半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)不斷的進(jìn)步，芯片制成工藝越來越精細(xì)化，同時必然會導(dǎo)致保持良品率的挑戰(zhàn)難度越來越高，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)，存儲等環(huán)節(jié)不當(dāng)操作造成的污染。

因此帶來了無圖型晶圓)檢測應(yīng)用的兩個需求要點(diǎn)：

第一是最小靈敏度，即設(shè)備能夠檢測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，即單位時間能夠完成的晶圓檢測量，最好是能做到制程前每片一檢。

對于此類無圖型晶圓檢測應(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。

圖一.激光散射法做無圖型晶圓檢測

如圖一.激光光束經(jīng)過聚焦鏡以一定的傾斜角照射到晶圓表面，大部分激光會發(fā)生鏡面反射然后被人工放置的激光吸收器(damper）吸收，小部分會被晶圓表面吸收，極小部分會向各個方向散射。我們在垂直的方向放置一個探測器檢測散射光的強(qiáng)度，通過晶圓的高速旋轉(zhuǎn)疊加徑掃描實(shí)現(xiàn)對于晶圓上所有點(diǎn)的檢測。正常狀態(tài)下探測器檢測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，由于瑕疵點(diǎn)的微區(qū)散射率會小幅度直至大幅度的增加，探測器輸出的信號強(qiáng)度也會等比的變化，以此我們實(shí)現(xiàn)了晶圓上瑕疵點(diǎn)的掃描檢測。

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)過程中造成的細(xì)微劃痕；

3）晶格缺陷（Crystal Defects）：如晶格位錯、層錯等微觀結(jié)構(gòu)異常；

4）表面凹坑與凸起（Pits & Bumps）：包括納米級凹坑、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) 激光波長越短，可實(shí)現(xiàn)缺陷檢測的最小尺度越精細(xì)，所以對于高*高精細(xì)度的半導(dǎo)體制程，默認(rèn)是采用266nm甚至更短波長的激光器以保證檢測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激光對于硅片的穿透深度1-10nm); 所以DUV激光比較適合于檢測晶圓表面缺陷。

2) 激光波長越則對于晶片的穿透性越好，比如對于硅片而言，532nm激光的穿透深度約1-5um；而1064nm近紅外激光可穿透硅片。所以相對而言，可見光激光適合于同時檢測到淺表層的內(nèi)部缺陷，而紅外激光適合于同時檢測到晶圓內(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(20-100nm);其發(fā)生的散射時米散射，散射強(qiáng)度會增大到0.5%-3%,由此可見，當(dāng)無圖型晶圓檢測掃描到納米尺度缺陷點(diǎn)時，設(shè)備會檢測到一個信號的突變，以此來定位缺陷點(diǎn)位置。當(dāng)缺陷尺度達(dá)到微米量級（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%；一個設(shè)計(jì)良好的數(shù)據(jù)處理軟件可以通過數(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圖型晶圓檢測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)體晶圓檢測設(shè)備了，彼時一般采用的是氦氖（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，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激光輸出，能耗為千瓦級。氣體激光器工作穩(wěn)定，價格便宜。但同時也存在一些問題，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，7天24小時工業(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1萬小時，哪怕7天24小時工業(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，

接駁一級倍頻晶體，則獲得532nm二倍頻輸出

接駁一級倍頻晶體加一級和頻晶體，則獲得355nm三倍頻輸出

接駁兩級級聯(lián)的倍頻晶體，則獲得266nm四倍頻輸出

接駁一級倍頻晶體加一級三倍頻晶體，則獲得213nm五倍頻輸出

對于全固態(tài)激光器，266nm甚至213nm的深紫外輸出實(shí)驗(yàn)室以做到瓦級，商品化設(shè)備以百毫瓦級別為推薦。對于無圖型晶圓檢測應(yīng)用的激光選型上，三個小貼士：

1) 激光波長越短，則可測缺陷最小尺度越小，213nm/193nm在波長上相對有優(yōu)勢

2) 激光輸出波長越短，激光系統(tǒng)價格越貴，激光輸出功率越低，特別是考慮到價格成本上，266nm的數(shù)百毫瓦的全固態(tài)激光被認(rèn)為是一個性價比較高的選擇。

3) 對于深紫外激光器哪怕是百毫瓦量級的輸出，對于最后一級紫外晶體而言，也是一個比較沉重的負(fù)擔(dān)，通常而言大致幾百到一千小時的連續(xù)工作就會產(chǎn)生明顯的衰減，所以較高*的深紫外全固態(tài)激光器會在最后一級非線性晶體上設(shè)計(jì)電動切換裝置，在一個工作點(diǎn)即將到壽命時切換到下一個工作點(diǎn)，以此保證上萬工作小時的壽命。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Crylas公司 FQCW266nm深紫外全固態(tài)激光器

2. 德國Xiton公司Impress 213nm深紫外全固態(tài)激光器

3. 德國Xiton公司Ixion 193nm深紫外全固態(tài)激光器

注：此193nm全固態(tài)激光器波長短，輸出功率較低，做晶圓檢測相對勉強(qiáng)，在半導(dǎo)體制程行業(yè)更適合于做架構(gòu)掩膜缺陷檢測儀，深紫外超高精度光譜校準(zhǔn)等工作。

激光量測設(shè)備對晶圓檢測設(shè)備的輔助作用。

1. 法國Physics 公司波前分析儀

可用于優(yōu)化與校準(zhǔn)無圖形晶圓缺陷檢測儀的光學(xué)系統(tǒng)（比如檢測深紫外顯微物鏡以及深紫外光路系統(tǒng)），也可用于檢測與優(yōu)化深紫外激光照明指向不穩(wěn)定度等應(yīng)用

法國Physics公司SiD4-UV-HR波前探測器

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：即時監(jiān)控激光功率自身的波動并給出反饋信號。我們知道，半導(dǎo)體晶圓檢測設(shè)備傾向選用噪聲低的激光器作為光源，其實(shí)還有另外一個方式實(shí)時歸一化掉激光器自身的噪音。方法很簡單，用一個經(jīng)過校準(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。經(jīng)過適當(dāng)?shù)能浖幚?，每個時刻的激光功率波動都可以被歸一化掉，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測試范圍

激光功率探頭2（實(shí)時反饋用）：PD300R-UV 激光功率探頭，200-1100nm, 20pW-300mW測試范圍

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