自動光學檢測設備的產率優化研究

張凱

摘 要：傳統的芯片生產過程中，芯片表面缺陷會影響后續制程工藝的良率，因此產線中會使用自動光學檢測設備對芯片表面進行缺陷檢測和返工處理，從而實現良率管控。由于芯片表面缺陷的形貌特征不一，常采用明場照明和暗場照明的方式進行組合檢測。本文通過對檢測流程的產率研究，改進現有的掃描檢測流程，以期提升產率。經過客戶端的試驗驗證，經作者改進之后的檢測流程方案可以符合客戶產率提升的實際需求，并且幫助公司提升了產品設備競爭力。

關鍵詞：芯片;自動光學檢測;明場;暗場;產率

中圖分類號：TH74 文獻標識碼：A 文章編號：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，企業需要采用自動光學檢測技術，在一些特定的環節對晶圓表面進行缺陷檢測[1]。針對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手段[2]，如明場照明和暗場照明等。受限于探測光路的彼此干擾，明場檢測和暗場檢測無法同時進行，因此當生產中需要使用明場檢測和暗場檢測來共同完成晶圓表明檢測時，相比于只使用明場照明或暗場照明，該工序的檢測時間會大大增加。但同時，產能直接關乎工廠的芯片生產效益，工廠對設備的產率有著嚴格的性能指標要求。針對已有的產率提升方法，本文提出了一種新的檢測優化方案，它可以極大地提升明暗場檢測產率。

1 晶圓表面宏觀缺陷檢測技術概述

表面宏觀缺陷檢測是芯片生產過程中常見的一道工序，它通過一款檢測設備來完成檢測流程。該檢測設備主要基于自動光學檢測技術[3]，需要配備諸多設備，如負責光學成像和檢測算法處理的檢測單元、負責承載晶圓完成掃描運動的工件臺、負責傳送晶圓的傳輸機械手、整機同步控制系統以及整機內部環境控制系統等。

一套完整的檢測流程大致如下：機械手從窗口取出晶圓并傳送到工件臺上;工件臺承載晶圓到光學成像單元區域，通過成像拍照和標記識別，完成晶圓對準和調焦;由整機同步控制系統發出同步控制時序信號，掃描移動工件臺，同時光學成像系統根據同步控制信號，對掃描路徑上的指定區域進行成像拍照，并由數據處理服務器完成宏觀缺陷的算法檢出;掃描檢測完成后，工件臺根據檢出的缺陷位置，再次承載晶圓到光學成像單元區域，對檢出的缺陷逐個進行放大拍照，以便后續的人眼復判確認;機械手從工件臺取片并放回窗口處。

2 晶圓檢測產率的影響因素與優化方向

芯片檢測過程中，產率主要分解在5個子流程中。上片和下片這兩個子流程涉及硅片傳送的安全性，產率提升需要格外慎重;由于傳輸和工件臺的交接時間一般控制在15 s以內，因此產率提升空間不大，優化效果不明顯。

對準調焦子流程涉及工件臺步進運動、相機采圖和對準算法處理。為了提高對準調焦精度，其往往會對多個測量點進行擬合，所以該子流程的時間主要由測量點的時間決定，平均每個測量點的時間都在1 s以內。

掃描檢測子流程涉及工件臺掃描運動、相機采圖和檢測算法處理等，其時間主要由臺子掃描運動時的相機采圖幀頻和軟件算法處理時間決定。一般工件臺的掃描運動速度可以至少達到400 mm/s，但實際應用中工件臺的掃描運動速度由以式（1）決定。

式中，[v]為工件臺的掃描運動速度;[f]為相機幀頻，目前常用的面陣相機幀頻在100 Hz左右;[Field_width]為相機的有效視場寬度，此處設定臺子掃描方向與相機寬邊正交。

3 晶圓檢測產率的優化與改良

本技術的研究中，一個基本的檢測掃描流程包含軟件參數下發、光學照明準備、掃描采圖和算法處理等動作。常規掃描模式下的各個動作及硬件時序關系如圖1所示。

臺子按照規劃路徑進行掃描運動，承載晶圓至光學成像系統下，逐個視場進行圖像采集和算法同步處理。其中，臺子運動到每個視場位置后會發出觸發信號，觸發相機打開快門（設定為上升沿觸發模式），同時也打開閃爍氙燈，完成圖像采集。從圖2可以看出，閃爍氙燈的打開時間要小于相機快門時間，避免出現拖影現象。根據圖1的流程，人們可以得到基本檢測掃描時間的組成公式，即

式中，[T0]為基本檢測掃描時間;[t1]為參數下發時間;[t2]為光學照明準備時間;[t3]為掃描采圖時間;[t4]為算法處理延時。

掃描采圖過程中，軟件算法可以同步處理采集的圖像數據。由于采圖與算法處理存在時間先后關系，算法處理的結束時間與掃描運動采圖結束之間會存在一定的延時，所以式（2）中增加了算法處理延時這一項。

參數下發過程主要執行處方參數傳遞、物理內存開辟和路徑規劃等動作，按現有軟件能力，時間基本在2 s以內。光學照明準備過程主要執行檢測物鏡倍率切換到位、光源電壓設置等動作，時間基本在1 s以內。算法處理延時主要取決于圖像數據量、算法和服務器構成的軟硬件條件。由于晶圓尺寸和檢測物鏡倍率確定后，圖像數據量即可確定，所以軟硬件系統的數據處理時間基本可以確定，因此算法處理延時取決于數據處理時間與掃描采圖時間之間的大小，基于當今現有的服務器硬件水平和商用算法性能，算法處理延時基本在1 s以內。綜上，人們可以將參數下發、光學照明準備和算法處理延時的時間都設定為固定值。

掃描采圖時間取決了晶圓尺寸、檢測視場大小和臺子掃描運動速度，其計算公式如下：

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

設定晶圓尺寸為8寸（直徑200 mm），檢測物鏡倍率為3X，對應成像系統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，對應視場大小為3.6 mm×4.8 mm。設定相機幀頻為100 Hz，則臺子沿視場短邊方向的勻速掃描運動速度為360 mm/s。同時，考慮到臺子拐彎處的降速提速過程，時間耗時基本保持在0.5 s以內。設定視場利用率為100%，即直線掃描段與段之間沒有重合，則8寸晶圓的規劃直線掃描段數為42段，所以拐彎時間為21 s，基于規劃路徑得到的直線掃描時間約為30 s，因此掃描采圖時間為51 s。

基于上述條件參數，采用3.6 mm×4.8 mm視場、相機幀頻為100 Hz、臺子拐彎速度為0.5 s的配置，8寸晶圓的基本檢測掃描時間分解如表1所示。

對于N片8寸晶圓構成的1批晶圓物料，采用明場檢測和暗場檢測共2種檢測方式，則總的基本檢測掃描時間計算公式如下：

由式（1）可知，當需要同時使用明場檢測和暗場檢測時，基本檢測掃描時間增加100%。在總結上述時間分解的經驗后，本研究主要采取兩種優化方案，下面對兩種方案進行介紹。

第一種方案是軟件設計方案，主要方法是針對參數下發和光學照明準備這兩個動作，通過軟件設計將兩個動作設置為一批生產中的首片執行，其余非首片不需要執行，則優化后總的基本檢測掃描時間計算公式如下：

從表2結果可知，通過此種軟件流程的設計優化，產率提升效果并不顯著。實際生產中，一盒片子一般有25片槽，但有時因翹曲而隔槽放置時只有13片，甚至更少。從表2可以看到，同批次片子數量下降，產率提升效果隨之下降?？傮w而言，此種優化方案的效果無法達到客戶預期。

第二種方案是基于第一種軟件優化方案，對掃描采圖過程的時序控制進行優化，同時對使用明場檢測和暗場檢測的基本檢測掃描流程進行重新設計，流程改進前后的對比如圖3所示。

上述設計改進中，臺子觸發信號，相機快門和光源信號之間的控制時序信號調整為其他方式，如圖4所示。

從圖3和圖4可以看到，每一個檢測點都會執行一次明場拍照檢測和暗場拍照檢測，到下一個檢測點，再執行一次明場拍照檢測和暗場拍照檢測。該種方式可以確保臺子掃描運動一次的過程中就執行完明場檢測和暗場檢測，而不需要臺子掃描運動兩次。在每一個檢測點，相機會依次打開兩次快門，并分別觸發明場光源和暗場光源的閃爍信號，明場檢測和暗場檢測的兩次拍照信號之間不會存在干擾。但此處相機打開兩次快門的時序上有先后，臺子是掃描運動，并非步進運動，所以明場檢測圖像和暗場檢測圖像之間會存在一定的位置偏差。

下面對該偏差量的影響進行分析。為了減少拍照拖影的影響，結合臺子運動速度、光源能量、相機探測效率以及電子信號延時，相機的開門時間控制在百微秒以下。這也就意味著明場檢測和暗場檢測的快門前后差異時間約為100 μs，根據臺子掃描運動速度（360 mm/s），從明場檢測拍照到暗場檢測拍照，運動距離為36 μm，所以明場檢測圖像與暗場檢測圖像的偏差量為36 μm。而晶圓上芯片與芯片之間會存在一定寬度的劃片槽，用于后續的芯片切割。根據工藝經驗，該劃片槽寬度一般會大于80 μm，這也就意味著明場圖像和暗場圖像之間的偏差量小于劃片槽寬度，不會對芯片區域的表面缺陷檢測造成漏檢的影響。

根據第二種優化方案，產率提升效果如表3所示。

從以上結果可知，通過第二種方案的設計優化，產率提升效果顯著，可以滿足客戶產率提升需求。

4 結果與討論

在對兩種方案進行設計與分析的過程中，人們可以發現，軟件設計方案可以提升產率，但是效果有限，無法達到客戶的要求。因此，針對存在的問題，人們重新設計了控制時序方案。

5 結論

在本次方案設計過程中，針對芯片生產行業的檢測設備，本研究提出了結合實際生產工況的軟件設計方案，可以在一定程度上提升檢測產率。在此基礎上，本研究通過改進設備相機、光源和臺子的硬件控制時序，進一步提升了明場檢測和暗場檢測同時執行的產率。這使得客戶在后續生產中可以獲得更大的產能，提升了檢測設備的產率優勢。經過這一優化，配置了該方案的設備成功通過了多個業內知名客戶的驗證，成為芯片生產行業的首選，近年來給企業創造了新的利潤增長點。

參考文獻：

[1]劉西鋒.基于圖像處理的晶圓表面缺陷檢測[J].通信電源技術，2016（5）：177-178.

[2]張祥翔.現代顯微成像技術綜述[J].光學儀器，2015（6）：550-560.

[3]盧榮勝，吳昂，張騰達，等.自動光學（視覺）檢測技術及其在缺陷檢測中的應用綜述[J].光學學報，2018（8）：15-50.