用于远距温度测量的光学传感器的制作方法

本披露内容总体上涉及温度测量，具体地涉及用于半导体晶片湿法制造工艺中的远距温度测量的光学传感器。

背景技术：

1、本文提供的背景技术描述是为了总体上呈现本披露内容的背景。当前发明人的工作在本背景技术部分中所描述的程度上、以及在提交时间时可能不被认定为现有技术的本说明的方面，既没有明确地也没有隐含地承认是针对本披露内容的现有技术。

2、半导体晶片湿法制造工艺可能需要远距传感器来检测填充有加工液体的容器内的晶片的温度，其中容器壁和加工液体对于中红外波长都可能不是透明的。这种透明度缺乏排除了使用传统的基于辐射的温度传感器。

3、一个示例是湿法蚀刻工艺，其中一批晶片被放置在填充有包含磷酸(h3po4)、水和类似化学物质的加工液体的石英槽中。多个石英槽可以彼此嵌套，由加工液体填充区域隔开。晶片温度感测必须沿着穿过石英壁并且横穿加工液体填充区域的光路发生，该加工液体可以包含气泡。加工液体中存在的气泡可能由于例如在液体内的移动而引起问题，例如信号波动。可以采用统计窗口滤波器来去除信号波动、噪声和其他异常。对于工艺控制而言，准确地测量石英槽内的晶片温度，优选地测量晶片上的多个点处的晶片温度可能是至关重要的，因此可以从晶片温度分布中推断湿法蚀刻工艺均匀性。

4、如果晶片温度在100℃至170℃的范围，则黑体辐射的对应峰在6μm至8μm的中红外波长范围内，而石英仅透射大约4μm以下波长的红外(ir)辐射。水和h3po4的ir透射在约1.7μm波长以上是可忽略的。

5、显然需要一种传感器，该传感器可以在这种具有挑战性的光学通路条件下、利用不受ir透射损耗影响的光谱部分(即，主要在近红外(nir))测量晶片温度。

技术实现思路

1、披露了一种远距温度传感器的构思，该远距温度传感器允许测量包括硅(si)或其他半导体材料的晶片或其他对象的温度，这些晶片或其他对象放置在由石英或类似材料制成的容器内，并且浸入对中红外不透明的液体中。所披露的方法不依赖于来自晶片本身的热辐射。

2、该构思是基于来自光致发光(pl)的半导体带间吸收测量的物理效应。该效应依赖于半导体价带和导带中电子分布的温度依赖性。在较高温度，电子通常占据较高的能级。关于跨能级的电子分布的信息可以通过用已知波长的光子照射样品并且分析由被照射样品发射的pl光子的采集光谱来获得。样品温度可以根据pl光谱的特征(比如光谱峰波长和光谱强度分布)来确定。

3、在优选实施例中，具有聚焦光学器件的近红外(nir)光源在由半导体材料制成的样品上产生照射光点。集光光学器件用于收集由样品在照射光点处发射的带隙pl光，并将该带隙pl光透射到光检测器(比如光谱仪或其他合适的检测器)，该光检测器允许在带隙波长区域(典型地对于硅(si)在1100nm附近)中进行光谱分析。使用合适的校准，带隙pl光的光谱强度分布可以用于确定样品温度。

4、本披露内容的方面提供了一种用于远距温度测量的传感器。例如，传感器可以包括：光源，该光源被配置为形成照射束；聚焦光学器件，该聚焦光学器件被配置为将来自光源的照射束引导到半导体样品上的照射光点处，用于在半导体样品中激发出带隙光致发光(pl)光；集光光学器件，该集光光学器件被配置为收集从半导体样品激发出的带隙pl光；至少一个光检测器，该至少一个光检测器被配置为测量带隙pl光邻近半导体样品的半导体带隙波长的光谱强度；以及透射光学器件，该透射光学器件被配置为将来自集光光学器件的带隙pl光透射到该至少一个光学检测器。

5、在实施例中，透射光学器件可以包括陷波滤波器，该陷波滤波器被配置为抑制照射束的波长的光的透射。在另一个实施例中，透射光学器件包括二向色镜、分束器和光纤中的至少一个。

6、在实施例中，聚焦光学器件和集光光学器件可以分别利用同一透镜将照射束聚焦到半导体样品上和收集来自半导体样品的带隙pl光。在另一实施例中，光源可以包括近红外(nir)激光二极管或发光二极管(led)。在一些实施例中，照射束的波长可以为785nm。

7、在实施例中，该至少一个光检测器可以包括棱镜或光栅光谱仪。在一些实施例中，该至少一个光检测器可以包括至少两个单像素检测器，这些单像素检测器中的每一个单像素检测器可以具有设置在该单像素检测器前方的光学带通滤波器，这些光学带通滤波器中的每一个光学带通滤波器被配置为透射邻近半导体样品的半导体带隙波长的波长或波长范围。例如，单像素检测器可以是光电二极管。作为另一个示例，光电二极管可以是硅(si)光电二极管、锗(ge)光电二极管或ingaas光电二极管。在实施例中，至少两个单像素检测器的光学带通滤波器的通带波长可以分别为1050nm和1125nm。

8、在实施例中，半导体样品可以是设置在湿法加工槽内的半导体晶片，并且聚焦光学器件和集光光学器件可以分别被配置成通过湿法加工槽的一个或多个壁并通过湿法加工槽中存在的加工液体将照射束引导到半导体晶片上和收集来自半导体晶片的带隙pl光。例如，一个或多个壁可以是嵌套的并且包含石英。作为另一个示例，加工液体可以包含h3po4、h2o、h2o2和h2so4中的至少一个。

9、在实施例中，传感器可以进一步包括控制器，该控制器被配置为从该至少一个光检测器获取pl光的光谱强度并且根据所获取的pl光的光谱强度来确定半导体样品的温度。

10、本披露内容的方面还披露了一种温度测量设备。例如，温度测量设备可以包括基板。温度测量设备可以进一步包括多个上述权利要求1的传感器，这些传感器安装在基板上并跨基板布置，这些传感器被配置为测量一个或多个半导体样品的温度。

11、在实施例中，基板可以被设置成基本上平行于一个或多个半导体样品之一，并且这些传感器可以被配置为确定在该一个或多个半导体样品中的一个半导体样品的表面上的、在该表面上的与这些传感器对应的多个照射光点处的温度分布。在另一实施例中，基板可以被设置成基本上垂直于该一个或多个半导体样品，并且这些传感器可以被配置为测量该一个或多个半导体样品中的至少一个半导体样品的边缘处或邻近该边缘的区域中的温度。

12、在实施例中，温度测量设备可以进一步包括温度控制系统，该温度控制系统被配置为控制基板和传感器的温度。例如，温度控制系统可以包括与基板接触或嵌入基板内的温度受控流体歧管。作为另一个示例，温度控制系统可以包括与基板接触的一个或多个热电(te)装置。

13、本披露内容的方面还披露了一种湿法半导体加工系统。例如，湿法半导体加工系统可以包括湿法半导体加工槽。湿法半导体加工系统可以进一步包括上述温度测量设备。在实施例中，温度测量设备可以被配置为通过湿法半导体加工槽的一个或多个壁并且通过湿法半导体加工槽中的加工液体来测量设置在湿法半导体加工槽内的一个或多个半导体样品的温度。

14、本披露内容的方面还披露了一种用于远距温度测量的方法。例如，该方法可以包括用照射束照射半导体样品，以在半导体样品中激发出带隙光致发光(pl)光。该方法还可以包括：测量从半导体样品激发出的带隙pl光的光谱强度；以及基于测得的光谱强度来确定半导体样品的温度。

15、在实施例中，测量带隙pl光的光谱强度可以包括测量带隙pl光在邻近半导体样品的半导体带隙波长的两个波长或两个波长范围的光谱强度。

16、当然，为了清楚起见，已呈现了如本文中所描述的不同步骤的讨论顺序。通常，这些步骤可以以任何合适的顺序进行。另外，虽然可能在本披露内容的不同地方讨论了本文中的不同特征、技术、配置等中的每一个，但是旨在可以彼此独立地或彼此组合地执行构思中的每一个。相应地，可以以许多不同的方式来实施和查看本披露内容。

17、应当注意，本技术实现要素：部分并未指明本披露内容或所要求保护的披露内容的每个实施例和/或渐进新颖方面。而是，本发明内容仅提供了对不同实施例以及胜过常规技术的对应新颖点的初步讨论。对于本披露内容和实施例的附加细节和/或可能的观点而言，读者应查阅如下文进一步讨论的本披露内容的具体实施方式部分和对应附图。