氮化镓晶圆中缺陷及3D形状测量检测方案(共聚焦显微镜)

概要化合物半导体材料的特点：难加工  研磨加工后仍残留划伤等缺陷。本文介绍 划伤的 检查 及 3D形状量测 的方法。绪论SiC、GaN等化合物半导体材料，物理化学特性稳定，与传统的Si半导体材料相比，其晶圆更难加工，加工造成的损伤也难以去除。衬底表面残留的损伤 与外延层同时生长，造成外延缺陷  影响产品特性因此，晶圆衬底表面的划伤管理是重要的一步。两种需求：“检查”与“形状测量”对“检查“与”测量“两种需求，检查需要全面、快速；测量需要高分辨率。通常，分别需要低倍与高倍镜头来完成。归纳如下表：高倍物镜低倍物镜分辨率高低视野窄宽用途3D形状测量全面检查基于以上理由，用户一般会配备两台设备，分别用于全面缺陷检查与3D形状测量。不过，缺陷的坐标定位是一个难题。尽管检查设备的数据结果中通常包含缺陷的坐标，但由于样品放置难免有微小偏差，且不同镜头/设备观察同一缺陷时视觉效果差异大，难以辨认，实际上，样品从一台设备换到另一台设备上，想要找到特定的缺陷是很困难的。OPTELICS HYBRID显微镜可切换从低倍到高倍的多个镜头，并且，在一般共聚焦显微镜的3D形状测量基础上，增加了全面缺陷检查，以及干涉测量等晶圆划伤评价必须的功能。 “检查“与”形状测量“，在一台设备上完成。检测原理：“共聚焦”+“微分干涉” 光学系1SiC、GaN等功率器件用化合物半导体晶圆，相对于可见光是透明或半透明的。是否透明却决于材料的固有属性：带宽。通过下面公式可以计算出材料的吸收波长。大于此吸收波长的光（即能量较小的光）不被吸收从而可以穿透晶圆。使用一般的光学显微镜（明场光学系）观察晶圆时，与肉眼观察效果类似，即使想聚焦在晶圆上表面，由于光的透过，背面的状态（包括异物、缺陷等）也同时被观察到。对于Si晶圆，无需考虑以上影响，但对于高带宽的化合物半导体，则须考虑，如何排除背面影响仅对表面清晰观察。在此，用可见光进行晶圆表面检查，同时课排除背面影响的光学系，可采用共聚焦光学系。共聚焦光学系的原理如图所示。点光源发出的光，通过镜片后到达样品表面聚焦，其反射光再次通过镜片，之后通过小孔遮光板到达接收器。反射光能够进入遮光板小孔的条件是，光在小孔处刚好聚焦。由于在样品和小孔遮光板两次聚焦，因此称为“共聚焦光学系”。基于以上原理，共聚焦光学系的特征是：只有聚焦平面上的光被接收到；非聚焦位置的光均被遮光板遮蔽，不被检出。也就是说，对于透明晶圆样品，聚焦在样品表面时，样品背面的反射光会被遮蔽，得到仅包含样品表面信息的清晰图像。2CMP是晶圆研磨加工的最后一道工序，将物理研磨与化学腐蚀相配合，与前工序中产生的研磨缺陷相比，CMP的划伤与缺陷的倾斜角度很小，即“形状扁平“。对于这类缺陷，通常的光学系检出很困难。这里我们采用微分干涉光学系。微分干涉的原理在会其他资料中详细说明。这里直接上图，对比一般光学系和微分干涉光学系的观察效果差异：使用上述 共聚焦与微分干涉相结合的光学系，对2寸GaN晶圆进行全面检查，得到缺陷Map图如下：3D形状测量全面检查得到的图像是2D像，虽然视觉上带有凹凸和立体感，但不能用于实际的划痕深度测量。需要进行共聚焦扫描得到3D图像。切换至高倍镜（100x，NA值0.9），使用激光光源（405nm）得到以下测量结果（a为高度图，b为红线位置的断面图）：划伤的宽度为0.62um，深度为25nm。这里我们需要考虑数据的可靠性。物镜的NA值与其光学分辨率有如下关系：将波长与NA值代入可得，XY方向的分辨率约0.19um。另外，Z方向分辨率，结合实验数据，认为约为0.1um。远大于测量结果的25nm。后者的可靠性存疑。为此我们切换至相差干涉模式对缺陷进行测量。物镜为20x，NA=0.4，使用氙灯光源，通过滤光片得到波长546nm附近的窄频光。得到结果如下：划伤的宽0.76um，深1.6nm。与共聚焦模式测得的结果对比，宽度结果接近；深度结果为1/10以下。相差干涉的Z方向分辨率，与镜头NA值无关，通常认为约0.1nm。1.6nm的结果认为是可信的。总结本文介绍了，利用Lasertec显微镜，一台仪器实现透明晶圆的全面自动缺陷检查、以及3D形貌测量。衷心感谢（日本）长冈科学技术大学，会田英雄 教授提供的实验数据。