CN103018258A - 晶圆检测方法以及晶圆检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种晶圆检测方法及晶圆检测装置，所述方法包括使所述两路或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆，在待测晶圆上形成干涉条纹；待测晶圆进行旋转和平移，使干涉条纹对待测晶圆进行扫描；位于待测晶圆表面的颗粒使所述干涉条纹发生散射，形成时间相关的散射光信号；探测所述散射光信号，基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息；基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息。本发明晶圆检测方法精度高，吞吐量高，晶圆检测装置的设计难度较低，成本低。

Description

晶圆检测方法以及晶圆检测装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种晶圆检测方法以及晶圆检测装置。
背景技术
在半导体工艺中，晶圆表面的清洁度是影响半导体器件可靠性的重要因素之一。如何清除晶圆表面的污染和异物质颗粒一直是半导体技术领域的研究热点，而在清洁之后如何对晶圆表面的清洁度进行检测也成为半导体体技术人员关心的问题。
光学检测方法，由于具有不破坏晶圆表面的清洁度、可实时检测等的优点成为最常用的晶圆检测方法之一。所述光学检测方法使用光学散射强度测量技术来探测晶圆表面颗粒的有无、颗粒在晶圆表面的空间分布等。
通常在光学检测装置中，激光器发出的检测光会掠入射到待测晶圆上，在晶圆表面会形成椭圆形光斑，通过晶圆卡盘的旋转和平移，使所述椭圆形光斑扫描整片晶圆，检测光在晶圆表面发生反射，如果检测光投射到颗粒上，会被颗粒散射，被散射的光束具有和反射光束不相同的空间立体角，所述散射光最终被光电探测器探测，以获取晶圆表面的颗粒信息。具体地，所述晶圆表面的椭圆形光斑为小尺寸光斑，通常尺寸为3微米×9微米、5微米×15微米，而晶圆的直径为300毫米，因此所述椭圆形光斑如扫描整个晶圆，会花费较长的检测时间。
为了减少检测时间、提高检测的吞吐量，现有技术还对光学式晶圆检测方法进行了改进。在专利号为US7345752的美国专利中就公开了一种光学式的晶圆检测装置，所述晶圆检测装置包括：光源，用于发出检测光；分束组件，用于将检测光分成多个光束，所述多个光束掠入射到待测晶圆上形成多个光斑，位于光斑内的颗粒使所述多个光束发生散射，形成多个携带颗粒信息散射光束；采光组件，用于采集所述多个散射光束；多个光电探测器，用于分别探测相应的散射光束；处理单元，基于所述多个光电探测器探测到的散射光束的信息，获取晶圆表面的颗粒信息。
在所述美国专利中，由于采用了多束探测光，因此在晶圆表面形成了多个小尺寸光斑，每个小尺寸光斑的面积为3微米×9微米、5微米×15微米，所述多个小尺寸光斑可以增大探测面积，进而提高了检测效率、减少检测时间。然而，所述美国专利的技术方案存在较多技术问题。
首先，检测精度随着颗粒的直径的减小迅速降低。主要原因是，现有技术中与颗粒相对应的检测信号由颗粒经过光斑时所散射的光强决定。由于颗粒散射的光强有如下关系式：
I = I 0 1 + cos 2 θ 2 R 2 ( 2 π λ ) 4 ( n 2 - 1 n 2 + 2 ) 2 ( d 2 ) 6
所述光强与颗粒的直径6次方成正比，与检测光波长的4次方成反比，所以，对于直径为28纳米以下的颗粒的检测信号很弱，检测成功率低。而如果仅仅通过减少检测光的波长(例如使用深紫外波段)，则不足以弥补颗粒的直径减少带来的信号减弱，因此，对28纳米以下技术代的颗粒检测一直没有很好的技术方案。
其次，所述美国专利中为了形成多个同等大小的光斑，必须在入射光路中使用衍射光学器件(Diffractive Optical Element，DOE)，在紫外波长上DOE的透射效率在60-70％之间，有1/3的光强会损失。同时DOE为入射光路设计带来了很大的复杂性和困难。各个光斑的光强也很难保持一致，从而为检测精度带来误差。而且，为了避免检测错误，一个光斑面积中散射的光强不能进入相邻光斑的采集光电感应通道中，这要求采集光学系统不能是较简单的非成像系统，而必须是分辨率高的成像系统。所述采集光学系统必须是大数值孔径(例如，数值孔径在0.94以上)。大数值孔径和分辨率高的特点显然对检测系统的光学部分提出了很高的要求，也提高了制作成本。
此外，由于每个光斑在晶圆上是3微米×9微米大小，即光斑大小是3微米直径，在355纳米的波长下，入射光的数值孔径需要有0.11-0.12之间，在数值孔径较大同时又引入DOE时，入射光系统的体积会比较大，占有较大的空间。由于空间有限，入射光系统对采光系统的数值孔径产生一定限制，这使采光系统不能靠近待测晶圆的表面。而颗粒散射的光强主要集中于接近晶圆表面的掠射角的立体角方向，有限的采光数值孔径将减少颗粒检测的信号强度，从而影响检测精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种晶圆检测方法以及晶圆检测装置，以提高检测精度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种晶圆检测方法，包括：使两路或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆，在待测晶圆上形成干涉条纹；待测晶圆进行旋转和平移，使干涉条纹对待测晶圆进行扫描；位于待测晶圆表面的颗粒使所述干涉条纹发生散射，形成时域内的散射光信号；探测所述散射光信号，基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息；基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息。
可选地，所述基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息的步骤包括：基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行傅里叶变换，形成频域内的检测信号。
可选地，所述基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息的步骤包括：对所述散射光信号进行基于所述特征频率的混频的匹配计算，获得散射光信号与特征频率对应信号的相关性。
可选地，所述使所述两路或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆的步骤包括：提供相干光光源；对所述相干光光源发出的光进行分束，形成两路或者两路以上的相干光束；之后两路或者或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆。
可选地，所述相干光光源包括连续输出的激光光源或者准连续输出的激光光源。
可选地，所述使所述两路或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆，在待测晶圆上形成干涉条纹的步骤包括：使所述两路或两路以上的相干光束投射至待测晶圆相同的位置，形成完全相重叠的光斑，以形成干涉条纹。
可选地，所述光斑为平台型光斑或者高斯光斑。
可选地，所述光斑为椭圆形光斑，所述椭圆形光斑的长轴在100～1000微米的范围内，短轴在15～100微米的范围内。
可选地，待测晶圆进行旋转和平移，使干涉条纹对待测晶圆进行扫描的步骤包括：待测晶圆平移，使光斑沿待测晶圆的径向移动，移动的步进为所述光斑沿晶圆径向的尺寸、所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/2、所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/3或者所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/4。
可选地，所述干涉条纹的周期在100～400nm的范围内。
可选地，所述探测所述散射光信号的步骤包括：以大于或等于100MHz的频率探测所述散射光信号。
可选地，所述基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息的步骤包括的步骤包括：基于检测信号中的与特征频率对应的信号的有无，获取待测晶圆上不同位置处颗粒的有无。
可选地，所述检测信号中包括与特征频率对应的信号，所述基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息的步骤包括：基于所述特征频率获取颗粒在待测晶圆上的径向位置。
可选地，所述检测信号中包括与特征频率对应的信号，所述基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息的步骤包括：提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号的周期数，获取颗粒在待测晶圆上的径向位置。
可选地，所述检测信号中包括与特征频率对应的信号，所述基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息的步骤包括：提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号出现的时刻，获取颗粒在待测晶圆上的切向位置。
可选地，所述检测信号中包括与特征频率对应的信号，所述基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息的步骤包括的步骤包括：提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号的强弱，获取待测晶圆上不同位置处颗粒的大小或成分。
相应地，本发明还提供一种晶圆检测装置，包括：用于提供相干光的光源；用于将光源发出的相干光进行分束，形成两路或者两路以上相干光束的分束器；用于承载待测晶圆，并用于使待测晶圆进行平移或旋转的平移旋转平台，所述两路或者两路以上相干光束在所述待测晶圆上形成干涉条纹；用于按一定频率探测散射光形成散射光信号的光电探测器，所述散射光由位于待测晶圆上的颗粒经过所述干涉条纹发生散射而形成；用于基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率，将光电探测器探测到的与时间相关的散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息的转换器；基于转换器形成的所述检测信息，获得颗粒在待测晶圆上的分布信息的数据处理单元。
可选地，所述转换器基于所述特征频率，将光电探测器探测到的与时间相关的散射光信号进行傅里叶变换，形成频域内的检测信号，以获得颗粒在待测晶圆上的分布信息。
可选地，所述转换器用于对所述散射光信号进行所述特征频率的混频的匹配计算，获得散射光信号与特征频率对应信号的相关性，以获得颗粒在待测晶圆上的分布信息。
可选地，所述数据处理单元包括：第一处理单元，所述第一处理单元连接于转换器，用于根据检测信号中与特征频率对应的信号的有无获得待测晶圆上是否存在颗粒的信息。
可选地，所述数据处理单元还包括第二处理单元，所述第二处理单元连接于转换器和所述第一处理单元，在第一处理单元获得待测晶圆上存在颗粒的信息时，基于所述特征频率获取颗粒在待测晶圆上的径向位置。
可选地，所述数据处理单元还包括第二处理单元，所述第二处理单元连接于转换器和所述第一处理单元，在第一处理单元获得待测晶圆上存在颗粒的信息时，提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号的周期数，获取颗粒在待测晶圆上的径向位置。
可选地，所述数据处理单元还包括第三处理单元，所述第三处理单元连接于转换器和所述第一处理单元，在第一处理单元获得待测晶圆上存在颗粒的信息时，提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号出现的时刻，获取颗粒在待测晶圆上的切向位置。
可选地，所述数据处理单元还包括第四处理单元，所述第四处理单元连接于转换器和所述第一处理单元，在第一处理单元获得待测晶圆上存在颗粒的信息时，提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号的强弱，获取待测晶圆上不同位置处颗粒的大小或成分。
可选地，还包括位于分束器和平移旋转平台之间的光斑调整组件，所述光斑调整组件用于对光源提供的相干光束进行处理，获得平台型光斑或者高斯光斑。
可选地，所述光斑为椭圆形光斑，所述椭圆形光斑的长轴在100～1000微米的范围内，短轴在15～100微米的范围内。
可选地，所述光电探测器为高频光电倍增管。
可选地，所述高频光电倍增管的采样频率大于或等于100MHz。
可选地，所述干涉条纹的周期在100～400nm之间。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.采用干涉条纹对待测晶圆进行扫描，并对待测晶圆上的颗粒所散射的散射光信号基于特征频率进行处理，形成与频率相关的检测信息，这样可以与特征频率对应的检测信息进行分析，而对其他频率对应的噪音进行滤除，从而提高了检测精度。
2.在晶圆检测方法的可选方案中，椭圆形光斑的长轴在100～1000微米的范围内，短轴在15～100微米的范围内，所述椭圆形光斑较大，可以大大提高探测效率。另一方面，光斑较大，入射光路的数值孔径较小，入射光路占据的空间较小，这样采集光路可以采用数值孔径较大的光学系统，从而增大采集光路所采集的散射光，增大检测信号，进而提高了检测精度。
3.晶圆检测装置中无需采用衍射光学器件，因此减小了入射光光学系统的设计难度。
4.在晶圆检测装置的可选方案中采用高频的光电探测器进行采样和探测，可以较细致地记录不同时刻光电探测器探测到的散射光信号，进而提高了检测精度。
附图说明
图1是本发明晶圆检测方法一实施方式的流程示意图；
图2是本发明晶圆检测方法第一实施例的示意图；
图3是本发明晶圆检测方法第二实施例的示意图；
图4是本发明晶圆检测方法第三实施例的示意图；
图5是本发明晶圆检测装置一实施例的示意图；
图6是图5所示晶圆检测装置的局部俯视示意图；
图7是图5所示晶圆检测装置中数据处理单元一实施例的示意图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。
为了解决现有技术的问题，本发明提供一种晶圆检测方法，包括：形成两路或两路以上的相干光束；使所述两路或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆，在待测晶圆上形成干涉条纹；待测晶圆进行旋转和平移，使干涉条纹对待测晶圆进行扫描；位于待测晶圆表面的颗粒使所述干涉条纹发生散射，形成时间相关的散射光信号；探测所述散射光信号，基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息；基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息。
本发明通过采用干涉条纹对待测晶圆进行扫描，并对待测晶圆上的颗粒所散射的散射光信号基于特征频率进行处理，形成与频率相关的检测信息，这样可以与特征频率对应的检测信息进行分析，而对其他频率对应的噪音进行滤除，从而提高了检测精度。
参考图1，示出了本发明晶圆检测方法一实施方式的流程示意图。所述晶圆检测方法大致包括以下步骤：
步骤S1，形成两路或两路以上的相干光束；
步骤S2，使所述两路或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆，在待测晶圆上形成干涉条纹；
步骤S3，待测晶圆进行旋转和平移，使干涉条纹对待测晶圆进行扫描；
步骤S4，位于待测晶圆表面的颗粒使所述干涉条纹发生散射，形成时间相关的散射光信号；
步骤S5，探测所述散射光信号，基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息；
步骤S6，基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息。
下面对各个步骤进行详细描述。
执行步骤S1，所述步骤S1大致包括以下分步骤：提供相干光光源，所述相干光光源可以发出相干性较好的光，具体地，所述相干光光源包括连续输出的激光光源或者准连续输出的激光光源。
对所述光源发出的光进行分束，形成两路或者两路以上的相干光束。
执行步骤S2，使所述两路或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆，在待测晶圆上形成干涉条纹。为了更精确地探测待测晶圆上的颗粒，较佳地，所述两路或者两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆上会形成界限清晰的光斑，例如，所述界限清晰的光斑可以是“平台型”光斑，具体地说，“平台型”光斑的内部光强均匀一致，外部光强非常弱，可以忽略不计。
为了形成界限清晰的光斑，较佳地，可通过光斑调整组件对所述相干光束进行调节。具体地，所述光斑调整组件可以是复合透镜、非球面透镜或者二元光学系统等，本发明对此不做限制。
所述相干光束通过掠入射方式投射至待测晶圆上，会形成光斑。两路或者两路以上的相干光束在所述待测晶圆上的光斑完全相重叠，所述相重叠的光斑位置处发生干涉现象，形成干涉条纹。
具体地，所述相干光束之间的相位角可以为180度，也就是说所述相干光束可以以相对方向投射到待测晶圆上，所述相干光束之间的相位角还可以小于90度，也就是说所述相干光束从同一方向以一定夹角入射，本发明对此不做限制。
所述两路或两路以上相干光束与待测晶圆之间的夹角可以调节干涉条纹的光强和周期。具体地，干涉条纹的光强I为：
I = 2 I 1 ( 1 + cos ( 2 π λ x sin θ )
干涉条纹的周期d为：
d = λ 2 sin θ
其中，θ是相干光束与待测晶圆垂直法线之间的夹角(此处两路相干光束与待测晶圆之间的夹角相同)。I1为两路相干光束的光强(此处两路相干光束的光强相同)，x为相干光束从光源至光斑之间的距离，λ为相干光束的波长。
具体地，如果相干光束的入射角为80度，波长为355纳米，则形成的干涉条纹的周期是180纳米。对于28nm以下的技术代，待测晶圆上的颗粒直径远小于所述180nm。需要说明的是，本发明对所述干涉条纹的周期不做限制，基于常用的波长、入射角的角度，通常干涉条纹的周期在100～400nm的范围内。
具体地，相干光束以掠入射方式投射至待测晶圆上，较佳地，待测晶圆上的入射角为70°左右，在待测晶圆表面形成椭圆形的光斑，所述椭圆形的光斑的长短轴比例为3∶1。通过光斑调整组件的调节，所述椭圆形光斑的长轴可在100～1000微米的范围，所述椭圆形光斑的短轴可在15～100微米的范围内。
本实施方式形成的光斑较大，可以大大提高探测效率。另一方面，光斑较大，入射光路的数值孔径较小，入射光路占据的空间较小，这样采集光路可以采用数值孔径较大的光学系统，从而增大采集光路所采集的散射光，增大检测信号，进而提高了检测精度。
执行步骤S3，光斑不动，而通过旋转和平移所述待测晶圆，使光斑在待测晶圆上进行螺旋形扫描，以完成对整片待测晶圆的检测。
例如，待测晶圆从圆心位置开始沿径向步进式平移，在每一步进的位置处进行360度旋转，使光斑完成对待测晶圆的扫描。
需要说明的是，为了对待测晶圆进行较为精确和细致的检测，以较小的步进使所述待测晶圆沿径向平移，具体地，移动的步进可以是所述光斑沿晶圆径向的尺寸、所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/2、所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/3或者所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/4。
执行步骤S4，在待测晶圆旋转和平移的过程中，若待测晶圆上有颗粒，颗粒会通过光斑，具体地，颗粒依次通过光斑中各条干涉条纹发生散射，从而形成散射光。
执行步骤S5，采用光电探测器按照一定频率采集、探测所述散射光，形成与时间相关的散射光信号。为了提高测量精度，较佳地，所述光电探测器为高频的光电倍增管。
具体地，所述光电倍增管采样的频率大于或等于100MHz，较佳地，所述光电倍增管采样的频率大于或等于800MHz，通过高频的光电探测器进行采样和探测，可以较细致地记录不同时刻光电探测器探测到的散射光信号，进而提高了检测精度。
在光斑对待测晶圆进行扫描的整个周期中，记录在不同时间光电探测器探测到的散射光信号。由于待测晶圆旋转、平移的位置与所述时间相关，相应地，记录不同时间的散射光信号，进而可以获知待测晶圆不同位置对应的散射光信号。
具体地，此处所述的与时间相关的散射光信号数据，指的是散射光信号的强度(例如光强)、散射光信号出现的时间，散射光信号持续的时间等。
需要说明的是，由于光斑短轴的直径(15～100微米)只是晶圆的半径(100～150毫米)的1/1500左右，因此，可将待测晶圆上的光斑看做一个点，并且颗粒在经过光斑时运动线路可近似为直线运动，以便于精确地计算颗粒在光斑中的运动轨迹。
以平台型光斑为例，颗粒在进入光斑之前没有相干光束照射到颗粒上，于是散射光信号为零。当颗粒进入光斑后，相干光束会照射到颗粒上发生散射，散射光信号为S，由于平台型光斑内干涉条纹呈周期性变化，散射光信号S也会呈周期性变化。但当颗粒离开光斑后，散射光信号又为0。
需要说明的是，所述光斑还可以是按照高斯强度分布的高斯光斑，本发明对此不做限制。
实际应用中，可以采用高频率的光电倍增管采集所述散射光，形成与时间相关的散射光信号。
假定颗粒穿过光斑时，由于光斑中形成周期性变化的干涉条纹，光斑依次通过所述干涉条纹时会形成具有一定频率的散射光信号。具体地，光斑距待测晶圆圆心的距离为d毫米，待测晶圆旋转的角速度为β(度每秒)，散射光信号的频率为：
β 360 × 2 πd x 0 ,
其中，x0是干涉条纹的周期。
由于角速度、干涉条纹的周期为固定值，因此如果有颗粒位于距待测晶圆圆心的距离d的位置处，会形成频率为
Figure BDA0000093872460000132
的散射光信号。此处将所述频率为不同位置(此处位置主要是指待测晶圆径向)颗粒所对应的特征频率。
具体地，当x0是180纳米，β是100度每秒，d是200毫米时，颗粒散射形成的散射光信号的特征频率为1.938MHz。
基于散射光信号具有特征频率的特性，将高频的光电倍增管采集到的实际的散射光信号基于特征频率转换到频域会形成与频率相关的检测信息。由于基于特征频率转换到频域之后，特征频率对应的信号较强，而其他频率对应的信号非常弱，可以有助于滤除噪音(例如，待测晶圆粗糙的表面形成的噪音信号，光电传感器自身的噪音信号等)，而对与特征频率相关的信号进行分析时可以获得较为准确的分析结果。
具体地，可以基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行傅里叶变换，形成频域内的检测信号。但是本发明并不限制于此，还可以通过对所述散射光信号进行基于所述特征频率的混频的匹配计算，获得散射光信号与特征频率对应信号的相关性，以对于特征频率相关的信号进行分析。
下面以傅里叶变换，形成频域内检测信号为例进行说明。具体地，光电倍增管探测到的散射光信号为在时域内(横坐标为时间)的信号，对所述散射光信号进行傅里叶变换之后，形成频域内(横坐标为频率)的检测信号。
执行步骤S6，基于所述检测信号，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息。具体地说，此处所述颗粒的分布信息包括：待测晶圆上颗粒的有无、颗粒的位置、颗粒的大小、颗粒的成分等等。
基于所述检测信号中与特征频率对应的信号的有无，可以获得光斑范围内是否存在颗粒的情况。具体地说，光斑位于距离待测晶圆圆心为d1的位置处进行检测，检测信号中未测量到
Figure BDA0000093872460000141
频率的信号，说明距离待测晶圆圆心为d1位置处不存在颗粒。如果检测信号中测量到
Figure BDA0000093872460000142
频率的信号，说明距离待测晶圆圆心为d1位置处存在颗粒。
此外，由于所述特征频率与颗粒距待测晶圆圆心之间的距离成正比，因此，基于检测信号特征频率的不同，可以获得颗粒在待测晶圆上的径向位置，例如检测信号包括频率的信号，在距离待测晶圆圆心距离为d1的径向位置处存在颗粒；若检测信号包括
Figure BDA0000093872460000144
频率的信号，在距离待测晶圆圆心距离为d2的径向位置处存在颗粒。
在上述实施例中，将光斑看做待测晶圆上的一点，基于特征频率的不同，获得光斑内颗粒距离待测晶圆圆心的距离，从而获得颗粒的径向位置。除此之外，本发明还可以对光斑内颗粒的分布进行分析。
具体地，在确定待测晶圆上存在颗粒之后，对检测信号进行处理，只提取与特征频率对应的信号并对提取出的信号进行转换，转换到时域中形成处理后的散射光信号。由于只提取了与特征频率对应的信号，从而对噪音对应的信号进行了滤除，再对处理后散射光信号进行分析时可以获得较为精确的检测结果。
由于本实施例在步骤S5中是通过傅里叶变换将散射光信号转换到频域中形成检测信号的，相应地，此处对提取出的信号进行转换时采用反向傅里叶变换，使提取出的信号从频域转换到时域中，形成处理后散射光信号。
参考图2至图4，分别示出了图1所示步骤S6中处理后散射光信号的实施例。需要说明的是，通常处理后散射光信号包括上千个周期，此处为了使附图更加清晰，仅以数个周期进行示例。
如图2所示，t1时刻之前，颗粒101还未通过光斑102，此时散射光信号103的光强为0。t1时刻，颗粒101开始进入光斑102，并沿着光斑102的中心位置移动，从而形成一定光强的散射光信号103，而对于28nm以下的技术代的待测晶圆，待测晶圆上的颗粒直径远远小于干涉条纹的周期(例如180nm)，颗粒在穿过明暗相间的干涉条纹时，形成的散射光信号103也呈周期性变化，如图2所示，所示散射光信号103包括五个周期，直至t2时刻，所述颗粒101离开光斑102之后，散射光信号为0并且不再有变化。
如图3所示，与图2所示的实施例不同，所述颗粒201虽然也在t1时刻开始进入光斑202，但是颗粒201沿着光斑202的边缘位置移动，这样颗粒201通过的光斑202的轨迹比较短，相应地，通过的干涉条纹的数量较少，因此形成的散射光信号203虽然也呈周期性变化，但是所示散射光信号203只包括三个周期，直至t2时刻，所述颗粒201离开光斑202之后，散射光信号203为0并且不再有变化。
由此可见，处于光斑202以内不同径向位置的颗粒201所对应的处理后散射光信号203具有不同的周期数量，基于所述周期数量可以获得光斑202内颗粒的径向分布情况。
如图4所示，与图2所示实施例的不同之处在于，第一颗粒3011和第二颗粒3012先后通过光斑302，t1时刻，第一颗粒3011开始进入光斑302，t2时刻第二颗粒3012开始进入光斑302，t3时刻第一颗粒3011开始离开光斑302，t4时刻第二颗粒3012开始离开光斑302。在t2至t3时刻之间，由于第一颗粒3011和第二颗粒3012距离较近，并且待测晶圆以一定速度旋转，从而使光电倍增管探测到的第一颗粒3011和第二颗粒3012对应的散射光信号303相互之间有交叠。因此，t2至t3之间的周期性散射光信号303中最小值不为0。本实施例在t2至t3之间的散射光信号303比图2所示的散射光信号203周期数多。
由此可见，处于光斑202以内不同切向位置的颗粒所对应的处理后信号具对应不同的起始时刻，基于所述起始时刻的不同可以测量到位于光斑303内多颗粒的分布情况，检测精度较高。
具体地，由于待测晶圆旋转的角速度、距离待测晶圆圆心的距离可知，基于所述处理后散射光信号出现的时刻，可以获取颗粒在待测晶圆上的切向位置。假定待测晶圆旋转的角速度为β、距离待测晶圆圆心的距离为d，那么第一颗粒3011与开始计时位置处的圆周距离为β·d·t1，第一颗粒3011与第二颗粒3012之间圆周距离为β·d·(t2-t1)，从而获得颗粒在待测晶圆上的切向位置。
由于散射光信号的光强与颗粒的大小成正比，因此，基于处理后散射光信号的光强的大小，可以获得光斑范围内颗粒的大小。
此外，由于待测晶圆上的颗粒的材料通常为二氧化硅、有机物、硅、金属，不同材料的颗粒对相干光束的散射率不同，并且二氧化硅和硅(金属)的散射光信号有数量级的差别，因此还可以对检测信号不同光强进行区分，基于不同光强的范围获得与其对应的颗粒的材料。
需要说明的是对颗粒的大小进行分析时，需基于同一材料的颗粒进行比较。
相应地，本发明还提供一种待测晶圆的检测装置，结合参考图5和图6，分别示出了本发明待测晶圆检测装置一实施例的侧面示意图和局部俯视示意图，所述待测晶圆检测装置包括：光源10、分束器9、平移旋转平台2、光电探测器6、转换器7、数据处理单元8。其中，
光源10，用于提供相干光的光源，为了提供相干性较好的光，所述光源可以是连续输出的激光光源或者准连续输出的激光光源。本实施例中，所述光源10通常为激光器，例如为短波长的固体激光器，波长为355nm。所述光源10还可以是其他平行准直的光源，本发明对此不做限制。
分束器9，用于将光源10发出的相干光进行分束，形成两路或者两路以上的相干光束，本实施例中，所述分束器9将光源10发出的光分为两路相干光束。
较佳地，为了形成界限清晰的光斑，本发明还在分束器9和平移旋转平台2之间设置了光斑调整组件3，对分束器9分出的两路相干光束进行调整，形成平台型光斑，本实施例中，所述光斑调整组件3可以是复合透镜、非球面透镜、或者二元光学透镜，本发明对此不做限制。具体地，所述光斑调整组件3采用不同的透镜对各路相干光束进行调整，以在待测晶圆1上形成相互重叠的光斑。
平移旋转平台2，用于承载待测晶圆1，相干光束投射到待测晶圆1上形成光斑，所述光斑可以是平台型光斑或高斯光斑，本发明对此不做限制。
具体地，相干光束以70度入射角的掠入射方式投射至待测晶圆1上，两路相干光束在待测晶圆1形成完全重叠的椭圆形光斑，以形成干涉条纹。具体地，所述椭圆形光斑的长轴在100～1000微米的范围内，短轴在15～100微米的范围内。所述干涉条纹的周期在100～400nm之间，远远大于颗粒的直径。
从而，颗粒在经过所述明暗相间干涉条纹时，可形成周期变化的散射光信号。位于光斑范围内的颗粒5会使干涉条纹发生散射，形成散射光。所述平移旋转平台2通过旋转、平移等操作，使位于平移旋转平台2上的待测晶圆1旋转和平移，进而使干涉条纹实现对整个待测晶圆1表面的扫描。
较佳地，为了提高测量精度，需减小所述平移旋转平台2的步进。具体地，平移旋转平台2移动所述待测晶圆1，使光斑沿待测晶圆1的径向移动，移动的步进为所述光斑沿晶圆径向的尺寸、所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/2、所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/3或者所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/4。
为了使本发明待测晶圆检测装置空间布局更加紧凑，本实施例中，通过反光组件4改变散射光的方向，使散射光反射至位于平移旋转平台2上方的光电探测器6的探测面上，但是本发明并不限制于此，还可以根据设计需求采用其他的采光组件，使散射光反射到光电探测器6的探测面上。
光电探测器6，用于按照一定的频率探测散射光，形成与时间相关的散射光信号。此处所描述的与时间相关的散射光信号包括散射光信号的强度(例如光强)、散射光信号出现的时间，散射光信号持续的时间等。
为了获取与时间相关的散射光信号，较佳地，本发明采用高频的光电探测器6(例如光电倍增管)，具体地，所述光电探测器6的采集频率大于或等于100MHz，较佳地，所述光电探测器6的采集频率大于或等于800MHz。所述高频的光电探测器6以较高频率探测散射光，可以获得散射光信号较为细致的时间信息。
转换器7，用于基于待测晶圆1上不同位置的颗粒所对应的特征频率，将光电探测器6探测到的与时间相关的散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息。
具体地，所述转换器7可以基于待测晶圆1上不同位置的颗粒所对应的特征频率，将光电探测器6探测到的与时间相关的散射光信号进行傅里叶变换，形成频域内的检测信号，以获得颗粒在待测晶圆1上的分布信息。所述转换器7还可以用于对所述散射光信号进行所述特征频率的混频的匹配计算，获得散射光信号与特征频率对应信号的相关性，以获得颗粒5在待测晶圆1上的分布信息。
由于距圆心不同距离的位置处颗粒的散射光信号的特征频率为已知，在频域内的检测信号中可以提取出与所述特征频率对应的信号进行分析，而滤除其他频率对应的噪音信号(例如，待测晶圆1粗糙的表面形成的噪音信号，光电传感器自身的噪音信号等)，从而提高了检测精度。
本发明待测晶圆检测装置还包括一数据处理单元8，参考图7，示出了图5所示待测晶圆检测装置中数据处理单元一实施例的示意图。所述数据处理单元8连接于转换器7和平移旋转平台2，用于根据转换器7获得的检测信号、同时结合平移旋转平台2上待测晶圆1的平移和旋转信息，获得待测晶圆1表面颗粒5的位置，从而获得待测晶圆1表面颗粒5的分布情况。
具体地，所述数据处理单元8包括第一处理单元81、第二处理单元82、第三处理单元83、第四处理单元84，其中，
第一处理单元81，连接于转换器7，用于根据转换器7得到的检测信号中与特征频率对应的信号的有无获得待测晶圆1上是否存在颗粒的信息。
所述第二处理单元82，连接于转换器7和所述第一处理单元81，在第一处理单元81获得待测晶圆1上存在颗粒的信息时，基于所述特征频率获取颗粒5在待测晶圆1上的径向位置。
第三处理单元83，连接于转换器7和所述第一处理单元81，在第一处理单元81获得待测晶圆1上存在颗粒的信息时，提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号出现的时刻，获取颗粒5在待测晶圆1上的切向位置。
第四处理单元84，连接于转换器7和所述第一处理单元81，在第一处理单元81获得待测晶圆1上存在颗粒的信息时，提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号的强弱，获取待测晶圆1上不同位置处颗粒5的大小或成分。
需要说明的是，上述实施例中，只公开了数据处理单元8的部分功能，但是本发明并不限制于此，本领域技术人员还可以对上述实施例进行修改、替换和变形。
此外，本领域技术人员可以根据自身需求，选择图7所示所述数据处理单元中第一处理单元81、第二处理单元82、第三处理单元83、第四处理单元84中的一个或多个组成数据处理单元，本发明对此不做限制。
本发明提供的待测晶圆检测装置中，此外，在探测光路方向无需采用成像系统对散射光进行采集，简化了探测光路系统，同时也降低了成本。
更进一步地，本发明待测晶圆检测装置中，无需采用衍射光学器件，因此减小了入射光光学系统的设计难度，降低了成本。
另一方面，由本发明形成的光斑较大，提高检测吞吐量，可以大大提高检测效率，此外，光斑较大，入射光路的数值孔径较小，入射光路占据的空间较小，这样采集光路可以采用数值孔径较大的光学系统，从而增大采集光路所采集的散射光，增大检测信号，进而提高了检测精度。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (29)

1.一种晶圆检测方法，其特征在于，包括：
使两路或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆，在待测晶圆上形成干涉条纹；
待测晶圆进行旋转和平移，使干涉条纹对待测晶圆进行扫描；
位于待测晶圆表面的颗粒使所述干涉条纹发生散射，形成与时间相关的散射光信号；
探测所述散射光信号，基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息；
基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息。
2.如权利要求1所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息的步骤包括：基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行傅里叶变换，形成频域内的检测信号。
3.如权利要求1所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率对所述散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息的步骤包括：对所述散射光信号进行基于所述特征频率的混频的匹配计算，获得散射光信号与特征频率对应信号的相关性。
4.如权利要求1所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述使所述两路或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆的步骤包括：
提供相干光光源；
对所述相干光光源发出的光进行分束，形成两路或者两路以上的相干光束；
之后两路或者或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆。
5.如权利要求4所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述相干光光源包括连续输出的激光光源或者准连续输出的激光光源。
6.如权利要求1所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述使所述两路或两路以上的相干光束掠入射至待测晶圆，在待测晶圆上形成干涉条纹的步骤包括：
使所述两路或两路以上的相干光束投射至待测晶圆相同的位置，形成完全相重叠的光斑，以形成干涉条纹。
7.如权利要求6所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述光斑为平台型光斑或者高斯光斑。
8.如权利要求7所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述光斑为椭圆形光斑，所述椭圆形光斑的长轴在100～1000微米的范围内，短轴在15～100微米的范围内。
9.如权利要求6所述的晶圆检测方法，其特征在于，待测晶圆进行旋转和平移，使干涉条纹对待测晶圆进行扫描的步骤包括：待测晶圆平移，使光斑沿待测晶圆的径向移动，移动的步进为所述光斑沿晶圆径向的尺寸、所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/2、所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/3或者所述光斑沿晶圆径向的尺寸的1/4。
10.如权利要求1所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述干涉条纹的周期在100～400nm的范围内。
11.如权利要求1所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述探测所述散射光信号的步骤包括：以大于或等于100MHz的频率探测所述散射光信号。
12.如权利要求2所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息的步骤包括的步骤包括：基于检测信号中的与特征频率对应的信号的有无，获取待测晶圆上不同位置处颗粒的有无。
13.如权利要求12所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述检测信号中包括与特征频率对应的信号，所述基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息的步骤包括：基于所述特征频率获取颗粒在待测晶圆上的径向位置。
14.如权利要求12所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述检测信号中包括与特征频率对应的信号，所述基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息的步骤包括：提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号的周期数，获取颗粒在待测晶圆上的径向位置。
15.如权利要求12所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述检测信号中包括与特征频率对应的信号，所述基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息的步骤包括：提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号出现的时刻，获取颗粒在待测晶圆上的切向位置。
16.如权利要求12所述的晶圆检测方法，其特征在于，所述检测信号中包括与特征频率对应的信号，所述基于所述检测信息，获取待测晶圆上的颗粒的分布信息的步骤包括的步骤包括：提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号的强弱，获取待测晶圆上不同位置处颗粒的大小或成分。
17.一种晶圆检测装置，其特征在于，包括：
用于提供相干光的光源；
用于将光源发出的相干光进行分束，形成两路或者两路以上相干光束的分束器；
用于承载待测晶圆，并用于使待测晶圆进行平移或旋转的平移旋转平台，所述两路或者两路以上相干光束在所述待测晶圆上形成干涉条纹；
用于按一定频率探测散射光形成散射光信号的光电探测器，所述散射光由位于待测晶圆上的颗粒经过所述干涉条纹发生散射而形成；
用于基于待测晶圆上不同位置的颗粒所对应的特征频率，将光电探测器探测到的与时间相关的散射光信号进行处理，形成与频率相关的检测信息的转换器；
基于转换器形成的所述检测信息，获得颗粒在待测晶圆上的分布信息的数据处理单元。
18.如权利要求17所述的晶圆检测装置，其特征在于，所述转换器基于所述特征频率，将光电探测器探测到的与时间相关的散射光信号进行傅里叶变换，形成频域内的检测信号，以获得颗粒在待测晶圆上的分布信息。
19.如权利要求17所述的晶圆检测装置，其特征在于，所述转换器用于对所述散射光信号进行所述特征频率的混频的匹配计算，获得散射光信号与特征频率对应信号的相关性，以获得颗粒在待测晶圆上的分布信息。
20.如权利要求18所述的晶圆检测装置，其特征在于，所述数据处理单元包括：第一处理单元，所述第一处理单元连接于转换器，用于根据检测信号中与特征频率对应的信号的有无获得待测晶圆上是否存在颗粒的信息。
21.如权利要求20所述的晶圆检测装置，其特征在于，所述数据处理单元还包括第二处理单元，所述第二处理单元连接于转换器和所述第一处理单元，在第一处理单元获得待测晶圆上存在颗粒的信息时，基于所述特征频率获取颗粒在待测晶圆上的径向位置。
22.如权利要求20所述的晶圆检测装置，其特征在于，所述数据处理单元还包括第二处理单元，所述第二处理单元连接于转换器和所述第一处理单元，在第一处理单元获得待测晶圆上存在颗粒的信息时，提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号的周期数，获取颗粒在待测晶圆上的径向位置。
23.如权利要求20所述的晶圆检测装置，其特征在于，所述数据处理单元还包括第三处理单元，所述第三处理单元连接于转换器和所述第一处理单元，在第一处理单元获得待测晶圆上存在颗粒的信息时，提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号出现的时刻，获取颗粒在待测晶圆上的切向位置。
24.如权利要求20所述的晶圆检测装置，其特征在于，所述数据处理单元还包括第四处理单元，所述第四处理单元连接于转换器和所述第一处理单元，在第一处理单元获得待测晶圆上存在颗粒的信息时，提取检测信号中与特征频率对应的信号，之后将提取出的信号转换到时域中形成处理后散射光信号，基于所述处理后散射光信号的强弱，获取待测晶圆上不同位置处颗粒的大小或成分。
25.如权利要求17所述的晶圆检测装置，其特征在于，还包括位于分束器和平移旋转平台之间的光斑调整组件，所述光斑调整组件用于对光源提供的相干光束进行处理，获得平台型光斑或者高斯光斑。
26.如权利要求17所述的晶圆检测装置，其特征在于，所述光斑为椭圆形光斑，所述椭圆形光斑的长轴在100～1000微米的范围内，短轴在15～100微米的范围内。
27.如权利要求17所述的晶圆检测装置，其特征在于，所述光电探测器为高频光电倍增管。
28.如权利要求27所述的晶圆检测装置，其特征在于，所述高频光电倍增管的采样频率大于或等于100MHz。
29.如权利要求17所述的晶圆检测装置，其特征在于，所述干涉条纹的周期在100～400nm之间。
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