CN113267278A - 一种薄膜应力测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜应力测量仪及其测量方法，涉及测量技术领域，测量仪包括框架、测量模组、步进电机、驱动器、晶圆平台和计算机；导轨、测量模组和步进电机置于框架上层，晶圆平台固定于框架下层，步进电机设置在导轨的一端，步进电机连接驱动器用于控制测量模组在导轨上移动，导轨上设有两个限位器，用于限制测量模组的移动距离；测量模组和驱动器分别连接计算机，测量模组通过隔板上的长槽向置于晶圆平台上的晶圆发射激光，并接收反射激光，计算机中设置步进电机的扫描步长用于计算晶圆的曲率半径。该测量仪通过寻找晶圆中心点调节测量模组角度并对数据去边处理，使反射光尽量处于位置传感器的探测中心有利于提高采样精度，保证数据对称。

Description

一种薄膜应力测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其是一种薄膜应力测量仪及其测量方法。

背景技术

薄膜材料与技术广泛应用于在半导体各工艺制程中，在薄膜制备过程中，由于薄膜与基片的热膨胀系数不同、薄膜结构内部应力等原因，薄膜生长后往往存在应力，导致基片的翘曲变形，影响光刻精度和自动化作业，应力过高会导致薄膜开裂和脱落。薄膜应力测量有助于及时调整薄膜生长工艺，排除坏片，提高制造效率，节约制造成本。

传统的薄膜应力测量设备，首先测量镀膜前和镀膜后的表面曲率，然后通过预设置的膜厚、基片厚度等数据计算薄膜应力。晶圆的表面曲率测量方法普遍为：采用单束或多束激光照射晶圆表面，晶圆表面存在翘曲时，会影响激光的反射角度，通过传感器检测反射激光的位移，计算晶圆表面曲率。上述测量方法由于测量反射角度带来的位移，存在如下缺点：采样精度受传感器安装精度影响，在反射光的分布与位置传感器中心偏差大时，采样精度变差；晶圆曲率半径受边缘加工工艺影响较大，导致计算应力值准确度变差。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种薄膜应力测量仪及其测量方法，本发明的技术方案如下：

一种薄膜应力测量仪，其特征在于，包括带有导轨的框架、测量模组、步进电机、驱动器、晶圆平台和计算机，框架通过隔板分层设置；

导轨、测量模组和步进电机均置于框架上层，晶圆平台固定于框架下层，测量模组设置在导轨上，步进电机设置在导轨的一端，步进电机连接驱动器用于控制测量模组在导轨上移动，导轨上设有两个与驱动器相连的限位器，用于限制测量模组的移动距离，沿测量模组的移动路径在隔板上开设长槽；

测量模组和驱动器分别连接计算机，测量模组通过长槽向置于晶圆平台上的晶圆发射激光，并接收反射激光，计算机用于控制步进电机的扫描步长，还用于计算晶圆的曲率半径。

其进一步的技术方案为，测量模组包括装配在第一工装板上的第一激光器、第二激光器、分光镜、反射镜以及装配在第二工装板上的位置传感器，第一工装板贴合导轨设置，第二工装板设置在激光反射侧，并与第一工装板的一侧垂直连接；

第一激光器设置在分光镜的右侧，第二激光器设置在分光镜的上方，反射镜设置在激光反射侧，第一激光器发出的入射光经分光镜反射至晶圆表面，第二激光器发出的入射光经分光镜透射至晶圆表面，两束入射光的波长不同，以适配不同反射率和吸收特性的晶圆，两束入射光交汇形成一束入射光经过晶圆表面后，反射光经过反射镜后水平进入位置传感器，位置传感器连接计算机传递采样电压值。

其进一步的技术方案为，第一激光器、第二激光器和反射镜通过工装件装配在第一工装板上，工装件包括两个叠放的中空安装板，中空部位用于放置器件，两个中空安装板的对角线端通过顶丝连接，上层中空安装板的一侧通过螺钉紧固在第一工装板上，通过松紧螺钉来调节工装件的角度，在两个中空安装板之间卡接钢珠，在调节角度过程中通过移动钢珠使两个中空安装板保持平行。

其进一步的技术方案为，晶圆平台的托盘上设置有定位销，用于固定晶圆放置角度；晶圆平台的底座下方设置有调节平台，调节平台的一端与底座连接，另一端与螺钉螺纹连接，通过旋转螺钉用于调节晶圆平台的水平度。

其进一步的技术方案为，位置传感器基于PSD2534型号实现。

一种薄膜应力测量仪的测量方法，适用于上述薄膜应力测量仪，该测量方法包括：

通过寻找晶圆中心点调节第一激光器、第二激光器和反射镜的角度，使入射光在晶圆中心点时反射光在位置传感器的探测中心附近；

在计算机中设定步进电机的扫描步长和反射光光程；

步进电机控制测量模组向待测晶圆边缘方向移动，当位置传感器捕获电压跳变时，位置传感器开始采样并将采样电压值传递给计算机；

控制测量模组按设定扫描步长沿待测晶圆直径方向移动，直至驱动器检测到限位器时，步进电机停转、位置传感器停止采样；

计算机利用晶圆中心点对采样电压值进行去边处理，将每个扫描步长下的所有采样电压值取平均值后，转换为每个扫描步长对应的偏转位移；

将反射光光程、扫描步长和对应的偏转位移代入曲率半径公式，得到每个扫描步长对应的曲率半径，取平均值得到待测晶圆的曲率半径；

曲率半径公式为：

其中，L为反射光光程，Δs为扫描步长，Δx为扫描步长对应的偏转位移。

其进一步的技术方案为，规定测量模组从第一限位器移动到第二限位器，则寻找晶圆中心点的方法包括：

将待测晶圆放置在调节水平后的晶圆平台上；

确定第一限位器到待测晶圆边缘的水平距离以及待测晶圆半径；

根据步进电机的控制函数，将水平距离以及待测晶圆半径分别转换为步进电机的脉冲数；

驱动器判断是否检测到第一限位器，若是，则步进电机按照脉冲数控制测量模组移动到待测晶圆边缘，否则步进电机控制测量模组回归到第一限位器的位置；

当位置传感器捕获电压跳变时，步进电机按照脉冲数控制测量模组移动到待测晶圆中心点位置，步进电机停转。

其进一步的技术方案为，计算机利用晶圆中心点对采样电压值进行去边处理，包括：

确定待测晶圆中心点对应的采样电压值作为取样中心点；

设定取样长度，根据取样长度保留取样中心点两侧的对称数据，去掉晶圆边缘数据；

对保留数据进行一次拟合后，去除多余噪点和离群点，得到去边处理后数据。

本发明的有益技术效果是：

激光通过长槽入射至晶圆表面，长槽限制了激光入射范围，避免调节过程中激光扫描到其他地方造成破坏；通过在导轨上设置两个限位器，不仅能够限制测量模组的移动距离，还通过限位器到晶圆边缘的距离进而控制步进电机的脉冲数，使测量模组能够精准到达晶圆边缘位置；将测量模组中需要调节角度的器件采用工装件装配，便于操作人员调节，在调节过程中通过移动钢珠位置保证工装件的水平，利于角度的精准调节；与传统的薄膜应力测量设备相比，在测量过程中，通过寻找晶圆中心点调节器件角度，使入射光在晶圆中心点时反射光在位置传感器的探测中心附近，提高了采样的精度；在对采样电压值进行处理时还利用晶圆中心点进行去边处理，去掉晶圆边缘数据，使一次拟合时的数据更接近晶圆表面形态，得到更准确的晶圆曲率半径，进而计算出更准确的薄膜应力值。

附图说明

图1是本申请提供的薄膜应力测量仪的主视图。

图2是本申请提供的框架上层剖视图。

图3是本申请提供的框架上层俯视图。

图4是本申请提供的测量模组主视图。

图5是本申请提供的测量模组俯视图。

图6是本申请提供的测量方法的流程图。

图7是本申请提供的寻找中心点的流程图。

图8是本申请提供的测量模组的光路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，一种薄膜应力测量仪，包括带有导轨1的框架2、测量模组3、步进电机4、驱动器、晶圆平台5和计算机，框架2通过隔板6分层设置。

晶圆平台5的托盘上设置有定位销9，用于固定晶圆放置角度。晶圆平台5的底座下方设置有调节平台10，调节平台10的一端与底座连接，另一端与螺钉11螺纹连接，通过旋转螺钉11能够调节晶圆平台5的水平度。

结合图1-图3所示，导轨1、测量模组3和步进电机4均置于框架上层，晶圆平台5固定于框架下层，测量模组3设置在导轨1上，步进电机4设置在导轨1的一端，步进电机4连接驱动器(图中未示出)用于控制测量模组3在导轨1上移动，导轨1上设有两个与驱动器相连的第一限位器71和第二限位器72，用于限制测量模组3的移动距离，在隔板6上沿测量模组3的移动路径开设一个长槽8。测量模组3和驱动器分别连接计算机(图中未示出)，测量模组3通过长槽8向置于晶圆平台5上的晶圆发射激光，并接收反射激光，计算机用于控制步进电机4的扫描步长，还用于计算晶圆的曲率半径。

结合图4-图5所示，测量模组3包括装配在第一工装板31上的第一激光器32、第二激光器33、分光镜34、反射镜35以及装配在第二工装板36上的位置传感器37，第一工装板31贴合导轨1设置，第二工装板36设置在激光反射侧，并与第一工装板31的一侧垂直连接。

具体的，第一激光器32设置在分光镜34的右侧，第二激光器33设置在分光镜34的上方，反射镜35设置在激光反射侧，第一激光器32发出的入射光经分光镜34反射至晶圆表面，第二激光器33发出的入射光经分光镜34透射至晶圆表面，两束入射光在分光镜34镀膜面交汇形成一束入射光经过晶圆表面后，反射光经过反射镜35后水平进入位置传感器37，位置传感器37连接计算机传递采样电压值。

第一激光器32、第二激光器33和反射镜35通过工装件装配在第一工装板31上，工装件包括两个叠放的中空安装板301、302，中空部位用于放置器件，两个中空安装板301、302的对角线端通过顶丝303连接，上层中空安装板301的一侧通过螺钉304紧固在第一工装板31上，便于操作人员通过松紧螺钉304来调节每个工装件的角度，进而调节激光的入射角度和反射光的反射角度，在两个中空安装板301、302之间卡接钢珠305，在调节角度过程中通过移动钢珠305使两个中空安装板301、302始终保持平行，利于角度的精准调节。

可选的，第一激光器32和第二激光器33的激光波长不同，以适配不同反射率和吸收特性的晶圆，第一激光器基于PMB 02(650-5)实现，第二激光器基于PMB 02(780-5)实现，位置传感器37基于PSD2534型号实现，本申请采用的其他器件均为现有模组结构，在此不再赘述。

本申请还公开了一种薄膜应力测量仪的测量方法，适用于上述的薄膜应力测量仪，如图6所示，该测量方法包括如下步骤：

步骤1：通过寻找晶圆中心点调节第一激光器32、第二激光器33和反射镜35的角度。

寻找晶圆的中心点是校准测量仪系统以使位置传感器37达到最佳工作状态和正确去边的关键一步。具体的，如图7所示，寻找晶圆中心点的方法包括如下分步骤：

步骤101：将待测晶圆放置在调节水平后的晶圆平台5上。

本申请规定测量模组3从第一限位器71移动到第二限位器72，也即图1中，测量模组3从左向右移动。

步骤102：确定第一限位器71到待测晶圆边缘的水平距离以及待测晶圆半径。

步骤103：根据步进电机4的控制函数，将水平距离以及待测晶圆半径分别转换为步进电机4的脉冲数。该控制函数为步进电机的常规函数，在此不展开说明。

步骤104：驱动器判断是否检测到第一限位器71，若是，则步进电机4按照脉冲数控制测量模组3移动到待测晶圆边缘，也即启动电机向右转动，否则步进电机4控制测量模组3回归到第一限位器71的位置，也即启动电机向左转动。

步骤105：当位置传感器37捕获电压跳变时，步进电机4按照脉冲数控制测量模组3移动到待测晶圆中心点位置，步进电机4停转。

此时测量模组3已经移动到待测晶圆中心点位置，开始调节第一激光器32、第二激光器33和反射镜35的工装件，使入射光在晶圆中心点时反射光在位置传感器37的探测中心附近，该探测中心是位置传感器37最灵敏的探测区域，所以使反射光尽量处于探测中心有利于提高采样的精度。

步骤2：在计算机中设定步进电机4的扫描步长和反射光光程，扫描步长也即设定时间内步进电机的行进位移。

步骤3：驱动器判断是否检测到第一限位器71，若是，则步进电机4控制测量模组3向待测晶圆边缘方向移动，否则步进电机4控制测量模组3回归到第一限位器71的位置。

步骤4：当位置传感器37捕获电压跳变时，位置传感器37开始采样并将采样电压值传递给计算机，否则测量模组3继续沿当前方向移动(也即向右移动)。

步骤5：控制测量模组3按设定扫描步长沿待测晶圆直径方向移动，直至驱动器检测到第二限位器72时，步进电机4停转、位置传感器37停止采样。

步骤6：计算机利用晶圆中心点对采样电压值进行去边处理，具体包括：

步骤601：确定待测晶圆中心点对应的采样电压值作为取样中心点。

步骤602：设定取样长度，根据取样长度保留取样中心点两侧的对称数据，去掉晶圆边缘数据。该步骤将待测晶圆边缘的离散噪点数据筛除，使剩下的数据仍是能够围绕取样中心点对称的数据，一旦数据不对称，那么最终计算结果将会有相对的偏移。

步骤603：对保留数据进行一次拟合后，去除多余噪点和离群点，得到去边处理后数据。

在实际应用中，晶圆的表面形态是一个类似于球面的形态，这一特征在镀膜后的晶圆上尤为明显，因此对于数据处理，将按照一次拟合的形式，将晶圆认定为一个凸起或凹起的球面，正因如此，当激光扫描这个球面的直径后，总体趋势在位置传感器37上呈现的值将会是接近单调的一次函数。

步骤7：对于去边处理后数据，步进电机4每行进扫描步长Δs距离，将该距离下位置传感器37采集的所有采样电压值取平均值后，转换为每个扫描步长对应的偏转位移。

步骤8：将反射光光程、扫描步长和对应的偏转位移代入曲率半径公式，得到每个扫描步长对应的曲率半径，取平均值得到待测晶圆的曲率半径。

反射光光程简化后的光路如图8所示，激光从待测晶圆边缘起匀速向一个方向扫描，在此过程中由于待测晶圆表面形变导致反射光光斑在位置传感器37上会产生偏转位移，每次偏转位移的变化Δx对应每次的扫描步长Δs，即在扫描步长的这一小段长度内，前后两束反射光会因为待测晶圆表面的拱起引起角度的变化，图中A点、B点之间为一个扫描步长Δs，对应的反射光光斑在位置传感器37上从F点偏移到E点。由平面几何知识可知，圆心角∠AOB是∠ACB的一半，∠ACB＝∠ECF，由于偏转位移Δx远小于反射光光程L，则可将三角形ECF等价成以EF为弧长，L为半径的圆，则：

扫描步长近似等价于弧长AB，即AB≈Δs，则：

曲率半径公式为：

其中，L为反射光光程，Δs为扫描步长，Δx为扫描步长对应的偏转位移。

需要说明的是，如果测量模组3从右向左移动时，测量方法只需做出适应性的变化，整体流程不变。

按照上述方法分别测量待测晶圆镀膜前后的曲率半径值，再代入经典Stoney公式计算待测晶圆的薄膜应力。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种薄膜应力测量仪，其特征在于，包括带有导轨的框架、测量模组、步进电机、驱动器、晶圆平台和计算机，所述框架通过隔板分层设置；

所述导轨、所述测量模组和步进电机均置于框架上层，所述晶圆平台固定于框架下层，所述测量模组设置在所述导轨上，所述步进电机设置在所述导轨的一端，所述步进电机连接所述驱动器用于控制所述测量模组在导轨上移动，所述导轨上设有两个与所述驱动器相连的限位器，用于限制所述测量模组的移动距离，沿所述测量模组的移动路径在所述隔板上开设长槽；

所述测量模组和驱动器分别连接所述计算机，所述测量模组通过所述长槽向置于所述晶圆平台上的晶圆发射激光，并接收反射激光，所述计算机用于控制所述步进电机的扫描步长，还用于计算晶圆的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的薄膜应力测量仪，其特征在于，所述测量模组包括装配在第一工装板上的第一激光器、第二激光器、分光镜、反射镜以及装配在第二工装板上的位置传感器，所述第一工装板贴合所述导轨设置，所述第二工装板设置在激光反射侧，并与所述第一工装板的一侧垂直连接；

所述第一激光器设置在所述分光镜的右侧，所述第二激光器设置在所述分光镜的上方，所述反射镜设置在激光反射侧，所述第一激光器发出的入射光经所述分光镜反射至晶圆表面，所述第二激光器发出的入射光经所述分光镜透射至晶圆表面，两束入射光的波长不同，以适配不同反射率和吸收特性的晶圆，两束入射光交汇形成一束入射光经过晶圆表面后，反射光经过所述反射镜后水平进入所述位置传感器，所述位置传感器连接所述计算机传递采样电压值。

3.根据权利要求2所述的薄膜应力测量仪，其特征在于，所述第一激光器、第二激光器和反射镜通过工装件装配在所述第一工装板上，所述工装件包括两个叠放的中空安装板，中空部位用于放置器件，两个中空安装板的对角线端通过顶丝连接，上层中空安装板的一侧通过螺钉紧固在所述第一工装板上，通过松紧螺钉来调节所述工装件的角度，在两个中空安装板之间卡接钢珠，在调节角度过程中通过移动所述钢珠使两个中空安装板保持平行。

4.根据权利要求1所述的薄膜应力测量仪，其特征在于，所述晶圆平台的托盘上设置有定位销，用于固定晶圆放置角度；所述晶圆平台的底座下方设置有调节平台，所述调节平台的一端与底座连接，另一端与螺钉螺纹连接，通过旋转螺钉用于调节所述晶圆平台的水平度。

5.根据权利要求2所述的薄膜应力测量仪，其特征在于，所述位置传感器基于PSD2534型号实现。

6.一种薄膜应力测量仪的测量方法，适用于所述权利要求1-4任一所述的薄膜应力测量仪，其特征在于，所述测量方法包括：

通过寻找晶圆中心点调节所述第一激光器、第二激光器和反射镜的角度，使入射光在所述晶圆中心点时反射光在所述位置传感器的探测中心附近；

在所述计算机中设定所述步进电机的扫描步长和反射光光程；

所述步进电机控制所述测量模组向待测晶圆边缘方向移动，当所述位置传感器捕获电压跳变时，所述位置传感器开始采样并将采样电压值传递给计算机；

控制所述测量模组按设定扫描步长沿待测晶圆直径方向移动，直至所述驱动器检测到限位器时，所述步进电机停转、所述位置传感器停止采样；

所述计算机利用晶圆中心点对所述采样电压值进行去边处理，将每个扫描步长下的所有所述采样电压值取平均值后，转换为每个扫描步长对应的偏转位移；

将所述反射光光程、扫描步长和对应的偏转位移代入曲率半径公式，得到每个所述扫描步长对应的曲率半径，取平均值得到待测晶圆的曲率半径；

所述曲率半径公式为：

其中，L为所述反射光光程，Δs为所述扫描步长，Δx为所述扫描步长对应的偏转位移。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，规定所述测量模组从第一限位器移动到第二限位器，则寻找晶圆中心点的方法包括：

将待测晶圆放置在调节水平后的晶圆平台上；

确定所述第一限位器到待测晶圆边缘的水平距离以及待测晶圆半径；

根据所述步进电机的控制函数，将所述水平距离以及待测晶圆半径分别转换为所述步进电机的脉冲数；

所述驱动器判断是否检测到所述第一限位器，若是，则所述步进电机按照脉冲数控制所述测量模组移动到待测晶圆边缘，否则所述步进电机控制所述测量模组回归到所述第一限位器的位置；

当所述位置传感器捕获电压跳变时，所述步进电机按照脉冲数控制所述测量模组移动到待测晶圆中心点位置，所述步进电机停转。

8.根据权利要求6或7所述的测量方法，其特征在于，所述计算机利用晶圆中心点对采样电压值进行去边处理，包括：

确定待测晶圆中心点对应的采样电压值作为取样中心点；

设定取样长度，根据所述取样长度保留所述取样中心点两侧的对称数据，去掉晶圆边缘数据；

对保留数据进行一次拟合后，去除多余噪点和离群点，得到去边处理后数据。

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