基于自适应拟随机搜索的晶圆膜厚测量方法与流程

本发明属于光学精密测量和信号处理领域，是一种基于自适应拟随机搜索的晶圆膜厚测量方法。

背景技术：

如果采用更高精度的半导体工艺对半导体器件进行加工，将对芯片的电学性能如：功耗、频带响应等特性有着显著的提升作用。而高精度测量则是提升加工精度不可获取的一环。白光反射率谱(whitelightreflectancespectroscopy,wlrs)技术的测量模型如说明书附图1所示。其主要原理是从白光发射器发射出的白光在介质表面s1、s2不断地折射反射，使得光线相位发生变化。可以通过分析计算相位变化得到一组反射率与波长之间的关系曲线，该曲线就是wlrs曲线。同种晶圆材料，不同厚度条件下测得的wlrs曲线也不同，由此可根据wlrs曲线拟合求得晶圆膜厚。附图2所示为不同膜厚的二氧化硅wlrs曲线。

在实际加工的过程中，往往会因为种种原因如：晶体杂质浓度、不可避免的噪声等，造成实测曲线与实验室理想环境所测得的曲线存在一定的差异，如何获取实际条件下的晶圆膜厚是当今研究的一大热点。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于自适应拟随机搜索法测量晶圆膜厚的方法，有效通过测量待测晶圆的wlrs曲线求得晶圆膜厚。本发明所采用的技术方案，包括以下步骤：

步骤一：利用白光发射器由空气向待测薄膜发射白光，在信号采集区域获取折射反射光线得到一组原始wlrs信号；

步骤二：将步骤一采集到的wlrs信号作为输入信号，待测膜厚以r0标志，使用自适应拟随机搜索法计算晶圆膜厚；其中自适应拟随机搜索法具体步骤如下：

步骤a：初始化膜厚参数r1＝10，r2＝1000，搜索范围均为[10,1000]，其中r2大于r1；

步骤b：依次计算r1、r2条件下的反射率谱与输入信号的均方差值；

步骤c：若σr1>σr2，则表明r2值相较于r1值更接近于r0，则通过随机数改变r1值。

步骤d：若则输出r1与r2，反之返回步骤c。

步骤三：将步骤二所得的r1、r2取平均，认为该平均值即为r0值。由此测得待测晶圆膜厚值。

本发明的有益效果：本发明可有效通过测量待测晶圆的wlrs曲线求得晶圆膜厚。

附图说明

图1为wlrs信号采集装置结构图；

图2为不同膜厚的二氧化硅晶圆膜的wlrs曲线图；

图3为本发明整体流程图；

图4为本发明的自适应拟随机搜索法应用流程图；

图5为实测wlrs信号与计算所得膜厚的理论反射率对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

步骤一：如附图1所示，本发明采用白光发射器由空气向待测二氧化硅晶圆膜发射白光，在信号采集区域获取wlrs信号。

步骤二：将步骤一采集到的wlrs信号作为输入信号，待测膜厚以r0标志，使用自适应拟随机搜索法(如附图4所示)计算晶圆膜厚，其中自适应拟随机搜索法具体步骤如下：

步骤a：初始化膜厚参数r1＝10，r2＝1000，搜索范围均为[10,1000]，其中r2大于r1；

步骤b：依次计算r1、r2条件下的反射率谱与输入信号的均方差值，计算公式如下。

其中σra为ra膜厚下的差方和，越小表示拟合程度越高。λi是正整数且为白光(390nm-780nm)波段内波长，r0(λi)为输入值，ra(λi)为r1或r2膜厚条件下的理论反射率值。

步骤c：若σr1>σr2，则表明r2值相较于r1值更接近于r0，则通过随机数改变r1值。公式如下所示。

r1＝(r2-r1)×rand(0,1)+r1(2)

rand(0,1)表示生成0-1之间的一个随机数。

反之，若σr1<σr2，则改变r2值，公式如下所示。

r2＝r2-(r2-r1)×rand(0,1)(3)

步骤d：若|r2-r1|<10，σ<0.001则输出r1与r2，反之返回步骤c。

步骤三：将步骤二所得的r1、r2取平均，认为该平均值即为r0值。由此测得待测晶圆膜厚值。

按照上述方法，在matlab2018a下进行计算。图5所示为实测wlrs信号与计算所得膜厚的理论反射率对比图。表1为椭偏仪测量待测晶圆膜厚与本发明计算方法所得膜厚数值比对表。由图5可以看出，计算膜厚与实测wlrs曲线拟合良好。由下表可以看出经椭偏仪检测所得数据与本发明计算所得数据相差基本都在5nm以内，计算精度高。

技术特征：

1.基于自适应拟随机搜索的晶圆膜厚测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：采用白光发射器由空气向待测二氧化硅晶圆膜发射白光，在信号采集区域获取wlrs信号；

步骤二：将步骤一采集到的wlrs信号作为输入信号，待测膜厚以r0标志，使用自适应拟随机搜索法计算晶圆膜厚，其中自适应拟随机搜索法具体步骤如下：

步骤a：初始化膜厚参数r1＝10，r2＝1000，搜索范围均为[10,1000]，其中r2大于r1；

步骤b：依次计算r1、r2条件下的反射率谱与输入信号的均方差值，计算公式如下；

其中σra为ra膜厚下的差方和，越小表示拟合程度越高；λi是正整数且为白光(390nm-780nm)波段内波长，r0(λi)为输入值，ra(λi)为r1或r2膜厚条件下的理论反射率值；

步骤c：若σr1>σr2，则表明r2值相较于r1值更接近于r0，则通过随机数改变r1值；公式如下所示；

r1＝(r2-r1)×rand(0,1)+r1(2)

rand(0,1)表示生成0-1之间的一个随机数；

反之，若σr1<σr2，则改变r2值，公式如下所示；

r2＝r2-(r2-r1)×rand(0,1)(3)

步骤d：若|r2-r1|<10，σ<0.001则输出r1与r2，反之返回步骤c；

步骤三：将步骤二所得的r1、r2取平均，认为该平均值即为r0值；由此测得待测晶圆膜厚值。

技术总结
本发明公开了一种自适应拟随机搜索的晶圆膜厚测量方法，主要包括以下步骤：步骤一通过光谱仪测量待测二氧化硅晶圆片，获取白光反射率谱，该谱表现为该膜厚下不同波长对应的反射率关系；步骤二将步骤一采集所得的白光反射率谱信号采样作为输入参数，初始化自适应拟随机搜索法参数R1、R2，计算R1、R2的理论白光反射率谱与输入量的差方值，自适应调节R1、R2值直到均方差值小于一定的量；步骤三输出最佳参数值R1、R2，取平均值即认为是所测量晶圆膜的膜厚值。本发明将自适应随机搜索法运用在晶圆膜厚测量当中，获取精确的膜厚值，有效提高了测量值的精度。

技术研发人员：郑永军;狄韦宇;陆艺
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2020.01.13
技术公布日：2020.05.29