TWI833534B - 晶圓研磨製程之缺陷檢測系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種晶圓研磨製程之缺陷檢測系統及方法，其透過中心光源和周邊光源等不同角度光源依序照射待測晶圓並拍攝多張原始圖像；且透過異常區域抽出部從每一張原始圖像中抽離異常區域而生成無瑕圖像及異常圖像；又透過無瑕圖像整合部及缺陷圖像整合部分別整合複數無瑕圖像及複數缺陷圖像而分別生成無瑕圖層及缺陷圖層；最後，再透過最終圖像整合部將無瑕圖層及缺陷圖層疊加整合而生成檢測圖像。藉此，本發明可去除光斑及其他干擾影像，並填補因移除光斑所形成的空缺區域，完整且忠實地呈現晶圓實際表面情況，大幅提高檢測精度。

Description

晶圓研磨製程之缺陷檢測系統及方法

本發明係關於一種晶圓表面缺陷之檢測系統及方法，尤其是針對半導體製程中的晶圓背面研磨製程。

於半導體製程中，當晶圓正面側(主動面)所有元件及線路的製程完成後，將會為了使晶圓薄型化而對晶圓背面進行研磨。然而，當研磨晶圓的過程中有異物入侵造成研磨表面出現不可逆之刮傷、壓傷，或者研磨時因研磨頭未完整接觸晶圓表面所造成未研磨區域等缺陷都將導致製程良率下降。

進一步說明，在晶圓研磨製程中常見的缺陷請參考圖1A，圖中所示之刮紋D1是研磨過程中有硬物進入晶圓與研磨頭之間所造成規律的環形紋路；壓紋D2乃係於晶圓搬運或研磨過程中遭異物壓傷；未研磨區D3乃係因研磨頭未能充分接觸整片晶圓而遺漏研磨之區域。

再者，現有的缺陷檢測方法乃係利用一般的自動光學檢查(Automated Optical Inspection，簡稱 AOI)系統來進行晶圓研磨後的缺陷檢查。不過，由於研磨過程中晶圓表面將會形成週期性的研磨紋路，這將導致在進行缺陷檢查時光源照射晶圓表面而形成強烈反光(如圖1B所示)或明顯的光斑(如圖1C所示)，而位於反光區域或光斑區域之缺陷便無法被檢查出，此將導致缺陷的漏判率大幅提高。

此外，由於壓紋D2僅為表面紋路(粗糙度)的些微變化，現有的光學檢查系統難以辨識此等紋路差異，即無法區分壓傷與週期性研磨紋路，又導致瑕疵漏判率相當嚴重。

本發明之主要目的係在提供一種晶圓研磨製程之缺陷檢測系統及方法，俾能排除因光源照射晶圓表面所形成的反光或光斑等干擾因素，且能清楚辨識各種缺陷，大幅提升晶圓表面缺陷的檢測能力。

為達成上述目的，本發明一種晶圓研磨製程之缺陷檢測系統主要包括中心光源、複數周邊光源、攝像單元以及控制裝置；中心光源設置於待測晶圓之概約形心位置的上方；複數周邊光源係沿著該待測晶圓之概約圓周上方或圓周上方外側等距布設；攝像單元適於沿著中心光源之光軸而對待測晶圓取像；控制裝置係電性連接中心光源、複數周邊光源及攝像單元，並適於控制分別啟動中心光源及該複數周邊光源，且控制攝像單元獲取複數原始圖像。

其中，控制裝置對複數原始圖像辨識並抽 取至少一異常區域，而分別生成複數無瑕圖像及複數異常圖像；分別移除複數異常圖像中之至少一光斑區域而分別生成複數缺陷圖像；又整合複數無瑕圖像而生成一無瑕圖層；且整合複數缺陷圖像而生成一缺陷圖層；以及整合無瑕圖層與缺陷圖層而生成一檢測圖像。

再者，為達成前述目的，本發明所提供的方法中，可透過在中心光源和複數周邊光源等不同角度光源的照射下拍攝多張原始圖像，而控制裝置從每一張的原始圖像中抽離異常區域而生成無瑕圖像及異常圖像等二張圖像；其中，無瑕圖像即係一預定的無瑕晶圓表面之圖像，而異常圖像則是含括了不應該存在於無瑕晶圓表面影像中的所有影像區域，其可能包括如刮紋、壓紋、及未研磨區等缺陷，且可能含括了光斑區域和反光區域。再者，控制裝置分別整合複數無瑕圖像及複數缺陷圖像而分別生成一無瑕圖層及一缺陷圖層；最後，控制裝置將無瑕圖層及缺陷圖層疊加整合而生成一檢測圖像。

據此，本發明採用分區、分時打光，故可以避開同一光斑區域及因研磨紋路所引發的表面強烈反光，再加上中心光源的打光，可以填補因周邊光源之光斑所遮蔽的晶圓中心區域，讓整個晶圓表面得以完整呈現而被拍攝。此外，本發明運用了中心光源及攝像單元搭配分光鏡的配置，讓整個檢測系統更為緊湊、薄型化，讓空間的使用更為彈性。

再者，本發明利用高角度光源照明來凸顯 因瑕疵所形成的灰階差異，克服因研磨紋所導致表面瑕疵不易被檢測之缺陷，可拍攝出低干擾、高對比的瑕疵影像，提升晶圓表面瑕疵的檢測能力。而且，本發明所提供的檢測手段，可去除光斑以及其他干擾影像，並可填補因移除光斑所形成的空缺部位，完整且忠實地呈現待測晶圓之實際表面情況，可大幅提高檢測精度。

2:中心光源

3:周邊光源

4:攝像單元

5:控制裝置

6:分光鏡

51:控制單元

52:記憶單元

53:處理單元

54:GUI模組

55:I/O模組

56:通訊模組

521:圖像記憶部

522:處理參數記憶部

531:異常區域抽出部

532:光斑處理部

533:無瑕圖像整合部

534:缺陷圖像整合部

535:最終圖像整合部

D1:刮紋

D2:壓紋

D3:未研磨區

D4:亮紋部位

La:中心光軸

Ld:缺陷圖層

Lp:無瑕圖層

Pc:光斑圖像

Pd:缺陷圖像

Pi:異常圖像

Po:原始圖像

Pp:無瑕圖像

Pt:檢測圖像

Pu:標準圖像

W:待測晶圓

Za:異常區域

ZC:重疊區域

Zd:缺陷部位

ZI:檢測區域

ZL:光斑區域

θ:夾角

圖1A係顯示晶圓研磨製程中常見的晶圓表面缺陷。

圖1B係顯示進行缺陷檢查時因光源照射晶圓表面而形成強烈反光。

圖1C係顯示進行缺陷檢查時因光源照射晶圓表面而形成的明顯光斑。

圖2顯示本發明一較佳實施例之系統架構圖。

圖3顯示本發明一較佳實施例之光源和攝像單元之配置俯視圖。

圖4顯示本發明一較佳實施例中控制裝置之系統方塊圖。

圖5顯示本發明一較佳實施例之檢測圖像的處理示意圖。

圖6顯示本發明一較佳實施例之檢測圖像的處理流程圖。

圖7A、7B顯示本發明一較佳實施例之周邊光源照射時所形成的光斑區域和檢測區域之示意圖。

圖7C顯示本發明一較佳實施例在不同周邊光源照射時所形成的光斑區域的重疊區域之示意圖。

圖8A顯示本發明一較佳實施例之周邊光源照射時呈現刮紋之示意圖。

圖8B顯示本發明一較佳實施例之周邊光源照射時因刮紋所呈現光反射現象之剖面示意圖。

本發明晶圓研磨製程之缺陷檢測系統及方法在本實施例中被詳細描述之前，請注意，以下的說明中，類似的元件將以相同的元件符號來表示。再者，本發明之圖式僅作為示意說明，其未必按比例繪製，且所有細節也未必全部呈現於圖式中。

以下針對晶圓薄型化所為之背面研磨製程的表面瑕疵檢測為例進行說明，惟本發明並不僅以此一應用為限，舉凡為了解決因表面研磨紋路所導致表面瑕疵漏檢或誤檢等問題，本發明所提供之系統和方法均可適用之。

請同時參閱圖2及圖3，圖2顯示本發明一較佳實施例之系統架構圖，圖3顯示本發明一較佳實施例之光源和攝像單元之配置俯視圖。如圖中所示，本實施例之硬體架構主要包括中心光源2、8個周邊光源3、攝像單元4以及控制裝置5；其中，中心光源2設置於分光鏡6上方並對應於待測晶圓W之概約形心位置上方，而8個周邊光源3係沿著待測晶圓W之概約圓周上方等距布設，且每一周邊光源3之中心光軸La與待測 晶圓W研磨表面之夾角θ為50度至60度之間。

另外，攝像單元4設置於分光鏡6之一側，且可沿著中心光源2之光軸而對待測晶圓W取像。藉此，此一配置將可大大縮短所有光源和攝像單元4配置在高度方向上所占用的空間，實現薄型化設置。需特別說明的是，本實施例之所有光源和攝像單元4可以配置在晶圓傳送設備(EFEM)內HEPA過濾器下方，無須增設額外的設備或調整原半導體處理設備之架構。

請同時參閱圖2、圖4及圖5，圖4顯示本發明一較佳實施例中控制裝置之系統方塊圖，圖5顯示本發明一較佳實施例之檢測圖像處理之示意圖。控制裝置5係電性連接中心光源2、周邊光源3及攝像單元4，且控制裝置5適於控制分時、分區地啟動中心光源2及周邊光源3，並控制攝像單元4分別獲取複數原始圖像Po。

進一步說明，控制裝置5主要包括控制單元51、記憶單元52及處理單元53，其可為工業電腦、伺服主機或專用機，當然也包括用於供使用者操作之GUI模組54、連接外部裝置之I/O模組55、以及用於連接內部網路或網際網路之通訊模組56等。

其中，控制單元51內包括了光源控制部511、攝像控制部512及載入載出控制部513；光源控制部511是用於控制啟動或關閉中心光源2及周邊光源3；攝像控制部512是用於控制攝像單元4啟動拍攝與否；載入載出控制部513是用於控制晶圓傳送設備 (EFEM)內的機械手臂(圖中未示)來移載待測晶圓W。

本實施例之記憶單元52主要包括圖像記憶部521以及處理參數記憶部522。圖像記憶部521除了儲存攝像單元4所拍攝的待測晶圓W影像之外，另外儲存一標準圖像Pu及一光斑圖像Pc，標準圖像Pu為一完美無缺陷之晶圓研磨面的圖像，而光斑圖像Pc為在周邊光源3照射於完美無缺陷之晶圓所正常呈現之光斑；光斑圖像Pc可不限於一張，可對應於不同周邊光源3具備不同的光斑圖像Pc，以增加辨識的準確率。處理參數記憶部522則係儲存圖像拍攝或處理過程中所運用的參數，例如亮度參數、曝光參數、對比參數以及分辨率等。

本實施例之處理單元53包括異常區域抽出部531、光斑處理部532、無瑕圖像整合部533、缺陷圖像整合部534及最終圖像整合部535。以下詳述本實施例之運作流程，請一併參閱圖5及圖6，圖5顯示本發明一較佳實施例之檢測圖像之處理示意圖，圖6顯示本發明一較佳實施例之檢測圖像之處理流程圖。

首先，控制裝置5的光源控制部511先控制其中一個周邊光源3啟動，同時控制攝像單元4拍攝而獲取一原始圖像Po；並依此方式控制所有周邊光源3依序啟動，最後才控制中心光源2啟動，而攝像單元4依序拍攝而獲得共9張原始圖像Po；此即圖6中的步驟S100。

以下進一步說明各光源照射下的檢測影 像，請一併參閱圖7A、7B，顯示本發明一較佳實施例在不同周邊光源照射時所形成的光斑區域和檢測區域之示意圖；如圖7A、7B所示，在不同周邊光源3的照射時，待測晶圓W將會在不同位置呈現一光斑區域ZL及一檢測區域ZI。

另外，請再一併參閱圖7C，其係顯示本發明一較佳實施例在不同周邊光源照射時所形成的光斑區域的重疊區域之示意圖。事實上，在不同周邊光源3照射時所形成的光斑區域ZL將會有一重疊區域ZC，也就是晶圓的圓心(形心)附近區域，故該區域有可能會形成誤判或漏判。

為此，中心光源2可彌補此一缺漏，因中心光源2係朝待測晶圓W之圓心區域照射，然而於該圓心區域不會形成光斑。因此，將8個周邊光源3分區、分時照射而成的檢測區域ZI與由中心光源2照射所獲取之中心區域影像加以拼接，即可獲得待測晶圓W之研磨表面之完整圖像。

此外，本實施例之中心光源2採用準直光源，其發光張角約為正負2度，故可避免光斑之形成。另一方面，本實施例之周邊光源3的發光張角約為正負15度，其取決於周邊光源3配置數量，如果數量越多，則可選用發光張角越小(即準直度越高)的光源，而可得到較為優異的檢測效果。

請同時參閱圖8A及圖8B，圖8A顯示本發明一較佳實施例之周邊光源照射時呈現刮紋之示意 圖，圖8B顯示本發明一較佳實施例之周邊光源照射時因刮紋所呈現光反射現象之剖面示意圖。如圖中所示，由於刮紋D1破壞了原本的研磨紋路，故將形成不同的光反射路徑，對於待測晶圓W正上方的攝像單元4而言，將會產生如圖8A所示之明顯的亮紋部位D4。

而且，在不同角度之周邊光源3照射下，明顯的亮紋部位D4也會在待測晶圓W表面上的不同方位呈現，實際上亮紋部位D4是與周邊光源3約略呈對角方位。再者，本實施例也僅取用最明顯的亮紋部位D4，也就是會先濾除亮度不足的亮紋部位D4。然而，當所有原始圖像Po之檢測區域ZI內的所有的亮紋部位D4整合拼接後，即可獲得一清楚、明顯且完整的刮紋D1(請見圖1A)。

接著，請回到圖5及圖6，關於步驟S110；當取得所有原始圖像Po後，控制裝置5的處理單元53中的異常區域抽出部531對所有的原始圖像Po辨識並抽取所有的異常區域Za，其中可能包括光斑區域ZL及缺陷部位Zd，並分別生成9張的無瑕圖像Pp及9張的異常圖像Pi。具體而言，本實施例是採用圖像比對方式而辨識出異常區域Za；亦即，異常區域抽出部531逐一地將每張原始圖像Po與記憶單元52內的標準圖像Pu進行比對後，將所有不存在於標準圖像Pu上的影像區塊判斷為異常區域Za，並將之抽離成為異常圖像Pi。

另一方面，在本發明的其他實施例中，亦可採用灰階亮度值辨識法；亦即，異常區域抽出部531 係求取每一張原始圖像Po中每一像素之灰階亮度值，並將之與一預設範圍值比對。該預設範圍值相當於標準圖像Pu上最高灰階亮度值與最低灰階亮度值間所構成的範圍值，當然也會加上容許的誤差值。然而，當原始圖像Po中某一像素之灰階亮度值高於或低於該預設範圍值，異常區域抽出部531即判定為異常區域Za。此外，在本實施例中，雖然是將取得所有原始圖像Po後作批次處理，但本發明並不以此為限，也可逐張取得原始圖像Po後，馬上對原始圖像Po進行處理。

再且，關於步驟S120，處理單元53中的光斑處理部532分別移除每一張異常圖像Pi中的光斑區域ZL而分別生成9張缺陷圖像Pd。其中，光斑處理部532分別將每一張異常圖像Pi與記憶單元52內的光斑圖像Pc進行比對後，可立即獲知每一異常圖像Pi中的光斑區域ZL，進而移除光斑區域ZL後即可生成缺陷圖像Pd。換言之，每一缺陷圖像Pd中將僅呈現實際存在的缺陷部位Zd，例如局部刮紋、壓紋或未研磨區。

接著，關於步驟S130，處理單元53中的無瑕圖像整合部533整合所有無瑕圖像Pp，其中因抽離異常區域Za所形成的留白區域也將於整合後而被填補，進而生成一無瑕圖層Lp，其可忠實呈現移除所有異常區域Za後待測晶圓W的真實影像。又，處理單元53中的缺陷圖像整合部534整合所有缺陷圖像Pd而生成一缺陷圖層Ld。亦即，每一缺陷圖像Pd中的缺陷部位Zd將會被逐一比對並完美拼接，而在透明背景上呈 現完整的缺陷圖案，此即缺陷圖層Ld。

最後，關於步驟S140，處理單元53中的最終圖像整合部535整合無瑕圖層Lp與缺陷圖層Ld而生成一檢測圖像Pt。其中，缺陷圖層Ld為一透明背景之圖層，故將之疊置於作為背景之無瑕圖層Lp上，可得最終的檢測圖像Pt。

整體而言，本實施例係在所拍攝的每一張原始圖像Po中抽離異常區域Za後各生成的一無瑕圖像Pp及一異常圖像Pi，又對異常圖像Pi移除因光源照射所形成之光斑而生成一缺陷圖像Pd，故缺陷圖像Pd是含括了不應存在於正常晶圓研磨表面之所有線條或區塊之透明圖層。接著，分別疊加整合所有無瑕圖像Pp和缺陷圖像Pd，即可分別獲得一無瑕圖層Lp和一缺陷圖層Ld。其中，無瑕圖層Lp可作為背景圖像，其係待測晶圓之實際影像且已經移除了所有不應存在於晶圓表面之影像元素；反之，缺陷圖層Ld則含括了實際存在於晶圓表面上所有缺陷元素之透明圖像。最後，把缺陷圖層Ld疊加整合於無瑕圖層Lp即可獲得一檢測圖像Pt。

綜上可知，由於晶圓研磨紋路的干擾，讓習知AOI系統對於研磨表面之瑕疵檢測容易產生漏檢或誤判。然而，本發明採用多光源(包含多個周邊光源和一中心光源)分區照射取像，不僅可凸顯因各種瑕疵所形成的灰階差異，且又可彌補晶圓中心位置的取像缺漏，讓晶圓表面得以完整呈現而被拍攝。再者，又搭配了前述影像處理手段，可精準辨識並移除各種干擾因 子，完整且忠實地呈現了待測晶圓之實際表面情況，可大幅提高檢測精度。此外，本發明運用了中心光源及攝像單元搭配分光鏡的配置，讓整個檢測系統更為緊湊、薄型化，讓空間的使用更為彈性。由此可知，不論硬體上的配置、或軟體上的處理，都極富創意且功效顯著，實符合專利要件無疑。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

2:中心光源

3:周邊光源

4:攝像單元

5:控制裝置

6:分光鏡

51:控制單元

52:記憶單元

53:處理單元

54:GUI模組

55:I/O模組

56:通訊模組

La:中心光軸

W:待測晶圓

θ:夾角

Claims (10)

1. 一種晶圓研磨製程之缺陷檢測系統，其包括： 一中心光源，其設置於一待測晶圓之概約形心位置的上方； 複數周邊光源，其係沿著該待測晶圓之概約圓周上方或圓周上方外側等距布設； 一攝像單元，其適於沿著該中心光源之光軸而對該待測晶圓取像；以及 一控制裝置，其係電性連接該中心光源、該複數周邊光源及該攝像單元；該控制裝置適於控制分別啟動該中心光源及該複數周邊光源，並控制該攝像單元獲取複數原始圖像； 其中，該控制裝置適於對該複數原始圖像辨識並抽取至少一異常區域，而分別生成複數無瑕圖像及複數異常圖像；並分別移除該複數異常圖像中之至少一光斑區域而分別生成複數缺陷圖像；又整合該複數無瑕圖像而生成一無瑕圖層；且整合該複數缺陷圖像而生成一缺陷圖層；以及整合該無瑕圖層與該缺陷圖層而生成一檢測圖像。
2. 如請求項1之缺陷檢測系統，其更包括一分光鏡，該中心光源設置於該分光鏡上方，該攝像單元設置於該分光鏡之一側。
3. 如請求項1之缺陷檢測系統，其中，該控制裝置更包括一記憶單元，其內儲存有一標準圖像；該控制裝置分別將該複數原始圖像與該標準圖像進行比對後，而辨識出該至少一異常區域。
4. 如請求項3之缺陷檢測系統，其中，該記憶單元更儲存有至少一光斑圖像；該控制裝置分別將該複數異常圖像與該至少一光斑圖像進行比對後，移除該複數異常圖像中的光斑區域而分別生成該複數缺陷圖像。
5. 如請求項1之缺陷檢測系統，其中該控制裝置係求取該複數原始圖像中每一像素之灰階亮度值，並與一預設範圍值比對；當該灰階亮度值超過該預設範圍值時，該控制裝置判斷為該至少一異常區域。
6. 如請求項1之缺陷檢測系統，其中該複數周邊光源之中心光軸與該待測晶圓之夾角為50度至60度之間。
7. 一種晶圓研磨製程之缺陷檢測方法，其包括以下步驟： (A) 一控制裝置控制複數周邊光源及一中心光源依序啟動，並控制一攝像單元獲取複數原始圖像； (B) 該控制裝置對該複數原始圖像辨識並抽取至少一異常區域，而分別生成複數無瑕圖像及複數異常圖像； (C) 該控制裝置分別移除該複數異常圖像之一光斑區域而分別生成複數缺陷圖像； (D) 該控制裝置整合該複數無瑕圖像而生成一無瑕圖層；該控制裝置整合該複數缺陷圖像而生成一缺陷圖層；以及 (E) 該控制裝置整合該無瑕圖層與該缺陷圖層而生成一檢測圖像。
8. 如請求項7之缺陷檢測方法，其中，該控制裝置更包括一記憶單元，其內儲存有一標準圖像；於該步驟(B)中，該控制裝置分別將該複數原始圖像與該標準圖像進行比對後，而辨識出該至少一異常區域。
9. 如請求項8之缺陷檢測方法，其中，該記憶單元更儲存有至少一光斑圖像；於該步驟(C)中，該控制裝置分別將該複數異常圖像與該光斑圖像進行比對後，移除該複數異常圖像中的光斑區域而分別生成該複數缺陷圖像。
10. 如請求項7之缺陷檢測方法，其中，於該步驟(B)中，該控制裝置係求取該複數原始圖像中每一像素之灰階亮度值；當該灰階亮度值超過一預設範圍值時，該控制裝置判斷為該至少一異常區域。