一种用于晶圆表面缺陷检测的散射光收集系统的制作方法

本发明涉及一种用于晶圆表面缺陷检测的散射光收集系统，属于激光检测，尤其是无图形晶圆表面缺陷检测技术。

背景技术：

1、无图形晶圆表面需要高度洁净，微小的表面缺陷如表面凹坑、划伤、水印、或者颗粒物等都会对晶圆后续的应用造成影响。为此需要在晶圆用于下道工序前，对晶圆表面的品质进行检测，判断瑕疵的大小、位置等，以保证晶圆表面质量。

2、由于缺陷尺寸微小，如微米级别甚至纳米级别，且晶圆尺寸相比于瑕疵是巨大的，通过显微镜一颗颗识别缺陷效率，且纳米等级的瑕疵已超过一般显微镜分辨极限，无法检测。

3、目前晶圆表面缺陷的检测常用激光扫描高速旋转的晶圆，若激光光斑遇到表面瑕疵，则会产生散射光线，同时，用一套光能量收集光学系统以收集散射的光能量，用光电探测器如pmt（光电倍增管）、apd（雪崩光电二极管）、sipm（硅光电倍增管）等高灵敏元件将光信号转化为电信号，通过计算机对信号的处理，即可得到颗粒物大小、位置等信息，从而实现表面缺陷的检测。

4、散射光向空间四周发射，当颗粒物尺寸越小，散射能量越低，如颗粒半径r满足2πr/λ<0.3时（其中λ为入射光波长），表现为瑞利散射，对于散射光收集系统，需要尽可能多的收集散射光才能采集到足够的光能量，获得高信噪比，以识别微小颗粒物或其他相近尺度的瑕疵，为此要求光学收集系统能具备大角度范围的收光能力。

5、现有技术主要有多种技术路线来实现大角度收光：

6、一种是反射式方案，如专利cn119901753a、cn119804392a等，其用椭圆非球面反光镜将散射光收集聚焦到探测器上，但是非球面反光镜加工困难；

7、一种是透镜式，如专利cn119620341a、cn118732248a等，其通过设计一个具有复杂镜片组的大na物镜来实现大角度收集光能量；

8、上述两种技术路线都具有加工、组装困难的问题，最终也导致了成本高昂。

9、还有两类是技术方案是回收其他角度的散射光：

10、如专利cn 105628658a采用反射镜将部分散射光反射回收光透镜，提高了收光效率，但该方案中，由于反射光依靠基片表面反射，实际工作条件下基片材料的不尽相同，造成反射光在不同基片表面的反射率不同，因此相同大小的颗粒在不同基片时，将得到不同大小的信号强度，使不同基片使用时检测准确性下降。

11、如专利cn 110967284 a采用反射镜将散射光反射回收光透镜，但该方案要求检测基底是透明材料，因此并不适于晶圆表面检测。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种用于晶圆表面缺陷检测的散射光收集系统，包括经第一激光聚焦物镜聚焦于晶圆表面一会聚光焦点f的入射激光束，使得会聚光焦点f存在的微小瑕疵或颗粒物产生多种角度的散射光线，入射激光束与晶圆表面垂直，还包括：

2、第一收光物镜，其设置于入射激光束的第一侧且光轴与晶圆表面的夹角θ1小于45度，用以接收散射光线并形成第一准直光束；

3、第二收光物镜，其设置于入射激光束的第二侧且与第一收光物镜对称布置（即其光轴与晶圆表面的夹角θ2=θ1也小于45度），在第二收光物镜远离会聚光焦点f的一侧设有第一反射镜，第二收光物镜接收散射光线并形成第二准直光束并射至第一反射镜，经第一反射镜反射后形成第一反射光束，在入射激光束的第一侧且位于第一反射光束上设有第二反射镜和第三反射镜，第一反射光束依次经第二反射镜和第三反射镜反射矫正后形成与第一准直光束平行且间隔一定距离的第一反射准直光束；

4、第三收光物镜，其设置于入射激光束的第二侧且光轴与晶圆表面的夹角θ3大于50度，用以接收散射光线并形成第三准直光束；

5、第四收光物镜，其设置于入射激光束的第一侧且与第三收光物镜对称布置（即其光轴与晶圆表面的夹角θ4=θ3也大于50度），在第四收光物镜远离会聚光焦点f的一侧设有第四反射镜，第四收光物镜接收散射光线并形成第四准直光束并射至第四反射镜，经第四反射镜反射后形成第二反射光束，在入射激光束的第二侧且位于第二反射光束上设有第五反射镜，第二反射光束经第五反射镜反射矫正后形成与第三准直光束平行且间隔一定距离的第二反射准直光束。

6、在一些实施例中，所述第一准直光束上设有第一收光聚焦物镜，经第一收光聚焦物镜聚焦后的光束落入后方设置的第一光电探测器，第一反射准直光束的至少一部分也被第一收光聚焦物镜聚焦；所述第三准直光束上设有第三收光聚焦物镜，经第三收光聚焦物镜聚焦后的光束落入后方设置的第三光电探测器，第二反射准直光束的至少一部分也被第三收光聚焦物镜聚焦。

7、在一些实施例中，在第一收光物镜和第一收光聚焦物镜之间设有第一偏振反射元件，所述第一偏振反射元件能够把第一反射准直光束和第一准直光束的一部分不同偏振态的光能量进行分离并产生第一偏振光束；在第三收光物镜和第三收光聚焦物镜之间设有第二偏振反射元件，所述第二偏振反射元件能够把第二反射准直光束和第三准直光束的一部分不同偏振态的光能量进行分离并产生第二偏振光束。

8、在一些实施例中，所述第一偏振光束上设有第二收光聚焦物镜；所述第二偏振光束上设有第四收光聚焦物镜。

9、在一些实施例中，所述第一偏振光束经第二收光聚焦物镜聚焦后被第二光电探测器收集，所述第二偏振光束经第四收光聚焦物镜聚焦后被第四光电探测器收集。

10、在一些实施例中，所述第一偏振反射元件和第一收光物镜之间设置有第一带通滤光片，所述第二偏振反射元件和第三收光物镜之间设置有第二带通滤光片，第一带通滤光片和第二带通滤光片用以过滤环境中与各光束波长不同的杂光。

11、在一些实施例中，所述第一收光物镜和第一带通滤光片之间设置有第一中性密度片组，所述第三收光物镜和第二带通滤光片之间设置有第二中性密度片组，所述第一中性密度片组和第二中性密度片组用以测量不同散射强度目标。

12、在一些实施例中，所述第一中性密度片组和第二中性密度片组均包括至少两片光透过率不同的中性密度片。

13、在一些实施例中，所述第一偏振反射元件和第二偏振反射元件均为偏振分束镜。

14、在一些实施例中，所述入射激光束经第一激光聚焦物镜聚焦后于晶圆表面形成一会聚光焦点f。

15、本发明的优点和效果：

16、本发明针对现有晶圆表面缺陷检测用散射光收集系统中，反射式方案依赖椭圆非球面反光镜导致加工困难、透镜式方案采用复杂大na物镜镜片组导致组装困难且成本高昂，以及反射回收方案因依赖基片表面反射或要求透明基底而无法适用于各类晶圆表面检测的技术缺陷，通过两组对称布置的小角度收光物镜与两组对称布置的大角度收光物镜配合平面反射镜光路折返矫正，将对称侧的散射光能量合并至同一准直光束中，构建了兼顾大角度收光范围与光路灵活性的散射光收集方案，在不依赖基片材料光学特性的前提下实现了散射光能量的倍增收集与多角度空间分布信息的并行获取。具体还体现在：

17、1、对称布置的成对收光物镜配合反射镜光路折返，实现散射光能量合并与信噪比倍增：第一收光物镜与第二收光物镜以入射激光束为轴左右对称布置，二者光轴与晶圆表面的夹角均为θ1且小于45度，第二收光物镜接收的散射光经第一反射镜反射后，再依次经第二反射镜和第三反射镜反射矫正，形成与第一准直光束平行且间隔一定距离的第一反射准直光束，最终与第一准直光束一同被第一收光聚焦物镜聚焦至第一光电探测器。同理，第三收光物镜与第四收光物镜对称布置且夹角大于50度，第四收光物镜收集的散射光经第四反射镜和第五反射镜折返后与第三准直光束合并。这一成对合并架构使得大角度、小角度探测通道接收的光能量相比使用单个收光物镜的方案提升约两倍，信噪比显著提高，从光路设计上以常规平面反射镜和普通物镜的组合实现了大角度范围的散射光高效收集，彻底规避了非球面反光镜与大na复杂镜片组的加工组装难题。

18、2、小角度与大角度两组收光物镜协同采集，并行获取散射光空间分布信息以细化表征缺陷特征：低角度收光物镜组与高角度收光物镜组分别收集不同空间角域内的散射光能量，各自形成独立的光束通道并分别被独立的光电探测器接收。根据瑞利散射与米氏散射原理，不同尺寸的缺陷颗粒具有不同的散射光空间分布特征，小颗粒散射光在前向和后向的分布较为均匀，大颗粒散射光则更集中于前向小角度区域。通过并行采集并对比分析两组不同角域收集的光信号强度比例，可有效区分缺陷类型并细化表征其尺寸与形态信息，提升了检测系统对晶圆表面缺陷的识别精度与分类能力。

19、3、准直光束光路中灵活插入偏振分束镜、中性密度片组与带通滤光片，丰富探测信息并拓宽动态适用范围：由于各收光物镜将散射光收集为准直光束，光路中可灵活设置多种光学元件而不影响光路的基本构型。偏振分束镜可将不同偏振态的光能量进行分离并引导至独立探测器，为缺陷检测提供偏振维度信息；带通滤光片有效滤除环境中与入射激光波长不同的杂散光，提升探测信噪比；由至少两片不同透过率的中性密度片构成的密度片组可根据被测缺陷的散射强度进行切换，实现对不同散射强度目标的测量，有效拓宽了系统对晶圆表面从纳米级微小颗粒到微米级划痕凹坑等不同尺度缺陷的动态检测范围，丰富了信号探测的信息维度。

20、4、散射光直接收集架构不依赖基片材料的光学特性，适用于各类晶圆表面的可靠检测：各组收光物镜均直接对晶圆表面缺陷产生的散射光线进行收集，散射光在进入收光物镜之前不经过基片表面的反射或透射路径。因此，系统对相同尺寸缺陷的探测信号强度不因晶圆基片材料不同或表面是否镀膜而产生差异，从根本上解决了背景技术中反射回收方案因依赖基片表面反射率而导致的检测信号随基片材料变化、准确性下降的问题。系统适用于硅晶圆、化合物半导体晶圆、镀膜晶圆及各类具有不同表面光学特性的晶圆表面缺陷检测，具备良好的材料普适性与检测一致性。