一种针对大翘曲晶圆的形貌测量方法、系统及设备与流程

本说明书的多个实施例涉及半导体晶圆形貌测量，具体涉及大翘曲晶圆的形貌测量方法优化。

背景技术：

1、在半导体制造、先进封装、薄片晶圆、功率器件、化合物半导体及多层膜应力控制等领域，晶圆经过减薄、镀膜、键合、退火或临时载片释放等工艺后，常出现显著弯曲度（bow）或翘曲度（warp），这类大翘曲晶圆的形貌测量是工艺诊断与良率管控的关键环节。常规应用中，除需获取bow、warp、ttv等基础几何指标外，还需高分辨率全片表面形貌数据，以分析局部应力分布、边缘变形特征及后续曝光、键合等工艺的可制造性风险。

2、针对大翘曲晶圆的形貌测量，现有主流实现方式包括两类：一类是非接触扫描式测量，采用双探针、电容探头或光学位移传感器进行点扫描、线扫描或栅格扫描，通过机械路径遍历获取离散高度数据，进而计算相关几何指标；另一类是传统全片相移干涉测量，基于固定光学系统采集多帧干涉图，通过包裹相位求解与二维空间解包裹得到全场高度分布。此外，部分场景会通过机械吸附、夹持压平晶圆以降低翘曲后再测量，或采用普通多视场拼接扩展覆盖范围。

3、然而，上述现有方式存在明显局限：非接触扫描式测量采样点稀疏，难以快速获取高空间分辨率全片形貌，且对局部快速变化、边缘翘曲等特征的捕捉能力不足，输出结果多为离散几何指标而非连续表面数据；传统全片相移干涉测量受限于二维相位解包裹的相邻像素相位差阈值，当大翘曲晶圆边缘局部坡度过高时，易出现条纹混叠与解包裹错误，可测翘曲范围有限；机械压平方式会改变晶圆自由态真实形貌，引入支撑或吸附误差；普通多视场拼接则易因姿态差异导致误差累积，且在拼接边界易出现高度跳变，无法满足大翘曲晶圆高准确性、高连续性的测量需求。

技术实现思路

1、本说明书实施例提供了一种针对大翘曲晶圆的形貌测量方法、系统及设备，在无需大幅改动固定光学系统与相移硬件的前提下，克服大翘曲晶圆因局部梯度超限引发的相位解包裹失效问题，扩大大翘曲晶圆可测范围，提高大翘曲场景下晶圆形貌测量的准确性、连续性和工程可用性。

2、其技术方案如下：

3、第一方面，本说明书实施例提供了一种针对大翘曲晶圆的形貌测量方法，包括以下步骤：

4、获取采用相移干涉测量晶圆形貌时对应的可测局部梯度上限，以及表征待测晶圆宏观翘曲趋势的形貌先验信息；

5、基于形貌先验信息判断待测晶圆是否存在超出可测局部梯度上限的区域；

6、若存在，则将待测晶圆划分为多个局部区域，且相邻局部区域存在预设大小的重叠区域，并基于形貌先验信息分别确定测量每个局部区域时待测晶圆对应的晶圆姿态，以使各局部区域进行相移干涉测量时的局部残余梯度均在可测局部梯度上限范围内；

7、基于同一相移执行标定条件，针对每一局部区域分别调整待测晶圆至对应的晶圆姿态并进行相移干涉测量，得到所有局部区域各自对应的多帧相移干涉图；

8、将所有局部区域各自对应的多帧相移干涉图均转换为局部形貌图；

9、基于局部区域测量时对应的晶圆姿态计算各局部区域的机械补偿项，并对局部形貌图进行形貌补偿以还原至统一坐标系；

10、基于形貌补偿后的所有局部形貌图生成待测晶圆的完整形貌图。

11、作为优选的方案，所述将所有局部区域各自对应的多帧相移干涉图均转换为局部形貌图，包括：

12、针对任一局部区域，基于对应的多帧相移干涉图在预设相移候选范围内动态估计图中各像素的时序相移步长；

13、基于像素的时序相移步长计算包裹相位，并经二维相位解包裹后转换为像素高度，各像素的像素高度组成该局部区域的局部形貌图；

14、重复以上步骤，直至得到所有局部区域各自对应的局部形貌图。

15、作为优选的方案，所述基于多帧相移干涉图在预设相移候选范围内动态估计图中各像素的时序相移步长，包括：

16、基于预设相移候选范围、相移采样步长和最大迭代次数依次获取若干候选时序相移步长；

17、针对图中任一像素，基于候选时序相移步长拟合出该像素的条纹参数，以计算该像素在每一帧相移干涉图中的理论光强；

18、并基于每一帧相移干涉图中的理论光强和实际光强计算该像素的重构误差；

19、通过最小化重构误差，由若干候选时序相移步长中确定该像素的时序相移步长；

20、重复以上步骤，直至得到图中各像素的时序相移步长。

21、作为优选的方案，所述得到图中各像素的时序相移步长，之后还包括：

22、基于图中各像素时序相移步长对应的条纹参数，分别计算各像素的调制度；

23、基于重构误差和调制度筛选所有像素，将不符合预设筛选条件的像素对应的时序相移步长设置为无效值。

24、作为优选的方案，所述基于形貌补偿后的所有局部形貌图生成待测晶圆的完整形貌图，包括：

25、基于形貌补偿后的所有局部形貌图以及各局部区域间的重叠关系构建全局误差函数，以计算各局部形貌图的残余补偿项，并对局部形貌图进行二次补偿；

26、基于二次补偿后的所有局部形貌图生成待测晶圆的完整形貌图。

27、作为优选的方案，所述残余补偿项包括表征高度偏移与倾斜的补偿参数组；所述全局误差函数为形貌补偿后的所有局部形貌图在各重叠区域内的形貌高度差的平方和，通过moore-penrose伪逆法求解形貌补偿后的所有局部形貌图的补偿参数组。

28、作为优选的方案，所述基于二次补偿后的所有局部形貌图生成待测晶圆的完整形貌图，包括：

29、按预设顺序将二次补偿后的所有局部形貌图进行两两融合，生成待测晶圆的完整晶圆形貌图；

30、其中，二次补偿后的局部形貌图在重叠区域内的像素为融合像素，基于融合像素至所在二次补偿后的局部形貌图的相对距离确定融合权重，以融合像素所在二次补偿后的局部形貌图上的像素高度和融合权重计算融合像素在完整晶圆形貌图中的像素高度。

31、作为优选的方案，所述生成待测晶圆的完整晶圆形貌图，之前还包括：

32、基于融合结果对形貌缺失区域进行全局和局部的分阶段曲面拟合；

33、基于待测晶圆的径向特征将缺失补全后的融合结果进行外推，并对外推补全区域的形貌做均值归一化处理。

34、第二方面，本说明书实施例提供了一种针对大翘曲晶圆的形貌测量系统，包括信息获取单元、多视场测量单元、局部形貌生成单元、局部形貌还原单元和完整形貌融合单元；

35、所述信息获取单元，获取采用相移干涉测量晶圆形貌时对应的可测局部梯度上限，以及表征待测晶圆宏观翘曲趋势的形貌先验信息；

36、所述多视场测量单元，基于形貌先验信息判断待测晶圆是否存在超出可测局部梯度上限的区域；若存在，则将待测晶圆划分为多个局部区域，且相邻局部区域存在预设大小的重叠区域，并基于形貌先验信息分别确定测量每个局部区域时待测晶圆对应的晶圆姿态，以使各局部区域进行相移干涉测量时的局部残余梯度均在可测局部梯度上限范围内；基于同一相移执行标定条件，针对每一局部区域分别调整待测晶圆至对应的晶圆姿态并进行相移干涉测量，得到所有局部区域各自对应的多帧相移干涉图；

37、所述局部形貌生成单元，将所有局部区域各自对应的多帧相移干涉图均转换为局部形貌图；

38、所述局部形貌还原单元，基于局部区域测量时对应的晶圆姿态计算各局部区域的机械补偿项，并对局部形貌图进行形貌补偿以还原至统一坐标系；

39、所述完整形貌融合单元，基于形貌补偿后的所有局部形貌图生成待测晶圆的完整形貌图。

40、第三方面，本说明书实施例提供了一种针对大翘曲晶圆的形貌测量设备，包括上述实施例第二方面所述的一种针对大翘曲晶圆的形貌测量系统，还包括：

41、相移干涉成像模块，用于在同一相移执行标定条件下采集多帧相移干涉图；

42、晶圆承载与运动模块，用于承载待测晶圆，并在每次进行局部区域采集前根据形貌测量系统确定的晶圆姿态对待测晶圆进行平移、倾斜或旋转操作；

43、控制模块，用于协调采集成像、姿态切换与形貌测量流程。

44、第四方面，本说明书实施例提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；所述处理器与所述存储器相连；所述存储器，用于存储可执行程序代码；所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于执行上述实施例第一方面所述的步骤。

45、第五方面，本说明书实施例提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述实施例第一方面所述的步骤。

46、本说明书一些实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

47、1.扩大可测翘曲范围。通过多姿态局部测量策略，使各待测区域在采集阶段即满足系统局部梯度约束，无需改造光学硬件即可测量传统全片干涉无法处理的大翘曲晶圆。

48、2.提升局部相位求解精度。针对多姿态下相移步长空间非一致的特性，自适应估计各像素的实际时序相移步长，降低相位解包裹的计算误差。

49、3.降低拼接误差累积。通过全局最小二乘优化一次性求解所有局部区域的残余补偿参数，避免逐张链式拼接带来的误差沿路径传递问题。

50、4.改善形貌连续性。基于有效掩码的欧氏距离变换生成融合权重，弱化低信噪比边缘区域对结果的影响，减少重叠区域的拼接跳变与伪影。

51、5.保障输出数据完整性。通过分阶段曲面拟合与极坐标外推补全测量盲区数据，适配边缘缺损、局部反光失效等异常场景，输出全覆盖的晶圆形貌。

52、6.贴近自由态真实形貌。无需对晶圆进行压平或夹持处理，完整保留晶圆自身的翘曲特征，测量结果更符合晶圆实际工况下的形貌状态。

53、7.适配在线检测需求。通过限制相移步长的候选搜索范围控制计算复杂度，在高分辨率测量条件下仍可满足工业检测的节拍要求。

54、8.适用场景广泛。可覆盖薄片晶圆、强应力膜晶圆、键合前后晶圆及先进封装晶圆等多类大翘曲晶圆产品的形貌测量需求。