基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置和方法

本发明属于集成电路精密测量，具体涉及一种基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置和方法。

背景技术：

1、过硅孔深度测量需要实现高速、高精度的无损深度测量，现有技术均难以达到这些要求。传统的大深宽比过硅孔深度测量方法主要依靠切片方法，将待测过硅孔进行切片、研磨后，运用显微镜对过硅孔剖面进行测量，从而得到深度信息。该方法是破坏性测量方法，且只能得到剖面深度信息，同时测量速度缓慢，难以实现在线测量。目前的光学测量方法可实现高速和无损测量，但测量精度难以满足要求。

2、宽光谱干涉测量方法是重要的非接触无损测量手段，也是一种典型的高精度光学测量方法，在表面形貌测量中得到广泛应用。宽光谱干涉具有测量精度高，不受表面台阶形状影响的特点，且可以实现视场内所有孔洞的同时测量。但由于大深宽比过硅孔的深度比较大，且有空气、覆铜等多种不同材料，使得反射的光信号很弱，传统宽光谱干涉方法在过硅孔测量中难以获得可靠的干涉信号，降低了测量精度。

3、传统宽光谱干涉采用等比例分光方式，即光源发出的光功率按照等比例分为参考面照明光和待测件照明光。待测件照明光从待测件表面返回后，和参考面返回光，即参考光汇集到一起发生干涉，由探测器记录干涉信号，从而获得待测件形貌数据。待测件表面返回光的光功率和参考光的光功率相等或相近时，可获得最佳的干涉信号。但过硅孔作为待测件时，返回的光信号很弱，采用上述方式获得干涉信号也很微弱，从而降低了测量精度。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，提供一种基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置和方法，可以提高测量精度。

2、为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置，包括宽谱段光源、光束整形单元、分光调节单元、第一显微物镜组、第二显微物镜组、光强衰减装置、参考镜单元、成像镜片组、成像相机和精密位移台；

4、其中，宽谱段光源发出的光经过光束整形单元整形后，经分光调节单元分成两束，一束经由光强衰减装置、第一显微物镜组和参考镜单元的反射，返回分光调节单元；一束经由第二显微物镜组，照射到待测件表面，经由待测件界面反射，返回分光调节单元；返回分光镜的两束光再经过成像镜片组由成像相机接收；其中，当参考光和待测件返回光的光程差在预定范围内时，成像相机可接收到干涉信号；通过精密位移台使大深宽比过硅孔深度测量装置相对于待测件上下移动扫描，获得干涉强度随相对高度的变化信号，根据干涉强度随相对高度的变化信号，计算得到待测件表面的高度信息。

5、作为优选，所述分光调节单元为将光功率分为功率相等，传播方向垂直的两束光的分光装置。

6、作为优选，所述分光调节单元通过等比例分光镜和不等比例分光镜实现改变参考光和待测件照明光的功率比，在减弱参考光的同时增强待测件照明光，实现参考光与待测件反射光的功率比近似。

7、作为优选，宽谱段光源发出的光经过光束整形单元整形后，首先经过等比分光镜，等比分光镜反射的光再经过不等比分光镜分为不等比例的两束光，其中弱比例光束为参考面照明光，强比例光束为待测件照明光；参考面照明光经过第一显微物镜组照射到参考面单元上，然后沿原光路返回到不等比分光镜；待测件照明光经过第二显微物镜组照射到待测件表面上，然后沿原光路返回到不等比分光镜；参考光和待测件返回光经过不等比分光镜，此时参考光会进一步减弱，然后穿过等比分光镜，再经过成像镜片组，由成像相机接收。

8、作为优选，待测件表面点位于第二显微物镜组的下方焦平面时，参考光和待测件返回光的光程差为0，干涉信号为最大值。

9、作为优选，所述宽谱段光源为紫外光谱段，或者可见光谱段、或者红外光谱段。

10、作为优选，所述精密位移台沿垂直方向上下运动，其为为压电陶瓷位移台或步进电机精密位移台。

11、本发明还提供一种基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量方法，包括：

12、通过基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置从待测件上表面开始向下扫描，获取干涉信号；

13、根据干涉信号，计算得到待测件的3d形貌数据；

14、根据3d形貌数据，提取大深宽比过硅孔深度终起点信息。

15、本发明采用宽光谱干涉原理实现过硅孔深度测量。在传统宽光谱干涉基础上，加入分光调节单元，增强过硅孔待测件的反射光信号，从而达到提高测量精度的效果。所增加的分光调节单元的功能是：改变参考光和待测件照明光的功率比，在减弱参考光的同时增强待测件照明光，实现参考光与待测件反射光的功率比近似的效果。

16、本发明具有如下有益效果：

17、1、将宽光谱干涉测量技术应用于过硅孔深度测量，结合精密光学元件，提高集成电路过硅孔深度测量的准确性与稳定性；

18、2、非接触、非破坏：不需要切片测量，对待测件无损伤；

19、3、优化干涉效果、精度高：通过分光调节单元和光强衰减装置，显著增强反射光信号与参考光信号的对比度，形貌测量精度优于1μm；

20、4、适应范围广、速度快：通过分光调节单元和光强衰减装置，调节参测比，可测量各类集成电路表面类型，全视场可以在1s内完成测量计算；

21、5、获取信息全面：全面的3d深度测量数据，3d深度数据，任意剖面数据，最大最小深度等信息。

技术特征：

1.一种基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置，其特征在于，包括宽谱段光源、光束整形单元、分光调节单元、第一显微物镜组、第二显微物镜组、光强衰减装置、参考镜单元、成像镜片组、成像相机和精密位移台；

2.如权利要求1所述的基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置，其特征在于，所述分光调节单元为将光功率分为功率相等，传播方向垂直的两束光的分光装置。

3.如权利要求1所述的基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置，其特征在于，所述分光调节单元通过等比例分光镜和不等比例分光镜实现改变参考光和待测件照明光的功率比，在减弱参考光的同时增强待测件照明光，实现参考光与待测件反射光的功率比近似。

4.如权利要求3所述的基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置，其特征在于，宽谱段光源发出的光经过光束整形单元整形后，首先经过等比分光镜，等比分光镜反射的光再经过不等比分光镜分为不等比例的两束光，其中弱比例光束为参考面照明光，强比例光束为待测件照明光；参考面照明光经过第一显微物镜组照射到参考面单元上，然后沿原光路返回到不等比分光镜；待测件照明光经过第二显微物镜组照射到待测件表面上，然后沿原光路返回到不等比分光镜；参考光和待测件返回光经过不等比分光镜，此时参考光会进一步减弱，然后穿过等比分光镜，再经过成像镜片组，由成像相机接收。

5.如权利要求2或4所述的基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置，其特征在于，待测件表面点位于第二显微物镜组的下方焦平面时，参考光和待测件返回光的光程差为0，干涉信号为最大值。

6.如权利要求5所述的基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置，其特征在于，所述宽谱段光源为紫外光谱段，或者可见光谱段、或者红外光谱段。

7.如权利要求6所述的基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置，其特征在于，所述精密位移台沿垂直方向上下运动，其为为压电陶瓷位移台或步进电机精密位移台。

8.一种基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开一种基于宽光谱干涉的大深宽比过硅孔深度测量装置和方法，宽谱段光源发出的光经过光束整形单元整形后，通过分光调节单元分成两束，一束经由光强衰减装置、第一显微物镜组和参考镜单元的反射，返回分光调节单元；一束经由第二显微物镜组，照射到待测件表面，经由待测件界面反射，返回分光调节单元；返回的两束光再经过成像镜片组由成像相机接收；通过精密位移台使测量装置相对于待测件上下移动扫描，获得干涉强度随相对高度的变化信号，进而计算得到待测件表面的高度信息。采用本发明的技术方案，可以提高测量精度。

技术研发人员：张航瑛,孟凯,楼佩煌,钱晓明,武星
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23