第五章 結論與未來展望
5.2 未來工作
本 研 究 尚 未 將 雙 光 束 量 測 法 模 組 化 ， 也 未 能 實 際 進 行 線 上
(on-line)監測，未來可應用於不同的磊晶機台，將各元件模組化安裝
於機台上，藉以量測製程中的晶圓變形，獲得腔體中製程溫度與薄膜 厚度，推算薄膜應力。
實驗系統可依本文第四章討論中的相機感光元件大小、鏡頭焦距
與工作距離等要素改進解析度，量測穩定度可依光源穩定度、屏幕旋 轉穩定性進行改良，針對使用者需求置換元件達到監測之目的。本研 究缺乏與其他儀器量測結果進行比較，未來可與其他適當的儀器進行 結果比對，確認系統及量測數值的可信度。
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附表
表1 應力計算採用的材料參數(單位：GPa)
C11 C12 C13 C33 C44 C14 C66
藍寶石[18] 490.2 165.4 113.0 490.2 145.4 -23.2 氮化鎵[19] 390.0 145.0 106.0 398.0 105.0 123.0
表2各測量點的Px應力計算值(單位：MPa)
0 5 10 15 20 25 30 30 470.6 350.9 182.7 123.9 88.2 142.2 189.8
25 454.2 271.7 140.7 66.9 51.5 74.8 118.4 20 397.7 250.9 62.9 18.2 -15.2 16.3 97.2 15 342.3 198.0 13.4 -63.8 -13.8 25.4 136.7 10 143.3 20.3 34.7 -15.6 51.2 100.7 271.7 5 137.2 42.5 18.8 -1.0 19.8 136.9 308.3 0 216.5 154.1 90.6 102.4 157.4 303.6 486.9 y x
表3各測量點的Py應力計算值(單位：MPa)
0 5 10 15 20 25 30 30 689.6 812.8 680.7 623.4 560.5 630.4 632.4 25 697.9 646.7 486.4 463.9 459.8 451.8 429.5 20 670.6 510.1 420.4 404.7 384.2 322.4 386.7 15 613.9 416.3 407.2 385.3 379.9 512.0 459.2 10 508.6 432.1 468.4 487.9 404.7 439.4 646.3 5 432.9 518.0 596.9 646.7 660.4 730.9 860.2 0 506.2 656.9 822.5 719.1 853.8 959.2 1297
表4各測量點的x方向曲率量測值(單位：Km-1)
0 5 10 15 20 25 30 30 35.5 15.2 -1.8 -7.4 9.7 5.2 0.9
25 33.1 11.1 0 -8.8 -10.7 -7.3 -0.7
20 26.7 13.5 -7.7 -12.9 -16.5 -10.1 -1.9 15 21.6 10.2 -13.7 -22.9 -16.2 -16.0 0.5 10 -0.5 -13.7 -13.2 -20.5 -8.6 -3.4 11.1
5 1.6 -14.0 -20.1 -24.6 -22.4 -9.7 7.8 0 9.2 -4.7 -19.3 -13.8 -11.7 3.5 14.7 y x
y x
表5各測量點的y方向曲率量測值(單位：Km-1)
0 5 10 15 20 25 30 30 72.5 93.2 82.2 76.9 70.1 77.2 75.6 25 74.2 74.4 58.4 58.2 56.3 56.3 51.8 20 72.8 57.3 52.7 52.3 50.9 41.6 47.0 15 67.4 47.0 52.8 52.9 50.3 66.1 55.0 10 61.2 55.8 60.0 64.5 51.1 53.7 74.4
5 51.5 66.2 77.5 84.7 85.7 90.5 101.0 0 58.1 80.2 104.3 90.3 105.9 114.1 151.4
表 6各測量點的Qy0應力計算值(單位：Pa)
0 5 10 15 20 25 30 30 28.5 29.0 35.9 26.7 26.8 23.9 21.5 25 49.4 46.7 40.4 21.4 25.5 36.8 45.4 20 71.9 56.8 42.4 38.7 35.1 33.9 48.9 15 60.6 63.6 49.4 44.1 38.0 39.0 49.1 10 68.4 62.9 34.7 38.7 39.2 40.1 46.4 5 64.4 58.3 33.3 47.8 30.1 37.0 47.9 0 79.6 54.2 36.8 31.7 28.4 30.5 43.5 y x
y x
表 7量測方法的優缺點比較
比較項目 雙光束曲率量測 太曼-格林干涉儀
光學干涉量測 否 是
精確度 高 很高
量測試片變形 大 小
量測範圍 點 面
適合監測 是/反應快 否/易受振動干擾
附圖
圖1.1 LED之藍寶石磊晶製程之監測曲線[1]
圖1.2 牛頓環法量測等向性材料之干涉圖形[2]
圖 1.3 牛頓環法量測非等向性材料之干涉圖形[2]
圖1.4 改良牛頓法之幾何光學實驗架構[3]
Sample
Screen
圖 1.5 垂直入射之雙光束量測法[5]
圖 1.6 改良式懸臂梁法[7]
Screen Prism
Laser
Mirror A Mirror B
Sample
Mirror C
He-Ne Laser Beam
Splitter PSD
Amplifier Mirror
Electro Chemical Cell
WE RE CE
圖1.7 光槓桿法實驗架構[8]
圖1.8 相位式太曼-格林干涉儀[10]
Sample
Hot Stage Laser
Flat Mirror Screen
圖1.9 雙光束量測法原理示意圖
△x 屏幕
入射光
試片 載台
圖 2.1 溫度變化所造成基板變形之示意圖
圖2.2 薄膜張應力造成基板的變形 薄膜
基板 薄膜 基板
薄膜 基板
薄膜 基板
F F
F
F
M
圖2.3 薄膜壓應力造成基板的變形
圖2.4 磊晶過程CVD 腔體示意圖 薄膜
基板
出口
氣體噴嘴
強制對流區
邊界層 晶圓
晶圓座
圖2.5 薄膜成長過程(a)前置物到達、吸附晶圓表面(b)前置物在表面 移動(c)前置物在表面反應(d)成核 (e)島狀物成長(f)島狀物橫截面(g)
島狀物合併(h)形成連續薄膜
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h)
L
'
圖3.1 雙光束量測系統模型示意圖
圖 3.2 單方向曲率量測
圖 3.3 雙方向曲率量測 x
△
x
△
△y
圖3.4 雙光束量測系統示意圖 試片
雷射
光束平移晶體 displacer
分光鏡 相機
屏幕 電腦
偏光板 偏光板
凸透鏡 光圈
圖3.5
圖3.6 C
5 光束平移
CCD 相機
移晶體
機過度曝光光
圖 3.7 偏光板 2 與光束平移晶體之作用
圖 3.8 屏幕兩光點發散現象 旋
轉 偏 振片
圖3
圖3.10
3.9 本研究
兩光點直
究自行設計
直接入射 C
計之旋轉屏
CCD 相機 屏幕
機之影像
圖3.11 晶圓固定方式(a)晶圓夾具(b)夾具與步進馬達固定 (a)
(b)
圖3.12 步進馬達控連接圖
圖 3.13面掃描標號示意圖 1 2 3 4 5 6 7 步進馬達
8 9 10 11 12 13 14
驅動器 NI-7344
運動控制卡
圖3.14 雙光束量測法系統架構 雷射
偏光板1
偏光板2
透鏡
光束平移 光圈 晶體 分光鏡 試片
步進馬達 CCD 相機
屏幕
圖
圖4
4.1 量測
4.2 CCD
測程式的面
D 相機擷取
面板介面圖
取之原始影 圖像
影像
圖4.3
圖4
原始影像
4.4 無設定
像經二值化
定面積閥值
化處理後之
值之錯誤情 之圖像
情況
x
圖 4.5 機器視覺程式辨識 CCD 相機擷取之兩光點的邊界，計算兩者 中心點的距離
圖 4.6 改良解析度之示範架構 雷射光源
Beam displacer displace
r
反射鏡
反射鏡
反射鏡 相機
電腦 xin
xout
x
圖4.7 入射角參數的校正
圖 4.8 工作距離之校正 入射光線
移動前 反射光線
移動後 反射光線
移動後的反射鏡
移動前的反射鏡 v
d
α
反射光
α 入射光 y
平面鏡 ρ
S
θ d
圖4.9 量測過程平均次數由一次到五次平均之穩定性比較(a)量測
圖4.10 光點大小變化範圍示意圖(a) 加入透鏡光點縮小前(b) 加入透 鏡光點縮小後
(a)
(b)
圖4.11 不同焦距之透鏡之穩定性分析(a)焦距為15cm之凸透鏡(b)焦
圖 4
圖
4.12 屏幕
圖4.13 屏幕
幕未旋轉下
幕旋轉下之
下之屏幕影
之屏幕影 影像
影像
圖 4.14 不同電壓驅動馬達之旋轉屏幕穩定性分析(a)電壓為1V(b)電
圖4.15 晶圓量測範圍
X Y
圖4.16 雙光束法量測藍寶石基板之曲率圖(a)x方向(b)y方向 (a)
(b)
Kx Km-1
Ky Km-1
圖4.17 雙光束法量測薄膜應力之曲率圖(a)x方向(b)y方向 (a)
Py MPa
Px MPa
(b)
圖4.18 太曼-格林干涉儀量測藍寶石基板曲率(a)x方向(b)y方向 (a)
(b)
Kx Km-1
Ky Km-1
圖4.19 太曼-格林干涉儀量測薄膜應力(a)x方向(b)y方向 (a)
(b)
Px MPa
Py MPa
圖 4.20 X光繞射儀量測面外晶格變形