25/08/14隨著先進(jìn)制程廠商3nm技術(shù)商用化、AI芯片需求持續(xù)增長，以及先進(jìn)移動處理器制程工藝不斷演進(jìn)，全球半導(dǎo)體制造進(jìn)入了更高精密度的發(fā)展階段。在先進(jìn)制程的精密制造環(huán)境中，晶圓缺陷檢測、EUV掩膜檢測等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對成像系統(tǒng)的性能要求不斷提升。TDI（Time Delay Integration）相機(jī)憑借其高速掃描、大幅面覆蓋、高分辨率成像等技術(shù)優(yōu)勢，成為高端檢測設(shè)備的核心組件。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，相機(jī)的檢測精度很大程度上取決于一個技術(shù)細(xì)節(jié)——圖像非均一性噪聲校正精度。作為國內(nèi)先進(jìn)TDI相機(jī)技術(shù)提供商，鑫圖光電在DSNU/PRNU校正技術(shù)方面積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)優(yōu)勢。本文將深入解析DSNU/PRNU校正技術(shù)的物理機(jī)制、技術(shù)演進(jìn)與應(yīng)用實(shí)踐，展示這一關(guān)鍵技術(shù)如何影響先進(jìn)制程檢測的最終效果。
1. DSNU 與 PRNU 概念解析
在理想模型中，圖像傳感器的每個像元（Pixel）在相同條件下應(yīng)輸出完全一致的信號值——這意味著其暗信號響應(yīng)一致（無光條件）且光電響應(yīng)一致（有光條件）。但現(xiàn)實(shí)中，由于像素制造工藝的微小差異、材料特性不均、工藝缺陷和讀出電路的非理想行為，實(shí)際像元的響應(yīng)存在個體差異，從而形成固定模式噪聲（FPN）。
1）DSNU（暗信號不均一性）
DSNU（Dark Signal Non-Uniformity，中文：暗信號不均一性）指在完全無光條件下，不同像元的暗電流產(chǎn)生速率存在差異，導(dǎo)致輸出信號存在固定的亮/暗偏差。這種噪聲在長曝光、弱光成像時尤為突出，表現(xiàn)為背景中固定位置的亮點(diǎn)、暗點(diǎn)、豎紋或斑塊結(jié)構(gòu)。
圖1-1：DSNU最典型的表現(xiàn)形式之一，清晰展示了像素暗信號不均一性的特點(diǎn)。
PRNU（Photo Response Non-Uniformity，中文：光響應(yīng)不均一性）指在均勻光照下，不同像元對光的轉(zhuǎn)換效率（量子效率或增益）存在差異，導(dǎo)致輸出亮度存在固定的紋理或條帶結(jié)構(gòu)。其主要來源包括微透鏡對準(zhǔn)偏差、光電二極管面積差異、工藝摻雜不均等，表現(xiàn)為亮度紋理差異、條紋/帶狀噪聲、網(wǎng)格/塊狀模式、漸變響應(yīng)差異等。
圖1-2：PRNU最典型的表現(xiàn)形式之一，清晰展示了像素光響應(yīng)不均一性的特點(diǎn)。
2. DSNU 與 PRNU 校正技術(shù)解析
DSNU/PRNU 校正的核心，是消除圖像傳感器的“像素個性差異”，讓所有像素表現(xiàn)如同一個理想像素，從而使系統(tǒng)捕獲的僅是真實(shí)信號，而非傳感器固有缺陷。經(jīng)過校正，背景可接近理想的均勻灰，從而為定量檢測提供更高的測量精度和數(shù)據(jù)可靠性。根據(jù)應(yīng)用場景和需求不同，典型技術(shù)和發(fā)展方向主要包括以下幾種：
1）人工/靜態(tài)算法校正技術(shù)
通過暗場和均勻光場拍攝獲得校正數(shù)據(jù)，補(bǔ)償像素固有差異。該方式操作簡便，適用于典型或標(biāo)準(zhǔn)化檢測場景，但精準(zhǔn)度會受到溫度漂移、器件老化、光源光譜變化等動態(tài)因素影響。
2）制冷+溫控校正技術(shù)
通過 TEC 制冷降低像素暗電流及 DSNU，并結(jié)合多組溫度預(yù)存校正參數(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度漂移的適配。該方式能顯著提升背景均一性和弱光信號純凈度，可將校正基線保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，確保長時間運(yùn)行的精度可靠性。
3）AI動態(tài)算法實(shí)時校正技術(shù)（未來發(fā)展方向）
利用 FPGA/ISP 實(shí)時采樣，結(jié)合 AI 動態(tài)算法在線更新校正系數(shù)，實(shí)時響應(yīng)光源波動、溫漂和像素老化等復(fù)雜變化。該技術(shù)需要大數(shù)據(jù)支撐，是未來大規(guī)模、高通量、動態(tài)檢測等高端系統(tǒng)的發(fā)展方向。
圖2：DSNU/PRNU 校正前后效果對比。校正后圖像背景呈現(xiàn)出高度均一性。
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技術(shù)發(fā)展趨勢：隨著先進(jìn)制程研發(fā)的持續(xù)推進(jìn)，以及AI應(yīng)用推動先進(jìn)芯片需求增長，對檢測精度的要求不斷提升。校正技術(shù)正從傳統(tǒng)的“事后補(bǔ)償”、“過程抑制”向“實(shí)時校正”的智能化方向發(fā)展。
3. 半導(dǎo)體檢測應(yīng)用痛點(diǎn)解析
在先進(jìn)制程的半導(dǎo)體檢測中，背景均一性直接決定了低對比度缺陷的可檢出率。無論是明場檢測中僅比背景高出 1% 的細(xì)微反射差異，還是暗場檢測中弱于背景幾個數(shù)量級的散射信號，都要求 DSNU/PRNU 校正精度和穩(wěn)定性達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)。尤其在多波長、多角度、多行頻等復(fù)雜檢測模式下，任何校正殘差都可能導(dǎo)致缺陷漏檢或誤檢。
1）明場缺陷檢測：信號與背景差異極小
應(yīng)用痛點(diǎn)：在前道晶圓明場檢測場景中，典型缺陷（納米顆粒、光刻殘留、微劃痕）的反射信號，往往僅比背景高/低 1%~3%。當(dāng) PRNU 也在 1% 量級時，其“紋理噪聲”會與缺陷信號強(qiáng)度相當(dāng)，使低對比度缺陷直接淹沒在背景中，就會造成漏檢或誤檢。
圖3-1：半導(dǎo)體DIC明場檢測圖像示例
2） 暗場/弱光缺陷檢測：信號極其微弱
應(yīng)用痛點(diǎn)：暗場檢測依賴缺陷的散射光信號，其強(qiáng)度可能比背景低幾個數(shù)量級。在這種條件下，DSNU 會在暗背景中形成固定亮模式，極易被算法誤判為缺陷。
圖3-2：半導(dǎo)體暗場缺陷檢測圖像示例
在半導(dǎo)體高 NA 檢測系統(tǒng)或低光條件下，這種干擾被進(jìn)一步放大。例如，在 PL/EL 檢測中，缺陷信號可能僅有幾十到幾百 e?，而若 DSNU 殘差達(dá)幾十 e?，就足以淹沒真實(shí)信號。
3）先進(jìn)檢測系統(tǒng)的挑戰(zhàn)：多模式帶來的復(fù)雜性
應(yīng)用痛點(diǎn)：先進(jìn)檢測系統(tǒng)常需多波長、多角度、多行頻等組合模式，但 PRNU 與 DSNU 在不同條件下的表現(xiàn)并不一致。如果補(bǔ)償算法無法適應(yīng)不同條件，就會在某些模式下出現(xiàn)缺陷檢出率驟降的問題。
圖3-3：半導(dǎo)體多條件檢測系統(tǒng)應(yīng)用痛點(diǎn)示意圖
4. 鑫圖先進(jìn)DSNU/PRNU校正技術(shù)介紹
針對明場與暗場檢測中低對比度信號易被背景噪聲淹沒，以及多波長、多角度、多行頻模式下校正一致性難以維持的痛點(diǎn)，鑫圖 TDI 相機(jī)通過高性能制冷溫控系統(tǒng)與高精密參數(shù)校正等核心降噪技術(shù)，構(gòu)建了全鏈路 DSNU/PRNU 噪聲抑制體系，可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體檢測系統(tǒng)跨條件、長時間、低光照環(huán)境下的穩(wěn)定高精度檢測需求。
1）高性能制冷溫控系統(tǒng)
·采用高效 TEC 制冷模塊，大幅抑制像素暗電流并降低 DSNU 基線，顯著提升弱光與暗場檢測背景的純凈度。
·集成精密溫控與反饋回路，實(shí)現(xiàn) ±0.5℃ 溫度穩(wěn)定度，確保長時間運(yùn)行中校正參數(shù)不漂移，滿足納米級先進(jìn)制程的高穩(wěn)定性要求。
圖 4-1 ：鑫圖TDI相機(jī)制冷前后背景均一性對比
2）高精度參數(shù)校正功能
·支持?jǐn)?shù)百組 TDI 校正參數(shù)存儲與快速切換，針對多波長、多角度、多行頻等復(fù)雜檢測模式，逐一匹配最優(yōu)校正表，避免條件切換導(dǎo)致的背景均一性下降。
·以 Gemini 8KTDI 相機(jī)為例，PRNU 可降至 0.124%、DSNU（10-bit）低至 5.8 e?，足以分辨低于 1% 對比度的微小缺陷信號。
圖4-2：鑫圖TDI相機(jī)軟件PRNU/DSNU校正功能界面
5. 發(fā)展趨勢與未來展望
在全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向更先進(jìn)制程邁進(jìn)的征程中，DSNU/PRNU 校正技術(shù)已從輔助功能發(fā)展為核心技術(shù)。鑫圖光電將持續(xù)投入研發(fā)資源，推動校正技術(shù)向更高精度、更智能化、更廣應(yīng)用的方向發(fā)展，為中國半導(dǎo)體制造業(yè)的自主可控和高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。
隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等新興領(lǐng)域?qū)π酒阅芤蟮牟粩嗯噬雽?dǎo)體檢測的精度門檻也將持續(xù)抬高。唯有掌握底層核心技術(shù)原創(chuàng)能力的企業(yè)，才能在這場精密制造的競賽中搶占先機(jī)，成為推動全球半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步的重要力量。
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