藍(lán) 科，劉 逍，李潤(rùn)芝

（上海微電子裝備（集團(tuán)）股份有限公司，上海 201203）

在光刻研究領(lǐng)域，灰塵顆粒、環(huán)境振動(dòng)等微觀干擾均能形成嚴(yán)重的工作串?dāng)_，造成整個(gè)光刻產(chǎn)品的不理想或嚴(yán)重缺陷。硅基晶片在刻蝕過程中，曝光鏡頭將光刻掩模板上的圖案投影于晶片表面的光刻膠之上，然后經(jīng)過顯影、刻蝕等步驟獲得期望的微觀結(jié)構(gòu)。在此過程中，倘若掩模板或晶片表面存在一定數(shù)量的雜質(zhì)顆粒，那么將會(huì)嚴(yán)重影響光刻機(jī)的刻蝕效果，導(dǎo)致產(chǎn)出無效的光刻產(chǎn)品。因此，一般要求光刻機(jī)在高潔凈的工作環(huán)境中工作，與此同時(shí)，對(duì)掩模板和晶片表面的雜質(zhì)顆粒分布情況進(jìn)行嚴(yán)格把控，避免因無效刻蝕而造成損失。

基板顆粒檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于平板玻璃、顯示屏等各種標(biāo)準(zhǔn)表面的顆粒檢測(cè)[1-2]，在工業(yè)應(yīng)用過程中，微米級(jí)別顆粒（灰塵顆粒、雜質(zhì)等，一般檢測(cè)尺寸需求為幾十到幾百微米）的控制極為重要。德國申克博士有限公司出售的顆粒檢測(cè)產(chǎn)品具有良好的檢測(cè)效果，結(jié)合多檢測(cè)通道實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)，檢測(cè)寬度范圍大于500mm，精度小于10μm。而在國內(nèi)，少有相關(guān)大板面顆粒檢測(cè)技術(shù)及產(chǎn)品的報(bào)道。

本文所述的大掩模板顆粒檢測(cè)平臺(tái)基于常用的暗場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)的激光整形光路，實(shí)現(xiàn)大板面顆粒檢測(cè)技術(shù)。采用微透鏡陣列的線陣相機(jī)代替多個(gè)大視場(chǎng)成像鏡頭與高精度相機(jī)的組合，并以整形激光代替大功率的LED照明光源，能夠極大降低設(shè)計(jì)成本，并實(shí)現(xiàn)良好的檢出效果。本文對(duì)顆粒檢測(cè)技術(shù)的原理、方案、標(biāo)定方法、檢測(cè)精度及誤差等進(jìn)行了分析與總結(jié)。

1 測(cè)量原理

米氏散射理論[3-4]詳細(xì)地給出了顆粒對(duì)照明光的散射作用，并由照明光的光強(qiáng)計(jì)算出不同散射方向及空間角的散射能量分布。其中，固定空間角內(nèi)散射的能量與入射光的波長(zhǎng)及顆粒尺寸密切相關(guān)，在理想的球型顆粒散射情況下，顆粒散射能量隨顆粒直徑增大整體呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)。

一般顆粒檢測(cè)技術(shù)根據(jù)檢測(cè)方式不同分為明場(chǎng)檢測(cè)與暗場(chǎng)檢測(cè)[5-6]，圖1（a）所示為明場(chǎng)檢測(cè)與暗場(chǎng)檢測(cè)的示意圖。圖1（b）所示為顆粒在自由空間的散射能量分布，其散射分布具有明顯的各向異性，其中與入射光夾角較小的散射方向有著非常強(qiáng)的散射能量，并且隨著散射角度的變化存在一定數(shù)量的散射峰值。準(zhǔn)確地獲取不同顆粒在固定空間角的散射信息，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)標(biāo)定，那么根據(jù)所收集的能量值即可在一定精度下反映顆粒的尺寸。此方案采用散射能量來進(jìn)行顆粒尺寸標(biāo)定，而非通過常規(guī)的物象倍率關(guān)系判斷，因此需要避開照明光線的反射光，由暗場(chǎng)檢測(cè)方式捕獲顆粒的散射能量。

圖1 顆粒散射示意圖

2 檢測(cè)方案及裝置

線型激光測(cè)量方案可用于大面積掩模板的雙面顆粒檢測(cè)，采用線型激光進(jìn)行照明，線陣相機(jī)在側(cè)向接收待測(cè)面的側(cè)向散射光信息，以暗場(chǎng)檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)顆粒檢出。該檢測(cè)系統(tǒng)主要由照明模塊、成像模塊、焦面控制模塊、顆粒識(shí)別及標(biāo)定模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊組成，圖2為該系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)圖。

圖2 線型激光顆粒檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為形成視場(chǎng)足夠長(zhǎng)均勻照明光斑的照明模塊功能，主要由可見光激光器及整形光路組成，激光器激發(fā)的準(zhǔn)平行高斯光束經(jīng)Powell棱鏡形成均勻性良好的線型光斑，再由擴(kuò)束及準(zhǔn)直光路進(jìn)行調(diào)整，最后以85°入射角掠入射至被測(cè)掩模板表面，形成單照明視場(chǎng)大于350mm×3mm、均勻性優(yōu)于85%的線型照明視場(chǎng)。并由兩側(cè)兩個(gè)照明光路進(jìn)行視場(chǎng)拼接，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)范圍寬度大于700mm的檢出效果。

成像模塊主要由線陣相機(jī)組成，其置于照明視場(chǎng)的側(cè)向，避開照明反射光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并以相對(duì)被測(cè)表面法線50°夾角進(jìn)行成像。線陣相機(jī)以微透鏡陣列收集待測(cè)面散射光，本身具有非常小的成像數(shù)值孔徑（NA=0.0025），可以防止環(huán)境雜散光及非檢測(cè)區(qū)域散射光對(duì)微弱顆粒散射光的影響。

焦面控制模塊及運(yùn)動(dòng)控制模塊是系統(tǒng)保證測(cè)量穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵部分，焦面控制主要由位移傳感器實(shí)現(xiàn)，保證線陣相機(jī)視場(chǎng)始終處于照明視場(chǎng)范圍，避免因待測(cè)表面的離焦效應(yīng)導(dǎo)致漏檢的現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)控制模塊是實(shí)現(xiàn)一維穩(wěn)定掃描的運(yùn)動(dòng)裝置，運(yùn)動(dòng)速度與相機(jī)掃描速度保持相對(duì)穩(wěn)定與一致，避免產(chǎn)生拖影，從而影響成像質(zhì)量。

基板顆粒測(cè)量的主要流程包括：掩模板/基板傳輸、焦面調(diào)整、照明及成像系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉、圖像數(shù)據(jù)處理（顆粒識(shí)別及顆粒數(shù)量及尺寸統(tǒng)計(jì)）、結(jié)果反饋等。其中，為提高檢測(cè)系統(tǒng)的速度及可靠性，采用了幾種關(guān)鍵技術(shù)：線光斑以大角度掠入射照明，并采用兩側(cè)分布的測(cè)量光路進(jìn)行視場(chǎng)拼接，實(shí)現(xiàn)超大視場(chǎng)檢測(cè)；可采用掩模板上下表面同時(shí)布置檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)上下表面同時(shí)測(cè)量；采用實(shí)時(shí)調(diào)焦或整場(chǎng)調(diào)焦適應(yīng)不同的表面傾斜及起伏要求；照明成像系統(tǒng)采用標(biāo)記位開啟功能，避免無檢測(cè)時(shí)，激光器及相機(jī)的工作損耗；圖像數(shù)據(jù)處理與檢測(cè)成像同時(shí)進(jìn)行，縮短整個(gè)檢測(cè)流程的時(shí)間損耗，提高檢測(cè)效率；同時(shí)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)到的顆粒數(shù)目及尺寸，綜合考慮判斷表面顆粒是否在可接受范圍。

此方案采用相干性良好的激光作為照明光源，光線可控性良好，照明功率密度相對(duì)較高，可以提高顆粒的散射能量，防止因顆粒散射效率太低導(dǎo)致無法被線陣相機(jī)靈敏檢測(cè)。

3 結(jié)果分析

3.1 顆粒尺寸標(biāo)定

基板顆粒度檢測(cè)系統(tǒng)一般僅統(tǒng)計(jì)大于特定尺寸的顆粒，或?qū)Σ煌叽绶秶念w粒數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，一般檢測(cè)需求為幾十微米到幾百微米?；孱w粒度檢測(cè)直接得到的數(shù)據(jù)為暗場(chǎng)散射成像圖，在顆粒尺寸與線陣相機(jī)的像素尺寸較為接近時(shí)，直接成像方式難以獲取準(zhǔn)確的顆粒尺寸信息，如圖3所示。

圖3 不同直徑標(biāo)準(zhǔn)顆粒局部區(qū)域檢測(cè)成像（a）40μm、（b）60μm、（c）80μm及單個(gè)顆粒的灰度分布圖（d）40μm、（e）60μm、（f）80μm

暗場(chǎng)檢測(cè)主要以散射光能量作為顆粒標(biāo)定的依據(jù)，即相機(jī)捕獲的單顆粒圖像的灰度和（DN，Digital Number）反映即為顆粒散射能量，當(dāng)顆粒尺寸大于相機(jī)像素尺寸時(shí)，由邊界提取算法提取單顆粒像素分布，并統(tǒng)計(jì)該邊界范圍內(nèi)所有像素灰度的和值；當(dāng)顆粒尺寸小于像素尺寸時(shí)，顆粒成像具有一定彌散效應(yīng)，一般我們統(tǒng)計(jì)3×3像素范圍內(nèi)的灰度和值作為統(tǒng)計(jì)參考。不同直徑顆粒的灰度和可以由標(biāo)準(zhǔn)直徑顆?；蛱囟?biāo)定板的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)標(biāo)定，并由多個(gè)已知尺寸統(tǒng)計(jì)值擬合獲得不同直徑顆?；叶群偷臉?biāo)準(zhǔn)參考。

圖3為定制顆粒直徑已知標(biāo)準(zhǔn)40μm、60μm、80μm直徑的顆粒線陣CCD拍圖，相機(jī)的像素分辨率為41.65μm，有效成像視場(chǎng)為385mm。圖3（a）、（b）、（c）所示為截取像素尺寸80mm×8mm范圍的顆粒成像效果，由于大視場(chǎng)相機(jī)像素分辨率的限制，無法通過成像方式直接辨別顆粒直徑較小的顆粒。圖3（d）、（e）、（f）分別為截取圖3（a）、（b）、（c）中典型顆粒的局部圖片，可以發(fā)現(xiàn)顆粒的實(shí)際成像尺寸大于3×3的像素范圍，即實(shí)際成像直徑大于120μm，顆粒本身的暗場(chǎng)成像具有一定的彌散效應(yīng)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸顆粒的成像結(jié)果，將顆粒的灰度和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行正態(tài)分布擬合，以其正態(tài)分布的中心作為顆粒的典型參照。圖4為顆粒直徑已知為（a）40μm、（b）60μm、（c）80μm統(tǒng)計(jì)與擬合的結(jié)果，其顆粒的灰度和分布中心分別為876DN、1526DN、2097DN。此分布中心將作為實(shí)際測(cè)量的參考值，將幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顆粒散射直徑與灰度和進(jìn)行二次插值擬合，最終得到顆粒尺寸與像素灰度和之間的函數(shù)關(guān)系式。

圖4 顆粒灰度統(tǒng)計(jì)圖

由米氏散射理論可以得出，當(dāng)顆粒尺寸在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，顆粒散射能量與散射截面的大小接近線性關(guān)系，即相機(jī)成像的灰度和與散射顆粒直徑的平方接近線型關(guān)系。我們將之前得到的灰度和與顆粒直徑進(jìn)行二次關(guān)系擬合，得到圖5所示曲線，為顆粒直徑，ETotal為單顆?；叶群?，20μm≤D≤90μm）。根據(jù)此擬合關(guān)系式即可在一定誤差范圍內(nèi)，由相機(jī)得到的灰度和計(jì)算出實(shí)際顆粒的大小。

圖5 單顆?；叶群团c顆粒直徑的關(guān)系

3.2 檢測(cè)精度

顆粒檢測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)指標(biāo)一般包括特定尺寸范圍內(nèi)的顆粒數(shù)目及大于規(guī)定顆粒尺寸的顆粒數(shù)目，這些要求對(duì)系統(tǒng)的最小檢測(cè)精度及顆粒檢測(cè)的尺寸靈敏度有著一定的要求。根據(jù)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，最小檢測(cè)精度與照明視場(chǎng)的能量密度和相機(jī)的成像數(shù)值孔徑（NA）、光譜響應(yīng)、掃描速度等密切相關(guān)。

照明視場(chǎng)的能量密度由光源的出射功率與照明光斑的面積決定，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中，需要結(jié)合相機(jī)的光譜響應(yīng)及成像NA對(duì)散射能量進(jìn)行預(yù)算，保證最小檢測(cè)精度顆粒的散射能量在相機(jī)響應(yīng)范圍之內(nèi)。

相機(jī)掃描速度同樣是限制相機(jī)接收能量的一個(gè)重要指標(biāo)，掃描速度越快，成像積分時(shí)間越小，相機(jī)實(shí)際接收的能量越少，最小檢測(cè)精度隨之變差。

在上述大掩模顆粒度檢測(cè)系統(tǒng)中，由測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，顆粒尺寸20μm時(shí)，顆?；叶群徒咏?00DN，明顯高于相機(jī)的靈敏檢測(cè)范圍，即最小檢測(cè)精度小于20μm。在更小的檢測(cè)精度范圍內(nèi)，需要根據(jù)實(shí)際的需求對(duì)更小尺寸范圍顆粒進(jìn)行標(biāo)定，保證標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 誤差分析

實(shí)際的測(cè)量及標(biāo)定流程均基于一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，此外系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身仍然存在照明不均勻性、相機(jī)響應(yīng)不均勻性、各類振動(dòng)及干擾等影響，因此顆粒尺寸標(biāo)定會(huì)存在一定的誤差。標(biāo)定誤差的主要來源包括：不規(guī)則顆粒的各向散射差異，不同形狀的顆粒在特定空間角散射效率對(duì)照明方向具有敏感的響應(yīng)；標(biāo)準(zhǔn)顆粒本身的尺寸精度誤差；光源、相機(jī)、機(jī)械及運(yùn)動(dòng)模塊的偏差帶來的影響。表1以正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)的σ值為偏差標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)判顆粒的灰度和波動(dòng)，并以灰度和均值作為基準(zhǔn)，計(jì)算顆粒尺寸誤差（灰度和與顆粒散射截面大小接近線型關(guān)系）。

表1 顆粒灰度和統(tǒng)計(jì)偏差量

正態(tài)分布的σ值越大，則表示顆粒檢測(cè)的尺寸準(zhǔn)確性越低，越容易造成顆粒測(cè)量尺寸的誤差，表1所示為計(jì)算得到的統(tǒng)計(jì)誤差結(jié)果，實(shí)際顆粒尺寸偏差的標(biāo)準(zhǔn)值隨顆粒直徑減小而增大，40μm顆粒尺寸標(biāo)準(zhǔn)偏差為25%，80μm顆粒尺寸的標(biāo)準(zhǔn)偏差為14%。此類誤差可通過提高方案設(shè)計(jì)照明光強(qiáng)分布的均勻性，照明方向的多向性來減弱此類影響，難以通過標(biāo)定的方法進(jìn)行校正。統(tǒng)計(jì)參數(shù)二次擬合的準(zhǔn)確性將反映測(cè)量結(jié)果的可靠性，以擬合曲線與統(tǒng)計(jì)參數(shù)間的均方根來判斷擬合的效果，結(jié)果表明顆粒擬合誤差的均方根為2.75μm，擬合誤差小于7%。

4 結(jié)論

采用線型光斑結(jié)合線陣相機(jī)的方案能夠?qū)崿F(xiàn)大面積基板表面顆粒的快速檢測(cè)，利用暗場(chǎng)檢測(cè)手段可實(shí)現(xiàn)突破相機(jī)像素分辨的顆粒直徑檢測(cè)。上述的大掩模顆粒度檢測(cè)系統(tǒng)采用多視場(chǎng)結(jié)合的形式，實(shí)現(xiàn)大掩?；宓目焖贆z測(cè)，對(duì)板面尺寸為750mm×1050mm的掩模板，雙面顆粒測(cè)量及檢出總時(shí)間小于3分鐘，能夠?qū)崿F(xiàn)直徑大于40μm顆粒的快速檢測(cè)。以統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律實(shí)現(xiàn)顆粒尺寸的高精度標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)顆粒數(shù)量與顆粒尺寸的雙重鑒定檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。