專利名稱：非接觸式晶片厚度測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料測(cè)量技術(shù)，具體指一種非接觸式晶片厚度測(cè)量裝置及方
法，它主要用于液相外延生長(zhǎng)前對(duì)晶片厚度的測(cè)量，它能夠在非接觸的狀態(tài)下測(cè)量晶片厚 度，并且使晶片表面保持潔凈。
背景技術(shù)：
對(duì)于薄膜材料，通過(guò)光譜方法測(cè)量薄膜的干涉，可以計(jì)算出厚度。但是，對(duì)于1毫 米左右的厚晶片，無(wú)法用薄膜干涉的方法測(cè)量厚度。常用的厚晶片厚度測(cè)量方法主要有臺(tái) 階儀和Z軸顯微鏡。臺(tái)階儀是一種接觸式測(cè)量?jī)x器，它利用一根硬度很高的金剛石指針， 在晶片表面均勻地走動(dòng)，根據(jù)其起伏高度得出一條一維的曲線，從而能準(zhǔn)確地得出晶片的 厚度。但是，由于臺(tái)階儀的指針要接觸晶片表面，會(huì)對(duì)晶片表面有所損傷。Z軸顯微鏡是把 晶片置于玻璃平臺(tái)上，通過(guò)光源聚焦對(duì)晶片進(jìn)行測(cè)量，但是，玻璃平臺(tái)和晶片之間會(huì)形成空 氣層，厚度約10微米，并且，空氣層的厚度會(huì)隨晶片的尺寸、大小等因素變化，厚度不固定， 用這種方式測(cè)量誤差也較大。對(duì)于水平滑舟式液相外延生長(zhǎng)過(guò)程，晶片表面與滑舟之間需 要保持20微米的間隙，間隙太小，外延薄膜表面會(huì)被滑塊擦傷，間隙太大，生長(zhǎng)結(jié)束后生長(zhǎng) 溶液不能被推干凈而殘留在外延薄膜表面。并且要求外延生長(zhǎng)所需的晶片材料表面是潔凈 的、沒(méi)有環(huán)境雜質(zhì)污染的，這樣生長(zhǎng)出的外延薄膜才能有好的表面形貌。但是，在晶片通過(guò) 清洗、拋光后對(duì)其厚度進(jìn)行測(cè)量，使用臺(tái)階儀將引起晶片表面的損傷，使用Z軸顯微鏡會(huì)帶 來(lái)10微米左右的誤差，兩者均不適合液相外延生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)襯底晶片的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種非接觸式晶片厚度測(cè)量裝置及方法，可以精確測(cè)量晶片 的厚度，解決測(cè)量時(shí)引起的表面雜質(zhì)沾污或損傷的問(wèn)題。 本發(fā)明中，測(cè)量裝置采用一塊厚度為1毫米的不銹鋼主框架l，它是在一塊不銹鋼 板中間開(kāi)大小比待測(cè)晶片4略大的槽而形成的一個(gè)框架結(jié)構(gòu)。上下輔助硅片2、3的大小與 不銹鋼主框架l的大小相同，厚度要求在500微米以上，以保證硅片有足夠的強(qiáng)度不會(huì)變 形。下輔助硅片3安裝在不銹鋼主框架1上，測(cè)量時(shí)將待測(cè)晶片4放置其上，上輔助硅片2 上有一個(gè)直徑為2毫米的小孔6，兩個(gè)輔助硅片2、3可以保護(hù)晶片表面使其不被氧化或擦 傷，使用不銹鋼螺絲5將上下輔助硅片2、3固定于不銹鋼主框架1上。不銹鋼塊和硅片都 經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的清洗，以保證與晶片接觸時(shí)不會(huì)引起二次污染。測(cè)量步驟是首先，把傅里葉變 換紅外光譜儀的入射光移至上輔助硅片2上的小孔6旁邊2毫米處，測(cè)量待測(cè)晶片4與上 輔助硅片2之間空氣層的反射光譜T1 ;然后，通過(guò)上輔助硅片2上的小孔6測(cè)量待測(cè)晶片4 和下輔助硅片3之間空氣層的反射光譜T2 ;最后，從反射光譜T1、 T2中分別計(jì)算待測(cè)晶片 4和上輔助硅片2之間空氣層的厚度dl以及待測(cè)晶片4和下輔助硅片3之間空氣層的厚 度d2。計(jì)算公式dl = 1/(2nAvl)， d2 = 1/(2n A v2)，式中n為空氣層的折射率，n = 1， Avl為反射光譜T1中干涉峰的平均周期，Av2為反射光譜T2中干涉峰的平均周期，Avl、Av2的單位均為厘米—、用千分尺實(shí)測(cè)不銹鋼塊的厚度d，千分尺測(cè)量精度可以達(dá)到1微
米，d減去dl和d2，即可準(zhǔn)確得出待測(cè)晶片4的厚度。本裝置測(cè)量晶片的種類是室溫下截
止波長(zhǎng)大于1微米的紅外透明材料，如碲化鎘、碲鋅鎘等II-VI族材料。本裝置可以通過(guò)改
變不銹鋼主框架的厚度來(lái)測(cè)量不同厚度的晶片，只要保證不銹鋼主框架厚度比待測(cè)晶片厚
度大10-100微米即可。整個(gè)測(cè)量過(guò)程在100級(jí)的凈化室環(huán)境下進(jìn)行。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，可以在晶片表面被保護(hù)的情況下，測(cè)試晶片的厚度，避免了測(cè)試
過(guò)程中環(huán)境以及設(shè)備對(duì)晶片表面的沾污和氧化，簡(jiǎn)化了后續(xù)的清洗，提高了外延片的成品率。


圖1是非接觸式晶片厚度測(cè)量裝置示意圖，圖中1是不銹鋼主框架，2是上輔助硅
片，3是下輔助硅片，4是待測(cè)晶片，5是不銹鋼螺絲，6是上輔助硅片2上的小孔。 圖2是待測(cè)晶片4和上輔助硅片2之間空氣層的反射光譜Tl。 圖3是待測(cè)晶片4和下輔助硅片3之間空氣層的反射光譜T2。 圖4是液相外延片的示意圖，其中a是晶片過(guò)厚時(shí)的外延薄膜表面，b是晶片太薄
時(shí)外延薄膜表面，c是晶片厚度適當(dāng)時(shí)外延薄膜表面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明 以碲鎘汞液相外延生長(zhǎng)為例，外延時(shí)所用的碲鋅鎘襯底的厚度通常為0. 9-1. 0毫 米。外延薄膜生長(zhǎng)前，需對(duì)晶片材料進(jìn)行清洗，首先要去除表面的油性沾污，通常采用三氯 乙烯清洗，將晶片浸泡在沸騰的三氯乙烯中，反復(fù)清洗三遍，然后用棉球輕輕擦拭晶片背 面，再用甲醇清洗三遍，最后配制溴甲醇拋光液進(jìn)行化學(xué)拋光，來(lái)去除晶片表面的氧化層和 損傷層。整個(gè)清洗過(guò)程中晶片均處于液體的保護(hù)中，晶片表面不能暴露空氣，如果暴露空氣 會(huì)導(dǎo)致表面沾污和氧化。 1.由于是半導(dǎo)體高純材料專用，所有裝置零件均需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的清洗，保證待測(cè) 晶片不會(huì)受到測(cè)量裝置的二次污染。不銹鋼主框架1采用鎳鎘不銹鋼，上下輔助硅片2、3 使用不銹鋼螺絲5固定于不銹鋼主框架1上，上下輔助硅片2、3也可以采用其他紅外透明 材料替代，比如砷化鎵和鍺片等。
2.光譜測(cè)量 把待測(cè)晶片4放置在非接觸式晶片厚度測(cè)量裝置中，如圖1所示。把待測(cè)晶片4 放在不銹鋼主框架1槽中，用上輔助硅片2和下輔助硅片3分別覆蓋在不銹鋼主框架1上 下，用不銹鋼螺絲5擰緊，這樣，可以使待測(cè)晶片4在一密閉空間里不被氧化或損傷，整個(gè)操 作均在100級(jí)超凈凈化室中進(jìn)行。測(cè)試方法是，首先，把傅里葉變換紅外光譜儀的入射光移 至上輔助硅片2小孔6旁邊2毫米處，可以獲得待測(cè)晶片4和上輔助硅片2之間空氣層的 反射光譜T1，如圖2所示；然后，把傅里葉變換紅外光譜儀的入射光透過(guò)硅片2中間一小孔 6可以獲得待測(cè)晶片4和下輔助硅片3之間空氣層的反射光譜T2，如圖3所示。整個(gè)測(cè)量 過(guò)程應(yīng)在100級(jí)超凈凈化室下進(jìn)行。
3.晶片厚度參數(shù)的提取
從反射光譜T1、T2中分別計(jì)算待測(cè)晶片4和上輔助硅片2之間空氣層的厚度參數(shù) 以及待測(cè)晶片4和下輔助硅片3之間空氣層的厚度參數(shù)。根據(jù)T1、T2兩條反射光譜曲線中 干涉峰的平均周期Avl和Av2，計(jì)算空氣層的厚度dl和d2，計(jì)算公式dl = 1/(2nAvl)， d2 = 1/(2n Av2)。在圖2中可以清晰分辨出21個(gè)干涉峰，干涉峰的平均周期Avl = 400 厘米—、dl = 1/(2nAvl) = 12. 5X10—6厘米=12. 5微米；在圖3中有5個(gè)干涉峰，干涉峰 的平均周期Av2 = 1500厘米、d2 = 1/(2nAv2) = 3X10—6厘米=3微米;dl+d2 = 15. 5 微米；用千分尺實(shí)測(cè)不銹鋼塊的厚度d， d = 1000微米，計(jì)算得待測(cè)晶片4厚度=d- (dl+d2) =984. 5微米。 圖4是液相外延片的示意圖，其中a是晶片過(guò)厚導(dǎo)致晶片與滑舟之間間隙太小而 被擦傷的外延薄膜表面；b是晶片過(guò)薄導(dǎo)致晶片與滑舟之間間隙太大，生長(zhǎng)結(jié)束后生長(zhǎng)溶 液未被推干凈而殘留在外延薄膜表面；c是采用本發(fā)明中提出的方法測(cè)量晶片厚度，再進(jìn) 行液相外延所獲得的外延薄膜，可見(jiàn)其表面平坦無(wú)擦傷，粘液也較少。
權(quán)利要求
一種非接觸式晶片厚度測(cè)量裝置，它主要包括不銹鋼主框架(1)、上輔助硅片(2)和下輔助硅片(3)，其特征在于不銹鋼主框架(1)是一塊中間開(kāi)有大小比晶片略大的槽的不銹鋼鋼板，不銹鋼主框架(1)被上輔助硅片(2)和下輔助硅片(3)夾在中間并通過(guò)不銹鋼螺絲(5)固定在一起；在上輔助硅片(2)上還開(kāi)有一個(gè)直徑為2mm的小孔(6)；待測(cè)晶片(4)安置在不銹鋼主框架(1)的槽中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式晶片厚度測(cè)量裝置，其特征在于所述的不銹 鋼主框架(1)采用鎳鎘不銹鋼，其厚度比待測(cè)晶片厚度大10-100微米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式晶片厚度測(cè)量裝置，其特征在于所述的上輔助硅片(2)和下輔助硅片(3)的大小與不銹鋼主框架(1)的大小相同，厚度要求在500微 米以上，并可用砷化鎵或鍺片替代。
4. 一種基于根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置的晶片厚度的測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟A. 將待測(cè)晶片(4)安置在不銹鋼主框架(1)的槽中；B. 將傅里葉變換紅外光譜儀的入射光移至上輔助硅片(2)上的小孔(6)旁邊2毫米 處，測(cè)量待測(cè)晶片(4)與上輔助硅片(2)之間空氣層的反射光譜T1 ;C. 將傅里葉變換紅外光譜儀的入射光移至上輔助硅片(2)上的小孔(6)上，通過(guò)上輔 助硅片(2)上的小孔(6)測(cè)量待測(cè)晶片(4)和下輔助硅片(3)之間空氣層的反射光譜T2 ;D. 從反射光譜T1、 T2中分別計(jì)算待測(cè)晶片(4)和上輔助硅片(2)之間空氣層的厚度 dl以及待測(cè)晶片(4)和下輔助硅片(3)之間空氣層的厚度d2，計(jì)算公式如下<formula>formula see original document page 2</formula>) (2)式中n為空氣層的折射率，n= 1， Avl為反射光譜Tl中干涉峰的平均周期，A v2為 反射光譜T2中干涉峰的平均周期，Avl、 Av2的單位均為厘米—1 ;E. 用千分尺實(shí)測(cè)不銹鋼塊的厚度d， d減去dl和d2，即可準(zhǔn)確得出待測(cè)晶片(4)的厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種非接觸式晶片厚度測(cè)量裝置及方法，其特征是超凈的晶片裝置于一個(gè)相對(duì)封閉的凈化空間內(nèi)，使用傅里葉變換紅外光譜儀利用非接觸方法測(cè)量出該晶片兩邊至腔體內(nèi)壁之間空氣層的厚度，使用千分尺測(cè)量得到腔體兩個(gè)內(nèi)壁間距，這樣就可以得到晶片的精確厚度。該裝置和方法的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)過(guò)程中清洗干凈的晶片一直放置于相對(duì)封閉的超凈空間內(nèi)，測(cè)試過(guò)程非接觸，從而不會(huì)導(dǎo)致晶片被污染和氧化，晶片表面也不會(huì)因?yàn)榻佑|硬物而導(dǎo)致劃傷，保證晶片的干凈與表面完美，避免了液相外延生長(zhǎng)過(guò)程中晶片厚度不精確所引起的粘液和劃傷，提高了外延片的成品率。
文檔編號(hào)G01B11/06GK101709952SQ200910199928
公開(kāi)日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者孫瑞赟, 張傳杰, 徐慶慶, 陳曉靜, 魏彥鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所