TWI734169B - 矽晶圓次表面檢測系統及其方法 - Google Patents

Abstract

一種矽晶圓次表面檢測系統，用於檢測待測矽晶圓之次表面，包含： 雷射光源，提供第一偏振方向之檢測光束；偏振分光元件，設置於檢測光束的路徑上，反射第一偏振方向之光束，使第二偏振方向之光束穿透；第一透鏡，接收偏振分光元件反射之檢測光束，使檢測光束匯聚至待測矽晶圓；其中，主表面將檢測光束反射形成第一偏振方向之主表面反射光束，次表面將檢測光束反射形成第二偏振方向之次表面反射光束；偏振分光元件反射主表面反射光束，並使次表面反射光束穿透；第二透鏡，匯聚穿透的次表面反射光束；以及通孔，接收匯聚之次表面反射光束，傳遞至光感測器。

Description

矽晶圓次表面檢測系統及其方法

本發明是關於一種矽晶圓次表面檢測系統及其方法。更具體而言，是一種利用偏振分光及共軛焦技術所達到之針對矽晶圓次表面之檢測系統及檢測方法的技術。

現有技術的半導體元件，多數使用矽作為基板之主要材料，而大部分的積體電路(Integrated circuit,IC)也都是由矽晶圓加工而得，可見矽材料在高科技產業所佔有的重要地位。現時，矽晶圓作為關鍵的元件，在品質管控上亦逐漸地受到重視。

在矽晶圓的加工過程中，包括如線切割、研磨、拋光等等多道程序。進行這些程序的過程中，容易因為人為操作失誤，或者自動化加工系統的不穩定，在矽晶圓主表面(或稱為表面，surface)或矽晶圓次表面(subsurface)產生非預期的傷害。而是否能夠有效且確實的檢測出這些非預期的傷害，在品質管控上已然成為重要的一環。

針對此現象，國內外對於矽晶圓檢測之技術也發展迅速。然而，大多數技術著重於矽晶圓表面之檢測或是切割溝渠之檢測，矽晶圓次表面之檢 測技術相對較少。矽晶圓次表面之檢測技術主要可分為下列兩類：(1)破壞後再進行檢測的方法：如利用橫截面顯微鏡、蝕刻、步進拋光、角度研磨等；(2)非破壞性檢測的方法：如利用光致發光、顯微拉曼光譜等方法進行矽晶圓次表面之檢測。然而這兩種方法，主要是檢測極微小尺寸的缺陷，如矽晶圓次表面的晶格紊亂或相變。而相對其稍微大尺寸的缺陷，仍缺乏相應的技術。

據此，本發明提供一種矽晶圓次表面檢測系統及其方法，旨在檢測矽晶圓之次表面中，相對前述晶格紊亂或相變更加大尺度，但又小於肉眼清晰可見之尺度之微米級尺寸的裂縫缺陷。

本發明提供之矽晶圓次表面檢測系統，是用於檢測待測矽晶圓之次表面，其包含：雷射光源，其提供具有第一偏振方向之檢測光束；偏振分光元件，設置於檢測光束的傳遞路徑上，其反射具有第一偏振方向之光束，並使具有第二偏振方向之光束穿透，第一偏振方向與第二偏振方向不同；第一透鏡，接收偏振分光元件反射之檢測光束，使檢測光束傳遞並匯聚至待測矽晶圓；其中，待測矽晶圓之一主表面及次表面分別反射檢測光束，主表面將檢測光束反射形成具有第一偏振方向之一主表面反射光束，次表面將檢測光束反射形成具有第二偏振方向之次表面反射光束；偏振分光元件反射主表面反射光束，並使次表面反射光束穿透；第二透鏡，相對偏振分光元件係與第一透鏡設置於相對側，匯聚來自偏振分光元件的次表面反射光束；以及通孔，設置於第二透鏡之焦點，接收匯聚之次表面反射光束，並傳遞至光感測器。

較佳地，偏振分光元件完全反射具有第一偏振方向的光束。

較佳地，待測矽晶圓設置於該第一透鏡之焦點。

較佳地，待測矽晶圓係利用位置控制模組調整至第一透鏡之焦點。

較佳地，位置控制模組係包括載台、驅動模組及控制模組。

較佳地，驅動模組包括在單一方向上移動的三個移動平台，該三個移動平台所移動的方向係相互垂直。

較佳地，檢測光束是紅外光；更佳地，該檢測光束是波長大於1127nm的紅外光；理想情況下，檢測光束是波長為1200nm的紅外光。

承上述，本發明的矽晶圓次表面檢測系統，其係應用本發明用以檢測待測矽晶圓之次表面的方法進行檢測。本發明的矽晶圓次表面檢測方法包括：設置待測矽晶圓於位置控制模組的載台上；提供具有第一偏振方向之檢測光束，並利用偏振分光元件將檢測光束反射至第一透鏡；利用第一透鏡之匯聚特性匯聚檢測光束至該待測矽晶圓；利用該位置控制模組移動待測矽晶圓之位置，調整待測矽晶圓至該第一透鏡之焦點；收集具有第二偏振方向之次表面反射光束，其中次表面反射光束係由待測矽晶圓之次表面反射檢測光束而形成，且次表面反射光束是由待測矽晶圓傳遞至第一透鏡，穿透偏振分光元件，並利用相對偏振分光元件係與該第一透鏡設置於相對側的一第二透鏡匯聚至通孔後，利用光感測器收集。

本發明藉由上述的次表面檢測系統及檢測方法，克服單純使用偏振光技術無法排除不同深度位置的表面的反射光束的技術問題，並同時克服單純使用共軛焦技術可能接收到部分非焦點處的反射光束的問題，因此使用上述 檢測方法，可以有效地排除表面反射光束的干擾，並可精確地檢測到次表面的反射光。

10:次表面檢測系統

100:計算機

200:雷射光源模組

201:雷射控制器

202:雷射光源

300:光學模組

301:偏振分光片

302:第一透鏡

303:第二透鏡

304:遮罩

305:通孔

400:感測器模組

401:光功率量測器

402:光感測器

500:位置控制模組

501:控制模組

502:驅動模組

503:載台

700:待測矽晶圓

701:主表面

702:次表面

800:檢測光束

810:主表面反射光束

820:次表面反射光束

S11~S14:步驟

本發明的圖式僅為使說明書所描述之實施例更易於理解，並非用於限制本發明的實施方式。此外，本發明圖式為使概念更容易理解，而將元件之比例關係或方向以較易於表達的尺度表達，然而，其並非用於限制本發明中各元件之配置、距離、角度關係等參數。

第1圖顯示本發明之矽晶圓次表面檢測系統之實施例的模組間關係之方塊圖。

第2圖顯示本發明之矽晶圓次表面檢測系統之實施例中細部元件及雷射光路的示意圖。

第3圖是本發明之矽晶圓次表面檢測系統之實施例中，雷射光束入射待測矽晶圓表面之光路示意圖。

第4圖是第3圖中雷射光束入射待測矽晶圓表面後，由主表面產生之反射光束之光路示意圖。

第5圖是第3圖中雷射光束入射待測矽晶圓表面後，由次表面產生之反射光束之光路示意圖。

第6圖是常見半導體材料的在各波長之穿透率分布圖。

第7圖是本發明之次表面檢測方法之實施例的流程圖。

本發明將藉由下列較佳實施例及其配合之圖式，作進一步之詳細說明。需注意的是，以下各實施例所揭示之內容，係為便於解釋本案技術特徵，並非用以限制其可實施之態樣。

請參閱第1圖，其顯示本發明之矽晶圓次表面檢測系統之實施例。次表面檢測系統10包括計算機100、雷射光源模組200、光學模組300、感測器模組400、以及位置控制模組500。其中，計算機100控制雷射光源模組200的開關及雷射參數；控制感測器模組400的開關及感測參數如時間等；以及控制位置控制模組500以調整待測矽晶圓至適於檢測的位置。在本實施例中，計算機100並未與光學模組300連接，也並未控制光學模組300的作動及參數，其係因光學模組由多種光學竟畔架設而成，不須額外控制。然而，本發明並不限於此實施例，在其他實施例中，計算機100也可與光學模組300連接，並控制各光學鏡片或架設各光學鏡片的載台等。

請參閱第2圖，其顯示較第1圖更詳細之本發明之次表面檢測系統之實施例的細部元件及光路示意圖。如第2圖所示，計算機100連接雷射光源模組200的雷射控制器201以控制雷射光源202，以控制雷射光源202的開關，或者設定雷射光源202提供特定參數的雷射光束。在一種實施例中，雷射光源202內部即配置有調整出射之雷射光束之偏振態之元件，藉由雷射控制器201的調整，可依使用者的需求出射特定偏振態的雷射光束。較佳地，在本實施例中，雷射光源202提供檢測光束800，且較佳地，檢測光束800為S偏振光。以第2圖表示，雷射光源202提供的檢測光束800的偏振方向係垂直於圖面，亦即圖中所示座標軸之X方向。

此外，較佳地，雷射光源202提供準直之雷射光束，或者可增設用於使出射之雷射光束準直的光學元件，使檢測光束800中的每道光束是以近乎或完全平行的方向入射光學模組300。較佳地，雷射光源202提供的檢測光束800如第2圖所示，校正至在同一個yz平面。

如第2圖所示，由雷射光源202出射的雷射光束(由虛線示意，兩道虛線係用於示意最邊緣的光束)，被導引傳遞至光學模組300。光學模組300包括偏振分光片301、第一透鏡302、第二透鏡303、遮罩304以及設置於遮罩304上之通孔305。

偏振分光片301的特性是使具有特定偏振態之光束反射，並使其他偏振態的光束穿透。在本實施例中，偏振分光片301被配置使對應於雷射光源202所出射之光束的偏振態反射。如第2圖所示，較佳地，雷射光源202提供為S偏振光的檢測光束800，而偏振分光片301反射檢測光束800，並將其導引至第一透鏡302。

接著，請同時參閱第2圖及第3圖。第一透鏡302是適於使光束匯聚的光學元件。較佳地，第一透鏡302是凸透鏡，用以將偏振分光片301反射之檢測光束800匯聚至待測矽晶圓700之表面。在本實施例中，待測矽晶圓700的表面利用位置調整模組800而調整到第一透鏡302的焦點，使檢測光束800可順利匯聚至待測矽晶圓700的表面。然而，在其他實施例中，第一透鏡302也可搭配額外設置的驅動元件調整其位置，進而調整檢測光束匯聚的位置。

承上述，檢測光束800所入射之待測矽晶圓700的表面，實際上包括了主表面701及次表面702。主表面701及次表面702之間間距的尺度是相當微 小的，因此第3圖中是以較為誇飾的尺度繪製兩者，以便於理解，實際實施時之主表面701及次表面702不應被圖式的尺度所限制。

為了使檢測光束800在入射待測矽晶圓700的表面時同時能入射主表面701及次表面702，必須使用特定波長的檢測光束800，此特定波長的選擇，將在後續段落有詳細說明。

接著，請同時參閱第3圖及第4圖。檢測光束800先入射主表面701，再穿透主表面701並入射次表面702。在檢測光束800入射主表面701時，有部分的檢測光束800經由主表面701反射，形成主表面反射光束810，如第4圖所示。雖然，入射光學模組300的檢測光束800已如前述被調整為近乎或完全平行的光束，但是經由主表面701反射時，是以漫射的方式將光束反射回第一透鏡302，因此主表面反射光束810並不會完全依照檢測光束800來時的路徑返回。主表面反射光束810包括有部分依照原路徑返回的光束，也包含部分以發散方式返回的光束。經由主表面反射的光束，由於其偏振態不會受到影響，因此依照原路徑返回第一透鏡302及偏振分光片301的主表面反射光束810會再次受到偏振分光片301的反射特性影響，大致朝向雷射光源202的方向傳遞；另一方面，以發散方式返回的主表面反射光束810，有可能超出偏振分光片301覆蓋的範圍而持續向前傳遞到遮罩304，由於其角度關係，入射通孔305的機會微乎其微，因此能使感測器模組400不易接收到主表面反射光束810。

至於，穿透主表面701而入射次表面702的檢測光束800的路徑，請參閱第5圖。入射次表面702的檢測光束，同樣地，因漫射而形成次表面反射光束820發散地返回第一透鏡302。值得注意的是，次表面702反射檢測光束800時，會一定程度地改變其偏振態，例如由S偏振態轉換為P偏振態、或者由S偏振 態轉換為圓偏振態等，較佳地，當雷射光源202提供S偏振態的光束，次表面702將其轉換為P偏振態的次表面反射光束820。因此，在次表面反射光束820返回偏振分光片301時，會直接穿透偏振分光片301並到達第二透鏡303，而不會被反射導向雷射光源202。藉此機制，可有效分離主表面反射光束810與次表面反射光束820。

如第5圖所示，相對於偏振分光片301，在第一透鏡302的另一側設置有第二透鏡303。較佳地，第二透鏡303為凸透鏡，且其焦點是配置於通孔305的位置，使平行入射第二透鏡303的光束可被匯聚到通孔305。前述的次表面反射光束820在穿透偏振分光片301後，被傳遞到第二透鏡303，並經其匯聚到通孔305。在通孔305的後方，設置有感測器模組400，用以感測由通孔傳遞之光束。

綜上，利用光學模組300的偏振分光片301、第一透鏡302、第二透鏡303及次表面702特有的光學性質，可將進入通孔305的光只限制在由次表面702反射之次表面反射光束820。值得提到的是，若僅使用偏振分光片301，不使用第一透鏡302、第二透鏡303及通孔305，即便大部分的主表面反射光束810應被發散或由偏振分光片301反射導向雷射光源202，仍可能有部分光束經由在系統內部多次反射而被傳遞到感測器模組400，導致接收到許多非預期的訊號，使檢測結果失準；相對地，若僅使用第一透鏡302、第二透鏡303及通孔305，而不使用偏振分光片301，則較難以分離主表面反射光束810及次表面反射光束820，使得感測器模組400接收到主表面反射光束810的訊號而造成檢測結果失準。利用本發明之次表面檢測系統，能同時有效克服兩者的缺陷，精確地檢測到次表面的反射光。

以上，主要是針對光學模組300及檢測光束800所行進的光路進行說明。接著，將針對前述未詳加說明的雷射光源模組200、感測器模組400及位置控制模組500作進一步說明。

關於雷射光源模組200，除前述提到的架構外，還需注意的是，若欲實施本發明之次表面檢測系統，必須選用可穿透主表面701而到達次表面702的光束，才有可能發揮檢測次表面的功效。然而，由於各種材料對應各光束波長的穿透率不相同，必須針對各種材料特定地調整為適當的波長。

在本發明的實施例中，是以矽晶圓作為待測矽晶圓700。能穿透矽晶圓表面之光束的波長係由以下推導而得出。由於矽之價帶與傳導帶的能階為1.1eV，故理論上，矽吸收到波長小於1127nm(1240/1.1eV)的光(亦即光子能量大於1.1eV的光)時，電子即可從價帶跳至傳導帶，產生電流。矽基太陽能電池即是利用上述原理，吸收波長400~1100nm的光子以產生電流，相對地，波長大於1127nm的光能量不足，不會被吸收，則會穿透。請參閱第6圖，其顯示出矽對各波長光的穿透率，由圖可見，矽在約大於1127nm處即有穿透率的顯著提升，符合上述的推導。因此，應用於本發明之檢測光束800較佳地為紅外光，且較佳地為大於1127nm的紅外光，更佳地，在使用1200nm的檢測光束時，可有更佳的效果。

由於雷射光源202提供的檢測光束800通常較難配置為單一波長的光束而是較窄頻寬的光束，其亦有可能包括部分小於1127nm的波長。在此情況下，小於1127nm波長的穿透效率可能較差，但其餘波長部分仍可用於次表面檢測。使用者可自行依據器材成本與檢測效果之間進行取捨及調整。

同理，若欲針對其他材料進行類似的次表面檢測，可計算出所欲檢測之表面的穿透率，並對應整個系統進行調整。

關於感測器模組400，其可包括光功率量測器401及光感測器402。計算機100控制光功率量測器401，並進一步光感測器402的開關及量測參數。光感測器402設置於通孔305之後，以接收通過通孔305的次表面反射光束820，並將接收到的訊號傳輸至光功率量測器401及計算機100作進一步的分析及計算。光感測器402除感測器本體外，還可增設放大光訊號的元件，在通過通孔305的光量過小時，可作進一步的放大以得到較佳的檢測結果。

關於位置控制模組500，其用於將待測矽晶圓700調整至第一透鏡302之焦點。如第2圖所示，位置控制模組包括控制模組501、驅動模組502、及載台503。使用者可利用計算機100提供訊號，使控制模組501進一步控制驅動模組502調整載台503的位置。較佳地，驅動模組502可包括在單一軸上移動的三個移動平台，該三個移動平台所移動的方向係相互垂直，舉例而言，三個移動平台可分別為向x方向、y方向、z方向移動的平台，載台503則設置於三個移動平台之上。在另一實施例，驅動模組也可具有球狀轉軸的元件，搭配移動平台及載台503，或將載台503本身即作為移動平台，利用球狀轉軸達到並非平面而是角度調整的功能。

以上，係描述本發明之矽晶圓次表面檢測系統的架構，而對應此系統的檢測方法，也是本發明所欲提供用於解決本領域問題的標的。

請參閱第7圖，其顯示本發明提供之矽晶圓次表面檢測方法的流程圖。本發明之矽晶圓次表面檢測方法包括數個步驟，以下將搭配本發明之次 表面檢測系統的各元件分別詳細地說明，然而，所搭配說明的元件及元件符號僅為使本方法更易於被理解，實際實施上並不限於此。

在步驟S11中，利用雷射光源202提供具有第一偏振方向之檢測光束。以前述的實施例而言，雷射光源202較佳地提供垂直於紙面(x方向)的S偏振態檢測光束800。

在步驟S12中，利用偏振分光片301將S偏振態的檢測光束800反射至第一透鏡302；而在後續的步驟S13中，檢測光束被匯聚至待測矽晶圓。S13的匯聚效果可利用第一透鏡302達成，而匯聚的過程中，若待測矽晶圓700的位置偏離第一透鏡302的焦點，可利用位置控制模組800進行調整。

接著，在S14中，收集通過通孔的具有第二偏振方向之次表面反射光束。如前述次表面檢測系統的實施例所提，次表面702可在反射檢測光束800為次表面反射光束820的同時轉換其偏振態，使其偏離S偏振態而穿透偏振分光片301，到達第二透鏡303及通孔305，並經由感測器模組400收集。

利用上述次表面檢測方法的步驟，囊括了偏振系統及共軛焦系統的優點，能同時有效克服兩者的缺陷，精確地檢測到次表面的反射光。

據此，本發明提供的次表面檢測系統及檢測方法，有效解決現今矽晶圓次表面檢測技術上的問題，提供了更優異的系統及方法。

以上描述的所有實施例僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本創作之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

100:計算機

201:雷射控制器

202:雷射光源

301:偏振分光片

302:第一透鏡

303:第二透鏡

304:遮罩

305:通孔

401:光功率量測器

402:光感測器

501:控制模組

502:驅動模組

503:載台

700:待測矽晶圓

Claims (10)

1. 一種矽晶圓次表面檢測系統，用於檢測一待測矽晶圓之次表面，其包含：一雷射光源，其提供具有一第一偏振方向之一檢測光束；一偏振分光元件，設置於該檢測光束的傳遞路徑上，其反射具有該第一偏振方向之光束，並使具有一第二偏振方向之光束穿透，該第一偏振方向與該第二偏振方向不同；一第一透鏡，接收該偏振分光元件反射之該檢測光束，使該檢測光束傳遞並匯聚至該待測矽晶圓；其中，該待測矽晶圓之一主表面及該次表面分別反射該檢測光束的至少一部份，該主表面將該檢測光束反射形成具有該第一偏振方向之一主表面反射光束，該次表面將該檢測光束反射形成具有該第二偏振方向之一次表面反射光束；該偏振分光元件反射該主表面反射光束，並使該次表面反射光束穿透；一第二透鏡，相對該偏振分光元件係與該第一透鏡設置於相對側，匯聚來自該偏振分光元件的該次表面反射光束；以及一通孔，設置於該第二透鏡之焦點，接收匯聚之該次表面反射光束，並傳遞至一光感測器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之矽晶圓次表面檢測系統，該偏振分光元件完全反射具有該第一偏振方向的光束。
3. 如申請專利範圍第1項所述之矽晶圓次表面檢測系統，該待測 矽晶圓設置於該第一透鏡之焦點。
4. 如申請專利範圍第3項所述之矽晶圓次表面檢測系統，該待測矽晶圓係利用一位置控制模組調整至該第一透鏡之焦點。
5. 如申請專利範圍第4項所述之矽晶圓次表面檢測系統，該位置控制模組係包括一載台、一驅動模組及一控制模組。
6. 如申請專利範圍第5項所述之矽晶圓次表面檢測系統，該驅動模組包括在單一方向上移動的三個移動平台，該三個移動平台所移動的方向係相互垂直。
7. 如申請專利範圍第1項所述之矽晶圓次表面檢測系統，該檢測光束是紅外光。
8. 如申請專利範圍第7項所述之矽晶圓次表面檢測系統，該檢測光束是波長大於1127nm的紅外光。
9. 如申請專利範圍第8項所述之矽晶圓次表面檢測系統，該檢測光束是波長為1200nm的紅外光。
10. 一種矽晶圓次表面檢測方法，用以檢測一待測矽晶圓之次表面，其包括：設置該待測矽晶圓於一位置控制模組的一載台上；提供具有一第一偏振方向之一檢測光束，並利用一偏振分光元件將該檢測光束反射至一第一透鏡；匯聚該檢測光束至該待測矽晶圓，其係利用該第一透鏡之匯聚特性達成；調整該待測矽晶圓至該第一透鏡之焦點，其係利用該位置控制模組移動該待測矽晶圓之位置達成； 收集具有一第二偏振方向之一次表面反射光束，其中該次表面反射光束係由該待測矽晶圓之次表面反射該檢測光束而形成；該次表面反射光束是由該待測矽晶圓傳遞至該第一透鏡，穿透該偏振分光元件，並利用相對該偏振分光元件係與該第一透鏡設置於相對側的一第二透鏡匯聚至一通孔後，利用一光感測器收集。

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