卡盘、相移式干涉仪及晶圆形貌干涉测量方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，更具体地说涉及一种卡盘，还涉及一种相移式干涉仪，还涉及一种晶圆形貌干涉测量方法。


背景技术：

2.相移式干涉仪能够同时采集到晶圆上表面的反射光和相对应参考面的反射光；这两束光在摄像机的成像平面上产生干涉形成干涉条纹图；根据干涉条纹图通过算法可以解调出干涉测量信息，进而得到需要测量晶圆的表面形貌。
3.但是由于晶圆厚度小、直径大，很容易在晶圆平面法线方向上因微小激震源而产生振动；上述振动的产生会造成晶圆和干涉仪参考面相对距离的振动，进而影响了干涉条纹的振动，最终严重影响了干涉测量的测量精度，进而严重影响了晶圆表面形貌的测量精度。
4.因此为了降低干涉条纹的振动，高精度干涉测量仪一般都放在防震平台上，更高精度干涉测量仪还需要将防震平台放置在安静的环境中(如远离车道的地下室和山洞中)，甚至连空气流动和说话等都要避免，目的就是为了消除激发晶圆振动的激震源来降低晶圆振动。
5.然而，在实际的工业生产环境中(如在超净间或在生产线上)，满足高精度干涉测量的安静的环境是很难做到的。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本技术提供了一种卡盘。本技术还提供了具有上述卡盘的一种相移式干涉仪。本技术还提供了利用上述相移式干涉仪的一种晶圆形貌干涉测量方法。
7.为了达到上述目的，本技术提供如下技术方案：
8.一种卡盘，包括：
9.阻尼块；
10.支撑柱，所述支撑柱具有支撑端，以将晶圆承托在所述阻尼块的顶部；
11.其中：所述支撑端与所述阻尼块之间的距离，能够保证所述晶圆下表面与所述阻尼块上表面之间的空气层厚度小于3mm。
12.可选的，上述卡盘中，所述空气层厚度均匀。
13.可选的，上述卡盘中，放置于所述支撑端的所述晶圆的下表面形成形变下表面形貌；所述阻尼块的上表面形貌与所述形变下表面貌一致。
14.可选的，上述卡盘中，所述支撑端相对于所述阻尼块伸缩移动。
15.可选的，上述卡盘中，所述支撑柱穿插设置于所述阻尼块。
16.可选的，上述卡盘中，所述空气层厚度小于2.5mm。
17.可选的，上述卡盘中，所述支撑柱的截面形状为三角形、圆形、矩形和圆环形中的任一种。
18.一种相移式干涉仪，包括：上述卡盘。
19.一种晶圆形貌干涉测量方法，适用于上述相移式干涉仪；包括以下步骤：
[0020]ⅰ将晶圆放置在支撑端，保证所述晶圆下表面与阻尼块上表面之间的空气层厚度小于3mm；
[0021]ⅱ通过相移式干涉仪的成像系统同时采集所述晶圆上表面的反射光与干涉仪参考平面的反射光，并在所述相移式干涉仪的成像平面上形成干涉条纹图；使用所述成像系统采集n幅具有干涉条纹相位变化的干涉条纹图；
[0022]ⅲ根据上述n幅干涉条纹图，通过算法解调出干涉信息，得到所述晶圆的上表面形貌z(x,y)。
[0023]
可选的，上述晶圆形貌干涉测量方法中，还包括以下步骤：
[0024]ⅳ利用有限元法得到所述晶圆放置在所述支撑柱上因自身重力产生的形变下表面形貌δ(x,y)；
[0025]
ⅴ
计算所述晶圆的正确表面形貌w(x,y)；w(x,y)＝z(x,y)-δ(x,y)。
[0026]
本技术提供的卡盘，设置有阻尼块和支撑柱，支撑柱具有支撑端，将晶圆放置在支撑端，以将晶圆承托在阻尼块顶端；本技术创新性的管控阻尼块上表面与晶圆下表面之间的空气层厚度，进而来管控晶圆振动的阻尼；通过不断的探索和科学性的实验最终得到随着空气层厚度缩小，晶圆振动的阻尼成指数式增大；进一步的当空气层厚度大于3mm时对晶圆振动产生的阻尼变化很小，但当空气层厚度小于3mm时对晶圆振动产生的阻尼快速加速增大。本技术设置的卡盘通过严格管控阻尼块上表面与晶圆下表面之间的空气层厚度，有效增大了晶圆振动的阻尼，进而有效降低了晶圆的振动，这样使得测量设备在充满噪音和地面震动等不安静的工业生产环境中也可完成晶圆形貌的纳米精度测量。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0028]
图1为本技术卡盘的主视图；
[0029]
图2为本技术卡盘的俯视图；
[0030]
图3为本技术另一实施例卡盘的主视图；
[0031]
图4为本技术另一实施例卡盘的俯视图；
[0032]
图5为本技术另一实施例卡盘的俯视图；
[0033]
图6为本技术另一实施例卡盘的俯视图；
[0034]
图7为本技术另一实施例卡盘的俯视图；
[0035]
图8为本技术另一实施例卡盘的俯视图；
[0036]
图9为本技术的卡盘横切面的结构示意图；
[0037]
图10为本技术另一实施例卡盘的横切面的结构示意图；
[0038]
图11为本技术相移式干涉仪形成的干涉条纹图；
[0039]
图12为n幅等间隔相位变化的干涉条纹图。
[0040]
在图1-图12中：
[0041]
1-阻尼块，2-支撑柱，3-晶圆，4-干涉仪参考平面。
具体实施方式
[0042]
本技术提供了一种卡盘。本技术还提供了一种包括上述卡盘的相移式干涉仪。本技术还提供了一种利用上述相移式干涉仪的一种晶圆形貌干涉测量方法。
[0043]
下面将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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
[0044]
如图1-图4所示，本技术实施例提供了一种卡盘，包括：阻尼块1和支撑柱2。
[0045]
阻尼块1为粘弹性材料，由高分子材料或橡胶材料制作而成；阻尼块1的物理和化学性能稳定，具有优良的减振降噪性、耐热性、耐寒性、防老性和较强的粘接性。支撑柱2为立柱形结构，支撑柱2的顶部端为支撑端，支撑端高于阻尼块1的上表面；支撑端起到平稳承托晶圆3的作用，以将晶圆3承托在阻尼块1的顶部。晶圆3由高纯度的多晶硅溶解后掺入硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅；硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后，最终形成晶圆。晶圆的材质可以是硅片，也可以是gaas，sic，gan等材料。
[0046]
其中，支撑端与阻尼块1之间的距离设置能够保证晶圆3下表面与阻尼块1上表面之间的空气层厚度小于3mm。
[0047]
将晶圆放置在支撑柱上，创新性的管控阻尼块上表面与晶圆下表面之间的空气层厚度，进而来管控晶圆振动的阻尼；通过不断的探索和科学性的实验最终得到随着空气层厚度缩小，晶圆振动的阻尼成指数式增大；进一步的当空气层厚度大于3mm时对晶圆振动产生的阻尼变化很小，但当空气层厚度小于3mm时对晶圆振动产生的阻尼快速加速增大。本技术设置的卡盘通过严格管控阻尼块上表面与晶圆下表面之间的空气层厚度，有效增大了晶圆振动的阻尼，进而有效降低了晶圆的振动，这样使得测量设备在充满噪音和地面震动等不安静的工业生产环境中也可完成晶圆形貌的纳米精度测量。
[0048]
其中需要说明的是：为了保证支撑柱能够平稳承托晶圆，使晶圆既能靠近又不能接触到阻尼块上表面达到减振效果，支撑柱可根据需求设置有多个，并且为了保证晶圆的形貌不受支撑柱的影响，使支撑柱与晶圆的接触面积尽可能小。具体设置详见后述内容。
[0049]
在本技术某些实施例中，晶圆3下表面与阻尼块1上表面之间的空气层厚度均匀。
[0050]
晶圆下表面和阻尼块上表面形成的空气层厚度均匀设置，能够使晶圆更靠近阻尼块，即晶圆下表面和阻尼块上表面的平均距离更小，进而使晶圆振动产生的阻尼增大，进而有效降低了晶圆的振动。
[0051]
在本技术某些实施例中，晶圆3放置于支撑柱2时，晶圆3因自身重力产生形变形成形变下表面形貌；阻尼块1的上表面形貌与形变下表面貌一致。
[0052]
为了使晶圆下表面和阻尼块上表面保持不接触的平均距离达到最小，阻尼块上表面不限于是个平面。将阻尼块上表面设置成晶圆因重力而产生的形变形貌，进而保证了晶圆下表面和阻尼块上表面形成的空气层厚度的均匀性，进而使晶圆更靠近阻尼块即晶圆下表面和阻尼块上表面的平均距离更小，进而使晶圆振动产生的阻尼增大，进而有效降低了
晶圆的振动。
[0053]
进一步的，当支撑柱位置确定时，晶圆的变形可以根据晶圆的厚度参数、直径参数和材料特性参数利用有限元或其它方法算出。晶圆的形变下表面形貌可预先近似知道，根据预先计算得到的晶圆的形变下表面形貌便于对阻尼块的上表面形貌进行一致化设置。通过上述方法可以对阻尼块的上表面形貌进行预先设计，进而大大缩减了卡盘的加工生产的时间成本。
[0054]
请参阅附图9，附图9为卡盘横切面的结构示意图；其中：竖直向下的箭头代表晶圆自身的重力；支撑柱未设置在阻尼块的边缘处；晶圆放置在支撑柱上因自身重力产生了波浪形的形变下表面形貌；阻尼块的上表面形貌设置成了与晶圆的形变下表面形貌一致的波浪形。
[0055]
请参阅附图10，附图10为本技术另一实施例的卡盘横切面的结构示意图；其中：竖直向下的箭头代表晶圆自身的重力；支撑柱设置在阻尼块的边缘处；晶圆放置在支撑柱上因自身重力产生了中心下凹的形变下表面形貌；阻尼块的上表面形貌设置成了与晶圆的形变下表面形貌一致的中心下凹的形态。
[0056]
进一步的，当晶圆放置在支撑柱上因自身重力产生的变形可以忽略不计时，阻尼块上表面可以设计成平面。当晶圆放置在支撑柱上因自身重力产生的变形可以忽略不计时，将阻尼块上表面设计成平面，可以节省卡盘设置的加工成本和时间成本。
[0057]
在本技术某些实施例中，支撑端相对于阻尼块1伸缩移动。
[0058]
支撑端相对于阻尼块1伸缩移动，可将支撑柱设置成能够调节高度的情形，上述结构的设置可以便于支撑柱对晶圆进行承接操作。当需要承接晶圆时，将支撑柱升高，当晶圆平稳放置在支撑端时，再将支撑柱降落，直至晶圆下表面与阻尼块上表面之间的空气层厚度小于3mm。
[0059]
具体的，当支撑柱设置成能够调节高度的情形时，支撑柱下降至最低的位置可以为预先标定好的位置，该位置能够保证晶圆下表面和阻尼块上表面保持之间的空气层厚度小于3mm。通过预先标定好支撑柱下降至最低点的位置，支撑柱上升后的下降操作无需再精心管控，直至支撑柱下降至预先标定好的位置即可，操作更加便捷快速。
[0060]
具体的，当支撑柱设置成能够调节高度的情形时，支撑柱下降至最低的位置还可以根据晶圆的实际形态，实时测量得到一个最佳位置，该最佳位置即为晶圆下表面和阻尼块上表面保持不接触的最小距离，上述结构的设置保证了卡盘的适用范围更大。通过将支撑柱下降至需要实时测量得到的最佳位置，可以将阻尼块上表面与晶圆下表面之间的空气层厚度管控至尽可能小，进而增加阻尼，有效降低了晶圆的振动。
[0061]
进一步的，如果支撑柱不用升高也可以承托晶圆，则支撑柱也可以设置成高度固定的形式。支撑柱固定设置时，保证晶圆下表面与阻尼块上表面之间的空气层厚度小于3mm即可。支撑柱高度固定的形式可以减少操作的复杂度，消除了由于支撑柱反复升降带来定位误差的弊端。
[0062]
在本技术某些实施例中，支撑柱2穿插设置于阻尼块1。
[0063]
支撑柱穿插设置在阻尼块内，能够使支撑柱的安装固定，以及升降调节更加快捷、平稳可靠。
[0064]
进一步的，支撑柱也可以设置在阻尼块之外；但是为了保证支撑柱的升降功能，则
需要额外设置实现支撑柱升降的容置腔。支撑柱设置在阻尼块之外丰富了支撑柱的灵活设计形式。
[0065]
在本技术某些实施例中，晶圆3的直径为300mm；晶圆3下表面与阻尼块1上表面之间的空气层厚度小于2.5mm。
[0066]
将晶圆放置在支撑柱上，创新性的管控阻尼块上表面与晶圆下表面之间的空气层厚度，进而来管控晶圆振动的阻尼；通过不断地探索和科学性的实验最终得到，当空气层厚度小于2.5mm时对直径300mm晶圆的振动具有更加明显的减振效果。
[0067]
在本技术某些实施例中，支撑柱2的截面形状为三角形、圆形、矩形和圆环形中的任一种。支撑柱的形状可以根据实际加工需求灵活设计，增加了卡盘加工设计的灵活适用。
[0068]
其中需要说明的是：为了稳定承托住晶圆，使晶圆既能靠近又不能接触到阻尼块上表面，达到最佳减振效果，支撑柱最好设置三个(因为三点决定一个平面)，并且使接触到晶圆的面积尽可能小，例如将支撑柱设置成渐缩形(支撑端与晶圆的接触面积越小，支撑柱影响晶圆形貌的因素就越小)。
[0069]
进一步的，支撑柱的位置可以在阻尼块的任何位置，只要能稳定承托住晶圆就可以，这样设置进一步增加了卡盘设置的灵活适用性。例如附图4中将支撑柱设置在阻尼块的边缘位置。
[0070]
支撑柱的个数不限于3个，横截面也不限于是圆形；上述设置再一步增加了卡盘设置的灵活适用性。例如：
[0071]
请参阅附图5，支撑柱为横截面为三角形的棱柱；支撑柱设置有三个；三个支撑柱均匀设置在阻尼块的靠近边缘处。
[0072]
请参阅附图6，支撑柱为横截面为圆形的圆柱体结构；支撑柱设置有四个；四个支撑柱均匀设置在阻尼块的靠近边缘处。
[0073]
请参阅附图7，支撑柱为截面为环形的空心圆柱体结构；支撑柱设置有两个；两个支撑柱同心设置在阻尼块上。
[0074]
请参阅附图8，支撑柱为截面为矩形的矩形片结构；支撑柱设置有三个；三个支撑柱均匀径向设置在阻尼块上。
[0075]
其中需要说明的是，支撑柱也可以是其他形态的设置。
[0076]
在上卡盘的基础之上，本技术还提供了一种相移式干涉仪，包括卡盘，此卡盘即为上述的卡盘。
[0077]
由于此相移式干涉仪具有上述的卡盘，卡盘又具有上述的阻尼块和支撑柱；所以卡盘由阻尼块和支撑柱带来的有益效果请参见上述内容，在此不再赘述。
[0078]
在相移式干涉仪的基础上，本技术还提供了一种晶圆形貌干涉测量方法，适用于相移式干涉仪；此相移式干涉仪即为上述的相移式干涉仪。
[0079]
晶圆形貌干涉测量方法，具体包括以下步骤：
[0080]ⅰ将晶圆3放置在支撑端，保证晶圆3下表面与阻尼块1上表面之间的空气层厚度小于3mm；
[0081]ⅱ通过相移式干涉仪的成像系统同时采集晶圆3上表面的反射光与干涉仪参考平面4的反射光，并在相移式干涉仪的成像平面上形成干涉条纹图；使用成像系统采集n幅具有干涉条纹相位变化的干涉条纹图；
[0082]ⅲ根据n幅干涉条纹图，通过算法解调出干涉信息，得到晶圆3的上表面形貌z(x,y)。
[0083]
其中需要说明的是，步骤ⅰ中的支撑柱可以为升降支撑柱；此时，步骤ⅰ具体为：首先升高支撑柱；然后将晶圆放置在支撑柱上；最后降落支撑柱，直至晶圆3下表面与阻尼块1上表面之间的空气层厚度小于3mm。将支撑柱设置于能够调节高度的情形，可以便于对晶圆进行承接操作。
[0084]
步骤ⅰ中的支撑柱也可以为高度固定的支撑柱，上述高度的设置保证晶圆下表面与阻尼块上表面之间的空气层厚度小于3mm即可；此时，步骤ⅰ具体为：将晶圆放置在支撑柱上。当支撑柱不用升高也可以承托晶圆时，则将支撑柱设置成高度固定的形式，上述设置可以减少操作的复杂度，消除了由于支撑柱反复升降造成定位误差的弊端。
[0085]
其中需要说明的是，相移式干涉仪能够同时采集到晶圆上表面的反射光和干涉仪参考平面的反射光。这两束光在相移式干涉仪摄像机的成像平面上产生干涉形成干涉条纹图，见附图11。
[0086]
参阅附图11，成像平面形成的干涉条纹图中每一个像素点(x,y)在时间t时的光强可表达为：
[0087]
u(t，x，y)＝a(t) b(t)cos(2πfst φ(x，y) bv(t)sin(2πfvt φv(x，y)))
ꢀꢀ
(1)
[0088]
式1中，a是背景光强，b是干涉强度，fs是干涉条纹变化频率，φ是干涉条纹相位，bv是干涉条纹的振动强度，fv是干涉条纹的振动频率，φv是干涉条纹振动的初始相位。
[0089]
如果摄像机的采集每幅干涉条纹图的曝光时间为δt，那么以上附图11中每一个像素点(x,y)在曝光时间δt内的总光强可表达为：
[0090][0091]
式1中φ(x,y)是干涉条纹图中每一点的相位值，它和被测晶圆上表面在这点的高度关系为：
[0092][0093]
由上可知，通过被测晶圆上表面距像素点的高度值的一致性来表征晶圆上表面外貌形态，即晶圆上表面的平整度。
[0094]
式3中n是一个整数，可以从φ(x,y)中得到。因此，提高干涉仪测量晶圆上表面形貌精度就必须精确得到干涉条纹在每个像素点(x,y)的相位φ(x,y)。
[0095]
在干涉测量中采用相位移法从干涉条纹在多个不同相位的光强值精确算出干涉条纹的相位φ(x,y)，这样在每一次的测量数据采集时，摄像机得到n幅等间隔相位变化的干涉条纹图，例如n＝4，见附图12。
[0096]
参阅附图12，从这n个干涉条纹图中我们可以用以下公式可以得到干涉条纹图中每一点的相位值：
[0097]
[0098]
式4中，(x,y)是干涉条纹图中每一点的坐标，ij(x,y)是第j干涉条纹图的亮度值，sj和cj是常数。
[0099]
以n＝4为例，使用具有本技术卡盘的相移式干涉仪，卡盘的振动可以忽略，晶圆和干涉仪参考面相对距离的振动可以忽略，即干涉条纹的振动可以忽略。因此，干涉条纹在每一个测量点(x,y)的光强可表达为：
[0100]
ik(x，y)＝a(x，y) b(x，y)cos(φ(x，y) δk)，k＝1，2，3，4
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0101]
式中相移量：
[0102]
δ2＝0，δ4＝π
[0103]
从公式4的四个方程式中，当我们选择s1＝0，s2＝-1，s3＝0，s4＝1，c1＝1，c2＝0，c3＝-1，和c4＝0时，可以得到求解出干涉条纹图中每一点的相位值公式：
[0104][0105]
由于干涉条纹的振动可以忽略，从式1和式2中我们知道，摄像机就能够获得n幅等间隔相位变化的干涉条纹图即式5中的相移量δk的变化量为
[0106]
这样采用公式4或公式6计算出的相位和实际干涉条纹φ(x,y)就不存在误差；进而保证了测量晶圆形貌的精度。
[0107]
其中需要说明的是，上述公式4、公式6和公式3即为晶圆形貌干涉测量方法步骤ⅲ中提到的算法。
[0108]
通过公式4或公式6得到干涉条纹图中每一像素点的相位φ(x,y)，然后再将φ(x,y)代入公式3中得到被测晶圆上表面距像素点的高度值w(x,y)；通过被测晶圆上表面距像素点的高度值的一致性来表征晶圆上表面外貌形态，即晶圆上表面的平整度。
[0109]
由于此晶圆形貌干涉测量方法利用了上述的相移式干涉仪，而上述的相移式干涉仪具有上述的卡盘，卡盘又具有上述的阻尼块和支撑柱；所以卡盘由阻尼块和支撑柱带来的有益效果请参见上述内容，在此不再赘述。
[0110]
在本技术某些实施例中，晶圆形貌干涉测量方法，还包括以下步骤：
[0111]ⅳ利用有限元法得到晶圆3放置在支撑柱2上因自身重力产生的形变下表面形貌δ(x,y)；
[0112]
ⅴ
计算晶圆3的正确表面形貌w(x,y)；w(x,y)＝z(x,y)-δ(x,y)。
[0113]
其中需要说明的是：形变下表面形貌δ(x,y)可以根据晶圆已知的平均厚度参数，平均直径参数、性能指标参数、以及平均的升降柱支撑位置参数，通过有限元法预先计算得出，计算误差可忽略不计。
[0114]
根据晶圆的已知参数利用有限元法可以快速得到晶圆放置在支撑柱上因自身重力产生的形变下表面形貌δ(x,y)。通过将上表面形貌z(x,y)减去形变下表面形貌δ(x,y)，可以精准得到晶圆的正确表面形貌w(x,y)。
[0115]
当在不需要非常精确知道晶圆形貌的测量时，甚至令δ(x,y)＝0。当晶圆放置在支撑柱上因自身重力产生的变形可以忽略不计时，可以忽略晶圆放置在支撑柱上因自身重力产生的形变下表面形貌δ(x,y)；此时可以简化运算的复杂度，缩短运算时长。
[0116]
本技术中涉及的部件、装置仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照附图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些部件、装置。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
[0117]
还需要指出的是，在本技术的装置中，各部件是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本技术的等效方案。
[0118]
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本技术。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本技术的范围。因此，本技术不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
[0119]
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本技术的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
[0120]
以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本技术的保护范围之内。