CN216978196U - 一种薄膜应力测试装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种薄膜应力测试装置，包括支撑座；样品台，样品台的顶部设置有用于承载基片的承载台面，样品台与支撑座转动连接，且样品台绕其中心轴旋转；用于发射激光束的激光发射装置，激光发射装置设置于承载台面的上方；激光探测装置，设置于所述承载台面的上方。本申请实施例中的样品台可以绕其中心轴旋转，使激光探测装置能够检测基片在各个径向上的曲率半径，从而能够拟合出基片整个表面的薄膜应力分布图。

Description

一种薄膜应力测试装置

技术领域

本实用新型涉及晶圆薄膜应力测量技术领域，尤其涉及一种薄膜应力测试装置。

背景技术

随着科技的飞速发展，薄膜元器件得到了日益广泛的应用。在薄膜制备过程中，由于薄膜与晶圆的热膨胀系数不同、薄膜结构内部应力等原因，薄膜元器件中会存在薄膜应力。而薄膜应力对于半导体工艺来说是一个很重要的参数，不可控的应力会导致薄膜的龟裂、甚至是晶片的破裂等。因此，薄膜应力对薄膜元器件的成品率﹑稳定性和可靠性有很大影响。薄膜应力测量有助于及时调整薄膜生产工艺，提高制造效率。

在现有技术中，检测薄膜应力的方法是对基片进行一个方向上的线性扫描，得到基片在该方向上的曲率半径，然后通过膜厚、基片厚度等数据，进一步计算出基片的薄膜应力。

实用新型内容

本实用新型提供一种薄膜应力测试装置，能够使所述激光探测装置检测基片在各个径向上的曲率半径。

本申请实施例，提供一种薄膜应力测试装置，包括支撑座、样品台、激光发射装置和激光探测装置。

所述样品台的顶部设置有用于承载基片的承载台面，所述样品台与所述支撑座转动连接，且所述样品台绕其中心轴旋转；用于发射激光束的所述激光发射装置设置于所述承载台面的上方；所述激光探测装置设置于所述所述承载台面的上方。

根据一些实施例，所述薄膜应力测试装置还包括抽气装置，所述抽气装置包括抽气口；所述承载台面上设置有通孔，所述通孔与所述抽气口连通。

基于上述实施例，所述样品台在转动时，所述承载台面上的所述基片也随之转动，而所述承载台面上的所述通孔连接所述抽气装置，所述抽气装置可以抽出所述基片与所述承载台面间的空气，使所述基片与所述承载台面间产生负气压，从而将所述基片吸牢，使所述基片在转动时不会与所述样品台发生相对滑动。

根据一些实施例，所述通孔位于所述承载台面的中心处。

基于上述实施例，可以使所述抽气口对准所述基片的中心，使所述基片固定在所述承载台面上的位置更稳定，所述基片与所述承载台面间不易发生移动。

根据一些实施例，所述承载台面上设置有用于放置所述基片的凹槽，所述基片放置于所述凹槽中时，所述基片的外周与所述凹槽的内侧触接。

基于上述实施例，所述凹槽可以固定所述基片在所述承载台面上的位置，所述基片在转动时不会与所述样品台发生相对滑动。

根据一些实施例，所述薄膜应力测试装置还包括用于加热所述承载台面的加热装置，所述加热装置安装于所述支撑座上。

基于上述实施例，加热装置对基片加热，可以测试基片在高温下的曲率半径，或者可以在比较关心的温度下保温一段时间来收集基片的曲率半径数据。

根据一些实施例，所述薄膜应力测试装置还包括降温管道，所述降温管道上设置有多个朝向所述承载台面的喷口。

基于上述实施例，所述喷口向所述基片吹扫气体，使所述基片快速降温，使得所述薄膜应力测试装置可以测试出所述基片在冷却时的薄膜应力变化。

根据一些实施例，所述降温管道设置在所述承载台面的上方。

基于上述实施例，所述降温管道上的喷口在所述基片的上方吹扫气体，对所述基片的表面进行吹扫气体降温。

根据一些实施例，所述承载台面上设置有多个小孔，所述小孔与所述喷口一一对应连通。

基于上述实施例，可以在所述基片的下方吹扫气体，对所述基片的表面进行吹扫气体降温。

根据一些实施例，多个所述小孔在所述承载台面上呈螺旋状排布。

基于上述实施例，对所述基片表面吹扫气体更均匀，使得所述基片能够更快的降温，从而可以测试出所述基片在冷却时的薄膜应力变化。

根据一些实施例，所述薄膜应力测试装置还包括：用于将所述激光发射装置发射的激光束向所述承载台面反射的反光镜，所述反光镜位于所述承载台面的上方，所述反光镜相对于所述承载台面倾斜设置，所述激光发射装置发射激光的端口朝向所述反光镜。

基于上述实施例，增加反光镜使得激光束的光程变长，在计算薄膜应力时，需要测量光程长度，光程越长量程越大，则对应的薄膜应力测量精度越高。

本申请的有益效果为：

本申请实施例中的所述样品台可以绕其中心轴旋转，使所述激光探测装置可以检测所述基片的各个径向上的曲率半径，从而能够拟合出所述基片整个表面的薄膜应力分布图。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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的附图。

图1为本申请一实施例中薄膜应力测试装置的结构示意图；

图2为本申请又一实施例中样品台和抽气装置的结构示意图；

图3为本申请再一实施例中样品台的结构示意图；

图4为本申请再一实施例中支撑座、样品台、加热装置和降温管道的结构示意图；

图5为本申请再一实施例中样品台的结构示意图；

图6为本申请再一实施例中样品台、反光镜、激光发射装置和激光探测装置的结构示意图。

附图标记：

11.支撑座；12.样品台；121.承载台面；121a.小孔；122.通孔；123.凹槽；13.激光发射装置；14.激光探测装置；15.抽气装置；151.抽气口；16.加热装置；17.降温管道；171.喷口；18.反光镜；2.基片。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图来进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

薄膜应力测量有助于及时调整薄膜生产工艺，提高制造效率。现有的检测薄膜应力的方法是通过薄膜应力测试装置对基片进行一个方向上的线性扫描，得到基片在该方向上的曲率半径，然后通过膜厚、基片厚度等数据，进一步计算出基片的薄膜应力。然而，这种方法只能得出基片的薄膜应力值，不能得出基片的薄膜应力分布情况。对于实际生产中新产品的研发以及薄膜沉积工艺的检测来说是远远不够的。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种薄膜应力测试装置，可以检测到基片的各个径向上的曲率半径，从而能够拟合出基片整个表面的薄膜应力分布图。

具体的，参考图1，薄膜应力测试装置包括支撑座11、样品台12、激光发射装置13和激光探测装置14。

其中，样品台12的顶部设置有承载台面121，承载台面121用于承载基片2，样品台12与支撑座11转动连接，且样品台12绕其中心轴旋转，样品台12转动可以带动承载台面121上的基片2转动。承载台面121为与水平面平行的平整台面，承载台面121的形状可以为圆形、方形或不规则图形，本申请不做具体限定。其中，基片2可以为晶圆。

参考图1，激光发射装置13设置于承载台面121的上方，且激光发射装置13用于发射激光束；激光探测装置14设置于承载台面121的上方。激光探测装置14可以接收承载台面121上的基片2的表面反射的激光束。

需要说明的是，基片2的薄膜应力测量是通过激光发射装置13将激光束以一定角度发射到基片2的表面，激光束在基片2的表面发生反射形成反射光，再通过激光探测装置14检测反射光的位置，并对反射光的数据进行处理，以实现对基片2表面曲率半径的测量，基片2的表面曲率半径的测量的具体原理在相关技术中早有公示，本申请不做赘叙。

还需要说明的是，在本申请实施例中，对基片2的表面曲率半径进行测量时，样品台12可以绕其中心轴旋转并带动基片2转动，因此，薄膜应力测试装置可以检测基片2的各个径向上的曲率半径，从而能够拟合出基片2整个表面的薄膜应力分布图。

其中，激光发射装置13可以沿水平方向滑动，以便向基片2表面发射激光；激光探测装置14也可以沿水平方向滑动，以便接收基片2表面反射的激光。

还需要说明的是，在相关技术中，若薄膜应力测试装置需要测量基片2在一个平面内的多个方向上的曲率半径，则需要使用多个基片2。而在本申请实施例中，样品台12绕其中心轴旋转并带动基片2转动，薄膜应力测试装置可以检测一个基片2的各个径向上的曲率半径。

可以理解的是，以基片2为晶圆为例，激光发射装置13发射激光束，激光束在晶圆的表面发生反射形成反射光，晶圆将反射光反射到激光探测装置14，激光探测装置14对反射光的数据进行处理。在激光探测装置14完成一次数据处理后，激光发射装置13沿水平方向移动，同时激光探测装置14沿水平方向移动，激光发射装置13再次发射激光束，激光束在晶圆的表面发生反射形成反射光，晶圆继续将反射光反射到激光探测装置14，激光探测装置14再次对反射光的数据进行处理。重复上述步骤，直到薄膜应力测试装置测试完晶圆在一个径向上的曲率半径后，将样品台12转动一定角度，薄膜应力测试装置继续测量晶圆在另一个径向上的曲率半径，如此反复，直到晶圆转完一圈，使得激光探测装置14可以检测晶圆的各个径向上的曲率半径，从而能够拟合出基片2整个表面的薄膜应力分布图，可以提高对晶圆的薄膜应力测试精度，从而可以提高加工精度。

在一些实施例中，参考图2，薄膜应力测试装置还包括抽气装置15，抽气装置15包括抽气口151。承载台面121上设置有通孔122，通孔122与抽气口151连通。

需要说明的是，样品台12在转动时，承载台面121上的基片2也随之转动，而承载台面121上的通孔122连接抽气装置15，抽气装置15可以抽出基片2与承载台面121间的空气，使基片2与承载台面121间产生负气压，从而将基片2吸牢，使基片2在转动时不会与样品台12发生相对滑动。

还需要说明的是，在一些实施例中，继续参考图2，通孔122位于承载台面121的中心处。抽气装置15通过样品台12上的通孔122抽出基片2与承载台面121间的空气，通孔122位于承载台面121的中心处可以使抽气口151对准基片2的中心，使基片2固定在承载台面121上的位置更稳定，基片2与承载台面121间不易发生移动。

可以理解的是，抽气装置15是通过抽出基片2与承载台面121间的空气，使基片2与承载台面121间产生负气压，从而将基片2吸牢，因此样品台12上设置的通孔122尺寸不宜过大，避免与通孔122连接的抽气口151在抽气时对承载台面121上的基片2造成损伤。

当然，为了固定基片2在承载台面121上的位置，在一些实施例中，参考图3，还可以在承载台面121上设置凹槽123，凹槽123用于放置基片2，基片2放置于凹槽123中时，基片2的外周与凹槽123的内侧触接，故在基片2转动时不会与样品台12发生相对滑动。

在一些实施例中，参考图4，薄膜应力测试装置还包括加热装置16，加热装置16用于加热基片2，且加热装置16安装于支撑座11上。

需要说明的是，加热装置16对基片2加热，可以测试基片2在高温下的曲率半径，或者可以在比较关心的温度下保温一段时间来收集基片2的曲率半径数据。

可以理解的是，在支撑座11上安装加热装置16，使得基片2可以直接加热到需要的温度，然后在承载台面121上进行测量，不需要单独对基片2进行加热，可以节约操作时间，降低生产成本。

在一些实施例中，参考图4，薄膜应力测试装置还包括降温管道17，降温管道17上设置有多个朝向承载台面121的喷口171。

具体的，喷口171向基片2吹扫气体，使基片2快速降温，使得薄膜应力测试装置可以测试出基片2在冷却时的薄膜应力变化。

需要说明的是，在相关技术中，若基片2在降温时处于自然冷却的状态，则耗费的时间长，基片2上的残余应力被充分释放，所以薄膜应力测试装置难以真实模拟基片2在降温时的薄膜应力分布情况。而在本申请实施例中，设置有降温管道17，使喷口171可以向基片2吹扫气体，加快基片2的冷却速度，冷却时间短，可以更好地模拟基片2在冷却时的薄膜应力分布情况，避免基片2因自然冷却导致残余应力释放而引起误差。

可以理解的是，降温管道17中通入的气体需要传热性能好的气体，所以通入降温管道17中的气体可以为氦气，当然，通入的气体也可以氮气或者氩气等。

其中，继续参考图4，降温管道17设置在承载台面121的上方。降温管道17上的喷口171在基片2的上方吹扫气体，对基片2的表面进行吹扫气体降温。

当然，还可以在基片2的下方吹扫气体，参考图5，承载台面121上设置多个小孔121a，小孔121a与喷口171一一对应连通，以对基片2的表面进行吹扫气体降温。

继续参考图5，多个小孔121a在承载台面121上呈螺旋状排布，对基片2表面吹扫气体更均匀，使得基片2能够更快的降温，从而可以测试出基片2在冷却时的薄膜应力变化。

在一些实施例中，参考图6，薄膜应力测试装置还包括反光镜18，反光镜18用于将激光发射装置13发射的激光束反射到基片2，且反光镜18位于承载台面121的上方。反光镜18相对于承载台面121倾斜设置，激光发射装置13发射激光的端口朝向反光镜18。

需要说明的是，增加反光镜18使得激光束的光程变长，在计算薄膜应力时，需要测量光程长度，光程越长量程越大，则对应的薄膜应力测量精度越高。如图6所示，反光镜18可以沿A方向移动，使得基片2在测试某一径向上的曲率半径时，激光可以反射到基片2的该径向各点处。

其中，激光发射装置13可以与承载台面121平行设置，使得激光的光程长度更方便测量。

在本申请实施例中，薄膜应力测试装置的工作过程为：

将沉积薄膜的基片2放在承载台面121上，加热装置16对基片2进行加热，在某个温度下，激光发射装置13发射激光束，激光束射到反光镜18上形成反射光，然后反射光沿B方向反射到基片2上，基片2再将反射光反射到激光探测装置14，激光探测装置14对反射光的数据进行处理。在激光探测装置14完成一次数据处理后，反光镜沿A方向移动，同时激光探测装置14沿水平方向移动，激光发射装置13再次发射激光束，激光束射到反光镜18上形成反射光，然后反射光反射到基片2上，基片2再将反射光反射到激光探测装置14，激光探测装置14再次对反射光的数据进行处理。重复上述步骤，直到薄膜应力测试装置测试完基片2在一个径向上的曲率半径之后，将样品台12转动一定角度，薄膜应力测试装置继续测量基片2在另一个径向上的曲率半径，如此反复，直到基片2转完一圈，使得激光探测装置14检测到基片2的各个径向上的曲率半径，从而能够拟合出基片2整个表面的薄膜应力分布图。

当薄膜应力测试装置测试基片2降温时的薄膜应力变化，通过降温管道17的喷口171向基片2吹扫气体，加快基片2的冷却速度，冷却时间缩短，使薄膜应力测试装置可以更好地模拟出基片2在冷却时的薄膜应力分布情况。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄膜应力测试装置，其特征在于，包括：

支撑座；

样品台，所述样品台的顶部设置有用于承载基片的承载台面，所述样品台与所述支撑座转动连接，且所述样品台绕其中心轴旋转；

用于发射激光束的激光发射装置，所述激光发射装置设置于所述承载台面的上方；

激光探测装置，设置于所述承载台面的上方。

2.根据权利要求1所述的薄膜应力测试装置，其特征在于，所述薄膜应力测试装置还包括：

抽气装置，包括抽气口；

所述承载台面上设置有通孔，所述通孔与所述抽气口连通。

3.根据权利要求2所述的薄膜应力测试装置，其特征在于，

所述通孔位于所述承载台面的中心处。

4.根据权利要求1所述的薄膜应力测试装置，其特征在于，

所述承载台面上设置有用于放置所述基片的凹槽，所述基片放置于所述凹槽中时，所述基片的外周与所述凹槽的内侧触接。

5.根据权利要求1所述的薄膜应力测试装置，其特征在于，所述薄膜应力测试装置还包括：

用于加热所述基片的加热装置，安装于所述支撑座上。

6.根据权利要求5所述的薄膜应力测试装置，其特征在于，所述薄膜应力测试装置还包括：

降温管道，所述降温管道上设置有多个朝向所述承载台面的喷口。

7.根据权利要求6所述的薄膜应力测试装置，其特征在于，

所述降温管道设置在所述承载台面的上方。

8.根据权利要求6所述的薄膜应力测试装置，其特征在于，

所述承载台面上设置有多个小孔，所述小孔与所述喷口一一对应连通。

9.根据权利要求8所述的薄膜应力测试装置，其特征在于，

多个所述小孔在所述承载台面上呈螺旋状排布。

10.根据权利要求1所述的薄膜应力测试装置，其特征在于，所述薄膜应力测试装置还包括：

用于将所述激光发射装置发射的激光束向所述承载台面反射的反光镜，所述反光镜位于所述承载台面的上方，所述反光镜相对于所述承载台面倾斜设置，所述激光发射装置发射激光的端口朝向所述反光镜。

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