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半导体晶圆PL光谱测试系统

半导体晶圆PL光谱测试系统针对第三代半导体,如GaN、InGaN、AlGaN等,进行温度相关光谱和荧光寿命测试。同时可测量外延片的膜厚、反射率及相应的Mapping图。
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产品概述
面向半导体晶圆检测的光谱测试系统
 
荧光测试
荧光光谱的峰值波长、光谱半宽、积分光强、峰强度、荧光寿命与电子/空穴多种形式的辐射复合相关,杂质或缺陷浓度、组分等密切相关
膜厚&反射率&翘曲度
通过白光干涉技术测量外延片的薄膜厚度(Thickness)、反射率(PR)以及晶片翘曲度
荧光光谱
系统特点
面向半导体晶圆检测的光谱测试系统
光路结构示意图
自动扫描台:兼容2寸、4寸、8寸晶圆
可升级紫外测量模块、翘曲度测量模块
侧面收集模组:用于AlGaN样品(发光波段200-380 nm),因为AlGaN轻重空穴带反转使其荧光发光角度为侧面出光,因此需要特殊设计的侧面收光模块。
翘曲度测量模块
翘曲度测量模块集成在显微镜模组中,利用晶圆表面反射回的375nm激光,利用离焦量补偿实现表面高度的测量,对晶圆片的高度扫描后获得晶圆形貌,从而计算翘曲度的数值。
该模块不仅可以测量晶圆的形貌和翘曲度,同时还可以起到激光自动对焦的作用,使得晶圆片大范围移动时,用于激发荧光的激光光斑在晶圆表面始终保持最佳的聚焦状态,从而极大的提供荧光收集的效率和分辨率。

物镜

5x

NA=0.28

20x

NA=0.40

100x

NA=0.8

离焦量z分辨率

< 1 μm

< 0.5 μm

< 0.06 μm

激光光斑尺寸(焦点处)

~2 μm

~2 μm

~1 μm

测量时间(刷新频率)

< 20 ms(50 Hz),可调节最高100 Hz

紫外测量模块
紫外测量模块的功能主要由集成在显微镜模组中的5x紫外物镜和侧面收集模块实现。可选择213nm或266nm的激光进行激发,聚焦光斑约10微米,可选择通过该物镜收集正面发射的荧光,通过单色仪入口1进行收集和测量。
针对AlGaN的发光波段(200-380nm),尤其是Al组分较大(70%)的AlGaN由于轻重空穴带反转,其荧光发光角度为侧面出光,因此设置侧面收集模组,将侧面发出的荧光通过一个单独倾斜60度角的物镜收集后,通过光纤传入单色仪入口2进行收集和测量。
可通过翘曲度模块对晶圆片形貌进行测量后,再进行紫外荧光测量时,根据记录的形貌高度,Z轴移动实现晶圆片高度方向的离焦量补偿,使得晶圆片大范围移动时,激光光斑在晶圆表面始终保持最佳的聚焦状态,从而极大的提供荧光收集的效率和分辨率。
软件界面
晶圆Mapping软件界面 
数据分析软件界面
应用案例
6英寸AlGaN晶圆测试
随着AlGaN中Al所占比例的增加,可看到发光峰位出现了蓝移,当Al的含量占到70%的时候,峰位已经蓝移至238nm。对AlGaN晶圆进行Al组分比例面扫描,可以看到晶圆中Al的组分分布情况。
MicroLED微区PL荧光光谱Mapping
MicroLED微盘,直径40微米。图(A):荧光PL Mapping图像,成像区域45×45微米;图(B):图(A)所示红线,m0-m11点,典型荧光光谱。

MicroLED微盘的荧光强度3D成像
 
2英寸绿光InGaN晶圆荧光光谱测试
从InGaN的峰强分布来看,在晶圆上峰强分布非常不均匀,最强发光大约位于P2点附近,而有些位置几乎不发光。发光峰位在500-530nm之间,分布也很不均匀。波长在510nm(P2位置)发光最强。波长越靠近530nm(P1位置),发光越弱。
2英寸绿光InGaN晶圆荧光寿命测试
从以上荧光寿命成像得到,绿光InGaN荧光寿命在4ns-12ns之间。沿着P1-P3白线,荧光寿命减小。
从晶圆上分布看,荧光寿命与荧光强度成像的趋势大致相符,而且峰位有明显关联。即沿着峰位蓝移方向(蓝移至500nm),荧光发光强度增强而且寿命增加,说明辐射复合占据主要比例。而沿着峰位红移的方向(蓝移至530nm),发光强度减弱,同时寿命减小,说明非辐射复合占据主要比例。
 
面向半导体晶圆检测的光谱测试系统
性能参数:

荧光激发和收集模块

激光波长

213/266/375 nm

激光功率

213nm激光器,峰值功率>2.5kw@1KHZ,266nm激光器,输出功率2-12mw可调

自动对焦

•    在全扫描范围自动聚焦和实时表面跟踪

•     对焦精度<0.2微米

 

显微镜

•用于样品定位和成像

•近紫外物镜,100X/20X,用于375nm激光器,波长范围355-700 nm
•紫外物镜, 5X,用于213 nm/266nm的紫外激发, 200-700 nm

 

样品移动和扫描平台

平移台

•扫描范围大于300x300mm。

•最小分辨率1微米。

 

 

样品台

•8寸吸气台(12寸可定制)

•可兼容2、4、6、8寸晶圆片

 

光谱仪

探测器

 

光谱仪

•320 mm焦长单色仪,可接面阵探测器。

•光谱分辨率:优于0.2nm@1200g/mm

 

可升级模块

翘曲度测量模块

重复测量外延片统计结果的翘曲度偏差<±5um

紫外测量模块

5X紫外物镜,波长范围200-700 nm。应用于213 nm、266nm的紫外激发和侧面收集实现AlGaN紫外荧光的测量

膜厚测试模块

重复测量外延片Mapping统计结果的膜厚偏差<±0.1um

荧光寿命测试模块

荧光寿命测试精度8 ps,测试范围50 ps-1 ms

软件

控制软件

可选择区域或指定点位自动进行逐点光谱采集

Mapping数据分析软件

•可对光谱峰位、峰高、半高宽等进行拟合。

•可计算荧光寿命、薄膜厚度、翘曲度等。
•将拟合结果以二维图像方式显示。

 

 
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