CN112880597B - 晶圆平整度的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供了一种晶圆平整度的测量方法。该晶圆平整度的测量方法包括利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面，以使晶圆的背面变平或使晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面相匹配；利用气浮卡盘提供的支撑力将晶圆悬浮在气浮卡盘的顶部表面上方预定距离D处；利用干涉仪测量晶圆与标准镜的相对表面之间的第一距离变化ΔS1，干涉仪位于标准镜远离气浮卡盘的一侧，其中，气浮卡盘的顶部表面与晶圆的正面能够反光；根据第二距离变化ΔS2和ΔS1获得晶圆的平整度TTV1，其中，ΔS2为在晶圆未装载时利用干涉仪测量的气浮卡盘与标准镜的相对表面之间的第二距离变化。本申请实施例利用气浮卡盘使晶圆悬浮能够有效减小测量晶圆平整度过程中的测量误差。

Description

晶圆平整度的测量方法
技术领域
本申请涉及晶圆测量技术领域，具体涉及一种晶圆平整度的测量方法。
背景技术
晶圆的几何参数如晶圆的平整度、晶圆形状、晶圆厚度等对晶圆的质量有着至关重要的作用，其中，对晶圆的平整度进行测量是评估晶圆的质量的重要工作。通常采用夹持方式将晶圆垂直固定在测量光路中，或者采用真空吸附的方式将晶圆吸附到卡盘上测量晶圆平整度。
然而，使用上述测量方法具有一定的缺陷，如在夹持方式中，夹持的力度较大容易使晶圆的原始形状发生变化，且由于夹持工具的清洁度难以保证也容易在晶圆上产生碎屑颗粒或其他污染物，在真空吸附方式中，卡盘的表面本身可能有伪像或痕迹等，因而会对晶圆平整度的测量造成较大的测量误差。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种晶圆平整度的测量方法，从而有效减小测量晶圆平整度过程中的测量误差。
本申请实施例提供了一种晶圆平整度的测量方法，包括：利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面，以使晶圆的背面变平或使晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面相匹配，晶圆的背面为晶圆靠近气浮卡盘的表面；利用气浮卡盘提供的支撑力将晶圆悬浮在气浮卡盘的顶部表面上方预定距离D处；利用干涉仪测量晶圆与标准镜的相对表面之间的第一距离变化ΔS1，干涉仪位于标准镜远离气浮卡盘的一侧，其中，气浮卡盘的顶部表面与晶圆的正面能够反光，晶圆的正面为晶圆远离气浮卡盘的表面；根据第二距离变化ΔS2和ΔS1获得晶圆的平整度TTV1，其中，ΔS2为在晶圆未装载时利用干涉仪测量的气浮卡盘与标准镜的相对表面之间的第二距离变化。
在本申请一实施例中，预定距离D为0μm-50μm。
在本申请一实施例中，预定距离D为5μm-30μm。
在本申请一实施例中，晶圆平整度的测量方法还包括：获取晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面之间的不匹配项SN.C.，其中，上述根据第二距离变化ΔS2和ΔS1获得晶圆的平整度TTV1，包括：通过将ΔS2减去ΔS1以及SN.C.获得晶圆的平整度TTV1。
在本申请一实施例中，上述获取晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面之间的不匹配项SN.C.，包括：将已知平整度为TTV0的标准晶圆放置气浮卡盘上；利用干涉仪测量标准晶圆与标准镜的相对表面之间的距离变化ΔS0；通过将ΔS2减去ΔS0以及TTV0获得不匹配项SN.C.。
在本申请一实施例中，上述将已知平整度为TTV0的标准晶圆放置在气浮卡盘上，包括：将已知平整度为TTV0的标准晶圆搁置在气浮卡盘上；或利用气浮卡盘提供的支撑力将已知平整度为TTV0的标准晶圆悬浮在气浮卡盘上方。
在本申请一实施例中，晶圆平整度的测量方法还包括：利用温度、气浮高度FH对不匹配项SN.C.进行校正。
在本申请一实施例中，上述利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面，以使晶圆的背面变平或使晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面相匹配，包括：利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面吸附在气浮卡盘的顶部表面上，其中，晶圆平整度的测量方法还包括：将气浮卡盘在与气浮卡盘的顶部表面平行的平面内旋转180°得到旋转后的气浮卡盘；利用旋转后的气浮卡盘将晶圆吸附至旋转后的气浮卡盘的顶部表面；利用干涉仪测量标准镜和晶圆的相对表面之间的距离变化ΔS3；通过将ΔS3减去ΔS1确定气浮卡盘上的痕迹或伪像的距离变化ΔS 痕迹或伪像；通过将TTV1减去ΔS痕迹或伪像获得校准后的晶圆的平整度TTV1’。
在本申请一实施例中，上述利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面，以使晶圆的背面变平或使晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面相匹配，包括：利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面吸附在气浮卡盘的顶部表面上，其中，晶圆平整度的测量方法还包括：将晶圆在与气浮卡盘的顶部表面平行的平面内旋转180°得到旋转后的晶圆；利用气浮卡盘提供的吸力调整旋转后的晶圆的背面吸附在气浮卡盘的顶部表面上；利用干涉仪测量标准镜和旋转后的晶圆的相对表面之间的距离变化ΔS4；通过比较ΔS4与ΔS1确定气浮卡盘上的痕迹或伪像的距离变化ΔS痕迹或伪像；通过将TTV1减去ΔS痕迹或伪像获得校准后的晶圆的平整度TTV1’。
根据本申请实施例提供的技术方案，通过利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面，以使晶圆的背面变平或使晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面相匹配，晶圆的背面为晶圆靠近气浮卡盘的表面；利用气浮卡盘提供的支撑力将晶圆悬浮在气浮卡盘的顶部表面上方预定距离D处；利用干涉仪测量晶圆与标准镜的相对表面之间的第一距离变化ΔS1，干涉仪位于标准镜远离气浮卡盘的一侧，其中，气浮卡盘的顶部表面与晶圆的正面能够反光，晶圆的正面为晶圆远离气浮卡盘的表面；根据第二距离变化ΔS2和ΔS1获得晶圆的平整度TTV1，其中，ΔS2为在晶圆未装载时利用干涉仪测量的气浮卡盘与标准镜的相对表面之间的第二距离变化，从而减小测量晶圆平整度过程中的测量误差。
附图说明
图1示出了根据本申请一实施例提供的一种晶圆平整度的测量方法的示意图。
图2a和图2b示出了一种晶圆平整度的测量方法对应的结构示意图；
图3示出了根据本申请另一实施例提供的一种晶圆平整度的测量方法的示意图。
图4示出了根据本申请一实施例提供的一种获取晶圆的背面S背面与气浮卡盘的顶部表面SCK之间的不匹配项SN.C.的方法示意图。
图5示出了根据本申请又一实施例提供的一种晶圆平整度的测量方法的示意图。
图6a示出了当晶圆被真空向下吸到真空卡盘上时卡盘痕迹/伪像的示意图；
图6b示出了悬浮在气浮卡盘上方的晶圆的示意图，其中没有卡盘痕迹/ 伪像；
图7a-7c示出了根据本申请一实施例提供的一种区分晶圆的表面上的真实特征与卡盘痕迹/伪像的方法示意图；
图8示出了根据本申请再一实施例提供的一种晶圆平整度的测量方法的示意图。
图9a示出了在晶圆未旋转前吸附在气浮卡盘的顶部表面上时测量晶圆的几何参数的示意图。
图9b示出了在晶圆旋转180°后吸附在气浮卡盘的顶部表面上时测量晶圆的几何参数的示意图。
图10a示出了一种基于双菲索干涉仪的设备的结构示意图；
图10b示出了一种基于剪切干涉仪的设备的结构示意图；
图10c示出了一种用于晶圆几何参数测量的架构的结构示意图；
图10d示出了一种位置传感器与电容传感器相对于晶圆的位置示意图；
图10e示出了位置传感器的校准的示意图；
图10f示出了位置传感器的校准过程中位置传感器读数Vx与电容传感器读数CPn的关系示意图；
图11a和图11b示出了示例性的用于使晶圆保持在气垫上的真空喷嘴和压力喷嘴的气浮卡盘；
图11c示出了一种气浮卡盘的压力喷嘴和真空喷嘴连接层的示意图；
图11d示出了根据本申请一实施例提供的一种气浮卡盘的堆叠结构的侧视示意图；
图11e示出了根据本申请另一实施例提供的一种气浮卡盘的堆叠结构的侧视示意图；
图11f示出了图11e中堆叠结构的顶板的顶部表面的示意图；
图11g示出了图11e中堆叠结构的顶板的底部表面的示意图；
图11h示出了图11e中堆叠结构的示例性的分流板的俯视图；
图11i示出了图11e中堆叠结构的示例性的分流板的仰视图；
图11j示出了图11e中堆叠结构的后盖板的俯视图；
图11k示出了图11e中堆叠结构的后盖板的仰视图；
图12a和图12b示出了一种使用图10c所示的架构进行晶圆形状测量的方法示意图；
图13示出了垂直位置的晶圆在晶圆倾斜时易于发生形变的示意图；
图14示出了根据本申请一实施例提供的一种用于测量有设计图案的晶圆倾斜平台的示例性的测角架的结构示意图；
图15a和图15b示出了根据本申请一实施例提供的一种示例性的分流室的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中所需要使用的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显而易见地，下面描述的附图仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有相关实施例，都属于本申请保护的范围。
图1示出了根据本申请一实施例提供的一种晶圆平整度的测量方法的示意图。晶圆平整度也可以称为总厚度变化(Total Thickness Variation， TTV)。晶圆平整度的测量方法可以采用晶圆几何参数测量设备进行测量，只要能够实现本申请的晶圆平整度的测量方法即可，本申请对晶圆几何参数测量设备的结构不做具体限定。该晶圆平整度的测量方法包括以下步骤。
S110：利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面，以使晶圆的背面变平或使晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面相匹配，晶圆的背面为晶圆靠近气浮卡盘的表面。
应当理解，晶圆的背面并不具体固定为晶圆上的某个表面，只要是晶圆靠近气浮卡盘的表面即可，晶圆的背面也可以称为晶圆的底部表面，本申请对此不做具体限定。晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面相匹配可以指晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面能够完全贴合，也可以指晶圆的背面的形状与气浮卡盘的顶部表面的形状几乎完全相同。
S120：利用气浮卡盘提供的支撑力将晶圆悬浮在气浮卡盘的顶部表面上方预定距离D处。
应当理解，晶圆平整度的测量方法中可以先执行步骤S110，再执行步骤S120，也可以先执行步骤S120，再执行步骤S110，本申请对此不做具体限定。预定距离D的数值可以为1μm、5μm、22μm、64μm等，只要能够在预定距离D内使晶圆的背面变平或使晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面相匹配，本申请对此不做具体限定。
在本申请一实施例中，预定距离D为0μm-50μm。
应当理解，预定距离D可以为0μm、5μm、10μm、20μm、30μm、 50μm等，本申请对此不做具体限定。晶圆的背面可以与气浮卡盘的顶部表面接触或不接触，本申请对此不做具体限定。
本申请实施例中，通过设置预设距离D的范围为0μm-50μm，从而有利于使用气浮卡盘支撑晶圆时保持晶圆背面平整度在吸力的作用下几乎和卡盘表面一样平整，进而有利于将气浮卡盘的表面形状在校准以后应用于晶圆平整度测量。同时有利于在预定距离D内使晶圆的背面变平或使晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面相匹配。
在本申请一实施例中，预定距离D为5μm-30μm。
应当理解，预定距离D可以为5μm、8μm、12μm、15μm、30μm等，本申请对此不做具体限定。
本申请实施例中，通过设置预设距离D的范围为5μm-30μm，从而在预定距离D内使晶圆的背面变平或使晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面相匹配，同时使得预定距离D对晶圆平整度的测量结果的影响几乎可以忽略不计。
S130：利用干涉仪测量晶圆与标准镜的相对表面之间的第一距离变化Δ S1，其中，干涉仪位于标准镜远离气浮卡盘的一侧，气浮卡盘的顶部表面与晶圆的正面能够反光，晶圆的正面为晶圆远离气浮卡盘的表面。
应当理解，晶圆的正面并不具体固定为晶圆上的某个表面，只要是晶圆远离气浮卡盘的表面即可，晶圆的正面也可以称为晶圆的顶部表面，本申请对此不做具体限定。
S140：根据第二距离变化ΔS2和ΔS1获得晶圆的平整度TTV1，其中，ΔS2为在晶圆未装载时利用干涉仪测量的气浮卡盘与标准镜的相对表面之间的第二距离变化。
应当理解，测量ΔS2的步骤可以在测量ΔS1的步骤之前，也可以在测量ΔS1的步骤之后，本申请对此不做具体限定。ΔS2的数值可以是实时测量的，也可以在提前存储在晶圆几何参数测量设备中的，ΔS2的数值可以在晶圆平整度测量的过程中使用一次或多次，本申请对此不做具体限定。
举例来说，图2a和2b示出了一种晶圆平整度的测量方法对应的结构示意图。首先，参照图2a，测量由标准镜TF 202和反光的气浮卡盘204形成的光学空腔。TF 202可能因重力在中间下垂。如图2a和2b所示，气浮卡盘 204的表面可能不是完全平坦的。这些缺陷需要进行校准以便于使晶圆的平整度测量精准。空腔的校准是测量空腔的厚度的变化，换言之，空腔的厚度的变化也可以称为标准镜TF 202和气浮卡盘204的相对表面之间的第二距离变化ΔS2。从数学上来讲，第二距离变化ΔS2是指标准镜表面STF(x,y)与卡盘表面SCK(x,y)之间的差：ΔS2＝STF-SCK。在该步骤中，在卡盘上没有晶圆。
参考图2b，校准之后，晶圆206放置在气浮卡盘204的表面。为了测量晶圆206的平整度，晶圆在距离气浮卡盘204的顶部较小气隙(例如0μm-50μm，优选为5μm-30μm)处悬浮，较小气隙由气浮卡盘204产生。在这些较小气隙处，气浮卡盘设计具有可以使晶圆的背面变平或使晶圆的背面S背面与气浮卡盘的顶部表面SCK相匹配的很大的吸力。在这种情况下，晶圆的正面S正面的位置信息仅是气浮卡盘的顶部表面SCK的位置信息和晶圆的总厚度变化TTV之和，S正面＝SCK+TTV。干涉仪测量可以测量晶圆206和标准镜202的相对表面之间的第一距离变化(也可以为测量晶圆206和标准镜 202之间的距离)：ΔS1＝(STF–S正面)。接下来，可以通过测量空腔与晶圆表面之间的差(ΔS2–ΔS1)来计算晶圆的平整度TTV1，即TTV1＝ΔS2–ΔS1。
根据本申请实施例提供的技术方案，步骤S110中通过利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面，以使晶圆的背面变平或使晶圆的背面与气浮卡盘的顶部表面相匹配，能够有效减少或消除干涉仪的光线跟踪误差。步骤S120 中通过利用气浮卡盘提供的支撑力将晶圆悬浮在气浮卡盘的顶部表面上方预定距离D处，从而减小了气浮卡盘的顶部表面的伪像或痕迹对晶圆平整度测量造成的误差。S130-S140中通过利用干涉仪测量晶圆与标准镜的相对表面之间的第一距离变化ΔS1，根据第二距离变化ΔS2和ΔS1获得晶圆的平整度TTV1，ΔS2为在晶圆未装载时利用干涉仪测量的气浮卡盘与标准镜的相对表面之间的第二距离变化，从而测量出晶圆平整度，使得晶圆平整度的测量结果更加精准。
图3示出了根据本申请另一实施例提供的一种晶圆平整度的测量方法的示意图。图3所示实施例为图1所示实施例的一变型例。与图1所示实施例的不同之处在于，晶圆平整度的测量方法还包括步骤S150，其中，步骤 S141对应于图1所示实施例中的步骤S140。
S150：获取晶圆的背面S背面与气浮卡盘的顶部表面SCK之间的不匹配项 SN.C.。
应当理解，晶圆的背面S背面常常并不完全与卡盘的表面SCK相匹配。实际中，需要增加不匹配项(SN.C.)，晶圆的正面S正面为S正面＝(SCK+TTV1+ SN.C.)，从而精准地确定晶圆的正面S正面的位置信息。SN.C.可以通过已知TTV 的标准晶圆进行校准获得，也可以根据晶圆厚度、温度、气浮高度FH和卡盘平整度等中的一个或多个进行校准获得，本申请对此不做具体限定。每一个SN.C.可以应用在一次测量晶圆平整度的过程中，也可以应用在多次测量晶圆平整度的过程中，本申请对此不做具体限定。
S141：通过将ΔS2减去ΔS1以及SN.C.获得晶圆的平整度TTV1。
举例来说，干涉仪测量可以测量晶圆206和标准镜202之间的距离，也可以为测量晶圆206和标准镜202的相对表面之间的第一距离变化：ΔS1＝ (STF–S正面)＝(STF–SCK–TTV1–SN.C.)。接下来，可以通过测量空腔与晶圆表面之间的差(ΔS2–ΔS1)来计算TTV1。之后，可以通过如下公式计算晶圆的平整度：TTV1＝(ΔS2–ΔS1–SN.C.)，其中，ΔS2和ΔS1可以通过晶圆几何参数测量设备中的干涉仪来测量。
根据本申请实施例提供的技术方案，通过获取晶圆的背面S背面与气浮卡盘的顶部表面SCK之间的不匹配项SN.C.，通过将ΔS2减去ΔS1以及SN.C.获得晶圆的平整度TTV1，从而充分考虑到晶圆的背面S背面可能并不完全与气浮卡盘的顶部表面SCK相匹配的情形，进而使得晶圆平整度的测量结果更加精准。
在本申请一实施例中，晶圆平整度的测量方法还可以包括步骤S180。
S180：利用温度、气浮高度FH对不匹配项SN.C.进行校正。
应当理解，SN.C.可能随着时间的推移发生漂离，需要时常进行校准。SN.C.可以是温度和气浮高度FH的函数，还可以同时是晶圆厚度和卡盘平整度的函数。所有这些参数可以与干涉仪数据同时测量，也可以用于校正。
本申请实施例中，通过利用温度、气浮高度FH对不匹配项SN.C.进行校正，从而充分考虑到温度、气浮高度FH不同时对不匹配项SN.C.的影响，进而使得不匹配项SN.C.更加精准，有利于使得晶圆平整度的测量结果更加精准。
图4示出了根据本申请一实施例提供的一种获取晶圆的背面S背面与气浮卡盘的顶部表面SCK之间的不匹配项SN.C.的方法示意图。图4所示实施例中的步骤S151-S153对应于图3所示实施例中的步骤S150。
S151：将已知平整度为TTV0的标准晶圆放置在气浮卡盘上。
在本申请一实施例中，上述步骤S151包括：将已知平整度为TTV0的标准晶圆搁置在气浮卡盘上；或利用气浮卡盘提供的支撑力将已知平整度为 TTV0的标准晶圆悬浮在气浮卡盘上方。
应当理解，步骤S151可以是直接将标准晶圆搁置在气浮卡盘上，也可以是在保证标准晶圆的平整度不变的同时，利用气浮卡盘提供的吸力将标准晶圆吸在气浮卡盘上，还可以是利用气浮卡盘提供的支撑力将标准晶圆悬浮在气浮卡盘上较小气隙处，本申请对此不做具体限定。标准晶圆可以为双面抛光的晶圆，也可以为单面抛光的晶圆，本申请对此不做具体限定。标准晶圆悬浮在气浮卡盘上方的距离可以与待测的晶圆悬浮在气浮卡盘上方的距离相同或不同，本申请对此不做具体限定。
S152：利用干涉仪测量标准晶圆与标准镜的相对表面之间的距离变化Δ S0。
S153：通过将ΔS2减去ΔS0以及TTV0获得不匹配项SN.C.。即，SN.C.＝(ΔS2–ΔS0–TTV0)
根据本申请提供的技术方案，通过将已知平整度为TTV0的标准晶圆放置在气浮卡盘上，利用干涉仪测量标准晶圆与标准镜的相对表面之间的距离变化ΔS0，通过将ΔS2减去ΔS0以及TTV0获得不匹配项SN.C.，从而实现利用标准晶圆获得SN.C.，进而利用SN.C.对TF可能因重力在中间下垂和气浮卡盘的表面可能不是完全平坦等缺陷进行校准以便于使晶圆的平整度测量精准。
图5示出了根据本申请又一实施例提供的一种晶圆平整度的测量方法的示意图。图5所示实施例为图1所示实施例的一变型例。如图5所示，与图1所示实施例的不同之处在于，图5所示实施例中的步骤S111对应于图 1所示实施例的步骤S110，另外，该晶圆平整度的测量方法还包括步骤 S190-S230。
S111：利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面吸附在气浮卡盘的顶部表面上。
S190：将气浮卡盘在与气浮卡盘的顶部表面平行的平面内旋转180°得到旋转后的气浮卡盘。
S200：利用旋转后的气浮卡盘将晶圆吸附至旋转后的气浮卡盘的顶部表面。
S210：利用干涉仪测量标准镜和晶圆的相对表面之间的距离变化ΔS3。
S220：通过将ΔS3减去ΔS1确定气浮卡盘上的痕迹或伪像的距离变化ΔS痕迹或伪像。
S230：通过将TTV1减去ΔS痕迹或伪像获得校准后的晶圆的平整度TTV1’。
举例来说，在实际中，对晶圆平整度测量和晶圆形状测量的方法具有许多挑战。气浮卡盘本身可能不平坦，并且在气浮卡盘的顶部表面上可能有伪像，例如晶粒。当晶圆被真空吸到气浮卡盘上时，伪像可能出现在晶圆的顶部表面上。例如，图6a示出了当晶圆被真空向下吸到真空卡盘上时卡盘痕迹/伪像的示意图。如图6a所示，大晶粒602可能在气浮卡盘600的顶侧的晶圆604上显示为凸起。根据本申请另一个实施例，这些类型的伪像可以通过使用本文公开的方法来校准。图6b示出了悬浮在气浮卡盘600’上方的晶圆604’的示意图，其中晶圆604’上看不到卡盘痕迹/伪像。
图7a-7c示出了一种区分晶圆的表面上的真实特征与卡盘痕迹/伪像的方法示意图。图7a示出了在S1表面上测量晶圆的几何参数的示意图，其中在干涉仪测量中真实特征704与卡盘痕迹/伪像706混在一起。图7b示出了在S2表面上测量晶圆的几何参数的示意图，其中S2表面为将卡盘从进行 S1表面测量的原始位置旋转180°后的卡盘表面。当卡盘痕迹/伪像706随卡盘700旋转180°时，真实特征704停留在相同的位置。因此，通过将晶圆 710放置在旋转180°后的卡盘表面S2上(如图7b所示)，并将晶圆710处于180°的表面S2与处于0°的表面S1(如图7a所示)的测量结果进行比较，可以识别出晶圆的真实特征704(在旋转之前和之后在晶圆坐标系中保持在相同位置的那些特征)。
图7c提供了S1和S2差异图，图中显示卡盘伪像为成对的716、720。如果这些卡盘伪像不在卡盘上四处移动，则可以对这些卡盘伪像进行校准。如果卡盘干净并且卡盘伪像被隔离，这些卡盘伪像还具有特殊特征，即可以通过算法将其去除。当有限的伪像在卡盘和/或晶圆背面上时，可以使用晶圆或卡盘旋转的方法将伪像区分出来并消除。
根据本申请提供的技术方案，通过将晶圆分别吸附在气浮卡盘处于0°的顶部表面上以及气浮卡盘旋转180°后的顶部表面上，由于气浮卡盘的顶部表面在旋转之前和之后晶圆的真实特征会保持在相同位置，气浮卡盘的顶部表面上的伪像/痕迹会跟随气浮卡盘的旋转而旋转，因而通过将ΔS2减去Δ S1可以确定气浮卡盘上的痕迹或伪像的距离变化ΔS痕迹或伪像，从而充分考虑利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面吸附在气浮卡盘的顶部表面上时，气浮卡盘的顶部表面上的伪像/痕迹对晶圆平整度测量的影响，进而使得该测量方法测得的晶圆平整度更加精准。
图8示出了根据本申请再一实施例提供的一种晶圆平整度的测量方法的示意图。图8所示实施例为图1所示实施例的一变型例。如图8所示，与图1所示实施例的不同之处在于，图8所示实施例中的步骤S111对应于图 1所示实施例的步骤S110，另外，该晶圆平整度的测量方法还包括步骤 S240-S280。
S111：利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面吸附在气浮卡盘的顶部表面上。
S240：将晶圆在与气浮卡盘的顶部表面平行的平面内旋转180°得到旋转后的晶圆。
S250：利用气浮卡盘提供的吸力调整旋转后的晶圆的背面吸附在气浮卡盘的顶部表面上。
S260：利用干涉仪测量标准镜和旋转后的晶圆的相对表面之间的距离变化ΔS4。
S270：通过比较ΔS4与ΔS1确定气浮卡盘上的痕迹或伪像的距离变化ΔS痕迹或伪像。
举例来说，图9a示出了在晶圆910未旋转前吸附在气浮卡盘900的顶部表面上时测量晶圆的几何参数的示意图，其中在干涉仪测量中真实特征 904与卡盘痕迹/伪像906混在一起。图9b示出了在晶圆910旋转180°后吸附在气浮卡盘900的顶部表面上时测量晶圆的几何参数的示意图。晶圆的几何参数可以包括晶圆形状、晶圆平整度等。由图9a和图9b可知，当晶圆710 旋转180°时，卡盘痕迹/伪像906在晶圆的坐标系中的位置将偏离180°，在卡盘的坐标系中位置不变。由此，通过比较ΔS4与ΔS1可以确定气浮卡盘上的痕迹或伪像的距离变化ΔS痕迹或伪像。
S280：通过将TTV1减去ΔS痕迹或伪像获得校准后的晶圆的平整度TTV1’。
根据本申请提供的技术方案，通过将处于0°的晶圆和旋转180°后的晶圆分别吸附在气浮卡盘的顶部表面上，并测量标准镜和处于0°的晶圆的相对表面之间的距离变化ΔS1以及测量标准镜和旋转180°后的晶圆的相对表面之间的距离变化ΔS4，由于晶圆在旋转之前和之后气浮卡盘上的痕迹或伪像会保持在相同位置，晶圆的真实特征会跟随晶圆的旋转而旋转，因而可以通过比较ΔS4与ΔS1确定气浮卡盘上的痕迹或伪像的距离变化ΔS痕迹或伪像。本申请实施例充分考虑了利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面吸附在气浮卡盘的顶部表面上时气浮卡盘的顶部表面上的伪像/痕迹对晶圆平整度测量的影响，进而使得该测量方法测得的晶圆平整度更加精准。
在本文中，“晶圆几何”可以指晶圆形状参数，也可以指局部平整度参数(也可称为局部平坦度参数，例如局部平整度(Site Flatness，SFQR)、小区平整度(Site flatnessBack Ideal Range,SBIR)、全局平整度(global flatness， GBIR))。晶圆平整度也可以称为总厚度变化(Total Thickness Variation， TTV)，可以指可用于得出SFQR、GBIR和许多其他相关参数的高密度原始数据(≥4M像素/晶圆)。平整度数据通常与晶圆的正面和背面信息相关联。例如，晶圆形状参数可以从单个表面的高度图得出，单个表面可以是晶圆的正面或背面，也可以是两个表面的中间面(国际半导体产业协会 (Semiconductor Equipmentand Materials International，SEMI)定义的晶圆形状)。针对先进的300mm晶圆，正面和背面形状、仅正面或仅背面的中间值之间的差异是非常小的。这是因为晶圆形状是在几微米到几百微米的数量级，而TTV或GBIR是在几十或几百纳米的数量级。在有设计图案的晶圆几何参数测量设备中，因供应商而异，可以从正面或背面计算晶圆形状。
晶圆几何参数测量设备(Wafer Geometry Tool，简称“WGT”)是一种可用在硅晶圆制造工厂中表征晶圆的平整度、纳米形貌和形状(弓形和翘曲)的量测设备，也可以用于玻璃晶圆厂。通常，在运送给客户之前，每个晶圆都必须由WGT型的设备进行认证。有几种现有的设备可以达到这个目的。例如，基于电容传感器的晶圆几何参数测量设备被广泛用于200mm晶圆工厂中。图10a示出了一种基于双菲索干涉仪的设备的结构示意图。该设备可以是用于测量300mm晶圆的晶圆几何参数的设备。基于干涉仪的晶圆几何参数测量设备在精度和吞吐量上均具有优势。尽管事实上300mm晶圆比200mm晶圆更容易振动，基于干涉仪的晶圆几何参数测量设备的精度比基于电容传感器的设备的精度高出大约一至两个数量级。然而，市场上还没有出现基于干涉仪的200mm晶圆几何参数测量设备。基于电容传感器的晶圆几何参数测量设备设计用于250nm、180nm和130nm节点工艺。电容传感器设备无法满足设计节点小于130nm的精度和吞吐量的需求。
图10b示出了一种基于剪切干涉仪的设备的结构示意图。该剪切干涉仪也可以与本申请中的气浮卡盘共同作用以测量晶圆的形状和平整度。
WGT架构
一方面，本申请涉及一种用于针对诸如200mm晶圆的各种类型晶圆进行晶圆平整度和晶圆形状测量的半导体设备架构。相对于基于电容传感器或光学传感器的扫描设备，架构可以具有更好的精度和通量。本申请的架构的实施例也可以用于300mm和450mm晶圆几何参数测量。除了晶圆几何参数测量设备之外，本申请的架构也可以应用在具有设计图案的晶圆几何形状 (Patterned Wafer Geometry，PWG)测量中。气浮卡盘在晶圆形状测量的过程中采用气垫支撑晶圆。气浮卡盘的气浮膜或气垫具有很小刚性,该气浮膜或气垫施加较小的力以支撑晶圆，但不会使晶圆变形，这是用于晶圆形状测量的理想情况。
图10c示出了一种用于晶圆几何参数测量的架构的结构示意图，该架构可以执行与双菲索设备相同的测量，但是成本只有双菲索设备的一小部分。该架构也可以称为晶圆几何参数测量设备。在晶圆形状测量方面，该架构与现有双菲索设备相比具有许多优点。如图10c所示，架构1000可以包括单个干涉仪，该单个干涉仪包括照相机1002、中继透镜1004、偏振分束器PBSC 1006、光源1008(例如照明灯)、准直仪1010和标准镜1012(TransmissionFlat，TF)，该单个干涉仪的所有这些部件如图所示。干涉仪的操作众所周知，在此不再详细描述。在该架构中，单个干涉仪设置为用于测量晶圆1014 的形状。应当理解，标准镜也可以称为测试平台(Test Flat)、透射平面 (Transmission Flat)等。该架构不限定于使用菲索干涉仪，也可以使用其他类型的垂直入射的干涉仪，如基于光栅结构的剪切式干涉仪。
图10c所示的架构1000的实施例可以实现无伪像的测量。在该架构1000 中，晶圆1014可以直接从操作者终端执行器装载到测量室。图10c所示的 WGT架构1000的实施例利用一个垂直安装的菲索干涉仪进行平整度测量和晶圆形状测量。
如图10c所示，晶圆可以水平放置在气浮卡盘1016的顶部表面产生的气垫上。气浮卡盘1016可以包括多个的交替的压力通道和真空通道，用于在气浮卡盘1016的顶部表面形成和保持气垫。气浮卡盘1016也可以包括Z 形偏斜台1018，Z形偏斜台1018可以使气浮卡盘1016偏移和/或倾斜。多个升降销1020可以设置为用于将晶圆从气浮卡盘1016的表面升起。下文将参考图11a-11f进一步详细讨论气浮卡盘的结构。
再次参照图10c，为了测量晶圆1014的厚度将晶圆1014底部的电容传感器1022(嵌入到气浮卡盘1016中)与晶圆1014顶部的一个或多个光学的位置传感器1026(bi-cell或PSD,Position Sensing Diode)以及激光器1024 的组合并入到架构1000中。图10d示出了一种位置传感器与电容传感器相对于晶圆的位置示意图。其中，晶圆可以是标准晶圆，也可以是其他的待测物。图10e示出了位置传感器的校准的示意图。结合图10c-10e，位置传感器的读数可以使用已知厚度的晶圆1011进行校准。位置传感器的位置可以与晶圆顶部表面高度相关联。电容传感器1022可以测量晶圆底部表面的位置。顶部表面的位置和底部表面的位置的组合信息可以用于精确地确定晶圆 1014的厚度。图10d和图10e中的椭圆形的结构代表标准晶圆1011的表面上的光斑。
在晶圆1014顶部的bi-cell或PSD位置传感器还有一个额外的优点。位置传感器的读数可以直接与晶圆厚度相关联。晶圆上面的位置传感器的读数也可以分辨出在晶圆1014和TF 1012之间的相对运动/振动。晶圆振动可能是由气浮卡盘/法兰/支撑机构引起的，而这些并不能被电容传感器1022 感知到，这是因为电容传感器1022与包括晶圆1014和气浮卡盘1016的单元一起移动。
该干涉仪工具可以用于校准电容传感器和光学(bi-cell或PSD)位置传感器。电容传感器1022和光学(bi-cell)位置传感器1026都可以感知气浮的稳定性，但是只有光学(bi-cell)传感器可以感知卡盘组件的振动。当需要隔离振动源时，光学(bi-cell)传感器是很有用的。
应当理解，图10c所示的用于包括晶圆形状和晶圆厚度变化(又称为晶圆平整度或晶圆平坦度)的晶圆几何测量的架构不限于使用菲索干涉仪，其他干涉仪如剪切干涉仪也可以用于本公开的使用反光的气浮卡盘的架构中。
在一实施例中，公开了一种确定激光器和/或位置传感器所处的最佳角度的方法。参照图10d，为了获得最佳的Z轴分辨率，位置传感器1026优选地位于位置传感器的尺寸容许的位置且与标准晶圆1011之间具有最大角度β处。假若Δh是Z轴分辨率(或z-灵敏度)，则以角度β为主导。
Δh＝ΔL*Cosβ/(2Cosα)
其中，ΔL是位置传感器1026可探测到的最小位移，位置传感器1026 可以是一些市场上可以买得到的传感器，例如传感器的最小位移可以到 0.75μm。
Δh＝ΔL/M
其中，M＝[Cosβ/(2Cos(α))]^-1。
由于掠射角α的影响，Cos(α)约等于1，α是光源(如激光器(图10d 中未示出))与标准晶圆1011之间的角度，通常设置为10～15°。随着β的增加，基于上述公式可知M也会增加，这意味着位置传感器1026的灵敏度也将增加。然而，由于对位置传感器中的检测器上光斑尺寸的潜在放大效应 (例如光斑的尺寸不能大于检测器所能检测到的尺寸)，β可能不会太大。也可能存在与位置传感器能够放置在设备中多远距离相关的物理限制。例如，在该掠射角下，传感器表面的激光器的光斑尺寸可以增加1/Sin(90°-β) ＝1/Sin30°。下表1列出了基于不同角度α和β的各种PSD分辨率，单位为 nm。
表1
Figure RE-GDA0003016233530000121
如图10e所示，为了校准位置传感器1026，标准晶圆1011可以在各个位置上下调整。在该示例中，虽然每个晶圆略有不同，但标准晶圆1011的厚度T0可以设置为725μm。标准晶圆的厚度可以由坐标测量机(Coordinate Measuring Machine,CMM)或其他测厚度的工具测量。标准晶圆1011在位置 1088处时为零悬浮高度，位置1088可以为通过将晶圆真空吸到气浮卡盘上时晶圆的位置，并且标准晶圆1011在位置1088处时电容传感器读取的读数为CP0，CP0可以是将CPn设置为0。然后可以读取来自位置传感器1026 的位置传感器的读数(V0(±10V))。之后，可以调节真空和压力以使标准晶圆 1011悬浮在位置1090处，位置1090处电容传感器的读数为CP1，CP1减去CP0等于20μm(或约等于20μm)。同时记录CP1-CP0等于20μm时的位置传感器的读数V1。
接下来，真空和压力可以再次调节直至标准晶圆1011悬浮在位置1092 处，位置1092处电容传感器的读数为CP2，CP2减去CP0约为30μm。同时记录CP2-CP0约为30μm时位置传感器的读数V2。以上步骤可以重复用于分别在40μm、50μm、60μm等时电容传感器的读数CP3、CP4、CP5等。
接下来，可以计算出Δ(CPn-CP0)，如CP1-CP0,CP2-CP0等.表2示出了计算出的示例性的结果。
表2
Figure RE-GDA0003016233530000131
基于以上数据，可以绘制出hx vs Vx附图，并对hx vs Vx附图进行线性拟合可以得到斜率Sμm/V(见图10f)。其中，hx为电容传感器读数CPn 与基准电容传感器读数CP0的差值，即相对的晶圆表面高度。校准数据包括：1)斜率，Sμm/V；2)晶圆的厚度T0＝725μm；3)基准PSD读数：V0； 4)基准电容传感器读数：CP0。校准数据可以保存，校准的软件实现方案可以是通过使用以下公式执行：
T晶圆＝T0+(CP0-CPn)+S*(Vx–V0)
其中，CPn是晶圆在一定悬浮高度时电容传感器的读数。
CP0是当晶圆真空吸至气浮卡盘上时电容传感器的读数。
Vx是位置传感器的读数，单位为伏特Volt。
以μm为单位的电容传感器的读数可以根据工厂校准常数C计算得到，其中，C＝Δh/ΔV,μm/volt，以μm为单位的电容传感器的读数CPn＝C*ΔVcp。
气浮卡盘
图10c所示的架构1000的实施例可以实现无伪像的测量。在该架构1000 中，测试下的晶圆1014可以直接从操作者终端执行器装载到测量室。在本公开的另一方面，公开了一种气浮卡盘。图11a和图11b示出了示例性的用于使晶圆保持在气垫上的真空喷嘴和压力喷嘴的气浮卡盘。如图11a和图 11b所示，气浮卡盘1101在卡盘表面上具有压力和真空喷嘴阵列，其中交替的压力喷嘴1102和真空喷嘴1104布置成每个均等间隔的同心喷嘴环。
真空吸力和压力支撑力可以保持晶圆悬浮在气浮卡盘1101上几微米至数百微米的气垫上。气垫越薄，气流量越大，气浮就越刚硬。在适当的真空和压力流速下，气浮可以是非常刚硬(例如，>1N/μm)。对于约为20μm的气隙，气浮也将具有显著的使晶圆平坦的能力。然而，100μm厚的气浮的刚性可以是低至1N/μm的十分之一，其中，使晶圆形状变形的力非常小。真空喷嘴和压力喷嘴可以布满喷嘴部的整个顶部表面，以使气垫所支撑的如晶圆之类的支撑物受到的支撑力均衡，进而有利于保持晶圆的原始形状。
为了从晶圆的正面测量晶圆平整度或TTV，可以通过气浮卡盘1101使晶圆的背面平坦并使其与卡盘表面相匹配。当将气浮间隙设置在适当的高度 (例如15μm至20μm)时，在气浮卡盘1101上未检测到伪像。为了测量晶圆的形状，将晶圆悬浮在气浮卡盘1101的表面上，气浮间隙设置为约等于60μm-300μm，其中晶圆由气浮卡盘1101产生的气垫支撑，并且由于大间隙下的吸力非常小，晶圆能够保持其原始形状。
为了满足针对晶圆平整度和形状测量的WGT要求，气浮卡盘1101可以具有以下特征，如图11a所示。
(1)布置成同心环的轴对称的、交替的压力和真空喷嘴1102、1104。
(2)喷嘴环中距离圆心最远的喷嘴环的半径比晶圆的半径小。喷嘴如真空喷嘴或压力喷嘴从圆心一直向外延伸至大约气浮卡盘1101的半径最后的0-20mm(大于0)处，优选为2-4mm，从而支撑晶圆。举例而言，对于 200mm的卡盘，喷嘴如压力喷嘴1102或真空喷嘴1104会径向延伸，以使最后一组喷嘴的中心位于在气浮卡盘上直径为199mm、198mm、196mm、190mm或180mm等的位置。在该实施例中，气浮卡盘1101的表面优选大于晶圆400的表面，从而使得晶圆悬空时不会超出气浮卡盘1101的边缘。
(3)随着半径的增加，优选地，每个喷嘴环增加6个喷嘴，同时喷嘴之间的切线间隔保持恒定。为了实现这一点，使用以下公式N＝6*n。其中， n是同心喷嘴环的第n个，N是每个喷嘴环的喷嘴的数量，其中n＝0是晶圆中心的第一个“喷嘴环”。优选使用数字“6”以实现在径向和切向上喷嘴之间的位移也大致相同。
数字“6”的选择基于以下方法。真空喷嘴1104和压力喷嘴1102之间在切向上的间隔ΔT在整个气浮卡盘1101上可以是相同的。相邻的喷嘴环间隔开恒定的距离ΔR。对于给定的ΔR、ΔT可以使用以下方法计算。
假设每个相邻的喷嘴环，其喷嘴的数量随着半径的增加而以偶整数m 增加(偶整数是因为真空和压力喷嘴成对)：
N＝m*n
其中“N”是每个喷嘴环的喷嘴的数量；
“n”是第n个喷嘴环；每个喷嘴环之间相隔ΔR，第n个喷嘴环的半径为Rn＝n*ΔR。
因为喷嘴的数量成对增加，所以“m”是偶整数(例如2、4、6、8、 10)。
ΔT＝2p*n*ΔR/N＝2p*ΔR/m＝(2p/6)*ΔR
其中，p为圆周率常数π。当m＝6时，基于上述公式，ΔR和ΔT具有几乎相同的值。
(4)WGT 200(用于测量200mm晶圆的晶圆几何参数测量设备)的卡盘平整度优选为小于或等于1.5μm。WGT 300(用于测量300mm晶圆的晶圆几何参数测量设备)优选为小于或等于2μm。
(5)卡盘表面需要满足镜面抛光的卡盘表面>N4(按照ISO标准)的标准。
(6)气浮卡盘1101的直径优选地比晶圆的直径大10mm。气浮卡盘的大于晶圆的区域由于测量期间其未被晶圆阻挡而可以用于在晶圆测量期间进行校准。
(7)3个晶圆夹具1108，2个固定件(相隔90°，用于固定任意两个晶圆夹具1108)，一个晶圆中心的驱动夹具。晶圆上的力可以调节(例如 0.05lb-1lb)。
(8)4个升降销1109，可以以平稳的方式将晶圆从气浮卡盘1104的顶部表面提升一定距离，以方便晶圆从卡盘上取出。
图11b中真空喷嘴和压力喷嘴如图所示的ΔR、ΔT布置。其中，Δ R＝11.0mm，ΔT＝9.0mm。由于ΔR与ΔT之差仅为2mm，由此可以认为ΔR 与ΔT大致上相同。
图11c示出了一种气浮卡盘的压力喷嘴1102和真空喷嘴1104的连接层的示意图。图11c提供了气浮卡盘1131的堆叠层的俯视图。堆叠层包括真空分流层1132、压力分流层1133和顶部的卡盘层1134。真空分流层1132 包括真空通道1135，真空分流层1132将所有真空通道1135和真空供应连接。压力分流层1133包括压力通道1136，压力分流层1133将所有压力通道1136和压力供应连接。顶部的卡盘层1134包括多个通孔，多个通孔用以将真空分流层1132中的真空通道1135连接到顶部的卡盘层1134的顶部表面上的真空喷嘴。顶部的卡盘层1134还包括附加通孔，附加通孔用以将压力分流层1133中的压力通道1136连接到顶部的卡盘层1134的顶部表面上的压力喷嘴。真空和压力的通孔以与图11a和11b所示的真空和压力喷嘴布置相对应的交替方式布置。
图11d示出了根据本申请一实施例提供的一种气浮卡盘1131’的堆叠结构的侧视示意图。该气浮卡盘1131’包括顶部的卡盘层1134’、真空分流层1132’和压力分流层1133’。交替的通孔1140、1142分别将真空通道1135’和压力通道1136’连接到气浮卡盘1131’的顶部表面上的真空喷嘴和压力喷嘴。如图11d所示的气浮卡盘的侧视图，交替的真空喷嘴和压力喷嘴之间的间隔ΔT可以基本相同。
图11e示出了根据本申请另一个实施例提供的一种气浮卡盘1161的堆叠结构的侧视示意图。在该实施例中，该堆叠结构可以包括顶板1190、后盖板1192和夹在顶板1190和后盖板1192之间的分流板1194。顶板1190 可以由铝、陶瓷、玻璃或微晶硅等组成，顶板1190的优选厚度范围为 10-60mm。类似于图11d的实施例，在顶板1190中交替设置的通孔1180、1182分别提供压力支撑力和真空吸力，以保持晶圆悬浮(图11d中未示出) 在气垫上。通孔1180、1182的直径可以为1.25-1.5mm。
分流板1194的顶部表面和底部表面可各自具有一个或多个凹槽，真空通道1196和压力通道1198可分别位于上述凹槽中。在图11e所示的示例中，分流板1194的顶部表面上的凹槽可嵌入真空通道1196，该真空通道1196 通过通孔1180将堆叠结构的顶板1190上的真空喷嘴连接至堆叠结构的底板上的真空出口1197。类似地，分流板1194的底表面上的凹槽可嵌入压力通道1198，压力通道1198通过通孔1182将堆叠结构的顶板1190上的压力喷嘴连接至堆叠结构的底板上的压力出口1199。分流板的顶部表面和底部表面上的凹槽可以分别根据真空通道和压力通道的结构进行设置，可以为几毫米宽和几毫米深，优选为宽2mm和深2mm。
图11f示出了图11e中堆叠结构的顶板1190的顶部表面1190f的示意图。顶部表面包括具有等距或不等距交替的压力和真空喷嘴(或孔)1f、2f，例如5-25mm的径向和切向间隔，优选为8-12mm。真空喷嘴1191的直径可以为几毫米，例如1.5mm。压力喷嘴1f的直径可以为几毫米，例如1.25mm。真空喷嘴2f和压力喷嘴1f都可以具有倒角。
图11g示出了图11e中堆叠结构的顶板1190的底部表面1190g的示意图，示出了压力喷嘴和真空喷嘴1f’、2f’的相同图案。底部表面1110g也可包括用于将堆叠结构的板紧固在一起并密封真空和压力通道的M3.5或M4 螺纹孔1112g。或者，可以使用胶水将板固定在一起，这可以提高顶部表面的平整度。如果使用胶水，则板上无需有任何M3.5或M4或任何其他螺纹孔。
图11h示出了图11e中堆叠结构的分流板1194的俯视图。来自顶板(图 11h中未示出)的所有真空喷嘴连接到分流板1194的顶部表面1h中相应的真空孔1194a。相比之下，来自顶板(图11h中未示出)的所有压力喷嘴连接到分流板1194中相应的压力孔1194b，形成从顶板向下穿过分流板1194 的直孔(如图11e所示)，从而将顶板上的压力喷嘴连接到嵌入到分流板1194 底部凹槽上的压力通道1194c(如图11i所示)。在一实施例中，在分流板 1194的顶部表面上的真空通道1194d可以呈图11h所示的图案。通道与顶板上的真空喷嘴对齐，并通过沿着分流板1194的边缘的外部圆形通道1194e 连接。图11h还示出了用于将堆叠结构的板固定在一起的M3.5或M4螺纹孔1112g’。
图11i示出了图11e中堆叠结构的示例性的分流板1194的仰视图。在该实施例中，压力通道/凹槽1130e可以呈内环形图案(“压力供应环”)，压力通道/凹槽1130e连接穿过分流板1194的压力孔。由于压力供应环的横截面增大，因此压力供应环的阻力较小。图11i的仰视图还示出了在图11h 的俯视图中可见的M3.5或M4螺纹孔1112g”。尽管仰视图也示出了叠加的真空通道1194a’，但是应当理解，这仅出于说明的目的，如图11h所示，实际的真空通道1194a’位于分流板1194的顶部表面上的凹槽中。
图11j示出了图11e中堆叠结构的后盖板1192的俯视图。图11k示出了图11e中堆叠结构的后盖板1192的仰视图。如图11i所示，后盖板1192 的顶部表面可以被抛光以密封嵌入有压力凹槽的分流板分流的底表面。在该实施例中，存在三个开口1192a，三个开口1192a用于将压力通道从分流板 1192的底部表面连接至压力配件(图11j中未示出)。此外，还有三个其他开口1192b，开口1192b用于将真空通道从分流板的顶部表面连接到真空配件(图11j中未显示)。在图11k中的后盖板1192的仰视图上也示出了相同的压力和真空开口1192a’、1192b’。图11j所示的后盖板1192的俯视图和图11k所示的后盖板1192的仰视图还示出了M3.5或M4螺纹孔1112g”’， M3.5或M4螺纹孔1112g”’用于将后盖板与堆叠结构中的其他板紧固。
尽管图11e-11k示出了气浮卡盘的堆叠结构，该堆叠结构具有压力通道和真空通道，压力通道和真空通道分别位于分流层的底部表面和顶部表面上的凹槽中，但是应当理解，这些通道也可以被嵌入在其他层的凹槽中。例如，真空通道可以位于在顶板的底层上的凹槽中，而压力通道可以位于在后盖板的顶层上的凹槽中。此外，应当理解，在其他实施例中，可以互换真空通道和压力通道的布置。在各种实施例中，可以包括不同数量的真空和/或压力喷嘴。可以根据喷嘴的数量和位置调整真空和压力通道的路径。在堆叠结构底部的真空配件和压力配件的数量不限，例如可以是3个或更多个。
以下参考图12a和12b详细提供了使用图10c所示的架构1000测量晶圆形状的示例性方法。
使用气浮卡盘和单个干涉仪的晶圆几何测量的方法具有许多优点。例如，气浮卡盘可以为位于气浮卡盘上的晶圆提供有效的气体阻尼。该气体阻尼的作用不仅使干涉仪测量更精确，而且由于无需昂贵的主动隔振系统和重型的隔声振动器使得成本更低。由于晶圆装载过程的简化，该气体阻尼的作用还节省了架构内部晶圆转移的成本，例如，在单个干涉仪下方水平装载晶圆。与双菲索干涉仪相比，单个干涉仪架构通过去除一个干涉仪和相关的光学器件而节约了成本。同样也不需要双菲索干涉仪架构中所需要的将晶圆从水平方向旋转90°到垂直方向的机构。架构中也不需要双菲索架构中的隔声盒。另外，气垫可以提供气体阻尼性能。整个系统有较少的活动部件，使得该系统较双菲索架构更可靠。晶圆可以直接装载在卡盘上以减少当使用基于双菲索干涉仪的设备时所需的晶圆传送时间。对于300mm或450mm晶圆来说，这种WGT架构设备的优势更大，其中，300mm或450mm晶圆的震动可能是最主要的一种噪音来源，因而很难在平整度测量中达到高精度。对于 300mm或450mm的设备来说，光学元件准直仪、标准镜和折叠镜都很大且昂贵。去除一个干涉仪、一个晶圆垂直装载系统、一个隔声盒以及一个数据采集系统的通道可以大大降低原始设备制造商(original equipment manufacturers，OEMs)及其客户的成本。
形状测量方法
图12a和图12b示出了一种使用图10c所示的架构进行形状测量的方法示意图。参考图12a，为了测量形状，首先，将参考TF1202(TF-ref)放置在气浮卡盘1204的表面以校准设备中的TF 1200。Cal＝STF–STF-ref。参考 TF平整度(以nm为单位)可以比晶圆形状的平整度(以μm为单位)好很多。因此，STF-ref是平移项，可以去除。如果TF 1200较厚且具有极少的TF凹陷，空腔校准步骤也可以跳过。在该步骤中，在卡盘上没有晶圆。该校准可以在出厂前完成。假设TF形状不变，倾斜校正可以仅在测量时再完成。
参考图12b，在下一步中，晶圆1206放置在气浮卡盘1204的顶部表面上。为了测量晶圆形状，晶圆1206悬浮在较大的气隙(例如，60μm-1500μm，优选为60μm-300μm)处。气浮卡盘的如此设计和操作方式使压力能够平衡重力，从而不存在使晶圆变形的附加力。因此，在这些较大的气隙下，晶圆1206在由气垫支撑的同时保持其自然的形状。
SWFR＝(STF–S正面)
接下来，获得Cal与晶圆表面测量的差值以计算晶圆形状：
晶圆形状＝Cal–SWFR＝(STF–STF-ref)–(STF–S正面)＝S正面–STF-ref＝S正面
由于参考TF平整度较高，因而STF-ref可以相当于一个常数，S正面–STF-ref与S正面均可以反映晶圆形状，即晶圆正面的形状。另外，对于双抛光的晶圆，如部分200mm晶圆或300mm晶圆，背面的形状可以将晶圆翻转过来，背面向上进行测量。和正面测量，和厚度测量仪测量结果一起，就可以算出TTV。
通过以上步骤进行的形状测量是精准的，且只要气隙设置正确则无需校正。这可能是用于有设计图案的晶圆几何(Patterned Wafer Geometry，PWG)) 设备的理想设备结构。与双菲索干涉仪架构相比，本申请的架构具有更好的精度、匹配度以及更低的成本。该架构可以使用基于光栅的剪切干涉仪代替菲索干涉仪，且使用气浮卡盘代替三个支撑的升降销，从而提高了剪切干涉仪测量的精准度并通过使晶圆倾斜增加了测量的翘曲动态范围。
对于较大翘曲的晶圆，二维倾斜平台可以用于克服图10c所示的架构中干涉仪的动态范围限制。如图13所示，当倾斜时，与处于垂直位置的相同晶圆1306’相比，处于水平位置的晶圆1306的形状可以更好地保持。在相同晶圆1306’处于垂直位置的情况下，如果晶圆1306’不完全垂直，重力可以改变晶圆1306’的形状。
具体地，图13示出了处于垂直位置的晶圆1306’在晶圆倾斜时易于发生形变的示意图。这是因为当垂直夹持的晶圆1306’发生倾斜时，扭矩T 施加在晶圆1306’上。该扭矩将使晶圆的形状发生改变。这限制了传统的双菲索干涉仪设备的测量精准性。相比之下，如图13的水平设置所示，本申请的架构将晶圆1306支撑在薄的气垫上，即使晶圆1306处于较小的倾斜角度(通常小于几分之一度)，这也有助于保持晶圆1306的自然形状。
本申请的架构可以用于测量薄晶圆的翘曲，其中，当晶圆在垂直位置倾斜时，晶圆因太薄而无法放置在垂直位置或因太薄而无法保持其形状不变。对于一些的薄晶圆，可能会因太薄而无法在晶圆边缘的两点处形成支撑。在该架构中，晶圆处于水平位置并由气垫支撑。当晶圆倾斜时，给晶圆施加非常小的径向力以保持晶圆的位置。在适当的悬浮高度、真空/气压设置下，可以测量薄晶圆的翘曲。
因此，使用上述方法的晶圆几何参数测量设备和有设计图案的晶圆几何参数测量设备可以具有高精度和吞吐量，但是，与双菲索架构相比，价格仅为其一半。对于诸如200mm、300mm和450mm之类的任何尺寸晶圆的晶圆平整度、纳米形貌和形状的测量设备来说，该方法是一种经济高效和高精度的解决方案。
图14示出了根据本申请一实施例提供的一种用于测量有设计图案的晶圆倾斜平台的示例性的测角架的结构示意图。示出的步骤包括两个堆叠的测角架1400，这两个堆叠的测角架1400用于增加晶圆翘曲动态范围和吞吐量。当倾斜晶圆时，可以保持晶圆聚焦。需要注意的是，X、Y平台1402、1404 是以90°相交，而图14中将X、Y平台1402、1404绘制在同一平面上是为了便于说明常见的旋转中心。
图15a和15b示出了根据本申请一实施例提供的一种示例性的分流室 1500的结构示意图。该分流室1500用于将压力喷嘴与真空喷嘴分离开来。如图15a和15b，分流室1500包括压力分流室1504和真空分流室1502，所有的真空喷嘴与真空分流室1502连接，所有的压力喷嘴直接通过真空分流室1502到达位于真空分流室下方的压力分流室1504。计算机流体动力学 (Computational fluid dynamics，CFD)模拟显示这种分流室大大地提高了真空喷嘴和压力喷嘴的均匀性。分流室可以提供均匀的气体量，最大程度的优化增加的通道尺寸。另外，腔室高度可以调整成使孔口流量变化最小的高度。
用于支撑晶圆的气垫也具有气体阻尼作用，这有效地隔离了地面振动和声振，同时去除或减少了隔声盒和主动隔振系统的需求。
使用以上实施例中的气浮卡盘还有其他优点。例如，可以提高应用在晶圆上的掩膜层的厚度测量的准确性。在三维闪存(3D NAND)工艺中，高度不透明的硬掩膜(或薄膜)厚度测量未满足需求，这是因为传统的光学方法不能很好地应用在不透明的薄膜上。WGT晶圆厚度测量的特点可以用于硬掩膜厚度的测量，如对晶圆厚度进行两种测量，一种为“掩膜前” (pre-mask，Tpre)的厚度测量，一种为“掩膜后”的厚度测量(Tpost))。 Tpre＝T0+E_RTE_pre
Tpost＝T1+E_RTE-post
T0和T1分别是掩膜沉积前后的厚度测量值。E_RTE_pre和E_RTE-post 是晶圆掩膜前和掩膜后各自的光线跟踪误差(Ray Tracing Errors，RTE)。
因此，掩膜的厚度ΔT＝Tpost–Tpre＝(T1-T0)+(E_RTE-post-E_RTE_pre)
因为在施加掩膜之后晶圆可以急剧地翘曲，所以RTE(即， E_RTE-post-E_RTE_pre)可以明显地影响Tpre和Tpost的测量结果，从而导致ΔT计算中的重大误差。根据本文公开的实施例，在将掩膜施加到晶圆的表面上之后，由气浮卡盘产生的吸力可以使晶圆基本平坦，从而掩膜前和掩膜后晶圆形状基本相同，从而使RTE最小化(即
Figure RE-GDA0003016233530000201
)，并使厚度测量的准确性增加。
气浮卡盘可以用于通过迫使高度翘曲的晶圆与气浮卡盘的顶部表面相匹配减少或消除干涉仪的光线跟踪误差，或者用于减少沉积薄膜后的晶圆翘曲，以使沉积薄膜前的形状与沉积薄膜后的形状相当，当薄膜厚度之差通过沉积薄膜后晶圆的厚度减去沉积薄膜前晶圆的厚度计算得到时，光线追踪误差最终将消除。这种方法应用于不透明的硬掩膜层的厚度测量时，能够大大减少由于高翘曲的晶圆导致的光线追踪误差。
尽管已经参考附图充分描述了本申请的实施例，但是应当注意，对于本领域技术人员，各种改变和修改会变得显而易见。这样的改变和修改应被理解为包括在由所附权利要求限定的本申请的实施例的范围内。

Claims (9)

1.一种晶圆平整度的测量方法，其特征在于，包括：
利用气浮卡盘提供的吸力调整晶圆的背面，以使所述晶圆的背面变平或使所述晶圆的背面与所述气浮卡盘的顶部表面相匹配，所述晶圆的背面为所述晶圆靠近所述气浮卡盘的表面；
利用所述气浮卡盘提供的支撑力将所述晶圆悬浮在所述气浮卡盘的顶部表面上方预定距离D处，所述气浮卡盘包括交替的真空喷嘴和压力喷嘴，交替的所述真空喷嘴和所述压力喷嘴布置成同心环的、轴对称的结构；
利用干涉仪测量所述晶圆与标准镜的相对表面之间的第一距离变化ΔS1，所述干涉仪位于所述标准镜远离所述气浮卡盘的一侧，其中，所述气浮卡盘的顶部表面与所述晶圆的正面能够反光，所述晶圆的正面为所述晶圆远离所述气浮卡盘的表面；
根据第二距离变化ΔS2和所述ΔS1获得所述晶圆的平整度TTV1，其中，所述ΔS2为在所述晶圆未装载时利用所述干涉仪测量的所述气浮卡盘与所述标准镜的相对表面之间的第二距离变化，所述晶圆的平整度为所述晶圆的总厚度变化。
2.根据权利要求1所述的晶圆平整度的测量方法，其特征在于，所述预定距离D为0μm-50μm。
3.根据权利要求2所述的晶圆平整度的测量方法，其特征在于，所述预定距离D为5μm-30μm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的晶圆平整度的测量方法，其特征在于，还包括：
获取所述晶圆的背面与所述气浮卡盘的顶部表面之间的不匹配项SN.C.，
其中，所述根据第二距离变化ΔS2和所述ΔS1获得所述晶圆的平整度TTV1，包括：
通过将所述ΔS2减去所述ΔS1以及所述SN.C.获得所述晶圆的平整度TTV1。
5.根据权利要求4所述的晶圆平整度的测量方法，其特征在于，所述获取所述晶圆的背面与所述气浮卡盘的顶部表面之间的不匹配项SN.C.，包括：
将已知平整度为TTV0的标准晶圆放置在所述气浮卡盘上；
利用所述干涉仪测量所述标准晶圆与所述标准镜的相对表面之间的距离变化ΔS0；
通过将所述ΔS2减去所述ΔS0以及所述TTV0获得所述不匹配项SN.C.。
6.根据权利要求5所述的晶圆平整度的测量方法，其特征在于，所述将已知平整度为TTV0的标准晶圆放置在所述气浮卡盘上，包括：
将已知平整度为TTV0的所述标准晶圆搁置在所述气浮卡盘上；或
利用所述气浮卡盘提供的支撑力将已知平整度为TTV0的所述标准晶圆悬浮在所述气浮卡盘上方。
7.根据权利要求4所述的晶圆平整度的测量方法，其特征在于，还包括：
利用温度、气浮高度FH对所述不匹配项SN.C.进行校正。
8.根据权利要求1所述的晶圆平整度的测量方法，其特征在于，所述利用气浮卡盘提供的吸力调整所述晶圆的背面，以使所述晶圆的背面变平或使所述晶圆的背面与所述气浮卡盘的顶部表面相匹配，包括：
利用所述气浮卡盘提供的吸力调整所述晶圆的背面吸附在所述气浮卡盘的顶部表面上，
其中，所述晶圆平整度的测量方法还包括：
将所述气浮卡盘在与所述气浮卡盘的顶部表面平行的平面内旋转180°得到旋转后的气浮卡盘；
利用所述旋转后的气浮卡盘将所述晶圆吸附至所述旋转后的气浮卡盘的顶部表面；
利用所述干涉仪测量所述标准镜和所述晶圆的相对表面之间的距离变化ΔS3；
通过将所述ΔS3减去所述ΔS1确定所述气浮卡盘上的痕迹或伪像的距离变化ΔS痕迹或伪像；
通过将TTV1减去所述ΔS痕迹或伪像获得校准后的所述晶圆的平整度TTV1’。
9.根据权利要求1所述的晶圆平整度的测量方法，其特征在于，所述利用气浮卡盘提供的吸力调整所述晶圆的背面，以使所述晶圆的背面变平或使所述晶圆的背面与所述气浮卡盘的顶部表面相匹配，包括：
利用所述气浮卡盘提供的吸力调整所述晶圆的背面吸附在所述气浮卡盘的顶部表面上，
其中，所述晶圆平整度的测量方法还包括：
将所述晶圆在与所述卡盘的顶部表面平行的平面内旋转180°得到旋转后的晶圆；
利用所述气浮卡盘提供的吸力调整所述旋转后的晶圆的背面吸附在所述气浮卡盘的顶部表面上；
利用所述干涉仪测量所述标准镜和所述旋转后的晶圆的相对表面之间的距离变化ΔS4；
通过比较ΔS4与所述ΔS1确定所述气浮卡盘上的痕迹或伪像的距离变化ΔS痕迹或伪像；
通过将所述TTV1减去所述ΔS痕迹或伪像获得校准后的晶圆的平整度TTV1’。
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