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TW201727218A - 缺陷檢測方法及相關裝置 - Google Patents

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TW201727218A
TW201727218A TW105138739A TW105138739A TW201727218A TW 201727218 A TW201727218 A TW 201727218A TW 105138739 A TW105138739 A TW 105138739A TW 105138739 A TW105138739 A TW 105138739A TW 201727218 A TW201727218 A TW 201727218A
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Abstract

本發明係關於一種用於判定一結構之頂側中一空洞型缺陷之尺寸之方法，所述結構包括設置在一底材上之一頂層，所述缺陷位於所述頂層中；該方法包括：a) 將所述結構(4)引入一反射式暗視野顯微鏡裝置，以從所述頂側散射之一光線(1’’)產生一缺陷相關第一訊號及一粗糙度相關第二訊號之一步驟；以及b) 以複數個像素擷取所述粗糙度相關第二訊號之強度值之一步驟；該方法之特徵在於其更包括：c) 將每一像素所擷取之強度值與鄰近像素所擷取之強度值加以比較，並定義所述每一像素是否被包含在一異常區中之一處理步驟；d) 提取由所述異常區之像素所擷取之強度值之標準差之一步驟；以及e) 根據所提取之標準差，判定與所述異常區相關聯之空洞型缺陷之尺寸之一步驟。本發明亦與一種用於檢測空洞型缺陷之裝置有關。

Description

缺陷檢測方法及相關裝置
本發明與檢查位於底材表面之缺陷有關。本發明更與一種用於檢測及判定一底材上面一薄層中空洞型缺陷之尺寸之方法及一種相關裝置有關。
本發明之方法及裝置應用了本發明所屬領域中周知的技術來辨識底材表面上的可見缺陷。此為反射式暗視野顯微鏡法的問題，其原則茲參考圖1概述如下。
反射式暗視野顯微鏡法包括，舉例而言，將一入射光線1以相對於一平面P之一角度β傾斜地投射到一底材4的表面上，該平面P平行於待觀察的底材表面。依照習知技術的實施例，亦可將入射光線1垂直投射於底材4的表面（亦稱正常模式）。入射光線1利用，舉例而言，平面鏡及/或凹面鏡2、3，而被引導往底材4表面的方向，讓入射光線1得以集中在底材4的表面上。因此，當待觀察的底材表面是一無缺陷平面鏡時，入射光線1將以相同的角度β被底材4的表面完全反射（稱為β角反射光線，在圖1中以符號1’表示）。在此情況下，由於入射光線1沒有偏離，因此沒有光線在收集通道5的方向上被散射，收集通道5的末端設有一檢測單元6（例如一光電倍增管）；檢測單元6會檢測被底材4表面所散射的光線（即被反射而偏離β角反射光線1’路徑的光線）之光強度。在前述情況下，檢測單元6會擷取到一均勻的暗影像。
當待觀察的底材4表面包含缺陷時，照亮底材4表面的部分入射光線1會被這些缺陷在收集通道5的方向上散射。檢測單元6會擷取這些散射光線的光強度，其會被轉換成數位資料，然後傳送到一資料處理裝置，以顯示在例如一螢幕7上。在所獲得的影像中，位於底材4表面上的缺陷在暗色背景上看起來是亮的。
應記得的是，反射式暗視野照明（reflected darkfield illumination）特別推薦用於表面的研究。反射式暗視野顯微鏡法可讓直接透射的光最小化，且只有被底材4表面上的缺陷所偏離或散射的光才會被收集。因此，反射式暗視野顯微鏡法讓顯示缺陷的影像對比大幅提高，同時只需要非常少的設備及簡單的底材4準備。然而，此一技術受限於所收集的光強度值低，且總是受到解析度極限（resolution limit）的影響。
此類技術的一項重要應用領域是微電子學領域。詳細而言，在半導體產業中，反射式暗視野顯微鏡法用於檢查底材的表面，尤其是為了檢測各種污染源所產生的微粒。隨著半導體產業不斷進步，這個產業需要越來越高的產品品質等級。藉由在許多計量設備中使用的暗視野照明技術，可以檢測尺寸小於0.1微米的微粒，特別是在矽底材上的微粒。
完全空乏絕緣體上矽（FDSOI）結構越來越廣泛地作為部件製造的底材使用。除表面微粒外，其他類型的缺陷也可能出現在構成SOI結構的有用層之矽頂層中；空洞型缺陷（void-type defects），亦即對應於缺乏所述有用頂層區域的缺陷，尤其可能存在於頂層中。為了保證SOI結構的品質等級，必須能夠辨識此類尺寸小於500微米的缺陷並將其分類（尺寸大於500微米的缺陷可透過其他目視檢查技術加以辨識）。此外，由於所要求的品質等級不斷提高，對於直徑小於250微米或甚至100微米的缺陷的分類，可能在不久的將來成為必要。這些SOI結構特有的缺陷，在散射光線方面具有與微粒的散射光不同的特徵。
美國專利申請案公開第2004/0235206號揭示用於樣品檢查之設備及方法，其可應用於檢查裸底材或沉積在底材上的薄膜堆疊。該方法可在感興趣的訊號（用於缺陷檢測）與雜訊間進行可靠的分離。然而，該方法不允許對特定空洞型缺陷的尺寸加以分類。
一般而言，習知技術的解決方案不允許以尺寸對空洞型缺陷進行分類。目前的測量值是藉由用於測量及計算微粒的計量設備而獲得，故產生的分類結果非常不精確，從而使SOI結構無法就這些空洞缺陷的尺寸進行可靠分類以提高其品質等級。
因此，本發明的一項目標是提供一種消除習知技術缺點的檢測方法。詳言之，本發明的一項目標是提供一種用於檢查SOI結構，且能夠檢測出位於有用層中的空洞型缺陷，並將其按尺寸分類之方法及裝置。
本發明係關於一種用於判定一結構之頂側中一空洞型缺陷之尺寸之方法，所述結構包括設置在一底材上之一頂層，所述缺陷位於所述頂層中；該方法包括：a) 將所述結構引入一反射式暗視野顯微鏡裝置，以從所述頂側散射之一光線產生一缺陷相關第一訊號及一粗糙度相關第二訊號之一步驟；以及b) 以複數個像素擷取所述粗糙度相關第二訊號之強度值之一步驟。該方法之特徵在於其更包括：c) 將每一像素所擷取之強度值與鄰近像素所擷取之強度值加以比較，並定義所述每一像素是否被包含在一異常區中之一處理步驟；d) 提取由所述異常區之像素所擷取之強度值之標準差之一步驟；以及e) 根據所提取之標準差，判定與所述異常區相關聯之空洞型缺陷之尺寸之一步驟。
本發明之方法讓空洞型缺陷之尺寸得以根據異常區的特定屬性（包含在所述異常區中之像素所擷取之強度值之標準差）而被判定。
依照本發明的以下有利特徵，這些特徵可單獨或組合實現： •所述散射光線係經由從所述結構之頂側，反射相對於平行所述頂側之一平面的一傾斜方向上之一入射光線而產生； •所述結構在所述入射光線下沿著至少一平移軸及/或至少一旋轉軸移動，以使所述擷取步驟b)得以進行； •每一像素之側邊長度為介於20微米與1000微米間； •所述判定步驟係透過應用將所述標準差與空洞型缺陷尺寸聯繫在一起之一相關性曲線而進行； •空洞型缺陷之尺寸係以掃描式電子顯微鏡法在所述結構中進行測量，以建立所述相關性曲線； •所述相關性曲線可適用於尺寸介於5微米與500微米間之空洞型缺陷； •所述處理步驟定義，當一給定像素所擷取之強度值與至少一鄰近像素所擷取之強度值之比高於一預設係數時，所述給定像素被包含在所述異常區中； •鄰近所述給定像素之多個像素被包括在所述給定像素周圍之一區域中且具有一環狀外形； •所述環狀外形具有600微米之內徑及2500微米之外徑。
本發明亦係關於一種用於檢測一結構之頂側中一空洞型缺陷之尺寸之裝置，所述結構包括設置在一底材上之一頂層，所述缺陷位於所述頂層中；該裝置包括：一反射式暗視野顯微鏡裝置，其被組構成在所述結構之頂側方向上投射一入射光線並收集由所述頂側散射之一光線；以及一檢測單元，其被組構成從所述散射光線產生一缺陷相關第一訊號及一粗糙度相關第二訊號，並以複數個像素擷取所述粗糙度相關第二訊號之強度值。
該裝置之特徵在於其包括：一第一處理單元，其被連接至所述檢測單元，且被組構成將每一像素所擷取之強度值與鄰近像素所擷取之強度值加以比較，並定義所述每一像素是否被包含在一異常區中；一第二處理單元，其被組構成提取由所述異常區之像素所擷取之強度值之標準差；以及一相關性曲線，其用於根據所提取之標準差，判定與所述異常區相關聯之空洞型缺陷之尺寸。
採用反射式暗視野顯微鏡裝置的習知缺陷檢測技術，無法精確判定空洞型缺陷之尺寸（更詳細而言，直徑小於500 μm的空洞型缺陷）。應記住的是，SOI結構包括設置在一載體底材上的一頂層，而所要檢測的缺陷是位在所述頂層中的空洞。
以下分別參考圖2至圖5說明依照本發明所請用於檢測缺陷並改善前述習知技術缺點之裝置及方法的非限制性實施方式。
如前所述，反射式暗視野顯微鏡法包括將至少一入射光線1以相對於一平面P之一經定義角度β照亮一結構4的頂側，該平面P平行於待觀察的結構4的頂側，如圖2所示。該角度β介於0與90°之間。依照本發明的實施方式，入射光線1可被組構成部分地或完全地掃掠結構4的頂側。本發明有利之處為，結構4在入射光線1下沿著至少一平移軸及/或至少一旋轉軸移動，以允許其頂側的全部或部分被檢查到。入射光線1指向頂側方向係利用，舉例而言，一第一系列之一個或多個平面鏡及/或凹面鏡2、3，其允許入射光線1被定向並集中在待分析的表面上。作為非限制性示例，入射光線1可為一雷射光束。
結構4的表面可包括一個或多個平滑無缺陷的平面區，以及一個或多個包含至少一缺陷（微粒、空洞型缺陷、粗糙度等等）的區。
在入射光線1被導向平滑平面區的情況下，入射光線1會以相同的角度β（其由入射光線1相對於平面P的定向所定義）被完全反射。因此，入射光線1不會偏離其路徑，且可利用一第二系列之一個或多個平面鏡及/或凹面鏡2、3，將其從反射式暗視野顯微鏡裝置移除（反射光線1’）。
在入射光線1照射到包含至少一缺陷的區或一粗糙區的情況下，至少部分的入射光線1會在收集通道5的方向上被缺陷反射（光線1’’）。這種反射基本上是漫射，因為入射光線1是往許多方向反射。在本說明書的其餘部分，被結構4表面中或表面上的缺陷所反射的光線，稱為散射光線1’’。
一檢測單元6，例如一光電倍增管，其可位於收集通道5的末端並檢測散射光線1’’的強度。作為非限制性示例，收集通道5可包括一個或多個光學濾鏡及/或光學鏡片，以取決於本發明檢測裝置應用之所需，而將向光電倍增管6散射的散射光線1’’加以引導、集中或過濾。
光電倍增管6的另一已知功能為，將所擷取到的散射光線1’’分解為兩種訊號，一缺陷相關第一訊號，以及一粗糙度相關第二訊號。第一訊號可特別讓A型缺陷（即，舉例而言，微粒或從底材表面突出的其他缺陷）被檢測到。粗糙度相關第二訊號可特別讓B型缺陷（例如結構4表面的粗糙度等級等等）被檢測到，且第二訊號通常稱為「霧面（haze）」訊號。將散射光線1’’分解為一缺陷相關第一訊號及一粗糙度相關第二訊號，取決於依照A型缺陷尺寸及/或期望測量的粗糙度等級而界定的靈敏度閥值（sensitivity threshold）、所使用的光學濾鏡（如有使用），以及製作結構4頂層所用的材料。
光電倍增管6與複數個像素（未繪出）的陣列相關聯。作為非限制性示例，常規上為正方形的一像素，其側邊長度可介於20 μm與1000 μm之間。在本示例性實施方式中，每一像素為200 μm × 200 μm。
依照本發明，用於進一步表示所關注的空洞型缺陷特徵的，不是與A型缺陷相關的第一訊號，而是與粗糙度相關的第二訊號。
因此，光電倍增管6的每一像素可擷取粗糙度相關第二訊號的強度，並將其轉換成表現所述強度特徵的數值資料。這樣，便可從複數個像素獲得B型缺陷（粗糙度或霧面）的影像，該影像會直接傳送到一顯示裝置7，以在諸如一螢幕上顯示所述缺陷。
本發明裝置之光電倍增管6可將粗糙度相關第二訊號傳送到一第一處理單元8。第一處理單元8的作用是將每一像素所擷取的第二訊號的強度值，與鄰近像素所擷取的強度值加以比較，以定義所述每一像素是否構成一異常區的一部分。
第一處理單元8定義，當一給定像素所擷取之強度值與至少一鄰近像素所擷取之強度值之比高於一預設係數時，所述給定像素被包含在所述異常區中。所述給定像素的鄰近像素，是指被包括在具有以所述給定像素為中心，具有一環狀外形的周圍區中的所有像素。本發明有利之處為，環狀外形的內徑為600微米，外徑為2500微米。預設係數可在例如1與20之間變化，最好是在2與20間變化。舉例而言，預設係數可為4，在此情況下，一異常區包含至少一像素，其所擷取的光強度，比其鄰近像素之一所擷取的光強度強四倍。
在空洞型缺陷存在的情況下，各個像素所擷取的粗糙度相關第二訊號的強度值會有所不同。尤其，因為此類型缺陷的邊界包括頂層表面與下方相鄰底材表面之間的一個台階或複數個台階（step level），在該位置上所散射的光線的相關第二訊號強度值，會高於在頂層一平面鄰近區中所散射的光線的相關第二訊號強度值。同理，由於空洞型缺陷的中央部分比其邊界更深，在該位置上所散射的光線的相關第二訊號強度值，會高於其邊界處的強度值。正是這些相鄰像素之間的強度值差異，讓異常區得以被界定出來。
圖3及圖4描繪在一結構4的頂側中所辨識出的異常區20。該異常區20包括輪廓20’內的所有區域。
每一異常區20代表一空洞型缺陷存在於結構4的頂層中。異常區20的面積可計算出來，但該數值與缺陷的實際尺寸的相關性很差，缺陷的實際尺寸係由輪廓21所界定。
在圖3及圖4中，在異常區20中所收集的每個值，表示一個像素所擷取的散射光線1’’的粗糙度相關第二訊號的強度值。作為示例，異常區20的中央部分22的像素具有13 ppm的正規化值（normalized value）；缺陷的邊界（介於圖3所示的輪廓22與輪廓21之間）表現出逐漸降低的強度值（舉例而言，正規化值介於0.4與5 ppm之間），顯示缺陷的深度變化。在異常區20中，缺陷的周圍部分（圖3所示的輪廓21之外），其正規化值低於0.4 ppm。
申請人已從多個辨識出的異常區20中提取所述強度值的標準差，並已證明該標準差與相關聯空洞型缺陷的實際尺寸具有良好相關性，此外，所述缺陷的實際尺寸已透過可靠的測量技術（例如掃描式電子顯微鏡法）加以測量。這種相關性在起初並不明顯是因為在異常區20中，強度值高的像素的數目，會隨著空洞型缺陷的尺寸而增加。因此，異常區中強度值分佈的標準差，會因空洞型缺陷的尺寸增加而增加：標準差會受高強度值的數目影響，這會容易加寬分佈的形狀（profile of the distribution）。
圖5呈現散射光線1’’的第二訊號強度值之標準差與空洞型缺陷尺寸兩者間的相關性曲線。提取在圖3及圖4的異常區20中所收集的正規化值（其代表散射光線的第二訊號的強度值，正規化值分別為5.34 ppm 及1.84 ppm）的標準差，讓空洞型缺陷的尺寸（分別為1260微米及250微米）得以根據相關性曲線而判定。
圖5的示例係使用200微米 × 200微米的像素，應注意的是，其相關性曲線的極限為大約50微米及更小的缺陷尺寸。若使用更小的像素尺寸（例如20微米），其相關性曲線將可能證明標準差與小至大約5微米的缺陷尺寸有良好相關性。亦將可顯示標準差與空洞型缺陷尺寸間更精確的相關性。
使用本發明的檢測裝置及空洞型缺陷尺寸判定方法，就尺寸大於5 μm左右的缺陷而言，可以大約正負15%的精確度定義出空洞型缺陷的尺寸。
因此，本發明的裝置有利地包括一第二處理單元9，其連接至第一處理單元，以讓異常區中的像素所擷取的強度值的標準差得以提取出來。然後，這些強度值可藉由應用相關性曲線或表格，而與所辨識出的異常區20相關聯的空洞型缺陷的實際尺寸建立相關性。本發明的裝置亦可包括一單元7，以顯示對應於位在結構4頂側中一空洞型缺陷的異常區20的影像，舉例而言，該缺陷在暗色背景上看起來是亮的。
本發明的裝置可有利地連接至一自動分類裝置，其會根據空洞型缺陷的尺寸（從在結構4所辨識出的每一異常區的強度值標準差而判定）確立結構4的品質等級。
本發明的裝置及方法允許檢查結構4的表面光潔度，以及判定頂層中空洞型缺陷的尺寸，並從而定義相對於缺陷尺寸的品質等級。
當然，本發明不限於本說明書所述實施方式，變化實施方式亦可實現而不會偏離本發明申請專利範圍所定義的界限。
1‧‧‧入射光線
1’‧‧‧反射光線
1’’‧‧‧散射光線
2‧‧‧平面鏡
3‧‧‧凹面鏡
4‧‧‧結構
5‧‧‧收集通道
6‧‧‧檢測單元
7‧‧‧顯示裝置
8‧‧‧第一處理單元
9‧‧‧第二處理單元
20‧‧‧異常區
20’‧‧‧輪廓
21‧‧‧輪廓
22‧‧‧輪廓
P‧‧‧平面
本發明的其他特徵及優點將在以下參考所附圖式的實施方式詳細說明中更為彰顯，其中：圖1為一習知反射式暗視野顯微鏡裝置之示意圖；圖2為依照本發明之缺陷檢測用裝置之示意圖；圖3描繪使用依照本發明之方法及裝置所檢測出之缺陷之示例；圖4描繪使用依照本發明之方法及裝置所檢測出之缺陷之另一示例；圖5呈現缺陷尺寸與包含在一異常區中之像素所擷取之強度值之標準差兩者間的相關性曲線。
1‧‧‧入射光線
1’‧‧‧反射光線
1”‧‧‧散射光線
2‧‧‧平面鏡
3‧‧‧凹面鏡
4‧‧‧結構
5‧‧‧收集通道
6‧‧‧檢測單元
7‧‧‧顯示裝置
8‧‧‧第一處理單元
9‧‧‧第二處理單元

Claims (11)

  1. 一種用於判定一結構(4)之頂側中一空洞型缺陷之尺寸之方法，所述結構(4)包括設置在一底材上之一頂層，所述缺陷位於所述頂層中；該方法包括：         a) 將所述結構(4)引入一反射式暗視野顯微鏡裝置，以從所述頂側散射之一光線(1’’)產生一缺陷相關第一訊號及一粗糙度相關第二訊號之一步驟；以及           b) 以複數個像素擷取所述粗糙度相關第二訊號之強度值之一步驟； 該方法之特徵在於其更包括：           c) 將每一像素所擷取之強度值與鄰近像素所擷取之強度值加以比較，並定義所述每一像素是否被包含在一異常區中之一處理步驟；     d) 提取由所述異常區之像素所擷取之強度值之標準差之一步驟；以及 e) 根據所提取之標準差，判定與所述異常區相關聯之空洞型缺陷之尺寸之一步驟。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中所述散射光線(1’’)係經由從所述結構(4)之頂側，反射相對於平行所述頂側之一平面(P)的一傾斜方向上之一入射光線(1)而產生。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中所述結構(4)在所述入射光線(1)下沿著至少一平移軸及/或至少一旋轉軸移動，以使所述擷取步驟b)得以進行。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中每一像素之側邊長度為介於20微米與1000微米間。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中所述判定步驟係透過應用將所述標準差與空洞型缺陷尺寸聯繫在一起之一相關性曲線而進行。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中空洞型缺陷之尺寸係以掃描式電子顯微鏡法在所述結構(4)中進行測量，以建立所述相關性曲線。
  7. 如申請專利範圍第5或6項之方法，其中所述相關性曲線可適用於尺寸介於5微米與500微米間之空洞型缺陷。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之方法，其中所述處理步驟定義，當一給定像素所擷取之強度值與至少一鄰近像素所擷取之強度值之比高於一預設係數時，所述給定像素被包含在所述異常區中。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中鄰近所述給定像素之多個像素被包括在所述給定像素周圍之一區域中且具有一環狀外形。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中所述環狀外形具有600微米之內徑及2500微米之外徑。
  11. 一種用於檢測一結構(4)之頂側中一空洞型缺陷之尺寸之裝置，所述結構(4)包括設置在一底材上之一頂層，所述缺陷位於所述頂層中；該裝置包括：              一反射式暗視野顯微鏡裝置，其被組構成在所述結構(4)之頂側方向上投射一入射光線(1)並收集由所述頂側散射之一光線(1’’)；以及              一檢測單元(6)，其被組構成從所述散射光線(1’’)產生一缺陷相關第一訊號及一粗糙度相關第二訊號，並以複數個像素擷取所述粗糙度相關第二訊號之強度值；       該裝置之特徵在於其包括：              一第一處理單元(8)，其被連接至所述檢測單元，且被組構成將每一像素所擷取之強度值與鄰近像素所擷取之強度值加以比較，並定義所述每一像素是否被包含在一異常區中；              一第二處理單元(9)，其被組構成提取由所述異常區之像素所擷取之強度值之標準差；以及              一相關性曲線，其用於根據所提取之標準差，判定與所述異常區相關聯之空洞型缺陷之尺寸。
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