基于光纤式差分的晶圆片快速测厚系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于光纤式差分的晶圆片快速测厚系统，包括光源模块、分束模块、测量路、参考路、探测器模块和主控模块，其中：光源模块，用于产生近红外光束并输出；测量路，用于将测量光束汇聚入射至待测晶圆片样品上形成小光斑，并使待测晶圆片反射的反射光返回至分束模块后进入探测器模块，在测量路上设置有测量路快门；参考路，用于将参考光束汇聚入射至参考样品上形成小光斑，并使被参考样品反射的反射光返回至分束模块后进入探测器模块，在参考路上设置有参考路快门；探测器模块，包括近红外高分辨力光谱仪。本发明专利技术同时提供一种采用上述系统的晶圆片快速测厚方法。上述系统的晶圆片快速测厚方法。上述系统的晶圆片快速测厚方法。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤式差分的晶圆片快速测厚系统及方法


[0001]本专利技术涉及光学测量领域，特别涉及一种基于光纤式差分反射光谱的晶圆片测厚系统和方法。

技术介绍

[0002]广泛应用于MEMS、微电子中的SOI发展和制造面临独特的挑战，其中较为重要的是对硅晶圆厚度的测量。当前光学测量晶圆厚度方法主要是采用光学干涉的方法，厚度测量的范围主要取决于使用光波长和探测器分辨力的限制。以硅片为例，由于探测器的限制，目前商用的厚度快速测量仪很难兼顾晶圆片在减薄过程中大范围厚度测量的需求：一种是对于薄硅片的测量，选用宽光谱的近红外光源以及大量程低分辨力的探测器；另一种是对于厚硅片的测量，选用窄带的近红外光源以及小量程高分辨力的探测器。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种精准、快速、结构简单基于差分的用于大量程微米级晶圆片快速厚度测量系统。技术方案如下：
[0004]一种基于光纤式差分的晶圆片快速测厚系统，包括光源模块、分束模块、测量路、参考路、探测器模块和主控模块，其中：
[0005]光源模块，用于产生近红外光束并输出；
[0006]测量路，用于将测量光束汇聚入射至待测晶圆片样品上形成小光斑，并使待测晶圆片反射的反射光返回至分束模块后进入所述的探测器模块，在测量路上设置有测量路快门；
[0007]参考路，用于将参考光束汇聚入射至参考样品上形成小光斑，并使被参考样品反射的反射光返回至分束模块后进入所述的探测器模块，在参考路上设置有参考路快门；
[0008]探测器模块，用于采集待测晶圆片样品反射的反射光以及参考样品反射的反射光的波长对应光强数据；探测器模块包括近红外高分辨力光谱仪；
[0009]分束模块，用于将光源模块输出的光传输给测量路和参考路，以及将测量路和反射路反射的反射光传输给探测器模块；
[0010]主控模块，用于对测量系统光源模块、探测器模块、测量路参考路通断的控制，以及对探测器模块采集到的光强数据进行处理运算，从而计算晶圆片厚度。
[0011]进一步地，光源中心波长为1550nm，带宽40nm；近红外高分辨力光谱仪的工作波段为1510nm至1595nm。
[0012]进一步地，，分束模块3可选用2X2光纤分光器。
[0013]本专利技术同时提供利用所述的基于光纤式差分的晶圆片快速测厚系统实现的厚度测量方法，包括以下步骤：
[0014]步骤A：将经过测量路聚焦透镜的光束垂直照射在待测晶圆片，并进行对焦操作，将经过参考聚焦透镜的光束垂直照射在已知反射率的标准样品上，同样进行对焦操作；
[0015]步骤B：确定待测晶圆片的光学常数，并根据光源中心波长和带宽计算出待测晶圆片的群折射率n
g
；
[0016]步骤C：主控模块控制测量路和参考路快门通断，以利用探测器模块采集的光谱数据，对于较厚待测晶圆片，探测器模块只采集测量路待测晶圆片的反射光谱数据；对于薄待测晶圆片，探测器模块分时采集待测晶圆片的反射光谱数据以及参考样品的反射光谱数据；
[0017]其中，已知待测晶圆片的设计厚度为h
厚
，判断待测晶圆片为较厚待测晶圆片还是较薄待测晶圆片的方法如下：
[0018]设近红外高分辨力光谱仪的测量波长最小值为λ1，最大值为λ2是光谱仪波长的最大值，若
[0019][0020]则判断待测晶圆片为较厚待测晶圆片，否则，判断待测晶圆片为较薄待测晶圆片；
[0021]步骤D：主控模块根据探测器模块采集的反射光谱数据，通过运算表征待测晶圆片厚度。
[0022]进一步地，步骤C中，包含以下子步骤：
[0023]子步骤C1：对于较厚待测晶圆片，主控模块控制测量路快门打开，参考路快门关闭，以采集较厚待测晶圆片的反射光谱数据；
[0024]子步骤C2：对于较薄待测晶圆片，主控模块控制测量路、参考路快门分时交替打开，以采集较薄待测晶圆片反射光谱数据以及参考样品反射光谱数据。
[0025]进一步地，步骤D具体为：
[0026]对于所采集的较厚的待测晶圆片的反射光谱数据，利用傅里叶变换到频域，进行厚度提取；
[0027]对于较薄的待测晶圆片，根据步骤B中已测的光学常数建立待测晶圆片差分反射率模型；根据探测器模块采集的测量路和参考路两路反射光谱数据计算出待测晶圆片的差分反射信号；然后通过差分反射率模型拟合待测晶圆片差分反射信号计算出较薄的待测晶圆片的厚度。
[0028]本专利技术基于光纤式差分光谱反射测量方法，以多模式混合测量为技术特色，解决了大厚度范围硅片测量难点，测量系统仅需一个探测器，测量装置简单，具有较高的空间分辨率，便于集成到半导体装备现场，本专利技术的基于光纤式差分反射光谱的晶圆片测厚系统和方法及方法至少具有一下有益效果其中之一或其中一部分：
[0029](1)能够实现大范围晶圆片厚度的快速测量；
[0030](2)装置简单，易于集成
[0031](3)利用参考路，可以有效的抑制光强引起的测量误差
附图说明
[0032]图1为本专利技术实施例基于差分的测厚系统的示意图；
[0033]图2为本专利技术实施例基于差分的测厚方法的流程框图。
[0034]上述附图中，附图标记含义如下：
[0035]1‑
近红外光源
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2‑
2x2分叉光纤
[0036]3‑
探测器模块
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4‑
测量路聚焦透镜
[0037]5‑
测量路快门
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ6‑
待测样品固定装置
[0038]7‑
参考路聚焦透镜
ꢀꢀꢀꢀ8‑
参考路快门
[0039]9‑
参考样品固定装置
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10
‑
主控模块
具体实施方式
[0040]本专利技术提供了一种基于光纤式差分反射光谱的晶圆片测厚系统和方法，将光源输出的光通过分叉光纤、聚焦透镜与快门，分别组成测量路和参考路，能够实现对薄待测样品以及厚待测样品厚度的精确测量，以及在减薄过程中的实时测量。
[0041]本专利技术提供的基于光纤式差分反射光谱的晶圆片测厚系统和方法，可对正在减薄过程中的晶圆片实现实时测量，测量厚度范围的量程在(1μm～1mm)；该系统包括光源模块、探测器模块、分束模块、测量路、参考路和主控模块；其中，光源模块，用于产生近红外光束并输出；测量路，用于将测量光束汇聚入射至晶圆片样品上形成小光斑，并使被待测样品反射的反射光返回至测量测量分束模块后进入所述的探测器模块；参考路，用于将参考光束汇聚入射至参考样品上形成小光斑，并使被参考样品反射的反射光返回至测量分束模块后进入所述的探测器模块；分束模块，用于连接光源模块，探测器模块，将光源模块输出的光传输给测量路和参考路，以及将测量路和反射路反射的反射光进行接受并传输给探测量模块；主控模块，用于对测量系统光源模块、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤式差分的晶圆片快速测厚系统，包括光源模块、分束模块、测量路、参考路、探测器模块和主控模块，其中：光源模块，用于产生近红外光束并输出；测量路，用于将测量光束汇聚入射至待测晶圆片样品上形成光斑，并使待测晶圆片反射的反射光返回至分束模块后进入所述的探测器模块，在测量路上设置有测量路快门；参考路，用于将参考光束汇聚入射至参考样品上形成小光斑，并使被参考样品反射的反射光返回至分束模块后进入所述的探测器模块，在参考路上设置有参考路快门；探测器模块，用于采集待测晶圆片样品反射的反射光以及参考样品反射的反射光的波长对应光强数据；探测器模块包括近红外高分辨力光谱仪；分束模块，用于将光源模块输出的光传输给测量路和参考路，以及将测量路和反射路反射的反射光传输给探测器模块；主控模块，用于对测量系统光源模块、探测器模块、测量路参考路通断的控制，以及对探测器模块采集到的光强数据进行处理运算，从而计算晶圆片厚度。2.根据权利要求1所述的晶圆片快速测厚系统，其特征在于，光源中心波长为1550nm，带宽40nm；近红外高分辨力光谱仪的工作波段为1510nm至1595nm。3.根据权利要求1所述的晶圆片快速测厚系统，其特征在于，分束模块3可选用2X2光纤分光器。4.利用权利要求1所述的基于光纤式差分的晶圆片快速测厚系统实现的厚度测量方法，包括以下步骤：步骤A：将经过测量路聚焦透镜的光束垂直照射在待测晶圆片，并进行对焦操作，将经过参考聚焦透镜的光束垂直照射在已知反射率的标准样品上，同样进行对焦操作；步骤B：确定待测晶圆片的光学常数，并根据光源中心波长和带宽计算出待测晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡春光，王子政，孙新磊，翟聪，刘亦辰，袁禹聪，姚程源，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：