光谱检测基板的制作方法

文档序号:12003998阅读:423来源:国知局
光谱检测基板的制作方法与工艺

本实用新型涉及半导体制造技术领域,特别涉及一种光谱检测。



背景技术:

在半导体器件的制造过程中,通常要对工艺腔体的状况进行定期的监控及检测,以对所述工艺腔体的状况进行评估,确保半导体器件的工艺稳定性。例如,在刻蚀工艺中,通常需于工艺腔体中通入特定的蚀刻气体以执行刻蚀过程,而在此过程中,所述工艺腔体中的气体环境(即,刻蚀气体的分布)相应的会对刻蚀工艺造成影响,因此,为使整个基板的刻蚀均匀性达到制程需求,需确保所述工艺腔体中的刻蚀气体分别均匀。

为此,现有的技术中,通常采用一光谱检测基板检测其所在的腔体中的气体环境,即,通过光谱检测进而确认其所在区域的气体成分及气体浓度。现有的光谱检测基板上通常设置有检测单元,所述检测单元内嵌于基板中,其制造工艺较为复杂,成本较高。并且,内嵌于所述基板中的检测单元的个数通常较少,其于基板上的分布稀疏,因此仅能检测个别区域中的气体环境,而不能完全反映整个工艺腔体的状况。



技术实现要素:

本实用新型的目的在于提供一种光谱检测基板,以解决现有的光谱检测基板制造工艺复杂、成本较高,且无法完全反映整个检测环境的状况的问题。

为解决上述技术问题,本实用新型提供一光谱检测基板,包括形成于一基底上的至少一个光谱检测单元,所述光谱检测单元包括:

一用于使光波沿特定方向传播的波导,所述波导形成于所述基底的表面上;

一用于使特定波长的光波与所述波导耦合的选模耦合器,所述选模耦合器位于所述波导的输入端;

一用于感应从所述波导中输出的光波强度的感应器,所述感应器与所述波导的输出端相对设置。

可选的,所述波导为条形波导。

可选的,所述波导包括一形成于所述基底上的介质膜,所述介质膜限制所述光波的传播方向。

可选的,所述介质膜的折射率大于所述基底的折射率。

可选的,所述介质膜为磷化铟介质膜、锑化镓介质膜、砷化镓介质膜、磷砷化镓铟介质膜、铟砷化镓介质膜或硅掺杂氮化镓介质膜中的一种或多种。

可选的,所述基底为硅基底。

可选的,所述选模耦合器为分布反馈激光器。

可选的,所述分布反馈激光器包括形成于所述波导的输入端上的布喇格光栅。

可选的,所述光谱检测基板还包括一用于改变光波的输出方向的输出耦合器,所述输出耦合器形成于所述波导的输出端并与所述感应器相对设置。

可选的,所述输出耦合器为八木天线。

可选的,所述八木天线包括:一激励振子、一位于所述激励振子一侧的反射振子以及一位于所述激励振子另一侧的引向振子,所述激励振子、反射振子以及引向振子均形成于所述波导的上方。

可选的,所述反射振子、所述激励振子以及所述引向振子沿着所述波导的延伸方向排列。

可选的,所述反射振子和所述引向振子均为条状结构。

可选的,所述激励振子包括一形成于波导上的金属层以及一横跨所述金属层的介质层。

可选的,所述金属层为条状结构,其长度方向与所述波导的延伸方向平行,所述介质层于所述金属层的短边方向横跨所述金属层并延伸出,延伸出的介质层与所述波导接触。

可选的,所述反射振子、引向振子和所述激励振子中的介质层的材料均磷化铟、锑化镓、砷化镓、磷砷化镓铟、铟砷化镓或硅掺杂氮化镓中的一种或多种。

可选的,所述金属层的材料为金。

可选的,所述光谱检测基板还包括一用于保护所述感应器和耦合输出器的保护层,所述保护层覆盖于所述感应器和所述耦合输出器上。

可选的,所述保护层的材料为蓝宝石。

本实用新型提供的光谱检测基板中,可采用平面工艺直接于基底上形成光谱检测单元,其制造工艺更为简单,能够有效节省成本。并且,在实际的应用过程中,可根据需求于基底上形成多个光谱检测单元,从而对待测腔体的各个区域均能够检测到,进而所获得的检测结果可更为全面的反映出待测腔体的实际状况。此外,在需针对不同的元素进行检测时,可直接调整光谱检测单元中各个组成的形成参数,进而可形成对应于不同元素的光谱检测单元,实现多种元素的检测。

进一步的,所述波导以及其他的耦合器件可采用具有Ⅲ‐Ⅴ族元素的材料制成,以有效提高光学转化耦合的效率,进而使所形成的光谱检测基板具有很高的检测灵敏度。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中的光谱检测基板的结构示意图;

图2为本实用新型一实施例中的光谱检测基板的光谱检测单元的结构示意图;

图3为本实用新型一实施例中的光谱检测基板的耦合输出器的结构示意图;

图4a‐4d为本实用新型一实施例中的光谱检测基板在形成过程中的结构示意图。

具体实施方式

如背景技术所述,现有的光谱检测基板由于其制造工艺较为复杂,若购买现有的光谱检测基板,则需花费较高的成本。并且,现有的光谱检测基板中的检测单元数量较小,其仅能检测出部分区域中的环境状况,而不能够反映出整个工艺腔体的状况,进而也无法确保工艺的稳定性。

为此,本实用新型提供了一种光谱检测基板,包括形成于一基底上的至少一个光谱检测单元,所述光谱检测单元包括:

一用于使光波沿特定方向传播的波导,所述波导形成于所述基底的表面上;

一用于使特定波长的光波与所述波导耦合的选模耦合器,所述选模耦合器位于所述波导的输入端;

一用于感应从所述波导中输出的光波强度的感应器,所述感应器与所述波导的输出端相对设置。

本实用新型提供的光谱检测基板中,直接在基底的表面上形成光谱检测单元,其制造工艺简单,大大节省成本。并且可根据实际需求,于所述基底上形成相应数量的光谱检测单元,大大增加了光谱检测单元的分布区域,进而可更为全面的反映出工艺腔体的实际状况。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的光谱检测基板作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

图1为本实用新型一实施例中的光谱检测基板的结构示意图。如图1所示,所述光谱检测基板包括形成于一基底100上的至少一个光谱检测单元200。本实施例中,所述光谱检测基板上形成有5个所述光谱检测单元200,并将5个光谱检测单元200均匀分布于所述光谱检测基板上,从而可用于分别检测作用于所述光谱检测基板上的对应的5个区域的环境状况,进而可根据检测结构确认量产中的基板的工艺稳定性。

图2为本实用新型一实施例中的光谱检测基板的光谱检测单元的结构示意图,结合图1及图2所示,所述光谱检测单元200包括:

一用于使光波沿特定方向传播的波导210,所述波导210形成于所述基底100的表面上;

一用于使特定波长的光波与所述波导210耦合的选模耦合器220,所述选模耦合器220位于所述波导210的输入端;

一用于感应从所述波导210中输出的光波强度的感应器230,所述感应器230与所述波导210的输出端相对设置。

由于不同元素对应的不同的特征谱线,因此,通过检测是否存在有待检测元素的特定波长以确认是否存在有所述待检测元素,并且还可通过对特定波长的光波强度进行检测,从而可获知所述待检测元素的浓度。

进一步的,所述波导210为条形波导。本实施例中,所述波导210包括形成于所述基底上的一介质膜211,所述介质膜限制所述光波的传播方向。即,通过所述基底100、介质膜211以及位于介质膜211周边的气体环境,使光波可局限在所述介质膜211中,并沿所述介质膜211的延伸方向传播。具体的说,所述基底100为硅基底,所述介质膜211的材料为具有Ⅲ‐Ⅴ族元素的材料。由于Ⅲ‐Ⅴ族元素材料的折射率n2大于硅的折射率n1和气体环境的折射率n3,因此可使光波局限于所述介质膜211中并沿其延伸方向传播。并且,Ⅲ‐Ⅴ族元素材料本身是具有直接能隙(direct bandgap),因此,采用具有Ⅲ‐Ⅴ族元素的材料形成所述波导,可有效提高光学转化耦合的效率,进而可形成高检测灵敏度的光谱检测基板检。可选的,所述介质膜211的材料可以为磷化铟(InP)、锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)、磷砷化镓铟(InGaAsP)、铟砷化镓(InGaAs)或硅掺杂氮化镓(GaN/Si)中的一种或多种。其中,可通过改变所述基介质膜211的材料以实现对不同波长的光波进行传导,或者通过改变多种混合材料中各组分的组成以调整所述波导可传导的波长范围。

继续参考图2所示,所述选模耦合器220可以采用分布反馈激光器,所述分布反馈激光器,主要通过布喇格光栅221(Bragg grating)实现光的反馈。所述分布反馈激光器具有很好的波长选择性能,因此,通过所述分布反馈激光器可实现对特定范围内波长的光波进行选取,进而可检测出特定波长所对应的元素的浓度等。具体的,所述分布反馈激光器中的布喇格光栅221形成于所述波导210的输入端上。本实施例中,所述布喇格光栅221为直接对所述介质膜211的一端执行光刻和蚀刻工艺以获得若干沟槽形成。即,本实施例中,直接将布喇格光栅形成于所述介质膜211上,使最终所形成的光谱检测单元的结构更为紧凑,并且,这种形成方式不需要再额外增加与波导210的耦合对准过程。其中,所述沟槽宽度可根据需检测的光波波长而相应的设定,即,可通过调整所述布喇格光栅221中的沟槽宽度以对不同波长的光波进行选取,进而实现对不同元素的检测。

进一步的,所述光谱检测基板还包括一用于改变光波的输出方向的输出耦合器240,所述输出耦合器240位于所述形成于所述波导210的输出端,并与所述感应器230的位置相对,从而可使所述感应器230接收到输出的光波,以对其进行检测。具体的,所述输出耦合器240可使波导210中的光波以特定方向耦合输出,从而使位于特定方向上的感应器230可接收到输出的光波。

本实施例中,采用八木天线(Yagi‐Uda Antenna)240使波导210中的光波耦合输出。图3为本实用新型一实施例中的光谱检测基板的耦合输出器的结构示意图,结合图2和图3所示,所述八木天线240形成于所述波导210的一端上,其包括:一反射振子241、一激励振子242以及一引向振子243,所述反射振子241、激励振子242以及引向振子243均形成于所述波导210的上方,其中,所述反射振子241位于所述激励振子242的一侧,所述引向振子243位于所述激励振子的另一侧。较佳的,所述反射振子241、所述激励振子242以及所述引向振子243沿着所述波导210的延伸方向排列。

重点参考图3所示,所述激励振子242为一拱形结构,其包括一形成于波导210上的金属层242a以及一横跨所述金属层242a上的介质层242b。具体的,所述金属层242a为条状结构,其长度方向与所述波导210的延伸方向平行,所述介质层242b于所述金属层242a的短边方向横跨所述金属层242a并延伸出,延伸出的部分介质层242b与所述波导210接触,进而形成拱形结构的激励振子。即,本实施例中,通过将金属耦合入天线中,可有效提高所述八木天线的偶数输出率。进一步的,所述反射振子241和所述引向振子243也可以为条状结构,并且所述反射振子241、引向振子243和所述激励振子242中的介质层242b为平行设置。其中,所述激励振子242中的介质层242b的长度大于所述反射器241的长度,所述反射器241的长度大于所述引向器243的长度。更进一步的,所述反射振子241、引向振子243和所述激励振子242中的介质层242b可采用同一材料制成,优选为包含有Ⅲ‐Ⅴ族元素的材料制成,如上所述,由于Ⅲ‐Ⅴ族元素材料为直接能隙材料,因此可使光学转化耦合的效率大大提高。其中,所述反射振子241、引向振子243和所述激励振子242中的介质层242b的材料例如为磷化铟(InP)、锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)、磷砷化镓铟(InGaAsP)、铟砷化镓(InGaAs)或硅掺杂氮化镓(GaN/Si)中的一种或多种;所述金属层242a的材料优选为金(Au)。

继续参考图2所示,本实施例中,所述输出耦合器240位于所述波导210的上方,进而可使波导210中的光波沿竖直方向从所述波导210的上方输出,相应的,所述感应器230设置于所述输出耦合器240的上方,从而可接收到从所述输出耦合器240中输出的光波,以对其进行检测。其中,所述感应器230可采用现有的感应器,此时不做赘述。

在优选的方案中,所述光谱检测基板还包括一覆盖于所述感应器230和耦合输出器240上的保护层250,用于避免所述感应器230和偶数输出器240产生脱离或损坏的问题。具体的,所述保护层250的材料优选为蓝宝石,其原因在于,蓝宝石的具有较好的透明度,同时也是目前地球上最为坚硬的物质之一,因此,采用蓝宝石作为保护层不仅能够有效保护感应器230和偶数输出器240不受损伤,并且还不会对光波的传输造成影响。

为使本领域技术人员能够进一步了解对本实用新型提供的光谱检测基板,下面对所述光谱检测基板的形成方法进行详细描述。图4a‐4d为本实用新型一实施例中的光谱检测基板的形成方法的步骤示意图。以下结合图4a‐4d所示,对所述光谱检测基板的形成方法进行描述。

首先,提供一基板,所述基板例如为硅片。

接着,于所述基板的基底上形成光谱检测单元中的波导。具体参考图4a所示,于所述基底100上形成一介质膜211,所述介质膜211可通过化学气相沉积工艺并结合光刻及蚀刻工艺形成。本实施例中,所述介质膜211为条状结构以形成条形波导。

接着,于所述介质膜上形成光谱检测单元中的选模耦合器,本实施例中,所述选模耦合器为分布反馈激光器。具体参考图4b所示,对所述介质膜211的一端执行光刻及蚀刻工艺以形成若干个沟槽,进而构成一布喇格光栅221,即,通过所述布喇格光栅221选取待检测的光波,并可将待检测的光波耦合入波导中。

接着,于所述介质膜上形成输出耦合器,本实施例中,所述输出耦合器为八木天线。具体参考图4c所示,于所述介质膜211的另一端上形成一金属层242a,以及于所述金属层242a的上形成一介质层242b,同时于所述金属层242a的两侧也均形成一介质层,其中,所述金属层242a和位于所述金属层242a上的介质层242b构成拱形的激励振子,位于所述金属层242a两侧的介质层分别形成反射振子241和引向振子243。

接着,参考图4d所示,在与所述输出耦合器相对的位置上安装一用于感应光波强度的感应器230,以及于所述感应器230和所述输出耦合器240上覆盖一保护层250,所述保护层250可有效避免所述感应器230和所述输出耦合器240出现脱落或损坏的风险。进一步的,所述保护层250的材料为蓝宝石。

此外,需说明的是,在针对不同的待测元素进行检测时,由于不同的元素所对应的光谱不同,因此需采用与其相适应的光谱检测单元。其中,相适应的光谱检测单元通常是指:所述光谱检测单元的选模耦合器可选取特定波长的光波;根据特定波长的光波采用对应的输出耦合器。本实施例中,所述选模耦合器为分布反馈激光器,因此可通过调整布喇格光栅中沟槽的宽度或深度等,以满足对不同波长的光波进行选取的目的。所述八木天线中,可通过调整激励阵子、反射阵子以及引向阵子之间的间距,进而实现对不同波长的光波耦合输出的目的。

本实用新型提供的光谱检测基板中,直接于基底上形成光谱检测单元,其制造工艺更为简单,可有效节省成本。并且,在实际的应用过程中,可根据需求于基底上形成多个光谱检测单元,从而对待测腔体的各个区域均能够检测到,进而所获得的检测结果可更为全面的反映出待测腔体的实际状况。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述,并非对本实用新型范围的任何限定,本实用新型领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰,均属于权利要求书的保护范围。

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