CN111649680A - 厚度测量装置、系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种厚度测量装置，包括：光源，用于产生照射光；光学透镜，用于将所述照射光照射到待测量物上；光检测件，用于对通过所述待测量物表面的透射光强进行检测以获得透射光强和波长的关系；数据处理系统，获取透射光强和波长的信息，以及在特定波长下透射光强和厚度的关系，得到所述待测物的厚度。可以预防因超过更换基准，造成的过度使用陶瓷零件造成的工艺不良以及良率低下的问题。
Description
技术领域
本申请涉及半导体器件制造领域，具体涉及一种厚度测量装置、系统及测量方法。
背景技术
半导体制造设备的工艺腔室(Chamber)安装很多种形态的零件，精细陶瓷(FineCeramics)材质的零件占比特別大。上述零件依照该工艺的需求型态有所不同，因半导体制造工艺的气体、化学物品以及等离子体的影响(Gas,Chemical,Plasma等)有消耗(Consume)的特性。消耗(Consume)性的关系，其型态过度变化的话，会造成良率低下等很多问题。通常会设定厚度、重量管理基准来更换零件，开腔室(Chamber)之前因为无法测量厚度，所以常常会过度使用或是过早开腔室(Chamber)。所以为了优化管理零件，需要在真空状态下精密测量陶瓷(Ceramics)零件厚度的方法。再加上，零件的素材特性会影响工艺，从零件外型确认素材的变化很困难，需要在工艺进行前，使用装置检测(Detecting)素材的有无异常。
发明内容
本申请至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题。为此，本申请提出一种厚度测量装置、系统及测量方法，提高了工艺的良率。
为了实现上述目的，本申请第一方面提供了一种厚度测量装置，包括：
光源，用于产生照射光；
光学透镜，用于将所述照射光照射到待测量物上；
光检测件，用于对通过所述待测量物表面的透射光强进行检测以获得透射光强和波长的关系；
数据处理系统，获取透射光强和波长的信息，以及在特定波长下透射光强和厚度的关系，得到所述待测物的厚度。
本申请第二方面提供了一种厚度测量系统，包括：如上所述的厚度测量装置以及
工艺腔室，内部安装有待测量物，所述工艺腔室具有观察窗，所述光检测件通过所述观察窗对通过所述待测量物表面的透射光强进行检测；
所述光源、光检测件、数据处理系统安装于所述工艺腔室的外部。
本申请第三方面提供了一种测量厚度的方法，包括以下步骤：
根据待测量物材料选择照射光；
向待测量物的表面照射光；
对通过所述待测量物表面的透射光强进行检测以获得透射光强和波长的关系；
获取透射光强和波长的信息，以及在特定波长下透射光强和厚度的关系，得到所述待测物的厚度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本申请一个实施例中厚度测量系统的结构示意图；
图2示出了图1中光学透镜在下待测量物上的分布图；
图3示出了本申请一个实施例中厚度测量方法流程图；
图4示出了Si的透射光谱图；
图5示出了不同厚度Si的透射光谱图；
图6示出了在图5上指定波长对应的不同透射光强的透射光谱图；
图7示出了在图5上指定透射光强对应的不同波长的透射光谱图；
图8示出了图5上的局部阴影面积图；
图9示出了不同厚度的Al2O3透射光谱图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
下面将参照图1更详细地描述根据本申请构思的示例性实施例的厚度测量系统100和厚度测量装置200。
参照图1，根据本申请构思的示例性实施例的厚度测量装置200可以包括：光源(Light source)20，用于产生照射光；光学透镜(Optical Lens)21，用于将照射光照射到待测量物上；光检测件22，用于对通过待测量物(measurement target)300表面的透射光强进行检测以获得透射光强和波长的关系；数据处理系统，数据处理系统用于获取透射光强和波长的信息，以及在特定波长下透射光强和厚度的关系，得到所述待测物的厚度。
需要注意的是，数据处理系统可以是计算机系统的一部分，通过计算机系统内存储的计算机程序来实现厚度的计算，光检测件22可以是光谱仪(spectrometer)。
数据处理系统包括数据处理器23和模数转换器24，模数转换器24用于将模拟信号转换成数字信号，所述数据处理器23用于根据所述模数转换器24转换得到的数据，以及在特定波长下透射光强和厚度的关系，得到待测物的厚度，所述模数转换器24安装于光检测件22与数据处理器23之间。
数据处理器23内可以包括数据存储模块、数据传输模块、显示模块、数据处理模块；其中，数据存储模块中存储有待测量物透射光强与厚度之间关系的参考数据；数据传输模块用于将测量数据发送给数据处理模块，数据处理模块用于将测量数据与参考数据进行比对，从而获得待测量物的厚度数据；显示模块用于显示所述待测量物的厚度数据。
在本实施例中，厚度测量装置200还包括导光构件25，光源20与光学透镜21通过导光构件25进行光耦合，作为导光构件25，例如可优选地使用光导或光纤(Optical cable)等。
此外，厚度测量装置200还包括用于控制光源20开/关的控制器(switch)27。
值得一提的是，待测量物可以为陶瓷材料，光源20的波长根据陶瓷材料的带隙能来确定(下面会对其进行详细描述)。
具体地，根据陶瓷材料的带隙能来确定的波长，光源20选自紫外灯、近红外灯以及中红外灯中的任一种。
根据本申请的实施例，光源20可以与光学透镜21分开地设置。然而，本申请的实施例不限于此。例如，光源20与光学透镜21可以集成为单个一体地形成的模块。
根据本申请实施例的厚度测量系统100可以是通过使用厚度测量装置200来处理半导体基底(诸如半导体晶圆)的设备。但是本申请构思的示例性实施例不限于此。例如，厚度测量系统100可以应用于清洁或灰化半导体基底的工艺。
厚度测量系统100可以包括具有内部空间104的工艺腔室10，其中，光源20、控制器27、光检测件22、模数转换器24、数据处理器23均安装在工艺腔室10外，待测量物、光学透镜21安装在工艺腔室10内。
工艺腔室10具有观察窗101，观察窗101可以设置在工艺腔室10的外侧壁中，光检测件22临近观察窗101安装，用于通过观察窗101通过所述待测量物表面的透射光强进行检测。
在本实施例中，工艺腔室10内安装有上下2个待测量物，为了描述清楚，在此可以称之为上待测量物301、下待测量物302，上待测量物301、下待测量物302上下布置在工艺腔室10内，具体地，在工艺腔室10内靠近顶端、底端的位置分别安装第一支架102、第二支架103，上待测量物301、下待测量物302可以分别位于第一支架102、第二支架103上，需要说明的是，本实施例提到的上待测量物301、下待测量物302可以是工艺腔室10内的不同零件，上待测量物301、下待测量物302的材质可以是精细陶瓷(Fine Ceramics)，即上待测量物301、下待测量物302可以包括但不限于陶瓷膜(Y2O3,YAG等)
需要注意的是，根据本实施例其他部分的记载，光源20的波长根据陶瓷材料的带隙能(Band gap energy)来确定，具体地，陶瓷(Ceramics)的材料不同，其光的吸收、反射、透过光的性能均不同，而在带隙能(Band gap energy)附近有吸收率降低、透射光强增高的特性。根据待测量物的材质不同，透射光强(Intensity)的急剧变化的地方也有所不同，透射光强(Intensity)的大小与波长曲线(Wavelength Curve)以及该待测量物的厚度有相当大的相关性。
值得一提的是，光学透镜21安装于待测量物的上方或者底面，每个待测量物上安装有至少1个光学透镜21，具体地，待测量物上具有至少1个测量点，每个测量点上安装有至少1个光学透镜21，在一些实施例中，光学透镜21可为多个，多个光学透镜21均布在待测量物的底面，11.多个光学透镜21设置为一次同时照射进行检测，或者多个光学透镜21设置为依次照射进行逐一检测。如图2所示，光学透镜21可以安装于下待测量物302的基环303的底面，下待测量物302上可以具有16个测量点，每个测量点上安装有1个光学透镜21。即光学透镜21可以为16个，16个光学透镜21间隔设置在下待测量物302的底面，且16个光学透镜21呈环形分布。但是本实施例并不因此为限，光学透镜21的排布形状和数量可以不因此为限，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。
在一些实施例中，光源20为分别产生不同的波长的至少2个光源，以用于分别测量工艺腔室10内含有的至少2个不同材质的待测量物。在本实施例中，光源20可以为2个，控制器27可以为1个，控制器27分别可以控制2个光源20的开/关，即，2个光源20可以同时开，也可以同时关，当然也可以一个开，一个关。本实施例在此不做限定。
下面对使用厚度测量系统100测量下待测量物302厚度的方法进行描述。
如图3所示，具体包括以下步骤：
S101:开始测量；
S102:根据待测量物材料选择照射光，控制器27控制光源20产生照射光；
S103:向下待测量物302的表面照射光；
S104:对通过下待测量物302表面的透射光强进行检测以获得透射光强和波长的关系；
S105:获取透射光强和波长的信息，以及在特定波长下透射光强和厚度的关系，得到下待测量物302的厚度。
S106:结束测量。
下待测量物302可为陶瓷材料，并根据陶瓷材料的带隙能来选择照射光的波长。具体地，陶瓷材料选自Si、SiC、SiO2、Al2O3中的任一种。
具体地，步骤S104包括：测量下待测量物302的透射光谱，由下待测量物302的透射光谱来计算预定波长范围内的透射光强，并将透射光强作为模拟信号而输出。
此外，步骤S105还包括接收模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号而输出。
值得一提的是，步骤S105中获取在特定波长下透射光强和厚度的关系包括：测量多个下待测量物302的参考透射光谱；由所述待测量物的参考透射光谱来计算预定波长范围内的参考透射光强；测量所述待测量物的参考厚度，基于所述待测量物的参考透射光强和测得的参考厚度来确定特定波长下透射光强和厚度的关系。
可以得知，陶瓷材质的待测量物，其透射光强(Intensity)的大小与波长曲线(Wavelength Curve)以及该待测量物的厚度有相当大的相关性。
比如硅(Silicon)，硅(Silicon)的带隙能(Band gap energy)为1.12eV，如图4所示，该波长领域在1107nm周围，可以看到该领域中的透射光强上升，如图5所示，待测量物的厚度不同，波长曲线(Wavelength Curve)也有所不同。
具体地，测量硅厚度的方法为首先是如图5所示，使用光谱仪测量4个硅片的透射光谱(即波长曲线)，其厚度为100μm、200μm、300μm、550μm，用于测量透射光谱的光谱法包括但不限于IR光谱法，如图6所示，在上述透射光谱中，可以指定特定的波长(Wavelength)，根据透射光强与波长的关系，算出透射光强(Intensity)，反过来说，如图7所示，指定特定的透射光强(Intensity)，也可以根据波长曲线(Wavelength Curve)算出波长(Wavelength)。如图8所示，根据硅片的透射光谱也可以算出波长曲线(Wavelength Curve)的面积。
在本实施例中，在半导体设备中使用同样的测量厚度方法，同样可以测量使用的陶瓷(Ceramics)零件的厚度，材质不同，其带隙能(Band gap energy)不同，需要选择可以加强发射该范围波长的发光源。举例来说，硅(Silicon)使用近红外光灯(Lamp)，需要监控(Monitoring)透光的起始点，如图9所示，而Al2O3(蓝宝石，Sapphire)、SiO2(石英，Quartz)等带隙(Band gap)较宽，而对于透光区带较宽的材质，透光起始点100nm-200nm太低，监控(Monitoring)困难，所以监控(Monitoring)透光阻断的时机点，光源的波长在2-8um以上的，需要使用可以发出强光的中红外光灯(Lamp)。
由上述内容可以得知，光源是依照待测量物材质的不同来选择的，不同材质、带隙能(Band gap energy)、光源(Light Source)以及测量点的关系如表1所示。
表1
需要说明的是，下待测量物302底部基环303的16个光学透镜21可以依次编号，从1号到16号依次进行开/关(On/Off)，可以测量下待测量物302每个测量点的厚度，当然也可一次性将全部光学透镜21开启后，这样可以快速地测量下待测量物302的平均厚度。
与现有技术相比，本申请的实施例具有以下有益效果：
1.不打开工艺腔室(Chamber)，就可以测量主要陶瓷(Consumable)零件的厚度，这样便于掌握正确的更换时机以及最佳的产品管理(PM)时期。
2.可以预防因超过更换基准，造成的过度使用陶瓷(Consumable)零件造成的工艺不良以及良率低下的问题。
3.当零件的材质变化时，可以依据表1变化在工艺进行前检测(Detecting)零件。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (20)
1.一种厚度测量装置，其特征在于，包括：
光源，用于产生照射光；
光学透镜，用于将所述照射光照射到待测量物上；
光检测件，用于对通过所述待测量物表面的透射光强进行检测以获得透射光强和波长的关系；
数据处理系统，获取透射光强和波长的信息，以及在特定波长下透射光强和厚度的关系，得到所述待测物的厚度。
2.根据权利要求1所述的厚度测量装置，其特征在于，所述数据处理系统包括模数转换器和数据处理器，所述模数转换器用于将模拟信号转换成数字信号，所述数据处理器用于根据所述模数转换器转换得到的数据，以及在特定波长下透射光强和厚度的关系，得到待测物的厚度，所述模数转换器安装于所述光检测件与所述数据处理器之间。
3.根据权利要求2所述的厚度测量装置，其特征在于，还包括导光构件，所述光源与所述光学透镜通过所述导光构件进行光耦合。
4.根据权利要求3所述的厚度测量装置，其特征在于，还包括用于控制所述光源开/关的控制器。
5.根据权利要求1所述的厚度测量装置，其特征在于，所述待测量物为陶瓷材料，所述光源的波长根据所述陶瓷材料的带隙能来确定。
6.根据权利要求5所述的厚度测量装置，其特征在于，根据所述波长，所述光源选自紫外灯、近红外灯以及中红外灯中的任一种。
7.根据权利要求1所述的厚度测量装置，其特征在于，所述光检测件为光谱计。
8.一种厚度测量系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的厚度测量装置以及：
工艺腔室，内部安装有待测量物，所述工艺腔室具有观察窗，所述光检测件通过所述观察窗对通过所述待测量物表面的透射光强进行检测；
所述光源、光检测件、数据处理系统安装于所述工艺腔室的外部。
9.根据权利要求8所述的厚度测量系统，其特征在于，所述光学透镜安装于所述待测量物的底面，每个待测量物上安装有至少1个光学透镜。
10.根据权利要求9所述的厚度测量系统，其特征在于，所述光学透镜为多个，所述多个光学透镜均布在所述待测量物的底面。
11.权利要求10所述的厚度测量系统，其特征在于，所述多个光学透镜设置为一次同时照射进行检测，或者所述多个光学透镜设置为依次照射进行逐一检测。
12.根据权利要求8所述的厚度测量系统，其特征在于，所述光源为分别产生不同的波长的至少2个光源，以用于分别测量所述工艺腔室内含有的至少2个不同材质的待测量物。
13.一种测量厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据待测量物材料选择照射光；
向待测量物的表面照射光；
对通过所述待测量物表面的透射光强进行检测以获得透射光强和波长的关系；
获取透射光强和波长的信息，以及在特定波长下透射光强和厚度的关系，得到所述待测物的厚度。
14.如权利要求14所述的测量厚度的方法，其特征在于，所述待测量物为陶瓷材料，并根据所述陶瓷材料的带隙能来选择照射光的波长。
15.如权利要求15所述的测量厚度的方法，其特征在于，所述陶瓷材料选自Si、SiC、SiO2、Al2O3中的任一种。
16.如权利要求16所述的测量厚度的方法，其特征在于，所述照射光波长的范围为0.3-0.5um、0.75-3um或3-6um。
17.如权利要求16所述的测量厚度的方法，其特征在于，所述陶瓷材料选自SiC，所述照射光波长的范围为0.3-0.5um，选择透光起始点为测定区域；或
所述陶瓷材料选自Si，所述照射光波长的范围为0.75-3um，选择透光起始点为测定区域；或
所述陶瓷材料选自Al2O3，所述照射光波长的范围为3-6um，选择透光阻断的时机点为测量区域。
18.根据权利要求14所述的测量厚度的方法，其特征在于，对通过所述待测量物表面的透射光强进行检测以获得透射光强和波长的关系包括：
测量待测量物的透射光谱，由待测量物的透射光谱来计算预定波长范围内的透射光强，并将所述透射光强作为模拟信号而输出。
19.根据权利要求18所述的测量厚度的方法，其特征在于，接收所述模拟信号，并将所述模拟信号转换成数字信号而输出。
20.根据权利要求14所述的测量厚度的方法，其特征在于，获取在特定波长下透射光强和厚度的关系包括：
测量至少一个待测量物的参考透射光谱；
由所述待测量物的参考透射光谱来计算预定波长范围内的参考透射光强；测量所述待测量物的参考厚度，基于所述待测量物的参考透射光强和测得的参考厚度来确定特定波长下透射光强和厚度的关系。
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| CN202010496471.1A CN111649680A (zh) | 2020-06-03 | 2020-06-03 | 厚度测量装置、系统及测量方法 |
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|---|---|---|---|---|
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN1674729A (zh) * | 2004-03-03 | 2005-09-28 | 三洋电机株式会社 | 测定沉积膜厚度的方法及装置和形成材料层的方法及装置 |
| CN202661046U (zh) * | 2012-05-28 | 2013-01-09 | 上海华虹Nec电子有限公司 | 测量tem样品厚度的装置 |
| CN207407823U (zh) * | 2017-09-15 | 2018-05-25 | 武汉东湖学院 | 一种大视场样本厚度测量装置 |
-
2020
- 2020-06-03 CN CN202010496471.1A patent/CN111649680A/zh active Pending
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| CN115790412A (zh) * | 2022-11-30 | 2023-03-14 | 湘潭宏大真空技术股份有限公司 | 一种膜厚测试和均匀性调节方法 |
| CN115790412B (zh) * | 2022-11-30 | 2023-10-20 | 湘潭宏大真空技术股份有限公司 | 一种膜厚测试和均匀性调节方法 |
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