晶圆表面宏观缺陷检测装置及方法与流程

本发明涉及光学检测材料缺陷的，尤其涉及晶圆表面宏观缺陷检测装置及方法。

背景技术：

1、在半导体制造过程中，晶圆衬底片和外延片的表面质量直接影响后续工艺的良率和器件性能。晶圆表面宏观缺陷（如划伤、颗粒、脏污、塌边、崩边、未磨平等）的检测是出货检验和来料检验的关键环节。

2、当前晶圆宏观缺陷的检测多以人工强光灯目检的方式进行。该方法对检测人员素质要求较高，高度依赖人员检测经验，存在不同检测人员检测结果一致性差、微小缺陷易漏检等问题。同时，目检方式效率低下，难以满足大批量生产线的节拍要求。

3、市场上已有的晶圆检测设备多为显微成像系统，其设计初衷是针对微米级甚至纳米级精度的表面形貌和微观缺陷检测，用于晶圆宏观缺陷检测时效率低、视野有限，难以在一次检测中覆盖晶圆全表面。少部分设备采用单相机+旋转采图的方式，但受限于单相机视野和拍摄角度，对晶圆侧面塌边、斜向划伤等特定类型缺陷的检出能力不足，且存在同一缺陷在不同角度成像下被重复记录的问题。

4、此外，现有技术中公开的晶圆缺陷检测方法多侧重于检测算法层面的改进（如基于模板匹配的缺陷分类和基于多特征融合的缺陷识别），针对晶圆表面宏观缺陷检测的专用成像硬件构型的设计方案较少。

5、中国专利申请cn121599928a（苏州纬旭智能）公开了一种基于cis相机的晶圆表面宏观缺陷检测方案，采用宽幅cis传感器一次曝光成像。该方案虽然能够避免斜角成像的畸变问题，但cis相机的工作距离极短（15-30mm），且只能垂直成像，无法有效检测晶圆边缘的塌边、侧面划伤等在垂直视角下不可见的缺陷类型。

6、中国专利申请cn121830504a（常州旺童半导体）公开了一种晶圆检测系统，采用单相机旋转多角度成像配合真假缺陷区分算法。该方案效率受限于单相机逐点成像，且核心创新在于算法层面的缺陷分类而非硬件成像构型。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了晶圆表面宏观缺陷检测装置及方法。

2、本发明的目的通过以下的技术方案实现：晶圆表面宏观缺陷检测装置，包括平移旋转载台、同轴强光光源、控制与处理单元、多个斜置相机模组，所述平移旋转载台设有中心采样位置和边缘采图位置，用于驱动晶圆沿水平方向平移及绕竖直轴旋转；所述同轴强光光源位于所述中心采样位置的正上方，配置为向晶圆表面发射垂直向下的均匀强光；多个所述斜置相机模组环绕布置于所述平移旋转载台，多个所述斜置相机模组以预设斜角朝向所述晶圆表面，用于采集所述晶圆表面图像；所述控制与处理单元分别与所述平移旋转载台、所述同轴强光光源和多个所述斜置相机模组电连接，用于控制采图动作并执行图像处理。

3、优选的，多个所述斜置相机模组分成两部分，一部分所述斜置相机模组以45°±5°的斜角朝向所述晶圆的表面设置，另一部分所述斜置相机模组以60°±5°的斜角朝向所述晶圆的表面设置。

4、晶圆表面宏观缺陷检测方法，包括以下步骤：

5、s1、将标定板放置在平移旋转载台上，标定板的尺寸填充各个斜置相机模组的视野，利用多个斜置相机模组同时采集标定板图像，获取标准圆点标定板在预设位置在各个斜置相机模组下的标定板图像，标定板图像包括标定板中心图像和标定板边缘图像；

6、s2、采用步骤s1的标定板图像对每个斜置相机模组进行图像校正和拼接标定，得到透视映射矩阵、准确变换矩阵和完整标定板图像；

7、s3、从步骤s2的完整标定板图像中提取mark圆心，以第一个斜置相机模组的mark圆心的集合为参考基准，通过对应点匹配求解出剩余斜置相机模组各自的透视变换矩阵，存入标定信息，完成多相机系统的坐标统一；

8、s4、从平移旋转载台上取下标定板，然后将待检测的晶圆置于平移旋转载台上，多个斜置相机模组分别采集晶圆图像，得到多组原始晶圆图像；

9、s5、各个斜置相机模组的原始晶圆图像进行畸变校正和单相机内拼接，得到每台斜置相机模组各自对应的单相机拼接图像；

10、s6、多张单相机拼接图像通过透视变换和灰度融合，得到一张融合后的完整晶圆表面图像；

11、s7、对步骤s6的融合后的完整晶圆表面图像进行缺陷提取和多相机缺陷去重，得到最终的晶圆缺陷检测结果以及标注缺陷的可视化晶圆图像。

12、优选的，步骤s2包括以下子步骤：

13、s21、对步骤s1的标定板中心图像进行图像校正和坐标映射方程计算，得到透视映射矩阵和校正后的标准圆点图像；

14、s22、将步骤s21所得的校正后的标准圆点图像和各采图位置的已知位姿参数进行处理，得到各个标定板边缘图像各自对应的准确变换矩阵、单个斜置相机模组拼接后的完整标定板图像。

15、优选的，步骤s21包括以下子步骤：

16、s211、根据标准圆点标定板的物理规格，生成标准圆点标定板所有圆点的mark圆心的理论坐标，并将理论坐标放入集合p；

17、s212、从步骤s1的标定板中心图像中提取所有mark圆心的实际坐标，并将实际坐标存入集合q，保证集合q的实际圆心坐标的顺序与p的理论坐标的顺序完全一致；

18、s213、对于集合p的第个点在集合q中的对应点，构建坐标映射方程：，其中，为尺度因子；

19、联立集合p和集合q中所有对应点的坐标映射方程，求解透视映射矩阵：

20、；

21、s214、计算步骤s1的标定板图像的每个像素点(x,y)的映射坐标(u,v)，存储到标定信息，计算方式通过透视映射矩阵实现，其计算公式为：

22、,；

23、s215、计算步骤s1的标定板图像的每个像素点(x,y)的灰度值g(x,y)，从标定信息中提取点(x,y)的映射坐标（，），向下取整得到其像素坐标(u,v)，取邻近像素作为计算像素，得到九张校正后的标准圆点图像。

24、优选的，步骤s22包括以下子步骤：

25、s221、提取步骤s21的校正后的标准圆点图像的所有mark圆心，存入参考集合；

26、s222、根据已知位姿参数生成初始变换矩阵，并对校正后的标定板边缘图像做仿射变换，提取变换后边缘图像的mark圆心，与参考集合的对应mark圆心匹配求解得到精调变换矩阵，最终计算得到标定板边缘图像相对于标定板中心图像的准确变换矩阵，并存入标定信息；

27、s223、重复步骤s222，得到校正后的标定板边缘图像对应的准确变换矩阵；

28、s224、以校正后的标定板中心图像为参考标定板图像，将步骤s223得到的准确变换矩阵分别变换到参考标定板图像的坐标系，采用均值融合方式，在重叠区域计算对应像素灰度值的平均值，在非重叠区域直接拷贝像素值，将变换后的多张标定板边缘图像与参考标定板图像融合，消除拼接痕迹，得到单个斜置相机模组拼接后的完整标定板图像。

29、优选的，步骤s3包括以下子步骤：

30、s301、从第一个斜置相机模组的完整标定板图像中提取所有mark圆心，存入参考集合；

31、s302、从剩余的斜置相机模组的完整标定板图像提取对应的mark圆心存入集合，保证集合的点顺序与参考集合完全一致；

32、s303、求解每个集合到参考集合的透视变换矩阵，存入标定信息，得到各个斜置相机模组的透视变换矩阵。

33、优选的，步骤s4包括以下子步骤：

34、s401、将标准圆点标定板从平移旋转载台取下，然后将晶圆放置于平移旋转载台上；

35、s402、平移旋转载台将晶圆移动至中心采图位置，同轴强光光源的光束垂直照射晶圆表面；

36、s403、触发多个所述斜置相机模组对所述晶圆采图，得到多张晶圆中心图像；

37、s404、平移旋转载台将晶圆依次移动至边缘采图位置，多个斜置相机模组同步采图，得到晶圆边缘图像。

38、优选的，步骤s5包括以下子步骤：

39、s501、用步骤s2的透视映射矩阵对步骤s4的九组原始晶圆图像逐张做畸变校正，得到校正后的晶圆图像，包括校正后的晶圆中心图像和校正后的晶圆边缘图像；

40、s502、以步骤s501的校正后的晶圆中心图像作为参考晶圆图像，对每张校正后的晶圆边缘图像读取对应的准确变换矩阵，通过矩阵运算将校正后的晶圆边缘图像变至参考晶圆图像所在的完整晶圆坐标系下，得到变换后的晶圆边缘图像；

41、s503、将所有变换后的晶圆边缘图像与参考晶圆图像进行加权叠加：在重叠区域采用均值融合策略，计算对应像素灰度值的平均值，在非重叠区域直接拷贝参考晶圆图像或晶圆边缘图像的像素值，得到覆盖完整晶圆表面的单相机拼接图像；同时记录每张变换后的晶圆边缘图像到完整晶圆坐标系的映射关系，存入标定信息。

42、优选的，步骤s6包括以下子步骤：

43、s601、对于剩余的斜置相机模组各自对应的单相机拼接图像分别读取对应的透视变换矩阵，将单相机拼接图像变换到第一个斜置相机模组的图像坐标系下，得到变化后的单相机拼接图像；

44、s602、将第一个斜置相机模组的单相机拼接图像与步骤s601的八张变换后的单相机拼接图像组成图像集合；

45、s603、对融合图像的每一像素点，计算图像集合的所有单相机拼接图像对应像素灰度值的平均值，作为该像素点的最终灰度值，各单相机拼接图像的权重相等，以均衡各相机视角对同一区域缺陷成像亮度的差异，最终得到一张融合后的完整晶圆表面图像。

46、优选的，步骤s7包括以下子步骤：

47、s701、采用自适应阈值分割结合形态学闭运算的方法提取步骤s6的融合后的完整晶圆表面图像中的候选缺陷；

48、s702、设置两候选缺陷的中心坐标的欧氏距离阈值，取两个候选缺陷的外接矩形对角线长度之和的1/2，对于任意两个候选缺陷，若中心坐标距离小于欧氏距离阈值则判定为同一缺陷在多相机视角下的重复记录，选取外接矩形的面积最大的候选缺陷作为代表，其余予以剔除，得到去重后的缺陷区域；

49、s703、将步骤s702去重后的缺陷区域映射为晶圆坐标系下的极坐标或笛卡尔坐标，统计缺陷类型、尺寸和位置参数，生成标准化检测报告，同时生成标注了缺陷区域的可视化晶圆图像。

50、本发明相对现有技术具有以下优点及有益效果：

51、1、本发明通过采用多个不同斜角的斜置相机模组同步采图，45°±5°斜置相机模组对颗粒等微小缺陷具有高成像对比度，显著降低微小缺陷的漏检率，60°±5°的斜角相机模组对边缘塌边、崩边等深度方向缺陷具有高检出灵敏度，两种斜角的组合能完整覆盖晶圆正面和边缘各类宏观缺陷，解决了现有单相机方案对不同类型缺陷检出能力不足的问题。

52、2、本发明通过平移旋转载台的平移和旋转实现中心+多边缘位置采图，配合单相机内拼接和多相机间融合，在一次检测中即可获取全晶圆表面的完整图像，检测效率显著高于单相机旋转逐点采图方案。

53、3、本发明通过多相机缺陷去重步骤，基于物理坐标系下的空间位置阈值判断，自动识别并合并多相机视角下重复记录的同一缺陷，有效减少过检和漏检，提高检测结果的准确性。

54、4、本发明通过同轴强光光源在边缘采图模式下自动降档调节亮度的技术手段，有效抑制了晶圆边缘区域因曲面反射导致的过曝问题，保证了边缘图像的成像质量。

55、5、通过斜置相机的透视映射矩阵校正和单相机内拼接标定准确变换矩阵，有效消除斜置成像导致的几何畸变，拼接后图像几何精度≤0.1mm，为后续多相机融合提供高精度输入。