CN104677315A - 硅片表面不平整度测量方法 - Google Patents
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Abstract
硅片表面不平整度测量方法属于物理测量领域。该方法提供一种双面金属包覆波导超高阶导模图像分析仪，用于硅片表面不平整度的测量，可实现1nm～10nm不平整度的测量范围，分辨率可小于1.0nm。该方案利用波长为244nm的紫外激光做光源，使介质硅转变为金属，然后以小角度入射于由铝膜、空气腔和待测硅片组成的双面金属包覆波导，激发这种结构中对导波层厚度灵敏度极高的超高阶导模。硅片表面的不平整意味着空气层厚度、也就是导波层厚度的变化，则在反射光斑中将出现亮度明暗的变化。本发明具有以下优点：(1)采用大面积图像显示硅片表面的不平整度，不需要光束扫描；(2)可测量硅片表面纳米量级的不平度；(3)测量装置结构简单，操作方便，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种测量方法，特别是一种硅片表面不平整度测量方法，属于物理测量领域。
背景技术
随着IC工业的飞速发展，芯片尺寸不断加大，集成电路设计线宽不断减小，对硅材料晶体内部及硅片表面的质量要求也越来越高。随着器件特征尺寸的减小，对硅材料表面的要求越来越苛刻，表面好坏，直接影响到器件的加工质量和成品率。因此，硅片的不平整度是微电子生产工艺中的一个重要的测试项目。在硅片的不平整度检验中，国内用得较多的是电容法不平整度测量台。该仪器只能检测出硅片和测头之间的间隙变化，为了测出整块硅片的不平整度，检测时需让硅片绕测头作十字及圆形的扫描。此仪器的优点是灵敏度较高、可数字显示，缺点是价格较贵、误差的直观性差及测量比较费时。为克服上述缺点，目前使用较多的是激光平面干涉仪、以及利用斜入射干涉原理设计和制造的硅片不平整度测试仪。这些仪器中光学元件的精度要求很高，整机结构复杂，使仪器的成本大为增加。也有采用获国家专利的掠射式镜面莫尔轮廓测量技术的GP一1型硅片不平整度测试仪，这种仪器结构较为简单，对仪器中光学元件的精度要求不高。但上述几种仪器仅能达到微米级的灵敏度，对硅片表面的要求越来越苛刻的现代工艺已难以适应。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出一种利用紫外光源激发双面金属包覆波导超高阶导模共振的测量方法及其装置。该方案能测量硅片表面纳米量级的不平整度，具有灵敏度高，测量时间短，实用性强的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明测量系统包括：双面金属包覆波导超高阶导模共振激发结构A和光电发射与信号探测模块B。
双面金属包覆波导超高阶导模共振激发结构包括：铝膜、石英玻璃基片、玻璃垫圈和硅片等部件组成。铝膜沉积在石英玻璃基片表面，为保证平行度，玻璃垫圈与石英玻璃基片通过光胶技术粘合，使铝膜、石英玻璃基片和玻璃垫圈结合为一体。把上述结构直接放于待测硅片表面，使其紧密接触，构成双面金属包覆波导超高阶导模共振激发结构。石英玻璃基片2的厚度约为500μm，而玻璃垫圈3的厚度约为300μm，两者之和(800μm)即是双面金属包覆波导导波层的厚度。
光电发射与信号探测模块包括：紫外激光器、扩束镜和面阵CCD探测器。紫外激光器发射的光经过扩束镜后，成为平行光，并以一小角度入射于铝膜的表面，反射光投影到光强测量装置——面阵CCD探测器。在一小角度范围内连续变化激光入射角度，并同时记录反射光强，形成反射率——入射角度曲线，确定一超高阶导模的衰减全反射吸收(ATR)峰下降沿的中点处作为固定的入射角，观察反射光斑中的光强分布，根据光强分布确定硅片表面的平整度；
双面金属包覆波导超高阶导模共振激发的标志是反射率-入射角度曲线上的衰减全反射(ATR)吸收峰。在确定一超高阶导模的衰减全反射吸收(ATR)峰下降沿的中点处作为固定的入射角情况下，这时，反射光的强度一定。由于ATR吸收峰的角位置是双面金属包覆波导导波层厚度的灵敏函数，当硅片表面某处凹凸不平时，表明该处空气层厚度，也就是导波层厚度有变化，从而引起该处ATR峰的移动，产生反射光的变化。因此可根据反射光斑中光强的分布，确定硅片表面的不平整度。由于ATR曲线下降沿的中点处具有极好的线性度，因此可根据反射光斑中光强的分布确定待测硅片表面的不平整度。
本发明具有以下优点：(1)采用紫外激光λ＝244nm激发由铝膜和硅片(λ＝244nm)作为金属覆盖层的双面金属包覆波导中的超高阶导模，产生衰减全反射(ATR)吸收峰。由于ATR峰的角位置是导波层厚度的灵敏函数，而导波层厚度与硅片表面的不平整度相关，因此，可根据反射率-入射角曲线上的ATR峰的角位置确定硅片表面的不平整度；(2)用扩束的平行光照射，光束的直径与待测硅片的大小相当。硅片表面的不平整度由反射光斑中的光强分布反映。因此，测量反射光斑的图像即可得到硅片表面的不平整度。(3)测量范围为1nm～10nm，测量的分辨率为1.0nm。(4)测量装置结构简单，灵敏度高；不需要光束扫描，测量时间短；操作方便，成本低廉。
附图说明
图1本发明硅片表面不平整度测量方法装置图
图2超高阶导模ATR吸收峰位置随导波层厚度(对应硅片表面的不平整度)的变化
具体实施方式
如图所示，本发明是一种用于硅片表面不平整度测量方法包括两个模块：双面金属包覆波导超高阶导模共振激发结构A和光电发射与信号探测模块B。
双面金属包覆波导超高阶导模共振激发结构A，包括：铝膜1、石英玻璃基片2、玻璃垫圈3、硅片4。铝膜沉积在石英玻璃基片表面上，玻璃垫圈采用光胶技术胶合于石英玻璃基片的底面，然后与待测硅片紧密结合(采用夹子压紧)。由于玻璃垫圈的存在，使石英玻璃基片与待测硅片之间形成一空腔，空腔的面积即是硅片的待测区域。空腔的厚度(玻璃垫圈的厚度)与石英玻璃基片厚度之和即双面金属包覆波导导波层的厚度。考虑到加工工艺以及波导原理要求，确定石英玻璃基片的厚度为500μm，玻璃垫圈的厚度为300μm
实施例一：
假设入射激光的波长λ＝244nm，铝膜的厚度h1＝15nm，介电系数ε1＝-8.08+i1.05石英玻璃基片的厚度为h2＝500μm，其折射率n2＝1.45，玻璃垫圈的厚度为h3＝300μm，而待测硅片的介电系数为ε4＝-8.03+i4.34。当入射光在4.10°～4.21°内变化时，则根据计算机模拟得到的曲线如图2所示。由图可见，利用紫外激光可激发图2所示结构的某一超高阶导模，该导模的衰减全反射吸收(ATR)峰如图2所示，反射率最低点的位置θATR＝4.152°。取ATR峰下降沿的中点处θs＝4.145°作为固定的入射角，这时，反射率Rs＝49％。如果硅片表面局部有一凸起，凸起的高度为1nm，这表明该处导波层的厚度减少1nm，则该处的ATR峰向左移动，固定的入射角处的反射率从Rs＝49％降至Rs-1＝41％。反之，如果硅片表面局部有一凹陷，凹陷的深度也为1nm，这表明该处导波层的厚度增加1nm，则该处的ATR峰向右移动，固定的入射角处的反射率从Rs＝49％增至Rs+1＝57％。硅片表面1nm的变化引起的反射率变化ΔR＝8％，这种光强变化普通的CCD很容易分辨。由此可见，本发明测量方法的分辨率完全可达到1.0nm。另外，根据超高阶导模ATR吸收峰下降沿的线性范围，估计硅片表面不平整度的测量范围大约为1nm～10nm。由此可见，本发明适用于硅片表面不平整度在纳米量级范围精细的测量。
图2超高阶导模ATR吸收峰位置随导波层厚度(对应硅片表面的不平整度)的变化取ATR峰下降沿的中点处θs＝4.145°作为固定的入射角，则三条ATR吸收峰与θs＝4.145°交点(用1、2、3表示)处的反射率分别为57％、49％和41％。点2处的反射率表示硅片表面的不平整度为0，导波层厚度保持不变；点3处的反射率表示硅片表面的有1nm的凸起，导波层厚度减小1nm；点2处的反射率表示硅片表面的有1nm的凹陷，导波层厚度增加1nm。
Claims (8)
1.硅片平整度测量系统如图1所示，该测量系统包括：双面金属包覆波导超高阶导模共振激发结构A和光电发射与信号探测模块B。
2.双面金属包覆波导超高阶导模共振激发结构，由铝膜1、石英玻璃基片2、玻璃垫圈3、硅片4等部件组成。其特征为：
(1)铝膜1沉积在石英玻璃基片2的表面；
(2)玻璃垫圈3与石英玻璃基片2由光胶技术粘合，使铝膜1、石英玻璃基片2和玻璃垫圈3结合为一体；
(3)把上述结构直接放于待测硅片表面，使其紧密接触，构成双面金属包覆波导超高阶导模共振激发结构。石英玻璃基片2的厚度约为500μm，而玻璃垫圈3的厚度约为300μm，两者之和(800μm)即是双面金属包覆波导导波层的厚度。
3.光电发射与信号探测模块B包括：紫外激光器5、扩束镜6、和面阵CCD探测器7组成，其特征为：
(1)紫外激光器5发射的光经过扩束镜6后，成为平行光，并以一小角度入射于铝膜1的表面；
(2)反射光投影到光强测量装置一面阵CCD探测器7；
(3)在一定角度范围内连续变化激光入射角度，并同时记录反射光强，形成反射率一入射角度曲线，确定一超高阶导模的衰减全反射吸收(ATR)峰下降沿的中点处作为固定的入射角，观察反射光斑中的光强分布，根据光强分布确定硅片表面的平整度。
4.根据权利1要求的制作石英玻璃基片2的材料为光学石英玻璃，其厚度约为500μm，折射率范围为1.44～1.46之间。
5.根据权利1要求的紫外激光器5的波长为λ＝244nm。
6.根据权利1要求的铝膜1的厚度约为14nm～16nm。
7.根据权利1要求的玻璃垫圈3厚度确定为300μm。
8.根据权利1要求的硅片平整度测量的分辨率为1.0nm。
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