专利名称：用于通过干涉法光学测量对象厚度的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过干涉法光学测量对象厚度的设备和方法。本发明可有利地应用于通过干涉法光学测量半导体材料(一般为硅)的切片 (slice)或晶圆(wafer)的厚度，说明书中将明确提及该对象而不失一般性。
背景技术：
半导体材料的切片可被加工，例如用于获取集成电路或由半导体材料制成的其他电子组件。特别地，当半导体材料的切片非常薄时，该半导体材料的切片被置于支撑层(一般由塑料或玻璃制成)上，该支撑层可提供更高的机械坚固性，从而可易于操作。一般而言，需要通过研磨及抛光来对半导体材料的切片进行机械加工，以获得均勻且对应于期望值的厚度。在该半导体材料切片的机械加工阶段期间，需要对厚度进行测量或控制该厚度， 以确保获得期望值。为了测量半导体材料切片的厚度，已知采用气动测头，该气动测头具有接触被加工的半导体材料切片的上表面的机械探针。该测量技术可在测量操作期间由于与机械探针的机械接触而影响半导体材料切片，并且其不能测量非常薄的厚度值(一般小于100微米)。为了测量半导体材料切片的厚度，已知使用电容式探测器、(涡流型或其他型的) 电感式探测器或超声波探测器。由于这些测量技术均是非接触式的，他们在测量期间不影响半导体材料切片，并且其可以在即使存在支撑层的情况下测量半导体材料切片的厚度。 然而，这些测量技术在可测的尺寸上(一般小于100微米的厚度将无法被测量)和可达到的最大分辨率上(一般不小于10微米)具有局限性。光学探测器(某些情况下与干涉法测量相关)被用于克服上述测量技术的局限性。例如，US专利US-A1-6437868以及已公开的日本专利申请JP-A-08-216016描述了用于对半导体材料切片的厚度进行光学测量的设备。某些已知设备包括红外放射源、分光计以及光学探测器，该光学探测器通过光纤连接至所述红外放射源及分光计，其可被放置为面向待测半导体材料切片，且其带有用于将射线聚焦至待测半导体材料切片上的透镜。所述红外放射源发射红外射线束(通常具有大约1300纳米的波长)，更具体地，发射低相干光束，该低相干性意味着其不是单频率(单个频率在时间上是恒定的)，而是包括多个频率 (一般具有在中心值上下大约50nm的区间内可变的波长)。由于当前使用的半导体材料由硅制成，而硅对于红外射线而言是足够透明的，故采用红外射线。在某些已知设备中，所述红外放射源由SLED (超发光发光器件)构成，该SLED可发射具有在中心值上下大约50纳米的数量级的带宽的红外射线束。然而，即使使用上述类型的与干涉法测量相关的光学探测器，也无法测量小于大约10微米的厚度，而半导体工业目前要求测量很小或非常小微米的厚度
发明内容
本发明的目的在于提供一种可克服上述不便且同时可被简单且便宜地实施的、用于通过干涉法来光学测量对象厚度的设备和方法。所述目的可根据所附权利要求书中所要求保护的内容通过干涉法光学测量对象厚度的设备和方法来实现。


现参考以非限制性示例的方式给出的所附附图，对本发明进行描述，其中图1为根据本发明的用于通过干涉法光学测量半导体材料切片的厚度的设备的简化视图，其中出于清楚的目的，移除了某些部分；图2为半导体材料切片在其厚度被测量时的简化横截面侧视图；图3为图1的设备的红外放射源的简化示图，其中出于清楚的目的，移除了某些部分；图4为示出了在图3的红外放射源中执行的频带组分的图表。
具体实施例方式在图1中，参考标记1整体指代用于通过干涉法光学测量由半导体材料切片制成的对象2的厚度的设备。根据包括本身已知的特征的图1中示出的实施方式，半导体材料的切片2被置于支撑层3 ( 一般由塑料或玻璃制成)上，该支撑层3提供较高的机械坚固性，从而易于操作。 根据不同的实施方式(在此未示出)，可省略所述支撑层3。所述设备1包括红外放射源4、分光计5、以及光学探测器6，该光学探测器6通过光纤线连接至红外放射源4及分光计5，该光学探测器6被布置为面向待测半导体材料的切片2，且载有用于将射线聚焦至待测半导体材料的切片2上的透镜7。一般地，如图1所示， 所述光学探测器6被布置为与待测半导体材料的切片2垂直、或与待测半导体材料的切片 2稍微成角度，红外射线通过其进行传播的空气或液体将光学探测器6与后者相分开设置。根据图1所示的实施方式，存在将放射源4连接到光耦合器9的第一光纤8、将光耦合器9连接至分光计5的第二光纤10、以及将光耦合器9连接至光学探测器6的第三光纤11。光纤(更具体地，是所述第一光纤8、第二光纤10、以及第三光纤11)均于循环器(该循环器本身是公知的，从而未于图1内示出)或用作耦合器9的其他装置处终止。根据图1所示的实施方式，所述分光计5包括将通过第二光纤线10接收到的射线对准至衍射体(diffractor) 13 ( 一般包括光栅)上的至少一个透镜12，以及将衍射体13所反射的射线聚焦至射线检测器15(—般由光敏元件阵列形成，例如“CCD”传感器)上的至少另一透镜14。所述红外放射源4发射低相干红外射线束，这意味着该射线束不是单频率的(在时间上恒定的单个频率)，而是由多个频率构成的。由于当前使用的半导体材料由硅制成，且硅对于红外射线足够透明，故可以采用红外射线。根据图2所示以及公知常识，当所使用的光学探测器6发射红外射线束I至待测半导体材料的切片2上时，一部分射线I (反射线Rl)通过外表面16反射到光学探测器6上(而不进入半导体材料的切片2中)，以及一部分射线I (反射线R2)进入半导体材料的切片2中，并由与外表面16相对的内表面17反射到光学探测器6上。应该注意的是，出于便于理解的目的，入射线I与反射线R被表示为相对于半导体材料的切片2形成非90°的角度。实际上，如上文中描述的，这些射线可与半导体材料切片2垂直或基本垂直。所述光学探测器6捕捉已由外表面16反射而未进入半导体材料的切片2中的射线R1、和已由内表面17反射且进入半导体材料的切片2中的射线R2。如图2所示，射线R2 (已由内表面17反射且进入半导体材料的切片2中)可在内表面17上仅反射一次之后、在内表面17上连续反射两次之后、或更为普遍的于内表面17 上连续反射N次之后，离开半导体材料的切片2。显然，每反射一次，均有一部分射线R2会通过外表面16离开半导体材料的切片2，直至射线R2的剩余强度基本上为零。如前所述，红外射线束由具有不同频率的(即，具有不同波长的)射线构成。在这些射线中，必定存在着其波长使得待检查的半导体材料的切片2的厚度等于其本身波长的整数倍的射线。因而，被内表面17所反射的射线与被外表面16所反射的同一波长的射线同相地离开半导体材料的切片2，并被叠加至后者，从而确定最大干涉(相长干涉(constructive interference)).相反，当射线(该射线具有使得待检查的半导体材料的切片2的厚度的两倍等于半波长的奇数倍的波长)被内表面17反射时，其与外表面16 所反射的同一波长的射线相位相反地离开半导体材料的切片2，并被叠加至后者，从而确定最小干涉(相消干涉(destructive interference))。反射线Rl和R2之间的干涉结果可由光学探测器6所捕获，并被传输给分光计5。 该分光计5针对每一频率(S卩，针对每一波长)所检测的光谱具有不同的强度，该强度由相长干涉及相消干涉交替确定。处理单元18接收来自分光计5的光谱，并通过一些本身公知的数学运算来对其进行分析。特别地，通过执行为频率的函数的傅立叶分析以及通过知晓半导体材料的折射率， 处理单元18能够通过适当地处理由分光计5提供的光谱的傅立叶分析来确定半导体材料切片2的厚度。更为具体地，在处理单元18内，光谱(该光谱为波长的函数)可以以已知方式被处理为周期函数，该周期函数可以由傅立叶级数来数学表达。反射线Rl和R2的干涉可展开为正弦函数(其中存在相长干涉与相消干涉的交替)；该正弦函数的频率可与通过半导体材料切片2 (所述射线穿过该半导体材料切片2)的厚度方向的光学路径长度成正比。通过采用傅立叶变换，可确定通过半导体材料切片2的光学路径的值，从而可确定半导体材料切片2的等值厚度(对应于所述光学路径的一半)。半导体材料切片2的实际厚度可通过将该半导体材料切片2的等值厚度除以该半导体材料切片2的折射率(例如，对于硅，折射率等于大约3. 5)而简单得到。根据本发明，红外放射源4可以发射具有在中心值上下大于IOOnm并优选等于大约200nm的带宽的红外射线束。由于由放射源4发射的红外射线束的带宽肯定大于(至少是两倍)在类似的已知设备中使用的带宽，上述设备1可以测量几微米的厚度，而类似的已知设备不能测量小于10微米的厚度。实际上，基于理论考虑及实验测试，已注意到，通过大大地增加由放射源4发射的红外射线束的带宽，能够显著减小由最小可测厚度所限定的限值。
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一个特定的实施方式还用于减小放射源4的发射频带的中心值。具体地，根据该实施方式，放射源4的发射频带的中心值在IlOOnm与1300nm之间，一般是大约1200nm，而在类似的已知设备中，该中心值一般是大约1300nm。减小放射源4的发射频带的中心值的目的是减少最小可测量厚度；实际上，已注意到，通过减小红外射线的波长，能够测量更小的厚度。需要注意的是，红外射线的波长减小不能太明显，因为通过减小波长，半导体材料的透明度也被减小了，从而更难执行合适的测量。为了使得由放射源4发射的红外射线束的带宽很明显地增加，需要完全改变放射源4的结构，在已知的设备中，放射源4的结构一般包括SLED (超发光发光二极管)，该SLED 不能具有大于50-60nm的带宽。根据图3所示，放射源4包括四个分开的发射器20(具体地，可以为4个SLED 20)， 该四个分开的发射器20发射彼此各不相同的各个射线束且该四个分开的发射器20被同时激活。而且，放射源4包括光学加法器21，该光学加法器21包含光纤，该光纤接到第一光纤 8上并能够将由四个SLED 20发射的四个射线束并集成单个综合射线束。光学加法器21可以由例如一个或多个已知的耦合器或循环器以已知的方式实施，因为在此没有详细示出。由每个SLED 20发射的射线束具有与由其他SLED 20发射的射线束的波长频带不同且基本上互补的波长频带，使得由单个SLED 20的四个射线束的并集组成的综合射线束的带宽Lu肯定大于由每个SLED 20发射的射线束的带宽L1...4。图4以图表的方式，以仅为了便于理解的目的，示出了由每个SLED 20发射的不同带宽L1-的组成图表。原则上，综合带宽Lu等于由每个SLED 20发射的射线束的带宽L1-的和。在实际经验中，在邻近频带的射线中会发生不可忽略的重叠现象；然而，该现象不影响获得综合频带的明显加宽。作为示例，在图3和图4示出的实施方式中，放射源4包括四个SLED 20 ；明显的， 根据市场上可用的SLED 20的特征和根据所需综合带宽Lu的功能，SLED 20的数量可以不同(例如，两个、三个或多于四个)。图2中示出的示例涉及置于支撑层3上的半导体材料的单个切片2的特定情况。 然而，根据本发明的设备和方法的应用不局限于这种类型的薄片的尺寸检查。实际上，这种设备和方法还可以被用于例如测量半导体材料的一个或多个切片2和/或由位于已知多层结构内的其他材料制成的层的厚度。上述设备1具有许多优点，因为它能够容易和经济地被实施，尤其是它能够测量肯定较由类似的已知设备测量的厚度更小的厚度。很需要注意的是，通过只修改放射源4， 能够采用现有设备实施上述设备1，从而减少了更新的复杂性和成本。
权利要求
1.一种用于通过干涉法光学测量对象O)的厚度的设备(1)，该对象( 具有外表面 (16)和与该外表面(16)相对的内表面(17)，该设备(1)包括放射源G)，该放射源(4)用于发射具有在预定频带内的多个波长的低相干射线束⑴；分光计(5)，该分光计( 用于分析在由所述外表面(16)反射而不进入所述对象(2) 中的射线(Rl)与在由所述内表面(17)反射并进入所述对象O)中的射线(R2)之间的干涉结果的光谱；光学探测器(6)，该光学探测器(6)通过光纤(8，10，11)连接到所述放射源(4)和所述分光计(5)，该光学探测器(6)并被布置为面向待测半导体材料的切片O)，以用于将由所述放射源⑷发射的射线束⑴指向所述对象⑵的所述外表面(16)，并用于聚集由所述对象⑵反射的射线(R)；以及处理单元(18)，该处理单元(18)用于根据由所述分光计( 提供的光谱的函数来计算所述对象O)的厚度；所述设备(1)的特征在于，所述放射源(4)包括发射彼此各不相同的各个射线束并被同时激活的至少两个分开的发射器00)。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中，所述放射源(4)包括光学加法器(21)，该光学加法器能将由所述发射器OO)发射的射线束并集成单个综合射线束，以使得所述放射源(4)发射综合射线束。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其中，所述放射源(4)发射射线束，该射线束具有在中心值上下大于IOOnm的带宽。
4.根据权利要求3所述的设备(1)，其中，所述放射源(4)发射射线束，该射线束具有在所述中心值上下大约200nm的带宽。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的设备(1)，其中所述中心值在IlOOnm 与1300nm之间。
6.根据权利要求5所述的设备(1)，其中所述中心值为大约1200nm。
7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的设备(1)，其中由每个发射器00)发射的射线束具有其自己的与由其他发射器OO)发射的射线束的波长频带不同并且实质上互补的波长频带。
8.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的设备(1)，其中所述放射源(4)包括至少四个发射器00)。
9.根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的设备(1)，其中每个发射器OO)包括 SLED0
10.根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的设备(1)，其中所述对象( 为半导体材料的切片。
11.根据权利要求10所述的设备(1)，其中所述对象O)为硅切片。
12.一种用于通过干涉法光学测量对象O)的厚度的方法，该对象( 具有外表面 (16)和与该外表面(16)相对的内表面(17)，该方法包括以下阶段通过放射源(4)来发射具有在预定频带内的多个波长的低相干射线束(I)；通过光学探测器(6)将所述射线束(I)指向所述对象( 的所述外表面(16)；通过所述光学探测器(6)来聚集由所述对象( 反射的射线(R)； 通过分光计( 来分析在由所述外表面(16)反射而不进入所述对象O)中的射线 (Rl)与在由所述内表面(17)反射并进入所述对象(2)中的射线(R2)之间的干涉结果的光谱；根据由所述分光计( 提供的光谱的函数来计算所述对象O)的厚度； 该方法的特征在于，该方法还包括以下阶段同时激活所述放射源(4)的至少两个分开的发射器(20)，所述发射器00)发射彼此各不相同的各个射线束；以及将由所述发射器00)发射的射线束并集成单个射线束，以使得所述放射源(4)发射综合射线束。
全文摘要
一种用于通过干涉法光学测量对象(2)的厚度的设备(1)和方法，该对象(2)具有外表面(16)和与外表面(16)相对的内表面(17)。该设备包括放射源(4)，用于发射具有在预定频带内的多个波长的低相干射线束(I)，并包括发射彼此各不相同的各个射线束并被同时激活的至少两个分开的发射器(20)；分光计(5)，用于分析在由外表面(16)反射而不进入对象(2)中的射线(R1)与在由内表面(17)反射并进入对象(2)中的射线(R2)之间的干涉结果的光谱；光学探测器(6)，通过光纤(8，10，11)连接到放射源(4)和分光计(5)，并被布置为面向待测半导体材料切片(2)，以将由放射源(4)发射的射线束(I)指向对象(2)的外表面(16)，并用于聚集由对象(2)反射的射线(R)；以及处理单元(18)，用于根据由分光计(5)提供的光谱的函数来计算对象(2)的厚度。
文档编号G01B11/06GK102209878SQ200980145096
公开日2011年10月5日 申请日期2009年11月4日 优先权日2008年11月13日
发明者L·G·R·菲利普斯 申请人:马波斯S.P.A.公司