CN114235836A - 一种用于半导体缺陷检测的系统 - Google Patents
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Abstract
为克服现有半导体样品缺陷检测系统检测效率低、精确度差以及有损的问题，本发明提供了一种用于半导体缺陷检测的系统，包括第一光源，用于使半导体样品产生散射光，第二光源，用于使半导体样品产生第一反射光，第三光源，用于使半导体样品产生第二反射光和光致发光；光致发光检测组件，用于检测半导体样品上单个发光单元的荧光光谱以及荧光图像；散射光检测组件，用于检测散射光的图像；反射光检测组件，用于检测第一反射光和第二反射光的图像。本发明提供的检测系统能够同时、快速、无损的进行半导体外表面缺陷、次表面缺陷以及器件缺陷检测，检测准确度高，适用Mini LED、Micro LED的缺陷检测和质量分析。
Description
技术领域
本发明属于半导体缺陷检测技术领域，具体涉及一种用于半导体缺陷检测的系统。
背景技术
在半导体光电器件的生产过程中，其晶体缺陷、器件缺陷、表面沾污等均会导致器件质量下降甚至失效，降低生产良率。因此，对光电器件材料的全面表征可以在芯片制造环节中尽早发现问题，最大化降低损失。此外，通过对检测结果的分析与归纳，还可以分析芯片制造中存在的潜在问题，为工艺优化提供更为准确的方向。目前，在传统的LED器件领域，其器件性能的检测流程包括外观缺陷的扫描以及电致发光(Electroluminescense,EL)测试。外观缺陷的扫描即通过可见光对晶圆外观进行成像扫描，检测其外观缺陷。然后，再通过电致发光光谱对晶圆上的每颗LED逐个扫描，来获取单个发光单元的光电性能来检测器件的有效性。然而，此方式需要对MiniLED、MicroLED的每个发光单元用探针通电进行测试，并获得每个单元的电致发光光谱，从而获得其器件电学特性以及其发光波长、发光强度，并根据这些信息对每个LED进行分选。
然而，随着面板市场的技术升级，每一晶圆上的晶粒逐步降低到微米级，例如，当每个发光单元的尺寸小于75微米则称之为MicroLED。MiniLED、MicroLED的诞生对检测系统有了更高的要求。第一，对于外观检测的光学系统的光学精度要求增加；第二，电致发光光谱测试的探针需要更细，且定位更准，同时，由于探针与器件电极的直接接触，还可能造成器件损伤；第三，由于尺寸变小，一片晶圆上的LED单元数量激增，采用传统的电致发光检测手段的效率将会降低；第四，目前检测系统无法同时进行外观缺陷成像扫描与每个发光单元的发光光谱检测，检测效率低下。
发明内容
针对现有半导体样品缺陷检测系统检测效率低、精确度差以及有损的问题，本发明提供了一种用于半导体缺陷检测的系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种用于半导体缺陷检测的系统，包括：
第一光源，用于照射所述半导体样品以形成散射光；
第二光源，用于照射所述半导体样品以形成第一反射光；
第一分光镜，位于所述第二光源的光路上，用于改变所述第二光源的光路方向以使所述第二光源的光路沿所述半导体样品方向行进；
第三光源，用于照射所述半导体样品以形成第二反射光，并且使所述半导体样品光致发光形成荧光；
二向色镜，位于所述第三光源的光路上，用于改变所述第三光源的光路方向以使所述第三光源的光路沿所述半导体样品方向行进；
光致发光检测组件，包括滤波器或衍射光学元件套组，第一探测器，所述滤波器或者衍射光学元件套组用于阻断所述散射光、所述第一反射光以及所述第二反射光，透过所述荧光，所述第一探测器用于检测所述半导体样品上单个发光单元的荧光光谱以及荧光图像；
散射光检测组件，用于阻断所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光，透过所述散射光，并且检测所述散射光的图像；
反射光检测组件，用于阻断所述散射光、所述荧光，透过所述第一反射光、第二反射光，并且检测所述第一反射光和所述第二反射光的图像。
可选的，所述第二光源与所述第一分光镜之间还设置有第一滤光片。
可选的，所述二向色镜与所述第三光源之间还依次设置有第一透镜、针孔、第二透镜、第二分光镜和光功率计。
可选的，所述散射光检测组件包括第二探测器和第二滤光片，所述第二滤光片用于阻断所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光，透过所述散射光，所述第二探测器用于检测所述散射光形成的暗场图像。
可选的，所述反射光检测组件包括第三探测器和第三滤光片，所述第三滤光片用于阻断所述散射光、所述荧光，透过所述第一反射光和第二反射光，所述第三探测器用于检测所述第一反射光和所述第二反射光形成的明场图像。
可选的，所述系统还包括光谱仪，所述光谱仪用于检测所述半导体样品的区域荧光光谱。
可选的，所述系统还包括第三分光镜、第四分光镜和第五分光镜，所述第三分光镜用于将从所述半导体样品辐射出的所述散射光、所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光分成两束，一束穿过所述第三分光镜到达所述光致发光检测组件，另一束被反射到达所述第四分光镜；
所述第四分光镜用于将从所述第三分光镜反射过来的所述散射光、所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光分成两束，一束穿过所述第四分光镜到达所述第五分光镜，另一束被反射到达所述散射光检测组件；
所述第五分光镜用于将从所述第四分光镜穿透过来的所述散射光、所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光分成两束，一束穿过所述第五分光镜到达所述光谱仪，另一束被反射到达所述反射光检测组件。
可选的，所述第三光源为蓝紫光光源，所述第一光源的波长比所述荧光的波长大100nm及以上，所述第二光源的波长比所述第一光源的波长大40nm及以上。
可选的，所述系统还包括显微物镜和显微透镜，所述显微物镜设置于所述第一光源上，所述显微透镜设置于所述二向色镜与所述第三分光镜之间。
可选的，所述系统还包括XYRZ平台以及设置于所述XYRZ平台上的陶瓷真空吸附平台，所述XYRZ平台用于移动所述半导体样品，所述陶瓷真空吸附平台用于吸附所述半导体样品。
本发明的有益效果：本发明提供的用于半导体缺陷检测的系统，采用第一光源、第二光源分别与半导体样品相互作用能够获得表征半导体样品表面缺陷的散射暗场图像以及反射明场图像，同时采用第三光源激发半导体样品光致发光产生荧光，配合滤波器或者衍射光学元件套组能够获得每个发光单元的荧光光谱以及荧光图像，以此为基础对单个发光单元进行质量分选，显著提高检测精确度，不需要与半导体样品直接接触，单次拍摄可同时检测上千个发光单元，显著提高检测效率，检测端能够将三个光源与半导体样品互相作用产生的散射光、反射光以及荧光信号进行准确分割，可实现对LED发光器件的表面外观缺陷、次表面缺陷以及器件缺陷进行快速无损检测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于半导体缺陷检测的系统的结构示意图。
说明书附图中的附图标记如下：
1、第一光源；2、第二光源；3、第一分光镜；4、第三光源；5、二向色镜；6、光致发光检测组件；61、滤波器或衍射光学元件套组；62、第一探测器；7、反射光检测组件；71、第二探测器；72、第二滤光片；8、散射光检测组件；81、第三探测器；82、第三滤光片；9、第一滤光片；10、第一透镜；11、针孔；12、第二透镜；13、第二分光镜；14、光功率计；15、光谱仪、16、第三分光镜；17、第四分光镜；18、第五分光镜；19、显微物镜；20、显微透镜；21、XYRZ平台；22、陶瓷真空吸附平台；23、半导体样品；24、第三透镜。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、两侧、表面……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各结构之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
请参照图1，本发明实施例提供了一种用于半导体缺陷检测的系统，包括：
第一光源1，用于照射所述半导体样品23以形成散射光；
第二光源2，用于照射所述半导体样品23以形成第一反射光；
第一分光镜3，位于所述第二光源2的光路上，用于改变所述第二光源2的光路方向以使所述第二光源2的光路沿所述半导体样品23方向行进；
第三光源4，用于照射所述半导体样品23以形成第二反射光，并且使所述半导体样品23光致发光形成荧光；
二向色镜5，位于所述第三光源4的光路上，用于改变所述第三光源4的光路方向以使所述第三光源4的光路沿所述半导体样品23方向行进；
光致发光检测组件6，包括滤波器61或衍射光学元件套组61，第一探测器62，所述滤波器或者衍射光学元件套组用于阻断所述散射光、所述第一反射光以及所述第二反射光，透过所述荧光，所述第一探测器62用于检测所述半导体样品23上单个发光单元的荧光光谱以及荧光图像；
散射光检测组件7，用于阻断所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光，透过所述散射光，并且检测所述散射光的图像；
反射光检测组件8，用于阻断所述散射光、所述荧光，透过所述第一反射光、第二反射光，并且检测所述第一反射光和所述第二反射光的图像。
本发明提供的用于半导体缺陷检测的系统，采用第一光源1、第二光源2分别与半导体样品23相互作用能够获得表征半导体样品23表面外观缺陷的散射暗场图像以及反射明场图像，同时采用第三光源4激发半导体样品23光致发光产生荧光，配合滤波器61或者衍射光学元件套组61能够获得每个发光单元的荧光光谱以及荧光图像，以此为基础对单个发光单元进行质量分选，显著提高检测精确度，不需要与半导体样品23直接接触，单次拍摄可同时检测上千个发光单元，显著提高检测效率，检测端能够将三个光源与半导体样品23互相作用产生的散射光、反射光以及荧光信号进行准确分割，可实现对LED发光器件的表面外观缺陷、次表面缺陷以及器件缺陷进行快速无损检测。
具体的，所述光致发光是指物质吸收光子(或电磁波)后重新辐射出光子(或电磁波)的过程，即物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态，同时放出光子的过程，所放出的光子能量与电子从较高能级的激发态跃迁至低能态所释放的能量相当。因此，光致发光产生的荧光光谱可以获得与半导体材料的物理性质相关的信息，通过获取单个发光单元的荧光光谱不仅能够得到器件内部的缺陷信息，结合荧光图像可以对发光单元进行分选，具有检测精确度高的特点，同时从荧光光谱还能获取半导体样品发光单元的峰值波长、主波长、光谱半高宽、积分光强、峰强度、弛豫时间等信息，有利于进行质量分析与工艺调整。
在优选的实施例中，所述半导体样品可以为Mini/Micro LED晶圆或第三代半导体样品外延，所述第一探测器可以为线阵扫描或面阵扫描相机。
在一些实施例中，所述第二光源2与所述第一分光镜3之间还设置有第一滤光片9。
所述第一滤光片9用于过滤所述第二光源2发出的高低频杂光，提高检测端对综合光信号的分割质量。
在一些实施例中，所述二向色镜5与所述第三光源4之间还依次设置有第一透镜10、针孔11、第二透镜12、第二分光镜13和光功率计14。
所述第三光源4发出的光束依次经过所述第二分光镜13、第二透镜12、针孔11以及所述第一透镜10，所述第二透镜12、针孔11以及所述第一透镜10用于对所述第三光源的光束进行整形和铝箔，提高光束质量，所述第二分光镜13用于将所述第三光源4发出的光束分为两束，一束被反射到达所述光功率计14，使所述光功率计14检测所述第三光源4的光束功率，便于及时调整第三光源光强保证检测质量。
在一些实施例中，所述散射光检测组件7包括第二探测器71和第二滤光片72，所述第二滤光片72用于阻断所述第一反射光、所述第二反射光和所述荧光，透过散射光，所述第二探测器71用于检测所述散射光形成的暗场图像。
所述散射光检测组件7主要用于检测所述半导体样品23表面的微小颗粒或凸起等外观缺陷，例如具有轮廓、边缘、边界和折射梯度的微缺陷等，所述第二滤光片72与所述第一光源1配合使用，使得所述第二滤光片72能够透过第一光源1与半导体样品23相互作用产生的散射光，并阻隔第二光源2、第三光源4与半导体样品23相互作用产生的第一反射光、第二反射光和荧光，确保第二探测器71只捕捉到散射暗场图像。
具体的，所述第二探测器71可以为线阵扫描或面阵扫描相机。
在一些实施例中，所述反射光检测组件8包括第三探测器81和第三滤光片82，所述第三滤光片82用于阻断所述散射光、所述荧光，透过所述第一反射光、所述第二反射光，所述第三探测器81用于检测所述第一反射光、所述第二反射光形成的明场图像。
所述反射光检测组件8主要用于检测所述半导体样品23表面的划伤、凹点等外观缺陷，所述第三滤光片82与所述第二光源2和第三光源4配合使用，使得所述第三滤光片82能够透过第二光源2、第三光源4与半导体样品23相互作用产生的第一反射光和第二反射光，并阻隔第一光源1与半导体样品23相互作用产生的散射光，第三光源4与半导体样品23相互作用产生的荧光，确保第三探测器81只捕捉到反射明场图像。
具体的，所述第三探测器81可以为线阵扫描或面阵扫描相机。
在一些实施例中，所述系统还包括光谱仪15，所述光谱仪15用于检测所述半导体样品23的区域荧光光谱。
所述光谱仪15可以检测视野整个区域的荧光光谱，适用于检测精度要求不需太高的检测场景。
在优选的实施例中，所述光谱仪15与所述第五分光镜18之间还设置有第三透镜24，所述第三透镜24用于对光束进行整形，提高光谱测试的质量。
在一些实施例中，所述系统还包括第三分光镜16、第四分光镜17和第五分光镜18，所述第三分光镜16用于将从所述半导体样品23辐射出的所述散射光、所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光分成两束，一束穿过所述第三分光镜16到达所述光致发光检测组件6，另一束被反射到达所述第四分光镜17；
所述第四分光镜17用于将从所述第三分光镜16反射过来的所述散射光、所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光分成两束，一束穿过所述第四分光镜17到达所述第五分光镜18，另一束被反射到达所述反射光检测组件7；
所述第五分光镜18用于将从所述第四分光镜17穿透过来的所述散射光、所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光分成两束，一束穿过所述第五分光镜18到达所述光谱仪15，另一束被反射到达所述散射光检测组件8。
从半导体样品23辐射出的包括第一反射光、散射光、荧光以及第二反射光的综合光信号采用上述第三分光镜16、第四分光镜17、第五分光镜18进行多次分束，确保能够同时进行暗场成像、明场成像、光致发光成像、单个发光单元的光谱测试以及区域光谱测试，提高检测速度。
在一些实施例中，所述第三光源4为蓝紫光光源，所述第一光源1的波长比所述荧光的波长大100nm及以上，所述第二光源2的波长比所述第一光源1的波长大40nm及以上。
具体的，本系统涉及到的光信号波长排序如下：第一反射光＞散射光＞荧光＞第二反射光，其中，所述第二反射光为第三光源4入射到所述半导体样品表面反射的光信号。所述第三光源4为蓝紫光光源，所述第一光源1的波长比所述荧光的波长大100nm及以上，所述第二光源2的波长比所述第一光源1的波长大40nm及以上，确保上述综合光信号的分割、滤波质量，提高检测精确度。
在一些实施例中，所述系统还包括显微物镜19和显微透镜20，所述显微物镜19设置于所述第一光源1上，所述显微透镜20设置于所述二向色镜5与所述第三分光镜16之间。
在一些实施例中，所述系统还包括XYRZ平台21以及设置于所述XYRZ平台21上的陶瓷真空吸附平台22，所述XYRZ平台21用于移动所述半导体样品23，所述陶瓷真空吸附平台22用于吸附所述半导体样品23。
所述XYRZ平台21可满足半导体样品的自对焦、成像区域移动、样品位置微调等机械移动需求。所述陶瓷真空吸附平台22用于吸附所述半导体样品23，保证半导体样品23的稳定性，其下方具有恒温系统以保证光谱测试结果的准确性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于半导体缺陷检测的系统，其特征在于，包括：
第一光源，用于照射所述半导体样品以形成散射光；
第二光源，用于照射所述半导体样品以形成第一反射光；
第一分光镜，位于所述第二光源的光路上，用于改变所述第二光源的光路方向以使所述第二光源的光路沿所述半导体样品方向行进；
第三光源，用于照射所述半导体样品以形成第二反射光，并且使所述半导体样品光致发光形成荧光；
二向色镜，位于所述第三光源的光路上，用于改变所述第三光源的光路方向以使所述第三光源的光路沿所述半导体样品方向行进；
光致发光检测组件，包括滤波器或衍射光学元件套组，第一探测器，所述滤波器或者衍射光学元件套组用于阻断所述散射光、所述第一反射光以及所述第二反射光，透过所述荧光，所述第一探测器用于检测所述半导体样品上单个发光单元的荧光光谱以及荧光图像；
散射光检测组件，用于阻断所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光，透过所述散射光，并且检测所述散射光的图像；
反射光检测组件，用于阻断所述散射光、所述荧光，透过所述第一反射光、第二反射光，并且检测所述第一反射光和所述第二反射光的图像。
2.根据权利要求1所述的用于半导体缺陷检测的系统，其特征在于，所述第二光源与所述第一分光镜之间还设置有第一滤光片。
3.根据权利要求1所述的用于半导体缺陷检测的系统，其特征在于，所述二向色镜与所述第三光源之间还依次设置有第一透镜、针孔、第二透镜、第二分光镜和光功率计。
4.根据权利要求1所述的用于半导体缺陷检测的系统，其特征在于，所述散射光检测组件包括第二探测器和第二滤光片，所述第二滤光片用于阻断所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光，透过所述散射光，所述第二探测器用于检测所述散射光形成的暗场图像。
5.根据权利要求1所述的用于半导体缺陷检测的系统，其特征在于，所述反射光检测组件包括第三探测器和第三滤光片，所述第三滤光片用于阻断所述散射光、所述荧光，透过所述第一反射光和第二反射光，所述第三探测器用于检测所述第一反射光和所述第二反射光形成的明场图像。
6.根据权利要求1所述的用于半导体缺陷检测的系统，其特征在于，还包括光谱仪，所述光谱仪用于检测所述半导体样品的区域荧光光谱。
7.根据权利要求6所述的用于半导体缺陷检测的系统，还包括第三分光镜、第四分光镜和第五分光镜，所述第三分光镜用于将从所述半导体样品辐射出的所述散射光、所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光分成两束，一束穿过所述第三分光镜到达所述光致发光检测组件，另一束被反射到达所述第四分光镜；
所述第四分光镜用于将从所述第三分光镜反射过来的所述散射光、所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光分成两束，一束穿过所述第四分光镜到达所述第五分光镜，另一束被反射到达所述散射光检测组件；
所述第五分光镜用于将从所述第四分光镜穿透过来的所述散射光、所述第一反射光、所述第二反射光以及所述荧光分成两束，一束穿过所述第五分光镜到达所述光谱仪，另一束被反射到达所述反射光检测组件。
8.根据权利要求1所述的用于半导体缺陷检测的系统，其特征在于，所述第三光源为蓝紫光光源，所述第一光源的波长比所述荧光的波长大100nm及以上，所述第二光源的波长比所述第一光源的波长大40nm及以上。
9.根据权利要求1所述的用于半导体缺陷检测的系统，其特征在于，还包括显微物镜和显微透镜，所述显微物镜设置于所述第一光源上，所述显微透镜设置于所述二向色镜与所述第三分光镜之间。
10.根据权利要求1所述的用于半导体缺陷检测的系统，其特征在于，还包括XYRZ平台以及设置于所述XYRZ平台上的陶瓷真空吸附平台，所述XYRZ平台用于移动所述半导体样品，所述陶瓷真空吸附平台用于吸附所述半导体样品。
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