晶圓邊緣缺陷檢測系統

陳 魯 劉健鵬 張 嵩 李成敏

深圳中科飛測科技股份有限公司 廣東 深圳 518000

引言

集成電路制造技術被譽為人類工業制造的皇冠,隨著集成電路技術的不斷發展,其制造工藝越來越精密和復雜。對制造過程中的缺陷要求也越來越嚴格。而且不僅關注晶圓正面上的集成電路的缺陷,也逐漸關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揮發出顆粒對集成電路部分造成污染,而崩邊更會造成晶圓整體碎裂,進而污染整個生產線。

目前晶圓邊緣的檢測方式通常為人工目檢,顯然人工目檢嚴重依賴技術員的視力和注意力,判斷非常主觀,而且發現的缺陷通常以文字描述為主,不能形成圖像數據,不利于工藝流程的整合和優化。通常利用成像技術對關注區域拍照即可保留缺陷的圖像數據,但是晶圓邊緣通常為鏡面反射特性,局部形貌在半導體標準規定的范圍內波動,導致明場成像下反射光線不可控,最終導致明場圖像亮度均勻性差,甚至有暗場區域,無法獲得圖像信息。

KLA-Tencor Technologies公司采用了線掃成像方式,晶圓旋轉一周,對晶圓邊緣掃描成像,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公司同樣采用旋轉掃描,但是成像和照明方式為單點照明和單點成像,根據晶圓掃面一圈后散射光強信號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,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據。Rudolph Technologies采用了更全面的散射光照明,光源需要光纖與導光玻璃體。雖然能夠實現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面的垂直邊緣,側面的斜邊不能成像。

本文設計的光學檢測系統采用了明場穹頂照明方式,并對晶圓邊緣進行掃描成像,晶圓旋轉一周即可完成清晰成像,所獲得的圖像可作為生產工藝優化的數據基礎,對集成電路制造技術的良率提升提供有利支撐。

1 晶圓邊緣檢測系統

晶圓邊緣的光學成像方式,采用線掃描成像,晶圓旋轉一周即可完成掃描成像。但是晶圓邊緣的局部形貌不固定,導致通常的明場照明下,會有暗區產生。

1.1 晶圓邊緣形貌研究

如圖1所示為半導體標準要求的晶圓輪廓截面形狀,標準僅限定了A、B、C、D四個點的位置,截面輪廓在這4個點內穿過就可以,因此輪廓具有一定隨機性。根據光線可逆的原理,成像系統無論從哪個角度成像,每個視場需要的照明光線都不確定。圖中視場1、2、3位置不同,每個點上的法線方向不同。對成像光線逆向追跡可見,需要的照明光線來自不同的方向。一般的照明系統照明光線角度單一,而如果照明系統僅提供視場中心（圖1中第2點）的照明光線,那么視場1和視場3沒有照明光線,在圖像上體現為背景黑色的暗場照明,整體上體現為從視場中心向視場邊緣由明到暗的過度,圖像亮度嚴重不均勻,無法用于機器視覺的智能識別缺陷。

1.2 照明系統設計

根據上節分析,晶圓邊緣的光學檢測系統難點在于照明系統。本文設計的照明系統核心是利用穹頂照明的原理,對邊緣提供全方位的照明光線,使得邊緣圖像全部為明場成像。

如圖2所示,利用Lighttools對成像光線進行逆向追跡,可以獲得照明光線的分布情況。通過設置球形探測器可以獲得光源發光點的分布以及發光點發光角度的分布。圖3為逆向追跡后在光源表面的光線分布,該分布可作為設計光源發光面的參考。

圖2 對照明光線逆向追跡Fig.2 Trace the illumination rays

圖3 光源發光面上的光線分布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。發光面在±30度內均勻性大于95%。

圖4 穹頂光源Fig.4 Dome Light source

1.3 光學檢測系統

機器視覺的成像鏡頭通常為物方遠心鏡頭,因為物方遠心成像亮度均勻,物方放大率與工作距離誤差無關。本文的成像鏡頭也采用物方遠心鏡頭,光學系統成像部分如下:

圖5 邊緣檢測成像系統Fig.5 Wafe edge Image system

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

圖6所示整體的光學系統采用斜入射明場照明,成像系統入射角25度,晶圓繞圓心自轉,旋轉一周后完成對整個圓周的掃描成像。

圖6 邊緣檢測光學提供Fig.6 Edge Inspec t i on Op t i ca l Sys t em

2 實驗驗證

常規的明場照明為條形光源,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,導致晶圓邊緣局部產生暗區,如圖7紅框所示,為明場照明不到的范圍。本文設計的穹頂照明可以實現均勻照明,獲得亮度均勻無暗區的邊緣圖像。前后對比如下圖所示:

圖7 常規明場照明與本文設計的明場照明對比Fig.7 The general bright field illumination vs.designed bright field illumination

圖8所示為本文設計的光學檢測系統拍攝的晶圓邊緣局部圖像,可以對邊緣上下斜邊和側邊全覆蓋成像,且成像均勻無暗區。

圖8 本文設計的光學檢查系統最終成像效果Fig.8 The image of inspection System

3 結論

本文針對晶圓邊緣的形貌特點和反射率特性,針對性的設計了穹頂明場照明。根據光線可逆原理,利用Lighttools對成像光線做逆向追跡,獲得了穹頂球體需要的部分,設計出體積小巧,可達到穹頂照明效果的照明系統,與成像系統一起構成晶圓邊緣的光學檢測系統。光源尺寸為,寬度20mm,圓弧長度210度,發光面直徑40mm的“C”型光源,成像系統為1.5倍物方遠心鏡頭,搭配線掃相機,晶圓繞圓心旋轉一周,可實現對晶圓邊緣一周的掃描拍照。