CN107806834A - 一种多波长光学测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种多波长光学测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多波长光学测量装置及其测量方法，该多波长光学测量装置包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件，多波长光学测量装置可以产生两种以上的具有不同波长的激光，不同波长的激光的反射率不会同时小于设定阈值，多波长光学测量装置通过切换不同波长的激光作为入射光源，始终保证当前波长的激光的当前反射率大于设定阈值。本发明利用多种波长的激光交替切换进行光学测量，始终保证正在进行检测的激光的反射率具有较高值，由于确保了不同波长的激光的反射率不会同时接近0，从而确保了在薄膜生长的任何阶段，对翘曲率的测量都是有效的。

Description

一种多波长光学测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种用于测量半导体薄膜翘曲度的多波长光学测量装置。
背景技术
在MOCVD(金属有机化学气相沉积Metal Organic Chemical Vapor Deposition)设备中进行沉积制程时，依序在半导体衬底上沉积生长多层薄膜，而在薄膜生长过程中，由于应力的作用，会导致衬底和薄膜发生翘曲，从而使得衬底和薄膜的温度分布不均匀，影响产品的质量。尤其在生长某些关键薄膜层的时候，更加需要严格控制翘曲率，以降低温度分布不均匀对产品质量的影响。
一般来说，目前通常采用非接触式的光学测量方法来检测薄膜生长过程中的翘曲率，如图1所示，衬底2放置在MOCVD反应腔体1中，光学测量装置设置在反应腔外部，可以通过反应腔体顶部的光学窗口101将激光束入射到衬底薄膜表面，光学测量装置中，半透半反镜4设置在激光器3的入射光路上，激光器3发射出的单波长激光透射穿过半透半反镜4后，通过光学窗口101入射到衬底薄膜表面，位置敏感光电探测器5设置在半透半反镜4的反射光路上，从衬底薄膜表面反射的激光经过半透半反镜4的反射后，进入位置敏感光电探测器5，位置敏感光电探测器5探测到激光的位移信息，送入控制器6计算得到翘曲率，随着衬底2的旋转，就可以测量得到衬底薄膜上不同位置的翘曲率变化情况。
但是在实际测量过程中，单波长激光的反射率R与薄膜厚度d之间具有周期性变化规律，如图2所示，当薄膜生长到一定厚度后，反射率会逐步下降，当薄膜厚度进一步增加时，反射率又开始逐步上升，如此往复。对于在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜的情况下，激光反射率并不会降低为0，但是如果是在硅衬底上生长GaN薄膜或AlN薄膜的情况下，激光反射率则会降低为0。随着薄膜沉积厚度的增加，当激光反射率降低到接近为0的时候，就会较难准确地测量翘曲率，而如果激光反射率完全为0的时候，则完全无法测量翘曲率，这会给制程带来很大风险，无法控制衬底温度和成品率。
发明内容
本发明提供一种多波长光学测量装置及其测量方法，利用多种波长的激光交替切换进行光学测量，始终保证正在进行检测的激光的反射率具有较高值，由于确保了不同波长的激光的反射率不会同时接近0，从而确保了在薄膜生长的任何阶段，对翘曲率的测量都是有效的。
为了达到上述目的，本发明提供一种多波长光学测量装置，其设置在MOCVD反应腔体外部，该多波长光学测量装置包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件，所述的激光发生组件、光学组件和反射光接收组件设置的位置保证激光发生组件发射的激光经过光学组件后，通过MOCVD反应腔体上的光学窗口入射到衬底薄膜表面，并保证衬底薄膜表面反射的激光被反射光接收组件接收并传递给控制组件以计算翘曲率；
所述的激光发生组件可以产生两种以上的具有不同波长的激光，所述的不同波长的激光的反射率不会同时小于设定阈值；或者，所述的反射光接收组件可以识别两种以上的具有不同波长的激光，所述的不同波长的激光的反射率不会同时小于设定阈值；所述的多波长光学测量装置通过切换不同波长的激光作为入射光源，始终保证当前波长的激光的当前反射率大于设定阈值。
所述的不同波长之间的差距大于50nm。
本发明提供一种多波长光学测量装置，包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件；所述的激光发生组件包含：第一激光器、第二激光器；所述的光学组件包含：半透半反镜、介质膜反射透射镜；所述的反射光接收组件包含：位置敏感光电探测器；所述的控制组件包含：电性连接第一激光器和第二激光器的控制驱动电路，以及电性连接位置敏感光电探测器和控制驱动电路的控制器；
半透半反镜、介质膜反射透射镜、第一激光器、第二激光器和位置敏感光电探测器组成光路，第一激光器发射具有第一波长的激光，第二激光器发射具有第二波长的激光，第一波长激光的反射率与第二波长激光的反射率不会同时小于设定阈值，介质膜反射透射镜对第一波长的激光完全透射，对第二波长的激光完全反射，第一激光器发射的第一波长激光经过介质膜反射透射镜的透射后，再经过半透半反镜的透射，最终入射到衬底薄膜表面，反射光经过半透半反镜的反射，被位置敏感光电探测器接收，第二激光器发射的第二波长激光经过介质膜反射透射镜的反射后，再经过半透半反镜的透射，最终入射到衬底薄膜表面，反射光经过半透半反镜的反射，被位置敏感光电探测器接收，所述的位置敏感光电探测器探测激光位移信息，控制器根据激光位移信息计算翘曲率，位置敏感光电探测器同时探测激光反射率。
本发明还提供一种多波长光学测量装置的测量方法，包含以下步骤：当第一激光器发射的第一波长激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器发送指令给控制驱动电路，控制驱动电路切换激光器，关闭第一激光器，开启第二激光器发射第二波长激光，当第二激光器发射的第二波长激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器发送指令给控制驱动电路，控制驱动电路切换激光器，关闭第二激光器，开启第一激光器发射第一波长激光。
本发明还提供一种多波长光学测量装置，包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件；所述的激光发生组件包含：激光器；所述的光学组件包含：半透半反镜；所述的反射光接收组件包含：位置敏感光电探测器；所述的控制组件包含：电性连接激光器和位置敏感光电探测器的控制器；
半透半反镜、激光器和位置敏感光电探测器组成光路，激光器可以发射两种以上波长的激光，不同波长激光的反射率不会同时小于设定阈值，激光器发射的不同波长的激光经过半透半反镜的透射，最终入射到衬底薄膜表面，反射光经过半透半反镜的反射，被位置敏感光电探测器接收，所述的位置敏感光电探测器探测激光位移信息，控制器根据激光位移信息计算翘曲率，位置敏感光电探测器同时探测激光反射率。
本发明还提供一种多波长光学测量装置的测量方法，包含以下步骤：当激光器发射的当前波长的激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器发送指令给激光器，激光器停止发射当前波长的激光，改为发射当前反射率大于设定阈值的另一种波长的激光。
本发明还提供一种多波长光学测量装置，包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件；所述的激光发生组件包含：激光器；所述的光学组件包含：半透半反镜；所述的反射光接收组件包含：位置敏感光电探测器；所述的控制组件包含：电性连接位置敏感光电探测器的控制器；
半透半反镜、激光器和位置敏感光电探测器组成光路，激光器发射全光谱激光，位置敏感光电探测器可以识别两种以上波长的激光，不同波长激光的反射率不会同时小于设定阈值，激光器发射的全光谱激光经过半透半反镜的透射，最终入射到衬底薄膜表面，反射光经过半透半反镜的反射，被位置敏感光电探测器接收，所述的位置敏感光电探测器探测激光位移信息，控制器根据激光位移信息计算翘曲率，位置敏感光电探测器同时探测激光反射率。
本发明还提供一种多波长光学测量装置的测量方法，包含以下步骤：当位置敏感光电探测器探测到当前识别的激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器发送指令给位置敏感光电探测器，位置敏感光电探测器停止识别当前波长的激光，改为识别当前反射率大于设定阈值的另一种波长的激光。
本发明利用多种波长的激光交替切换进行光学测量，始终保证正在进行检测的激光的反射率具有较高值，由于确保了不同波长的激光的反射率不会同时接近0，从而确保了在薄膜生长的任何阶段，对翘曲率的测量都是有效的。
附图说明
图1是背景技术中光学测量装置的结构示意图。
图2是单波长激光的反射率曲线图。
图3是不同波长激光的反射率曲线图。
图4是本发明一个实施例中提供的一种多波长光学测量装置的结构示意图。
图5是本发明另一个实施例中提供的一种多波长光学测量装置的结构示意图。
图6是本发明另一个实施例中提供的一种多波长光学测量装置的结构示意图。
图7是光电二极管的示意图。
具体实施方式
以下根据图3～图7，具体说明本发明的较佳实施例。
本发明提供一种多波长光学测量装置，其设置在MOCVD反应腔体外部，该多波长光学测量装置包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件，所述的激光发生组件、光学组件和反射光接收组件设置的位置保证激光发生组件发射的激光经过光学组件后，通过MOCVD反应腔体上的光学窗口入射到衬底薄膜表面，并保证衬底薄膜表面反射的激光被反射光接收组件接收并传递给控制组件以计算翘曲率。
所述的激光发生组件可以产生两种以上的具有不同波长的激光，所述的不同波长的激光的反射率不会同时接近0；或者，所述的反射光接收组件可以识别两种以上的具有不同波长的激光，所述的不同波长的激光的反射率不会同时接近0。如图3所示，在本发明的一个实施例中，可以选择两种具有不同波长的激光，波长1的激光的反射率和波长2的激光的反射率不会同时接近0，通过对激光波长的合理选择，可以保证波长1的激光的反射率处于波谷时，波长2的激光的反射率正处于波峰。
所述的多波长光学测量装置根据对不同波长激光的反射率的判断，选择反射率处于较高值处的激光来检测衬底薄膜的翘曲率，根据不同波长激光的反射率的变化，不断转换不同波长激光作为入射光源，始终保证正在进行检测的激光的反射率具有较高值。
如图4所示，在本发明的一个实施例中，提供一种多波长光学测量装置，其设置在MOCVD反应腔体1外部，包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件；所述的激光发生组件包含：第一激光器9、第二激光器10；所述的光学组件包含：半透半反镜7、介质膜反射透射镜8；所述的激光接收组件包含：位置敏感光电探测器11；所述的控制组件包含：电性连接第一激光器9和第二激光器10的控制驱动电路12，以及电性连接位置敏感光电探测器11和控制驱动电路12的控制器13。
半透半反镜7、介质膜反射透射镜8、第一激光器9、第二激光器10和位置敏感光电探测器11组成光路，第一激光器9发射具有第一波长的激光，第二激光器发射具有第二波长的激光，第一波长与第二波长之间的差距大于50nm(较佳地，第一波长与第二波长之间的差距大于200nm)，使得第一波长激光的反射率与第二波长激光的反射率不会同时小于设定阈值，介质膜反射透射镜8对第一波长的激光完全透射，对第二波长的激光完全反射，第一激光器9发射的第一波长激光经过介质膜反射透射镜8的透射后，再经过半透半反镜7的透射，通过反应腔体顶部的光学窗口101最终入射到衬底薄膜2表面，反射光经过半透半反镜7的反射，被位置敏感光电探测器11接收，第二激光器10发射的第二波长激光经过介质膜反射透射镜8的反射后，再经过半透半反镜7的透射，通过反应腔体顶部的光学窗口101最终入射到衬底薄膜2表面，反射光经过半透半反镜7的反射，被位置敏感光电探测器11接收，所述的位置敏感光电探测器11探测激光位移信息，控制器13根据激光位移信息计算翘曲率，位置敏感光电探测器11同时探测激光反射率。
本实施例中还提供一种多波长光学测量装置的测量方法，包含以下步骤：当第一激光器9发射的第一波长激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器13发送指令给控制驱动电路12，控制驱动电路12切换激光器，关闭第一激光器9，开启第二激光器10发射第二波长激光，当第二激光器10发射的第二波长激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器13发送指令给控制驱动电路12，控制驱动电路12切换激光器，关闭第二激光器10，开启第一激光器9发射第一波长激光。所述的反射率的设定阈值为最高值的2％。
本实施例中，采用两种不同波长的激光交替检测，由于确保了两种不同波长的激光的反射率不会同时接近0，从而确保了在薄膜生长的任何阶段，对翘曲率的测量都是有效的。
如图5所示，在本发明的另一个实施例中，提供一种多波长光学测量装置，其设置在MOCVD反应腔体1外部，包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件；所述的激光发生组件包含：激光器15；所述的光学组件包含：半透半反镜14；所述的反射光接收组件包含：位置敏感光电探测器16；所述的控制组件包含：电性连接激光器15和位置敏感光电探测器16的控制器17。
半透半反镜14、激光器15和位置敏感光电探测器16组成光路，激光器可以发射两种以上波长的激光，两种波长之间的差距大于50nm(较佳地，两种波长之间的差距大于200nm)，使得不同波长激光的反射率不会同时小于设定阈值，激光器15发射的不同波长的激光经过半透半反镜14的透射，通过反应腔体顶部的光学窗口101最终入射到衬底薄膜2表面，反射光经过半透半反镜14的反射，被位置敏感光电探测器16接收，所述的位置敏感光电探测器16探测激光位移信息，控制器17根据激光位移信息计算翘曲率，位置敏感光电探测器16同时探测激光反射率。
本实施例中还提供一种多波长光学测量装置的测量方法，包含以下步骤：当激光器15发射的当前波长的激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器17发送指令给激光器15，激光器15停止发射当前波长的激光，改为发射当前反射率大于设定阈值的另一种波长的激光。所述的反射率的设定阈值为最高值的2％。
本实施例中，同一光源发出不同波长的激光，由于确保了不同波长的激光的反射率不会同时接近0，从而确保了在薄膜生长的任何阶段，对翘曲率的测量都是有效的。
如图6所示，在本发明的另一个实施例中，提供一种多波长光学测量装置，其设置在MOCVD反应腔体1外部，包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件；所述的激光发生组件包含：激光器20；所述的光学组件包含：半透半反镜19；所述的反射光接收组件包含：位置敏感光电探测器21；所述的控制组件包含：电性连接位置敏感光电探测器21的控制器22。
半透半反镜19、激光器20和位置敏感光电探测器21组成光路，激光器20发射全光谱激光，位置敏感光电探测器21可以识别两种以上波长的激光，两种波长之间的差距大于50nm(较佳地，两种波长之间的差距大于200nm)，使得不同波长激光的反射率不会同时小于设定阈值，激光器20发射的全光谱激光经过半透半反镜19的透射，通过反应腔体顶部的光学窗口101最终入射到衬底薄膜2表面，反射光经过半透半反镜19的反射，被位置敏感光电探测器21接收，所述的位置敏感光电探测器21探测激光位移信息，控制器22根据激光位移信息计算翘曲率，位置敏感光电探测器21同时探测激光反射率。
本实施例中还提供一种多波长光学测量装置的测量方法，包含以下步骤：当位置敏感光电探测器21探测到当前识别的激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器22发送指令给位置敏感光电探测器21，位置敏感光电探测器21停止识别当前波长的激光，改为识别当前反射率大于设定阈值的另一种波长的激光。所述的反射率的设定阈值为最高值的2％。
本实施例中，位置敏感光电探测器可以识别全光谱中多种波长的激光，由于确保了不同波长的激光的反射率不会同时接近0，从而确保了在薄膜生长的任何阶段，对翘曲率的测量都是有效的。
在本发明的实施例中，所述的位置敏感光电探测器可以采用矩阵式的位置敏感光电探测器，但是需要逐个扫描大量光电探测单元以获得每个单元对应的电信号，不仅成本高而且响应速度慢。所述的位置敏感光电探测器还可以采用光电二极管，如图7所示，在该光电二极管中，受到光照的地方(反射光斑)会产生电流(原理与太阳能发电板类似，只是位置精度高，输出电极设计不同)，受光照区域到四个输出电极的距离不同导致电阻也不同，因此产生的电流分配到不同输出电极的电流大小也不同，根据四个电极上的电流大小可以推导出光照区域到各个电极的距离，也就可以知道光照区域的位置。
本发明利用多种波长的激光交替切换进行光学测量，始终保证正在进行检测的激光的反射率具有较高值，由于确保了不同波长的激光的反射率不会同时接近0，从而确保了在薄膜生长的任何阶段，对翘曲率的测量都是有效的。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种多波长光学测量装置，其特征在于，其设置在MOCVD反应腔体外部，该多波长光学测量装置包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件，所述的激光发生组件、光学组件和反射光接收组件设置的位置保证激光发生组件发射的激光经过光学组件后，通过MOCVD反应腔体上的光学窗口入射到衬底薄膜表面，并保证衬底薄膜表面反射的激光被反射光接收组件接收并传递给控制组件以计算翘曲率；
所述的激光发生组件可以产生两种以上的具有不同波长的激光，所述的不同波长的激光的反射率不会同时小于设定阈值；或者，所述的反射光接收组件可以识别两种以上的具有不同波长的激光，所述的不同波长的激光的反射率不会同时小于设定阈值；所述的多波长光学测量装置通过切换不同波长的激光作为入射光源，始终保证当前波长的激光的当前反射率大于设定阈值。
2.如权利要求1所述的一种多波长光学测量装置，其特征在于，所述的不同波长之间的差距大于50nm。
3.如权利要求2所述的一种多波长光学测量装置，其特征在于，包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件；所述的激光发生组件包含：第一激光器(9)、第二激光器(10)；所述的光学组件包含：半透半反镜(7)、介质膜反射透射镜(8)；所述的反射光接收组件包含：位置敏感光电探测器(11)；所述的控制组件包含：电性连接第一激光器(9)和第二激光器(10)的控制驱动电路(12)，以及电性连接位置敏感光电探测器(11)和控制驱动电路(12)的控制器(13)；
半透半反镜(7)、介质膜反射透射镜(8)、第一激光器(9)、第二激光器(10)和位置敏感光电探测器(11)组成光路，第一激光器(9)发射具有第一波长的激光，第二激光器发射具有第二波长的激光，第一波长激光的反射率与第二波长激光的反射率不会同时小于设定阈值，介质膜反射透射镜(8)对第一波长的激光完全透射，对第二波长的激光完全反射，第一激光器(9)发射的第一波长激光经过介质膜反射透射镜(8)的透射后，再经过半透半反镜(7)的透射，最终入射到衬底薄膜表面，反射光经过半透半反镜(7)的反射，被位置敏感光电探测器(11)接收，第二激光器(10)发射的第二波长激光经过介质膜反射透射镜(8)的反射后，再经过半透半反镜(7)的透射，最终入射到衬底薄膜表面，反射光经过半透半反镜(7)的反射，被位置敏感光电探测器(11)接收，所述的位置敏感光电探测器(11)探测激光位移信息，控制器(13)根据激光位移信息计算翘曲率，位置敏感光电探测器(11)同时探测激光反射率。
4.如权利要求3所述的一种多波长光学测量装置的测量方法，其特征在于，包含以下步骤：当第一激光器(9)发射的第一波长激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器(13)发送指令给控制驱动电路(12)，控制驱动电路(12)切换激光器，关闭第一激光器(9)，开启第二激光器(10)发射第二波长激光，当第二激光器(10)发射的第二波长激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器(13)发送指令给控制驱动电路(12)，控制驱动电路(12)切换激光器，关闭第二激光器(10)，开启第一激光器(9)发射第一波长激光。
5.如权利要求2所述的一种多波长光学测量装置，其特征在于，包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件；所述的激光发生组件包含：激光器(15)；所述的光学组件包含：半透半反镜(14)；所述的反射光接收组件包含：位置敏感光电探测器(16)；所述的控制组件包含：电性连接激光器(15)和位置敏感光电探测器(16)的控制器(17)；
半透半反镜(14)、激光器(15)和位置敏感光电探测器(16)组成光路，激光器可以发射两种以上波长的激光，不同波长激光的反射率不会同时小于设定阈值，激光器(15)发射的不同波长的激光经过半透半反镜(14)的透射，最终入射到衬底薄膜表面，反射光经过半透半反镜(14)的反射，被位置敏感光电探测器(16)接收，所述的位置敏感光电探测器(16)探测激光位移信息，控制器(17)根据激光位移信息计算翘曲率，位置敏感光电探测器(16)同时探测激光反射率。
6.如权利要求5所述的一种多波长光学测量装置的测量方法，其特征在于，包含以下步骤：当激光器(15)发射的当前波长的激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器(17)发送指令给激光器(15)，激光器(15)停止发射当前波长的激光，改为发射当前反射率大于设定阈值的另一种波长的激光。
7.如权利要求2所述的一种多波长光学测量装置，其特征在于，包含：激光发生组件、光学组件、反射光接收组件、以及控制组件；所述的激光发生组件包含：激光器(20)；所述的光学组件包含：半透半反镜(19)；所述的反射光接收组件包含：位置敏感光电探测器(21)；所述的控制组件包含：电性连接位置敏感光电探测器(21)的控制器(22)；
半透半反镜(19)、激光器(20)和位置敏感光电探测器(21)组成光路，激光器(20)发射全光谱激光，位置敏感光电探测器(21)可以识别两种以上波长的激光，不同波长激光的反射率不会同时小于设定阈值，激光器(20)发射的全光谱激光经过半透半反镜(19)的透射，最终入射到衬底薄膜表面，反射光经过半透半反镜(19)的反射，被位置敏感光电探测器(21)接收，所述的位置敏感光电探测器(21)探测激光位移信息，控制器(22)根据激光位移信息计算翘曲率，位置敏感光电探测器(21)同时探测激光反射率。
8.如权利要求7所述的一种多波长光学测量装置的测量方法，其特征在于，包含以下步骤：当位置敏感光电探测器(21)探测到当前识别的激光的当前反射率小于设定阈值，则控制器(22)发送指令给位置敏感光电探测器(21)，位置敏感光电探测器(21)停止识别当前波长的激光，改为识别当前反射率大于设定阈值的另一种波长的激光。
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