CN101355046A - 一种多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置 - Google Patents

Abstract

一种多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。该装置包括加热炉、光学系统以及数据处理及显示系统，加热炉包括保温壁、加热棒、通光窗口、热电偶、试件托盘、控温面板、光学系统包括激光器、扩束装置、反光镜、光栅、透镜、过滤屏、CCD相机、压电制动器。该装置通过将传统的加热炉进行改造，将加热设备与光学设备结合起来共同实现高温下多层薄膜基体结构的应力测量。本发明结构紧凑，可实现对多层薄膜基体结构在加热过程中的力学性能变化的在线、实时监测。

Description

一种多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置

技术领域

本发明涉及一种针对于高温下多层薄膜基体结构的力学行为的测量装置，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。

背景技术

绝大部分的半导体器件和集成电路都是用半导体硅材料制作的。硅通过拉晶、切片、抛光、清洗等工艺制作成晶圆片，而各种芯片和微电子器件都是基于硅晶圆片蚀刻及在其之上沉积多层膜制造而成。因此这种硅晶圆级的薄膜材料和薄膜/基体结构的性质决定了微电子与半导体产品的可用性与可靠性等诸方面性能，同时也是集成电路微型化、大规模制备的必要条件。基于这种晶圆级的检测方法与可靠性分析必然对微电子与半导体工业的产业发展和科学研究具有重要的意义及应用价值。

对于微电子与半导体工业中的多层薄膜结构，每层薄膜都具有不同的力学、物理和热传导性质。通常情况下，多层薄膜结构在失配应变和热循环载荷作用下，薄膜材料中将存在很高的应力，这些应力不仅可能导致薄膜破坏，而且还可能引发空穴，导致电迁移，从而使薄膜的电学和磁学性能受到很大的影响，降低整体结构的性能。半导体晶圆制造过程中薄膜的应力是如此的重要，以至薄膜的力学性能将会对晶圆上的薄膜材料/结构的物理性能、使用寿命及可靠性等产生显著的影响。因此，非常有必要对其进行深入的研究。这一方面可通过建立准确预测薄膜材料/结构性质的理论，来研究薄膜中的应力对各方面的影响；另一方面，迫切需要一套经济、实用、精确的检测方法，以实现全场、实时、在线地对晶圆级的检测，获取所需的重要信息，并与理论相结合实现其准确的可靠性评估。

目前用于测量薄膜应力的实验方法主要是通过测量薄膜基体结构曲率来获得薄膜应力，这种间接测量方法都是基于(1)式所示的Stoney公式(Stoney，G.G.The Tension of MetallicFilms Deposited by Electrolysis.Proceedings of the Royal Society，A82(1909)：172-175)，

${\mathrm{\σ}}^{\left(f\right)}=\frac{E_s{h}_s^2\mathrm{\κ}}{6h_f(1-v_s)}---\left(1\right)$

(1)式中σ^(f)是薄膜应力，E_s，v_s分别是基体的弹性模量与泊松比，h_f，h_s分别是薄膜厚度和基体厚度，κ是通过实验测量得到的薄膜基体结构曲率。

发明内容

本发明提供一种多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置，该装置可实现高温下的多层薄膜基体结构应力的在线、实时、全场测量。

本发明的技术方案如下：

一种多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置，其特征在于：该在线测量装置包括带有信号采集转换器8的加热炉1、光学系统以及数据处理及显示系统18；

所述的加热炉1内设置试件托盘6，在加热炉的左右两侧对称布置第一通光窗口4a和第二通光窗口4b；

本发明所述的光学系统包括激光器9、扩束装置10、第一反光镜11a、第二反光镜11b、第一光栅12a、第二光栅12b、透镜13、过滤屏14、CCD相机15以及用于调节第一光栅12a和第二光栅12b之间距离的压电制动器16；所述的激光器9发出的激光经过扩束装置10后照射到第一反光镜11a，由第一反光镜11a反射并通过第一通光窗口4a到达试件托盘6上的试件，经试件反射的光束通过第二通光窗口4b到达第二反光镜11b，由第二反光镜11b反射的光束依次经过所述的第一光栅12a、第二光栅12b、透镜13、过滤屏14和CCD相机15；

本发明所述的数据处理及显示系统18通过数据线分别与信号采集转换器8和CCD相机15相连。

本发明所述的激光器9、扩束装置10和第一反光镜11a安置在第一支架17a上，所述的第二反光镜11b、透镜13、过滤屏14和CCD相机15安置在第二支架17b上；第一光栅12a与第二光栅12b通过压电制动器16与第二支架17b相连。

本发明所述的试件托盘6采用升降结构。

本发明所述的第一反光镜11a的两端通过转动副安置在第一支架17a上，所述的第二反光镜11b的两端通过转动副安置在第二支架17b上。

本发明所述的第一光栅12a和第二光栅12b通过旋转结构在该光栅所在的平面内绕第二反射镜11b反射的光束旋转。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：将传统的加热炉进行改造，在保温壁的两侧设置通光窗口，将加热装置与光学设备结合起来实现薄膜基体结构高温力学行为的在线测量，加热设备可将试件加热到1200℃；利用两片光栅对从薄膜表面反射的光束进行剪切干涉，干涉后的光束通过透镜成像得到干涉条纹，分析条纹的疏密及条纹级数沿着固定方向的变化率就可获得薄膜基体结构的全场非均匀曲率，继而得到薄膜全场非均匀应力；由于可进行曲率的实时测量，通过改变加热温度可实现对多层薄膜基体结构在加热过程中的实时监测；该装置可实现多层薄膜基体结构曲率的全场、在线、实时、非接触以及非介入的测量，同时可避免振动对曲率测量的影响。

附图说明

图1是本发明多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置示意图。

图中：1-加热炉；2-保温壁；3-加热棒；4a-第一通光窗口；4b-第二通光窗口；5-热电偶；6-试件托盘；7-控温面板；8-信号采集转换器；9-激光器；10-扩束装置；11a-第一反光镜；11b-第二反光镜；12a-第一光栅；12b-第二光栅；13-透镜；14-过滤屏；15-CCD相机；16-压电制动器；17a-第一支架；17b-第二支架；18-数据处理及显示系统。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构和实施方式，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明提供的多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置的结构示意图，该装置包括带有信号采集转换器8的加热炉1、光学系统以及数据处理及显示系统18；加热炉1包括保温壁2、加热棒3、热电偶5和控温面板7，所述的加热棒3分别布置在加热炉内的顶部和底部，在所述的加热炉1内设置试件托盘6，在加热炉的左右两侧对称布置第一通光窗口4a和第二通光窗口4b，热电偶5布置在试件托盘的中心底部，控温面板7布置在加热炉外部下方；光学系统包括激光器9、扩束装置10、第一反光镜11a、第二反光镜11b、第一光栅12a、第二光栅12b、透镜13、过滤屏14、CCD相机15以及用于调节第一光栅12a和第二光栅12b之间距离的压电制动器16；激光器9发出的激光经过扩束装置10后照射到第一反光镜11a，由第一反光镜11a反射并通过第一通光窗口4a到达试件托盘6上的试件，经试件反射的光束通过第二通光窗口4b到达第二反光镜11b，由第二反光镜11b反射的光束依次经过所述的第一光栅12a、第二光栅12b、透镜13、过滤屏14和CCD相机15；所述的激光器9可提供单色性好且均匀的光束；所述的扩束装置10包括放大物镜和准直透镜，放大物镜用来扩大激光束的光斑，准直透镜将扩大后的光束重新汇聚成平行光束；所述的第一反光镜11a将从激光器9发射并经扩束装置10扩束后的激光束反射通过第一通光窗口4a照射到试件托盘6，激光器9、扩束装置10和第一反光镜11a位于同一光轴上；所述的试件托盘6可根据需要使试件上升或下降；从试件托盘6上的试件表面反射回来的光束通过第二通光窗口4b到达第二反光镜11b，由第二反光镜11b反射到第一光栅12a，经第一光栅12a衍射后的光束入射到第二光栅12b，第一光栅12a和第二光栅12b对光束进行剪切干涉，所述的第一光栅12a和第二光栅12b是具有相同光栅常数的Ronchi光栅；所述的透镜13将从第二光栅12b透过的光束会聚成像；所述的过滤屏14将经过透镜13会聚得到的图像的无有用信息的成分过滤掉；所述的CCD相机15将过滤屏14过滤得到的干涉图像记录下来；第二反光镜11b、第一光栅12a、第二光栅12b、透镜13、过滤屏14和CCD相机15位于同一光轴上；所述的数据处理及显示系统18分别通过数据线分别与信号采集转换器8和CCD相机15相连，可控制和测量对试件的加热温度，对干涉图像进行分析，提取条纹中心线，计算多层薄膜基体结构在对应加热温度下的应力。

本发明的曲率测量通过(2)式进行计算，由曲率计算多层薄膜基体结构应力通过(3)式实现：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xx}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{\∂n^{\left(x\right)}}{\∂x}\right)& \\ {\mathrm{\κ}}_{\mathrm{yy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{\∂n^{\left(y\right)}}{\∂y}\right),& \begin{array}{c}{n}^{\left(x\right)}=0,\±1,\±2L\\ n^{\left(y\right)}=0,\±1,\±2L\end{array}\\ {\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{\∂n^{\left(x\right)}}{\∂y}\right)& \end{array}\right.---\left(2\right)$

(2)式中κ_xx是试件表面曲率的x方向分量，κ_yy是试件表面曲率的y方向分量，κ_xy是试件表面曲率旋转分量，n^(x)代表在x方向剪切干射的条纹级数，n^(y)代表在y方向剪切干射的条纹级数，p是第一光栅11a和第二光栅11b的光栅常数，Δ是第一光栅11a与第二光栅11b之间的距离，与其它曲率测量方法相比，这种曲率测量方法的优点是：实现了曲率全场(得到κ_xx，κ_yy，κ_xy三个分量)、在线、实时的测量，且不受振动干扰。

由(2)式已获得试件表面曲率(κ_xx，κ_yy，κ_xy三个分量)，高温下多层薄膜基体结构应力与曲率的关系如(3)式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f_i\right)}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f_i\right)}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s)}\frac{E_{f_i}}{1-v_{f_i}}\{\frac{{\mathrm{\α}}_s-{\mathrm{\α}}_{f_i}}{A_{\mathrm{\α}}}\stackrel{\‾}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}}+\frac{(1+v_s){\mathrm{\α}}_s-2{\mathrm{\α}}_{f_i}}{(1+v_s)A_{\mathrm{v\α}}}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}})\}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f_i\right)}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f_i\right)}=\frac{E_s{h}_s^2{\mathrm{\α}}_s}{6(1-v_s)}\frac{E_{f_i}}{1+v_{f_i}}\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}}{A_{\mathrm{v\α}}}\\ {\mathrm{\τ}}^{\left(i\right)}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s^2)}\frac{\underset{k=i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{E_{f_k}{h}_{f_k}}{1-v_{f_k}^2}[(1+v_s){\mathrm{\α}}_s-(1-v_{f_k}){\mathrm{\α}}_{f_k}]}{A_{\mathrm{v\α}}}\frac{d({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})}{\mathrm{dr}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

(3)式中， $A_{\mathrm{\α}}\≡\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{E_{f_i}{h}_{f_i}}{1-v_{f_i}}({\mathrm{\α}}_s-{\mathrm{\α}}_{f_i}),$ $A_{\mathrm{v\α}}\≡\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{E_{f_i}{h}_{f_i}}{1-v_{f_i}^2}[(1+v_s){\mathrm{\α}}_s-(1+v_{f_i}){\mathrm{\α}}_{f_i}],$

分别是第i层薄膜中的径向应力和周向应力，τ⁽ⁱ⁾是第i层薄膜与第i+1层薄膜之间的切应力，

分别是第i层薄膜的弹性模量、泊松比、热膨胀系数，E_s，v_s，α_s分别是基体的弹性模量、泊松比、热膨胀系数，

是第i层薄膜的厚度，h_s是基体厚度，κ_rr，κ_θθ分别是薄膜基体结构曲率的径向分量与周向分量，κ_rr+κ_θθ表示κ_rr+κ_θθ在全域内的平均值，d(κ_rr+κ_θθ)/dr表示主曲率之和的径向导数。可通过(2)式中直角坐标系下曲率经坐标转换得到。由(3)式可知，只要实现薄膜基体结构曲率的全场测量(即κ_rr，κ_θθ的测量)，就可实现多层薄膜基体结构应力的测量。

通过数据处理及显示系统18操纵控温面板7来控制对试件的加热过程并测量加热温度T，用CCD相机15将干涉图样记录下来并把图像传入到数据处理及显示系统18中，所述的数据处理及显示系统18装有计算程序对图像进行分析，提取干涉条纹中心线，并利用(2)、(3)式得到在一系列加热温度T下多层薄膜基体结构的应力。

利用本发明实现多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量，包括如下步骤：

a.将试件安装在试件托盘6上，打开激光器9，并启动数据处理及显示系统18；

b.调节扩束装置10，使从激光器发射的激光扩束并保持均匀性；

c.调整第一反射镜11a的角度，使经过扩束装置10扩束的光束被第一反光镜11a反射并通过第一通光窗口4a照射到试件托盘6上的试件上，从试件表面反射回来的光束通过第二通光窗口4b到达第二反光镜11b，调整第二反光镜11b的角度，使光束经第二反光镜11b反射依次经过第一光栅12a、第二光栅12b、透镜13和过滤屏14，得到清晰的干涉图像；

d.通过数据处理及显示系统18控制控温面板7，对加热炉1内的试件进行加热，由控温面板上的仪表盘读出当前的加热温度T，并将该温度值记录下来；

e.通过数据处理及显示系统18控制CCD相机15将干涉图像记录下来，通过压电制动器16记录第一光栅12a与第二光栅12b之间的距离Δ，在数据处理及显示系统18中输入光栅常数p和两光栅间距Δ，通过计算程序处理干涉图像，提取干涉条纹中心线，计算条纹级数变化梯度

和

通过下式：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xx}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{\∂n^{\left(x\right)}}{\∂x}\right),$ ${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{xy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{\∂n^{\left(x\right)}}{\∂y}\right)$

计算得到试件表面曲率κ_xx，κ_xy；

f.将第一光栅12a和第二光栅12b同时向相同方向旋转90°，保持在同一加热温度T下重复步骤e，由下式：

${\mathrm{\κ}}_{\mathrm{yy}}\≈\frac{p}{2\mathrm{\Δ}}\left(\frac{\∂n^{\left(y\right)}}{\∂y}\right)$

计算得到试件表面曲率κ_yy，由此可以看出，本发明可以计算得到全场非均匀曲率(即得到κ_xx，κ_yy，κ_xy三个分量)；

g.通过坐标转换公式将直角坐标下的曲率κ_xx，κ_yy，κ_xy转换成柱坐标下的曲率κ_rr，κ_θθ，将第i层薄膜的弹性模量

第i层薄膜的泊松比

以及第i层薄膜的热膨胀系数

基体弹性模量E_s、基体泊松比v_s以及基体热膨胀系数α_s，第i层薄膜厚度

和基体厚度h_s输入数据处理及显示系统18中，

令 $A_{\mathrm{\α}}\≡\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{E_{f_i}{h}_{f_i}}{1-v_{f_i}}({\mathrm{\α}}_s-{\mathrm{\α}}_{f_i}),$ $A_{\mathrm{v\α}}\≡\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{E_{f_i}{h}_{f_i}}{1-v_{f_i}^2}[(1+v_s){\mathrm{\α}}_s-(1+v_{f_i}){\mathrm{\α}}_{f_i}]$

通过下式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f_i\right)}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f_i\right)}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s)}\frac{E_{f_i}}{1-v_{f_i}}\{\frac{{\mathrm{\α}}_s-{\mathrm{\α}}_{f_i}}{A_{\mathrm{\α}}}\stackrel{\‾}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}}+\frac{(1+v_s){\mathrm{\α}}_s-2{\mathrm{\α}}_{f_i}}{(1+v_s)A_{\mathrm{v\α}}}({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}})\}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\left(f_i\right)}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\left(f_i\right)}=\frac{E_s{h}_s^2{\mathrm{\α}}_s}{6(1-v_s)}\frac{E_{f_i}}{1+v_{f_i}}\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}-{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}}}{A_{\mathrm{v\α}}}\\ {\mathrm{\τ}}^{\left(i\right)}=\frac{E_s{h}_s^2}{6(1-v_s^2)}\frac{\underset{k=i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{E_{f_k}{h}_{f_k}}{1-v_{f_k}^2}[(1+v_s){\mathrm{\α}}_s-(1-v_{f_k}){\mathrm{\α}}_{f_k}]}{A_{\mathrm{v\α}}}\frac{d({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{rr}}+{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{\θ\θ}})}{\mathrm{dr}}\end{array}\right.$

计算

和τ⁽ⁱ⁾得到在加热温度T下多层薄膜基体结构的第i层薄膜应力，其中

分别是第i层薄膜中的径向应力和周向应力，τ⁽ⁱ⁾是第i层薄膜与第i+1层薄膜之间的切应力，κ_rr+κ_θθ表示κ_rr+κ_θθ在全域内的平均值，d(κ_rr+κ_θθ)/dr表示主曲率之和的径向导数。

h.通过数据处理及显示系统18控制控温面板7改变加热温度T，重复步骤d～g可获得在不同加热温度T下多层薄膜基体结构的应力。

Claims (5)

1.一种多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置，其特征在于：该在线测量装置包括带有信号采集转换器(8)的加热炉(1)、光学系统以及数据处理及显示系统(18)；

所述的加热炉(1)内设置试件托盘(6)，在加热炉的左右两侧对称布置第一通光窗口(4a)和第二通光窗口(4b)；

所述的光学系统包括激光器(9)、扩束装置(10)、第一反光镜(11a)、第二反光镜(11b)、第一光栅(12a)、第二光栅(12b)、透镜(13)、过滤屏(14)、CCD相机(15)以及用于调节第一光栅(12a)和第二光栅(12b)之间距离的压电制动器(16)；所述的激光器(9)发出的激光经过扩束装置(10)后照射到第一反光镜(11a)，由第一反光镜(11a)反射并通过第一通光窗口(4a)到达试件托盘(6)上的试件，经试件反射的光束通过第二通光窗口(4b)到达第二反光镜(11b)，由第二反光镜(11b)反射的光束依次经过所述的第一光栅(12a)、第二光栅(12b)、透镜(13)、过滤屏(14)和CCD相机(15)；

所述的数据处理及显示系统(18)通过数据线分别与信号采集转换器(8)和CCD相机(15)相连。

2.按照权利要求1所述的多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置，其特征在于：所述的激光器(9)、扩束装置(10)和第一反光镜(11a)安置在第一支架(17a)上，所述的第二反光镜(11b)、透镜(13)、过滤屏(14)和CCD相机(15)安置在第二支架(17b)上；第一光栅(12a)与第二光栅(12b)通过压电制动器(16)与第二支架(17b)相连。

3.按照权利要求1或2所述的多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置，其特征在于：所述的试件托盘(6)采用升降结构。

4.按照权利要求3所述的多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置，其特征在于：所述的第一反光镜(11a)的两端通过转动副安置在第一支架(17a)上，所述的第二反光镜(11b)的两端通过转动副安置在第二支架(17b)上。

5.按照权利要求1所述的多层薄膜基体结构高温力学行为的在线测量装置，其特征在于：所述的第一光栅(12a)和第二光栅(12b)通过旋转结构在各自所在的平面内绕第二反射镜(11b)反射的光束旋转。

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