光学特性的建模方法、光声测量方法及装置与流程

1.本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种应用于半导体领域的光学特性的建模方法、光声测量方法及装置。


背景技术：

2.为满足半导体芯片加工制造需要，常常在半导体上镀膜。在半导体镀膜的生产过程中，膜厚尺寸非常关键。由于镀膜工艺偏差以及在镀膜过程中可能存在的人为引入的镀膜偏差会影响到最终获得的膜厚尺寸。因此对膜厚进行测量可以有效地保证镀膜厚度的精度，保证半导体集成电路制造过程中产品的优良率。在半导体镀膜工艺中，镀的膜可以是介质膜或者金属膜，但由于金属膜对光存在着强烈的吸收，基于椭偏原理对较厚的金属膜的测量会因为金属对偏振状态的吸收导致膜厚的测量结果不准确。而光声膜厚测量是基于光声作用的原理，避免了使用光束偏振作为参考量，因此可以用来测量金属膜膜厚。
3.膜厚测量原理如下：激励光照射在待测样品表面，形成鼓包，并在待测样品内部激发声波，声波在膜层的界面处反射形成回声信号，将探测光打在鼓包上，由于回声信号回传时膜层表面的鼓包形貌会发生变化，那么通过光探测器获取由于鼓包形貌变化导致的探测光反射率变化，从而可获取两次反射率变化时间间隔，通过将两次反射率变化时间间隔代入膜厚计算公式得到膜厚值，以得到实测膜厚值。
4.然而，在现有技术中，对于待测样品上包含多层膜时膜厚的测量，会存在不同膜的测量信号混叠的情况，较难区分各层膜返回的回声信号，给膜厚计算带来困难，无法准确获得各层膜的厚度。且在实际测量中，测量信号信噪比较差时，直接获取膜厚值精度较低。
5.因此，本发明提出了一种应用于半导体领域的光学特性的建模方法、光声测量方法及装置来提高膜厚测量的准确度，对于表面设置多层膜的待测样品，能够准备获取各层膜的厚度；此外，在信噪比较差的情况下，也能够精确确定待测样品表面设置的膜的厚度。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供了一种应用于半导体领域的光学特性的建模方法、光声测量方法及装置，通过拟合实测信号和仿真信号，并得到拟合差值最小的所述仿真信号所对应的参数，来提高膜厚测量的准确度。
7.第一方面，本发明提供一种光学特性的建模方法，包括：获取待测样品所包含的m层膜的输入参数，所述m为正整数；根据所述输入参数建立双温模型以获得顶层膜的温度；基于所述顶层膜的温度获得所述待测样品内的应力应变波；基于所述应力应变波获取所述待测样品的反射率变化的仿真信号，并将所述仿真信号创建成光谱库。
8.其有益效果在于：因为待测样品中某层膜的材料在吸收能量时会产生温度梯度，该温度梯度的产生会对该层膜产生应力而导致应变，且应力应变会产生应力应变波，并向四周传播，从而导致反射率的变化，通过获取反射率变化的仿真信号以建成光谱库，以作为光声测量过程中的数据支撑，进而提高膜厚测量的准确度。
9.可选地，所述m层膜的输入参数包括但不限于：膜厚、折射率、吸收系数、声波传播速度、声波传播时间、激励光的波长以及激励光的功率中的至少一个。其有益效果在于：因为获取的光谱库是关于多维参数的数据库，并且按照所述输入参数的变化范围区间能够分成不同的参数组合，所以其包含的仿真信号是与参数组合一一对应的。
10.进一步可选地，基于所述顶层膜的温度获得所述待测样品内的应力应变波包括：获取所述顶层膜的电子温度以及晶格温度，并基于所述电子温度以及所述晶格温度获得所述应力应变波。
11.第二方面，本发明提供一种光声测量方法，包括：根据上述第一方面中任意一项所述的光学特性的建模方法创建光谱库；获取所述待测样品的测量光谱信号以获取所述待测样品的反射率变化信号，即实测信号；将所述实测信号与所述光谱库中的仿真信号进行拟合，得到拟合差值最小的所述仿真信号所对应的参数，以获取所述待测样品的膜厚值。
12.其有益效果在于：通过将所述实测信号与所述仿真信号进行拟合，得到拟合差值最小的所述仿真信号所对应的参数，以获取所述测量光谱信号所对应的膜的膜厚值，可以提高待测晶体表面设置的膜的膜厚计算的精确度。
13.可选地，所述将所述实测信号与所述光谱库中的仿真信号进行拟合，包括：分别确定所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号，且所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号所在的采样区间为包含膜厚信息的采样区间；将所述实测信号中的特征信号与所述仿真信号中的特征信号进行拟合。其有益效果在于：因为所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号所在的采样区间均包括回声信号发生的采样区间，所以仅通过拟合所述实测信号中的特征信号与所述仿真信号中的特征信号，避免了包含膜厚信息之外的采样区间的噪声对拟合结果的影响，也减少了拟合计算量，从而不仅提高了拟合结果的准确度，还提高了拟合的效率。
14.进一步可选地，分别确定所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号，包括：获取并标记样本实测信号中的样本特征信号和样本仿真信号中的样本特征信号，并用标记样本特征信号的所述样本实测信号和所述样本仿真信号训练神经网络模型；采用训练后神经网络模型获取所述特征信号所在的采样区间，并在所述采样区间内确定所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号。
15.又进一步可选地，所述实测信号和所述仿真信号的拟合的方法包括：名义膜后值法、最小二乘法、归一化交叉相关法、多项式拟合法中的至少一种；所述差值包括：均方差、均方根误差中的至少一种。
16.还进一步可选地，所述拟合包括：时域拟合和/或频域拟合，所述时域拟合为时域实测信号与时域仿真信号的拟合，所述频域拟合为频域实测信号与频域仿真信号的拟合。其有益效果在于：在测量信号混叠的情况下，通过频域拟合，能够避免拟合误差过大，从而提高拟合精度，保证了获取膜厚值的精度。当然，也可以同时将所述时域仿真信号、频域仿真信号分别和所述时域实测信号的、频域实测信号进行拟合，并将二者的拟合结果相互比对，可以确保拟合精度，以得到更高精度的膜厚值。本实施例通过将所述时域仿真信号和所述频域仿真信号创建成光谱库，可选择进行时域拟合和/或频域拟合，进而提高拟合的准确度。
17.第三方面，本发明提供一种光声测量装置，用以执行如上述第二方面中任一项所
述的光声测量方法，包括：创建模块、获取模块和拟合模块；所述创建模块用于根据上述第一方面中任意一项所述的光学特性的建模方法创建光谱库；所述获取模块包括实测信号获取单元和仿真信号获取单元，所述实测信号获取单元用于获取所述待测样品的测量光谱信号以获取所述待测样品的反射率变化信号，即实测信号；所述仿真信号获取单元用于获取所述光谱库中的仿真信号；所述拟合模块包括拟合单元和膜厚获取单元，所述拟合单元用于将所述实测信号与所述仿真信号进行拟合，所述膜厚获取单元用于得到拟合差值最小的所述仿真信号所对应的参数，以获取所述待测样品的膜厚值。
18.其有益效果在于：所述实测信号与所述仿真信号进行拟合，得到拟合差值最小的所述仿真信号所对应的参数，以获取所述测量光谱信号所对应的膜的膜厚值，可以提高待测样品表面设置的膜的膜厚计算的精确度。
19.可选地，所述光声测量装置，还包括特征信号确定模块，所述特征信号确定模块用于分别确定所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号，且所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号所在的采样区间为包含膜厚信息的采样区间；所述拟合单元用于将所述实测信号中的特征信号与所述仿真信号中的特征信号进行拟合。
附图说明
20.图1为本技术提供的一种光学特性的建模方法的流程图；
21.图2为本技术提供一种光声测量方法的流程图；
22.图3为本技术提供的一种反映反射率变化的曲线实施例的示意图；
23.图4为本技术提供的又一种反映反射率变化的曲线实施例的示意图；
24.图5为本技术提供的再一种反映反射率变化的曲线实施例的示意图；
25.图6为本技术提供的一种光声测量装置的示意图。
具体实施方式
26.下面结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。其中，在本技术实施例的描述中，以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本技术的限制。如在本技术的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一种”、“该”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本技术以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个或两个以上(包含两个)。术语“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a、b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
27.在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“连接”包括直接连接和间
接连接，除非另外说明。“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
28.在本技术实施例中，“示例性地”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本技术实施例中被描述为“示例性地”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性地”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
29.为了提高半导体集成电路制造领域的晶圆上设置的膜的厚度测量的准确度，本发明提供一种应用于半导体领域的光学特性的建模方法、光声测量方法及装置。本发明中所提到的待测样品均可指代晶圆。
30.本技术实施例提供一种光学特性的建模方法以创建光声测量方法所需的光谱库，其流程图如图1所示，具体步骤包括：
31.s101，获取待测样品所包含的m层膜的输入参数，所述m为正整数。
32.s102，根据所述输入参数建立双温模型以获得顶层膜的温度。
33.在本步骤中，当双温模型建立完成后，计算在特定波长、能量、能量密度等参数下的表层膜的电子温度和晶格温度随时间变化的数值和趋势。举例说明，假设待测样品中的某层膜的材料在吸收能量之前温度为x度，在吸收能量之后温度升高到了y度，那么就会形成y-x的温度梯度。由于温度梯度的产生会对该层膜产生应力而导致应变，且应力应变会产生应力应变波，并向四周传播，从而影响其他膜层材料的反射率。
34.s103，基于所述顶层膜的温度获得所述待测样品内的应力应变波。
35.s104，基于所述应力应变波获取所述待测样品的反射率变化的仿真信号，并将所述仿真信号创建成光谱库。
36.在一种可能的实施例中所述m层膜的输入参数包括但不限于：膜厚、折射率、吸收系数、声波传播速度、声波传播时间、激励光的波长以及激励光的功率中的至少一个。
37.在又一种可能的实施例中，基于所述顶层膜的温度获得所述待测样品内的应力应变波包括：获取所述顶层膜的电子温度以及晶格温度，并基于所述电子温度以及所述晶格温度获得所述应力应变波。
38.示例性地，所述电子温度、所述晶格温度与所述输入参数之间的数学关系具体为：
[0039][0040]
其中，te表示电子温度，t
l
表示晶格温度，ce表示电子比热容，c
l
表示晶格比热容，g表示电子晶格耦合系数，q表示激励光(或泵浦光)热源，
▽
表示散度(微分)算子，表示电子热流量，以及表示晶格热流量。
[0041]
所以当泵浦激光照射在待测样品表面时，会导致待测样品表面的自由电子吸收大量能量，电子间互相碰撞，互相传递能量，使得电子温度急剧升高。当光照射物体时，例如金属，光能被电子吸收，以致电子温度急剧升高，并当电子温度高于晶格温度时，能量将会从电子传递给晶格(声子)，导致晶格温度升高。当晶格温度升高到一定程度时，待测样品会发生形变。由于电子和声子达到热平衡的时间很短，因此采用双温模型用来描述在极短时间内光声转化的过程。温度梯度引发热应力应变及应力应变波(声波)传播，应力应变波传播
导致反射率发生变化。
[0042]
进一步，所述仿真信号为时域仿真信号和/或频域仿真信号，其中频域仿真信号可由时域仿真信号经傅里叶变换得到。
[0043]
上述实施例提供了一种基于双温模型的光学特性建模方法，能够准确、快速的获取光声测量的仿真信号(理论反射光谱)，上述光学特性建模方法的普适性高，适用多种样品的测量；并且，采用上述光学特性的建模方法，通过提前离线创建光谱库，避免了在线迭代优化获取仿真信号，提高了在线测量的效率，减少耗时，提高了产率。
[0044]
本技术实施例提供一种光声测量方法，其流程图如图2所示，具体步骤包括：
[0045]
s201，根据上述任意一项实施例所述的光学特性的建模方法创建光谱库。
[0046]
s202，获取所述待测样品的测量光谱信号以获取所述待测样品的反射率变化信号，即实测信号。
[0047]
s203，将所述实测信号与所述光谱库中的仿真信号进行拟合，得到拟合差值最小的所述仿真信号所对应的参数，以获取所述待测样品的膜厚值。
[0048]
本技术实施例通过将所述实测信号与所述仿真信号进行拟合，得到拟合差值最小的所述仿真信号所对应的参数，以获取所述测量光谱信号所对应的膜的膜厚值，可以提高待测晶体表面设置的膜的膜厚计算的精确度。
[0049]
而且，所得到待测样品的反射率变化的仿真信号所对应的曲线可以是基于一个与多参数相关的函数画出来的曲线，这些多参数包括但不限于：膜厚d、膜构成材料的折射率n、膜构成材料的吸收系数k、声波在膜中传播的速度v、声波在膜层的传播时间t、泵浦激光波长λ等，并且按照这些参数的变化范围区间能够分成不同的参数组合。因此，可以建立一个与多维参数相关的光谱库，光谱库中的每个仿真信号的曲线对应一个参数组合，当所述仿真信号为时域仿真信号时，所述仿真信号的曲线如图3中的仿真曲线a、仿真曲线b、和仿真曲线c所示，实际测量获取到的实测信号为时域实测信号，其所对应的曲线图像如图3中的实测曲线d所示，通过将所述实测曲线d分别与所述仿真曲线a、仿真曲线b、和仿真曲线c进行拟合，确定出与所述实测曲线d拟合差值最小的仿真曲线为仿真曲线c，那么所述仿真曲线c在创建过程中所对应的膜厚即为所述实测曲线d所对应的膜的膜厚。此外，创建的光谱库包含有多条仿真信号，以上实施例仅以包括三个仿真信号为例说明。
[0050]
上述实施例所提供的方法，克服了直接测量获取膜厚精度低的缺陷，并且在测量信号信噪比差、测量信号存在信号混叠的情况下，能够高精度获取膜厚值，提高了测量的准确度。
[0051]
在一种可能的实施例中，所述将所述实测信号与所述仿真信号进行拟合，包括：分别确定所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号，且所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号所在的采样区间均包括回声信号发生的采样区间，即该采样区间为包含膜厚信息的采样区间；将所述实测信号中的特征信号与所述仿真信号中的特征信号进行拟合。
[0052]
示例性地，某一实测信号所对应的反射率变化的曲线如图4中的实测曲线e所示，与之进行拟合的仿真信号所对应的反射率变化的曲线如图4中的仿真曲线f所示，确定并提取所述实测曲线e所示的实测信号中的特征信号与所述仿真曲线f所示的仿真信号中的特征信号，即虚线框圈出的曲线41和曲线42，且所述特征信号的采样区间均包括回声信号发生的采样区间，拟合所述曲线41和曲线42，并计算拟合结果。当反射率变化的曲线包含多个
特征信号，可获取多个特征信号后再拟合。在本实施例中，因为所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号所在的采样区间均包括回声信号发生的采样区间，所以仅通过拟合所述实测信号中的特征信号与所述仿真信号中的特征信号，避免了包含膜厚信息之外的采样区间的噪声对拟合结果的影响，也减少了拟合计算量，从而不仅提高了拟合结果的准确度，还提高了拟合的效率。在本实施例中，所提到的所述仿真信号为时域仿真信号，所提到的所述实测信号为时域实测信号，对于频域拟合，可以进行类似的操作，分别得到频域的实测信号和仿真信号的特征信号，然后将特征信号拟合后得到待测样品的膜厚值。
[0053]
在又一种可能的实施例中，分别确定所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号，包括：获取并标记样本实测信号中的样本特征信号和样本仿真信号中的样本特征信号，并用标记样本特征信号的所述样本实测信号和所述样本仿真信号训练神经网络模型；所述神经网络模型获取所述特征信号所在的采样区间，并在所述采样区间内确定所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号。
[0054]
所述神经网络模型包括：卷积神经网络模型、循环神经网络模型中的至少一种。示例性地，采用卷积神经网络算法中的u-net算法将实测信号与仿真信号进行图像分割，以提取所述仿真信号的特征信号所在的采样时域区间以及所述实测信号的特征信号所在的采样区间。此外，也可以采用互相关算法提取特征信号。上述方法能够准确提取、预测待测样品的特征信号，从而提高了拟合精度、拟合效率。
[0055]
除了通过遍历所述光谱库将实测信号分别与所有仿真信号一一拟合，在还一种可能的实施例中，所述实测信号和所述仿真信号的拟合的方法包括：名义膜后值法、最小二乘法、归一化交叉相关法、多项式拟合法中的至少一种；所述差值包括：均方差、均方根误差中的至少一种。
[0056]
示例性地，当所述拟合方法为最小二乘法，且所述差值为均方差时，比对所述实测信号与所述仿真信号，并计算两个信号对应波形的每一点的互相关性的均方差值以评价拟合结果，直至得到拟合误差最小的仿真信号，提取拟合误差最小的仿真信号所对应的参数，以得到膜厚值。
[0057]
在一种可能的实施例中，所述拟合包括：时域拟合和/或频域拟合，所述时域拟合为时域实测信号与时域仿真信号的拟合，所述频域拟合为频域实测信号与频域仿真信号的拟合。
[0058]
在本实施例中，需要获取所述应力应变波在所述待测样品内部传播时导致的相应膜的反射率变化的时域仿真信号和/或频域仿真信号，并将所述时域仿真信号和/或所述频域仿真信号创建成光谱库。对于信噪比较差的情况，应用频域拟合能够得到精度更高的膜厚值。此外，当待测样品的膜层越多，且当中膜厚厚度较小的膜的时域信号会出现混叠的情况，难以分辨出各个膜层所对应的回声信号，此时，可以对时域信号进行傅里叶变换得到频域信号，并将频域仿真信号与频域实测信号进行拟合，如图5所示，仿真曲线g为反映反射率变化的频域仿真信号，实测信号h为反映待测样品反射率变化的频域实测信号，计算拟合二者信号峰值的互相关性的均方差值，且当所述均方差值最小时，从所述仿真信号的频域信号所对应的参数中得到膜层厚度。即，在测量信号混叠的情况下，通过频域拟合，能够避免拟合误差过大，从而提高拟合精度，保证了获取膜厚值的精度。当然，也可以同时将所述时域仿真信号、频域仿真信号分别和所述时域实测信号的、频域实测信号进行拟合，并将二者
的拟合结果相互比对，可以确保拟合精度，以得到更高精度的膜厚值。本实施例通过将所述时域仿真信号和/或所述频域仿真信号创建成光谱库，可选择的进行时域拟合和/或频域拟合，进而提高拟合的准确度。
[0059]
为了执行上述实施例所提供的光声测量方法，本发明提供一种光声测量装置，如图6所示，所述装置包括创建模块601、获取模块602和拟合模块603。
[0060]
所述创建模块601用于根据所述任意一项实施例所述的光学特性的建模方法创建光谱库；所述获取模块602包括实测信号获取单元6021和仿真信号获取单元6022，所述实测信号获取单元6021用于获取所述待测样品的测量光谱信号以获取所述待测样品的反射率变化信号，即实测信号；所述仿真信号获取单元6022用于获取所述光谱库中的仿真信号；所述拟合模块603包括拟合单元6031和膜厚获取单元6032，所述拟合单元6031用于将所述实测信号与所述仿真信号进行拟合，所述膜厚获取单元6032用于得到拟合差值最小的所述仿真信号所对应的参数，以获取所述待测样品的膜厚值。
[0061]
在一种可能的实施例中，所述光声测量装置还包括特征信号确定模块，所述特征信号确定模块用于分别确定所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号，且所述实测信号和所述仿真信号中的特征信号所在的采样区间均包括回声信号发生的采样区间；所述拟合单元将所述实测信号中的特征信号与所述仿真信号中的特征信号进行拟合。
[0062]
通过本技术实施例所提供的光声测量装置，将所述实测信号与所述仿真信号进行拟合，得到拟合差值最小的所述仿真信号所对应的参数，以获取所述测量光谱信号所对应的膜的膜厚值，可以提高待测样品表面设置的膜的膜厚计算的精确度。
[0063]
以上所述，仅为本技术实施例的具体实施方式，但本技术实施例的保护范围并不局限于此，任何在本技术实施例揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本技术实施例的保护范围之内。因此，本技术实施例的保护范围应以该权利要求的保护范围为准。