CN109425618B - 光学测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学测量系统及方法，该系统包括：光源组件，其被配置为产生出射光；遮光组件，其沿光学路径设置在透镜组件和光源组件之间，用于限制透镜组件能够接收到的出射光；透镜组件，其被配置为基于经过遮光组件的出射光，向待测物提供入射光，并获取由待测物基于入射光所产生的反射光；光探测组件，其被配置为接收反射光；以及处理器，其通信耦合至光探测组件和遮光组件，处理器被配置为通过调整遮光组件对出射光的遮挡来调整入射光的入射方向，并根据反射光确定待测物是否包括缺陷。通过实施本发明的技术方案，能够快速地对待测物(譬如，晶圆)进行测量，并且杂散光较少，具有更高的检测灵敏度。

Description

光学测量系统及方法

技术领域

本发明属于封装技术检测领域，尤其涉及一种涉及晶圆缺陷的测量系统及方法。

背景技术

芯片裂痕是集成电路最致命的失效模式之一，芯片加工中受到较大应力或者工作时温度不断改变均会导致芯片裂痕不断延伸直至产品失效。因此，制造商往往试图在芯片裂痕产生之初就发现它，并将具有裂痕的产品筛选掉，以降低成本，提高产品合格率。

芯片裂痕最初发生在芯片背面硅基底部分，以晶圆裂痕形式存在，由于硅片非常薄且脆，因此打薄、切割、封装等加工工艺过程均可能造成晶圆裂痕。因此，对应于不同的加工工艺，裂痕的分布也有不同特点。例如，晶圆裂痕可以是内部隐裂、边缘裂痕、chipping缺角或是边缘缺角。可以发现，部分裂痕完全隐藏在晶圆内部，即使是用高倍显微镜也无法分辨。因此，工业生产中如何快速检测晶圆裂痕成为了半导体生产需要解决的重要问题。

目前使用的晶圆裂痕检测方法可以分为非光学方法以及光学方法。非光学方法的典型示例是超声波检测法，该方法基于裂痕存在影响超声波波形波幅实现，具有较好的效果。然而，超声波检测法需要将芯片放置至液体中，可能造成芯片污染，并且检测速度较慢。光学方法一般可以分为三类：(1)背光式检测法，光源和探测器分别位于芯片的两侧，通过探测透过芯片的信号光实现裂痕检测，然而它对被测芯片透过率要求较高，仅能测裸片，常用于研磨过程中检测；(2)光/电致发光检测法，该方法要求被测样品有相应发光媒介，一般用于太阳能芯片检测；(3)红外显微成像检测法，该方法通过红外波段光源垂直照明、接收反射光进行成像，然而该方法单次检测视野往往受到分辨率的限制，导致检测速度较慢。

因此，亟需一种速度快、定位准的裂痕检测系统与方法。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种通过对待测物透明的光源来对待测物进行单侧测量的测量系统与方法。

本发明一方面提出了一种测量系统，该系统包括：光源组件，其被配置为产生出射光；遮光组件，其沿光学路径设置在透镜组件和光源组件之间，用于限制所述透镜组件能够接收到的所述出射光；透镜组件，其被配置为基于经过所述遮光组件的出射光，向所述待测物提供入射光，并获取由所述待测物基于所述入射光所产生的反射光；光探测组件，其被配置为接收所述反射光；以及处理器，其通信耦合至所述光探测组件和所述遮光组件，所述处理器被配置为通过调整所述遮光组件对所述出射光的遮挡来调整所述入射光的入射方向，并根据所述反射光确定所述待测物是否包括缺陷。

在一种实施方式中，所述遮光组件包括光阑，所述光阑包括第一半区和第二半区，其中，在所述第一半区上设置有通光孔。

在一种实施方式中，所述处理器进一步被配置为根据所述缺陷在平行于所述待测物中指定的平面上的延展特征来确定所述入射光的入射方向。一般而言，缺陷在不同材料中的分布具有不同的特征，因此，在测量前，可以根据待测物中缺陷在指定的平面上的延展特征来确定入射方向，可以提高测量分辨率。这里的指定平面可以根据缺陷的特征而定。对于本发明而言，缺陷可以包括裂痕、气泡、缺角等等。以裂痕为例，裂痕一般沿着晶格的轴向进行延展，因此，通过两次入射方向相垂直的检测即可确定晶圆中是否存在裂痕。

在一种实施方式中，所述处理器进一步被配置为通过调整所述遮光组件来使得所述入射光的入射方向垂直于所述缺陷在平行于所述待测物中指定的平面上的至少一个延展方向。

在一种实施方式中，当所述待测物为晶圆时，所述处理器进一步被配置为通过调整所述遮光组件来使得所述入射光的第一入射方向垂直平行于所述晶格的第一轴向，且所述入射光的第二入射方向垂直于晶格的第二轴向。

在一种实施方式中，所述处理器被配置为根据所述反射光确定所述待测物是否包括缺陷的步骤还包括：所述处理器基于所述反射光在所述光探测组件上形成的反射光斑中是否存在暗信号来确定所述待测物是否包括缺陷。

在一种实施方式中，所述处理器被配置为通过控制所述光阑的旋转来调整所述通光孔在周向上的分布。

在一种实施方式中，所述通光孔的弧度小于等于π。

在一种实施方式中，所述出射光相对于所述待测物透明。

在一种实施方式中，所述光源组件还包括：红外光源；扩束准直镜组，用于对将由所述红外光源所产生的红外光进行扩束准直，以生成所述出射光。

本发明另一方面提出了一种测量方法，其包括：确定待测样品上的检测位置；在至少一个入射方向上，通过相对于所述待测样品透明的入射光对所述检测位置进行单侧检测；以及根据由所述待测物基于所述入射光而产生的反射光来确定所述待测物是否包括缺陷。

在一种实施方式中，根据所述缺陷在平行于所述待测物中指定的平面上的延展特征来确定所述入射光的入射方向。

在一种实施方式中，当所述待测物为晶圆时，分别以第一入射方向和第二入射方向来对所述检测位置进行单侧检测，其中，所述第一入射方向垂直于晶格的第一轴向，所述第二入射方向垂直于晶格的第二轴向。

通过实施本发明的技术方案，能够快速地对待测物(譬如，晶圆)进行测量，并且杂散光较少，具有更高的检测灵敏度。另外，本发明的测量系统无需另外的成像装置，进一步降低了成本，简化了系统结构。

附图说明

参考附图示出并阐明实施例。这些附图用于阐明基本原理，从而仅仅示出了对于理解基本原理必要的方面。这些附图不是按比例的。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。

图1a为依据本发明实施例的晶圆中无裂痕的反射示意图；

图1b为依据本发明实施例的晶圆中有裂痕的反射示意图；

图2为依据本发明实施例的测量系统架构示意图；

图3为依据本发明实施例的裂痕检测方法的流程图；

图4为依据本发明实施例的测量系统光路示意图；

图5a为依据本发明实施例的旋转光阑处于第一状态时与入射光的对应关系示意图；

图5b为依据本发明实施例的旋转光阑处于第二状态时与入射光的对应关系示意图；

图6为依据本发明实施例的当晶圆中有隐裂时基于不同方向入射光而接收到的信号光的仿真图；

图7为未设置有旋转光阑的测量系统中，在晶圆中有隐裂时不同方向入射光接收到的信号光的仿真图。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

首先，对本申请所涉及到的术语进行限定。在本申请中，入射方向是指入射角度集合的中心角度。譬如，“入射方向垂直于轴向”是指入射光的入射角度集合的中心角度是90度。

在本申请中，透镜组件可以包括任何所需要的扩束准直透镜、物镜、管镜、分束器以及具有特定功能的光学镜组。发明人通过研究发现，半导体工艺中晶圆基底可能出现各种缺陷，譬如，裂痕、气泡、缺角。这些裂痕将发生分裂，引起整片芯片失效。由于某些缺陷常常隐藏在晶圆内部，发明人提出采用对硅材料透明的红外光源进行探测。下面以缺陷为裂痕为例进行阐述。

图1a为依据本发明实施例的晶圆中无裂痕的反射示意图，图1b为依据本发明实施例的晶圆中有裂痕的反射示意图。

如图1a所示，当晶圆中没有裂痕时，入射光束S1将从硅基底的下表面入射，并在硅基底的上部产生反射后，从硅基底的下表面出射。因此，入射光束S1与出射光束S2水平对称。可以理解的，在硅基底中的所产生的反射是否为全反射，将取决于硅基底上部材料的折射率，即使不发生全反射，也有部分光反射，换而言之，即使不存在裂痕，出射光束S2的强度也可能小于入射光束S1。

如图1b所示，当晶圆中具有裂痕时，入射光束S1将从硅基底的下表面入射，然后，晶圆中的狭缝结构(裂痕)将对入射光束S1的反射光以及入射光束S1产生遮挡。该狭缝结构将对入射光束S1进行反射，以产生反射光束S3。因此，相较于图1a中的出射光束S2，图1b中的来自硅基底内部的出射光束S2’的强度将小于出射光束S2。由此，可以通过经遮挡的信号与未经狭缝遮挡的信号之间的比对，来判断是否存在裂缝。

发明人通过进一步的研究发现，晶圆裂痕通常呈现长宽高三维分布，而在平行于晶圆表面的平面上，裂痕一般沿硅晶格方向扩展呈现线状分布(即，裂痕在晶圆中的延展特征)。此时，测量光束的入射方向与裂痕扩展方向的关系将显著影响到反射光分布：(1)当单侧入射方向垂直于裂痕长向时，大量反射光被遮挡；(2)当单侧入射方向平行于裂痕长向时，被遮挡的光较少；(3)当单侧入射方向与裂痕长向呈现0至90°夹角时，被遮挡光在两种情况之间。

理论上任意小尺寸裂痕的存在均会影响反射光分布，但是当被测信号较弱时容易被系统杂散光淹没。考虑到平行于晶圆表面平面，晶格仅有两个相互垂直的方向，本发明提出根据裂痕在晶圆(待测物)中的延展特征，对同一被测物进行两次测量，分别使光入射方向与平面上一条硅晶格方向相平行，从而保证裂痕的延展方向与测量入射方向至少一次行成垂直，从而在该次测量中得到信号最强值，由此，可以提升能够探测到的最小尺寸。

本发明首先提出了一种测量系统架构示意图。请参阅图2，图2为依据本发明实施例的测量系统架构示意图。

测量系统100包括光源组件110、遮光组件120、透镜组件130、机台140、探测组件150以及处理器160，其中处理器160至少和遮光组件120、机台140以及探测组件150形成通信连接。光源组件110的出射光经由遮光组件120到达透镜组件130，该透镜组件130将来自遮光组件120的出射光进行分束并入射到承载于机台140上的晶圆200。然后，晶圆200将对光束进行发射，所反射的光束经由透镜组件130到达探测组件150。处理器160将对探测组件150所接收到的信号进行分析，以确定检测位置是否存在裂痕。

本发明还提出了一种裂痕检测方法。请同时参阅图2、3，其中，图3为依据本发明实施例的裂痕检测方法的流程图。

步骤S301：确定待测样品(譬如，晶圆)的检测位置。

在该步骤中，将根据预设的或用户指定的检测路径，确定本次测量的检测位置，并通过机台140将晶圆200上的检测位置移动到透镜组件130的下方。本领域技术人员能够理解的是，此处所说的检测位置可以是任意面积、任意形状的区域。

步骤S302：以第一入射方向对检测位置进行单侧检测。

由于在平行于晶圆200表面的平面上，晶格仅有两个相互垂直的方向，当以第一入射方向进行检测时，入射光可能垂直于裂痕的延展方向，也可能平行于裂痕的延展方向。

步骤S303：以第二入射方向对检测位置进行单侧检测。

由前一步骤可知，若仅以一个入射方向对检测位置进行检测，则可能存在入射光平行于裂痕的延展方向的情形，在该情形中，被裂痕遮挡的入射光较少，探测组件150所能够接收的信号比较弱。因此，在步骤S703中，第二入射方向被配置为与第一入射方向垂直，由此，可以实现在与裂痕延展的方向相垂直的方向上对裂痕进行检测。

步骤S304：基于两次单侧检测的结果确定是否存在裂痕。

由前述可知，步骤S303和S304中的检测能够确保在与裂痕延展的方向相垂直的方向上对裂痕进行检测，因此，基于上述的两次单侧检测的结果，将能够确定裂痕的存在。换而言之，若两次的检测结果均指示没有裂痕，说明在该检测位置处并不存在裂痕；若两次的检测结果中有至少一次的检测结果指示存在裂痕且该满足裂痕存在的阈值条件，则说明在该检测位置处存在裂痕。

虽然本实施例中仅列出了对检测位置进行两次单侧测量，但本领域技术人员能够理解的是，还可以对检测位置进行多次测量。在其它实施方式中，譬如，无法预先判定裂痕的走向，则可以对待测物进行多次测量，当至少一次的测量结果指示存在裂痕时，即可判定该裂痕存在，进而根据该测量结果确定该裂痕的走向。再者，如果能够预知裂痕的延展方向只有一个，则仅仅需要以一个入射方向对待测物进行单侧测量。

为了能够对同一位置变换入射光方向进行两次测量，本发明提出通过在测量系统中设置一种沿光学路径设置在透镜组件和光源组件之间的遮光组件120，以用于限制透镜组件130能够接收到的出射光。处理器160被配置为通过调整遮光组件120对该出射光进行遮挡，以调整测量到达待测物的入射光的入射方向，并根据来自待测物的反射光来确定待测物是否包括裂痕。在一种实施方式中，遮光组件120可以包括一光阑，该光阑包括第一半区和第二半区，其中，在第一半区上设置有通光孔。这里的通光孔可以是任意的形状，譬如，圆形、弧度小于等于π的环形或扇形，或者是其它规则或不规则的图形。进一步，在通光孔在该光阑上的位置是周向可调的，从而可以通过旋转光阑来变换入射光方向，实现对晶圆的检测。在其它实施方式中，也可以通过其它方式来改变通光孔在周向上的分布，譬如，当光阑上具有多个可开关结构，处理器160可以控制该多个可开关结构以在光阑上的指定位置处形成指定形状的通光孔。

图4为依据本发明实施例的测量系统光路示意图。

透镜组件130包括沿光路设置的分束器131、物镜132以及管镜133。在此实施例中，光源组件110包括红外光源111和扩束准直透镜112。

红外光源111的出射光穿过扩束准直透镜112后，将经由旋转光阑而到达分束器131。分束器131将对该出射光进行分束，然后打入物镜132，进而入射到承载于机台140的被测样品的表面。在物镜132折射作用下，通过设置光阑上的通光孔的形状和旋转角度(在周向上的分布)，将分别确定被测样品的入射光角度及入射方向。具体而言，通过在光阑上设置环形、扇形的通光孔，可以调整对晶圆测量的入射角度；通过设置光阑的旋转角度，可以调整对晶圆测量的入射方向，从而在不转动被测样品的条件下实现多次检测。在另一种实施方式中，还可以选择性地保持光阑静止，转动被测样品来实现在多个方向上的检测。

下面以遮光组件包括光阑且该光阑上设置有半圆形通光孔，并且测量两次为例对本发明的构思进行阐述。由前述可知，晶圆裂痕通常呈现长宽高三维分布，而在平行于晶圆表面的平面上，裂痕一般沿硅晶格方向扩展呈现线状分布。换句话说，在平行于晶圆表面的平面上，可以根据晶格的方向来设定测量时所参照的坐标轴。譬如，在平行于晶圆表面的平面上，可以将晶格的第一轴向设置为y轴方向，将晶格的第二轴向设置为x轴方向，如此，通过依据晶格的方向来设置检测坐标系，有利于确定裂痕的分布。

图5a为依据本发明实施例的旋转光阑处于第一状态时与入射光的对应关系示意图，图5b为依据本发明实施例的旋转光阑处于第二状态时与入射光的对应关系示意图。

建立三维笛卡尔直角坐标系，取XOY平面平行于晶圆表面，入射光沿+Z方向传输，三维空间中入射光角度可以通过θ与

描述，其中，

为入射角在XOY平面投影与X正向夹角，θ为入射角与z轴正向夹角。在每种光阑状态中，入射光可以表述为一定空间范围角度的集合。光阑的通光孔呈现半圆透过分布，在状态一作用下，由于本实施例中的通光孔的弧度为π，入射光入射角度范围在球坐标系中呈现θ∈[0,θ₀]，

分布，θ₀为由光阑的数值孔径NA所确定；光阑旋转90度处于状态二时，入射光入射角度范围在球坐标系中呈现θ∈[0,θ0]，

分布，同样，θ₀为由光阑的数值孔径NA所确定。

本领域技术人员能够理解的是，若要对裂痕进行多次测量，则可以调整光阑的旋转角度，譬如可以将光阑从第一状态旋转45°后到达第三状态，此时入射光的方向将在图5a、5b所示出的两个方向之间。另外，还可以根据测量需求对光阑上的通光孔的形状进行设置，譬如，将该通光孔的弧度修改为π/2(即，由半圆设置为1/4圆)，则入射光的入射角的范围也将相应地减小。

发明人基于图4中的测量系统，利用Lightools软件进行了仿真分析。在本次仿真中，光源111所采用的波长为1550纳米且呈半径为0.1毫米的圆形光斑；经过扩束准直透镜112后，通过直径为15.2mm的半孔光阑后，入射至物镜132中，物镜的数值孔径NA为0.4，焦距19mm，所得到的照明光斑直径为54μm，反射信号光被同一物镜收集，入射至焦距71mm的管镜中，被光电探测器151接收。测试晶圆的参数为：厚度750微米，裂痕尺寸为2*10*100(高度)微米，位于晶圆底部，呈隐裂分布。

图6为依据本发明实施例的当晶圆中有隐裂时基于不同方向入射光而接收到的信号光的仿真示意图。

当晶圆中存在裂痕时，该裂痕将对入射光进行反射，从而减少出射光的强度。另外，当入射光的入射方向与裂痕长向相垂直时，信号比同一裂痕入射光与裂痕长向相平行时要强很多，这是因为当入射光的入射方向与裂痕长向相垂直时，该裂痕能够反射更多的入射光。

如图6的左侧所示，在圆形光斑中有明显的暗信号(黑色部分)，而对于图6的右侧中的圆形光斑，暗信号则相对较弱。由此，可以确定裂痕在晶圆中的位置以及延展方向。通过多次测量，还可以确定裂痕的大小。

图7为在未设置有旋转光阑的测量系统中，当晶圆中有隐裂时不同方向入射光接收到的信号光的仿真示意图。

由图7可知，当晶圆中不存在裂痕/隐裂时，基于仿真结果，光电探测器将无法获得指示裂痕存在的暗信号。可以理解的，如果将本发明中的光阑换成普通小孔光阑，即使裂痕存在，由于裂痕遮挡的信号光被杂散光淹没，仍无法检测到裂痕。

可以理解的是，本方案也能应用于其它材料中的裂痕的检测，根据被测的材料的性质，来设置不同的光源，更改光源波长，进而实现检测。另外，虽然上述实施例是以裂痕作为检测对象来阐述的，但是本领域技术人员能够理解的是，本发明所提出的测量系统、测量方法还适用于其它类型的缺陷，譬如，待测物内部的气泡、待测物的缺角等等。此时检测方法与裂痕检测相似，也就是说，气泡的存在将改变部分入射光反射光路，从而使接收到的反射信号产生阴影，进而被测量系统所检测到，确定存在气泡。

本发明采用光学方法测量，是一种非接触式非破坏无污染测量方法，同时测量速度非常快，能用于生产过程中工艺监测。另外，由于本发明采用反射光作为信号光，因此，晶圆上的图形分布对检测结果影响不大，可以测量任意类型、任意工艺过程中的晶圆裂痕。与反射光成像的测量方法比较，本发明的测量系统结构简单、检测速度快、成本低，并且杂散光较少，具有更高的检测灵敏度。

因此，虽然参照特定的示例来描述了本发明，其中这些特定的示例仅仅旨在是示例性的，而不是对本发明进行限制，但对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和保护范围的基础上，可以对所公开的实施例进行改变、增加或者删除。

Claims (11)

1.一种测量系统，其特征在于，包括：

光源组件，其被配置为产生出射光；

遮光组件，其沿光学路径设置在透镜组件和光源组件之间，用于限制所述透镜组件能够接收到的所述出射光；

透镜组件，其被配置为基于经过所述遮光组件的出射光，向待测物提供入射光，并获取由所述待测物基于所述入射光所产生的反射光；

光探测组件，其被配置为接收所述反射光；以及

处理器，其通信耦合至所述光探测组件和所述遮光组件，所述处理器被配置为通过调整所述遮光组件对所述出射光的遮挡来调整所述入射光的入射方向，并根据所述反射光确定所述待测物是否包括缺陷，并且其中，所述处理器进一步被配置为根据所述缺陷在平行于所述待测物中指定的平面上的延展特征来确定所述入射光的入射方向。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述遮光组件包括光阑，所述光阑包括第一半区和第二半区，其中，在所述第一半区上设置有通光孔。

3.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述通光孔的弧度小于等于π。

4.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述处理器进一步被配置为通过调整所述遮光组件来使得所述入射光的入射方向垂直于所述缺陷在平行于所述待测物中指定的平面上的至少一个延展方向。

5.如权利要求4所述的测量系统，其特征在于，当所述待测物为晶圆时，所述处理器进一步被配置为通过调整所述遮光组件来使得所述入射光的第一入射方向垂直于晶格的第一轴向，且所述入射光的第二入射方向垂直于晶格的第二轴向。

6.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述处理器被配置为根据所述反射光确定所述待测物是否包括缺陷的步骤还包括：

所述处理器基于所述反射光在所述光探测组件上形成的反射光斑中是否存在暗信号来确定所述待测物是否包括缺陷。

7.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述处理器被配置为通过控制所述光阑的旋转来调整所述通光孔在周向上的分布。

8.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述出射光相对于所述待测物透明。

9.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光源组件还包括：

红外光源；

扩束准直镜组，用于对将由所述红外光源所产生的红外光进行扩束准直，以生成所述出射光。

10.一种测量方法，其特征在于，包括：

确定待测样品上的检测位置；

在至少一个入射方向上，通过相对于所述待测样品透明的入射光对所述检测位置进行单侧检测；以及

根据由所述待测样品基于所述入射光而产生的反射光来确定所述待测物是否包括缺陷，根据所述缺陷在平行于所述待测物中指定的平面上的延展特征来确定所述入射光的入射方向。

11.如权利要求10所述的测量方法，其特征在于，当所述待测物为晶圆时，分别以第一入射方向和第二入射方向来对所述检测位置进行单侧检测，其中，所述第一入射方向垂直于晶格的第一轴向，所述第二入射方向垂直于晶格的第二轴向。

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