晶圆表面常见缺陷有哪些？如何测量的？

在半导体制造领域，晶圆堪称核心基石，其表面质量直接关乎芯片的性能、可靠性与良品率。

随着半导体技术朝着更小尺寸、更高性能迅猛迈进，对晶圆表面缺陷的检测精度和效率提出了前所未有的严苛要求。

一、晶圆表面缺陷类型

（一）表面冗余物

1. 颗粒：颗粒是晶圆表面最常见的冗余物之一，尺寸跨度极大，从几十纳米的微小颗粒到几百微米的灰尘均有可能出现。这些颗粒可能在多个工序中引入，如刻蚀、抛光、清洗等。在刻蚀工序里，反应副产物若未被彻底清除，就可能以颗粒形式残留在晶圆表面；

抛光过程中，抛光材料的碎屑或者周围环境中的尘埃颗粒也可能附着其上；

清洗工序若清洗不彻底，同样无法去除先前工序遗留的颗粒以及新引入的污染物。

光刻时，这些颗粒会遮挡光线，致使集成电路结构出现缺陷，比如线宽偏差、短路或断路等问题 ，严重影响芯片的性能和可靠性。

2. 污染物：除了颗粒，晶圆表面还可能存在各种污染物，包括有机污染物、金属离子污染物等。

有机污染物通常来自光刻胶、光刻工艺中的有机溶剂残留，或者是生产环境中的有机挥发物。

这些有机污染物会在晶圆表面形成一层薄膜，影响后续工艺中材料的沉积和刻蚀均匀性，进而导致图案不完整、器件性能不稳定。

金属离子污染物则可能来源于加工设备的磨损、化学试剂中的杂质等。

金属离子一旦附着在晶圆表面，会扩散进入半导体材料内部，改变材料的电学性能，引发漏电、短路等严重问题，极大地降低芯片的良品率。

（二）晶体缺陷

1. 滑移线缺陷：滑移线缺陷是晶体缺陷中较为常见的一种，主要是由于晶体生长时加热不均匀所致。

在晶体生长过程中，如果温度分布不均，会使晶体内部产生应力，当应力超过一定程度时，晶体中的原子就会沿着特定的晶面发生滑移，从而在晶圆表面形成一条条水平的细小直线，通常出现在晶圆的外围边缘处。

由于滑移线的尺寸相对较大，通过简单的人工观测就能够辨认。然而，即便肉眼可见，滑移线缺陷仍会对芯片性能产生不容忽视的影响，它可能导致局部区域的电学性能不一致，增加信号传输的延迟和噪声 ，在高频电路中，甚至可能引发信号失真，影响芯片的正常工作。

2. 堆垛层错：堆垛层错一般出现在外延层中，是由于晶体结构中密排面的正常堆垛顺序遭到破坏而产生的。

在理想的晶体结构中，原子按照特定的顺序逐层堆叠，形成规则的晶格。

但在实际生长过程中，由于各种因素的干扰，如杂质原子的掺入、生长速率的波动等，可能会使某一层原子的堆垛顺序发生错误，形成堆垛层错。

堆垛层错的尺寸通常在微米级别，虽然相较于一些宏观缺陷较小，但它会改变晶体的电子结构，影响载流子的运动，进而降低芯片的电子迁移率和开关速度，对芯片的性能造成显著影响。

此外，堆垛层错还可能成为其他缺陷的源头，如位错的产生和扩展，进一步加剧对芯片性能的损害。

（三）机械损伤

1. 划痕：划痕是晶圆表面机械损伤的常见形式之一，多数由化学机械研磨（CMP）过程造成。

在CMP工艺中，晶圆与研磨垫之间存在相对运动，同时受到研磨液和研磨颗粒的作用。如果研磨过程控制不当，例如研磨压力不均匀、研磨颗粒分布不均或者研磨垫表面有硬质颗粒嵌入，都可能导致晶圆表面被划伤。划痕可能呈现为弧状，也有可能是非连续点状分布，其宽度和深度各异。划痕不仅会破坏晶圆表面的平整度，影响后续薄膜沉积和光刻的精度，还可能直接切断电路连线，导致芯片功能失效，是一种较为严重的缺陷类型。

2. 其他机械损伤：除了划痕，晶圆在切片、搬运、封装等过程中也可能受到其他形式的机械损伤，如碰撞、挤压等。切片时，切割刀具的磨损或者切割参数设置不当，可能会使晶圆边缘产生崩边、微裂纹等缺陷；搬运过程中，如果操作不慎，晶圆与其他物体发生碰撞，也会造成表面损伤；封装过程中，过大的压力可能导致晶圆变形、破裂。这些机械损伤同样会对芯片的性能和可靠性构成严重威胁，可能引发电气短路、开路以及机械稳定性下降等问题，在极端情况下，甚至会使整个芯片报废。

二、缺陷量测方式及机台

（一）光学检测技术

1. 自动光学检测（AOI）

◦ 量测方式：AOI技术基于光学原理，通过精密仪器平台的运动，带动图像采集装置对晶圆表面进行逐点扫描，获取晶圆表面的图像信息。随后，利用数字图像处理技术，将采集到的图像与预先存储的标准图像进行对比分析，从而识别出晶圆表面的缺陷。在对比过程中，算法会对图像的亮度、颜色、纹理等特征进行提取和匹配，一旦发现与标准图像存在差异的区域，便判定为可能存在缺陷。

◦ 量测机台：市场上知名的AOI量测机台品牌众多，如科磊（KLA）的SP系列。该系列机台具有高精度的图像采集系统和强大的图像处理算法，能够快速、准确地检测出晶圆表面的各种缺陷。

以Tencor Surfscan SP7为例，它采用了先进的激光散射技术，能够检测出亚微米级别的颗粒和缺陷，扫描速度快，适用于大规模生产线上的晶圆检测。

◦ 机台原理：机台发射特定波长的光线照射在晶圆表面，光线与晶圆表面相互作用后发生反射、散射等现象。

图像采集装置（如相机/光电倍增管）收集这些反射和散射光，将其转化为电信号，再经过模数转换后传输给计算机进行处理。计算机通过图像处理算法对信号进行分析，将实际采集到的图像与标准图像进行比对，计算出两者之间的差异，并根据预设的缺陷判定规则，确定缺陷的位置、大小和类型。

2. 光干涉检测

◦ 量测方式：光干涉检测基于光的干涉原理，通过分析光波在晶圆表面缺陷处的干涉图样来检测缺陷。通常，将一束光分为两束，一束作为参考光，另一束照射到晶圆表面，两束光在探测器处叠加形成干涉图样。当晶圆表面存在缺陷时，缺陷处的光波相位和振幅会发生变化，从而导致干涉图样出现异常。通过对干涉图样的分析，就可以获取缺陷的相关信息，如缺陷的深度、高度和形状等。

◦ 量测机台：Zygo公司的NewView系列光学干涉仪是光干涉检测领域的代表性机台。例如NewView 7300，它能够实现高精度的三维表面形貌测量，可检测出纳米级别的表面缺陷。该系列机台广泛应用于半导体、光学元件等制造领域，为晶圆表面质量检测提供了可靠的手段。

◦ 机台原理：机台内部的光源发出的光经过分光镜分为参考光和测量光。参考光直接照射到探测器上，测量光则通过物镜聚焦到晶圆表面，然后反射回来与参考光在探测器上发生干涉。探测器将干涉信号转换为电信号，计算机对电信号进行处理和解调，根据干涉条纹的变化计算出晶圆表面各点的高度信息，从而重建出晶圆表面的三维形貌。通过与标准的平坦表面形貌进行对比，即可识别出表面缺陷。

（二）电子束检测技术

1. 扫描电子显微镜（SEM）

◦ 量测方式：SEM利用高能电子束扫描样品表面，电子与样品原子相互作用，产生二次电子、背散射电子等信号。通过收集和分析这些信号，能够获得样品表面的微观形貌信息。在检测晶圆表面缺陷时，电子束逐行扫描晶圆表面，探测器接收产生的二次电子信号，将其转化为图像信号，从而形成晶圆表面的放大图像。操作人员通过观察图像，识别出缺陷的位置和特征。

◦ 量测机台：日立（Hitachi）的SU8000系列扫描电子显微镜是一款性能卓越的检测设备。它具有高分辨率、大景深的特点，能够清晰地观察到晶圆表面微小的缺陷，如纳米级的颗粒、细微的划痕等。

该系列机台在半导体材料研究、集成电路制造等领域发挥着重要作用，为晶圆表面缺陷的检测和分析提供了有力支持。

◦ 机台原理：电子枪发射出的高能电子束经过电磁透镜聚焦后，扫描到晶圆表面。电子与晶圆表面的原子相互作用，使原子中的外层电子被激发出来，形成二次电子。

二次电子的产额与样品表面的形貌和成分密切相关，表面凸出的部分产生的二次电子较多，而凹陷的部分产生的二次电子较少。探测器收集二次电子信号，并将其转化为电信号，经过放大和处理后，在显示屏上显示出反映晶圆表面形貌的图像。

2. 电子束缺陷检测（EBD）

◦ 量测方式：EBD技术是专门用于检测晶圆表面缺陷的电子束检测方法。它通过对晶圆表面进行电子束扫描，利用电子与缺陷相互作用产生的特征信号来识别缺陷。

与SEM不同，EBD更侧重于快速、准确地检测出各种类型的缺陷，并对缺陷进行分类和统计分析。在检测过程中，电子束以特定的扫描模式覆盖整个晶圆表面，同时收集缺陷产生的信号，通过数据分析算法判断缺陷的存在及其性质。

◦ 量测机台：科磊（KLA）的eDRX系列电子束缺陷检测机台在行业内具有较高的知名度。eDRX机台结合了先进的电子光学系统和智能算法，能够高效地检测出晶圆表面的多种缺陷，包括晶体缺陷、图案缺陷等。它的检测速度快，适用于大规模生产线上的晶圆质量监控。

◦ 机台原理：机台发射的电子束与晶圆表面的缺陷相互作用时，会产生独特的信号特征，如电子散射、能量损失等。这些信号被探测器收集并转化为电信号，经过放大和数字化处理后，传输给计算机进行分析。计算机通过预设的缺陷识别算法，对信号进行处理和比对，判断缺陷的类型和位置，并生成详细的缺陷报告。

（三）X射线检测技术

1. X射线衍射（XRD）

◦ 量测方式：XRD技术利用X射线与晶体相互作用产生的衍射现象来检测晶圆内部的晶体结构缺陷。将X射线照射到晶圆上，当X射线的波长与晶体中原子平面间距满足布拉格条件时，会发生衍射现象，产生特定的衍射图样。通过分析衍射图样的特征，如衍射峰的位置、强度和宽度等，可以获取晶体的结构信息，判断是否存在晶格畸变、位错等晶体缺陷。

◦ 量测机台：布鲁克（Bruker）的D8 Discover X射线衍射仪是一款广泛应用的XRD设备。它具有高分辨率、高灵敏度的特点，能够精确地测量晶体的衍射数据。在半导体领域，D8 Discover常用于检测晶圆的晶体质量，分析晶体缺陷对芯片性能的影响。

◦ 机台原理：X射线源发出的X射线经过准直器后，以一定的角度照射到晶圆样品上。晶体中的原子平面会对X射线产生衍射，衍射后的X射线被探测器接收。探测器将接收到的X射线信号转化为电信号，经过放大和数字化处理后，传输给计算机进行分析。计算机根据布拉格定律和晶体结构模型，对衍射数据进行计算和分析，从而确定晶体的结构参数和缺陷情况。

2. X射线荧光（XRF）

◦ 量测方式：XRF技术主要用于检测晶圆表面的元素组成和杂质含量。当X射线照射到晶圆表面时，会激发样品中的原子内层电子跃迁，外层电子填补内层空位时会发射出特征X射线荧光。每种元素都有其独特的特征X射线荧光波长和能量，通过测量这些特征X射线荧光的波长和强度，就可以确定样品中存在的元素种类及其含量。

◦ 量测机台：赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific）的ARL PERFORM'X X射线荧光光谱仪是一款先进的XRF检测设备。它具有快速、准确的分析能力，能够检测出晶圆表面微量的杂质元素。在半导体制造过程中，ARL PERFORM'X可用于监控原材料的质量，检测晶圆表面的污染情况，确保芯片制造过程的纯净度。

◦ 机台原理：X射线管产生的高能X射线照射到晶圆样品上，激发样品中的原子发射出特征X射线荧光。特征X射线荧光通过晶体分光后，被探测器接收。探测器将接收到的X射线荧光信号转化为电信号，经过放大和数字化处理后，传输给计算机进行分析。计算机通过与标准元素谱库进行比对，确定样品中元素的种类和含量。

（四）原子力显微镜（AFM）

1. 量测方式：AFM通过检测探针与样品表面原子间的相互作用力，来获取样品表面的形貌信息。将一个微小的探针接近样品表面，当探针与样品表面原子之间的距离足够小时，会产生微弱的相互作用力，如范德华力、静电力等。通过测量这种相互作用力的变化，控制探针在样品表面进行扫描，同时记录探针的垂直位移，从而得到样品表面的三维形貌图像，进而识别出表面缺陷。

2. 机台原理：AFM的核心部件是一个带有微小探针的悬臂。

当探针接近晶圆表面时，原子间的相互作用力会使悬臂发生弯曲或振动。

通过检测悬臂的弯曲程度或振动频率的变化，就可以测量出原子间的相互作用力。机台利用光学杠杆原理，通过一束激光照射在悬臂的背面，反射光被位置敏感探测器接收。当悬臂发生弯曲时，反射光的位置会发生变化，探测器将这种变化转化为电信号，经过放大和处理后，传输给计算机进行分析。

计算机根据电信号的变化计算出探针与样品表面的距离，从而重建出样品表面的三维形貌。

三、总结

晶圆表面缺陷的准确检测对于半导体制造至关重要。不同类型的缺陷，如表面冗余物、晶体缺陷和机械损伤，会对芯片性能产生不同程度的负面影响。

通过采用光学检测、电子束检测、X射线检测和原子力显微镜等多种量测技术，结合相应的先进量测机台，能够实现对晶圆表面缺陷的高效、精确检测。

随着半导体技术的不断发展，对晶圆表面缺陷检测的要求也将越来越高，未来需要不断研发和创新检测技术，以满足行业日益增长的需求，推动半导体产业迈向更高的台阶。