CN104807495A - 一种监测晶片生长薄膜特性的装置及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监测晶片生长薄膜特性的装置及其用途，属于半导体材料无损检测领域。该装置包括第一激光光源、第二激光光源、第一二相色镜、分束镜、第二二相色镜、第一探测器、第二探测器、位置探测器、腔室、狭缝窗口、样品托盘和转轴。该装置及其用途能够集成实现待测晶片反射率、温度和应力三个特性参数集成监测。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料无损检测领域，详细地说，本发明涉及监测外延薄膜生长工艺过程中的反射率、温度和应力特性参数的装置及其应用方法。
背景技术
温度、生长应力、生长率等是决定化学气相淀积（CVD）、分子束外延（MBE）、物理气相沉积（PECVD）等工艺过程中外延晶片薄膜生长质量的关键因素。实时监控晶片的反射率（分离出生长率、组成成分、表面粗糙度等信息）、温度及晶片表面弯曲度（即晶片表面应力）等关键信息，有助于优化工艺控制，提高外延材料层的均匀度和良率、减少生产成本、提高生产效率。
申请号为201110191716.0的中国专利公开了一种外延材料层特性的测试装置。通过探针单元向外延材料层提供电信号，电信号能够使外延材料层发出光信号，通过接收分析光信号，获得外延材料层的特性参数。而申请号为201010515176.2的中国专利、申请号为US2002/0113971A1、US6398406B1的美国专利等涉及半导体晶片的温度测试的方法。02827543.8的中国专利、申请号为US7505150B2的美国专利涉及半导体晶片的应力测试的方法。以上专利仅实现对外延晶片薄膜一个或两个参数的测试，而无法实现反射率、温度和应力三个特性参数的集成监测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种能够集成实现对待测晶片反射率、温度和应力三个特性参数集成监测的监测晶片生长薄膜特性的装置及其用途。
本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置包括第一激光光源、第二激光光源、第一二相色镜、分束镜、第二二相色镜、第一探测器、第二探测器、位置探测器、腔室和样品托盘；
所述样品托盘容置于所述腔室中，所述腔室上方设有狭缝窗口，所述狭缝窗口用于使光通过，所述样品托盘用于承载待测晶片；
所述第一二相色镜用于使所述第一激光光源或者第二激光光源发出的光通过，经过所述分束镜后，所述第一激光光源或者第二激光光源发出的光被分为参考光束和入射光束，所述参考光束被所述第一探测器接收，所述入射光束经过所述狭缝窗口入射至待测晶片，经过所述待测晶片反射后成为反射光束，所述反射光束经过所述第二二相色镜后分别被所述第二探测器和所述位置探测器接收；
当所述第一激光光源开启而所述第二激光光源关闭时，所述第一探测器用于探测所述参考光束光强Ir，所述第二探测器用于探测所述反射光束光强Ii；所述位置探测器用于探测沿待测晶片运动方向的各入射点的光斑偏移量；
当所述第一激光光源关闭而所述第二激光光源开启时，所述第二探测器用于探测待测晶片热辐射强度L（λ，T）；
所述样品托盘设置有转轴，可以在所述腔室内自由旋转。
本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源开启、第二激光光源关闭时，第一探测器可以探测到参考光束的光强Ir，第二探测器可以探测到反射光束的光强Ii，利用一标准晶片可以得到反射率校准系数α，在已知反射率校准系数α的情况下，由公式可以得到待测晶片的反射率R。
本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源关闭、第二激光光源开启时，第二探测器可以探测到待测晶片的热辐射强度L(λ,T)，根据该热辐射强度可以得到待测晶片的黑体热辐射值Pb(λ,T)，在黑体热辐射值Pb(λ,T)已知的情况下，由公式可以得到待测晶片的温度T。
本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源开启、第二激光光源关闭时，根据位置探测器探测到的沿待测晶片运动方向的各入射点的光斑偏移量可以计算出待测晶片沿其运动方向的曲率半径R，在曲率半径R已知的情况下，由公式计算可以得到待测晶片的应力。
综上所述，本发明提供的检测晶片生长薄膜特性的装置能够集成实现对待测晶片反射率、温度和应力三个特性参数的监测。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置的概括示意图；
图2为本发明实施例二提供的监测晶片生长薄膜特性的装置的示意图；
图3为本发明实施例三提供的检测晶片生长薄膜特性的装置的示意图；
图4为本发明实施例三提供的检测晶片生长薄膜特性的装置中待测晶片在样品托盘上的布置结构图。
具体实施方式
为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例一
参见附图1，本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置包括第一激光光源、第二激光光源、第一二相色镜9、分束镜5、第二二相色镜6、第一探测器、第二探测器、位置探测器、腔室1和样品托盘4；
样品托盘4容置于腔室1中，腔室1上方设有狭缝窗口2，狭缝窗口2用于使光通过，样品托盘4用于承载待测晶片3；
第一二相色镜9用于使第一激光光源或者第二激光光源发出的光通过，经过分束镜5后，第一激光光源或者第二激光光源发出的光被分为参考光束和入射光束，参考光束被第一探测器接收，入射光束经过狭缝窗口2入射至待测晶片3，经过待测晶片3反射后成为反射光束，反射光束经过第二二相色镜6后分别被第二探测器和位置探测器接收；
当第一激光光源开启而第二激光光源关闭时，第一探测器用于探测参考光束光强Ir，第二探测器用于探测反射光束光强Ii；位置探测器用于探测沿待测晶片3运动方向的各入射点的光斑偏移量；
当第一激光光源关闭而第二激光光源开启时，第二探测器用于探测待测晶片3热辐射强度L（λ，T）；
样品托盘4设置有转轴8，可以在腔室1内自由旋转。
本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源开启、第二激光光源关闭时，第一探测器可以探测到参考光束的光强Ir，第二探测器可以探测到反射光束的光强Ii，利用一标准晶片可以得到反射率校准系数α，在已知反射率校准系数α的情况下，由公式可以得到待测晶片3的反射率R。
本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源关闭、第二激光光源开启时，第二探测器可以探测到待测晶片3的热辐射强度L(λ,T)，根据该热辐射强度可以得到待测晶片3的黑体热辐射值Pb(λ,T)，在黑体热辐射值Pb(λ,T)已知的情况下，由公式可以得到待测晶片3的温度T。
本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源开启、第二激光光源关闭时，根据位置探测器探测到的沿待测晶片3运动方向的各入射点的光斑偏移量可以计算出待测晶片3沿其运动方向的曲率半径R，在曲率半径R已知的情况下，由公式计算可以得到待测晶片3的应力。
综上所述，本发明提供的检测晶片生长薄膜特性的装置能够集成实现对待测晶片3反射率、温度和应力三个特性参数的监测。
本实施例中，第一激光光源发出的光的波长为633nm，第二激光光源发出的光的波长为980nm。
本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置的用途包括计算得到待测晶片3的反射率，计算得到待测晶片3的温度以及计算得到晶片应力。
其中，应用本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置计算得到待测晶片3的反射率时，包括以下步骤：
利用一标准晶片，根据公式计算得出α；
根据α，由公式得到待测晶片3的反射率；
其中，
r0，标准晶片的反射率；
Ir，第一光束光强；
Ii，第三光束光强；
α，反射率校准系数；
R，待测晶片3的反射率。
其中，应用本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置计算得到待测晶片3的温度时，包括以下步骤：
根据公式得到待测晶片3的黑体辐射值Pb（λ，T）；
根据Pb（λ，T），由公式得到待测晶片3的温度T；
其中，
Pb(λ,T)，待测晶片3的黑体热辐射辐射值；
L(λ,T)，待测晶片3的热辐射强度；
ε(R)，晶片的热发射率，与反射率有关的函数；
R，待测晶片3的反射率；
h，普朗克常数；
k，玻尔兹曼常数；
c，光速；
λ，波长；
T，温度。
其中，应用本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置计算得到晶片应力时，包括以下步骤：
令样品托盘4旋转，使第二光束在待测晶片3上扫描；
根据位置探测器探测到的沿待测晶片3运动方向的各入射点的光斑偏移量，计算出待测晶片3沿其运动方向的曲率半径R；
根据公式计算得到待测晶片3的应力；
其中，
E，晶片的杨氏模量；
ν，衬底的泊松比；
Ds，衬底的厚度；
R，曲率半径；
Df，薄膜的厚度。
实施例二
参见附图2，本发明实施例二提供的监测晶片生长薄膜特性的装置与本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置的不同之处在于，本发明实施例二提供的监测晶片生长薄膜特性的装置还包括第三二相色镜7、第三探测器、数据处理单元、光电开关10和光源控制电路，此时，反射光束通过第三二相色镜7还能被第三探测器接收；数据处理单元用于对第一探测器、第二探测器、第三探测器和位置探测器的数据进行处理，从而，本发明实施例二提供的监测晶片生长薄膜特性的装置能够对各探测器的数据进行自动处理。光电开关10用于记录样品托盘4的转速；数据处理单元还用于接收来自光电开关10的信号，并据此发送命令给光源控制电路；光源控制电路用于控制第一激光光源或者第二激光光源的开和关，从而，本发明实施例二提供的监测晶片生长薄膜特性的装置能够通过光电开关10、数据处理单元和光源控制电路实现对第一激光光源、第二激光光源的自动控制，由于该光电开关10能够实时记录样品托盘4的转速，从而，本发明实施例二提供的监测晶片生长薄膜特性的装置能够对晶片生长薄膜特性进行实时监测。
此外，本发明实施例二提供的监测晶片生长薄膜特性的装置还可以包括第三激光光源和第四探测器，当第一激光光源、第二激光光源均关闭，第三激光光源开启时，反射光束被所述第四探测器接收。此时，数据处理单元还用于对所述第四探测器的数据进行处理。本实施例中，第三激光光源发出的光的波长为405nm。从而，本发明实施例二提供的监测晶片生长薄膜特性的装置可以测波长为405nm，633nm，980nm的激光光源条件下的反射率，从而可以得到多量子阱的结构和形貌。
实施例三
参见附图3，本发明实施例三提供的监测晶片生长薄膜特性的装置与本发明实施例二提供的监测晶片生长薄膜特性的装置的区别在于，本发明实施例三提供的监测晶片生长薄膜特性的装置的待测晶片3为多个，各待测晶片3周向均匀地分布在样品托盘4上，且各待测晶片3的圆心共圆，从而，当各晶片随样品托盘4旋转时，本发明实施例三提供的装置能够对多个晶片的特性进行监测。此时，第一激光光源为多个，形成第一激光光源组，多个第一激光光源阵列的排列方向标记为X方向，则待测晶片3的运动方向是Y方向，位置探测器为多个，形成位置探测器组，各第一激光光源、待测晶片3和位置探测器一一对应；本实施例中，参见附图4，样品托盘4为圆形，各待测晶片3的圆周与样品托盘的圆周内切。
令样品托盘4旋转，使第二光束在各待测晶片3上扫描。
根据位置探测器探测到的沿各待测晶片3运动方向的各入射点的光斑在X方向和Y方向的偏移量，计算出各待测晶片3沿X方向和Y方向的曲率半径R；
根据公式计算得到各待测晶片3沿X方向和Y方向的应力；
其中，
E，晶片的杨氏模量；
ν，衬底的泊松比；
Ds，衬底的厚度；
R，曲率半径；
Df，薄膜的厚度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种监测晶片生长薄膜特性的装置，其特征在于，包括第一激光光源、第二激光光源、第一二相色镜、分束镜、第二二相色镜、第一探测器、第二探测器、位置探测器、腔室和样品托盘；
所述样品托盘容置于所述腔室中，所述腔室上方设有狭缝窗口，所述狭缝窗口用于使光通过，所述样品托盘用于承载待测晶片；
所述第一二相色镜用于使所述第一激光光源或者第二激光光源发出的光通过，经过所述分束镜后，所述第一激光光源或者第二激光光源发出的光被分为参考光束和入射光束，所述参考光束被所述第一探测器接收，所述入射光束经过所述狭缝窗口入射至待测晶片，经过所述待测晶片反射后成为反射光束，所述反射光束经过所述第二二相色镜后分别被所述第二探测器和所述位置探测器接收；
当所述第一激光光源开启而所述第二激光光源关闭时，所述第一探测器用于探测所述参考光束光强Ir，所述第二探测器用于探测所述反射光束光强Ii；所述位置探测器用于探测沿待测晶片运动方向的各入射点的光斑偏移量；
当所述第一激光光源关闭而所述第二激光光源开启时，所述第二探测器用于探测待测晶片热辐射强度L（λ，T）；
所述样品托盘设置有转轴，可以在所述腔室内自由旋转。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括第三二相色镜和第三探测器，所述反射光束通过所述第三二相色镜还能被所述第三探测器接收。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括数据处理单元，所述数据处理单元用于对所述第一探测器、第二探测器、位置探测器的数据进行处理。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括数据处理单元，所述数据处理单元用于对所述第三探测器的数据进行处理。
5.根据权利要求1～4中任一所述的装置，其特征在于，还包括光电开关和光源控制电路；
所述光电开关用于记录所述样品托盘的转速；
所述数据处理单元还用于接收来自所述光电开关的信号，并据此发送命令给所述光源控制电路；
所述光源控制电路用于控制所述第一激光光源或者第二激光光源的开和关。
6.基于权利要求1～5中任一所述的装置的用途，其特征在于，包括计算得到待测晶片的反射率，计算得到待测晶片的温度以及计算得到晶片应力。
7.根据权利要求6所述的用途，其特征在于，所述计算得到待测晶片的反射率包括以下步骤：
利用一标准晶片，根据公式计算得出α；
根据所述α，由公式得到所述待测晶片的反射率；
其中，
r0，标准晶片的反射率；
Ir，第一光束光强；
Ii，第三光束光强；
α，反射率校准系数；
R，待测晶片的反射率。
8.根据权利要求6所述的用途，其特征在于，所述计算得到待测晶片的温度包括以下步骤：
根据公式得到待测晶片的黑体辐射值Pb（λ，T）；
根据所述Pb（λ，T），由公式得到所述待测晶片的温度T；
其中，
Pb(λ,T)，待测晶片的黑体热辐射辐射值；
L(λ,T)，待测晶片的热辐射强度；
ε(R)，晶片的热发射率，与反射率有关的函数；
R，待测晶片的反射率；
h，普朗克常数；
k，玻尔兹曼常数；
c，光速；
λ，波长；
T，温度。
9.根据权利要求6所述的用途，其特征在于，所述计算得到晶片应力包括以下步骤：
令所述样品托盘旋转，使第二光束在待测晶片上扫描；
根据所述位置探测器探测到的沿待测晶片运动方向的各入射点的光斑偏移量，计算出待测晶片沿其运动方向的曲率半径R；
根据公式计算得到所述待测晶片的应力；
其中，
E，晶片的杨氏模量；
ν，衬底的泊松比；
Ds，衬底的厚度；
R，曲率半径；
Df，薄膜的厚度。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于，所述待测晶片为多个，各所述待测晶片周向均匀地分布在所述样品托盘上，所述第一激光光源为多个，形成第一激光光源组，所述多个第一激光光源阵列的排列方向标记为X方向，则待测晶片的运动方向是Y方向，所述位置探测器为多个，形成位置探测器组，各所述第一激光光源、待测晶片和位置探测器一一对应；
令所述样品托盘旋转，使所述第二光束在各待测晶片上扫描；
根据所述位置探测器探测到的沿各所述待测晶片运动方向的各入射点的光斑在所述X方向和Y方向的偏移量，计算出各所述待测晶片沿X方向和Y方向的曲率半径R；
根据公式计算得到各所述待测晶片沿X方向和Y方向的应力；
其中，
E，晶片的杨氏模量；
ν，衬底的泊松比；
Ds，衬底的厚度；
R，曲率半径；
Df，薄膜的厚度。
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