硅片表面不平整度測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種測(cè)量方法，特別是一種硅片表面不平整度測(cè)量方法，屬于物理測(cè)量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著IC工業(yè)的飛速發(fā)展，芯片尺寸不斷加大，集成電路設(shè)計(jì)線寬不斷減小，對(duì)硅材料晶體內(nèi)部及硅片表面的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。隨著器件特征尺寸的減小，對(duì)硅材料表面的要求越來(lái)越苛刻，表面好壞，直接影響到器件的加工質(zhì)量和成品率。因此，硅片的不平整度是微電子生產(chǎn)工藝中的一個(gè)重要的測(cè)試項(xiàng)目。在硅片的不平整度檢驗(yàn)中，國(guó)內(nèi)用得較多的是電容法不平整度測(cè)量臺(tái)。該儀器只能檢測(cè)出硅片和測(cè)頭之間的間隙變化，為了測(cè)出整塊硅片的不平整度，檢測(cè)時(shí)需讓硅片繞測(cè)頭作十字及圓形的掃描。此儀器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度較高、可數(shù)字顯示，缺點(diǎn)是價(jià)格較貴、誤差的直觀性差及測(cè)量比較費(fèi)時(shí)。為克服上述缺點(diǎn)，目前使用較多的是激光平面干涉儀、以及利用斜入射干涉原理設(shè)計(jì)和制造的硅片不平整度測(cè)試儀。這些儀器中光學(xué)元件的精度要求很高，整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使儀器的成本大為增加。也有采用獲國(guó)家專利的掠射式鏡面莫爾輪廓測(cè)量技術(shù)的GP — I型硅片不平整度測(cè)試儀，這種儀器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，對(duì)儀器中光學(xué)元件的精度要求不高。但上述幾種儀器僅能達(dá)到微米級(jí)的靈敏度，對(duì)硅片表面的要求越來(lái)越苛刻的現(xiàn)代工藝已難以適應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出一種利用紫外光源激發(fā)雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模共振的測(cè)量方法及其裝置。該方案能測(cè)量硅片表面納米量級(jí)的不平整度，具有靈敏度高，測(cè)量時(shí)間短，實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明測(cè)量系統(tǒng)包括:雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模共振激發(fā)結(jié)構(gòu)A和光電發(fā)射與信號(hào)探測(cè)模塊B。
[0005]雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模共振激發(fā)結(jié)構(gòu)包括:鋁膜、石英玻璃基片、玻璃墊圈和硅片等部件組成。鋁膜沉積在石英玻璃基片表面，為保證平行度，玻璃墊圈與石英玻璃基片通過(guò)光膠技術(shù)粘合，使鋁膜、石英玻璃基片和玻璃墊圈結(jié)合為一體。把上述結(jié)構(gòu)直接放于待測(cè)硅片表面，使其緊密接觸，構(gòu)成雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模共振激發(fā)結(jié)構(gòu)。石英玻璃基片2的厚度約為500 μ m，而玻璃墊圈3的厚度約為300 μ m，兩者之和(800 μ m)即是雙面金屬包覆波導(dǎo)導(dǎo)波層的厚度。
[0006]光電發(fā)射與信號(hào)探測(cè)模塊包括:紫外激光器、擴(kuò)束鏡和面陣CCD探測(cè)器。紫外激光器發(fā)射的光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡后，成為平行光，并以一小角度入射于鋁膜的表面，反射光投影到光強(qiáng)測(cè)量裝置一一面陣CCD探測(cè)器。在一小角度范圍內(nèi)連續(xù)變化激光入射角度，并同時(shí)記錄反射光強(qiáng)，形成反射率一一入射角度曲線，確定一超高階導(dǎo)模的衰減全反射吸收(ATR)峰下降沿的中點(diǎn)處作為固定的入射角，觀察反射光斑中的光強(qiáng)分布，根據(jù)光強(qiáng)分布確定硅片表面的平整度；
[0007]雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模共振激發(fā)的標(biāo)志是反射率-入射角度曲線上的衰減全反射(ATR)吸收峰。在確定一超高階導(dǎo)模的衰減全反射吸收(ATR)峰下降沿的中點(diǎn)處作為固定的入射角情況下，這時(shí)，反射光的強(qiáng)度一定。由于ATR吸收峰的角位置是雙面金屬包覆波導(dǎo)導(dǎo)波層厚度的靈敏函數(shù)，當(dāng)硅片表面某處凹凸不平時(shí)，表明該處空氣層厚度，也就是導(dǎo)波層厚度有變化，從而引起該處ATR峰的移動(dòng)，產(chǎn)生反射光的變化。因此可根據(jù)反射光斑中光強(qiáng)的分布，確定硅片表面的不平整度。由于ATR曲線下降沿的中點(diǎn)處具有極好的線性度，因此可根據(jù)反射光斑中光強(qiáng)的分布確定待測(cè)硅片表面的不平整度。
[0008]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)采用紫外激光λ = 244nm激發(fā)由鋁膜和硅片(λ =244nm)作為金屬覆蓋層的雙面金屬包覆波導(dǎo)中的超高階導(dǎo)模，產(chǎn)生衰減全反射(ATR)吸收峰。由于ATR峰的角位置是導(dǎo)波層厚度的靈敏函數(shù)，而導(dǎo)波層厚度與硅片表面的不平整度相關(guān)，因此，可根據(jù)反射率-入射角曲線上的ATR峰的角位置確定硅片表面的不平整度；(2)用擴(kuò)束的平行光照射，光束的直徑與待測(cè)硅片的大小相當(dāng)。硅片表面的不平整度由反射光斑中的光強(qiáng)分布反映。因此，測(cè)量反射光斑的圖像即可得到硅片表面的不平整度。⑶測(cè)量范圍為Inm?10nm，測(cè)量的分辨率為1.0nm。(4)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高；不需要光束掃描，測(cè)量時(shí)間短；操作方便，成本低廉。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1本發(fā)明硅片表面不平整度測(cè)量方法裝置圖
[0010]圖2超高階導(dǎo)模ATR吸收峰位置隨導(dǎo)波層厚度(對(duì)應(yīng)硅片表面的不平整度)的變化
【具體實(shí)施方式】
[0011]如圖所示，本發(fā)明是一種用于硅片表面不平整度測(cè)量方法包括兩個(gè)模塊:雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模共振激發(fā)結(jié)構(gòu)A和光電發(fā)射與信號(hào)探測(cè)模塊B。
[0012]雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模共振激發(fā)結(jié)構(gòu)A，包括:鋁膜1、石英玻璃基片2、玻璃墊圈3、硅片4。鋁膜沉積在石英玻璃基片表面上，玻璃墊圈采用光膠技術(shù)膠合于石英玻璃基片的底面，然后與待測(cè)硅片緊密結(jié)合(采用夾子壓緊)。由于玻璃墊圈的存在，使石英玻璃基片與待測(cè)硅片之間形成一空腔，空腔的面積即是硅片的待測(cè)區(qū)域?？涨坏暮穸?玻璃墊圈的厚度)與石英玻璃基片厚度之和即雙面金屬包覆波導(dǎo)導(dǎo)波層的厚度?？紤]到加工工藝以及波導(dǎo)原理要求，確定石英玻璃基片的厚度為500 μ m，玻璃墊圈的厚度為300 μ m
實(shí)施例一:
[0013]假設(shè)入射激光的波長(zhǎng)λ = 244nm，鋁膜的厚度Ii1= 15nm，介電系數(shù)ε ι=-8.08+il.05石英玻璃基片的厚度為匕=500 ^111，其折射率112= 1.45，玻璃墊圈的厚度為h3= 300 μπι，而待測(cè)娃片的介電系數(shù)為ε 4=-8.03+i4.34。當(dāng)入射光在4.10°?4.21°內(nèi)變化時(shí)，則根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬得到的曲線如圖2所示。由圖可見，利用紫外激光可激發(fā)圖2所示結(jié)構(gòu)的某一超高階導(dǎo)模，該導(dǎo)模的衰減全反射吸收(ATR)峰如圖2所示，反射率最低點(diǎn)的位置ΘΑΤΚ=4.152°。取ATR峰下降沿的中點(diǎn)處Θ s=4.145°作為固定的入射角，這時(shí)，反射率Rs= 49%。如果硅片表面局部有一凸起，凸起的高度為lnm，這表明該處導(dǎo)波層的厚度減少lnm，則該處的ATR峰向左移動(dòng)，固定的入射角處的反射率從Rs= 49%降至Rsrt = 41%。反之，如果娃片表面局部有一凹陷，凹陷的深度也為lnm，這表明該處導(dǎo)波層的厚度增加lnm，則該處的ATR峰向右移動(dòng)，固定的入射角處的反射率從Rs= 49%增至R S+1= 57%。硅片表面Inm的變化引起的反射率變化AR = 8%，這種光強(qiáng)變化普通的CXD很容易分辨。由此可見，本發(fā)明測(cè)量方法的分辨率完全可達(dá)到1.0nm。另外，根據(jù)超高階導(dǎo)模ATR吸收峰下降沿的線性范圍，估計(jì)娃片表面不平整度的測(cè)量范圍大約為Inm?10nm。由此可見，本發(fā)明適用于硅片表面不平整度在納米量級(jí)范圍精細(xì)的測(cè)量。
圖2超高階導(dǎo)模ATR吸收峰位置隨導(dǎo)波層厚度(對(duì)應(yīng)硅片表面的不平整度)的變化取ATR峰下降沿的中點(diǎn)處0s=4.145°作為固定的入射角，則三條ATR吸收峰與Θ s =4.145°交點(diǎn)(用1、2、3表示)處的反射率分別為57%、49%和41%。點(diǎn)2處的反射率表示硅片表面的不平整度為0，導(dǎo)波層厚度保持不變；點(diǎn)3處的反射率表示硅片表面的有Inm的凸起，導(dǎo)波層厚度減小Inm ;點(diǎn)2處的反射率表示硅片表面的有Inm的凹陷，導(dǎo)波層厚度增加lnm。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.硅片平整度測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，該測(cè)量系統(tǒng)包括:雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模共振激發(fā)結(jié)構(gòu)A和光電發(fā)射與信號(hào)探測(cè)模塊B。
2.雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模共振激發(fā)結(jié)構(gòu)，由鋁膜1、石英玻璃基片2、玻璃墊圈3、硅片4等部件組成。其特征為: (1)鋁膜I沉積在石英玻璃基片2的表面； (2)玻璃墊圈3與石英玻璃基片2由光膠技術(shù)粘合，使鋁膜1、石英玻璃基片2和玻璃墊圈3結(jié)合為一體； (3)把上述結(jié)構(gòu)直接放于待測(cè)硅片表面，使其緊密接觸，構(gòu)成雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模共振激發(fā)結(jié)構(gòu)。石英玻璃基片2的厚度約為500 μ m，而玻璃墊圈3的厚度約為300 μ m，兩者之和(800 ym)即是雙面金屬包覆波導(dǎo)導(dǎo)波層的厚度。
3.光電發(fā)射與信號(hào)探測(cè)模塊B包括:紫外激光器5、擴(kuò)束鏡6、和面陣CXD探測(cè)器7組成，其特征為: (1)紫外激光器5發(fā)射的光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡6后，成為平行光，并以一小角度入射于鋁膜I的表面； (2)反射光投影到光強(qiáng)測(cè)量裝置一面陣CCD探測(cè)器7; (3)在一定角度范圍內(nèi)連續(xù)變化激光入射角度，并同時(shí)記錄反射光強(qiáng)，形成反射率一入射角度曲線，確定一超高階導(dǎo)模的衰減全反射吸收(ATR)峰下降沿的中點(diǎn)處作為固定的入射角，觀察反射光斑中的光強(qiáng)分布，根據(jù)光強(qiáng)分布確定娃片表面的平整度。
4.根據(jù)權(quán)利I要求的制作石英玻璃基片2的材料為光學(xué)石英玻璃，其厚度約為500 μ m，折射率范圍為1.44?1.46之間。
5.根據(jù)權(quán)利I要求的紫外激光器5的波長(zhǎng)為λ= 244nm。
6.根據(jù)權(quán)利I要求的銷膜I的厚度約為14nm?16nm。
7.根據(jù)權(quán)利I要求的玻璃墊圈3厚度確定為300μ m。
8.根據(jù)權(quán)利I要求的硅片平整度測(cè)量的分辨率為1.0nm。
【專利摘要】硅片表面不平整度測(cè)量方法屬于物理測(cè)量領(lǐng)域。該方法提供一種雙面金屬包覆波導(dǎo)超高階導(dǎo)模圖像分析儀，用于硅片表面不平整度的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)1nm～10nm不平整度的測(cè)量范圍，分辨率可小于1.0nm。該方案利用波長(zhǎng)為244nm的紫外激光做光源，使介質(zhì)硅轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘伲缓笠孕〗嵌热肷溆谟射X膜、空氣腔和待測(cè)硅片組成的雙面金屬包覆波導(dǎo)，激發(fā)這種結(jié)構(gòu)中對(duì)導(dǎo)波層厚度靈敏度極高的超高階導(dǎo)模。硅片表面的不平整意味著空氣層厚度、也就是導(dǎo)波層厚度的變化，則在反射光斑中將出現(xiàn)亮度明暗的變化。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)采用大面積圖像顯示硅片表面的不平整度，不需要光束掃描；(2)可測(cè)量硅片表面納米量級(jí)的不平度；(3)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉。
【IPC分類】G01N21-552, G01B11-30
【公開號(hào)】CN104677315
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510105532
【發(fā)明人】陳開盛, 曹莊琪, 沈益翰
【申請(qǐng)人】上海光刻電子科技有限公司
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年3月5日