镜头阵列和晶圆检测设备

技术领域

本发明涉及半导体检测领域，具体涉及一种镜头阵列和晶圆检测设备。

背景技术

在晶圆缺陷光学检测领域，高检测精度和高检测通量同时要求光学系统中物镜的大数值孔径和大视场，同时需求明场、暗场显微成像模式以检测不同节点和工序中的不同尺度和类型的缺陷。对于几十纳米至几纳米的晶圆图案加工缺陷的检测系统，其光学检测的工作波长主要限制在紫外至深紫外谱段。同时具备大数值孔径和大视场的紫外或深紫外物镜具有光学和光机设计难度大、装调精度要求极高、环境因素影响敏感度高、工作距离短导致机台系统设计限制苛刻等困难。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种镜头阵列和晶圆检测设备，其能解决上述问题。

一种用于晶圆检测的镜头阵列，所述镜头阵列包括光轴共面的多个镜头，每个镜头采用独立的相干/非相干光照明，用于实现等效的大数值孔径NA(Numerical Aperture，NA)。

进一步的，镜头阵列的每个镜头可调，以此使得每个镜头对应的照明光斑独立调制以实现相同照明条件或不同照明条件。

进一步的，镜头阵列的多个镜头分成多组，每组镜头对应不同的工作波长。

进一步的，镜头阵列通过每个镜头不同的照明设置实现同时提供多种照明模式。

进一步的，物镜阵列的多个镜头沿着检测的扫描方向顺序排列。

本发明还提供了一种晶圆检测设备，检测设备的物镜采用前述的镜头阵列，镜头阵列中的一个镜头与半透半反镜、明场照明入射光路对应的入射筒镜组、变倍镜组和成像单元构成明场检测光路，镜头阵列中的其他镜头分别与上游对应的光阑滤波调制单元、变倍镜组和成像单元构成暗场检测光路，多个成像单元与图像处理器连接，通过图像处理器对接收到的明暗场图像耦合并进行缺陷筛选和定位。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：本申请采用沿扫描方向顺序排列的物镜阵列和照明阵列，可以实现单一物镜无法实现的大有效数值孔径，同时保证较大的物镜工作距离。镜头阵列中每个物镜收集不同散射角范围内的晶圆缺陷散射光信号，而不同类型缺陷的散射光的散射角分布不同，从而可以根据每个镜头的输出图像，实现晶圆缺陷的分类。本方案可以沿扫描方向排列不同数量的镜头，同时实现包括多波长、明暗场模式、不同照明模式等多功能的晶圆缺陷检测系统。

附图说明

图1为本发明镜头阵列的一个示例的示意图；

图2为图1示例的等效数值孔径分布示意图；

图3为图1示例的照明光斑示意图；

图4为镜头阵列的不同照明模式示意图；

图5为镜头阵列采用两个分组的示意图；

图6为晶圆检测设备的示意图。

图中，1、半透半反镜；2、入射筒镜组；3、变倍镜组；4、成像单元；5、光阑滤波调制单元；6、图像处理器；7、晶圆载台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

一种用于晶圆检测的镜头阵列，参见图1-图4，镜头阵列包括光轴共面的多个镜头，每个镜头采用独立的相干/非相干光照明，用于实现等效的大数值孔径NA。

参见图1的示例，镜头阵列包括了在X-Z平面内的三个镜头：物镜1、物镜2和物镜3。物镜阵列的多个镜头沿着检测的扫描方向顺序排列，参见图1，三个镜头沿着载台(也即电控扫描位移台)扫描方向(图示为X方向)顺序布置。晶圆样品依次经过每个镜头的视场范围完成光学图像收集。

通过该镜头阵列，可以实现单一物镜无法实现的大有效数值孔径，同时保证较大的物镜工作距离，放宽机台系统的机械设计限制。

三个镜头的光轴方向具有一定夹角，该示例中，中间的物镜2垂直于电控扫描位移台-即待检测晶圆的载台设置，两侧的物镜1和物镜3相对于物镜2对称的倾斜设置，即物镜1的光轴1和物镜3的光轴3相对于物镜2的光轴2对称设置。

每个镜头对应视场内的照明光斑在X方向上分离，并进行独立调制，通过调制实现相同或不同的照明条件。不同照明条件包括入射角度、波长、光斑形状。

物镜1至物镜2的晶圆照明的中心距离为d

物镜1的收集角1和物镜3的收集角3可以相同也可以不同，图示示例收集角1＝收集角3设置。

镜头阵列的设计可以实现等效的大数值孔径NA，等效数值孔径分布如图2所示，沿载台扫描方向上的NA值可达0.99NA(收集半角约82度)，垂直扫描方向上的NA值对应单个物镜NA值。同时，在相干激光照明模式下，通过镜头阵列实现大数值孔径的方案可以抑制光学成像中的散斑效应，提高检测结果的信噪比。

通过镜头阵列，每个物镜收集不同散射角范围内的晶圆缺陷散射光信号，而不同类型缺陷的散射光的散射角分布不同，从而可以根据每个镜头的输出图像，实现晶圆缺陷的分类，因此可广泛应用于晶圆检测中。

其中，参见图3的图3a和图3b，每个镜头视场内对应各自独立的照明光斑，镜头阵列的每个镜头可调，以此使得每个镜头对应的照明光斑独立调制以实现相同照明条件或不同照明条件。

本方案中，晶圆图案中的缺陷结构沿扫描方向依次经过每个镜头，在相同的照明条件下，不同类型的缺陷结构光场散射角分布方向不同，通过不同镜头收集不同散射角分布的缺陷散射光并输出图像，可以基于每个镜头拍摄的图像分析实现不同类型缺陷结构的分类，指导晶圆良率控制方案。在实际的晶圆检测中，某一类缺陷结构在某种特定照明条件的散射信号在镜头收集空间很微弱从而检测失效，这种情况下，不同镜头阵列可采用不同的照明条件，从而降低缺陷检测失效的概率。

其中，镜头阵列通过每个镜头不同的照明设置实现同时提供多种照明模式。参见图4，多种照明模式包括但不限于线光斑照明(图4a)、光斑扫描照明(图4b)等。

参见图5，镜头阵列的多个镜头分成多组，每组镜头对应不同的工作波长。镜头阵列包括两组，第一组包括物镜1、物镜2和物镜3，第二组包括物镜4、物镜5和物镜6，两组的光轴角度、收集角大小及晶圆照明的中心距离可以设置为相同，该情况下，第一组的物镜2和第二组的物镜5通过引入同轴照明光路，可以同时实现明、暗场成像模式。

进一步的，第一组的物镜1、物镜2和物镜3基于工作波长1，第二组的物镜4、物镜5和物镜6基于工作波长2，其中工作波长1、2可以选择单波长或宽谱波长，从而可以实现多波长、宽窄谱的晶圆缺陷检测。

综上，本方案可以沿扫描方向排列不同数量的镜头，同时实现包括多波长、明暗场模式、不同照明模式等多功能的晶圆缺陷检测系统。

第二实施例

一种晶圆检测设备，参见图6，检测设备的物镜采用前述的镜头阵列，镜头阵列中的一个镜头与半透半反镜1、明场照明入射光路对应的入射筒镜组2、变倍镜组3和成像单元4构成明场检测光路，镜头阵列中的其他镜头分别与上游对应的光阑滤波调制单元5、变倍镜组3和成像单元4构成暗场检测光路，多个成像单元4与图像处理器6连接，通过图像处理器6对接收到的明暗场图像耦合并进行缺陷筛选和定位。

其中，明场照明入射光路包含明场照明系统和自动对焦系统，其通过入射筒镜组2、半透半反镜1、物镜照射到晶圆载台7上的晶圆上表面。

其中，成像单元4采用TDI传感器或线扫相机等图像采集器件。

其中，光阑滤波调制单元5包括光阑组件和滤波组件，用以调节和保证暗场的成像质量。

图示的示例中，镜头阵列采用了一组3个镜头，当然也可以扩展为如图5的两组甚至三组。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。