CN100468044C - 半导体材料残余应力的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体材料内部残余应力的测试装置，包括：一信号采集系统，该信号采集系统用于对采集的信号进行处理，得到样品的应力分布情况；一光学检偏棱镜，该光学检偏棱镜与信号采集系统连接；一光学起偏棱镜，该光学起偏棱镜置于光学检偏棱镜之前；一光弹性调制器，该光弹性调制器置于光学检偏棱镜和光学起偏棱镜之间；一激光光源，该激光光源提供光学系统的信号源。

Description

半导体材料残余应力的测试装置及方法

技术领域

本发明属于半导技术领域，特别是关于一种半导体材料残余应力的测试装置及方法。

背景技术

半导体材料的应力测试一直以来是材料质量表征的重要手段之一。材料中残余应力的大小直接反映了材料的质量高低和制备工艺的优劣。残余应力大的材料会影响在其上外延生长材料的质量，并劣化其制备的器件性能。因此，材料应力的测试得到了广泛地关注与重视，它可以为现代材料生长过程提供可靠的参考数据，以期获得较好的材料质量。

本发明以前常用的应力测试方法有电阻应变片法、机械引伸法、X射线衍射法、红外偏谱仪法等。其中电阻应变片法、机械引伸法测量精度比较高，但是这两种测试方法具有损伤性，会破坏材料的晶格完整性，并且测定的应力也只是较大范围内的平均值；X射线衍射法虽然无损于测试材料，但其测量误差较大，并且由于其贯穿深度有限，只能测试表面层或者浅层的残余应力；红外偏谱仪法虽然则需要繁杂冗长的测试过程。因而发展一种无损伤且能全面表征材料应力并且方便快捷的测试方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体材料残余应力的测试装置及方法，该装置及方法具有简洁完整、方便快捷的对半导体材料残余应力的测试，其可以克服其它测试方法带来的负面影响，对于材料不具有损伤性，全面表征材料应力的分布情况，测试过程简单快捷，测试精度高。

本发明的技术方案是：

本发明提供一种半导体材料残余应力的测试装置，其特征在于，包括：

一信号采集系统，该信号采集系统用于对采集的信号进行处理，得到样品的应力分布情况；

该信号采集系统包括：

一探测器，该探测器接收检偏棱镜的出射光；

三台锁相放大器，每台锁相放大器的输入端均与探测器连接；

一数据采集卡，该数据采集卡接收三台锁相放大器的输出信号；

一计算机，该计算机对数据采集卡采集到的信号进行运算处理；

一电控微动平移台，该电控微动平移台接收计算机的指令，控制样品位置的变换；

一光学检偏棱镜，该光学检偏棱镜置于探测器之前；

一光学起偏棱镜，该光学起偏棱镜置于光学检偏棱镜之前；

一光弹性调制器，该光弹性调制器置于光学检偏棱镜和光学起偏棱镜之间；

一激光光源，该激光光源提供光学系统的信号源。

其中该装置中还包括一样品架，该样品架用于置放样品，该样品架置于光学检偏棱镜和光学起偏棱镜之间。

其中激光光源的入射偏振面与样品表面两个互相垂直的测试方向的夹角均为45度。

其中所述的激光光源的波长选用小于测试样品材料禁带宽度光子能量的激光光源，使其能够透过测试样品。

本发明提供一种半导体材料残余应力的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将一待测样品置于光学检偏棱镜和光学起偏棱镜之间；

(2)将一光弹性调制器置于光学检偏棱镜和样品之间或样品和光学起偏棱镜之间；

(3)在该光学起偏棱镜的一端放有一激光光源，该激光光源的波长能够透过测试样品，即测试样品对测试波长基本透明；入射测试样品表面的激光为高纯度线偏振激光；

(4)在光学系统之后连接有一信号采集系统，该信号采集系统对光学系统的信号进行处理，得到样品的应力分布；

该信号采集系统包括：

一探测器，该探测器接收检偏棱镜的出射光；

三台锁相放大器，每台锁相放大器的输入端均与探测器连接；

一数据采集卡，该数据采集卡接收锁相放大器的输出信号；

一计算机，该计算机对数据采集卡采集到的信号进行运算处理；

一电控微动平移台，该电控微动平移台接收计算机的指令，控制样品位置的变换。

其中激光光源的入射偏振面与样品表面两个互相垂直的测试方向的夹角均为45度。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为半导体材料样品应力测试装置的示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种半导体材料内部残余应力的测试装置，包括：

一信号采集系统60，该信号采集系统60用于对采集的信号进行处理，得到样品的应力分布情况；该信号采集系统包括：

一探测器61，该探测器61接收检偏棱镜50的出射光；

三台锁相放大器62，每台锁相放大器62的输入端均与探测器61连接；

一数据采集卡64，该数据采集卡64接收锁相放大器62的输出信号；

一计算机63，该计算机63对数据采集卡64采集到的信号进行运算处理；

一电控微动平移台65，该电控微动平移台65接收计算机63的指令，控制样品位置的变换。

一光学检偏棱镜50，该光学检偏棱镜50与信号采集系统60连接；

一光学起偏棱镜20，该光学起偏棱镜20置于光学检偏棱镜50之前；

一光弹性调制器40，该光弹性调制器40置于光学检偏棱镜50和光学起偏棱镜20之间；

一激光光源10，该激光光源10提供光学系统的信号源；该激光光源10的入射偏振面与样品30表面两个相互垂直的测试方向的夹角均为45度；该激光光源10的波长选用小于测试样品材料禁带宽度光子能量的激光光源，使其能够透过测试样品；

该装置中还包括一样品架(图未示)，该样品架用于置放样品30，该样品架置于光学检偏棱镜50和光学起偏棱镜20之间。

请再参阅图1所示，本发明一种半导体材料内部残余应力的测试方法，包括如下步骤：

(1)将一待测样品30置于光学检偏棱镜50和光学起偏棱镜20之间；

(2)将一光弹性调制器40置于光学检偏棱镜50和样品30之间或样品30和光学起偏棱镜20之间；

(3)在该光学起偏棱镜20的一端放有一激光光源10，该激光光源10的波长能够透过测试样品，即测试样品材料对测试波长基本透明；入射测试样品表面的激光为高纯度线偏振激光；该激光光源10的入射偏振面与样品30表面两个相互垂直的测试方向的夹角均为45度；该激光光源10的波长选用小于测试样品材料禁带宽度光子能量的激光光源，使其能够透过测试样品；

(4)在光学检偏棱镜50之后连接有一信号采集系统60，该信号采集系统60对光学系统的信号进行接收及处理，得到样品的应力分布；该信号采集系统包括：

一探测器61，该探测器61接收检偏棱镜50的出射光；

三台锁相放大器62，每台锁相放大器62的输入端均与探测器61连接；

一数据采集卡64，该数据采集卡64接收锁相放大器62的输出信号；

一计算机63，该计算机63对数据采集卡64采集到的信号进行运算处理；

一电控微动平移台65，该电控微动平移台65接收计算机63的指令，控制样品位置的变换。

本发明的关键在于采用了全新的透射差分谱法来测试半导体材料的应力分布。对于各向同性的半导体材料而言，如果在其内部有残余应力存在，则会表现出各向异性，即光学主轴发生了改变。当入射偏振激光穿过测试材料时，表现出各向异性的两个光学主轴对光的传播速度会有不同，即在出射点形成一定的相位差，从而其透射强度会有不同。通过测量两个各向异性光学主轴方向的光强透过比率差，就可以求得测试材料内部的残余应力。在本方法中，利用光弹性调制器结合检偏器对透射光的偏振状态进行检测，可以在不旋转样品和任何光学元件的条件下，测量出测试样品表面上相互垂直的两个方向上的光强透射比率差(ΔT/T)，再结合弹光原理，最终计算出材料内部残余应力。所测精度可以达到10-5量级。

实施例：

1、使用激光二极管泵浦的YAG固体激光光源，波长1064nm。

2、将(001)面的6英寸的砷化镓晶片放入测试系统。

3、调整光路，选择测试点，使得入射激光的偏振面与测试样品表面平行，与砷化镓晶片表面[110]、[110]方向各成45度夹角。

4、测量砷化镓晶片表面[110]、[110]方向上的强度透过比率差ΔT/T，通过后叙的公式(1)即可求得该测试点应力的大小。

5、采用计算机编程控制样品自动移动到下一个测试点，重复步骤4，测得该点应力大小。

6、重复步骤5，直至测试完整个砷化镓晶片，获得整个砷化镓晶片材料的应力分布。

在测试过程中，光弹性调制器的主轴与起偏器的偏振方向平行或者垂直。光弹性调制器可对平行于主轴方向的透射激光进行相位调制，结果使得在平行调制器主轴和垂直探测器主轴两个方向的激光透射分量产生相位差Δ，该相位差是一个随时间做正弦变化的周期函数，即Δ＝φsinωt。其中ω是调制器的调制频率，而φ为调制幅度。

探测器探测到电信号中包含有正比于ΔT(按照2ω变化)和T的信号，利用锁相放大技术可同时得到正比于ΔT和T的信号大小。经过理论校准，可以得到材料表面相互垂直的两个方向上的强度透过比率差ΔT/T。强度透过比率差满足ΔT/T＝(1-cosδ)/(1+cosδ)，其中δ表示激光经过样品时，由于残余应力导致的光波在相互垂直的两个方向上产生的相位延迟。

所测得的相位差满足: $\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}|n\′-n\′\′|$ ，其中n′和n″分别为测试材料在两个相互垂直方向上对光波的折射率，d为测试材料厚度，λ为光源波长。根据弹光原理：

$|n\′-n\′\′|=\frac{n^3}{2}(q_{11}-q_{12})(P\′-P\′\′)---\left(1\right)$

其中n为理想测试材料(应力为零)对λ波长的光波折射率，q₁₁与q₁₂为测试材料在λ波长处的弹光系数。根据公式(1)即可以求得两个相互垂直方向的剪切应力P′-P″。

Claims (6)

1、一种半导体材料残余应力的测试装置，其特征在于，包括：

一信号采集系统，该信号采集系统用于对采集的信号进行处理，得到样品的应力分布情况；

该信号采集系统包括：

一探测器，该探测器接收检偏棱镜的出射光；

三台锁相放大器，每台锁相放大器的输入端均与探测器连接；

一数据采集卡，该数据采集卡接收三台锁相放大器的输出信号；

一计算机，该计算机对数据采集卡采集到的信号进行运算处理；

一电控微动平移台，该电控微动平移台接收计算机的指令，控制样品位置的变换；

一光学检偏棱镜，该光学检偏棱镜置于探测器之前；

一光学起偏棱镜，该光学起偏棱镜置于光学检偏棱镜之前；

一光弹性调制器，该光弹性调制器置于光学检偏棱镜和光学起偏棱镜之间；

一激光光源，该激光光源提供光学系统的信号源。

2、根据权利要求1所述的半导体材料残余应力的测试装置，其特征在于，其中该装置中还包括一样品架，该样品架用于置放样品，该样品架置于光学检偏棱镜和光学起偏棱镜之间。

3、根据权利要求1所述的半导体材料残余应力的测试装置，其特征在于，其中激光光源的入射偏振面与样品表面两个互相垂直的测试方向的夹角均为45度。

4、根据权利要求1所述的半导体材料残余应力的测试装置，其特征在于，其中所述的激光光源的波长选用小于测试样品材料禁带宽度光子能量的激光光源，使其能够透过测试样品。

5、一种半导体材料残余应力的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)将一待测样品置于光学检偏棱镜和光学起偏棱镜之间；

(2)将一光弹性调制器置于光学检偏棱镜和样品之间或样品和光学起偏棱镜之间；

(3)在该光学起偏棱镜的一端放有一激光光源，该激光光源的波长能够透过测试样品，即测试样品对测试波长基本透明；入射测试样品表面的激光为高纯度线偏振激光；

(4)在光学系统之后连接有一信号采集系统，该信号采集系统对光学系统的信号进行处理，得到样品的应力分布；

该信号采集系统包括：

一探测器，该探测器接收检偏棱镜的出射光；

三台锁相放大器，每台锁相放大器的输入端均与探测器连接；

一数据采集卡，该数据采集卡接收锁相放大器的输出信号；

一计算机，该计算机对数据采集卡采集到的信号进行运算处理；

一电控微动平移台，该电控微动平移台接收计算机的指令，控制样品位置的变换。

6、根据权利要求5所述的半导体材料残余应力的测试方法，其特征在于，其中激光光源的入射偏振面与样品表面两个互相垂直的测试方向的夹角均为45度。