晶圆表面颗粒检测设备主要有光学检测和电子束检测两种类型，其结构原理如下：
光学检测原理
• 明场照明检测：光源垂直照射晶圆表面，光线在无颗粒的光滑表面发生镜面反射，当有颗粒时，镜面反射光强度会发生变化，通过光电探测器如CCD等接收反射光信号，转化为电信号并进行分析处理，从而检测出颗粒的存在及位置等信息，适用于检测表面较光滑、颗粒较大的晶圆.
• 暗场照明检测：光源以一定倾斜角度照射晶圆表面，在无颗粒的情况下，光线不直接进入探测器，当有颗粒时，光线会向各个方向散射，其中部分散射光被探测器接收，探测器将光信号转换为电信号，经处理后识别颗粒，可检测超微小的颗粒.
电子束检测原理
电子束检测设备主要由电子枪、电磁透镜、扫描系统、探测器等组成。电子枪发射电子束，经电磁透镜聚焦后形成细小电子束斑，扫描系统控制电子束在晶圆表面逐点扫描，电子束与晶圆表面相互作用产生二次电子、背散射电子等信号，不同位置的颗粒会使信号强度和分布发生变化，探测器收集这些信号并转换为电信号，经处理和分析生成晶圆表面颗粒的图像和相关信息，其检测精度高，但速度较慢，常用于部分线下抽样量测及关键区域检测.
晶圆表面颗粒检测设备是用于检测晶圆表面是否存在颗粒以及确定颗粒的数量、大小、位置等信息的专业仪器，常见的有以下几种：
光学检测设备
• 明场显微镜：光源垂直照射晶圆表面，通过透镜组将反射光聚焦成像。适用于检测表面较光滑、颗粒较大的晶圆，可直观观察到颗粒的形态和分布，但对于微小颗粒检测灵敏度有限 。
• 暗场显微镜：光源以一定倾斜角度照射晶圆表面，只有颗粒散射光进入物镜成像，视野背景为黑色，能突出微小颗粒，可检测到更小尺寸的颗粒，如日立暗场晶圆缺陷检测系统DI4600，但设备成本和操作难度相对较高.
• 自动光学检测系统：如维普光电的TORNADO 2000S，利用光学成像技术和图像分析算法，可快速扫描晶圆表面，自动检测并分析颗粒等缺陷，检测速度快、精度高，适用于大规模生产中的晶圆检测.
• 激光扫描检测设备： 用激光束扫描晶圆表面，无颗粒处激光发生镜面反射，有颗粒时部分光线散射，通过检测散射光或反射光强度变化来判断颗粒的存在和位置，可实现非接触、高精度的颗粒检测，常用于无图形晶圆的检测.
电子束检测设备
• 电子束扫描电镜：利用电子束扫描晶圆表面，激发二次电子成像，具有极高的分辨率，能够检测到极其微小的颗粒甚至原子级别的缺陷，但设备价格昂贵，检测速度慢，对样品有一定损伤，通常用于研发和高端制程的检测。
其他检测设备
• 表面颗粒分析仪：如Candela CS10V TE，采用非接触无损伤的激光扫描方式，可检测半导体晶圆表面多种缺陷，并对颗粒进行统计分类，适用于不同尺寸的晶圆，操作简便，检测效率高.
• 晶圆检测灯：如LUYOR-3320G手持式绿光检查灯、PS-PH40等，通过特定波长的光源照射晶圆表面，使操作员肉眼可识别表面的灰尘、刮痕等瑕疵，结构简单、使用方便，可作为初步检测或辅助检测工具.
晶圆表面颗粒检测设备主要由以下部分组成：
照明系统
• 光源：如激光光源、LED光源等，为检测提供光线，不同的检测需求会使用不同波长和强度的光源，像暗场检测多采用激光光源以提高检测精度.
• 照明控制装置：可调节光源的强度、角度、偏振态等参数，以适应不同的检测场景和晶圆表面特性，提高检测的准确性和可靠性.
成像系统
• 光学镜头：用于聚焦和成像，将晶圆表面的颗粒图像清晰地投射到探测器上，其质量和性能影响成像的清晰度和分辨率。
• 探测器：如CCD、CMOS等，将光学信号转换为电信号，再通过模数转换为数字信号，以便后续处理和分析，高灵敏度、低噪声的探测器可提高检测的精度和可靠性.
机械运动系统
• 载物台：用于固定和放置晶圆，通常具备高精度的定位和移动功能，可实现晶圆在水平和垂直方向的精确移动，使检测能够覆盖整个晶圆表面。
• 扫描装置：控制成像系统或载物台的运动，实现对晶圆表面的逐点或逐行扫描，确保全面检测晶圆表面的颗粒情况。
信号处理与分析系统
• 数据采集卡：采集探测器输出的数字信号，并将其传输到计算机进行处理，其采样频率和精度影响数据的准确性和完整性。
• 图像处理软件：对采集到的图像进行处理和分析，如去噪、增强、分割、识别等操作，以提取颗粒的特征信息，如尺寸、位置、形状等，还可通过算法对颗粒进行分类和统计。
控制系统
• 控制电路：实现对照明系统、机械运动系统等的控制和协调，确保各个部件按照设定的参数和程序协同工作，保证检测过程的稳定性和可靠性。
• 操作界面：提供人机交互的界面，用户可通过该界面设置检测参数、控制检测过程、查看检测结果等，方便操作和管理检测设备。
优缺点：
光学检测设备
• 优点：检测速度快，能在短时间内完成大面积晶圆的检测，如天弘激光全自动晶圆外观检测机效率较高。精度较高，可检测到微米级甚至更小的颗粒，像自动光学检测系统能检测到约0.1-0.5微米的颗粒。非接触式检测，不会对晶圆表面造成损伤.
• 缺点：对于一些微小的、与晶圆表面对比度低的颗粒，检测难度较大。设备的光学系统较为复杂，需要定期校准和维护，以确保检测精度的稳定性。
电子束检测设备
• 优点：具有极高的分辨率，能够检测到纳米级甚至原子级别的微小颗粒，可清晰呈现晶圆表面的微观结构和缺陷。对复杂形状和结构的颗粒检测效果好，能提供详细准确的颗粒信息.
• 缺点：检测速度慢，不适合大规模生产中的快速检测。设备成本高昂，且运行和维护成本也较高，对操作人员的技术要求高。电子束扫描可能会对晶圆表面造成一定的损伤，影响晶圆的性能.
表面颗粒分析仪
• 优点：采用非接触无损伤的激光扫描方式，可检测多种缺陷并进行统计分类，操作简便，检测效率高。对晶圆表面的颗粒分布和密度等信息能够快速准确地获取.
• 缺点：检测精度相对电子束检测设备略低，对于极小颗粒的检测存在一定局限性。仪器的适用范围可能有限，对于一些特殊材料或结构的晶圆，检测效果可能不理想。
晶圆检测灯
• 优点：结构简单、使用方便、成本低廉，可作为初步检测或辅助检测工具。能够快速直观地发现晶圆表面的较大颗粒、划痕等明显缺陷.
• 缺点：检测精度低，只能检测到尺寸较大的颗粒和明显瑕疵，无法检测到微小颗粒和微观缺陷。检测结果受人为因素影响大，对检测人员的经验和视力要求较高 。
以下是一些晶圆表面颗粒检测设备的代表产品：
• 日立暗场晶圆缺陷检测系统 DI4600：2023年12月推出，增加了专用服务器，提高了数据处理能力，进而提升了检测精度。与之前型号相比，通过缩短晶圆转移时间和改进操作，吞吐量提高了约20%，可实现半导体生产线中高精度的缺陷监测.
• KLA-Tencor Surfscan 系列： 具有高灵敏度和高分辨率，能够检测到极小的颗粒和缺陷，提供多种检测模式和功能，可满足不同工艺和客户的需求，在全球半导体行业中应用广泛。
• SPEA TH2000 双面晶圆检测仪：将双面晶圆探测能力与全面的测试资源相结合，集电气测试、翘曲和表面验证及光学检测等实用功能于一体。其轴配备有高分辨率线性光学编码器的高速线性电机，以确保高吞吐量和最佳探测精度.
• 维普光电 TORNADO 2000S 晶圆表面自动光学检测系统：检测光源为460nm投射光+反射光，最小缺陷分辨率达350nm，对颗粒划痕的检测精度为0.3um，特征线宽检测精度为0.5um，线宽测量重复性在3σ范围满足≤8nm，套刻测量重复性在3σ范围满足≤6nm.
• Candela CS10V 表面颗粒分析仪：采用非接触无损伤的激光扫描方式，激光波长405nm，激光斑点直径≤15um，可检测颗粒直径≥80nm的半导体晶圆表面缺陷，包括微粒、划伤、坑点、水渍、痕迹残留等，并能进行统计分类.
• 优可测晶圆三维形貌检测机 WM-300X：拥有真空吸附、抗震、适用性大、移动速度快的测量平台，搭配高精度、大量程的纳米级压电陶瓷，最快扫描速度为400um/秒，可测量晶圆的粗糙度、台阶高度、研磨纹路、切割深度等.
• 日本 takano 晶圆表面检测设备 WM 系列：包括300mm晶圆的标准型号WM-10R和200mm以下晶圆尺寸的高性能型号WM-7系列。该系列有2轴粒子入射角和2个宽数值孔径镜头，采用带转速控制的螺旋扫描方式，具有高灵敏度检测和高分辨率 XY 位置螺旋扫描的特点.
• Test-way 检测设备：适用于化合物半导体 Wafer 表面的位错、缺陷、平整度等的光学量测和检测，可提供无接触及无损伤测量，能根据客户需求定制化服务.
以下是一些国产晶圆表面颗粒检测设备的代表产品：
• 中科飞测的 Spruce-600 晶圆表面缺陷检测系列：检测精度较高，能够满足芯片制造过程中对晶圆表面颗粒检测的要求，成功进入中芯国际生产线，技术水平和产品性能得到了国内主流芯片制造企业的认可.
• 华海清科的半导体晶圆颗粒检测设备：在国内市场具有一定的份额，为国内半导体产业提供了可靠的检测设备支持，有助于提高国内晶圆制造的质量和效率.
• 苏州行半导体技术有限公司的 TB1500 明场纳米图形晶圆缺陷检测设备：面向40nm技术节点，核心关键部件自主可控，采用先进信号处理算法，提升了光源亮度和感度，增大了物镜视野和速度，能够捕捉更小缺陷尺寸，实现了国产半导体高端检测设备的新突破.
• 彤光视觉的晶圆检测 AOI：可检测芯片正反面崩边、划伤、氧化等外观缺陷，单层底面崩裂缺陷检测精度≥0.02×0.2mm，对≥0.02mm的穿透崩边、缺脚、弧形边等缺陷识别率≥90%.
• 维普光电的 TORNADO 2000S 晶圆表面自动光学检测系统：检测光源为460nm投射光+反射光，最小缺陷分辨率达350nm，对颗粒划痕的检测精度为0.3um，特征线宽检测精度为0.5um.
• 优可测的晶圆三维形貌检测机 WM-300X：拥有测量速度快、精度高的测量平台，搭配高精度、大量程的纳米级压电陶瓷，可测量晶圆的粗糙度、台阶高度、研磨纹路、切割深度等 。
