二次谐波表征光学系统和基于二次谐波表征的检测装置

1.本发明涉及利用材料与激光间非线性光学效应表征领域，尤其涉及一种二次谐波表征光学系统和基于二次谐波表征的检测装置。


背景技术：

2.二次谐波(shg)作为一种快速、无损、非接触的表征技术，已经广泛应用在半导体领域。例如，可以利用shg可以对si上sio2/al2o3叠层介质膜中存在的电荷的数量密度和极性进行表征，利用shg可以对sic晶圆进行堆垛层错、位错等结构缺陷进行定位和识别，利用shg可以对gan/aln/si结构的不均匀应变进行表征。由于抛光、退火、减薄等工艺制造步骤，会不可避免的导致晶圆表面厚度发生变化，从而晶圆表面在微观上呈现为凸凹不平的波动曲面。在利用shg对半导体晶圆进行缺陷表征时，在晶圆扫描的过程中，入射的基频光的聚焦位置会随着晶圆表面的凸凹不平的波动程度，发生偏移，即有的位置基频光聚焦在晶圆表面，有的位置基频光聚焦在晶圆内部，有的位置基频光聚焦在晶圆的上方。上述原因，导致shg出射信号所携带的缺陷信息的准确性降低，最终导致半导体晶圆表征精度降低。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种二次谐波表征光学系统和基于二次谐波表征的检测装置，以提高基于二次谐波表征方法对待检测样品检测的表征精度。
4.第一方面，本发明提供了一种二次谐波表征光学系统，该二次谐波表征光学系统包括一个圆弧导轨和一个运动平台，其中运动平台包括xy面运动模块和z向随动模块，在运动平台上设置有用于支撑待检测样品的样品台，运动平台用于将待检测样品移动到圆弧导轨的中心处。在圆弧导轨上滑动装配有入射臂和出射臂；入射臂上设置有用于向待检测样品入射基频光的入射光路系统；基频光入射到待检测样品之后能够产生携带样品缺陷信息的二次谐波信号，且二次谐波信号沿着待检测样品表面反射出的光束方向射出；出射臂上设置有出射光路系统，出射光路系统包含有用于接收二次谐波信号的探测器。该二次谐波表征光学系统还包括位于样品台上方的z向测高模块，z向测高模块用于获取待检测样品表面不同位置处的高度信息。在xy面运动模块带动待检测样品在xy面扫描的过程中，z向随动模块能够根据待检测样品表面不同位置处的高度信息，z向调节样品台，以使基频光始终聚焦在待检测样品表面。
5.在上述的方案中，通过增加z向随动模块和z向测高模块，由z向测高模块获取待检测样品表面不同位置处的高度信息；在xy面运动模块带动待检测样品在xy面扫描的过程中，z向随动模块根据待检测样品表面不同位置处的高度信息，z向调节样品台，以使基频光始终聚焦在待检测样品表面。从而克服由于待检测样品表面由于微观上呈凸凹不平的波动曲面，而导致的基频光不能始终聚焦在待检测样品表面的现象；提高shg出射信号所携带的缺陷信息的准确性，从而提高基于二次谐波表征方法对待检测样品检测的表征精度。
6.在一个具体的实施方式中，xy面为水平面，z向为竖直方向，通过使样品台在水平
面内移动扫描，在竖直方向测高和随动，便于将待检测样品固定在样品台上。
7.在一个具体的实施方式中，z向随动模块包括能够带动样品台沿z向往返移动的音圈电机，以简化z向随动模块的结构。
8.在一个具体的实施方式中，音圈电机的行程为5～30mm，音圈电机的精度为
±
1μm，提高z向随动模块的随动调节精度。
9.在一个具体的实施方式中，z向测高模块通过采集待检测样品表面不同位置处与xy参考面的垂直距离，获取待检测样品表面不同位置处的高度信息，便于获取到待检测样品表面不同位置处的高度信息。
10.在一个具体的实施方式中，二次谐波表征光学系统还包括与z向测高模块通信连接的控制模块，用于接收z向测高模块获取待检测样品表面不同位置处的高度信息，还用于生成控制z向随动模块在z向调节样品台的控制指令，以使基频光始终聚焦在待检测样品表面，便于根据采集的待检测样品表面不同位置处的高度信息，自动调节z向测高模块，提高自动化程度。
11.在一个具体的实施方式中，二次谐波表征光学系统还包括设置在出射臂上的反馈调整模块、以及与出射臂连接的微调机构。其中，反馈调整模块用于从二次谐波信号分出采样信号；还用于在二次谐波信号部分入射到探测器内时，将采样信号移动到非目标点处；还用于在二次谐波信号全部入射到探测器内时，将采样信号恰好移动到目标点处。微调机构用于微调出射臂的位置；且控制模块与反馈调整模块和微调机构均通信连接，以在z向调节样品台的同时，控制微调机构微调出射臂的位置，使采样信号始终保持在目标点处。通过增加的反馈调整模块和微调机构，能够通过观察采样信号是否移动到目标点处，了解到出射光路系统中的探测器是否正好位于二次谐波信号的传输光路上，了解到二次谐波信号是否能全部入射到探测器的探测窗口内。在z向调节样品台的同时，考虑由于待检测样品表面微观上凸凹不平的波动曲面导致基频光的法线方向变动影响，控制微调机构微调出射臂的位置，将出射光路系统中的探测器再次修正到二次谐波信号的传输光路上，使采样信号始终保持在目标点处，从而使二次谐波信号尽量多的被探测器接收，进一步提高基于二次谐波表征方法对待检测样品检测的表征精度。
12.在一个具体的实施方式中，反馈调整模块包括采样器和位置探测器。其中，采样器固定在出射臂上且位于出射光路系统内，采样器用于从二次谐波信号分出采样信号。位置探测器同样固定在出射臂上，目标点处为位置探测器的中心处，非目标点处为位置探测器的非中心处。在二次谐波信号部分入射到探测器内时，采样信号直接或通过反射光路间接移动到位置探测器的非中心处；在二次谐波信号全部入射到探测器内时，采样信号直接或通过反射光路间接移动到位置探测器的中心处。简化反馈调整模块的结构，便于设置。
13.在一个具体的实施方式中，采样器从二次谐波信号分出的采样信号能量，占进入采样器内的二次谐波信号能量的0.5％～2.0％，使分出的采样信号占原来二次谐波信号的能量尽量少，二次谐波信号的更多能量进入到探测器内，进一步提高二次谐波表征精度。
14.第二方面，本发明还提供了一种基于二次谐波表征的检测装置，该检测装置包括上述任意一种二次谐波表征光学系统。通过增加z向随动模块和z向测高模块，由z向测高模块获取待检测样品表面不同位置处的高度信息；在xy面运动模块带动待检测样品在xy面扫描的过程中，z向随动模块根据待检测样品表面不同位置处的高度信息，z向调节样品台，以
使基频光始终聚焦在待检测样品表面。从而克服由于待检测样品表面由于微观上呈凸凹不平的波动曲面，而导致的基频光不能始终聚焦在待检测样品表面的现象；提高shg出射信号所携带的缺陷信息的准确性，从而提高基于二次谐波表征方法对待检测样品检测的表征精度。
附图说明
15.图1为本发明实施例提供的一种二次谐波表征光学系统的结构示意图；
16.图2为本发明实施例提供的另一种二次谐波表征光学系统的结构示意图。
17.附图标记：
18.10-圆弧导轨11-样品台12-待检测样品
19.13-xy面运动模块14-z向随动模块15-z向测高模块
20.20-入射臂21-激光器22-起偏器23-第一物镜
21.24-基频光30-出射臂301-二次谐波信号302-采样信号
22.31-探测器32-第二物镜33-检偏器
23.34-滤光片40-微调机构51-目标点
24.52-采样器53-位置探测器54-反射镜
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.为了方便理解本发明实施例提供的二次谐波表征光学系统，下面首先说明一下本发明实施例提供的二次谐波表征光学系统的应用场景，该二次谐波表征光学系统应用于基于二次谐波表征进行半导体表面缺陷等参数检测过程中。下面结合附图对该二次谐波表征光学系统进行详细的叙述。
27.参考图1，本发明实施例提供的二次谐波表征光学系统包括一个圆弧导轨10和一个运动平台，其中运动平台包括xy面运动模块13和z向随动模块14，在运动平台上设置有用于支撑待检测样品12的样品台11，运动平台用于将待检测样品12移动到圆弧导轨10的中心处。在圆弧导轨10上滑动装配有入射臂20和出射臂30；入射臂20上设置有用于向待检测样品12入射基频光24的入射光路系统；基频光24入射到待检测样品12之后能够产生携带样品缺陷信息的二次谐波信号301，且二次谐波信号301沿着待检测样品12表面反射出的光束方向射出；出射臂30上设置有出射光路系统，出射光路系统包含有用于接收二次谐波信号301的探测器31。该二次谐波表征光学系统还包括位于样品台11上方的z向测高模块15，z向测高模块15用于获取待检测样品12表面不同位置处的高度信息。在xy面运动模块13带动待检测样品12在xy面扫描的过程中，z向随动模块14能够根据待检测样品12表面不同位置处的高度信息，z向调节样品台，以使基频光24始终聚焦在待检测样品12表面。
28.在上述的方案中，通过增加z向随动模块14和z向测高模块15，由z向测高模块15获取待检测样品12表面不同位置处的高度信息；在xy面运动模块13带动待检测样品12在xy面
扫描的过程中，z向随动模块14根据待检测样品12表面不同位置处的高度信息，z向调节样品台，以使基频光24始终聚焦在待检测样品12表面。从而克服由于待检测样品12表面由于微观上呈凸凹不平的波动曲面，而导致的基频光24不能始终聚焦在待检测样品12表面的现象；提高shg出射信号所携带的缺陷信息的准确性，从而提高基于二次谐波表征方法对待检测样品12检测的表征精度。下面结合附图对上述各个结构进行详细的介绍。
29.在设置圆弧导轨10时，参考图1，圆弧导轨10的导轨延伸方向呈圆弧状。而圆弧导轨10的中心处设置有一个样品台11，样品台11用于放置、支撑和固定待检测样品12。该待检测样品12具体可以为晶圆、衬底等样品结构。
30.在具体固定样品台11时，如图1所示，可以将样品台11固定在运动平台上，由运动平台带动样品台11相对圆弧导轨10运动，以使圆弧导轨10的圆心位于待检测样品12上，便于对待检测样品12的不同位置进行检测。具体的，如图1所示出的运动平台，其包括xy面运动模块13和z向随动模块14，其中的xy面运动模块13能够带动样品台11和待检测样品12在xy面内进行任意平移扫描，其中的z向随动模块14能够带动样品台11和待检测样品12在z向进行往返移动，且z向垂直于xy面，通过运动平台将待检测样品12移动到圆弧导轨10的中心处。
31.其中的xy面运动模块13可以通过采用包含有x向和y向的两个运动轴组合而成，从而实现在xy面内的移动。在设置z向随动模块14时，z向随动模块14可以包括能够带动样品台11沿z向往返移动的音圈电机，通过音圈电机实现z向的往返移动，以简化z向随动模块14的结构。音圈电机的行程可以选择为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm等介于5～30mm之间的任意值，音圈电机的精度可以为
±
1μm，以提高z向随动模块14的随动调节精度。应当理解的是，z向随动模块14的设置方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。
32.在具体确定xy面及z向时，可以使xy面为水平面，z向为竖直方向，通过使样品台11在水平面内移动扫描，在竖直方向测高和随动，便于将待检测样品12固定在样品台11上。应当理解的是，xy面及z向的选择方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。
33.继续参考图1，在圆弧导轨10上滑动装配有入射臂20和出射臂30，入射臂20和出射臂30分别作为入射光路系统和出射光路系统的支撑结构，均能够在圆弧导轨10上滑动，且滑动轨迹均为圆弧轨迹，能够始终绕着样品台11滑动。
34.如图1所示，在入射臂20上设置有用于向待检测样品12入射基频光24的入射光路系统，即入射光路系统用于向待检测样品12表面发射基频光24。在设置入射光路系统时，如图1所示出的一种入射光路系统，该入射光学系统包括均固定在入射臂20上的激光器21、起偏器22和第一物镜23，且激光器21、起偏器22和第一物镜23在同一传输光路上。其中，激光器21用于发出原始基频光24。起偏器22与激光器21位置相对，起偏器22用于将原始基频光24起偏为具有设定偏振态的偏振基频光24。第一物镜23与起偏器22位置相对，第一物镜23用于将偏振基频光24聚焦为符合测试要求的基频光24，并将基频光24入射到待检测样品12上。通过上述示出的入射光路系统，能够简化入射光路系统的设置。应当理解的是，入射光路系统的设置方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的设置方式。
35.继续参考图1，在入射光路系统发射出的基频光24入射到待检测样品12之后，能够
产生携带样品缺陷信息的二次谐波信号301，且二次谐波信号301沿着待检测样品12表面反射出的光束方向射出，能够被收集到出射光路系统中，并进入到出射光路系统中用于接收二次谐波信号301的探测器31中。在设置出射光路系统时，如图1所示出的一种出射光路系统，该出射光路系统除了包含有固定在出射臂30上的探测器31之外，还可以包含有均固定在出射臂30上的第二物镜32、检偏器33、滤光片34，且第二物镜32、检偏器33及滤光片34均位于同一传输光路上。其中的第二物镜32用于对从待检测样品12出射的光束进行准直。检偏器33与第二物镜32位置相对，用于接收从第二物镜32发出的光束，并进行检偏，以获得设定偏振态的出射光。滤光片34与检偏器33位置相对，用于滤除出射光中的基频光24，获得二次谐波信号301。探测器31固定在出射臂30上与滤光片34相对的位置，以接收二次谐波信号301。通过采用上述示出的出射光路系统，能够简化出射光路系统的设置。应当理解的是，上述仅仅示例性的示出一种出射光路系统，除此之外，还可以采用其他具有探测器31且能够接收二次谐波信号301的出射光路系统。
36.如图1所示，在样品台11的上方还设置有z向测高模块15，z向测高模块15用于获取待检测样品12表面不同位置处的高度信息，即获取待检测样品12表面在微观上所呈现的凸凹不平的波动曲面的不同位置的起伏变化信息。从而在xy面运动模块13带动待检测样品12在xy面扫描的过程中，z向随动模块14能够根据待检测样品12表面不同位置处的高度信息，z向调节样品台，以使基频光24始终聚焦在待检测样品12表面。例如，在xy面运动模块13带动待检测样品12从一个位置扫描到另一个位置时，如果后一个位置处的待检测样品12表面在微观上呈现为凸起变化，则基频光24将会聚焦在待检测样品12表面的后一个位置处的内部一定深度，此时，可以通过z向随动模块14z向降低样品台11的高度，使待检测样品12向下移动，从而抵消掉局部微观的凸起变化，使基频光24再次聚焦到待检测样品12的表面。在xy面运动模块13带动待检测样品12从一个位置扫描到另一个位置时，如果后一个位置处的待检测样品12表面在微观上呈现为凹陷变化，则基频光24将会聚焦在待检测样品12表面的后一个位置处的上方(即没有聚焦在待检测样品12表面)，此时，可以通过z向随动模块14z向升高样品台11的高度，使待检测样品12向上移动，从而补偿局部微观的凹陷变化，使基频光24再次聚焦到待检测样品12的表面。通过z向随动模块14和z向测高模块15的上述配合方式，在xy面运动模块13带动待检测样品12在xy面扫描的过程中，z向随动模块14能够通过z向调节样品台使基频光24始终聚焦在待检测样品12表面。从而克服由于待检测样品12表面由于微观上呈凸凹不平的波动曲面，而导致的基频光24不能始终聚焦在待检测样品12表面的现象；提高shg出射信号所携带的缺陷信息的准确性，从而提高基于二次谐波表征方法对待检测样品12检测的表征精度。
37.z向测高模块15具体实现测高时，z向测高模块15可以通过采集待检测样品12表面不同位置处与xy参考面的垂直距离。该xy参考面可以为z向测高模块15在内部预先设定的xy参考面，之后在xy面运动模块13带动待检测样品12在xy面内扫描时，z向测高模块15不间断的测试待检测样品12表面不同位置处于xy参考面的垂直距离，从而获取待检测样品12表面不同位置处的高度信息，便于获取到待检测样品12表面不同位置处的高度信息。该z向测高模块15具体可以包含一个测高仪一个固定测高仪的固定结构。应当理解的是，z向测高模块15的测高方法并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。
38.还可以设置一个控制模块，该控制模块具体可以设置在工控机、移动终端等终端
控制设备中。控制模块与z向测高模块15通信连接，以接收z向测高模块15获取待检测样品12表面不同位置处的高度信息。且控制模块还与z向随动模块14通信连接，以生成控制z向随动模块14在z向调节样品台的控制指令，并将该控制指令传输给z向随动模块14，由z向随动模块14根据控制指令调节样品台11，以使基频光24始终聚焦在待检测样品12表面，便于根据采集的待检测样品12表面不同位置处的高度信息，自动调节z向测高模块15，提高自动化程度。
39.参考图2，在一个更优的实施例中，还可以在出射臂30上设置一个反馈调整模块，同时还连接一个微调机构40。其中，反馈调整模块能够从二次谐波信号301分出采样信号302。在二次谐波信号301部分入射到探测器31内时，反馈调整模块能够将采样信号302移动到非目标点处。在二次谐波信号301全部入射到探测器31内时，反馈调整模块能够将采样信号302恰好移动到目标点51处。即反馈调整模块能够从二次谐波信号301的光路中分出部分光路信号作为采样信号302，同时不改变原来二次谐波信号301的传输光路。且经过预先的目标点51的位置校准，在二次谐波信号301按照如图2示出的实线传输路径进行传输，并全部入射到探测器31内时，反馈调整模块从实线传输的二次谐波信号301分出的采样信号302能够恰好移动到目标点51处。在二次谐波信号301按照如图2示出的虚线传输路径进行传输时，虚线传输的二次谐波信号301只能部分入射到探测器31内，而不能够全部入射到探测器31内，此时，反馈调整模块从虚线传输的二次谐波信号301分出的采样信号302不能够恰好移动到目标点51处，而只能移动的距离目标点51有一段距离的非目标点处。此时，可以通过观察采样信号302是否移动到目标点51处，了解到出射光路系统中的探测器31是否正好位于二次谐波信号301的传输光路上，了解到二次谐波信号301是否能全部入射到探测器31的探测窗口内，在z向调节样品台的同时，考虑由于待检测样品12表面微观上凸凹不平的波动曲面导致基频光24的法线方向变动影响，可能使二次谐波信号301的传输光路由图2的实线光路，改变为虚线光路，从而不能够全部入射到探测器31的探测窗口内。后续可以通过微调机构40微调出射臂30在圆弧导轨10上的位置，将探测器31正好修正调节到二次谐波信号301的传输光路上，使二次谐波信号301尽量多的被探测器31接收，从而提高二次谐波表征精度。
40.在设置反馈调整模块时，参考图2，反馈调整模块可以包括采样器52和位置探测器53。其中的采样器52固定在出射臂30上且位于出射光路系统内，采样器52用于从二次谐波信号301分出采样信号302。具体设置采样器52时，该采样器52具体可以采用具有部分反射和部分透射功能的光学镜片，从采样器52反射出来的信号作为采样信号302，而透过采样器52的信号作为将要入射到探测器31内的二次谐波信号301。具体确定从采样器52反射和透射的信号能量时，可以使采样器52从二次谐波信号301分出的采样信号302能量，占进入采样器52的二次谐波信号301能量的0.5％～2.0％，即采样信号302仅占入射到采样器52的二次谐波信号301能量的0.5％、1.0％、1.5％、2.0％等介于0.5％～2.0％之间的任意值，使分出的采样信号302占原来二次谐波信号301的能量尽量少，二次谐波信号301的更多能量进入到探测器31内，进一步提高基于二次谐波表征的探测精度。继续参考图1，可以将采样器52放置在滤光片34与探测器31之间的光路上，使采样器52所分出的采样信号302仅包含二次谐波信号301，而不包含其他的干扰信号，提高位置反馈精度。
41.继续参考图2，位置探测器53同样固定在出射臂30上，此时，可以将位置探测器53
的中心处作为目标点51处，将位置探测器53的中心点以外的区域(位置探测器53的非中心处)作为非目标点处。在二次谐波信号301部分入射到探测器31内(其出射光路为图1虚线示出的二次谐波信号301出射光路)时，采样信号302可以直接或通过反射光路间接移动到位置探测器53的非中心处。此时，可以通过调整出射臂30和出射光路系统的位置，使采样信号302可以直接或通过反射光路间接移动到位置探测器53的中心处，能够保证二次谐波信号301全部入射到探测器31内(其出射光路为图1实线示出的二次谐波信号301出射光路)。简化反馈调整模块的结构，便于设置。
42.例如，采样信号302可以通过反射光路间接移动到位置探测器53的中心处或非中心点处。此时，参考图2，可以在出射臂30上固定有一个反射镜54。在二次谐波信号301部分入射到探测器31内时，采样信号302通过反射镜54反射到位置探测器53的非中心处。在二次谐波信号301全部入射到探测器31内时，采样信号302通过反射镜54反射到位置探测器53的中心处。通过增加的反射镜54，能够使位置探测器53的设置位置更加灵活。应当理解的是，反射镜54的个数及设置方式并不限于图2示出的方式，除此之外，还可以采用其他的反射光路设置方式。
43.如图2所示，其中的微调机构40能够微调出射臂30的位置，即改变出射臂30在圆弧导轨10上的滑动位置。还可以使控制模块与反馈调整模块和微调机构40均通信连接，以在z向调节样品台的同时，根据反馈调整模块中采样信号302与目标点51处之间的位置偏差，控制微调机构40微调出射臂30的位置，使采样信号302始终保持在目标点51处。微调机构40的设置方式可以采用具有电机等驱动装置、以及齿轮等微调传动机构组成的微调机构40。上述方式，在z向调节样品台的同时，考虑由于待检测样品12表面微观上凸凹不平的波动曲面导致基频光24的法线方向变动影响，控制微调机构40微调出射臂30的位置，将出射光路系统中的探测器31再次修正到二次谐波信号301的传输光路上，使采样信号302始终保持在目标点51处，从而使二次谐波信号301尽量多的被探测器31接收，进一步提高基于二次谐波表征方法对待检测样品12检测的表征精度。
44.上述示出的各种实施方式中，通过增加z向随动模块14和z向测高模块15，由z向测高模块15获取待检测样品12表面不同位置处的高度信息；在xy面运动模块13带动待检测样品12在xy面扫描的过程中，z向随动模块14根据待检测样品12表面不同位置处的高度信息，z向调节样品台，以使基频光24始终聚焦在待检测样品12表面。从而克服由于待检测样品12表面由于微观上呈凸凹不平的波动曲面，而导致的基频光24不能始终聚焦在待检测样品12表面的现象；提高shg出射信号所携带的缺陷信息的准确性，从而提高基于二次谐波表征方法对待检测样品12检测的表征精度。
45.另外，本发明实施例还提供了一种基于二次谐波表征的检测装置，参考图1及图2，该检测装置包括上述任意一种二次谐波表征光学系统。通过增加z向随动模块14和z向测高模块15，由z向测高模块15获取待检测样品12表面不同位置处的高度信息；在xy面运动模块13带动待检测样品12在xy面扫描的过程中，z向随动模块14根据待检测样品12表面不同位置处的高度信息，z向调节样品台，以使基频光24始终聚焦在待检测样品12表面。从而克服由于待检测样品12表面由于微观上呈凸凹不平的波动曲面，而导致的基频光24不能始终聚焦在待检测样品12表面的现象；提高shg出射信号所携带的缺陷信息的准确性，从而提高基于二次谐波表征方法对待检测样品12检测的表征精度。
46.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。