基于白光干涉法的晶圆膜厚测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于白光干涉法的晶圆膜厚测量装置。该装置主要由白光光源、光谱仪、准直器、光纤传输单元、PC组成。基于白光干涉法，可以实现对晶圆膜厚的无损测量，时间快、设备小巧、操作简单、精度高，适合实验室检测。

Wafer film thickness measurement device based on white light interference

【技术实现步骤摘要】
基于白光干涉法的晶圆膜厚测量装置
本专利技术涉及光学精密测量和信号处理领域，具体涉及基于白光干涉法的晶圆膜厚测量装置。
技术介绍
晶圆对于半导体器件至关重要，膜厚是影响晶圆物理性质的重要参数之一。通常对膜厚的测量有椭圆偏振法、探针法、光学法等，椭偏法设备昂贵，探针法又会损伤晶圆表面。利用光学原理进行精密测试，一直是计量和测试
中的主要方法之一，在光学测量领域，基于干涉原理的测量系统已成为物理量检测中最为精确的系统之一。光的干涉计量与测试本质是以光波的波长作为单位来进行计量的，现代的干涉测试与计量技术已能达到一个波长的几百分之一的测量精度，干涉测量的更大特点是它具有更高的灵敏度（或分辨率）和精度，。而且绝大部分干涉测试都是非接触的，不会对被测件带来表面损伤和附加误差；测量对象较广，并不局限于金属或非金属；可以检测多参数，如：长度、宽度、直径、表面粗糙度、面积、角度等。干涉法测量可表述为：白光干涉光谱法主要利用光的干涉原理和光谱分光原理，利用光在不同波长处的干涉光强进行求解。光源出射的光经分光棱镜分成两束，其中一束入射到参考镜，另一束入射到测量样品表面，两束光均发生反射并入射到分光棱镜，此时这两束光会发生干涉。干涉光经光谱仪采集得到白光光谱干涉信号，经由计算机处理数据、显示结果变化，最后读出厚度值或变化量。如何建立一套基于白光干涉法的晶圆膜厚测量装置，对于晶圆膜厚测量具有重要意义，设备价格、空间大小、操作难易程度都是其影响因素。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于白光干涉法的晶圆膜厚测量装置。该装置包括白光光源、显微镜、分束镜、干涉物镜、光纤传输单元、准直器、光谱仪、USB传输线、计算机。光谱仪主要包括六部分，分别是：光纤入口、准直镜、光栅、聚焦镜、区域检测器、带OFLV滤波器的探测器。测量具体步骤为：白光光源发出白光，经由光纤，通过光纤探头垂直入射至晶圆表面，样品薄膜上表面和下表面反射光相干涉形成的干涉谱，由反射光纤探头接收，再由光纤传送到光谱仪，光谱仪连续记录反射信号，通过USB线将测量数据传输到电脑。本专利技术的有益效果：可以实现对晶圆膜厚的无损测量，时间快、设备小巧、操作简单、精度高，适合实验室检测。附图说明图1为本专利技术装置原理示意图；其中：1、白光光源，2、光源准直镜，3、分束镜，4、准直器，5、Michelson干涉物镜，6、待测晶圆，7、光纤耦合透镜，8、光纤，9、光谱仪，10、USB传输线，11、计算机。图2为光谱仪内部结构图；图3为光源测试所得光强图；图4为采集所得光强与波长的关系图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。如附图1所示。光源发出的白光经准直镜扩束准直后成平行光，经分束镜射入Michelson干涉物镜，准直透镜将白光缩束准直后垂直照射到待测晶圆上，反射光之间相互发生干涉，经准直镜后干涉光强进入光纤耦合单元，完成干涉部分。光纤传输的干涉信号进入光谱仪，计算机定时从光谱仪中采集光谱信号，获取诸如光强、反射率等信息，计算机对这些信息进行信号处理，滤除高频噪声信息，然后对光谱信息进行归一化处理，利用峰值对应的波长值，计算晶圆膜厚。光源采用氙灯光源，选择氙灯作为光源具有以下优点：氙灯均为连续光谱，且光谱分布几乎与灯输入功率变化无关，在寿命期内光谱能量分布也几乎不变；氙灯的光、电参数一致性好，工作状态受外界条件变化的影响小；氙灯具有较高的电光转换效率，可以输出高能量的平行光等。显微镜采用系统采用Zeiss公司生产的Axioplan2Imaging研究级正立光学显微镜，能够为干涉系统提供消除杂散光的光路。显微镜提供六孔转换器，能够方便更换物镜。干涉物镜采用Nikon公司的Michelson型纤维干涉物镜，放大倍率为5X。由物镜、分光镜和参考板组成，光源发出的光经过显微镜后被分光棱镜分成两部分，一束作为参考光入射到参考镜并反射，另一束作为测量光入射到样品表面被反射，两束反射光反射到分光棱镜并发生干涉。由于实验中需要调节样品与被测样品的角度，以便更好进行测量，5XMichelson型干涉物镜可以通过其配置的两个旋钮进行调节，旋钮能够在较大的范围内调节参考镜角度，可以调节到理想角度。光纤在测试系统中负责传光，将显微镜视场干涉信号传输到微型光谱仪。系统选用光纤为海洋光学公司生产的高级光纤组件，光纤连接线的内层为硅树脂包裹的单线钢圈，外层为诺梅克斯编织物，以求更好地减轻应力并起到有效的保护作用。该组件末段是易于操作的金属环---高精密度的SMA连接器。光纤一端与适配器连接，另一端与微型光谱仪连接，以将干涉光信号传入光谱仪中。光谱仪为海洋光学生产的QEPRO光谱仪，是光谱采集模块的核心部件。其内部结构图如附图2所示。主要包括六部分，分别是：光纤入口、准直镜、光栅、聚焦镜、区域检测器、带OFLV滤波器的探测器。光由光纤进入光谱仪中，通过滤波器和准直器后投射到光栅上，由光栅将白光色散成光谱，经过聚焦镜将其投射到探测器上后，由探测器将光信号传入计算机。光纤接头将输入光纤固定在光谱仪上，使得来自输入光纤的光能够进入光学平台；滤波器将光辐射限制在预定波长区域；准直镜将进入光学平台的光聚焦到光谱仪的光栅上，保证光路和光栅之间的准直性；光栅衍射来自准直镜的光并将衍射光导向聚焦镜；聚焦镜接收从光栅反射的光并将光聚焦到探测器上；探测器将检测到的光信号转换为nm波长系统；区域检测器提供90％的量子效率和垂直列中的像素，以从光谱仪的狭缝图像的整个高度获取光，显着改善了信噪比。光源稳定性对测试有重要影响，不稳定的光源会使测试失效，为此测试光源的相对稳定性。如附图3所示为某波长光强随时间的变化，选择波长为590nm，采集时间为50ms。光强不仅包含光源引入的噪声，同时环境以及系统引入的噪声。光源噪声会直接引起光强的不稳定，环境噪声主要是由杂散光产生的，系统噪声主要是光谱仪产生的暗噪声等随机噪声。从图中可以看出，随着时间的推移，光强在稳缓慢变化。要求光源具备短时稳定性，图3中可以看出在较短的时间内光强基本稳定，能够满足测试需求。图4为采集所得波长与光强的关系图。以上可认为本专利技术装置可以有效测量光谱信号。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于白光干涉法的晶圆膜厚测量装置，其特征在于：该装置包括白光光源、显微镜、分束镜、干涉物镜、光纤传输单元、准直器、光谱仪、USB传输线、计算机；光谱仪主要包括六部分，分别是：光纤入口、准直镜、光栅、聚焦镜、区域检测器、带OFLV滤波器的探测器；/n光源发出的白光经准直镜扩束准直后成平行光，经分束镜射入Michelson干涉物镜，准直透镜将白光缩束准直后垂直照射到待测晶圆上，反射光之间相互发生干涉，经准直镜后干涉光强进入光纤耦合单元，完成干涉部分；/n光纤传输的干涉信号进入光谱仪，计算机定时从光谱仪中采集光谱信号，获取诸如光强、反射率等信息，计算机对这些信息进行信号处理，滤除高频噪声信息，然后对光谱信息进行归一化处理，利用峰值对应的波长值，计算晶圆膜厚。/n

【技术特征摘要】
1.基于白光干涉法的晶圆膜厚测量装置，其特征在于：该装置包括白光光源、显微镜、分束镜、干涉物镜、光纤传输单元、准直器、光谱仪、USB传输线、计算机；光谱仪主要包括六部分，分别是：光纤入口、准直镜、光栅、聚焦镜、区域检测器、带OFLV滤波器的探测器；
光源发出的白光经准直镜扩束准直后成平行光，经分束镜射入Michelson干涉物镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑永军，狄韦宇，陆艺，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33