CN118225797A - 半导体晶圆的自动检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体晶圆的自动检测系统和方法，包括：样品承载平台，用于承载待检测半导体晶圆；底部光源，位于样品承载平台下方，用于为待检测晶圆提供照明；图像采集器，位于样品承载平台的上方，用于采集待检测半导体晶圆对应的图像；第一移动机构，与样品承载平台连接，用于根据控制器的指示带动样品承载平台在二维平面内移动；第二移动机构，与图像采集器连接，用于根据控制器的指示带动图像采集器在与二维平面垂直的方向移动；控制器，与图像采集器、第一移动机构、第二移动机构和底部光源通信连接，用于采集待检测半导体晶圆对应的至少一个图像，并确定待检测半导体晶圆的检测结果。该方案提升了检测的效率和准确性。

Description

半导体晶圆的自动检测系统和方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种半导体晶圆的自动检测系统和方法。

背景技术

近年来，电子消费产品的需求激增，半导体行业也经历了快速发展。半导体晶圆作为半导体器件的代表需求量也非常大，为了确保电子消费产品的质量，会对半导体晶圆进行前期检测工作。

目前，通常是采用人工检测的方式来检测半导体晶圆的质量。该方法尽管可以对半导体晶圆的良品和不良品进行区分，但是由于采用人工检测的方式，所要花费的时间成本非常大，从而导致检测效率非常低；并且，还有可能由于人为因素引起判断失误，从而导致检测准确性比较差。

发明内容

为了解决上述问题中的至少一个而提出了发明。

第一方面，本发明实施例提供一种半导体晶圆的自动检测系统，包括：

样品承载平台，用于承载待检测半导体晶圆；

底部光源，位于所述样品承载平台下方，用于为所述待检测晶圆提供照明；

图像采集器，位于所述样品承载平台的上方，用于采集所述待检测半导体晶圆对应的图像；

第一移动机构，与所述样品承载平台连接，用于根据控制器的指示带动所述样品承载平台在二维平面内移动；

第二移动机构，与所述图像采集器连接，用于根据所述控制器的指示带动所述图像采集器在与所述二维平面垂直的方向移动；

控制器，与所述图像采集器、所述第一移动机构、所述第二移动机构和底部光源通信连接，用于基于所述待检测半导体晶圆、所述第一移动机构、所述第二移动机构、所述图像采集器和所述底部光源采集所述待检测半导体晶圆对应的至少一个图像，并根据所述至少一个图像确定所述待检测半导体晶圆的检测结果。

具体的，所述底部光源包括白光光源和/或至少一种单色光源。

可选的，还包括位于所述样品承载平台上方的顶部光源，所述顶部光源包括白光光源和/或至少一种单色光源。

具体的，所述第一移动机构包括沿第一方向移动的第一结构和沿第二方向移动的第二结构，所述第一方向和所述第二方向垂直。

具体的，所述图像采集器包括相机和镜头，所述相机与所述镜头之间通过设定接口连接。

具体的，所述样品承载平台为框式结构，所述底部光源设置在所述框式结构内。

可选的，还包括固定所述控制器、所述第一移动机构、所述第二移动机构和所述图像采集器的台架。

第二方面，本发明实施例提供一种半导体晶圆的自动检测方法，应用于如第一方面所述的半导体晶圆检测系统包括的控制器中，所述方法包括：

基于所述待检测半导体晶圆、所述第一移动机构、所述第二移动机构、所述图像采集器和所述底部光源采集所述待检测半导体晶圆对应的至少一个图像；

根据所述至少一个图像确定所述待检测半导体晶圆的检测结果。

具体的，基于所述待检测半导体晶圆、所述第一移动机构、所述第二移动机构、所述图像采集器和所述底部光源采集所述待检测半导体晶圆对应的至少一个图像，具体包括：

根据所述待检测半导体晶圆确定所述第一移动机构的至少一个目标位置和所述第二移动机构的第一位移量；

指示所述第二移动机构移动所述第一位移量；

依次指示所述第一移动机构在各个目标位置停留；

在所述第一移动机构分别移动到各个目标位置后，控制所述底部光源启用以及指示所述图像采集器采集图像。

具体的，根据所述待检测半导体晶圆确定所述第一移动机构的至少一个目标位置和所述第二移动机构的第一位移量，具体用于：

根据所述待检测半导体晶圆当前的图像分辨率确定所述第二移动机构的第一位移量；以及

根据所述图像采集器的视野大小对所述待检测半导体晶圆进行分区；

确定各个分区的中心位置；

根据各个分区的中心位置确定各个分区对应的所述第一结构的第二位移量和所述第二结构的第三位移量；

根据各个分区对应的第二位移量、第三位移量确定至少一个目标位置的坐标。

具体的，控制所述底部光源启用以及指示所述图像采集器采集图像，具体包括：

依次控制所述底部光源启用包括的各种光源；

每次启用新的光源后指示所述图像采集器采集图像。

可选的，在所述第一移动机构分别移动到各个目标位置后，所述方法还包括：

控制所述顶部光源启用以及指示所述图像采集器采集图像。

具体的，控制所述顶部光源启用以及指示所述图像采集器采集图像，具体包括：

依次控制所述顶部光源启用包括的各种光源；以及

每次启用新的光源后指示所述图像采集器采集图像。

本发明提供的半导体晶圆的自动检测系统和方法，样品承载平台，用于承载待检测半导体晶圆；底部光源，位于所述样品承载平台下方，用于为所述待检测晶圆提供照明；图像采集器，位于所述样品承载平台的上方，用于采集所述待检测半导体晶圆对应的图像；第一移动机构，与所述样品承载平台连接，用于根据控制器的指示带动所述样品承载平台在二维平面内移动；第二移动机构，与所述图像采集器连接，用于根据所述控制器的指示带动所述图像采集器在与所述二维平面垂直的方向移动；控制器，与所述图像采集器、所述第一移动机构、所述第二移动机构和底部光源通信连接，用于基于所述待检测半导体晶圆、所述第一移动机构、所述第二移动机构、所述图像采集器和所述底部光源采集所述待检测半导体晶圆对应的至少一个图像，并根据所述至少一个图像确定所述待检测半导体晶圆的检测结果。该方案中，可以通过控制器控制对于待检测半导体晶圆的图像采集，以及根据采集到的图像确定待检测半导体晶圆的检测结果，从而可以实现自动检测半导体晶圆，相对于人工检测的方式，大大节省了时间成本，从而提升了检测效率；并且，排除人为因素引起的误判，从而可以提升检测的准确性。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明一实施例中的半导体晶圆的自动检测系统的架构示意图；

图2示出了本发明一实施例中的半导体晶圆的自动检测方法的流程图；

图3示出了本发明一实施例中的底部光源的横截面示意图；

图4示出了本发明一实施例中的顶部光源的结构示意图；

图5示出了本发明一实施例中的半导体晶圆的自动检测系统的光学成像示意图；

图6a-6g示出了本发明一实施例中的检测结果对比图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的可选实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种半导体晶圆的自动检测系统，该检测系统既可以用于工业自动化检测产线中，亦可以用于半导体新型材料研究中。如图1所示，该检测系统包括：

样品承载平台10，用于承载待检测半导体晶圆。

底部光源11，位于样品承载平台10下方，用于为待检测晶圆提供照明。

图像采集器12，位于样品承载平台10的上方，用于采集待检测半导体晶圆对应的图像。

第一移动机构13，与样品承载平台10连接，用于根据控制器的指示带动样品承载平台10在二维平面内移动。

第二移动机构14，与图像采集器12连接，用于根据控制器的指示带动图像采集器12在与二维平面垂直的方向移动。

控制器(图1中未示出)，与图像采集器12、第一移动机构13、第二移动机构14和底部光源11通信连接，如图2所示，控制器进行半导体晶圆的自动检测方法的流程图包括：

S21：基于待检测半导体晶圆、第一移动机构13、第二移动机构14、图像采集器12和底部光源11采集待检测半导体晶圆对应的至少一个图像；

S22：根据至少一个图像确定待检测半导体晶圆的检测结果。

其中，控制器可以但不限于为在个人计算机上运行的程序。

该方案中，可以通过控制器控制对于待检测半导体晶圆的图像采集，以及根据采集到的图像确定待检测半导体晶圆的检测结果，从而可以实现自动检测半导体晶圆，相对于人工检测的方式，大大节省了时间成本，从而提升了检测效率；并且，排除人为因素引起的误判，从而可以提升检测的准确性。

具体的，上述S21中的基于待检测半导体晶圆、第一移动机构13、第二移动机构14、图像采集器12和底部光源11采集待检测半导体晶圆对应的至少一个图像，具体包括：

根据待检测半导体晶圆确定第一移动机构13的至少一个目标位置和第二移动机构14的第一位移量；

指示第二移动机构14移动第一位移量；

依次指示第一移动机构13在各个目标位置停留；

在第一移动机构13分别移动到各个目标位置后，控制底部光源11启用以及指示图像采集器12采集图像。

受图像分辨率和图像采集器视野的限制，可能不能在一个图像中包含整个待检测半导体晶圆，此时就需要多次采集图像，每次采集的图像包括待检测半导体晶圆的部分。由于待检测半导体晶圆可以放置在样品承载平台1上，而第一移动机构2可以带动样品承载平台1在二维平面内移动，也就是说待检测半导体晶圆可以随着第一移动机构2的移动而变换位置。从而可以通过多次移动可移动机构实现多次采集待检测半导体晶圆的部分，相应地，控制器根据待检测半导体晶圆确定第一移动机构2的至少一个目标位置和第二移动机构3的第一位移量，然后指示第二移动机构3移动第一位移量，以及依次指示第一移动机构2在各个目标位置停留，在第一移动机构2分别移动到各个目标位置后，控制底部光源4启用以及指示图像采集器12采集图像，后续可以基于采集到的所有图像确定待检测半导体晶圆的检测结果。进而基于检测结果确定待检测半导体晶圆是否有缺陷、是否是良品等等。

具体的，底部光源11包括白光光源和/或至少一种单色光源。

底部光源11的横截面如图3所示，可以包括灯组111和柔光器112，其中灯组111可以但不限于为发光二极管(Lighting Emitting Diode，LED)。

具体的，控制器控制底部光源11启用以及指示图像采集器12采集图像，具体包括：

依次控制底部光源11启用包括的各种光源；

每次启用新的光源后指示图像采集器12采集图像。

在每个目标位置，针对底部光源的每种光源都可以得到一张图像，从而就大大丰富了检测待检测半导体晶圆时的依据，从而可以更加准确地检测待检测半导体晶圆的缺陷。其中，底部光源11的白光光源可以但不限于为高功率白色LED光源，底部光源4可以通过高亮度的透射式光学光照，从而暴露待检测半导体晶圆的包埋缺陷。

可选的，一种优选的实施方式，如图1所示，上述检测系统还包括位于样品承载平台10上方的顶部光源15，顶部光源15包括白光光源和/或至少一种单色光源。

可以基于顶部光源15的光线经过待检测半导体晶圆的反射特性进行检测。顶部光源15中光源的种类可以根据实际需要进行设置，例如，可以设置为1种、2种、3种、……。

可选的，在第一移动机构13分别移动到各个目标位置后，上述半导体晶圆的检测方法还包括：

控制顶部光源启用以及指示图像采集器12采集图像。

具体的，控制器控制顶部光源15启用以及指示图像采集器12采集图像，具体包括：

依次控制顶部光源15启用包括的各种光源；以及

每次启用新的光源后指示图像采集器12采集图像。

在每个目标位置，针对顶部光源15的每种光源都可以得到一张图像，从而就大大丰富了检测待检测半导体晶圆时的依据，从而可以更加准确地检测待检测半导体晶圆的缺陷。

其中，顶部光源15的光源的种类可以根据实际需要进行设置，下面以设置为8种进行说明，如图4所示，顶部光源15可以包括若干个单元，每个单元都包括8种单光源，可以分别定义为151、152、153、154、155、156、157和158，其排列可以但不限于为每行设置为一种光源。其中，8种光源的波长分别但不限于设置为：151为405nm(紫外)、152为457nm(蓝)、153为527nm(绿)、154为600nm(橙)、155为660nm(红)、156为730nm(远红色)、157为860nm(红外)、158为400nm-670nm(白光)。

需要说明的是，底部光源在包括多种光源时，也可以进行类似设置，在这里就不再一一赘述。

具体的，如图5所示，图像采集器12包括相机121和镜头122，相机与镜头之间通过设定接口连接。

例如，相机可以但不限于是500万像素的单色CMOS相机，镜头可以但不限于是高分辨率低形变镜头，其组合后，可提供68x56mm的成像范围，最小分辨率可以达到27.5μm。

下面结合图5说明半导体晶圆的自动检测系统的光学成像原理，对于每个目标位置，从图5中可以看出，顶部可以设置为弧形，从而可以实现多波长、多角度对待检测半导体样本进行光照，图像采集器12可以依次启用底部光源11和顶部光源15的每种光源照射待检测样品，每次启用后，图像采集器12可以采集图像，例如，若底部光源11和顶部光源15分别有8种光源，那么在每个目标位置可以采集8张图像。从而可以实现在不同波长的光照和不同角度的光照情况下，图像采集器12进行独立图像快速拍摄，从而使得控制器可以更全面的基于这些图像进行数据分析，来确定待检测半导体晶圆的检测结果，并达到较优的预期效果。

具体的，如图1所示，第一移动机构13包括沿第一方向移动的第一结构131和沿第二方向移动的第二结构132，第一方向和第二方向垂直。

第一方向、第二方向可以但不限于设置为X轴方向、Y轴方向，第一结构21、第二结构22可以但不限于包括伺服电机和螺杆直线模组，采用伺服电机可以提供更高的移动精度，通过自身的反馈传感器实时校正自身位置。

具体的，根据待检测半导体晶圆确定第一移动机构13的至少一个目标位置和第二移动机构14的第一位移量，具体用于：

根据待检测半导体晶圆当前的图像分辨率确定第二移动机构14的第一位移量；以及

根据图像采集器12的视野大小对待检测半导体晶圆进行分区；

确定各个分区的中心位置；

根据各个分区的中心位置确定各个分区对应的第一结构的第二位移量和第二结构的第三位移量；

根据各个分区对应的第二位移量、第三位移量确定至少一个目标位置的坐标。

由于需要采集高分辨率的图像，所以图像采集器12的成像视野受到了部分限制。控制器首先根据待检测半导体晶圆当前的图像分辨率确定第二移动机构3的第一位移量，这就确定了图像采集器12到待检测半导体晶圆的距离；然后根据图像采集器12的视野大小对待检测半导体晶圆进行分区，例如可以分为2个、4个、9个分区等等；从而进一步可以确定各个分区的中心位置；根据各个分区的中心位置确定第一结构21的第一位移量和第二结构22的第二位移量；根据各个分区对应的第二位移量、第二位移量确定至少一个目标位置的坐标。假设，第一移动机构的初始坐标为(x、y)，各个分区分别对应第一位移量、和第二位移量，则可以确定出各个目标位置坐标分别为：(x+第二位移量、y+第三位移量)。

具体的，样品承载平台10为框式结构，底部光源11设置在框式结构内。

具体的，还包括固定控制器、第一移动机构13、第二移动机构14和图像采集器12的台架16。

下面结合具体实验结果来说明本发明实施例中的半导体晶圆的自动检测系统的检测效果。

多波长顶部光照结果分析：

如图6a所示，对于崩边样本，在顶部光源光照下，白光光照未能完整检出崩边影响的区域，在绿光光照下可以检测到更大范围的崩边区域。

指纹污染在半导体晶圆的检测中不能被定义为缺陷样本，因为可以通过后道工艺进行消除。对于指纹污染带来的误判也会导致检测精度下降，顶部白光光照会使得指纹特征格外明显，倒是算法无法精确判别缺陷，但通过顶部红光光照，指纹痕迹得到减弱从而使得检测可以通过，如图6b所示。

如图6c所示，在裂纹检测中，使用顶部白光光照，裂纹区域与正常区域未有明显变化，但通过顶部红光光照裂纹缺陷可以被清晰捕捉。

多角度光束光照结果分析：

如图6d所示，对于杂晶样本，顶部光源光照无法分辨捕捉缺陷细节，通过更换光照角度，在底光光照的环境下，杂晶缺陷可以被准确识别。

如图6e所示，对于检测样本中出现的孔洞缺陷，顶部光照无法有效识别，但通过底光光照孔洞位置可以被清晰捕捉。

如图6f所示，对于被检测样本中出现的包裹物缺陷，顶部光照无法检出，但通过底部光源光照包裹物位置可以被清晰捕捉。

缺陷检测典型类别结果分析：

如图6g所示，根据本发明实施例的检测系统对被检测碳化硅样本数据采集分析验证共有7中不同类型的缺陷可以被成功检出。已有的检测装置专利仅可检出一种或两种类型的缺陷，无法高效的通过一次检测扫描分析多重缺陷。

结合上述实验结果可以看出，通过本发明实施例的在不同波长的光照和不同角度的光照情况下，图像采集器会进行独立图像快速拍摄，采集到的图像有控制器分析后，可以得到更加准确的分析结果，从而大大提升了待检测半导体晶圆的检测准确性和检测效率。

Claims (13)

1.一种半导体晶圆的自动检测系统，其特征在于，包括：

样品承载平台，用于承载待检测半导体晶圆；

底部光源，位于所述样品承载平台下方，用于为所述待检测晶圆提供照明；

图像采集器，位于所述样品承载平台的上方，用于采集所述待检测半导体晶圆对应的图像；

第一移动机构，与所述样品承载平台连接，用于根据控制器的指示带动所述样品承载平台在二维平面内移动；

第二移动机构，与所述图像采集器连接，用于根据所述控制器的指示带动所述图像采集器在与所述二维平面垂直的方向移动；

控制器，与所述图像采集器、所述第一移动机构、所述第二移动机构和底部光源通信连接，用于基于所述待检测半导体晶圆、所述第一移动机构、所述第二移动机构、所述图像采集器和所述底部光源采集所述待检测半导体晶圆对应的至少一个图像，并根据所述至少一个图像确定所述待检测半导体晶圆的检测结果。

2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述底部光源包括白光光源和/或至少一种单色光源。

3.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，还包括位于所述样品承载平台上方的顶部光源，所述顶部光源包括白光光源和/或至少一种单色光源。

4.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述第一移动机构包括沿第一方向移动的第一结构和沿第二方向移动的第二结构，所述第一方向和所述第二方向垂直。

5.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述图像采集器包括相机和镜头，所述相机与所述镜头之间通过设定接口连接。

6.如权利要求1-5任一所述的检测系统，其特征在于，所述样品承载平台为框式结构，所述底部光源设置在所述框式结构内。

7.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，还包括固定所述控制器、所述第一移动机构、所述第二移动机构和所述图像采集器的台架。

8.一种半导体晶圆的自动检测方法，应用于如权利要求1-7所述的半导体晶圆检测系统包括的控制器中，其特征在于，所述方法包括：

基于所述待检测半导体晶圆、所述第一移动机构、所述第二移动机构、所述图像采集器和所述底部光源采集所述待检测半导体晶圆对应的至少一个图像；

根据所述至少一个图像确定所述待检测半导体晶圆的检测结果。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所述待检测半导体晶圆、所述第一移动机构、所述第二移动机构、所述图像采集器和所述底部光源采集所述待检测半导体晶圆对应的至少一个图像，具体包括：

根据所述待检测半导体晶圆确定所述第一移动机构的至少一个目标位置和所述第二移动机构的第一位移量；

指示所述第二移动机构移动所述第一位移量；

依次指示所述第一移动机构在各个目标位置停留；

在所述第一移动机构分别移动到各个目标位置后，控制所述底部光源启用以及指示所述图像采集器采集图像。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述待检测半导体晶圆确定所述第一移动机构的至少一个目标位置和所述第二移动机构的第一位移量，具体用于：

根据所述待检测半导体晶圆当前的图像分辨率确定所述第二移动机构的第一位移量；以及

根据所述图像采集器的视野大小对所述待检测半导体晶圆进行分区；

确定各个分区的中心位置；

根据各个分区的中心位置确定各个分区对应的所述第一结构的第二位移量和所述第二结构的第三位移量；

根据各个分区对应的第二位移量、第三位移量确定至少一个目标位置的坐标。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，控制所述底部光源启用以及指示所述图像采集器采集图像，具体包括：

依次控制所述底部光源启用包括的各种光源；

每次启用新的光源后指示所述图像采集器采集图像。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述第一移动机构分别移动到各个目标位置后，所述方法还包括：

控制所述顶部光源启用以及指示所述图像采集器采集图像。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，控制所述顶部光源启用以及指示所述图像采集器采集图像，具体包括：

依次控制所述顶部光源启用包括的各种光源；以及

每次启用新的光源后指示所述图像采集器采集图像。