晶圓邊緣缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

陳 魯 劉健鵬 張 嵩 李成敏

深圳中科飛測(cè)科技股份有限公司 廣東 深圳 518000

引言

集成電路制造技術(shù)被譽(yù)為人類工業(yè)制造的皇冠,隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展,其制造工藝越來越精密和復(fù)雜。對(duì)制造過程中的缺陷要求也越來越嚴(yán)格。而且不僅關(guān)注晶圓正面上的集成電路的缺陷,也逐漸關(guān)注晶圓邊緣集成電路以外的缺陷。邊緣的缺陷主要有以下幾種類型:殘膠、劃痕、膜層開裂或脫落、崩邊等。殘膠、劃痕、膜層開裂或脫落等缺陷在工藝過程中會(huì)揮發(fā)出顆粒對(duì)集成電路部分造成污染,而崩邊更會(huì)造成晶圓整體碎裂,進(jìn)而污染整個(gè)生產(chǎn)線。

目前晶圓邊緣的檢測(cè)方式通常為人工目檢,顯然人工目檢嚴(yán)重依賴技術(shù)員的視力和注意力,判斷非常主觀,而且發(fā)現(xiàn)的缺陷通常以文字描述為主,不能形成圖像數(shù)據(jù),不利于工藝流程的整合和優(yōu)化。通常利用成像技術(shù)對(duì)關(guān)注區(qū)域拍照即可保留缺陷的圖像數(shù)據(jù),但是晶圓邊緣通常為鏡面反射特性,局部形貌在半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)波動(dòng),導(dǎo)致明場(chǎng)成像下反射光線不可控,最終導(dǎo)致明場(chǎng)圖像亮度均勻性差,甚至有暗場(chǎng)區(qū)域,無法獲得圖像信息。

KLA-Tencor Technologies公司采用了線掃成像方式,晶圓旋轉(zhuǎn)一周,對(duì)晶圓邊緣掃描成像,但是照明光線角度單一,使得邊緣圖像部分飽和,部分又太暗。Raytex公司同樣采用旋轉(zhuǎn)掃描,但是成像和照明方式為單點(diǎn)照明和單點(diǎn)成像,根據(jù)晶圓掃面一圈后散射光強(qiáng)信號(hào)的變化判斷是否有缺陷,雖然靈敏度較高,但是獲取的僅為信號(hào),沒有缺陷的圖像信息,不夠直觀,很難為工藝的良率提升提供有效數(shù)據(jù)。Rudolph Technologies采用了更全面的散射光照明,光源需要光纖與導(dǎo)光玻璃體。雖然能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的照明角度以及均勻度成像,但是僅限于晶圓的上下平邊和側(cè)面的垂直邊緣,側(cè)面的斜邊不能成像。

本文設(shè)計(jì)的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)采用了明場(chǎng)穹頂照明方式,并對(duì)晶圓邊緣進(jìn)行掃描成像,晶圓旋轉(zhuǎn)一周即可完成清晰成像,所獲得的圖像可作為生產(chǎn)工藝優(yōu)化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),對(duì)集成電路制造技術(shù)的良率提升提供有利支撐。

1 晶圓邊緣檢測(cè)系統(tǒng)

晶圓邊緣的光學(xué)成像方式,采用線掃描成像,晶圓旋轉(zhuǎn)一周即可完成掃描成像。但是晶圓邊緣的局部形貌不固定,導(dǎo)致通常的明場(chǎng)照明下,會(huì)有暗區(qū)產(chǎn)生。

1.1 晶圓邊緣形貌研究

如圖1所示為半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)要求的晶圓輪廓截面形狀,標(biāo)準(zhǔn)僅限定了A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)的位置,截面輪廓在這4個(gè)點(diǎn)內(nèi)穿過就可以,因此輪廓具有一定隨機(jī)性。根據(jù)光線可逆的原理,成像系統(tǒng)無論從哪個(gè)角度成像,每個(gè)視場(chǎng)需要的照明光線都不確定。圖中視場(chǎng)1、2、3位置不同,每個(gè)點(diǎn)上的法線方向不同。對(duì)成像光線逆向追跡可見,需要的照明光線來自不同的方向。一般的照明系統(tǒng)照明光線角度單一,而如果照明系統(tǒng)僅提供視場(chǎng)中心（圖1中第2點(diǎn)）的照明光線,那么視場(chǎng)1和視場(chǎng)3沒有照明光線,在圖像上體現(xiàn)為背景黑色的暗場(chǎng)照明,整體上體現(xiàn)為從視場(chǎng)中心向視場(chǎng)邊緣由明到暗的過度,圖像亮度嚴(yán)重不均勻,無法用于機(jī)器視覺的智能識(shí)別缺陷。

1.2 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)分析,晶圓邊緣的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)難點(diǎn)在于照明系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的照明系統(tǒng)核心是利用穹頂照明的原理,對(duì)邊緣提供全方位的照明光線,使得邊緣圖像全部為明場(chǎng)成像。

如圖2所示,利用Lighttools對(duì)成像光線進(jìn)行逆向追跡,可以獲得照明光線的分布情況。通過設(shè)置球形探測(cè)器可以獲得光源發(fā)光點(diǎn)的分布以及發(fā)光點(diǎn)發(fā)光角度的分布。圖3為逆向追跡后在光源表面的光線分布,該分布可作為設(shè)計(jì)光源發(fā)光面的參考。

圖2 對(duì)照明光線逆向追跡Fig.2 Trace the illumination rays

圖3 光源發(fā)光面上的光線分布Fig.3 The light trace distribution of light source surface

圖4所示穹頂光源原理上為球體,但是球體體積太大,也不易制造。根據(jù)圖3逆向追跡獲得的光源光線分布,在穹頂光源的球體上截取需要的部分,以此發(fā)光面制造光源。截取的有效光源尺寸為,直徑40mm,寬度20mm,圓弧角度210度,外型類似“C”型。發(fā)光面在±30度內(nèi)均勻性大于95%。

圖4 穹頂光源Fig.4 Dome Light source

1.3 光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)

機(jī)器視覺的成像鏡頭通常為物方遠(yuǎn)心鏡頭,因?yàn)槲锓竭h(yuǎn)心成像亮度均勻,物方放大率與工作距離誤差無關(guān)。本文的成像鏡頭也采用物方遠(yuǎn)心鏡頭,光學(xué)系統(tǒng)成像部分如下:

圖5 邊緣檢測(cè)成像系統(tǒng)Fig.5 Wafe edge Image system

邊緣的檢測(cè)光路分成三部分,分別對(duì)晶圓邊緣是上斜邊、側(cè)邊和下斜邊成像。鏡頭均為1.5倍物方遠(yuǎn)心鏡頭,物方F數(shù)=11。三支成像光路有重疊部分,保證對(duì)晶圓邊緣的全覆蓋成像檢測(cè)。

圖6所示整體的光學(xué)系統(tǒng)采用斜入射明場(chǎng)照明,成像系統(tǒng)入射角25度,晶圓繞圓心自轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)一周后完成對(duì)整個(gè)圓周的掃描成像。

圖6 邊緣檢測(cè)光學(xué)提供Fig.6 Edge Inspec t i on Op t i ca l Sys t em

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

常規(guī)的明場(chǎng)照明為條形光源,在物面上形成一條線型照明光斑。然而這種照明方法如前文所述不能提供足夠豐富的照明角度,導(dǎo)致晶圓邊緣局部產(chǎn)生暗區(qū),如圖7紅框所示,為明場(chǎng)照明不到的范圍。本文設(shè)計(jì)的穹頂照明可以實(shí)現(xiàn)均勻照明,獲得亮度均勻無暗區(qū)的邊緣圖像。前后對(duì)比如下圖所示:

圖7 常規(guī)明場(chǎng)照明與本文設(shè)計(jì)的明場(chǎng)照明對(duì)比Fig.7 The general bright field illumination vs.designed bright field illumination

圖8所示為本文設(shè)計(jì)的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)拍攝的晶圓邊緣局部圖像,可以對(duì)邊緣上下斜邊和側(cè)邊全覆蓋成像,且成像均勻無暗區(qū)。

圖8 本文設(shè)計(jì)的光學(xué)檢查系統(tǒng)最終成像效果Fig.8 The image of inspection System

3 結(jié)論

本文針對(duì)晶圓邊緣的形貌特點(diǎn)和反射率特性,針對(duì)性的設(shè)計(jì)了穹頂明場(chǎng)照明。根據(jù)光線可逆原理,利用Lighttools對(duì)成像光線做逆向追跡,獲得了穹頂球體需要的部分,設(shè)計(jì)出體積小巧,可達(dá)到穹頂照明效果的照明系統(tǒng),與成像系統(tǒng)一起構(gòu)成晶圓邊緣的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)。光源尺寸為,寬度20mm,圓弧長(zhǎng)度210度,發(fā)光面直徑40mm的“C”型光源,成像系統(tǒng)為1.5倍物方遠(yuǎn)心鏡頭,搭配線掃相機(jī),晶圓繞圓心旋轉(zhuǎn)一周,可實(shí)現(xiàn)對(duì)晶圓邊緣一周的掃描拍照。