CN109341554B - 一种测量膜厚的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量膜厚的装置及方法，所述光源发出的光束经过所述光束整形器形成线状光束，所述线状光束依次经过所述固定起偏器和旋转起偏器进入晶圆表面的膜层，并在晶圆表面的膜层中发生反射和折射，线状光束经过膜层反射之后进入所述聚焦光栅单元，所述聚焦光栅单元将反射之后的线状光束色散为二维光谱，所述二维光谱经过所述检偏器进入所述图像传感器，得到关于光强信号的二维光谱图像，根据所述二维光谱图像上的光强信号得到晶圆表面对应位置的膜层厚度。本发明中一种测量膜厚的装置及方法，能够同时测量多个点的反射信号，既能提高测量速度，又大大减少了测量过程中的机械运动。

Description

一种测量膜厚的装置及方法
技术领域
本发明涉及膜层检测领域，具体涉及一种测量膜厚的装置及方法。
背景技术
薄膜厚度的测量是在材料研究和集成电路制造中必不可少的，特别是在集成电路制造过程中，光刻胶的涂布、薄膜的生长、刻蚀的测试等等，都必须精确地测量各个工序后硅片表面的膜层形貌。以12寸硅片为例，为了检测光刻胶的涂布效果，通常需在x和y方向各测量25个点，以体现光刻胶在整片硅片上的分布。
椭圆偏振测量法是最主要的薄膜参数测量技术。该技术通过测量经被测物体反射后光线的偏振态的强度和相位变化(即椭偏参数Ψ和Δ)，来获得样品的厚度和折射率等信息。
椭偏参数Ψ和Δ并不是直接测量到的物理量，而是需要边调制偏振态边实时测量反射光的强度I，再由强度随时间的变化关系经傅立叶变换后得到椭偏参数Ψ和Δ，最终通过建模拟拟合计算出相应的厚度和折射率。由于数学运算可以离线完成，对于设备而言，经偏振态调制的各波长下的反射强度I即为最直接的测量物理量。
目前主流的测量方式是利用椭偏仪进行单点测量，当测量点较多时耗时较长，且每测完一个点都需要机械运动，不利于精度的控制。因此需要找到一种新的方法来一次性测量多个点的反射信号，同时还要方便数据的收集和处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量膜厚的装置及方法，能够同时测量多个点的反射信号，既能提高测量速度，又大大减少了测量过程中的机械运动。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种测量膜厚的装置，用于测量位于晶圆表面一条直线上的n个待测点的膜层厚度；包括发射光束的宽光谱光源、光束整形器、固定起偏器、旋转起偏器、聚焦光栅单元、检偏器和图像传感器；
所述宽光谱光源发出的光束经过所述光束整形器形成线状光束，所述线状光束覆盖所有待测点，所述线状光束依次经过所述固定起偏器和旋转起偏器进入晶圆表面的膜层，并在晶圆表面的膜层中发生反射，线状光束经过膜层反射之后进入所述聚焦光栅单元，所述聚焦光栅单元将反射之后的线状光束色散为二维光谱，且色散方向与所述线状光束所在直线的方向正交，所述二维光谱经过所述检偏器进入所述图像传感器，得到关于光强信号的二维光谱图像，所述二维光谱图像正交的两个方向分别对应所述线状光束入射到晶圆表面膜层中的位置和该位置入射光的波长；根据所述二维光谱图像上的光强信号得到晶圆表面对应位置的膜层厚，其中，n为大于等于1的整数度。
进一步地，所述聚焦光栅单元包括光栅和聚焦光学***，线状光束经过膜层反射之后进入所述光栅，所述光栅将反射之后的线状光束色散为二维光谱，所述二维光谱依次经过所述聚焦光学***和检偏器进入所述图像传感器。
进一步地，所述光栅为一维光栅，且所述光栅的刻线方向沿Y轴方向，所述光栅的刻线周期沿X轴方向；所述线状光束所在直线的方向为Y轴方向。
进一步地，所述线状光束在所述一维光栅上发生色散，且色散方向为X轴方向，形成二维光谱；其中，二维光谱中Y轴方向对应表示线状光束入射到晶圆表面膜层的位置，二维光谱中X轴方向对应该位置对应入射光的波长。
进一步地，所述光栅为反射式闪耀光栅，其最大光强为+1级次或-1级次。
进一步地，所述聚焦光学***为凹面镜或凸透镜，用于将二维光谱汇聚到所述图像传感器中。
进一步地，所述聚焦光栅单元为刻在凹面镜表面的光栅。
进一步地，所述线状光束到晶圆表面膜层的入射角为60-75°。
本发明提供的一种进行膜厚测量的方法，包括如下步骤：
S01：在晶圆表面上设定位于一条直线上的n个待测点，其中，n为大于等于1的整数；
S02：打开光源，宽光谱光源发出的光束经过光束整形器形成线状光束，所述线状光束覆盖所有待测点，线状光束依次经过固定起偏器和旋转起偏器进入晶圆表面的膜层，并在晶圆表面的膜层中发生反射和折射，线状光束经过膜层反射之后进入聚焦光栅单元，且所述聚焦光栅单元将反射之后的线状光束色散为二维光谱，且所述线状光束覆盖所有待测点，色散方向与所述线状光束的方向正交，所述二维光谱经过所述检偏器进入所述图像传感器，得到关于光强信号的二维光谱图像；所述二维光谱图像正交的两个方向分别对应所述线状光束入射到晶圆表面膜层中位置和该位置入射光的波长；
S03：对二维光谱图像中各个位置上的光强信号作傅里叶变换，并通过建模拟合得到n个待测点的膜层厚度
本发明的有益效果为：本发明中晶圆表面位于一条直线上不同的测量点和每个测量点各自的光谱信息在两个正交方向上展开，即Y方向的信号光在光栅表面发生X方向衍射，从而在XY平面内形成二维光强谱。该二维光强谱最终被图像传感器记录，根据每个位置的光强信号，可以计算出不同测量点的膜层厚度，本发明只需要一次测量和机械运动即可得出多个测量点的膜厚。
附图说明
附图1为本发明一种测量膜厚的装置示意图。
图中：1晶圆，2光源，3光束整形器，4固定起偏器，5旋转起偏器，6光栅，7二维光谱，8聚焦光学***，9检偏器，10图像传感器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如附图1所示，本发明提供的一种测量膜厚的装置，用于测量晶圆表面膜层的厚度；包括发射光束的宽光谱光源2、光束整形器3、固定起偏器4、旋转起偏器5、聚焦光栅单元、检偏器9和图像传感器10。光源2发出的宽光束经过光束整形器3形成线状光束，线状光束依次经过固定起偏器4和旋转起偏器5进入晶圆1表面的膜层，并在晶圆表面的膜层中发生反射和折射，线状光束经过膜层反射之后进入聚焦光栅单元，聚焦光栅单元将反射之后的线状光束色散为二维光谱7，且色散方向与线状光束所在直线的方向正交，二维光谱经过检偏器9进入图像传感器10，得到关于光强信号的二维光谱图像，二维光谱图像正交的两个方向分别对应线状光束入射到晶圆表面膜层中的位置和该位置对应入射光的波长；根据二维光谱图像上的光强信号得到晶圆表面对应位置的膜层厚度。
本发明中宽光谱光源发射的光束的光谱范围至少覆盖400nm-800nm，典型地，如氙灯等气体光源。宽光谱光源指的是光源覆盖较宽的光谱范围。该宽光谱光源发射的光束经过光束整形器变为线状光束，设置在线状光束前方的固定起偏器和旋转起偏器用于控制探测光的偏振态。本发明中晶圆表面待测点位于一条直线上，且线状光束覆盖所有待测点，且光束到晶圆表面膜层的入射角为60-75°。
本发明中聚焦光栅单元可以为分开的括光栅6和聚焦光学***8，如附图1所示，也可以直接将光栅刻在凹面镜表面，同时起到光栅和聚焦光学***的功能，
当本发明中包括光栅和聚焦光学***，线状光束经过膜层反射之后进入光栅6，光栅6将反射之后的线状光束色散为二光谱7，二维光谱依次经过聚焦光学***和检偏器进入图像传感器。光栅为一维光栅，且光栅的刻线方向为Y轴方向，光栅的刻线周期沿X轴方向；线状光束的方向对应Y轴方向。线状光束在一维光栅上发生色散，且色散方向为X轴方向，形成二维光谱；其中，二维光谱中Y轴方向对应线状光束入射到晶圆表面膜层的位置，二维光谱中X轴方向对应该位置入射光的波长。具体请参阅附图1，光栅在Y轴方向上的长度必须大于所有待测点之间的长度P1-Pn，待测点P1-Pn线段上的发射光经过光栅6衍射之后，在X轴方向上色散，其+1级次或-1级次形成的亮区为二维光谱7，代表了待测点XY平面内的光强分布。测量点P1的反射光经光栅6衍射后，其色散后的+1级次或-1级次为二维光谱7的左上角到右上角的线段；测量点Pn的反射光经光栅6衍射后，其色散后的+1级次或-1级次为二维光谱7的左下角到右下角的线段。因此二维光谱7每个位置的强度为I(x,y)，其x方向对应波长λi，y方向对应测量点Pj。其中，n表示n个待测点，j表示第j个待测点，且n为大于等于2的整数，j为小于等于n的整数。
本发明中光栅可以为反射式闪耀光栅，其最大光强为+1级次或-1级次。聚焦光学***为凹面镜或凸透镜，用于将二维光谱汇聚到图像传感器中。图像传感器也为二维图像传感器，其接收到的二维图像光谱与光栅散射之后的二维光谱相对应，并且该二维光谱需要完全呈现出光栅散射之后的必要的波长信息，即二维图像光谱在Y轴方向上的像素数大于等于晶圆表面待测点的个数，在X轴方向上的像素数大于等于所需测量的光谱范围，所需测量的光谱范围指的是数据拟合所必要的最大波长与最小波长的差值。
当本发明中焦光栅单元为刻在凹面镜表面的光栅时，光栅的具体要求同上述所述基本一致，只是将光栅和聚焦光学***合在一起进行线状光束的散射和聚焦，在此不做详细说明。
本发明提供的一种测量膜厚的方法，包括如下步骤：
S01：在晶圆表面上设定位于一条直线上的n个待测点；
S02：打开宽光谱光源，光源发出的光束经过光束整形器形成线状光束，线状光束依次经过固定起偏器和旋转起偏器进入晶圆表面的膜层，并在晶圆表面的膜层中发生反射和折射，线状光束经过膜层反射之后进入聚焦光栅单元，且聚焦光栅单元将反射之后的线状光束色散为二维光谱，且线状光束覆盖所有待测点，色散方向与线状光束的方向正交，单色光经过检偏器进入图像传感器，得到关于光强信号的二维光谱图像；其中，线状光束的方向指的是线状光束所在直线的方向；二维光谱图像正交的两个方向分别对应线状光束入射到晶圆表面膜层中位置和该位置入射光的波长；
S03：对二维光谱图像中各个位置上的光强信号作傅里叶变换，并通过建模拟合得到n个待测点的膜层厚度。
二维光谱图像中每个位置的强度I(x,y)，其X方向对应波长λi，Y方向对应测量点Pj。因此探测到的光强信号I和初始光强I0之间的关系为I(x,y)＝I0f[λi,Pj,ωt,n(λi),k(λi),d]，其中λi为波长，Pj为第j个测量点，ωt表示偏振态的调制，n(λi)为该波长下的折射率，k(λi)为该波长下的消光系数，d为该测量点的膜厚。对其做傅里叶变换，可以得椭偏参数Ψ和Δ，对被测晶圆建立膜层结构模型和色散模型，利用该模型拟合每个测量点的偏振态的强度和相位变化，即椭偏参数Ψ和Δ，即可得到相应的膜厚。
值得说明的是，本发明中一条直线上不同的测量点和每个测量点各自的光谱信息在两个正交方向上展开，即Y方向的信号光在光栅表面发生X方向衍射，在XY平面内形成二维光谱。简单交换X和Y坐标轴的，亦应落在本发明所保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种测量膜厚的装置，用于测量位于晶圆表面一条直线上的n个待测点的膜层厚度；其特征在于，包括发射光束的宽光谱光源、光束整形器、固定起偏器、旋转起偏器、聚焦光栅单元、检偏器和图像传感器；
所述宽光谱光源发出的光束经过所述光束整形器形成线状光束，所述线状光束覆盖所有待测点，所述线状光束依次经过所述固定起偏器和旋转起偏器进入晶圆表面的膜层，并在晶圆表面的膜层中发生反射和折射，线状光束经过膜层反射之后进入所述聚焦光栅单元，所述聚焦光栅单元将反射之后的线状光束色散为二维光谱，且色散方向与所述线状光束所在直线的方向正交，单色光经过所述检偏器进入所述图像传感器，得到关于光强信号的二维光谱图像，所述二维光谱图像正交的两个方向分别对应所述线状光束入射到晶圆表面膜层中的位置和该位置入射光的波长；根据所述二维光谱图像上的光强信号得到晶圆表面对应位置的膜层厚度，其中，n为大于等于1的整数。
2.根据权利要求1所述的一种测量膜厚的装置，其特征在于，所述聚焦光栅单元包括光栅和聚焦光学***，线状光束经过膜层反射之后进入所述光栅，所述光栅将反射之后的线状光束色散为二维光谱，所述二维光谱依次经过所述聚焦光学***和检偏器进入所述图像传感器。
3.根据权利要求2所述的一种测量膜厚的装置，其特征在于，所述光栅为一维光栅，且所述光栅的刻线方向沿Y轴方向，所述光栅的刻线周期沿X轴方向；所述线状光束所在直线的方向为Y轴方向。
4.根据权利要求3所述的一种测量膜厚的装置，其特征在于，所述线状光束在所述一维光栅上发生色散，且色散方向为X轴方向，形成二维光谱；其中，二维光谱中Y轴方向对应线状光束入射到晶圆表面膜层的位置，二维光谱中X轴方向对应该位置入射光的波长。
5.根据权利要求3所述的一种测量膜厚的装置，其特征在于，所述光栅为反射式闪耀光栅，其最大光强为+1级次或-1级次。
6.根据权利要求2所述的一种测量膜厚的装置，其特征在于，所述聚焦光学***为凹面镜或凸透镜。
7.根据权利要求1所述的一种测量膜厚的装置，其特征在于，所述聚焦光栅单元为刻在凹面镜表面的光栅。
8.根据权利要求1所述的一种测量膜厚的装置，其特征在于，所述线状光束到晶圆表面膜层的入射角为60-75°。
9.一种采用权利要求1所述的装置进行膜厚测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：在晶圆表面上设定位于一条直线上的n个待测点，其中，n为大于等于1的整数；
S02：打开宽光谱光源，光源发出的光束经过光束整形器形成线状光束，所述线状光束覆盖所有待测点，线状光束依次经过固定起偏器和旋转起偏器进入晶圆表面的膜层，并在晶圆表面的膜层中发生反射和折射，线状光束经过膜层反射之后进入聚焦光栅单元，且所述聚焦光栅单元将反射之后的线状光束色散为二维光谱，且所述线状光束覆盖所有待测点，色散方向与所述线状光束的方向正交，所述单色光经过所述检偏器进入所述图像传感器，得到关于光强信号的二维光谱图像；所述二维光谱图像正交的两个方向分别对应所述线状光束入射到晶圆表面膜层中位置和该位置入射光的波长；
S03：对二维光谱图像中各个位置上的光强信号作傅里叶变换，并通过建模拟合得到n个待测点的膜层厚度。
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