基于条纹反射的大尺寸半导体晶片三维面形检测方法研究

It is required that surface morphology of high-precision (micron- or even nano-scale), real-time online measurement of large-size (Φ300mm) wafers in semiconductor manufacturing. Existing measurement methods require higher measurement conditions, the complex system. It is difficult to take into account both the large size and high accuracy. The project proposes three-dimensional measurement method of the large-size semiconductor wafers based on fringe reflection technique, and study the key problems. Large size semiconductor wafers have the characteristics of mirror-like, near-flat and require real-time online detection. So we study the mirror-like surface detection method based on fringe reflection and temporal phase unwraping. Furthermore we study annalytic model and measurement accuracy and carrier frequency removal of the near-flat specular surface. Also we study the real-time dynamic measurement method based on singe-shot colour complex fringe. Finally, build the experimental system, and measure the three-dimensional surface shape of the large-size semiconductor wafer. 3D shape measurement of the large size semiconductor wafer based on in the project has a certain degree of innovation, has yet to see the reports of other researchers. The findings will facilitate the development of the large-sized wafer inspection technology in the semiconductor industry.

半导体制造中需要对大尺寸晶片（Φ300mm）表面形貌进行高精度（微米甚至纳米量级）、实时在线测量。现有的测量方法对测量条件要求较高，系统复杂，难以同时兼顾大尺寸和高精度。本项目提出一种采用条纹反射法对大尺寸半导体晶片的三维面形进行测量的方法，研究解决其关键问题。为此，针对大尺寸半导体晶片类镜面、类平面及实时在线检测特点，首先研究时间相位展开方法和条纹反射相结合的类镜面三维面形检测方法研究；建立类平面镜面物体的解析模型并研究其测量精度和适用范围及非线性载频移除技术研究；研究基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面动态测量方法。最后搭建实验系统，测量大尺寸半导体晶片的三维面形。 本项目提出的基于条纹反射的大尺寸半导体晶片三维面形测量方法具有一定的创新性，目前尚未见到其他研究者的相关报道。该研究结果将促进半导体工业大尺寸晶片检测技术的发展。

微电子和光伏等半导体产业中对硅晶片的表面质量的要求日益提高。随着这些半导体产业的发展，硅晶片正向大直径、薄片化的方向发展，这导致硅片在切割和抛光过程中很容易出现裂痕和弯曲。为了保证后续所制成的产品的可靠性，对硅晶片表面的缺陷和面形的检测是十分必要的。条纹反射技术是一种近年来发展起来的一种全场的、低成本、高精度的镜面物体表面三维测量技术。本项目提出一种采用条纹反射法对大尺寸半导体晶片的三维面形进行测量的方法，研究解决其关键问题基于条纹反射技术。该项目主要进行了以下三方面研究：.1.硅晶片类镜面的特点使得条纹反射技术中相位误差较大，进行了条纹反射技术的误差分析以及误差消除办法研究。得出了随机相位误差和系统参数关系的解析表达式，提出一种基于最小二乘时间相位展开的复合的误差消除办法，该复合方法将最小二乘时间相位展开方法和六步相移算法有机结合，同时抑制了系统中的随机和非线性相位误差，实验中对比于四步相移算法和普通的空间相位展开算法相结合的方法，误差的均方差降低20倍。.2. 针对硅晶片类平面的特点，建立了类平面镜面物体的仿真分析模型并研究了其测量精度和使用范围，研究了非线性载频移除技术。分析了不同梯度和高度变化的待测物体在经典解析模型下的测量精度，结果表明当参考平面与显示屏的距离大于待测物体高度标准差200倍时，应用条纹反射的经典解析模型也可以达到很好的测量精度，即测量硅晶片时具有很高的精度。提出一种简单有效的非线性载频移除技术，对比于现有的多项式拟合方法，处理时间减小了6倍。.3.针对硅镜面快速测量的需求，提出了一种基于单帧正交彩色编码条纹的硅晶片动态测量方法。该方法有效的减小了傅里叶变换提取相位时的频谱混叠问题，较现有的动态测量方法具有更高的相位精度。.该项目的研究结果将促进半导体工业大尺寸晶片检测技术的发展。