【自有技术大讲堂】晶圆边缘三面检测镜头

晶圆是半导体生产和制造的基础元件，其质量是对于后续的半导体工艺至关重要，晶圆的生产由在无尘室中进行的一系列高度复杂的工艺组成，在晶圆的生产过程中需要对其进行实时检测以保证后续进一步加工。晶圆的边缘检测是晶圆质量控制的一个重要环节，主要检测是否存在碎屑、划痕、隐裂和蚀刻残留等。晶圆的边缘部分包括有边缘面以及与该边缘面连接的上下两个表面，传感器在晶圆旋转移动期间需要从三个不同的方向扫描晶圆边缘，从而全方位（包括最外缘）检测晶圆是否有缺陷，然后从生产工艺中剔除有严重缺陷的晶圆。由于检测时需要同时检测上述三个面，而三个面的朝向不同，因此难以使用同一个成像系统对这三个部分同时成像。最简单的办法是使用三个成像系统分别对三个部分分别成像，但这样会导致整体的视觉结构变得非常复杂且需要占用较大的空间，同时为了处理图像需要配置更多的电脑，浪费更多的算力。为此设计了一种新型复合镜头能够配合一个相机就可以完成晶圆边缘三个表面缺陷同时检测。

原理

图1为晶圆边缘三面检测示意图，具体而言，在不停旋转和扫描的同时从三面检测晶圆的顶面、背面和边缘。配合在线高速相机通常检测精度需要达到像素分辨率3 μm/px。         

图1. 晶圆边缘三面检测示意图

图2为边缘三面检镜头测原理图，晶圆边缘、顶面和底面方向是不同的，为了使顶面、底面和边缘在一个光学系统中成像，可以使用反射镜将顶面和底面通过光路折转使其与边缘面在一个方向，但这样产生的一个问题是顶面和底面与边缘到镜头的物距是不同的，而常规的镜头在各视场下物距是相同时才能清晰成像。针对这个问题提出了一种新的解决方案即使镜头的近轴视场和轴外视场具有不同的工作距，如图3所示，新型边缘三面检测镜头由一个复合透镜和共用透镜组构成，复合透镜不同口径处具有不同的曲率，这样中间部分和共用透镜组为一个光学系统，边缘部分与共用透镜组组成另一个光学系统，两个系统通过设计具有不同的物距，这样配合两个反射镜该系统就能同时对晶圆边缘三个方向清晰成像。

图3. 新型边缘三面检镜头中复合透镜示意图

设计结果

对晶圆边缘高速拍摄需要采用线阵相机，相机选用像元5μm，像元数是16384×3，视场为81.92mm，为了检测精度达到像素分辨率3 μm/px，光学系统的放大倍率设定为-2×，对应的物方视场为40mm，有足够的空间放置晶圆。镜头中间部分的半视场设定为1mm，即可以最大检测2mm厚的晶圆，镜头轴外部分视场设定为15mm~20mm范围内，这样可以最大可以检测5mm的晶圆顶面或底面。图4和图5分别为检测晶圆边缘和晶圆顶面的光学系统结构图，通过光学设计使镜头在可见光波段范围，近轴视场（检测晶圆边缘）和轴外视场（检测晶圆顶面和底面）都达到衍射极限。

图5. 检测晶圆顶面的光学系统结构图

结论

针对晶圆生产中的质量监控和边缘检测的需要，创新性提出了一种采用复合透镜的边缘三面检测光学系统，该系统在近轴和轴外区间具有不同工作距，只需要配合两个反射镜就能够实现晶圆顶面、底面和边缘同时高精度检测，利用这个原理设计了一个具体光学镜头，为后续研发晶圆边缘三面检测模块提供了理论基础。

参考文献