CN107543487B - 一种原位膜厚监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位膜厚监测方法及装置，该方法用于监测沉积在工艺腔室内的基片上的金属薄膜的厚度，其特征在于，工艺时，实时获取所述金属薄膜的电阻R，通过计算来获得所述金属薄膜的实时厚度t。本发明提供了一种新的原位膜厚监测方法，该方法基于方块电阻测试的思想，通过获取金属薄膜的电阻来计算获得金属薄膜的厚度，可实时监测金属薄膜的沉积过程，相对于现有技术中的通过电子束照射镀膜分析衍射图样的方法，本发明中的监测方法检测速度快、步骤简单、易于实施。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种原位膜厚监测方法及装置。
背景技术
目前制备微纳米薄膜的方法主要有物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积这两大类。PVD设备因为具有成本相对低廉、工艺稳定、适用材料广等特点已经被大量适用于IC(集成电路)、LED(光发射二极管)和MEMS(微机械)等领域。物理气相沉积的镀膜的厚度和均匀性作为材料的一个重要技术指标，直接影响光电和机械性能。目前测试物理气相沉积的镀膜厚度的方法主要可以分为两类，原位监测和非原位测试。非原位测试是指镀膜从制备设备中取出，再采用其他设备进行膜厚测量的方式，手段主要有台阶仪、椭偏仪、X射线衍射仪和TEM等等。在MOCVD(金属有机化学沉积)和MBE(分子束外延)镀膜制备系统中，均内嵌有镀膜厚度原位监测的装置，原位监测的原理主要是通过电子束照射镀膜，分析衍射图样的方法拟合镀膜的厚度。然而，在PVD设备中由于大量存在着等离子体，等离子体对电子束起到较大的干扰，因此使得在PVD设备中使用上述原位监测的方法监测镀膜厚度变成了不可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种原位膜厚监测方法及装置，本发明中的监测方法检测速度快、步骤简单、易于实施。
所述装置能够实时监测基片上的等离子体溅射镀膜的电阻。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种原位膜厚监测方法，用于监测沉积在工艺腔室内的基片上的金属薄膜的厚度，工艺时，实时获取所述金属薄膜的电阻R，通过计算来获得所述金属薄膜的实时厚度t。
优选的是，所述通过计算来获得所述金属薄膜的实时厚度t的具体方法为根据公式t＝ρ/(R+R0)计算来获得所述金属薄膜的实时厚度t，其中，ρ为标定系数，R0为接触电阻，根据非原位膜厚监测试验获得的多组所述金属薄膜的电阻与厚度的对应关系拟合得到。
优选的是，实时获取所述金属薄膜的电阻R的具体方法为：为所述金属薄膜提供电压U，实时检测所述金属薄膜的电流I，根据公式R＝U/I计算来获得所述金属薄膜的电阻R。
优选的是，工艺前，在所述基片上预沉积一层金属薄膜。
优选的是，所述预沉积的金属薄膜的厚度为1～8nm。
优选的是，当所述金属薄膜的实时厚度t达到期望值时，工艺结束。
本发明还提供一种原位膜厚监测装置，用于监测沉积在工艺腔室内的基片上的金属薄膜的厚度，所述装置包括监测机构和控制机构，工艺时，所述监测机构实时获取所述金属薄膜的电阻R并发送给所述控制机构，所述控制机构通过计算来获得所述金属薄膜的实时厚度t。
优选的是，所述控制机构根据公式t＝ρ/(R+R0)计算来获得所述金属薄膜的实时厚度t，其中，ρ为标定系数，R0为接触电阻，根据非原位膜厚监测试验获得的多组所述金属薄膜的电阻与厚度的对应关系拟合得到。
优选的是，所述监测机构包括：
电源模块，用于为所述金属薄膜提供电压U，并将电压U信号发送给计算模块；
电流检测模块，用于实时检测所述金属薄膜的电流I，并将电流信号发送给计算模块；
计算模块，用于根据公式R＝U/I计算来获得所述金属薄膜的电阻R。
优选的是，所述监测机构还包括悬臂和探针，所述悬臂的一端与所述工艺腔室连接，所述悬臂的另外一端与所述探针连接，所述探针包括第一探针和第二探针，
所述电源模块与所述第一探针电连接，通过所述第一探针为所述金属薄膜提供电压U；
所述电流检测模块与所述第二探针电连接，通过所述第二探针检测所述金属薄膜的电流I。
优选的是，所述基片位于可升降的基座上，工艺前，所述基座位于低位，所述基片不与所述探针接触，以在所述基片上预沉积一层金属薄膜；工艺时，所述基座位于高位，所述基片上的预沉积的金属薄膜与所述探针接触。
优选的是，所述监测机构还包括设置于所述探针外的弹簧保护套，工艺前，所述弹簧保护套的最低端低于所述探针的探头，以保护所述探针的探头不会预沉积一层金属薄膜；工艺时，所述弹簧保护套的最低端与所述探针的探头齐平，以使所述探针的探头接触所述预沉积的金属薄膜。
优选的是，所述控制机构还用于根据获得的所述金属薄膜的实时厚度t达到期望值时，控制工艺结束。
本发明提供了一种新的原位膜厚监测方法，该方法基于方块电阻测试的思想，通过获取金属薄膜的电阻来计算获得金属薄膜的厚度，可实时监测金属薄膜的沉积过程，相对于现有技术中的通过电子束照射镀膜分析衍射图样的方法，本发明中的监测方法检测速度快、步骤简单、易于实施。
附图说明
图1是本发明实施例2中的原位膜厚监测方法的流程图；
图2是本发明实施例4中的原位膜厚监测装置的原理图；
图3是本发明实施例4中的原位膜厚监测装置的悬臂所在的工艺腔室的结构示意图；
图4是本发明实施例4中的原位膜厚监测装置的悬臂所在的工艺腔室的部分结构示意图；
图5是本发明实施例4中的原位膜厚监测装置的监测机构的部分结构示意图；
图6是本发明实施例4中的原位膜厚监测装置的监测机构的部分结构剖面图；
图7是本发明实施例4中的工艺前的原位膜厚监测装置的悬臂所在的工艺腔室的结构示意图；
图8是本发明实施例4中的工艺时的原位膜厚监测装置的悬臂所在的工艺腔室的结构示意图。
图中：1-监测机构；11-电源模块；12-电流检测模块；13-计算模块；2-控制机构；3-工艺腔室；4-基片；5-悬臂；51-悬臂腔体；6-探针；61-探针底座；62-探头；7-内衬；8-压环；9-弹簧保护套；91-外套筒；92-弹簧；93-内套筒；10-基座。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例提供一种原位膜厚监测方法，用于监测沉积在工艺腔室内的基片上的金属薄膜的厚度，工艺时，实时获取金属薄膜的电阻R，通过计算来获得金属薄膜的实时厚度t。
本实施例提供了一种新的原位膜厚监测方法，该方法基于方块电阻测试的思想，通过获取金属薄膜的电阻来计算获得金属薄膜的厚度，可实时监测金属薄膜的沉积过程，相对于现有技术中的通过电子束照射镀膜分析衍射图样的方法，本实施例中的监测方法检测速度快、步骤简单、易于实施。
实施例2
如图1所示，本实施例提供一种原位膜厚监测方法，用于监测沉积在工艺腔室内的基片上的金属薄膜的厚度，该方法包括以下步骤：
S201工艺前，在基片上预沉积一层金属薄膜，预沉积的金属薄膜的厚度为1～8nm。
S202工艺时，沉积金属薄膜，实时获取金属薄膜的电阻R：实时获取金属薄膜的电阻R的具体方法为：为金属薄膜提供电压U，实时检测金属薄膜的电流I，根据公式R＝U/I计算来获得金属薄膜的电阻R。工艺前预沉积的金属薄膜与工艺时沉积的金属薄膜连接，起导电作用，以在膜厚逐渐增加时，实时检测。
S203通过计算来获得金属薄膜的实时厚度t：根据公式t＝ρ/(R+R0)计算来获得金属薄膜的实时厚度t，其中，ρ为标定系数，R0为接触电阻，根据非原位膜厚监测试验获得的多组金属薄膜的电阻与厚度的对应关系拟合得到。
对于理想的均一性金属薄膜来说，t＝ρ/R，其中，ρ为金属薄膜的电阻率，其为金属薄膜所固有的属性；但是由于工艺条件的限制，通常并不能保证金属薄膜是理想的均一性晶体，所以必须对金属薄膜的电阻R-金属薄膜的厚度t转换参数进行标定，一般来说，需要考虑接触电阻R0，金属薄膜的电阻R与金属薄膜的厚度t的关系为t＝ρ/(R+R0)。
其中，对金属薄膜的电阻R-金属薄膜的厚度t转换参数进行标定的方法为：使用本实施例S202中的获取金属薄膜的电阻R方法获取金属薄膜的电阻R，再通过非原位膜厚监测试验对金属薄膜的厚度t进行确认，取得至少5组不同的金属薄膜厚度t时的R-t的对应值，通过数据拟合的方法得到ρ和R0的具体数值。具体的，非原位膜厚监测试验所用的仪器为台阶仪、椭偏仪、X射线衍射仪、TEM(扫描电镜)中的一种。本实施例中采用椭偏仪对金属薄膜的厚度t进行确认。
S204判断金属薄膜的实时厚度t是否达到期望值时，若金属薄膜的实时厚度t是否达到期望值，则执行步骤S205；否则，则返回执行步骤S202。
S205沉积金属薄膜工艺结束。
具体的，本实施例中的原位膜厚监测方法用于进行等离子体溅射镀膜的工艺腔室中，在工艺腔室中实时获取金属薄膜的电阻R并不受等离子体溅射的影响，从而可以准确地通过计算来获得金属薄膜的实时厚度t，准确的控制等离子体溅射镀膜的膜厚，该方法为闭环控制的方法。
本实施例提供了一种新的原位膜厚监测方法，该方法基于方块电阻测试的思想，通过获取金属薄膜的电阻来计算获得金属薄膜的厚度，可实时监测金属薄膜的沉积过程，相对于现有技术中的通过电子束照射镀膜分析衍射图样的方法，本实施例中的监测方法检测速度快、步骤简单、易于实施。
实施例3
本实施例提供一种原位膜厚监测装置，用于监测沉积在工艺腔室内的基片上的金属薄膜的厚度，装置包括监测机构和控制机构，工艺时，监测机构实时获取金属薄膜的电阻R并发送给控制机构，控制机构通过计算来获得金属薄膜的实时厚度t。
本实施例提供了一种新的原位膜厚监测装置，该装置基于方块电阻测试的思想，通过获取金属薄膜的电阻来计算获得金属薄膜的厚度，可实时监测金属薄膜的沉积过程，相对于现有技术中的通过电子束照射镀膜分析衍射图样的装置，本实施例中的监测装置检测速度快、步骤简单、易于实施。
实施例4
如图2～8所示，本实施例提供一种原位膜厚监测装置，用于监测沉积在工艺腔室3内的基片4上的金属薄膜的厚度，装置包括监测机构1和控制机构2，工艺时，监测机构1实时获取金属薄膜的电阻R并发送给控制机构2，控制机构2通过计算来获得金属薄膜的实时厚度t。
需要说明的是，控制机构2根据公式t＝ρ/(R+R0)计算来获得金属薄膜的实时厚度t，其中，ρ为标定系数，R0为接触电阻，根据非原位膜厚监测试验获得的多组金属薄膜的电阻与厚度的对应关系拟合得到。
如图2所示，需要说明的是，监测机构1包括：
电源模块11，用于为金属薄膜提供电压U，并将电压U信号发送给计算模块13；
电流检测模块12，用于实时检测金属薄膜的电流I，并将电流信号发送给计算模块13；
计算模块13，用于根据公式R＝U/I计算来获得金属薄膜的电阻R，并发送给控制机构2。
如图3～6所示，需要说明的是，监测机构1还包括悬臂5和探针6，悬臂5的一端与工艺腔室3连接，悬臂5的另外一端与探针6连接，探针6包括第一探针和第二探针，
电源模块11与第一探针电连接，通过第一探针为金属薄膜提供电压U；
电流检测模块12与第二探针电连接，通过第二探针检测金属薄膜的电流I。
具体的，悬臂5包括中空的悬臂腔体51，电源模块11通过导线与第一探针电连接，电源模块11和第一探针之间的导线设置于悬臂腔体51内；电流检测模块12与第二探针电连接，电流检测模块12与第二探针之间的导线设置于悬臂腔体51内。工艺腔室3的侧壁内覆盖有环形内衬7，悬臂5的一端固定于环形内衬7上，工艺腔室3内的压环8用于进行工艺时压住基片4，悬臂5位于压环8的上方，与悬臂5的另外一端连接的探针6朝向压环8所压住的基片4，探针6与基片4上的金属薄膜的接触位置位于基片4的边缘区域。
具体的，本实施例中的监测机构1为两套，其中一套使用，另外一套备用。
如图7、8所示，需要说明的是，基片4位于可升降的基座10上，基座10能够上升至高位(工艺位置)进行工艺，或者下降至低位(装卸位置)进行取放基片4操作。如图8所示，工艺前，基座10位于低位(装卸位置)，基片4不与探针6接触，其中，基片4与探针6的距离d为3～5mm，以在基片4上预沉积一层金属薄膜；如图7所示，工艺时，基座10位于高位(工艺位置)，基片4上的预沉积的金属薄膜与探针6接触。
如图6所示，需要说明的是，监测机构1还包括设置于探针6外的弹簧保护套9，探针6包括探针底座61和与探针底座61连接的探头62，本实施例中的弹簧保护套9包括设置于弹簧保护套9顶端的外套筒91、弹簧92和设置于弹簧保护套9最低端的内套筒93。外套筒91设置于探针底座61外，且外套筒91与探针底座61固定连接，内套筒93套置于探针6的探头62外，且探针6的探头62朝向内套筒93的最低端的开口，内套筒93卡嵌在外套筒91内。其中，弹簧92设置于外套筒91内，在纵向上弹簧92位于探针底座61和内套筒93之间。
如图8所示，工艺前，基座10位于低位，基座10不与探针6接触，此时，弹簧保护套9并没有受到基座10的挤压作用，弹簧保护套9处于松弛状态，即弹簧92处于松弛状态，相对于弹簧92处于压缩变形状态来说，弹簧92的弹力使得内套筒93朝向与探针底座61相反的方向运动，这样内套筒93的最低端的开口处低于探头62，即弹簧保护套9的最低端低于探头62，以保护探针6的探头62不会预沉积一层金属薄膜，从而保护了探针6，延长了探针6的使用寿命，提高了探针6监测的准确性；
如图7所示，工艺时，基座10处于高位，弹簧保护套9受到基座10的挤压作用，处于压缩状态，即弹簧92处于压缩状态，相对于弹簧92处于松弛状态来说，内套筒93在纵向上通过挤压弹簧92朝向探针底座61运动，而使得探头62与内套筒93的最低端的开口处齐平，也就相当于弹簧保护套9的最低端与探针6的探头62齐平，以使探针6的探头62接触预沉积的金属薄膜，弹簧保护套9仍旧在探针6外，这样弹簧保护套9和预沉积有金属薄膜的基片4围成密闭空间，探针6位于该密闭空间内。在工艺时沉积金属薄膜的过程中，探针6完全被包围保护起来并避免了被沉积上金属薄膜，同时探头62与预沉积的金属薄膜接触，工艺前预沉积的金属薄膜与工艺时沉积的金属薄膜连接，起导电作用，随着后续的沉积金属薄膜的进行，监测机构1通过探头62为金属薄膜提供电压并检测电流。
需要说明的是，控制机构2还用于根据获得的金属薄膜的实时厚度t达到期望值时，控制工艺结束。
本实施例提供了一种新的原位膜厚监测装置，该装置基于方块电阻测试的思想，通过获取金属薄膜的电阻来计算获得金属薄膜的厚度，可实时监测金属薄膜的沉积过程，相对于现有技术中的通过电子束照射镀膜分析衍射图样的装置，本实施例中的监测装置检测速度快、步骤简单、易于实施。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种原位膜厚监测方法，用于监测沉积在工艺腔室内的基片上的金属薄膜的厚度，其特征在于，工艺时，通过监测机构的悬臂和第一探针为所述金属薄膜提供电压U，通过所述监测机构的悬臂和第二探针实时检测所述金属薄膜的电流I，根据公式R＝U/I计算来实时获取所述金属薄膜的电阻R，通过计算来获得所述金属薄膜的实时厚度t。
2.根据权利要求1所述的原位膜厚监测方法，其特征在于，所述通过计算来获得所述金属薄膜的实时厚度t的具体方法为根据公式t＝ρ/(R+R0)计算来获得所述金属薄膜的实时厚度t，其中，ρ为标定系数，R0为接触电阻，根据非原位膜厚监测试验获得的多组所述金属薄膜的电阻与厚度的对应关系拟合得到。
3.根据权利要求1所述的原位膜厚监测方法，其特征在于，工艺前，在所述基片上预沉积一层金属薄膜。
4.根据权利要求3所述的原位膜厚监测方法，其特征在于，所述预沉积的金属薄膜的厚度为1～8nm。
5.根据权利要求1所述的原位膜厚监测方法，其特征在于，当所述金属薄膜的实时厚度t达到期望值时，工艺结束。
6.一种原位膜厚监测装置，用于监测沉积在工艺腔室内的基片上的金属薄膜的厚度，其特征在于，所述装置包括监测机构和控制机构，其中，所述监测机构还包括悬臂和探针，所述悬臂的一端与所述工艺腔室连接，所述悬臂的另外一端与所述探针连接，所述探针包括第一探针和第二探针；
工艺时，所述监测机构通过所述第一探针为所述金属薄膜提供电压U，通过所述第二探针检测所述金属薄膜的电流I，根据公式R＝U/I计算来实时获取所述金属薄膜的电阻R并发送给所述控制机构，所述控制机构通过计算来获得所述金属薄膜的实时厚度t。
7.根据权利要求6所述的原位膜厚监测装置，其特征在于，所述控制机构根据公式t＝ρ/(R+R0)计算来获得所述金属薄膜的实时厚度t，其中，ρ为标定系数，R0为接触电阻，根据非原位膜厚监测试验获得的多组所述金属薄膜的电阻与厚度的对应关系拟合得到。
8.根据权利要求6所述的原位膜厚监测装置，其特征在于，所述基片位于可升降的基座上，工艺前，所述基座位于低位，所述基片不与所述探针接触，以在所述基片上预沉积一层金属薄膜；工艺时，所述基座位于高位，所述基片上的预沉积的金属薄膜与所述探针接触。
9.根据权利要求8所述的原位膜厚监测装置，其特征在于，所述监测机构还包括设置于所述探针外的弹簧保护套，工艺前，所述弹簧保护套的最低端低于所述探针的探头，以保护所述探针的探头不会预沉积一层金属薄膜；工艺时，所述弹簧保护套的最低端与所述探针的探头齐平，以使所述探针的探头接触所述预沉积的金属薄膜。
10.根据权利要求6所述的原位膜厚监测装置，其特征在于，所述控制机构还用于根据获得的所述金属薄膜的实时厚度t达到期望值时，控制工艺结束。
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