晶圆边缘缺陷检测系统

陈 鲁 刘健鹏 张 嵩 李成敏

深圳中科飞测科技股份有限公司 广东 深圳 518000

引言

集成电路制造技术被誉为人类工业制造的皇冠,随着集成电路技术的不断发展,其制造工艺越来越精密和复杂。对制造过程中的缺陷要求也越来越严格。而且不仅关注晶圆正面上的集成电路的缺陷,也逐渐关注晶圆边缘集成电路以外的缺陷。边缘的缺陷主要有以下几种类型:残胶、划痕、膜层开裂或脱落、崩边等。残胶、划痕、膜层开裂或脱落等缺陷在工艺过程中会挥发出颗粒对集成电路部分造成污染,而崩边更会造成晶圆整体碎裂,进而污染整个生产线。

目前晶圆边缘的检测方式通常为人工目检,显然人工目检严重依赖技术员的视力和注意力,判断非常主观,而且发现的缺陷通常以文字描述为主,不能形成图像数据,不利于工艺流程的整合和优化。通常利用成像技术对关注区域拍照即可保留缺陷的图像数据,但是晶圆边缘通常为镜面反射特性,局部形貌在半导体标准规定的范围内波动,导致明场成像下反射光线不可控,最终导致明场图像亮度均匀性差,甚至有暗场区域,无法获得图像信息。

KLA-Tencor Technologies公司采用了线扫成像方式,晶圆旋转一周,对晶圆边缘扫描成像,但是照明光线角度单一,使得边缘图像部分饱和,部分又太暗。Raytex公司同样采用旋转扫描,但是成像和照明方式为单点照明和单点成像,根据晶圆扫面一圈后散射光强信号的变化判断是否有缺陷,虽然灵敏度较高,但是获取的仅为信号,没有缺陷的图像信息,不够直观,很难为工艺的良率提升提供有效数据。Rudolph Technologies采用了更全面的散射光照明,光源需要光纤与导光玻璃体。虽然能够实现丰富的照明角度以及均匀度成像,但是仅限于晶圆的上下平边和侧面的垂直边缘,侧面的斜边不能成像。

本文设计的光学检测系统采用了明场穹顶照明方式,并对晶圆边缘进行扫描成像,晶圆旋转一周即可完成清晰成像,所获得的图像可作为生产工艺优化的数据基础,对集成电路制造技术的良率提升提供有利支撑。

1 晶圆边缘检测系统

晶圆边缘的光学成像方式,采用线扫描成像,晶圆旋转一周即可完成扫描成像。但是晶圆边缘的局部形貌不固定,导致通常的明场照明下,会有暗区产生。

1.1 晶圆边缘形貌研究

如图1所示为半导体标准要求的晶圆轮廓截面形状,标准仅限定了A、B、C、D四个点的位置,截面轮廓在这4个点内穿过就可以,因此轮廓具有一定随机性。根据光线可逆的原理,成像系统无论从哪个角度成像,每个视场需要的照明光线都不确定。图中视场1、2、3位置不同,每个点上的法线方向不同。对成像光线逆向追迹可见,需要的照明光线来自不同的方向。一般的照明系统照明光线角度单一,而如果照明系统仅提供视场中心（图1中第2点）的照明光线,那么视场1和视场3没有照明光线,在图像上体现为背景黑色的暗场照明,整体上体现为从视场中心向视场边缘由明到暗的过度,图像亮度严重不均匀,无法用于机器视觉的智能识别缺陷。

1.2 照明系统设计

根据上节分析,晶圆边缘的光学检测系统难点在于照明系统。本文设计的照明系统核心是利用穹顶照明的原理,对边缘提供全方位的照明光线,使得边缘图像全部为明场成像。

如图2所示,利用Lighttools对成像光线进行逆向追迹,可以获得照明光线的分布情况。通过设置球形探测器可以获得光源发光点的分布以及发光点发光角度的分布。图3为逆向追迹后在光源表面的光线分布,该分布可作为设计光源发光面的参考。

图2 对照明光线逆向追迹Fig.2 Trace the illumination rays

图3 光源发光面上的光线分布Fig.3 The light trace distribution of light source surface

图4所示穹顶光源原理上为球体,但是球体体积太大,也不易制造。根据图3逆向追迹获得的光源光线分布,在穹顶光源的球体上截取需要的部分,以此发光面制造光源。截取的有效光源尺寸为,直径40mm,宽度20mm,圆弧角度210度,外型类似“C”型。发光面在±30度内均匀性大于95%。

图4 穹顶光源Fig.4 Dome Light source

1.3 光学检测系统

机器视觉的成像镜头通常为物方远心镜头,因为物方远心成像亮度均匀,物方放大率与工作距离误差无关。本文的成像镜头也采用物方远心镜头,光学系统成像部分如下:

图5 边缘检测成像系统Fig.5 Wafe edge Image system

边缘的检测光路分成三部分,分别对晶圆边缘是上斜边、侧边和下斜边成像。镜头均为1.5倍物方远心镜头,物方F数=11。三支成像光路有重叠部分,保证对晶圆边缘的全覆盖成像检测。

图6所示整体的光学系统采用斜入射明场照明,成像系统入射角25度,晶圆绕圆心自转,旋转一周后完成对整个圆周的扫描成像。

图6 边缘检测光学提供Fig.6 Edge Inspec t i on Op t i ca l Sys t em

2 实验验证

常规的明场照明为条形光源,在物面上形成一条线型照明光斑。然而这种照明方法如前文所述不能提供足够丰富的照明角度,导致晶圆边缘局部产生暗区,如图7红框所示,为明场照明不到的范围。本文设计的穹顶照明可以实现均匀照明,获得亮度均匀无暗区的边缘图像。前后对比如下图所示:

图7 常规明场照明与本文设计的明场照明对比Fig.7 The general bright field illumination vs.designed bright field illumination

图8所示为本文设计的光学检测系统拍摄的晶圆边缘局部图像,可以对边缘上下斜边和侧边全覆盖成像,且成像均匀无暗区。

图8 本文设计的光学检查系统最终成像效果Fig.8 The image of inspection System

3 结论

本文针对晶圆边缘的形貌特点和反射率特性,针对性的设计了穹顶明场照明。根据光线可逆原理,利用Lighttools对成像光线做逆向追迹,获得了穹顶球体需要的部分,设计出体积小巧,可达到穹顶照明效果的照明系统,与成像系统一起构成晶圆边缘的光学检测系统。光源尺寸为,宽度20mm,圆弧长度210度,发光面直径40mm的“C”型光源,成像系统为1.5倍物方远心镜头,搭配线扫相机,晶圆绕圆心旋转一周,可实现对晶圆边缘一周的扫描拍照。