CN103017691A - 一种侦测硅片平坦度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种侦测硅片平坦度的装置及方法，其属于微电子技术领域，装置包括传感器、金属槽和注液管，传感器包括主体金属管、喷气管、光发射器和光接收器；方法包括：注液管向传感器中注入超纯水，喷气管持续向下喷出超洁净空气以防止超纯水溢出；光发射器发出一束斜向上与竖直方向呈预设夹角θ的平行光束，光接收器完全接收位于水平面上的所有平行光束；根据光接收器接收到的平行光束的光强，计算得出传感器对应的硅片上的侦测点的高度；最终拟合出整片硅片的平坦度；上述技术方案的有益效果是：解决了采用光学侦测平坦度以及气体结合光学侦测平坦度这两种侦测方法的缺陷，能够准确地测得硅片表面光刻胶上的平坦度。

Description

一种侦测硅片平坦度的装置及方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种侦测硅片平坦度的装置及方法。

背景技术

在集成电路生产中，硅片的表面是高低起伏的。如果无视这种高低起伏，那么在曝光的过程中，就会使曝光区域内某一部分区域失焦，那样就会影响图形的成像。

光刻机对硅片的平坦度侦测是光刻机在曝光前的一个重要量测步骤，有了这个步骤，才能使光刻机在最佳的聚焦曲面上曝光。这个最佳聚焦曲面是离曝光区域内各点的最佳焦平面整体差异最小的曲面。

目前业界使用的光刻机对硅片的平坦度侦测方法主要有两种：

1．用光学的方法：发射光射到硅片表面，经反射后用传感器接收反射光，根据传感器接收到的光强来计算这个点的高度；在横方向上并列放一排若干组这样等间距光发射器和接收器，一列列沿纵方向扫描，就能得到整片硅片内每个点的高度，从而拟合出整片硅片的平坦度。

使用这种方法时，因为发射光会穿透光刻胶，所以这种方法测得的是衬底的平坦度。而在涂胶的过程中，光刻胶在烤干之前具有流动性，所以衬底的平坦度和光刻胶的平坦度有一定的差异，而我们实际需要的是光刻胶表面的平坦度，所以这个方法测得的平坦度和实际的平坦度有一定差异。

2．气体结合光学的方法：先用光学的方法测得某一曝光单元每个点的高度，再让气体喷在硅片表面某一曝光单元内的一点，用传感器接收从硅片表面反弹回来的气体。根据传感器接收到的气体的流量的不同，来计算这个点的高度。然后对这个曝光单元内的不同点进行侦测，确定这个曝光单元内每个点的高度。再计算出每个点气体测得的和光学测得的差值。由于曝光单元内各点的衬底高度不一样，所以这些点之间的差值也不一样。用这些差值建立模型，记录在机台内，在以后的实际生产中，先使用光学侦测平坦的方法测出硅片的平坦度，再调用这个模型，点对点地加上这个差值，就等同于气体测得的平坦度。

因为用喷气的方法测量的速度比较慢，而且如果放一排这样的气体喷口和传感器，相互之前的气流会有影响，所以喷气的方法无法单独工作，必须结合光学的方法来侦测平坦。使用这种方法，对于不同的衬底，需要每个产品每个层次根据喷气测量结果和光学测量结果的差值建立不同的模型，应用于生产所带来的模型建立工作量比较大。而且一旦衬底变化，用这种方法测出来的平坦度就不准确，需要重新手机数据建立模型。实际的生产中，也会因为刻蚀或者研磨的工艺偏移而带来的测量部准确性。

发明内容

根据现有技术中存在的缺陷，现提供一种侦测硅片平坦度的装置及方法的技术方案，具体包括：

一种侦测硅片平坦度的装置，其中，包括多个并排排列的传感器、金属槽和注液管；相邻两个所述传感器之间具有预设的间距；每个所述传感器固定在一个相应的所述金属槽上，并配备一个相应的所述注液管对所述传感器内部注入液体；每个所述传感器用于侦测所述硅片上的一个对应的侦测点的高度；

所述传感器包括一个主体金属管，所述主体金属管下部外圈包括一排喷气管，所述喷气管用于向所述主体金属管内喷入超洁净空气；所述主体金属管内壁一侧设有光发射器，另一侧设有光接收器，所述光接收器位于所述光发射器的上方。

 

优选的，该侦测硅片平坦度的装置，其中，所述主体金属管的横截面为正方形或长方形或圆形；所述喷气管的横截面为正方形或长方形或圆形。

优选的，该侦测硅片平坦度的装置，其中，所述光发射器发射一束斜向上的平行光束，所述平行光束与竖直位置呈预设夹角θ；所述光接收器的位置和尺寸设定为在所述传感器内部无液体的状态下能完全接收所有所述光发射器发射的所述平行光束。

优选的，该侦测硅片平坦度的装置，其中，所述夹角θ满足关系式：

其中，sinθ为夹角θ的正弦值，N1为所述平行光束在空气中的折射率，N2为所述平行光束在所述液体中的折射率。

一种侦测硅片平坦度的方法，应用于光刻机中侦测所述硅片的平坦度，并采用超纯水作为传感器内部的所述液体，其中，采用如上所述的侦测硅片平坦度的装置，所述装置安装在光刻机上，具体步骤包括：

步骤a，所述注液管向所述传感器中注入超纯水，同一个所述传感器中每次侦测时被注入的超纯水水量固定为预设值；所述喷气管持续向下喷出超洁净空气以防止所述超纯水从金属管下方溢出；

步骤b，所述光发射器发出一束斜向上与竖直方向呈预设夹角θ的平行光束，所述光接收器完全接收位于所述水平面上的所有所述平行光束； 

步骤c，根据所述光接收器接收到的所述平行光束的光强，通过预设的方法计算得出所述传感器对应的硅片上的侦测点的高度；

步骤d，结合所有所述传感器侦测到的高度，得到整片硅片内各点的高度，并最终拟合出整片硅片的平坦度。

优选的，该侦测硅片平坦度的方法，其中，所述步骤a中，所述预设值是指能使所述超纯水的水平面位于所述光发射器竖直方向的中心点附近的水量值。

优选的，该侦测硅片平坦度的方法，其中，所述步骤c中，所述预设的方法具体包括：

步骤1，在光刻机的硅片载片台上放置一个测试用硅片；所述测试用硅片为没有沉积任何薄膜的全新的超平坦硅片；

步骤2，侦测所述硅片上每点在不同高度下对应每个所述传感器的所述光接收器接收的光强，并在所述硅片各点高度和对应所述光强之间建立函数关系式；所述函数关系式作为特定的所述光刻机的关系模型保存在所述光刻机内； 

步骤3，在所述步骤c中，根据所述光接收器接收到的所述平行光束的光强，调用所述步骤2中的所述关系模型，计算得出所述传感器对应的硅片上的侦测点的高度。

优选的，该侦测硅片平坦度的方法，其中，所述关系模型保存在每个特定的所述光刻机内。

上述技术方案的有益效果是：解决了采用光学侦测平坦度以及气体结合光学侦测平坦度这两种侦测方法的缺陷，能够准确地测得硅片表面光刻胶上的平坦度。

附图说明

图1是本发明的实施例中侦测硅片平坦度的装置安装于光刻机上的剖面示意图；

图2是本发明的实施例中传感器的剖面结构示意图；

图3是本发明的实施例中传感器的工作原理示意图；

图4是本发明的实施例中建立硅片高度和光强之间函数关系式的流程图；

图5是本发明的实施例中硅片高度和光接收器接收到的光强的函数关系示意图；

图6是本发明的实施例中侦测硅片平坦度的总体流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示为本发明的实施例中的一种侦测硅片平坦度的装置，该装置包括多个并排排列的等间距的传感器11以及与每个传感器配套的金属槽12和注液管13，每个传感器11固定连接在相应金属槽12上，对应的注液管13位于每个传感器11上方，用于将侦测用的液体注入传感器1中；传感器11的高度由干涉仪（未示出）控制。

如图2所示，每个传感器包括一个主体金属管21，主体金属管21的横截面可以是正方形，也可以是长方形或者圆形；该主体金属管21下部外圈包括一排喷气管22，喷气管用于向下喷出超洁净空气，以防止主体金属管21中的液体溢出，喷气管22的横截面可以是正方形，也可以是长方形或者圆形；在主体金属管21的一侧内壁上设有一个光发射器23，另一侧包括一个光接收器24。上述光接收器为高精度的光接收传感器。

如图3所示为该传感器的工作原理示意图，在传感器下方铺设有硅片，其中，光发射器23会射出一束斜向上与竖直方向夹角为θ的平行光束，使得

（sinθ为夹角θ的正弦值，N1为该平行光束在空气中的折射率），该平行光束位于液体水平面下方的部分会被完全反射，而位于液体水平面上方的部分可以被光接收器24接收到；而光接收器24的位置和尺寸要求能使该光接收器24在传感器内部无液体的状态下能够完全接收光发射器23发射的所有平行光束。由于硅片表面的高低起伏造成不同传感器内部的水平面高低不同，那么光接收器24所接收的光强也不同，根据光强的大小可以计算出任一点的硅片高度。因为有一排横方向并排等间距的传感器，一列列沿总方向扫描完整的硅片，就能得到该硅片上每个点的高度，从而拟合出该硅片的平坦度。

一种侦测硅片平坦度的方法，应用于光刻机中进行侦测，并采用超纯水作为传感器内部的侦测液体介质，该光刻机中包括如图1-3所示的侦测装置，在对硅片进行平坦度侦测之前，首先要在装机或机台保养的时候做每个传感器中光接收器接收到的光强和硅片高度的关系校准，生成匹配该光刻机的硅片高度和光强之间的函数关系模型并将其保存在机台内，具体步骤如图4所示：

步骤1，在光刻机上安装平坦度侦测装置；

步骤2，在光刻机的载片台上放置一片测试用的全新的超平坦硅片；

步骤3，移动硅片载片台使测试用硅片在侦测平坦度的装置下方；

步骤4，固定载片台水平方向位置，在竖直方向移动，根据上述的传感器工作原理，测得载片台不同高度下相应每个传感器中光接收器接收到的光强，载片台的位置和高度由光刻机中的干涉仪控制，载片台的高度代表了硅片的相对高度；

步骤5，根据上述高度和光强的值，建立硅片高度和光强之间的函数关系模型；

步骤6，将该关系模型保存在光刻机机台内。

 

如图5所示为本发明的一个实施例中硅片高度与光强之间的函数关系示意图，该图依据下表所示的数据建立：

如图6所示，本发明的实施例中，利用包括如图1-3所示的装置的光刻机对硅片平坦度进行水侦测的方法，具体步骤包括：

步骤a, 光刻机的载片台接收到等待曝光的硅片；

步骤b, 通过注液管向每个传感器内注入一定量的超纯水，同时喷气管向下喷出超洁净空气，以防止超纯水从传感器下方溢出；

步骤c, 光发射器发射一束斜向上与竖直方向夹角为θ的平行光束，该夹角在侦测装置中固定；

步骤d, 移动光刻机载片台至侦测装置下方，通过光接收器输出得到的光强，调用光刻机上保存的光强和硅片高度的函数关系模型，计算得到对应该点的高度；

步骤e, 保持载片台高度不变，移动载片台，使硅片一列列在侦测装置下扫描，得到整片硅片各侦测点的高度，最终拟合出整片硅片的平坦度。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种侦测硅片平坦度的装置，其特征在于，包括多个并排排列的传感器、金属槽和注液管；相邻两个所述传感器之间具有预设的间距；每个所述传感器固定在一个相应的所述金属槽上，并配备一个相应的所述注液管对所述传感器内部注入液体；每个所述传感器用于侦测所述硅片上的一个对应的侦测点的高度；

所述传感器包括一个主体金属管，所述主体金属管下部外圈包括一排喷气管，所述喷气管用于向所述主体金属管内喷入超洁净空气；所述主体金属管内壁一侧设有光发射器，另一侧设有光接收器，所述光接收器位于所述光发射器的上方。

2.如权利要求1所述的侦测硅片平坦度的装置，其特征在于，所述主体金属管的横截面为正方形或长方形或圆形；所述喷气管的横截面为正方形或长方形或圆形。

3.如权利要求1所述的侦测硅片平坦度的装置，其特征在于，所述光发射器发射一束斜向上的平行光束，所述平行光束与竖直位置呈预设夹角θ；所述光接收器的位置和尺寸设定为在所述传感器内部无液体的状态下能完全接收所有所述光发射器发射的所述平行光束。

4.如权利要求3所述的侦测硅片平坦度的装置，其特征在于，所述夹角θ满足关系式：

其中，sinθ为夹角θ的正弦值，N1为所述平行光束在空气中的折射率，N2为所述平行光束在所述液体中的折射率。

5.一种侦测硅片平坦度的方法，应用于光刻机中侦测所述硅片的平坦度，并采用超纯水作为传感器内部的所述液体，其特征在于，采用如权利要求1-4中任意一项所述的侦测硅片平坦度的装置，所述侦测硅片平坦度的装置安装在光刻机上，具体步骤包括：

步骤a，所述注液管向所述传感器中注入超纯水，同一个所述传感器中每次侦测时被注入的超纯水水量固定为预设值；所述喷气管持续向下喷出超洁净空气以防止所述超纯水从金属管下方溢出；

步骤b，所述光发射器发出一束斜向上与竖直方向呈预设夹角θ的平行光束，所述光接收器完全接收位于所述水平面上的所有所述平行光束； 

步骤c，根据所述光接收器接收到的所述平行光束的光强，通过预设的方法计算得出所述传感器对应的硅片上的侦测点的高度；

步骤d，结合所有所述传感器侦测到的高度，得到整片硅片内各点的高度，并最终拟合出整片硅片的平坦度。

6.如权利要求5所述的侦测硅片平坦度的方法，其特征在于，所述步骤a中，所述预设值是指能使所述超纯水的水平面位于所述光发射器竖直方向的中心点附近的水量值。

7.如权利要求5所述的侦测硅片平坦度的方法，其特征在于，所述步骤c中，所述预设的方法具体包括：

步骤1，在所述光刻机的硅片载片台上放置一个测试用硅片；所述测试用硅片为没有沉积任何薄膜的全新的超平坦硅片；

步骤2，侦测所述硅片上每点在不同高度下对应每个所述传感器的所述光接收器接收的光强，并在所述硅片各点高度和对应所述光强之间建立函数关系式；所述函数关系式作为特定的所述光刻机的关系模型保存在所述光刻机内； 

步骤3，在所述步骤c中，根据所述光接收器接收到的所述平行光束的光强，调用所述步骤2中的所述关系模型，计算得出所述传感器对应的硅片上的侦测点的高度。

8.如权利要求7所述的侦测硅片平坦度的方法，其特征在于，所述关系模型保存在每个特定的所述光刻机内。

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