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卓立漢光SPM300半導(dǎo)體晶圓應(yīng)力與載流子濃度檢測儀
產(chǎn)品概述
在半導(dǎo)體制造過程中，諸如退火、切割、光刻等工序會在材料中引入應(yīng)力。這些應(yīng)力可分為張應(yīng)力和壓應(yīng)力，分別對應(yīng)拉伸和壓縮作用。適當(dāng)?shù)膽?yīng)力有助于提升器件性能，例如在硅晶體中引入張應(yīng)變可提高電子遷移率，從而增強(qiáng)器件速度。然而，過度或不均勻的應(yīng)力可能導(dǎo)致材料缺陷、晶圓翹曲，甚至影響器件的可靠性和壽命。拉曼光譜作為一種非破壞性檢測技術(shù)，能夠高靈敏度地檢測材料中的應(yīng)力狀態(tài)。其原理基于光與材料內(nèi)化學(xué)鍵的相互作用，通過分析散射光譜的變化，獲取材料的應(yīng)力信息。
與其他檢測方法相比，拉曼光譜具有快速、無損、空間分辨率高等優(yōu)勢，特別適用于半導(dǎo)體材料的應(yīng)力檢測。
什么是拉曼光譜測試？
拉曼光譜是一種基于光與物質(zhì)相互作用的非破壞性分析技術(shù)，主要用于研究材料的分子振動、旋轉(zhuǎn)和其他低頻模式。當(dāng)單色激光照射到樣品上時，大部分光子會發(fā)生彈性散射（瑞利散射），其頻率與入射光相同。然而，約有一百萬分之一的光子會與樣品分子發(fā)生非彈性散射，導(dǎo)致散射光的頻率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象被稱為拉曼散射。
拉曼光譜通過檢測這些頻率變化，提供關(guān)于樣品分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵和分子間相互作用的信息。在拉曼光譜中，每個峰對應(yīng)特定的分子振動模式，其位置和強(qiáng)度反映了分子的特性。由于不同物質(zhì)的拉曼光譜具有*特的特征，因此被稱為物質(zhì)的“化學(xué)指紋"，可用于快速識別和區(qū)分不同材料。
此外，拉曼光譜在檢測材料應(yīng)力和應(yīng)變方面也具有*特優(yōu)勢。材料中的應(yīng)力會導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)的變化，從而引起拉曼譜峰的位置和形狀發(fā)生變化。通過分析這些變化，可以非破壞性地評估材料的應(yīng)力狀態(tài)。
應(yīng)力的來源與檢測方法
應(yīng)力是指材料內(nèi)部由于外力或溫度變化等因素引起的內(nèi)力，通常以單位面積上的力來表示。根據(jù)作用方式，應(yīng)力可分為：
張應(yīng)力（拉應(yīng)力）：使材料沿某方向伸長的應(yīng)力。在半導(dǎo)體材料中，適當(dāng)?shù)膹垜?yīng)力可提高電子遷移率，增強(qiáng)器件性能。
壓應(yīng)力：使材料沿某方向縮短的應(yīng)力。在某些情況下，壓應(yīng)力可能導(dǎo)致材料變形或性能下降。
在半導(dǎo)體制造過程中，如退火、切割、光刻等工序，都會引入應(yīng)力。適當(dāng)?shù)膽?yīng)力有助于提升器件性能，但過大的應(yīng)力可能導(dǎo)致材料缺陷、晶圓翹曲，影響器件的可靠性和壽命
檢測薄膜應(yīng)力的常用方法包括X射線衍射和拉曼光譜:
X射線衍射(XRD):通過測量晶格常數(shù)的變化來計算應(yīng)力。該方法精度高，但對樣品制備要求嚴(yán)格，測量范圍較小，難以實現(xiàn)在線檢測。
拉曼光譜:通過檢測拉曼譜峰的位置變化來評估應(yīng)力。該方法具有非接觸、無損、快速、空間分辨率高等優(yōu)點，適用于在線監(jiān)測和微區(qū)分析。
在半導(dǎo)體材料應(yīng)力檢測中的應(yīng)用
拉曼光譜作為一種非破壞性、高靈敏度的分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的應(yīng)力檢測。通過分析拉曼譜峰的位置和形狀變化，可以評估材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。
單晶硅和多晶硅的應(yīng)力檢測
單晶硅和多晶硅在拉曼光譜中的特征峰位于約520CM 1處，對應(yīng)于硅的晶格振動模式。
當(dāng)材料內(nèi)部存在應(yīng)力時，晶格常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致拉曼譜峰發(fā)生位移：張應(yīng)力（拉應(yīng)力）：使晶格常數(shù)增大，拉曼譜峰向低波數(shù)方向移動。
壓應(yīng)力：使晶格常數(shù)減小，拉曼譜峰向高波數(shù)方向移動。
通過測量拉曼譜峰的位移量，可以定量評估材料中的應(yīng)力大小。例如，在多晶硅薄膜中，拉曼譜峰的頻移與殘余應(yīng)力之間存在線性關(guān)系，可用于計算應(yīng)力值。
拉曼光譜與應(yīng)變硅材料
應(yīng)變硅(STRAINED SILICON)技術(shù)通過在硅材料中引入應(yīng)變來提高載流子遷移率，從而提升器件性能。常見的方法包括:
引入張應(yīng)變：在硅中引入拉伸應(yīng)力，增大電子遷移率。
引入壓應(yīng)變：在硅中引入壓縮應(yīng)力，增大空穴遷移率。
拉曼光譜可用于表征應(yīng)變硅材料的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)變的存在會導(dǎo)致拉曼譜峰發(fā)生位移，且位移方向和幅度與應(yīng)變類型和大小相關(guān)。通過分析拉曼譜峰的變化，可以評估應(yīng)變硅材料中的應(yīng)力分布和應(yīng)變程度，為器件設(shè)計和工藝優(yōu)化提供參考。
在多種半導(dǎo)體檢測中的拓展應(yīng)用
拉曼光譜作為一種非破壞性、高靈敏度的分析技術(shù)，已在半導(dǎo)體領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，除應(yīng)力檢測外，還包括以下方面:
純度檢測:拉曼光譜可用于評估半導(dǎo)體材料的純度，檢測雜質(zhì)和污染物的存在，從而確保材料質(zhì)量。
合金成分分析:在1-V族半導(dǎo)體合金中，拉曼光譜可用于確定組分比例，分析材料的化學(xué)組成。
結(jié)晶度評估:通過分析拉曼譜峰的形狀和寬度，可以評估材料的結(jié)晶度，判斷其晶體質(zhì)量。
缺陷檢測:拉曼光譜對晶格缺陷敏感，可用于檢測材料中的缺陷和位錯，評估其對器件性能的影響。
產(chǎn)品特性和核心技術(shù)：
· 激光自動聚焦
· 自主研制的激光輔助離焦量傳感器:
可在紫外激發(fā)光照射樣品并采集熒光信號的同時工作，實現(xiàn)自動聚焦和表面跟蹤。
· 紫外暗場照明。
· 標(biāo)配波長275nm紫外激發(fā)光，可按用戶要求定制其它波長發(fā)光
· 可同位采集明場顯微像、可見光波段暗場熒光像、紅外波段暗場熒光像，分析樣品中位錯、層錯等品格缺陷的分布。
· 全自動操作。
· 自動化的控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，全軟件操作。
· 相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn):
《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB T43493.3-2023 半導(dǎo)體器件功率器件用碳化硅同質(zhì)外延片缺陷的無損檢測識別判據(jù) 第3部分:缺陷的光致發(fā)光檢測方法》(2023年12月28日發(fā)布，2024年7月1日實施)
卓立漢光SPM300半導(dǎo)體晶圓應(yīng)力與載流子濃度檢測儀性能參數(shù)：
拉曼激發(fā)和收集模塊 | 激發(fā)波長 | 532 nm |
激光功率 | 50 mW | |
自動對焦 | 在全掃描范圍自動聚焦和實時表面跟蹤。 對焦精度<0.2 um。 | |
顯微鏡 | 用于樣品定位和成像100×，半復(fù)消色差物鏡 空間分辨率 < 2 μm | |
拉曼頻移范圍 | 80 ~ 9000 cm-1 | |
樣品移動和掃描平臺 | 平移臺 | 掃描范圍大于300 × 300 mm2。 *小分辨率1 μm。 |
樣品臺 | 8吋吸氣臺（12吋可定制） 可兼容2、4、6、8吋晶圓片 | |
光譜儀和探測器 | 光譜儀 | 焦長320 mm單色儀，接面陣探測器。 分辨率 < 2.0 cm-1。 |
軟件 | 控制軟件 | 可選擇區(qū)域或指*點位自動進(jìn)行逐點光譜采集 |
Mapping數(shù)據(jù)分析軟件 | 可對光譜峰位、峰高和半高寬等進(jìn)行擬合。 可自動擬合并計算應(yīng)力、晶化率、1載流子濃度等信息，樣品數(shù)據(jù)庫可定制。 主成分分析（PCA）和k-均值聚類處理模塊。 將擬合結(jié)果以二維圖像方式顯示。 |
· 上述表格中的激光波長、物鏡和單色儀等部件可以根據(jù)客戶需求調(diào)整。
應(yīng)用案例：
實測數(shù)據(jù)
智能化軟件平臺和模塊化設(shè)計
· 統(tǒng)一的軟件平臺和模塊化設(shè)計
· 良好的適配不同的硬件設(shè)備：平移臺、顯微成像裝置、光譜采集設(shè)備、自動聚焦裝置等
· 成熟的功能化模塊：晶圓定位、光譜采集、掃描成像Mapping、3D層析，Raman Mapping，F(xiàn)LIM，PL Mapping，光電流Mapping等。
· 智能化的數(shù)據(jù)處理模組：與數(shù)據(jù)擬合、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等結(jié)合的在線或離線數(shù)據(jù)處理模組，將光譜解析為成分、元素的分布等，為客戶提供直觀的結(jié)果。可根據(jù)客戶需求定制光譜數(shù)據(jù)解析的流程和模組
· 可根據(jù)客戶需求進(jìn)行定制化的界面設(shè)計和定制化的RECIPE流程設(shè)計，實現(xiàn)復(fù)雜的采集和數(shù)據(jù)處理功能。
顯微光譜成像控制軟件界面
強(qiáng)大的光譜圖像數(shù)據(jù)處理軟件VISUALSPECTRA
顯示：針對光譜Mapping數(shù)據(jù)的處理，一次性操作，可對整個圖像數(shù)據(jù)中的每一條光譜按照設(shè)定進(jìn)行批處理，獲得對應(yīng)的譜峰、壽命、成分等信息，并以偽彩色或3D圖進(jìn)行顯示。
顯微光譜成像控制軟件界面
3D顯示
基礎(chǔ)處理功能:去本底、曲線平滑、去雜線、去除接譜臺階、光譜單位轉(zhuǎn)化
進(jìn)階功能:光譜歸一化、選區(qū)獲取積分、*大、*小、*大/*小值位置等
譜峰擬合:采用多種峰形(高斯、洛倫茲、高斯洛倫茲等)對光譜進(jìn)行多峰擬合,獲取峰強(qiáng)、峰寬、峰位、背景等信息。
**功能:應(yīng)力擬合:針對Si、GaN、SiC等多種材料,從拉曼光譜中解析材料的應(yīng)力變化,直接獲得應(yīng)力定量數(shù)值,并可根據(jù)校正數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
**功能:應(yīng)力擬合:針對S1、GAN、SIC等多種材料,從拉曼光譜中解析材料的應(yīng)力變化,直接獲得應(yīng)力定量數(shù)值,并可根據(jù)校正數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
載流子濃度擬合
晶化率擬合
熒光壽命擬合
自主開發(fā)的一套時間相關(guān)單光子計數(shù)(TCSPC)熒光壽命的擬合算法，主要特色
1.從上升沿擬合光譜響應(yīng)函數(shù)(IRF)，無需實驗獲取。
2.區(qū)別于簡單的指數(shù)擬合，通過光譜響應(yīng)函數(shù)卷積算法獲得每個組分的熒光壽命，光子數(shù)比例，計算評價函數(shù)和殘差，可扣除積分和響應(yīng)系統(tǒng)時間不確定度的影響，獲得更加穩(wěn)定可靠的壽命數(shù)值。
3.*多包含4個時間組分進(jìn)行擬合。
熒光壽命擬合
主成分分析和聚類分析
每個主成分的譜顯示
主成分的分布圖
主成分聚類處理和分析
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