KR-20260061265-A - 자외선 4파 혼합 이미징을 이용한 광대역 갭 반도체의 결함 특성 분석

Abstract

광학 현미경은 550 nm보다 작은 파장을 가지는 일관성 레이저 광선을 방출하는 광원; 광학 시스템; 및 전자 모듈을 포함한다. 이 현미경은 레이저 광선의 두 복사본을 생성하고, 첫 번째 복사본의 위상 또는 진폭을 두 번째 복사본에 대해 조절한 후, 첫 번째 복사본과 두 번째 복사본을 재결합하여 여기 빔을 형성한다. 이 현미경은 여기 빔을 물질의 위치에 집중시키고, 광 감지기로부터 물질에서 응답 빔을 측정한다. 응답 빔은 물질로부터의 투과광 및 반사광을 포함한다. 이 현미경은 응답 빔으로부터 물질의 특성을 나타내는 비선형 광학 응답을 나타내는 응답 신호를 추출한다. 광 감지기는 반도체 포토다이오드이다. 반도체 포토다이오드의 유형은 레이저 광선의 광자 에너지를 기준으로 선택된다.

Inventors

• 마틴, 에릭
• 퍼즈, 토르벤

Assignees

• 몬스트 센스 테크놀로지스, 엘엘씨

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20240905

Priority Date

20230908

Claims (20)

1. 550nm 미만의 파장을 가지는 일관성 레이저 광선을 방출하는 광원; 광학 시스템; 및 전자 모듈; 를 포함하는 광학 현미경에 있어서, 상기 광학 현미경은 다음을 구성하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 한다: 일관성 레이저 광선의 두 복사본을 생성하며, 이 두 복사본은 제1 복사본과 제2 복사본을 포함하고; 제1 복사본의 위상 또는 진폭을 제2 복사본에 대해 변조하고; 변조된 제1 복사본을 제2 복사본과 다시 결합하여 여기 빔을 형성하며; 여기 빔을 관심 재료의 레이저 스폿 위치에 집중시키고; 관심 재료로부터 응답 빛을 측정하고, 상기 응답 빛은 관심 재료로부터 전달된 빛을 포함하며 추가로 관심 재료로부터 반사된 빛을 포함할 수 있으며; 전자 모듈에 의해 응답 빛에서 비선형 광학 응답을 나타내는 응답 신호를 추출하며, 상기 비선형 광학 응답은 관심 재료의 특성을 나타내고; 광학 검출기는 반도체 포토다이오드이며; 상기 반도체 포토다이오드의 종류는 일관성 레이저 광선의 광자 에너지를 기반으로 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 검출기는 밴드갭이 1.12eV보다 큰 반도체를 포함하는 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 검출기는 일관성 레이저 광선의 광자 에너지의 1/2배보다 큰 밴드갭을 갖는 반도체를 포함하는 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 검출기는 화합물 반도체를 포함하는 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 검출기는 인화갈륨을 포함하는 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 일관성 레이저 광선의 파장은 관심 재료의 물리적 특성을 기반으로 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 물리적 특성은 관심 있는 스펙트럼 특징인 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 관심 재료의 물리적 특성은 관심 재료의 밴드갭의 에너지 수준인 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 관심 재료의 물리적 특성은 자외선 흡수 공명인 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
10. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 광원은 펨토초 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 펨토초 레이저는 티타늄 사파이어 펨토초 레이저인 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
12. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 광원은 주파수 승수 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 주파수 승수 요소는 베타 바륨 보레이트 비선형 광학 결정인 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
14. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 광원은 1 피코초보다 짧은 지속 시간을 가진 펄스를 방출하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
15. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 광원은 100 펨토초보다 짧은 지속 시간을 가진 펄스를 방출하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
16. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 광학 시스템은 일관성 레이저 광선의 첫 번째 복사본과 두 번째 복사본에 대해 위상 또는 진폭을 조절하기 위한 음향광 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 음향광 변조기는 석영을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
18. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 광학 시스템은 하나 이상의 자외선 강화 알루미늄 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
19. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 광학 시스템은 하나 이상의 유전체 초고속 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 현미경.
20. 제 1 항에 있어서, 상기 광학 현미경은 일관성 레이저 광선의 두 번째 복사본의 위상 또는 주파수를 조절하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학 현미경.

Description

자외선 4파 혼합 이미징을 이용한 광대역 갭 반도체의 결함 특성 분석 관련 출원에 대한 교차 참조 본 특허 출원은 2023년 9월 8일에 제출된 미국 임시 특허 출원 63,537,370에 우선권을 주장하며, 이 문서의 전체 내용이 여기에 포함되어 있다. 정부 라이센스 권리 이 발명은 국가 과학 재단(National Science Foundation)에서 수여한 보조금 번호 2208201에 따라 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 이 발명에 대한 특정 권리를 가진다. 광대역 갭 화합물 반도체 재료는 고전압 및 전류, 높은 전하 밀도 및 높은 전하 이동성을 요구하는 응용 분야에서 실리콘보다 선호된다. 여기에는 고전력 전자기기 및 전기 자동차가 포함된다. 수요가 많은 재료로는 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화갈륨(GaN)이 있다. 현재 생산의 한 가지 문제는 SiC 및 GaN의 결함을 측정하기 위한 계측 도구가 모든 치명적인 결함에 대해 충분한 감도나 특이성을 제공하지 않으며 처리량이 낮다는 것이다. SiC 웨이퍼의 결함은 기판과 기판 위에 증착된 두께가 몇 미크론인 에피택셜(e) 층 모두에서 발견될 수 있다. 기판 결함은 씨드(seed)와 기판이 절단된 벌크에서 유래하거나 가공에서 발생한다. 기판의 결함은 이후 에피 층의 결함으로 이어지며, 에피 층의 성장은 기판에 존재하는 결함의 영향을 받는다. 웨이퍼의 결함 특성화는 두 가지 목표를 가지고 있다: 1) 결함의 위치와 2) 비치명적 결함과 치명적 결함을 구별하여 장치 성능에 악영향을 미치는 결함의 유형을 결정하는 것이다. 현재 SiC 웨이퍼의 결함을 광학적으로 탐지하는 최첨단 기술은 표면 백색광 산란, 차등 간섭 대비(DIC), 가시광 포토루미네선스(PL) 및 자외선(UV) PL의 조합이다. 표면 백색광 산란은 백색광 또는 레이저 소스를 사용하고, 결함에서 산란되지 않는 한 레이저 빛 반사를 통해 의도적으로 조명을 받지 않는 검출기를 사용한다. 이 경우 일부 산란된 빛이 검출기에 도달한다. DIC 현미경은 전단 방향에서 약간의 오프셋으로 빛의 간섭을 사용하여 표면 대비를 제공한다. 이 두 가지 이미징 방법은 표면의 형태적 불균질성을 감지한다. 이 기술들은 처리량이 매우 높지만 에피 층 표면의 일부 결함에 대해서만 민감하다. 대조적으로, PL은 처리량이 낮지만 일부 결함에 대한 감도가 더 높다. PL은 빛-물질 상호작용으로, 빛이 먼저 물질에 흡수되고, 이완 과정 이후에 물질에서 낮은 에너지의 빛이 방출되는 과정이다. 결함은 밴드 구조의 변화를 통해 이러한 이완 과정을 변경할 수 있기 때문에, 결함은 PL에서 빛나거나 어두워질 수 있다. 불행히도, PL은 방출된 광자가 모든 방향으로 방출되기 때문에 상대적으로 비효율적인 과정이다. 구면 방출로 인해 PL은 높은 수치 조리개(optics) 또는 더 긴 통합 시간이 필요하며, 이로 인해 처리량이 제한된다. PL의 처리량은 광학 방출의 근본적인 감쇠 시간에 의해 더욱 지연될 수 있다. 예를 들어, 감쇠 시간이 단일 픽셀에서의 획득 시간보다 훨씬 길 경우, 수집 효율성은 비례적으로 감소하게 된다. 밴드 구조 변화에 대한 민감성 덕분에 PL은 장식된 기저면 결함과 적층 결함을 탐지하는 데 좋지만, 긁힘 및 나사형 전위는 쉽게 접근할 수 없다. 반도체 결함을 탐지하기 위해 초고속 레이저 이미징을 활용하는 4파 혼합 시스템이 알려져 있다. 예를 들어, 2022년 4월 20일 출원인이 제출한 국제 특허 출원 PCT/US2022/025503은 본 특허 출원이 추구하는 각 지역에서 법적으로 허용 가능한 최대 범위 내에서 참조에 의해 전체적으로 포함된 주제를 담고 있으며, 모듈화된 레이저 빔을 사용하여 물질의 비선형 응답을 여기하고 측정하는 기반으로 반도체의 결함을 탐지하는 시스템을 공개한다. 이 시스템은 이전 시스템의 많은 약점을 극복하여 관심 있는 물질의 빠른 스캔을 가능하게 하고, 결함의 탐지 및 특성화를 가능하게 한다. 그러나 4파 혼합 시스템은 근자외 레이저 빛을 사용하는 것이 필요한 광대역 갭 반도체의 결함을 탐지하고 특성화하는 데 적용하기 어려운 것으로 입증되었다. 공개된 바에 따르면, 광학 현미경은 4파 혼합과 근자외 범위의 파장을 가진 레이저 빛을 사용하여 광대역 갭 반도체 재료의 결함을 탐지한다. 레이저 빛의 파장은 관심 있는 물질의 물리적 특성에 따라 선택된다. 이 시스템은 광학 시스템의 포토검출기로서 밴드갭 에너지가 1.12eV보다 큰 반도체 포토다이오드를 포함한다. 아코스틱 옵틱 변조기(AOM) 및 광학 렌즈와 같은 다른 시스템 요소들은 근자외 범위에서 짧은 파장과 관련된 높은 에너지 수준의 레이저 펄스를 처리하도록 조정되어 있다. 예를 들어, 여기 설명된 기술은 다음을 포함하는 광학 현미경과 관련된다: 550 nm 미만의 파장을 가진 일관성 있는 레이저 빛을 방출하는 광원; 광학 시스템; 및 전자 모듈. 광학 현미경은 일관성 있는 레이저 빛의 두 복사본을 생성하도록 구성되며, 두 복사본에는 첫 번째 복사본과 두 번째 복사본이 포함된다; 두 번째 복사본에 대해 첫 번째 복사본의 일관성 있는 레이저 빛의 위상 또는 진폭을 변조한다; 변조된 첫 번째 복사본을 두 번째 복사본과 다시 결합하여 여기 빔을 형성한다; 여기 빔을 관심 있는 물질의 레이저 스폿 위치에 집중시킨다; 그리고 관심 있는 물질로부터 받은 응답 빛을 측정하며, 여기 빛은 관심 있는 물질에서 전송된 광선을 포함하고 추가로 관심 있는 물질에서 반사된 빛을 포함할 수 있다. 광학 현미경은 또한 전자 모듈을 통해 응답 빛에서 비선형 광학 응답을 나타내는 응답 신호를 추출하도록 구성되어 있으며, 비선형 광학 응답은 관심 있는 물질의 특성을 나타낸다. 광학 검출기는 반도체 포토다이오드이며, 반도체 포토다이오드의 유형은 일관성 있는 레이저 빛의 광자 에너지를 기반으로 선택된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광학 검출기가 밴드갭이 1.12eV보다 큰 반도체를 포함하는 포토다이오드인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광학 검출기가 일관성 있는 레이저 빛의 광자 에너지의 절반 이상인 밴드갭을 가진 반도체를 포함하는 포토다이오드인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광학 검출기가 화합물 반도체를 포함하는 포토다이오드인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광학 검출기가 인듐 인화를 포함하는 포토다이오드인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 일관성 있는 레이저 빛의 파장이 관심 있는 물질의 물리적 특성에 따라 선택되는 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 물리적 특성이 관심 있는 스펙트럼 특징인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 관심 있는 물질의 물리적 특성이 그 물질의 밴드갭 에너지 수준인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 물질의 물리적 특성이 자외선 흡수 공명인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광원에 펨토초 레이저가 포함된 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 펨토초 레이저가 티타늄 사파이어 펨토초 레이저인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광원에 주파수 곱셈 요소가 포함된 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 주파수 곱셈 요소가 베타 바륨 붕사 비선형 광학 결정인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광원이 1픽노초보다 짧은 지속 시간을 가진 펄스를 방출하는 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광원이 100펨토초보다 짧은 지속 시간을 가진 펄스를 방출하는 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광학 시스템이 일관성 있는 레이저 빛의 첫 번째 복사본과 두 번째 복사본에 대해 위상 또는 진폭을 변조하기 위해 아코스틱 옵틱 변조기를 포함하는 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 아코스틱 옵틱 변조기가 석영을 포함하는 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광학 시스템이 하나 이상의 UV 강화 알루미늄 거울을 포함하는 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광학 시스템이 하나 이상의 유전체 초고속 거울을 포함하는 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광학 현미경이 일관성 있는 레이저 광원의 두 번째 복사본의 위상 또는 주파수를 변조하도록 구성된 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광학 현미경이: 일관성 있는 레이저 빛의 첫 번째 복사본을 첫 번째 주파수 f0 및 두 번째 주파수 f1로 변조하고; 일관성 있는 레이저 빛의 두 번째 복사본을 세 번째 주파수 f2 및 네 번째 주파수 f3로 변조하도록 구성된 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 광원 반복률이 frep이고, 첫 번째 주파수 f0가 0이며, 두 번째 주파수 f1이 frep/8, 세 번째 주파수 f2가 5/12 frep, 네 번째 주파수 f3가 frep/2인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 비선형 광학 응답이 3차 비선형 광학 응답인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 비선형 광학 응답이 공명 4파 혼합 신호인 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 응답 신호를 추출하는 데 잠금-인 탐지를 적용하는 것을 포함하는 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 레이저 스폿 위치에서 측정을 완료한 후, 초점을 다음 레이저 스폿 위치로 이동하도록 추가로 구성된 광학 현미경과 관련된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 스캔 메커니즘을 추가로 포함하는 광학 현미경과 관련되며, 레이저 스폿 위치를 다음 레이저 스폿 위치로 이동하는 것은 스캔 메커니즘과 광학 시스템에 의해 수행된다. 일부 측면에서, 여기 설명된 기술은 물질에 대한 레이저 스폿 위치를 이동하는 것이 물질이 장착된 스테이지를 첫 번째 (X) 축을 따라 빠르게 이동시키는 것을 포함하고, 광학 시스템에 포함된 갤바노미터 거울이 수직 (Y) 축을 따라 스캔하는 광학