CN102017117B - 校准接触电势差测量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种利用非振动式接触电势差探头和振动式接触电势差探头确定晶片表面接触电势差的方法和系统。所述方法和系统涉及利用非振动式接触电势差传感器扫描晶片表面，将产生的数据积分并缩放，并向个别数据轨迹应用偏移量，从而将积分并缩放的数据与利用振动式接触电势差传感器获得的测量结果匹配。

Description

校准接触电势差测量的方法和系统

相关专利申请的交叉引用

本申请涉及并要求2008年5月2日提交的美国申请No.12/151,054的优先权，该申请通过引用而全文包含在本说明书中。

技术领域

本发明涉及用来检查包括半导体表面和半导体材料在内的表面和材料的方法和系统。更为具体而言，本发明涉及利用振动式和非振动式接触电势差传感器检测并测量表面或亚表面的非均匀性和/或电荷的方法，从而在整个表面上建立任何非均匀性的精确存在关系。

背景技术

半导体设备的功能、可靠性和性能取决于使用清洁且均匀的半导体材料和表面。数亿资金和无数人工已经花费在研发、表征并优化用来制造和处理半导体材料的系统和工艺。这些工作的首要目的是制造极其清洁的材料和表面，这些材料和表面具有在整个晶片范围内均匀或均匀变化的预定属性和期望属性。为了表征并优化这些工艺和得到的材料，需要能检查并测量表面或主体的清洁度和均匀度。为了实时过程控制，需要能在表面范围内高速进行许多测量，并且采用不会损坏或污染半导体表面的方式来实现。

检查并测量表面的一种方法是采用非振动式接触电势差传感器。非振动式接触电势差传感器由半导体探头构成，该探头被定位靠近表面并电连接到该表面。探头和表面形成电容。由于两种材料的逸出功或表面电势不同，所以在探头尖端和表面之间形成电势。这种电势称为两个表面之间的接触电势差，或者表面电势差。探头尖端平行于该表面平移，或者该表面在探头下平移。表面上不同点的逸出功或表面电势变化，导致该表面和探头尖端之间的接触电势差发生变化。这种电势变化导致电流流入或流出传感器探头尖端。这种电流被放大，转化成电压，并被采样以形成表示被测表面范围内电势变化的连续数据流。非振动式接触电势差传感器可以以大于100000次采样每秒的速率提供连续数据流。高速的数据获取速率允许在短短几分钟内获得所有半导体晶片的高分辨率图像。

非振动式接触电势差传感器产生的信号是被测表面两种特征的结合——逸出功变化和表面高度变化。探头尖端的电荷由下式确定：

Q=CV                 (1)

其中Q是探头尖端上的电荷，C是探头尖端和被测表面之间的电容，而V是探头尖端和该表面之间的接触电势差。

进入探头尖端的电流i是探头尖端上的电荷的导数，并且由下式给出：

$i=\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=C\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}+V\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

电流i是两项之和：dV/dt项和dC/dt项。dV/dt项表示探头尖端和晶片表面之间的电压变化，而dC/dt项表示探头尖端和晶片表面之间的电容变化。探头尖端的电势在扫描操作过程中固定，所以dV/dt项的变化来源于被测表面范围内的电势变化。dC/dt项的变化来自探头尖端和晶片表面之间的距离变化，这通常来自晶片表面的高度变化。在大多数晶片表面扫描应用中，通过控制晶片表面上方探头尖端的高度、最小化晶片表面高度变化和/或通过施加DC偏置电压最小化探头尖端和晶片表面之间的平均电压，从而使来自电容变化的信号最小化。因此，电容信号可以忽略和可以不予考虑。

非振动式接触电势差传感器的一个重要特征是，它产生的数据是差分数据，这意味着它产生表示被测表面范围内表面电势或逸出功的差异或变化的数据。传感器的输出表示在传感器探头尖端相对于该表面的行进方向上的表面电势变化。传感器输出并不包括与传感器探头行进方向垂直或正交的方向上表面电势变化的任何数据。而且，传感器输出并不提供与探头尖端和被测表面之间任意一点的绝对电势差有关的数据。该传感器输出仅包含有关表面电势变化的信息。

非振动式接触电势差传感器依赖探头尖端和被测表面之间的相对运动来产生信号。平行于晶片表面移动传感器探头尖端以产生信号的动作称为扫描。有许多可选方案用于在探头尖端和晶片表面之间产生扫描运动。例如，晶片可以保持固定而探头尖端可以在晶片表面上方往复移动以产生数据的线性“轨迹”，其中轨迹是连续的一系列顺序数据样本。多条线性轨迹可以组合成被扫描表面的图像。或者，探头可以保持固定而晶片在传感器探头尖端下方往复移动。这类扫描，无论是传感器还是晶片往复移动以产生一系列平行线性扫描，通常称为光栅扫描。用来产生扫描运动的另一种可选方案是在传感器探头尖端下方旋转晶片，并且沿着晶片半径移动传感器或晶片，从而在距离晶片中心不同的半径处获取一系列同心圆轨迹。这些同心圆轨迹然后可以组合成被扫描表面的图像。这类扫描操作通常称为径向扫描，因为探头尖端沿着晶片半径移动。

利用径向扫描，晶片的旋转运动在探头尖端和被测表面之间提供相对运动而不需要光栅扫描操作中需要的强烈加速和减速。光栅扫描要求加速探头或晶片到所需的扫描速度，获取单一数据轨迹，然后减速并沿着相反方向再次加速探头或晶片。对于径向扫描，晶片可以以固定或缓慢变化的速度旋转，并且传感器可以以较小的加速度从一条径向轨迹向下一条径向轨迹移动较小的距离。因此，相比光栅扫描，其可以在更短的时间周期内扫描晶片表面，而且振动更小并且功耗更低。

非振动式接触电势差传感器信号的差分性质意味着仅在探头经过晶片表面上表面电势从一个位置到另一个位置发生变化的一部分表面时，才产生信号。如果传感器从具备一个表面电势值的区域移动到具备另一表面电势值的区域，则仅在两个区域的过渡部分(边缘)才产生信号。差分传感器信号与沿着探头运动方向的表面电势变化成比例。然而，通过对传感器信号积分，这种差分信号可以转化为一个新的信号，这个新的信号是相对表面电势的线性函数。积分通过计算连续样本的累积和得到。所述积分信号提供有关探头运动方向上相对表面电势的信息，但是并未提供有关垂直于运动方向的表面变化的任何信息，也没有提供接触电势差绝对值的量度。作为扫描运动的结果，在缺乏用于确定正交变化的额外测量的情况下，任何正交变化都无法检测。在光栅扫描的情况下，有关正交变化的数据可以通过实施两次扫描操作来获得：两个正交方向每个方向一次。但是，这种操作要求两次扫描该表面，使得扫描时间加倍。在径向扫描的情况下，扫描机构不太容易沿着两个正交方向扫描晶片表面上的每个点。因此，探头相对于晶片表面的圆形运动在检测径向变化的表面非均匀性方面，效果并不好。接触电势差中的这种径向变化可能来源于各种晶片加工步骤。例如，由单次晶片清洁或等离子处理操作导致的介电充电可能产生径向电荷图案，这种径向电荷图案无法由非振动式接触电势差传感器利用径向扫描方法检测到。

如上所述，非振动式接触电势差传感器产生差分数据，差分数据可以积分以产生表示所述表面范围内相对接触电势差的数据。还可以利用振动式接触电势差测量操作校准积分的非振动式接触电势差数据。振动式接触电势差传感器通常称为Kelvin探头，或者Kelvin-Zisman探头。这种传感器在探头尖端和被测表面特定点之间产生以伏特计的绝对接触电势差测量结果。但是，振动式接触电势差测量相比非振动式接触电势差测量非常缓慢，并且这种技术并不适合以生产速度进行全晶片成像。通过计算被测表面上多个点的Kelvin探头测量结果和相同点上积分的非振动式接触电势差值之间的线性转换，积分的非振动式接触电势差测量结果可以被转换以产生绝对接触电势差值。可以利用诸如最小二乘方线性拟合的技术计算出最佳拟合的线性转换。一旦计算出最佳拟合的线性转换，便可以应用于积分的非振动式接触电势差图像中的所有点。这种技术提供全部被扫描点的绝对接触电势差值的近似值，并且比利用振动式接触电势差传感器测量整个晶片表面的速度快很多。但是，积分的非振动式数据仍然不包括有关垂直于探头尖端运动方向的表面电势变化的任何信息。因此，积分并转换的数据将不包括有关垂直于扫描探头运动方向的表面电势变化的信息，并且如果在该方向上存在显著的表面电势变化，得到的数据将不正确。表面电势的这种正交变化对于被径向扫描的晶片来说是普遍存在的，因为如上所述，表面电势的显著径向变化可能产生于常见的半导体制造过程。如果存在显著的径向变化，则振动式Kelvin探头测量结果与积分的径向扫描非振动式接触电势差数据之间的相关系数将比较小，因为积分的非振动式接触电势差图像将不包括表面电势的这种显著径向变化。

发明内容

本发明所述的系统和方法提供了结合振动式和非振动式接触电势差检查系统的改进应用，该检测系统允许对表面快速成像和沿着非振动式(扫描)探头运动方向以及垂直于非振动式探头运动方向检测表面电势非均匀性。对于利用径向扫描系统以非振动式探头扫描的表面上的径向非均匀性检测来说，这种能力特别有用。在下文中，能利用文中所述系统检查的材料将统称为“晶片”。在优选应用中，例如为了评估传统硅单晶片，对于经受不同处理条件的4种不同的晶片，在下文中描述了各种示例。本发明包括振动式和非振动式接触电势差测量能力。振动式接触电势差测量能力提供有关探头尖端和晶片表面上各点之间的绝对接触电势差的数据，而非振动式接触电势差测量能力提供有关晶片表面范围内接触电势差变化的数据。所述装置由下述构成：能进行振动式和非振动式接触电势差测量的传感器或多个传感器的关联系统；用于机械地固定所述晶片的系统；用于将传感器定位在晶片表面上方固定距离并在探头尖端和晶片表面之间产生相对运动的系统，这样传感器探头尖端平行于晶片表面移动；用于向传感器探头尖端或晶片表面施加偏置电压的系统；用于垂直于晶片表面振动传感器探头尖端的系统；以及用于获取并处理所述传感器或多个传感器的输出信号以识别非均匀性并对其分类的系统。

所述系统进一步具备这样的能力，即向传感器探头尖端或晶片表面施加偏置电压，以改变探头尖端和晶片之间的电势。在这种情况下，等式(2)中的dC/dt项包括偏置电压，如下式所示：

$i=C\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}+(V_{\mathrm{CPD}}+V_{\mathrm{bias}})\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

在等式(3)中，V_CPD是探头尖端和晶片表面之间的电压，单独产生于探头尖端和晶片表面之间的电连接。该电压称为表面电势差或接触电势差，通常简写为CPD。V_bias是由检查系统施加在探头尖端或晶片上的额外电压，以有助于检测晶片非均匀性并对其分类。如果V_bias在扫描操作中为常数，则其不影响dV/dt项，因为dV_bias/dt＝0。

所述系统还包括用于将传感器定位在晶片上的点上方并在调节偏置电压的同时垂直于晶片表面振动传感器的机构。垂直于晶片表面振动探头尖端导致探头尖端和晶片表面之间的电容发生变化，由于等式(2)和(3)中存在VdC/dt项，所以所述电容变化产生一种信号。该信号与探头尖端和晶片表面之间的接触电势差(V)成比例。可变偏置电压增加到接触电势差中，并改变探头尖端和晶片表面之间的电压。调节该偏置电压并确定导致振动式传感器信号达到零的偏置电压。该电压即为探头尖端和晶片表面之间接触电势差的负值。在调节偏置电压并确定导致从振动探头输出零信号的电压之后，根据该偏置电压计算出接触电势差。这种用来测量接触电势差的系统称为振动式Kelvin探头或Kelvin-Zisman探头。

本发明还包括基于由振动式和非振动式接触电势差传感器产生的数据来处理得到的数据并检测和区分不同类型的表面非均匀性的系统和方法。

非振动式接触电势差传感器可以相对快速地获取数据，所以可以在短短几分钟内获得整个晶片的表面电势变化图像。振动式接触电势差传感器提供探头尖端和晶片之间绝对接触电势差的测量，但是相对缓慢。例如，非振动式传感器可以每秒钟获取超过100000个样本，而振动式探头最多每秒仅可以获得几个样本。通过组合高分辨率的非振动式接触电势差图像与相对缓慢的低分辨率振动式传感器数据，可以以相当于非振动式传感器的速度获得有关整个晶片表面绝对接触电势差的数据。

为了转化非振动式数据以与晶片表面上每个点的实际接触电势差对应，非振动式接触电势差数据首先被积分。最简单的积分方式是从每条轨迹获取的第一个样本开始，并计算该轨迹上每个后继样本的累积和。也可以采用其他数值积分方法。积分数据与沿着该轨迹的表面电势变化成比例。但是，每个积分数据轨迹必须乘以缩放因子，然后偏移一个常数，以获取每个点的正确的绝对接触电势差。每个点上积分数据和实际接触电势差值之间适当的缩放因子(斜率)和偏移量(积分常数)是未知的，但是可以利用振动式Kelvin探头测量晶片表面上两个或更多个点处的实际接触电势差，然后将Kelvin探头值与晶片表面上相同点处的积分的非振动式接触电势差测量结果相比较来确定。

如果被测晶片在垂直于扫描探头运动方向上具有极微的表面电势变化，则对于整个晶片表面，积分的非振动式接触电势差数据可以近似为实际接触电势差值的线性函数。这些数据可以利用数学算法进行转化，以匹配多个振动式接触电势差测量结果。

在一种优选实施方式中，在晶片范围内的若干位置(最少两个位置)进行振动式测量。计算出将多个点处的振动式接触电势差测量结果最佳拟合晶片表面上相同点处的积分的非振动式数据的线性函数。然后该线性转换应用于全部的积分的非振动式测量结果。得到的积分的非振动式测量结果的线性缩放提供了晶片表面上每个位置处接触电势差的近似值。但是，得到的图像数据未包括有关垂直于非振动式探头运动方向的接触电势差变化的任何信息。得到的线性转换由缩放因子和偏移量构成。该偏移量表示整个晶片表面绝对接触电势差的均值。该缩放因子将积分的非振动式接触电势差传感器值转化成相对表面电势值。所述缩放因子表征了用于获取非振动式接触电势差数据的传感器和扫描参数。一旦对于特定的传感器和扫描方法确定了所述缩放因子，则该缩放因子可以适用于利用相同传感器和参数获取的后续积分的非振动式接触电势差数据，从而将积分数据转化成相对表面电势值。通过这种方法获得的缩放因子用于以下所述的方法中。

在本发明另一种优选实施方式中，利用非振动式接触电势差传感器扫描晶片，并且对产生的数据进行积分并乘以适当的缩放因子，从而将积分数据转化成相对表面电势值。所述缩放因子利用上述方法来确定。然后沿着垂直于非振动式传感器运动方向的直线获取多个振动式接触电势差测量结果。对应于每个振动式测量结果，通过偏移量改变相应点处的缩放并积分的非振动式接触电势差值，以使积分的非振动式测量结果匹配该点处的振动式接触电势差测量结果。然后相同的偏移量应用于相应的积分并缩放的非振动式数据的相应数据轨迹中的全部数据点。对于不具有相应振动式测量结果的轨迹而言，通过对最接近的包含振动式测量结果的轨迹上的计算出的偏移量进行内插和外推来计算出合适的偏移量。内插或外推利用多项式拟合、样条函数或者其他一些适当的传统数学方法来实现。在替代实施方式中，振动式测量结果可沿着多条垂直于扫描探头运动方向的直线获取。计算每个振动式测量点处的振动式和非振动式测量结果之间的偏移量。如果超过一个振动式测量结果与非振动式数据中的相同轨迹对应，则计算出在该轨迹上，对应于振动式测量的每个点处的偏移量，然后将所述偏移量统计组合，以计算用于整条轨迹的单一偏移量。例如，轨迹的偏移量可以计算为这些单个点偏移量的均值或中值。同前所述，对不具有相应振动式测量结果的轨迹，偏移量通过内插或外推相邻轨迹上算出的偏移量来确定。最后这两种实施方式都还可以用于在晶片上的不同位置获取多个振动式测量结果的情况，而所述不同位置并不是必须布置成直线。

在替代实施方式中，利用非振动式接触电势差传感器扫描晶片，以产生数据轨迹，并且对该第一组轨迹进行积分并乘以适当的缩放因子，从而将积分数据转化为相对表面电势值。缩放因子利用前述方法确定。非振动式接触电势差传感器还用于垂直于第一扫描操作期间的运动方向移动以获取一条或多条数据轨迹。对第二扫描轨迹或多条轨迹也进行积分并缩放，从而将积分数据转化成相对表面电势值。然后在每一个第二组轨迹上进行一次或多次振动式接触电势差测量。计算振动式电势差测量结果和第二组轨迹的对应点之间的偏移量，并且将得到的偏移量随后应用于第二组轨迹各自的所有点。作为该操作的结果，第二组轨迹表示沿着各自轨迹的实际接触电势差值。然后计算出第二组轨迹上的值与第一组轨迹上相应点之间的差值。所述差值用于计算第一组轨迹中每条轨迹的偏移量。计算得出的第一组轨迹各自的偏移量应用于该轨迹的所有点。在这种情况下，振动式接触电势差测量结果用于将第二组数据轨迹转换为绝对接触电势差值。所述绝对接触电势差值随后用于计算用于第一组轨迹的偏移量。在这种方法中，第一组中的大量轨迹利用对第二组中少量轨迹计算的接触电势差值来进行校准。第二组轨迹通过垂直于获取第一组轨迹所用扫描方向的方向移动非振动式传感器而获得。第二组轨迹利用一个或多个振动式接触电势差测量结果来进行校准。在一种实施方式中，第二组轨迹由利用单一振动式接触电势差测量结果校准的单一轨迹构成。

在另一种优选实施方式中，非振动式接触电势差传感器径向扫描以形成同心数据轨迹。通过对每条轨迹进行积分并乘以适当的缩放因子，将其轨迹转化为沿着各自轨迹的相对接触电势差值。然后沿着晶片半径进行离散点振动式测量。计算每个振动式测量结果和相应的积分且缩放的非振动式数据点之间的差值，并将该差值应用于包含该点的整个圆形轨迹。通过对最接近的对应于振动式测量结果的两条或更多条轨迹的偏移量进行内插或外推来计算与振动式测量结果不对应的轨迹的偏移量。这种方法为每条轨迹计算唯一的偏移量。所述偏移量提供有关径向接触电势差变化的信息，正如通过振动式接触电势差测量所确定。如果存在充电或者其他沿着半径变化的表面效应，则对不同的轨迹计算出的偏移量将不同。例如，由单次晶片清洁或等离子处理操作导致的介电充电通常呈现出径向表面电势图案。这种类型的充电将导致不同的轨迹半径存在不同的偏移量，并且可以在积分、缩放并转换得到的图像中检测和测量。

在另一种优选实施方式中，利用非振动式接触电势差传感器径向扫描晶片表面，并且将产生的数据积分并缩放，从而将其转化成相对表面电势值。随后在晶片表面上的若干不同位置进行振动式接触电势差传感器测量，其中在相同的半径上可以进行获取多个测量结果。如果在相同的轨迹上进行多次振动式接触电势差测量，则可以利用诸如均值或中值之类的统计方法根据所述多个偏移量计算出该轨迹的偏移量。同前所述，一旦计算出对应于振动式接触电势差测量结果的各自径向轨迹的单一偏移量值，则对得到的偏移量值进行内插或外推，以计算不包含振动式测量结果的轨迹的偏移量。将偏移量应用于积分并缩放的非振动式接触电势差传感器图像的每条轨迹，从而产生的图像表示被扫描表面上每个点的接触电势差并包括有关表面电势或接触电势差径向变化的信息。

本发明的上述和其他目的、优势和特征，连同本发明的组织和操作方式，在结合附图时根据以下详细描述将变得更加明显，其中在以下描述的若干附图中，同样的元件具有同样的附图标记。

附图说明

图1示出了晶片检查系统的示意图，该系统具有：用于固定并旋转晶片的系统；用于将传感器定位在晶片上方的系统；接触电势差传感器；用于垂直于晶片表面振动接触电势差传感器的系统；以及用于处理来自传感器的数据的元件；

图2示出了径向扫描系统的操作；

图3示出了利用非振动式接触电势差传感器径向扫描图2所示的晶片而产生的样本图像；

图4A示出了本发明一般方法的功能模块流程图；图4B示出了本发明的替代方法；以及图4C(i)和图4C(ii)示出了用于本发明方法的优选实施方式；

图5示出了通过用非振动式接触电势差传感器径向扫描晶片产生的图像，然后在该图像上选定的标记位置实施振动式Kelvin探头测量；

图6示出了图5中所示的相同晶片图像经过积分并对振动式Kelvin探头测量结果进行最小二乘方误差线性拟合计算后的图像，这样该图像示出为将积分扫描值转化成绝对接触电势差值的线性转换而计算出的斜率和偏移量值；

图7示出了第一晶片的非振动式接触电势差扫描图像，以及沿着晶片直径的数据点处标记的振动式Kelvin探头测量结果；

图8示出了图7所示图像经过积分和缩放后(不包括振动式探头测量结果)得到的图像，并且在该图像中可以看到表面电势或逸出功的极微的径向变化；

图9示出了图7所示图像根据振动式Kelvin探头测量结果偏移每条轨迹后的图像，这样根据在该轨迹或邻近轨迹上的振动式Kelvin探头测量计算出偏移量并将其应用到每条轨迹；

图10示出了沿着图8的晶片图像数据的一条半径获取的图像值的线性关系图；

图11示出了沿着图9所示晶片图像数据中的半径获取的图像值的线性关系图；

图12示出了积分并缩放后第二晶片(不包括振动式探头测量结果)的非振动式接触电势差扫描图像，并且在该图中可以看到表面电势或逸出功极微的径向变化；

图13示出了图12所示图像根据振动式Kelvin探头测量结果偏移每条轨迹后的图像，这样根据在所述轨迹或邻近轨迹上进行的振动式Kelvin探头测量计算出偏移量并将其应用于各自轨迹；

图14示出了沿着图12的半径获取的图像值的线性关系图；

图15示出了沿着图13的图像的半径获取的图像值的线性关系图；

图16示出了积分并缩放后的第三晶片的非振动式接触电势差扫描图像(不包括振动式探头测量结果)，并且在该图中可以看到表面电势或逸出功极微的径向变化；

图17示出了图16所示图像根据振动式Kelvin探头测量结果偏移每条轨迹后的图像，这样根据在所述轨迹或邻近轨迹上进行的振动式Kelvin探头测量计算出偏移量并将其应用到各自轨迹；

图18示出了沿着图16的图像数据的半径获取的图像值的线性关系图；

图19示出了沿着图17的半径获取的图像值的线性关系图，示出了显著的径向变化；

图20示出了第四样本晶片的非振动式接触电势差扫描图像，以及沿着晶片直径的数据点处标注的振动式Kelvin探头测量结果；

图21示出了图20所示图像经过积分并缩放后得到的图像(不包括振动式探头测量结果)，并且在该图中可以看到表面电势或逸出功的极微的径向变化；

图22示出了图20所示图像根据振动式Kelvin探头测量结果偏移每条轨迹后的图像，这样根据在所述轨迹或邻近轨迹上进行的振动式Kelvin探头测量计算出偏移量并将其应用到各自轨迹；

图23示出了沿着图21的图像数据的一条半径获取的图像值的线性关系图；以及

图24示出了沿着图22所示晶片图像数据的半径从图像值获取的图像值的线性关系图。

具体实施方式

根据一种优选实施方式，在图1中示出了径向扫描装置100。该装置100由下述部分构成：接触电势差传感器101；系统103，系统103用于机械固定晶片105并旋转晶片105从而在探头尖端102和晶片表面106之间产生相对运动，这样探头尖端102平行于晶片表面106移动；系统107，系统107用于将传感器101定位在晶片表面106上方的固定距离处；系统104，系统104用于垂直于晶片表面振动探头尖端；以及，系统110，系统110用于获取并处理来自传感器101的输出信号，以识别晶片105的不均匀性并对其分类。在该优选实施方式中，接触电势差传感器101可以作为非振动式接触电势差传感器来操作，以扫描晶片表面106并产生晶片表面106范围内有关接触电势差变化的数据；或者作为振动式接触电势差传感器来操作，以产生传感器探头尖端102和晶片106表面上一个或多个点之间绝对接触电势差的测量结果。在替代实施方式中，两个或更多个不同的传感器可以用于非振动式和振动式测量。

在一种优选实施方式中，半导体晶片105放置在导电晶片固定件103上。这一操作可以手工完成或者采用自动处理诸如但不限于晶片搬运机器人来完成。晶片105保持就位，例如通过采用真空。保持晶片105的替代方法包括但不限于：静电引力和边缘夹持。在一种实施方式中，固定件103安装到心轴上，可以围绕其中心旋转晶片105。非振动式接触电势差传感器101连接到定位系统107，定位系统107可以调节传感器101在晶片表面106上方的高度并且可以至少从晶片105的中心向晶片105的一个边缘径向移动传感器101。接触电势差传感器101经由导电的晶片固定件103电连接到晶片表面106。在一种实施方式中，经校准到接触电势差传感器探头尖端102高度的高度传感器109和接触电势差传感器101一样也安装到相同的定位系统107上。

用于垂直于晶片表面106振动接触电势差传感器101的系统104连接到接触电势差传感器101上。系统104用于对探头尖端102和晶片表面106之间的接触电势差进行振动式Kelvin探头测量。

在晶片105固定到固定件103之后，高度传感器111定位在晶片表面106上的一个或多个点上方，并且在认为适当的时候测量晶片表面106的高度。这些晶片高度测量结果用于计算接触电势差传感器101的位置，该位置使探头尖端102和晶片表面106之间产生期望的距离。这种信息用于将探头尖端102定位在晶片表面上方的固定高度处。探头尖端102随后利用定位系统107移动到晶片105外侧边缘上方一点处的期望高度。

如图1所示，探头101保持静止而旋转晶片固定件103上的晶片105，这样探头尖端102相对于晶片105沿着定心在晶片105中心处的圆形路径移动。在晶片105的单次旋转过程中获取数据。在这种情况下，探头101运行在非振动式接触电势差感知模式，并且产生表示晶片105表面范围内接触电势差变化的数据。传感器101随后沿着晶片150的半径向着晶片中心移动程序可控的距离。在新的半径处，获得另外的旋转数据。探头尖端102继续步进并扫描晶片105的同心圆区域，直到探头到达晶片105的中心。然后，产生的数据组合成晶片150的图像，例如，如图3所示。可替代地，晶片105的每个同心圆区域可以被多次扫描并且将产生的数据平均以减少随机噪声的影响。在一种实施方式中，这种图像经过处理来识别非均匀性并对非均匀性分类，这种处理可以采取多种形式。

对差分传感器数据进行积分，以产生表示具有不同表面电势值的区域的图像。通过计算差分数据在每条轨迹中的数值的顺序和来进行积分。积分的轨迹数据然后乘以缩放因子，从而将积分数据转化成近似的相对接触电势值。对于具体的扫描方法，通过将多个振动式Kelvin探头测量结果与晶片表面上相同点处的积分非振动式接触电势差数据值之间进行最小二乘方线性拟合，计算所述缩放因子。一旦为特定扫描传感器和方法计算出缩放因子，则该缩放因子可以应用到后续晶片上获取的积分非振动式接触电势差数据，从而将数据转化为相对表面电势值。存在计算和应用缩放因子的其他方法。例如，可以先利用测试或校准晶片计算缩放因子，然后将其应用于全部后续晶片，或者可以在检查每个晶片的过程中，利用晶片表面上的积分的非振动式接触电势差数据和某组振动式Kelvin探头测量结果来计算缩放因子。

在流程图4A-4C所示的优选实施方式中，在距离晶片中心的不同半径处进行多个振动式Kelvin探头测量。对于每个振动式Kelvin探头测量，计算振动式Kelvin探头值与同一点的积分并缩放的非振动式接触电势差数据值之间的差值。然后，该差值或偏移量增加到该积分并缩放的数据的具体圆形轨迹中的每一点。如果超过一个振动式Kelvin探头点位于相同的轨迹上，则用处于该具体轨迹上的全部振动式Kelvin探头测量的全部偏移量的均值或中值计算该轨迹的偏移量。如果轨迹不包含任何振动式Kelvin探头测量结果，则通过对该轨迹两侧的两条或更多条最接近轨迹的偏移量值进行内插来计算用于该轨迹的偏移量。如果所述轨迹并不处于两条具有振动式Kelvin探头测量结果的轨迹之间，则通过对具有振动式Kelvin探头测量结果的两条或多条最接近轨迹的偏移量进行外推来计算用于所述轨迹的偏移量。利用这种方法，计算得到偏移量并将偏移量应用于积分并缩放的数据的各自圆形轨迹。产生的图像表示整个被扫描表面的接触电势差值。因为从不同半径的振动式Kelvin探头测量结果计算得到的偏移量使得轨迹偏移量产生了径向差值，所以该图像包括接触电势差的径向变化。

图2示出了本发明一种优选实施方式的径向扫描方法的示意图。接触电势差传感器探头尖端102定位在接近晶片105边缘的“A”点。晶片105在晶片固定件103上旋转，并且扫描圆形数据轨迹。探头尖端102向着晶片105中心移动程序可控的距离到达“B”点，并且扫描第二圆形数据轨迹。重复该过程直到探头尖端102到达晶片105的中心。产生的数据组合成表示晶片表面106范围内接触电势差变化的图像。在这种情况下，传感器作为非振动式接触电势差传感器操作。利用这种扫描方法获取的样本晶片图像在图3中示出(该样本以及其他样本是市场上常见的商业级硅单晶片)。亮部和暗部区域表示接触电势差因为晶片表面上的材料变化而增大和减小。

差分非振动式接触电势差传感器信号可以被积分并缩放，以形成表示相对表面电势的信号。图5和6示出了将积分扫描数据转化为相对表面电势值的适当缩放因子的计算过程。图5示出了采用非振动式接触电势差传感器扫描晶片而产生的差分数据。图5还示出了振动式接触电势差测量的位置和数值。这些振动式接触电势差测量结果为毫伏级。图6示出了对图5中的图像积分而得到的图像。该图像示出了相对表面电势的区域。图6还示出了在振动式接触电势差值和相同点处积分非振动式接触电势差数据之间计算最小二乘拟合的结果。计算出可以应用于后续图像的缩放因子。该缩放因子显示为8.997816e-2的斜率，或者近似0.09。该图像还示出了积分的非振动式接触电势差测量结果与振动式接触电势差测量结果之间的相关系数。在本例中，相关系数为0.984，表示两组数据之间拟合良好。

图7示出了第一晶片105的差分非振动式接触电势差图像以及径向振动式接触电势差测量的位置和结果。图7至19的晶片样本首先通过在表面上形成大约1000埃厚的热氧化物涂层来制备。然后在晶片旋转的同时将去离子水施加到该晶片中心而清洁和漂洗该晶片。该特定晶片利用第一传统系统工具和第一类型的去离子水导电性，以及给定的旋转速度和倾斜地上升/下降速率进行处理。图8示出了图7中的图像经积分和缩放之后的图像。图8示出了表示相对接触电势差值的数据，但是并不包括有关接触电势差径向变化的任何信息。图9示出了与图8相同的晶片经过计算各自轨迹的偏移量并应用于积分并缩放的非振动式接触电势差数据以使图像数据近似匹配相同点处的振动式接触电势差数据后的图像。一旦这些步骤完成，则可以在晶片105的任何半径上实施测量，以确定可以绘制关系图和/或分析的可靠的接触电势差值。这些积分、缩放和偏移数据显示出接触电势差的显著径向变化，该变化在图7和8中所示差分或积分图像中并不明显。

图10示出了沿着图8所示图像的一个半径的图像值关系图。在该关系图上不存在明显的径向变化。图11示出了沿着图9所示的图像的相同半径的图像值关系图。在这种情况下，在所述信号中显示出明显的径向变化。利用本发明提供的晶片图像表示在探头尖端和晶片表面全部点之间的接触电势差，并包括有关接触电势差径向变化的信息，该信息无法单独地从非振动式数据获取。

图12是经过采用非振动式接触电势差探头径向扫描的第二晶片105的积分图像的另一个示例。除了所用的传统工具是不同的工具和在不同的水条件(主要是导电性不同)和工具旋转条件下之外，该晶片与图7中的晶片一样经受过相同的一般性处理。图13示出了使用上文所述积分、缩放操作以及振动式探头测量之后从图12的晶片获得的样本图像。同样，与对第一晶片105所作的处理一样，可以进行详细测量和分析，以确定沿着第二晶片105任意半径的接触电势差值。

图14示出了沿着图12的示例半径的图像值线性关系图，显示了极微的径向变化。在晶片边缘附近显示出少量径向变化，但是这是积分过程以及晶片边缘附近信号值较大所造成的假象，并未准确地表示表面电势的径向变化。图15示出了类似图14的线性关系图，但针对的是沿着图13中的一条半径的图像值，并且显示出显著且正确的径向变化。

图16是经过采用非振动式接触电势差探头径向扫描的第三晶片105的积分图像的第三示例。同样，使用了不同标准的工具、不同的水条件和不同的旋转条件来处理该晶片。图17示出了利用上文所述的积分、缩放操作以及振动式探头测量之后从图16的晶片获得的样本图像。

图18示出了沿着图16中的示例半径的图像值的线性关系图，显示出极微的径向变化，除了不同的边缘部分之外。图19示出了沿着图17的半径的图像值的类似线性关系图，显示出显著的径向变化。

图20示出了第四样本晶片105的差分非振动式接触电势差图像以及径向振动式接触电势差测量的位置和结果(注意穿过第四晶片105直径标记的数据值)。图21示出了表示相对接触电势差值的数据，但是并不包括有关接触电势差径向变化的任何信息。图22示出了与图21相同的晶片图像经过计算各自轨迹的偏移量并应用于积分并缩放的非振动式接触电势差数据以使图像数据近似地匹配相同点的振动式接触电势差数据后的图像。积分、缩放并偏移的数据显示出接触电势差的显著径向变化，该变化在图20和21所示的差分或积分图像中并不明显。同样，在这些步骤实施完成之后，可以沿着第四晶片105的任意半径识别、绘图和/或分析接触电势差值。应该注意，图20-24的晶片经受过与图7-19中的其他晶片不同的清洁过程。不同于利用去离子水单次清洗和漂洗晶片，所述晶片利用传统且熟知的等离子处理方法进行清洗。

图23示出了沿着图21的示例半径的图像值的线性关系图，显示出极微的径向变化，除了作为该方法的正常假象的不同边缘部分之外。图24示出了沿着图22的半径的图像值的类似线性关系图，显示出显著的径向变化。

本发明的方法清楚地举例说明了以表面上“相同”方法“清洁”或以其他方式处理半导体晶片的前提下，能够出现的显著效果。这些利用去离子水清洁和漂洗的基本方法可以利用许多不同的传统清洁工具来实施，包括：向晶片中心施加去离子水的方法；提高支撑晶片的工具的旋转速度从而将水分布在晶片上，由此清洁晶片，然后降低支撑工具的旋转速度。本发明的检查和分析方法能够针对得到的“清洁”晶片的品质确定宽范围的特征差异，这样可以确定多种不同预期和非预期的清洁参数品质状态。例如，给定特定清洁工具和/或去离子水类型(导电性等)，则可以预先选定处理条件，以实现期望的清洁晶片表面。此外，可以优化、改变或预先选定支撑工具本身的操作条件，以实现期望的晶片品质结果。因此，本发明方法的灵敏性能够非常具体地表征晶片表面，并提供非常有效的途径来进一步处理以生产期望的成品晶片，由此保证了期望的和/或最高的品质，以及产能的提高。这种方法还允许表征任何类型的化学或物理处理，以允许积累相关数据，所述相关数据可以用来为材料(例如半导体晶片)可靠地生产预定的表面品质。

存在许多替代的机械配置和扫描操作能实现与上述实施方式相同的效果。例如，接触电势差传感器101、高度传感器109和用于振动式传感器104的系统可以全部安装在固定位置，而晶片105可以在这些静止元件下方移动和旋转。不同于从一个半径步进到下一个半径，在晶片105旋转的同时接触电势差传感器101可以沿着晶片105半径连续移动，从而产生在晶片105的整个表面范围内螺旋的连续数据流。此外，不同于上述的径向扫描操作，非振动式接触电势差传感器101可以在晶片105范围内以往复方式线性移动，以扫描整个晶片表面106，或者晶片105可以放置在旋转固定件上，旋转中心并不是晶片105的中心。此外，多个非振动式和振动式接触电势差传感器可以用来同时获取多个测量结果，以减少测量晶片所需的时间。此外，所述各种方法的某些步骤可以像本领域技术人员所理解的那样进行互换。例如，全部的扫描和振动式CPD数据可以在任何后续数据处理(例如积分和缩放)之前收集起来。而且，可以在每次振动式CPD测量之前测量晶片表面高度。

本发明提供一种改进的检查系统，该系统使用振动式和非振动式接触电势差传感器来检测表面和亚表面的非均匀性，包括介电充电特性；以及一种用于处理来自所述传感器的数据的系统，以精确量化并显示晶片上全部点的接触电势差。本发明并不限于检查半导体或半导体晶片，而是可以用在广泛的表面上。

为了例证和描述的目的，已经清楚地陈述了本发明实施方式的前述描述。其并非意在穷尽或限制本发明到所公开的精确形式，而是可以根据上述教导进行改动和变化或者可以从实践本发明的过程中得出改动和变化。选择并描述的实施方式是为了解释本发明的原理及其实际应用，以使本领域技术人员利用本发明的各种实施方式和各种改动，以适合所期望的具体用途。

Claims (20)

1.一种确定传感器和材料表面接触电势差以表征所述表面的性能的方法，包括

步骤：

提供材料表面；

提供具有传感器探头尖端的非振动式接触电势差传感器；

非振动式接触电势差传感器相对于所述材料表面并且在所述材料表面上方并平行所述材料表面扫描；

所述非振动式接触电势差传感器探头尖端在所述材料表面上方平行所述材料表面连续扫描，从所述非振动式接触电势差传感器产生表示所述传感器探头尖端和材料表面之间接触电势差变化的多个传感器数据；

对所述多个传感器数据进行积分，以提供相对接触电势差值；

利用振动式接触电势差传感器沿着与所述非振动式接触电势差传感器扫描方向垂直的至少一条线获得所述材料表面绝对接触电势差数据的多个数值；以及

利用所述绝对接触电势差数据来计算偏移量，所述偏移量增加到所述相对接触电势差值中，以产生表示所述传感器探头尖端和所述材料表面上的所有点之间的接触电势差的特征数据，由此来表征所述材料表面的性能。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述对多个传感器数据进行积分的步骤还包括：将所述多个传感器数据乘以缩放因子，从而将所述多个传感器数据转化为相对接触电势差值。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述在材料表面上方并平行所述材料表面连续地扫描运动通过旋转所述材料而产生。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述多个传感器数据产生的步骤通过产生同心圆轨迹数据和一组直线扫描轨迹数据中的一种形式提供。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述非振动式接触电势差传感器在所述材料表面连续扫描为径向扫描从而在距离晶片中心不同的半径处获取一系列同心圆轨迹，所述材料表面绝对接触电势差数据的多个数值的获得的步骤包括利用振动式接触电势差传感器沿着所述非振动式接触电势差传感器扫描方向的一条垂直线或沿着所述非振动式接触电势差传感器扫描方向的多条垂直线测量绝对接触电势差数据从而获得所述材料表面不同同心圆轨迹上绝对接触电势差数据的多个数值。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：分析所述特征数据，以确定垂直于扫描过程中所述传感器探头尖端行进方向的表面接触电势差的变化。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：让所述材料表面接受多

种不同的处理，并且表征所述材料表面，以积累与每种不同处理关联的相关数据，从而能够为所述材料产生预定的表面品质。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述相关数据进一步用于可靠地生产具有预定表面品质的材料。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述不同的处理选自：清洁过程、化学处理过程和物理处理过程。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述清洁过程选自：采用去离子清洗进行清洁和采用等离子处理步骤进行清洁。

11.一种确定材料(105)表面接触电势差以表征所述表面的性能的方法，具有步骤：提供具有表面的材料(105)；提供具有传感器探头尖端(102)的非振动式接触电势差传感器(101)，其中所述非振动式接触电势差传感器(101)提供接触电势差值；所述方法的特征在于下述步骤：所述非振动式接触电势差传感器(101)相对于所述材料(105)表面并且在所述材料(105)表面上方平行所述材料表面扫描；随着所述传感器探头尖端(102)在所述材料(105)表面上方且平行于所述材料(105)表面扫描而产生表示所述非振动式接触电势差传感器探头尖端(102)和所述材料(105)表面之间接触电势差值变化的多个传感器数据；对所述多个传感器数据进行积分以提供相对接触电势差值；采用振动式接触电势差传感器(101)沿着垂直于所述传感器探头尖端(102)扫描方向的至少一条线对所述表面进行多次振动式绝对接触电势差测量；并利用所述绝对接触电势差数据来计算偏移量，所述偏移量增加到所述相对接触电势差值中以产生表示所述传感器探头尖端(102)和所述材料(105)表面上全部点之间接触电势差的特征数据，由此表征所述材料(105)表面的性能。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括，处理多个传感器数据的步骤，其中所述步骤包括将所述积分数据乘以缩放因子，从而将所述多个传感器数据转化为所述相对接触电势差值。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述扫描运动通过旋转所述材料(105)而产生。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个传感器数据以同心圆轨迹数据、螺旋轨迹数据和一组直线扫描轨迹数据中的一种形式提供。

15.如权利要求11所述的方法，其中，所述非振动式接触电势差传感器在所述材料表面连续扫描为径向扫描从而在距离晶片中心不同的半径处获取一系列同心圆轨迹，进行所述材料表面振动式接触电势差测量的步骤包括利用振动式接触电势差传感器沿着所述非振动式接触电势差传感器扫描方向的一条垂直线或沿着所述非振动式接触电势差传感器扫描方向的多条垂直线测量绝对接触电势差数据从而获得所述材料表面不同同心圆轨迹上绝对接触电势差数据的多个数值。

16.如权利要求11所述的方法，进一步包括步骤：分析所述特征数据，以确定垂直于扫描过程中所述探头尖端(102)行进方向的表面接触电势差的变化。

17.如权利要求11所述的方法，进一步包括步骤：表征用于任何种类的化学或物理处理所述材料(105)表面以积累与所述处理关联的相关数据，从而能够为所述材料(105)产生预定的表面品质。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述相关数据进一步用于可靠地生产具有预定表面品质的材料。

19.如权利要求11所述的方法，其中，包括检测和测量所述材料(105)表面上的充电和该表面上充电的径向变化。

20.一种用于确定材料表面的接触电势差以表征该材料表面的性能的系统，该系统包括：

具有传感器探头尖端的非振动式接触电势差传感器；

在所述材料表面上方并平行所述材料表面连续扫描的扫描设备，其中所述非振动式接触电势差传感器相对于所述材料表面并在所述材料表面上方平行所述材料表面连续扫描，从而随着所述非振动式传感器探头尖端相对于所述材料表面并且在该材料表面上方平行所述材料表面连续扫描而产生表示所述非振动式传感器探头尖端与所述材料表面之间接触电势差变化的多个传感器数据；

用于处理所述多个传感器数据以提供相对接触电势差值的元件；

振动式接触电势差传感器，该振动式接触电势差传感器沿着与所述非振动式接触电势差传感器扫描方向垂直的至少一条线对所述表面进行多次振动式绝对接触电势差测量以提供绝对接触电势差数据来计算偏移量，该偏移量增加到所述相对接触电势差值以产生表示所述非振动式传感器探头尖端与所述材料表面上全部点之间接触电势差的特征数据，由此表征所述材料表面的性能。

Images