CN117091526A - 一种堆叠片曲面变形测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于表面三维形貌测量相关技术领域，并公开了一种堆叠片曲面变形测量装置及方法。该装置包括光源、分光器、反射镜、微反射镜和相机，其中，分光器设置在所述光源后方，反射镜和微反射镜均设置在所述分光器后方，待测堆叠片设置在所述微反射镜后方，光源发出的光经过所述分光器被分为两束光，一束进入反射镜作为参考光，一束进入微反射镜作为测量光，该测量光经过微反射镜反射照射在待测堆叠片表面被待测堆叠片反射，反射的光线原路返回至分光器，同时，所述参考光被反射镜反射进入所述分光器，参考光和测量光均被所述分光器反射并进入相机中汇合，以此形成干涉图案。通过本发明，解决堆叠间隙小的堆叠片的变形如何测量的问题。
Description
技术领域
本发明属于表面三维形貌测量相关技术领域，更具体地，涉及一种堆叠片曲面变形测量装置及方法。
背景技术
堆叠晶圆的层数很多，在高温高压等环境应力的影响下，晶圆都会产生一定的翘曲以及弯曲情况。长此以往，器件的性能会受到很大的影响。这时需要准确测量堆叠晶圆中各个晶圆表面形貌的变化以便实时掌握器件的变形情况，进而预测器件的性能寿命。而堆叠晶圆的间距一般为几微米到几毫米，常规的技术手段难以测量如此微小的间距。除了堆叠晶圆有目前的测量问题之外，堆叠金属片、激光加工的金属间隙、叠层材料等，凡是以微小间距堆叠的物体，都会有这个测量难题，所以需要一种高精度的测量装置及表面形貌拟合方法解决堆叠片间隙的测量难题。
目前对于金属材料的间隙测量一般是探针放电测量方法，即依靠点击使外加直流电压的探针径向移动，当探针移向被测物体至发生放电为止，探针的行程与初始安装间隙之差即为间隙距离，此方法测量误差很大，测量范围小，且适用于金属等导电材料。而针对普遍广泛的在几微米到几毫米甚至更大范围的堆叠片间隙的纳米级测量，现有常规检测手段中均不具备良好的测量能力。
因此研究出一种能够精准检测堆叠片变形情况的测量系统，对堆叠片的变形进行高效率高精度测量和评定，利用测量的数据和算法拟合出堆叠片中每个薄片的表面形貌，有利于及时发现堆叠片中薄片的形貌变化，预测器件的性能寿命，提高器件的使用效率。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种堆叠片曲面变形测量装置及方法，解决堆叠间隙小的堆叠片的变形如何测量的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种堆叠片曲面变形测量装置，该装置包括光源、分光器、反射镜、微反射镜和相机，其中，
所述分光器设置在所述光源后方，所述反射镜和微反射镜均设置在所述分光器后方，待测堆叠片设置在所述微反射镜后方，光源发出的光经过所述分光器被分为两束光，一束进入所述反射镜作为参考光，一束进入所述微反射镜作为测量光，该测量光经过所述微反射镜反射照射在待测堆叠片表面被待测堆叠片反射，反射的光线原路返回至所述分光器，同时，所述参考光被所述反射镜反射进入所述分光器，所述参考光和测量光均被所述分光器反射并进入所述相机中汇合，以此形成干涉图案。
进一步优选地，所述测量装置中还包括第一位移台、第二位移台和第三位移台，所述第一位移台设置在所述反射镜的下方，用于调节所述反射镜的位置，所述第二位移台设置在所述微反射镜的下方，用于调节所述微反射镜的位置，所述第三位移台用于放置待测堆叠片，通过第三位移台的旋转或移动带动待测堆叠片旋转或移动。
进一步优选地，所述微反射镜的尺寸为10um～1mm。
进一步优选地，所述微反射镜的为镀银或镀铝的平面反射镜。
进一步优选地，所述微反射镜的基底为金属片状材料。
进一步优选地，所述待测堆叠片为堆叠的片状物体，包括堆叠的半导体晶圆、堆叠的金属片或堆叠的芯片。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述装置的测量方法，该方法包括下列步骤：
S1分别调节所述第一位移台和第二位移台，使得所述反射镜和微反射镜与所述分光器之间的距离相等，此时所述第一位移台的位置作为初始位置；
S2调节所述第三位移台的位置，使得所述微反射镜置于待测堆叠片上方，且所述相机中产生干涉图案；
S3调节所述第一位移台的位置，使得所述相机中的干涉条纹的光强最强，当前第一位移台的位置与步骤S1中初始位置之差即为待测堆叠片表面反射点处的高程值，即所述微反射镜与待测堆叠片表面反射点之间的距离；
S3旋转所述第三位移台并记录旋转角度，重复步骤S1～S3，直至获得待测堆叠片表面多个反射点的高程值；
S4利用每个反射点的高程值和第三位移台的旋转角度，将所有反射点拟合获得待测堆叠片表面曲面，根据该拟合曲面判断待测堆叠片表面是否发生形变。
进一步优选地，在步骤S3中，还需利用所述高程计算反射点的倾斜角度。
进一步优选地，所述反射点的倾斜角度按照下列关系式进行计算：
其中，h是相机6中计算光路反射光相对于参考光路反射光在Y方向上偏转的距离，h1是微反射镜8到待测堆叠片的距离，l2是微反射镜8和分光器2与相机6距离之和。
进一步优选地，在步骤S4中，在拟合时，还需根据反射点的倾斜角度判断拟合所采用的方法，若倾斜角度小于预设阈值，则采用二维Griddata插值算法拟合，否则，采用三次多项式拟合算法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明测量的待测堆叠片，间隙狭小，一般在几微米到几毫米之间，现有间隙测量的以机械方法探针导电测量为主，测量场景很局限，本发明以光学测量原理为基础，通过微反射镜收集堆叠片的反射光数据，得到堆叠片的变形情况，测量精确度高，适用性强；
2.本发明的微反射镜为以金属片为基底，表面镀银膜和二氧化硅保护膜制作而成，金属片基底基于飞秒激光加工工艺的制备，其延展性好，其它玻璃或晶圆等脆性材料在微小尺寸下，加工中易于断裂，微反射镜的质量和精度能够得到进一步的保证；
3.本发明的测量方法以白光干涉原理为基础，简单操作测量装置即可得到多个测量点的高程数据和角度数据，利用二维Griddata插值算法和三次多项式拟合算法可获得测量堆叠片的变形情况，测量方法简单可靠，精度得到保证，重复性精度高。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的堆叠片间隙的测量装置的示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的微反射镜的结构图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的堆叠片反射点的倾斜角度测量示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的薄片扭转弯曲变形曲面拟合结果图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的薄片凹凸弯曲变形曲面拟合结果图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-光源，2-分光器，3-第一位移台，4-反射镜，5-参考光路，6-相机，7-第二位移台，8-微反射镜，9-测量光路，10-堆叠片，11-第三位移台，12-夹持区域，13-触头，14-过渡区域，15-微反射镜下方堆叠片，16-微反射镜上方堆叠片，17-反射点，18-反射点在堆叠片上的切线，19-相机显示屏，20-参考光路反射到相机中的光束，21-测量光路反射到相机中的光束。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种用于堆叠片间隙的测量装置，包括：光源1，分光器2，第一位移台3，反射镜2，第二位移台，微反射镜8；
分光器2用于连接参考光路5和测量光路9；其中，参考光路5位于光源1分光器2的反射光路方向，测量光路9位于光源1分光器2的透射光路方向；
参考光路5上设置有第一位移台3，第一位移台3上搭载有反射镜2；反射镜2用于将参考光路5上的光源1反射至光源1分光器2中；
测量光路9上设置有第二位移台，第二位移台上搭载有微反射镜8；微反射镜8用于将测量光路9上的光源1反射至堆叠片上，以及将堆叠片上的反射光反射至分光器2中。
待测堆叠片放置在第三位移台11上，第三位移台自转带动待测堆叠片旋转。
作为本发明的优选，微反射镜8为片状镀银平面反射镜。
作为本发明的优选，微反射镜8为以不锈钢金属片为基底，表面镀银膜和二氧化硅保护膜制作而成。微反射镜8能够测量出棱柱到晶圆上的干涉信号。尤其是堆叠晶圆的间距一般为几微米到几毫米时，基于本发明微反射镜8的结构，能够准确的测量出堆叠片的变形情况。
作为本发明的优选，测量装置的测量对象为堆叠的片状物体，包括但不仅限于堆叠的半导体晶圆、堆叠的金属片、堆叠的芯片等。
作为本发明的优选，光源1为平行的非相干光源1；光源1优选白光。
作为本发明的优选，测量装置还包括观察相机，观察相机设置在参考光路5的反方向上。在实际测试中该装置还包含有控制器和处理终端，所述控制器一端连接在第三位移台11上，一端连接在处理终端。
进一步的，在本发明中光源1为平行的非相干光源1，或者也可以包含多个非相干光源1以及多个透镜调节为平行光。其中在本发明的实施例中，优选白光作为示例。光源1尤其为非相干光源1，相比于其他的光源1测量，利用非相干光源1基于非相干光源1干涉测量原理，能够保证本发明的晶圆间隙的测量精度。非相干光源1干涉测量使用的非相干光源1，例如，深紫外LED、紫外LED、单色可见光LED、白光LED、红外LED。尤其是选用白光时，所获取的干涉条纹更加明显。
作为本发明的一个优选实施例，在图1中该测量装置还具有一个遮光的箱体外壳，外壳将晶圆箱以外的所有器件包围，避免外部光对测量结果造成影响。
在图1中还具有堆叠片箱，在对堆叠片进行测试时，将待测薄片放置在堆叠片箱中。堆叠片箱只作为测量装置测试其测量性能使用，实际应用测量装置时，被测物体为堆叠芯片等不可拆分的成品堆叠片。
如图2所示，微反射镜8的夹持区域12被夹具固定在测量光路9中，触头13伸入堆叠片间隙中，过渡区域14防止金属基底过于弯曲。
图3是微反射镜下方堆叠片15和微反射镜上方堆叠片16之间的反射点17的倾斜角度测量示意图，倾斜角度θ为反射点17在微反射镜下方堆叠片15上的切线18和水平面之间的夹角，图中标注了反射点17的倾斜角度θ所需要的参数：h为相机6中测量光路反射到相机中的光束21相对于参考光路反射到相机中的光束20在Y方向上偏移的距离，h1为微反射镜8到微反射镜下方堆叠片15的距离(反射点的高程数据)，l2为微反射镜8和分光器2和相机6距离之和，l2＝l′2+l2″。
图4是利用图1装置测量出的数据得出的薄片扭转弯曲变形曲面拟合结果图，利用图1的堆叠片间隙的测量装置测量出堆叠片中相邻两薄片边缘6个点的高程数据，利用二维Griddata插值算法拟合出薄片扭转弯曲变形曲面。
图5是利用图1装置测量出的数据得出的薄片凹凸弯曲变形曲面拟合结果图，利用图1的堆叠片间隙的测量装置测量出堆叠片中相邻两薄片边缘8个点的高程数据和倾斜角度，利用三次多项式拟合算法拟合出薄片凹凸弯曲变形曲面。
在本发明的第二方面提供了一种堆叠片间隙的测量方法，该方法包括：
S1：分别调节所述第一位移台和第二位移台，使得所述反射镜和微反射镜与所述分光器之间的距离相等，此时所述第一位移台的位置作为初始位置；调节待测堆叠片的方向，使微反射镜8伸入到堆叠片间隙的边缘；
S2调节所述第三位移台的位置，使得所述微反射镜置于待测堆叠片上方，且所述相机中产生干涉图案；
S3调节所述第一位移台的位置，使得所述相机中的干涉条纹的光强最强，当前第一位移台的位置与步骤S1中初始位置之差即为待测堆叠片表面反射点处的高程值，即所述微反射镜与待测堆叠片表面反射点之间的距离；
S3旋转所述第三位移台并记录旋转角度，重复步骤S1～S3，直至获得待测堆叠片表面多个反射点的高程值；
S4利用每个反射点的高程值和第三位移台的旋转角度，将所有反射点拟合获得待测堆叠片表面曲面，根据该拟合曲面判断待测堆叠片表面是否发生形变。
在步骤S3中，还需利用所述高程计算反射点的倾斜角度。反射点的倾斜角度按照下列关系式进行计算：
进一步地，在拟合时，还需根据反射点的倾斜角度判断拟合所采用的方法，若倾斜角度小于预设阈值，则采用二维Griddata插值算法拟合，否则，采用三次多项式拟合算法。
本发明提供的装置利用微反射镜8，微反射镜8搭载在第二位移台上，使得该装置通过微反射镜8将测量光路9上的光源1反射至待测堆叠片上，并将待测堆叠片上的反射光反射至分光器2中；再通过调节参考光路5中的第一位移台3以改变光程，在观察相机中获取带有晶圆间隙距离信息的干涉图案。通过调节待测堆叠片的方向，可测量多个堆叠片间隙的边缘点数据，再利用拟合算法可拟合出堆叠片弯曲变形情况。
本发明的测量装置包括第二位移台，该第二位移台位于测量光路9的X方向，与测量光路9上的其他部件的位置关系不相干扰，且用于调整测量光路9的位置和方向。因此，尤其使用第二位移台在装置调试阶段时，能够更加便捷的对测量光路9的位置进行微调，使得分光器2中出来的光源1可以对准微反射镜8。
基于本发明的测量装置，本发明的测量原理为光源1发出非相干光经过分光器2分成两束，一束入射到参考光路5，参考光路5中第一位移台3搭载反射镜2将光束反射；另一束入射到测量光路9，测量光路9中的微反射镜8和堆叠片将光束反射回去。参考光路5和测量光路9中的反射光再次经过分光器2最终在相机中形成可以观察到的干涉条纹。打开光源1，调节测量光路9的位移台使得测量光路9中光源1入射到微反射镜8上，同时，调节参考光路5第一位移台3的位移并和测量光路9反射的光在相机上形成干涉图案。使用计算机程序控制参考光路5第一位移台3和观察相机，第一位移台3缓慢匀速位移时，每隔一定时长对测量观察相机的干涉光强大小，通过测量干涉光强的变化对晶圆间隙进行监测观察，所有元件的控制均可由计算机完成。光强数据转化为对应的位移数据，再根据位移数据分析评价得出晶圆间隙的测量结果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种堆叠片曲面变形测量装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、分光器(2)、反射镜(4)、微反射镜(4)和相机，其中，
所述分光器(2)设置在所述光源(1)后方，所述反射镜(4)和微反射镜(4)均设置在所述分光器(2)后方，待测堆叠片设置在所述微反射镜(4)后方，光源(1)发出的光经过所述分光器(2)被分为两束光，一束进入所述反射镜(4)作为参考光，一束进入所述微反射镜(4)作为测量光；调整待测堆叠片的位置，使得微反射镜介于相邻的堆叠片之间，所述测量光经过所述微反射镜(4)反射照射在待测堆叠片表面被该待测堆叠片反射，反射的光线原路返回至所述分光器(2)，同时，所述参考光被所述反射镜(4)反射进入所述分光器(2)，所述参考光和测量光均被所述分光器(2)反射并进入所述相机中汇合，以此形成干涉图案。
2.如权利要求1所述的一种堆叠片曲面变形测量装置，其特征在于，所述测量装置中还包括第一位移台(3)、第二位移台(7)和第三位移台(11)，所述第一位移台(3)设置在所述反射镜(4)的下方，用于调节所述反射镜(4)的位置，所述第二位移台(7)设置在所述微反射镜(4)的下方，用于调节所述微反射镜(4)的位置，所述第三位移台(11)用于放置待测堆叠片，通过第三位移台的旋转或移动带动待测堆叠片旋转或移动。
3.如权利要求1或2所述的一种堆叠片曲面变形测量装置，其特征在于，所述微反射镜(4)的尺寸为10um～1mm。
4.如权利要求3所述的一种堆叠片曲面变形测量装置，其特征在于，所述微反射镜(4)的为镀银或镀铝的平面反射镜。
5.如权利要求4所述的一种堆叠片曲面变形测量装置，其特征在于，所述微反射镜(4)的基底为金属片状材料。
6.如权利要求1或2所述的一种堆叠片曲面变形测量装置，其特征在于，所述待测堆叠片为堆叠的片状物体，包括堆叠的半导体晶圆、堆叠的金属片或堆叠的芯片。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的装置进行测量的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1分别调节所述第一位移台和第二位移台，使得所述反射镜和微反射镜与所述分光器之间的距离相等，此时所述第一位移台的位置作为初始位置；
S2调节所述第三位移台的位置，使得所述微反射镜置于待测堆叠片上方，且所述相机中产生干涉图案；
S3调节所述第一位移台的位置，使得所述相机中的干涉条纹的光强最强，当前第一位移台的位置与步骤S1中初始位置之差即为待测堆叠片表面反射点处的高程值，即所述微反射镜与待测堆叠片表面反射点之间的距离；
S3旋转所述第三位移台并记录旋转角度，重复步骤S1～S3，直至获得待测堆叠片表面多个反射点的高程值；
S4利用每个反射点的高程值和第三位移台的旋转角度，将所有反射点拟合获得待测堆叠片表面曲面，根据该拟合曲面判断待测堆叠片表面是否发生形变。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，还需利用所述高程计算反射点的倾斜角度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反射点的倾斜角度按照下列关系式进行计算：
其中，h是相机6中计算光路反射光相对于参考光路反射光在Y方向上偏转的距离，h1是微反射镜到待测堆叠片的距离，l2是微反射镜和分光器与相机距离之和。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，在拟合时，还需根据反射点的倾斜角度判断拟合所采用的方法，若倾斜角度小于预设阈值，则采用二维Griddata插值算法拟合，否则，采用三次多项式拟合算法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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