测量反射表面的曲率的方法及相关光学装置与流程

本发明的领域涉及用于测量反射表面的形变的光学装置。这些测量装置可以特别地用于测量半导体晶片的形变。根据本发明的测量装置允许在用于沉积电子组件的生产所需的材料层的操作期间检查晶片。所述测量装置还允许在沉积之后或者在会导致晶片形变的任意类型的材料处理之后对所述晶片进行检查，从而进行非原位(ex-situ)的监测或检查。

背景技术：

当执行真空沉积操作以在半导体晶片上沉积材料层时，例如通过分子束外延，会在沉积层中产生应力并在晶片中诱导产生机械应力。一般来说，晶片的厚度很小，通常在100微米到700微米之间变化。在经历的应力的作用下，它们可能会或多或少地发生形变。因此，对这些形变的了解提供了关于应力的尺度、性质和位置的信息，从而可以确定正在进行的沉积是否正确进行并确定引起这些应力的原子机制。

晶片通常是反射的。为了测量形变，利用了这种特性，并且所使用的测量装置是光学装置。所有这些装置包括已知几何形状的光源和接收器。光源和接收器布置为使得光源发射的光可以经由反射表面被接收器观察到。因此，接收器经由晶片的表面观察光源的图像。如果晶片是完美的平面反射镜，则该图像在测量系统的不确定度范围内不会发生形变。如果晶片在应力的作用下发生形变，则光源的图像会发生变形。对这种变形的测量可以确定反射晶片的形变。

通常，所使用的光源具有简单的几何形状或者由布置为已知几何形状的光点组成。例如，可以利用在平行平板内多次反射的激光束来产生光点。多个传输的平行光束形成照明图案。名称为“measurementofthecurvatureofasurfaceusingparallellightbeams”的专利us5912738描述了这种测量装置。名称为“workpiecebreakagepreventionmethodandapparatus”的专利us9070590描述了用于不同于测量晶片特性的应用的另一类型的测量装置，所述装置测量热应力。

这种类型的测量装置的一个限制因素是沉积是在真空反应器内进行的，而在真空反应器中当然不可能引入光学元件。在这种情况下，光必须穿过透明的窗口在反应器外部进行发射和接收。然而，晶片的尺寸可能很大。存在直径为250毫米的晶片。为了检查这种尺寸的晶片，可以移动光源和接收器以执行各种测量，但是可以理解，鉴于检查必须实时进行以便能够在沉积操作没有按照应有的方式进行时采取行动，要保持测量的精度和质量将是多么困难。另外，在大多数情况下，由于窗口的尺寸较小，很难或不可能实现这种以改变光源为目的的移动。

技术实现要素：

根据本发明的测量方法和相关测量装置没有这些缺点。它们基于以下情况：即使在反射表面的尺寸较大的情况下，也可以移动反射表面的照亮区域，而不移动接收器。更准确地说，本发明的第一主题是一种利用测量装置测量物体的至少一个反射表面的形变的方法，所述测量装置包括至少一个包含光点的照明图案、照相装置以及图像分析装置，照明图案和照相装置布置为使得在测量所述表面形变的位置，照明图案经由表面的虚像或实像对于照相装置的检测器是可见的，所述图像表示由照明图案照亮的表面的区域的形变，其特征在于，用于执行测量的方法包括以下步骤：

步骤1：测量两个光点的图像之间的至少一个距离；

步骤2：计算该测量的距离与至少一个参考距离之间的比率；

步骤3：根据该比率计算限定的方向上的放大率；

步骤4：计算反射表面在所述限定的方向上的形变。

有利地，所述方法包括步骤5，其中，对多个光点的图像执行步骤1至步骤4，以测量多个给定方向上的放大率并计算反射表面的形变的各向异性。

有利地，照明图案包含分布在矩阵阵列中的一组离散光点。

有利地，照明图案包含至少一个圆光或一个椭圆光，测量是对属于该圆光或该椭圆光的点的图像执行的。

有利地，所述方法包括执行至少一次第二测量的步骤，所述第二测量包括发射第二照明图案，用于执行两次测量的所述装置布置为使得与第一测量相关的第一照明图案照亮地表面的第一区域和与第二测量相关的第二照明图案照亮的表面的第二区域不同，照相装置在两次测量之间保持静止。

本发明的第二主题是一种用于测量物体的至少一个反射表面的形变的装置，所述测量装置包括至少一个包含光点的照明图案、照相装置以及图像分析装置，照明图案和照相装置布置为使得在测量所述表面形变的位置，照明图案经由表面的虚像或实像对于照相装置的检测器是可见的，所述图像表示由照明图案照亮的表面的区域的形变，其特征在于，图像分析装置包括：

-用于测量两个光点的图像之间的至少一个距离的装置；

-用于计算该测量的距离与至少一个参考距离之间的比率的第一计算装置；

-用于根据该比率计算限定的方向上的放大率的第二计算装置；

-用于计算所述限定的方向上的反射表面的形变的第三计算装置。

有利地，所述装置包括用于执行至少两次测量的装置，每次测量包括发射照明图案，用于执行两次测量的所述装置布置为使得与第一测量相关的第一照明图案照亮地表面的第一区域和与第二测量相关的第二照明图案照亮的表面的第二区域不同，照相装置在两次测量之间保持静止。

有利地，测量装置包括用于使照明图案移动、变形或放大的装置。

有利地，用于执行测量的装置包括用于在两次测量之间使物体在限定的平面中移动的装置和用于测量所述移动的装置。

有利地，用于使物体在所述平面中移动的装置是旋转或平移装置。

有利地，测量装置包括显示屏和用于在所述显示屏上生成所述照明图案的图形装置。

有利地，照明图案是离散光点的矩阵阵列。

有利地，照明图案是圆光或椭圆光，或者一系列圆光或椭圆光。

有利地，测量装置包括光源，所述光源照亮包含布置为形成照明图案的孔的不透明屏幕。

有利地，测量装置包括半透半反的平面的分束器，所述平面分束器布置为使得光点图案在由所述分束器透射、从表面反射并从所述分束器反射之后在照相装置的检测器上形成图像，或者在从所述分束器反射、从表面反射并由所述分束器透射之后在照相装置的检测器上形成图像。

有利地，测量装置包括用于执行多次测量以生成所述表面的形变的完整映射的装置。

有利地，形变的局部的凹或凸的曲率半径在几毫米到几十千米之间变化。

有利地，物体是半导体晶片，反射表面是所述晶片的侧面中的一个。

本发明还涉及使用例如以上限定的测量装置来测量凹反射表面，其特征在于，照明图案和照相装置布置为使得由凹反射表面所反射的照明图案的图像位于照相装置的镜头附近。

有利地，所述装置用于监测导致生长反应器中的物体的反射表面形变的工艺，其特征在于，在所述反射表面上沉积至少一个材料层的过程中执行测量。

有利地，所述装置用于检查半导体晶片，其特征在于，在至少两个不同的物体上连续地执行测量。

附图说明

通过阅读以下非限制性地给出的描述并且借助附图，将更好地理解本发明，并且其它优势将变得明显，附图中：

图1示出了根据本发明的测量装置的第一实施方案，所述装置包括转台；

图2和图3示出了晶片形变的光学测量的原理；

图4示出了根据本发明的测量装置的第二实施方案，所述装置包括照明图案形式的显示屏；

图5示出了根据本发明的测量装置的所述第二实施方案的变体；

图6和图7示出了根据本发明的测量装置的第三实施方案和所述实施方案的变体；

图8示出了第四实施方案；

图9示出了根据本发明的装置的一个实施方案，其适于测量凹反射表面；

图10示出了放大率根据反射表面的曲率半径的变化；

图11和图12示出了包含同心圆的照明图案以及由弯曲的反射表面形成的照明图案的图像。

具体实施方式

如前所述，测量装置可以用于测量物体的反射表面的形变。所述测量装置特别适合于测量半导体晶片的形变。以下示例均涉及这一技术领域，尽管这不应被认为表明本发明仅限于此。

通过第一非限制性示例，图1示出了根据本发明的装置的第一实施方案，用于测量晶片10的形变。在该图和下图中，用粗体的圆弧来表示晶片，以说明形变。此外，从照明图案的特定点输出的光线的路径用细虚线来表示，并且照相装置的物镜所覆盖的视场用粗虚线来表示。

一般来说，晶片具有100微米到700微米之间的厚度。它们的直径一般在25毫米到250毫米之间。如果对测量装置的结构作出适当的改变，则该测量装置能够测量形变的局部的凹或凸的曲率半径在几毫米到几十千米之间变化。例如，这些衬底由砷化镓制成。

测量装置包括允许创建已知形状的照明图案21的装置20。可以利用离散组件生成该图案，例如照亮不透明屏幕上穿透的透明符号的光源。也可以利用显示照明图案的显示屏。在这种情况下，很容易修改或复制照明图案，或者将照明图案在显示屏上移动，甚至修改照明图案的亮度或颜色。

使用单色或频谱受限的辐射对于限制寄生光(lumièreparasite)可能是有利的。在这种情况下，光敏接收器配备有频谱滤波器，其仅透射所发射的辐射。

几何照明图案一般通过可以以矩阵阵列的形式构造的光点形成。作为示例，图3示出了这种类型的阵列，其包括布置在包括三行三列的矩阵阵列中的九个光点22。在图3中，用圆盘来表示光点。将会看到光点的使用有助于信号处理。可以使用包含更多点的矩阵阵列来获得更高的精度。增加光点的数量提高了测量精度，但相应地增加了图像的处理时间。然而，在某些应用中，以有限数量的光点来实时工作是有利的。

举例来说，光点的直径大约为500微米，两个点之间的距离大约为几毫米。

当测量装置与真空室一起使用时，照明图案在真空室外部。照明图案在晶片上间隔的距离大约为几十厘米。测量装置可以在连接照明图案中心和照亮区域中心的直线与晶圆表面的法线之间的各种倾斜角度θ下工作。然而，如果希望使测量装置以正入射或接近正入射工作，则有必要如在说明书的其余部分将看到的那样对其进行修改，以将发射通道与接收通道分开。

根据本发明的装置的优点之一是它可以在任何倾斜角度下工作。必须注意的是，装置的灵敏度随着倾斜角度θ的增加而提高。它在低曲率的情况下近似随着倾斜角度的余弦的倒数而变化，因此在掠入射时最大。因此，使用较大的倾斜角度是有利的。唯一的限制是，随着倾斜角度的增加，照明图案在反射表面上的投影覆盖的反射表面的区域越大。通常，为了受益于这一优点，倾斜角度可以在60度到89度之间的角度范围内。

晶片通过反射而形成照明图案21的图像23，该图像在图1和下面的图中采用虚线来绘制。

测量装置还包括光敏接收器30。这涉及照相装置。该接收器包括焦距为几厘米的物镜31和光接收器的矩阵阵列(未在各图中示出)。例如，可以使用焦距为50毫米或100毫米的物镜。该物镜的光圈通常限定景深。光接收器的矩阵阵列不一定要具有高分辨率。如图1所示，照相装置的光轴布置为使得由晶片反射的照明图案的图像23的最终图像24基本上位于照相装置的视场的中心。因此，照相装置的位置与照明图案的位置关于晶片表面的法线对称。装有物镜的照相装置的视场必须能够观察到图案的全部图像。如上所述，照相装置的光学元件可以包括适合于照明图案的发射频谱带的频谱滤波器，以减少寄生光。

对于例如图2所示并包括九个光点22的照明图案21，在从晶片反射并由物镜31聚焦之后，最终获得如图3所示的包括九个光点22的图像24。该图像包括9个由圆盘26表示的光点。

如果晶片是完美的平面，则该图像24将由用虚线绘制的圆盘25组成。这将是照明图案完美的图像。

如果晶片发生了形变，则该图像会发生变形并且由用粗线绘制的圆盘26组成。通过利用图像分析装置40对图像进行分析，可以以高于光检测矩阵阵列的高精度来确定每个光点22的每个图像26的中心位置。

为此，可以使用使图像的分辨率人为提高的所谓的“放大”技术。通常，对于这种类型的应用，放大的比例系数为8。

因此，如图3所示，可以在二维坐标系(x，y)中非常准确地确定时间t1的光点26之间的x轴的距离x1和y轴的距离y1，并将它们与在参考表面上获得的时间t0的光点25之间的距离x0和y0进行比较。通过这些距离的平均值之间的比率能够获得限定的方向上的放大率。几何光学原理能够根据这些放大率的测量来推导形变。利用同样的光学原理，对多个方向上的放大率进行研究，能够推导出形变的各向异性。加上亮度随着入射角的不变性，可以在照明图案与晶片表面的法线之间的任何角度下应用这些原理。

图像处理需要这样的计算的计算装置，其在所需的计算资源方面和内存方面均与当前的台式计算机所能达到的性能完全兼容并且可以实时地(即，两次测量间隔的时间间隔(即，几百分之一秒))执行。

所测量的形变是照明图案照亮的晶片的区域11的形变。如果晶片具有较大尺寸，则该区域仅部分覆盖晶片10。因此，根据本发明的测量装置包括用于执行至少两次测量的装置，每次测量包括发射照明图案，所述用于执行两次测量的装置布置为使得与第一测量相关的第一照明图案照亮的晶片的第一区域和与第二测量相关的第二照明图案照亮的晶片的第二区域不同，照相装置在两次测量之间保持静止。一种替代方式是利用覆盖整个屏幕的固定点阵列来映射曲率，并且固定点阵列的图像覆盖所研究的表面的整个区域。

在这种情况下，测量装置包括放置在晶片10下面的转台50。该转台的旋转轴线平行于晶片表面的法线。这种布置的优点是出于沉积层的均匀性的原因，大多数真空室都包括这种类型的转台。因此，要产生晶片的完整映射，只需记录对应于晶片的各种旋转角度的一系列测量就足够了。如果晶片的形变是均匀且各向同性的，即便存在旋转的情况下，测量装置也能够以晶片固定的情况下获得的相同的灵敏度来连续测量形变。

在晶片上沉积原子薄膜的典型条件下，为了在采用优化信噪比的测量的同时在单层的尺度上保持灵敏度，照相装置必须具有至少10hz的采集频率。

需要准确地知道测量时的晶片位置。可以利用多种技术来确定这个位置。一种可能的技术是在沉积之前校准晶片。这种校准具有可以记录系统的所有缺陷的优点。因此，在测量过程中，测量到的偏差仅对应于由晶片上的沉积而引起的形变。

举例来说，如果转台以12转/分钟的速度转动，并且如果照相装置以每秒30个记录的速度执行测量，则获得对应于间隔2.4度的区域的一系列记录。由于这些区域在角度上是接近的，因此可以通过在两个连续角度之间的插值，完美地据此得到转台在任意旋转角度的曲率。通过对测量执行时的角度的了解，随后执行的任何测量都将可以与根据插值推导出的相同角度的参考值进行比较。

晶片的旋转运动非常适合于“原位(in-sita)”鉴定，即在晶片上沉积层期间的鉴定。

也可以在晶片的平面内执行晶片的平移运动，以执行晶片的完整鉴定。再一次，无论是通过直接测量运动，还是通过先前的鉴定，只要完美地了解晶片的线性运动就足够了。通过线性运动进行的测量非常适合于以确定沉积前的原始晶片的平面度为目的的鉴定，或以检查沉积后的成品晶片的表面光洁度为目的的鉴定。这种技术的主要优点之一是可以在真空室外部“非原位”执行测量，这种环境比真空室的环境约束要少得多。

连续执行测量的优点之一是即使在晶片发生较大程度的形变的情况下，图案的图像发生了严重变形，也可以始终跟踪这种形变的演变，以使测量的点不会出现任何模糊。

通过第二非限制性示例，图4示出了根据本发明的用于测量晶片10的形变的装置的第二实施方案。图4所使用的附图标记与图1所使用的附图标记相同。所使用的照相装置的性质相同。在该第二实施方案中，晶片10保持静止。为了获得测量区域的移动，移动照明图案。存在实现图案的这种移动的多种方法。最简单且最容易复现的方法是在显示屏上移动图案。在图4中，采用沿着两个不同的轴排列的v形符号来表示这种移动。因此，在这种配置中，没有机械部件是可移动的。此外，不仅可以容易地移动照明图案，而且还可以对它进行复制、放大或修改。也很容易完美地知道形成照明图案的光点在显示屏上的位置。现在的显示屏的亮度和分辨率足以产生较小尺寸的照明图案。举例来说，点的亮度在200cd/m²到500cd/m²之间，屏幕的平均分辨率在每英寸100到500点之间(dotsperinch，dpi)。

再一次，通过执行一系列测量，确定晶片的形变的完整映射。

在图5所示的一个变体中，可以在给定的一系列测量中测量多个晶片10a、10b和10c，例如对沉积操作的再现性执行检查。这种类型的检查通常在更有利的环境条件下非原位地执行。

如图1、图4和图5所示，如果发射光束的入射角θ保持一定值(例如大于几度)，则生成照明图案的部分会自然地与接收照相装置分开。当该入射角θ很小或为零时，即，当在晶片上以正入射或接近正入射执行测量时，情况就不同了。

为了解决这一问题，测量装置包括半透半反的平面分束器，如图6和图7所示。分束器60布置为使得点图案在由分束器透射、从晶片反射并从所述分束器反射之后在照相装置的检测器上形成图像。也可以将照明图案和照相装置颠倒。在这种情况下，点图案在从所述分束器反射、从晶片反射并由所述分束器透射之后在照相装置的检测器上形成图像。

当然，可以利用这种设置通过如图7所示的照明图案在显示屏上的移动或者通过晶片的移动或旋转来获得测量区域的移动。

如图8所示，也可以利用照明图案的尺寸较大且包含大量照明点的照明装置来同时检查多个晶片，并获得瞬时形变的映射。

已经看到，在平面或轻微弯曲的表面的情况下，可以通过增大入射角来提高装置的灵敏度，掠入射时灵敏度会急剧提高。存在提高装置的灵敏度的第二种方法，这一次是反射表面弯曲的情况。根据本发明的测量装置能够通过观察经由反射表面的物体的图像的变形来测量该表面的曲率。为此，测量照明图案的图像和照明图案本身之间的放大率。对于给定的反射表面的形变，放大率的变化越大，测量装置的灵敏度越高。因此，寻找能够获得最佳的放大灵敏度的配置是有利的。当图案的图像位于照相装置的光学元件附近时，获得这些配置。仅仅对于凹反射表面可以获得这种条件。在这种情况下，如果将图案到反射表面的中心的距离表示为d、从照相装置的镜头到同一中心的距离表示为d'，表面的曲率半径表示为r，则为了使放大灵敏度达到最大值，距离d和d'必须遵循下列等式：

d·d'/(d+d')＝r/2

一种能够获得这种较高的放大灵敏度的简单结构是将照明图案放置于反射表面的曲率的中心。这种布置如图9所示。在该图中使用的附图标记与前面的图中所使用的附图标记相同。在这种情况下，距离d等于反射表面10的半径r，距离d'也等于该半径r。为了将由图案发射的光线与由反射表面10反射的光线分开，如图6、图7和图8的前述装置一样，使用半透半反镜60。

图10的曲线示出了距离d和d'等于1米时，放大率γ根据表面的曲率κ的变化。在图10中，曲率κ在-5到+5之间变化，放大率在-4到+4之间变化。当表面的曲率κ等于1米时，即当其曲率半径等于1米时，遵循前述等式，并且放大率γ发散，如图10所示。然后获得最大灵敏度。曲率半径在这个值上的任何变化都将导致放大率的非常大的变化。

最后的这种布置仅仅适用于凹反射表面。在半导体晶片的情况下，可以使用被施加预应力以获得所需曲率的平面晶片。例如，通过在背面执行沉积可以容易地获得这种应力，这种应力将使晶片弯曲。给曲率半径带来微小变化的正面沉积将导致照相装置所观察的放大率的实质性变化。

一般来说，发光物体和照相装置距离反射表面越远，测量装置的灵敏度越好。

反射表面的曲率不一定在每个方向都相同。尤其是在半导体晶片上沉积晶体薄膜的情况。例如，在各向异性材料的晶体生长过程中，会观察到各向异性形变，其中一个方向比另一个方向更弯曲。当照明图案由如图2至图8所示的单独的光点组成时，在两个正交方向上同时获得每个所分析的图像的各向异性信息。然而，单个图像不足以确定各向异性的轴线。为了确定各向异性的轴线，需要使晶片绕着其轴线进行整圈旋转。

为了确定各向异性信息，需要使用比光点的矩阵阵列更合适的照明图案。因此，如果以图案的方式使用圆光或椭圆光，或者甚至一系列同心圆或一系列同心椭圆，则可以通过单个图像的方式来确定所有的晶片形变信息。图11示出了由9个同心圆光组成的这种类型的照明图案21，图12示出了这些同心圆从反射晶片反射后的图像。圆的椭圆变形和椭圆的轴线的倾斜代表了反射晶片的各向异性。

生成这些特定的圆形或椭圆形照明图案没有特殊问题。