CN117589790A - 暗场照明装置及暗场照明的光学检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种暗场照明装置及暗场照明的光学检测系统，其中暗场照明装置依次同轴设置光纤端子、准直微透镜阵列、微柱透镜阵列和聚焦镜组；所有光纤端子环形排列，用于通过其上光纤丝孔径为发散角实现光束传播；准直微透镜阵列上的颗粒单元与光纤端子对应的光纤丝一一对应，用于实现光束准直的环形光斑输出；微柱透镜阵列用于在光束传播XZ平面内的光束准直度不变，在YZ平面内光束形成预设的发散角；聚焦镜组用于在XZ平面内聚焦为一点，在YZ平面内以平行光束输出，从而实现晶圆表面缺陷线扫检测实用性更佳的光照装置，抑制外部杂散光的产生，无需繁琐的操作步骤等，且中空的结构设计可保证无需对常规检测成像光学组件进行大改进。

Description

暗场照明装置及暗场照明的光学检测系统

技术领域

本申请涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种暗场照明装置及暗场照明的光学检测系统。

背景技术

基于晶圆衬底的半导体器件制造工艺，缺陷检测环节至关重要。随着半导体晶圆关键尺寸的不断缩小，其表面微纳缺陷(如划痕、颗粒、图案等)的检测影响着元件性能。通常缺陷检测使用明场和暗场两种检测方式。暗场检测过程中若待检测的晶圆表面没有缺陷或图案，照明光束会发生镜面反射，即在暗场检测系统中表面光滑的晶圆表面对成像光学元器件呈现为暗背景，而晶圆上的微小颗粒、划痕或图案沿不同方向反射或散射一些光。其中一部分散射光或衍射光进入成像光学元器件，使得颗粒、划痕或图案在暗场系统的视场中显示为亮的点、线条或图案等。因此，用于暗场检测的照明光学系统非常重要。

然而，在线扫检测的现有技术中不存在同时满足照明功率密度、线形照明视场、可调节的方位角分布，从而兼顾不同缺陷类型检测的暗场照明系统。

因此，需要一种新的暗场照明装置及检测系统方案。

发明内容

有鉴于此，本说明书实施例提供一种暗场照明装置及暗场照明的光学检测系统。

本说明书实施例提供以下技术方案：

本说明书实施例提供一种暗场照明装置，所述暗场照明装置包括：

光纤端子、准直微透镜阵列、微柱透镜阵列及聚焦镜组；

依次同轴设置所述光纤端子、所述准直微透镜阵列、所述微柱透镜阵列和所述聚焦镜组；

所有的光纤端子环形排列，用于通过其上光纤丝孔径为发散角实现光束传播；

所述准直微透镜阵列上的颗粒单元与所述光纤端子对应的光纤丝一一对应，以实现光束准直的环形光斑输出；

所述微柱透镜阵列，用于在光束传播XZ平面内的光束准直度不变，在YZ平面内光束形成预设的发散角；

所述聚焦镜组，用于在XZ平面内聚焦为一点，在YZ平面内以平行光束输出，在焦面处形成具有环形角分布的线形照明视场。

本说明书实施例还提供一种暗场照明的光学检测系统，所述暗场照明的光学检测系统包括暗场照明装置、检测光学组件和探测组件；其中，所述探测组件为线阵探测器；如前述技术方案中所述的暗场照明装置用于形成线性照明视场，以结合所述检测光学组件和所述探测组件对晶圆表面多种缺陷进行检测。

与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

本说明书实施例通过将暗场检测过程中圆形照明光斑压缩为具有环形角分布的线形照明光斑，不仅适用于不同种类缺陷的检测，提升晶圆缺陷检测光照的适用性，还无需检测过程的繁琐操作等，提升晶圆缺陷检测的效率等。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。

图1是本申请暗场照明的光学检测系统的示意图；

图2是本申请中暗场照明装置提供线形照明光斑的环形角分布示意图；

图3是本申请中光纤端子、准直微透镜布设的示意图；

图4是本申请在XZ平面及YZ平面形成光路的放大示意图；

图5是本申请中暗场照明装置中光束传播示意图；

图6是本申请中角分布调制元件及光束传播示意图；

图7是本申请中不同形式角分布调制元件的示意图；

图8是现有技术暗场照明检测晶圆缺陷存在不足的示意图；

图9是本申请在XZ平面的光线追迹示意图；

图10是本申请在YZ平面的光线追迹示意图；

图11是本申请中光学建模示例的示意图；

图12是本申请中照明光斑轮廓的示意图；

图13是本申请中照明光斑的角度分布示意图；

图14是现有技术与本申请照明检测晶圆缺陷的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。

基于晶圆衬底半导体器件制造工艺，缺陷检测环节至关重要。通常缺陷检测时会采用明场和暗场等两种检测方式。在暗场检测系统中，若待检测的晶圆表面没有缺陷或图案，照明光束会发生镜面反射，即在暗场检测系统中，表面光滑的晶圆表面对成像光学元器件呈现为暗背景，而晶圆上的微小颗粒、划痕或图案会沿不同方向反射或散射一些光，这样一部分散射光或衍射光进入成像光学元器件，使得颗粒、划痕或图案在暗场系统的市场中显示为亮的点、线条或图案，以此实现晶圆表面缺陷的检测。

然而现有技术暗场检测无法满足晶圆缺陷的检测，一种暗场照明仅能满足单一缺陷的视场，如小颗粒缺陷采用单方向的暗场照明光即可。又如划痕缺陷检测时，暗场照明光沿着划痕方向时，照亮效果不明显，而垂直与划痕方向时，照亮效果明显。若缺陷为环形时，采用单极或多级照明，但这样不利于缺陷算法的检出。如图8A所示，在蓝膜片的暗场线扫检测系统中使用圆形照明光斑时，晶圆边缘部分的外部杂散光影响明显。如图8B所示，暗场照明的方向对划痕的检出也有影响，有的方向的划痕成像不明显，不利于检出；有的方向的划痕成像明显，有利于检出。

根据Mie氏散射理论，当一束光照射到PSL微球表面时，光发生散射，散射光强度与散射角度成函数关系。当使用镜头和相机在特定角度范围内探测时，特定角度范围内的散射光被收集。通常散射收集效率很低，约为入射光强的10^-3～10^-6。因此暗场检测对入射光功率密度要求很高，通常要比明场照明功率密度高2～3个数量级。

为提升缺陷检测速度，常会采用线扫方式。当以直线方向对晶圆进行扫描检测时，检测视场为线形。因而希望能够形成具有高照明功率密度的线型照射区，以提高检测效率。

缺陷种类是多样的，当缺陷为小颗粒时，单方向的暗场照明光即可将它照亮；当缺陷为划痕时，暗场照明光沿着划痕方向时，照亮效果不明显，而垂直于划痕方向时，照亮效果明显；当缺陷为环形时，采用单极或多极照明，不利于缺陷的算法检出，而采用环形照明时，可便于算法判断和检出。因此，为了兼容不同缺陷种类，打到线型照射区的光照的角度分布尽量一致。

通常，环形角分布的暗场照明系统在晶圆表面形成圆形的照明视场，而在线扫检测中，圆形照明视场并不适用。其一，圆形视场的面积大，照明功率密度低；其二，检测区域仅为中心的线形区域，对检测系统来说，其它区域被照明后，反而增加了外部杂散光，导致探测视场内的暗背景不够暗，影响缺陷的检出。

有鉴于此，发明人发现采用线扫方式提升缺陷检测速度，因此形成一种高功率密度的具有一致的环形角度分布的线形照明光斑，以提升暗场线扫检测效率。

基于此，本说明书实施例提出了一种新的暗场照明装置方案：暗场照明装置包括光纤端子、准直微透镜阵列、微柱透镜阵列及聚焦镜组。其中暗场照明装置可形成高照明功率密度、低能耗的线形照明视场，光照角度一致性好，照明方位角度可根据待检样品的图案特性或缺陷特性进行简单的设定。线形照明光斑能够保证极低的杂散光来源，抑制外部杂散光的产生，且中空的结构设计可保证无需对常规检测成像光学组件进行大改进。

以下结合附图，说明本申请各实施例提供的技术方案。

如图5所示，本说明书实施例的暗场照明装置包括光纤端子、准直微透镜阵列、微柱透镜阵列及聚焦镜组。如图从上至下依次同轴设置光纤端子、准直微透镜阵列、微柱透镜阵列及聚焦镜组。

如图3所示，所有的光纤端子环形排列，其上如黑色圆点的光线丝孔径发出光束，传播至准直微透镜阵列。光纤端子出光发散角为光纤丝的数值孔径(NA)。一些实施例中根据拉式不变量计算来获得发散角。

准直微透镜阵列上的颗粒单元与光纤端子对应的光线丝一一对应，如图3中光导与微透镜阵列对应排布，准直微透镜阵列的颗粒单元与光纤端子的光纤丝排布位置一一对应，实现光束准直的环形光斑输出。

如图4所示，光束通过准直微透镜阵列后传播至微柱透镜阵列，使得光束实现如图2所示两维上的不同发散状态，如在XZ平面内的光束准直度不变，在YZ平面内光束形成预设的发散角。最终光束通过聚焦镜组，在XZ平面内聚焦为一点，在YZ平面内以平行光束输出，从而在待检平面上形成线形光斑。聚焦镜组通常具有大的数值孔径(NA)保证有足够的暗场照明倾角，可以是传统透镜的组合，也可以是菲涅尔透镜，或超构透镜(Metalens)等。

本说明书实施例的暗场照明装置将传统的圆形照明光斑压缩为线形照明光斑，提高照明功率密度，有利于提高暗场检测速度。形成的线型照明视场仅对应线阵探测器的靶面，从而抑制外部杂散光的产生，有利于提高晶圆边缘处缺陷检出的准确性和重复性。

在一些实施例中，光纤丝出光口到准直微透镜主面的距离等于准直微透镜的焦距。这样根据准直微透镜阵列的颗粒单元与光纤端子的光纤丝排布位置的一一对应，光纤丝出光口到微透镜主面的距离等于微透镜的焦距，从而保证光束以准直的环形光斑输出。

在一些实施例中，微柱透镜阵列主面到聚焦镜组主面的距离等于微柱透镜焦距和聚焦镜组焦距之和。结合图4所示，微柱透镜阵列主面到聚焦镜面主面的距离等于微柱透镜焦距和聚焦镜组焦距的和，从而在XZ平面内聚焦为一点，在YZ平面内则是以平行光束输出，在焦面处形成具有环形角分布的线形照明视场。

一些实施例中根据晶圆图案特性或缺陷特性，需对光斑的角度分布进行调节，可在准直微透镜阵列与微柱透镜阵列之间加入角分布调制元件来实现。

结合上述实施例，如图6所示，本说明书实施例暗场照明装置中角分布调制元件设置于准直微透镜阵列与微柱透镜阵列之间，来调节光束照射范围，即实现光斑角度分布调节。

一些实施例中，角分布调节元件中部分光束被遮挡部分遮挡，以调节光束照射角度。具体地，光束遮挡部分可根据实际检测条件等进行具体限定。

在一些实施例中，光束照射角度可根据具体情况设定，通常光束照射方位角包括0°～360°。

在一些实施例中，光束遮挡部分沿环形排列整体设置但不限于以下一项：相邻半圆环部分、四分之一圆环部分、两个对立设置的四分之一圆环部分及四分之三圆环部分。

如图7所示，角分布调制元件对应遮挡部分为阴影部分，表示不透光；空白部分表示透光。通常角分布调制元件对应遮挡部分的设置如图7示例的一项。

在一些实施例中，环形排列光纤端子中部分光纤端子的通断，用来调节光束照射角度。

结合上述实施例，环形排列光纤端子全部导通时，使用Optical studio软件进行仿真获得的光学建模如图11所示，具体地在XZ平面上的光线追迹如图9所示，在XY平面上的光线追迹如图10所示。

当光纤端子的光纤丝纤芯直径100um，NA为0.22，准直微透镜的直径2mm，根据拉氏不变量进行计算，得到近似平行光束的发散角为0.6度。当光纤端子的环形直径为30mm，微柱透镜阵列的曲率半径为3mm，厚度2mm，微透镜间隔2mm，聚焦用菲涅尔透镜焦距为15mm，微柱透镜与聚焦用菲涅尔透镜的间距为17mm时，得到如图12所示长度6mm、宽度约0.6mm的线形光斑。

沿环形排列的多个光纤端子，若其中只有部分光纤端子导通出光，整个环形排列的光纤端子实现部分区域发出光束，其他部分不发出光束，这样可用来调节光束照射角度。具体地光束照射角度可根据实际需求进行具体限定。通常光束照射角度包括0°～360°。采用选择环形排列光线端子中部分导通，这样来代替角分布调制元件实现如图7所示的光束角度分布的调制。

环形排列光纤端子全部导通时，照明光斑的角度分布如图13所示。

本说明书实施例的暗场照明装置可兼容不同晶圆缺陷类型检测所需视场，且照射到线型照射区的光照角度分布趋于一致，且无需繁琐操作等。

在一些实施例中微柱透镜阵列设置有中心通孔。聚焦镜组设置有中心通孔。为了适配中心检测接收光路，在照明光学系统的空间布局上于微柱透镜阵列和聚焦镜组的中心均设置中心通孔，以避开检测接收光路。

如图14所示，本说明书实施例中使用线形照明光斑进行暗场线扫检测，相对于现有技术晶圆边缘杂散光得到抑制，具体如图14B所示。图14A所示现有技术中使用圆形照明光斑进行暗场线扫检测，晶圆边缘杂散光明显。

本说明书实施例将传统的圆形照明光斑压缩为线形照明光斑，提高了照明功率密度，有利于提高暗场检测速度。形成线型照明视场，该照明视场范围仅对应线阵探测器的靶面，抑制了外部杂散光的产生，有利于提高晶圆边缘处的检出准确性和重复性。将光照角度分布一致提升，可用于检测各种类型的缺陷，提高了工艺适应性。照明方位角度可任意设定，但无需复杂操作，简单操作即可检测有特殊要求的样品，提高工艺适应性。且本说明书实施例的暗场照明装置匹配常规检测成像光学组件的空间分布，解决了常规检测光路中加入暗场困难等问题。

本说明书实施例还提供一种暗场照明的光学检测系统，具体如图1所示，由上而下依次设置探测组件、检测光学组件、暗场照明装置及待检样品。其中谈着组件为线阵探测器。结合上述实施例，暗场照明装置形成线性照明视场，采用线扫方式获得晶圆缺陷检测时晶圆边缘杂散光抑制的图像等从而对晶圆表面多种缺陷进行检测。

要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的产品实施例而言，由于其与方法是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种暗场照明装置，其特征在于，所述暗场照明装置包括：

光纤端子、准直微透镜阵列、微柱透镜阵列及聚焦镜组；

依次同轴设置所述光纤端子、所述准直微透镜阵列、所述微柱透镜阵列和所述聚焦镜组；

所有的光纤端子环形排列，用于通过其上光纤丝孔径为发散角实现光束传播；

所述准直微透镜阵列上的颗粒单元与所述光纤端子对应的光纤丝一一对应，以实现光束准直的环形光斑输出；

所述微柱透镜阵列，用于在光束传播XZ平面内的光束准直度不变，在YZ平面内光束形成预设的发散角；

所述聚焦镜组，用于在XZ平面内聚焦为一点，在YZ平面内以平行光束输出，在焦面处形成具有环形角分布的线形照明视场。

2.根据权利要求1所述的暗场照明装置，其特征在于，所述暗场照明装置还包括：角分布调制元件；

所述角分布调制元件设置于所述准直微透镜阵列与所述微柱透镜阵列之间，用于调节光束照射的角度。

3.根据权利要求2所述的暗场照明装置，其特征在于，所述角分布调制元件中部分光束被遮挡部分遮挡，以调节光束照射角度。

4.根据权利要求2所述的暗场照明装置，其特征在于，光束照射方位角包括0°～360°。

5.根据权利要求3所述的暗场照明装置，其特征在于，所述遮挡部分沿环形排列整体设置为以下一项：相邻半圆环部分、四分之一圆环部分、两个对立设置的四分之一圆环部分及四分之三圆环部分。

6.根据权利要求1所述的暗场照明装置，其特征在于，

环形排列光纤端子中部分光纤端子的通断，用于调节光束照射角度。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的暗场照明装置，其特征在于，光纤丝出光口到准直微透镜主面的距离等于准直微透镜的焦距。

8.根据权利要求1所述的暗场照明装置，其特征在于，所述微柱透镜阵列主面到所述聚焦镜组主面的距离等于微柱透镜焦距和聚焦镜组焦距之和。

9.根据权利要求1中所述的暗场照明装置，其特征在于，所述微柱透镜阵列和所述聚焦镜组均设置有中心通孔。

10.一种暗场照明的光学检测系统，其特征在于，所述暗场照明的光学检测系统包括：暗场照明装置、检测光学组件和探测组件；其中，所述探测组件为线阵探测器；如权利要求1-9中任一项所述的暗场照明装置用于形成线性照明视场，以结合所述检测光学组件和所述探测组件对晶圆表面多种缺陷进行检测。