無能為力。

  以活細(xì)胞為例，未經(jīng)處理的活細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)不會吸收照明光，因此無法形成足夠的圖像對比度，普通光學(xué)顯微鏡很難直接觀察和成像。為了提高對比度，通常需要對細(xì)胞進(jìn)行染色，但這可能會改變細(xì)胞的活性，無法反映細(xì)胞的真實(shí)狀態(tài)。

  為了解決這一問題，定量相位成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這種技術(shù)可以直接觀察透明或半透明物體(如生物活細(xì)胞、SiC材料等)的三維形貌，并測量其折射率分布。通過這些信息，我們能夠清晰地看到透明物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，而無需對樣品進(jìn)行染色或其他破壞性處理。因此，定量相位成像技術(shù)是一種能夠深入觀察透明物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的先進(jìn)成像技術(shù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)振幅成像技術(shù)的不足。

表3 相位成像技術(shù)和振幅成像技術(shù)(這里指純振幅，不含偏振技術(shù))

  

  C16999核心優(yōu)勢：納米級分辨率，實(shí)時在線檢測

  C16999系列QPM光學(xué)模塊基于高速干涉顯微技術(shù)，垂直分辨率可達(dá)0.5納米及以下，能夠精準(zhǔn)捕捉半導(dǎo)體晶圓、化合物半導(dǎo)體材料表面和亞表面缺陷。無論是TEG晶圓邊緣的微觀形變，還是表面顆粒污染物，QPM模塊均能夠生成高對比度定量相位成像圖，并結(jié)合實(shí)時圖像處理算法，快速輸出缺陷的位置分布信息。

圖1 QPM模塊C16999

  技術(shù)亮點(diǎn)一：輕量化設(shè)計，使用簡單，低成本

  C16999采用緊湊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，重量僅約1500克，模塊附帶缺陷分析軟件，只需搭配合適的tube lens和相機(jī)即可實(shí)現(xiàn)缺陷檢測。這樣一來，C16999既可以支持化合物半導(dǎo)體制造企業(yè)，將C16999嵌入式集成于自動化產(chǎn)線中，也可以支持檢測設(shè)備企業(yè)將C16999結(jié)合載物臺實(shí)現(xiàn)設(shè)備開發(fā)。

  技術(shù)亮點(diǎn)二：0.5 nm 縱向分辨率，亞微米水平分辨率實(shí)現(xiàn) 3D 缺陷分析

  C16999的縱向分辨率達(dá)到0.5 nm甚至更低，用戶可根據(jù)檢測需求選擇不同放大倍數(shù)(×1.25至×20)，水平分辨率覆蓋0.7 μm至8.1 μm，視場范圍最大支持11.3×8.28 mm，可以實(shí)現(xiàn)快速3D輪廓掃描和缺陷檢測。

圖2 SiC外延片測試案例

圖3 TEG測試案例

  目前，C16999產(chǎn)品主要瞄準(zhǔn)GaN/SiC外延片、襯底;TEG wafer等領(lǐng)域的缺陷檢測，我們預(yù)計可以將化合物半導(dǎo)體缺陷檢測的成本控制在百萬元以內(nèi)。若您對C16999系列感興趣，或希望參與免費(fèi)樣品測試，請關(guān)注“濱松中國”公眾號，聊天框留言。