Darkfield与Brightfield 原理是什么？

在半导体制造领域，芯片的质量与性能直接决定了电子产品的优劣，而先进的检测设备则是确保芯片质量的关键。其中，Darkfield（暗场）和Brightfield（明场）检测设备作为半导**测的重要工具，在生产流程中发挥着不可或缺的作用。

它们能够精准地捕捉芯片表面和内部的细微缺陷，为提高芯片良率和生产效率提供了有力支撑。

一、Darkfield设备

（一）原理

暗场检测主要基于光的散射原理，通过收集散射光来检测芯片缺陷。当一束光以特定角度照射到晶圆表面时，如果遇到芯片纳米级图案中的倾斜或粗糙表面特征，光线的传播轨迹就会发生改变，产生散射光。暗场检测系统巧妙地收集这些散射光，从而生成3D结构边缘在黑暗背景下的图像 。

传统暗场结构依赖照明斑点和光电倍增管（PMT）传感器，而现代暗场检测系统的数据处理能力有了质的飞跃，每秒可处理超过1亿像素的数据，理论上限更是高达3亿像素/秒。

（二）设备结构

1. 照明系统：为检测提供以一定角度照射到晶圆表面的光源，常见的照明方式有正常照明和斜角照明。

当采用斜角照明时，通常会使用一个遮光罩，如黑色圆锥，来阻挡直接反射光，确保只有散射光能够被后续系统收集，从而提高检测的准确性。

2. 散射光收集系统：负责收集晶圆表面产生的散射光，并将其引导至探测器。该系统的设计需要考虑散射光的传播路径和收集效率，以确保能够全面、准确地收集到散射光信号。

3. 探测器：常用的探测器如光电倍增管（PMT）传感器，其作用是将收集到的散射光信号转换成电信号。探测器的性能直接影响到检测的灵敏度和精度，因此需要具备高灵敏度、快速响应等特性。

4. 数据处理与分析系统：对探测器传来的电信号进行复杂的处理和分析。通过先进的算法和技术，识别出散射光中所包含的关于晶圆表面缺陷的信息，并生成详细的检测结果报告，为后续的生产决策提供依据。

（三）检测缺陷类型

1. 微小颗粒检测：暗场检测设备能够有效检测出晶圆表面附着的微小颗粒，这些颗粒可能来自生产环境中的尘埃、原材料中的杂质等。即使是尺寸在20nm或更大的微小颗粒，也难以逃过暗场检测设备的“眼睛”。

2. 微划痕检测：在晶圆加工过程中，化学机械抛光（CMP）步骤中的颗粒或不平整表面可能会导致微划痕的产生。

暗场检测设备可以敏锐地发现这些微划痕，因为它们可能会对芯片的性能和可靠性产生潜在影响。

3. 空洞检测：在氮化硅剥离后，暗场检测设备能够探测薄层上的空洞。例如，Puma平台已成功探测到直径大于50纳米的空洞，这对于确保芯片的结构完整性至关重要。

4. 遗漏或部分刻蚀的接触孔检测：对于在90纳米至70纳米设计规则下的遗漏或部分刻蚀的接触孔，暗场检测设备也能准确探测。这些缺陷会影响芯片内部的电路连接，进而影响芯片的功能，因此及时检测至关重要。

（四）应用场景

1. 大规模集成电路制造：大规模集成电路对芯片良率要求极高，暗场检测设备的高检测速度和对特定缺陷的高灵敏度，使其能够在短时间内对大量晶圆进行检测，及时发现问题并采取措施改进，从而提高芯片的生产效率和良率。在晶圆制造的多个工序之后，都会使用暗场检测设备对晶圆进行检测，确保进入下一道工序的晶圆质量合格。

2. 先进封装工艺：在先进封装领域，如倒装芯片、扇出型封装等，芯片的连接和结构更加复杂，对缺陷的容忍度更低。暗场检测设备可以检测封装过程中的各种缺陷，如焊点缺陷、封装材料中的空洞等，保障封装后的芯片性能稳定可靠。

（五）优点

1. 高检测速度：现代暗场检测系统每秒可处理超过1亿像素的数据，能够实现非常高的检测速度，满足大规模生产中的快速检测需求，大大提高了生产效率。

2. 对特定缺陷灵敏度高：对于20nm或更大的缺陷具有较高的检测灵敏度，能够准确地检测出这些缺陷，为芯片制造过程中的质量控制提供了有力保障。

（六）缺点

1. 电子电路开发困难：暗场环境中晶圆结构的散射会导致相邻像素之间光子数量的巨大差异，使得开发支持高动态范围（大于12位）和单输出数字系统的电子电路变得困难。这不仅增加了设备研发的难度和成本，也限制了设备性能的进一步提升。

2. 光斑尺寸与功率密度问题：为了提高检测灵敏度而缩小光斑尺寸会增加功率密度，进而增大先进晶圆材料受损的风险。此外，光斑扫描结构无法按比例缩小分辨率并保持光的傅里叶滤波性能，这对于先进SRAM和DRAM阵列来说尤为重要，因为傅里叶滤波可以使激光器光斑扫描系统的灵敏度提升约10倍。

3. 无法检测更小尺寸缺陷：对于小于20nm的缺陷，暗场检测设备的检测能力相对有限，难以满足日益先进的半导体制造工艺对更小尺寸缺陷检测的需求。

（七）价格范围

暗场检测设备由于其复杂的技术和高端的配置，价格通常较为昂贵。一般来说，其价格范围在数百万到上千万元人民币不等。具体价格取决于设备的性能、检测精度、自动化程度以及品牌等因素。例如，一些具备超高检测速度和精度的高端暗场检测设备，价格可能会超过千万元；而一些相对基础配置的暗场检测设备，价格也可能在数百万元左右。

二、Brightfield设备

（一）原理

明场检测主要收集反射光，其原理是光源与晶圆表面垂直照射。

光从表面反射回来，形成一个“明亮”的图像，真实地显示了晶圆上的图案化特征，就像镜子清晰准确地反射人的面部一样。亮场检测入射光源垂直发射入射光至待检测薄膜表面，探测器垂直放置，并同时接收反射光和杂散光。由于探测器总能接收到反射光，视场中一片明亮，只有缺陷处的散射光无法到达探测器，即没有缺陷的地方一片明亮，缺陷处由于散射呈现黑暗，这种工作模式被称为亮场检测。亮场检测使用差分干涉技术从反射信号中分辨出散射信号，对于较大的扁平缺陷具有很高的灵敏度。在使用激光作为光源时，还可以对入射光的极性做调制，提高探测的信噪比。

（二）设备结构

1. 垂直照明光源：提供垂直照射到晶圆表面的光线，确保光线能够均匀地覆盖整个晶圆检测区域，以获取清晰的反射光图像。光源的稳定性和均匀性对检测结果的准确性至关重要。

2. 探测器：垂直放置在晶圆上方，用于接收从晶圆表面反射回来的光线，包括反射光和杂散光。探测器将接收到的光信号转换为电信号，以便后续处理。探测器的分辨率和灵敏度直接影响到对缺陷的检测能力。

3. 样品台：承载晶圆，能够实现晶圆在水平方向的旋转和径向平移，使得激光束的照射可以覆盖整个晶圆表面，从而完成对晶圆全方位的检测。样品台需要具备高精度的定位和稳定的性能，以保证检测的准确性和一致性。

4. 信号处理与分析单元：对探测器传来的电信号进行处理和分析，通过差分干涉技术等方法从反射信号中分辨出散射信号，从而识别出晶圆表面的缺陷，并对缺陷进行分类、定位和测量等操作。该单元需要具备强大的计算能力和先进的算法，以实现对复杂信号的处理和分析。

（三）检测缺陷类型

1. 较大的扁平缺陷：对于较大的扁平缺陷，如晶圆表面的大面积划伤、较大的颗粒附着等，明场检测设备具有很高的灵敏度，能够准确地检测到它们。这些缺陷会对芯片的性能产生显著影响，及时检测并处理这些缺陷对于保证芯片质量至关重要。

2. 图案化特征缺陷：可以检测晶圆上图案化特征的缺陷，如线条的宽度偏差、图案的变形、缺失等。这些缺陷会影响芯片的电路功能和性能，明场检测设备能够清晰地显示出图案化特征，帮助检测人员发现这些问题。

（四）应用场景

1. 光刻工艺检测：在光刻工艺中，需要确保光刻图案的准确性和完整性。明场检测设备可以对光刻后的晶圆进行检测，检查光刻图案是否符合设计要求，及时发现光刻过程中出现的问题，如光刻胶的残留、曝光过度或不足等。

2. 薄膜沉积工艺检测：在薄膜沉积工艺后，使用明场检测设备可以检测薄膜的均匀性、厚度以及是否存在缺陷等。例如，在半导体制造中常用的化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）工艺后，通过明场检测设备可以对沉积的薄膜进行质量评估。

（五）优点

1. 对高灵敏度应用有效：对于一些对检测灵敏度要求较高的应用场景，明场检测设备能够提供准确的检测结果。它可以清晰地显示晶圆表面的图案化特征，对于微小的图案偏差和缺陷能够进行精确检测。

2. 图像直观：生成的图像能够真实地反映晶圆表面的情况，检测人员可以直观地观察到晶圆上的图案和缺陷，便于理解和分析检测结果。

（六）缺点

1. 检测速度低：相较于暗场检测设备，明场检测设备的检测速度相对较慢。这是因为其检测原理和数据处理方式较为复杂，需要对反射光进行精细的分析和处理，导致检测过程耗时较长，在一定程度上影响了生产效率。

2. 对微小缺陷检测能力有限：对于一些微小的缺陷，尤其是尺寸在20nm以下的缺陷，明场检测设备的检测能力相对较弱。这是由于其检测原理和分辨率的限制，难以准确地检测到这些微小缺陷。

（七）价格范围

明场检测设备的价格同样较高，价格范围与暗场检测设备有一定重叠。

一般来说，基础款的明场检测设备价格可能在数百万元人民币，而具备更高精度和更多功能的高端明场检测设备价格可能超过千万元。

其价格也受到设备的品牌、性能、检测精度以及自动化程度等多种因素的影响。

三、Darkfield和Brightfield设备的比较

（一）检测能力互补

明场和暗场晶圆检测技术是互补的，通常用于满足不同的应用需求。暗场检测适用于检测20nm或更大的缺陷，具有高检测速度的优势；而明场检测对于较大的扁平缺陷和图案化特征缺陷检测灵敏度高，能够提供更详细的图案信息。

在实际的半导体制造过程中，往往会结合使用这两种检测设备，以实现对晶圆全面、准确的检测。

（二）应用场景差异

暗场检测设备更常用于大规模集成电路制造和先进封装工艺等对检测速度和特定缺陷灵敏度要求较高的场景；

而明场检测设备则在光刻工艺检测和薄膜沉积工艺检测等对图案准确性和高灵敏度应用要求较高的场景中发挥重要作用。

（三）优缺点对比

暗场检测设备的优点是检测速度快、对特定缺陷灵敏度高，但存在电子电路开发困难、光斑尺寸与功率密度问题以及对更小尺寸缺陷检测能力有限等缺点；

明场检测设备的优点是对高灵敏度应用有效、图像直观，缺点是检测速度低、对微小缺陷检测能力有限。

（四）价格差异

两者价格都较为昂贵且有重叠区间，但一般来说，由于暗场检测设备在技术实现和数据处理速度上的要求更高，同等配置下，暗场检测设备的价格可能会略高于明场检测设备。