圆片表面薄膜应力传感器设计

为使半导体产品达到所要求的光学、电子和机械性能,必须实时地在沉积过程中直接测量薄膜应力.介绍了一种简便的薄膜应力测量装置方案,它可进行各种单晶、多晶和非晶结构材料沉积过程的现场应力测量,灵敏度优于2.5×106 Pa,精度优于5%.该方案具有结构简单、测量速度快、适应性强等特点,可以应用于半导体集成电路生产线的薄膜生长过程控制检测.     

半导体薄膜特性实时检测的新装置

利用光学和电子学结合的方法,建立了基于多光束光学传感器和光电检测电路的检测薄膜特性装置.通过对反射光光点间距变化和光强振荡的检测,实时检测薄膜应力、厚度、生长率等常数的信息.通过理论分析,该装置厚度测量的精度优于2nm,应力的灵敏度优于5MPa,可以应用于半导体集成电路生产线的薄膜生长过程控制检测.     

薄膜应力激光测量的新装置

介绍了一种基于多光束原理的薄膜应力测试方法，通过对反射光光点间距变化的检测，可以实时得到应力的信息。其灵敏度优于2.5×106 Pa,精度优于5%。该方案具有结构简单、测量速度快、适应性强等特点,与计算机自动控制系统相结合，可以应用于生产线的薄膜生长过程控制检测。     

基于自会聚多光束阵列的薄膜应力传感器

介绍了一种通过分析二元光束阵列的反射光图像,利用Stoney方程解算出薄膜应力的在线测量传感器.传感器是以二维Dammann光栅和Fresnel波带板所组成的集成二元光学分束器为核心设计的.该传感器可进行各种单晶、多晶和非晶结构材料沉积过程的现场应力测量,灵敏度优于2.5×106Pa,精度优于4.27%.它具有结构简单、测量速度快、适应性强、设备集成度高而且易于安装调试等特点.与计算机自动控制系统相结合,可以应用于半导体集成电路生产线的薄膜生长过程控制.     

基于自会聚多光束阵列的薄膜应力传感器

介绍了一种通过分析二元光束阵列的反射光图像,利用Stoney方程解算出薄膜应力的在线测量传感器.传感器是以二维Dammann光栅和Fresnel波带板所组成的集成二元光学分束器为核心设计的.该传感器可进行各种单晶、多晶和非晶结构材料沉积过程的现场应力测量,灵敏度优于2.5×106Pa,精度优于4.27%.它具有结构简单、测量速度快、适应性强、设备集成度高而且易于安装调试等特点.与计算机自动控制系统相结合,可以应用于半导体集成电路生产线的薄膜生长过程控制     

基于局部基底弯曲法的高灵敏度薄膜应力测试技术

针对MEMS(micro-electro-mechanical system)和NEMS(nano-electro-mechanical system)对薄膜应力测试的要求,开发了一种新型高灵敏度薄膜应力测试技术,使用自行搭建的准纳米光学干涉测试系统,利用局部基底弯曲来检测薄膜的内应力.该方法不仅保留了传统基底弯曲法的所有优点,而且消除了其系统误差.使用ANSYS对测试结构进行了模拟和优化,对于30nm厚的薄膜,应力检测的分辨率为1.5MPa,优于目前国际上的相关报道.本测试结构使用各向异性腐蚀和DRIE(deep reactive ion etching)完成,加工工艺简单实用.文中使用该测试技术对常用MEMS薄膜的残余应力进行了测量,结果与其他测试方法得到的结果基本一致,测量重复性优于1%.该技术可以用于测试纳米级薄膜及超低应力薄膜的内应力.     

基于局部基底弯曲法的高灵敏度薄膜应力测试技术

针对MEMS(micro-electro-mechanical system)和NEMS(nano-electro-mechanical system)对薄膜应力测试的要求,开发了一种新型高灵敏度薄膜应力测试技术,使用自行搭建的准纳米光学干涉测试系统,利用局部基底弯曲来检测薄膜的内应力.该方法不仅保留了传统基底弯曲法的所有优点,而且消除了其系统误差.使用ANSYS对测试结构进行了模拟和优化,对于30nm厚的薄膜,应力检测的分辨率为1.5MPa,优于目前国际上的相关报道.本测试结构使用各向异性腐蚀和DRIE(deep reactive ion etching)完成,加工工艺简单实用.文中使用该测试技术对常用MEMS薄膜的残余应力进行了测量,结果与其他测试方法得到的结果基本一致,测量重复性优于1%.该技术可以用于测试纳米级薄膜及超低应力薄膜的内应力.     

双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置

为了在薄膜形成期间跟踪生长表面应力水平的演变,更加深入地探究薄膜应力的产生机理,基于光束偏转法,搭建了利用双光束照射在镀膜基底表面的实时测量光学薄膜应力的装置.装置软件系统从线阵CCD中提取双光斑位移的变化,经过多次测量验证了算法的精确度,使装置的精确度达到2.2%,可以满足光学薄膜应力测量的要求.使用此装置跟踪SiO2薄膜镀制过程,得到了应力变化曲线.结果表明,双光束实时测量薄膜应力装置具有抗干扰能力强、精度高等特点,可以为光学薄膜镀制过程中提供有效可行的原位应力测量手段.     

基于哈特曼原理的薄膜应力在线测量系统

介绍了一种基于哈特曼传感器的薄膜应力在线检测系统.哈特曼透镜阵列将待测量表面划分成若干小区域,通过测量每个小区域成像光斑的相对位置变化来获得整个测量表面的变形量,将测得的变形量代入到薄膜应力与基板表面变形的关系式中,求得薄膜应力.通过对影响光斑质心探测精度的各种因素进行分析,提出使用加阈值的一阶矩法,精确计算光斑质心,结合高灵敏度的CMOS探测器,使系统的面形测量精度达到15.7 nm,应力测量灵敏度优于3.3 MPa,实现了薄膜应力测量的高灵敏度与在线测量的统一.最后通过对TiO2,SiO2单层膜的在线测量,验证了系统的灵敏度与稳定性,能够完全满足薄膜应力分析的需要.     

Effect of Lattice Mismatch on Luminescence of ZnO/Si Hetero-Structure

研究了ZnO薄膜中应力对发光的影响.实验样品为ZnO体单晶、在Si基片上直接生长的ZnO薄膜以及通过SiC过渡层在Si基片上生长的ZnO薄膜.测量了这三种样品的X射线衍射图形、喇曼光谱和光致发光光谱.由X射线衍射图形可以看出,由于SiC过渡层缓解了ZnO与Si之间的晶格失配,使得通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的结晶质量好于直接在Si上生长的ZnO薄膜的质量.进一步通过喇曼谱测量发现,与ZnO体单晶相比,直接在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移1.9cm-1,根据喇曼谱峰位移与应力的关系可以推出薄膜中存在0.4GPa的张应力;而通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移0.9cm-1,对应着0.2GPa的张应力.对照X射线衍射图形的结果可以看出,薄膜中张应力的大小与薄膜的结晶质量密切相关,表明张应力来源于外延层和基片间的晶格失配,晶格失配越大,外延层中产生的张应力越大.有无SiC过渡层的两种薄膜样品的PL光谱中都存在紫外和绿光两种谱带,随样品热处理时氧气分压增加,两种样品都出现绿光增强的相似的变化规律,但有SiC过渡层的样品的变化幅度较小.这一结果说明,绿色发光中心与薄膜的质量,也就是与薄膜中存在的张应力大小有关.在以往研究中得出的非故意掺杂ZnO薄膜的绿色发光中心来源于氧反位缺陷(Ozn),文中研究的结果正好可以解释氧反位缺陷形成的原因.由于薄膜中存在张应力,使得样品的能量升高,其结果必然会产生缺陷来释放张应力,以便降低系统能量.而氧离子半径大于锌离子半径,氧替位锌有利于释放张应力,也就是说,在存在张应力的情况下,Ozn的形成能降低.这一结果进一步证明Si上生长的ZnO薄膜中的绿色发光中心与氧反位缺陷有关.     

应力对ZnO/Si异质结构的光致发光的影响

研究了ZnO薄膜中应力对发光的影响.实验样品为ZnO体单晶、在Si基片上直接生长的ZnO薄膜以及通过SiC过渡层在Si基片上生长的ZnO薄膜.测量了这三种样品的X射线衍射图形、喇曼光谱和光致发光光谱.由X射线衍射图形可以看出,由于SiC过渡层缓解了ZnO与Si之间的晶格失配,使得通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的结晶质量好于直接在Si上生长的ZnO薄膜的质量.进一步通过喇曼谱测量发现,与ZnO体单晶相比,直接在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移1.9cm-1,根据喇曼谱峰位移与应力的关系可以推出薄膜中存在0.4GPa的张应力;而通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移0.9cm-1,对应着0.2GPa的张应力.对照X射线衍射图形的结果可以看出,薄膜中张应力的大小与薄膜的结晶质量密切相关,表明张应力来源于外延层和基片间的晶格失配,晶格失配越大,外延层中产生的张应力越大.有无SiC过渡层的两种薄膜样品的PL光谱中都存在紫外和绿光两种谱带,随样品热处理时氧气分压增加,两种样品都出现绿光增强的相似的变化规律,但有SiC过渡层的样品的变化幅度较小.这一结果说明,绿色发光中心与薄膜的质量,也就是与薄膜中存在的张应力大小有关.在以往研究中得出的非故意掺杂ZnO薄膜的绿色发光中心来源于氧反位缺陷(Ozn),文中研究的结果正好可以解释氧反位缺陷形成的原因.由于薄膜中存在张应力,使得样品的能量升高,其结果必然会产生缺陷来释放张应力,以便降低系统能量.而氧离子半径大于锌离子半径,氧替位锌有利于释放张应力,也就是说,在存在张应力的情况下,Ozn的形成能降低.这一结果进一步证明Si上生长的ZnO薄膜中的绿色发光中心与氧反位缺陷有关.     

纳米硬度计在MEMS力学检测中的应用

纳米硬度计是一种能提供103～10-2μm尺度材料或结构微力学性能检测的先进仪器.采用纳米压痕技术,研究薄膜材料的弹性模量和硬度随压痕深度的变化规律以及薄膜厚度测量、微桥弯曲变形测量的方法.采用纳米划痕技术,研究薄膜的表面粗糙度、临界附着力和摩擦系数测量的方法.该仪器能广泛应用于MEMS的力学检测,并有望成为这一领域内的标准力学检测设备.     

XRD对ZnO 薄膜生长条件和退火工艺的优化

利用等离子体MOCVD设备在(001)蓝宝石上生长了ZnO薄膜。通过对在不同条件下生长的薄膜样品X射线衍射的测量和分析,优化了薄膜的生长条件,长出了半高宽仅为0.15°的单一取向的高质量ZnO薄膜,并发现生长过程中多次退火或掺氮在薄膜中引入了张应力,而生长结束后一次退火却引入了压应力。     

新型多晶硅薄膜热膨胀系数在线测试结构

提出了一种新型多晶硅薄膜热膨胀系数的在线测试结构.给出了热电机械耦合模型和测试方法、结构参数设计的优化方案及误差分析,并利用ANSYS软件进行模拟.该结构测量方便,独立性较高,误差较小,用电学量形式输出,对于薄膜热膨胀系数的在线检测有较高的参考价值.     

MEMS多层膜残余应力全场光学在线测试

提出了一种基于背面腐蚀的多层膜残余应力测试方法.此法可以简化测量过程,仅需要依次腐蚀基片背面的各层薄膜,用激光全场测量法测出相应的曲率半径,而无须腐蚀基片正面有用层,就可以提取各层薄膜的残余应力.模拟及实验证明,这是一种精度较高而且简单易行的薄膜残余应力在线提取方法.     

VLSI金属互连线1/f γ噪声指数与电迁移失效

对VLSI的金属互连线实施高应力下的加速寿命试验和常规应力下的噪声频谱测量,得到了金属薄膜1/f ^γ噪声的频率指数γ在电迁移演化过程中的变化规律,发现γ指数在寿命试验的某个时间点发生突变,从1.0上升到1.6以上.这种突变可以归因于电迁移诱发空洞形成过程的起点,因而是金属薄膜结构开始发生不可逆结构变化的标志.1/ f ^γ噪声指数因子可望成为金属薄膜电迁移损伤程度或寿命的一个表征参量.     

掺Pt对Si(100)上形成的NiSi薄膜应力的影响

利用在线应力测试技术表征了掺入Pt后对镍硅化物薄膜应力性质的影响.通过改变NiSi薄膜中Pt含量以及控制热处理的升温、降温速率实时测量了薄膜应力,发现在Si(100)衬底上生长的纯NiSi薄膜和纯PtSi薄膜的室温应力主要是热应力,且分别为775MPa和1.31GPa,而对于Ni1-xPtxSi合金硅化物薄膜,室温应力则随着Pt含量的增加而逐渐增大.应力随温度变化曲线的分析表明,Ni1-xPtxSi合金硅化物薄膜的应力驰豫温度随Pt含量的增加,从440℃(纯NiSi薄膜)升高到620℃(纯PtSi薄膜).应力驰豫温度的变化影响了最终室温时的应力值.     

掺Pt对Si(100)上形成的NiSi薄膜应力的影响

利用在线应力测试技术表征了掺入Pt后对镍硅化物薄膜应力性质的影响.通过改变NiSi薄膜中Pt含量以及控制热处理的升温、降温速率实时测量了薄膜应力,发现在Si(100)衬底上生长的纯NiSi薄膜和纯PtSi薄膜的室温应力主要是热应力,且分别为775MPa和1.31GPa,而对于Ni1-xPtxSi合金硅化物薄膜,室温应力则随着Pt含量的增加而逐渐增大.应力随温度变化曲线的分析表明,Ni1-xPtxSi合金硅化物薄膜的应力驰豫温度随Pt含量的增加,从440℃(纯NiSi薄膜)升高到620℃(纯PtSi薄膜).应力驰豫温度的变化影响了最终室温时的应力值.     

氮化硅薄膜的应力与性能控制

提出一种通过构建特殊的多层膜结构的方法,降低SiNx薄膜的残余应力.曲率和拉曼两种测量结果都表明,通过引入一层240 nm SiO2薄膜,可以使SiNx薄膜的残余应力从高的张应力(+358 MPa)明显地降低到低的压应力(-57 MPa).重要的是,这种应力的改变能够使薄膜在光学带隙保持不变的情况下,SiNx薄膜的折射率发生增大,取得常规方法难以达到的效果.遗憾的是,该过程同时使SiNx薄膜的杨氏模量和硬度等力学性能减弱.此外,还把相关结果与常规方法调控SiNx薄膜应力的结果相比较.证明了通过改变SiNx薄膜的应力可以调控薄膜的其它物理性能.     

氧分压对电子束蒸发TiO2薄膜残余应力的影响

采用电子束蒸发法制备了单层TiO2薄膜.控制O2流量从10 mL/min以步长10 mL/min递增至50 ml/min(标况下).利用ZYGO干涉仪测量基片镀膜前后的面型变化;采用Stoney公式计算出残余应力,分析了不同O2压下残余应力的变化.在本实验条件下,TiO2薄膜的应力随O2的增大,张应力先增大后减小;随O2压继续增大,由张应力逐渐过渡到压应力;O2压过大时,压应力减小.因此,可以通过改变O2压来控制薄膜的应力.应力的变化与薄膜的微观结构密切相关,分析了所有样品的X射线衍射(XRD)谱发现,薄膜结构均为非晶态.