CN116359249A - 基于tdi的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于晶圆检测技术领域，具体为基于TDI探测的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置及方法。本发明检测装置包括照明光源、光束整形组件、运动控制组件、显微镜成像组件、CMOS图像传感器及计算机；光源发出光束经过光束整形组件入射到待测晶圆表面形成线光斑；运动控制组件控制晶圆的运动；显微镜成像组件收集待测晶圆的散射光；CMOS图像传感器将收集到的散射光转换为电信号进行成像并传输到计算机；计算机进行图像增强和缺陷提取。本发明通过线扫描，利用暗场散射原理收集晶圆表面缺陷的散射光，使用CMOS图像传感器对待测晶圆进行快速扫描成像，从而实现对晶圆表面缺陷的快速检测。本发明检测速度快，检测灵敏度高，具有重要实用意义。

Description

基于TDI的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置及方法

技术领域

本发明属于晶圆检测技术领域，具体涉及晶圆表面缺陷检测装置及方法。

背景技术

集成电路产业是支撑国家经济和高科技发展的核心支柱产业，衡量一个国家现代化进程和综合国力的重要标志。随着科技的发展，集成电路的规模越来越大、制造工艺越来越复杂、关键尺寸越来越小。晶圆是在半导体电路加工过程中十分重要的材料，而在半导体制造过程中，可能会因为生产设备、生产工艺、生产环境等因素产生表面缺陷，特别是前道和中道，其质量对最终芯片产品的良率和成本控制至关重要。所以在半导体生产工艺过程中，对晶圆表面缺陷的高精度检测和质量控制提出了极高的要求。为了满足市场需求、产线的同步性检测效率也是一个十分重要的衡量指标。随着制造工艺越来越先进，对高精度高速度检测的需求越来越高。

传统的晶圆表面缺陷检测是通过扫描电子显微镜进行人工目检，这种地毯式人工检测方式需要反复的手动调焦，不仅存在检测时间过长、检测效率低下以及人力成本高的缺点，而且还容易受检测人员用眼疲劳等影响而出现误检，同时也会因检测时间过长而出现排查缺陷问题耗时过久，从而导致大批量的晶圆因为缺陷问题而良率过低，造成损失。扫描电子显微镜和透射电子显微镜检测分辨率非常高，可以检测到0.2nm的粒子，但是它们的劣势是检测速度慢，无法用于在线缺陷检测，而且扫描电子显微镜需要真空环境。目前有相关研究多电子束扫描，一定程度上提高检测速度，但这种方式主要还是用于缺陷复检。原子力显微镜和扫描隧道显微镜是使用探针进行检测，同样拥有高精度检测能力，但一方面探针可能会损坏样品，另一方面检测效率极低，不适合产线检测，主要应用于参考测量。而如果使用点扫描检测方式，那么为了提升对晶圆的检测速度，需要对精密旋转台及其水平移动的速度提出更高的要求。此外，对于点扫描检测方式，常用的光电探测器是光电倍增管(PMT)，但是其灵敏度高，对噪声敏感，且为了提升检测速度，对PMT的采样率要求更高。如果使用面扫描检测方式，为了不损失分辨率，其检测视场也会受到限制。晶圆检测往往会占用整个生产过程中很大一部分时间，很大程度上限制了晶圆的产能。因此，为了提高检测效率，以满足工业生产中的在线检测需求，同时满足晶圆表面高精度检测要求，有必要设计出一种快速晶圆表面缺陷检测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于TDI探测技术的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置方法，实现对晶圆表面缺陷的快速检测，在保持高精度检测需求的情况下，提高检测效率。

本发明提供的基于TDI的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置，其结构包括：照明光源、光束整形组件、运动控制组件、显微镜成像组件、CMOS图像传感器及计算机；其中：

所述照明光源和光束整形组件构成照明系统，用以产生线光斑；

所述显微镜成像组件和CMOS图像传感器构成成像系统，用以收集待测晶圆表面的散射光，并成像在CMOS图像传感器上；

所述照明系统产生线光斑斜入射到待测晶圆上，待测晶圆放置在承载台上，由所述运动控制组件控制承载台的旋转和平移运动，所述成像系统对其进行线扫描，将扫描采集的图像信息传到所述计算机，计算机进行图像增强和缺陷提取。

优选的，所述照明光源为激光光源，光源的波长应为深紫外到近紫外光范围。

优选的，所述光束整形组件包括扩束镜、准直镜、光阑、偏振片、滤光片、平凸柱面透镜。照明光束经过所述扩束镜扩展激光束的直径，并减小激光发散角；再经过所述准直镜对激光束进行准直；再依次经过所述光阑、偏振片、滤光片；最后经过所述平凸柱面透镜对照明光束在一个方向上聚焦形成线光斑。

优选的，所述运动控制组件包括旋转台、XYZ精密位移台，从而控制待测晶圆的旋转和平移，以及显微物镜到待测晶圆表面的工作距离。

优选的，所述XYZ精密位移台为电动精密位移台。

优选的，所述显微镜成像组件包括物镜、光阑、偏振片、滤光片、管透镜。散射光被所述物镜收集，再依次通过所述光阑、偏振片、滤光片，最后通过所述管透镜聚焦到TDI长条CMOS图像传感器。

优选的，所述CMOS图像传感器为长条型，能够采用时间延迟积分(TDI)提升图像灵敏度。所述CMOS图像传感器具有m*n(m/n>20)矩形像素阵列，其中m表示每一行的像素数，n表示TDI级数，像素值可以在TDI级数方向上累加，从而提升图像传感器的灵敏度。

优选的，所述CMOS图像传感器可以通过与计算机相连的SOC调整所需的TDI级数、PGA增益、采集图像的暗电流噪声、行频相关参数。

优选的，所述CMOS图像传感器的行频参数设置需与待测晶圆的移动速度保持匹配，从而保证移动待测晶圆的扫描过程中，采集图像的水平分辨率等于垂直分辨率，采集图像不会压缩或拉伸。

基于上述晶圆表面缺陷检测装置，本发明还提供基于TDI的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测方法，具体步骤如下：

步骤一，准备晶圆样品；将待测晶圆放置吸附在运动控制组件上；

步骤二，打开照明光源和接通SOC电源；打开照明光源，使照明光束通过光束整形组件整形成线状光斑，调整照明光路使线状光斑方向与TDI长条型CMOS图像传感器放置方向(TDI级数积分方向)保持一致；为SOC接通电源，使CMOS图像传感器正常工作；

步骤三，设置TDI长条CMOS图像传感器参数；根据具体测量情况确定待测晶圆的移动速度，通过计算机为TDI长条CMOS图像传感器设置行频、TDI级数、PGA增益、采集图像的暗电流噪声等相关参数；

步骤四，线扫描暗场散射成像；计算机控制运动控制组件，按照规划的扫描路径对待测晶圆进行线扫描暗场散射成像，同时保存扫描图像数据；待整片待测晶圆扫描完成后，断开SOC电源并关闭照明光源；

步骤五，缺陷检测与分析；通过图像处理算法对扫描的暗场散射图像进行预处理，拼接成完整的晶圆图像；并进行图像增强，用特征提取等方法获取晶圆表面缺陷信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供的基于TDI探测技术的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置及方法，使用线扫描方式，相较于点扫描方式，有效提高检测速度；利用暗场散射原理，相较于明场检测，可以获得分辨率和对比度更高的图像，有利于后期的图像处理；使用TDI型长条CMOS图像传感器，相较于PMT，有利于在高移动速度、低光照强度环境下，获得低噪声高探测灵敏度输出图像。所提供的方法具有检测速度快，检测精度高等优点，对半导体制造具有重要意义。

附图说明

图1为本发明基于TDI的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置光学示意图的侧视图。

图2为本发明基于TDI的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置光学示意图的俯视图。

图3为本发明照明线在待测晶圆表面的横向扫描路径示意图。

图4为本发明照明线在待测晶圆表面的旋转扫描路径示意图。

图5为TDI长条CMOS图像传感器采集待测晶圆某一位置处的DN值分布。

图中标号：1为照明光源，2为光束整形组件，21为扩束镜，22为准直镜，23为光阑，24为偏振片，25为滤光片，26为平凸柱面透镜；3为运动控制组件，31为旋转台，32为XYZ精密位移台；4为待测晶圆；5为显微镜成像组件，51为物镜，52为光阑，53为偏振片，54为滤光片，55为管透镜；6为CMOS图像传感器，7为计算机，8为待测晶圆上形成线状光斑，9为暗场显微镜。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明再进一步说明。

暗场散射晶圆表面缺陷检测中，利用点光源进行点扫描的检测速度受限，同一时刻只能对某一点区域进行检测，该点区域的大小为检测光斑大小，约几十微米到几百微米。为了提高检测速度，点扫描的方式需要对精密旋转台和水平移动的速度和图像识别算力提出更高的要求。

此外，大多利用暗场散射原理的晶圆表面缺陷检测装置方法使用光电倍增管(PMT)作为光散射信号的光电转换器件。PMT灵敏度高，但同样也对噪声敏感，且为了提升检测速度，对PMT的采样率要求更高。

针对上述问题，本发明通过线扫描技术，利用暗场散射的原理收集晶圆表面缺陷的散射光，使用时间延迟积分(TDI)长条型CMOS图像传感器对待测晶圆进行快速线扫描成像，提高了CMOS探测灵敏度，从而实现对晶圆表面缺陷的快速检测。具体的检测装置的光学示意图的侧视图如图1所示，包括：

照明光源1，产生照明光束。照明光源1的类型选择激光光源。可以使用点激光光源发射光束经过平凸柱面透镜整形后形成线光斑；也可以使用线激光光源直接发射线光束，再对线光束的长度进行压缩得到线光斑。根据瑞利判据公式，为了提高检测系统的分辨率，光源的波长应选择深紫光或者近紫外光。

光束整形组件2，对照明光束进行整形。光束整形组件2可以包括扩束镜21、准直镜22、光阑23、偏振片24、滤光片25、平凸柱面透镜26等光学元件。照明光束经过扩束镜21扩展激光束的直径，并减小激光发散角；再经过准直镜22对激光束进行准直；再依次经过光阑23、偏振片24、滤光片25得到无杂散光窄波段偏振光；最后经过平凸柱面透镜26对照明光束在一个方向上聚焦形成线光斑。光束整形组件2可以根据实际照明需求进行相应的调整。

运动控制组件3，控制待测晶圆的旋转和平移，以及显微物镜到待测晶圆表面的工作距离。运动控制组件3控制承载台，间接地控制待测晶圆的空间位置。其可以包括旋转台31、XYZ精密位移台32。XYZ精密位移台32可以是电动精密位移台。

待测晶圆4，待测晶圆表面可能存在一些灰尘、微粒、凹坑、划痕等微小缺陷。如果待测晶圆表面不存在缺陷，则照射到待测晶圆表面的入射光将全部反射；如果待测晶圆表面存在微小缺陷，则照射到待测晶圆表面的入射光将发生反射和散射，散射光的强度和方向依据缺陷的种类、大小的不同而不同，因此散射光携带了待测晶圆表面的缺陷信息，通过分析散射光信号，可以获得待测晶圆表面的缺陷情况。

显微镜成像组件5，收集由待测晶圆表面散射的散射光。显微镜成像组件可以包括物镜51、光阑52、偏振片53、滤光片54、管透镜55等光学元件。散射光被物镜51收集，再依次通过光阑52、偏振片53、滤光片54，最后通过管透镜55聚焦到TDI长条CMOS图像传感器。显微镜成像组件5可以根据实际成像需求进行相应的调整。

TDI长条型CMOS图像传感器6，将收集到的散射光转换为电信号进行成像。图像传感器连接SOC，将SOC接通电源，并连接到计算机7，图像传输到计算机7中进行后续图像处理分析，其包括但不限于图像预处理、图像拼接、图像增强、缺陷提取。

如图2所示为该检测装置的光学示意图的俯视图，照明光源1发出照明光束，经过光束整形组件2整形后斜照射在待测晶圆4上形成线状光斑8。显微镜成像组件5和TDI长条型CMOS图像传感器6组合成暗场显微镜9。照射在待测晶圆4上的照明线宽度小于暗场显微镜9的物方视场。对于晶圆的扫描，可以只通过XY精密位移台栅状走位实现晶圆的横向位置移动，Z轴调节显微物镜51到待测晶圆4表面的工作距离，完成聚焦。具体扫描路径如图3所示；也可以通过旋转台和X、Z精密位移台结合实现晶圆环形扫描，具体扫描路径如图4所示。

如图3所示为照明线在待测晶圆表面的栅状扫描路径示意图。使用XYZ精密位移台实现待测晶圆的栅状逐线扫描。照明线会随着待测晶圆的X轴移动，扫描得到一个长条形区域，然后在Y轴方向移动，移动距离小于照明线宽度，保证下一个扫描长方形区域与上一个扫描长方形区域有一定重合区域。

如图4所示为照明线在待测晶圆表面的旋转环形扫描路径示意图。使用旋转台和X、Z精密位移台的结合实现待测晶圆的旋转扫描。照明线会随着待测晶圆的旋转，从中心向边缘扫描环带区域，环带的中心与待测晶圆的中心重合。待扫描完一圈后，旋转台在X精密位移台的控制下，沿X方向移动，移动距离小于照明线宽度，保证下一个扫描环带与上一个扫描环带有一定重合区域。Z轴保证聚焦定位。

在本发明的实施例中，该TDI长条型CMOS图像传感器具有m*n(m/n>20)矩形像素阵列。其可以是9072*256或其他满足条件的矩形像素阵列，其中9072表示每一行的像素数，256表示TDI级数。该图像传感器在成像过程中，随着相机或拍摄物体的运动，该TDI图像传感器可以从第256级至第1级依次感光，电荷从第256级至第1级逐级累积，最终经过多重延时积分积累起来的电荷转移到水平读出通道，再经过可编程增益放大器PGA输出。所以该图像传感器可以利用时间延迟积分增加曝光时间，从而提高图像传感器的探测灵敏度。同时，根据具体测量环境和需求，该图像传感器可以通过SOC调整所需使用的TDI级数、PGA增益、采集图像的暗电流噪声、行频等相关参数。TDI长条型CMOS图像传感器固定不动，拍摄一个匀速运动的物体时，将物体的运动方向与图像传感器的积分方向(TDI级数方向)保持一致。为了保证获得一副既不拉伸，也不压缩的图像，需要保证图像传感器的行频与运动物体的速度匹配，即需要保证图像在X轴方向和Y轴方向具有相同的分辨率。具体根据以下公式设置：

其中L_O表示目标宽度，即物方视场的宽度；H_c表示长条CMOS图像传感器每一行具有的像素数，如9072；V_o表示目标移动速度，即待测晶圆的移动速度；V_c表示长条CMOS图像传感器的扫描速度，即行频。那么TDI长条型CMOS图像传感器的曝光时间为：

其中F表示图像传感器的行频，stage_TDI表示TDI级数。通过调整行频和TDI级数，相应的曝光时间得到调整，有利于在高移动速度、低光照强度环境下，获得低噪声输出图像。

本发明实施例中基于TDI的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测方法按照如下步骤进行：

步骤一，准备晶圆样品。将待测晶圆4放置在运动控制组件3工作台上；

步骤二，打开照明光源和接通SOC电源。打开照明光源1，使照明光束通过光束整形组件2整形成线光斑，调整照明光路使线光斑方向与TDI长条型CMOS图像传感器6放置方向(TDI级数积分方向)保持一致；为SOC和CMOS驱动接通电源，使TDI长条型CMOS图像传感器6正常工作；

步骤三，设置TDI长条型CMOS图像传感器6参数。根据具体测量情况确定待测晶圆4的移动速度，通过计算机7为TDI长条型CMOS图像传感器6设置行频、TDI级数、PGA增益、采集图像的暗电流噪声等相关参数；

步骤四，线扫描暗场散射成像。计算机控制运动控制组件3，按照规划的扫描路径对待测晶圆4进行线扫描暗场散射成像，同时保存扫描图像数据。待整片待测晶圆4扫描完成后，断开SOC电源并关闭照明光源1；

步骤五，缺陷检测与分析。通过图像处理算法对扫描的暗场散射图像进行预处理，拼接成完整的晶圆图像。并进行图像增强，特征提取等方法获取晶圆表面缺陷信息。

在本发明的实施例中，通过SOC设置TDI长条型CMOS图像传感器的TDI级数为256，PGA增益为2倍，行频为23400Hz。检测线光斑的长度约2mm，通过显微成像系统，将线光斑成像在TDI长条CMOS图像传感器上。XY轴精密位移台的行程为200mm，移动分辨率为0.5um，重复定位精度为1um。Z轴精密位移台的行程为20mm，移动分辨率0.05um，重复定位精度为1um。旋转台的旋转分辨率为0.002°，重复定位精度为0.001°。如果扫描方式采用如图4所示的晶圆旋转扫描方式，为了保证扫描环带的亮度保持一致，需要保证扫描不同环带的行频保持不变。因此扫描不同位置的环带时，靠近晶圆中心的环带的转速较大，远离晶圆中心的环带的转速较小，具体转速设置按照公式(1)设定。如图5所示为图像传感器采集待测晶圆某一位置处的DN值分布。该DN值分布反映了该晶圆表面位置处的缺陷分布信息。相比于点扫描，该检测方法在不损失信噪比的前提下，提高检测效率，从而达到快速定位缺陷的目的，后续通过量测确定更精确的缺陷信息。

综上所述，该方法使用逐线扫描对待测晶圆进行检测，相较于基于逐点扫描的暗场散射晶圆表面缺陷检测方法，可有效提高检测效率。该方法利用暗场散射原理，相较于明场检测，可以获得分辨率和对比度更高的图像，有利于后期的图像处理。该方法使用TDI长条型CMOS图像传感器收集待测晶圆的散射信号，相较于使用PMT收集散射信号，TDI图像传感器可以在高移动速度、低光照强度的情况下，获得低噪声的输出图像。

Claims (9)

1.一种基于TDI的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，包括：照明光源、光束整形组件、运动控制组件、显微镜成像组件、CMOS图像传感器及计算机；其中：

所述照明光源和光束整形组件构成照明系统，用以产生线光斑；

所述显微镜成像组件和CMOS图像传感器构成成像系统，用以收集待测晶圆表面的散射光并成像在CMOS图像传感器上；

所述照明系统产生的线光斑斜入射到待测晶圆上，待测晶圆放置在承载台上，由所述运动控制组件实现对承载台的旋转和平移运动控制，所述成像系统对待测晶圆进行线扫描，将扫描采集的图像信息传输到所述计算机，计算机进行图像增强和缺陷提取。

2.根据权利要求1所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述照明光源为激光光源，光源的波长范围为深紫光至近紫外光。

3.根据权利要求1所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述光束整形组件包括扩束镜、准直镜、光阑、偏振片、滤光片、平凸柱面透镜；照明光束经过所述扩束镜扩展激光束的直径，并减小激光发散角；再经过所述准直镜对激光束进行准直；再依次经过所述光阑、偏振片、滤光片；最后经过所述平凸柱面透镜对照明光束在一个方向上聚焦形成线光斑。

4.根据权利要求1所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述运动控制组件包括精密旋转台、XYZ精密位移台，控制待测晶圆的旋转和平移，以及显微物镜到待测晶圆表面的工作距离；所述XYZ精密位移台为电动精密位移台。

5.根据权利要求1所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述显微镜成像组件包括物镜、光阑、偏振片、滤光片、管透镜；散射光被所述物镜收集，再依次通过所述光阑、偏振片、滤光片，最后通过所述管透镜聚焦到CMOS图像传感器。

6.根据权利要求1所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述CMOS图像传感器为长条型，采用时间延迟积分（TDI）提升图像探测灵敏度；所述CMOS图像传感器具有m*n矩形像素阵列，m/n>20；其中m表示每一行的像素数，n表示TDI级数，像素值在TDI级数方向上累加，从而提升图像传感器的灵敏度。

7.根据权利要求6所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述CMOS图像传感器通过与计算机相连的SOC调整所需的TDI级数、PGA增益、采集图像的暗电流噪声、行频相关参数。

8.根据权利要求7所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述CMOS图像传感器的行频参数设置需与待测晶圆的移动速度保持匹配，保证移动待测晶圆的扫描过程中，采集图像的水平分辨率等于垂直分辨率，采集图像不会压缩或拉伸。

9.一种基于根据权利要求1-8之一所述检测装置的基于TDI的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，准备晶圆样品，将待测晶圆放置在运动控制组件上；

步骤二，打开照明光源，使照明光束通过光束整形组件整形成线状光斑，调整照明光路使线状光斑方向与TDI长条型CMOS图像传感器放置方向保持一致；接通SOC和CMOS电源，使图像传感器正常工作；

步骤三，设置CMOS图像传感器参数；根据具体测量情况确定待测晶圆的移动速度，计算机为CMOS图像传感器设置行频、TDI级数、PGA增益、采集图像的暗电流噪声相关参数；

步骤四，线扫描暗场散射成像；计算机控制运动控制组件，按照规划的扫描路径对待测晶圆进行线扫描暗场散射成像，同时分析和保存扫描图像数据；待整片待测晶圆扫描完成后，进行表面信息显示与输出；

步骤五，缺陷检测与分析；通过图像处理算法对扫描的暗场散射图像进行预处理，拼接成完整的晶圆图像；并进行图像增强，用特征提取方法获取晶圆表面缺陷信息。

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