激光位移傳感器在晶圓檢測中的應用策略

儲 辰

（上海芯歌智能科技，上海 212143）

光學晶圓檢測技術一直在不斷發展和完善，而且在生產良率和工藝研發方面都有明顯的提升。在晶圓檢測過程中如果晶圓的面形和厚度存在偏差，會導致鏡焦平面的準確性大幅度下降，從而使晶圓表面和物鏡焦平面之間出現離焦的情況。面對這種情況，想要提高分辨率最有效的方法就是較小曝光波長和增加數值孔徑，但是這一方法會使焦深出現明顯下降的情況，從而更容易出現離焦的情況。如果晶圓出現離焦情況就會導致部分區域無法在有效焦深之內，從而對設備的精度和準確性造成嚴重影響，也可能會對芯片的可靠性造成影響。所以在測量過程中應用激光位移傳感器是必要的。

1 測量原理

激光位移傳感器在實際應用過程中主要是對零件進行非接觸精密測量。激光三角測距是傳感器當中常用的基本原理，在實際應用時，發射出的激光會直接照射到被測物體，并通過反射使激光在固定的接收位置成像[1]。光電轉換器設備的應用能夠實現光電質量的有效轉化，將所接收到的激光信號轉化為電信號，電信號的輸出情況和輸出大小都會受到被測點位置的影響。被測點如果朝著左右方向和上下方向移動，那么成像位置也會隨之發生改變，從而使傳感器的輸出信號發生變化。激光發射器將紅色的激光射向被測物體，經過反射以后被CCD 線性相機接收，根據距離的不同，CCD 線性相機可以通過不同的角度來接收光點，并根據激光與相機之間的距離和角度對距離進行計算，應用數字信號處理器可以準確計算出被測物體的實際距離。光束在接收元件的位置通過對數字電路進行處理和相應模擬，同時通過微處理器對實際情況進行分析，以此來計算出輸出值，并根據模擬量窗口內用戶所設定的內容根據比例對數據信號進行輸出。如果應用開關量進行輸出，那么應在窗口的內外設置導通和截止。三角測量法在應用過程中傳感器最高線性高度可以達到1μm，而分辨率能夠達到0.1μm。激光位移傳感器的技術參數如表1。

表1 激光位移傳感器的技術參數

2 調焦原理

在對晶圓檢測過程中晶圓檢測工作在不斷優化和完善，經過專業人員的設計和研究出現了晶圓缺陷檢測系統裝置，在這一裝置當中包含諸多模塊和結構，例如相機模塊和控制器模板等。CCD 相機和晶圓中心點在相對運動過程中的運動坐標會與運動臺的運動坐標之間存在較大的位置偏差，其中FlsRefPoX=Pos_Fls_X-Pos_lensX_X 為X 的偏差公式，FlsRefPoY=Pos_Fls_YPos_lensX_Y 為Y 的偏差公式。Z 軸的位置和高度需要進行不斷調整，經過調整以后要使傳感器的測量值歸零，此時對Z 軸的位置和高度進行記錄。在標定水平位置和垂直位置的同時要適當移動運動臺，以此來實現CCD 相機中心與晶圓片在同一水平線上，并在合理范圍內進行自動追焦，以此來獲得最佳焦距，并對此時Z 軸的位置進行記錄，Z 軸的位置也是焦面的最佳位置[2]。如果Z 軸所處位置能夠使測量值歸零，那么焦面的補償值就是傳感器的實際測量值。焦面補償值獲得以后才能夠對工作臺進行合理移動，使其處于鏡頭拍攝的最佳位置，此時將Z 軸也移動到最佳位置并拍照，就能夠獲得清晰的圖像。

運動臺在實際運動過程中需要有專門的路徑，而且運動速度需要進行準確計算，通過對三角測量原理的應用，能夠得到準確的測量值，也可以了解到晶圓上任何點與中心點之間存在的高度偏差，也能夠獲得晶圓上所有點的離焦量[3]。通過這樣的方法能夠合理建立晶圓離焦量和傳感器測量值之間的聯系，對現場的調焦流程進行優化，提高調焦效果。

3 調焦環節

在調焦過程當中主要可以分為兩種模式：一種為全局精調焦，另一種為全局粗調焦。全局粗調焦主要是針對晶圓的整體外形進行調焦，而全局精調焦主要是針對表面范圍的形貌進行調焦。我國相關學者曾提出，在應用CCD 系統進行調焦過程中，不應該用多點測量來實現調焦平衡，應用單高測量的方法。根據標準和規定每個曝光現場測量過程中都有固定的高度，通過高度可以對離焦量進行準確計算。在調焦過程中主要是針對表面三個以上的不同位置進行相應測量，從而對表面的傾斜量和離焦量進行校正，從而實現有效調焦，應用這種調焦方法無法獲得精度較高的效果和數據，所以必須要將兩種方法進行有效融合，以此來提高調焦精度[4]。

3.1 全局粗調焦流程

在對晶圓進行測量過程中只需要進行一次調焦工作，在實際調焦時，需要根據實際需求來選擇不同的位置開始實施全局調焦工作，最終得出的坐標至少要超過三個，這些坐標在全局調焦過程中有重要作用。

在對工件進行施工過程中，必須要選擇超過三個不同的點位來測量離焦量，詳細計算晶圓表面離焦量，通過得到的數據對晶圓的調焦工作進行優化。應用低倍鏡頭進行調焦時，首先需要對路徑進行合理規劃，同時了解路徑點，對運動臺進行垂向移動，使激光位移傳感器處于零位，然后對水平運動臺進行移動，將水平臺移動到相應的路徑點上，應用傳感器來測量垂向坐標的數據，通過所得到的數據實現坐標的有效擬合，同時也對擬合系統進行完善。根據坐標擬合能夠得到被測晶圓中心點的具體位置，測量并計算標準片與晶圓之間存在的高度差，并對晶圓進行有效調節，以此來保障晶圓能夠與激光位移傳感器一直處于水平位置。

3.2 全局精調焦流程

全局精調焦能夠測量和計算出更多更加精確的數據，激光位移傳感器在實際輸出過程中主要應用的模擬量較大，而且量程的選擇也是由晶圓的厚度來決定的，為了能夠盡可能地避免量程大精度低的情況，也為了避免量程小無法測量的情況，在測量過程中應該選擇合適的量程，從而獲得準確的測量數據，提高調焦效果。

3.2.1 面型擬合方法

低頻性是晶圓面型當中的重要特點，應用過濾波能夠對其中的數據進行合理處理，并對激光位移傳感器的單條線數進行規劃，根據方向可以分為X向和Y向，對一些粗大的測量點進行篩選和去除。對所有數據進行有效處理以后實現X 向和Y 向線條進行網格劃分，每個網格上的擬合點都來源于周圍數據，對所有網格數據進行合理擬合，從而使調焦工作的準確性和精度都得到顯著提高。

3.2.2 掃描測量方法

目前我國很多針對晶圓面型進行測量的儀器和針對晶圓平坦度進行測量的儀器都是離線的，這種儀器相對成熟，能夠對晶圓面型和平坦度進行有效測量，同時保障測量精度。通過這一方法能夠不用接觸物體而實現測量工作，但是由于其對環境有較高的要求，而且結構也較為復雜，所以在線測量工作無法有效實現。激光位移傳感器實際應用過程中可以保障工作臺的運行，傳感器能夠對每條線進行采樣，而且要保持一定的間隔性和持續性，每條線到達結束點以后就可以將所有數據向上反饋，然后進行晶圓面型測量工作，從而提高測量的效率和效果[5]。根據調焦的實際情況和實際原理在應用傳感器進行掃描過程中要保持傳感器和Z 軸的穩定性。在測量過程中要根據晶圓的大小和Die 的分數情況和數量情況對X 向和Y 向進行有效規劃，并提供了多種不同的掃描方案，包括1×1、3×3和6×6。1×1 方案能夠滿足晶圓測量當中的基本需求，6×6 是目前線條數量最多的，所以測量也更加精確。在實際生產過程中需要根據不同的需求對三種不同的方案進行選擇，并合理規劃X 向和Y 向的路徑節點，并對路徑節點進行有效優化行，以此來提高測量的精確度。在應用過程中拍攝視場的數量較多，無法對每一個都進行精確測量。掃描測量以后能夠得到晶圓表面的面型數據，對調焦工作進行有效優化。

4 實驗檢測

圖像的清晰度能夠對圖像的質量造成直接影響，也能夠為人們提供良好的觀感。圖像的清晰度可以有效判斷出相機的對焦情況，如果圖像的清晰度較高那么邊緣也會更加銳利，而且清晰度高的圖像通常邊緣像素灰度值相對較大，經過計算可得清晰度高的圖像梯度值更大。在對圖像進行實際處理過程中，可以用二維離散矩陣對圖像進行表達，應用函數可以獲取更多的圖像數據和信息[6]。應用Tenengrad 函數對垂直方向和水平方向的像素梯度值進行提取，從而提高圖像對焦精度。Tenengrad 函數的定義是像素點梯度的平方和，其具體表達式如下：F=∑x∑y[G（x，y）]2（G（x，y）＞T]，在這一公式當中像素點（x，y）的梯度為G（x，y）。G（x，y）=，在這一公式當中Gx（x，y）和Gy（x，y）分別代表像素點的水平方向和垂直方向的梯度值。在實驗過程中主要研究對象為300mm 的晶圓片，在其中任意選取多個位置點，運動坐標用X 和Y 來表示，離焦量用Z 來表示，如表2。

表2 晶圓面型數據

針對選定的位置應用高倍鏡進行調焦，并對調焦前后的實際圖像進行對比，明顯可以發現調焦后的效果更好。T 檢驗是統計學當中的重要內容和工具，這一檢驗方法主要是檢測數據當中的顯著性比例。經過詳細的檢驗能夠對相關數據有更好的掌握，同時也能夠了解對應樣本質量的關系和存在的差異，也以此來對同一對象前后之間的關系進行有效對比，從而表示調焦前后的顯著性。

5 結語

總體而言，在對晶圓缺陷檢測過程中為了提高分辨率通常采用增加物鏡的孔徑和數值，同時降低曝光波長的方法，但是這種方法可能會導致焦深大幅度下降，與物鏡焦平面相比晶圓更容易出現離焦的情況，為了更好地滿足焦深需求，逐漸出現了調焦技術。所以將激光位移傳感器應用于晶圓檢驗當中，以此來提高調焦的效果和質量。本文針對測量原理、調焦原理、調焦流程和實驗檢測等內容進行分析和研究，以此來對晶圓缺陷檢測效率和效果進行優化。