一种光纤光栅晶圆温度传感器的制作方法

1.本发明涉及光纤温度传感器，特别涉及一种光纤光栅晶圆温度传感器，用于测量半导体制作过程中工艺炉内的二维温度分布情况。


背景技术：

2.在半导体加工制造过程中，很多工艺步骤包括刻蚀、离子注入、掺杂、化学气相沉积、物理气相沉积等，都需要严格的温度测量和控制。晶圆测温传感器由多个固定在晶圆上不同位置的感温传感器组成，可以测量晶圆平面温度分布，进而测量工艺炉内的二维温度分布，是芯片加工制造过程中用来对温度进行实时精确测量的器件，是半导体设备制造和半导体生产过程中重要的工具。
3.现有的晶圆测温传感器大多由热电偶、热电阻等电子感温器件制做，然而这种由电子器件组成的晶圆测温传感器使用寿命有限，需要定期更换或标定。每个电子感温器件均需独立的金属导线引出，在测温点数较多的情况下，传感器的引线也很多，制作工艺繁琐，还会对测温的准确性造成影响。此外，在晶圆温度传感器使用时，含有感温器件的晶圆和部分导线处于工艺炉中，如果电子感温器件或金属导线密封不好，在高温环境下金属会产生挥发，影响工艺炉内其它半导体器件的质量。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种光纤光栅晶圆温度传感器，提高晶圆温度传感器的使用寿命和测量准确度，并且使处于半导体工艺炉内的在感温晶圆和导线部分可以不含有金属成分，具有使用寿命长、连接线少、测温准确等特点。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是：
6.一种光纤光栅晶圆温度传感器，其包括：一块基板晶圆；至少一根第一光纤，其一部分设有若干个感温光纤光栅，所述感温光纤光栅通过结合材料设置于基板晶圆上表面；所述第一光纤的另一部分形成与光波长检测仪连接的传输光纤，并外伸于所述基板晶圆外。
7.进一步，所述基板晶圆的下表面对应基板晶圆上表面固定的感温光纤光栅的位置布设应变补偿光纤光栅，该应变补偿光纤光栅设置于第二光纤的一部分，第二光纤的另一部分形成与光波长检测仪连接的传输光纤，并外伸于所述基板晶圆外。
8.更进一步，所述基板晶圆的上表面的感温光纤光栅上面固定一块形状与基板晶圆一致、材料与基板晶圆相同的上盖板晶圆。
9.又，所述基板晶圆的下表面的应变补偿光纤光栅上面固定一块形状与基板晶圆一致、材料与基板晶圆相同的下盖板晶圆。
10.优选的，所述的第一光纤和/或第二光纤为一根光纤或多根光纤，所述感温光纤光栅或应变补偿光纤光栅串联在一根光纤上，或分别串联在多根光纤上。
11.优选的，所述感温光纤光栅包括至少一个光纤光栅；所述应变补偿光纤光栅包括
至少一个光纤光栅，优选的，所述基板晶圆的每一根光纤上的光纤光栅的工作波长不同。
12.优选的，串接在第一光纤上的所述感温光纤光栅在所述基板晶圆的上表面呈同心圆布置，优选的，各同心圆之间等距布置和/或每一个同心圆上的感温光纤光栅等间距设置。
13.优选的，每一个同心圆上的所述感温光纤光栅等间距布设，每一个同心圆上的感温光纤光栅数目相同，或，靠近基板晶圆边缘的同心圆上布设的感温光纤光栅数目比靠近基板晶圆中心的同心圆上感温光纤光栅数目多。
14.优选的，每一个同心圆上的所述感温光纤光栅等间距布设，相邻两个同心圆上的感温光纤光栅为对齐分布，或相互错开一角度布置。
15.优选的，串接在第一光纤上的感温光纤光栅在所述基板晶圆表面水平方向上形成等间距平行布置，每根第一光纤上的感温光纤光栅等间距布设。
16.优选的，平行布置的第一光纤中相邻两根第一光纤上的感温光纤光栅位置为对齐，或相互错开一距离。
17.优选的，所述感温光纤光栅布设在基板晶圆表面从边缘一点或相邻的几个点到边缘其它点的等夹角、呈放射状布置的若干第一光纤上，每根第一光纤上的感温光纤光栅沿轴向等间距布设。
18.优选的，在基板晶圆表面设置一条或多条等夹角、过圆心的串接有感温光纤光栅的第一光纤上，每根第一光纤上的感温光纤光栅等间距布设。
19.优选的，相邻两根第一光纤上的感温光纤光栅位置为对齐布置，或相互错开一距离布置。
20.优选的，所述感温光纤光栅等间距串接在第一光纤上，串接有感温光纤光栅的第一光纤按阿基米德螺线布设在基板晶圆表面上。
21.优选的，所述感温光纤光栅等间距串接在第一光纤上，串接有感温光纤光栅的第一光纤按费米德螺线布设在基板晶圆表面上。
22.优选的，所述第一光纤、第二光纤为掺杂石英光纤、纯石英光纤或蓝宝石光纤；所述感温光纤光栅为通过紫外写入法在掺杂石英光纤上制备的光纤光栅，或为通过飞秒写入法在掺杂石英光纤、纯石英光纤或蓝宝石光纤上制备的光纤光栅。
23.优选的，所述的基板晶圆包括硅晶圆、碳化硅晶圆、氮化镓晶圆或砷化镓晶圆。
24.优选的，所述结合材料包括环氧胶、陶瓷胶、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓材料。
25.本发明以光纤光栅作为感温元件，以光纤作为传输线，在光纤上串联多个光纤光栅，并把这些光纤光栅布设在晶圆表面，制作成使用寿命长、连接线少、测温准确的光纤光栅晶圆温度传感器。
26.光纤光栅的波长随温度线性变化，温度升高，波长变大；温度降低，波长减小。用光波长检测仪可以测量得到各个感温光纤光栅的实时波长值，并转换为相应的温度。根据各个光纤光栅在晶圆上布设的位置，可以得到晶圆表面的实时二维温度分布情况，从而感知光纤光栅晶圆温度传感器所处半导体工艺炉炉内实时温度分布。
27.基板晶圆固定的感温光纤光栅可以是紫外激光写入技术或者飞秒激光写入技术在掺杂石英光纤上制备的光纤光栅，这样的光纤光栅晶圆温度传感器测量温度范围可以到达400℃。基板晶圆固定的感温光纤光栅也可以采用飞秒激光写入技术在纯石英光纤上制
备的光纤光栅，这样的光纤光栅晶圆温度传感器测量温度范围可以到达1000℃。基板晶圆固定的感温光纤光栅还可以采用飞秒激光写入技术在蓝宝石光纤上制备的光纤光栅，这样的光纤光栅晶圆温度传感器测量温度范围可以到达1800℃。
28.由于光纤光栅为光纤器件，工作波长能长期保持稳定，并且感温光纤光栅是用结合材料固定在基板晶圆上，所以这里提供的光纤光栅晶圆温度传感器可以长期稳定工作，不需要象电子晶圆温度传感器那样作定期标定。一般的，一个光纤光栅的工作波长的带宽约为0.2nm，一台光波长检测仪的工作带宽可以达到80nm，如果设定串联在一根光纤中的光纤光栅波长间隔0.8nm，则一根光纤可以连接80个光纤光栅。也就是说光纤光栅晶圆温度传感器中一根传输光纤可以传送80个感温光纤光栅的信号，比一些电子晶圆温度传感器用160根电线连接80个电子温度传感器来说，传输线少了很多，如此，光纤光栅晶圆温度传感器的制作工艺简化了不少，使用也更加方便。
29.整个光纤光栅晶圆温度传感器中，处于半导体工艺炉内的部分基板晶圆、感温光纤光栅、传输光纤和结合材均不含金属成份，对炉内的晶圆和其它半导体器件不会产生不良影响，使用安全。正因为光纤光栅晶圆温度传感器处于工艺炉内部分没有金属，所以测量结果不会受电磁干扰。另外，以感温光纤光栅的波长作为感知温度的信号，测量结果也不会受到光源波动的影响，所以本发明提供的光纤光栅晶圆温度传感器具备测量准确的特点。
30.为了提高温度测量精度，在布设有感温光纤光栅点基板晶圆上表面对应的基板晶圆下表面位置布设应变补偿光纤光栅，可以补偿晶圆因为受力不均匀产生的弯曲应变对感温光纤光栅的影响，得到仅仅由温度变化引起的光纤光栅波长变化值，更为准确的测量温度。
31.与现有技术的晶圆温度传感器相比，本发明提供的光纤光栅晶圆温度传感器具有如下优点：
32.1.使用寿命长，不需要定期标定。
33.光纤光栅是通过激光加工等手段使光纤纤芯的折射率在轴向受到周期性微扰而形成的器件，这种折射率微扰在一定条件下可以被稳定的保存下来。而且光纤光栅在激光加工制作完成后一般都会经过退火处理，退火后的光纤光栅性能参数基本稳定，工作波长在没有外力作用的情况下，在一定的温度环境下工作波长能保持长期不变。所以以光纤光栅作为感温元件，以光纤光栅的波长作为感温信号的光纤光栅晶圆温度传感器可以长期使用，不需定期标定。
34.2.引出线少，制作简单。
35.光纤光栅中纤芯折射率微扰的周期不同，光纤光栅的工作波长也不一样；另外光纤光栅与光纤兼容，光纤光栅与光纤光栅之间、光纤光栅与光纤之间的连接损耗特别小，所以一根光纤中可以制作或者串联几十至上百个工作波长不一样的光纤光栅。在解调的时候根据波分复用技术可以把一根光纤中工作波长不一样的每一个光纤光栅区分开来。所以，光纤光栅晶圆传感器中一根传输光纤上可以串联多个工作波长不一样的光纤光栅来共同感知温度，相比每个感温器件均需要1到2根传输导线的电子晶圆温度传感器，这在很大程度上减少了感温传感器信号传输线的用量，使制作工艺更为简单。
36.3.测量准确。
37.一方面，光纤光栅晶圆温度传感器传输光纤体积小、重量轻，即使晶圆上的测温点
很多也可以采用少量几根传输光纤，不会影响晶圆上的温度分布，而测温点量大的电子晶圆温度传感器中的大量金属导线则可能影响测温结果；另一方面，光纤光栅为无源器件，不受电磁干扰；另外，本发明的光纤光栅晶圆温度传感器以光纤光栅的波长作为感知温度的参数，测量结果不会受到光源波动的影响。所以本发明的光纤光栅晶圆温度传感器具备测量准确的特点。
38.4.对半导体工艺炉以及炉内器件不会造成不良影响。
39.光纤光栅晶圆温度传感器中，工作时处于半导体工艺炉内的基板晶圆、结合材料、胶黏剂、感温光纤光栅和传输光纤均可以是不含金属的材料，即便在高温环境中或者有器件密封不良的情况，也不会有金属物质挥发而对工艺炉内的半导体器件构成不良影响。
附图说明
40.图1为本发明实施例1的剖视图。
41.图2为本发明实施例2的剖视图。
42.图3为本发明实施例3的剖视图。
43.图4为本发明实施例4的剖视图。
44.图5为本发明所述光纤光栅晶圆温度传感器中感温光纤光栅布设方式实施例1的俯视图。
45.图6为本发明所述光纤光栅晶圆温度传感器中感温光纤光栅布设方式实施例2的俯视图。
46.图7为本发明所述光纤光栅晶圆温度传感器中感温光纤光栅布设方式实施例3的俯视图。
47.图8为本发明所述光纤光栅晶圆温度传感器中感温光纤光栅布设方式实施例4的俯视图。
48.图9为本发明所述光纤光栅晶圆温度传感器中感温光纤光栅布设方式实施例5的俯视图。
49.图10为本发明所述光纤光栅晶圆温度传感器中感温光纤光栅布设方式实施例6的俯视图。
50.图11为本发明所述光纤光栅晶圆温度传感器中感温光纤光栅布设方式实施例7的俯视图。
51.图12为本发明所述光纤光栅晶圆温度传感器中感温光纤光栅布设方式实施例8的俯视图。
52.图13为本发明所述光纤光栅晶圆温度传感器中感温光纤光栅布设方式实施例9的俯视图。
53.图14为本发明所述光纤光栅晶圆温度传感器中感温光纤光栅布设方式实施例10的俯视图。
54.图15为本发明所述光纤光栅晶圆温度传感器中感温光纤光栅布设方式实施例11的俯视图。
具体实施方式
55.参见图1，本发明所述的光纤光栅晶圆温度传感器，其包括：
56.一块基板晶圆1；
57.一根第一光纤2，其一部分设有若干个感温光纤光栅21、22，所述感温光纤光栅21、22通过结合材料设置于基板晶圆1上表面；所述第一光纤2的另一部分形成与光波长检测仪100连接的传输光纤23，并外伸于所述基板晶圆1外。
58.参见图2，所述基板晶圆1的下表面对应基板晶圆1上表面固定的感温光纤光栅21、22的位置布设应变补偿光纤光栅31、32，该应变补偿光纤光栅31、32设置于第二光纤3的一部分，第二光纤3的另一部分形成与光波长检测仪100连接的传输光纤33，并外伸于所述基板晶圆1外。
59.由于基板晶圆厚度较薄，1mm左右，直径大，有100mm，200mm，和300mm大小不等，所以如果晶圆传感器摆放位置如果不是十分平整，则基板晶圆的某个部位可能会受力不均而产生微小的弯曲应变，这种应变会导致感温光纤光栅的波长发生改变，影响测温精度。为了修正应变对温度测量精度的影响，这里在基板晶圆的下表面布设应变补偿光纤光栅。应变补偿光纤光栅通过应变补偿传输光纤与光波长检测仪相连，光波长检测仪可以同时检测感温光纤光栅和应变补偿光纤光栅的波长。应变补偿光纤光栅在基板晶圆下表面布设的位置与感温光纤光栅在基板晶圆上表面布设位置的平面坐标相同，应变补偿光纤光栅布设的方向与感温光纤光栅在基板晶圆上布设的方向一致。当温度变化时，感温光纤光栅和应变补偿光纤光栅的波长均往一个方向变化；当有弯曲应变产生时，感温光纤光栅和应变补偿光纤光栅的波长方向相反，大小一致；所以，把感温光纤光栅和对应的应变补偿光纤光栅的波长相加，可以消除弯曲应变的影响，得到只与温度变化有关的波长变化量，提高了传感器测量的精度。
60.参见图3，所述基板晶圆1的上表面的感温光纤光栅21、22上面固定一块形状与基板晶圆1一致、材料与基板晶圆1相同的上盖板晶圆4。为了更好的保护基板晶圆1上的感温光纤光栅21、22，在感温光纤光栅21、22上再用胶黏剂粘贴固定一块上盖板晶圆4，使感温光纤光栅免受外界物体损伤，整个传感器更加可靠。
61.参见图4，所述基板晶圆1的下表面的应变补偿光纤光栅31、32上面固定一块形状与基板晶1圆一致、材料与基板晶圆1相同的下盖板晶圆5，可以防止外界物体对光纤光栅的损伤，提高晶圆温度传感器的可靠性和使用寿命。
62.优选的，所述的第一光纤和/或第二光纤为一根光纤或多根光纤，所述感温光纤光栅或应变补偿光纤光栅串联在一根光纤上，或分别串联在多根光纤上。
63.优选的，所述第一光纤、第二光纤为掺杂石英光纤、纯石英光纤或蓝宝石光纤；所述感温光纤光栅为通过紫外写入法在掺杂石英光纤上制备的光纤光栅，或为通过飞秒写入法在掺杂石英光纤、纯石英光纤或蓝宝石光纤上制备的光纤光栅。
64.优选的，所述的基板晶圆包括硅晶圆、碳化硅晶圆、氮化镓晶圆或砷化镓晶圆。
65.优选的，所述结合材料包括环氧胶、陶瓷胶、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓材料。
66.参见图5，在本实施例中，在基板晶圆1的中心上布设一个感温光纤光栅；串接在第一光纤上的所述感温光纤光栅在所述基板晶圆的上表面呈同心圆布置，优选的，各同心圆之间等距布置和/或每一个同心圆上的感温光纤光栅等间距设置。
67.优选的，每一个同心圆上的所述感温光纤光栅等间距布设，每一个同心圆上的感温光纤光栅数目相同，或，靠近基板晶圆边缘的同心圆上布设的感温光纤光栅数目比靠近基板晶圆中心的同心圆上感温光纤光栅数目多，以增加测温点的密度。
68.如图5所示，在基板晶圆1上从中心到边缘等间距的划出了6个同心圆，每个同心圆布设8个感温光纤光栅，同一同心圆上感温光纤光栅各布设在同心圆的水平半径开始间隔45度角的位置；用第一光纤2将中心点和各个同心圆上的感温光纤光栅21、22逐个连接，感温光纤光栅21、22的信号由一条传输光纤23引出。
69.参见图6，在本实施例中，在所述基板晶圆1的中心上布设一个感温光纤光栅；从基板晶圆1的中心到边缘以一定的长度等间距的划出一系列同心圆，在这些同心圆上均匀的布设感温光纤光栅。每个同心圆上的感温光纤光栅数目相同，同心圆上各个感温光纤光栅的间距相同。
70.如图6所示，在基板晶圆1上从中心到边缘等间距的划出了6个同心圆，在距离同心圆中心较近的3个同心圆上布设8个串接于第一光纤2上的感温光纤光栅21、22，且，所述感温光纤光栅21、22沿周向间隔45度角布置；在距离基板晶圆1边缘较近的3个同心圆上布设16个感温光纤光栅，且，所述感温光纤光栅21、22沿周向间隔22.5度角布置；感温光纤光栅21、22的信号由一传输光纤23引出。
71.参见图7，在本实施例中，所述基板晶圆1的中心上布设一个感温光纤光栅，串接于第一光纤2上的感温光纤光栅21、22从基板晶圆1的中心到边缘以一定的长度等间距的划出一系列同心圆，在这些同心圆上均匀布设感温光纤光栅。每个同心圆上的感温光纤光栅数目相同，每个圆上各个感温光纤光栅的间距相同。相邻两个同心圆上的感温光纤光栅相互错开一定的角度。
72.如图7所示，在基板晶圆1上从中心到边缘等间距的划出了6个同心圆，串接于第一光纤2上的感温光纤光栅21、22在每个同心圆上布设8个；从基板晶圆1中心始第1、3、5个同心圆上的感温光纤光栅分别分布在基板晶圆水平、垂直和成45度角的直径方位上；从基板晶圆中心始第2、4、6个同心圆上的感温光纤光栅分别分布在与基板晶圆水平直径成22.5度角和67.5度角的直径方位上；感温光纤光栅21、22的信号由一条传输光纤23引出。
73.参见图8，在本实施例中，在基板晶圆1的中心上布设一个感温光纤光栅，串接在第一光纤2上的感温光纤光栅21、22从基板晶圆1的中心到边缘以等间距地划出一系列同心圆，每个同心圆上各个感温光纤光栅21、22的间距相同；相邻两个同心圆上的感温光纤光栅相互错开一定的角度。
74.如图8所示，串接于第一光纤2的感温光纤光栅21、22在基板晶圆1上从中心到边缘等间距的划出了6个同心圆；从基板晶圆1中心始第1、3个同心圆上布设有8感温光纤光栅分别分布在基板晶圆水平、垂直和成45度角的直径方位上。从基板晶圆1中心始第2、4个同心圆上布设有8感温光纤光栅，分别分布在与基板晶圆1水平直径成22.5度角和67.5度角的直径方位上。感温光纤光栅21、22的信号由一条传输光纤23引出。在第5个同心圆上等间距的布设有16个感温光纤光栅，与第4个同心圆上的感温光纤光栅均匀的错开一定角度。在第6个同心圆上等间距的布设有16个感温光纤光栅，与第5个同心圆上的感温光纤光栅均匀的错开一定角度。感温光纤光栅21、22的信号由一条传输光纤23引出。
75.参见图9，在本实施例中，串接有感温光纤光栅21、22的第一光纤2在所述基板晶圆
1表面水平方向形成若干段等间距平行布置，所述感温光纤光栅21、22沿轴向等间距布设；各条平行线上相邻两个感温光纤光栅之间的间距相同，且对齐分布。
76.如图9所示，串接有感温光纤光栅21、22的第一光纤2在基板晶圆1表面水平方向形成8段等间距的平行布置，其上4段光纤上的感温光纤光栅21、22的信号由一条传输光纤23引出，另4段光纤上的感温光纤光栅21’、22’的信号由另一条传输光纤23’引出。
77.参见图10，在本实施例中，串接有感温光纤光栅21、22的第一光纤2在所述基板晶圆1表面水平方向形成若干段等间距平行布置，各段光纤上相邻两个感温光纤光栅之间的间距相同，相邻两段光纤上的光纤光栅位置相互错开一定的距离；所述感温光纤光栅21、22的信号分布均由一条传输光纤23引出。
78.参见图11，在本实施例中，串接有感温光纤光栅21、22的第一光纤2以所述基板晶圆1边缘一点或相邻的几个点作为起点，以等夹角、放射状向基板晶圆1其它边缘放射布置，所述感温光纤光栅21、22等距布置，所述一光纤上的感温光纤光栅信号分别由一条传输光纤23引出。
79.参见图12，在本实施例中，串接有感温光纤光栅21、22的第一光纤2以所述基板晶圆1中心为基准点，划出水平、垂直、和两条和水平方向成45度角的直径线，感温光纤光栅21、22沿着这些直径线等间距的均匀对齐布设。
80.参见图13，在本实施例中，串接有感温光纤光栅21、22的第一光纤2以所述基板晶圆1中心为基准点，划出水平、垂直、和两条和水平方向成45度角的直径线，感温光纤光栅21、22沿这些直径线等间距的均匀布设，相邻两条直径线上的感温光纤光栅位置相互错开。
81.参见图14，在本实施例中，所述感温光纤光栅21、22等间距的串联在第一光纤2上，该第一光纤2按阿基米德螺线的形状布设在基板晶圆1上，通过传输光纤23将光纤光栅信号引出。
82.参见图15，在本实施例中，所述感温光纤光栅21、22等间距的串联在第一光纤2上，该第一光纤2按费米螺线的形状布设在基板晶圆1上，通过传输光纤23将光纤光栅信号引出。