CN114878593A - 一种晶圆表面缺陷检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶圆表面缺陷检测装置和方法，激光器的光源出射激光，通过光源调制组件的调制以后，聚焦到检测晶圆表面待测位置；聚焦光斑的散射光进入散射测量通道，经过散射调制组件调制以后汇聚到PMT探测器，进行散射能量探测；聚焦光斑的反射光进入反射测量通道，经过反射调制组件调制以后汇聚到四象限探测器；检测晶圆吸附于扫描运动机构上方，扫描运动机构与升降台上端连接；解决点散射能量法缺陷探测时离焦问题，增加反射功率测量通道；整套***结构简单，光源和反射测量通道都复用到了缺陷探测和离焦测量中；缺陷探测和离焦测量***共用一套光源***，测量中，避免了缺陷探测光源和离焦测量***光源相互干扰，保证二者测量的是同一位置。

Description

一种晶圆表面缺陷检测装置和方法
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，具体地说，本发明涉及一种晶圆表面缺陷检测装置和方法。
背景技术
理想光学元件的光滑表面只会在反射方向产生反射光，而缺陷会造成光学元件的表面折射率突变，对入射光振幅和相位产生调制作用，进而在空间各个方向引起散射光。光学散射能量法根据散射光强度，对缺陷有无和大小进行判断。
在进行亚微米级缺陷探测时，激光也需要聚焦到微米级的光斑，以降低背景噪声，获得较高的灵敏度，并提高光斑能量密度。但是，根据瑞利判据，当激光聚焦光斑越小时，其焦深范围也越小，离焦将会造成照明光斑弥散，能量密度减小，影响散射、反射信号能量，进而降低晶圆缺陷检测设备精度。而在实际扫描过程中，晶圆表面本身就存在一定高度差，并且运动机构、晶圆吸附装置等会引入附加高度变化，导致晶圆离焦，因此，如何通过升降机构追焦或者对数据进行离焦补偿，才能显著提高缺陷测量精度。
专利号：201910518119.0，专利名称：检测设备及检测方法，光学检测***和离焦测量***使用的是两套独立的光源***，在实时测量中两套光源***在照明区域相互重叠、干扰，造成两个***精度下降；若两套光源照射位置不重叠，离焦测量的有效性又会大大下降。
发明内容
本发明提供一种晶圆表面缺陷检测装置和方法，以解决上述背景技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种晶圆表面缺陷检测装置，包括激光器、光源调制组件、散射调制组件、PMT探测器、反射调制组件、四象限探测器、扫描运动机构和升降台；
所述激光器和光源调制组件构成光源通道；
所述散射调制组件和PMT探测器构成散射测量通道；
所述反射调制组件和四象限探测器构成反射测量通道，反射测量通道包括测量离焦距离的离焦测量***以及用于探测缺陷反射信号总能量；
所述激光器的光源出射激光，通过光源调制组件的调制以后，聚焦到检测晶圆表面待测位置；
聚焦光斑的散射光进入散射测量通道，经过散射调制组件调制以后汇聚到PMT探测器，进行散射能量探测；
聚焦光斑的反射光进入反射测量通道，经过反射调制组件调制以后汇聚到四象限探测器，进行能量探测和位置测量；
检测晶圆吸附于扫描运动机构上方，所述扫描运动机构与升降台上端连接。
优选的，所述扫描运动机构包括XY位移台、旋转台和晶圆吸附装置，所述晶圆吸附装置与旋转台连接，所述旋转台与XY位移台上端连接。
优选的，所述激光器的光源为任意波长的光源，光源波长与缺陷散射信号强度关系为：光源波长越短，缺陷散射信号越强。
优选的，所述光源调制组件包括激光扩束器、二分之一波片、四分之一波片和激光聚焦镜头，所述激光扩束器减小激光发散角，使得激光通过激光聚焦镜头以后获得较小的聚焦光斑，同时，扩束后的激光能量密度降低，降低波片选用的能量损伤阈值要求。
优选的，所述散射调制组件包括准直镜一、光阑、偏振分析器和聚焦镜一，所述准直镜一收集检测晶圆表面的散射光，并准直为平行光通过光阑和偏振分析器，最后通过聚焦镜一聚焦到PMT探测器。
优选的，所述反射调制组件包括准直镜二、光衰减片和聚焦镜二，所述准直镜二接收检测晶圆表面的反射光，并准直为平行光通过光衰减片，最后通过聚焦镜二聚焦到四象限探测器；通过聚焦镜二聚焦到四象限探测器上的光斑大小为四象限探测器敏感面直径的1/2。
优选的，所述聚焦到四象限探测器上的光斑为高斯光班，通过数据库查询或多项式拟合方法获取光斑偏离中心的精确位置Δx，其中，Δx为在四象限探测器上的位置偏移量。
优选的，所述离焦测量***，当检测晶圆的离焦距离为Δz，在反射调制组件物面上产生的位移量Δx'为，
Δx′＝2Δzsinα；
反射调制组件的放大倍率为γ，则检测晶圆的离焦距离Δz在四象限探测器上引起的位置偏移量为；
Δx＝γ·Δx′＝2γ·Δzsinα；
所述Δx的精确值通过四象限探测器信号解析，完成离焦量的实时测量；
其中：Δx为在四象限探测器上的位置偏移量；Δx'为在反射调制组件物面上产生的位移量；γ为反射调制组件的放大倍率；α为激光器的光源出射激光与法线的夹角。
一种晶圆表面缺陷检测方法，具体包括以下步骤，
步骤S1：判断升降台调节速度与四象限探测器检测速度的大小；若升降台调节速度大于四象限探测器检测速度，则执行步骤S2,否则执行步骤S3；
步骤S2：通过所述检测装置对检测晶圆表面进行扫描检测，获得散射能量信号和反射能量信号，在信号检测的同时，实时解算离焦距离，根据离焦距离调节升降台，完成实时追焦；
步骤S3：通过所述检测装置对检测晶圆表面进行一圈扫描，根据一圈离焦距离的测量结果，拟合出晶圆离焦距离的低频曲线；然后再次扫描一圈，测量缺陷信号的同时，根据拟合的离焦距离的低频曲线控制升降台运动，减少离焦距离。
优选的，一种晶圆表面缺陷检测方法，所述步骤S2中，通过所述检测装置对检测晶圆表面进行扫描检测，获得散射能量信号和反射能量信号，在信号检测的同时，获得每一个信号位置离焦距离，根据离焦距离对信号数据进行补偿。
采用以上技术方案的有益效果是：
1、本发明的晶圆表面缺陷检测装置，解决了点散射能量法缺陷探测时离焦问题，并增加了反射功率测量通道。
2、本发明的晶圆表面缺陷检测装置，整套***结构简单，光源和反射测量通道都复用到了缺陷探测和离焦测量中。
3、本发明的晶圆表面缺陷检测方法，缺陷探测和离焦测量***共用一套光源***，在实时测量中，避免了缺陷探测光源和离焦测量***光源相互干扰，同时，保证了二者测量的是同一位置。
附图说明
图1是本发明的晶圆表面缺陷检测装置结构布局图；
图2是光源调制组件结构示意图；
图3是散射调制组件结构示意图；
图4是反射调制组件结构示意图；
图5是离焦距离三角法测量模型；
图6是晶圆表面缺陷检测方法一；
图7是晶圆表面缺陷检测方法二；
图8是晶圆表面缺陷检测方法三；
其中：
1、检测晶圆；1-1、晶圆最佳聚焦平面；1-2、晶圆离焦位置；
10、激光器；20、光源调制组件；30、散射调制组件；40、PMT探测器；50、反射调制组件；60、四象限探测器；70、扫描运动机构；80、升降台；
21、激光扩束器；22、二分之一波片；23、四分之一波片；24、激光聚焦镜头；
31、准直镜一；32、光阑；33、偏振分析器；34、聚焦镜一；
51、准直镜二；52、光衰减片；53、聚焦镜二。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1至图8所示，本发明是一种晶圆表面缺陷检测装置和方法，解决了点散射能量法缺陷探测时离焦问题，并增加了反射功率测量通道；整套***结构简单，光源和反射测量通道都复用到了缺陷探测和离焦测量中；缺陷探测和离焦测量***共用一套光源***，在实时测量中，避免了缺陷探测光源和离焦测量***光源相互干扰，同时，保证了二者测量的是同一位置。
具体的说，如图1至图8所示，一种晶圆表面缺陷检测装置，包括激光器10、光源调制组件20、散射调制组件30、PMT探测器40、反射调制组件50、四象限探测器60、扫描运动机构70和升降台80；
所述激光器10和光源调制组件20构成光源通道；
所述散射调制组件30和PMT探测器40构成散射测量通道；
所述反射调制组件50和四象限探测器60构成反射测量通道，反射测量通道包括测量离焦距离的离焦测量***以及用于探测缺陷反射信号总能量；
所述激光器10的光源出射激光，通过光源调制组件20的调制以后，聚焦到检测晶圆1表面待测位置；
聚焦光斑的散射光进入散射测量通道，经过散射调制组件30调制以后汇聚到PMT探测器40，进行散射能量探测；
聚焦光斑的反射光进入反射测量通道，经过反射调制光路50调制以后汇聚到四象限探测器60，四象限探测器60进行能量探测和位置测量；
检测晶圆1吸附于扫描运动机构70上方，所述扫描运动机构70与升降台80上端连接。
所述扫描运动机构70包括XY位移台、旋转台和晶圆吸附装置，所述晶圆吸附装置与旋转台连接，所述旋转台与XY位移台上端连接。
所述激光器10的光源为任意波长的光源，光源波长与缺陷散射信号强度关系为：光源波长越短，缺陷散射信号越强。
所述光源调制组件20包括激光扩束器21、二分之一波片22、四分之一波片23和激光聚焦镜头24，所述激光扩束器21减小激光发散角，使得激光通过激光聚焦镜头24以后获得较小的聚焦光斑，同时，扩束后的激光能量密度降低，降低波片选用的能量损伤阈值要求。
所述散射调制组件30包括准直镜一31、光阑32、偏振分析器33和聚焦镜一34，所述准直镜一31收集检测晶圆1表面的散射光，并准直为平行光通过光阑32和偏振分析器33，最后通过聚焦镜一34聚焦到PMT探测器40。
所述反射调制组件50包括准直镜二51、光衰减片52和聚焦镜二53，所述准直镜二51接收检测晶圆1表面的反射光，并准直为平行光通过光衰减片52，最后通过聚焦镜二53聚焦到四象限探测器60；通过聚焦镜二53聚焦到四象限探测器60上的光斑大小为四象限探测器60敏感面直径的1/2。
所述聚焦到四象限探测器60上的光斑为高斯光班，通过数据库查询或多项式拟合方法获取光斑偏离中心的精确位置Δx，其中，Δx为在四象限探测器60上的位置偏移量。
所述离焦测量***，当检测晶圆1的离焦距离为Δz，在反射调制组件50物面上产生的位移量Δx'为，
Δx′＝2Δzsinα；
反射调制组件50的放大倍率为γ，则检测晶圆1的离焦距离Δz在四象限探测器60上引起的位置偏移量为；
Δx＝γ·Δx′＝2γ·Δzsinα；
所述Δx的精确值通过四象限探测器60信号解析，完成离焦量的实时测量；
其中：Δx为在四象限探测器60上的位置偏移量；Δx'为在反射调制组件50物面上产生的位移量；γ为反射调制组件50的放大倍率；α为激光器10的光源出射激光与法线的夹角。
一种晶圆表面缺陷检测方法，具体包括以下步骤，
步骤S1：判断升降台80调节速度与四象限探测器60检测速度的大小；若升降台80调节速度大于四象限探测器60检测速度，则执行步骤S2,否则执行步骤S3；
步骤S2：通过所述检测装置对检测晶圆1表面进行扫描检测，获得散射能量信号和反射能量信号，在信号检测的同时，实时解算离焦距离，根据离焦距离调节升降台80，完成实时追焦；
步骤S3：通过所述检测装置对检测晶圆1表面进行一圈扫描，根据一圈离焦距离的测量结果，拟合出晶圆离焦距离的低频曲线；然后再次扫描一圈，测量缺陷信号的同时，根据拟合的离焦距离的低频曲线控制升降台90运动，减少离焦距离。
一种晶圆表面缺陷检测方法，所述步骤S2中，通过所述检测装置对检测晶圆1表面进行扫描检测，获得散射能量信号和反射能量信号，在信号检测的同时，获得每一个信号位置离焦距离，根据离焦距离对信号数据进行补偿。
本发明的检测方法，同样适用于光滑光学元器件表面缺陷检测。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：包括激光器(10)、光源调制组件(20)、散射调制组件(30)、PMT探测器(40)、反射调制组件(50)、四象限探测器(60)、扫描运动机构(70)和升降台(80)；
所述激光器(10)和光源调制组件(20)构成光源通道；
所述散射调制组件(30)和PMT探测器(40)构成散射测量通道；
所述反射调制组件(50)和四象限探测器(60)构成反射测量通道，反射测量通道包括测量离焦距离的离焦测量***以及用于探测缺陷反射信号总能量；
所述激光器(10)的光源出射激光，通过光源调制组件(20)的调制以后，聚焦到检测晶圆(1)表面待测位置；
聚焦光斑的散射光进入散射测量通道，经过散射调制组件(30)调制以后汇聚到PMT探测器(40)，进行散射能量探测；
聚焦光斑的反射光进入反射测量通道，经过反射调制组件(50)调制以后汇聚到四象限探测器(60)，进行能量探测和位置测量；
检测晶圆(1)吸附于扫描运动机构(70)上方，所述扫描运动机构(70)与升降台(80)上端连接。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述扫描运动机构(70)包括XY位移台、旋转台和晶圆吸附装置，所述晶圆吸附装置与旋转台连接，所述旋转台与XY位移台上端连接。
3.根据权利要求1所述的一种晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述激光器(10)的光源为任意波长的光源，光源波长与缺陷散射信号强度关系为：光源波长越短，缺陷散射信号越强。
4.根据权利要求1所述的一种晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述光源调制组件(20)包括激光扩束器(21)、二分之一波片(22)、四分之一波片(23)和激光聚焦镜头(24)，所述激光扩束器(21)减小激光发散角，使得激光通过激光聚焦镜头(24)以后获得较小的聚焦光斑，同时，扩束后的激光能量密度降低，降低波片选用的能量损伤阈值要求。
5.根据权利要求1所述的一种晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述散射调制组件(30)包括准直镜一(31)、光阑(32)、偏振分析器(33)和聚焦镜一(34)，所述准直镜一(31)收集检测晶圆(1)表面的散射光，并准直为平行光通过光阑(32)和偏振分析器(33)，最后通过聚焦镜一(34)聚焦到PMT探测器(40)。
6.根据权利要求1所述的一种晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述反射调制组件(50)包括准直镜二(51)、光衰减片(52)和聚焦镜二(53)，所述准直镜二(51)接收检测晶圆(1)表面的反射光，并准直为平行光通过光衰减片(52)，最后通过聚焦镜二(53)聚焦到四象限探测器(60)；通过聚焦镜二(53)聚焦到四象限探测器(60)上的光斑大小为四象限探测器(60)敏感面直径的1/2。
7.根据权利要求6所述的一种晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述聚焦到四象限探测器(60)上的光斑为高斯光班，通过数据库查询或多项式拟合方法获取光斑偏离中心的精确位置Δx，其中，Δx为在四象限探测器(60)上的位置偏移量。
8.根据权利要求1所述的一种晶圆表面缺陷检测装置，其特征在于：所述离焦测量***，当检测晶圆(1)的离焦距离为Δz，在反射调制组件(50)物面上产生的位移量Δx'为，
Δx′＝2Δzsinα；
反射调制组件(50)的放大倍率为γ，则检测晶圆(1)的离焦距离Δz在四象限探测器(60)上引起的位置偏移量为；
Δx＝γ·Δx′＝2γ·Δzsinα；
所述Δx的精确值通过四象限探测器(60)信号解析，完成离焦量的实时测量；其中：Δx为在四象限探测器(60)上的位置偏移量；Δx'为在反射调制组件(50)物面上产生的位移量；γ为反射调制组件(50)的放大倍率；α为激光器(10)的光源出射激光与法线的夹角。
9.根据权利要求8所述的一种晶圆表面缺陷检测方法，其特征在于：具体包括以下步骤，
步骤S1：判断升降台(80)调节速度与四象限探测器(60)检测速度的大小；若升降台(80)调节速度大于四象限探测器(60)检测速度，则执行步骤S2,否则执行步骤S3；
步骤S2：通过所述检测装置对检测晶圆(1)表面进行扫描检测，获得散射能量信号和反射能量信号，在信号检测的同时，实时解算离焦距离，根据离焦距离调节升降台(80)，完成实时追焦；
步骤S3：通过所述检测装置对检测晶圆(1)表面进行一圈扫描，根据一圈离焦距离的测量结果，拟合出晶圆离焦距离的低频曲线；然后再次扫描一圈，测量缺陷信号的同时，根据拟合的离焦距离的低频曲线控制升降台(80)运动，减少离焦距离。
10.根据权利要求9所述的一种晶圆表面缺陷检测方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过所述检测装置对检测晶圆(1)表面进行扫描检测，获得散射能量信号和反射能量信号，在信号检测的同时，获得每一个信号位置离焦距离，根据离焦距离对信号数据进行补偿。
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