專利名稱：校準(zhǔn)非振動式接觸電勢差測量結(jié)果以檢測垂直于傳感器運(yùn)動方向的表面變化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用來檢查包括半導(dǎo)體表面和半導(dǎo)體材料在內(nèi)的表面和材料的方法和 系統(tǒng)。更為具體而言，本發(fā)明涉及利用振動式和非振動式接觸電勢差傳感器檢測并測量 表面或亞表面的非均勻性和/或電荷的方法，從而在整個(gè)表面上建立任何非均勻性的精 確存在關(guān)系。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體設(shè)備的功能、可靠性和性能取決于使用清潔且均勻的半導(dǎo)體材料和表 面。數(shù)億資金和無數(shù)人工已經(jīng)花費(fèi)在研發(fā)、表征并優(yōu)化用來制造和處理半導(dǎo)體材料的系 統(tǒng)和工藝。這些工作的首要目的是制造極其清潔的材料和表面，這些材料和表面具有在 整個(gè)晶片范圍內(nèi)均勻或均勻變化的預(yù)定屬性和期望屬性。為了表征并優(yōu)化這些工藝和得 到的材料，需要能檢查并測量表面或主體的清潔度和均勻度。為了實(shí)時(shí)過程控制，需 要能在表面范圍內(nèi)高速進(jìn)行許多測量，并且采用不會損壞或污染半導(dǎo)體表面的方式來實(shí) 現(xiàn)。檢查并測量表面的一種方法是采用非振動式接觸電勢差傳感器。非振動式接觸 電勢差傳感器由半導(dǎo)體探頭構(gòu)成，該探頭被定位靠近表面并電連接到該表面。探頭和表 面形成電容。由于兩種材料的逸出功或表面電勢不同，所以在探頭尖端和表面之間形成 電勢。這種電勢稱為兩個(gè)表面之間的接觸電勢差，或者表面電勢差。探頭尖端平行于該 表面平移，或者該表面在探頭下平移。表面上不同點(diǎn)的逸出功或表面電勢變化，導(dǎo)致該 表面和探頭尖端之間的接觸電勢差發(fā)生變化。這種電勢變化導(dǎo)致電流流入或流出傳感器 探頭尖端。這種電流被放大，轉(zhuǎn)化成電壓，并被采樣以形成表示被測表面范圍內(nèi)電勢變 化的連續(xù)數(shù)據(jù)流。非振動式接觸電勢差傳感器可以以大于100000次采樣每秒的速率提供 連續(xù)數(shù)據(jù)流。高速的數(shù)據(jù)獲取速率允許在短短幾分鐘內(nèi)獲得所有半導(dǎo)體晶片的高分辨率 圖像。非振動式接觸電勢差傳感器產(chǎn)生的信號是被測表面兩種特征的結(jié)合——逸出功 變化和表面高度變化。探頭尖端的電荷由下式確定Q = CV(1)其中Q是探頭尖端上的電荷，C是探頭尖端和被測表面之間的電容，而V是探 頭尖端和該表面之間的接觸電勢差。進(jìn)入探頭尖端的電流i是探頭尖端上的電荷的導(dǎo)數(shù)，并且由下式給出
電流i是兩項(xiàng)之和dV/dt項(xiàng)和dC/dt項(xiàng)。dV/dt項(xiàng)表示探頭尖端和晶片表面之 間的電壓變化，而dC/dt項(xiàng)表示探頭尖端和晶片表面之間的電容變化。探頭尖端的電勢在 掃描操作過程中固定，所以dV/dt項(xiàng)的變化來源于被測表面范圍內(nèi)的電勢變化。dC/dt項(xiàng) 的變化來自探頭尖端和晶片表面之間的距離變化，這通常來自晶片表面的高度變化。在 大多數(shù)晶片表面掃描應(yīng)用中，通過控制晶片表面上方探頭尖端的高度、最小化晶片表面 高度變化和/或通過施加DC偏置電壓最小化探頭尖端和晶片表面之間的平均電壓，從而 使來自電容變化的信號最小化。因此，電容信號可以忽略和可以不予考慮。非振動式接觸電勢差傳感器的一個(gè)重要特征是，它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是差分?jǐn)?shù)據(jù)，這 意味著它產(chǎn)生表示被測表面范圍內(nèi)表面電勢或逸出功的差異或變化的數(shù)據(jù)。傳感器的輸 出表示在傳感器探頭尖端相對于該表面的行進(jìn)方向上的表面電勢變化。傳感器輸出并不 包括與傳感器探頭行進(jìn)方向垂直或正交的方向上表面電勢變化的任何數(shù)據(jù)。而且，傳感 器輸出并不提供與探頭尖端和被測表面之間任意一點(diǎn)的絕對電勢差有關(guān)的數(shù)據(jù)。該傳感 器輸出僅包含有關(guān)表面電勢變化的信息。非振動式接觸電勢差傳感器依賴探頭尖端和被測表面之間的相對運(yùn)動來產(chǎn)生信 號。平行于晶片表面移動傳感器探頭尖端以產(chǎn)生信號的動作稱為掃描。有許多可選方案 用于在探頭尖端和晶片表面之間產(chǎn)生掃描運(yùn)動。例如，晶片可以保持固定而探頭尖端可 以在晶片表面上方往復(fù)移動以產(chǎn)生數(shù)據(jù)的線性“軌跡”，其中軌跡是連續(xù)的一系列順序 數(shù)據(jù)樣本。多條線性軌跡可以組合成被掃描表面的圖像?；蛘撸筋^可以保持固定而晶 片在傳感器探頭尖端下方往復(fù)移動。這類掃描，無論是傳感器還是晶片往復(fù)移動以產(chǎn)生 一系列平行線性掃描，通常稱為光柵掃描。用來產(chǎn)生掃描運(yùn)動的另一種可選方案是在傳 感器探頭尖端下方旋轉(zhuǎn)晶片，并且沿著晶片半徑移動傳感器或晶片，從而在距離晶片中 心不同的半徑處獲取一系列同心圓軌跡。這些同心圓軌跡然后可以組合成被掃描表面的 圖像。這類掃描操作通常稱為徑向掃描，因?yàn)樘筋^尖端沿著晶片半徑移動。利用徑向掃描，晶片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在探頭尖端和被測表面之間提供相對運(yùn)動而不 需要光柵掃描操作中需要的強(qiáng)烈加速和減速。光柵掃描要求加速探頭或晶片到所需的掃 描速度，獲取單一數(shù)據(jù)軌跡，然后減速并沿著相反方向再次加速探頭或晶片。對于徑向 掃描，晶片可以以固定或緩慢變化的速度旋轉(zhuǎn)，并且傳感器可以以較小的加速度從一條 徑向軌跡向下一條徑向軌跡移動較小的距離。因此，相比光柵掃描，其可以在更短的時(shí) 間周期內(nèi)掃描晶片表面，而且振動更小并且功耗更低。非振動式接觸電勢差傳感器信號的差分性質(zhì)意味著僅在探頭經(jīng)過晶片表面上表 面電勢從一個(gè)位置到另一個(gè)位置發(fā)生變化的一部分表面時(shí)，才產(chǎn)生信號。如果傳感器從 具備一個(gè)表面電勢值的區(qū)域移動到具備另一表面電勢值的區(qū)域，則僅在兩個(gè)區(qū)域的過渡 部分(邊緣)才產(chǎn)生信號。差分傳感器信號與沿著探頭運(yùn)動方向的表面電勢變化成比例。 然而，通過對傳感器信號積分，這種差分信號可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)新的信號，這個(gè)新的信號 是相對表面電勢的線性函數(shù)。積分通過計(jì)算連續(xù)樣本的累積和得到。所述積分信號提 供有關(guān)探頭運(yùn)動方向上相對表面電勢的信息，但是并未提供有關(guān)垂直于運(yùn)動方向的表面 變化的任何信息，也沒有提供接觸電勢差絕對值的量度。作為掃描運(yùn)動的結(jié)果，在缺乏用于確定正交變化的額外測量的情況下，任何正交變化都無法檢測。在光柵掃描的情況 下，有關(guān)正交變化的數(shù)據(jù)可以通過實(shí)施兩次掃描操作來獲得兩個(gè)正交方向每個(gè)方向一 次。但是，這種操作要求兩次掃描該表面，使得掃描時(shí)間加倍。在徑向掃描的情況下， 掃描機(jī)構(gòu)不太容易沿著兩個(gè)正交方向掃描晶片表面上的每個(gè)點(diǎn)。因此，探頭相對于晶片 表面的圓形運(yùn)動在檢測徑向變化的表面非均勻性方面，效果并不好。接觸電勢差中的這 種徑向變化可能來源于各種晶片加工步驟。例如，由單次晶片清潔或等離子處理操作導(dǎo) 致的介電充電可能產(chǎn)生徑向電荷圖案，這種徑向電荷圖案無法由非振動式接觸電勢差傳 感器利用徑向掃描方法檢測到。如上所述，非振動式接觸電勢差傳感器產(chǎn)生差分?jǐn)?shù)據(jù)，差分?jǐn)?shù)據(jù)可以積分以產(chǎn) 生表示所述表面范圍內(nèi)相對接觸電勢差的數(shù)據(jù)。還可以利用振動式接觸電勢差測量操作 校準(zhǔn)積分的非振動式接觸電勢差數(shù)據(jù)。振動式接觸電勢差傳感器通常稱為Kelvin探頭， 或者Kelvin-Zisman探頭。這種傳感器在探頭尖端和被測表面特定點(diǎn)之間產(chǎn)生以伏特計(jì)的 絕對接觸電勢差測量結(jié)果。但是，振動式接觸電勢差測量相比非振動式接觸電勢差測量 非常緩慢，并且這種技術(shù)并不適合以生產(chǎn)速度進(jìn)行全晶片成像。通過計(jì)算被測表面上多 個(gè)點(diǎn)的Kelvin探頭測量結(jié)果和相同點(diǎn)上積分的非振動式接觸電勢差值之間的線性轉(zhuǎn)換， 積分的非振動式接觸電勢差測量結(jié)果可以被轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生絕對接觸電勢差值?？梢岳弥T 如最小二乘方線性擬合的技術(shù)計(jì)算出最佳擬合的線性轉(zhuǎn)換。一旦計(jì)算出最佳擬合的線性 轉(zhuǎn)換，便可以應(yīng)用于積分的非振動式接觸電勢差圖像中的所有點(diǎn)。這種技術(shù)提供全部被 掃描點(diǎn)的絕對接觸電勢差值的近似值，并且比利用振動式接觸電勢差傳感器測量整個(gè)晶 片表面的速度快很多。但是，積分的非振動式數(shù)據(jù)仍然不包括有關(guān)垂直于探頭尖端運(yùn)動 方向的表面電勢變化的任何信息。因此，積分并轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)將不包括有關(guān)垂直于掃描探 頭運(yùn)動方向的表面電勢變化的信息，并且如果在該方向上存在顯著的表面電勢變化，得 到的數(shù)據(jù)將不正確。表面電勢的這種正交變化對于被徑向掃描的晶片來說是普遍存在 的，因?yàn)槿缟纤?，表面電勢的顯著徑向變化可能產(chǎn)生于常見的半導(dǎo)體制造過程。如果 存在顯著的徑向變化，則振動式Kelvin探頭測量結(jié)果與積分的徑向掃描非振動式接觸電 勢差數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)將比較小，因?yàn)榉e分的非振動式接觸電勢差圖像將不包括表面 電勢的這種顯著徑向變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所述的系統(tǒng)和方法提供了結(jié)合振動式和非振動式接觸電勢差檢查系統(tǒng)的 改進(jìn)應(yīng)用，該檢測系統(tǒng)允許對表面快速成像和沿著非振動式(掃描)探頭運(yùn)動方向以及 垂直于非振動式探頭運(yùn)動方向檢測表面電勢非均勻性。對于利用徑向掃描系統(tǒng)以非振動 式探頭掃描的表面上的徑向非均勻性檢測來說，這種能力特別有用。在下文中，能利用 文中所述系統(tǒng)檢查的材料將統(tǒng)稱為“晶片”。在優(yōu)選應(yīng)用中，例如為了評估傳統(tǒng)硅單晶 片，對于經(jīng)受不同處理?xiàng)l件的4種不同的晶片，在下文中描述了各種示例。本發(fā)明包括 振動式和非振動式接觸電勢差測量能力。振動式接觸電勢差測量能力提供有關(guān)探頭尖端 和晶片表面上各點(diǎn)之間的絕對接觸電勢差的數(shù)據(jù)，而非振動式接觸電勢差測量能力提供 有關(guān)晶片表面范圍內(nèi)接觸電勢差變化的數(shù)據(jù)。所述裝置由下述構(gòu)成能進(jìn)行振動式和非 振動式接觸電勢差測量的傳感器或多個(gè)傳感器的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)；用于機(jī)械地固定所述晶片的系統(tǒng)；用于將傳感器定位在晶片表面上方固定距離并在探頭尖端和晶片表面之間產(chǎn)生相 對運(yùn)動的系統(tǒng)，這樣傳感器探頭尖端平行于晶片表面移動；用于向傳感器探頭尖端或晶 片表面施加偏置電壓的系統(tǒng)；用于垂直于晶片表面振動傳感器探頭尖端的系統(tǒng)；以及用 于獲取并處理所述傳感器或多個(gè)傳感器的輸出信號以識別非均勻性并對其分類的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)進(jìn)一步具備這樣的能力，即向傳感器探頭尖端或晶片表面施加偏置電 壓，以改變探頭尖端和晶片之間的電勢。在這種情況下，等式(2)中的dC/dt項(xiàng)包括偏 置電壓，如下式所示
權(quán)利要求
1.一種確定材料表面接觸電勢差以表征所述表面的性能的方法，包括步驟提供材料表面；提供具有傳感器探頭尖端的接觸電勢差傳感器；相對于彼此掃描所述表面和所述接觸電勢差傳感器；所述傳感器探頭尖端相對于材料表面橫向掃描，產(chǎn)生表示所述傳感器探頭尖端和材 料表面之間接觸電勢差變化的橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)；處理所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)，以提供相對接觸電勢差值；利用振動式接觸電勢差傳感器對所述橫向掃描表面的絕對接觸電勢差進(jìn)行至少一次 測量；以及利用所述絕對接觸電勢差數(shù)據(jù)來計(jì)算偏移量，所述偏移量增加到所述相對接觸電勢 值中，以產(chǎn)生表示所述傳感器探頭尖端和所述橫向掃描表面上的所有點(diǎn)之間的接觸電勢 差的特征數(shù)據(jù)，由此來表征所述材料表面的性能。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，處理所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)的步驟包括對所述 橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，以產(chǎn)生積分?jǐn)?shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，處理所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)的步驟包括將所述 積分?jǐn)?shù)據(jù)乘以縮放因子，從而將所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相對接觸電勢差值。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述橫向掃描運(yùn)動通過旋轉(zhuǎn)晶片而產(chǎn)生。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)以同心圓軌跡數(shù)據(jù)的形 式提供。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，進(jìn)行振動式接觸電勢差測量的步驟包括累加不同 軌跡上的數(shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括步驟分析所述特征數(shù)據(jù)，以確定垂直于 掃描過程中所述探頭尖端行進(jìn)方向的表面接觸電勢差的變化。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括步驟讓所述材料表面接受多種不同的處 理，并且表征所述材料表面，以積累與每種不同處理關(guān)聯(lián)的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而能夠?yàn)樗?材料產(chǎn)生預(yù)定的表面品質(zhì)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)一步用于對使多種材料具有所述 預(yù)定表面品質(zhì)的生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)編程。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述不同的處理選自清潔過程、化學(xué) 處理過程和物理處理過程。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述清潔過程選自采用去離子清洗 進(jìn)行清潔和采用等離子處理步驟進(jìn)行清潔。
12.一種確定材料表面接觸電勢差以表征表面屬性的方法，包括步驟提供材料表面；提供具有傳感器探頭尖端的接觸電勢差傳感器；相對于彼此掃描所述表面和所述接觸電勢差傳感器；所述傳感器探頭尖端相對于材料表面橫向掃描，產(chǎn)生表示所述傳感器探頭尖端和材 料表面之間接觸電勢差變化的第一組橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)；產(chǎn)生表示所述材料表面范圍內(nèi)接觸電勢差變化的第二組橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)，所述第二組傳感器數(shù)據(jù)通過垂直于第一組傳感器數(shù)據(jù)橫向掃描方向移動所述接觸電勢差傳感 器而產(chǎn)生；處理所述第一組和第二組傳感器數(shù)據(jù)以確定相對接觸電勢差值；利用振動式接觸電勢差傳感器對所述橫向掃描表面的絕對接觸電勢差進(jìn)行至少一次 測量；以及利用所述絕對接觸電勢差數(shù)據(jù)來計(jì)算偏移量，所述偏移量增加到所述積分并縮放的 非振動式相對接觸電勢差數(shù)據(jù)值中，以產(chǎn)生表示所述傳感器探頭尖端和所述橫向掃描表 面上的所有點(diǎn)之間的接觸電勢差的特征數(shù)據(jù)，由此來表征所述材料表面的屬性。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，處理所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)的步驟包括對所 述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，以產(chǎn)生積分?jǐn)?shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，處理所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)的步驟包括將所 述積分?jǐn)?shù)據(jù)乘以縮放因子，從而將所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相對接觸電勢差值。
15.一種制備用于電子元件的半導(dǎo)體晶片，至少其中一種處理方法包括步驟提供具有表面的半導(dǎo)體晶片；提供具有傳感器探頭尖端的接觸電勢差傳感器；相對于彼此掃描所述半導(dǎo)體晶片表面和所述接觸電勢差傳感器；所述傳感器探頭尖端相對于半導(dǎo)體晶片表面橫向掃描，產(chǎn)生表示所述傳感器探頭尖 端和半導(dǎo)體晶片表面之間接觸電勢差變化的橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)；處理所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)，以提供相對接觸電勢差值；利用振動式接觸電勢差傳感器對所述橫向掃描表面的絕對接觸電勢差進(jìn)行至少一次 測量；以及利用所述絕對接觸電勢差數(shù)據(jù)來計(jì)算偏移量，所述偏移量增加到所述相對接觸電勢 值中，以得到表示所述傳感器探頭尖端和所述橫向掃描表面上的所有點(diǎn)之間的接觸電勢 差的特征數(shù)據(jù)，由此來表征所述半導(dǎo)體晶片表面的屬性。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，處理所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)的步驟包括對所 述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，以產(chǎn)生積分?jǐn)?shù)據(jù)。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，處理所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)的步驟包括將所 述積分?jǐn)?shù)據(jù)乘以縮放因子，從而將所述橫向掃描傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相對接觸電勢差值。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括步驟分析所述特征數(shù)據(jù)，以確定垂直 于掃描過程中所述探頭尖端行進(jìn)方向的表面接觸電勢差變化。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括步驟讓所述半導(dǎo)體晶片表面接受多種 不同的處理，并且表征所述半導(dǎo)體晶片表面，以積累與每種不同處理關(guān)聯(lián)的相關(guān)數(shù)據(jù)， 從而能夠?yàn)樗霭雽?dǎo)體晶片產(chǎn)生預(yù)定的表面品質(zhì)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)一步用于對使多種半導(dǎo)體晶片 具有所述預(yù)定表面品質(zhì)的生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)編程。
全文摘要
一種利用非振動式接觸電勢差探頭和振動式接觸電勢差探頭確定晶片表面接觸電勢差的方法和系統(tǒng)。所述方法和系統(tǒng)涉及利用非振動式接觸電勢差傳感器掃描晶片表面，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)積分并縮放，并向個(gè)別數(shù)據(jù)軌跡應(yīng)用偏移量，從而將積分并縮放的數(shù)據(jù)與利用振動式接觸電勢差傳感器獲得的測量結(jié)果匹配。
文檔編號H01L21/66GK102017117SQ200980115697
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月2日
發(fā)明者威廉·R·厄斯里, 馬克·A·舒爾策 申請人:Q概念技術(shù)公司