接Part 1;
3. 光学检测系统的多样性
光是人眼或人造探测器可以感知的电磁 (EM) 辐射，属于 EM 光谱的一部分。任意光场都可以用四个基本量来完整描述，即频率、振幅、相位和偏振 [60]。
通常，光学缺陷检测是在线性光学领域实现的。因此，与振幅、相位和偏振不同，频率与光与物质的相互作用无关 [61]。因此，光学检测系统可以根据实际使用中的光的测量量进行分类。
3.1. 基于振幅的光学检测系统
人造探测器，例如电荷耦合器件 (CCD) 和互补金属氧化物半导体（CMOS），只能检测光的辐射。因此，光学检测最直接的方式是从原始强度帧中提取缺陷信号。
包括 KLA-Tencor、应用材料、日立高科技、JEOL 和 ASML 在内的顶级市场参与者都提供基于振幅或强度的光学检测系统。
在他们的系统中，明场照明、暗场照明或两者结合被广泛用于缺陷检测[62]。
明场照明是更常用的照明几何形状，通常涉及将灯光安装并定位在距成像表面 90° 至 45° 之间（偏离水平方向）[63]。
相反，暗场照明涉及将灯光定位在偏离水平方向 0° 至 45° 之间[64]，这在对高反射表面进行成像或产生边缘效应时特别有效；见图 6(a)。
如图 6(b) 示意图所示，图案化晶圆检测系统将测试芯片的图像与晶圆上相邻芯片的图像进行比较 [65]。
芯片中任何随机缺陷都不会在减法过程中归零，而是会显示在减法图像中 [66]。
缺陷的位置允许在晶圆上生成缺陷图，类似于为非图案晶圆生成的图。
图案晶圆检测需要对晶圆台和检测系统的光学元件进行精确且可重复的运动控制。
为解决在芯片间比较中可能无法检查出系统性缺陷的问题，可以考虑制造一个已知无缺陷的“黄金”芯片 [67]，尽管由于生产线的变化，这可能很困难。
另一种策略称为“芯片到数据库” [68, 69]，将芯片的实验图像与建模的无缺陷芯片的模拟图像进行比较。
通过傅里叶光学理论 [70, 71] 可以有效地计算出模拟图像，该理论将芯片的近场转换到图像空间。
然而，模仿实验条件从来都不是一件容易的事。首先，由于芯片的尺寸比检测系统中照明源的波长大得多，因此计算芯片的近场对于逻辑电路来说极其耗时和耗资源 [72]。
虽然对于周期性阵列（即存储电路）中的缺陷情况，近场计算的开放边界问题可以用周期性边界条件来近似 [73]，但单位单元的尺寸应足够大，以消除非物理边界假设引起的任何可能的边界效应 [74]。
由于线边缘和线宽粗糙度可能与先进技术节点上感兴趣的缺陷的大小相当 [75]，因此应将其纳入物理建模过程。
然而，我们应该提到，线边缘和线宽粗糙度的地形在实际情况下是随机的，因此永远无法准确预测它们对缺陷检测程序的影响。
随着照明源的波长在不久的将来不断缩小，这个问题可能会变得更加严重。
有限元法 [76]、FDTD 法 [77] 和矩量法是用于计算图案化晶圆近场的成熟的数值电磁求解器 [78, 79]，但短波长下纳米级特征（尤其是粗糙度）需要细网格，这将导致计算开销较大。
与芯片到芯片或芯片到数据库策略相比，“自比较”可以在不耗时计算的情况下检查系统性缺陷 [80]。
顾名思义，自比较是一种通过将芯片的光学图像与自身进行比较来检查缺陷的策略。
如果芯片上的图案具有水平周期性（例如，存储器电路），则自比较在理论上会效果很好 [81]，因为将芯片水平移动 n ∙ P（其中 n 为整数，P 表示图案的间距）不会改变光学图像，即 Ip (x) = Ip (x + n ∙ P) [82]，其中 x 和 Ip 分别表示芯片的水平位置和芯片中图案的光学图像。
然而，缺陷通常不是周期性的，意味着它在光学图像中不是移位不变的，即 Id (x) ̸= Id (x + n ∙ P)，其中 Id 表示缺陷的光学图像。
因此，如果芯片有缺陷，从移动 n ∙ P 的图像中减去其光学图像只会显示缺陷信号 [83]，即
其中 ∆I 是差分图像。这种方法在数学上很简单，最重要的是，它避免了机械位移可能引起的长期不稳定性。
然而，我们应该指出，上述自比较策略仅适用于存储电路 [83]，而不适用于逻辑电路，因为需要移位不变性，即 Ip (x) = Ip (x + n ∙ P)。
据我们所知，芯片到芯片或芯片到数据库仍然是逻辑电路缺陷检测的主力 [84]。
传统上，在明场照明模式下，图案化晶圆缺陷检测是在成像系统的最佳焦平面上实施的 [85]，这意味着假设缺陷的最佳分辨率和对比度位于最佳焦平面。
然而，图案/缺陷与晶圆基板之间的强电磁耦合可能导致缺陷峰值信号的垂直偏移[86]，这可以通过静电近似理论[87]在物理上得到解释。
因此，沿垂直方向而不是水平方向进行芯片间比较可以为缺陷检测带来更好的信噪比。
离焦扫描光学显微镜（TSOM）[88, 89]允许传统光学显微镜通过组合在多个离焦位置捕获的二维（2D）光学图像来收集低至纳米级的尺寸信息，其横向和垂直测量灵敏度均小于一纳米[90]。
由于半导体制造中使用的传统明场技术的灰色区域在11纳米节点左右，TSOM 可以通过利用通过z轴切片获得的丰富信息来扩展明场显微镜的功能[91]。
如图7所示，通过焦点图像根据焦点位置进行堆叠，从而产生包含光学信息的3D空间[36, 55, 92]。从平移n∙P的图像中减去其光学图像将仅显示缺陷信号[83]。
即，从该3D空间中，通过任何给定方向的感兴趣位置提取横截面2D TSOM图像。然后可以通过从基线TSOM图像中减去缺陷扰动的TSOM图像来获得缺陷信号[93]。
通过焦点扫描捕获的3D EM散射场还可以与优化的照明配置和先进的后处理算法相结合，用于10纳米以下的缺陷检测[94]。
这里我们应该提到，通过焦点扫描方法可以潜在地提高缺陷灵敏度，但需要花费更多的时间。
虽然变形镜[95]、液体透镜[96]和空间光调制器可以实现无运动垂直扫描[97]，但它仍然比传统的明场显微镜更耗时。
3.2. 基于相位的光学检测系统
从瑞利散射的角度来看，任何深亚波长纳米结构（主尺寸为 d）从波长为 λ 的非偏振光束散射的光的振幅与 d3/λ2 成正比 [98, 99]。
然而，由于表面上高度为 h 的脊引起的相位变化 φ 可以近似表示为 φ = 4πh/λ [100]，这表明相位比与垂直亚波长尺寸相关的振幅更敏感。
对于晶圆上的缺陷，背景和缺陷之间的折射率差 ∆n 可能导致相位变化 φ = 4πh∆n/λ [101]。
从以上讨论中，我们可以预期相位信息对表面上和下面的缺陷都很敏感。
为了重建光学相位，干涉技术如相移干涉术和数字全息显微镜[102–106]被广泛使用。
然而，由于传统双路干涉仪中的振动噪声可能会干扰微弱的缺陷信号[107]，所以并不是所有的干涉技术都适用于缺陷检测。
共路干涉术[108]是一种定量相位成像技术，传统上是生物医学应用的一个活跃领域[109]，由于其对振动噪声的鲁棒性和高达毫秒级的测量速度，在图案化晶圆缺陷检测中具有巨大的潜力。
为了实现缺陷检测，周等人构建了一种专门的epi模式的衍射相位显微镜（DPM）[110]。
DPM是一种共路干涉仪，它由衍射光栅和4f透镜系统结合而成[113]。
在这种几何结构中，干涉仪非常稳定，可以进行高灵敏度的时间分辨测量。
由于衍射光栅的周期性，可以在不同角度创建图像的多个副本。
选择0阶和+1阶干涉图在相机平面上创建最终干涉图[114]。其他阶干涉图要么不通过第一个透镜，要么在傅里叶平面中被滤除；见图8(a)[110]。
这种紧凑的配置本质上抵消了大多数造成噪声的机制，并且是单次拍摄的，这意味着采集速度仅受所用相机速度的限制。
使用该 epi-DPM 结合全面的后处理策略 [115–117]（包括二阶差分、图像拼接和卷积），成功检测到了各种类型的缺陷，包括平行桥接缺陷、垂直桥接缺陷、孤立点缺陷和垂直线延伸缺陷，最小尺寸可达 20 nm。
光栅诱导共路干涉仪可以自然扩展到白光照明配置 [112]，因此与单色干涉仪相比，可以检测到更多类型的缺陷。
然而，我们应该提到，在宽带干涉系统中，+1 阶会由于色散而扩散傅里叶滤波器平面上的所有颜色，从而无法对其进行低通滤波。
因此，宽带干涉系统使用 1 阶作为图像阶，并受到像散的影响。
光学伪电动力学显微镜 (OPEM)（如图 8(b) 所示）[111, 118] 是一种通过求解二维泊松方程 [119] 来计算光学照明引起的纳米结构散射力的方法，可视为一种特殊的相位成像技术 [120]。
这是因为，当纳米物体受到缓慢变化的电场（如平面波）照射时，其散射力与相位的空间梯度成正比 [121]。
然而，需要指出的是，OPEM 中的散射力是一种准力，而不是真实力，因为不可能将物体的 SCS 与测量的强度分离 [122]。
幸运的是，光学图案化缺陷检测仅需要以定性的方式对缺陷进行定位。
无需复杂的仪器和降噪后处理算法，就能成功感测 2.3 纳米级高度差异和宽度小于 10 纳米的各种半导体缺陷 [111]，这表明 OPEM 对系统噪声具有鲁棒性，对纳米级扰动敏感。
然而，我们应该强调的是，尽管 OPEM 已经显示出检测纳米级缺陷的能力，但到目前为止，与定量相位成像技术相比，它还不能定量确定纳米结构的高度。需要进行更多的理论研究才能使光散射力的测量成为可能。
3.3. 基于偏振的光学检测系统
传统的光学晶圆缺陷扫描是业界的标准方法，因为它具有高吞吐量和灵敏度 [123]。
然而，标准光学缺陷检测工具报告的缺陷需要单独的 SEM 审查，以确定缺陷是否为图案缺陷 [124]。
光学散射测量法 [125, 126] 也称为光学临界尺寸计量法，它利用晶圆上光的衍射偏振特性 [127–130] 来测量周期性纳米结构的轮廓参数，即将测量到的偏振状态变化与模拟值进行比较。
如果存在图案化缺陷，它将破坏几何周期性并在光学响应中引入额外的特征 [78]，从而降低光谱拟合的质量。
然而，由于散射测量法是一种非成像技术，且报道的照明点的最小尺寸仍然大于 5 μm，因此散射测量法无法精确判断缺陷在晶圆上的位置，与传统明场解决方案相比，它对高级节点的吸引力较小。
成像椭圆偏振仪 [131–133] 将偏振对比显微镜成像与光谱椭圆偏振仪的测量原理相结合，具有定位图案化晶圆缺陷的潜力。
最先进的成像椭偏仪已达到小于 1 μm 的空间分辨率 [134, 135]，最重要的是，它是一种成像技术，因此避免了散射测量（或光谱椭偏仪）中耗时的点扫描。
然而，由于市售的成像椭偏仪是为薄膜表征而设计的，其光路设计、相机噪声和系统校准可能不是图案化晶圆缺陷检测的最佳选择。
因此，定制光学系统而不是市售的成像椭偏仪在学术界更为常见。
Chi 等人重新发现了零椭偏仪原理，这是一种出色的暗场成像图像对比度增强方法 [136]。
他们证明，只需在传统暗场成像系统中添加偏振器、补偿器和光电二极管传感器并应用零原理，就可以将40 nm 线和40 nm 空间图案上小至 14.6 nm 的间隙缺陷和小至 21.9 nm 的桥接缺陷与散射噪声区分开来，而这些缺陷在传统暗场成像中是看不见的；参见图 9 中的示意图和实验结果。
3.4. 基于轨道角动量的光学检测系统
轨道角动量 (OAM) [137, 138] 不同于宏观上以圆偏振光形式呈现的自旋角动量 [139]，它表现为光子的轨道旋转 [140]。OAM 描述具有螺旋波前的结构化波，其扭曲次数标识每个 OAM 状态 [141]。
因此，携带 OAM 的波具有独特的相位结构，并具有广阔的应用前景 [142, 143]，范围从经典到量子领域。
Wang 等人提出了一种缺陷检测策略，该策略使用 OAM 光束作为相干傅里叶散射测量 (CFS) 中的探针 [144]。
如图 10(a) 所示，传统上，缺陷图案由具有高斯空间分布的光束照射，然后将捕获的背向反射信号与黄金参考图案的信号进行比较。
相比之下，OAM CFS 是独一无二的，因为它不依赖于参考预先建立的数据库，前提是图案化结构具有反射对称性。
如图 10(b) 所示，当缺陷（红点）被单个 OAM 光束 Pq(x, y) 照射时，OAM 光束的整数 OAM 电荷 q = +1 或 q = −1，由此产生的 OAM 光束衍射图案表现出明显的不对称性，可以利用这一点进行缺陷检测。
然而，我们应该强调的是，虽然 OAM 光束在无参考检测方面优于高斯照明，但该策略建立在几何对称的假设之上，这可能仅在存储器阵列中有效。
此外，OAM 照明无法逃避内在的物理极限，即瑞利散射——如果缺陷的尺寸比照明波长小得多，则缺陷引起的波前扰动非常弱。
噪声（例如表面粗糙度和系统误差（包括光学像差和光学元件缺陷））的存在很容易淹没缺陷信号。
由于OAM光束的波前具有空间相位分布[145]，因此在OAM缺陷检测系统中，缺陷的灵敏度应与空间坐标有关。
事实上，具有任意拓扑电荷的OAM光束可以分解为具有各种波矢的许多平面波[146]，这表明基于OAM的检测类似于传统明场缺陷检测系统中使用的不同照明配置的场景，从角谱理论的角度来看[148]本质上是一种照明工程[147]。
总的来说，基于OAM的缺陷检测是一种很有前途的技术，但从技术和市场的角度来看，都需要进行更详细的研究。
3.5. 使用太赫兹 (THz) 波的缺陷检测系统
局部表面等离子体共振 (LSPR) 是金属纳米粒子中受光激发的集体电子电荷振荡 [151, 152]。
众所周知，金和银等金属粒子一旦被可见光或近红外 (NIR) 区域的电磁波照射，其在共振波长处的近场振幅就会增强 [153, 154]。
该场高度局域化在纳米粒子上，并迅速从纳米粒子/介电界面衰减到介电背景中，尽管粒子的远场散射也会因共振而增强 [155]。
光强度增强是 LSPR 的一个非常重要的方面 [156]，这表明在共振波长下，金属粒子通常比介电粒子更容易被光学检测到。
类似地，我们很自然地会想象这样的场景：如果被检硅片能被其相应的谐振波长激发，缺陷的散射特征可能会增强几个数量级，类似于金属纳米粒子在 LSPR 状态下的特征[157]。
事实上，大多数半导体的等离子体频率在 THz 域[158]，THz 表面等离子体极化激元 (SPP) 有望成为无损检测半导体表面缺陷的有用工具[159]。
由于 SPP 的能量限制与 SPP 频率与半导体等离子体频率的重叠程度有关 [160, 161]，因此使用频率略低于半导体等离子体频率的 THz 波可以实现高灵敏度检测。
Yang 等人开发了一种 THz 波段缺陷检测系统，其原理如图 11(a) 所示[162]。
从剃须刀片和半导体表面之间的间隙发射的 THz 波在间隙处散射，散射波包括传播场和衰减场的连续体 [150, 163]，这使得激发 SPP 成为可能。
SPP 沿半导体表面传播，主要方向垂直于剃须刀片。放置在距离第一个刀片一定距离处的第二片刀片用于将 SPP 耦合回自由传播的辐射，然后进行检测。
如果半导体表面存在缺陷（例如，表面上方的粒子或表面下方的气泡），SPP 在穿过缺陷时应该会被散射或反射。
因此，输出 THz 波的强度将根据缺陷的存在而不同。一般而言，这种基于 SPP 的原型无法形成缺陷区域的“图像”，而是生成一维信号，只有通过与参考晶圆的信号进行比较才能观察到缺陷。
因此，该系统可能更适合裸晶圆缺陷检测。要实现图案化晶圆缺陷检测，基于LSPR的THz成像系统更为可取，如图11（b）所示[149]。
在这样的系统中，定制的THz波撞击图案化晶圆，从而激发目标类型缺陷的LSPR。
由于LSPR的强近场限制和吸收，THz图像中缺陷的灵敏度和对比度可能会得到极大增强。
然而，我们应该强调的是，虽然SPR或LSPR可以显著增强缺陷的SCS或近场限制，但图案化晶圆缺陷的尺寸处于个位数节点的水平，远小于THz波长。
因此，10纳米以下图案化缺陷的SCS会非常小[164]，因此LSPR波长下散射场的增强可能会被瑞利散射引起的极小的SCS所抵消。
因此，在THz波段缺陷检测系统实际应用之前，需要进行更详细的研究。
（待续）
