Роль окон, фильтров и линз в измерении полупроводниковых пластин 

В сфере производства полупроводников оборудование для измерения пластин является ключевым средством, обеспечивающим высокий выход готовой продукции и способствующим совершенствованию технологических процессов, а его основные характеристики зависят от точной настройки оптической системы. Окна, фильтры и линзы, являющиеся тремя основными компонентами оптической системы, работают согласованно вдоль траектории измерительного луча, выполняя ключевые функции «защиты и изоляции, спектрального отбора и фокусировки изображения» соответственно. Вместе они обеспечивают нанометровое бесконтактное точное измерение таких параметров поверхности пластин, как рельеф, толщина пленки и дефекты, предоставляя надежную оптическую поддержку для передовых процессов производства полупроводников (3 нм и менее).

1. Окно: изоляция от загрязнений, стабилизация падающего света

С точки зрения защиты от воздействия окружающей среды, в процессе измерения полупроводниковых пластин в рабочей камере оборудования могут образовываться загрязняющие вещества, такие как пары фоторезиста, мелкие частицы и водяной пар. Попадание этих примесей в оптический путь приводит к рассеиванию и ослаблению светового сигнала, а также может вызвать повреждение высокоточных оптических элементов в задней части системы. Окна обычно изготавливаются из высокочистого плавленого кварца, оптического стекла BK7 или специальных кристаллов, а их поверхности покрываются антибликовым (AR) и водоотталкивающим антизагрязняющим покрытием, что позволяет не только эффективно предотвращать прилипание загрязнений, но и защищать сами окна от коррозии, одновременно защищая такие ключевые компоненты, как фильтры и линзы, от повреждений и обеспечивая долгосрочную стабильную работу оптической системы.

Что касается стабильности оптического пути и обеспечения светового потока, окно должно обладать чрезвычайно высокой точностью формы поверхности (обычно лучше, чем λ/10, λ = 633 нм), параллельностью и низким уровнем напряжения, а также характеристиками двойного лучепреломления. Двустороннее антибликовое покрытие позволяет снизить коэффициент отражения света до уровня ниже 0,2%, что максимально уменьшает потери энергии светового сигнала, обеспечивает отсутствие дополнительного отклонения при вертикальном прохождении падающего света и минимальное искажение волнового фронта, обеспечивая стабильный и чистый сигнал падающего света для последующих фильтров и линз. Для измерений в специальных диапазонах, таких как глубокий ультрафиолет (DUV, 193 нм) и инфракрасный (IR), окно должно быть изготовлено из материала с высокой пропускаемостью в соответствующем диапазоне, а также обладать высоким порогом устойчивости к лазерному повреждению (LIDT) и превосходной термостабильностью, чтобы избежать тепловой деформации или повреждения компонентов при облучении высокоэнергетическим источником света и удовлетворить требованиям измерений в различных технологических процессах.

2. Фильтр: фильтрация помех, повышение отношения сигнал/шум

В условиях измерения монохроматического света (например, при лазерной интерферометрии или анализе наноструктур) узкополосные фильтры играют ключевую роль. К их основным параметрам относятся центральная длина волны (CWL), ширина на полувысоте (FWHM), пиковая пропускаемость и глубина среза (OD). Например, при измерениях в ближнем инфракрасном диапазоне 850 нм погрешность центральной длины волны узкополосного фильтра должна быть в пределах ±2 нм, ширина на полувысоте — всего 10–20 нм, пиковая пропускаемость — более 85 %, глубина среза OD > 4 (т. е. коэффициент пропускания паразитного света < 0,01%), что позволяет точно пропускать свет для обнаружения целей и полностью блокировать помехи, такие как окружающий свет, паразитный свет с поверхности пластины и гармоники источника света, повышая отношение сигнал/шум при обнаружении дефектов более чем в 10 раз и обеспечивая точное распознавание мельчайших дефектов (таких как частицы размером 14 нм и царапины).

Для удовлетворения потребностей в многодиапазонных измерениях оборудование также комплектуется различными типами фильтров, такими как коротковолновые, длинноволновые и полосовые. Например, при интерферометрических измерениях в белом свете использование полосового фильтра видимого света 400–700 нм позволяет получить интерферометрический сигнал в широком спектре и обеспечить точное измерение толщины пленки; при измерении ширины линий на кремниевых пластинках коротковолновый фильтр эффективно блокирует инфракрасный шум, вызванный нагревом пластин, предотвращая влияние шума на качество изображения и обеспечивая точность измерения ширины линий. Кроме того, фильтры должны обладать низкой угловой чувствительностью (обычно <0,5 нм/10°), чтобы обеспечить стабильность спектральных фильтрационных характеристик при небольшом угловом отклонении светового путя и удовлетворить требования многорежимной визуализации, включая светное поле, темное поле и конфокальную визуализацию.

3. Линзы: определяют разрешение и точность изображения

Высокий числовой апертурный коэффициент (NA) является одним из ключевых конструктивных показателей линзы. Оптическое разрешение находится в обратной зависимости от длины волны источника света (λ) и в прямой зависимости от числового апертурного коэффициента, Числовое апертурное число линз для изображения в современном измерительном оборудовании должно достигать 0,8–0,95. В сочетании с источником света с короткой длиной волны (например, 193 нм DUV) теоретическое разрешение может превышать 30 нм, что позволяет стабильно фиксировать мельчайшие дефекты поверхности пластин, несоответствия рисунка и другие детали, удовлетворяя требованиям измерений для технологических процессов 3 нм и менее.

Способность корректировать аберрации является еще одним ключевым преимуществом линз. Для измерения полупроводниковых пластин требуется равномерное формирование изображения с широким спектром и большим полем зрения, поэтому в линзах для формирования изображения чаще всего используется конструкция «планапохроматическая» (Plan-Apochromatic), состоящая из нескольких групп положительных и отрицательных линз. При использовании оптического стекла с низкой дисперсией (например, флюорита или стекла со сверхнизкой дисперсией) можно одновременно корректировать такие аберрации, как сферическая, комеатическую аберрацию, хроматическую аберрацию, кривизну поля и многие другие виды аберраций, обеспечивая ровную картинку по всему полю зрения и равномерную четкость, что позволяет избежать ошибок измерения, вызванных аберрациями. Кроме того, для дальнейшей оптимизации структуры оптического пути и снижения сферической аберрации в линзовых группах часто используются такие элементы, как плоско-выпуклые линзы и линзы с положительной кривизной: плоско-выпуклые линзы имеют простую конструкцию и низкую стоимость, они подходят для задач, не требующих высокой точности коллимации; положительные полулунные линзы (одна выпуклая, одна вогнутая, толстые в середине и тонкие по краям) могут эффективно корректировать сферическую аберрацию, обеспечивают более высокую четкость изображения, чем плоско-выпуклые линзы, и широко используются в оптических системах для высокоточных измерений пластин.

4. Взаимодействие этих трех компонентов обеспечивает формирование полной оптической цепочки для измерения полупроводниковых пластин

В реальной измерительной оптической системе окно, фильтр и объектива для формирования изображения соединены последовательно, образуя замкнутый цикл «защита — фильтрация — формирование изображения», что позволяет использовать систему в различных режимах измерения, включая светлое поле, тёмное поле, интерференцию в белом свете и спектральную конфокальную микроскопию.

Этап входа: излучаемый источником света контрольный свет (лазерный / белый) сначала проходит через окно, которое задерживает крупные частицы загрязнений, обеспечивая отсутствие рассеяния и потерь энергии в световом сигнале;

Этап фильтрации: чистый падающий свет попадает на фильтр, который точно отбирает свет нужной длины волны, блокируя паразитный свет и шумы, и выдает монохроматический свет с высоким соотношением сигнал/шум;

Этап формирования изображения: после того как монохроматический свет освещает поверхность пластины, он отражается, и отраженный свет, несущий информацию о рельефе поверхности и дефектах, попадает в объективы для формирования изображения; объективы корректируют аберрации и фокусируют лучи, четко отображая микроструктуру нанометрового масштаба на датчике, что в конечном итоге преобразуется в анализируемый электрический сигнал и данные изображения.

По мере продвижения технологического процесса производства полупроводников к 2 нм и 1 нм компания Yutai Optics, опираясь на собственный технический опыт и научно-исследовательский потенциал, сосредоточивает свои усилия на оптимизации характеристик окон, фильтров и линз, точно отвечая строгим требованиям передовых технологических процессов к оптическим элементам. Компания создает высоконадежные продукты, приспособленные к разнообразным сценариям измерений, обеспечивает эффективную совместную работу этих трех компонентов и способствует повышению точности и эффективности оборудования для измерения полупроводниковых пластин.