CN105091788B - 自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置 - Google Patents

自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置。包括第一运算模块、第二运算模块和分析模块，第一运算模块根据N个光斑的位置信号，计算晶片基底上任意两个入射点之间在待测基底沿X方向的曲率CX，第二运算模块根据N个光斑的位置信号，计算晶片基底上任意一个入射点在待测基底移动方向即Y方向的曲率CY，其中，N为3以上的自然数，N个光斑是由N束激光沿晶片基底径向即X方向入射到晶片基底后又分别反射到与入射光一一对应的PSD上形成的，分析模块根据各CX、CY的计算结果，得到基底的二维形貌。该装置能够与高速旋转的石墨盘上的蓝宝石基底相适应。

Description

自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置
技术领域
本发明涉及半导体材料无损检测技术领域，特别涉及一种自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置。
背景技术
目前生产LED的主要工艺是采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)的方法。该方法是在某几个较高温度下，在蓝宝石基底上生长量子阱薄膜。基底的尺寸限制了LED的生产效率，目前成熟的技术是在2英寸基底上生长量子阱薄膜。如果蓝宝石基底的尺寸从2英寸提高到6英寸，LED生产率将提高30％。然而，由于量子阱薄膜与蓝宝石基底的热膨胀系数不一致，当蓝宝石基底的尺寸增大时，导致高温生长时大尺寸的蓝宝石基底发生明显形变。这种明显的形变导致蓝宝石基底不能完全与石墨盘接触，使蓝宝石基底的出现温度分布不均的现象，温度最大差异能够达到10℃，温度的差异最终会导致蓝宝石基底不同位置生长的量子阱所辐射的光谱不同，根据温度差异能够导致的光谱差异达到14nm。这对LED照明是不能接受的。为了获得均匀厚度的量子阱薄膜，就需要研究蓝宝石基底的二维形貌，并确定该二维形貌与蓝宝石基底温度分布的数值关系。目前，可以检测蓝宝石基底二维形貌的方法很多，但能用于实时快速检测蓝宝石基底二维形貌的只有激光宏观变形分析法。该方法是用两束已知距离的平行的激光射在蓝宝石基底表面，由于该蓝宝石基底表面面型不同，这两束激光的反射角度就不同。在离激光入射点某一已知距离处分别用一CCD接收这两束激光，CCD就可以获取两束激光光斑的位置。利用图像处理方法获取两束光斑的距离D，再根据两束激光入射前的距离d和入射点距CCD的距离Z就可以计算出两束激光在蓝宝石基底上的入射点间的圆弧的曲率。
然而，MOCVD工艺中，随着承载晶片外延薄膜生长的基底的石墨盘转速的提高，量子阱薄膜的生长率有了较大幅度的提高，而由于CCD最小积分时间和读取速度的限制，目前基于CCD的检测技术在检测高速旋转的石墨盘上的蓝宝石基底已经略显不足。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种能够与高速旋转的石墨盘上的蓝宝石基底相适应的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置。
本发明提供的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置包括第一运算模块、第二运算模块和分析模块，
所述第一运算模块根据N个光斑的位置信号，计算晶片基底上任意两个入射点之间在待测基底沿X方向的曲率CX，
所述第二运算模块根据N个光斑的位置信号，计算晶片基底上任意一个入射点在待测基底移动方向即Y方向的曲率CY，
其中，N为3以上的自然数，所述N个光斑是由N束激光沿晶片基底径向即X方向入射到晶片基底后又分别反射到与所述入射光一一对应的PSD(位置灵敏探测器PositionSensitive Device)上形成的，
所述分析模块根据各所述CX、CY的计算结果，得到基底的二维形貌。
本发明提供的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置采用PSD作为光电转换器件，随着基底的移动，既可以获得晶片基底上任意一个入射点在待测基底移动方向即Y方向的曲率CY，又可以获得两光斑之间在沿入射光排列方向即X方向的曲率CX，根据各CX、CY的计算结果，最终可以得到晶片基底的二维形貌。由于PSD是基于硅光电二极管制成，所以光电转换是实时的，因此本方案的数据读出速度取决于数据采集卡的读出速度。以沿入射光排列方向有5个测试点为例，对于同样的电路，PSD数据读出频率为F，所以总的读出频率是F/15，而对于CCD，根据一般CCD的像素，欲达到PSD的效果，最少也需要512×512＝262144，所以基于CCD的读出频率是F/262144，所以理论上PSD方案的数据读出速度是CCD方案的数据读出速度的17476倍。能够与高速旋转的石墨盘上的蓝宝石基底相适应。
附图说明
图1为本发明提供的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置各模块之间的关系示意图；
图2为用于实现本发明提供的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置的第一种装置光路示意图；
图3为用于实现本发明提供的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置的第二种装置光路示意图；
图4为用于实现本发明提供的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置的第三种装置中，当通光孔内设置的反射镜使得光路翻转90°时的光路示意图。
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，本发明提供的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置包括第一运算模块、第二运算模块和分析模块，
第一运算模块根据N个光斑的位置信号，计算晶片基底上任意两个入射点之间在待测基底沿X方向的曲率CX，
第二运算模块根据N个光斑的位置信号，计算晶片基底上任意一个入射点在待测基底移动方向即Y方向的曲率CY，
其中，N为3以上的自然数，N个光斑是由N束激光沿晶片基底径向即X方向入射到晶片基底后又分别反射到与入射光一一对应的PSD上形成的，
分析模块根据各CX、CY的计算结果，得到基底的二维形貌。
其中，该自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置还可以包括数据采集模块，数据采集模块用于采集各光斑的横坐标，并将各光斑的横坐标输送到第一运算模块和第二运算模块。从而，个光斑的横坐标无需人工输入，使得本发明提供的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置自动化程度更高。
其中，本发明提供的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置还包括数据采集模块，数据采集模块用于采集各光斑的横、纵坐标，并将各光斑的横坐标和纵坐标分别输送到第一运算模块和第二运算模块。由于该数据采集模块的引入，各光斑的横坐标可以自动输送到第一运算模块和第二运算模块，避免了人工输入，自动化程度更高且准确率更高。
实施例一
为了便于理解，附图2仅给出了其中一个光斑的光路图。
参见附图2，本发明实施例一提供的实时快速检测晶片基底二维形貌的装置包括N个PSD1，N束激光和第一分光元件4，N束激光沿直线排布，其中，N为3以上的自然数，N个PSD1与N束激光一一对应，
N束激光首先射向第一分光元件4的10位置，经过第一分光元件4后形成入射光，入射光入射到晶片基底上，并在晶片基底上沿径向形成N个入射点，入射光被基底反射后形成N束第一种反射光束，各第一种反射光束经过第一分光元件透射后，入射到与N束激光相对应的PSD1上，形成N个光斑。
其中，作为N束激光的一种具体的形成方式，N束激光由N个第一种激光器3射出，N个第一种激光器3构成的激光器阵列。
其中，N为5以上的自然数，当N为5以上的自然数时，可以形成的光斑的数量也增大。
为了便于理解，仅以N＝5为例说明晶片外延生长薄膜基底二维形貌的检测方法如下：
N＝5时，形成五个光斑A、B、C、D、E，其各自对应的PSD分别为PSDA、PSDB、PSDC、PSDD、PSDE。
先用平面反射面代替晶片进行校准，令激光射到平面反射面后又反射到PSDA上形成的光斑的横坐标为x10，激光射到平面反射面后又反射到PSDB上形成的光斑的横坐标为x20，第一种反射光束经过第一分光元件透射后投射到PSDA上形成的光斑的横坐标为x11，第一种反射光束经过第一分光元件透射后投射到PSDB上形成的光斑的横坐标为x21，dAB＝x20-x10，PSDA到基底的距离为y10，PSDB到晶片外延生长薄膜基底的距离为y20，
根据上述各参数包括x10、x20、x11、x21、y10、y20和dAB，可以计算得到在光斑A和B之间，在入射光排列方向，即X方向的曲率为：
以此类推，即可以分别得到在晶片基底上任意两个入射点之间在沿入射光排列方向即X方向的曲率。
另外，计算样品上任意两个入射点之间在沿入射光排列方向，即X方向的曲率CX时，x10、x20、dAB×y10和dAB×y20需要校准。此时，可以在用于承载待测基底的石墨盘上首先放置一平面反射镜(CX＝0，CY＝0)，即可以得到x10、x20的值，然后再依次放置两片已知曲率CX的反射镜进行校准，又可以得到dAB·y20和dAB·y10在检测基底时的真值。检测时，由于x10、x20、dAB·y20和dAB·y10都是经过校准得到的真值，避免了系统误差的产生。
令PSD1的采样频率为f，承载基底的石墨盘每分钟转数为RPM，k是PSD1上光斑的纵坐标随时间变化按线性拟合的斜率，校准系数为α，可以计算得到任意一个入射点在待测基底移动方向即Y方向的曲率为：
另外，在计算得到晶片基底上任意一个入射点在待测基底移动方向即Y方向的曲率时，校准系数α需要校准。此时，将一片已知曲率的标准样品放在石墨盘上，以匀速旋转，测量得到该标准样品对应的斜率k，就可以计算出校准系数α。检测时，由于α是经过校准得到的真值，避免了系统误差的产生。
根据上述各CX和各CY数据即可判断待测基底的二维形貌。
本发明提供的实时快速检测晶片基底二维形貌的装置采用PSD作为光电转换器件，随着基底的移动，既可以获得晶片基底上任意一个入射点在待测基底移动方向即Y方向的曲率CY，又可以获得两光斑之间在沿入射光排列方向即X方向的曲率CX，根据各CX、CY的计算结果，最终可以得到晶片基底的二维形貌。由于PSD是基于硅光电二极管制成，所以光电转换是实时的，因此本方案的数据读出速度取决于数据采集卡的读出速度。以沿入射光排列方向有5个测试点为例，对于同样的电路，PSD数据读出频率为F，所以总的读出频率是F/15，而对于CCD，根据一般CCD的像素，欲达到PSD的效果，最少也需要512×512＝262144，所以基于CCD的读出频率是F/262144，所以理论上PSD方案的数据读出速度是CCD方案的数据读出速度的17476倍。能够与高速旋转的石墨盘上的蓝宝石基底相适应。
实时例二
为了便于理解，附图3仅给出了其中一个光斑的光路图。
参见附图3，本发明实施例二提供的实时快速检测晶片基底二维形貌的装置与本发明实施例一提供的实时快速检测晶片基底二维形貌的装置的不同之处在于，还包括第二分光元件14，以及温度测量装置。N束激光经过第一分光元件4反射后入射到第二分光元件14，经过第二分光元件14后形成入射光，入射光入射到晶片基底上，并在晶片基底上沿径向形成N个入射点，入射光被基底反射后形成N束第一种反射光束，各第一种反射光束经过第二分光元件14和第一分光元件4后，入射到与N束激光相对应的PSD1上，形成N个光斑。
温度测量装置包括激光发射装置，第三分光元件17，激光接收装置，激光发射装置发出的第一平行光经过第三分光元件17透射后，又经过第二分光元件14透射后，射向晶片基底并被基底反射后形成第二种反射光束，第二种反射光束经过第二分光元件14透射后，又经过第三分光元件17反射后形成第二平行光束，第二平行光束被激光接收装置接收。
本发明实施例二提供的实时快速检测晶片基底二维形貌的装置借助第二分光元件14的耦合作用增设了上述各元件之后，除能够实时快速检测晶片外延生长薄膜基底二维形貌之外，还能够用于实时快速检测晶片外延生长薄膜基底的温度，从而得到晶片外延生长过程中不同温度下的基底二维形貌，为寻找基底的形貌与基底的温度分布关系提供数据。
其中，作为激光发射装置的一种具体的实现方式，激光发射装置包括第二种激光器、发射光纤15和第一透镜16，发射光纤15处于第一透镜16的发射端焦点上，使得发射光纤15发射出的发散光经过第一透镜16的折射后成为第一平行光；作为激光接收装置的一种具体的实现方式，激光接收装置包括第二透镜18、接收光纤19和探测器，接收光纤19处于第二透镜18接收端的焦点上，使得第二平行光经过第二透镜18的折射后汇聚至接收光纤19，便于探测器的探测。
其中，接收光纤19的芯径大于发射光纤15的芯径，光纤芯径越大，能够接收的光的光强就越大，当接收光纤19的芯径大于发射光纤的芯径时，接收光纤能够保证第二平行光束经过第二透镜18折射后得到的光能够完全被接收光纤19接收，从而，系统稳定性更好。
此外，
第一分光元件4的分光比是50％透射率和50％反射率。在本发明实施例一～二提供的实时快速检测晶片基底二维形貌的装置中，经过第一分光元件4得到的反射光是用于入射到基底的光，而经过第一分光元件4的透射光是用于投射到PSD1上的光，对第一分光元件4而言，反射和透射作用同样重要，因此，第一分光元件4需要设计成50％透射率和50％反射率。
第二分光元件14的分光比是92％透射率和8％反射率。在本发明实施例二中，第二分光元件是作为将实时快速检测晶片基底二维形貌的装置与检测晶片外延生长薄膜基底温度的装置耦合的媒介，在检测晶片外延生长薄膜基底温度时，只有入射到基底的光线足够强，才能有利于采集基底的黑体热辐射值Pb(λ，T)和基底的热辐射强度L(λ，T)，从而检测到晶片外延生长薄膜基底温度。因此，第二分光元件14需要设计成92％透射率和8％反射率。
第三分光元件17的分光比是50％透射率和50％反射率。在本发明实施例二中，第三分光元件17首先用于透射第一平行光束后形成用于检测晶片外延生长薄膜基底温度的入射光，还用于反射第二种反射光后形成能够被接收光纤19接收的第二平行光束，对第三分光元件17而言，反射和透射的作用同样重要，因此，第三分光元件17需要设计成50％透射率和50％反射率。
作为第三分光元件17具体的实现方式，第三分光元件17是分光棱镜或者分光平片。
其中，N束激光波长选自405nm、532nm、633nm和650nm、780nm、980nm等所有常见半导体激光器的波长中的任一，由于这些波长对应的光大都是可见光，因此，对激光器的调试更加方便，由于激光器发出的光是可见光，最终投射到PSD1上形成的光斑也与该可见光的波长相同，即，此时比较容易寻找光斑的位置，从而使检测晶片外延生长薄膜基底二维形貌更加容易。
本实施例二提供的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置还可以包括第三运算模块，激光接收装置将探测得到的光强信号输送到第三运算模块，第三运算模块根据光强信号计算得到晶片基底的实时温度。
此时，根据多次测量得到的晶片基底的二维形貌和晶片基底的实时温度，得到晶片基底的二维形貌和晶片基底的实时温度之间的分布关系。
实施例三
本发明实施例三提供的实时快速检测晶片基底二维形貌的装置与本发明实施例一和实施例二的区别在于，本发明实施例三提供的实时快速检测晶片基底二维形貌的装置还可以包括通光装置，通光装置设置在入射光和第一种反射光束共同经过的光路上，通光装置上设有N个通光孔，N个通光孔与N束激光一一对应，通光孔间隔地设有反射镜11，用于使对应经过的光束方向翻转90°，从而使对应的PSD转到另一方向，节省摆放空间。
为了便于理解，附图4仅给出了其中一个光斑的光路图。
参见附图4，由激光器阵列中各第一种激光器3发出的光束经过第一分光元件4反射后入射到反射镜11，经过反射镜11反射后形成入射光，入射光入射到晶片基底上，并在晶片基底上沿径向形成N个入射点，入射光被基底反射后形成N束第一种反射光束，各第一种反射光束经过反射镜11反射后，又经过第一分光元件4透射后，入射到与各第一种激光器3相对应的PSD1上，形成N个光斑。
本实施例中，反射镜11能够起到改变光路的作用，能够使本发明实施例二提供的实时快速检测晶片基底二维形貌的装置的结构更加紧凑。
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 (14)

1.自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，包括第一运算模块、第二运算模块和分析模块，
所述第一运算模块根据N个光斑的位置信号，计算晶片基底上任意两个入射点之间在待测基底沿X方向的曲率CX，
所述第二运算模块根据N个光斑的位置信号，计算晶片基底上任意一个入射点在待测基底移动方向即Y方向的曲率CY，
其中，N为3以上的自然数，所述N个光斑是由N束激光沿晶片基底径向即X方向入射到晶片基底后又分别反射到与所述入射光一一对应的PSD上形成的，
所述分析模块根据各所述CX、CY的计算结果，得到基底的二维形貌；
所述CX的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>X</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>21</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>20</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>B</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>20</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>11</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>10</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>B</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>10</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，
x10，激光射到平面反射面后又反射到第一PSD上形成的光斑的横坐标，
x20，激光射到平面反射面后又反射到第二PSD上形成的光斑的横坐标，
x11，光线射到晶片基底后又反射到第一PSD上形成的光斑的横坐标，
x21，光线射到晶片基底后又反射到第二PSD上形成的光斑的横坐标，
y10，第一PSD到晶片基底的距离，
y20，第二PSD到晶片基底的距离，
dAB＝x20-x10；
所述CY的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>Y</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>15</mn> <mi>f</mi> </mrow> <mi>&amp;pi;</mi> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mi>k</mi> <mrow> <mi>R</mi> <mi>P</mi> <mi>M</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，
α，校准系数，
k，所述各光斑的纵坐标随时间变化按线性拟合的斜率，
f，所述各PSD的采样频率，
RPM，承载晶片基底的石墨盘每分钟转数。
2.根据权利要求1所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，还包括数据采集模块，所述数据采集模块用于采集所述各光斑的坐标，并将所述各光斑的坐标输送到所述第一运算模块和第二运算模块。
3.根据权利要求1所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，还包括N个PSD，N束激光和第一分光元件，所述N束激光沿直线排布，其中，所述N为3以上的自然数，所述N个PSD与N束激光一一对应，
所述N束激光首先射向所述第一分光元件，经过所述第一分光元件后形成入射光，所述入射光入射到晶片基底上，并在晶片基底上沿径向形成N个入射点，所述入射光被所述基底反射后形成N束第一种反射光束，所述各第一种反射光束经过所述第一分光元件透射后，入射到与所述N束激光相对应的PSD上，形成N个光斑。
4.根据权利要求3所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，所述N束激光由N个第一种激光器射出，所述N个第一种激光器构成的激光器阵列。
5.根据权利要求3所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，所述N为5以上的自然数。
6.根据权利要求3所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，还包括第二分光元件，以及温度测量装置；
所述N束激光经过第一分光元件反射后入射到第二分光元件，经过所述第二分光元件后形成入射光，所述入射光入射到晶片基底上，并在晶片基底上沿径向形成N个入射点，所述入射光被所述基底反射后形成N束第一种反射光束，所述各第一种反射光束经过所述第二分光元件和所述第一分光元件后，入射到与所述N束激光相对应的PSD上，形成N个光斑；
所述温度测量装置包括激光发射装置，第三分光元件和激光接收装置，
所述激光发射装置发出的第一平行光经过所述第三分光元件透射后，又经过所述第二分光元件透射后，射向晶片基底并被所述基底反射后形成第二种反射光束，所述第二种反射光束经过所述第二分光元件透射后，又经过所述第三分光元件反射后形成第二平行光束，所述第二平行光束被所述激光接收装置接收。
7.根据权利要求6所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，
所述激光发射装置包括第二种激光器和第一透镜，所述发射光纤处于所述第一透镜的发射端焦点上；
所述激光接收装置包括第二透镜、接收光纤和探测器，所述接收光纤处于所述第二透镜接收端的焦点上。
8.根据权利要求7所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，所述接收光纤的芯径大于所述发射光纤的芯径。
9.根据权利要求3或6所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，所述第一分光元件的分光比是50％透射率和50％反射率。
10.根据权利要求6所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，所述第二分光元件的分光比是92％透射率和8％反射率；所述第三分光元件的分光比是50％透射率和50％反射率。
11.根据权利要求6所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，所述第三分光元件是分光棱镜或者分光平片。
12.根据权利要求3或6所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，所述N束激光的波长选自405nm、532nm、633nm、650nm、780nm、980nm的波长中的任一。
13.根据权利要求3或6所述的自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，还包括通光装置，所述通光装置设置在所述入射光和第一种反射光束共同经过的光路上，所述通光装置上设有N个通光孔，所述N个通光孔与所述N束激光一一对应，所述通光孔间隔地设有反射镜，用于使对应经过的光束方向翻转90°。
14.根据权利要求6所述自动实时快速检测晶片基底二维形貌的装置，其特征在于，还包括第三运算模块，
所述激光接收装置将探测得到的光强信号输送到所述第三运算模块，所述第三运算模块根据所述光强信号计算得到所述晶片基底的实时温度。
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