專利名稱：一種多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對(duì)于高溫下多層薄膜基體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為的測(cè)量裝置，屬于工程材料、 結(jié)構(gòu)形變及力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
絕大部分的半導(dǎo)體器件和集成電路都是用半導(dǎo)體硅材料制作的。硅通過拉晶、切片、拋 光、清洗等工藝制作成晶圓片，而各種芯片和微電子器件都是基于硅晶圓片蝕刻及在其之上 沉積多層膜制造而成。因此這種硅晶圓級(jí)的薄膜材料和薄膜/基體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)決定了微電子 與半導(dǎo)體產(chǎn)品的可用性與可靠性等諸方面性能，同時(shí)也是集成電路微型化、大規(guī)模制備的必
要條件。基于這種晶圓級(jí)的檢測(cè)方法與可靠性分析必然對(duì)微電子與半導(dǎo)體工業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和 科學(xué)研究具有重要的意義及應(yīng)用價(jià)值。
對(duì)于微電子與半導(dǎo)體工業(yè)中的多層薄膜結(jié)構(gòu)，每層一膜都具有不同的力學(xué)、物理和熱傳 導(dǎo)性質(zhì)。通常情況下，多層薄膜結(jié)構(gòu)在失配應(yīng)變和熱循環(huán)載荷作用下，薄膜材料中將存在很 高的應(yīng)力，這些應(yīng)力不僅可能導(dǎo)致薄膜破壞，而且還可能引發(fā)空穴，導(dǎo)致電遷移，從而使薄 膜的電學(xué)和磁學(xué)性能受到很大的影響，降低整體結(jié)構(gòu)的性能。半導(dǎo)體晶圓制造過程中薄膜的 應(yīng)力是如此的重要，以至薄膜的力學(xué)性能將會(huì)對(duì)晶圓上的薄膜材料/結(jié)構(gòu)的物理性能、使用壽 命及可靠性等產(chǎn)生顯著的影響。因此，非常有必要對(duì)其進(jìn)行深入的研究。這一方面可通過建 立準(zhǔn)確預(yù)測(cè)薄膜材料/結(jié)構(gòu)性質(zhì)的理論，來研究薄膜中的應(yīng)力對(duì)各方面的影響；另一方面， 迫切需要一套經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、精確的檢測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)、實(shí)時(shí)、在線地對(duì)晶圓級(jí)的檢測(cè)， 獲取所需的重要信息，并與理論相結(jié)合實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確的可靠性評(píng)估。
目前用于測(cè)量薄膜應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)方法主要是通過測(cè)量薄膜基體結(jié)構(gòu)曲率來獲得薄膜應(yīng)力， 這種間接測(cè)量方法都是基于(l)式所示的Stoney公式(Stoiley, G. G. The Tension of Metallic Films Deposited by Electrolysis. Proceedings of the Royal Society, A82(1909): 172-175)，
(1)式中￡7(/)是薄膜應(yīng)力，V,分別是基體的彈性模量與泊松比，/V，&分別是薄膜厚度 和基體厚度，K是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的薄膜基體結(jié)構(gòu)曲率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)高溫下 的多層薄膜基體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的在線、實(shí)時(shí)、全場(chǎng)測(cè)量。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量裝置，其特征在于該在線測(cè)量裝置包 括帶有信號(hào)采集轉(zhuǎn)換器8的加熱爐1、光學(xué)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18;
所述的加熱爐l內(nèi)設(shè)置試件托盤6，在加熱爐的左右兩側(cè)對(duì)稱布置第一通光窗口4a和第
二通光窗口 4b;
本發(fā)明所述的光學(xué)系統(tǒng)包括激光器9、擴(kuò)束裝置IO、第一反光鏡lla、第二反光鏡llb、 第一光柵12a、第二光柵12b、透鏡13、過濾屏14、 CCD相機(jī)15以及用于調(diào)節(jié)第一光柵12a 和第二光柵12b之間距離的壓電制動(dòng)器16;所述的激光器9發(fā)出的激光經(jīng)過擴(kuò)束裝置10后 照射到第一反光鏡lla，由第一反光鏡lla反射并通過第一通光窗口 4a到達(dá)試件托盤6上的 試件，經(jīng)試件反射的光束通過第二通光窗口 4b到達(dá)第二反光鏡llb，由第二反光鏡lib反射 的光束依次經(jīng)過所述的第一光柵12a、第二光柵12b、透鏡13、過濾屏14和CCD相機(jī)15;
本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18通過數(shù)據(jù)線分別與信號(hào)采集轉(zhuǎn)換器8和CCD相機(jī) 15相連。
本發(fā)明所述的激光器9、擴(kuò)束裝置10和第一反光鏡lla安置在第一支架17a上，所述的 第二反光鏡IIb、透鏡13、過濾屏14和CCD相機(jī)15安置在第二支架17b上；第一光柵12a 與第二光柵12b通過壓電制動(dòng)器16與第二支架17b相連。
本發(fā)明所述的試件托盤6采用升降結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述的第一反光鏡lla的兩端通過轉(zhuǎn)動(dòng)副安置在第一支架17a上，所述的第二反 光鏡lib的兩端通過轉(zhuǎn)動(dòng)副安置在第二支架17b上。'
本發(fā)明所述的第一光柵12a和第二光柵12b通過旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在該光柵所在的平面內(nèi)繞第二 反射鏡llb反射的光束旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果將傳統(tǒng)的加熱爐進(jìn)行改造，在保 溫壁的兩側(cè)設(shè)置通光窗口，將加熱裝置與光學(xué)設(shè)備結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為 的在線測(cè)量，加熱設(shè)備可將試件加熱到1200。C;利用兩片光柵對(duì)從薄膜表面反射的光束進(jìn)行 剪切干涉，干涉后的光束通過透鏡成像得到干涉條紋，分析條紋的疏密及條紋級(jí)數(shù)沿著固定 方向的變化率就可獲得薄膜基體結(jié)構(gòu)的全場(chǎng)非均勻曲率，繼而得到薄膜全場(chǎng)非均勻應(yīng)力；由 于可進(jìn)行曲率的實(shí)時(shí)測(cè)量，通過改變加熱溫度可實(shí)現(xiàn)對(duì)多層薄膜基體結(jié)構(gòu)在加熱過程中的實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)；該裝置可實(shí)現(xiàn)多層薄膜基體結(jié)構(gòu)曲率的全場(chǎng)、在線、實(shí)時(shí)、非接觸以及非介入的測(cè) 量，同時(shí)可避免振動(dòng)對(duì)曲率測(cè)量的影響。


圖1是本發(fā)明多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量裝置示意圖。 圖中1-加熱爐；2-保溫壁；3-加熱棒；4a-第一通光窗口； 4b-第二通光窗口； 5-熱電 偶；6-試件托盤；7-控溫面板；8-信號(hào)采集轉(zhuǎn)換器；9_激光器；10-擴(kuò)束裝置；lla-第一反
光鏡；lib-第二反光鏡；12a-第一光柵；12b-第二光柵；13-透鏡；14-過濾屏；15-CCD相 機(jī)；16-壓電制動(dòng)器；17a-第一支架；17b-第二支架；18-數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
圖1是本發(fā)明提供的多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該 裝置包括帶有信號(hào)采集轉(zhuǎn)換器8的加熱爐1、光學(xué)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18;加熱爐
l包括保溫壁2、加熱棒3、熱電偶5和控溫面板7，所述的加熱棒3分別布置在加熱爐內(nèi)的 頂部和底部，在所述的加熱爐1內(nèi)設(shè)置試件托盤6，在加熱爐的左右兩側(cè)對(duì)稱布置第一通光 窗口 4a和第二通光窗口 4b，熱電偶5布置在試件托盤的中心底部，控溫面板7布置在加熱 爐外部下方；光學(xué)系統(tǒng)包括激光器9、擴(kuò)束裝置IO、第一反光鏡lla、第二反光鏡llb、第一 光柵12a、第二光柵12b、透鏡13、過濾屏14、 CCD相機(jī)15以及用于調(diào)節(jié)第一光柵12a和 第二光柵12b之間距離的壓電制動(dòng)器16;激光器9發(fā)出的激光經(jīng)過擴(kuò)束裝置10后照射到第 一反光鏡lla，由第一反光鏡lla反射并通過第一通光窗口 4a到達(dá)試件托盤6上的試件，經(jīng) 試件反射的光束通過第二通光窗口 4b到達(dá)第二反光鏡llb，由第二反光鏡Ub反射的光束依 次經(jīng)過所述的第一光柵12a、第二光柵12b、透鏡13、過濾屏14和CCD相機(jī)15;所述的激 光器9可提供單色性好且均勻的光束；所述的擴(kuò)束裝置10包括放大物鏡和準(zhǔn)直透鏡，放大物 鏡用來擴(kuò)大激光束的光斑，準(zhǔn)直透鏡將擴(kuò)大后的光束重新匯聚成平行光束；所述的第一反光 鏡11a將從激光器9發(fā)射并經(jīng)擴(kuò)束裝置IO擴(kuò)束后的激光束反射通過第一通光窗口 4a照射到 試件托盤6，激光器9、擴(kuò)束裝置IO和第一反光鏡lla位于同一光軸上；所述的試件托盤6 可根據(jù)需要使試件上升或下降；從試件托盤6上的試件表面反射回來的光束通過第二通光窗 口 4b到達(dá)第二反光鏡llb，由第二反光鏡lib反射到第r光柵12a，經(jīng)第一光柵12a衍射后 的光束入射到第二光柵12b，第一光柵12a和第二光柵12b對(duì)光束進(jìn)行剪切干涉，所述的第 一光柵12a和第二光柵12b是具有相同光柵常數(shù)的Ronchi光柵；所述的透鏡13將從第二光 柵12b透過的光束會(huì)聚成像；所述的過濾屏14將經(jīng)過透鏡13會(huì)聚得到的圖像的無有用信息 的成分過濾掉；所述的CCD相機(jī)15將過濾屏14過濾得到的干涉圖像記錄下來；第二反光鏡 llb、第一光柵12a、第二光柵12b、透鏡13、過濾屏14和CCD相機(jī)15位于同一光軸上； 所述的數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18分別通過數(shù)據(jù)線分別與信號(hào)采集轉(zhuǎn)換器8和CCD相機(jī)15相連， 可控制和測(cè)量對(duì)試件的加熱溫度，對(duì)干涉圖像進(jìn)行分析，提取條紋中心線，計(jì)算多層薄膜基 體結(jié)構(gòu)在對(duì)應(yīng)加熱溫度下的應(yīng)力。
本發(fā)明的曲率測(cè)量通過(2)式進(jìn)行計(jì)算，由曲率計(jì)算多層薄膜基體結(jié)構(gòu)應(yīng)力通過(3)式實(shí)
現(xiàn)
<formula>formula see original document page 6</formula>(2)
(2)式中;^是試件表面曲率的x方向分量，；^是試件表面曲率的少方向分量， 是試件 表面曲率旋轉(zhuǎn)分量，"W代表在;c方向剪切干射的條紋級(jí)數(shù)，"W代表在;;方向剪切干射的條 紋級(jí)數(shù)，p是第一光柵lla和第二光柵lib的光柵常數(shù)，A是第一光柵lla與第二光柵lib 之間的距離，與其它曲率測(cè)量方法相比，這種曲率測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了曲率全場(chǎng)(得 到^n, /^三個(gè)分量)、在線、實(shí)時(shí)的測(cè)量，且不受振動(dòng)干擾。
由(2)式已獲得試件表面曲率(;^， ；^，；、三個(gè)分量)，高溫下多層薄膜基體結(jié)構(gòu)應(yīng)力與 曲率的關(guān)系如(3)式所示
朋
<formula>formula see original document page 6</formula>(3)式中，
(T^"分別是第/層薄膜中的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力，r^是第/層薄膜與第z' + l層薄膜
之間的切應(yīng)力，￡,， c^分別是第/層薄膜的彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)，A, v、.， a、 分別是基體的彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)，、是第z'層薄膜的厚度，/^是基體厚度，^， 分別是薄膜基體結(jié)構(gòu)曲率的徑向分量與周向分量，^T^表示 r+^^在全域內(nèi)的平均值， "(^+^》/^表示主曲率之和的徑向?qū)?shù)。可通過(2)式中直角坐標(biāo)系下曲率經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得 到。由(3)式可知，只要實(shí)現(xiàn)薄膜基體結(jié)構(gòu)曲率的全場(chǎng)測(cè)量(即/^, /^的測(cè)量)，就可實(shí)現(xiàn)多 層薄膜基體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測(cè)量。
通過數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18操縱控溫面板7來控制對(duì)試件的加熱過程并測(cè)量加熱溫度 T，用CCD相機(jī)15將干涉圖樣記錄下來并把圖像傳入到數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18中，所述的 數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18裝有計(jì)算程序?qū)D像進(jìn)行分析，提取干涉條紋中心線，并利用(2)、 (3)
說明書第5/6頁
式得到在一系列加熱溫度T下多層薄膜基體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。
利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量，包括如下步驟-
a. 將試件安裝在試件托盤6上，打開激光器9，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18;
b. 調(diào)節(jié)擴(kuò)束裝置10，使從激光器發(fā)射的激光擴(kuò)束并保持均勻性；
c. 調(diào)整第一反射鏡lla的角度，使經(jīng)過擴(kuò)束裝置10擴(kuò)束的光束被第一反光鏡lla反射并 通過第一通光窗口 4a照射到試件托盤6上的試件上，從試件表面反射回來的光束通過第二通 光窗口4b到達(dá)第二反光鏡llb，調(diào)整第二反光鏡llb的角度，使光束經(jīng)第二反光鏡llb反射 依次經(jīng)過第一光柵12a、第二光柵12b、透鏡13和過濾屏14，得到清晰的干涉圖像；
d. 通過數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18控制控溫面板7，對(duì)加熱爐l內(nèi)的試件進(jìn)行加熱，由控溫 面板上的儀表盤讀出當(dāng)前的加熱溫度T，并將該溫度值記錄下來；
e. 通過數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18控制CCD相機(jī)15將干涉圖像記錄下來，通過壓電制動(dòng) 器16記錄第一光柵12a與第二光柵12b之間的距離A，在數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18中輸入光 柵常數(shù)p和兩光柵間距A，通過計(jì)算程序處理干涉圖像，提取干涉條紋中心線，計(jì)算條紋級(jí) 數(shù)變化梯度^W/x和3"W/j;，通過下式
<formula>formula see original document page 7</formula>
計(jì)算得到試件表面曲率/^， 7、；
f.將第一光柵12a和第二光柵12b同時(shí)向相同方向旋轉(zhuǎn)90'，保持在同一加熱溫度T下重 復(fù)步驟e，由下式
<formula>formula see original document page 7</formula>
計(jì)算得到試件表面曲率S"由此可以看出，本發(fā)明可以計(jì)算得到全場(chǎng)非均勻曲率(即得<formula>formula see original document page 7</formula>
三個(gè)分量);
g.通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將直角坐標(biāo)下的曲率^^, K- v轉(zhuǎn)換成柱坐標(biāo)下的曲率^， K,
將第/層薄膜的彈性模量￡
力、
第/層薄膜的泊松比力,以及第/層薄膜的熱膨脹系數(shù)",,
基體
彈性模量^、基體泊松比K以及基體熱膨脹系數(shù)"、.，第/層薄膜厚度、和基體厚度/z、輸入 數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18中， '
<formula>formula see original document page 7</formula> <formula>formula see original document page 8</formula>計(jì)算
和7"W得到在加熱溫度T下多層薄膜基體結(jié)構(gòu)的第/層薄膜應(yīng)力，其中
cr^'分別是第/層薄膜中的徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力，z^是第/層薄膜與第y+i層薄膜之間
的切應(yīng)力，/^ + K^表示/^ + ;^在全域內(nèi)的平均值，c/(^+z^)/A表示主曲率之和的徑向 導(dǎo)數(shù)。
h.通過數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)18控制控溫面板7改變加熱溫度T，重復(fù)步驟d g可獲得在 不同加熱溫度T下多層薄膜基體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。
權(quán)利要求
1.一種多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量裝置，其特征在于該在線測(cè)量裝置包括帶有信號(hào)采集轉(zhuǎn)換器(8)的加熱爐(1)、光學(xué)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)(18)；所述的加熱爐(1)內(nèi)設(shè)置試件托盤(6)，在加熱爐的左右兩側(cè)對(duì)稱布置第一通光窗口(4a)和第二通光窗口(4b)；所述的光學(xué)系統(tǒng)包括激光器(9)、擴(kuò)束裝置(10)、第一反光鏡(11a)、第二反光鏡(11b)、第一光柵(12a)、第二光柵(12b)、透鏡(13)、過濾屏(14)、CCD相機(jī)(15)以及用于調(diào)節(jié)第一光柵(12a)和第二光柵(12b)之間距離的壓電制動(dòng)器(16)；所述的激光器(9)發(fā)出的激光經(jīng)過擴(kuò)束裝置(10)后照射到第一反光鏡(11a)，由第一反光鏡(11a)反射并通過第一通光窗口(4a)到達(dá)試件托盤(6)上的試件，經(jīng)試件反射的光束通過第二通光窗口(4b)到達(dá)第二反光鏡(11b)，由第二反光鏡(11b)反射的光束依次經(jīng)過所述的第一光柵(12a)、第二光柵(12b)、透鏡(13)、過濾屏(14)和CCD相機(jī)(15)；所述的數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)(18)通過數(shù)據(jù)線分別與信號(hào)采集轉(zhuǎn)換器(8)和CCD相機(jī)(15)相連。
2. 按照權(quán)利要求1所述的多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量裝置，其特征在于: 所述的激光器(9)、擴(kuò)束裝置(10)和第一反光鏡(lla)安置在第一支架(17a)上，所述 的第二反光鏡(llb)、透鏡(13)、過濾屏(14)和CCD相機(jī)(15)安置在第二支架(17b) 上；第一光柵(12a)與第二光柵(12b)通過壓電制動(dòng)器(16)與第二支架(17b)相連。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量裝置，其特征 在于所述的試件托盤(6)采用升降結(jié)構(gòu)。
4. 按照權(quán)利要求3所述的多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量裝置，其特征在 于所述的第一反光鏡Ula)的兩端通過轉(zhuǎn)動(dòng)副安置在第一支架(17a)上，所述的第二反 光鏡(lib)的兩端通過轉(zhuǎn)動(dòng)副安置在第二支架(17b)上。
5. 按照權(quán)利要求l所述的多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量裝置，其特征在 于所述的第一光柵(12a)和第二光柵(12b)通過旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在各自所在的平面內(nèi)繞第二反 射鏡(lib)反射的光束旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
一種多層薄膜基體結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)行為的在線測(cè)量裝置，屬于工程材料、結(jié)構(gòu)形變及力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括加熱爐、光學(xué)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理及顯示系統(tǒng)，加熱爐包括保溫壁、加熱棒、通光窗口、熱電偶、試件托盤、控溫面板、光學(xué)系統(tǒng)包括激光器、擴(kuò)束裝置、反光鏡、光柵、透鏡、過濾屏、CCD相機(jī)、壓電制動(dòng)器。該裝置通過將傳統(tǒng)的加熱爐進(jìn)行改造，將加熱設(shè)備與光學(xué)設(shè)備結(jié)合起來共同實(shí)現(xiàn)高溫下多層薄膜基體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多層薄膜基體結(jié)構(gòu)在加熱過程中的力學(xué)性能變化的在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)H01L21/66GK101355046SQ20081022281
公開日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2008年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
發(fā)明者雪 馮, 方岱寧, 董雪林, 黃克智 申請(qǐng)人:清華大學(xué)