自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備的產(chǎn)率優(yōu)化研究

張凱

摘 要：傳統(tǒng)的芯片生產(chǎn)過程中，芯片表面缺陷會(huì)影響后續(xù)制程工藝的良率，因此產(chǎn)線中會(huì)使用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備對(duì)芯片表面進(jìn)行缺陷檢測(cè)和返工處理，從而實(shí)現(xiàn)良率管控。由于芯片表面缺陷的形貌特征不一，常采用明場(chǎng)照明和暗場(chǎng)照明的方式進(jìn)行組合檢測(cè)。本文通過對(duì)檢測(cè)流程的產(chǎn)率研究，改進(jìn)現(xiàn)有的掃描檢測(cè)流程，以期提升產(chǎn)率。經(jīng)過客戶端的試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)作者改進(jìn)之后的檢測(cè)流程方案可以符合客戶產(chǎn)率提升的實(shí)際需求，并且?guī)椭咎嵘水a(chǎn)品設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：芯片;自動(dòng)光學(xué)檢測(cè);明場(chǎng);暗場(chǎng);產(chǎn)率

中圖分類號(hào)：TH74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）09-0057-04

Abstract： In the traditional chip production process， chip surface defects will affect the yield of subsequent manufacturing processes， therefore， automatic optical inspection equipment will be used in the production line to detect defects and rework the chip surface to achieve yield control. Due to the different morphological characteristics of chip surface defects， bright field illumination and dark field illumination are often used for combined inspection. In this paper， through the research on the production rate of the detection process， the existing scanning detection process was improved in order to increase the production rate. After the client's test verification， the inspection process scheme improved by the author can meet the actual needs of customers for increasing the productivity， and help the company improve the competitiveness of products and equipment.

Keywords： chip;automatic optical inspection;bright field;dark field;yield

通常而言，在芯片制造工藝中，為了管控良率，企業(yè)需要采用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，在一些特定的環(huán)節(jié)對(duì)晶圓表面進(jìn)行缺陷檢測(cè)[1]。針對(duì)不同的缺陷類型和晶圓背景，人們往往需要采用不同的照明探測(cè)手段[2]，如明場(chǎng)照明和暗場(chǎng)照明等。受限于探測(cè)光路的彼此干擾，明場(chǎng)檢測(cè)和暗場(chǎng)檢測(cè)無法同時(shí)進(jìn)行，因此當(dāng)生產(chǎn)中需要使用明場(chǎng)檢測(cè)和暗場(chǎng)檢測(cè)來共同完成晶圓表明檢測(cè)時(shí)，相比于只使用明場(chǎng)照明或暗場(chǎng)照明，該工序的檢測(cè)時(shí)間會(huì)大大增加。但同時(shí)，產(chǎn)能直接關(guān)乎工廠的芯片生產(chǎn)效益，工廠對(duì)設(shè)備的產(chǎn)率有著嚴(yán)格的性能指標(biāo)要求。針對(duì)已有的產(chǎn)率提升方法，本文提出了一種新的檢測(cè)優(yōu)化方案，它可以極大地提升明暗場(chǎng)檢測(cè)產(chǎn)率。

1 晶圓表面宏觀缺陷檢測(cè)技術(shù)概述

表面宏觀缺陷檢測(cè)是芯片生產(chǎn)過程中常見的一道工序，它通過一款檢測(cè)設(shè)備來完成檢測(cè)流程。該檢測(cè)設(shè)備主要基于自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)技術(shù)[3]，需要配備諸多設(shè)備，如負(fù)責(zé)光學(xué)成像和檢測(cè)算法處理的檢測(cè)單元、負(fù)責(zé)承載晶圓完成掃描運(yùn)動(dòng)的工件臺(tái)、負(fù)責(zé)傳送晶圓的傳輸機(jī)械手、整機(jī)同步控制系統(tǒng)以及整機(jī)內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)等。

一套完整的檢測(cè)流程大致如下：機(jī)械手從窗口取出晶圓并傳送到工件臺(tái)上;工件臺(tái)承載晶圓到光學(xué)成像單元區(qū)域，通過成像拍照和標(biāo)記識(shí)別，完成晶圓對(duì)準(zhǔn)和調(diào)焦;由整機(jī)同步控制系統(tǒng)發(fā)出同步控制時(shí)序信號(hào)，掃描移動(dòng)工件臺(tái)，同時(shí)光學(xué)成像系統(tǒng)根據(jù)同步控制信號(hào)，對(duì)掃描路徑上的指定區(qū)域進(jìn)行成像拍照，并由數(shù)據(jù)處理服務(wù)器完成宏觀缺陷的算法檢出;掃描檢測(cè)完成后，工件臺(tái)根據(jù)檢出的缺陷位置，再次承載晶圓到光學(xué)成像單元區(qū)域，對(duì)檢出的缺陷逐個(gè)進(jìn)行放大拍照，以便后續(xù)的人眼復(fù)判確認(rèn);機(jī)械手從工件臺(tái)取片并放回窗口處。

2 晶圓檢測(cè)產(chǎn)率的影響因素與優(yōu)化方向

芯片檢測(cè)過程中，產(chǎn)率主要分解在5個(gè)子流程中。上片和下片這兩個(gè)子流程涉及硅片傳送的安全性，產(chǎn)率提升需要格外慎重;由于傳輸和工件臺(tái)的交接時(shí)間一般控制在15 s以內(nèi)，因此產(chǎn)率提升空間不大，優(yōu)化效果不明顯。

對(duì)準(zhǔn)調(diào)焦子流程涉及工件臺(tái)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)、相機(jī)采圖和對(duì)準(zhǔn)算法處理。為了提高對(duì)準(zhǔn)調(diào)焦精度，其往往會(huì)對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行擬合，所以該子流程的時(shí)間主要由測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間決定，平均每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間都在1 s以內(nèi)。

掃描檢測(cè)子流程涉及工件臺(tái)掃描運(yùn)動(dòng)、相機(jī)采圖和檢測(cè)算法處理等，其時(shí)間主要由臺(tái)子掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)的相機(jī)采圖幀頻和軟件算法處理時(shí)間決定。一般工件臺(tái)的掃描運(yùn)動(dòng)速度可以至少達(dá)到400 mm/s，但實(shí)際應(yīng)用中工件臺(tái)的掃描運(yùn)動(dòng)速度由以式（1）決定。

式中，[v]為工件臺(tái)的掃描運(yùn)動(dòng)速度;[f]為相機(jī)幀頻，目前常用的面陣相機(jī)幀頻在100 Hz左右;[Field_width]為相機(jī)的有效視場(chǎng)寬度，此處設(shè)定臺(tái)子掃描方向與相機(jī)寬邊正交。

3 晶圓檢測(cè)產(chǎn)率的優(yōu)化與改良

本技術(shù)的研究中，一個(gè)基本的檢測(cè)掃描流程包含軟件參數(shù)下發(fā)、光學(xué)照明準(zhǔn)備、掃描采圖和算法處理等動(dòng)作。常規(guī)掃描模式下的各個(gè)動(dòng)作及硬件時(shí)序關(guān)系如圖1所示。

臺(tái)子按照規(guī)劃路徑進(jìn)行掃描運(yùn)動(dòng)，承載晶圓至光學(xué)成像系統(tǒng)下，逐個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行圖像采集和算法同步處理。其中，臺(tái)子運(yùn)動(dòng)到每個(gè)視場(chǎng)位置后會(huì)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)相機(jī)打開快門（設(shè)定為上升沿觸發(fā)模式），同時(shí)也打開閃爍氙燈，完成圖像采集。從圖2可以看出，閃爍氙燈的打開時(shí)間要小于相機(jī)快門時(shí)間，避免出現(xiàn)拖影現(xiàn)象。根據(jù)圖1的流程，人們可以得到基本檢測(cè)掃描時(shí)間的組成公式，即

式中，[T0]為基本檢測(cè)掃描時(shí)間;[t1]為參數(shù)下發(fā)時(shí)間;[t2]為光學(xué)照明準(zhǔn)備時(shí)間;[t3]為掃描采圖時(shí)間;[t4]為算法處理延時(shí)。

掃描采圖過程中，軟件算法可以同步處理采集的圖像數(shù)據(jù)。由于采圖與算法處理存在時(shí)間先后關(guān)系，算法處理的結(jié)束時(shí)間與掃描運(yùn)動(dòng)采圖結(jié)束之間會(huì)存在一定的延時(shí)，所以式（2）中增加了算法處理延時(shí)這一項(xiàng)。

參數(shù)下發(fā)過程主要執(zhí)行處方參數(shù)傳遞、物理內(nèi)存開辟和路徑規(guī)劃等動(dòng)作，按現(xiàn)有軟件能力，時(shí)間基本在2 s以內(nèi)。光學(xué)照明準(zhǔn)備過程主要執(zhí)行檢測(cè)物鏡倍率切換到位、光源電壓設(shè)置等動(dòng)作，時(shí)間基本在1 s以內(nèi)。算法處理延時(shí)主要取決于圖像數(shù)據(jù)量、算法和服務(wù)器構(gòu)成的軟硬件條件。由于晶圓尺寸和檢測(cè)物鏡倍率確定后，圖像數(shù)據(jù)量即可確定，所以軟硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間基本可以確定，因此算法處理延時(shí)取決于數(shù)據(jù)處理時(shí)間與掃描采圖時(shí)間之間的大小，基于當(dāng)今現(xiàn)有的服務(wù)器硬件水平和商用算法性能，算法處理延時(shí)基本在1 s以內(nèi)。綜上，人們可以將參數(shù)下發(fā)、光學(xué)照明準(zhǔn)備和算法處理延時(shí)的時(shí)間都設(shè)定為固定值。

掃描采圖時(shí)間取決了晶圓尺寸、檢測(cè)視場(chǎng)大小和臺(tái)子掃描運(yùn)動(dòng)速度，其計(jì)算公式如下：

式中，[s]為總的直線掃描距離;[v]為勻速掃描速度;[t5]為拐彎時(shí)間;[n]為拐彎段數(shù)。

設(shè)定晶圓尺寸為8寸（直徑200 mm），檢測(cè)物鏡倍率為3X，對(duì)應(yīng)成像系統(tǒng)的圖像像素分辨率為3 μm/pixel，圖像大小為1 200像素×1 600像素，對(duì)應(yīng)視場(chǎng)大小為3.6 mm×4.8 mm。設(shè)定相機(jī)幀頻為100 Hz，則臺(tái)子沿視場(chǎng)短邊方向的勻速掃描運(yùn)動(dòng)速度為360 mm/s。同時(shí)，考慮到臺(tái)子拐彎處的降速提速過程，時(shí)間耗時(shí)基本保持在0.5 s以內(nèi)。設(shè)定視場(chǎng)利用率為100%，即直線掃描段與段之間沒有重合，則8寸晶圓的規(guī)劃直線掃描段數(shù)為42段，所以拐彎時(shí)間為21 s，基于規(guī)劃路徑得到的直線掃描時(shí)間約為30 s，因此掃描采圖時(shí)間為51 s。

基于上述條件參數(shù)，采用3.6 mm×4.8 mm視場(chǎng)、相機(jī)幀頻為100 Hz、臺(tái)子拐彎速度為0.5 s的配置，8寸晶圓的基本檢測(cè)掃描時(shí)間分解如表1所示。

對(duì)于N片8寸晶圓構(gòu)成的1批晶圓物料，采用明場(chǎng)檢測(cè)和暗場(chǎng)檢測(cè)共2種檢測(cè)方式，則總的基本檢測(cè)掃描時(shí)間計(jì)算公式如下：

由式（1）可知，當(dāng)需要同時(shí)使用明場(chǎng)檢測(cè)和暗場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，基本檢測(cè)掃描時(shí)間增加100%。在總結(jié)上述時(shí)間分解的經(jīng)驗(yàn)后，本研究主要采取兩種優(yōu)化方案，下面對(duì)兩種方案進(jìn)行介紹。

第一種方案是軟件設(shè)計(jì)方案，主要方法是針對(duì)參數(shù)下發(fā)和光學(xué)照明準(zhǔn)備這兩個(gè)動(dòng)作，通過軟件設(shè)計(jì)將兩個(gè)動(dòng)作設(shè)置為一批生產(chǎn)中的首片執(zhí)行，其余非首片不需要執(zhí)行，則優(yōu)化后總的基本檢測(cè)掃描時(shí)間計(jì)算公式如下：

從表2結(jié)果可知，通過此種軟件流程的設(shè)計(jì)優(yōu)化，產(chǎn)率提升效果并不顯著。實(shí)際生產(chǎn)中，一盒片子一般有25片槽，但有時(shí)因翹曲而隔槽放置時(shí)只有13片，甚至更少。從表2可以看到，同批次片子數(shù)量下降，產(chǎn)率提升效果隨之下降?？傮w而言，此種優(yōu)化方案的效果無法達(dá)到客戶預(yù)期。

第二種方案是基于第一種軟件優(yōu)化方案，對(duì)掃描采圖過程的時(shí)序控制進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)使用明場(chǎng)檢測(cè)和暗場(chǎng)檢測(cè)的基本檢測(cè)掃描流程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，流程改進(jìn)前后的對(duì)比如圖3所示。

上述設(shè)計(jì)改進(jìn)中，臺(tái)子觸發(fā)信號(hào)，相機(jī)快門和光源信號(hào)之間的控制時(shí)序信號(hào)調(diào)整為其他方式，如圖4所示。

從圖3和圖4可以看到，每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)都會(huì)執(zhí)行一次明場(chǎng)拍照檢測(cè)和暗場(chǎng)拍照檢測(cè)，到下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，再執(zhí)行一次明場(chǎng)拍照檢測(cè)和暗場(chǎng)拍照檢測(cè)。該種方式可以確保臺(tái)子掃描運(yùn)動(dòng)一次的過程中就執(zhí)行完明場(chǎng)檢測(cè)和暗場(chǎng)檢測(cè)，而不需要臺(tái)子掃描運(yùn)動(dòng)兩次。在每一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，相機(jī)會(huì)依次打開兩次快門，并分別觸發(fā)明場(chǎng)光源和暗場(chǎng)光源的閃爍信號(hào)，明場(chǎng)檢測(cè)和暗場(chǎng)檢測(cè)的兩次拍照信號(hào)之間不會(huì)存在干擾。但此處相機(jī)打開兩次快門的時(shí)序上有先后，臺(tái)子是掃描運(yùn)動(dòng)，并非步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，所以明場(chǎng)檢測(cè)圖像和暗場(chǎng)檢測(cè)圖像之間會(huì)存在一定的位置偏差。

下面對(duì)該偏差量的影響進(jìn)行分析。為了減少拍照拖影的影響，結(jié)合臺(tái)子運(yùn)動(dòng)速度、光源能量、相機(jī)探測(cè)效率以及電子信號(hào)延時(shí)，相機(jī)的開門時(shí)間控制在百微秒以下。這也就意味著明場(chǎng)檢測(cè)和暗場(chǎng)檢測(cè)的快門前后差異時(shí)間約為100 μs，根據(jù)臺(tái)子掃描運(yùn)動(dòng)速度（360 mm/s），從明場(chǎng)檢測(cè)拍照到暗場(chǎng)檢測(cè)拍照，運(yùn)動(dòng)距離為36 μm，所以明場(chǎng)檢測(cè)圖像與暗場(chǎng)檢測(cè)圖像的偏差量為36 μm。而晶圓上芯片與芯片之間會(huì)存在一定寬度的劃片槽，用于后續(xù)的芯片切割。根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)，該劃片槽寬度一般會(huì)大于80 μm，這也就意味著明場(chǎng)圖像和暗場(chǎng)圖像之間的偏差量小于劃片槽寬度，不會(huì)對(duì)芯片區(qū)域的表面缺陷檢測(cè)造成漏檢的影響。

根據(jù)第二種優(yōu)化方案，產(chǎn)率提升效果如表3所示。

從以上結(jié)果可知，通過第二種方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化，產(chǎn)率提升效果顯著，可以滿足客戶產(chǎn)率提升需求。

4 結(jié)果與討論

在對(duì)兩種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析的過程中，人們可以發(fā)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)方案可以提升產(chǎn)率，但是效果有限，無法達(dá)到客戶的要求。因此，針對(duì)存在的問題，人們重新設(shè)計(jì)了控制時(shí)序方案。

5 結(jié)論

在本次方案設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)芯片生產(chǎn)行業(yè)的檢測(cè)設(shè)備，本研究提出了結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工況的軟件設(shè)計(jì)方案，可以在一定程度上提升檢測(cè)產(chǎn)率。在此基礎(chǔ)上，本研究通過改進(jìn)設(shè)備相機(jī)、光源和臺(tái)子的硬件控制時(shí)序，進(jìn)一步提升了明場(chǎng)檢測(cè)和暗場(chǎng)檢測(cè)同時(shí)執(zhí)行的產(chǎn)率。這使得客戶在后續(xù)生產(chǎn)中可以獲得更大的產(chǎn)能，提升了檢測(cè)設(shè)備的產(chǎn)率優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過這一優(yōu)化，配置了該方案的設(shè)備成功通過了多個(gè)業(yè)內(nèi)知名客戶的驗(yàn)證，成為芯片生產(chǎn)行業(yè)的首選，近年來給企業(yè)創(chuàng)造了新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。

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