CN115602565B - 一种半导体原位高分辨可视化在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体原位高分辨可视化在线监测装置，包括：光谱仪模块，其用于向所述半导体沉积材料表面投射激光光源，所述激光光源作用于所述半导体沉积材料表面被吸收后发射回光信号；光探测器模块，用于探测所述回光信号；高分辨图像采集模块，用于采集所述半导体沉积材料表面的实时图像信息；监测模块，其用于根据所述回光信号和所述图像信息确定出所述半导体沉积材料的光谱数据和形貌数据。本发明所述的在线监测装置,通过集成光谱仪模块、光探测器模块以及高分辨图像采集模块，从而实现对半导体沉积材料的实时且精确的形貌监测和光谱监测，最终获得半导体沉积材料精确的形貌数据和光谱数据。

Description

一种半导体原位高分辨可视化在线监测装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其是指一种半导体原位高分辨可视化在线监测装置。

背景技术

在半导体制造技术领域中，半导体材料沉积是半导体晶圆制造的三大核心步骤之一，因此，作为半导体制造产业中重要的一环，材料沉积技术的重要性不可小觑。材料沉积是在半导体制程中，为了对所使用的材料赋与某种特性，在材料表面上以各种方法形成薄膜的过程。材料沉积的方法很多，包括物理与化学气相方法、分子束外延方法、旋转涂覆或喷涂方法以及电镀方法。常用的是物理与化学气相沉积。半导体材料沉积是决定半导体性能的关键步骤，芯片制造的关键在于将电路图形转移到薄膜材料这一过程。

由于薄膜材料沉积过程极为复杂，薄膜材料具有多层结构，对其每一层材料的形貌数据和光谱数据都需要精准把控，如果完成材料沉积后再进行测量和推演是非常困难的，并且准确度也难以保证，对于后续半导体生产制造会造成较多不确定因素，影响后续产品的品质。因此，在薄膜材料沉积过程中，能够同时且精准实现其形貌数据和光谱数据的监测则尤为重要。

公告号为CN103805956B的中国专利,公布了“一种原位形貌和光学性能监控蒸发源及真空沉积设备”，该专利的不足之处如下：形貌监测和光谱监测不能同时进行，必须分开监测。因为形貌监测的光源会对光谱监测造成极大干扰，从而使得所测量得到的光谱信号并不是精确且真实的信号，而是掺杂了形貌监控光源后的综合信号，导致最终获得的光谱数据并不是精确的光谱数据。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种半导体形貌及光谱的在线监测装置，本装置能够对半导体沉积材料同时进行形貌和光谱的在线监测，并且获得精准的形貌数据和光谱数据。

本发明的技术方案具体如下：

一种半导体原位高分辨可视化在线监测装置，用于在线监测半导体沉积材料的形貌数据和光谱数据，该在线监测装置包括，

光谱仪模块，其用于向所述半导体沉积材料表面投射激光光源，所述激光光源作用于所述半导体沉积材料表面被吸收后发射回光信号；

光探测器模块，用于探测所述回光信号；

高分辨图像采集模块，用于采集所述半导体沉积材料表面的图像信息；

监测模块，其同时连接所述光探测器模块和所述高分辨图像采集模块，其用于根据所述回光信号和所述图像信息确定出所述半导体沉积材料的光谱数据和形貌数据，

所述光谱仪模块投射所述激光光源和所述高分辨图像采集模块采集所述图像信息之间具有时延。

优选地，所述光谱仪模块同时连接所述光探测器模块和所述监测模块，所述光探测器模块探测到的所述回光信号输入所述光谱仪模块，所述光谱仪模块用于一次处理所述回光信号，获得所述回光信号的光波长λ，并向所述监测模块输出带有光波长λ信息的回光信号。

优选地，所述高分辨图像采集模块包括图像放大模块和图像采集器，所述图像放大模块包括高分辨显微镜，其用于放大所述半导体沉积材料；所述图像采集器用于采集所述半导体沉积材料被放大后的图像信息。

优选地，所述图像采集器设置为CCD相机。

优选地，该在线监测装置还包括照明模块，其用于向所述半导体沉积材料的沉积环境提供照明光源，所述沉积环境还包括样品生长台。

优选地，投射所述激光光源和提供所述照明光源之间具有时延。

优选地，投射所述激光光源和提供所述照明光源之间的时延为0.0005微秒-0.002微秒。

优选地，该在线监测装置还包括蒸发源模块，所述蒸发源模块外接控制器模块，所述控制器模块用于控制所述蒸发源模块的蒸发速率。

优选地，所述蒸发源模块的外部设有热屏蔽组件。

优选地，该在线监测装置还包括显示部件，所述显示部件连接监测模块，其用于在线显示所述半导体沉积材料的形貌数据和光谱数据。

本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明申请所述的在线监测装置，通过集成光谱仪模块、光探测器模块以及图像采集模块，实现同时在线监测半导体沉积材料的形貌数据和光谱数据。通过控制光谱仪模块投射所述激光光源和所述图像采集模块采集所述图像信息之间具有时延，使得在半导体沉积材料的光谱监测的过程中不会受到形貌监测的干扰，从而确保所测量得到的光谱信号是精确而真实的信号，最终获得半导体沉积材料精确的光谱数据。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明优选实施例中在线监测装置的结构框图。

说明书附图标记说明：1-光探测器模块，2-照明模块，3-高分辨图像采集模块，4-图像采集器，5-蒸发源模块，6-样品生长台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例

半导体材料在镀膜机或镀膜设备内蒸发沉积，其特点是在真空条件下，材料蒸发并在基底表面上凝结成膜，在基底表面形成附着力很强的薄膜，沉积镀膜过程中需要在线监测沉积薄膜的光学性能和形貌信息(对应芯片的电路图形)。现有技术中，由于形貌监测的光源会对光谱监测造成干扰，使得所测量得到的光谱信号并不是精确且真实的信号，而是掺杂了形貌监控光源后的综合信号，导致最终获得的光谱数据并不是精确的光谱数据，基于此，半导体材料不能在沉积过程中同时在线监测光学性能和形貌信息。

本发明提供了一种半导体原位高分辨可视化在线监测装置，用于在线监测半导体沉积材料的光学性能和形貌信息，结合图1,该在线监测装置具体包括，

光谱仪模块，其用于向所述半导体沉积材料表面投射激光光源，激光光源作用于所述半导体沉积材料表面被吸收后发射回光信号。当所述激光光源投射至所述半导体沉积材料表面时，所述半导体沉积材料会在微观层面发生电子跃迁，从而发生能量变化，相应地产生回光信号；

光探测器模块1，其用于探测并接收来自所述半导体沉积材料表面的所述回光信号；

高分辨图像采集模块3，用于采集所述半导体沉积材料表面的图像信息；

监测模块，其同时连接所述光探测器模块1和所述高分辨图像采集模块3，所述监测模块根据所述回光信号和所述图像信息确定出所述半导体沉积材料的光谱数据和形貌数据。

所述光谱仪模块投射所述激光光源和所述高分辨图像采集模块3采集所述图像信息之间具有时延。

由此，本发明所述的在线监测装置，所述光谱仪模块向半导体沉积材料的表面投射激光光源，当激光光源投射到所述半导体沉积材料时，由于激光具有较高的能量，所述半导体沉积材料会在微观层面发生电子跃迁，从而发生能量变化，相应地产生回光信号。所述回光信号被光谱探测器探测和接收，并将所述回光信号输出至所述监测模块，所述监测模块对所述回光信号进行处理，获得出半导体沉积材料的光谱数据，根据该光谱数据确定出半导体沉积材料的光学性能。与此同时，所述高分辨图像采集模块采集所述半导体沉积材料表面的图像信息，此处需要说明的有，所述光谱仪模块投射所述激光光源和所述高分辨图像采集模块3采集所述图像信息之间具有时延，所述采集模块采集的所述图像信息上传至所述监测模块。所述监测模块根据所述图像信息确定出所述半导体沉积材料的形貌数据。本发明所述的在线监测装置，通过控制光谱仪模块投射激光光源和高分辨图像采集模块3采集图像信息之间具有时延，使得在半导体沉积材料的光谱监测的过程中不会受到形貌监测的干扰，从而确保所测量得到的光谱信号是精确而真实的信号，最终获得半导体沉积材料精确的光谱数据。

进一步来说，所述光谱仪模块同时连接所述光探测器模块1和所述监测模块，所述光探测器模块1将探测到的所述回光信号输入所述光谱仪模块，所述光谱仪模块用于一次处理所述回光信号，获得所述回光信号的光波长λ，并向所述监测模块输出带有光波长λ信息的回光信号。另一方面的，所述光探测器模块1也同时向所述监测模块输出其探测到的所述回光信号。所述光谱仪模块对于回光信号的一次处理能够减少所述监测模块需要处理的数据处理量，从而提高监测模块的数据处理速度。

具体来说，所述高分辨图像采集模块3包括图像放大模块和图像采集器4，所述图像放大模块包括高分辨显微镜，其用于放大所述半导体沉积材料，所述显微镜的镜头外部设有由石英、玻璃或其他材料制成的保护窗，在本实施例中采用的是一种超长工作距离成像显微镜，其记载于公布号为CN108519666A，“一种超长工作距离成像显微镜和应用其的显微成像系统”的中国专利申请，所述显微镜具有10厘米量级的工作距离，能够对所述半导体材料的沉积过程进行清晰、稳定地成像。本发明所述的高分辨图像采集模块3能够采集到高分辨率的图像信息，且所述图像信息的分辨率达到0.5微米。

进一步地，所述图像采集器4用于采集所述半导体沉积材料经过所述放大模块放大后的图像信息，其中，所述图像采集器4采用CCD相机，CCD相机能够把光学影像转化为数字信号，实现对所述半导体沉积材料图像的实时采集，并将采集到的图像信息上传至所述监测模块。

更进一步地，由于半导体材料在真空环境下沉积，沉积环境黑暗封闭，黑暗环境使得形貌监测不能有效进行，基于此，本发明申请的所述的在线监测装置还包括照明模块2，其用于向所述半导体沉积材料的沉积环境提供照明光源。一种实施方案下，所述照明模块2的光源可以由所述光谱仪提供，通过所述光谱仪直接向所述半导体材料的沉积环境(即镀膜机内)发射照明光源，该照明光源优选为LED光源；在其它实施方案下，所述光源也可以由其他照明设备提供。

所述沉积环境还包括样品生长台6，半导体材料在所述样品生长台6上沉积生长，所述样品生长台6与所述图像放大模块的工作距离为12厘米-20厘米，一方面满足了所述超长工作距离成像显微镜的工作条件，一方面为半导体沉积材料的材料生长提供了操作空间。

从细节上来说，投射所述激光光源和提供所述照明光源之间具有时延，该时延为0.0005微秒—0.002微秒，正是由于该时延的存在，使得在半导体沉积材料的光谱监测的过程中不会受到形貌监测的干扰，从而确保所测量得到的光谱信号是精确而真实的信号。

进一步地，该在线监测装置还包括用于进行所述半导体材料沉积的蒸发源模块5，所述蒸发源模块5外接控制器模块，所述蒸发源模块5通过所述控制器模块从而精准控制蒸发速率。所述蒸发源模块包括多个蒸发源，所述控制器模块包括多个控制器，每个蒸发源受控于一个控制器。因此既可以实现对一种半导体材料的材料沉积，也可以实现多种半导体材料的材料沉积。从而本发明的在线监测装置也具备了半导体材料沉积的功能，能够实现了在半导体材料的沉积过程中，对半导体薄膜的形貌和光学信号进行实时监测。

由于在半导体材料的沉积过程中，所述蒸发源模块5会产生较高的温度，因此在所述蒸发源模块5的外部还设有用于屏蔽热量的热屏蔽组件。

更进一步地，所述监测模块具体包括：数据储存单元、数据分析单元、数据展示单元。其中，所述数据存储单元用于对接收到的所述形貌数据和所述光谱数据进行储存；所述数据分析单元包括软件控制端，通过所述软件控制端同时对形貌数据和光谱数据进行监测，且使获得的形貌数据和光谱数据一一对应，具有较高的一致性；所述数据展示单元用于对所述形貌数据和所述光谱数据进行展示。

另外，该半导体原位高分辨可视化在线监测装置还包括显示部件，所述显示部件连接监测模块，与所述数据展示单元相连。所述显示部件包括显示器，其用于将所述半导体沉积材料的形貌数据和光谱数据在线显示。

本实施例所述的在线监测装置的工作原理如下：

对所述在线监测装置进行通电，所述光谱仪向所述样品生长台上的半导体沉积材料投射激光光源和LED光源，投射这两种光源之间具有时延，该时延为0.0005微秒—0.002微秒。当激光光源投射到所述半导体沉积材料时，由于激光具有较高的能量，所述半导体沉积材料会在微观层面发生电子跃迁，从而发生能量变化，相应地产生回光信号。一方面的，所述回光信号被光谱探测器探测和接收，并将所述回光信号输出至所述监测模块，所述监测模块根据所述回光信号确定出光谱数据；另一方面，所述光谱探测器将所述回光信号上传至所述光谱仪，光谱仪处理所述回光信号，获得所述回光信号的光波长λ，并向所述监测模块输出带有光波长λ信息的回光信号，所述监测模块根据所述带有光波长λ信息的回光信号确定出光谱数据。

当LED光源照射所述半导体沉积材料时，此时图像采集模块开始采集图像，CCD相机将通过显微镜放大后的所述半导体沉积材料的图像进行拍摄，所述图像信息通过CCD相机内部工作转化为数字信号，上传至所述监测模块。所述监测模块根据所述图像信息确定出所述半导体沉积材料的形貌数据。

经过监测模块内部处理后，使所述形貌数据和光谱数据能够显示在同一界面，且具有较高的一致性，所述形貌数据和所述光谱数据能够一一对应，最终通过显示器展示，便于工作人员观察和研究。

综上所述，本发明的在线监测装置通过集成光谱仪模块、光探测器模块以及高分辨图像采集模块，并结合监测模块，实现对半导体沉积材料的实时在线形貌监测和光谱监测，从而获得半导体沉积材料的实时形貌数据和光谱数据。并且，通过控制不同光源投射至半导体沉积材料时的时延，从而确保形貌监测的光源不会对光谱监测造成干扰，进而确保所测量得到的光谱信号是精确而真实的信号，最终获得半导体沉积材料精确的形貌数据和光谱数据。另一方面，本发明还设有蒸发源模块，因此本发明的在线监测装置同时具备了半导体的材料沉积功能，实现了在半导体材料的沉积过程中，对半导体同一微区的形貌和光学信号进行实时原位跟踪监测，实时获取高分辨形貌数据以及光谱数据，且获得的形貌数据和光谱数据一一对应，具有较高的一致性。进一步来说，这也对后续的半导体器件的生产和制造提供质量保证，从而有效提高了半导体器件的品质。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种半导体原位高分辨可视化在线监测装置，用于在线监测半导体沉积材料的形貌数据和光谱数据，其特征在于：该在线监测装置包括，

光谱仪模块，其用于向所述半导体沉积材料表面投射激光光源，所述激光光源作用于所述半导体沉积材料表面被吸收后发射回光信号；

光探测器模块，用于探测所述回光信号；

高分辨图像采集模块，用于采集所述半导体沉积材料表面的图像信息；

监测模块，其同时连接所述光探测器模块和所述高分辨图像采集模块，其用于根据所述回光信号和所述图像信息确定出所述半导体沉积材料的光谱数据和形貌数据，

所述光谱仪模块投射所述激光光源和所述高分辨图像采集模块采集所述图像信息之间具有时延；

所述光谱仪模块同时连接所述光探测器模块和所述监测模块，所述光探测器模块探测到的所述回光信号输入所述光谱仪模块，所述光谱仪模块用于一次处理所述回光信号，获得所述回光信号的光波长λ，并向所述监测模块输出带有光波长λ信息的回光信号；

所述高分辨图像采集模块包括图像放大模块和图像采集器，所述图像放大模块包括高分辨显微镜，其用于放大所述半导体沉积材料；所述图像采集器用于采集所述半导体沉积材料被放大后的图像信息；

所述图像采集器设置为CCD相机；

该在线监测装置还包括照明模块，其用于向所述半导体沉积材料的沉积环境提供照明光源；

投射所述激光光源和提供所述照明光源之间具有时延；

投射所述激光光源和提供所述照明光源之间的时延为0.0005微秒-0.002微秒；

该在线监测装置还包括蒸发源模块，所述蒸发源模块外接控制器模块，所述控制器模块用于控制所述蒸发源模块的蒸发速率；

所述蒸发源模块的外部设有热屏蔽组件。

2.根据权利要求1所述的一种半导体原位高分辨可视化在线监测装置，其特征在于：该在线监测装置还包括显示部件，所述显示部件连接监测模块，其用于在线显示所述半导体沉积材料的形貌数据和光谱数据。

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