CN105870033A - 一种半导体抛光晶片表面划痕的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体抛光晶片表面划痕的检测方法，所述检测方法包括如下步骤：步骤一：采用脉冲激光辐照所述半导体抛光晶片；步骤二：用显微镜观察经过脉冲激光辐照的半导体抛光晶片表面；其中，所述脉冲激光的总辐照能量密度介于第一损伤能量密度阈值和第二损伤能量密度阈值之间。本发明的检测方法速度快、成本低、对晶片损伤小、无污染，可广泛应用于对半导体抛光晶片产品的表面划痕的快速检测。

Description

一种半导体抛光晶片表面划痕的检测方法
技术领域
本发明涉及晶片表面划痕的检测方法，尤其涉及半导体抛光晶片表面划痕的检测方法。
背景技术
在半导体晶片的制备过程中，通常采用机械法对半导体进行切割，然后对切割的晶片表面进行粗磨、细磨及化学和机械抛光，使其满足外延的要求。然而，经过化学机械抛光的半导体晶片表面常存在损伤层，损伤层中的划痕会对后续同质或异质外延生长材料的质量和器件性能带来负面效应。
目前，可以借助光学显微镜方便地识别半导体晶片表面大于几个微米尺寸的缺陷。然而，对存在于损伤层内宽度小于微米尺度的划痕(本文我们称其为不可见划痕)在显微镜下几乎无法识别。并且，这种晶片表面的不可见划痕经过外延生长后，划痕的痕迹会重新显露出来，严重退化外延薄膜的质量均匀性和器件的成品率。因此，需要一种检测和评估不可见划痕的方法，以进一步消除这种不可见划痕，从而改进和提升半导体晶片的质量。
目前，对半导体晶片，特别是碳化硅(SiC)晶片表面损伤层内的不可见划痕进行评估的方法主要是通过湿法刻蚀(Mater.Sci.Forum 600-603，831(2009))。即在500℃的熔融KOH中腐蚀SiC晶片5-20分钟，腐蚀结束后将SiC晶片取出，并依次用盐酸和去离子水对样品进行超声清洗，然后用光学显微镜对经过KOH腐蚀后而在晶片表面暴露出来的不可见划痕或缺陷进行检测。该方法虽然能对SiC晶片表面的不可见划痕进行检测，但存在如下缺点：1、对SiC晶片损伤大，整个SiC晶片表面都被熔融的KOH腐蚀；2、腐蚀过程对SiC晶片有一定程度的污染；3、整个检测过程相对复杂，需经历腐蚀、清洗等步骤。
所以，需要发展一种简单、便捷、快速、几乎无二次损伤地对半导体抛光晶片表面的不可见划痕进行检测的方法。
此外，本领域技术人员很容易理解的是，“不可见”是一种相对概念，对于低倍显微镜“不可见”的划痕可能对高倍显微镜来说是“可见”的，因此，在本文中，将“不可见划痕”和“可见划痕”统一称为“划痕”。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供一种半导体抛光晶片表面划痕的检测方法，所述检测方法包括如下步骤：
步骤一：采用脉冲激光辐照所述半导体抛光晶片；
步骤二：用显微镜观察经过脉冲激光辐照的半导体抛光晶片表面；
其中，所述脉冲激光的总辐照能量密度介于第一损伤能量密度阈值和第二损伤能量密度阈值之间。
当脉冲激光的总辐照能量密度达到第一损伤能量密度阈值时，受辐照的半导体抛光晶片表面的划痕区域受热分解而划痕区域之外的区域不分解，当脉冲激光的总辐照能量密度达到第二损伤能量密度阈值时，半导体抛光晶片表面的所有被辐照区域都受热分解。
根据本发明的检测方法，优选地，所述脉冲激光的波长范围介于190nm和2000nm之间。
根据本发明的检测方法，优选地，所述半导体抛光晶片的材料为SiC。
根据本发明的检测方法，优选地，所述SiC为掺氮6H-SiC，所述第一损伤能量密度阈值为1.0J/cm2，所述第二损伤能量密度阈值为4.8J/cm2。
根据本发明的检测方法，优选地，所述SiC为掺钒6H-SiC，所述第一损伤能量密度阈值为1.2J/cm2，所述第二损伤能量密度阈值为5.0J/cm2。
根据本发明的检测方法，优选地，所述SiC为掺钒4H-SiC，所述第一损伤能量密度阈值为1.6J/cm2，所述第二损伤能量密度阈值为5.3J/cm2。
根据本发明的检测方法，优选地，所述SiC为掺氮4H-SiC，所述第一损伤能量密度阈值为1.3J/cm2，所述第二损伤能量密度阈值为5.1J/cm2。
根据本发明的检测方法，优选地，所述半导体抛光晶片的材料为GaN、AlN、ZnO、GaAs或Si。
根据本发明的检测方法，优选地，所述显微镜为原子力显微镜、电子显微镜或光学显微镜。
本发明还提供了一种实现上述检测方法的检测装置，包括脉冲激光器和显微镜，其中，所述脉冲激光器发射的激光的总辐照能量密度介于第一损伤能量密度阈值和第二损伤能量密度阈值之间。
与现有技术相比，本发明的优点在于：能够对半导体抛光晶片表面的划痕进行快速、有效、低成本的检测，对晶片表面的损伤小，也不会对晶片带来污染，可广泛应用于各种晶形和掺杂类型的半导体抛光晶片表面划痕的检测。
附图说明
以下参照附图对本发明的实施例作进一步说明，其中：
图1示出了化学机械抛光后的掺氮6H-SiC抛光晶片表面的原子力显微镜形貌；
图2示出本发明提供的SiC抛光晶片表面划痕的检测方法的示意图；
图3(a)-3(d)分别示出采用总辐照能量密度为1.0J/cm2、1.3J/cm2、1.6J/cm2和4.8J/cm2的激光辐照掺氮6H-SiC抛光晶片之后，掺氮6H-SiC抛光晶片表面的光学显微镜形貌；
图4(a)-4(d)分别示出采用总辐照能量密度为1.0J/cm2、1.3J/cm2、1.6J/cm2和4.8J/cm2的激光辐照掺钒4H-SiC抛光晶片之后，掺钒4H-SiC抛光晶片表面的光学显微镜形貌。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例以掺氮(N)的导电6H-SiC晶片为例进行说明。图1示出了化学机械抛光后的掺氮6H-SiC抛光晶片表面的原子力显微镜形貌。可以看出，通过昂贵的原子力显微镜观察不到掺氮6H-SiC抛光晶片表面的划痕。本实施例提供了一种掺N的导电6H-SiC抛光晶片表面划痕的检测方法，下面参照图2和图3对该方法进行详细描述。图2示出本发明提供的SiC抛光晶片表面划痕的检测方法的示意图，图3示出了不同的总激光辐照能量密度的情况下，辐照区域的掺氮6H-SiC抛光晶片表面的光学显微镜形貌。图3(a)-(d)所对应的总激光辐照能量密度分别为1.0J/cm2、1.3J/cm2、1.6J/cm2和4.8J/cm2。本实施例的掺氮6H-SiC抛光晶片表面划痕的检测方法包括以下步骤：
1)将待检测的尺寸为1×1cm2的掺氮导电6H-SiC晶片依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗干净，最后将清洗后的6H-SiC晶片用氮气吹干。
2)用脉冲激光辐照清洗干净的掺氮6H-SiC晶片。所用的脉冲激光的参数为：波长355nm，脉宽20ps，脉冲频率1000Hz，光斑直径约为400μm，单个脉冲能量密度分别为24mJ/cm2、32mJ/cm2、40mJ/cm2和120mJ/cm2(分别对应图3(a)-3(d))。分别对6H-SiC晶片采用上述脉冲光源辐照40个脉冲，对应的辐照时间约为40ms，对应的总辐照能量密度(定义为单个脉冲的能量密度乘以脉冲的个数)分别约为1.0J/cm2、1.3J/cm2、1.6J/cm2和4.8J/cm2(分别对应图3(a)-3(d))。具体操作中可通过电机控制的6H-SiC晶片样品台自动移出光斑区域，完成对掺氮6H-SiC晶片的辐照。
3)用光学显微镜对辐照后的掺氮6H-SiC晶片观察和检测，检测结果分别如图3(a)-3(d)所示。
掺氮的导电6H-SiC晶片的划痕损伤处的原子比晶片正常区域的原子悬健密度更高，更不稳定，因此，划痕损伤处的Si和C原子受热后更容易分解。在脉冲激光辐照掺氮6H-SiC晶片后，SiC晶格和其中的自由载流子吸收激光的能量，使辐照区域温度升高。如果总激光辐照能量密度低于第一损伤能量密度阈值，辐照区域的温度未达到SiC晶片原子分解温度(1000℃以上)，划痕损伤处的原子几乎不分解，划痕不能通过光学显微镜观察到。如果总激光辐照能量密度达到掺氮的导电SiC晶片第一损伤能量密度阈值(1.0J/cm2)以上，由于划痕处的原子相比其它完美区域的原子分解速度更快，此时掺氮6H-SiC晶片表面划痕处的Si和C原子开始分解而划痕以外区域的Si和C原子不分解，因此划痕的形貌会明显显露出来。如果辐照的激光能量密度过高，达到或超过第二损伤能量密度阈值(4.8J/cm2)以上(见图3(d))，掺氮6H-SiC晶片的受辐照区域呈现几乎均匀的分解，导致无法通过光学显微镜识别掺氮6H-SiC晶片中的划痕。因此只有所采用的辐照激光能量密度处在第一和第二损伤能量密度阈值之间时，掺氮6H-SiC晶片表面上存在的划痕的痕迹才能被明显放大并通过光学显微镜清晰观察到。
受辐照的掺氮导电6H-SiC晶片表面的光学显微镜形貌分别见图3(a)-(d)，从图3(a)可以看出，总激光辐照能量密度为1.0J/cm2时，SiC晶片的划痕开始显露出来；随着总激光辐照能量密度的增加，通过光学显微镜观察的SiC晶片表面的划痕逐渐清晰；但是当总激光辐照能量密度达到第二损伤能量密度阈值4.8J/cm2时，掺氮6H-SiC晶片表面受损严重，无法识别划痕的痕迹。从该实施例的检测结果可以看出，原本用昂贵的原子力显微镜都不能识别的划痕，当采用合适的激光辐照晶片之后，用相对廉价的光学显微镜就能够观察到。
实施例2
本实施例提供了一种掺钒(V)半绝缘4H-SiC晶片表面划痕的检测方法，下面参照图4对该方法进行详细描述。图4示出了不同的总激光辐照能量密度的情况下，辐照区域的掺钒4H-SiC抛光晶片表面的光学显微镜形貌。图4(a)-(d)所对应的总激光辐照能量密度分别为1.6J/cm2、2.1J/cm2、2.5J/cm2和5.3J/cm2。本实施例的掺钒4H-SiC抛光晶片表面划痕的检测方法包括以下步骤：
1)将待检测的尺寸为1×1cm2的掺钒半绝缘4H-SiC晶片依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗干净，最后将清洗后的碳化硅晶片用氮气吹干。
2)用脉冲激光光源辐照清洗干净的掺钒4H-SiC晶片。所用的脉冲激光的参数为：激光波长355nm，脉宽20ps，脉冲频率1000Hz，光斑直径约为400μm，每个脉冲能量密度分别为40mJ/cm2、52mJ/cm2、64mJ/cm2和132mJ/cm2(分别对应图4(a)-4(d))。分别对4H-SiC晶片采用上述的脉冲光源辐照40个脉冲，对应的辐照时间分别约为40ms，对应的能量密度约为1.6J/cm2、2.1J/cm2、2.5J/cm2和5.3J/cm2(分别对应图4(a)-4(d))。具体操作中可通过电机控制的4H-SiC样品台自动移出光斑区域，完成脉冲激光的辐照。
3)用光学显微镜对辐照后的掺钒4H-SiC晶片观察和检测，检测结果分别如图4(a)-4(d)所示。
从图4(a)可以看出，总激光辐照能量密度达到第一损伤能量密度阈值1.6J/cm2时，掺钒4H-SiC晶片的划痕开始显露出来，随着总激光辐照能量密度的增加，通过光学显微镜观察的掺钒4H-SiC晶片表面的划痕逐渐清晰，但是当总激光辐照能量密度达到第二损伤能量密度阈值5.3J/cm2时，掺钒4H-SiC晶片表面受损严重，无法识别划痕的痕迹。
根据本发明的其他实施例，掺钒(V)的半绝缘6H-SiC的第一损伤能量密度阈值为1.2J/cm2，第二损伤能量密度阈值为5.0J/cm2；掺氮(N)的导电4H-SiC的第一损伤能量密度阈值为1.3J/cm2，第二损伤能量密度阈值为5.1J/cm2。可以看出，半导体材料的第一和第二损伤能量密度阈值与其导电性相关。
根据本发明的其他实施例，所采用的脉冲激光的波长范围为190nm～2000nm。
根据本发明的其他实施例，除了SiC晶片，本发明还能够检测任意其他半导体抛光晶片表面的划痕，例如GaN、AlN、ZnO、GaAs或Si等，对于不同材料的半导体抛光晶片，所对应的第一损伤能量密度阈值和第二损伤能量密度阈值不同。
根据本发明的其他实施例，可以采用任意常规的显微镜观察被脉冲激光辐照后的半导体抛光晶片，包括电子显微镜、光学显微镜、原子力显微镜等。在本发明中，对于低倍显微镜不可见而高倍显微镜可见的划痕，用脉冲激光辐照晶片，将划痕“放大”之后，采用低倍显微镜就可以检测到，这也降低了检测成本。
本领域技术人员很容易理解，总激光辐照能量密度与脉冲激光的单个脉冲能量密度和辐照时间有关。
另外，本领域技术人员很容易理解，脉冲激光的辐照光斑面积很容易调节，在本发明中，半导体抛光晶片表面受脉冲激光辐照区域的面积远低于1mm2，这最小化了对半导体抛光晶片的损伤。因此本发明的检测方法速度快、成本低、对晶片损伤小、无污染，可广泛应用于对半导体抛光晶片产品的表面划痕的快速检测。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种半导体抛光晶片表面划痕的检测方法，所述检测方法包括如下步骤：
步骤一：采用脉冲激光辐照所述半导体抛光晶片；
步骤二：用显微镜观察经过脉冲激光辐照的半导体抛光晶片表面；
其中，所述脉冲激光的总辐照能量密度介于第一损伤能量密度阈值和第二损伤能量密度阈值之间。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其中，所述脉冲激光的波长范围介于190nm和2000nm之间。
3.根据权利要求1或2所述的检测方法，其中，所述半导体抛光晶片的材料为SiC。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其中，所述SiC为掺氮6H-SiC，所述第一损伤能量密度阈值为1.0J/cm2，所述第二损伤能量密度阈值为4.8J/cm2。
5.根据权利要求3所述的检测方法，其中，所述SiC为掺钒6H-SiC，所述第一损伤能量密度阈值为1.2J/cm2，所述第二损伤能量密度阈值为5.0J/cm2。
6.根据权利要求3所述的检测方法，其中，所述SiC为掺钒4H-SiC，所述第一损伤能量密度阈值为1.6J/cm2，所述第二损伤能量密度阈值为5.3J/cm2。
7.根据权利要求3所述的检测方法，其中，所述SiC为掺氮4H-SiC，所述第一损伤能量密度阈值为1.3J/cm2，所述第二损伤能量密度阈值为5.1J/cm2。
8.根据权利要求1或2所述的检测方法，其中，所述半导体抛光晶片的材料为GaN、AlN、ZnO、GaAs或Si。
9.根据权利要求1或2所述的检测方法，其中，所述显微镜为原子力显微镜、电子显微镜或光学显微镜。
10.一种实现权利要求1-9中任一项所述的检测方法的检测装置，包括脉冲激光器和显微镜，其中，所述脉冲激光器发射的激光的总辐照能量密度介于第一损伤能量密度阈值和第二损伤能量密度阈值之间。
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