CN1618004A - 用于测量半导体晶片中的应力的方法和装置 - Google Patents

用于测量半导体晶片中的应力的方法和装置 Download PDF

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CN1618004A CNA028275438A CN02827543A CN1618004A CN 1618004 A CN1618004 A CN 1618004A CN A028275438 A CNA028275438 A CN A028275438A CN 02827543 A CN02827543 A CN 02827543A CN 1618004 A CN1618004 A CN 1618004A
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Abstract

用于测量层厚和晶片中的弯曲的整体测量装置(50)和方法。该装置包括：单色光源(52)、白色光源(100)、用于在白色光源和单色光源之间切换的第一开关(102)、用于将来自切换光源的光导向到半导体晶片的表面(54)上的不同位置的多个光学头(56)、用于光谱处理来自晶片的反射光的第一光学处理器(104)、用于处理反射光以确定晶片中的弯曲程度的第二光学处理器(58)、以及用于在第一光学处理器和第二光学处理器之间切换来自晶片的反射光的第二光学开关(106)，以便对白光进行光谱处理来确定层厚，对单色光进行处理来确定弯曲。

Description

用于测量半导体晶片中的应力的方法和装置
发明领域
本发明涉及测量半导体晶片中的应力的方法和装置，特别但不排他地涉及以整体操作或装置测量半导体晶片中的应力以及厚度。
背景技术
半导体芯片制造工艺通常包括形成硅晶片，然后执行主要包括添加和有选择地除去层的一系列操作，以实现芯片功能。
层厚度和层应力是在制造过程的各个阶段在硅晶片上执行的两项测量。特别地，在半导体制造过程中，存在其中在硅晶片上淀积介质层的几个步骤作为上面提及的系列的一部分。
在淀积后，然后测试层的几个特性以验证层自身的质量和淀积工艺的质量。通常，分别地并以不同方式测量厚度和应力。两项测量增加了工艺时间，由此减少了产量，同时也增加了需要容纳工艺的地面空间。
关于厚度测量，PCT专利申请No.WO 0012958描述了称为TMS的测量系统，其使用从晶片表面的层中的点反射的光束来获得透明层、尤其是光致抗蚀剂层的厚度的测量。该测量典型地转换到频域，从频域中可非常准确判定光致抗蚀剂层厚度。该测量是快速和简易的。
转移到应力测量，当薄膜淀积到衬底如半导体晶片上时，在膜和衬底上产生了机械应力。该应力可以造成晶片弯曲同时引起裂纹、空隙、小丘形成以及薄膜隆起，导致产量减少和可靠性降低。
当薄膜淀积到衬底如半导体晶片上时开发出的测量应力水平的已知方法包括在层的淀积以前整体上测量晶片的弯曲、存储结果，然后在层的淀积之后再对其进行测量。
使用激光器，或更通常地使用从晶片反射的单色光束来进行弯曲的确定，用于测量曲率R的净半径。通过已知公式确定应力水平：
Figure A0282754300091
这里    E＝衬底的杨氏模量
        ν＝对于衬底的柏松比
        Ds＝衬底的厚度
        R＝曲率的净半径
        Df＝膜的厚度
光源的不兼容性，以及在层的淀积之前执行应力测量的第一部分的需要都阻止了结合厚度和应力测量。通常在时间上分别地并使用单独的测量设备执行这两项测量。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了用于测量晶片特性的装置，该装置包括：
至少一个单色光源，用于产生导向晶片的单色光，
至少第一和第二光束导向器，每个都光学地关联到单色光源，用于将单色光束导向为朝向晶片的各个基本平行的光束，每个触击到晶片的平坦表面上的各个位置，第一光束导向器设置为将各个光束基本中心地导向到平坦表面上，第二光束导向器设置为将各个光束基本上从中心向外地导向，以及
设置为接收每个光束的反射并处理每个反射的光学处理器，由此获得反射之间的光学差异，光学差异表示晶片中的弯曲。
该装置优选地包括用于在弯曲测量和晶片的另一特性测量之间切换的测量方式开关。
该装置优选地包括可操作地与光学处理器关联的输出，用于输出晶片中的应力指示，指示是基于弯曲。
该光束导向器优选地包括光学头，用于接收来自单色光源的光、并将光作为光束导向到晶片。
该光学头优选地可操作地接收来自晶片的反射，并将反射导向到光学处理器。
优选地，第一光束导向器设置为引导光以便基本垂直地触击平坦表面。
优选地，至少第二光束导向器设置为引导光以便基本斜向地触击平坦表面。
优选地，光学处理器包括干涉仪。
优选地，干涉仪可操作以产生光束之间的干涉图案，光学差异为光束之间的路径差异。
优选地，干涉仪为迈克尔逊干涉仪。
优选地，光学处理器包括光束反射器和多个波导，光束反射器设置为将来自平坦表面的反射偏转到波导，以便偏转的强度差别地分布在波导之间，作为反射角的函数。
优选地，光学处理器进一步包括在每个波导中用于测量光强度的强度测量器，光学差异为波导上强度分布的差异。
优选地，光学束反射器为离轴抛物线反射器。
优选地，单色光源包括激光。
该装置优选地包括应力确定单元，可操作以便使用以下关系确定由于弯曲的应力水平
Figure A0282754300101
其中    E＝晶片的杨氏模量
        ν＝对于晶片的柏松比
        Ds＝晶片的厚度
        R＝曲率的净半径，由弯曲可推导，以及
        Df＝淀积在晶片上的膜的厚度
优选地，另一特性为厚度，该装置进一步包括白色光源，每个光束导向器包括在白色光源和单色光源之间选择的第一光学开关。
该装置优选地包括第二光学处理器和至少一个第二光学开关，第二光学开关设置为在第一光学处理器和第二光学处理器之间选择，从而将反射导向到选中的光学处理器。
优选地，第二光学处理器包括光谱仪。
优选地，第一和第二光学开关共同可控以选择具有第一光学处理器的单色光源和具有第二光学处理器的白色光源。
该装置优选地包括连接到光谱仪用于将光谱仪的输出变换到频域的傅立叶变换器件，由此获得在晶片上的至少一个淀积层的层厚度信息。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于测量层厚度和晶片中的弯曲的整体测量装置，该装置包括
单色光源，
白色光源，
第一开关，用于在白色光源和单色光源之间切换，
多个光束导向器，用于将来自切换光源的光导向到半导体晶片上，
第一光学处理器，用于来自晶片的反射光的光谱处理，
第二光学处理器，用于处理反射光以确定在晶片中的弯曲程度，以及
第二光学开关，在第一光学处理器和第二光学处理器之间切换来自晶片的反射光。
优选地，第一光学处理器是光谱仪，并且第二光学处理器是干涉仪。
优选地，第一光学处理器是光谱仪，并且第二光学处理器包括
反射器，用于偏转来自晶片的反射光，
设置为截取偏转光的一系列波导，其方式来自晶片的光反射的不同角度是通过给出最大光强度的不同波导来分别指示的，
与每个波导关联的光强度检测器，以检测在每个波导处的光强度，由此确定那个波导具有最大强度，从中推导出来自晶片的反射的角度。
该装置优选地包括应力计算器，可操作地与第二光学处理器关联，用于计算晶片中的应力指示，指示基于弯曲。
优选地，光导向器包括光学头，可操作地接收来自晶片的反射并将反射导向到第二光学开关。
优选地，干涉仪是迈克尔逊干涉仪。
优选地，光束反射器为抛物线反射器。
优选地，单色光源包括激光。
该装置优选地包括应力确定单元，可操作以使用以下关系确定由于弯曲的应力水平
Figure A0282754300121
其中    E＝晶片的杨氏模量
        ν＝对于晶片的柏松比
        Ds＝晶片的厚度
        R＝曲率的净半径，由弯曲可推导，以及
        Df＝晶片上淀积的膜的厚度。
该装置优选地包括连接到光谱仪用于将光谱仪的输出变换到频域的傅立叶变换器件，由此获得在晶片上的至少一个淀积层的层厚度信息。
根据本发明的第三方面，提供了一种使用整体测量装置测量硅晶片中的应力的方法，该方法包括：
在单色光源中切换以产生至少两个单色光束，
反射来自晶片表面的至少两个光束，第一光束来自晶片的中心区域，第二光束来自晶片的外围区域，
确定反射光束的特性，
比较反射光束的确定特性，由此确定在晶片中的弯曲程度，并且根据弯曲程度计算晶片中的应力水平。
优选地，该特性为反射光束的程长度。
优选地，该确定和比较包括：
建立反射之间的干涉图案，以及
分析干涉图案。
优选地，该确定和比较包括测量并比较光束的各个反射角。
优选地，该方法包括使用以下关系确定由于弯曲程度的应力水平
Figure A0282754300122
其中    E＝晶片的杨氏模量
        ν＝对于晶片的柏松比
        Ds＝晶片的厚度
        R＝曲率的净半径，由弯曲可推导，以及
        t＝晶片上淀积的膜的厚度。
优选地，光束为激光光束。
优选地，单色光源为激光光源。
优选地，该方法包括使用迈克尔逊干涉仪进行确定和比较。
根据本发明的第四方面，提供了一种半导体晶片中的应力和厚度的整体测量的方法，该方法包括：
在白色光源和单色光源之间选择，
采用白色光源：
在单个点处辐射半导体，
接收来自单个点的反射光，
使用变换从光谱上分析反射光，
根据分析推导出层厚度，
采用单色光源：
反射来自晶片表面的至少两个光束，第一光束来自晶片的中心区域，第二光束来自晶片的外围区域，
确定反射光束的特性，
比较反射光束的确定的特性，由此确定在晶片中的弯曲程度，以及
根据弯曲程度计算晶片中的应力水平。
优选地，该特性为反射光束的程长度。
优选地，该确定和比较包括：
建立反射之间的干涉图案，以及
分析干涉图案。
优选地，该确定和比较包括测量并比较光束的各个反射角。
优选地，该方法进一步包括使用以下关系确定由于弯曲程度的应力水平
其中    E＝晶片的杨氏模量
        ν＝对于晶片的柏松比
        Ds＝晶片的厚度
        R＝曲率的净半径，由弯曲可推导，以及
        t＝晶片上淀积的膜的厚度
优选地，该方法进一步包括从激光源获得单色光光束。
优选地，该方法进一步包括使用迈克尔逊干涉仪执行确定和比较。
优选地，该方法进一步包括在白色和单色光源之间光学切换。
优选地，该方法进一步包括在光谱仪和干涉仪之间光学切换。
优选地，该方法进一步包括控制光学切换，以便光谱仪被选择具有白色光源，干涉仪被选择具有单色光源。
优选地，该方法进一步包括将来自任一光源的光切换到集成光束成形设置，用于辐射晶片。
优选地，该集成光束形成设置包括多个光学头，也可用于接收来自晶片的反射。
附图的简要描述
为了更好地理解发明并显示如何执行该方法获得效果，现在仅仅以示例的形式结合附图参考描述，其中：
图1A是分层晶片产品的简图，
图1B是在生产工艺的后面阶段图1的分层晶片产品的简图，
图2是描述在分层晶片产品中如何使用光反射获得层厚信息的简化光线图，
图3是在半导体晶片生产线中，与化学汽相淀积(CVD)工具关联的基于反射的测量器件的简化示意图，
图4是通过测量涂敷有光致抗蚀剂的半导体晶片而获得的波长对强度的典型曲线，
图5是通过对图3的曲线执行傅立叶变换获得的能量或强度谱；
图6是使用图3的装置对于另一个半导体晶片的波长对强度的典型曲线；
图7是通过对图6的曲线进行傅立叶变换而获得的能量或强度谱；
图8是根据本发明第一实施例的测量器件的概括性框图；
图9是显示根据本发明一个实施例的弯曲测量的简化示意图。
图10是显示根据本发明另一实施例的用于弯曲测量的装置的简化示意图。
图11是用在本发明实施例中的光学头的简化示意性表示，
图12是根据本发明实施例的测量装置的简化框图，以及
图13是表示来自晶片平行区域的反射光束的简化光线图，以及
图14是表示来自晶片倾斜区域的反射光束的简化光线图。
优选实施例描述
作为对本发明的介绍，详细讨论PCT专利申请No.WO0012958的测量方法。
现在参考图1A，其表示在生产工艺中的中间阶段上硅晶片的截面简图。硅晶片2具有附着在其上的SiO2层4。在图1A中该SiO2层4是均匀的，并且只需要单次测量来确定层厚。
现在参考图1B，其表示在生成工艺中的另一中间阶段上另一硅晶片的截面简图。在图1B中晶片2包括一系列金属结构6，以及连续的SiO2层10。如下面将更详细解释，该TMS测量系统特别适合测量透明膜的厚度。在这种情况下，SiO2层10由于金属结构6而具有不同位置处的厚度差异。因此在典型的晶片中可以存在被识别的三个不同层厚d1-d3。在常规测量系统中上面这些厚度差异不能精确地可测量。但是TMS系统能测量被施加的层或被除去的层在晶片中的这种厚度变化，而且这种测量是原位和实时的。下面对TMS工艺操作的基本理论的描述将有助于理解如何实现这些测量。
现在参考图2，其表示光以角度入射到具有不同折射率的一系列层上的简化光线图。
在图2中，包括三个透明层0、1和2的材料受到光辐射。入射光线12触击第一层界面14并被分成反射光线16和折射光线18。折射光纤18触击第二层界面20并再次被分开。这一次只显示反射光线22。当折射光线22触击第一界面14时，其再次被折射以包括第三折射光线24。
已经公知有几种方法用于使用多波长光的反射图案来测量透明膜的厚度。当图2所示的光束为单色(单一波长)光束时，并且当光束到达透明膜时，部分光束从上表面(层0/层1的界面)反射，而部分从下表面反射(层1/层2的界面)。
数学地表示图2中的显示：
λ是光的波长；
φ0是入射光(以及从层0/层1界面反射的光)的相位角：
φ0+φ1是从层1/层2界面反射的光的相位角；
r01是层0/层1界面的反射系数；
r12是层1/层2界面的反射系数；以及
I是入射光的强度
           I＝Iocos(2πct/λ+φ0)    (EQ.1)
这里I0为最大强度幅度并且c是光速。
对于垂直到达膜表面的光，自顶表面和底表面的反射系数为：
r01＝(n1-n0)/(n1+n0)      r12＝(n2-n1)/(n2+n1)    (EQ.2)
其中n0、n1、n2分别是层0、1、2的折射系数。
从上表面反射的光与从底表面反射的光发生干涉，给定整体反射系数R，其为层厚、光波长以及层折射率的函数。通过公知的Frenel方程描述该反射
R＝(r01 2+r12 2+2r01r12cos2Φ1)/(1+r01 2r12 2+2r01r12cos2Φ1)    (EQ.3)
这里，
Φ1＝2πn1d1/λ    (EQ.4)
这里：
d1-层厚。
以多波长光(白色光)照射膜，在每个波长(λ)测量反射，给出R作为λ的函数，即R(λ)。
以多波长光的大光斑照射复杂(即，横向地变化)表面形态的产品晶片造成了单独每个厚度分别反射的组合的反射光束。
R(λ，d1，...，dn)＝∑i(r(I-1)，I 2+ri(I+1) 2+2r(I-1)，Iri(I+1)cos2Φi)/(1+r(I-1)，I 2ri(I+1) 2+
2(I-1)，Iri(I+1)cos2Φ1)                  (EQ.5)
通过简单的数学运算可由下面表示反射系数：
R(1，d1，..dn)＝∑i[1-A/(1+BCos(2Φi))]      (EQ.6)
这里
Ai＝(1-r(I-1)，I 2)(1-ri(I+1) 2)/(I+r(I-1)，I 2ri(I+1) 2)
且
Bi＝2r(I-1)，Iri(I+1)/(1+r(I-1)，I 2ri(I+1) 2)
采用反射系数的频率分解的方式可提供每个幅角(Φ1)，并且假定层的折射率已知，从公式3&4可确定层厚。
可选地，如果层厚已知，可确定层的折射率。
这里有几种方式执行频率分解，下面建议其中一些：
数学分解
1)正交变换方法类，例如傅立叶变换，
2)根据最大似然性原理的方法类，
3)基于参数模型的方法类
4)子空间分解方法类。
电分解：
电频率滤波器广泛地应用于电气系统。这种滤波器用作限定频域中的窗口并输出在窗口范围内的输入信号的分量的幅度。使反射信号(转换为电信号)穿过具有可变频率的一组滤波器或单个滤波器实现了需要的分解。
现在参考图3，其表示用于测量半导体衬底上的透明层的厚度变化的配置的简化框图。该测量配置安装在化学汽相淀积(CVD)工具上。淀积室20包括用于接收晶片W的块22，用于控制淀积参数以使用化学反应淀积SiO2层28的控制器24。
如图3所述，该装置进一步包括用于以多波长光束(白色光)照射光致抗蚀剂涂层的照射设备30，以及用于检测对于每个波长自SiO2反射的光强度的检测器32。优选地，检测器32连接到光电二极管阵列光谱分析仪。光谱分析仪能检测波长范围上的干涉图案，以及使用上面给出的方程可获得层厚的数据。
为获得关于晶片上多于一个光斑的折射率或厚度的信息，在晶片上的不同位置设置多个检测头31。优选地将检测头31的输出多路复用以发送给光谱分析仪32，例如通过每个光纤之间的机械切换。因此能够从晶片上的不同位置获取数据。
该照射设备优选地以任何适合的方式，例如通过光纤36将白色光束施加到安装在晶片W上的光学头31，由此当晶片旋转时将光束投射到晶片W的SiO2涂层上。可以以任何适合的方式，例如通过另一光纤38将从光致抗蚀剂涂层反射的光导向到光谱分析仪34，由此检测对于每个波长自SiO2反射的光的强度。
优选地将光谱分析仪34的输出馈送给处理器40，该处理器40根据上述操作的基本原理处理该输出，并在屏幕42上显示该输出。另外，处理器40的输出可用作例如作为反馈输入，以用于控制将SiO2层28施加到晶片W上。
优选地，光束30足够大以覆盖晶片W承载的多个管芯的至少一个完整的管芯。使用这种足够大的光束以覆盖一个完整的管芯，或其多个提供了许多优点。例如可更好地确保由检测器32检测的组合反射光在测量之间基本上不会变化，而不考虑精确的测量位置的差异。而且，大光斑尺寸增加了被光学头收集的信号并提高了检测速度。
现在参考图4，其是描述对于一组典型测量的波长对幅度的简图，包括当施加到涂敷有在不同点具有不同厚度(d1、d2)的光致抗蚀剂涂层的晶片时上述工艺的仿真，例如，作为蚀刻操作的效果。因此，图4描述了分别作为厚度d1和d2的函数的反射系数r1和r2以及波长的总和R。在该示例中，d1＝0.95μ；d2＝1.25μ，以及f(分离信号的强度比率)＝1。
现在参考图5，其是表示对图4的数据应用了傅立叶变换的简图，也就是说，对定义整体反射的信号R应用傅立叶变换。该傅立叶变换产生对于信号频率的一系列傅立叶系数，从中可以确定对于每一相应信号频率的透明膜的厚度。如图5所示，光致抗蚀剂涂层的两个厚度产生两个完全不同的峰，每一个表示与其中一个厚度有关的频率。
现在参考图6和图7，其为描述上述的系统如何用于测量彼此叠置的两层的厚度的简图。
图6表示对于来自晶片的反射信号的波长对强度，该晶片具有被二氧化物(氧化物)上的金属间介电层覆盖的金属线图案。在测量光斑的附近显现氧化物的两个厚度：
1)在金属线顶部上的氧化物，具有d2＝1556nm，以及
2)在先前淀积的d1＝722nm厚的电介质顶部上的氧化物。
图7描述与上面提到的类似的在通过频率变换操作处理后接收的信号。该结果表示在涉及d2和d1+d2的频率处的峰。
现在参考图8，其表示根据本发明第一实施例的整体测量器件的简化框图。在图8中，整体测量装置50包括厚度测量部件以及应力测量部件，以及用于两种测量的公共部件和切换部件。
首先，考虑应力测量部件，典型地为激光器52的单色光源产生用于导向到晶片54的单色光。光学头设置56包括至少两个光学头，用于将来自激光源52的光导向为一系列朝向晶片54的不同部分的平行光束。优选地，其中一个光束导向朝向晶片的中心区域，而第二个光束导向到晶片的外围边缘。
优选地，设置光学处理器58以接收每个光束的反射，以处理每个反射，由此获得在所述反射之间的光学差异，典型地为相位差，或在光程长度上的差异。通常相位差表示晶片54中的弯曲。可选地，光学差异可为反射角的差异。如可理解的，反射角表示在不同测试点上晶片表面的相对角，并且适当的分析可确定弯曲的程度。
现在参考图9，其详细表示用于测量表示晶片中弯曲的相位差的设置的简化示意图。由于应力弯曲的晶片60设置在光学头62和64下方，以便光学头62位于基本上在晶片的中心区域上方，光学头64基本上在晶片的外围区域上方。
可理解的是，然而，由于下面描述的用于确定应力的方程只需要曲率半径，并且该半径可简单地通过获知各个光学头之间的距离来获得，因此光学头位于晶片的中心和外围区域上方不是必须的。
从每个光学头照射晶片，以便每个光束基本遵循相等的光程长度，除了由于晶片中的弯曲而表示为Y的差异。假设Y小于光的波长，然后在光束之间的相位差测量可产生Y，晶片中的曲率半径可根据其计算。
现在参考图9A，其是描述曲率半径计算的光线图。图9中显示的是用于导出值R的形式几何方案，如下：
R = 2 LXh Xα ,
这里  L＝光束路径的长度
      Xh＝测量的中心和外围点之间的距离
      Xα＝来自受应力晶片的反射光束的移动。
如图9a所示，曲率半径R通过下面公式计算：
R = Y 2 + Xh 2 2 Y ,
这里Y＝测量的中心点中晶片切开(carving)的距离
    Xh＝测量的中心和外围点之间的距离。
现在参考图8，处理器70连接到光学处理器58，以计算曲率半径，由此计算晶片上的应力。光学处理器58优选为干涉仪。当反射光束到达干涉仪时，建立了干涉条纹图案。该条纹图案优选地给定光束之间的相位差，由此推导出距离。干涉仪优选地为迈克尔逊干涉仪。
优选地，将光导向为朝向晶片的光束的相同光学头62和64，用作接收反射并将其导向到光学处理器，如下面的更详细描述。
在一个实施例中，光学头62和64都发出平行光束。需注意的是，当在晶片表面的弯曲部分上的入射角不是90度时，表示沿与入射光束相同路径反射的外围光束的图9在某些程度上被简化。因此，在测量相位差中，有必要考虑仅由于反射角的附加程长。当然，可理解在弯曲被计算以前都不知道反射角，因此为获得精确结果，可能需要包括多次迭代的计算。
现在参考图10，其是表示本发明的另外实施例的简化示意图。在图10的实施例中，考虑了由于反射角度的不精确。在图10中，示意性地表示将从晶片54接收的光反射的光束反射器80。光被反射到检测器82，其包括每一个都连接到对应波导设置的光强度测量单元的波导阵列84。测量单元优选地设置在块86中。
使用中，光束入射到反射器80的角度确定了其主要被导向到哪一个光导。可以绘制出强度图，(图10中的88)并且可以根据强度图中的峰位置推导出晶片中的弯曲角。
在图10中，显示了用于比较的两个光束90和92。在曲线88中光束90产生第一峰94，光束92产生第二峰96。
图10显示作为平面反射器的反射器80。然而，在优选实施例中使用抛物线反射器，更特别地使用离轴抛物线反射器或反射镜。
现在返回处理器70，处理器70能使用下面的关系根据弯曲确定晶片中的应力水平。
这里    E＝晶片的杨氏模量
        ν＝对于晶片的柏松比
        Ds＝晶片的厚度
        R＝曲率的净半径，如上所述根据弯曲的程度可导出，以及
        Df＝在晶片上淀积的膜的厚度，其是造成应力的原因。
再返回到图8，现在考虑装置的厚度测量部件，这里附加地提供白色光源100，以及用于在激光器52和白色光源100之间切换的光开关102，以便来自任一光源的光可根据需要导向到晶片。
如上所述，作为厚度测量部件的一部分，提供了用于处理来自晶片的反射的第二光学处理器104，以确定晶片上的透明和半透明层的厚度。第二光学处理器104优选地包括用于获得反射光谱的光谱仪，其可随后变换到用于分析的频域中，以确定提供了什么层，如上所述。
另外，提供了用于在两个光学处理器之间切换反射光的第二光开关106。
优选地，在开关102和106上提供控制，以确保激光光源52用于第一光学处理器，白色光源用于第二光学处理器104。
第二光学处理器104优选地连接到电子处理器108，以将由第二光学处理器104产生的光谱变换到频域中，典型地使用傅立叶变换。该变换用于获得上面描述的厚度层信息。
可理解，应力计算处理器70和厚度计算处理器108可以实现在单个处理芯片上。典型地，通过连接到装置的PC执行该计算。
现在参考图11，其表示用于结合上面实施例的光学头的简化图。就可实现而言，与前面图中相同的部分使用相同的附图标记给出，并只进一步描述到有必要理解本发明的程度上。光学头110通过光导112接收来自其中一个光源的输入光。通过角形平反射镜114将光反射到离轴抛物线反射镜116，由此作为平行光束将其导向到晶片10的表面。反射波通过光学头经过相反的路径到相同的波导112。
现在参考图12，其为用于提供晶片10的整体测量的整个器件的简化框图。图12是图8的更详细形式，并且在前面图中出现的部分给出相同的附图标记，而且除非必要将不再进一步讨论。在图12中，图8的光学头设置明确地显示为多个光学头。明确显示出两个光源是激光源52和光源100，并且明确显示出两个光学处理器是光谱仪104和干涉仪58。另外，仅显示了单个光纤设置用于传送向外和反射的波，并且多路复用器118用于在光学头56之间切换。应力和厚度计算优选地在附着于测量装置的PC 119上执行。
现在参考图13和14，其是表示适合于图10的实施例中的图11的光学头的简图。该光学头与图11所示的相同，除了反射信号被送到波导阵列120外。如图11中讨论的，给出最大输出强度的阵列中的波导表示反射的角。图13表示来自晶片表面的平行区域的反射光束，(平行指中心、非弯曲的区域)，以及图14表示来自晶片的角形部分的反射光束。在每种情况下，反射光束被集中在波导阵列120的不同部分上。
因此，提供了可以用于晶片生产线的整体测量设备，以采取占用最小的空间并针对现有技术改进生产量的方式，测试施加的层的质量，同时允许获得产品质量的有效测试。
可理解，为清楚起见，在各个实施例的上下文中描述的本发明的确定特征也可结合单个的实施例提供。相反地，为清楚起见在单个实施例的上下文中描述的本发明的各个特征也可单独地或以任意适合的再组合形式提供。
本领域技术人员可理解本发明不限于上面的具体表示和描述。而是通过附加的权利要求限定本发明的范围，并且本发明的范围包括上面描述各种特征的组合和再组合以及其各种变化和修改，而这些变化和修改对于阅读了前面描述的本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (51)

1.用于测量晶片特性的装置，该装置包括：
至少一个单色光源，用于产生导向所述晶片的单色光，
至少第一和第二光束导向器，每个都光学地关联到所述单色光源，用于将所述单色光束导向为朝向所述晶片的各个基本平行的光束，每个触击到所述晶片的平坦表面上的各个位置，所述第一光束导向器设置为将各个光束基本中心地导向到所述平坦表面上，所述第二光束导向器设置为将各个光束基本上从所述中心向外地导向，以及
设置为接收每个光束的反射并处理每个反射的光学处理器，由此获得所述反射之间的光学差异，所述光学差异表示所述晶片中的弯曲。
2、根据权利要求1的装置，进一步包括用于在所述弯曲测量和所述晶片的另一特性测量之间切换的测量方式开关。
3、根据权利要求1的装置，进一步包括可操作地与所述光学处理器关联的输出，用于输出所述晶片中的应力指示，所述指示是基于所述弯曲。
4、根据权利要求1的装置，所述光束导向器包括光学头，用于接收来自所述单色光源的光、并将所述光作为光束导向到所述晶片。
5、根据权利要求4的装置，所述光学头进一步可操作地接收来自所述晶片的所述反射，并将所述反射导向到所述光学处理器。
6、根据权利要求1的装置，至少所述第一光束导向器设置为引导光以便基本垂直地触击所述平坦表面。
7、根据权利要求1的装置，至少所述第二光束导向器设置为引导光以便基本斜向地触击所述平坦表面。
8、根据权利要求1的装置，所述光学处理器包括干涉仪。
9、根据权利要求8的装置，所述干涉仪可操作以产生所述光束之间的干涉图案，所述光学差异为所述光束之间的路径差异。
10、根据权利要求9的装置，所述干涉仪为迈克尔逊干涉仪。
11、根据权利要求1的装置，所述光学处理器包括光束反射器和多个波导，所述光束反射器设置为将来自所述平坦表面的反射偏转到所述波导，以便所述偏转的强度差别地分布在所述波导之间，作为所述反射角的函数。
12、根据权利要求11的装置，其中所述光学处理器进一步包括在每个所述波导中用于测量光强度的强度测量器，所述光学差异为所述波导上强度分布的差异。
13、根据权利要求11的装置，所述光学束反射器为离轴抛物线反射器。
14、根据权利要求1的装置，所述单色光源包括激光。
15、根据权利要求1的装置，进一步包括应力确定单元，可操作以便使用以下关系确定由于所述弯曲的应力水平
其中    E＝晶片的杨氏模量
        ν＝对于晶片的柏松比
        Ds＝晶片的厚度
        R＝曲率的净半径，由所述弯曲可推导，以及
        Df＝淀积在所述晶片上的膜的厚度
16、根据权利要求1的装置，所述另一特性为厚度，所述装置进一步包括白色光源，每个所述光束导向器包括在所述白色光源和所述单色光源之间选择的第一光学开关。
17、根据权利要求16的装置，进一步包括第二光学处理器和至少一个第二光学开关，所述第二光学开关设置为在所述第一光学处理器和所述第二光学处理器之间选择，从而将所述反射导向到所述选中的光学处理器。
18、根据权利要求17的装置，所述第二光学处理器包括光谱仪。
19、根据权利要求17的装置，所述第一和第二光学开关共同可控以选择具有所述第一光学处理器的所述单色光源和具有所述第二光学处理器的所述白色光源。
20、根据权利要求19所述装置，进一步包括连接到所述光谱仪用于将所述光谱仪的输出变换到频域的傅立叶变换器件，由此获得在所述晶片上的至少一个淀积层的层厚度信息。
21、一种用于测量层厚度和晶片中的弯曲的整体测量装置，该装置包括
单色光源，
白色光源，
第一开关，用于在所述白色光源和所述单色光源之间切换，
多个光束导向器，用于将来自所述切换光源的光导向到半导体晶片上，
第一光学处理器，用于来自所述晶片的反射光的光谱处理，
第二光学处理器，用于处理反射光以确定在所述晶片中的弯曲程度，以及
第二光学开关，在所述第一光学处理器和所述第二光学处理器之间切换来自所述晶片的反射光。
22、根据权利要求21的整体测量装置，其中所述第一光学处理器是光谱仪，并且所述第二光学处理器是干涉仪。
23、根据权利要求21的整体测量装置，其中所述第一光学处理器是光谱仪，并且所述第二光学处理器包括
反射器，用于偏转来自所述晶片的反射光，
设置为截取所述偏转光的一系列波导，其方式来自所述晶片的所述光反射的不同角度是通过给出最大光强度的不同波导来分别指示的，
与每个波导关联的光强度检测器，以检测在每个波导处的光强度，由此确定那个波导具有最大强度，从中推导出来自所述晶片的反射的角度。
24、根据权利要求21的整体测量装置，进一步包括应力计算器，可操作地与所述第二光学处理器关联，用于计算所述晶片中的应力指示，所述指示基于所述弯曲。
25、根据权利要求21的整体测量装置，其中所述光导向器包括光学头，可操作地接收来自所述晶片的所述反射并将所述反射导向到所述第二光学开关。
26、根据权利要求22的整体测量装置，所述干涉仪是迈克尔逊干涉仪。
27、根据权利要求23的整体测量装置，所述光束反射器为抛物线反射器。
28、根据权利要求21的整体测量装置，所述单色光源包括激光。
29、根据权利要求21的整体测量装置，进一步包括应力确定单元，可操作以使用以下关系确定由于所述弯曲的应力水平
其中    E＝晶片的杨氏模量
        ν＝对于晶片的柏松比
        Ds＝晶片的厚度
        R＝曲率的净半径，由所述弯曲可推导，以及
        Df＝所述晶片上淀积的膜的厚度。
30、根据权利要求22的整体测量装置，进一步包括连接到所述光谱仪用于将所述光谱仪的输出变换到频域的傅立叶变换器件，由此获得在所述晶片上的至少一个淀积层的层厚度信息。
31、根据权利要求23的整体测量装置，进一步包括连接到所述光谱仪用于将所述光谱仪的输出变换到频域的傅立叶变换器件，由此获得在所述晶片上的至少一个淀积层的层厚度信息。
32、一种使用整体测量装置测量硅晶片中的应力的方法，该方法包括：
在单色光源中切换以产生至少两个单色光束，
反射来自晶片表面的所述至少两个光束，第一光束来自所述晶片的中心区域，第二光束来自所述晶片的外围区域，
确定所述反射光束的特性，
比较所述反射光束的所述确定特性，由此确定在所述晶片中的弯曲程度，并且
根据所述弯曲程度计算所述晶片中的应力水平。
33、根据权利要求32的方法，其中所述特性为所述反射光束的程长度。
34、根据权利要求33的方法，其中所述确定和比较包括：
建立所述反射之间的干涉图案，以及
分析所述干涉图案。
35、根据权利要求32的方法，其中所述确定和比较包括测量并比较所述光束的各个反射角。
36、根据权利要求32的方法，包括使用以下关系确定由于所述弯曲程度的所述应力水平
其中    E＝晶片的杨氏模量
        ν＝对于晶片的柏松比
        Ds＝晶片的厚度
        R＝曲率的净半径，由所述弯曲可推导，以及
        t＝所述晶片上淀积的膜的厚度。
37、根据权利要求32的方法，所述光束为激光光束。
38、根据权利要求37的方法，所述单色光源为激光光源。
39、根据权利要求34的方法，包括使用迈克尔逊干涉仪进行所述确定和比较。
40、一种半导体晶片中的应力和厚度的整体测量的方法，该方法包括：
在白色光源和单色光源之间选择，
采用白色光源：
在单个点处辐射半导体，
接收来自所述单个点的反射光，
使用变换从光谱上分析所述反射光，
根据所述分析推导出层厚度，
采用单色光源：
反射来自晶片表面的至少两个光束，第一光束来自所述晶片的中心区域，第二光束来自所述晶片的外围区域，
确定所述反射光束的特性，
比较所述反射光束的所述确定的特性，由此确定在所述晶片中的弯曲程度，以及
根据所述弯曲程度计算所述晶片中的应力水平。
41、根据权利要求40的方法，其中所述特性为所述反射光束的程长度。
42、根据权利要求41的方法，其中所述确定和比较包括：
建立所述反射之间的干涉图案，以及
分析所述干涉图案。
43、根据权利要求40的方法，其中所述确定和比较包括测量并比较所述光束的各个反射角。
44、根据权利要求40的方法，包括使用以下关系确定由于所述弯曲程度的所述应力水平
其中    E＝晶片的杨氏模量
        ν＝对于晶片的柏松比
        Ds＝晶片的厚度
        R＝曲率的净半径，由所述弯曲可推导，以及
        t＝所述晶片上淀积的膜的厚度
45、根据权利要求40的方法，进一步包括从激光源获得所述单色光光束。
46、根据权利要求42的方法，包括使用迈克尔逊干涉仪执行所述确定和比较。
47、根据权利要求40的方法，进一步包括在所述白色和所述单色光源之间光学切换。
48、根据权利要求40的方法，包括在光谱仪和干涉仪之间光学切换。
49、根据权利要求48的方法，进一步包括控制所述光学切换，以便所述光谱仪被选择具有所述白色光源，所述干涉仪被选择具有所述单色光源。
50、根据权利要求49的方法，包括将来自任一光源的光切换到集成光束成形设置，用于辐射所述晶片。
51、根据权利要求50的方法，其中所述集成光束形成设置包括多个光学头，也可用于接收来自所述晶片的反射。
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