基于线阵布里渊显微的晶圆和芯片缺陷检测系统及方法

本发明属于光学精密测量领域和晶圆检测领域，主要涉及一种基于线阵布里渊显微的晶圆和芯片缺陷检测系统及方法。

背景技术：

1、晶圆和芯片的缺陷检测是芯片制造加工的关键环节，随着芯片制造工艺的发展，不仅要求对其表面划痕、颗粒、凹槽等缺陷进行记录，还逐渐要求对其机械性质、化学成分、晶格结构缺陷等进行测量。

2、传统的晶圆缺陷检测方法是基于明场照明或暗场光致激发照明进行晶圆表面或亚表面缺陷的检测，如公开号为cn112505064a和cn114441440a的中国发明专利文献公开了一种分面区域晶圆缺陷检测方法，实现了明场线阵和暗场面阵的同步快速检测，但检测范围局限于几何缺陷。

3、布里渊散射显微成像作为一种新兴的显微方法，能检测晶圆和芯片的机械性质和应力分布，从而了解其更多性能和缺陷信息。如公开号为cn113916891a的中国发明专利文献公开了一种兼顾明场共焦探测和暗场共焦布里渊探测的显微系统，通过光纤产生环形照明光束与互补孔径遮挡探测，从而有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号，进而实现对样品缺陷和机械性质的三维检测。但是该方法只能对样品进行点扫描探测，成像速度受限。论文scientific reports 6:35398提出了一种线扫描布里渊显微镜，入射物镜聚焦激光入射到样品内形成线束，采集物镜与入射物镜成90度夹角进行线束采集，再通过虚空成像相位阵列解调得到高分辨率的二维布里渊图像，采集时间比点扫描布里渊显微镜缩短2个数量级。但是该方法是透射式结构，只能测量透明样品，无法对浑浊样品和不透明样品进行探测。

4、而现有技术中并没有一种能够实现布里渊显微的线阵探测，并能够与明场线阵探测结合实现对晶圆和非透明的芯片进行缺陷检测的系统。本发明公开的一种基于线阵布里渊显微的晶圆和芯片缺陷检测系统及方法，在利用明场共聚焦显微测量快速获取晶圆和芯片表面几何缺陷的同时，可通过布里渊显微测量对样品表面机械性质进行检测，兼具几何缺陷和机械应力缺陷一体化检测功能；该技术利用线阵共聚焦实现明场和布里渊显微的探测，提高成像速度，有效填补上述需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有缺陷检测技术无法对样品的几何缺陷和机械声学性质进行同步快速线阵式检测的问题，并提供一种明场探测和布里渊探测兼顾的线阵式缺陷检测系统，该系统具有检测速度快、能同时检测样品几何缺陷和机械声学性质的优点。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种基于线阵布里渊显微的晶圆和芯片缺陷检测系统，包括布里渊散射探测模块、明场探测模块、位移模块、信号处理与反馈模块和成像与分析模块；

4、所述样品置于位移模块上，信号处理与反馈模块能通过位移模块控制样品的移动；所述布里渊散射探测模块用于探测样品表面的布里渊光谱信息，进而获得其机械应力缺陷分布信息，明场探测模块用于探测样品表面的明场光强信息，进而获得其几何缺陷分布信息；所述信号处理与反馈模块分别与布里渊散射探测模块和明场探测模块相连，用于接收采集到的探测信号并将其处理为单次线束测量数据；所述成像与分析模块和信号处理与反馈模块相连，用于接收、储存和成像处理所述单次线束测量数据，同时能将结果反馈给所述信号处理与反馈模块。

5、作为优选，所述样品为晶圆或芯片。

6、作为优选，所述布里渊散射探测模块包括共同构成光学系统的布里渊散射线阵光源组件、第三滤光片、第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片、二向色镜、物镜、反射镜、滤光组件、第二柱面镜、虚空成像相位阵列、第三柱面镜、可调狭缝、会聚透镜和面阵相机；

7、所述布里渊散射线阵光源组件输出的平行偏振光束能依次经第三滤光片、第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片、二向色镜、物镜后会聚成线形光照射在样品表面上，经样品表面反射形成的光束能依次经物镜、二向色镜、第二四分之一波片、第二偏振分光棱镜、反射镜、滤光组件、第二柱面镜后会聚成线形光入射到虚空成像相位阵列的入射面，将所述虚空成像相位阵列色散后再经过第三柱面镜会聚成线形光入射到可调狭缝上，经可调狭缝进行空间滤波滤除杂散光后再经会聚透镜会聚到面阵相机上。

8、进一步的，经所述第二柱面镜线聚焦至虚空成像相位阵列入射面的线形光斑与物镜聚焦后形成的线形光斑均沿x方向平行。

9、进一步的，所述滤光组件用于滤除反射光和弹性背景光，包括但不限于超窄带宽滤波器和原子吸收池。

10、进一步的，所述明场探测模块包括共同构成光学系统的明场线阵光源组件、第一滤光片、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、二向色镜、物镜、第二滤光片、第一柱面镜和线阵相机；

11、所述明场线阵光源组件输出的垂直偏振光束能依次经第一滤光片、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、二向色镜和物镜后会聚成线形光照射在样品表面上，经样品表面反射形成的光束能依次经物镜、二向色镜、第一四分之一波片、第一偏振分光棱镜、第二滤光片和第一柱面镜会聚到线阵相机上。

12、作为优选，所述布里渊散射探测模块和明场探测模块的物方探测区域均为线形，并且在物方线聚焦的方向均沿x方向并保持长度一致。

13、作为优选，所述位移模块包括用于夹持样品的夹具和能使样品沿x,y,z轴三个方向移动的驱动装置。

14、作为优选，所述成像与分析模块能对接收到的单次线束测量数据进行存储，能对多次线束测量数据进行拼接成像以获得样品的形貌图和机械应力分布图，并能对成像结果进行实时分析、统计并识别各类缺陷的数量和位置；当识别出已测量得到完整样品形貌后，反馈信息给信号处理与反馈模块，信号处理与反馈模块能根据反馈结果控制位移模块的移动和停止。

15、第二方面，本发明提供了一种利用第一方面所述基于线阵布里渊显微的晶圆和芯片缺陷检测系统的缺陷检测方法，具体如下：

16、s1：系统启动后，明场线阵光源组件提供准直后的垂直偏振线光源照明，经过第一滤光片滤光后光束被第一偏振分光棱镜反射，反射的光束透过第一四分之一波片后变成圆偏光，然后透过二向色镜，透过二向色镜的光束经物镜会聚在样品表面上；样品表面反射的光线被物镜重新收集，透过二向色镜后到达第一四分之一波片，第一四分之一波片将样品反射回的圆偏光变成平行偏振光，使其能够透过第一偏振分光棱镜，透过第一偏振分光棱镜的光束经过第二滤光片滤光，随后经第一柱面镜会聚到线阵相机中；

17、同时，布里渊散射线阵光源组件提供准直后的平行偏振线光源照明，经过第三滤光片滤光后光束被第二偏振分光棱镜透射，透射的光束经第二四分之一波片从偏振光变成圆偏光，然后被二向色镜反射到物镜，经物镜会聚在样品表面上；样品表面反射的光线被物镜重新收集，经二向色镜反射后到达第二四分之一波片，第二四分之一波片将样品反射回的圆偏光变成垂直偏振光，使其能够被第二偏振分光棱镜反射，随后再被反射镜反射后入射到滤光组件中，经滤光组件滤波后，光束被第二柱面镜线聚焦到虚空成像相位阵列的入射面；经过虚空成像相位阵列后，x方向线形光斑在y方向色散展开，形成二维光谱图像；二维光谱图像再经过第三柱面镜重新会聚成x方向线形光斑并聚焦到可调狭缝上；可调狭缝对光斑进行空间滤波，滤除y方向色散后的杂散信号；经过可调狭缝后的光线经会聚透镜会聚到面阵相机中；

18、在该过程中，信号处理与反馈模块实时接收布里渊散射探测模块和明场探测模块发回的探测信号并处理为单次线束测量数据，成像与分析模块将单次线束测量数据进行成像处理并反馈给信号处理与反馈模块，信号处理与反馈模块根据接收到的反馈指令控制位移模块，使位移模块带动样品移动到物镜正下方，并在z轴方向上移动到最佳对焦位置；对焦完成后，信号处理与反馈模块发送指令使位移模块停止移动；

19、s2：当位移模块停止移动后，布里渊散射探测模块和明场探测模块通过物镜将光束线平行于x方向聚焦到样品上的位置(xkj,yk)，并整形、接收返回的线形光束；其中，j＝1,2,...,l，代表单次线阵具有l个微点；k＝1,2,...,m，代表样品上共计有m个测量位点，需进行m次测量；所述明场探测模块通过线阵相机直接采集返回的线形光束的光强信息ilf(xkj,yk)并将其传输至信号处理与反馈模块；所述布里渊散射探测模块通过面阵相机采集经虚空成像相位阵列色散后的二维光谱信息并将其传输至信号处理与反馈模块，信号处理与反馈模块将接收到的二维光谱信息进一步处理并提取出每一个微点的布里渊频移νb(xkj,yk)、布里渊线宽γb(xkj,yk)和布里渊峰光强gb(xkj,yk)；信号处理与反馈模块将处理后得到的单次线阵信息发送至成像与分析模块；

20、s3：所述成像与分析模块将单次线束测量数据进行储存和拼接成像处理，通过对比成像得到的4幅缺陷图(包括1幅几何缺陷图、3幅机械应力缺陷图，3幅机械应力缺陷图分别由布里渊频移、布里渊线宽、布里渊峰光强信息处理获得)识别缺陷并判断样品是否已扫描完成；

21、若样品未扫描完成则反馈结果给信号处理与反馈模块，信号处理与反馈模块发送指令给位移模块令其按照扫描路径移动，并根据步骤s1进行对焦处理，当位移模块停止移动后，依次执行步骤s2和s3；若样品扫描完成则反馈结果给信号处理与反馈模块，信号处理与反馈模块发送指令给位移模块令其停止移动，完成该样品的缺陷检测。

22、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

23、1)本发明采用共聚焦式线扫描布里渊显微成像，能同时对上百个微点进行测量，比传统单点扫描式布里渊显微成像技术具有更快的成像速度；与现有线扫描布里渊显微技术相比，共聚焦式线扫描结构能对不透明样品进行成像，使其应用于晶圆和芯片的缺陷检测成为可能。

24、2)本发明能同时实现对晶圆缺陷的明场线扫描和布里渊线扫描成像，与传统的线扫描式晶圆缺陷检测系统相比，增加了布里渊线扫描成像，能够同时获取晶圆和芯片的几何缺陷和机械应力缺陷，提高缺陷的检出率。