一种复合结构的顶膜厚度检测装置及检测方法与流程

本发明涉及半导体，尤其涉及一种复合结构的顶膜厚度检测装置及检测方法。

背景技术：

1、第三代半导体材料是指以碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝为代表的宽禁带半导体材料，目前发展较为成熟的是碳化硅和氮化镓。与传统材料相比，第三代半导体材料更适合制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件，因此，其为基础制成的第三代半导体具备更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的导热频以及更强的抗辐射能力等诸多优势，在高温、高频、强辐射等环境下被广泛应用。

2、然而，高质量的氮化镓、碳化硅等衬底产能低，价格昂贵。低质量与高质量材料复合衬底应用而生，通过注入、键合实现了高质量材料层转移到低质量材料层的工艺，且高质量材料可重复使用，大大降低了成本。但是，存在的问题是现有的光学测量方法很难实现同阻值，同质材料的膜厚测试，也就是说复合衬底的器件层膜厚无法测试。目前半导体制造工艺中一般缺陷检测是通过缺陷检测设备中光学的原理并根据光学信号来进行对比，从而找到厚度差异情况。然而对于第三代半导体同质复合材料，变薄变厚在光学信号下几乎无差异，无法识别出同质复合材料的厚度分布情况。然而现有台阶仪方法只能检测边缘出现台阶位置处的膜厚，对于晶圆整面的膜厚也存在无法测量等问题。

3、因此，如何对第三代半导体同质复合材料的表层厚度进行检测是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种复合结构的顶膜厚度检测装置及检测方法，以实现对复合结构的顶膜厚度检测，且检测精度较高。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种复合结构的顶膜厚度检测装置，包括：电极、光源、电压源、检测电路以及控制器；

3、所述复合结构包括衬底和顶膜，所述顶膜设置在所述衬底一侧，所述电极、所述顶膜以及所述衬底形成复合电容结构；

4、所述控制器与所述电压源电连接，所述电压源与所述复合电容结构电连接，所述控制器用于控制所述电压源向所述复合电容结构输出第一电压信号以对所述复合电容结构进行第一次充电；

5、所述控制器还与所述光源电连接，用于在所述复合电容结构第一次放电完成后控制所述光源照射所述顶膜，同时控制所述电压源向所述复合电容结构输出第二电压信号以对所述复合电容结构进行第二次充电；

6、所述检测电路分别与所述复合电容结构和所述控制器电连接，用于检测第一次放电所用时间以及第二次放电所用时间，并将所述第一次放电所用时间以及所述第二次放电所用时间传输至所述控制器；所述控制器用于根据所述第一次放电所用时间以及所述第二次放电所用时间确定所述顶膜的厚度。

7、可选的，所述顶膜厚度检测装置还包括：电极高度检测器；

8、所述控制器还分别与所述电极高度检测器以及所述电极电连接，用于在所述电极高度检测器接触所述顶膜时，控制所述电极沿所述复合结构指向所述电极的方向移动预设高度，以控制所述电极与所述复合结构之间形成空气电容；

9、所述复合电容结构包括所述空气电容，所述顶膜的电容以及所述衬底的电容。

10、可选的，所述电极高度检测器包括：金属片以及金属球；

11、所述金属球位于所述金属片靠近所述顶膜的一侧，在所述金属球接触所述顶膜时，所述金属球与所述金属片接触。

12、可选的，所述顶膜厚度检测装置包括多个所述电极高度检测器；

13、多个所述电极高度检测器围绕所述电极设置。

14、可选的，所述光源的波段为k；

15、其中，200nm≤k≤400nm。

16、可选的，所述预设高度为h；

17、其中，0.6mm≤h≤0.8mm。

18、第二方面，本发明实施例还提供了一种复合结构的顶膜厚度检测方法，应用于如第一方面任一项所述的顶膜厚度检测装置实现，所述顶膜厚度检测方法包括：

19、输出第一控制信号至所述电压源，控制所述电压源向所述复合电容结构输出第一电压信号以对所述复合电容结构进行第一次充电；

20、在所述测试复合电容结构第一次放电完成后，输出第二控制信号至所述光源，控制所述光源照射所述顶膜，同时输出第三控制信号至所述电压源，控制所述电压源向所述复合电容结构输出第二电压信号以对所述复合电容结构进行第二次充电；

21、接收所述检测电路检测到的第一次放电所用时间以及第二次放电所用时间，并根据所述第一次放电所用时间以及所述第二次放电所用时间确定所述顶膜的厚度。

22、可选的，根据所述第一次放电所用时间以及所述第二次放电所用时间确定所述顶膜的厚度，包括：

23、根据所述第一次放电所用时间和所述第二次放电所用时间确定放电时间差；

24、根据所述放电时间差与以及固定系数确定所述顶膜的厚度。

25、可选的，根据所述放电时间差与以及固定系数确定所述顶膜的厚度之前，还包括：

26、输出第四控制信号至所述电压源，控制所述电压源向测试复合电容结构输出第三电压信号以对所述测试复合电容结构进行第一次充电；所述测试电容结构中所述复合结构的测试顶膜厚度已知；

27、在所述复合电容结构第一次放电完成后，输出第五控制信号至所述光源，控制所述光源照射所述测试顶膜，同时输出第六控制信号至所述电压源，控制所述电压源向所述测试复合电容结构输出第四电压信号以对所述测试复合电容结构进行第二次充电；

28、接收所述检测电路检测到的第一次放电所用时间以及第二次放电所用时间，并根据所述第一次放电所用时间、所述第二次放电所用时间以及所述测试顶膜的厚度确定所述固定系数。

29、可选的，所述顶膜厚度检测装置还包括：电极高度检测器，所述控制器还与所述电极高度检测器和所述电极电连接；

30、输出第一控制信号，控制所述电压源向所述复合电容结构输出第一电压信号以对所述复合电容结构进行第一次充电之前，还包括：

31、接收到所述电极高度检测器与所述顶膜的接触信息后，输出第七控制信号至所述电极，控制所述电极沿所述复合结构指向所述电极的方向移动预设高度，以控制所述电极与所述复合结构之间形成空气电容。

32、本发明实施例提供的技术方案，通过电极、顶膜以及衬底形成复合电容结构，即在电极与复合结构之间可以形成空气电容、顶膜的电容以及衬底的电容。控制器能够控制电压源向复合电容结构提供电压信号，即在初始时刻，电压源向复合电容结构输出第一电压信号以对复合电容结构进行第一次充电直至复合电容结构达到充电饱和状态，且电压维持在平衡状态时，复合电容结构进行第一次放电，在第一次放电完成后，控制器控制光源照射顶膜，同时控制电压源向复合电容结构输出第二电压信号以对复合电容结构进行第二次充电直至复合电容结构达到充电饱和状态，且电压维持在平衡状态时，复合电容结构进行第二次放电，控制器根据第一次放电所用时间以及第二次放电所用时间确定顶膜的厚度，如此能够实现对顶膜厚度的检测，且检测精度较高。

技术特征：

1.一种复合结构的顶膜厚度检测装置，其特征在于，包括：电极、光源、电压源、检测电路以及控制器；

2.根据权利要求1所述的顶膜厚度检测装置，其特征在于，所述顶膜厚度检测装置还包括：电极高度检测器；

3.根据权利要求2所述的顶膜厚度检测装置，其特征在于，所述电极高度检测器包括：金属片以及金属球；

4.根据权利要求2所述的顶膜厚度检测装置，其特征在于，所述顶膜厚度检测装置包括多个所述电极高度检测器；

5.根据权利要求1所述的顶膜厚度检测装置，其特征在于，所述光源的波段为k；

6.根据权利要求2所述的顶膜厚度检测装置，其特征在于，所述预设高度为h；其中，0.6mm≤h≤0.8mm。

7.一种复合结构的顶膜厚度检测方法，应用于如权利要求1-6任一项所述的顶膜厚度检测装置实现，其特征在于，所述顶膜厚度检测方法包括：

8.根据权利要求7所述的顶膜厚度检测方法，其特征在于，根据所述第一次放电所用时间以及所述第二次放电所用时间确定所述顶膜的厚度，包括：

9.根据权利要求8所述的顶膜厚度检测方法，其特征在于，根据所述放电时间差与以及固定系数确定所述顶膜的厚度之前，还包括：

10.根据权利要求7所述的顶膜厚度检测方法，其特征在于，所述顶膜厚度检测装置还包括：电极高度检测器，所述控制器还与所述电极高度检测器和所述电极电连接；

技术总结
本发明公开了一种复合结构的顶膜厚度检测装置及检测方法，该顶膜厚度检测装置包括电极、光源、电压源、检测电路以及控制器；控制器用于控制电压源向复合电容结构输出第一电压信号以对复合电容结构进行第一次充电；控制器还用于在复合电容结构第一次放电完成后控制光源照射顶膜，同时控制电压源向复合电容结构输出第二电压信号以对复合电容结构进行第二次充电；检测电路用于检测第一次放电所用时间以及第二次放电所用时间，并将第一次放电所用时间以及第二次放电所用时间传输至控制器；控制器根据第一次放电所用时间以及第二次放电所用时间确定顶膜的厚度。采用上述手段，通过复合电容结构放电时间差确定顶膜厚度，能够提高对顶膜厚度的检测精度。

技术研发人员：宋开华,高文琳,母凤文,郭超
受保护的技术使用者：青禾晶元（天津）半导体材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16