显微课堂 | 晶圆表面光刻胶残留与有机污染物可视化检测

荧光显微镜用于检测晶圆和半导体的质量控制、故障分析和研发&D如何造福电子行业

人们对速度更快的电子设备（智能手机、电脑、平板电脑、显示器等）的需求日益增长，这促使集成电路芯片和半导体元件的图案化尺寸不断缩小到10纳米以下 [1-3]。为了实现更小的纳米尺寸，紫外光刻制版步骤的数量有所增加，同时也增加了制版缺陷和有机污染的可能性 [2]。这种残留污染可能对工艺控制、产量以及电子元件的性能和可靠性产生负面影响。

在半导体加工过程中，需要使用光刻胶对晶片进行图案化。图案形成后，必须去除光刻胶以便进一步加工，但往往会留下光刻胶残留物和其他有机污染物。在晶片、掩膜、焊盘和半导体元件的表面可以发现许多不同类型的有机污染物。典型的例子包括光刻胶残留物、外来有机颗粒和液体、灰尘以及材料中的纤维。另一个常见的有机污染源是人的头发、皮屑和来自皮肤的油性物质。

因此，随着半导体图案尺寸越来越小，集成电路制造量越来越大，晶片表面的光刻胶残留物和有机物污染问题越来越严重。集成电路的密度越来越高，因此在生产过程中保持表面清洁至关重要。荧光显微镜与明场或暗场等其他照明方法相比具有优势[4]。

核心要点：

• 在晶圆质量控制（QC）过程中有效地可视化有机污染，从而缩短检测时间、提高产量并改善半导体元件质量。

• 可靠、快速地监控OLED（有机发光二极管）平板显示器的RGB阵列输出质量。

随着半导体集成电路（IC）的尺寸缩小到10纳米以下，在晶圆检测过程中有效检测光刻胶残留物等有机污染物和缺陷变得越来越重要。光学显微镜仍是常用的检测方法，但对于有机污染而言，明视野和其他类型的照明都有其局限性。本文讨论了在半导体行业的质量控制、故障分析和研发&D过程中，如何利用荧光显微镜有效检测晶片上的光刻胶残留物和其他有机污染物。

检查晶片是否存在有机污染和光刻胶差异时面临的挑战

在晶圆检测过程中，使用光学显微镜高效、可靠地检测光刻胶残留物和残留有机污染物是一项挑战。使用光学显微镜进行晶片检测通常需要多种对比方法。这些残留物并不总是很容易用较常见的显微镜照明（如明视场或暗视场 [5] ）看到，这取决于有机污染的体积（参见图1）。由于在半导体图案化接近纳米级尺寸时，即使是极少量的光刻胶残留物或其他残留污染也会给进一步加工带来严重问题。因此，使用普通显微镜照明进行精确的晶片检测既费时又低效。

图1： 对同一块已图案化晶圆同一区域拍摄的光学显微镜图像，分别采用A）明场、B）暗场和C）荧光 照明。诸如光刻胶和污染物等有机材料在明场和暗场图像中呈现为暗色，而在荧光图像中则带有绿色调。

荧光显微镜及其如何造福电子和半导体行业

荧光显微镜是观察晶片和半导体上有机材料的有力工具。它基于光致发光原理，即原子和分子被较高能量（较短波长）的光（如紫外线）激发，然后通过发射较低能量（较长波长）的光（如可见光）来弛豫 [6]。荧光显微镜和明视野显微镜的区别如图2所示。以下各小节将举例说明荧光显微镜在检测光刻胶残留物和有机污染物以及检测有机发光二极管显示器中的RGB像素方面的应用。

图2：荧光显微镜（A）和明场显微镜（B）通过显微镜光学系统的光路对比图。

在质量控制和研发过程中检测光刻胶残留物和有机污染&D

光刻胶和许多有机材料在紫外线的激发下会发出荧光。与典型的显微镜照明（如明视野）相比，荧光显微镜更容易在晶片表面对这些材料进行定位和量化（参见图3）。因此，荧光显微镜可用于晶圆检测，并能有效地观察这些有机残留物，从而缩短检测时间、提高产量并改善半导体元件的质量。

图3：图案化晶片同一区域的图像，分别采用以下方式获取：A和D）明场照明，B和E）荧光，以及C和F）明场和荧光的叠加。在荧光图像和叠加图像中可以清晰地看到光刻胶残留物和污染物。

检查OLED显示屏的像素

荧光显微技术的另一个应用实例是OLED（有机发光二极管）显示器的生产或检测。OLED显示器由一个或多个发光有机分子层组成的RGB像素阵列堆叠而成（参见图4） [7]。层的均匀性和厚度对于保持高像素效率和质量非常重要，必须在制造过程中进行精确监控。此外，银（Ag）涂层上的RGB像素分子有机层不应有间隙。这些有机分子也能发出荧光。因此，使用荧光显微镜（也可使用非荧光显微镜和电致发光）可以高效可靠地监测OLED显示屏RGB阵列输出的质量（参见图5）。

图4：横截面示意图，展示了一个用于OLED显示器的并排堆叠RGB像素设计示例（改编自参考文献7）。

图5：OLED显示器中RGB像素阵列的光学显微镜图像。可以检查像素的发光颜色。

用于晶片检测的徕卡荧光显微镜解决方案

DM8000 M（参见图6）、DM12000 M和DM6 M显微镜专为检测8英寸、12英寸和6英寸晶圆、大型半导体元件以及OLED显示器等平面电子元件而设计。

它们为用户提供以下服务：

• 配备选定的荧光立方体时，可用于荧光显微镜检查

• 可选的电动操作与手动操作相比，成像效率更高

• 利用宏观检测模式进行高效的晶片或组件检测

• 多种照明和对比方法，包括明视野、暗视野、DIC、偏振、红外、斜视和紫外。

由于DM8000、DM12000或DM6 M具有多种对比和照明技术（包括荧光）以及较大的放大倍率范围，用户可以将其配置为满足特定需求的检测工具。

图6：DM8000 M显微镜，专为生产、质量控制、失效分析和研发过程中对8英寸晶圆和半导体元件进行高通量检测而设计。

对更快、更小、更复杂的集成电路和半导体元件的需求日益增长，这就要求采用快速可靠的方法来检测晶片上的有机污染（光刻胶残留物、外来有机颗粒和液体）。明场或暗场等多种对比方法的光学显微镜通常用于晶片检测，但在观察残留有机污染物方面受到限制，使检测耗时且效率低下。这里介绍了在半导体行业的质量控制、故障分析和研发&D过程中，如何利用荧光显微镜对晶片进行有效的有机污染检测。未来，晶片表面的有机污染物会显示出不同的荧光信号，即在紫外光的激发下会发出不同波长和颜色的荧光，这意味着可以利用这一现象来区分污染物的类型。使用合适的荧光显微镜，就可以进行 "根本原因分析"，以确定各种有机污染物的来源。

参考文献：

1.T.Bearda、P.W. Mertens、S.P. Beaudoin，《晶圆污染和缺陷概述》，Ch.P. Mertens 和 S.P. Beaudoin 合著。2 载于《硅晶片清洁技术手册》第 3 版，K.A. Reinhardt、W. Kern 编辑。(威廉-安德鲁出版社，2018 年）第 87-149 页，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.制造厂(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.科学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：利用光学显微镜揭示关键细节，在电子工业中高效可靠地进行半导体质量控制，科学实验室（2023 年）徕卡显微系统公司。

6.W.Ockenga, J. DeRose, An Introduction to Fluorescence：光致发光现象背后的基本理论--荧光和磷光，科学实验室（2011 年）徕卡微系统。

7.M.Fröbel, 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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