基于TDI的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置及方法

本发明属于晶圆检测，具体涉及晶圆表面缺陷检测装置及方法。

背景技术：

1、集成电路产业是支撑国家经济和高科技发展的核心支柱产业，衡量一个国家现代化进程和综合国力的重要标志。随着科技的发展，集成电路的规模越来越大、制造工艺越来越复杂、关键尺寸越来越小。晶圆是在半导体电路加工过程中十分重要的材料，而在半导体制造过程中，可能会因为生产设备、生产工艺、生产环境等因素产生表面缺陷，特别是前道和中道，其质量对最终芯片产品的良率和成本控制至关重要。所以在半导体生产工艺过程中，对晶圆表面缺陷的高精度检测和质量控制提出了极高的要求。为了满足市场需求、产线的同步性检测效率也是一个十分重要的衡量指标。随着制造工艺越来越先进，对高精度高速度检测的需求越来越高。

2、传统的晶圆表面缺陷检测是通过扫描电子显微镜进行人工目检，这种地毯式人工检测方式需要反复的手动调焦，不仅存在检测时间过长、检测效率低下以及人力成本高的缺点，而且还容易受检测人员用眼疲劳等影响而出现误检，同时也会因检测时间过长而出现排查缺陷问题耗时过久，从而导致大批量的晶圆因为缺陷问题而良率过低，造成损失。扫描电子显微镜和透射电子显微镜检测分辨率非常高，可以检测到0.2nm的粒子，但是它们的劣势是检测速度慢，无法用于在线缺陷检测，而且扫描电子显微镜需要真空环境。目前有相关研究多电子束扫描，一定程度上提高检测速度，但这种方式主要还是用于缺陷复检。原子力显微镜和扫描隧道显微镜是使用探针进行检测，同样拥有高精度检测能力，但一方面探针可能会损坏样品，另一方面检测效率极低，不适合产线检测，主要应用于参考测量。而如果使用点扫描检测方式，那么为了提升对晶圆的检测速度，需要对精密旋转台及其水平移动的速度提出更高的要求。此外，对于点扫描检测方式，常用的光电探测器是光电倍增管(pmt)，但是其灵敏度高，对噪声敏感，且为了提升检测速度，对pmt的采样率要求更高。如果使用面扫描检测方式，为了不损失分辨率，其检测视场也会受到限制。晶圆检测往往会占用整个生产过程中很大一部分时间，很大程度上限制了晶圆的产能。因此，为了提高检测效率，以满足工业生产中的在线检测需求，同时满足晶圆表面高精度检测要求，有必要设计出一种快速晶圆表面缺陷检测方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于tdi探测技术的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置方法，实现对晶圆表面缺陷的快速检测，在保持高精度检测需求的情况下，提高检测效率。

2、本发明提供的基于tdi的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置，其结构包括：照明光源、光束整形组件、运动控制组件、显微镜成像组件、cmos图像传感器及计算机；其中：

3、所述照明光源和光束整形组件构成照明系统，用以产生线光斑；

4、所述显微镜成像组件和cmos图像传感器构成成像系统，用以收集待测晶圆表面的散射光，并成像在cmos图像传感器上；

5、所述照明系统产生线光斑斜入射到待测晶圆上，待测晶圆放置在承载台上，由所述运动控制组件控制承载台的旋转和平移运动，所述成像系统对其进行线扫描，将扫描采集的图像信息传到所述计算机，计算机进行图像增强和缺陷提取。

6、优选的，所述照明光源为激光光源，光源的波长应为深紫外到近紫外光范围。

7、优选的，所述光束整形组件包括扩束镜、准直镜、光阑、偏振片、滤光片、平凸柱面透镜。照明光束经过所述扩束镜扩展激光束的直径，并减小激光发散角；再经过所述准直镜对激光束进行准直；再依次经过所述光阑、偏振片、滤光片；最后经过所述平凸柱面透镜对照明光束在一个方向上聚焦形成线光斑。

8、优选的，所述运动控制组件包括旋转台、xyz精密位移台，从而控制待测晶圆的旋转和平移，以及显微物镜到待测晶圆表面的工作距离。

9、优选的，所述xyz精密位移台为电动精密位移台。

10、优选的，所述显微镜成像组件包括物镜、光阑、偏振片、滤光片、管透镜。散射光被所述物镜收集，再依次通过所述光阑、偏振片、滤光片，最后通过所述管透镜聚焦到tdi长条cmos图像传感器。

11、优选的，所述cmos图像传感器为长条型，能够采用时间延迟积分(tdi)提升图像灵敏度。所述cmos图像传感器具有m*n(m/n>20)矩形像素阵列，其中m表示每一行的像素数，n表示tdi级数，像素值可以在tdi级数方向上累加，从而提升图像传感器的灵敏度。

12、优选的，所述cmos图像传感器可以通过与计算机相连的soc调整所需的tdi级数、pga增益、采集图像的暗电流噪声、行频相关参数。

13、优选的，所述cmos图像传感器的行频参数设置需与待测晶圆的移动速度保持匹配，从而保证移动待测晶圆的扫描过程中，采集图像的水平分辨率等于垂直分辨率，采集图像不会压缩或拉伸。

14、基于上述晶圆表面缺陷检测装置，本发明还提供基于tdi的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测方法，具体步骤如下：

15、步骤一，准备晶圆样品；将待测晶圆放置吸附在运动控制组件上；

16、步骤二，打开照明光源和接通soc电源；打开照明光源，使照明光束通过光束整形组件整形成线状光斑，调整照明光路使线状光斑方向与tdi长条型cmos图像传感器放置方向(tdi级数积分方向)保持一致；为soc接通电源，使cmos图像传感器正常工作；

17、步骤三，设置tdi长条cmos图像传感器参数；根据具体测量情况确定待测晶圆的移动速度，通过计算机为tdi长条cmos图像传感器设置行频、tdi级数、pga增益、采集图像的暗电流噪声等相关参数；

18、步骤四，线扫描暗场散射成像；计算机控制运动控制组件，按照规划的扫描路径对待测晶圆进行线扫描暗场散射成像，同时保存扫描图像数据；待整片待测晶圆扫描完成后，断开soc电源并关闭照明光源；

19、步骤五，缺陷检测与分析；通过图像处理算法对扫描的暗场散射图像进行预处理，拼接成完整的晶圆图像；并进行图像增强，用特征提取等方法获取晶圆表面缺陷信息。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

21、本发明提供的基于tdi探测技术的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置及方法，使用线扫描方式，相较于点扫描方式，有效提高检测速度；利用暗场散射原理，相较于明场检测，可以获得分辨率和对比度更高的图像，有利于后期的图像处理；使用tdi型长条cmos图像传感器，相较于pmt，有利于在高移动速度、低光照强度环境下，获得低噪声高探测灵敏度输出图像。所提供的方法具有检测速度快，检测精度高等优点，对半导体制造具有重要意义。

技术特征：

1.一种基于tdi的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，包括：照明光源、光束整形组件、运动控制组件、显微镜成像组件、cmos图像传感器及计算机；其中：

2.根据权利要求1所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述照明光源为激光光源，光源的波长范围为深紫光至近紫外光。

3.根据权利要求1所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述光束整形组件包括扩束镜、准直镜、光阑、偏振片、滤光片、平凸柱面透镜；照明光束经过所述扩束镜扩展激光束的直径，并减小激光发散角；再经过所述准直镜对激光束进行准直；再依次经过所述光阑、偏振片、滤光片；最后经过所述平凸柱面透镜对照明光束在一个方向上聚焦形成线光斑。

4.根据权利要求1所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述运动控制组件包括精密旋转台、xyz精密位移台，控制待测晶圆的旋转和平移，以及显微物镜到待测晶圆表面的工作距离；所述xyz精密位移台为电动精密位移台。

5.根据权利要求1所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述显微镜成像组件包括物镜、光阑、偏振片、滤光片、管透镜；散射光被所述物镜收集，再依次通过所述光阑、偏振片、滤光片，最后通过所述管透镜聚焦到cmos图像传感器。

6.根据权利要求1所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述cmos图像传感器为长条型，采用时间延迟积分（tdi）提升图像探测灵敏度；所述cmos图像传感器具有m*n矩形像素阵列，m/n>20；其中m表示每一行的像素数，n表示tdi级数，像素值在tdi级数方向上累加，从而提升图像传感器的灵敏度。

7.根据权利要求6所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述cmos图像传感器通过与计算机相连的soc调整所需的tdi级数、pga增益、采集图像的暗电流噪声、行频相关参数。

8.根据权利要求7所述的晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，所述cmos图像传感器的行频参数设置需与待测晶圆的移动速度保持匹配，保证移动待测晶圆的扫描过程中，采集图像的水平分辨率等于垂直分辨率，采集图像不会压缩或拉伸。

9.一种基于根据权利要求1-8之一所述检测装置的基于tdi的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

技术总结
本发明属于晶圆检测技术领域，具体为基于TDI探测的线扫描暗场散射晶圆表面缺陷检测装置及方法。本发明检测装置包括照明光源、光束整形组件、运动控制组件、显微镜成像组件、CMOS图像传感器及计算机；光源发出光束经过光束整形组件入射到待测晶圆表面形成线光斑；运动控制组件控制晶圆的运动；显微镜成像组件收集待测晶圆的散射光；CMOS图像传感器将收集到的散射光转换为电信号进行成像并传输到计算机；计算机进行图像增强和缺陷提取。本发明通过线扫描，利用暗场散射原理收集晶圆表面缺陷的散射光，使用CMOS图像传感器对待测晶圆进行快速扫描成像，从而实现对晶圆表面缺陷的快速检测。本发明检测速度快，检测灵敏度高，具有重要实用意义。

技术研发人员：徐敏,余飞,王军华
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13