CN115493523B - 一种晶圆表面三维形貌高速测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶圆检测领域，尤其涉及一种晶圆表面三维形貌高速测量方法及装置，所述一种晶圆表面三维形貌高速测量方法包括：利用光学测量模块对应的光幕线投射至待测晶圆后，采集待测晶圆的表面反射光条数据解算得到与当前光幕线对应的XZ坐标值，利用所述XZ坐标值作为二维测量数据；采集待测晶圆不同回转角度的二维测量数据后得到当前回转半径的待测晶圆初始三维形貌信息，利用所述待测晶圆初始三维形貌信息基于圆柱坐标系转换后，进行拼接处理得到待测晶圆表面三维形貌信息，有效解决晶圆表面三维形貌高精度完整扫描测量难题，软硬件方面自动化集成度高，可实现离线晶圆表面三维形貌批量测量，也可以集成到产线实现在线晶圆表面三维形貌高速检测。

Description

一种晶圆表面三维形貌高速测量方法及装置

技术领域

本发明涉及晶圆检测领域，具体涉及一种晶圆表面三维形貌高速测量方法及装置。

背景技术

表面三维数据因能更全面、更真实地反映零件表面的特征及评价表面加工质量而越来越受到重视，通过对三维形貌的测量可以比较全面地评定零件表面质量的优劣，进而确认加工方法的好坏及设计要求的合理性，进而指导加工、优化加工工艺以加工出高质量的零件表面，确保其使用功能的实现。

晶圆表面是由微观结构单元组成的三维复杂结构，晶圆的生产制造具有纳米尺度、难以直接接触、微观表面效应、定位误差影响大、灰尘或异物干扰测量结果及光学衍射影响大等特点。在测量表面轮廓、几何尺寸和位置偏差等参数的同时，还要求有较高的横向分辨率（2-4μm）和纵向分辨率（200nm）。因此晶圆表面三维测量一直以来都是局部形貌观测，始终面临着精度和效率无法兼顾的现实问题，无法实现晶圆表面三维形貌高精度高效率完整扫描测量，亟需一种高速扫描方法及装置解决晶圆表面三维测量难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种晶圆表面三维形貌高速测量方法及装置，通过采集多角度多半径的晶圆三维形貌数据，对待测晶圆进行分析处理获取测量结果。

为实现上述目的，本发明提供了一种晶圆表面三维形貌高速测量方法，包括：

S1、对光学测量模块进行测量前设置；

S2、利用光学测量模块对应的光幕线投射至待测晶圆后，采集待测晶圆的表面反射光条数据解算得到与当前光幕线对应的XZ坐标值，利用所述XZ坐标值作为二维测量数据；

S3、采集待测晶圆不同回转角度的二维测量数据后得到当前回转半径的待测晶圆初始三维形貌信息；

S4、采集待测晶圆不同回转半径对应的待测晶圆初始三维形貌信息；

S5、利用所述待测晶圆初始三维形貌信息基于圆柱坐标系转换后，进行拼接处理得到待测晶圆表面三维形貌信息。

优选的，所述对光学测量模块进行测量前设置包括：

将待测晶圆设置于光学测量模块的正下方，所述待测晶圆与光学测量模块的竖直方向间距与光学测量模块量程对应。

优选的，所述采集待测晶圆的表面反射光条数据解算得到与当前光幕线对应的XZ坐标值包括：

利用待测晶圆的表面反射光条数据基于像素下光条能量提取技术的光学检测方法得到当前光幕线对应的待测晶圆表面的相对Z向高度值后，获取待测晶圆当前光幕线对应的XZ坐标值；

其中，X坐标为沿光幕线方向坐标值，Z向为解算相对基准面的距离值。

优选的，所述采集待测晶圆不同回转角度的二维测量数据后得到当前回转半径的待测晶圆初始三维形貌信息包括：

当待测晶圆每回转固定度数θ时，则采集当前回转角度对应的测量数据(x_i, z_i)；

利用相同半径下当前回转角度对应的测量数据(x_i, z_i)得到待测晶圆在当前回转半径的三维信息(x_i, y_i, z_i)作为当前回转半径的待测晶圆初始三维形貌信息。

优选的，利用所述待测晶圆初始三维形貌信息基于圆柱坐标系转换后，进行拼接处理得到待测晶圆表面三维形貌信息包括：

将光学测量模块对应的待测晶圆初始三维形貌信息(x_i, y_i, z_i)基于待测晶圆回转轴的轴心线进行圆柱坐标系转换得到待测晶圆基础三维形貌信息（r,θ,z）；

利用不同回转半径对应的待测晶圆基础三维形貌信息（r,θ,z）进行拼接处理得到待测晶圆表面三维形貌信息。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种晶圆表面三维形貌高速测量装置，包括大理石基座、运动模组和载物台组件，所述大理石基座上设置有运动模组；

所述运动模组包括高精度气浮运动X轴、高精度气浮运动Y轴、高精度运动Z轴、高精度气浮回转C轴与光学测量模块，所述高精度气浮运动X轴、高精度气浮运动Y轴呈十字交叉堆叠设置于大理石基座上，所述高精度气浮运动X轴、高精度气浮运动Y轴上方设置有高精度气浮回转C轴，所述高精度运动Z轴设置于大理石龙门上；

所述载物台组件设置于高精度气浮回转C轴的上方，并通过倾斜调整组件与高精度气浮回转C轴连接。

优选的，所述光学测量模块为高精度高采样率三维线传感器。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

通过高精度高采样率三维线传感器，低于横向分辨率要求的采样间隔对所述待测晶圆表面进行一次性回转类扫描测量，有效解决晶圆表面三维形貌高精度完整扫描测量难题，软硬件方面自动化集成度较高，可实现离线晶圆表面三维形貌批量测量，也可以集成到产线实现在线晶圆表面三维形貌高速检测。

附图说明

图1是本发明提供的一种晶圆表面三维形貌高速测量方法流程图；

图2是本发明提供的一种晶圆表面三维形貌高速测量装置主示意图；

图3是本发明提供的一种晶圆表面三维形貌高速测量装置详细示意图；

图4是本发明提供的一种晶圆表面三维形貌高速测量装置的测量使用流程图；

图5是本发明提供的一种晶圆表面三维形貌高速测量装置同心圆扫描测量路径示意图；

图6是本发明提供的一种晶圆表面三维形貌高速测量装置螺旋线扫描测量路径示意图；

图7是本发明提供的一种晶圆表面三维形貌高速测量装置离心圆弧栅格扫描测量路径示意图；

图8是本发明提供的一种晶圆表面三维形貌高速测量装置离心圆弧栅格扫描测量耗时计算原理图；

附图标记：

1、大理石龙门；2、光学测量模块；3、待测晶圆；4、大理石基座；5、高精度气浮运动X轴；6、高精度气浮运动Y轴；7、高精度气浮回转C轴；8、载物台组件；9、倾斜调整组件；10、高精度运动Z轴；11、第一圈扫描线宽示意；12、第二圈扫描线宽示意；13、扫描间距示意；14、扫描驱动线示意；15、单次扫描线宽示意。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明提供了一种晶圆表面三维形貌高速测量方法，如图1所示，包括：

S1、对光学测量模块进行测量前设置；

S2、利用光学测量模块对应的光幕线投射至待测晶圆后，采集待测晶圆的表面反射光条数据解算得到与当前光幕线对应的XZ坐标值，利用所述XZ坐标值作为二维测量数据；

S3、采集待测晶圆不同回转角度的二维测量数据后得到当前回转半径的待测晶圆初始三维形貌信息；

S4、采集待测晶圆不同回转半径对应的待测晶圆初始三维形貌信息；

S5、利用所述待测晶圆初始三维形貌信息基于圆柱坐标系转换后，进行拼接处理得到待测晶圆表面三维形貌信息。

本实施例中，一种晶圆表面三维形貌高速测量方法，所述光学测量模块由所述运动模组搭载位移运动到所述待测晶圆上方，其竖直方向间距满足所述光学测量模块的测量量程。

S1具体包括：

S1-1、将待测晶圆设置于光学测量模块的正下方，所述待测晶圆与光学测量模块的竖直方向间距与光学测量模块量程对应。

S2具体包括：

S2-1、利用待测晶圆的表面反射光条数据基于像素下光条能量提取技术的光学检测方法得到当前光幕线对应的待测晶圆表面的相对Z向高度值后，获取待测晶圆当前光幕线对应的XZ坐标值；

其中，X坐标为沿光幕线方向坐标值，Z向为所述光学测量模块解算相对基准面的距离值。

S3具体包括：

S3-1、当待测晶圆每回转固定度数θ时，则采集当前回转角度对应的测量数据(x_i,z_i)；

S3-2、利用相同半径下当前回转角度对应的测量数据(x_i, z_i)得到待测晶圆在当前回转半径的三维信息(x_i, y_i, z_i)作为当前回转半径的待测晶圆初始三维形貌信息。

本实施例中，一种晶圆表面三维形貌高速测量方法，所述待测晶圆为圆形片体结构，因此根据其结构特征可设定回转/近回转类扫描方式，通过所述高精度气浮回转C轴搭载所述待测晶圆做回转运动，所述运动模组每回转固定度数θ的一次运动，编码器触发一次所述光学测量模块采集记录一条测量数据(x_i, z_i)，实现等间隔采集记录所述待测晶圆表面当前回转半径位置下的三维信息(x_i, y_i, z_i)。

本实施例中，一种晶圆表面三维形貌高速测量方法，所述待测晶圆中相邻回转半径位置之间的三维扫描测量区域具备一定的重叠范围，该重叠范围的计算式如下：

其中， k为重叠范围， L为传感器的测量线宽， r _i为待测晶圆的回转半径， r _i+1为待测晶圆的回转半径的相邻下一回转半径。

S5具体包括：

S5-1、将光学测量模块对应的待测晶圆初始三维形貌信息(x_i, y_i, z_i)基于待测晶圆回转轴的轴心线进行圆柱坐标系转换得到待测晶圆基础三维形貌信息（r,θ,z）；

S5-2、利用不同回转半径对应的待测晶圆基础三维形貌信息（r,θ,z）进行拼接处理得到待测晶圆表面三维形貌信息。

实施例2：

本发明提供了一种晶圆表面三维形貌高速测量装置，如图2所示，包括大理石基座4、运动模组和载物台组件8，所述大理石基座4上设置有运动模组；如图3所示，所述运动模组包括高精度气浮运动X轴5、高精度气浮运动Y轴6、高精度运动Z轴10、高精度气浮回转C轴7与光学测量模块2，所述高精度气浮运动X轴5、高精度气浮运动Y轴6呈十字交叉堆叠设置于大理石基座4上，所述高精度气浮运动X轴5、高精度气浮运动Y轴6上方设置有高精度气浮回转C轴7，所述高精度运动Z轴10设置于大理石龙门1上；所述载物台组件8设置于高精度气浮回转C轴7的上方，并通过倾斜调整组件9与高精度气浮回转C轴7连接；所述光学测量模块2为高精度高采样率三维线传感器。

实施例3：

本发明提供了一种晶圆表面三维形貌高速测量实际应用方法，包括：

步骤1：所述光学测量模块由所述运动模组搭载位移运动到所述待测晶圆上方，其竖直方向间距满足所述光学测量模块的测量量程。

步骤2：所述光学测量模块投射测量光幕线照射到所述待测晶圆表面，所述待测晶圆表面反射光条信息回到所述光学测量模块。基于像素下光条能量提取技术的光学检测方法，将像素波长准确映射到被测物与传感器的距离，解算重构出当前光幕线覆盖下所述待测晶圆表面的相对Z向高度值，获得当前光幕线覆盖下所述待测晶圆表面的XZ坐标值。

其中X坐标为沿光幕线方向坐标值，Z向为所述光学测量模块解算相对基准面的距离值。

步骤3：所述待测晶圆为圆形片体结构，因此根据其结构特征可设定回转/近回转类扫描方式，通过所述高精度气浮回转C轴搭载所述待测晶圆做回转运动，所述运动模组每回转固定度数θ的一次运动，编码器触发一次所述光学测量模块采集记录一条测量数据(x_i, z_i)，实现等间隔采集记录所述待测晶圆表面当前回转半径位置下的三维信息(x_i,y_i, z_i)。

步骤4：所述运动模组中的高精度气浮回转C轴的回转运动，配合所述高精度气浮运动XY轴的水平运动，实现所述待测晶圆中不同回转半径r_i位置下的三维扫描测量。

其中，所述待测晶圆中相邻回转半径位置之间的三维扫描测量区域具备一定的重叠范围，该重叠范围为[L-(r_i+1 - r_i)]/L×100%，L为所述光学传感器的测量线宽。

步骤5：重复步骤2-步骤4，将所述光学测量模块笛卡尔坐标系下的测量数据（x,y, z）绕着所述高精度气浮回转C轴的回转轴心线统一到柱坐标系下（r,θ,z），不同半径下的扫描数据拼接组合后获取完整所述待测晶圆表面三维形貌信息。

实施例4：

本发明提供了一种晶圆表面三维形貌高速测量装置的测量方法，如图4所示，包括：

（1）测量开始，首先通过自动化上料装置实现所述待测晶圆3上料到所述载物台组件8上。

（2）控制所述运动模组搭载待测晶圆3运动到所述光学测量模块2工作距离范围内，设定传感器测量参数，包括测量光幕线间距、Z向测量距离、曝光强度、采集帧率、测量长度。

（3）基于所述运动模组搭载所述待测晶圆3及所述光学测量模块2设定自动测量路径规划，具体步骤为：首先根据晶圆几何尺寸、所述光学测量模块线宽及重叠范围这些参量进行参数设定，然后选择路径类型，确定生成测量***中所述运动模组的回转类扫描测量路径，具体路径如实例介绍。

（4）点击测量开始按键，在所述自动化测量路径规划下，对所述待测晶圆3表面进行全自动高速扫描测量，扫描获取完整晶圆表面三维形貌 。

（5）针对获取的所述晶圆表面三维形貌进行数据处理，包括常见的高斯滤波去噪，三点成基准面校正点云的倾斜度。实现参数分析评价，具体参数评价处理包括：

1）在基准面上找三点通过公式计算出Ax+By+Cz+D=0这一平面，测量所述晶圆表面三维点云上找三点，通过公式计算出与面的距离D1，D2，D3，对这三个点进行计算以求的最终平面度;

2）基于 ISO 25178表面粗糙度Sa及ISO 4287表面线粗糙度评估方法的国际标准，计算评价所述晶圆表面粗糙度信息；

3）基于国际标准化组织ISO5436-1：2000标准计算评价所述晶圆表面测量数据台阶高度；

4）选取在垂直于线宽方向上距离底部的位置二分之一结构高度处的线宽，即中部线宽，为所述晶圆表面测量数据线宽。

（6）测量结果保存留档。

（7）最后通过自动化上料装置实现所述待测晶圆3下料，结束测量。

基于本公开实施例中可设定多种回转类晶圆扫描测量路径，限于所述光学测量模块线宽长度，需要多次回转类栅格扫描才能实现晶圆表面三维形貌完整扫描测量。为保证晶圆表面三维形貌高速扫描测量，减少扫描遍历次数和扫描弧长则可有效降低单张晶圆完整三维扫描的耗时。因此良好的晶圆测量路径规划对高效率扫描测量至关重要，具体实例如下：

实例1：

如图5所示，经典的同心圆栅格回转扫描测量方式采用不同半径同心圆的扫描驱动线示意14的形式对待测晶圆3进行表面三维形貌扫描测量，完整扫描测量所用时间为：

其中， R为所述待测晶圆3的半径， △P为所述光学测量模块2扫描驱动线方向间隔， L为所述光学测量模块2扫描线宽， △x ₁为所述光学测量模块2扫描线横向间距， △x ₁ ≤L， v为所述光学测量模块2的扫描速度， i为扫描圈数。

实例2：

同心圆栅格回转扫描测量方式需要完整扫描所述待测晶圆3最大外径，耗时较长。因此，为减少扫描耗时采用螺旋线扫描驱动线方式对所述待测晶圆3进行表面三维形貌扫描测量，如图6所示，完整扫描测量所有时间为：

其中， R为所述待测晶圆3的半径， △P为所述光学测量模块2扫描驱动线方向间隔，△ x ₂为所述光学测量模块2扫描线横向间距， v为所述光学测量模块2的扫描速度， i为扫描圈数。

对比实例1和实例2，为保证所述光学测量模块2扫描线能够遍历整个所述待测晶圆3， △x ₂＜ △x ₁ ≤ L，所述晶圆螺旋线扫描驱动线方式耗时为每个 i× △x ₂半径下半圆周长的扫描用时。对比所述同心圆栅格回转扫描测量方式，所述晶圆螺旋线扫描驱动线方式明显少了所述待测晶圆3最大外径扫描耗时，因此相同测量条件，所述晶圆螺旋线扫描驱动线方式耗时优于所述同心圆栅格回转扫描测量方式。

实例3：

为进一步降低完整扫描所述待测晶圆3三维形貌耗时。本公开提出新型离心圆弧栅格扫描方式对所述待测晶圆3进行表面三维形貌扫描测量，如图8所示。具体离心圆弧栅格扫描测量耗时计算原理如图7所示，离心圆弧栅格扫描测量耗时为每个 i× △x ₁半径下弧长的扫描用时，完整扫描测量所有时间为：

其中， R为所述待测晶圆3的半径， △P为所述光学测量模块2扫描驱动线方向间隔，△ x ₁为所述光学测量模块2扫描线横向间距， v为所述光学测量模块2的扫描速度， i为扫描圈数， L为所述光学测量模块2扫描线宽， L ₁为所述离心圆弧栅格扫描方式的离心量，∠AO₂E是弧长AE圆心角度数，∠AO₂O₁为∠AO₂B的外角。

对比实例2和实例3，所述光学测量模块2采用离心圆弧栅格扫描方式遍历整个所述待测晶圆3耗时为每个（2R- i△x ₁）弧长下的扫描用时。该离心圆弧栅格弧长总长度小于实例2所述螺旋线扫描驱动线中（ i× △x ₂）个半圆周长总和，因此相同测量条件，所提晶圆离心圆弧栅格扫描方式耗时优于所述螺旋线扫描驱动线方式。本实例公开的晶圆离心圆弧栅格扫描方式可保证所述光学测量模块2百纳米级测量精度的前提下实现高效率扫描晶圆表面完整三维形貌扫描测量。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种晶圆表面三维形貌高速测量方法，其特征在于，包括：

S1、对光学测量模块进行测量前设置；

S2、利用光学测量模块对应的光幕线投射至待测晶圆后，采集待测晶圆的表面反射光条数据解算得到与当前光幕线对应的XZ坐标值，利用所述XZ坐标值作为二维测量数据；

S3、采集待测晶圆不同回转角度的二维测量数据后得到当前回转半径的待测晶圆初始三维形貌信息；

S3-1、当待测晶圆每回转固定度数θ时，则采集当前回转角度对应的测量数据(x_i, z_i)；

S3-2、利用相同半径下当前回转角度对应的测量数据(x_i, z_i)得到待测晶圆在当前回转半径的三维信息(x_i, y_i, z_i)作为当前回转半径的待测晶圆初始三维形貌信息；

S4、采集待测晶圆不同回转半径对应的待测晶圆初始三维形貌信息；

S5、利用所述待测晶圆初始三维形貌信息基于圆柱坐标系转换后，进行拼接处理得到待测晶圆表面三维形貌信息；

S5-1、将光学测量模块对应的待测晶圆初始三维形貌信息(x_i, y_i, z_i)基于待测晶圆回转轴的轴心线进行圆柱坐标系转换得到待测晶圆基础三维形貌信息（r,θ,z）；

S5-2、利用不同回转半径对应的待测晶圆基础三维形貌信息（r,θ,z）进行拼接处理得到待测晶圆表面三维形貌信息；

利用离心圆弧栅格扫描方式得到完整扫描测量所有时间，所述完整扫描测量所有时间的计算式如下：

其中，R为所述待测晶圆（3）的半径，△P为所述光学测量模块（2）扫描驱动线方向间隔，△x ₁为所述光学测量模块（2）扫描线横向间距，v为所述光学测量模块（2）的扫描速度，i为扫描圈数，L ₁为所述离心圆弧栅格扫描方式的离心量。

2.如权利要求1所述的一种晶圆表面三维形貌高速测量方法，其特征在于，所述对光学测量模块进行测量前设置包括：

将待测晶圆设置于光学测量模块的正下方，所述待测晶圆与光学测量模块的竖直方向间距与光学测量模块量程对应。

3.如权利要求1所述的一种晶圆表面三维形貌高速测量方法，其特征在于，所述采集待测晶圆的表面反射光条数据解算得到与当前光幕线对应的XZ坐标值包括：

利用待测晶圆的表面反射光条数据基于像素下光条能量提取技术的光学检测方法得到当前光幕线对应的待测晶圆表面的相对Z向高度值后，获取待测晶圆当前光幕线对应的XZ坐标值；

其中，X坐标为沿光幕线方向坐标值，Z向为解算相对基准面的距离值。

4.一种用于上述权利要求1-3任一项所述晶圆表面三维形貌高速测量方法的装置，其特征在于，包括大理石基座、运动模组和载物台组件，所述大理石基座上设置有运动模组；

所述运动模组包括高精度气浮运动X轴、高精度气浮运动Y轴、高精度运动Z轴、高精度气浮回转C轴与光学测量模块，所述高精度气浮运动X轴、高精度气浮运动Y轴呈十字交叉堆叠设置于大理石基座上，所述高精度气浮运动X轴、高精度气浮运动Y轴上方设置有高精度气浮回转C轴，所述高精度运动Z轴设置于大理石龙门上；

所述载物台组件设置于高精度气浮回转C轴的上方，并通过倾斜调整组件与高精度气浮回转C轴连接。

5.如权利要求4所述的一种晶圆表面三维形貌高速测量装置，其特征在于，所述光学测量模块为高精度高采样率三维线传感器。

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