《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《太陽(yáng)能電池用砷化鎵單晶》(送審稿)編

1、中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體拋光晶片亞表面損傷的反射差分譜測(cè)試方法（送審稿）編制說(shuō)明一、 任務(wù)來(lái)源及計(jì)劃要求本標(biāo)準(zhǔn)是全國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)材料分技術(shù)委員會(huì)于2008年度下達(dá)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定任務(wù)（計(jì)劃編號(hào)：20081117-T-469） ， 計(jì)劃要求制定半導(dǎo)體拋光晶片亞表面損傷的反射差分譜測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)，由中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所負(fù)責(zé)起草，要求在2008年2010年完成。二、編制過(guò)程（包括編制原則、工作分工、征求意見(jiàn)單位、各階段工作過(guò)程等）本標(biāo)準(zhǔn)是基于半導(dǎo)體所關(guān)于偏振反射差分譜（RDS的技術(shù)發(fā)明專利，進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究后確定了亞表面損傷層的厚度、量和譜線強(qiáng)度的定量關(guān)系，并確定了測(cè)試的條件

2、要求和設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)要求而制定。本標(biāo)準(zhǔn)制定工作由中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所承擔(dān)。2008 年 4 月成立了該標(biāo)準(zhǔn)制定工作組。工作步驟是：1、在國(guó)外購(gòu)買(mǎi)亞表面損傷極小的GaAs、 InP 襯底材料和加工制備不同亞表面損傷層的襯底。2、 反復(fù)測(cè)量比對(duì)，進(jìn)行（RDS）測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)樣定量關(guān)系的測(cè)試及測(cè)試系統(tǒng)條件的確立。3、測(cè)試結(jié)果分析與討論，確定測(cè)量誤差范圍。4、標(biāo)準(zhǔn)的編寫(xiě)。5、標(biāo)準(zhǔn)的意見(jiàn)征詢與上報(bào)公示等。于 2009 年 4 月完成了標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿，并對(duì)中電46 所、北京通美晶體技術(shù)有限公司、有研半導(dǎo)體材料股份有限公司等單位征求意見(jiàn)。2009 年 9 月完成國(guó)標(biāo)制定相關(guān)程序，現(xiàn)提交專家審定會(huì)審定。三、調(diào)

3、研和分析工作情況在制造GaAs、 InP 電路與器件的過(guò)程中，特別是采用直接離子注入工藝制造GaAs 超高速數(shù)字集成電路及微波單片集成電路，用MBE、 MOCVD 方法生長(zhǎng)的微結(jié)構(gòu)材料研制的GaAs微波毫米波電路與器件以及光電子器件，都是以GaAs拋光晶片作為基礎(chǔ)材料，拋光晶片表面質(zhì)量直接影響器件的性能和成品率。尤其是離子注入工藝，通常離子注入層的深度在晶片表面1000A-3000A 范圍，拋光晶片的亞表面損傷層恰好是在這個(gè)范圍內(nèi)，它的晶格不完整性會(huì)直接影響離子注入層電阻率的均勻性和電子遷移率；降低了源漏飽和電流的均勻性和器件的成品率。所以研究和制備表面質(zhì)量好，亞表面損傷層低的SI-GaAs

4、拋光晶片十分重要。半導(dǎo)體所早在八十年代即采用化學(xué)腐蝕和光學(xué)顯微鏡、X光衍射半定量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)（GJB1926-94神化錢(qián)單晶材料規(guī)范：化學(xué)腐蝕和光學(xué)顯微鏡觀測(cè)砷化鎵拋光片表面損傷層的測(cè)試方法）進(jìn)行拋光晶片的亞表面損傷層測(cè)量。2000 年初開(kāi)始采用透射電鏡來(lái)直接觀測(cè)晶體襯底材料的亞表面損傷，采用抽樣片劃條疊粘后，襯底材料側(cè)向減薄成很薄的樣片再用透射電鏡來(lái)測(cè)量計(jì)數(shù)（ Q/KB 20004-2002 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所企軍標(biāo)開(kāi)盒即用 2 英寸半絕緣砷化鎵晶片的研制的詳細(xì)規(guī)范）。以上方法有三大劣勢(shì)；1）為破壞性檢測(cè)：只能在產(chǎn)品中抽取少量樣片，再在樣片上抽取少量樣條進(jìn)行某幾條單線檢測(cè)，檢測(cè)區(qū)域??；2）在

5、檢測(cè)樣條的制備過(guò)程中；要進(jìn)行解理、粘片、減薄，工藝比較繁瑣； 且引入誤差大。3） 測(cè)試設(shè)備比較昂貴，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高。 SJ20714-1998砷化鎵拋光片亞損傷層的X 射線雙晶衍射測(cè)試方法，雖然也是一種非破壞性的試驗(yàn)方法，但是為定性測(cè)量，且測(cè)試設(shè)備比較昂貴。本標(biāo)準(zhǔn)給出的RDS 方法相對(duì)于透射電鏡測(cè)量等方法測(cè)量亞表面損傷具有三大優(yōu)勢(shì)；1.可全部和全區(qū)域檢測(cè)；2.無(wú)檢測(cè)前制樣工藝，測(cè)試時(shí)間和費(fèi)用大大降低；3.無(wú)接觸、無(wú)破壞檢測(cè)，不引入新的損傷，且由于是利用光強(qiáng)反射比率差測(cè)量；可有效避免或減少測(cè)量誤差。拋光晶片亞表面損傷層的偏振反射差分譜（RDS）檢測(cè)方法可測(cè)量各種閃鋅礦 結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體襯底材料（如

6、InP、GaAs、GaP、GaSb等）的亞表面損傷。四、主要技術(shù)說(shuō)明4.1 方法可行性材料表面亞損傷的存在會(huì)使材料產(chǎn)生各向異性應(yīng)變。由于彈光效應(yīng)，該各向異性應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生光學(xué)各向異性。光學(xué)各向異性的大小直接反映了各向異性應(yīng)變，也就是材料表面亞損傷的大小，從而可以利用測(cè)量光學(xué)各向異性的強(qiáng)弱來(lái)表征襯底材料表面亞損傷的大小。通常這種光學(xué)各向異性僅出現(xiàn)在亞微米范圍，且非常微弱，利用通常的光學(xué)偏振技術(shù)往往無(wú)法測(cè)量出來(lái)，而利用偏振反射差分譜技術(shù)則可以將材料在亞微米深度的損傷所導(dǎo)致的這種微弱光學(xué)各向異性信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。我們已經(jīng)在利用偏振反射差分譜技術(shù)，開(kāi)展InP、 GaAs 拋光晶片亞表面損傷的檢測(cè)。以下圖1是我

7、所利用（RDS）檢測(cè)方法，測(cè)量比較幾種 GaAs單晶片拋光質(zhì) 量的譜圖，可以明顯地看出它們亞表面損傷層厚度的不同（發(fā)表在美國(guó)Journal ofApplied Physics Vol.88, 1695（2000）, Y H. Chen等）。通過(guò)腐蝕逐漸去掉損傷層后，偏 振反射差分譜也相應(yīng)地發(fā)生變化，由此可以確定損傷層的厚度以及為測(cè)試方法確定 標(biāo)樣。1O85 4 2 。-2-4 (二 w#x7Photon energy ( cV )FIC 1 Real of Hie refiectMice dit¥eiexice >pecni mesisweci ?»t loom te

8、iJLpei EStuie fox < a n -i b > p-GaLAs. < c J epneady SI-OslA. azid « d k t e ： SI-GaAs poh'kbed by comoioii mteeclxamcal and clienucal snethod Speclora of ri -Ga_AjEh mndl o-CraA.& M-e onl31Tme1d tixTu。forLRb 4 2 6:36 雄口Tx喇45Mn03-$ u3, 3 9 UT»2 1(>o * L1OLI心 CHIXD-S>

9、;-Imtoii entire t ev )Etch ir j time圖1 幾種GaAs單晶片拋光片 RDS譜圖4.2 工作原理本測(cè)試方法是通過(guò)測(cè)量?jī)墒黄竦娜肷涔獾姆瓷渎实牟顏?lái)確定亞表面損傷層的厚度和量。偏振反射差分譜（RDS）和一般的近垂直入射反射譜相比，RDS實(shí)驗(yàn)裝置只是多了一個(gè)起偏器、一個(gè)檢偏 器和一個(gè)光彈 性調(diào)制 器（photoelastic modulator,簡(jiǎn)稱PEM）。PEM是RDS系統(tǒng)的核心，可以對(duì)光的偏振狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制： 光通過(guò)它之后，平行調(diào)制器主軸方向的電磁波分量相對(duì)于垂直主軸的電磁波分量將 增加一個(gè)周期變化的位相。圖 2中，PEM主軸與樣品的入射平面（水平面）垂直

10、，即 和垂直方向成0°角。對(duì)于具有（001）面的樣品，各向異性的光學(xué)主軸一般為110 和110兩個(gè)方向。要求PEM主軸方向與這兩個(gè)光學(xué)主軸成 45°夾角。經(jīng)過(guò)起偏器 后得到的垂直方向上的線偏光可以在110和110方向上分成大小相等的兩個(gè)分量； 如果樣品在這兩個(gè)方向上的反射系數(shù)是相等的，那么，反射后的兩個(gè)分量重新合成 的線偏光仍舊是垂直的；這樣，經(jīng)過(guò) PEM和檢偏片被探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)中將 沒(méi)有PEM的調(diào)制信號(hào)。如果樣品在這110和110方向上的反射系數(shù)是不相等的，那 么，反射后的線偏光將不再是垂直的，結(jié)果探測(cè)器測(cè)得的光強(qiáng)信號(hào)中必然包含有PEM的調(diào)制信號(hào)。這個(gè)調(diào)制信號(hào)反映

11、了 110和110方向上的反射系數(shù)的差別。表面亞損 傷產(chǎn)生的光學(xué)各向異性可以通過(guò)反射系數(shù)的各向異性來(lái)表示，具體說(shuō)來(lái)，就是樣品表面內(nèi)兩個(gè)垂直方向反射系數(shù)的相對(duì)差異：r/r 2（q ry）/（& y）。探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)將由下式?jīng)Q定R1 2Re（ r/r）J2（ ）cos（2 t） 2Im（ r/r）J1（ ）sin（ t）（1）其中，R是材料的反射率，是PEM的調(diào)制頻率，Re （）和Im （）分別代表括號(hào)里宗 量的實(shí)部和虛部，Jn表示n階的貝塞爾函數(shù)。由（1）式可見(jiàn)，探測(cè)器中信號(hào)包含了三 部分信號(hào)：直流部分反映的是樣品的反射率；一倍頻（）信號(hào)正比于r/r虛部；二倍頻（2）信號(hào)正比于r

12、/r虛部。采用鎖相放大技術(shù)，很容易將一倍頻和二倍頻信號(hào) 從直流信號(hào)中提取出來(lái)，再對(duì)前邊的貝塞爾函數(shù)系數(shù)進(jìn)行修正，就可以通過(guò)一次實(shí) 驗(yàn)同時(shí)測(cè)量測(cè)出r/r的實(shí)部和虛部。利用光彈性調(diào)制器（PEM）結(jié)合檢偏器對(duì)透射光的偏振狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，可以在 不旋轉(zhuǎn)測(cè)試樣品和任何光學(xué)元件的條件下，測(cè)量出被測(cè)試晶片表面上相互垂直的兩 個(gè)各向異性光學(xué)主軸方向的反射系數(shù)的相對(duì)差異（Ar/r ）,再結(jié)合彈光原理，就可以求得拋光晶片亞表面損傷譜線圖。由于采用了偏振調(diào)制技術(shù)，無(wú)需利用其它偏振 元件進(jìn)行兩次測(cè)量來(lái)獲得反射系數(shù)的相對(duì)差異，也無(wú)需進(jìn)行旋轉(zhuǎn)測(cè)試樣品等其它改 變測(cè)試條件的操作，因此可以避免測(cè)量操作誤差；從而真實(shí)地反映拋光晶

13、片的亞表 面損傷。圖2 RDS實(shí)驗(yàn)原理圖在RDS系統(tǒng)中，為了便于分析和提高信噪比，一般采用三格鎖相放大器來(lái)分別 提取探測(cè)器中的直流信號(hào)、一倍頻和二倍頻信號(hào)。圖3是一個(gè)實(shí)際的RDS系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。光源部分可以采用 Xe弧燈（光波可從紫外覆蓋到可見(jiàn)光波段）或鴇 燈（主要用在可見(jiàn)光到近紅外波段）。起偏器和檢偏器采用的是方解石格蘭型偏光棱 鏡。PEM是美國(guó)Hinds公司生產(chǎn)的PEM-90TM ,工作頻率為50 KHz。樣品反射光通過(guò) 偏振片（檢偏器）后，經(jīng)過(guò)一個(gè)焦距為 10 cm的凸透鏡收集到一根光纖，然后進(jìn)入單 色儀分光，最后進(jìn)到探測(cè)器中。根據(jù)測(cè)量的波長(zhǎng)范圍，探測(cè)器用光電倍增管或硅二極 管等。

14、使用光纖可以讓各種光學(xué)元件的擺放更加靈活和方便，代價(jià)是損失了部分光通量。探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)包含三個(gè)分量：直流分量，一倍頻和二倍頻，如 （1）式所 示。直流部分可以用斬波器和鎖相放大器提取出來(lái)，斬波頻率應(yīng)遠(yuǎn)小于PEM的工作頻率（50 KHz）。直流信號(hào)通常比較強(qiáng)，鎖相放大技術(shù)不是必須的。另外兩臺(tái)鎖相放 大器用來(lái)提取一倍頻和二倍頻信號(hào)。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)由微機(jī)和專用數(shù)據(jù)處理程序軟 件組成。三個(gè)信號(hào)分量送入微機(jī)處理后，由打印機(jī)輸出測(cè)試譜圖。斬波器 PEM 檢偏器 光源一倍頻信號(hào) 1L1二二；-之.PEM控制器2圖3 RDS實(shí)驗(yàn)裝置示意圖4.3 RDS測(cè)試設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)：光源：250W鴇燈；單色儀：卓立漢光BP300型單色儀;探測(cè)器：硅光電二