一种基于相位偏折原理的晶圆表面粗糙度检测装置的制作方法

本发明涉及一种基于相位偏折原理的晶圆表面粗糙度检测装置。

背景技术：

由于半导体集成电路的性能要求越来越高，对其原材料——晶圆的质量要求也越来越高，而晶圆表面粗糙度直接影响着晶圆质量。目前对晶圆表面粗糙度的检测通常分为探针法检测，显微镜法检测和激光干涉法检测三种。

探针法检测是通过感应探针与被测晶圆表面多次触碰后构建出表面高度，从而得到晶圆表面粗糙度，其存在检测速度低，会对被测晶圆表面造成伤害等缺点。显微镜法检测是通过探测被测晶圆表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌，进而可以得到晶圆表面粗糙度，其存在对检测环境要求苛刻，检测成本高，检测速度慢等缺点。激光干涉法检测是利用参考光束与被测光束叠加原理进行面形检测，从而得到晶圆表面粗糙度，其存在对检测环境要求苛刻，检测成本高等缺点。此外，现有的三种晶圆表面粗糙度的检测也不适用于工业生产当中。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明提出了一种基于相位偏折原理的晶圆表面粗糙度检测装置。它是由一个空间光调制器，一个前置针孔ccd相机，一个分光棱镜，一个显微物镜以及一台计算机构成，相较于现有的三种检测方法，具有装置简单，制造和检测成本低，检测精度高，检测速度快，对检测环境要求低，不会对被测面造成伤害的优点。而且由于是检测被测面梯度，进而得到粗糙度，所以本发明具有很强的抗噪声能力，适用于工业生产流水线当中

本发明采用了相位偏折原理进行晶圆表面粗糙度的检测。

首先，对各检测装置进行结构位置参数的标定；通过空间光调制器产生经光强编码的正弦灰度条纹；经分光棱镜反射后由显微物镜会聚光线；由被测面反射后得到变形条纹，再通过显微物镜放大光线；经分光棱镜透射后再由ccd相机的前置针孔滤光后由ccd相机接收；通过计算机进行相位提取并展开，得到被测面的表面梯度，再积分重构可以得到波前面形。具体步骤如下所示：

（1）对检测装置进行结构位置参数的标定

调整各检测装置，使所有装置处以一个平面上，且都处在检测光路内。通过三坐标测量仪对所有检测装置进行空间位置的标定。

（2）产生经光强编码的正弦灰度条纹

根据空间光调制器的相关参数，选择确定正弦灰度条纹的像素数和条纹对应的实际尺寸。通过编程控制得到条纹图像，同时选择条纹的相移步数为4步。

（3）分光棱镜反射正弦灰度条纹并由显微物镜会聚

在空间光调制器的水平方向上放置分光棱镜，使正弦灰度条纹经分光棱镜后得到垂直方向的反射条纹。在反射光路上放置显微物镜，使反射条纹会聚在被测面上。

（4）显微物镜放大变形条纹

经被测面反射得到的变形条纹反向入射显微物镜，使会聚的变形条纹被放大。

（5）ccd相机接收经针孔滤光后的变形条纹

通过ccd相机的前置针孔对放大后的变形条纹进行滤光，避免光瞳孔像差的影响，再由ccd相机接收变形条纹。

（6）相位提取并展开，面形积分重构

对ccd相机接收到的变形条纹进行相位提取并展开，得到被测面各部分对应的空间光调制器像素位置，计算得到面形梯度分布。对得到的梯度进行积分运算可以得到被测面的波前面形。最后通过与被测面的理想面形信息进行对比，得到被测面的粗糙度。

本发明的显著特点是在保证精度的前提下造价便宜，对检测环境要求低，解决了激光干涉法和显微镜法存在的成本高，检测环境要求苛刻的问题。而且本发明使用非接触式测量，不会对被测面造成伤害，解决了探针法存在的对被测面造成伤害这一缺点。同时检测速度快，解决了探针法和显微镜法存在的检测速度慢的问题。

附图说明

图1是本发明的流水线检测光路示意图；

图2是本发明的实施例检测流程示意图；

图3是测得的待测晶圆表面反射后的变形条纹图；

图4是测得的待测晶圆表面梯度分布图；

图5是测得的待测晶圆表面高度结果图。

图中：

1．空间光调制器，2.分光棱镜，3.显微物镜，4.晶圆夹持器，5.传送履带，6.前置针孔ccd相机，7.计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

一种基于相位偏折原理的晶圆表面粗糙度检测装置，检测光路如图1所示，主要由一个空间光调制器1，一个分光棱镜2，一个显微物镜3，晶圆夹持器4，传送履带5，一个前置针孔ccd相机6，一台计算机7组成。其中，空间光调制器1和前置针孔ccd相机6分别与计算机7相连。

参考图2，该图是本发明的实施例检测流程示意图，该流程包括：

步骤s1，采用三坐标测量装置对空间光调制器、分光棱镜、显微物镜、晶圆夹持器和前置针孔ccd相机进行结构位置参数的标定；

步骤s2，采用四步移相法解调经被测晶圆表面反射后的变形条纹，得到被测晶圆表面各部分对应的空间光调制器上的实际像素位置；

步骤s3，根据已标定的结构位置参数，在计算机中搭建光路追迹模型，得到被测晶圆的理想面形在空间光调制器上的理想像素位置；

步骤s4，对比实际像素位置和理想像素位置，得到偏移量，通过分析计算得到面形梯度分布

步骤s5，采用积分法对面形梯度进行处理，得到被测晶圆表面的高度分布并得到表面粗糙度信息。

下面对具体实现晶圆表面粗糙度的检测进行详细说明，其中，具体以一个口径为25.4mm的单抛光晶圆表面为待测对象为例，进行表面粗糙度的检测。图3为该晶圆反射后的变形条纹，图4是该晶圆的梯度分布，图5是该晶圆的表面高度分布，包括如下步骤：

（1）实验装置的初始化安装和预标定

安装实验装置：由空间光调制器、分光棱镜、显微物镜、待测晶圆面、前置针孔ccd相机组成相位偏折检测光路，其中光调制器和分光棱镜并排放置，显微物镜、待测晶圆面、前置针孔ccd相机与分光棱镜并列放置，并且待测晶圆面面向前置针孔ccd相机，通过对分光棱镜和显微物镜的微调，使待测晶圆面于ccd相机中完整成像。

预标定过程：利用测量精度可达微米量级的三坐标测量装置对所述的所有实验装置进行结构位置参数的标定。

（2）采集条纹图像

通过计算机控制空间光调制器投射四步相移正弦条纹，经被测晶圆表面反射后，再通过ccd前置针孔滤光，由ccd相机拍摄变形条纹图像。

（3）求解相位分布和相位差

由于四步相移正弦条纹的四个相移量分别是0、、和。设ccd相机拍摄到的像素阵上位置的变形条纹光强分别为、、、，根据四步移相算法可以得到像素上的相位值为：

像素点在竖直方向和水平方向的相位值对应了空间光调制器上该点的横纵坐标位置，得到实际光斑坐标。通过预标定得到的结构位置参数，使用光路追迹法得到理想光斑分布，对实际光斑和理想光斑进行对比得到偏移量。

（4）求解梯度分布和面形积分重构

设x方向梯度为，y方向梯度为，x方向偏移量为，y方向偏移量为，待测晶圆面与空间光调制器的距离为d，则：

通过zernike正交多项式对进行积分重构，得到待测晶圆面高度分布，进而得到待测晶圆面的粗糙度。

以上所述内容是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。