文章來源：SemiEngineering

作者：Anne Meixner

在晶圓加工流程中，早期檢測(cè)宏觀缺陷是提升良率與推動(dòng)工藝改進(jìn)的核心環(huán)節(jié)，這一需求正驅(qū)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與晶圓測(cè)試圖分析領(lǐng)域的創(chuàng)新。

宏觀缺陷早期檢測(cè)的重要性與挑戰(zhàn)

在晶圓層面，一個(gè)宏觀缺陷可能影響多個(gè)芯片，甚至在某些情況下波及晶圓的大片區(qū)域，此類缺陷的發(fā)現(xiàn)往往表明工藝模塊、特定薄膜或晶圓處理環(huán)節(jié)存在嚴(yán)重問題。早期檢測(cè)能夠避免數(shù)百甚至數(shù)千片晶圓的報(bào)廢，盡管檢測(cè)點(diǎn)通常位于導(dǎo)致缺陷的實(shí)際制造步驟下游，但及時(shí)介入仍可顯著降低損失。

然而上游和下游數(shù)據(jù)缺乏關(guān)聯(lián)性會(huì)使此類缺陷的故障排除變得困難，由于不存在 “一刀切” 的情況，因此需要將檢測(cè)技術(shù)與宏觀缺陷類型相匹配，甚至可能需要在晶圓制造流程中引入尚未應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)。為描述宏觀缺陷特征，研發(fā)團(tuán)隊(duì)需應(yīng)用適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)和技術(shù)，在此過程中，晶圓測(cè)試圖分析因晶圓廠數(shù)據(jù)的局限性而持續(xù)發(fā)揮重要作用。將缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)與晶圓和材料追溯信息結(jié)合收集，對(duì)于關(guān)聯(lián)根本原因與糾正措施至關(guān)重要，問題解決后工程師可制定監(jiān)控方案，以經(jīng)濟(jì)高效的方式檢測(cè)未來設(shè)備中的同類缺陷并加快響應(yīng)速度。

上游工藝的錯(cuò)誤可能僅在晶圓電性測(cè)試時(shí)才能被檢測(cè)到，因此準(zhǔn)確的調(diào)整措施計(jì)劃需要全產(chǎn)線的數(shù)據(jù)追溯能力，以更快識(shí)別缺陷成因。值得注意的是，部分宏觀缺陷無法通過上游檢測(cè)步驟發(fā)現(xiàn)。宏觀缺陷的定義通常具有場(chǎng)景依賴性，其界定取決于在晶圓制造流程中的發(fā)生位置與檢測(cè)位置，例如毫米級(jí)晶體缺陷可能最終導(dǎo)致晶圓破損，此外微觀缺陷與宏觀缺陷的具體構(gòu)成也可能因在供應(yīng)鏈中的位置而異。

普迪飛（PDF Solutions）技術(shù)產(chǎn)品管理總監(jiān)Steve Zamek指出：“SEMI M 標(biāo)準(zhǔn)系列中多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)涵蓋缺陷規(guī)范與定義，但仍存在模糊之處，且這些定義多年來持續(xù)演變。從材料供應(yīng)商角度，宏觀缺陷通常指劃痕；對(duì)晶圓檢測(cè)設(shè)備供應(yīng)商而言，宏觀缺陷指無需顯微鏡技術(shù)即可檢測(cè)到的缺陷；從無晶圓廠公司或設(shè)備制造商角度，宏觀缺陷可能指影響多個(gè)相鄰芯片的缺陷。”

對(duì)于50微米以上的宏觀缺陷可通過光學(xué)檢測(cè)方法肉眼識(shí)別。“這個(gè)檢測(cè)閾值取決于許多因素（例如與基板的對(duì)比度等）。我們的設(shè)備會(huì)對(duì)整個(gè)晶圓（而非每個(gè)芯片）以及整批晶圓進(jìn)行成像，”Microtronic總裁Reiner Fenske說道。“它們可以檢測(cè)任何宏觀缺陷，例如劃痕、邊緣缺口、光罩問題、圖案錯(cuò)誤、多晶硅霧化缺陷、熱點(diǎn)、閃場(chǎng)缺陷、涂層或顯影劑旋轉(zhuǎn)相關(guān)缺陷、晶圓變色、CMP缺陷、沖洗問題、污染、蝕刻缺陷等等。”

先進(jìn)CMOS和化合物半導(dǎo)體工藝的晶圓需進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)，加工過程從晶錠切割晶圓襯底開始直至設(shè)備晶圓探針測(cè)試結(jié)束，查找宏觀缺陷需要能夠以適當(dāng)分辨率掃描晶圓大面積區(qū)域的技術(shù)，若設(shè)備制造商要求 100% 抽樣檢測(cè)，生產(chǎn)環(huán)境中的檢測(cè)速度則至關(guān)重要。

Onto Innovation 研究員 Woo Young Han表示：“較大的宏觀缺陷也可能帶來檢測(cè)挑戰(zhàn)，在較高放大倍數(shù)下（如10倍、20倍）其對(duì)比度可能較低，但相比低放大倍數(shù)（如1倍、2倍）反而更易被發(fā)現(xiàn)，需在不同放大倍數(shù)下多次掃描，這增加了晶圓檢測(cè)的復(fù)雜性與耗時(shí)，導(dǎo)致效率低下和資源消耗增加。”

全晶圓檢測(cè)

晶圓級(jí)宏觀缺陷可能由晶圓搬運(yùn)機(jī)械臂與吸盤接口錯(cuò)位導(dǎo)致的機(jī)械損傷引起，也可能因晶圓上沉積材料問題（包括原材料問題或光刻膠涂覆不均勻）產(chǎn)生，針對(duì)此類問題的宏觀缺陷檢測(cè)可觸發(fā)返工等措施，如從晶圓上剝離薄膜并重復(fù)工藝步驟。由于缺陷機(jī)制多樣，單一波長(zhǎng)無法檢測(cè)所有缺陷，因此需使用不同波長(zhǎng)檢測(cè)各類宏觀缺陷。

工藝和良率工程師長(zhǎng)期依賴全晶圓自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI），其主要用于光刻、蝕刻和CMP工藝之后，通常與特定器件檢測(cè)方案配合使用，無需特定方案即可使用的特性可降低擁有成本。檢測(cè)傳感器雖可現(xiàn)場(chǎng)安裝在工藝設(shè)備中，但高速獨(dú)立工具能顯著提高效率。

次表面缺陷、埋藏缺陷及光學(xué)檢測(cè)對(duì)比度低的缺陷通常最難檢測(cè)，Microtronic 的Fenske表示：“最難檢測(cè)的宏觀缺陷與背景對(duì)比度極低甚至為零，可能未被發(fā)現(xiàn)并導(dǎo)致成品良率和可靠性問題；另一個(gè)挑戰(zhàn)是被后續(xù)工藝（絕緣層或金屬層）掩埋的缺陷，可能無法通過光學(xué)方法檢測(cè)，可通過增加檢測(cè)次數(shù)并在缺陷變得無法檢測(cè)前發(fā)現(xiàn)它們來克服。”

圖1：每個(gè)工藝步驟后對(duì)全晶圓光學(xué)掃描顯示了缺陷消失。來源：Microtronic

此外，工程團(tuán)隊(duì)也可采用紅外檢測(cè)或基于 X 射線的方法檢測(cè)表面以下的缺陷，但需在良率提升、生產(chǎn)時(shí)間與資金投入間進(jìn)行經(jīng)濟(jì)權(quán)衡，紅外成像工具在檢測(cè)空隙或分層缺陷方面尤其有用。

Onto的Han指出：“材料空隙是粘合表面間的微小氣隙，表面不可見但可能導(dǎo)致重大問題，如在后續(xù)晶圓減薄工藝（研磨和CMP）中造成破裂，可見光成像因無法有效穿透硅材料而難以檢測(cè)，需依賴紅外成像，其過去因相機(jī)視野小、速度慢不適合高吞吐量檢測(cè)，但使用多個(gè)相機(jī)和X射線管可以充分提高吞吐量。”

與紅外技術(shù)類似，基于X射線的技術(shù)雖比光學(xué)技術(shù)速度慢，但在發(fā)現(xiàn)次表面缺陷方面效果顯著，故更常用于失效分析，而通過多攝像頭和X射線管提升吞吐量后，也可用于大量缺陷晶圓的實(shí)證研究及低采樣率在線監(jiān)測(cè)。

Bruker化合物半導(dǎo)體業(yè)務(wù)產(chǎn)品經(jīng)理John Wall表示：“X射線衍射（XRD）成像并非對(duì)缺陷本身成像，而是對(duì)晶體缺陷引起的應(yīng)變場(chǎng)敏感，應(yīng)變區(qū)域衍射強(qiáng)度高于完美晶體，因此可檢測(cè)從納米級(jí)（幾個(gè)缺失原子可能使晶格畸變數(shù)十或數(shù)百微米）到厘米級(jí)的缺陷，小缺陷可能不導(dǎo)致晶圓破裂，大缺陷則可能引發(fā)破裂。”

晶體缺陷可能在晶錠生長(zhǎng)和晶圓處理過程中產(chǎn)生，如晶圓邊緣或背面機(jī)械搬運(yùn)可能引發(fā)微小缺陷，加工過程中的熱循環(huán)會(huì)導(dǎo)致微小缺陷擴(kuò)大并突然破裂,CMP的機(jī)械特性也會(huì)增加應(yīng)力導(dǎo)致晶圓碎裂。

Bruker的Wall分享了一個(gè)CMOS半導(dǎo)體晶圓廠案例：CMP工藝中晶圓破損率高達(dá)50多片，現(xiàn)有光學(xué)檢測(cè)工具未能發(fā)現(xiàn)缺陷，通過XRD實(shí)證研究檢測(cè)到數(shù)千片晶圓存在劃痕和邊緣損傷，根源為上游設(shè)備晶圓卡盤導(dǎo)致的背面重復(fù)性點(diǎn)缺陷，研究確定了高破損風(fēng)險(xiǎn)的晶圓區(qū)域及三類最大缺陷尺寸，客戶因此重新設(shè)計(jì)卡盤并在該工藝步驟后啟用XRD監(jiān)控模式。

圖2：由于上游設(shè)備產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷，銅化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）過程中發(fā)生晶圓破裂。通過統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）確定了導(dǎo)致晶圓破裂的工藝模塊。來源：Bruker

電氣測(cè)試晶圓圖分析

晶圓測(cè)試圖分析為識(shí)別宏觀缺陷（尤其是劃痕和較小缺陷簇）提供了另一途徑，可補(bǔ)充傳統(tǒng)成像技術(shù)不足，識(shí)別檢測(cè)未能發(fā)現(xiàn)的宏觀缺陷，發(fā)現(xiàn)缺陷后糾正措施可能包括更新檢測(cè)策略。無晶圓廠芯片制造商通常無法獲取整片晶圓檢測(cè)數(shù)據(jù)，因此晶圓測(cè)試圖雖反饋滯后，但仍能為晶圓制造工藝問題提供有效反饋。

Microtronic的Fenske表示：“晶圓測(cè)試圖的空間特征分析是一種強(qiáng)大技術(shù)，通常與在線監(jiān)測(cè)到的宏觀特征相關(guān)聯(lián)，但檢測(cè)到糾正措施間的滯后時(shí)間可能導(dǎo)致主動(dòng)偏移影響數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)晶圓。”

圖3：全晶圓檢測(cè)圖像與晶圓測(cè)試圖的關(guān)聯(lián)性。來源：Microtronic

與此同時(shí)，晶圓探針測(cè)試期間的晶圓處理問題（如探針卡針頭異物、晶圓沉積異物、設(shè)備劃痕等）可能導(dǎo)致多個(gè)芯片失效，這些缺陷在晶圓圖上顯示為宏觀缺陷，空間異常值檢測(cè)測(cè)試算法還可能指示任何檢測(cè)工具（光學(xué)、紅外或XRD）均無法檢測(cè)到的宏觀缺陷問題。

普迪飛的Zamek指出：“許多成熟的IDM、Foundry和OSAT在晶圓電測(cè)試中采用空間異常值篩選技術(shù)，可在測(cè)試單元或企業(yè)級(jí)別用于良率管理系統(tǒng)，在測(cè)試操作分析模塊中，空間特征會(huì)被視為宏觀缺陷，即使早期檢測(cè)步驟無法用光學(xué)方法檢測(cè)到。”

圖4：電氣測(cè)試空間異常值檢測(cè)方法將宏觀缺陷顯示為局部聚集分布。來源：普迪飛

全球領(lǐng)先的ATE公司通常在測(cè)試后提供晶圓測(cè)試圖數(shù)據(jù)，但在測(cè)試單元上實(shí)時(shí)執(zhí)行缺陷檢測(cè)仍是挑戰(zhàn)。“總體而言，我們?cè)跍y(cè)試、設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域推進(jìn)AI/ML應(yīng)用.”Teradyne機(jī)器學(xué)習(xí)主管Jin Yu表示，“我們與客戶合作開展缺陷晶圓圖像檢測(cè)研究，近期一篇論文使用Kaggle數(shù)據(jù)集將晶圓測(cè)試圖圖像分為八類，我們的方法不同：首先自主標(biāo)注并分為中心型、局部簇狀、隨機(jī)型和報(bào)廢型，報(bào)廢型與某些宏觀缺陷相關(guān)（具體視廢品圖像大小可能為宏觀或微觀問題）；其次使用的算法不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺方法。”

Teradyne采用Meta DinoV2視覺轉(zhuǎn)換器作為圖像基礎(chǔ)模型（基于數(shù)百萬張圖像訓(xùn)練獲取特征嵌入），并將結(jié)果輸入光梯度增強(qiáng)機(jī)（LGBM）算法執(zhí)行決策樹分析，實(shí)現(xiàn)晶圓測(cè)試圖四類分類，該組合方法基于客戶數(shù)據(jù)達(dá)到98%準(zhǔn)確率，優(yōu)于單獨(dú)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或視覺轉(zhuǎn)換方法的95%。

圖5：使用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行實(shí)時(shí)晶圓缺陷分類。來源：Teradyne

結(jié)論

宏觀缺陷檢測(cè)貫穿晶圓制造全過程，從硅錠切割階段開始即需介入，但因缺陷成因復(fù)雜多樣，需綜合運(yùn)用光學(xué)、紅外和X射線衍射等多種檢測(cè)方法，且檢測(cè)開展越早，晶圓廢品率越低。然而受限于技術(shù)或流程，早期檢測(cè)并非總能實(shí)現(xiàn)，因此研發(fā)團(tuán)隊(duì)仍需借助晶圓測(cè)試圖分析，通過可追溯數(shù)據(jù)分析改進(jìn)上游工藝或調(diào)整檢測(cè)策略。

普迪飛的Zamek表示：“化合物半導(dǎo)體、小芯片（Chiplets）、晶圓級(jí)封裝等新技術(shù)的興起，對(duì)宏觀檢測(cè)提出新需求，這種需求貫穿整個(gè)制造流程 —— 從晶體生長(zhǎng)到晶圓廠在線工藝、后端封裝及測(cè)試環(huán)節(jié)，這正是許多客戶認(rèn)識(shí)到部署企業(yè)級(jí)分析工具、打破數(shù)據(jù)孤島價(jià)值的原因。”