CN101709952A - 非接触式晶片厚度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式晶片厚度测量装置及方法，其特征是：超净的晶片装置于一个相对封闭的净化空间内，使用傅里叶变换红外光谱仪利用非接触方法测量出该晶片两边至腔体内壁之间空气层的厚度，使用千分尺测量得到腔体两个内壁间距，这样就可以得到晶片的精确厚度。该装置和方法的优点是：整个过程中清洗干净的晶片一直放置于相对封闭的超净空间内，测试过程非接触，从而不会导致晶片被污染和氧化，晶片表面也不会因为接触硬物而导致划伤，保证晶片的干净与表面完美，避免了液相外延生长过程中晶片厚度不精确所引起的粘液和划伤，提高了外延片的成品率。

Description

非接触式晶片厚度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体材料测量技术，具体指一种非接触式晶片厚度测量装置及方法，它主要用于液相外延生长前对晶片厚度的测量，它能够在非接触的状态下测量晶片厚度，并且使晶片表面保持洁净。

技术背景

对于薄膜材料，通过光谱方法测量薄膜的干涉，可以计算出厚度。但是，对于1毫米左右的厚晶片，无法用薄膜干涉的方法测量厚度。常用的厚晶片厚度测量方法主要有台阶仪和Z轴显微镜。台阶仪是一种接触式测量仪器，它利用一根硬度很高的金刚石指针，在晶片表面均匀地走动，根据其起伏高度得出一条一维的曲线，从而能准确地得出晶片的厚度。但是，由于台阶仪的指针要接触晶片表面，会对晶片表面有所损伤。Z轴显微镜是把晶片置于玻璃平台上，通过光源聚焦对晶片进行测量，但是，玻璃平台和晶片之间会形成空气层，厚度约10微米，并且，空气层的厚度会随晶片的尺寸、大小等因素变化，厚度不固定，用这种方式测量误差也较大。对于水平滑舟式液相外延生长过程，晶片表面与滑舟之间需要保持20微米的间隙，间隙太小，外延薄膜表面会被滑块擦伤，间隙太大，生长结束后生长溶液不能被推干净而残留在外延薄膜表面。并且要求外延生长所需的晶片材料表面是洁净的、没有环境杂质污染的，这样生长出的外延薄膜才能有好的表面形貌。但是，在晶片通过清洗、抛光后对其厚度进行测量，使用台阶仪将引起晶片表面的损伤，使用Z轴显微镜会带来10微米左右的误差，两者均不适合液相外延生长过程中对衬底晶片的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式晶片厚度测量装置及方法，可以精确测量晶片的厚度，解决测量时引起的表面杂质沾污或损伤的问题。

本发明中，测量装置采用一块厚度为1毫米的不锈钢主框架1，它是在一块不锈钢板中间开大小比待测晶片4略大的槽而形成的一个框架结构。上下辅助硅片2、3的大小与不锈钢主框架1的大小相同，厚度要求在500微米以上，以保证硅片有足够的强度不会变形。下辅助硅片3安装在不锈钢主框架1上，测量时将待测晶片4放置其上，上辅助硅片2上有一个直径为2毫米的小孔6，两个辅助硅片2、3可以保护晶片表面使其不被氧化或擦伤，使用不锈钢螺丝5将上下辅助硅片2、3固定于不锈钢主框架1上。不锈钢块和硅片都经过严格的清洗，以保证与晶片接触时不会引起二次污染。测量步骤是：首先，把傅里叶变换红外光谱仪的入射光移至上辅助硅片2上的小孔6旁边2毫米处，测量待测晶片4与上辅助硅片2之间空气层的反射光谱T1；然后，通过上辅助硅片2上的小孔6测量待测晶片4和下辅助硅片3之间空气层的反射光谱T2；最后，从反射光谱T1、T2中分别计算待测晶片4和上辅助硅片2之间空气层的厚度d1以及待测晶片4和下辅助硅片3之间空气层的厚度d2。计算公式：d1＝1/(2nΔv1)，d2＝1/(2nΔv2)，式中n为空气层的折射率，n＝1，Δv1为反射光谱T1中干涉峰的平均周期，Δv2为反射光谱T2中干涉峰的平均周期，Δv1、Δv2的单位均为厘米^-1。用千分尺实测不锈钢块的厚度d，千分尺测量精度可以达到1微米，d减去d1和d2，即可准确得出待测晶片4的厚度。本装置测量晶片的种类是室温下截止波长大于1微米的红外透明材料，如碲化镉、碲锌镉等II-VI族材料。本装置可以通过改变不锈钢主框架的厚度来测量不同厚度的晶片，只要保证不锈钢主框架厚度比待测晶片厚度大10-100微米即可。整个测量过程在100级的净化室环境下进行。

本发明的优点是，可以在晶片表面被保护的情况下，测试晶片的厚度，避免了测试过程中环境以及设备对晶片表面的沾污和氧化，简化了后续的清洗，提高了外延片的成品率。

附图说明

图1是非接触式晶片厚度测量装置示意图，图中1是不锈钢主框架，2是上辅助硅片，3是下辅助硅片，4是待测晶片，5是不锈钢螺丝，6是上辅助硅片2上的小孔。

图2是待测晶片4和上辅助硅片2之间空气层的反射光谱T1。

图3是待测晶片4和下辅助硅片3之间空气层的反射光谱T2。

图4是液相外延片的示意图，其中a是晶片过厚时的外延薄膜表面，b是晶片太薄时外延薄膜表面，c是晶片厚度适当时外延薄膜表面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步详细说明：

以碲镉汞液相外延生长为例，外延时所用的碲锌镉衬底的厚度通常为0.9-1.0毫米。外延薄膜生长前，需对晶片材料进行清洗，首先要去除表面的油性沾污，通常采用三氯乙烯清洗，将晶片浸泡在沸腾的三氯乙烯中，反复清洗三遍，然后用棉球轻轻擦拭晶片背面，再用甲醇清洗三遍，最后配制溴甲醇抛光液进行化学抛光，来去除晶片表面的氧化层和损伤层。整个清洗过程中晶片均处于液体的保护中，晶片表面不能暴露空气，如果暴露空气会导致表面沾污和氧化。

1.由于是半导体高纯材料专用，所有装置零件均需要经过严格的清洗，保证待测晶片不会受到测量装置的二次污染。不锈钢主框架1采用镍镉不锈钢，上下辅助硅片2、3使用不锈钢螺丝5固定于不锈钢主框架1上，上下辅助硅片2、3也可以采用其他红外透明材料替代，比如砷化镓和锗片等。

2.光谱测量

把待测晶片4放置在非接触式晶片厚度测量装置中，如图1所示。把待测晶片4放在不锈钢主框架1槽中，用上辅助硅片2和下辅助硅片3分别覆盖在不锈钢主框架1上下，用不锈钢螺丝5拧紧，这样，可以使待测晶片4在一密闭空间里不被氧化或损伤，整个操作均在100级超净净化室中进行。测试方法是，首先，把傅里叶变换红外光谱仪的入射光移至上辅助硅片2小孔6旁边2毫米处，可以获得待测晶片4和上辅助硅片2之间空气层的反射光谱T1，如图2所示；然后，把傅里叶变换红外光谱仪的入射光透过硅片2中间一小孔6可以获得待测晶片4和下辅助硅片3之间空气层的反射光谱T2，如图3所示。整个测量过程应在100级超净净化室下进行。

3.晶片厚度参数的提取

从反射光谱T1、T2中分别计算待测晶片4和上辅助硅片2之间空气层的厚度参数以及待测晶片4和下辅助硅片3之间空气层的厚度参数。根据T1、T2两条反射光谱曲线中干涉峰的平均周期Δv1和Δv2，计算空气层的厚度d1和d2，计算公式：d1＝1/(2nΔv1)，d2＝1/(2nΔv2)。在图2中可以清晰分辨出21个干涉峰，干涉峰的平均周期Δv1＝400厘米^-1，d1＝1/(2nΔv1)＝12.5×10^-6厘米＝12.5微米；在图3中有5个干涉峰，干涉峰的平均周期Δv2＝1500厘米^-1，d2＝1/(2nΔv2)＝3×10^-6厘米＝3微米；d1+d2＝15.5微米；用千分尺实测不锈钢块的厚度d，d＝1000微米，计算得待测晶片4厚度＝d-(d1+d2)＝984.5微米。

图4是液相外延片的示意图，其中a是晶片过厚导致晶片与滑舟之间间隙太小而被擦伤的外延薄膜表面；b是晶片过薄导致晶片与滑舟之间间隙太大，生长结束后生长溶液未被推干净而残留在外延薄膜表面；c是采用本发明中提出的方法测量晶片厚度，再进行液相外延所获得的外延薄膜，可见其表面平坦无擦伤，粘液也较少。

Claims (4)

1.一种非接触式晶片厚度测量装置，它主要包括不锈钢主框架(1)、上辅助硅片(2)和下辅助硅片(3)，其特征在于：不锈钢主框架(1)是一块中间开有大小比晶片略大的槽的不锈钢钢板，不锈钢主框架(1)被上辅助硅片(2)和下辅助硅片(3)夹在中间并通过不锈钢螺丝(5)固定在一起；在上辅助硅片(2)上还开有一个直径为2mm的小孔(6)；待测晶片(4)安置在不锈钢主框架(1)的槽中。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式晶片厚度测量装置，其特征在于：所述的不锈钢主框架(1)采用镍镉不锈钢，其厚度比待测晶片厚度大10-100微米。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式晶片厚度测量装置，其特征在于：所述的上辅助硅片(2)和下辅助硅片(3)的大小与不锈钢主框架(1)的大小相同，厚度要求在500微米以上，并可用砷化镓或锗片替代。

4.一种基于根据权利要求1所述装置的晶片厚度的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

A.将待测晶片(4)安置在不锈钢主框架(1)的槽中；

B.将傅里叶变换红外光谱仪的入射光移至上辅助硅片(2)上的小孔(6)旁边2毫米处，测量待测晶片(4)与上辅助硅片(2)之间空气层的反射光谱T1；

C.将傅里叶变换红外光谱仪的入射光移至上辅助硅片(2)上的小孔(6)上，通过上辅助硅片(2)上的小孔(6)测量待测晶片(4)和下辅助硅片(3)之间空气层的反射光谱T2；

D.从反射光谱T1、T2中分别计算待测晶片(4)和上辅助硅片(2)之间空气层的厚度d1以及待测晶片(4)和下辅助硅片(3)之间空气层的厚度d2，计算公式如下：

d1＝1/(2nΔv1)(1)

d2＝1/(2nΔv2)(2)

式中n为空气层的折射率，n＝1，Δv1为反射光谱T1中干涉峰的平均周期，Δv2为反射光谱T2中干涉峰的平均周期，Δv1、Δv2的单位均为厘米^-1；

E.用千分尺实测不锈钢块的厚度d，d减去d1和d2，即可准确得出待测晶片(4)的厚度。

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