本發明涉及圖像，尤其涉及一種基于雙光梳時空編碼的圖案化晶圓缺陷檢測系統及方法。

背景技術：

1、隨著半導體工藝不斷推進至3納米及更先進的制程，芯片的結構變得越來越復雜和三維化，這給缺陷檢測技術帶來了更高的挑戰。在這些先進的制程中，晶圓表面的結構不僅橫向尺寸不斷縮小，而且垂直方向的深寬比也在不斷增加，這導致傳統的二維平面檢測方法已經無法滿足日益精細的工藝控制需求。

2、傳統的二維檢測技術面臨諸多挑戰，如人工顯微鏡檢測過程繁瑣、耗時且效率不高，以及光學平面成像技術無法提供深度信息等。目前，業界普遍采納掃描電子顯微鏡對整片晶圓進行掃描檢測，以獲得晶圓表面的完整三維形貌數據。但是，這種方法存在檢測成本高昂、效率低下的問題，并且容易對晶圓表面造成電子束損傷，因此它主要適用于對效率要求不高的離線缺陷檢測。

3、鑒于此，在先進制程中，開發一種能夠迅速且精確地獲取缺陷三維形貌信息的新型檢測方法，同時兼顧檢測效率和靈敏度，對于提高芯片制造的良品率和降低生產成本具有至關重要的意義。這種新型方法不僅需要能夠實現缺陷的精確定位，還應提供詳盡的三維形貌數據，以便于工藝優化和質量控制。

技術實現思路

1、本發明針對現有技術中的缺點，提供了一種基于雙光梳時空編碼的圖案化晶圓缺陷檢測系統及方法。

2、為了解決上述技術問題，本發明通過下述技術方案得以解決：

3、一種基于雙光梳時空編碼的圖案化晶圓缺陷檢測系統，包括：

4、雙光梳光源模塊，提供信號光梳和參考光梳；

5、空間編碼照明模塊，包括空間耦合單元、色散分光單元、擴束單元、編碼單元及照射接收單元，空間耦合單元接收信號光梳并轉換為空間光，色散分光單元對空間光進行多光束干涉并縱向分離，進而進行橫向色散展開后進入擴束單元，編碼單元形成二維空間編碼光場，所述照射單元接收二維空間編碼光場并照射在晶圓表面形成反射信號；

6、時間編程控制模塊，將反射信號和參考光梳進行同步鎖定形成時間編程光梳對，基于時間編程光梳對并進行時間測量得到絕對距離信息，控制時間編程光梳對之間的相對時間延時量，形成具有不同重復頻率的時域拍頻信號；

7、信號采集處理模塊，采集時域拍頻信號并提取射頻梳的光譜強度信息，將光譜強度信息進行取相位及解包裹計算，得到相位信息并結合光譜強度信息，得到晶圓表面的復原三維形貌信息；

8、數據分析處理模塊，接收待測晶圓表面的復原三維形貌信息并通過缺陷識別模型對晶圓表面缺陷進行識別得到相應的缺陷種類及光譜信息，基于預設映射關系，確定晶圓表面缺陷的位置。

9、作為一種可實施方式，所述空間耦合單元包括準直器，所述色散分光單元包括第一分束器和第二分束器；

10、信號光梳經過環形器和準直器后，入射至第一分束器形成第一束光和第二束光；

11、第一束光通過參考鏡形成反射光作為距離參考，第二束光進入擴束單元經過編碼單元形成二維空間編碼光場進而照射在晶圓表面形成反射信號，反射信號依次進入擴束單元、環形器和第二分束器中，所述第二分束器將反射信號分成第一反射信號和第二反射信號，第一反射信號進入光學時間鑒相器。

12、作為一種可實施方式，編碼單元依次包括柱透鏡、虛擬成像相控陣、透鏡及閃耀光柵，第二束光進入擴束單元進而依次經過柱透鏡、虛擬成像相控陣、透鏡及閃耀光柵，形成二維空間編碼光場并形成反射信號；

13、所述虛擬成像相控陣包括第一鏡和第二鏡，所述第一鏡的反射率為95%，第二鏡的反射率為99.9%，第一鏡和第二鏡之間的距離為1.686毫米，第一鏡和第二鏡的面型精度分別為；

14、所述閃耀光柵的刻線數為1600線，衍射效率大于95%；

15、所述虛擬成像相控陣的自由光譜范圍，表示如下：

16、

17、其中，表示自表示由光譜范圍，表示材料折射率，表示波長為的光入射到虛擬成像相控陣的入射角，表示波長，表示時間。

18、作為一種可實施方式，還包括分光合束單元，分光合束單元包括第三分束器和合束器；

19、第三分束器將參考光梳分成第一路光和第二路光，第一路光進入光學時間鑒相器與第一反射信號通過光學時間鑒相器進行時間鑒相，得到整個波包的絕對距離信息；

20、所述合束器接收第二路光及第二反射信號形成時域拍頻信號。

21、作為一種可實施方式，所述時間編程控制模塊包括數字鎖定控制器、光學時間鑒相器及雙光梳互掃控制器，所述數字鎖定控制器將時間編程光梳對的關鍵參數鎖定至共同的時間參考上，對時間編程光梳對的重復頻率和載波包絡偏移頻率進行測量進而進行鎖定；

22、雙光梳互掃控制器對可編程光梳的相位參數進行調節，使得參考光梳與反射信號同步并建立可編程控制的相位關系，得到參考光梳與反射信號之間的相對時間延時量；

23、所述相對時間延時量，表示如下：

24、

25、其中，表示參考光梳和信號光梳間的相對時間延時量，n表示梳齒個數，分別表示參考光梳與信號光梳的初始相位，分別表示參考光梳與信號光梳的第n根梳齒的相位，表示光梳的重復頻率。

26、作為一種可實施方式，還包括精密運動控制模塊及自動上下料模塊；

27、所述精密運動控制模塊控制待測晶圓的位置，通過自動上下料模塊夾持待測晶圓并將待測晶圓放在精密氣浮平臺上實現自動上下片。

28、作為一種可實施方式，所述采集時域拍頻信號，通過傅里葉變換提取射頻梳的光譜強度信息；通過取相位解包裹計算，得到相位信息，包括以下步驟：

29、獲取時域拍頻信號，將所述時域拍頻信號進行傅里葉變換，得到射頻譜的光譜強度信息；

30、對射頻譜進行取相位處理和解包裹運算，得到射頻譜的相位曲線，將相位曲線和波包的絕對位置信息進行處理，得到二維空間編碼光場區域的絕對位置信息，并結合光譜強度信息，得到晶圓表面的復原三維形貌；

31、基于晶圓表面的復原三維形貌，對光譜頻率和空間位置的對應關系進行標定，得到映射關系；

32、其中，所述時域拍頻信號，表示如下：

33、

34、、分別表示信號光梳和參考光梳的電場，表示拍頻頻率即參考光和信號光的重頻差，表示相位信息，表示相位差，表示時間；

35、將所述時域拍頻信號進行傅里葉變換，得到所述射頻譜，表示如下：

36、

37、其中，表示頻域索引，表示采樣點的總數，表示虛數單位，表示時域拍頻信號的第個采樣點，表示第個采樣點，每根梳齒對應于二維光譜空間編碼區域的不同位置，強度反映了該位置的反射率，結合梳齒間隔及分光器件的自由光譜區fsr對光譜進行分割處理，得到照明區域的強度圖像；

38、對所述射頻譜進行取相位處理和解包裹運算，表示如下：

39、

40、

41、表示向下取整，,表示解包裹后相位；

42、所述映射關系，表示如下：

43、

44、其中，表示空間坐標，分別表示空間坐標位置，表示比例系數，表示光波長，表示偏移量。

45、作為一種可實施方式，所述接收待測晶圓表面的復原三維形貌信息并進行分析，提取缺陷相關特征，包括以下步驟：

46、將當前區域的待測晶圓的復原三維形貌與相鄰區域的晶圓的復原三維形貌做差分處理，得到晶圓表面隨機缺陷，通過所述隨機缺陷確定隨機缺陷的形狀信息和位置信息；

47、通過將待測晶圓的復原三維形貌與標準樣片形貌做差分處理，得到待測晶圓表面系統缺陷，基于所述系統缺陷確定系統缺陷的形狀信息和位置信息；

48、所述晶圓表面隨機缺陷，表示如下：

49、

50、所述待測晶圓表面系統缺陷，表示如下：

51、

52、其中，分別表示待測晶圓上各點的位置坐標，代表相應點處的光譜強度信息，為相鄰區域權重函數，表示復原三維形貌，表示相鄰區域的晶圓的復原三維形貌，表示晶圓表面隨機缺陷，表示標準樣片形貌，表示待測晶圓表面系統缺陷，表示波長相關校準系數，表示波長。

53、作為一種可實施方式，所述對晶圓表面缺陷進行識別得到相應的缺陷種類，包括以下步驟：

54、獲取正常晶圓圖像以及各類缺陷類型的光譜數據，各類缺陷類型的光譜數據包括表面劃痕、顆粒污染、橋接及圖案缺失；

55、對各類缺陷類型進行類別標記，形成標記數據集；

56、構建缺陷識別預訓練模型并基于標記數據集進行訓練，并基于損失函數進行調參，進而得到缺陷識別模型，其中，所述缺陷識別預訓練模型為基于能夠提取局部空間特征的卷積神經網絡進行構建的；

57、基于遷移學習，將幾何特征與光譜特征融合；基于映射關系，將光譜數據的空間位置映射至實際晶圓坐標，根據光譜處理后的缺陷分類結果標記缺陷區域；

58、所述損失函數，表示如下：

59、

60、其中，表示缺陷類別數，為正則化系數，分別為真實標簽與預測結果，表示缺陷種類數據，表示相位偏移量。

61、一種基于雙光梳時空編碼的圖案化晶圓缺陷檢測方法，基于雙光梳時空編碼的圖案化晶圓缺陷檢測系統實現，所述系統包括雙光梳光源模塊、空間編碼照明模塊、時間編程控制模塊、信號采集處理模塊及數據分析處理模塊，包括以下步驟：

62、獲取雙光梳光源模塊提供的信號光梳和參考光梳；

63、空間耦合單元接收信號光梳并轉換為空間光，色散分光單元對空間光進行多光束干涉并縱向分離，進而進行橫向色散展開后進入擴束單元，編碼單元形成二維空間編碼光場，所述照射單元接收二維空間編碼光場并照射在晶圓表面形成反射信號；

64、將反射信號和參考光梳進行同步鎖定形成時間編程光梳對，基于時間編程光梳對并進行時間測量得到絕對距離信息，控制時間編程光梳對之間的相對時間延時量，形成具有不同重復頻率的時域拍頻信號；

65、所述信號采集處理模塊采集時域拍頻信號并提取射頻梳的光譜強度信息，將光譜強度信息進行取相位及解包裹計算，得到相位信息并結合光譜強度信息，得到晶圓表面的復原三維形貌信息；

66、數據分析處理模塊接收待測晶圓表面的復原三維形貌信息并通過缺陷識別模型對晶圓表面缺陷進行識別得到相應的缺陷種類及光譜信息，基于預設映射關系，確定晶圓表面缺陷的位置。

67、本發明由于采用了以上的技術方案，具有顯著的技術效果：

68、光頻梳作為時域和頻域的超精密“光尺”已經成為精密測量的理想光源，不僅具有可溯源至頻率基準的精確性，且具備多信道復用能力，是實現高通量并行光學檢測的基礎。光頻梳覆蓋廣泛的光譜范圍，可以從紫外到紅外乃至太赫茲波段，寬帶特性允許同時檢測多種類型的材料缺陷。同時，利用光頻梳的精確時頻對應關系，可以準確定位缺陷的位置并量化其尺寸或深度，無論是表面劃痕、污染還是內部結構的不連續性，都能進行全面的評估。

69、本發明采用雙光梳時空編碼應用于晶圓缺陷檢測，利用雙光梳時空編碼技術，實現快速掃描和并行探測，大幅提高檢測效率；提高檢測帶寬的同時降低了設備成本。

70、本發明能夠獲得晶圓表面的絕對距離信息，將此結果反饋給精密氣浮運動平臺可以省去自動對焦光路系統，從而提高檢測效率，降低整個晶圓檢測系統的體積、復雜度和成本；通過時空編碼技術結合光梳寬光譜特征，能夠根據不同類型的晶圓和缺陷特征靈活調整檢測策略，檢測各種類型的缺陷，包括表面劃痕、顆粒污染、圖案缺陷等，具有很強的靈活性。

71、還結合機器學習算法,對光譜進行智能化分析，實現了自動化的缺陷識別分類及定位。