雷射散射技術用於晶圓瑕疵檢測

摘要：本文主要透過雷射散射儀用於計算半導體晶圓的檢測方法及工具，在技術上雷射散射光的亮度會隨雷射光入射角度變化或雷射光波長變化及極化方向而被記錄為不同的特性圖譜，由這些散射圖譜可以獲得有關待測物的形狀和結構參數的資訊包括相關尺寸量測，而本文主要討論系統特性，像是最小可量測微粒尺寸、速度及量測表面粗糙度或其他缺陷等，相較於其他量測方法，此方法有更好的量測能力。

Abstract: This study reviews the use of laser scattering for semiconductor wafers. Signatures for scattered light of a target as a function of angle/wavelength and polarization can be interpreted in terms of process-control parameters. This study analyzed the following instrument characteristics: minimum detectable size for the adhering particle, inspection throughput, detectability of microroughness and detectability of crystal defects at the subsurface. Such measurements are more convenient than conventional metrological methods.

關鍵詞：雷射散射、晶圓、微粒

Keywords：Laser Scatter, Wafer, Particle

前言
近幾年由於半導體製程的微縮下，使得元件開發尺寸越來越小，因此造就了穿戴式產品的崛起，在2014年美國聖荷西（San José）所舉辦的國際晶圓級封裝技術研討會（International Wafer-Level Packaging Conference, IWLPC）上，Dr. Janusz Bryzek演講指出在2006年行動式感測器（mobile sensor）是以222%的年成長率在提升，在2013年則以56%逐年成長，預計在2021年會達到兆級感測器（trillion sensor, TSensor） [1]，如圖1所示，此外，Dr. Ted Tessier亦認同由於半導體技術的提升，使得微小化及多功能感測器的時代來臨，亦即造就了兆級感測器的產生，因此便使得穿戴裝置用於不同領域的重大突破，像是醫護照料裝置、運動監控裝置及睡眠品質裝置…等[2]，如圖2所示，同時Dr. Mehran Mehregany則提到因為兆級感測器的出現，造就了醫療器材的轉型與應用，在醫療器材逐漸採用穿戴裝置及無線化的監控，以提高產值並可降低其醫療成本的支出[3]。因此目前行動裝置對於先進半導體製程的需求十分強勁，而根據國際半導體技術發展藍圖（international technology roadmap for semiconductors, ITRS）所預測的產業需求來看，目前半導體大廠包括台積電、英特爾及三星在內，皆已開始跨入十幾奈米的先進製程，且隨著半導體製造技術由二維晶片（two-dimensional integrated circuit, 2DIC）轉進三維晶片（3DIC）世代後，像是三維記憶體、鰭式場效電晶體（fin field-effect transistor, FinFET）或多重曝影微影（double patterning）…等技術將是未來主流，而由2015年晶圓檢測設備於全球採購統計數據來看，如圖3所示，台灣約占27%成為最大的採購國，其次是韓國的24%，再者是美國及日本的16%及12%，且由年度成長分佈可以看出晶圓檢測設備採購金額每年都維持在30至50億美元左右，這是由於目前半導體朝向製程微縮的時代，晶圓缺陷檢測的難度亦跟著提升，因此需要更有效率的檢測技術支援，其中晶圓缺陷檢測技術主要包括暗場、亮場、雷射散射及電子束…等幾種方式[4, 5]，而在半導體製程進入微縮世代後，傳統光學暗場及亮場檢測技術便遭遇瓶頸，這是由於光學物理極限的繞射現象限制了影像極限，導致圖形鑑別率大幅下降，並無法有效的辨識線路及缺陷，因此在微縮製程下，檢測技術是以電子束及雷射散射為主。而由半導體主流製程的微縮轉換趨勢來看，電子束檢測並無法取代雷射散射檢測，尤其晶圓廠在要求提升先進製程良率之際，也要同步放大投片產能，以電子束缺陷檢測設備支援的產出速度太慢，短期內仍無法與雷射散射檢測設備相抗衡，因此雷射散射檢測技術是一種非常有效的技術，可以用來偵測晶圓表面上的附著微粒（particle）、缺陷和表面粗糙度…等。因此本文主要介紹雷射散射運用於晶圓表面缺陷檢測技術，其主要藉由穩定且低雜訊的短波長雷射入射至晶圓表面上，其雷射散射光因晶圓表面缺陷特性的不同，將具有不同的散射光強度及分佈，分析其訊號便可以精確的分辨晶圓表面上奈米微粒的尺寸、形狀和材質…等。