CN117405275A - 薄膜检测方法、薄膜检测系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种薄膜检测方法、一种薄膜检测系统及一种计算机可读存储介质。所述薄膜检测方法包括以下步骤：获取待测样本的基底弹性模量、基底泊松比、基底厚度，以及所述待测样本表面至少一个预设位置镀膜前的第一曲率半径；获取所述待测样本表面的薄膜厚度，以及所述至少一个预设位置镀膜后的第二曲率半径；以及根据所述基底弹性模量、所述基底泊松比、所述基底厚度、所述薄膜厚度、所述第一曲率半径及所述第二曲率半径，确定所述至少一个预设位置的薄膜残余应力。通过定点捕捉薄膜局部形貌，本发明可以检测薄膜各位置的局部薄膜残余应力，从而提升薄膜检测的灵活性、可靠性及检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件的加工技术，尤其涉及一种薄膜检测方法、一种薄膜检测系统，以及一种计算机可读存储介质。
背景技术
薄膜残余应力是半导体器件薄膜制备过程中的普遍现象，其一方面由热膨胀系数不同的薄膜与基底材料在制备薄膜的加热和冷却过程中产生，另一方面由薄膜生长过程中的非平衡性及薄膜特有的微观结构引起。薄膜残余应力与薄膜及基底的材料、薄膜的制备方法和工艺过程密切相关。
薄膜残余应力对薄膜的结构与性能有较大影响，因此需要在薄膜制备过程中控制和检测薄膜的残余应力。这对控制薄膜制备的工艺参数以及成品率有重要意义，也是进行产品质量检查及改进制造工艺的有效手段。然而，现有的薄膜检测方法只能基于基片弯曲法，对薄膜中心区域的表面进行一维的线性采样，并计算该中心线上的应力分布，而无法捕捉其余区域薄膜翘曲的局部形貌，因此不适用于局部应力突变现象的检测。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种改进的薄膜检测方法，用于定点检测薄膜各位置的局部薄膜残余应力，从而提升薄膜检测的灵活性、可靠性及检测精度。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种薄膜检测方法、一种薄膜检测系统及一种计算机可读存储介质，能够通过定点捕捉薄膜局部形貌，定点检测薄膜的二维残余应力，从而提升薄膜检测的灵活性、可靠性及精度。
具体来说，根据本发明的第一方面提供的上述薄膜检测方法包括以下步骤：获取待测样本的基底弹性模量、基底泊松比、基底厚度，以及所述待测样本表面至少一个预设位置镀膜前沿X方向和Y方向的第一曲率半径；获取所述待测样本表面的薄膜厚度，以及所述至少一个预设位置镀膜后沿X方向和Y方向的第二曲率半径；以及根据所述基底弹性模量、所述基底泊松比、所述基底厚度、所述薄膜厚度、所述沿X方向和Y方向的第一曲率半径及所述沿X方向和Y方向的第二曲率半径，确定所述至少一个预设位置的薄膜残余应力。
进一步地，在本发明的一些实施例中，获取所述基底弹性模量和/或所述基底泊松比的步骤包括：根据所述待测样本的基底材料，确定所述基底弹性模量和/或所述基底泊松比，和/或获取所述基底厚度的步骤包括：经由自动对焦系统扫描镀膜前的待测样本，以确定所述待测样本的基底厚度，和/或获取所述薄膜厚度的步骤包括：经由椭偏量测系统扫描镀膜后的待测样本，以确定所述待测样本表面的薄膜厚度。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述经由自动对焦系统扫描镀膜前的待测样本，以确定所述待测样本的基底厚度的步骤包括：经由所述自动对焦系统，确定所述镀膜前的待测样本表面至少一个预设位置的Z坐标；以及根据所述至少一个预设位置的Z坐标与未放置所述待测样本的载物托盘的原始Z坐标，确定所述待测样本的基底厚度。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述经由椭偏量测系统扫描镀膜后的待测样本，以确定所述待测样本表面的薄膜厚度的步骤包括：经由所述椭偏量测系统向所述镀膜后的待测样本的表面提供一个已知偏振态的入射光；经由配置于所述椭偏量测系统的探测器，收集经由所述待测样本反射以及检偏器处理后的反射光；以及根据所述探测器收集的反射光的测量光谱，并结合根据所述待测样本的理论模型和各光学元件系统参数计算的模拟光谱，拟合计算所述待测样本表面的薄膜厚度。
进一步地，在本发明的一些实施例中，获取所述沿X方向和Y方向的第一曲率半径和/或所述沿X方向和Y方向的第二曲率半径的步骤包括：采集所述待测样本表面至少一个第一位置的Z坐标，以及各所述第一位置附近的多个第二位置的Z坐标；根据各所述第一位置的Z坐标，以及各所述第一位置附近的多个第二位置的Z坐标，分别进行二次曲面拟合，以分别确定各所述第一位置的局部曲面方程；根据各所述局部曲面方程，分别确定对应的第一位置的Z坐标沿X方向的一阶导数z′x及二阶导数z″xx，以及所述Z坐标沿Y方向的一阶导数z′y及二阶导数z″yy；根据所述沿X方向的一阶导数z′x及二阶导数z″xx，确定所述第一位置镀膜前沿X方向的第一曲率半径Rs(i,X)和/或第二曲率半径Rf(i,X)；以及根据所述沿Y方向的一阶导数z′y及二阶导数z″yy，确定所述第一位置镀膜前沿Y方向的第一曲率半径Rs(i,Y)和/或第二曲率半径Rf(i,Y)。
进一步地，在本发明的一些实施例中，获取所述沿X方向和Y方向的第一曲率半径的步骤包括：采集所述待测样本表面至少一个第一位置(xi,yi)镀膜前的Z坐标Pre_Zi，以及各所述第一位置(xi,yi)附近的多个第二位置镀膜前的Z坐标根据各所述第一位置(xi,yi)镀膜前的Z坐标Pre_Zi，以及各所述第一位置(xi,yi)附近的多个第二位置镀膜前的Z坐标/>分别进行二次曲面拟合，以分别确定各所述第一位置(xi,yi)的镀膜前的第一局部曲面方程；根据各所述第一局部曲面方程，分别确定对应的第一位置(xi,yi)镀膜前的Z坐标Pre_Zi沿X方向的一阶导数/>及二阶导数/>以及所述Z坐标Pre_Zi沿Y方向的一阶导数/>及二阶导数/>根据所述沿X方向的一阶导数/>及二阶导数/>确定所述第一位置镀膜前沿X方向的第一曲率半径Rs(i,X)；以及根据所述沿Y方向的一阶导数/>及二阶导数/>确定所述第一位置镀膜前沿Y方向的第一曲率半径Rs(i,Y)。
进一步地，在本发明的一些实施例中，获取所述沿X方向和Y方向的第二曲率半径的步骤包括：采集所述至少一个第一位置(xi,yi)镀膜后的Z坐标Post_Zi，以及各所述第一位置(xi,yi)附近的多个第二位置镀膜后的Z坐标根据各所述第一位置(xi,yi)镀膜后的Z坐标Post_Zi，以及各所述第一位置(xi,yi)附近的多个第二位置镀膜后的Z坐标/>分别进行二次曲面拟合，以分别确定各所述第一位置(xi,yi)镀膜后的第二局部曲面方程；根据各所述第二局部曲面方程，分别确定对应的第一位置(xi,yi)镀膜后的Z坐标Post_Zi沿X方向的一阶导数/>及二阶导数以及所述镀膜后的Z坐标Post_Zi沿Y方向的一阶导数/>及二阶导数/>根据所述沿X方向的一阶导数/>及二阶导数/>确定所述第一位置镀膜后沿X方向的第二曲率半径Rf(i,X)；以及根据所述沿Y方向的一阶导数/>及二阶导数/>确定所述第一位置镀膜后沿Y方向的第二曲率半径Rf(i,Y)。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述根据所述基底弹性模量、所述基底泊松比、所述基底厚度、所述薄膜厚度、所述沿X方向和Y方向的第一曲率半径及所述沿X方向和Y方向的第二曲率半径，确定所述至少一个预设位置的薄膜应力的步骤包括：计算所述第一位置镀膜后沿X方向的第二曲率半径的倒数与所述第一位置镀膜前沿X方向的第一曲率半径的倒数/>的第一差值；根据所述基底弹性模量、所述基底泊松比、所述基底厚度、所述薄膜厚度，以及所述第一差值，确定所述第一位置沿X方向的薄膜残余应力σ(i,X)；计算所述第一位置镀膜后沿Y方向的第二曲率半径的倒数/>与所述第一位置镀膜前沿Y方向的第一曲率半径的倒数/>的第二差值；根据所述基底弹性模量、所述基底泊松比、所述基底厚度、所述薄膜厚度，以及所述第二差值，确定所述第一位置沿Y方向的薄膜残余应力σ(i,Y)。
进一步地，在本发明的一些实施例中，在确定所述至少一个预设位置的薄膜残余应力之后，所述薄膜检测方法还包括以下步骤：根据多个所述预设位置的薄膜残余应力，确定所述待测样本镀膜后的薄膜残余应力分布；以及根据所述薄膜残余应力分布，确定所述待测样本的性能，其中，所述性能选自光学性能、电学性能、磁学性能、机械性能中的至少一者。
此外，根据本发明的第二方面提供的上述薄膜检测系统包括存储器及处理器。所述存储器上存储有计算机指令。所述处理器连接所述存储器，并被配置用于执行所述存储器上存储的计算机指令，以实施本发明的第一方面提供的薄膜检测方法。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述薄膜检测系统中还包括载物托盘及探测器。所述处理器连接所述载物托盘及所述探测器，并被配置为：经由所述载物托盘承载并平移所述待测样本；经由所述探测器检测所述待测样本上至少一个第三位置；以及根据所述至少一个第三位置的检测数据，确定所述待测样本的基底厚度、所述待测样本表面的薄膜厚度、所述待测样本表面至少一个预设位置镀膜前的第一曲率半径，和/或所述至少一个预设位置镀膜后的第二曲率半径。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述薄膜检测系统中还包括自动对焦系统和/或椭偏量测系统。所述处理器还被配置为：根据配置于所述自动对焦系统的第一探测器采集的第一检测数据，确定所述待测样本的基底厚度、所述待测样本表面至少一个预设位置镀膜前的第一曲率半径，和/或所述至少一个预设位置镀膜后的第二曲率半径；和/或根据配置于所述椭偏量测系统的第二探测器采集的第二检测数据，确定所述待测样本表面的薄膜厚度。
此外，根据本发明的第三方面提供的上述计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令。所述计算机指令被处理器执行时，实施本发明的第一方面提供的薄膜检测方法。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了根据本发明的一些实施例提供的薄膜检测系统的结构示意图。
图2示出了根据本发明的一些实施例提供的薄膜检测方法的流程示意图。
图3示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本的薄膜表面扫描点示意图。
图4示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本镀膜前的表面坐标分布图。
图5示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本翘曲现象示意图。
图6示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本镀膜后的表面坐标分布图。
图7示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本所有扫描点沿X方向的应力折线图。
图8示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本所有扫描点沿Y方向的应力折线图。
图9示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本薄膜表面沿X方向的应力分布图。
图10示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本薄膜表面沿Y方向的应力分布图。
图11示出了根据本发明的一些实施例提供的二维应力的示意图。
图12示出了根据本发明的一些实施例提供的一维应力检测及二维应力检测的对比图。
图13示出了根据本发明的一些实施例提供的一维应力检测结果及二维应力检测结果的对比图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
如上所述，现有的薄膜检测方法只能基于基片弯曲法，对薄膜中心区域的表面进行一维的线性采样，并计算该中心线上的应力分布，而无法捕捉其余区域薄膜翘曲的局部形貌，因此不适用于局部应力突变现象的检测。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种薄膜检测方法、一种薄膜检测系统及一种计算机可读存储介质，能够通过定点捕捉薄膜局部形貌，定点检测薄膜的各位置的二维残余应力，从而提升薄膜检测的灵活性、可靠性及检测精度。
在一些非限制性的实施例中，本发明的第一方面提供的上述薄膜检测方法，可以基于本发明的第二方面提供的上述薄膜检测系统来实施。具体来说，该薄膜检测系统中可以配置有存储器及处理器。该存储器包括但不限于本发明的第三方面提供的上述计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令。该处理器连接该存储器，并被配置用于执行该存储器上存储的计算机指令，以实施本发明的第一方面提供的上述薄膜检测方法。
进一步地，请参考图1。图1示出了根据本发明的一些实施例提供的薄膜检测系统的结构示意图。
在图1所示的实施例中，本发明提供的上述薄膜检测系统中还包括载物托盘101及探测器102。在此，该载物托盘101可以选用沿X轴、Y轴、Z轴的方向平移的三轴高精密运动平台，用于承载待测样本103，并将其沿X轴、Y轴、Z轴的方向平移，以配合探测器102采集待测样本103的检测数据。该探测器102用于采集待测样本103的检测数据，以确定待测样本103的各项量测参数。
在一些实施例中，上述探测器102可以包括配置于自动对焦(Auto Focus)系统的相机及四象限探测器。该自动对焦系统沿X方向及Y方向移动到任意一点的误差小于1微米，而聚焦后沿Z轴的测量精度可达到0.2微米，因而能够精确采集待测样本103的局部图像及Z坐标，以确定该待测样本103的基底厚度、待测样本103表面至少一个预设位置镀膜前沿X方向和Y方向的第一曲率半径，和/或该至少一个预设位置镀膜后沿X方向和Y方向的第二曲率半径。
此外，在一些实施例中，上述探测器102还可以包括配置于椭偏量测系统的光谱仪，用于采集待测样本103反射的光谱信号，以确定待测样本103表面的薄膜厚度。
如此，本发明提供的上述薄膜检测系统即可经由载物托盘101承载待测样本103，并驱动其沿X方向和/或Y方向进行平移，将待测样本103上的至少一个采样位置移动到探测器102的采样区域，以经由探测器102采集待测样本上至少一个位置的局部图像及Z坐标。之后，薄膜检测系统根据该至少一个位置的局部图像及Z坐标，确定待测样本103的基底厚度、该待测样本103表面的薄膜厚度、该待测样本103表面至少一个预设位置镀膜前的第一曲率半径，和/或该至少一个预设位置镀膜后的第二曲率半径，并根据该基底弹性模量、基底泊松比、基底厚度、薄膜厚度、沿X方向和Y方向的第一曲率半径，以及沿X方向和Y方向的第二曲率半径，确定待测样本103表面对应的至少一个预设位置的薄膜残余应力。
以下将结合一些薄膜检测方法的实施例来描述上述薄膜检测系统的工作原理。本领域的技术人员可以理解，这些检测方法的实施例只是本发明提供的一些非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非限制该薄膜检测系统的全部功能或全部工作方式。同样地，该薄膜检测系统也只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，不对这些薄膜检测方法中各步骤的执行主体和执行顺序构成限制。
请参考图2，图2示出了根据本发明的一些实施例提供的薄膜检测方法的流程示意图。
如图2所示，在薄膜检测的过程中，薄膜检测系统可以首先获取待测样本103的基底弹性模量、基底泊松比、基底厚度，以及待测样本103表面至少一个预设位置镀膜前的第一曲率半径。
具体来说，该基底弹性模量和/或基底泊松比，可以根据待测样本103的基底材料来确定。例如，对于采用硅材质的基地，技术人员可以查表确定其基底弹性模量为130GPa，而其基底泊松比为0.28。
此外，上述基底厚度可以是预先标定的，也可以是薄膜检测系统在线测量确定的。具体来说，响应于未获取到预先标定的基底厚度数据，薄膜检测系统可以经由配置于自动对焦系统的四象限探测器，对待测样本103的中心、前端、后端、左端、右端等多个预设位置进行五点聚焦，以扫描镀膜前待测样本103表面该多个预设位置的Z坐标zj，并根据各Z坐标zj的平均值与载物托盘表面的原始Z坐标z0的差值，即/>确定待测样本103的基底厚度。
此外，请结合参考图3及图4。图3示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本的薄膜表面扫描点示意图。图4示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本镀膜前的表面坐标分布图。
如图3所示，在确定待测样本103表面至少一个预设位置镀膜前沿X方向和Y方向的第一曲率半径的过程中，薄膜检测系统可以首先经由配置于自动对焦系统的相机扫描待测样本103表面的至少一个预设位置1～81，以采集该至少一个预设位置1～81镀膜前的Z坐标数据，再根据各预设位置1～81镀膜前的Z坐标数据及其周围其余位置的Z坐标数据，计算待测样本103表面至少一个预设位置镀膜前沿X方向和Y方向的第一曲率半径。
具体来说，以图4中的第i个预设位置(1≤i≤81)为例，薄膜检测系统可以首先采集该第一位置(xi,yi)镀膜前的Z坐标Pre_Zi，并采集待测样本103的表面距离第一位置(xi,yi)的平面距离最近的N(例如：N＝9)个第二位置(包括该第一位置)镀膜前的Z坐标
之后，薄膜检测系统可以根据该第一位置(xi,yi)及其附近的多个第二位置的Z坐标采用列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt)算法进行二次曲面拟合，以确定关于该第一位置(xi,yi)的第一局部曲面方程：
z1＝a1x2+b1y2+c1x+d1y+e1
在此，a1,b1,c1,d1,e1为拟合得到的第一局部曲面方程的系数。
再之后，薄膜检测系统即可根据该第一局部曲面方程，确定该第一位置(xi,yi)镀膜前的Z坐标Pre_Zi沿X方向的一阶导数及二阶导数/>以及镀膜前的Z坐标Pre_Zi沿Y方向的一阶导数/>及二阶导数/>
并进一步地计算该第一位置(xi,yi)镀膜前沿X方向和Y方向的第一曲率半径：
依此类推，薄膜检测系统即可逐一确定待测样本103表面各预设位置1～81的镀膜前沿X方向和Y方向的第一曲率半径，在此不再一一赘述。
之后，请参考图5，图5示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本翘曲现象示意图。
如图5所示，在确定待测样本103的基底厚度及第一曲率半径之后，技术人员可以对上述待测样本103的基底501镀膜502，以获得镀膜后的待测样本500。在此，由于薄膜502与基底501材料的热膨胀系数不同，其在制备薄膜502的加热和冷却过程中不可避免地产生薄膜残余应力，而且薄膜生长过程中的非平衡性及薄膜502特有的微观结构也会引起薄膜残余应力，从而导致待测样本500出现翘曲现象。
在一些实施例中，待测样本500表面的薄膜厚度可以是预先标定的，也可以是薄膜检测系统在线测量确定的。具体来说，响应于未获取到预先标定的薄膜厚度数据，薄膜检测系统可以经由椭偏量测系统向待测样本500表面提供一个已知偏振态的入射光，并经由配置于椭偏量测系统的光谱仪，收集经由待测样本500反射以及检偏器处理后的反射光，再根据光谱仪收集的测量光谱，并结合待测样本的理论模型和各光学元件系统参数计算的模拟光谱，拟合计算待测样本500表面的薄膜厚度。
具体来说，以图5所示的待测样本500为例，其基地501材料为硅、薄膜502材料为二氧化硅、晶圆大小为8英寸、基底弹性模量为130GPa、基底泊松比为0.28、基底厚度为723.872μm、薄膜厚度为930nm。
此外，请结合参考图3及图6。图6示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本镀膜后的表面坐标分布图。
如图3所示，在确定待测样本500表面至少一个预设位置镀膜后沿X方向和Y方向的第二曲率半径的过程中，薄膜检测系统可以如上所述地再次经由配置于自动对焦系统的相机扫描待测样本500表面的至少一个预设位置1～81，以采集该至少一个预设位置1～81镀膜后的Z坐标数据，再根据各预设位置1～81镀膜后的Z坐标数据及其周围其余位置的Z坐标数据，计算待测样本500表面至少一个预设位置镀膜后沿X方向和Y方向的第二曲率半径。
具体来说，继续以图6中的第i个预设位置(1≤i≤81)为例，薄膜检测系统可以首先采集该第一位置(xi,yi)镀膜后的Z坐标Post_Zi，并采集待测样本500表面距离第一位置(xi,yi)的平面距离最近的N(例如：N＝9)个第二位置(包括该第一位置)镀膜后的Z坐标
之后，薄膜检测系统可以根据该第一位置(xi,yi)及其附近的多个第二位置镀膜后的Z坐标采用列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt)算法进行二次曲面拟合，以确定关于该第一位置(xi,yi)镀膜后的第二局部曲面方程：
z2＝a2x2+b2y2+c2x+d2y+e2
在此，a2,b2,c2,d2,e2为拟合得到的第二局部曲面方程的系数。
再之后，薄膜检测系统即可根据该第二局部曲面方程，确定该第一位置(xi,yi)镀膜后的Z坐标Post_Zi沿X方向的一阶导数及二阶导数/>以及镀膜后的Z坐标Post_Zi沿Y方向的一阶导数/>及二阶导数/>
并进一步地计算该第一位置(xi,yi)镀膜后沿X方向和Y方向的第二曲率半径：
请继续参考图2，在分别确定待测样本500的基底弹性模量、基底泊松比、基底厚度、薄膜厚度、沿X方向和Y方向的第一曲率半径及沿X方向和Y方向的第二曲率半径之后，薄膜检测系统可以将其代入本发明二维扩展的Stoney公式，以分别计算得到待测样本500上至少一个预设位置1～81沿X方向和Y方向的薄膜残余应力：
其中，E为待测样本500的基底弹性模量，ν为待测样本500的基底泊松比，ts为待测样本500的基底厚度，tf为待测样本500的薄膜厚度。
请结合参考图7至图10。图7示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本所有扫描点沿X方向的应力折线图。图8示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本所有扫描点沿Y方向的应力折线图。图9示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本薄膜表面沿X方向的应力分布图。图10示出了根据本发明的一些实施例提供的待测样本薄膜表面沿Y方向的应力分布图。
如图7至图10所示，通过采用以上软硬件配置，本发明提供的上述薄膜检测方法、薄膜检测系统及计算机可读存储介质，均能通过定点捕捉薄膜各位置的局部形貌，从而检测薄膜各位置的局部薄膜残余应力，以提升薄膜检测的灵活性、可靠性及检测精度。
进一步地，在一些实施例中，在确定至少一个预设位置的薄膜残余应力之后，本发明提供的上述薄膜检测系统还可以根据多个预设位置的薄膜残余应力，确定待测样本镀膜后的薄膜残余应力分布，并根据薄膜残余应力分布确定待测样本的光学性能、电学性能、磁学性能和/或机械性能。
例如，在薄膜厚度的光学量测过程中，需要通过椭偏量测系统采集薄膜的光谱信息来计算膜层厚度，而待测样本的光学性能直接影响光谱的采集结果。此时，薄膜检测系统可以优先判断薄膜残余应力分布是否在允许范围内。若薄膜残余应力分布在允许范围内，则薄膜检测系统可以判定该膜厚量测结果是有效的。反之，薄膜残余应力分布超出允许范围，则薄膜检测系统可以判定该膜厚量测结果无效。
更进一步地，为了辨析本发明所揭露的二维应力检测方案与常规的一维应力检测方案的原理差异及效果差异，本发明提供了一组对同一缺陷进行二维应力检测及一维应力检测的对照例。
请结合参考图11至图13。图11示出了根据本发明的一些实施例提供的二维应力的示意图。图12示出了根据本发明的一些实施例提供的一维应力检测及二维应力检测的对比图。图13示出了根据本发明的一些实施例提供的一维应力检测结果及二维应力检测结果的对比图。
如图11所示，应力是一个有方向的矢量。对于待测样本表面上给定的任意一个点，其沿每个方向的应力都可以是不同的。
例如，对于待测样本表面一点A，假设选取X、Y两个方向(实际可以取任意方向)，根据点A沿该X方向和Y方向的曲线所计算得到应力1和应力2的方向可以不同，而其大小也可以不同。因此，在一维检测和二维检测的场景下，薄膜应力的计算结果也存在明显不同。
具体来说，本领域常规的一维检测是在待测样本表面沿直径方向进行扫描，接着进行曲线拟合，以计算曲线的曲率半径，从而计算被测点沿直径方向的应力值。
不同地，本发明所提供的二维检测可以在待测样本表面的任意区域内进行多个被测点高度(即Z坐标)的扫描，接着进行二维曲面拟合，以根据拟合后的曲面来计算沿任意方向的曲率半径，从而计算该任意方向上的应力值。更具体地，对于任一给定的点，本发明可以在该点的邻域范围内进行扫描，根据该点的相邻点的Z坐标来拟合该点邻域的曲面，从而计算该点沿任意方向的应力值。
从图12可以看出，对于待测样本表面一点A，在常规的一维检测的情形下，只能拟合得到沿直径方向的表面曲线，因而只能计算该点沿直径方向的应力值。反观在本发明提供的二维检测的方案中，可以拟合该点A在其邻域范围内的二次曲面，以计算该点A沿任意方向的曲率半径，从而计算得到该点A沿任意方向的应力值，并克服一维情形下应力计算的局限性。
进一步地，由于晶圆等待测样本表面通常可能存在尖端凸起、凹陷和褶皱等具有不同形状的缺陷，造成缺陷区域内应力的突然增大或减小。如果采用常规的一维应力检测，其只能沿直径方向扫描经过缺陷区域，而无法还原该缺陷区域内的特征形状。反观在本发明提供的二维缺陷检测方案中，可以通过在缺陷区域内加密扫描点来拟合整个缺陷区域的二位局部形貌，以更接近模拟真实的缺陷情况来应对应力分布极端的情况。
更进一步地，如图13所示，对于单侧样本表面缺陷区域内一点A，常规的一维检测方案只能沿直径方向扫描经过点A，并扫描获得该缺陷区域沿点A直径所在的截面形状，再对该扫描结果进行一维曲线拟合的光滑处理。这种扫描方式忽略了点A周围区域的影响，极容易因检测方向与特征方向的缺陷型状偏差及曲线拟合的光滑效应而导致错失实际缺陷峰值的情况，因而与实际形状偏差较大，存在应力计算精度低下的缺陷。
反之，在本发明提供的上述二维检测的方案中，其扫描的是包含点A及其相邻的多个预设点位的整个局部区域，其二次曲面拟合的结果能够体现这个局部区域形状，因而能够使得应力计算的结果更加精确。
此外，对于图中实际的最低点B，其尖端应力高度集中。如果在一维情形下没有扫描经过点B，就会使得计算的最大应力误差较大。退一步讲，由于缺陷在点B沿个方向的应力值不同，即使一维检测方案恰好扫描经过点B，其也可能因直径方向与实际特征方向的偏离而导致最大应力的计算误差。由于应力范围的结果直接影响晶圆良性的判断，如果点A的应力值小于允许的应力阈值，而点B的最大应力值恰好大于允许的应力阈值，那么常规的一维检测方案就有可能造成待测样本的良性误判，从而将不合格待测样本判断为合格样本。
反之，如上所述，在本发明提供的上述二维检测的方案中，只要点B在扫描区域内，本发明就能通过采集点A及其相邻点的Z坐标来拟合获得整个局部区域形状，从而准确计算得到整个局部区域内最大应力值，以避免缺陷的误判。因此，相较于一维检测的常规方案，本发明提供了上述薄膜检测方法、薄膜检测系统及计算机可读存储介质，均能通过定点检测薄膜的二维残余应力，捕捉薄膜翘曲的局部形貌，从而提升薄膜检测的灵活性、可靠性及精度。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (13)
1.一种薄膜检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待测样本的基底弹性模量、基底泊松比、基底厚度，以及所述待测样本表面至少一个预设位置镀膜前沿X方向和Y方向的第一曲率半径；
获取所述待测样本表面的薄膜厚度，以及所述至少一个预设位置镀膜后沿X方向和Y方向的第二曲率半径；以及
根据所述基底弹性模量、所述基底泊松比、所述基底厚度、所述薄膜厚度、所述沿X方向和Y方向的第一曲率半径及所述沿X方向和Y方向的第二曲率半径，确定所述至少一个预设位置沿X方向和Y方向的薄膜残余应力。
2.如权利要求1所述的薄膜检测方法，其特征在于，获取所述基底弹性模量和/或所述基底泊松比的步骤包括：根据所述待测样本的基底材料，确定所述基底弹性模量和/或所述基底泊松比，和/或
获取所述基底厚度的步骤包括：经由自动对焦系统扫描镀膜前的待测样本，以确定所述待测样本的基底厚度，和/或
获取所述薄膜厚度的步骤包括：经由椭偏量测系统扫描镀膜后的待测样本，以确定所述待测样本表面的薄膜厚度。
3.如权利要求2所述的薄膜检测方法，其特征在于，所述经由自动对焦系统扫描镀膜前的待测样本，以确定所述待测样本的基底厚度的步骤包括：
经由所述自动对焦系统，确定所述镀膜前的待测样本表面至少一个预设位置的Z坐标；以及
根据所述至少一个预设位置的Z坐标与未放置所述待测样本的载物托盘的原始Z坐标，确定所述待测样本的基底厚度。
4.如权利要求2所述的薄膜检测方法，其特征在于，所述经由椭偏量测系统扫描镀膜后的待测样本，以确定所述待测样本表面的薄膜厚度的步骤包括：
经由所述椭偏量测系统向所述镀膜后的待测样本的表面提供一个已知偏振态的入射光；
经由配置于所述椭偏量测系统的探测器，收集经由所述待测样本反射以及检偏器处理后的反射光；以及
根据所述探测器收集的反射光的测量光谱，并结合根据所述待测样本的理论模型和各光学元件系统参数计算的模拟光谱，拟合计算所述待测样本表面的薄膜厚度。
5.如权利要求1所述的薄膜检测方法，其特征在于，获取所述沿X方向和Y方向的第一曲率半径和/或所述沿X方向和Y方向的第二曲率半径的步骤包括：
采集所述待测样本表面至少一个第一位置的Z坐标，以及各所述第一位置附近的多个第二位置的Z坐标；
根据各所述第一位置的Z坐标，以及各所述第一位置附近的多个第二位置的Z坐标，分别进行二次曲面拟合，以分别确定各所述第一位置的局部曲面方程；
根据各所述局部曲面方程，分别确定对应的第一位置的Z坐标沿X方向的一阶导数z′x及二阶导数z″xx，以及所述Z坐标沿Y方向的一阶导数z′y及二阶导数z″yy；
根据所述沿X方向的一阶导数z′x及二阶导数z″xx，确定所述第一位置镀膜前沿X方向的第一曲率半径Rs(i，X)，和/或所述第一位置镀膜后沿X方向的第二曲率半径Rf(i，X)；以及
根据所述沿Y方向的一阶导数z′y及二阶导数z″yy，确定所述第一位置镀膜前沿Y方向的第一曲率半径Rs(i，Y)，和/或所述第一位置镀膜后沿Y方向的第二曲率半径Rf(i，Y)。
6.如权利要求5所述的薄膜检测方法，其特征在于，获取所述沿X方向和Y方向的第一曲率半径的步骤包括：
采集所述待测样本表面至少一个第一位置(xi，yi)镀膜前的Z坐标Pre_Zi，以及各所述第一位置(xi，yi)附近的多个第二位置镀膜前的Z坐标
根据各所述第一位置(xi，yi)镀膜前的Z坐标Pre_Zi，以及各所述第一位置(xi，yi)附近的多个第二位置镀膜前的Z坐标分别进行二次曲面拟合，以分别确定各所述第一位置(xi，yi)的镀膜前的第一局部曲面方程；
根据各所述第一局部曲面方程，分别确定对应的第一位置(xi，yi)镀膜前的Z坐标Pre_Zi沿X方向的一阶导数及二阶导数/>以及所述Z坐标Pre_Zi沿Y方向的一阶导数/>及二阶导数/>
根据所述沿X方向的一阶导数及二阶导数/>确定所述第一位置镀膜前沿X方向的第一曲率半径Rs(i，X)；以及
根据所述沿Y方向的一阶导数及二阶导数/>确定所述第一位置镀膜前沿Y方向的第一曲率半径Rs(i，Y)。
7.如权利要求5所述的薄膜检测方法，其特征在于，获取所述沿X方向和Y方向的第二曲率半径的步骤包括：
采集所述至少一个第一位置(xi，yi)镀膜后的Z坐标Post_Zi，以及各所述第一位置(xi，yi)附近的多个第二位置镀膜后的Z坐标
根据各所述第一位置(xi，yi)镀膜后的Z坐标Post_Zi，以及各所述第一位置(xi，yi)附近的多个第二位置镀膜后的Z坐标分别进行二次曲面拟合，以分别确定各所述第一位置(xi，yi)镀膜后的第二局部曲面方程；
根据各所述第二局部曲面方程，分别确定对应的第一位置(xi，yi)镀膜后的Z坐标Post_Zi沿X方向的一阶导数及二阶导数/>以及所述镀膜后的Z坐标Post_Zi沿Y方向的一阶导数/>及二阶导数/>
根据所述沿X方向的一阶导数及二阶导数/>确定所述第一位置镀膜后沿X方向的第二曲率半径Rf(i，X)；以及
根据所述沿Y方向的一阶导数及二阶导数/>确定所述第一位置镀膜后沿Y方向的第二曲率半径Rf(i,Y)。
8.如权利要求4所述的薄膜检测方法，其特征在于，所述根据所述基底弹性模量、所述基底泊松比、所述基底厚度、所述薄膜厚度、所述沿X方向和Y方向的第一曲率半径及所述沿X方向和Y方向的第二曲率半径，确定所述至少一个预设位置的薄膜应力的步骤包括：
计算所述第一位置镀膜后沿X方向的第二曲率半径的倒数与所述第一位置镀膜前沿X方向的第一曲率半径的倒数/>的第一差值；
根据所述基底弹性模量、所述基底泊松比、所述基底厚度、所述薄膜厚度，以及所述第一差值，确定所述第一位置沿X方向的薄膜残余应力σ(i,X)；
计算所述第一位置镀膜后沿Y方向的第二曲率半径的倒数与所述第一位置镀膜前沿Y方向的第一曲率半径的倒数/>的第二差值；
根据所述基底弹性模量、所述基底泊松比、所述基底厚度、所述薄膜厚度，以及所述第二差值，确定所述第一位置沿Y方向的薄膜残余应力σ(i,Y)。
9.如权利要求1所述的薄膜检测方法，其特征在于，在确定所述至少一个预设位置的薄膜残余应力之后，所述薄膜检测方法还包括以下步骤：
根据多个所述预设位置的薄膜残余应力，确定所述待测样本镀膜后的薄膜残余应力分布；以及
根据所述薄膜残余应力分布，确定所述待测样本的性能，其中，所述性能选自光学性能、电学性能、磁学性能、机械性能中的至少一者。
10.一种薄膜检测系统，其特征在于，包括：
存储器，其上存储有计算机指令；以及
处理器，连接所述存储器，并被配置用于执行所述存储器上存储的计算机指令，以实施如权利要求1～9中任一项所述的薄膜检测方法。
11.如权利要求10所述的薄膜检测系统，其特征在于，所述薄膜检测系统中还包括载物托盘及探测器，所述处理器连接所述载物托盘及所述探测器，并被配置为：
经由所述载物托盘承载并平移所述待测样本；
经由所述探测器检测所述待测样本上至少一个第三位置；以及
根据所述至少一个第三位置的检测数据，确定所述待测样本的基底厚度、所述待测样本表面的薄膜厚度、所述待测样本表面至少一个预设位置镀膜前的第一曲率半径，和/或所述至少一个预设位置镀膜后的第二曲率半径。
12.如权利要求11所述的薄膜检测系统，其特征在于，所述薄膜检测系统中还包括自动对焦系统和/或椭偏量测系统，所述处理器还被配置为：
根据配置于所述自动对焦系统的第一探测器采集的第一检测数据，确定所述待测样本的基底厚度、所述待测样本表面至少一个预设位置镀膜前的第一曲率半径，和/或所述至少一个预设位置镀膜后的第二曲率半径；和/或
根据配置于所述椭偏量测系统的第二探测器采集的第二检测数据，确定所述待测样本表面的薄膜厚度。
13.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时，实施如权利要求1～9中任一项所述的薄膜检测方法。
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