CN111063634A - 监测装置和方法 - Google Patents

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赵勇明
杨国文
王刚
祁鲁汉
赵卫东
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Abstract

本申请提供一种监测装置和方法，装置包括：光源，用于发射探测光束；旋转台，放置有待测样品，其中，在所述旋转台的至少一个旋转周期内，所述待测样品被所述探测光束照射；导光器，设置在所述待测样品和所述光源之间，用于导引所述探测光束在所述待测样品上产生的反射光束；光接收器，用于接收所述待测样品在所述探测光束照射下的反射光束；处理器，连接所述光接收器，用于接收所述反射光束，并根据所述反射光束确定所述待测样品的当前状态。本申请实现了实时对待测样品的状态进行检测。

Description

监测装置和方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种监测装置和方法。
背景技术
随着半导体工业的不断进步，晶圆的结构日趋复杂。芯片翘曲就是一个非常常见的问题。首先，芯片的尺寸越大，则在同样应力状态下产生的翘曲绝对量就越大。而且器件的结构越复杂，所用的薄膜种类和层数就越多，因此应力经过多层薄膜的叠加后，情况更为复杂，所能产生的应力强度也越来越大。因此，芯片翘曲的问题也日趋严重。而随着器件的小型化和工艺寸尺的不断缩小，光刻等工艺对芯片的整体平整度要求越来越高。因此，芯片应力/翘曲监测对芯片的生产来说非常重要。
现有芯片应力/翘曲离线检测技术具有二维功能的测试设备，金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称“MOCVD”)是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。针对MOCVD的原位应力/翘曲监测只有单点功能，不具有二维应力/翘曲实时监测功能。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种监测装置和方法，用以实现实时对待测样品的状态进行检测。
本申请实施例第一方面提供了一种监测装置，包括：光源，用于发射探测光束；旋转台，用于放置所述待测样品，其中，在所述旋转台的至少一个旋转周期内，所述待测样品被所述探测光束照射；导光器，设置在所述待测样品和所述光源之间，用于导引所述探测光束在所述待测样品上产生的反射光束；光接收器，用于接收所述导光器反射的所述待测样品在所述探测光束照射下的反射光束；处理器，连接所述光接收器，用于接收所述反射光束，并根据所述反射光束确定所述待测样品的当前状态。
于一实施例中，所述探测光束包括：第一光束和第二光束，所述第一光束与所述第二光束相互平行。
于一实施例中，所述光源包括：激光器，用于发出光源光束；分束器，连接所述激光器，用于将所述光源光束分束为所述第一光束与所述第二光束。
于一实施例中，还包括：反应腔，具有窗口，并设置在所述旋转台上，用以放置所述待测样品，以及使所述待测样品在所述反应腔内进行制程反应；其中，所述第一光束与所述第二光束通过所述窗口入射至所述反应腔内，并照射在所述待测样品上。
于一实施例中，所述光接收器用于接收所述待测样品在所述第一光束与所述第二光束照射下，分别产生的第一反射光束和第二反射光束。
于一实施例中，所述处理器用于接收所述第一反射光束和所述第二反射光束，并根据所述第一反射光束和所述第二反射光束的间距计算所述待测样品的翘曲程度分布。
于一实施例中，还包括：所述导光器用于将所述第一反射光束和所述第二反射光束导射在所述光接收器的探测面上，以使所述光接收器接收到所述第一反射光束和所述第二反射光束。
于一实施例中，所述导光器为平面镜，所述平面镜的镜面朝向所述待测样品。
于一实施例中，还包括：驱动器，连接所述旋转台，用于驱动所述旋转台转动。
本申请实施例第二方面提供了一种监测方法，包括：将待测样品放置在旋转台上的反应腔内，以使所述待测样品在所述反应腔内进行相应的制程反应；采用相互平行的第一光束与第二光束照射在所述待测样品上；采用导光器将第一反射光束和第二反射光束导射在光接收器的探测面上，以使所述光接收器接收到所述第一反射光束和所述第二反射光束，其中所述第一反射光束和所述第二反射光束，是所述待测样品在所述第一光束与所述第二光束照射下产生的；接收所述第一反射光束和所述第二反射光束；根据所述第一反射光束和所述第二反射光束的间距计算所述待测样品的翘曲程度分布。
本申请提供的监测装置和方法，通过光源发射探测光束照射在旋转台上的待测样品，然后通过导光器将反射光束导射到光接收器，光接收器接收待测样品的反射光束，最后通过处理器对反射光束进行处理，确定待测样品的当前状态，实现了实时对待测样品的状态进行检测。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请一实施例的芯片制备系统的示意图；
图2为本申请一实施例的监测装置的结构示意图；
图3为本申请一实施例的监测装置的结构示意图；
图4为本申请一实施例的监测装置的结构示意图；
图5为本申请一实施例的监测装置的结构示意图；
图6为本申请一实施例的监测装置的结构示意图；
图7为本申请一实施例的监测方法的流程示意图。
附图标记：
100-制程设备，101-载物台，102-芯片，200-监测装置，210-光源，211- 激光器，212-分束器，220-旋转台，221-校准平板，222-驱动电机，230-光接收器，240-处理器，250-导光器，30-探测光束，301-第一光束，302-第二光束，303第一反射光束，304-第二反射光束，40-反应腔。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参看图1，其为本申请一实施例的制程设备100，包括待制备的半导体芯片102和用于放置芯片102的载物台101。芯片102的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，这一过程就在载物台101上发生。薄膜外延生长过程中的状态监测，可用于实时在线检测外延薄膜生长过程中的参数，以便于将薄膜生长状况实时反馈给计算机，在薄膜生长参数偏离标准时，及时给出处理对策。
请参看图2，其为本申请一实施例的监测装置200，可用于图1所示的芯片102薄膜外延生长过程中的状态监测，包括：光源210、旋转台220、光接收器230和处理器240，其中，光源210用于发射探测光束30。旋转台220上放置有待测样品，待测样品可以是半导体制造过程中进行薄膜生长的芯片102。其中，在所述旋转台220的至少一个旋转周期内，所述待测样品被所述探测光束30照射。导光器250，设置在所述待测样品和所述光源210之间，用于将所述探测光束30在所述待测样品上产生的反射光束导射在所述光接收器230的探测面上，以使所述光接收器接230收到所述反射光束。光接收器230用于接收待测样品在探测光束30照射下的反射光束。处理器240连接光接收器230，用于接收反射光束，并根据反射光束确定待测样品的当前状态。
于一实施例中，探测光束30并非一直照射在待测样品上，在工作状态下，待测样品的位置随着旋转台220转动而发生变化，当待测样品转至探测光束30的照射位置时，进行监测采样。
请参看图3，其为本申请一实施例的监测装置200，可用于图1所示的芯片102薄膜外延生长过程中的状态监测。
于一实施例中，探测光束30包括：第一光束301和第二光束302，第一光束301与第二光束302相互平行。
于一实施例中，光源210包括：激光器211和分束器212，激光器211 用于发出光源光束。分束器212连接激光器211，用于将光源光束分束为第一光束301与第二光束302。
于一实施例中，还包括：导光器250，设置在旋转台220上方，用于将第一反射光束303和第二反射光束304导射在光接收器230的探测面上，以使光接收器230接收到第一反射光束303和第二反射光束304。
于一实施例中，导光器250为平面镜，平面镜的镜面朝向待测样品。
于一实施例中，光接收器230用于接收待测样品在第一光束301与第二光束302照射下，分别产生的第一反射光束303和第二反射光束304，也就是接收反射光束。光接收器230可以采用电荷耦合器件图像传感器 (Charge Coupled Device，简称“CCD”)，CCD使用一种高感亮度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想象来修改图像。
于一实施例中，处理器240用于接收第一反射光束303和第二反射光束304，并根据第一反射光束303和第二反射光束304的间距计算待测样品的翘曲程度分布。
于一实施例中，还包括：反应腔40，设置在旋转台220上，待测样品设置在反应腔40内，以使待测样品在反应腔40内进行相应的制程反应。反应腔40上设置有窗口，第一光束301与第二光束302通过窗口入射至反应腔40内，并照射在待测样品上。
于一实施例中，还包括：驱动器，连接旋转台220，用于驱动旋转台 220转动。
MOCVD是在气相外延生长的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。在半导体芯片102的MOCVD制备工艺中，以热分解反应方式在其衬底上进行气相外延生长，MOCVD反应腔40中芯片102采用公转与自传的方式，可以获得厚度均匀的外延层。下面通过图4至图6对MOCVD 反应腔40中芯片102的状态监测进行说明。
请参看图4，其为本申请一实施例的监测装置200，可用于图1所示的芯片102薄膜外延生长过程中的状态监测。
在进行检测前，首先对监测装置200进行校准，通过一个已知表面平整无翘曲的校准平板221，代替反应腔40及其内部的待测样品进行校准，第一光束301与第二光束302照射在校准平板221时，其对应的第一反射光束303和第二反射光束304为两条平行光束，二者在光接收器230的探测面上的光束距离为A0，光接收器230将包含该光束距离A0的光束信息传输给处理器240。
处理器240将光接收器230传输来的光束信息进行汇总处理，以图4 中校准时所得到的光束距离A0为基准，可以计算出芯片102的相对曲率q，计算公式为：
Figure RE-GDA0002416235590000061
其中，q为芯片102的相对曲率，Ax为光接收器230实时探测到的第一反射光束303与第二反射光束304的光束距离，A0为校准时光接收器230 探测到的光束距离。
请参看图5，其为本申请一实施例的监测装置200，可用于图1所示的芯片102薄膜外延生长过程中的状态监测。反应腔40内放置有芯片102，在监测过程中，驱动电机222驱动旋转台220进行旋转，带动反应腔40内的芯片102旋转。反应腔40上方开有窗口。假设衬底表面翘起，监测过程如下：
激光器211发出探测光束30，经分束器212分束成两束相互平行的第一光束301和第二光束302。于一实施例中，分束器212可以是光栅及透镜的组合器件。相互平行的第一光束301和第二光束302自反应腔40的窗口入射到芯片102表面。第一光束301和第二光束302经芯片102衬底翘起表面反射后，其对应的第一反射光束303和第二反射光束304经过导光器 250导向，被光接收器230接收，记录此时第一反射光束303和第二反射光束304在光接收器230的探测面上的光束距离A1，光接收器230将包含该光束距离A1的光束信息传输给处理器240。
处理器240将光接收器230传输来的光束信息进行汇总处理，以图4 中校准时所得到的光束距离A0为基准，可以计算出芯片102的相对曲率 q1，计算公式为：
Figure RE-GDA0002416235590000071
其中，q1为芯片102当前的相对曲率，A1为光接收器230实时探测到的第一反射光束303与第二反射光束304的光束距离，A0为校准时光接收器230探测到的光束距离。如果相对曲率q1>1时，判定此时芯片102的衬底表面为翘起。
请参看图6，其为本申请一实施例的监测装置200，可用于图1所示的芯片102薄膜外延生长过程中的状态监测。反应腔40内放置有芯片102，在监测过程中，驱动电机222驱动旋转台220进行旋转，带动反应腔40内的芯片102旋转。反应腔40上方开有窗口。假设衬底表面凹下，监测过程如下：
激光器211发出探测光束30，经分束器212分束成两束相互平行的第一光束301和第二光束302。相互平行的第一光束301和第二光束302自反应腔40的窗口入射到芯片102表面。第一光束301和第二光束302经芯片 102衬底的下凹表面反射后，其对应的第一反射光束303和第二反射光束 304经过导光器250导向，被光接收器230的探测面接收，记录此时第一反射光束303和第二反射光束304在光接收器230的探测面上的光束距离A2，光接收器230将包含该光束距离A2的光束信息传输给处理器240。
处理器240将光接收器230传输来的光束信息进行汇总处理，以图4 中校准时所得到的光束距离A0为基准，可以计算出芯片102的相对曲率 q2，计算公式为：
Figure RE-GDA0002416235590000081
其中，q2为芯片102当前的相对曲率，A2为光接收器230实时探测到的第一反射光束303与第二反射光束304的光束距离，A0为校准时光接收器230探测到的光束距离。如果相对曲率q2<1时，判定此时芯片102的衬底表面为凹下。
综上，处理器240可以对得到的相对曲率数据进行整理，可以得到整个芯片102衬底的翘曲程度分布，以供制备工艺的改进参考。
于一实施例中，可以通过光接收器230记录在其探测面上反射光束的强度变化、位置相对变化-即光束间距的相对变化，可获得芯片102的反射率及翘曲程度随时间的变化，因而获得芯片102的生长速率及应力状态演变。实现了芯片102的二维生长速率及应力演变的实时监测。
上述监控装置，通过光接收器230的面阵CCD记录反射光束的强度及位置随时间的变化关系，可获得外延层生长速率/厚度及厚度的均匀性信息。若反射光强度变化趋势不一致，表明外延层生长速率不同，将会导致厚度不均匀。若反射光相对位置变化，表面样品因应力导致样品翘曲。
请参看图7，其为本申请一实施例的监测方法，可用于图1所示的芯片 102薄膜外延生长过程中的状态监测。其中待测样品可以是芯片102，反应腔40内放置有芯片102，在监测过程中，驱动电机222驱动旋转台220进行旋转，带动反应腔40内的芯片102旋转。反应腔40上方开有窗口。监测步骤如下：
步骤701：将待测样品放置在旋转台220上的反应腔40内，以使待测样品在反应腔40内进行相应的制程反应。
步骤702：采用相互平行的第一光束301与第二光束302照射在待测样品上。
步骤703：采用导光器将第一反射光束303和第二反射光束304导射在光接收器230的探测面上，以使所述光接收器230接收到所述第一反射光束303和所述第二反射光束304，其中所述第一反射光束303和所述第二反射光束304，是所述待测样品在所述第一光束301与所述第二光束302照射下产生的。
步骤704：接收待测样品在第一光束301与第二光束302照射下，分别产生的第一反射光束303和第二反射光束304。
步骤705：根据第一反射光束303和第二反射光束304的间距计算待测样品的翘曲程度分布。
上述检测方法可以由图2至图6中任一监测装置200来执行，因此具有上述装置的所有有益效果，详细请参阅上述实施例对装置的描述，在此不再赘述。
本发明实施例还提供了一种电子设备可读存储介质，包括：程序，当其在电子设备上运行时，使得电子设备可执行上述实施例中方法的全部或部分流程。其中，存储介质可为磁盘、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等。存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种监测装置，用以监测待测样品，其特征在于，包括：
光源，用于发射探测光束；
旋转台，用于放置所述待测样品，其中，在所述旋转台的至少一个旋转周期内，所述待测样品被所述探测光束照射；
导光器，设置在所述待测样品和所述光源之间，用于导引所述探测光束在所述待测样品上产生的反射光束；
光接收器，用于接收所述导光器反射的所述待测样品在所述探测光束照射下的反射光束；
处理器，连接所述光接收器，用于接收所述反射光束，并根据所述反射光束确定所述待测样品的当前状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测光束包括：第一光束和第二光束，所述第一光束与所述第二光束相互平行。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光源包括：
激光器，用于发出光源光束；
分束器，连接所述激光器，用于将所述光源光束分束为所述第一光束与所述第二光束。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，还包括：
反应腔，具有窗口，并设置在所述旋转台上，用以放置所述待测样品，以及使所述待测样品在所述反应腔内进行制程反应；
其中，所述第一光束与所述第二光束通过所述窗口入射至所述反应腔内，并照射在所述待测样品上。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光接收器用于接收所述待测样品在所述第一光束与所述第二光束照射下，分别产生的第一反射光束和第二反射光束。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理器用于接收所述第一反射光束和所述第二反射光束，并根据所述第一反射光束和所述第二反射光束的间距计算所述待测样品的翘曲程度分布。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括：
所述导光器用于将所述第一反射光束和所述第二反射光束导射在所述光接收器的探测面上，以使所述光接收器接收到所述第一反射光束和所述第二反射光束。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述导光器为平面镜，所述平面镜的镜面朝向所述待测样品。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
驱动器，连接所述旋转台，用于驱动所述旋转台转动。
10.一种监测方法，其特征在于，包括：
将待测样品放置在旋转台上的反应腔内，以使所述待测样品在所述反应腔内进行相应的制程反应；
采用相互平行的第一光束与第二光束照射在所述待测样品上；
采用导光器将第一反射光束和第二反射光束导射在光接收器的探测面上，以使所述光接收器接收到所述第一反射光束和所述第二反射光束，其中所述第一反射光束和所述第二反射光束，是所述待测样品在所述第一光束与所述第二光束照射下产生的；
接收所述第一反射光束和所述第二反射光束；
根据所述第一反射光束和所述第二反射光束的间距计算所述待测样品的翘曲程度分布。
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