苏州惟光探真科技有限公司
半导体光学检测系统
SR900半导体晶圆应力&载流子浓度测试系统

在半导体制造过程中,诸如退火、切割、光刻等工序会在材料中引入应力。这些应力可分为张应力和压应力,分别对应拉伸和压缩作用。适当的应力有助于提升器件性能,例如在硅晶体中引入张应变可提高电子迁移率,从而增强器件速度。然而,过度或不均匀的应力可能导致材料缺陷、晶圆翘曲,甚至影响器件的可靠性和寿命。

SR900半导体晶圆应力&载流子浓度测试系统作为一种非破坏性检测技术,能够高灵敏度地检测材料中的应力状态和载流子浓度。

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产品概述
针对化合物半导体在全晶圆范围内对组分、应力、载流子浓度等物理参数非接触无损测试的需求开发,采用共聚焦方式逐点采集拉曼光谱并从中拟合出上述参数的空间分布。

  • 可整晶圆扫描
    8寸吸气样品台
    扫描台最大行程超过300mm。扫描范围最大可覆盖12寸晶圆。
  • 激光自动聚焦。
  • 自主研制的激光辅助离焦量传感器:
    可在有激发光照射并采集拉曼光谱的同时工作,能够在全晶圆的范国内扫描时实现实时地自动聚焦和表面跟踪。
  • 全自动操作
    自动化的控制软件和数据处理软件,全软件操作。
    无需操作人员手动调整任何光学元件。
  • 具有穿透一定样品深度检测的能力,一次扫描获得多层薄膜的半导体参数。


性能参数

拉曼激发和
收集模块

激发波长

532 nm

激光功率

50mW

自动对焦

在全扫描范田自动餐焦和实时表面跟踪
对焦精度<0.2μm

显微镜

用于样品定位和成像
100x,半复消色差物镜
空间分辨率<2μm

拉曼频移范围

80-9000cm⁴

样品移动和
扫描平台

平移台

扫描范围大于300×300mm² .
最小分屏率1μm.

 

样品台

8寸吸气台(12叶可定制)
可兼容2、4、6、8寸晶圆片

光谱仪和探测器

光谱仪

焦长320mm单色仅,接面阵探测器。
分辨率<2.0cm。

软件

控制软件

可选择区域或指定点位自动进行逐点光谱采集

Mapping数据分析
软件

可对光谱峰位、峰高和半高宽等进行拟合。
可自动拟合并计算应力、晶化率、载流子浓度等信息,样品数据库可定制。
主成分分析(PCA)和k-均值聚类处理模块。
将拟合结果以二维图像方式显示。

实测数据
SiC晶圆残余应力测试
将拉曼峰位与文献中的无应力SiC比较,差值乘以系数:值越大代表越多拉应力,越小代表越多压应力。


残余应力—样品自然翘曲,未吸片
利用777cm-1位置的特征峰位移动,可以检测4H-SiC晶圆表面残余应力分布。
此次测量样品自然摆放,未吸片,肉眼观察晶圆有一定翘曲。


加外力下的应力—样品被真空吸附在样品盘后
利用777cm-1位置的特征峰位移动,检测4H-SiC晶圆表面应力分布。
此次测量样品真空吸附到样品盘,肉眼观察晶圆贴合吸气盘,无翘曲。


GaN衬底应力分布
利用拉曼光谱568 cm-1位置的特征峰位移动,可以检测GaN晶圆表面应力分布。
类似方法还可应用于表征Si/SiC/GaAs等多种半导体。


SiC外延层载流子浓度测试
通过声子与载流子耦合形成的特征峰位变化,可以定量计算n型GaN载流子浓度变化。
适用GaN、SiC和AIGaN等多种六方晶系n型半导体材料。
可测试的载流子浓度范围1017-1020 cm-3,重复实验的标准偏差<5%。

强大的光谱图像数据处理软件VisualSpectra

针对光谱Mapping数据的处理,一次性操作,可对整个图像数据中的每一条光谱按照设定进行批处理,获得对应的谱峰、寿命、成分等信息,并以伪彩色或3D图进行显示。


数据处理软件界面:


3D显示:


. 基础处理功能:去本底、曲线平滑、去杂线、去除接谱台阶、光谱单位转化

. 进阶功能:光谱归一化、选区获取积分、最大、最小、最大/最小值位置等

. 谱峰拟合:采用多种峰形(高斯、洛伦兹、高斯洛伦兹等)对光谱进行多峰拟合,获取峰强、峰宽、峰位、背景等信息。

. 高级功能:荧光寿命拟合,自主开发的一套时间相关单光子计数(TCSPC)荧光寿命的拟合算法,主要特色:1、从上升沿拟合光谱响应函数(IRF),无需实验获取。2、区别于简单的指数拟合,通过光谱响应函数卷积算法获得每个组分的荧光寿命,光子数比例,计算评价函数和残差,可扣除积分和响应系统时间不确定度的影响,获得更加稳定可靠的寿命数值。3、最多包含4个时间组分进行拟合。



  • 主成分分析和聚类分析
  • 主成分聚类处理和分析

在半导体材料应力检测中的应用

单晶硅和多晶硅的应力检测

单晶硅和多晶硅在拉曼光谱中的特征峰位于约520 cm⁻¹处,对应于硅的晶格振动模式。当材料内部存在应力时,晶格常数发生变化,导致拉曼谱峰发生位移:


张应力(拉应力):使晶格常数增大,拉曼谱峰向低波数方向移动。

压应力:使晶格常数减小,拉曼谱峰向高波数方向移动。


通过测量拉曼谱峰的位移量,可以定量评估材料中的应力大小。例如,在多晶硅薄膜中,拉曼谱峰的频移与残余应力之间存在线性关系,可用于计算应力值。


拉曼光谱与应变硅材料

拉曼光谱可用于表征应变硅材料的应力状态。应变的存在会导致拉曼谱峰发生位移,且位移方向和幅度与应变类型和大小相关。通过分析拉曼谱峰的变化,可以评估应变硅材料中的应力分布和应变程度,为器件设计和工艺优化提供参考。


在多种半导体检测中的拓展应用

拉曼光谱作为一种非破坏性、高灵敏度的分析技术,已在半导体领域得到广泛应用,除应力检测外,还包括以下方面:


纯度检测:拉曼光谱可用于评估半导体材料的纯度,检测杂质和污染物的存在,从而确保材料质量。

合金成分分析:在III-V族半导体合金中,拉曼光谱可用于确定组分比例,分析材料的化学组成。

结晶度评估:通过分析拉曼谱峰的形状和宽度,可以评估材料的结晶度,判断其晶体质量。

缺陷检测:拉曼光谱对晶格缺陷敏感,可用于检测材料中的缺陷和位错,评估其对器件性能的影响。


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