CN102313697B - 检测半导体晶片的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测半导体晶片的方法，其中用成像法检测半导体晶片的边沿，并以此确定边沿上的缺陷的位置和形式，其中，另外，半导体晶片的平面区域上的环形区域，也就是距离边沿超过10mm的外缘，用光弹性应力测量检测，并以此确定所述环形区域中的受力区域的位置，其中缺陷的位置和受力区域的位置彼此比较，基于缺陷的形式和光弹性应力测量的结果将其分类。本发明还涉及适合实施所述方法的设备。
Description
本发明涉及检测半导体晶片的方法和设备，其中通过成像法检测半导体晶片的边沿，以此方式确定边沿上的缺陷位置。
对例如单晶硅晶片的半导体晶片的边沿的质量要求不断提高，特别在大直径(≥300mm)的情况下。边沿特别要求尽可能地没有污染和其他缺陷，并具有低粗糙度。而且，其需要在运输期间和在生产微电子组件的加工步骤(例如涂布和热步骤)中对抗增强的机械应力。从单晶上切下的硅晶片的未处理边沿具有相当粗糙和不均匀的表面。其通常在机械负载下经历碎裂，成为干扰颗粒的来源。因此，通常要打磨边沿，从而消除晶体中的碎裂和损伤，并提供特定的轮廓。
除了几何特性，晶片边沿的缺陷还有重要的效应。在生产加工期间和运输期间，边沿被重复接触。例如，晶片边沿与储存或运输中使用的卡座接触。而且在生产加工期间，硅晶片更通常通过边沿夹从卡座中移出，提供到加工和测量设备，在加工和测量后，再用边沿夹运输回相同或不同的卡座。因此，不能完全避免边沿上的缺陷和压痕。某些所述缺陷，例如裂纹和碎裂，可以具有下列效应，例如受影响的硅晶片在进一步的加工过程中断裂，特别是如果在例如结合机械处理的热加工或涂布的情况下，产生额外的应力，其在生产线中导致相当大的问题。
因此，最晚在递送给顾客之前，对晶片边沿的检测是绝对必要的(还参见半导体硅技术手册(Handbook of Semiconductor Silicon Technology)，W.C.O’Mara，R.B.Herring，L.P.Hunt，William Andrew Publishing/Noyes，1990)。其中，所述检测尤其用于识别和分出由于边沿缺陷而具有断裂风险的硅晶片。同时，借助肉眼或自动检查实施边沿监控。自动检查包含使用相机检测缺陷的成像法。通过肉眼或自动成像分析进行缺陷的分类和区别非关键和关键缺陷。例如在DE10352936A1中描述了所述用于边沿检查的方法。
在先已知的边沿检查法不能总得到关于所检测的缺陷的属性的足够信息。特别的，通常不可能识别是否包含可导致半导体晶片断裂的关键缺陷。这意味着硅晶片的分类受到相当程度的不确定性的干扰。非关键材料可能被不恰当地退回，而关键材料可能被递送。前一因素不必要地降低了生产量，而后一因素导致消费者的问题。
因此，本发明基于提升边沿检查的意义的目的，特别是能够明确分类出有关增加的断裂风险的检测到的边沿缺陷。
通过用于检测半导体晶片的方法达到所述目的，其中用成像法检测半导体晶片的边沿，并以此方式确定边沿上的缺陷的位置和形式，其中，另外，半导体晶片的平面区域上的环形区域，也就是距离边沿不超过10mm的外缘，用光弹性应力测量检测，并以此确定所述环形区域中的受力区域的位置，其中缺陷的位置和受力区域的位置彼此比较，基于缺陷的形式和光弹性应力测量的结果将其分类。
以下将参考附图更详细地描述本发明。
图1示意性显示可以用于实施依据本发明的方法的测量装置(arrangement)。
图2-9显示缺陷的实例，所述缺陷不可以用依据现有技术的边沿检查法明确分类为关键或非关键的边沿缺陷。连同同样阐述的光弹性应力测量结果，可以依据本发明明确分类所述缺陷。
相比已知的检测和分类边沿缺陷的方法，依据本发明的方法不只是使用成像方法，而是将具有源自光弹性应力测量的数据与后者结合，即，将材料中有关受力区域的信息与后者结合，以明确识别与断裂相关的关键的边沿缺陷。
所用成像法可以是光学成像法(用一个或多个照相机)、电光法或原子力显微镜(AFM)。
光学成像法用检测明视场或暗视场光学或两者的组合检测晶片边沿。典型地，在正面或背面上，在从晶片的最外缘到向内约5mm的区域中，测量晶片表面，以使在边沿区域产生用对正面或背面检测更加敏感的方法达到的足够大的重叠。典型地，用LED、激光或其他光源在一个频率或宽频光谱进行明视场或暗视场构造中的晶片边沿的照明。至少一个照相机记录包括边沿区域的晶片边缘的成像。优选使用多个照相机，其从不同视角记录晶片边缘和边沿。
成像的作用为缺陷识别的基础。后者可以是视觉上有效的。然而，优选的，用图像处理软件提供图像信息用于自动分类，其可以执行不同可构造缺陷类别的分类。例如在DE10352936A1中描述了所述自动分类。通过晶片边沿上的PSL(聚苯乙烯乳胶球)证明的约＜10μm LSE的敏感度是必要的，以解决关键缺陷的结构。
用与上述可选项相同的方式，依据与现有技术相同的方式的本发明，使用所述方法用于识别边沿缺陷。然而，依据本发明，其可以与光弹性应力测量结合，即，与借助解偏振效应的应力检测结合。所述方法被称为“扫描红外解偏振”(SIRD)，例如在US2004/0021097A1中描述。依据该现有技术，其被用于硅晶片上的受力区域的取样的、全部区域的检测。100％检测生产中的所有硅晶片在全部区域测量的情况下是不适用的，因为测量时间过长。所述方法到目前为止未被用以检定硅晶片，尤其是关于边沿。
如图1所示，在依据本发明的应用中，不是用SIRD检测半导体晶片1的全部平面区域，而是仅仅检测位于晶片边沿附近的平面晶片区域的环状区域。在此情况下，用红外激光束2照射环状区域，所述激光束用起偏振器偏振化。优选的，激光束垂直照射在半导体晶片的平面区域上。当穿过半导体晶片1后，激光束2穿过分析器4。分析器4的下游，用检测器5测量和记录IR激光束的去偏振化强度和程度。如果激光束2穿过半导体晶片1的受力区域，那么这造成偏振的旋转。除了透射激光束，或作为透射激光束的可选物，用相应适合的安排，也可以使用反射光束测量。
在所述描述中，“边沿”或“晶片边沿”被理解为半导体晶片的边缘的非平面区域，具有确定轮廓。因此，半导体晶片的表面包含正面和背面的平面区域，以及边沿的平面区域，其部分可以包含正面或背面上的小平面、正面和背面间的圆柱形网状物、以及各个小平面与网状物之间的过度半径。
位于晶片边沿附近的环状区域优选宽度不超过10mm，特别优选不超过3mm。区域的宽度向下仅受限于激光束的直径。红外激光束的直径可以为20μm-5mm。
环状区域的外缘距离边沿不超过10mm，优选不超过5mm，从而总是检测由边沿缺陷产生的受力区域。优选的，用于SIRD测量的环状区域从半径位置向内径向延伸，在所述半径位置，正面小平面与正面的平面区域相接。所述区域直接连接边沿，优选用于光弹性应力测试，接近边沿但不直接与边沿相邻的其他区域也可以用于测量。激光束也可以与边沿重叠。然而，这应该不是优选的，因为重叠部分不可用，而且，会产生干扰信号。
由边沿缺陷导致的受力区域可以在半导体晶片的平面区域上从边沿径向扩展直到半导体晶片的中心方向10mm。仅在非常严重的受力缺陷的情况下，受力区域可以进一步扩展进平面区域。这限制了依据本发明用SIRD检测的区域的位置和宽度。因为所有边沿缺陷导致的受力区域在直接接近边沿处最明显，所以要检测的环状区域的外缘距离边沿不超过10mm，优选不超过5mm。特别优选的，环状区域直接连接在边沿上。用SIRD检测的环状区域的宽度的最大值因而为10mm，3mm或更低的宽度也是足够的。
对于依据本发明的SIRD法的应用，不需要广泛的区域信号。在晶片边沿附近(如上所确定)，少量的红外激光束2的测量轨迹7(参见图1)对于所述应用是足够的。特别的，对于边沿缺陷的分类，一到五个测量轨迹足以得到有意义的结果。一到两个测量轨迹是特别优选的。在图2-9中显示的数据基于单个测量轨迹。
激光束的强度以及检测的积分时间应当彼此协调，以确保信噪比S/R＞3。
典型地使用所谓的锁相技术以得到良好的S/R值。
成像法和SIRD测量的结果依次彼此相关。这例如在图2-9中举例说明。所述相关性可以以不同方式进行：
通过成像法识别缺陷的位置P，以及通过SIRD以角度(°)识别受力区域的位置是适合的，其中定位特征(“刻痕”或“平面”)可以作为参考点。
可以使用光弹性应力测量的结果或成像法的结果用于缺陷的预选。这意味着仅仅通过所述一种方法可以检测的缺陷能作为缺陷被处理，借助于两种测量方法的结果的综合分析更明确地分类。
然而，优选不经预选，因为仅仅通过成像法或应力测量而不能通过各自的其他方法而明确识别的位置也可以包括关键缺陷。仅仅相应的两种测量方法的综合数据分析才能确保最可能的缺陷分类。
以下将参考图2-9详细描述优选的评价和分类方法：
在第一步中，基于成像法的数据进行第一临时缺陷分类。这样可以基于成像法将细长(线、裂纹和划痕)结构与平面(斑点、簇)结构区分。
对于最终分类，指定光弹性应力测量的检测变量的特定阈值为临时缺陷类别。因此，用光弹性应力测量的结果对指定为临时缺陷类别的缺陷进行最终分类。如果成像法将一个缺陷分类为细长结构(例如图4)而将另一个缺陷分类为平面结构(例如图7)，那么例如为进一步分类而确定的阈值可以考虑SIRD检测的评价测量结果而不同。
对于基于光弹性应力测量的数据的最终缺陷分类，可以使用以下测量变量：
a)信号幅度I(强度)
b)信号分布
c)信号面积
d)去偏振化程度D
e)去偏振化信号类型(单极或双极应力信号)
f)双极化度B
所有变量优选作为测量目标的边缘上的角度位置P(°)的函数进行记录和评价。
用于分类的测量变量可以或者是在无缺陷区域中通常固定为零值的平均或扣除背景之上的绝对值或平均值(例如在强度的情况下)，或者是相对值，如在双极化度B的情况下。
去偏振化程度D如下确定：
D＝1-(Ipar-Iperp)/(Ipar+Iperp)
I表示检测激光的强度。Ipar和Iperp是分别平行和垂直于由起偏振器预设的极化方向的极化强度。D以去偏振化单位DU测量(1DU＝1·10-6)。
双极化度B如下确定：
B＝1-|(Dmax-|Dmin|)|/(Dmax+|Dmin|)
D表示去偏振化的程度，Dmax表示去偏振化的最大程度，Dmin表示去偏振化的最小程度。“| |”表示绝对值函数。
由上述测量变量衍生的其他变量(例如强度变化/去偏振化信号)也可以用于最终缺陷分离。
除了成像法的数据和光弹性应力测量的数据，还可以将其他信息考虑到最终缺陷分类中。例如，可以考虑在硅晶片的生产过程中表现出高风险的晶片边沿损坏的位置，例如在硅晶片生产过程中，承受特定机械应力的位置。缺陷分类的原则(例如光弹性应力测量的测量变量的阈值)可以特别适合在所述位置。
下表表示用于缺陷分类的示例性基质：
表1
不言而喻，可以对缺陷分类进行更详细的或其他细分；例如，在分类C的情况下，可以依据SIRD信号强度或另外用作标准的双极化度区分。
以下例如参考图2-9解释所对述缺陷分类的指定。除了通过相机得到的缺陷图像(顶部)，每个图显示在强度I左侧的底部上(“随机单位”，“a.u.”，由于强度依赖于测量仪器和选择的设置)和去偏振化D的右侧的底部(DU)，在每种情况下作为位置P(度)的函数，以在图上部区域说明缺陷。
图2：缺陷图像不能明确分类。不清楚包含的是划痕/裂纹还是残余物。SIRD显示不存在晶格的关键应力(去偏振化)。与小SIRD强度波动一起，这可以推演出污染(分类E)。
图3：缺陷图像不能明确分类(参见图2)。SIRD显示显著的去偏振化，而且强度的同样显著变化证明，透光率也已经被严重干扰。SIRD信号的双极化度明确指出应力。因此缺陷可以分类为裂纹或碎裂材料损坏(分类B)。
图4：图像不能表明是否包含污染、划痕还是裂纹。高度的、明确的双极SIRD信号和几乎没有透光率的强度变化可以明确识别结构为关键裂纹(分类A)。
图5：图像不能得到缺陷的明确识别。SIRD数据显示高度的、双极化度去偏振化。与SIRD强度的变化和加工历史的知识(包含外延涂布的硅晶片)一起，缺陷被识别为外延生长的积累(分类D)。
图6：图像与图5的图像相当。然而，不明显的SIRD数据明确证明，在此包含污染(分类E)。
图7：在SIRD中即可以观察到高应力信号，又可以观察到强度变化。与双极化度B＞0.35和照相机图像的区域信息一起，这识别出缺陷为碎裂(分类B)。
图8：图像和SIRD数据明确识别缺陷为污染(分类E)：没有去偏振化，轻微的SIRD强度信号。
图9：在照相机图像中不存在结构，证明不存在巨大损坏。相反，SIRD同时显示轻微的强度和去偏振化信号。去偏振化信号显示高波动，但不是典型的双极化。因此，假设SIRD信号的原因为对相机透明的污染(分类F)。
依据本发明的方法因此例如能够避免在裂纹情况下的误解。裂纹经常不能单独用成像法与其他细长结构区分。所述实例在图2和4中显示。
因此，依据本发明的成像法与用于识别应力的方法的组合可以显著地提高缺陷分类的可信度，特别是针对关于破裂的关键缺陷。
与实施的缺陷分类一致，相关的硅晶片可以分配为再加工、继续使用或退回。
依据本发明用于检测半导体晶片边沿的两种检测可以借助已知的设备连续实施。例如，可以使用在DE10352936A1中描述的一类边沿检测设备和在US2004/0021097A1中描述的一类SIRD测量装置。然而，如果在围绕其中心轴6旋转的半导体晶片1的不同位置上同时进行两种测量方法(参见图1)，那么可以得到特别短的测量时间。一个或多个，优选是至少两个，用于成像边沿检测法的相机8被安装在一个位置上(在图1的右侧说明)。在另一个位置上进行SIRD测量(在图1的左侧说明)。半导体晶片1围绕其中心轴6旋转的作用是晶片边沿的全部圆周通过相机8并安排SIRD测量法，以使包含边沿的全部长度可以用两种方法测量。晶片边沿对成像法和光弹性应力测量的检测器的相对速度应当在2-30cm/s，以确保两个测量法的足够积分时间。除了同时进行SIRD测量和成像法外，当然也可以借助所述设备非同时进行所述方法，尽管考虑到较长的测量时间，这不是优选的。
为了实现上述优选指定的1-5个测量轨迹，仅仅必须确保半导体晶片进行相应数量的旋转。在所述情况下，在半导体晶片的径向上，在旋转期间，用于光弹性应力测量的测量装置的位置可以保持不变，而在每次旋转后改变，这样在每次旋转期间，环状测量轨迹位于半导体晶片上的确定区域内的不同的半径位置。另一方面，用于光弹性应力测量的测量装置的位置可以在半导体晶片的径向上连续改变，这样用于光弹性应力测量的红外激光束描述了环状区域中的螺旋形测量轨迹。优选固定位置和单测量轨迹。用少量的测量轨迹，也可以通过光电反射控制激光束，从而可以改变其在测试样品上的位置。
同时进行成像法和SIRD检测法可以使边沿检查需要的测量时间保持不变而得到额外的信息。因此，对于包括SIRD的全部检查，可以达到低于一分钟的测量时间。
为了实施上述方法，可以使用包含下列组件的设备：
-半导体晶片1的基座，其可以围绕其中心轴6旋转，
-使得基座旋转的驱动器，
-实施成像法的系统，包括至少一个光源和一个记录半导体晶片1的边沿的图像的照相机8，和
-实施光弹性应力测量的系统，包括激光、起偏振器3、分析器4和检测器5，以允许在半导体晶片的边沿附近的平面区域的检测的方式排列。
以上已经描述了用于实施本方法的单个组件的相互作用。
依据本发明的方法可以用于半导体晶片的生产而言的任何期望点，特别是单晶硅晶片。然而，其优选在边沿加工完成后使用，也就是说在边沿打磨和边沿抛光实施后。特别优选施加在全部完成、未加图案的半导体晶片。特别的，也可以优选不仅检测样品，而且用依据本发明的方法在全部半导体晶片递送给客户之前，对其进行检测。依据本发明的方法可以可靠地挑出针对边沿缺陷有断裂风险的半导体晶片。然而，本方法也可以识别曲线的成因并将其消除。
Claims (10)
1.一种检测半导体晶片的方法，其中用成像法检测半导体晶片的边沿，并以此方式确定边沿上的缺陷的位置和形式，其中，另外，用光弹性应力测量检测半导体晶片的平面区域上的环形区域，该区域的外缘距离边沿不超过10mm，并以此方式确定所述环形区域中的受力区域的位置，其中将缺陷的位置和受力区域的位置彼此比较，基于缺陷的形式和光弹性应力测量的结果将缺陷分类。
2.权利要求1的方法，其中成像法包括：边沿被照射，以及至少一个照相机记录边沿图像。
3.权利要求1和2之一的方法，其中环状区域的宽度不超过10mm。
4.权利要求1-2之一的方法，其中使用由光弹性应力测量得到的至少一个以下变量对缺陷分类：
a)信号幅度
b)信号分布
c)信号面积
d)去偏振化程度
e)去偏振化信号类型和
f)双极化度。
5.权利要求1-2之一的方法，其中半导体晶片围绕其中心轴旋转，其中将用于成像法和光弹性应力测量的测量装置安装在沿半导体晶片的圆周的不同位置上，以及其中同时用成像法和光弹性应力测量对半导体晶片进行检测，其中借助半导体晶片的旋转将边沿的全部圆周和邻近区域移动通过用于成像法和光弹性应力测量的测量装置。
6.权利要求5的方法，其中半导体晶片围绕其中心轴旋转1-5次。
7.权利要求6的方法，其中在每次旋转中，用于光弹性应力测量的红外激光束描述环状区域中的环形测量轨迹，其中在每次旋转后，在半导体晶片的径向上改变用于光弹性应力测量的测量装置的位置，从而使测量轨迹位于半导体晶片上的不同径向位置。
8.权利要求6的方法，其中用于光弹性应力测量的测量装置的位置在半导体晶片的径向上连续改变，从而使用于光弹性应力测量的红外激光束描述了环状区域中的螺旋形测量轨迹。
9.权利要求6-8之一的方法，其中半导体晶片的边沿的旋转速度为2-30cm/s。
10.用于检测半导体晶片边沿的设备，其包括：
-半导体晶片的基座，该基座可以围绕其中心轴旋转，
-使得基座旋转的驱动器，
-实施成像法的系统，包括至少一个光源和一个记录半导体晶片的边沿的图像的照相机，和
-实施光弹性应力测量的系统，包括激光、起偏振器、分析器和检测器，以允许在半导体晶片的边沿附近的平面区域进行检测的方式排列。
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