一种检测宽禁带半导体电子器件的装置

技术领域

本发明涉及一种热反射测量技术，尤其涉及一种检测宽禁带半导体电子 器件的装置和方法。

背景技术

在5G通信、新能源汽车、光伏逆变器等应用需求的明确牵引下，以第 三代宽禁带半导体如碳化硅(SiC)，氮化镓(GaN),铝氮化镓(AlGaN),氧化锌 (ZnO),氮化铝(AlN),金刚石(diamond)，氧化镓(Ga

宽禁带半导体电子器件加工包括了金属电级，介电层和半导体异质外延 层等多种材料的生长。由这些不同工序生长出了由不同种材料组合形成的多 层结构。多层结构的散热性质有两方面因素决定：1.每层材料的热导率；2. 层与层之间由于晶格失配和缺陷等因素形成的界面热阻。在器件研发和生产 中，导热性质的表征非常关键。

传统的热性质表征方法，如稳态热板法，瞬态热线法，激光闪光法等都 不适用于宽禁带半导体电子器件的热物性检测，因为这些方法对微纳米尺度 的半导体不具备测试分辨率。当前主流的微纳米级分辨率测试方法是热反射 法,该类方法基于金属材料的热反射原理(即材料表面的反射率变化和温度 变化成正比)而发展形成的。该类方法可以概括为：发射一束脉冲光对金属 表面加热，材料表面温度发生瞬态变化；发射另一束光使其光斑中心和脉冲 加热光光斑中心在材料表面处重合；材料表面温度变化使得第二束光的反射 光光强发生变化，探测器探测该反射光光强变化(即温度变化)；通过传热 模型对光强变化信号进行拟合即可得出材料的热导率和界面热阻参数值。该 类方法要求材料表面有一层薄膜金属，因此又通常称此类方法为金属热反射 法(见说明书附图1)。该检测通常安排在器件完成镀金属电极工艺后，既能 测试金属和宽禁带半导体外延间的界面热阻来判断金属电极的键合质量，又 能测试宽禁带外延材料自身的热性质(宽禁带外延薄膜热导率和外延/衬底间 的界面热阻)来评估宽禁带外延材料的散热能力。且因为该方法只需样品表 面带有金属不关乎金属下面的材料种类，所以该方法也可视为一种通用检测 方法(即适合各类材料的检测)。但是，由于其必须在镀金属电级工序之后 进行检测，使得测试过于滞后，反馈较慢。对宽禁带外延晶圆进行大批量检 测时，若对晶圆都进行镀金属，此为破坏性检测，耗费大量时间和成本。另 外，对于镀金属的宽禁带外延结构，该方法需要同时分析多个未知变量参数， 给测试结果带来很大的不确定度，影响测试精度。

最近，一种专用于宽禁带氮化镓晶圆的热反射系统得到开发，其具备在 不借助金属的情况下对氮化镓外延结构直接检测的能力(如说明书附图1右)。 该方法的优势在于：不对氮化镓外延晶圆进行镀金属处理工序，即可事先测 试晶圆的导热能力和缺陷，做到迅速反馈。然而该方法的局限在于，对于表 面经过电极加工的材料无能为力。考虑到宽禁带半导体器件(如氮化镓，碳 化硅等)生长工艺的多样性，希望兼顾测试镀电极前后的宽禁带半导体外延 材料。在镀电极工艺前，检测宽禁带外延材料的质量做到及时反馈，在镀电 极后再次进行检测，检测电极工艺是否改变材料品质且能检测电极和宽禁带 外延的键合质量(如图说明书附图2所示)。该检测方案可使用两套独立系 统，即金属热反射系统和宽禁带半导体热反射系统，在不同工序环节进行检 测，然而，这大大增加了测试成本和工序，并且采用两套测试系统，测试数 据误差较大，存在不准确地问题。

发明内容

本发明实现一种测试装置，兼具检测表面为金属和表面为宽禁带半导体 的材料导热性质的功能。该装置设置一个共用的脉冲加热激光光路，采用两 种不同探测光路，不同的探测光对应测试金属表面和宽禁带半导体表面。为 实现这种测试，采用一定的光学布置方案，实现对两种探测激光光斑中心和 同一个脉冲加热光斑中心在样品表面处重合。

本发明的技术方案如下：

一种检测宽禁带半导体器件的装置，包括加热光组件，探测光入射组件， 光路引导组件，探测反射光采集组件和样品表面监测组件，加热光组件产生 脉冲加热激光；探测光入射组件包含第一探测激光和第二探测激光，产生不 同波长段的连续激光，第一探测激光用于探测金属材料表面的热反射，第二 探测激光用于探测宽禁带半导体表面的热反射；光路引导组件包含第一二向 色性滤光片和第二二向色性滤光片；二向色性滤光片布置在光路上，滤光片 平面和第一束光入射方向呈45°，第二束光与滤光片入射角为45°，且与第一束光入射方向呈90°，第一束光和第二束光经过第一二向色性滤光片后合 束共轴形成第一合束光；第二二向色性滤光片平面和所述第一合束光方向呈 45°角，第三束光入射方向与第一合束光入射方向呈90°角，同时与第二二 向色性滤光片平面呈45°角，所有三束光经过第二个二向色性滤光片后合束 共轴，最后聚焦镜将光束聚焦在样品表面；三束光是脉冲加热激光、第一探 测激光和第二探测激光。

进一步地，所述脉冲加热激光脉冲宽度范围几十皮秒(ps)到几十纳秒 (ns),频率小于30kHz。激光波长选取依据的原则是：选取的波长对应的光子 能量高于待测宽禁带半导体能隙(禁带宽度)。光子能量和波长的关系式为： E＝hc/λ，其中λ为光波长，h为普朗克常数，c为光速，E为λ波长对应的光子 能量。例如，待测宽禁带半导体为氮化镓时,根据光子能量和波长的关系式， 波长小于365nm的光子能量高于氮化镓的能隙(3.45eV)，氮化镓对波长小于 365nm的光吸收层厚度小于100nm，金属对其吸收层厚度小于20nm,考虑氮化 镓器件外延厚度通常几百纳米到几微米，最上层金属薄膜通常几十nm到几百 nm，近似认为该波段的光束对金属和氮化镓加热都发生在材料表面。

进一步地，在所述脉冲光产生的初始处，布置扩束镜对脉冲光进行扩束， 扩束倍数范围2X-10X。

探测光入射组件由两套光路组成，产生两束不同波长段的连续激光，即 第一探测激光和第二探测激光。第一探测激光聚焦到金属材料表面，在表面 反射形成反射光(即金属热反射信号),第二探测激光聚焦到宽禁带半导体表 面，在表面反射形成反射光(即宽禁带半导体热反射信号)。

所述探测光入射组件包括探测激光器和分束镜，探测激光器发出的探测 光通过分束镜，再用反射镜将探测光入射到二向色性滤光片，探测光与滤光 片入射角为45°，且与脉冲光入射方向呈90°；优选地，所述分束镜可为1/2 波片、立方偏振分束器和1/4波片的组合，探测激光器发出的探测光依次通 过1/2波片、分束镜立方偏振分束器和1/4波片，再用反射镜将探测光入射 到二向色性滤光片。进一步优选地，所述探测激光器发出偏振连续激光，该 偏振光可表示为水平偏振光(p光)和垂直偏振光(s光)的矢量和；优选地，所 述1/2波片具有将通过的偏振连续激光中的p光和s光按0:100至100:0比 例进行调节的功能。

进一步地，所述第一探测激光为偏振连续光，波长范围400nm至800nm； 该波段范围对铝，铜，铂，镍，钼和金等金属，及SrRuO

进一步地，所述第二探测激光为偏振连续光，波长选取依据的原则是： 选取的波长对应的光子能量高于待测宽禁带半导体能隙(禁带宽度)；例如， 当宽禁带半导体为氮化镓时,波长小于365nm的光子能量高于氮化镓的能隙 (3.45eV)，氮化镓对该波段吸收层厚度小于100nm，因此，近似认为该光在氮 化镓表面反射。

进一步地，所述第二探测激光波长与脉冲加热激光波长差的绝对值至少 大于10nm。

进一步地，所述脉冲加热激光与探测激光的光强比大于10:1。

单束脉冲激光和两束连续激光初始并不共轴，经过光路引导组件，三束 光最终在样品表面处共轴(即光斑中心重合)。光路引导组件如下：

布置一个二向色性滤光片，该滤光片平面和第一束光入射方向呈45°角， 第二束光入射方向与第一束光入射方向呈90°角，同时与第一滤光片平面呈 45°角，两束光经过二向色性滤光片后合束共轴。

进一步地，所述二向色性滤光片可为短波通二向色性滤光片或长波通二 向色性滤光片；进一步地，若为短波通，上述两束光中的小于截止波长的光 到达滤光片为全透射，大于截止波长的光到达滤光片为全反射；若为长波通， 上述两束光中的小于截止波长的光到达滤光片为全反射，大于截止波长的光 到达滤光片为全透射；

进一步地，将三束激光的波长按小到大的顺序排列为A,B,C，上述合束光 应由A和B,或者B和C组成。若由A和B组成,则二向色性滤光片的截止波 长应选定在A和B之间的某值；若由B和C组成，则二向色性滤光片的截止 波长应选定在B和C之间的某值。布置第二个二向色性滤光片，该滤光片平 面和之前所述合束光方向呈45°角，第三束光入射方向与如前所述合束光入 射方向呈90°角，同时与第二滤光片平面呈45°角，所有三束光经过第二个二向色性滤光片后合束共轴。

进一步地，所述二向色性滤光片可为短波通二向色性滤光片或长波通二 向色性滤光片；

进一步地，若第一合束光由A和B组成,则第二二向色性滤光片的截止波 长应选定在B和C之间的某值；若第一合束光由B和C组成，则第二二向色 性滤光片的截止波长应选定在A和B之间的某值。合束的三束光经由同一个 聚焦镜后，在样品表面上共轴。

进一步地，所述聚物镜聚焦倍数范围5X-20X。

第一或第二探测激光在样品表面反射后，探测反射光采集组件用于引导 反射光最终被光电探测器接收。

探测反射光采集组件共用加热光组件，光路引导组件和探测光入射组件 中的聚焦镜，二向色性滤光片，反射镜和分束镜。

探测光反射光原路依次经过聚焦镜，二向色性滤光片，反射镜和分束镜， 反射光经过分束镜后部分反射实现反射光路径和入射光路径分离，进而反射 光被后续的探测装置探测；优选地，分束镜为1/2波片、立方偏振分束器和 1/4波片的组合，反射光经过1/4波片和立方偏振分束器后全反射实现反射光 路径和入射光路径分离，上述光部件组合使用，使得探测光反射光路径和入 射光路径在立方偏振分束器处分离且保持最少的光强损失。

进一步地，探测光反射组件还包括凸透镜，滤波片，光电探测器；凸透 镜用于将反射光光束聚焦；滤波片用于滤掉同时反射的少量脉冲激光；光电 探测器用于接收反射光信号，转化为电信号；所述光电探测器可为带放大功 能的光电探测器，或是平衡放大探测器；若使用平衡放大探测器，要从入射 连续光分离出一部分光输入到平衡放大探测器其中一个端口，反射光输入到 另一个端口。接收的信号形式为光强随时间的瞬态变化曲线；未知待测热参 数通过将测试曲线和理论模型进行拟合获得。

样品表面监测组件用于实时监测激光光斑在样品表面的位置。组件包括 白光光源，光束采样镜，凸透镜和CCD相机。

白光光源用于向样品表面提供白光照明；光束采样镜布置在激光和白光 反射路经上，并与反射光呈45°角，对反射光采样一定比例进行反射，比例 为1-10％之间，其余光透射；凸透镜将反射光聚焦到CCD相机内；CCD相机用 于实时监测脉冲和连续激光的光斑位置。

本发明提供的检测装置系统集成了对表面为金属和宽禁带半导体样品的 测试功能，金属可为铝，铜，铂，镍，钼和金等金属，及SrRuO

本发明的装置还可以集成到金属或者半导体沉积设备上，对材料沉积时 进行在线质量监测。因此，该系统具有在半导体生产线上进行材料检测和品 控的应用潜力，具有实时，快速，工序简单和低成本等优点，可以实时监测 生产线中半导体器件的质量问题。

本发明的检测装置可以实现对宽禁带半导体外延晶圆以及沉积金属后的 器件的同点检测，保证了检测结果精确，避免了两套系统检测时因为检测位 点发生变化，导致检测结果存在偏差，不能获得精确的测量数据。

附图说明

图1左为现有的金属热反射法测试表层为金属的材料的示意图；图1右 为现有的宽禁带氮化镓热反射法测试表层为氮化镓的材料的示意图。

图2为宽禁带半导体器件生产线上的检测示意图。

图3为实施例1的光学系统示意图。

图4为实施例1中测得的热反射信号特征示意图。

图5为实施例2的光学系统的光路引导组件示意图。

图6为实施例3的光学系统示意图。

图7为实施例4的光学系统示意图。

其中说明书附图的标识如下：紫外脉冲激光器-1000、扩束镜-1100、第 一探测激光器-2300、第一1/2波片-2500、第一立方偏振分束器-2600、第一 1/4波片-2700、第二探测激光器-2900、第二1/2波片-3100、第二立方偏振 分束器-3200、第二1/4波片-3300、短波通二向色性滤光片-1200、第一反射 镜-2800、第二反射镜-3400、长波通二向色性滤光片-1300、聚焦镜-1700、 光束采样镜-1400、第一凸透镜-3500、第一滤波片-3600、第一光电探测器 -3700、第二凸透镜-3800、第二滤波片-3900、第二光电探测器-4000、示波 器-4200、第三凸透镜-1500、CCD相机-1600、白光光源-1900、凸透镜-6800、 凸透镜-7200。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细地说明，应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要 说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。 附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形 式。另外，本文对某些参数给定了取值范围，而对某些参数给定了确切值， 但应理解这些确切值是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的 值。另外，如无特殊说明，所选光/电部件都适用所用激光波长段，保证能量不受较大损失，以及不因波长不适合导致光/电部件损坏。

测试装置可分为几个组件，包括：加热光组件，探测光入射组件，光路 引导组件，探测反射光采集组件，样品表面监测组件。加热光组件用于产生 脉冲光并将光导向样品表面进行加热；探测光入射组件用于产生探测激光； 光路引导组件引导脉冲光光和探测光在样品表面处共轴(即光斑中心重合)； 探测反射光采集组件把从样品反射的探测光引导到光探测器而被接收；样品 表面监测组件用于判断脉冲光斑所在样品表面的位置。

在以上装置概述基础上，进一步介绍测试装置实施方案。

实施例1:

本实施例介绍针对氮化镓器件的测试装置，图3为测试装置实施例1的 示意图。以下对各个组件/元件进行详细说明。需要说明的是，某些元件可能 同时属于多个组件。

加热光组件包括：紫外脉冲激光器-1000，用于产生脉冲激光，脉冲宽 度范围几十皮秒(ps)到几十纳秒(ns),频率小于30kHz,波长在此实施例中限 定为355nm；扩束镜-1100，用于对脉冲激光器1000发出的脉冲光进行扩 束，扩束倍数范围2X-10X。

探测光入射组件包含两条光路，光路一：第一探测激光器-2300，用于 产生第一探测光，波长在此实施例中限定为532nm，该探测光和脉冲加热光的 光强比小于1:10，该光偏振且连续，可表示为水平偏振光(p光)和垂直偏振 光(s光)的矢量和；第一1/2波片-2500，通过调节1/2波片使第一探测光光 束变为全p光；第一立方偏振分束器-2600，具有将通过的线偏振光束中p 光部分透射，s光部分反射的功能；经由第一1/2波片2500调节后形成的p光完全透过第一立方偏振分束器2600；第一1/4波片-2700，将p光转变为 圆偏振光。

探测光入射组件光路二，和光路一布置相似，组件包括：第二探测激光 器-2900，用于产生第二探测光，波长在此实施例中限定为320nm，该探测光 和脉冲加热光的光强比小于1:10，该光偏振且连续，可表示为水平偏振光(p 光)和垂直偏振光(s光)的矢量和；第二1/2波片-3100，通过调节1/2波片 使第二探测光光束变为全p光；第二立方偏振分束器-3200，经由1/2波片 3100调节后形成的p光完全透过第二立方偏振分束器3200；第二1/4波片 -3300，将p光转变为圆偏振光。

光路引导组件包括：短波通二向色性滤光片-1200，截止波长在 355nm-532nm范围内某值,布置在脉冲加热激光光路上，滤光片平面和脉冲光 入射方向呈45°角，脉冲光达到滤光片后全透射，且光线方向不产生改变。 长波通二向色性滤光片-1300，截止波长在320-355nm范围内某值,也布置在 脉冲加热激光光路上，滤光片平面和脉冲光入射方向呈45°角，脉冲光达到 滤光片后全透射，且光线方向不产生改变。第一反射镜-2800，控制第一探测 光到达滤光片1200时的入射角为45°，且与脉冲光入射方向呈90°角，第 一探测光在滤光片1200处全反射，且光线方向和脉冲光方向一致，从而实现 两束光共轴；第二反射镜-3400，控制第二探测光到达滤光片1300时的入射 角为45°，且与脉冲光入射方向呈90°角，第二探测光在滤光片1300处全 反射，且光线方向和脉冲光方向一致，从而也实现探测光与脉冲光共轴；聚 焦镜-1700，聚焦倍数范围5X-20X，用于将共轴的脉冲光和探测光聚焦在样品 表面，且在样品表面也共轴。

探测反射光采集组件：第一探测圆偏振光从样品表面反射后，原路经过 聚焦镜1700，光束采样镜1400，长波通二向色性滤光片1300，到达短波通二 向色性滤光片1200时全反射，接着被第一反射镜2800导向第一1/4波片 2700；经2700后，圆偏振光转变为s极性偏振光，该偏振光到达第一立方偏 振分束器2600后全反射。因此，借助第一1/2波片2500，第一立方偏振分束 器2600和第一1/4波片2700的组合使用，使得反射光路径和入射光路径分 离，进而被后续的探测装置探测。探测光组件还包括第一凸透镜-3500，第一 滤波片-3600，和带放大功能的第一光电探测器-3700。凸透镜3500用于将反 射光光束聚焦；第一滤波片3600，为长波通或者带通滤波片，若为长波通， 截止波长在355nm-532nm范围内某值，若为带通滤波片，中心波长在532nm， 该滤波片用于滤掉同时反射的少量脉冲激光；带放大功能的第一光电探测器 3700，在第一探测光波长(532nm)下的光电响应度>0.1A/W,增益>＝5kV/A,带 宽>＝50MHz,用于测试反射光强，并将光强信号放大。

第二探测反射光采集组件光路和第一探测反射光的光路相似，第二探测 圆偏振光从样品表面反射后，原路经过聚焦镜1700，光束采样镜1400，到 达长短波通二向色性滤光片1300时全反射，接着被第二反射镜3400导向第 二1/4波片3300；经3300后，圆偏振光转变为s极性偏振光，该偏振光到 达第二立方偏振分束器3200后全反射，反射光路径从而和入射光路径分离， 进而被后续的探测装置探测。探测光组件还包括第二凸透镜-3800，第二滤 波片-3900，和带放大功能的第二光电探测器-4000。凸透镜3800用于将反射 光光束聚焦；第二滤波片-3900，为短波通或者带通滤波片，若为短波通，截 止波长在320nm-355nm范围内某值，若为带通，中心波长320nm，用于滤掉 同时反射的少量脉冲激光；带放大功能的第一光电探测器4000，在第二探测 光波长(320nm)下的光电响应度>0.1A/W,增益>＝50kV/A,带宽>＝50MHz，用于 测试反射光强，并将光强信号放大。

第一3700或第二光电探测器4000将接收的反射光信号放大后输入到示 波器4200。脉冲激光器1000发出触发电信号，也输入到示波器4200，该信 号作为探测信号的参考信号。设置参考信号的替代方案是：紫外脉冲器发出 的激光会在光路中产生局部散射，通过在散色光路径上布置一个光电探测器 采集散射信号，再将信号输入到示波器。最终，示波器输出反射光光强随时 间变化的瞬态信号，信号特征如图4所示，对应每一个脉冲参考信号起始点， 反射光光强在几纳秒之内迅速增大到最大值，然后迅速衰减直到下一个脉冲 信号来临。脉冲和脉冲之间时长等于1/激光频率，每一个脉冲信号下对应的 反射光信号一致，因此在读取示波器数据时，可任意选取一个反射光信号进 行读取。

样品表面监测组件包括：光束采样镜-1400，使与其所在平面呈45°角入 射的光按1％-10％的比例反射，其余光透射；第三凸透镜-1500，用于将光聚焦； CCD相机-1600，用于成像；白光光源-1900，用于向样品表面提供光照。样品 表面反射的激光和白光到达光束采样镜1400后，小比例反射经过凸透镜1500 聚焦，被CCD相机1600捕捉。

未知热性质参数通过将测得的瞬态曲线和理论热模型进行拟合获得。理 论模型求解的是一个三维多层(N)材料热传导问题。对于第i层材料，物性 参数包括厚度d

应当注意，对于其他宽禁带器件的检测，如4H-碳化硅,6H-碳化硅,氧化 锌,铝氮化镓,氮化铝,氧化镓,金刚石，可通过相同的原理和方法实现。因 此，针对于其他宽禁带器件任何类似的检测装置方案都从属于本发明。

实施例2:

实施例2所包括的组件和方案与实施例1相同，区别仅在于光路引导组 件和光路经方向，存在其他多种设计方案，图5中列举了其中几种方案。此 处还存在其他类似于图5中给出的光路引导组件的方案，应当注意，这些方 案使用的原理和实现的功能基本相同，因此任何类似的方案都从属于本发明。

实施例3:

实施例3所包括的组件和方案与实施例1相同，区别仅在于：

如图6，脉冲激光1000波长改为320nm，第一探测激光2300改为488nm， 第二探测激光2900改为303nm。短波通二向色性滤光片-1200截止波长在 320nm-488nm范围内某值，长波通二向色性滤光片-1300截止波长在303-320nm 范围内某值。

第一滤波片3600，为长波通或者带通滤波片，若为长波通，截止波长在 320nm-488nm范围内某值，若为带通滤波片，中心波长在488nm；带放大功能 的第一光电探测器3700，在第一探测光波长(488nm)下的光电响应度>0.1A/W, 增益>＝5kV/A,带宽>＝50MHz。

第二滤波片-3900，为短波通或者带通滤波片，若为短波通，截止波长在 303nm-320nm范围内某值，若为带通，中心波长303nm；带放大功能的第一光 电探测器4000，在第二探测光波长(303nm)下的光电响应度>0.1A/W,增 益>＝50kV/A,带宽>＝50MHz。

另外，其他相关光/电部件都需适用所用激光波长，保证能量不受较大损 失，以及不因波长不适合导致光/电部件损坏。

实施例4:

图7为测试装置实施例4的示意图。与实施例1-3相比不同点在于：不 再借助二向色性滤光片实现脉冲光和探测光在样品表面重合，而是借助光学 反射镜实现光斑重合。而该实施方案和实施例1相比，仅探测光入射组件， 光路引导组件和探测光反射组件有所不同，其他组件保持不变。以下仅对不 同点进行说明。

第一探测光发出后，直接经两个反射镜(6600,6700)反射,和脉冲光路径 呈一定角度(15度到75度)向样品表面入射，在样品表面的光斑和脉冲光光 斑重合。凸透镜-6800用于对第一探测光光进行聚焦。在样品表面反射的探 测光经反射镜6900后导向第一凸透镜3500，第一滤波片3600，最终被带放 大功能的第一光电探测器3700接收。

第二探测光和第一探测光光路相似，第二探测光发出后经过两个反射镜 (7000,7100)反射,和脉冲光路径呈一定角度(15度到75度)向样品表面入 射，在样品表面的光斑和脉冲光光斑重合。值得注意的是，两个不同探测光 的入射角有所区别，如图7所示。凸透镜7200用于对第二探测光聚焦。在 样品表面反射的探测光经反射镜7300后导向第二凸透镜3800，第二滤波片 3900，最终被带放大功能的第一光电探测器4000接收。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非对本发明保护范围的限 制，本领域的普通技术人员应当理解，任何对本发明的技术方案进行修改或 者等同替换，均属于本发明技术方案的实质保护范围。