CN114778563A - 高速线扫描激光暗场散射晶圆表面缺陷检测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高速线扫描激光暗场散射晶圆表面缺陷检测装置及其方法，激光器发出的一束光改变其偏振态后入射到线阵扫描器件上，线阵扫描器件将准直入射光转变成线光束；聚焦镜头将线光束聚焦到晶圆表面上并将线光束转变为扫描激光束，聚焦激光点在晶圆表面上进行线扫描；表面反射后的光束沿反射角被反射光收集器吸收；产生的散射光进入到散射光收集装置中，散射光收集装置内壁涂有高反层，多次反射后非常均匀地分布在收集器内部然后被光电倍增管接收转化为电信号。本发明能够实现对晶圆表面缺陷的快速检测，提高了检测精度和灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，涉及一种激光暗场检测方法，尤其涉及一种高速线扫描晶圆表面微纳缺陷检测方法。
背景技术
晶圆指半导体电路制作中用到的硅晶片，可在晶圆上蚀刻出各种电子器件电路，是半导体电路制造过程中十分重要的中间产物。大规模集成电路不断缩小的关键尺寸给半导体晶圆制造带来挑战，其中晶圆表面微纳缺陷(如划痕、麻点、颗粒物等)已成为影响元件性能的重要瓶颈。现如今芯片先进制程工艺已达到纳米量级，因此通过晶圆检测来监控工艺减少产量损失提高良率就变得越发重要起来。
目前对晶圆表面的微纳缺陷进行高速检测方面缺乏有效的方法，晶圆表面缺陷检测目前主要通过扫描电子显微镜(SEM)及自动光学检测系统(AOI)检测。
扫描电子显微镜(SEM)通过汇聚能量极高的极窄电子束轰击被测样品表面，通过逐点采集扫描光束与物质间的相互作用产生的微粒，从中获取各种物理信息。最终通过将信息进行发大、扩充、再成像以达到获取被测样品表面的3D形貌信息，检测精度高，能达到纳米级，但由于其价格昂贵、检测速度较慢、效率低下，很难满足实际工厂中的在线检测需求。
自动光学检测(AOI)基于光学原理，主要方式就是通过设计照明系统对被测目标进行照明，可分为明场、暗场、透射场等成像方式。利用成像系统对被测物体进行成像，同时将搜集到的被测物体光学信息利用传感器传导，并转化为数字信号最终交由计算机系统进行后续处理。其优势是：1.速度快。通常在几秒内能完成一次成像；2.灵活度高，成本低。4.吞吐量大。由于成像速度快，视场范围大，能满足工业生产中实时性要求。但由于其成像分辨率较低，检出缺陷特征不明显。
因此目前急需设计一种高速检测出晶圆表面微纳缺陷的方法，以便克服上述检测方法中存在的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高速线扫描激光暗场散射晶圆表面微纳缺陷检测方法，能够实现对晶圆表面缺陷的快速检测，提高检测精度和灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
高速线扫描激光暗场散射晶圆表面缺陷检测装置包括：
激光器，用以发射激光束，所述激光器后方设有半波片；
扩束镜，所述扩束镜设在半波片后方，所述扩束镜与激光器之间设有第一反射镜和第二反射镜，所述扩束镜后设有平顶光束整形器，所述平顶光束整形器后方设有变形棱镜组；
线阵扫描器件，所述线阵扫描器件设在变形棱镜组后方，所述线阵扫描器件与变形棱镜组之间设有第三反射镜，所述线阵扫描器件后方设有光电二极管；
聚焦镜头，所述聚焦镜头设在线阵扫描器件后方，聚焦镜头将线光束转变为扫描激光束，汇聚到被测晶圆表面上；
反射光收集器，所述反射光收集器设在被测晶圆后方；
散射光收集器，设置于被测晶圆表面上方，位于聚焦镜头及反射光收集器之间，为中空结构，散射光收集器底部和上方设有缺口，所述散射光收集器底部缺口中心正对激光束汇聚的被测晶圆表面位置的正上方，所述散射光收集器内设有散射光挡板，所述散射光挡板位于散射光收集器上方缺口的正下方，所述散射光收集器上方缺口设有光电倍增管，所述光电倍增管底部管口设有滤光片；
其中，后方均指激光束照射的方向。
本发明的进一步技术：
优选的，所述散射光收集器下方设有晶圆移动装置，控制晶圆在X和Y方向上移动。
优选的，所述线阵扫描器件为多面体棱镜或声光调制器或数字微镜扫描器。
优选的，所述散射光收集器上方缺口为圆形开口，下方缺口为矩形开口，矩形开口的长度长于扫描长度。
优选的，所述线阵扫描器件的转动轴处于聚焦镜头的后焦面上。
本发明还提供一种高速线扫描激光暗场散射晶圆表面缺陷检测方法：
激光光源发出一束指定波长的光，半波片调整光的偏振态，随后第一反射镜、第二反射镜改变光路的传播方向，使其进入到扩束镜中；
扩束镜扩大光束的直径，平顶光束整形器将激光束发出的高斯型光束整形成平顶型，以使光束能量在光板范围内均匀，即对表面缺陷的响应均匀，随后变形棱镜组将激光发射的圆形光束整形成椭圆，经第三反射镜调整激光束后入射到线阵扫描器件上；
线阵扫描器件在驱动电路作用下高速旋转用以将准直入射光转变成线光束，聚焦镜头将线光束聚焦到晶圆表面上并将线光束转变为扫描激光束，聚焦激光点在晶圆表面上进行线扫描；
散射光收集器设置在被测晶圆表面上方，位于聚焦镜头和反射光收集器中间，产生的散射光进入到散射光收集器中，散射光收集装置为中空结构，散射光收集器在底部和上方设有缺口，其内壁涂有高反层，多次反射后非常均匀地分布在收集器内部然后经过散射光挡板和滤光片后被光电倍增管接收转化为电信号，产生的光电信号对应表面散射；
表面反射后的光束沿反射角被反射光收集器吸收；
晶圆表面存在缺陷，则入射的光束除反射外，还在表面发生散射，散射光中的大部分将进入被测表面上方的散射光收集器。
晶圆移动装置根据光电二极管产生的行触发信号控制晶圆在X和Y方向上移动，对晶圆表面进行全部扫描。本发明的有益效果在于：本发明提出的高速线扫描激光暗场散射晶圆表面微纳缺陷检测方法，可提高检测灵敏度、精确度、及检测速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1为本发明高速线扫描激光暗场散射晶圆表面微纳缺陷检测方法的光学示意图。
图2为本发明线阵扫描器件和聚焦镜头的工作原理。
图3为本发明光斑在晶圆表面的扫描策略。
图中标号：1激光器、2半波片、3第一反射镜、4功率探测器、5第二反射镜、6扩束镜、7平顶光束整形器、8变形棱镜组、9第三反射镜、10线阵扫描器件、11聚焦镜头、12散射光收集器、13光电倍增管、14滤光片、15散射光挡板、16反射光收集器、17晶圆移动装置、18光电二极管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
本实施例中高速线扫描激光暗场散射晶圆表面微纳缺陷检测装置的光学示意图如图1-2所示，包括
激光器1，用以发射激光束；
半波片2，用以调整激光束的偏振态；
第一反射镜3、第二反射镜5，用以调整改变偏振态后的激光束的位置，使其进入到扩束镜6；
功率探测器4，用以探测输出的光功率；
扩束镜6，用以改变激光光束的直径；
平顶光束整形器7，用以将激光束发出的高斯型光束整形成平顶型，以使光束能量在光板范围内均匀，即对表面缺陷的响应均匀；
变形棱镜组8，用以将激光发射的圆形光束整形成椭圆，该椭圆光束斜入射至晶圆表面后，会恢复到圆形；
第三反射镜9，用以调整变形棱镜组8整形后的激光束，使其进入线阵扫描器件10；
线阵扫描器件10，用以将准直入射光转变成线光束；
光电二极管18，用以产生触发每一行扫描开始的信号。当进行一行的扫描时，光电二极管18会将光信号转换成电信号；
聚焦镜头11，用以将线光束转变为扫描激光束，汇聚到晶圆表面上；
散射光收集器12，设置于被测晶圆表面上方，位于聚焦镜头11及反射光收集器16之间，为中空结构，用以收集散射光，散射光收集器12底部和上方设有缺口；
散射光挡板15，用以防止来自于大缺陷的直接散射光入射到光电倍增管上，导致光电倍增管饱和，挡板可以让直接散射光在收集器中充分混合均匀；
滤光片14，滤除指定波长外的杂光，提高检测精度；
光电倍增管13，设在散射光收集器12上方的缺口处，用于收集散射光的强度；
反射光收集器16，用以收集从被测表面反射后的反射光；
如果晶圆表面存在缺陷，则入射的光束除反射外，还会在表面发生散射，散射光中的大部分将进入被测表面上方的散射光收集器12，散射光收集器12内壁涂有高反层，可使散射光经多次反射后进入到积分球集光器上的光电倍增管13，产生的光电信号对应表面散射，因此可以检测表面缺陷；
经表面反射后的反射光束将被一个开有狭缝的腔体接收，该腔体为反射光收集器16，腔体内壁对反射光有较强吸收。
晶圆移动装置17，用以控制晶圆在X和Y方向上移动；
驱动电路，用以控制线阵扫描器件10旋转；
如图3，光斑在晶圆表面的扫描策略：为了全覆盖晶圆表面，不漏检，光斑和光斑之间需要有重合部分，重合面积与光斑尺寸有关。
本实施例中激光器1发出的一束光改变其偏振态后入射到线阵扫描器件10上，线阵扫描器件10将准直入射光转变成线光束；聚焦镜头11将线光束聚焦到晶圆表面上并将线光束转变为扫描激光束，聚焦激光点在晶圆表面上进行线扫描；表面反射后的光束沿反射角被反射光收集器16吸收；产生的散射光进入到散射光收集装置中，散射光收集装置内壁涂有高反层，多次反射后非常均匀地分布在收集器内部然后被光电倍增管13接收转化为电信号。若晶圆表面存在缺陷，可以在电脑上观察到明显的散射光脉冲信号，根据散射光的脉冲强度就可以判断晶圆表面缺陷的位置。
本实施例中高速线扫描激光暗场散射晶圆表面微纳缺陷检测方法是按如下步骤进行：
步骤1、激光光源1发出一束指定波长的光，半波片2调整光的偏振态，随后第一反射镜3、第二反射镜5改变光路的传播方向，使其进入到扩束镜6中；
步骤2、功率探测器记录改变偏振态后光束的功率；
步骤3、扩束镜6扩大光束的直径，平顶光束整形器7将激光束发出的高斯型光束整形成平顶型，以使光束能量在光板范围内均匀，即对表面缺陷的响应均匀，随后变形棱镜组8将激光发射的圆形光束整形成椭圆，经第三反射镜9调整激光束后入射到线阵扫描器件10上；
步骤4、线阵扫描器件10在驱动电路作用下高速旋转用以将准直入射光转变成线光束，聚焦镜头11将线光束聚焦到晶圆表面上并将线光束转变为扫描激光束，聚焦激光点在晶圆表面上进行线扫描；
步骤5、散射光收集器12设置在被测晶圆表面上方，位于聚焦镜头和反射光收集器中间，产生的散射光进入到散射光收集器12中，散射光收集装置为中空结构，散射光收集器在底部和上方设有缺口，其内壁涂有高反层，多次反射后非常均匀地分布在收集器内部然后经过散射光挡板15和滤光片14后被光电倍增管13接收转化为电信号。产生的光电信号对应表面散射。
表面反射后的光束沿反射角被反射光收集器16吸收；
如果晶圆表面存在缺陷，则入射的光束除反射外，还在表面发生散射，散射光中的大部分将进入被测表面上方的散射光收集器。
步骤6、晶圆移动装置17根据光电二极管18产生的行触发信号控制晶圆在X和Y方向上移动，对晶圆表面进行全部扫描。
在本发明中，除非有明确的规定和限定，特征之间相互交错，不一定独立存在。以上显示与描述包括本发明的基本原理、主要特征及其优点。从事该专业的技术人员需知，本发明不局限于上述实施例的限制，上述的实施例与说明书仅为本发明的优选例，而不是用来限制本发明，以成为唯一选择。在发明的精神和范围要求下，本发明还可进一步变化并优化，对本发明进行的改进优化都进入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护具体范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.高速线扫描激光暗场散射晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，包括：
激光器，用以发射激光束，所述激光器后方设有半波片；
扩束镜，所述扩束镜设在半波片后方，所述扩束镜与激光器之间设有第一反射镜和第二反射镜，所述扩束镜后设有平顶光束整形器，所述平顶光束整形器后方设有变形棱镜组；
线阵扫描器件，所述线阵扫描器件设在变形棱镜组后方，所述线阵扫描器件与变形棱镜组之间设有第三反射镜，所述线阵扫描器件后方设有光电二极管；
聚焦镜头，所述聚焦镜头设在线阵扫描器件后方，聚焦镜头将线光束转变为扫描激光束，汇聚到被测晶圆表面上；
反射光收集器，所述反射光收集器设在被测晶圆后方；
散射光收集器，设置于被测晶圆表面上方，位于聚焦镜头及反射光收集器之间，为中空结构，散射光收集器底部和上方设有缺口，所述散射光收集器底部缺口中心正对激光束汇聚的被测晶圆表面位置的正上方，所述散射光收集器内设有散射光挡板，所述散射光挡板位于散射光收集器上方缺口的正下方，所述散射光收集器上方缺口设有光电倍增管，所述光电倍增管底部管口设有滤光片；
其中，后方均指激光束照射的方向。
2.根据权利要求1所述的高速线扫描激光暗场散射晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述散射光收集器下方设有晶圆移动装置，控制晶圆在X和Y方向上移动。
3.根据权利要求1所述的高速线扫描激光暗场散射晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述线阵扫描器件为多面体棱镜或声光调制器或数字微镜扫描器。
4.根据权利要求1所述的高速线扫描激光暗场散射晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述散射光收集器上方缺口为圆形开口，下方缺口为矩形开口，矩形开口的长度长于扫描长度。
5.根据权利要求1所述的高速线扫描激光暗场散射晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述线阵扫描器件的转动轴处于聚焦镜头的后焦面上。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的高速线扫描激光暗场散射晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，检测方法为：
激光光源发出一束指定波长的光，半波片调整光的偏振态，随后第一反射镜、第二反射镜改变光路的传播方向，使其进入到扩束镜中；
扩束镜扩大光束的直径，平顶光束整形器将激光束发出的高斯型光束整形成平顶型，以使光束能量在光板范围内均匀，即对表面缺陷的响应均匀，随后变形棱镜组将激光发射的圆形光束整形成椭圆，经第三反射镜调整激光束后入射到线阵扫描器件上；
线阵扫描器件在驱动电路作用下高速旋转用以将准直入射光转变成线光束，聚焦镜头将线光束聚焦到晶圆表面上并将线光束转变为扫描激光束，聚焦激光点在晶圆表面上进行线扫描；
散射光收集器设置在被测晶圆表面上方，位于聚焦镜头和反射光收集器中间，产生的散射光进入到散射光收集器中，散射光收集装置为中空结构，散射光收集器在底部和上方设有缺口，其内壁涂有高反层，多次反射后非常均匀地分布在收集器内部然后经过散射光挡板和滤光片后被光电倍增管接收转化为电信号，产生的光电信号对应表面散射；
表面反射后的光束沿反射角被反射光收集器吸收；
晶圆表面存在缺陷，则入射的光束除反射外，还在表面发生散射，散射光中的大部分将进入被测表面上方的散射光收集器。
晶圆移动装置根据光电二极管产生的行触发信号控制晶圆在X和Y方向上移动，对晶圆表面进行全部扫描。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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