專利名稱：非接觸式晶片厚度測量裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體材料測量技術，具體指一種非接觸式晶片厚度測量裝置及方
法，它主要用于液相外延生長前對晶片厚度的測量，它能夠在非接觸的狀態(tài)下測量晶片厚 度，并且使晶片表面保持潔凈。
背景技術：
對于薄膜材料，通過光譜方法測量薄膜的干涉，可以計算出厚度。但是，對于1毫 米左右的厚晶片，無法用薄膜干涉的方法測量厚度。常用的厚晶片厚度測量方法主要有臺 階儀和Z軸顯微鏡。臺階儀是一種接觸式測量儀器，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，根據其起伏高度得出一條一維的曲線，從而能準確地得出晶片的 厚度。但是，由于臺階儀的指針要接觸晶片表面，會對晶片表面有所損傷。Z軸顯微鏡是把 晶片置于玻璃平臺上，通過光源聚焦對晶片進行測量，但是，玻璃平臺和晶片之間會形成空 氣層，厚度約10微米，并且，空氣層的厚度會隨晶片的尺寸、大小等因素變化，厚度不固定， 用這種方式測量誤差也較大。對于水平滑舟式液相外延生長過程，晶片表面與滑舟之間需 要保持20微米的間隙，間隙太小，外延薄膜表面會被滑塊擦傷，間隙太大，生長結束后生長 溶液不能被推干凈而殘留在外延薄膜表面。并且要求外延生長所需的晶片材料表面是潔凈 的、沒有環(huán)境雜質污染的，這樣生長出的外延薄膜才能有好的表面形貌。但是，在晶片通過 清洗、拋光后對其厚度進行測量，使用臺階儀將引起晶片表面的損傷，使用Z軸顯微鏡會帶 來10微米左右的誤差，兩者均不適合液相外延生長過程中對襯底晶片的測量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種非接觸式晶片厚度測量裝置及方法，可以精確測量晶片 的厚度，解決測量時引起的表面雜質沾污或損傷的問題。 本發(fā)明中，測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 板中間開大小比待測晶片4略大的槽而形成的一個框架結構。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度不會變 形。下輔助硅片3安裝在不銹鋼主框架1上，測量時將待測晶片4放置其上，上輔助硅片2 上有一個直徑為2毫米的小孔6，兩個輔助硅片2、3可以保護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 經過嚴格的清洗，以保證與晶片接觸時不會引起二次污染。測量步驟是首先，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，測量待測晶片4與上 輔助硅片2之間空氣層的反射光譜T1 ;然后，通過上輔助硅片2上的小孔6測量待測晶片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中分別計算待測晶片 4和上輔助硅片2之間空氣層的厚度dl以及待測晶片4和下輔助硅片3之間空氣層的厚 度d2。計算公式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—、用千分尺實測不銹鋼塊的厚度d，千分尺測量精度可以達到1微
米，d減去dl和d2，即可準確得出待測晶片4的厚度。本裝置測量晶片的種類是室溫下截
止波長大于1微米的紅外透明材料，如碲化鎘、碲鋅鎘等II-VI族材料。本裝置可以通過改
變不銹鋼主框架的厚度來測量不同厚度的晶片，只要保證不銹鋼主框架厚度比待測晶片厚
度大10-100微米即可。整個測量過程在100級的凈化室環(huán)境下進行。 本發(fā)明的優(yōu)點是，可以在晶片表面被保護的情況下，測試晶片的厚度，避免了測試
過程中環(huán)境以及設備對晶片表面的沾污和氧化，簡化了后續(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是晶片過厚時的外延薄膜表面，b是晶片太薄
時外延薄膜表面，c是晶片厚度適當時外延薄膜表面。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施做進一步詳細說明 以碲鎘汞液相外延生長為例，外延時所用的碲鋅鎘襯底的厚度通常為0. 9-1. 0毫 米。外延薄膜生長前，需對晶片材料進行清洗，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行化學拋光，來去除晶片表面的氧化層和 損傷層。整個清洗過程中晶片均處于液體的保護中，晶片表面不能暴露空氣，如果暴露空氣 會導致表面沾污和氧化。 1.由于是半導體高純材料專用，所有裝置零件均需要經過嚴格的清洗，保證待測 晶片不會受到測量裝置的二次污染。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.光譜測量 把待測晶片4放置在非接觸式晶片厚度測量裝置中，如圖1所示。把待測晶片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，可以使待測晶片4在一密閉空間里不被氧化或損傷，整個操 作均在100級超凈凈化室中進行。測試方法是，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硅片2中間一小孔 6可以獲得待測晶片4和下輔助硅片3之間空氣層的反射光譜T2，如圖3所示。整個測量 過程應在100級超凈凈化室下進行。
3.晶片厚度參數的提取
從反射光譜T1、T2中分別計算待測晶片4和上輔助硅片2之間空氣層的厚度參數 以及待測晶片4和下輔助硅片3之間空氣層的厚度參數。根據T1、T2兩條反射光譜曲線中 干涉峰的平均周期Avl和Av2，計算空氣層的厚度dl和d2，計算公式dl = 1/(2nAvl)， d2 = 1/(2n Av2)。在圖2中可以清晰分辨出21個干涉峰，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；用千分尺實測不銹鋼塊的厚度d， d = 1000微米，計算得待測晶片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是晶片過厚導致晶片與滑舟之間間隙太小而 被擦傷的外延薄膜表面；b是晶片過薄導致晶片與滑舟之間間隙太大，生長結束后生長溶 液未被推干凈而殘留在外延薄膜表面；c是采用本發(fā)明中提出的方法測量晶片厚度，再進 行液相外延所獲得的外延薄膜，可見其表面平坦無擦傷，粘液也較少。
權利要求
一種非接觸式晶片厚度測量裝置，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)夾在中間并通過不銹鋼螺絲(5)固定在一起；在上輔助硅片(2)上還開有一個直徑為2mm的小孔(6)；待測晶片(4)安置在不銹鋼主框架(1)的槽中。
2. 根據權利要求1所述的一種非接觸式晶片厚度測量裝置，其特征在于所述的不銹 鋼主框架(1)采用鎳鎘不銹鋼，其厚度比待測晶片厚度大10-100微米。
3. 根據權利要求1所述的一種非接觸式晶片厚度測量裝置，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. 一種基于根據權利要求1所述裝置的晶片厚度的測量方法，其特征在于包括以下步驟A. 將待測晶片(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，測量待測晶片(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，通過上輔 助硅片(2)上的小孔(6)測量待測晶片(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中分別計算待測晶片(4)和上輔助硅片(2)之間空氣層的厚度 dl以及待測晶片(4)和下輔助硅片(3)之間空氣層的厚度d2，計算公式如下<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. 用千分尺實測不銹鋼塊的厚度d， d減去dl和d2，即可準確得出待測晶片(4)的厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非接觸式晶片厚度測量裝置及方法，其特征是超凈的晶片裝置于一個相對封閉的凈化空間內，使用傅里葉變換紅外光譜儀利用非接觸方法測量出該晶片兩邊至腔體內壁之間空氣層的厚度，使用千分尺測量得到腔體兩個內壁間距，這樣就可以得到晶片的精確厚度。該裝置和方法的優(yōu)點是整個過程中清洗干凈的晶片一直放置于相對封閉的超凈空間內，測試過程非接觸，從而不會導致晶片被污染和氧化，晶片表面也不會因為接觸硬物而導致劃傷，保證晶片的干凈與表面完美，避免了液相外延生長過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G01B11/06GK101709952SQ200910199928
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權日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 申請人:中國科學院上海技術物理研究所