双侧多重平面倾斜波面干涉仪及其检测方法技术

技术编号:24328547 阅读:76 留言:0更新日期:2020-05-29 18:50
一种双侧多重平面倾斜波面干涉仪,系统包括光源模块、第一干涉仪主机、第二干涉仪主机、双面标准平板、双面标准平板调整架、被测非透明平板元件、单点厚度测量传感器、控制处理单元;所述的第一干涉仪主机和第二干涉仪主机均为多重平面倾斜波面干涉仪,通过点源阵列发生器出射多个方向的平行测量光进行被测非透明平板元件的双侧形貌及厚度测量,本发明专利技术具有测量动态范围大、测量精度与效率高、相移方式灵活,系统误差可原位标定的特点。

Two side multi plane inclined wavefront interferometer and its detection method

【技术实现步骤摘要】
双侧多重平面倾斜波面干涉仪及其检测方法
本专利技术涉及光学测量、半导体
,具体为一种用于非透明平板元件,如硅片的表面形貌与厚度分布测量的双侧多重平面倾斜波面干涉仪及其检测方法。
技术介绍
硅片是半导体
的重要材料,也是一种特殊的可见光非透明平板光学元件,通过硅片形貌检测,能够计算硅片应力,实现光刻图形面内畸变(IPD,Inplanedistortion)的精确预测,提高光刻套刻精度。通过进行双侧表面形貌的同时检测,能够得到硅片的厚度分布,用于硅片制造、硅片抛光等。因此,硅片的表面形貌与厚度分布检测设备是半导体工艺流程中的重要设备。形貌与厚度测量具有不同的应用场景,该类型设备可以兼顾两种功能,也可以仅测量单侧表面形貌。其他非透明平板元件,如磁盘盘片、标准量块等也有类似形貌和厚度测量需求。电容传感器是测量硅片形貌和厚度的主流传感器之一,为单点测量,通过扫描实现硅片全口径测量。但检测空间分辨率和检测精度均受限,难以检测局部高空间分辨率形貌,及应用至IPD补偿。为了追求超高精度测量,KLA公司采用双侧Fizeau干涉仪同时进行硅片正反面测量,见在先技术1(KlausFreischlad,ShouhongTang,andJimGrenfell"Interferometryforwaferdimensionalmetrology",Proc.SPIE6672,667202,2007)。在先技术1提高了硅片Flatness、Warp等参数的检测精度。但是,随着在硅片上工艺层数的增加,硅片会存在较大的翘曲,使得硅片表面形貌超出了Fizeau干涉仪的单次测量动态范围,为了解决该问题,在先技术2(UnitedStatesPatent7847954B2,Measuringtheshapeandthicknessvariationofawaferwithhighslopes,2008)在上述在先技术1的基础上,在测量过程中多次倾斜被测硅片,每次测量硅片在一部分倾斜角度的形貌,然后进行数据拼接实现全部形貌的检测,扩大了动态范围;或者在上述在先技术1的基础上,采用子孔径拼接技术,每次仅测量被测硅片的一部分形貌,通过子孔径拼接技术实现全口径测量,也扩大了测量动态范围,见在先技术3(UnitedStatesPatent8068234B2,Methodandapparatusformeasuringshapeorthicknessinformationofasubstrate,2009)。在先技术2和在先技术3虽然增大了测量动态范围,却牺牲了测量效率,降低了测量速度,影响系统产率;并且,测量过程的延长,也会影响干涉仪的检测精度。为了在提高测量动态范围的同时,提高测量效率,在先技术4(UnitedStatesPatent7369251B2,Full-fieldopticalmeasurementsofsurfacepropertiesofpanels,substratesandwafers,2004)和在先技术5(UnitedStatesPatentApplications20140293291A1,WaferShapeandThicknessMeasurementSystemUtilizingShearingInterferometers,2014)采用剪切干涉仪进行硅片形貌测量。但是,一方面,由于干涉仪光学系统接收光的角度范围增大,导致测量系统误差增大,且难以标定,因此系统检测精度难以保证。另一方面,剪切干涉仪检测空间分辨率和信噪比与剪切量相关,也难以同时保证检测空间分辨率和信噪比。因此,在实现高的检测精度的前提下,扩大测量动态范围,并提高测量效率,是现有硅片等平板元件形貌与厚度检测技术待解决的一个问题。非零位检测是增大干涉仪测量动态范围的一种有效手段。在先技术6(EugenioGarbusi,ChristofPruss,andWolfgangOsten,"Interferometerforpreciseandflexibleaspheretesting,"Opt.Lett.33,2973-2975(2008);JohannesSchindler,GoranBaer,ChristofPruss,andWolfgangOsten"Thetilted-wave-interferometer:freeformsurfacereconstructioninanon-nullsetup",Proc.SPIE9297,92971R,2014)提出了一种多重倾斜波面干涉仪,该干涉仪是一种双光路干涉仪,干涉仪包括点源阵列发生器,使得干涉仪具有不同倾斜角度输出的波面,点源阵列发生器中包含可调光阑掩模,使得仅有空间位置相间隔的点源能够同时通光,通过调节可调光阑掩模分别位于四个位置,切换四组通光的点源位置,实现不同组合倾斜角度的波面输出,使得不同角度输出的光波产生的干涉条纹不会重合,且覆盖了全部倾斜角度范围,通过数据拼接实现全口径大动态范围检测。该方法检测过程中,被测样品不需要移动,仅需干涉仪不同组合倾斜角度的波面输出组合切换四次,因此测量速度快。多重倾斜波面干涉仪也提出了一套采用球面镜标定不同点源位置干涉仪光学系统的系统误差,然后进行系统误差建模的方法,提高了检测精度,见在先技术7(GoranBaer,JohannesSchindler,ChristofPruss,JensSiepmann,andWolfgangOsten,"Calibrationofanon-nulltestinterferometerforthemeasurementofaspheresandfree-formsurfaces,"Opt.Express22,31200-31211(2014))和在先技术8(沈华,基于多重倾斜波面的光学自由曲面非零位干涉测量关键技术研究,南京理工大学博士学位论文,2014.)。因此该方法在一定程度上兼顾了检测动态范围、检测精度和检测效率。在先技术9(李小柳,沈华,李嘉等,倾斜波面干涉仪中光纤阵列型点源阵列发生器的光程误差标定方法,光学学报,38(05):118-123,2018)采用光纤阵列作为点源阵列发生器,在先技术10(基于空间光调制器的点光源阵列发生器及其获得方法,中国专利技术专利申请201811197087.0)采用空间光调制器作为点源阵列发生器,使得点源阵列的产生更加灵活。在先技术6~10均面向非球面和自由曲面光学元件检测,多重倾斜波面干涉仪输出光为不同聚焦点的球面波,不适合检测平板元件的表面形貌;所提出的系统误差建模方法也采用测量位于不同位置的标准球面镜作为标定数据来源,不适合平板元件的检测;多重倾斜波面干涉测量技术应用于非透明平板元件表面形貌与厚度分布测量也需要解决干涉仪系统误差周期性原位标定,干涉仪相移方式等一系列技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足,提供一种双侧多重平面倾斜波面干涉仪及其检测方法,实现硅片等非透明平板元件的双侧表面形貌与厚度分布的高精度、大动本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种双侧多重平面倾斜波面干涉仪,其特征在于,包括光源模块(1)、第一干涉仪主机(2A)、第二干涉仪主机(2B)、双面标准平板(3)、单点厚度测量传感器(6)和控制处理单元(7),所述的双面标准平板(3)不透光,其前表面和后表面均为标准平面;/n所述的光源模块(1)输出两路光,分别输入第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B);所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)均为多重平面倾斜波面干涉仪,且所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)的出射口相对放置,所述的第一干涉仪主机(2A)的出射光路和第二干涉仪主机(2B)的出射光路的重合部分称为系统测量光路;/n所述的光源模块(1)输出两路光分别输入所述的多重平面倾斜波面干涉仪后,均经干涉仪入射分束器(201)分为两路,分别为干涉仪内部参考光路(2_R)和干涉仪内部测量光路(2_M);所述的干涉仪内部参考光路(2_R)和干涉仪内部测量光路(2_M)的光强比例可调;所述的干涉仪内部参考光路(2_R)上有相移器(211)或可调光延迟线(212),或者,所述的干涉仪内部测量光路(2_M)上有相移器(211)或可调光延迟线(212);所述的干涉仪内部测量光路上有点源阵列发生器(204),点源阵列发生器(204)的每一个点源发出的发散光束经过出射准直镜(207)准直为不同方向的平面光波后从所述的多重平面倾斜波面干涉仪的出射口出射;将所述的出射准直镜(207)的光轴称为多重平面倾斜波面干涉仪的出射光轴;第一干涉仪主机(2A)的出射光轴与第二干涉仪主机(2B)的出射光轴重合;/n在标定所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪系统误差时,所述的双面标准平板(3)放置在系统测量光路内,所述的双面标准平板(3)的前后表面均为被测面;在测量所述的被测非透明平板元件(5)的表面形貌时,所述的被测非透明平板元件(5)放置在系统测量光路内,被测非透明平板元件(5)的前后表面均为被测面,且其中一个被测面与第一干涉仪主机(2A)或第二干涉仪主机(2B)的出射光轴垂直;/n在同一时间所述的双面标准平板(3)和被测非透明平板元件(5)仅有一个作为被测件位于系统测量光路中,所述的第一干涉仪主机(2A)的出射光入射至被测件的前表面,其反射光返回第一干涉仪主机(2A),与第一干涉仪主机内部的参考光干涉,所述的第二干涉仪主机(2B)的出射光入射至被测件的后表面,其反射光返回第二干涉仪主机(2B),与第二干涉仪主机(2B)内部的参考光干涉;/n所述的单点厚度测量传感器(6)用于测量所述的被测非透明平板元件(5)单点的厚度;/n所述的控制处理单元(7)分别与所述的光源模块(1)、第一干涉仪主机(2A)、第二干涉仪主机(2B)和单点厚度测量传感器(6)相连。/n...

【技术特征摘要】
1.一种双侧多重平面倾斜波面干涉仪,其特征在于,包括光源模块(1)、第一干涉仪主机(2A)、第二干涉仪主机(2B)、双面标准平板(3)、单点厚度测量传感器(6)和控制处理单元(7),所述的双面标准平板(3)不透光,其前表面和后表面均为标准平面;
所述的光源模块(1)输出两路光,分别输入第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B);所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)均为多重平面倾斜波面干涉仪,且所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)的出射口相对放置,所述的第一干涉仪主机(2A)的出射光路和第二干涉仪主机(2B)的出射光路的重合部分称为系统测量光路;
所述的光源模块(1)输出两路光分别输入所述的多重平面倾斜波面干涉仪后,均经干涉仪入射分束器(201)分为两路,分别为干涉仪内部参考光路(2_R)和干涉仪内部测量光路(2_M);所述的干涉仪内部参考光路(2_R)和干涉仪内部测量光路(2_M)的光强比例可调;所述的干涉仪内部参考光路(2_R)上有相移器(211)或可调光延迟线(212),或者,所述的干涉仪内部测量光路(2_M)上有相移器(211)或可调光延迟线(212);所述的干涉仪内部测量光路上有点源阵列发生器(204),点源阵列发生器(204)的每一个点源发出的发散光束经过出射准直镜(207)准直为不同方向的平面光波后从所述的多重平面倾斜波面干涉仪的出射口出射;将所述的出射准直镜(207)的光轴称为多重平面倾斜波面干涉仪的出射光轴;第一干涉仪主机(2A)的出射光轴与第二干涉仪主机(2B)的出射光轴重合;
在标定所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪系统误差时,所述的双面标准平板(3)放置在系统测量光路内,所述的双面标准平板(3)的前后表面均为被测面;在测量所述的被测非透明平板元件(5)的表面形貌时,所述的被测非透明平板元件(5)放置在系统测量光路内,被测非透明平板元件(5)的前后表面均为被测面,且其中一个被测面与第一干涉仪主机(2A)或第二干涉仪主机(2B)的出射光轴垂直;
在同一时间所述的双面标准平板(3)和被测非透明平板元件(5)仅有一个作为被测件位于系统测量光路中,所述的第一干涉仪主机(2A)的出射光入射至被测件的前表面,其反射光返回第一干涉仪主机(2A),与第一干涉仪主机内部的参考光干涉,所述的第二干涉仪主机(2B)的出射光入射至被测件的后表面,其反射光返回第二干涉仪主机(2B),与第二干涉仪主机(2B)内部的参考光干涉;
所述的单点厚度测量传感器(6)用于测量所述的被测非透明平板元件(5)单点的厚度;
所述的控制处理单元(7)分别与所述的光源模块(1)、第一干涉仪主机(2A)、第二干涉仪主机(2B)和单点厚度测量传感器(6)相连。


2.根据权利要求1所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪,其特征在于,所述的光源模块(1)包括光源(101)和光源分束器(102),光源分束器(102)将光源输出光分为两路,分别输入第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B);或者所述的光源模块包括两个光源,两个光源的输出光分别输入第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)。


3.根据权利要求2所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪,其特征在于,所述的光源是高相干激光器,或者波长可调谐激光器;所述的光源输出光通过自由空间传输,或者通过单模光纤或保偏光纤传输。


4.根据权利要求1所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪,其特征在于,所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)输出相互正交的偏振光,使得任一干涉仪主机出射光不会进入另一个干涉仪主机内部,或者进入另一个干涉仪主机内部后不会与另一个干涉仪主机内部的参考光干涉。


5.根据权利要求1所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪,其特征在于,所述的光源模块(1)输出的两路光均为线偏振光,所述的干涉仪内部测量光路(2_M)上点源阵列发生器(204)出射的发散光完全通过偏振分束器(205)后,入射至四分之一波片(206),四分之一波片(206)的快慢轴与入射其上的线偏光偏振方向成45度角,通过四分之一波片的光转换为圆偏光,最后经出射准直镜(207)准直后出射;所述的第一干涉仪主机(2A)和第二干涉仪主机(2B)内部的四分之一波片成90度角,出射的圆偏光相互正交。


6.根据权利要求1所述的双侧多重平面倾斜波面干涉仪,其特征在于,所述的多重平面倾斜波面干涉仪的干涉仪内部测量光路(2_M)上有出射检偏器(221),所述的干涉仪内部参考光路(2_...

【专利技术属性】
技术研发人员:唐锋王向朝郭福东卢云君
申请(专利权)人:中国科学院上海光学精密机械研究所
类型:发明
国别省市:上海;31

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