浅谈半导体领域的光学显微成像技术

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半导体中的光学显微成像技术

半导体光学显微成像贯穿芯片制造的全流程——从晶圆缺陷检测到封装质量分析，由于其具有高通量、非接触、无损伤特性，其是半导体产线上最基础、最广泛应用的检测手段之一。半导体光学检测技术作为集成电路制造与封装测试环节的核心支撑手段，其技术体系可从多个维度进行系统化梳理。下图展示了从不同维度对半导体光学检测技术的分类。

半导体光学检测技术分类，原创图片，转载请说明

依据成像原理的差异，显微成像技术可划分为明场、暗场、偏光、相差、干涉及共聚焦等模式，不同原理在对比度生成机制与信息提取维度上各具侧重，分别适用于表面形貌、内部应力、三维结构等不同观测需求。

从物理信号类型来看，检测系统主要利用反射型、透射型、散射型与发光型四种光学信号与物质相互作用的机制，实现对晶圆表面缺陷、薄膜特性及器件电学异常的综合表征。

半导体光学检测技术，按照检测对象分，来源ref17

在产业应用层面，半导体光学检测技术的分类进一步与测试用途、检测对象及工艺目的深度耦合。按测试用途划分，其涵盖有图形缺陷检测、无图形缺陷检测、三维形貌量测、膜厚量测、光罩检测及晶边检测等，覆盖了从裸晶圆到光刻掩模版的全流程质量监控节点。

按检测对象分类，则对应晶圆级、芯片级、封装级、光罩与掩模版级以及晶边级，体现出检测技术在不同物理尺度与工艺阶段上的针对性适配。

按检测目的可区分为缺陷检测、参数量测与Review复检三类功能定位，其中缺陷检测侧重于异常发现，参数量测聚焦于关键尺寸与膜厚等工艺参数的精确提取，而Review复检则承担对检出缺陷的高分辨率复核与根因分析任务。

业界半导体光学检测技术，按照检测对象分，来源ref2

此外，按检测阶段与产线集成度的分类方式，直接决定了设备的技术形态与部署策略。Inline在线检测强调与产线机台的实时联动与高吞吐量，Outline离线检测适用于实验室环境下的深度分析，而R&D检测则服务于新工艺开发阶段的灵活验证与表征需求。

上述多维分类体系并非相互独立，而是彼此交叉、协同作用，共同构成了支撑先进制程从研发到量产全生命周期的光学检测技术矩阵。

01. 业界传统半导体光学检测技术

前面提到，从目的出发，半导体的检测技术可以分为缺陷检测、参数量测和Review。这也是最主流的划分方法。缺陷检测侧重于异常发现，参数量测聚焦于关键尺寸与膜厚等工艺参数的精确提取。

1.1 半导体缺陷检测技术

半导体检测技术，ref13

半导体缺陷检测技术是以发现"有无"缺陷，定位异常点并分类为主要目的。检测技术按"被测表面状态"和"物理原理"可分为：无图形晶圆检测、有图形晶圆检测、特殊对象检测（光罩，缺陷形貌、晶背/晶边等）。

在半导体制备流程中检测工序通常是inline工序，实现对批次实现全检覆盖，因此对通量要求高，通常采用光学为主，电子束为辅的思路。

因此半导体缺陷检测设备多为光学检测设备。 目前半导体检测设备中的光学检测设备主要基于明场+暗场原理，并结合数据成像解算算法实现超分辨率的nm级缺陷识别。

常见的半导体缺陷检测技术

工业界主要采用按照检测对象分类的方法，按照此方法还将主要的检测技术分为：无图形晶圆激光扫描检测、图形晶圆成像检测和光刻掩膜版成像检测等三大类技术.

半导体缺陷检测分类，ref14

半导体缺陷检测分类，ref14

BFI 明场缺陷检测

明场检测利用的是缺陷存在导致的反射光场复振幅畸变。对于图案化晶圆，理想周期性结构产生规则的衍射级次；当存在桥接、断线或线边缺陷时，局部周期被破坏，衍射能量重新分配，部分能量从镜面反射通道泄漏至其他方向，表现为像面上的强度异常。 缺陷引起的远场散射振幅可近似为：

DFI 暗场缺陷检测

暗场检测利用的是缺陷作为散射体对入射光的再辐射效应。当照明光以倾斜角度入射时，理想光滑表面或完美周期性图案仅产生镜面反射和规则衍射级次；探测器刻意避开这些方向，仅布置在非镜面角度。此时，若表面存在颗粒、凸起或局部形貌突变，入射光被散射至各个方向，部分散射光恰好落入探测器接收角内，形成可检测信号。

瑞利散射区

Mie散射区

明场和暗场显微技术，ref11

1.2 半导体量测技术

量测技术是以量化"多少"参数，获取物理尺寸的精确数值为主要目的。

量测技术按"被测物理量"可分为四大类：尺寸量测 、薄膜量测、电学量测、成分/表面分析。因此量测技术是一种多物理场信息收集，多模态融合的过程。

由于量程在产线工序中采样抽检即可，不需要像量测一样做全覆盖，因此对通量的要求也较低。。

常见的半导体量测技术

主要产品，ref14

OCD技术

在集成电路前道工艺中，光学关键尺寸（OCD）测量本质上就是光学散射测量技术，亦称光学散射仪。OCD 并非传统意义上的光学显微镜成像量测，而是一种散射测量学 (Scatterometry) 技术。其核心思想是：借助光谱椭偏原理，通过测量周期性微纳结构对宽光谱、多角度偏振光的散射响应（相位、偏振态、光谱等），反演出结构的三维几何轮廓。

OCD原理，ref12

计算反解散射仪原理，ref17

OCD是一种求解逆散射问题来重构结构的三维形貌（CD、高度、侧壁角等），是一种基于模型的非成像式测量手段。

根据入射角、散射角与波长的配置差异，光学散射仪主要分为两大类：角分辨散射仪与光谱散射仪。前者采用单色光源，通过扫描入射角（如2-θ散射仪收集零级衍射光）或固定入射角而扫描散射角，获取角分辨反射/透射信息；后者则采用宽带光源，通过光谱仪分光探测，典型代表为基于光谱椭偏仪（SE）的散射仪，可测量振幅比角Ψ与相位差角Δ，而穆勒矩阵椭偏仪（MME）更能一次性获得16个穆勒矩阵元素，提供丰富的待测结构信息，有利于参数解耦。

在实际应用中，为提升测量灵敏度，常将角分辨与光谱方式相结合，例如采用波长可调的角分辨系统，或在光谱测量中变换入射角。无论何种技术路线，它们都是OCD测量的具体实现形态.

局限性：只能分析采集周期性纳米结构（如划线槽内目标光栅）

02. 新兴高分辨、高通量光学显微技术概述

光学检测技术因其非破坏性、高通量和实时性特点，成为晶圆质量控制的关键手段。随着半导体工艺节点进入10nm及以下技术节点，晶圆表面缺陷检测面临着前所未有的挑战。传统光学显微镜受限于衍射极限（~200nm），难以满足超微细结构的检测需求。

新兴光学显微技术主要在突破传统显微技术高通量、高分辨率、高信噪比、多维度方面。

REF10

2.1 超分辨/高分辨成像技术

超分辨与高分辨成像技术旨在突破光学衍射极限对空间分辨率的制约，实现纳米尺度乃至亚纳米尺度的结构解析。传统光学显微受阿贝极限约束，分辨率约为照明波长的一半，在可见光波段通常难以突破两百纳米。为逾越这一物理瓶颈，现代超分辨技术从缩短波长、增大数值孔径、近场探测及计算重建四个维度协同推进。

高分辨成像技术，原创图片，转载请说明

在硬件层面，采用更短波长的照明源是直接有效的路径。紫外与极紫外光源将有效波长压缩至数十纳米量级，显著提升了分辨能力；电子束成像则进一步突破光学波段限制，进入亚纳米尺度。

在数值孔径维度，固体浸没透镜（SIL）技术通过将半球形高折射率介质与样品表面直接接触，等效提升物镜数值孔径至1.5以上，实现近场耦合的高分辨成像，常用于集成电路故障分析中的背面电路重构。

近场光学显微（SNOM）则通过亚波长尺度的探针在样品近场区域采集倏逝波信息，彻底规避远场衍射极限，可获得约十纳米的空间分辨率，适用于光刻胶局部特性与低维材料表面态的精细表征。

在算法与编码层面，新兴技术通过信息调制与计算重建等效扩展系统带宽。计算重建类技术如叠层成像（Ptychography）与去卷积算法，利用多帧衍射数据或先验知识在数值域恢复高频信息；孔径合成与倾斜照明则通过改变等效照明角度，合成获得超越物理孔径的频域覆盖。

近场技术利用倏逝波的非辐射特性，通过扫描近场光学显微（SNOM）或超透镜将消逝场转化为传播场，直接获取亚波长细节。

此外，点扩散函数调制技术如受激发射损耗显微（STED）与共聚焦系统，通过物理或数字方式重塑有效PSF以压缩焦斑；结构光照明显微（SIM）借助频率编码将高频信息混频至系统通带内；光激活定位显微（PALM）则利用时域编码，通过稀疏激活与精确定位实现超分辨。

上述技术路径并非相互独立，而是构成了从物理照明、光学采集到计算重建的全链条超分辨技术体系，为半导体检测、生物医学成像及材料表征等领域提供了多维度的高分辨实现方式。

基于以上原理一些常见的高分辨技术列举如下表所示

一级范式	二级分类	具体技术	关键公式 / 物理极限	典型分辨率
Ⅰ. 频域带宽扩展	结构光混频	SIM, SSIM, SPP-SIM	（2D-SIM 理论 2× 扩展）	80–150 nm
	合成孔径	倾斜照明, FPM, 散斑照明		视扫描角（可达 NA 2×）
Ⅱ. 硬件参数提升	NA 最大化	油浸 / 固体浸没, 双光子		极限 ~200 nm（可见光）
	探测器超采样	亚像元位移, TDI		突破像素限制（2–4×）
Ⅲ. 利用倏逝波	近场探针	NSOM, s-SNOM	无衍射公式，分辨率 ~ 探针孔径尺寸	10–50 nm
	超透镜	Superlens, Hyperlens, 微球透镜	Hyperlens: ；Superlens:	30–80 nm
	倏逝波照明	TIRF, SPP 照明	穿透深度 ；SPP 波矢	轴向 ~100 nm
Ⅳ. 调制 PSF 与样本	光瞳 / 照明调制	环形照明系统, 共聚焦显微, 空间频率编码	Confocal: ；编码 PSF:	横向 1.4×，轴向 2×
	样本发光调制	PALM, STORM, PAINT, MINFLUX	；MINFLUX:	5–40 nm（MINFLUX ~1–3 nm）
	非线性压缩	STED, RESOLFT, 光声非线性	；光声: （非线性压缩）	20–80 nm（光声 ~50–150 nm）
Ⅴ. 算法处理	经典逆问题	RL 反卷积, 压缩感知		1.5–2×
	NN + 系统辨识	NN-PSF 估计, NN-CTF 估计, 物理嵌入网络	；Zernike PSF:	2–4×（依赖模型精度）
	端到端深度学习	SRCNN, GAN, SwinIR, Restormer		视训练数据分布

2.2 高通量成像技术

传统光学检测受限于机械扫描带宽（如共聚焦逐点扫描）或单次成像NA-FOV权衡（高NA则小视场），导致吞吐量瓶颈。

新兴技术通过计算成像、光电扫描代替机械扫描、硬件并行换时间等方式实现高通量成像。

并行式高通量方案，ref18

高通量CTC检测系统，ref19

高通量成像技术旨在突破传统光学系统视场（FOV）与数值孔径（NA）之间的固有权衡，以及机械扫描带来的速度瓶颈。

传统方案如共聚焦激光扫描显微依赖压电平台或振镜逐点逐行扫描，其吞吐量受限于机械惯性；而单次宽场成像虽具大视场，却受衍射极限约束，难以兼顾高分辨与大范围。

在计算成像层面，傅里叶叠层显微（FPM）利用可编程LED阵列从不同角度照明样品，通过合成孔径算法在数值域拼接出大视场高分辨图像，以光电调控替代机械位移；压缩感知与编码照明技术则通过单次或少量测量中的结构化信息编码，由算法解码全视场数据，显著降低采样次数。

FPM 成像技术，ref 20

在光电扫描层面，声光偏转器（AOD）与电光偏转器以微秒级响应实现光束无惯性偏转，取代机械振镜；数字微镜器件（DMD）与空间光调制器（SLM）可并行生成多焦点或多光束图案，实现可编程的快速扫描照明。光片荧光显微（LSM）采用正交布置的激发与探测光路，以薄层光片选择性照明样品，配合高帧率CMOS实现高速三维层析，避免了轴向机械扫描。 在硬件并行层面，线扫描推扫式成像将点探测扩展为线阵探测，单次扫描即可获取二维切片；转盘共聚焦系统通过微透镜阵列将激发光分割为数千个并行焦点，以相机积分替代逐点扫描；而大面阵科学级CMOS与片上无透镜成像技术，则将视场扩展至平方厘米量级，通过计算重建直接从传感器数据恢复图像。浅谈光电探测器和图像传感器（十九）：无透镜成像（2）

03. 新兴光学显微技术介绍

01. FPM

高通量成像技术中的一种，通过可变角度LED阵列照明+低NA物镜，合成数值孔径；迭代相位恢复算法重建高分辨大视场复振幅图像。FPM是合成孔径的一个子类技术，可以兼顾大FOV和高分辨，单次采集覆盖传统20×以上FOV，分辨率提升至物镜NA与照明NA之和（合成NA）。

FPM显微成像效果,ref9FPM显微成像原理,ref9

02. TSOM

Through-Focus Scanning Optical Microscopy（TSOM）是一种通过轴向离焦扫描获取三维信息的光学检测方法。该技术通过收集样品在多个离焦位置（Through-focus positions）的二维光学图像，构建包含丰富三维电磁散射场的数据空间。 TSOM的核心优势在于能够捕捉缺陷与基底之间的电磁耦合效应。由于强烈的电磁耦合，缺陷的峰值信号可能出现垂直偏移，因此沿垂直方向进行逐层扫描比对（而非传统的水平方向）能够获得更高的信噪比。

TSOM的横向和纵向测量灵敏度均可达到纳米级别，理论上可将传统明场显微镜的能力延伸至11nm及以下工艺节点。通过将离焦图像堆叠为三维空间数据，并提取任意方向的截面图像，结合优化的照明配置和先进后处理算法，TSOM可实现nm级缺陷检测。

TSOM原理，来源：ref1

• 突破衍射极限：传统光学显微镜无法分辨小于半波长（约200nm）的特征，TSOM通过分析离焦光场变化而非单张最佳焦面图像，获取纳米级信息3D信号转换：

离焦扫描+数据重构，将难以解析的衍射图像转化为包含3D形貌信息的指纹图谱低通量缺点：时间成本——相比传统明场显微镜，轴向扫描需要更多的采集时间。

一些涉及纵向扫描的成像方案

03. 微球显微成像技术

微球超分辨成像技术利用透明介质微球作为近场放大透镜，将传统光学显微镜的分辨率提升至亚50nm级别，甚至可达3nm。该技术基于光子纳米射流（Photonic Nanojet）效应，当微球与样品表面接触时，能够将近场信息转换为远场可探测信号，突破传统衍射极限。

微球超分辨，ref4

原理：微球将近场倏逝波转化为传输波并放大成像；工作于远场的显微系统进一步放大

相比电子显微镜，微球显微镜具有以下优势：

非破坏性检测：无需真空环境和导电涂层，可在环境空气中实现实时成像

全彩色成像：保留材料的真实颜色对比度，便于成分分析

高通量检测：成像速度快。

微球可以实现波长的1/6-1/8的超分辨显微 实质是一种Far-field superlens，基于spatial frequency comparison，将高频信息压缩到低频 常用材料包括 SiO2，BTG,TiO2等 缺点是FOV受限，对复杂三维物体不适用

理论解释

微球实现超分辨的理论比较多，主要以下几种，这里做一个汇总，如下表所示：

微球实现超分辨理论

微球超分辨的几何理解

当然微球也可以用几何光学的角度去理解，如上图所示。基于该示意图，我们可以建立微球超分辨成像的几何光学理论框架： 从几何光学视角，介电微球可等效为一个高折射率球透镜（Spherical Ball Lens），其成像行为遵循经典几何光学定律

等效放大倍率可以写作：

03. 数字全息合成孔径显微技术

Cotte 等人发表于 Nature Photonics 的 "Marker-free phase nanoscopy"，其核心原理是基于多方向照明的数字全息合成孔径显微技术，通过计算重建突破光学衍射极限，实现无标记生物样品的定量相位纳米成像

采用准 2π 全息检测方案（quasi-2π-holographic detection）：从多个不同角度照明样品并记录一系列离轴数字全息图，在频域中等效于将物镜有限孔径对应的相干传递函数（CTF）向不同方向平移。通过将这些频谱分量拼接合成，系统有效数值孔径得以扩展，从而捕获超越物理物镜极限的高频空间信息 。

重建阶段的关键在于复反卷积（complex deconvolution）。与传统强度图像的反卷积不同，该方法利用纳米尺度孔径作为校准标准，精确测定系统的相干传递函数，进而实施真实的逆滤波，确保复振幅场（振幅与相位）的定量重建而非近似估计 。

系统在无需荧光标记的条件下实现了约 90 nm 的横向分辨率，可直接用于观测活细胞（如大肠杆菌、神经元树突棘）的亚波长结构动态

这里有点类似4pi显微镜。不同的式4pi显微镜确实用到了两个物镜，是真的硬件孔径合成，而这里是通过光照角度实现等效NA的扩展。

（未完待续-------）

 

参考资料

[1] TSOM Method for Semiconductor Metrology

[2] 证券报告，质量控制设备龙头加速国产化进程

[3]Super-Resolution Imaging of a Dielectric Microsphere Is Governed by the Waist of Its Photonic Nanojet

[4]Super-resolution imaging and microscopy by dielectric particle-lenses

[5]Optical Hyperlens: Far-field imaging beyond the diffraction limit

[6]A Review of Microsphere Super-Resolution Imaging Techniques

[7] https://journals.plos.org/plosone/article/figures?id=10.1371/journal.pone.0165194

[8]Super-Resolution Real Imaging in Microsphere-Assisted Microscopy

[9]Wide-field, high-resolution Fourier ptychographic microscopy. https://www.nature.com/articles/nphoton.2013.187

[10] https://www.eurekalert.org/multimedia/948508

[11]https://www.researchgate.net/figure/a-Configuration-of-brightfield-and-darkfield-illumination-b-Principle-of-patterned_fig6_359782119

[12]https://www.novami.com/nova-technology/optical-scatterometry/

[13]https://www.newport.com.cn/n/semiconductor-inspection

[14]https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202306281591769596_1.pdf国金证券-半导体设备行业深度：攻坚克难，国产量／检测设备0-1突破

[15]https://www.forter.com.tw/zh-tw/a4-10998-12259/Semiconductor-Inspection.html

[16]https://magazines.angel.digital/magazines/sis_china_67_2022.pdf

[17] https://www.kla.com/advance/innovation/new-defect-inspection-system-for-sic-gan-substrates

[18]https://www.nature.com/articles/s41467-025-64368-0

[19]https://www.nature.com/articles/s41598-019-50241-w

[20] https://www.researchgate.net/figure/Fourier-Ptychographic-Microscopy-FPM-with-an-LED-array-source-a-Schematic-of_fig2_332300222

[21]https://www.nature.com/articles/nphoton.2012.329

[22]https://www.researchgate.net/figure/4Pi-microscopy-principle-Two-lenses-are-placed-on-opposing-sides-of-the-specimen_fig3_349257805