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晶圓表面缺陷的光學檢測技術，依據其基本光學原理，可分為衍射法、干涉法和散射法。其中，散射法利用缺陷對入射光的散射特性進行缺陷檢測，是一種應用廣泛的缺陷檢測方法，散射法根據照明方法與成像原理等不同又可分為明場散射和暗場散射。盡管明場與暗場均利用了光的散射，但二者在檢測原理上存在較大差異。倘若晶圓表面是一個光滑面，其被光線照射時，會發生鏡面反射，而事實上晶圓表面存在顆粒等諸多缺陷，會導致部分入射光的反射方向較預定方向發生偏離，即發生散射。明場檢測和暗場檢測的主要區別就在于，前者檢測損失了一部分光強的反射光；后者直接檢測散射光。
圖2 各照明方式 (From: MKS)
在光學檢測系統的設計中，一個重要的考慮是寬帶與窄帶光源的選擇。寬帶系統使用光強度極高的燈來提供一系列波長，窄帶系統則使用激光來產生單獨一個波長。現實中，晶圓廠大多在明場系統中使用寬帶光源，在暗場系統中使用窄帶光源。
成像原理
反射光或散射光經若干透鏡構成的收光系統收集后，由CCD（電荷耦合器件）或PMT（光電倍增管）作為探測器進行記錄，將光強信息轉換為缺陷信息。在兩類光子探測器中，CCD 可以檢測一定波長范圍內的所有譜線，且可以成像；而一個PMT 只檢測單個波長的譜線，因此基于上述照明方法差異，明場系統通常使用CCD，暗場系統則可以使用CCD 或PMT。成像法中，明場系統利用反射光束構造圖像，暗場系統則利用反射束之外的散射光構造圖像。特別地，基于暗場原理的檢測方法除成像法外還包括非成像法，非成像法本身不能直接成像，而是采用PMT 收集晶圓表面缺陷的散射光，通過標準參照物與散射光強度之間的相關曲線將缺陷的散射光強度轉化為等效尺寸，進而對得到的結果進行統計與分類。
圖3 明場與暗場的成像 (From: biorender)
無圖形晶圓一般是指裸硅片或者有一些空白薄膜的硅片（主要用作測試片），其表面的典型缺陷包括顆粒、殘留物、刮傷、晶體原生凹坑、裂紋等，這些缺陷會影響后續工藝的加工質量，并最終影響產品的良率。
有圖形晶圓是指經過光刻、刻蝕、沉積等關鍵工藝后形成納米結構圖形的硅片，其缺陷不僅包括納米顆粒、凹陷、突起、刮傷、斷線、橋接等表面缺陷，還包括空洞、材料成分不均勻等亞表面和內部缺陷。這些缺陷是在大批量生產制造過程中，不可避免的工藝誤差和環境污染導致的。
無圖形晶圓檢測
一般來說，暗場檢測是無圖形晶圓缺陷檢測的首選。這是由于當晶圓表面沒有圖形時，無需進行圖像比較，而暗場檢測具有高速、高靈敏度的特點，因而具有更高的產能。在檢測系統中，激光束徑向掃描旋轉晶圓的表面，晶圓的旋轉位置和光束的徑向位置定義了缺陷在晶圓表面X-Y 網格中的位置。
KLA 公司的SP 系列（Surfscan）無圖形晶圓缺陷檢測設備主要采用了暗場檢測方法。其中SP7 缺陷檢測系統能夠檢測 7nm 尺寸的缺陷。以SP1 為例，該系統有傾斜入射和垂直入射兩個入射角（Incidence Beam）以及“寬”、“窄”兩個信號收集通道（PMT），它們相互組合形成四種檢測模式。
由于散射信號的強度分布與缺陷的形狀、尺寸、材料，以及基體膜層有關，因而可以依據入射光和收集通道的模式不同對缺陷進行分類。
有圖形晶圓檢測
有圖形晶圓的缺陷檢測是一個很慢的過程且相對復雜，需根據具體應用來決定采用明場、暗場，或是二者結合。有圖形晶圓檢測系統將晶圓上的晶粒與相鄰晶粒（或已知的無缺陷的“黃金”晶粒）的圖像進行比較，圖像處理軟件對圖像進行扣除處理，在扣除過程中晶粒的任何隨機缺陷都不會變為零，反而會在扣除后的圖像中清晰地顯示出來。在很多情況下，基于照明方法與成像原理等方面的特征，明場系統能夠檢測到更廣泛的缺陷類型。
當前半導體行業主流的硅片圖形結構缺陷檢測設備仍然是基于明場光學散射原理。典型的明場光學缺陷檢測設備采用柯勒照明光路將高亮寬譜等離子體光源光束調制成超均勻、特定光束截面形狀的偏振光束；隨后利用高NA（數值孔徑，用以衡量光學系統能夠收集的光的角度范圍）低像差的物鏡收集硅片結構圖形缺陷引起的散射光，再通過折反混合透鏡組與變焦透鏡組相結合的成像光路將散射光成像至時間延遲積分相機（TDI-CCD）；最后利用基于片對片的圖像差分處理算法實現缺陷信號的準確識別。
參考資料
文字內容主要摘自《一“明”一“暗”檢缺陷，相輔相成提良率》- 光大證券
《半導體工藝 控制設備 ，國產化率不足 5 %%，替代 空間大》- 安信證券
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