CN111982931A - 一种高精度晶圆表面缺陷检测装置及其检测方法 - Google Patents

一种高精度晶圆表面缺陷检测装置及其检测方法 Download PDF

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Abstract

一种高精度晶圆表面缺陷检测装置及其检测方法，涉及晶圆检测技术领域，该高精度晶圆表面缺陷检测装置包括组合光源和成像装置，所述组合光源用于切换不同光源照射晶圆，所述成像装置用于所述组合光源照射晶圆后的图像获取。由于晶圆的缺陷的多样性，比如表面脏污、错位、刮痕等，检测过程需要切换控制光源使缺陷更为明显，本发明通过可以切换不同光源的组合光源照射晶圆，针对不同的缺陷结构形态采用具有高适应性的打光方式，使各种缺陷在实际成像中更为明显，然后通过成像装置获取图像用于分析并判定缺陷类型，实现对多种晶圆表面缺陷的高精度检测。

Description

一种高精度晶圆表面缺陷检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及晶圆检测技术领域，特别是涉及一种高精度晶圆表面缺陷检测装置及其检测方法。
背景技术
随着我国半导体制作水平的飞速发展，晶圆的集成度不断提高，其工艺的稳定性和可靠性对半导体检测技术提出了更高的要求，晶圆表面缺陷的高精度检测成为工艺过程中的重要一环。
早期的半导体光学检测方法一般是将晶圆置于一个明亮的环境中，通过人工目检或抽检的方式观察表面是否存在灰尘或脏污等缺陷。但随着晶粒的特征尺寸不断减少，缺陷的尺寸也相应缩小，简单的检测方法明显不能满足高精度、高效率的需求。不同的晶圆缺陷的检测灵敏度会因光学环境（波长、强度、光照方式等）而产生差异，因此为了更好地显示缺陷，减少误判率，有必要针对性地对缺陷采用不同的成像方式，在一个光学系统中实现对多种晶圆表面缺陷的高精度检测。
半导体制作工艺需要经过成几十道工序流程，过程中可能多种不同类型的缺陷，任何缺陷都有可能导致产品报废，要实现多种缺陷的快速准确检测，需要一套高精度及强兼容性的检测系统。目前，大多数基于光学成像的晶圆检测设备都采取单一光源进行照明，相机拍摄图像后，由人工判断是否合格或软件进行分类。然而由于材质本身或加工工艺引入瑕疵的原因，并非所有晶圆上的缺陷都能通过单一光源显现出来。
发明内容
本发明的目的之一在于避免现有技术中的不足之处而提供一种高精度晶圆表面缺陷检测装置，该高精度晶圆表面缺陷检测装置实现了对多种晶圆表面缺陷的高精度检测。
本发明目的通过以下技术方案实现：
提供一种高精度晶圆表面缺陷检测装置，包括：组合光源、成像装置和计算机，所述组合光源包括点光源、环形光源和背光源，所述成像装置的镜头安装处设有高精度同轴镜头，所述同轴镜头内设有分光镜，所述同轴镜头一侧开设有一垂直于其光轴的通光孔，所述点光源通过所述通光孔连接到所述同轴镜头上，所述环形光源设置在所述同轴镜头与晶圆之间，环形光源中心与同轴镜头中心一致，环形光源的光线以一定的角度均向内斜射形成圆形光环，所述背光源设置在晶圆的背面，所述成像装置连接有用于图像分析并判定晶圆缺陷类型的计算机。由于晶圆的缺陷的多样性，比如表面脏污、错位、刮痕等，检测过程需要切换控制光源使缺陷更为明显，本发明通过可以切换不同光源的组合光源照射晶圆，针对不同的缺陷结构形态采用具有高适应性的打光方式，使各种缺陷在实际成像中更为明显，然后通过成像装置获取图像用于分析并判定缺陷类型，实现对多种晶圆表面缺陷的高精度检测。
进一步的，所述点光源包括红色和蓝色点光源，且该两种光源可进行相互切换点亮，所述环形光源包括红色环光、蓝色环光和紫外环光光源，且该三种光源可选择性点亮一种，所述背光源为蓝色背光源，不同种光源进行切换照明可对不同的晶圆缺陷进行高精度检测。
进一步的，所述成像装置为高精度相机。
进一步的，所述成像装置连接有计算机，所述计算机用于对所述成像装置获取的图像进行分析，同时判定晶圆表面的缺陷类型，并通过计算机显示出来。应用计算机可以实现检测过程的自动化，同时采用机器视觉方式对表面缺陷进行检测，一方面极大地提高了检测效率，另一方面降低了因人为差别带来的误判率。
本发明的目的之二在于避免现有技术中的不足之处而提供一种高精度晶圆表面缺陷检测方法，该高精度晶圆表面缺陷检测方法应用于上述的一种高精度晶圆表面缺陷检测装置，包括以下步骤：
S1：提供带有组合光源和成像装置的高精度晶圆表面缺陷检测装置；
S2：将带有晶圆的产品放置在所述高精度晶圆表面缺陷检测装置的检测处，控制组合光源发光，使得光源照射在产品需要检测的部位；
S3：控制成像装置获取产品在组合光源发出的光照下的检测部位的图像，计算机获取图像后分析、判断；
S4：移动产品使所述组合光源发射的光照在产品另一个要检测的部位，并重复上步操作。
进一步的，步骤S1中，所述组合光源包括可进行红光、蓝光相互切换的点光源，具有红色环光、蓝色环光和紫外环光、且可选择性亮一种光或多种光的环形光源，蓝色的背光源。
进一步的，步骤S2中，控制点亮所述蓝色背光源，然后所述成像装置获取检测部位的图像，再熄灭光源。
进一步的，步骤S2中，控制点亮所述点光源其中一种颜色的光并进行切换，然后成像装置分别获取切换点光源下检测部位的图像，再熄灭光源。
进一步的，步骤S2中，控制点亮所述环形光源中红色或蓝色环光并进行切换，然后成像装置分别获取切换环形光源下检测部位的图像，再熄灭光源。
进一步的，步骤S2中，控制点亮所述蓝色背光源，同时控制点亮环形光源中紫外环光，然后成像装置获取蓝色背光源配合紫外环形光源下检测部位的图像，再熄灭光源。
本发明的有益效果：
（1）采用机器视觉方式对表面缺陷进行检测，一方面极大地提高了检测效率，另一方面降低了因人为差别带来的误判率。
（2）使用组合光源进行打光，针对不同的缺陷结构形态采用具有高适应性的打光方式，使各种缺陷在实际成像中更为明显。
（3）设计紫外照明方式对芯片进行检测，对芯片中的材料掺杂缺陷进行特殊检测，解决了可见光无法检测此类缺陷的问题。
（4）光源控制方式可根据需要采取常亮方式或频闪方式，光源可以通过闪频控制提高发光亮度，对极微小的缺陷成像有很好的帮助。
附图说明
图1是本发明的一种高精度晶圆表面缺陷检测装置的整体结构示意图。
图2是本发明的一种高精度晶圆表面缺陷检测方法的流程图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
本实施例的一种高精度晶圆表面缺陷检测装置，如图1所示，包括：组合光源1、成像装置3和计算机，所述组合光源1包括点光源6、环形光源7和背光源8，所述成像装置3的镜头安装处设有高精度同轴镜头4，所述同轴镜头4内设有分光镜9，所述分光镜9可以是棱镜或半透半反平面镜，所述同轴镜头4一侧开设有一垂直于其光轴的通光孔5，所述点光源6通过所述通光孔5连接所述同轴镜头4，所述环形光源7设置在所述同轴镜头4与晶圆2之间，环形光源7中心与同轴镜头4中心一致，环形光源7的光线以一定的角度均向内斜射形成圆形光环，圆形光环在检测平台上投射的中心与同轴镜头4的光轴在检测平台上投射的中心一致，所述背光源8设置于检测平台背面，所述晶圆2水平放置在检测平台上表面，所述成像装置3连接有用于图像分析并判定晶圆缺陷类型的计算机。
所述组合光源1包括点光源6、环形光源7和背光源8，所述点光源6包括红色和蓝色点光源，且该两种光源可进行相互切换点亮，所述环形光源7包括红色环光、蓝色环光和紫外环光光源，且该三种光源可选择性点亮一种且可切换，所述背光源8为蓝色背光源，背光源8的发光面积大于视野范围。对于所述点光源6还可以根据需要为只有红光或蓝光的点光源，环形光源7也可以根据需要为只有一种光的环形光源。对于环形光源7设有多种颜色光源时，不同颜色环形光源7以阶梯状均匀间隔分布，环绕在同轴镜头4下方。红、蓝点光主要检测晶圆的发光区缺陷与电极表面缺陷，红、蓝环光可以检出脏污与划伤等缺陷，同时也可以根据实际需要配合相应的点光增强效果，结合具体确保效果最好，对于芯片制作过程中由于工艺原因产生发光材料掺杂，导致芯片发光不纯（比如蓝绿光混杂），这种缺陷在外观上与正常产品没有区别，不能直接通过可见光波段光源观察出掺杂缺陷，针对这种情况，本发明在光源中设计了紫外光照明的方式，由于蓝光波长与紫外波长相近，蓝色背光与紫外环光配合照明，在实际测量验证中发现，材料掺杂芯片会产生特殊的显色效果，掺杂的缺陷在紫外环境下能够很好地显现出来。
所述高精度相机主要针对检测要求的精度而言，为保证图像的实际检测精度与图像不失真，是指检测精度的最小分辨单元至少由相机两个或更多个像素来表示，同时相机采集图像的灰阶至少达到8位（256种灰阶）或更高。
所述成像装置3连接有计算机，所述计算机用于对所述成像装置3获取的图像进行分析，同时判定晶圆2表面的缺陷类型，并通过计算机显示出来。应用计算机可以实现检测过程的自动化，同时采用机器视觉方式对表面缺陷进行检测，一方面极大地提高了检测效率，另一方面降低了因人为差别带来的误判率。
本发明结合实际的工艺流程与光学成像原理，设计一种具备组合光源的高精度晶圆表面缺陷检测装置，该装置通过合理的光学成像设计，有针对性的对各类缺陷进行良好的成像显示，对于检测的产品还可以只是晶圆，由于晶圆的缺陷的多样性，比如表面脏污、错位、刮痕等，检测过程需要切换控制光源使缺陷更为明显，本发明通过可以切换不同光源的组合光源照射晶圆，针对不同的缺陷结构形态采用具有高适应性的打光方式，使各种缺陷在实际成像中更为明显，然后通过成像装置获取图像用于分析并判定缺陷类型，实现对多种晶圆表面缺陷的高精度检测，再通过计算机软件对晶圆表面缺陷判定与筛选，实现了自动化检测的目标，提高检测效率。
实施例2
本实施例提供一种高精度晶圆表面缺陷检测方法，该高精度晶圆表面缺陷检测方法应用于实施例1所述的一种高精度晶圆表面缺陷检测装置，如图2所示，包括以下步骤：
S1：提供带有组合光源1和成像装置3的高精度晶圆表面缺陷检测装置；
S2：将带有晶圆2的产品放置在所述高精度晶圆表面缺陷检测装置的检测处，控制组合光源1发光，使得光源照射在产品需要检测的部位；
S3：控制成像装置3获取产品在组合光源1发出的光照下的检测部位的图像，计算机获取图像后分析、判断；
S4：移动产品使所述组合光源1发射的光照在产品另一个要检测的晶圆部位，并重复上步操作。
检测步骤具体为：
首先，将带有晶圆2的产品水平放置在高精度晶圆表面缺陷检测装置的检测平台中心位置上，控制点亮蓝色背光源8观察产品，对产品进行水平校正，保证晶圆2样品位于同轴镜头4的正下方，晶圆2的平面与同轴镜头4的光轴垂直，以保证成像区域均能聚焦清晰，熄灭光源。
随后，控制点亮蓝色的背光源8，由于背光源8设置在检测平台背面，因此检测平台设置为半透明状，通过检测平台透射的背光源8发出的蓝光，照亮晶圆2，此时，控制成像装置4获取该部分图像并将图像传送至计算机中，计算机软件进行分析、判断晶圆2存在的缺陷，最后熄灭光源。
控制点亮蓝色的点光源6，蓝色的点光源6通过同轴镜头4一侧的通光孔5照射到同轴镜头4内部设置的分光镜9上，分光镜9将蓝色的点光源6折射到晶圆2上，照亮晶圆2，此时，控制成像装置3获取该部分图像并将图像传送至计算机中，计算机软件进行判断分析晶圆2存在的缺陷，最后熄灭光源。同理，控制点亮红色的点光源6，成像装置3获取图像，最后熄灭光源。
控制点亮环形光源7中红色环光，环形光源7倾斜照射在晶圆2上，照亮晶圆2，此时，控制成像装置3获取该部分图像并将图像传送至计算机中，计算机软件进行分析、判断晶圆存在的缺陷，最后熄灭光源。同理，控制点亮环形光源7中蓝色环光，成像装置3获取图像，最后熄灭光源。
控制点亮蓝色的背光源6，同时控制点亮环形光源7中紫外环光，环形光源7倾斜照射在晶圆2上，照亮晶圆2，此时，控制成像装置3获取该部分图像并将图像传送至计算机中，计算机软件进行分析、判断晶圆存在的缺陷，最后熄灭光源。
移动产品位置，使所述组合光源1发射的光照射在产品另一个要检测的晶圆2部位，并重复以上操作。
所述环形光源7中，紫外环光直接照射在晶圆2上，照亮晶圆2，配合蓝色的背光源8，此时，晶圆2若有材料掺杂的缺陷，在紫外环光直接照射下会产生特殊的显色效果，由于紫外线频率更高，照射到晶圆上会产生特殊的显色效果，掺杂缺陷在紫外环境下能够很好地显现出来，而在实际测试中，蓝色背光和紫外环光组合的效果会比单纯紫外环光的效果更好，因此需要两种光源同时开启。
所述成像装置3通过电路连接计算机，所述计算机对所述成像装置3获取的图像进行分析，同时判定缺陷类型，并显示出来。计算机分析判断方法如下：首先利用大量正常的晶圆样本数据进行分析与建模，确定正常晶圆标准图像的特征与阈值，将其录入在计算机系统中；然后选择和提取待测晶圆的图像特征；接着计算待测图像特征与标准图像特征的灰阶差异，最后计算机判定灰阶差异是否超出阈值范围，超出范围则判定为缺陷，反之则为正常。
对于光源控制方式可根据需要采取常亮方式或频闪方式，光源可以通过闪频控制提高发光亮度，对极微小的缺陷成像有很好的帮助。
对于产品的不同缺陷，所对应的检测光也不同，同时不同的检测光源所获取的图像也不同，所以可以根据需要选择性的选择组合光源的光源组成。其中每种缺陷最好的检测光源（成像最清楚，最容易辨别）为：1.PV残留对应的检测光源为蓝色点光源，2.电极中心缺损对应的检测光源为红色点光源，3.电极刮伤对应的检测光源为蓝色点光源，4.电极起皮对应的检测光源为蓝色或红色点光源，5.DBR异常对应的检测光源为蓝色背光源，6.扩展条断缺对应的检测光源为蓝色或红色点光源，7.电极缺损对应的检测光源为红色点光源或蓝色背光源，8.多金对应的检测光源为红色点光源或蓝色背光源，9.划痕（压痕）对应的检测光源为蓝色点光源，10.ITO蚀刻不干净对应的检测光源为蓝色点光源，11.ITO粗糙对应的检测光源为蓝色点光源，12.P环缺损对应的检测光源为蓝色点光源，13.电极变色对应的检测光源为蓝色点光源，14.SiO2脱落对应的检测光源为蓝色点光源或蓝色背光源，15.RIE对应的检测光源为蓝色点光源，16.针痕对应的检测光源为蓝色点光源，17.墨点对应的检测光源为蓝色背光源，18.ITO黑色对应的检测光源为蓝色背光源，19.脏污对应的检测光源为蓝色点光源，20.划伤对应的检测光源为蓝色点光源，21.晶粒残余对应的检测光源为红色点光源或蓝色背光源，22.晶粒双胞对应的检测光源为蓝色背光源，23.裂痕对应的检测光源为蓝色背光源，24.斜裂对应的检测光源为蓝色背光源，25.外延表面不良对应的检测光源为红色点光源或蓝色点光源或蓝色背光源，26.外延崩边对应的检测光源为蓝色背光源，27.背镀缺损对应的检测光源为红色点光源或蓝色背光源，28.背镀红色、蓝色对应的检测光源为红色点光源，29.腐蚀对应的检测光源为蓝色背光源，30.扩展条粗细对应的检测光源为红色点光源或蓝色背光源，31.PSS图形缺失对应的检测光源为红色点光源或蓝色背光源，32.CB缺失对应的检测光源为蓝色点光源或蓝色背光源，33.PV环缺失对应的检测光源为蓝色点光源，34.Mesa异常对应的检测光源为红色点光源，35.崩边、崩角对应的检测光源为蓝色背光源，36.蓝光芯片发绿光对应的检测光源为紫外环光。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种高精度晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于，包括：组合光源、成像装置和计算机，所述组合光源包括点光源、环形光源和背光源，所述成像装置的镜头安装处设有高精度同轴镜头，所述同轴镜头内设有分光镜，所述同轴镜头一侧开设有一垂直于其光轴的通光孔，所述点光源通过所述通光孔连接到所述同轴镜头上，所述环形光源设置在所述同轴镜头与晶圆之间，环形光源中心与同轴镜头中心一致，环形光源的光线以一定的角度均向内斜射形成圆形光环，所述背光源设置在晶圆的背面，所述成像装置连接有用于图像分析并判定晶圆缺陷类型的计算机。
2.如权利要求1所述的一种高精度晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述点光源包括红色点光源和蓝色点光源，且该两种光源可进行相互切换点亮，所述环形光源包括红色环光、蓝色环光和紫外环光光源，且该三种光源可选择性点亮一种，所述背光源为蓝色背光源。
3.如权利要求1所述的一种高精度晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述成像装置为高精度相机。
4.如权利要求1所述的一种高精度晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述成像装置连接有计算机，所述计算机用于对所述成像装置获取的图像进行分析，同时判定晶圆表面的缺陷类型，并通过计算机显示出来。
5.一种高精度晶圆表面缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供带有组合光源和成像装置的高精度晶圆表面缺陷检测装置；
S2：将带有晶圆的产品放置在高精度晶圆表面缺陷检测装置的检测处，控制组合光源选择性发光，使得光源照射在产品需要检测的部位；
S3：控制成像装置获取产品在组合光源发出的光照下的检测部位的图像，计算机获取图像后分析、判断；
S4：移动产品使所述组合光源发射的光照在产品另一个要检测的部位，并重复上步操作。
6.如权利要求5所述的一种高精度晶圆表面缺陷检测方法，其特征在于：步骤S1中，所述组合光源包括可进行红光、蓝光相互切换的点光源，具有红色环光、蓝色环光和紫外环光且可选择性亮一种光的环形光源，蓝色的背光源。
7.如权利要求5所述的一种高精度晶圆表面缺陷检测方法，其特征在于：步骤S2中，控制点亮所述蓝色背光源，然后所述成像装置获取检测部位的图像，再熄灭光源。
8.如权利要求5所述的一种高精度晶圆表面缺陷检测方法，其特征在于：步骤S2中，控制点亮所述点光源其中一种颜色的光并进行切换，然后成像装置分别获取切换点光源下检测部位的图像，再熄灭光源。
9.如权利要求5所述的一种高精度晶圆表面缺陷检测方法，其特征在于：步骤S2中，控制点亮所述环形光源中红色或蓝色环光并进行切换，然后成像装置分别获取切换环形光源下检测部位的图像，再熄灭光源。
10.如权利要求5所述的一种高精度晶圆表面缺陷检测方法，其特征在于：步骤S2中，控制点亮所述蓝色背光源，同时控制点亮环形光源中紫外环光，然后成像装置获取蓝色背光源配合紫外环形光源下检测部位的图像，再熄灭光源。
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