CN115598129A - 一种晶圆缺陷检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶圆缺陷检测系统，包括第一光源和第二光源，第一光源通过调制器和第一聚光装置将光束射入产品，第二聚光装置接收第一光源反射的反射光束并聚焦，同时通过偏振分光镜分散的光束由第一探测器和第二探测器接收，第二光源通过第四聚光装置聚焦后，依次由第三聚光装置将第一光源的散射光束和第二光源的透射光束和散射光束依次通过可变光阑和光谱分束器射入阵列探测器；第一探测器、第二探测器和阵列探测器的输出端与控制器的输入端相连，所述控制器的输出端外接至计算机。本发明同时获得缺陷的散射、荧光、反射、透射光学信号，尤其是对于微管缺陷，可提高缺陷的检出率与可靠性。

Description

一种晶圆缺陷检测系统

技术领域

本发明涉及晶圆检测领域，尤其涉及一种晶圆缺陷检测系统。

背景技术

为保证半导体工艺良率的同时不断提升的工艺节点的对半导体制造技术的要求越来越高，同时对半导体制造中缺陷的数量和种类的容忍度越来越低。因此对缺陷检测设备的要求不断提高。不仅需要对微小颗粒(particle)、划痕(scratch)、凸起(bump)、凹坑(pits)、微管(microtube)和基面错位(basal plane dislocation)进行检出等，还需要对检出缺陷进行分类，统计缺陷数量以及计算缺陷在晶圆上的位置坐标，为方便于工艺工程师对缺陷来源进行推断和排查。

专利1：用于样本的缺陷检测及光致发光测量的系统及方法(CN105493258B)给出了一种照明系统，该照明系统的构成主要包括斜入射光源，法向入射光源，发出的光束沿着样品表面斜入射到样品表面、样品台、一组收集光学器件、滤波器子系统、检测子系统、控制器。斜入射光源发出的光束沿着样品表面斜入射到样品表面，被样品上的缺陷散射后由收集光学器件收集，通过滤波器达到检测子系统。法向入射光源发出的光束垂直入射到样品表面，引起样品缺陷的光致发光，由收集光学器件收集，通过滤波器达到检测子系统，由检测系统的一个或者多个传感器探测。

专利2：Defect classifying method and inspection apparatus(US20150168311A1)中公开了一种缺陷检测装置和分类方法，采用一种入射光源照射样品，样品上缺陷的散射光被二向色镜分成两束后两个探测器探测。

采用专利1的方案，系统的检测方法为散射和光致发光，可对凹坑、凸起等缺陷进行检出，但是不能准确的分类；专利2采用的二向色镜和滤波器，不仅造成探测到信号的损失，而且会在目标信号中混入干扰信号，影响系统的信噪比。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种晶圆缺陷检测系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种晶圆缺陷检测系统，包括第一光源和第二光源，

调制器，用于将第一光源形成具有一定偏振状态的光束；

第一聚光装置，用于将调制器射出的光束聚焦后射入至晶圆的表面上，并由晶圆的上表面产生反射光束和散射光束；

第二聚光装置，用于接收第一光源反射的反射光束并聚焦；

偏振分光镜，将第一光源经晶圆反射的反射光束聚焦的光束分成两个光束；

第一探测器，用于探测偏振分光镜分成的一光束的信号；

第二探测器，用于探测偏振分光镜分成的另一光束的信号；

第四聚光装置，将第二光源聚焦，同时将第二光源聚焦后的光束从晶圆的背后射入，聚焦后的第二光源在通过晶圆后形成透射光束和散射光束；

第三聚光装置，用于将第一光源的散射光束以及第二光源的透射光束和散射光束聚焦，第一光源的散射光束和第二光源的透射光束和散射光束依次通过第三聚光装置、可变光阑和光谱分束器射入阵列探测器；

运动平台，用于驱动晶圆按照规划的路线扫描运动直至第一光源和第二光源的聚焦光斑完全扫描晶圆全部区域；

控制器，用于处理第一探测器、第二探测器和阵列探测器获得信号并且将信号传输给计算机，生成晶圆的图像，所述第一探测器、第二探测器和阵列探测器的输出端与控制器的输入端相连，所述控制器的输出端外接至计算机。

优选地，所述的一种晶圆缺陷检测系统，通过所述调制器将第一光源输出光束的偏振状态调制成偏振方向的线偏振光，或者椭圆偏振光。

优选地，所述的一种晶圆缺陷检测系统，经所述调制器和第一聚光装置聚焦后斜入射至晶圆的表面，聚焦后在晶圆表面形成的光斑≤20μm*20μm，且斜入射的角度≥65°

优选地，所述的一种晶圆缺陷检测系统，所述第二光源通过第四聚光装置聚焦后背向入射到晶圆表面，聚焦后在晶圆表面形成的光斑≤20μm*20μm，入射的角度≤2°。

优选地，所述的一种晶圆缺陷检测系统，所述第一探测器和第二探测器分别探测由偏振分光镜产生的两束偏振状态互相垂直的线偏振光。

优选地，所述的一种晶圆缺陷检测系统，其特征在于：所述第三聚光装置同时收集第一光源入射到晶圆产生的散射光束、第二光源入射到产生散射光束和透射光束，所述第三聚光装置为分束器，分束器的孔径≥0.4μm。

优选地，所述的一种晶圆缺陷检测系统，所述可变光阑包括圆形、环形、二极-X和二极-Y四种光阑。

优选地，所述的一种晶圆缺陷检测系统，所述动平台采用直线扫描，或者采用螺旋线扫描的平台。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、本发明能同时获得缺陷的散射、荧光、反射、透射光学信号，丰富了缺陷的检测方式，尤其是对于微管缺陷，本发明采用透射光进行检测，可提高缺陷的检出率与可靠性。

2、本发明采用光谱分光器件代替二向色分光器件+滤光片，获得信噪比更高的信号，提高了系统的信噪比和灵敏度。

3、本发明采用一个线阵探测器代替多个探测器，不仅降低了成本，而且使结构更加紧凑，减小了尺寸。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2-1是本发明的可变光阑中圆形光阑示意图；

图2-2是本发明的可变光阑中环形光阑示意图；

图2-3是本发明的可变光阑中二极光阑-X示意图；

图2-4是本发明的可变光阑中二极光阑-Y示意图；

图3是本发明晶圆不同缺陷时阵列探测器获得的光谱曲线；

图4-1是本发明的光斑在硅片上的XY直线运动轨迹示意图；

图4-2是本发明的光斑在硅片上直线旋转组合的螺旋形轨迹示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或竖直，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例

如图1所示，第一光源1发出的光束通过调制器2形成具有一定偏振状态的光束，调制器2可改变第一光源的偏振状态，形成方向可调节的线偏振光，比如X偏振光、Y偏振光，还能够形成椭圆偏振光，具有一定偏振状态的偏振光束经过第一聚光装置3聚焦后斜入射入射角接近(布儒斯特角)到晶圆14表面产生反射光束和散射光束，反射光束通过第二聚光装置4、偏振分光镜5后形成两个光束，分别被第一探测器6和第二探测器7探测，散射光束依次通过第三聚光装置10、可变光阑11、光谱分束器12后被阵列探测器13探测；第二光源8通过第四聚光装置9聚焦后背向入射到晶圆14后，透射光束和散射光束同时被第三聚光装置10收集后依次通过可变光阑11、光谱分束器12后被阵列探测器13探测；通过表面产生反射光束和散射光束，反射光束通过第二透镜4、偏振分光镜5后形成两个光束，分别被第一探测器6和第二探测器7探测，散射光束依次通过第三透镜10、可变光阑11、光谱分束器12后被阵列探测器13探测。运动平台15驱动晶圆14按照规划的路线扫描运动直至第一光源1、第二光源8的聚焦光斑完全扫描晶圆14全部区域。控制器处理第一探测器6、第二探测器7和阵列探测器获得信号并且将信号传输给计算机，生成晶圆14的图像。

第一光源1包含但不限于LED光源、半导体激光器、固体激光器和气体激光器、连续性激光器、脉冲激光器。第一光源1的输出光束为单色、线偏振光束。第一光源1输出光束用于产生晶圆缺陷的散射光和反射光，微小颗粒的探测遵守瑞利散射公式，瑞利散射强度与入射光的波长的4次方成反比例关系，因此第一光源4优先采用的光波长为紫外波段。

调制器2是一种采用双折射效应的相位调制器，包括但不限于液晶调制器、双折射晶体型调制器。第一光源1经过调制器2后的光束的偏振方向发生改变，改变调制器2的调制方向或者相位延迟量大小，就可以产生X偏振或者Y偏振光束，或者椭圆偏振光。

第一聚光装置3包含但不限于反射式光学系统、透射式光学系统、折射反射混合式光学系统。第一聚光装置3将光束聚焦于晶圆14表面，入射角≥65°聚焦后在晶圆14表面形成的光斑≤20μm*20μm。

第二聚光装置4包含但不限于反射式光学系统、透射式光学系统、折射反射混合式光学系统。第二聚光装置4的孔径大于第一聚光装置3的孔径，反射光束可以完全被第二聚光装置4接收。

偏振分光镜5包含但不限于基于双折射效应的分光棱镜，比如沃拉斯顿棱镜和采用偏振膜的分光棱镜，偏振分光镜5将光束分成P光和S光束(S偏振光和P偏振光)分别被第一探测器6和第二探测器7探测，探测光强分别为Ip和Is，根据菲尼尔公式，可以用Ip/Is值来表征类薄膜缺陷，比如油膜。

第一探测器6和第二探测器7包含但不限于光电倍增管、光电二极管、光电池、单区域型探测器、多区域型探测器。第一探测器6和第二探测器7的探测波长范围覆盖第一光源1的输出光束波长。

第二光源8包含但不限于LED光源、半导体激光器、固体激光器和气体激光器、连续性激光器、脉冲激光器。第二光源8的输出光束为单色、线偏振光束。第二光源8输出光束用于产生晶圆缺陷的荧光和透射光，第二光源8的波长小于第一光源1的波长。

第三聚光装置9包含但不限于反射式光学系统、透射式光学系统、折射反射混合式光学系统。第三聚光装置9将光束聚焦于晶圆14内部，入射角≤2°聚焦后在晶圆14内部形成的光斑≤20μm*20μm。

第四聚光装置10包含但不限于反射式光学系统、透射式光学系统、折射反射混合式光学系统。第四聚光装置10同时收集第一光源1和第二光源8入射到晶圆缺陷产生的散射光、荧光和透射光。第四聚光装置10的孔径≥0.4μm。

如图2-1至2-4所示，可变光阑11包含但不限于圆形光阑，见图2-1，环形光阑，见图2-2，二极光阑-X，见图2-3，二极光阑-Y，见图2-4。对于不同种类缺陷配置可变光阑11中不同的光阑，比如对于微管，配置可变光阑11为圆形光阑；对于层错缺陷配置可变光阑11为环形光阑。

光谱分束器12的作用是将不同波长的光分开至不同的空间位置，包含但不限于基于色散原理分光的棱镜、基于衍射原理的光栅。光谱分束器12将不同的波长分开，由阵列探测器13探测，不同波长的光束对应于不同的缺陷信号，如图3所示，31为散射信号光谱曲线，用于检测颗粒、划痕、凹坑、凸起等缺陷，32为可见光波段荧光信号光谱曲线，用于裂纹等缺陷，33紫外波段荧光信号光谱曲线，用于检测层错缺陷等，34为透射光谱曲线，用于检测微管缺陷等。

阵列探测器13包含但不限于线阵探测器、面阵探测器、PMT探测器，光电二极管阵列探测器，阵列探测器13接收光谱分光器12分光后的光束，将光信号转换为电信号，送至控制器16处理。

控制器16用于处理探测器6，探测器7和阵列探测器13的电信号，功能包含但不限于模拟信号转换为数字信号、高速采样、数字信号转换为模拟信号、通讯、数据处理、数据传输及存储功能。

运动平台15包含但不限于多轴直线运动平台，旋转运动平台，直线运动平台和旋转平台的组合，运动平台15驱动晶圆14运动，光斑在晶圆14上的轨迹包含但不限于图4-1所示的XY直线运动轨迹和4-2所示的直线旋转组合的螺旋形轨迹。

本发明中所述光谱分束器12为采用光学色散或者光学衍射原理的光学器件，能够将不同波长的光聚焦在阵列探测器13的不同探测单元上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种晶圆缺陷检测系统，包括第一光源(1)和第二光源(8)，其特征在于：

调制器(2)，用于将第一光源(1)形成具有一定偏振状态的光束；

第一聚光装置(3)，用于将调制器(2)射出的光束聚焦后射入至晶圆(14)的表面上，并由晶圆(14)的上表面产生反射光束和散射光束；

第二聚光装置(4)，用于接收第一光源(1)反射的反射光束并聚焦；

偏振分光镜(5)，将第一光源(1)经晶圆(14)反射的反射光束聚焦的光束分成两个光束；

第一探测器(6)，用于探测偏振分光镜(5)分成的一光束的信号；

第二探测器(7)，用于探测偏振分光镜(5)分成的另一光束的信号；

第四聚光装置(9)，将第二光源(8)聚焦，同时将第二光源(8)聚焦后的光束从晶圆(14)的背后射入，聚焦后的第二光源(8)在通过晶圆(14)后形成透射光束和散射光束；

第三聚光装置(10)，用于将第一光源的散射光束以及第二光源(8)的透射光束和散射光束聚焦，第一光源的散射光束和第二光源(8)的透射光束和散射光束依次通过第三聚光装置(10)、可变光阑(11)和光谱分束器(12)射入阵列探测器(13)；

运动平台(15)，用于驱动晶圆(14)按照规划的路线扫描运动直至第一光源(1)和第二光源(8)的聚焦光斑完全扫描晶圆(14)全部区域；

控制器(16)，用于处理第一探测器(6)、第二探测器(7)和阵列探测器(13)获得信号并且将信号传输给计算机，生成晶圆(14)的图像，所述第一探测器(6)、第二探测器(7)和阵列探测器(13)的输出端与控制器(16)的输入端相连，所述控制器(16)的输出端外接至计算机。

2.根据权利要求1所述的一种晶圆缺陷检测系统，其特征在于：通过所述调制器(2)将第一光源(1)输出光束的偏振状态调制成偏振方向的线偏振光，或者椭圆偏振光。

3.根据权利要求1所述的一种晶圆缺陷检测系统，其特征在于：经所述调制器(2)和第一聚光装置(3)聚焦后斜入射至晶圆(14)的表面，聚焦后在晶圆(14)表面形成的光斑≤20μm*20μm，且斜入射的角度≥65°

4.根据权利要求1所述的一种晶圆缺陷检测系统，其特征在于：所述第二光源(8)通过第四聚光装置(9)聚焦后背向入射到晶圆(14)表面，聚焦后在晶圆(14)表面形成的光斑≤20μm*20μm，入射的角度≤2°。

5.根据权利要求1所述的一种晶圆缺陷检测系统，其特征在于：所述第一探测器(6)和第二探测器(7)分别探测由偏振分光镜(5)产生的两束偏振状态互相垂直的线偏振光。

6.根据权利要求1所述的一种晶圆缺陷检测系统，其特征在于：所述第三聚光装置(10)同时收集第一光源(1)入射到晶圆(14)产生的散射光束、第二光源(8)入射到(14)产生散射光束和透射光束，所述第三聚光装置(10)为分束器，分束器的孔径≥0.4μm。

7.根据权利要求1所述的一种晶圆缺陷检测系统，其特征在于：所述可变光阑(11)包括圆形、环形、二极-X和二极-Y四种光阑。

8.根据权利要求1所述的一种晶圆缺陷检测系统，其特征在于：所述动平台(15)采用直线扫描，或者采用螺旋线扫描的平台。

Images