专利名称：一种半导体晶圆厚度检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明涉及精密光学检测领域，具体是一种半导体晶圆厚度检测系统及其检测方法。
背景技术：
作为微电子领域和太阳能光伏领域最常用的半导体晶圆，如硅晶圆，它的厚度是一个极其重要的参数指标。对于微电子器件来说，硅晶圆厚度的控制有助于减小各个生产流程中产生的机械应力，以保证所生产器件的性能稳定性。对于晶硅太阳能电池来说，硅晶圆厚度直接影响电池的光电性能。因此，通过精确测量来控制硅晶圆厚度是大规模工业化生产的一个基本要求。目前常用的测量硅晶圆厚度的方法有两种一种是机械式测量方法，利用千分尺等高精度量具直接测量；一种是利用阻抗法，即利用硅晶圆形成一个RF电桥结构，并通过测量电容或是涡流损耗来确定硅晶圆厚度。机械式测量方法精度较高，但是测量速度慢，并因为其接触式测量得特性，极易造成硅片的破裂损坏，该方法只适用于实验室内对小批量的样品进行测量。阻抗法有高效、不损伤硅片表面质量等优点，但其精确性受被测材料特性影响较大，特别是被测材料的电阻率。当被测样品的电阻率均匀性较差或是与设备校正样片的电阻率差别较大时，其测试误差也较大。太赫兹波通常是指频率范围在O. I THz到10 THz (I THz = IO12 Hz)区间的电磁波，介于微波和红外光之间。太赫兹波的光子能量远低于可见光和X射线，仅为可见光的千分之一，x射线的百万分之一，对人体危害极小；太赫兹波波长较长(I THz 300 μπι),在测量时对样品表面粗糙度要求不高，受物质散射影响小；太赫兹波对很多材料，特别是硅晶圆等半导体材料透明度高，可用于这些材料的质量控制。太赫兹时域技术通过泵浦-探测法来测量太赫兹波在时域上的瞬时电场，可同时获得幅度和位相信息，同时也可获得飞秒量级的时间分辨率，这有别于常用的光学测量。常用的光学测量方法通常只是通过测量光波的能量来获取相关信息。因而，太赫兹时域技术用于测量，能提供很多传统光学测量技术所不能提供的信息，因此有着很广的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种半导体晶圆厚度检测系统及其检测方法，其检测对半导体晶圆表面材料特性均匀度无要求，且测量精度高，测量操作简单。本发明的技术方案为
一种半导体晶圆厚度检测系统，它是由飞秒激光器、设置于飞秒激光器发射口后端的分束器、设置于分束器后端的太赫兹波激发光路部分和太赫兹波探测光路部分、依次设置于太赫兹波激发光路部分和太赫兹波探测光路部分后端的太赫兹波/光波合束器、太赫兹波探测器、偏振变化测量装置组成；所述的太赫兹波激发光路部分包括顺次设置的第一激光聚焦透镜、太赫兹波发射器、第一太赫兹波收集器、太赫兹波反射镜、太赫兹波分束器、太赫兹波透镜、样品台、第二太赫兹波收集器组成；所述的太赫兹波探测光路部分包括顺次设置的光学延迟装置、第一激光反射镜、第二激光聚焦透镜、第二激光反射镜。
所述的太赫兹波分束器的前表面设置有太赫兹波吸收镜。所述的太赫兹波发射器选用太赫兹光导天线或电光晶体；所述的第一太赫兹波收集器和第二太赫兹波收集器均选用金属离轴抛面镜；所述的太赫兹波探测器选用电光晶体。所述的偏振变化测量装置是由第三激光聚焦透镜、激光四分之一波片、沃拉斯顿棱镜和光电探测器组成。一种半导体晶圆厚度检测系统的检测方法，包括以下步骤
(1)、飞秒激光器发出的脉冲激光光束通过分束器分为激发光和探测光；
(2)、激发光由第一激光聚焦透镜聚焦到太赫兹波发射器表面来产生脉冲太赫兹波,太赫兹波发射器产生的太赫兹波经第一太赫兹波收集器收集转化成平行光束，平行太赫兹光束再经太赫兹波反射镜反射并通过太赫兹波分束器，透过太赫兹波分束器的太赫兹波由太赫兹波透镜聚焦到样品台表面，样品台表面为平整的金属镜面，其镜面垂直太赫兹波的入射方向，被样品台表面反射的太赫兹波再次经过太赫兹波透镜还原为平行光束，并再次经过太赫兹波分束器，被太赫兹波分束器反射的太赫兹波由第二太赫兹波收集器收集会聚、然后透过太赫兹波/光波合束器到达太赫兹波探测器的表面；
(3)、探测光经过光学延迟装置延长探测光光路传播的时间，然后探测光依次经第一激光反射镜反射、第二激光聚焦透镜会聚、第二激光反射镜反射，最后由太赫兹波/光波合束器反射到太赫兹波探测器的表面；
(4)、经过太赫兹波/光波合束器的探测激光和太赫兹波传播方向一致，并且它们的焦点在太赫兹波探测器的表面重合，由于线性电光效应，太赫兹波电场在太赫兹波探测器上引起折射率的变化，该变化会相应的引起透过的探测激光偏振态的变化，探测激光的偏振态的变化由偏振变化测量装置测得；
(5)、当样品台放入半导体晶圆时，太赫兹波从半导体晶圆表面反射；由于半导体晶圆具有一定厚度，故与样品台上未放置半导体晶圆时相比，激发光路的光程减小了，因此由半导体晶圆表面反射后测到的太赫兹信号与从样品台表面直接反射的信号相比，前者的时间提前了，提前的时间量与半导体晶圆的厚度有关，即At = 2T/C,其中At是时间延迟的变化量，T是半导体晶圆的厚度，C是光速；即半导体晶圆的厚度T=C At/2 ;测量时，首先测量未放半导体晶圆时由样品台表面反射的太赫兹波信号，并以此作为参考信号；然后放入半导体晶圆，测量由半导体晶圆表面反射的太赫兹波信号，即测量信号，并通过比较获得测量信号峰值与参考信号峰值之间时间延迟，然后根据公式At = 2T/C获得半导体晶圆的厚度。所述的太赫兹波分束器前表面反射的太赫兹波被太赫兹波吸收器吸收。本发明半导体晶圆厚度检测系统的检测原理为
所述的太赫兹波探测器是电光晶体，当太赫兹波照射在晶体上，由于线性电光效应，会引起晶体折射率的变化，产生双折射；折射率的变化量正比于太赫兹波电场。此时，当探测激光通过晶体时，偏振状态会发生改变，通过偏振变化测量装置测量探测激光偏振状态的改变量，可获得脉冲太赫兹波的电场信息。探测光脉冲宽度在飞秒量级，远小于太赫兹波的脉冲宽度(皮秒量级)，故可看作一个探针，来对太赫兹波进行采样；
实际测量时，通过扫描光学延迟装置来调节探测光路与激发光路之间的光程差。当这两路光之间的光程差较大，即探测光先于或落后于太赫兹波到达太赫兹波探测器，此时没有信号；只有当两路光之间的光程相近，两路光几乎同时到达太赫兹探测器时才能获得信号。当两路光之间光程完全一致，即两路光同时到达太赫兹波探测器，信号到达峰值。本发明半导体晶圆厚度检测系统及其检测方法，不局限于半导体晶圆，还可以包括其它材料，如金属和介质材料。本发明的优点
(1)、半导体晶圆本身光学性质，如折射率等，只影响测得信号幅度的大小，而不改变测得信号的形状和时间延迟，因此，即使样品表面或内部的光学性质不均匀，对测量结果也没有影响；
(2)、本发明的测量精度主要由光学延迟扫描的精度决定，S卩如果光学延迟扫描的精度为I飞秒(10_15秒)，相应的测量精度为O. 15微米；由此可见，该方法用于半导体晶圆厚度测量具有很高的测量精度；以太阳能硅晶圆为例，其厚度大约为200微米量级，对这类晶圆厚度测量，O. 15微米的测量精度仅相当于万分之7. 5的相对精度；
(3)、与机械式测量方法相比，本发明检测方法是无接触式的，不易对硅片造成损害；与阻抗法相比，本发明检测方法不受样品光学和电子性质影响，适用性更广，并且测量更简洁、直接。
图1是本发明半导体晶圆厚度检测系统的使用结构示意图。图2是本发明具体实施例半导体晶圆厚度检测方法中所测的信号示意图。
具体实施例方式见图1，一种半导体晶圆厚度检测系统，它是由飞秒激光器I、设置于飞秒激光器I发射口后端的分束器2、设置于分束器2后端的太赫兹波激发光路部分和太赫兹波探测光路部分、依次设置于太赫兹波激发光路部分和太赫兹波探测光路部分后端的太赫兹波/光波合束器18、太赫兹波探测器13、偏振变化测量装置19组成；太赫兹波激发光路部分包括顺次设置的第一激光聚焦透镜3、太赫兹波发射器4、第一太赫兹波收集器5、太赫兹波反射镜6、太赫兹波分束器7、太赫兹波透镜9、样品台10、第二太赫兹波收集器12和设置太赫兹波分束器7前表面的太赫兹波吸收镜8组成；太赫兹波探测光路部分包括顺次设置的光学延迟装置14、第一激光反射镜15、第二激光聚焦透镜16、第二激光反射镜17 ;偏振变化测量装置19是由第三激光聚焦透镜191、激光四分之一波片192、沃拉斯顿棱镜193和光电探测器194组成；
其中，太赫兹波发射器4选用选用太赫兹光导天线或电光晶体；第一太赫兹波收集器5和第二太赫兹波收集器12均选用金属离轴抛面镜；太赫兹波探测器13选用电光晶体。一种半导体晶圆厚度检测系统的检测方法，包括以下步骤(1)、飞秒激光器I发出的脉冲激光光束通过分束器2分为激发光和探测光；
(2)、激发光由第一激光聚焦透镜3聚焦到太赫兹波发射器4表面来产生脉冲太赫兹波，太赫兹波发射器4产生的太赫兹波经第一太赫兹波收集器5收集转化成平行光束,平行太赫兹光束再经太赫兹波反射镜6反射并通过太赫兹波分束器7，太赫兹波分束器7前表面反射的太赫兹波被太赫兹波吸收器8吸收,透过太赫兹波分束器7的太赫兹波由太赫兹波透镜9聚焦到样品台10表面，样品台10表 面为平整的金属镜面，其镜面垂直太赫兹波的入射方向，被样品台10表面反射的太赫兹波再次经过太赫兹波透镜9还原为平行光束，并再次经过太赫兹波分束器7，被太赫兹波分束器7反射的太赫兹波由第二太赫兹波收集器12收集会聚、然后透过太赫兹波/光波合束器18到达太赫兹波探测器13的表面；
(3)、探测光经过光学延迟装置14延长探测光光路传播的时间，然后探测光依次经第一激光反射镜15反射、第二激光聚焦透镜16会聚、第二激光反射镜17反射,最后由太赫兹波/光波合束器18反射到太赫兹波探测器13的表面；
(4)、经过太赫兹波/光波合束器18的探测激光和太赫兹波传播方向一致，并且它们的焦点在太赫兹波探测器13的表面重合，由于线性电光效应,太赫兹波电场在太赫兹波探测器13上引起折射率的变化，该变化会相应的引起透过的探测激光偏振态的变化，探测激光的偏振态的变化由偏振变化测量装置19测得；
(5)、当样品台10放入半导体晶圆11时,太赫兹波从半导体晶圆11表面反射，由于半导体晶圆11具有一定厚度，故与样品台10上未放置半导体晶圆11时相比，激发光路的光程减小了，因此由半导体晶圆11表面反射后测到的太赫兹信号与从样品台10表面直接反射的信号相比，前者的时间提前了，提前的时间量与半导体晶圆11的厚度有关，即At =2T/C,其中At是时间延迟的变化量，T是半导体晶圆的厚度，C是光速，即半导体晶圆的厚度T=C At/2 ;见图2，测量时，首先测量未放半导体晶圆11时由样品台10表面反射的太赫兹波信号(右侧带有凸峰的信号线)，并以此作为参考信号；然后放入半导体晶圆11，测量由半导体晶圆11表面反射的太赫兹波信号，即测量信号(左侧带有凸峰的信号线)，并通过比较获得测量信号峰值与参考信号峰值之间时间延迟，然后根据公式At = 2T/C获得半导体晶圆的厚度。
权利要求
1.一种半导体晶圆厚度检测系统，其特征在于它是由飞秒激光器、设置于飞秒激光器发射口后端的分束器、设置于分束器后端的太赫兹波激发光路部分和太赫兹波探测光路部分、依次设置于太赫兹波激发光路部分和太赫兹波探测光路部分后端的太赫兹波/光波合束器、太赫兹波探测器、偏振变化测量装置组成；所述的太赫兹波激发光路部分包括顺次设置的第一激光聚焦透镜、太赫兹波发射器、第一太赫兹波收集器、太赫兹波反射镜、太赫兹波分束器、太赫兹波透镜、样品台、第二太赫兹波收集器组成；所述的太赫兹波探测光路部分包括顺次设置的光学延迟装置、第一激光反射镜、第二激光聚焦透镜、第二激光反射镜。
2.根据权利要求I所述的一种半导体晶圆厚度检测系统，其特征在于所述的太赫兹波分束器的前表面设置有太赫兹波吸收镜。
3.根据权利要求I所述的一种半导体晶圆厚度检测系统，其特征在于所述的太赫兹波发射器选用太赫兹光导天线或电光晶体；所述的第一太赫兹波收集器和第二太赫兹波收集器均选用金属离轴抛面镜；所述的太赫兹波探测器选用电光晶体。
4.根据权利要求I所述的一种半导体晶圆厚度检测系统，其特征在于所述的偏振变化测量装置是由第三激光聚焦透镜、激光四分之一波片、沃拉斯顿棱镜和光电探测器组成。
5.根据权利要求I所述的一种半导体晶圆厚度检测系统的检测方法，其特征在于包括以下步骤 (1)、飞秒激光器发出的脉冲激光光束通过分束器分为激发光和探测光； (2)、激发光由第一激光聚焦透镜聚焦到太赫兹波发射器表面来产生脉冲太赫兹波,太赫兹波发射器产生的太赫兹波经第一太赫兹波收集器收集转化成平行光束，平行太赫兹光束再经太赫兹波反射镜反射并通过太赫兹波分束器，透过太赫兹波分束器的太赫兹波由太赫兹波透镜聚焦到样品台表面，样品台表面为平整的金属镜面，其镜面垂直太赫兹波的入射方向，被样品台表面反射的太赫兹波再次经过太赫兹波透镜还原为平行光束，并再次经过太赫兹波分束器，被太赫兹波分束器反射的太赫兹波由第二太赫兹波收集器收集会聚、然后透过太赫兹波/光波合束器到达太赫兹波探测器的表面； (3)、探测光经过光学延迟装置延长探测光光路传播的时间，然后探测光依次经第一激光反射镜反射、第二激光聚焦透镜会聚、第二激光反射镜反射，最后由太赫兹波/光波合束器反射到太赫兹波探测器的表面； (4 )、经过太赫兹波/光波合束器的探测激光和太赫兹波传播方向一致，并且它们的焦点在太赫兹波探测器的表面重合，由于线性电光效应，太赫兹波电场在太赫兹波探测器上引起折射率的变化，该变化会相应的引起透过的探测激光偏振态的变化，探测激光的偏振态的变化由偏振变化测量装置测得； (5)、当样品台放入半导体晶圆时，太赫兹波从半导体晶圆表面反射；由于半导体晶圆具有一定厚度，故与样品台上未放置半导体晶圆时相比，激发光路的光程减小了，因此由半导体晶圆表面反射后测到的太赫兹信号与从样品台表面直接反射的信号相比，前者的时间提前了，提前的时间量与半导体晶圆的厚度有关，即At = 2T/C,其中At是时间延迟的变化量，T是半导体晶圆的厚度，C是光速；即半导体晶圆的厚度T=C At/2 ;测量时，首先测量未放半导体晶圆时由样品台表面反射的太赫兹波信号，并以此作为参考信号；然后放入半导体晶圆，测量由半导体晶圆表面反射的太赫兹波信号，即测量信号，并通过比较获得测量信号峰值与参考信号峰值之间时间延迟，然后根据公式At = 2T/C获得半导体晶圆的厚度。
6.根据权利要求5所述的一种半导体晶圆厚度检测系统的检测方法，其特征在于所述的太赫兹波分束器前表面反射的太赫兹波被太赫兹波吸收器吸收。
全文摘要
本发明公开了一种半导体晶圆厚度检测系统及其检测方法，通过测量从半导体晶圆表面反射的太赫兹信号与从样品台表面直接反射的太赫兹信号之间的时间延迟来检测半导体晶圆的厚度，其检测对半导体晶圆表面材料特性均匀度无要求，且测量精度高，测量操作简单。
文档编号G01B11/06GK102620666SQ20121008787
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者吴周令, 陈坚 申请人:吴周令