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半導(dǎo)體晶圓PL光譜測(cè)試系統(tǒng)

半導(dǎo)體晶圓PL光譜測(cè)試系統(tǒng)針對(duì)第三代半導(dǎo)體，如GaN、InGaN、AlGaN等，進(jìn)行溫度相關(guān)光譜和熒光壽命測(cè)試。同時(shí)可測(cè)量外延片的膜厚、反射率及相應(yīng)的Mapping圖。
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產(chǎn)品概述
面向半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)的光譜測(cè)試系統(tǒng)
 
熒光測(cè)試
熒光光譜的峰值波長(zhǎng)、光譜半寬、積分光強(qiáng)、峰強(qiáng)度、熒光壽命與電子/空穴多種形式的輻射復(fù)合相關(guān)，雜質(zhì)或缺陷濃度、組分等密切相關(guān)
膜厚&反射率&翹曲度
通過(guò)白光干涉技術(shù)測(cè)量外延片的薄膜厚度（Thickness）、反射率(PR)以及晶片翹曲度
熒光光譜
系統(tǒng)特點(diǎn)
面向半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)的光譜測(cè)試系統(tǒng)
光路結(jié)構(gòu)示意圖
自動(dòng)掃描臺(tái)：兼容2寸、4寸、8寸晶圓
可升級(jí)紫外測(cè)量模塊、翹曲度測(cè)量模塊
側(cè)面收集模組：用于AlGaN樣品（發(fā)光波段200-380 nm），因?yàn)锳lGaN輕重空穴帶反轉(zhuǎn)使其熒光發(fā)光角度為側(cè)面出光，因此需要特殊設(shè)計(jì)的側(cè)面收光模塊。
翹曲度測(cè)量模塊
翹曲度測(cè)量模塊集成在顯微鏡模組中，利用晶圓表面反射回的375nm激光，利用離焦量補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)表面高度的測(cè)量，對(duì)晶圓片的高度掃描后獲得晶圓形貌，從而計(jì)算翹曲度的數(shù)值。
該模塊不僅可以測(cè)量晶圓的形貌和翹曲度，同時(shí)還可以起到激光自動(dòng)對(duì)焦的作用，使得晶圓片大范圍移動(dòng)時(shí)，用于激發(fā)熒光的激光光斑在晶圓表面始終保持最佳的聚焦?fàn)顟B(tài)，從而極大的提供熒光收集的效率和分辨率。

物鏡

5x

NA=0.28

20x

NA=0.40

100x

NA=0.8

離焦量z分辨率

< 1 μm

< 0.5 μm

< 0.06 μm

激光光斑尺寸（焦點(diǎn)處）

~2 μm

~2 μm

~1 μm

測(cè)量時(shí)間（刷新頻率）

< 20 ms(50 Hz），可調(diào)節(jié)最高100 Hz
紫外測(cè)量模塊
紫外測(cè)量模塊的功能主要由集成在顯微鏡模組中的5x紫外物鏡和側(cè)面收集模塊實(shí)現(xiàn)?？蛇x擇213nm或266nm的激光進(jìn)行激發(fā)，聚焦光斑約10微米，可選擇通過(guò)該物鏡收集正面發(fā)射的熒光，通過(guò)單色儀入口1進(jìn)行收集和測(cè)量。
針對(duì)AlGaN的發(fā)光波段（200-380nm），尤其是Al組分較大（70%）的AlGaN由于輕重空穴帶反轉(zhuǎn)，其熒光發(fā)光角度為側(cè)面出光，因此設(shè)置側(cè)面收集模組，將側(cè)面發(fā)出的熒光通過(guò)一個(gè)單獨(dú)傾斜60度角的物鏡收集后，通過(guò)光纖傳入單色儀入口2進(jìn)行收集和測(cè)量。
可通過(guò)翹曲度模塊對(duì)晶圓片形貌進(jìn)行測(cè)量后，再進(jìn)行紫外熒光測(cè)量時(shí)，根據(jù)記錄的形貌高度，Z軸移動(dòng)實(shí)現(xiàn)晶圓片高度方向的離焦量補(bǔ)償，使得晶圓片大范圍移動(dòng)時(shí)，激光光斑在晶圓表面始終保持最佳的聚焦?fàn)顟B(tài)，從而極大的提供熒光收集的效率和分辨率。
軟件界面
晶圓Mapping軟件界面 
數(shù)據(jù)分析軟件界面
應(yīng)用案例
6英寸AlGaN晶圓測(cè)試
隨著AlGaN中Al所占比例的增加，可看到發(fā)光峰位出現(xiàn)了藍(lán)移，當(dāng)Al的含量占到70%的時(shí)候，峰位已經(jīng)藍(lán)移至238nm。對(duì)AlGaN晶圓進(jìn)行Al組分比例面掃描，可以看到晶圓中Al的組分分布情況。
MicroLED微區(qū)PL熒光光譜Mapping
MicroLED微盤，直徑40微米。圖（A）：熒光PL Mapping圖像，成像區(qū)域45×45微米；圖（B）：圖（A）所示紅線，m0-m11點(diǎn)，典型熒光光譜。

MicroLED微盤的熒光強(qiáng)度3D成像
 
2英寸綠光InGaN晶圓熒光光譜測(cè)試
從InGaN的峰強(qiáng)分布來(lái)看，在晶圓上峰強(qiáng)分布非常不均勻，最強(qiáng)發(fā)光大約位于P2點(diǎn)附近，而有些位置幾乎不發(fā)光。發(fā)光峰位在500-530nm之間，分布也很不均勻。波長(zhǎng)在510nm（P2位置）發(fā)光最強(qiáng)。波長(zhǎng)越靠近530nm（P1位置），發(fā)光越弱。
2英寸綠光InGaN晶圓熒光壽命測(cè)試
從以上熒光壽命成像得到，綠光InGaN熒光壽命在4ns-12ns之間。沿著P1-P3白線，熒光壽命減小。
從晶圓上分布看，熒光壽命與熒光強(qiáng)度成像的趨勢(shì)大致相符，而且峰位有明顯關(guān)聯(lián)。即沿著峰位藍(lán)移方向（藍(lán)移至500nm），熒光發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)而且壽命增加，說(shuō)明輻射復(fù)合占據(jù)主要比例。而沿著峰位紅移的方向（藍(lán)移至530nm），發(fā)光強(qiáng)度減弱，同時(shí)壽命減小，說(shuō)明非輻射復(fù)合占據(jù)主要比例。
 
面向半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)的光譜測(cè)試系統(tǒng)
性能參數(shù)：

熒光激發(fā)和收集模塊

激光波長(zhǎng)

213/266/375 nm

激光功率

213nm激光器，峰值功率＞2.5kw@1KHZ，266nm激光器，輸出功率2-12mw可調(diào)

自動(dòng)對(duì)焦

•    在全掃描范圍自動(dòng)聚焦和實(shí)時(shí)表面跟蹤

•     對(duì)焦精度<0.2微米

 

顯微鏡

•用于樣品定位和成像

•近紫外物鏡，100X/20X，用于375nm激光器,波長(zhǎng)范圍355-700 nm
•紫外物鏡, 5X,用于213 nm/266nm的紫外激發(fā), 200-700 nm

 

樣品移動(dòng)和掃描平臺(tái)

平移臺(tái)

•掃描范圍大于300x300mm。

•最小分辨率1微米。

 

 

樣品臺(tái)

•8寸吸氣臺(tái)（12寸可定制）

•可兼容2、4、6、8寸晶圓片

 

光譜儀

探測(cè)器

 

光譜儀

•320 mm焦長(zhǎng)單色儀，可接面陣探測(cè)器。

•光譜分辨率：優(yōu)于0.2nm@1200g/mm

 

可升級(jí)模塊

翹曲度測(cè)量模塊

重復(fù)測(cè)量外延片統(tǒng)計(jì)結(jié)果的翹曲度偏差<±5um

紫外測(cè)量模塊

5X紫外物鏡，波長(zhǎng)范圍200-700 nm。應(yīng)用于213 nm、266nm的紫外激發(fā)和側(cè)面收集實(shí)現(xiàn)AlGaN紫外熒光的測(cè)量

膜厚測(cè)試模塊

重復(fù)測(cè)量外延片Mapping統(tǒng)計(jì)結(jié)果的膜厚偏差<±0.1um

熒光壽命測(cè)試模塊

熒光壽命測(cè)試精度8 ps，測(cè)試范圍50 ps-1 ms

軟件

控制軟件

可選擇區(qū)域或指定點(diǎn)位自動(dòng)進(jìn)行逐點(diǎn)光譜采集

Mapping數(shù)據(jù)分析軟件

•可對(duì)光譜峰位、峰高、半高寬等進(jìn)行擬合。

•可計(jì)算熒光壽命、薄膜厚度、翹曲度等。
•將擬合結(jié)果以二維圖像方式顯示。

 
 
面向半導(dǎo)體晶圓檢測(cè)的光譜測(cè)試系統(tǒng)
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  • 樣品委托測(cè)試