陳 魯 劉健鵬 張 嵩 李成敏

深圳中科飛測科技股份有限公司 廣東 深圳 518000

引言

集成電路制造技術被譽為人類工業(yè)制造的皇冠,隨著集成電路技術的不斷發(fā)展,其制造工藝越來越精密和復雜。對制造過程中的缺陷要求也越來越嚴格。而且不僅關注晶圓正面上的集成電路的缺陷,也逐漸關注晶圓邊緣集成電路以外的缺陷。邊緣的缺陷主要有以下幾種類型:殘膠、劃痕、膜層開裂或脫落、崩邊等。殘膠、劃痕、膜層開裂或脫落等缺陷在工藝過程中會揮發(fā)出顆粒對集成電路部分造成污染,而崩邊更會造成晶圓整體碎裂,進而污染整個生產線。

目前晶圓邊緣的檢測方式通常為人工目檢,顯然人工目檢嚴重依賴技術員的視力和注意力,判斷非常主觀,而且發(fā)現的缺陷通常以文字描述為主,不能形成圖像數據,不利于工藝流程的整合和優(yōu)化。通常利用成像技術對關注區(qū)域拍照即可保留缺陷的圖像數據,但是晶圓邊緣通常為鏡面反射特性,局部形貌在半導體標準規(guī)定的范圍內波動,導致明場成像下反射光線不可控,最終導致明場圖像亮度均勻性差,甚至有暗場區(qū)域,無法獲得圖像信息。

KLA-Tencor Technologies公司采用了線掃成像方式,晶圓旋轉一周,對晶圓邊緣掃描成像,但是照明光線角度單一,使得邊緣圖像部分飽和,部分又太暗。Raytex公司同樣采用旋轉掃描,但是成像和照明方式為單點照明和單點成像,根據晶圓掃面一圈后散射光強信號的變化判斷是否有缺陷,雖然靈敏度較高,但是獲取的僅為信號,沒有缺陷的圖像信息,不夠直觀,很難為工藝的良率提升提供有效數據。Rudolph Technologies采用了更全面的散射光照明,光源需要光纖與導光玻璃體。雖然能夠實現豐富的照明角度以及均勻度成像,但是僅限于晶圓的上下平邊和側面的垂直邊緣,側面的斜邊不能成像。

本文設計的光學檢測系統(tǒng)采用了明場穹頂照明方式,并對晶圓邊緣進行掃描成像,晶圓旋轉一周即可完成清晰成像,所獲得的圖像可作為生產工藝優(yōu)化的數據基礎,對集成電路制造技術的良率提升提供有利支撐。

1 晶圓邊緣檢測系統(tǒng)

晶圓邊緣的光學成像方式,采用線掃描成像,晶圓旋轉一周即可完成掃描成像。但是晶圓邊緣的局部形貌不固定,導致通常的明場照明下,會有暗區(qū)產生。

1.1 晶圓邊緣形貌研究

如圖1所示為半導體標準要求的晶圓輪廓截面形狀,標準僅限定了A、B、C、D四個點的位置,截面輪廓在這4個點內穿過就可以,因此輪廓具有一定隨機性。根據光線可逆的原理,成像系統(tǒng)無論從哪個角度成像,每個視場需要的照明光線都不確定。圖中視場1、2、3位置不同,每個點上的法線方向不同。對成像光線逆向追跡可見,需要的照明光線來自不同的方向。一般的照明系統(tǒng)照明光線角度單一,而如果照明系統(tǒng)僅提供視場中心（圖1中第2點）的照明光線,那么視場1和視場3沒有照明光線,在圖像上體現為背景黑色的暗場照明,整體上體現為從視場中心向視場邊緣由明到暗的過度,圖像亮度嚴重不均勻,無法用于機器視覺的智能識別缺陷。

1.2 照明系統(tǒng)設計

根據上節(jié)分析,晶圓邊緣的光學檢測系統(tǒng)難點在于照明系統(tǒng)。本文設計的照明系統(tǒng)核心是利用穹頂照明的原理,對邊緣提供全方位的照明光線,使得邊緣圖像全部為明場成像。

如圖2所示,利用Lighttools對成像光線進行逆向追跡,可以獲得照明光線的分布情況。通過設置球形探測器可以獲得光源發(fā)光點的分布以及發(fā)光點發(fā)光角度的分布。圖3為逆向追跡后在光源表面的光線分布,該分布可作為設計光源發(fā)光面的參考。

圖2 對照明光線逆向追跡Fig.2 Trace the illumination rays

圖3 光源發(fā)光面上的光線分布Fig.3 The light trace distribution of light source surface

圖4所示穹頂光源原理上為球體,但是球體體積太大,也不易制造。根據圖3逆向追跡獲得的光源光線分布,在穹頂光源的球體上截取需要的部分,以此發(fā)光面制造光源。截取的有效光源尺寸為,直徑40mm,寬度20mm,圓弧角度210度,外型類似“C”型。發(fā)光面在±30度內均勻性大于95%。

圖4 穹頂光源Fig.4 Dome Light source

1.3 光學檢測系統(tǒng)

機器視覺的成像鏡頭通常為物方遠心鏡頭,因為物方遠心成像亮度均勻,物方放大率與工作距離誤差無關。本文的成像鏡頭也采用物方遠心鏡頭,光學系統(tǒng)成像部分如下:

圖5 邊緣檢測成像系統(tǒng)Fig.5 Wafe edge Image system

邊緣的檢測光路分成三部分,分別對晶圓邊緣是上斜邊、側邊和下斜邊成像。鏡頭均為1.5倍物方遠心鏡頭,物方F數=11。三支成像光路有重疊部分,保證對晶圓邊緣的全覆蓋成像檢測。

圖6所示整體的光學系統(tǒng)采用斜入射明場照明,成像系統(tǒng)入射角25度,晶圓繞圓心自轉,旋轉一周后完成對整個圓周的掃描成像。

圖6 邊緣檢測光學提供Fig.6 Edge Inspec t i on Op t i ca l Sys t em

2 實驗驗證

常規(guī)的明場照明為條形光源,在物面上形成一條線型照明光斑。然而這種照明方法如前文所述不能提供足夠豐富的照明角度,導致晶圓邊緣局部產生暗區(qū),如圖7紅框所示,為明場照明不到的范圍。本文設計的穹頂照明可以實現均勻照明,獲得亮度均勻無暗區(qū)的邊緣圖像。前后對比如下圖所示:

圖7 常規(guī)明場照明與本文設計的明場照明對比Fig.7 The general bright field illumination vs.designed bright field illumination

圖8所示為本文設計的光學檢測系統(tǒng)拍攝的晶圓邊緣局部圖像,可以對邊緣上下斜邊和側邊全覆蓋成像,且成像均勻無暗區(qū)。

圖8 本文設計的光學檢查系統(tǒng)最終成像效果Fig.8 The image of inspection System

3 結論

本文針對晶圓邊緣的形貌特點和反射率特性,針對性的設計了穹頂明場照明。根據光線可逆原理,利用Lighttools對成像光線做逆向追跡,獲得了穹頂球體需要的部分,設計出體積小巧,可達到穹頂照明效果的照明系統(tǒng),與成像系統(tǒng)一起構成晶圓邊緣的光學檢測系統(tǒng)。光源尺寸為,寬度20mm,圓弧長度210度,發(fā)光面直徑40mm的“C”型光源,成像系統(tǒng)為1.5倍物方遠心鏡頭,搭配線掃相機,晶圓繞圓心旋轉一周,可實現對晶圓邊緣一周的掃描拍照。