[创业之路-671]：半导体暗场（Darkfield）无图形检测与明场（Brightfield）有图形检测的光源技术对比
在半导体制造过程中，缺陷检测（Defect Inspection）是确保晶圆良率和工艺质量的关键步骤。根据检测方式的不同，可以分为暗场（Darkfield）无图形检测和明场（Brightfield）有图形检测。这两种方法在光源技术、成像原理、适用场景等方面存在显著差异。下面从光源技术角度对两者进行详细对比分析：
一、暗场（Darkfield）无图形检测的光源技术
1. 基本原理
- 暗场检测主要通过收集散射光来识别缺陷。
- 正常区域（无缺陷）表面平整，入射光几乎不发生散射，不会进入物镜，因此在图像中呈“暗”背景。
- 当存在颗粒、划痕、凹坑等缺陷时，光线被强烈散射，被探测器捕捉，形成亮点。
2. 光源技术特点
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 光源类型 | 多采用高亮度单色光源，如：<br>• 氙灯（Xenon lamp）<br>• 激光（Laser，如488nm, 532nm, 355nm, 266nm）<br>• LED（特定波长） |
| 照明方式 | 斜入射（Oblique illumination）或掠入射（Grazing incidence）<br>• 光线以大角度倾斜照射晶圆表面<br>• 避免直接反射进入物镜，突出散射信号 |
| 波长选择 | 通常使用可见光至近紫外范围，到深紫外（266nm，355nm - 660nm）<br>• 波长越短，分辨率越高，适合小尺寸缺陷检测。 |
| 相干性 | 可使用部分相干或非相干光源<br>• 激光光源具有高相干性，可能引入干涉噪声，需抑制 |
| 偏振控制 | 常结合偏振光（如P偏振、S偏振）提高信噪比，增强特定类型缺陷的检测能力 |
3. 适用对象
- 主要用于无图形晶圆（裸硅片、CMP后、外延层等）
- 检测颗粒、微坑、污染、晶体缺陷等随机性缺陷
4. 优势
- 灵敏度高，可检测亚微米级颗粒（<50nm）
- 成本较低，速度快
- 不依赖图案重复性
二、明场（Brightfield）有图形检测的光源技术
1. 基本原理
- 明场检测基于光学显微成像原理，类似传统显微镜。
- 正常区域反射/透射光较强，在图像中呈亮区；缺陷导致光强变化或图案畸变，表现为异常亮/暗区域。
- 利用图案匹配（die-to-die 或 die-to-database）识别异常。
2. 光源技术特点
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 光源类型 | • 宽谱白光（Halogen lamp, Xenon arc lamp）<br>• LED阵列（多波段可调）<br>• 深紫外（DUV）光源用于先进节点（如193nm） |
| 照明方式 | 正入射或科勒照明（Köhler illumination）<br>• 均匀照亮视场，获得高对比度图像<br>• 支持明场、暗场、偏振等多种模式切换 |
| 波长选择 | 根据工艺节点选择：<br>• 成熟工艺： 可见光（400–700nm）<br>• 先进工艺： DUV（266nm, 193nm），提升分辨率 |
| 相干性 | 多使用非相干光源以减少干涉条纹<br>• 白光光源空间相干性低，适合复杂结构成像 |
| 多角度/多模式照明 | • 使用可编程LED阵列实现多角度照明（Directional Brightfield）<br>• 增强对不同取向缺陷的敏感性（如线端断开、桥接） |
3. 适用对象
- 主要用于有图形晶圆（Patterned Wafer）
- 检测桥接、开路、关键尺寸偏差、套刻误差等结构性缺陷
4. 优势
- 能处理复杂电路图案
- 分辨率高，可达几十纳米级别
- 支持多种照明模式融合分析
三、关键技术对比总结
| 对比项 | 暗场（Darkfield） | 明场（Brightfield） |
|---|---|---|
| 检测对象 | 无图形晶圆（Non-patterned） | 有图形晶圆（Patterned） |
| 光源类型 | 激光、LED、氙灯（单色为主） | 白光、LED阵列、DUV光源 |
| 照明方式 | 斜入射、掠入射 | 正入射、科勒照明、多角度 |
| 成像机制 | 散射光检测 | 反射/透射光成像 |
| 分辨率 | ~50–100nm（颗粒） | <30nm（结构缺陷） |
| 速度 | 快（全视野扫描） | 较慢（需对齐与比对） |
| 灵敏度 | 高（对颗粒敏感） | 高（对结构变化敏感） |
| 成本 | 相对较低 | 较高（系统复杂） |
四、发展趋势中的光源技术创新
多波长融合检测：
- 同时使用多个波长光源，提升对不同类型缺陷的识别能力。
结构化照明（Structured Illumination） ：
- 明场系统中引入空间调制光场，突破衍射极限。
激光超分辨技术：
- 如共聚焦激光扫描用于暗场，提升横向与纵向分辨率。
EUV光源探索：
- 针对未来1nm以下节点，研究EUV（13.5nm）用于缺陷检测的可能性。
AI+光源优化：
- 利用机器学习动态调整照明角度与波长组合，最大化缺陷检出率（YieldStar、HMI等设备已应用）。
五、结论
- 暗场检测依赖斜入射散射光采集，光源强调高亮度、方向性，适用于无图形晶圆上的随机缺陷快速筛查。
- 明场检测依赖高分辨率成像与图案比对，光源强调均匀性、多角度可控性与宽谱支持，适用于有图形晶圆的结构性缺陷检测。
- 在先进制程中，两者常互补使用：先用暗场快速筛选可疑区域，再用明场精确定位与分类。
随着工艺节点进入5nm及以下，明场检测逐渐成为主流，但暗场仍不可替代，尤其在FEOL（前道）清洁度监控中发挥重要作用。