CN107611049B - 一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体制造技术领域，提出了基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法和装置，包括以下步骤：S1、获取外延片生长反应腔内的背景噪声；S2、获取生成各外延片对应的热辐射光谱和至少五组反射光谱；S3、对所述热辐射光谱和反射光谱光谱信号进行平滑、基线校正的预处理过程；S4、根据预处理校正后的光谱对外延片信息进行解析；S5、判断该外延片的薄膜参数是否满足工艺要求，若满足要求，则进行后续工艺流程，并重复步骤S3~S5，不满足则停止当前工艺，进行相应修改后重复步骤S3~S5。本发明可以同时得到外延片生长过程中的多种薄膜参数，为外延片生长工艺的优化提供数据参考，可广泛应用于半导体光学检测领域。

Description

一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法和装置

技术领域

本发明属于半导体材料制造设备技术领域，提出了一种基于实时光谱的多参数原位监测方法和装置。

背景技术

薄膜外延是制造半导体器件薄膜的关键工艺，它是一种复杂的物理化学反应过程。影响外延生长的参数很多，这些参数决定了器件的光电特性和良品率，生长参数的微小偏差会导致器件良品率和性能指数级衰减。薄膜外延生长的原位监测是薄膜外延生长系统的“眼睛”，用于实时在线检测外延薄膜生长过程中的参数。目前，有相关方法实现了外延片温度、厚度、生长率、应力等参数的在线检测，但随着外延生长过程中要求控制的组分、膜层厚度以及长膜质量越来越高，需要监测系统可以同时检测薄膜生长的物性变化、生长速率、薄膜质量等多种参数，以便及时调整外延参数，实现薄膜外延生长过程的最优化。

专利(专利号：CN 103592284 A)提出“一种薄膜外延生长在线实时表征装置”，利用拉曼光谱信号对MOCVD设备中薄膜外延生长过程中的纳米材料微观结构进行实时、直接表征。但由于拉曼光谱是对应光照射到物质上发生拉曼散射形成光谱，拉曼散射截面小，拉曼信号的激发和收集困难。

专利(专利号：CN 103177938 A)提出“硅复合物外延生长厚度的检测方法及硅复合物的制作方法”，将外延生长反应腔降至常温，在该反应腔内进行检测，或在保护气体保护下将生长硅复合物外延层的外延片从外延生长反应腔移入另外的常温腔室中进行检测，检测包括：使用傅氏转换红外线光谱仪检测所述硅复合物中的成分及各元素的含量，使用椭偏光法检测所述硅复合物的厚度。由于需要将外延生长反应腔降至常温，大大影响加工制作效率，不能实时测试外延层中硅复合物的成分及各元素含量。

红外光谱仪结合椭偏光法测量硅复合物成分及所述硅复合物的厚度，需要采用斜入射方法实现，在生长反应腔上开两个孔，增加结构设计复杂度。而且椭偏仪价格高，此方案性价比低。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种结构简单，测量方便基于实时光谱的外延片多参数原位监测装置和方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法，包括以下步骤：

S1、通过原位监测装置获取外延片生长反应腔内的背景噪声；

S2、通过原位监测装置同时获取生成各外延片对应的热辐射光谱和至少五组反射光谱；

S3、对所述热辐射光谱和反射光谱信号进行平滑、基线校正的预处理过程；

S4、根据预处理校正后的光谱对外延片信息进行解析，具体为：根据所述各个外延片对应的辐射光谱中的红外光谱，计算得到所述各个外延片的温度信息，根据各个外延片对应的至少五组反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例；

S5、判断该外延片的薄膜参数是否满足工艺要求，若满足要求，则进行后续工艺流程，并重复步骤S3～S5，不满足要求，则停止当前工艺，进行相应修改后重复步骤S3～S5；

所述原位监测装置包括：宽带光源、光学组件、光谱仪、数据处理单元；所述宽带光源用于产生宽带光束；所述光学组件用于使所述宽带光束经外延片生长反应室上的窗口垂直入射到各外延片上，以及使各外延片表面反射的光入射到所述光谱仪；

所述通过原位监测装置同时获取生成各外延片对应的辐射光谱和至少五组反射光谱包括以下步骤：

确定石墨盘每旋转一周光谱仪采集数据的次数，其中，石墨盘每旋转一周光谱仪采集数据的次数N1＝M/n，式中M为石墨盘外周上的外延片的数量，n为正整数，且M能被n整除，；

根据石墨盘每旋转一周光谱仪采集数据的次数以及所述石墨盘的旋转周期T，得到光谱仪采集数据的周期，其中，所述光谱仪采集数据的周期为T1＝T/N1；

以石墨盘每旋转两圈为一个数据采集周期，在每个数据采集周期内，当石墨盘旋转第一圈时，使所述宽带光源不发光，光谱仪采集对应的各个外延片表面的反射光，记为第一光谱；当石墨盘旋转第二圈时，使所述宽带光源发光，光谱仪采集各个外延片表面的反射光，记为第二光谱，将各个外延片对应的第一光谱-背景噪声，即生成对应外延片的热辐射光谱，将各个外延片对应的第二光谱-各个外延片对应的第一光谱，即生成对应外延片的反射光谱；

连续改变每个数据周期对应的起始外延片，测量n个周期，使所述光谱仪采集的数据遍历所有外延片，得到所有外延片的反射光谱和热辐射光谱；

重复测量，得到所有外延片的至少五组反射光谱。

所述通过原位监测装置获取外延片生长反应腔内的背景噪声的方法为：薄膜生长开始前，在石墨盘上对应位置设置一个晶片，关闭所述宽带光源，通过光谱仪测量一次数据，保存为背景噪声。

所述根据各个外延片对应的反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例具体是指：将多膜层光学结构采用虚拟膜层的方法，简化为空气层、薄膜层和虚拟衬底层，采用根据各个外延片对应的至少五组反射光谱以及简化后的光学模型中，光垂直入射时的反射率表达式，由最小二乘迭代计算得到光学常数n₁、k₁和薄膜生长率G，并根据光学常数n₁、k₁和薄膜生长率G计算得到外延片的厚度，粗糙度，组分及比例信息；

所述光垂直入射时的反射率表达式为：

其中，

γ＝4πk₁G/λ

δ＝4πn₁G/λ

N₀、N₁和N_s分别为空气层、薄膜层和虚拟衬底层的复折射率，N₀＝n₀-ik₀，N₁＝n₁-ik₁，N_s＝n_s-ik_s。n₀、n₁、n_s分别为空气层、薄膜层和虚拟衬底层的折射率，k₀、k₁、k_s分别为空气层、薄膜层和虚拟衬底层的消光系数，r₁ ⁺代表光从空气层到薄膜层的振幅反射系数，代表光从薄膜层到虚拟衬底层的振幅反射系数。

根据各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，计算得到各个外延片的温度信息具体是指：结合各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，采用全光谱黑体辐射拟合公式，拟合计算得到各个外延片的温度；所述全光谱黑体辐射拟合公式为：

其中，L表示黑体的光谱辐射出射度，即为辐射光谱中的光强度，通过测量的热辐射光谱获得，T表示绝对温度、λ表示辐射波长，A为与样品热发射率成一定比例关系的系数，C为背景信号或热辐射常数，c为光速，h为普朗克常数，k_B为波尔兹曼常数。

根据各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，计算得到各个外延片的温度信息具体是指：结合各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，采用实时热发射率修正的黑体辐射测温法，拟合计算得到各个外延片的温度；所述实时热发射率修正的黑体辐射测温法采用的关系式为：

为在波长λ、入射角度θ、方位角偏振态σ和温度T下物体的光谱辐射能量，通过测量得到的热辐射光谱数据获得，表示热发射率，可以根据基尔霍夫定律和能量守恒定律推导获得，L(λ,T)为黑体的光谱辐射出射度。

本发明还提供了一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测装置，包括：

宽带光源：用于产生宽光谱光束；

光源控制电路：用于控制所述宽带光源发出宽光谱光束；

光学组件：用于接收所述宽带光源发出的宽光谱光束，并使所述宽光谱光束经外延片生长反应室上的窗口垂直入射到石墨盘上的外延片上，以及使外延片表面反射的光入射到光谱仪；

光谱仪：用于在宽带光源不发光时，接收各个外延片表面的辐射光，形成第一光谱数据，以及在宽带光源发光时，接收各个外延片表面的反射光，形成第二光谱数据，并将所述第一光谱数据和第二光谱数据传输给数据处理单元；

触发信号产生装置：设置在外延片生长反应室内，用于根据外延片生长反应室内石墨盘的转动产生与石墨盘转动周期T相同的触发信号，并将所述触发信号发送给数据处理单元；

数据处理单元：用于根据所述触发信号的周期和外延片生长反应室内外延片的数量，发送控制信号给所述宽带光源和光谱仪，以控制所述宽带光源进行发光以及控制所述光谱仪采集光谱；所述数据处理处理单元还用于对所述光谱仪采集到的第一光谱和第二光谱进行识别和计算，以得到各个外延片的辐射光谱以及反射光谱，并对所述热辐射光谱和反射光谱光谱信号进行平滑、基线校正的预处理过程之后，根据各个外延片对应的辐射光谱中的红外光谱，计算得到所述各个外延片的温度信息，根据各个外延片对应的反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例。

所述的一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测装置，还包括同步控制电路，所述同步控制电路的输入端与所述数据处理单元连接，输出端分别与所述光源控制电路和光谱仪连接；

所述同步控制单元用于根据所述数据处理单元发送的控制信号，发送第一工作信号给所述光源控制电路，使所述宽带光源在石墨盘的第一个旋转周期内不发光，在第二旋转周期内发光，所述第一工作信号为周期T1＝2T，占空比为1:1的周期性脉冲信号；

所述同步控制单元还用于根据所述数据处理单元发送的控制信号，发送与所述第一工作信号同步的第二工作信号给所述光谱仪，使所述光谱仪在石墨盘的每个旋转周期内采集N1＝M/n次数据，所述第二工作信号为周期为T2＝T*n/M的脉冲信号，式中M为石墨盘外周上的外延片的数量，n为正整数，且M能被n整除。

所述数据处理单元内设置有光谱识别计算程序、预处理程序、温度计算程序和薄膜参数计算程序；

所述光谱识别计算程序用于执行以下操作：根据所述触发信号和设定的光谱仪在石墨盘的每个旋转周期内采集数据的次数，以及触发信号起始位置对应的外延片，对所述第一光谱和第二光谱对应的外延片进行识别，并将各外延片的第一光谱与背景噪声进行相减得到外延片的热辐射光谱，以及将各外延片对应的第二光谱与第一光谱进行相减得到外延片的反射光谱；

所述预处理程序用于执行以下操作：对所述热辐射光谱和反射光谱光谱信号进行平滑、基线校正的预处理过程；

所述温度计算程序用于执行以下操作：根据预处理程序得到的各个外延片的辐射光谱，计算得到外延片的薄膜温度；

所述参数计算程序用于执行以下操作：根据预处理程序得到的各个外延片的至少五组反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例；

所述背景噪声的获取方法为：薄膜生长开始前，在石墨盘上对应位置设置一个晶片，关闭所述宽带光源，通过光谱仪测量一次数据，保存为背景噪声。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明可以在线实时测量外延薄膜的热辐射光谱和反射光谱，本发明实时采集的光谱可以携带丰富的信息，可用来分析GaAs，Si，SiC，InP，ZnSe，ZnTe及GaN等化合物半导体及其混合物的多种信息，从而得到外延片生长过程中的多种薄膜参数，包括薄膜温度、反射率、厚度、生长率、光学常数(n，k)、粗糙度、组分及成分比例等；

2、本发明提出的一种基于实时光谱的多参数原位监测装置，其结构简单，只需要在反应腔开一个观察窗口即可以实现在线测量，而不需要将反应腔从高温降至常温或取出外延片的操作。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法对应的检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法的流程示意图；

图3为本发明实施例中多膜层光学结构示意图；

图4为单层薄膜的反射率曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法，该方法基于原位监测装置来实现，如图1所示，所述原位监测装置包括：宽带光源1、光学组件2、光谱仪3和数据处理单元4；所述宽带光源1用于产生宽带光束；所述光学组件2用于使所述宽带光束经外延片生长反应室上的窗口垂直入射到各外延片5上，以及使各外延片5表面反射的光入射到所述光谱仪3；如图2所示，所述原位监测方法包括以下步骤：

S1、通过原位监测装置获取外延片生长反应腔内的背景噪声，其具体实现过程为：薄膜生长开始前，在石墨盘上对应位置设置一个晶片，关闭所述宽带光源，通过光谱仪测量一次数据，保存为背景噪声。

S2、通过原位监测装置同时获取生成各外延片对应的热辐射光谱和至少五组反射光谱，其具体实现过程为：

S2O1、确定石墨盘每旋转一周光谱仪采集数据的次数，其中，石墨盘每旋转一周光谱仪采集数据的次数N1＝M/n，式中n为正整数，且M能被n整除，M为石墨盘外周上的外延片的数量；

S2O2、根据石墨盘每旋转一周光谱仪采集数据的次数以及所述石墨盘的旋转周期T，得到光谱仪采集数据的周期，其中，所述光谱仪采集数据的周期为T1＝T/N1；

S2O3、以石墨盘每旋转两圈为一个数据采集周期，在每个数据采集周期内，当石墨盘旋转第一圈时，使所述宽带光源不发光，光谱仪采集对应的各个外延片表面的反射光，记为第一光谱；当石墨盘旋转第二圈时，使所述宽带光源发光，光谱仪采集各个外延片表面的反射光，记为第二光谱，将各个外延片对应的第一光谱-背景噪声，即生成对应外延片的热辐射光谱，将各个外延片对应的第二光谱-各个外延片对应的第一光谱，即生成对应外延片的反射光谱；

S2O4、连续改变每个数据周期对应的起始外延片，测量n个周期，使所述光谱仪采集的数据遍历所有外延片，得到所有外延片的反射光谱和热辐射光谱；

S2O5、重复测量，得到所有外延片的至少五组反射光谱。

S3、对所述热辐射光谱和反射光谱信号进行平滑、基线校正的预处理过程；

S4、根据预处理校正后的光谱对外延片信息进行解析，具体为：根据各个外延片对应的辐射光谱中的红外光谱，计算得到各个外延片的温度信息，根据各个外延片对应的至少五组反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例等参数。

其中，所述步骤S4中，所述根据各个外延片对应的反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例的具体方法可以为：

(1)计算外延片的光学常数和薄膜生长率，具体计算方法可以为：将多膜层光学结构采用虚拟膜层的方法，简化为空气层、薄膜层和虚拟衬底层，如图3所示，采用根据各个外延片对应的至少五组反射光谱以及简化后的光学模型中，光垂直入射时的反射率表达式，所述光垂直入射时的反射率表达式为：

其中，

γ＝4πk₁G/λ

δ＝4πn₁G/λ (2)

N₀、N₁和N_s分别为空气层、薄膜层和虚拟衬底层的复折射率，N₀＝n₀-ik₀，N₁＝n₁-ik₁，N_s＝n_s-ik_s。n₀、n₁、n_s分别为空气层、薄膜层和虚拟衬底层的折射率，k₀、k₁、k_s分别为空气层、薄膜层和虚拟衬底层的消光系数，r₁ ⁺和分别代表光从光从空气层到薄膜层的振幅反射系数和透射系数，r₁ ^-和分别代表光从薄膜层到空气层的振幅反射系数和透射系数，和分别代表光从薄膜层到虚拟衬底层的振幅反射系数和透射系数，和分别代表光从虚拟衬底层到薄膜层的振幅反射系数和透射系数。光谱信号与薄膜和衬底光学属性、膜层以及衬底厚度等参数直接相关,ρ(t)可由n₁、k₁、G、ρ₁和σ五个参数确定。n₁、k₁和G是具有实际物理意义的参数。G代表薄膜生长率。ρ₂和σ是为计算前三个参数而引入的，反映了底层光学响应。因此，通过至少连续五次反射率测量，由最小二乘迭代计算，可以得到光学常数n₁、k₁和薄膜生长率G。

(2)根据薄膜生长率计算薄膜厚度：由于薄膜厚度d与薄膜生长率G相关，因此，在选定的时间t内，可以通过公式d＝G*t来计算薄膜的厚度；

(3)根据光学常数计算生长薄膜的组分及比例：由于已知反应源物质具有不同的光学常数，通过上述推导得到的薄膜光学常数，可计算生长薄膜的组分及比例。

(4)根据薄膜反射率计算得到薄膜的粗糙度：理想情况下，单层薄膜的反射率曲线是振幅恒定的余弦波。若薄膜材料非理想透明介质，光吸收影响不能忽略，即k₁G≠0，薄膜表面的反射率有一定的衰减的周期性变化。衰减系数为k₁G/λ。如图2所示，反射率曲线上两个反射率峰值与反射率满足指数关系，即：

式(3)中，ρ_max1和ρ_max2分别为反射率曲线上两个反射率峰值的值，T_1-2表示这两个峰值之间的时间差，因此，可以根据薄膜反射率曲线结合上式求得衰减系数k₁G/λ，由于薄膜的粗糙度与衰减系数相关，则从而进一步分析薄膜的粗糙度。

此外，也可根据计算得到的薄膜生长率G和薄膜层的消光系数k₁来计算得到薄膜的衰减系数，进一步分析得到薄膜的粗糙度。

其中，根据所述各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，计算得到所述各个外延片的温度信息的具体过程可以为：结合各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，采用全光谱黑体辐射拟合公式，拟合计算得到各个外延片的温度；所述全光谱黑体辐射拟合公式为：

上式中，L表示黑体的光谱辐射出射度，即为辐射光谱中的光强度，通过测量的热辐射光谱获得，T表示绝对温度、λ表示辐射波长，A为与样品热发射率成一定比例关系的系数，C为背景信号或热辐射常数，c为光速，h为普朗克常数，k_B为波尔兹曼常数。上式中，A和C可通过校准得到的常数，实际测试中，每一组光谱可等效是λ与L的关系，其它参数已知，通过数据拟合，可以得到温度T。

此外，根据所述各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，计算得到所述各个外延片的温度信息的具体过程还可以为：结合各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，采用实时热发射率修正的黑体辐射测温法，拟合计算得到各个外延片的温度；

所述实时热发射率修正的黑体辐射测温法采用的关系式为：

为在波长λ、入射角度θ、方位角偏振态σ和温度T下物体的光谱辐射能量，通过测量的热辐射光谱数据获得。表示热发射率，可以根据基尔霍夫定律和能量守恒定律推导获得，L(λ,T)为黑体的光谱辐射出射度，其表达式如式(4)所示。进一步地，从系统测试的辐射光谱中选取待定波长(或波段)的辐射信息从而可以实现热发射率的实时补偿获取更准确的薄膜温度。

S5、判断该外延片的薄膜参数是否满足工艺要求，满足要求则进行后续工艺流程，并重复步骤S3～S5，不满足要求，则停止当前工艺，进行相应修改后重复步骤S3～S5。

作为另一个方面，本发明还提供了一种用于实施以上方法的外延片多参数原位监测装置，如图1所示，包括宽带光源1、光源控制电路6、光学组件2、光谱仪3、触发信号产生装置7和数据处理单元4；其中，宽带光源1用于产生宽光谱光束；光源控制电路6用于控制所述宽带光源1发出宽光谱光束；光学组件2用于接收所述宽带光源1发出的宽光谱光束，并使所述宽光谱光束1经外延片生长反应室9上的窗口8垂直入射到石墨盘10上的外延片5上，以及使外延片5表面反射的光入射到光谱仪3；光谱仪3用于在宽带光源1不发光时，接收各个外延片表面的辐射光，形成第一光谱数据，以及在宽带光源发光时，接收各个外延片表面的反射光，形成第二光谱数据，并将所述第一光谱数据和第二光谱数据传输给数据处理单元；触发信号产生装置7设置在外延片生长反应室9内，用于根据外延片生长反应室9内石墨盘10的转动产生与石墨盘转动周期T相同的触发信号，并将所述触发信号发送给数据处理单元4；数据处理单元4用于根据所述触发信号的周期和外延片生长反应室内外延片的数量，发送控制信号给所述宽带光源1和光谱仪3，以控制所述宽带光源1进行发光以及控制所述光谱仪3采集光谱；所述数据处理处理单元1还用于对所述光谱仪采集到的第一光谱和第二光谱进行识别和计算，以得到各个外延片的辐射光谱以及反射光谱，并对所述热辐射光谱和反射光谱光谱信号进行平滑、基线校正的预处理过程之后，根据各个外延片对应的辐射光谱中的红外光谱，计算得到所述各个外延片的温度信息，根据各个外延片对应的反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例。

其中，所述触发信号产生装置7可以为设置在所述石墨盘10旋转轴上的光电门，随着石墨盘的旋转，光电门周期性地被挡光，因此可以发送与与石墨盘转动周期T相同的触发信号，经外延片表面反射光，经光学组件2后，可以由光纤12传输到光谱仪3中。

进一步地，本实施例的基于实时光谱的外延片多参数原位监测装置，还包括同步控制电路11，所述同步控制电路11的输入端与所述数据处理单元4连接，输出端分别与所述光源控制电路6和光谱仪3连接；所述同步控制单元用于根据所述数据处理单元4发送的控制信号，发送第一工作信号给所述光源控制电路6，使所述宽带光源1在石墨盘的第一个旋转周期内不发光，在第二旋转周期内发光，所述第一工作信号为周期T1＝2T，占空比为1:1的周期性脉冲信号；所述同步控制单元11还用于根据所述数据处理单元4发送的控制信号，发送与所述第一工作信号同步的第二工作信号给所述光谱仪3，使所述光谱仪3在石墨盘的每个旋转周期内采集N1＝M/n次数据，所述第二工作信号为周期为T2＝T*n/M的脉冲信号，式中M为石墨盘外周上的外延片的数量，n为正整数，且M能被n整除。

举例说明，假设反应室中石墨盘10上一圈排列有8片外延片，石墨盘转速为300rpm，触发信号的频率为5Hz，周期为200ms，则第一工作信号应设置为频率为2.5Hz，周期为400ms的信号，则对应地，脉冲激光器的开关频率为2.5Hz，第二工作信号的周期为25*nms，每一圈中，忽略外延片间隙，光束在每个外延片上历时25ms，在n＝1的情况下，光谱仪可以在石墨盘转一圈的情况下给每个外延片上采一个数据，在500ms的时间内，石墨盘历时两圈，一圈为光源关，采集的第一光谱为每个外沿片的热辐射光谱和背景噪声的和，一圈为光源开，采集的第二光谱是外延片的热辐射光谱、背景噪声、以及反射光谱的和，每个外延片对应的第二光谱减去第一光谱，即可以得到该外延片的反射光谱，第一光谱减去背景噪声，即为该外延片的热辐射光谱。此外，n也可以等于2，则第二工作信号的周期为50ms，也就是说，石墨片每转一圈，光谱仪可以采集4次数据，对应4个外延片，因此，需要经历2个数据采集周期，才能将石墨片上8个外延片的数据都采集到，此外，需要调节第二个数据采集周期内第二工作信号的起始位置，使光谱仪采集数据时对应的外延片与第一个数据采集周期不同。

本发明的测量方法去除了测量光谱中的背景数据，大大提高了光谱的测量灵敏度；而且，一次测量即可以同时采集热辐射光谱数据和反射光谱数据，测量的参数全面，数据量少，可以实现外延片生长的全方位在线监测。

进一步地，所述数据处理单元内设置有光谱识别计算程序、预处理程序、温度计算程序和薄膜参数计算程序。

所述光谱识别计算程序用于执行以下操作：根据所述触发信号和设定的光谱仪在石墨盘的每个旋转周期内采集数据的次数，以及触发信号起始位置对应的外延片，对所述第一光谱和第二光谱对应的外延片进行识别，并将各外延片的第一光谱与背景噪声进行相减得到外延片的热辐射光谱，以及将各外延片对应的第二光谱与第一光谱进行相减得到外延片的反射光谱；

所述预处理程序用于执行以下操作：对所述热辐射光谱和反射光谱光谱信号进行平滑、基线校正的预处理过程；

所述温度计算程序用于执行以下操作：根据预处理程序得到的各个外延片的热辐射光谱，计算得到外延片的薄膜温度；

所述参数计算程序用于执行以下操作：根据预处理程序得到的各个外延片的至少五组反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过原位监测装置获取外延片生长反应腔内的背景噪声；

S2、通过原位监测装置同时获取生成各外延片对应的热辐射光谱和至少五组反射光谱；

S3、对所述热辐射光谱和反射光谱信号进行平滑、基线校正的预处理过程；

S4、根据预处理校正后的光谱对外延片信息进行解析，具体为：根据各个外延片对应的辐射光谱中的红外光谱，计算得到各个外延片的温度信息，根据各个外延片对应的至少五组反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例；

S5、判断该外延片的薄膜参数是否满足工艺要求，若满足要求，则进行后续工艺流程，并重复步骤S3～S5，不满足要求，则停止当前工艺，进行相应修改后重复步骤S3～S5；

所述原位监测装置包括：宽带光源、光学组件、光谱仪、数据处理单元；所述宽带光源用于产生宽带光束；所述光学组件用于使所述宽带光束经外延片生长反应室上的窗口垂直入射到各外延片上，以及使各外延片表面反射的光入射到所述光谱仪；

所述通过原位监测装置同时获取生成各外延片对应的辐射光谱和至少五组反射光谱包括以下步骤：

确定石墨盘每旋转一周光谱仪采集数据的次数，其中，石墨盘每旋转一周光谱仪采集数据的次数N1＝M/n，式中M为石墨盘外周上的外延片的数量，n为正整数，且M能被n整除；

根据石墨盘每旋转一周光谱仪采集数据的次数以及所述石墨盘的旋转周期T，得到光谱仪采集数据的周期，其中，所述光谱仪采集数据的周期为T1＝T/N1；

以石墨盘每旋转两圈为一个数据采集周期，在每个数据采集周期内，当石墨盘旋转第一圈时，使所述宽带光源不发光，光谱仪采集对应的各个外延片表面的反射光，记为第一光谱；当石墨盘旋转第二圈时，使所述宽带光源发光，光谱仪采集各个外延片表面的反射光，记为第二光谱，将各个外延片对应的第一光谱-背景噪声，即生成对应外延片的热辐射光谱，将各个外延片对应的第二光谱-各个外延片对应的第一光谱，即生成对应外延片的反射光谱；

连续改变每个数据周期对应的起始外延片，测量n个周期，使所述光谱仪采集的数据遍历所有外延片，得到所有外延片的反射光谱和热辐射光谱；

重复测量，得到所有外延片的至少五组反射光谱。

2.根据权利要求1所述的一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法，其特征在于，通过原位监测装置获取外延片生长反应腔内的背景噪声的方法为：薄膜生长开始前，在石墨盘上对应位置设置一个晶片，关闭所述宽带光源，通过光谱仪测量一次数据，保存为背景噪声。

3.根据权利要求1所述的一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法，其特征在于，

根据各个外延片对应的反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例具体是指：将多膜层光学结构采用虚拟膜层的方法，简化为空气层、薄膜层和虚拟衬底层，采用根据各个外延片对应的至少五组反射光谱以及简化后的光学模型中，光垂直入射时的反射率表达式，由最小二乘迭代计算得到光学常数n₁、k₁和薄膜生长率G，并根据光学常数n₁、k₁和薄膜生长率G计算得到外延片的厚度，粗糙度，组分及比例信息；

所述光垂直入射时的反射率表达式为：

其中，

γ＝4πk₁G/λ

δ＝4πn₁G/λ

N₀、N₁和N_s分别为空气层、薄膜层和虚拟衬底层的复折射率，N₀＝n₀-ik₀，N₁＝n₁-ik₁，N_s＝n_s-ik_s；n₀、n₁、n_s分别为空气层、薄膜层和虚拟衬底层的折射率，k₀、k₁、k_s分别为空气层、薄膜层和虚拟衬底层的消光系数，r₁ ⁺代表光从空气层到薄膜层的振幅反射系数，r₂ ⁺代表光从薄膜层到虚拟衬底层的振幅反射系数。

4.根据权利要求1所述的一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法，其特征在于，根据各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，计算得到各个外延片的温度信息具体是指：

结合各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，采用全光谱黑体辐射拟合公式，拟合计算得到各个外延片的温度；

所述全光谱黑体辐射拟合公式为：

其中，L表示黑体的光谱辐射出射度，即为辐射光谱中的光强度，通过测量的热辐射光谱获得，T表示绝对温度、λ表示辐射波长，A为与样品热发射率成一定比例关系的系数，C为背景信号或热辐射常数，c为光速，h为普朗克常数，k_B为波尔兹曼常数。

5.根据权利要求1所述的一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测方法，其特征在于，根据各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，计算得到各个外延片的温度信息具体是指：

结合各个外延片对应的辐射光谱中的红外波段光谱，采用实时热发射率修正的黑体辐射测温法，拟合计算得到各个外延片的温度；

所述实时热发射率修正的黑体辐射测温法采用的关系式为：

为在波长λ、入射角度θ、方位角偏振态σ和温度T下物体的光谱辐射能量，通过测量得到的热辐射光谱数据获得，表示热发射率，根据基尔霍夫定律和能量守恒定律推导获得，L(λ,T)为黑体的光谱辐射出射度。

6.一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测装置，其特征在于，包括：

宽带光源：用于产生宽光谱光束；

光源控制电路：用于控制所述宽带光源发出宽光谱光束；

光学组件：用于接收所述宽带光源发出的宽光谱光束，并使所述宽光谱光束经外延片生长反应室上的窗口垂直入射到石墨盘上的外延片上，以及使外延片表面反射的光入射到光谱仪；

光谱仪：用于在宽带光源不发光时，接收各个外延片表面的辐射光，形成第一光谱数据，以及在宽带光源发光时，接收各个外延片表面的反射光，形成第二光谱数据，并将所述第一光谱数据和第二光谱数据传输给数据处理单元；

触发信号产生装置：设置在外延片生长反应室内，用于根据外延片生长反应室内石墨盘的转动产生与石墨盘转动周期T相同的触发信号，并将所述触发信号发送给数据处理单元；

数据处理单元：用于根据所述触发信号的周期和外延片生长反应室内外延片的数量，发送控制信号给所述宽带光源和光谱仪，以控制所述宽带光源进行发光以及控制所述光谱仪采集光谱；所述数据处理处理单元还用于对所述光谱仪采集到的第一光谱和第二光谱进行识别和计算，以得到各个外延片的热辐射光谱以及反射光谱，并对所述热辐射光谱和反射光谱信号进行平滑、基线校正的预处理过程之后，根据各个外延片对应的辐射光谱中的红外光谱，计算得到所述各个外延片的温度信息，根据各个外延片对应的反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例。

7.根据权利要求6所述的一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测装置，其特征在于，还包括同步控制电路，所述同步控制电路的输入端与所述数据处理单元连接，输出端分别与所述光源控制电路和光谱仪连接；

所述同步控制单元用于根据所述数据处理单元发送的控制信号，发送第一工作信号给所述光源控制电路，使所述宽带光源在石墨盘的第一个旋转周期内不发光，在第二旋转周期内发光，所述第一工作信号为周期T1＝2T，占空比为1:1的周期性脉冲信号；

所述同步控制单元还用于根据所述数据处理单元发送的控制信号，发送与所述第一工作信号同步的第二工作信号给所述光谱仪，使所述光谱仪在石墨盘的每个旋转周期内采集N1＝M/n次数据，所述第二工作信号为周期为T2＝T*n/M的脉冲信号，式中M为石墨盘外周上的外延片的数量，n为正整数，且M能被n整除。

8.根据权利要求7所述的一种基于实时光谱的外延片多参数原位监测装置，其特征在于，所述数据处理单元内设置有光谱识别计算程序、预处理程序、温度计算程序和薄膜参数计算程序；

所述光谱识别计算程序用于执行以下操作：根据所述触发信号和设定的光谱仪在石墨盘的每个旋转周期内采集数据的次数，以及触发信号起始位置对应的外延片，对所述第一光谱和第二光谱对应的外延片进行识别，并将各外延片的第一光谱与背景噪声进行相减得到外延片的热辐射光谱，以及将各外延片对应的第二光谱与第一光谱进行相减得到外延片的反射光谱；

所述预处理程序用于执行以下操作：对所述热辐射光谱和反射光谱光谱信号进行平滑、基线校正的预处理过程；

所述温度计算程序用于执行以下操作：根据预处理程序得到的各个外延片的辐射光谱，计算得到外延片的薄膜温度；

所述参数计算程序用于执行以下操作：根据预处理程序得到的各个外延片的至少五组反射光谱，计算得到外延片的反射率、厚度、生长率、光学常数、粗糙度、组分及比例；

所述背景噪声的获取方法为：薄膜生长开始前，在石墨盘上对应位置设置一个晶片，关闭所述宽带光源，通过光谱仪测量一次数据，保存为背景噪声。