CN114858066A - 一种过硅孔钝化层的厚度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种过硅孔钝化层的厚度测量装置，包括入射光调控装置，用于调整原始光束，使其形成环形的入射光；凸透镜，用于调整入射光的角度，使其斜向入射过硅孔钝化层，并接收过硅孔钝化层反射的反射光；光谱/光强测量装置，用于接收反射光，并测量反射光的光谱/光强，根据入射光的光谱/光强与反射光的光谱/光强，计算过硅孔钝化层的反射率，并根据反射率计算过硅孔的钝化层的厚度。本公开通过设置入射光调控装置、凸透镜和光谱/光强测量装置，使得本公开可以调控测量光束的截面形状，从而灵活地测量多种形状的过硅孔，通过测量回归光波的反射率测量钝化层厚度使得测量结果具有高精度，具有广泛的应用场景。
Description
技术领域
本公开涉及硅半导体领域，具体涉及一种过硅孔钝化层的厚度测量装置。
背景技术
过硅孔钝化层的厚度值是过硅孔互连工艺需要控制的重要参数之一。常规的厚度测量通常使用光学相干断层扫描技术，但目前的无损的光学相干断层扫描分辨率通常为微米量级，而白光干涉、光谱反射、光谱椭偏等技术测量过硅孔的直径和深度等结构参数，当前过硅孔钝化层的纳米精度无损测量在国际上仍处于空白。因此，亟需一种针对过硅孔钝化层厚度的高精度无损测量方法以支撑制造工艺参数优化与成本控制，保证电气性能、提高过硅孔的制造良率、优化集成电路先进3D封装成本。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷，本公开提供了一种过硅孔钝化层的厚度测量装置，其通过设置入射光调控装置、凸透镜和光谱/光强测量装置，使得本公开可以使用光束测量过硅孔钝化层，从而灵活地测量所有几何结构的过硅孔，通过测量回归光波的反射率测量钝化层厚度使得测量结果具有高精度，从而本公开可用于导体、半导体、绝缘体等材料构成的微孔、微槽的内壁粗糙度。
本公开提供了一种过硅孔钝化层的厚度测量装置，包括入射光调控装置，用于调整原始光束，使其形成环形的入射光；凸透镜，用于调整入射光的角度，使其斜向入射过硅孔钝化层，并接收过硅孔钝化层反射的反射光；光谱/光强测量装置，用于接收反射光，并测量反射光的光谱/光强，根据入射光的光谱/光强与反射光的光谱/光强，计算过硅孔钝化层的反射率，并根据反射率计算过硅孔的钝化层的厚度。
可选地，入射光调控装置包括：偏振分束器，用于将原始光束转化为线性偏振光；半波片，用于调整线性偏振光的偏振态形成第一偏振光，并将第一偏振光传递至光调制器；光调制器，用于调制第一偏振光形成环形的第二偏振光；光调制器还用于将第二偏振光传递至半波片；半波片还用于调整第二偏振光的偏振态形成第三偏振光，并返回给偏振分束器；偏振分束器还用于将第三偏振光转化为环形的第四偏振光；光弹调制器，用于对环形的第四偏振光去偏振，形成环形的入射光。
可选地，入射光调控装置还包括：透镜，用于对光调制器调整后的环形的入射光进行扩束，调整环形的入射光的直径和光强。
可选地，入射光调控装置还包括：光阑，用于限制光调制器调整后的环形的入射光，并对其进行滤波。
可选地，还包括：入射光检测装置，用于采集入射光的光束图像，并反馈给入射光调控装置，以使入射光调控装置将入射光的光束图像调整至符合要求。
可选地，还包括：第一分束器，用于将入射光调控装置输出的环形的入射光分为检测光束和厚度测量光束，检测光束传递给入射光检测装置，厚度测量光束传递给凸透镜。
可选地，还包括：显微成像装置，用于接收反射光，并通过反射光对过硅孔内部成像，以便使用者监测并调控样品的测量位置。
可选地，还包括：第二分束器，用于将反射光分为成像光束和测量光束，成像光束传递给显微成像装置，测量光束传递给光谱/光强测量装置。
可选地，还包括：筒镜，设置于凸透镜与光谱/光强测量装置之间，用于将反射光汇聚至光谱/光强测量装置的光谱仪光阑处；筒镜光阑，设置于筒镜与光谱/光强测量装置之间，用于限制筒镜汇聚后的反射光，并对其进行滤波。
可选地，还包括：原始光束发生器，用于产生准直单波长的原始光束，并将其传递给入射光调控装置。
本公开中的过硅孔钝化层的厚度测量装置，其通过设置入射光调控装置、凸透镜和光谱/光强测量装置，使得本公开可以使用光束测量过硅孔钝化层，从而灵活地测量所有几何结构的过硅孔，通过测量回归光波的反射率测量钝化层厚度使得测量结果具有高精度，从而本公开可用于导体、半导体、绝缘体等材料构成的微孔、微槽的内壁粗糙度。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例的过硅孔钝化层的厚度测量装置地结构示意图；
图2示意性地示出了根据本公开实施例的入射光在过硅孔内部几何传播的示意图；
图3示意性地示出了根据本公开实施例的光波在过硅孔钝化层的折射和反射的传输示意图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的不同厚度的过硅孔钝化层的光学传播模型。
附图标记说明：
凸透镜-1；光谱/光强测量装置-2；光谱仪光阑-21；显微成像装置-3；入射光调控装置-4；偏振分束器-41；光调制器-42；透镜-43；光阑-44；半波片-45；光弹调制器-46；入射光检测装置-5；第一分束器-6；第二分束器-7；筒镜光阑-8；原始光束发生器-9；筒镜-10。
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。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。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。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
图1示意性示出了根据本公开实施例的过硅孔钝化层的厚度测量装置地结构示意图。
如图1所示，本公开的实施例提供一种过硅孔钝化层的厚度测量装置，包括入射光调控装置4、凸透镜1和光谱/光强测量装置2。
其中，入射光调控装置4用于调整原始光束，使其形成环形的入射光。
凸透镜1用于调整入射光的角度，使其斜向入射过硅孔钝化层，并接收过硅孔钝化层反射的反射光。
光谱/光强测量装置2用于接收反射光，并测量反射光的光谱/光强，根据入射光的光谱/光强与反射光的光谱/光强，计算过硅孔钝化层的反射率，并根据反射率计算过硅孔的钝化层的厚度。
本公开中的过硅孔钝化层的厚度测量装置，其通过设置入射光调控装置、凸透镜和光谱/光强测量装置，使得本公开可以使用光束测量过硅孔钝化层，从而灵活地测量所有几何结构的过硅孔，通过测量回归光波的反射率测量钝化层厚度使得测量结果具有高精度，从而本公开可用于导体、半导体、绝缘体等材料构成的微孔、微槽的内壁粗糙度。
本公开中的根据反射率计算过硅孔的钝化层的厚度，是比对反射率与过硅孔钝化层的多个光学传播模型，找到适配的光学传播模型，读取该光学传播模型对应的过硅孔的钝化层的厚度。
因此，在进行测量之前，需要先搭建不同厚度的过硅孔钝化层的光学传播模型，也就需要制造不同厚度的过硅孔钝化层的样品。
其中，样品制造方法为：先使用硅刻蚀工艺在硅基底制备若干侧壁为平面的沟槽，形成若干过硅孔；再在不同过硅孔的孔壁上制备不同厚度的钝化层，钝化层可以选用化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)和旋涂等工艺方法来进行制备；最后采用破坏性的方法暴露钝化层。其中。硅刻蚀工艺包括但不限于干法刻蚀、湿法刻蚀。
其中，光学传播模型构建装置的构建方法包括三个步骤。
步骤一：定义标准钝化层样品的结构模型。
其中，一般制得的钝化层应该是以薄膜形态附着于过硅孔孔壁的内表面，因此，可以将过硅孔的钝化层抽象为薄膜堆叠/基底的物理结构模型，采用均匀介质膜的光线传输分析方法，研究过硅孔钝化层的光学特性并数学建模。
常规的钝化层的结构模型是包括：空气-表面粗糙层-钝化层-界面层-硅基底的。当对钝化层的光学特性进行光学衍射计算时，需要考虑衍射级次的相对能量及其传播方向，由于本实施例仅为表明本公开中光谱/光强测量装置的测量原理，从而证明本公开的可实施性，因此我们可以忽略能量较低的衍射级次以简化测量光束的传播特性分析，以理想过硅孔钝化层为例，说明过硅孔的孔壁膜层光学响应研究思路。因此，本实施例中，标准钝化层样品的结构模型为：空气-钝化层-硅基底。
步骤二：根据标准钝化层样品的结构模型建立入射光进入过硅孔后，过硅孔返回的反射光与入射光计算所得的总反射率与钝化层厚度的表达式。
假定过硅孔钝化层为光滑且厚度均匀一致的薄膜，过硅孔侧壁角为90度。
图2示意性地示出了根据本公开实施例的入射光在过硅孔内部几何传播的示意图。
例如，如图2所示，测量的入射光和反射光关于光轴对称，且凸透镜1与过硅孔的对称轴和光轴重合。这种情况下，测量光束在过硅孔内部反射3次。
图3示意性地示出了根据本公开实施例的光波在过硅孔钝化层的折射和反射的传输示意图。
假定过硅孔钝化层的光学特性采用如图3所示的三相模型，则光波的单次反射率Ri可由Fresnel公式和Snell公式推导获得，从而得到Ri的表达式如公式(1)所示：
式中，r表示界面反射系数，其与介质折射率n和光线入射角
有关。如图2所示，ri12为光线在第i次反射时，空气和钝化层间的界面的反射系数；ri23为光线在第i次反射时，钝化层和硅基底的界面的反射系数；d2为钝化层厚度，λ为测量光波长，
为光线在钝化层的折射角；e为自然常数，j为虚数单位，β为钝化层的光程厚度，由公式(2)求得。
式中，n2为钝化层的介质折射率。
由此，我们可以得到总反射率R总的表达式如公式(3)所示：
R总＝R1R2R3； (3)
根据公式(3)，可计算不同钝化层厚度与过硅孔总反射率之间的数值关系，探讨对钝化层厚度高灵敏度的测量方案与测量参数。
步骤三：根据建立总反射率与钝化层厚度的表达式建立不同厚度的过硅孔钝化层的光学传播模型。
通过公式(3)，不断变换测量光的波长λ，可以得出单一厚度的过硅孔钝化层的反射率随波长变化的曲线图，也即此厚度的过硅孔钝化层的光学传播模型。
建立多种厚度的过硅孔钝化层的光学传播模型。
图4示意性示出了根据本公开实施例的不同厚度的过硅孔钝化层的光学传播模型。
在一些实施例中，本公开的过硅孔钝化层的厚度测量装置还包括：入射光波长测量装置和入射光波长控制装置。其中，入射光波长测量装置用于测量入射光波长。入射光波长控制装置用于控制入射光波长。
变幻入射光波长，根据光谱/光强测量装置2测量的不同波长的入射光下待测过硅孔钝化层的反射率，得到待测过硅孔钝化层的反射率随波长变化的曲线图。
将曲线图与不同厚度的过硅孔钝化层的光学传播模型比对，选取重合度＞96％的光学传播模型，此光学传播模型的钝化层厚度即为待测过硅孔钝化层的厚度。
上述仅为本公开的一种测量方法，其中，标准钝化层样品的结构模型、入射光在过硅孔内部几何传播以及光波在过硅孔钝化层的折射和反射的方式都会影响总反射率R总的表达式，因此，光学传播模型可根据使用场景和需求灵活建立。
在一些实施例中，入射光调控装置4包括：偏振分束器41、光调制器42、半波片45和光弹调制器46。
其中，偏振分束器41用于将原始光束转化为线性偏振光。
半波片45用于调整线性偏振光的偏振态形成第一偏振光，并将第一偏振光传递至光调制器42；
光调制器42用于调制第一偏振光形成环形的第二偏振光；
光调制器42还用于将第二偏振光传递至半波片45；
半波片45还用于调整第二偏振光的偏振态形成第三偏振光，并返回给偏振分束器41；
偏振分束器41还用于将第三偏振光转化为环形的第四偏振光；
光弹调制器46用于对环形的第四偏振光去偏振，形成环形的入射光。
这样设置，偏振分束器41与半波片45在光调制器调制前和光调制器调制后均对光线有起偏作用，提高了这两个元件的利用率，减少了冗余元件的设置。
在一些实施例中，入射光调控装置4还包括透镜43和光阑44。
其中，透镜43用于对光调制器42调整后的环形的入射光进行扩束，调整环形的入射光的直径和光强。
光阑44用于限制光调制器42调整后的环形的入射光，并对其进行滤波。
环形的入射光的内径、外径由光调制器42和透镜43控制。
凸透镜(1)形成的锥形空心光束的外锥角、内锥角受凸透镜1的焦距和数值孔径限制。
常见的
其中Ri为入射光波在过硅孔内部某处的反射率，n为入射光波在过硅孔内部反射的总次数。
反射率：Rλ＝Iλo/Iλi，I代表光强值，下标λ为波长，下表o代表回归光波，下表i代表入射光波，Iλo为回归光波某波长的对应光强，Iλi为入射光波某波长的对应的光强。
在一些实施例中，过硅孔钝化层的厚度测量装置还包括入射光检测装置5和测量修正装置。
其中，入射光检测装置5，用于采集入射光的光束图像，并反馈给入射光调控装置4，以使入射光调控装置4将入射光的光束图像调整至符合要求。
测量修正装置用于获得光谱/光强测量装置的光学结构的透光系数，然后通过透光系数修正反射率。
样品反射光由凸透镜1收集，根据物象共轭原理，凸透镜1出射光束经筒镜10汇聚至光谱仪光阑，并由光谱仪采集对应波长的光强信息，利用过硅孔钝化层膜层光学模型解析厚度值。
入射光检测装置5用于测量环形的入射光截面形状与光强，从而反馈调控光调制器42。光调制器42以远远高于光谱仪和相机的频率对光束进行偏振相位调制，使得光谱仪和相机测量光强信号中包含多个光学偏振态，也用做光学消偏器。
凸透镜安装于凸透镜定位器上，实现样品快速定位与z轴扫描。
在一些实施例中，过硅孔钝化层的厚度测量装置还包括第一分束器6。
其中，第一分束器6用于将入射光调控装置4输出的环形的入射光分为检测光束和厚度测量光束，检测光束传递给入射光检测装置5，厚度测量光束传递给凸透镜1。
由图4我们可知，过硅孔钝化层的厚度变化，导致过硅孔总反射率曲线的显著变化，特别是在短波长区域薄膜光学干涉效应引起的反射率变化更为剧烈，厚度变化100nm甚至可以导致一个干涉周期的出现，且干涉周期个数随着钝化层厚度单调递增。这说明短波长光对过硅孔钝化层的厚度变化具有更高的灵敏度，长波长光的灵敏度相对较低。厚度变化100nm引起干涉周期的个数变化，说明膜层厚度变化范围相对较大，无法使用单色/单波长光进行测量，使用多波长或宽光谱测量光束更为合适，且后续的膜厚分析可以采用光谱快速傅里叶分析等方法。
入射光波长的选择是另一个实际问题，短波长的光强信号测量信噪比较低，会直接影响测量结果准确性，需要根据光学测量系统合理选择测量光波长范围。
在一些实施例中，过硅孔钝化层的厚度测量装置还包括显微成像装置3。
其中，显微成像装置3用于接收反射光，并通过反射光对过硅孔内部成像，以便使用者监测并调控样品的测量位置。
显微成像相机用于样品定位与光学对焦；
在一些实施例中，过硅孔钝化层的厚度测量装置还包括第二分束器7。
其中，第二分束器7，用于将反射光分为成像光束和测量光束，成像光束传递给显微成像装置3，测量光束传递给光谱/光强测量装置2。
另外，上述光学传播模型在建立时，还需先测量待测过硅孔的几何结构参数，如待测过硅孔的径宽与深度。根据标准钝化层样品的结构模型可以拟合出厚度值、折射率、钝化层/硅基底的界面微观形貌。
在对标准钝化层样品的膜层参数进行控制时，可以使用原子力显微镜测量表面粗糙层，使用椭偏仪测量钝化层，椭偏仪测量采用25°至85°变角度测量。
在一些实施例中，过硅孔钝化层的厚度测量装置还包括筒镜10和筒镜光阑8。
其中，筒镜10设置于凸透镜1与光谱/光强测量装置2之间，用于将反射光汇聚至光谱/光强测量装置2的光谱仪光阑21处；
筒镜光阑8设置于筒镜10与光谱/光强测量装置2之间，用于限制筒镜10汇聚后的反射光，并对其进行滤波。
建立光学传播模型中，波长范围在350纳米至850纳米之间。
在建立待测过硅孔钝化层的反射率随波长变化的曲线图时，需用到曲线拟合算法，其中，本实施例的曲线拟合算法是基于Levenberg-Marquard的非线性最小二乘曲线拟合方法。
在一些实施例中，过硅孔钝化层的厚度测量装置还包括原始光束发生器9。
其中，原始光束发生器9用于产生准直单波长的原始光束，并将其传递给入射光调控装置4。
其中，原始光束发生器9为高亮宽谱光源的准直光束经由声光调制器。其形成的准直单波长的原始光束经由偏振分束器41和半波片45入射到光调制器42，经过空间图案化偏振调控后的反射光再次经过半波片45和偏振分束器41，形成初级准直环形的入射光；初级环形的入射光经过透镜43和光阑44，形成次级准直环形的入射光，再经由凸透镜1形成锥形空心测量光束。
本公开基于空间光调制器对环形的入射光直径与内径进行快速高精度调控，调控区域可达12mm，分辨力可达几微米，调控帧率60Hz以上，调控便捷且无机械运动误差。以构建图2所示入射角θ为15°的测量光束为例，选用10倍凸透镜，凸透镜有效焦距为20mm。
根据几何光学关系，可通过控制空间光调制器的相位调制图案，使得环形的入射光外径和内径分别为5.37mm和5.35mm，这时由凸透镜形成的锥形空心光束的半外锥角和半内锥角分别为15.03°和14.98°，测量光线的发散程度约为0.05°。同时，考虑到过硅孔深度通常在数百微米量级以下，该发散效应对过硅孔钝化层厚度测量的影响可以忽略，因此可认为实现了15°入射角θ。
本公开在数学上分析过硅孔厚度与总反射率的映射关系，应用数值仿真分析钝化层厚度及过硅孔侧壁角及轮廓、钝化层材料等引起的光学响应规律，构建以钝化层厚度为关键自变量的数学表达式，进而构建光学传播模型，总结对膜厚变化灵敏度高、关联强、鲁棒性好、易测量的测量光束参数与配置，建立过硅孔钝化层厚度的高精度无损测量方法。
以上的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种过硅孔钝化层的厚度测量装置，其特征在于，包括：
入射光调控装置(4)，用于调整原始光束，使其形成环形的入射光；
凸透镜(1)，用于调整入射光的角度，使其斜向入射过硅孔钝化层，并接收过硅孔钝化层反射的反射光；
光谱/光强测量装置(2)，用于接收所述反射光，并测量所述反射光的光谱/光强，根据入射光的光谱/光强与所述反射光的光谱/光强，计算过硅孔钝化层的反射率，并根据反射率计算所述过硅孔的钝化层的厚度。
2.根据权利要求1所述的过硅孔钝化层的厚度测量装置，其特征在于，所述入射光调控装置(4)包括：
偏振分束器(41)，用于将所述原始光束转化为线性偏振光；
半波片(45)，用于调整所述线性偏振光的偏振态形成第一偏振光，并将所述第一偏振光传递至所述光调制器(42)；
光调制器(42)，用于调制所述第一偏振光形成环形的第二偏振光；
所述光调制器(42)还用于将所述第二偏振光传递至所述半波片(45)；
所述半波片(45)还用于调整所述第二偏振光的偏振态形成第三偏振光，并返回给偏振分束器(41)；
所述偏振分束器(41)还用于将所述第三偏振光转化为环形的第四偏振光；
光弹调制器(46)，用于对所述环形的第四偏振光去偏振，形成所述环形的入射光。
3.根据权利要求2所述的过硅孔钝化层的厚度测量装置，其特征在于，所述入射光调控装置(4)还包括：
透镜(43)，用于对所述光调制器(42)调整后的环形的入射光进行扩束，调整环形的入射光的直径和光强。
4.根据权利要求2所述的过硅孔钝化层的厚度测量装置，其特征在于，所述入射光调控装置(4)还包括：
光阑(44)，用于限制所述光调制器(42)调整后的环形的入射光，并对其进行滤波。
5.根据权利要求1所述的过硅孔钝化层的厚度测量装置，其特征在于，还包括：
入射光检测装置(5)，用于采集入射光的光束图像，并反馈给所述入射光调控装置(4)，以使所述入射光调控装置(4)将所述入射光的光束图像调整至符合要求。
6.根据权利要求5所述的过硅孔钝化层的厚度测量装置，其特征在于，还包括：
第一分束器(6)，用于将入射光调控装置(4)输出的环形的入射光分为检测光束和厚度测量光束，所述检测光束传递给入射光检测装置(5)，所述厚度测量光束传递给凸透镜(1)。
7.根据权利要求1所述的过硅孔钝化层的厚度测量装置，其特征在于，还包括：
显微成像装置(3)，用于接收所述反射光，并通过所述反射光对过硅孔显微成像，以便使用者监测并调控样品的测量位置。
8.根据权利要求7所述的过硅孔钝化层的厚度测量装置，其特征在于，还包括：
第二分束器(7)，用于将所述反射光分为成像光束和测量光束，所述成像光束传递给显微成像装置(3)，所述测量光束传递给光谱/光强测量装置(2)。
9.根据权利要求1所述的过硅孔钝化层的厚度测量装置，其特征在于，还包括：
筒镜(10)，设置于所述凸透镜(1)与所述光谱/光强测量装置(2)之间，用于将所述反射光汇聚至所述光谱/光强测量装置(2)的光谱仪光阑(21)处；
筒镜光阑(8)，设置于所述筒镜(10)与所述光谱/光强测量装置(2)之间，用于限制筒镜(10)汇聚后的反射光，并对其进行滤波。
10.根据权利要求1所述的过硅孔钝化层的厚度测量装置，其特征在于，还包括：
原始光束发生器(9)，用于产生准直单波长的原始光束，并将其传递给入射光调控装置(4)。
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