高速3D缺陷檢測

摘要：第三類半導體晶片氮化鎵(GaN) 在經過薄化研磨過程後，晶圓在真空吸平後其表面偶爾有會凸起，導致當進行電性點測時，探針撞擊到凸起區域而毀損。本文發展一套全域晶圓瑕疵偵測法，此方法主要分為三維重建演算法與影像校正與細部pattern 疊合兩部分。三維重建過程中，以條紋反射架構為基礎，利用相機擷取晶圓影像以及經由晶圓表面反射之晶圓上方條紋影像，並以相位移及相位展開演算法分析條紋變形量，再將其進行積分重建三維形貌。而影像校正與pattern 疊合以晶圓的缺口(Notch) 為基準，對影像進行旋轉校正，之後再以亞像素(Sub-Pixel) 重建晶圓的die map。透過整合重建後的三維資訊以及die
map，可以準確的找出晶圓的凸點位置，並在凸點周圍進行警示區域標記，避免探針撞擊。
Abstract：The third type of semiconductor wafer gallium nitride (GaN) undergoes the thinning and grinding process. The thinned wafer is vacuum leveled and its surface will occasionally bump which will cause the probe to hit the protruding area and be distorted when conducting electrical point measurement.This article develops a global wafer defect detection method, which is mainly divided into two parts: 3D reconstruction algorithm, image correction and detailed pattern superposition. In the process of 3D reconstruction, based on the fringe reflection structure, the camera is used to capture the wafer image and the fringe image above the wafer reflected by the wafer surface, and the phase shift and phase expansion algorithm are used to analyze the amount of fringe deformation, and then it is carried out Integral reconstruction of 3D topography. The image correction and pattern superposition are based on the circle notch (Notch), and the image is rotated and corrected, and then the die map of the wafer is reconstructed by sub-pixel (Sub-Pixel). By integrating the reconstructed 3D information and die map, the position of the bump on the wafer can be accurately found, and a warning area can be marked around the bump to avoid probe impact.
關鍵詞：條紋反射法、3D 缺陷、全域量測
Keywords：Fringe reflection method, 3D defect, Full field measurement

前言
GaN 晶圓是一種具有廣泛應用潛力的新興半導體材料。它具有優異的電子特性，包括高電子遷移率、高電子飽和遷移率和高電場飽和速度，使其成為高功率、高頻率應用領域的理想選擇。然而，GaN 製程中存在著各種缺陷，這些缺陷可能對器件性能和可靠性造成不良影響。因此，GaN 缺陷檢測成為了研究的熱點之一。

一般傳統的缺陷檢測有分為，1. 人工檢測:人工多角度目視檢測: 此傳統檢測方式往往需耗費大量的人力與時間，這些人力時間長期地反映在整體的生產成本上。就檢測的品質而言，傳統目檢易因為長時間的觀看所造成的視覺疲勞、人眼觀察的細緻度不足或是肉眼誤判的風險，影響到檢測的品質。2. 彩色共焦法(Chromatic Confocal sensor): 彩色共焦法是利用寬頻光源經色散透鏡將不同波長聚焦至不同焦點位置，當量測晶圓表面形貌時，於對焦點位置會有最大光強的反射，反射光經由光譜儀解析後可得知對焦於晶圓表面光的波長，利用對焦波長與高度之間的關係圖即可量測到晶圓表面形貌。此方法的優勢是可利用單一探頭或雙探頭模式同時獲得晶圓的上下表面形貌以及厚度的資訊，但此量測方法為單點量測方式，量測整片晶圓形貌時需作逐點掃描，不僅掃描時間長，資料數據亦相當龐大，不適合作為線上量產設備。

為了縮短量測時間，線上量測機台以米字型量測取代全域量測，但也犧牲了大多區域的晶圓表面形貌的資訊。3. 傾斜角干涉儀(Oblique or grazing Incident Interferometry) [1-3]，與一般干涉儀不同的是準直光束並非垂直入射量測表面，而是以α 角入射，其目的在增加等效波長，降低干涉條紋靈敏，例如干涉條紋靈敏度由λ/2(0.3 μm/fringe @ 633 nm laser) 增加至λ/2cosα(1至5 μm/fringe)，使量測晶圓翹曲時干涉條紋空間密度不會過密而無法解析，量測範圍由數微米擴增至100 μm，但對於斜率變化較的凸點缺陷依然無法解析條紋過密問題。
為了解決量測速度及全域缺陷檢測的問題，本文提出以條紋反射技術(Fringe Reflection, FR)[4,5] 為基礎的晶圓翹曲量測系統，以相機擷取多張( 八張) 晶圓條紋影像，一次分析全域晶圓表面形貌，使得每片晶圓可於30 秒內完成缺陷檢測，應用相位移及相位展開演算法提升量測準確度及精度，使得量測準確度小於2 μm 或小於2% 誤差，重複精度小於1 μm。
條紋反射法
1. 條紋反射法原理

條紋反射法是一種量測物體表面梯度( 斜率)的量測方法，近十年發展非常快速，因為具備架構簡單、高Z 軸解析度、高重複精度且量測速度快以及對環境震動不靈敏之特性，已成熟應用於光學鏡片量測以及矽晶圓表面形貌量測。條紋反射法其架構如圖1，液晶顯示器置放於晶圓上方，並顯示橫向一維灰階弦波條紋影像，因晶圓表面具鏡面之特性，相機擷取晶圓影像的同時亦可同時擷取液晶顯示器之條紋影像，當晶圓表面有斜率變化θ 時，會使得光偏折2θ，使得擷取到的條紋影像產生偏折δh，晶圓表面斜率變化與影像偏折量之關係如式 (1)。為晶圓與液晶顯示器的垂直距離; θ(x,y) 為晶圓表面斜率變化，α 為影像擷取角度。式 (1) δh 可以由相位移及相位展開演算法獲得，因此晶圓表面斜率θ(x,y)可表示為式(2)。其中p為條紋週期;Δϕ(x,y) 條紋相位變化量。若顯示器顯示直向條紋影像，可得到晶圓 X 軸的斜率變化如式 (3)。將晶圓表面斜率變化作二維積分，可重建晶圓表面形貌，如式 (4)，其中 H(x,y) 為晶圓表面高度。條紋反射法在空間解析度0.12 mm，影像擷取角度11 度，條紋顯示裝置距離參考光學平面鏡的610 mm，量測6 吋薄化GaN 晶圓，量測結果如圖 2，圖 2(a) 為全域 6 吋晶圓斜率變化，也可視為 3D 缺陷圖，圖 2(b) 為將斜率變化進行微積分後的晶圓高度變化。

圖 1 條紋反射法架構圖

圖 2 條紋反射法量測結果 (a)全域 3D 缺陷分布 (b) 高度分布

2. 系統校正
條紋反射法主要是分析條紋變形前及變形後的條紋偏移量，因此校正項目為初始未變形的參考條紋影像，本系統利用一光學平面鏡作為一完美的參考平面，其表面高度起伏小於1/10 λ (λ=633nm)。系統於量測晶圓前先擷取參考平面的條紋影像並儲存於電腦中，包括垂直及水平各四張相位移影像。