在线检测薄膜生长率和应力的方法技术

本发明专利技术公开了一种在线检测薄膜生长率和应力的方法。其过程是：(1)将薄膜 样品置于光学传感器的光路中，通过CCD器件探测该检测样品的反射光光束阵列的 光点位置分布信息和每个点光强的变化信息，得到薄膜生长的反射率曲线；(2)通 过MATLAB软件对反射率曲线进行参数拟合，得到薄膜的生长率及折射率信息；(3) 用二维会聚光束阵列照射薄膜样品表面，并通过CCD器件探测其在反射方向上的反 射光束阵列信息，测出入射激光束阵列间距d、入射角α、样品与阵列传感器之间 的相对距离L、L处光束的偏转位移δ和薄膜厚度hf参量；(4)根据测出的这些薄 膜衬底曲率参数，利用Stoney关系方程计算薄膜应力σ。本发明专利技术可用于半导体材 料和器件制作领域的薄膜在线测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学
，涉及薄膜检测，具体地说是一种在线检测薄膜的方法。
技术介绍
业内周知，由于在薄膜制造过程中应力变化可能导致薄膜内部连结失效和分层而使 产品质量降级，因而控制薄膜在制造过程的形变程度有着重要意义。现代半导体加工过 程均要求电子和光电设备对薄膜材料的沉积过程要进行精密的控制，目前多数加工过程 需要对气体流速、沉积室内压力、生长环境温度等参数进行测量，以便控制薄膜材料的 沉积过程。这些参数一般是为了生长出一定厚度、 一定微结构和满足一定的电性能和光 学性能的薄膜而预先设定的经验参数，准确的薄膜特性往往是在沉积之后才测得的。这 种控制方式在控制理论上叫做"半闭环控制"。实际中，通过对控制系统的改进可以使 得薄膜生产设备更加稳定的运行，但是由于设备状况和环境情况时常会发生不同的变化， 因而，这些改变经常导致在生产过程中沉积速率或薄膜结构发生不可预计的变化，需要 每次对沉积系统进行严格地维护和标校，这样就会增加生产成本，降低生产效率。为了实现在沉积过程中对薄膜应力直接测量，并以此为依据调整气体流速、压力、 温度等参数，达到在沉积过程中控制薄膜应力的目的，也就是实现沉积过程的"全闭环 控制"，光学传感器技术成为自然的选择。因为它们是非接触式，可以安装在沉积室外部， 并且对薄膜生长设备产生的强电磁场不敏感。此外，多数薄膜沉积需高压和化学反应环 境，这使得光学传感器成为现场检测唯一的选择。目前，国内薄膜应力检测设备大多为 离线式检测设备。例如杨银堂，付俊兴，周端等人发表在仪器仪表学报，1997年18期上 的《半导体基片上薄膜应力的测试装置》 一文中描述了用光反射原理研制的薄膜应力测 试装置。张国炳、郝一龙、田大宇等人发表在半导体学报，1999年20期上的《多晶硅薄 膜应力特性研究》 一文中描述了用光偏振相移干涉原理测量多晶硅薄膜应力。国外 M. Bicker, U. von Hlllsen， U. Laudahn等人发表在Review of scientific instruments, 1998 年69期上的《Optical deflection setup for stress measurements in thin films》 一文中提出了一种利用双路光反射现场测量薄膜应力的方法，通过由二极管激光光源、4分光镜和若干光学反射镜、两个光电位置探测器等组成的传感器装置进行。由于其PSD的 光束检测分辨率为100nm，因而两束光必须严格聚焦在PSD表面上，以达到分辨能力的最 大化。这种现场薄膜应力检测系统存在两个缺点 一是由于两束激光必须严格聚焦，对 光学系统的设计、安装、日常调试和保养要求太高；二是由于PSD的惰性，在样品高速旋 转时，只能检测全片应力的均值，而对薄膜局部区域的应力和生长率检测无能为力。 专利技术的内容本专利技术的目的是克服上述己有薄膜测量传感器装置的不足，提供一种可在线同时测 量薄膜应力和生长率，而且对薄膜折射率和材料组分能做出准确估计的薄膜检测光学传 感器。实现本专利技术目的的技术方案是构建一种检测薄膜生长率和应力的光学传感器，利 用该光学传感器检测出薄膜生长率和应力。该光学传感器包括泵浦二极管激光器、斩 波器、分光棱镜、二元光栅分束器，其中，第一泵浦二极管激光器和第二泵浦二极管激 光器输出不同频率的两束激光，通过斩波器的调制输出一束激光，这一束激光通过分光 棱镜照射到二元光栅分束器上形成二维光束阵列，该光束阵列经薄膜样品反射在CCD焦 平面上成像，显示出反射光束阵列的光点位置分布信息和每个点光强的变化信息，通过 拟合虚拟界面下薄膜反射率曲线计算薄膜生长率；利用光杠杆偏移信息和Stoney方程计 算薄膜应力；根据Brunner提出入射光真空波长入。和铝组分x的函数的模型估计材料组 分，具体过程如下(1) 将薄膜样品置于光学传感器的光路中，通过CCD器件探测该检测样品的反射 光光束阵列的光点位置分布信息和每个点光强的变化信息，得到薄膜生长的反射率曲 线；(2) 通过MATLAB软件对反射率曲线进行参数拟合，得到薄膜的生长率及折射率{曰息；(3) 测量薄膜衬底曲率的改变量，即用二维会聚光束阵列照射薄膜样品表面，通 过CCD器件探测该薄膜样品在反射方向上的反射光束阵列信息，测出入射激光束阵列间距 d、入射角a 、样品与阵列传感器之间的相对距离U L处光束的偏转位移S和薄膜厚度^参量；(4)根据步骤(3)测出的薄膜衬底曲率改变量，利用如下Stoney关系方程计算薄 膜应力o :<formula>formula see original document page 6</formula>式中，o为沉积后的薄膜应力，r一为沉积之后的衬底曲面曲率，rv。为沉 积之前的衬底曲面曲率，E为杨氏模量，v为Poisson系数，hs为衬底厚度，~为薄膜厚度。本专利技术由于采用了搭建光学传感器平台的结构，因而可实现在薄膜生长过程中对薄 膜应力和生长率的实时检测，并以此为依据，调整气体流速、压力、温度等参数来控制 薄膜应力、厚度和化学组分，不仅增强了 M0CVD试验的科学性和准确性，使制造高性能 的半导体材料和器件成为可能，而且可提高M0CVD圆片生长的质量和产量，实现M0CVD 设备和产品的工业化规模生产。 附图说明图l为本专利技术的结构图2为本专利技术分束后任一行光点的光强分布曲线图； 图3为本专利技术测薄膜应力的原理图4为本专利技术在一个位置上的反射率随时间变化曲线图； 图5为本专利技术在CCD上的激光点束阵列图像； 图6为本专利技术图像处理流程图。 具体实施例方式以下参照附图对本专利技术作进一步详细描述。参照图l，本专利技术的光学传感器由第一激光器1、第二激光器2、可控斩波器3，分 光棱镜4， 二元分束器5组成。该斩波器3由外部电路控制，使第一泵浦二极管激光器l 和第二泵浦二极管激光器2输出的不同频率的两束激光，交替透过斩波器，最终只输出 一束激光进入分光棱镜4。该二元光栅分束器5由二维Damraann光栅和Fresnel波带板组 成，用以产生自会聚多光束阵列。本专利技术采用双色光入射和可控光学斩波器的结构，可 得到图4所示的同一薄膜沉积过程的两个不同波长下的光的反射率变化曲线，以提高测 量精度。本专利技术的光路原理为第一激光器1和第二激光器2输出不同频率的激光，该 两束光通过受PC机程序控制的斩波器3的调制，使得斩波器3交替遮挡第一激光器1和 第二激光器2的光路，在任意时刻只允许其中的一束激光进入分光棱镜4，当第一激光器 1发出的激光通过斩波器3时经分光棱镜4大部分能透射到二元分束器5上，这时第二激光器2发出的激光被斩波器3遮挡；当第二激光器2发出的激光通过斩波器3时在分光 棱镜4上发生全反射照射到二元分束器5上，这时第一激光器1发出的激光被斩波器3 遮挡。激光通过二元分束器5后形成一个二维的光束阵列，如图5所示，该阵列上的每 个光点强度及光点之间的间隔都相同，如图2所示，改变该二维光束阵列发散点到分束 器的距离可改变点阵阵列光点之间的距离，实现光束间距可调。光束阵列上的这些光点 经薄膜样品6反射后，透过滤光片在CCD的焦平面7上成像，显示出反射光束阵列的光 点位置分布信息和每个点光强的变化信息，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在线检测薄膜生长率和应力的方法，包括如下过程：　（１）将薄膜样品置于光学传感器的光路中，通过ＣＣＤ器件探测该检测样品的反射光光束阵列的光点位置分布信息和每个点光强的变化信息，得到薄膜生长的反射率曲线；　（２）通过ＭＡＴＬＡＢ软件对反射率曲线进行参数拟合，得到薄膜的生长率及折射率信息；　（３）测量薄膜衬底曲率的改变量，即用二维会聚光束阵列照射薄膜样品表面，通过ＣＣＤ器件探测该薄膜样品在反射方向上的反射光束阵列信息，测出入射激光束阵列间距ｄ、入射角α、样品与阵列传感器之间的相对距离Ｌ、Ｌ处光束的偏转位移δ和薄膜厚度ｈ↓［ｆ］参量；　（４）根据步骤（３）测出的薄膜衬底曲率改变量，利用如下Ｓｔｏｎｅｙ关系方程计算薄膜应力σ　σ＝１／６·［１／ｒ↓［ｐｏｓｔ］－１／ｒ↓［ｐｒｅ］］·Ｅ／１－ｖ·ｈ↓［ｓ］↑［２］／ｈ↓［ｆ］　式中，σ为沉积后的薄膜应力，ｒ↓［ｐｏｓｔ］为沉积之后的衬底曲面曲率，ｒ↓［ｐｒｅ］为沉积之前的衬底曲面曲率，Ｅ为杨氏模量，ｖ为Ｐｏｉｓｓｏｎ系数，ｈ↓［ｓ］为衬底厚度，ｈ↓［ｆ］为薄膜厚度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林晓春，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87