CN110530293A - 一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置，运用于测量技术领域。所述的测量装置包括：微投影仪、显微物镜、透镜组、CCD相机、晶圆承载平台和计算机，所述CCD相机包含带有光圈的镜头；所述晶圆承载平台可限制被测晶圆水平面内的移动，并保证晶圆处于无夹持状态。本发明在光路中加入显微物镜用于缩小微投影仪投射的图像，提高了测量精度；同时，加入透镜组用于放大被测晶圆反射图像，满足CCD相机分辨率并便于图像处理。本发明晶圆翘曲度提供了一种高精度、低成本实际可行的测量方法。

Description

一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置。

背景技术

随着电子信息技术的高速发展，电子产品凭借其丰富的功能给人们日常生活带来了极大的便利。同时，人们对于电子产品的性能需求也越来越高，这对半导体集成电路的原材料——晶圆的质量提出了更高的要求。晶圆的翘曲度大小将直接影响后续生产中的光刻、晶圆键合等工艺的良品率。目前，针对晶圆翘曲度的测量方法通常分为电镜法、光学干涉法和机械探针法。

电镜法以原子力显微镜为代表，其原理是利用原子之间的范德华力作用来呈现被测样品的表面特征。该方法测量精度极高，但装置价格高昂，对于测量环境有很高的要求。光学干涉法综合了光学和电子学，存在测量动态范围小、通用性较差，同时装置的造价昂贵等缺陷。机械探针法通过逐点测量、数据拟合的方式，测量效率低，并且可能划伤被测晶圆表面。

因此，如何弥补上述方法的缺陷，同时满足高精度、低成本的要求，提高测量效率，扩大测量动态范围，降低测量对环境的要求是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置。其主要结构包括微投影仪、显微物镜、透镜组、CCD相机、晶圆承载平台和计算机。对比上述三种测量方法，本装置在保证高精度测量的同时不受被测晶圆口径大小的限制，测量动态范围大，并且对振动等环境干扰不敏感，运用光学测量技术，属于无损检测类别。同时本发明装置结构简单，搭建与操作便利，大大节约了测量成本。

本发明运用了相位测量偏折技术对晶圆翘曲度进行测量。

首先，通过计算机对微投影仪的投射光线进行光强编码；入射光线经过显微物镜缩小后投射在晶圆表面；反射光线由于晶圆表面翘曲发生偏折，携带晶圆表面的面形信息；反射光线通过透镜组完整覆盖在CCD相机的每个像素点上；通过计算机对获取到的变形条纹进行相位提取与相位展开，求得晶圆表面的各点梯度，通过积分得到被测晶圆表面高度分布，继而得到翘曲度。具体步骤如下：

（1）计算机对微投影仪投射的光线进行编码

运用移相法产生X方向，Y方向各三张正弦灰度条纹图，初相均为0，2，4并根 据微投影仪像素大小选择条纹数量及尺寸。

（2）显微物镜缩小微投影仪的编码条纹

在微投影仪与被测晶圆间的光路上设置显微物镜，将微投影仪产生的图像缩小后投射在被测晶圆表面。

（3）透镜组放大变形条纹图像

将被测晶圆表面反射的变形条纹放大，并完整覆盖在CCD相机的每个像素点上。

（4）CCD相机接收变形条纹

CCD相机接收经过镜头光圈滤光后的变形条纹，避免外界光线的干扰。

（5）搭建光线追迹模型

利用ZEMAX在计算机中搭建光线追迹模型，得到理想晶圆表面对应微投影仪中的理想光斑坐标。

（6）变形条纹图像处理

运用相位提取与展开技术，得到变形条纹图中包含的被测晶圆面形的相位信息，并获得与相位对应的被测晶圆表面上的点对应微投影仪中的实际光斑坐标。分析所有实际光斑坐标与理想像光斑坐标的偏移量，求出被测晶圆表面各点梯度，对所有梯度值进行积分，得到被测晶圆表面的高度分布，从而计算出翘曲度。

本发明采用非接触式测量，保证了晶圆表面不受损伤；使用无夹持的晶圆承载平台，符合翘曲度测量的标准；在达到高精度的翘曲度测量的同时，成本更低，抗噪声能力更强。

附图说明

图1是本发明的测量光路示意图；

图2是本发明的实施例测量流程示意图；

图3是微投影仪的光强编码的正弦条纹图；

图4是测得的被测晶圆三维翘曲图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置，测量光路如图1所示，主要由一个计算机1，一个微投影仪2，显微物镜3，被测晶圆4，晶圆承载平台5，一个透镜组6，一个CCD相机7组成。其中，微投影仪2和CCD相机7分别与计算机1相连。

参考图2，该图是本发明的实施例测量流程示意图，该流程包括：

步骤1，开启微投影仪，向被测晶圆表面投射X，Y两方向共6幅光强编码的正弦灰度条纹图；

步骤2，根据CCD相机接收的经被测晶圆表面反射的变形条纹图提取变形条纹相位，并将相位展开，得到被测晶圆实际面形对应微投影仪上的实际光斑坐标；

步骤3，利用ZEMAX在计算机中搭建光线追迹模型，得到理想晶圆表面对应微投影仪上的理想光斑坐标；

步骤4，对比实际光斑与理想光斑坐标，得到被测晶圆表面的梯度分布；

步骤5，对梯度分布进行积分，得到被测晶圆面形高度数据，并得到被测晶圆的三维翘曲图。

下面对具体实现晶圆翘曲度的测量进行详细说明，其中，具体以一个直径为1英寸的无图案晶圆为被测对象为例，进行翘曲度的测量。图3是微投影仪向被测晶圆表面投射的正弦灰度条纹，图4是被测晶圆的三维翘曲图，包括如下步骤：

（1）装载被测晶圆与装置初始化

将被测晶圆放置于晶圆承载平台上的晶圆限制框中，调整晶圆限制框直径至与被测晶圆相同，保证晶圆在水平面内不可移动。

（2）采集变形条纹

计算机控制微投影仪投射光强编码的正弦灰度条纹，所述条纹经过显微物镜缩小后投射在被测晶圆表面并发生反射，产生变形条纹；所述变形条纹再先后经过透镜组放大、相机镜头光圈滤光后，由CCD相机采集。

（3）获取相位分布

根据三步移相法得到三组变形条纹的光强分布。根据下式求解出被测晶圆表面的相位分布：

由所求的X，Y方向相位分布得到对应的微投影仪上的实际光斑坐标。通过ZEMAX在计算机中建立光线追迹模型得到理想光斑分布，计算实际光斑与理想光斑的差值，得到偏移量。

（4）求解梯度分布和面形重构

根据偏移量求解被测晶圆表面上的点的X，Y方向的梯度分布，利用积分重构方法求得被测晶圆表面的高度分布，从而得出被测晶圆翘曲度。

以上所述内容是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置，主要包括：微投影仪、透镜组、显微物镜、CCD相机、晶圆承载平台和计算机，包括以下步骤：

步骤1、微投影仪产生光强编码的正弦灰度条纹，所述正弦灰度条纹经显微物镜缩小后被被测晶圆表面反射并发生偏折，产生变形条纹，所述变形条纹经透镜组放大后由CCD相机接收，被测晶圆的表面面形信息被包含在变形条纹的相位中。

步骤2、利用移相法与相位展开得到变形条纹的绝对相位，并获得与相位对应的被测晶圆表面上的点对应微投影仪中的实际光斑坐标。

步骤3、在计算机中建立光线追迹模型，得到理想晶圆表面对应微投影仪中的理想光斑坐标。

步骤4、通过分析所有实际光斑坐标与理想像光斑坐标的偏移量，可求出被测晶圆表面各点梯度，对所有梯度值进行积分，得到被测晶圆表面的高度分布，从而计算出翘曲度。

2.根据权利要求1所述的一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置，其特征在于：通过移相法，对微投影仪投射的正弦灰度条纹进行编码，利用相位变化得到偏移量，提高了测量精度；通过显微物镜将微投影仪产生的条纹缩小后投射被测晶圆表面，降低微投影仪像素限制，提高测量精度；通过透镜组将被测晶圆表面反射的变形条纹放大，满足CCD相机可接收的分辨率。

3.根据权利要求1所述的一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置，其特征在于：所述的CCD相机装有带有光圈的相机镜头，保证仅被测区域反射光线被CCD相机接收，避免了外界光线干扰。

4.根据权利要求1所述的一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置，其特征在于：所述的晶圆承载平台具有圆心固定大小可调的晶圆限制框，可限制被测晶圆水平面内的移动，同时保证被测晶圆处于无夹持状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于相位测量偏折的晶圆翘曲度非接触式测量装置，其特征在于：通过计算机将微投影仪的投射光线进行编码，生成六张图，XY方向各三张，每三张以0、2π/3、4π/3为初始相位，CCD采集得到的变形条纹可由下式表示：

其中，为CCD相机像素点上接收的光强分布，为调制度分布。通过三步移 相给出的初始相位，即可求解出被测晶圆面的相位分布。