一种无图案晶圆缺陷多通道检测系统

技术领域

本发明属于晶圆检测领域，具体涉及一种无图案晶圆缺陷多通道检测系统。

背景技术

DIC棱镜是微分干涉棱镜，其可以是沃拉斯顿棱镜或者诺马斯基棱镜，通常是由两个双折射楔组成，当偏振光入射到DIC棱镜上时，将会分成具有垂直相交偏振面的两条线性偏振光线。

偏振分束镜是一个具有起偏和检偏功能的光学元件，其能够透过P光并反射S光。

TDI相机又被称为时间延迟积分相机，其通过对同意目标进行多次曝光，通过延迟积分的方法，大大增强了收集图像的信噪比。

晶圆缺陷检测是指检测晶圆表面内部生长缺陷、亚表面缺陷、表面缺陷等缺陷并记录缺陷位置和数量的技术。晶圆缺陷检测能够提前发现问题，因此被广泛的应用于晶圆光片制造，有图案晶圆光刻等芯片制造各个环节。晶圆缺陷检测逐渐通过自动化检测实现，且伴随着制程工艺的提高，晶圆缺陷检测设备需要检测晶圆更小的缺陷尺寸，并且对晶圆缺陷设备的检测速率提出了更高的要求。

无图案晶圆是指晶圆还没有经历蚀刻，表面无图案的光滑晶圆。无图案晶圆检测的要求是高速度和高灵敏度。常规的无图案晶圆检测方法有暗场，明场等方法，同时也有光致发光等荧光方法。

无图案晶圆的缺陷种类很多，大致可以分为表面缺陷如划痕，颗粒，赃物等，亚表面缺陷如层错，位错等生长缺陷，以及内部缺陷如应力缺陷，气泡等。

目前裸片晶圆生产商以及光刻厂商对这些缺陷都需要关注，但是市面上没有设备能够这些缺陷都能检测，厂家需要购买多套设备才能够完成晶圆的检测任务，这无形中增加了采购成本和检测时间成本，因此迫切需要一套设备能够同时检测表面亚表面及内部的缺陷，且最好能够在保持高速度同时检测多种类缺陷。

发明内容

鉴于上述，本发明的目的是提供一种无图案晶圆缺陷多通道检测系统，能够实现多种晶圆缺陷检测、且成本低，成像效果好。

为实现上述发明目的，实施例提供的一种无图案晶圆缺陷多通道检测系统，当用于晶圆表面缺陷检测时，包括光纤束、准直透镜、第一狭缝光阑、偏振分束镜、第一筒镜、第一二向色镜、第二二向色镜、DIC棱镜、第一物镜、第二狭缝光阑、中继镜以及第一线阵相机，其中，第一狭缝光阑位于第一筒镜的焦点上，DIC棱镜的光轴方向与入射光的偏振方向呈45°，偏振分束镜的起偏方向与检偏方向均与DIC棱镜的光轴方向呈45°，

光纤束发出的连续光经过准直透镜准直并经过第一狭缝光阑选择透过后照射到偏振分束镜，偏振分束镜将入射光分成不同偏振特性的第一p光和第一s光，第一s光被偏振分束镜反射到第一筒镜，经过第一筒镜准直后再依次经过第一二向色镜和第二二向色镜透过后照射到DIC棱镜，DIC棱镜将入射光分为两束分离具有偏正特性的o光和e光，且o光和e光的相交干涉面与第一物镜的后焦面重合，o光和e光经过第一物镜汇聚在晶圆表面上，晶圆表面反射o光和e光并重新被第一物镜收集，再经过DIC棱镜重新合为一束光，聚合的光束依次经过第二二向色镜和第一二向色镜后到达第一筒镜，第一筒镜将带有信息的光束会聚到偏振分束镜，光束先经过偏振分束镜起偏并反射第二s光，随后经过DIC棱镜再被偏振分束镜检偏，构成了微分干涉成像的条件，偏振分束镜还透过第二p光，该第二p光在第二狭缝光阑会聚，第一狭缝光阑，第二狭缝光阑以及晶圆上表面是互为共轭的关系，构成线共焦成像的条件，第二狭缝光阑滤除掉晶圆上下表面的杂散光，使成像对比度提升，经过第二狭缝光的光线被中继镜成像后会聚到第一线阵相机。

优选地，当用于晶圆内部应力缺陷检测时，所述系统还包括第二物镜、反射镜、检偏器、第二筒镜以及第二线阵相机，

光纤束发出的连续光经过准直透镜准直并经过第一狭缝光阑选择透过后照射到偏振分束镜，偏振分束镜将入射光分成不同偏振特性的第一p光和第一s光，第一s光被偏振分束镜反射到第一筒镜，经过第一筒镜准直后再依次经过第一二向色镜和第二二向色镜透过后直接进入第一物镜，被第一物镜汇聚于晶圆下表面，晶圆内部有应力缺陷改变第一s光的偏振特性，该偏振特性携带了晶圆内部应力信息，包含晶圆内部应力信息的光束被第二物镜接收并准直为平行光后再被反射镜反射到检偏器，检偏器的偏振方向与被偏振分束镜起偏的第一s光的偏振方向垂直，因此只有包含晶圆内部应力信息的光束能够透过检偏器并被第二筒镜接收，经过第二会筒镜会聚后被第二线阵相机接收，

偏振分束镜、第一物镜、第二物镜以及检偏器构成了透射应力观测的条件。

优选地，当用于晶圆亚表面缺陷检测时，所述系统还包括纳秒激光器、整形器、第三二向色镜、第三筒镜、第一TDI相机、第四筒镜、第二TDI相机、第四二向色镜、第五筒镜、第三TDI相机、第六筒镜以及第四TDI相机，

纳秒激光器发射纳秒脉冲激光并经过整形器整形成图案光斑后照射到晶圆上表面，照射到晶圆上表面的光部分被吸收，部分被反射，当晶圆亚表面缺陷吸收光能后被激发出不同波长的荧光，该荧光经过第一物镜接收和准直后输入至第二二向色镜，

第二二向色镜采用长波通二向色镜，经过第二二向色镜反射的短波长荧光进入短波长荧光成像通道，在短波长荧光成像通道中，被反射的荧光经过第三二向色镜以进一步进行荧光波长细分，经过第三二向色镜透射的更短波长的荧光被第四筒镜接收后会聚成像到第二TDI相机，经过第三二向色镜反射的荧光被反射到第三筒镜，经过第三筒镜会聚成像到第一TDI相机；

经过第二二向色镜透射的长波长荧光被第一二向色镜接收，第一二向色镜采用另一长波通二向色镜，被第一二向色镜反射的荧光进入长波长荧光成像通道，在长波长荧光成像通道中，被反射的荧光经过第四二向色镜以进一步进行荧光波长细分，经过第四二向色镜透射的更长波长的荧光被第五筒镜接收后会聚成像到第三TDI相机，经过第四二向色镜反射的荧光被反射到第六筒镜，经过第六筒镜会聚成像到第四TDI相机；

其中，第一TDI相机123、第二TDI相机125、第三TDI相机128、第四TDI相机130这四个RGI相机的行频率相等，且纳秒激光器119的输出光频率为第一TDI相机123的行频率的整倍数。

优选地，所述第三筒镜和第三二向色镜之间插有第一带通滤光片以对荧光做进一步的提取；

所述第四筒镜和第三二向色镜之间插有第二带通滤光片对荧光做进一步的提取.。

优选地，所述第三筒镜和第四二向色镜之间插有第三带通滤光片以对荧光做进一步的提取；

所述第五筒镜和第四二向色镜之间插有第四带通滤光片以对荧光做进一步的提取。

优选地，在进行晶圆亚表面缺陷检测时，纳秒激光器的输出光频率为TDI相机的行频率的整倍数；

第一TDI相机、第二TDI相机、第三TDI相机以及第四TDI相机的曝光触发均需要与纳秒激光器的触发保持时间同步。

优选地，当进行晶圆亚表面缺陷检测时，在第四筒镜和第三二向色镜之间插入第五带通滤光片，这样由第三二向色镜、第五带通滤光片、第四筒镜以及第二TDI相机形成暗场成像通道，用于暗场成像。

优选地，采用线性扫描方式进行晶圆缺陷检测。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

本发明提供的无图案晶圆缺陷多通道检测系统，能够检测晶圆表面、亚表面及内部应力的缺陷，且可以实现晶圆表面缺陷和晶圆亚表面缺陷的同时检测，还可以实现晶圆应力缺陷和晶圆亚表面缺陷的同时检测，且该系统成本低，成像效果好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是实施例提供的无图案晶圆缺陷多通道检测系统的结构示意图；

图2是实施例提供的在进行晶圆表面缺陷检测时偏振分束镜的偏振方向与DIC棱镜的晶轴方向之间的位置关系示意图；

图3是实施例提供的在进行晶圆内部应力缺陷检测时偏振分束镜的起偏方向与检偏器的偏振方向之前的位置关系示意图；

图4是实施例提供的进行晶圆亚表面缺陷检测时光束激发晶圆产生的激发光示意图；

图5是实施例提供的无图案晶圆缺陷多通道检测系统在进行检测时的扫描方式示意图；

图6是实施例提供的扫描路径示意图；

图7是实施例1拍摄的表面三角形缺陷图；

图8是实施例3拍摄到的内部三角形缺陷图；

图9是实施例提供的统方案采集到的光致发光图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

首先，对本发明实施例涉及到的术语进行阐释：

点共焦是指物方点视场被成像系统接收后经过小孔滤除杂散光后再经中继光学系统成像于图像探测器的技术，点共焦成像可以显著提升系统的成像分辨率。

线共焦是指物方线视场被成像系统接收后经过狭缝滤除杂散光后再经中继光学系统成像于图像探测器的技术，相比点共焦成像，线共焦成像技术能够显著提高成像速率。

光致发光成像(PLI)是指激发光照射到样品上，样品表面和内部产生荧光的现象，荧光光波长通常不同于激发光。

微分干涉差成像技术是指运用微分干涉差(differential interferencecontrast，DIC)棱镜和一系列偏振及成像元件实现微分干涉对比成像的技术，能够呈现浮雕般的效果。

如图1所示，实施例提供的无图案晶圆缺陷多通道检测系统包括光纤束101、准直透镜102、第一狭缝光阑103、偏振分束镜104、第一筒镜105、第一二向色镜106、第二二向色镜107、DIC棱镜108、第一物镜109、晶圆110、第二狭缝光阑111、中继镜112、第一线阵相机113、第二物镜114、反射镜115、检偏器116、第二筒镜117、第二线阵相机118、纳秒激光器119、整形器120、第三二向色镜121、第三筒镜122、第一TDI相机123、第四筒镜124、第二TDI相机125、第四二向色镜126、第五筒镜127、第三TDI相机128、第六筒镜129以及第四TDI相机130。通过这些元件可以实现晶圆表面、亚表面及内部应力的缺陷检测，且可以实现表面缺陷和亚表面缺陷的同时检测，内部应力缺陷和亚表面缺陷的同时检测。下面说明检测系统检测晶圆的不同缺陷时，具体检测过程。

实施例1

当进行晶圆表面缺陷检测时，采用微分干涉差成像方式检测，光纤束101发出具有一定发散角且波长为546nm的连续光，该连续光经过准直透镜102准直后，被第一狭缝光阑103遮挡，只有中间小部分的光能够透过第一狭缝光阑103。因此，从第一狭缝光阑103开始，类似于发出了一个具有一定发散角的光束，经过偏振分束镜104分成两束不同偏振特性的第一p光和第一s光，第一p光和第一s光的偏振方向互相垂直，第一p光透过偏振分束镜104，第一s光被偏振分束镜104反射，反射的第一s光经过第一筒镜105，由于第一狭缝光阑103位于筒镜105的焦点上，因此，s光被第一筒镜105准直后再经过第一二向色镜106，第一二向色镜106对546nm波长的光透过，其他性质在后续系统中介绍。经过第一二向色镜106的光束随后经过第二二向色镜107，第二二向色镜107对546nm波长的光透过，其他性质在后续系统中介绍。经过第二二向色镜107的光束通过DIC棱镜108。DIC棱镜108被设计成可以插入和拔出的，在进行表面缺陷检测时，DIC棱镜108插入系统中。DIC棱镜108的光轴方向与入射s光的偏振方向呈45°。经过DIC棱镜108的偏振光被分为两束分离的偏振光，分别为o光和e光，且根据DIC棱镜108横向位置的不同，o光和e光可以引入特定的光程差。o光和e光在某一位置相交，这一位置称为DIC棱镜108的干涉面，DIC棱镜108的干涉面与第一物镜109的后焦面重合。o光和e光经过第一物镜109汇聚在晶圆110上表面上。

晶圆表面的高低起伏给o光和e光之间带来了相位差，晶圆110上表面反射o光和e光并重新被第一物镜109收集，并经过DIC棱镜108重新合为一束光，随后聚合的光束再依次经过第二二向色镜107和第一二向色镜106后到达第一筒镜105，第一筒镜105将带有信息的光束会聚后经过偏振分束镜104，被分成两束不同偏振特性的第二p光和第二s光，只有第二p光能够透过偏振分束镜104。此时，光束先经过偏振分束镜104起偏，反射第二s光，随后经过DIC棱镜108，再被偏振分束镜104检偏，构成了微分干涉成像的条件。偏振分束镜104的偏振方向和DIC棱镜108的光轴方向图2所示,即偏振分束镜104的起偏方向与检偏方向均与DIC棱镜108的光轴方向呈45°。透过偏振分束镜104的第二p光在第二狭缝光阑111位置处会聚，在系统结构上，第一狭缝光阑103、第二狭缝光阑111以及晶圆110上表面是互为共轭的关系，构成线共焦成像的条件。因此，第二狭缝光阑111滤除晶圆110上下表面的杂散光，使成像对比度提升。经过第二狭缝光阑111的光线被中继镜112成像，最终会聚到第一线阵相机113上。

实施例中，DIC棱镜可以采用沃拉斯顿棱镜或者诺马斯基棱镜。

实施例1还提供了在曝光20微秒时拍摄的表面三角形缺陷，如图7所示。

实施例2

当进行晶圆内部应力缺陷检测时，采用偏振成像方式检测，光纤束101发出有一定发散角且波长为546nm的连续光，该连续光在经过准直透镜102准直后，被第一狭缝光阑103遮挡，只有中间一小部分的光能够透过第一狭缝光阑103。因此，从第一狭缝光阑103开始，类似于发出了一个具有一定发散角的光束，经过偏振分束镜104分成了两束不同偏振特性的第一p光和第一s光，第一p光和第一s光的偏振方向互相垂直，第一p光透过偏振分束镜104，第一s光则被偏振分束镜104反射，反射的第一s光经过第一筒镜105，由于第一狭缝光阑103位于第一筒镜105的焦点上，因此，第一s光被第一筒镜105准直后再经过第一二向色镜106，第一二向色镜106对546nm波长的光透过，其他性质在后续系统中介绍。经过第一二向色镜106的光束随后经过第二二向色镜107，第二二向色镜107对546nm波长的光透过，其他性质在后续系统中介绍。不同于表面缺陷检测，在进行内部应力缺陷检测时，DIC棱镜108被抽出，因此透过第二二向色镜107的光束不经过DIC棱镜108，直接进入第一物镜109，被第一物镜109汇聚于晶圆110下表面。第一s光的光束透过晶圆110，此时第一s光经过晶圆110内部后，如果晶圆内部有应力缺陷，则第一s光的偏振特性将会改变，也就是晶圆内部应力信息，随后包含晶圆内部应力信息的光束被第二物镜114接收，准直为平行光，并被反射镜115反射，到达检偏器116，检偏器116的偏振方向与被偏振分束镜104起偏的第一s光的偏振方向垂直，如图3所示。因此，只有包含了晶圆内部应力信息的光束能够透过检偏器116，并被第二筒镜117接收，第二筒镜117将光束会聚，被第二线阵相机118接收。偏振分束镜104、第一物镜109、第二物镜114以及检偏器116构成了透射应力观测的条件。

采用实施例2所述的偏振成像方式检测内部应力缺陷，可以提升了晶圆内部应力检测的准确性。

实施例3

当进行晶圆亚表面缺陷检测时，采用光致发光成像方式检测方式，纳秒激光器119发出355nm的纳秒脉冲激光，该纳秒脉冲激光经过光纤耦合到整形器120中，整形器120将纳秒脉冲激光整形成图案光斑并照射到晶圆110上表面，其中，图案光斑为长条形能量均匀的光斑，照射角度与光轴夹角为60度，晶圆的布鲁斯特角为最佳。图案光斑在晶圆上部分被晶圆所吸收，部分被晶圆上表面反射不进入系统中。当晶圆亚表面缺陷吸收照明能量时，会激发出不同波长荧光，荧光的波长根据晶体缺陷的不同会有区别，图4展示了SiC晶圆在365nm激发光下的波长图，355nm激发荧光波长与之类似，大部分缺陷波长在530nm以下和600nm以上。

第一物镜109接收被激发的荧光后将荧光光束准直，当使用晶圆表面缺陷检测功能时，光束会经过DIC棱镜108，而当使用晶圆内部应力检测功能时，DIC棱镜108被拔出，光束不经过DIC棱镜108。因为荧光不具有偏振特性，因此有无DIC棱镜108都不会对荧光光束产生影响。随后荧光光束经过第二二向色镜107，第二二向色镜107是长波通二向色镜，反射波长小于530nm的荧光，因此波长小于530nm的荧光被反射进入短波长荧光成像通道，在该短波长荧光成像通道中，被反射荧光光束经过第三二向色镜121以进一步将荧光波长细分，包括：460nm，480nm，以及500nm的荧光被第三二向色镜121反射到第三筒镜，再被第三筒镜122会聚成像到第一TDI相机123。优选地，第三筒镜122和第三二向色镜121之间可以插入特定波长的第一带通滤光片对荧光做进一步的提取。另外，385nm，420nm波长等短波长的荧光则透过第三二向色镜121再被第四筒镜124会聚成像到第二TDI相机125。优选地，第四筒镜124和第三二向色镜121之间可以插入特定波长的第二带通滤光片对荧光做进一步的提取。

透过第二二向色镜107的光束包含600nm以及620nm以上的近红外光线，透光第二二向色镜107的光束被第一二向色镜106接收，第一二向色镜106是长波通二向色镜，被设计成反射600nm，及700nm以上的近红外光线，并且能够透射表面缺陷检测功能的工作波长546nm。因此，波长大于600nm的荧光被反射进入长波长荧光成像通道，在该长波长荧光成像通道中，被第一二向色镜106反射的荧光经过第四二向色镜126以进一步荧光波长细分，第四二向色镜126透射660nm的荧光到第五筒镜127，再经第五筒镜127会聚成像到第三TDI相机128。优选地，第五筒镜127和第四二向色镜126之间可以插入特定波长的第三带通滤光片对荧光做进一步的提取。第四二向色镜126反射620nm以上波长的光线，并被第六筒镜129接收，然后经过第六筒镜129会聚成像于第四TDI相机130上。优选地，第六筒镜129和第四二向色镜126之间可以插入特定波长的第四带通滤光片对荧光做进一步的提取。

在进行晶圆亚表面缺陷检测时，第一TDI相机123、第二TDI相机125、第三TDI相机128、第四TDI相机130这四个RGI相机的行频率相等，且纳秒激光器119的输出光频率为第一TDI相机123的行频率的整倍数，如TDI相机的行频率为80khz，纳秒激光器119的输出光频率也需要为80khz、或者160khz等。如果是160khz的输出光频率，意味着在一个TDI相机的曝光时间内发生两次荧光激发，将有助于提高信号强度，提升信噪比。此外，第一TDI相机123、第二TDI相机125、第三TDI相机128以及第四TDI相机130的曝光触发均需要与纳秒激光器119的触发保持时间同步。

实施例1还提供了在曝光20微秒时拍摄的内部三角形缺陷，如图8所示。

为对比实施例3提供的检测方式的性能，还提供了采用传统的用汞氙灯照明，高性能电子倍增相机EMCCD接收的方式采集到的三角形缺陷光致发光图像。如图9所示，曝光时间为200微秒。分析图9，黑色区域为缺陷所在位置。可见采用新方案实施例3能够极大的提高采集图像信噪比，同时缩短曝光时间，提升产品检测速率。

相比于传统的采用连续光如汞氙灯照明，用高性能电子倍增相机EMCCD接收的方式，本实施例采用纳秒激光器和TDI相机相结合且采用同步触发的方式，利用纳秒激光器能够激发出更强的荧光，同时用TDI相机能够增强图像信噪比，这样能够减低对接收端相机的要求，在不降低检测速度和性能的同时大幅度降低成本，同时也能够保证图像的高对比度和信噪比。

另外，在进行晶圆亚表面缺陷检测时，第二TDI相机125可以用作暗场成像的接收，只需要在第四筒镜124和第三二向色镜121之间插入355nm的第五带通滤光片，这样由第三二向色镜121、第五带通滤光片、第四筒镜124以及第二TDI相机125形成暗场成像通道，众所周知，暗场成像通道检测能够提高缺陷检测的灵敏度。

应用实施例3所述的光致发光成像方式检测晶圆亚表面缺陷时，采用纳秒激光器产生高能脉冲光，并采用线阵TDI相机接收荧光成像的方式，相比于用连续光照明并采用EMCCD接收的方式，能够大幅降低器件成本，并能够获得高信噪比图像。

上述实施例提供的无图案晶圆缺陷多通道检测系统，在进行上述实施例1-实施例3三种缺陷检测时，均采用线扫检测方式，如图5所示，位移台及晶圆夹持装置201固定晶圆110，并且可以带动晶圆110沿着水平X和Y两个方向进行线性扫描。晶圆夹持装置201中间是镂空，可以使晶圆内部应力缺陷检测时光线无遮挡被第二物镜114接收。同时，晶圆夹持装置需要避免检测过程中与第二物镜114干涉。

扫描路径如图6所示，线性光斑照明区域覆盖线阵相机成像区域。位移台沿一行移动，一行扫描结束后扫描下一行。位移台的移动会触发多台相机曝光，例如移动10微米将曝光一次，线阵相机的成像物方视场刚好时10微米，那么连续扫描将会形成长幅图像，系统将对多行扫描图像进行拼接，算法根据图像识别并根据位移台位置信息将缺陷标注在缺陷图中。

实施例提供的无图案晶圆缺陷多通道检测系统进行检测时，晶圆表面缺陷检测功能可以和晶圆亚表面缺陷检测功能同时使用，晶圆内部应力缺陷检测功能也可以和晶圆亚表面缺陷检测功能同时使用，这大大提升了检测效率。同时晶圆亚表面缺陷检测功能可以同时用多部TDI相机扫描关注的晶体缺陷特征波长，有利于快速的对缺陷进行识别对比。多通道采集的数据有利于后面算法进一步比对识别，为生产或者研究提供相应的理论支撑。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。