CN114217095A - 一种适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扫描显微成像技术领域，公开了一种适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，第一激光束依次通过滤光片、光阑和第一透镜、第一单色仪汇聚后，打到探针的悬梁臂和样品上，样品表面发出的荧光信号入射到第二单色仪，经由光电转换器将荧光信号转换为电信号后，对电信号进行放大并发送至数据采集单元；第二激光束透过第二透镜打到探针的悬梁臂并打在样品上的同一点上，经第三透镜收集后入射至SPM探测器，转换为电信号输入至SPM信号采集器；通过移动探针或/和样品实现对所述样品表面的扫描。本发明装置可以很快的定位到样品的缺陷位置，对于表面缺陷和无法在表面看到的缺陷，不需要再通过两个以上的装置进行重复检测。

Description

一种适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜

技术领域

本发明涉及扫描显微成像技术领域，具体为一种适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜。

背景技术

扫描探针显微镜被广泛用于纳米前沿研究，如分子自组装结构、材料力学性能表征、MEMS制造、细胞表面形态观察、生物大分子的结构及性质、分子器件等各个领域；特别是在半导体材料制造、器件工艺中，扫描探针显微镜等纳米测量技术可以用来研究半导体衬底材料和外延材料的表面形貌、缺陷的力学性质和电学性质等；传统的扫描探针显微镜整体配置中包括普通的光学显微镜，受到衍射极限的约束，最大分辨率在200nm，放大倍率在1500-2000倍，本质上也是对半导体衬底材料和外延材料的表面形貌进行扫描。

扫描探针显微镜的检测原理是，探针的形变可以反映样品和扫描探针之间的原子间相互作用力的改变，据此获得样品表面形貌信息，从而对物体表面进行成像；但是，扫描探针显微镜由于受到扫描范围的限制，视野范围较小难以对微小样品定位，而且由于半导体材料的缺陷尺寸比较小，很难在扫描探针显微镜下快速找到缺陷的位置，即使最终找到缺陷的位置也就是目标区域，也需要花费较多的时间。

因此，如何在扫描探针显微镜下找到所需要的目标区域，这个问题就成为该技术领域亟待解决的技术难题；此外，若目标区域不在样品表面而在样品表面层以下，则仅仅靠扫描探针显微镜无法找到目标区域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有显微检测方式功能片面的问题，提供了一种适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜。

为了实现上述目的，本发明提供一种适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，包括：激光器、滤光片、光阑、第一透镜、第一单色仪、探针、第二单色仪、光电转换器、放大器、数据采集单元、第二透镜、第三透镜、SPM探测器、SPM信号采集器；

激光器输出激光得到第一激光束和第二激光束；所述第一激光束依次通过滤光片、光阑和第一透镜、第一单色仪汇聚后，打到探针的悬梁臂和样品上，所述样品表面发出的荧光信号入射到第二单色仪，经由光电转换器将荧光信号转换为电信号后，再由放大器对所述电信号进行放大并发送至数据采集单元，其中，所述滤光片对所述第一激光束进行滤光使得照射出来的相应波长的激光到达所述样品的指定深度，实现对所述样品指定深度处的缺陷位置检测；

所述第二激光束透过第二透镜打到所述探针的悬梁臂并打在与所述第一激光束打在所述样品上的同一点上，透过第二透镜打在所述样品上的光经第三透镜收集后汇聚入射至SPM探测器，所述SPM探测器输出的电信号输入至SPM信号采集器；

通过移动所述探针或/和所述样品实现对所述样品表面的扫描，获取所述样品指定深度的缺陷位置检测结果，并获取对应缺陷位置的SPM形貌测试结果图像。

作为一种可实施方式，激光器输出激光得到第一激光束和第二激光束具体包括：激光器输出激光，经狭缝器分离后得到第一激光束和第二激光束；或者，激光器输出激光得到分别对应第一激光器的第一激光束和第二激光器的第二激光束。

作为一种可实施方式，还包括位移控制器，通过移动所述探针或/和所述样品实现对所述样品表面的扫描具体包括：通过所述位移控制器移动所述探针或/和所述样品实现对所述样品表面的扫描，得到对应所述样品整个表面的光致发光测试结果图像和SPM形貌测试结果图像。

作为一种可实施方式，还包括数据处理单元：当完成对所述样品表面整个区域的扫描后，得到对应所述样品表面整个区域的光致发光测试结果图像，所述数据采集单元对所述光致发光测试结果图像中光致发光区域也就是缺陷位置的坐标进行采集并发送至数据处理单元，所述数据处理单元根据所述光致发光区域的坐标对所述样本表面的整个区域进行区域划分，再根据选定的扫描区域、扫描角度、扫描速度指令所述位移控制器移动所述探针或/和所述样品，使得所述探针移动到所述样品表面的指定区域进行扫描。

作为一种可实施方式，所述激光器包括激光瞄准调整旋钮和氯光光源，通过调节所述激光瞄准调整旋钮，使得所述氯光光源发射的激光打在所述探针的悬梁臂和样品上。

作为一种可实施方式，所述第一单色仪和所述第二单色仪具体为第一光栅单色仪和第二光栅单色仪，所述光电转换器具体为光电倍增管，所述放大器具体为锁相放大器。

作为一种可实施方式，所述滤光片具体为可拨动滤光片，所述可拨动滤光片通过拨动来更换不同的滤光片。

作为一种可实施方式，所述样品包括碳化硅衬底，所述滤光片包括用于获取313nm激光的滤光片，通过使用用于获取313nm激光的滤光片对所述第一激光束进行滤光使得照射出来的313nm波长的激光到达碳化硅衬底的外延层，实现对所述碳化硅衬底的外延层中的缺陷检测。

作为一种可实施方式，还包括可调整平面镜、固定镜、分束器，透过第二透镜打在所述样品上的光经第三透镜收集后汇聚入射至SPM探测器具体包括：透过第二透镜打在所述样品上的光经第三透镜收集后，经所述可调整平面镜和所述固定镜反射至分束器中，所述分束器汇聚后发送至所述SPM探测器。

作为一种可实施方式，所述可调整平面镜包括平面镜和调整旋钮，所述调整旋钮对所述平面镜进行调整，使得照射到所述平面镜上的激光反射到所述固定镜上，并经所述固定镜反射到所述分束器中。

本发明的有益效果：本发明公开了一种适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，在传统扫描探针显微镜的基础上增加了滤光片、光阑和第一透镜、第一单色仪、第二单色仪、光电转换器、放大器、数据采集单元，可以很快的定位到样品的缺陷位置，包括表面缺陷和无法在表面看到的缺陷，不需要再通过两个以上的装置进行重复检测。

附图说明

图1为本发明实施例适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜示意图。

图2为本发明实施例适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜中可拨动滤光片的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种技术方案：一种适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，包括：激光器、滤光片、光阑、第一透镜、第一单色仪、探针、第二单色仪、光电转换器、放大器、数据采集单元、第二透镜、第三透镜、SPM探测器、SPM信号采集器；

激光器输出激光得到第一激光束和第二激光束；所述第一激光束依次通过滤光片、光阑和第一透镜、第一单色仪汇聚后，打到探针的悬梁臂和样品上，所述样品表面发出的荧光信号入射到第二单色仪，经由光电转换器将荧光信号转换为电信号后，再由放大器对所述电信号进行放大并发送至数据采集单元，其中，所述滤光片对所述第一激光束进行滤光使得照射出来的相应波长的激光到达所述样品的指定深度，实现对所述样品指定深度处的缺陷位置检测；

所述第二激光束透过第二透镜打到所述探针的悬梁臂并打在与所述第一激光束打在所述样品上的同一点上，透过第二透镜打在所述样品上的光经第三透镜收集后汇聚入射至SPM探测器，所述SPM探测器输出的电信号输入至SPM信号采集器；

通过移动所述探针或/和所述样品实现对所述样品表面的扫描，获取所述样品指定深度的缺陷位置检测结果，并获取对应缺陷位置的SPM形貌测试结果图像。

其中，激光器输出激光得到第一激光束和第二激光束具体包括：激光器输出激光，经狭缝器分离后得到第一激光束和第二激光束；或者，激光器输出激光得到分别对应第一激光器的第一激光束和第二激光器的第二激光束。

具体的，还包括位移控制器，通过移动所述探针或/和所述样品实现对所述样品表面的扫描具体包括：通过所述位移控制器移动所述探针或/和所述样品实现对所述样品表面的扫描，得到对应所述样品整个表面的光致发光测试结果图像和SPM形貌测试结果图像。

具体的，还包括可调整平面镜、固定镜、分束器，透过第二透镜打在所述样品上的光经第三透镜收集后汇聚入射至SPM探测器具体包括：透过第二透镜打在所述样品上的光经第三透镜收集后，经所述可调整平面镜和所述固定镜反射至分束器中，所述分束器汇聚后发送至所述SPM探测器；其中，所述可调整平面镜包括平面镜和调整旋钮，所述调整旋钮对所述平面镜进行调整，使得照射到所述平面镜上的激光反射到所述固定镜上，并经所述固定镜反射到所述分束器中。

具体的，还包括数据处理单元：当完成对所述样品表面整个区域的扫描后，得到对应所述样品表面整个区域的光致发光测试结果图像，所述数据采集单元对所述光致发光测试结果图像中光致发光区域也就是缺陷位置的坐标进行采集并发送至数据处理单元，所述数据处理单元根据所述光致发光区域的坐标对所述样本表面的整个区域进行区域划分，再根据选定的扫描区域、扫描角度、扫描速度指令所述位移控制器移动所述探针或/和所述样品，使得所述探针移动到所述样品表面的指定区域进行扫描。

所述激光器包括激光瞄准调整旋钮和氯光光源，通过调节所述激光瞄准调整旋钮，使得所述氯光光源发射的激光打在所述探针的悬梁臂和样品上。

所述第一单色仪和所述第二单色仪具体为第一光栅单色仪和第二光栅单色仪，所述光电转换器具体为光电倍增管，所述放大器具体为锁相放大器，所述第一激光束依次通过滤光片、光阑和第一透镜、第一光栅单色仪，其中，所述光阑用于对第一激光束起限制作用，所述第一透镜对光束起汇聚作用，所述第一光栅单色仪作为分光一期用于将复色光分解为单色光，最终得到特定波长的单色光，用于激发样品发光。

所述滤光片具体为可拨动滤光片，如图2所示，一个所述可拨动滤光片上面具体包含了5个不同的滤光片，所述可拨动滤光片通过拨动来更换不同的滤光片，所述滤光片对所述第一激光束进行滤光使得照射出来的相应波长的激光到达所述样品的指定深度，实现对所述样品指定深度处的缺陷检测。

其中，所述样品包括碳化硅衬底，所述滤光片包括用于获取313nm激光的滤光片，通过使用用于获取313nm激光的滤光片对所述第一激光束进行滤光使得照射出来的313nm波长的激光到达所述碳化硅衬底的外延层，实现对所述碳化硅衬底的外延层中的缺陷检测。

参见图1为本实施例装置图，首先通过调节激光瞄准调整旋钮1使得氯光光源2发射的激光打在所述探针7的悬梁臂上；再将样品8也就是碳化硅衬底放置在扫描台上，其中，所述探针7设于所述样品8的上方；氯光光源2发射的激光经狭缝器24分离得到两束入射光，分别为第一激光束和第二激光束，第一激光束通过滤波片3、光阑4、第一透镜5，第一光栅单色仪6汇聚至所述探针7的悬梁臂和样品8上，第二激光束通过第二透镜25打到所述探针7的悬梁臂和样品8上，其中，所述第一激光束和所述第二激光束都汇聚在所述样品8的同一点上；通过滤波片3、光阑4、第一透镜5，第一光栅单色仪6的第一激光束打在所述样品8表面会使所述样品产生光致发光现象，发出荧光信号，所述荧光信号被第二光栅单色仪9吸收，所述第二光栅单色仪9出射光的光谱元落在光电倍增管10的探测元件上，由通过高压电源11供电的所述光电倍增管10将光信号转换为电信号，所述电信号经锁相放大器13放大后进入数据采集单元14，通过所述位移控制器12移动所述探针7和/或所述样品8完成对所述样品8表面整个区域的扫描后，得到对应所述样品8整个表面的光致发光测试结果图像；而透过第二透镜25的第二激光束打在所述样品8表面的光经第三透镜17收集，通过由调整旋钮20调整的平面镜18和固定镜19反射进入分束器21，被所述分束器21分成多束光，再被SPM探测器22检测到，最后由SPM信号采集器23接收，通过所述位移控制器12移动所述探针7和/或所述样品8完成对所述样品8表面的扫描后，得到对应所述样品8整个表面的SPM形貌测试结果图像，其中，所述样品8放置在样品台上，是通过移动所述样品台实现所述样品的移动。

在进行扫描的过程中，所述位移控制器12根据数据处理单元15设定的扫描范围、扫描角度、扫描速度控制所述探针7和/或所述样品8进行移动，完成所述样品8表面整个区域的扫描，得到对应所述样品8表面整个区域的光致发光测试结果图像和SPM形貌测试结果图像；另外，所述数据采集单元14还会采集所述光致发光测试结果图像中光致发光区域也就是缺陷位置的坐标并将采集到的信息发送至所述数据处理单元15，所述数据处理单元15根据光致发光区域也就是缺陷位置的坐标对样品表面进行区域划分并设定编号，用户可以根据得到的光致发光区域的坐标选定目标区域的编号，并设定相应的扫描角度和扫描速度，所述数据处理单元15根据选定相应的目标区域的编号、扫描角度和扫描速度控制所述位移控制器12移动所述探针7和/或所述样品8，对选定的所述样品表面的指定区域即某一个光致发光区域进行扫描。

而当把探针移动到所述样品表面的指定区域后，利用本实施例所述的适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜中所包含的传统扫描探针显微镜的现有功能即在所述样品表面施加物理作用后再进行扫描得到对应指定区域的SPM形貌测试结果图像，从而在SPM形貌测试结果图像上观察指定区域表面对应的物理现象，再根据观察到的不同指定区域表面的物理现象得到对应不同指定区域的内部缺陷情况。

需要说明的是，在找到光致发光区域后，会再通过本实施例所述的扫描探针显微镜中所带的传统扫描探针显微镜所具备的功能，对所述样品表面施加物理作用，具体的为对样品施加±5V的电压，得到所述样品表面不同区域的电势并进行扫描，再通过扫描得到的SPM形貌测试结果图像上所显示的指定区域表面的电势情况反应对应指定区域的内部缺陷情况，从而实现对所述样品内部缺陷进行检测观察。

在本实施例中，所述数据处理单元对应有软件界面，所述软件界面上显示有光致发光测试结果图像、SPM形貌测试结果图像、所述光致发光区域的坐标、扫描范围、扫描角度、扫描速度，首先，用户可以填写扫描范围、扫描角度、扫描速度实现对所述样品8表面整个区域的扫描，例如：“5μm * 5μm”、“0°”、“2kHz”，点击完成，所述位移控制器12就会根据设定的参数进行扫描，扫描完成后，软件界面上会显示光致发光测试结果图像、SPM形貌测试结果图像以及所述光致发光测试结果图像中所述光致发光区域的坐标以及进行区域划分后各个区域的编号，用户根据所述光致发光区域的所在位置选定区域相应的区域编号，再在软件界面上设定扫描角度和扫描速度，或者直接双击相应区域，所述数据处理单元根据选定的区域控制所述位移控制器移动样品或探针实现对所述样品表面指定区域的扫描，实现更进一步的操作并进行观察。

需要注意的是：本实施例的主要作用是测试能产生光致发光现象的样品，特别针对目标区域无法直接在光学显微镜下看到的样品。

本实施例相较于现有技术，可以很快的定位到样品的缺陷位置，不需要再通过两个以上的装置进行重复检测，而且本实施例定位的缺陷包括表面缺陷和无法在表面看到的缺陷，其中，表面缺陷包括表面的凸起、凹坑、位错露头等，无法在表面看到的缺陷包括半导体体缺陷等，另外，本实施例可以通过更换滤波片种类，得到不用波长的激发波长的激光，以实现对所述样品内部不同深度处的检测；例如：当我们要检测碳化硅衬底的外延层中的缺陷时，由于碳化硅衬底的外延层是长在碳化硅衬底片上面的，并且外延层的厚度较小，所以我们选择的激光要保证能激发外延层中的缺陷，而不影响碳化硅衬底；313nm波长的激光的穿透深度在10um左右，能有效的激发碳化硅衬底的外延层中的缺陷，因此当对碳化硅衬底的外延层中的缺陷进行检测时，可以选用用于获取313nm波长的激光的滤光片；如果选择用355nm的激光或者是365nm的激光，其穿透深度较深，会激发外延层下面的碳化硅衬底，实现对其他深度处的检测。

本实施例装置区别于传统扫描探针显微镜的结构，增加了滤光片、光阑和第一透镜、第一单色仪、第二单色仪、光电转换器、放大器、数据采集单元和数据处理单元，这些结构为传统扫描探针显微镜增加了新的功能，即可在扫描探针显微镜下看到受光激发条件下的光致发光区域，实现对无法在表面看到的内部缺陷的检测。

本发明虽然己以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，其特征在于，包括：激光器、滤光片、光阑、第一透镜、第一单色仪、探针、第二单色仪、光电转换器、放大器、数据采集单元、第二透镜、第三透镜、SPM探测器、SPM信号采集器；

激光器输出激光得到第一激光束和第二激光束；所述第一激光束依次通过滤光片、光阑和第一透镜、第一单色仪汇聚后，打到探针的悬梁臂和样品上，所述样品表面发出的荧光信号入射到第二单色仪，经由光电转换器将荧光信号转换为电信号后，再由放大器对所述电信号进行放大并发送至数据采集单元，其中，所述滤光片对所述第一激光束进行滤光使得照射出来的相应波长的激光到达所述样品的指定深度，实现对所述样品指定深度处的缺陷位置检测；

所述第二激光束透过第二透镜打到所述探针的悬梁臂并打在与所述第一激光束打在所述样品上的同一点上，透过第二透镜打在所述样品上的光经第三透镜收集后汇聚入射至SPM探测器，所述SPM探测器输出的电信号输入至SPM信号采集器；

通过移动所述探针或/和所述样品实现对所述样品表面的扫描，获取所述样品指定深度的缺陷位置检测结果，并获取对应缺陷位置的SPM形貌测试结果图像。

2.根据权利要求1所述的适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，其特征在于，激光器输出激光得到第一激光束和第二激光束具体包括：激光器输出激光，经狭缝器分离后得到第一激光束和第二激光束；或者，激光器输出激光得到分别对应第一激光器的第一激光束和第二激光器的第二激光束。

3.根据权利要求1所述的适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，其特征在于，还包括位移控制器，通过移动所述探针或/和所述样品实现对所述样品表面的扫描具体包括：通过所述位移控制器移动所述探针或/和所述样品实现对所述样品表面的扫描，得到对应所述样品整个表面的光致发光测试结果图像和SPM形貌测试结果图像。

4.根据权利要求3所述的适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，其特征在于，还包括数据处理单元：当完成对所述样品表面整个区域的扫描后，得到对应所述样品表面整个区域的光致发光测试结果图像，所述数据采集单元对所述光致发光测试结果图像中光致发光区域也就是缺陷位置的坐标进行采集并发送至数据处理单元，所述数据处理单元根据所述光致发光区域的坐标对所述样本表面的整个区域进行区域划分，再根据选定的扫描区域、扫描角度、扫描速度指令所述位移控制器移动所述探针或/和所述样品，使得所述探针移动到所述样品表面的指定区域进行扫描。

5.根据权利要求1所述的适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，其特征在于，所述激光器包括激光瞄准调整旋钮和氯光光源，通过调节所述激光瞄准调整旋钮，使得所述氯光光源发射的激光打在所述探针的悬梁臂和样品上。

6.根据权利要求1所述的适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第一单色仪和所述第二单色仪具体为第一光栅单色仪和第二光栅单色仪，所述光电转换器具体为光电倍增管，所述放大器具体为锁相放大器。

7.根据权利要求1所述的适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，其特征在于，所述滤光片具体为可拨动滤光片，所述可拨动滤光片通过拨动来更换不同的滤光片。

8.根据权利要求1所述的适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，其特征在于，所述样品包括碳化硅衬底，所述滤光片包括用于获取313nm激光的滤光片，通过使用用于获取313nm激光的滤光片对所述第一激光束进行滤光使得照射出来的313nm波长的激光到达碳化硅衬底的外延层，实现对所述碳化硅衬底的外延层中的缺陷检测。

9.根据权利要求1所述的适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，其特征在于，还包括可调整平面镜、固定镜、分束器，透过第二透镜打在所述样品上的光经第三透镜收集后汇聚入射至SPM探测器具体包括：透过第二透镜打在所述样品上的光经第三透镜收集后，经所述可调整平面镜和所述固定镜反射至分束器中，所述分束器汇聚后发送至所述SPM探测器。

10.根据权利要求9所述的适用于半导体缺陷定位的扫描探针显微镜，其特征在于，所述可调整平面镜包括平面镜和调整旋钮，所述调整旋钮对所述平面镜进行调整，使得照射到所述平面镜上的激光反射到所述固定镜上，并经所述固定镜反射到所述分束器中。

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