单晶半导体晶圆测量系统及方法与流程

本技术涉及纳米光栅或纳米场效应管的关键尺寸测量，特别是涉及一种单晶半导体晶圆测量系统及方法。

背景技术：

1、随着半导体制造技术的发展，半导体器件中的蚀刻结构的线宽变得越来越小，蚀刻深度变得越来越大，因此形成独特的高深宽比结构(har)。大深宽比结构的蚀刻是半导体器件制造工艺中非常关键且非常具有挑战性的工艺步骤，会显著影响器件的性能和良率。如对于现代存储器件3d nand的制造工艺，随着3d-nand的结构的持续垂直缩放，当前行业上最先进的制造工艺中，其记忆孔(memory hole)结构的深宽比已大于50:1(深宽比为高度与直径之比)。因此，在半导体器件开发过程中精确表征蚀刻过程和质量以及在制造过程中进行监控变得越来越困难，但也越来越重要。

2、小角度x射线散射(saxs)技术，是一种可用于测量1-100纳米量级结构特征的x射线量测技术，具有测量复杂周期性纳米结构(如finfets和3d nand单元的高深宽比刻蚀结构)的潜力。其中，关键尺寸小角x射线散射量测技术(cd-saxs)是一种透射式可变角度的saxs测量技术，是一种无损量测方法。由于高能x射线的短波长及深穿透能力，cd-saxs利用周期性纳米材料对x射线的散射，可以同时实现对半导体器件的har结构横向及纵深方向的关键尺寸量测。且随着半导体器件(如3d-nand)堆叠层数的不断增加，其cd-saxs量测信号强度将相应增加，量测能力会进一步增强，这是其他量测方法(如光学量测方法ocd)所不具备的特点。因此cd-saxs对har结构的精确量测具有独特的优势。

3、在cd-saxs中，高能x射线束通过半导体晶圆并从周期性纳米结构散射，其散射强度的角分布是通过二维阵列探测器测量的，然后通过偏转晶圆片以使晶面法向与入射光束呈一系列不同的夹角，即使x射线光束以一系列不同的入射角透射过样品，并采这一系列不同入射角度下的散射图像，以确定散射模式的角度依赖关系。因此，对于cd-saxs设备，待测晶圆样品只能放置在镂空样品台以便样品台不会阻挡har结构散射的x射线被cd-saxs检测设备接收，待测晶圆样品片的固定只能通过边缘夹持的方式实现，如图1所示。虽然，这种夹持方式可以保证待测晶圆片上每一点位都可以被测量，但由于其镂空结构和边缘夹持造成的待测晶圆片受力不均匀性，不可避免地造成晶圆片的弯曲翘曲等面型变化，因此待测晶圆片上每个局部区域的面方向都是变化的。而cd-saxs量测信号是高度角度依赖的，散射信号与样品表面方向的角度关系的测量准确性直接决定了cd-saxs设备对半导体晶圆纳米蚀刻结构关键尺寸量测的准确性。因此对在cd-saxs设备中除了对待测晶圆的纳米蚀刻结构的x射线散射信号进行测量外，对晶圆片测量点位处的面方向的测量也至关重要。

4、目前用于cd-saxs量测系统中用于测定晶圆片测量点处面方向的方法主要有以下三种：

5、第一种是利用光学距离传感器，分别测量测量点附近三个点位相对于光学传感器的垂直距离，用这三点确定的平面近似测量点处的平面，然后通过三点相对于光学传感器垂直距离变化根据几何关系计算出三点所确定平面的方向，该方向即认为是测量点处样品面方向。但该方式存在局限性：其一是晶圆测量点处的面方向的准确性非常依赖于光学传感器测量点的位置选择，另外也受测量三点时移动平台运动轴的平行度及运动振动的影响；其二是因为测量三个点，其中需要通过移动晶圆或光学距离传感器，所以无法在进行cd-saxs量测的同时测量晶圆测量点处面方向，从而会极大增加整体量测时间，极大降低cd-saxs量测设备的量测吞吐量；

6、第二种是测定晶圆片测量点处面方向的方法是利用光学反射的原理，根据激光光束经过测量点处的反射光束在光学探测器上的落点位置推算出测量点处的面方向。但是，由于这种方法是通过样品表面反射激光光束实现，因此受样品表面的形态(如表面粗糙度，蚀刻图案等)影响非常大，从而极大地影响测量点处样品面方向的测定；

7、第三种是利用x射线衍射技术测定晶体方向的方案，但这些方案是利用线束x射线，通过测角仪进行角度扫描然后根据摇摆曲线确定晶体的方向。这些方案虽然可以很精确地确定样品的面方向，但由于需要进行角度扫描，需要的测量时间非常长。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供一种单晶半导体晶圆测量系统及方法，以解决现有单晶半导体晶圆量测方式效率低下的问题。

2、为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种单晶半导体晶圆测量系统，其包括依次设置的第一光源系统、多自由度定位平台、第一探测系统，第一光源系统发出第一x射线照射在多自由度定位平台上的样品的测量点上，第一探测系统探测第一x射线穿过样品形成的散射图像，其还包括：第二光源系统，与第一x射线形成的光路的相对空间位置预先设定，用于从多个角度发射第二x射线，且多个角度的第二x射线的聚焦点与样品上的测量点重合；第二探测系统，与第一x射线形成的光路的相对空间位置预先设定，用于接收第二x射线照射样品形成的衍射x射线，并识别衍射x射线的落点位置；计算模块，与第二探测系统电性连接，用于基于布拉格衍射原理分析落点位置，得到测量点所处平面的方向信息。

3、作为本技术的进一步改进，第二光源系统发射锥束形x射线，且锥束形x射线的聚焦点与样品上的测量点重合。

4、作为本技术的进一步改进，第二探测系统包括二维阵列x射线探测器，二维阵列x射线探测器包括多个像素点，每个像素点和测量点之间的连线与第一x射线形成的光路呈特定角度。

5、作为本技术的进一步改进，计算模块用于根据衍射x射线的落点位置确认衍射x射线落点的目标像素点，且基于布拉格衍射定律计算衍射x射线的衍射角度，再根据衍射角度和目标像素点对应的目标特定角度计算测量点所处平面的法向与光路之间的夹角。

6、作为本技术的进一步改进，夹角的计算过程表示为：

7、

8、其中，β表示测量点所处平面的法向与光路之间的夹角，θ表示衍射角度，表示目标像素点和测量点之间的连线与光路之间的特定角度。

9、作为本技术的进一步改进，其还包括真空准直系统，真空准直系统设置于第一光源系统和多自由度定位平台之间，真空准直系统内依次设置有第一狭缝、第二狭缝和第三狭缝，第一狭缝和第二狭缝处于真空环境，第一x射线形成的光路依次穿过第一狭缝、第二狭缝、第三狭缝照射至样品上。

10、作为本技术的进一步改进，其还包括真空散射系统，真空散射系统设置于多自由度定位平台和第一探测系统之间，真空散射系统包括一高真空腔体，用于将散射图像传输至第一探测系统。

11、为解决上述技术问题，本技术采用的又一个技术方案是：提供一种单晶半导体晶圆测量方法，其应用于上述之一的单晶半导体晶圆测量系统；该方法包括：s1、控制多自由度定位平台旋转以致样品处于预设角度；s2、控制第一光源系统和第二光源系统开始工作，第一光源系统发射第一x射线和第二光源系统发射多个角度的第二x射线均照射至样品的测量点；s3、利用第一探测器采集样品的测量点在第一x射线照射下形成的散射图像，同时控制第二探测器采集样品的测量点在第二x射线照射下形成的衍射x射线，并识别衍射x射线的落点位置；s4、利用计算模块基于布拉格衍射原理分析落点位置，得到测量点所处平面的方向信息；控制多自由度定位平台旋转至不同的预设角度，并重复执行步骤s2～步骤s4，直至测量完成。

12、作为本技术的进一步改进，第二探测系统包括二维阵列x射线探测器，二维阵列x射线探测器包括多个像素点，每个像素点和测量点之间的连线与第一x射线形成的光路呈特定角度；利用计算模块基于布拉格衍射原理分析落点位置，得到测量点所处平面的方向信息，包括：计算模块根据衍射x射线的落点位置确认衍射x射线落点的目标像素点；计算模块基于布拉格衍射定律计算衍射x射线的衍射角度；计算模块根据衍射角度和目标像素点对应的目标特定角度计算测量点所处平面的法向与光路之间的夹角。

13、作为本技术的进一步改进，夹角的计算过程表示为：

14、

15、其中，β表示测量点所处平面的法向与光路之间的夹角，θ表示衍射角度，表示目标像素点和测量点之间的连线与光路之间的特定角度。

16、本技术的有益效果是：本技术的单晶半导体晶圆测量系统通过利用x射线的强穿透性质及半导体的单晶硅基底的布拉格衍射效应，第二光源系统发射的x射线光束包含多个不同入射角度的射线，而只有入射角度满足单晶硅基底布拉格衍射条件的射线束才能通过单晶硅基底的衍射而被第二探测系统接收，根据衍射x射线在第二探测系统的落点位置可以计算出衍射x射线的衍射方向，从而可以根据布拉格衍射的角度关系计算出测量点处的晶面方向，其使得cd-saxs量测和测量点处样品的晶面方向测量可同步进行，不需要进行精细角度扫描的过程，大大降低了测量所需时间，提高了测量效率，且不会受样品的表面形态(如表面粗糙度，蚀刻图案等)的干扰，测量结果的准确性更高。