CN114823406B - 一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明针对晶圆全域测量提供了基于二谐波的测量方法和装置。该方案包括定点测量、扫描测量，以及定点测量与扫描测量相结合三种方式。该扫描测量方案可以在保证高测量效率的前提下对晶圆做全域测量，得出电学缺陷的位置、尺寸、相对密度分布，实现对晶圆异常点的定位和排查，这是之前的二谐波测量技术无法实现的。本发明还提供了新的描述二谐波信号的公式体系，使得定点测量、扫描测量，以及定点测量与扫描测量相结合三种情况下，实际测量结果与理论模型都得到了统一，使得二次谐波测量技术不再只是定性分析方法，而是可以作为定量分析方法得到应用，在保证效率的前提下，提高了产品检测的全面性和准确性，提高了半导体先进制程中的质量检验能力。

Description

一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种半导体器件在制造或处理过程中的测量，主要是通过二次谐波对半导体晶圆的界面特性或氧化层质量做测量或监测。
背景技术
在半导体晶圆加工过程中，对氧化层和半导体层界面处的质量进行检测一直是一个重要的环节。这是因为，该界面处存在的界面态和氧化层体电荷会通过俘获或者释放载流子的方式造成器件阈值电压不稳、漏电等现象，大大降低了器件的性能和使用寿命。
目前，业界常用的定量表征该类电学特性的主要方法是电导法和电容法。其原理在于，该类电学特性虽然都会影响器件的平带电压，但是其影响的方法或者机制不同，从而使测量结果与理论C-V曲线或者I-V曲线有所偏移。因此，通过对测试样品外加偏置电压测量其电流或者电容信号，并通过分析实际测量结果与理论结果的偏移程度，可以定量的计算被测样品的电学特性。然而，这些方法不仅效率低，分辨率低，还会对晶圆造成损害，已经逐渐无法满足先进制程中对高效率，高分辨率，低材料损耗等方面的要求。
二次谐波是一种非线性效应，是指在一定条件下材料能发射出频率为入射光频率的两倍的光。目前一些论文已经发现了二次谐波在对本征材料反演对称性被破坏的表面/界面的质量检测上有着较高的灵敏度，尤其是在以硅半导体为主的质量检测领域作为定性分析方法有着独特的应用价值。而且其测量过程极其方便，只需在测量点注入光子，便可以接收到二谐波信号。然而在目前实际的晶圆生产加工中，二谐波技术体现的价值非常有限，这主要是由于以下三个原因：
1)现有测量技术中，实际测量结果与理论模型很难统一，这就导致无法将产生二谐波的各种因素解耦，这也是目前只把该技术作为定性分析方法而非定量分析方法的主要原因。
2)现有技术或理论模型无法在保证高测量效率的前提下对晶圆做全域测量。
3)现有的二谐波检测设备精度不够，尤其是对最重要的参数之一的初始值的测量精度不够，这就导致依据该值对样品参数做分析时会造成结果上的误差。
发明内容
本发明解决的技术问题：
1)现有测量技术无法在保证高测量效率的前提下对晶圆做全域测量，无法对晶圆的异常点做定位和排查。
2)现有测量技术中，实际测量结果与理论模型很难统一，只能对测量结果做定性分析，不能做定量分析。
3)现有测量技术中，初始值的测量精度不够，造成了分析结果的误差。
目前，二谐波用于晶圆缺陷检测技术的状态为：在过去的20年里，定点测量已经得到了一定的重视，且主要是科研机构在二谐波用于晶圆检测上的理论建模与应用拓展，而工业应用则要求该技术具有较高的缺陷分析精确度与缺陷定位能力，这是目前二谐波晶圆检测技术没能在工业上应用的原因。针对此种情况，本专利独创了能够提高二谐波测量精确度以及能够实现定点模式所不能做到的缺陷分布分析的二谐波扫描技术，并提出了能同时适用于定点模式和扫描模式的新的理论模型以及对应的装置结构。
本发明针对晶圆全域测量提供了一种基于二谐波的测量方法，并给出了实现这种测量方法的装置结构。该方法和装置的测量模式包括定点测量、扫描测量，以及定点测量与扫描测量相结合三种方式。定点测量在目前的测量技术中已经有了应用。扫描测量在二谐波领域尚未得到应用，属于本发明的独创。本发明提供的扫描测量方法，通过对光斑的形状、尺寸和光强进行控制，以及在测量过程中实时监控被测量点的高度并实时调节，从而实现在保证高测量效率的前提下对晶圆做全域测量，实现对晶圆异常点的定位和排查。此外，本发明提供了定点测量与扫描测量的对应关系，实现了这两种模式的深度结合。本发明的定点测量与扫描测量相结合的模式，既可以通过该扫描模式测得的精确的该初始值来对该定点测量的数据结果降噪，又可以通过该定点测量模式的结果来对该扫描模式的数据进行再处理，还可以在扫描测量排查和定位出晶圆的异常点后，针对异常点进行定点测量。进一步地，本发明通过对光斑的光强分布和扫描速度的控制，赋予了扫描测量单独“探测”的功能，即该样品的该内部电荷分布几乎不发生改变，测量的信号只与被测量区域的初始态有关的情况下，实现对样品的探测。该方法也可以用于提高该初始值的精度。更进一步地，本发明的测量方法在数据分析上也取得了突破，结合实际样品结构建立了理论模型，建立了更精确的理论公式体系，使得定点测量、扫描测量，以及定点测量与扫描测量相结合三种情况下，实际测量结果与理论模型都得到了统一。根据本发明的理论模型，二次谐波测量技术不再只是定性分析方法，而是可以作为定量分析方法得到应用。
目前，用于半导体缺陷检测的扫描模式主要有两种：物理扫描和显微成像扫描。但这些扫描仅能探测样品的表面或表面下数纳米的位置，主要检测的对象为这些区域的物理缺陷如划痕，金属颗粒等。而本发明是基于二谐波的光学扫描，是对次表面以及膜内电学缺陷如体电荷和界面态等的检测。目前仍然没有能够对该类电学缺陷进行定位的扫描类设备。本发明独创的二谐波扫描技术不仅填补了二谐波测量技术的空白，使得扫描测量的方式在二谐波的领域得到了新的应用，还使得针对次表面及膜内电学缺陷的识别和定位成为可能。
此外，本发明提供了定点测量与扫描测量的对应关系，实现了这两种模式的深度结合。这两种模式在电子激发的形式上的区别可用图1说明。由于光斑的光强是高斯分布的，在定点测量时，被照射区域被激发的电子也呈现高斯分布，因此，该区域中各处贡献的二谐波信号值会有所差异。然而，在扫描模式中，尽管光斑的光强依旧是高斯分布，但在晶圆移动方向上，所有测量点被照射的总时长和被注入的光子总数相同，激光诱发的该内部电荷再分配是均匀的，若是被测晶圆的电学特性是较均匀的，那么二谐波信号值也必然是处处大致相同的。因此该扫描测量模式中的“二谐波信号-坐标”的曲线图，能够作为样品全域均匀性的表征方法。但在光斑的尺寸、光强相同的情况下，两种测量模式又存在对应的关系。
通过调节该相对移动速度，改变被测区域被激光照射的总时长，可以实现扫描模式与定点测量模式的匹配，其对应关系为
Figure GDA0004004103630000031
其中ts为该定点测量模式下该样品上的该指定测量点经受该激光照射的时长，/>
Figure GDA0004004103630000032
为该扫描测量模式下该样品上的经过该扫描的该扫描测量点经受该激光照射的时长，v为该相对移动速度，Ds为该光斑的等效尺寸。
等效尺寸的概念能够应对在实际测量中，投射到样品上的光斑形状并非圆形的情况(如椭圆)。通常该形状为中心对称的，长轴为D，且可用公式y＝f(x)来描述。则对于该光强密度为I(x，y)的非圆形光斑可通过下述公式来计算该光斑的等效尺寸
Figure GDA0004004103630000033
当
Figure GDA0004004103630000034
时(T为信号接收器的计数周期)，每个测量点被照射的总长度不超过一个计数周期，这个时长足够短(一般在[0.1ms,1ms]的范围内)，因此晶圆被测量点的该内部电荷分布还不会发生变化，可用于表征晶圆的初始态。而对于定点测量，由于激光完全照射时间与信号收集时间有延迟(一般在[15ms,30ms]的范围内)，故而在定点测量的初始值对应的时刻，晶圆内部已经发生了改变。因此，扫描测量模式能够大幅度提升初始值的精度，同时可以用于对定点测量结果做降噪与修正。
需要补充说明的是，这里引入该等效尺寸的概念是出于叙述方便的考虑，本技术方案并不限于使用该等效尺寸。若使用其他用于表征该光斑的尺寸的参数，属于本技术方案的等同替换的。此处，重要的是定点测量与扫描测量的对应关系的建立，而非在实现该对应关系时的具体方法的变化。
当扫描速度足够慢时，晶圆的每个测量点都被激光照射了足够长的时间(如，10s以上)，因此其内部电荷分布已经达到了动态平衡状态，这对应于定点测量的最终态。
本发明的定点测量与扫描测量相结合的模式，还可以在扫描测量排查和定位出晶圆的异常点后，针对异常点进行定点测量。
进一步地，本发明通过对光斑的形状、尺寸、光强和扫描速度的控制，赋予了扫描测量单独“探测”的功能，即在该样品的该内部电荷分布几乎不发生改变，测量的信号只与被测量区域的初始态有关的情况下，实现对样品的探测。
在普通的二谐波测量技术中，激光光源的作用有两个：探测或激发。
“探测”是指该光源发出的光波会与具有非中心对称性的结构发生耦合而产生二谐波信号，晶格缺陷(如界面态，固定电荷，杂质原子等)通常为耦合中心，因此产生的二谐波信号可以用于表征样品的晶格缺陷密度。
“激发”是指入射光在检测区域内注入的光子被电子吸收，使得样品半导体层价带中的束缚电子有可能获得足够能量被激发到半导体导带中成为自由电子。该电子可能会被界面态缺陷俘获或者吸收更多的光子使其有足够的能量越过势垒到达氧化层中去，最终，在样品的界面或表面处，形成了大量的电荷堆积，这被称为电子的堆积过程。其本质为产生了更多的缺陷，从而可被二谐波“探测”到。
激光的这两个作用可以说是密不可分的，“激发”可以连续性的改变被测样品的内部电荷分布状态，而“探测”可以将样品的这种持续变化表征出来。因此，通过对测量点长时间的信号收集便可以对层状结构的样品进行测量和分析。
然而，为了探测初始态时样品的电学特性，就需要能够实现单独“探测”或者单独“激发”的目的，这在目前的测量中是难以实现的。这是因为，探测源自身的光子也会造成电子的能级跃迁，即使选用功率较低的探测源(这会造成测量信号较低且具有较大的噪声)，在长时间的照射后，仍会引起样品内部电荷的分布产生变化。因此，我们就无法知道，“探测”光源中有多少能量被样品吸收用于电子的电离和激发，多少能量用于产生了二谐波。另一方面，由于二谐波的产生和接收之间会有时间延迟，这就导致了在定点测量中信号被收集的时刻与该区域被真实照射的时长有偏差。同时也造成了测量结果与理论结果的偏差。而这种由于延迟间隔(Δt)造成的信号误差可由下列公式来评估。
Figure GDA0004004103630000051
在本发明提供的扫描测量方法中，如前分析的，被扫过的区域被激光照射的总能量和总时长是相同的，且该时长为
Figure GDA0004004103630000052
这就使得延迟误差的影响被大大降低了。因此，扫描模式在用于测量特定二谐波信号值时具有天然的优势，例如，对于二谐波初始值的测量与降噪。
二谐波初始值可用于表征样品未发生改变时的状态，但由于定点测量中信号激发与测量的时间延迟问题，导致了定点测量会有一定的误差。然而由于扫描模式在样品上的任一测量点，被激光打击的时长
Figure GDA0004004103630000053
Ds为光斑在扫描方向上的等效尺寸，v为相对移动速度。
通过合理设置光斑尺寸和相对移动速度，可以将该时间值控制在一个较小的范围内，例如[0.1ms,1ms]。在这个时间范围内，样品的内部电荷分布几乎不发生改变，测量的信号也只与被测量区域的初始态有关。这是本发明的扫描测量方法可以实现单独“测量”初始值的根本原因。
更进一步地，本发明的测量方法在数据分析上也取得了突破，通过建立更精确的物理模型以及更完善的理论公式体系，使得定点测量、扫描测量，以及定点测量与扫描测量相结合三种情况下，实际测量结果与理论模型都得到了统一，使得二次谐波测量技术不再只是定性分析方法，而是可以作为定量分析方法得到应用。下面，以图2描述的双层结构为例做一阐释。图2所描述的样品结构为常见的半导体双层结构：氧化层-半导体层结构，但本发明适用范围不限于双层，或者半导体材料。在实际应用中，应根据被测样品的结构(如层数，层厚，膜层材料，反射率等)对数据分析方法做修正。例如当检测对象为其他半导体材料的样品时，应当使用该材料的材料属性重新计算各公式中的相关项，如德拜长度，穿透深度等。
在图2中，双层结构的样品的界面附近存在着如界面态(即悬挂键)，体电荷等缺陷。通过选取适当波长的入射光，使得介质层中的束缚电子被电离的机率很小，而光子穿透上层介质到达界面处时，空间电荷区(半导体层内靠近界面的区域)价带中的电子能够吸收单个光子能量跃迁到导带中去从而成为自由电子且逐渐在界面处积累。其中一部分自由电子会被界面态俘获而成为束缚电子，另一部分未被吸收的电子可能在吸收更多光子能量后跃迁到上层介质的导带中，在浓度梯度与内建电场的双重作用下，这部分电子在上层介质中移动且有机率被体电荷俘获。最终，也会有一部分电子到达表面被表面态所俘获。从电子被电离到被表面俘获的整个过程中，样品的内部电荷分布随之发生变化，界面处的内建电场也相应改变，直到最终达到新的平衡。因此，二谐波信号也会呈现出随时间变化并最终达到稳定的趋势(如图3B)，这是二谐波技术能够用来表征诸如界面态，固定电荷等与该内部电荷分布有关的电学缺陷的原因。
二谐波的一般性公式是
Figure GDA0004004103630000061
其中，χ(2)和χ(3)分别为样品的二/三阶极化张量，Iω为测量点的光强，Edc(t)为界面处的内建电场，φ为两项的相位差。但是，由于测量过程中的光强不是均匀分布而是高斯分布，且测量区域内的电场强度变化也不相同，因此，该公式的理论基础与实际测量情况差距较大，使得实际测量结果与理论模型不能得到统一，因而无法对测量结果进行有效的定量计算。本发明针对前述问题，对该公式做了进一步推演，得到了如下的公式1：
Figure GDA0004004103630000062
所述公式1中，χ(2)，χ(3)分别为被测样品的二阶和三阶极化常数，Ds为该光斑的等效尺寸，LD为德拜长度，(r，θ)是以所述光斑的中心为原点的极坐标位置，z为该光斑在竖直方向上距离该待探测界面的距离，t为该测量点被该激光照射的时长。
在公式1中，I(r，θ)为光斑的高斯光强分布，能够用如下的公式2描述：
Figure GDA0004004103630000063
该公式2中的P为该激光的峰值功率，w为束腰宽度。
该公式1中Edc(r，t)为该待探测界面处的内建电场，能够用如下的公式3描述：
Figure GDA0004004103630000064
该公式3中q为电子电荷常数，k为玻尔兹曼常数，Te为环境温度，Vg为外接偏置电压，由所述偏置电压装置施加而来，VFB为平带电压，N为体电荷密度，α-1为该二谐波信号在该半导体层的穿透深度，εs为该半导体层的介电常数，ε0为真空介电常数。
公式3中引入了外加偏置电压下内建电场的形式，这是因为由于各类缺陷的存在，造成了被测样品的平带电压不为零，因此在定量计算时，需要考虑平带电压贡献的二谐波信号。本发明使用添加外置电压装置，可以针对性地改变被测样品被激光照射前的初始态，从而实现精确测量的目的。例如，同时施加与平带电压大小相同、方向相反的偏置电压，使得被测样品的初始内建电场为零，此时产生的二谐波信号将达到最小值。
图3A-3D列举了实际定点测量中可能会出现的几种二谐波曲线。对于该类数据曲线，通过使用上述公式体系进行拟合，便可以获得相应的电学信息。整个二谐波曲线中，最受关注的有三个信号点，分别对应着被测样品的三种状态：
初始态点：表征样品在被注入光子之前的状态，即在图3A-3D中的第一个点。此时，还未有自由电子被激发到氧化层中，此时的内建电场为初始内建电场。
时变态点：表征样品在注入光子后内部电荷重新分布的动态过程，反映出的是电子被界面态或者体电荷俘获的过程。这体现在图3A-3D中中间变化的线段。在这个过程中，内建电场发生变化，产生时变二谐波信号。该图中列举出了几种不同的时变态，如图3A和3B的单调递增趋势，图3C的先减后增趋势，图3D的先增后减趋势。这些不同的二谐波变化趋势代表着不同的样品初始态和缺陷密度，是用于定量计算缺陷密度的重要依据。另外，信号变化速度与氧化层厚度，材料的禁带宽度和入射光子的频率等相关。以半导体材料为硅的样品为例，可用公式4计算在界面电荷密度为σ时的二谐波曲线增长速度，
Figure GDA0004004103630000071
式中εSi为硅的介电常数，n为电子能级跃迁所要吸收的光子数目，
Figure GDA0004004103630000073
为约化普朗克常数，ω为光的角频率，/>
Figure GDA0004004103630000072
为氧化层的禁带宽度，e为电子电荷常数，σ为界面电荷面密度，Deff为氧化层厚度。从公式4中可以看出，当氧化层厚度超过一个阈值时，公式4趋近于0，产生的二谐波信号不再随时间改变。
最终态点：表征样品在注入光子并达到稳定之后的状态或者是测量时间结束时的状态。所谓稳定，是指，在测量时间内，样品内部的电荷分布达到了动态平衡，即自由电子的激发速率等于电子空穴对的复合速率，内建电场不再发生改变。此后，即使延长测量时间，信号值并不会再发生较大的改变，这体现在图3B中信号稳定之后的线段。然而，在使用低功率激发光的情况下，有可能在测量结束时，样品仍然没有到达稳定状态，此后如果延长测量时间，二谐波信号仍然会出现随时间变化的趋势。在这种情况下，可定义测量的最后一个点为最终态，如图3A中标注的最后一个点。
使用本发明提供的前述公式1、公式2、公式3和公式4进行计算，使得定点测量、扫描测量，以及定点测量与扫描测量相结合三种情况下，实际测量结果与理论模型都得到了统一，使得二次谐波测量技术不再只是定性分析方法，而是可以作为定量分析方法得到应用。
为了使噪声最小化，本装置一共采取了三个措施：激发光波动降噪；S出射光路降噪；扫描测量信号对定点测量信号降噪。
所谓激发光波动降噪是指在其中一条出射光路中，收集的是入射光到达晶圆前的一束分束光线，配合照相系统对光斑的形状、尺寸的监测，能够用于对光斑光强密度的监控，对入射光的稳定性做监控，并以此来对二谐波信号做降噪处理。
S出射光路降噪是基于二谐波的理论基础。在方位角为零的情况下，当入射光路的偏振方向为P时，理论上不会产生S方向的二谐波。然而在实际测量中，由于方位角或者偏振片角度的微小偏差，或受其他干扰因素的影响，S出射光路的二谐波信号并不一定为零。因此，这一信号值可以用于对P出射光路的降噪处理。值得一提的是，该光路并非只用于降噪使用，事实上，在调节方位角测量时，S方向的二谐波信号在分析样品的晶格对称性或者缺陷时同样有意义。
而使用扫描信号对定点测量做信号降噪则基于在此之前对扫描模式的解释。由于在快速扫描测量中，激光对每个测量点的照射时间极短，并不会对晶圆的内部电荷分布有影响，因此可以在同一条扫描路径上重复扫描过程，而后，将每次的测量结果做平均就可以大大降低散粒噪声。另外，由于快速扫描模式得到的信号值更加接近于初始的值，即初始值，因此该模式得到的值可以用于定点测量中初始值的降噪处理。
为实现上述的测量目的，本发明还提出了如图4的测量装置及一系列针对该装置的改进方案。其中，该装置包括了光源，入射光路系统，样品，载台，出射光路系统，信号接收系统，监控系统，输入系统，显示系统和中心处理系统。图4仅示出了部分结构。
本发明的有益效果：
本发明针对晶圆全域测量提供了一种基于二谐波的测量方法，并给出了实现这种测量方法的装置结构。该测量方案包括定点测量、扫描测量，以及定点测量与扫描测量相结合三种方式。本发明提供的扫描测量方案，可以在保证高测量效率的前提下对晶圆做全域测量，得出电学缺陷的位置、尺寸、相对密度分布，实现对晶圆异常点的定位和排查，这是之前的二谐波测量技术无法实现的。之前的二谐波技术由于滞后效应的存在，无法在短时间内对同一点重复测量。本发明提供的扫描测量方案中，激光对测量点的打击时间极短，对晶圆几乎不会有任何影响，因此可以实现重复测量，从而在测量精度上有了巨大提升。本发明提供的定点测量与扫描测量相结合的模式，给出了定点测量与扫描测量的对应关系，以及在扫描测量排查和定位出晶圆的异常点后，针对异常点进行定点测量的方法，实现了这两种模式的深度结合。进一步地，本发明赋予了扫描测量单独“探测”的功能，可以在研究样品的初始态时，实现对样品的单独探测。更进一步地，本发明提供了新的描述二谐波信号的公式体系，使得定点测量、扫描测量，以及定点测量与扫描测量相结合三种情况下，实际测量结果与理论模型都得到了统一，使得二次谐波测量技术不再只是定性分析方法，而是可以作为定量分析方法得到应用。另外，结合定点测量和扫描测量的理论，本发明在装置以及分析方法上都给出了降噪处理方案，大大提高了测量结果的信噪比。总而言之，本发明提供的测量方法和测量装置，在测量速度上有了更大提升，效率更高，在保证效率的前提下，提高了产品检测的全面性和准确性，提高了半导体先进制程中的质量检验能力，也为提高产品良率，进一步改进工艺提供了可靠的参考信息。而且，本发明提供的技术方案无需对测试样品进行预处理或者测后处理，不需要任何废水废气的排放，对环境无任何污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于二次谐波的对半导体多层结构进行质量监控的测量装置的一具体实施例的定点测量与扫描测量原理区分图；
图2为本发明的基于二次谐波的对半导体多层结构进行质量监控的测量方法的一具体实施例的双层结构的样品的内部电荷分布的示意图；
图3为本发明的基于二次谐波的对半导体多层结构进行质量监控的测量方法的一具体实施例的定点测量信号图；
图4为本发明的基于二次谐波的对半导体多层结构进行质量监控的测量装置的一具体实施例的部分结构的示意图；
图5为本发明的基于二次谐波的对半导体多层结构进行质量监控的测量装置的一具体实施例的样品载台的自由度示意图；
图6为本发明的基于二次谐波的对半导体多层结构进行质量监控的测量装置的一具体实施例的光路角度示意图；
图7为本发明的基于二次谐波的对半导体多层结构进行质量监控的测量方法的一具体实施例的扫描信号图；
图8为本发明的基于二次谐波的对半导体多层结构进行质量监控的测量方法的一具体实施例的缺陷密度分布图；
图9为本发明的基于二次谐波的对半导体多层结构进行质量监控的测量的扫描-定点测试流程图；
图10为本发明的基于二次谐波的对半导体多层结构进行质量监控的测量装置的一具体实施例的部分结构的示意图。
具体实施方式
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本领域技术人员应当理解的是，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员可以进行任何适当的修改或变型，从而获得所有其它实施例。
第一方面，本发明实施例提出一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法，该方法包括：
光源发出激光，经过入射光路系统，在样品上形成光斑，向该样品注入光子，即对该样品进行激光照射。
该样品，为2层以上的物质组成的存在界面的可探测结构，该物质中至少有一层为半导体层，该光源能够到达待探测界面，即待探测的该界面。
该样品与该光斑在平面上能够有相对移动，该相对移动的相对移动速度为v，v≥0；当所述方法进入定点测量模式，即对指定测量点进行测量时，v＝0；当所述方法进入扫描测量模式时，v＞0，所述相对移动的方向为扫描方向。
同一批次该样品的扫描测量过程中：该光斑的形状和尺寸保持恒定。该光源的功率保持恒定，即在该光斑的该形状和该尺寸均保持恒定时，该光斑的光强也保持恒定。该样品与该光斑的该相对移动速度保持恒定。
当该光子被电子吸收，该样品的内部电荷分布发生变化时，信号接收器通过出射光路系统接收到的二谐波信号的变化曲线能够描述为二谐波信号公式。该二谐波信号是经过滤的单一波长的光，且出射角度和入射角度相同。
该二谐波信号的该变化曲线中，包括的信息有：
进入该定点测量模式时，记录该指定测量点产生的该二谐波信号的时间变化特征。
进入该扫描测量模式时，记录在该相对移动的过程中，该扫描测量点产生的该二谐波信号的空间分布特征。
本实施例中，该光源实现了单独探测的功能。在一般性的二谐波测量技术中，“探测”和“激发”这两者是同时进行的。这是因为，探测源本身的光子也会造成电子的能级跃迁，即使选用功率较低的探测源(这本身会造成测量信号较低且具有较大的噪声)，在长时间的照射后，仍会引起样品的内部电荷分布的变化。本实施例提供的扫描方法却可以有效地实现“探测”而又不改变该样品内部电荷分布。通过对光斑的形状、尺寸、光强和扫描速度的控制，本实施例提供的扫描方法赋予了扫描测量单独“探测”的功能，即在样品的内部电荷分布几乎不发生改变，测量的信号只与被测量区域的初始态有关的情况下，实现对样品的探测。因此，该光源，是真正地基于技术手段实现了单用途的光源。当然，在定点测量中，该光源也可以同时进行探测与激发。
激光经过入射光路系统，在样品上形成光斑。光斑的面积会影响单位面积内入射光子的数量(光强密度)。在相同功率下，光斑面积越小，入射的光子越集中，在测量过程中对样品的影响越大，但同时，系统装置的分辨率越高。
该样品，为2层以上的物质组成的存在界面的可探测结构，该物质中至少有一层为半导体层。本实施例的技术方案探测的是半导体的界面态，因此，探测的物质中必须有一种是半导体，也必须为两层以上组成的，不然无法形成所谓的“界面”。该半导体材料的结构，包括现今常见的半导体材料(如Si，Ge，SiC，GaN等)，新型氧化物半导体(如ZnO，CdO，Fe2O3等)，一维半导体(如石墨烯，黑磷等)以及其他禁带更宽的半导体材料(如金刚石等)。该光源应当能够到达待探测界面，这主要是对待测样品各层(尤其是吸收系数较大的材料层)的厚度做出了限定。如果该光源需要穿透的物质层过厚或吸收系数过大，使得没有足够数量的光子到达待探测界面，也就不能实现探测的功能了。若为有图案的样品，还要求测试区域的表面积比光斑尺寸更大。
该样品与该光斑在平面上的相对移动，可以是该样品在移动，可以是该光斑在移动，也可以是两者都在移动。进行定点测量模式时，该相对移动的速度v＝0。在一个点测量完毕后，可以进行下一个点的测量。在移动至下一个测量点的过程中，该光源是关闭的。进入扫描测量模式时，v＞0。
在扫描测量模式中，需要保持光源功率的稳定。二谐波信号值与光强的平方成正比，因此在实际扫描测量中，必须保证光强的稳定(即功率和光斑形状、尺寸的稳定)，否则就无法知道扫描二谐波信号中的数据波动是源于被测样品内部电学特性的变化，还是源于光强的变化。因此如果不对该光斑的形状、尺寸和光强加以控制，就无法得到准确的二谐波扫描信号图。光斑的形状和尺寸，可以通过该入射光路系统调节。当然，该调节包括但不限于：通过监控系统的监控，通过该入射光路系统调节入射光的参数；或者该样品随着该载台移动，而该光源和该入射光系统的参数保持恒定；或者该载台保持不动，而该光源在保持参数不变的情况下做平动。虽然可以通过调节功率来控制光强，但在扫描过程中，功率是恒定的。该相对移动速度保持恒定，可以保证在扫描的过程中，被扫描的各测量点经该激光照射的时长是相等的。该“同一批次”，是指该样品相同，该待探测界面位置相同，该测试目的、测试手段等的选择均相同。同一批次的该产品的测量，保持各项测量数据的一致性，可以保证测量数据的可比性。需要保持恒定的参数，并非完全不能改变，而是在“同一批次”的测量中，宜保持恒定。
在接收该二谐波信号时要注意，出射信号中包含很多种类的光波信号，需要有针对性地提取有用信息，即需要滤波。该出射光的信号接收方向，需调节至与入射角度相同。该二谐波信号能被测量并描绘为曲线，能使用公式对该曲线进行描述。此处的公式，包括现有技术的公式及之后随着技术进步予以改进的公式，相关公式均可配合使用。现有技术的公式如在发明内容部分提及的二谐波的一般性公式，为免赘述，不再重复。
该二谐波信号的该变化曲线中，包含了丰富的信息。当设备处于定点测量模式时，记录的二谐波信号的曲线是随时间变化的，因此具有时间变化的特征。当设备处于扫描测量模式时，因为扫描的过程是受限定的，即“该光斑的形状和尺寸保持恒定；该光源的功率保持恒定，即在该光斑的该形状和该尺寸均保持恒定时，该光斑的光强也保持恒定；该样品与该光斑的该相对移动速度保持恒定”，所以扫描测量的各测量点被照射的时间是相等的，也就是说，扫描测量得到的各测量点的数值是各点在被照射相同时间后的数值，因此，该值不是时间的函数。但是，扫描测量的各个测量点的位置均不相同，因此，该数值是随空间位置而变化的，具有空间分布的特征。需要补充说明的是，在定点测量时，从指定测量点A转到指定测量点B的过程中，尽管v＞0，但此时并未进行测量，因此也就没有该二谐波信号的该变化曲线。
图1描述了定点测量和扫描测量两种模式中，理想的均匀样品在被激光照射时内部电荷分布变化情况。其中，图1A为定点测量模式。可以看出，由于测量区光强呈现高斯分布，激光诱发的内部电荷再分配也呈高斯分布。因此，该内部电荷的分布是不均匀的，所得的二谐波信号的值也与理论值存在偏差，较难表征该样品的状态。图1B为扫描测量模式。尽管光斑的光强依然是高斯分布，但在晶圆移动方向上，激光诱发的该内部电荷再分配是均匀的。这是因为在该方向上，所有测量点被照射的总时长和被注入的光子总数相同。因此，扫描模式下作出的“二谐波信号-坐标”曲线图，能够作为样品全域均匀性的表征。该表征是基于前述公式的，由该公式予以定义。进一步地，该扫描测量模式在分辨缺陷的位置、尺寸、以及相对缺陷密度分布等方面还有独特的应用，这在后续的实施例中会有涉及，这是该定点测量模式无法做到的。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该样品与该光斑在该平面上的该相对移动在X方向上有自由度。
本实施例中，如图5所示，该样品与该光斑在该平面上的该相对移动在X方向上有自由度。该X方向指的是某一个方向，即该相对移动是沿着一条直线进行的，是一维的运动。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该相对移动还在Y方向上有自由度。
本实施例中，如图5所示，该样品与该光斑在该平面上的该相对移动还在Y方向上有自由度。该Y方向指的是X方向以外的某一个方向，即该相对移动有两个自由度。X，Y方向的自由度可以完成在XY平面上的任何运动形式，实现不同形式的扫描。如线性扫描，弧形扫描等，可以沿着任意平面曲线进行。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该相对移动还包括转动。
本实施例中，如图5所示，该样品与该光斑的该相对移动还包括转动，即该扫描测量可以绕着指定点沿着圆周运动的方向进行。该指定点可以是该平面上的任一点。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该相对移动是线性的。
本实施例中，该相对移动是线性的，如光栅式扫描(grating)，网格式扫描(griding)。该线性移动的方向，可以与X方向或Y方向相同，也可以不同。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该相对移动是弧形的。
本实施例中，该相对移动是弧形的，如在平转的过程中进行测量。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：能够通过对该样品的旋转，在[0°，360°]范围内调节该样品的方位角。
本实施例中，通过旋转调节该样品的方位角，即入射面与样品晶向方向的夹角，如图6中的
Figure GDA0004004103630000131
进而可以对二谐波的P或S分量做分离分析处理。该方位角的调节范围可以根据实际需要选择，本实施例推荐的优选范围为[0°，360°]。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该样品与该光斑能够在Z方向上调节相对位置。
本实施例中，该样品与该光斑能够在Z方向(即高度方向上)上调节相对位置。优选地，精度可达微米级，甚至0.1微米乃至更高精度。在扫描过程中，如果样品的高度有改变，光强密度就会发生改变。因此，能够通过实时调节样品高度来控制光强。这主要是基于保持光斑面积与光强密度(如公式1中的I(r，θ))恒定的目的。这是因为，样品本身表面的不平整，以及载台水平度的不均匀等造成测量点的高度有差异，从而导致激光的光程、光斑面积、光强密度等都发生改变。在扫描模式中提供能够实时调节高度的功能，能够达到更佳的扫描测量效果。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该光源发出的该激光的该功率能够调节。
本实施例中，该光源发出的该激光的功率是可调节的。功率的调节可以控制单位时间内到达测量区域的总光子数。功率越大，产生的信号越稳定，但同时也会使得单位时间内入射光子的数量变多，测量中对样品的影响变大。尽管该功率的值在同一批次的测量中是保持恒定的，以保证该光斑的强度保持恒定，但是，有时也需要改变功率的大小。若测量目的不同，如需要检测在不同功率的激光照射下的二谐波变化，便需要调节该光源的功率。或者，若测量的样品不同，如该光源需要穿透的物质层过厚或吸收系数过大，也需要调节功率的大小，以保证有足够数量的光子到达该待探测界面。低功率时，信号的变化速度较慢，可以更完整地看到晶圆被激光照射时内部电荷重新分配的信息，但如需达到信号饱和状态，则需要较长时间。高功率时，信号变化速度较快，虽然激光照射初始时刻的信息可能会损失，但到达饱和状态所需时间较短，能够提高检测效率；同时，高功率下，信号更加稳定。此时，按照本文的叙述，并非“同一批次”的情形。激光源可以调节功率以实现不同的测量目的。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该激光的该功率的调节范围是[0，1000mW]。
本实施例中，优选地，该激光的该功率的调节范围是[0，1000mW]。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该入射光路系统能够调节该激光的该入射角度。
本实施例中，该入射光路系统可调节该激光的入射角度。该入射角度对该二谐波的影响主要体现在该二谐波的P偏振分量上。这是因为，P分量是入射和垂直两个方向上的矢量之和。因此，通过调节入射角，可以对被测的该样品的二阶极化张量中的某些分量做定量分析。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该激光的该入射角度的调节范围是[10°，90°]。
本实施例中，该激光的该入射角度的调节范围是[10°，90°]。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该入射光路系统能够调节该激光的偏振方向为P偏振或S偏振。
本实施例中，该入射光路系统可以调节该入射激光的偏振方向为P偏振或S偏振。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该信号接收器有一个或者多个。
本实施例中，该信号接收器有一个或者多个。该信号接收器可以使用多个探测器来接收该出射系统处理过后的该二谐波信号和/或入射分束光信号，且可以用于不同的作用。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该信号接收器有两个，P信号接收系统和S信号接收系统。该P信号接收系统只接收P偏振方向的该二谐波信号。该S信号接收系统只接收S偏振方向的该二谐波信号。
本实施例中，该信号接收器有两个，P信号接收系统和S信号接收系统，分别用于接收P偏振方向和S偏振方向的二谐波信号。这是对该二谐波信号进行有选择性地接收。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：当方位角为零度且该入射光路系统的偏振方向为P时，使用该S信号接收系统接收到的非零信号对该P信号接收系统接收到的该二谐波信号降噪。
本实施例中，在方位角为零的情况下，当入射光路的偏振方向为P时，理论上不会产生S方向的二谐波。然而在实际测量中，由于方位角或者偏振片角度的微小偏差，或受其他干扰因素的影响，S出射光路的二谐波信号并不为零。因此，这一信号值可以用于对P出射光路的降噪处理。值得一提的是，该光路并非只能用于降噪使用，事实上，在调节方位角进行测量时，S方向的二谐波信号在分析该样品的晶格对称性或者缺陷时同样具有意义。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该信号接收系统有三个：P信号接收系统，S信号接收系统和入射分束光信号系统。
本实施例中，该信号接收系统有三个：P信号接收系统，S信号接收系统和入射分束光信号系统。该入射分束光信号系统是直接从入射光引入的光束，不是经过测量后得到的二谐波信号。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：当方位角为零度时，使用该S信号接收系统接收到的非零信号对该P信号接收系统接收到的该二谐波信号降噪，同时通过实时监测该入射分束光信号系统的稳定性用于降噪。
本实施例中，降噪的方式有两个。当该方位角为零度时，使用该S信号接收系统接收到的非零信号对该P信号接收系统接收到的该二谐波信号降噪，这与前文中的降噪方式相同。同时，通过实时监测该入射分束光信号系统的稳定性用于降噪。该入射分束光信号系统收集的是入射光到达该样品前的一束分束光线，主要用于监测到达该样品表面的激光功率的波动，配合照相系统对光斑形状和尺寸的监测，可以用于对光斑光强密度的监控，并以此来对该二谐波信号做降噪处理。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该方法还包括通过单独激发来改变该样品中该测量点的内部电荷分布状态。
本实施例中，该方法还包括通过单独激发来改变该样品中该测量点的该初始态。在一些情况下，需要改变该样品被扫描前的初始态，即单独“激发”。该初始态的改变应当是均匀稳定的，可以通过光学或者电学设备来实现。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该单独激发是通过泵浦光源来实现的。
本实施例中，该单独激发是通过另一个光源，即泵浦光源来实现的。泵浦光源激发样品内部的电子，使电子获得足够的能量在样品中移动，从而实现电子在界面处堆积的状态。因此，要求泵浦光源有较宽的功率范围和波长可调节功能，该技术手段对扫描和定点测量均适用，且适用于测量前和测量中。但由于泵浦光源具有较小的光斑，因此是有指向性的对待测点做激发。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该单独激发是通过闪光灯来实现的。
本实施例中，该激发光源是闪光灯。相比于泵浦光源，闪光灯是全覆盖的，对整片晶圆都会有影响。该技术手段对定点测量模式和扫描测量模式均适用，且只适用于测量前。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该单独激发是通过偏置电压装置给该样品施加足以改变该样品内建电场的电压实现的。
本实施例中，该单独激发是通过给该样品施加足以改变该待测样品内部电场的电压实现的，即通过添加偏置电压装置来改变样品的初始态。该方法是利用在该样品两端施加一个足以影响内部电荷排列的电场，在该电场作用下，电荷会在界面处堆积。最终堆积的电荷密度除了跟施加电场有关外，还会与该处的其他电学特性有关(比如界面态密度，固定电荷密度等)。待电荷积累达到稳定后，通过扫描模式可以有效地检测出被测样品的该内部电荷分布，从而对整个扫描区域的电学特性进行评估。该电场可以通过DC电压装置、AC电压装置等直接进行添加，也可以通过磁场偏压装置、电晕装置等进行添加。
DC电压装置利用了不同极性的电荷对电场的反应不同。在DC电压作用下，可动电荷(如载流子，可动离子等)在电场线方向移动并最终在界/表面堆积，在这个过程中，由于样品内部界面态缺陷或其他电学缺陷的存在导致电荷最终的堆积状态有所差异，这种差异可以通过二谐波扫描模式的信号反馈分析出来。该装置可用于二谐波测量前或测量中。
AC电压装置利用了不同种类的电荷对交流电压的反应不同。例如，可动电荷会随着交流电压做周期性移动(但不同种类的可动电荷移动的速度或者位移不同)，但固定电荷却不随之移动。甚至于，同种类型的缺陷对不同频率的电压反应也不相同，例如，界面态在高频电压下呈现低电阻性质，而在低频电压下呈现高电阻性质。因此通过施加AC电压，可以对样品内部各种电学特性做更细致的分析。为了保证测量的精度，要求该AC电压装置的频率远低于系统的信号接收频率。
上述两种装置，均可以将样品放置在一个导体托盘(要求电阻率尽可能小)上，托盘接地；样品的另一端通过非接触的探头或者覆盖但不接触的导体板导入直流或者交流电压。要特别注意的是，若使用导体板来施加电压，应当留有供光线通过的小孔。
磁场偏压装置，将样品放置于变化的磁场中，由磁场感应出电场，在该电场作用下，电荷在样品内部移动，从而使该样品达到电荷在界面处堆积的状态。其中，施加的该磁场强度与感应的该电场强度由麦克斯韦方程来描述。
电晕装置，通过一个具有高电压的电晕装置，将其周围空气中的水分子和二氧化碳分子电离，产生正的H3O2 +离子和负的CO3 -离子，根据需要，可针对性的将其中一种离子喷洒在样品表面。如此一来，样品的表面势就会被改变，而样品的内部电荷会被吸引或排斥从而达到内部电荷重新分配的目的。
本实施例中的多种激发装置，可以相互结合使用，也可以联合前述的泵浦光源或闪光灯同时适用。这些激发装置相互之间只要能独立工作、不相互干扰就可以了。
在上述的多种方案中，扫描模式本身与“激发”装置相互独立。在实际的测量过程中，既可以单独使用扫描模式，也可以结合二者进行更多形式的测量。但总体上说，是利用了扫描测量能够表征样品的初始界面状态这一特点。同时，扫描方法相对于单点测量最突出的优势是测量点的增加和测量效率、精度的提升。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：
该时间变化特征和该空间分布特征同时或分别满足：
该时间变化特征包括：
初始态，表征该样品在注入该光子之前的状态。
最终态，表征该样品在该测量结束时的状态。
时变态，表征该样品在注入该光子过程中内部电荷重新分布的动态过程。
该空间分布特征包括：
寻常点，即该二谐波信号的值处于平均值上下5％范围内的该测量点。
异常点，即该二谐波信号的值处于平均值上下5％范围外的该测量点。
本实施例中，该时间变化特征和该空间分布特征可以同时具备，但不是必须同时具备。因为，具有该时间变化特征的定点测量模式和具有空间分布特征的扫描测量模式可以先后使用，同时使用(用相同型号的设备对相同的样品做相同的测量)，也可以分别使用。
该时间变化特征包括该初始态，该最终态和该时变态。该初始态，是测量前该样品的初始状态。该初始态，可以是该样品的原始状态，也可以是该样品经过单独激发后的状态。总之，是在测量前的状态。该最终态，是该样品在测量结束时到达的状态。测量结束时，该样品不再被照射，但状态可能仍会继续发生变化，不过，因为设备不再接收其发出的新的二谐波信号，因此，对于测量结果来说，只能以结束时的状态作为最终态。当然，如果测量的时间足够长，在测量结束时也有可能该样品的状态已不再发生变化，到达了一个稳定的状态。该时变态，是该样品从该初始态到该最终态的动态变化的过程。
该空间分布特征包括该寻常点和该异常点。该寻常点的该二谐波信号值处于平均值上下5％的范围内，即处于平均值的附近。该异常点的该二谐波信号值处于平均值上下5％的范围外，即明显偏离了平均值。该5％的数值为本实施例提供的优选值，根据实际情况另取其他数值也是可以的。
图3和图7为该定点测量模式与该扫描测量模式结合的一种示例。其中，图3是对某些点的定点测量，图7为该扫描测量模式。定点测量可以用于对测量的缺陷密度做定量分析，而扫描模式可以对不同测量点做相对测量。因此通过结合两种测量模式，可以实现对样品全域的缺陷密度做定量分析。图7为线性扫描情况下的数据示例。在实际测量中，针对不同的样品种类，可以采取不同的扫描方式，也因此需要采用相对应的数据处理方法。例如，对于有图案晶圆，由于待测局域很小(通常仅为光斑的几倍大小)，那么在选取扫描模式时，可以设定扫描区域略大于测试片(一般面积为50微米×50微米)，并在数据处理时，删除测试片区域外的信号点；而对于无图案晶圆，可以采用多样式的测量方法，力求被测点的随机性和多样性。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：该方法还包括定-扫对应关系，该定-扫对应关系是该定点测量模式与该扫描测量模式的对应关系，即：当该扫描测量模式中获取的该二谐波信号的平均值和该定点测量模式中获得的该二谐波信号的ts时刻的值相同时，认为该扫描测量模式中任一测量点被该激光照射的时长为ts的值，以公式表达则为
Figure GDA0004004103630000181
ts为该定点测量模式下该样品上的该指定测量点经受该激光照射的时长，/>
Figure GDA0004004103630000182
为该扫描测量模式下该样品上的经过该扫描的该扫描测量点经受该激光照射的时长，Ds为该光斑的等效尺寸，Ds＞0，v为该相对移动速度。
本实施例中，确立了该定点测量模式和该扫描测量模式的对应关系。使用该扫描测量模式结合该定点测量模式的方法表征被测的该样品界面处的电学特性因此成为了可能。该测量方法的优势在于，既可以通过该扫描模式测得的精确的该初始态来对该定点测量的数据结果降噪，又可以通过该定点测量模式的结果来对该扫描模式的数据进行再处理。
Figure GDA0004004103630000183
该扫描测量模式下该样品上经过该扫描的该测量点经受该激光照射的时长。因为该等效尺寸Ds和该相对移动速度v均保持恒定，所以该值为一个定值，即对应于该定点测量模式下的一个特定时刻ts，该特定时刻ts需要根据计算或测量结果比对予以确认。当/>
Figure GDA0004004103630000184
很大时，即意味着ts很大，此时该扫描测量过程中该测量点被该激光照射的时间很长；当ts足够大时，如10s以上，该扫描测量模式得到的是该定点测量模式的最终态。一般而言，该扫描测量模式要获得最终态，该相对移动速度需要非常慢，而且跟定点测量总时长相关，即与定点测量的最终态有关。当/>
Figure GDA0004004103630000185
很小时，即意味着ts很小，此时该扫描测量过程中该测量点被该激光照射的时间很短；当ts足够小时，该扫描测量模式得到的是该定点测量模式的初始值。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：当该相对移动的速度为
Figure GDA0004004103630000186
时，该扫描测量模式的该二谐波信号的该平均值对应于该定点测量模式中的初始态的值，即初始值，T为该信号接收器采集信号的间隔时长，Ds为该光斑的等效尺寸，v为该相对移动速度。
本实施例中，当该相对移动的速度为
Figure GDA0004004103630000191
时，每个该扫描测量点被照射的总时长不超过一个计数周期，这个时长足够短(往往在[0.1ms,1ms]的范围内)，因此该样品的该扫描测量点内部电荷分布还不会发生变化，该扫描测量模式的该二谐波信号的平均值可用于表征该样品的初始态。该点也是该定点测量模式中的第一个测量点(初始值)。在该定点测量模式中，由于激光完全照射时间与信号收集时间有延迟(一般在[15ms,30ms]的范围内)，故而在定点测量的初始值对应的时刻，晶圆内部已经发生了改变。因此，该扫描测量模式能够大幅度提升初始值的精度。
进一步地地，由于在快速扫描测量中，激光对每个扫描测量点的照射时间极短，因此并不会对晶圆的内部电荷分布有影响，因此可以在同一条扫描路径上重复扫描过程，而后，将每次的测量结果做平均就可以大大降低散粒噪声。即，该扫描测量模式得到的值还可以用于该定点测量模式中初始值的降噪与修正处理。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法：
该二谐波信号公式能够描述为公式1：
Figure GDA0004004103630000192
在公式1中，χ(2)，χ(3)分别为被测样品的二阶和三阶极化常数，Ds为该光斑的该等效尺寸，LD为德拜长度，(r，θ)是以该光斑的中心为原点的极坐标位置，z为该光斑在竖直方向上距离该待探测界面的距离，t为该测量点被该激光照射的时长。
在公式1中，I(r，θ)为光斑的高斯光强分布，能够用如下的公式2描述：
Figure GDA0004004103630000193
公式2中的P为该激光的峰值功率，w为束腰宽度。
该公式1中Edc(t，t)为该待探测界面处的内建电场，能够用如下的公式3描述：
Figure GDA0004004103630000194
所述公式3中q为电子电荷常数，k为玻尔兹曼常数，Te为环境温度，Vg为外接偏置电压，由所述偏置电压装置施加而来，VFB为平带电压，N为体电荷密度，α-1为所述二谐波信号在所述半导体层的穿透深度，εs为所述半导体层的介电常数，ε0为真空介电常数。
本实施例中，如图1所示，是定点测量和扫描测量两种模式中，理想的均匀的该样品在被激光照射时内部电荷分布变化情况。其中，图1A为定点测量模式。可以看出，由于测量区光强呈现高斯分布，激光诱发的内部电荷再分配也呈高斯分布。因此，对于数据的处理不能再以现有文献中所公布的公式分析，而应以公式1、公式2和公式3来进行分析。公式1是对该二谐波的一般性公式
Figure GDA0004004103630000201
的深一层推广。其中，χ(2)和χ(3)分别为样品的二/三阶极化张量，Iω为测量点的光强，Edc(t)为界面处的内建电场，φ为两项的相位差。如前所述，因为光强不再是均匀分布，且测量区域内的电场强度变化也不相同，本实施例提出了新的公式，即公式1。在公式1中，内建电场是最重要的一个参量，是引发时变二谐波信号最根本的原因。
公式2为高斯光斑光强分布的现有公式。但在现有的二谐波技术中，均将光斑作为均匀光斑来计算其光强分布，带来了实际测量中的误差。因此，本发明引入该现有公式，建立了更精确的物理模型。
公式3的电场公式对该扫描测量模式的契合度更好。因为，该扫描过程中入射光子的分布是均匀的，造成的电荷堆积也是均匀的，这与公式3中的理论模型一致。此处，需要特别关注的是两个值，Vg为通过电压偏压装置施加的电压，该值足以对被测样品的初始态造成改变；而N为在测量过程中，界面处的积累电荷密度，是电子在移动过程中被界面态或固定电荷俘获导致的界面处电荷分布的变化。公式3为本发明对二谐波公式中更深一步的推广，是对半导体界面处内建电场更精确的描述。现有二谐波技术中认为内建电场的变化来自于电荷在界面处的堆积，但事实上，该内建电场应当是各种电学缺陷和电荷堆积共同作用的结果。而电学缺陷的影响可以由平带电压来描述(即公式3中右侧第一项)，可通过外置电压来调节；电荷堆积的影响可由公式3中右侧第二项描述。因此可以看出，公式3所描述的模型更加接近于真实情况，因此对于定点测量模式，其也具有更好的描述作用。
该扫描测量模式与该偏置电压技术的结合，其目的是改变被测样品的初始内建电场，即公式3中的Edc。该结合给测量带来的优点是：1)可以提高信号的信噪比；2)可以使被测样品处于不同的工作状态(多子堆积状态，多子耗尽状态，少子堆积状态，反型)，从而对样品的性能做更精确的分析；3)通过添加不同的偏压，对氧化层中可动电荷(如Na+)做测量：当Vg正时，可动电荷向界面处移动；当Vg为负时，可动电荷向表面处移动。
使用本发明提供的公式1、公式2和公式3进行计算，使得定点测量、扫描测量，以及定点测量与扫描测量相结合三种情况下，实际测量结果与理论模型都得到了统一，使得二次谐波测量技术不再只是定性分析方法，而是可以作为定量分析方法得到应用。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法，该方法还包括：
在该扫描模式测量后，以该扫描方向为横坐标，以该二谐波信号的值为纵坐标，做扫描信号图。
该扫描信号图中，信号峰和信号谷为数据异常点。
该信号峰对应的峰值横坐标处的缺陷密度较周围更大，该峰值横坐标为缺陷中心，该信号峰的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，该信号峰的高度用于表征缺陷密度。
该信号谷对应的谷值横坐标处的缺陷密度较周围更小，该谷值横坐标为缺陷中心，该信号谷的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，该信号谷的高度用于表征缺陷密度。
本实施例中，如图7所示，横坐标为扫描方向的坐标，纵坐标为扫描得到的二谐波信号。由于二谐波信号与缺陷密度相关，因此，图中信号峰对应的峰值横坐标处的缺陷密度较周围更大，峰值横坐标为缺陷中心，信号峰的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，信号峰的高度用于表征缺陷密度；信号谷对应的谷值横坐标处的缺陷密度较周围更小，谷值横坐标为缺陷中心，信号谷的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，信号谷的高度用于表征缺陷密度。因此，通过扫描模式，可以对样品的相对缺陷分布做测量。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法，该方法还包括：
根据该二谐波信号的值和该扫描测量模式的该扫描测量点的坐标位置做缺陷密度分布图。
该缺陷密度分布图中，亮斑对应该扫描信号图中的该信号峰，表示该亮斑对应的该扫描测量点的该坐标位置的该缺陷密度比周围更大。暗斑对应该扫描信号图中的该信号谷，表示该暗斑对应的该扫描测量点的该坐标位置的该缺陷密度比周围更小。
本实施例中，如图8所示，为该扫描测量模式后的缺陷密度分布图。其中，该亮斑处的缺陷密度比周围更大，对应于图7中的峰；该暗斑处的缺陷密度比周围更小，对应于图7中的谷。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法，该方法还包括：
在该定点测量模式，以测量时间为横坐标，以该二谐波信号的值为纵坐标，做时变二谐波信号图。
该时变二谐波信号图具有以下特征：
初始态点，为该时变二谐波信号图中的第一个点，表征该样品在注入该光子之前的状态。
最终态点，为该时变二谐波信号图中的最后一个点，表征该样品在测量结束时的状态。
时变态点，为该时变二谐波信号图中该初始态点与该最终态点之间的点，表征该样品在注入该光子过程中该内部电荷重新分布的动态过程。
本实施例中，涉及的是在整个时变二谐波曲线中，最受关注的三个方面：初始态、最终态和时变态。
初始态点表征该样品在被注入光子之前的状态，即在图3A，3B，3C和3D中的第一个点。此时，还未有自由电子被激发到氧化层中，此时的内建电场为初始内建电场。
时变态点表征该样品在注入光子后该内部电荷重新分布的动态过程，反映出的是电子被界面态或者固定电荷俘获的过程。这体现在图3A，3B，3C和3D中间变化的线段。在这个过程中，内建电场发生变化，产生时变二谐波信号。该信号变化速度与氧化层厚度、材料的禁带宽度和入射光子的频率等相关。以半导体材料为硅的样品为例，可用公式4计算在界面电荷密度为σ时的二谐波曲线增长速度，
Figure GDA0004004103630000221
式中εSi为硅的介电常数，n为电子能级跃迁所要吸收的光子数目，
Figure GDA0004004103630000223
为约化普朗克常数，ω为光的角频率，/>
Figure GDA0004004103630000222
为氧化层的禁带宽度，e为电子电荷常数，σ为界面电荷面密度，Deff为氧化层厚度。从公式4中可以看出，当氧化层厚度超过一个阈值时，公式4趋近于0，产生的二谐波信号不再随时间改变。因此，对于较厚的氧化层，可以通过增大入射光子频率的方法，来提升电子能级跃迁以及达到氧化层表面的概率。
最终态点表征该样品在注入光子并达到稳定之后的状态或者是测量时间结束时的状态。所谓稳定，是在测量时间内，新自由电子的激发与复合达到平衡，样品的内部电荷分布达到了动态平衡，内建电场不再发生改变。此后，即使延长测量时间，信号值并不会再发生较大的改变。这体现在图3B，3C和3D中信号稳定之后的线段。然而，在使用低功率激发光的情况下，会出现在测量结束时，样品仍然没有到达稳定状态的情况，此后如果延长测量时间，二谐波信号仍然会出现随时间变化的趋势。在这种情况下，可规定测量的最后一个点为最终态，如图3A中标注的最后一个点。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法，该方法还包括：选取部分或全部该异常点作为该指定测量点，进入该定点测量模式。
本实施例中，对定点测量的位置使用了特殊点选择。特殊点选择是指在测量过程中，会对该信号的该异常点(峰或谷)做定点测量，目的是对该处做更详细的测量分析。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法，该方法还包括：预先随机选取该测量点作为该指定测量点，进入该定点测量模式。
本实施例中，对定点测量的位置使用了随机选择。随机选择是在测量前随机选定，主要用于对缺陷密度的计算。
如图9所示，是在综合使用前述实施例提供的技术的基础上的一个具体的测量过程的流程图。测量步骤为：放入晶圆，调节参数，选取扫描线、移动载台并测量至完成全部扫描测量任务，分析异常点，进入定点测量模式。全部测量结束后，进行数据分析。
第二方面，本发明实施例提出一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置，该装置包括：
光源，用于发出激光，经过入射光路系统，在样品上形成光斑，向该样品注入光子，即对该样品进行激光照射。
该入射光路系统，用于调节该光源发出的该激光的光束参量。
该样品，为2层及以上的物质组成的存在界面的可探测结构，该物质中至少有一层为半导体层，该光源能够到达待探测界面，即待探测的该界面。
载台，用于对该样品的承载和平面移动，该平面移动的移动速度为v，v≥0。当该装置进入定点测量模式，即对指定测量点进行测量时，v＝0。当该装置进入扫描测量模式时，v＞0，该平面移动的方向为扫描方向。
出射光路系统，用于调节出射的该二次谐波的二谐波参数。
信号接收系统，用于接收经过该出射光路系统调节后的二谐波信号，该二谐波信号的变化曲线能够描述为二谐波信号公式。该二谐波信号的该变化曲线中，包括的信息有：进入该定点测量模式时，记录该指定测量点产生的该二谐波信号的时间变化特征。进入该扫描测量模式时，记录在该平面移动的过程中，扫描测量点产生的该二谐波信号的空间分布特征。
监控系统，用于对该装置的运行状态进行实时监控，发出实时反馈信息。
输入系统，用于在人机交互中接收使用者的输入信息。
显示系统，用于在人机交互中显示该装置的输出信息。
中心处理系统，用于接收该输入信息和该实时反馈信息，控制该装置的运行，根据该二谐波信号公式处理该二谐波信号，并输出该输出信息。
同一批次该样品的扫描测量过程中：该光斑的形状和尺寸保持恒定。该光源的功率保持恒定，即在该光斑的该形状和该尺寸均保持恒定时，该光斑的光强也保持恒定。该样品与该光斑的该相对移动速度保持恒定。
本实施例中，给出了基于二次谐波测量半导体多层结构的装置，图4示出了该装置的部分结构。该装置包括该光源、该入射光路系统、该样品、该载台、该出射光路系统、该信号接收系统、该监控系统、该输入系统、该显示系统和该中心处理系统。在一般性的二谐波测量技术中，“探测”和“激发”这两者是同时进行的。这是因为，探测源本身的光子也会造成电子的能级跃迁，即使选用功率较低的探测源(这本身会造成测量信号较低且具有较大的噪声)，在长时间的照射后，仍会引起样品的内部电荷分布的变化。本实施例提供的扫描方法却可以有效地实现“探测”而又不改变样品的内部电荷分布。通过对光斑的形状、尺寸、光强和扫描速度的控制，本实施例提供的扫描装置赋予了扫描测量单独“探测”的功能，即在样品的内部电荷分布几乎不发生改变，测量的信号只与被测量区域的初始态有关的情况下，实现对样品的探测。因此，该光源，是真正地基于技术手段实现了单用途的光源。当然，在定点测量中，该光源也可以同时进行探测与激发。图4中的激发光源履行了激发的功能，但该激发光源并不一定是独立的部件，该激发功能有可能是由该光源实现的，也有可能是由独立的激发光源实现的。
激光经过入射光路系统，在样品上形成光斑。光斑的面积会影响单位面积内入射光子的数量(光强密度)。在相同功率下，光斑面积越小，入射的光子越集中，在测量过程中对样品的影响越大，但同时，系统装置的分辨率越高。
该样品，为2层以上的物质组成的存在界面的可探测结构，该物质中至少有一层为半导体层。本实施例的技术方案探测的是半导体的界面态，因此，探测的物质中必须有一种是半导体，也必须为两层以上物质组成的，不然无法形成所谓的“界面”。该半导体材料的结构，包括现今常见的半导体材料(如Si，Ge，SiC，GaN等)，新型氧化物半导体(如ZnO，CdO，Fe2O3等)，一维半导体(如石墨烯，黑磷等)以及其他禁带更宽的半导体材料(如金刚石等)。该光源应当能够到达待探测界面，这主要是对待测样品各层(尤其是吸收系数较大的材料层)的厚度做出了限定。如果该光源需要穿透的物质层过厚或吸收系数过大，使得没有足够数量的光子到达待探测界面，也就不能实现探测的功能了。若为有图案的样品，还要求测试区域的表面积比光斑尺寸更大。
该载台载着该样品，通过该载台的移动，实现了该样品与该光斑在平面上的相对移动。进入定点测量模式时，该相对移动的速度v＝0。在一个点测量完毕后，可以进行下一个点的测量。在移动至下一个测量点的过程中，该光源是关闭的。进入扫描测量模式时，v＞0。
该出射光路系统用于调节出射的该二次谐波的二谐波参数，该二谐波参数包括但不限于出射光偏振方向、出射角度。
该信号接收系统用于接收经过该出射光路系统调节后的二谐波信号，该二谐波信号可描述为二谐波信号公式。在接收该二谐波信号时要注意，出射信号中包含很多种类的光波信号，需要有针对性地提取有用信息，即需要滤波。该出射光的信号接收方向，需调节至与入射角度相同。该二谐波信号可被测量并描绘为曲线，可使用公式对该曲线进行描述。此处的公式，包括现有技术的公式及之后随着技术进步予以改进的公式，相关公式均可配合使用。现有技术的公式如在发明内容部分提及的二谐波的一般性公式，为免赘述，不再重复。
监控系统，用于对该装置的运行状态进行实时监控，发出实时反馈信息。该运行状态包括该光源的功率，光斑的尺寸，载台高度等。
该输入系统用于在人机交互中接收使用者的输入信息。该输入系统可以与该装置的机体是直接连接的，也可以通过无线或有线的方式进行数据传输，能够保证该输入信息传输到该装置即可。
该显示系统用于在人机交互中显示该装置的输出信息。该显示系统可以与该装置的机体是直接连接的，也可以通过无线或有线的方式进行数据传输，能够保证从该装置获取该输出信息即可。
该中心处理系统，用于接收该输入信息和该实时反馈信息，控制该装置的运行，根据该二谐波信号公式处理该二谐波信号，并输出该输出信息。该中心处理系统可以与该装置的机体是一体的，也可以处于云端；可以是一台计算机，也可以是多台计算机；可以是实体计算机，也可以是虚拟机。根据所述二谐波信号公式处理所述二谐波信号，包括制作该二谐波信号的该变化曲线。该二谐波信号的该变化曲线中，包含了丰富的信息。当设备处于定点测量模式时，记录的二谐波信号的曲线是随时间变化的，因此具有时间变化的特征。当设备处于扫描测量模式时，因为扫描的过程是受限定的，即“该光斑的形状和尺寸保持恒定；该光源的功率保持恒定，即在该光斑的该形状和该尺寸均保持恒定时，该光斑的光强也保持恒定；该样品与该光斑的该相对移动速度保持恒定”，所以扫描测量的各测量点被照射的时间是相等的，也就是说，扫描测量得到的各测量点的数值是各点在被照射相同时间后的数值，因此，该值不是时间的函数。但是，扫描测量的各个测量点的位置均不相同，因此，该数值是随空间位置而变化的，具有空间分布的特征。需要补充说明的是，在定点测量时，从指定测量点A转到指定测量点B的过程中，尽管v＞0，但此时并未进行测量，因此也就没有该二谐波信号的该变化曲线。
具体地，如图10所示，是光路系统结构的一个具体示例。该入射光由作为光源的激光器10发射，经偏振器20、准直透镜组30到达该样品90，激发出二谐波，并产生反射光；经准直透镜组40、滤镜50后，反射光被滤除，只剩被激发的二谐波通过分光棱镜60产生两个偏振方向的二谐波；其中P方向的二谐波在通过分光棱镜60后直接被信号接收器110接收，而S方向的二谐波在通过分光棱镜60后，又经反射镜51的反射方被另一个信号接收器110接收。在测量过程中，被测区域的信息，由透射电子显微镜80以及镜片组81&70监控，而样品的高度、坐标、移动速度由该载台100控制；所有的信息，包括测量数据最终汇集至该中心处理系统120处理。
图1描述了定点测量和扫描测量两种模式中，理想的均匀样品在被激光照射时该内部电荷分布变化情况。其中，图1A为定点测量模式。可以看出，由于测量区光强呈现高斯分布，激光诱发的该内部电荷再分配也呈高斯分布。因此，电荷的分布是不均匀的，所得的二谐波信号的值也存在偏差，较难表征该样品的状态。图1B为扫描测量模式。尽管光斑的光强依然是高斯分布，但在晶圆移动方向上，激光诱发的内部电荷再分配是均匀的。这是因为在该方向上，所有测量点被照射的总时长和被注入的光子总数相同。因此，扫描模式下作出的“二谐波信号-坐标”曲线图，能够作为样品全域均匀性的表征。该表征是基于前述公式的，由该公式予以定义。进一步地，该扫描测量模式在分辨缺陷的位置、尺寸、以及相对缺陷密度分布等方面还有独特的应用，这在后续的实施例中会有涉及，这是该定点测量模式无法做到的。
在扫描测量模式中，需要保持光源功率的稳定。二谐波信号值与光强的平方成正比，因此在实际扫描测量中，必须保证光强的稳定(即功率和光斑形状、尺寸的稳定)，否则就无法知道扫描二谐波信号中的数据波动是源于被测样品内部电学特性的变化，还是源于光强的变化。因此如果不对该光斑的形状、尺寸和光强加以控制，就无法得到准确的二谐波扫描信号图。光斑的形状和尺寸，可以通过该入射光路系统调节。当然，该调节既包括通过监控系统的监控，通过该入射光路系统调节入射光的参数，也包括在该样品随着该载台移动，而该光源和该入射光系统的参数保持恒定。虽然可以通过调节功率来控制光强，但在扫描过程中，功率是恒定的。该相对移动速度保持恒定，可以保证在扫描的过程中，被扫描的各测量点经该激光照射的时长是相等的。该“同一批次”，是指该样品相同，该待探测界面位置相同，该测试目的、测试手段等的选择均相同。同一批次的该产品的测量，保持各项测量数据的一致性，可以保证测量数据的可比性。需要保持恒定的参数，并非完全不能改变，而是在“同一批次”的测量中，宜保持恒定。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该载台的该平面移动在X方向上有自由度。
本实施例中，如图5所示，该载台的该平面移动在X方向上有自由度。该X方向指的是某一个方向，即该相对移动是沿着一条直线进行的，是一维的运动。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该载台的该平面移动还在Y方向上有自由度。
本实施例中，如图5所示，该载台的该平面移动还在Y方向上有自由度。该Y方向指的是X方向以外的某一个方向，即该相对移动有两个自由度。X，Y方向的自由度可以完成在XY平面上的任何运动形式，实现不同形式的扫描。如线性扫描，弧形扫描等，可以沿着任意平面曲线进行。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该载台还能转动。
本实施例中，如图5所示，该载台的该平面移动还包括转动，即该扫描测量可以绕着指定点沿着圆周运动的方向进行。该指定点可以是该载台上的任一点。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该载台在高度方向上的位置能够调节。
本实施例中，该载台能够调整高度方向上的位置，以配合该光源和该入射光路系统控制该光斑的形状和尺寸。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：在该扫描测量模式中会根据该样品的该测量点的高度的实时反馈，在该高度方向上相应地实时调节该载台的该位置。
本实施例中，该载台在该高度方向上调节相对位置。优选地，精度可达微米级，甚至0.1微米乃至更高精度。在扫描过程中，如果样品的高度有改变，光强密度就会发生改变。因此，能够通过实时调节样品高度来控制光强。这主要是基于保持光斑面积与光强密度(如公式1中的I(r，θ))恒定的目的。这是因为，样品本身表面的不平整，以及该载台水平度的不均匀等造成测量点的高度有差异，从而导致激光的光程、光斑面积、光强密度等都发生改变。在扫描模式中，提供能够根据监控反馈实时调节高度的功能，能够达到更佳的扫描测量效果。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该平面移动是线性的。
本实施例中，该平面移动是线性的，如光栅式扫描(grating)，网格式扫描(griding)。该线性移动的方向，可以与X方向或Y方向相同，也可以不同。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该平面移动是弧形的。
本实施例中，该平面移动是弧形的，如平转测量。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：通过该载台的旋转，能够调节该样品的方位角。优选地，该方位角的调节范围为[0°，360°]。
本实施例中，通过旋转调节该样品的方位角，即入射面与样品晶向方向的夹角，如图6中的
Figure GDA0004004103630000281
进而可以对二谐波的P或S分量做分离分析处理。该方位角的调节范围可以根据实际需要选择，推荐的优选范围为[0°，360°]。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该装置能够通过调整该光斑的该扫描尺寸和该载台的该移动速度，使得该样品的该测量点被该激光照射的时长的值在[0.1ms,1ms]的范围内。
本实施例中，通过对移动速度的控制，每个测量点被照射的总长度在[0.1ms,1ms]的范围内，一般不超过一个计数周期，这个时长通常足够短，因此晶圆被测量点内部电荷分布还不会发生变化，可用于表征晶圆的初始态。而对于定点测量，由于激光完全照射时间与信号收集时间有延迟(一般在[15ms,30ms]的范围内)，故而在定点测量的初始值对应的时刻，晶圆内部已经发生了改变。因此，本实施例提供的技术方案能够大幅度提升初始值的精度，同时可以用于对定点测量结果做降噪与修正。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该光源的功率能够调节。
本实施例中，该光源发出的该激光的功率是可调节的。功率的调节可以控制单位时间内到达测量区域的总光子数。功率越大，产生的信号越稳定，但同时也会使得单位时间内入射光子的数量变多，测量中对样品的影响变大。尽管该功率的值在同一批次的测量中是保持恒定的，以保证该光斑的强度保持恒定。但是，有时也需要改变功率的大小。若测量目的不同，如需要检测在不同功率的激光照射下的二谐波变化，便需要调节该光源的功率。或者，若测量的样品不同，如该光源需要穿透的物质层过厚或吸收系数过大，也需要调节功率的大小，以保证有足够数量的光子到达该待探测界面。低功率时，信号的变化速度较慢，可以更完整地看到晶圆被激光照射时内部电荷重新分配的信息。但如需达到信号饱和状态，则需要较长时间。高功率时，信号变化速度较快，虽然激光照射初始时刻的信息可能会损失，但到达饱和状态所需时间较短，能够提高检测效率；同时，高功率下，信号更加稳定。此时，按照本文的叙述，并非“同一批次”的情形。激光源可以调节功率以实现不同的测量目的。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该光源的功率的范围是[0,1000mW]。
本实施例中，优选地，该光源的该功率的调节范围是[0，1000mW]。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该入射光路系统能够调节的该光束参量包括：入射角度和/或入射光偏振方向。
本实施例中，该入射光路系统可以调节的该光束参量包括：入射角度和/或入射光偏振方向。该入射光路系统可调节该激光的入射角度。该入射角度对该二谐波的影响主要体现在该二谐波的P偏振分量上。这是因为，P分量是入射和垂直两个方向上的矢量之和。因此，通过调节入射角，可以对被测的该样品的二阶极化张量中的某些分量做定量分析。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该入射角度的调节范围为[10°，90°]。
本实施例中，优选地，该激光的该入射角度的调节范围是[10°，90°]。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该入射光偏振方向能够为P偏振或者S偏振。
本实施例中，该入射光路系统能够调节该入射激光的偏振方向为P偏振或S偏振，在一些情形下，如后续实施例所述，可使出射光获得一定的特性。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该出射光路系统能够调节的该二谐波参数包括：出射光偏振方向，即通过半波片只让指定偏振方向的二谐波通过。
本实施例中，该出射光路系统能够通过分光棱镜只让指定偏振方向的二谐波通过，以进行针对性的测量。如此能够分离出二谐波中的P偏振分量和S偏振分量，用于降噪和有针对性的数据分析。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该出射光偏振方向为P偏振或者S偏振。
本实施例中，该出射光偏振方向为P偏振或者S偏振。P偏振的二谐波信号是由被测样品中氧化层的电荷和界面态共同激发产生，而S偏振的二谐波信号仅由氧化层电荷激发产生，因此通过分析不同偏振方向的二谐波信号，可以将两种电学特性解耦。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该装置有一个或多个信号接收系统。
本实施例中，该信号接收系统有一个或者多个。该信号接收系统可以使用多个探测器来接收该出射系统处理过后的该二谐波信号和/或入射分束光信号，且可以用于不同的作用。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该装置有两个信号接收系统：P信号接收系统和S信号接收系统。该P信号接收系统只接收P偏振方向的二谐波信号。该S信号接收系统只接收S偏振方向的二谐波信号。
本实施例中，该信号接收系统有两个，P信号接收系统和S信号接收系统，分别用于接收P偏振方向和S偏振方向的二谐波信号。这是对该二谐波信号进行有选择性地接收。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：当方位角为零度且该入射光路系统的偏振方向为P时，使用该S信号接收系统接收到的非零信号对该P信号接收系统接收到的该二谐波信号降噪。
本实施例中，在方位角为零的情况下，当入射光路的偏振方向为P时，理论上不会产生S方向的二谐波。然而在实际测量中，由于方位角或者偏振片角度的微小偏差，或受其他干扰因素的影响，S出射光路的二谐波信号并不为零。因此，这一信号值可以用于对P出射光路的降噪处理。值得一提的是，该光路并非只能用于降噪使用，事实上，在调节方位角进行测量时，S方向的二谐波信号在分析该样品的晶格对称性或者缺陷时同样具有意义。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该装置有三个信号接收系统：P信号接收系统，S信号接收系统和入射分束光信号系统。
本实施例中，该信号接收系统有三个：P信号接收系统，S信号接收系统和入射分束光信号系统。该入射分束光信号系统是直接从入射光引入的光束，不是经过测量后得到的二谐波信号。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：当方位角为零度时，使用该S信号接收系统接收到的非零信号对该P信号接收系统接收到的该二谐波信号降噪，同时通过实时监测该入射分束光信号系统的稳定性用于降噪。
本实施例中，降噪的方式有两个。当该方位角为零度时，使用该S信号接收系统接收到的非零信号对该P信号接收系统接收到的该二谐波信号降噪，这与前文中的降噪方式相同。同时，通过实时监测该入射分束光信号系统的稳定性用于降噪。该入射分束光信号系统收集的是入射光到达该样品前的一束分束光线，主要用于监测到达该样品表面的激光功率的波动，配合照相系统对光斑形状和尺寸的监测，可以用于对光斑光强密度的监控，并以此来对该二谐波信号做降噪处理。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该装置还包括样品预处理系统，用于对该样品进行预处理，以改变该样品的内部电荷分布状态。
本实施例中，该方法还包括通过单独激发来改变该样品中该测量点的该初始态。在一些情况下，需要改变该样品被扫描前的初始态，即单独“激发”。该初始态的改变应当是均匀稳定的，可以通过光学或者电学设备来实现。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该预处理系统是泵浦光源。
本实施例中，该单独激发是通过另一个光源，即泵浦光源来实现的。泵浦光源激发样品内部的电子，使电子获得足够的能量在样品中移动，从而实现电子在界面处堆积的状态。因此，要求泵浦光源有较宽的功率范围和波长可调节功能，该技术手段对扫描和定点测量均适用，且适用于测量前和测量中。但由于泵浦光源具有较小的光斑，因此是有指向性的对待测点做激发。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该预处理系统是闪光灯。
本实施例中，该激发光源是闪光灯。相比于泵浦光源，闪光灯是全覆盖的，对整片晶圆都会有影响。该技术手段对定点测量模式和扫描测量模式均适用，且只适用于测量前。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该预处理系统是场偏压装置，该场偏压装置通过给该样品施加电场以改变该待探测界面附近的电荷分布。
本实施例中，该单独激发是通过给该样品施加足以改变该待测样品内部电场的电压实现的，即通过添加偏置电压装置来改变样品的初始态。该方法是利用在该样品两端施加一个足以影响该内部电荷排列的电场，在该电场作用下，电荷会在界面处堆积。最终堆积的电荷密度除了跟施加电场有关外，还会与该处的其他电学特性有关(比如界面态密度，固定电荷密度等)。待电荷积累达到稳定后，通过扫描模式可以有效地检测出被测样品的电荷分布，从而对整个扫描区域的电学特性进行评估。该电场可以通过DC电压装置、AC电压装置等直接进行添加，也可以通过磁场偏压装置、电晕装置等进行添加。
DC电压装置利用了不同极性的电荷对电场的反应不同。在DC电压作用下，可动电荷(如载流子，可动离子等)在电场线方向移动并最终在界/表面堆积，在这个过程中，由于样品内部界面态缺陷或其他电学缺陷的存在导致电荷最终的堆积状态有所差异，这种差异可以通过二谐波扫描模式的信号反馈分析出来。该装置可用于二谐波测量前或测量中使用。
AC电压装置利用了不同种类的电荷对交流电压的反应不同。例如，可动电荷会随着交流电压做周期性移动(但不同种类的可动电荷移动的速度或者位移不同)，但固定电荷却不随之移动。甚至于，同种类型的缺陷对不同频率的电压反应也不相同，例如，界面态在高频电压下呈现低电阻性质，而在低频电压下呈现高电阻性质。因此通过施加AC电压，可以对样品内部各种电学特性做更细致的分析。为了保证测量的精度，要求该AC电压装置的频率远低于系统的信号接收频率。
上述两种装置，均可以将样品放置在一个导体托盘(要求电阻率尽可能小)上，托盘接地；样品的另一端通过非接触的探头或者覆盖但不接触的导体板导入直流或者交流电压。要特别注意的是，若使用导体板来施加电压，应当留有供光线通过的小孔。
磁场偏压装置，将样品放置于变化的磁场中，由磁场感应出电场，在该电场作用下，电荷在样品内部移动，从而使该样品达到电荷在界面处堆积的状态。其中，施加的该磁场强度与感应的该电场强度由麦克斯韦方程来描述。
电晕装置，通过一个具有高电压的电晕装置，将其周围空气中的水分子和二氧化碳分子电离，产生正的H3O2 +离子和负的CO3 -离子，根据需要，可针对性的将其中一种离子喷洒在样品表面。如此一来，样品的表面势就会被改变，而样品的内部电荷会被吸引或排斥从而达到电荷重新分配的目的。
本实施例中的多种激发装置，也可以联合前述的泵浦光源或闪光灯同时适用。这些激发装置相互之间只要能独立工作、不相互干扰就可以了。
在上述的多种方案中，扫描模式本身与“激发”装置相互独立。在实际的测量过程中，既可以单独使用扫描模式，也可以结合二者进行更多形式的测量。但总体上说，是利用了扫描测量能够表征样品的初始界面状态这一特点。同时，扫描方法相对于单点测量最突出的优势是测量点的增加和测量效率、精度的提升。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：
该时间变化特征和该空间分布特征同时或分别满足：
该时间变化特征包括：
初始态，表征该样品在注入该光子之前的状态。
最终态，表征该样品在该测量结束时的状态。
时变态，表征该样品在注入该光子过程中电荷重新分布的动态过程。
该空间分布特征包括：
寻常点，即该二谐波信号的值处于平均值上下5％范围内的该测量点。
异常点，即该二谐波信号的值处于平均值上下5％范围外的该测量点。
本实施例中，该时间变化特征和该空间分布特征可以同时具备，但不是必须同时具备。因为，具有该时间变化特征的定点测量模式和具有空间分布特征的扫描测量模式可以先后使用，同时使用(用相同型号的设备对相同的样品做相同的测量)，也可以分别使用。
该时间变化特征包括该初始态，该最终态和该时变态。该初始态，是测量前该样品的初始态。该初始态，可以是该样品的原始状态，也可以是该样品经过单独激发后的状态。总之，是在测量前的状态。该最终态，是该样品在测量结束时到达的状态。测量结束时，该样品不再被照射，但状态可能仍会继续发生变化，不过因为设备不再接收其发出的新的二谐波信号，因此，对于测量结果来说，只能以结束时的状态作为最终态。当然，如果测量的时间足够长，在测量结束时也有可能该样品的状态已不再发生变化，到达了一个稳定的状态。该时变态，是该样品从该初始态到该最终态的动态变化的过程。
该空间分布特征包括该寻常点和该异常点。该寻常点的该二谐波信号值处于平均值上下5％的范围内，即处于平均值的附近。该异常点的该二谐波信号值处于平均值上下5％的范围外，即明显偏离了平均值。
图3和图7为该定点测量模式与该扫描测量模式结合的一种示例。其中，图3是对某些点的定点测量，图3为该扫描测量模式。定点测量可以用于对测量的缺陷密度做定量分析，而扫描模式可以对不同测量点做相对测量。因此通过结合两种测量模式，可以实现对样品全域的缺陷密度做定量分析。图3为线性扫描情况下的数据示例。在实际测量中，针对不同的样品种类，可以采取不同的扫描方式，也因此需要采用相对应的数据处理方法。例如，对于有图案晶圆，由于待测局域很小(通常仅为光斑的几倍大小)，那么在选取扫描模式时，可以设定扫描区域略大于测试片(一般面积为50微米×50微米)，并在数据处理时，删除测试片区域外的信号点；而对于无图案晶圆，可以采用多样式的测量方法，力求被测点的随机性和多样性。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该中心处理系统还包括定-扫对应模块，该定-扫对应模块用于建立该定点测量模式与该扫描测量模式的对应关系，即：当该扫描测量模式中获取的该二谐波信号的平均值和该定点测量模式中获得的该二谐波信号的ts时刻的值相同时，认为该扫描测量模式中任一测量点被该激光照射的时长为ts的值，以公式表达则为
Figure GDA0004004103630000331
ts为该定点测量模式下该样品上的该指定测量点经受该激光照射的时长，/>
Figure GDA0004004103630000332
为该扫描测量模式下该样品上的经过该扫描的该扫描测量点经受该激光照射的时长，Ds为该光斑的等效尺寸，Ds＞0，v为该相对移动速度。
本实施例中，该中心处理系统还包括定-扫对应模块，该定-扫对应模块用于建立该定点测量模式和该扫描测量模式的对应关系。使用该扫描测量模式结合该定点测量模式的方法表征被测的该样品界面处的电学特性因此成为了可能。该测量方法的优势在于，既可以通过该扫描模式测得的精确的该初始态来对该定点测量的数据结果降噪，又可以通过该定点测量模式的结果来对该扫描模式的数据进行再处理。
Figure GDA0004004103630000333
为该扫描测量模式下该样品上经过该扫描的该测量点经受该激光照射的时长。因为该等效尺寸Ds和该相对移动速度v均保持恒定，所以该值为一个定值，即对应于该定点测量模式下的一个特定时刻ts，该特定时刻ts需要根据计算或测量结果比对予以确认。当/>
Figure GDA0004004103630000334
很大时，即意味着ts很大，此时该扫描测量过程中该测量点被该激光照射的时间很长；当ts足够大时，如10s以上，该扫描测量模式得到的是该定点测量模式的最终态。一般而言，该扫描测量模式要获得最终态，该相对移动速度需要非常慢，而且跟定点测量总时长相关，即与定点测量的最终态有关。当/>
Figure GDA0004004103630000341
很小时，即意味着ts很小，此时该扫描测量过程中该测量点被该激光照射的时间很短；当ts足够小时，该扫描测量模式得到的是该定点测量模式的初始态。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：
该二谐波信号公式为如下的公式1：
Figure GDA0004004103630000342
在公式1中，χ(2)，χ(3)分别为被测样品的二阶和三阶极化常数，Ds为该光斑的该等效尺寸，LD为德拜长度，(r，θ)是以该光斑的中心为原点的极坐标位置，z为该光斑在竖直方向上距离该待探测界面的距离，t为该测量点被该激光照射的时长。
在公式1中，I(r，θ)为该光斑的高斯光强分布，能够用如下的公式2描述：
Figure GDA0004004103630000343
该公式2中的P为所述激光的峰值功率，w为束腰宽度。
该公式1中Edc(r，t)为该待探测界面处的内建电场，能够用如下的公式3描述：
Figure GDA0004004103630000344
该公式3中q为电子电荷常数，k为玻尔兹曼常数，Te为环境温度，Vg为外接偏置电压，由该偏置电压装置施加而来，VFB为平带电压，N为体电荷密度，α-1为该二谐波信号在该半导体层的穿透深度，εs为该半导体层的介电常数，ε0为真空介电常数。
本实施例中，如图1所示，是定点测量和扫描测量两种模式中，理想的均匀的该样品在被激光照射时内部的电荷分布变化情况。其中，图1A为定点测量模式。可以看出，由于测量区光强呈现高斯分布，激光诱发的内部电荷再分配也呈高斯分布。本实施例中对于数据的处理不再以现有文献中所公布的公式分析，而是以公式1、公式2和公式3来进行分析。公式1是对该二谐波的一般性公式
Figure GDA0004004103630000345
的深一层推广。其中，χ(2)和χ(3)分别为样品的二/三阶极化张量，Iω为测量点的光强，Edc(t)为界面处的内建电场，φ为两项的相位差。如前所述，因为光强不再是均匀分布，且测量区域内的电场强度变化也不相同，本实施例提出了新的公式，即公式1。在公式1中，内建电场是最重要的一个参量，是引发时变二谐波信号最根本的原因。
公式2为高斯光斑光强分布的现有公式。但在现有的二谐波技术中，均将光斑作为均匀光斑来计算其光强分布，带来了实际测量中的误差。因此，本发明引入该现有公式，建立了更精确的物理模型。
公式3的电场公式对该扫描测量模式的契合度更好。因为，该扫描过程中入射光子的分布是均匀的，造成的电荷堆积也是均匀的，这与公式3中的理论模型一致。此处，需要特别关注的是两个值，Vg为通过电压偏压装置施加的电压，该值足以对被测样品的初始态造成改变；而N为在测量过程中，界面处的积累电荷密度，是电子在移动过程中被界面态或固定电荷俘获导致的界面处电荷分布的变化。公式3为本发明对二谐波公式中更深一步的推广，是对半导体界面处内建电场更精确的描述。现有二谐波技术中认为内建电场的变化来自于电荷在界面处的堆积，但事实上，该内建电场应当是各种电学缺陷和电荷堆积共同作用的结果。而电学缺陷的影响可以由平带电压来描述(即公式3中右侧第一项)，可通过外置电压来调节；电荷堆积的影响可由公式3中右侧第二项描述。因此可以看出，公式3所描述的模型更加接近于真实情况，因此对于定点测量模式，其也具有更好的描述作用。
该扫描测量模式与该偏置电压技术的结合，其目的是改变被测样品的初始内建电场，即公式3中的Edc。该结合给测量带来的优点是：1)可以提高信号的信噪比；2)可以使被测样品处于不同的工作状态(多子堆积状态，多子耗尽状态，少子堆积状态，反型)，从而对样品的性能做更精确的分析；3)通过添加不同的偏压，对氧化层中可动电荷(如Na+)做测量：当Vg正时，可动电荷向界面处移动；当Vg为负时，可动电荷向表面处移动。
使用本发明提供的公式1、公式2和公式3进行计算，使得定点测量、扫描测量，以及定点测量与扫描测量相结合三种情况下，实际测量结果与理论模型都得到了统一，使得二次谐波测量技术不再只是定性分析方法，而是可以作为定量分析方法得到应用。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该中心处理系统包括扫描信号图制作模块，该扫描信号图制作模块用于制作扫描信号图，该扫描信号图以该扫描方向为横坐标，以该二谐波信号的值为纵坐标。该扫描信号图中，信号峰和信号谷为数据异常点。该信号峰对应的峰值横坐标处的缺陷密度较周围更大，该峰值横坐标为缺陷中心，该信号峰的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，该信号峰的高度用于表征缺陷密度。该信号谷对应的谷值横坐标处的缺陷密度较周围更小，该谷值横坐标为缺陷中心，该信号谷的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，该信号谷的高度用于表征缺陷密度。
本实施例中，该扫描信号图制作模块所制作的扫描信号图如图7所示，横坐标为扫描方向的坐标，纵坐标为扫描得到的二谐波信号。由于二谐波信号与缺陷密度相关，因此，图中信号峰对应的峰值横坐标处的缺陷密度较周围更大，峰值横坐标为缺陷中心，信号峰的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，信号峰的高度用于表征缺陷密度；信号谷对应的谷值横坐标处的缺陷密度较周围更小，谷值横坐标为缺陷中心，信号谷的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，信号谷的高度用于表征缺陷密度。因此，通过扫描模式，可以对样品的相对缺陷分布做测量。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置，该装置还包括缺陷密度分布图制作模块，该缺陷密度分布图制作模块用于根据该二谐波信号的值和该扫描测量模式的该扫描测量点的坐标位置制作缺陷密度分布图，该缺陷密度分布图中，亮斑对应该扫描信号图中的该信号峰，表示该亮斑对应的该扫描测量点的该坐标位置的该缺陷密度比周围更大。暗斑对应该扫描信号图中的该信号谷，表示该暗斑对应的该扫描测量点的该坐标位置的该缺陷密度比周围更小。
本实施例中，如图8所示，为该扫描测量模式后的缺陷密度分布图。其中，该亮斑处的缺陷密度比周围更大，对应于图7中的峰；该暗斑处的缺陷密度比周围更小，对应于图7中的谷。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置，该装置还包括时变二谐波信号图制作模块，该时变二谐波信号图制作模块用于在该定点测量模式，以测量时间为横坐标，以该二谐波信号的值为纵坐标，做时变二谐波信号图。
该时变二谐波信号图具有以下特征：
初始态点，为该时变二谐波信号图中的第一个点，表征该样品在注入该光子之前的状态。
最终态点，为该时变二谐波信号图中的最后一个点，表征该样品在测量结束时的状态。
时变态点，为该时变二谐波信号图中该初始态点与该最终态点之间的点，表征该样品在注入该光子过程中该内部电荷重新分布的动态过程。
本实施例中，涉及的是在整个二谐波曲线中，最受关注的三个方面：初始态、最终态和时变态。
该初始态点表征该样品在被注入光子之前的状态，即在图3A，3B，3C和3D中的第一个点。此时，还未有自由电子被激发到氧化层中，此时的内建电场为初始内建电场。
该时变态点表征该样品在注入光子后电荷重新分布的动态过程，反映出的是电子被界面态或者固定电荷俘获的过程。这体现在图3A，3B，3C和3D中间变化的线段。在这个过程中，内建电场发生变化，产生时变二谐波信号。该信号变化速度与氧化层厚度、材料的禁带宽度和入射光子的频率等相关。以半导体材料为硅的样品为例，可用公式4计算在界面电荷密度为σ时的二谐波曲线增长速度：
Figure GDA0004004103630000361
式中εSi为硅的介电常数，n为电子能级跃迁所要吸收的光子数目，
Figure GDA0004004103630000363
为约化普朗克常数，ω为光的角频率，/>
Figure GDA0004004103630000362
为氧化层的禁带宽度，e为电子电荷常数，σ为界面电荷面密度，Deff为氧化层厚度。从公式4中可以看出，当氧化层厚度超过一个阈值时，公式4趋近于0，产生的二谐波信号不再随时间改变。因此，对于较厚的氧化层，可以通过增大入射光子频率的方法，来提升电子能级跃迁以及达到氧化层表面的概率。
该最终态点表征该样品在注入光子并达到稳定之后的状态或者是测量时间结束时的状态。所谓稳定，是在测量时间内，新自由电子的激发与复合达到平衡，样品的内部电荷分布达到了动态平衡，内建电场不再发生改变。此后，即使延长测量时间，信号值并不会再发生较大的改变。这体现在图3B，3C和3D中信号稳定之后的线段。然而，在使用低功率激发光的情况下，会出现在测量结束时，样品仍然没有到达稳定状态的情况，此后如果延长测量时间，二谐波信号仍然会出现随时间变化的趋势。在这种情况下，可规定测量的最后一个点为该最终态点，如图3A中标注的最后一个点。
在一些实施例中，本发明提供的一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置：该中心处理系统还包括选点分析模块，该选点分析模块用于选取部分或全部该异常点和/或预先随机选取的该测量点作为该指定测量点，进入该定点测量模式。
本实施例中，对定点测量的位置能够选择随机点和/或特殊点。随机点是在测量前随机选定的，主要用于对缺陷密度的计算。特殊点是指在测量过程中，会对该信号的该异常点(峰或谷)做定点测量，目的是对该处做更详细的测量分析。可以对随机点和特殊点分别进行测量。对随机点和特殊点一起进行测量时，在随后的分析过程中，可以分别进行分析，也可以一起分析。
如图9所示，是在综合使用前述实施例提供的技术的基础上的一个具体的测量过程的流程图。测量步骤为：放入晶圆，调节参数，选取扫描线、移动载台并测量至完成全部扫描测量任务，分析异常点，进入定点测量模式。全部测量结束后，进行数据分析。

Claims (65)

1.一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法，其特征在于，所述方法包括：
光源发出激光，经过入射光路系统，在样品上形成光斑，向所述样品注入光子，即对所述样品进行激光照射；
所述样品，为2层以上的物质组成的存在界面的可探测结构，所述物质中至少有一层为半导体层，所述光源能够到达待探测界面，即待探测的所述界面；
所述样品与所述光斑在平面上能够有相对移动，所述相对移动的相对移动速度为v，v≥0；当所述方法进入定点测量模式，即对指定测量点进行测量时，v＝0；当所述方法进入扫描测量模式时，v＞0，所述相对移动的方向为扫描方向，在所述扫描方向上，所述激光诱发的内部电荷再分配是均匀的，所有测量点被照射的总时长和被注入的所述光子总数相同；
同一批次所述样品的扫描测量过程中：所述光斑的形状和尺寸保持恒定；所述光源的功率保持恒定，即在所述光斑的所述形状和所述尺寸均保持恒定时，所述光斑的光强也保持恒定；所述样品与所述光斑的所述相对移动速度保持恒定；
当所述光子被电子吸收，所述样品的内部电荷分布发生变化时，信号接收器通过出射光路系统接收到的二谐波信号的变化曲线能够描述为二谐波信号公式；所述二谐波信号是经过滤的单一波长的光，且出射角度和入射角度相同；
所述二谐波信号的所述变化曲线中，包括的信息有：
进入所述定点测量模式时，记录所述指定测量点产生的所述二谐波信号的时间变化特征；
进入所述扫描测量模式时，记录在所述相对移动的过程中，扫描测量点产生的所述二谐波信号的空间分布特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述样品与所述光斑在所述平面上的所述相对移动在X方向上有自由度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相对移动还在Y方向上有自由度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相对移动还包括转动。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相对移动是线性的。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相对移动是弧形的。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，能够通过对所述样品的旋转，在[0°，360°]范围内调节所述样品的方位角。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述样品与所述光斑能够在Z方向上调节相对位置。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源发出的所述激光的所述功率能够调节。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述激光的所述功率的调节范围是[0，1000mW]。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射光路系统能够调节所述激光的所述入射角度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光的所述入射角度的调节范围是[10°，90°]。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射光路系统能够调节所述激光的偏振方向为P偏振或S偏振。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号接收器有一个或者多个。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述信号接收器有两个，P信号接收系统和S信号接收系统；所述P信号接收系统只接收P偏振方向的所述二谐波信号；所述S信号接收系统只接收S偏振方向的所述二谐波信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，当方位角为零度且所述入射光路系统的偏振方向为P时，使用所述S信号接收系统接收到的非零信号对所述P信号接收系统接收到的所述二谐波信号降噪。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述信号接收器有三个：P信号接收系统，S信号接收系统和入射分束光信号系统。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，当方位角为零度时，使用所述S信号接收系统接收到的非零信号对所述P信号接收系统接收到的所述二谐波信号降噪，同时通过实时监测所述入射分束光信号系统的稳定性用于降噪。
19.根据权利要求1-18任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过单独激发来改变所述样品中所述测量点的所述内部电荷分布状态。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述单独激发是通过泵浦光源来实现的。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述单独激发是通过闪光灯来实现的。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述单独激发是通过偏置电压装置给所述样品施加足以改变所述样品内建电场的电压实现的。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于：
所述时间变化特征和所述空间分布特征同时或分别满足：
所述时间变化特征包括：
初始态，表征所述样品在注入所述光子之前的状态；
最终态，表征所述样品在所述测量结束时的状态；
时变态，表征所述样品在注入所述光子过程中所述内部电荷重新分布的动态过程；
所述空间分布特征包括：
寻常点，即所述二谐波信号的值处于平均值上下5％范围内的所述测量点；
异常点，即所述二谐波信号的值处于平均值上下5％范围外的所述测量点。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括定-扫对应关系，所述定-扫对应关系是所述定点测量模式与所述扫描测量模式的对应关系，即：当所述扫描测量模式中获取的所述二谐波信号的平均值和所述定点测量模式中获得的所述二谐波信号的ts时刻的值相同时，认为所述扫描测量模式中任一测量点被所述激光照射的时长为ts，以公式表达则为
Figure FDA0004026192960000031
ts为所述定点测量模式下所述样品上的所述指定测量点经受所述激光照射的时长，
Figure FDA0004026192960000032
为所述扫描测量模式下所述样品上的经过所述扫描的所述扫描测量点经受所述激光照射的时长，Ds为所述光斑的等效尺寸，Ds>0，v为所述相对移动速度。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，当所述相对移动的速度为
Figure FDA0004026192960000033
时，所述扫描测量模式的所述二谐波信号的所述平均值对应于所述定点测量模式中的初始态的值，即初始值，T为所述信号接收器采集信号的间隔时长，Ds为所述光斑的等效尺寸，v为所述相对移动速度。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述二谐波信号公式能够描述为公式1：
Figure FDA0004026192960000034
所述公式1中，SH为second harmonic的首字母，表示所述二次谐波，ω为入射光子的角频率，SH(2ω)为角频率为2ω的所述二次谐波的光强密度；χ(2)，χ(3)分别为被测样品的二阶和三阶极化常数；Ds为所述光斑的所述光斑尺寸；LD为德拜长度；(r,θ)是以所述光斑的中心为原点的极坐标位置；r为以所述光斑的中心为原点的极坐标中的极径；z为所述光斑在竖直方向上距离所述待探测界面的距离，t为所述测量点被所述激光照射的时长；
所述公式1中，I(r,θ)为光斑的高斯光强分布，能够用如下的公式2描述：
Figure FDA0004026192960000035
所述公式2中的P为所述激光的峰值功率，w为束腰宽度；
所述公式1中Edc(r,t)为所述待探测界面处的内建电场，能够用如下的公式3描述：
Figure FDA0004026192960000041
所述公式3中q为电子电荷常数，k为玻尔兹曼常数，Te为环境温度，Vg为外接偏置电压，由所述偏置电压装置施加而来，VFB为平带电压，N为体电荷密度，α-1为所述二谐波信号在所述半导体层的穿透深度，εs为所述半导体层的介电常数，ε0为真空介电常数。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
在所述扫描模式测量后，以所述扫描方向为横坐标，以所述二谐波信号的值为纵坐标，做扫描信号图；
所述扫描信号图中，信号峰和信号谷为数据异常点；
所述信号峰对应的峰值横坐标处的缺陷密度较周围更大，所述峰值横坐标为缺陷中心，所述信号峰的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，所述信号峰的高度用于表征缺陷密度；
所述信号谷对应的谷值横坐标处的缺陷密度较周围更小，所述谷值横坐标为缺陷中心，所述信号谷的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，所述信号谷的高度用于表征缺陷密度。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
根据所述二谐波信号的值和所述扫描测量模式的所述扫描测量点的坐标位置做缺陷密度分布图；
所述缺陷密度分布图中，亮斑对应所述扫描信号图中的所述信号峰，表示所述亮斑对应的所述扫描测量点的所述坐标位置的所述缺陷密度比周围更大；暗斑对应所述扫描信号图中的所述信号谷，表示所述暗斑对应的所述扫描测量点的所述坐标位置的所述缺陷密度比周围更小。
29.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
在所述定点测量模式，以测量时间为横坐标，以所述二谐波信号的值为纵坐标，做时变二谐波信号图；
所述时变二谐波信号图具有以下特征：
初始态点，为所述时变二谐波信号图中的第一个点，表征所述样品在注入所述光子之前的状态；
最终态点，为所述时变二谐波信号图中的最后一个点，表征所述样品在测量结束时的状态；
时变态点，为所述时变二谐波信号图中所述初始态点与所述最终态点之间的点，表征所述样品在注入所述光子过程中所述内部电荷重新分布的动态过程。
30.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
选取部分或全部所述异常点作为所述指定测量点，进入所述定点测量模式。
31.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
预先随机选取所述测量点作为所述指定测量点，进入所述定点测量模式。
32.一种基于二次谐波测量半导体多层结构的装置，其特征在于，所述装置包括：
光源，用于发出激光，经过入射光路系统，在样品上形成光斑，向所述样品注入光子，即对所述样品进行激光照射；
所述入射光路系统，用于调节所述光源发出的所述激光的光束参量；
所述样品，为2层及以上的物质组成的存在界面的可探测结构，所述物质中至少有一层为半导体层，所述光源能够到达待探测界面，即待探测的所述界面；
载台，用于对所述样品的承载和平面移动，所述平面移动的移动速度为v，v≥0；当所述装置进入定点测量模式，即对指定测量点进行测量时，v＝0；当所述装置进入扫描测量模式时，v＞0，所述平面移动的方向为扫描方向，在所述扫描方向上，所述激光诱发的内部电荷再分配是均匀的，所有测量点被照射的总时长和被注入的所述光子总数相同；
出射光路系统，用于调节出射的所述二次谐波的二谐波参数；
信号接收系统，用于接收经过所述出射光路系统调节后的二谐波信号，所述二谐波信号的变化曲线能够描述为二谐波信号公式；所述二谐波信号的所述变化曲线中，包括的信息有：进入所述定点测量模式时，记录所述指定测量点产生的所述二谐波信号的时间变化特征；进入所述扫描测量模式时，记录在所述平面移动的过程中，扫描测量点产生的所述二谐波信号的空间分布特征；
监控系统，用于对所述装置的运行状态进行实时监控，发出实时反馈信息；
输入系统，用于在人机交互中接收使用者的输入信息；
显示系统，用于在人机交互中显示所述装置的输出信息；
中心处理系统，用于接收所述输入信息和所述实时反馈信息，控制所述装置的运行，根据所述二谐波信号公式处理所述二谐波信号，并输出所述输出信息；
同一批次所述样品的扫描测量过程中：所述光斑的形状和尺寸保持恒定；所述光源的功率保持恒定，即在所述光斑的所述形状和所述尺寸均保持恒定时，所述光斑的光强也保持恒定；所述样品与所述光斑的相对移动速度保持恒定。
33.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述载台的所述平面移动在X方向上有自由度。
34.根据权利要求33所述的装置，其特征在于，所述载台的所述平面移动还在Y方向上有自由度。
35.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述载台还能转动。
36.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述载台在高度方向上的位置能够调节。
37.根据权利要求36所述的装置，其特征在于，在所述扫描测量模式中会根据所述样品的所述测量点的高度的实时反馈，在所述高度方向上相应地实时调节所述载台的所述位置。
38.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述平面移动是线性的。
39.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述平面移动是弧形的。
40.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，通过所述载台的旋转，能够调节所述样品的方位角。
41.根据权利要求40所述的装置，其特征在于，所述方位角的调节范围为[0°，360°]。
42.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述装置能够通过调整所述光斑的所述扫描尺寸和所述载台的所述移动速度，使得所述样品的所述测量点被所述激光照射的时长的值在[0.1ms,1ms]的范围内。
43.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述光源的功率能够调节。
44.根据权利要求43所述的装置，其特征在于，所述光源的功率的范围是[0,1000mW]。
45.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述入射光路系统能够调节的所述光束参量包括：入射角度和/或入射光偏振方向。
46.根据权利要求45所述的装置，其特征在于，所述入射角度的调节范围为[10°，90°]。
47.根据权利要求45所述的装置，其特征在于，所述入射光偏振方向能够为P偏振或者S偏振。
48.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述出射光路系统能够调节的所述二谐波参数包括：出射光偏振方向，即通过半波片只让指定偏振方向的二谐波通过。
49.根据权利要求48所述的装置，其特征在于，所述出射光偏振方向为P偏振或者S偏振。
50.根据权利要求32所述的装置，其特征在于，所述装置有一个或多个信号接收系统。
51.根据权利要求50所述的装置，其特征在于，所述装置有两个信号接收系统：P信号接收系统和S信号接收系统；所述P信号接收系统只接收P偏振方向的二谐波信号；所述S信号接收系统只接收S偏振方向的二谐波信号。
52.根据权利要求51所述的装置，其特征在于，当方位角为零度且所述入射光路系统的偏振方向为P时，使用所述S信号接收系统接收到的非零信号对所述P信号接收系统接收到的所述二谐波信号降噪。
53.根据权利要求50所述的装置，其特征在于，所述装置有三个信号接收系统：P信号接收系统，S信号接收系统和入射分束光信号系统。
54.根据权利要求53所述的装置，其特征在于，当方位角为零度时，使用所述S信号接收系统接收到的非零信号对所述P信号接收系统接收到的所述二谐波信号降噪，同时通过实时监测所述入射分束光信号系统的稳定性用于降噪。
55.根据权利要求32-54任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括样品预处理系统，用于对所述样品进行预处理，以改变所述样品的内部电荷分布状态。
56.根据权利要求55所述的装置，其特征在于，所述预处理系统是泵浦光源。
57.根据权利要求55所述的装置，其特征在于，所述预处理系统是闪光灯。
58.根据权利要求55所述的装置，其特征在于，所述预处理系统是场偏压装置，所述场偏压装置用于给所述样品施加足以改变所述样品的所述内部电荷分布状态的电压。
59.根据权利要求58所述的装置，其特征在于：
所述时间变化特征和所述空间分布特征同时或分别满足：
所述时间变化特征包括：
初始态，表征所述样品在注入所述光子之前的状态；
最终态，表征所述样品在所述测量结束时的状态；
时变态，表征所述样品在注入所述光子过程中所述内部电荷重新分布的动态过程；
所述空间分布特征包括：
寻常点，即所述二谐波信号的值处于平均值上下5％范围内的所述测量点；
异常点，即所述二谐波信号的值处于平均值上下5％范围外的所述测量点。
60.根据权利要求59所述的装置，其特征在于，所述中心处理系统还包括定-扫对应模块，所述定-扫对应模块用于建立所述定点测量模式与所述扫描测量模式的对应关系，即：当所述扫描测量模式中获取的所述二谐波信号的平均值和所述定点测量模式中获得的所述二谐波信号的ts时刻的值相同时，认为所述扫描测量模式中任一测量点被所述激光照射的时长为ts的值，以公式表达则为
Figure FDA0004026192960000081
ts为所述定点测量模式下所述样品上的所述指定测量点经受所述激光照射的时长，
Figure FDA0004026192960000082
为所述扫描测量模式下所述样品上的经过所述扫描的所述扫描测量点经受所述激光照射的时长，Ds为所述光斑的等效尺寸，Ds>0，v为所述相对移动速度。
61.根据权利要求60所述的装置，其特征在于，所述二谐波信号公式为如下的公式1：
Figure FDA0004026192960000083
所述公式1中，SH为second harmonic的首字母，表示所述二次谐波，ω为入射光子的角频率，SH(2ω)为角频率为2ω的所述二次谐波的光强密度；χ(2)，χ(3)分别为被测样品的二阶和三阶极化常数；Ds为所述光斑的所述光斑尺寸；LD为德拜长度；(r,θ)是以所述光斑的中心为原点的极坐标位置；r为以所述光斑的中心为原点的极坐标中的极径；z为所述光斑在竖直方向上距离所述待探测界面的距离，t为所述测量点被所述激光照射的时长；
所述公式1中，I(r,θ)为光斑的高斯光强分布，能够用如下的公式2描述：
Figure FDA0004026192960000084
所述公式2中的P为所述激光的峰值功率，w为束腰宽度；
所述公式1中Edc(r,t)为所述待探测界面处的内建电场，能够用如下的公式3描述：
Figure FDA0004026192960000085
所述公式3中q为电子电荷常数，k为玻尔兹曼常数，Te为环境温度，Vg为外接偏置电压，由偏置电压装置施加而来，VFB为平带电压，N为体电荷密度，α-1为所述二谐波信号在所述半导体层的穿透深度，εs为所述半导体层的介电常数，ε0为真空介电常数。
62.根据权利要求61所述的装置，其特征在于，所述中心处理系统包括扫描信号图制作模块，所述扫描信号图制作模块用于制作扫描信号图，所述扫描信号图以所述扫描方向为横坐标，以所述二谐波信号的值为纵坐标；所述扫描信号图中，信号峰和信号谷为数据异常点；所述信号峰对应的峰值横坐标处的缺陷密度较周围更大，所述峰值横坐标为缺陷中心，所述信号峰的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，所述信号峰的高度用于表征缺陷密度；所述信号谷对应的谷值横坐标处的缺陷密度较周围更小，所述谷值横坐标为缺陷中心，所述信号谷的宽度为该处缺陷的尺寸宽度，所述信号谷的高度用于表征缺陷密度。
63.根据权利要求62所述的装置，其特征在于，所述装置还包括缺陷密度分布图制作模块，所述缺陷密度分布图制作模块用于根据所述二谐波信号的值和所述扫描测量模式的所述扫描测量点的坐标位置制作缺陷密度分布图，所述缺陷密度分布图中，亮斑对应所述扫描信号图中的所述信号峰，表示所述亮斑对应的所述扫描测量点的所述坐标位置的所述缺陷密度比周围更大；暗斑对应所述扫描信号图中的所述信号谷，表示所述暗斑对应的所述扫描测量点的所述坐标位置的所述缺陷密度比周围更小。
64.根据权利要求61所述的装置，其特征在于，所述装置还包括时变二谐波信号图制作模块，所述时变二谐波信号图制作模块用于在所述定点测量模式，以测量时间为横坐标，以所述二谐波信号的值为纵坐标，做时变二谐波信号图；
所述时变二谐波信号图具有以下特征：
初始态点，为所述时变二谐波信号图中的第一个点，表征所述样品在注入所述光子之前的状态；
最终态点，为所述时变二谐波信号图中的最后一个点，表征所述样品在测量结束时的状态；
时变态点，为所述时变二谐波信号图中所述初始态点与所述最终态点之间的点，表征所述样品在注入所述光子过程中所述内部电荷重新分布的动态过程。
65.根据权利要求59所述的装置，其特征在于，所述中心处理系统还包括选点分析模块，所述选点分析模块用于选取部分或全部所述异常点和/或预先随机选取的所述测量点作为所述指定测量点，进入所述定点测量模式。
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