一种监测晶片生长薄膜特性的装置及其用图
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体材料无损检测领域，详细地说，本发明涉及监测外延薄膜生长 工艺过程中的反射率、温度和应力特性参数的装置及其应用方法。
【背景技术】
[0002] 温度、生长应力、生长率等是决定化学气相淀积（CVD)、分子束外延（MBE)、物理气 相沉积（PECVD )等工艺过程中外延晶片薄膜生长质量的关键因素。实时监控晶片的反射率 (分离出生长率、组成成分、表面粗糙度等信息)、温度及晶片表面弯曲度（即晶片表面应力） 等关键信息，有助于优化工艺控制，提高外延材料层的均匀度和良率、减少生产成本、提高 生产效率。
[0003] 申请号为201110191716. 0的中国专利公开了一种外延材料层特性的测试装置。 通过探针单元向外延材料层提供电信号，电信号能够使外延材料层发出光信号，通过接收 分析光信号，获得外延材料层的特性参数。而申请号为201010515176. 2的中国专利、申请 号为US2002/0113971A1、US6398406B1的美国专利等涉及半导体晶片的温度测试的方法。 02827543. 8的中国专利、申请号为US7505150B2的美国专利涉及半导体晶片的应力测试的 方法。以上专利仅实现对外延晶片薄膜一个或两个参数的测试，而无法实现反射率、温度和 应力三个特性参数的集成监测。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提出了一种能够集成实现对待测晶片反射率、温度和 应力三个特性参数集成监测的监测晶片生长薄膜特性的装置及其用途。
[0005] 本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置包括第一激光光源、第二激光光源、 第一二相色镜、分束镜、第二二相色镜、第一探测器、第二探测器、位置探测器、腔室和样品 托盘；
[0006] 所述样品托盘容置于所述腔室中，所述腔室上方设有狭缝窗口，所述狭缝窗口用 于使光通过，所述样品托盘用于承载待测晶片；
[0007] 所述第一二相色镜用于使所述第一激光光源或者第二激光光源发出的光通过，经 过所述分束镜后，所述第一激光光源或者第二激光光源发出的光被分为参考光束和入射光 束，所述参考光束被所述第一探测器接收，所述入射光束经过所述狭缝窗口入射至待测晶 片，经过所述待测晶片反射后成为反射光束，所述反射光束经过所述第二二相色镜后分别 被所述第二探测器和所述位置探测器接收；
[0008] 当所述第一激光光源开启而所述第二激光光源关闭时，所述第一探测器用于探测 所述参考光束光强Ip所述第二探测器用于探测所述反射光束光强I i ;所述位置探测器用 于探测沿待测晶片运动方向的各入射点的光斑偏移量；
[0009] 当所述第一激光光源关闭而所述第二激光光源开启时，所述第二探测器用于探测 待测晶片热辐射强度L (λ，T);
[0010] 所述样品托盘设置有转轴，可以在所述腔室内自由旋转。
[0011] 本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源开启、第二激光光源 关闭时，第一探测器可以探测到参考光束的光强U第二探测器可以探测到反射光束的光 强Ii,利用一标准晶片可以得到反射率校准系数α，在已知反射率校准系数α的情况下， 由公式i? = ? f可以得到待测晶片的反射率R。
[0012] 本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源关闭、第二激光光源 开启时，第二探测器可以探测到待测晶片的热辐射强度L( λ，τ)，根据该热辐射强度可以 得到待测晶片的黑体热辐射值Pb ( λ，Τ)，在黑体热辐射值Pb ( λ，Τ)已知的情况下，由公式 乃从Γ)二f· ，可以得到待测晶片的温度T。 λ e -1
[0013] 本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源开启、第二激光 光源关闭时，根据位置探测器探测到的沿待测晶片运动方向的各入射点的光斑偏移量 可以计算出待测晶片沿其运动方向的曲率半径R，在曲率半径R已知的情况下，由公式 ED1 应力=计算可以得到待测晶片的应力。
[0014] 综上所述，本发明提供的检测晶片生长薄膜特性的装置能够集成实现对待测晶片 反射率、温度和应力三个特性参数的监测。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置的概括示意图；
[0016] 图2为本发明实施例二提供的监测晶片生长薄膜特性的装置的示意图；
[0017] 图3为本发明实施例三提供的检测晶片生长薄膜特性的装置的示意图；
[0018] 图4为本发明实施例三提供的检测晶片生长薄膜特性的装置中待测晶片在样品 托盘上的布置结构图。
【具体实施方式】
[0019] 为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
[0020] 实施例一
[0021] 参见附图1，本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置包括第一激光光源、第二 激光光源、第一二相色镜9、分束镜5、第二二相色镜6、第一探测器、第二探测器、位置探测 器、腔室1和样品托盘4;
[0022] 样品托盘4容置于腔室1中，腔室1上方设有狭缝窗口 2,狭缝窗口 2用于使光通 过，样品托盘4用于承载待测晶片3 ;
[0023] 第一二相色镜9用于使第一激光光源或者第二激光光源发出的光通过，经过分束 镜5后，第一激光光源或者第二激光光源发出的光被分为参考光束和入射光束，参考光束 被第一探测器接收，入射光束经过狭缝窗口 2入射至待测晶片3,经过待测晶片3反射后成 为反射光束，反射光束经过第二二相色镜6后分别被第二探测器和位置探测器接收；
[0024] 当第一激光光源开启而第二激光光源关闭时，第一探测器用于探测参考光束光强 Ip第二探测器用于探测反射光束光强Ii ;位置探测器用于探测沿待测晶片3运动方向的各 入射点的光斑偏移量；
[0025] 当第一激光光源关闭而第二激光光源开启时，第二探测器用于探测待测晶片3热 辐射强度L (λ，T);
[0026] 样品托盘4设置有转轴8,可以在腔室1内自由旋转。
[0027] 本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源开启、第二激光光源 关闭时，第一探测器可以探测到参考光束的光强U第二探测器可以探测到反射光束的光 强I i,利用一标准晶片可以得到反射率校准系数α，在已知反射率校准系数α的情况下， 由公式= 可以得到待测晶片3的反射率R。
[0028] 本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源关闭、第二激光光源 开启时，第二探测器可以探测到待测晶片3的热辐射强度L( λ，T)，根据该热辐射强度可以 得到待测晶片3的黑体热辐射值Pb ( λ，Τ)，在黑体热辐射值Pb ( λ，Τ)已知的情况下，由公 可以得到待测晶片3的温度Τ。 λ e ^ -1
[0029] 本发明提供的监测晶片生长薄膜特性的装置当第一激光光源开启、第二激光光 源关闭时，根据位置探测器探测到的沿待测晶片3运动方向的各入射点的光斑偏移量可 以计算出待测晶片3沿其运动方向的曲率半径R，在曲率半径R已知的情况下，由公式 ED2 应力= 6(1_V/D 计算可以得到待测晶片3的应力。
[0030] 综上所述，本发明提供的检测晶片生长薄膜特性的装置能够集成实现对待测晶片 3反射率、温度和应力三个特性参数的监测。
[0031] 本实施例中，第一激光光源发出的光的波长为633nm，第二激光光源发出的光的波 长为980nm。
[0032] 本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置的用途包括计算得到待测 晶片3的反射率，计算得到待测晶片3的温度以及计算得到晶片应力。
[0033] 其中，应用本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置计算得到待测晶 片3的反射率时，包括以下步骤：
[0034] 利用一标准晶片，根据公式a = ，计算得出α ; A j I.
[0035] 根据α，由公式/? = 得到待测晶片3的反射率；
[0036] 其中，
[0037] A，标准晶片的反射率；
[0038] Ir，第一光束光强；
[0039] Ii,第三光束光强；
[0040] α，反射率校准系数；
[0041] R，待测晶片3的反射率。
[0042] 其中，应用本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置计算得到待测晶 片3的温度时，包括以下步骤： r ? 2 Τ\
[0043] 根据公式C(U) = 得到待测晶片3的黑体辐射值Pb ( λ，Τ); O - I
[0044] 根据Pb ( λ，τ)，由公式巧得到待测晶片3的温度T ; a e -1
[0045] 其中，
[0046] Pb( λ，T)，待测晶片3的黑体热辐射辐射值；
[0047] L ( λ，Τ)，待测晶片3的热辐射强度；
[0048] ε (R)，晶片的热发射率，与反射率有关的函数；
[0049] R，待测晶片3的反射率；
[0050] h，普朗克常数；
[0051] k，玻尔兹曼常数；
[0052] c，光速；
[0053] λ，波长；
[0054] Τ，温度。
[0055] 其中，应用本发明实施例一提供的监测晶片生长薄膜特性的装置计算得到晶片应 力时，包括以下步骤：