[发明专利]一种原位椭圆偏振测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量原子层沉积薄膜厚度的装置及测量方法，更具体地说，涉及一种椭圆偏振仪原位测量原子层沉积薄膜厚度的装置。 

背景技术

随着半导体集成电路的不断发展，芯片尺寸不断缩小、性能不断提升，迫切要求具有高精度、纳米级厚度等特性的薄膜。原子层沉积技术由于具有薄膜厚度纳米可控，均匀性好等特点，而逐渐取代了传统的化学气相沉积和物理气相沉积方式，广泛应用于微纳米电子器件，太阳能电池等领域。原子层沉积的技术原理是一种将前驱体通入真空腔体中与基底表面（一般为硅基底）发生化学吸附，伴随惰性气体清洗腔体之后，另一前驱体通入腔体与上阶段生成物发生化学反应。这两个阶段组成一个原子层沉积反应循环，也即一层单层薄膜生长，通过控制循环的次数即可精确控制薄膜的厚度。 

原子层沉积的薄膜厚度一般采用椭圆偏振仪来测量，椭圆偏振技术是将光经过起偏器之后形成偏振光，此偏振光一方面经过薄膜表面后发生反射，另一方面偏振光透射薄膜在其与基片交界处发生发射，两束反射光相交之后产生椭圆偏振光，通过检偏器来检测该偏振光的偏振态的改变，拟合选定的模型得出相应的膜厚及光学常数。由于原子层沉积需要在严格的密封条件下进行，因而在沉积过程中无法测量薄膜厚度，一般只能在反应结束后打开密封腔进行测量，称为离线测量。离线测量只能表征薄膜沉积之后的特性如厚度、光学常数等，不能表征沉积过程中薄膜的特性变化，因而具有较大的技术缺陷。 

为实现对原子层沉积过程中的薄膜厚度在线测量，现有技术提供了一种原位椭偏仪测量原子层沉积薄膜装置，即在沉积薄膜腔体外焊接一定角度的管状结构，在管状结构与反应腔的连接部位安装隔离结构（旋转截止片），管状结构末端安装透光玻璃。使用时，首先打开隔离结构（旋转截止片），让偏振光从管状结构中射入，在原子层表面反射后再至管状结构反射出来，由检偏器检测并计算得到薄膜厚度。上述原位椭圆偏振仪测量装置在薄膜反应腔外连接光路腔，使偏振光通过光路腔入射与反射，实现了不打开密闭反应腔的前提下测量薄膜厚度，并通过旋转截止片的设置保持薄膜的密闭生长环境，防止实验残余物沉积在透光玻璃和管道结构内壁上，取得了较好的技术效果。 

但是，上述原位椭圆偏振仪测量装置也存在明显的缺陷与不足：一是旋转截止片结构复杂、操作不便，只能在原子层沉积一个循环完成之后才能打开旋转截止片来完成椭偏测量，而不能监测一个沉积循环过程中薄膜厚度的变化，即实时监测沉积过程中前驱体脉冲脉宽较长时基片上薄膜沉积厚度变化；二是进行测量打开旋转截止片时，反应腔气体冲入管状结构形成气流死角，导致产生化学气相沉积，在管状结构内壁和透光玻璃上沉积反应物，影响偏振光的入射与反射，因而需要定期清洗，而管状结构又很难清洗，给装置的使用带来诸多不便；三是进行测量打开旋转截止片时，反应腔气体冲入管状结构，一方面降低了反应腔的整体真空度，另一方面管状结构中存在的未彻底清洗杂质中还可能破坏反应腔体的清洁度，对原子层沉积反应环境造成不利影响。因此，实践中急需一种较简易并能解决上述难题的薄膜原位椭圆偏振仪测量装置。 

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术通过设置外接管道和隔离装置的原位椭圆偏振测量装置存在的结构复杂、操作不便、不能够在一个沉积循环过程中进行 测量薄膜厚度、易影响反应腔环境等缺陷与不足，提供一种原位椭圆偏振测量装置，在薄膜反应腔的密封盖上设置供偏振光入射与反射的光路孔，可以在整个沉积过程中随时测量薄膜厚度，并且光路孔的腔内开口与反应腔的进气口与出气口错开设置，反应腔的气体流动不易进入光路孔，从而避免在光路孔内壁沉积反应物，无需复杂的定期清洗，整个测量装置结构简单、紧凑，使用方便。 

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：一种原位椭圆偏振测量装置，包括密封盖，反应腔，起偏器、检偏器、沉积基片，所述密封盖上表面固定连接有柱状凸台，所述凸台的纵轴线与密封盖的上表面相平行，所述凸台内沿纵向设置有倾斜的入射孔和反射孔，所述入射孔和反射孔分别设在凸台的中轴线的两侧并沿中轴线相对称，所述入射孔与起偏器发出的入射光相垂直，所述反射孔与射入检偏器的反射光相垂直，所述入射孔和反射孔的一端开口设在反应腔的腔体内，另一端分别开口在凸台的两个横端面上，并且在两个横端面开口处分别固定连接有密封的透光装置，所述入射孔上和透光装置与入射光相垂直，所述反射孔的透光装置与反射光相垂直，所述反应腔的底部设有进气口和出气口，所述进气口和出气口在反应腔顶部的对应位置分别位于入射孔和反射孔在反应腔的腔内开口处的外侧。