CN118999376B

CN118999376B - 基于光谱共聚焦的膜厚测量方法及设备

Info

Publication number: CN118999376B
Application number: CN202411456352.8A
Authority: CN
Inventors: 孙昕宇; 孟炜涛; 周惠言; 蒋继乐
Original assignee: Beijing Tesidi Semiconductor Equipment Co ltd
Current assignee: Beijing Tesidi Semiconductor Equipment Co ltd
Priority date: 2024-10-18
Filing date: 2024-10-18
Publication date: 2025-01-21
Anticipated expiration: 2044-10-18
Also published as: CN118999376A

Abstract

本发明提供一种基于光谱共聚焦的膜厚测量方法及设备。应用于高精度测量技术领域。该方法包括：预先获取光谱共聚焦系统的出射光调制系数；利用光谱仪采集聚焦于扁平件上下表面的反射光光谱，得到在入射光下携带位置信息的实时特征光谱和实时入射光调制光源光谱；根据所述出射光调制系数和所述入射光调制光源光谱计算光源参考光谱；利用所述光源参考光谱对所述特征光谱进行解调制，得到标准反射光光谱；根据所述标准反射光光谱计算扁平件厚度。

Description

基于光谱共聚焦的膜厚测量方法及设备

技术领域

本发明涉及高精度测量技术领域，具体涉及一种基于光谱共聚焦的膜厚测量方法及设备。

背景技术

在现代工业和科学研究中，位移测量具有重要作用。光谱共聚焦技术因其能通过宽带光源在光轴上产生连续焦点而得到广泛应用。根据色差原理，样品表面的轴向位置与反射光谱中的连续焦点的聚焦峰值相关。因此，光谱共聚焦技术可以从反射光谱中得到带有样品位置信息的特征光谱并从其中提取聚焦峰值波长来快速获得样品表面的轴向位置。

然而，从特征光谱中提取准确的聚焦峰值波长是一项挑战。虽然已有多种拟合算法（如抛物线拟合、高斯拟合、质心算法等）用于提取聚焦峰值波长，但这些算法在计算时会受到各种光谱共聚焦测量系统中干扰因素的影响，从而影响聚焦峰值波长的提取结果。在光谱共焦系统中，探测器接收的带有待测样品位置信息的特征光谱主要受到光源、样品表面和无源单元（如光纤耦合器、探针和光谱仪）等的影响，其中，光源自身变化以及无源单元对携带位置信息的特征光谱的调制是影响能否获得准确聚焦峰值波长的主要因素。

由于在复杂的测量环境下，如实时原位非接触检测工件减薄厚度变化的使用环境中，光源在连续工作过程中存在由于温度导致的光源不稳定、老化等变化及光源经过无源单元影响下的衰减等现象，都会对携带位置信息的特征光谱进行调制，不同波长调制比例不同，导致聚焦峰值波长的偏移和轴向位置的测量不准确，进而导致样品厚度测量不准确，如何实时对特征光谱解调制是提升厚度测量准确性的关键。

发明内容

有鉴于此，本发明一方面提供一种基于光谱共聚焦的膜厚测量方法，包括：

预先获取光谱共聚焦系统的出射光调制系数；

利用光谱仪采集聚焦于扁平件上下表面的反射光光谱，得到在入射光下携带位置信息的实时特征光谱和实时入射光调制光源光谱；

根据所述出射光调制系数和所述入射光调制光源光谱计算光源参考光谱；

利用所述光源参考光谱对所述特征光谱进行解调制，得到标准反射光光谱；

根据所述标准反射光光谱计算扁平件厚度。

可选地，预先获取光谱共聚焦系统的出射光调制系数，包括：

以所述光谱共聚焦系统的光源发出的光模拟扁平件表面的反射光，获取光谱仪通过反射光路采集的光谱；

根据光谱和光源光谱计算出射光调制系数。

可选地，利用如下方式计算出射光调制系数：

。

可选地，利用光谱仪采集聚焦于扁平件上下表面的反射光光谱，包括：

利用两台光谱仪分别采集聚焦于扁平件上下表面的反射光光谱，得到特征光谱和入射光调制光源光谱。

利用光谱仪的两个通道分别采集聚焦于扁平件上下表面的反射光光谱，得到特征光谱和入射光调制光源光谱。

可选地，利用如下公式计算光源参考光谱：

。

可选地，根据所述标准反射光光谱计算扁平件厚度，包括：

对所述标准反射光光谱进行上下表面聚焦峰值波长提取，得到上表面聚焦峰值波长和下表面聚焦峰值波长；

根据所述上表面聚焦峰值波长、下表面聚焦峰值波长和预构建的光谱峰值中心对应参数-位移模型计算扁平件上表面位置和扁平件下表面位置；

根据所述扁平件上表面位置和所述扁平件下表面位置计算扁平件厚度。

可选地，利用所述光源参考光谱对所述特征光谱进行解调制，得到标准反射光光谱，包括：

。

可选地，利用所述光源参考光谱对所述特征光谱进行解调制，得到标准反射光光谱前，还包括：

获取背景噪声光谱；

根据所述背景噪声光谱对所述特征光谱进行噪声去除。

可选地，利用如下公式对所述特征光谱进行解调制以及归一化处理，得到标准反射光光谱：

。

本发明第二方面提供了一种基于光谱共聚焦的膜厚测量设备，该设备包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行上述的基于光谱共聚焦的膜厚测量方法。

本发明提供的基于光谱共聚焦的膜厚测量方法及设备，利用出射光调制系数和实时测量的入射光源光谱计算光源参考光谱，针对光源的实时变化以及传输光路的衰减对携带位置信息的实时特征光谱进行调制的现象，采用计算出的光源参考光谱进行解调制，所得到的标准反射光光谱能够准确体现扁平件表面的位置信息，进而提高扁平件膜厚测量的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的膜厚测量的原始光路图；

图2为本发明实施例中基于光谱共聚焦的膜厚测量方法的流程图；

图3为本发明实施例中的一种膜厚测量的双光路图；

图4为本发明实施例中的另一种膜厚测量的双光路图；

图5为本发明实施例中用于获取出射光调制系数的光路图；

图6为本发明实施例中的光谱仪在某一时刻采集到的光谱原始数据图；

图7为本发明实施例中的光源参考光谱；

图8为本发明实施例中的经过解调制后得到的反射光谱数据图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1为测量扁平件膜厚的原始光路图，白光光源1经过光纤2和色散物镜3向扁平件表面4发射入射光，利用光谱仪5采集扁平件反射的反射光谱。

如图2所示，本发明实施例提供一种基于光谱共聚焦的膜厚测量方法，该方法由计算机或服务器等电子设备执行，具体包括：

S1，预先获取光谱共聚焦系统的出射光调制系数。出射光调制系数表示光经过传输路径进入光谱仪的过程中所产生的损失，具体可以在实验环境下测量并计算得到其数值。本申请中的表示波长，不是一个常数系数，而是波长的函数，即不同波长的损失不同。

S2，利用光谱仪采集聚焦于扁平件上下表面的反射光光谱，得到在入射光下携带位置信息的实时特征光谱和实时入射光调制光源光谱。其中波长可以是入射光的全波长也可以是部分波长。扁平件具体可以是晶圆薄膜，例如氧化硅层、碳化硅层等。

S3，根据出射光调制系数和入射光调制光源光谱计算光源参考光谱。

S4，利用光源参考光谱对特征光谱进行解调制，得到标准反射光光谱。

S5，根据所述标准反射光光谱计算扁平件厚度。

本发明实施例提供的基于光谱共聚焦的膜厚测量方法及设备，利用出射光调制系数和实时测量的入射光源光谱计算光源参考光谱，针对光源的实时变化以及传输光路的衰减对携带位置信息的实时特征光谱进行调制的现象，采用计算出的光源参考光谱进行解调制，所得到的标准反射光光谱能够准确体现扁平件表面的位置信息，进而提高扁平件膜厚测量的准确性。

在一个实施例中，步骤S1中利用光谱仪采集聚焦于扁平件上下表面的反射光光谱，具体包括：

如图3所示，本实施例在图1光路图中的光纤2出口端位置又引出一条分光路，两个分光路分别连接一台光谱仪，光纤为2×2型光纤，出口端由于大量的光强应用于位移测量，因此出口端的分光比设置为5:5。一台光谱仪51（SM1）用于采集携带特征信息的聚焦于扁平件上下表面的反射光光谱，即特征光谱。由于光纤等无源光学元件在光路中不可避免地引入反射和传输损耗以及光源本身的不稳定会导致特征光谱不准确，因此，为了准确的特征光谱，需要考虑这些光学元件对特征光谱的影响，通过另一台光谱仪52（SM2）实时采集经过光纤等无源单元后的用于厚度测量的入射光调制光源光谱。通过在实际使用条件下采集经过光纤的光谱数据，可以更好地理解和量化这些元件对光谱的影响，从而在数据处理时进行适当的修正，确保测量结果的准确性。

在另一个实施例中，步骤S1中利用光谱仪采集聚焦于扁平件上下表面的反射光光谱，还可以为：

如图4所示，可以利用一台光谱仪5的两个通道采集特征光谱和入射光调制光源光谱。利用一台光谱仪的两个通道来进行光谱采集具有较高的同步性、系统稳定性和成本效益，还可以简化解调制和维护工作。

在一个实施例中，可以预先采用如图5所示的实验系统测量并计算得到出射光调制系数。具体地，以光谱共聚焦系统的光源1发出的光模拟扁平件表面的反射光，获取光谱仪5通过反射光路采集的光谱。反射光路是指扁平件表面反射光传输至光谱仪所经过的路径，以图5为例，该实验系统的反射光路是光源1发出的光经过光纤2以及其它器件（如探针和光纤耦合器等等）传输至光谱仪5的路径，由于本系统中的光源1模拟的是从扁平件表面射出的光，因此称其传输路径称为反射光路。

反射光路所采用的分光比应当与测量系统中所使用的分光比一致，如图5所示光纤2出口端的分光路中的一个分支连接光谱仪5，另一个分支可以不连接其它部件，按照图3或图4所示的系统设置图5所示系统的分光比为5:5。

根据光谱和光源光谱计算出射光调制系数，其中光源光谱可以直接测量。进一步地，。

入射光路是指光源发出的光入射到扁平件表面所经过的路径。光谱仪采集入射光调制光源光谱时也存在损失，图3或图4所示的测量系统采集的路径与图5中采集光谱的路径中的光的传输方向相反，虽然入射光和反射光经过几乎相同的元器件，但由于光路损耗的非对称性，连接部分和端面质量以及光线弯曲等布局问题，入射光路和反射光路的衰减比例不同，由此将入射光调制光源至光谱仪的入射光调制系数记为，；

结合图3-5，本方案中的光源参考光谱为

,

由于、，则可以按照如下方式计算：

。

在测量厚度的过程中，只需要采集入射光调制光源光谱即可计算出光源参考光谱。

在一个实施例中，步骤S5中根据标准反射光光谱计算扁平件厚度，包括：

S51，对标准反射光光谱进行上下表面聚焦峰值波长提取，得到上表面聚焦峰值波长和下表面聚焦峰值波长。

S52，根据上表面聚焦峰值波长、下表面聚焦峰值波长和预构建的光谱峰值中心对应参数-位移模型计算扁平件上表面位置和扁平件下表面位置。

光谱峰值中心对应参数-位移模型由实测数据标定得到，具体为

,

其中表示对应于光谱峰值中心对应参数的位置，是利用光谱峰值中心对应参数和距离确定的参数。通过上述步进测量的过程，可以采集到每个步进位置下的光谱峰值中心对应参数以及每个步进位置下的可靠距离值，利用大量的数据即可计算出的取值，从而完成模型构建。

S53，根据扁平件上表面位置和扁平件下表面位置计算扁平件厚度。

本实施例通过将提取的峰值波长代入预构建的位移模型中，计算出扁平件上下表面的实际位置。最后，根据这些位置计算扁平件的厚度，提高了扁平件膜厚测量的准确性，可以消除光源不稳定影响和样品扁平件反射率变化等实际工况影响。

在一个实施例中，步骤S3利用光源参考光谱对特征光谱进行解调制，得到标准反射光光谱前，还包括：

获取背景噪声光谱。背景噪声光谱指在没有测量对象的情况下，光谱仪接收到的光信号的噪声光谱，这个背景噪声主要来自环境中的各种光源，可能包括太阳光、室内照明、散射光、以及光纤系统自身的噪声等。该背景噪声可以实时获取，也可以为预先测得的固定值。

根据背景噪声光谱对特征光谱进行噪声去除，具体可以是。

本实施例通过获取和应用背景噪声光谱对特征光谱进行噪声去除，可以提升特征光谱的信噪比（SNR），从而增强信号的清晰度和可读性，有助于提高数据的准确性和厚度测量精度。

在一个实施例中，利用如下公式对特征光谱进行解调制以及归一化处理，得到标准反射光光谱：

。

将光谱进行归一化处理，即将数据缩放到一个特定范围，减少模型对输入数据尺度变化的需求，提高处理能力。同时根据上述公式进行携带位移信息的特征光谱的解调制，以还原各离焦波长在反射光谱中的权重，达到峰值中心漂移纠正的目的。

例如，在晶圆减薄机减薄时光谱仪在某一时刻采集到的特征光谱数据如图6所示。

未对特征光谱进行解调制时，通过峰值提取算法提取峰值波长为569.4997nm，配合波长-位移模型计算上表面聚焦位置为0.55028mm。

通过光谱仪实时检测采集到入射光调制光源光谱，并进行计算得到光源参考光谱，如图7所示。按公式进行光谱特性归一化处理解调制后得到的标准反射光光谱如图8所示。

利用峰值提取算法对图8中的光谱进行峰值提取，提取到的峰值波长为569.5458nm，配合波长-位移模型计算上表面聚焦位置为0.55068mm，峰值中心位置变化了0.0461nm，位移修正量为0.4um。

在一个实施例中，步骤S3利用光源参考光谱对特征光谱进行解调制，得到标准反射光光谱，包括：

。

按照本实施例的计算方式提取到的峰值波长为569.5331nm，配合波长-位移模型计算上表面聚焦位置0.55059mm，相比于未经解调处理的结果，最终的位移修正量为0.31um。

根据上述实施例可见，按照本发明实施例提供的方案进行解调制处理，可以对扁平件表面的位置计算进行一定程度的修正，在实际测量时可以实时参考该修正量，从而提高测量精度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种基于光谱共聚焦的膜厚测量方法，其特征在于，包括：

根据光谱和光源光谱计算出射光调制系数；

根据所述标准反射光光谱计算扁平件厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用光谱仪采集聚焦于扁平件上下表面的反射光光谱，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用光谱仪采集聚焦于扁平件上下表面的反射光光谱，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用如下公式计算光源参考光谱：

。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述标准反射光光谱计算扁平件厚度，包括：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述光源参考光谱对所述特征光谱进行解调制，得到标准反射光光谱，包括：

。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述光源参考光谱对所述特征光谱进行解调制，得到标准反射光光谱前，还包括：

获取背景噪声光谱；

根据所述背景噪声光谱对所述特征光谱进行噪声去除。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，利用如下公式对所述特征光谱进行解调制以及归一化处理，得到标准反射光光谱：

。

9.一种基于光谱共聚焦的膜厚测量设备，其特征在于，包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行如权利要求1-8中任意一项所述的基于光谱共聚焦的膜厚测量方法。