利用光学吸收边波长测量薄膜的温度制造技术

本发明专利技术提供了一种确定样品温度的方法，样品包括沉积在透明基底(22)上的半导体薄膜(20)，所述半导体薄膜具有可测量光学吸收边，所述透明基底材料没有可测量光学吸收边，例如沉积在Al2O3基底(22)上用作蓝白发光二极管的GaN薄膜(20)。随着薄膜(20)的生长和增厚，可以实时测量温度。基于每个厚度增量的薄膜(20)发出的漫散射光产生光谱。对每个光谱使用参考光谱相除以校准设备产品。根据光谱确定薄膜(20)的厚度和光学吸收边的波长值。利用光谱、厚度校准表、温度校准表，根据光学吸收边波长和薄膜(20)的厚度来确定薄膜(20)的温度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及薄膜在基底上生长和处理过程中，基底和薄膜温度的非接触式精确测量方法。
技术介绍
涉及在基底上沉积薄膜的先进制造工艺通常取决于以高精度和可重复性监测和控制基底特性的能力，例如温度特性。对于很多应用，薄膜在半导体晶片或基底上生长过程中的精确温度测量对于完成沉积后的晶片的最终质量是至关重要的，进而对在晶片上形成的光电器件的性能也是至关重要的。基底温度的变化，包括晶片内部温度的变化，最终影响所沉积的材料层的质量和组成。在沉积过程中，从后面和围着中心轴旋转来给基底晶片加热。通常情况下，位于晶片附近的电阻加热器提供热源，用于使晶片的温度升高到预定值。表明精确温度控制必要性的一个示例性应用是半导体纳米结构的形成。对于例如 “量子点”探测器的应用，半导体纳米结构正变得越来越重要，该应用需要非常均勻尺寸的纳米微晶阵列的自组织生长。其只能在一个很窄的温度窗口完成，温度的不确定性可能导致量子点大小分布传播扩大，对探测器的效率是不利的。量子点的均勻生长是一种扩散率为温度指数的热激活过程的例子。因此，当生长或处理进行时，能够测量并精确控制基底温度是非常重要的。关于温度监测的方法已经公开了很多。在薄膜生长操作过程中，一个简单但基本上无效的方法是利用与基底接近或直接接触的传统热电偶。这种方法在许多方面都有缺陷，最明显的是，标准热电偶的响应速度慢，热电偶(以及沉积室内的其他物体)容易被沉积上与半导体晶片所沉积的相同材料从而影响热电偶的准确性，以及由于热电偶和基底之间的直接接触导致半导体晶片表面的现场热变形。无论如何，在大多数处理过程中利用与基底接近或接触的热电偶的方法基本上都是不可接受的，因为精度太低了。现在已经有光学高温测量法来克服以上所述的缺点。光学高温测量法利用发出的热幅射，常常被称为“黑体辐射”，来测量样本温度。此方法的主要难度在于样品通常直到约 450°C以上才会发出足量的热辐射，而且半导体晶片并不是真正的黑体辐射体。此外，在沉积过程中半导体晶片的辐射系数会随时间和波长显著变化。因此，此高温测量仪只适用于高温下，并且这种方法公知易于产生测量误差。“一种用于分子束外延的半导体基底的光学测温新技术”文中，Weilmeier等描述了一种测量背面有纹理的基底的漫反射率并从反射光的带隙特性推断半导体温度的技术。 该技术基于同态物理学的一个简单原理，即带间光学吸收边与温度的实际线性关系。5简言之，当光子能hv超越带隙能量Eg，就会突然发生强吸收。其可以由一个吸收系数来描述，α (hv) = α g exp ，其中α g为带隙能量的光吸收系数，吸收边由&和另一个参数E。决定，E。是由费米-狄拉克(Fermi-Dirac)统计分布函数引起的边缘增宽(增宽 kBT在适中的温度)。 关键值&由爱因斯坦声子模型给出，其中，声子近似具有一个单一的特征能量KB。根据下式，声子激发(热振动)的影响可以缩小带隙Eg(T) =Eg(O)-SgkB0E,其中\为温度独立耦合系数，9,为爱因斯坦温度。当ΘΕ>>Τ时，即完全符合高模量材料如硅、砷化镓时，可以按照下式估算温度随带隙的变化关系ig(T) =Eg(0)-SgkBT, 表明I将以斜率SgkB随温度T呈线性减小。这完全符合实际情况，并且是带缘温度测量的 ■石出。约翰逊等人在专利号为5，388，909和5，568，978的美国专利中教导了此方法的变型。这些参考文献教导了宽频卤素灯的过滤输出的使用，该输出先通过机械斩波器，然后通过透镜，最后通过在其中放置基底并进行薄膜沉积的高真空室的窗口。置于室内的第一个镜子将该源的输出引向基底表面。通过灯丝或者类似的加热器给基底加热，使基底温度升高到沉积工艺的有效操作所要求的最适温度。置于室内的第二个镜子用来反射基底背面反射来的非镜面(如漫反射)光，反射被引向室内的另外一个窗口，并在那里通过透镜到达一个包含光谱仪的检测系统。非镜面反射的元素波长用来确定特定温度的带隙。约翰逊等人教导了温度由漫反射光谱图中带隙附近的“膝盖”来确定。虽然上述的现有技术在某些方面是有效的，但是光纤束、室内光学系统、机械光学斩波器以及机械扫描光谱仪的使用致使该方法在许多方面存在不足。检测信号会因沉积室内的光学系统而随着时间退化。而且机械部件对故障过于敏感，采集信号的整体方法对工业生产环境中的实时测量和控制应用来说过于缓慢。此外，随着时间的推移，上述现有技术的方法容易产生精度变化，该精度变化取决于卤素光源的输出波动。具体来说，现有技术依赖于一个或多个沉积室内的光学元件，用来引导入射光至晶片并采集漫反射光。光学系统放在沉积室内是有问题的，因为沉积过程中的沉积材料往往会覆盖在室内所有东西的表面，包括镜子、透镜等。随着时间推移，涂层累积，显著降低了光学系统的采集效率，并且会寻致温度测量发生错误。更重要的是，现有技术依赖于机械光斩波器和机械扫描光谱仪来测量光信号。不但机械部件在长期使用时会经常损坏，而且众所周知，光谱仪中的齿轮磨损会导致波长校准不断变化。这将导致温度测量的错误不断增加，除非经常重新校准仪器，但这将是一个非常耗时的过程。另外众所周知，扫描光谱仪很慢，任何地方完成一次单一的扫描都要1-5 秒。在大多数沉积系统中，半导体晶片是旋转的，通常转速在10-30rpm。在这种情况下，耗费1-5秒来完成的温度测量被默认为平均温度，而不可能进行任何空间分辨的测量。如果如产品沉积系统中的典型情况，处理室有很多绕着公用轴线在转盘上旋转的晶片，现有技术的慢响应将不可能实现监测多个晶片。此外，现有技术利用石英卤素灯光源，没有对输出稳定性或强度控制做任何考虑。 石英卤素灯随着时间迅速退化，使得灯光输出发生波动，导致测量结果发生变化，并进一步导致为更换灯而使系统停工。如上所述，温度或者与工艺相关的其它特性的控制，只有在基底温度或特性被精确且实时地监测时才能达到最佳效果。本专利技术的专利权受让人，美国密歇根州的k-Space 公司的BandiT(TM)系统，作为测量半导体基底温度的最早最先进的方法和装置而出现。kSA BandiT是非接触、无创伤、实时的绝对晶片温度传感器。kSA BandiT系统为高温计不能测量的低温晶片监测提供了一个可行的解决方案。kSA BandiT系统对检视区传输的改变、杂散光源、基底加热器的信号也不敏感。检测晶片漫散射光来测量光学吸收边的波长。根据光学吸收边的波长可以精确确定温度。kSA BandiT有两种运行模式1)传输模式，在此模式下基底加热器用作光源并且需要一个单一的检测口。2)反射模式，在此模式下，BandiT 光源安装在一个端口，BandiT探测器单元安装在另一个非镜面反射端口。kSA BandiT在两种模式下均有效，覆盖了 380nm-1700nm的光谱范围。双重光谱仪单元也对要求全部光谱范围的应用都有效。被测量并监控的典型样品材料，包括GaAs、Si、SiC、InP, ZnSe, SiTe和 GaN。公开号为2005/0106876和2009/0177432的美国申请详细描述了 kSA BandiT系统， 其通过引用整体合并入此处。尽管kSA BandiT系统取得了广泛的成功，但由于基底材料的非半导体性能，出现了难于测量基底性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：达里尔·巴利特，查尔斯·A·泰勒二世，巴里·D·维斯曼，
申请(专利权)人：K空间协会公司，
类型：发明
国别省市：