CN111272773B - 一种半导体晶圆表面缺陷的快速超高分辨检测系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种半导体晶圆表面缺陷的快速超高分辨检测系统，包括：照明光源，以及布置所述照明光源的光路上耦合物镜、第一偏振片、偏振分光棱镜、平面单晶、二向色镜和显微物镜；第一相机，用于采集共焦扫描的图像；样品台，其上放置有检测晶圆；环绕所述检测晶圆布置的倏逝场移频照明光源；安装在所述显微物镜外周且输出光场倾斜入射照明被检测晶圆的暗场照明光源；第二相机，用于暗场照明，PL模式照明和移频照明远场像的采集。本申请集成了暗场照明成像模式、PL成像模式以及共聚焦扫描成像模式的同时，引入了移频照明缺陷检测，能够实现对亚波长尺寸缺陷的快速高分辨成像。

Description

一种半导体晶圆表面缺陷的快速超高分辨检测系统
技术领域
本发明涉及半导体加工制造领域，尤其涉及一种半导体晶圆表面缺陷的快速超高分辨检测系统。
背景技术
半导体缺陷检测系统是半导体器件制作前用于识别衬底或外延层缺陷数量、沾污面积、表面颗粒物数量，从而进行衬底或外延层的筛选，器件制造良率的计算，是半导体器件制作的关键工序。缺陷检测贯穿生产过程，未及时修正将导致最终器件失效。集成电路的设计、加工、制造以及生产过程中，各种人为、非人为因素导致错误难以避免，造成的资源浪费、危险事故等代价更是难以估量。在检测过程中会对芯片样品逐一检查，只有通过设计验证的产品型号才会开始进入量产，由于其发生在芯片制造最早环节，性价比相对最高，可为芯片批量制造指明接下来的方向。
缺陷识别与检测是影响器件制造良率的关键因素之一，是产业链的核心关键环节。例如申请号为201811062018.9的专利申请文件提供一种晶圆缺陷检测装置，包括测试台，所述测试台上设置有晶圆承载机构，所述晶圆承载机构上方设置有第一光源机构和影像机构，所述第一光源机构用于向所述晶圆提供光源，所述影像机构用于对所述晶圆拍摄影像，所述晶圆承载机构和所述影像机构之间设置有物镜，所述物镜的一侧设置有聚焦传感器，所述影像机构为红外CCD摄像机，所述晶圆承载机构为透光设置，位于所述晶圆承载机构下方设置有第二光源机构。
现有的半导体检测设备大都基于暗场照明和荧光激发照明(PL)两种方法，其中暗场照明能够实现对大尺寸表面缺陷的观察，PL模式则能实现对亚表面缺陷的观察。后期，个别厂商推出的基于共焦照明成像系统的缺陷检测方案，实现了对更小尺寸缺陷的检测。倏逝场移频照明能够实现对被检测样品表面缺陷更高空间频谱信息的获取，从而实现对更小尺寸缺陷的识别，但是目前基于移频照明的缺陷检测方法和设备仍未被报道。
发明内容
本发明的目的在于提出一种半导体晶圆表面缺陷的快速超高分辨检测系统。该系统在集成了暗场照明成像模式、PL成像模式以及共聚焦扫描成像模式的同时，引入了移频照明缺陷检测方法，实现了对更小尺寸缺陷的快速高分辨成像。移频照明缺陷检测方法的原理是通过在半导体晶圆表面引入移频照明倏逝场，利用波导表面倏逝场与缺陷微结构的相互作用，实现对缺陷信息的远场接收成像。利用该成像方法可实现对波导表面缺陷的大视场照明和快速显微成像。
一种半导体晶圆表面缺陷的快速超高分辨检测系统，包括：
照明光源，以及布置所述照明光源的光路上耦合物镜、偏振片、偏振分光棱镜、平面单晶、二向色镜和显微物镜；
第一相机，用于采集共焦扫描的图像；
样品台，其上放置有检测晶圆；
环绕所述检测晶圆布置的倏逝场移频照明光源；
安装在所述显微物镜外周且输出光场倾斜入射照明被检测晶圆的暗场照明光源；
第二相机，用于暗场照明，PL模式照明和移频照明远场像的采集。
本发明中，根据被检晶圆半导体材料的光谱吸收特性，选择对应的照明光源，具体包括暗场照明源，PL激发源，共聚焦照明光源以及倏逝场移频照明光源；
完成所有照明成像系统的集成化设计，具体包括暗场照明光路、PL激发光路、自聚焦扫描成像光路、倏逝场照明光路的设计以及所有光路系统的整合。同时，完成部分模块的集成，如自聚焦模块；另外，针对不同照明模式的缺陷检测过程，图像的采集方案有所差别，对应的图像拼接算法应做出调整。
优选的，所述的照明光源为汞氙灯、LED光源或激光光源。
照明光源可以选用汞氙灯(Hg-Xe lamp)、特定波段的发光二极管(LED)光源、白光LED光源，或者其他非相干和部分相干光源等。其中PL照明模式、共焦扫描成像模式也可选用激光光源。
优选的，所述的耦合物镜与第一偏振片间依次设置有第一透镜、针孔、第二透镜和滤光片。
优选的，所述的偏振片与偏振分光棱镜间依次设置有柱面镜和第三透镜。
优选的，所述的第一相机位于二向色镜的透射光路上，所述的第二相机位于二向色镜的反射光路上。
根据照明成像视场大小和扫描成像过程，图像采集系统(包括第一相机和第二相机)可以采用线阵扫描或者面阵扫描两种方式，同时结合相应的图像重构算法对所采集图像实现快速对准拼接处理。
优选的，所述的倏逝场移频照明光源的排布为360度光纤束端面输出、分段式波导端面输出或波导环型表面倏逝场耦合输出。
移频照明源如采用光纤束输出，倏逝场照明源载具可以采用加持的方式与输出光纤束配合使用，也可采用内置方式将输出光纤束固定其中。如采用分段式波导端面输出，可以制备集成光波导结构。如采用波导表面倏逝场耦合方式，需要制备数组可转换光源载具或者耦合波导结构以满足不同尺寸样品的检测需求。
优选的，所述的暗场照明光源为环形LED照明、环形光纤束阵列照明或结合对应的暗场聚光器实现。
优选的，所述的倏逝场移频照明光源和暗场照明光源设置在相应的光源载具上。
光源载具的控制系统需要完成照明源与样品之间的对准耦合、适用于多种样品尺寸的光源载具的缩放功能，或者适用于不同样品尺寸的耦合波导结构间的转换功能。
附图说明
图1为半导体晶圆表面缺陷的快速高分辨检测系统图，集成了暗场照明成像，PL成像，共聚焦扫描成像和倏逝场照明移频成像模式。
图2为一种实施实例俯视效果图，输入光源通过位于不同方位的波导端面耦合方式，为圆形波导提供倏逝场照明；
图3为一种实施实例俯视效果图，输入光通过环形波导的表面倏逝场耦合进位于中心区域的圆形波导内，提供倏逝场照明；
图4为暗场照明的示例图，其中a为采用环形光纤束输出提供暗场照明的示例图，b为对应暗场照明模块的垂直截面图。
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，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本发明的保护范围。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示为一种半导体晶圆表面缺陷的快速检测系统图，包括入射光源101，耦合物镜102，第一透镜103，针孔104，第二透镜105，第一滤光片106，第一偏振片107，柱面镜108，第三透镜109，第一相机110，第四透镜111，第二偏振片112，第二滤光片113，偏振分光棱镜114，平面单晶115，二向色镜116，自聚焦控制系统117，显微物镜118，暗场照明119，移频照明120，样品121，样品台122，第二相机123，第五透镜124，第三滤光片125和反射镜126。
自聚焦模块通过闭环反馈能够实现对样品表面的实时锁焦，样品台通过机械控制部件能够实现对被检测晶圆位置的精确扫描移动。相机110用于共焦扫描像的采集，相机123用于暗场照明，PL模式照明和移频照明远场像的采集。
如图2所示为一种实施实例示意图，包括光源输入端201，光源载具202，被检测圆形波导203，以及波导表面缺陷微结构204。光源输入端数量以及方位需根据被检测样品的尺寸进行设置。光源载具需要能够在二维平面内进行缩放调控，满足不同尺寸样品的需求。光源载具的设计不限于图中所示圆环形貌，也可是独立控制的多组结构。如被检测波导为多边形结构，需要将输入光源的排布形貌做出调整。
如图3所示为一种实施实例示意图，包括环形耦合波导302，环形波导内传输光场301，被检测晶圆波导303以及晶圆波导表面缺陷304。当光场在环形耦合波导内传输时，环形波导表面的倏逝场将耦合进被检晶圆波导内。如前所述，不同的环形耦合波导结构需要根据被检测样品的尺寸进行切换。
图4a是一种暗场照明实施方案图，包括斜照明光源载具401，斜照明光源输出端口402，显微物镜403，以及被检测晶圆样品404。环形光源输出端口402被夹持或者固定在载具401上，输出光场倾斜入射照明被检测晶圆样品。图4b是对应的暗场照明模块的垂直截面图。暗场照明也可采用暗场聚光器实施。
图5是移频照明成像原理示意图，对应的坐标系为频谱空间域，(0,0)为频谱域坐标原点，(0,kobl.)表示暗场照明沿着x方向入射时所能提供的移频量，(0,keva.)表示倏逝场移频照明沿着x方向入射时所能提供的频移量。可以看出倏逝场照明条件下，能够提供被观测样品更高的空间频谱信息，也即意味着能够提供被检测样品更小的缺陷信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种半导体晶圆表面缺陷的快速超高分辨检测系统，其特征在于，包括：
照明光源，以及依次布置所述照明光源的光路上耦合物镜、第一偏振片、偏振分光棱镜、平面单晶、二向色镜和显微物镜；
第一相机，用于采集共焦扫描的图像；
样品台，其上放置有检测晶圆；
环绕所述检测晶圆布置的倏逝场移频照明光源；
安装在所述显微物镜外周且输出光场倾斜入射照明被检测晶圆的暗场照明光源；
第二相机，用于暗场照明，PL模式照明和移频照明远场像的采集；
所述的第一相机位于二向色镜的透射光路上，所述的第二相机位于二向色镜的反射光路上；
所述的倏逝场移频照明光源的排布为360度光纤束端面输出、分段式波导端面输出或波导环型表面倏逝场耦合输出；所述的暗场照明光源为环形LED照明、环形光纤束阵列照明或结合对应的暗场聚光器实现；所述的耦合物镜与第一偏振片间依次设置有第一透镜、针孔、第二透镜和滤光片；所述的第一偏振片与偏振分光棱镜间依次设置有柱面镜和第三透镜。
2.如权利要求1所述的半导体晶圆表面缺陷的快速超高分辨检测系统，其特征在于，所述的照明光源为汞氙灯、LED光源或激光光源。
3.如权利要求1所述的半导体晶圆表面缺陷的快速超高分辨检测系统，其特征在于，所述的倏逝场移频照明光源和暗场照明光源设置在相应的光源载具上。
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