TWI498543B - 自動晶圓光學檢測裝置及檢測晶圓表面均勻性的方法 - Google Patents

Description

自動晶圓光學檢測裝置及檢測晶圓表面均勻性的方法

本發明係關於一種自動光學檢測裝置及檢測晶圓表面均勻性的方法。更明確的說，本發明係一種利用缺陷檢測程序中所產生的數據來模擬均勻度檢測之裝置及方法。

現存的半導體晶圓在製造時，為了維持其品質，多會利用光學檢查的手段來對晶圓的品質本身進行檢查。而自動光學檢查(英文：Automated Optical Inspection，下稱AOI)則為一例。AOI為高速高精度光學影像檢測系統之總稱，其運用機器視覺做為檢測標準技術，作為改良傳統上以人力使用光學儀器進行檢測的缺點。在晶圓完成如研磨等加工程序後，為了確認晶圓表面是否具有毀損。廠商多利用AOI中的缺陷檢測裝置來對晶圓表面進行光學檢測。更明確的說，藉由其中的感光元件，缺陷檢測裝置得以對晶圓的表面影像進行拍攝，進而利用演算法來對自晶圓表面拍攝的缺陷影像進行分析以為破損部位的辨別。有鑑其基本設計均己見於先前技術中，故本發明將不予以贅述。

除此之外，業界為了對晶黃光製程或蝕刻製程後的晶圓進行均勻性檢測，亦開發出利用晶圓的區域反射光強度來對晶圓表面之均勻度進行評價 的均勻度檢測裝置。更明確的說，其運作原理在於利用一光源對標的晶圓之某區域進行照射，接著利用感光元件來對該區域反射至感光元件的光強度進行量測。而過程中，感光元件係僅對光強度進行檢測而無需對晶圓的區域的具體影像進行成像。

綜合而言，業者在進行半導體晶圓的加工程序後，會分別的利用均勻度檢測裝置及缺陷檢測裝置來對晶圓之表面進行檢測以確保其表面的缺陷及均勻度均係合乎標準。

在應用前述的均勻度檢測裝置及缺陷檢測裝置來進行檢測時，申請人意外地發現一簡單、可靠、週邊成本極低且得以提高以往檢測系統的效率的方法。

以下將對申請人之發明進行說明，簡單來說，申請人提出了一種晶圓光學檢測裝置，其係利用傳統的缺陷檢測裝置所得之數據來模擬均勻度檢測裝置，以使業者得僅利用一缺陷檢測裝置來達到缺陷檢測以及均勻度檢測的效果，以達省略均勻度檢測裝置之目的。更明確的說，本發明係利用缺陷檢測裝置之數據來進行演算以模擬均勻度檢測裝置。故此，在進行缺陷檢測及均勻性檢測過程中，被檢測晶圓將無需被移動。藉此，本發明除了可省略均勻性檢測裝置的硬體建構成本外，晶圓因移動而破損或污染之機會及移動晶圓所需的人力需求亦隨之得以被減少。

再者，申請人發現在模擬的過程中，需利用縮圖演算法將與均勻性檢測無關的亮暗點缺陷濾除後，方得模擬得一接近真實的均勻性變異結果，否則其模擬結果將難以準確地呈現。據此，本發明在省略了均勻度檢測裝置的 硬體後，本發明其仍具備有原有的均勻度檢測裝置的全部功能。

承上，以下將對本發明之具體設計進行更進一步的細部說明。

1‧‧‧晶圓光學檢測裝置

10‧‧‧光源

20‧‧‧承載台

30‧‧‧光學成像模組

40‧‧‧儲存模組

50‧‧‧運算模組

60‧‧‧介面模組

圖一係繪述了本發明的晶圓光學檢測裝置於一具體實施例中的示意圖。

圖二A至圖二C係分別地繪述了本發明的晶圓光學檢測裝置於一具體實施例中縮圖演算法的示意圖。

承前所述，本發明係提出了一種晶圓光學檢測裝置(下稱檢測裝置或本發明的裝置)。簡單來說，本發明的晶圓光學檢測裝置係藉由一演算法來使原來用於檢測缺陷的裝置在無需對硬體設備進行大幅調整的前提下一併具有均勻性檢測的能力。

在對本發明的裝置之各個組成元件分別進行說明之前，需強調的是，本發明中提及的晶圓光學檢測裝置係以習知的自動光學檢測裝置中的缺陷檢測裝置為改良的標的，由於缺陷檢測裝置之設計己為習知，故申請人將僅對本發明與先前技術之相異之處多加說明，而重疊的部份將予以選擇性的省略。

請參閱圖一，圖一係繪述了本發明的晶圓光學檢測裝置於一具體實施例中的功能方塊圖。由圖可見，於本例中，本發明的晶圓光學檢測裝置1係大致地包含有一光源10、一承載台20、一光學成像模組30、一儲存模組40、一運算模組50以及一介面模組60。而在對本發明的運作方式進行說明前，以下將先針對各組成元件及模組分別進行說明。

本發明的光源10係指一得以對一晶圓提供有一光線以得以對晶圓 進行光學檢測的主動光源10。於本例中，該光源10為至少一整合有發光二極體的外同軸光源10。惟本發明並不以此為限，按其設計的不同，該光源10亦得為一環狀光源、斜向光源或其他得以用於缺陷檢測的發光裝置。另外，於本例中，該光源10亦得包含有複數個以一維或二維矩陣方式排列的主動光源10，以同時地對晶圓的各部輸出有光線。

另外，於本例中，本發明的光學成像模組30係設置於該承載台20之上方處，其係包含有一半導體感光元件矩陣(陣列)以及一成像鏡片。而成像鏡片係與該感光矩陣相對應。於本例中，光學成像模組30為一CCD鏡頭，其具有一CCD感光模組矩陣以及一相對應的光學鏡片。另外，於本例中，光學成像模組30係設置於光源10之外同軸光源10之上方，以經由該外同軸光源10來接受有自該晶圓反射之反射光線。惟本發明的光學成像模組30並不以設置於光源10之另一端為限，其亦得與光源10呈一相對應角度以為光線之接收。

另外，承載台20係提供有一承載表面以供晶圓承載。於本例中，該承載台20為一連接有一動力模組且得具有一固定元件的可動式承載台20，其得受控制器控制而進行XYZ三軸之移動以帶動晶圓進而調整其與感光元件之相對位置。惟本發明的承載台20並不以可動為限，其亦得為一固定載台，而以移動感光元件之位置以為替代亦可。

而介面模組60則係凡指得供使用者輸入或對使用者輸出資料之硬體、使用者介面軟體或其組合。於本例中，本發明之介面模組60係指一觸控顯示屏。惟本發明並不以此為限，該介面得指一具有實體按鈕的控制面板或是一受鍵盤、滑鼠、觸控顯示屏等元件。

而本發明的儲存模組40係指一得以儲存電子資料的裝置，如記憶 卡、記憶體、硬碟、甚至是藉由網路連接的伺服器端的磁碟矩陣等任一得以儲存資料的裝置，均得視為本發明之儲存模組40。而當儲存模組40係位於裝置外部時，則本發明的裝置得選擇性地增設有一網路卡或其相對應之元件以為數據交換之用。

而於本例中，該儲存模組40為一硬碟，且其係儲存有複數個程序資料。而各個程序資料得視為一程式或其中具有相對應功能的程式碼。於本例中，儲存模組40係至少包含有一第一預定程序資料及一第二預定程序資料。

第一預定程序資料係用於產生有一第一分析資料及一第二分析資料，第二預定程序資料則係用於產生有一第三分析資料。簡單而言，第一分析資料及第二分析資料係相對應於一缺陷檢測結果，而第三分析資料則係相對應於一均勻度檢測結果。而第一預定程序資料及第二預定程序資料細部之內容將於後部說明。

另一方面，本發明的運算模組50係泛指一得以對程式、指令進行反應或得以對資料進行運算以產生結果之硬體、軟體或其組合。於本例中，運算模組50係指一中央處理器(CPU)及其軔體。同時，於本例中，運算模組50係與該光學成像模組30、該儲存模組40、介面模組60、光源10等其他元件耦接，用以對各個元件或模組進行控制進而達到一相對應的目的。而於本發明之裝置使用時，使用者得藉由該操作介面來對該運算模組50進行控制以使該運算模組50得以執行該第一預定程序資料及該第二預定程序資料來取得該第一分析資料、該第二分析資料以及該第三分析資料。

為了對本發明之細部作動原理進行說明，以下將以本發明的實際應用時之狀況來舉例。首先，在應用時，使用者首先透過介面模組60的操作介 面來啟動本發明的裝置，同時，運算模組50即得讀取並執行儲存模組40中所儲存的第一預定程序資料及第二預定程序資料。

具體來說，第一預定程序資料得被視為傳統的缺陷檢測裝置之相對應程序，亦即利用光源10對晶圓的一部份進行拍攝、分析後判斷晶圓表面各處的破損或缺陷以藉此判斷晶圓各部份的品質。而第一分析資料及第二分析資料則係相對於晶圓表面之各處的缺陷的分析結果。

而為了達到前述的效果，第一預定程序資料係依序包含子程序S11至子程序S13，每個子程序得分別地相對應於一程式碼或其組合。

子程序S11係指取得一第一影像資料，該第一影像資料係相對應於晶圓的一第一子區域，其係指利用一光源10對一晶圓的一部份進行照射以取得該部份之晶圓表面之影像。而在應用時，子程序S11得進一步包含有子程序S111至子程序S113，子程序為子程序S111為控制該光源10以對該晶圓之一第一子區域輸出有一第一檢測光線。子程序S112為控制該光學成像模組30來擷取自該晶圓之該第一子區域反射之一第一反射光線以產生一第一影像資料，該第一反射光線係相對應於該第一檢測光線；子程序S113為將該第一影像資料儲存至該儲存模組40。

而子程序S12係指取得一第二影像資料，該第二影像資料係相對應於晶圓的另一部份，其係指利用一光源10對晶圓的另一部份進行照射以取得該部份之晶圓表面之影像。另一方面，子程序S12又得進一步包含有子程序S121至子程序S123。子程序S121為控制該光源10以對該晶圓之一第二子區域輸出有一第二檢測光線；子程序S122為控制該光學成像模組30來擷取自該晶圓之該第二子區域反射之一第二反射光線以產生一第二影像資料，該第二反射光線係相對 應於該第二檢測光線；子程序S123為將該第二影像資料儲存至該儲存模組40。藉此，即能取得前述的第一分析資料及第二分析資料，亦即晶圓上的該二區域之缺陷分析結果。

子程序S13則係指對該第一影像資料及該第二影像資料分別進行分析以產生有一第一分析資料及一第二分析資料，該第一分析資料係相對應於該第一影像資料，而該第二分析資料係相對應於該第二影像資料，其係指分別地對各個部份的影像進行分析以判斷其是否具有缺陷，而分析結果即為該第一分析資料及第二分析資料並將得以被儲存於儲存模組40中以為後續使用。而前述的第一影像資料及第二影像資料係一相對應於晶圓表面之影像的資料。

接著，在第一預定程序資料被運行完畢後，將執行第二預定程序資料。第二預定程序資料係相對於先前技術之均勻度檢測。為了利用缺陷檢測裝置來對晶圓的均勻度進行檢測，本發明係革新地提出了一種利用缺陷檢測程序中所產生的數據來模擬均勻度檢測之方法及程序，以下將對第二預定程序資料之內容進行說明。

於本例中，第二預定程序資料係依序包含有子程序S21及子程序S23，子程序S21為自該儲存模組40取得該第一影像資料及該第二影像資料；而子程序S22則為統整該第一影像資料及該第二影像資料以產生有一第三影像資料，更明確的說，前述的第三影像資料的統整亦得包含有影像接圖以及亮度校正運算程序二者，影像接圖係指將複數張影像予以連接、整合之程序，而亮度校正運算則係用於校正、調整影像之亮度之程序；子程序S23則為根據該第三影像資料來產生有一第三分析資料，亦即利用前述所產生且儲存於儲存模組40的第一影像資料及第二影像資料來進行模擬分析以為第三分析資料之產生。

而更明確的說，於本案中，前述提及的模擬分析係利用多個影像的綜合色彩特徵來進行統計及分析而來。簡單來說，藉由對晶圓的各個區塊的波長分佈或是顏色深淺差異值統計即得以計算晶圓表面各處的反射光強度，藉由對各部份的反射光強度進行比較，即得該晶圓表面的均勻度分佈狀況。更明確的說，其均勻度分佈除了利用有縮圖處理外，更得選擇性的利用有灰階或色階演算法來對該縮圖影像進行數值處理，取得相對於其受測表面的均勻性之第三分析資料。

惟申請人在實際應用時，發現若直接地將原來的第一影像資料及第二影像資料進行統計，將無法準確地利用其差異值得出晶圓表面均勻度之數據。

經研究後發現，前述誤差值的產生在於第一影像資料及第二影像資料在缺陷檢測時所得之影像係具有多數個與黃光製程或蝕刻製程均勻性無關的亮暗點或缺陷，使數據在統計時受到干擾。故此，需利用圖像處理的方式予以濾除後，方能得到接近真實的均勻性變異結果。

據此，為了克服該差異，申請人開發了一種利用適度調整或減少圖像的解析度來過濾該等亮暗點或缺陷進而取得較接近真實的均勻性分析方法，下稱縮圖演算法。

考量現存的縮圖演算法之種類甚多，故以下將僅列一較佳例予以說明。請參閱圖二，圖二為本發明的晶圓的影像資料矩陣之示意圖。假設有一標的晶圓表面，其原解析度為△x與△y，在進行掃描後之資料矩陣S可用以下的算式予以表達：S _{i ,j} =[X _{i ,j} ,y _{i ,j} ,G _{i ,j} ]

其中i 為x 方向的像素(pixel)編碼，j 為y 方向的像素編碼。

另外，G _{i ,j} 則為縮圖後X _{i ,j} 及Y _{i ,j} 位置量測到的反射光強度值。對原圖進行縮圖運算處理後，解析度降為△x'與△y'，而經處理後的資料矩陣S'可以下式予以表示：S' _{p ,q} =[x ' _{p ,q} ,y ' _{p ,q} ,G ' _{p ,q} ]

其中p 為縮圖後x 方向的像素(pixel)編碼，而q 則為縮圖後y 方向的像素編碼。G ' _{p ,q} 為縮圖後x ' _{p ,q} 及y ' _{p ,q} 位置計算得到的平均反射光強度值，故此，G ' _{p ,q} 、x ' _{p ,q} 及y ' _{p ,q} 之代表式為如下所列者：x ' _{p ,q} =p ×△x；y ' _{p ,q} =q ×△y；及

另外，m及n之代表式如下列：

據此，得悉圖案均勻性之平均值()與標準差(σ _{G '} )由G ' _{p ,q} 計算而得下式：

藉此縮圖演算法，即得將與黃光製程或蝕刻製程均勻性無關的亮暗點缺陷濾除，進而得到接近真實的均勻性變異結果。縮圖的解析度可由量測重現性需求或依客戶出貨規格進行調整。而其效果部份，請參酌圖三所繪述者，由圖中之黑色線所示，為利用晶圓之原圖，亦即第一影像資料、第二影像資料等資料進行均勻度計算而得出者。由圖可見，除其中間區域外，其尚具有多個代表亮點缺陷及暗點缺陷之峰值。而圖中的灰色線及白色線所繪述者，則係分別對應有二階縮圖演算法的反射光強度，由其可見，除其中間區域已趨向平滑 外，其峰值亦已被過濾，據此將與黃光製程或蝕刻製程均勻性無關的亮暗點缺陷濾除，以得到接近真實的均勻性變異結果的效果。另外，縮圖的解析度可由量測重現性需求或依晶圓等級要求進行調整。

再者，對於黃光製程或蝕刻製程之微結構通常為微米或次微米尺寸結構，該結構的反射率會隨光源波長而作相對應的變化，因此，本發明的光源可以是單波長光源、白光光源或多組可切換波長之單波長光源，依需求選取光源波長以獲得合適之靈敏度。甚至可透過分光鏡組與濾波器，對應兩組或兩組以上感光元件，一次性獲得多組波長的檢測影像，兼顧各種缺陷與均勻性檢驗需求。

除此之外，光源可以是UV光源加上一螢光轉換元件，可藉由螢光轉換元件的更換獲得不同波長的光源，對應不同的圖案結構或缺陷類型以動態性增進靈敏度與準確性。更明確的說，該光源得包含有一UV LED，而為了對應不同的光線需求，使用者得將UV LED表面，塗佈有螢光粉層具有一相對應發光波長的光學元件以具有另一波長的光學元件予以取代，進而調整其輸出光線之波長及特性，而前述的UV LED係得指一裸晶或一經封裝的晶片，本發明不對其多加限制。

綜合而言，本發明與先前技術之相異之處在於，本發明係提出了一種利用缺陷檢測裝置來對晶圓的均勻度進行檢測的裝置及其方法。更明確的說，本發明係利用缺陷檢測程序中所產生的數據來模擬均勻度檢測之方法及程序，以使習知的缺陷檢測裝置可進一步的對晶圓的均勻度進行檢測。

需瞭解本說明書目前所述者僅屬本發明的眾多實例方法之其中之一，在本發明之實際使用時，可使用與本說明書所述方法及裝置相類似或等效 之任何方法或手段為之。再者，本說明書中所提及之一數目以上或以下，係包含數目本身。

且應瞭解的是，本說明書揭示執行所揭示功能之某些方法、流程，並不以說明書中所記載之順序為限，除說明書有明確排除或各個程序、步驟間係必然地具有因果關係，否則其執行時間之先前端看使用者之要求而自由調整。另外，考量本發明之各元件之性質為相互類似，故各元件間的說明、標號為相互適用。需注意的是，本說明書中所提及之裝置、模組、器、元件等組成部份並不以實際上相互獨立之硬體為限，其亦得以個別或整合後的軟體、韌體或硬體的方式呈現，合先述明。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

1‧‧‧晶圓光學檢測裝置

10‧‧‧光源

20‧‧‧承載台

30‧‧‧光學成像模組

40‧‧‧儲存模組

50‧‧‧運算模組

60‧‧‧介面模組

Claims (11)

1. 一種自動晶圓光學檢測裝置，用以對一晶圓之複數個子區域進行一光學檢測，該晶圓光學檢測裝置包含：一光源；一承載台，提供有一承載表面以供該晶圓承載；一光學成像模組，設置於該承載台之上方；一儲存模組，儲存有：一第一預定程序資料，係包含有以下子程序，分別為：取得一第一影像資料，該第一影像資料係相對應於該晶圓的一第一子區域；取得一第二影像資料，該第二影像資料係相對應於該晶圓的一第二子區域；根據該第一影像資料進行分析以產生有一第一分析資料；以及根據該第二影像資料進行分析以產生有一第二分析資料；以及一第二預定程序資料，係包含有以下子程序，分別為：讀取該第一影像資料及該第二影像資料；統整該第一影像資料及該第二影像資料以產生有一第三分析資料；以及一運算模組，與該光學成像模組、該儲存模組以及該光源耦接；一介面模組，與該運算模組耦接，具有一操作介面；其中，在應用時，使用者係藉由該操作介面來對該運算模組進行控制以使該運算模組得以執行該第一預定程序資料及該第二預定程序資料來取得該第一分析資料、該第二分析資料以及該第三分析資料，該第一分析資料及該第二分析資料係相對應於該晶圓之該第一子區域及該第二子區域的缺陷的資料，而該第三分析資料係相對應於該晶圓之 該第一子區域及該第二子區域的均勻度的資料。
2. 如申請專利範圍第1項所述的晶圓光學檢測裝置，其中，該取得一第一影像資料的子程序係進一步包含有以下子程序：控制該光源以對該晶圓之該第一子區域輸出有一第一檢測光線；控制該光學成像模組來擷取自該晶圓之該第一子區域反射之一第一反射光線以產生一相對應的第一影像資料，該第一反射光線係相對應於該第一檢測光線；以及將該第一影像資料儲存至該儲存模組。
3. 如申請專利範圍第2項所述的晶圓光學檢測裝置，其中，該取得一第二影像資料的子程序係進一步包含有以下程序：控制該光源以對該晶圓之該第二子區域輸出有一第二檢測光線；控制該光學成像模組來擷取自該晶圓之該第二子區域反射之一第二反射光線以產生一第二影像資料，該第二反射光線係相對應於該第二檢測光線；以及將該第二影像資料儲存至該儲存模組。
4. 如申請專利範圍第3項所述的晶圓光學檢測裝置，其中，統整該第一影像資料及該第二影像資料以產生有一第三分析資料之步驟係包含有以下程序：自該儲存模組取得該第一影像資料及該第二影像資料；利用影像接圖或亮度校正運算來統整該第一影像資料及該第二影像資料以產生有一第三影像資料；以及根據該第三影像資料來產生有該第三分析資料。
5. 如申請專利範圍第4項所述的晶圓光學檢測裝置，其中，根據該第三影像資料來產生有一第三分析資料之步驟係包含有以下程序： 利用一縮圖演算法來對該第三影像進行一縮圖處理；以及利用灰階或色階演算法來對該縮圖影像進行數值處理，取得該第三分析資料。
6. 如申請專利範圍第1項所述的晶圓光學檢測裝置，其中，該光學成像模組係包含有：一半導體感光元件矩陣，用以接收該第一反射光線以產生有一相對應的第一影像資料或接收該第二反射光線以產生有一相對應的第二影像資料；以及一成像鏡片，將該第一反射光線底該第二反射光線集中至該半導體感光元件之表面。
7. 如申請專利範圍第1項所述的晶圓光學檢測裝置，其中，該光源為一外同軸光源。
8. 如申請專利範圍第1項所述的晶圓光學檢測裝置，其中，該光源係包含有一單波長光源、一白光光源或多組可切換波長之單波長光源。
9. 如申請專利範圍第1項所述的晶圓光學檢測裝置，其包含有一UV光源及一可替換的螢光轉換元件，該螢光轉換元件係自複數個螢光轉換元件中選出，該複數個螢光轉換元件係分別地對應有一波長。
10. 如申請專利範圍第1項所述的晶圓光學檢測裝置，其中，該光學成像模組可包含分光鏡組與濾波器，對應兩組或兩組以上感光元件，以同時獲得多組波長的檢測影像。
11. 一種檢測晶圓表面均勻性的方法，其包含有以下步驟：取得一第一影像資料，該第一影像資料係相對應於晶圓的一第一子區域之影像；取得一第二影像資料，該第二影像資料係相對應於晶圓的一第二子區域之影像；以及 統整該第一影像資料及該第二影像資料以產生有一第三分析資料，該第三分析資料係相對於該晶圓之該第一子區域及該第二子區域之均勻度之資料。