CN104807754B - 一种监测晶片生长薄膜特性的装置 - 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，属于半导体材料无损检测领域。该装置包括反射率运算模块、温度运算模块和应力运算模块。该装置能够集成实现待测晶片反射率、温度和应力三个特性参数的监测。
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。
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。
本发明提供的检测晶片生长薄膜特性的装置包括反射率运算模块、温度运算模块和应力运算模块；
所述反射率运算模块根据待测晶片的反射光束的光强数据和待测晶片参考光束的光强数据得到待测晶片的反射率；
所述温度运算模块根据待测晶片的黑体辐射值得到待测晶片的温度；
所述应力运算模块根据待测晶片沿其运动方向的曲率半径得到待测晶片的应力。
本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置反射率运算模块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在待测晶片黑体热辐射值已知的情况下，温度运算模块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在待测晶片沿其运动方向的曲率半径已知的情况下，应力运算模块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为本发明实施例一～三提供的监测晶片生长薄膜特性的装置的概括示意图；
图2为本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置的逻辑框图；
图3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4为本发明实施例二提供的检测晶片生长薄膜特性的装置的逻辑框图；
图5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6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。
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反射率运算模块、温度运算模块和应力运算模块；
反射率运算模块根据待测晶片的反射光束的光强数据和待测晶片参考光束的光强数据得到待测晶片的反射率；
温度运算模块根据待测晶片的黑体辐射值得到待测晶片的温度；
应力运算模块根据待测晶片沿其运动方向的曲率半径得到待测晶片的应力。
本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置反射率运算模块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在待测晶片黑体热辐射值已知的情况下，温度运算模块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在待测晶片沿其运动方向的曲率半径已知的情况下，应力运算模块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。
实施例一
参见附图2，本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置包括参考光束光强获取模块、反射光束光强获取模块、反射率标准系数运算模块、反射率运算模块、热辐射强度获取模块、黑体辐射值运算模块、温度运算模块、光斑偏移量获取模块、曲率半径运算模块和应力运算模块。参考光束光强获取模块用于获取参考光束的光强数据Ir，反射光束光强获取模块用于获取待测晶片的反射光束的光强数据Ii，反射率校准系数运算模块利用一标准晶片，根据公式计算得出反射率标准系数α，反射率运算模块根据反射率标均系数α，由公式得到待测晶片的反射率R；其中，r0，标准晶片的反射率；Ir，参考光束光强；Ii，反射光束光强；α，反射率校准系数；R，待测晶片的反射率。热辐射强度获取模块用于获取待测晶片的热辐射强度值L（λ，T），黑体辐射值运算模块根据公式得到待测晶片的黑体辐射值Pb（λ，T），温度运算模块根据Pb（λ，T），由公式得到待测晶片的温度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。光斑偏移量获取模块用于从位置探测器获取沿待测晶片运动方向的各入射点的光斑偏移量，曲率半径运算模块根据光斑偏移量计算出待测晶片沿其运动方向的曲率半径R，应力运算模块根据公式应力计算得到待测晶片的应力；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。
本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置参考光强获取模块可以获取参考光束的光强Ir，反射光强获取模块可以获取反射光束的光强Ii，反射率校准系数运算模块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，反射率运算模块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热辐射强度获取模块可以获取待测晶片的热辐射强度L(λ,T)，黑体辐射值运算模块可以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，温度运算模块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光斑便宜量获取模块可以获取沿待测晶片运动方向的各入射点的光斑偏移量，曲率半径运算模块可以肯局光斑偏移量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，应力运算模块由公式应力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。
其中，参考光束光强获取模块、反射光束光强获取模块、反射率标准系数运算模块、反射率运算模块、热辐射强度获取模块、黑体辐射值运算模块、温度运算模块、光斑偏移量获取模块、曲率半径运算模块和应力运算模块集成于同一数据处理单元中。从而，本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置自身具有集成特性，可以多为一件独立的产品出售。
实施例二
参见附图3，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；参见附图3，数据处理单元上至少设有第一探测器接口、第二探测器接口和位置探测器接口。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后发送给参考光束光强获取模块，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后发送给反射光束光强获取模块。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运动方向的各入射点的光斑偏移量并将光斑偏移量发送给光斑偏移量获取模块。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热辐射强度L（λ，T）并将热辐射强度发送给热辐射强度获取模块。样品托盘4设置有转轴8，可以在腔室1内自由旋转。
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。
本发明实施例二提供的监测晶片生长薄膜特性的装置能够实现对待测晶片反射率、温度和应力三个特性参数的全自动监测。
其中，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和第三探测器，数据处理单元还集成有第三探测器获取模块，数据处理单元上还设有第三探测器接口，反射光束通过第三二相色镜还能被第三探测器接收，第三探测器获取模块用于从第三探测器获取光强数据。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量波长为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。
其中，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光电开关10和光源控制电路，数据处理单元还集成有光源控制电路控制信号生成模块，数据处理单元上还设有光电开关10接口和光源控制电路接口。光电开关10用于记录样品托盘4的转速。光源控制电路控制信号生成模块用于接收来自光电开关10的信号，并据此发送控制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。
实施例三
参见附图5，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为多个，各待测晶片周向均匀地分布在样品托盘4上，第一激光光源为多个，形成第一激光光源组，位置探测器为多个，形成位置探测器组，各第一激光光源、待测晶片和位置探测器一一对应。从而，当各晶片随样品托盘4旋转时，本发明实施例四提供的装置能够对多个晶片的特性进行监测。本实施例中，参见附图6，样品托盘4为圆形，各待测晶片的圆周与样品托盘的圆周内切。
此时，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，光斑偏移量获取模块用于从位置探测器探测到的沿各待测晶片运动方向的各入射点的光斑在X方向和Y方向的偏移量，曲率半径运算模块根据光斑在X方向和Y方向的偏移量计算出待测晶片沿X方向和Y方向的曲率半径R；应力运算模块根据公式应力计算得到待测晶片在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。
本发明实施例三提供的监测晶片生长薄膜特性的装置能够同时实现对多个待测晶片反射率、温度的实时全自动监测，同时，对多个待测晶片在X、Y方向的应力进行实时全自动监测。
此外，本发明实施例一～三提供的监测晶片生长薄膜特性的装置还可以包括显示器，该显示器至少用于显示待测晶片的反射率、待测晶片的温度和待测晶片的应力。该显示器还可以列表显示监测过程中的所有数据。
以上的具体实施方式，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，包括反射率运算模块、温度运算模块和应力运算模块；
所述反射率运算模块根据待测晶片的反射光束的光强数据和待测晶片参考光束的光强数据得到待测晶片的反射率；
所述温度运算模块根据待测晶片的黑体辐射值得到待测晶片的温度；
所述应力运算模块根据待测晶片沿其运动方向的曲率半径得到待测晶片的应力；
还包括第一激光光源、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；
所述数据处理单元上至少设有第一探测器接口、第二探测器接口和位置探测器接口；
所述样品托盘所述腔室中，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后发送给所述参考光束光强获取模块，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后发送给所述反射光束光强获取模块；
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并将所述光斑偏移量发送给所述光斑偏移量获取模块；
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)并将所述热辐射强度发送给所述热辐射强度获取模块；
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，还包括参考光束光强获取模块、反射光束光强获取模块所述参考光束光强获取模块用于获取参考光束的光强数据Ir，所述反射光束光强获取模块用于获取待测晶片的反射光束的光强数据Ii，所述反射率运算模块利用一标准晶片，根据公式计算得出反射率标准系数α，并由公式得到所述待测晶片的反射率R；其中，r0，标准晶片的反射率；Ir，参考光束光强；Ii，反射光束光强；α，反射率校准系数；R，待测晶片的反射率。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括热辐射强度获取模块和黑体辐射值运算模块，所述热辐射强度获取模块用于获取待测晶片的热辐射强度值L(λ，T)，所述黑体辐射值运算模块根据公式得到待测晶片的黑体辐射值Pb(λ，T)，所述温度运算模块根据所述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。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括光斑偏移量获取模块，所述光斑偏移量获取模块用于从所述位置探测器获取沿待测晶片运动方向的各入射点的光斑偏移量，所述应力运算模块根据所述光斑偏移量计算出待测晶片沿其运动方向的曲率半径R或者所述待测晶片的应力。
5.根据权利要求1所述的装置，所述反射率运算模块、温度运算模块和应力运算模块集成于同一数据处理单元中。
6.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，所述数据处理单元还集成有第三探测器获取模块，所述数据处理单元上还设有第三探测器接口，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，所述第三探测器获取模块用于从所述第三探测器获取光强数据。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括光电开关和光源控制电路，所述数据处理单元还集成有光源控制电路控制信号生成模块，所述数据处理单元上还设有光电开关接口和光源控制电路接口；
所述光电开关用于记录所述样品托盘的转速；
所述光源控制电路控制信号生成模块用于接收来自所述光电开关的信号，并据此发送控制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。
8.根据权利要求1所述的装置，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。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，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，所述光斑偏移量获取模块用于从所述位置探测器探测到的沿各待测晶片运动方向的各入射点的光斑在X方向和Y方向的偏移量，所述应力运算模块根据所述光斑在X方向和Y方向的偏移量计算出待测晶片沿X方向和Y方向的曲率半径R；或者所述待测晶片在X方向和Y方向的应力。
10.根据权利要求1～9中任一所述的装置，其特征在于，还包括显示器，所述显示器至少用于显示待测晶片的反射率、待测晶片的温度和待测晶片的应力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 102206 Beijing City, Changping District Changping Road No. 97 Xinyuan Science Park B building room 503 Applicant after: BEI OPTICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 100191, Beijing, Zhichun Road, Haidian District No. 27 quantum core 402 room Applicant before: BEI OPTICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Ma Tiezhong Inventor after: Yan Dong Inventor after: Liu Jianpeng Inventor after: Wang Linzi Inventor before: Li Chengmin Inventor before: Yan Dong Inventor before: Liu Jianpeng Inventor before: Wang Linzi |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190709 Address after: Room 503, Block B, Xinyuan Science Park, 97 Changping Road, Changping District, Beijing 102206 Patentee after: Ongkun Vision (Beijing) Technology Co.,Ltd. Address before: Room 503, Block B, Xinyuan Science Park, 97 Changping Road, Changping District, Beijing 102206 Patentee before: BEI OPTICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20230627 Address after: B701, Building 8, No. 97, Changping Road, Shahe Town, Changping District, Beijing 102200 (Changping Demonstration Park) Patentee after: Beijing Airui Haotai Information Technology Co.,Ltd. Address before: Room 503, Block B, Xinyuan Science Park, 97 Changping Road, Changping District, Beijing 102206 Patentee before: Ongkun Vision (Beijing) Technology Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |