高精度激光共焦半導(dǎo)體晶圓厚度測(cè)量

李兆宇，劉子豪，王瑤瑩，邱麗榮，楊 帥

（北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 復(fù)雜環(huán)境智能感測(cè)技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

1 引言

晶圓作為集成電路（IC）芯片、發(fā)光二極管（LED）、太陽(yáng)能電池和MEMS 器件等半導(dǎo)體產(chǎn)品的襯底，是高度純凈的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)其減薄有利于堆疊以獲得更高的性能［1］。隨著技術(shù)的發(fā)展，研磨后的晶圓厚度更薄，尺寸更小，精準(zhǔn)且可靠的晶圓厚度表征是晶圓厚度控制的先決條件，有助于提升器件一致性和質(zhì)量穩(wěn)定性，而在切割、蝕刻與拋光過(guò)程中反復(fù)裝卸測(cè)厚會(huì)增加表面損壞的風(fēng)險(xiǎn)，因此，當(dāng)晶圓吸附在支撐板上時(shí)進(jìn)行高精度無(wú)接觸測(cè)量至關(guān)重要。

Park 等［2］提出了一種譜域干涉測(cè)量方法，可測(cè)大型硅片的物理厚度、折射率、彎曲和翹曲，但測(cè)量結(jié)果的不確定度為0.692 μm，測(cè)量精度有待提升。Kim 等［3］使用波長(zhǎng)調(diào)諧干涉法同時(shí)測(cè)量了晶圓的表面輪廓和光學(xué)厚度偏差，但干涉法引入的耦合誤差會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)誤差。Yan 等［1］基于邁克爾遜干涉原理，使用1 550 nm 紅外光對(duì)摻雜硅片實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，但其測(cè)量結(jié)果受步進(jìn)電機(jī)定位精度和空氣干擾較大，由于定位誤差的存在，晶圓的厚度重復(fù)性在2 μm 左右。Zeng 等［4］使用補(bǔ)償式電感測(cè)量方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)硅片的測(cè)量不確定度達(dá)0.2 μm，但其裝置過(guò)于復(fù)雜，且是接觸式測(cè)量，極易損傷晶圓表面。Hirai 等［5］開(kāi)發(fā)出一種雙面干涉儀，可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，但測(cè)量過(guò)程中需要將兩個(gè)測(cè)頭相對(duì)放置在樣品兩側(cè)，頻繁拆卸極易造成晶圓損壞。

綜上所述，半導(dǎo)體晶圓厚度測(cè)量目前仍然面臨重復(fù)測(cè)量精度較低、保證精度的同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)表面無(wú)接觸無(wú)損測(cè)量等問(wèn)題。激光掃描共聚焦顯微鏡（Laser Scaning Confocal Microscopy，LSCM）具有高分辨率、獨(dú)特的光學(xué)層切能力、無(wú)損測(cè)量等特性［11］，廣泛應(yīng)用于微電子［6-7］、半導(dǎo)體檢測(cè)［8-9］、材料科學(xué)［7，10］等領(lǐng)域。因此，基于高精度激光共聚焦技術(shù)的晶圓厚度測(cè)量提供有效的解決途徑。

本文利用LSCM 峰值點(diǎn)與定焦位置對(duì)應(yīng)的特性實(shí)現(xiàn)層析定焦，結(jié)合大行程高精度音圈納米位移臺(tái)完成軸向驅(qū)動(dòng)掃描，對(duì)晶圓的不同表面進(jìn)行高精度定焦并計(jì)算得到其光學(xué)高度坐標(biāo)，建立光線追跡模型實(shí)現(xiàn)物理坐標(biāo)計(jì)算，得到不同種類晶圓的物理厚度，實(shí)現(xiàn)了晶圓厚度的高精度、在線、無(wú)損檢測(cè)，可為工藝優(yōu)化提供參數(shù)依據(jù)，對(duì)于提升半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

2 測(cè)量原理

2.1 激光共焦晶圓定焦測(cè)量原理

激光共焦探測(cè)原理如圖1 所示，點(diǎn)光源和點(diǎn)探測(cè)器處于彼此共軛位置，共焦系統(tǒng)光強(qiáng)值會(huì)隨著被測(cè)件的軸向離焦移動(dòng)而變化，形成“鐘形”曲線。該特性成為共焦技術(shù)區(qū)別傳統(tǒng)顯微技術(shù)的顯著特性，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)表面的定焦測(cè)量。當(dāng)測(cè)量光束匯聚在晶圓表面時(shí)由探測(cè)器接收到的信號(hào)為I（u），根據(jù)共聚焦成像原理［12-13］，經(jīng)歸一化處理得到的共焦光強(qiáng)軸向響應(yīng)為：

圖1 共焦系統(tǒng)層析定焦原理Fig.1 Confocal system chromatographic focusing principle

式中：ρ是光瞳面的歸一化極徑，u為軸向位置z的歸一化光學(xué)坐標(biāo)：

其中：λ為單色激光光源的波長(zhǎng)，DL為激光有效通光口徑，f0為會(huì)聚鏡的焦距，z為被測(cè)表面的軸向位置。聯(lián)立式（1）和式（2）可得共焦光強(qiáng)響應(yīng)信號(hào)為：

如圖1 所示，會(huì)聚鏡將點(diǎn)光源的發(fā)散光束會(huì)聚為平行的測(cè)量光束，光路中引入光束調(diào)制器件以提高光路性能，測(cè)量物鏡將平行的測(cè)量光束會(huì)聚到待測(cè)點(diǎn)并收集返回光。這種光路設(shè)計(jì)便于更換物鏡從而適應(yīng)不同參數(shù)的被測(cè)物，進(jìn)而更改測(cè)量光束口徑和工作距離。在對(duì)晶圓上表面A點(diǎn)進(jìn)行定焦測(cè)量時(shí)，共焦曲線的最大值IA（z）正好對(duì)應(yīng)于被測(cè)面點(diǎn)A的位置，直到測(cè)量光束匯聚到另一個(gè)被測(cè)表面B點(diǎn)。為了獲得共焦曲線，使用峰值檢測(cè)算法尋找共焦曲線的峰值點(diǎn)，使用最小二乘法生成所有歸一化坐標(biāo)值大于0.8 的擬合曲線，最后計(jì)算出峰值坐標(biāo)，得到被測(cè)點(diǎn)A和B的光學(xué)位置。當(dāng)測(cè)量物鏡沿軸向?qū)A進(jìn)行掃描探測(cè)時(shí)，晶圓的每個(gè)反射層面均會(huì)有反射光返回光路。此時(shí)，探測(cè)器探測(cè)到的總光強(qiáng)為系統(tǒng)對(duì)各個(gè)層面響應(yīng)的相干疊加，探測(cè)到的總光強(qiáng)為：

其中：Ki為第i個(gè)面的振幅反射率，ui為第i個(gè)面的物方歸一化軸向坐標(biāo)。當(dāng)樣品不同表面之間的間距較小時(shí)，如圖2（a）所示，兩個(gè)表面的反射信號(hào)會(huì)混疊，對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)淹沒(méi)在疊加信號(hào)中無(wú)法識(shí)別；當(dāng)兩個(gè)表面間的間距增大時(shí)，如圖2（b）所示，兩反射面對(duì)應(yīng)的鐘形曲線初步分離，總信號(hào)曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰值；當(dāng)間距進(jìn)一步增大時(shí)，如圖2（c）所示，兩表面對(duì)應(yīng)的鐘形曲線完全分離，相互沒(méi)有影響，總的響應(yīng)曲線中兩表面信號(hào)峰值明顯，可以對(duì)不同表面進(jìn)行層析定位。根據(jù)瑞利判據(jù)，兩信號(hào)疊加，曲線最小值為最大值的73.5%時(shí)，兩峰值之間的中心距為系統(tǒng)能夠分辨的最小間距，曲線如圖2（b）所示。當(dāng)樣品不同表面之間的物方歸一化間距大于當(dāng)前Δu=6.58 時(shí)系統(tǒng)即可分辨，進(jìn)而進(jìn)行層析定焦探測(cè)。

圖2 兩個(gè)反射層的綜合響應(yīng)Fig.2 Combined response of two reflective layers

2.2 晶圓物理厚度計(jì)算原理

晶圓上表面A點(diǎn)的共焦軸向響應(yīng)曲線峰值點(diǎn)坐標(biāo)記為ZA-i（i=1，2，…，nT），當(dāng)定焦至下表面B點(diǎn)時(shí)，由于存在折射率n，測(cè)量光線穿過(guò)晶圓上表面后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所得B點(diǎn)軸向響應(yīng)曲線峰值點(diǎn)ZB-i（i=1，2，…，nT）為其光學(xué)位置坐標(biāo)，并非所需要的物理坐標(biāo)（i=1，2，…，nT）。為得到晶圓表面高度的物理位置坐標(biāo)，在建立歸一化共焦點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)測(cè)量模型后，給出了光線追跡模型［14］，如圖3 所示。

圖3 晶圓內(nèi)部光線追跡模型Fig.3 Internal light tracing model of wafer

根據(jù)幾何關(guān)系，晶圓上表面與下表面的層間光學(xué)厚度Topt為：

根據(jù)光線追跡公式分析，晶圓上表面與下表面的層間物理厚度為：

式中：n為晶圓內(nèi)部介質(zhì)折射率，α為測(cè)量光束的半孔徑角，R為待測(cè)樣品的曲率半徑。由于被測(cè)晶圓表面為平面，取R=∞，式（6）可化為：

函數(shù)Tphs(n，R，Topt，α)只對(duì)應(yīng)半孔徑角α內(nèi)一條光線的測(cè)量結(jié)果，軸向空間應(yīng)由整個(gè)瞳孔平面內(nèi)的所有測(cè)量光線積分計(jì)算。假設(shè)光線在瞳孔平面內(nèi)均勻分布，則晶圓厚度Tphs滿足：

則晶圓下表面頂點(diǎn)的物理位置坐標(biāo)ZB為：

3 測(cè)量傳感器構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光共焦晶圓厚度測(cè)量傳感器系統(tǒng)框圖如圖4 所示。為滿足不同透過(guò)率晶圓樣品的測(cè)量需求，使用相同的測(cè)量光路結(jié)構(gòu)，配合波長(zhǎng)為633 nm 和1 064 nm 的20 mW 單波長(zhǎng)激光器，分別完成了不同波段的傳感器搭建。由激光器發(fā)出的平行光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)中的針孔形成近似理想的高斯球面波，球面波經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)后形成可充滿物鏡后瞳的平行光，由PBS 選擇P 偏振光進(jìn)入測(cè)量光路，經(jīng)過(guò)與P 光呈45°放置的1/4 波片后變?yōu)樽笮龍A偏振光，由物鏡聚焦到被測(cè)樣品表面。然后，返回的帶有樣品表面位置信息的右旋圓偏振光經(jīng)過(guò)1/4 波片后變?yōu)镾 光，經(jīng)PBS 反射后全部進(jìn)入會(huì)聚鏡PL，避免光返回到激光器中影響激光器穩(wěn)定性。會(huì)聚光束經(jīng)過(guò)NewPort 物理針孔PH 后雜散光被濾除，進(jìn)而進(jìn)入放置在焦點(diǎn)位置處的光電探測(cè)電路中，完成光信號(hào)探測(cè)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

圖4 激光共焦半導(dǎo)晶圓厚度測(cè)量傳感器系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of laser confocal semiconducting wafer thickness measurement sensor system

如圖4所示，通過(guò)音圈納米位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)物鏡沿光軸方向?qū)A表面采樣點(diǎn)位置掃描定焦，依據(jù)電機(jī)實(shí)時(shí)反饋的位置信息與探測(cè)電路得到的光強(qiáng)電壓信息得到用于層析定焦測(cè)量的歸一化激光共焦軸向響應(yīng)曲線，曲線峰值點(diǎn)坐標(biāo)即為定焦處的光學(xué)位置?？刂破魍ㄟ^(guò)讀取上位機(jī)控制指令完成電機(jī)使能、參數(shù)設(shè)定、運(yùn)動(dòng)驅(qū)控等操作，同時(shí)，獲取傳感器光柵模擬量讀數(shù)頭細(xì)分后的位置檢測(cè)信號(hào)并進(jìn)行負(fù)反饋控制。經(jīng)514 倍細(xì)分后的光柵尺信號(hào)可識(shí)別電機(jī)1 nm 的微小位移。高精度音圈納米位移臺(tái)為本課題組自研成果，行程最大可達(dá)5.7 mm，分辨力優(yōu)于1 nm，100 μm 頻響優(yōu)于30 Hz，既可以保證高動(dòng)態(tài)定焦觸發(fā)瞄準(zhǔn)，又能兼顧軸向大范圍微位移測(cè)量。系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)物如圖5所示。

圖5 激光共焦半導(dǎo)晶圓厚度測(cè)量傳感器系統(tǒng)實(shí)物Fig.5 Physical map of laser confocal semiconducting wafer thickness measurement sensor system

3.2 核心器件參數(shù)仿真

根據(jù)激光共焦測(cè)量光路可知，該傳感器的主要影響參數(shù)包括測(cè)量物鏡的數(shù)值孔徑NA、會(huì)聚鏡PL 的焦距f0以及針孔物理半徑rd。

3.2.1 測(cè)量物鏡的數(shù)值孔徑

受晶圓制備工藝的影響，由式（8）可知，物理坐標(biāo)計(jì)算過(guò)程中，晶圓內(nèi)部折射率分布誤差Δn與物鏡數(shù)值孔徑NA 均會(huì)影響物理厚度測(cè)量，而數(shù)值孔徑NA 又是決定軸向定焦分辨力Δu及橫向分辨力Δv的關(guān)鍵因素，即：

這里以硅片樣品為例，取空氣折射率nair=1，λ=1 064 nm，信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）取300，根據(jù)光線追跡公式仿真得到當(dāng)Δn=10-4及nˉ=3.42 時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的測(cè)量物鏡數(shù)值孔徑NA，晶圓內(nèi)部折射率不均勻性Δn對(duì)晶圓物理厚度Tphs測(cè)量結(jié)果的影響，如圖6 所示。根據(jù)式（10）仿真得到物鏡數(shù)值孔徑NA 對(duì)傳感器軸向定焦分辨力Δu及橫向分辨力Δv的影響曲線，如圖7 所示。

圖6 NA 不同時(shí)Δn 對(duì)Tphs的影響Fig.6 Influence of Δn on Tphs with different NA

圖7 NA 對(duì)Δu 及Δv 的影響Fig.7 Influence of NA discrepancy on Δn and Δn

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)晶圓內(nèi)部介質(zhì)存在折射率不均勻性Δn時(shí)，定焦誤差隨著樣品厚度的增加而變大，物鏡數(shù)值孔徑NA 越大，厚度Tph一定時(shí)由Δn引起的定焦誤差越小，系統(tǒng)的軸向定焦分辨力Δu及橫向分辨力Δv越高，但通常情況下物鏡NA 值和工作距是呈負(fù)相關(guān)的，NA 值越大工作距便越小，極易在晶圓在線測(cè)量過(guò)程中與加工設(shè)備產(chǎn)生碰撞。因此，針對(duì)不同樣品仿真結(jié)果綜合考慮，對(duì)應(yīng)1 064 nm 波段硅片等樣品選用NA=0.75 近紅外顯微物鏡，其工作距離為DW=12 mm。據(jù)2.1 節(jié)分析，此時(shí)共焦系統(tǒng)可分辨的物方間距為：

對(duì)應(yīng)633 nm 波段SiC 等樣品選用數(shù)值孔徑NA=0.55 的顯微物鏡，工作距離DW=8.7 mm，可對(duì)Δz=2.19 μm 的物方間距進(jìn)行層析定焦。

3.2.2 會(huì)聚鏡焦距

除物鏡NA 直接影響分辨力Δu外，Δu還與共焦曲線斜率有關(guān)，而后者直接受針孔軸向離焦量uM的影響。uM和實(shí)際離焦量MOP與會(huì)聚鏡焦距f0的關(guān)系如下：

當(dāng)物鏡NA=0.75，光源波長(zhǎng)λ=1 064 nm，根據(jù)式（12）仿真得到會(huì)聚鏡PL 焦距f0不同時(shí)，針孔的實(shí)際離焦量MOP與軸向靈敏度Δu的關(guān)系，如圖8 所示。由圖可知，離焦量MOP與軸向定焦分辨力Δu呈負(fù)相關(guān)，MOP越大分辨力越高，變化趨勢(shì)為先快后慢；會(huì)聚鏡PL 焦距f0越大，軸向分辨力Δu隨離焦量MOP的變化幅度越不靈敏，針孔裝調(diào)精度要求降低。然而，較大的焦距f0會(huì)延長(zhǎng)整體測(cè)量光路，增大傳感器體積，難以滿足小型化的同時(shí)還會(huì)引入不必要的誤差源。因此，綜合考慮對(duì)應(yīng)1 064 nm 波段硅片等樣品，選擇焦距f0=200 mm 的會(huì)聚 鏡，結(jié) 合633 nm 波 段SiC 等樣品的仿真結(jié)果，同樣選擇f0=200 mm 的會(huì)聚鏡焦距。為了減小傳感器體積，綜合光斑尺寸，測(cè)量光路中棱鏡及透鏡尺寸均小于等于10 mm。

圖8 f0不同時(shí)MOP與Δu 的關(guān)系Fig.8 Relationship between MOP and Δu with different f0

3.2.3 針孔的物理半徑

針孔作為共焦系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其物理參數(shù)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度、信噪比以及軸向分辨力產(chǎn)生影響。設(shè)rd為圓形針孔的半徑，由式（2）其歸一化半徑為vd，由于在實(shí)際光路中不存在理想點(diǎn)探測(cè)，有限尺寸的探測(cè)器可以得到激光共焦光強(qiáng)響應(yīng)：

通常情況下，系統(tǒng)軸向響應(yīng)曲線的半高寬可用于評(píng)估系統(tǒng)的空間分辨能力。vd取不同值時(shí)的軸向響應(yīng)曲線如圖9 所示。共焦系統(tǒng)的軸向響應(yīng)曲線中半高寬和峰值強(qiáng)度均隨著針孔歸一化半徑vd的增加而增加，且變化趨勢(shì)也不相同。在此基礎(chǔ)上，仿真得到歸一化半徑尺寸vd不同時(shí)曲線參數(shù)變化，如圖10 所示。

圖9 不同針孔尺寸下的軸向響應(yīng)曲線Fig.9 Axial response curves for different pinhole sizes

圖10 歸一化半徑不同時(shí)曲線參數(shù)變化Fig.10 Variation of curve parameters with different normalized radii

由圖10 可知，vd＜2 時(shí)，軸向響應(yīng)曲線的半高寬較低，峰值強(qiáng)度迅速增加；當(dāng)vd≥2 時(shí)，峰值強(qiáng)度趨向穩(wěn)定，而半高寬開(kāi)始增加。為了使傳感器性能達(dá)到最佳狀態(tài)，需要取較大的峰值強(qiáng)度和較小的半高寬，故針孔歸一化半徑vd=2，帶入式（14）可得出針孔的實(shí)際物理半徑：

rd(1064)≈50 μm，rd(633)≈35 μm，結(jié)合具體產(chǎn)品型號(hào)，對(duì)應(yīng)1 064 nm 和633 nm 波段分別選用NewPort 直徑為100 μm 和75 μm 的針孔。

4 誤差分析

針對(duì)激光共焦半導(dǎo)體晶圓厚度測(cè)量系統(tǒng)，分析可能的誤差來(lái)源并進(jìn)行誤差計(jì)算，以保證激光共焦晶圓厚度檢測(cè)技術(shù)的可靠性。

4.1 共焦光路定焦誤差

激光共焦方法本身存在定焦誤差，受光路多個(gè)參數(shù)的影響。針對(duì)硅片等樣品激光器光源波長(zhǎng)選用1 064 nm，測(cè)量物鏡的數(shù)值孔徑NA=0.75，針對(duì)碳化硅等樣品選用波長(zhǎng)633 nm，NA=0.55，軸向歸一化離焦量uM=2.5 時(shí)，響應(yīng)曲線的最大斜率Smax=0.27，系統(tǒng)信噪比SNR=300∶1，此時(shí)1 064 nm 波段共焦定焦誤差為：

同理計(jì)算出633 nm 波段的定焦誤差約為4.13 nm。

4.2 音圈納米位移臺(tái)定位誤差

傳感器由音圈納米位移臺(tái)進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)控制，后者直接影響測(cè)量精度，通過(guò)測(cè)量不確定度為±0.5×10-6（k=2）的Renishaw XL-80 激光干涉儀進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定后定位誤差為：

4.3 隨機(jī)誤差

晶圓厚度測(cè)量過(guò)程中環(huán)境噪聲、氣流擾動(dòng)、光源波動(dòng)和操作人員等因素均會(huì)引入測(cè)量誤差，主要表現(xiàn)為隨機(jī)誤差。將上述隨機(jī)因素考慮在內(nèi)，使用相同工作狀態(tài)下的檢測(cè)重復(fù)性來(lái)表示：

待系統(tǒng)調(diào)整完成狀態(tài)穩(wěn)定后，取N=10，進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)得系統(tǒng)δ3=23 nm。

4.4 晶圓內(nèi)部折射率誤差

光線追跡公式（7）是以晶圓內(nèi)部材料折射率均勻分布為前提的，受制備工藝和測(cè)量方式的限制，晶圓內(nèi)部會(huì)存在折射率分布誤差Δn。以硅樣品為例，根據(jù)式（8）分析得出，當(dāng)分布誤差Δn=10-4=3.42 時(shí)，該誤差對(duì)物理厚度計(jì)算的影響：

4.5 誤差合成

上述各個(gè)誤差源相互獨(dú)立，計(jì)算得所研制的傳感器系統(tǒng)的測(cè)量誤差為：

同理計(jì)算出其余5 種晶圓的合成誤差分別為：δGaAs≈38 nm，δCaN≈34 nm，δAl2O3≈49 nm，δSiC≈δHR-SiC≈29 nm。

5 特性測(cè)試及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 光學(xué)分辨力測(cè)試

以共焦光強(qiáng)響應(yīng)曲線可區(qū)分的最小步距來(lái)評(píng)價(jià)傳感器的軸向定焦分辨力。將平面鏡放置在測(cè)量物鏡焦點(diǎn)附近，此時(shí)光強(qiáng)響應(yīng)信號(hào)最強(qiáng)，由音圈納米位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)物鏡進(jìn)行軸向小步距運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，記錄光柵尺位置信號(hào)和24 位NI 系列數(shù)據(jù)采集卡獲取的光強(qiáng)響應(yīng)信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示。音圈位移臺(tái)每進(jìn)行5 nm 的軸向位移運(yùn)動(dòng)，傳感器的響應(yīng)光強(qiáng)也按規(guī)律呈現(xiàn)步進(jìn)狀態(tài)，因此，傳感器可分辨出5 nm 的位移變化。

圖11 光學(xué)分辨力測(cè)試Fig.11 Optical resolution testing

5.2 軸向量程測(cè)試

為驗(yàn)證傳感器的軸向行程范圍，利用光柵尺監(jiān)測(cè)音圈位移臺(tái)的位移，光柵尺得到的最大位置信息與最小位置信息的差值即為傳感器的最大移動(dòng)范圍。由于在光柵尺裝調(diào)時(shí)已將其零刻線位置對(duì)準(zhǔn)音圈位移臺(tái)最上端，并將此位置設(shè)為初始零位，因此，測(cè)量時(shí)將位移臺(tái)“回零”后開(kāi)始驅(qū)動(dòng)顯微物鏡使之移動(dòng)最大距離。光柵尺重復(fù)測(cè)量5 次，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 軸向量程測(cè)試結(jié)果Tab.1 Results of system axial measurement range testing

從測(cè)試結(jié)果可知，利用光柵尺配合音圈位移臺(tái)，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)5.7 mm 行程內(nèi)樣品的定焦測(cè)量。

5.3 重復(fù)性測(cè)試

為了評(píng)估傳感器的穩(wěn)定性，待系統(tǒng)調(diào)整完成并處于穩(wěn)定工作狀態(tài)下，控制音圈位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)物鏡使其焦點(diǎn)多次經(jīng)過(guò)反射鏡表面，完成沿光軸方向的多次掃描。由于激光共焦測(cè)量方案為峰值點(diǎn)觸發(fā)，所以重點(diǎn)測(cè)試響應(yīng)曲線峰值點(diǎn)的重復(fù)性。對(duì)同等條件下多條共焦曲線的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到如表2 所示的峰值點(diǎn)坐標(biāo)，10次測(cè)量的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差為23 nm。從結(jié)果可以看出，該傳感器具有良好的重復(fù)性。

表2 激光共焦傳感器峰值點(diǎn)重復(fù)性測(cè)試結(jié)果Tab.2 Repeatability test results of laser confocal sensor peak point

6 對(duì)晶圓樣品的測(cè)試與分析

測(cè)試樣品如圖12 所示，分別選用用于集成電路制造的一代半導(dǎo)體（Si）、服務(wù)光通信產(chǎn)業(yè)的二代半導(dǎo)體（GaAs），以及擁有更廣闊前景的三代半導(dǎo)體（GaN，Al2O3，SiC，HR-SiC（High Resistance SiC））進(jìn)行測(cè)量。為避免托盤(pán)表面的反射光進(jìn)入光路影響測(cè)量信號(hào)，將晶圓定焦測(cè)量位置處懸空處理。通過(guò)程序計(jì)時(shí)得到單次厚度測(cè)量時(shí)間小于400 ms，實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)。

圖12 半導(dǎo)體晶圓樣品Fig.12 Samples of different semiconductor wafers

測(cè)量開(kāi)始前，首先進(jìn)行軸向?qū)そ苟ㄎ唬{(diào)整傳感器位置使待測(cè)晶圓移動(dòng)至測(cè)量物鏡的工作距內(nèi)，由上位機(jī)軟件控制音圈位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)物鏡在量程內(nèi)做大范圍軸向運(yùn)動(dòng)，待探測(cè)電路檢測(cè)到外表面光強(qiáng)時(shí)，獲取當(dāng)前光學(xué)位置信息，程序控制物鏡移動(dòng)至當(dāng)前采樣點(diǎn)上約100 μm 處，設(shè)置采樣率、運(yùn)動(dòng)速度、加速度減速度后，開(kāi)始單次檢測(cè)。圖13 為激光共焦傳感器對(duì)上述6 種晶圓樣品進(jìn)行掃描測(cè)量得到的單次信號(hào)曲線。光線在晶圓內(nèi)部傳播時(shí)受到吸收衰減，探測(cè)電路采集到的下表面反射回來(lái)的光強(qiáng)弱于上表面，因此，隨著軸向位置的變化，信號(hào)峰值強(qiáng)度呈現(xiàn)先強(qiáng)后弱的變化趨勢(shì)。

圖13 激光共焦傳感器的軸向響應(yīng)曲線Fig.13 Axial response curve of laser confocal sensor

對(duì)每種晶圓進(jìn)行10 次重復(fù)測(cè)量，通過(guò)光柵尺返回得到晶圓上下表面的光學(xué)位置坐標(biāo)，經(jīng)光線追跡換算出晶圓物理厚度，如圖14 所示。表3 給出了每種晶圓樣品的實(shí)際厚度平均值和測(cè)量重復(fù)性，可以看出，不同樣品的厚度測(cè)量重復(fù)性均保持在100 nm 以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了高精度檢測(cè)。

表3 晶圓厚度測(cè)量結(jié)果Tab.3 Results of wafer thickness measurement

圖14 不同晶圓的測(cè)量結(jié)果曲線Fig.14 Curves of measurement results for different wafers

7 結(jié)論

本文提出了一種基于激光共焦原理的晶圓厚度高精度測(cè)量方法并完成了測(cè)量傳感器構(gòu)建，利用精密音圈納米位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)共焦曲線峰值點(diǎn)的精確定位與軸向大范圍掃描，測(cè)量范圍達(dá)5.7 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)的軸向分辨力優(yōu)于5 nm。結(jié)合光線追跡方法實(shí)現(xiàn)晶圓內(nèi)部物理坐標(biāo)計(jì)算，對(duì)于不同種類的半導(dǎo)體晶圓，厚度測(cè)量重復(fù)性優(yōu)于100 nm，檢測(cè)時(shí)間優(yōu)于400 ms。與現(xiàn)有的晶圓測(cè)厚方法相比，該方法在保證精度的情況下解決了晶圓檢測(cè)中的高精度、無(wú)損直接測(cè)量等難題，實(shí)現(xiàn)了軸向高精度瞄準(zhǔn)觸發(fā)測(cè)量。激光共焦方法為半導(dǎo)體晶圓高精度檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展提供了一種新的技術(shù)途徑。