CN118209563A - 一种晶圆光致发光检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶圆光致发光检测装置和方法，包括：移动载台，用于承载待测样品；依次设置的光源模块、光纤光路、管镜和物镜，还包括光谱仪和自动对焦模块；还包括相机模块、分光模块和色散补偿透镜。本发明提供的晶圆光致发光检测装置，将光谱共焦法对焦应用于晶圆的光致发光光谱检测中，使得对焦过程和光致发光光谱检测过程中可以共用光路和光谱仪模块，简化了系统结构，并能实现准确的自动对焦；通过分光镜和管镜的设置，可以同时实现晶圆的自动对焦、拍照3D测量和光致发光光谱检测。
Description
技术领域
本发明主要涉及半导体晶圆检测，尤其是一种晶圆光致发光检测装置与方法。
背景技术
随着技术发展，半导体技术在日常领域应用越来越广泛；半导体生产从前到后有不同的，复杂的，数量众多的工艺段/工艺制程。由于工艺繁杂，工序多，所以每一段都需要有严格的质量检查和评定的仪器与方法；例如在晶圆阶段，需要对半导体进行外观缺陷检测，或者是光致发光测量。从而将该制程段的不良品拦截下来，防止继续流入后续工艺段，影响产品的良率。同时发现不良也可以促进工艺改进和优化。
在半导体晶圆检测阶段，其检测的分辨率高，需要用到显微成像装置，而这种高分辨率的显微成像，其景深一般是很小的，一般在50μm以下。但是晶圆片一般存在较大的起伏，同时检测平台下端的XY平台在运行中无法保证严格的水平移动。这样导致在拍摄不同区域时，很有可能晶圆片超出景深范围之外，导致成像模糊，无法实现精准的缺陷测量。
现有技术中存在基于光谱共焦的内同轴式对焦装置，该装置将第一光路与第二光路集成，简化了整个系统的结构。然而，在晶圆检测领域，仍然缺乏同时集成了光致发光光谱检测模块、自动对焦模块和成像检测模块的晶圆光致发光检测装置。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种晶圆光致发光检测装置和方法，将光致发光光谱检测模块、自动对焦模块和成像检测模块集成，简化了检测系统的结构。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种晶圆光致发光检测装置，包括：
移动载台，用于承载待测样品；
沿第一光路依次设置的光源模块、光纤光路、管镜和物镜，以及光谱仪和自动对焦模块；其中，所述物镜具有一定的轴向色散；
所述光源模块用于发出复色光，经所述光纤光路进入所述管镜；所述物镜安装于所述管镜远离所述光源模块的一端，用于将所述光源模块发出的所述复色光聚焦，垂直照射在所述待测样品的表面，并收集所述待测样品表面反射的所述复色光；所述光谱仪通过光纤光路与所述管镜相连，用于采集反射的所述复色光的光谱信息；所述自动对焦模块依据所述光谱信息调整所述移动载台和所述物镜的间距，使得所述待测样品的表面处于目标波长的光束的焦平面，以实现自动对焦；
所述光源模块还用于在对焦完成后，发出单色光，经所述光纤光路进入所述管镜，再经过所述物镜照射到所述待测样品的表面；所述光谱仪还用于接收所述待测样品接收到所述单色光后产生的激发光，进行光致发光光谱测量；
所述晶圆光致发光检测装置还包括相机模块、分光模块和色散补偿透镜，所述相机模块在第二光路上与所述管镜、所述物镜、所述色散补偿透镜依次设置，接收来自所述待测样品表面的成像光，用于对焦完成后对所述待测样品的表面进行拍照3D测量；所述分光镜用于调整所述第一光路和/或所述第二光路的方向，分离所述第一光路和所述第二光路；所述色散补偿透镜用于在所述第一光路和所述第二光路分离后，仅在第二光路中补偿所述物镜的轴向色散。
进一步地，上述晶圆光致发光检测装置，还包括：
所述光源模块是多通道光源模块，根据需求发出所述单色光或所述复色光。
进一步地，上述晶圆光致发光检测装置，还包括：
所述光源模块包括宽谱光源模块和单色光源模块，其中，所述宽谱光源模块用于发出所述复色光，所述单色光源模块用于在对焦完成后发出所述单色光。
进一步地，上述晶圆光致发光检测装置，还包括：
所述光源模块包括多个单色光源模块，其中，所述多个单色光源模块发出不同波长的单色光，当所述多个光源模块同时开启时，所述光源模块发出所述复色光，当只开启其中一个单色光源模块时，所述光源模块发出所述单色光。
进一步地，上述晶圆光致发光检测装置，还包括：
所述光源模块在对焦完成后，发出的所述单色光的波长是可选的。
进一步地，上述晶圆光致发光检测装置，还包括：
所述色散补偿透镜是单个透镜或透镜组。
进一步地，上述晶圆光致发光检测装置，还包括：
所述光纤光路包括第一光纤探头和至少一个光纤耦合器，所述第一光纤探头用于连接所述光纤光路与所述管镜，所述第一光纤探头位于所述物镜在所述目标波长下的像平面处。
进一步地，上述晶圆光致发光检测装置，还包括：
所述相机模块可以在晶圆面上间隔一定距离进行一次测量。
进一步地，上述晶圆光致发光检测装置，还包括：
自动对焦模块依据所述光谱信息，调整所述移动载台和/或所述物镜在空间中的位置，使得所述待测样品的表面处于目标波长的光束的焦平面，以实现自动对焦。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种晶圆光致发光检测方法，使用上述晶圆光致发光检测装置，包括：
光源模块发出复色光，经光纤光路进入管镜；
光谱仪采集经物镜聚焦后的，在待测样品表面反射的所述复色光的光谱信息；
自动对焦模块依据所述光谱信息调整移动载台和所述物镜的间距，使得所述待测样品的表面处于目标波长的光束的焦平面，以实现自动对焦；
所述光源模块在对焦完成后，发出单色光，经过物镜照射到所述待测样品的表面；所述光谱仪还接收所述待测样品接收到所述单色光后产生的激发光，进行光致发光光谱测量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
（1）本发明提供的晶圆光致发光检测装置，将光谱共焦法对焦应用于晶圆的光致发光光谱检测中，使得对焦过程和光致发光光谱检测过程中可以共用光路和光谱仪模块，简化了系统结构，并能实现准确的自动对焦；通过分光镜和管镜的设置，可以同时实现晶圆的自动对焦、拍照3D测量和光致发光光谱检测；
（2）本发明提供的晶圆光致发光检测装置，通过具有一定色散的物镜，更好的实现光谱共焦法对焦，并通过设置色散补偿透镜，只调整相机成像这一路的色散，对光谱共焦光路的色散不产生影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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为本发明实施例提供的一种晶圆光致发光检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的又一种晶圆光致发光检测装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种晶圆光致发光检测装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的又一种晶圆光致发光检测装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种晶圆光致发光检测装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种晶圆光致发光检测装置的局部结构示意图；
图7为本发明实施例提供的又一种晶圆光致发光检测装置的局部结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
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”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1-2所示，作为本发明的第一实施例，提供了一种晶圆光致发光检测装置，晶圆光致发光检测装置包括了两条光路，其中第一光路用于作为自动对焦和光致发光光谱检测的共用光路，第二光路用于相机模块进行拍照3D测量。
自动对焦方式采用光谱共焦法进行对焦。光谱共焦法的原理是点复色光，通过色散透镜后，不同波长的光束被聚焦到不同深度的平面上。依据光路可逆原理，当待测面位于某一焦点位置时，相应波长的焦斑经色散透镜和分光镜后，会通过针孔耦合进光谱仪中。如此，可测定待测面的离焦情况。对于光谱共焦法可以参见如下现有技术文献：高鑫，邓文怡，牛春晖.基于彩色共焦的位移测量系统研究.光学技术，38(1),2012。因此，第一光路中，复色光源、光谱仪、具有一定色散效果的透镜是实现光谱共焦法的关键元器件。
对于透镜的色散，是因为白光（复色光）在透镜中折射率不同，导致其聚焦在不同处。色散包括轴向色散和轴外色散。色散根据应用场景不同需要消除或者加以利用，本发明中的第一光路就是需要利用透镜的轴向色散特性，进行光谱共焦法测距对焦。对于透镜的轴向色散大小，可以依据装置大小、结构、形式等进行调整，本发明中对此不作限制。
光致发光（photoluminescence, PL）是通过单色光照射待测晶圆的表面，半导体材料会响应单色光而发出激发光，而晶圆表面如果出现瑕疵的话，瑕疵处的激发光光谱与正常处激发光光谱会存在区别，通过检测激发光的光谱就可以检测晶圆的性能。对于光致发光光谱检测方法，也可以参考如下现有技术文献：Bel’kov，VV等人的“Microwave-induced patterns in n-GaAs and their photoluminescence imaging”(PhysicalReview B，Vol.61，No.20，The American Physical Society，2000年5月15日，pp.13698-13702)以及Masarotto等人的“Development of a UV scanning photoluminescenceapparatus for SiC characterization”(Eur J AP 20，141-144，2002)。因此，第一光路中的单色光源、光谱仪是实现光致发光光谱检测的关键元器件。
基于上述原理，本实施例中设置第一光路包括光源模块1、光纤光路3、管镜4和物镜7，还包括光谱仪2和自动对焦模块。其中，光源模块1需要按照工作内容发出单色光或复色光，即当该第一光路在实施光谱共焦法对焦时，光源模块1发出复色光，作为对焦使用的光；当该第一光路用于光致发光光谱检测时，光源模块1发出单色光作为激发晶圆表面的光。本实施例中选择管镜4作为光路的具体结构形式，选择光纤光路3作为连接光源模块1、光谱仪2与管镜4的连接方式。本发明中还选择使整个系统发出的光垂直照射在待测样品9的表面，这样照射在待测样品9表面的光和待测样品9表面的反射光、待测样品9表面的激发光可以沿着相同的光路返回系统，光源模块1与光谱仪2可以共用第一光路，简化了整个系统的结构。
本发明中设置第二光路是作为晶圆表面拍照3D测量，因此，第二光路中物镜，管镜和相机模块是成像的核心元件。而因为本发明中物镜需要具有一定的轴向色散，轴向色散会影响拍照成像的质量，因此，为了在第二光路中降低轴向色散的影响，在第二光路中设置色散补偿透镜，用于降低轴向色散。对于色散补偿透镜的结构，可以利用常见的光学仿真软件，例如zemax、codev等，在确定物镜结构和相机模块位置的情况下，依据实际管镜结构需求和色散补偿的需求进行仿真计算。色散补偿透镜的结构既可以是单个透镜，这样结构简单、降低了整个装置的复杂度；也可以是透镜组，这样色散补偿的效果更好。
在本发明中，第一光路和第二光路可以共用物镜7，但是第一光路是利用色散进行测量，第二光路是需要色散补偿，因此，需要通过分光模块将第一光路和第二光路分开，第二光路在分光之后再进行色散补偿。如图1-2所示，本实施例中提供了两种光路的设置方式。其中管镜4设置为T字型结构，第一光路和第二光路共用了物镜7，物镜7垂直正对承载了待测样品9的移动载台8；第一光路和第二光路通过分光模块6分离后，分别实现对应的测量。
进一步的，本发明中的光源模块1需要实现输出单色光和输出复色光的功能，在此给出三种具体的光源模块1的实施方式：
如图3所示，光源模块1直接设置为可以任意调节输出光波长和光谱范围的多通道光源模块101，根据需要发出单色光或复色光。
如图4所示，光源模块1包括宽谱光源模块111和单色光源模块112，其中，宽谱光源模块111用于发出复色光，单色光源模块112用于在对焦完成后发出单色光。
如图5所示，光源模块1包括多个单色光源模块121、122、123，其中，多个单色光源模块发出不同波长的单色光，当多个光源模块121、122、123同时开启时，其输出光叠加为复色光，即光源模块1发出复色光，当只开启其中一个单色光源模块时，光源模块1发出单色光。
本领域技术人员也可以理解，光源模块1的具体设置和选择方式可以不限于上述设置方式，只需要满足可以依照需求发出复色光和单色光即可。
在进行光致发光光谱检测时，光源模块1可以根据需要发出特定波长的单色光。
本发明中选择光纤光路3作为连接光源模块1、光谱仪2与管镜4的连接器件。光纤耦合器和光纤探头是常用的光无源器件，光纤耦合器常用于实现是实现光信号分路/合路，光纤探头常安装于光纤的端面，用于与其他器件连接，是光纤的“插头”。由于本发明提供的晶圆光致发光检测装置，包括了光源模块1和光谱仪2，因此，至少需要一个光纤耦合器32，将两路光纤耦合为一路，并输入管镜4中。同时，为了保证自动对焦的准确性，用于连接光纤光路3的第一光纤探头31需要安装在所述物镜7在所述目标波长下的像平面处。
具体的光纤耦合器32和第一光纤探头31的设置方式，可以采用如图6-7中所示的方式。图6-7是图1-5中区域A的局部放大示意图。其中，图6是采用光纤耦合器，一端接光源模块1和光谱仪2，另一端输出一根短光纤，短光纤通过第一光纤探头31与管镜4连接。图7是采用带光纤探头的光纤耦合器，直接将该光纤探头作为第一光纤探头31与管镜连接。本领域技术人员也可以理解，当光源模块的设置方式不同时，光纤光路中也可以设置多个光纤耦合器，只需要起到合束/分束作用即可。
上述实施例中的第二光路可以对晶圆面上一定范围内进行拍照3D测量，因此，相机模块5可选地在在晶圆面上间隔一定距离进行一次测量，这样可以遍历晶圆整个表面，起到完整检测的作用。
自动对焦的方式可以是调整移动载台8的位置，也可以选择调整物镜7的位置，只需要使得所述待测样品9的表面处于目标波长的光束的焦平面，以实现自动对焦。移动物镜7的方式包括但不限于：移动如图1-2中整个第一光路、第二光路包含的模块，或调整管镜4的长度，进而调整物镜7在空间中的位置。
作为本发明的又一实施例，提供了一种晶圆光致发光检测方法，使用上述任一实施例中的晶圆光致发光检测装置，包括：
光源模块1发出复色光，经光纤光路3进入管镜4；
光谱仪2采集经物镜7聚焦后的，在待测样品9表面反射的所述复色光的光谱信息；
自动对焦模块依据所述光谱信息调整移动载台8和所述物镜7的间距，使得所述待测样品9的表面处于目标波长的光束的焦平面，以实现自动对焦；
所述光源模块1在对焦完成后，发出单色光，经过物镜7照射到所述待测样品9的表面；所述光谱仪2还接收所述待测样品9接收到所述单色光后产生的激发光，进行光致发光光谱测量。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，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)
1.一种晶圆光致发光检测装置，其特征在于，包括：
移动载台（8），用于承载待测样品（9）；
沿第一光路依次设置的光源模块（1）、光纤光路（3）、管镜（4）和物镜（7），以及光谱仪（2）和自动对焦模块；其中，所述物镜（7）具有一定的轴向色散；
所述光源模块（1）用于发出复色光，经所述光纤光路（3）进入所述管镜（4）；所述物镜（7）安装于所述管镜（4）远离所述光源模块（1）的一端，所述物镜（7）用于将所述光源模块（1）发出的所述复色光聚焦，垂直照射在所述待测样品（9）的表面，并收集所述待测样品（9）表面反射的所述复色光；所述光谱仪（2）通过所述光纤光路（3）与所述管镜（4）相连，用于采集反射的所述复色光的光谱信息；所述自动对焦模块依据所述光谱信息调整所述移动载台（8）和所述物镜（7）的间距，使得所述待测样品（9）的表面处于目标波长的光束的焦平面，以实现自动对焦；
所述光源模块（1）还用于在对焦完成后，发出单色光，经所述光纤光路（3）进入所述管镜（4），再经过所述物镜（7）照射到所述待测样品（9）的表面；所述光谱仪（2）还用于接收所述待测样品（9）接收到所述单色光后产生的激发光，进行光致发光光谱测量；
所述晶圆光致发光检测装置还包括相机模块（5）、分光模块（6）和色散补偿透镜（10），所述相机模块（5）在第二光路上与所述管镜（4）、所述物镜（7）、所述色散补偿透镜（10）依次设置，接收来自所述待测样品（9）表面的成像光，用于对焦完成后对所述待测样品（9）的表面进行拍照3D测量；所述分光镜（6）用于调整所述第一光路和/或所述第二光路的方向，分离所述第一光路和所述第二光路；所述色散补偿透镜（10）用于在所述第一光路和所述第二光路分离后，仅在第二光路中补偿所述物镜（7）的轴向色散。
2.如权利要求1所述的晶圆光致发光检测装置，其特征在于：
所述光源模块（1）是多通道光源模块（101），根据需求发出所述单色光或所述复色光。
3.如权利要求1所述的晶圆光致发光检测装置，其特征在于：
所述光源模块（1）包括宽谱光源模块（111）和单色光源模块（112），其中，所述宽谱光源模块（111）用于发出所述复色光，所述单色光源模块（112）用于在对焦完成后发出所述单色光。
4.如权利要求1所述的晶圆光致发光检测装置，其特征在于：
所述光源模块（1）包括多个单色光源模块（121、122、123），其中，所述多个单色光源模块发出不同波长的单色光，当所述多个光源模块（121、122、123）同时开启时，所述光源模块（1）发出所述复色光，当只开启其中一个单色光源模块时，所述光源模块（1）发出所述单色光。
5.如权利要求1所述的晶圆光致发光检测装置，其特征在于：
所述光源模块（1）在对焦完成后，发出的所述单色光的波长是可选的。
6.如权利要求1所述的晶圆光致发光检测装置，其特征在于：
所述色散补偿透镜（10）是单个透镜或透镜组。
7.如权利要求1所述的晶圆光致发光检测装置，其特征在于：
所述光纤光路（3）包括第一光纤探头（31）和至少一个光纤耦合器（32），所述第一光纤探头（31）用于连接所述光纤光路（3）与所述管镜（4），所述第一光纤探头（31）位于所述物镜（7）在所述目标波长下的像平面处。
8.如权利要求1所述的晶圆光致发光检测装置，其特征在于：
所述相机模块（5）可以在晶圆面上间隔一定距离进行一次测量。
9.如权利要求1-8中任一项所述的晶圆光致发光检测装置，其特征在于：
自动对焦模块依据所述光谱信息，调整所述移动载台（8）和/或所述物镜（7）在空间中的位置，使得所述待测样品（9）的表面处于目标波长的光束的焦平面，以实现自动对焦。
10.一种晶圆光致发光检测方法，其特征在于，使用如权利要求1-9中任一项所述的晶圆光致发光检测装置，包括：
光源模块（1）发出复色光，经光纤光路（3）进入管镜（4）；
光谱仪（2）采集经物镜（7）聚焦后的，在待测样品（9）表面反射的所述复色光的光谱信息；
自动对焦模块依据所述光谱信息调整移动载台（8）和所述物镜（7）的间距，使得所述待测样品（9）的表面处于目标波长的光束的焦平面，以实现自动对焦；
所述光源模块（1）在对焦完成后，发出单色光，经过物镜（7）照射到所述待测样品（9）的表面；所述光谱仪（2）还接收所述待测样品（9）接收到所述单色光后产生的激发光，进行光致发光光谱测量。
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| CN202311783440.4A CN118209563A (zh) | 2023-12-22 | 2023-12-22 | 一种晶圆光致发光检测装置与方法 |
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| CN202311783440.4A CN118209563A (zh) | 2023-12-22 | 2023-12-22 | 一种晶圆光致发光检测装置与方法 |
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