一種原位光學檢測裝置製造方法

2023-08-07 07:41:16 1

一種原位光學檢測裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開一種原位光學檢測裝置，應用於原子層沉積設備，包括光學測試系統和光學鏡頭配套組件，光學測試系統設置在原子層沉積設備的反應腔室外部，光學鏡頭配套組件包括鏡頭腔和設置在鏡頭腔內的光學鏡頭、轉角組件和光學鏡頭延長管，轉角組件兩端分別連接光學鏡頭和光學鏡頭延長管；光學測試系統通過光學組件與光學鏡頭延長管連接，形成測試光路；鏡頭腔通過第一法蘭組件固定在反應腔室的側壁上。本發明可進行光學無損檢測，並且可以在光學原位檢測的輔佐下控制薄膜初始生長階段的模式。同時，在原子層沉積系統中，可進一步的設計和開發新的人工改性半導體材料，為各種高質量、具有特異性能的二維薄膜的製備，提供有力的理論及實驗基礎。
【專利說明】一種原位光學檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及原子層沉積【技術領域】，具體涉及一種原位光學檢測裝置。
【背景技術】
[0002]高質量薄膜材料的製備是研究物性和探索應用的前提和基礎。原子層沉積(ALD)技術是目前最先進的薄膜沉積技術之一，其獨特的沉積方式(單原子逐層沉積)使得製備的薄膜在均一性、粗糙度等性能方面有了很大的改進，除生長速率較低外，其餘方面都優於其他沉積方式。原子層沉積(ALD)可簡單精確的實現原子層厚度控制，還能實現對薄膜缺陷、摻雜的精確控制，進而控制薄膜的能帶。隨著微電子技術的發展，對材料的需求降為納米量級，同時器件的深高寬比需求，使得ALD優勢日益凸顯。
[0003]另一方面，檢測與控制是設備研發體系中的眼睛和雙手，已成為材料科學研究中必備的技術基礎和能力。然而ALD的反應機理、特別是在成膜初期的薄膜與襯底及層間吸附反應的作用機理及反應動力學，因缺乏合適的原位檢測技術一直存在未曾探索的空白。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在於提供一種原位光學檢測裝置，可在ALD系統薄膜生長進程中實時進行原位光學檢測。
[0005]為了達到上述目的，本發明採用的技術方案為:
[0006]一種原位光學檢測裝置，應用於原子層沉積設備，包括光學測試系統和光學鏡頭配套組件，所述光學測試系統設置在原子層沉積設備的反應腔室外部，所述光學鏡頭配套組件包括鏡頭腔和設置在所述鏡頭腔內的光學鏡頭、轉角組件和光學鏡頭延長管，所述轉角組件兩端分別連接所述光學鏡頭和所述光學鏡頭延長管；所述光學測試系統通過光學組件與所述光學鏡頭延長管連接，形成測試光路；所述鏡頭腔通過第一法蘭組件固定在所述反應腔室的側壁上。
[0007]上述方案中，所述光學鏡頭為高精度長焦鏡頭。
[0008]上述方案中，所述光學鏡頭配套組件還包括波紋管和伸縮組件，所述波紋管設置在所述鏡頭腔和所述第一法蘭組件之間，所述伸縮組件設置在所述光學鏡頭延長管的外端，所述波紋管在所述伸縮組件進行伸縮位移時對應進行同步伸縮。
[0009]上述方案中，所述光學鏡頭配套組件還包括鏡頭保護閥，所述鏡頭保護閥通過第二法蘭固定在所述鏡頭腔上。
[0010]上述方案中，所述光學測試系統包括光源、收集系統、分光系統和檢測系統；所述光源，用於發出入射光信號；所述收集系統，用於將所述入射光信號入射至待測樣品表面，之後所述待測樣品表面發出散射信號、折射型號、反射信號等多種待測信號；所述分光系統，用於濾除所述待測信號中的幹擾光學信息；所述檢測系統，用於對捕獲的待測信號進行檢測。
[0011 ] 上述方案中，所述原位光學檢測裝置還包括光學平臺，用於放置光學測試系統。[0012]上述方案中，所述原位光學檢測裝置所用的檢測方法為拉曼、光致發光光譜、角分辨光電子能譜的檢測方法。
[0013]上述方案中,所述光學組件為光纖。
[0014]與現有技術方案相比，本發明採用的技術方案產生的有益效果如下:
[0015]使用本發明進行原位光學檢測時，與待測樣品非直接接觸，可進行光學無損檢測。並且通過本發明，可以在光學原位檢測的輔佐下控制薄膜生長特別初始生長階段的模式，以此明確ALD生長過程中的物理化學過程和成膜機理。同時，在原子層沉積系統中，可進一步的設計和開發新的人工改性半導體材料，為各種高質量、具有特異性能的二維薄膜的製備，提供有力的理論及實驗基礎。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例提供的原位光學檢測裝置的結構示意圖；
[0017]圖2為本發明實施例中光學測試系統的原位光學檢測的光路示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實施例對本發明技術方案進行詳細描述。
[0019]如圖1所示，本實施例提供一種原位光學檢測裝置，應用於原子層沉積設備，包括光學測試系統12和光學鏡頭配套組件，光學測試系統12設置在原子層沉積設備的反應腔室2外部，光學鏡頭配套組件包括鏡頭腔7和設置在鏡頭腔的光學鏡頭8、轉角組件3和光學鏡頭延長管10，轉角組件3兩端分別連接光學鏡頭8和光學鏡頭延長管10 ;鏡頭腔7通過第一法蘭組件11固定在反應腔室2的側壁上。光學測試系統12通過光學組件與光學鏡頭延長管10連接，形成測試光路；其中，光學鏡頭為高精度長焦鏡頭，可在ALD反應腔室內為非接觸無損光學檢測留有足夠的工作空間；轉角組件3和光學鏡頭延長管10，用於檢測光路深入反應腔室內部，對反應腔室中央的待測樣品表面薄膜進行光學檢測，並且並可避免信號幹擾、光路改變造成的表面光學信號收集效率的降低；光學組件為光纖等。
[0020]本實施例中，所述光學鏡頭配套組件還包括波紋管9和伸縮組件13，波紋管9設置在鏡頭腔7和第一法蘭組件11之間，伸縮組件13設置在光學鏡頭延長管10的外端，波紋管9在伸縮組件13進行伸縮位移時對應進行同步伸縮。波紋管9和伸縮組件13可在對待測樣品檢測時，沿圖1中的測試軌跡6進行多點逐點檢測，用以獲得樣品周邊和中心的均勻性信息。
[0021]本實施例中，所述光學鏡頭配套組件還包括鏡頭保護閥4，鏡頭保護閥4通過第二法蘭15固定在鏡頭腔7上。鏡頭保護閥4為可開關光學鏡頭保護閥，用以保證光學鏡頭配套組件在與ALD反應腔室2配套過程中反應腔室的真空度，以及防止反應腔室2內的沉積殘餘附加產物對光學鏡頭8的沾汙和汙染。
[0022]本實施例中，所述光學測試系統12包括光源、收集系統、分光系統和檢測系統；所述光源，用於發出入射光信號；所述收集系統，用於將入射光信號入射至待測樣品5表面，之後所述待測樣品5表面發出散射信號、折射型號、反射信號等多種待測信號；所述分光系統，用於濾除所述待測信號中的幹擾光學信息；所述檢測系統，用於對捕獲的待測信號進行檢測。其中檢測所用光源常用能量集中、功率密度高的雷射；收集系統由透鏡組構成；分光系統採用光柵或陷波濾光片結合光柵以濾除瑞利散射和雜散光等幹擾光學信息，並包括以及分光功能；檢測系統採用光電倍增管檢測器、半導體陣列檢測器或多通道的電荷耦合器件(CCD)等光學檢測組件。光學測試系統12的原位光學檢測的光路示意圖如圖2所示，其中光源121發出入射光信號122，經過光學鏡頭延長管10和轉角組件3中的濾光片123(即收集系統中的透鏡組)入射至待測樣品5表面，之後待測樣品5表面發出透射光、反射光、散射光等多種待測光路126，該待測光路126經由原物理光路返回，經過轉角組件3和光學鏡頭延長管10中的濾光片123和光柵124等分光系統後，由電荷耦合器件127捕獲，獲得測試信號。
[0023]本實施例中，所述原位光學檢測裝置還包括光學平臺14，用於放置光學測試系統12。光學平臺14具有氣浮臺等防抖功能，可保證光學測試中的振動幹擾。
[0024]本實施例中，所述原位光學檢測裝置所用的檢測方法為拉曼(Raman)、光致發光光譜(PD、角分辨光電子能譜(ARPES)的檢測方法。拉曼(Raman)光學檢測，研究成膜過程中的晶格及分子的振動模式、旋轉模式和這一系統裡的其他低頻模式，以此獲取ALD系統成膜機理信息。原位光致發光光譜(PL)是一種探測材料電子結構的方法，用於ALD製備薄膜材料的帶隙檢測、雜質等級和缺陷檢測、複合機制等性能的檢測。角分辨光電子能譜(ARPES)檢測費米能級拓撲表面態，對用ALD生長人為設計晶格結構薄膜的能帶結構進行觀測和控制。
[0025]以拉曼(Raman)原位光學檢測為例,拉曼(Raman)原位光學檢測可在配備的系統中進行如下原位檢測:
[0026](I)由設置在光學測試系統12中的光源121發出紅外、紫外、可見光等入射光信號122 ；
[0027](2)該入射光信號122經由光纖及鏡頭腔7內的光學鏡頭延長管10、經由轉角組件3進行改變光路方向、再經由光學鏡頭8等光路組件組成的光路系統，入射至待測樣品5表面；
[0028](3)之後待測樣品5表面發出散射光信號126，該散射光信號由鏡頭腔7內的光學鏡頭8、轉角組件3和光學鏡頭延長管10原光路返回部分，經由光學測試系統12中的光電倍增管檢測器、半導體陣列檢測器或多通道的電荷耦合器件127等光學檢測組件捕獲，獲得檢測信號。
[0029]本發明在原子層沉積系統中配備光學平臺，光學測試系統，光學鏡頭配套組件等用於光學檢測的組件，可在ALD系統中進行薄膜沉積時，進行拉曼(Raman)等原位光學檢測，由此獲得ALD的反應機理信息，特別是在成膜初期的薄膜與襯底及層間吸附反應的作用機理及反應動力學信息，為各種高質量、具有特異性能的ALD薄膜材料的製備，提供有力的理論及實驗基礎。將本發明實施例提供的檢測裝置應用在原子層沉積系統時，製備薄膜的步驟如下:
[0030](I)將襯底進行表面活化處理後放置入ALD反應腔室加熱盤上並關閉反應腔室2，調製ALD反應真空及溫度條件之後開始薄膜沉積反應；
[0031](2)將第一種前驅體源從進氣口 I通入反應腔室2，第一種前驅體源吸附於襯底後，開始第一次沉積；
[0032](3)吹掃反應腔室至反應腔室恢復本底真空；[0033](4)將第二種前驅體源通入反應腔室，第二種前驅體源吸附於襯底後，開始第二次沉積；
[0034](5)吹掃反應腔室至反應腔室恢復本底真空；
[0035](6)進行原位光學檢測；
[0036](7)調整沉積物表面反應活性至第一次通入前驅體源之前；
[0037](8)循環重複步驟(2)至步驟(7)。
[0038]在循環次數達到預定光學測試檔期時，選取該步驟中的一個光學測試檔期進行原位拉曼測試，其中達到的循環次數為I次至200次。其中，測試光源採用波長IOOnm至700nm的雷射光源，入射至待測樣品後，原光路獲取散射光學信號，通過檢測系統採集拉曼光譜信息，以此獲取ALD系統成膜機理信息。
[0039]本發明實施例提供的檢測裝置應用在原子層沉積系統時，製備薄膜還可以採用如下步驟:
[0040](I)將襯底進行表面活化處理後放置入ALD反應腔室加熱盤上關閉反應腔室2，調製ALD反應真空及溫度條件之後開始薄膜沉積反應；
[0041](2)將第一種前驅體源從進氣口 I通入反應腔室2，第一種前驅體源吸附於襯底後，開始第一次沉積；
[0042](3)吹掃反應腔室至反應腔室恢復本底真空；
[0043](4)進行原位光學檢測；
[0044](5)將第二種前驅體源通入反應腔室，第二種前驅體源吸附於襯底後，開始第二次沉積；
[0045](6)吹掃反應腔室至反應腔室恢復本底真空；
[0046](7)調整沉積物表面反應活性至第一次通入前驅體源之前；
[0047](8)循環重複步驟(2)至步驟(7)。
[0048]在循環次數達到預定光學測試檔期時，選取該步驟中的一個光學測試檔期進行原位拉曼測試，其中達到的循環次數為I次至200次。其中，測試光源採用波長IOOnm至700nm的雷射光源，入射至待測樣品後，原光路獲取散射光學信號，通過檢測系統採集拉曼光譜信息，以此獲取ALD系統成膜機理信息。
[0049]本發明能夠在ALD系統薄膜生長進程中，通過拉曼(Raman)、光致發光光譜(PL)、角分辨光電子能譜(ARPES)等光學檢測實時原位監測。光學檢測與待測樣品非直接接觸，可進行光學無損檢測。並且通過本發明可以在光學原位檢測的輔佐下控制薄膜生長特別初始生長階段的模式，以此明確ALD生長過程中的物理化學過程和成膜機理。同時，在該原位光學檢測原子層沉積系統中，可進一步的設計和開發新的人工改性半導體材料，為各種高質量、具有特異性能的二維薄膜的製備，提供有力的理論及實驗基礎。
[0050]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種原位光學檢測裝置，應用於原子層沉積設備，其特徵在於:包括光學測試系統和光學鏡頭配套組件，所述光學測試系統設置在原子層沉積設備的反應腔室外部，所述光學鏡頭配套組件包括鏡頭腔和設置在所述鏡頭腔內的光學鏡頭、轉角組件和光學鏡頭延長管，所述轉角組件兩端分別連接所述光學鏡頭和所述光學鏡頭延長管；所述光學測試系統通過光學組件與所述光學鏡頭延長管連接，形成測試光路；所述鏡頭腔通過第一法蘭組件固定在所述反應腔室的側壁上。
2.如權利要求1所述的原位光學檢測裝置，其特徵在於:所述光學鏡頭為高精度長焦鏡頭。
3.如權利要求1所述的原位光學檢測裝置，其特徵在於:所述光學鏡頭配套組件還包括波紋管和伸縮組件，所述波紋管設置在所述鏡頭腔和所述第一法蘭組件之間，所述伸縮組件設置在所述光學鏡頭延長管的外端，所述波紋管在所述伸縮組件進行伸縮位移時對應進行同步伸縮。
4.如權利要求1所述的原位光學檢測裝置，其特徵在於:所述光學鏡頭配套組件還包括鏡頭保護閥，所述鏡頭保護閥通過第二法蘭固定在所述鏡頭腔上。
5.如權利要求1所述的原位光學檢測裝置，其特徵在於:所述光學測試系統包括光源、收集系統、分光系統和檢測系統；所述光源，用於發出入射光信號；所述收集系統，用於將入射光信號入射至待測樣品表面，之後所述待測樣品表面發出多種待測信號；所述分光系統，用於濾除所述待測信號中的幹擾光學信息；所述檢測系統，用於對捕獲的待測信號進行檢測。
6.如權利要求1所述的原位光學檢測裝置，其特徵在於:所述原位光學檢測裝置還包括光學平臺，用於放置光學測試系統。
7.如權利要求1所述的原位光學檢測裝置，其特徵在於:所述原位光學檢測裝置所用的檢測方法為拉曼、光致發光光譜、角分辨光電子能譜的檢測方法。
8.如權利要求1所述的原位光學檢測裝置，其特徵在於:所述光學組件為光纖。
【文檔編號】G01N21/63GK103868850SQ201210545135
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月14日 優先權日:2012年12月14日
【發明者】解婧, 李超波, 夏洋 申請人:中國科學院微電子研究所