晶圆薄膜量测方法及装置与流程

本发明有关于一种薄膜量测方法及装置，尤指一种用于量测晶圆上的薄膜的晶圆薄膜量测方法及装置。

背景技术：

在半导体工艺中，由晶棒(ingot)切割成薄片的晶圆(wafer)，其表面可生成氧化薄膜或镀上各种不同的金属薄膜，这些薄膜可经反复的蚀刻(etching)工艺与化学机械平坦化(chemicalmechanicalplconalization；cmp)工艺形成预设的图案化结构；如图1所示，通常晶圆w上会依序堆叠形成多层薄膜f1、f2，每一层薄膜内皆有预设的图案化结构f11、f12、f13、f21、f22、f23。

在晶圆的每一层薄膜形成后，皆须由光学量测装置进行该层薄膜厚度的量测，并将量测信息回馈给操作人员或上一工艺的设备；因不同的图案化结构在加工后可对应产生不同的产品，如图2所示，晶圆w上设有四个具有不同图案化结构的区域，故光学量测装置须量测晶圆w表面不同量测位置(如图的四个区域)的薄膜厚度，这些薄膜厚度的量测，一般是将所量测到的光学数据导入预设的参数模型中，在此简单假设参数模型为a×b＝c，其中，a为图案化结构的对应参数，b为薄膜厚度，c为光学数据；因晶圆每一层薄膜内的结构皆由不同的材料与图案所构成，如图3所示，光学量测装置所发射的入射光线在进入薄膜f1、f2后，穿经不同的图案化结构，产生不同程度的散射，故其反射光线的光学数据c亦会有不同程度的变化，为了能准确运算薄膜厚度b，在量测前操作人员须针对所有预设位置的图案化结构，输入各种预设图案化结构的对应参数a以建立参数模型，以利后续薄膜厚度的运算；等于在图案化结构的对应参数a、光学数据c已知之下，将图案化结构的对应参数a、光学数据c导入参数模型运算得出薄膜厚度b。

技术实现要素：

已知薄膜厚度的计算须预先建立所有预设位置的参数模型，此举须预先得知所有位置的图案化结构的对应参数a，该图案化结构的对应参数a包含了所有光线可能穿经图案化结构的所有对应参数，该对应参数其实际上可能是由多个子参数a1、a2、a3、a4、a5、a6…所组成，参数模型的建立程序相当地复杂；且若要在量测前取得对应参数的信息，必须要知悉晶圆图案化结构的设计资料，对于实际进行量测的操作人员而言，并不易取得各厂视为机密的晶圆图案化结构设计资料。

因此，本发明的目的，在于提供一种可方便建立参数模型的晶圆薄膜量测方法。

本发明的另一目的，在于提供一种可方便建立参数模型的晶圆薄膜量测装置。

依据本发明目的的晶圆薄膜量测方法，包括以下步骤：一光学量测步骤，使一量测装置发射一入射光至一标准品的一量测位置，并接收由该量测位置所反射的反射光的一第一光学数据，该标准品为一个薄膜厚度已知的晶圆成品；一参数建立步骤，使该量测装置由该反射光的该第一光学数据，参照该已知的薄膜厚度建立参数模型；一膜厚运算步骤，使该量测装置对一与该标准品具有相同工艺的待测品进行量测，并将量测到的一第二光学数据导入该参数模型中，以运算该待测品的薄膜厚度。

依据本发明目的的另一晶圆薄膜量测方法，包括：以一量测装置对一个薄膜厚度已知的晶圆成品的标准品进行光学量测，取得一第一光学数据；以该量测装置对一晶圆待测品执行量测，以取得一第二光学数据；将该第二光学数据导入依该第一光学数据所建立的参数模型，以取得该晶圆待测品的薄膜厚度。

依据本发明另一目的的晶圆薄膜量测装置，包括：用以执行如所述的晶圆薄膜量测方法的装置。

本发明实施例的晶圆薄膜量测方法及装置，借由该量测装置对一个薄膜厚度已知的晶圆成品的标准品进行光学量测，取得一第一光学数据；以该量测装置对一晶圆待测品执行量测，以取得一第二光学数据；将该第二光学数据导入依该第一光学数据所建立的参数模型，以取得该晶圆待测品的薄膜厚度；其先采用已知薄膜厚度的晶圆成品作为标准品，可借由实际的量测结果推知原本未知的参数，可方便建立参数模型，并将该参数导入该参数模型中以量测薄膜厚度未知的待测品，省去了过往须先得知晶圆图案化结构的设计资料方能参照对应参数建立参数模型的复杂程序，亦避免了晶圆设计资料被揭露的疑虑。

附图说明

图1是本发明实施例中晶圆薄膜结构的示意图。

图2是本发明实施例中晶圆的不同量测位置的示意图。

图3是本发明实施例中光线进入不同薄膜结构的示意图。

图4是本发明实施例中量测装置的各功能单元配置的示意图。

图5是本发明实施例中量测装置使用于原位(in-situ)量测系统的示意图。

图6是本发明实施例中量测装置使用于独立(stand-alone)量测系统的示意图。

图7是本发明实施例中晶圆薄膜量测方法的的实施例的流程图。

【符号说明】

a量测装置a1第一取像单元

a2第二取像单元a21光谱仪

a3载台a31驱动机构

a4控制单元a5显示单元

b加工单元f1薄膜

f11图案化结构f12图案化结构

f13图案化结构f2薄膜

f21图案化结构f22图案化结构

f23图案化结构l收送料单元

l'收送料单元r搬送单元

r1机器手臂r'搬送单元

r1'机器手臂s1位置建立步骤

s2光学量测步骤s3参数建立步骤

s4膜厚运算步骤s5结果输出步骤

s51原位输出步骤s52独立输出步骤

w晶圆

具体实施方式

请参阅图4，本发明实施例的晶圆薄膜量测方法可使用如图所示的量测装置a作说明，该量测装置a设有包括：

一第一取像单元a1，用以执行对一晶圆w上的一量测位置的对位；

一第二取像单元a2，用以发射一入射光至该量测位置，并接收由该量测位置所反射(reflectometry)的反射光的光学数据；该第二取像单元a2设有一光谱仪a21，可使光学数据转换为光谱值；其中，该第一取像单元a1的取像倍率小于该第二取像单元a2，且该第一取像单元a1的取像视野大于第二取像单元a2；

一载台a3，用于承载该晶圆w，该载台a可受一驱动机构a31所驱动，进行平移、升降与旋转；

一控制单元a4，用以执行各单元的控制，并依该第二取像单元a2所接收的光学数据，转换光学参数并建立参数模型，且可依参数模型运算该晶圆w的薄膜厚度；

一显示单元a5，用以显示由该控制单元a4所运算出的薄膜厚度的信息。

请参阅图5，本发明实施例的量测装置a可使用在原位(in-situ)量测系统，使该量测装置a搭配在一由例如机器手臂r1进行搬送的搬送单元r的一侧，该搬送单元r另相对的两侧各设有一加工单元b与一送收料单元l；其中，该加工单元b可包含化学机械平坦化(cmp)工艺设备或化学式真空镀膜(cvd)、物理式真空镀膜(pvd)、原子层沉积(ald)等镀膜工艺设备；该晶圆w由该送收料单元l经该搬送单元r送至加工单元b加工后，会先以该搬送单元r送至该量测装置a内进行薄膜厚度的量测，再将薄膜厚度的信息输出回馈至该加工单元b，以作为该加工单元b对工序的调整，该加工后的晶圆w最终由该搬送单元r送回该收送料单元l收集。

请参阅图6，本发明实施例的量测装置a亦可使用在独立(stand-alone)量测系统，使一量测装置a搭配在一由例如机器手臂r1'进行搬送的搬送单元r'的一侧，该搬送单元r'相对的另一侧设有一收送料单元l'；该晶圆w由该收送料单元l'经该搬送单元r'送至该量测装置a量测薄膜厚度后，由该量测装置a的显示单元a5(图4)显示薄膜厚度的信息，以方便操作人员判读。

本发明实施例在实施上，包括以下步骤：

一位置建立步骤s1，使该载台a3承载一标准品位移至该量测装置a的第一取像单元a1下方，移动该载台a3，使该第一取像单元a1对该标准品上表面上的一预设位置对位，并以该控制单元a4记录该预设位置的座标，建立出该标准品上的一量测位置；其中，该标准品为一个薄膜厚度已知的晶圆w成品；

一光学量测步骤s2，使该载台a3承载该标准品位移至该量测装置a的第二取像单元a2下方，使该第二取像单元a2发射一入射光至该标准品的量测位置，并接收由该量测位置所反射的反射光的一第一光学数据；

一参数建立步骤s3，使该量测装置a的该控制单元a4由该反射光的该第一光学数据，参照该标准品已知的薄膜厚度，转换而得知原本未知的光学参数，并使用该光学参数建立参数模型；其中，该光学参数包括材料折射系数(n)、材料吸收系数(k)…等多个系数与条件的综合；假设参数模型为a×b＝c，其中，a为未知光学参数，b为已知的薄膜厚度，c为该第一光学数据，在b为已知且c可经量测得知的情形下，即可借由参数模型得知a；

一膜厚运算步骤s4，使该载台a3承载一与该标准品具有相同工艺的待测品并位移至该量测装置a的第一取像单元a1下方进行对位，并再位移至该量测装置a的第二取像单元a2下方进行量测取得一第二光学数据，将该第二光学数据导入该参数模型中，以该控制单元a4运算该待测品的薄膜厚度；其中，该标准品与该待测品同为经历蚀刻与平坦化工艺后的具有图案化结构的晶圆或同为经历镀膜工艺后的晶圆；假设参数模型为a×b'＝c，其中，a为先前经量测而知的光学参数，b'为欲得知的薄膜厚度，c为该第二光学数据，在a为已知且c可经量测得知的情形下，即可借由参数模型得知b'；

一结果输出步骤s5，使该量测装置a在运算出该待测品的薄膜厚度后，若为原位(in-situ)量测时，则以该显示单元a5显示该薄膜厚度的信息，且同时将该信息输出并传送至上一工艺(平坦化工艺、镀膜工艺)的设备(原位步骤s51)；若为独立(stand-alone)量测时，则以该显示单元a5显示该薄膜厚度的信息(独立步骤s51)。

部分晶圆w加工在晶圆w表面上会同时产生多个不同图案化结构的区域，在本发明实施例的量测方法上，为了能够对同一晶圆w上这些多个不同图案化结构区域的薄膜厚度信息取得掌握，该量测装置a在该「位置建立步骤s1」执行上，可使该第一取像单元a1逐一对该标准品表面上对应各该不同图案化结构的不同区域的多个预设位置进行对位，并以该控制单元a4记录该多个预设位置的座标，以在该标准品上建立多个量测位置，并在「膜厚运算步骤s4」中执行在这些所建立多个量测位置相对的该待测品上对应位置进行量测，以取得这些不同预设位置的各第二光学数据，俾进行这些不同预设位置薄膜厚度的演算取得。

其中，该晶圆w表面进行加工所形成的薄膜厚度皆会容许一定范围的公差，为了使量测更为精准，可增加所量测的标准品数量，在该光学量测步骤s2中采用具有包括：薄膜厚度为该公差上限的标准品、薄膜厚度为该公差下限的标准品、及薄膜厚度为该公差上、下限间的数个标准品，使该量测装置a自各标准品分别量测取得的各第一光学数据与原已知的各标准品薄膜厚度所计算出的多个光学参数，经由将各光学参数加总后除于采用的标准品数量，以取得多个标准品的平均光学参数，使该平均光学参数在更贴近实际值下，再以该平均光学参数套入如前述膜厚运算步骤s4所量测该待测品后的演算中，则所取得该待测品薄膜厚度将更为精确！

本发明实施例的晶圆薄膜量测方法及装置，借由该量测装置a对一个薄膜厚度已知的晶圆w成品的标准品进行光学量测，取得一第一光学数据；以该量测装置a对一晶圆待测品执行量测，以取得一第二光学数据；将该第二光学数据导入依该第一光学数据所建立的参数模型，以取得该晶圆待测品的薄膜厚度；其先采用已知薄膜厚度的晶圆w成品作为标准品，可借由实际的量测结果推知原本未知的参数，可方便建立参数模型，并将该参数导入该参数模型中以量测薄膜厚度未知的待测品，省去了过往须先得知晶圆w图案化结构的设计资料方能参照对应参数建立参数模型的复杂程序，亦避免了晶圆w设计资料被揭露的疑虑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。