CN111174716A - 外延层厚度测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外延层厚度测试装置和方法，所述装置包括红外光源、检测器、载物基座和控制模块，红外光源和检测器设置在载物基座的上方，待测外延片固定在载物基座上；控制模块用于控制载物基座进行预设轨迹运动，以使红外光源的入射光线照射到待测外延片的指定位置处，并使得入射光线通过待测外延片反射至检测器；检测器用于根据入射光线计算待测外延片的厚度。该外延层厚度测试装置和方法中的载物基座既能够做水平二维运动，也能够进行旋转运动，从而克服了红外光在试样边缘倒角处的能量逸散问题，确保可全面准确地测量外延片边缘区域的外延层厚度。

Description

外延层厚度测试装置和方法

技术领域

本发明涉及晶圆制造加工技术领域，更具体地，涉及一种外延层厚度测试装置和方法。

背景技术

外延是在抛光片的单晶衬底上，按照衬底的晶向沉积一层排列有序的单晶硅薄层的技术，新生长的单晶层就是外延层，带有外延层的衬底称为外延片。外延层厚度是外延片的关键质量参数，现有技术中通常用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier TransformInfrared Spectrometer，FTIR)来进行厚度测量。在外延层厚度测试过程中，主要通过红外干涉法进行厚度测量。当一束红外光以入射角θ射向外延片表面时，一部分在空气/外延层表面发生反射，另一部分折射进入外延层，再在外延层/衬底界面发生反射，因这两束光的路径不同，所以产生了光程差，根据光程差就可以计算出外延层的厚度。

由于现有的FTIR设备在测量外延片的边缘厚度时，红外(Infrared Radiation，IR)光源和检测器的位置固定不变，位于外延片上方，承载着外延片的基座带动外延片在水平面上沿X-Y方向移动。IR光线以固定角度入射到外延片表面上，当入射光照射在外延片边缘一侧的倒角处时，反射光方向发生改变，使得红外光能量逸散，检测器无法接收该处的厚度测量信号，致使边缘区域的厚度测量不准确。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种外延层厚度测试装置和一种外延层厚度测试方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的一个方面提供了一种外延层厚度测试装置，包括红外光源、检测器、载物基座和控制模块，其中，

所述红外光源和所述检测器设置在所述载物基座的上方，待测外延片固定在所述载物基座上；

所述控制模块用于控制所述载物基座进行预设轨迹运动，以使所述红外光源的入射光线照射到所述待测外延片的指定位置处，并使得所述入射光线通过所述待测外延片反射至所述检测器；

所述检测器用于根据所述入射光线计算所述待测外延片的外延层厚度。

在本发明的一个实施例中，所述载物基座连接有第一驱动模块和第二驱动模块，其中，所述第一驱动模块用于根据所述控制模块的控制信号驱动所述载物基座进行水平二维运动；所述第二驱动模块用于根据所述控制模块的控制信号驱动所述载物基座绕其中心轴线进行旋转运动。

在本发明的一个实施例中，所述控制模块包括参数设定单元，用于设定所述待测外延片上测试点的位置坐标和测量次数，所述测试点能够接收所述红外光源的入射光线的照射。

在本发明的一个实施例中，所述控制模块还用于根据所述位置坐标和所述测量次数确定所述载物基座的运动参数以及所述红外光源的光照参数。

在本发明的一个实施例中，所述载物基座的运动参数包括所述载物基座的运动线路、运动速度、旋转速度以及旋转角度中的至少一种；所述红外光源的光照参数包括所述红外光源的单次光照时长以及相邻两次光照的时间间隔中的至少一种。

在本发明的一个实施例中，所述第二驱动模块为电动马达，所述电动马达连接至所述载物基座的下端，以驱动所述载物基座旋转。

在本发明的一个实施例中，所述载物基座的下表面中心处固定连接有竖向的转轴，所述转轴的下端连接至第二驱动模块的旋转轴。

本发明的另一方面提供了一种外延层厚度测试方法，根据上述实施例中任一项所述的外延片厚度测试装置进行测试，所述方法包括：

设定待测外延片上测试点的位置坐标和测量次数；

根据所述位置坐标和所述测量次数确定装载有待测外延片的载物基座的运动参数以及红外光源的照射参数；

控制所述载物基座进行水平运动和旋转运动，以使所述红外光源照射到所述测试点处，并对所述测试点的外延层厚度进行测试。

在本发明的一个实施例中，设定待测外延片上测试点的位置坐标和测量次数，包括：

在所述待测外延片上随机选取多个点作为测试点，并记录每个测试点的位置坐标；

设置所述测试点的测试次数，且使得每个测试点的测试次数相同。

在本发明的一个实施例中，控制所述载物基座进行水平运动和旋转运动，以使所述红外光源照射到所述测试点处，并对所述测试点的外延层厚度进行测试，包括：

根据所述载物基座的运动参数控制所述载物基座运行至适当的位置，使得所述红外光源发出的光线能够通过所述测试点反射至所述检测器；

通过所述红外光源对所述测试点进行多次照射并将反射光反射至所述检测器；

通过所述检测器接收所述反射光并计算得到多个外延层厚度数据；

对所述多个外延层厚度数据取平均值，获得所述测试点的外延层厚度值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的外延层厚度测试装置和方法通过在载物基座上设置旋转驱动装置，使载物基座既能够做水平二维运动，也能够进行旋转运动，使得待测外延片上的待测点能够运动到更合适的位置处进行测试，从而克服了红外光在试样边缘倒角处的能量逸散问题，确保可全面准确地测量外延片边缘区域的外延层厚度。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是现有技术的一种傅里叶变换红外光谱仪的截面示意图；

图2是现有技术的一种傅里叶变换红外光谱仪的俯视示意图；

图3是一种外延片表面的测试点分布示意图；

图4a至图4c是现有技术的一种傅里叶变换红外光谱仪的测试过程光路示意图；

图5是本发明实施例提供的一种外延层厚度测试装置的截面示意图；

图6是本发明实施例提供的一种外延层厚度测试装置的控制机构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种外延层厚度测试装置的测试过程光路示意图；

图8是本发明实施例提供的一种外延片表面的测试点分布示意图；

图9是本发明实施例提供的一种外延层厚度测试方法的流程图。

附图标记说明：

1-红外光源；2-检测器；3-载物基座；4-控制模块；41-参数设定单元；5-待测外延片；6-第一驱动模块；7-第二驱动模块；8-试样夹持件；9-转轴。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

外延层厚度是外延片的关键质量参数，通常用FTIR来进行外延片厚度测量。在外延层厚度测试过程中，当一束红外光以入射角射向外延片表面时，一部分在空气与外延层的界面发生反射，另一部分折射进入外延层，再在外延层与衬底的界面发生反射，因这两束光的路径不同，所以产生了光程差，根据光程差就可以计算出外延层的厚度。

请参见图1和图2，图1是现有技术的一种傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)的截面示意图；图2是现有技术的一种傅里叶变换红外光谱仪的俯视示意图。如图所示，现有的FTIR设备在进行厚度测量时，红外光源1和检测器2的位置固定不变，位于载物基座3的上方，待测外延片5放置在载物基座3上，承载着待测外延片5的载物基座3能够带动该待测外延片5在水平面上沿X-Y方向移动。来自红外光源11的红外光线以固定角度入射到待测外延片5的表面上，在待测外延片5的表面上发生反射，反射光线的信号被检测器2接收。在承载着待测外延片5的载物基座3在水平面上沿X-Y方向移动时，红外光线可照射到整个待测外延片5的表面。

请参见图3，图3是一种外延片表面的测试点分布示意图。如图3所示，此处以对一张待测外延片5进行九点测量为例，九个测试点分别为外延片中心点、外延片边缘均匀分布的四个测试点以及中心点与每个边缘测试点连线的中点。红外光线一直以固定角度照射外延片表面，载物基座3带动待测外延片5在X-Y方向移动。待测外延片5上中心点以及距离中心点较近的四个点处的厚度均可准确测量。对于边缘区域的四个点，如图3中所示的A、B、A’和B’点，图中该四点均处于外延片边缘的倒角处。请参见图4a至图4c，图4a至图4c是现有技术的一种傅里叶变换红外光谱仪的测试过程光路示意图，其中，图4a是外延片5上的中心点O的测试光路图，图4b是外延片5上的边缘点A、B的测试光路图，图4c是外延片5上的边缘点A’、B’的测试光路图。当入射光照射到边缘区域倒角处的A、B点时，反射光的信号尚可被检测器2接收到。然而，当随着载物基座3的水平移动，入射光照射到外延片另一侧倒角处的A’、B’点时，入射光以相同角度入射该位置，此时，很明显其反射光的方向发生了很大变化，该位置的反射光能量发生逸散，反射光线射出方向不在检测器的检测区域内，致使检测器接收不到该处的光线信号，从而测量不出该位置处的外延层厚度数据。

实施例一

为了克服外延片边缘一侧倒角处的外延层厚度无法测量的问题，本发明实施例提供了一种外延层厚度测试装置。请一并参见图5和图6，图5是本发明实施例提供的一种外延层厚度测试装置的截面示意图；图6是本发明实施例提供的一种外延层厚度测试装置的控制机构示意图。该外延层厚度测试装置包括红外光源1、检测器2、载物基座3和控制模块4，其中，红外光源1和检测器2设置在载物基座3的上方，待测外延片5固定在载物基座3上，红外光源1发出的光线能够通过待测外延片5反射至检测器2，检测器2用于接收来自待测外延片5的反射光并计算待测外延片5的外延层厚度；控制模块4用于控制载物基座3进行水平运动和旋转运动，以使红外光源照射到待测外延片5的指定位置处。需要说明的是，在本实施例中，红外光源1在测试过程中的光照角度是固定的。

进一步地，如图6所示，载物基座3连接有第一驱动模块6和第二驱动模块7，其中，第一驱动模块6用于根据控制模块4的控制信号驱动载物基座3进行水平二维运动；第二驱动模块7用于根据控制模块4的控制信号驱动载物基座3绕其中心轴线进行旋转运动。具体地，在载物基座的下表面中心处固定连接有竖向的转轴9，转轴9的下端连接至第二驱动模块7，第二驱动模块7能够驱动转轴9沿其轴向方向转动，从而带动载物基座3沿其轴向方向转动。在本实施例中，第二驱动模块7为电动马达，电动马达的转轴连接至转轴9的下端。第一驱动模块6可以是任何能够实现水平二维移动的驱动机构，这里不再赘述。

进一步地，控制模块4包括参数设定单元41，用于设定待测外延片5上测试点的位置坐标和测量次数。通常情况下，为了获得待测外延片5的外延层的整体厚度以及检测厚度分布的均匀性，会在待测外延片5上选择不同位置的多个点进行测试，且每个测试点进行多次重复测试。

请参见图8，图8是本发明实施例提供的一种外延片表面的测试点分布示意图。在本实施例中，对待测外延片5选取9个测试点进行测量，9个测试点分别为外延片中心点、外延片边缘均匀分布的4个测试点以及中心点与每个边缘测试点连线的中点。在进行测试之前，通过参数设定单元41输入所述9个测试点的坐标数据。

此外，为了获得更加准确的测试结果，测试次数选择为30次，即对于每个测试点，重复测试30次，取平均值，以得到该测试点的外延层厚度数据。

进一步地，控制模块4还用于根据位置坐标和测量次数确定载物基座3的运动参数以及红外光源1的照射参数。具体地，载物基座3的运动参数包括载物基座3的运动线路、运动速度、旋转速度以及旋转角度；红外光源1的光照参数包括红外光源1的每次光照时长以及相邻两次光照的时间间隔。

当待测外延片5上测试点的位置坐标和测量次数设定之后，即可根据红外光源1和检测器2与待测外延片5的相对位置，判断出在测试哪个测试点时会发生能量逸散问题，从而可以设定载物基座3的运动线路、运动速度、旋转速度以及旋转角度，使得在测试过程中控制模块4控制第一驱动模块6和第二驱动模块7，使载物基座3发生相应的水平运动和旋转运动，以将该测试点调整到适当的位置处，克服了红外光在边缘倒角处的能量逸散问题，确保可全面准确地测量外延片边缘区域的外延层厚度。本实施例的载物基座3通过增加旋转驱动机构，改变了载物基座3的移动方式，有效解决了红外光线在外延片一侧倒角处反射光的反射角度发生改变，检测器接收不到反射光信号，无法测量外延层厚度问题。

具体地，当一束红外光以入射角射向待测外延片5表面时，一部分在空气/外延层表面发生反射，另一部分折射进入外延层，再在外延层/衬底界面发生反射，因这两束光的路径不同，所以产生了光程差，根据红外干涉法，利用光程差就可以计算出外延层的厚度，具体计算过程为现有技术，这里不再详细描述。

进一步地，载物基座3的上表面设置有尺寸可调节的试样夹持件8，试样夹持件8用于固定待测外延片5并且能够根据待测外延片5的尺寸调节夹持空间。

以下以对一张外延片以9点测量为例，请一并参见图7和图8，图7是本发明实施例提供的一种外延层厚度测试装置的测试过程光路示意图；图8是本发明实施例提供的一种外延片表面的测试点分布示意图。

如图8所示，左侧图(a)表示旋转前的九点分布，右侧图(b)表示旋转后的九点分布。结合图7和图8所示，当检测外延片的边缘外延层厚度时，边缘一侧A、B点处的外延层厚度可测量，即，对于A、B点处，虽然外延片5表面的反射角度发生了改变，但是红外光源1的反射光线尚可被检测器2所接收，因此可以测出A、B点处的外延层厚度，而对于边缘一侧A’、B’点，如果不进行位置旋转，类似于图4c，该位置的反射光能量发生逸散，反射光线射出方向不在检测器的检测区域内，致使检测器接收不到该处的光线信号，从而测量不出该位置处的外延层厚度数据。在本实施例中，在测试之前，本实施例的装置能够判断出该出测试点需要进行旋转测量，因此，在测试A’、B’点时，载物基座3会将A’、B’点旋转到原来A、B点的位置，然后再进行测量，则如图7所示，可以成功地测量A’、B’点的外延层厚度。也就是说，边缘区域两侧A、B、A’、B’点的外延层厚度测量实际上通过载物基座3的旋转都会在A、B点一侧进行测量，从而可以准确地得到A、B、A’、B’点的外延层厚度值。

因此，本发明提供的新型外延片支撑基座，通过增加基座旋转装置，克服了红外光在边缘倒角处的能量逸散问题，确保可全面准确地测量外延片边缘区域的外延层厚度。

本实施例的外延层厚度测试装置通过在载物基座上设置旋转驱动装置，使得载物基座既能够做水平二维运动，也能够进行旋转运动，使得待测外延片上的待测点能够运动到更合适的位置处进行测试，从而克服了红外光在试样边缘倒角处的能量逸散问题，确保可全面准确地测量外延片边缘区域的外延层厚度。

实施例二

在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种外延层厚度测试方法，该方法利用上述实施例中任一项所述的外延层厚度测试装置进行测试。请参见图9，图9是本发明实施例提供的一种外延层厚度测试方法的流程图。

本实施例的外延层厚度测试方法包括：

S1：设定待测外延片上测试点的位置坐标和测量次数；

进一步地，步骤S1包括：在所述待测外延片上随机选取多个点作为测试点，并记录每个测试点的位置坐标；设置所述测试点的测试次数，且使得每个测试点的测试次数相同。

具体地，在本实施例中，对待测外延片选取九个测试点进行测量，九个测试点分别为外延片中心点、外延片边缘均匀分布的四个测试点以及中心点与每个边缘测试点连线的中点。进一步地，在测试之前，通过参数设定单元认为输入所述九个测试点的坐标数据。

此外，为了获得更加准确的测试结果，测试次数选择为30次，即对于每个测试点，重复测试30次，取平均值，以得到该测试点的外延层厚度数据。

S2：根据所述位置坐标和所述测量次数确定装载有待测外延片的载物基座的运动参数以及红外光源的照射参数；

具体地，载物基座的运动参数包括载物基座的运动线路、运动速度、旋转速度以及旋转角度；红外光源的光照参数包括红外光源的每次光照时长以及相邻两次光照的时间间隔。

当待测外延片上测试点的位置坐标和测量次数设定之后，即可根据红外光源和检测器与待测外延片的相对位置，判断出在测试哪个测试点时会发生能量逸散问题，从而可以设定载物基座的运动线路、运动速度、旋转速度以及旋转角度，使得在测试过程中控制模块控制载物基座发生相应的水平运动和旋转运动，以将该测试点调整到适当的位置处，克服了红外光在边缘倒角处的能量逸散问题，确保可全面准确地测量外延片边缘区域的外延层厚度。本实施例的载物基座通过增加旋转驱动机构，改变了载物基座的移动方式，有效解决了红外光线在外延片一侧倒角处反射光的反射角度发生改变，检测器接收不到反射光信号，无法测量外延层厚度问题。

S3：控制所述载物基座进行水平运动和旋转运动，以使所述红外光源照射到所述测试点处，并对所述测试点的厚度进行测试。

进一步地，S3包括：

S31：根据所述载物基座的运动参数控制所述载物基座运行至适当的位置，使得所述红外光源发出的光线能够通过所述测试点反射至所述检测器；

S32：通过所述红外光源对所述测试点进行多次照射并将反射光反射至所述检测器；

S33：通过所述检测器接收所述反射光并计算得到多个外延层厚度数据；

S34：对所述多个外延层厚度数据取平均值，获得所述测试点的外延层厚度值。

以下以对一张外延片以九点测量为例，请一并参见图7和图8，图7是本发明实施例提供的一种外延层厚度测试装置的测试过程光路示意图；图8是本发明实施例提供的一种外延片表面的测试点分布示意图。

如图8所示，左侧图(a)表示旋转前的九点分布，右侧图(b)表示旋转后的九点分布。结合图7和图8所示，当检测外延片的边缘外延层厚度时，边缘一侧A、B点处的外延层厚度可测量，即，对于A、B点处，虽然外延层表面的反射角度发生了改变，但是红外光源的反射光线尚可被检测器所接收，因此可以测出A、B点处的外延层厚度。在测试A’、B’点时，所述控制模块可以判断出该该处测试点需进行旋转测量，因此，会控制载物基座进行旋转，将A’、B’点旋转到原来A、B点的位置，然后再进行测量，则如图7所示，可以成功地测量A’、B’点的外延层厚度。也就是说，边缘区域两侧A、B、A’、B’点的外延层厚度测量实际上通过载物基座3的旋转都会在A、B点一侧进行测量，从而可以准确地得到A、B、A’、B’点的外延层厚度值。

本实施例的外延层厚度测试方法通过在载物基座上设置旋转驱动装置，使得载物基座既能够做水平二维运动，也能够进行旋转运动，使得待测外延片上的待测点能够运动到更合适的位置处进行测试，从而克服了红外光在试样边缘倒角处的能量逸散问题，确保可全面准确地测量外延片边缘区域的外延层厚度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种外延层厚度测试装置，其特征在于，包括红外光源(1)、检测器(2)、载物基座(3)和控制模块(4)，其中，

所述红外光源(1)和所述检测器(2)设置在所述载物基座(3)的上方，待测外延片(5)固定在所述载物基座(3)上；

所述控制模块(4)用于控制所述载物基座(3)进行预设轨迹运动，以使所述红外光源(1)的入射光线照射到所述待测外延片(5)的指定位置处，并使得所述入射光线通过所述待测外延片(5)反射至所述检测器(2)；

所述检测器(2)用于根据所述入射光线计算所述待测外延片(5)的外延层厚度。

2.根据权利要求1所述的外延层厚度测试装置，其特征在于，所述载物基座(3)连接有第一驱动模块(6)和第二驱动模块(7)，其中，所述第一驱动模块(6)用于根据所述控制模块(4)的控制信号驱动所述载物基座(3)进行水平二维运动；所述第二驱动模块(7)用于根据所述控制模块(4)的控制信号驱动所述载物基座(3)绕其中心轴线进行旋转运动。

3.根据权利要求1所述的外延层厚度测试装置，其特征在于，所述控制模块(4)包括参数设定单元(41)，用于设定所述待测外延片(5)上测试点的位置坐标和测量次数，所述测试点能够接收所述红外光源(1)的入射光线的照射。

4.根据权利要求3所述的外延层厚度测试装置，其特征在于，所述控制模块(4)还用于根据所述位置坐标和所述测量次数确定所述载物基座(3)的运动参数以及所述红外光源(1)的光照参数。

5.根据权利要求4所述的外延层厚度测试装置，其特征在于，所述载物基座(3)的运动参数包括所述载物基座(3)的运动线路、运动速度、旋转速度以及旋转角度中的至少一种；所述红外光源(1)的光照参数包括所述红外光源(1)的单次光照时长以及相邻两次光照的时间间隔中的至少一种。

6.根据权利要求2所述的外延层厚度测试装置，其特征在于，所述第二驱动模块(7)为电动马达，所述电动马达连接至所述载物基座(3)的下端，以驱动所述载物基座(3)旋转。

7.根据权利要求6所述的外延层厚度测试装置，其特征在于，所述载物基座(3)的下表面中心处固定连接有竖向的转轴(9)，所述转轴(9)的下端连接至第二驱动模块(7)的旋转轴。

8.一种外延层厚度测试方法，其特征在于，根据权利要求1至7中任一项所述的外延层厚度测试装置进行测试，所述方法包括：

设定待测外延片上测试点的位置坐标和测量次数；

根据所述位置坐标和所述测量次数确定装载有待测外延片的载物基座的运动参数以及红外光源的照射参数；

控制所述载物基座进行水平运动和旋转运动，以使所述红外光源照射到所述测试点处，并对所述测试点的外延层厚度进行测试。

9.根据权利要求8所述的外延层厚度测试方法，其特征在于，设定待测外延片上测试点的位置坐标和测量次数，包括：

在所述待测外延片上随机选取多个点作为测试点，并记录每个测试点的位置坐标；

设置所述测试点的测试次数，且使得每个测试点的测试次数相同。

10.根据权利要求9所述的外延层厚度测试方法，其特征在于，控制所述载物基座进行水平运动和旋转运动，以使所述红外光源照射到所述测试点处，并对所述测试点的外延层厚度进行测试，包括：

根据所述载物基座的运动参数控制所述载物基座运行至适当的位置，使得所述红外光源发出的光线能够通过所述测试点反射至所述检测器；

通过所述红外光源对所述测试点进行多次照射并将反射光反射至所述检测器；

通过所述检测器接收所述反射光并计算得到多个外延层厚度数据；

对所述多个外延层厚度数据取算数平均值，获得所述测试点的外延层厚度值。

Images