用于薄膜中的表面轮廓和厚度测量的监测的系统、装置和方法制造方法及图纸

公开使用基于光栅阵列的波前传感器对薄膜的表面轮廓和厚度测量实时监测的系统和方法。激光束入射至待在其上执行沉积的基板上且然后从基板反射的光束直接落到或在传输后落到光栅阵列上。特定衍射阶的衍射光束的方向是对应的光栅的方位和周期的函数。使衍射光束穿过透镜的组合以生成焦斑阵列。入射激光束的表面轮廓从与光栅阵列中的元件对应的这些焦斑的位移估计。光栅阵列图案可以改变以获得某些优点，如同时厚度和表面轮廓测量、更高的帧率、灵活的动态范围等。该技术可应用至平坦以及非平坦基板上的均匀和不均匀地沉积的薄膜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于薄膜中的表面轮廓和厚度测量的监测的系统、装置和方法
在此描述的本主题一般地涉及薄膜沉积领域。本专利技术更特别地涉及，在生产过程中，使用基于光栅阵列的波前传感器对所述薄膜的表面轮廓和厚度测量的同时原位(in-situ)实时监测。
技术介绍
薄膜的表面轮廓和厚度对使用薄膜的任何设备(如光学器件、半导体设备、小型化传感器等)是非常重要的参数。因此，需要在不同的时刻监测这些参数。若这些参数被原位实时地监测，可以在生长过程期间定制薄膜的特性。表面轮廓和厚度监测的非侵入式原位技术对使用薄膜的任何设备(如光学器件、半导体设备、小型化传感器等)是非常重要的。若这些参数被实时、原位且非侵入地监测，在生长过程期间定制薄膜的特性。相应地，本领域中用于监测薄膜的增长的可用原位技术被分类为两种：侵入式和非侵入式技术。用于监测薄膜的厚度的最常见可用的侵入式技术是石英晶体平衡。参考非专利文献，P.F.Jaeger,W.H.Smyrl,NACE，626号论文，1996(http://www.nace.org/cstm/Store/Product.aspx？id＝92ce1553-6211-4ee1-b5c0-03a2cb753a1b)；X.Du,Y.Du,S.M.George,J.Vac.Sci.Tech.A,23(4),581-588,2005(www.colorado.edu/chemistry/GeorgeResearchGroup/pubs/230.pdf)。然而，在石英晶体平衡中，薄膜沉积在石英晶体的表面上。随着膜的生长，晶体的振动的固有频率改变(其与沉积的材料的质量有关)，并因此对于已知的面积，确定膜厚度。由于在此薄膜沉积发生在石英的表面而不是在实际表面上，这不是直接的原位过程。此技术对更厚的膜无用，原因是若较大的质量沉积到石英晶体上，晶体将停止振荡。此外，石英晶体的振荡的固有频率对温度和压力变化敏感，当沉积在实际表面上时，温度和压力变化间接引起厚度测量的一些不准确性。石英晶体的另一存在的变体是超声石英兰姆波。参考非专利文献，JunPei,F.L.Degertekin,B.VA.Honein,B.T.Khuri-Yakub和K.C.Saraswat,IEEE超声专题讨论会,1051-0117/94/0000,12371240,1994(http://www-kyg.stanford.edu/khuriyakub/opencms/Downloads/94_Pei_01.pdf)。参考美国专利No.6,019,000，其中在薄膜分析中利用超声石英兰姆波。然而，在此技术中，沉积仅发生在石英晶体上。石英晶体担任声传感器。技术基于超声兰姆波在石英中传播的速度随其上薄膜的生长而改变的事实。此技术需要基板声特性的先验知识且还依赖于基板的温度。由于这些缺点，此技术几乎已经不被使用。另一侵入式技术是基于将光纤作为传感器。参考非专利文献，Y.C.Tsao,W.H.Tsai,W.C.Shih和M.S.Wu,Sensors，13，9513-9521，2013(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23881144)；D.Jose,M.S.John,P.Radhakrishnan,V.P.N.Nampoori,C.P.G.Vallabhan,ThinSolidFilm，325，264-267,1998(www.researchgate.net/...thin_films/.../541bf4640cf203f155b34672.pdf。此技术利用光纤的纤芯-包层界面的表面等离子特性。通过从光纤移除包层实施此技术且允许膜在光纤的无包层区域上生长。由于利用沉积薄膜的材料替换包层材料，由于表面等离子共振(SPR)，穿过光纤的激光的传播经历增强的吸收，这可以在光纤的另一端被检测并与膜厚度有关。然而，这一技术还仅限于较低厚度水平，原因是在较高的厚度处，吸收变得独立于厚度。此外，此技术仅可适用于表现出强SPR特性的那些材料，且沉积还发生在光纤上而不发生在实际表面上。因此，在所有上面提到的侵入式技术中，薄膜沉积发生在换能器上，而不是在实际需要的表面上，且这导致当在实际情况中估计薄膜的厚度和轮廓时的大程度的不准确性。此外，所有这些技术仅限于平均厚度的测量且不适用于表面轮廓描绘。在非侵入式技术的情况中，薄膜直接沉积在基板上。在可用的非侵入技术中，椭圆偏振法(ellipsometry)是最常实施的以监测生长过程期间膜的平均厚度。参考非专利文献，S.A.Henck,W.M.Duncan,JM.Loewenstein和J.Kuehne,Proc.SPIE,1803,1992(http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx？articleid＝1001800)；J.H.Gruenewald,J.Nichols和S.S.A.Seo,Rev.Sci.Instrum.84,043902,2013(http://arxiv.org/abs/1302.5074)。然而，椭圆偏振法技术是基于膜-基板系统的偏振相依反射性。在此技术中，可调谐光源以点照射膜，且假设基板的光学特性和膜的反射率是已知的，反射光的偏振被记录为波长和入射角的函数，其然后与膜的厚度有关。膜的反射率取决于厚度、基板和沉积环境，沉积环境包括但不限于温度和气压。因此，技术需要对在其下沉积膜的每种环境和在其上发生沉积的基板的先前校准。此外，作为点测量技术，在一个瞬时处不提供整体的表面信息。椭圆偏振法的另一简单的变体是反射法，其中样本的反射率被测量为波长的函数，且然后被拟合成适合的等式以确定膜的厚度。参考美国专利No.6,525,829。然而，此技术的准确性取决于膜的反射率并因此受限于仅高反射膜。与椭圆偏振法相似，除了作为点测量技术之外，此技术还需要关于基板和膜的折射率的先验信息。另一可用的非侵入式技术是干涉法。通过沉积期间在掠入射时从膜的上和下表面附近的等离子发出的光的光谱干扰执行原位厚度测量或者通过记录掉落在膜表面上的外部激光源的干涉图案执行原位厚度测量。参考美国专利No.6,888,639B2和美国专利No.5,450,205。美国专利No.6,888,639B2限于涉及亮的等离子的沉积系统，而美国专利No.5,450,205需要使用阵列检测器在特定时间段内记录一系列图像。因此，美国专利No.5,450,205遭受每次测量的固有最小获取时间。此外，对于特定波长的辐射，检测器平面上图像中的强度还将是薄膜材料的特性的函数。除了薄膜沉积系统中这些传统的技术，还存在使用波前传感器分析薄膜计量的方法。参考美国专利号5,563,709，其中计量装置包括Hartmann-Shack波前传感器，Hartmann-Shack波前传感器使用二进制光学小透镜阵列以获得晶圆的总厚度变量，用于晶圆的薄化和平整化。然而，二进制光学透镜不提供在此提出的基于光栅阵列的波前传感器的灵活性。此外，小透镜阵列的固定几何形状导致焦斑阵列的固定几何形状，这使得使用检测器阵列的相同数量的行和列是必要的，导致使用的检测器(如CCD或CMOS照相机)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于至少一个薄膜沉积单元上的至少一个薄膜的表面轮廓和/或厚度测量的实时监测的系统，所述系统包括：至少一个激光生成构件，用于生成至少一个激光束，所述激光束入射至所述激光沉积单元中的至少一个基板上并因此反射所述激光束；至少一个基于光栅阵列的波前传感器，用于接收所述反射的激光束作为入射光束并因此反射至少一个期望阶的至少一个衍射光束，所述衍射光束由至少一个虹膜光圈隔离；至少两个透镜，用于接收所述衍射光束并在一个或多个位置处生成焦斑阵列；至少一个图像捕获构件，用于捕获与所述焦斑的所述位置对应的所述焦斑的图像；至少一个数据处理模块，适用于接收来自所述图像捕获构件的所述图像并用于：在沉积之前和在沉积之后的任意后续时刻处，从与所述焦斑阵列的至少一个相对位置对应的所述焦斑位置测量一个或多个时刻处所述入射光束的至少一个波前；以及基于测量的所述波前，生成同时与所述表面轮廓和所述厚度测量对应的至少一个信息。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.12 IN 4088/DEL/20151.一种用于至少一个薄膜沉积单元上的至少一个薄膜的表面轮廓和/或厚度测量的实时监测的系统，所述系统包括：至少一个激光生成构件，用于生成至少一个激光束，所述激光束入射至所述激光沉积单元中的至少一个基板上并因此反射所述激光束；至少一个基于光栅阵列的波前传感器，用于接收所述反射的激光束作为入射光束并因此反射至少一个期望阶的至少一个衍射光束，所述衍射光束由至少一个虹膜光圈隔离；至少两个透镜，用于接收所述衍射光束并在一个或多个位置处生成焦斑阵列；至少一个图像捕获构件，用于捕获与所述焦斑的所述位置对应的所述焦斑的图像；至少一个数据处理模块，适用于接收来自所述图像捕获构件的所述图像并用于：在沉积之前和在沉积之后的任意后续时刻处，从与所述焦斑阵列的至少一个相对位置对应的所述焦斑位置测量一个或多个时刻处所述入射光束的至少一个波前；以及基于测量的所述波前，生成同时与所述表面轮廓和所述厚度测量对应的至少一个信息。2.根据权利要求1所述的系统，包括至少两个透镜，所述至少两个透镜在所述激光束入射至所述基板上之前扩散并准直所述激光束，其中所述样本是所述薄膜沉积单元中的基板。3.根据权利要求1和2所述的系统，其中，所述波前传感器中的所述光栅阵列由可配置且可控的光调制器实施。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述光调制器是使用选自液晶空间光调制器(LCSLM)或空间光调制器(SLM)中的至少一个实施的振幅掩膜或相位掩膜。5.根据权利要求4所述的系统，包括位于所述基板和所述振幅掩膜或所述相位掩膜之间以使至少两个平面彼此共轭的至少两个透镜的组合。6.根据权利要求5所述的系统，其中所述两个共轭平面包括基板平面和相位掩膜平面。7.根据权利要求1所述的系统，其中，来自光栅的所述阶的所述衍射光束使用两个透镜的组合和虹膜光圈(ID)聚焦至所述图像捕获构件，以形成焦斑阵列。8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述图像捕获构件优选地为选自基于电荷耦合设备(CCD)照相机或基于互补金属氧化物半导体(CMOS)照相机的数字照相机。9.如权利要求1所述的系统，其中所述基于光栅阵列的波前传感器优选地为带状波前传感器。10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述信息被传送至至少一个数字系统，用于所述薄膜的所述表面轮廓和厚度测量的实时监测。11.根据权利要求1所述的系统，促进脉冲激光沉积系统(PLD)中沉积期间的所述薄膜厚度和所述表面轮廓的原位监测和测量。12.根据权利要求1所述的系统，根据所述入射光束的重构波前或与正交基函数对应的像差模式的幅度，提供关于所述表面轮廓的所述信息。13.根据权利要求1所述的系统，包括至少一个第一分束器、至少两个镜和至少一个第二分束器的布置，以在所述激光束入射至所述薄膜沉积单元中的所述基板上之前产生所述激光束的复制，并因此允许当所述表面不均匀时对所述基板的所述表面轮廓的测量。14.一种在薄膜沉积系统中用于同时对至少一个薄膜的表面轮廓和厚度测量的实时监测的方法，所述方法包括：由一个或多个激光生成构件生成至少一个激光束并将所述激光束入射至薄膜沉积单元中的基板上；由所述基板反射所述所述激光束并因此透射穿过至少两个透镜并将所述透射的激光束入射至基于光栅阵列的波前传感器，作为入射光束；由所述基于光栅阵列的波前传感器将至少一个期望阶的至少一个衍射光束透射至至少两个透镜的组合和至少一个检测器平面，用于在一个或多个位置处生成焦斑阵列；由至少一个图像捕获构件捕获所述焦斑的图像，用于由数据处理模块获得所述激光束的波前；由所述数据处理模块确定所述焦斑的所述位置，用于在沉积之前和沉积之后的任何后续时刻处，从与所述焦斑阵列的至少一个相对位置对应的所述焦斑位置测量一个或多个时刻处所述入射光束的波前；以及因此由所述数据处理模块基于测量的所述波前，生成同时对应于所述表面轮廓和所述厚度测量的至少一个信息。15.一种在薄膜沉积系统中用于当至少一个基板的表面不均匀时，同时对表面轮廓和厚度测量的实时监测的方法，所述方法包括：由一个或多个激光生成构件生成至少一个激光束；由至少一个第一分束器分束所述激光束并由至少两个镜的组合和至少一个第二分束器反射所述激光束；将所述反射的激光束和由第一分束器透射的、基板反射的和所述第二分束器透射的光束入射至基于光栅阵列的波前传感器；由所述基于光栅阵列的波前传感器透射所述两个激光束，对每个光束，至少一个期望阶的...

【专利技术属性】
技术研发人员：博三塔·兰詹·博鲁阿，艾丽佳·哈雷，比瓦吉·帕沙克，拉胡尔·卡萨尔瓦尼，
申请(专利权)人：印度电子与信息技术部DEITY，印度理工学院古瓦哈提分校，
类型：发明
国别省市：印度,IN