NO170702B - Innretning for laseravsoekning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en innretning for avsøkning, særlig for overflateinspeksjon av et mål ved hjelp av en laserstråle. Laserstrålen benyttes særlig for optisk detek-tering av mikroskopiske defekter i en speilende overflate, såsom overflaten av en silisiumbrikke.

Silisiumskiver og -brikker er benyttet av halvleder-fabrikanter som basis ved fremstillingen av faststoffs elektroniske komponenter såsom integrerte kretser. Tilstede-værelsen av enhver liten defekt, såsom skrammer, groper eller feil i krystallstrukturen på overflaten, eller tilstede-værelsen av forurensninger på overflaten såsom fingeravtrykk, støv eller annet er høyst uønsket og vil i stor grad påvirke flyten ved produksjon av de enkelte komponenter under frem-stillingsprosessen.

Hittil har silisiumsubstratet blitt inspisert med hensyn til feil og defekter ved hjelp av manuell inspeksjons-teknikk hvor en inspektør studerer overflaten under et intenst lys. Ganske nylig har automatiske inspeksjonssystemer for silisiumbrikker blitt utviklet, og disse er i stand til å oppspore defekter med langt mindre størrelse enn det som kunne oppdages med den tidligere anvendte manuelle inspeksjonsfrem-gangsmåte. Den automatiske overvåkning og inspeksjon benytter typisk en avsøkende laserstråle for selve inspeksjonen av silisiumoverflaten. Inspeksjonssystemer som benytter laser-avsøkning er allerede kjent og beskrevet, eksempelvis i artik-lene "A Laser Sean Technique For Electronic Material Surface Evaluation" av D.R. Oswald og D.F. Monroe, publisert i The Journal of Electronic Materials, Vol. 3, No. 1, 1974, s. 225-241; "Silicon/Analyzer Using A He-Ne Laser" av H.J. Ruiz et al, i The Journal of Electro Chemical Society: "Solid State Science and Technology", mai 1974, s. 689-692; og i US-patentene 3 790 287 og 4 314 763.

I disse kjente inspeksjonssystemer med laser føres en laserstråle tvers over overflaten av silisiumbrikken, og ref-leksjonene fra denne overflate detekteres og analyseres for å gi informasjon om eventuelle defekter som finnes på overflaten. Der&pm det ikke finnes noen slike defekter, vil alt lys speilreflekteres fra overflaten. På steder hvor laserstrålen treffer en defekt på overflaten, vil lyset spres. Det spredte og det speilreflekterte lys kan deretter analyseres særskilt.

Det er ønskelig at et inspeksjonssystem med laser benytter en så liten laserdiameter som praktisk mulig og at det avsøkende punkt er i fokus hele tiden mens strålen beveges over den flate som skal undersøkes. Dette betyr vanligvis at avsøkerinnretningen må ha en viss avstand fra den inspiserte overflate og at strålen må begrenses til en relativt liten vinkel.

Silisiumbrikkene som benyttes i fremstillingen av halvlederelementer har hatt typisk diameter fra ca. 5 til 10 cm. Imidlertid har nå halvlederfabrikantene innsett at det vil være lønnsomt og gunstig for større produksjonskvanta å be-nytte enda større silisiumsubstrater (20 cm. har nylig blitt demonstrert). De inspeksjonssystemer for silisiumsubstrater som har vært tilgjengelige hittil har imidlertid vært høyst begrenset i evnen til å inspisere over en større bredde.

I det inspeksjonssystem som beskrives i US-PS 4376583, beveger f.eks. en laserstråle B seg over en liten vinkel 9 og langs en bue over inspeksjonsflaten, på en måte som likner den vist på fig. 1, slik at den avsøkende stråle ikke alltid er vinkelrett på overflaten. Den reflekterte stråle R divergerer således. For begrensede inspeksjonsbredder er dette tilfredsstillende, men størrelsen og geometrien av den optikk som laseravsøkerinnretningen benytter, begrenser avsøkningsbredden som kan dekkes med dette system.

En objektivlinse kan innføres, som vist på fig. 2 med henvisningstall 16, for å gi et hovedsakelig parallelt eller kollimert avsøkersystem. Med et slikt arrangement vil stråle-bunten som danner det avsøkende punkt reflekteres direkte tilbake gjennom objektivlinsen 16 til en punktdetektor 18 som befinner seg nær selve avsøkerinnretningen. Det parallelle eller kollimerte avsøkersystem er mer kompakt enn et system med spredte stråler, siden det lys som reflekteres fra overflaten som skal inspiseres kan passere tilbake gjennom avsøkersystemet til en punktdetektor. Dette sparer anvendelsen av fiberoptikk eller andre samlelinser foran 'fotodetektoren. I tillegg kan man klare seg med en mindre følsom flate i detektoren for å avsøke hele inspeksjonsbredden. Dessuten kan hele enheten holdes nærmere flaten slik at mer av det diffuse lys kan samles ved at en større vinkel av det spredte lys dekkes, og dette medfører en bedre detektorforsterkning.

For å inspisere en relativt bred flate, må imidlertid objektivlinsen 16 være tilsvarende stor, og dette er hverken praktisk eller økonomisk gunstig.

I US-PS 4 314 763 beskrives et inspeksjonssystem med laser hvor søkerstrålen holdes vinkelrett på overflaten til enhver tid. I dette system holdes strålen stille og det er substratet selv som roteres under strålen for å gi en av-søkning langs en arkimedes-skrue som ved avspilling av en grammofonplate. Dette system er imidlertid utillatelig lang-somt, spesielt for store flater under inspeksjon.

Ut fra dette er det et mål med den

foreliggende oppfinnelse å skaffe til veie en forbedret laser-avsøkningsinnretning som er egnet til å benyttes i et kompakt system for laserinspeksjon og som er spesielt egnet til å dekke brede inspeksjonsflater. En annen hensikt med oppfinnelsen er å fremskaffe en innretning for laseravsøkning og som er kompakt og økonomisk i formgivning og konstruksjon.

Nok en hensikt med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en kompakt innretning for laseravsøkning med parallelle avsøkningsbaner og hvor det avsøkende laserpunkt hele tiden er i fokus over den fulle inspeksjonsbredde.

Dette og andre fordeler oppnås med den foreliggende oppfinnelse ved at det er skaffet til veie en innretning for avsøkning av et mål med en laserstråle, av den type som fremgår av innledningen av det etterfølgende krav 1, og som er særlig kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristik-ken i dette krav.

Laseravsøkningsinnretningen i henhold til den foreliggende oppfinnelse omfatter en laserkilde for generering av en laserstråle, en avsøker innstilt for å motta og styre laserstråler slik at den avsøker et mål i et gitt plan, idet målet er brakt i stilling for å motta den avsøkende stråle. Den optiske celle plasseres mellom avsøkeren og målet og omfatter et par speilende flater som er orientert slik i forhold til hverandre at den avsøkende stråle reflekteres flere ganger fra hver av de speilvendte flater langs strålebanen fra av-søkeren til målet. Dette prinsipp med multippelrefleksjoner kan kalles foldeprinsippet og den optiske celle kan kalles en "foldet" celle. Prinsippet tillater at laserstrålens totale strålebanelengde kan ha en betydelig lengde mellom avsøkeren og målet, selv om disse ligger ganske nær hverandre. På denne måte oppnås en tilstrekkelig og ønsket stor avsøkningsbredde uten at det går ut over de fysiske dimensjoner.

Den "foldete" optiske celle tjener også til omforming av det spredte, buete avsøkningsmønster som genereres av av-søkeren, til et kollimert hovedsakelig parallelt av-søkningsmønster. Dette lysmønster vil hovedsakelig reflekteres samlet, nemlig fra de feilfrie partier av den avsøkte overflate, og dette reflekterte lys føres tilbake via den optiske celle og samles i fotodetektoren. Også det diffust spredte lys fra de eventuelle defekter på den avsøkte overflate blir oppsamlet, dette skjer via en kollektor som er anordnet foran overflaten. Kollektoren har en speilende indre flate slik at det dannes et hulspeil med elliptisk sylindrisk krumning. Av-søkningslinjen som dannes av den avsøkende laserstråle på inspeksjonsflaten er plassert i hulspeilets sylinderflates ene ellipsebrennlinje, mens et lysrør er plassert i hulspeilets andre ellipsebrennlinje. På denne måte vil også hovedsakelig alt det diffuse, spredte lys som har sitt utspring i den av-søkende linjes defektrefleksjoner, ledes inn i lysrøret og videreføres til deteksjon i en særskilt fotodetektor. Den nå følgende beskrivelse av en typisk utførelse av oppfinnelsens innretning støtter seg til tegningene, hvor fig. 1 viser et skjematisk riss av et tradisjonelt laseravsøkende system hvor en stråle føres med fokus i en krum flate som tilnærmet sam-menfaller med den flate som skal inspiseres, og hvor det dannes et spredt reflektert strålemønster, fig. 2 viser skjematisk hvordan en objektivlinse kan innføres i et slikt system med spredt refleksjonsstråle, vist på fig. 1, slik at den avsøkende stråle nå beveger seg tilnærmet vinkelrett på overflaten, fig. 3 viser et perspektivriss med alle elementer brakt fra hverandre av et system for laseravsøkning ifølge den foreliggende oppfinnelse og som viser de viktige elementer i tilnærmet riktig forhold til hverandre, fig. 4 viser et tverrsnitt fra siden av det system som er vist på fig. 3, fig. 5 viser det samme sett ovenfra, og fig. 6 viser et skjematisk perspektivriss av et inspeksjonssystem for laseravsøkning ifølge en andre utførelse av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen gjelder altså et laseravsøkningssystem hvor det benyttes en optisk celle hvor laserstrålen bringes til å reflekteres flere ganger (foldes) mellom to optisk speilende overflater. Nærmere bestemt omfatter cellen to motstående speilflater som er orientert slik at de reflekterer den avsøkende stråle flere ganger. Ved at minst den ene speilflate er krum, f.eks. konkav, vil den optiske celle virke på samme måte som en rekke tynne linser, hvorved det oppnås en relativt stor brennvidde og en tilsvarende stor feltdybde innenfor et relativt lite volum. Prinsippet kan med fordel bl.a. benyttes i et laseravsøkningssystem for inspeksjon av silisiumsubstraters overflate. Et typisk slikt system fremgår av fig. 3-5 hvor det stiplet er vist en laserstråles B gang fra sin laserkilde 21, f.eks. i form av et laveffekts helium-neon-laserkilde. Det lys som er tilnærmet kollimert og stråler ut fra laseren 21, fokuseres av de viste linser 22 og 23 slik at det dannes en liten lysflekk (f.eks. med 50 - 75 pm diameter) på det aktuelle mål i form av en flate som skal inspiseres, f.eks. den øvre overflate av et silisiumsubstrat. Som vist avbøyes laserstrålen B 2 • 90° av to speil 24 og 25 for å rettes mot en avsøker 27 med et roterbart speilpolygon 26. Når dette roterer bevirkes at den innfallende laserstråle fra linsen 23 reflekteres i gradvis varierende retning, slik at det dannes en utgangssituasjon for systemets endelige, rette avsøkningslinje L tvers over målet, i det følgende kalt substratet W eller inspeksjonsflaten. Fig. 3 indikerer hvordan avsøkningslinjen L fremkommer etter flere refleksjoner fra motstående speilflater på hhv. et første, plant speil 31 og et andre, krumt speil 32, nemlig et hulspeil. Fig. 4 viser gangen nærmere i en annen versjon hvor den avsøkende laserstråle føres fra avsøkerens speilpolygon 26 til et avlangt speil 28 og deretter inn i den optiske celle 30 som dannes av speilene 30 og 32 og som reflekterer strålen flere ganger før den til slutt rettes fra cellen mot substratets overflate. Antallet refleksjoner i den optiske celle 30 kan innstilles ved hjelp av en svingbart opphengt refleksjonsskinne 36. Følgelig kan en lang strålebane oppnås, dvs. en stor brennvidde, innenfor et svært kompakt apparat. Ut fra den optiske celle danner laserstrålen en hovedsakelig kollimert eller parallell av-søkningsstråle som tilnærmet går normalt på inspeksjonsflaten mens den beveges over denne. Alternativt kan den optiske celle omfatte et konvekst krummet speil eller generelt to krumme speil og være innrettet for å gi en parallell, divergerende eller konvergerende strålebunt. Brennvidden av det andre speil, hulspeilet 32, vist på fig. 3 og 4, og avstanden til det første speil, planspeilet 31, avhenger av de spesielle detaljer man ønsker i det enkelte avsøkende system. I et apparat for inspeksjon av substratoverflater, vist i en typisk utførelse på fig. 3-5, foretrekkes et sylindrisk hulspeil 32 som i et snitt normalt på sylinderflatens generatrise følger en parabel, et slikt hulspeil kan følgelig kalles parabolsk sylindrisk. Avstanden mellom hulspeilet 32 og det motstående planspeil 31 kan typisk være fra 50 - 200 mm. En særlig ut-førelse som benytter et parabolsk sylindrisk hulspeil 32 med 1625 mm brennvidde og 80 mm avstand fra planspeilet 31, vil med tre eller fire refleksjoner mellom hulspeilet 32 og planspeilet 31 gi 400 - 500 mm effektiv pupille-linse-brennvidde. Ved innstilling av antall refleksjoner i speilgangen vil brennvidder mellom 250 og 750 mm kunne oppnås med samme parabolsk sylindriske hulspeil.

Særlige tilleggsinnretninger, såsom et transportbånd 40 kan være anordnet for å skyve inn silisiumsubstratet W eller andre måleobjekter på tvers av avsøkningslinjen L for laserstrålen og med overflaten som skal avsøkes anordnet i et bestemt plan.

Lyset som kastes tilbake fra substratets overflate kan omfatte både speilreflektert lys og diffust lys. Disse reflekterte lyskomponenter samles hver for seg og omformes i separate fotodektorer til elektriske signaler for analyse for å oppnå informasjon om overflatekarakteristikken for det objekt som inspeksjonen omfatter. F.eks. kan et feilkart for posisjon og type feil presenteres ved å sortere signalene ved hjelp av en komparator og sammenlikne signalenes særtrekk med lagrete data.

Siden den innfallende laserstråle er kollimert og strålens avsøkende bevegelse hovedsakelig faller loddrett på substratets W overflate, vil den speilreflekterte stråle passere tilbake gjennom en spalte 51 i en kollektors 50 øvre del og på ny nå den optiske celle 30 hvor strålen reflekteres fra hver av de speilende overflater et antall ganger før den endelig slipper ut av cellen og når et andre avlangt speil 37 som også er anordnet på den svingbart opphengte refleksjonsskinne 36. Strålen rettes så ved hjelp av et speil 38 inn i en lysfeltsdetektor 39. På denne måte vil den speilreflekterte stråle omformes til en stillestående flekk eller et punkt for deteksjon av lysfeltsdetektoren 39.

Kollektoren 50 er plassert på oversiden av den flate som skal inspiseres og har en indre speilende flate med elliptisk sylindrisk form og følgelig to brennlinjer. Det spredte lys som reflekteres fra inspeksjonsflatens av-søkningslinje L utgjør en linjeformet lyskilde som plasseres i kollektorhulspeilets ene brennlinje, mens et matt lysrør 52 er plassert med sin langsgående midtakse i hulspeilets andre brennlinje for oppsamling av det diffuse lys og ledning av dette langs sin midtakse til en sortfelts-fotodetektor 57. Det oppsamlede diffuse lys utstråles således fra enden av lysrøret 52, rettes inn av passende plasserte speil 53, 54 og samles i fokus på overflaten av detektoren 57 ved hjelp av en over-føringslinse 55. Det fremgår således at kollektorens 50 elliptisk sylindriske form og plasseringen av lysrøret 52 og av-søkningslinjen L i kollektorens brennlinjer resulterer i at hovedsakelig alt det spredt reflekterte lys fra substratets W overflate blir samlet i lysrøret 52.

Fig. 6 viser et system for laserinspeksjon av overflater ifølge en alternativ form av oppfinnelsen. Denne ut-førelse likner på mange måter den som er beskrevet tidligere, og for å unngå en gjentatt beskrivelse av de elementer som allerede er omtalt i detalj, vil samsvarende henvisningstall benyttes hvor det er mulig, men med en (') i tillegg.

I prinsippet avviker denne utførelse fra den som tidligere er beskrevet ved at den er innrettet for å videreføre i alt tre separate reflekterte stråler for analyse, via tre ad-skilte utgangskanaler, nemlig et lysfelts- og et sortfelts-detektert signal som i den tidligere utførelse,og i tillegg til dette, i en tredje utgangskanal, "nærfeltlyset" for for-sterket deteksjon av skrammer, riper eller feil som bryter den speilende overflate. Nærmere spesifisert blir den speilreflekterte stråle delt opp i et sentralt lysende felt og et "nærfelt" av spektralt reflektert lys som omgir det lysende felt.

Som vist på fig. 6 er speilet 38' for det lysende felt slik dimensjonert og plassert at det kun reflekterer den sentrale del av den spektralreflekterte stråle til lysfelts-detektoren 39'. De partier av den spektralt reflekterte stråle som omslutter det sentrale lysende feltbilde reflekteres av et overløpsspeil 71 og føres gjennom en overføringslinse 72 via et kollektorspeil 73 til en nærfelts-detektor 70.

Fig. 6 viser også en alternativ måte for samling av det spredte lys og retting av dette lys til sortfelts-detektoren 57'. Som vist er en sylindrisk samlelinse 75 montert nær en lysrør-kollektor 73 for å dirigere lys inn i kollektor-speilet 73 og således til sortfelts-detektoren 57'.

For å øke signa^/støy-forholdet for dette system, kan ugjennomskinnelige skjermer eller stoppeinnretninger, her indikert med 80, monteres mellom planene for den innfallende laserstråle og de reflekterte strålebunter. Dette er mulig siden den innfallende og den reflekterte stråle befinner seg i plan som vinkelmessig er forskjøvet i forhold til hverandre. Skjermene 80 kan monteres mellom den optiske celle 30' og målet, og/eller mellom den optiske celle 30' og de plane speil 28', 37'.

Den lysmengde som oppsamles av de respektive foto-detektorer kan prosesseres via egnet grensesnitt-elektronikk og datamaskinutstyr for å fremskaffe viktig informasjon om typen, plasseringen og graden av de defekter som forekommer på substratets overflate. For en detaljert beskrivelse av en egnet fremgangsmåte som har vært anvendt for feilmålinger og klassifisering av reflekterende flater vises til US-PS 4376583.

Claims (12)

1. Innretning for avsøkning av et mål (W) med en laserstråle (B), omfattende en lyskilde, her benevnt laser (21), for generering av laserstrålen, en avsøker (27) for varierende av-bøyning av laserstrålen (B) slik at denne danner en plan av-søkningsstråle, og optiske elementer (28, 30) for å fokusere, reflektere og projisere avsøkningsstrålen til en avsøknings-linje (L) over målet (W), KARAKTERISERT VED at de optiske elementer (28, 30) omfatter en optisk celle (30) for fokusering og strålefolding, idet cellen (30) har to motstående speil (31, 32) hvis respektive speilflaterer slik orientert i forhold til hverandre at de reflekterer avsøkningsstrålen flere ganger, hvorved det oppnås at dennes effektive lengde mellom avsøkeren (27) og målet (W) blir betydelig større enn den tilsvarende fysiske avstand mellom disse elementer.

2. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det ene (31) av de to motstående speil i den optiske celle (30) har plan speilflate, mens det andre speil (32) er utformet som et hulspeil med en konkavt krummet speilflate, hvorved avsøk-ningsstrålen ved gjentatt refleksjon mellom speilflatene gradvis fokuseres til en kollimert, parallell strålebane.

3. Innretning ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at hulspeilets (32) speilflate har parabolsk form.

4. Innretning ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at hulspeilets (32) speilflate er sfærisk..

5. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED en transportinnretning (40) for å bevege et mål (W) med bestemte dimensjoner i bredde- og lengderetningen, i et gitt målplan og langs en gitt bane som går normalt på avsøkningslinjen (L), hvorved den fokuserte avsøkningsstråle langs linjen (L) avsøker målet (W) over hele dettes bredde, og over hele dets lengde som følge av fremføringen ved hjelp av transportinnretningen (40) .

6. Innretning ifølge ett av de foregående krav, særlig for overflateinspeksjon av et mål (W) i form av et plant objekt såsom et substrat, videre KARAKTERISERT VED detektor-organer (39, 57, 70) innrettet for å motta det lys som reflekteres fra målet (W) og på basis av lysmengden bestemme dettes overflatekarakteristikk.

7. Innretning ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at detektororganene omfatter en sortfelts-detektor (57) og ledeelementer (52-55) for å lede spredt, reflektert lys fra målets (W) overflate mot detektoren (57).

8. Innretning ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at detektororganene omfatter en lysfelts-detektor (39) og ledeelementer (37, 38) for å lede reflektert lys fra målet (W) mot detektoren (39), idet denne er slik anordnet at det reflekterte lys fra målet (W) reflekteres flere ganger i den optiske celle (30) før lyset i form av en stråle når detektoren (39).

9. Innretning ifølge krav 8, KARAKTERISERT VED at lede-elementene (37, 38) er innrettet for bare å lede den sentrale del av det reflekterte lys fra målet (W) til lysfelts-detektoren (39), og at detektororganene omfatter en nærfeltlysdetektor og ytterligere ledeelementer for å lede den resterende og omslut-tende del av det reflekterte lys i form av en lysstråle til detektoren (70).

10. Innretning ifølge krav 6, ytterligere karakterisert ved at detektororganene (5G> 52-55) omfatter et lysrør (52) optisk koblet til sortfelts-detektoren (57) og et elliptisk sylindrisk hulspeil (50) anordnet over målets (W) overflate og nær denne, slik at avsøkningslinjen (L) på overflaten kommer til å ligge i den ene av hulspeilets (50) ellipsebrennlinjer, mens lysrørets (52) lengdeakse kommer til å ligge i hulspeilets andre ellipsebrennlinje, hvorved hovedsakelig alt det reflekterte lys fra målets (W) overflate innrettet for inspeksjon ved laseravsøk-ningen blir ledet inn i lysrøret (52).

11. Innretning ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at detektororganene omfatter både en sortfelts-detektor (57) og en lysfelts-detektor (39) , og tilhørende ledeelementer for å lede reflektert lys fra målet (W), både i form av speilreflektert og diffust reflektert lys, til en respektive detektor.

12. Innretning ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at reflektert lys fra målet (W) og til den optiske celle (30) hovedsakelig ligger i et plan som er for-skjellig fra avsøkningsstrålens plan, idet det mellom disse plan er anordnet en ugjennomskinnelig skjerm (80) for lysisolasjon.