暗场散射技术在晶圆表面缺陷检测中的新应用研究道

1、目录摘要1a b s t r a c t2引言”小3第一章光学基础 第一节光的散射一 一“一匕 第二节光的折射与反射第三节晶圆表面微粒散射 面缺陷检测系统第一节各子系统组成第二节检测结果的量化方式 第三节无图案晶圆表面缺陷的种类 膜上散射特性及缺陷检测能力测试 第一节最小极限检测尺度第二节缺陷尺寸量化关联曲线 第三节检测稳定性分析对纳米级缺陷检测能力的研究 第一节薄雾信号综述 第二节软件对薄雾信号的处理分析能力 第三节薄雾信号应用的可行性试验.,一,，一 5 4 参考文献5 5 致射一一4-1 1 0一 1 2第二章无图案晶圆表一1 6. § 2 22 5第三章几种材料薄 3 2一&

2、quot;一 351第四章通过薄雾信号4一一 4 54 5 一一 4 6,一,“一,一.4 8第五章总结与展望 ”5 6摘要随着半导体加工制造技术的飞速发展，晶圆加工的特征尺寸正在从4 5 nm向3 2 nm以下发展，工艺的稳定性和可靠性都面临着严重的挑战。通过晶圆检测來监控 工艺，减少产量损失，提高良率，就变得越发重要起来，晶圆缺陷检测的重要性己 得到广泛的认知。在各种晶圆缺陷检测的方式之中，无图案晶圆表面缺陷检测一直都占有很重要的地 位。本论文在详细介绍利用无图案晶圆表面光学散射来进行缺陷检测的技术（第一 、二章）的基础上，研究了现有方法的一些崭新应用。木论文第三章中，对当前新工艺引入的一

3、些新规格薄膜进行了一系列测试，通过尺 度量化和稳定性两个方而，证实了现有晶圆表而缺陷检测仪器对这些新规格薄膜的 适用性。在本论文第四章，利用软件对底层薄雾散射信号的再分析能力，探索了利用薄雾信 号的一些新应用。首先证实了薄雾信号强度与晶圆表面粗糙度z间存在着一定的对 应关系，并通过一系列的量测，得出了它们之间关联曲线。这种应用可以成为测量 晶圆表而粗糙度的一种新方法。此外，对于一些纳米级别的超微小缺陷，传统的缺 陷检测方法无法检测。本论文通过一系列实验，证实通过分析薄雾信号可以实现对 这类缺陷的检测。最后在第五章对研究工作进做了总结，并对无图案晶圆表面光学散射技术的下一代 发展进行了展望。关键

4、词：无图案晶圆、表面缺陷检测、光学暗场、散射、激光 中图分类号：047 abstractwith the fastevolut ion of icmanufacture process technology, the down from45rimto32nm-t echno 1 ogy node o f waferprocess ing has been sea 1 edthe s t a b i1 i t y a n d rel iabi 1 i ty of wafer process wi i i b e m o s t challenged. a t the same time, pro

5、cessmoni toringwi thwafer defect inspectionway, more andreduct ion of yield loss, rising qualification rate, are becoming of wafer defectmore important and criti cal. therefore, the importanceinspect ion has beenwidely recogni zed. among a 1 1 kinds o f wafer d e f e c t inspec tiont echno 1 ogy, it

6、 plays a n for unpatternedwafer surface inspec tion. this t hes i s impor tant roleintroduces defect inspection technology b y c o 1 1 e c t i n g scattering1 i g h to nwafer surface (chap ter1& 2 ) . based on t h i s technology, i d i d some o n several n e w a p p 1 i c a tion cases o f curren

7、tinspect i o n i n v e s t i g a t ionmethod. i n chap ter 3 , i d i d some testing o n some fi 1ms wi th new speci ficat ion. the a d p 1 i c a b i lityof c u r r e nt inspec tion tool o n these n e w f i 1ms was proved s t a b i 1 i t y . bybothgoodsi zing accuracy and good soft ware o f haze proc

8、ess i n g w a s used i n i n chapter 4, the powerful between hazesome newappl i c a t ion cases. first, some kind o f relationshipsignal value andwafer surface roughness i s p roved, a correlation curveabout i t i s created accordinglywhich da ta comes from series o f testing-this case c a n b e ano

9、ther newmethod tomeasure wafersurfaceroughn e ss i nfabseco n d 1 y ,t here are some kinds o fextremem i c r o一d efee tswhi c h can not b edetected b y t ra d it i o n a 1 inspect ionmeth0ds e x p er i mentat ions s h o w t h efeas1b11 i t y todet e c t such kind o fdefectby h a z esignal analysis.

10、there isasumm ary o f a 11 investigations done i nchapter5 , a 1 s0 1 0o k e d i n t o the future o fth1stec:h n o 1 og y keywo rd s： unpatternedwafersu r f a c <e d efeet inspection, darkf1e1dsc a t t er i ng , laser. classification code： 0 4 7 2 引言光线通过均匀的透明媒质（例如清水）时，从侧面是难以看到光线的。可如果通过 的是有悬浮微粒的混浊

11、液体，我们便可以从侧面清晰地看到光束的轨迹，同时也能 看到液体屮悬浮的微粒，这是媒质屮的不均匀性使光线发生散射的结果。入射光线 在液体中以直线传播，当照在液体中的悬浮颗粒上时便会向四周散射开来，这种现 象称为光的散射。由于光散射的一部分散射光线进入了我们的眼睛，使我们看到了 光的轨迹和液体中的悬浮微粒。与液体中悬浮粒子的散射现象类似，我们可以使用激光入射无图案晶圆表面，通过 收集散射开來的光线并加以处理，來反映晶圆表面的各种缺陷和微粒情况。这种散射光测量的技术在应用上比较灵活，可以针对各种无图案薄膜，对其表面上 吸附的颗粒、各种工艺加工引入的缺陷、晶格缺陷、甚至表面细微粗糙程度的分布 状况进行

12、检测。这篇论文便是对基于激光散射原理的各种实际应用而展开的讨论与研究。通过一系 列实验，证实了现有晶圆表面缺陷检测仪器对新薄膜的适用性。利用软件分析底层 薄雾散射信号，证实了薄雾信号强度与晶圆表面粗糙度之间存在的对应关系。对于 一些传统检测方法失效的纳米级别超微小缺陷，证实了通过分析薄雾信号对这类缺 陷检测的可行性。第一章光学基础第一节光的散射光通过各种浑浊介质（如雾、有灰尘的空气、浑水或乳状液体等）时，有一部分光 能向四方散射，沿原來的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束 的方向，人们也能够清楚地看到这些介质，这就是光的散射现象。这些无确定传播 方向的光称为散射光。散射现象是普

13、遍存在的。光波只有在真空或均匀介质中传播吋，才有确定的传播方 向。如果介质不均匀，即有异质体存在，就有散射光。实验发现，这里的关键是折 射率的不同，如果两种物质的折射率相同，它们混在一起时就和一种介质一样没有 散射光。浑浊介质的散射也称丁达尔效应，这种散射作用很强，散射光强与混合体 的浓度有关。例如牛奶，因为强烈散射而变得不透明，在胶体化学中常用浑浊度和 散射光强的关系通过测量光强来确定溶液的浑浊度或浓度。浑浊介质中含大颗粒杂质（如雾、浑水）的散射是明显的。实验发现，即使很小颗 粒的杂质（颗粒线度比入射光波长小很多），也同样产生散射现象。而且，即使仔 细清除所有杂质，即在非常纯粹的气体或液体中

14、，仍有散射现象。虽然它们的强度 远小于浑浊介质中，但现象是普遍存在的。天空是明亮和蔚蓝色的，就是太阳光在 高空的大气中散射形成的。我们称光在这种纯粹均匀物质中的散射为分子散射。大颗粒浑浊介质的散射现象容易了解，一种介质中有另一种界质体存在时，按照光 的波动理论，根据菲涅耳折反射公式，光在不同介质的界面上要反射和折射。由于 异质体分布不规则，折反射没有确定方向，形成光的散射。但微小颗粒浑浊介质的 散射和分子散射无法这样解释。它们的散射规律也与大颗粒时不同。即便这样，仍 可以说是折射率不均匀（即光性不均匀）引起的，即使纯粹介质，由于分子热运动 引起分子密度起伏，也破坏了介质的均匀性。这一结论得到了

15、实验证明，例如，人 们在物质的临界状态观察到很强的散射光，通常称为叫“ 1临界乳光雹这是因为物 质在两态（例如液、气）之间变化时，密度极不均匀，因而光性不均匀而引起强烈 的散射。4 一、光的散射现象和分类1、光的散射光散射的一般理论在很多光学书内均有概述（1（ 2。所谓光散射就是一束光 在通过介质时，在入射光方向以外的各个方向也能观察到光强的现象。也可以描述 为光束通过光学性质不均匀的介质时，其能量将向整个空间立体角内散开，如图1 1所示。其中光学性质不均匀，指气体中有随机运动的分子、原子或烟雾、尘埃 ,也可以指液体中混入小微粒，晶体中掺入杂质或缺陷等。图1 1光散射示意散射后的光束强度随距离

16、而衰减，其规律如下式：（a。为散射系数），=5e鸭7（11 ）式（11 ）表示介质因散射和吸收对透射光强的减弱具有类似的规律 o对于一般介质，如果同时存在着散射和吸收，且吸收系数为a a,则实际透射光 强度为：（a。为吸收系数）（1. 2） , =, o e（口口 + %） 7也就是通过测量透射光强与入射光强之 比值所得到的介质的损耗系数中，同吋包含了散射和吸收的贡献。2、产生散射的 原因及散射现象分类散射产生的原因了可以认为，物质屮的杂质微粒或不规则排列的物质微粒在光波作 用下产牛受迫振动，进而产牛次级辐射，因彼此间无固定的相位关系，各微粒所发 出的次波在空间各点发生非相干叠加，形成散射光。

17、从光的电磁波本质角度，也不 难了解这现象中光波的电磁场与介质中分子相互作用的过程。因为介质的分子都由 电子和原子核所组成，所以光波的电场振动使分子中的电子产生强迫振动，成为二 次波源，向各个方向发射电磁波，就是散射波。散射现象一般可以分为如下几类：散射光波矢量变化而波长不变化的可分为：瑞利散射、米氏散射和分子散射。 散射光波矢量和波长同吋变化的可分为：拉曼散射和布里渊（bril 1 o u i n ）散射。其屮，也利散射和米氏散射属于悬浮质点散射，主要由介质屮的杂质微粒引起，与 温度变化无关；分了散射主要由介质分了的热运动造成的局部密度涨落引起，随温 度的升高而增大。拉曼散射和布里渊散射展于非

18、线性散射，严格的解释需要非线性 光学理论。即使十分纯净的介质，仍然存在着或多或少的分子散射，特别是在临界 点（相变点），分子密度涨落很大，分子散射可能很强，但散射规律类似瑞利散射 ,可以用瑞利散射规律解释。后來又有学者综合前人的成果，建立了更全面的散射 理论（3）（ 4 ）。二、瑞利散射亭达尔（t y n d e 1 1 ）等人最早对混浊介质的散射进行了大量的实验研究，尤 其是微粒线度比光的波长小，即不大于（1 / 5'1 / 1 0 ）入的混浊介质，并且 从实验上总结出了一些规律，因此，这一类现象叫亭达尔效应。这些规律其后为瑞 利（rayleigh）在理论上说明，所以又叫做瑞利散射（

19、5 ）。瑞利敖射（rayleighscattering）是由是以英国物理学家瑞利的名字而命名的。是线度小于 光的波长的微粒对入射光的散射。通过大量的实验研究表明，瑞利散射的主要特点是：（1 ）散射光的强度与入射光波长的四次方成反比，如式（13 ）所示。m ）掌一咖ix学n 3 ,其中i （入）incident是入射光的光强分布函数，i （入）s c a t t e r i n g则是散射光强分布函数，表明光的波长越短，散射越强烈。这就是著名的 瑞利散射定律，该定律的使用条件是散射体的尺度比光的波长小。在这条件下作用 在散射体上的电场可视为交变的均匀场，散射体在这样的场屮极化，只感生电偶极 矩而

20、无更高级的电矩。按照电磁理论，偶极振子的辐射场强e正比于oo 2 p / r （ oo角频率，p偶极矩，r距离）,故辐射功率o c e 2 0 c （一）4 p 2 / r 2 o 瑞利认为，由于热运动破坏了6散射体之间的位置关联，各次波不再是相干的，计算瑞利散射时应将次波的强度 而不是振幅迭加起来。于是感生偶极辐射的机制就导致了正比于c a ） 4或1 /入 4的规律。天空明亮正是太阳光在高空大气层散射的结果，口天阳光被散射时短波段光被散射多，散射光呈淡蓝色，这就是蓝天的成因，而较长波长的光波散射较弱，红外线则 可穿过云层。(2 )散射光强度随观察方向变化。自然光入射时，散射光强i (&am

21、p;)与(1+c0s2 a )成正比，即1 = 1 卩比(l + cos2 q )(14)式中q是散射方向与入射方向的夹角，即散射角，i，膳是和入射方向 垂直的方向(a =兀/ 2 )上散射光的强度。按此式画出曲线表示散射光强度在图 平面内的分布，如图12所示。4x r灭八。散射光方向入射光& 7方 f /一向图12自然光入射时的散射光强分布注意到散射光的强度只与散射角有关，应以入射方向为轴对称分布，所以，图12中曲线绕z轴旋转，所得曲面即表示散射光在立体空间的强度分布。(3 )散射光有偏振性。无论入射光是自然光还是偏振光都是这样，口该偏振光的偏振度与观察方向有关。 如果入射光是自然光

22、，散射光在各方向的偏振度不同。在散射光和入射光组成的平 面内，将散射光1分成光矢量垂直于平面的分量i s ,和在平面内的分量i p ,实 验测得，这两部分可分别用下式表示：(15 ) i s = i o 12=常数，i p = i o / 2 c 0 s 2 q因此散射光的偏振度为：尸=1 盯i , 7 i t , 1 =丽 s i n z a (1. 6)比女u,在与入射方向垂直的方向：0=兀/ 2 , i p0 , ii s , p = 1,即散射光是振动垂直于图平面的线偏振光。在沿着入射的方向：q=0, i s 2 i p = i nit, i : 2 1,龙，p = o,即散射光是自然

23、光。在其它方向：0<p< 1 ,是部分偏振光，如图13所示。矗一一呂t'vetv： 0。图13 自然光入射吋散射光的偏振态如果入射光是线偏振光，则光强分布与入射光光矢量的方位有关。用。角表示敲射方向与此振动方向的夹角，散射光强的分布如图14所示。/暇孵 厂、彩夏一 l / /确八f光振动方向图14线偏振光入射时散射光强的分布则散射光强度有关系式i =z / 2 s i n 2 口(17)式中i。化是o = 11/ 2时(即与入射光振动垂直的方向上)的散射光 强度，i随。分布的曲线如图14所示，将此曲线绕振动轴线删旋转，即得散射 光的立体空间分布。入射光是线偏振光时散射光也是线偏振光，其振动方向与入射光的振动方向有关， 散射方向与入射光振动方向组成的平面内振动，振动方位如图1 . 5所示。潞专i , 1 i t散射光振动1 i i人身毒光振功/f j 1 f图15 自然光入射时散射光的偏振态三、米氏散射当散射粒子的尺寸接近或大于波长时，其散射规律就与瑞利散射不同。这种大粒子 散射的理论，目前还很不完善，只是对球形导电粒子(金属的胶体溶液)所引起的 光散射，米氏进行了较全面的研究，并在1 9 0 8年