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中华人民共和国国家标准GB/T××××—20××半导体抛光晶片亚表面损伤的反射差分谱测试方法Characterizationofsubsurfacedamageinpolishedsemiconductorwafersbyreflectancedifferencespectroscopymethod（送审稿）2010-××-××发布2010-××-××实施ICS29.045H80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GB/T××××－2010I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GB/T××××－20101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。本标准适用于GaAs、InP、GaN、GaP、GaSb等化合物半导体单晶抛光片亚表面损伤的测量。2引用文件本章无条文。3定义3.1术语和定义3.1.1亚表面损伤：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。3.1.2弹光效应：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）。3.1.3光学各向异性：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。3.1.4线偏振光：振动电矢量总是在一个固定平面内的光称为线偏振光。3.1.5反射差分谱：测量近垂直入射条下，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。3.2符号3.2.1Δr/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。3.2.2R：被测晶体材料的反射率。3.2.3ω：PEM的调制频率。3.2.4Re()：代表括号里宗量的实部。3.2.5Im()：代表括号里宗量的虚部。3.2.6Jn：n阶的贝塞尔函数。GB/T××××－201024方法提要材料表面亚损伤的存在会使材料产生各向异性应变。由于弹光效应，该各向异性应变会产生光学各向异性。光学各向异性的大小直接反映了各向异性应变，也就是材料表面亚损伤的大小，从而可以利用测量光学各向异性的强弱来表征衬底材料表面亚损伤的大小。通常这种光学各向异性仅出现在亚微米范围，且非常微弱，利用通常的光学偏振技术往往无法测量出来，而利用反射差分谱技术则可以将材料在亚微米深度的损伤所导致的微弱光学各向异性信号检测出来。（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。反射差分谱（RDS）和一般的近垂直入射反射谱相比，RDS实验装置只是多了一个起偏器、一个检偏器和一个光弹性调制器（photoelasticmodulator，简称PEM）。PEM是RDS系统的核心，可以对光的偏振状态进行调制：光通过它之后，平行调制器主轴方向的电磁波分量相对于垂直主轴的电磁波分量将增加一个周期变化的位相。图1中，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。经过起偏器后得到的垂直方向上的线偏光可以在[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光仍旧是垂直的；这样，经过PEM和检偏片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：rrrrrrxyxy/()/()2。探测器探测到的光强信号将由下式决定：)]sin()()/Im(2)2cos()()/Re(21[12tJrrtJrrR(1)其中，R是材料的反射率，ω是PEM的调制频率，Re()和Im()分别代表括号里宗量的实部和虚部，Jn表示n阶的贝塞尔函数。由(1)式可见，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rr/虚部；二倍频(2ω)信号正比于rr/虚部。采用锁相放大技术，很容易将一倍频和二倍频信号从直流信号中提取出来，再对前边的贝塞尔函数系数进行修正，就可以通过一次实验同时测量测出rr/的实部和虚部。利用光弹性调制器（PEM）结合检偏器对透射光的偏振状态进行检测，可以在不旋转测试样GB/T××××－20103品和任何光学元件的条件下，测量出被测试晶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），再结合弹光原理，就可以求得抛光晶片亚表面损伤谱线图。由于采用了偏振调制技术，无需利用其它偏振元件进行两次测量来获得反射系数的相对差异，也无需进行旋转测试样品等其它改变测试条件的操作，因此可以避免测量操作误差；从而真实地反映抛光晶片的亚表面损伤。[110][110]样品起偏器弹光调制器检偏器450045图1RDS实验原理图5一般要求5.1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的基本组成如图2所示。测试系统由光源、起偏器和检偏器、光弹性调制器（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。光源部分采用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三个分量：直流分量，一倍频和二倍频，如(1)式所示。直流部分可以用斩波器和锁相放大器提取出来，斩波的频率应远小于PEM的工作频率（50KHz）。直流信号通常比较强，也可不用锁相放大器。另外两台锁相放大器用来提取一倍频和二倍频信号。数据采集处理系统由微机和专用数据处理程序软件组成。三个信号分量送入微机处理后，由打印机输出测试结果谱图。GB/T××××－20104样品一倍频信号直流信号21锁相放大器PEM控制器探测器单色议光纤聚光镜检偏器斩波器PEM检偏器光源二倍频信号图2测试系统构成图5.2环境要求5.2.1测量的标准大气条件a.环境温度：23℃±5℃b.相对温度：≤70％c.大气压：86KPa～106KPa5.2.2测量环境条件实验室应为千级超净室，无振动、电磁干扰和腐蚀性气体。5.3试样要求测试样片应为抛光晶片，晶片表面洁净。6测试程序6.1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，系统测试光谱信号输出为平直线，没有光谱结构。6.2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、光弹性调制器（PEM）、探测器电路电源，检查是否正常工作。GB/T××××－20105c.取相应尺寸的样品架装好样品（使得入射激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，使得一倍频和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晶片表面[110]、[110]方向上反射系数相关的直流分量、一倍频和二倍频分量随波长的变化，数据存储，然后最再由公式（1）计算出反射差分信号Δr/r随波长的变化，得到反射差分谱，并打出谱图。分析带隙附近的光谱结构强度即可获得定量亚表面损伤的程度。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。7测试方法系统提示本方法的测试系统测量深度：≤1000nm；测试系统测量rr/的精度：5×10-5；测试系统测量RDS谱图的时间：10－20分钟。8精密度本方法的精密度是由2种4个标准样品与国外样片比对而确定的。相对标准偏差不大于15％。9测试报告测试报告应包括如下内容：a.样品来源、规格及编号；b.所用测量系统编号及选用参数；c.测试单位及测试操作人印章或签字；d.标样RDS的谱图及测量值；e.被测样品RDS的谱图及测量值；f.测试日期；