DE69800328T2

DE69800328T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Inspektion der Mikrotextur am Umfang einer Halbleiterscheibe

Info

Publication number: DE69800328T2
Application number: DE69800328T
Authority: DE
Inventors: Claudian R. Nicolesco
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 2001-02-01
Anticipated expiration: 2018-02-06
Also published as: US6147357A; EP0935134A1; DE69800328D1; EP0935134B1

Description

Es ist wohlbekannt, daß die visuelle, kontaktfreie Kantenprüfung von Halbleiterwafern, z. B. Siliciumwafern, bei verschiedenen Stufen der Waferbearbeitung, wie beispielsweise Schneiden, Läppen, Kantenformen (Schleifen), Ätzen und Polieren im allgemeinen von ausgebildetem Personal mit bloßem Auge unter einem hellen Licht von Halogen- oder Leuchtstofflampen oder unter Verwendung einer Vergrößerungslinse (2- bis 4fache Vergrößerung) durchgeführt wird.
In diesem Fall wird die visuelle Prüfung durch die Größe einiger Kantendefekte im Submillimeterbereich mit dem bloßen Auge ineffizient.
Eine bessere Alternative für derartige Verfahren würde darin liegen, die Prüfung mit einem Videokameramikroskop mit einer speziellen Beleuchtungslichtquelle, wie beispielsweise einer biegsamen Faser oder einem Faseroptikring, parallel und koaxial zu dem Kameraobjektiv angebracht, durchzuführen.
Die meisten gegenwärtig erhältlichen Waferkantenprüfungsgeräte verwenden Videokameras mit angebrachtem Mikroskopobjektiv und Leuchtstoff- oder Halogenlampen (Hologenix) im sichtbaren Bereich oder Rotlichtstrahlen (Champman) als Lichtquellen zum Erfassen/Überwachen der Defekte und Charakterisieren der Kantenstrukturrauhigkeit.
Für diese Instrumente trifft der Lichtstrahl unter einem bestimmten Winkel von 90 Grad oder darunter auf die Waferkantenoberfläche auf, und das reflektierte Licht, das Waferkantenstrukturinformationen enthält, wird von der Videokamera aufgefangen.
Allgemein gesprochen fallen die Waferkantenbeleuchtungsverfahren in zwei Kategorien: 1) Dunkelfeldbeleuchtung (DF) und 2) Hellfeldbeleuchtung (BF). Ein Hellfeldbeleuchtungssystem untersucht direkt reflektiertes Licht (nahe dem normalen Einfallsstrahl) während ein Dunkelfeldbeleuchtungssystem von dem Wafer (unter einem Einfallsstrahl mit kleinem Winkel) gestreutes Licht fast parallel zu der Kante untersucht. Hellfeldbeleuchtung bedeutet das Beleuchten der Kante unter einem normalen Einfallswinkel und Betrachten des resultierenden reflektierten Bilds. Diese Konfiguration kann als eine "koaxiale" oder "durch-das-Objektiv"-Geometrie beschrieben werden, wobei die Lichtquelle bezüglich des beobachteten Teils einen Raumwinkel aufweist. Beispielsweise weist eine 25 mm-Lichtquelle (Laser oder Glühbirne) in einer Entfernung von 100 mm von dem abgebildeten Teil einen Raumwinkel von ungefähr gleich arctan 25/100 = 14 Grad auf.
Bei flachen spiegelnden Oberflächen, wie beispielsweise bei polierten flachen Kanten, sollte die Mindestabmessung WBFmin für eine Lichtquelle, die in einer Entfernung D = (D1-D2) des Kameraobjektivs gehalten wird, doppelt so groß wie die Sehfeldbreite V plus dem Kameraobjektiveintrittspupillendurchmesser (Apertur) A sein (Fig. 1).
Um das Sehfeld auf einem planaren, normal betrachteten spiegelnden Objekt mit gleichförmigem Licht vollständig auszufüllen, sollten die koaxialen BF-Leuchten dann größer sein als das Kameraobjektiv und sich außerhalb davon befinden.
Wenn eine spiegelnde Oberfläche wie bei einer real abgeschrägten Kante vom planaren Zustand abweicht, dann muß der Raumwinkel der Beleuchtungsquelle für jedes Grad des vollen Bereichs von Oberflächenwinkelvariation um das Doppelte erhöht werden, um vollständig und gleichförmig beleuchtet zu erscheinen. Wenn beispielsweise eine Oberfläche +/-N Grad an Varianz für einen Gesamtbereich von 2 N Grad Varianz aufweist, muß der gesamte Raumwinkel der Lichtquelle um 4 N Grad und sein Durchmesser von WBFmin auf WBF erhöht werden (Fig. 2).
Dunkelfeldbeleuchtung verwendet Licht, das unter schrägen kleinen Winkeln auf das Objekt auftrifft, und die Erfassung der gestreuten oder gebeugten Strahlen von der geprüften Oberfläche außerhalb des direkten spiegelnden Sehfelds.
Das vorliegende Verfahren wird verwendet, um Informationen hauptsächlich aus den Kratzern und Teilchen zu erhalten, die bei Prüfung unter normalem Winkel einen sehr kleinen Querschnitt aufweisen, ihren Streuquerschnitt unter kleinen Winkeln jedoch erhöhen. Da das Dunkelfeld gestreutes Licht verwendet, löst dieses Verfahren die reale Größe des Defekts nicht auf, da bei diesem Winkel die Größe des einfallenden Laserflecks auf der Oberfläche viel größer sein kann als der kleinste erfaßbare Defekt.
Falls der Raumwinkel der Beleuchtung der Hellfeldleuchte in allen Richtungen bis zu dem Horizont erweitert würde und praktisch auch das Dunkelfeld abdecken würde, wäre das Ergebnis eine massive Halbkugel, die sowohl die Spiegel- als auch die gestreuten Strahlen mit sehr kleinen Einfallswinkeln fast parallel zu der geprüften Oberfläche enthält. In der Realität wird eine derartige kontinuierliche gleichförmige Beleuchtungsgeometrie niemals erzielt, es sei denn, es ist kein Beobachter anwesend, da der Beobachter unvermeidbar in dem das zu beobachtende Objekt umgebenden Feld eine Diskontinuität erzeugt. In diesem Fall liegt innerhalb einer Halbkugel eine kontinuierliche diffuse Beleuchtung vor, die eine theoretische, ideale, gleichförmige, omnidirektionale Lichtquelle ist, die in der Optik als Coblentz-Kugel oder als "Total Integrated Sphere" (TIS)-Leuchte bekannt ist.
US-5,461,417 offenbart eine auf diesem TIS- Prinzip basierende praktische "Continuous Diffuse Illumination" (CDI)-Lichtquelle.
Das grundlegende Merkmal des US-Patents ist die Kombination aus einer diffusen axialen Lichtquelle mit benachbarten außeraxialen Lichtquellen gleicher Helligkeit, die Licht auf eine Diffusionshalbkugel werfen, um ein kontinuierliches diffuses Beleuchtungsfeld zu erzeugen.
Die in dem US-Patent beschriebene CDI kann eine kontinuierliche gleichförmige diffuse Leuchte erzeugen, wenn sowohl die axialen als auch außeraxialen Lichtquellen gleichzeitig aktiv sind; falls nur eine Art eingeschaltet ist, schaltet sich die CDI selbst zu einer Hellfeldleuchte um, wenn nur die axiale Quelle eingeschaltet ist, oder zu einer Dunkelfeldleuchte, wenn nur die außeraxialen Quellen eingeschaltet sind. Sie braucht nicht nur einen eigenen spiegelähnlichen Strahlteiler zum Trennen der Hellfeldlichtstrahlen von dem von der geprüften Probe ankommenden reflektierten Licht, sondern die Installation von mindestens zwei zusätzlichen Dunkelfeldlichtquellen innerhalb der Diffusionshalbkugel. Ein optischer Schalter zwischen diesen BF- und DF-Quellen kann nur Lichtstrahlen mit festen Richtungen, Durchmessern und einem spezifischen Leistungsverhältnis liefern.
US-5,757,479 offenbart eine Prüfungsvorrichtung, die mindestens einen Teil einer Probe mit diffusem Licht von einer Quelle diffusen Lichts beleuchtet und die Probe auf der Grundlage des von der Probe reflektierten Lichts prüft.
EP-605 055 A2 betrifft ein Pyrometer mit einer Ulbrichtschen Kugel, die im Strahlungsgang einer Meßstrahlung angeordnet ist, und einen in der Ulbrichtschen Kugel angeordneten Diffusor.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und einen Prozeß zum Prüfen der Kantenmikrostruktur eines Halbleiterwafer auf der Grundlage einer TIS-Laserquelle.
Die Erfindung ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils der Ansprüche 1 und 7 gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der beanspruchten Vorrichtung, nämlich einen "Continuous Diffuse Variable Field Laser Illuminator" (CD-VFLI).
Die Vorrichtung umfaßt eine Diffusionshalbkugel 3 mit einem zentralen Zugangsanschluß 2 für eine Videokamera 1 und eine unter 45 Grad von dem Kameraanschluß 2 montierte Diffuslaserzielkugel 4. Es ist auch möglich, mehr als einen Zugangsanschluß und eine Kamera bereitzustellen, z. B. zwei Zugangsanschlüsse und zwei Kameras.
Der geprüfte Wafer 5 wird unter vorzugsweise 45 Grad von der Normalen unter der Halbkugel 3 positioniert, was einen besseren Kantenprüfungswinkel gestattet, um ein gleichmäßig fokussiertes vergrößertes Bild der Kantenabschrägung zu erhalten. Der Wafer wird auf einem Vakuumteller 11 angebracht, der schließlich mit einer Kardanplattform von der 45-Grad-Position weggekippt werden und mit einer Drehbühne gedreht werden kann.
Ein Laserstrahl 10 mit einem variablen Strahldurchmesser und variablem Querschnittsmuster, Vollkreis oder hohler Kreisring, trifft unter einem variablen Einfallswinkel (um 45 Grad von der Normalen) auf die Zielkugel 4 auf und wird in Richtung des Wafer 5 und der Halbkugel 3 reflektiert. Der fokussierte Laserstrahlfleck kann auf dem Ziel 4 oder außerhalb davon auf der Halbkugel 3 bewegt werden.
Durch Ändern des Laserstrahldurchmessers, seines Querschnittsmusters oder durch Bewegen der Laserfleckposition auf der Zielkugel 4 oder auf der Halbkugel 3 wird die Leuchtencharakteristik kontinuierlich von nur Hellfeld zu nur Dunkelfeld oder zu TIS geändert. Durch Defokussieren des Laserstrahls 10, der auf die Laserzielkugel 4 fällt, von BF 6 bis DF 7 kann man die Charakteristik der Beleuchtungslichtquelle kontinuierlich von nur einer Hellfeldquelle (falls der Laserstrahldurchmesser auf WBFmax 8 begrenzt ist) zu nur einer Dunkelfeldquelle (falls ein ringförmiges Strahlmuster gewählt ist, mit einem Durchmesser zwischen WBFmax 8 und WDFmax 9) oder zu einer kontinuierlichen diffusen gleichförmigen Lichtquelle TIS (falls der kreisförmige Laserstrahl einen größeren Durchmesser als WDFmax 9 aufweist und die Diffusionshalbkugel 3 erreicht) modifizieren.
Eine zweite Möglichkeit zum Ändern der Leuchtencharakteristik besteht darin, den Durchmesser bzw. das Muster des Laserstrahls unverändert zu lassen, aber den fokussierten Laserfleck auf der Laserzielkugel zu bewegen, um einen variablen Einfallswinkel der auf die geprüfte Probe auftreffenden reflektierten Strahlen zu erhalten, und dann die Quellencharakteristik von einem Hellfeld zu einem Dunkelfeld oder zu TIS zu ändern.

Claims

1. Vorrichtung zum Prüfen der Kantenmikrostruktur eines Halbleiterwafer (5), der folgendes umfaßt: eine Diffusionshalbkugel (3) mit mindestens einem Zugangsanschluß (2) und eine Normalachse definierend, eine Beleuchtungsquelle, einen Vakuumteller (11) und mindestens eine Kamera (1), gekennzeichnet durch eine Laserzielkugel (4), die innerhalb der Halbkugel unter einem außeraxialen Winkel von der Normalachse befestigt ist;

ein Laser als Beleuchtungsquelle, der einen Laserstrahl (10) zu der Laserzielkugel lenkt und auf der Laserzielkugel einen Laserfleck bildet, wobei der Laserstrahl von der Laserzielkugel zu einer Waferkante und der Halbkugel reflektiert wird;

wobei der Vakuumteller die Waferkante zu dem reflektierten Laserstrahl hält, wobei die Waferkante von der Normalachse gekippt ist; und

wobei die Kamera den Zugangsanschluß verlassende Strahlung erfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Waferkante unter ungefähr 45 Grad von der Normalachse gekippt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserzielkugel unter ungefähr 45 Grad von dem Zugangsanschluß angebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Variieren des Durchmessers des Laserstrahls.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Variieren des Querschnittsmusters des Laserstrahls.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Bewegen des Laserflecks auf der Laserzielkugel oder auf der Halbkugel.

7. Verfahren zum Prüfen der Kantenmikrostruktur eines Halbleiterwafer (5) durch Erfassen reflektierten Lichts, gekennzeichnet durch Richten eines Laserstrahls (10) auf eine Laserzielkugel (4), die innerhalb einer Diffusionshalbkugel (3) außeraxial von einer durch die Halbkugel definierten Normalachse angebracht ist, wobei der Laserstrahl auf der Laserzielkugel einen Laserfleck bildet;

Reflektieren des Laserstrahls von der Laserzielkugel zu der Kante eines Wafer und der Halbkugel;

Erfassen von Strahlung, die die Halbkugel durch mindestens einen Zugangsanschluß der Halbkugel verläßt, mit mindestens einer Kamera (1); und

Bereitstellen der Möglichkeit zur kontinuierlichen Änderung einer Leuchtencharakteristik durch Ändern des Laserstrahldurchmessers oder durch Ändern des Querschnittmusters des Laserstrahls oder durch Bewegen der Laserfleckposition auf der Zielkugel oder durch Bewegen des Laserflecks auf der Halbkugel.

8. Verfahren nach Anspruch 7, mit dem Festlegen einer Hellfeldleuchtencharakteristik.

9. Verfahren nach Anspruch 7, mit dem Festlegen einer Dunkelfeldleuchtencharakteristik.

10. Verfahren nach Anspruch 7, umfassend das Festlegen einer TIS-(total integrated sphere)- Leuchtencharakteristik.