Warum die DSNU/PRNU-Korrektur bei der Halbleiterinspektion wichtig ist

Mit der Kommerzialisierung der 3-nm-Technologie, der steigenden Nachfrage nach KI-Chips und den kontinuierlichen Fortschritten bei mobilen Prozessoren hat die Halbleiterfertigung eine Ära beispielloser Präzision erreicht. In diesem Umfeld stellen kritische Prozesse wie die Wafer-Defektinspektion und die EUV-Maskeninspektion immer höhere Anforderungen an Bildgebungssysteme.

TDI-Kameras (Time Delay Integration) – bekannt für hohe Scangeschwindigkeit, große Sichtfeldabdeckung und hochauflösende Bildgebung – sind zu unverzichtbaren Bestandteilen moderner Inspektionsgeräte geworden. Ihre letztendliche Genauigkeit hängt jedoch von einem entscheidenden Faktor ab: der Korrektur von Bildrauschen durch Inhomogenitäten.

Als führender inländischerTDI-KameraDer Anbieter Tucsen Photonics verfügt über umfassende Expertise in der DSNU/PRNU-Korrektur und ermöglicht so eine höhere Zuverlässigkeit bei der Halbleiterinspektion. Dieser Artikel erläutert die Prinzipien, die Entwicklung und die Anwendungen der DSNU/PRNU-Korrektur und erklärt deren entscheidende Rolle in der modernen Prozessinspektion.

DSNU und PRNU verstehen

Theoretisch sollte jedes Pixel eines Bildsensors unter gleichen Bedingungen, ob im Dunkeln oder bei Beleuchtung, identisch reagieren. In der Praxis führen jedoch geringfügige Fertigungstoleranzen, Materialunregelmäßigkeiten und Ungenauigkeiten der Ausleseschaltung zu Unterschieden zwischen den einzelnen Pixeln, was zu festem Rauschen (FPN) führt.

DSNU (Dunkelsignal-Nichtuniformität)

● DSNU tritt auf, wenn Pixel in völliger Dunkelheit unterschiedliche Dunkelstromstärken erzeugen, was zu hellen oder dunklen, fixierten Flecken, Streifen oder Punkten führt. Besonders auffällig ist dies bei Langzeitbelichtungen oder Aufnahmen bei schwachem Licht.

Abbildung 1-1:Eine der typischsten Erscheinungsformen von DSNU, die deutlich die Merkmale der Inhomogenität des Pixeldunkelsignals aufzeigt.

PRNU (Nicht-Uniformität der Fotoreaktion)

● PRNU bezeichnet die Schwankungen der photoelektrischen Umwandlungseffizienz von Pixel zu Pixel bei gleichmäßiger Beleuchtung. Ursachen hierfür sind unter anderem Fehlausrichtungen der Mikrolinse, Unterschiede in der Diodengröße und ungleichmäßige Dotierung. PRNU äußert sich typischerweise in Form von Helligkeitstexturen, Streifenbildung oder gitterartigen Mustern.

Eine der typischsten Manifestationen von PRNU

Abbildung 1-2:Eine der typischsten Erscheinungsformen von PRNU, die die Merkmale der ungleichmäßigen Fotoempfindlichkeit der Pixel deutlich zeigt.

So funktioniert die DSNU/PRNU-Korrektur

Ziel der DSNU/PRNU-Korrektur ist es, die Individualität einzelner Pixel zu unterdrücken, sodass sich alle Pixel wie ideale Pixel verhalten. Nach der Korrektur nähert sich der Bildhintergrund einem einheitlichen Grau an, was eine höhere Messgenauigkeit und Datenzuverlässigkeit ermöglicht.

Gängige Ansätze sind:

1. Statische Korrektur

Mithilfe von Dunkelfeld- und Flachfeldkalibrierungsdaten werden systembedingte Pixelunterschiede kompensiert. Diese Methode ist zwar einfach, reagiert aber empfindlich auf Temperaturdrift, Gerätealterung und Schwankungen der Lichtquelle.

2. Kühlungs- und Temperaturregelungskorrektur

Durch die Verwendung von thermoelektrischer Kühlung (TEC) zur Unterdrückung von Dunkelstrom und DSNU in Kombination mit Kalibrierungsprofilen für mehrere Temperaturen wird eine gleichmäßige Hintergrundstrahlung erzielt und eine zuverlässige Leistung über einen längeren Zeitraum gewährleistet.

3. KI-basierte Echtzeitkorrektur (Aufkommender Trend)

Durch die Nutzung von FPGA/ISP-Sampling mit KI-gestützten dynamischen Algorithmen zur Echtzeit-Anpassung von Korrekturkoeffizienten reagiert dieser Ansatz auf Lichtschwankungen, Temperaturdrift und Pixelalterung und eignet sich daher für zukünftige Inspektionssysteme mit hohem Durchsatz.

Vergleich der DSNU- und PRNU-Effekte vor und nach der Korrektur

Abbildung 2:Vergleich der DSNU/PRNU-Korrekturergebnisse vor und nach der Korrektur. Nach der Korrektur ist der Bildhintergrund sehr gleichmäßig.

Technologietrends

Da sich fortschrittliche Halbleiterfertigungsprozesse stetig weiterentwickeln und die Nachfrage nach hochmodernen Chips für KI-Anwendungen kontinuierlich steigt, stellt die Branche höhere Anforderungen an die Inspektionsgenauigkeit. Auch die Kalibrierungstechnologien befinden sich im Wandel: weg von traditionellen Verfahren wie „Anpassen nach Abschluss“ und „Prozessunterdrückung“ hin zu intelligenteren Echtzeitkalibrierungen.

Herausforderungen bei der Halbleiterinspektion

Bei modernen Halbleiterprozessen bestimmt die Hintergrundhomogenität direkt die Erkennbarkeit von Defekten mit geringem Kontrast.

● Hellfeldinspektion (Defekte mit geringem Kontrast)

Viele Oberflächenfehler auf Wafern – wie Nanopartikel, Lithographierückstände und Mikrokratzer – unterscheiden sich nur um 1–3 % vom Hintergrundrauschen. Liegen die PRNU-Werte im gleichen Bereich, können Defektsignale im Hintergrundrauschen untergehen, was zu Fehldetektionen führt.

Abbildung 3-1:Beispiel eines Halbleiterinspektionsbildes im DIC-Hellfeldmodus

● Dunkelfeld- oder Schwachlichtprüfung (Extrem schwache Signale)

Dunkelfeldmethoden basieren auf schwachen Streusignalen, die um Größenordnungen unter dem Hintergrundrauschen liegen können. DSNU kann in dunklen Bereichen fälschlicherweise helle Muster erzeugen, die leicht als Defekte interpretiert werden können. Bei Photolumineszenz- (PL) oder Elektrolumineszenz- (EL) Prüfungen, bei denen die Signale nur wenige Dutzend Elektronen umfassen, können selbst geringe DSNU-Restwerte echte Defekte verdecken.

Abbildung 3-2:Repräsentatives Dunkelfeldbild zur Fehlerinspektion in Halbleitern

● Multimodale Inspektion (Komplexe Bedingungen)

Moderne Systeme kombinieren häufig mehrere Wellenlängen, Winkel und Zeilenraten. Die DSNU- und PRNU-Eigenschaften variieren jedoch je nach Betriebsart. Können Korrekturen nicht dynamisch angepasst werden, sinkt die Detektionsgenauigkeit in bestimmten Konfigurationen deutlich.

Abbildung 3-3:Schematische Darstellung der Schwachstellen in einem Halbleitersystem mit mehreren Zuständen

Die fortschrittliche DSNU/PRNU-Korrekturtechnologie von Tucsen

Um diese Schwachstellen zu beheben, verfügen Tucsen TDI-Kameras über ein umfassendes DSNU/PRNU-Unterdrückungssystem, das Kühlung, Temperaturregelung und hochpräzise Kalibrierung kombiniert. Dies gewährleistet stabile und hochgenaue Inspektionen auch bei langen Betriebszeiten, wechselnden Betriebsmodi und schwachen Lichtverhältnissen.

1. Hochleistungskühlung und Temperaturregelung

● Fortschrittliche TEC-Module reduzieren Dunkelstrom und DSNU-Basislinie erheblich.
● Durch präzises Wärmemanagement wird die Temperaturstabilität innerhalb von ±0,5 °C gehalten, wodurch eine Kalibrierungsdrift während des Langzeitbetriebs verhindert wird.

Abbildung 4-1:Vergleich der Hintergrundhomogenität vor und nach der Kühlung für die TDI-Kamera von Tucsen

2. Hochpräzise Kalibrierung

● Speichert und wechselt zwischen Hunderten von Kalibrierungsprofilen, um sich an Mehrwellenlängen-, Mehrwinkel- und Mehrfrequenzmodi anzupassen.
● Zum Beispiel dieGemini 8K TDI scmos KameraErreicht einen PRNU-Wert von nur 0,124 % und einen DSNU-Wert (10 Bit) von lediglich 5,8 e⁻, was ausreicht, um Defekte mit einem Kontrast von <1 % aufzulösen.

Abbildung 4-2:Benutzeroberfläche für die PRNU/DSNU-Korrektur in der TDI-Kamerasoftware von Tucsen

Ausblick: Von der Hilfs- zur Kerntechnologie

Mit den Fortschritten in der Halbleiterfertigung hat sich die DSNU/PRNU-Korrektur von einer unterstützenden Funktion zu einem zentralen Faktor für die Genauigkeit der Inspektion entwickelt.

Tucsen Photonics investiert weiterhin in Korrekturtechnologien der nächsten Generation mit Fokus auf höhere Präzision, intelligente Anpassung und ein breiteres Anwendungsspektrum. Dieses Engagement stärkt sowohl die nationale Eigenständigkeit als auch die globale Wettbewerbsfähigkeit in der Halbleiterfertigung.

Angesichts der steigenden Nachfrage durch KI, IoT und autonomes Fahren werden die Anforderungen an die Inspektionsgenauigkeit weiter zunehmen. Unternehmen, die grundlegende Korrekturtechnologien beherrschen, werden den entscheidenden Vorteil haben und den Fortschritt in der Halbleiterindustrie vorantreiben.

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