[发明专利]应用于透明基底的薄膜的实时温度、光学带隙、膜厚度和表面粗糙度测量

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年7月9日提交的第61/362,938号美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明大体涉及应用于大体透明基底的薄膜层的非接触式测量；更具体地用于参照薄膜材料的光学吸收边评价薄膜的至少相对表面粗糙度。

背景技术

涉及在基底上沉积薄膜的先进制造工艺通常依赖于以高的精确度和可重复性监控半导体材料特性（例如它的温度、表面粗糙度、厚度和/或光学吸收特性）的能力。

如目前公知的，当光子能量超过带隙能量时将会产生突变的强吸收。在Weilmeier等人的《一种用于分子束外延中的半导体基底的光学温度测量新技术（A New Optical Temperature Measurement Technique for Semiconductor Substrates in Molecular Beam Epitaxy）》（加拿大物理学期刊Canadian Journal of Physics，1991年，69卷，422-426页）中，描述了一种用于测量具有绒化背面的较厚基底的漫反射并且由反射光的带隙特征推测半导体温度的技术。该技术基于简单的固态物理学原理，即带间光学吸收（Urbach）边与温度的实际线性关系。

简单地说，当光子能量hv接近带隙能量E_g时，产生突变的强吸收。这可以用吸收系数来描述，

α(hv)=α_gexp[(hv-E_g)/E₀]                      （方程式1）

其中，α_g是带隙能量下的光学吸收系数。吸收边用E_g和另一参量E₀表征，E₀是由费米-狄拉克统计分布导致的边的增宽（在所研究的适当温度条件下增宽~k_BΤ）。本研究中的关键量E_g由爱因斯坦模型给出，其中光子被近似为拥有单一特征能量K_B。根据下式，光子激发（热振动）效应将会降低带隙能量：

E_g(T)=E_g(0)-S_gK_Bθ_E/[exp(θ_Ε/Τ)-1]           （方程式2）

其中，S_g是与温度无关的耦合常数，而θ_Ε是爱因斯坦温度。在θ_Ε远小于T的高温条件下，高模量材料（例如硅和砷化镓）很好地遵循该条件，可用如下方程式近似表示带隙与温度的相关性：

E_g(T)=E_g(0)-S_gK_BT                              （方程式3）

该式表明，可以预计，E_g以S_gK_B决定的斜率随着温度T线性下降。这在实践中被很好地遵循，并且是现代吸收边测温法的基础，现代吸收边测温法也称为带边测温法（BET）。

如上所述，对半导体材料的温度、表面粗糙度、厚度和/或光学吸收特性的控制，可通过对半导体材料发射的漫散射光的非接触且实时的监测实现，此处的半导体材料指基底本身或者沉积在基底上的薄膜。本发明的专利权人，美国密歇根州德克斯特区的k-空间协会公司（kSA）的BandiT^TM系统，作为行业领先的方法和装置，用于测量除了其它特性还有温度。探测来自半导体材料的漫散射光以测量光学吸收边特征。根据光学吸收边特征，精确地确定温度和其它特性，例如膜厚度。kSA公司的BandiT系统可设置在传播和反射模式运行。在传播模式中，基底加热器（或其它源）可用作光源。在反射模式中，光源以非镜面的几何形式安装。kSA公司的BandiT系统有多种型号，覆盖的光谱范围约为380nm-1700nm。测量和监控的典型样本材料包括GaAs、Si、SiC、InP、ZnSe、ZnTe、CdTe、SrTi0₃和GaN。kSA公司的BandiT系统在美国专利7,837,383中有详细描述，其全部内容通过引用并入此处作为参考。