[光学原理与应用-477]：半导体暗场（Darkfield）无图形检测与明场各自不同缺陷的缺陷类型、缺陷说明、缺陷的尺寸、所需要的光源波长
在半导体制造过程中，晶圆表面缺陷检测是确保良率和工艺稳定性的关键环节。无图形（Non-patterned wafer）晶圆的缺陷检测通常采用明场（Brightfield, BF） 和暗场（Darkfield, DF） 两种光学检测技术。它们基于不同的光散射原理，对不同类型的缺陷具有不同的灵敏度。
以下是暗场（Darkfield）与明场（Brightfield） 在无图形晶圆检测中的对比，涵盖：缺陷类型、缺陷说明、典型缺陷尺寸范围以及所需光源波长等信息。
一、暗场（Darkfield, DF）检测
原理：
- 暗场检测使用斜入射照明（oblique illumination），正常反射光不进入探测器，只有被缺陷散射的光被收集。
- 对微小颗粒、表面粗糙、微划痕等散射性强的缺陷敏感。
- 背景信号低，信噪比高，适合检测亚微米级微小缺陷。
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 主要缺陷类型 | 颗粒污染（Particles）<br>- 表面微坑/凹陷（Pits）<br>- 微划痕（Micro-scratches）<br>- 水渍残留（Watermarks）<br>- 晶体缺陷引起的散射点（如COP: Crystal Originated Particle） |
| 缺陷说明 | 颗粒：外来污染物，如灰尘、有机物残留<br>- 微坑：晶圆的晶体生长或蚀刻过程中的空洞<br>- 微划痕：CMP或清洗过程中的机械损伤<br>- COP：单晶硅中因空位聚集形成的微小空洞，在表面表现为散射点 |
| 缺陷尺寸范围 | 20 nm ~ 500 nm（高端系统可达10 nm） |
| 光源波长 | - 深紫外（DUV）：266 nm、248 nm<br>- 紫外（UV）：325 nm、355 nm<br>- 可见光：405 nm、488 nm<br>→ 波长越短，分辨率越高，适合更小缺陷检测 |
| 优势 | - 高灵敏度于微小散射缺陷<br>- 适合洁净度监控（particle monitoring）<br>- 快速大面积扫描 |
| 局限性 | - 对平坦区域的结构变化（如薄膜厚度变化）不敏感<br>- 不适合检测低散射性缺陷 |
二、明场（Brightfield, BF）检测
原理：
- 明场使用垂直或近垂直照明，收集镜面反射光，利用干涉或成像对比检测缺陷。
- 类似显微镜成像，可获取高分辨率表面图像。
- 对表面形貌变化、薄膜不均匀、浅层结构异常敏感。
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 主要缺陷类型 | - 薄膜不均匀（Film thickness variation）<br> - 表面雾状（Hazing）<br> - 轻微腐蚀/蚀刻不均<br> - 氧化层缺陷<br> - 表面污染（non-particulate）<br> - 抛光不足区域（Poor polish） |
| 缺陷说明 | - 薄膜厚度波动导致反射率变化<br> - CMP后表面雾化，影响后续光刻<br> - 局部氧化或化学残留造成折射率差异 |
| 缺陷尺寸范围 | 100 nm ~ 数微米（受限于NA和波长，但图像分辨率可达~100 nm） |
| 光源波长 | - 可见光为主：450 nm、532 nm、633 nm<br> - 有时结合白光干涉（White Light Interference, WLI），使用宽谱光源（400–700 nm） |
| 优势 | - 可获得表面形貌图像<br>- 适合检测低散射但光学对比明显的缺陷<br>- 支持相位对比、干涉测量等高级模式 |
| 局限性 | - 对亚波长颗粒不敏感<br>- 背景信号强，信噪比较暗场低<br>- 扫描速度较慢 |
三、明场 vs 暗场 对比总结表
| 特性 | 暗场（Darkfield） | 明场（Brightfield） |
|---|---|---|
| 照明方式 | 斜入射（Oblique） | 垂直/共轴（Normal/incidence） |
| 信号来源 | 散射光 | 反射/干涉光 |
| 背景强度 | 极低（暗背景） | 高（亮背景） |
| 灵敏度对象 | 高散射缺陷（颗粒、COP、划痕） | 光学对比缺陷（膜厚、hazing、腐蚀） |
| 最小可检缺陷 | ~10–20 nm（高端系统） | ~100 nm（受衍射极限限制） |
| 典型光源波长 | 248 nm, 266 nm, 325 nm, 405 nm | 450 nm, 532 nm, 633 nm（白光干涉宽谱） |
| 检测速度 | 快（大面积快速扫描） | 较慢（需高分辨率成像） |
| 应用场景 | 洁净度监控、出厂前终检、CMP后颗粒检测 | 薄膜质量评估、表面完整性分析 |
四、补充说明
混合检测系统：
- 现代高端检测设备（如KLA Surfscan系列、Hitachi检测机）常集成明场+暗场双模式，实现全面缺陷覆盖。
- 例如：DF用于捕捉纳米颗粒，BF用于识别 haze 或 polishing non-uniformity。
光源选择依据：
- 缺陷越小 → 波长越短（DUV > UV > Visible）
- 材料吸收特性也影响波长选择（如Si在深紫外有较强吸收）
无图形 vs 有图形晶圆：
- 上述讨论针对无图形晶圆（bare silicon, monitor wafers）
- 有图形晶圆（patterned wafer）检测更复杂，需考虑图案噪声抑制（如Design-Based Binning）
结论：
- 暗场更适合检测微小颗粒、COP、微划痕等高散射缺陷，使用短波长光源（266–405 nm），灵敏度可达10–20 nm。
- 明场更适合检测表面形貌异常、薄膜不均、hazing等光学对比缺陷，使用可见光至紫外波段，分辨率约100 nm以上。
- 实际应用中，两者互补，联合使用可实现全面缺陷监控。