为什么晶圆上的小颗粒，在暗场中更容易被发现？
在半导体制造中，一片肉眼看起来很洁净的晶圆，表面仍可能存在颗粒、划伤、凹坑或其他微小异常。
这些缺陷产生的光学信号很弱。如果直接观察，它们很容易被晶圆表面的强反射背景淹没。
暗场检测采用了另一种思路：
不是继续把晶圆表面照得更亮，而是尽量压低正常表面的背景，让缺陷产生的散射光更容易被接收。
于是，原本不明显的微小颗粒，可能变成暗背景中的亮点、亮斑或亮环。
本文以无图形晶圆为对象，介绍暗场检测的基本原理，以及照明、收光、传感器和扫描方式如何共同影响检测结果。
一、为什么无图形晶圆适合采用暗场检测？
无图形晶圆通常指尚未形成大量重复器件图形的晶圆，例如裸硅片、外延片、整面薄膜晶圆，以及部分SiC、GaN等化合物半导体衬底。
这类晶圆有一个重要特点：正常区域相对平整、均匀，镜面反射光的传播方向也比较集中。
当光照射到理想平面时，大部分能量会按照反射定律进入确定的镜面反射方向。如果表面出现颗粒、划伤或局部起伏，原有的平整结构被破坏，一部分入射光会被重新分配到其他方向，形成散射光。
因此，可以把无图形晶圆上的两类信号简单理解为：
- • 正常平面产生的镜面反射，是需要压低的背景；
- • 颗粒和表面异常产生的散射光，是需要提取的缺陷信号。
暗场检测的核心，就是尽量不让前者进入成像通道，同时尽可能收集后者。
这里也能看出，暗场并不是一种只适用于颗粒的“特殊照明”。只要缺陷能够改变局部光场分布，让一部分光偏离正常反射方向，就有可能在暗场中形成信号。
二、暗场是怎样让缺陷“亮起来”的？
理解暗场，可以先与明场做一个对比。
在典型的反射明场中，正常晶圆表面的镜面反射光会进入成像系统，因此图像背景通常较亮。颗粒虽然会改变局部光强，但这种变化叠加在较强背景上，缺陷与周围区域的对比未必明显。
暗场采用了相反的信号组织方式。
照明光以斜角照射晶圆，正常平面产生的镜面反射光被引导到成像系统之外。对于没有缺陷的区域，物镜接收到的光很少，背景因此变暗。
当光照到颗粒、划伤或表面起伏时，这些异常结构会把光散射到多个方向。其中一部分散射光进入物镜，缺陷便会在暗背景中表现为亮信号。
可以把两者概括为：
明场保留正常表面的反射背景，再从背景中寻找变化。
暗场抑制正常表面的镜面反射，重点接收缺陷产生的散射光。
需要注意，暗场并不只是“把灯放低一点”。真正决定暗场效果的，是镜面反射光是否避开接收系统、缺陷散射光是否进入物镜，以及杂散光和晶圆表面背景是否得到控制。
图1 无图形晶圆明场与暗场检测原理示意
图2 明暗场实际成像对比，左图为明场，右图为暗场。同一类无图形晶圆颗粒在明场和暗场下的成像差异。暗场压低了平整表面的背景，颗粒散射形成的亮环更容易识别
三、颗粒产生的散射信号由什么决定？
暗场检测的关键，不只是“有没有散射光”，而是散射信号能否从背景噪声中被可靠区分出来。
对于尺寸远小于照明波长、形状较简单的理想小颗粒，可以用瑞利散射近似理解其基本变化趋势：
其中，表示颗粒散射光强，表示入射光强，表示颗粒直径，表示照明波长。
这个关系至少说明了三件事。
颗粒越小，散射信号下降得越快
在满足瑞利散射近似的条件下，散射强度与颗粒直径的六次方相关。假设其他条件不变，颗粒直径缩小一半，理论散射强度可能下降到原来的约1/64。
因此，颗粒尺寸只是缩小一点，探测器能够收到的散射光就可能明显减少。这也是微小颗粒检测困难的重要原因。
较短波长通常有利于增强小颗粒散射
散射强度与波长的四次方成反比。在理想条件下，波长缩短一半，散射强度理论上可提高约16倍。
这也是晶圆缺陷检测中经常考虑紫外、深紫外照明的原因之一：较短波长不仅有助于提高系统对小尺度结构的响应，也可能增强微小颗粒的散射信号。
提高入射光强可以增加可用光子数
提高照明功率，通常能够增加颗粒产生并被探测器接收的散射光子数量。
但波长越短、功率越高，并不代表系统一定越好。进入紫外和深紫外波段后，光源、材料、镀膜、探测器响应和杂散光控制都会更困难；过高功率还可能带来样品损伤、局部温升和稳定性问题。
所以，暗场系统真正追求的不是单纯增加光强，而是：
提高缺陷散射信号与背景噪声之间的比例。
还要强调，上述公式只是理想条件下的趋势关系。真实晶圆上的颗粒可能形状不规则，也可能与基底发生复杂的近场和干涉作用；划伤、凹坑、薄膜异常等缺陷，更不能直接套用这个公式计算亮度。
实际散射还会受到颗粒材料、折射率、形状、偏振、入射角、观察角度以及晶圆基底反射等因素影响。
四、真实的晶圆暗场系统如何工作？
基础示意图通常只画出斜入射光、镜面反射和缺陷散射。但在真实设备中，还要同时解决照明均匀性、镜面反射隔离、散射光收集、晶圆运动和高速成像等问题。
一种典型方案是使用线激光斜照晶圆。
线形光斑一次覆盖一条检测区域，晶圆在运动平台上连续移动，从而逐行完成较大面积扫描。
平整晶圆产生的镜面反射光沿特定方向传播。系统可在这一方向设置Beam Trap，也就是光束吸收装置，把强反射光吸收掉，减少其在系统内部形成杂散光。
晶圆上方的物镜主要收集颗粒产生的散射光，再通过后续镜组将图像传递到图像传感器。
一套公开实验装置采用405 nm线激光，以60°角照射晶圆；镜面反射光由Beam Trap吸收，NA 0.3物镜负责收集缺陷散射光，运动平台则带动晶圆连续扫描。
这类系统可以拆成三个关键环节：
照明。 入射角、光斑形状和照明均匀性，会影响缺陷产生多少散射光，也决定正常反射光向什么方向传播。
收光。 物镜的数值孔径和观察方向，决定系统能够收集哪些角度范围内的散射光。更大的数值孔径通常有利于增加收光量，但也会带来视场、景深和系统设计上的权衡。
背景抑制。 即使镜面反射没有直接进入物镜，光学元件、机械结构和晶圆微观粗糙度仍可能产生杂散光或Haze背景。
图3 暗场系统完整光路，基于TDI的无图形晶圆暗场散射检测系统。线激光斜照晶圆，Beam Trap吸收镜面反射，物镜收集缺陷散射光。
五、为什么暗场检测还需要TDI？
暗场检测存在一个天然矛盾。
正常反射光被排除后，物镜接收到的缺陷散射光往往非常微弱。延长曝光时间可以积累更多光子，让缺陷信号更明显；但曝光时间增加，又会降低扫描速度。如果晶圆在曝光过程中持续运动，还可能产生运动模糊。
也就是说：
想看得更清楚，需要收集更多光；想检测得更快，又不能无限延长曝光。
TDI，即时间延迟积分，是解决这一矛盾的一种方法。
普通线阵传感器在目标经过时，只对目标进行一次有效曝光。TDI传感器则包含多级感光单元。当晶圆上的同一个位置依次经过不同感光级时，前一级获得的电荷会同步转移到下一级，并与新的曝光信号继续累加。
可以把它理解为：
传感器不是只看颗粒一次，而是在颗粒运动过程中连续观察多次，再把多次获得的微弱信号叠加起来。
只要晶圆运动速度、像在传感器上的移动速度和电荷转移速度保持同步，就可以在连续扫描的同时增加等效积分时间，提高暗场图像的信噪比。
在理想条件下，TDI级数增加倍，信噪比大致可按的趋势提升。但真实系统还会受到固定图样噪声、照明不均匀、同步误差和传感器饱和等限制。
图4 TDI同步积分原理
随着晶圆运动，同一位置的光信号在多个感光级中连续累加。
图5 不同TDI级数下的颗粒图像
同一晶圆区域在不同TDI级数下的暗场图像。随着积分级数降低，部分微弱颗粒逐渐难以识别。
TDI的价值不是简单增加曝光次数，而是在高速运动条件下，让信号积累与晶圆扫描保持同步。
不过，暗场也不是“背景越黑越好”。真正重要的是缺陷信号与背景波动之间的差异。晶圆粗糙度形成的Haze、杂散光、照明不均匀、固定图样噪声和运动同步误差，都可能影响最终检出结果。
这里还要区分两个概念：
检测到缺陷，不等于分辨出缺陷的真实形状。
只要颗粒产生的散射信号高于背景噪声，即使其尺寸低于系统的成像分辨能力，也可能被检测出来。但图像中的亮点或亮环，并不一定等于颗粒的真实几何轮廓。
结语
暗场检测之所以适合无图形晶圆，并不是因为它使用了某一种特殊相机，而是因为它重新组织了正常背景与缺陷信号之间的关系。
平整晶圆产生的镜面反射被排除在接收通道之外，颗粒和表面异常产生的散射光则进入物镜。原本被强反射背景淹没的微弱缺陷，由此变成暗背景中的亮信号。
但真正实现高灵敏度、高速度的晶圆暗场检测，还需要同时处理照明波长、入射角、收光数值孔径、杂散光、传感器噪声、晶圆运动和图像算法。
TDI只是其中一种技术路径，却很好地说明了半导体检测设备的共同特点：
极限检测能力很少由某一个参数单独决定，而是光源、光学系统、传感器、运动控制和算法共同作用的结果。
