晶圆翘曲度测量装置及方法与流程

本发明涉及晶圆检测技术领域，尤其涉及一种晶圆翘曲度测量装置及方法。

背景技术：

在半导体器件制造中，一般需要先提供晶圆，在晶圆上形成图案化的膜层结构，从而制备成各种电路元器件结构。晶圆的材料一般为硅片，当前主流的硅片直径为300mm。

在3dnand存储芯片的制造工艺中，晶圆表面需要堆叠沉积数十上百层膜层，当晶圆上堆叠的膜层的层数达到128层、196层甚至更多层时，膜层与膜层间的应力越来越大，晶圆的翘曲(bow)程度越来越明显。晶圆翘曲将直接造成后续工艺加工困难，甚至无法形成有效的功能结构单元，因此需要对晶圆的翘曲度(bow值)进行检测。然而，传统的测量方法及仪器由于技术的局限性越来越难以符合要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供一种晶圆翘曲度测量装置及方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种晶圆翘曲度测量装置，包括：

支撑部件，用于承载晶圆；

导电部件，用于向所述晶圆传导电荷；

力学传感部件，包括带电结构，所述带电结构与所述支撑部件间隔一定距离设置，所述力学传感部件用于感测所述带电结构与所述晶圆之间的相互作用力；

移动部件，与所述力学传感部件连接，用于控制所述力学传感部件以一定的轨迹移动，以使所述力学传感部件完成对所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的相互作用力的感测；

数据处理模块，用于接收所述力学传感部件的感测结果，根据所述感测结果计算所述晶圆的翘曲度。

上述方案中，

所述数据处理模块还用于根据所述感测结果建立三维力学模型，根据所述三维力学模型得到晶圆任意位置处的翘曲情况。

上述方案中，

还包括：显示模块，用于显示所述三维力学模型。

上述方案中，

所述支撑部件包括两个以上支撑体，所述支撑体分立地分布在一圆周位置处，所述支撑体靠近圆心的一端到所述圆心的距离小于或等于所述晶圆的半径。

上述方案中，

所述导电部件，具体用于向所述晶圆传导第一电性的电荷，以使所述晶圆带有第一电性；

所述带电结构带有第一电性，所述力学传感部件具体用于感测所述带电结构与所述晶圆之间的斥力大小；或者，所述带电结构带有与所述第一电性相反的第二电性，所述力学传感部件具体用于感测所述带电结构与所述晶圆之间的引力大小。

上述方案中，所述移动部件用于控制所述力学传感部件以一定的轨迹移动，包括：

控制所述力学传感部件以与所述支撑部件的承载面相平行的方向移动。

上述方案中，所述感测结果包括针对晶圆上表面的第一感测结果和针对晶圆下表面的第二感测结果。

本发明实施例还提供了一种晶圆翘曲度测量方法，所述方法包括：

将晶圆放置在支撑部件上；

向所述晶圆传导电荷，以使所述晶圆带电；

控制力学传感部件以一定的轨迹移动，所述力学传感部件包括带电结构；

感测所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的相互作用力，获得感测结果；

根据所述感测结果计算所述晶圆的翘曲度。

上述方案中，

所述方法还包括：根据所述感测结果建立三维力学模型。

上述方案中，

所述支撑部件包括两个以上支撑体，所述支撑体分立地分布在一圆周位置处，所述支撑体靠近圆心的一端到所述圆心的距离小于或等于所述晶圆的半径。

上述方案中，

所述向所述晶圆传导电荷，包括：向所述晶圆传导第一电性的电荷，以使所述晶圆带有第一电性；

所述带电结构带有第一电性；所述感测所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的相互作用力，包括：感测所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的斥力大小；或者，所述带电结构带有与所述第一电性相反的第二电性，所述感测所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的相互作用力，包括：感测所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的引力大小。

上述方案中，所述控制力学传感部件以一定的轨迹移动，包括：

控制所述力学传感部件以与所述支撑部件的承载面相平行的方向移动。

上述方案中，所述感测结果包括针对晶圆上表面的第一感测结果和针对晶圆下表面的第二感测结果。

本发明实施例所提供的晶圆翘曲度测量装置及方法，其中，所述装置包括：支撑部件，用于承载晶圆；导电部件，用于向所述晶圆传导电荷；力学传感部件，包括带电结构，所述带电结构与所述支撑部件间隔一定距离设置，所述力学传感部件用于感测所述带电结构与所述晶圆之间的相互作用力；移动部件，与所述力学传感部件连接，用于控制所述力学传感部件以一定的轨迹移动，以使所述力学传感部件完成对所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的相互作用力的感测；数据处理模块，用于接收所述力学传感部件的感测结果，根据所述感测结果计算所述晶圆的翘曲度。如此，实现了晶圆翘曲度的在线测量，便于对加工工艺进行监控以及对工艺参数作出调节；并且，本发明实施例所提供的晶圆翘曲度测量装置解决了无法有效测量形变较大的晶圆的翘曲度的问题，成本较低，测量方法简单，测量结果的精度较高。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1a为本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量装置的主视图；

图1b为本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量装置的侧视图；

图1c为本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量装置的俯视图；

图2为本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量方法的流程示意图；

图3a至图3c为本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量方法的过程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本发明必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

一种测量晶圆翘曲度的方法为利用白光干涉的原理进行测量，这种方法通过光源发出偏振光并照向晶圆，获得晶圆表面反射的光信号，并且在参考平面反射的光和标准表面反射的光之间形成干涉信号，然后通过分析相位差来解析晶圆表面形貌；通过表面的高度差来获得晶圆的形状信息，进而计算得到晶圆的翘曲度。另一种测量晶圆翘曲度的方法是利用量测镜头到硅片表面的焦距得到图像清晰度值的方法，当量测镜头与标准晶圆(或称“理想晶圆”，指理想状态下无翘曲的晶圆，即没有形变、完全水平的晶圆)相距一定距离时得到的图像最清晰(具体的清晰度可以用阈值来表征数值)，记录此时量测镜头到理想晶圆的距离；当被测晶圆发生形变时由于焦距发生变化，图像的清晰度随之发生改变，此时通过移动量测镜头与被测晶圆的距离使图像再次清晰，记录量测镜头移动的距离，如此往复，通过记录一系列量测镜头移动的距离得出被测晶圆的形变程度。

上述测量方法对于芯片层数较少、晶圆形变较小的情况比较试用，但是当芯片层数越来越多、晶圆形变越来越大时，由于晶圆翘曲度过大导致无法很好地固定，从而对于量测来说越来越困难。

基于上述技术的局限性，本发明实施例提供了一种晶圆翘曲度测量装置以及晶圆翘曲度测量方法。下面结合附图详细地描述本发明公开的各实施方式。

首先，请参考图1a至1c；其中，图1a为本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量装置的主视图；图1b为本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量装置的侧视图；图1c为本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量装置的俯视图。

本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量装置，包括：

支撑部件11，用于承载晶圆80；

导电部件14，用于向所述晶圆80传导电荷；

力学传感部件12，包括带电结构，所述带电结构与所述支撑部件11间隔一定距离设置，所述力学传感部件12用于感测所述带电结构与所述晶圆80之间的相互作用力；

移动部件13，与所述力学传感部件12连接，用于控制所述力学传感部件12以一定的轨迹移动，以使所述力学传感部件12完成对所述带电结构与所述晶圆80上不同位置处的相互作用力的感测；

数据处理模块(图中未示出)，用于接收所述力学传感部件13的感测结果，根据所述感测结果计算所述晶圆80的翘曲度。

可以理解地，本发明实施例实现了晶圆翘曲度的在线测量，降低了对工艺流程的影响；并且，本发明实施例所提供的晶圆翘曲度测量装置成本较低，测量方法简单，但测量结果的精度较高。

这里，所述晶圆80为制造半导体器件的衬底，也可以称为基板、基片等。所述晶圆的材料例如包括硅、锗、gaas、inp、或gan等。在一具体实施例中，所述晶圆为硅晶圆。

所述支撑部件11可以包括两个以上支撑体，图1c示出所述支撑体的数量为四个的情况。

为了承载晶圆，所述支撑体分立地分布在一圆周位置处，所述支撑体靠近圆心的一端到所述圆心的距离小于或等于所述晶圆的半径。应当理解，所述支撑体远离圆心的另一端到所述圆心的距离大于所述晶圆的半径。

所述装置还可以包括上盖101以及下盖102；所述支撑部件11、所述力学传感部件12、所述移动部件13、以及所述导电部件14位于所述上盖101与所述下盖102围成的腔体内部。所述支撑部件11的各支撑体可以固定安装在所述下盖102的内部，例如，固定在所述下盖102的内壁上；在其他实施例中，所述支撑部件11除包括所述支撑体外，还可以包括一支撑环(如图1c所示)，各支撑体通过所述支撑环连接，所述支撑环固定安装在所述下盖102的内部，例如，固定在所述下盖102的内壁上。

在一具体实施例中，所述支撑部件上具有用于接触晶圆的区域，所述区域的外缘(即承载晶圆时晶圆的圆周位置)到所述装置的腔体内壁(具体例如为所述下盖的内壁)之间的距离大于所述力学传感部件的宽度，以允许所述力学传感部件从晶圆与下盖内壁之间的缝隙穿过，从而由所述晶圆的上(或下)表面移动至所述晶圆的下(或上)表面。在所述支撑部件包括两个以上支撑体的实施例中，所述力学传感部件从两相邻支撑体之间穿过。

所述导电部件14具体可以为带电棒。所述导电部件的一端位于或可以移动至被测晶圆上；所述导电部件的另一端可以延伸至所述上盖以外，从而与外部电源连接。在图1a示出的实施例中，所述导电部件从所述上盖的顶部延伸至被测晶圆上表面；所述导电部件与所述被测晶圆的上表面相垂直。

应当理解，由于晶圆为半导体材料，通过导电部件与晶圆相接触，可以使得所述晶圆带电。

所述力学传感部件12包括带电结构。在图1a示出的实施例中，所述带电结构位于所述力学传感部件的正下方；图中以所述带电结构带有正电荷为例示出。所述带电结构具体可以为电荷棒，例如正电荷棒或负电荷棒。

在一实施例中，所述导电部件具体用于向所述晶圆传导第一电性的电荷，以使所述晶圆带有第一电性；所述带电结构带有第一电性，所述力学传感部件具体用于感测所述带电结构与所述晶圆之间的斥力大小。

在另一实施例中，所述导电部件具体用于向所述晶圆传导第一电性的电荷，以使所述晶圆带有第一电性；所述带电结构带有与所述第一电性相反的第二电性，所述力学传感部件具体用于感测所述带电结构与所述晶圆之间的引力大小。

图1a示出了所述导电部件14用于向晶圆80传导负电荷，带电结构带有正点，力学传感部件12具体用于感测所述带电结构与晶圆80之间的引力大小的情况。

所述力学传感部件具体能够测量出所述带电结构与所述带电结构正下方对应的晶圆上表面区域之间的相互作用力大小，换言之，所述力学传感部件的感测范围是有限的。

为了实现对晶圆整个表面上各不同位置处的力学感测，所述装置还包括与所述力学传感部件12连接的移动部件13，所述移动部件13用于控制所述力学传感部件12以一定的轨迹移动，以使所述力学传感部件12完成对所述带电结构与所述晶圆80上不同位置处的相互作用力的感测。

所述移动部件可以包括驱动装置和机械手臂两部分，其中，机械手臂与所述力学传感部件连接(这里，机械手臂可参考图1a中位于力学传感部件12之上、与力学传感部件12连接的弯折部分)，驱动装置驱动所述机械手臂移动从而带动所述力学传感部件移动。

在一具体实施例中，所述移动部件用于控制所述力学传感部件以一定的轨迹移动，包括：控制所述力学传感部件以与所述支撑部件的承载面相平行的方向移动。

所述力学传感部件移动的轨迹可以遍历所述晶圆的表面。在一具体实施例中，所述力学传感部件移动的轨迹可以遍历所述晶圆的上表面；或者，遍历所述晶圆的下表面；或者，遍历所述晶圆的上表面以及下表面。对于所述力学传感部件移动的轨迹遍历所述晶圆的上表面以及下表面的情况，所述移动部件可以控制所述力学传感部件从所述晶圆的侧面移动至所述晶圆的另一个表面。

在具体应用时，所述移动部件可以先控制所述力学传感部件的带电结构移动与被测晶圆的表面相距一定距离；此时，所述力学传感部件能够感应到相应的引力或者斥力；接下来，控制所述力学传感部件沿着被测晶圆表面以一定的轨迹运动，此时，所述力学传感部件感应到的力会产生变化。

所述数据处理模块接收所述力学传感部件的感测结果，根据所述感测结果计算所述晶圆的翘曲度。

所述感测结果既可以包括所述力学传感部件感测到的相互作用力的大小，又可以包括感测到的相互作用力的变化情况；换言之，既可以感测并记录所述带电结构与所述晶圆上每一位置处的相互作用力的实际大小，也可以感测并记录所述带电结构与所述晶圆上各位置处的相互作用力与一基准作用力之间的差值(该差值可以为正，也可以为负)。所述基准作用力例如为所述带电结构与所述晶圆上圆心处的相互作用力，或者为预先设定的、所述带电结构与标准晶圆(理想状态下无翘曲的晶圆)表面之间的相互作用力。

所述数据处理模块还可用于根据所述感测结果建立三维力学模型，根据所述三维力学模型可以得到晶圆任意位置处的翘曲情况，实现了晶圆翘曲度的在线测量。同时，该三维力学模型可以在显示模块中进行显示，从而可以实时显示晶圆翘曲度情况。

在一实施例中，所述感测结果包括针对晶圆上表面的第一感测结果和针对晶圆下表面的第二感测结果。

所述数据处理模块根据所述感测结果计算所述晶圆的翘曲度，例如根据针对晶圆上表面的第一感测结果和/或针对晶圆下表面的第二感测结果计算所述晶圆的翘曲度。

应当理解，在实际应用中，一般根据所述第一感测结果计算得到的晶圆的翘曲度；在需要测量晶背形变时，会根据所述第二感测结果进行计算。考虑到晶圆上表面沉积有膜层，从而形成凹凸不平的微观形貌，本申请实施例中可以通过建立模型后测量上表面的拟合曲线的方法确定所述晶圆的翘曲度，或者利用针对晶圆下表面形貌的第二感测结果(一般情况下，晶圆下表面比较平整)确定所述晶圆的翘曲度。

所述数据处理模块用于根据所述感测结果建立三维力学模型，具体可以包括：用于接收所述力学传感部件的第一感测结果和第二感测结果，根据所述第一感测结果和所述第二感测结果建立针对所述晶圆上表面以及下表面的三维力学模型。

所述数据处理模块可以被配置为包括处理器的计算设备。所述计算设备可以是工作站、服务器、台式电脑、笔记本电脑、大型机、pad、集群、虚拟设备或其他计算设备，其可以支持处理器。所述处理器执行计算所述晶圆的翘曲度的过程。

在计算所述晶圆的翘曲度时，可以将所述感测结果与标准晶圆力学模型相对比，计算得到被测晶圆的翘曲度。具体地，所述数据处理模块还用于获得晶圆的标准晶圆力学模型，根据建立的所述三维力学模型与获得的所述标准晶圆力学模型计算得到所述晶圆的翘曲度。

本发明实施例还提供了一种晶圆翘曲度测量方法。图2为本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量方法的流程示意图。

如图2所示，所述方法包括：

步骤201：将晶圆放置在支撑部件上；

步骤202：向所述晶圆传导电荷，以使所述晶圆带电；

步骤203：控制力学传感部件以一定的轨迹移动，所述力学传感部件包括带电结构；

步骤204：感测所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的相互作用力，获得感测结果；

步骤205：根据所述感测结果计算所述晶圆的翘曲度。

下面，结合图3a至图3c示出的晶圆翘曲度测量方法的过程示意图对所述方法进行进一步详细阐述。

应当理解，本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量方法可以采用本发明实施例提供的晶圆翘曲度测量装置对晶圆进行测量；图3a至图3c所示出的结构可以与图1a至图1c中对应结构一致。

首先，请参考图3a。打开上盖，将被测晶圆90放置到支撑部件31上。

这里，可以通过机械手臂移动所述被测晶圆90，从而将被测晶圆90放置到支撑部件31上。

所述支撑部件31可以包括两个以上支撑体，图3a及3c示出所述支撑体的数量为四个的情况。

接下来，请参考图3b。在所述被测晶圆90放置稳定后，盖上所述上盖301。

所述上盖301与下盖302盖合，二者围成一个腔体；所述支撑部件11、所述力学传感部件12、所述移动部件13、以及所述导电部件14位于所述上盖101与所述下盖102围成的腔体内部。

接下来，请继续参考图3b。向所述晶圆90传导电荷，以使所述晶圆90带电；控制力学传感部件32以一定的轨迹移动，所述力学传感部件32包括带电结构；感测所述带电结构与所述晶圆90上不同位置处的相互作用力，获得感测结果。

这里，可以通过导电部件与晶圆相接触，使得所述晶圆带电。

在一实施例中，所述向所述晶圆传导电荷，包括：向所述晶圆传导第一电性的电荷，以使所述晶圆带有第一电性；所述带电结构带有第一电性；所述感测所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的相互作用力，包括：感测所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的斥力大小。

在另一实施例中，所述向所述晶圆传导电荷，包括：向所述晶圆传导第一电性的电荷，以使所述晶圆带有第一电性；所述带电结构带有与所述第一电性相反的第二电性，所述感测所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的相互作用力，包括：感测所述带电结构与所述晶圆上不同位置处的引力大小。

图3a示出了所述导电部件34用于向晶圆90传导负电荷，带电结构带有正点，力学传感部件32具体用于感测所述带电结构与晶圆90之间的引力大小的情况。

为了实现对晶圆整个表面上各不同位置处的力学感测，所述控制力学传感部件以一定的轨迹移动，可以包括：控制所述力学传感部件以与所述支撑部件的承载面相平行的方向移动。

接下来，根据所述感测结果计算所述晶圆的翘曲度。

在一具体实施例中，所述方法还可以包括：根据所述感测结果建立三维力学模型。根据所述三维力学模型可以得到晶圆任意位置处的翘曲情况，实现了晶圆翘曲度的在线测量。

在一些实施例中，所述方法还可以包括：对所述三维力学模型进行显示。如此，工程师可以更为直观地获知晶圆的立体结构；并可以根据实际需要，获取到晶圆任意位置处的缺陷信息。

所述感测结果可以包括针对晶圆上表面的第一感测结果和针对晶圆下表面的第二感测结果。相应地，可以根据针对晶圆上表面的第一感测结果和/或针对晶圆下表面的第二感测结果计算所述晶圆的翘曲度。相应地，所述方法可以包括：根据所述第一感测结果和所述第二感测结果建立针对所述晶圆上表面以及下表面的三维力学模型。

在计算所述晶圆的翘曲度时，可以将所述感测结果与标准晶圆力学模型相对比，计算得到被测晶圆的翘曲度。具体地，所述根据所述感测结果计算所述晶圆的翘曲度具体包括：获得晶圆的标准晶圆力学模型，根据建立的所述三维力学模型与获得的所述标准晶圆力学模型，计算得到所述晶圆的翘曲度。

最后，请参考图3c。打开所述上盖，从所述支撑部件31上移出所述晶圆90。

这里，所述晶圆的移出同样可以通过机械手臂移动来完成。

所述晶圆90被移出后，可以经过清洗并进入后续工艺。

当然，这里仅在最后示意性地描述了还应当包括从装置内移出所述晶圆的步骤；在实际应用中，所述打开上盖、移出所述晶圆的步骤，可以与所述计算所述晶圆的翘曲度的步骤同时进行，或者二者以其他任意顺序进行。

需要说明的是，本发明提供的晶圆翘曲度测量方法实施例与晶圆翘曲度测量装置实施例属于同一构思；各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。