CN110990754A - 一种基于光散射的晶圆表面颗粒缺陷的散射场计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光散射的晶圆表面颗粒缺陷的散射场计算方法，首先利用平行光照射，与晶圆片上颗粒直接作用的入射光记为A，与晶圆片上光滑表面作用的入射光记为B；A与颗粒作用产生散射光，一部分向下散射继续与超光滑表面作用的散射光记为D，一部分向上散射被探测器收集到的散射光记为C；B与光滑表面作用产生的散射光，通过窗函数筛选出继续与颗粒作用的散射光记为E，未被中筛选出的散射光被探测器收集记为F；最后叠加得到的六种散射场来获得颗粒缺陷下的散射场。本发明解决了纳米级颗粒缺陷无法识别的问题，并且通过得到的颗粒缺陷产生的散射场信息，如偏振，光强等，提高了颗粒缺陷检测的识别率和芯片的良率。
Description
技术领域
本发明属于半导体加工制造技术领域，涉及一种基于光散射的颗粒缺陷的散射场计算方法，具体涉及一种基于光散射的晶圆表面颗粒缺陷的散射场计算方法。
背景技术
随着半导体加工制造技术的飞速发展，集成电路加工的关键尺寸发展到7nm节点。这意味着即使是晶圆片表面的小缺陷也会导致芯片良率的显著降低。颗粒是无图案晶圆片上大部分缺陷的主要来源，因此对颗粒缺陷的检测有助于提高芯片的成品率。
目前市场上存在的几种检测方法如下：
(1)人工目视检测
传统的表面缺陷检测方法是人工目视检测。如手机外壳、软包锂电池外表面、手机背光模块、液晶电池段、模块半成品表面等。许多国内制造商主要使用人工视觉检测方法，但这种方法具有较强的主观性，人眼的空间和时间分辨率有限，大的不确定性，容易产生歧义和低效率等缺点，很难满足现代工业的要求高速和高精度检测。
(2)光学显微镜和电子显微镜检测法
后来，光学显微镜和电子显微镜被用作缺陷检测仪器，但它们各自的缺陷非常明显。光学显微镜检测到的缺陷最小尺寸是200nm，这与本实施例的要求相差甚远。虽然电子显微镜可以检测到0.2nm的粒子，但它会污染和破坏晶圆片。
(3)超声法
超声波可穿透许多物质，且在不同物质中传播速度不同，因此可作为检测材料内部微缺陷的媒质。1984年美国斯坦福大学的奎特研究小组研制成功了世界上第一台超声显微，实现了对材料内部直至表面以下几十毫米深度的一层层的扫描显微观察，大大丰富了人们对材料内部信息的了解。
超声检测原理简单，技术成熟，因此已成为微缺陷无损检测中一项十分重要的手段。但是这种方法由于本质上是一种接触法——被测物体与接收器间要通过水等物质间接接触，以保证获得良好的声频藕合。因此还存在着速度慢、不适于实时控制等缺点；另外，由于超声波波长较长，由它构成的系统横向分辨率差，测量准确度不能达到很高，最多只有几百纳米，因此也限制了它对小于超声波波长范围内微小缺陷的检测。
(4)光散射检测法
光散射现象和理论在检测领域的主要应用，是用特殊的光源照射晶圆表面。因为晶圆表面存在不同类型的缺陷，所以会出现不同类型的散射光，这时就用各种方法和技术来分拣各种成分光，然后利用光散射的理论来分析这些成分光的强度大小、空间分布、频谱内容和相位信息等，从而得知晶圆表面缺陷的类型，大小等信息。
散射光测量技术因应用灵活，不与被测目标直接接触等优点被广泛运用。由于颗粒缺陷是晶圆缺陷的主要来源，因此本发明主要对颗粒缺陷的散射场进行了计算和分析。
发明内容
本发明提出了一种基于光散射的晶圆表面颗粒缺陷的散射场计算方法，属于一种新型的散射场计算方法，计算暗场无图案晶圆表面颗粒缺陷检测问题，使得能检测到更小的纳米级颗粒缺陷。
本发明所采用的技术方案是：一种基于光散射的晶圆表面颗粒缺陷的散射场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用平行光照射，与晶圆片上颗粒直接作用的入射光记为A，与晶圆片上光滑表面作用的入射光记为B；A与颗粒作用产生散射光，一部分向下散射继续与超光滑表面作用的散射光记为D，一部分向上散射被探测器收集到的散射光记为C；B与光滑表面作用产生的散射光，通过窗函数筛选出继续与颗粒作用的散射光记为E，未被中筛选出的散射光被探测器收集记为F；
步骤2：针对a、b、c、d、e、f六种情况，对散射场进行叠加得到最终的颗粒缺陷的散射场；其中，a情况是A与C的叠加；b情况是B、D、E和F的叠加；c情况是B、C和E叠加；d情况是A、D和F的叠加；e情况是F；f情况是A、D、E和F的叠加。
本发明解决了纳米级颗粒缺陷无法识别的问题，并且通过得到的颗粒缺陷产生的散射场信息，如偏振，光强等，提高了颗粒缺陷检测的识别率和芯片的良率。
本发明的计算方法应用范围广，它可用于半导体企业的检测环节，如手机芯片，电脑，航空等领域。由于国内在暗场缺陷检测方面技术还处于微米级，相比于国外已经实现7纳米产线的建设，国内与之存在很大的差距。本发明不管是用于企业在暗场缺陷方面技术的研发还是高校作为学术研究都能发挥其价值，有很大的潜在市场。
附图说明
图1为本发明实施例的流程原理图；
图2为本发明实施例的位于晶圆表面颗粒缺陷的简图；
图3为本发明实施例的颗粒与基底两次相互作用的六种情况示意图；
图4为本发明实施例的光散射原理图；
图5为本发明实施例的偏振因子的四种偏振图；
图6为本发明实施例的直径是488nm的孤立小球散射场的极坐标图；
图7为本发明实施例的最终得到的颗粒缺陷的散射场图
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种基于光散射的晶圆表面颗粒缺陷的散射场计算方法，包括以下步骤：
步骤1：利用平行光照射，与晶圆片上颗粒直接作用的入射光记为A，与晶圆片上光滑表面作用的入射光记为B；A与颗粒作用产生散射光，一部分向下散射继续与超光滑表面作用的散射光记为D，一部分向上散射被探测器收集到的散射光记为C；B与光滑表面作用产生的散射光，通过窗函数筛选出继续与颗粒作用的散射光记为E，未被中筛选出的散射光被探测器收集记为F；
步骤2：针对a、b、c、d、e、f六种情况，对散射场进行叠加得到最终的颗粒缺陷的散射场；其中，a情况是A与C的叠加；b情况是B、D、E和F的叠加；c情况是B、C和E叠加；d情况是A、D和F的叠加；e情况是F；f情况是A、D、E和F的叠加。
请见图2，本实施例中入射光A与孤立颗粒作用得到散射光C的计算方法如下：
本实施例采用经典的米理论算法，计算时本发明假设颗粒是未镀膜的球体。根据米散射，距离散射体r的点p处的散射光强度为：
式子中，λ是光的波长，I0是入射光强，Isca是散射光强，θ是散射角,
是偏振光的偏振角
式子中:S1和S2是振幅函数，an和bn是贝塞尔函数和汉克尔函数，πn和τn是连带勒让德函数,πn和τn仅与散射角有关；
式子中:
和εn(α)分别是贝塞尔函数和第一类汉克尔函数。
和ε′n(mα)是
和εn(α)的导数。
D是颗粒的直径，λ是入射光波长，m是颗粒相对于周围介质的折射率，它是一个复数，虚部是颗粒对光的吸收的量化。
本发明在计算上述孤立颗粒散射场计算中，波长为488nm，颗粒直径为488nm，结果如图5所示。
请见图4，本实施例中，入射光B与光滑表面作用得到散射光F的计算方法，采用一阶矢量微扰理论；
此方法适用于晶圆表面的微观起伏s(x’,y’)远小于人射光的波长λ的十分之一，且观察点远离入射光的照射区域。其中，入射角θi被定义为入射光与垂直基底的Z轴的夹角；散射角θs被定义为散射光与垂直基底的Z轴的夹角；入射光与表面法线形成入射平面；散射光与表面法线形成散射平面；方位角度Φs是散射平面与X轴之间的夹角；入射光的偏振定义为s偏振和p偏振态，s偏振态垂直于入射面，p偏振态垂直于入射光且平行于入射面。则单位立体角里的微分散射为：
其中dP/dΩ是单位立体角散射功率；(16π^2)/λ^4是瑞利蓝天因子；Pi是入射光功率；
是偏振因子；PSD(fx,fy)是功率谱密度。偏振因子Q(p,q)中的p是入射光的偏振态，q是散射光的偏振态。于是就会产生四种偏振情况分别为Q(S,S)、Q(S,P)、Q(P,S)和Q(P,P)(分别记为QSS、QSP、QPS和QPP)，它们的表达式分别为：
其中，ε表示介电常数。
本发明利用matlab得到了四种偏振的三维散射场，如图6所示，(其中，a为ss情况偏振的三维散射场、b为sp情况偏振的三维散射场、c为pp情况偏振的三维散射场、d为ps情况偏振的三维散射场。
从图6本实施例可以得到利用Qss偏振组合和收集90°和270°方位角附近的光来最小化表面散射是非常有效的；根据底层材料的不同，Qpp偏振组合和小散射角度下散射光的收集也是有用的等结论。这起到指导收集散射光作用。
计算超光滑表面薄雾信号的光源采用波长为488nm，基底的(n，k)值分别为n＝5.6795，k＝2.9905，分别计算了垂直入射时在6°-20°散射角下收集和在26°-72°散射角收集的结果；70°斜入射时在6°-20°散射角下收集和在26°-72°散射角收集的结果。在计算薄雾信号时，由于硅片表面粗糙度很小，导致散射光集中分布在几何散射情况下的散射角度附近，这使得无法得到准确的薄雾信号。于是本发明计算时删去了几何散射角附近左右各3°的散射光强。得的结果如下表1所示。
表1超光滑表面薄雾信号结果
本实施例中的窗函数是为了筛选出B与光滑表面作用后，继续与颗粒作用的散射光E。本实施例采用布莱克曼窗函数，它是二阶升余弦窗，有幅值识别精度高，选择性更好等优点。常用来检测两个频率相近幅度不同的信号。因为散射光波长不会变，振幅不同的特点，所以本实施例采用了布莱克曼窗函数。
请见图3，本实施例针对a、b、c、d、e、f六种情况，对散射场进行叠加得到最终的颗粒缺陷的散射场；
具体的叠加形式如下：a情况是A与C的叠加；b情况是B、D、E和F的叠加；c情况是B、C和E叠加；d情况是A、D和F的叠加；e情况是F；f情况是A、D、E和F的叠加。最后将得到的6种散射场叠加得到最终的颗粒缺陷的散射场，如图7所示。
本实施例中散射场的叠加，是散射光以波的形式在振幅上的矢量叠加。
(1)本发明是暗场下的进行的无图案晶圆检测。
(2)本发明平行光包括了偏振光和非偏振光。
(3)本发明包括孤立小球散射场的计算和超光滑表面薄雾信号的计算。
(4)本发明中孤立颗粒用聚苯乙烯小球(PSL)代替，运用米散射理论计算了不同直径下的颗粒周围的散射场。
(5)本发明的计算方法应用范围广，它可用于半导体企业的检测环节，如手机芯片，电脑，航空等领域。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种基于光散射的晶圆表面颗粒缺陷的散射场计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用平行光照射，与晶圆片上颗粒直接作用的入射光记为A，与晶圆片上光滑表面作用的入射光记为B；A与颗粒作用产生散射光，一部分向下散射继续与超光滑表面作用的散射光记为D，一部分向上散射被探测器收集到的散射光记为C；B与光滑表面作用产生的散射光，通过窗函数筛选出继续与颗粒作用的散射光记为E，未被中筛选出的散射光被探测器收集记为F；
步骤2：针对a、b、c、d、e、f六种情况，对散射场进行叠加得到最终的颗粒缺陷的散射场；其中，a情况是A与C的叠加；b情况是B、D、E和F的叠加；c情况是B、C和E叠加；d情况是A、D和F的叠加；e情况是F；f情况是A、D、E和F的叠加。
2.根据权利要求1所述的基于光散射的晶圆表面颗粒缺陷的散射场计算方法，其特征在于：步骤1中，入射光A与孤立颗粒作用得到散射光C的计算方法，采用经典的米理论算法，计算时假设颗粒是未镀膜的球体；根据米散射，与离散射体距离为r的点p处的散射光强度为：
式子中，λ是入射光的波长，I0是入射光强，Isca是散射光强，θ是散射角，
是偏振光的偏振角；
式子中，S1(θ)和S2(θ)是振幅函数，an和bn是贝塞尔函数和汉克尔函数，πn和τn是连带勒让德函数，πn和τn仅与散射角有关；
式子中，
和εn(α)分别是贝塞尔函数和第一类汉克尔函数；
和ε′n(mα)是
和εn(α)的导数；
D是颗粒的直径，λ是入射光波长，m是颗粒相对于周围介质的折射率，它是一个复数，虚部是颗粒对光的吸收的量化。
3.根据权利要求1所述的基于光散射的晶圆表面颗粒缺陷的散射场计算方法，其特征在于：步骤1中，入射光B与光滑表面作用得到散射光F的计算方法，采用一阶矢量微扰理论；其中，入射角θi被定义为入射光与垂直基底的Z轴的夹角；散射角θs被定义为散射光与垂直基底的Z轴的夹角；入射光与表面法线形成入射平面；散射光与表面法线形成散射平面；方位角度Φs是散射平面与X轴之间的夹角；入射光的偏振定义为s偏振和p偏振态，s偏振态垂直于入射面，p偏振态垂直于入射光且平行于入射面；
则单位立体角里的微分散射为：
其中，dP/dΩ是单位立体角散射功率；(16π^2)/λ^4是瑞利蓝天因子；Pi是入射光功率；
是偏振因子；PSD(fx,fy)是功率谱密度；偏振因子Q(p,q)中的p是入射光的偏振态，q是散射光的偏振态，则产生的四种偏振情况分别记为QSS、QSP、QPS和QPP：
其中，ε表示介电常数。
4.根据权利要求1所述的基于光散射的晶圆表面颗粒缺陷的散射场计算方法，其特征在于：步骤1中，采用布莱克曼窗函数筛选出继续与颗粒作用的散射光。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于光散射的晶圆表面颗粒缺陷的散射场计算方法，其特征在于：步骤2中，散射光以波的形式在振幅上的矢量叠加。
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|---|---|
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