專利名稱：一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及精密光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，具體是一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為微電子領(lǐng)域和太陽能光伏領(lǐng)域最常用的半導(dǎo)體晶圓，如硅晶圓，它的厚度是一個(gè)極其重要的參數(shù)指標(biāo)。對(duì)于微電子器件來說，硅晶圓厚度的控制有助于減小各個(gè)生產(chǎn)流程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，以保證所生產(chǎn)器件的性能穩(wěn)定性。對(duì)于晶硅太陽能電池來說，硅晶圓厚度直接影響電池的光電性能。因此，通過精確測(cè)量來控制硅晶圓厚度是大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的一個(gè)基本要求。目前常用的測(cè)量硅晶圓厚度的方法有兩種一種是機(jī)械式測(cè)量方法，利用千分尺等高精度量具直接測(cè)量；一種是利用阻抗法，即利用硅晶圓形成一個(gè)RF電橋結(jié)構(gòu)，并通過 測(cè)量電容或是渦流損耗來確定硅晶圓厚度。機(jī)械式測(cè)量方法精度較高，但是測(cè)量速度慢，并因?yàn)槠浣佑|式測(cè)量得特性，極易造成硅片的破裂損壞，該方法只適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)小批量的樣品進(jìn)行測(cè)量。阻抗法有高效、不損傷硅片表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，但其精確性受被測(cè)材料特性影響較大，特別是被測(cè)材料的電阻率。當(dāng)被測(cè)樣品的電阻率均勻性較差或是與設(shè)備校正樣片的電阻率差別較大時(shí)，其測(cè)試誤差也較大。太赫茲波通常是指頻率范圍在0. I THz到10 THz (I THz = IO12 Hz)區(qū)間的電磁波，介于微波和紅外光之間。太赫茲波的光子能量遠(yuǎn)低于可見光和X射線,僅為可見光的千分之一，X射線的百萬分之一,對(duì)人體危害極?。惶掌澆úㄩL(zhǎng)較長(zhǎng)(I THz 300 iim),在測(cè)量時(shí)對(duì)樣品表面粗糙度要求不高，受物質(zhì)散射影響小；太赫茲波對(duì)很多材料，特別是硅晶圓等半導(dǎo)體材料透明度高，可用于這些材料的質(zhì)量控制。太赫茲時(shí)域技術(shù)通過泵浦-探測(cè)法來測(cè)量太赫茲波在時(shí)域上的瞬時(shí)電場(chǎng)，可同時(shí)獲得幅度和位相信息，同時(shí)也可獲得飛秒量級(jí)的時(shí)間分辨率，這有別于常用的光學(xué)測(cè)量。常用的光學(xué)測(cè)量方法通常只是通過測(cè)量光波的能量來獲取相關(guān)信息。因而，太赫茲時(shí)域技術(shù)用于測(cè)量，能提供很多傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量技術(shù)所不能提供的信息，因此有著很廣的應(yīng)用前景。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測(cè)系統(tǒng)，其檢測(cè)對(duì)半導(dǎo)體晶圓表面材料特性均勻度無要求，且測(cè)量精度高，測(cè)量操作簡(jiǎn)單。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測(cè)系統(tǒng)，它是由飛秒激光器、設(shè)置于飛秒激光器發(fā)射口后端的分束器、設(shè)置于分束器后端的太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測(cè)光路部分、依次設(shè)置于太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測(cè)光路部分后端的太赫茲波/光波合束器、太赫茲波探測(cè)器、偏振變化測(cè)量裝置組成；所述的太赫茲波激發(fā)光路部分包括順次設(shè)置的第一激光聚焦透鏡、太赫茲波發(fā)射器、第一太赫茲波收集器、太赫茲波反射鏡、太赫茲波分束器、太赫茲波透鏡、樣品臺(tái)、第二太赫茲波收集器組成；所述的太赫茲波探測(cè)光路部分包括順次設(shè)置的光學(xué)延遲裝置、第一激光反射鏡、第二激光聚焦透鏡、第二激光反射鏡。所述的太赫茲波分束器的前表面設(shè)置有太赫茲波吸收鏡。所述的太赫茲波發(fā)射器選用太赫茲光導(dǎo)天線或電光晶體；所述的第一太赫茲波收集器和第二太赫茲波收集器均選用金屬離軸拋面鏡；所述的太赫茲波探測(cè)器選用電光晶體。所述的偏振變化測(cè)量裝置是由第三激光聚焦透鏡、激光四分之一波片、沃拉斯頓棱鏡和光電探測(cè)器組成。本實(shí)用新型的檢測(cè)原理為所述的太赫茲波探測(cè)器是電光晶體，當(dāng)太赫茲波照射在晶體上，由于線性電光效應(yīng)，會(huì)引起晶體折射率的變化，產(chǎn)生雙折射；折射率的變化量正比于太赫茲波電場(chǎng)。此時(shí)，當(dāng) 探測(cè)激光通過晶體時(shí)，偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，通過偏振變化測(cè)量裝置測(cè)量探測(cè)激光偏振狀態(tài)的改變量，可獲得脈沖太赫茲波的電場(chǎng)信息。探測(cè)光脈沖寬度在飛秒量級(jí)，遠(yuǎn)小于太赫茲波的脈沖寬度(皮秒量級(jí))，故可看作一個(gè)探針，來對(duì)太赫茲波進(jìn)行采樣；實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過掃描光學(xué)延遲裝置來調(diào)節(jié)探測(cè)光路與激發(fā)光路之間的光程差。當(dāng)這兩路光之間的光程差較大，即探測(cè)光先于或落后于太赫茲波到達(dá)太赫茲波探測(cè)器，此時(shí)沒有信號(hào)；只有當(dāng)兩路光之間的光程相近，兩路光幾乎同時(shí)到達(dá)太赫茲探測(cè)器時(shí)才能獲得信號(hào)。當(dāng)兩路光之間光程完全一致，即兩路光同時(shí)到達(dá)太赫茲波探測(cè)器，信號(hào)到達(dá)峰值。本實(shí)用新型半導(dǎo)體晶圓厚度檢測(cè)系統(tǒng)，不局限于半導(dǎo)體晶圓，還可以包括其它材料，如金屬和介質(zhì)材料。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)(I)、半導(dǎo)體晶圓本身光學(xué)性質(zhì)，如折射率等，只影響測(cè)得信號(hào)幅度的大小，而不改變測(cè)得信號(hào)的形狀和時(shí)間延遲，因此，即使樣品表面或內(nèi)部的光學(xué)性質(zhì)不均勻，對(duì)測(cè)量結(jié)果也沒有影響；(2)、本實(shí)用新型的測(cè)量精度主要由光學(xué)延遲掃描的精度決定，S卩如果光學(xué)延遲掃描的精度為I飛秒(10_15秒)，相應(yīng)的測(cè)量精度為0. 15微米；由此可見，該方法用于半導(dǎo)體晶圓厚度測(cè)量具有很高的測(cè)量精度；以太陽能硅晶圓為例，其厚度大約為200微米量級(jí)，對(duì)這類晶圓厚度測(cè)量，0. 15微米的測(cè)量精度僅相當(dāng)于萬分之7. 5的相對(duì)精度；(3)、與機(jī)械式測(cè)量方法相比，本實(shí)用新型的檢測(cè)方法是無接觸式的，不易對(duì)硅片造成損害；與阻抗法相比，本實(shí)用新型檢測(cè)方法不受樣品光學(xué)和電子性質(zhì)影響，適用性更廣，并且測(cè)量更簡(jiǎn)潔、直接。

圖I是本實(shí)用新型的使用結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型檢測(cè)方法中所測(cè)的信號(hào)示意圖。
具體實(shí)施方式
見圖1，一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測(cè)系統(tǒng)，它是由飛秒激光器I、設(shè)置于飛秒激光器I發(fā)射口后端的分束器2、設(shè)置于分束器2后端的太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測(cè)光路部分、依次設(shè)置于太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測(cè)光路部分后端的太赫茲波/光波合束器18、太赫茲波探測(cè)器13、偏振變化測(cè)量裝置19組成；太赫茲波激發(fā)光路部分包括順次設(shè)置的第一激光聚焦透鏡3、太赫茲波發(fā)射器4、第一太赫茲波收集器5、太赫茲波反射鏡6、太赫茲波分束器7、太赫茲波透鏡9、樣品臺(tái)10、第二太赫茲波收集器12和設(shè)置太赫茲波分束器7前表面的太赫茲波吸收鏡8組成；太赫茲波探測(cè)光路部分包括順次設(shè)置的光學(xué)延遲裝置14、第一激光反射鏡15、第二激光聚焦透鏡16、第二激光反射鏡17 ;偏振變化測(cè)量裝置19是由第三激光聚焦透鏡191、激光四分之一波片192、沃拉斯頓棱鏡193和光電探測(cè)器194組成；其中，太赫茲波發(fā)射器4選用選用太赫茲光導(dǎo)天線或電光晶體；第一太赫茲波收集器5和第二太赫茲波收集器12均選用金屬離軸拋面鏡；太赫茲波探測(cè)器13選用電光晶體。本實(shí)用新型的檢測(cè)方法，包括以下步驟(I)、飛秒激光器I發(fā)出的脈沖激光光束通過分束器2分為激發(fā)光和探測(cè)光； (2)、激發(fā)光由第一激光聚焦透鏡3聚焦到太赫茲波發(fā)射器4表面來產(chǎn)生脈沖太赫茲波，太赫茲波發(fā)射器4產(chǎn)生的太赫茲波經(jīng)第一太赫茲波收集器5收集轉(zhuǎn)化成平行光束,平行太赫茲光束再經(jīng)太赫茲波反射鏡6反射并通過太赫茲波分束器7，太赫茲波分束器7前表面反射的太赫茲波被太赫茲波吸收器8吸收,透過太赫茲波分束器7的太赫茲波由太赫茲波透鏡9聚焦到樣品臺(tái)10表面，樣品臺(tái)10表面為平整的金屬鏡面，其鏡面垂直太赫茲波的入射方向，被樣品臺(tái)10表面反射的太赫茲波再次經(jīng)過太赫茲波透鏡9還原為平行光束，并再次經(jīng)過太赫茲波分束器7，被太赫茲波分束器7反射的太赫茲波由第二太赫茲波收集器12收集會(huì)聚、然后透過太赫茲波/光波合束器18到達(dá)太赫茲波探測(cè)器13的表面；(3)、探測(cè)光經(jīng)過光學(xué)延遲裝置14延長(zhǎng)探測(cè)光光路傳播的時(shí)間，然后探測(cè)光依次經(jīng)第一激光反射鏡15反射、第二激光聚焦透鏡16會(huì)聚、第二激光反射鏡17反射,最后由太赫茲波/光波合束器18反射到太赫茲波探測(cè)器13的表面；(4)、經(jīng)過太赫茲波/光波合束器18的探測(cè)激光和太赫茲波傳播方向一致，并且它們的焦點(diǎn)在太赫茲波探測(cè)器13的表面重合，由于線性電光效應(yīng),太赫茲波電場(chǎng)在太赫茲波探測(cè)器13上引起折射率的變化，該變化會(huì)相應(yīng)的引起透過的探測(cè)激光偏振態(tài)的變化，探測(cè)激光的偏振態(tài)的變化由偏振變化測(cè)量裝置19測(cè)得；(5)、當(dāng)樣品臺(tái)10放入半導(dǎo)體晶圓11時(shí)，太赫茲波從半導(dǎo)體晶圓11表面反射，由于半導(dǎo)體晶圓11具有一定厚度，故與樣品臺(tái)10上未放置半導(dǎo)體晶圓11時(shí)相比，激發(fā)光路的光程減小了，因此由半導(dǎo)體晶圓11表面反射后測(cè)到的太赫茲信號(hào)與從樣品臺(tái)10表面直接反射的信號(hào)相比，前者的時(shí)間提前了，提前的時(shí)間量與半導(dǎo)體晶圓11的厚度有關(guān)，即At=2T/C,其中At是時(shí)間延遲的變化量，T是半導(dǎo)體晶圓的厚度，C是光速，即半導(dǎo)體晶圓的厚度T=C At/2 ;見圖2，測(cè)量時(shí)，首先測(cè)量未放半導(dǎo)體晶圓11時(shí)由樣品臺(tái)10表面反射的太赫茲波信號(hào)(右側(cè)帶有凸峰的信號(hào)線)，并以此作為參考信號(hào)；然后放入半導(dǎo)體晶圓11，測(cè)量由半導(dǎo)體晶圓11表面反射的太赫茲波信號(hào)，即測(cè)量信號(hào)(左側(cè)帶有凸峰的信號(hào)線)，并通過比較獲得測(cè)量信號(hào)峰值與參考信號(hào)峰值之間時(shí)間延遲，然后根據(jù)公式At = 2T/C獲得半導(dǎo)體晶圓的厚度。
權(quán)利要求1.一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于它是由飛秒激光器、設(shè)置于飛秒激光器發(fā)射ロ后端的分束器、設(shè)置于分束器后端的太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測(cè)光路部分、依次設(shè)置于太赫茲波激發(fā)光路部分和太赫茲波探測(cè)光路部分后端的太赫茲波/光波合束器、太赫茲波探測(cè)器、偏振變化測(cè)量裝置組成；所述的太赫茲波激發(fā)光路部分包括順次設(shè)置的第一激光聚焦透鏡、太赫茲波發(fā)射器、第一太赫茲波收集器、太赫茲波反射鏡、太赫茲波分束器、太赫茲波透鏡、樣品臺(tái)、第二太赫茲波收集器組成；所述的太赫茲波探測(cè)光路部分包括順次設(shè)置的光學(xué)延遲裝置、第一激光反射鏡、第二激光聚焦透鏡、第二激光反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的太赫茲波分束器的前表面設(shè)置有太赫茲波吸收鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的太赫茲波發(fā)射器選用太赫茲光導(dǎo)天線或電光晶體；所述的第一太赫茲波收集器和第二太赫茲波收集器均選用金屬離軸拋面鏡；所述的太赫茲波探測(cè)器選用電光晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述的偏振變化測(cè)量裝置是由第三激光聚焦透鏡、激光四分之一波片、沃拉斯頓棱鏡和光電探測(cè)器組成。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種半導(dǎo)體晶圓厚度檢測(cè)系統(tǒng)，通過測(cè)量從半導(dǎo)體晶圓表面反射的太赫茲信號(hào)與從樣品臺(tái)表面直接反射的太赫茲信號(hào)之間的時(shí)間延遲來檢測(cè)半導(dǎo)體晶圓的厚度，其檢測(cè)對(duì)半導(dǎo)體晶圓表面材料特性均勻度無要求，且測(cè)量精度高，測(cè)量操作簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01B11/06GK202511762SQ20122012566
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者吳周令, 陳堅(jiān) 申請(qǐng)人:吳周令