CN117288107A - 晶圆群折射率与几何厚度同步测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种晶圆群折射率与几何厚度同步测量装置及方法，该装置包括一宽带光源、一2×2单模光纤耦合器、一参考臂、一探测臂、一位移台、一旋转台、一光谱仪和一用于控制信号采集的上位机；探测臂安装于位移台上，旋转台上设置被测目标；宽带光源辐射出宽带光进入到光纤耦合器中后被分为参考光与探测光；参考光进入参考臂后原路反射回光纤耦合器中；探测光经探测臂照射至被测目标上，被测目标的不同结构层将探测光反射回光纤耦合器中；返回的探测光与参考光的干涉信号进入光谱仪，而后聚焦至CCD相机；CCD相机的成像传输至上位机中。该装置及方法有利于高效、准确地对晶圆的几何厚度与群折射率进行同步测量。
Description
技术领域
本发明涉及非接触式光学测量技术领域，具体涉及一种晶圆群折射率与几何厚度同步测量装置及方法。
背景技术
随着5G和智能物联网时代的到来，尤其是在智慧城市、人工智能、自动驾驶等领域对芯片算力的需求逐渐提高，要求芯片需要具有更复杂的结构与制造精度，对芯片的制造、封装、测试提出了更高的要求。晶圆群折射率与几何厚度作为芯片测试里的一个重要参数，其主流检测方法为椭圆偏振法和光谱/白光共焦法厚度测量技术。椭圆偏振法利用光波的相位进行厚度探测，检测精度极高，然而其对多层结构检测结果可靠性低且检测效率低；光谱/白光共焦法厚度测量技术利用厚度与波长的映射关系进行测量，检测效率高但检测精度有所不足。且现有方法无法实现晶圆折射率与厚度的同步测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶圆群折射率与几何厚度同步测量装置及方法，该装置及方法有利于高效、准确地对晶圆的几何厚度与群折射率进行同步测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种晶圆群折射率与几何厚度同步测量装置，包括一宽带光源、一2×2单模光纤耦合器、一参考臂、一探测臂、一位移台、一旋转台、一光谱仪和一用于控制信号采集的上位机；所述探测臂安装于位移台上，所述旋转台上设置被测目标；所述宽带光源辐射出宽带光进入到2×2单模光纤耦合器中后被分为参考光与探测光；所述参考光被参考臂中的第一准直透镜准直成平行光并被第一聚焦透镜聚焦后照射到第一反射镜上，所述第一反射镜将参考光原路反射回2×2单模光纤耦合器中；所述探测光被探测臂中的第二准直透镜准直成平行光并被第二聚焦透镜聚焦后照射至被测目标上，被测目标的不同结构层将探测光反射回2×2单模光纤耦合器中；返回的探测光与参考光在2×2单模光纤耦合器处相遇并形成干涉，干涉信号进入到光谱仪中，被光谱仪中的光纤准直器准直成平行光后照射到反射式光栅中，光束被反射式光栅按波长展开后被第二反射镜反射，垂直进入第三聚焦透镜中，被其聚焦至CCD相机中；所述CCD相机的成像传输至上位机中。
进一步地，所述参考臂的长度可调节，用于调节参考光与探测光的光程差。
进一步地，所述探测臂位于旋转台上方，所述探测臂在位移台的驱动下进行水平及上下移动，上下移动用于调节探测光在样品中的聚焦位置，水平移动用于调节检测位置。
进一步地，所述旋转台具有陶瓷盘，所述旋转台带动陶瓷盘转动，转动到设定位置后旋转台发出脉冲信号触发光谱仪进行干涉信号采集。
本发明还提供了基于上述装置的晶圆群折射率与几何厚度同步测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：宽带光源辐射出宽带光进入到2×2单模光纤耦合器中后被分为参考光与探测光；
步骤S2：参考光被参考臂中的第一准直透镜准直成平行光并被第一聚焦透镜聚焦后照射到第一反射镜上，第一反射镜将参考光原路反射回2×2单模光纤耦合器中；
步骤S3：探测光被探测臂中的第二准直透镜准直成平行光并被第二聚焦透镜聚焦后照射至被测目标上，被测目标的不同结构层将探测光反射回2×2单模光纤耦合器中；
步骤S4：返回的探测光与参考光在2×2单模光纤耦合器处相遇并形成干涉，干涉信号被光谱仪所探测并照射到CCD相机中；CCD相机采集干涉信号传输至上位机中；
步骤S5：循环步骤S1-S4，采集旋转台上无晶圆样品的陶瓷盘的干涉信号和有晶圆样品的陶瓷盘的干涉信号；
步骤S6：利用汉宁窗能量重心法对干涉信号的频率进行估计，精确计算无晶圆样品的陶瓷盘、有晶圆样品的陶瓷盘和晶圆上下层相对于参考臂的位置，分别记为d0、d'0、d1、d2；
步骤S7：基于上述结果计算晶圆几何厚度与群折射率。
进一步地，所述光谱仪测量的无晶圆样品的陶瓷盘的单频干涉信号如下：
其中，第1项为直流项，第2项为干涉信号项；Sr(k)为参考光的谱功率分布函数；S0(k)为陶瓷盘反射而回的探测光的谱功率分布函数；k为波数，光源的波长与波数满足关系：k＝2π/λ；2d0表示从陶瓷盘反射而回的探测光与参考光的光程差；Re表示复数域干涉信号的实部部分；
所述光谱仪测量的有晶圆样品的陶瓷盘的单频干涉信号如下：
其中，第1项为直流项，第2、3、4项为自相干项，第5、6、7项为干涉信号项；Sr(k)为参考光的谱功率分布函数；S'0(k)为从陶瓷盘反射而回的探测光的谱功率分布函数；S1(k)为从晶圆下表面反射而回的探测光的谱功率分布函数；S2(k)为从晶圆上表面反射而回的探测光的谱功率分布函；k为波数，光源的波长与波数满足关系：k＝2π/λ；2d01表示从陶瓷盘反射而回的探测光与从晶圆下表面反射而回的探测光的光程差；2d02表示从陶瓷盘反射而回的探测光与从晶圆上表面反射而回的探测光的光程差；2d12表示从晶圆上表面反射而回的探测光与从晶圆上表面反射而回的探测光的光程差；2d'0表示从参考臂反射而回的参考光与从陶瓷盘反射而回的探测光的光程差；2d1表示从参考臂反射而回的参考光与从晶圆下表面反射而回的探测光的光程差；2d2表示从参考臂反射而回的参考光与从晶圆上表面反射而回的探测光的光程差；Re表示复数域干涉信号的实部部分；考虑到自相干项相较于干涉项较为微弱，将其忽略，将式(2)简化为：
对式(1)和式(3)的干涉信号进行快速傅里叶变换，具体为：
其中，δ为尤拉克函数；
使用汉宁窗能量重心法与式(4)和式(5)相结合，精确计算出d0、d'0、d1、d2。
进一步地，将计算出的d0、d'0、d1、d2代入下式，计算出晶圆几何厚度和群折射率：
其中，d为晶圆几何厚度，ns为晶圆群折射率，nair为空气的折射率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过装置的结构设计并采用相应的测量方法，可以实现对晶圆几何厚度与群折射率的同步测量，检测效率、检测精度及检测可靠性高，具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的装置结构示意图；
图2为本发明实施例的检测原理框图；
图3为本发明实施例中信号处理过程示意图；
图4为本发明实施例中汉宁窗能量重心法的实新原理图。
图中：1-宽带光源，2-2×2单模光纤耦合器，3-参考臂，4-第一准直镜，5-第一聚焦透镜，6-第一反射镜，7-探测臂，8-第二准直镜，9-第二聚焦透镜，10-位移台，11-旋转台，12-陶瓷盘，13-晶圆，14-上位机，15-CCD相机，16-第三聚焦透镜，17-反射式光栅，18-光纤准直器，19-第二反射镜。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种晶圆群折射率与几何厚度同步测量装置，包括：一宽带光源1、一2×2单模光纤耦合器2、一参考臂3、一探测臂7、一位移台10、一旋转台11、一光谱仪和一用于控制信号采集的上位机14。探测臂7安装于位移台10上，旋转台11上设置被测目标。
宽带光源1辐射出宽带光进入到2×2单模光纤耦合器2中后被分为参考光与探测光；参考光被参考臂3中的第一准直透镜4准直成平行光并被第一聚焦透镜5聚焦后照射到第一反射镜6上，第一反射镜6将参考光原路反射回2×2单模光纤耦合器2中；探测光被探测臂7中的第二准直透镜8准直成平行光并被第二聚焦透镜9聚焦后照射至被测目标(晶圆13)上，被测目标的不同结构层将探测光反射回2×2单模光纤耦合器2中；返回的探测光与参考光在2×2单模光纤耦合器2处相遇并形成干涉，干涉信号进入到光谱仪中，被光谱仪中的光纤准直器18准直成平行光后照射到反射式光栅17中，光束被反射式光栅17按波长展开后被第二反射镜19反射，垂直进入第三聚焦透镜16中，被其聚焦至CCD相机15中；CCD相机15的成像传输至上位机中。
在本实施例中，参考臂3的长度可调节，用于调节参考光与探测光的光程差。
在本实施例中，探测臂7位于旋转台11上方，探测臂7在位移台10的驱动下进行水平及上下移动，上下移动用于调节探测光在样品中的聚焦位置，水平移动用于调节检测位置。
在本实施例中，旋转台11具有陶瓷盘12，旋转台11带动陶瓷盘12转动，转动到设定位置后旋转台发出脉冲信号触发光谱仪进行干涉信号采集。
如图2-3所示，本实施例还提供了基于上述装置的晶圆群折射率与几何厚度同步测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：宽带光源辐射出宽带光进入到2×2单模光纤耦合器中后被分为参考光与探测光。
步骤S2：参考光被参考臂中的第一准直透镜准直成平行光并被第一聚焦透镜聚焦后照射到第一反射镜上，第一反射镜将参考光原路反射回2×2单模光纤耦合器中。
步骤S3：探测光被探测臂中的第二准直透镜准直成平行光并被第二聚焦透镜聚焦后照射至被测目标上，被测目标的不同结构层将探测光反射回2×2单模光纤耦合器中。
步骤S4：返回的探测光与参考光在2×2单模光纤耦合器处相遇并形成干涉，干涉信号被光谱仪所探测并照射到CCD相机中；CCD相机采集干涉信号传输至上位机中。
步骤S5：循环步骤S1-S4，采集旋转台上无晶圆样品的陶瓷盘的干涉信号和有晶圆样品的陶瓷盘的干涉信号。
步骤S6：利用汉宁窗能量重心法对干涉信号的频率进行估计，精确计算无晶圆样品的陶瓷盘、有晶圆样品的陶瓷盘和晶圆上下层相对于参考臂的位置，分别记为d0、d'0、d1、d2。
步骤S7：基于上述结果计算晶圆几何厚度与群折射率。
具体地，光谱仪测量的无晶圆样品的陶瓷盘的单频干涉信号如下：
其中，第1项为直流项，第2项为干涉信号项；Sr(k)为参考光的谱功率分布函数；S0(k)为陶瓷盘反射而回的探测光的谱功率分布函数；k为波数，光源的波长与波数满足关系：k＝2π/λ；2d0表示从陶瓷盘反射而回的探测光与参考光的光程差；Re表示复数域干涉信号的实部部分。
光谱仪测量的有晶圆样品的陶瓷盘的单频干涉信号如下：
其中，第1项为直流项，第2、3、4项为自相干项，第5、6、7项为干涉信号项；Sr(k)为参考光的谱功率分布函数；S'0(k)为从陶瓷盘反射而回的探测光的谱功率分布函数；S1(k)为从晶圆下表面反射而回的探测光的谱功率分布函数；S2(k)为从晶圆上表面反射而回的探测光的谱功率分布函；k为波数，光源的波长与波数满足关系：k＝2π/λ；2d01表示从陶瓷盘反射而回的探测光与从晶圆下表面反射而回的探测光的光程差；2d02表示从陶瓷盘反射而回的探测光与从晶圆上表面反射而回的探测光的光程差；2d12表示从晶圆上表面反射而回的探测光与从晶圆上表面反射而回的探测光的光程差；2d'0表示从参考臂反射而回的参考光与从陶瓷盘反射而回的探测光的光程差；2d1表示从参考臂反射而回的参考光与从晶圆下表面反射而回的探测光的光程差；2d2表示从参考臂反射而回的参考光与从晶圆上表面反射而回的探测光的光程差；Re表示复数域干涉信号的实部部分；考虑到自相干项相较于干涉项较为微弱，将其忽略，将式(2)简化为：
对式(1)和式(3)的干涉信号进行快速傅里叶变换，具体为：
其中，δ为尤拉克函数。
使用汉宁窗能量重心法与式(4)和式(5)相结合，精确计算出d0、d'0、d1、d2。在本实施例中，如图4所示，利用P1、P2、P3、P4和P5的能量计算出脉冲信号的能量重心。
其中，zres为系统的轴向分辨率。
将计算出的d0、d'0、d1、d2代入下式，计算出晶圆几何厚度和群折射率：
其中，d为晶圆几何厚度，ns为晶圆群折射率，nair为空气的折射率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种晶圆群折射率与几何厚度同步测量装置，其特征在于，包括一宽带光源、一2×2单模光纤耦合器、一参考臂、一探测臂、一位移台、一旋转台、一光谱仪和一用于控制信号采集的上位机；所述探测臂安装于位移台上，所述旋转台上设置被测目标；所述宽带光源辐射出宽带光进入到2×2单模光纤耦合器中后被分为参考光与探测光；所述参考光被参考臂中的第一准直透镜准直成平行光并被第一聚焦透镜聚焦后照射到第一反射镜上，所述第一反射镜将参考光原路反射回2×2单模光纤耦合器中；所述探测光被探测臂中的第二准直透镜准直成平行光并被第二聚焦透镜聚焦后照射至被测目标上，被测目标的不同结构层将探测光反射回2×2单模光纤耦合器中；返回的探测光与参考光在2×2单模光纤耦合器处相遇并形成干涉，干涉信号进入到光谱仪中，被光谱仪中的光纤准直器准直成平行光后照射到反射式光栅中，光束被反射式光栅按波长展开后被第二反射镜反射，垂直进入第三聚焦透镜中，被其聚焦至CCD相机中；所述CCD相机的成像传输至上位机中。
2.根据权利要求1所述的晶圆群折射率与几何厚度同步测量装置，其特征在于，所述参考臂的长度可调节，用于调节参考光与探测光的光程差。
3.根据权利要求1所述的晶圆群折射率与几何厚度同步测量装置，其特征在于，所述探测臂位于旋转台上方，所述探测臂在位移台的驱动下进行水平及上下移动，上下移动用于调节探测光在样品中的聚焦位置，水平移动用于调节检测位置。
4.根据权利要求1所述的晶圆群折射率与几何厚度同步测量装置，其特征在于，所述旋转台具有陶瓷盘，所述旋转台带动陶瓷盘转动，转动到设定位置后旋转台发出脉冲信号触发光谱仪进行干涉信号采集。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述装置的晶圆群折射率与几何厚度同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：宽带光源辐射出宽带光进入到2×2单模光纤耦合器中后被分为参考光与探测光；
步骤S2：参考光被参考臂中的第一准直透镜准直成平行光并被第一聚焦透镜聚焦后照射到第一反射镜上，第一反射镜将参考光原路反射回2×2单模光纤耦合器中；
步骤S3：探测光被探测臂中的第二准直透镜准直成平行光并被第二聚焦透镜聚焦后照射至被测目标上，被测目标的不同结构层将探测光反射回2×2单模光纤耦合器中；
步骤S4：返回的探测光与参考光在2×2单模光纤耦合器处相遇并形成干涉，干涉信号被光谱仪所探测并照射到CCD相机中；CCD相机采集干涉信号传输至上位机中；
步骤S5：循环步骤S1-S4，采集旋转台上无晶圆样品的陶瓷盘的干涉信号和有晶圆样品的陶瓷盘的干涉信号；
步骤S6：利用汉宁窗能量重心法对干涉信号的频率进行估计，精确计算无晶圆样品的陶瓷盘、有晶圆样品的陶瓷盘和晶圆上下层相对于参考臂的位置，分别记为d0、d'0、d1、d2；
步骤S7：基于上述结果计算晶圆几何厚度与群折射率。
6.根据权利要求5所述的晶圆群折射率与几何厚度同步测量方法，其特征在于，所述光谱仪测量的无晶圆样品的陶瓷盘的单频干涉信号如下：
其中，第1项为直流项，第2项为干涉信号项；Sr(k)为参考光的谱功率分布函数；S0(k)为陶瓷盘反射而回的探测光的谱功率分布函数；k为波数，光源的波长与波数满足关系：k＝2π/λ；2d0表示从陶瓷盘反射而回的探测光与参考光的光程差；Re表示复数域干涉信号的实部部分；
所述光谱仪测量的有晶圆样品的陶瓷盘的单频干涉信号如下：
其中，第1项为直流项，第2、3、4项为自相干项，第5、6、7项为干涉信号项；Sr(k)为参考光的谱功率分布函数；S'0(k)为从陶瓷盘反射而回的探测光的谱功率分布函数；S1(k)为从晶圆下表面反射而回的探测光的谱功率分布函数；S2(k)为从晶圆上表面反射而回的探测光的谱功率分布函；k为波数，光源的波长与波数满足关系：k＝2π/λ；2d01表示从陶瓷盘反射而回的探测光与从晶圆下表面反射而回的探测光的光程差；2d02表示从陶瓷盘反射而回的探测光与从晶圆上表面反射而回的探测光的光程差；2d12表示从晶圆上表面反射而回的探测光与从晶圆上表面反射而回的探测光的光程差；2d'0表示从参考臂反射而回的参考光与从陶瓷盘反射而回的探测光的光程差；2d1表示从参考臂反射而回的参考光与从晶圆下表面反射而回的探测光的光程差；2d2表示从参考臂反射而回的参考光与从晶圆上表面反射而回的探测光的光程差；Re表示复数域干涉信号的实部部分；考虑到自相干项相较于干涉项较为微弱，将其忽略，将式(2)简化为：
对式(1)和式(3)的干涉信号进行快速傅里叶变换，具体为：
其中，δ为尤拉克函数；
使用汉宁窗能量重心法与式(4)和式(5)相结合，精确计算出d0、d'0、d1、d2。
7.根据权利要求5所述的晶圆群折射率与几何厚度同步测量方法，其特征在于，将计算出的d0、d'0、d1、d2代入下式，计算出晶圆几何厚度和群折射率：
其中，d为晶圆几何厚度，ns为晶圆群折射率，nair为空气的折射率。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118392824A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-07-26 | 福州大学 | 一种双折射晶体的厚度与群折射率同步测量装置及方法 |
| CN119827460A (zh) * | 2025-01-08 | 2025-04-15 | 福州大学 | 一种基于频域干涉的光学材料折射率曲线测量装置及方法 |
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2023
- 2023-09-26 CN CN202311251661.7A patent/CN117288107A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118392824A (zh) * | 2024-03-19 | 2024-07-26 | 福州大学 | 一种双折射晶体的厚度与群折射率同步测量装置及方法 |
| CN118392824B (zh) * | 2024-03-19 | 2025-10-14 | 福州大学 | 一种双折射晶体的厚度与群折射率同步测量装置及方法 |
| CN119827460A (zh) * | 2025-01-08 | 2025-04-15 | 福州大学 | 一种基于频域干涉的光学材料折射率曲线测量装置及方法 |
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