CN111521121A - 晶圆厚度的测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶圆厚度的测量方法及测量装置，利用自动对焦测距原理，通过测定已知厚度的标准晶圆来校准设置在测量镜头上的马达在Z方向的零点位置，在测量待测晶圆的厚度时，在零点位置的基础上调节马达在Z方向位置，以调节测试镜头的焦距，完成自动对焦，并通过马达在Z方向位置的变化间接计算出待测晶圆的厚度。本发明提供的晶圆厚度测量方法可以对重掺杂晶圆实现非接触式的厚度测量，尤其是重掺杂晶圆的厚度测量，降低测量过程中晶圆坏损率，且测量精度小于1％，重复性小于0.1％，满足量产需求，便于自动化生产，提高生产效率。

Description

晶圆厚度的测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是一种晶圆厚度的测量方法及测量装置。

背景技术

在集成电路制造工艺中，重掺砷(As)和重掺磷(P)的硅单晶片是理想的外延衬底材料，因其能克服器件结构中固有的闭锁(Latch-up)效应和α粒子软失效等寄生效应，广泛应用于集成电路和高端功率器件中。不同于一般的抛光片和轻掺杂晶圆，重掺杂的晶圆，其杂质浓度非常高，当电阻率降低到1mohm/cm左右时，杂质浓度接近As或者P在单晶硅中的极限固溶度，As的浓度达到1E20 atom/cm3，P的浓度高达6E19 atom/cm3，此时，晶圆的性质已经类金属化，变得不透明，常用的白光干涉和红外干涉膜厚测量仪无法进行晶圆厚度的量测。

针对这种重掺杂的晶圆厚度的量测，目前常用的方法有台阶仪测试法和对射测距法。如图1所示，台阶仪测试法(触针法)，是以大理石载台1的表面为基准，金刚石触针3横扫过载台表面并在晶圆2表面跳跃式运动，高度的变化通过位移传感器转换成磁通量信号，再转换成电信号，从而由记录仪画出晶圆表面的轮廓曲线。这种测试方法由于触针尖端很细，而且是接触式量测，容易划伤或者损坏晶圆，且难以实现自动化生产。如图2所示，对射测距法是基于ASTM F657的定义，将晶圆(WAFER)置于距离(G_total)固定的两个探头之间，分别用反射光探测晶圆正面离上面的探头(PROBE A)之间的距离A，晶圆背面离下面探头(PROBEB)之间的距离B，从而计算出晶圆的厚度(T_w)及TTV(Total thickness variation，总厚度变化)。计算公式为：T_w＝G_total-(A+B),TTV＝T_wmax-T_wmin。这种方法对正常厚度的不透明晶圆比较适用，但是对于减薄后的晶圆，尤其带有太古环(Taiko ring)的晶圆，当晶圆厚度小于200μm时，晶圆的翘曲度特别大，对射测距法采用的是悬空测试，晶圆难以支撑，同时由于晶圆翘曲度特别大，通常达到3～5mm，光线的反射信号会受到干扰，导致测试结果不准确，测试准确性和重复性比较差。因此，如何对重掺杂晶圆进行厚度测量，是目前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种晶圆厚度的测量方法，实现晶圆的非接触测量，提高测量的准确性和重复性。

为达到上述目的，本发明提供一种晶圆厚度的测量方法，包括：

将厚度为T0的标准晶圆放置于承载台，调节设置在测量镜头上的马达在Z方向的位置以对所述标准晶圆进行自动对焦，当自动对焦完成后记录所述马达所处的第一位置高度H1；

将待测晶圆放置于所述承载台，在所述第一位置高度H1的基础上调节所述马达在Z方向的位置以对所述待测晶圆进行自动对焦，当自动对焦完成后记录所述马达所处的第二位置高度H2；

计算所述待测晶圆的厚度T，T＝T0+H2-H1。

可选的，采用自动对焦模组对所述标准晶圆和所述待测晶圆进行自动对焦。

可选的，自动对焦过程中，调节所述马达在Z方向的位置，以改变所述测量镜头的焦距，进而改变到达所述标准晶圆或所述待测晶圆的光强，当光强达到最大时，透过所述测试镜头的入射光的焦平面与所述标准晶圆或所述待测晶圆的表面重合，自动对焦完成。

可选的，还包括:自动对焦过程中，对所述标准晶圆进行多点扫描，并记录自动对焦完成后每一个扫描点对应的所述马达的第一位置高度H1；

对所述待测晶圆进行多点扫描，与并记录自动对焦完成后每一个扫描点对应的所述马达的第二位置高度H2，所述待测晶圆的扫描点与所述标准晶圆的扫描点一一对应。

可选的，计算每一个扫描点对应的所述待测晶圆的厚度，取所有扫描点对应的所述待测晶圆的厚度的平均值作为所述待测晶圆的厚度T。

可选的，还包括:获取所述扫描点中所述待测晶圆的厚度的最大值T_max和厚度的最小值T_min，计算所述待测晶圆的总厚度变化TTV，TTV＝T_max-T_min。

可选的，还包括：对所述待测晶圆的厚度进行重复性测试。

可选的，通过在晶圆缺陷检测机台上安装所述自动对焦模组以实现所述标准晶圆和所述待测晶圆的自动对焦。

可选的，所述自动对焦模组中包括CMOS图像传感器。

可选的，所述待测晶圆为重掺杂不透明的单晶硅晶圆。

可选的，所述待测晶圆为重掺杂砷或磷的晶圆。

相应的，本发明还提供一种晶圆厚度的测量装置，包括：

承载台，用于承载晶圆；

照明模组，用于提供照明光束；

测量镜头，用于对所述晶圆进行成像，所述测量镜头上设置有在Z方向移动的马达；

自动对焦模组，用于对所述晶圆进行自动对焦；

其中，通过调节所述马达在Z方向位置以调节所述测量镜头的焦距，使透过所述测试镜的入射光的焦平面与所述晶圆的表面重合，以完成自动对焦，进而通过马达在Z方向的位置的变化间接计算出晶圆的厚度。

综上，本发明提供一种晶圆厚度的测量方法及测量装置，利用自动对焦测距原理，通过测定已知厚度的标准晶圆来校准设置在测量镜头上的马达在Z方向的零点位置，在测量待测晶圆的厚度时，在零点位置的基础上调节马达在Z方向位置，以调节测试镜头的焦距，完成自动对焦，并通过马达在Z方向位置的变化间接计算出待测晶圆的厚度。本发明提供的晶圆厚度测量方法可以对重掺杂晶圆实现非接触式的厚度测量，尤其是重掺杂晶圆的厚度测量，降低测量过程中晶圆坏损率，且测量精度小于1％，重复性小于0.1％，满足量产需求，便于自动化生产，提高生产效率。

附图说明

图1为采用台阶仪测试法测量晶圆厚度的原理图；

图2为采用对射测距法测量晶圆厚度的原理图；

图3为本发明一实施例提供的晶圆厚度的测量方法的流程图。

图4为本发明一实施例提供的晶圆厚度的测量装置的结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的晶圆厚度的测量方法中自动对焦的原理图；

图6为采用本发明一本实施例提供的晶圆厚度测量方法获取的一组测试数据；

图7为按照图6中的测试数据绘制的曲线图。

其中，附图标记为：

1-大理石载台；2-晶圆；3-金刚石触针；

10-承载台；20-晶圆；30-测量镜头；40-马达；50-照明光束；50-照明模组；60-自动对焦模组；61-对焦光束。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的晶圆厚度的测量方法及测量装置作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明说明本发明实施例的目的。

在说明书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述的或所示的其他顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。

图4为本实施例提供的晶圆厚度的测量装置的结构示意图，图5为本实施例提供的晶圆厚度的测量方法过程中自动对焦的原理图。如图4所示，所述晶圆厚度测量装置包括承载台10，用于承载晶圆20；照明模组50，用于提供照明光束51；测量镜头30，用于对所述晶圆20进行成像，所述测量镜头30上设置有在Z方向移动的马达40。自动对焦模组60，用于对所述晶圆20进行自动对焦。具体的，所述照明模组50发出照明光束51及自动对焦模组60发出的对焦光束61，经过测量镜头30会聚至放置于承载台10上的晶圆20的表面。其中，所述测量镜头30例如是成像物镜，所述测量镜头30上设置有马达40(例如Z motor)，通过调节所述马达40在Z方向的位置实现晶圆20的自动对焦。具体的，如图3所示，调节所述马达40在Z方向的位置(Z position)，改变所述测量镜头30的焦距，进而改变到达所述晶圆20的光强(Light Intensity)，当光强达到最大(I_max)时，透过所述测试镜头30的入射光的焦平面与所述晶圆20的表面重合，自动对焦完成，记录此时所述马达40在Z方向的位置(Hz)，即在光强为I_max，马达40在Z方向的位置为Hz，自动对焦模组60获取的晶圆图像P最清晰。

从基本原理来说，自动对焦可以分成两大类：一类是基于测量镜头与被拍摄目标之间距离测量的测距自动对焦，另一类是基于对焦屏上成像清晰的聚焦检测自动对焦。测距自动对焦主要有红外线测距法和超声波测距法，红外线式和超声波式自动对焦是利用主动发射光波或声波进行测距的，称之为主动式自动对焦。

本实施例采用主动式自动对焦原理，利用自动对焦的测距原理，在现有缺陷检测机台的测量镜头上加装自动对焦模组，通过测定标准晶圆来校准检测设置在测量镜头上的马达在Z方向的零点位置，在测量待测晶圆的厚度的过程中，马达在Z方向位置固定不动，当标准晶圆切换至待测晶圆时，由于待测晶圆相较于标准晶圆的厚度发生了变化，为了保证透过测试镜头的入射光的焦平面与晶圆表面重合，必须通过马达调节测试镜头的焦距，通过马达在Z方向位置的变化间接计算出待测晶圆的厚度。

具体的，图3为本实施例提供的一种晶圆厚度的测量方法的流程图，如图3所示，本实施例提供的晶圆厚度的测量方法包括：

S01：将厚度为T0的标准晶圆放置于承载台，调节设置在测量镜头上的马达在Z方向的位置以对所述标准晶圆进行自动对焦，当自动对焦完成后记录所述马达所处的第一位置高度H1；

S02：将待测晶圆放置于承载台；在所述第一位置高度H1基础上调节所述马达在Z方向的位置以对所述待测晶圆进行自动对焦，当自动对焦完成后记录所述马达所处的第二位置高度H2；以及

S02：计算所述待测晶圆的厚度T，T＝T0+H2-H1。

以下将参考参考图3至图5详细说明本实施例提供的晶圆厚度的测量方法。

首先，执行步骤S01，将厚度为T0的标准晶圆放置于承载台，调节设置在测量镜头上的马达在Z方向的位置以对所述标准晶圆进行自动对焦，当自动对焦完成后记录所述马达所处的第一位置高度H1。

具体的，首先，选取一片已知厚度(T0)的标准晶圆，放置于承载台10上，确定此时测试镜头30上的马达在Z方向上位置，即为初始位置高度H0。

然后，开启自动对焦功能，所述自动对焦模组60发出对焦光束61，开始对所述标准晶圆的表面进行自动对焦，随着自动对焦过程的进行，所述测试镜头30的焦距连续变化，进而引起所述自动对焦模组60接收来的所述标准晶圆表面的光强连续变化，其中，当光强达到最大时，自动对焦完成。当自动对焦完成后记录所述马达所处的第一位置高度H1，此时马达所处位置即为后续待测晶圆厚度测量的零点位置。

本实施例中，在自动对焦过程中，对所述标准晶圆进行多点扫描，并记录自动对焦完成后每一个扫描点对应的所述马达的第一位置高度H1，从而可以得到整个标准晶圆的参考平面。

接着，执行步骤S02，将待测晶圆放置于承载台10，在所述第一位置高度H1基础上调节所述马达40在Z方向的位置以对所述待测晶圆进行自动对焦，当自动对焦完成后记录所述马达40所处的第二位置高度H2。

具体的，首先，将待测晶圆取代标准晶圆放置于所述承载台10上，此时保持设置在测试镜头上的马达的位置处于第一位置高度H1。

然后，开启自动对焦功能，所述自动对焦模组60发出对焦光束61，对所述待测晶圆的表面进行自动对焦，具体如所述标准晶圆的自动对焦过程，当自动对焦完成后记录所述马达所处的第二位置高度H2。

在自动对焦过程中，对所述待测晶圆进行多点扫描，与并记录自动对焦完成后每一个扫描点对应的所述马达的第二位置高度H2，所述待测晶圆的扫描点与所述标准晶圆的扫描点一一对应。

接着，执行步骤S03，计算所述待测晶圆的厚度T，T＝T0+H2-H1。具体的，计算每一个扫描点对应的所述待测晶圆的厚度，取所有扫描点对应的所述待测晶圆的厚度的平均值作为所述待测晶圆的厚度。

本实施例中提供的晶圆后的测量方法还包括：获取所述扫描点中所述待测晶圆的厚度的最大值T_max和最小值T_min，计算所述待测晶圆的总厚度变化(Total ThicknessVariation，TTV)，其中，TTV＝T_max-T_min。

图6为采用本实施例提供的晶圆厚度测量方法获取的一组测试数据，图7为按照图5中的测试数据绘制的曲线图。参考图5和图6所示，采用本实施例提供的晶圆厚度测量方法获取的待测晶圆的厚度符合预期，测量精度小于1％，即通过本实施例提供的晶圆厚度测量方法能够准确获取待测晶圆的厚度。

接着，对所述待测晶圆进行性重复性测试。示例性的，可以采用本实施例提供的晶圆厚度测量方法对6片不同厚度的晶圆，进行连续三天的晶圆厚度测量，每天每片测量10次，以获取晶圆厚度测量的重复性。经过上述重复性测试，本实施例中晶圆厚度测量的重复性小于0.1％，完全满足量产需求。

需要说明的，本实施例中，所述待测晶圆为减薄后的重掺杂晶圆，厚度小于所述标准晶圆的厚度，故在自动对焦过程中，在Z方向向下调节马达的位置来调节测试镜头；当然，本实施例提供的晶圆厚度的测量方法也可以适用于测量厚度大于标准晶圆的晶圆，当所述待测晶圆的厚度大于所述标准晶圆的厚度时，在自动对焦过程中，亦可在Z方向向上调节马达的位置来调节测试镜头，以满足自动对焦需求

本实施例提供的晶圆厚度测量方法适用于对减薄后的重掺杂单晶硅晶圆，尤其是重掺浓度较高使晶圆类金属化而变得不透明的晶圆，白光干涉和红外干涉膜厚测量仪无法测量厚度的晶圆，例如重掺杂砷(As)或磷(P)的单晶硅晶圆。在本发明其他实施例中，本发明提供的测量方法也可以用于对常规的晶圆的厚度进行测量。

另外，本发明是通过在晶圆缺陷检测机台上安装自动对焦模组以对实现晶圆的自动对焦，在本发明其他实施例中，在保证自动对焦模组的情况下，也可以采用其他测量装置进行晶圆厚度测量，例如，可以在晶圆键合机台上加装自动对焦模组，来测量待键合的晶圆厚度。所述自动对焦模组包括图像传感器，例如CMOS图像传感器和DDC图像传感器。

综上所述，本发明提供一种晶圆厚度的测量方法及测量装置，利用自动对焦测距原理，通过测定已知厚度的标准晶圆来校准检测设置在测量镜头上的马达在Z方向的零点位置，在测量待测晶圆的厚度时，在零点位置的基础上调节马达在Z方向位置，以调节测试镜头的焦距，完成自动对焦，并通过马达在Z方向位置的变化间接计算出待测晶圆的厚度。本发明提供的晶圆厚度测量方法可以对晶圆实现非接触式的厚度测量，尤其是重掺杂晶圆的厚度测量，降低测量过程中晶圆坏损率，且测量精度小于1％，重复性小于0.1％，满足量产需求，便于自动化生产，提高生产效率。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (12)

1.一种晶圆厚度的测量方法，其特征在于，包括：

将厚度为T0的标准晶圆放置于承载台，调节设置在测量镜头上的马达在Z方向的位置以对所述标准晶圆进行自动对焦，当自动对焦完成后记录所述马达所处的第一位置高度H1；

将待测晶圆放置于所述承载台，在所述第一位置高度H1的基础上调节所述马达在Z方向的位置以对所述待测晶圆进行自动对焦，当自动对焦完成后记录所述马达所处的第二位置高度H2；

计算所述待测晶圆的厚度T，T＝T0+H2-H1。

2.根据权利要求1所述的晶圆厚度的测量方法，其特征在于，采用自动对焦模组对所述标准晶圆和所述待测晶圆进行自动对焦。

3.根据权利要求2所述的晶圆厚度的测量方法，其特征在于，自动对焦过程中，调节所述马达在Z方向的位置，以改变所述测量镜头的焦距，进而改变到达所述标准晶圆或所述待测晶圆的光强，当光强达到最大时，透过所述测试镜头的入射光的焦平面与所述标准晶圆或所述待测晶圆的表面重合，自动对焦完成。

4.根据权利要求1所述的晶圆厚度的测量方法，其特征在于，还包括:自动对焦过程中，对所述标准晶圆进行多点扫描，并记录自动对焦完成后每一个扫描点对应的所述马达的第一位置高度H1；

对所述待测晶圆进行多点扫描，与并记录自动对焦完成后每一个扫描点对应的所述马达的第二位置高度H2，所述待测晶圆的扫描点与所述标准晶圆的扫描点一一对应。

5.根据权利要求4所述的晶圆厚度的测量方法，其特征在于，计算每一个扫描点对应的所述待测晶圆的厚度，取所有扫描点对应的所述待测晶圆的厚度的平均值作为所述待测晶圆的厚度。

6.根据权利要求5所述的晶圆厚度的测量方法，其特征在于，还包括:获取所述扫描点中所述待测晶圆的厚度的最大值T_max和最小值T_min，计算所述待测晶圆的总厚度变化TTV，TTV＝T_max-T_min。

7.根据权利要求1所述的晶圆厚度的测量方法，其特征在于，还包括：对所述待测晶圆的厚度进行重复性测试。

8.根据权利要求2所述的晶圆厚度的测量方法，其特征在于，通过在晶圆缺陷检测机台上安装所述自动对焦模组以实现所述标准晶圆和所述待测晶圆的自动对焦。

9.根据权利要求8所述的晶圆厚度的测量方法，其特征在于，所述自动对焦模组中包括CMOS图像传感器。

10.根据权利要求1-9任一项所述的晶圆厚度的测量方法，其特征在于，所述待测晶圆为重掺杂晶圆。

11.根据权利要求10所述的晶圆厚度的测量方法，其特征在于，所述待测晶圆为重掺杂砷或磷的晶圆。

12.一种晶圆厚度的测量装置，其特征在于，包括：

承载台，用于承载晶圆；

照明模组，用于提供照明光束；

测量镜头，用于对所述晶圆进行成像，所述测量镜头上设置有在Z方向移动的马达；

自动对焦模组，用于对所述晶圆进行自动对焦；

其中，通过调节所述马达在Z方向位置以调节所述测量镜头的焦距，使透过所述测试镜的入射光的焦平面与所述晶圆的表面重合，以完成自动对焦，进而通过马达在Z方向的位置的变化间接计算出晶圆的厚度。

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