CN115839999A

CN115839999A - 一种超声波检测半导体硅环隐裂缺陷的方法及装置

Info

Publication number: CN115839999A
Application number: CN202211384000.7A
Authority: CN
Inventors: 李经明; 蔡桂喜; 唐明强; 张双楠; 刘芳; 杨慧宾
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2022-11-07
Filing date: 2022-11-07
Publication date: 2023-03-24

Abstract

一种超声波检测半导体硅环隐裂缺陷的方法及专用装置，具体为：选取水浸聚焦超声探头的压电晶片的尺寸为6～10mm，频率范围为1MHz～15MHz；计算超声波在水/硅界面折射出横波、表面波和爬波所需入射角；根据入射角的数值调节多组超声探头以不同倾斜角度发射超声波；超声波在半导体硅环表面发生折射，产生波形转换现象，不同入射角的超声波在半导体硅环中激励出的折射波按一定的传播路径在硅片中传播，当与缺陷相遇后会发生超声散射，散射中的反射波按原路径返回被超声探头接收到；超声探头将反射波信号转化为检测电信号并传输给超声波仪器，超声波仪器将结果信号上传给工控计算机，工控计算机中的成像软件将检测结果成像并显示整个半导体硅片的隐形缺陷分布信息。

Description

一种超声波检测半导体硅环隐裂缺陷的方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体领域非金属环状零部件宏观缺陷的无损检测技术，具体是一种利用多波形超声散射波检测部件各类裂纹缺陷的方法，检测对象为半导体领域非金属脆性零部件。

背景技术

集成电路(芯片)制造的核心材料包括硅、锗以及碳化硅、氮化镓等多种脆性半导体材料。这些材料除了作为晶圆使用以外，在刻蚀、氧化等核心制程中，还用来加工成不同规格的环状零部件，用于辅助完成晶圆的相应加工制程。此类零部件与晶圆处于同一环境，其纯度、晶型、尺寸精度、热物性以及原材料宏观缺陷等一些列指标的好坏会直接影响晶圆的良率。在众多可带入性问题中，裂纹是一种危害性很大的配件缺陷，因为配件裂纹的出现会极易造成腔内大面积颗粒沾污，导致晶圆整批报废。对于此问题，部件供应商通常使用单道或多道次人工检验方法进行排除。此种方法只适用于表面肉眼可见的裂纹检测，并且耗时费力且存在漏检风险，对于可能存在的隐性裂纹更是束手无策。

目前，针对脆性材料裂纹缺陷的检测方法主要分为两类：一类是有损检测方法，另一类是无损检测方法。

有损检测方法操作容易，工艺成熟，主要包括刻蚀法、截面显微法、锥度抛光法等。但有损检测方法存在如下问题：1.有损检测属于破坏性检测，会造成材料损失，增加生产成本。2.检测效率低，属于抽样检测，容易造成漏检。3.属于选择性检测，只能检测某一位置的缺陷，无法一次性对硅环整体缺陷分布情况进行表征。4.制样工序复杂，周期长，需要使用有毒腐蚀试剂，存在对操作人员身体安全造成损害的风险。

无损检测方法主要包括光学相干法、激光散射法、红外热成像法、机器视觉法、超声法等。光学相干法和激光散射法对工件表面粗糙度要求苛刻。红外热成像法需要对工件进行均匀加热，对加热方式要求较高。机器视觉法对光照条件和CCD相机分辨率有要求，有的需要喷洒荧光剂，并在暗室条件下进行拍摄取样，同时图像识别算法也相对复杂，可靠性差。相比之下，超声法具有检测区域广，缺陷显示直观，检测效率高，易实现自动化检测等优点，在半导体非金属部件缺陷检测中具有广阔的潜在应用前景。

发明内容

为解决类似半导体刻蚀环等采用硅、碳化硅等脆性材料的片状零件中的隐性裂纹缺陷难以检测的共性问题，本发明提供了一种超声波检测半导体硅环隐裂缺陷的方法及专用装置，利用倾斜入射多波形超声波的检测技术实现自动化高效检测。

本发明的技术方案如下：

一种超声波检测半导体硅环隐裂缺陷的方法，包括以下步骤：

1)选取水浸聚焦超声探头的压电晶片的尺寸范围为6～10mm，频率范围为1MHz～15MHz；计算出超声波在水/硅界面折射出横波、表面波和爬波所需的入射角；

2)根据不同波形的特定入射角的数值，调节多组超声探头以不同倾斜角度发射超声波；

3)超声波在半导体硅环表面发生散射，产生波形转换现象，不同入射角的超声波在半导体硅环中激励出的折射波，即横波、表面波、爬波；折射波按一定的传播路径在硅片中传播，当与裂纹缺陷相遇后会发生超声散射，散射中的反射波按原路径返回被超声探头接收到；超声探头将反射波信号转化为检测电信号，然后将检测电信号传输给超声波仪器，超声波仪器将结果信号上传给工控计算机，工控计算机中的成像软件将检测结果进行成像，并在显示器中显示整个半导体硅片的隐形缺陷分布信息。

步骤1)中，超声波在水/硅界面折射出横波、表面波和爬波所需入射角的计算方法为：

根据斯奈尔定律公式(1)，计算出超声波在水/硅界面折射出横波、表面波和爬波所需的入射角α。

其中α表示超声波由水中入射到硅环中的入射角，β表示超声波由水中入射到硅环中的折射角，C1表示超声波在水中的纵波速度，C2表示在硅片中的不同形式的超声波的传播速度。

步骤2)中，用角度调节器调节多组超声探头，以不同倾斜角度发射超声波。

步骤3)中，超声波在半导体硅环表面发生超声散射，产生波形转换现象，不同入射角的超声波可在半导体硅环工件中激励出三种波形的折射波，即横波、表面波、爬波。横波用于检测出硅环上下面表面的开口性裂纹和贯穿性裂纹；表面波用于检测硅环表面深度较浅的裂纹缺陷；爬波用于检测硅环浅表面未开口的隐性裂纹缺陷。

折射波按一定的传播路径在硅片中传播，当与裂纹缺陷相遇后会发生超声散射，散射中的反射波按各自原路径返回被超声探头接收到。超声探头将反射波信号转化为电信号，然后将电信号传输给超声波仪器，超声波仪器将结果数据上传给工控计算机。

工控计算机将上传的检测数据进行后处理，后处理过程如下：

一、进行均值滤波，消除检测数据中的噪声成分；

二、仪器数据采集模块提取检测数据中的有效的裂纹信号，并填入幅值矩阵A，同时记录对应的位置参数i；

三、按照公式(2)创建空白图像零矩阵S；

四、按照公式(3)和公式(4)计算得到环形成像的像素坐标值x和y；

五、按照相对应的像素坐标将幅值矩阵A填入到S矩阵中，得到新的具有环形图像的S矩阵，再将S矩阵进行成像；所得到的图像可以显示整个半导体硅片的隐形缺陷分布信息；

S＝zeros(2R,2R) (2)

x＝round(R+50+(R*cos(i*360/1000*pi))) (3)

y＝round(R＝50+(R*sin(i*360/1000*pi))) (4)

式中S代表零矩阵，R代表硅环实际半径值，i代表位置参数，x代表像素横坐标值，y代表像素纵坐标值。

所述半导体硅环可为芯片刻蚀过程中承托晶圆的刻蚀环。

本发明还提供了所述方法专用的检测装置，其特征在于：所述装置由角度调节器1、机座7、三维自动扫查装置、线缆10、超声探伤仪11、工业计算机12、电气控制装置13、探头组15、定位卡具16、W轴旋转运动装置17组成，其中：

机座7为无盖中空箱体结构，机座7上设有三维自动扫查装置和W轴旋转运动装置17，所述三维自动扫查装置由X轴向直线运动装置8、Y轴向直线运动装置9、Z轴向直线运动装置14组成，Z轴向直线运动装置14上安装有角度调节器1；所述W轴旋转运动装置17设置于机座7内部，W轴旋转运动装置17上部设有定位卡具16，用于放置被检测半导体硅环3；

角度调节器1上设置有探头组15，所述探头组15由表面波超声探头4、横波超声探头5、爬波超声探头6组成；

探头组15通过线缆10与电气控制装置13上的相连超声探伤仪11相连，超声探伤仪11与工业计算机12相连。

本发明具有以下优点：

在检测原理方面，本发明利用半导体硅环隐性裂纹缺陷的特征和超声传播特性，建立了一套由特殊设计的超声探头组和X/Y/Z轴三维自动扫查装置所构成的检测系统，并制定了独特的检测工艺方法，实现了对类似半导体刻蚀环等采用硅、碳化硅等脆性材料的片状零件中的隐性裂纹缺陷缺陷的无损检测。

在检测装置方面，该装置是一套高精度的自动化检测设备。可提供X-Y-Z三维调节，配合W轴旋转运动完成硅环零件的自动化检测；

在仪器功能方面，该装置可以实现超声波的激励和接收，并将超声信号进行全波形采集和保存。

在信号数据后处理方面，该装置具有A扫、B扫、C扫显示功能和时域—频域转换分析功能。

附图说明

图1检测原理示意图；

图2检测工艺流程图；

图3检测装置结构原理图；

图4带有隐裂缺陷的半导体硅环结构图；

图5检测结果的C扫显示；

附图标记：1、角度调节器，2、隐性裂纹，3、半导体硅环，4、表面波超声探头，5、横波超声探头，6、爬波超声探头，7、机座，8、X轴向直线运动装置，9、Y轴向直线运动装置，10、线缆，11、超声探伤仪，12、工业计算机，13、电气控制装置，14、Z轴向直线运动装置，15、探头组，16、定位卡具，17、W轴旋转运动装置。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

如图3所示，检测装置由角度调节器1、机座7、三维自动扫查装置、线缆10、超声探伤仪11、工业计算机12、电气控制装置13、探头组15、定位卡具16、W轴旋转运动装置17组成，其中：

实施例2

采用实施例1所述装置，对φ350mm单晶硅刻蚀环隐裂进行超声检测，包括以下步骤：

步骤1)、选取水浸聚焦超声探头的压电晶片的尺寸范围为6～10mm，频率范围为1MHz～15MHz。计算出超声波在水/硅界面折射出爬波、横波和表面波所需的入射角范围分别为9～10°，10～14°，14～15°；

步骤2)、用线缆10将表面波超声探头4、横波超声探头5、爬波超声探头6与超声探伤仪11接好，将被检测半导体硅环3放置于检测装置工作台定位卡具16上，将探头调整至半导体硅环3待检区域边沿。

步骤3)、根据入射角的数值范围，用角度调节器1调节多组超声探头以不同倾斜角度发射超声波。

步骤4)、自动扫查：将探头组15移动至半导体硅环3边缘作为扫查起始点。

设置X向直线运动装置8的扫查范围，使X-W二维扫查区域全部覆盖被检测区域，设置X向直线运动装置8的步进值为0.5mm，参见图3。

步骤5)、仪器参数设置和超声波的激励，启动超声探伤仪11同步激励三个通道的探头组15，使之发射超声波。超声波激励的重复频率与W轴扫查速度相关，设置W轴的回转速度为60r/min，超声波激励的重复频率为5KHz；仪器增益为53dB，闸门起始位置设置在界面波后5.0～10.0mm。

步骤6)、缺陷回波信号的采集：当步骤5)中探头发出的超声波遇到水/硅界面后，会分别转换成横波、表面波和爬波等折射波，当折射波遇到裂纹缺陷后会发出反射波，反射波信号被接收探头接收到后转换成电信号被超声仪器11采集到，被缺陷信号上传至工控计算机12中保存。

步骤7)、工控计算机12中的结果分析软件，将存储的超声信号作数据后处理，识别缺陷波信号，最终实现结果的C扫显示，参见图5。

检测工件为含有自然缺陷的半导体硅环3，利用金相显微镜观察半导体硅环3边沿处有一处隐性裂纹2，参见图4。图5为检测结果C扫图像显示，图中的A处斜线为半导体硅环3中的隐性裂纹2。经测量，检测结果图中的缺陷指示位置基本与半导体硅环3中的实际缺陷位置相符，说明本发明所述方法可以有效地检测出隐性裂纹缺陷。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超声波检测半导体硅环隐裂缺陷的方法，其特征在于：包括以下检测步骤：

3)超声波在半导体硅环表面发生散射，产生波形转换现象，不同入射角的超声波在半导体硅环中激励出的折射波按一定的传播路径在硅片中传播，当与裂纹缺陷相遇后会发生超声散射，散射中的反射波按原路径返回被超声探头接收到；超声探头将反射波信号转化为检测电信号，然后将检测电信号传输给超声波仪器，超声波仪器将结果信号上传给工控计算机，工控计算机中的成像软件将检测结果进行成像，并在显示器中显示整个半导体硅片的隐形缺陷分布信息。

2.按照权利要求1所述超声波检测半导体硅环隐裂缺陷的方法，其特征在于：所述半导体硅环为采用硅、碳化硅制备的片状零件。

3.按照权利要求1所述超声波检测半导体硅环隐裂缺陷的方法，其特征在于：步骤1)中，超声波在水/硅界面折射出横波、表面波和爬波所需入射角的计算方法为：

根据斯奈尔定律公式(1)，计算出超声波在水/硅界面折射出横波、表面波和爬波所需的入射角α；

4.按照权利要求1所述超声波检测半导体硅环隐裂缺陷的方法，其特征在于，步骤3)中，工控计算机将上传的检测数据进行后处理，后处理过程如下：

一、进行均值滤波，消除检测数据中的噪声成分；

三、按照公式(2)创建空白图像零矩阵S；

S＝zeros(2R,2R) (2)

x＝round(R+50+(R*cos(i*360/1000*pi))) (3)

y＝round(R＝50+(R*sin(i*360/1000*pi))) (4)

5.一种权利要求1所述方法专用检测装置，其特征在于：所述装置由角度调节器(1)、机座(7)、三维自动扫查装置、线缆(10)、超声探伤仪(11)、工业计算机(12)、电气控制装置(13)、探头组(15)、定位卡具(16)、W轴旋转运动装置(17)组成，其中：

机座(7)为无盖中空箱体结构，机座(7)上设有三维自动扫查装置和W轴旋转运动装置(17)，所述三维自动扫查装置由X轴向直线运动装置(8)、Y轴向直线运动装置(9)、Z轴向直线运动装置(14)组成，Z轴向直线运动装置(14)上安装有角度调节器(1)；所述W轴旋转运动装置(17)设置于机座(7)内部，W轴旋转运动装置(17)上部设有定位卡具(16)，用于放置被检测半导体硅环(3)；

角度调节器(1)上设置有探头组(15)，所述探头组(15)由表面波超声探头(4)、横波超声探头(5)、爬波超声探头(6)组成；

探头组(15)通过线缆(10)与电气控制装置(13)上的相连超声探伤仪(11)相连，超声探伤仪(11)与工业计算机(12)相连。