[发明专利]一种晶圆激光超声场的数字全息检测系统及其方法

说明书

本发明公布一种晶圆激光超声场的数字全息检测系统及其方法，该系统由纳秒脉冲激发光源、纳秒脉冲探测光源、入射光学单元、收集光路单元、显微物镜、光电探测器、延时单元、电机控制器、精密移动台、计算机、光纤、晶圆组成。采用纳秒脉冲激光激发超声场，并通过不同时间长度延迟的数字全息方法进行检测整个晶圆光致超声场的传播过程，可获得高空间分辨率的晶圆表面和内部缺陷的快速检测成像，实现高分辨率、在线、快速、非接触的大视场面积晶圆检测。

技术领域

本发明涉及光学系统，尤其涉及一种晶圆激光超声场的数字全息检测系统及其方法。

背景技术

半导体元器件和集成电路是重要的电子元器件，其被广泛应用于通讯、汽车和工业自动化等产品中，是电子信息产业的基础，也是衡量一个国家或者地区技术水平的重要标志之一。而在半导体中，晶圆是其中最主要的材料，在市面上90%以上的电子设备是基于晶圆制造而成，由此可见晶圆的重要性。晶圆的产能对整个集成电路行业具有非常巨大的影响。半导体工业对于晶圆表面缺陷检测的要求，一般是要求高效准确，能够捕捉有效缺陷，实现实时检测。较为普遍的表面检测技术主要可以分为两大类：以针触法为代表的接触式测量方法和以X射线和光学探针法为主的非接触法。

1）针触法通过检测触针与晶圆表面产生的微弱原子力来研究其表面结构和性质，是一种最为常用的接触式测量方法。被测表面的形状轮廓信息是通过触针传递给传感器的，所以触针的大小和形状就显得尤其重要。但是触针的针尖越细，被测晶圆表面产生的压力也会越大，触针容易受到磨损，划伤晶圆表面；

2）Ｘ射线检测法是使用X射线进行晶圆的缺陷检测，可快速观察到样品内部的缺陷，而且操作简易，但是无法对缺陷的尺寸和位置进行测试，只能确定缺陷的存在与否；

3）光学探针式测量方法原理上类似于机械探针式测量方法，区别是光学探针式测量系统中探针是聚焦光束，根据采用光学原理不同，光学探针可分为几何光学原理型和物理光学原理型两种，几何光学探针利用像面共轭特性来检测表面轮廓，有共焦显微镜和离焦检测两种方法，但是其装置复杂，测量效率低，需要高精度调教系统的支持，造价昂贵；物理光学探针利用干涉原理通过测量光程差来检测表面轮廓，有外差干涉和微分干涉两种方法，其系统复杂，反射率高，只能在空间位置上做逐点测量，且要求晶圆表面的清洁，并且各类纯光学/视觉的方法只能检测晶圆的表面样貌分布情况，无法进行晶圆内部缺陷的检测（除非检测对象具有较高的光学透明度）。例如，文献1（CN107863303A）采用扫描电镜、文献2（CN109378279A）采用光学拍照等方式获取晶圆表面缺陷的初始图像。

另外，超声扫描检测技术也是应用广泛的无损检测方法，它利用进入被检样品的超声波对材料表面或内部缺陷进行检测，超声扫描检测系统不仅能检测分层、气孔、裂缝和夹杂等缺陷，而且在判别密度差异、弹性模量、厚度等特性和几何形状的变化方面也具有一定的能力，例如超声显微镜的空间分辨率可达微米甚至亚微米量级。但该技术需要采用如纯水或凝胶等超声耦合液进行声阻抗匹配，无法实现非接触的检测，且只能进行逐点逐行逐层的机械扫描成像，成像时间非常长，严重制约了该技术大规模批量生产现场的检测时效性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有的技术不足，提供一种晶圆激光超声场的数字全息检测系统及其方法，将声学晶圆表面检测方法与光学晶圆表面检测方法相结合，克服了机械触针法机械损伤、光学各类纯光学/视觉的方法只能检测晶圆的表面、超声检测的低分辨率以及X光的检测缺陷存在无法定位等问题，以数字全息的手段再现晶圆表面以及晶圆体的光致超声场分布的情况，可实现晶圆表面和内部缺陷的快速检测成像，其最高空间分辨率主要由纳秒脉冲激发光源和纳秒脉冲探测光源的脉冲宽度以及光电探测器的像素决定。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种晶圆激光超声场的数字全息检测方法，其中包括如下步骤：

步骤1：纳秒脉冲激发光源发射的激发激光束，经光纤后聚焦照射到晶圆表面产生光致超声场；