[发明专利]用于光学测量仪器的温度控制方法和设备及光学测量仪器

说明书

技术领域

本发明涉及用于光学测量领域的温度控制，特别是用于光学薄膜测量的温度控制。 

背景技术

随着半导体微细化制程技术的日新月异，结构尺寸从微米推向深亚微米，进而迈入纳米时代。据悉，台积电与ARM合作的28纳米新制程将于2011年底前量产。为了满足微细化制程所需，其关键技术如：光刻技术，薄膜技术等都遭遇了巨大的挑战。而先进的测量技术则是更好的制程工艺控制和更高的成品率的保证。 

薄膜测量是半导体产业中检验产品质量的最重要手段之一，其测量精度和长期稳定性是最重要的评判依据。目前芯片薄膜测量设备多是基于光学理论的非破坏式测量，那么光路的稳定性，特别是聚焦透镜的稳定性将严重影响系统的测量精度。经过分析及实验表明，温度是影响光路稳定的重要因素之一。因此，如何保证测量设备温度稳定是取得高精度和长期稳定的测量结果的关键。 

在光学测量仪器中，含有这几个光学主要部件：光源模块，产生单波长或多波长的测量光；入射模块，例如偏振片等，对测量光进行入射处理；镜头组模块，对入射处理后的测量光进行汇聚等处理后照射到待测器件，例如晶圆上，并对待测器件出射，例如反射、透射等的出射光进行平行化等处理；出射模块，例如检偏器，对镜头组模块处理后的出射光进行出射处理。之后，光学信号将被采集、转换为电子信号，并由计算机处理。在某些实施方式中，镜头组模块会被按照入射前和出射后所涉及的镜片被分别划分到入射模块和出射模块中。由于光源是光学测量仪器中的主要，甚至唯一产生热量的热源，所有现有技术中一般对光源进行冷却处理，采用水冷或风冷等方式带走光源 产生的热量，避免该热量引起入射模块、镜头组模块和出射模块的变形，使光路在一定程度上保持稳定。 

发明内容

现有技术仅对光源进行冷却处理。但是，即使光源本身的温度可以控制的很好，但光源产生的热量也不可能完全被消除。那么这些剩余热量将通过各种热传递方式对系统内环境以及其余部件进行传热。当支撑光学镜头的机械件受热时会产生机械形变，进而影响光学镜头的稳定性。另外，测量区域，即镜头组模块至待测器件之间的光路空间也十分容易受温度影响，光源的热量可能造成该空间的温度波动大，影响光路的稳定性。因此，要获得高精度和长期稳定的测量结果，已有的仅对光源进行冷却的方法显然不能满足要求。 

本发明的发明构思是：提供一种对薄膜厚度光学测量仪器内部关键子部件分散热控制和散热，再集中温度控制的方法。本发明主要针对影响测量稳定性的三大关键部件：光源，光机(即入射模块、出射模块和镜头组模块)和测量区域(光路空间)空气进行温度控制。光源是系统内热的主要来源，首先应该对其进行散热控制。通过设计水管包络光源，并采用冷水机(chiller)对其循环供水和水温控制，使光源温度稳定。同时，为了防止未带走的热量影响周围的空气和其它部件，在光源外部做了一层绝热层，这将最大限度的减少光源对周边环境的热影响。 

即入射模块、出射模块和镜头组模块虽不是热源，但温度的波动将引起机械变形，从而影响光路稳定。因此，对它们均分别做了隔热处理或冷却处理等温度控制。 

对测量区域的光源以及光机进行分散温控和隔热处理后，再对整个测量区域空气进行温度控制。膜厚测量仪器外部的空气经过温控箱内的电加热器时升温，再由风机抽送至仪器左侧的出风口，最后水平吹向整个测量区域(光路空间)。在出风口处安装有散流板和高效过滤器，以保证吹向测量区域的风干净而且均匀。加热器的通断由高精度温度控制器进行控制。在测量区域安装有温度探测器。温度控制器的设定温度只需比设备所处环境温度高2℃即可。根据设定温度及测量区域的温度反馈信号，温度控制器就可以很容易的实现对测量区域的空气温度进行控制。 

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

1、温控全面。本发明全面考虑了温度对膜厚测量结果的影响，对测量仪器内部多个关键部位进行温控，以全面消除温度的影响。 

2、容易实现高精度温度控制。主要热源-光源和关键部件做了温控和隔热措施后，只要对吹向整个测量区域的风加以反馈控制，就可以很容易实现测量区域的温度稳定，进而获得精度更高，稳定性更好的膜厚测量结果。 

3、节约能源。对测量区域的风加以回收，循环再利用，一部分重新回到温控箱，另一部分对系统电控柜进行散热，从而大大节约能源。 

4、易于推广应用。本发明提出的温控方案，不仅仅适用于薄膜厚度测量仪器，对于任何光学测量仪器，都具有一定的参考实用价值。