CN103308224A

CN103308224A - 半导体材料微区应力测试系统

Info

Publication number: CN103308224A
Application number: CN2013101940749A
Authority: CN
Inventors: 高寒松; 陈涌海; 张宏毅; 刘雨
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明公开了一种半导体微区应力测试系统。系统包括激光光源、空间滤波器、起偏器、检偏器、物镜、载物台、光弹性调制器、探测器及锁相放大器，采用计算机控制逐点扫描并采集处理数据。通过测量材料表面相互垂直的两个方向上的光强反射比率差ΔR/R求得测试材料的应力分布。本发明可以克服其它测试系统带来的负面影响，对于材料不具有损伤性，小范围的表征材料应力的分布情况，测试过程简单快捷，测试精度高。

Description

半导体材料微区应力测试系统

技术领域

本发明属于测量设备技术领域，具体涉及应用于半导体材料的制造工艺中的微区应力测试系统。

背景技术

在半导体材料生长及工艺制作领域，追求材料结构的完美一直是人们努力的方向。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。随着对材料结构要求的提高生长工艺的改进，人们对微区范围内材料应力的大小和分布提出了要求。拥有一套完整的、方便迅速的微区应力测试系统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。

在此之前，常用的半导体材料微区应力测试系统有光致发光光谱仪和显微拉曼偏谱仪。光致发光光谱仪对材料的晶体质量要求较高，对应力的测量通常是在低温，并且通常对应力的测试只是局域在表层。显微拉曼光谱仪可以在室温下测试应力的大小和分布，但是测量的精度不高，而且测试时间很长，往往要花费数个小时，甚至更长的时间。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于建立一套完整、全面、方便、快捷地完成对各种材料，特别是半导体材料微区应力的测试。

(二)技术方案

本发明一种半导体材料微区应力测试系统，用于测试样品的微区应力，该系统包括线偏振激光源、光相位调制器、分光器、物镜、载物台、检偏器、斩波器和信号采集系统；其中，所述线偏振激光源用于产生线偏振激光，并将产生的线偏振激光送到光相位调制器；所述光相位调制器用于所述线偏振激光在该光相位调制器的主轴和它的垂直方向上产生固定的相位差；所述载物台用于承载所测试材料的样品，并调节该测试材料样品的位置；所述分光器用于使经过所述光相位调制器光入射到样品，同时，使由样品的反射光透射，从而将样品的入射光和反射光分开；检偏器用于接收所述样品的反射光，检测特定方向上光波的振幅；斩波器用于将光波调制成特定频率的交流信号；信号采集系统用于接收所述样品的反射光，将其转换为电信号后进行处理，得到样品的微区应力。

根据本发明的一种具体实施方式，所述信号采集系统包括：一探测器，用于接收所述样品的反射光，将接收到的光信号转化为电信号；一第一锁相放大器，用于测量所述斩波器将光波调制成的低频分量；一第二锁相放大器和一第三锁相放大器，其分别用于测量所述光弹性调制器的一倍频和二倍频分量；一数据采集卡，用于接收所第一、第二、第三锁相放大器的输出信号，并把它转化为计算机识别的数字信号；一计算机，用于接收并存储数据采集卡得到的数据，并对数据采集卡采集到的信号进行运算处理。

根据本发明的一种具体实施方式，所述线偏振激光源包括激光器和起偏器，所述起偏器用于产生偏振度较高的线偏振光，以便提高激光的偏振度。

根据本发明的一种具体实施方式，还包括一个图像撷取装置，用于接收从所述检偏器出射的激光，以撷取样品表面的图像。

根据本发明的一种具体实施方式，还包括一个照明光源，用于对样品表面照明。

根据本发明的一种具体实施方式，还包括物镜，其位于所间谍分光器和样品之间，样品的入射光经物镜被汇聚在样品上。

根据本发明的一种具体实施方式，所述线偏振激光源包括激光光源、空间滤波器和起偏器，从激光光源出射的偏振激光经过所述空间滤波器和所述起偏器。

根据本发明的一种具体实施方式，所述起偏器和检偏器是方解石制成的格兰泰勒型激光偏振棱镜。

根据本发明的一种具体实施方式，所述光相位调制器的主轴方向与激光偏振方向相同。

(三)有益效果

本发明提出的微区应力测试系统可以测得材料的内部微区应力的分布，测试结果较为准确，测试过程迅速快捷。

本发明提出的微区应力测试系统可以克服其他测试系统带来的负面影响，对于材料不具损伤性，小范围的表征材料应力的分布情况，并且对操作人员的经验依赖性不大，特别适用于半导体材料的微区应力测试。

附图说明

图1显示了本发明的微区应力测试系统的基本原理结构示意图；

图2显示了本发明的一个具体实施例的微区应力测试系统的光学部分的结构图。

具体实施方式

本发明提出了一种全新的微区应力测试系统，其能够对材料的微米量级的区域进行应力测试。

本发明的微区测试系统的原理是：对于半导体材料而言，如果在其内部有残余应力存在，则会表现出各向异性，即光学主轴发生改变。当入射的偏振激光被样品反射时，表现出各向异性的两个光学主轴对光的反射系数不同，通过测量两个光学各向异性主轴方向的反射系数的差，就可测得材料内部的残余应力。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1显示了本发明的微区应力测试系统的基本原理结构示意图。如图1所示，该系统包括线偏振激光源1、光相位调制器2、分光器3、物镜4、载物台5、检偏器6、斩波器7和信号采集系统8。

其中，线偏振激光源1用于产生线偏振激光，并将产生的线偏振激光送到光相位调制器。

光相位调制器2用于使线偏振激光源1产生的线偏振激光在该光相位调制器的主轴和它的垂直方向上产生固定的相位差。

载物台5用于承载所测试材料的样品，并调节该测试材料样品的位置。

分光器3用于使经过所述光相位调制器2光入射到样品S，同时，使由样品S反射的光透射，从而将入射光和反射光分开。

也就是说，当光垂直入射到样品上时，入射光和反射光重合；此时为了区分入射光和反射光，在光路中添加一个分光器3(如分光棱镜)，可改变光路的传播方向，将入射光和反射光分开。

将物镜4放置于分光器3和样品S之间，入射光经物镜4被汇聚在样品上，样品S上的反射光再通过物镜沿原光路返回，到达分光器3，与入射光分开。

检偏器6用于接收样品的反射光，检测特定方向上光波的振幅。

斩波器7用于将光调制成特定频率的交流信号，以提高测量精度。

信号采集系统8用于接收所述样品S的反射光，将其转换为电信号后进行处理，得到样品的应力分布情况。该信号采集系统8包括：

一探测器81，该探测器81用于接收样品S的反射光，将接收到的光信号转化为电信号；

三台锁相放大器82，83，84，每台锁相放大器82，83，84的输入端均与探测器81连接，锁相放大器82的参考端与斩波器7的输出端连接，锁相放大器83，84的参考端与光相位调制器2的两个输出端连接；

一数据采集卡85，该数据采集卡85接收锁相放大器82，83，84的输出信号，并把锁相放大器得到的模拟电信号转化为计算机识别的数字信号。

一计算机86，用于接收并存储数据采集卡85得到的数据，并对数据采集卡85采集到的信号进行运算处理。

优选地，本发明的微区应力测试系统的线偏振激光源1包括激光器和起偏器，起偏器用于产生偏振度较高的线偏振光，以便提高激光的偏振度。更优选地，线偏振激光源1还包括空间滤波器，其用于空间滤波，以便得到光束质量更好更细的偏振光。

在本发明的一种具体实施方式中，微区应力测试系统还包括一个图像撷取装置，用于接收从检偏器出射的激光，撷取样品表面的图像，以便观察样品表面的情况，以便找到需要测试的范围。

在本发明的一种具体实施方式中，微区应力测试系统还包括一个照明光源，其设置于分光器前面，用于对样品表面照明，以便所述图像撷取装置成像。

下面通过一个具体实施例来具体的阐述本发明的实施方式，以便本发明的特征和优点更加清楚和明确。

图2显示了本发明的一个具体实施例的微区应力测试系统的光学部分的结构图。如图2所示，该实施例的系统包括以下设备：激光光源11、空间滤波器12、起偏器13、光弹性调制器2、分光器3、物镜4、载物台5、检偏器6、斩波器7、信号采集系统8、照明光源14和图像撷取装置15。

如图2所示，激光光源11、空间滤波器12、起偏器13构成线偏振激光源1，从激光光源11出射的偏振激光经过空间滤波器12和起偏器13成为高纯度线偏振激光，其偏振面在竖直方向。

其中所述的光源11为激光二极管泵浦的YAG固体激光光源，波长532nm，能够被大多数半导体材料反射。

其中所述的空间滤波器12采用的是物镜、针孔和透镜组成的共聚焦系统，其物镜为40×，针孔为5μm，能够对入射的激光光束进行空间滤波，并得到较细的具有高斯分布的光斑。

其中所述的起偏器13采用的是方解石制成的格兰泰勒型激光偏振棱镜，其通光孔径为10mm。起偏器13的主轴在竖直方向。

光弹性调制器2的主轴方向与激光光源发出的激光的偏振方向成45°，对于平行于光弹性调制器主轴方向通过的光波分量将增加一个周期变化的位相。

分光器3用于将光分成沿光的传播方向和其垂直方向两束，当光垂直入射到样品上时，入射光和反射光重合；此时为了区分入射光和反射光，在光路中添加一个分光棱镜，可改变光路的传播方向，将入射光和反射光分开。

经分光器3出射的激光入射到物镜4，物镜4为显微物镜，其将光束聚集后垂直入射到置于载物台5上的测试材料S的表面的测试点。所述的物镜4采用的是长工作距离的显微物镜，工作距离为12mm，能够对入射光束进行会聚和对反射光束进行收集。

载物台5为二维电控平移载物台，可以在水平面内两个特定方向同时获得0～180μm的移动范围。

斩波器7可位于光路中的任何位置，用于将光波调制成一个特定频率的交流信号。

材料反射光束经过检偏器6后入射到信号采集系统8，信号采集系统8对采集到的信号进行处理，得到样品的应力分布。

探测器81将接收到的光信号转化为电信号，其波长响应范围为0.4～0.8微米；

三个锁相放大器在此分别称为第一、第二、第三锁相放大器。第一锁相放大器82用于测量斩波器将光波调制成的低频分量，送入数据采集卡85进行数据处理；第二锁相放大器83和第三锁相放大器84用于测量光弹性调制器的一倍频和二倍频分量，送入数据处理卡85进行数据处理。

数据采集卡85把锁相放大器得到的模拟电信号转化为计算机识别的数字信号。

计算机86其用于接收并存储数据采集卡85得到的数据，对采集到的信号进行运算处理。

在测试过程中，光弹性调制器的主轴与起偏器平行。光弹性调制器可对平行于主轴方向上的激光进行相位调制，结果使得在平行调制器主轴和垂直调制器主轴的两个方向上的激光分量产生相位差Δ，该相位差是一个随时间做正弦变化的周期函数，即

其中

是调制幅度，ω为调制频率。通过测量材料表面相互垂直的两个方向上的光强反射比率差ΔR/R求得测试材料的应力分布。

探测器的电信号中有正比于ΔR和R的电信号，利用锁相放大技术可同时得到正比于ΔR和R的信号大小，经过理论校准，可以得到材料表面两个相互垂直方向上的反射比率差ΔR/R。利用ΔR/R＝KΔn的对应关系计算出复折射率的变化，再利用Δn＝-n₀ ³(q₁₁-q₁₂)(P’-P”)，q₁₁与q₁₂为测试材料在λ波长处的弹光系数，即可以求得两个相互垂直方向的剪切应力(P’-P”)。

照明光源14和图像撷取装置15用于观察并选定需要测试的位置，其中照明光源由LED同轴光源实现，图像撷取装置15为工业数字相机，采用CCD进行成像，能够对光斑和样品表面成像。由此可以观察到宏观的表面形貌，找到需要测试的区域。

其中所述检偏棱镜6和起偏棱镜13一样，采用的是方解石制成的格兰泰勒型激光偏振棱镜，其通光孔径为10mm检偏棱镜13的主轴方向与竖直方向夹角为45度。

在具体测试时，首先将需要测试的样品放入测试系统，然后调整光路，通过照明光路选择测试点，使得入射激光的偏振面与样品表面平行，测出直流分量以及光弹性调制器的一倍频和二倍频分量，送入计算机进行处理。利用计算机控制重新自动选择测试点。重复以上步骤，可以获得半导体材料中的微区应力分布。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种半导体材料微区应力测试系统，用于测试样品(S)的微区应力，其特征在于：该系统包括线偏振激光源(1)、光相位调制器(2)、分光器(3)、物镜(4)、载物台(5)、检偏器(6)、斩波器(7)和信号采集系统(8)；其中，

所述线偏振激光源(1)用于产生线偏振激光，并将产生的线偏振激光送到光相位调制器；

所述光相位调制器(2)用于所述线偏振激光在该光相位调制器(2)的主轴和它的垂直方向上产生固定的相位差；

所述载物台(5)用于承载所测试材料的样品，并调节该测试材料样品的位置；

所述分光器(3)用于使经过所述光相位调制器(2)光入射到样品(S)，同时，使由样品(S)的反射光透射，从而将样品(S)的入射光和反射光分开；

检偏器(6)用于接收所述样品(S)的反射光，检测特定方向上光波的振幅；

斩波器(7)用于将光波调制成特定频率的交流信号；

信号采集系统(8)用于接收所述样品(S)的反射光，将其转换为电信号后进行处理，得到样品(S)的微区应力。

2.如权利要求1所述的半导体材料微区应力测试系统，其特征在于：所述信号采集系统(8)包括：

一探测器(81)，用于接收所述样品(S)的反射光，将接收到的光信号转化为电信号；

一第一锁相放大器(82)，用于测量所述斩波器(7)将光波调制成的低频分量；

一第二锁相放大器(83)和一第三锁相放大器(84)，其分别用于测量所述光弹性调制器的一倍频和二倍频分量；

一数据采集卡(85)，用于接收所第一、第二、第三锁相放大器(82，83，84)的输出信号，并把它转化为计算机识别的数字信号。

一计算机(86)，用于接收并存储数据采集卡(85)得到的数据，并对数据采集卡(85)采集到的信号进行运算处理。

3.如权利要求1所述的半导体材料微区应力测试系统，其特征在于：所述线偏振激光源(1)包括激光器和起偏器，所述起偏器用于产生偏振度较高的线偏振光，以便提高激光的偏振度。

4.如权利要求1所述的半导体材料微区应力测试系统，其特征在于：还包括一个图像撷取装置，用于接收从所述检偏器(6)出射的激光，以撷取样品表面的图像。

5.如权利要求4所述的半导体材料微区应力测试系统，其特征在于：还包括一个照明光源，用于对样品表面照明。

6.如权利要求1所述的半导体材料微区应力测试系统，其特征在于：还包括物镜(4)，其位于所间谍分光器(3)和样品(S)之间，样品的入射光经物镜(4)被汇聚在样品(S)上。

7.如权利要求1所述的半导体材料微区应力测试系统，其特征在于：

所述线偏振激光源(1)包括激光光源(11)、空间滤波器(12)和起偏器(13)，从激光光源(11)出射的偏振激光经过所述空间滤波器(12)和所述起偏器(13)。

8.如权利要求7所述的半导体材料微区应力测试系统，其特征在于：所述起偏器(13)和检偏器(6)是方解石制成的格兰泰勒型激光偏振棱镜。

9.如权利要求1所述的半导体材料微区应力测试系统，其特征在于：所述光相位调制器(2)的主轴方向与激光偏振方向相同。