CN110568080A - 一种晶圆激光超声场的数字全息检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种晶圆激光超声场的数字全息检测系统及其方法，该系统由纳秒脉冲激发光源、纳秒脉冲探测光源、入射光学单元、收集光路单元、显微物镜、光电探测器、延时单元、电机控制器、精密移动台、计算机、光纤、晶圆组成。采用纳秒脉冲激光激发超声场，并通过不同时间长度延迟的数字全息方法进行检测整个晶圆光致超声场的传播过程，可获得高空间分辨率的晶圆表面和内部缺陷的快速检测成像，实现高分辨率、在线、快速、非接触的大视场面积晶圆检测。

Description

一种晶圆激光超声场的数字全息检测系统及其方法

技术领域

本发明涉及光学系统，尤其涉及一种晶圆激光超声场的数字全息检测系统及其方法。

背景技术

半导体元器件和集成电路是重要的电子元器件，其被广泛应用于通讯、汽车和工业自动化等产品中，是电子信息产业的基础，也是衡量一个国家或者地区技术水平的重要标志之一。而在半导体中，晶圆是其中最主要的材料，在市面上90%以上的电子设备是基于晶圆制造而成，由此可见晶圆的重要性。晶圆的产能对整个集成电路行业具有非常巨大的影响。半导体工业对于晶圆表面缺陷检测的要求，一般是要求高效准确，能够捕捉有效缺陷，实现实时检测。较为普遍的表面检测技术主要可以分为两大类：以针触法为代表的接触式测量方法和以X射线和光学探针法为主的非接触法。

1）针触法通过检测触针与晶圆表面产生的微弱原子力来研究其表面结构和性质，是一种最为常用的接触式测量方法。被测表面的形状轮廓信息是通过触针传递给传感器的，所以触针的大小和形状就显得尤其重要。但是触针的针尖越细，被测晶圆表面产生的压力也会越大，触针容易受到磨损，划伤晶圆表面；

2）Ｘ射线检测法是使用X射线进行晶圆的缺陷检测，可快速观察到样品内部的缺陷，而且操作简易，但是无法对缺陷的尺寸和位置进行测试，只能确定缺陷的存在与否；

3）光学探针式测量方法原理上类似于机械探针式测量方法，区别是光学探针式测量系统中探针是聚焦光束，根据采用光学原理不同，光学探针可分为几何光学原理型和物理光学原理型两种，几何光学探针利用像面共轭特性来检测表面轮廓，有共焦显微镜和离焦检测两种方法，但是其装置复杂，测量效率低，需要高精度调教系统的支持，造价昂贵；物理光学探针利用干涉原理通过测量光程差来检测表面轮廓，有外差干涉和微分干涉两种方法，其系统复杂，反射率高，只能在空间位置上做逐点测量，且要求晶圆表面的清洁，并且各类纯光学/视觉的方法只能检测晶圆的表面样貌分布情况，无法进行晶圆内部缺陷的检测（除非检测对象具有较高的光学透明度）。例如，文献1（CN107863303A）采用扫描电镜、文献2（CN109378279A）采用光学拍照等方式获取晶圆表面缺陷的初始图像。

另外，超声扫描检测技术也是应用广泛的无损检测方法，它利用进入被检样品的超声波对材料表面或内部缺陷进行检测，超声扫描检测系统不仅能检测分层、气孔、裂缝和夹杂等缺陷，而且在判别密度差异、弹性模量、厚度等特性和几何形状的变化方面也具有一定的能力，例如超声显微镜的空间分辨率可达微米甚至亚微米量级。但该技术需要采用如纯水或凝胶等超声耦合液进行声阻抗匹配，无法实现非接触的检测，且只能进行逐点逐行逐层的机械扫描成像，成像时间非常长，严重制约了该技术大规模批量生产现场的检测时效性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有的技术不足，提供一种晶圆激光超声场的数字全息检测系统及其方法，将声学晶圆表面检测方法与光学晶圆表面检测方法相结合，克服了机械触针法机械损伤、光学各类纯光学/视觉的方法只能检测晶圆的表面、超声检测的低分辨率以及X光的检测缺陷存在无法定位等问题，以数字全息的手段再现晶圆表面以及晶圆体的光致超声场分布的情况，可实现晶圆表面和内部缺陷的快速检测成像，其最高空间分辨率主要由纳秒脉冲激发光源和纳秒脉冲探测光源的脉冲宽度以及光电探测器的像素决定。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种晶圆激光超声场的数字全息检测方法，其中包括如下步骤：

步骤1：纳秒脉冲激发光源发射的激发激光束，经光纤后聚焦照射到晶圆表面产生光致超声场；

步骤2：计算机将纳秒脉冲激发光源的光同步输出信号经延时单元延时i*Δt后，触发纳秒脉冲探测光源发射的探测激光束，经过入射光学单元分束后，一路激光束作为物光波，照射在晶圆上表面，且该时刻光致超声场传播到收集光路单元的视场内，物光波因此产生的反射或散射光进入收集光路单元；另外一路激光束作为参考光波，直接进入收集光路单元；然后物光波和参考光波同时经过显微物镜后在光电探测器的像面上干涉形成全息图像，并转化为电信号被采集进计算机；如图2 a所示，其为CCD采集到的某时刻含有光致超声场的数字全息图像；

步骤3：计算机通过延时单元设置不同长度的延时(i+1)*Δt，其中Δt为延迟时间的间隔步长，i=1,2, ... k；

步骤4：重复步骤1至步骤3，重复次数为k次，即可采集完光致超声场在收集光路单元的整个视场内传播过程（获得k张在不同时刻的数字全息图像），其中视场宽度大小等于，是光致超声场在介质中传播速度；

步骤5：电机控制器驱动载有晶圆的精密移动台移动晶圆到下一个视场位置；

步骤6：重复步骤1至步骤5，直至计算机完成整个晶圆表面上光致超声场的传播检测，即可根据激发激光束的焦点空间位置、晶圆的声速、晶圆的位置和延时单元的延迟时间，通过数字全息术重建出光致超声场在整个晶圆上的传播过程图像，图2 b为重建后的某时刻光致超声场分布；图2c为光致超声场反演重建后的缺陷图像。最后，根据光致超声场在传播路径中遇到缺陷处导致的光致超声反射和折射衰减，即可实现晶圆表面和内部缺陷的快速检测成像，其最高空间分辨率主要由纳秒脉冲激发光源和纳秒脉冲探测光源的脉冲宽度以及光电探测器的像素决定。

所述纳秒脉冲激发光源发射的脉冲激光束的波长优选为1064nm，重复频率优选为KHz级别，光脉冲宽度优选为200ns，其产生的光致超声场主要为横波（通常还含有部分表面波），传播方式为球面波，其能量主要集中在中心频率为5MHz的带宽范围内（中心频率即光脉冲宽度倒数的二分之一，带宽范围大小主要由光脉冲的上升沿和下降沿时间决定），则中心频率处的波长可得出为600μm（其中，晶圆声速假设为3000m/s）；所述纳秒脉冲激发光源发射的激发激光束可聚焦照射在晶圆的上表面或下表面；所述纳秒脉冲激发光源发射的激发激光束在晶圆上的照射聚焦点可位于入射光学单元的整个视场内或视场外。

所述纳秒脉冲探测光源为相干光源，其脉冲宽度乘以被测样品中光致超声场的声速即每帧数字全息图像中光致超声场传播的距离。

所述光电探测器优选面阵CCD或CMOS感光器件。

所述精密移动台可为平移或旋转移动台。

本发明的技术方案所涉原理与技术包括两部分：

一、光致超声场激发：

通过采用特征波长的纳秒脉冲激光照射到晶圆，晶圆表面和内部结构由于瞬时热弹性效应而向外辐射超声信号p _t (r)即光致超声场，作为一种机械波的光致超声场在晶圆上进行传播会导致晶圆产生微形变，通过定量测量光致超声场传播的空间二维分布则能重建出晶圆表面及内部各类结构缺陷特征（即光致超声场传播到晶圆缺陷部分与正常部分导致微形变的差异），实现对缺陷结构的定量描述。相关研究表明，超声信号与被测样品光吸收分布存在如下关系：

（1）

其中，是样品的光吸收分布，是单脉冲激光的能量，是样品的热膨胀系数，是单脉冲激光的脉宽，是定压比热容，是超声在介质中传播速度，探测点与发出超声位置的距离，是初始超声信号向外辐射到距离时的时刻，是初始超声信号产生的时刻。

二、数字全息记录及反演：

数字全息利用面阵光电记录器件如CCD、CMOS可以实现对光致超声场空间二维分布p _t (x,z)进行直接探测，而后利用超声波动理论对p _t (x,z)进行反演，实时、定量恢复出初始声压分布p ₀ (x ₀,z ₀)，最终获取被测器件表面及内部缺陷结构表征。其中，

（2）

其基本原理是：由脉冲激光激励出的初始超声信号场p ₀ (x ₀,z ₀)在向外传播到位置(x,z)处光致超声场p _t (x,z)所引起的激光脉冲相位变化可以表示为：

（3）

其中，为介质的弹光系数，为探测激光的波长，为波矢。

通过引入单位振幅平行参考光与携带光致超声场信息的探测光进行干涉，并利用面阵光电记录器件CCD或CMOS对其数字化记录。当单位振幅的平面光照射到超声信号后通过成像系统将超声信号成像至面阵光电记录器件（CCD或CMOS）的感光面上，成像在感光面上的光波复振幅即为物光波，其复振幅可以表示为：

（4）

其中，为物光波的振幅。假设参考光的复振幅为：

（5）

在上式中，α为平行参考光波与记录平面x方向上的夹角。

则在记录平面上的全息图可以表示为：

（6）

在上式中，为常数。

通过对式（6）进行傅里叶变换，并获取其正一级再现像。通过模拟产生数字参考光波，并与相乘，即可得到含有光致超声场信息的物光波的复振幅分布：

（7）

由式（7）得到相应的包裹相位：

（8）

通过采用最小二乘相位解包裹算法及相位掩模法等算法对式（8）进行相位解包裹即可获取在t时刻时，超声信号场的相位分布进而通过式（2）和式（3）获取其初始声压，最终反演出被测器件表面及内部缺陷结构特征。

根据那奎斯特采样定理，以像面数字全息记录光路为例，其所能记录的最高超声信号场的频带宽度可以表示为：

（9）

式中，pix是光电记录器件的像元大小，M是数字全息记录光路的系统成像放大倍数。以常见2µm像元大小的CCD，系统放大率为1的数字全息记录光路为例，其所能获取的超声信号频带范围为0~375MHz。相对于以传统PZT或PVDF超声探测器的有限探测带宽而言，利用数字全息术中的大面阵、高空间分辨光电记录器件如CCD、CMOS代替单元超声探头来定量获取超声信号的空间二维分布，其具有更高的时间分辨率、空间分辨率和超声响应宽带等特性。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明采用聚焦激光激发超声场作为晶圆缺陷的检测对象，除了可检测晶圆表面的缺陷外，还可同时检测光致超声场在晶圆内部传播路径中遇到的缺陷，因为缺陷结构会对光致超声信号产生较强的反射衰减，且与检测对象的光学透明度无关。

（2）本发明采用数字全息术检测光致超声场在晶圆表面及内部的传播分布，无需使用声耦合剂，也无需搭建超声接收系统，只需通过设置延时单元的不同延迟时间，即可获取光致超声场在视场内不同位置精确的传播过程，无需长耗时的机械扫描。

（3）本发明可根据不同的晶圆大小、检测分辨率、检测时间等要求，调整收集光路单元的视场大小、延时单元的延迟时间、精密移动台的平移或旋转移动速度，实现对检测视场、分辨率和速度的不同场合需求。

（4）本发明可通过改变纳秒脉冲激发光源的脉冲宽度，使光致超声场的主要能量集中在不同的频段范围内，以达到检测不同频段光致超声场传播的目的（不同频段超声的声速不同），这无疑极大地提高了系统对最高空间分辨率要求的灵活性，有着更好的实用性。

附图说明

图1为本发明的晶圆激光超声场的数字全息检测系统。

图2为本发明的光致超声场的探测及反演效果图，其中：图2a为含有光致超声场的数字全息图；图2b为重建后的某时刻光致超声场分布；图2c为光致超声场反演重建后的缺陷图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

结合附图1，晶圆激光超声场的数字全息检测系统，其中：包括纳秒脉冲激发光源1、纳秒脉冲探测光源2、入射光学单元3、收集光路单元4、显微物镜5、光电探测器6、延时单元7、电机控制器8、精密移动台9、计算机10、光纤11、晶圆12；所述入射光学单元3置于纳秒脉冲探测光源2和收集光路单元4之间；所述显微物镜5置于收集光路单元4和光电探测器6之间；所述收集光路单元4置于入射光学单元3和显微物镜5之间；所述入射光学单元3和收集光路单元4置于晶圆12上表面上方；所述纳秒脉冲激发光源1与光纤11机械连接；所述晶圆12放置于精密移动台9上；所述纳秒脉冲激发光源1与计算机10电气连接；所述纳秒脉冲探测光源2、延时单元7、计算机10依次电气连接；所述精密移动台9、电机控制器8、计算机10依次电气连接。

所述纳秒脉冲激发光源1发射的激发激光束经过光纤11聚焦照射在晶圆12的上表面或下表面；所述纳秒脉冲激发光源1发射的脉冲激光束的波长为1064nm，重复频率选择为5KHz，脉冲宽度为10~1000ns可调。

所述纳秒脉冲探测光源2为相干光源，计算机10经延时单元7后，同步触发纳秒脉冲探测光源2发射的探测激光束，经过入射光学单元3分束后，一路激光束作为物光波，照射在晶圆12上表面，且该时刻光致超声场传播到收集光路单元4的视场内，产生的反射或散射光进入收集光路单元4；另外一路激光束作为参考光波，直接进入收集光路单元4；然后同时经过显微物镜5后在光电探测器6的像面上干涉形成全息图，并转化为电信号被采集进计算机10。

所述入射光学单元3是将纳秒脉冲探测光源2进行准直、扩束，包括多个准直及扩束透镜组成的透镜组，使得探测激光光束均匀覆盖照射收集光学单元4的视场区域。

所述收集光学单元4是将含有光致超声场信息的反射光或散射光进行汇聚，包括多个光学透镜组成的成像透镜组，而后通过显微物镜5成像至光电探测器6；通过调节成像透镜组内光学透镜之间的距离可改变其视场大小，即整个检测系统的视场，其大小和位置与晶圆和光致超声场都无关。

所述延时单元7是将探测激光束和光致超声场的激发光束进行延时，通过延时单元7设置不同的延时时间，获取光致超声场传播到达整个视场中的传播过程，包括数字延时脉冲发生器DG645。

所述光电探测器6优选面阵CCD或CMOS感光器件。

所述精密移动台9可为平移或旋转移动台。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种晶圆激光超声场的数字全息检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：纳秒脉冲激发光源（1）发射的激发激光束，经光纤（11）后聚焦照射到晶圆（12）表面产生光致超声场；

步骤2：计算机（10）将纳秒脉冲激发光源（1）的光同步输出信号经延时单元（7）延时后，触发纳秒脉冲探测光源（2）发射的探测激光束，经过入射光学单元（3）分束后，一路激光束作为物光波，照射在晶圆（12）上表面，且该时刻光致超声场传播到收集光路单元（4）的视场内，物光波因此产生的反射或散射光进入收集光路单元（4）；另外一路激光束作为参考光波，直接进入收集光路单元（4）；然后物光波和参考光波同时经过显微物镜（5）后在光电探测器（6）的像面上干涉形成全息图像，并转化为电信号被采集进计算机（10）；

步骤3：计算机（10）通过延时单元（7）设置不同长度的延时；

步骤4：重复步骤1至步骤3，即可采集完光致超声场在收集光路单元（4）的整个视场内传播过程；

步骤5：电机控制器（8）驱动载有晶圆（12）的精密移动台（9）移动晶圆（12）到下一个视场位置；

步骤6：重复步骤1至步骤5，直至计算机（10）完成整个晶圆（12）表面上光致超声场的传播检测，即可根据激发激光束的焦点空间位置、晶圆（12）的声速、晶圆（12）的位置和延时单元（7）的延迟时间，通过数字全息术重建出光致超声场在整个晶圆（12）上的传播过程图像，并根据光致超声场在传播路径中遇到缺陷处导致的光致超声反射和折射衰减，即可实现晶圆（12）表面和内部缺陷的快速检测成像。

2.根据权利要求1所述的一种晶圆激光超声场的数字全息检测方法，其特征在于：步骤1中，所述纳秒脉冲激发光源（1）发射的激发激光束可聚焦照射在晶圆（12）的上表面或下表面。

3.根据权利要求1所述的一种晶圆激光超声场的数字全息检测方法，其特征在于：步骤2中，所述纳秒脉冲探测光源（2）为相干光源。

4.根据权利要求1所述的一种晶圆激光超声场的数字全息检测方法，其特征在于：步骤2中，所述光电探测器（6）优选面阵CCD或CMOS感光器件。

5.根据权利要求1所述的一种晶圆激光超声场的数字全息检测方法，其特征在于：步骤5中，所述精密移动台（9）可为平移或旋转移动台。

6.一种实现权利要求1～5任一项所述方法的晶圆激光超声场的数字全息检测系统，其特征在于：包括纳秒脉冲激发光源（1）、纳秒脉冲探测光源（2）、入射光学单元（3）、收集光路单元（4）、显微物镜（5）、光电探测器（6）、延时单元（7）、电机控制器（8）、精密移动台（9）、计算机（10）、光纤（11）、晶圆（12）；所述入射光学单元（3）置于纳秒脉冲探测光源（2）和收集光路单元（4）之间；所述显微物镜（5）置于收集光路单元（4）和光电探测器（6）之间；所述收集光路单元（4）置于入射光学单元（3）和显微物镜（5）之间；所述入射光学单元（3）和收集光路单元（4）置于晶圆（12）上表面上方；所述纳秒脉冲激发光源（1）与光纤（11）机械连接；所述晶圆（12）放置于精密移动台（9）上；所述纳秒脉冲激发光源（1）与计算机（10）电气连接；所述纳秒脉冲探测光源（2）、延时单元（7）、计算机（10）依次电气连接；所述精密移动台（9）、电机控制器（8）、计算机（10）依次电气连接。