一种透明晶圆薄膜应力测量系统的制作方法

本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种透明晶圆薄膜应力测量系统。

背景技术：

薄膜材料与技术广泛应用于在半导体各工艺制程中，在薄膜制备过程中，由于薄膜与基片的热膨胀系数不同、薄膜结构内部应力等原因，薄膜生长后往往存在应力，导致基片的翘曲变形，应力过高会导致薄膜开裂和脱落，晶圆曲率也会影响光刻精度和自动化作业，甚至导致晶圆在传输过程中碎片，造成设备污染和损坏，对制造商的经济损失巨大。薄膜应力测量有助于及时调整薄膜生长工艺，并排除坏片，提高制造效率。

传统的薄膜应力测量设备，首先测量镀膜前和镀膜后的表面曲率，然后通过手动输入膜厚、基片厚度等数据计算薄膜应力。传统的表面曲率测量方法普遍为：采用单束或多束激光照射晶圆表面，晶圆表面存在翘曲时，会影响激光的反射角度，通过传感器检测反射激光的位移，计算晶圆表面曲率。上述测量方法由于测量反射角度带来的位移，存在如下缺点：易受晶圆表面凹凸微观形状影响，增加数据处理难度；晶圆薄膜光晕严重时，反射光斑大，影响测量精度；测量精度和量程受光程长度的影响，为实现较高精度，需要较长光程，占用较大空间；光路组件调试安装要求较高，制造成本高。

硅基半导体具有耐高温、抗辐射性能好、制作方便、稳定性好、可靠度高等特点，使得大部分集成电路都是以硅为材料制作的，但是硅基半导体不适合在高频、高功率领域使用。化合物半导体具有更优越的性能和能带结构，已逐渐成为射频、光电、功率等领域不可或缺的材料。不同的化合物材料具有不同的透光度，在对化合物晶圆进行检测时，采用上述传统的表面曲率测量方法，由于材料本身透光，反射光非常微弱，无法通过检测反射光位移计算曲率。且手动输入膜厚、基片厚度的方式，存在主观性和输入误差，严重影响生产效率，计算得到的薄膜应力的精度也不够准确。

技术实现要素：

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种透明晶圆薄膜应力测量系统，采用光谱共焦测距技术自动测量透明晶圆的表面曲率、膜厚、基片厚度等应力计算参数，并解决光谱共焦测距技术在应力测量中量程和精度的应用问题。本发明的技术方案如下：

一种透明晶圆薄膜应力测量系统，包括共焦测距传感器、传感器固定台、晶圆固定台、传感器控制器、控制单元和计算机，传感器固定台对应放置在晶圆固定台的上方，共焦测距传感器放置在传感器固定台上，并带动共焦测距传感器沿水平x方向和垂直晶圆固定台z方向移动，传感器控制器连接共焦测距传感器，传感器控制器包括光源和光谱仪，光源用于提供多波长光源，光谱仪对共焦测距传感器采集的各波长的最大反射光强进行光谱分析，得到聚焦波长对应的透明晶圆聚焦表面位置至传感器测头的距离值，控制单元分别连接传感器控制器和传感器固定台，控制单元根据距离值调整传感器固定台沿x方向和z方向的位移值，以完成透明晶圆一个直径方向的测量，然后将距离值与传感器固定台对应的位移值进行处理，得到透明晶圆在镀膜前的基片厚度、基片表面曲率以及镀膜后的膜厚、覆膜表面曲率，计算机连接控制单元，用于计算透明晶圆的应力数据。

其进一步的技术方案为，控制单元根据距离值调整传感器固定台沿x方向和z方向的位移值，以完成透明晶圆一个直径方向的测量，然后将距离值与传感器固定台对应的位移值进行处理，得到透明晶圆在镀膜前的基片厚度和透明晶圆在镀膜后的膜厚的测量方法相同，包括：

控制单元控制传感器固定台沿x方向依次移动至镀膜前透明晶圆第一表面的各个厚度测量点，各个厚度测量点沿镀膜前透明晶圆第一表面的直径分布；在每个厚度测量点处，控制单元控制传感器固定台沿z方向移动，使镀膜前透明晶圆位于共焦测距传感器的测量范围中心，得到镀膜前透明晶圆的第一表面和第二表面的距离值，根据各个厚度测量点的第一表面距离值、第二表面距离值和传感器固定台的位移值计算镀膜前透明晶圆的平均厚度。

其进一步的技术方案为，控制单元根据距离值调整传感器固定台沿x方向和z方向的位移值，以完成透明晶圆一个直径方向的测量，然后将距离值与传感器固定台对应的位移值进行处理，得到透明晶圆在镀膜前的基片表面曲率和透明晶圆在镀膜后的覆膜表面曲率的测量方法相同，包括：

控制单元控制传感器固定台移动至镀膜前透明晶圆第一表面的直径边缘位置处，同时控制传感器固定台沿z方向移动直至镀膜前透明晶圆位于共焦测距传感器的测量范围中心，将该位置作为起始位置，控制传感器固定台从起始位置沿x方向依次移动至镀膜前透明晶圆第一表面的各个高度测量点，各个高度测量点沿镀膜前透明晶圆第一表面的直径分布；在每个高度测量点处，控制单元控制传感器固定台沿z方向移动，使高度测量点的距离值满足共焦测距传感器的测量阈值条件，得到高度测量点的表面位移信息，对各个高度测量点的表面位移信息进行处理得到镀膜前透明晶圆第一表面的直径方向的表面高度曲线，通过表面高度曲线计算得到镀膜前透明晶圆第一表面的曲率半径。

其进一步的技术方案为，在传感器固定台沿z方向移动过程中，若镀膜前透明晶圆的第一表面和第二表面均位于共焦测距传感器的测量范围内，则控制传感器固定台沿z方向移动至使第一表面和第二表面沿共焦测距传感器的测量范围中心呈对称分布的位置处，读取该位置对应的第一表面距离值和第二表面距离值，则厚度测量点处的基片厚度为：h＝(s2-s1)·n，其中，s1为第一表面距离值，s2为第二表面距离值，n为透明晶圆的折射率；

若镀膜前透明晶圆的第一表面和第二表面不能同时位于共焦测距传感器的测量范围内，则控制传感器固定台沿z方向移动至使第一表面位于共焦测距传感器的测量范围中心，读取该位置对应的第一表面距离值，再控制传感器固定台沿z方向移动至使第二表面位于共焦测距传感器的测量范围中心，读取该位置对应的第二表面距离值，同时读取传感器固定台沿z方向的位移值，则厚度测量点处的基片厚度为：h＝s3+(s2-s1)·n，其中，s3为传感器固定台沿z方向的位移值；

获取各个厚度测量点的基片厚度并取平均后得到镀膜前透明晶圆的平均厚度。

其进一步的技术方案为，根据共焦测距传感器的测量范围设定测量范围上限阈值和下限阈值作为测量阈值条件，在每个高度测量点处控制传感器固定台沿z方向移动过程中，若高度测量点的距离值在测量范围上限阈值和下限阈值之间，读取高度测量点的距离值记为lij，其中i为z方向调整次数，j为高度测量点的x轴坐标，则高度测量点的表面位移信息为：lj＝lij+di，其中，lj为x轴坐标j对应的表面位移信息，di为第i次调整相对起始位置的调整距离；

若高度测量点的距离值超出测量范围上限阈值或下限阈值，则控制传感器固定台沿z方向移动使高度测量点位于共焦测距传感器的测量范围中心，读取该位置对应的高度测量点的距离值记为lij，同时读取第i次传感器固定台沿z方向的位移值记为δdi，其中δdi＝p1-p2，p1为调整前第一表面距离值，p2为调整后第一表面距离值，则高度测量点的表面位移信息为：lj＝lij+di，其中，di＝di-1+δdi；

获取各个高度测量点的表面位移信息，并计算高度测量点的表面高度数据为：qj＝lmax-lj，其中，qj为x轴坐标j对应的表面高度数据，lmax为表面位移信息的最大值；

将各个高度测量点的表面高度数据进行曲线拟合得到镀膜前透明晶圆第一表面的直径方向的表面高度曲线。

其进一步的技术方案为，对镀膜后的透明晶圆再次进行透明晶圆整个直径方向的测量，得到镀膜后的基片厚度，用于校准镀膜前的基片厚度，镀膜后的透明晶圆的第三表面和第四表面均位于共焦测距传感器的测量范围内，则镀膜后基片厚度的测量方法与镀膜前基片厚度的测量方法相同，第四表面与镀膜前透明晶圆的第一表面重合。

其进一步的技术方案为，控制单元还连接晶圆固定台，当测得透明晶圆一个直径方向的应力数据后，控制单元控制晶圆固定台旋转，以完成透明晶圆多个直径方向的测量，对透明晶圆多个直径方向的应力数据取平均得到透明晶圆的平均应力。

本发明的有益技术效果是：

本申请提供的透明晶圆薄膜应力测量系统支持透明晶圆的薄膜应力测量，利用光谱共焦测距技术克服了传统表面曲率测量方法的不足，该系统能够自动测量透明晶圆镀膜前后的基片厚度、表面曲率和膜厚，消除了传统手动输入带来的误差，利用镀膜后的基片厚度校准镀膜前的基片厚度，在每次测量完透明晶圆一个直径方向的所有数据后，旋转晶圆固定台以测量多个直径方向的所有数据，提升了透明晶圆应力数据的准确度，当透明晶圆不在测量范围内时自动沿z轴移动共焦测距传感器解决了光谱共焦测距技术在应力测量中量程和精度的应用问题。

附图说明

图1是本申请提供的透明晶圆薄膜应力测量系统的结构示意图。

图2是本申请提供的共焦测距传感器与镀膜后透明晶圆的放大示意图。

图3是本申请提供的计算透明晶圆薄膜应力的方法流程图。

图4是本申请提供的测量透明晶圆基片厚度的方法流程图。

图5是本申请提供的厚度测量点在一个直径方向上的分布图。

图6是本申请提供的测量透明晶圆表面曲率的方法流程图。

图7(a)是本申请提供的根据高度测量点的距离值绘制的距离值变化曲线图。

图7(b)是本申请提供的根据表面位移信息绘制的位移曲线图。

图7(c)是本申请提供的根据表面高度数据绘制的表面高度变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种透明晶圆薄膜应力测量系统，利用光谱共焦测距技术实现对透明晶圆薄膜应力的测量，该测量系统包括共焦测距传感器1、传感器固定台2、晶圆固定台3、传感器控制器4、控制单元5和计算机6。

本申请的共焦测距传感器1基于基恩士的cl-p007型号实现，测量范围为7mm±0.5mm，直线性误差±0.55um，内部集合了衍射透镜等光路组件，不会产生元器件发热等不稳定问题。光谱共焦测距技术利用衍射透镜等光路组件，将不同波长的光聚焦在不同的光轴位置，由此形成波长焦点与距离的对应关系。当被测物处于测量范围时，只有一种波长的光聚焦在被测表面，将反射光折射到穿孔小板时，聚焦波长的反射光通过小孔时光强最强，其它波长由于处于离焦状态，因此反射光通过小孔的光强较弱，通过光谱仪检测最大反射光强的波长，即可得到距离信息。与激光三角测量法相比，该方法具有发射光与反射光同轴、锥状光线聚焦、焦点测距等特点，不受被测物高度变化的阴影影响、支持更大倾斜角度，能够更好的支持镜面和透明物体的测量。光谱共焦测距技术可以测量透明物体中每一层发射面的高度，进而计算出每一层的厚度信息。

测量系统的结构示意图如图1所示，传感器固定台2对应放置在晶圆固定台3的上方，共焦测距传感器1放置在传感器固定台2上，并带动共焦测距传感器1沿水平x方向和垂直晶圆固定台3z方向移动，传感器控制器4连接共焦测距传感器1，传感器控制器4包括光源和光谱仪，光源用于提供多波长光源，光谱仪对共焦测距传感器1采集的各波长的最大反射光强进行光谱分析，得到聚焦波长对应的透明晶圆聚焦表面位置至传感器测头的距离值，控制单元5分别连接传感器控制器4和传感器固定台2，控制单元5根据距离值调整传感器固定台2沿x方向和z方向的位移值，以完成透明晶圆一个直径方向的测量，然后将距离值与传感器固定台2对应的位移值进行处理，得到透明晶圆在镀膜前的基片厚度、基片表面曲率以及镀膜后的膜厚、覆膜表面曲率，计算机6连接控制单元5，用于计算透明晶圆的应力数据。

结合图2示出的共焦测距传感器与镀膜后透明晶圆的放大示意图，利用测量系统计算透明晶圆薄膜应力的测量方法流程图如图3所示，包括如下步骤：

步骤1、获取透明晶圆在镀膜前的基片厚度。该步骤流程图如图4所示，包括如下分步骤：

步骤11、控制单元5控制传感器固定台2沿x方向移动至镀膜前透明晶圆第一表面的厚度测量点7。如图5所示，各个厚度测量点7沿镀膜前透明晶圆第一表面的直径分布，厚度测量点7至少设置五个点位。可选的，本申请在镀膜前透明晶圆第一表面的一个直径方向上等间隔依次布置有五个厚度测量点7。

步骤12、在每个厚度测量点7处，控制单元5控制传感器固定台2沿z方向移动，使镀膜前透明晶圆位于共焦测距传感器1的测量范围中心，得到镀膜前透明晶圆的第一表面和第二表面的距离值。

步骤121、在传感器固定台2沿z方向移动过程中，若镀膜前透明晶圆的第一表面和第二表面均位于共焦测距传感器1的测量范围内，则控制传感器固定台2沿z方向移动至使第一表面和第二表面沿共焦测距传感器1的测量范围中心呈对称分布的位置处，读取该位置对应的第一表面距离值和第二表面距离值，则厚度测量点7处的基片厚度为：h＝(s2-s1)·n，其中，s1为第一表面距离值，s2为第二表面距离值，n为透明晶圆的折射率。

步骤122、在传感器固定台2沿z方向移动过程中，若镀膜前透明晶圆的第一表面和第二表面不能同时位于共焦测距传感器1的测量范围内，则控制传感器固定台2沿z方向移动至使第一表面位于共焦测距传感器1的测量范围中心，读取该位置对应的第一表面距离值，再控制传感器固定台2沿z方向缓慢精密移动至使第二表面位于共焦测距传感器1的测量范围中心，读取该位置对应的第二表面距离值，同时读取传感器固定台2沿z方向的位移值，则厚度测量点7处的基片厚度为：h＝s3+(s2-s1)·n，其中，s3为传感器固定台2沿z方向的位移值。

步骤13、判断所有厚度测量点7是否依次测量完毕，若没有则重新执行控制单元5控制传感器固定台2沿x方向移动至镀膜前透明晶圆第一表面的厚度测量点7，也即进入步骤11，否则进入步骤14。

步骤14、根据各个厚度测量点7的第一表面距离值、第二表面距离值和传感器固定台2的位移值计算镀膜前透明晶圆的平均厚度。

获取各个厚度测量点7的基片厚度并取平均后得到镀膜前透明晶圆的平均厚度。

步骤2、获取透明晶圆在镀膜前的基片表面曲率。该步骤流程图如图6所示，包括如下分步骤：

步骤21、控制单元5控制传感器固定台2移动至镀膜前透明晶圆第一表面的直径边缘位置处，同时控制传感器固定台2沿z方向移动直至镀膜前透明晶圆位于共焦测距传感器1的测量范围中心，将该位置作为起始位置，控制传感器固定台2从起始位置沿x方向移动至镀膜前透明晶圆第一表面的高度测量点。各个高度测量点沿镀膜前透明晶圆第一表面的直径分布，本申请的高度测量点为该直径方向上的所有点位。

步骤22、在每个高度测量点处，控制单元5控制传感器固定台2沿z方向移动，使高度测量点的距离值满足共焦测距传感器1的测量阈值条件，得到高度测量点的表面位移信息。根据高度测量点的距离值绘制的距离值变化曲线图如图7(a)所示，根据共焦测距传感器1的测量范围设定测量范围上限阈值和下限阈值作为测量阈值条件。

步骤221、在每个高度测量点处控制传感器固定台2沿z方向移动过程中，若高度测量点的距离值在测量范围上限阈值和下限阈值之间，读取高度测量点的距离值记为lij，其中i为z方向调整次数，j为高度测量点的x轴坐标，则高度测量点的表面位移信息为：lj＝lij+di，其中，lj为x轴坐标j对应的表面位移信息，di为第i次调整相对起始位置的调整距离，在初始位置时，δdi＝0，i＝0。根据表面位移信息绘制的位移曲线图如图7(b)所示。

步骤222、在每个高度测量点处控制传感器固定台2沿z方向移动过程中，若高度测量点的距离值超出测量范围上限阈值或下限阈值，则控制传感器固定台2沿z方向缓慢精密移动使高度测量点位于共焦测距传感器1的测量范围中心，读取该位置对应的高度测量点的距离值记为lij，同时读取第i次传感器固定台2沿z方向的位移值记为δdi，其中δdi＝p1-p2，p1为调整前第一表面距离值，p2为调整后第一表面距离值，则高度测量点的表面位移信息为：lj＝lij+di，其中，di＝di-1+δdi。

步骤23、判断所有高度测量点是否依次测量完毕，也即判断共焦测距传感器1是否离开透明晶圆上方，若没有则重新执行控制传感器固定台2沿x方向移动至镀膜前透明晶圆第一表面的高度测量点，否则进入步骤24。

步骤24、对各个高度测量点的表面位移信息进行处理得到镀膜前透明晶圆第一表面的直径方向的表面高度曲线，通过表面高度曲线计算得到镀膜前透明晶圆第一表面的曲率半径。

获取各个高度测量点的表面位移信息，并计算高度测量点的表面高度数据为：qj＝lmax-lj，其中，qj为x轴坐标j对应的表面高度数据，lmax为表面位移信息的最大值，根据表面高度数据绘制的表面高度变化曲线图如图7(c)所示。将各个高度测量点的表面高度数据进行曲线拟合得到镀膜前透明晶圆第一表面的直径方向的表面高度曲线。通过表面高度曲线计算得到镀膜前透明晶圆第一表面的曲率半径，比如采用最小二乘法拟合圆计算曲率半径，该计算方法已有大量成熟研究，本实施例不再赘述。

步骤3、获取透明晶圆在镀膜后的膜厚。该步骤与获取透明晶圆在镀膜前的基片厚度的方法中的子步骤121相同，在此不进行赘述。

可选的，还可以对镀膜后的透明晶圆再次进行透明晶圆整个直径方向的测量，得到镀膜后的基片厚度，用于校准镀膜前的基片厚度，由于晶圆膜厚远小于基片厚度，因此步骤3忽略薄膜的折射影响。镀膜后的透明晶圆的第三表面和第四表面均位于共焦测距传感器1的测量范围内，则镀膜后基片厚度的测量方法与镀膜前基片厚度的测量方法相同(也即步骤1)，在此不进行赘述，第四表面与镀膜前透明晶圆的第一表面重合。

步骤4、获取透明晶圆在镀膜后的覆膜表面曲率。该步骤与获取透明晶圆在镀膜前的基片表面曲率(也即步骤2)方法相同，在此不进行赘述。

步骤5、在计算机6中，采用stoney公式计算透明晶圆一个直径方向的应力数据。

其中，σf为薄膜应力(pa)，es为透明晶圆的弹性模量，vs为透明晶圆的泊松比，hs为透明晶圆的基片厚度(m),tf为薄膜厚度(m)，r1为镀膜前表面曲率半径(m)，r2为镀膜后表面曲率半径(m)。

stoney公式要求膜厚远小于基片厚度，透明晶圆覆膜满足此要求，且计算和测量时也以膜厚远小于基片厚度为前提条件。

步骤6、控制单元5还连接晶圆固定台3，当测得透明晶圆一个直径方向的应力数据后，控制单元5控制晶圆固定台3旋转，重新执行步骤1以完成透明晶圆多个直径方向的测量，对透明晶圆多个直径方向的应力数据取平均得到透明晶圆的平均应力。

本申请提供的侧脸系统能够自动测量透明晶圆镀膜前后的基片厚度、表面曲率和膜厚，消除了传统手动输入带来的误差，利用镀膜后的基片厚度校准镀膜前的基片厚度，在每次测量完透明晶圆一个直径方向的所有数据后，旋转晶圆固定台以测量多个直径方向的所有数据，提升了透明晶圆应力数据的准确度。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。