CN114267589A - 一种晶圆表面损伤深度测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种晶圆表面损伤深度测量方法及系统；该方法包括：将待测晶圆置于氮气氛围下进行热处理；将完成热处理的待测晶圆进行裂解获并按照设定的选取策略选择待测样品；将所述待测样品进行角度抛光后在抛光的斜截面进行刻蚀；根据经过刻蚀后的斜截面形貌测量所述晶圆样品表面损伤深度。
Description
技术领域
本发明实施例涉及晶圆生产技术领域，尤其涉及一种晶圆表面损伤深度测量方法及系统。
背景技术
半导体硅晶圆的制造过程一般包括：硅晶锭的生长、晶锭的滚磨(磨削，grinding)、切割(线切割)、研削(Lapping)、研磨(Polishing)等多种工序。为了去除存在于晶圆表面及边缘区域的机械加工损伤，在经过上述加工工序后会进行蚀刻工序。对于一些半导体所用硅晶圆，目前用于测量存在于晶圆表面区域的机械加工损伤深度的常规方案，是遵照国际规格(ASTM F95-88)中所提的方法，其本质是利用抛光工艺在试样表层制作一个小角度斜面，暴露损伤层裂纹，进而采用显微手段测量晶圆表面裂纹深度。在上述过程中，还需要对完成角度抛光的斜面进行刻蚀，目的是将损伤显现的更加明显，更有利于后续的显微镜观测。
为了使得角度抛光的斜面和检测样品表面界限明显，方便选取显微镜测量的初始点，常规方案通常还会在检测样品上粘接一个陪片；如此会存在以下问题：首先，需要对两个小于1*1cm的样品进行粘接，且需保持待角度抛光面在同一平面，增加了操作难度；其次，两个样片之间的胶层厚度较难保持一致，且会有抛光过程中脱落的风险，从而导致测试误差增加；再次，在后续进行刻蚀时，还需对胶层进行去除，否则会污染刻蚀液，无法重复使用，增加了操作复杂度。除了以上问题以外，目前常规方案对于损伤深度较小，或者仍旧存在于样品中残余的损伤应力无法进行测量，而无法测量的项目对于后段工序和最终生产晶圆的品质的影响却十分重要。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种晶圆表面损伤深度测量方法及系统；能够降低操作难度，测量获得损伤深度较浅以及样品中存在的残余应力，使得相对于常规方案中无法观测到的损伤能够被测量获得，提高了测量效率。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种晶圆表面损伤深度测量方法，所述方法包括：
将待测晶圆置于氮气氛围下进行热处理；
将完成热处理的待测晶圆进行裂解获并按照设定的选取策略选择待测样品；
将所述待测样品进行角度抛光后在抛光的斜截面进行刻蚀；
根据经过刻蚀后的斜截面形貌测量所述晶圆样品表面损伤深度。
第二方面，本发明实施例提供了一种晶圆表面损伤深度测量系统，所述系统包括：能够容置待测晶圆且具有加热器的热处理腔室、能够向所述热处理腔室内提供氮气的氮气气泵、晶圆切割器、角度抛光套件、刻蚀套件以及测量套件；其中，
所述氮气气泵，用于向容置有所述待测晶圆的热处理腔室提供氮气以使得所述待测晶圆能够在氮气氛围下进行热处理；
所述晶圆切割器，用于将完成热处理的待测晶圆进行裂解获并按照设定的选取策略选择待测样品；
所述角度抛光套件，用于将所述待测样品进行角度抛光；
所述刻蚀套件，用于角度抛光后在抛光的斜截面进行刻蚀；
所述测量套件，用于根据经过刻蚀后的斜截面形貌测量所述晶圆样品表面损伤深度。
本发明实施例提供了一种晶圆表面损伤深度测量方法及系统；在进行裂解取样之前，将待测晶圆通过氮气氛围下进行热处理，从而在待测晶圆表面形成薄薄的氮化硅膜，从而使得硅片表面和后续角度抛光面的界面更加明晰；此外，通过热处理能够将待测晶圆的机械损伤应力释放出来，并且在氮气和空气的作用下使得损伤表面形成氧化硅或者氮化硅，能够经过刻蚀处理而将机械损伤放大显现，使得常规方案中无法在显微镜下观测到的损伤可以被测量到，增加了损伤检测的极限。
附图说明
图1为常规方案进行晶圆表面机械加工损伤深度测量的方法流程示意图；
图2为常规方案进行角度抛光后在抛光截面的损伤示意图；
图3为本发明实施例提供的一种晶圆表面损伤深度测量方法流程示意图；
图4为本发明实施例提供的界面对比示意图；
图5为本发明实施例提供的一种晶圆表面损伤深度测量系统的组成示意图；
图6为本发明实施例提供的角度抛光套件组成示意图；
图7为本发明实施例提供的测量套件组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
当前，遵照国际规格(ASTM F95-88)中所提出的方法，用于测量存在于晶圆表面区域的机械加工损伤深度的常规方案具体可以包括如图1所示的步骤：首先，选取待测晶圆；接着，将待测晶圆进行裂解获得样片和陪片；随后，将样片和陪片进行粘接；然后，将完成粘接的样片粘接于夹具上；接着，进行角度抛光；随后，将角度抛光后的样品表面进行刻蚀；最后通过显微镜观察刻蚀后的亚表面损伤，从而测量获得机械加工所造成的损伤深度。
在按照上述常规方案进行角度抛光的过程中，详细来说，如图2所示，将会按照与加工表面成β角的方向切割样品及陪片，然后抛光斜面以去除切割过程中可能造成的损坏。随后对于抛光后的样品表面进行腐蚀，使亚表面裂纹暴露出来；最后用显微镜观察并测量亚表面裂纹尺寸L，最终，亚表面损伤的深度H可用公式表示为：H＝L*sinβ。可以理解地，粘接的陪片能够提供与样片之间明显的界限，从而能够便于显微镜观察时选取测量起始点。
对于上述常规方案，可以理解的，首先，需要将两个尺寸小于1*1cm的样品和陪片进行粘接，且需保持待角度抛光的面在同一平面，从而制样方式繁杂，操作难度较大；其次，样片和陪片之间的胶层厚度难以保证一致，且在角度抛光过程中存在脱落的风险，从而导致测试误差大；接着，在进行刻蚀时，还需要对样片与陪片之间的胶层进行去除，否则会污染刻蚀液导致无法重复使用，存在增加测试成本的风向；最后，也是最重要的是一点就是，常规方案对于损伤深度较小或者存在的样品中残余的损伤应力无法进行测量，而这些无法测量的隐患对于晶圆制作的后续工艺和硅片品质的影响却十分重要。
有鉴于此，本发明实施例期望能够在角度抛光之间对样片进行预处理，能够降低操作难度，使得界限明显，而且还能够测量深度较浅的损伤以及样品中存在的残余应力，为硅片品质评价和后续工艺的设置提供有力数据支撑。基于此，参见图3，其示出了本发明实施例提供的一种晶圆表面损伤深度测量方法，所述方法包括：
S301：将待测晶圆置于氮气氛围下进行热处理；
S302：将完成热处理的待测晶圆进行裂解获并按照设定的选取策略选择待测样品；
S303：将所述待测样品进行角度抛光后在抛光的斜截面进行刻蚀；
S304：根据经过刻蚀后的斜截面形貌测量所述晶圆样品表面损伤深度。
对于图3所示的技术方案，在进行裂解取样之前，将待测晶圆通过氮气氛围下进行热处理，从而在待测晶圆表面形成薄薄的氮化硅膜，从而使得硅片表面和后续角度抛光面的界面更加明晰；此外，通过热处理能够将待测晶圆的机械损伤应力释放出来，并且在氮气和空气的作用下使得损伤表面形成氧化硅或者氮化硅，能够经过刻蚀处理而将机械损伤放大显现，使得常规方案中无法在显微镜下观测到的损伤可以被测量到，增加了损伤检测的极限。
对于图3所示的技术方案，在一些示例中，所述将待测晶圆置于氮气氛围下进行热处理，包括：
将所述待测晶圆置于流量为1至10升/分钟LPM的氮气氛围中；
将处于氮气氛围中的待测晶圆在温度700至900℃环境下进行2至4小时的一次热处理；
将处于氮气氛围中且完成一次热处理的待测晶圆在1000至1200℃环境下进行10至20小时的二次热处理，以获得完成热处理的待测晶圆。
对于上述示例，需要说明的是，经过以上示例的两次热处理，将会在待测晶圆的表面生长出一层厚度大约在3000至6000埃
的薄薄的氮化硅膜；由于氮化硅膜的存在，可以使得晶圆表面和后续的角度抛光面的界面相较于常规方案不进行热处理的界面更加明显和清晰，如图4所示的对比，图4中的左边为常规方案未进行热处理的样品的界面示意，右边为按照上述示例在氮气氛围进行两次热处理后的界面示意，从中可以看出，右边的界面相交于左边更加的明晰。此外，通过上述示例的两次热处理，能够使得晶圆内部的机械损伤应力完全释放，并且在氮气和空气的作用下会于损伤表面形成氧化硅或者氮化硅，如此，再经过后续的刻蚀处理，能够让机械损伤更加放大显现，从而使得本来在显微镜下无法观测到的损伤可以被测量，加大了检测的极限；仍然如图4所示，未进行热处理的样品未显现损伤，而经过热处理后的样品能够看到其中所显现出来的机械损伤，损伤长度大约为36.50um。
对于上述示例，在本发明实施例的优选实施过程中，氮气流量选取为8LPM，随后在900℃环境下热处理2小时(h)；然后在1000℃环境下热处理15h。
对于图3所示的技术方案，在一些示例中，所述将完成热处理的待测晶圆进行裂解获并按照设定的选取策略选择待测样品，包括：
将所述完成热处理的待测晶圆按照10mm×10mm大小裂解获得多个晶圆样品；
选取一个处于所述待测晶圆中心处、一个处于待测晶圆的R/2处以及一个处于待测晶圆边缘处的晶圆样品作为所述待测样品；其中，R表示待测晶圆半径。
对于上述示例，详细来说，可以将完成热处理的待测晶圆切割成多个尺寸为10mm×10mm大小的样品，随后，在待测晶圆中心处、待测晶圆的R/2处以及待测晶圆边缘处各选取一个样品作为待测样品。
对于图3所示的技术方案，在一些示例中，所述将完成热处理的待测晶圆进行裂解获并按照设定的选取策略选择待测样品，包括：
分别以所述待测晶圆中心、所述待测晶圆的R/2处为中心以及所述待测晶圆边缘处切割尺寸10mm×10mm大小的待测样品。
对于图3所示的技术方案，在一些示例中，所述将所述待测样品进行角度抛光后在抛光的斜截面进行刻蚀，包括：
将所述待测样品利用加热状态下的树脂胶粘贴至角度规下方；
将粘贴有所述待测样品的角度规放置在角度抛光机上进行角度抛光，以将待测晶圆的损伤层暴露至抛光所得到的斜截面；
将角度抛光完成后的待测样品从所述角度规取下，进行莱特刻蚀。
对于上述示例，结合前述优选实施过程，可以采用树脂胶(比如环氧胶)将待测样品以11.32°的角度粘贴在如角度规为示例的夹具上，具体来说，可以将待测样品用树脂胶粘贴在加热板上，随后在140-180℃加热固化以粘牢待测样品；随后，将粘有待测样品的夹具粘接于角度抛光机上进行时长约10分钟(min)的角度抛光；待抛光结束后，可以将待测样品从角度规上取下，进行莱特(Wright)刻蚀，刻蚀时长约为20s至60s之间，刻蚀完成之后，将经过刻蚀的待测样品冲洗干净，并晾干备用。
对于图3所示的技术方案，在一些示例中，所述根据经过刻蚀后的斜截面形貌测量所述晶圆样品表面损伤深度，包括：
将经过刻蚀后的待测样品置于斜面上，以使得斜截面平行于测试台面；
通过显微镜观测测试台面上经过刻蚀后的斜截面的刻蚀形貌；
根据所述刻蚀形貌测量所述晶圆样品表面的损伤层厚度。
具体通过显微镜进行损伤深度测量的步骤实现方式与目前常规方案一致，也就是说，显微镜观察并测量亚表面裂纹尺寸L，抛光角度为β，亚表面损伤的深度H用公式H＝L*sinβ进行计算。
基于前述技术方案相同的发明构思，参见图5，其示出了本发明实施例提供的一种晶圆表面损伤深度测量系统5，所述系统5可以包括：能够容置待测晶圆W且具有加热器511的热处理腔室51、能够向所述热处理腔室51内提供氮气的氮气气泵52、晶圆切割器53、角度抛光套件54、刻蚀套件55以及测量套件56；其中，
所述氮气气泵52，用于向容置有所述待测晶圆W的热处理腔室51提供氮气以使得所述待测晶圆能够在氮气氛围下进行热处理；
所述晶圆切割器53，用于将完成热处理的待测晶圆进行裂解获并按照设定的选取策略选择待测样品；
所述角度抛光套件54，用于将所述待测样品进行角度抛光；
所述刻蚀套件55，用于角度抛光后在抛光的斜截面进行刻蚀；
所述测量套件56，用于根据经过刻蚀后的斜截面形貌测量所述晶圆样品表面损伤深度。
可以理解地，在晶圆表面损伤深度测量系统5中，各组件之间并不全部具有连接关系，但是各组件之间在执行前述晶圆表面损伤深度测量方法的过程中具有使用先后的顺序，因此，图5中以虚线箭头表示各组件之间在执行方法流程过程中的先后顺序。
在一些示例中，所述氮气气泵52依照流量为1至10升/分钟LPM向所述热处理腔室51提供氮气，以使得所述待测晶圆W处于氮气氛围下；
所述热处理腔室51的加热器511，用于将具有氮气氛围且置有待测晶圆W的所述热处理腔室51温度加热至700至900℃并持续2至4小时以完成一次热处理；以及，
完成一次热处理后，将具有氮气氛围且置有待测晶圆W的所述热处理腔室51温度加热至1000至1200℃并持续10至20小时以完成二次热处理，从而获得完成热处理的待测晶圆。
在一些示例中，所述晶圆切割器53，用于将所述完成热处理的待测晶圆按照10mm×10mm大小裂解获得多个晶圆样品；以及，选取一个处于所述待测晶圆中心处、一个处于待测晶圆的R/2处以及一个处于待测晶圆边缘处的晶圆样品作为所述待测样品；其中，R表示待测晶圆半径。
在一些示例中，所述晶圆切割器53，用于分别以所述待测晶圆中心、所述待测晶圆的R/2处为中心以及所述待测晶圆边缘处切割尺寸10mm×10mm大小的待测样品。
在一些示例中，如图6所示，所述角度抛光套件54，包括角度规541以及角度抛光机542；其中，
所述角度规541，用于利用加热状态下的树脂胶将所述待测样品进行粘贴；
所述角度抛光机542，用于将粘贴有所述待测样品的角度规进行角度抛光，以将待测晶圆的损伤层暴露至抛光所得到的斜截面。
在一些示例中，如图7所示，所述测量套件56，包括测试台面561、显微镜562和计算部分563；其中，
测试台面561，用于放置刻蚀后的待测样品；具体来说，可以将经过刻蚀后的待测样品置于斜面上，以使得斜截面平行于测试台面；
所述显微镜562，用于观测测试台面上经过刻蚀后的斜截面的刻蚀形貌；
所述计算部分563，用于根据所述刻蚀形貌测量所述晶圆样品表面的损伤层厚度。
可以理解地，上述晶圆表面损伤深度测量系统5的示例性技术方案，与前述晶圆表面损伤深度测量方法的技术方案属于同一构思，因此，上述对于晶圆表面损伤深度测量系统5的技术方案未详细描述的细节内容，均可以参见前述晶圆表面损伤深度测量方法的技术方案的描述。本发明实施例对此不做赘述。
需要说明的是：本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种晶圆表面损伤深度测量方法，其特征在于，所述方法包括：
将待测晶圆置于氮气氛围下进行热处理；
将完成热处理的待测晶圆进行裂解获并按照设定的选取策略选择待测样品；
将所述待测样品进行角度抛光后在抛光的斜截面进行刻蚀；
根据经过刻蚀后的斜截面形貌测量所述晶圆样品表面损伤深度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将待测晶圆置于氮气氛围下进行热处理，包括：
将所述待测晶圆置于流量为1至10升/分钟LPM的氮气氛围中；
将处于氮气氛围中的待测晶圆在温度700至900℃环境下进行2至4小时的一次热处理；
将处于氮气氛围中且完成一次热处理的待测晶圆在1000至1200℃环境下进行10至20小时的二次热处理，以获得完成热处理的待测晶圆。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将完成热处理的待测晶圆进行裂解获并按照设定的选取策略选择待测样品，包括：
将所述完成热处理的待测晶圆按照10mm×10mm大小裂解获得多个晶圆样品；
选取一个处于所述待测晶圆中心处、一个处于待测晶圆的R/2处以及一个处于待测晶圆边缘处的晶圆样品作为所述待测样品；其中，R表示待测晶圆半径。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将完成热处理的待测晶圆进行裂解获并按照设定的选取策略选择待测样品，包括：
分别以所述待测晶圆中心、所述待测晶圆的R/2处为中心以及所述待测晶圆边缘处切割尺寸10mm×10mm大小的待测样品。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述待测样品进行角度抛光后在抛光的斜截面进行刻蚀，包括：
将所述待测样品利用加热状态下的树脂胶粘贴至角度规下方；
将粘贴有所述待测样品的角度规放置在角度抛光机上进行角度抛光，以将待测晶圆的损伤层暴露至抛光所得到的斜截面；
将角度抛光完成后的待测样品从所述角度规取下，进行莱特刻蚀。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据经过刻蚀后的斜截面形貌测量所述晶圆样品表面损伤深度，包括：
将经过刻蚀后的待测样品置于斜面上，以使得斜截面平行于测试台面；
通过显微镜观测测试台面上经过刻蚀后的斜截面的刻蚀形貌；
根据所述刻蚀形貌测量所述晶圆样品表面的损伤层厚度。
7.一种晶圆表面损伤深度测量系统，其特征在于，所述系统包括：能够容置待测晶圆且具有加热器的热处理腔室、能够向所述热处理腔室内提供氮气的氮气气泵、晶圆切割器、角度抛光套件、刻蚀套件以及测量套件；其中，
所述氮气气泵，用于向容置有所述待测晶圆的热处理腔室提供氮气以使得所述待测晶圆能够在氮气氛围下进行热处理；
所述晶圆切割器，用于将完成热处理的待测晶圆进行裂解获并按照设定的选取策略选择待测样品；
所述角度抛光套件，用于将所述待测样品进行角度抛光；
所述刻蚀套件，用于角度抛光后在抛光的斜截面进行刻蚀；
所述测量套件，用于根据经过刻蚀后的斜截面形貌测量所述晶圆样品表面损伤深度。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述氮气气泵依照流量为1至10升/分钟LPM向所述热处理腔室提供氮气，以使得所述待测晶圆处于氮气氛围下；
所述热处理腔室的加热器，用于将具有氮气氛围且置有待测晶圆的所述热处理腔室温度加热至700至900℃并持续2至4小时以完成一次热处理；以及，
完成一次热处理后，将具有氮气氛围且置有待测晶圆的所述热处理腔室温度加热至1000至1200℃并持续10至20小时以完成二次热处理，从而获得完成热处理的待测晶圆。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述角度抛光套件，包括角度规以及角度抛光机；其中，
所述角度规，用于利用加热状态下的树脂胶将所述待测样品进行粘贴；
所述角度抛光机，用于将粘贴有所述待测样品的角度规进行角度抛光，以将待测晶圆的损伤层暴露至抛光所得到的斜截面。
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