SPM300 激光共聚焦拉曼应力检测系统

SPM300 激光共聚焦拉曼应力检测系统

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*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*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：

· 上述表格中的激光波长、物镜和单色仪等部件可以根据客户需求调整。

应用案例：

实测数据

智能化软件平台和模块化设计

· 统一的软件平台和模块化设计
· 良好的适配不同的硬件设备：平移台、显微成像装置、光谱采集设备、自动聚焦装置等

· 成熟的功能化模块：晶圆定位、光谱采集、扫描成像Mapping、3D层析，Raman Mapping，FLIM，PL Mapping，光电流Mapping等。

· 智能化的数据处理模组：与数据拟合、机器学习、人工智能等结合的在线或离线数据处理模组，将光谱解析为成分、元素的分布等，为客户提供直观的结果。可根据客户需求定制光谱数据解析的流程和模组

· 可根据客户需求进行定制化的界面设计和定制化的RECIPE流程设计，实现复杂的采集和数据处理功能。

显微光谱成像控制软件界面

强大的光谱图像数据处理软件VISUALSPECTRA

显示：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。

显微光谱成像控制软件界面

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、*大、*小、*大/*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。

**功能:应力拟合:针对Si、GaN、SiC等多种材料,从拉曼光谱中解析材料的应力变化,直接获得应力定量数值,并可根据校正数据进行校正。

**功能:应力拟合:针对S1、GAN、SIC等多种材料,从拉曼光谱中解析材料的应力变化,直接获得应力定量数值,并可根据校正数据进行校正。

载流子浓度拟合

晶化率拟合

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.*多包含4个时间组分进行拟合。

荧光寿命拟合

主成分分析和聚类分析

每个主成分的谱显示

主成分的分布图

主成分聚类处理和分析

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