顯微課堂 | 晶圓表面光刻膠殘留與有機污染物可視化檢測

熒光顯微鏡用于檢測晶圓和半導體的質量控制、故障分析和研發&D如何造福電子行業

人們對速度更快的電子設備（智能手機、電腦、平板電腦、顯示器等）的需求日益增長，這促使集成電路芯片和半導體元件的圖案化尺寸不斷縮小到10納米以下 [1-3]。為了實現更小的納米尺寸，紫外光刻制版步驟的數量有所增加，同時也增加了制版缺陷和有機污染的可能性 [2]。這種殘留污染可能對工藝控制、產量以及電子元件的性能和可靠性產生負面影響。

在半導體加工過程中，需要使用光刻膠對晶片進行圖案化。圖案形成后，必須去除光刻膠以便進一步加工，但往往會留下光刻膠殘留物和其他有機污染物。在晶片、掩膜、焊盤和半導體元件的表面可以發現許多不同類型的有機污染物。典型的例子包括光刻膠殘留物、外來有機顆粒和液體、灰塵以及材料中的纖維。另一個常見的有機污染源是人的頭發、皮屑和來自皮膚的油性物質。

因此，隨著半導體圖案尺寸越來越小，集成電路制造量越來越大，晶片表面的光刻膠殘留物和有機物污染問題越來越嚴重。集成電路的密度越來越高，因此在生產過程中保持表面清潔至關重要。熒光顯微鏡與明場或暗場等其他照明方法相比具有優勢[4]。

核心要點：

• 在晶圓質量控制（QC）過程中有效地可視化有機污染，從而縮短檢測時間、提高產量并改善半導體元件質量。

• 可靠、快速地監控OLED（有機發光二極管）平板顯示器的RGB陣列輸出質量。

隨著半導體集成電路（IC）的尺寸縮小到10納米以下，在晶圓檢測過程中有效檢測光刻膠殘留物等有機污染物和缺陷變得越來越重要。光學顯微鏡仍是常用的檢測方法，但對于有機污染而言，明視野和其他類型的照明都有其局限性。本文討論了在半導體行業的質量控制、故障分析和研發&D過程中，如何利用熒光顯微鏡有效檢測晶片上的光刻膠殘留物和其他有機污染物。

檢查晶片是否存在有機污染和光刻膠差異時面臨的挑戰

在晶圓檢測過程中，使用光學顯微鏡高效、可靠地檢測光刻膠殘留物和殘留有機污染物是一項挑戰。使用光學顯微鏡進行晶片檢測通常需要多種對比方法。這些殘留物并不總是很容易用較常見的顯微鏡照明（如明視場或暗視場 [5] ）看到，這取決于有機污染的體積（參見圖1）。由于在半導體圖案化接近納米級尺寸時，即使是極少量的光刻膠殘留物或其他殘留污染也會給進一步加工帶來嚴重問題。因此，使用普通顯微鏡照明進行精確的晶片檢測既費時又低效。

圖1： 對同一塊已圖案化晶圓同一區域拍攝的光學顯微鏡圖像，分別采用A）明場、B）暗場和C）熒光 照明。諸如光刻膠和污染物等有機材料在明場和暗場圖像中呈現為暗色，而在熒光圖像中則帶有綠色調。

熒光顯微鏡及其如何造福電子和半導體行業

熒光顯微鏡是觀察晶片和半導體上有機材料的有力工具。它基于光致發光原理，即原子和分子被較高能量（較短波長）的光（如紫外線）激發，然后通過發射較低能量（較長波長）的光（如可見光）來弛豫 [6]。熒光顯微鏡和明視野顯微鏡的區別如圖2所示。以下各小節將舉例說明熒光顯微鏡在檢測光刻膠殘留物和有機污染物以及檢測有機發光二極管顯示器中的RGB像素方面的應用。

圖2：熒光顯微鏡（A）和明場顯微鏡（B）通過顯微鏡光學系統的光路對比圖。

在質量控制和研發過程中檢測光刻膠殘留物和有機污染&D

光刻膠和許多有機材料在紫外線的激發下會發出熒光。與典型的顯微鏡照明（如明視野）相比，熒光顯微鏡更容易在晶片表面對這些材料進行定位和量化（參見圖3）。因此，熒光顯微鏡可用于晶圓檢測，并能有效地觀察這些有機殘留物，從而縮短檢測時間、提高產量并改善半導體元件的質量。

圖3：圖案化晶片同一區域的圖像，分別采用以下方式獲取：A和D）明場照明，B和E）熒光，以及C和F）明場和熒光的疊加。在熒光圖像和疊加圖像中可以清晰地看到光刻膠殘留物和污染物。

檢查OLED顯示屏的像素

熒光顯微技術的另一個應用實例是OLED（有機發光二極管）顯示器的生產或檢測。OLED顯示器由一個或多個發光有機分子層組成的RGB像素陣列堆疊而成（參見圖4） [7]。層的均勻性和厚度對于保持高像素效率和質量非常重要，必須在制造過程中進行精確監控。此外，銀（Ag）涂層上的RGB像素分子有機層不應有間隙。這些有機分子也能發出熒光。因此，使用熒光顯微鏡（也可使用非熒光顯微鏡和電致發光）可以高效可靠地監測OLED顯示屏RGB陣列輸出的質量（參見圖5）。

圖4：橫截面示意圖，展示了一個用于OLED顯示器的并排堆疊RGB像素設計示例（改編自參考文獻7）。

圖5：OLED顯示器中RGB像素陣列的光學顯微鏡圖像?？梢詸z查像素的發光顏色。

用于晶片檢測的徠卡熒光顯微鏡解決方案

DM8000 M（參見圖6）、DM12000 M和DM6 M顯微鏡專為檢測8英寸、12英寸和6英寸晶圓、大型半導體元件以及OLED顯示器等平面電子元件而設計。

它們為用戶提供以下服務：

• 配備選定的熒光立方體時，可用于熒光顯微鏡檢查

• 可選的電動操作與手動操作相比，成像效率更高

• 利用宏觀檢測模式進行高效的晶片或組件檢測

• 多種照明和對比方法，包括明視野、暗視野、DIC、偏振、紅外、斜視和紫外。

由于DM8000、DM12000或DM6 M具有多種對比和照明技術（包括熒光）以及較大的放大倍率范圍，用戶可以將其配置為滿足特定需求的檢測工具。

圖6：DM8000 M顯微鏡，專為生產、質量控制、失效分析和研發過程中對8英寸晶圓和半導體元件進行高通量檢測而設計。

對更快、更小、更復雜的集成電路和半導體元件的需求日益增長，這就要求采用快速可靠的方法來檢測晶片上的有機污染（光刻膠殘留物、外來有機顆粒和液體）。明場或暗場等多種對比方法的光學顯微鏡通常用于晶片檢測，但在觀察殘留有機污染物方面受到限制，使檢測耗時且效率低下。這里介紹了在半導體行業的質量控制、故障分析和研發&D過程中，如何利用熒光顯微鏡對晶片進行有效的有機污染檢測。未來，晶片表面的有機污染物會顯示出不同的熒光信號，即在紫外光的激發下會發出不同波長和顏色的熒光，這意味著可以利用這一現象來區分污染物的類型。使用合適的熒光顯微鏡，就可以進行 "根本原因分析"，以確定各種有機污染物的來源。

參考文獻：

1.T.Bearda、P.W. Mertens、S.P. Beaudoin，《晶圓污染和缺陷概述》，Ch.P. Mertens 和 S.P. Beaudoin 合著。2 載于《硅晶片清潔技術手冊》第 3 版，K.A. Reinhardt、W. Kern 編輯。(威廉-安德魯出版社，2018 年）第 87-149 頁，DOI：10.1016/B978-0-323-51084-4.00002-2.

2.J.Zhu, J. Liu, T. Xu, S. Yuan, Z. Zhang, H. Jiang, H. Gu, R. Zhou, S. Liu, Optical wafer defect inspection at the 10 nm technology node and beyond, Int.J.Extrem.制造廠(2022) vol. 4, num.3，032001，DOI 10.1088/2631-7990/ac64d7。

3.M.-H.Rim, E. Agocs, R. Dixson, P. Kavuri, A.E. Vladár, R.K. Attota, Detecting nanoscale contamination in semductor fabrication using throughfocus scanning optical microscopy, J. Vac.科學Technol.B (2020) vol. 38, iss.5, 050602, doi：10.1116/6.0000352.

4.K.Pollard, R. Peters, M. Phenis, D. Pfettscher, Characterization of Clean after Photoresist Removal from Wafers with Copper Pillars with Lead-Free Solder Caps, IMAPSource Proceedings 2016 (DPC) pp.DOI：10.4071/2016DPC-TA24.

5.J.DeRose, D.R. Barbero, Rapid Semiconductor Inspection with Microscope Contrast Methods：利用光學顯微鏡揭示關鍵細節，在電子工業中高效可靠地進行半導體質量控制，科學實驗室（2023 年）徠卡顯微系統公司。

6.W.Ockenga, J. DeRose, An Introduction to Fluorescence：光致發光現象背后的基本理論--熒光和磷光，科學實驗室（2011 年）徠卡微系統。

7.M.Fr?bel, F. Fries, T. Schwab, S. Lenk, K. Leo, M.C. Gather, S. Reineke, Three-terminal RGB full-color OLED pixels for ultrahigh density displays, Scientific Reports (2018) vol. 8, 9684, DOI：10.1038/s41598-018-27976-z..

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