CN101762595A - 硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统。待测硅片被放置在高稳定硅片工作平台上，采用一束激光从倾斜方向聚焦照射待测硅片的平面表面，由缺陷所产生的散射光在沿接近硅片表面法线的方向和接近平行硅片表面的方向分别被两对平凸透镜进行圆形窄通道和环形宽通道双通道收集，进而被两个光电探测器探测到。由两个光电探测器分别测得双通道光电信号的强度及其相对比值并与一个事先设定的阈值进行比较，可以对硅片表面数十纳米量级的缺陷进行分类检测。

Description

硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统

技术领域

本发明涉及一种激光扫描散射检测与分类系统，特别是涉及一种结构简单、灵敏度高、检测速度快、能对硅片表面缺陷进行分类及定位的硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统。

背景技术

芯片生产的每道工序都可能机械或人为地引入缺陷和玷污。近年来由于硅片尺寸的不断增大和集成电路图形特征尺寸的急剧缩小，使得芯片结构更加复杂化，缺陷密度对成品率的影响显得越来越突出。如果不能及时发现此类问题并加以解决，就会导致生产线成品率大幅下降。

针对硅片表面缺陷的激光扫描散射检测技术近年来得到了快速的发展。当聚焦的激光束在硅片表面扫描时，表面缺陷会产生漫散射光。这些散射光中包含了缺陷的形状、种类和位置等信息。通过光电探测器收集这些散射光，同时选择调整激光束的入射角、光收集的空间、不同类型的滤波器以及激光的波长、功率和光偏振态等参数，使数据处理系统能增强探测的缺陷信号、抑制噪声信号，最终获得被检测缺陷的信号。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统，与普通的硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统相比，本发明结构简单、灵敏度高、检测速度快、能对硅片表面缺陷进行准确分类及定位。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统，其特征在于：该系统包括：在激光光源组件发出的光束前进的方向上，依次有法拉第隔离器、双凹透镜、第一平凸透镜、双胶合聚焦透镜，光束经平面反射镜后倾斜聚焦入射到被测量硅片表面，所述硅片位于工作台上，由硅片表面缺陷所产生的散射光首先被第二凸面透镜准直，然后准直后的散射光的中心内圆区域的光将被45度反射镜转折到散射光收集到第三平凸透镜上经聚焦后被第二光电探测器测得，其余外环部分的准直光则直接进入到第四平凸透镜后经聚焦后被第一光电探测器测得，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端接计算机，在硅片的反射方向上设有一光学陷阱。

其中，组成上述收集镜头的两块凸面相对的第二凸面透镜和第四平凸透镜之间放置有一个45度反射镜，用于将沿近硅片表面法线方向的缺陷散射光垂直转折至第三平凸透镜，然后聚焦进入第二光电探测器并被探测，其余发散角较大的缺陷散射光则直接进入第四平凸透镜，然后聚焦进入第一光电探测器并被探测，利用第二光电探测器和第一光电探测器所测量到的双通道散射光信号间的比值与一个事先设定的阈值进行比较，判断待检测缺陷的类型来实现对硅片缺陷进行分类的功能。

其中，所述的第二凸面透镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜的口径为25mm～35mm，工作距离为18mm～20mm。

其中，所述的第二凸面透镜、第三平凸透镜、第四平凸透镜的口径为30mm，工作距离为19mm。

其中，所述的45度反射镜为椭圆形。

其中，所述的45度反射镜为在长、短轴方向的直径分别为14.1mm、10mm的椭圆形。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统具有以下优点：

1.该发明利用球对称性较好的微小颗粒与狭长的线状瑕疵之间不同的光散射特性，特别是利用了两者所产生的散射光在空间的不同分布特征，采用圆形窄通道和环形宽通道的双通道散射光收集技术来实现对硅片缺陷的检测与分类。具有可靠性好、灵敏度高、速度快等特点。

2.本发明装置中仅采用了两个光电探测器，分别对应测量沿接近硅片表面法线方向传播的散射光和沿接近硅片表面平行方向传播的散射光，然后利用两个探测器测得双通道信号的比值来对表面瑕疵进行分类。并能在PC机屏幕上用不同颜色显示硅片缺陷分类图。因此，整个装置结构简单，易于实现且成本相对低廉。

3.该发明采用了紧聚焦、高功率激光作为探测光源。该激光器发出光束波长为532nm，直径1mm，光束发散角1mrad，功率150mW，并采用扩束和聚焦系统进一步缩小聚焦光斑，同时提高高灵敏度光电倍增管的工作电压(500V)，使散射光的测量信噪比得到显著增强，提高了缺陷检测灵敏度。最终能检测约60nm尺度的缺陷。

4.该发明采用高稳定硅片工作台旋转和平动扫描系统。转动扫描采用直流马达加编码器，直流马达旋转速度达每分钟1500转以上且可调，扫描速度得到提高，对直径200mm的硅片检测速度达到100片/小时。同时转动扫描采用了高精度编码器位置检测定位控制，从而能提供检测缺陷的定位功能。我们在试验中采用中国电子科技集团公司第十三研究所制作的缺陷检测片。在该检测片上做有四个直径为100nm的圆形缺陷和四个500nm×100nm的矩形缺陷。在基片上还做有一个直边切口，且在该切口旁边做了一个圆，以此定位为扫描起始点，再结合上述的编码器定位步进直流马达运动控制系统，从而实现了各类缺陷的精确定位。

附图说明

图1是本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。如图1所示该硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统的原理示意图，也是本发明最佳实施例的结构示意图，由图可见，该系统的结构组成包括：在激光光源组件1发出的光束前进的方向上，依次有法拉第隔离器2、双凹透镜3和第一平凸透镜4组成的扩束系统、双胶合聚焦透镜5、光束经平面反射镜6转折且倾斜聚焦入射到被测量硅片7表面，硅片7位于工作台15上；在硅片7表面的散射光首先被第二凸面透镜8准直，然后准直后的散射光中心内圆区域的光将被45度反射镜14转折到第三平凸透镜9上经聚焦后被光电探测器13测得；其余外环部分的准直光则直接进入到第四平凸透镜10后被聚焦进入被第一光电探测器12测得。第一光电探测器12和第二光电探测器13的输出端接计算机11，在硅片7的反射方向上设有一光学陷阱16。

本实施例中，激光光源组件1采用稳功率的半导体激光器，该激光器发出一束波长为532nm、功率为150mW的激光束，光斑形状为近似圆形、直径1mm，光束发散角1mrad，光束经由双凹透镜3和第一平凸透镜4组成的扩束系统进行扩束。双胶合聚焦透镜5对所述的激光束聚焦，经平面反射镜6转折后以35度入射角聚焦于硅片7的表面上。由于是倾斜入射，焦斑为椭圆形状。反射光被光陷阱吸收。硅片7随工作台同时作平动和旋转运动。聚焦在硅片表面的激光束遇到缺陷会产生漫散射光。这些散射光中包含了缺陷的形状、种类和位置等丰富的信息。组成收集镜头的两块凸面相对的第二平凸透镜8和第四平凸透镜10之间放置有一个45度反射镜14，用于将沿近硅片表面法线方向的散射光垂直转折至第三平凸透镜9，然后聚焦进入第二光电探测器13并被探测。其余发散角较大的散射光则直接进入第四平凸透镜10，然后聚焦进入第一光电探测器12并被探测。通过第一光电探测器13和第一光电探测器12所测得的缺陷检测信号比值与一事先设定的阈值进行比较，可以对缺陷作出分类。在本实施例中，如果测量信号的比值大于该事先设定的阈值，则缺陷为微小粒子一类；如果测量信号的比值小于该事先设定的阈值，则缺陷为划痕一类。第一光电探测器12和第二光电探测器13采用北京浜松光子技术有限公司的CD131型高灵敏度光电倍增管，两光电探测器的电脉冲信号输入计算机11进行双通道缺陷检测信号比较分析并计数，最后得到被检测硅片表面的微粒和划痕缺陷的数目。实验表明，本发明可探测硅片表面约60nm尺度的缺陷，检测一片直径为100mm的硅片约9秒。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统，其特征在于：该系统包括：在激光光源组件(1)发出的光束前进的方向上，依次有法拉第隔离器(2)、双凹透镜(3)、第一平凸透镜(4)、双胶合聚焦透镜(5)，光束经平面反射镜(6)后倾斜聚焦入射到被测量硅片(7)表面，所述硅片(7)位于工作台(15)上，由硅片(7)表面缺陷所产生的散射光首先被第二凸面透镜(8)准直，然后准直后的散射光的中心内圆区域的光将被45度反射镜(14)转折到散射光收集到第三平凸透镜(9)上经聚焦后被第二光电探测器(13)测得，其余外环部分的准直光则直接进入到第四平凸透镜(10)后经聚焦后被第一光电探测器(12)测得，第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)的输出端接计算机(11)，在硅片(7)的反射方向上设有一光学陷阱(16)。

2.根据权利要求1所述的硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统包括，其特征在于：组成上述收集镜头的两块凸面相对的第二凸面透镜(8)和第四平凸透镜(10)之间放置有一个45度反射镜(14)，用于将沿近硅片表面法线方向的缺陷散射光垂直转折至第三平凸透镜(9)，然后聚焦进入第二光电探测器(13)并被探测，其余发散角较大的缺陷散射光则直接进入第四平凸透镜(10)，然后聚焦进入第一光电探测器(12)并被探测，利用第二光电探测器(13)和第一光电探测器(12)所测量到的双通道散射光信号间的比值与一个事先设定的阈值进行比较，判断待检测缺陷的类型来实现对硅片缺陷进行分类的功能。

3.根据权利要求1或2所述的硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统包括，其特征在于：所述的第二凸面透镜(8)、第三平凸透镜(9)、第四平凸透镜(10)的口径为25mm～35mm，工作距离为18mm～20mm。

4.根据权利要求3所述的硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统包括，其特征在于：所述的第二凸面透镜(8)、第三平凸透镜(9)、第四平凸透镜(10)的口径为30mm，工作距离为19mm。

5.根据权利要求1所述的硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统包括，其特征在于：所述的45度反射镜(14)为椭圆形。

6.根据权利要求1所述的硅片表面缺陷的激光扫描散射检测与分类系统包括，其特征在于：所述的45度反射镜(14)为在长、短轴方向的直径分别为14.1mm、10mm的椭圆形。