一种缺陷检测装置和方法

技术领域

本发明实施例涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种缺陷检测装置和方法。

背景技术

作为集成电路的基底，硅晶圆在半导体生产过程中起着至关重要的作用。而在硅晶圆的生产过程中有着腐蚀、背封、抛光和外延等众多生产工序，容易在晶圆表面造成缺陷。生产厂家要严格把控晶圆质量，就要对硅晶圆的表面进行缺陷检测。

自动光学检测设备(Auto Optical Inspection,AOI)凭借其快速、精确的缺陷识别定位能力已成为最热门的硅晶圆缺陷检测装置。现有的AOI包括照明元件、成像元件和分析处理元件，照明元件提供辐射光，成像元件将待检测面反射的光信号转换为数字电信号，分析处理元件根据数字电信号辨别待检测面的缺陷。

然而，现有的AOI对较浅的缺陷无法识别，检测精度不佳。

发明内容

本发明提供一种缺陷检测装置和方法，以实现对橘皮缺陷等深度较小的缺陷的识别，提高检测精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种缺陷检测装置，缺陷检测装置包括：载物平面、离轴照明模块、成像模块和分析处理模块；

所述载物平面用于承载待测物；

所述离轴照明模块用于产生并发出离轴照明光束；

所述成像模块用于根据所述离轴照明光束经所述待测物的待检测面反射后形成的成像光束，对所述待检测面进行成像，以生成图像信号，其中，所述离轴照明光束的主光线与所述成像模块的轴线之间的夹角不为0；

所述分析处理模块与所述成像模块连接，用于根据所述图像信号识别所述待检测面的缺陷区域。

可选地，所述成像模块包括：物镜和相机；

所述物镜设置于所述载物平面和所述相机之间，用于收集所述检测光束经所述待检测面反射或散射后形成的所述成像光束；

所述相机用于根据所述成像光束对所述待检测面进行成像，生成所述图像信号。

可选地，所述离轴照明模块包括：发光单元、孔径光阑、第一聚光透镜和分光镜；

所述发光单元用于产生并发出光源；

所述孔径光阑离轴设置，所述孔径光阑用于根据所述光源产生所述离轴照明光束；

所述第一聚光透镜设置于所述离轴照明光束的光路上，所述第一聚光镜用于对所述离轴照明光束做聚光处理；

所述分光镜设置于所述物镜和所述相机之间，所述离轴照明光束经所述分光镜的反射，进入所述物镜并照射于所述待检测面上，其中，经所述分光镜反射后的所述离轴照明光束的主光线与所述物镜的轴线之间的夹角不为0。

可选地，所述离轴照明模块还包括：第二聚光透镜；

所述第二聚光透镜设置于所述发光单元和所述孔径光阑之间，所述第二聚光透镜用于对所述光源实施聚光处理。

可选地，所述离轴照明模块还包括：反光镜，所述反光镜设置于所述第一聚光镜与所述分光镜之间，所述反光镜用于将所述离轴照明光束反射至所述分光镜上。

可选地，所述孔径光阑的透光孔包括圆形、椭圆形、环形、矩形或不规则图形。

可选地，所述孔径光阑的透光孔面积与所述物镜的孔径面积的比值在第一范围内，其中，所述第一范围为0.1至0.3。

第二方面，本发明实施例还提供了一种缺陷检测方法，缺陷检测方法采用如第一方面任意所述的缺陷检测装置来实施，所述缺陷检测方法包括：

离轴照明模块产生并发出离轴照明光束；

成像模块根据所述离轴照明光束经待检测面反射后形成的成像光束，对所述待检测面进行成像，以生成图像信号，其中，所述离轴照明光束的主光线与所述成像模块的轴线之间的夹角不为0；

所述分析处理模块根据所述图像信号识别所述待检测面的缺陷区域。

可选地，成像模块根据所述离轴照明光束经所述待检测面反射后形成的成像光束，对所述待检测面进行成像，以生成图像信号，包括：

物镜收集所述检测光束经所述待检测面反射或散射后形成的所述成像光束；

相机根据所述成像光束对所述待检测面进行成像，生成所述图像信号。

可选地，离轴照明模块产生并发出离轴照明光束，包括：

发光单元产生并发出光源；

孔径光阑根据所述光源产生所述离轴照明光束；

第一聚光镜对所述离轴照明光束做聚光处理；

分光镜反射经所述聚光处理后的所述离轴照明光束，使所述离轴照明光束进入所述物镜并照射于所述待检测面上。

本实施例提供的缺陷检测装置和方法，缺陷检测装置设置有载物平面、离轴照明模块、成像模块和分析处理模块，离轴照明模块用于产生并发出离轴照明光束，成像模块用于根据离轴照明光束经待测物的待检测面反射后形成的成像光束，对待检测面进行成像，以生成图像信号，其中，离轴照明光束的主光线与成像模块的轴线之间的夹角不为0。分析处理模块与成像模块连接，用于根据图像信号识别待检测面的缺陷区域，实现了对待测物的缺陷检测，由于离轴照明光束的主光线与成像模块的轴线之间存在夹角，可以使经倾斜处反射的离轴照明光线与轴线之间有更大的倾斜角，更多的光线无法进入成像模块参与成像，增加不同倾斜度之间的成像亮度差，方便对浅缺陷的识别，提高检测精度。

附图说明

图1为现有技术中的一种自动光学检测设备的缺陷检测原理的示意图；

图2为现有技术中的一种橘皮缺陷示意图；

图3为现有技术中的一种自动光学检测设备的橘皮缺陷检测原理的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种缺陷检测装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的另一种缺陷检测装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的又一种缺陷检测装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种孔径光阑与物镜孔径范围的对比示意图；

图8为本发明实施例提供的一种物镜的孔径范围、离轴照明光束的分布范围和反射光的角度分布范围的示意图；

图9为本发明实施例提供的又一种缺陷检测装置的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种待检测面的成像效果图；

图11为本发明实施例提供的一种缺陷检测方法的流程示意图；

图12为本发明实施例提供的又一种缺陷检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

如背景技术所述，参照图1，现有的AOI包括照明元件(图中未示出)、成像元件101和分析处理元件102，照明元件提供辐射光，成像元件101将待检测面103反射的光信号转换为数字电信号，分析处理元件102根据数字电信号辨别待检测面103的缺陷。经发明人研究发现，这种AOI的检测原理是利用缺陷处104的光吸收或者散射来识别缺陷。平整光滑硅片的待检测面103可以看作镜面，照明光入射到其上发生镜面反射，所有反射光线均能进入成像元件101并最终在成像元件中的图像传感器上成像，形成亮的背景。而缺陷处104由于表面不平整或者有赃污对光进行大角度散射或者吸收，只有部分反射光线能进入成像元件101并参与成像，在图像传感器上对应位置形成暗的图像。分析处理元件102通过图像传感器不同位置的电信号不同，可以将缺陷检出。AOI这种检测方法对划痕、灰尘、麻点等散射效应强的缺陷，还有赃污等吸收效应强的缺陷都有比较好的检出效果。

参照图2，橘皮缺陷200是在抛光工艺后待检测面103上形成的凹凸不平的缺陷，其横向尺度L一般为微米级别，深度H为纳米级别，且凹凸表面较为光滑，散射和吸收效应都很弱。绝大多数入射到表面的光均发生了反射。缺陷不同位置的坡度角δ不同，反射光的角度与缺陷的坡度角δ相关。示例性地，A点为待检测面上的平整位置的反射点，垂直于载物平面的光线入射到点A，经点A反射后的反射光线可以原路返回。B点为待检测面上具有橘皮缺陷位置的反射点，垂直于载物平面的光线入射到点B，经点B反射后的反射光线不能原路返回，会发生一定角度的偏折。A点的坡度角δ最小，为0°，B点的坡度角δ最大，一般小于0.1°。结合图2和图3，用现有AOI设备在检测橘皮缺陷200时，辐射光的主光线垂直待检测面103入射，橘皮缺陷200的不同位置(图3仅示出了B点处反射光线的情况)均对入射到其上的辐射光发生反射。在A点处，反射光可以原路返回，全部进入成像元件101参与成像；在B点处，其反射光偏离入射光角度最大，使一部分反射光在成像元件101能收集的最大孔径角范围2α之外，而不能参与成像。由于照明元件提供的光束是均匀的，照明元件提供给A点和B点的入射光能量相等，均为η1。A点保留在成像元件101的最大孔径角范围2α内的反射光能量最大，等于η1。而B点保留在成像元件101的最大孔径角范围2α内的反射光能量最小，为η2，η1＞η2。成像元件中的感光芯片接收到A点反射光产生的信号强度为S1，接收到B点反射光产生的信号强度为S2，S与η成正比,所以S1＞S2。当S1与S2之间的差值太小时，成像元件101在进行模拟信号到数字信号的转变时，分辨不出S1与S2之间的差别，体现在图像上会使整个缺陷部分的灰度值相同。分析处理元件102也就无法分辨出缺陷。因此，采用现有的AOI设备无法检测橘皮缺陷这种较浅的缺陷类型，检测精度不佳。

为了解决前述问题，本发明实施例提出了一种缺陷检测装置。图4为本发明实施例提供的一种缺陷检测装置的结构示意图，参照图4，缺陷检测装置400包括：载物平面401、离轴照明模块(图4中未示出)、成像模块402和分析处理模块403。载物平面401用于承载待测物404。离轴照明模块用于产生并发出离轴照明光束。成像模块402用于根据离轴照明光束经待检测面反射后形成的成像光束，对待检测面进行成像，以生成图像信号，其中，离轴照明光束的主光线与成像模块402的轴线O之间的夹角θ

其中，离轴照明模块是指能够产生离轴照明光束的照明组件，可以为包括光源和离轴镜组的光学系统组件。离轴照明光束是指主光线不与成像模块402的轴线O平行的照明光束，由于成像模块402的轴线O垂直于载物平面401，所以离轴照明光束的主光线入射到载物平面401的入射角不等于90°。成像模块402是指能够根据成像光束对待检测面进行成像的成像组件，示例性地，成像模块402可以至少包括高倍显微物镜和相机。高倍显微物镜是指设置于相机与待测物404之间，能够对光线进收集和折射传播的透镜组，可以在相机的感光元件上成一个待测物404的实像。相机可以在感光元件上对待测物404进行成像，并根据成像情况生成对应的模拟电信号，进而转换为数字电信号形式的图像信号。分析处理模块403是指对图形信号进行分析处理的数据处理装置，可以根据图像信号识别出待检测面上的缺陷。

具体地，离轴照明模块发出离轴照明光束，离轴照明光束与成像模块402的轴线O之间的夹角θ

结合图2和图4，示例性地，离轴照明光束的主光线与成像模块402的轴线O之间的夹角为θ

图5为本发明实施例提供的另一种缺陷检测装置的结构示意图，结合图2和图5，示例性地，离轴照明光束的主光线与成像模块402的轴线O之间的夹角为θ

本实施例提供的缺陷检测装置设置有载物平面、离轴照明模块、成像模块和分析处理模块，离轴照明模块用于产生并发出离轴照明光束，成像模块用于根据离轴照明光束经待测物的待检测面反射后形成的成像光束，对待检测面进行成像，以生成图像信号，其中，离轴照明光束的主光线与成像模块的轴线之间的夹角不为0。分析处理模块与成像模块连接，用于根据图像信号识别待检测面的缺陷区域，实现了对待测物的缺陷检测，由于离轴照明光束的主光线与成像模块的轴线之间存在夹角，可以使经倾斜处反射的离轴照明光线与轴线之间有更大的倾斜角，更多的光线无法进入成像模块参与成像，增加不同倾斜度之间成像的亮度差，方便对浅缺陷的识别，提高检测精度。

可选地，图6为本发明实施例提供的又一种缺陷检测装置的结构示意图，参照图6，在前述实施例的基础上，成像模块402包括：物镜601和相机602(不包括分光镜606)。物镜601设置于载物平面401和相机602之间，用于收集检测光束经待检测面反射或散射后形成的成像光束。相机602用于根据成像光束对待检测面进行成像，生成图像信号。离轴照明模块600包括：发光单元603、孔径光阑604、第一聚光透镜605和分光镜606。发光单元603用于产生并发出光源；孔径光阑604离轴设置，孔径光阑604用于根据光源产生离轴照明光束。第一聚光透镜605设置于离轴照明光束的光路上，第一聚光镜用于对离轴照明光束做聚光处理。分光镜606设置于物镜601和相机602之间，离轴照明光束经分光镜606的反射，进入物镜601并照射于待检测面上，其中，经分光镜606反射后的离轴照明光束的主光线与物镜601的轴线O之间的夹角不为0。

其中，物镜601是指具有高倍放大功能的显微透镜组，可以对待检测面反射形成的成像光束进行汇聚，在相机602的图像传感器上形成放大的实像。相机602是指根据物镜601接收并传播的成像光束对待测面进行成像，根据接收到的光线生成对应的模拟信号，进而进行数模转换的图像传感设备。发光单元603是指能够产生光源的光源组件。孔径光阑604是指设置了离轴透光孔607的光阑，光阑的非透光孔607的位置遮光，仅有透光孔607可以透过光线。第一聚光透镜605为凸透镜，可以对离轴照明光束进行汇聚处理。分光镜606是指设置于物镜601和相机602之间的双功能镜，既能将离轴照明光束反射入物镜601中，进而离轴照射于载物平面401上，又能让待检测面反射的成像光束透过投在相机602上。

具体地，孔径光阑604的透光孔607离轴设置，孔径光阑604的透光孔607可以包括圆形、椭圆形、环形、矩形和任何不规则形状，优选地，图7为本发明实施例提供的一种孔径光阑与物镜孔径范围的对比示意图，结合图6和图7，孔径光阑604的透光孔607可以为圆形(图中白色圆形部分)。图7中的虚线圆形为指示线，指示的是物镜601的孔径范围，可以表示当孔径光阑604的透光孔607无限大时，物镜601可以接收到的照明光线的分布范围；也就是说当透光孔607与虚线圆形一样大时，经过孔径光阑的透光孔607产生的所有照明光线能够全部进入物镜601。孔径光阑604的圆形透光孔607可以与代表孔径范围的虚线圆形内切或与代表孔径范围的虚线圆形的内边缘靠近，所以经过孔径光阑604产生的离轴照明光束可以切着物镜601孔径的内边缘或靠近物镜601孔径的内边缘入射到物镜601中，可以保证待检测面的缺陷处有更多的反射光偏离出物镜601的最大孔径角范围，从而使保留在物镜601孔径角范围内的成像光线占缺陷处所有反射光的比例更小。需要特别说明的是，表示孔径范围的虚线圆形的面积，即物镜601的孔径面积，是指在透光孔足够大的情况下，光源产生的经离轴照明模块600中设定的光路能够进入物镜601的孔径照射到待检测面上的所有光线，与孔径光阑604所在平面相交所形成图形的面积。

另外，结合图2，图6和图7，离轴照明光线的角度范围越小，对于同一个橘皮类缺陷，缺陷处的成像光线占缺陷处所有反射光的比例越小，进而平整处与缺陷处之间的成像亮度差，但同时离轴照明光线的角度范围越小，照明强度也会降低，也会对成像效果造成消极影响，因此需要平衡亮度差和照明强度两者之间的关系，选择合适的离轴角度范围。孔径光阑604的透光孔607的面积与物镜601的孔径面积的比值在第一范围内，示例性地，第一范围可以为0.1至0.3。经实验验证，第一范围为0.1至0.3，既可以使有橘皮缺陷的待检测面上各点的成像光束的能量最小值与最大值之间的比值在0.8至0.96范围内，以拍出橘皮缺陷，还可以保证足够的照明光强，保证成像总亮度的足够，其中，成像光束的能量最大值和能量最小值是同一个橘皮缺陷的横截面(如图2所示)上相邻的A点和B点之间的相对概念，不涉及多个橘皮缺陷之间的比较，具体地，成像光束的能量最大值是指离轴照明光线经A点反射后生成的反射光束中能进入物镜最终参与成像的成像光束的能量值，成像光束的能量最小值是指离轴照明光线经B点反射后生成的反射光束中能进入物镜最终参与成像的成像光束的能量值。A点和B点的定义上文有详细内容说明，此处不再赘述。

光源经孔径光阑604的处理生成离轴照明光束，而离轴照明光束经第一聚光透镜605的聚光作用后射入分光镜606，经反射进入物镜601。离轴照明光束在物镜601中与物镜601的轴线O之间存在夹角，且夹角不为0。

示例性地，图8为本发明实施例提供的一种物镜的孔径范围、离轴照明光束的分布范围和反射光的角度分布范围的示意图，结合图6和图8，离轴照明光束可以贴着物镜601的孔径边缘全部射入物镜601中，进而全部照射到待检测面上。而离轴照明光束经橘皮缺陷所在待检测面反射后的反射光线仅有一部分返回物镜601，最终参与成像。未能返回物镜601的部分反射光线均为待检测面上发生倾斜的位置(例如图2中的点B)反射的光线。离轴照明光束与成像模块402的轴线O的夹角角度设置可以使待检测面上单点的成像光束的能量最小值与最大值之间的比值在0.8至0.96范围内，可以拍出橘皮缺陷且保证一定的照明光强。

本实施例提供的缺陷检测装置，成像模块包括物镜和相机，离轴照明模块包括发光单元、孔径光阑、第一聚光透镜和分光镜，光源经孔径光阑的处理生成离轴照明光束，而离轴照明光束经第一聚光透镜的聚光作用后射入分光镜，经反射进入物镜。离轴照明光束在物镜中与物镜的轴线之间存在夹角，夹角角度设置可以使待检测面上单点的成像光束的能量最小值与最大值之间的比值在0.8至0.96范围内，可以拍出橘皮缺陷且保证一定的照明光强，实现了待检测面的橘皮缺陷的检测，提高了橘皮缺陷的检出率的基础上保证了照明光强，提高缺陷检测装置的准确性。

可选地，图9为本发明实施例提供的又一种缺陷检测装置的结构示意图，参照图9，在前述实施例的基础上，离轴照明模块600还包括：第二聚光透镜901和反光镜902。第二聚光透镜901设置于发光单元603和孔径光阑604之间，第二聚光透镜901用于对光源实施聚光处理。反光镜902设置于第一聚光镜与分光镜606之间，反光镜902用于将离轴照明光束反射至分光镜606上。

具体地，第二聚光镜为凸透镜，可以在光源经过孔径光阑604之前对光源进行汇聚处理，使更多的光线通过透光孔607成为离轴照明光束，进一步提高离轴照明光束的光强，从而提高成像亮度，增加缺陷检测的可靠性。反光镜902设置于离轴照明光束的光路上，于第一聚光镜与分光镜606之间，可以将离轴照明光束反射至分光镜606上。

示例性地，图10为本发明实施例提供的一种待检测面的成像效果图，结合图9和图10，采用图9所示的缺陷检测装置对晶圆表面进行缺陷检测，缺陷检测装置中孔径光阑的透光孔的面积与物镜的孔径面积的比值在第一范围内，在此情况下，如图10所示的相机的成像效果图中橘皮缺陷明显，不同倾斜角度的位置颜色深浅不同，成像效果远好于背景技术中的缺陷监测装置。

本实施例提供的缺陷检测装置中，离轴照明模块用于产生并发出离轴照明光束，成像模块用于根据离轴照明光束经待测物的待检测面反射后形成的成像光束，对待检测面进行成像，以生成图像信号，其中，离轴照明光束的主光线与成像模块的轴线之间的夹角不为0。分析处理模块与成像模块连接，用于根据图像信号识别待检测面的缺陷区域，实现了对待测物的缺陷检测，由于离轴照明光束的主光线与成像模块的轴线之间存在夹角，可以使经倾斜处反射的离轴照明光线与轴线之间有更大的倾斜角，更多的光线无法进入成像模块参与成像，增加不同倾斜度之间成像的亮度差，方便对浅缺陷的识别，提高检测精度。

本发明实施例还提供了一种缺陷检测方法，该缺陷检测方法可以采用本发明实施例中任意的缺陷检测装置来实施。图11为本发明实施例提供的一种缺陷检测方法的流程示意图，参照图11，缺陷检测方法包括：

S1001、离轴照明模块产生并发出离轴照明光束。

S1002、成像模块根据离轴照明光束经待检测面反射后形成的成像光束，对待检测面进行成像，以生成图像信号。

其中，离轴照明光束的主光线与成像模块的轴线之间的夹角不为0。

S1003、分析处理模块根据图像信号识别待检测面的缺陷区域。

本实施例提供的缺陷检测方法，离轴照明模块产生并发出离轴照明光束，像模块根据离轴照明光束经待检测面反射后形成的成像光束，对待检测面进行成像，以生成图像信号，而离轴照明光束的主光线与成像模块的轴线之间的夹角不为0，可以使待检测面上倾斜处的位置对入射光线产生相对于成像模块的轴线更大角度的偏转，从而倾斜位置的反射光线更多的反射出物镜，不参与成像，从而增加不同倾斜度位置的成像亮度的差距，增加信号模数转换时的差别可识别度，从而提高橘皮缺陷的检出率。

图12为本发明实施例提供的又一种缺陷检测方法的流程示意图，参照图12，缺陷检测方法包括：

S1101、发光单元产生并发出光源。

S1102、孔径光阑根据光源产生离轴照明光束。

S1103、第一聚光镜对离轴照明光束做聚光处理。

S1104、分光镜反射经聚光处理后的离轴照明光束，使离轴照明光束进入物镜并照射于待检测面上。

S1105、物镜收集检测光束经待检测面反射或散射后形成的成像光束。

S1106、相机根据成像光束对待检测面进行成像，生成图像信号。

S1107、分析处理模块根据图像信号识别待检测面的缺陷区域。

本实施例提供的缺陷检测装置和方法，离轴照明模块用于产生并发出离轴照明光束，成像模块用于根据离轴照明光束经待测物的待检测面反射后形成的成像光束，对待检测面进行成像，以生成图像信号，其中，离轴照明光束的主光线与成像模块的轴线之间的夹角不为0。分析处理模块与成像模块连接，用于根据图像信号识别待检测面的缺陷区域，实现了对待测物的缺陷检测，由于离轴照明光束的主光线与成像模块的轴线之间存在夹角，可以使经倾斜处反射的离轴照明光线与轴线之间有更大的倾斜角，更多的光线无法进入成像模块参与成像，增加不同倾斜度之间成像的亮度差，方便对浅缺陷的识别，提高检测精度。

上述产品可执行本发明任意实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。