具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪及缺陷分类方法.pdf

一种具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪及缺陷分类方法，采用一束激光从倾斜方向聚焦照射置于高稳定硅片工作平台上的待测硅片的平面表面，由硅片表面缺陷所产生的散射光分别在沿接近硅片表面法线的方向和接近平行硅片表面的方向被两个口径不同的抛物面镜进行圆形窄通道收集和环形宽通道收集。由两个光电探测器分别测得两个通道收集到的光电信号的强度并对两个强度取比值，然后通过将该比值与一事先设定的阈值进行比较，即可对硅片表面的缺陷进行分类。该缺陷检测仪具有结构简单、灵敏度高、检测速度快、能对硅片表面缺陷进行分类

1、  一种具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪，其构成包括：在激光光源组件(1)发出的光束前进的方向上，依次有隔离器(2)、双凹透镜(3)和第一平凸透镜(4)组成的扩束系统、双胶合聚焦透镜(6)和平面反射镜(9)；待测量硅片(10)位于能同时进行旋转和平动的硅片工作台(11)上；光束经所述的平面反射镜(9)转折倾斜聚焦入射在待测量硅片(10)表面，在待测量硅片(10)的反射光方向上设有一光学陷阱(15)，在所述的待测量硅片(10)表面缺陷所产生的散射光方向被第二平凸透镜(8)准直形成准直光束，其特征在于：
在所述的的准直光束方向依次是小抛物面镜(7)和大抛物面镜(5)，第二光电探测器(14)位于所述的小抛物面镜(7)的焦平面，第一光电探测器(12)位于所述的大抛物面镜(5)的焦平面，位于所述的准直光束的中心内圆区域的小抛物面镜(7)将所述的中心内圆区域的准直光束反射聚焦于第二光电探测器(14)构成散射光内圆形窄通道收集；而其余外环部分的准直光束则由所述的大抛物面镜(5)反射聚焦于第一光电探测器(12)构成散射光环形宽通道收集，所述的第二光电探测器(14)和第一光电探测器(12)的输出端均连接计算机(13)。

2、  根据权利要求1所述的具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪，其特征在于所述的第二平凸透镜(8)采用高折射率的玻璃材料，口径为30mm，工作距离为18～20mm，数值孔径为0.75～0.85。所述的第二抛物面镜(7)的口径为10mm，焦距为30mm，数值孔径为～0.2。所述的第一抛物面镜(5)的口径为30mm，焦距为30mm，数值孔径为～0.5。

3、  根据权利要求1所述的具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪，其特征在于所述的硅片工作台(11)的平动仍采用步进马达，而转动则采用了直流马达加编码器驱动，旋转速度达每分钟1500转以上。

4、  根据权利要求1所述的具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪，其特征在于所述的激光光源(1)为激光二极管泵浦的倍频激光器，输出波长为532nm，直径1mm，光束发散角1mrad，功率为150mW，并采用扩束和聚焦系统进一步缩小聚焦光斑。

5、  根据权利要求1所述的具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪，其特征在于所述的第二光电探测器(14)和第一光电探测器(12)是光电倍增管，其工作电压为500V。

6、  利用权利要求1所述的具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪进行缺陷分类的方法，其特征是利用所述的第二光电探测器(14)和第一光电探测器(12)的探测的散射光信号的比值与事先确定的阈值进行比较而对硅片表面的缺陷进行分类，当测量散射光信号的比值大于该事先设定的阈值，则缺陷为微小粒子一类；当测量散射光信号的比值小于该事先设定的阈值，则缺陷为划痕一类。

7、  根据权利要求6所述的进行缺陷分类的方法，其特征是所述的阈值为0.1。

具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪及缺陷分类方法
技术领域
本发明涉及硅片，特别是一种具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪及缺陷分类方法。
背景技术
硅片表面缺陷检测仪是芯片生产线不可或缺的配套在线检测设备。集成电路芯片生产的每道工序都可能机械或人为地引入缺陷和玷污。在大规模集成电路(以下简称为VLSI)生产过程中，缺陷的探测和分类是关乎生产成品率的重要问题。
现代大规模集成电路对电路芯片缺陷检测设备分辨率的要求通常为它最小线宽的1/3，如此高的分辨率，传统的检测技术已很难满足要求。随着VLSI集成度的不断提高和线宽的不断下降，针对各类表面缺陷的激光扫描散射检测技术得到了快速的发展。当聚焦的激光束在硅片表面扫描时，表面的缺陷会产生漫散射光。这些散射光中包含了缺陷的形状、种类和位置等丰富的信息。通过高效率的散射光收集器收集这些散射光，并经光电探测器和电子学系统转变为电信号。通过选择调整激光束的入射角、光收集的空间角、不同类型的滤光器以及激光的波长、功率和光的偏振态等参数，使数据处理系统能增强探测的缺陷信号，抑制噪声信号，最终在观察系统中获得被检测缺陷的信号。
现有专利(专利号ZL 200520045038.7)中仅采用由一对凸面相对的平凸透镜构成的散射光收集镜头对散射光进行收集，光电探测器置于收集镜头的焦点处。该平凸透镜对将收集角内所有的散射光全部聚焦到光电探测器，无法对散射光的空间分布进行分析。
现有专利仅具备缺陷的探测功能，而无法对缺陷进行分类。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪及缺陷分类方法，实现硅片表面缺陷的检测与分类。该缺陷检测仪具有结构简单、灵敏度高、检测速度快、能对硅片表面缺陷进行分类等优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪，其构成包括：在激光光源组件发出的光束前进的方向上，依次有隔离器、双凹透镜和第一平凸透镜组成的扩束系统、双胶合聚焦透镜和平面反射镜；待测量硅片位于能同时进行旋转和离轴平动的硅片工作台上；光束经所述的平面反射镜转折倾斜聚焦入射在待测量硅片表面，在待测量硅片的反射光方向上设有一光学陷阱，在所述的待测量硅片表面缺陷所产生的散射光方向被第二平凸透镜准直形成准直光束，其特点在于：
在所述的的准直光束方向依次是小抛物面镜和大抛物面镜，第二光电探测器位于所述的小抛物面镜的焦平面，第一光电探测器位于所述的大抛物面镜的焦平面，位于所述的准直光束的中心内圆区域的小抛物面镜将所述的中心内圆区域的准直光束反射聚焦于第二光电探测器构成散射光内圆形窄通道收集；而其余外环部分的准直光束则由所述的大抛物面镜反射聚焦于第一光电探测器构成散射光环形宽通道收集，所述的第二光电探测器和第一光电探测器的输出端均连接计算机。
所述的第二平凸透镜采用高折射率的玻璃材料，口径为30mm，工作距离为18～20mm，数值孔径为0.75～0.85。所述的小抛物面镜的口径为10mm，焦距为30mm，数值孔径为～0.2。所述的大抛物面镜的口径为30mm，焦距为30mm，数值孔径为～0.5。
所述的硅片工作台的平动采用步进马达，而转动则采用了直流马达加编码器驱动，旋转速度达每分钟1500转以上。
所述的激光光源组件为激光二极管泵浦的倍频激光器，输出波长为532nm，直径1mm，光束发散角1mrad，功率为150mW，并采用扩束和聚焦系统进一步缩小聚焦光斑。
所述的第二光电探测器和第一光电探测器都是光电倍增管，其工作电压为500V。
利用权利要求1所述的具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪进行缺陷分类的方法，其特征是利用所述的第二光电探测器和第一光电探测器的探测的散射光信号的比值与事先确定的阈值进行比较而对硅片表面的缺陷进行分类，当测量散射光信号的比值大于该事先设定的阈值，则缺陷为微小粒子一类；当测量散射光信号的比值小于该事先设定的阈值，则缺陷为划痕一类。
所述的阈值为0.1。
本发明通过内外环双通道光学收集系统，利用两个不同孔径的抛物面镜将缺陷导致的散射光中沿接近硅片表面法线和接近硅片表面平行方向的两部分分别提取出来，并聚焦到两个探测器上去。经过我们的实际测量验证，通过对两个探测器所测得的光电信号的强度进行比较，可以对硅片表面的缺陷进行分类。其原因在于，对于光的米氏散射而言，具有球对称性的粒子所产生的散射光其空间分布也较对称；而相对较狭长的狭缝型缺陷所产生的散射光则较集中在沿接近硅片表面平行的方向。
为了确定所述的阈值，在我们的实验中，我们先对两组已知形状的缺陷(其中一组缺陷是球形微粒，另一组缺陷是划痕)，分别计算两个光电探测器所测得的信号的比值的平均值。然后我们将该阈值设置在两个平均值的中间。我们的实验结果表明，对球对称的微小物体，其散射光的空间分布相对比较均匀；而对于划痕类等非球对称性瑕疵，其散射光在接近硅片表面法线的方向上相对比较弱，而在平行于表面的方向上较强。利用这一特性，可以简单地根据上述两个光电探测器之间的比值与上述设定的阈值进行比较来确定硅片表面缺陷的类型是粒子或划痕。当测量信号的比值大于该事先设定的阈值，则缺陷为微小粒子一类；当测量信号的比值小于该事先设定的阈值，则缺陷为划痕一类。
所述的硅片工作台是平动和旋转平台相结合的螺旋扫描系统，扫描的初始点为硅片的中心，激光聚焦焦斑保持位置固定不变，通过两个平台的匀速转动与匀速平动移动硅片，使聚焦光斑相对硅片做沿阿基米德螺线轨迹的运动，直到完成对整个硅片表面的扫描。采用这样的扫描方式，激光焦斑的扫描区域可以完全覆盖整个硅片，实现无缺漏的缺陷检测。与现有专利(专利号ZL 200520045038.7)相比，本发明平动仍采用步进马达，而转动则采用了直流马达加编码器驱动，旋转速度达每分钟1500转以上，远高于原专利中采用的步进马达的每分钟400转的转速，使得扫描速度相应大大提高，从而使对直径200mm的硅片缺陷的检测速度由原来的30片/小时提高到100片/小时。
所述的激光光源为激光二极管泵浦的倍频激光器，输出波长为532nm，直径1mm，光束发散角1mrad，功率由原来的100mW提高到150mW，并采用扩束和聚焦系统进一步缩小聚焦光斑，同时将光电倍增管的工作电压由原来的380V提高到500V，使散射光的测量信噪比得到显著增强，从而提高了缺陷检测灵敏度。最终该仪器能检测的缺陷尺寸从原来的200nm提高到60nm。
同现有的技术相比，本发明具有以下技术特点：
1.该发明利用球对称性较好的微小颗粒与狭长的线状瑕疵之间不同的光散射特性，特别是利用了两者所产生的散射光在空间的不同分布特征，采用圆形窄通道和环形宽通道的双通道散射光收集技术取代了原来的单通道收集方法，实现了对缺陷的检测与分类，具有可靠性好、灵敏度高、速度快等特点。
2.本发明装置中仅采用了两个光电探测器，分别对应测量沿接近硅片表面法线方向传播的散射光和沿接近硅片表面平行方向传播的散射光，然后利用两探测器测得信号的比值来对表面缺陷进行分类。并能在计算机屏幕上显示硅片缺陷分类图(用不同颜色显示缺陷类型)。因此，整个装置结构简单，易于实现且成本相对低廉。
3.该发明采用了紧聚焦、高功率激光作为探测光源。该激光器发出光束波长为532nm，直径1mm，光束发散角1mrad，功率由原来的100mW提高到150mW，并采用扩束和聚焦系统进一步缩小聚焦光斑，同时将光电倍增管的工作电压由原来的380V提高到500V，使散射光的测量信噪比得到显著增强，从而提高了缺陷检测灵敏度。最终能检测的缺陷尺寸从原来的200nm提高到60nm。
4.该发明采用高稳定硅片工作台旋转和平动扫描系统。转动扫描采用直流马达加编码器驱动。直流马达旋转速度达每分钟1500转以上且可调，扫描速度相应大大提高，从而使直径200mm的硅片缺陷检测速度由原来的30片/小时提高到100片/小时。
本发明的技术效果：
1.我们采用美国的标准硅片对本发明具有缺陷分类功能的硅片表面缺陷检测仪的灵敏度与检测速度进行了试验验证。试验表明，该系统可探测硅片表面的直径约60nm的乳胶球，且检测完一片直径为100mm的硅片的时间为9秒。
2.我们采用自行设计并委托中国电子科技集团公司第十三研究所加工制作的缺陷检测片(见图2)来检测本发明的缺陷分类功能。在该检测片上加工有四个直径为100nm的圆形缺陷和四个500nm×100nm的条状缺陷。在基片直边附近距基片30mm处加工有一个直径为160nm的圆并以此定位为扫描的起始点。试验表明，本发明具有缺陷分类功能的硅片表面缺陷检测仪可以对该检测片上的圆形缺陷和条状缺陷进行分类，成功率达到百分之百。
3.该检测系统具有能对硅片缺陷进行快速分类、信噪比高、结构简单、体积小、成本低等优点。
附图说明
图1是本发明的具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测系统的原理示意图。
图2是用于检测本发明对硅片缺陷进行分类的检测片示意图。
具体实施方式
先请参阅图1。图1是本发明具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测系统的原理示意图，也是本发明最佳实施例的结构示意图。由图可见，本发明具有缺陷分类能力的硅片表面缺陷检测仪，其构成包括：在激光光源组件1发出的光束前进的方向上，依次有隔离器2、双凹透镜3和第一平凸透镜4组成的扩束系统、双胶合聚焦透镜6和平面反射镜9；待测量硅片10位于能同时进行旋转和离轴平动的硅片工作台11上；光束经所述的平面反射镜9转折倾斜聚焦入射在待测量硅片10表面，在待测量硅片10的反射光方向上设有一光学陷阱15，在所述的待测量硅片10表面缺陷所产生的散射光方向被第二平凸透镜8准直形成准直光束，其特点在于：
在所述的的准直光束方向依次是小抛物面镜7和大抛物面镜5，第二光电探测器14位于所述的小抛物面镜7的焦平面，第一光电探测器12位于所述的大抛物面镜5的焦平面，位于所述的准直光束的中心内圆区域的小抛物面镜7将所述的中心内圆区域的准直光束反射聚焦于第二光电探测器14构成散射光内圆形窄通道收集；而其余外环部分的准直光束则由所述的大抛物面镜5反射聚焦于第一光电探测器12构成散射光环形宽通道收集，所述的第二光电探测器14和第一光电探测器12的输出端均连接计算机13。
本实施例中，激光光源1采用稳功率的半导体激光器，该激光器发出一束波长为532nm、功率为150mW的激光束，光斑形状为近似圆形、直径1mm，光束发散角1mrad，光束经由双凹透镜3和平凸透镜4组成的扩束系统进行扩束。双胶合聚焦透镜6对所述的激光束聚焦，经平面反射镜9转折后以35度入射角聚焦于硅片10的表面。由于是倾斜入射，焦斑为椭圆形状。反射光被光陷阱15吸收。硅片10随工作台做阿基米德螺线运动。聚焦在硅片表面的激光束遇到缺陷会产生漫散射光。这些散射光中包含了缺陷的形状、种类和位置等丰富的信息。组成圆形窄通道收集镜头的平凸透镜8和小抛物面镜7将较小发散角内的缺陷散射光聚焦进入第二光电探测器14并被探测。其余发散角较大的缺陷散射光则由平凸透镜8和大抛物面镜5组成的环形宽通道收集镜头进行收集并聚焦进入第一光电探测器12被探测。通过第二光电探测器14和第一光电探测器12所测得的信号的比值与一事先设定的阈值进行比较，可以对缺陷的形状作出分类。在本实施例中，如果测量信号的比值大于该事先设定的阈值，则缺陷为微小粒子一类；如果测量信号的比值小于该事先设定的阈值，则缺陷为划痕一类。第二光电探测器14和第一光电探测器12采用北京浜松光电子技术有限公司的CD131型高灵敏度光电倍增管，第二光电探测器14和第一光电探测器12的电脉冲信号输入计算机13进行分析并计数，最后得到被检测硅片表面的微粒和划痕缺陷的数目。
经实验证明，本发明能实现缺陷的快速分类功能，而且探测表面缺陷尺寸小到约60nm，每小时可检测完100余片直径为200mm的硅片。