CN104713485B - 利用SiO2膜测量微纳长度的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法，光源(1)在透镜(2)的上方，倾斜的指示光栅分光板(3)和标尺光栅分光板(12)在透镜(2)的下方，指示光栅SiO₂膜(4)和标尺光栅SiO₂膜(5)分别在指示光栅分光板(3)和标尺光栅分光板(12)的下方，指示光栅分光板(3)、标尺光栅分光板(12)和光敏元件阵(11)依次排列，光敏元件阵(11)、辨向电路(9)和计算机(8)通过电线(10)依次连接；标尺光栅SiO₂膜(5)固定在工作台(6)上，压电陶瓷(7)靠在工作台(6)的侧面。本发明用于SiO₂膜的厚度的测量中检验光的波长和测量SiO₂膜的厚度，还用于微纳制造中测量工作台的微纳长度的移动量。

Description

利用SiO2膜测量微纳长度的系统及方法

技术领域

本发明涉及微纳长度的测量，具体涉及利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法。

背景技术

在半导体平面制造工艺中，常用干涉法测量SiO₂膜的厚度，其中，要用光的波长λ计算SiO₂膜的厚度，如用钠光灯产生的单色光测量SiO₂膜的厚度中，要用到钠光的波长λ计算SiO₂膜的厚度，因此，光的波长影响SiO₂膜的厚度的测量结果，为了SiO₂膜的厚度的测量准确，需要检测和验证光的波长λ；钠光的波长很小，其波长约为0.6μm，难以用普通的尺子测量，需要借助光学，用微纳长度的测量方法等，检测钠光的波长。

在微纳制造中，工作台要作微纳长度的移动，需要测量工作台的微纳长度的移动量。

发明内容

本发明目的在于：提供一种利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法，用于SiO₂膜的厚度的测量中检验光的波长和测量SiO₂膜的厚度，还用于微纳制造中测量工作台的微纳长度的移动量。

本发明的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法的技术解决方案：用两块成一定角度的SiO₂膜上光的干涉条纹，在光敏元件阵的表面上构造莫尔纹条，一块SiO₂膜不动，工作台和固定在工作台上的另一块SiO₂膜一起移动，莫尔纹条随之移动，通过测量莫尔条纹的移动量，获得光的波长、SiO₂膜的厚度和工作台的微纳长度的移动量。

本发明的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，利用SiO₂膜测量微纳长度的系统包括光源、透镜、指示光栅分光板、指示光栅SiO₂膜、标尺光栅SiO₂膜、工作台、压电陶瓷、计算机、辨向电路、电线、光敏元件阵和标尺光栅分光板；光源在透镜的上方，光源通过光线与透镜连接；倾斜的指示光栅分光板和标尺光栅分光板在透镜的下方，透镜通过光线分别与指示光栅分光板和标尺光栅分光板连接；指示光栅SiO₂膜和标尺光栅SiO₂膜分别在指示光栅分光板和标尺光栅分光板的下方，指示光栅SiO₂膜通过光线与指示光栅分光板连接，标尺光栅SiO₂膜通过光线与标尺光栅分光板连接；指示光栅分光板、标尺光栅分光板和光敏元件阵依次排列，光线将指示光栅分光板、标尺光栅分光板和光敏元件阵依次连接；光敏元件阵、辨向电路和计算机通过电线依次连接；标尺光栅SiO₂膜固定在工作台上，压电陶瓷靠在工作台的侧面。

本发明的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，标尺光栅SiO₂膜的上部是一层SiO₂材料，并有一个角度很小的斜面区域；标尺光栅SiO₂膜的下部是一层衬底的Si材料；指示光栅SiO₂膜与标尺光栅SiO₂膜的材料和结构分别相同；标尺光栅SiO₂膜和指示光栅SiO₂膜统 称为SiO₂膜。

本发明的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，波长λ一定的单色光垂直投射到标尺光栅SiO₂膜的斜面区域，在SiO₂材料的斜面区域的表面上产生光的干涉条纹，光的干涉条纹明暗相间，明亮的干涉条纹为明干涉条纹，暗的干涉条纹为暗干涉条纹；波长λ一定的单色光垂直投射到指示光栅SiO₂膜的斜面区域，在SiO₂材料的斜面区域的表面上同样产生光的干涉条纹。

本发明的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，指示光栅SiO₂膜和标尺光栅SiO₂膜成一定的角度放置，标尺光栅SiO₂膜上的光的干涉条纹与指示光栅SiO₂膜上光的干涉条纹不平行，它们之间有一个小的角度。

本发明的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，光敏元件阵的表面上有莫尔条纹，莫尔条纹是由标尺光栅SiO₂膜上的光的干涉条纹与指示光栅SiO₂膜上光的干涉条纹反射后产生，莫尔条纹明暗相间，菱形的明亮的莫尔条纹为明莫尔条纹，菱形的暗的莫尔条纹为暗莫尔条纹。

本发明的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，指示光栅SiO₂膜不动，工作台和固定在工作台上的标尺光栅SiO₂膜一起移动，工作台的移动方向与标尺光栅SiO₂膜上的光的干涉条纹垂直。

本发明的有益效果：

1.本发明的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，光敏元件阵的表面上的莫尔条纹是由标尺光栅SiO₂膜上的光的干涉条纹与指示光栅SiO₂膜上光的干涉条纹反射后产生，标尺光栅SiO₂膜上的光的干涉条纹和指示光栅SiO₂膜上光的干涉条纹的间隔均匀性好，使系统的测量精度高。

2.本发明的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，利用SiO₂膜测量微纳长度的系统将工作台移动量的测量，转变为莫尔条纹移动量的测量，莫尔条纹对工作台的移动量有放大作用且放大倍数大，使系统的测量精度高。

3.本发明的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，利用SiO₂膜测量微纳长度的系统可以检测和验证光的波长，为测量光的波长提供测量系统和方法；也可测量SiO₂膜的厚度，并可获得更高的测量精度；还可测量工作台的微纳长度的移动量；一个系统，有多种用途。

附图说明

图1为利用SiO₂膜测量微纳长度的系统。

图2为图1中光线垂直投射到标尺光栅SiO₂膜及标尺光栅SiO₂膜的主视图。

图3为图2标尺光栅SiO₂膜的俯视图。

图4为指示光栅SiO₂膜和标尺光栅SiO₂膜成一定的角度放置。

图5为光敏元件阵的表面上的莫尔条纹。

图6为工作台的移动方向与标尺光栅SiO₂膜上的干涉条纹垂直。

图7为SiO₂材料的斜面区域相距L的两处材料的厚度差及第N条干涉条纹处SiO₂材料的厚度。

图中：1光源；2透镜；3指示光栅分光板；4指示光栅SiO₂膜；5标尺光栅SiO₂膜；6工作台；7压电陶瓷；8计算机；9辨向电路；10电线；11光敏元件阵；12标尺光栅分光板；13光线；14斜面区域；15明干涉条纹；16暗干涉条纹；17明莫尔条纹；18暗莫尔条纹。

具体实施方式

利用SiO₂膜测量微纳长度的系统如图1所示；利用SiO₂膜测量微纳长度的系统包括光源1、透镜2、指示光栅分光板3、指示光栅SiO₂膜4、标尺光栅SiO₂膜5、工作台6、压电陶瓷7、计算机8、辨向电路9、电线10、光敏元件阵11和标尺光栅分光板12；光源1在透镜2的上方，光源1通过光线13与透镜2连接，光源1发光，光源1和透镜2可产生单色平行光；倾斜的指示光栅分光板3和标尺光栅分光板12在透镜2的下方，透镜2通过光线13分别与指示光栅分光板3和标尺光栅分光板12连接，光线13穿过指示光栅分光板3和标尺光栅分光板12可分别到达指示光栅SiO₂膜4和标尺光栅SiO₂膜5；指示光栅SiO₂膜4和标尺光栅SiO₂膜5分别在指示光栅分光板3和标尺光栅分光板12的下方，指示光栅SiO₂膜4通过光线13与指示光栅分光板3连接，标尺光栅SiO₂膜5通过光线13与标尺光栅分光板12连接，光线13射向指示光栅SiO₂膜4和标尺光栅SiO₂膜5，可在指示光栅SiO₂膜4和标尺光栅SiO₂膜5上产生光的干涉条纹，指示光栅SiO₂膜4的反射光穿过标尺光栅分光板12可到达光敏元件阵11，标尺光栅SiO₂膜5的反射光可直接到达光敏元件阵11；指示光栅分光板3、标尺光栅分光板12和光敏元件阵11依次排列，光线13将指示光栅分光板3、标尺光栅分光板12和光敏元件阵11依次连接，用于将指示光栅SiO₂膜4和标尺光栅SiO₂膜5上光的干涉条纹反射到光敏元件阵11的表面上；光敏元件阵11、辨向电路9和计算机8通过电线10依次连接，光敏二级管或光敏三级管横竖排列、集成在一块芯片上，构成光敏元件阵11，用于接收光敏元件阵11的表面上莫尔条纹的光信号，并将莫尔条纹的光信号转变为电信号，辨向电路9用于辨识莫尔条纹的移动方向并将莫尔条纹移动量的信号输入计算机8，计算机8用于数字化显示测量结果和控制工作台6的移动量；标尺光栅SiO₂膜5固定在工作台6上，压电陶瓷7靠在工作台6的侧面，压电陶瓷7用于移动工作台6和工作台6上的标尺光栅SiO₂膜5。

在利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，标尺光栅SiO₂膜5的上部是一层SiO₂材 料，并有一个角度很小的斜面区域14(如图2所示，为便于说明问题，图2中夸大了标尺光栅SiO₂膜5的斜面区域14中斜面的角度)，标尺光栅SiO₂膜5的下部是一层衬底的Si材料，SiO₂材料的斜面区域14和Si材料的衬底共同用于产生光的干涉条纹；指示光栅SiO₂膜4的材料和结构与标尺光栅SiO₂膜5的材料和结构分别相同，同样产生光的干涉条纹；标尺光栅SiO₂膜5和指示光栅SiO₂膜4统称为SiO₂膜，SiO₂膜的厚度很小，体积也很小。

在利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，波长λ一定的单色光垂直投射到标尺光栅SiO₂膜5的斜面区域14(如图2所示)，在SiO₂材料的斜面区域14的表面上产生光的干涉条纹(如图3所示)，光的干涉条纹明暗相间，明亮的干涉条纹为明干涉条纹15，暗的干涉条纹为暗干涉条纹16；波长λ一定的单色光垂直投射到指示光栅SiO₂膜4的斜面区域，在SiO₂材料的斜面区域的表面上同样产生光的干涉条纹。

在利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，指示光栅SiO₂膜4和标尺光栅SiO₂膜5成一定的角度放置(如图4所示)，标尺光栅SiO₂膜5上的光的干涉条纹与指示光栅SiO₂膜4上光的干涉条纹不平行，它们之间有一个小的角度θ，用于构造莫尔条纹。

在利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，光敏元件阵11的表面上有莫尔条纹(如图5所示)，莫尔条纹是由标尺光栅SiO₂膜5上的光的干涉条纹与指示光栅SiO₂膜4上光的干涉条纹反射后产生，莫尔条纹明暗相间，菱形的明亮的莫尔条纹为明莫尔条纹17，菱形的暗的莫尔条纹为暗莫尔条纹18，莫尔条纹用于将标尺光栅SiO₂膜5的移动量放大后测量，可提高测量精度。

在利用SiO₂膜测量微纳长度的系统及方法中，指示光栅SiO₂膜4不动，工作台6和固定在工作台上的标尺光栅SiO₂膜5一起移动，工作台6的移动方向V与标尺光栅SiO₂膜5上的光的干涉条纹垂直(如图6所示)。

实例1：在微纳制造中，利用SiO₂膜测量微纳长度的系统测量工作台的微纳长度的移动量。

利用SiO₂膜测量微纳长度的系统测量工作台的微纳长度的移动量的工作过程及工作原理：给光源1通电，光源1发光并穿过透镜2产生单色平行光线13，光线13沿箭头方向射向指示光栅分光板3和标尺光栅分光板12；光线13经指示光栅分光板3折射后射向指示光栅SiO₂膜4，再穿过SiO₂材料的斜面区域14，到达SiO₂材料与衬底的Si材料的接合面后反射，由于SiO₂材料的斜面区域14的表面的入射光线13与从衬底的Si材料反身回来的光线13有光程差，因此，在SiO₂材料的斜面区域14的表面上产生明暗相间的干涉条纹，并有明干涉条纹15和暗干涉条纹16，明干涉条纹15和暗干涉条纹16的宽度相等，均匀分布，光的波长一定，明干涉条纹15和暗干涉条纹16的宽度一定；光线13继续反射，到达指示光栅 分光板3后反射，反射后的光线13射向标尺光栅分光板12，经标尺光栅分光板12折射后射向光敏元件阵11，在光敏元件阵11的表面成像，所成的像同指示光栅SiO₂膜4的SiO₂材料的斜面区域14的表面上的干涉条纹，称为指示光栅SiO₂膜4的反射条纹；同理，光线13经标尺光栅分光板12折射后射向标尺光栅SiO₂膜5，再穿过SiO₂材料的斜面区域14，到达SiO₂材料与衬底的Si材料的接合面后反射，在SiO₂材料的斜面区域14的表面上产生明暗相间、均匀分布的干涉条纹，光线13继续反射，到达标尺光栅分光板12后再反射，射向光敏元件阵11，在光敏元件阵11的表面成像，所成的像同标尺光栅SiO₂膜5的SiO₂材料的斜面区域14的表面上的干涉条纹，称为标尺光栅SiO₂膜5的反射条纹；标尺光栅SiO₂膜5的反射条纹与指示光栅SiO₂膜4的反射条纹在光敏元件阵11的表面上合成，由于指示光栅SiO₂膜4和标尺光栅SiO₂膜5成一定的角度放置，标尺光栅SiO₂膜5上的光的干涉条纹与指示光栅SiO₂膜4上光的干涉条纹不平行，它们之间有一个小的角度θ，使光敏元件阵11的表面上标尺光栅SiO₂膜5的反射条纹与指示光栅SiO₂膜4的反射条纹不平行，也有一个同样小的角度θ，并使标尺光栅SiO₂膜5的反射条纹与指示光栅SiO₂膜4的反射条纹在光敏元件阵11的表面上合成后形成莫尔条纹；菱形的明莫尔条纹17来自指示光栅SiO₂膜4和标尺光栅SiO₂膜5的明干涉条纹15反射后的合成，亮度加强，有利于测量；在竖直方向上菱形的明莫尔条纹17之间的菱形的暗莫尔条纹18来自指示光栅SiO₂膜4的暗干涉条纹16与标尺光栅SiO₂膜5的明干涉条纹15反射后的合成；在倾斜方向上菱形的明莫尔条纹17之间的菱形的暗莫尔条纹18来自指示光栅SiO₂膜4的明干涉条纹15与标尺光栅SiO₂膜5的暗干涉条纹16反射后的合成。

给压电陶瓷7通电，压电陶瓷7伸长，推动工作台6沿V的箭头方向移动，固定在工作台6上的标尺光栅SiO₂膜5随之移动，光敏元件阵11上的莫尔条纹也随之移动，这样，通过测量莫尔条纹移动量，可得工作台6移动量，如工作台6移动一个栅距d时，莫尔条纹移动一个莫尔条纹间距B。

当标尺光栅SiO₂膜5移动一个栅距d时，工作台6同样移动一个栅距d，明莫尔条纹17移动一个莫尔条纹间距B，莫尔条纹间距B与栅距d有如下关系：

1/θ为栅距的放大倍数，θ角较小，使栅距的放大倍数较大，例如θ＝0.01rad，则1/θ＝100，B≈100d，说明工作台移动量的放大倍数大，测量精度和灵敏度高。

工作台6移动时，莫尔条纹随之移动，明莫尔条纹17和暗莫尔条纹18在固定不动的光敏元件阵11移动后，光敏元件阵11将莫尔条纹移动的光信号转变为电信号，再经辨向电路 9处理后，输入计算机8，数字化显示工作台6的移动量。

实例2：在半导体平面制造工艺中的SiO₂膜的厚度的测量中，利用SiO₂膜测量微纳长度的系统检验光的波长和测量SiO₂膜的厚度。

利用SiO₂膜测量微纳长度的系统检验光的波长的工作过程及工作原理：在半导体平面制造工艺中的SiO₂膜的厚度的测量中，SiO₂材料的斜面区域14的相距L的两处材料的厚度差(如图7所示)：

式(2)中，x为SiO₂膜上SiO₂材料的斜面区域14相距L的两处材料的厚度差，n为SiO₂材料的折射率。

先用利用SiO₂膜测量微纳长度的系统和实例1的测量方法，测定光的波长已知的标尺光栅SiO₂膜5的干涉条纹的栅距d，记为标定栅距d₀，测量中，选用光的波长已知的光源1，为便于测量，利用干涉条纹的明暗相间的特性，工作台6的移动量为一个栅距d或多个栅距d，工作台6的移动量为多个栅距d时，取栅距d的均值，其测量结果的准确度高；SiO₂材料的折射率是可获取的物理参数，再根据式(2)，可计算得到x，并取x₀＝x，x₀记为SiO₂材料的标定厚度差，x₀与d₀对应，光的波长一定时，x₀和d₀的值分别不变，得到x₀和d₀后，将x₀和d₀的值存储于计算机8中并用于计算。

再用要检验光的波长的光源作为光源1，用利用SiO₂膜测量微纳长度的系统和实例1的测量方法，测量标尺光栅SiO₂膜5的干涉条纹的栅距d或多个栅距d，再取x＝x₀和L＝d₀，根据式(2)，计算得到要检验光的波长λ；又将计算得到光的波长与测量系统给出的光的波长比较，即可验证原测量系统给出的光的波长的正确性。

利用SiO₂膜测量微纳长度的系统测量SiO₂膜的厚度的工作过程及工作原理：在计算得到要检验光的波长的基础上，或已知光的波长后，再移动工作台6，工作台6的移动长度不小于干涉条纹数乘以栅距0.5d时，由于明莫尔条纹17和暗莫尔条纹18在光敏元件阵11的光电二级管或光电三级管上有不同的光电信号，并通过辨向电路9辨别明莫尔条纹17和暗莫尔条纹18在光敏元件阵11的光电二级管或光电三级管上的变化，可以测出SiO₂材料的斜面区域14的干涉条纹数，再通过SiO₂材料的斜面区域14的干涉条纹数，可由式(3)计算出第N条干涉条纹处SiO₂材料的厚度。

式(3)中，N为SiO₂材料的斜面区域14的干涉条纹数，x_N为第N条干涉条纹处SiO₂材料的厚度。

N为最大时，由式(3)计算得到的x_N为SiO₂材料的厚度，也即SiO₂膜的厚度，记N为N_max，记x_N为x_Nmax，x_Nmax介于和之间，SiO₂膜的厚度的最大测量误差小于

由于莫尔条纹放大了工作台6的位移，因此，干涉条纹的分辨率提高，这样，可以用较小的光的波长测量SiO₂膜的厚度，光的波长减小，减小，测量SiO₂膜的厚度的最大测量误差减小，可使测量SiO₂膜的厚度的精度提高。

Claims (4)

1.利用SiO₂膜测量微纳长度的系统，其特征在于：利用SiO₂膜测量微纳长度的系统包括光源(1)、透镜(2)、指示光栅分光板(3)、指示光栅SiO₂膜(4)、标尺光栅SiO₂膜(5)、工作台(6)、压电陶瓷(7)、计算机(8)、辨向电路(9)、电线(10)、光敏元件阵(11)和标尺光栅分光板(12)；光源(1)在透镜(2)的上方，光源(1)通过光线(13)与透镜(2)连接；倾斜的指示光栅分光板(3)和标尺光栅分光板(12)在透镜(2)的下方，透镜(2)通过光线(13)分别与指示光栅分光板(3)和标尺光栅分光板(12)连接；指示光栅SiO₂膜(4)和标尺光栅SiO₂膜(5)分别在指示光栅分光板(3)和标尺光栅分光板(12)的下方，指示光栅SiO₂膜(4)通过光线(13)与指示光栅分光板(3)连接，标尺光栅SiO₂膜(5)通过光线(13)与标尺光栅分光板(12)连接；指示光栅分光板(3)、标尺光栅分光板(12)和光敏元件阵(11)依次排列，光线(13)将指示光栅分光板(3)、标尺光栅分光板(12)和光敏元件阵(11)依次连接；光敏元件阵(11)、辨向电路(9)和计算机(8)通过电线(10)依次连接；标尺光栅SiO₂膜(5)固定在工作台(6)上，压电陶瓷(7)靠在工作台(6)的侧面。

2.根据权利要求1所述的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统，其特征在于：指示光栅SiO₂膜(4)和标尺光栅SiO₂膜(5)成一定的角度放置，标尺光栅SiO₂膜(5)上的光的干涉条纹与指示光栅SiO₂膜(4)上光的干涉条纹不平行，它们之间有一个小的角度。

3.根据权利要求1所述的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统，其特征在于：光敏元件阵(11)的表面上的莫尔条纹是由标尺光栅SiO₂膜(5)上的光的干涉条纹与指示光栅SiO₂膜(4)上光的干涉条纹反射后产生。

4.根据权利要求1所述的利用SiO₂膜测量微纳长度的系统，其特征在于：指示光栅SiO₂膜(4)不动，工作台(6)和固定在工作台(6)上的标尺光栅SiO₂膜(5)一起移动，工作台(6)的移动方向与标尺光栅SiO₂膜(5)上的光的干涉条纹垂直。