针对半导体行业的十种半导体材料表征技术研究与应用

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分享： 2022/08/30 11:09:34

导读：在材料表征技术方面，可为半导体材料研发及QC提供多种分析技术，包括薄膜厚度测量、晶型、应力、器件结温、缺陷、杂质、元素含量以及CMP研磨液粒径表征等。

半导体材料作为半导体产业链中的重要支撑，包括以硅、锗等为代表的元素半导体材料和以砷化镓、磷化铟、碳化硅和氮化镓为代表的化合物半导体材料，广泛应用于通讯、计算机、消费电子、汽车电子以及工业应用等众多产业。

半导体材料的发展和进步离不开先进的材料表征技术支撑。HORIBA作为检测及分析技术的领先供应商，可为半导体产业提供多种分析及检测技术。在材料表征技术方面，可为半导体材料研发及QC提供多种分析技术，包括薄膜厚度测量、晶型、应力、器件结温、缺陷、杂质、元素含量以及CMP研磨液粒径表征等；在制程监控环节， HORIBA可提供质量流量控制、化学药液浓度监测、终点检测及光掩模颗粒检测等技术。本次仪器信息网特采访了HORIBA Scientific 科学仪器事业部大客户经理熊洪武先生，请他分享了HORIBA在半导体材料检测方面的技术与解决方案。

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HORIBA Scientific 科学仪器事业部大客户经理熊洪武

熊洪武先生现任HORIBA Scientific 工业销售经理。进入分析仪器行业10年，负责HORIBA光栅光谱仪技术咨询和系统应用支持多年，对光谱测量系统选择有丰富的经验，具有光致发光光谱、拉曼光谱和荧光光谱等相关技术的应用经验。现主要负责HORIBA科学仪器在半导体等工业领域的应用推广工作。

1、请问贵司面向半导体行业用户推出了哪些仪器产品及相关检测方案？

HORIBA针对半导体用户推测了多种检测方案，涉及到半导体的外延薄膜厚度及缺陷，衬底材料晶型，表面残余应力，器件结温，元素含量，多量子阱元素深度剖析以及CMP抛光液粒径分布检测等技术。

仪器技术名称	在半导体材料中的应用	HORIBA仪器特点	HORIBA推荐型号
椭圆偏振光谱仪	薄膜厚度、折射率、消光系数测量 SiO2,SiNx等薄膜厚度测量，光刻胶等材料折射率消光系数	PEM相调制技术的高稳定性高灵敏度可测量透明基底上的超薄膜	UVSEL Plus
拉曼光谱仪	晶型、应力、温度、载流子浓度以及异物等分析；硅薄膜晶化率、SiC晶型、功率器件结温等，二维材料层数、晶格取向、缺陷以及掺杂等表征	高光谱分辨率高空间分辨率宽光谱范围	LabRAMOdyssey
光致发光光谱仪	带边发光/缺陷发光分析外延层质量及均匀性分析可选时间分辨光致发光（TRPL）研究载流子弛豫及扩散	模块化结构设计可按需配置高光谱分辨率宽光谱范围	SMS
低温光致发光光谱仪	测量硅单晶中硼、磷、铝、砷的元素含量	超高光谱分辨率超低检测下限可提供定量标准曲线	PL-D
阴极荧光光谱仪	缺陷检测，光强成像评价缺陷密度如线位错掺杂、杂质、包含物分析	高效光学收集镜模块化光谱仪宽光谱范围探测	H-CLUE F-CLUE
辉光放电光谱仪	元素含量随深度变化剖析 LED多量子阱元素含量随深度剖析	分析速度快操作简单无需制样	GD Profiler 2
碳硫分析仪/氧氮氢分析仪	重掺硅中氧含量测量靶材中碳硫、氧氮氢元素含量测量	清扫效率高高检测精度	EMIAseries EMGAseries
显微X射线荧光	异物杂质分析、金属涂层厚度或凸点元素分析，封装布线中的离子迁移、缺陷、短路分析等	高空间分辨率半真空模式	XGT-9000
激光粒度仪/纳米粒度仪	CMP抛光液粒径分布及Zeta电位测量硅片切削液粒径分布测量	全自动检测效率高可提供在线测量方案	LA-960V2 SZ-100V2
离心式纳米粒度分析仪	CMP抛光液高分辨率粒度分布测量可捕捉少量的杂质或团聚体	高分辨率测量粒径分布制冷功能保持样品恒温	CN-300

2、这些仪器主要解决半导体行业中的哪些问题？（相关检测项目在半导体行业中的重要意义）

以椭圆偏振光谱仪为例，可以准确测量12寸硅晶圆上SiO2超薄膜的厚度，还为研发ArF光刻胶提供折射率消光系数的测量等，为国产替代材料的研发提供准确的标准工具；而拉曼光谱仪则可为功率半导体研究提供如衬底晶型鉴别，应力大小及分布测量以及功率器件结温测试等，在二维材料方面，由于其独特的特性，有望突破硅基器件面临的“瓶颈”而受到重视，拉曼光谱在二维材料层数、晶格取向、缺陷以及掺杂等表征方面发挥着重要作用；在光致发光（PL）方案中，除了提供常用的常温PL测量材料缺陷及均匀性外，还可以提供低温PL检测硅单晶中低至ppta级的P，B，Al，As元素的浓度，可为电子级多晶硅生产厂商的超低杂质含量检测提供有力手段；在元素表征方面，HORIBA拥有碳硫、氧氮氢分析仪，可为靶材元素分析、硅片中氧含量测量提供高灵敏的检测手段，辉光放电光谱仪（GD-OES）可为多量子阱结构元素深度剖析提供快速测量手段，而显微X射线荧光分析仪，可以为半导体封装过程中的狭窄图案涂层测厚或凸点元素成分分析，以及集成电路封装布线中的离子迁移、缺陷、短路分析等提供高空间分辨率的元素分布检测，同时在半导体生产过程中的异物分析过程中也发挥着不可或缺的作用。

3、贵司的仪器产品和解决方案具有什么优势？（原理、技术、成本、精度等方面的优势）

以光谱仪类测量仪器为例，HORIBA是多种焦长光谱仪的供应商，可以覆盖从低到高光谱分辨率的应用需求，比如拉曼光谱仪和光致发光光谱仪拥有多种型号，满足各种光谱分辨率需求的应用。以拉曼光谱测量半导体材料应力和器件结温为例，光谱的峰位变化往往非常小，那么光谱分辨率越高，对峰位的定位就越准确，有助于区分微小的拉曼峰位位移；对低温PL测量硼、磷、铝、砷元素含量，光谱分辨率越高，对相邻的峰就越容易分开，尤其是在测量铝和砷元素浓度时，对光谱分辨率要求非常高，需要采用长焦距光谱仪以达到超高光谱分辨率的要求。

4、当前，国内半导体用户是否对某类仪器提出了更高的技术要求（可举例说明）？贵司对此是否有相关应对之策？

随着集成电路技术的进步和先进制程节点的推进，CMP工艺在集成电路中使用的使用也越来越多，对CMP材料种类和用来也在增加，并且对CMP抛光液材料也提出了更高的要求，例如对一些金属氧化物的纳米颗粒研磨液中的颗粒粒径分布，采用传统的粒度仪难以进行高精度的测量，而HORIBA推出的离心式纳米颗粒度分析仪CN-300是按粒径大小离心分类后进行测量的，可以一次测量就能得到宽范围的高精度结果，并且由于其高分辨率可以捕获到少量的杂质颗粒，这对应更高要求的CMP研磨液的研发来说极为重要。

5、贵司当下比较关注的细分材料领域有哪些，是否会推出相关的仪器产品或解决方案？可

以为用户解决什么科研难题？

HORIBA科学仪器部门当前比较关注的半导体细分材料领域主要在两个方面：一个是在工业应用中的大硅片、光刻胶以及化合物半导体材料等领域；另外一个是在科研领域，主要包括二维材料等先进材料；我们已经陆续与一批客户进行合作并推出相应的解决方案，可以为用户提供薄膜厚度、分子结构、元素以及材料粒径分布等方面的分析表征解决方案。此外，我们在HORIBA的上海研发中心成立了科学仪器应用方案开发中心，计划针对半导体产业中可能应用到的相关技术与用户进行合作并进行相应的方法开发，为用户提供相应的解决方案。