專利名稱：一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密光學(xué)檢測領(lǐng)域，具體是一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)及其檢測方法。
背景技術(shù)：
作為微電子領(lǐng)域和太陽能光伏領(lǐng)域最常用的半導(dǎo)體晶圓，如硅晶圓，它的厚度是一個極其重要的參數(shù)指標(biāo)。對于微電子器件來說，硅晶圓厚度的控制有助于減小各個生產(chǎn)流程中產(chǎn)生的機械應(yīng)力，以保證所生產(chǎn)器件的性能穩(wěn)定性。對于晶硅太陽能電池來說，硅晶圓厚度直接影響電池的光電性能。因此，通過精確測量來控制硅晶圓厚度是大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的一個基本要求。目前常用的測量硅晶圓厚度的方法有兩種一種是機械式測量方法，利用千分尺等高精度量具直接測量；一種是利用阻抗法，即利用硅晶圓形成一個RF電橋結(jié)構(gòu)，并通過測量電容或是渦流損耗來確定硅晶圓厚度。機械式測量方法精度較高，但是測量速度慢，并因為其接觸式測量得特性，極易造成硅片的破裂損壞，該方法只適用于實驗室內(nèi)對小批量的樣品進行測量。阻抗法有高效、不損傷硅片表面質(zhì)量等優(yōu)點，但其精確性受被測材料特性影響較大，特別是被測材料的電阻率。當(dāng)被測樣品的電阻率均勻性較差或是與設(shè)備校正樣片的電阻率差別較大時，其測試誤差也較大。太赫茲波通常是指頻率范圍在O. I THz到10 THz (I THz = IO12 Hz)區(qū)間的電磁波，介于微波和紅外光之間。太赫茲波的光子能量遠低于可見光和X射線，僅為可見光的千分之一，x射線的百萬分之一，對人體危害極?。惶掌澆úㄩL較長(I THz 300 μπι),在測量時對樣品表面粗糙度要求不高，受物質(zhì)散射影響??；太赫茲波對很多材料，特別是硅晶圓等半導(dǎo)體材料透明度高，可用于這些材料的質(zhì)量控制。太赫茲時域技術(shù)通過泵浦-探測法來測量太赫茲波在時域上的瞬時電場，可同時獲得幅度和位相信息，同時也可獲得飛秒量級的時間分辨率，這有別于常用的光學(xué)測量。常用的光學(xué)測量方法通常只是通過測量光波的能量來獲取相關(guān)信息。因而，太赫茲時域技術(shù)用于測量，能提供很多傳統(tǒng)光學(xué)測量技術(shù)所不能提供的信息，因此有著很廣的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)及其檢測方法，其檢測對半導(dǎo)體晶圓表面材料特性均勻度無要求，且測量精度高，測量操作簡單。本發(fā)明的技術(shù)方案為
一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)，它是由飛秒激光器、設(shè)置于飛秒激光器發(fā)射口后端的分束器、設(shè)置于分束器后端的太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測光路部分、依次設(shè)置于太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測光路部分后端的太赫茲波/光波合束器、太赫茲波探測器、偏振變化測量裝置組成；所述的太赫茲波激發(fā)光路部分包括順次設(shè)置的第一激光聚焦透鏡、太赫茲波發(fā)射器、第一太赫茲波收集器、太赫茲波反射鏡、太赫茲波分束器、太赫茲波透鏡、樣品臺、第二太赫茲波收集器組成；所述的太赫茲波探測光路部分包括順次設(shè)置的光學(xué)延遲裝置、第一激光反射鏡、第二激光聚焦透鏡、第二激光反射鏡。
所述的太赫茲波分束器的前表面設(shè)置有太赫茲波吸收鏡。所述的太赫茲波發(fā)射器選用太赫茲光導(dǎo)天線或電光晶體；所述的第一太赫茲波收集器和第二太赫茲波收集器均選用金屬離軸拋面鏡；所述的太赫茲波探測器選用電光晶體。所述的偏振變化測量裝置是由第三激光聚焦透鏡、激光四分之一波片、沃拉斯頓棱鏡和光電探測器組成。一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟
(1)、飛秒激光器發(fā)出的脈沖激光光束通過分束器分為激發(fā)光和探測光；
(2)、激發(fā)光由第一激光聚焦透鏡聚焦到太赫茲波發(fā)射器表面來產(chǎn)生脈沖太赫茲波,太赫茲波發(fā)射器產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第一太赫茲波收集器收集轉(zhuǎn)化成平行光束，平行太赫茲光束再經(jīng)太赫茲波反射鏡反射并通過太赫茲波分束器，透過太赫茲波分束器的太赫茲波由太赫茲波透鏡聚焦到樣品臺表面，樣品臺表面為平整的金屬鏡面，其鏡面垂直太赫茲波的入射方向，被樣品臺表面反射的太赫茲波再次經(jīng)過太赫茲波透鏡還原為平行光束，并再次經(jīng)過太赫茲波分束器，被太赫茲波分束器反射的太赫茲波由第二太赫茲波收集器收集會聚、然后透過太赫茲波/光波合束器到達太赫茲波探測器的表面；
(3)、探測光經(jīng)過光學(xué)延遲裝置延長探測光光路傳播的時間，然后探測光依次經(jīng)第一激光反射鏡反射、第二激光聚焦透鏡會聚、第二激光反射鏡反射，最后由太赫茲波/光波合束器反射到太赫茲波探測器的表面；
(4)、經(jīng)過太赫茲波/光波合束器的探測激光和太赫茲波傳播方向一致，并且它們的焦點在太赫茲波探測器的表面重合，由于線性電光效應(yīng)，太赫茲波電場在太赫茲波探測器上引起折射率的變化，該變化會相應(yīng)的引起透過的探測激光偏振態(tài)的變化，探測激光的偏振態(tài)的變化由偏振變化測量裝置測得；
(5)、當(dāng)樣品臺放入半導(dǎo)體晶圓時，太赫茲波從半導(dǎo)體晶圓表面反射；由于半導(dǎo)體晶圓具有一定厚度，故與樣品臺上未放置半導(dǎo)體晶圓時相比，激發(fā)光路的光程減小了，因此由半導(dǎo)體晶圓表面反射后測到的太赫茲信號與從樣品臺表面直接反射的信號相比，前者的時間提前了，提前的時間量與半導(dǎo)體晶圓的厚度有關(guān)，即At = 2T/C,其中At是時間延遲的變化量，T是半導(dǎo)體晶圓的厚度，C是光速；即半導(dǎo)體晶圓的厚度T=C At/2 ;測量時，首先測量未放半導(dǎo)體晶圓時由樣品臺表面反射的太赫茲波信號，并以此作為參考信號；然后放入半導(dǎo)體晶圓，測量由半導(dǎo)體晶圓表面反射的太赫茲波信號，即測量信號，并通過比較獲得測量信號峰值與參考信號峰值之間時間延遲，然后根據(jù)公式At = 2T/C獲得半導(dǎo)體晶圓的厚度。所述的太赫茲波分束器前表面反射的太赫茲波被太赫茲波吸收器吸收。本發(fā)明半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)的檢測原理為
所述的太赫茲波探測器是電光晶體，當(dāng)太赫茲波照射在晶體上，由于線性電光效應(yīng)，會引起晶體折射率的變化，產(chǎn)生雙折射；折射率的變化量正比于太赫茲波電場。此時，當(dāng)探測激光通過晶體時，偏振狀態(tài)會發(fā)生改變，通過偏振變化測量裝置測量探測激光偏振狀態(tài)的改變量，可獲得脈沖太赫茲波的電場信息。探測光脈沖寬度在飛秒量級，遠小于太赫茲波的脈沖寬度(皮秒量級)，故可看作一個探針，來對太赫茲波進行采樣；
實際測量時，通過掃描光學(xué)延遲裝置來調(diào)節(jié)探測光路與激發(fā)光路之間的光程差。當(dāng)這兩路光之間的光程差較大，即探測光先于或落后于太赫茲波到達太赫茲波探測器，此時沒有信號；只有當(dāng)兩路光之間的光程相近，兩路光幾乎同時到達太赫茲探測器時才能獲得信號。當(dāng)兩路光之間光程完全一致，即兩路光同時到達太赫茲波探測器，信號到達峰值。本發(fā)明半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)及其檢測方法，不局限于半導(dǎo)體晶圓，還可以包括其它材料，如金屬和介質(zhì)材料。本發(fā)明的優(yōu)點
(1)、半導(dǎo)體晶圓本身光學(xué)性質(zhì)，如折射率等，只影響測得信號幅度的大小，而不改變測得信號的形狀和時間延遲，因此，即使樣品表面或內(nèi)部的光學(xué)性質(zhì)不均勻，對測量結(jié)果也沒有影響；
(2)、本發(fā)明的測量精度主要由光學(xué)延遲掃描的精度決定，S卩如果光學(xué)延遲掃描的精度為I飛秒(10_15秒)，相應(yīng)的測量精度為O. 15微米；由此可見，該方法用于半導(dǎo)體晶圓厚度測量具有很高的測量精度；以太陽能硅晶圓為例，其厚度大約為200微米量級，對這類晶圓厚度測量，O. 15微米的測量精度僅相當(dāng)于萬分之7. 5的相對精度；
(3)、與機械式測量方法相比，本發(fā)明檢測方法是無接觸式的，不易對硅片造成損害；與阻抗法相比，本發(fā)明檢測方法不受樣品光學(xué)和電子性質(zhì)影響，適用性更廣，并且測量更簡潔、直接。


圖1是本發(fā)明半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)的使用結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明具體實施例半導(dǎo)體晶圓厚度檢測方法中所測的信號示意圖。
具體實施例方式見圖1，一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)，它是由飛秒激光器I、設(shè)置于飛秒激光器I發(fā)射口后端的分束器2、設(shè)置于分束器2后端的太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測光路部分、依次設(shè)置于太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測光路部分后端的太赫茲波/光波合束器18、太赫茲波探測器13、偏振變化測量裝置19組成；太赫茲波激發(fā)光路部分包括順次設(shè)置的第一激光聚焦透鏡3、太赫茲波發(fā)射器4、第一太赫茲波收集器5、太赫茲波反射鏡6、太赫茲波分束器7、太赫茲波透鏡9、樣品臺10、第二太赫茲波收集器12和設(shè)置太赫茲波分束器7前表面的太赫茲波吸收鏡8組成；太赫茲波探測光路部分包括順次設(shè)置的光學(xué)延遲裝置14、第一激光反射鏡15、第二激光聚焦透鏡16、第二激光反射鏡17 ;偏振變化測量裝置19是由第三激光聚焦透鏡191、激光四分之一波片192、沃拉斯頓棱鏡193和光電探測器194組成；
其中，太赫茲波發(fā)射器4選用選用太赫茲光導(dǎo)天線或電光晶體；第一太赫茲波收集器5和第二太赫茲波收集器12均選用金屬離軸拋面鏡；太赫茲波探測器13選用電光晶體。一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括以下步驟(1)、飛秒激光器I發(fā)出的脈沖激光光束通過分束器2分為激發(fā)光和探測光；
(2)、激發(fā)光由第一激光聚焦透鏡3聚焦到太赫茲波發(fā)射器4表面來產(chǎn)生脈沖太赫茲波，太赫茲波發(fā)射器4產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第一太赫茲波收集器5收集轉(zhuǎn)化成平行光束,平行太赫茲光束再經(jīng)太赫茲波反射鏡6反射并通過太赫茲波分束器7，太赫茲波分束器7前表面反射的太赫茲波被太赫茲波吸收器8吸收,透過太赫茲波分束器7的太赫茲波由太赫茲波透鏡9聚焦到樣品臺10表面，樣品臺10表 面為平整的金屬鏡面，其鏡面垂直太赫茲波的入射方向，被樣品臺10表面反射的太赫茲波再次經(jīng)過太赫茲波透鏡9還原為平行光束，并再次經(jīng)過太赫茲波分束器7，被太赫茲波分束器7反射的太赫茲波由第二太赫茲波收集器12收集會聚、然后透過太赫茲波/光波合束器18到達太赫茲波探測器13的表面；
(3)、探測光經(jīng)過光學(xué)延遲裝置14延長探測光光路傳播的時間，然后探測光依次經(jīng)第一激光反射鏡15反射、第二激光聚焦透鏡16會聚、第二激光反射鏡17反射,最后由太赫茲波/光波合束器18反射到太赫茲波探測器13的表面；
(4)、經(jīng)過太赫茲波/光波合束器18的探測激光和太赫茲波傳播方向一致，并且它們的焦點在太赫茲波探測器13的表面重合，由于線性電光效應(yīng),太赫茲波電場在太赫茲波探測器13上引起折射率的變化，該變化會相應(yīng)的引起透過的探測激光偏振態(tài)的變化，探測激光的偏振態(tài)的變化由偏振變化測量裝置19測得；
(5)、當(dāng)樣品臺10放入半導(dǎo)體晶圓11時,太赫茲波從半導(dǎo)體晶圓11表面反射，由于半導(dǎo)體晶圓11具有一定厚度，故與樣品臺10上未放置半導(dǎo)體晶圓11時相比，激發(fā)光路的光程減小了，因此由半導(dǎo)體晶圓11表面反射后測到的太赫茲信號與從樣品臺10表面直接反射的信號相比，前者的時間提前了，提前的時間量與半導(dǎo)體晶圓11的厚度有關(guān)，即At =2T/C,其中At是時間延遲的變化量，T是半導(dǎo)體晶圓的厚度，C是光速，即半導(dǎo)體晶圓的厚度T=C At/2 ;見圖2，測量時，首先測量未放半導(dǎo)體晶圓11時由樣品臺10表面反射的太赫茲波信號(右側(cè)帶有凸峰的信號線)，并以此作為參考信號；然后放入半導(dǎo)體晶圓11，測量由半導(dǎo)體晶圓11表面反射的太赫茲波信號，即測量信號(左側(cè)帶有凸峰的信號線)，并通過比較獲得測量信號峰值與參考信號峰值之間時間延遲，然后根據(jù)公式At = 2T/C獲得半導(dǎo)體晶圓的厚度。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)，其特征在于它是由飛秒激光器、設(shè)置于飛秒激光器發(fā)射口后端的分束器、設(shè)置于分束器后端的太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測光路部分、依次設(shè)置于太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測光路部分后端的太赫茲波/光波合束器、太赫茲波探測器、偏振變化測量裝置組成；所述的太赫茲波激發(fā)光路部分包括順次設(shè)置的第一激光聚焦透鏡、太赫茲波發(fā)射器、第一太赫茲波收集器、太赫茲波反射鏡、太赫茲波分束器、太赫茲波透鏡、樣品臺、第二太赫茲波收集器組成；所述的太赫茲波探測光路部分包括順次設(shè)置的光學(xué)延遲裝置、第一激光反射鏡、第二激光聚焦透鏡、第二激光反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的太赫茲波分束器的前表面設(shè)置有太赫茲波吸收鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的太赫茲波發(fā)射器選用太赫茲光導(dǎo)天線或電光晶體；所述的第一太赫茲波收集器和第二太赫茲波收集器均選用金屬離軸拋面鏡；所述的太赫茲波探測器選用電光晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的偏振變化測量裝置是由第三激光聚焦透鏡、激光四分之一波片、沃拉斯頓棱鏡和光電探測器組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于包括以下步驟 (1)、飛秒激光器發(fā)出的脈沖激光光束通過分束器分為激發(fā)光和探測光； (2)、激發(fā)光由第一激光聚焦透鏡聚焦到太赫茲波發(fā)射器表面來產(chǎn)生脈沖太赫茲波,太赫茲波發(fā)射器產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第一太赫茲波收集器收集轉(zhuǎn)化成平行光束，平行太赫茲光束再經(jīng)太赫茲波反射鏡反射并通過太赫茲波分束器，透過太赫茲波分束器的太赫茲波由太赫茲波透鏡聚焦到樣品臺表面，樣品臺表面為平整的金屬鏡面，其鏡面垂直太赫茲波的入射方向，被樣品臺表面反射的太赫茲波再次經(jīng)過太赫茲波透鏡還原為平行光束，并再次經(jīng)過太赫茲波分束器，被太赫茲波分束器反射的太赫茲波由第二太赫茲波收集器收集會聚、然后透過太赫茲波/光波合束器到達太赫茲波探測器的表面； (3)、探測光經(jīng)過光學(xué)延遲裝置延長探測光光路傳播的時間，然后探測光依次經(jīng)第一激光反射鏡反射、第二激光聚焦透鏡會聚、第二激光反射鏡反射，最后由太赫茲波/光波合束器反射到太赫茲波探測器的表面； (4 )、經(jīng)過太赫茲波/光波合束器的探測激光和太赫茲波傳播方向一致，并且它們的焦點在太赫茲波探測器的表面重合，由于線性電光效應(yīng)，太赫茲波電場在太赫茲波探測器上引起折射率的變化，該變化會相應(yīng)的引起透過的探測激光偏振態(tài)的變化，探測激光的偏振態(tài)的變化由偏振變化測量裝置測得； (5)、當(dāng)樣品臺放入半導(dǎo)體晶圓時，太赫茲波從半導(dǎo)體晶圓表面反射；由于半導(dǎo)體晶圓具有一定厚度，故與樣品臺上未放置半導(dǎo)體晶圓時相比，激發(fā)光路的光程減小了，因此由半導(dǎo)體晶圓表面反射后測到的太赫茲信號與從樣品臺表面直接反射的信號相比，前者的時間提前了，提前的時間量與半導(dǎo)體晶圓的厚度有關(guān)，即At = 2T/C,其中At是時間延遲的變化量，T是半導(dǎo)體晶圓的厚度，C是光速；即半導(dǎo)體晶圓的厚度T=C At/2 ;測量時，首先測量未放半導(dǎo)體晶圓時由樣品臺表面反射的太赫茲波信號，并以此作為參考信號；然后放入半導(dǎo)體晶圓，測量由半導(dǎo)體晶圓表面反射的太赫茲波信號，即測量信號，并通過比較獲得測量信號峰值與參考信號峰值之間時間延遲，然后根據(jù)公式At = 2T/C獲得半導(dǎo)體晶圓的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于所述的太赫茲波分束器前表面反射的太赫茲波被太赫茲波吸收器吸收。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測系統(tǒng)及其檢測方法，通過測量從半導(dǎo)體晶圓表面反射的太赫茲信號與從樣品臺表面直接反射的太赫茲信號之間的時間延遲來檢測半導(dǎo)體晶圓的厚度，其檢測對半導(dǎo)體晶圓表面材料特性均勻度無要求，且測量精度高，測量操作簡單。
文檔編號G01B11/06GK102620666SQ20121008787
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者吳周令, 陳堅 申請人:吳周令