TW201409021A - 檢測樣品表面缺陷之檢測系統及其檢測方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種檢測樣品表面缺陷之檢測系統及其檢測方法，檢測系統包含雷射聚焦模組、顯微物鏡模組、取像模組以及處理模組。雷射聚焦模組相對樣品之表面之預定角度發射雷射光於樣品上，並當雷射光照射於樣品之複數個表面缺陷上時產生散射光以及反射光。顯微物鏡模組配置於散射光之散射區域，以接收散射光。取像模組連接顯微物鏡模組，取像模組包含電荷耦合元件，電荷耦合元件係轉換散射光為數位訊號。處理模組耦接至電荷耦合元件，係分析數位訊號或分析反射光之焦散曲線直徑以獲得樣品之各表面缺陷之尺寸。

Description

檢測樣品表面缺陷之檢測系統及其檢測方法

本發明係關於檢測樣品表面缺陷之系統及其方法，更特別為利用散射光檢測樣品表面缺陷之系統及其方法。

由於近年來半導體產業的蓬勃發展，矽晶圓基板的潔淨度顯得相當重要，因為附著於晶圓表面上的微缺陷會對晶片製程有很大的影響，例如造成電路短路燒毀等，為了增加晶片製造的良率以及減少浪費掉的成本，微顆粒的檢測成為了晶片製造前很重要的課題。

目前，用以檢知晶圓表面缺陷之檢測系統可區分為亮場式(Bright Field, BF)檢測系統以及暗場式(Dark Field, DF)檢測系統。於亮場式檢測系統中，係使用高倍率顯微鏡逐一掃描觀察晶圓表面上的微缺陷。一般而言，為了得到微米等級之粒子，常需要較高放大倍率的物鏡、較高解析度之影像感測器以及較短波長之照射光線。因此，亮場系統雖具有放大倍率高之優點，卻需大幅度的增加檢測所需的成本，且其觀測速度將因為較小的觀測視野而變得非常慢。而暗場式則是收集晶圓表面缺陷所造成的雜散光來量測晶圓表面缺陷，此方法雖可縮短檢測時間，但是只能用在未經過製程的單晶片上且不能精確地量測到每一個微缺陷的尺寸，因此降低應用之範圍。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種檢測樣品表面缺陷之檢測系統及其檢測方法，以達到降低檢測成本、增加檢測速度以及計算晶圓表面之缺陷數量及計算缺陷真實尺寸的功效。

根據本發明之目的，提供一種檢測系統，以檢測樣品表面之缺陷。檢測系統包含雷射聚焦模組、顯微物鏡模組、取像模組以及處理模組。雷射聚焦模組相對樣品之表面一預定角度發射雷射光於樣品上，並當雷射光照射於樣品之複數個表面缺陷上時產生散射光。顯微物鏡模組配置於散射光之散射區域，以接收散射光。取像模組連接顯微物鏡模組，取像模組包含電荷耦合元件，電荷耦合元件係轉換散射光為數位訊號。處理模組耦接至電荷耦合元件，係分析數位訊號以獲得樣品之該些表面缺陷之尺寸。

較佳地，預定角度可約15度至約40度。

較佳地，預定角度可約20度至約30度。

較佳地，處理模組可根據數位訊號分析散射光之強度，以計算樣品之各表面缺陷之尺寸。

較佳地，檢測系統可更包含反射光擷取模組，以擷取反射光影像，且處理模組可選擇性地分析反射光影像之焦散曲線之直徑以計算樣品之各表面缺陷之尺寸。

較佳地，雷射聚焦模組可包含雷射源、擴束鏡以及聚焦鏡組，擴束鏡配置於雷射源與聚焦鏡組之間。

較佳地，雷射光可為綠光雷射。

較佳地，檢測系統可更包含載台，以支撐樣品。載台自轉以使樣品旋轉，並且使雷射光以圓周方式照射樣品之表面。

較佳地，檢測系統可更包含驅動模組，以連接雷射聚焦模組以及取像模組，並驅動雷射聚焦模組以及影像擷取模組同時移動，以使雷射光以直線方式照射樣品之表面。

根據本發明之目的，另提供一種檢測方法，以檢測樣品之表面缺陷，此方法包含：利用雷射聚焦模組相對於樣品之表面一預定角度發射雷射光於樣品上，並且當雷射光照射樣品之複數個表面缺陷上時產生散射光；接著，利用配置於散射光之散射區域之顯微物鏡模組接收散射光；接著，利用取像模組連接顯微物鏡模組，其中取像模組包含電荷耦合元件以轉換散射光為數位訊號；以及利用耦接至電荷耦合元件之處理模組分析數位訊號以獲得樣品之該些表面缺陷之尺寸。

較佳地，預定角度可約15度至約40度。

較佳地，預定角度可約20度至約30度。

較佳地，利用耦接至電荷耦合元件之處理模組之步驟可更包含利用處理模組根據數位訊號分析散射光之強度以計算樣品之各表面缺陷之尺寸。

較佳地，檢測方法可更包含利用反射光擷取模組擷取反射光影像，並利用處理模組選擇性地分析反射光影像之焦散曲線之直徑以計算樣品之各表面缺陷之尺寸。

較佳地，其中雷射聚焦模組可更包含雷射源、擴束鏡以及聚焦鏡組，擴束鏡配置於雷射源與聚焦鏡組之間。

較佳地，雷射光可為綠光雷射。

較佳地，檢測方法可更包含利用載台以支撐樣品，其中載台係自轉使樣品對應旋轉，以使雷射光以圓周方式照射樣品之表面。

較佳地，利用雷射聚焦模組發射雷射光之步驟可更包含利用驅動模組連接雷射聚焦模組以及影像擷取模組，並驅動雷射聚焦模組以及影像擷取模組同時移動，以使雷射光以直線方式照射樣品之表面。

本發明之檢測系統及其檢測方法因為不需要利用高倍率之物鏡以及高解析度之影像感測器，而是利用處理模組分析散射光強度或是反射光影像中之焦散曲線之直徑，即可得知樣品之各個表面缺陷之真實尺寸，因此具有較大的檢測視野，所以可以提高檢測速度，並且降低檢測成本。

在下文中，本發明之樣品表面缺陷之檢測系統及其方法之詳細結構將參考本發明不同之實施例及附圖而詳細說明。

請參閱第1圖，其係為本發明之檢測系統之一實施例之示意圖，此檢測系統10係用於檢測樣品表面之缺陷。如圖所示，檢測系統10包含載台100、雷射聚焦模組110、顯微物鏡模組120、取像模組130、反射光擷取模組201以及處理模組180(繪示於第2圖)，其中載台100係用以支撐樣品。

本實施例之樣品係為矽晶圓140，但並不限於此。在本發明之其它實施例中，樣品可為其它物件(article)或工件(workpiece)，而本發明之檢測系統10可檢測物件或工件表面上之微粒、塵屑、粗糙處等類似物。

雷射聚焦模組110係以相對矽晶圓140表面之一預定角度θ發射雷射光111於矽晶圓140上，且當雷射光111照射於矽晶圓140之表面缺陷150時，雷射光111將會因為不平整的表面缺陷150而部分散射或部分反射而造成反射光113以及散射光112。

更詳細而言，雷射聚焦模組110係以相對矽晶圓140表面之預定角度θ發射雷射光111於矽晶圓140上，其中當取像模組130以及顯微物鏡模組120設置於雷射光111照射之處之正上方時，預定角度θ可自約15°至約40°。較佳地，預定角度θ可自約20°至約30°，但不以此為限。在本發明之其它實施例中，當取像模組130以及顯微物鏡模組120設置於雷射光111照射之處之正上方附近時，預定角度θ可因此調整至15°至40°之範圍之外，以使得取像模組130以及顯微物鏡模組120能夠接收較好的散射光線來觀察或分析。

請參閱第2圖，其係為處理模組之訊號分析方塊圖。取像模組130包含電荷耦合元件(Charge Coupled Device, CCD)，其係連接至顯微物鏡模組120且用以轉換散射光112為一數位訊號。處理模組180耦接至電荷耦合元件131，並分析數位訊號以計算表面缺陷150之尺寸大小。

取像模組130更包含顯示元件132以及儲存模組160。顯示元件132係耦接至電荷耦合元件131，以藉由接收由電荷耦合元件131之數位影像訊號來顯示散射光影像。儲存元件160耦接至處理模組180以儲存矽晶圓140之表面缺陷150之分佈資訊。

顯微物鏡模組120配置於散射光112之散射區域A以接收散射光112，且顯微物鏡模組120可接收散射光112並引導散射光112至取像模組130，使得偵測人員可藉由顯微物鏡模組120觀察散射光112之散射現象。

在本實施例中，處理模組180根據電荷耦合元件131在接收散射光112時轉換之數位訊號，分析散射光112之強度以計算各表面缺陷150之尺寸，但不以此為限。在本發明之其它實施例中，處理模組180可耦接至攝像機200，以分析反射光影像之焦散曲線之直徑而獲得表面缺陷150之真實尺寸大小。

換言之，當反射光擷取模組201利用第1圖所示之攝像機200以及屏幕190擷取反射光影像時，處理模組180可分析如第3A圖以及第3B圖所示之反射光影像之焦散曲線之直徑。更詳細而言，於光學領域中，焦散(caustic)係為光線經由物體之曲面反射、折射或投影後投射至另一表面上時，光線散射之情形，而焦散曲線係指投影至另一表面上之光線中所形成之較亮的紋路。因此，在本發明之部分實施例中可由投影至屏幕190之反射光，而獲得焦散曲線之直徑。其中，在檢測過程中，反射光113以及表面缺陷150之焦散光可於屏幕190上同時觀測到。在第3A圖中，當表面缺陷150之尺寸小於雷射光111之光波長，因此根據瑞利散射理論(Rayleigh scattering theory)，焦散光之直徑d_S將大於反射之雷射光(即反射光113)D_S。在第3B圖中，當表面缺陷150之尺寸大於雷射光111之波長，因此根據米氏散射理論(Mie scattering theory)，焦散光之直徑d_S將小於反射之雷射光(即反射光113)D_S。

為使更於理解，處理模組180計算各表面缺陷150之真實尺寸之方法將於下文中詳細說明。

當雷射光111照射至矽晶圓140上時，大多數之雷射光111將會自矽晶圓140表面反射，但是某些反射光之光學路徑將會因為矽晶圓140之表面缺陷150而改變，此表面缺陷150可為矽晶圓140表面之微小粒子或較粗糙處等。在進行表面缺陷150之檢測時，表面缺陷150造成之散射光強度將會由電荷耦合元件131測得，而反射光之焦散曲線將會由屏幕190上觀察或擷取到，因此可藉由以下之關係式得知真實粒子直徑(d_P)、反射光之焦散曲線之直徑(d_S)以及散射光之強度(I_P)之間的關係：

d_p1= α₁d_s+β₁；
d_p2= α₂I_p+β₂。

其中，α₁、β₁以及α₂、β₂分別為粒子之形狀以及強度係數，此些係數可根據焦散或散射光之清晰度(sharpness)或對比度(contrast)而得知。

若真實粒子之尺寸d_P1、 d_P2已藉由掃描式電子顯微鏡以及光學顯微鏡而先得知，則自屏幕190可得到兩個粒子之焦散曲線之直徑d_S1、d_S2，以及散射光之強度I_P1、 I_P2可自電荷耦合元件131轉換得到，則形狀係數(α₁,β₁)以及強度係數(α₂, β₂)可改寫成以下方程式：

從上述之方程式可知，矽晶圓140之表面缺陷150可藉由本發明而輕易的得知。請參閱第1圖之放大部分，當雷射光111照射於缺陷1501以及1502時，缺陷1501將造成散射光1101，缺陷1502將造成散射光1102。處理模組180可藉由分析散射光1101、1102之強度，或由投影至屏幕190擷取到之反射光影像之焦散曲線之直徑，而精準的計算表面缺陷1501、1502之真實尺寸。因此，相較於習知技術，本發明因為具有較大的檢測視野，所以可提供更快速之方式測得矽晶圓之表面缺陷。此外，本發明不需要高解析度之影像感測器以及高倍率的物鏡。相反的，本發明只需要自反射光影像獲得焦散光之直徑，或由電荷耦合元件將接收之散射光轉換成數位強度訊號，即可測得矽晶圓之各表面缺陷之尺寸，所以本發明可降低檢測成本。此外，各表面缺陷之尺寸可經由本發明之處理模組180計算而得知，而不像亮場式系統需要昂貴的器材或暗場式系統無法取得每個缺陷之尺寸大小。

請參閱第4圖，雷射聚焦模組110可包含雷射源1111、擴束鏡1112以及聚焦鏡組1113，擴束鏡1112係配置於雷射源1111以及聚焦鏡組1113之間，以放大雷射光束之直徑。聚焦鏡組1113係用以聚集雷射光111以照射至矽晶圓140上。其中，本實施例之雷射聚焦模組110照射至矽晶圓140表面之雷射光斑之直徑d_L可由以下關係式得知：

其中，D為原雷射光束之直徑，f為聚焦鏡組之焦距大小，λ為雷射光之波長，M²為雷射之光束品質因子，k為折射係數因子。一般而言，在雷射光斑之直徑d_L之關係式中，當原雷射光束之直徑小於20 mm時，第二項可忽略不計。因此，若原雷射光束之直徑增加，可得到較小的雷射光斑。在本實施例中，雷射光111為綠光雷射，但不以此為限。在本發明之其它實施例中，雷射光111可為紅光雷射或其它類型的雷射。

為使更於理解本發明，以下將說明實際之實驗以及測試結果。當利用532 nm-mW之雷射光聚焦於矽晶圓表面而產生散射及反射光時，若其原雷射光束之直徑為1 mm，光束品質因子M²為2，且聚焦鏡組之焦距為120 mm，則根據雷射光斑之直徑d_L之關係式中可推知，當使用8x之擴束鏡時，原雷射光束可被縮減為20 um。而本發明為了計算形狀係數以及強度係數α、β，可先利用掃描式電子顯微鏡量測真實缺陷的直徑。如第5圖所示，若測試樣品之為15 x 15 mm²，需先沈積8 nm厚的之鉑(platinum, Pt)於測試樣品上以覆蓋次微米等級之表面缺陷，並可避免表面缺陷消失。此外，在實驗中可利用光學顯微鏡或20X之物鏡驗證雷射光斑是否覆蓋表面缺陷。

第5圖係為利用掃描式電子顯微鏡之觀測結果，由圖中可知，表面缺陷為1.97 x 1.18 um²。在以下例示中，因為可利用掃描式電子顯微鏡預先得知表面缺陷之真實尺寸，因此利用本發明之檢測方法檢測表面缺陷尺寸時可作為正確的參考資料，而本實驗需選擇四種不同尺寸之缺陷以計算以推得形狀係數以及強度係數α、β。從第6圖可知，由以上計算方法可得到焦散曲線之直徑隨著表面缺陷之尺寸增大而縮小，此為因為較大的表面缺陷尺寸會造成較大的反射光波波前，因而會有較小的焦散曲線。除此之外，較大的表面缺陷尺寸會造成較強之散射光強度，如第7圖所示。由第6以及第7圖可知，當表面缺陷之尺寸小於5 um或大於15 um時，焦散光之曲面或散射光之強度與表面缺陷之真實尺寸將無法維持線性關係。此為因為當表面缺陷之尺寸小於5 um時，反射波前將會與繞射波前過於接近。

接著請參閱第8圖，本實施例之載台100可自轉使得矽晶圓140可跟著旋轉，因此雷射光111可以圓周之方式照射於矽晶圓140之表面。此外，本實施例更包含驅動模組170連接於雷射聚焦模組110以及取像模組130，以驅動雷射聚焦模組110以及取像模組130同時移動，因此雷射光束可在矽晶圓140之表面以直線方式照射矽晶圓140。若結合驅動模組170之直線運動以及載台100之圓周運動，雷射光111即可完整的照射整個矽晶圓140之表面。而在檢測系統10掃描完整個矽晶圓之表面後，第2圖中的儲存模組160可建立一個擁有矽晶圓表面缺陷尺寸及位置分佈之資料庫。

接著請參閱第9圖，根據本發明之一實施例之檢測樣品表面缺陷之檢測方法之步驟流程圖將於以下說明，且因為對應之檢測系統以於前述實施例詳細說明，因此以下敘述將省略一些實施細節。

其中，檢測樣品表面缺陷之檢測方法包含以下步驟：

S11：利用雷射聚焦模組相對於樣品之表面之預定角度照射雷射光於樣品上，以於雷射光照射至樣品之表面缺陷時產生散射光。其中，預定角度可自約15度至約40度之間。較佳地，預定角度可為自約20度至約30度之間。其中，雷射聚焦模組包含雷射源、擴束鏡以及聚焦鏡組，而擴束鏡係配置於雷射源以及聚焦鏡組之間。在較佳實施例中，雷射光可為綠光雷射，但不以此為限。

S12：利用配置於散射光之散射區域之顯微物鏡模組接收散射光。

S13：利用取像模組連接顯微物鏡模組，其中取像模組包含電荷耦合元件以轉換散射光為數位訊號。

S14：利用耦接至電荷耦合元件之處理模組分析數位訊號以獲得樣品之表面缺陷之尺寸。其中，在部分實施例中，處理模組可分析散射光之強度以獲得各個表面缺陷之尺寸大小。

S15：利用載台以支撐樣品，其中載台可自轉使得樣品跟著旋轉，因此雷射光可以圓周之方式照射於樣品之表面。

S16：利用驅動模組連接至雷射聚焦模組以及取像模組，以驅動雷射聚焦模組以及取像模組以直線方式照射樣品之表面。

值得一提的是，在步驟S13中，某些實施例可利用反射光取像模組擷取反射光影像，並利用處理模組分析反射光影像之焦散曲線之直徑，從而計算得知各個表面缺陷之尺寸。

承上所述，本發明可利用散射光之強度或自反射光影像之焦散曲線之直徑，測得樣品之各個表面缺陷之數量以及尺寸。因此，本發明可降低檢測成本且增加檢測速度，而不需使用昂貴之檢測器材，如高解析度之影像感測器或高倍率物鏡等。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

10．．．檢測系統

100．．．載台

110．．．雷射聚焦模組

111．．．雷射光

1111．．．雷射源

1112．．．擴束鏡

1113．．．聚焦鏡組

113．．．反射光

112、1101、1102．．．散射光

120．．．顯微物鏡模組

130．．．取像模組

131．．．電荷耦合元件

132．．．顯示元件

140．．．矽晶圓

150、1501、1502．．．表面缺陷

160．．．儲存元件

170．．．驅動模組

180．．．處理模組

190．．．屏幕

200．．．攝像機

201．．．反射光擷取模組

θ．．．預定角度

A．．．散射區域

第1圖其係為本發明之檢測系統之一實施例之第一示意圖。
第2圖其係為處理模組之訊號分析方塊圖。
第3A圖係為本發明反射光影像之焦散曲線之第一示意圖。
第3B圖係為本發明反射光影像之焦散曲線之第二示意圖。
第4圖係為本發明之雷射聚焦模組之一實施例之示意圖。
第5圖係為本發明利用掃描式電子顯微鏡照射之具有表面缺陷之目標影像圖。
第6圖係為焦散曲線之直徑以及表面缺陷之尺寸之間之關係示意圖。
第7圖係為散射光之強度以及表面缺陷之尺寸之間之關係示意圖。
第8圖係為本發明之檢測系統之一實施例之第二示意圖。
第9圖係為根據本發明之檢測方法之一實施例之步驟流程圖。

10．．．檢測系統

100．．．載台

110．．．雷射聚焦模組

111．．．雷射光

112、1101、1102．．．散射光

113．．．反射光

120．．．顯微物鏡模組

130．．．取像模組

140．．．矽晶圓

150、1501、1502．．．表面缺陷

190．．．屏幕

200．．．攝像機

201．．．反射光擷取模組

θ．．．預定角度

A．．．散射區域

Claims (18)

1. 一種檢測系統，適用於檢測一樣品之複數個表面缺陷，其包含：
   一雷射聚焦模組，係以相對該樣品之表面之一預定角度發射一雷射光於該樣品上，並當該雷射光照射於該樣品之該些表面缺陷上時產生一散射光；
   一顯微物鏡模組，係配置於該散射光之一散射區域，以接收該散射光；
   一取像模組，係連接該顯微物鏡模組，該取像模組係包含一電荷耦合元件，該電荷耦合元件係轉換該散射光為一數位訊號；以及
   一處理模組，耦接至該電荷耦合元件，係分析該數位訊號以獲得該樣品之該些表面缺陷之尺寸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之檢測系統，其中該預定角度係約15度至約40度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之檢測系統，其中該預定角度係約20度至約30度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之檢測系統，其中該處理模組係根據該數位訊號分析該散射光之強度，以計算該樣品之各該表面缺陷之尺寸。
5. 如申請專利範圍第1項所述之檢測系統，更包含：
   一反射光擷取模組，係擷取一反射光影像，且該處理模組選擇性地分析該反射光影像之焦散曲線之直徑以計算該樣品之各該表面缺陷之尺寸。
6. 如申請專利範圍第1項所述之檢測系統，其中該雷射聚焦模組包含一雷射源、一擴束鏡以及一聚焦鏡組，該擴束鏡配置於該雷射源與該聚焦鏡組之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之檢測系統，其中該雷射光係為綠光雷射。
8. 如申請專利範圍第1項所述之檢測系統，更包含一載台，係支撐該樣品，該載台係自轉以使該樣品旋轉，並且使該雷射光以一圓周方式照射該樣品之表面。
9. 如申請專利範圍第8項所述之檢測系統，更包含一驅動模組，係連接該雷射聚焦模組以及該取像模組，以驅動該雷射聚焦模組以及該影像擷取模組同時移動，並使該雷射光以一直線方式照射該樣品之表面。
10. 一種檢測方法，適用於檢測一樣品之複數個表面缺陷，其包含：
    利用一雷射聚焦模組相對於該樣品之表面之一預定角度發射一雷射光於該樣品上，並且當該雷射光照射該樣品之該些表面缺陷上時產生一散射光；
    利用配置於該散射光之一散射區域之一顯微物鏡模組接收該散射光；
    利用一取像模組連接該顯微物鏡模組，其中該取像模組包含一電荷耦合元件以轉換該散射光為一數位訊號；以及
    利用耦接至該電荷耦合元件之一處理模組分析該數位訊號以獲得該樣品之該些表面缺陷之尺寸。
11. 如申請專利範圍第10項所述之檢測方法，其中該預定角度係約15度至約40度。
12. 如申請專利範圍第11項所述之檢測方法，其中該預定角度係約20度至約30度。
13. 如申請專利範圍第10項所述之檢測方法，其中該利用耦接至該電荷耦合元件之該處理模組之步驟更包含利用該處理模組根據該數位訊號分析該散射光之強度以計算該樣品之各該表面缺陷之尺寸。
14. 如申請專利範圍第10項所述之檢測方法，更包含利用一反射光擷取模組擷取一反射光影像，並利用該處理模組選擇性地分析該反射光影像之焦散曲線之直徑以計算該樣品之各該表面缺陷之尺寸。
15. 如申請專利範圍第10項所述之檢測方法，其中該雷射聚焦模組包含一雷射源、一擴束鏡以及一聚焦鏡組，該擴束鏡配置於該雷射源與該聚焦鏡組之間。
16. 如申請專利範圍第10項所述之檢測方法，其中該雷射光係為綠光雷射。
17. 如申請專利範圍第10項所述之檢測方法，更包含利用一載台以支撐該樣品，其中該載台係自轉使該樣品對應旋轉，以使該雷射光以一圓周方式照射該樣品之表面。
18. 如申請專利範圍第17項所述之檢測方法，其中該利用該雷射聚焦模組發射該雷射光之步驟更包含利用一驅動模組連接該雷射聚焦模組以及該影像擷取模組，並驅動該雷射聚焦模組以及該影像擷取模組同時移動，以使該雷射光以一直線方式照射該樣品之表面。