基于动态定量相位成像的半导体晶圆表面形貌测量装置制造方法及图纸

为解决传统光学测量方法在半导体晶圆表面形貌测量中存在测量精度、速度和实时性方面的局限性的技术问题，本发明专利技术提出了一种基于动态定量相位成像技术的半导体晶圆表面形貌测量装置，包括光源及从下自上依次设置的载物台、显微物镜、半透半反镜、目镜、定量相位成像模块和图像数据处理单元；半透半反镜同时位于光源的出射光路上；载物台用于放置被测半导体晶圆，且在水平面内可二维平移；定量相位成像模块由二元光学器件和探测器组成；被测半导体晶圆被测面与二元光学器件迎光面满足物像共轭关系；探测器用于探测经二元光学器件调制后的光场图像；图像数据处理单元用于对探测器获取的图像进行处理，得到被测半导体晶圆表面三维形貌。

【技术实现步骤摘要】
基于动态定量相位成像的半导体晶圆表面形貌测量装置
本专利技术属于光学领域，涉及一种基于动态定量相位成像的半导体晶圆表面形貌测量装置。
技术介绍
在过去的半个多世纪，集成电路产业依照摩尔定律不断向前发展，已经逐渐成为全球经济的支柱产业之一。晶圆是制造集成电路的基本材料，随着电子科学技术的迅速发展和电子类产品集成度和性能的不断提高，晶圆的生产规模也在不断地扩大，在其磨削加工过程中，表面质量的控制十分重要。表面质量不好的晶圆会存在应力集中、裂缝等隐患，在分割晶圆片时，会导致晶圆崩裂的巨大损失。通过晶圆表面形貌测量来监控工艺，减少产量损失，提高良率，就变得越发重要起来，晶圆表面形貌测量重要性已得到广泛的认知。表面形貌测量技术经历了从定性测量发展到定量测量的过程。机械探针式测量方法是开发较早、研究最充分的一种表面形貌定量测量方法。它的测量原理是利用机械探针接触被测表面，当探针沿被测表面移动时，被测表面的微观凹凸使得探针上下移动，其移动量由与探针组合一起的位移传感器测得，所得数据经分析处理后得出被测表面的三维轮廓，但这种方法会损伤表面，且检测效率低。为了弥补机械探针式测量方法的缺点，Ruska提出利用聚焦的非常细的电子束作为探针的非接触式测量方法，研制了第一台电子显微镜。在此基础上将电子探针扫描被测表面，二次电子从被测表面激发出来，根据二次电子的强度和分布可得到被测表面形貌。扫描电子显微镜(ScanningElectronicMicroscopy，SEM)具有较高的纵向分辨率和横向分辨率，分别为10nm和2nm，但要求在真空环境下工作，操作复杂，测量费时，且要求被测表面导电。这些都制约着它的应用范围。光学探针式测量方法原理上类似机械探针式测量方法，区别是光学探针式测量系统中探针是聚焦光束，从而避免损伤被测物体表面。此方法对操作环境要求不高，在工业领域得到了更广泛的应用。Hamilton等采用共焦显微法对表面微观形貌进行了测量，此方法优点是光路简单，使用方便，不足之处是线性范围较窄，而且要求光电探测器对被测表面的反射率和微观斜率变化灵敏度高。同时，光学探针测量表面形貌时，需要一套结构复杂的高精度机械扫描机构和调焦系统，测量分辨率仍受机械振动、电路噪声及机械扫描机构运动误差的影响，由于是逐点扫描，也存在测量效率低缺点。此外，Ruprecht等提出了复色共焦法，测量原理为采用复色光源和轴向色散物镜，同时用光谱仪代替普通的光传感器分析反射聚焦光的波长和亮度信息，不同波长的光有着不同的焦距，因此该方法能够测量一定高度范围内的点(高度范围取决于光源波长范围)，不需要纵向扫描，提高了测量速度，但缺点是测量高度范围小，横向分辨率低，而且易受被测表面颜色的影响。光学探针式测量方法可以认为是一种几何光学方法，随后科研工作者相继提出了基于物理光学和信息学原理的方法。Taked等提出傅里叶变换轮廓术，从变形条纹中提取所测物体表面形貌信息。此方法速度快，缺点是为了避免频谱混叠现象，必须限制物体的斜度，同时测量精度受定标精度的影响。Makosch等提出微分干涉表面形貌测量方法，测量原理为将光束分成两束相干光束并在被测表面上聚焦成两个相距很近的光斑，被测表面在这两个光斑之间的高度差决定了两束相干光的位相差，利用这种方法测出位相差，就可获得表面轮廓信息。由于微分干涉采用共光路光学系统，因此具有良好的抗干扰性，且不需要标准参考平面。但是由于微分干涉法实际测量的是表面斜率，表面轮廓是通过斜率积分获得的，因而这种方法会积累误差。随着微器件等光电技术的发展，Salbut等提出相移干涉显微法，通过解相位算法计算相位与高度的关系，进而获得视场范围内所有像素点的高度。此方法能达到1nm的纵向测量分辨率，但缺点是测量范围小，测量速度慢，易受环境扰动的影响。综上所述，表面形貌测量方法已经由原来的接触式测量，逐步向非接触无损伤式的测量方向发展。由于光学测量方法不仅能实现高精度的非接触测量，而且系统结构简单，成本较低，因此在表面形貌测量领域得到了迅速发展。但各种光学测量方法在半导体晶圆表面形貌测量中存在测量精度、速度和实时性方面的局限性。
技术实现思路
为了解决传统光学测量方法在半导体晶圆表面形貌测量中存在测量精度、速度和实时性方面的局限性的技术问题，本专利技术提出了一种基于动态定量相位成像技术的半导体晶圆表面形貌测量装置，可单次曝光和动态实时测量，不受外界环境影响、能够保证测试精度。本专利技术的技术方案是：基于动态定量相位成像的半导体晶圆表面形貌测量装置，其特殊之处在于：包括光源，以及从下自上沿同一光路依次设置的载物台、显微物镜、半透半反镜、目镜、定量相位成像模块和图像数据处理单元；半透半反镜同时位于光源的出射光路上；载物台用于放置被测半导体晶圆，且在水平面内可二维平移；定量相位成像模块由二元光学器件和探测器组成；被测半导体晶圆的被测面与二元光学器件的迎光面满足物像共轭关系；二元光学器件用于调制入射至其上的光场；探测器用于探测经二元光学器件调制后的光场图像；图像数据处理单元用于对探测器获取的图像进行处理，得到被测半导体晶圆表面三维形貌。进一步地，二元光学器件为二维排布的微透镜阵列；微透镜阵列中所有透镜的孔径和焦距相同。进一步地，二元光学器件为二维排布的平凸透镜阵列；平凸透镜阵列中所有平凸透镜的孔径和焦距相同。进一步地，图像数据处理单元用于对探测器获取的图像进行处理，得到被测半导体晶圆表面三维形貌的具体方法为：步骤1，计算每个子孔径内的光斑质心相对参考位置x和y方向的偏移Δx，Δy；步骤2，计算被微透镜阵列分割的子孔径范围内x和y方向的波前的平均斜率：式中，f为平凸透镜焦距，Sx为x方向的波前的平均斜率，Sy为y方向的波前的平均斜率；步骤3，将Sx和Sy代入有限差分模型即下述公式中，计算得到待测波前相位分布式中，N为微透镜阵列行列数，h为微透镜阵列子孔径大小，分别为微透镜阵列中位置为(i,j)的子孔径内x方向和y方向的波前平均斜率；步骤4，载物台在水平面内二维扫描，每一个扫描位置点重复步骤1-3，最后将获取的待测波前相位计算结果拼接，即可得到被测半导体晶圆表面三维形貌。或者，二元光学器件为混合调制光栅，用于对入射至其表面的光场进行振幅和相位调制，其透光部分大小是不透光部分大小的2倍，透光部分对入射至其表面的光场按相位0和π进行相位调制；所述相位0和π呈棋盘式交替分布。进一步地，图像数据处理单元用于对探测器获取的图像进行处理，得到被测半导体晶圆表面三维形貌的具体方法为：步骤1，对获取的干涉图像进行快速傅里叶变换获取频谱图；步骤2，分别使用频域滤波窗函数提取出正交方向的两个正一级频谱，频域滤波窗函数采用Hamming函数，其满足：式中：(x0,y0)为正一级频谱中心位置坐标，(x,y)为正一级频谱x和y方向的坐标；步骤3，对提取出的正一级频谱利用逆傅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于动态定量相位成像的半导体晶圆表面形貌测量装置，其特征在于：包括光源(1)，以及从下自上沿同一光路依次设置的载物台(5)、显微物镜(3)、半透半反镜(2)、目镜(6)、定量相位成像模块(7)和图像数据处理单元；/n半透半反镜(2)同时位于光源(1)的出射光路上；/n载物台(5)用于放置被测半导体晶圆(4)，且在水平面内可二维平移；/n定量相位成像模块(7)由二元光学器件(8)和探测器(9)组成；被测半导体晶圆(4)的被测面与二元光学器件(8)的迎光面满足物像共轭关系；/n二元光学器件(8)用于调制入射至其上的光场；/n探测器(9)用于探测经二元光学器件(8)调制后的光场图像；/n图像数据处理单元用于对探测器(9)获取的图像进行处理，得到被测半导体晶圆(4)表面三维形貌。/n

【技术特征摘要】
1.基于动态定量相位成像的半导体晶圆表面形貌测量装置，其特征在于：包括光源(1)，以及从下自上沿同一光路依次设置的载物台(5)、显微物镜(3)、半透半反镜(2)、目镜(6)、定量相位成像模块(7)和图像数据处理单元；
半透半反镜(2)同时位于光源(1)的出射光路上；
载物台(5)用于放置被测半导体晶圆(4)，且在水平面内可二维平移；
定量相位成像模块(7)由二元光学器件(8)和探测器(9)组成；被测半导体晶圆(4)的被测面与二元光学器件(8)的迎光面满足物像共轭关系；
二元光学器件(8)用于调制入射至其上的光场；
探测器(9)用于探测经二元光学器件(8)调制后的光场图像；
图像数据处理单元用于对探测器(9)获取的图像进行处理，得到被测半导体晶圆(4)表面三维形貌。


2.根据权利要求1所述的基于动态定量相位成像的半导体晶圆表面形貌测量装置，其特征在于：二元光学器件(8)为二维排布的微透镜阵列；微透镜阵列中所有透镜的孔径和焦距相同。


3.根据权利要求2所述的基于动态定量相位成像的半导体晶圆表面形貌测量装置，其特征在于：二元光学器件(8)为二维排布的平凸透镜阵列；平凸透镜阵列中所有平凸透镜的孔径和焦距相同。


4.基根据权利要求3所述的基于动态定量相位成像的半导体晶圆表面形貌测量装置，其特征在于：图像数据处理单元用于对探测器(9)获取的图像进行处理，得到被测半导体晶圆(4)表面三维形貌的具体方法为：
步骤1，计算每个子孔径内的光斑质心相对参考位置x和y方向的偏移Δx，Δy；
步骤2，计算被微透镜阵列(81)分割的子孔径范围内x和y方向的波前的平均斜率：



式中，f为平凸透镜焦距，Sx为x方向的波前的平均斜率，Sy为y方向的波前的平均斜率；
步骤3，将Sx和Sy代入有限差分模型即下述公式(3)中，计算得到待测波前相位分...

【专利技术属性】
技术研发人员：段亚轩，达争尚，陈晓义，王璞，李铭，王拯洲，蔺辉，魏际同，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61