CN116358447A - 晶圆表面形貌测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供了一种晶圆表面形貌测量装置和方法，该装置包括：光源，用于产生测量光束；投影光栅，用于在测量光束的照射下形成测量投影；投影双远心系统，用于将测量投影成像至待测晶圆表面的预设区域；探测双远心系统，用于将经过待测晶圆反射的测量投影成像到空间分光系统；空间分光系统，包括多条并行排列的四等分相位光栅，用于将测量投影的光束分为振幅相同且相位不同的四束光；数据处理系统，用于采集振幅相同且相位不同的四束光的光强信号，基于光强信号计算待测晶圆的预设区域的表面高度；测量台，用于放置待测晶圆，依次移动待测晶圆的位置，使数据处理系统获得待测晶圆表面全部区域的表面高度，形成待测晶圆的表面形貌。
Description
技术领域
本公开涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种晶圆表面形貌测量装置及方法。
背景技术
在光学加工、光学检测、电子束成像、以及光刻等领域经常需要精确探测样品Z向的位置。然而，由于加工、应力等因素的影响，待测样品表面存在较大的起伏，这将导致加工误差、质量下降等问题，从而降低产品良率。为了保证样品位置始终处于可控位置，需要精确测量样品的表面形貌。
目前，样品表面微观形貌的光学测量方法主要通过投影光栅和探测光栅成像形成莫尔条纹的方式来提取计算样品形貌信息。在该技术中，光源波动、待测件表面反射率变化、以及环境等因素对测量信号的影响较大，通常采用复杂结构的分光元件沃拉斯顿棱镜提供参考信号，以消除共模干扰。然而，该方法对光学材料及加工工艺要求高，在紫外波段色散严重，且所需的膜层结构对光束的偏振特性有较大影响，会造成测量误差。此外，如果待测件表面的起伏超过了探测系统的量程范围，那么测量过程中的重新定位会大大降低速度，因此需要能够扩大测量范围的设计。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种晶圆表面形貌测量装置和方法，以解决表面形貌测量中提升精度所需的复杂结构的分光器件所导致的色散严重、光通量小、误差大和测量范围小等问题。
本公开的一个方面提供了一种晶圆表面形貌测量装置，包括：光源，用于产生测量光束；照明系统，用于使所述测量光束照射到投影光栅；投影光栅，用于在所述测量光束的照射下形成测量投影；投影双远心系统，用于将所述测量投影成像至待测晶圆表面的预设区域；探测双远心系统，用于将经过所述待测晶圆反射的所述测量投影成像到空间分光系统；空间分光系统，包括多条并行排列的四等分相位光栅，用于将所述测量投影的光束分为振幅相同且相位不同的四束光；数据处理系统，用于采集所述振幅相同且相位不同的四束光的光强信号，基于所述光强信号计算所述待测晶圆的预设区域的表面高度；测量台，用于放置所述待测晶圆，依次移动所述待测晶圆的位置，使所述数据处理系统获得所述待测晶圆表面全部区域的表面高度，形成所述待测晶圆的表面形貌。
可选地，所述四等分相位光栅的截面为等腰梯形和等腰三角形构成的组合形状，其中，所述等腰三角形的底边为所述等腰梯形的上底，且所述等腰梯形的上底长度为下底长度的二分之一；每个所述四等分相位光栅的周期长度相同。
可选地，在所述四等分相位光栅的截面中，所述等腰梯形的底角为45°，所述等腰三角形的底角为30°。
可选地，所述投影双远心系统中设有光阑，允许0级与±1级衍射光通过。
可选地，所述投影光栅为振幅型光栅。
可选地，所述装置还包括：第一反射镜，设于所述投影双远心系统与所述待测晶圆之间，用于将经过所述投影双远心系统射出的所述测量投影反射至所述待测晶圆；第二反射镜，设于所述探测双远心系统与所述待测晶圆之间，用于将经过所述待测晶圆反射后的所述测量投影反射至所述探测双远心系统。
本公开另一方面提供了一种晶圆表面形貌测量方法，应用于如第一方面任意一项所述的晶圆表面形貌测量装置，包括：产生测量光束，使所述测量光束照射到投影光栅，形成测量投影；将所述测量投影成像至待测晶圆表面的预设区域；将经过所述待测晶圆反射的所述测量投影的光束分为振幅相同且相位不同的四束光；采集所述振幅相同且相位不同的四束光的光强信号，基于所述光强信号计算所述待测晶圆的预设区域的表面高度；依次移动所述待测晶圆的位置，重复执行上述步骤，直至获得所述待测晶圆表面全部区域的表面高度，形成所述待测晶圆的表面形貌。
可选地，所述基于所述光强信号计算所述待测晶圆的预设区域的表面高度包括：对所述光强信号进行归一化处理，消除共模干扰，得到归一化投影光强；基于所述归一化投影光强和光学三角法的计算公式，计算所述待测晶圆的表面高度。
可选地，所述对所述归一化光强信号进行归一化处理，消除共模干扰，得到归一化投影光强的计算公式为：
其中，I1、I2、I3和I4表示所述振幅相同且相位不同的四束光的光强信号，I表示所述归一化投影光强。
可选地，所述光学三角法的计算公式为：
其中，α表示所述测量投影射向所述待测晶圆表面的入射角，d表示所述四等分相位光栅的周期长度，I表示所述归一化投影光强。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本公开实施例提供了一种晶圆表面形貌测量装置，基于四等分相位光栅对表面形貌测量光束进行分光，通过四路光束相位差异信息的探测和计算，可以支持更大的测量范围，更高的光通量，更小的色散，并可能降低成本。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种晶圆表面形貌测量装置的示意图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的测量光束投影在待测晶圆表面的偏移示意图；
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种四等分相位光栅的结构与分光原理图；
图4示意性示出了本公开实施例提供的一种多条等周期的四等分相位光栅示意图；
图5示意性示出了本公开实施例提供的测量高度随光强I变化曲线。
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”等表明了所述特征、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。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本公开实施例提供了一种晶圆表面形貌测量装置，通过光源1发出测量光，经过照明系统2后，透过投影光栅3和投影双远心系统4，成像在待晶圆表面，经待测晶圆5表面反射至探测双远心系统6，通过探测双远心系统6对反射光进行整形，随后光束进入空间分光系统7，测量光透过新型四等分相位光栅，根据斯涅耳定律，光栅将平行测量光束分为振幅相同相位不同的四束光，光束被数据处理系统8采集，数据处理系统8对探测信号进行分析计算，并将计算出的表面形貌信息反馈给控制器。
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种晶圆表面形貌测量装置的示意图。
如图1所示，本公开实施例提供了一种晶圆表面形貌测量装置，包括光源1、照明系统2、投影光栅3、投影双远心系统4、探测双远心系统6、空间分光系统7、数据处理系统8和测量台(图中未示出)。
在本实施例中，光源1用于产生测量光束；照明系统2用于将测量光束均匀照射到投影光栅3；投影光栅3，用于在测量光束的照射下形成测量投影；投影双远心系统4，用于将测量投影成像至待测晶圆5表面的预设区域，其中，投影双远心系统4中设有光阑，只允许0级与±1级衍射光通过；探测双远心系统6用于将经过待测晶圆5反射的测量投影成像到空间分光系统7；空间分光系统7包括多条并行排列的四等分相位光栅，用于将测量投影的光束分为振幅相同且相位不同的四束光；数据处理系统8用于采集振幅相同且相位不同的四束光的光强信号，基于光强信号计算待测晶圆5的预设区域的表面高度，其中，数据处理系统8采集光强信号时，将光信号转化为数字信号，并去除探测信息内的各种噪声，以减少其对测量结果的影响，提高测量精度；测量台用于放置待测晶圆5，依次移动待测晶圆5的位置，使数据处理系统8获得待测晶圆5表面全部区域的表面高度，形成待测晶圆5的表面形貌。
进一步的，装置还可以包括：第一反射镜9，设于投影双远心系统4与待测晶圆5之间，用于将经过投影双远心系统4射出的测量投影反射至待测晶圆5；第二反射镜10，设于探测双远心系统6与待测晶圆5之间，用于将经过待测晶圆5反射后的测量投影反射至探测双远心系统6。第一反射镜9和第二反射镜10可以调节测量投影入射至待测晶圆5表面的角度。
建立如图1所示坐标系，其中垂直于光栅刻线的方向是x轴，光轴方向为z轴。投影光栅3是振幅型光栅，其复振幅透过率为t1(x)。
测量光束透过投影光栅3后，进入投影双远心系统4，投影双远心系统4的功能是将投影光栅3上的测量标记和捕获标记按照相应的比例成像到待测件表面5上，并设置光阑，只允许0级和±1级衍射光通过。根据理论分析，可以求出在投影双远心系统4的后焦面上的复振幅分布为E1(x)。
测量光束在待测件表面5上发生反射，并携带待测件表面5的高度信息h，进入探测双远心系统6。在探测双远心系统6后可以计算得到复振幅分布E2(x)。探测双远心系统6可以与投影双远心系统4的结构相同。复振幅分布E2(x)与测量光束在待测晶圆5表面的偏移Δx有关。
图2示意性示出了本公开实施例提供的测量光束投影在待测晶圆5表面的偏移示意图。
如图2所示，Δx为测量光经过待测件表面反射后产生的偏移，A1和A2表示待测晶圆5不同高度的表面，B和C分别表示投影光栅和探测光栅。在相同的入射角α下，会导致偏移。
探测双远心系统6的功能是将待测件上投影光栅像，按照相应比例成像到空间分光系统7上。空间分光系统7通过新型四等分相位光栅对测量光进行分光，分为四束光。
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种四等分相位光栅的结构与分光原理图。
如图3所示，四等分相位光栅的截面为等腰梯形和等腰三角形构成的组合形状，其中，等腰三角形的底边为等腰梯形的上底，且等腰梯形的上底长度为下底长度的二分之一。在本实施例中，等腰梯形的底角为45°，等腰三角形的底角为30°。其中，该等腰梯形的底角和等腰三角形的底角大小可根据实际应用需求调整。
该四等分相位光栅的四条斜边在等腰梯形的底边上的投影长度相同，则当测量光投影射向该四等分相位光栅时，将该测量光投影分为四束相位不同的光，其探测光强分别为I1，I2，I3，I4。
图4示意性示出了本公开实施例提供的一种多条等周期的四等分相位光栅示意图。
如图4所示，每个四等分相位光栅的周期长度相同，N条四等分相位光栅并列。
假设该四等分相位光栅的透过率为t2(x)。根据理论分析，可以由复振幅分布E2(x)与新型相位光栅透过率t2(x)，根据光强公式可计算得到对应的I1，I2，I3，I4。其中I1，I2，I3，I4是关于光栅狭缝宽度α、光栅周期长度d、光栅条数N、测量光偏移Δx、以及入射角α的等周期类正弦函数，I1，I2，I3，I4的周期与新型相位光栅的周期有关。
数据处理系统8用于采集测量光信号I1，I2，I3，I4，并将其转化为数字信号储存在上位机内。上位机对采集的数据进行归一化处理，消除共模干扰，进而可以得到光强I的表达式：
其中，I1，I2，I3，I4为经过新型光栅分光的各测量光束投影的光强。
结合光学三角法，以及公式(1)可以求解得到待测件表面高度h：
其中：α为探测光入射角，d为光栅周期长度，I为对各测量光归一化处理后的光强。
在本实施例中，由于入射角α和光栅周期长度d已知，所以表面形貌高度h可以通过测量得到的I1，I2，I3，I4准确求解。而I1，I2，I3，I4可以通过对应的数据处理系统8采集得到。
在实际应用中，当获得待测件表面某一位置处高度信息后，通过测量台运动，使测量光斑扫描整个待测物体表面，则获得待测物体的整个表面形貌。此外，也可以采用多点测量的方式，将投影光栅3改为阵列形式，同时获得待测件5多个位置处的高度信息，提高测量速度。
图5示意性示出了本公开实施例提供的测量高度随光强I变化曲线。
如图5所示待测件测量高度随光强I变化曲线，可知，采用新型相位光栅分光求解待测件的表面形貌，其测量范围至少增大至±3μm，且测量误差更小。此外，通过信号归一化差分计算待测件高度的技术有效降低了表面形貌探测系统对光强波动的敏感性，具有良好环境适应性。
本公开实施例提供的晶圆表面形貌测量装置相比于振幅型光栅与沃拉斯顿棱镜分光的组合，使用了新型四等分相位光栅，将测量范围增大至±3μm，减少了测量误差，提高了光通量，减小了色散，降低了成本，并为下一步研发提供技术支持。
本公开另一方面提供了一种晶圆表面形貌测量方法，应用于如图1所示的晶圆表面形貌测量装置，该方法包括S1～S5。
S1，产生测量光束，使测量光束照射到投影光栅3，形成测量投影。
S2，将测量投影成像至待测晶圆5表面的预设区域。
S3，将经过待测晶圆5反射的测量投影的光束分为振幅相同且相位不同的四束光。
S4，采集振幅相同且相位不同的四束光的光强信号，基于光强信号计算待测晶圆5的预设区域的表面高度。
具体的，S4包括S41～S42。
S41，对光强信号进行归一化处理，消除共模干扰，得到归一化投影光强。该归一化投影光强的计算公式为：
其中，I1、I2、I3和I4表示振幅相同且相位不同的四束光的光强信号，I表示归一化投影光强。
S42，基于归一化投影光强和光学三角法的计算公式，计算待测晶圆5的表面高度。
光学三角法的计算公式为：
其中，α表示测量投影射向待测晶圆5表面的入射角，d表示所述四等分相位光栅的周期长度，I表示所述归一化投影光强。
S5，依次移动待测晶圆5的位置，重复执行上述步骤，直至获得待测晶圆5表面全部区域的表面高度，形成待测晶圆5的表面形貌。
在本实施例中，当获得待测件表面某一位置处高度信息后，通过测量台运动使测量光斑扫描整个待测物体表面，则获得待测物体的整个表面形貌。可选地，还可以采用多点测量的方式，将投影光栅3改为阵列形式，同时获得待测件5多个位置处的高度信息，提高测量速度。
本公开实施例提供的晶圆表面形貌测量方法基于四分相位光栅对表面形貌测量光束进行分光，通过四路光束相位差异信息的探测和计算，可以支持更大的测量范围，更高的光通量，更小的色散，并可能降低成本。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种晶圆表面形貌测量装置，其特征在于，包括：
光源(1)，用于产生测量光束；
照明系统(2)，用于使所述测量光束照射到投影光栅(3)；
投影光栅(3)，用于在所述测量光束的照射下形成测量投影；
投影双远心系统(4)，用于将所述测量投影成像至待测晶圆(5)表面的预设区域；
探测双远心系统(6)，用于将经过所述待测晶圆(5)反射的所述测量投影成像到空间分光系统(7)；
空间分光系统(7)，包括多条并行排列的四等分相位光栅，用于将所述测量投影的光束分为振幅相同且相位不同的四束光；
数据处理系统(8)，用于采集所述振幅相同且相位不同的四束光的光强信号，基于所述光强信号计算所述待测晶圆(5)的预设区域的表面高度；
测量台，用于放置所述待测晶圆(5)，依次移动所述待测晶圆(5)的位置，使所述数据处理系统(8)获得所述待测晶圆(5)表面全部区域的表面高度，形成所述待测晶圆(5)的表面形貌。
2.根据权利要求1所述的晶圆表面形貌测量装置，其特征在于，所述四等分相位光栅的截面为等腰梯形和等腰三角形构成的组合形状，其中，所述等腰三角形的底边为所述等腰梯形的上底，且所述等腰梯形的上底长度为下底长度的二分之一；
每个所述四等分相位光栅的周期长度相同。
3.根据权利要求1所述的晶圆表面形貌测量装置，其特征在于，在所述四等分相位光栅的截面中，所述等腰梯形的底角为45°，所述等腰三角形的底角为30°。
4.根据权利要求1所述的晶圆表面形貌测量装置，其特征在于，所述投影双远心系统(4)中设有光阑，允许0级与±1级衍射光通过。
5.根据权利要求1所述的晶圆表面形貌测量装置，其特征在于，所述投影光栅(3)为振幅型光栅。
6.根据权利要求1所述的晶圆表面形貌测量装置，其特征在于，所述装置还包括：
第一反射镜(9)，设于所述投影双远心系统(4)与所述待测晶圆(5)之间，用于将经过所述投影双远心系统(4)射出的所述测量投影反射至所述待测晶圆(5)；
第二反射镜(10)，设于所述探测双远心系统(6)与所述待测晶圆(5)之间，用于将经过所述待测晶圆(5)反射后的所述测量投影反射至所述探测双远心系统(6)。
7.一种晶圆表面形貌测量方法，应用于如权利要求1至5任意一项所述的晶圆表面形貌测量装置，其特征在于，包括：
产生测量光束，使所述测量光束照射到投影光栅(3)，形成测量投影；
将所述测量投影成像至待测晶圆(5)表面的预设区域；
将经过所述待测晶圆(5)反射的所述测量投影的光束分为振幅相同且相位不同的四束光；
采集所述振幅相同且相位不同的四束光的光强信号，基于所述光强信号计算所述待测晶圆(5)的预设区域的表面高度；
依次移动所述待测晶圆(5)的位置，重复执行上述步骤，直至获得所述待测晶圆(5)表面全部区域的表面高度，形成所述待测晶圆(5)的表面形貌。
8.根据权利要求7所述的晶圆表面形貌测量方法，其特征在于，所述基于所述光强信号计算所述待测晶圆(5)的预设区域的表面高度包括：
对所述光强信号进行归一化处理，消除共模干扰，得到归一化投影光强；
基于所述归一化投影光强和光学三角法的计算公式，计算所述待测晶圆(5)的表面高度。
9.根据权利要求8所述的晶圆表面形貌测量方法，其特征在于，所述对所述归一化光强信号进行归一化处理，消除共模干扰，得到归一化投影光强的计算公式为：
其中，I1、I2、I3和I4表示所述振幅相同且相位不同的四束光的光强信号，I表示所述归一化投影光强。
10.根据权利要求8所述的晶圆表面形貌测量方法，其特征在于，所述光学三角法的计算公式为：
其中，α表示所述测量投影射向所述待测晶圆(5)表面的入射角，d表示所述四等分相位光栅的周期长度，I表示所述归一化投影光强。
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN116358447A (zh) |
-
2023
- 2023-03-06 CN CN202310240009.9A patent/CN116358447A/zh active Pending
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