【新品】第三代半導(dǎo)體檢測(cè)“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(cè)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(cè)(defect inspection)和量測(cè)(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(jiàn)的缺陷檢測(cè)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(chǎng)格局。

表1 FEOL檢測(cè)技術(shù)對(duì)比 圖1 我國(guó)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(lái)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(chǎng)發(fā)展火熱，直接推動(dòng)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(cè)設(shè)備份額，來(lái)源：沙利文咨詢

  在第三代半導(dǎo)體材料檢測(cè)領(lǐng)域，明場(chǎng)、暗場(chǎng)、光致發(fā)光(PL)等技術(shù)各具特色，它們各有所長(zhǎng)，也各有局限，適用于不同的檢測(cè)場(chǎng)景。目前，KLA-Tencor的Candela、Camtek的Eagle等國(guó)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(lái)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備行業(yè)也迎來(lái)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(guò)，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(wú)人駕駛、無(wú)人機(jī)等前沿科技概念仍在持續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)體市場(chǎng)的發(fā)展，但短期內(nèi)成熟制程產(chǎn)能過(guò)剩的局面依然存在。這使得國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備行業(yè)面臨著愈發(fā)激烈的同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)，甚至出現(xiàn)了價(jià)格戰(zhàn)，競(jìng)爭(zhēng)程度愈發(fā)白熱化。

  從制造企業(yè)的角度來(lái)看，同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)在一定程度上有利于降低采購(gòu)設(shè)備的單價(jià)，從而降低生產(chǎn)成本。然而，從檢測(cè)設(shè)備企業(yè)的角度來(lái)看，這種低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)模式猶如飲鴆止渴，最終會(huì)嚴(yán)重影響企業(yè)自身的運(yùn)營(yíng)和發(fā)展，而這些成本壓力最終還是會(huì)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(lái)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(cè)，從而推動(dòng)整個(gè)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(jì)，為高精度、高效率在線檢測(cè)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(dòng)狀態(tài)和位置，它能反映物體的厚度和折射率變化。不過(guò)，人眼是無(wú)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(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備。這些設(shè)備通過(guò)光學(xué)探測(cè)器(如CCD/CMOS相機(jī))將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷缺陷，這就是振幅成像技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)結(jié)果直觀，與人眼判斷相近，但缺點(diǎn)是只能檢測(cè)材料表面的缺陷，對(duì)于較厚或透明材料的內(nèi)部缺陷則無(wú)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(huì)吸收照明光，因此無(wú)法形成足夠的圖像對(duì)比度，普通光學(xué)顯微鏡很難直接觀察和成像。為了提高對(duì)比度，通常需要對(duì)細(xì)胞進(jìn)行染色，但這可能會(huì)改變細(xì)胞的活性，無(wú)法反映細(xì)胞的真實(shí)狀態(tài)。

  為了解決這一問(wèn)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(cè)量其折射率分布。通過(guò)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(wú)需對(duì)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(shì)：納米級(jí)分辨率，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)

  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(wú)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(duì)比度定量相位成像圖，并結(jié)合實(shí)時(shí)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(jì)，使用簡(jiǎn)單，低成本

  C16999采用緊湊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重量?jī)H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(cè)。這樣一來(lái)，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(dòng)化產(chǎn)線中，也可以支持檢測(cè)設(shè)備企業(yè)將C16999結(jié)合載物臺(tái)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(cè)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(chǎng)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(cè)。

圖2 SiC外延片測(cè)試案例

圖3 TEG測(cè)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(cè)，我們預(yù)計(jì)可以將化合物半導(dǎo)體缺陷檢測(cè)的成本控制在百萬(wàn)元以內(nèi)。若您對(duì)C16999系列感興趣，或希望參與免費(fèi)樣品測(cè)試，請(qǐng)關(guān)注“濱松中國(guó)”公眾號(hào)，聊天框留言。