一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法技术

本发明专利技术公开了一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法，运用强度周期性调制的、光子能量大于硅禁带宽度的激光经准直、扩束后激励硅晶圆，在其中产生浓度周期性变化的自由电子/空穴对；自由电子/空穴对通过辐射复合所发出的近红外荧光信号由一组离轴抛物面镜收集后由近红外光电探测器记录，并由锁相放大器解调、获得荧光信号的幅度与相位；连续地改变平均激励光强可以得到一组强度扫描的荧光信号，激励光强的相对改变由另一个光电探测器实时记录；通过分析强度扫描数据可以求出硅晶圆的平衡多数载流子浓度，进而得到其电阻率。本方法可以非接触地测量硅晶圆电阻率，为半导体制造业的晶圆在线监测/检测提供一种全光学的、无损、定量的表征方法。

A non-contact optical method for measuring the resistivity of silicon wafer

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法
本专利技术涉及半导体材料特性检测领域，特别涉及一种硅晶圆电阻率的非接触式、无损、定量测量的光学方法。
技术介绍
电阻率是表征掺杂半导体材料导电性能的重要参数之一。在当今的集成电路工业和光伏能源工业生产线上，测量半导体材料的电阻率已经成为常规例行的一道工序。测量电阻率的方法有很多，其中，四探针法是一种在全球半导体行业内被广泛采用的标准方法，它的优点是设备简单、精确度高，对样品形状无严格要求。但是，四探针法的缺点也很明显：第一，四探针法是一种接触式的测量方法，探针与样品接触的过程会不可避免地引入破坏和污染；第二，对于表面有绝缘层的晶圆片(如经过表面氧化钝化的硅晶圆)，四探针法除非用探针刺穿(有损)表面绝缘层、否则无法测量晶圆片的体电阻率；第三，四探针法属于局域探测技术，对于当今半导体基底尺寸不断增大的趋势(16寸的晶圆已逐渐成为主流)，四探针法只能做到局域抽检，无法做到整个大尺寸晶圆的全覆盖扫描测量。光学检测方法具有非接触、无损、无污染、快速等先天优点，在如今的半导体材料特性检测领域中已经成为新一代重点发展的检测技术；CCD性能的飞速发展使得基于光学成像技术的大尺寸晶圆全覆盖成像测量成为可能。在应用于半导体材料特性检测领域的诸多光学检测技术中，光致荧光(Photoluminescence)技术以能够测量半导体少数载流子输运性能而著称，包括测量载流子寿命、载流子迁移率、表面复合速率等少数载流子输运参数。光致荧光技术在实现少数载流子输运参数测量的过程中，通常采用激励光强调制的模式，样品中被激发的自由电子/空穴对通过辐射复合所产生的近红外荧光信号携带有相同的频率分量，利用锁相放大器来解调该频率下的幅度和相位，并通过调制频率从低频到高频的扫描来获得幅度和相位随频率变化的数据，从中提取出少数载流子输运参数。基于光致荧光效应的发光光强正比于少子浓度和多子浓度乘积的理论基础，以及掺杂半导体材料的电阻率与平衡多子浓度直接相关的事实，本专利技术提出利用一种利用光致荧光效应测量硅晶圆平衡多子浓度及电阻率的方法。与频率扫描模式的光致荧光技术测量少数载流子输运性能不同，该方法是一种基于强度扫描模式的光致荧光技术，利用光致荧光信号随激励光强呈非线性关系的特征，从荧光信号幅度和相位随激励光强变化的关系来测出硅晶圆平衡多子浓度以及电阻率。该方法具有非接触、无损、无污染、定量、快速等优点，而且对晶圆表面导电性能无要求(即便待检晶圆表面有很厚的绝缘层也可以测量)。该方法无需施加电极即可测量晶圆电阻率的特征有望成为半导体生产线上在线快检/在线监测的理想选择。
技术实现思路
本专利技术提出一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法，其测量系统包括函数发生器1、激励激光器2、光束准直器3、可调节中性滤波片4、均匀扩束器5、离轴抛物面镜7、长通滤波片8、两个光电探测器9和11、锁相放大器10、计算机12，其特征在于：运用函数发生器1产生的信号调制激光器2使其发出光强随时间呈周期性变化的激光，经过光束准直器3、可调节中性滤波片4、均匀扩束器5后形成光强均匀分布的大光斑入射硅晶圆样品6并在其中产生浓度随时间呈周期性变化的自由电子/空穴对，自由电子/空穴对通过辐射复合所产生的近红外荧光信号由一对离轴抛物面镜7收集后、经长通滤波片8、由近红外光电探测器9记录，再由锁相放大器10解调、获得荧光信号的幅度与相位，通过调节中性滤波片4可以连续地改变激励光强从而得到一组强度扫描的荧光信号，激励光强的相对改变由另一个光电探测器11实时记录，通过分析强度扫描数据可以求出硅晶圆的平衡多数载流子浓度，进而可以得到其电阻率，整个系统的控制以及数据存储与分析由计算机12完成。所述的函数发生器1所产生的调制信号的频率应为低频，即满足准稳态近似ωτ<<1，其中ω为光强调制角频率，τ为待测硅晶圆的等效载流子寿命。所述的函数发生器1所产生的调制信号的直流分量应远大于交流分量，使得激光光强为一个小的交流信号叠加在一个大的直流背景上。所述的激光器2所发出激光的光子能量应大于硅禁带宽度，从而可以激发自由电子/空穴对。所述的激光器2的光功率应足以在待测硅晶圆样品中产生与其平衡多子浓度相当的光载流子浓度。所述的从激光器出射的激光束经光束准直器3、可调节中性滤波片4、均匀扩束器5后，形成光强均匀分布、平均光功率可以连续调节的大尺寸光斑，从而可以实现对样品的均匀激励。所述的长通滤波片8可以滤除激励激光、只通过硅晶圆中载流子辐射复合所产生的近红外荧光信号。所述的近红外光电探测器9对硅晶圆中载流子辐射复合所产生的荧光波长应具有很好的响应，如InGaAs光电探测器，而光电探测器11对激励激光的波长应具有很好的响应，如硅光电探测器。所述的光电探测器11实时记录强度扫描中光强的相对变化，而绝对光强的定量信息由测量开始前的一次光强绝对测量来校准获得。所述的锁相放大器10应具有至少两个通道同时探测的能力，可以同时解调光电探测器9和11的信号，锁相放大器10的参考信号由函数发生器1提供，参考信号的频率与激光调制的频率相同。所述的强度扫描数据处理，先从相位数据求出硅晶圆的光载流子寿命随光强的变化关系，以此计算出各个光强下的光载流子浓度，然后利用幅度数据求出硅晶圆的平衡多数载流子浓度，从而计算出该硅晶圆的电阻率。本专利技术的有益效果是：在不接触硅晶圆样品的情况下，可以实现样品电阻率的定量测量，这种全光学的测量方法不仅具有无损、无污染、对待测样品表面特性无要求等优点，其无需施加电极即可测量电学性能的特征有望成为半导体生产线上在线快检/在线监测的理想选择。附图说明图1为本专利技术的实验系统示意图，其中1为函数发生器、2为激励激光器、3为光束准直器、4为可调节中性滤波片、5为均匀扩束器、6为待测硅晶圆样品、7为一对离轴抛物面镜、8为长通滤波片、9为近红外光电探测器、10为锁相放大器、11为可响应激励激光的光电探测器、12为计算机。图2为通过强度扫描得到的光致荧光信号幅度和相位数据示例，样品一为n型硅晶圆，样品二为p型硅晶圆，激励光波长为808nm，调制频率为100Hz。(a)为幅度随平均激励光强的关系，(b)为相位随平均激励光强的关系。图3为基于图2所示实验数据的分析处理与最佳拟合。(a)为从相位随平均激励光强的关系推得的光载流子寿命随光载流子浓度的关系，(b)为理论模型对幅度随光载流子浓度关系的最佳拟合，拟合输出参数即为硅晶圆的平衡多数载流子浓度，进而可以计算出电阻率。具体实施方式下面结合图1-3具体描述本专利技术提出的一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本专利技术，不应该理解成对本专利技术的限制。具体的实施步骤如下：(1)搭建实验系统。搭建如图1所示的非接触式测量硅晶圆电阻率的光学实验系统，包括函数发生器1、激励激光器2、光束准直器3、可调节中性滤波片4、均匀扩束器5、离轴抛物面镜7、长通滤波片8、两个光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法，其特征在于：运用函数发生器1产生的信号调制激光器2使其发出光强随时间呈周期性变化的激光，经过光束准直器3、可调节中性滤波片4、均匀扩束器5后形成光强均匀分布的大光斑入射硅晶圆样品6并在其中产生浓度随时间呈周期性变化的自由电子/空穴对，自由电子/空穴对通过辐射复合所产生的近红外荧光信号由一对离轴抛物面镜7收集后、经长通滤波片8、由近红外光电探测器9记录，再由锁相放大器10解调、获得荧光信号的幅度与相位，通过调节中性滤波片4可以连续地改变平均激励光强从而得到一组强度扫描的荧光信号，激励光强的相对改变由另一个光电探测器11实时记录，通过分析强度扫描数据可以求出硅晶圆的平衡多数载流子浓度，进而可以得到其电阻率，整个系统的控制以及数据存储与分析由计算机12完成。/n

【技术特征摘要】
1.一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法，其特征在于：运用函数发生器1产生的信号调制激光器2使其发出光强随时间呈周期性变化的激光，经过光束准直器3、可调节中性滤波片4、均匀扩束器5后形成光强均匀分布的大光斑入射硅晶圆样品6并在其中产生浓度随时间呈周期性变化的自由电子/空穴对，自由电子/空穴对通过辐射复合所产生的近红外荧光信号由一对离轴抛物面镜7收集后、经长通滤波片8、由近红外光电探测器9记录，再由锁相放大器10解调、获得荧光信号的幅度与相位，通过调节中性滤波片4可以连续地改变平均激励光强从而得到一组强度扫描的荧光信号，激励光强的相对改变由另一个光电探测器11实时记录，通过分析强度扫描数据可以求出硅晶圆的平衡多数载流子浓度，进而可以得到其电阻率，整个系统的控制以及数据存储与分析由计算机12完成。


2.根据权利要求1所述的一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法，其特征在于：函数发生器1所产生的调制信号的频率应为低频，即满足准稳态近似ωτ<<1，其中ω为光强调制角频率，τ为待测硅晶圆的等效载流子寿命，同时，调制信号的直流分量应远大于交流分量，使得激光光强为一个小的交流信号叠加在一个大的直流背景上。


3.根据权利要求1所述的一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法，其特征在于：激光器2所发出激光的光子能量应大于硅禁带宽度，从而可以激发自由电子/空穴对；同时，激光器的光功率应足以在待测硅晶圆样品中产生与其平衡多子浓度相当的光载流子浓度。


4.根据权利要求1所述的一种非接触式测量硅晶圆电阻率的光学方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙启明，王静，高椿明，雷晓轲，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51