[發明專利]用于非接觸檢測半導體襯底溫度的拉曼光譜方法和裝置

在審

• 申請號: 201911093693.2
• 申請日: 2019-11-11
• 公開（公告）號: CN110779633A
• 公開（公告）日: 2020-02-11
• 發明（設計）人: 邵軍;王煒;陳熙仁
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01K11/00
• 分類號: G01K11/00;G01N21/65;G01J3/02;G01J3/44
• 代理公司: 31311 上海滬慧律師事務所
• 代理人: 郭英

本發明公開一種用于非接觸檢測半導體襯底溫度的拉曼光譜方法和裝置。該裝置包括傅里葉變換紅外光譜系統、紅外激光器、聯接紅外激光激發和拉曼散射信號探測的外置耦合光路系統、用于安裝樣品和調節位置的多維調節架以及計算機數據處理程序。本發明基于上述設備，結合紅外激光加熱效應低、穿透深度大以及傅里葉變換紅外光譜儀的高通量、多通道和快速測量優勢，顯著提高紅外拉曼光譜的信噪比，有效提取半導體襯底的拉曼光譜特征，通過計算拉曼散射強度與溫度的對應關系快速獲取溫度值，實現半導體結構襯底溫度的非接觸測試。通過對磷化銦襯底的測試表明，本發明方法是一種便捷可靠的半導體溫度測試方法，非常適用于半導體器件材料的襯底溫度檢測。

技術領域

本發明涉及一種檢測半導體襯底溫度的光譜方法及裝置，屬于半導體測試及光譜技術領域。具體的說，主要是用于半導體襯底溫度非接觸測試的傅里葉變拉曼光譜方法和實施裝置。

背景技術

半導體外延材料的光、電性能測試通常需要低溫而且需要嚴格控制材料的溫度。常用溫度控制方法是將半導體安裝于恒溫器的冷指上，通過導熱脂和襯底的熱傳導效應調控外延材料溫度。由于襯底厚度一般較大，通常以數毫米計，其導熱性能將影響半導體外延材料的實際溫度。光學測試需要給待測試材料施以光輻照，光能量的吸收會導致待測試材料的加熱因而溫升效應；電學測試需要給待測試材料施以電壓和電流偏置，待測材料自身電阻導致電能損耗和電加熱效應。這兩種效應都將不可避免地導致待測材料與冷指表觀溫度的背離，導致材料的光電性能測試產生實驗偏差。因此，實驗過程需要監測襯底實際溫度，而半導體材料和光電測試實驗的易受干擾特點又決定了難以直接在半導體襯底上直接采用接觸式溫度傳感器。

拉曼光譜測量是一種無損、非接觸的半導體測試光譜方法，得到了廣泛關注和應用。比如發明專利CN106018377A公開了一種綜合測量有支撐和懸架納米材料熱傳導及光學特性的系統拉曼光譜法。通過提取材料斯托克斯和和反斯托克斯拉曼散射強度分析，可以快速、直接獲取材料的溫度，因此成為半導體溫度檢測的重要選擇。此前業內人士已經演示了基于光柵單色儀的紫外和可見光激發拉曼光譜用于材料的室溫以上溫度測量[Appl.Phys.Lett.79,937(2001)；Opt.Lett.40,2041(2015)等]。但是對于半導體外延材料的光電性能測試實驗，一方面紫外和可見光會被大部分的外延層半導體所吸收，不僅難以穿透至襯底，而且會導致外延材料的光電測試結果發生嚴重誤差；另一方面，對于室溫以下的半導體，拉曼光譜尤其是反斯托克斯散射的強度嚴重下降，導致拉曼光譜信噪比降低，從而限制了該方法的應用。

采用波長更長的紅外激發光不僅有助于降低表面吸收所引發的副效應，而且顯著增大激發光穿透深度，因此上世紀80年代就發展了基于傅里葉變換紅外光譜儀的紅外拉曼光譜方法[Appl.Spectrosc.40,133(1986)等]。遺憾的是，由于機理限制，拉曼散射強度與激發波長的四次方成反比，例如，波長1064納米的激光所激發的拉曼散射強度僅為514納米激光所激發拉曼強度的1/16。這就導致傅里葉變換紅外拉曼光譜僅可應用于強散射樣品的場合，而在半導體中其應用往往受到限制，更遑論基于傅里葉變換紅外拉曼光譜檢測半導體襯底的低溫溫度。

發明內容

綜上所述，針對半導體材料如何獲取高信噪比紅外拉曼光譜，可靠指認并提取半導體襯底斯托克斯和反斯托克斯特征的強度，是準確獲得襯底溫度的關鍵所在，也是本發明要解決的關鍵技術難題。本發明在于提供一種用于半導體襯底溫度快速便捷測試的拉曼光譜測試方法和實施裝置，能夠非接觸可靠測量半導體器件材料襯底的溫度，為半導體外延材料光電測試實驗的溫度可靠控制提供一種新的無損檢測手段。

本發明的技術構思核心是使用紅外激光源、聯接紅外激光激發和光譜儀拉曼信號探測的外置耦合光路系統以及傅里葉變換紅外光譜系統等組件。充分利用紅外激光的大穿透深度以及傅里葉變換紅外光譜儀的高通量、多通道和快速測量優勢，通過光路優化設計，實現半導體材料襯底拉曼弱信號的激發、收集和測量。提取相應拉曼特征的斯托克斯和反斯托克斯散射強度，通過計算機程序獲得半導體的襯底溫度。

具體技術方案如下：