CN112129772A - 缺陷检测系统以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缺陷检测系统以及方法，本发明技术方案将检测光线从待测结构件的侧壁导入待测结构件的内部，通过全内反射的原理来检测待测结构件表面和内部的缺陷，避免了任何表面光线反射造成的信噪比降低的问题，而且相比于传统的光学检测方法，排除了相机以及光源角度敏感而造成的测试不确定性，由于全内反射的方向和角度范围很大，有助于将形态随机的缺陷在无背景光的条件下直接暴露出来，大大提高了缺陷检测的精度和可靠性。

Description

缺陷检测系统以及方法

技术领域

本发明涉及缺陷检测技术领域，更具体的说，涉及一种缺陷检测系统以及方法。

背景技术

控制芯片是电子设备实现各种功能的主要元件之一。晶圆是制作控制芯片的基底，为了避免最终制备的控制芯片存在缺陷，制作平整且无颗粒的晶圆至关重要。晶圆是通过硅锭切割而成，原料在铸锭过程时，晶体生长和后续各工艺步骤中会产生结晶缺陷，故最终形成的晶圆可能存在如下缺陷，如简单的颗粒，晶体衍生的颗粒或凹坑(COP)，残留物和划痕。晶圆表面还可能会出现各种影响制作芯片质量的污染等。

故先进晶圆技术面临的挑战是减少和控制晶圆内部和表面的缺陷，以保持整个晶圆介质和规格的一致性。而随着晶圆基板的不断增大，特征尺寸的不断缩小，晶圆上允许缺陷的尺寸也变得越来越小。故在裸晶圆达到应用厂商之前发现缺陷至关重要。在一些情况下，检测出存在缺陷的不完美晶圆可以在晶圆生产厂家进行清洁或再加工，以消除其缺陷，使之符合规范要求。不符合规范要求的晶圆在进入光刻环节之前被剔除。

晶圆缺陷检测效果直接影响半导体加工制备控制芯片的各个环节，故实现低成本和高灵敏度晶圆缺陷检测是晶圆检测技术领域亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明技术方案提供了一种缺陷检测系统以及方法，用于晶圆缺陷检测时，具有较低的成本和较高的灵敏度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种缺陷检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：

光源组件，所述光源组件用于提供检测光线，所述检测光线从待测结构件的侧壁入射到所述待测结构件内，在所述待测结构件内形成全内反射；所述待测结构件具有相反的上表面和下表面；

第一相机，所述第一相机与所述上表面相对设置，用于采集所述待测结构件整个图像采集区域的第一影像；如果所述待测结构件表面或是所述待测结构件内存在缺陷，所述缺陷使得所述检测光线从所述上表面出射，在所述第一影像形成缺陷信息。

优选的，在上述检测系统中，所述待测结构件为硅材料的待测晶圆，所述检测光线为红外射线；

所述光源组件包括：

遮光腔室外壳，所述遮光腔室外壳包围所述侧壁，以形成遮光腔室；所述遮光腔室外壳覆盖所述上表面的和所述下表面的四周边缘区域，所述四周边缘区域和所述遮光腔室外壳之间具有遮光环，以使得所述检测光线满足全内反射条件；

光源装置，所述光源装置位于所述遮光腔室内，至少包围部分所述侧壁。

优选的，在上述检测系统中，所述光源装置包括：环绕所述侧壁的环形光源管以及设置在所述光源管内的灯丝。

优选的，在上述检测系统中，所述环形光源管的材料为氧化物红外玻璃、或硫系玻璃、或氟化物玻璃、或透明陶瓷、或半导体晶体、或离子晶体、或金刚石；

所述灯丝为白炽灯的灯丝。

优选的，在上述检测系统中，所述光源装置为环绕所述侧壁的环形红外LED发光元件、或环形红外激光管。

优选的，在上述检测系统中，所述遮光环的最小宽度满足：

tanβ＝w/d

其中，w为所述遮光环的最小宽度，d为所述待测晶圆的厚度，β为所述检测光线在所述待测晶圆内发生全反射的临界角。

优选的，在上述检测系统中，所述遮光腔室外壳包括相互扣合的上盖和下盖；

所述上盖在所述待测晶圆直径方向上的宽度在朝向所述上表面的方向逐渐增大，所述下盖在所述待测晶圆直径方向上的宽度在朝向所述下表面的方向逐渐增大。

优选的，在上述检测系统中，所述光源组件还包括：用于对所述遮光腔室外壳进行散热的散热部件。

优选的，在上述检测系统中，所述遮光腔室外壳的内壁具有用于反射所述检测光线的反射涂层。

优选的，在上述检测系统中，所述第一相机为一个或多个面阵相机，所述面阵相机同时采集所述待测结构件整个图像采集区域的图像，形成所述第一影像；

或，所述第一相机图像采集范围是部分的所述上表面，所述第一相机可移动，以扫描整个所述上表面，形成所述第一影像。

优选的，在上述检测系统中，所述光源装置出射的检测光线的强度可调节。

优选的，在上述检测系统中，还包括：与所述下表面相对设置的第二相机，所述第二相机用于采集所述待测结构件整个图像采集区域的第二影像；如果所述待测晶圆表面或是所述待测晶圆内存在缺陷，所述缺陷使得所述检测光线从所述下表面出射，在所述第二影像形成缺陷信息。

优选的，在上述检测系统中，所述第二相机为一个或多个面阵相机，所述面阵相机同时采集所述待测结构件整个图像采集区域的图像，形成所述第二影像；

或，所述第二相机图像采集范围是部分的所述下表面，所述第二相机可移动，以扫描整个所述下表面，形成所述第二影像。

本发明还提供了一种缺陷检测方法，采用上述任一项所述的检测系统对待测结构件进行缺陷检测。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的缺陷检测系统以及方法中，将检测光线从待测结构件的侧壁导入待测结构件的内部，通过全内反射的原理来检测待测结构件表面和内部的缺陷，避免了任何表面光线反射造成的信噪比降低的问题，而且相比于传统的光学检测方法，排除了相机以及光源角度敏感而造成的测试不确定性，由于全内反射的方向和角度范围很大，有助于将形态随机的缺陷在无背景光的条件下直接暴露出来，大大提高了缺陷检测的精度和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种结构件缺陷检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光源组件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光源组件的局部放大图；

图4为本发明实施例所述检测系统中光线实现全内反射的原理示意图；

图5为本发明实施例所述检测系统相机设置原理示意图。

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。

如背景技术中所述，晶圆缺陷检测效果直接影响半导体加工制备控制芯片的各个环节，故实现低成本和高灵敏度晶圆缺陷检测是晶圆检测技术领域亟待解决的问题。而且为了满足客户要求，还需要实现高通量的要求，最重要的是，不同类型的晶圆也为晶圆的检测增加了各种挑战。

现有技术中，不同检测设备采取略微不同的方法来解决上述问题。目前，现有晶圆缺陷检测设备一般使用先进光源、传感器和软件进行晶圆缺陷检测。随着晶圆基板变大和缺陷尺寸的缩小，现有晶圆缺陷检测设备需要处理更多的数据，在一些情况下，还需要使用机器学习技术来查找和分类缺陷，缺陷检测过程复杂，且效率低。

高清晰和高信噪比图像的获取是高质量缺陷检测的关键，而目前晶圆的传统检测方式一般是通过可见光、紫外光或是激光在晶圆表面产生的图像来处理获得。按照传统光学方法，随着缺陷尺寸的缩小，用于检测的光源波长也需要相应减小，目前有向深紫外方向发展的趋势。光学方法通常采用明暗场产生的散射光结合透光测试检验。核心是通过光源从晶圆外部照射在晶圆表面的角度变化来呈现缺陷。这些方法根本上是通过晶圆表面、相机和光源之间的相对位置的变化将缺陷暴露在相机的视场中，并通过一定的算法在不同角度光源照射下获得的图像中确定缺陷，并与缺陷形态的图库相比较进行分类，从而达到晶圆缺陷检测的目的。

可见，现有光学方法检测晶圆缺陷时，需要依赖相机、光源和晶圆表面之间的角度和位置变化，导致设备结构复杂，操作不简便，而且数据采集和处理量大，检测效率低。

发明人研究发现，从本质上讲，影响晶圆缺陷检测的因素主要包括缺陷本身、检测用光线以及传感单元这三方面。

缺陷是相对于理想介质和物质表面而言，理想晶圆介质材料质地均匀，内部无颗粒等瑕疵，结晶排列规律整齐，表面则呈现光洁无瑕疵无污染。任何偏离理想介质和表面的特性都属于缺陷。缺陷本身是被测物的物理特征，其可以不同形状，在不同位置，以不同的几何形状，以不同大小等特征呈现。晶圆内部和表面的缺陷形态特征往往是随机的，这些缺陷在加工的各个步骤中都可能引入。如果能够对这些缺陷进行详细、准确和及时的测量和描述，对它们进行表征和分类就十分简单。通过这些缺陷的特征，生产过程中造成的缺陷成因可以很方便的确诊并及时的加以纠正。

然而缺陷的测量需要引用光线，广义上讲是射线，包括电子束、X光、可见光、红外光、普通光(相对于激光而言的非激光)和不同波长的激光等，这就使得缺陷的测量和表征变得十分复杂。缺陷通常通过光线的照射，并通过材料的光学特性以及传感单元中感光元件之间的相互作者用显现出来。光线本身有很多特性，包括强度、光谱分量、色温、入射角、偏振度和相位等参数。光线的多种因素与材料上呈随机性的缺陷使得缺陷检测十分复杂。

因为光线的引入，缺陷的检测转化为缺陷在光线的作用下而产生影像的测量。严格来讲，光线照射下的缺陷尺寸和形状影像已经不能等同于缺陷本身的尺寸和形状。例如，同一枚LED灯珠，在灯珠本身不发光的时候可以精准的测量灯珠发光点的形状和大小，但是当其发光后，通过相机测试得到的灯珠产生的影像大小和形状已经不能等同于灯珠本身的大小和形状。很明显灯珠发出的光越强，影像上的光点就越大，光点的大小和形状不但取决于发光点的大小和形状，还与发光点的亮度紧密相关。

因为缺陷需要通过光线照射而体现出来，传感单元中感光元件所感测到的形态和尺寸就不但与缺陷本身有关，还取决于照射在缺陷上的光线的特性，包括强度和角度等因素，因此在不同光线条件下或者反光角度下测得的缺陷尺寸不是固定不变的，还取决于光线条件。因为传统缺陷形态测量是在不统一的光线条件下或角度下完成的，因而其检测结果由于光线条件的不确定性具有一定的随机性。

通过光线的折射、反射、透射、衍射和散射等多种作用，晶圆的缺陷检测的形态已经和缺陷造成的光学影像效果紧密结合在一起。鉴于目前缺陷检测对光线条件的不确定性，测量、尺寸和形状等特性也具有很大的任意性。目前还无法将光线条件的因素与缺陷本身所造成的视觉感应因素分割开来。对于同一个瑕疵，不同光线条件会造成不同的大小和强度的影像，有些缺陷在某些检测设备上无法辨认，在其他设备上测试中可以显现。同理，在一定光线条件下有些缺陷无法辨认，却在另一种光线条件下得到显现。

除了上述所提到的复杂性之外，感光元件相对于被测物所在的位置和角度关系同样起着非常重要的作用，由于缺陷形态的随机性，在某种光线条件下，感光元件在某种角度下观察到的缺陷在其他条件下却无法观察到。

将测量引入的随机性降低，并将瑕疵的光学条件和影像获取手段标准化是本发明实施例技术方案的一个主要目的。

现有技术中，通常采用的光线条件是通过在相机一侧的明暗场的反射光以及相机另一侧的透射光来实现，该测量方法除了受到光线本身因素影响之外，还与光线-被测表面-观察者之间形成的角度密切相关。角度的微小变化会造成缺陷影像反差的明显变化，缺陷测量对于角度和敏感性使得现有技术的测量可靠性大大降低。

本发明实施例所述检测系统适用于硅晶圆，由于硅材料对于红外射线是透明的，红外射线在硅材料内传播的能量损失极小，适用于硅材料的表面和缺陷检测。故当待测结构件为硅材料的待测晶圆时，本发明实施例检测光线为红外射线。

本发明实施例技术方案将红外检测光线从待测晶圆的侧壁导入待测晶圆的内部，通过全内反射(TIR,TotalInternalReflection)的原理来检测待测晶圆表面和内部的缺陷，避免了任何表面光线反射造成的信噪比降低的问题，而且相比于传统的光学检测方法，排除了相机以及光源角度敏感而造成的测试不确定性，由于全内反射的方向和角度范围很大，有助于将形态随机的缺陷在无背景光的条件下直接暴露出来，大大提高了缺陷检测的精度。

全反射只能发生在光线从高折射率的介质进入较低折射率介质的条件下，如本发明实施例中进行晶圆缺陷检测时，检测光线从待测晶圆进入空气时，在入射角度满足全反射条件时，会反生全反射，而红外检测光线从空气进入待测晶圆时是不会发生全反射的，光导纤维就是利于该原理进行光信号传播。由于全反射时光线的损失可以忽略不计，因此光信号可以传输极远的距离。本发明实施例所述检测系统中，通过待测晶圆的侧壁入射待测晶圆内部的检测光线，在待测晶圆内发生全反射(全内反射)，可以检测待测晶圆内部和表面是否存在缺陷。

利用全内反射原理，检测光线可以从待测晶圆侧壁的各个方向由空气介质入射到待测晶圆的内部，在晶圆内部反生全反射的重要参数是检测光线入射待测晶圆表面的入射角大于或等于全反射的临界角，该临界角可以根据Snell(斯涅尔)定律确定，以待测晶圆为单晶硅为例，单晶硅的折射率为3.42，空气介质的折射率为1，根据Snell定律，该临界角为17.5°。其他方式中，待测晶圆还可以为多晶硅或是非晶硅材料等，本发明实施例对待测晶圆不做具体限定。

故，当待测晶圆上下表面法线的方向与检测光线传播方向之间的夹角大于或等于全反射需要的临界角时，检测光线会在待测晶圆内部形成多次全反射，而不会穿过待测晶圆的表面，也就是说检测光线只能在待测晶圆内部传播，不会逸出待测晶圆的表面，因此，与待测晶圆表面相对的相机无法检测到待测晶圆内部的检测光线，表面和内部无缺陷的晶圆在相机上呈现的是全黑的图像。

当待测晶圆表面或是内部存在缺陷时，缺陷对应的瑕疵点会造成检测光线不规则的反射、散射或是折射，改变其入射角度，故部分检测光线会小于所述临界角度，无法发生全反射，从而打破全内反射的条件，该部分检测光线会透过待测晶圆表面进入空气介质，被相机捕捉到。瑕疵越大，瑕疵导致的逸出待测晶圆表面的检测光线的强度和范围越大，因此，通过全内反射检测晶圆缺陷的方法不但可以方便的观察到待测晶圆存在的缺陷，在给定的全反射光条件下，通过瑕疵导致的逸出待测晶圆表面的检测光线的强度和范围可以方便的确定缺陷的尺寸或严重程度。

另外一个重要的方面是，本发明实施例技术方案中，随着导入待测晶圆内部的检测光线强度的增强，瑕疵点造成的影像尺寸也会随之变大，而且取决于内反射光线的强度，这个影像可以远大于瑕疵自身的尺度，从而可以实现小尺寸瑕疵的检测，在不提高相机分辨率的同时，提高系统的分辨率，可以实现对较小尺寸的精确测量，可以采用分辨率较低的相机分辨小尺寸的缺陷，在提高缺陷检测精度的同时，降低其影像传感成本。

本发明实施例所述技术方案同样可以对待测晶圆表面的污染缺陷进行检测，任何附着在待测晶圆表面的污染物的折射率都会大于空气的折射率，如污染物的折射率为1.35，对于单晶硅晶圆，根据Snell定律，污染物所覆盖的表面区域所对应的临界角将会变成22.9°，因而在待测晶圆内部发生全反射的临界角由上述17.5°增大至22.9°，故在晶圆内部入射角度为17.5°-22.9°的检测光线也会逸出待测晶圆的表面，从而被相机所捕获。

而且本发明实施例所述技术方案还可以用于检测覆盖在待测晶圆表面的表面膜是否存在缺陷，对于检测无缺陷的待测晶圆，如果覆盖有无缺陷的表面膜，内部全反射的检测光线将从表面膜和晶圆之间对应的临界角反射回待测晶圆内部，不会从表面膜与空气的表面逸出，只有当表面膜的表面或是内部存在缺陷时，缺陷对应的瑕疵点导致的不规则的反射、折射和散射会被相机捕捉到。

由于晶圆表面内部的瑕疵及表面污染造成的反射、折射或散射是检测光线从待测晶圆表面逸出的必要条件，这就有效地排除了进入相机的任何背景光，从而最大化地增强瑕疵影像的信噪比，大大增强影像的对比度，便于分辨相机获取影像上的瑕疵点，可以降低噪音对影像的干扰，提高分辨率。由于瑕疵对晶圆内部全反射的干扰，瑕疵位置会形成高亮点，这就如同在透明介质中植入了与瑕疵尺寸相关的发光点，而对于红外检测光线而言，任何远小于检测光线波长程度的瑕疵产生的散射(Rayleigh Scattering瑞利散射)和相当于检测光线波长尺度的散射(Mie Scattering米氏散射)都会逸出待测晶圆的表面，从而被相机捕捉。严格上来讲，待测晶圆自身分子也会造成瑞利散射，但是这种散射是完全均匀且非常微弱的，因此可以作为影像的背景在影像中排除，通过瑞利散射可以不通过降低射线波长就能够显示出纳米级甚至是亚纳米级尺寸的瑕疵。

通过增加红外检测光线的强度可以有效的增强反射、散射和折射的光强，从而放大瑕疵影像的尺度，使得相机获得比瑕疵本身大很多的瑕疵影像点。故待测晶圆内部检测光线越强，这种由于瑕疵导致的影像就会越大，可以大大提高缺陷检测灵敏度和精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种结构件缺陷检测系统的结构示意图，该检测系统包括：光源组件11和第一相机14。所述光源组件11用于提供红外检测光线12，所述检测光线12从待测结构件的侧壁入射到所述待测结构件内，在所述待测结构件内形成全内反射；所述待测结构件具有相反的上表面和下表面。所述第一相机14与所述上表面相对设置，用于采集所述待测结构件整个图像采集区域的第一影像；如果所述待测结构件表面或是所述待测结构件内存在缺陷，所述缺陷使得所述检测光线从所述上表面出射，在所述第一影像形成缺陷信息。例如，所述待测结构件为硅材料的待测晶圆13，所述检测光线12为红外射线。所述光源组件11在待测结构件侧壁包围所述待测结构件及其上下表面周缘位置，露出所述待测结构件的图像采集区域，第一相机14在朝向上表面位置采集第一影像，待测结构件相对于检测光线是透明的，故位于上下表面和待测结构件的瑕疵均会在第一影像中表现出来。

传统光学方法需要检测光线在晶圆外部以特定角度照射晶圆表面，通过相机在特定角度探测被缺陷散射或反射的检测光线，测量系统需要高度依赖于相机、光源和晶圆表面之间的角度和位置参数，而且检测精度和灵敏度较低，无法识别更小尺度的缺陷检测。而本发明实施例所述检测系统，利用检测光线12在待测晶圆13内的全反射进行缺陷检测，检测光线12从待测晶圆13的侧壁导入待测晶圆13内部，以在其内部反射全反射，第一相机13对整个第一表面进行图像采集，而且如果待测晶圆13具有缺陷，其导致部分检测光线12逸出待测晶圆13表面，使得缺陷相当于发光点，该发光点的发光方向是全方向的，无需相机以特定角度参数即可获取其图像，便于相机识别检测，提高了检测精度和灵敏度，而且克服了现有光学方法高度依赖于相机、光源和晶圆表面之间的角度和位置参数的问题。

可选的，所述检测系统还包括计算机15和显示屏16。所述计算机15和所述第一相机13以及所述显示屏16连接。所述计算机15用于对所述第一影像进行图像处理，基于所述第一影像确定所述待测晶圆13内是否具有缺陷，具有缺陷时，确认缺陷位置、类型和尺寸。所述显示屏16用于展示该第一影像，便于更直观的确认缺陷位置和缺陷尺寸以及缺陷类型。

可见，本发明实施例技术方案利用检测光线12在待测晶圆13内全反射以检测待测晶圆13是否存在缺陷，如存在缺陷，通过计算机15对影像进行图像处理和数据分析，还可以基于采集的影像确认缺陷位置、形状以及尺寸。

所述光源组件11的结构可以如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种光源组件的结构示意图，图2中左图为光源组件11和待测晶圆13组合后的结构示意图，图2中右图为光源组件11的爆炸图，如图2所示，所述光源组件11包括：遮光腔室外壳21，所述遮光腔室外壳21包围所述侧壁，以形成遮光腔室；所述遮光腔室外壳21覆盖所述上表面的和所述下表面的四周边缘区域，所述四周边缘区域和所述遮光腔室外壳21之间具有遮光环，以使得所述检测光线12满足全内反射条件；光源装置22，所述光源装置22位于所述遮光腔室内，至少包围部分所述侧壁。图2中未示出所述遮光环。所述遮光腔室外壳21和所述待测晶圆13上表面的四周边缘区域具有上遮光环，遮光腔室外壳21与所述待测晶圆13下表面的四周边缘区域具有下遮光环。

本发明实施中，所述检测光线12为红外射线。硅晶圆材料对于1μm-1.4μm波长的红外射线是透明的，红外射线在硅晶圆内部传播的能量损失极小，因此特别适用于硅材料表面和内部的缺陷检测。通过向待测晶圆13内部导入可以产生全内反射红外射线进行缺陷检测的方式可以将缺陷位置和尺寸清晰的表征出来。

故光源装置22优选采用红外光源设备。图2所示方式中，所述光源装置22包括：环绕所述侧壁的环形光源管221以及设置在所述光源管221内的灯丝222。该光源装置22采用简单的环形光源管221，其内径大于待测晶圆13的直径，以便于包围待测晶圆13。光源装置22可以完全包围待测晶圆13的侧壁或是包围待测晶圆13的部分侧壁。可以采用对短波红外透明及耐热的材料制作所述环形光源管221，如所述环形光源管221的材料为氧化物红外玻璃、或硫系玻璃、或氟化物玻璃、或透明陶瓷、或半导体晶体、或离子晶体、或金刚石，其材料的选择应该综合对检测光线的透过率、材料的耐热性、制作成本以及加工方式等因素决定。所述灯丝222为白炽灯的灯丝。本发明实施例对所述环形光源管221的材料不做具体限定。使用对短波红外透明的材料制作的环形光源管221，在该环形光源管221内中心位置固定一条白炽灯用的灯丝，作为发射红外射线的射线源。其长度相当于所述环形光源管221中心轴线的长度。环形光源管221两端密封，并且抽真空，灯丝两端通过密封端从环形光源管221内分别引出一个电极223，在该两个电极223上施加电压，使得灯丝222具有电流，电流通过灯丝222产生红外射线，红外射线穿透环形光源管221的管壁出射，作为实现全内反射的检测光线12。

图2所示方式中，以光源装置22为环状结构的白炽灯为例进行说明，需要说明的是，光源装置22的实现方式不局限于图2所示方式，光源装置22为可以出射1μm-1.4μm波长的任意光源设备。其他方式中，所述光源装置22还可以为环绕所述待测晶圆13侧壁的环形红外LED发光元件、或环形红外激光管。光源装置22为出射红外射线的环状光源。还可以在遮光腔室内设置反光板将环状光源出射的多角度光线更多的导入待测晶圆13的侧壁，以增大光源装置22出射光线的利用率。该反光板可以为设置在所述遮光腔室外壳21内壁的用于反射所述检测光线12的反射涂层，即所述遮光腔室外壳21的内壁具有用于反射所述检测光线12的反射涂层31，该反射涂层31为红外反射层。

如图2所示，所述遮光腔室外壳21包括相互扣合的上盖211和下盖212；所述上盖211在所述待测晶圆13直径方向上的宽度在朝向所述待测晶圆13上表面的方向逐渐增大，所述下盖212在所述待测晶圆13直径方向上的宽度在朝向所述待测晶圆13下表面的方向逐渐增大。遮光腔室外壳21内径中间位置最大，其内径在由其上表面到待测晶圆13上表面方向上逐渐增大，且其内径在由其下表面到待测晶圆13下表面方向上逐渐增大。上下盖与待测晶圆13之间的两个遮光环相同。遮光环内径呈锥形变化，这样可以将遮光环从相机视场中排除，避免遮光环的壁面成为影像的背景，因此上下遮光环的锥度取决于相机的位置。所述遮光腔室外壳21的实现方式不局限于图2所示方式，其他方式中，其还可以为一体成型结构。

可选的，所述光源组件11还包括：用于对所述遮光腔室外壳21进行散热的散热部件。图1和图2中未示出所述散热部件。所述光源装置22出射的检测光线的强度可调节，通过增大检测光线的强度，可以提高缺陷识别的灵敏度和精度。所述遮光腔室外壳21具有用于引出所述光源装置22两电极223的通孔。

在半导体工艺中，晶圆的两种典型边缘结构如图3中上图和下图所示。

参考图3，图3为本发明实施例提供的一种光源组件的局部放大图。图3中上图中待测晶圆13具有斜面边缘，或称具有子弹形边缘，该方式中，待测晶圆13通常具有与上下表面具有一定倾斜角的边缘，具体的，待测晶圆13侧壁可以分为三部分，一部分为相对于上表面朝下的斜面，另一部为相对于下表面朝上的斜面，第三部分为垂直于上下表面的侧面。图3中下图中待测晶圆13具有圆形边缘，或称具有钝边缘，该方式中，待测晶圆13上下表面和侧壁之间是平滑过渡，具体的，待测晶圆13侧壁为连接上下表面的光滑曲面。

由于光源装置22出射的检测光线除了导入待测晶圆13侧壁的部分外，其他部分需要限制在遮光腔室外壳21的遮光腔室内，避免被相机感应。通过遮光腔室外壳21对光源装置22的上方、后方和下方进行遮光防护，防止检测光线的泄露，以避免干扰，提高检测准确性。为了增加检测光线的利用率，遮光腔室外壳21内壁上具有反射红外射线的涂层31，以最大限度的将有限的红外射线通过多次反射导入到待测晶圆13内壁。

光源装置22出射光线至少包括作为检测光线的红外射线。其出射的红外光线和其他射线通过多次反射和吸收会在遮光腔室内产生热量，散热是光源装置22需要解决的一个问题，故需要设置散热部件对光源组件11进行散热，可以通经过设置在遮光腔室外壳21上的散热孔将内部热量Q导出遮光腔室，遮光腔室外壳21可以采用有利于导热和散热的金属材料。还可以通过自然冷风、水冷等方式进行散热，将遮光腔室内的温度控制在预设范围内。

为了使得进入待测晶圆13内的检测光线可以产生全内反射，需要将检测光线从待测晶圆13的侧壁导入到晶圆介质内部，并在待测晶圆13的上下表面之间发生全反射，实现该方案的一种简单方式是通过设置在待测晶圆13上下表面的遮光环将待测晶圆13的上下表面的四周边缘区域遮挡，使得所有第一次入射遮光环包围的图像采集区域的检测光线的入射角度均满足全反射条件。通过设置所述遮光环，从侧壁导入的检测光线在进入待测晶圆13后，如果在上表面发生第一次反射，如果入射角度较小不满足全反射临界角条件，将会在上遮光环覆盖的区域被上遮光吸收，无法再次反射到遮光环区域包围的图像采集区域，同样，从侧壁导入的检测光线在进入待测晶圆13后，如果在下表面发生第一次反射，如果入射角度较小不满足全反射临界角条件，将会在下遮光环覆盖的区域被下遮光环吸收，无法再次反射到遮光环区域包围的图像采集区域，进而使得在待测晶圆13内部反射的检测光线的入射角度均满足全反射条件。

为了将检测光线从待测晶圆13的侧壁导入内部，实现全内反射的缺陷检测，需要在待测晶圆13的上下表面分别设置遮光环，形成包围待测晶圆13侧壁的遮光腔室，以及设置对待测晶圆13侧壁进行检测光线照射的光源装置22，将检测光线导入待测晶圆13的侧壁后，可以在待测晶圆13的上下表面之间产生全反射。大于全反射临界角的各种角度的检测光线可以在待测晶圆13上下表面之间发生多次全反射。检测光线通过侧壁导入待测晶圆13后，如果不满足内部全反射条件，其第一次反射区域位于所述遮光环覆盖区域，该部分检测光线会被遮光环吸收而屏蔽在待测晶圆13影像检测区域之外，避免从待测晶圆13的上表面或是下表面逸出。遮光环严格按照待测晶圆13的边缘尺寸和形状制作，以达到遮挡红外检测光线使其不能进入待测晶圆13外部的空间，避免对相机检测造成干扰。

被遮光环覆盖的待测晶圆13表面逸出的射线被遮光环吸收而不会再次反射进入待测晶圆13的内部，因而遮光环的宽度选择确定导入待测晶圆13的内反射光的最小入射角度，以使得该最小入射角度满足全反射条件，小于该最小入射角度的其他入射角度的检测光线将被所述遮光环吸收，使得在内部反射的检测光线的反射角度尽可能地包含大于全反射临界角的各种分量，也就是说，检测光光线是对整个侧壁的大角度范围照射，通过遮光环滤除不满足全反射条件的检测光线后，剩余在内部传播的检测光光线的入射角理论上是可以包括入射角不小于全反射临界角的所有可能，从而可以最大限度地将缺陷和污染通过相机采集的影像反映出来。呈多向性的全内反射射线可以更有效地揭示呈随机性的各种缺陷。对比传统的光线外部照射的明场和暗场的光学方法，本发明实施例技术方案这种全内反射方法相当于同时对介质的表面和内部照射各种角度的光线，同时不会造成任何表面反射对图像质量的影响。因此这种缺陷检测方法易于实施，检测精度和灵敏度更高，检测更加有效。

参考图4，图4为本发明实施例所述检测系统中光线实现全内反射的原理示意图，为了将不满足全反射条件的部分光线从对应遮光环的区域导出，需要遮光环具有设定的最小宽度w，所述遮光环的最小宽度w满足：

tanβ＝w/d

其中，d为所述待测晶圆13的厚度，β为所述检测光线12在所述待测晶圆13内发生全反射的临界角。该临界角与待测晶圆13的折射率相关，故w和待测晶圆13的折射率和宽度相关。对于折射率已知的待测晶圆13，全反射临界角β为已知值，故此时可以通过d即可以确定w的取值。当遮光环的宽度不小于w时，不满足全反射条件的检测光线13将在遮光环处被遮光环吸收，避免该部分检测光线13被相机探测，仅保留可以满足全反射条件的检测光线13。也就是说，任何小于临界角的检测光线13均会被遮光环吸收，不会被探测到，而大于或等于临界角的检测光线13会被保留在上下表面之间形成多次全反射，保持在待测晶圆13内部。

检测光线12在待测晶圆13侧壁的导入后，待测晶圆13内部将充斥着大于临界角或等于的各种全内反射射线，这些射线在完美无缺陷的待测晶圆13材料内部只能产生均匀的分子级别瑞利散射，这种散射造成微不足道的光损，成为进入相机的微乎其微的均匀背景光。只有待测晶圆13表面或内部的瑕疵会一定程度干扰这些内部全反射射线，从而形成明显的相应尺度的亮点。亮点的尺寸随光强的增加而增大。

本发明实施例所述检测系统中，待测晶圆13可以通过机械手或类似搬运装置抓取并放置到合适的载片位置，通过载片系统将待测晶圆13传输至相机视野范围内，并通过上述检测光线的导入方式使得检测光线在待测晶圆13内部形成全内反射。与此同时，相机的视野范围内不允许有任何外界红外射线干扰，避免造成对影像质量的损失。

一种实现方式中，用于光线导入的遮光腔室壳体21由上下盖组成，腔室中包含环状红外光源。上盖211和待测晶圆13之间具有上遮光环，下盖212和待测晶圆13之间具有下遮光环。下盖212的下遮光环可以作为载片支撑，待测晶圆13可通过机器手放置在下遮光环上。上下遮光环采用吸红外光柔软材料，如黑色无痕硅胶管或条状吸盘等，保证待测晶圆13在运动时不会滑动，并且不会造成任何待测晶圆13表面的污染。

待测晶圆13放置在下盖212的下遮光环上之后移至检测部位。上盖211设有相同结构的下遮光环。上盖211连同光源装置22通过向下盖212方向的机械运动压住待测晶圆13的边缘，使得待测晶圆13的外边缘被腔室的上下遮光环压住，使得在遮光腔室内的光源装置22发出的红外射线只能从待测晶圆13的边缘导入待测晶圆13内部。

开启光源装置22之后即可用相机获取待测晶圆13影像。影像获取完毕之后上下盖分离。然后将承载待测晶圆13的下盖212移送至待测晶圆13指定的卸载位置，由机械手或类似装置抓取测试完毕的待测晶圆13。在线检测系统根据其测试结果分类待测晶圆13。于此同时，下一片待测晶圆13导入测试部位，进行新的测试。

将单个或数个对短波红外(SWIR)敏感的相机置于待测晶圆13的一侧或双侧，用以捕捉待测晶圆13表面的影像。相机的数量可根据待测晶圆13尺寸、缺陷点尺寸分辨率等因素确定。

在图1所示方式中，仅是设置对待测晶圆13上表面进行成像的第一相机14，如图5所示，图5为本发明实施例所述检测系统相机设置原理示意图，图1所示方式中，第一相机14的设置原理如图5中左图所示，其他方式中，如图5右图所示，在设置第一相机14的同时，还可以设置与所述待测晶圆13下表面相对设置的第二相机41，所述第二相机41用于采集待测结构件的整个图像采集区域的第二影像；如果所述待测结构件表面或是所述待测结构件内存在缺陷，所述缺陷使得所述检测光线从所述待测结构件的下表面出射，在所述第二影像形成缺陷信息。图5所示两种方式均可以采集缺陷发光点的影像，以识别缺陷42。同样，所述第二相机41在朝向下表面位置采集第二影像，待测结构件相对于检测光线是透明的，故位于上下表面和待测结构件的瑕疵均会在第二影像中表现出来。

可选的，所述第一相机14为一个或多个面阵相机，所述一个或多个面阵相机同时采集所述待测结构件整个图像采集区域的图像，形成所述第一影像，该方式第一相机14在任意时刻的图像采集范围是整个图像采集区域，可以直接在朝向上表面的位置采集整个图像采集区域的图像；或，所述第一相机14在任意时刻图像采集范围是部分的所述图像采集区域，所述第一相机14可移动，以扫描整个所述图像采集区域，形成所述第一影像。所述第二相机41为一个或多个面阵相机，所述一个或多个面阵相机同时采集所述待测结构件的整个图像采集区域的图像，形成所述第二影像，该方式第二相机41在任意时刻的图像采集范围是整个图像采集区域，可以直接在朝向下表面的位置采集整个图像采集区域的图像；或，所述第二相机41在任意时刻图像采集范围是部分的所述图像采集区域，所述第二相机41可移动，以扫描整个所述图像采集区域，形成所述第二影像。

根据待测晶圆13尺寸及系统的需要和缺陷尺寸分辨率，可通过面阵相机来获取整个待测晶圆13上的影像。由于待测晶圆13尺度较大，希望识别的缺陷尺寸很小，对于上表面或是下表面的影像采集，由于单个相机覆盖整个待测晶圆13范围难以实现，因此可通过面阵相机与机械运动相结合的方式来扫描待测晶圆13的各个区域，产生多个图像，然后通过拼接的方式识别待测晶圆13表面和内部的缺陷点及其分布和特征。机械运动可以是相机运动与固定待测晶圆13结合，待测晶圆13运动(包括平动和旋转运动)与固定相机结合，或待测晶圆13和相机分别运动结合产生多个影像的方式实现。获待测晶圆13表面和内部的缺陷点及其分布还可以通过线阵相机结合机械运动来获得。机械运动可以是相机运动待测晶圆13固定，待测晶圆13运动(包括平动和旋转运动)相机固定，或待测晶圆13和相机运动分别运动并结合生成影像的方式完成。

为了实现上述检测过程，所述检测系统包括对应的晶圆载片送片子系统、相机组成的图像采集子系统，计算机15包需要具有分析处理系统，以进行数据分析处理和图像处理。计算机还包括瑕疵表征标准数据库、瑕疵分类系统和统计模块等。

理想情况下，本发明实施例所述测试系统中只有进入待测晶圆13的红外射线才有机会暴露在相机的视野内。实际上由于光路的各种因素，有些红外射线会间接地通过系统周围的表面映射在待测晶圆13表面，对影像造成干扰，从而影响影像的质量。因此需要在挡光设施的表面及整个测量空间的周围采取吸收红外射线的措施，将各种反射和散射噪音的影响降至最小。

本发明实施例全内反射的缺陷测量方案并不局限于通过红外射线检测晶圆缺陷，它还可以应用于可见光或其他射线。针对某种光线或射线的透明介质，瑕疵测量的原理和方法都一样。如可见光和透明材料，对于紫外透明的材料等的检测。

利用全内反射光对待测结构件的缺陷测量方案不局限于平板板材，在一定弯曲形状的板材上也能通过该方案实施，条件是板材表面弯曲的程度仍能够保证光线的全内反射，或者说在上下表面之间反射的光线角度在弯曲表面也能保证大于临界角，不会造成光线在正常情况下脱离板材的界面进入空气。

不仅如此，该方案还可以运用于管材或棒材的表面和内部缺陷检测。这种检测只需通过管材或棒材的两端将射线以轴线方向大于临界角的角度的方向导入介质，并在管材或棒材的周围设置相机，从不同角度捕捉瑕疵造成的影像，以确定瑕疵的位置，形状和大小。

基于上述检测系统实施例一种缺陷检测方法，该检测方法采用上述检测系统实施例所述检测系统对待测结构件进行缺陷检测。如上述该待检测结构件包括但不局限于为硅晶圆，具有较高的检测灵敏度和精度，成本低，便于实施。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的检测方法而言，由于其与实施例公开的检测系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见检测系统对应部分说明即可。

还需要说明的是，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，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种缺陷检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：

光源组件，所述光源组件用于提供检测光线，所述检测光线从待测结构件的侧壁入射到所述待测结构件内，在所述待测结构件内形成全内反射；所述待测结构件具有相反的上表面和下表面；

第一相机，所述第一相机与所述上表面相对设置，用于采集所述待测结构件整个图像采集区域的第一影像；如果所述待测结构件表面或是所述待测结构件内存在缺陷，所述缺陷使得所述检测光线从所述上表面出射，在所述第一影像形成缺陷信息。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述待测结构件为硅材料的待测晶圆，所述检测光线为红外射线；

所述光源组件包括：

遮光腔室外壳，所述遮光腔室外壳包围所述侧壁，以形成遮光腔室；所述遮光腔室外壳覆盖所述上表面的和所述下表面的四周边缘区域，所述四周边缘区域和所述遮光腔室外壳之间具有遮光环，以使得所述检测光线满足全内反射条件；

光源装置，所述光源装置位于所述遮光腔室内，至少包围部分所述侧壁。

3.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述光源装置包括：环绕所述侧壁的环形光源管以及设置在所述光源管内的灯丝。

4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述环形光源管的材料为氧化物红外玻璃、或硫系玻璃、或氟化物玻璃、或透明陶瓷、或半导体晶体、或离子晶体、或金刚石；

所述灯丝为白炽灯的灯丝。

5.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述光源装置为环绕所述侧壁的环形红外LED发光元件、或环形红外激光管。

6.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述遮光环的最小宽度满足：

tanβ＝w/d

其中，w为所述遮光环的最小宽度，d为所述待测晶圆的厚度，β为所述检测光线在所述待测晶圆内发生全反射的临界角。

7.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述遮光腔室外壳包括相互扣合的上盖和下盖；

所述上盖在所述待测晶圆直径方向上的宽度在朝向所述上表面的方向逐渐增大，所述下盖在所述待测晶圆直径方向上的宽度在朝向所述下表面的方向逐渐增大。

8.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述光源组件还包括：用于对所述遮光腔室外壳进行散热的散热部件。

9.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述遮光腔室外壳的内壁具有用于反射所述检测光线的反射涂层。

10.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述第一相机为一个或多个面阵相机，所述一个或多个面阵相机同时采集所述待测结构件整个图像采集区域的图像，形成所述第一影像；

或，所述第一相机图像采集范围是部分的所述上表面，所述第一相机可移动，以扫描整个所述上表面，形成所述第一影像。

11.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光源组件出射的检测光线的强度可调节。

12.根据权利要求1-11所述的检测系统，其特征在于，还包括：与所述下表面相对设置的第二相机，所述第二相机用于采集所述待测结构件整个图像采集区域的第二影像；如果所述待测晶圆表面或是所述待测晶圆内存在缺陷，所述缺陷使得所述检测光线从所述下表面出射，在所述第二影像形成缺陷信息。

13.根据权利要求12所述的检测系统，其特征在于，所述第二相机为一个或多个面阵相机，所述一个或多个面阵相机同时采集所述待测结构件整个图像采集区域的图像，形成所述第二影像；

或，所述第二相机图像采集范围是部分的所述下表面，所述第二相机可移动，以扫描整个所述下表面，形成所述第二影像。

14.一种缺陷检测方法，其特征在于，采用如权利要求1-13任一项所述的检测系统对待测结构件进行缺陷检测。

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