光譜檢測基板的製作方法
2023-06-24 21:21:21
本實用新型涉及半導體製造技術領域，特別涉及一種光譜檢測。
背景技術：
在半導體器件的製造過程中，通常要對工藝腔體的狀況進行定期的監控及檢測，以對所述工藝腔體的狀況進行評估，確保半導體器件的工藝穩定性。例如，在刻蝕工藝中，通常需於工藝腔體中通入特定的蝕刻氣體以執行刻蝕過程，而在此過程中，所述工藝腔體中的氣體環境(即，刻蝕氣體的分布)相應的會對刻蝕工藝造成影響，因此，為使整個基板的刻蝕均勻性達到製程需求，需確保所述工藝腔體中的刻蝕氣體分別均勻。
為此，現有的技術中，通常採用一光譜檢測基板檢測其所在的腔體中的氣體環境，即，通過光譜檢測進而確認其所在區域的氣體成分及氣體濃度。現有的光譜檢測基板上通常設置有檢測單元，所述檢測單元內嵌於基板中，其製造工藝較為複雜，成本較高。並且，內嵌於所述基板中的檢測單元的個數通常較少，其於基板上的分布稀疏，因此僅能檢測個別區域中的氣體環境，而不能完全反映整個工藝腔體的狀況。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種光譜檢測基板，以解決現有的光譜檢測基板製造工藝複雜、成本較高，且無法完全反映整個檢測環境的狀況的問題。
為解決上述技術問題，本實用新型提供一光譜檢測基板，包括形成於一基底上的至少一個光譜檢測單元，所述光譜檢測單元包括：
一用於使光波沿特定方向傳播的波導，所述波導形成於所述基底的表面上；
一用於使特定波長的光波與所述波導耦合的選模耦合器，所述選模耦合器位於所述波導的輸入端；
一用於感應從所述波導中輸出的光波強度的感應器，所述感應器與所述波導的輸出端相對設置。
可選的，所述波導為條形波導。
可選的，所述波導包括一形成於所述基底上的介質膜，所述介質膜限制所述光波的傳播方向。
可選的，所述介質膜的折射率大於所述基底的折射率。
可選的，所述介質膜為磷化銦介質膜、銻化鎵介質膜、砷化鎵介質膜、磷砷化鎵銦介質膜、銦砷化鎵介質膜或矽摻雜氮化鎵介質膜中的一種或多種。
可選的，所述基底為矽基底。
可選的，所述選模耦合器為分布反饋雷射器。
可選的，所述分布反饋雷射器包括形成於所述波導的輸入端上的布喇格光柵。
可選的，所述光譜檢測基板還包括一用於改變光波的輸出方向的輸出耦合器，所述輸出耦合器形成於所述波導的輸出端並與所述感應器相對設置。
可選的，所述輸出耦合器為八木天線。
可選的，所述八木天線包括：一激勵振子、一位於所述激勵振子一側的反射振子以及一位於所述激勵振子另一側的引向振子，所述激勵振子、反射振子以及引向振子均形成於所述波導的上方。
可選的，所述反射振子、所述激勵振子以及所述引向振子沿著所述波導的延伸方向排列。
可選的，所述反射振子和所述引向振子均為條狀結構。
可選的，所述激勵振子包括一形成于波導上的金屬層以及一橫跨所述金屬層的介質層。
可選的，所述金屬層為條狀結構，其長度方向與所述波導的延伸方向平行，所述介質層於所述金屬層的短邊方向橫跨所述金屬層並延伸出，延伸出的介質層與所述波導接觸。
可選的，所述反射振子、引向振子和所述激勵振子中的介質層的材料均磷化銦、銻化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵銦、銦砷化鎵或矽摻雜氮化鎵中的一種或多種。
可選的，所述金屬層的材料為金。
可選的，所述光譜檢測基板還包括一用於保護所述感應器和耦合輸出器的保護層，所述保護層覆蓋於所述感應器和所述耦合輸出器上。
可選的，所述保護層的材料為藍寶石。
本實用新型提供的光譜檢測基板中，可採用平面工藝直接於基底上形成光譜檢測單元，其製造工藝更為簡單，能夠有效節省成本。並且，在實際的應用過程中，可根據需求於基底上形成多個光譜檢測單元，從而對待測腔體的各個區域均能夠檢測到，進而所獲得的檢測結果可更為全面的反映出待測腔體的實際狀況。此外，在需針對不同的元素進行檢測時，可直接調整光譜檢測單元中各個組成的形成參數，進而可形成對應於不同元素的光譜檢測單元，實現多種元素的檢測。
進一步的，所述波導以及其他的耦合器件可採用具有Ⅲ‐Ⅴ族元素的材料製成，以有效提高光學轉化耦合的效率，進而使所形成的光譜檢測基板具有很高的檢測靈敏度。
附圖說明
圖1為本實用新型一實施例中的光譜檢測基板的結構示意圖；
圖2為本實用新型一實施例中的光譜檢測基板的光譜檢測單元的結構示意圖；
圖3為本實用新型一實施例中的光譜檢測基板的耦合輸出器的結構示意圖；
圖4a‐4d為本實用新型一實施例中的光譜檢測基板在形成過程中的結構示意圖。
具體實施方式
如背景技術所述，現有的光譜檢測基板由於其製造工藝較為複雜，若購買現有的光譜檢測基板，則需花費較高的成本。並且，現有的光譜檢測基板中的檢測單元數量較小，其僅能檢測出部分區域中的環境狀況，而不能夠反映出整個工藝腔體的狀況，進而也無法確保工藝的穩定性。
為此，本實用新型提供了一種光譜檢測基板，包括形成於一基底上的至少一個光譜檢測單元，所述光譜檢測單元包括：
一用於使光波沿特定方向傳播的波導，所述波導形成於所述基底的表面上；
一用於使特定波長的光波與所述波導耦合的選模耦合器，所述選模耦合器位於所述波導的輸入端；
一用於感應從所述波導中輸出的光波強度的感應器，所述感應器與所述波導的輸出端相對設置。
本實用新型提供的光譜檢測基板中，直接在基底的表面上形成光譜檢測單元，其製造工藝簡單，大大節省成本。並且可根據實際需求，於所述基底上形成相應數量的光譜檢測單元，大大增加了光譜檢測單元的分布區域，進而可更為全面的反映出工藝腔體的實際狀況。
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型提出的光譜檢測基板作進一步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本實用新型的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本實用新型實施例的目的。
圖1為本實用新型一實施例中的光譜檢測基板的結構示意圖。如圖1所示，所述光譜檢測基板包括形成於一基底100上的至少一個光譜檢測單元200。本實施例中，所述光譜檢測基板上形成有5個所述光譜檢測單元200，並將5個光譜檢測單元200均勻分布於所述光譜檢測基板上，從而可用於分別檢測作用於所述光譜檢測基板上的對應的5個區域的環境狀況，進而可根據檢測結構確認量產中的基板的工藝穩定性。
圖2為本實用新型一實施例中的光譜檢測基板的光譜檢測單元的結構示意圖，結合圖1及圖2所示，所述光譜檢測單元200包括：
一用於使光波沿特定方向傳播的波導210，所述波導210形成於所述基底100的表面上；
一用於使特定波長的光波與所述波導210耦合的選模耦合器220，所述選模耦合器220位於所述波導210的輸入端；
一用於感應從所述波導210中輸出的光波強度的感應器230，所述感應器230與所述波導210的輸出端相對設置。
由於不同元素對應的不同的特徵譜線，因此，通過檢測是否存在有待檢測元素的特定波長以確認是否存在有所述待檢測元素，並且還可通過對特定波長的光波強度進行檢測，從而可獲知所述待檢測元素的濃度。
進一步的，所述波導210為條形波導。本實施例中，所述波導210包括形成於所述基底上的一介質膜211，所述介質膜限制所述光波的傳播方向。即，通過所述基底100、介質膜211以及位於介質膜211周邊的氣體環境，使光波可局限在所述介質膜211中，並沿所述介質膜211的延伸方向傳播。具體的說，所述基底100為矽基底，所述介質膜211的材料為具有Ⅲ‐Ⅴ族元素的材料。由於Ⅲ‐Ⅴ族元素材料的折射率n2大於矽的折射率n1和氣體環境的折射率n3，因此可使光波局限於所述介質膜211中並沿其延伸方向傳播。並且，Ⅲ‐Ⅴ族元素材料本身是具有直接能隙(direct bandgap)，因此，採用具有Ⅲ‐Ⅴ族元素的材料形成所述波導，可有效提高光學轉化耦合的效率，進而可形成高檢測靈敏度的光譜檢測基板檢。可選的，所述介質膜211的材料可以為磷化銦(InP)、銻化鎵(GaSb)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵銦(InGaAsP)、銦砷化鎵(InGaAs)或矽摻雜氮化鎵(GaN/Si)中的一種或多種。其中，可通過改變所述基介質膜211的材料以實現對不同波長的光波進行傳導，或者通過改變多種混合材料中各組分的組成以調整所述波導可傳導的波長範圍。
繼續參考圖2所示，所述選模耦合器220可以採用分布反饋雷射器，所述分布反饋雷射器，主要通過布喇格光柵221(Bragg grating)實現光的反饋。所述分布反饋雷射器具有很好的波長選擇性能，因此，通過所述分布反饋雷射器可實現對特定範圍內波長的光波進行選取，進而可檢測出特定波長所對應的元素的濃度等。具體的，所述分布反饋雷射器中的布喇格光柵221形成於所述波導210的輸入端上。本實施例中，所述布喇格光柵221為直接對所述介質膜211的一端執行光刻和蝕刻工藝以獲得若干溝槽形成。即，本實施例中，直接將布喇格光柵形成於所述介質膜211上，使最終所形成的光譜檢測單元的結構更為緊湊，並且，這種形成方式不需要再額外增加與波導210的耦合對準過程。其中，所述溝槽寬度可根據需檢測的光波波長而相應的設定，即，可通過調整所述布喇格光柵221中的溝槽寬度以對不同波長的光波進行選取，進而實現對不同元素的檢測。
進一步的，所述光譜檢測基板還包括一用於改變光波的輸出方向的輸出耦合器240，所述輸出耦合器240位於所述形成於所述波導210的輸出端，並與所述感應器230的位置相對，從而可使所述感應器230接收到輸出的光波，以對其進行檢測。具體的，所述輸出耦合器240可使波導210中的光波以特定方向耦合輸出，從而使位於特定方向上的感應器230可接收到輸出的光波。
本實施例中，採用八木天線(Yagi‐Uda Antenna)240使波導210中的光波耦合輸出。圖3為本實用新型一實施例中的光譜檢測基板的耦合輸出器的結構示意圖，結合圖2和圖3所示，所述八木天線240形成於所述波導210的一端上，其包括：一反射振子241、一激勵振子242以及一引向振子243，所述反射振子241、激勵振子242以及引向振子243均形成於所述波導210的上方，其中，所述反射振子241位於所述激勵振子242的一側，所述引向振子243位於所述激勵振子的另一側。較佳的，所述反射振子241、所述激勵振子242以及所述引向振子243沿著所述波導210的延伸方向排列。
重點參考圖3所示，所述激勵振子242為一拱形結構，其包括一形成于波導210上的金屬層242a以及一橫跨所述金屬層242a上的介質層242b。具體的，所述金屬層242a為條狀結構，其長度方向與所述波導210的延伸方向平行，所述介質層242b於所述金屬層242a的短邊方向橫跨所述金屬層242a並延伸出，延伸出的部分介質層242b與所述波導210接觸，進而形成拱形結構的激勵振子。即，本實施例中，通過將金屬耦合入天線中，可有效提高所述八木天線的偶數輸出率。進一步的，所述反射振子241和所述引向振子243也可以為條狀結構，並且所述反射振子241、引向振子243和所述激勵振子242中的介質層242b為平行設置。其中，所述激勵振子242中的介質層242b的長度大於所述反射器241的長度，所述反射器241的長度大於所述引向器243的長度。更進一步的，所述反射振子241、引向振子243和所述激勵振子242中的介質層242b可採用同一材料製成，優選為包含有Ⅲ‐Ⅴ族元素的材料製成，如上所述，由於Ⅲ‐Ⅴ族元素材料為直接能隙材料，因此可使光學轉化耦合的效率大大提高。其中，所述反射振子241、引向振子243和所述激勵振子242中的介質層242b的材料例如為磷化銦(InP)、銻化鎵(GaSb)、砷化鎵(GaAs)、磷砷化鎵銦(InGaAsP)、銦砷化鎵(InGaAs)或矽摻雜氮化鎵(GaN/Si)中的一種或多種；所述金屬層242a的材料優選為金(Au)。
繼續參考圖2所示，本實施例中，所述輸出耦合器240位於所述波導210的上方，進而可使波導210中的光波沿豎直方向從所述波導210的上方輸出，相應的，所述感應器230設置於所述輸出耦合器240的上方，從而可接收到從所述輸出耦合器240中輸出的光波，以對其進行檢測。其中，所述感應器230可採用現有的感應器，此時不做贅述。
在優選的方案中，所述光譜檢測基板還包括一覆蓋於所述感應器230和耦合輸出器240上的保護層250，用於避免所述感應器230和偶數輸出器240產生脫離或損壞的問題。具體的，所述保護層250的材料優選為藍寶石，其原因在於，藍寶石的具有較好的透明度，同時也是目前地球上最為堅硬的物質之一，因此，採用藍寶石作為保護層不僅能夠有效保護感應器230和偶數輸出器240不受損傷，並且還不會對光波的傳輸造成影響。
為使本領域技術人員能夠進一步了解對本實用新型提供的光譜檢測基板，下面對所述光譜檢測基板的形成方法進行詳細描述。圖4a‐4d為本實用新型一實施例中的光譜檢測基板的形成方法的步驟示意圖。以下結合圖4a‐4d所示，對所述光譜檢測基板的形成方法進行描述。
首先，提供一基板，所述基板例如為矽片。
接著，於所述基板的基底上形成光譜檢測單元中的波導。具體參考圖4a所示，於所述基底100上形成一介質膜211，所述介質膜211可通過化學氣相沉積工藝並結合光刻及蝕刻工藝形成。本實施例中，所述介質膜211為條狀結構以形成條形波導。
接著，於所述介質膜上形成光譜檢測單元中的選模耦合器，本實施例中，所述選模耦合器為分布反饋雷射器。具體參考圖4b所示，對所述介質膜211的一端執行光刻及蝕刻工藝以形成若干個溝槽，進而構成一布喇格光柵221，即，通過所述布喇格光柵221選取待檢測的光波，並可將待檢測的光波耦合入波導中。
接著，於所述介質膜上形成輸出耦合器，本實施例中，所述輸出耦合器為八木天線。具體參考圖4c所示，於所述介質膜211的另一端上形成一金屬層242a，以及於所述金屬層242a的上形成一介質層242b，同時於所述金屬層242a的兩側也均形成一介質層，其中，所述金屬層242a和位於所述金屬層242a上的介質層242b構成拱形的激勵振子，位於所述金屬層242a兩側的介質層分別形成反射振子241和引向振子243。
接著，參考圖4d所示，在與所述輸出耦合器相對的位置上安裝一用於感應光波強度的感應器230，以及於所述感應器230和所述輸出耦合器240上覆蓋一保護層250，所述保護層250可有效避免所述感應器230和所述輸出耦合器240出現脫落或損壞的風險。進一步的，所述保護層250的材料為藍寶石。
此外，需說明的是，在針對不同的待測元素進行檢測時，由於不同的元素所對應的光譜不同，因此需採用與其相適應的光譜檢測單元。其中，相適應的光譜檢測單元通常是指：所述光譜檢測單元的選模耦合器可選取特定波長的光波；根據特定波長的光波採用對應的輸出耦合器。本實施例中，所述選模耦合器為分布反饋雷射器，因此可通過調整布喇格光柵中溝槽的寬度或深度等，以滿足對不同波長的光波進行選取的目的。所述八木天線中，可通過調整激勵陣子、反射陣子以及引向陣子之間的間距，進而實現對不同波長的光波耦合輸出的目的。
本實用新型提供的光譜檢測基板中，直接於基底上形成光譜檢測單元，其製造工藝更為簡單，可有效節省成本。並且，在實際的應用過程中，可根據需求於基底上形成多個光譜檢測單元，從而對待測腔體的各個區域均能夠檢測到，進而所獲得的檢測結果可更為全面的反映出待測腔體的實際狀況。
上述描述僅是對本實用新型較佳實施例的描述，並非對本實用新型範圍的任何限定，本實用新型領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬於權利要求書的保護範圍。