晶圆原位减薄工艺中的厚度分布在线校验方法及系统与流程

本技术属于校验领域，尤其涉及一种晶圆原位减薄工艺中的厚度分布在线校验方法及系统。

背景技术：

1、在化学机械抛光、背面磨削等晶圆减薄工艺中，材料去除过程受到加工压力、相对运动速度、接触状态及局部工艺扰动等因素共同影响，容易形成非均匀去除现象，进而导致晶圆表面出现局部厚度偏差或面形异常。为在加工过程中实时掌握晶圆厚度变化状态，并为工艺参数调整提供依据，原位在线厚度测量技术被广泛应用于先进半导体制造装备。与传统离线测量相比，原位在线测量能够在不中断加工流程的情况下获取实时厚度信息，有利于提升过程控制能力和生产效率。但由于加工腔室空间受限、测量环境复杂、工艺节拍紧凑，测量探头通常只能沿有限轨迹进行稀疏采样，难以直接获得完整、高分辨率的全局厚度分布。

2、现有晶圆厚度分布校验方法多依赖预设固定几何轨迹进行采样，未充分结合材料去除率在空间上的差异特征，容易遗漏厚度变化较剧烈或加工耦合较强的关键区域，导致采集数据的全局代表性不足。同时，原位测量过程中探头处于动态运动状态，加速度变化、法向位移波动等因素可能引入额外测量扰动，影响数据可靠性。在后续全局厚度重构中，传统方法通常采用普通空间插值，难以同时兼顾未知区域的信息覆盖、复杂面形的高阶特征逼近以及加工过程中的各向异性影响。因此，有必要提出一种能够融合加工工艺特征、测量运动约束和多目标路径优化的在线校验方法，以在有限测点条件下提高晶圆全局厚度分布重构与比对校验的可靠性。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的有限测点代表性不足、探头运动扰动影响测量可靠性、普通空间插值难以准确重构全局厚度分布的问题，本发明提供了一种晶圆原位减薄工艺中的厚度分布在线校验方法及系统。

2、第一方面，本发明提供了一种晶圆原位减薄工艺中的厚度分布在线校验方法，包括以下步骤：

3、基于晶圆工艺模型和实时厚度数据构建表示厚度状态的加工感知各向异性张量图；所述加工感知各向异性张量图的节点为测量点，连接边由二阶加工影响张量界定，所述张量的特征值与特征向量表示由材料去除率模型推导出的节点间相互影响强度与方向；

4、设立优化目标函数，包括最小化路径总长度、最小化保真度加权谱系偏差及最大化信息覆盖增益；所述保真度加权谱系偏差利用保真度系数对插值曲面与目标分布的zernike多项式系数向量差值绝对值加权求和；所述信息覆盖增益量化路径对未知区域不确定性的降低程度；利用禁忌约束，预测测量探头运动产生的切向加速度与法向位移变化率并经无量纲化处理后映射为二阶测量误差协方差张量；当最大特征值超阈值时将寻优操作界定为禁忌移动；

5、从帕累托最优解集中根据几何精度因子最小化准则进行择优，选取最优校验路径；利用所述最优校验路径在所述加工感知各向异性张量图上采用图核回归方法重构全局厚度，将任意点厚度表达为路径点厚度基于无量纲测地线距离的核函数加权和并经归一化处理的数值，完成比对校验。

6、可选地，所述基于晶圆工艺模型和实时厚度数据构建表示厚度状态的加工感知各向异性张量图，包括：

7、提取晶圆在测量设备上的三维绝对坐标点集，将所述点集划分为均匀分布的初始网格节点集合；

8、读取当前工艺主控系统中设定的实际加工压力参数，并提取与指定相对运动线速度对应的局部材料去除率数学方程；

9、对所述局部材料去除率数学方程关于空间坐标系实施二阶偏导数运算，以获取表示几何相邻位置厚度相互影响关系的二阶加工影响张量矩阵；

10、计算所述张量矩阵的特征值与对应的特征向量，将厚度测量点作为图节点，以相邻两个节点对应的二阶加工影响张量最大特征值绝对值的平均值作为节点间的非负标量边权，建立连通的加工感知各向异性张量图。

11、可选地，所述保真度加权谱系偏差利用保真度系数对插值曲面与目标分布的zernike多项式系数向量差值绝对值加权求和，包括：

12、根据各测量位置的反馈信号与底噪幅值计算测量信噪比，并将所述测量信噪比映射为信息保真度系数，再转换为对应各阶zernike多项式的谱系保真度系数；

13、对实际校验路径厚度数据生成的二维厚度分布曲面与理想目标厚度分布分别进行zernike多项式展开，得到对应的zernike展开系数向量；

14、计算两个zernike展开系数向量的同阶差值，并根据所述谱系保真度系数对所述同阶差值进行加权求和，得到保真度加权谱系偏差量。

15、可选地，所述信息覆盖增益量化路径对未知区域不确定性的降低程度，包括：

16、将待检测的晶圆空间区域划分为多个探测单元，分别确定候选校验路径加入前后的未知网格集合；

17、计算各未知网格与最近实测节点之间的距离，并根据无量纲化后的距离确定对应的未知程度权重；

18、将所述未知程度权重代入预设不确定性函数，分别得到候选校验路径加入前后的未知区域不确定性，并将二者差值作为所述候选校验路径的信息覆盖增益。

19、可选地，所述利用禁忌约束，预测测量探头运动产生的切向加速度与法向位移变化率并经无量纲化处理后映射为二阶测量误差协方差张量，包括：

20、提取当前各段候选校验路径的单步运动时间数组，对单步空间位移函数关于时间变量求二阶导数运算，获取测量探头的切向运行加速度；

21、结合探头主控程序分配的随动传感器形变参数，计算同一毫秒时间窗内的法向微缩进数值，转换为法向位移变化率；

22、分别利用预设的基准加速度和基准速度对所述切向运行加速度和所述法向位移变化率进行无量纲化处理得到统一量纲的运动学参量，构建运动学状态空间列向量，将所述统一量纲的运动学参量依矢量分配赋值，并通过所述列向量与所述列向量的转置的外积映射构建为表示瞬态测量波动不确定度的二阶测量误差协方差张量，以作为判断是否触发禁忌移动的约束监控基准。

23、可选地，所述从帕累托最优解集中根据几何精度因子最小化准则进行择优，选取最优校验路径，包括：

24、提取每组候选最优校验路径中探测点的三维空间坐标参数，并以所述探测点的质心为参考基准进行中心化及无量纲化处理，基于处理后的相对坐标参数构建观测构型矩阵；

25、根据所述观测构型矩阵计算误差协方差矩阵，并由所述误差协方差矩阵的主对角线元素确定几何精度因子；

26、以所述几何精度因子最小为准则，选取最优校验路径。

27、可选地，所述利用所述最优校验路径在所述加工感知各向异性张量图上采用图核回归方法重构全局厚度，将任意点厚度表达为路径点厚度基于无量纲测地线距离的核函数加权和并经归一化处理的数值，完成比对校验，包括：

28、获取并存储探头按最优校验路径执行扫描探测后得到的第一测量厚度反馈序列；

29、根据所述加工感知各向异性张量图的连通结构，将节点间的边权按照预设基准边权进行归一化处理，得到无量纲加工影响权重，并对所述无量纲加工影响权重取倒数，得到节点间的无量纲传播阻抗；

30、基于所述无量纲传播阻抗计算不在测量反馈经过范围内的各待预测节点与存储列表中已有测量节点之间的最短无量纲测地线距离；

31、采用高斯距离衰减核函数，将计算获取的最短无量纲测地线距离转化为距离权重参数；

32、将已有测量节点的厚度实测数值与所述距离权重参数相乘，并进行全局加权求和，再除以所述距离权重参数的全局总和进行归一化处理，计算得出待预测节点的预测厚度值，生成并输出晶圆全局厚度分布图以完成比对校验。

33、另一方面，本发明还提供了一种晶圆原位减薄工艺中的厚度分布在线校验系统，包括以下模块：

34、构建模块，用于基于晶圆工艺模型和实时厚度数据构建表示厚度状态的加工感知各向异性张量图；所述加工感知各向异性张量图的节点为测量点，连接边由二阶加工影响张量界定，所述张量的特征值与特征向量表示由材料去除率模型推导出的节点间相互影响强度与方向；

35、设立模块，用于设立优化目标函数，包括最小化路径总长度、最小化保真度加权谱系偏差及最大化信息覆盖增益；所述保真度加权谱系偏差利用保真度系数对插值曲面与目标分布的zernike多项式系数向量差值绝对值加权求和；所述信息覆盖增益量化路径对未知区域不确定性的降低程度；利用禁忌约束，预测测量探头运动产生的切向加速度与法向位移变化率并经无量纲化处理后映射为二阶测量误差协方差张量；当最大特征值超阈值时将寻优操作界定为禁忌移动；

36、校验模块，用于从帕累托最优解集中根据几何精度因子最小化准则进行择优，选取最优校验路径；利用所述最优校验路径在所述加工感知各向异性张量图上采用图核回归方法重构全局厚度，将任意点厚度表达为路径点厚度基于无量纲测地线距离的核函数加权和并经归一化处理的数值，完成比对校验。

37、优选地，所述基于晶圆工艺模型和实时厚度数据构建表示厚度状态的加工感知各向异性张量图，包括：

38、提取晶圆在测量设备上的三维绝对坐标点集，将所述点集划分为均匀分布的初始网格节点集合；

39、读取当前工艺主控系统中设定的实际加工压力参数，并提取与指定相对运动线速度对应的局部材料去除率数学方程；

40、对所述局部材料去除率数学方程关于空间坐标系实施二阶偏导数运算，以获取表示几何相邻位置厚度相互影响关系的二阶加工影响张量矩阵；

41、计算所述张量矩阵的特征值与对应的特征向量，将厚度测量点作为图节点，以相邻两个节点对应的二阶加工影响张量最大特征值绝对值的平均值作为节点间的非负标量边权，建立连通的加工感知各向异性张量图。

42、优选地，所述保真度加权谱系偏差利用保真度系数对插值曲面与目标分布的zernike多项式系数向量差值绝对值加权求和，包括：

43、根据各测量位置的反馈信号与底噪幅值计算测量信噪比，并将所述测量信噪比映射为信息保真度系数，再转换为对应各阶zernike多项式的谱系保真度系数；

44、对实际校验路径厚度数据生成的二维厚度分布曲面与理想目标厚度分布分别进行zernike多项式展开，得到对应的zernike展开系数向量；

45、计算两个zernike展开系数向量的同阶差值，并根据所述谱系保真度系数对所述同阶差值进行加权求和，得到保真度加权谱系偏差量。

46、优选地，所述信息覆盖增益量化路径对未知区域不确定性的降低程度，包括：

47、将待检测的晶圆空间区域划分为多个探测单元，分别确定候选校验路径加入前后的未知网格集合；

48、计算各未知网格与最近实测节点之间的距离，并根据无量纲化后的距离确定对应的未知程度权重；

49、将所述未知程度权重代入预设不确定性函数，分别得到候选校验路径加入前后的未知区域不确定性，并将二者差值作为所述候选校验路径的信息覆盖增益。

50、优选地，所述利用禁忌约束，预测测量探头运动产生的切向加速度与法向位移变化率并经无量纲化处理后映射为二阶测量误差协方差张量，包括：

51、提取当前各段候选校验路径的单步运动时间数组，对单步空间位移函数关于时间变量求二阶导数运算，获取测量探头的切向运行加速度；

52、结合探头主控程序分配的随动传感器形变参数，计算同一毫秒时间窗内的法向微缩进数值，转换为法向位移变化率；

53、分别利用预设的基准加速度和基准速度对所述切向运行加速度和所述法向位移变化率进行无量纲化处理得到统一量纲的运动学参量，构建运动学状态空间列向量，将所述统一量纲的运动学参量依矢量分配赋值，并通过所述列向量与所述列向量的转置的外积映射构建为表示瞬态测量波动不确定度的二阶测量误差协方差张量，以作为判断是否触发禁忌移动的约束监控基准。

54、优选地，所述从帕累托最优解集中根据几何精度因子最小化准则进行择优，选取最优校验路径，包括：

55、提取每组候选最优校验路径中探测点的三维空间坐标参数，并以所述探测点的质心为参考基准进行中心化及无量纲化处理，基于处理后的相对坐标参数构建观测构型矩阵；

56、根据所述观测构型矩阵计算误差协方差矩阵，并由所述误差协方差矩阵的主对角线元素确定几何精度因子；

57、以所述几何精度因子最小为准则，选取最优校验路径。

58、优选地，所述利用所述最优校验路径在所述加工感知各向异性张量图上采用图核回归方法重构全局厚度，将任意点厚度表达为路径点厚度基于无量纲测地线距离的核函数加权和并经归一化处理的数值，完成比对校验，包括：

59、获取并存储探头按最优校验路径执行扫描探测后得到的第一测量厚度反馈序列；

60、根据所述加工感知各向异性张量图的连通结构，将节点间的边权按照预设基准边权进行归一化处理，得到无量纲加工影响权重，并对所述无量纲加工影响权重取倒数，得到节点间的无量纲传播阻抗；

61、基于所述无量纲传播阻抗计算不在测量反馈经过范围内的各待预测节点与存储列表中已有测量节点之间的最短无量纲测地线距离；

62、采用高斯距离衰减核函数，将计算获取的最短无量纲测地线距离转化为距离权重参数；

63、将已有测量节点的厚度实测数值与所述距离权重参数相乘，并进行全局加权求和，再除以所述距离权重参数的全局总和进行归一化处理，计算得出待预测节点的预测厚度值，生成并输出晶圆全局厚度分布图以完成比对校验。

64、本发明通过构建加工感知各向异性张量图，利用二阶加工影响张量表征测点间材料去除耦合的强度与方向，有助于提高晶圆厚度状态建模的合理性。在路径规划中，综合路径总长度、保真度加权谱系偏差及信息覆盖增益进行多目标优化，并结合探头运动误差协方差张量设置禁忌约束，以降低运动扰动对测量结果的影响。进一步从帕累托最优解集中选取几何精度因子较优的校验路径，并基于无量纲测地线距离进行图核回归重构，从而提高稀疏采样条件下全局厚度分布重构和在线比对校验的可靠性。