CN112103201B - 一种自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法，涉及半导体技术领域，该方法包括：建立各波长与距离值的对应关系；确定晶圆检测范围；移动共焦测距传感器至透明晶圆的检测位置，移动透明晶圆至晶圆检测范围中心位置；判断检测位置是否在晶圆检测范围内：若否则记录轴向调整高度值；若是则选择反射光小孔透过率最大波长作为检测位置的焦点波长，得到其对应的距离值；计算补偿得到高度变化值；移动共焦测距传感器至下一检测位置，重新执行判断步骤直至所有检测位置全部检测完毕；对所有高度变化值进行拟合得到透明晶圆一直径方向的表面曲率半径。该方法适用于透明晶圆的测量，且自动校准补偿测量值以获取高精度的表面曲率半径。

Description

一种自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法。

背景技术

在半导体的晶圆制备工艺中，均需要在基板的表面成膜，由于不同材料的热膨胀系数不同，在镀膜过程中会导致基板的翘曲变形，应力过高会严重影响膜层性能及光刻精度，甚至导致晶圆在传输过程中碎片，造成设备污染和损坏，对制造商的经济损失巨大。镀膜应力测量有助于及时调整镀膜工艺，并排除坏片，提高制造效率。

传统的薄膜应力测量设备，首先测量晶圆镀膜前后的表面曲率半径，然后通过手动输入膜厚、基底厚度等数据，计算镀膜应力。晶圆表面曲率半径普遍采用激光三角测量法，即通过将激光以一定角度照射在晶圆表面，在反射光侧通过CCD等位置传感器检测反射光的位置，实现晶圆表面单点高度的测量，然后通过同步移动光源、反光镜及位置传感器等光路组件，进行多点测量，拟合出表面的一条直径上的高度曲线，根据高度曲线计算曲率半径，晶圆表面高度的测量精度直接影响应力计算结果。这种方法为提高测量精度，往往需要更长的光程，导致光路体积庞大，且受反射角度影响，会放大移动传感器时震动造成的影响。

硅基半导体具有耐高温、抗辐射性能好、制作方便、稳定性好、可靠度高等特点，使得大部分集成电路都是以硅为材料制作的，但是硅基半导体不适合在高频、高功率领域使用。化合物半导体具有更优越的性能和能带结构，已逐渐成为射频、光电、功率等领域不可或缺的材料。不同的化合物材料具有不同的透光度，在对化合物晶圆进行检测时，由于材料本身透光，激光三角测量法受晶圆透光量影响，导致位置传感器接收光强过弱，无法应用于透明晶圆的测量。

光谱共焦测距技术利用衍射透镜，将不同波长的光聚焦在不同的光轴位置，由此形成波长焦点与距离的对应关系，采用光谱共焦测距技术能够测量透明晶圆的表面距离，也就可以采集晶圆表面形貌变化数据，进而计算表面曲率半径。与激光三角测量法相比，该方法具有发射光与发射光同轴、锥状光线聚焦、焦点测距等特点，不受被测物高度变化的阴影影响、支持更大倾斜角度，能够更好的支持镜面和透明物体的测量。

不同材质表面对各波长的反射和吸收特性不同，因此目前光谱共焦测距传感器在使用前，均需要厂家根据客户提供待测样品进行轴向距离和聚焦波长的数据校准。但应力计算需要对镀膜前和镀膜后均进行采集，被测材质必然发生改变，不同材质拥有不同的光谱反射率，仅仅对某一材质进行一次数据校准，材料更换时将会产生较大误差。

因此，针对上述问题，有必要提出针对透明晶圆的表面曲率半径测量及补偿方法，当透明晶圆表面材质产生较大变化时，实现稳定的高度曲线测量，以支持应力测量仪对透明晶圆的薄膜应力测量。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法，该方法适用于透明晶圆的测量，且自动校准补偿测量值以获取高精度的表面曲率半径，本发明的技术方案如下：

一种自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法，基于薄膜应力测量仪实现，薄膜应力测量仪包括共焦测距传感器及与其相连的传感器控制器、承载共焦测距传感器水平移动的传感器移动台、承载透明晶圆沿共焦测距传感器轴向移动的晶圆移动台、用于采集晶圆移动台轴向调整高度值的位移传感器、置于传感器移动台上的振动传感器及距离传感器移动台固定高度的固定漫反射板，传感器控制器包括光源和光谱仪，光源用于提供多波长光源，光谱仪对共焦测距传感器采集的各波长的最大反射光强进行光谱分析，得到各波长对应的透明晶圆表面位置至传感器测头的距离值；振动传感器采集共焦测距传感器水平移动时的振动测量值；

测量方法包括：

在共焦测距传感器的测量范围内轴向移动透明晶圆，通过光谱仪读取各波长在透明晶圆表面的最大反射光强信号及其对应的半峰宽，并建立各波长与距离值的对应关系；

根据最大反射光强信号及其对应的半峰宽确定晶圆检测范围；

水平移动共焦测距传感器至透明晶圆一个直径方向的边缘位置并作为检测位置，轴向移动透明晶圆至晶圆检测范围的中心位置并作为高度测量的原点位置；

判断检测位置是否在晶圆检测范围内：

若检测位置超出晶圆检测范围，则轴向移动透明晶圆直至检测位置位于晶圆检测范围的中心位置，并记录轴向调整高度值；规定向原点位置上方移动时，轴向调整高度值为正，反之为负；

若检测位置位于晶圆检测范围内，则读取各波长在检测位置的实测反射光强信号，根据最大反射光强信号和实测反射光强信号计算得到各波长的反射光小孔透过率为

其中，I_kλ为波长λ的实测反射光强信号，I_maxλ为波长λ的最大反射光强信号；

选择反射光小孔透过率最大的波长作为检测位置的焦点波长，根据对应关系得到焦点波长对应的距离值；

根据焦点波长对应的距离值、轴向调整高度值和振动测量值计算补偿得到检测位置的高度变化值；

水平移动共焦测距传感器至透明晶圆一个直径方向的下一检测位置，重新执行判断检测位置是否在晶圆检测范围内，直至直径方向上所有检测位置全部检测完毕；

对所有高度变化值进行拟合得到透明晶圆表面高度变化曲线，并对其进行拟合得到透明晶圆一个直径方向的表面曲率半径。

其进一步的技术方案为，根据最大反射光强信号及其对应的半峰宽确定晶圆检测范围，包括：

从共焦测距传感器的测量范围内选取连续满足

的最宽检测段作为晶圆检测范围，其中，W_λ为I_maxλ对应的半峰宽，δ为经验值。

其进一步的技术方案为，根据焦点波长对应的距离值、轴向调整高度值和振动测量值计算补偿得到检测位置的高度变化值，包括：

根据焦点波长对应的距离值和轴向调整高度值计算得到检测位置的高度距离为D_k＝d_k+s_k，其中，d_k为焦点波长对应的距离值，s_k为轴向调整高度值；

利用振动测量值对检测位置的高度距离进行振动补偿，得到D_k1＝d_k+s_k+Δe_k，其中，Δe_k为检测位置的振动量且Δe_k＝Y_k-e_k，Y_k为移动基准数据，e_k为振动测量值；

获取高度变化值为h_k＝D_max-D_k1，其中，D_max为补偿后所有高度距离中的最大值；

获取移动基准数据的方法包括：对所有振动测量值进行直线拟合，以拟合后的直线数据作为振动传感器的移动基准数据。

其进一步的技术方案为，晶圆移动台的承载托架上均匀对称分布至少三个承载点凸起，用于支撑透明晶圆；

在共焦测距传感器的测量范围内轴向移动透明晶圆，包括：

将透明晶圆置于承载托架上，透明晶圆从远离传感器向接近传感器方向轴向平缓移动，或者，透明晶圆从接近传感器向远离传感器方向轴向平缓移动，直至移动超出共焦测距传感器的测量范围，此时各波长在该范围内的最大反射光强信号及其对应的半峰宽数据采集完毕。

其进一步的技术方案为，晶圆移动台上设有吸附和旋转结构，当获取透明晶圆一个直径方向的表面曲率半径后，旋转透明晶圆以完成透明晶圆多个直径方向的表面曲率半径测量，取平均得到透明晶圆的平均表面曲率半径。

本发明的有益技术效果是：

本申请将共焦测距技术应用于透明晶圆的薄膜应力测量仪中，解决上述仪器无法对透明晶圆进行测量的问题；通过对晶圆检测范围的选取，避免被测材质吸收特定波长，半峰宽较大导致误差变大的问题，且选取晶圆检测范围方法不依赖执行机构精度，降低结构成本；该测量方法自适应透明晶圆表面材质变化，每片晶圆的测量均自动进行晶圆检测范围选取，无需供应商预先进行数据校准，解决由于晶圆表面材质反复变化产生的测量误差问题，提高测量精度和适用性；通过振动补偿方法，减小共焦测距传感器水平移动对测量结果的影响；与传统激光三角测量法相比，在共焦法测量范围内，总有对应波长的光聚焦，精度不受距离影响，且测量盲区小，支持更大的倾斜和翘曲角度。

附图说明

图1是本申请提供的薄膜应力测量仪的结构示意图。

图2是本申请提供的测量方法的流程图。

图3(a)是本申请提供的振动传感器的移动基准数据曲线图。

图3(b)是本申请提供的补偿后的高度距离曲线图。

图3(c)是本申请提供的透明晶圆表面高度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法，该测量方法基于薄膜应力测量仪实现，其结构示意图如图1所示，薄膜应力测量仪包括共焦测距传感器1及与其相连的传感器控制器(图中未示出)、承载共焦测距传感器1水平移动的传感器移动台2、承载透明晶圆7沿共焦测距传感器1轴向移动的晶圆移动台3、用于采集晶圆移动台3轴向调整高度值的位移传感器4、置于传感器移动台2上的振动传感器5及距离传感器移动台2固定高度的固定漫反射板6。本申请的共焦测距传感器1基于基恩士CL-P007型号实现，传感器头仅为光学透镜，无发热器件，不产生温度漂移。位移传感器4基于基恩士LS-7010型号实现。传感器控制器包括光源和光谱仪，光源用于提供多波长光源，光谱仪对共焦测距传感器1采集的各波长的最大反射光强进行光谱分析，得到各波长对应的透明晶圆表面位置至传感器测头的距离值；振动传感器5基于基恩士LK-H052型号实现，用于采集共焦测距传感器1水平移动时的振动测量值。

测量方法流程图如图2所示，包括如下步骤：

步骤1：在共焦测距传感器1的测量范围内轴向移动透明晶圆7，通过光谱仪读取各波长在透明晶圆表面的最大反射光强信号及其对应的半峰宽，并建立各波长与距离值的对应关系。

本申请的晶圆移动台3的承载托架上均匀对称分布至少三个承载点凸起，用于支撑透明晶圆，避免透明晶圆使用卡夹、真空等固定形式，防止产生应力变化。

具体的轴向移动方法包括：

将透明晶圆7置于承载托架上，透明晶圆7的表面材质为α，透明晶圆7从远离传感器向接近传感器方向轴向平缓移动，或者，透明晶圆7从接近传感器向远离传感器方向轴向平缓移动，直至移动超出共焦测距传感器1的测量范围，此时各波长在该范围内的最大反射光强信号及其对应的半峰宽数据采集完毕。

步骤2：根据最大反射光强信号及其对应的半峰宽确定晶圆检测范围。

从共焦测距传感器1的测量范围内选取连续满足

的最宽检测段作为晶圆检测范围，其中，I_maxλ为波长λ的最大反射光强信号，W_λ为I_maxλ对应的半峰宽，δ为经验值。

步骤3：水平移动共焦测距传感器1至透明晶圆一个直径方向的边缘位置并作为检测位置k，轴向移动透明晶圆至晶圆检测范围的中心位置并作为高度测量的原点位置。

步骤4：判断检测位置k是否在晶圆检测范围内：

若检测位置k超出晶圆检测范围，则轴向移动透明晶圆直至检测位置位于晶圆检测范围的中心位置，并记录轴向调整高度值s_k。规定向原点位置上方移动时，轴向调整高度值为正，反之为负。

执行读取各波长在检测位置的实测反射光强信号的步骤。

若检测位置k位于晶圆检测范围内，则读取各波长在检测位置的实测反射光强信号，根据最大反射光强信号和实测反射光强信号计算得到各波长的反射光小孔透过率为

其中，I_kλ为波长λ的实测反射光强信号。

步骤5：选择反射光小孔透过率η_kλ最大的波长作为检测位置的焦点波长，根据对应关系得到焦点波长对应的距离值d_k。

步骤6：根据焦点波长对应的距离值d_k、轴向调整高度值s_k和振动测量值e_k计算补偿得到检测位置k的高度变化值。

步骤61：根据焦点波长对应的距离值d_k和轴向调整高度值s_k计算得到检测位置k的高度距离为D_k＝d_k+s_k，其中，d_k为焦点波长对应的距离值，s_k为轴向调整高度值。

步骤62：利用振动测量值e_k对检测位置k的高度距离D_k进行振动补偿，得到D_k1＝d_k+s_k+Δe_k，其拟合曲线图如图3(b)所示，其中，Δe_k为检测位置k的振动量且Δe_k＝Y_k-e_k，Y_k为移动基准数据，e_k为振动测量值。

获取移动基准数据的方法包括：对所有振动测量值e_k通过最小二乘法进行直线拟合，拟合曲线图如图3(a)所示，以拟合后的直线数据作为振动传感器5的移动基准数据。

步骤63：获取高度变化值为h_k＝D_max-D_k1，其中，D_max为补偿后所有高度距离中的最大值。

步骤7：水平移动共焦测距传感器1至透明晶圆一个直径方向的下一检测位置，重新执行判断检测位置是否在晶圆检测范围内(也即进入步骤4)，直至直径方向上所有检测位置全部检测完毕。

步骤8：对所有高度变化值h_k进行拟合得到透明晶圆表面高度变化曲线，其拟合曲线图如图3(c)所示，并对其进行拟合得到透明晶圆一个直径方向的表面曲率半径。可选的，通过最小二乘法拟合圆或代数逼近法等将透明晶圆表面高度变化曲线拟合成圆，求解圆的曲率半径。

本申请的晶圆移动台3上设有吸附和旋转结构，当获取透明晶圆一个直径方向的表面曲率半径后，可选的，测量方法还包括：

步骤9：旋转透明晶圆后重新执行在共焦测距传感器1的测量范围内轴向移动透明晶圆7的步骤(也即从步骤1开始)以完成透明晶圆多个直径方向的表面曲率半径测量，取平均得到透明晶圆的平均表面曲率半径。

本申请通过对晶圆检测范围的选取，避免被测材质吸收特定波长，半峰宽较大导致误差变大的问题，且选取晶圆检测范围方法不依赖执行机构精度，降低结构成本；该测量方法自适应透明晶圆表面材质变化，每片晶圆的测量均自动进行晶圆检测范围选取，无需供应商预先进行数据校准，解决由于晶圆表面材质反复变化产生的测量误差问题，提高测量精度和适用性；通过振动补偿方法，减小共焦测距传感器水平移动对测量结果的影响，实现自动补偿；与传统激光三角测量法相比，在共焦法测量范围内，总有对应波长的光聚焦，精度不受距离影响，且测量盲区小，支持更大的倾斜和翘曲角度。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法，其特征在于，测量方法基于薄膜应力测量仪实现，所述薄膜应力测量仪包括共焦测距传感器及与其相连的传感器控制器、承载所述共焦测距传感器水平移动的传感器移动台、承载透明晶圆沿所述共焦测距传感器轴向移动的晶圆移动台、用于采集所述晶圆移动台轴向调整高度值的位移传感器、置于所述传感器移动台上的振动传感器及距离所述传感器移动台固定高度的固定漫反射板，所述传感器控制器包括光源和光谱仪，所述光源用于提供多波长光源，所述光谱仪对所述共焦测距传感器采集的各波长的最大反射光强进行光谱分析，得到各波长对应的透明晶圆表面位置至传感器测头的距离值；所述振动传感器采集所述共焦测距传感器水平移动时的振动测量值；

所述测量方法包括：

在所述共焦测距传感器的测量范围内轴向移动所述透明晶圆，通过所述光谱仪读取各波长在透明晶圆表面的最大反射光强信号及其对应的半峰宽，并建立各波长与所述距离值的对应关系；

根据所述最大反射光强信号及其对应的半峰宽确定晶圆检测范围；

水平移动所述共焦测距传感器至所述透明晶圆一个直径方向的边缘位置并作为检测位置，轴向移动所述透明晶圆至所述晶圆检测范围的中心位置并作为高度测量的原点位置；

判断所述检测位置是否在所述晶圆检测范围内：

若所述检测位置超出所述晶圆检测范围，则轴向移动所述透明晶圆直至所述检测位置位于所述晶圆检测范围的中心位置，并记录轴向调整高度值；规定向所述原点位置上方移动时，所述轴向调整高度值为正，反之为负；

若所述检测位置位于所述晶圆检测范围内，则读取各波长在所述检测位置的实测反射光强信号，根据所述最大反射光强信号和实测反射光强信号计算得到各波长的反射光小孔透过率为

其中，I_kλ为波长λ的实测反射光强信号，I_maxλ为波长λ的最大反射光强信号；

选择所述反射光小孔透过率最大的波长作为所述检测位置的焦点波长，根据所述对应关系得到所述焦点波长对应的距离值；

根据所述焦点波长对应的距离值、轴向调整高度值和振动测量值计算补偿得到所述检测位置的高度变化值；

水平移动所述共焦测距传感器至所述透明晶圆一个直径方向的下一检测位置，重新执行所述判断所述检测位置是否在所述晶圆检测范围内，直至直径方向上所有检测位置全部检测完毕；

对所有所述高度变化值进行拟合得到透明晶圆表面高度变化曲线，并对其进行拟合得到透明晶圆一个直径方向的表面曲率半径。

2.根据权利要求1所述的自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法，其特征在于，所述根据所述最大反射光强信号及其对应的半峰宽确定晶圆检测范围，包括：

从所述共焦测距传感器的测量范围内选取连续满足

的最宽检测段作为晶圆检测范围，其中，W_λ为I_maxλ对应的半峰宽，δ为经验值。

3.根据权利要求1所述的自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法，其特征在于，所述根据所述焦点波长对应的距离值、轴向调整高度值和振动测量值计算补偿得到所述检测位置的高度变化值，包括：

根据所述焦点波长对应的距离值和轴向调整高度值计算得到所述检测位置的高度距离为D_k＝d_k+s_k，其中，d_k为所述焦点波长对应的距离值，s_k为所述轴向调整高度值；

利用所述振动测量值对所述检测位置的高度距离进行振动补偿，得到D_k1＝d_k+s_k+Δe_k，其中，Δe_k为所述检测位置的振动量且Δe_k＝Y_k-e_k，Y_k为移动基准数据，e_k为所述振动测量值；

获取高度变化值为h_k＝D_max-D_k1，其中，D_max为补偿后所有所述高度距离中的最大值；

获取所述移动基准数据的方法包括：对所有所述振动测量值进行直线拟合，以拟合后的直线数据作为振动传感器的移动基准数据。

4.根据权利要求1所述的自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法，其特征在于，所述晶圆移动台的承载托架上均匀对称分布至少三个承载点凸起，用于支撑所述透明晶圆；

所述在所述共焦测距传感器的测量范围内轴向移动所述透明晶圆，包括：

将所述透明晶圆置于所述承载托架上，所述透明晶圆从远离传感器向接近传感器方向轴向平缓移动，或者，所述透明晶圆从接近传感器向远离传感器方向轴向平缓移动，直至移动超出所述共焦测距传感器的测量范围，此时各波长在该范围内的所述最大反射光强信号及其对应的半峰宽数据采集完毕。

5.根据权利要求1所述的自动校准补偿的透明晶圆表面曲率半径测量方法，其特征在于，所述晶圆移动台上设有吸附和旋转结构，当获取所述透明晶圆一个直径方向的表面曲率半径后，旋转所述透明晶圆以完成所述透明晶圆多个直径方向的表面曲率半径测量，取平均得到所述透明晶圆的平均表面曲率半径。

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