[發明專利]用于光學測量儀器的溫度控制方法和設備及光學測量儀器

有效

• 申請號: 201210086844.3
• 申請日: 2012-03-28
• 公開（公告）號: CN103364077A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 王英;畢昕;周善淮
• 申請（專利權）人: 睿勵科學儀器（上海）有限公司
• 主分類號: G01J1/02
• 分類號: G01J1/02
• 代理公司: 北京市金杜律師事務所 11256
• 代理人: 鄭立柱

技術領域

本發明涉及用于光學測量領域的溫度控制，特別是用于光學薄膜測量的溫度控制。?

背景技術

隨著半導體微細化制程技術的日新月異，結構尺寸從微米推向深亞微米，進而邁入納米時代。據悉，臺積電與ARM合作的28納米新制程將于2011年底前量產。為了滿足微細化制程所需，其關鍵技術如：光刻技術，薄膜技術等都遭遇了巨大的挑戰。而先進的測量技術則是更好的制程工藝控制和更高的成品率的保證。?

薄膜測量是半導體產業中檢驗產品質量的最重要手段之一，其測量精度和長期穩定性是最重要的評判依據。目前芯片薄膜測量設備多是基于光學理論的非破壞式測量，那么光路的穩定性，特別是聚焦透鏡的穩定性將嚴重影響系統的測量精度。經過分析及實驗表明，溫度是影響光路穩定的重要因素之一。因此，如何保證測量設備溫度穩定是取得高精度和長期穩定的測量結果的關鍵。?

在光學測量儀器中，含有這幾個光學主要部件：光源模塊，產生單波長或多波長的測量光；入射模塊，例如偏振片等，對測量光進行入射處理；鏡頭組模塊，對入射處理后的測量光進行匯聚等處理后照射到待測器件，例如晶圓上，并對待測器件出射，例如反射、透射等的出射光進行平行化等處理；出射模塊，例如檢偏器，對鏡頭組模塊處理后的出射光進行出射處理。之后，光學信號將被采集、轉換為電子信號，并由計算機處理。在某些實施方式中，鏡頭組模塊會被按照入射前和出射后所涉及的鏡片被分別劃分到入射模塊和出射模塊中。由于光源是光學測量儀器中的主要，甚至唯一產生熱量的熱源，所有現有技術中一般對光源進行冷卻處理，采用水冷或風冷等方式帶走光源?產生的熱量，避免該熱量引起入射模塊、鏡頭組模塊和出射模塊的變形，使光路在一定程度上保持穩定。?

發明內容

現有技術僅對光源進行冷卻處理。但是，即使光源本身的溫度可以控制的很好，但光源產生的熱量也不可能完全被消除。那么這些剩余熱量將通過各種熱傳遞方式對系統內環境以及其余部件進行傳熱。當支撐光學鏡頭的機械件受熱時會產生機械形變，進而影響光學鏡頭的穩定性。另外，測量區域，即鏡頭組模塊至待測器件之間的光路空間也十分容易受溫度影響，光源的熱量可能造成該空間的溫度波動大，影響光路的穩定性。因此，要獲得高精度和長期穩定的測量結果，已有的僅對光源進行冷卻的方法顯然不能滿足要求。?

本發明的發明構思是：提供一種對薄膜厚度光學測量儀器內部關鍵子部件分散熱控制和散熱，再集中溫度控制的方法。本發明主要針對影響測量穩定性的三大關鍵部件：光源，光機(即入射模塊、出射模塊和鏡頭組模塊)和測量區域(光路空間)空氣進行溫度控制。光源是系統內熱的主要來源，首先應該對其進行散熱控制。通過設計水管包絡光源，并采用冷水機(chiller)對其循環供水和水溫控制，使光源溫度穩定。同時，為了防止未帶走的熱量影響周圍的空氣和其它部件，在光源外部做了一層絕熱層，這將最大限度的減少光源對周邊環境的熱影響。?

即入射模塊、出射模塊和鏡頭組模塊雖不是熱源，但溫度的波動將引起機械變形，從而影響光路穩定。因此，對它們均分別做了隔熱處理或冷卻處理等溫度控制。?

對測量區域的光源以及光機進行分散溫控和隔熱處理后，再對整個測量區域空氣進行溫度控制。膜厚測量儀器外部的空氣經過溫控箱內的電加熱器時升溫，再由風機抽送至儀器左側的出風口，最后水平吹向整個測量區域(光路空間)。在出風口處安裝有散流板和高效過濾器，以保證吹向測量區域的風干凈而且均勻。加熱器的通斷由高精度溫度控制器進行控制。在測量區域安裝有溫度探測器。溫度控制器的設定溫度只需比設備所處環境溫度高2℃即可。根據設定溫度及測量區域的溫度反饋信號，溫度控制器就可以很容易的實現對測量區域的空氣溫度進行控制。?

由于采用了上述技術方案，與現有技術相比，本發明具有以下優點：?

1、溫控全面。本發明全面考慮了溫度對膜厚測量結果的影響，對測量儀器內部多個關鍵部位進行溫控，以全面消除溫度的影響。?

2、容易實現高精度溫度控制。主要熱源-光源和關鍵部件做了溫控和隔熱措施后，只要對吹向整個測量區域的風加以反饋控制，就可以很容易實現測量區域的溫度穩定，進而獲得精度更高，穩定性更好的膜厚測量結果。?

3、節約能源。對測量區域的風加以回收，循環再利用，一部分重新回到溫控箱，另一部分對系統電控柜進行散熱，從而大大節約能源。?

4、易于推廣應用。本發明提出的溫控方案，不僅僅適用于薄膜厚度測量儀器，對于任何光學測量儀器，都具有一定的參考實用價值。?