CN109830446A - 晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法及其光刻轨道设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法及其轨道设备，在光刻工艺的显影之前，在白光光源照射下，对晶圆表面薄膜进行第一次拍照，因粗糙度不同，晶圆表面薄膜对不同波长的光的反射不同，得到一定颜色的照片；在显影之后，在白光光源照射下，对所述的晶圆表面薄膜进行第二次拍照；将第一次拍照的照片与第二次拍照的照片的颜色进行比较，颜色变化越大，说明晶圆表面薄膜粗糙度的变化越大。不同波长的光反射后呈现的颜色变化越大，反应所拍晶圆表面薄膜粗糙度变化也越大，本发明利用这一原理，只需要在原工艺中增加白光光源和摄像单元，即可简单、方便、快速的在线检测晶圆表面薄膜粗糙度变化，无需线下复杂检测，提高效率，同时节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光刻领域，具体涉及一种晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法及其光刻轨道设备。
背景技术
光刻是半导体工艺中重要的部分之一，轨道机台是光刻工艺重要的设备。目前光刻轨道设备主要集成涂胶、曝光、显影等工艺单元，如图1所示，硅片1在前处理腔2中进行预处理，在第一冷却板3-1上冷却后在匀胶板4上涂胶，后经第一热板5-1、第二冷却板3-2、曝光、第二热板5-2、第三冷却板3-3，在显影单元6显影，最后经第三热板5-3和第四冷却板3-4输出。在显影环节，AlN薄膜层的粗糙度会受显影液而影响。而AlN薄膜层的粗糙度是一个非常关键的性能指标。因此在显影后需要对AlN薄膜层的粗糙度进行检测。目前的做法基本是采取线下模式，即将显影后的半导体器件取出，利用专门的粗糙度检测设备进行精确检测。线下模式检测手段对生产效率是很大的损失。
另外，目前线下模式检测粗糙度的工作原理是：通过原子力显微镜（AFM）来反映薄膜表面形貌，通过数模转换计算出膜层的粗糙度。其测量模式可分为接触模式和轻敲模式。接触模式是利用探针和样品直接接触，因此对探针的磨损较大，要求较软的探针；轻敲模式是探针在外力作用下发生共振，探针部分振动位置进入力曲线的排斥区，因此探针间隙性接触样品表面。因此，AFM探针对不同表面的损耗程度不同，且测量基本通过手动测量，效率低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法及其光刻轨道设备，以提高生产效率。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法，其特征在于：
在光刻工艺的显影之前，在白光光源照射下，对晶圆表面薄膜进行第一次拍照，因粗糙度不同，晶圆表面薄膜对不同波长的光的反射不同，得到一定颜色的照片；
在显影之后，在白光光源照射下，对所述的晶圆表面薄膜进行第二次拍照；
将第一次拍照的照片与第二次拍照的照片的颜色进行比较，颜色变化越大，说明晶圆表面薄膜粗糙度的变化越大。
按上述方法，所述的第一次拍照在光刻工艺的所有程序之前，所述的第二次拍照在光刻工艺的所有程序之后。
按上述方法，所述的第一次拍照和第二拍照时，晶圆均处于冷却后的状态。
按上述方法，所述的第一次拍照和第二拍照时，晶圆均处于加热后的状态。
按上述方法，本方法还包括：若识别颜色变化超过一定范围，则报废该晶圆；若无法判断颜色变化，则晶圆进行下一步工艺。
按上述方法，所述的颜色变化超过一定范围是指：从绿色变为紫色，或颜色在光谱中对应的光波长差异大于100nm。
用于实现所述的晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法的光刻轨道设备，其特征在于：本光刻轨道设备还包括两个摄像单元和与摄像单元匹配的白光光源；其中，第一摄像单元用于在光刻工艺的显影之前，在第一白光光源的照射下，对晶圆表面薄膜进行第一次拍照；第二摄像单元用于在显影之后，在第二白光光源的照射下，对所述的晶圆表面薄膜进行第二次拍照。
按上述设备，每个摄像单元包括至少一个变焦倍数10以上的感光式电子摄像头，每个感光式电子摄像头用于给一片晶圆进行拍摄。
用于实现所述的晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法的光刻轨道设备，其特征在于：本光刻轨道设备还包括一个摄像单元、与摄像单元匹配的白光光源，以及移动机构；其中，所述的摄像单元和白光光源均固定在移动机构上，移动机构用于将摄像单元和白光光源在第一拍照位和第二拍照位之间来回移动；第一拍照位设置在光刻工艺的显影之前，第二拍照设置在光刻工艺的显影之后。
本发明的有益效果为：不同波长的光反射后呈现的颜色变化越大，反应所拍晶圆表面薄膜粗糙度变化也越大，利用这一原理，只需要在原工艺中增加白光光源和摄像单元，即可简单、方便、快速的在线检测晶圆表面薄膜粗糙度变化，无需线下复杂检测，提高效率，同时节约成本。
附图说明
图1为现有光刻轨道设备的结构示意图。
图2为本发明一实施例的方法流程图。
图3为本发明实施例一的结构示意图。
图4为本发明实施例二的结构示意图。
图5为本发明实施例三的结构示意图。
图6为本发明实施例四的结构示意图。
图7为本发明一实施例的检测原理图。
图中：晶圆1，前处理腔2，第一冷却板3-1，第二冷却板3-2，第三冷却板3-3，第四冷却板3-4，匀胶板4，第一热板5-1，第二热板5-2，第三热板5-3，显影单元6，第一摄像单元7-1，第二摄像单元7-2，7-摄像单元，8-白光光源。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法，如图2所示，在光刻工艺的显影之前，在白光光源照射下，对晶圆表面薄膜进行第一次拍照，因粗糙度不同，晶圆表面薄膜对不同波长的光的反射不同，得到一定颜色的照片；在显影之后，在白光光源照射下，对所述的晶圆表面薄膜进行第二次拍照；将第一次拍照的照片与第二次拍照的照片的颜色进行比较，颜色变化越大，说明晶圆表面薄膜粗糙度的变化越大，进而表明晶圆表面薄膜粗糙度受显影液影响越大。
若肉眼识别颜色变化超过一定范围，则报废该晶圆；若肉眼无法判断颜色变化，则晶圆进行下一步工艺。在本实施例中，当第一次拍照为绿色，第二次拍照变为紫色，则报废该晶圆。若第二次拍照没有明显的颜色变化，则进行下一步工艺。本实施例中，当拍摄的照片颜色在光谱中对应的光波长差异大于100nm，则在不合格范围，报废该晶圆。
本发明的工作原理为：如图7所示，通过白光光源8对晶圆1表面薄膜表面照射，因白光属于复合光，光可能被完全吸收（黑金属材料，表面难以照亮）或者被部分吸收（造成了颜色的变化及亮度的不同）；不被吸收的光就会被反射，因反射的光具有某一波长，在摄像单元7中呈现不同的颜色，通过这种颜色及其变化程度可反映显影液对晶圆表面薄膜粗糙度的影响程度，颜色变化越明显，则粗糙度变化越大。
用于实现所述的晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法的光刻轨道设备，除了原有的设备之外，还包括用于拍照的摄像单元和照射的白光光源。摄像单元和白光光源可以有以下组合形式： 2个摄像单元和2个白光光源，分别进行拍照和照射； 1个摄像单元和2个白光光源，摄像单元来回移动拍照，白光光源分别照射；2个摄像单元和1个白光光源，摄像单元分别拍照，白光光源来回移动照射；1个摄像单元和1个白光光源，均来回移动拍照和照射。
本实施例仅提供以下两种方案：一、包括两个摄像单元和与摄像单元匹配的白光光源；其中，第一摄像单元用于在光刻工艺的显影之前，在第一白光光源的照射下，对晶圆表面薄膜进行第一次拍照；第二摄像单元用于在显影之后，在第二白光光源的照射下，对所述的晶圆表面薄膜进行第二次拍照。二、本光刻轨道设备还包括一部摄像单元、与摄像单元匹配的白光光源，以及移动机构；其中，所述的摄像单元和白光光源均固定在移动机构上，移动机构用于将摄像单元和白光光源在第一拍照位和第二拍照位之间来回移动；第一拍照位设置在光刻工艺的显影之前，第二拍照设置在光刻工艺的显影之后。
由于拍照时的温度会对照片颜色有一定的影响，因此前后拍照时的晶圆温度应当大约相等，结果更为准确。那么有以下几种设置方式：如图3所示，所述的第一次拍照在光刻工艺的所有程序之前，即第一摄像单元7-1设置在前处理腔2之前，所述的第二次拍照在光刻工艺的所有程序之后，即第二摄像单元7-2设置在第四冷却板3-4之后；如图4所示，所述的第一次拍照和第二拍照时，晶圆均处于冷却后的状态，即第一摄像单元7-1设置在第三冷却板3-3与显影单元6之间，第二摄像单元7-2设置在显影单元6与第三加热板5-3之间；或者如图5所示，晶圆均处于冷却后的状态第一摄像单元7-1设置在第二冷却板3-2之后，第二摄像单元7-2设置在显影单元6之后、第三加热板5-3之前；所述的第一次拍照和第二拍照时，晶圆均处于加热后的状态，也可以。此外，如图6所示，只有一个摄像单元7时，当晶圆1刚进入光刻工艺时，摄像单元7先在前处理腔2之前给晶圆1拍照，当该晶圆1运行到第四冷却板3-4之后时，摄像单元7也移动到此处给该晶圆1拍照。
摄像单元7包括至少一个变焦倍数10以上的感光式电子摄像头，每个感光式电子摄像头给一片晶圆进行拍摄，这样可同时对多个晶圆进行拍照识别，进一步提高工作效率。感光式电子摄像头可以为CCD摄像头或CMOS摄像头等。所述的白光光源8与所照射的晶圆1之间的方位，与一般的光学检测机台反射光源一致。因此，摄像单元7和白光光源8的自身性能要求和安装位置精度都没有过高要求，成本低、安装方便。
所述的晶圆表面薄膜通常为AlN薄膜。
本发明在轨道机台显影工艺前后部追加光学CCD摄像头，通过图片拍摄手段在线对晶圆表面薄膜进行拍照，通过颜色变化对比，更直观的实现晶圆表面薄膜在显影液作用下粗糙度的监控，经试验发现，采用此类拍照能够通过图片反应100nm以上粗糙度变化结果，当即进行显影液调试，更高效的提高工艺改善。本发明的轨道设备功能集成度更高，提升半导体产品生产效率和完善了产品品质监控。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法，其特征在于：
在光刻工艺的显影之前，在白光光源照射下，对晶圆表面薄膜进行第一次拍照，因粗糙度不同，晶圆表面薄膜对不同波长的光的反射不同，得到一定颜色的照片；
在显影之后，在白光光源照射下，对所述的晶圆表面薄膜进行第二次拍照；
将第一次拍照的照片与第二次拍照的照片的颜色进行比较，颜色变化越大，说明晶圆表面薄膜粗糙度的变化越大。
2.根据权利要求1所述的晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法，其特征在于：所述的第一次拍照在光刻工艺的所有程序之前，所述的第二次拍照在光刻工艺的所有程序之后。
3.根据权利要求1所述的晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法，其特征在于：所述的第一次拍照和第二拍照时，晶圆均处于冷却后的状态。
4.根据权利要求1所述的晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法，其特征在于：所述的第一次拍照和第二拍照时，晶圆均处于加热后的状态。
5.根据权利要求1所述的晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法，其特征在于：本方法还包括：若识别颜色变化超过一定范围，则报废该晶圆；若无法判断颜色变化，则晶圆进行下一步工艺。
6.根据权利要求5所述的晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法，其特征在于：所述的颜色变化超过一定范围是指：从绿色变为紫色，或颜色在光谱中对应的光波长差异大于100nm。
7.用于实现权利要求1所述的晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法的光刻轨道设备，其特征在于：本光刻轨道设备还包括两个摄像单元和与摄像单元匹配的白光光源；其中，第一摄像单元用于在光刻工艺的显影之前，在第一白光光源的照射下，对晶圆表面薄膜进行第一次拍照；第二摄像单元用于在显影之后，在第二白光光源的照射下，对所述的晶圆表面薄膜进行第二次拍照。
8.根据权利要求7所述的光刻轨道设备，其特征在于：每个摄像单元包括至少一个变焦倍数10以上的感光式电子摄像头，每个感光式电子摄像头用于给一片晶圆进行拍摄。
9.用于实现权利要求1所述的晶圆表面薄膜粗糙度在线检测方法的光刻轨道设备，其特征在于：本光刻轨道设备还包括一个摄像单元、与摄像单元匹配的白光光源，以及移动机构；其中，所述的摄像单元和白光光源均固定在移动机构上，移动机构用于将摄像单元和白光光源在第一拍照位和第二拍照位之间来回移动；第一拍照位设置在光刻工艺的显影之前，第二拍照设置在光刻工艺的显影之后。
10.根据权利要求9所述的光刻轨道设备，其特征在于：所述的摄像单元包括至少一个变焦倍数为10以上的感光式电子摄像头，每个感光式电子摄像头用于给一片晶圆进行拍摄。
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