基于双尾延轴点扩散函数的无图案晶圆暗场检测系统轴向响应范围扩展研究

针对高数值孔径(NA)深紫外(DUV)晶圆检测系统中因微米级表面不平整导致的离焦敏感性问题，研究人员通过设计双尾延轴点扩散函数(DTE-PSFs)，在4f系统频谱面引入定制相位板，将系统轴向响应范围扩展2-3倍，同时提升离焦条件下的信噪比(SNR)和定位精度。该方案无需后处理或额外检测时间，为半导体制造中的缺陷检测提供了创新解决方案。

　　

在半导体制造的前道工艺中，无图案晶圆的缺陷检测如同在广袤沙漠中寻找特定的沙粒——暗场成像系统凭借非接触、高灵敏度和高通量的优势成为主流检测手段。然而随着缺陷尺寸进入纳米级，检测系统陷入两难境地：采用高数值孔径(NA)的深紫外(DUV)光源虽能捕获更微弱的散射信号，却使系统景深(DOF∝λ/NA²
)骤减至纳米级，微米级晶圆表面起伏就会导致严重离焦，造成信号扩散和信噪比(SNR)恶化。更棘手的是，现有解决方案各有限制：机械实时调焦系统效率低下，暗场全息显微术受相干光源的散斑噪声困扰，而光瞳分割法则面临掩模制备难题。

针对这一行业痛点，中国的研究团队在《Optics》发表论文，提出通过双尾延轴点扩散函数(DTE-PSFs)改造光学系统。研究人员在4f系统的频谱面放置基于前55项Zernike标准多项式设计的相位板，通过优化不同采样平面的PSF强度梯度方差，成功构建出具有特殊三维能量分布的新型PSF。实验采用405nm二极管激光器和15×/0.3NA物镜搭建折叠光路，在人工缺陷晶圆上验证了该技术的优越性。

设计光学路径
研究团队在传统暗场检测光路中嵌入4f系统，其频谱面加载的相位板通过Zernike多项式组合产生特定波前调制。这种设计使得PSF在轴向形成双尾能量分布，当检测面发生离焦时，系统仍能保持较高信号强度。

实验研究
折叠光路测试显示，DTE-PSF使系统轴向响应范围达到常规设置的2-3倍。在±3μm离焦范围内，200nm聚苯乙烯微粒的散射信号强度衰减不足50%，而传统系统在±1μm时信号即衰减80%。定位精度测试中，DTE-PSF系统对100nm缺陷的定位误差始终低于15nm。

讨论与结论
该研究突破性地将Zernike多项式应用于相位板设计，其归一化孔径特性使方案可适配不同NA系统。DTE-PSF不仅扩展了轴向响应范围，其独特的能量分布还抑制了离焦导致的信号扩散，使系统在保持高通量的同时，对纳米级缺陷的捕获能力提升显著。相比需要复杂算法的深度学习方案，这种纯光学改造更适用于工业检测场景。

这项由Zhenzhen Ding等人完成的研究，为半导体制造中的离焦问题提供了兼具创新性和实用性的解决方案。相位板设计的标准化特性预示着该技术有望成为新一代晶圆检测系统的标准配置，对提升芯片良率控制具有重要意义。