專利名稱：用于通過干涉法光學測量對象厚度的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于通過干涉法光學測量對象厚度的設備和方法。本發(fā)明可有利地應用于通過干涉法光學測量半導體材料(一般為硅)的切片 (slice)或晶圓(wafer)的厚度，說明書中將明確提及該對象而不失一般性。
背景技術：
半導體材料的切片可被加工，例如用于獲取集成電路或由半導體材料制成的其他電子組件。特別地，當半導體材料的切片非常薄時，該半導體材料的切片被置于支撐層(一般由塑料或玻璃制成)上，該支撐層可提供更高的機械堅固性，從而可易于操作。一般而言，需要通過研磨及拋光來對半導體材料的切片進行機械加工，以獲得均勻且對應于期望值的厚度。在該半導體材料切片的機械加工階段期間，需要對厚度進行測量或控制該厚度， 以確保獲得期望值。為了測量半導體材料切片的厚度，已知采用氣動測頭，該氣動測頭具有接觸被加工的半導體材料切片的上表面的機械探針。該測量技術可在測量操作期間由于與機械探針的機械接觸而影響半導體材料切片，并且其不能測量非常薄的厚度值(一般小于100微米)。為了測量半導體材料切片的厚度，已知使用電容式探測器、(渦流型或其他型的) 電感式探測器或超聲波探測器。由于這些測量技術均是非接觸式的，他們在測量期間不影響半導體材料切片，并且其可以在即使存在支撐層的情況下測量半導體材料切片的厚度。 然而，這些測量技術在可測的尺寸上(一般小于100微米的厚度將無法被測量)和可達到的最大分辨率上(一般不小于10微米)具有局限性。光學探測器(某些情況下與干涉法測量相關)被用于克服上述測量技術的局限性。例如，US專利US-A1-6437868以及已公開的日本專利申請JP-A-08-216016描述了用于對半導體材料切片的厚度進行光學測量的設備。某些已知設備包括紅外放射源、分光計以及光學探測器，該光學探測器通過光纖連接至所述紅外放射源及分光計，其可被放置為面向待測半導體材料切片，且其帶有用于將射線聚焦至待測半導體材料切片上的透鏡。所述紅外放射源發(fā)射紅外射線束(通常具有大約1300納米的波長)，更具體地，發(fā)射低相干光束，該低相干性意味著其不是單頻率(單個頻率在時間上是恒定的)，而是包括多個頻率 (一般具有在中心值上下大約50nm的區(qū)間內(nèi)可變的波長)。由于當前使用的半導體材料由硅制成，而硅對于紅外射線而言是足夠透明的，故采用紅外射線。在某些已知設備中，所述紅外放射源由SLED (超發(fā)光發(fā)光器件)構成，該SLED可發(fā)射具有在中心值上下大約50納米的數(shù)量級的帶寬的紅外射線束。然而，即使使用上述類型的與干涉法測量相關的光學探測器，也無法測量小于大約10微米的厚度，而半導體工業(yè)目前要求測量很小或非常小微米的厚度
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可克服上述不便且同時可被簡單且便宜地實施的、用于通過干涉法來光學測量對象厚度的設備和方法。所述目的可根據(jù)所附權利要求書中所要求保護的內(nèi)容通過干涉法光學測量對象厚度的設備和方法來實現(xiàn)。


現(xiàn)參考以非限制性示例的方式給出的所附附圖，對本發(fā)明進行描述，其中圖1為根據(jù)本發(fā)明的用于通過干涉法光學測量半導體材料切片的厚度的設備的簡化視圖，其中出于清楚的目的，移除了某些部分；圖2為半導體材料切片在其厚度被測量時的簡化橫截面?zhèn)纫晥D；圖3為圖1的設備的紅外放射源的簡化示圖，其中出于清楚的目的，移除了某些部分；圖4為示出了在圖3的紅外放射源中執(zhí)行的頻帶組分的圖表。
具體實施例方式在圖1中，參考標記1整體指代用于通過干涉法光學測量由半導體材料切片制成的對象2的厚度的設備。根據(jù)包括本身已知的特征的圖1中示出的實施方式，半導體材料的切片2被置于支撐層3 ( 一般由塑料或玻璃制成)上，該支撐層3提供較高的機械堅固性，從而易于操作。 根據(jù)不同的實施方式(在此未示出)，可省略所述支撐層3。所述設備1包括紅外放射源4、分光計5、以及光學探測器6，該光學探測器6通過光纖線連接至紅外放射源4及分光計5，該光學探測器6被布置為面向待測半導體材料的切片2，且載有用于將射線聚焦至待測半導體材料的切片2上的透鏡7。一般地，如圖1所示， 所述光學探測器6被布置為與待測半導體材料的切片2垂直、或與待測半導體材料的切片 2稍微成角度，紅外射線通過其進行傳播的空氣或液體將光學探測器6與后者相分開設置。根據(jù)圖1所示的實施方式，存在將放射源4連接到光耦合器9的第一光纖8、將光耦合器9連接至分光計5的第二光纖10、以及將光耦合器9連接至光學探測器6的第三光纖11。光纖(更具體地，是所述第一光纖8、第二光纖10、以及第三光纖11)均于循環(huán)器(該循環(huán)器本身是公知的，從而未于圖1內(nèi)示出)或用作耦合器9的其他裝置處終止。根據(jù)圖1所示的實施方式，所述分光計5包括將通過第二光纖線10接收到的射線對準至衍射體(diffractor) 13 ( 一般包括光柵)上的至少一個透鏡12，以及將衍射體13所反射的射線聚焦至射線檢測器15(—般由光敏元件陣列形成，例如“CCD”傳感器)上的至少另一透鏡14。所述紅外放射源4發(fā)射低相干紅外射線束，這意味著該射線束不是單頻率的(在時間上恒定的單個頻率)，而是由多個頻率構成的。由于當前使用的半導體材料由硅制成，且硅對于紅外射線足夠透明，故可以采用紅外射線。根據(jù)圖2所示以及公知常識，當所使用的光學探測器6發(fā)射紅外射線束I至待測半導體材料的切片2上時，一部分射線I (反射線Rl)通過外表面16反射到光學探測器6上(而不進入半導體材料的切片2中)，以及一部分射線I (反射線R2)進入半導體材料的切片2中，并由與外表面16相對的內(nèi)表面17反射到光學探測器6上。應該注意的是，出于便于理解的目的，入射線I與反射線R被表示為相對于半導體材料的切片2形成非90°的角度。實際上，如上文中描述的，這些射線可與半導體材料切片2垂直或基本垂直。所述光學探測器6捕捉已由外表面16反射而未進入半導體材料的切片2中的射線R1、和已由內(nèi)表面17反射且進入半導體材料的切片2中的射線R2。如圖2所示，射線R2 (已由內(nèi)表面17反射且進入半導體材料的切片2中)可在內(nèi)表面17上僅反射一次之后、在內(nèi)表面17上連續(xù)反射兩次之后、或更為普遍的于內(nèi)表面17 上連續(xù)反射N次之后，離開半導體材料的切片2。顯然，每反射一次，均有一部分射線R2會通過外表面16離開半導體材料的切片2，直至射線R2的剩余強度基本上為零。如前所述，紅外射線束由具有不同頻率的(即，具有不同波長的)射線構成。在這些射線中，必定存在著其波長使得待檢查的半導體材料的切片2的厚度等于其本身波長的整數(shù)倍的射線。因而，被內(nèi)表面17所反射的射線與被外表面16所反射的同一波長的射線同相地離開半導體材料的切片2，并被疊加至后者，從而確定最大干涉(相長干涉(constructive interference)).相反，當射線(該射線具有使得待檢查的半導體材料的切片2的厚度的兩倍等于半波長的奇數(shù)倍的波長)被內(nèi)表面17反射時，其與外表面16 所反射的同一波長的射線相位相反地離開半導體材料的切片2，并被疊加至后者，從而確定最小干涉(相消干涉(destructive interference))。反射線Rl和R2之間的干涉結果可由光學探測器6所捕獲，并被傳輸給分光計5。 該分光計5針對每一頻率(S卩，針對每一波長)所檢測的光譜具有不同的強度，該強度由相長干涉及相消干涉交替確定。處理單元18接收來自分光計5的光譜，并通過一些本身公知的數(shù)學運算來對其進行分析。特別地，通過執(zhí)行為頻率的函數(shù)的傅立葉分析以及通過知曉半導體材料的折射率， 處理單元18能夠通過適當?shù)靥幚碛煞止庥?提供的光譜的傅立葉分析來確定半導體材料切片2的厚度。更為具體地，在處理單元18內(nèi)，光譜(該光譜為波長的函數(shù))可以以已知方式被處理為周期函數(shù)，該周期函數(shù)可以由傅立葉級數(shù)來數(shù)學表達。反射線Rl和R2的干涉可展開為正弦函數(shù)(其中存在相長干涉與相消干涉的交替)；該正弦函數(shù)的頻率可與通過半導體材料切片2 (所述射線穿過該半導體材料切片2)的厚度方向的光學路徑長度成正比。通過采用傅立葉變換，可確定通過半導體材料切片2的光學路徑的值，從而可確定半導體材料切片2的等值厚度(對應于所述光學路徑的一半)。半導體材料切片2的實際厚度可通過將該半導體材料切片2的等值厚度除以該半導體材料切片2的折射率(例如，對于硅，折射率等于大約3. 5)而簡單得到。根據(jù)本發(fā)明，紅外放射源4可以發(fā)射具有在中心值上下大于IOOnm并優(yōu)選等于大約200nm的帶寬的紅外射線束。由于由放射源4發(fā)射的紅外射線束的帶寬肯定大于(至少是兩倍)在類似的已知設備中使用的帶寬，上述設備1可以測量幾微米的厚度，而類似的已知設備不能測量小于10微米的厚度。實際上，基于理論考慮及實驗測試，已注意到，通過大大地增加由放射源4發(fā)射的紅外射線束的帶寬，能夠顯著減小由最小可測厚度所限定的限值。
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一個特定的實施方式還用于減小放射源4的發(fā)射頻帶的中心值。具體地，根據(jù)該實施方式，放射源4的發(fā)射頻帶的中心值在IlOOnm與1300nm之間，一般是大約1200nm，而在類似的已知設備中，該中心值一般是大約1300nm。減小放射源4的發(fā)射頻帶的中心值的目的是減少最小可測量厚度；實際上，已注意到，通過減小紅外射線的波長，能夠測量更小的厚度。需要注意的是，紅外射線的波長減小不能太明顯，因為通過減小波長，半導體材料的透明度也被減小了，從而更難執(zhí)行合適的測量。為了使得由放射源4發(fā)射的紅外射線束的帶寬很明顯地增加，需要完全改變放射源4的結構，在已知的設備中，放射源4的結構一般包括SLED (超發(fā)光發(fā)光二極管)，該SLED 不能具有大于50-60nm的帶寬。根據(jù)圖3所示，放射源4包括四個分開的發(fā)射器20(具體地，可以為4個SLED 20)， 該四個分開的發(fā)射器20發(fā)射彼此各不相同的各個射線束且該四個分開的發(fā)射器20被同時激活。而且，放射源4包括光學加法器21，該光學加法器21包含光纖，該光纖接到第一光纖 8上并能夠將由四個SLED 20發(fā)射的四個射線束并集成單個綜合射線束。光學加法器21可以由例如一個或多個已知的耦合器或循環(huán)器以已知的方式實施，因為在此沒有詳細示出。由每個SLED 20發(fā)射的射線束具有與由其他SLED 20發(fā)射的射線束的波長頻帶不同且基本上互補的波長頻帶，使得由單個SLED 20的四個射線束的并集組成的綜合射線束的帶寬Lu肯定大于由每個SLED 20發(fā)射的射線束的帶寬L1...4。圖4以圖表的方式，以僅為了便于理解的目的，示出了由每個SLED 20發(fā)射的不同帶寬L1-的組成圖表。原則上，綜合帶寬Lu等于由每個SLED 20發(fā)射的射線束的帶寬L1-的和。在實際經(jīng)驗中，在鄰近頻帶的射線中會發(fā)生不可忽略的重疊現(xiàn)象；然而，該現(xiàn)象不影響獲得綜合頻帶的明顯加寬。作為示例，在圖3和圖4示出的實施方式中，放射源4包括四個SLED 20 ；明顯的， 根據(jù)市場上可用的SLED 20的特征和根據(jù)所需綜合帶寬Lu的功能，SLED 20的數(shù)量可以不同(例如，兩個、三個或多于四個)。圖2中示出的示例涉及置于支撐層3上的半導體材料的單個切片2的特定情況。 然而，根據(jù)本發(fā)明的設備和方法的應用不局限于這種類型的薄片的尺寸檢查。實際上，這種設備和方法還可以被用于例如測量半導體材料的一個或多個切片2和/或由位于已知多層結構內(nèi)的其他材料制成的層的厚度。上述設備1具有許多優(yōu)點，因為它能夠容易和經(jīng)濟地被實施，尤其是它能夠測量肯定較由類似的已知設備測量的厚度更小的厚度。很需要注意的是，通過只修改放射源4， 能夠采用現(xiàn)有設備實施上述設備1，從而減少了更新的復雜性和成本。
權利要求
1.一種用于通過干涉法光學測量對象O)的厚度的設備(1)，該對象( 具有外表面 (16)和與該外表面(16)相對的內(nèi)表面(17)，該設備(1)包括放射源G)，該放射源(4)用于發(fā)射具有在預定頻帶內(nèi)的多個波長的低相干射線束⑴；分光計(5)，該分光計( 用于分析在由所述外表面(16)反射而不進入所述對象(2) 中的射線(Rl)與在由所述內(nèi)表面(17)反射并進入所述對象O)中的射線(R2)之間的干涉結果的光譜；光學探測器(6)，該光學探測器(6)通過光纖(8，10，11)連接到所述放射源(4)和所述分光計(5)，該光學探測器(6)并被布置為面向待測半導體材料的切片O)，以用于將由所述放射源⑷發(fā)射的射線束⑴指向所述對象⑵的所述外表面(16)，并用于聚集由所述對象⑵反射的射線(R)；以及處理單元(18)，該處理單元(18)用于根據(jù)由所述分光計( 提供的光譜的函數(shù)來計算所述對象O)的厚度；所述設備(1)的特征在于，所述放射源(4)包括發(fā)射彼此各不相同的各個射線束并被同時激活的至少兩個分開的發(fā)射器00)。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備(1)，其中，所述放射源(4)包括光學加法器(21)，該光學加法器能將由所述發(fā)射器OO)發(fā)射的射線束并集成單個綜合射線束，以使得所述放射源(4)發(fā)射綜合射線束。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的設備(1)，其中，所述放射源(4)發(fā)射射線束，該射線束具有在中心值上下大于IOOnm的帶寬。
4.根據(jù)權利要求3所述的設備(1)，其中，所述放射源(4)發(fā)射射線束，該射線束具有在所述中心值上下大約200nm的帶寬。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項權利要求所述的設備(1)，其中所述中心值在IlOOnm 與1300nm之間。
6.根據(jù)權利要求5所述的設備(1)，其中所述中心值為大約1200nm。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項權利要求所述的設備(1)，其中由每個發(fā)射器00)發(fā)射的射線束具有其自己的與由其他發(fā)射器OO)發(fā)射的射線束的波長頻帶不同并且實質(zhì)上互補的波長頻帶。
8.根據(jù)權利要求1至7中任一項權利要求所述的設備(1)，其中所述放射源(4)包括至少四個發(fā)射器00)。
9.根據(jù)權利要求1至8中任一項權利要求所述的設備(1)，其中每個發(fā)射器OO)包括 SLED0
10.根據(jù)權利要求1至9中任一項權利要求所述的設備(1)，其中所述對象( 為半導體材料的切片。
11.根據(jù)權利要求10所述的設備(1)，其中所述對象O)為硅切片。
12.一種用于通過干涉法光學測量對象O)的厚度的方法，該對象( 具有外表面 (16)和與該外表面(16)相對的內(nèi)表面(17)，該方法包括以下階段通過放射源(4)來發(fā)射具有在預定頻帶內(nèi)的多個波長的低相干射線束(I)；通過光學探測器(6)將所述射線束(I)指向所述對象( 的所述外表面(16)；通過所述光學探測器(6)來聚集由所述對象( 反射的射線(R)； 通過分光計( 來分析在由所述外表面(16)反射而不進入所述對象O)中的射線 (Rl)與在由所述內(nèi)表面(17)反射并進入所述對象(2)中的射線(R2)之間的干涉結果的光譜；根據(jù)由所述分光計( 提供的光譜的函數(shù)來計算所述對象O)的厚度； 該方法的特征在于，該方法還包括以下階段同時激活所述放射源(4)的至少兩個分開的發(fā)射器(20)，所述發(fā)射器00)發(fā)射彼此各不相同的各個射線束；以及將由所述發(fā)射器00)發(fā)射的射線束并集成單個射線束，以使得所述放射源(4)發(fā)射綜合射線束。
全文摘要
一種用于通過干涉法光學測量對象(2)的厚度的設備(1)和方法，該對象(2)具有外表面(16)和與外表面(16)相對的內(nèi)表面(17)。該設備包括放射源(4)，用于發(fā)射具有在預定頻帶內(nèi)的多個波長的低相干射線束(I)，并包括發(fā)射彼此各不相同的各個射線束并被同時激活的至少兩個分開的發(fā)射器(20)；分光計(5)，用于分析在由外表面(16)反射而不進入對象(2)中的射線(R1)與在由內(nèi)表面(17)反射并進入對象(2)中的射線(R2)之間的干涉結果的光譜；光學探測器(6)，通過光纖(8，10，11)連接到放射源(4)和分光計(5)，并被布置為面向待測半導體材料切片(2)，以將由放射源(4)發(fā)射的射線束(I)指向對象(2)的外表面(16)，并用于聚集由對象(2)反射的射線(R)；以及處理單元(18)，用于根據(jù)由分光計(5)提供的光譜的函數(shù)來計算對象(2)的厚度。
文檔編號G01B11/06GK102209878SQ200980145096
公開日2011年10月5日 申請日期2009年11月4日 優(yōu)先權日2008年11月13日
發(fā)明者L·G·R·菲利普斯 申請人:馬波斯S.P.A.公司