CN103364077B - 用于光学测量仪器的温度控制方法和设备及光学测量仪器 - Google Patents

Abstract

现有的用于光学测量仪器的温度控制设备仅对光源模块进行冷却，无法维持光学测量仪器内其他模块和光路空间的温度稳定，造成测量结果不准确，本发明提出了用于光学测量仪器的温度控制方法和设备及光学测量仪器，其中，该设备包括第一温度控制元件(15)，与光学测量仪器的入射模块(11)导热地耦接；第二温度控制元件(10)，与光学测量仪器的出射模块(9)导热地耦接，它们控制这些模块的温度，避免光源的热量对该些模块造成影响。优选地，还包括，送风装置(4、2、1、7、33、3)，用于在风路上提供温度维持在一定范围内的气流，该风路覆盖了该光学测量仪器中晶圆和测量机构之间的光路空间，从而维持该光路空间的温度稳定。

Description

用于光学测量仪器的温度控制方法和设备及光学测量仪器

技术领域

本发明涉及用于光学测量领域的温度控制，特别是用于光学薄膜测量的温度控制。

背景技术

随着半导体微细化制程技术的日新月异，结构尺寸从微米推向深亚微米，进而迈入纳米时代。据悉，台积电与ARM合作的28纳米新制程将于2011年底前量产。为了满足微细化制程所需，其关键技术如：光刻技术，薄膜技术等都遭遇了巨大的挑战。而先进的测量技术则是更好的制程工艺控制和更高的成品率的保证。

薄膜测量是半导体产业中检验产品质量的最重要手段之一，其测量精度和长期稳定性是最重要的评判依据。目前芯片薄膜测量设备多是基于光学理论的非破坏式测量，那么光路的稳定性，特别是聚焦透镜的稳定性将严重影响系统的测量精度。经过分析及实验表明，温度是影响光路稳定的重要因素之一。因此，如何保证测量设备温度稳定是取得高精度和长期稳定的测量结果的关键。

在光学测量仪器中，含有这几个光学主要部件：光源模块，产生单波长或多波长的测量光；入射模块，例如偏振片等，对测量光进行入射处理；镜头组模块，对入射处理后的测量光进行汇聚等处理后照射到待测器件，例如晶圆上，并对待测器件出射，例如反射、透射等的出射光进行平行化等处理；出射模块，例如检偏器，对镜头组模块处理后的出射光进行出射处理。之后，光学信号将被采集、转换为电子信号，并由计算机处理。在某些实施方式中，镜头组模块会被按照入射前和出射后所涉及的镜片被分别划分到入射模块和出射模块中。由于光源是光学测量仪器中的主要，甚至唯一产生热量的热源，所有现有技术中一般对光源进行冷却处理，采用水冷或风冷等方式带走光源产生的热量，避免该热量引起入射模块、镜头组模块和出射模块的变形，使光路在一定程度上保持稳定。

发明内容

现有技术仅对光源进行冷却处理。但是，即使光源本身的温度可以控制的很好，但光源产生的热量也不可能完全被消除。那么这些剩余热量将通过各种热传递方式对系统内环境以及其余部件进行传热。当支撑光学镜头的机械件受热时会产生机械形变，进而影响光学镜头的稳定性。另外，测量区域，即镜头组模块至待测器件之间的光路空间也十分容易受温度影响，光源的热量可能造成该空间的温度波动大，影响光路的稳定性。因此，要获得高精度和长期稳定的测量结果，已有的仅对光源进行冷却的方法显然不能满足要求。

本发明的发明构思是：提供一种对薄膜厚度光学测量仪器内部关键子部件分散热控制和散热，再集中温度控制的方法。本发明主要针对影响测量稳定性的三大关键部件：光源，光机(即入射模块、出射模块和镜头组模块)和测量区域(光路空间)空气进行温度控制。光源是系统内热的主要来源，首先应该对其进行散热控制。通过设计水管包络光源，并采用冷水机(chiller)对其循环供水和水温控制，使光源温度稳定。同时，为了防止未带走的热量影响周围的空气和其它部件，在光源外部做了一层绝热层，这将最大限度的减少光源对周边环境的热影响。

即入射模块、出射模块和镜头组模块虽不是热源，但温度的波动将引起机械变形，从而影响光路稳定。因此，对它们均分别做了隔热处理或冷却处理等温度控制。

对测量区域的光源以及光机进行分散温控和隔热处理后，再对整个测量区域空气进行温度控制。膜厚测量仪器外部的空气经过温控箱内的电加热器时升温，再由风机抽送至仪器左侧的出风口，最后水平吹向整个测量区域(光路空间)。在出风口处安装有散流板和高效过滤器，以保证吹向测量区域的风干净而且均匀。加热器的通断由高精度温度控制器进行控制。在测量区域安装有温度探测器。温度控制器的设定温度只需比设备所处环境温度高2℃即可。根据设定温度及测量区域的温度反馈信号，温度控制器就可以很容易的实现对测量区域的空气温度进行控制。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、温控全面。本发明全面考虑了温度对膜厚测量结果的影响，对测量仪器内部多个关键部位进行温控，以全面消除温度的影响。

2、容易实现高精度温度控制。主要热源-光源和关键部件做了温控和隔热措施后，只要对吹向整个测量区域的风加以反馈控制，就可以很容易实现测量区域的温度稳定，进而获得精度更高，稳定性更好的膜厚测量结果。

3、节约能源。对测量区域的风加以回收，循环再利用，一部分重新回到温控箱，另一部分对系统电控柜进行散热，从而大大节约能源。

4、易于推广应用。本发明提出的温控方案，不仅仅适用于薄膜厚度测量仪器，对于任何光学测量仪器，都具有一定的参考实用价值。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于光学测量仪器的温度控制设备，其特征在于，包括：

-第一温度控制元件，与所述光学测量仪器的入射模块导热地耦接，用于控制所述入射模块的温度；

-第二温度控制元件，与所述光学测量仪器的出射模块导热地耦接，用于控制所述出射模块的温度。

该方面对入射模块和出射模块进行温度控制，从而能够避免光源的热量对该些模块造成影响，维持光路的稳定和测量的准确性。

在一个优选的实施方式中，所述第一和第二温度控制元件包括以下至少任一项以稳定所耦接到的模块的温度：

-冷却装置；

-绝热组件。

该实施方式提供了实现温度控制元件的更加具体的实现方式，其中，绝热组件能够将光源的热量隔绝于入射和出射模块之外；而冷却装置能够主动地带走入射和出射模块多余的热量，它们都能够进一步维持光路的稳定和测量的准确性。

在一个优选的实施方式中，该设备还包括第三温度控制元件，与所述光学测量仪器的光源模块导热地耦接，用于控制所述光源模块对该光学测量仪器的其他模块的热量释放，其中，所述第三温度控制元件包括冷却装置和绝热组件。

该实施方式在对光源进行冷却的基础上，还对光源进行绝热，以阻止未带走的热量以各种热传递方式对周围环境或其它部件进行传热，能够进一步维持光路的稳定和测量的准确性。

在一个优选的实施方式中，该设备还包括第四温度控制元件，与所述光学测量仪器的镜头组模块导热地耦接，用于控制所述镜头组模块的温度，其中，所述第四温度控制元件包括冷却装置和/或绝热组件以稳定相应模块的温度。

该实施方式还对镜头组模块进行温度控制，进一步维持光路的稳定和测量的准确性。

在一个进一步优选的实施方式中，所述各温度控制元件包括水冷/风冷装置作为冷却装置，第一、第二和第四温度控制元件的冷却装置并联后与第三温度控制元件的冷却装置串联，该系统还包括：

冷水机/冷风机，其输出与并联的第一、第二和第四温度控制元件的冷却装置的输入相连，输入与第三温度控制元件的冷却装置的输出相连。

由于光源是热源，而其他模块是非热源，考虑冷却效果和冷却负载，该优选的实施方式提供了一种优选的连接方式。

在一个优选的实施方式中，该设备还包括送风装置，用于在风路上提供温度维持在一定范围内的气流，该风路覆盖了该光学测量仪器中晶圆和测量机构之间的光路空间，从而维持该光路空间的温度稳定。

该实施方式的优点是，通过温度稳定的气流来维持光路空间的温度稳定，进一步提高了测量的准确性。

在一个进一步优选的实施方式中，所述送风装置包括：

-进气口，用于输入气流；

-温度调节装置，用于调节该气流的温度，该调节装置包括加热装置和/或制冷装置；

-风机，用于将该气流引导至所述风路上；

-温度传感器，被置于所述光路空间处，用于测量该光路空间的温度；

-控制器，用于根据该光路空间的温度与设定温度，控制该温度调节装置将所述气流的温度维持在一定范围内。

该进一步优选的实施方式提供了基于反馈控制的来提供温度稳定的气流的具体实施方式，温控精度高。

在一个进一步优选的实施方式中，该设备还包括：排风装置，位于所述风路上、所述光路空间的下游，通过管道与所述送风装置的进气口相连，用于将排出的气流提供回所述送风装置，并且与所述光学测量仪器的电子功率部分相连，用于使用排出的气流来散热该电子功率部分。

在该实施方式中，热风被循环再利用：一部分重新又回到加热器与新风一起进行加热来维持光路空间的温度稳定，另一部分吹向系统电控箱，对其散热，以节约能源。

根据本发明的第二个方面，提供了一种光学测量仪器，包括光源、入射模块和出射模块，其特征在于，包括根据本发明的第一个方面所述的温度控制设备。

该方面提供了集成了该温度控制设备的光学测量仪器，该仪器具有测量稳定性高、结果准确的优点。

根据一个优选的实施方式，该仪器是薄膜厚度光学测量仪器。采用本发明的薄膜厚度光学测量仪器中，能够极大地提高半导体产业的产品质量检验水平，适合于目前的微细化制程的技术趋势。

相应地，根据本发明的第三个方面，提供了一种用于光学测量仪器的温度控制方法，该光学测量仪器包括入射模块和出射模块，其特征在于，包括如下步骤：

i.控制所述入射模块的温度；

ii.控制所述出射模块的温度。

该方面对入射模块和出射模块进行温度控制，从而能够避免光源的热量对该些模块造成影响，维持光路的稳定和测量的准确性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更加明显：

图1为本发明具体实施方案的系统图，该系统是一台芯片膜厚光学测量仪器，主要包括光学测量部分和系统内温度控制部分；

图2为本发明具体实施方案一中，耦接至光源模块的第三温度控制元件的示意图，该元件由一台小型的冷水机和水冷管道实现；

图3为本发明具体实施方案二中，第一、第二、第三和第四温度控制元件的示意图，该些元件由共用的一台冷水机和串并联连接的水冷管道实现。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1示出了包含根据本发明的温度控制设备的光学测量仪器，该仪器主要包括三个部分：承载晶圆运动平台，光学测量机构，以及温度控制设备。承载晶圆运动平台置于大理石基台21上，包括XY平台24和载片台27。置于载片台27上的晶圆30，具有四个方向的运动：左右方向X，前后方向Y，上下方向Z，以及360度旋转θ。光学测量机构包括：光源12，入射模块11(包括其支架26)，镜头组模块19，出射模块9(包括其支架29)。入射光由光源发出，经由入射模块11进行起偏等操作，被镜头组19聚焦到晶圆30上，再由晶圆反射、透射等后，经过镜头组19进入出射模块9进行例如检偏等操作，而后通过分析计算，进而得到相关的测量信息。

为使系统具有较高的长期稳定性，需要对该系统进行温度控制，其精度要求为0.1度。该系统的温度控制设备包括：

-第一温度控制元件，与入射模块11导热地耦接，用于控制入射模块11的温度；

-第二温度控制元件，与出射模块9导热地耦接，用于控制出射模块9的温度；

-第四温度控制元件，与镜头组模块19导热地耦接，用于控制镜头组模块19的温度；和

-第三温度控制元件，与光源模块12导热地耦接，用于控制光源模块12的对该光学测量仪器的其他模块的热量释放。

该温度控制设备还包括：

送风装置，用于在风路上提供温度维持在一定范围内的气流，该风路覆盖了该光学测量仪器中晶圆和测量机构之间的光路空间，从而维持该光路空间的温度稳定。

下面将对温度控制设备的这些部件的多种更加具体实现方式进行描述。

具体实施方式一

在该实施方案中，第一、第二和第四温度控制元件由绝热组件所实现，具体的：

1、对热源与入射、出射和镜头组模块的控制

参考图2，该系统中，埋在光源模块12里的光源38是最大的发热源，为了将它产生的热量带走，在其周围布上水管13。冷水由冷水机的出水口36流出至光源模块的入水口17，再流经管道13后，带走光源发出的热量，变为热水，最后由出水口16流回冷水机进水口35。热水由冷水机制冷后再由泵从出水口流出，不断循环，从而带走热量。冷水机内部有泵，排风扇，水箱等，并且，冷水机是熟知的现有产品，故此处不再赘述。在冷水机出水口有温度探测器37。冷水机将根据用户设定温度和温度探测器反馈温度，对出水温度进行控制，从而控制光源模块的温度。由于光源产生的热量不可能完全被带走，为了防止剩余热量通过热辐射影响其它测量模块，在光源外部包上了绝热层14，它可以由石棉材料实现。在该实施方案中，以上由水管13和冷水机构成的冷却装置，以及绝热层14构成了第二温度控制元件。

同时，为防止光源模块12的残余热量对测量模块的影响，分别对入射模块11(包括支架26)，镜头组模块19及出射模块9(包括支架29)做了绝热层15，18和10，它们分别构成了第一、第二和第四温度控制元件。

2、对系统内部环境的温度控制

新风通过系统顶部的进风口4进入加热箱31内，经过电加热器2加热后，经由风机1抽送至系统左侧的风扇过滤单元和散流板(可采用多孔板实现)7，最后水平吹向整个测量区域(待测器件与测量机构之间的光路空间)以及出射模块9与绝热层10、镜头组模块19与绝热层18、入射模块11与绝缘层15、以及光源模块12与冷水管13和绝热层14。在与左侧出风口相对应的右侧安装了排风口25，排风罩23和排风扇22。经过测量区域的风将由排风扇22排出进入排风管道6，排风管道一部分导入顶部的进风口4。另一部分吹向系统电控箱，对里面的电源，工控机，电路板等进行散热。温度传感器33安装在靠近晶圆30的光路空间内，这是因为较之系统内其它区域，测量结果对这个区域内的空气温度比较敏感。温度传感器信号通过接入温度控制器3，形成该点的温度反馈控制。通过比例积分微分算法，使被控区域的温度稳定，例如达到正负0.1摄氏度的精度要求。从而。进风口4和出风口7分别安装有高效过滤器5和，以保证吹向测量区域的风满足洁净度1级的要求。在该实施方案中，进风口4、加热箱31、电加热器2、风机1、风扇过滤单元和散流板7、温度传感器33、温度控制器33构成了送风装置；排风口23和排风罩22构成了排风装置。

可以理解，为了避免光源模块12的余热影响其他模块，优选地，光源模块12应位于送风装置送风的方向的下游，这样散发的热量能够直接被气流带出。在一个变化的实施方式中，送风装置送风的方向也可以是从上至下。

可以理解，相对于已经被温度控制元件进行温度控制的入射模块、镜头组模块和出射模块来说，裸露的光路空间更加容易受到光源余热的影响，因此，在一个简化的实施方式中，风机1也可以仅将温度恒定的气流吹向光路空间，来维持光路空间的温度稳定，这样能够减小送风装置的规格，降低成本和能耗。

加热箱31、电加热器2、温度传感器33、温度控制器33的用途是使送风装置送入的气流温度保持稳定，在一个替代的实施方式中，也可以采用冷却的方式来完成这一功能。这些实施方式在外部输入气流的温度不稳定的情况下是特别有用的，因为光学测量仪器所在场所的室温的波动范围通常是正负1摄氏度，不满足所需的正负0.1摄氏度的要求。可以理解，在外部输入的气流已经经过恒温处理，其波动范围已能保持在正负0.1摄氏度的情况下，这些部件是可以省去的，送风装置仅包括进风口4、风机1和过滤散流部件即可。

以下描述本发明的另一个具体实施方案，其包括第一、第二和第四温度控制元件的另一种实现方式。

具体实施方案二

方案二的系统结构与方案一相同，其测量区域的光路空间的环境温度控制也与方案一相同。不同的是，方案一中，第一、第二和第四温度控制元件均采用了隔热材料包裹相应模块以避免受到热影响；本方案则是将这些温度控制元件统一采用水冷装置来冷却相应模块。

在一个优选的实施方式中，第一、第二和第四温度控制元件和第三温度控制元件共用一套水冷管路，水冷管路接线示意图请参考图3。光源模块12，入射模块11，出射模块9和镜头组模块19内部均铺设了水管用以通入冷水。水管应尽量包裹各模块。在管路串并联设计时，考虑到光源模块是发热源，而其余模块均没有发热源，因此，冷水机首先输送冷水至并联的第一、第二和第四温度控制元件，流出的水再流入第三温度控制元件，最后流回冷水机。

冷水从冷水机34的出水口36流向四通阀45，再由阀的三个出水口分别流向入射模块的第一温度控制元件11，出射模块的第二温度控制元件9和镜头组模块的第四温度控制元件19各自的进水口41，39和44。冷水沿图3中箭头所示方向在这三个模块中流动，最后由各元件的出水口40，42和43流出。由于这三个模块不是发热源，因此，冷水流经这三个模块后温度上升不大。从这三个元件流出的水在阀46的地方汇合起来，一起流入光源模块38的第三温度控制元件12。由于光源模块是热源，水流经过后会升温变成热水，热水最后由出水口16流回冷水机重新制冷。同方案一一样，在冷水机出水口36安装有温度探测器37，使冷水机可以根据客户的要求对各模块进行温度控制。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合，例如，第一、第二和第四温度控制元件分别可以包括冷却装置和绝热组件两者，以提高温度控制的效果，保持所耦接到的模块的温度稳定。

以上以薄膜厚度光学测量仪器为例对本发明进行了说明，可以理解，本发明所适用的对象并不限于薄膜厚度光学测量仪器，其他包括光源模块、入射模块、出射模块和镜头组模块的光学测量仪器都可以采用本发明的实施方式来进行温度控制，维持该光学测量仪器内部的温度稳定，进而保证测量的准确性。

当然，本发明还可有其他多种实施例，例如，以上的石棉材料可以被替换为真空隔热层作为绝热元件，以上的各水冷设备可以被替换为风冷设备作为冷却设备。在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于光学测量仪器的温度控制设备，其特征在于，包括：

-第一温度控制元件，与所述光学测量仪器的入射模块导热地耦接，用于控制所述入射模块的温度；

-第二温度控制元件，与所述光学测量仪器的出射模块导热地耦接，用于控制所述出射模块的温度；

-送风装置，用于在风路上提供温度维持在一定范围内的气流，该风路覆盖了该光学测量仪器中晶圆和测量机构之间的光路空间，从而维持该光路空间的温度稳定，其中，所述送风装置包括，进气口，用于输入气流；

-排风装置，位于所述风路上、所述光路空间的下游，通过管道与所述送风装置的进气口相连，用于将排出的气流提供回所述送风装置，并且与所述光学测量仪器的电子功率部分相连，用于使用排出的气流来散热该电子功率部分。

2.根据权利要求1所述的温度控制设备，其特征在于，所述第一和第二温度控制元件包括以下至少任一项以稳定所耦接到的模块的温度：

-冷却装置；

-绝热组件。

3.根据权利要求2所述的温度控制设备，其特征在于，还包括：

-第三温度控制元件，与所述光学测量仪器的光源模块导热地耦接，用于控制所述光源模块的对该光学测量仪器的其他模块的热量释放，

其中，所述第三温度控制元件包括冷却装置和绝热组件。

4.根据权利要求3所述的温度控制设备，其特征在于，还包括：

-第四温度控制元件，与所述光学测量仪器的镜头组模块导热地耦接，用于控制所述镜头组模块的温度，

其中，所述第四温度控制元件包括冷却装置和/或绝热组件以稳定相应模块的温度。

5.根据权利要求4所述的温度控制设备，其特征在于，所述各温度控制元件包括水冷/风冷装置作为冷却装置，第一、第二和第四温度控制元件的冷却装置并联后与第三温度控制元件的冷却装置串联，该设备还包括：

冷水机/冷风机，其输出与并联的第一、第二和第四温度控制元件的冷却装置的输入相连，输入与第三温度控制元件的冷却装置的输出相连。

6.根据权利要求1所述的温度控制设备，其特征在于，所述送风装置还包括：

-温度调节装置，用于调节该气流的温度，该调节装置包括加热装置和/或制冷装置；

-风机，用于将该气流引导至所述风路上；

-温度传感器，被置于所述光路空间处，用于测量该光路空间的温度；

-控制器，用于根据该光路空间的温度与设定温度，控制该温度调节装置将所述气流的温度维持在一定范围内。

7.根据权利要求1所述的温度控制设备，其特征在于，其中，该风路还覆盖了：

-该出射模块、该入射模块以及光源模块，且该光源模块位于该风路上、该出射模块和该入射模块的下游；和

-该光学测量仪器的承载晶圆的载片台以及承载该载片台的运动平台；

并且，该风路为水平方向；和/或，

该送风装置在风路上、该光路空间的上游还包括：

过滤元件；和/或

散流元件。

8.一种光学测量仪器，包括光源模块、入射模块和出射模块，其特征在于，包括根据权利要求1-7中任一项所述的温度控制设备。

9.根据权利要求8所述的光学测量仪器，其特征在于，该仪器是薄膜厚度光学测量仪器。

10.一种用于光学测量仪器的温度控制方法，该光学测量仪器包括光源模块、入射模块和出射模块，其特征在于，包括如下步骤：

i.控制所述入射模块的温度；

ii.控制所述出射模块的温度；

在一风路上提供温度维持在一定范围的气流，该风路覆盖了光学测量仪器中晶圆和测量机构之间的光路空间，从而维持该光路空间的温度稳定；

该风路还覆盖了该出射模块、该入射模块以及该光源模块，且该光源模块位于该风路上、该出射模块和该入射模块的下游，并且，该风路为水平方向；和/或，

该方法还包括如下步骤：

-对所述气流进行过滤和/或散流。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤i和ii采用以下至少任一方式来控制温度：

-冷却该模块；

-将该模块与外界热隔绝。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤：

iii.控制所述光源模块的对该光学测量仪器的其他模块的热量释放，其中，采用冷却和绝热的方式来控制。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，该光学测量仪器还包括镜头组模块，该方法还包括：

iv.控制所述镜头组模块的温度，其中，采用冷却和/或绝热的方式来控制。

14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

-在所述风路上、所述光路空间的下游将所述气流排出，且将排出的气流重新用于提供气流和提供给该光学测量设备的电子功率部分进行散热。