CN109916347A - 一种基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于硅晶片测量领域，公开一种基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法，其特征在于，包括如下步骤，1）选取近红外宽带光源的测量装置；2）搭建出具有可移动参考臂和测量臂的迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的电路板对步进电机进行控制，从而使参考臂和测量臂之间的光程差渐变，实现对硅晶片待测表面的扫描干涉；3）最后利用近红外相机连续拍摄干涉图，通过算法解调出干涉信息得到需要测量的掺杂硅晶片物理特性。提高了硅晶片测量精度和干涉条纹对比度及表面形貌重构的效率和精度。

Description

一种基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法

技术领域

本发明属于硅晶片测量领域，尤其涉及一种基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法。

背景技术

硅晶片作为基底被广泛用于半导体生产。目前，半导体在朝着更大的尺寸，更薄的厚度发展。大尺寸可以增加半导体生产的产量，更薄的硅晶片有利于半导体的3D封装，在一定的区域内把硅晶片堆叠起来以获得更高的性能。在光刻工艺中，光通过掩膜上的图案透射，经过光学成像系统投射到硅晶片表面上。如果硅晶片的几何厚度变化大于成像系统的焦深，则制造的图案可能变形甚至无用。

传统的白光干涉测量中，由于白光的低时间相干性，其相干长度极短，只有在测量光路和参考光路相等的情况下进行测量，导致非常有限的测量长度，且视场范围只能达到几个平方毫米。受限于光源的特性和光路结构，目前的光学干涉表面形貌测量技术无法同时实现多目标高速、高精度、大量程、大视场的表面形貌测量，同时由于硅晶片的掺杂特性，白光不能有效穿透硅晶片测得硅晶片后表面形貌

根据宽带光源的性质，低相干扫描干涉的包络图可以在时间上进行局部化，使低相干扫描干涉不受典型相移干涉测量中出现的2π模糊问题的影响。国外学者在低相干扫描干涉的基础上使用二次采样方法、引入偏角误差分析，提高了对硅晶片表面的测量精度，减少了测量时间。韩国科学技术研究院(KAIST)创造性地提出了飞秒激光频率梳扫频低相干干涉表面轮廓测量技术，在解决了普通激光干涉出现寄生条纹问题的同时，又解决了白光干涉测量视场范围限制的问题。但是该方法依然不能解决掺杂硅晶片后表面测量的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决这一问题，提供一种基于近红外低相干光(SLD)掺杂硅晶片表面形貌测量方法，该方法基于迈克尔逊干涉系统的近红外低相干光(SLD)扫描干涉测量可以实现对掺杂硅晶片的表面形貌在线测量。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法，包括如下步骤，

1)选取近红外宽带光源的测量装置；选取了中心波长为1550nm，带宽为50nm的近红外光源。

2)搭建具有可移动参考臂和测量臂的迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的电路板对步进电机进行控制，从而使参考光路和被测光路的光程差渐变，实现对硅晶片待测表面的扫描干涉；

3)最后利用近红外相机连续拍摄干涉图，通过算法解调出干涉信息得到需要测量的掺杂硅晶片物理特性。

优选地，所述测量装置，包括超辐射发光二极管1、单模光纤2、聚焦透镜3、薄膜分束器4、线偏振片5、成像透镜6、近红外相机7、掺杂硅镜片8、四分之一波片9、参考反射镜10、步进电机11、STM32开发板12，将超辐射发光二极管1、单模光纤2、聚焦透镜3、薄膜分束器4、线偏振片5、成像透镜6、掺杂硅镜片8、四分之一波片9、参考反射镜10通过笼式系统顺序排列搭建，使超辐射发光二极管1、单模光纤2、聚焦透镜3、薄膜分束器4、四分之一波片9、掺杂硅镜片8光轴在同一高度，所述STM32开发板12控制步进电机11，所述掺杂硅晶片8固定在步进电机11上，所述近红外相机7接收经过成像透镜6的光信号。

优选地，所述近红外相机为含镜头的NIR-CCD，输出信号格式为14bitCameraLink，帧率为346Hz。

优选地，所述近红外相机7、图像采集卡13、电脑14构成迈克尔逊干涉仪用于对干涉信号进行处理。

优选地，所述迈克尔逊干涉仪使用LABVIEW采集图像数据，并利用图像处理软件对采集图像数据进行分析，得到干涉信号，最后重构前后表面形貌。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本发明基于近红外低相干光对掺杂硅晶片进行表面形貌测量的方法，相较于以往的表面形貌测量方法，有如下优点：实现了对掺杂硅晶片后表面形貌的测量；使用了步进电机移动被测目标，提高了测量的量程；利用了SLD的低时间相干性和高空间相干性，提高了测量精度；使用了线偏振片和四分之一波片的组合，提高了干涉条纹对比度；使用加权递归质心算法，提高了表面形貌重构的效率和精度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法的系统示意图。

图2为本发明掺杂硅晶片表面形貌测量原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法，包括如下步骤，

1)选取近红外宽带光源的测量装置；选取了中心波长为1550nm，带宽为50nm的近红外光源。

2)搭建具有可移动参考臂和测量臂的迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的电路板对步进电机进行控制，从而使参考光路和被测光路的光程差渐变，实现对硅晶片待测表面的扫描干涉；

3)最后利用近红外相机连续拍摄干涉图，通过算法解调出干涉信息得到需要测量的掺杂硅晶片物理特性。

如图1所示，所述测量装置，包括超辐射发光二极管1、单模光纤2、聚焦透镜3、薄膜分束器4、线偏振片5、成像透镜6、近红外相机7、掺杂硅镜片8、四分之一波片9、参考反射镜10、步进电机11、STM32开发板12，将超辐射发光二极管1、单模光纤2、聚焦透镜3、薄膜分束器4、线偏振片5、成像透镜6、掺杂硅镜片8、四分之一波片9、参考反射镜10通过笼式系统顺序排列搭建，使超辐射发光二极管1、单模光纤2、聚焦透镜3、薄膜分束器4、四分之一波片9、掺杂硅镜片8光轴在同一高度，STM32开发板12控制步进电机11，所述掺杂硅晶片8固定在步进电机11上，所述近红外相机7接收经过成像透镜6的光信号。所述近红外相机为含镜头的NIR-CCD，输出信号格式为14bit CameraLink，帧率为346Hz，图像采集卡是美国EPIX公司的CI EB1型号。

优选地，所述近红外相机7、图像采集卡13、电脑14构成迈克尔逊干涉仪用于对干涉信号进行处理。所述迈克尔逊干涉仪使用LABVIEW采集图像数据，并利用图像处理软件对采集图像数据进行分析，得到干涉信号，最后重构前后表面形貌。

工作原理详细说明如下：

基于近红外低相干光(SLD)对掺杂硅晶片进行表面形貌测量，主要是利用近红外光可以穿透掺杂硅晶片的特性，从而在迈克尔逊干涉系统的基础上，得到掺杂硅晶片的相关信息。

迈克尔逊干涉系统是固定参考臂和测量臂，使两者之间光程差为零时得到干涉。本发明中由于需要复原整个硅晶片的表面形貌，所以将经典的迈克尔逊干涉系统进行了改进，把其中固定的测量臂改为可移动的，利用微米级精度的步进电机来精确控制参考臂与测量臂之间的光程差，实现硅晶片表面所有点的扫描干涉。

硅晶片表面三维形貌复原。如图2所示，表面形貌的测量原理，被测目标在微观结构中是凹凸不平的，假设参考镜是理想光滑平面，当参考镜移动，经过1、2、3位置时，参考臂的光程分别与被测物体表面的1、2、3点的光程相等，此时三个点的干涉条纹的强度分布是不同的。因此，对每个检测点的干涉信号进行处理后，可以得到物体表面的高度分布。

本发明的具体实施方法详细说明如下：

1、主要包括如下部分：

第一，近红外光源(SLD)。由于硅晶片对于可见光是不可穿透的，但是短波红外光是可以穿透未掺杂的硅晶片。基于这个特性，选取了中心波长为1550nm，带宽为50nm的近红外光源(SLD)。其参数与出厂参数略有差异，实际中心波长是1560nm，为了提高精度，本发明中表面重构算法使用的是1560nm。

第二，迈克尔逊干涉系统。由于硅晶片的掺杂性，其后表面反射回的光非常弱，因此使用了线偏振片5，四分之一波片9，通过调节线偏振片的偏振角度，使测量光与参考光光强一致，使条纹对比度达到较大水平。聚焦透镜3和成像透镜6均具有消色差特性，在测量后表面形貌时可以减小色差引起的误差。

第三，驱动控制系统与数据采集系统。测量时，使用STM32开发板12控制步进电机11，掺杂硅晶片8固定在步进电机上，使其按照一定的速度沿着光轴移动。近红外相机7(NIR-CCD，含镜头)控制曝光时间和帧速率，使图像采集速率满足奈奎斯特采样定律。

2、硅晶片表面三维形貌重构。表面形貌的测量原理如图2：被测目标在微观结构中是凹凸不平的，假设参考镜是理想光滑平面，当硅晶片移动，经过1、2、3位置时，参考臂的光程分别与被测物体表面的1、2、3点的光程相等，当任一点光程相等时，光强出现峰值，记录步进电机的位置。1、2、3点的干涉条纹的光强出现峰值时步进电机是在不同位置。因此，各个点干涉强度出现峰值时对应的步进电机的位置之差反映出这些点之间的高度差。掺杂硅晶片后表面反射回的光特别弱，除了在设备上解决该问题，本发明运用了加权递归质心算法来实现3D表面形貌重构。

以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法，其特征在于，包括如下步骤，

1）选取近红外宽带光源的测量装置；

2）搭建出具有可移动参考臂和测量臂的迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的电路板对步进电机进行控制，从而使参考臂和测量臂之间的光程差渐变，实现对硅晶片待测表面的扫描干涉；

3）最后利用近红外相机连续拍摄干涉图，通过算法解调出干涉信息得到需要测量的掺杂硅晶片物理特性。

2.根据权利要求1所述一种基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法，其特征在于，所述测量装置，包括超辐射发光二极管（1）、单模光纤（2）、聚焦透镜（3）、薄膜分束器（4）、线偏振片（5）、成像透镜（6）、近红外相机（7）、掺杂硅镜片（8）、四分之一波片（9）、参考反射镜（10）、步进电机（11）、STM32开发板（12），将超辐射发光二极管（1）、单模光纤（2）、聚焦透镜（3）、薄膜分束器（4）、线偏振片（5）、成像透镜（6）、掺杂硅镜片（8）、四分之一波片（9）、参考反射镜（10）通过笼式系统顺序排列搭建，使超辐射发光二极管（1）、单模光纤（2）、聚焦透镜（3）、薄膜分束器（4）、四分之一波片（9）、掺杂硅镜片（8）光轴在同一高度，所述STM32开发板（12）控制步进电机（11），所述掺杂硅晶片（8）固定在步进电机（11）上，所述近红外相机（7）接收经过成像透镜（6）的光信号。

3.根据权利要求2所述一种基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法，其特征在于，所述近红外相机为含镜头的NIR-CCD，输出信号格式为14bit CameraLink，帧率为346Hz。

4.根据权利要求1所述一种基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法，其特征在于，所述近红外相机（7）、图像采集卡（13）、电脑（14）构成迈克尔逊干涉仪用于对干涉信号进行处理。

5.根据权利要求1所述一种基于近红外低相干光掺杂硅晶片表面形貌测量方法，其特征在于，步骤二，所述迈克尔逊干涉仪使用LABVIEW采集图像数据，并利用图像处理软件对采集图像数据进行分析，得到干涉信号，最后重构前后表面形貌。