[发明专利]利用光学吸收边波长测量薄膜的温度

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2009年6月19日提交的美国临时申请序列号No.61/218，523的权益，其通过引用整体合并入此处。

技术领域

本发明主要涉及薄膜在基底上生长和处理过程中，基底和薄膜温度的非接触式精确测量方法。

背景技术

涉及在基底上沉积薄膜的先进制造工艺通常取决于以高精度和可重复性监测和控制基底特性的能力，例如温度特性。

对于很多应用，薄膜在半导体晶片或基底上生长过程中的精确温度测量对于完成沉积后的晶片的最终质量是至关重要的，进而对在晶片上形成的光电器件的性能也是至关重要的。基底温度的变化，包括晶片内部温度的变化，最终影响所沉积的材料层的质量和组成。在沉积过程中，从后面和围着中心轴旋转来给基底晶片加热。通常情况下，位于晶片附近的电阻加热器提供热源，用于使晶片的温度升高到预定值。

表明精确温度控制必要性的一个示例性应用是半导体纳米结构的形成。对于例如“量子点”探测器的应用，半导体纳米结构正变得越来越重要，该应用需要非常均匀尺寸的纳米微晶阵列的自组织生长。其只能在一个很窄的温度窗口完成，温度的不确定性可能导致量子点大小分布传播扩大，对探测器的效率是不利的。

量子点的均匀生长是一种扩散率为温度指数的热激活过程的例子。因此，当生长或处理进行时，能够测量并精确控制基底温度是非常重要的。

关于温度监测的方法已经公开了很多。在薄膜生长操作过程中，一个简单但基本上无效的方法是利用与基底接近或直接接触的传统热电偶。这种方法在许多方面都有缺陷，最明显的是，标准热电偶的响应速度慢，热电偶(以及沉积室内的其他物体)容易被沉积上与半导体晶片所沉积的相同材料从而影响热电偶的准确性，以及由于热电偶和基底之间的直接接触导致半导体晶片表面的现场热变形。无论如何，在大多数处理过程中利用与基底接近或接触的热电偶的方法基本上都是不可接受的，因为精度太低了。

现在已经有光学高温测量法来克服以上所述的缺点。光学高温测量法利用发出的热幅射，常常被称为“黑体辐射”，来测量样本温度。此方法的主要难度在于样品通常直到约450℃以上才会发出足量的热辐射，而且半导体晶片并不是真正的黑体辐射体。此外，在沉积过程中半导体晶片的辐射系数会随时间和波长显著变化。因此，此高温测量仪只适用于高温下，并且这种方法公知易于产生测量误差。

“一种用于分子束外延的半导体基底的光学测温新技术”文中，Weilmeier等描述了一种测量背面有纹理的基底的漫反射率并从反射光的带隙特性推断半导体温度的技术。该技术基于同态物理学的一个简单原理，即带间光学吸收边与温度的实际线性关系。

简言之，当光子能hv超越带隙能量Eg，就会突然发生强吸收。其可以由一个吸收系数来描述，

α(hv)＝α_g exp[(hv-E_g)/E_o]，

其中αg为带隙能量的光吸收系数，吸收边由E_g和另一个参数E_o决定，E_o是由费米-狄拉克(Fermi-Dirac)统计分布函数引起的边缘增宽(增宽～kBT在适中的温度)。关键值E_g由爱因斯坦声子模型给出，其中，声子近似具有一个单一的特征能量K_B。根据下式，声子激发(热振动)的影响可以缩小带隙：

E_g(T)＝E_g(0)-S_gk_Bθ_E[exp(θ_E/T)-1]，

其中S_g为温度独立耦合系数，θ_E为爱因斯坦温度。当θ_E＞＞T时，即完全符合高模量材料如硅、砷化镓时，可以按照下式估算温度随带隙的变化关系：E_g(T)＝E_g(0)-S_gk_BT，表明E_g将以斜率S_gk_B随温度T呈线性减小。这完全符合实际情况，并且是带缘温度测量的基础。