專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于雙探測(cè)光束的半導(dǎo)體材料特性測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及聯(lián)合自由載流子吸收技術(shù)和光 調(diào)制反射技術(shù)，即雙探測(cè)光束探測(cè)技術(shù)來(lái)確定半導(dǎo)體材料特性測(cè)量裝置和測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻雜，使其結(jié)構(gòu)和電阻率等發(fā)生改變，半導(dǎo)體材料才能成為一種 有用的功能材料。而對(duì)半導(dǎo)體材料中摻入的雜質(zhì)濃度及退火等加工工藝的精確監(jiān)控在很 大程度上決定了半導(dǎo)體器件的性能。在監(jiān)控過(guò)程中通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料一些特性參數(shù)進(jìn)行 測(cè)量來(lái)判斷材料加工是否達(dá)標(biāo)?，F(xiàn)在半導(dǎo)體晶片尺寸越來(lái)越大，若摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃 度或相關(guān)加工工藝不能達(dá)標(biāo)，將導(dǎo)致成品率下降。因此，能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)摻雜半導(dǎo)體材 料的特性參數(shù)是半導(dǎo)體制造技術(shù)中一項(xiàng)很重要的課題。隨著微電子器件特征尺寸的縮 小，超淺結(jié)成為必然趨勢(shì)。對(duì)超淺結(jié)，除了需要測(cè)量摻雜濃度、電阻率和載流子壽命等 常規(guī)參數(shù)外，還需要測(cè)量其摻雜后的結(jié)深以及濃度分布的陡度，因而需要發(fā)展檢測(cè)其特 性的測(cè)量技術(shù)。
目前用于工業(yè)上測(cè)量半導(dǎo)體材料特性的傳統(tǒng)方法，如四探針測(cè)量法、擴(kuò)展電阻探針 法、二次離子質(zhì)譜儀和盧瑟福后向散射法等，由于各自存在一定缺點(diǎn)，其應(yīng)用受到一定 的限制四探針測(cè)量法測(cè)量精度受到探針尺寸大小的限制，主要應(yīng)用于高摻雜濃度的監(jiān) 測(cè)，此外可用于測(cè)量材料特征參數(shù)，但為接觸性測(cè)量，具有一定的破壞性；擴(kuò)散電阻法 缺陷是需要熟練的操作者、樣品制備和破壞性地測(cè)試；二次離子質(zhì)譜儀本質(zhì)上是一種破 壞性的測(cè)量方法，且測(cè)量需花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間；盧瑟福后向散射用于監(jiān)測(cè)摻雜濃度時(shí)只能 探測(cè)質(zhì)量較大離子的摻雜濃度。
公開(kāi)號(hào)為CN1971868的中國(guó)專(zhuān)利描述自由載流子吸收測(cè)量技術(shù)，通過(guò)探測(cè)光透射過(guò) 載流子區(qū)域后強(qiáng)度發(fā)生的變化得到被測(cè)樣品的摻雜濃度。自由載流子吸收測(cè)量技術(shù)中載 流子吸收信號(hào)僅與載流子密度波場(chǎng)有關(guān)，檢測(cè)信號(hào)隨摻雜濃度單調(diào)變化。此外，自由載 流子吸收技術(shù)還可用于測(cè)量半導(dǎo)體材料電子輸運(yùn)特征參數(shù)，特別是測(cè)量擴(kuò)散系數(shù)時(shí)具有 較高靈敏度。光調(diào)制反射測(cè)量技術(shù)則是通過(guò)被測(cè)樣品對(duì)激勵(lì)光光能的吸收，導(dǎo)致探測(cè)光 反射系數(shù)的變化，探測(cè)變化的反射光強(qiáng)度可監(jiān)測(cè)摻雜半導(dǎo)體的摻雜濃度(參考W. Lee Smith, Allan Rosencwaig， and David L. Willenborg， " Ion implant monitoring with thermal wave technology", Appl. Phys. Lett. 47， 584-586 (1984))。光調(diào)制反射測(cè)量技術(shù)在測(cè)量摻雜濃度為中低劑量范圍時(shí)測(cè)量精度高，但光調(diào)制反射信號(hào)受半導(dǎo)體內(nèi) 溫度場(chǎng)和載流子密度波場(chǎng)的雙重影響，在高摻雜濃度時(shí)其信號(hào)振幅值和摻雜濃度關(guān)系是 非單調(diào)的。公開(kāi)號(hào)為US7248367的美國(guó)專(zhuān)利描述了通過(guò)光調(diào)制反射技術(shù)表征超淺結(jié)特性， 測(cè)量超淺結(jié)的結(jié)深及陡度。有時(shí)在應(yīng)用上需要同時(shí)用該兩種獨(dú)立的測(cè)量方法來(lái)測(cè)量半導(dǎo) 體材料的特性參數(shù)，若分別通過(guò)兩套獨(dú)立的測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量，很難保證測(cè)量是在同一個(gè) 位置上進(jìn)行，且增加設(shè)備的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種集成了自由載流子吸收技 術(shù)和光調(diào)制反射技術(shù)的半導(dǎo)體材料特性測(cè)量裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題， 能夠在同一測(cè)量裝置中同時(shí)獲取自由載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體 材料摻雜濃度，彌補(bǔ)光調(diào)制反射技術(shù)測(cè)量摻雜濃度非單調(diào)的缺點(diǎn)；在樣品同一點(diǎn)上用兩 種獨(dú)立的方法測(cè)量同一個(gè)參數(shù)，提高測(cè)量可信度及精度。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案本發(fā)明第一方面涉及一種基于雙探測(cè)光束的半導(dǎo)體材料特 性測(cè)量裝置，包括產(chǎn)生激勵(lì)光的激勵(lì)光源(1);產(chǎn)生光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光的探測(cè)光 源(2);產(chǎn)生自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光的探測(cè)光源(3);用于調(diào)制激發(fā)光強(qiáng)度的激 勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)(4);用于控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行及存儲(chǔ)、處理信號(hào)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)(5);用 于反射激勵(lì)光并使激勵(lì)光照射在樣品表面、并讓上述兩個(gè)探測(cè)光透射至樣品表面的第一 分光鏡(7);用于改變第一分光鏡(7)的位置以改變激勵(lì)光光束和兩個(gè)探測(cè)光光束在 樣品表面的間距的精密位移平臺(tái)(6);用于改變兩個(gè)探測(cè)光光路的第二分光鏡(8)、 第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10);固定樣品的樣品臺(tái)(11);用于探測(cè)自由載流 子吸收信號(hào)的探測(cè)器(12)及探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)的探測(cè)器(13);用于記錄信號(hào)的數(shù) 字存儲(chǔ)示波器或數(shù)據(jù)采集卡(14)、鎖相放大器(15);收集探測(cè)自由載流子吸收信號(hào) 探測(cè)光束的聚焦透鏡(16)、收集探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光束的聚焦透鏡(17);探 測(cè)光波長(zhǎng)窄帶的第一濾光鏡(18)和第二濾光鏡(19);其中激勵(lì)光源(1)產(chǎn)生的周 期性變化的激勵(lì)光經(jīng)第一分光鏡(7)反射到置于樣品臺(tái)(11)的樣品表面，樣品因吸 收激勵(lì)光的能量而在被照射處產(chǎn)生周期性變化的溫度場(chǎng)和載流子密度波場(chǎng)，導(dǎo)致樣品被 激勵(lì)光照射處反射率發(fā)生周期性變化；探測(cè)光源(2)產(chǎn)生的光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光分 別經(jīng)第四分光鏡(10)、第三分光鏡(9)、第一分光鏡(7)后照到樣品被激勵(lì)光照射 處或相鄰位置上，反射的光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光經(jīng)第一分光鏡(7)、第三分光鏡(9)、 第四分光鏡(10)后，再通過(guò)第二濾光鏡(19)濾光，聚焦透鏡(17)聚焦收集，并由 探測(cè)器(13)探測(cè)得到光調(diào)制反射信號(hào)；另外一方面，探測(cè)光源(3)產(chǎn)生的自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光分別經(jīng)第二分光鏡(8)、第三分光鏡(9)、第一分光鏡(7)后照
到樣品被激勵(lì)光照射處或相鄰位置上，自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光被樣品內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)剩
載流子吸收后從樣品后表面射出，經(jīng)第一濾光鏡(18)濾光，聚焦透鏡(16)聚焦收集，
并由探測(cè)器(12)探測(cè)得到自由載流子吸收信號(hào)；用于探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)的探測(cè)
器(12)及探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)的探測(cè)器(13)的信號(hào)輸出端口連接至鎖相放'犬器(15) 的信號(hào)輸入端口和數(shù)字存儲(chǔ)示波器或數(shù)據(jù)采集卡(14)的輸入端口，以記錄自由載流子 吸收信號(hào)的直流幅值、交流幅值以及光調(diào)制反射信號(hào)的直流幅值、交流幅值；激勵(lì)光調(diào) 制系統(tǒng)(4)的信號(hào)輸出端口連接至激勵(lì)光源(1)的調(diào)制輸入端口，使激勵(lì)光的強(qiáng)度被 周期性調(diào)制；激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)(4)的同步信號(hào)輸出端口連接至鎖相放大器(15)的參 考信號(hào)輸入端口，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集；計(jì)算機(jī)(5)通過(guò)通訊端口與數(shù)字存儲(chǔ)示波器或 數(shù)據(jù)采集卡(14)、鎖相放大器(15)、電控精密位移臺(tái)(6)、激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)(4) 連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)、處理。
所述的裝置中也可以使用兩臺(tái)鎖相放大器(15)分別記錄自由載流子吸收信號(hào)的直 流幅值、交流幅值以及光調(diào)制反射信號(hào)的直流幅值、交流幅值。
所述的激勵(lì)光源(1)采用連續(xù)半導(dǎo)體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激 光器作為光源；且所述激勵(lì)光源(1)產(chǎn)生的激勵(lì)光的光子能量大于被測(cè)半導(dǎo)體的本征 半導(dǎo)體禁帶寬度。
所述的激勵(lì)光源(1)產(chǎn)生的激勵(lì)光的強(qiáng)度須被激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)(4)周期性地調(diào)制， 產(chǎn)生調(diào)制激勵(lì)光；調(diào)制激勵(lì)光的強(qiáng)度可在調(diào)制系統(tǒng)(4)里通過(guò)調(diào)制半導(dǎo)體激光器的驅(qū) 動(dòng)電流或電壓，或采用聲光調(diào)制器、或電光調(diào)制器、或機(jī)械斬波器調(diào)制連續(xù)激光束來(lái)實(shí) 現(xiàn)。
所述的產(chǎn)生光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光的探測(cè)光源(2)和產(chǎn)生自由載流子吸收信號(hào)探測(cè) 光的探測(cè)光源(3)采用低功率的連續(xù)半導(dǎo)體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體 激光器作為光源，其中產(chǎn)生自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光的探測(cè)光源(3)光束的光子能 量小于被測(cè)半導(dǎo)體的本征半導(dǎo)體禁帶寬度。
所述的激勵(lì)光源(1)、自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光源(3)和光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè) 光源(2)出射的光束分別采用不同的透鏡聚焦或者采用同一消色散透鏡或顯微物鏡聚 焦到待測(cè)樣品表面或不聚焦；激勵(lì)光、自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光和光調(diào)制反射信號(hào)探' 測(cè)光可垂直入射或斜入射到樣品表面；自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光、光調(diào)制反射信號(hào)探 測(cè)光和激勵(lì)光在樣品表面重合或者相距在載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的范圍內(nèi)。
所述的用于探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)的探測(cè)器(12)和探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)的探測(cè)器(13)采用光電二極管探測(cè)器或光電倍增管探測(cè)器。
在所述的用于探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)的探測(cè)器(12)及探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)的探 測(cè)器(13)后、鎖相放大器(15)前加前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。
所述的第一分光鏡(7)、第二分光鏡(8)、第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10) 相對(duì)于入射光光線(xiàn)45度放置。
所述的第四分光鏡(10)采用半透半反式分光片，或采用偏振分光鏡；采用偏振分 光鏡時(shí)，需要在第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10)的光路之間加一塊對(duì)應(yīng)于光調(diào)制 反射信號(hào)探測(cè)光波長(zhǎng)的四分之一波片。
在第二方面中，提供一種利用上述裝置的基于雙探測(cè)光束的半導(dǎo)體材料特性測(cè)量方
法。該方法包括以下步驟
(1) 將自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光、光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光和強(qiáng)度周期調(diào)制的激 勵(lì)光同時(shí)照射到被測(cè)半導(dǎo)體樣品同一或相鄰位置處，樣品因吸收激勵(lì)光能量在被照射處
產(chǎn)生周期性變化的溫度場(chǎng)和載流子密度波場(chǎng)，使得被照射處反射率也發(fā)生周期性變化；
光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光經(jīng)樣品反射率周期性變化的表面反射回去而形成光調(diào)制反射信
號(hào)；透射的自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光因半導(dǎo)體材料內(nèi)自由載流子的吸收而形成自由載 流子吸收信號(hào)；通過(guò)鎖相放大器解調(diào)可同時(shí)測(cè)得兩種信號(hào)的交流幅值；通過(guò)數(shù)字存儲(chǔ)示 波器或數(shù)據(jù)采集卡可同時(shí)測(cè)得兩種信號(hào)的直流幅值；
(2) 改變激勵(lì)光的調(diào)制頻率，重復(fù)步驟.(1)得到激勵(lì)光光束和兩個(gè)探測(cè)光光束同 一間距時(shí)每一頻率所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，包括自由載流子吸收信號(hào)的直流幅值、交流幅值 以及光調(diào)制反射信號(hào)的直流幅值、交流幅值；
(3) 改變照射在樣品表面上的激勵(lì)光光束和兩個(gè)探測(cè)光光束的間距，重復(fù)步驟(1) 得到某一固定頻率不同激勵(lì)光和兩個(gè)探測(cè)光光束間距時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，包括自由載 流子吸收信號(hào)的直流幅值、交流幅值以及光調(diào)制反射信號(hào)的直流幅值、交流幅值；
(4) 處理步驟(2)和步驟(3)得到的測(cè)量數(shù)據(jù)，利用擬合處理后的數(shù)據(jù)或?qū)⑻?理后的數(shù)據(jù)與定標(biāo)樣品的信號(hào)數(shù)據(jù)比較，得到待測(cè)樣品的多個(gè)特性參數(shù)，具體過(guò)程如下
a. 在對(duì)某一半導(dǎo)體樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其自由載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)的 頻率掃描曲線(xiàn)或位置掃描曲線(xiàn)都是唯一的，不同特性參數(shù)、不同加工條件的樣品對(duì)應(yīng)不 同的信號(hào)曲線(xiàn)，這種性質(zhì)可用于材料特性參數(shù)的測(cè)量和加工工藝的監(jiān)控。將測(cè)量所得信 號(hào)與定標(biāo)樣品的信號(hào)數(shù)據(jù)比較，可得到摻雜濃度、缺陷濃度、電阻率等參數(shù)。
b. 自由載流子吸收信號(hào)與樣品內(nèi)產(chǎn)生的載流子場(chǎng)分布有關(guān)，不同的載流子輸運(yùn)參 數(shù)對(duì)應(yīng)不同的載流子場(chǎng)分布和不同的自由載流子吸收信號(hào)。通過(guò)對(duì)測(cè)量得到的自由載流
8子吸收信號(hào)頻率掃描曲線(xiàn)或位置掃描曲線(xiàn)與相關(guān)理論模型進(jìn)行擬合，可得到半導(dǎo)體材料 的電子輸運(yùn)特征參數(shù)，包括少數(shù)載流子壽命、擴(kuò)散系數(shù)、前后表面復(fù)合速度。其中位置 掃描結(jié)果直接反映載流子在半導(dǎo)體材料內(nèi)的三維擴(kuò)散情況，其測(cè)量載流子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)相 比其它測(cè)量方式具有更高的精確度。
C.光調(diào)制反射信號(hào)除了和樣品內(nèi)產(chǎn)生的載流子場(chǎng)有關(guān)外，還和熱波場(chǎng)有關(guān)，則通 過(guò)對(duì)光調(diào)制反射信號(hào)的頻率掃描曲線(xiàn)或位置掃描曲線(xiàn)與相關(guān)理論模型進(jìn)行擬合，除可得 到載流子輸運(yùn)參數(shù)外，還可得到樣品的熱學(xué)參數(shù)，如熱擴(kuò)散系數(shù)等。但此時(shí)需要擬合的 參數(shù)多，精度下降；可將b得到的載流子輸運(yùn)參數(shù)作為己知量應(yīng)用于光調(diào)制反射信號(hào)處 理中，擬合得到熱學(xué)參數(shù)。
d. 樣品在不同的退火條件下退火，其缺陷得以修復(fù)的程度不同。本發(fā)明中的自由 載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)對(duì)缺陷的濃度很敏感，因而本發(fā)明可用于監(jiān)控樣品的 退火程度?？赏ㄟ^(guò)測(cè)量待測(cè)樣品的自由載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)來(lái)表征退火程 度。
e. 將本發(fā)明應(yīng)用于超淺結(jié)特性的檢測(cè)。本發(fā)明除了可利用所述的a、 b、 c、 d方案 測(cè)量淺結(jié)或超淺結(jié)材料的摻雜濃度、缺陷濃度、電阻率等參數(shù)外，還可測(cè)量淺結(jié)或超淺 結(jié)很重要的兩個(gè)參數(shù)結(jié)深和陡度。光調(diào)制反射信號(hào)對(duì)樣品表面及亞表面狀態(tài)比較敏感， 則光調(diào)制反射技術(shù)適用于淺結(jié)或超淺結(jié)特性參數(shù)的表征。在本發(fā)明所述裝置中的鎖相放 大器(15)有四個(gè)輸出方式，即對(duì)同一個(gè)信號(hào)可輸出其同相分量/、正交分量g、振幅 爿m; /"wcfe和相位P/zose ，它們之間的關(guān)系滿(mǎn)足Jm; towde =々2 + Q2 ， 戶(hù)/ ose-arctan(g//)。光調(diào)制反射信號(hào)的振幅對(duì)樣品缺陷比較敏感，若樣品退火后大 部分缺陷得以修復(fù)，用振幅信號(hào)測(cè)量靈敏度下降。而對(duì)載流子密度波敏感的g分量對(duì)退 火后及不同結(jié)深的樣品靈敏度高，故用^分量表征不同離子注入能量的樣品的結(jié)深。具 體為測(cè)量某一樣品的光調(diào)制反射信號(hào)G分量值，再與定標(biāo)樣品的相應(yīng)數(shù)據(jù)比較即可得到 樣品的結(jié)深。此外，用光調(diào)制反射信號(hào)的/和g分量表征摻入雜質(zhì)濃度分布的陡度。分 別測(cè)量激勵(lì)光和光調(diào)制反射探測(cè)光光束在樣品上相距為零和某一定距離時(shí)光調(diào)制反射 信號(hào)的/和^分量值，將所測(cè)得值標(biāo)在/-^坐標(biāo)圖兩點(diǎn)上，可利用通過(guò)該兩點(diǎn)直線(xiàn)的斜 率來(lái)表征樣品雜質(zhì)濃度分布的陡度，因?yàn)椴煌亩付葘?duì)應(yīng)不同的斜率。具體為將測(cè)量得 到的斜率與定標(biāo)樣品信號(hào)相應(yīng)數(shù)據(jù)比較，即可得到樣品摻雜濃度分布的陡度。
本發(fā)明提供的集成了自由載流子吸收技術(shù)和光調(diào)制反射技術(shù)的半導(dǎo)體材料特性測(cè) 量裝置及方法具有以下的優(yōu)點(diǎn)
(1)本發(fā)明在同一套測(cè)量裝置中集成了自由載流子吸收技術(shù)和光調(diào)制反射技術(shù)來(lái)測(cè)量樣品的摻雜濃度，補(bǔ)償光調(diào)制反射技術(shù)在測(cè)量較低和較高摻雜濃度范圍時(shí)測(cè)量精度 不高的缺點(diǎn)。
(2) 本發(fā)明在同一套測(cè)量裝置中同時(shí)獲取原理不同、互不干擾的自由載流子吸收 信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)在樣品同一位置上對(duì)同一 (或同一組)參數(shù)(如摻雜濃度、電阻 率等)進(jìn)行測(cè)量可提高測(cè)量的可信度及精度。
(3) 本發(fā)明在同一套測(cè)量裝置中集成自由載流子吸收技術(shù)和光調(diào)制反射技術(shù)較單 一技術(shù)可獲取更多精確的半導(dǎo)體材料特性參數(shù)。
(4) 本發(fā)明在同一套測(cè)量系統(tǒng)對(duì)樣品迸行頻率掃描或位置掃描獲取頻率或空間域 的自由載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)。對(duì)不同的待測(cè)參數(shù)，可選擇最佳的掃描方式 或組合來(lái)獲取信號(hào)對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析，提高了測(cè)量精度。


圖1為本發(fā)明測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)詳圖1和圖2中激勵(lì)光源l、探測(cè)光源2、探測(cè)光源3、激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)4、計(jì)算機(jī) 5、電控精密位移臺(tái)6、第一分光鏡7，第二分光鏡8，第三分光鏡9，第四分光鏡IO、 樣品架ll、探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)的探測(cè)器12、探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)的探測(cè)器13、 數(shù)字存儲(chǔ)示波器或數(shù)據(jù)采集卡14、鎖相放大器15、聚焦透鏡16，聚焦透鏡17、第一濾 光鏡18，第二濾_光鏡19、聚焦透鏡20，聚焦透鏡21，聚焦透鏡22、前置放大器23。
圖3為本發(fā)明中自由載流子吸收信號(hào)與摻雜劑量的關(guān)系圖；其中信號(hào)發(fā)生器調(diào)制頻 率為lOKHz，激勵(lì)光光束和兩個(gè)探測(cè)光光束間距為零；橫坐標(biāo)為摻雜劑量范圍，縱坐標(biāo) 為自由載流子吸收信號(hào)的一次諧波振幅值和直流幅值的比值；
圖4為本發(fā)明中光調(diào)制反射信號(hào)與摻雜劑量的關(guān)系圖；其中信號(hào)發(fā)生器調(diào)制頻率為 lOKHz，激勵(lì)光光束和兩個(gè)探測(cè)光光束間距為零；橫坐標(biāo)為摻雜劑量范圍，縱坐標(biāo)為光 調(diào)制反射信號(hào)的一次諧波振幅值和直流幅值的比值；
圖5為本發(fā)明中測(cè)得樣品的自由載流子吸收信號(hào)在不同頻率下的位置掃描曲線(xiàn)的 測(cè)量結(jié)果和理論擬合結(jié)果，圖5a為振幅曲線(xiàn)，圖5b為相位曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
通過(guò)下面的詳細(xì)描述能夠更加徹底地理解本發(fā)明的實(shí)施方案，下面的描述應(yīng)當(dāng)結(jié)合 附圖進(jìn)行閱讀。但是，應(yīng)注意的是具體實(shí)施例只給出了部分半導(dǎo)體材料特性參數(shù)的測(cè)量 描述，但本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可進(jìn) 行各種變化。首先介紹本發(fā)明提供的一種基于雙探測(cè)光束的半導(dǎo)體材料特性測(cè)量裝置，裝置如附 圖1所示，包括產(chǎn)生激勵(lì)光的激勵(lì)光源1;產(chǎn)生光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光的探測(cè)光源2; 產(chǎn)生自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光的探測(cè)光源3;用于調(diào)制激發(fā)光強(qiáng)度的激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng) 4;用于控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行及存儲(chǔ)、處理信號(hào)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)5;用于反射激勵(lì)光并將激勵(lì) 光照射在樣品表面、并讓上述兩個(gè)探測(cè)光透射至樣品表面的第一分光鏡7;用于改變第 一分光鏡7的位置以改變激勵(lì)光光束和兩個(gè)探測(cè)光光束在樣品表面的間距的電控精密位 移平臺(tái)6;用于改變兩個(gè)探測(cè)光光路的第二分光鏡8、第三分光鏡9、第四分光鏡10;
固定樣品的樣品架(或樣品臺(tái))11;探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)的探測(cè)器12及探測(cè)光調(diào)
制反射信號(hào)的探測(cè)器13;記錄信號(hào)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器或數(shù)據(jù)采集卡14和鎖相放大器15;
收集探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光束的聚焦透鏡16、收集探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光 束的聚焦透鏡17;第一濾光鏡18、第二濾光鏡19。裝置中第四分光鏡IO可采用半透半 反式分光片，或采用偏振分光鏡；采用偏振分光鏡時(shí)，需要在第三分光鏡9和第四分光 鏡10的光路之間加一塊對(duì)應(yīng)于光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光波長(zhǎng)的四分之一波片來(lái)增加光調(diào) 制反射信號(hào)的強(qiáng)度和信噪比。激勵(lì)光源l、探測(cè)光源2和探測(cè)光源3出射的光束分別采 用不同的透鏡聚焦或者采用同一消色散透鏡或顯微物鏡聚焦到待測(cè)樣品表面或不聚焦； 激勵(lì)光、自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光和光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光可垂直入射或斜入射到樣 品表面。可在探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)的探測(cè)器12及探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)的探測(cè)器13 后、鎖相放大器15前加前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大.。裝置中也可以使用兩臺(tái)鎖相放大 器分別記錄自由載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)的交流幅值。
其中激勵(lì)光源1產(chǎn)生的周期性變化的激勵(lì)光經(jīng)第一分光鏡7反射到置于樣品臺(tái)11 的樣品表面，樣品因吸收激勵(lì)光的能量而在被照射處產(chǎn)生周期性變化的溫度場(chǎng)和載流子 密度波場(chǎng)，導(dǎo)致樣品被激勵(lì)光照射處反射率發(fā)生周期性變化；探測(cè)光源2產(chǎn)生的光調(diào)制 反射信號(hào)探測(cè)光分別經(jīng)第西分光鏡IO、第三分光鏡9、第一分光鏡7后照到樣品被激勵(lì) 光照射處或相鄰位置上，反射的光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光經(jīng)第一分光鏡7、第三分光鏡9、 第四分光鏡10后，再通過(guò)第二濾光鏡19濾光，聚焦透鏡17聚焦收集，并由探測(cè)器13 探測(cè)得到光調(diào)制反射信號(hào)；另外一方面，探測(cè)光源3產(chǎn)生的自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光 分別經(jīng)第二分光鏡8、第三分光鏡9、第一分光鏡7后照到樣品被激勵(lì)光照射處或相鄰 位置上，自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光被樣品內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)剩載流子吸收后從樣品后表面射 出，經(jīng)第一濾光鏡18濾光，聚焦透鏡16聚焦收集，并由探測(cè)器12探測(cè)得到自由載流 子吸收信號(hào)；探測(cè)器12和探測(cè)器13的信號(hào)輸出端口連接至鎖相放大器15的信號(hào)輸入 端口和數(shù)字存儲(chǔ)示波器(或數(shù)據(jù)采集卡)14的輸入端口，以記錄自由載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)的交流幅值和直流幅值；激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)4的信號(hào)輸出端口連接至激勵(lì) 光源l的調(diào)制輸入端口，使激勵(lì)光的強(qiáng)度被周期性調(diào)制；激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)4的同步信號(hào) 輸出端口連接至鎖相放大器15的參考信號(hào)輸入端口，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集；計(jì)算機(jī)5通 過(guò)通訊端口與數(shù)字存儲(chǔ)示波器(或數(shù)據(jù)采集卡)14、鎖相放大器15、電控精密位移臺(tái)6、 激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)4連接，并利用相關(guān)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)、處 理。
下面詳細(xì)介紹本發(fā)明具體實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)裝置，裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中激勵(lì)光源l 采用波長(zhǎng)為785mn(該激勵(lì)光產(chǎn)生的光子能量為1. 58eV，大于硅的本征禁帶寬度1. 1 eV) 的半導(dǎo)體激光器，其最大輸出功率為95nm;激發(fā)光調(diào)制系統(tǒng)4的功能由函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 實(shí)現(xiàn)，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器4產(chǎn)生的周期性方波信號(hào)(或其它波形的周期信號(hào))直接調(diào)制激 光器的驅(qū)動(dòng)電壓使激勵(lì)光源l輸出強(qiáng)度周期性調(diào)制的激勵(lì)光(激勵(lì)光強(qiáng)度的周期性調(diào)制 也可通過(guò)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的周期性信號(hào)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器或機(jī)械斬波器 調(diào)制連續(xù)的激勵(lì)光來(lái)實(shí)現(xiàn))；探測(cè)光源2和探測(cè)光源3采用連續(xù)的氣體激光器和半導(dǎo)體 激光器，其波長(zhǎng)分別為632.8nm、 1310nm，其最大輸出功率分別為15，、 5mw;實(shí)驗(yàn)中 第一分光鏡7、第二分光鏡8、第三分光鏡9、第四分光鏡10相對(duì)入射光線(xiàn)45度放置； 第一分光鏡7對(duì)785nm的光反射率為85%，對(duì)1310nm和632. 8nm的光透射率分別為70% 和80%;第三分光鏡9對(duì)1310nm的光透射率為85%,對(duì)632. 8nm的光反射率為80%;聚 焦透鏡20使激勵(lì)光光束聚焦到樣品表面上(也可不聚焦)；聚焦透鏡21和聚焦透鏡22
分別使光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光和自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光光束聚焦到樣品表面上(也 可不聚焦)；自由載流子吸收信號(hào)被短焦距透鏡16聚焦收集并由探測(cè)器12探測(cè)，該探
測(cè)器為InGaAs光電二極管探測(cè)器，探測(cè)波長(zhǎng)范圍為800-1700nm;光調(diào)制反射信號(hào)被短 焦透鏡17聚焦收集并由探測(cè)器13探測(cè)，該探測(cè)器為Si光電二極管探測(cè)器，探測(cè)波長(zhǎng) 范圍為200nm-llOOnm;前置放大器23可隔直流而只放大光調(diào)制反射信號(hào)的交流幅值(若 自由載流子吸收信號(hào)也很小的情況下，可在探測(cè)器12和探測(cè)器13后、鎖相放大器15 前加入前置放大器23對(duì)兩個(gè)信號(hào)都進(jìn)行放大)；鎖相放大器15最大探測(cè)頻率為2MHz， 本具體實(shí)施例中僅采用一臺(tái)鎖相放大器來(lái)記錄自由載流子吸收信號(hào)及光調(diào)制反射信號(hào) 的交流幅值(也可使用兩臺(tái)分別記錄)；第一濾光鏡18為高通濾光鏡，對(duì)波長(zhǎng) lOOOnm-1250nm的光波透過(guò)率小于0. 1%,對(duì)1310nm的光透過(guò)率為76%，置于探測(cè)器12之 前；第二濾光鏡19為低通濾光鏡，對(duì)波長(zhǎng)780nm-1310nm的光透過(guò)率小于0. 1%，對(duì)632. 8rnn 的光透過(guò)率為50%，置于探測(cè)器13之前。
下面介紹基于具體實(shí)施例所述測(cè)量裝置的半導(dǎo)體材料特性測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)步驟，同時(shí)為本發(fā)明裝置的使用方法。本發(fā)明的測(cè)量裝置產(chǎn)生自由載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射 信號(hào)將自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光、光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光和強(qiáng)度周期調(diào)制的激勵(lì)光 同時(shí)垂直照射到被測(cè)樣品同一個(gè)或相鄰位置處(相距在載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的范圍內(nèi))，樣 品因吸收激勵(lì)光能量在被照射處產(chǎn)生周期性變化的溫度場(chǎng)和載流子密度波場(chǎng)，使得被照 射處反射率也發(fā)生廚期性變化；光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光經(jīng)樣品反射率周期性變化的表面 反射回去而形成光調(diào)制反射信號(hào)，并被探測(cè)器13探測(cè)；透射的自由載流子吸收信號(hào)探 測(cè)光因半導(dǎo)體材料內(nèi)自由載流子的吸收而形成自由載流子吸收信號(hào)，并被探測(cè)器12探 觀(guān)!l;通過(guò)鎖相放大器15解調(diào)可同時(shí)測(cè)得兩種信號(hào)的交流幅值；通過(guò)數(shù)字存儲(chǔ)示波器(或 數(shù)據(jù)采集卡)14可同時(shí)測(cè)得兩種信號(hào)的直流幅值。其中這里實(shí)驗(yàn)中選取的樣品為硅片， 其參數(shù)下文中將提到。 測(cè)量步驟
1. 將被測(cè)樣品固定在樣品架上，依次打開(kāi)信號(hào)發(fā)生器4、激光器1、 2和3、光電
探測(cè)器12和13、前置放大器23、示波器14、鎖相放大器15、及計(jì)算機(jī)5。
2. 組合調(diào)節(jié)聚焦透鏡17、第四分光鏡10及探測(cè)器13的位置，使得探測(cè)器13輸出 的光調(diào)制反射信號(hào)的振幅值達(dá)到最大，此時(shí)激勵(lì)光和光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光聚焦在樣品 同一點(diǎn)。
3. 組合調(diào)節(jié)聚焦透鏡18、第二分光鏡8及探測(cè)器12的位置，使得探測(cè)器12輸出 的自由載流子吸收信號(hào)的振幅值達(dá)到最大，此對(duì)激勵(lì)光和自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光聚 焦在樣品同一點(diǎn)。
4. 固定激勵(lì)光和兩個(gè)探測(cè)光在樣品上間距為零或通過(guò)電控精密位移臺(tái)的移動(dòng)后固 定為某一間距Ad，通過(guò)激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)多次改變激勵(lì)光的調(diào)制頻率，得到Ad不變時(shí)每 一頻率所對(duì)應(yīng)的自由載流子吸收信號(hào)S^和光調(diào)制反射信號(hào)S^,。
5. 多次改變iW，重復(fù)步驟4，得到不同間距不同調(diào)制頻率下的自由載流子吸收信 號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)。
下面介紹一下本發(fā)明的測(cè)量結(jié)果 (l)對(duì)參數(shù)為P型，晶向〈100〉，電阻率15-25Q.c附，厚度550/i附，前表面拋光， 表面自然氧化，表面注入P離子摻雜，注入能量為100KeV，摻雜劑量范圍為lxl(^/cm2 ——lxl0"/cm2的硅片樣品進(jìn)行測(cè)試；分別得到如圖2和圖3所示的結(jié)果。
(2)對(duì)參數(shù)為P型，晶向〈100〉，電阻率8-12Q乂m，厚度550/z;n，前表面拋光， 表面自然氧化的一個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)量。此時(shí)得到不同頻率/不同間距Ad下的自由載流子 吸收信號(hào)&^，信號(hào)為/、 Ad及待測(cè)參數(shù)的函數(shù)(在此為載流子輸運(yùn)參數(shù)即載流子壽命、擴(kuò)散系數(shù)、前表面復(fù)合速度)。在測(cè)量中/和Ad為已知，可根據(jù)信號(hào)的相關(guān)理論公式[相 關(guān)公式詳見(jiàn)張希仁，李斌成，劉顯明. 〃源劍房磁載流f級(jí)欲資/量豐導(dǎo)沐載蔬f薪運(yùn)參教 游三/,潘訟物理學(xué)報(bào)，57(11), 7310 (2008)]，對(duì)測(cè)量得到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合， 得到待測(cè)參數(shù)(在此得到擴(kuò)散系數(shù)#=15. lcm7s、載流子壽命r=31.8u s和前表面復(fù)合 速度s產(chǎn)3.51X103cni/s)。圖4給出了實(shí)驗(yàn)信號(hào)數(shù)據(jù)以及用擬合參數(shù)計(jì)算的理論信號(hào)數(shù) 據(jù)圖，圖中點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)線(xiàn)為擬合結(jié)果。
本發(fā)明具體實(shí)施例中所采用的鎖相放大器可輸出信號(hào)的振幅^(附; /// ^及相位 戶(hù)/zose外，還可輸出信號(hào)的同相分量/、正交分量^，它們之間的關(guān)系滿(mǎn)足 ^一Y油-^/2 + g2 ，尸/^^-arctan(g//)。若要實(shí)現(xiàn)本發(fā)明公開(kāi)的利用光調(diào)制反
射技術(shù)測(cè)量超淺結(jié)的結(jié)深和陡度時(shí)，可采取如下技術(shù)方案固定激勵(lì)光和兩個(gè)探測(cè)光在 樣品上間距Ad為零，改變調(diào)制頻率/，測(cè)量ZW為零時(shí)不同頻率下光調(diào)制反射信號(hào)的/和 g分量值；固定激勵(lì)光和兩個(gè)探測(cè)光在樣品上間距Ad為某一距離(該距離小于載流子 的擴(kuò)散長(zhǎng)度)，改變調(diào)制頻率/，測(cè)量Ad為某一距離時(shí)不同頻率下光調(diào)制反射信號(hào)的/ 和g分量值；選取樣品在/和Ad最佳組合下的g分量值，將該值與定標(biāo)樣品相應(yīng)的信 號(hào)數(shù)據(jù)比較即可得到樣品的結(jié)深。在某個(gè)調(diào)制頻率下，分別記錄在A(yíng)d為零和另外一個(gè) 值時(shí)的/和g分量值，并將所測(cè)得值標(biāo)在/-^坐標(biāo)圖兩點(diǎn)上，可利用通過(guò)該兩點(diǎn)直線(xiàn)的 斜率來(lái)表征樣品雜質(zhì)濃度分布的陡度，因?yàn)椴煌亩付葘?duì)應(yīng)不同的斜率。具體為將測(cè)量
得到的斜率與定標(biāo)樣品信號(hào)相應(yīng)數(shù)據(jù)比較，即可得到樣品摻雜濃度分布的陡度。
在此具體實(shí)施例中只給出載流子輸運(yùn)參數(shù)及摻雜濃度的測(cè)量結(jié)果、測(cè)量超淺結(jié)結(jié)深
和陡度的技術(shù)方案；但對(duì)于本發(fā)明能測(cè)量的其他待測(cè)參數(shù)，可參考上述實(shí)施例的操作方 法。有一點(diǎn)需要指出的是對(duì)不同的待測(cè)參數(shù)，可選擇最佳的掃描方式或組合來(lái)獲取信號(hào) 對(duì)參數(shù)進(jìn)行分析，提高測(cè)量精度。
本發(fā)明提供的集成了自由.載流子吸收技術(shù)和光調(diào)制反射技術(shù)的半導(dǎo)體材料特性測(cè) 量裝置及方法適用于但不限于半導(dǎo)體外延摻雜、離子注入、熱處理以及污染金屬含量的 監(jiān)測(cè)。
盡管這里僅具體說(shuō)明和描述了較佳實(shí)施例，可以理解，但在本發(fā)明的啟示下可對(duì)本 發(fā)明進(jìn)行多種修改和變形，且在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，其均在本發(fā)明所 附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于雙探測(cè)光束的半導(dǎo)體材料特性測(cè)量裝置，其特征在于包括產(chǎn)生激勵(lì)光的激勵(lì)光源(1)；產(chǎn)生光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光的探測(cè)光源(2)；產(chǎn)生自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光的探測(cè)光源(3)；用于調(diào)制激發(fā)光強(qiáng)度的激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)(4)；用于控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行及存儲(chǔ)、處理信號(hào)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)(5)；用于反射激勵(lì)光并使激勵(lì)光照射在樣品表面、并讓上述兩個(gè)探測(cè)光透射至樣品表面的第一分光鏡(7)；用于改變第一分光鏡(7)的位置以改變激勵(lì)光光束和兩個(gè)探測(cè)光光束在樣品表面的間距的精密位移平臺(tái)(6)；用于改變兩個(gè)探測(cè)光光路的第二分光鏡(8)、第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10)；固定樣品的樣品臺(tái)(11)；用于探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)的探測(cè)器(12)及探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)的探測(cè)器(13)；用于記錄信號(hào)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器或數(shù)據(jù)采集卡(14)、鎖相放大器(15)；收集探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光束的聚焦透鏡(16)、收集探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光束的聚焦透鏡(17)；探測(cè)光波長(zhǎng)窄帶的第一濾光鏡(18)和第二濾光鏡(19)；其中激勵(lì)光源(1)產(chǎn)生的周期性變化的激勵(lì)光經(jīng)第一分光鏡(7)反射到置于樣品臺(tái)(11)的樣品表面，樣品因吸收激勵(lì)光的能量而在被照射處產(chǎn)生周期性變化的溫度場(chǎng)和載流子密度波場(chǎng)，導(dǎo)致樣品被激勵(lì)光照射處反射率發(fā)生周期性變化；探測(cè)光源(2)產(chǎn)生的光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光分別經(jīng)第四分光鏡(10)、第三分光鏡(9)、第一分光鏡(7)后照到樣品被激勵(lì)光照射處或相鄰位置上，反射的光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光經(jīng)第一分光鏡(7)、第三分光鏡(9)、第四分光鏡(10)后，再通過(guò)第二濾光鏡(19)濾光，聚焦透鏡(17)聚焦收集，并由探測(cè)器(13)探測(cè)得到光調(diào)制反射信號(hào)；另外一方面，探測(cè)光源(3)產(chǎn)生的自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光分別經(jīng)第二分光鏡(8)、第三分光鏡(9)、第一分光鏡(7)后照到樣品被激勵(lì)光照射處或相鄰位置上，自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光被樣品內(nèi)產(chǎn)生的過(guò)剩載流子吸收后從樣品后表面射出，經(jīng)第一濾光鏡(18)濾光，聚焦透鏡(16)聚焦收集，并由探測(cè)器(12)探測(cè)得到自由載流子吸收信號(hào)；用于探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)的探測(cè)器(12)及探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)的探測(cè)器(13)的信號(hào)輸出端口連接至鎖相放大器(15)的信號(hào)輸入端口和數(shù)字存儲(chǔ)示波器或數(shù)據(jù)采集卡(14)的輸入端口，以記錄自由載流子吸收信號(hào)的直流幅值、交流幅值以及光調(diào)制反射信號(hào)的直流幅值、交流幅值；激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)(4)的信號(hào)輸出端口連接至激勵(lì)光源(1)的調(diào)制輸入端口，使激勵(lì)光的強(qiáng)度被周期性調(diào)制；激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)(4)的同步信號(hào)輸出端口連接至鎖相放大器(15)的參考信號(hào)輸入端口，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集；計(jì)算機(jī)(5)通過(guò)通訊端口與數(shù)字存儲(chǔ)示波器或數(shù)據(jù)采集卡(14)、鎖相放大器(15)、電控精密位移臺(tái)(6)、激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)(4)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)、處理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體材料特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的裝置中也可以使用兩臺(tái)鎖相放大器(15)分別記錄自由載流子吸收信號(hào)的直流幅值、交流幅 值以及光調(diào)制反射信號(hào)的直流幅值、交流幅值。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體材料特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的激勵(lì)光源(1)采用連續(xù)半導(dǎo)體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激光器作為光 源；且所述激勵(lì)光源(1)產(chǎn)生的激勵(lì)光的光子能量大于被測(cè)半導(dǎo)體的本征半導(dǎo)體禁帶寬度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體材料特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的 激勵(lì)光源(1)產(chǎn)生的激勵(lì)光的強(qiáng)度須被激勵(lì)光調(diào)制系統(tǒng)(4)周期性地調(diào)制，產(chǎn)生調(diào)制 激勵(lì)光；調(diào)制激勵(lì)光的強(qiáng)度可在調(diào)制系統(tǒng)(4)里通過(guò)調(diào)制半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流或 電壓，或采用聲光調(diào)制器、或電光調(diào)制器、或機(jī)械斬波器調(diào)制連續(xù)激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體材料特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的 產(chǎn)生光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光的探測(cè)光源(2)和產(chǎn)生自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光的探測(cè) 光源(3)采用低功率的連續(xù)半導(dǎo)體激光器或二極管泵浦的固體激光器或氣體激光器作 為光源，其中產(chǎn)生自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光的探測(cè)光源(3)光束的光子能量小于被 測(cè)半導(dǎo)體的本征^^導(dǎo)體禁帶寬度。
6、 根據(jù)權(quán)利要求或2所述的半導(dǎo)體材料特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的激 勵(lì)光源(1)、自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光源(3)和光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光源(2)出 射的光束分別采用不同的透鏡聚焦或者采用同一消色散透鏡或顯微物鏡聚焦到待測(cè)樣 品表面或不聚焦；激勵(lì)光、自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光和光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光可垂直 入射或斜入射到樣品表面；自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光、光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光和激勵(lì) 光在樣品表面重合或者相距在載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的范圍內(nèi)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體材料特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的 用于探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)的探測(cè)器(12)和探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)的探測(cè)器(13)采 用光電二極管探測(cè)器或光電倍增管探測(cè)器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體材料特性的測(cè)量裝置，其特征在于在所述 的用于探測(cè)自由載流子吸收信號(hào)的探測(cè)器(12)及探測(cè)光調(diào)制反射信號(hào)的探測(cè)器(13) 后、鎖相放大器(15)前加前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體材料特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的第一分光鏡(7)、第二分光鏡(8)、第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10)相對(duì)于入 射光光線(xiàn)45度放置。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體材料特性的測(cè)量裝置，其特征在于所述的第 四分光鏡(10)采用半透半反式分光片，或采用偏振分光鏡；采用偏振分光鏡時(shí)，需要 在第三分光鏡(9)和第四分光鏡(10)的光路之間加一塊對(duì)應(yīng)于光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè) 光波長(zhǎng)的四分之一波片。
11、 一種基于雙探測(cè)光束的半導(dǎo)體材料特性測(cè)量方法，其特征在于步驟如下(1) 將自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光、光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光和強(qiáng)度周期調(diào)制的激 勵(lì)光同時(shí)照射到被測(cè)半導(dǎo)體樣品同一或相鄰位置處，樣品因吸收激勵(lì)光能量在被照射處產(chǎn)生周期性變化的溫度場(chǎng)和載流子密度波場(chǎng)，使得被照射處反射率也發(fā)生周期性變化； 光調(diào)制反射信號(hào)探測(cè)光經(jīng)樣品反射率周期性變化的表面反射回去而形成光調(diào)制反射信 號(hào)；透射的自由載流子吸收信號(hào)探測(cè)光因半導(dǎo)體材料內(nèi)自由載流子的吸收而形成自由載 流子吸收信號(hào)；通過(guò)鎖相放大器解調(diào)可同時(shí)測(cè)得兩種信號(hào)的交流幅值；通過(guò)數(shù)字存儲(chǔ)示 波器或數(shù)據(jù)采集卡可同時(shí)測(cè)得兩種信號(hào)的直流幅值；(2) 改變激勵(lì)光的調(diào)制頻率，重復(fù)步驟(1)得到激勵(lì)光光束和兩個(gè)探測(cè)光光束同 一間距時(shí)每一頻率所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，包括自由載流子吸收信號(hào)的直流幅值、交流幅值 以及光調(diào)制反射信號(hào)的直流幅值、交流幅值；(3) 改變照射在樣品表面上的激勵(lì)光光束和兩個(gè)探測(cè)光光束的間距，重復(fù)步驟(1) 得到某一固定頻率不同激勵(lì)光和兩個(gè)探測(cè)光光束間距時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，包括自由載 流子吸收信號(hào)的直流幅值、交流幅值以及光調(diào)制反射信號(hào)的直流幅值、交流幅值；(4)處理步驟(2)和步驟(3)得到的測(cè)量數(shù)據(jù)；利用擬合處理后的數(shù)據(jù)或?qū)⑻?理后的數(shù)據(jù)與定標(biāo)樣品的信號(hào)數(shù)據(jù)比較，得到待測(cè)樣品的多個(gè)特性參數(shù)，裝置中也可以 使用兩臺(tái)鎖相放大器分別記錄自由載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)的交流幅值。
全文摘要
一種基于雙探測(cè)光束的半導(dǎo)體材料特性測(cè)量裝置及方法，用于測(cè)量半導(dǎo)體材料特征參數(shù)和監(jiān)控?fù)诫s等工藝過(guò)程?；诎雽?dǎo)體材料對(duì)強(qiáng)度周期性調(diào)制的激勵(lì)光的吸收，在同一套測(cè)試系統(tǒng)中同時(shí)獲得自由載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)；通過(guò)改變激勵(lì)光的調(diào)制頻率，得到頻域的自由載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)；通過(guò)改變激勵(lì)光和探測(cè)光之間的間距，得到空間域的自由載流子吸收信號(hào)和光調(diào)制反射信號(hào)；通過(guò)分析處理所得信號(hào)或通過(guò)與定標(biāo)樣品的信號(hào)數(shù)據(jù)比較，可得到半導(dǎo)體材料的特征參數(shù)及摻雜濃度等工藝參數(shù)。本發(fā)明彌補(bǔ)單一技術(shù)存在的缺點(diǎn)及提高測(cè)量精度；在一個(gè)裝置中同時(shí)獲取兩種信號(hào)，較單一技術(shù)獲得半導(dǎo)體材料更多的重要參數(shù)。
文檔編號(hào)G01N21/17GK101551324SQ20091008356
公開(kāi)日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者劉顯明, 李斌成, 韓艷玲, 黃秋萍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所