有關(guān)超聲波晶片測(cè)溫中的薄膜效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

溫度是半導(dǎo)體加工中需要監(jiān)測(cè)和控制的關(guān)鍵參數(shù)。我們使用了一種超聲波技術(shù)，其中利用硅片中最低階反對(duì)稱(chēng)蘭姆波速度的溫度依賴(lài)性在20-1OO中進(jìn)行原位溫度測(cè)量“C范圍。在幾乎所有的晶圓加工步驟中，晶圓上都有一層或多層薄膜。從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了這些薄膜對(duì)溫度靈敏度的影響。使用表面阻抗方法建立了蘭姆波在一般多層板中傳播的理論模型。該模型用于計(jì)算各向異性和薄膜對(duì)半導(dǎo)體晶片溫度系數(shù)的影響。計(jì)算預(yù)測(cè)，各向異性為23%的10cm（100）硅片的靈敏度為2.38E-5（1/“C）。砷化鎵的靈敏度為2.2E-5（1/2”C）和8.7%。半導(dǎo)體加工中常用的各種材料都考慮了薄膜效應(yīng)。薄膜材料的密度和剪切彈性常數(shù)被發(fā)現(xiàn)是確定靈敏度數(shù)字的有效參數(shù)。與頻率相關(guān)的靈敏度計(jì)算表明，通過(guò)在溫度測(cè)量中分別選擇1.6MHz-mni和3.3MHz-mm左右的頻率厚度乘積，可以最大限度地減少鋁和二氧化硅對(duì)硅片的影響。使用一個(gè)簡(jiǎn)單的傳播模型，還計(jì)算了飛行時(shí)間靈敏度，并觀(guān)察到與快速熱處理器獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常一致。

超聲波晶片測(cè)溫法作為一種新的方法已經(jīng)在早期引入，具有一定的優(yōu)勢(shì)？超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)。超聲波測(cè)溫原理圖如圖1所示。最低階反對(duì)稱(chēng)蘭姆波（A0模式）由結(jié)合到石英支撐引腳的PZT-5H換能器產(chǎn)生和檢測(cè)。石英支撐引腳用于引導(dǎo)延伸波，該延伸波在石英引腳-晶片界面處形成的赫茲接觸處耦合到晶片中的A0模式。石英針的尖端是圓形和拋光的，以具有可重復(fù)的接觸。從飛行時(shí)間測(cè)量推斷出沿著連接發(fā)射器和接收器的路徑的平均晶片溫度。使用精確的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器，測(cè)量來(lái)自發(fā)射器尖端的回波信號(hào)中的過(guò)零點(diǎn)和接收信號(hào)中的特定過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間延遲。由于A0模式的速度通過(guò)晶片材料的彈性常數(shù)取決于溫度，因此可以在許多不同的半導(dǎo)體處理步驟期間使用時(shí)間延遲來(lái)原位測(cè)量溫度。

與高溫計(jì)或橢圓偏振法等光學(xué)技術(shù)相比，超聲波測(cè)溫的主要優(yōu)點(diǎn)之一是超聲波對(duì)晶片上的薄膜不太敏感。這是一個(gè)重要的特性，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)半導(dǎo)體工藝過(guò)程中，不同種類(lèi)的薄膜存在或生長(zhǎng)在晶片上。使用高溫計(jì)的技術(shù)在很大程度上取決于發(fā)射率，而發(fā)射率是晶片上薄膜的一個(gè)強(qiáng)大函數(shù)。橢圓計(jì)只能與晶片上的透明薄膜一起使用，因此不適合使用金屬薄膜進(jìn)行測(cè)量。本文的目的是研究薄膜和半導(dǎo)體晶片的各向異性對(duì)iltrasonic測(cè)溫的影響。提出了一種利用表面阻抗法計(jì)算蘭姆波在各向異性層合板中傳播的理論方法。使用該模型的計(jì)算用于預(yù)測(cè)在晶片上存在各種薄膜的情況下超聲波測(cè)溫的溫度靈敏度。還討論了靈敏度圖的頻率相關(guān)性，并將其用于最小化薄膜的影響。然后將結(jié)果與在快速熱處理器中獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

當(dāng)一個(gè)或多個(gè)薄層沉積在相對(duì)較厚的板的表面上時(shí)。蘭姆波的相速度取決于層和板的材料特性?？梢岳眠@種靈敏度來(lái)測(cè)量薄膜的厚度和特性。上一節(jié)中描述的算法用于計(jì)算半導(dǎo)體工藝中使用的常見(jiàn)薄膜結(jié)構(gòu)的A0模式的相速度。圖圖6顯示了不同類(lèi)型薄膜在200kHz下0.5mm（100）硅片中A0模式隨薄膜厚度的相速度變化。在這個(gè)膜厚度范圍內(nèi)，變化是線(xiàn)性的，因?yàn)槟な枪璋迳系囊粋€(gè)小擾動(dòng)。對(duì)于密度接近硅且剪切常數(shù)c較低的鋁和二氧化硅，相速度隨膜厚度呈正斜率。對(duì)于比硅更硬的氮化硅，斜率為2.Xm/sec/pm，表明硬化效應(yīng)。在銅的情況下，由于高密度引起的負(fù)載，變化具有-0.6m/sec/pm的斜率。結(jié)果表明，在該范圍內(nèi)，薄膜的相對(duì)密度和剪切彈性常數(shù)cq4主導(dǎo)了相速度的變化。這可歸因于A0模式的剪切性質(zhì)，其主要是彎曲波。

提出了一種基于ttic表面irnpedilnce概念的理論模型，用于研究一般各向異性層狀板中的htigatc-Lanib波傳播。該模型用于計(jì)算溫度的影響。薄膜及其對(duì)相速度的冷影響。研究結(jié)果表明，對(duì)于sonle薄膜材料wch為二氧化硅和alunnlyl。通過(guò)對(duì)溫度測(cè)量頻率的特定選擇，可以使相速度靈敏度最小化。對(duì)于涉及100-200A厚度量級(jí)的非常薄的細(xì)絲的工藝，對(duì)于溫度在+I“C范圍內(nèi)的溫度，I'iInis的總體影響可以忽略。通過(guò)超聲測(cè)溫系統(tǒng)的一個(gè)簡(jiǎn)單模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了高精度的預(yù)測(cè)。有可能將這些結(jié)果擴(kuò)展到更廣泛的應(yīng)用超聲溫度測(cè)量問(wèn)題，如溫度層析成像。

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審核編輯 黃宇