晶圆缺陷检测解决“自动追焦”难题—技术与应用频道- 视觉系统设计

“地心科技高精密XY一体式直线运动台ONEXY系列，搭配SurfaceZ系列高精度升降台，完美实现晶圆缺陷检测应用中的快速自动追焦难题，并实现了等间距触发高速相机采集图像，在晶圆缺陷检测领域发挥重要作用。”

01. 晶圆缺陷AOI检测

晶圆缺陷光学检测一直是一个长期伴随IC制造发展的工程问题。晶圆缺陷检测要准确识别出晶圆的缺陷，如空隙，凹陷，划痕等；并要求得到缺陷的具体信息，包括缺陷的位置，面积大小等等；满足大规模工业化生产的速度和产能需求，实现快速检测。

图片来自于陈世炜的“基于明暗场成像的多扫描方式图案化晶圆检测技术研究”，侵删

在之前的应用介绍中，介绍了半导体行业中晶圆缺陷检测的常见方法主要有两种：自动光学检测系统（Automatic Optic Inspection , AOI ）以及扫描电子显微镜检测系统（Scanning Electron Microscope ,SEM）。今天重点探讨AOI自动光学检测系统中的关键点：自动追焦。

典型AOI检测系统示意图

02 AOI检测系统的“景深”

在AOI检测系统中，成像质量对缺陷的识别至关重要。目前的芯片生产流程中，通常要求晶圆缺陷检测设备的测量速度，达到100片/小时以上。同时，随着半导体工艺的不断改进，要求晶圆缺陷检测系统能识别缺陷的分辨能力能达到1um甚至0.5um的水平。

对于成像系统来说，只有在焦点位置上，才能达到最高的分辨能力。所以对于检测系统来说，希望被测的晶圆能一直保持在焦点位置上。而被测晶圆因为表面微观形貌的变化，不可能是一个绝对的平面。而且由于成像系统在工作过程中可能遇到的例如振动，结构热效应等问题，晶圆也很难保持一直聚焦在最佳焦点位置。这时，成像系统就必须具备一定的景深。

镜头的景深(DOF)是镜头在物体位置靠近和远离最佳焦点时，在无需重调焦距的情况下保持所需图像质量（在指定对比度下的空间频率）的能力。一般来说，成像系统的分辨率越高，景深就会越小。晶圆检测的AOI系统的景深（DOF）通常在10um以内。这也就是说，晶圆和镜头的相对位置偏差，要保持在10um以内。

景深和分辨率的关系，图片来自于Edmund，侵删

03. 晶圆“翘曲度”的影响

晶圆在各工序中受到应力（机械应力）。大多数情况下，这种应力对于晶圆表面和背面作用的不平衡会导致翘曲。尤其在研磨工序中，若作用于加工面的应力很强，则残留应力会造成凸状的翘曲（顺翘）或凹状的翘曲（反翘）。同时，由于加工精度的影响，晶圆的本身厚度，也会有一定范围的偏差。

晶圆厚度偏差与翘曲度

通常的检测系统中，对于翘曲超过一定量的晶圆，一般会在晶圆的边缘做光学系统的对焦。这样设置的目的是，每次晶圆运动到视场范围内时，即可触发相机进行采样，提高检测效率。随之而来的问题是，由于晶圆表面翘曲度的影响，晶圆边缘在景深范围内，而晶圆的中心区域大部分却在景深范围之外。从而导致由于光学系统离焦，检测系统的成像质量不佳，出现缺检漏检的的现象。

光学系统离焦导致的晶圆中心区域成像质量不佳现象

“要保持检测系统的整体性能，对于整个运动系统，XY扫描平台要有非常好的精度和平面度。否则如果XY扫描平台本身的平面度不好，平台本身就会带来很大的焦点位置误差。Y轴在快速扫描过程中，动态跟随误差要足够小，否则基于Y轴的触发信号就不准确。

Z轴的精度和动态性能，包括跟随误差和空载截止频率要足够好，在极短的时间内要持续实时调焦。同时，晶圆每次进出光学系统视场，系统都会开关一次自动聚焦，所以Z轴要有足够的刚性减少过冲，并且过冲后能快速整定。”

在晶圆缺陷检测的高速运动过程中，完成快速自动对焦，这对于运动系统是一个不小的挑战。

04.“地心科技”解决方案

如上所述，地心科技为晶圆检测中的快速“自动对焦”问题给出了自己的答案。

使用直线电机驱动的机械平台作为直线轴，X轴步进运动，Y轴触发检测系统扫描，搭配直线电机驱动的升降台作为Z轴动态追踪焦点，结合地心科技自主开发的运动控制算法，完美地完成了这一任务。

自动聚焦原理

地心科技的经典解决方案之一，是使用XY一体式设计的开放式结构平台ONEXY-350-350，配合Surface Z升降台。对于被测6英寸或者8英寸晶圆（Wafer），将Wafer吸附在Chuck表面，X轴步进运动，Y轴负责“弓”字型扫描。通过控制器端的PEG/PSO基于位置触发，可达到每间隔1um，甚至更小的间隔触发图像传感器采集图像，轻松实现扫描检测。Z轴升降台实时补偿Wafer高度，使其始终保持在相机的焦距范围内。

ONEXY-350-350 配合Surface Z 自动聚焦方案

XY轴使用地心科技ONEXY系列高精度一体式XY运动平台。ONEXY系列采用地心科技自主研发的直驱电机，开放式结构，XY一体式设计。底轴双电机驱动，动态性能出色，具备更好的几何性能和更高的承载能力，低侧面高度，阿贝误差小，最大行程范围可达500mm*500mm，提供多种反馈选项（可选零膨胀光栅尺）。机械性能非常突出，非常适合晶圆缺陷检测应用。

ONEXY-350-350一体式XY运动平台

Z轴使用地心科技Surface Z系列高精度升降运动台。SurfaceZ是纳米级定位精度的垂直运动Z向平台，直线电机驱动，采用交叉滚柱导轨，具备非常优秀的动态性能和定位精度，空载截止频率可达200Hz以上。SurfaceZ平台侧向高度低，阿贝误差小，节省空间，内置气动平衡装置，最大承载15kg负载，可以同时满足重负载，高精度和低侧面的要求。非常适合晶圆缺陷检测应用。