CN214200005U - 一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,包括:基座、配置在所述基座上的运动模组和支架组件、配置在所述运动模组的光学测量模块；其中，所述支架组上配置有平晶以及被测晶圆；其中，所述光学测量模块包括配置在所述运动模组上的支撑板、配置在支撑板上的发光组件、依次配置在所述发光组件的出射光路上的平凸透镜组件和90°离轴抛物面镜组件、用于采集所述发光组件的出射光在所述平晶以及所述被测晶圆上所形成干涉条纹图像的相机组件。解决现有测量系统无法同时兼顾大范围测量和高精度测量的要求。

Description

一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置

技术领域

本实用新型涉及光学领域，特别涉及一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置。

背景技术

现有技术中，对晶圆的形貌测量有大视场的测量方法、及高分辨率的微观测量方法，然而对于几百毫米大尺寸制品微观形貌的测量，单一测量方式不能兼顾大尺寸和高精度两方面的需求；

其中，大视场的测量方法所测得数据往往分辨率较低，且局部细节表现能力有限；高分辨率的微观测量方法，例如采用共焦显微镜、数字全息显微镜、白光干涉仪等进行测量，其受限于测量范围，无法直接表征整体三维表面形貌。

目前对于大尺寸晶圆的形貌测量主要是采用大行程的运动定位系统搭载高分辨率的测量系统，但扩大测量范围的同时并未考虑运动系统本身引入的测量误差。如果将大行程的运动误差纳入系统精度指标的考虑中，则需要通过其他高基准结构如光学传感器、位移传感器、激光干涉仪等进一步保证系统测量精度。这种方式实现了大范围高精度的测量，但存在的问题是系统精度依赖于传感器精度，结构复杂，系统成本高。

有鉴于此，提出本申请。

实用新型内容

本实用新型提供了一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置，旨在解决现有测量系统无法同时兼顾大范围测量和高精度测量的要求。

本实用新型实施例提供了一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,包括:基座、配置在所述基座上的运动模组和支架组件、配置在所述运动模组的光学测量模块；

其中，所述支架组上配置有平晶以及被测晶圆；

其中，所述光学测量模块包括配置在所述运动模组上的支撑板、配置在支撑板上的发光组件、依次配置在所述发光组件的出射光路上的平凸透镜组件和90°离轴抛物面镜组件、用于采集所述发光组件的出射光在所述平晶以及所述被测晶圆上所形成干涉条纹图像的相机组件。

优选地，所述发光组件包括：氦氖激光源及其光源支架；

其中，所述光源支架配置在所述支撑板上，所述氦氖激光源固定在所述光源支架上。

优选地，所述支架组件包括：配置在所述基座上的多个可调支撑底座、分别配置在多个所述支撑底座上的支撑杆、配置在所述支撑杆上的平晶支撑架。

优选地，所述运动模组包括：第一方向行走组件及配置在所述第一方向行走组件上的第二方向行走组件，其中，所述第二方向行走组件能随所述第一方向行走组件运动。

优选地，第一方向行走组件包括：配置在所述基座上的第一导轨、配置在所述第一导轨上的第一伺服电机、与所述第一伺服电机的输出轴相连的第一丝杆、套设在所述第一丝杆上的第一滑块。

优选地，所述第二方向行走组件包括配置在第一滑块上的第二导轨、配置在所述第二导轨上的第二伺服电机、与所述第二伺服电机的输出轴相连的第二丝杆、套设在所述第二丝杆上的第二滑块，其中，所述支撑板固定在所述第二滑块上。

优选地，所述支撑板为光学面包板。

优选地，平凸透镜组件包括：平凸透镜、及第一透镜支架；

其中，所述第一透镜支架配置在所述支撑板上，所述平凸透镜配置在所述第一透镜支架上。

优选地，90°离轴抛物面镜组件包括：90°离轴抛物面镜、及第二透镜支架；

其中，所述第二透镜支架配置在所述支撑板上，所述90°离轴抛物面镜配置在所述第二透镜支架上。

优选地，相机组件包括：相机、及相机支架；

其中，所述相机支架配置在所述支撑板上，所述相机配置在所述相机支架上。

基于本实用新型提供的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置，通过将所述运动模组配置在所述基座上，将所述光学测量模块配置在所述运动模组，以使得所述光学测量模块随着运动模组在预设的移动路线上运动，其中，所述发光组件发射平行光线，入射到所述平凸透镜组件，平凸透镜组件将平行光线聚焦成点光源，出射到90°离轴抛物面镜可以将在焦点处入射的点光源变成与镜面直径大小相当的准直光线出射，直接覆盖镜面直径大小的被测表面产生干涉。通过相机组件进行采集平晶和被测面的干涉条纹图像，同时通过求解相位进一步求出被测表面高度信息进行三维形貌还原。采用此结构以及基于薄膜干涉原理的测量方法，可以在满足单色光波长级测量精度的同时，降低大行程运动系统引入的运动误差对测量结果造成的影响，解决了现有技术中，测量系统无法同时兼顾大范围测量和高精度测量的要求。

附图说明

图1本实用新型实施例提供的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置示意图；

图2本实用新型实施例提供的运动模组和光学测量模块示意图；

图3本实用新型实施例提供的光学测量模块的光路图；

图4本实用新型实施例提供的支架组件示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以下结合附图对本实用新型的具体实施例做详细说明。

本实用新型公开了一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置，旨在解决现有测量系统无法同时兼顾大范围测量和高精度测量的要求。

请参阅图1及图2,本实用新型实施例提供了一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,包括:基座1、配置在所述基座1上的运动模组3和支架组件4、配置在所述运动模组3的光学测量模块；

其中，所述支架组上配置有平晶5以及被测晶圆6；

其中，所述光学测量模块包括配置在所述运动模组3上的支撑板291、配置在支撑板291上的发光组件、依次配置在所述发光组件的出射光路上的平凸透镜24组件和90°离轴抛物面镜25组件、用于采集所述发光组件的出射光在所述平晶5以及所述被测晶圆6上所形成干涉条纹图像的相机组件。

在本实施例中,在面对大尺寸晶圆时,通过运动模组3带动所述光学测量模块按照一定顺序运动,使搭载的光学测量模块采集不同区域的干涉条纹图像进行拼接，获得全场干涉条纹图像，求取相位从而进一步获得被测晶圆6表面全场形貌。

具体地，请参阅图2及图3，所述发光组件发射的平行光入射到所述平凸透镜24组件，所述平凸透镜24组件将平行光聚焦成点光源出射到所述90°离轴抛物面镜25组件，所述90°离轴抛物面镜25组件将在焦点处入射的点光源变成与镜面直径大小相当的准直光出射，其可以根据薄膜干涉的原理，由所述90°离轴抛物面镜25组件出射的准直光在被测晶圆6的下表面(被测面)和所述平晶5的上表面(基准面)反射出两列光波发生干涉产生干涉条纹，而入射光在被测面与基准面两个不同面反射产生的光程差与薄膜的厚度变化有关，即被测表面高度的变化引起薄膜厚度的变化，产生的干涉条纹随之变化，通过所述相机组件采集干涉条纹图像，同时通过求解相位进一步求出被测表面高度信息进行三维形貌还原。对于大尺寸晶圆，需要通过运动模组3按照一定顺序运动，使搭载的测量机构采集不同区域的干涉条纹图像进行拼接，获得全场干涉条纹图像，求取相位从而进一步获得被测晶圆6表面全场形貌。

在本实施例中，所述发光组件包括：氦氖激光源22及其光源支架21；

其中，所述光源支架21配置在所述支撑板291上，所述氦氖激光源22固定在所述光源支架21上。

需要说明的是，氦氖激光源22是使用时间最早、技术最成熟、应用最为广泛的激光器之一，它是一种气体激光器，气体原子具有确定的能级结构，由外界电子激发发生能级跃迁，产生受激辐射发出激光，因此氦氖激光波长是纯净的单色光，线宽极窄，波长误差只有几纳米，具有极大的相干长度。有些靠能带跃迁发光的激光器如LD的单色性和相干性无法与之相比。原子能级结构是确定的，因此激光不受温度波动影响。加上谐振腔的作用保障了激光输出具有良好的准直性，发散角只有几个毫弧度。在需要良好单色光、相干性和准直性的场合，特别是精密测量领域，氦氖激光源22具有不可比拟的优势。

在本实施例中，请参阅图4，所述支架组件4包括：配置在所述基座1上的多个可调支撑底座43、分别配置在多个所述支撑底座上的支撑杆42、配置在所述支撑杆42上的平晶支撑架41。

需要说明的是，本实施例中，可以配置3个可调支撑底座43，对应配置有所述支撑杆42，其中，所述可调支撑底座43用于调节所述平晶5支撑架，在其他实施例中，所述可调支撑底座43数量可以根据实际情况来设置，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实施例中，所述运动模组3包括：第一方向行走组件31及配置在所述第一方向行走组件31上的第二方向行走组件32，其中，所述第二方向行走组件32能随所述第一方向行走组件31运动。

需要说明的是，所述第一方向行走组件31和所述第二方向行走组件32用于带动所述光学测量模块按照一定顺序运动,使搭载的光学测量模块采集不同区域的干涉条纹图像进行拼接，以获得全场干涉条纹图像。

在本实施例中，第一方向行走组件31包括：配置在所述基座1上的第一导轨、配置在所述第一导轨上的第一伺服电机、与所述第一伺服电机的输出轴相连的第一丝杆、套设在所述第一丝杆上的第一滑块。

需要说明的是，所述第一伺服电机的输入端可以连接一控制器，例如PLC控制器，用于接收其输出的脉冲信号，控制所述第一伺服电机的转动，以带动所述第一丝杆转动，进而带动所述第一滑块运动，本实施例中，所述第二方向行走组件32配置在所述第一滑块上，其可以随第一滑块的运动而运动。

在本实施例中，所述第二方向行走组件32包括配置在第一滑块上的第二导轨、配置在所述第二导轨上的第二伺服电机、与所述第二伺服电机的输出轴相连的第二丝杆、套设在所述第二丝杆上的第二滑块，其中，所述支撑板291固定在所述第二滑块上。

需要说明的是，所述第二伺服电机的输入端可以连接一控制器，例如PLC控制器，用于接收其输出的脉冲信号，控制所述第二伺服电机的转动，以带动所述第二丝杆转动，进而带动所述第二滑块和固定在所述第二滑块上的支撑板291运动，可以理解，所述第一方向行走组件31可以向带动所述光学测量模块沿第一方向来回运动，例如，其可以带动所述光学测量模块在X轴上来回移动，所述第二方向行走组件32可以向带动所述光学测量模块沿第二方向来回运动，例如，其可以带动所述光学测量模块在Y轴上来回移动。在其他实施例中，所述第一方向行走组件31和第二方向行走组件32还可以由其他的设备构成，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实施例中，所述支撑板291可以是光学面包板。

需要说明的是，在其他实施例中，所述支撑板291还可以由其他的材质构成，这里不做具体限定，但这些方案均在本实用新型的保护范围内。

在本实施例中，平凸透镜24组件包括：平凸透镜24、及第一透镜支架23；

其中，所述第一透镜支架23配置在所述支撑板291上，所述平凸透镜24配置在所述第一透镜支架23上。

需要说明的是，所述第一透镜支架23用于将所述平凸透镜24固定在光源的前方，至少部分接收光源发射出的平行光。

在本实施例中，90°离轴抛物面镜25组件包括：90°离轴抛物面镜25、及第二透镜支架26；

其中，所述第二透镜支架26配置在所述支撑板291上，所述90°离轴抛物面镜25配置在所述第二透镜支架26上。

需要说明的是，所述第二透镜支架26用于将所述90°离轴抛物面镜25固定在所述平凸透镜24的前方，至少部分接收平凸透镜24出射的点光源。

在本实施例中，相机组件包括：相机28、及相机支架29；

其中，所述相机支架29配置在所述支撑板291上，所述相机配置在所述相机支架29上。

需要说明的是，所述相机支架29上用于固定所述相机28，以使得所述相机28能够采集到干涉条纹图像。

基于本实用新型提供的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置，通过将所述运动模组配置在所述基座上，将所述光学测量模块配置在所述运动模组，以使得所述光学测量模块随着运动模组在预设的移动路线上运动，其中，所述发光组件发射平行光线，入射到所述平凸透镜组件，平凸透镜组件将平行光线聚焦成点光源，出射到90°离轴抛物面镜可以将在焦点处入射的点光源变成与镜面直径大小相当的准直光线出射，直接覆盖镜面直径大小的被测表面产生干涉。通过相机组件进行采集平晶和被测面的干涉条纹图像，同时通过求解相位进一步求出被测表面高度信息进行三维形貌还原。采用此结构以及基于薄膜干涉原理的测量方法，可以在满足单色光波长级测量精度的同时，降低大行程运动系统引入的运动误差对测量结果造成的影响，解决了现有技术中，测量系统无法同时兼顾大范围测量和高精度测量的要求。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,其特征在于,包括:基座、配置在所述基座上的运动模组和支架组件、配置在所述运动模组的光学测量模块；

其中，所述支架组上配置有平晶以及被测晶圆；

其中，所述光学测量模块包括配置在所述运动模组上的支撑板、配置在支撑板上的发光组件、依次配置在所述发光组件的出射光路上的平凸透镜组件和90°离轴抛物面镜组件、用于采集所述发光组件的出射光在所述平晶以及所述被测晶圆上所形成干涉条纹图像的相机组件。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,其特征在于,所述发光组件包括：氦氖激光源及其光源支架；

其中，所述光源支架配置在所述支撑板上，所述氦氖激光源固定在所述光源支架上。

3.根据权利要求1所述的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,其特征在于,所述支架组件包括：配置在所述基座上的多个可调支撑底座、分别配置在多个所述支撑底座上的支撑杆、配置在所述支撑杆上的平晶支撑架。

4.根据权利要求1所述的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,其特征在于,所述运动模组包括：第一方向行走组件及配置在所述第一方向行走组件上的第二方向行走组件，其中，所述第二方向行走组件能随所述第一方向行走组件运动。

5.根据权利要求4所述的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,其特征在于,第一方向行走组件包括：配置在所述基座上的第一导轨、配置在所述第一导轨上的第一伺服电机、与所述第一伺服电机的输出轴相连的第一丝杆、套设在所述第一丝杆上的第一滑块。

6.根据权利要求5所述的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,其特征在于,所述第二方向行走组件包括配置在第一滑块上的第二导轨、配置在所述第二导轨上的第二伺服电机、与所述第二伺服电机的输出轴相连的第二丝杆、套设在所述第二丝杆上的第二滑块，其中，所述支撑板固定在所述第二滑块上。

7.根据权利要求1所述的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,其特征在于,所述支撑板为光学面包板。

8.根据权利要求1所述的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,其特征在于,平凸透镜组件包括：平凸透镜、及第一透镜支架；

其中，所述第一透镜支架配置在所述支撑板上，所述平凸透镜配置在所述第一透镜支架上。

9.根据权利要求1所述的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,其特征在于,90°离轴抛物面镜组件包括：90°离轴抛物面镜、及第二透镜支架；

其中，所述第二透镜支架配置在所述支撑板上，所述90°离轴抛物面镜配置在所述第二透镜支架上。

10.根据权利要求1所述的一种大尺寸晶圆的表面三维形貌测量装置,其特征在于,相机组件包括：相机、及相机支架；

其中，所述相机支架配置在所述支撑板上，所述相机配置在所述相机支架上。

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