用于通过激光多普勒效应检测用于微电子或光学的板的方法和系统与流程

本发明涉及一种用于通过激光多普勒效应检测用于微电子或光学的板或晶片的方法和系统。

背景技术

在制造和使用用于微电子或光学的晶片期间，通常对每个晶片的表面进行检查以检测其中的任何缺陷并且发现产生这些缺陷的一个或多个步骤。

此外，检测通常不仅旨在发现是否存在缺陷，而且还旨在提供关于所述缺陷的定性和/或定量的信息，例如，其位置、尺寸和/或性质。

由于灵敏度、特别是测量的可重复性和稳定性这些原因，操作者的视觉检查是不够的。

因此，已经开发出检查系统以检测越来越小的缺陷并且提供关于所述缺陷的性质、尺寸、位置等的所有所需的信息。

这些系统还必须允许对每个晶片的检测持续时间足够短，以便不会不利地影响生产速度。

为了这个目的，用于检测晶片的已知技术是暗场显微法，其包括在晶片的方向上从光源发射光束和测量由表面散射并且存在于其上的光的强度。因此，散射强度的变化揭示了晶片表面上存在缺陷。

文献wo02/39099描述了一种用于依靠激光多普勒测速仪(ldv)检测半导体晶片的暗场系统。

如图1所示，该系统1包括光源20和干涉装置30，该干涉装置与面向晶片2的表面s布置的光源耦合以用于检测，该系统由转动运动驱动。为了形成干涉装置，使用装置将源自光源20的光束i分成两个入射光束i1、i2。在该分束器的输出端，两个光束i1、i2相对于彼此定向，以便在它们的交叉处形成包括多个平行干涉条纹的测量体积v。系统1被设计成使得晶片的表面s在其运动期间通过所述测量体积。散射在晶片的表面的光由镜面收集并且被引导到与检测模块(未示出)耦合的获取装置。

当缺陷穿过干涉条纹时，晶片的表面上存在的该缺陷导致由检测模块测量的多普勒脉冲串的散射。多普勒脉冲串是具有双频分量的信号：低频分量，其形成信号的包络，对应于由缺陷散射的平均光强度，和高频分量，其对应于包含关于缺陷速度信息的多普勒频率。多普勒频率fd与缺陷在垂直于干涉条纹的方向上的移动的速度v和干涉条纹之间的距离δ(或条纹间距离)通过关系v＝f*δ相关联。

文献wo2009/112704描述了另一种用于基于激光多普勒测速仪检测晶片的系统。

在文献wo02/39099的情况下，测量体积在晶片的表面上产生椭圆形光斑，该椭圆形光斑的主轴定向在所述晶片的径向方向上，干涉条纹横向延伸到晶片的转动路径。选择椭圆光斑的宽度应足够小(40μm)，以便可以精确地检测缺陷相对于晶片参考点的角位置。选择椭圆光斑的长度足够大(2mm)，以便可以减少检测的持续时间。此外，由于缺陷的速度是其径向位置的函数，通过测量该缺陷的多普勒频率，可以以大于光斑尺寸的精度确定所述缺陷的径向位置。

然而，尽管利用了多普勒频率，但这种系统的灵敏度不足以检测非常小的缺陷(通常约为100nm或更小)。而且，该系统没有足够的径向分辨率。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题和设计一种用于检测晶片的系统和方法，该系统和方法提供比已知技术更高的灵敏度和更高的径向分辨率。特别是，必须能够检测尺寸小于100nm的缺陷。此外，所述方法必须适用于不透明晶片和适用于在所使用光源的波长处至少部分透明的晶片。

根据本发明，提出了一种用于检测用于微电子或光学的晶片的方法，包括：

-使晶片围绕与所述晶片的主表面垂直的对称轴转动，

-从与干涉装置耦合的光源发射两个入射光束，以便在两个光束之间的交叉处形成包括干涉条纹的测量体积，所述干涉条纹被布置成使得所述晶片的主表面的区域穿过所述测量体积的至少一个干涉条纹，所述测量体积在所述晶片的径向方向上的尺寸在5和100μm之间，

-收集由晶片的所述区域散射的光的至少一部分，

-获取所收集的光并且发射表示所收集的光的光强度随时间变化的电信号，

-在所述信号中检测所述收集的光的频率分量，所述频率是缺陷通过测量体积的时间特征。

根据一个实施例，测量体积在与晶片的转动路径相切的方向上的尺寸在5和100μm之间，优选地在15和50μm之间。

根据本发明的一个实施例，晶片在光源的波长处是至少部分透明的。

测量体积在垂直于晶片表面的方向上的尺寸小于或等于所述晶片厚度的四分之一，这是有利地。

特别有利地，在测量体积的位置处，入射光束具有最小宽度。

根据一个实施例，光源的功率大于或等于10mw。

光源的波长优选地小于或等于900nm。

根据一个实施例，条纹间距离是0.1和10μm之间。

另一主题涉及一种用于检测用于微电子或光学的晶片的系统，包括：

-用于驱动晶片围绕与所述晶片的主表面垂直的对称轴转动的装置，

-适用于发射光束的光源，

-干涉装置，其与光源耦合，以将由所述光源发射的光束分成两个光束和在两个光束的交叉处形成包括干涉条纹的测量体积，所述测量体积在所述晶片的径向方向上的尺寸在5和100μm之间，所述干涉装置和驱动装置相对于彼此布置，使得转动的晶片的主表面的区域穿过测量体积的至少一个干涉条纹，

-用于收集由所述晶片散射的光的装置，

-用于获取所收集的光的装置，其配置成发射表示所收集的光的光强度随时间变化的电信号，

-处理装置，其被配置成在所述信号中检测所述收集的光中的频率分量，所述频率是缺陷通过相应测量体积的时间特征，基于所述频率，能够确定缺陷在径向方向上和/或晶片的厚度上的位置。

根据一个实施例，该系统还包括用于移动干涉装置的臂和用于沿径向方向收集平移运动中的散射光的装置，光源、获取装置和处理装置是固定的。

有利地，所述干涉装置通过光纤与光源耦合，并且所述收集装置通过光纤与所述获取装置耦合。

附图说明

根据以下的详细描述并且参照附图，本发明的其他特征和优势将变得明显，其中：

-图1是文献wo02/39099中描述的基于激光多普勒测速仪的检测系统的示意图，

-图2是根据本发明的一个实施例的检测系统的示意图，

-图3是根据本发明的一个实施例用于产生和收集干涉条纹的光学系统的示意图，

-图4是根据本发明的一个实施例的包括干涉条纹的测量体积的示意图，

-图5是包括两个光收集通道的检测系统的示意图。

-图6是示出在文献wo02/39099中描述的测量体积的情况下，径向分辨率随测量体积的径向位置变化的图。

为了便于阅读附图，这些附图不一定是成比例绘制的。

具体实施方式

本发明涉及旨在用于微电子或光学领域的任何晶片，所述晶片能够在由光源发射的光束的波长下是不透明的或至少部分透明的。特别地，晶片能包括下列材料中的至少一种：硅、锗、玻璃、蓝宝石、石英、碳化硅、砷化镓、氮化镓(非限制性列表)。

本发明使用的测量体积在径向方向上具有非常小的尺寸，或者也在与晶片转动的方向相切的方向上具有非常小的尺寸。

尽管该解决方案违背了文献wo02/39099的教导，但是如下面将公开的，发明人已经示出，这种明显更小的测量体积使得可以获得更高的光通量，因此，对于相等功率的背景光，信号与背景光的比率更有利，而不会对晶片检测的持续时间产生不利影响。

检测系统1的原理在图2所示。

该系统包括支撑件10，其用于接收晶片2以供检测，并驱动晶片2围绕与所述晶片的主表面s垂直的晶片的对称轴x转动。通常，晶片具有圆形形状，但是本发明适用于任何其它形状。

晶片2通过任何适当的部件(例如静电部件、机械部件等)保持在支撑件10上。

用于转动支撑件的机构本身是已知的，因此将不再详细描述。

支撑件10包括一个或更多个编码器(未示出)，使得可以在任意时刻知道晶片相对于参考位置的角位置。

检测系统1还包括光源20。

光源20通常是分布式反馈(dfg)类型的激光器。如果为了形成测量体积而分开的两个光束的光学路径的长度小于该相干长度，则在某些情况下可以使用具有小于50μm的相干长度的法布里-珀罗型激光器。

所述光源的功率通常大于或等于10mw。实际上，低于该功率，由尺寸小于100nm的缺陷散射的光量变得非常小，因此需要与设想工业应用不相容的获取时长。此外，所述光源的波长小于或等于900nm。实际上，根据米氏光散射理论，由给定尺寸的缺陷散射的功率与波长的四次幂成反比增加。因此缺陷上的入射波长越小，该缺陷将散射的光越多。因此，使用大于900nm的波长将产生少量的散射光，这些散射光量太小而不能检测尺寸小于100nm的缺陷。

光源与干涉装置30耦合，使可以产生如图3中所示的包括干涉条纹的测量体积。

干涉装置30包括具有两个对称分支的光导，该光导的输入端与光源20耦合，以将源自光源20的光束分成两个入射光束i1、i2。优选地，源自光源的激光束是准直的。会聚透镜l1，例如平凸，放置在两个入射光束的路径中，以使两个光束中的每一个偏转角度α，以便在两个光束之间的交叉处形成包括干涉条纹的测量体积v。当然，这种结构是通过示例的方式给出的，并且能够使用任何形成这种测量体积的其他装置。

条纹间距离(两个相邻条纹之间的距离)有利地包括在0.1和10μm之间。实际上，小于0.1μm的条纹间距离将需要更高的采样频率，这将显著增加获取时间或必要获取链的速度。相反，大于10μm的条纹间距离意味着测量体积内的条纹数量太少而无法进行有效的频率检测。另外，由于本发明打算限定的缺陷具有0.05到10μm的尺寸，上述条纹间距离可以有效地区分该尺寸范围内的缺陷。

由这种干涉装置产生的测量体积在图4中示意性地示出。

标准正交坐标系(x，y，z)在待检测的晶片表面的平面中用(x，y)定义，z垂直于所述表面(在该方向上的测量体积的尺寸用dz表示)。在该图示中，假设y在径向方向上延伸(在该方向上测量体积的尺寸被表示为dy，与y正交的方向x上的测量体积的尺寸表示为dx)。

在晶片在光源的波长处是不透明的情况下，尺寸dz没有特别的意义，因为用于检测的表面必须简单地通过测量体积内部。

在晶片在光源波长处至少部分透明的情况下，优选尽可能地减小尺寸dz，以便对于任何检测到的缺陷的位置相对于所述晶片的厚度具有足够的分辨率。通常，我们确保尺寸dz小于待检测晶片的厚度的四分之一。实际上，超过该比率，透明晶片背面上的大缺陷可以留下显著的特征，该特征产生错误的检测。

dx和dy的尺寸各自选择在5和100μm之间，优选地在15和50μm之间。等于5μm的下限与以下事实相关联：在该尺寸下，对于工业实施的方法，检测的持续时间将过长。定义100μm的上限以便保持尽可能大的通量，允许晶片表面上的缺陷的精确定位，并且最后为了减少考虑作为单个缺陷的可能性，两个缺陷只会同时通过测量体积。

仅作为示例，测量体积能够在(x，y)的平面中具有50×50μm的尺寸，或也可以具有20×20μm的尺寸。测量体积的尺寸在x和y的方向上不是必须相等的。

为了得到与本发明一样小的测量体积，在测量体积水平处的光束宽度通常需要对应于所述光束的最小半径的两倍(称为“腰围”并且通常表示为w0)。

用d表示这些光束的直径，f表示透镜l1的焦距，λ表示光源的波长，高斯光学可以得到以下关系：

因此，可以通过有利地选择输入处的光束宽度、宽度的间距和输出透镜的焦距来定义适当的腰围。

此外，虽然文献wo02/39099中描述的系统仅涉及在光束波长下不透明的晶片，但是本发明也可以检测透明基板。在这种情况下，还寻求根据基板的厚度在下面称为z或景深的方向上进行最受限制的检测。

设想由来自相同光源的两个光束产生的测量体积，其具有尺寸为w0的腰围，并且以半角α入射。

除非另有说明，否则尺寸w0，dy，dx，dz以最大功率的宽度的1/e²来表示。

得到以下关系：

dx＝2*w0

在透明基板的情况下，厚度为300μm，例如，寻求具有约50μm的景深dz，尺寸dx和dy为约20μm。因此，寻求比率dx/dz＝0.4，即角度α为21°。

在目标是透明基板上的灵敏检测的情况下，寻求尽可能地减小w0以增加入射光通量：这通过增加透镜l1上游的激光器的直径来完成。

dz的减低能够通过增加α来得到。

因此，通过仅改变三个参数：输入处光束的尺寸、这些光束在透镜l1的上游的间距和该透镜l1的焦距，本发明可以确定用于创建最佳测量体积的参数，用于检测包括透明基板的基板上的小缺陷。

回到图2，检测系统另外包括用于收集由通过测量体积的晶片区域散射的光的装置40。

根据一个实施例，该装置40能包括光纤，其优选地具有大的芯径(即，通常50到2000μm的直径)，其输入端布置在由透镜组成的收集系统的椭圆镜或透镜的焦距处，并且其输出端与用于获取收集的光的装置50耦合，以发射表示所收集的光的光强度随时间变化的电信号。所述装置50通常包括光电探测器。

根据有利实施例，装置40能够包括在用于产生测量体积的装置30中。

因此，如图3所示，还可以使用能够形成测量体积的透镜l1，以收集由通过测量体积的缺陷散射的光(由阴影表示光路径)。在入射光束之间在所收集的光的路径上布置在透镜l1下游的第二透镜l2使得可以将所收集的光引导到光纤或获取装置(图3中未示出)。然后，收集的立体角β通常受到入射光束的角度的限制。

角度α越大，立体角β越大，所收集的光量越大。

通常，选择立体角大于半球的0.1％(或0.0062球面度)。实际上，低于该值，所收集的光量变得非常小并且需要与检测方法的工业实施不相容的获取时间。

根据变型实施例，在图5示出，有利的是，使用布置的收集镜m将布置在上述入射光束之间的收集通道c1与第二收集通道c2组合，以便相对于被检测晶片的表面s的法线收集具有大散射角度的光。该实施一方面可以收集更多的光，另一方面可以获得关于不同缺陷的更多信息，因为每个通道使得可以根据缺陷获得不同的信息。

最后，检测系统1包括处理装置60(参见图2)，其配置为检测所述信号中的、对应于多普勒频率的频率分量。

处理装置60有利地与接口(未示出)耦合，使得用户可以访问检测结果，特别是显示、记录和/或打印结果。

为了检测晶片，将所述晶片2放置在支撑件10上的适当位置，并且以受控的角速度ω驱动所述支撑件转动。借助于存在于支撑件10上的编码器，可以知道在每个时刻的晶片的给定点的角位置。晶片的转动速度通常约为5000转/分钟(rpm)。

在检测系统1中，干涉装置30和收集装置40布置为面向晶片2的主表面，在适于沿径向方向移动所述装置30、40的臂(未示出)上。相反，光源20以及获取和处理装置50、60远程定位并通过光纤(未示出)连接到装置30、40。因此，该检测系统的可移动部分具有有限的重量和空间要求，这有利于其移动，然而光源以及重的获取和处理装置具有大的空间需求，并且难以安装，保持无法移动。这也使得可以减少用于传送电信号的电缆的长度，其降低了对周围电子噪声的灵敏度。

因此，考虑到晶片的转动，通过以平移运动径向移动干涉装置以及用于收集散射光的装置，可以连续地扫描具有测量体积的晶片的整个表面。

布置干涉条纹以横向延伸到晶片的转动路径，使得晶片表面上的点穿过测量体积的至少一个条纹，优选几个条纹。因此，在本文中，术语“横向”是指条纹相对于该路径垂直或以非零角度倾斜。

比较结果

灵敏度提高

该段给出了对于测量体积为40μm×2mm(下文称为vm1)的灵敏度的结果，如文献wo02/39099和对于测量体积为40μm×40μm(下文称为vm2)的灵敏度的结果，其对应于本发明的一个实施例。测量体积在垂直于晶片的表面的方向上的尺寸在本例中无关紧要。

获取条件(测量体积的两种配置共同)如下。

光源是具有波长为488nm和功率为100mw的激光器。

晶片是直径为100mm的硅基板。

暗场隔离(光背景与输入功率的比率，光背景对应于所收集的光污染)是90db。

获取的持续时间是60s。

每转的测量点数为1000(切向分辨率)。

根据米氏理论，使用在空气中具有1.58的折射率的球形颗粒，待检测的缺陷具有100nm的直径，其对应于488nm处的总横截面积是3.5×10^-16m²。根据发明人进行的测量，该模型给出了良好的数量级。

选择用于表征暗场系统的灵敏度的测量值是信号光能量和背景光能量之间的比率。

对于以下计算，假设背景光功率仅与收集光学器件的质量相关联并且它与输入光功率成比例。

在缺陷的检测期间，光子信噪比(ph-snr)-与检测统计数据相关联-与信号/的比率成正比，因此取决于输入光功率。本公开的其余部分涉及信号/背景比率，因为这是与输入光功率无关的指示符。

对于通过两个测量体积vm1、vm2中的每一个的100nm的缺陷，计算信号与光背景的比率。

这两个测量体积的几何形状以及上述共同的获取参数涉及每个测量点的一组功率和能量值，其总结如下：

在这些计算中注意到，在两种情况下信号能量相等，其实际来自于这两种现象(长时间通过具有低光通量的测量体积(vm1)/短时间通过具有高光通量的测量体积(vm2))，该两种现象相互补偿。

本发明的优点主要在于在两种情况下收集的光背景能量。背景光功率仅取决于所发送的功率和所使用的收集，其在这两种情况都是相同的。然而，所述测量体积vm1在每个测量点处包含比测量体积vm2更多的光背景光子，因此信号与光背景比在所述测量体积vm2的情况下更加有利。

简单的计算使可以推断信号/背景比增益与每个测量体积的面积的比率反向相等。在此所述的情况下，(dx*dy)vm2/(dx*dy)vm1＝1/50，其实际上对应于信号/背景增益的倒数。

区分具有表面微粗糙的基板上的颗粒

应当注意，在搜索面对基板的微粗糙度的小颗粒的情况下，测量体积的尺寸的减小也是一个很大的优点，其产生也称为“雾度”的光散射。事实上，任何基板都具有一定的微粗糙度，这取决于其抛光质量。该微粗糙度在表面上是基本上均匀的并且因此产生基本上均匀的散射。此外，与可能存在于表面的任何颗粒不同，基板的整个表面受到这种微粗糙度的影响。

通常，这种散射(或雾度)是以基板上入射光功率的百万分率(或ppm)来测量的。

测量的雾度功率不取决于投射在基板上的测量体积的表面，而是仅取决于光源的功率和基板的粗糙度。因此，对于100mw的光功率和由于1ppm的微粗糙度引起的散射，所接收的雾度功率将是：

phaze＝plaser*haze

phaze＝0.1*1*10^-7

phazc＝10nw

在这种情况下，在vm1和vm2配置中都可以找到以下结果：

因此，应当注意，在测量体积vm1的情况下，100nm的颗粒在雾度中消失，因为其散射功率是雾度功率的20倍以上，而在本发明的测量体积vm2的情况下，颗粒实际上在雾度中是可见的，因为其散射功率对应于雾度功率的两倍以上。

因此，如果投射在用于检测的表面上的测量体积的面积减小了n倍，则雾度/信号比同样增加了n倍。

增加径向分辨率

暗场系统的分辨率通常由扫描待检测的表面的光束的尺寸确定。

然而，在文献wo02/39099中，提出了一种借助于通过测量体积的缺陷的多普勒频率的变化来获得更好的分辨率的方式。实际上，更接近基板转动中心的缺陷具有的线速度小于远离基板转动中心的缺陷的线速度。通过测量该多普勒频率，因此可以以比光束的尺寸更高的精度来定位缺陷。

然而，即使该理论得到验证，在下文中证明，考虑到测量误差，这种分辨率增益仍然非常小，并且在任何情况下都不能达到本发明获得的径向分辨率。

实际上，考虑到尺寸是40μmx2mm的测量体积，其主轴如文献wo02/39099中所述径向延伸，其条纹间距离是1μm，则获得具有40个条纹的测量体积。

l被称为微米级脉冲宽度，δ被称为条纹间距离，vt被称为缺陷通过测量体积的传播速度，r被称为扫描半径，ω被称为转动角速度，和fd被称为检测到的缺陷的多普勒频率。

可以确定频率的不确定性与所述频率的频谱峰值的宽度相关联。现在，在持续时间δt的脉冲的情况下，峰值的谱宽近似

因此根据条纹的数量计算δf

因此，不可能以比更好的精度来确定多普勒频率fd。

众所周知，在这种系统中的多普勒频率通过以下关系与径向位置、条纹间距离和转动角速度相关联：

因此，以下不确定性之间的关系能够写为：

这里ω和r的值是不变的。

因此，对于给定的不确定值δfd，获得在径向位置上的不确定值，即

因此能够得出结论：

因此所述关系允许借助于多普勒频率将确定的径向位置的不确定值与扫描的半径、条纹间距离和测量体积的宽度相关联。该不确定值i、在这种情况下等于径向分辨率，在图6中绘制为上面给出的值的半径r的函数。

在该示例中注意到文献wo02/39099中呈现的测量体积，在最终受到测量体积本身的尺寸限制(平台的扫描半径从80mm开始)之前，径向分辨率随着扫描半径非常快速地减小。例如，如果需要50μm的径向分辨率，则扫描半径限制为2mm。为了在半径为300mm且条纹间距离为1μm的晶片上获得50μm的径向分辨率，则必须具有333μm宽的测量体积，这进一步降低了光通量(参见先前对敏感度的考虑)。

相反，本发明的一个优点是径向分辨率至少由测量体积的尺寸限定。为了补偿用于较小尺寸的所述测量体积，根据本发明的方法需要比文献wo02/39099更快速的转动晶片，以便保持相同的检测持续时间。然而，容易达到必要的速度，因为快速转动的“主轴”装置使得可以以每分钟几千转的速度转动直径达300mm的晶片。此外，还可获得以与这些速度兼容的频率工作的光电探测器和数据获取板以及由此产生的多普勒频率。

参考文献

wo2009/112704

wo02/39099