基板顆粒快速檢測技術的研究

藍 科，劉 逍，李潤芝

（上海微電子裝備（集團）股份有限公司，上海 201203）

在光刻研究領域，灰塵顆粒、環境振動等微觀干擾均能形成嚴重的工作串擾，造成整個光刻產品的不理想或嚴重缺陷。硅基晶片在刻蝕過程中，曝光鏡頭將光刻掩模板上的圖案投影于晶片表面的光刻膠之上，然后經過顯影、刻蝕等步驟獲得期望的微觀結構。在此過程中，倘若掩模板或晶片表面存在一定數量的雜質顆粒，那么將會嚴重影響光刻機的刻蝕效果，導致產出無效的光刻產品。因此，一般要求光刻機在高潔凈的工作環境中工作，與此同時，對掩模板和晶片表面的雜質顆粒分布情況進行嚴格把控，避免因無效刻蝕而造成損失。

基板顆粒檢測技術廣泛應用于平板玻璃、顯示屏等各種標準表面的顆粒檢測[1-2]，在工業應用過程中，微米級別顆粒（灰塵顆粒、雜質等，一般檢測尺寸需求為幾十到幾百微米）的控制極為重要。德國申克博士有限公司出售的顆粒檢測產品具有良好的檢測效果，結合多檢測通道實現高精度檢測，檢測寬度范圍大于500mm，精度小于10μm。而在國內，少有相關大板面顆粒檢測技術及產品的報道。

本文所述的大掩模板顆粒檢測平臺基于常用的暗場檢測技術，結合設計的激光整形光路，實現大板面顆粒檢測技術。采用微透鏡陣列的線陣相機代替多個大視場成像鏡頭與高精度相機的組合，并以整形激光代替大功率的LED照明光源，能夠極大降低設計成本，并實現良好的檢出效果。本文對顆粒檢測技術的原理、方案、標定方法、檢測精度及誤差等進行了分析與總結。

1 測量原理

米氏散射理論[3-4]詳細地給出了顆粒對照明光的散射作用，并由照明光的光強計算出不同散射方向及空間角的散射能量分布。其中，固定空間角內散射的能量與入射光的波長及顆粒尺寸密切相關，在理想的球型顆粒散射情況下，顆粒散射能量隨顆粒直徑增大整體呈現增大的變化趨勢。

一般顆粒檢測技術根據檢測方式不同分為明場檢測與暗場檢測[5-6]，圖1（a）所示為明場檢測與暗場檢測的示意圖。圖1（b）所示為顆粒在自由空間的散射能量分布，其散射分布具有明顯的各向異性，其中與入射光夾角較小的散射方向有著非常強的散射能量，并且隨著散射角度的變化存在一定數量的散射峰值。準確地獲取不同顆粒在固定空間角的散射信息，并進行統計標定，那么根據所收集的能量值即可在一定精度下反映顆粒的尺寸。此方案采用散射能量來進行顆粒尺寸標定，而非通過常規的物象倍率關系判斷，因此需要避開照明光線的反射光，由暗場檢測方式捕獲顆粒的散射能量。

圖1 顆粒散射示意圖

2 檢測方案及裝置

線型激光測量方案可用于大面積掩模板的雙面顆粒檢測，采用線型激光進行照明，線陣相機在側向接收待測面的側向散射光信息，以暗場檢測方式實現顆粒檢出。該檢測系統主要由照明模塊、成像模塊、焦面控制模塊、顆粒識別及標定模塊、運動控制模塊組成，圖2為該系統的工作原理簡圖。

圖2 線型激光顆粒檢測系統結構圖

為形成視場足夠長均勻照明光斑的照明模塊功能，主要由可見光激光器及整形光路組成，激光器激發的準平行高斯光束經Powell棱鏡形成均勻性良好的線型光斑，再由擴束及準直光路進行調整，最后以85°入射角掠入射至被測掩模板表面，形成單照明視場大于350mm×3mm、均勻性優于85%的線型照明視場。并由兩側兩個照明光路進行視場拼接，實現檢測范圍寬度大于700mm的檢出效果。

成像模塊主要由線陣相機組成，其置于照明視場的側向，避開照明反射光對測量結果的影響，并以相對被測表面法線50°夾角進行成像。線陣相機以微透鏡陣列收集待測面散射光，本身具有非常小的成像數值孔徑（NA=0.0025），可以防止環境雜散光及非檢測區域散射光對微弱顆粒散射光的影響。

焦面控制模塊及運動控制模塊是系統保證測量穩定性和可靠性的關鍵部分，焦面控制主要由位移傳感器實現，保證線陣相機視場始終處于照明視場范圍，避免因待測表面的離焦效應導致漏檢的現象。運動控制模塊是實現一維穩定掃描的運動裝置，運動速度與相機掃描速度保持相對穩定與一致，避免產生拖影，從而影響成像質量。

基板顆粒測量的主要流程包括：掩模板/基板傳輸、焦面調整、照明及成像系統的開啟與關閉、圖像數據處理（顆粒識別及顆粒數量及尺寸統計）、結果反饋等。其中，為提高檢測系統的速度及可靠性，采用了幾種關鍵技術：線光斑以大角度掠入射照明，并采用兩側分布的測量光路進行視場拼接，實現超大視場檢測；可采用掩模板上下表面同時布置檢測裝置，實現上下表面同時測量；采用實時調焦或整場調焦適應不同的表面傾斜及起伏要求；照明成像系統采用標記位開啟功能，避免無檢測時，激光器及相機的工作損耗；圖像數據處理與檢測成像同時進行，縮短整個檢測流程的時間損耗，提高檢測效率；同時統計檢測到的顆粒數目及尺寸，綜合考慮判斷表面顆粒是否在可接受范圍。

此方案采用相干性良好的激光作為照明光源，光線可控性良好，照明功率密度相對較高，可以提高顆粒的散射能量，防止因顆粒散射效率太低導致無法被線陣相機靈敏檢測。

3 結果分析

3.1 顆粒尺寸標定

基板顆粒度檢測系統一般僅統計大于特定尺寸的顆粒，或對不同尺寸范圍的顆粒數目進行統計，一般檢測需求為幾十微米到幾百微米。基板顆粒度檢測直接得到的數據為暗場散射成像圖，在顆粒尺寸與線陣相機的像素尺寸較為接近時，直接成像方式難以獲取準確的顆粒尺寸信息，如圖3所示。

圖3 不同直徑標準顆粒局部區域檢測成像（a）40μm、（b）60μm、（c）80μm及單個顆粒的灰度分布圖（d）40μm、（e）60μm、（f）80μm

暗場檢測主要以散射光能量作為顆粒標定的依據，即相機捕獲的單顆粒圖像的灰度和（DN，Digital Number）反映即為顆粒散射能量，當顆粒尺寸大于相機像素尺寸時，由邊界提取算法提取單顆粒像素分布，并統計該邊界范圍內所有像素灰度的和值；當顆粒尺寸小于像素尺寸時，顆粒成像具有一定彌散效應，一般我們統計3×3像素范圍內的灰度和值作為統計參考。不同直徑顆粒的灰度和可以由標準直徑顆粒或特定標定板的測量結果進行統計標定，并由多個已知尺寸統計值擬合獲得不同直徑顆粒灰度和的標準參考。

圖3為定制顆粒直徑已知標準40μm、60μm、80μm直徑的顆粒線陣CCD拍圖，相機的像素分辨率為41.65μm，有效成像視場為385mm。圖3（a）、（b）、（c）所示為截取像素尺寸80mm×8mm范圍的顆粒成像效果，由于大視場相機像素分辨率的限制，無法通過成像方式直接辨別顆粒直徑較小的顆粒。圖3（d）、（e）、（f）分別為截取圖3（a）、（b）、（c）中典型顆粒的局部圖片，可以發現顆粒的實際成像尺寸大于3×3的像素范圍，即實際成像直徑大于120μm，顆粒本身的暗場成像具有一定的彌散效應。

根據標準尺寸顆粒的成像結果，將顆粒的灰度和進行統計，并對統計值進行正態分布擬合，以其正態分布的中心作為顆粒的典型參照。圖4為顆粒直徑已知為（a）40μm、（b）60μm、（c）80μm統計與擬合的結果，其顆粒的灰度和分布中心分別為876DN、1526DN、2097DN。此分布中心將作為實際測量的參考值，將幾個標準顆粒散射直徑與灰度和進行二次插值擬合，最終得到顆粒尺寸與像素灰度和之間的函數關系式。

圖4 顆粒灰度統計圖

由米氏散射理論可以得出，當顆粒尺寸在一定范圍內變化時，顆粒散射能量與散射截面的大小接近線性關系，即相機成像的灰度和與散射顆粒直徑的平方接近線型關系。我們將之前得到的灰度和與顆粒直徑進行二次關系擬合，得到圖5所示曲線，為顆粒直徑，ETotal為單顆粒灰度和，20μm≤D≤90μm）。根據此擬合關系式即可在一定誤差范圍內，由相機得到的灰度和計算出實際顆粒的大小。

圖5 單顆粒灰度和與顆粒直徑的關系

3.2 檢測精度

顆粒檢測系統主要檢測指標一般包括特定尺寸范圍內的顆粒數目及大于規定顆粒尺寸的顆粒數目，這些要求對系統的最小檢測精度及顆粒檢測的尺寸靈敏度有著一定的要求。根據理論計算與實驗經驗，最小檢測精度與照明視場的能量密度和相機的成像數值孔徑（NA）、光譜響應、掃描速度等密切相關。

照明視場的能量密度由光源的出射功率與照明光斑的面積決定，在系統設計流程中，需要結合相機的光譜響應及成像NA對散射能量進行預算，保證最小檢測精度顆粒的散射能量在相機響應范圍之內。

相機掃描速度同樣是限制相機接收能量的一個重要指標，掃描速度越快，成像積分時間越小，相機實際接收的能量越少，最小檢測精度隨之變差。

在上述大掩模顆粒度檢測系統中，由測量統計結果顯示，顆粒尺寸20μm時，顆粒灰度和接近500DN，明顯高于相機的靈敏檢測范圍，即最小檢測精度小于20μm。在更小的檢測精度范圍內，需要根據實際的需求對更小尺寸范圍顆粒進行標定，保證標定結果的準確性。

3.3 誤差分析

實際的測量及標定流程均基于一定的統計學規律進行計算，此外系統設計本身仍然存在照明不均勻性、相機響應不均勻性、各類振動及干擾等影響，因此顆粒尺寸標定會存在一定的誤差。標定誤差的主要來源包括：不規則顆粒的各向散射差異，不同形狀的顆粒在特定空間角散射效率對照明方向具有敏感的響應；標準顆粒本身的尺寸精度誤差；光源、相機、機械及運動模塊的偏差帶來的影響。表1以正態分布統計的σ值為偏差標準來評判顆粒的灰度和波動，并以灰度和均值作為基準，計算顆粒尺寸誤差（灰度和與顆粒散射截面大小接近線型關系）。

表1 顆粒灰度和統計偏差量

正態分布的σ值越大，則表示顆粒檢測的尺寸準確性越低，越容易造成顆粒測量尺寸的誤差，表1所示為計算得到的統計誤差結果，實際顆粒尺寸偏差的標準值隨顆粒直徑減小而增大，40μm顆粒尺寸標準偏差為25%，80μm顆粒尺寸的標準偏差為14%。此類誤差可通過提高方案設計照明光強分布的均勻性，照明方向的多向性來減弱此類影響，難以通過標定的方法進行校正。統計參數二次擬合的準確性將反映測量結果的可靠性，以擬合曲線與統計參數間的均方根來判斷擬合的效果，結果表明顆粒擬合誤差的均方根為2.75μm，擬合誤差小于7%。

4 結論

采用線型光斑結合線陣相機的方案能夠實現大面積基板表面顆粒的快速檢測，利用暗場檢測手段可實現突破相機像素分辨的顆粒直徑檢測。上述的大掩模顆粒度檢測系統采用多視場結合的形式，實現大掩模基板的快速檢測，對板面尺寸為750mm×1050mm的掩模板，雙面顆粒測量及檢出總時間小于3分鐘，能夠實現直徑大于40μm顆粒的快速檢測。以統計學規律實現顆粒尺寸的高精度標定，實現顆粒數量與顆粒尺寸的雙重鑒定檢測標準。