CN112735993B - 一种晶圆表面温度探测器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶圆表面温度探测器及其应用，包含若干个子探测器，每个所述子探测器用以观察至少一个外设外延片；若干个所述子探测器的分布方式为阵列式分布；每个所述子探测器各包含一个光源和若干个子接收器；所述光源用于发出入射光；所述子接收器用于接收由外延片形成的光信号，并对所接收的光信号进行光电转换以获得电信号；本发明温度监控对象明确且唯一，同时采用反射率曲线方式进行了温度监控；实现了生长全过程的RT曲线有效监控，进而实现了外延片组分和均匀性生长控制。

Description

一种晶圆表面温度探测器及其应用
技术领域
本发明涉及半导体材料生长制备领域，具体涉及一种晶圆表面温度探测器及其应用。
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。
在外延材料生长制备过程中，需要对生长温度进行精确的监控。常用的监控手段有两种，分别是(RT)和(TC)。其中，RT为wafer表面的温度，通过监控反射率曲线实现，TC为石墨盘温度，通过热电偶检测。生长过程中，高温条件下外延层材料与衬底的热膨胀系数不同，在应力作用下外延片发生翘曲，导致反射信号超出探测器接收范围，RT曲线下降至零，导致温度失控。外延片不同表面反射光位置变化截面示意图见图1，如图1所示，在平坦面（（A）或（D））反射光束可以很好的被探测器所接收，但在负倾斜表面（B）和正倾斜表面（C），则出现反射信号超出接受范围，从而监控失效。生产过程中外延片反射光束位置示意图（俯视）见图2，如图2所示，当外延片表面出现翘曲时，部分光束就会偏离设定位置，从而影响准确率；尤其对于失配结构的外延生长，需要将RT切换至TC来监控生长温度，而这需要RT与TC有稳定一致的对应关系，但实际上对于不同程度翘曲的外延片很难做到。
尤其是对于属于目前外延生长领域技术研发的前沿方向的大尺寸外延片（≥6英寸），研发中发现，由于现阶段并不存在与之相适配的晶圆表面温度探测器（传统RT监控在某一时间点只能监控外延片上单点位置的反射率），导致在生长过程中无法做到精确温度监控，导致生产过程中良率较低，成本居高不下。
因此，需要一种晶圆表面温度探测器，该探测器能实现大尺寸翘曲外延片表面的温度监控。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题为：一种晶圆表面温度探测器，该探测器能实现对翘曲表面的温度监控。
本发明要解决的第二个技术问题为：上述晶圆表面温度探测器的应用。
为解决上述第一个技术问题，本发明提供的技术方案为：一种晶圆表面温度探测器，包含若干个子探测器，每个所述子探测器用以观察至少一个外设外延片；若干个所述子探测器的分布方式为阵列式分布；
每个所述子探测器各包含一个光源和若干个子接收器；
所述光源用于发出入射光；
所述子接收器用于接收由外延片形成的光信号，并对所接收的光信号进行光电转换以获得电信号。
根据本发明的一些实施方式，所述发射光源设计为眼球状。
眼球状发射光源，光源方向可360度连续旋转调整。
根据本发明的一些实施方式，所述入射光的波长范围为300~1800nm。
为了监控大尺寸外延片（≥6英寸）不同位置的温度，设置具有不同波长发射光源的多个子探测器。
根据本发明的一些实施方式，所述阵列式分布为同心圆式排列或点阵式排列。
根据本发明的一些实施方式，所述子探测器的密度为1个/10cm2~1个/3cm2。
构成阵列式探测器的各子探测器可独立探测所监控外延片上某点的温度，理论上可以设置子探测器数目多达可监控外延片上分辨率范围内每个点的温度，实际应用中，考虑实用性和成本，其数量由温度监控点设置密度决定。
阵列式的排布有助于计算和分析外延片形变特点，其数量应不少于3个。
翘曲度最大的飞片为临界飞片，子接收器接收到临界飞片反射光时所偏移的位置，即为子接收器的覆盖范围。
根据本发明的一些实施方式，所述子探测器中各相邻子接收器的有效探测区域边界充分交叠无盲区。
根据本发明的一些实施方式，所述子接收器还与控制器相连。
根据本发明的一些实施方式，所述控制器用于根据所述电信号分别计算各外延片的温度。
根据本发明的一些实施方式，所述控制器通过将各子接收器获得的电信号进行对比，以确定外延片的最终温度。
根据本发明实施方式的晶圆表面温度探测器，至少具备如下有益效果：该探测器通过对比各子探测器接收光角度和强度，来计算外延片的翘曲程度及形变特点，从而实现了对外延片的实时监控。
为解决上述第二个技术问题，本发明提供的技术方案为：一种上述晶圆表面温度探测器在观测外延片生长过程中的应用。
上述应用包含以下步骤：
将外延片置于外延片载具中，并控制所述外延片与所述外延片载具的运动状态保持一致；
依据所述外延片载具的运动状态调整所述晶圆表面温度探测器监控方式，使所述晶圆表面温度探测器与所述外延片竖直方向上处于相对静止的状态以观测外延片的生长过程。
根据本发明的一些实施方式，所述竖直方向为与所述外延片表面垂直的方向。
根据本发明的一些实施方式，所述外延片载具包括石墨盘或钼盘。
根据本发明的一些实施方式，所述若干个子探测器用以观测外延片载具上的外延片。
根据本发明的一些实施方式，所述子探测器位于外延片的上方。
根据本发明的一些实施方式，所述监控方式为原位式监控或替位式监控。
根据本发明的一些实施方式，所述原位式监控为所述子探测器与所述外延片载具同步旋转。
根据本发明的一些实施方式，所述替位式监控为所述子探测器保持固定，所述外延片载具保持旋转。
根据本发明的一些实施方式，所述子探测器工作过程中，在相同时刻，各子探测器中发射光的波长互不相同。
对于微小形变的外延材料生长，采用出光方向可变光源与单接收器组合的探测器，对于较大形变的外延材料生长，采用固定出光方向的光源与阵列式分布接收器组合的探测器，对于同时生长微小和较大形变材料的设备，设计为两种模式可自动切换。
根据本发明实施方式的晶圆表面温度探测器的应用，至少具备如下有益效果：本发明实现了监测同一外延片不同位置的反射率曲线，有利于分析外延片组分、掺杂与性能的对应关系，同时监控了化学气相沉积室硬件（如：钼盘平整度）的工作状态及其在生命周期内的变化规律；该方法接收了达飞片临界值的翘曲程度的反射信号，将传统探测器接收不到的信号进行了有效收集，实现了生长全过程的RT曲线有效监控，进而实现外了外延片组分和均匀性生长控制；还避免了RT和TC之间切换引入的温度偏差大的问题；其尤其适用于大尺寸（≥6英寸）、大晶格失配结构的外延层生长，在形变接近飞片临界值时停止生长，降低了飞片概率，进而降低了因飞片导致的一系列不良后果；采用波长连续可调光源，避免了单色反射光源波长与含DBR结构子电池反射光源重叠导致的反射信号失控情况。
附图说明
图1为生产过程中外延片不同表面反射光位置变化示意图（截面）；
图2为生产过程中外延片反射光束位置示意图（俯视）；
图3为实施例一所对应的晶圆表面温度探测器；
图4为实施例二所对应的晶圆表面温度探测器；
图5为实施例四所对应的外延片上设置的监控点；
图6为实施例四所对应的探测器的监控位置。
标号说明：
(A)平坦表面1、(B)负倾斜表面、(C)正倾斜表面、(D)平坦表面2。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到的试剂和材料。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的晶圆表面温度探测器在观测外延片生长过程中的应用。
上述应用包含以下步骤：
将外延片置于外延片载具中，并控制所述外延片与所述载具的运动状态保持一致；
依据所述外延片载具的运动状态调整所述晶圆表面温度探测器监控方式，使所述晶圆表面温度探测器与所述外延片处于相对静止的状态以观测外延片的生长过程；其中，监控方式包括原位式监控和替位式监控。
原位式监控即为子探测器与外延片载具同步旋转。
替位式监控包含以下步骤：
S1、在t1时刻子探测器1、2、…、n分别监控外延片1、2、…、n；
S2、再下一时刻t2，子探测器1、2、…、n分别监控外延片n、1、…、n-1；
S3、再下一时刻t3，子探测器1、2、…、n分别监控外延片n-1、n、…、n-2，依此循环n-1次，综合t1、t2、t3…、tn时刻子探测器1、2、3…、n的探测温度即为外延片1的实时温度；综合t1、t2、t3…、tn时刻子探测器2、3、4…、n-1、n的探测温度即为外延片2的实时温度；表1为各子探测器在各时候所探测的外延片，结合表1和探测温度即可得到各外延片的多点温度监控。
表1为各子探测器在各时候所探测的外延片
Figure DEST_PATH_IMAGE001
本发明的实施例一为：一种晶圆表面温度探测器，包含4个子探测器，用以观察对应的4个外延片；4个子探测器各包含一个发射光源和一个子接收器；4个子探测器的分布方式为同心圆分布。
一种上述晶圆表面温度探测器的使用方法，该方法包含：
提供用以操作的外延片载具石墨盘，石墨盘用以绕着旋转轴转动；如图3所示，子探测器1对应于外延片1，子探测器2对应于外延片2，子探测器3对应外延片3，子探测器4对应于外延片4；在监控过程中，子探测器与外延片相对位置保持固定，同步旋转；通过各子探测器接收光角度和强度，来计算外延片的翘曲程度及形变特点，从而实现对外延片的实时监控。
本发明的实施例二为：一种晶圆表面温度探测器，包含16个子探测器，用以观察对应的4个外延片；16个子探测器各包含一个发射光源和一个子接收器；16个子探测器的分布方式为点阵式分布。
一种上述晶圆表面温度探测器的使用方法，该方法包含：
提供用以操作的外延片载具石墨盘，石墨盘用以绕着旋转轴转动，如图4所示；在监控过程中，探测器与外延片相对位置保持固定，同步旋转；通过各子探测器接收光角度和强度，来计算外延片的翘曲程度及形变特点，从而实现对外延片的实时监控。
本发明的实施例三为：一种晶圆表面温度探测器，包含6个子探测器，用以观察对应的6个外延片；每个子探测器包含一个发射光源和一个子接收器；6个子探测器的分布方式为同心圆分布。
一种上述晶圆表面温度探测器的使用方法，该方法包含：
提供用以操作的外延片载具石墨盘，石墨盘用以绕着旋转轴转动；在t1时刻，子探测器1对应于外延片1，子探测器2对应于外延片2，子探测器3对应外延片3，子探测器4对应于外延片4；子探测器5对应外延片5，子探测器6对应外延片6，各子探测器分别记录各外延片对应的温度；在t2时候，子探测器1对应于外延片6，子探测器2对应于外延片1，子探测器3对应外延片2，子探测器4对应于外延片3；子探测器5对应外延片4，子探测器6对应外延片5，各子探测器分别记录各外延片对应的温度；以此类推，各子探测器在各时刻所探测的外延片如表2所示。
表2为实施例三中各探测器在各时刻所探测的外延片
Figure DEST_PATH_IMAGE002
实施例三中各外延片温度的计算方法示例如下：
外延片1的实际温度根据（t1时刻子探测器1记录的温度、t2时刻子探测器2记录的温度、t3时刻子探测器3记录的温度、t4时刻子探测器4记录的温度、t5时刻子探测器5记录的温度、t6时刻探测器6记录的温度绘制时间温度曲线图。
其他外延片温度的计算参照表2与计算方法示例即可得出。
本发明的实施例四为：一种晶圆表面温度探测器，包含5个子探测器，用以观察外延片上五个位置；5个子探测器各包含一个反射光源和一个子接收器；5个子探测器，其分布按照以正向放置平边为基准上、中、下、左、右各设置一监测区域的阵列来排布。
如图5所示，在外延片上设置多个监控点（上、中、下、左和右分别对应图6中位置A、B、C、D、E），探测器位于外延片上方，分别通过探测器的子探测器1、子探测器2、子探测器3、子探测器4和子探测器5同时监控，可得到大尺寸外延片多个位置的温度以及翘曲程度。其中各子探测器的光源波长互不相同，用以区分不同位置反射的光斑。
子探测器1、子探测器2、子探测器3、子探测器4和子探测器5发射光源的波长分别是λ1、λ2、λ3、λ4和λ5，正常情况下各子探测器接收到的反射光源波长为对应波长。对于发生翘曲的外延片，各位置的反射光发生偏移，E对应的接收器中探测到了λ5以外的波长信号λ2，可知位置B处的反射光斑发生了偏移，其对应外延片表面的位置发生了一定程度的形变。
综上所述，本发明提供的晶圆表面温度探测器使用方法，实现了监测同一外延片不同位置的反射率曲线，有利于分析外延片组分、掺杂与性能的对应关系，同时监控了化学气相沉积室硬件（如：钼盘平整度）是否正常及其在生命周期内的变化规律；该方法接收了达飞片临界值的翘曲程度的反射信号，将传统探测器接收不到的信号进行了有效收集，实现了生长全过程的RT曲线有效监控，进而实现外了外延片组分和均匀性生长控制；还避免了RT和TC之间切换引入的温度偏差大的问题；其尤其适用于大尺寸（≥6英寸）、大晶格失配结构的外延层生长，在形变接近飞片临界值时停止生长，降低了飞片概率，进而降低了因飞片导致的一系列不良后果；采用波长连续可调光源，避免了单色反射光源波长与含DBR结构子电池反射光源重叠导致的反射信号失控情况。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种晶圆表面温度探测器，其特征在于：包含若干个子探测器，每个所述子探测器用以观察至少一个外设外延片；若干个所述子探测器的分布方式为阵列式分布；
每个所述子探测器各包含一个光源和若干个子接收器；
所述光源用于发出入射光；
所述子接收器用于接收由外延片形成的光信号，并对所接收的光信号进行光电转换以获得电信号；
所述晶圆表面温度探测器与所述外延片竖直方向上处于相对静止的状态以观测外延片的生长过程；
所述观测外延片过程中，在相同时刻，各子探测器中入射光的波长互不相同；
所述外设外延片对应的接收器中探测到与所述外设外延片对应的入射光不同的波长信号；所述外设外延片表面的位置发生翘曲；
所述晶圆表面温度探测器用于监控大尺寸翘曲外延层的生长；
所述大尺寸外延层翘曲的直径大于6英寸；
所述晶圆表面温度探测器具有翘曲监控功能。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆表面温度探测器，其特征在于：所述光源的形状为眼球状。
3.根据权利要求1所述的一种晶圆表面温度探测器，其特征在于：所述入射光的波长范围为300～1800nm。
4.根据权利要求1所述的一种晶圆表面温度探测器，其特征在于：所述阵列式分布为同心圆式排列或点阵式排列。
5.根据权利要求1所述的一种晶圆表面温度探测器，其特征在于：所述子探测器的密度为1个/10cm2～1个/3cm2。
6.根据权利要求1所述的一种晶圆表面温度探测器，其特征在于：每个所述子探测器中相邻子接收器的有效探测区域边界充分交叠无盲区。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的晶圆表面温度探测器在观测外延片生长过程中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于：包括以下步骤：
将外延片置于外延片载具中，并控制所述外延片与所述外延片载具的运动状态保持一致；
依据所述外延片载具的运动状态调整所述晶圆表面温度探测器监控方式，观测外延片的生长过程。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述监控方式为原位式监控或替位式监控。
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