TW200937005A - Apparatus for measuring defects in semiconductor wafers - Google Patents
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Description
200937005 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種半導體晶圓下表面缺陷檢測裝 置,尤指一種基於光學同調斷層掃描的架構,並搭配一寬 頻光源,使該光源足以穿透半導體晶圓下表面,用以分析 晶圓内部不連續的斷面位置及形狀,以達成高靈敏度、高 解析度之半導體晶圓下表面缺陷檢測功能之檢測裝置。 Ο 【先前技術】
按,半導體製程的技術,隨著VLSI(超大規模集成電 路)積集度的增加,其線寬已小至奈米尺寸,各種細微的製 禾王缺1¾或沾污,或是兹晶晶片的品質,均對產品的良率與 致能有嚴重的影響。半導體晶圓缺陷檢測設備的研發與技 2曰新月g ’如何提高量測靈敏度與解析度,降低系統成 本,是重要而具有重大產業利益的研究課題。 化細=晶圓缺陷檢測設備中’如矽晶片、砷化鎵及磷 上體自動化缺陷檢測方法’大致可分為二種。第 表= 術’利用光學散射的原理來量測晶片 小及數量,進而預測晶片的品質。第十=缺陷類型、大 鏡與X光能量散佈分析,顧二式電子顯微 半導體表面的形貌及缺陷,並由x H射的原理來觀察 柯雜質及缺陷種類,藉關斷各種^的特性譜線來分 者受限於缺陷散射光相射景雜訊過=成因。然而,前 %微弱,因此只能用 7 200937005 在晶片表面的量測,無法確切得知晶片内部的缺陷資訊· 後者雖可以量測半導體晶圓下表㈣缺陷成分,、但儀器造 價昂貴’且樣品需放置在真空環境’耗時的㈣程序使得 該技術難以用於即時的線上檢測上。 對於光學式半導體晶圓下表面的缺陷分析技術,一般 使用的方法除了上述光學散射式外,亦有共焦
【同調=掃描術等。其中,紅外光雷射之缺陷散咖 技術,其係糟由調整不同的光源強度、波長與極化方向, 量測不同半導體晶圓表面與下表面的倾,克服傳統^學 散射系統背景雜訊干擾的問題’然而此種方式所能的 斷層影像解析度不足’且小角度收光導致訊號微弱,降低 量測系統的靈敏度。另一種共焦顯微鏡的架構,則可大幅 提高斷層影像的解析度’分析次微米等級的晶體缺陷,^ 系統的靈敏度受限於空間濾波器的數值孔徑,造成影像的 對比不足。 / 相對而言’光學同調斷層掃插技術,因利用外差式價 測法可大幅提高訊噪比’而其縱向空間解析度則 源的頻寬’特別在紅外光波段’可藉由提高錢頻/寬克服 繞射極限的問題。其中’ S譜掃描式光學_斷層掃描技 術,乃透過光譜掃描分別記錄各個波長干涉的強度,再將 所得的光譜經由傅立葉變換求出時域上的干涉波形。此種 頻域分析的技術可免除參考光的反射鏡掃描,提高影像擷 取速度。然而,此種方法所用之波長可調式雷射光源,其 可調範圍約只有100〜200nm’因此其對應的縱向解析度並 不高;另一種改進的方法稱為光譜分割平行處理技術,例 200937005 如美國發明專利 5905572 號「Sample inspection using interference and/or correlation of scattered superbroad radiation」,可直接將一寬頻雷射的輸出光譜 在空間中展開,各個頻率成分的光束同時進行干涉,並由 對應數目的彳貞測器所接收,如此平行處理的技術可進一步 省去雷射之波長掃描’提高影像擷取速度。但由於該系統 需使用大量的濾波、耗合與分光元件,光學精密對準要求 ❹
甚间,且光譜分割的間距不一與解析度的不足都可能導致 重建後的波形失真,在技術上有其困難;此外,例如中華 民國發明專利申請第94145579號「混合寬頻光源與相干光 源之光源模組」’藉由帶通m對寬頻光源產生作用並與 相干光源㈣合’當錢於㈣觸騎描儀時,可使掃 罙度解析之功效;然而,目前的光學同調 =1:所採用的寬頻光源’主要仍為自光光源或超 ‘於ΐ導:曰u對應的縱向空間解析度大約數微米’ 由於奈米:級缺陷仍無法檢測。此外, 檢測,有固疋的光4 ’只適用特定的缺陷種類 :二盘各種半導體元件的需求,因此在實用上有 【發明内容】 有於習知技術之缺失,本 半導體afSlTT主 之•目的在於φζ出一種 日日固下表面缺陷檢測裝置,基於夯踩 的架構,並搭配心=料_斷層掃描 圓下表絲源足以穿透半導體晶 乃析晶圓内部不連續的斷面位置及形狀, 200937005 高解析度之半導體晶圓 辰面缺陷檢測 為達到上述目的’本發明提出—種半導、
缺陷檢測裝置,其包含一超寬頻光纖雷射體99圓下表面 統、一光學同調斷層掃描系統及—處理單__ 了光譜調制系 纖雷射可產生超寬頻雷射,該光譜調制系:]該超寬頻光 寬頻雷射輸出光譜;該光學同調斷層掃^ ^ 1系用以調制超 分光器、二物鏡及至少一光偵測器,超&步^包括至少一 器及物鏡後產生散射光與參考光,並可由診雷射透過分光 散射光與參考光之干涉訊號;該處理單元^光偵測器取得 測裝置作動及進行訊號或資料處理。 、]用以控制該檢 貝番笪安貝對於本發明之結構目 進一步之了解與認同,茲配合圖示詳細說明如和功效有更 【實施方式】
以達成尚靈敏度 功能。 為使 以下將參照隨附之圖式來描述本發明 ㈣技術手段與功效,而以下圖式所列舉 助说明,以利貴審查委員瞭解,但本案之技術手段並不限 於所列舉圖式。 請參閱第一圖所示,本發明所提供之半導體晶圓下表 面缺陷檢測裝置,其包含一超寬頻光纖雷射1〇、一光譜調 制系統20、一光學同調斷層掃描系統30以及一處理單元 40,該處理單元40可為電腦系統,用以控制該檢測裝置作 動及進行訊號或資料處理。 200937005 5亥超寬頻光鐵雷射1 〇在適當電流驅動下, 波長约1.5/zm、頻寬大於兩倍頻寬度之超寬生中= 供該光學同調斷層掃描系統30所需之低同調以提 ' ·寬頻光纖雷射1G可採用之架構,如本實“^ =該 . 由摻餌光纖鎖模雷射11及高非線性光纖12所纽不,其係 用原理為,該摻斜光纖鎖模雷射11乃是基於 成/、作 光纖雷射,透過〆雙激發之光纖放大器將脈衝功波鎖拉 並經由一段適當長度之單模光纖將脈衝寬度壓縮大二 ❹ 秒等級;而該非線性光纖12則係採用一低色散斜率:氣 散波長偏移到1. 5#m附近及高非線性係數之光纖^並二$ 模光纖之輸出端熔接,進而產生超連續光譜,一般$二單 其頻譜寬度可超過l#ra,透過該光譜調制系統2〇&振^碉 制後,其對應之樣品50(亦即晶圓)下表面縱向空間解析度 可優於300nm。 請參閱第二圖所示超寬頻光纖雷射另一架構實施例, 該超寬頻光纖雷1〇a包括一摻餌光纖鎖模雷射lla,該摻 ❹ 餌光纖鎖模雷射lla輸出雷射後,依序經過一光纖準直鏡 13a、一半波片14a、一聚焦鏡15a’再將雷射耦合至—光 子晶體光纖16a中。選擇適當數值口徑之聚焦鏡15a,可 降低其耦合損耗’提高能量使用率,而半波片14a則可調 制雷射之極化方向’以最佳化該光子晶體光纖16a之展頻 特性。一般而言,光子晶體光纖16a具有之非線性係數比 高非線性光纖更大’亦可產生超連續光譜。 請同時參閱第一圖及第三圖,該超寬頻光纖雷射1〇產 生超寬頻雷射透過一光纖準直鏡13’再透過反射鏡17、18 200937005 改變雷射路徑進入該光議調制系統20,再透過反射鏡26 改變雷射路徑進入該光學同調斷層掃描系統3〇;關於^光 . 譜調制系統20可採用之架構不限,如第三圖所示實施例, 該光譜調制系統20係由一極化分光器21、一反射式光拇 • 22、一拋物面鏡23及一空間光調制器24所組成,其中, 該極化分光器21與空間光調制器24形成一振幅調制系 統,而該反射式光栅22與拋物面鏡23則分別作為空間頻 譜展開與耦合之元件,前述該空間光調制器24係連接電腦 0 或處理單元(圖中未示出)’該電腦或處理單元可採用或整 合於第一圖所示該處理單元40 ;藉此,使得該超寬頻光纖 雷射10產生之超寬頻雷射各個頻率成份可經由相位調制 而達到光譜平坦化之效果。關於光譜調制之目的在於,由 於超連續光譜導因於孤立子之分裂(soli ton fission),其 伴隨高階色散與受激拉曼散射(Stimulated Rai«an Scattering,SRS)等效應所造成之頻增強度分佈不均。利 用電腦產生之灰階影像控制该空間光調制器24每一像素 ❿ 之相位延遲,即可調制各個#率成份之濾波效果,如此不 但能使光譜平坦化並趨於高斯分佈,亦可針對不同半導體 材料及元件之缺陷吸收與散射特性,提供多樣化光譜。 請參閱第四圖所示光譜調制系統另一架構實施例,該 光譜調制系統20a包括兩極牝分光器21a、一半波片25a、 兩反射式光柵22a、兩拋物面鏡23a及一空間光調制器 24a,由該兩極化分光器21a、該半波片及戎空間光凋 制器24a形成一振幅調制系疵,而該兩反射式光柵22a與 兩拋物面鏡23a則分別作為突間頻譜展開與耦合之70件; 12 200937005 於本實施例中,該空間光調制器2知採用透光材料,因此 可以牙透式架構完成振幅調制。同樣地,該空間光調制器 24a係連接電腦或處理單元(圖中未示出),利用電腦產生 之灰階影像來控制該空間光調制器24a每個像素之相位延 遲,因此具備光譜可調之優點。
/请再參閱第一圖,本發明所採用之該光學同 ,系統30,其包括—光隔離器(Isolator)31、一極化分光 32、一分光器33以及二物鏡34a、34b;於該極化分夫 器32之入光之一端以及出光之一端分別架設一半波片犯] 與四分之—波片322,構成-三琿光循環器之架構,以指 南雷射光能4之使職率;於_鏡34a下方設有一基台 载欲進行下表面缺陷檢狀#品5g,該樣品5( 體晶圓’而另一物鏡34bi4接一壓電晶體341及 ’該壓電晶體341及歩進馬達342分別連接 =上43、344 ’再連接至該處理單元4〇,即可控制訊號 差式偵測系統’降低系統雜訊的干擾;藉 化分光器32取得特定極化方向之雷射光束,再透過 並可由光偵測器娜所接收;本 之特係採用超寬頻光纖雷射10及光譜調
圖所示,於參考光L2路徑上設有一對 色政補j員菱鏡36,該色散補禮甚於Q 散射η β Mi 鏡36的作用在於補償因 政射先L1與參考光L2群速度色散不 生在量測樣品50本身所造成之群二:之問㈣別發 报鐵办^ /各 珉之群逮度色散,將造成干涉波 ,夂見,降低糸統之縱向解析度,而該色散補償菱鏡%則 200937005 可針對不同半導體元件調整參考光L2之色散補償,使得散 射光L1可與參考% L2之群速度色散始終保持匹配,維持 最佳縱向解析度,藉此,再搭配樣品5Q之二維掃描,即可 取得該樣品50之三維空間斷層影像。
再者,本發明t另一特點在於採用平衡 (dual-balanced detect ion),如第一圖所示,該平衡偵測 系統係使用了兩個光偵測器35a、35b’分別連接該極化/分 光器32及分光器33,並搭配一個減法電路37,再搭配相 關之放大遽波器371 ’可以消除因雷射強度隨時間變化所 引入的雜訊,進而提高訊嗓比,相對提高量測系統的靈敏 度。 根據上述各實施例,可歸納出本發明具有以下優點: 一、 超寬頻光纖雷射不但能取代傳統白光或低同調性光源 之同調長度不足的缺點,提高光學同調斷層掃描系統 的縱向解析度外;亦由於其波長涵蓋紅外光的範圍, 可提高各種半導體材料的穿透深度。 二、 光譜調制系統以電腦產生的灰階影像來調制光譜,不 但能將超寬頻光纖雷射的光譜平坦化並趨於高斯分 佈’亦可針對不同半導體材料及元件之缺陷吸收與散 射特性,提供多樣化的光譜。 三、 光學同調斷層掃描系統所引入的色散補償元件與平衡 偵測系統,可以有效提升量測系統的縱向解析度與靈 敏度,適合用於半導體内部更細微缺陷結構的檢測。 四、 超短脈衝光源所具有的高功率、低熱量等特性,可避 免半導體元件的熱效應,提尚糸統的掃描速度,符合 14 200937005 半導體製程中線上即時檢測之需求。 綜上所述,本發明所提供之半導體晶圓下表面缺陷檢 測裝置,基於光學同調斷層掃描的架構,並搭配一寬頻光 •源,使該光源足以穿透半導體晶圓下表面,用以分析晶圓 '内部不連續的斷面位置及形狀,可達成高靈敏度、高解析 度之半導體晶圓下表面缺陷檢測功能,此外,本發明可依 使用狀況而做各種變化,例如光纖雷射之波長與頻寬,超 連續光譜產生所使用之光纖,光譜調制系統所使用之元件 ❹ 等。 惟以上所述者,僅為本發明之實施例而已,當不能以 之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範 圍所作之均等變化與修飾,皆應仍屬於本發明專利涵蓋之 範圍内,謹請貴審查委員明鑑,並祈惠准,是所至禱。 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明實施例之架構示意圖。 ® 第二圖係本發明超寬頻光纖雷射另一實施例之架構示 •意圖。 -第三圖係本發明光譜調制系統之一實施例之架構示意 圖。 第四圖係本發明光譜調制系統另一實施例之架構示意 圖。 【主要元件符號說明】 200937005 10、 10a-超寬頻光纖雷射 11、 11a-摻餌光纖鎖模雷射 12-高非線性光纖 13、13a-光纖準直鏡 14a_半波片 15a-聚焦鏡 16a-光子晶體光纖 _ 17、18-反射鏡 20、 20a-光譜調制系統 21、 21a-極化分光器 22、 22a-反射式光柵 23、 23a-拋物面鏡 24、 24a-空間光調制器 2 5 a _半波片 26-反射鏡 © 30-光學同調斷層掃描系統 31- 光隔離器(Isolator) 32- 極化分光器 321- 半波片 322- 四分之一波片 33- 分光器 34a、34b-物鏡 34卜壓電晶體 16 200937005 342-步進馬達 343、344-驅動器 35a、35b-光偵測器 36- 色散補償菱鏡 37- 減法電路 3 71 -放大慮波器 40-處理單元 50- 樣品 ❹ 51- 基台 L1 -散射光 L2_茶考光
Claims (1)
- 200937005 , 十、申請專利範圍: 1. 一種半導體晶圓下表面缺陷檢測裝置,包含: 一超寬頻光纖雷射,用以產生超寬頻雷射; • 一光譜調制系統,用以調制超寬頻雷射輸出光譜; ’一光學同調斷層掃描系統,其包括至少一分光器、二物 鏡及至少一光偵測器,超寬頻雷射透過分光器及物鏡後 產生散射光與參考光,並可由該光偵測器取得散射光與 參考光之干涉訊號; ❹ 一處理單元,用以控制該檢測裝置作動及進行訊號或資 料處理。 2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體晶圓下表面缺陷檢 測裝置,其中該超寬頻光纖雷射係由摻铒光纖鎖模雷射 及高非線性光纖所組成。 3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體晶圓下表面缺陷檢 測裝置,其中該超寬頻光纖雷射可產生中心波長約1.5// m, 且頻寬大於兩倍頻寬度之超寬頻雷射。 © 4.如申請專利範圍第1項所述之半導體晶圓下表面缺陷檢 . 測裝置,其中該光譜調制系統包含一極化分光器、至少 一反射式光柵、至少一拋物面鏡及一空間光調制器;超 寬頻雷射依序透過該極化分光器、反射式光柵、拋物面 鏡及空間光調制器,藉以調制超寬頻雷射輸出光譜。 5.如申請專利範圍第1項所述之半導體晶圓下表面缺陷 檢測裝置,其中,於該光學同調斷層掃描系統之參考光 路徑上設置有一對色散補償菱鏡。 18 200937005 .. 6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體晶圓下表面缺陷 檢測裝置,其中該光學同調斷層掃描系統包含一極化分 光器、一分光器以及兩光偵測器,該兩光偵測器分別連 接該極化分光器及分光器,且該兩光偵測器搭配一減法 •電路。 7. 如申請專利範圍第6項所述之半導體晶圓下表面缺陷 檢測裝置,其中該極化分光鏡之入光端設有一半波片, 該極化分光鏡之入光端設有一四分之一波片。19
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