CN117781903A - 半导体量测系统、量测方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了半导体量测系统、量测方法及存储介质。所述半导体量测系统包括柯勒照明模块、光学模块及探测模块。所述柯勒照明模块依次包括宽光谱光源、波长选择单元、第一透镜、视场光阑、第二透镜、孔径光阑及物镜。所述光学模块包括第一分光单元及第二分光单元。所述探测模块包括所述光谱仪及所述相机。通过同时包括带有波长选择单元的柯勒照明模块、高倍率的第一物镜、低倍率的第二物镜、光谱仪和相机，本发明既能进行大区域薄膜厚度量测，又能进行小区域薄膜厚度量测和微观结构检测，能够实现各类半导体参数的“一站式”量测，从而有效降低半导体量测的经济成本，并提升半导体量测的效率。

Description

半导体量测系统、量测方法及存储介质

技术领域

本发明涉及半导体加工领域，尤其涉及一种半导体量测系统、一种半导体量测方法，以及一种计算机可读存储介质。

背景技术

在半导体加工过程中，半导体薄膜的膜厚量测和缺陷检测对验证和控制半导体加工工艺以及提升加工良品率方面尤为重要。半导体薄膜的膜厚量测主要用于测量薄膜厚度、材料光学性质、关键尺寸等，对应设备有椭偏移量测系统、原子力显微镜、OCD（OpticalCritical Dimension）设备等。半导体薄膜的缺陷检测主要用于检测半导体表面缺陷，有明/暗场光学图形图片缺陷检测设备、宏观缺陷检测设备等。然而，现有的膜厚量测设备由于受其光学系统自身或光源衍射极限限制，绝大多数光斑尺寸仍处于大于30µm水平，难于反映小于30µm区域的膜厚情况，也无法对于微小区域的结构特征进行缺陷检测。因此，对于同时具有膜厚量测及缺陷检测需求的用户，需要购买两台不同功能的设备，大大增加半导体加工技术的成本。

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半导体量测系统，用于兼顾大区域薄膜厚度量测，以及小区域薄膜厚度量测和微观结构检测的需求，以实现各类半导体参数的“一站式”量测，从而有效降低半导体量测的经济成本，并提升半导体量测的效率。

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，本发明提供了一种半导体量测系统、一种半导体量测方法及一种计算机可读存储介质，可以通过同时包括带有波长选择单元的柯勒照明模块、高倍率的第一物镜、低倍率的第二物镜、光谱仪和相机，分别进行大区域薄膜厚度量测，以及小区域薄膜厚度量测和微观结构检测，以实现各类半导体参数的“一站式”量测，从而有效降低半导体量测的经济成本，并提升半导体量测的效率。

具体来说，根据本发明的第一方面提供的上述半导体量测系统包括柯勒照明模块、光学模块及探测模块。所述柯勒照明模块依次包括宽光谱光源、波长选择单元、第一透镜、视场光阑、第二透镜、孔径光阑及物镜。所述物镜包括高倍率的第一物镜及低倍率的第二物镜。所述波长选择单元至少用于分时地从所述宽光谱光源提供的原始光线中滤出多种不同中心波长的窄波段照明光线。所述孔径光阑与宽光谱光源平面共轭，而所述视场光阑与后端的待测样品所在的样品平面共轭，用于将多个不同视场下的窄波段照明光线均平行地输出到所述第一物镜及所述第二物镜。所述光学模块包括第一分光单元及第二分光单元。所述第一分光单元用于先将所述柯勒照明模块提供的窄波段照明光线传输到所述第一物镜或所述第二物镜，以经由所述第一物镜或所述第二物镜均匀照射其物方的所述待测样品，再将所述待测样品产生的反射光线传输到像方的第二分光单元，以经由所述第二分光单元将所述反射光线分别传输到后端的光谱仪和相机。所述探测模块包括所述光谱仪及所述相机。所述光谱仪用于采集所述第二分光单元提供的反射光线的光谱信息，以指示所述待测样品表面大于预设尺寸的第一区域内的平均薄膜厚度。所述相机用于根据传输到其探测表面的反射光线，生成对应的样品图像，以指示所述待测样品表面小于或等于所述预设尺寸的第二区域内的薄膜厚度和/或微观结构。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述宽光谱光源选自LDLS、氙灯、LED、谐调激光器中的至少一者。和/或所述波长选择单元包括色轮。所述色轮轮状支架上设有一个通孔和多个不同波长范围的窄带滤波片。所述通孔用于向所述光谱仪输出所述宽光谱光源提供的宽光谱光线。各所述窄带滤波片用于随所述轮状支架的旋转而依次移动到所述宽光谱光线的传输路径，以分时地向所述相机提供所述多种不同中心波长的窄波段照明光线。和/或所述第一透镜和/或所述第二透镜的表面镀有增透膜。和/或所述视场光阑选用可调光阑，用于调节所述窄波段照明光线在所述待测样品表面的照明区域的大小，以分别适配所述第一区域和所述第二区域的尺寸。和/或所述孔径光阑选用可调光阑，用于调节所述窄波段照明光线在所述待测样品表面的照明亮度，以分别适配所述光谱仪及所述相机的数据采集灵敏度和过曝范围。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述柯勒照明模块中还包括准直单元和聚光单元。所述准直单元设于所述宽光谱光源与所述波长选择单元之间，并选用大焦距的90°离轴抛物镜，用于折叠光路，并将所述宽光谱光源提供的发散的原始光线平行地输入所述波长选择单元。所述聚光单元设于所述波长选择单元与所述第一透镜之间，并选用大焦距的90°离轴抛物镜，用于折叠光路，并将所述波长选择单元输出的平行光线会聚到所述第一透镜。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述第一透镜的焦距为14.4mm，包括折射率为1.747939、色散系数为44.62的第一凹透元件，以及折射率为1.812632、色散系数为25.25的第一凸透元件。所述第一凹透元件的出光表面紧贴所述第一凸透元件的入光表面。所述第二透镜的焦距为72mm，包括折射率为1.812632、色散系数为25.25的第二凸透元件，以及折射率为1.594869、色散系数为67.96的第二凹透元件。所述第二凸透元件的出光表面紧贴所述第二凹透元件的入光表面，以配合所述第一透镜、所述视场光阑和所述孔径光阑来输出所述宽光谱光源的放大像。

进一步地，在本发明的一些实施例中，还包括控制器。所述控制器连接所述波长选择单元及所述相机，并被配置为：经由所述波长选择单元分时地向所述第一物镜物方的待测样品表面提供多种不同中心波长的窄波段照明光线，并经由所述相机分别采集对应的第二区域在各所述窄波段照明光线下的样品图像；确定各所述样品图像的相对光强值和/或相对反射率值，以拟合所述第二区域关于各所述中心波长的相对光强曲线和/或相对反射率曲线；以及根据预先训练的回归分析模型，对所述相对光强曲线和/或所述相对反射率曲线进行回归分析，以确定所述第二区域表面的薄膜厚度。

进一步地，在本发明的一些实施例中，训练所述回归分析模型的步骤包括：分别获取多个已知薄膜厚度的标准样品关于多个不同中心波长的相对光强曲线和/或相对反射率曲线的多组样本数据；构建待训练的回归分析模型；以及将各组所述样本数据的相对光强曲线和/或相对反射率曲线，分别输入所述回归分析模型，并根据其对应的薄膜厚度修正所述回归分析模型的学习参数，以获得完成所述训练的回归分析模型。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述控制器被进一步配置为：获取指示待测区域尺寸的第一控制指令；以及响应于所述第一控制指令指示所述待测区域小于或等于所述预设尺寸，判定所述待测区域为第二区域，从而经由所述波长选择单元分时地向所述第一物镜物方的待测样品表面提供多种不同中心波长的窄波段照明光线，并经由所述相机分别采集对应的第二区域在各所述窄波段照明光线下的样品图像。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述控制器还被配置为：响应于所述第一控制指令指示所述待测区域大于所述预设尺寸，判定所述待测区域为第一区域，从而经由所述波长选择单元向所述第二物镜物方的待测样品表面提供宽光谱光线，并根据所述光谱仪采集的光谱信息，确定所述第一区域内的平均薄膜厚度。

进一步地，在本发明的一些实施例中，还包括移动台。所述移动台用于承载并携带所述待测样品在所述第一物镜物方的第一位置及所述第二物镜物方的第二位置之间横向移动，并沿靠近或远离所述第一物镜及所述第二物镜的竖直方向纵向移动。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述控制器还被配置为：获取指示功能类型的第二控制指令；响应于所述第二控制指令指示执行自动对焦功能，控制所述移动台先将所述待测样品的标记点或待测区域移动到所述第二物镜的第二视场内，再上下移动所述待测样品，并控制所述相机采集所述待测样品的第一样品图像；响应于所述第一样品图像达到最佳对比度的状态，控制所述移动台先保持所述待测样品的上下位置不变，并将所述待测样品的标记点或待测区域移动到所述第一物镜的第一视场内，再上下移动所述待测样品，并控制所述相机采集所述待测样品的第二样品图像；以及响应于所述第二样品图像达到最佳对比度的状态，或所述样品图像的灰度值总和达到峰值，判定完成对所述待测样品的对焦。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述控制器还被配置为：在上下移动所述待测样品的过程中，先控制所述光谱仪检测所述反射光线的光强；以及响应于所述反射光线的光强达到峰值，再控制所述相机采集所述待测样品的所述第一样品图像或所述第二样品图像。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述控制器还被配置为：在上下移动所述待测样品的过程中，控制所述光谱仪检测所述反射光线的光强；以及响应于所述反射光线的光强达到峰值，根据当前位置以及所述光谱仪的光强峰值位置与所述相机的最佳对比度位置或灰度值总和峰值位置的间距，确定所述待测样品的对焦位置。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述微观结构包括位于半导体器件的缺陷和/或走线。所述控制器还被配置为：获取指示功能类型的第二控制指令；响应于所述第二控制指令指示检测所述待测样品上的缺陷大小和/或走线宽度，控制所述波长选择单元分时输出所述多种不同中心波长的窄波段照明光线，并控制所述相机分别采集各所述窄波段照明光线照射下的第三样品图像；对各所述窄波段照明光线照射下的第三样品图像，分别进行图像特征提取和目标识别，以分别确定对应的识别结果；以及对各所述第三样品图像的识别结果取平均值，以确定所述待测样品上的缺陷大小和/或走线宽度。

此外，根据本发明的第二方面提供的上述半导体量测方法包括以下步骤：获取控制指令；响应于获取的控制指令指示薄膜厚度检测，且待测区域大于预设尺寸，判定所述待测区域为第一区域，从而经由本发明的第一方面提供的上述半导体量测系统中的波长选择单元向其第二物镜物方的待测样品表面提供宽光谱光线，并根据其光谱仪采集的光谱信息，确定所述第一区域内的平均薄膜厚度；以及响应于获取的控制指令指示薄膜厚度检测，且待测区域小于或等于所述预设尺寸，判定所述待测区域为第二区域，从而经由所述波长选择单元分时地向所述第一物镜物方的待测样品表面，提供多种不同中心波长的窄波段照明光线，并经由所述半导体量测系统中的相机分别采集对应的第二区域在各所述窄波段照明光线下的样品图像，再根据各所述样品图像进行回归分析，以确定所述第二区域表面的薄膜厚度。

进一步地，在本发明的一些实施例中，所述半导体量测方法还包括以下步骤：响应于获取的控制指令指示执行自动对焦功能，先将所述待测样品的标记点或待测区域移动到所述第二物镜的第二视场内，再上下移动所述待测样品，并控制所述相机采集所述待测样品的第一样品图像；响应于所述第一样品图像达到最佳对比度的状态，先保持所述待测样品的上下位置不变，并将所述待测样品的标记点或待测区域移动到所述第一物镜的第一视场内，再上下移动所述待测样品，并控制所述相机采集所述待测样品的第二样品图像；以及响应于所述第二样品图像达到最佳对比度的状态，或所述样品图像的灰度值总和达到峰值，判定完成对所述待测样品的对焦。

进一步地，在本发明的一些实施例中，半导体量测方法还包括以下步骤：响应于获取的控制指令指示检测所述待测样品上的缺陷大小和/或走线宽度，控制所述波长选择单元分时输出所述多种不同中心波长的窄波段照明光线，并控制所述相机分别采集各所述窄波段照明光线照射下的第三样品图像；对各所述窄波段照明光线照射下的第三样品图像，分别进行图像特征提取和目标识别，以分别确定对应的识别结果；以及对各所述第三样品图像的识别结果取平均值，以确定所述待测样品上的缺陷大小和/或走线宽度。

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，实施如本发明的第二方面提供的半导体量测方法。

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半导体量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波长选择单元的输出光谱示意图。

图3示出了根据本发明的一些实施例提供的柯勒照明模块的结构示意图。

图4示出了根据本发明的一些实施例提供的柯勒照明模块的照明光线的示意图。

图5A示出了根据本发明的一些实施例提供的半导体量测系统的非相关辐照度的示意图。

图5B示出了根据本发明的一些实施例提供的半导体量测系统的非相关辐照度横截面曲线图。

图6示出了根据本发明的一些实施例提供的半导体量测方法的流程示意图。

图7示出了根据本发明的一些实施例提供的样品图像的示意图。

图8示出了根据本发明的一些实施例提供的电荷耦合器件的图像灰度值的曲线图。

附图标记：

111 光源

112 波长选择单元

113 第一透镜

114 视场光阑

115 第二透镜

1161、1162 孔径光阑

117 准直单元

118 聚光单元

121 第一分光单元

122 第二分光单元

123 第一物镜

124 第二物镜

125 反射单元

131 光谱仪

132 相机

701 无图形区域

702 阴极区域

703 绝缘沟道

704 阳极区域

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，现有的膜厚量测设备由于受其光学系统自身或光源衍射极限限制，绝大多数光斑尺寸仍处于大于30µm水平，难于反映小于30µm区域的膜厚情况，也无法对于微小区域的结构特征进行缺陷检测。因此，对于同时具有膜厚量测及缺陷检测需求的用户，需要购买两台不同功能的设备，大大增加半导体加工技术的成本。

为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种改进的半导体量测系统、一种半导体量测方法及一种计算机可读存储介质，可以通过同时包括带有波长选择单元的柯勒照明模块、高倍率的第一物镜、低倍率的第二物镜、光谱仪和相机，分别进行大区域薄膜厚度量测，以及小区域薄膜厚度量测和微观结构检测，以实现各类半导体参数的“一站式”量测，从而有效降低半导体量测的经济成本，并提升半导体量测的效率。

在一些非限制性的实施例中，本发明的第二方面提供的上述半导体量测方法可以基于本发明的第一方面提供的上述半导体量测系统来实施。

具体请结合参考图1~图4及图5A~图5B。图1示出了根据本发明的一些实施例提供的半导体量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波长选择单元的输出光谱示意图。图3示出了根据本发明的一些实施例提供的柯勒照明模块的结构示意图。图4示出了根据本发明的一些实施例提供的柯勒照明模块的照明光线的示意图。图5A示出了根据本发明的一些实施例提供的半导体量测系统的非相关辐照度的示意图。图5B示出了根据本发明的一些实施例提供的半导体量测系统的非相关辐照度横截面曲线图。

在图1所示的实施例中，本发明的第一方面提供的上述半导体量测系统包括柯勒照明模块、光学模块、探测模块、存储器及控制器。该柯勒照明模块用于提供多种不同中心波长的窄波段照明光线。该光学模块用于将照明光线聚焦到待测样品的待测区域表面，并将待测样品产生的反射光线，耦合并输入到后端的探测模块。在此，该待测样品包括但不限于晶圆、用于加工芯片的掩膜板、LCD、OLED显示屏及其加工所需的掩膜板等半导体器件。该探测模块用于根据输入的反射光线，以指示待测样品表面大于预设尺寸的第一区域内的平均薄膜厚度，或指示待测样品表面小于或等于预设尺寸的第二区域内的薄膜厚度和/或微观结构。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。该控制器连接该存储器，并被配置用于执行该存储器上存储的计算机指令，以实施本发明的第二方面提供的上述半导体量测方法。

具体来说，该柯勒照明模块依次包括光源111、波长选择单元112、第一透镜113、视场光阑114、第二透镜115、孔径光阑1161、1162、第一物镜123及第二物镜124。在此，该光源111为宽光谱光源，选自LDLS、氙灯、LED、谐调激光器中的至少一者，用于输出宽光谱光线。该波长选择单元112用于根据控制器的指令，分时地从光源111提供的原始光线中滤出多种不同中心波长的窄波段照明光线。该第一透镜113和/或第二透镜115的表面镀有增透膜。第一透镜113与第二透镜115的焦距不同，用于控制物像的放大倍率。该视场光阑114选用可调光阑，用于调节窄波段照明光线在待测样品表面的照明区域的大小，以分别适配第一区域和第二区域的尺寸。该孔径光阑1161、1162选用可调光阑，用于调节窄波段照明光线在待测样品表面的照明亮度，以分别适配光谱仪131及相机132的数据采集灵敏度和过曝范围。该孔径光阑1161、1162分别与光源111平面共轭，而该视场光阑114与后端的待测样品所在的样品平面共轭，用于相互配合地将多个不同视场下的窄波段照明光线均平行地输出到后端的第一物镜123及第二物镜124。

此外，该波长选择单元112包括色轮，其轮状支架上设有一个通孔和多个不同波长范围的窄带滤波片。在此，该通孔用于向光谱仪131输出宽光谱光源提供的宽光谱光线，各窄带滤波片用于随轮状支架的旋转而依次移动到宽光谱光线的传输路径，以分时地向相机132提供多种不同中心波长的窄波段照明光线。如此，该波长选择单元112可增加中性密度滤波片控制光强，使得半导体量测系统可实现3nm的超高波长分辨率。

具体地，如图2所示，光源111提供的原始宽光谱光线经过波长选择单元112后，由光谱仪131接收各波长的光子数（cnts）并进行测试分析，可以在417.6nm处得到窄波段照明光线的单色光光谱，其半峰宽为3.9nm，中心波长误差为0.4nm。

本领域的技术人员可以理解，上述使用色轮进行波长选择的实施例，只是本发明提供的一种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，而非用于限制本发明的保护范围。

可选地，在另一些实施例中，该波长选择单元112还可以选用单色仪、波长选择器等装置，以同样达到波长选择的效果。

此外，在图3所示的实施例中，该第一透镜113可以由依次紧密排列的第一凹透元件和第一凸透元件组成。具体来说，该第一凹透元件的折射率可以为1.747939，而其色散系数可以为44.62。该第一凸透元件的折射率可以为1.812632，而其色散系数可以为25.25。该第一凹透元件的出光表面可以紧贴该第一凸透元件的入光表面，以获得14.4mm的焦距。类似地，该第二透镜115可以由依次紧密排列的第二凸透元件和第二凹透元件组成。具体来说，该第二凸透元件的折射率可以为1.812632，而其色散系数可以为25.25。该第二凹透元件的折射率可以为1.594869，而其色散系数可以为67.96。该第二凸透元件的出光表面可以紧贴该第二凹透元件的入光表面，以获得72mm的焦距，并配合第一透镜113、视场光阑114和对应的孔径光阑1161、1162来输出光源111的5倍放大像。

如此，如图4所示，该柯勒照明模块即可将多个不同视场下的窄波段照明光线均平行地输出到后端，以兼顾各视场需求下的照明均匀性。

此外，如图5A所示，该柯勒照明模块可以在视场中央形成辐照度均匀的圆形照明面。如图5B所示，中央圆形照明面内的非相关辐照度数值接近水平。如此，该柯勒照明模块中的第一透镜113与第二透镜115结合使用，可以同时使高倍视场、低倍视场两条光路的照明均匀度达到95％，以实现高均匀照明。

本领域的技术人员可以理解，上述图1~图4及图5A~图5B所涉及的柯勒照明模块的具体参数，只是本发明提供的一种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，而非用于限制本发明的保护范围。

可选地，在另一些实施例中，本领域的普通技术人员也可以根据实际需要来配置不同的光学元件参数，以获得对应的光源放大效果，在此不再一一赘述。

此外，请继续参考图1，在一些实施例中，上述柯勒照明模块中还可以优选地包括准直单元117和聚光单元118。在此，准直单元117设于光源111与波长选择单元112之间，并选用大焦距的90°离轴抛物镜，以折叠光路，并将光源111提供的发散的原始光线平行地输入波长选择单元112。该聚光单元118设于波长选择单元112与第一透镜113之间，并选用大焦距的90°离轴抛物镜，以折叠光路，并将波长选择单元112输出的平行光线会聚到第一透镜113。

本领域的技术人员可以理解，上述选用90°离轴抛物镜的实施例，只是本发明提供的一种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，而非用于限制本发明的保护范围。

可选地，在另一些实施例中，该准直单元117还可以选用准直器、抛物镜、准直透镜等光学元件，以同样达到准直光线的效果。同样地，该聚光单元118也可以选用抛物镜、会聚透镜等光学元件，以同样达到聚光的效果。

此外，在图1所示的实施例中，上述光学模块中还可以包括第一分光单元121、第二分光单元122及反射单元125。在此，该第一分光单元121及第二分光单元122皆选自分光镜和/或分光棱镜，并优选为分光棱镜，以减小像散，并提高成像的质量。该第一分光单元121用于先将柯勒照明模块提供的窄波段照明光线直接传输到第一物镜123，或经由反射单元125传输到第二物镜124，以经由第一物镜123或第二物镜124均匀照射其物方（例如：下方）的待测样品，再将待测样品产生的反射光线传输到像方（例如：上方）的第二分光单元122。该第二分光单元122用于将反射光线分别传输到后端的光谱仪131和相机132。

本领域的技术人员可以理解，图1所示的反射单元125只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，旨在使第一物镜123和第二物镜124具有相同朝向，以方便用户通过横向移动待测样品的方式，简单地将待测样品的待测区域移动到第一物镜123或第二物镜124的视场范围。

可选地，在另一些实施例中，本领域的技术人员也可以直接将第二物镜124横向设置到第一分光单元121的侧向输出端，并通过调节待测样品放置角度的方式，以同样经由第二物镜124采集待测样品产生的反射光线。

进一步地，在一些实施例中，该第一物镜123可以选用小焦距、大NA的高倍率物镜。相机132可以配合该高倍率物镜将待测样品的微观特征放大至50倍，以实现15pixels/μm的高分辨率采样。此外，该第二物镜可以选用大焦距、小NA的低倍率物镜。光谱仪131及相机132可以配合该低倍率物镜，有效扩大半导体量测系统的视场范围，以快速找到待测样本表面的待测区域，并快速进行大于预设尺寸的第一区域内的平均薄膜厚度量测。

此外，在一些实施例中，该探测模块包括光谱仪131及相机132。该光谱仪131经由第一管套透镜133连接第二分光单元122，用于采集第二分光单元122提供的反射光线的光谱信息，以指示待测样品表面大于预设尺寸的第一区域内的平均薄膜厚度。该相机132经由第二管套透镜134连接第二分光单元122，用于根据传输到其探测表面的反射光线，生成对应的样品图像，以指示待测样品表面小于或等于预设尺寸的第二区域内的薄膜厚度和/或微观结构。进一步地，该相机132可以选用CCD相机或CMOS相机，以实现0.6μm的分辨率。

此外，如图1所示，在本发明的一些实施例中，针对自动对焦功能的需求，上述半导体量测系统中还可以优选地包括移动台141。该移动台141用于承载并携带待测样品在第一物镜123下方的第一位置及第二物镜124下方的第二位置之间横向移动，并沿靠近或远离第一物镜123及第二物镜124的竖直方向纵向移动。

如此，本发明的第一方面提供的上述半导体量测系统通过同时设置光谱仪131与相机132，同时适应对大于预设尺寸的第一区域的平均薄膜厚度，对小于或等于预设尺寸的第二区域内的薄膜厚度和/或微观结构的量测需求，以及对待测样品进行自动对焦的功能需求，以实现各类半导体参数的“一站式”量测，从而有效降低半导体量测的经济成本，并提升半导体量测的效率。

以下将结合一些半导体量测方法的实施例来描述上述半导体量测系统的工作原理。本领域的技术人员可以理解，这些半导体量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，而非限制该半导体量测系统的全部功能或全部工作方式。同样地，该半导体量测系统也只是本发明提供的一种非限制性的实施方式，不对这些半导体量测方法中各步骤的执行主体和执行顺序构成限制。

请结合参考图6~图8，图6示出了根据本发明的一些实施例提供的半导体量测方法的流程示意图，图7示出了根据本发明的一些实施例提供的样品图像的示意图，图8示出了根据本发明的一些实施例提供的电荷耦合器件的图像灰度值的曲线图。

如图6所示，在进行量测过程中，半导体量测系统可以先获取用户输入的控制指令。在一些实施例中，响应于指示待测区域大于预设尺寸（例如：30µm）的第一控制指令，量测系统可以判定待测区域为第一区域，并进入大尺寸区域的第一检测模式，从而先经由波长选择单元112向第二物镜124下方的待测样品表面提供宽光谱光线，再根据光谱仪131采集的光谱信息，确定第一区域内的平均薄膜厚度。

在另一些实施例中，响应于指示待测区域小于或等于预设尺寸（例如：30µm）的第一控制指令，量测系统可以判定待测区域为第二区域，并进入小尺寸区域的第二模式，从而经由波长选择单元112分时地向第一物镜下方的待测样品表面提供多种不同中心波长的窄波段照明光线。与此同时，量测系统可以经由相机132分别采集对应的第二区域在各窄波段照明光线下的样品图像。如图7所示，该样品图像可以分为无图形区域701、阴极区域702、绝缘沟道703以及阳极区域704。

之后，半导体量测系统可以解析各样品图像，以确定各样品图像的相对光强值和/或相对反射率值，并据此拟合第二区域关于各中心波长的相对光强曲线和/或相对反射率曲线。再之后，量测系统即可将该拟合获得的相对光强曲线和/或相对反射率曲线，输入预先训练的回归分析模型，并经由该回归分析模型对该相对光强曲线和/或相对反射率曲线进行回归分析，以确定第二区域表面的薄膜厚度。

进一步地，上述回归分析模型可以是基于多个已知薄膜厚度的标准样品关于多个不同中心波长的相对光强曲线和/或相对反射率曲线的多组样本数据训练获得。具体来说，在训练上述回归分析模型的过程中，技术人员可以先分别获取多个已知薄膜厚度的标准样品关于多个不同中心波长的相对光强曲线和/或相对反射率曲线的多组样本数据，并构建基于Levenberg–Marquardt算法的回归分析模型。之后，量测系统可以将各组样本数据的相对光强曲线和/或相对反射率曲线，分别输入上述回归分析模型，并根据其对应的薄膜厚度修正回归分析模型的学习参数，以获得完成训练的回归分析模型。

本领域的技术人员可以理解，如图6所示的获取第一控制指令，并对待测区域尺寸进行量测的实施例，只是本发明提供的一种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，而非用于限制本发明的保护范围。

可选地，在另一些实施例中，响应于获取到指示检测待测样品上的缺陷大小和/或走线宽度的第二控制指令，半导体量测系统还可以控制波长选择单元112分时输出多种不同中心波长的窄波段照明光线，并控制相机132分别采集各窄波段照明光线照射下的第三样品图像。之后，量测系统还可以利用预先训练的图像识别模型和/或模板比对模型，对各窄波段照明光线照射下的第三样品图像，分别进行图像特征提取和目标识别，以分别确定对应的识别结果，并对各第三样品图像的识别结果取平均值，以确定待测样品上的缺陷大小和/或走线宽度。

进一步地，在对待测样品上的缺陷大小和/或走线宽度进行检测时，量测系统还可以优选地先用低倍的第二物镜124做初步缺陷检测/初步线宽检测，在检测结果超过预设阈值后再用高倍的第一物镜123进行复查或验证，以进一步提升对缺陷大小和/或走线宽度的检测精度。

可选地，在另一些实施例中，响应于获取到指示执行自动对焦功能的第二控制指令，半导体量测系统还可以控制移动台141先将待测样品的标记点或待测区域移动到第二物镜124的第二视场内，再上下移动待测样品，并控制相机132采集待测样品的第一样品图像。

之后，响应于第一样品图像达到最佳对比度的状态，半导体量测系统可以控制移动台141先保持待测样品的上下位置不变，并将待测样品的标记点或待测区域移动到第一物镜123的第一视场内，再上下移动待测样品，并控制相机132采集待测样品的第二样品图像，从而在该第二样品图像达到最佳对比度的状态，或该第二样品图像的灰度值总和达到峰值，判定完成对待测样品的对焦。

进一步地，在一些实施例中，由于光谱仪131具有更低的光强计算数据量和更快的光强计算响应，在上下移动待测样品的过程中，半导体量测系统可以先控制光谱仪131检测反射光线的光强，再在光谱仪131采集的反射光线的光强达到峰值后，切换相机132采集待测样品的第一样品图像或第二样品图像，并如上地以相机132的电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，CCD）的对比度或图像总灰度作为焦面判据，确定待测样品的最佳对比度位置，从而提高量测系统的自动对焦效率。

如图8所示，相机132的电荷耦合器件的图像灰度中，20个像素点对应样品1.2μm。由此，本发明的第一方面提供的上述半导体量测系统可以实现60nm/pixel的分辨率，以获得极高的成像质量。

本领域的技术人员可以理解，上述在线调节移动台141，以确定待测样品的最佳对比度位置的实施例，只是本发明提供的一种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，而非用于限制本发明的保护范围。

优选地，在另一些实施例中，技术人员还可以用已知特征的参考片定标得到光谱仪131的光强峰值位置与相机132的最佳对比度位置或灰度值总和峰值位置的间距，并将其预存到量测系统中。如此，在上下移动待测样品的过程中，响应于反射光线的光强达到峰值，量测系统即可直接根据当前位置及该间距，确定待测样品的对焦位置，从而进一步提高量测系统的自动对焦效率。

综上，本发明提供的上述半导体量测系统、半导体量测方法及计算机可读存储介质，均能通过同时包括带有波长选择单元的柯勒照明模块、高倍率的第一物镜、低倍率的第二物镜、光谱仪和相机，分别进行大区域薄膜厚度量测，以及小区域薄膜厚度量测和微观结构检测，以实现各类半导体参数的“一站式”量测，从而有效降低半导体量测的经济成本，并提升半导体量测的效率。

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。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

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 (17)

1.一种半导体量测系统，其特征在于，包括：

柯勒照明模块，依次包括宽光谱光源、波长选择单元、第一透镜、视场光阑、第二透镜、孔径光阑及物镜，其中，所述物镜包括高倍率的第一物镜及低倍率的第二物镜，所述波长选择单元至少用于分时地从所述宽光谱光源提供的原始光线中滤出多种不同中心波长的窄波段照明光线，所述孔径光阑与宽光谱光源平面共轭，而所述视场光阑与后端的待测样品所在的样品平面共轭，用于将多个不同视场下的窄波段照明光线均平行地输出到所述第一物镜及所述第二物镜；

光学模块，包括第一分光单元及第二分光单元，其中，所述第一分光单元用于先将所述柯勒照明模块提供的窄波段照明光线传输到所述第一物镜及所述第二物镜，以经由所述第一物镜或所述第二物镜均匀照射其物方的所述待测样品，再将所述待测样品产生的反射光线传输到像方的第二分光单元，以经由所述第二分光单元将所述反射光线分别传输到后端的光谱仪和相机；以及

探测模块，包括所述光谱仪及所述相机，其中，所述光谱仪用于采集所述第二分光单元提供的反射光线的光谱信息，以指示所述待测样品表面大于预设尺寸的第一区域内的平均薄膜厚度，所述相机用于根据传输到其探测表面的反射光线，生成对应的样品图像，以指示所述待测样品表面小于或等于所述预设尺寸的第二区域内的薄膜厚度和/或微观结构。

2.如权利要求1所述的半导体量测系统，其特征在于，所述宽光谱光源选自LDLS、氙灯、LED、谐调激光器中的至少一者，和/或

所述波长选择单元包括色轮，其轮状支架上设有一个通孔和多个不同波长范围的窄带滤波片，所述通孔用于向所述光谱仪输出所述宽光谱光源提供的宽光谱光线，各所述窄带滤波片用于随所述轮状支架的旋转而依次移动到所述宽光谱光线的传输路径，以分时地向所述相机提供所述多种不同中心波长的窄波段照明光线，和/或

所述第一透镜和/或所述第二透镜的表面镀有增透膜，和/或

所述视场光阑选用可调光阑，用于调节所述窄波段照明光线在所述待测样品表面的照明区域的大小，以分别适配所述第一区域和所述第二区域的尺寸，和/或

所述孔径光阑选用可调光阑，用于调节所述窄波段照明光线在所述待测样品表面的照明亮度，以分别适配所述光谱仪及所述相机的数据采集灵敏度和过曝范围。

3.如权利要求2所述的半导体量测系统，其特征在于，所述柯勒照明模块中还包括准直单元和聚光单元，其中，

所述准直单元设于所述宽光谱光源与所述波长选择单元之间，并选用大焦距的90°离轴抛物镜，用于折叠光路，并将所述宽光谱光源提供的发散的原始光线平行地输入所述波长选择单元，

所述聚光单元设于所述波长选择单元与所述第一透镜之间，并选用大焦距的90°离轴抛物镜，用于折叠光路，并将所述波长选择单元输出的平行光线会聚到所述第一透镜。

4.如权利要求2所述的半导体量测系统，其特征在于，所述第一透镜的焦距为14.4mm，包括折射率为1.747939、色散系数为44.62的第一凹透元件，以及折射率为1.812632、色散系数为25.25的第一凸透元件，其中，所述第一凹透元件的出光表面紧贴所述第一凸透元件的入光表面，

所述第二透镜的焦距为72mm，包括折射率为1.812632、色散系数为25.25的第二凸透元件，以及折射率为1.594869、色散系数为67.96的第二凹透元件，其中，所述第二凸透元件的出光表面紧贴所述第二凹透元件的入光表面，以配合所述第一透镜、所述视场光阑和所述孔径光阑来输出所述宽光谱光源的放大像。

5.如权利要求1所述的半导体量测系统，其特征在于，还包括控制器，其中，所述控制器连接所述波长选择单元及所述相机，并被配置为：

经由所述波长选择单元分时地向所述第一物镜物方的待测样品表面提供多种不同中心波长的窄波段照明光线，并经由所述相机分别采集对应的第二区域在各所述窄波段照明光线下的样品图像；

确定各所述样品图像的相对光强值和/或相对反射率值，以拟合所述第二区域关于各所述中心波长的相对光强曲线和/或相对反射率曲线；以及

根据预先训练的回归分析模型，对所述相对光强曲线和/或所述相对反射率曲线进行回归分析，以确定所述第二区域表面的薄膜厚度。

6.如权利要求5所述的半导体量测系统，其特征在于，训练所述回归分析模型的步骤包括：

分别获取多个已知薄膜厚度的标准样品关于多个不同中心波长的相对光强曲线和/或相对反射率曲线的多组样本数据；

构建待训练的回归分析模型；以及

将各组所述样本数据的相对光强曲线和/或相对反射率曲线，分别输入所述回归分析模型，并根据其对应的薄膜厚度修正所述回归分析模型的学习参数，以获得完成所述训练的回归分析模型。

7.如权利要求5所述的半导体量测系统，其特征在于，所述控制器被进一步配置为：

获取指示待测区域尺寸的第一控制指令；以及

响应于所述第一控制指令指示所述待测区域小于或等于所述预设尺寸，判定所述待测区域为第二区域，从而经由所述波长选择单元分时地向所述第一物镜物方的待测样品表面提供多种不同中心波长的窄波段照明光线，并经由所述相机分别采集对应的第二区域在各所述窄波段照明光线下的样品图像。

8.如权利要求7所述的半导体量测系统，其特征在于，所述控制器还被配置为：

响应于所述第一控制指令指示所述待测区域大于所述预设尺寸，判定所述待测区域为第一区域，从而经由所述波长选择单元向所述第二物镜物方的待测样品表面提供宽光谱光线，并根据所述光谱仪采集的光谱信息，确定所述第一区域内的平均薄膜厚度。

9.如权利要求5所述的半导体量测系统，其特征在于，还包括：

移动台，用于承载并携带所述待测样品在所述第一物镜物方的第一位置及所述第二物镜物方的第二位置之间横向移动，并沿靠近或远离所述第一物镜及所述第二物镜的竖直方向纵向移动。

10.如权利要求9所述的半导体量测系统，其特征在于，所述控制器还被配置为：

获取指示功能类型的第二控制指令；

响应于所述第二控制指令指示执行自动对焦功能，控制所述移动台先将所述待测样品的标记点或待测区域移动到所述第二物镜的第二视场内，再上下移动所述待测样品，并控制所述相机采集所述待测样品的第一样品图像；

响应于所述第一样品图像达到最佳对比度的状态，控制所述移动台先保持所述待测样品的上下位置不变，并将所述待测样品的标记点或待测区域移动到所述第一物镜的第一视场内，再上下移动所述待测样品，并控制所述相机采集所述待测样品的第二样品图像；以及

响应于所述第二样品图像达到最佳对比度的状态，或所述第二样品图像的灰度值总和达到峰值，判定完成对所述待测样品的对焦。

11.如权利要求10所述的半导体量测系统，其特征在于，所述控制器还被配置为：

在上下移动所述待测样品的过程中，先控制所述光谱仪检测所述反射光线的光强；以及

响应于所述反射光线的光强达到峰值，再控制所述相机采集所述待测样品的所述第一样品图像或所述第二样品图像。

12.如权利要求10所述的半导体量测系统，其特征在于，所述控制器还被配置为：

在上下移动所述待测样品的过程中，控制所述光谱仪检测所述反射光线的光强；以及

响应于所述反射光线的光强达到峰值，根据当前位置以及所述光谱仪的光强峰值位置与所述相机的最佳对比度位置或灰度值总和峰值位置的间距，确定所述待测样品的对焦位置。

13.如权利要求5所述的半导体量测系统，其特征在于，所述微观结构包括位于半导体器件的缺陷和/或走线，所述控制器还被配置为：

获取指示功能类型的第二控制指令；

响应于所述第二控制指令指示检测所述待测样品上的缺陷大小和/或走线宽度，控制所述波长选择单元分时输出所述多种不同中心波长的窄波段照明光线，并控制所述相机分别采集各所述窄波段照明光线照射下的第三样品图像；

对各所述窄波段照明光线照射下的第三样品图像，分别进行图像特征提取和目标识别，以分别确定对应的识别结果；以及

对各所述第三样品图像的识别结果取平均值，以确定所述待测样品上的缺陷大小和/或走线宽度。

14.一种半导体量测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取控制指令；

响应于获取的控制指令指示薄膜厚度检测，且待测区域大于预设尺寸，判定所述待测区域为第一区域，从而经由如权利要求1~13中任一项所述的半导体量测系统中的波长选择单元向其第二物镜物方的待测样品表面提供宽光谱光线，并根据其光谱仪采集的光谱信息，确定所述第一区域内的平均薄膜厚度；以及

响应于获取的控制指令指示薄膜厚度检测，且待测区域小于或等于所述预设尺寸，判定所述待测区域为第二区域，从而经由所述波长选择单元分时地向所述第一物镜物方的待测样品表面，提供多种不同中心波长的窄波段照明光线，并经由所述半导体量测系统中的相机分别采集对应的第二区域在各所述窄波段照明光线下的样品图像，再根据各所述样品图像进行回归分析，以确定所述第二区域表面的薄膜厚度。

15.如权利要求14所述的半导体量测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

响应于获取的控制指令指示执行自动对焦功能，先将所述待测样品的标记点或待测区域移动到所述第二物镜的第二视场内，再上下移动所述待测样品，并控制所述相机采集所述待测样品的第一样品图像；

响应于所述第一样品图像达到最佳对比度的状态，先保持所述待测样品的上下位置不变，并将所述待测样品的标记点或待测区域移动到所述第一物镜的第一视场内，再上下移动所述待测样品，并控制所述相机采集所述待测样品的第二样品图像；以及

响应于所述第二样品图像达到最佳对比度的状态，或所述样品图像的灰度值总和达到峰值，判定完成对所述待测样品的对焦。

16.如权利要求14所述的半导体量测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

响应于获取的控制指令指示检测所述待测样品上的缺陷大小和/或走线宽度，控制所述波长选择单元分时输出所述多种不同中心波长的窄波段照明光线，并控制所述相机分别采集各所述窄波段照明光线照射下的第三样品图像；

对各所述窄波段照明光线照射下的第三样品图像，分别进行图像特征提取和目标识别，以分别确定对应的识别结果；以及

对各所述第三样品图像的识别结果取平均值，以确定所述待测样品上的缺陷大小和/或走线宽度。

17.一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14~16中任一项所述的量测方法。