SPM300半导体晶圆应力& 载流子浓度测试系统

产品概述

产品概述

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。拉曼光谱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。其原理基于光与材料内化学键的相互作用，通过分析散射光谱的变化，获取材料的应力信息。

与其他检测方法相比，拉曼光谱具有快速、无损、空间分辨率高等优势，特别适用于半导体材料的应力检测。

什么是拉曼光谱测试？

拉曼光谱是一种基于光与物质相互作用的非破坏性分析技术，主要用于研究材料的分子振动、旋转和其他低频模式。当单色激光照射到样品上时，大部分光子会发生弹性散射（瑞利散射），其频率与入射光相同。然而，约有一百万分之一的光子会与样品分子发生非弹性散射，导致散射光的频率发生变化，这种现象被称为拉曼散射。

拉曼光谱通过检测这些频率变化，提供关于样品分子结构、化学键和分子间相互作用的信息。在拉曼光谱中，每个峰对应特定的分子振动模式，其位置和强度反映了分子的特性。由于不同物质的拉曼光谱具有独特的特征，因此被称为物质的“化学指纹”，可用于快速识别和区分不同材料。

此外，拉曼光谱在检测材料应力和应变方面也具有独特优势。材料中的应力会导致晶格结构的变化，从而引起拉曼谱峰的位置和形状发生变化。通过分析这些变化，可以非破坏性地评估材料的应力状态。

应力的来源与检测方法

应力是指材料内部由于外力或温度变化等因素引起的内力，通常以单位面积上的力来表示。根据作用方式，应力可分为：

张应力（拉应力）：使材料沿某方向伸长的应力。在半导体材料中，适当的张应力可提高电子迁移率，增强器件性能。

压应力：使材料沿某方向缩短的应力。在某些情况下，压应力可能导致材料变形或性能下降。

在半导体制造过程中，如退火、切割、光刻等工序，都会引入应力。适当的应力有助于提升器件性能，但过大的应力可能导致材料缺陷、晶圆翘曲，影响器件的可靠性和寿命

检测薄膜应力的常用方法包括X射线衍射和拉曼光谱:

X射线衍射(XRD):通过测量晶格常数的变化来计算应力。该方法精度高，但对样品制备要求严格，测量范围较小，难以实现在线检测。

拉曼光谱:通过检测拉曼谱峰的位置变化来评估应力。该方法具有非接触、无损、快速、空间分辨率高等优点，适用于在线监测和微区分析。

在半导体材料应力检测中的应用

拉曼光谱作为一种非破坏性、高灵敏度的分析技术，广泛应用于半导体材料的应力检测。通过分析拉曼谱峰的位置和形状变化，可以评估材料内部的应力状态。

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520CM 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

应变硅(STRAINED SILICON)技术通过在硅材料中引入应变来提高载流子迁移率，从而提升器件性能。常见的方法包括:

引入张应变：在硅中引入拉伸应力，增大电子迁移率。

引入压应变：在硅中引入压缩应力，增大空穴迁移率。

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1-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。

产品特性和核心技术：

· 激光自动聚焦

· 自主研制的激光辅助离焦量传感器:

可在紫外激发光照射样品并采集荧光信号的同时工作，实现自动聚焦和表面跟踪。

· 紫外暗场照明。

· 标配波长275nm紫外激发光，可按用户要求定制其它波长发光

· 可同位采集明场显微像、可见光波段暗场荧光像、红外波段暗场荧光像，分析样品中位错、层错等品格缺陷的分布。

· 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。

· 相关国家标准:

《中华人民共和国国家标准GB T43493.3-2023 半导体器件功率器件用碳化硅同质外延片缺陷的无损检测识别判据第3部分:缺陷的光致发光检测方法》(2023年12月28日发布，2024年7月1日实施)

性能参数：

拉曼激发和收集模块	激发波长	532 nm
	激光功率	50 mW
	自动对焦	在全扫描范围自动聚焦和实时表面跟踪。对焦精度<0.2 um。
	显微镜	用于样品定位和成像100×，半复消色差物镜空间分辨率 < 2 μm
	拉曼频移范围	80 ~ 9000 cm-1
样品移动和扫描平台	平移台	扫描范围大于300 × 300 mm²。 *小分辨率1 μm。
样品移动和扫描平台	样品台	8吋吸气台（12吋可定制）可兼容2、4、6、8吋晶圆片
光谱仪和探测器	光谱仪	焦长320 mm单色仪，接面阵探测器。分辨率 < 2.0 cm-¹。
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
软件	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、1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。