ICS77.040.99 H17 中华人民共和国国家标准 GB/T26070—2010 化 合物半导体抛光晶片亚表面 损伤的反射差分谱测试方法 Characterizationofsubsurfacedamageinpolished compoundsemiconductorwafersbyreflectance differencespectroscopymethod 2011-01-10发布 2011-10-01实施 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会发布前 言 本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会(SAC/TC203/SC2)归口。 本标准由中国科学院半导体研究所负责起草。 本标准主要起草人:陈涌海、赵有文、提刘旺、王元立。 ⅠGB/T26070—2010 化合物半导体抛光晶片亚表面 损伤的反射差分谱测试方法 1 范围 1.1 本标准规定了Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体单晶抛光片亚表面损伤的测试方法。 1.2 本标准适用于GaAs、InP(GaP、GaSb可参照进行)等化合物半导体单晶抛光片亚表面损伤的 测量。 2 定义 2.1 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 2.1.1 亚表面损伤 subsurfacedamage 半导体晶体经切、磨、抛等工艺加工后,在距离抛光片表面亚微米左右范围内,晶体的部分完整性会 受到破坏,存在一个很薄(厚度通常为几十到上百纳米)的损伤层,其中存在大量的位错、晶格畸变等缺 陷。这个损伤层称为亚表面损伤层。 2.1.2 弹光效应 photoelasticeffect 当介质中存在弹性应力或应变时,介质的介电系数或折射率会发生改变。介电系数或折射率的改 变与施加的应变和应力密切相关。各向异性的应力或应变会导致介电函数或折射率出现各向异性,导 致晶体材料出现光学各向异性(双折射,二向色性)。 2.1.3 光学各向异性 opticalanisotropy 当材料的光学性质随光的传播方向和偏振状态而发生变化时,就称这种材料具有光学各向异性。 2.1.4 线偏振光 linearlypolarizedlight 振动电矢量总是在一个固定平面内的光称为线偏振光。 2.1.5 反射差分谱 reflectancedifferencespectroscopy,RDS 测量近垂直入射条件下,两束正交偏振入射光反射系数的相对差异随波长的变化,就是反射差 分谱。 2.2 符号 下列符号适用于本文件。 2.2.1 Δr/r 被测晶体材料在两个各向异性光学主轴方向反射系数的相对差异,即反射差分信号。 2.2.2 R 被测晶体材料的反射率。 1GB/T26070—2010 2.2.3 PEM 光弹性调制器(photoelasticmodulator,PEM) 2.2.4 ω 光弹性调制器的调制频率。 2.2.5 Re() 代表括号里宗量的实部。 2.2.6 Im() 代表括号里宗量的虚部。 2.2.7 Jn n阶的贝塞尔函数。 2.2.8 δ 表征亚表面损伤程度的量,它正比于亚表面损伤的深度和与亚表面损伤密度相关量的乘积。 2.2.9 εs 被测晶体材料的介电常数。 2.2.10 n 被测晶体材料的折射率。 3 方法提要 RDS测试方法是通过测量两束正交偏振的入射光的反射系数的相对差异来确定亚表面损伤层的 损伤程度。其测试过程和原理是:RDS测试系统的光源首先通过一个起偏器,经过起偏器后得到的垂 直方向上的线偏振光可以在[110]和[110]方向上分成大小相等的两个分量;如果样品在这两个方向上 的反射系数是相等的,那么,反射后的两个分量重新合成的线偏振光仍旧是垂直的;这样,经过PEM和 检偏器被探测器探测到的光强信号中将没有PEM的调制信号。如果样品在这[110]和[110]方向上的 反射系数是不相等的,那么,反射后的线偏光将不再是垂直的,结果探测器测得的光强信号中必然包含 有PEM的调制信号。这个调制信号反映了[110]和[110]方向上的反射系数的差别。表面亚损伤产生 的光学各向异性可以通过反射系数的各向异性表示,具体说来,就是样品表面内两个垂直方向反射系数 的相对差异:Δr/r=2(rx-ry)/(rx+ry)。探测器探测到的光强信号将由式(1)决定: R[1+2Re(Δr/r)J2(ϕ)cos(2ωt)+2Im(Δr/r)J1(ϕ)sin(ωt)]…………(1) 式中: R———材料的反射率; ω———PEM的调制频率; Re()、Im()———分别代表括号里宗量的实部和虚部; Jn———n阶的贝塞尔函数。 由式(1)可见,探测器中信号包含了三部分信号:直流部分反映的是样品的反射率;一倍频(ω)信号 正比于Δr/r虚部;二倍频(2ω)信号正比于Δr/r实部。采用锁相放大技术,很容易将倍频信号从直流 2GB/T26070—2010 信号中提取出来,再对前边的贝塞尔函数系数进行修正,就可以测量出被测试样片表面上相互垂直的两 个各向异性光学主轴方向的反射系数的相对差异(Δr/r)。信号(Δr/r)送入微机处理后,由打印机输出 测试谱图。 注:PEM主轴与样品的入射平面(水平面)垂直,即和垂直方向成0°角。对于具有(001)面的样品,各向异性的光学 主轴一般为[110]和[110]两个方向。要求PEM主轴方向与这两个光学主轴成45°夹角。 图1 RDS测试原理图 4 一般要求 4.1 测试系统构成及系统设备要求 半导体抛光晶片亚表面损伤的偏振反射差分谱测试系统由光源、起偏器和检偏器、PEM及其控制 器、斩波器、样品架、单色仪、探测器、锁相放大器以及数据采集处理系统等组成。 光源采用250W钨灯(主要用在可见光到近红外波段)。起偏器和检偏器采用的是方解石格兰型偏 光棱镜。PEM(参考仪器:Hinds公司PEM-90TM)工作频率为50kHz。样品反射光通过偏振片(检偏 器)后,经过一个焦距为10cm的凸透镜收集到一根光纤,然后进入单色仪(参考仪器:卓立汉光BP300 型)分光,最后进到探测器中(根据测量的波长范围,探测器宜采用光电倍增管或硅二极管)。探测器探 测到的光强信号包含:直流、一倍频和二倍频三个分量,如式(1)所示。用1台斩波器提取直流分量,斩 波的频率应远小于PEM的工作频率(50kHz)。用1台锁相放大器来提取二倍频信号。一倍频信号可 根据二倍频信号计算出来,且其不包含新的光谱信息,可不测量。数据采集处理系统由微机和专用数据 处理程序软件组成。 4.2 环境要求 4.2.1 测量的标准大气条件 a) 环境温度:23℃±5℃; b) 相对温度:≤90%; c) 大气压:86kPa~106kPa。 4.2.2 测量环境条件 实验室应为万级超净室,无振动、电磁干扰和腐蚀性气体。 4.2.3 试样要求 测试样片应为抛光晶片,晶片表面洁净。 5 测试程序 5.1 测试系统准备 正式测试前,检查确定测试系统各仪器处于良好状态。确定测试系统在无测试样片时,系统的测试 光谱信号输出为平直线,没有光谱结构。 3GB/T26070—2010 5.2 测试步骤 a) 打开光源,检查是否正常工作; b) 依次接通斩波器、锁相放大器、PEM、探测器电路电源,检查是否正常工作; c) 取相应尺寸的样品架装好样品(使入射光的偏振面与测试晶片的表面平行,与晶片表面[110]、 [110]方向各成45度夹角),固定在方位角可调的样品架上,调整光路,首先使得直流信号达到 最大,以保证光路达到最优状态,然后,调整检偏器、补偿器的角度,以及锁相放大器的参数,使 二倍频的反射差分背景信号处于较小的数值,然后开始测试过程; d) 采用计算机编程控制的测试系统将自动测量被测晶片反射差分信号Δr/r随波长的变化,存 储数据,并打印出反射差分谱图; e) 测试过程出现问题即可同时按Ctrl和Break键,即可中断测试; f) 测试完全结束后关闭所有仪器电源。 6 分折结果的计算与表述 示例1:GaAs样品号98-35 图2 自测试光谱图查到该GaAs样品在带边附近(λ=870nm±50nm)RDS实部信号(2ω)的最大强度 差值为5.38×10-4~3.5×10-4=1.88×10-4,利用公式δ=λ(εs-1)ReΔr/{ }r 8πn以及GaAs材料的介电 常数εs=13,折射率n=3.6,计算得出该GaAs样片的δ值约为0.0217nm。 示例2:InP样品号103-2-13 图3 4GB/T26070—2010 自测试光谱图查该InP样品在带边附近(λ=920nm±50nm)RDS实部信号(2ω)的最大强度差值 为0.3×10-4-(-3.29)×10-4=3.59×10-4,利用公式δ=λ(εs-1)ReΔr/{ }r 8πn以及InP材料的介电常 数εs=12,折射率n=3.5,计算得出该InP样片的δ值约为0.0413nm。 7 测试方法系统提示 本方法的测试系统测量深度:≤1000nm;光谱测量范围:700nm~1000nm;波长精度:2nm;测试 系统测量Δr/r的精度:3×10-5;测试系统测量RDS谱图的时间:10min。 8 精密度 本方法的精密度是由起草单位和验证单位在同样条件下,用(RDS)测试系统上对GaAs和InP的 各两个标准样片进行重复性试验,并根据标准偏差公式s=∑(Xn-Xi)2/(n-1)和重复性试验数据 计算得出标准偏差和相对偏差。相对偏差不大于5%(参见附录A)。 9 质量保证和控制 应用控制样片,在每次测试前校核本方法的有效性,当过程失控时,应找出原因,纠正错误后