CN110849281A - 一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪及测量方法，其中装置包括plc和腔室，还包括两驱动机构、测试机构、CCD相机，其中：腔室左右侧壁上开设有端口，端口处开设有装有wafer的机械手，腔顶开设有腔盖；两驱动机构分别固定在腔室左右侧壁上，驱动机构包括伺服电机、编码器、丝杆转轴、滑块、滑轨；测试机构包括两旋转平台、两转轴、两光线发射器、两光线接收器；本发明还公开了一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪的测量方法；本发明解决了需破真空手动将wafer从机台腔室中多次取出放入以配合孔径仪检测分析，取出的wafer还需进行冷却，操作繁琐的问题；本发明通过机械手、光线发射器、光线接收器自动调节以配合孔径仪检测分析。

Description

一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪及测量方法

技术领域

本发明属于半导体分析测量技术领域，具体涉及一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪及测量方法。

背景技术

孔径仪是一种可以用来探测刻蚀孔径，薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量仪器。由于测量精度高，适用于纳米级结构的分析测量，与样品非接触，对样品没有破坏，使得孔径仪成为一种极具吸引力的测量仪器。半导体制程生产线上，通常使用孔径仪来测量半导体晶体表面的薄膜或者深孔的物理参数，例如厚度，深度，折射率，吸收系数，色散曲线等。

现有技术中存在一些问题，由于wafer的尺寸越来越大，检测时需要手动将wafer从机台腔室中多次取出放入以配合孔径仪检测分析，从腔室中取出wafer时需要破真空，并对wafer进行冷却，操作比较繁琐，不利于分析测量对工艺的实时反馈调整，极大降低产线效率。同时在大气环境中测量时，空气中的颗粒，氧气，水等物质会对分析测量结果影响很大。

发明内容

本发明提供一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪及测量方法解决了上述需破真空手动将wafer从机台腔室中多次取出放入以配合孔径仪检测分析，取出的wafer还需进行冷却，操作繁琐的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪，包括plc和腔室，还包括位于所述腔室内的驱动机构、位于所述驱动机构上的测试机构以及位于所述腔室后壁上的CCD相机，其中：

所述腔室左右侧壁上开设有端口，腔顶开设有腔盖；

所述驱动机构包括伺服电机、与伺服电机后端分别连接的编码器、与伺服电机输出端分别连接的丝杆转轴、与丝杆转轴分别连接的滑块以及与滑块分别连接的滑轨；

所述驱动机构具有两个，分别固定连接在所述腔室左右侧壁上；

所述测试机构包括与两所述驱动机构上的所述滑块分别连接的两旋转平台、与两旋转平台分别连接的两转轴以及与两转轴分别连接的光线发射器、光线接收器；

还包括位于所述端口处的机械手，所述机械手可沿x、y、z轴运动。

优选的，所述伺服电机输出轴前端为锥齿轮结构。

优选的，所述光线发射器与所述光线接收器处于同一平面。

优选的，还包括气液混合装置，所述气液混合装置固定在所述腔盖中心下方。

优选的，还包括wafer，所述wafer设置于所述机械手上。

本发明还提供了一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪的测量方法，包括以下步骤：

设定wafer表面测试点位置、发射光角度θ1、所需孔径值φ1以及光线接收器距离wafer表面的垂直距离为B’；

通过机械手将wafer表面测试点置于腔室中心；

通过旋转平台调节发射光角度θ1和接收光角度θ2；

通过伺服电机调节光线发射器与测试点的水平距离L1以及光线发射器与测试点的水平距离L2；

通过机械手调节wafer表面测试点距离光线发射器和光线接收器的垂直距离B；

两编码器验证两伺服电机转动圈数，并互相反馈；

CCD相机对θ1、θ2、L1、L2、B进一步验证；

气液混合装置开始喷淋，plc进行数据分析测量。

优选的，其中步骤F验证两伺服电机转动圈数不一致则重复步骤D。

优选的，其中：

验证θ1与θ2不一致则重复步骤C，验证一致则进入步骤H；

验证L1与L2长度不一致则重复步骤C，验证一致则进入步骤H；

验证B与B’不一致则重复步骤C，验证一致则进入步骤H。

优选的，其中步骤H控制器plc分析数据得出的孔径值φ，将φ与φ1进行对比。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过机械手、光线发射器、光线接收器的自动调节解决了需破真空手动将wafer从机台腔室中多次取出放入以配合孔径仪检测分析，取出的wafer还需进行冷却，操作繁琐的问题；

2、本发明通过CCD相机识别光线发射器和光线接收器距离wafer表面测试点的距离L1、L2，机械手调节wafer表面测试点距离光线发射器和光线接收器的垂直距离B以及发射光角度θ1、接收光角度θ2，将识别值与设定值的对比判断，并将数据反馈至相应的伺服电机及旋转平台，从而实现关键数据的闭环控制，进而实现孔径仪的高精度测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的正视图；

图3是本发明的方法原理图。

图中：1、腔室；2、编码器；3、伺服电机；4、丝杆转轴；5、滑块；6、旋转平台；7、滑轨；8、转轴；9、光线发射器；10、气液混合装置；11、光线接收器；12、机械手；13、wafer；14、CCD机。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

如图1所示，本实施例所述方位均按图1所示为参照。本发明的技术方案是，一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪，包括控制各部并分析数据的控制器plc和左右侧壁上开设有端口且腔顶开设有腔盖的腔室1。

本发明还包括位于所述腔室1内的驱动机构，所述驱动机构包括伺服电机3、编码器2、丝杆转轴4、滑块5以及滑轨7。所述伺服电机3固定连接在所述腔室1侧壁上，所述伺服电机3后端连接有所述编码器2，所述编码器2对所述伺服电机3转动圈数进行记录。所述伺服电机3输出轴前端为锥齿轮结构，与同样带有锥齿轮的所述丝杠转轴4配合，所述丝杠转轴4上连接有所述滑块5，所述滑块5设置于所述滑轨7上，所述丝杠转轴4推动所述滑块5在所述滑轨7上移动。所述驱动机构具有两个，对称固定安装在所述腔室1左右两侧壁上。

本发明还包括位于所述驱动机构上的测试机构，所述测试机构包括两旋转平台6、两转轴8、光线发射器9、光线接收器11，两所述旋转平台6一端分别与所述驱动机构上的所述滑块5连接，两所述旋转平台6另一端分别连接一所述转轴8，两所述转轴8输出端分别连接光线发射器9、光线接收器11，所述光线发射器9与所述光线接收器11处于同一平面。所述旋转平台6带动所述光线发射器9和所述光线接收器11旋转，从而实现随光线入射角度的调整，同时保证入射角等于反射角。

本发明中两个所述伺服电机3调整所述光线发射器9和所述光线接收器11在平面上的相对位置，从而保证所述光线发射器9发射的光线能够被所述光线接收器11接收到。两个所述编码器2可以接收各自所述伺服电机3的转动圈数，进行互相反馈，实现所述伺服电机3转动圈数的高度同步，从而实现所述光线发射器9和所述光线接收器11移动相同距离。

本发明还包括wafer13，所述wafer13设置于所述机械手12上，所述wafer13即为本发明待测量物。根据被测点的坐标及测试要求，机械手12可带动wafer13沿X、Y、Z轴运动及转动，可以满足wafer13上任意位置的测试要求。

本发明还包括位于所述腔室1后壁上的CCD相机14以及位于所述端口处的机械手12，所述CCD相机14对测量所需各数据进行验证；所述机械手12可沿x、y、z轴运动，从而解决了需破真空手动取出和放入wafer的问题，提高了测量效率，降低了人力成本。

本发明还包括气液混合装置10，所述气液混合装置10内包含气体和液体，是将气体作为载体带动液体的流动。所述气液混合装置10固定在所述腔盖中心下方，可通过腔室1的温度实现本身的温度恒定，从而实现分析测量精度的提高。

如图2所示，CCD相机14识别所述光线发射器9和所述光线接收器11距离wafer13表面测试点的距离L1、L2，B以及入射角度θ1和接收角度θ2，通过识别值与设定值的对比判断，并将数据反馈至相应的伺服电机3及旋转平台6，从而实现关键数据的闭环控制，进而实现孔径仪的高精度测量。

如图2和图3所示，本发明还提供了，一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪的测量方法，包括以下步骤：

第一步：设定wafer13表面测试点位置以及对比值；

对比值包括：发射光角度θ1、所需孔径值φ1以及光线接收器11距离wafer13表面的垂直距离为B’；

第二步：通过机械手12将wafer13表面测试点置于腔室1中心；

即将wafer13表面测试点调节到测量点所在水平位置；

第二步：通过旋转平台6调节发射光角度θ1和接收光角度θ2；

因发射光角度θ1和接收光角度θ2相等，旋转平台6调节发射光角度θ1即为调节接收光角度θ2，旋转平台6转动带动转轴8转动，再带动与转轴8连接的光线发射器9和光线接收器11在平面内转动，即为调节发射光角度θ1；

第三步：通过伺服电机3调节光线发射器9与测试点的水平距离L1以及光线发射器9与测试点的水平距离L2；

伺服电机3带动丝杆转轴4转动，丝杆转轴4转动带动滑块5在滑轨7上滑动，从而带动测试机构上的光线发射器9和光线接收器11进行水平移动；

第四步：通过机械手12调节wafer13表面测试点距离光线发射器9和光线接收器11的垂直距离B；

即将wafer13表面测试点调节到测量点所在竖直位置；

第五步：两编码器2验证两伺服电机3转动圈数，并互相反馈；

编码器2验证相应伺服电机3转动圈数，如圈数不一致则返回上述第三步，再一次调节L1于L2，圈数一致则进行下一步；

第六步：CCD相机14对θ1、θ2、L1、L2、B进一步验证；

CCD相机14验证θ1与θ2角度不一致则返回上述第三步，验证一致则进行下一步；

CCD相机14验证L1与L2距离不一致则返回上述第三步，验证一致则进行下一步；

CCD相机14验证B与B’距离不一致则返回上述第三步，验证一致则进行下一步。

第七步：气液混合装置10开始喷淋，即开始测量，plc对测量所得数据进行分析；

plc分析数据得出孔径值φ，将φ与φ1进行对比，φ与φ1相等及满足要求则取出wafer13，φ与φ1不等及不满足要求，则取出wafer13返还至上一工艺腔继续工艺。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪，包括plc和腔室（1），其特征在于：还包括位于所述腔室（1）内的驱动机构、位于所述驱动机构上的测试机构以及位于所述腔室（1）后壁上的CCD相机（14），其中：

所述腔室（1）左右侧壁上开设有端口，腔顶开设有腔盖；

所述驱动机构包括伺服电机（3）、与伺服电机（3）后端分别连接的编码器（2）、与伺服电机（3）输出端分别连接的丝杆转轴（4）、与丝杆转轴（4）分别连接的滑块（5）以及与滑块（5）分别连接的滑轨（7）；

所述驱动机构具有两个，分别固定连接在所述腔室（1）左右侧壁上；

所述测试机构包括与两所述驱动机构上的所述滑块（5）分别连接的两旋转平台（6）、与两旋转平台（6）分别连接的两转轴（8）以及与两转轴（8）分别连接的光线发射器（9）、光线接收器（11）；

还包括位于所述端口处的机械手（12），所述机械手（12）可沿x、y、z轴运动。

2.根据权利要求1所述的一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪，其特征在于：所述伺服电机（3）输出轴前端为锥齿轮结构。

3.根据权利要求1所述的一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪，其特征在于：所述光线发射器（9）与所述光线接收器（11）处于同一平面。

4.根据权利要求1所述的一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪，其特征在于：还包括气液混合装置（10），所述气液混合装置（10）固定在所述腔盖中心下方。

5.根据权利要求1所述的一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪，其特征在于：还包括wafer（13），所述wafer（13）设置于所述机械手（12）上。

6.一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、设定wafer（13）表面测试点位置、发射光角度θ1、所需孔径值φ1以及光线接收器（11）距离wafer（13）表面的垂直距离为B’；

B、通过机械手（12）将wafer（13）表面测试点置于腔室（1）中心；

C、通过旋转平台（6）调节发射光角度θ1和接收光角度θ2；

D、通过伺服电机（3）调节光线发射器（9）与测试点的水平距离L1以及光线发射器（9）与测试点的水平距离L2；

E、通过机械手（12）调节wafer（13）表面测试点距离光线发射器（9）和光线接收器（11）的垂直距离B；

F、两编码器（2）验证两伺服电机（3）转动圈数，并互相反馈；

G、CCD相机（13）对θ1、θ2、L1、L2、B进一步验证；

H、气液混合装置（10）开始喷淋，plc进行数据分析测量。

7.根据权利要求6所述的一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪的测量方法，其特征在于：其中步骤F验证两伺服电机（3）转动圈数不一致则重复步骤D。

8.根据权利要求6所述的一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪的测量方法，其特征在于：其中：

验证θ1与θ2不一致则重复步骤C，验证一致则进入步骤H；

验证L1与L2长度不一致则重复步骤C，验证一致则进入步骤H；

验证B与B’不一致则重复步骤C，验证一致则进入步骤H。

9.根据权利要求6所述的一种能够实现光学系统自动闭环控制的孔径仪的测量方法，其特征在于：其中步骤H控制器plc分析数据得出的孔径值φ，将φ与φ1进行对比。

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