太赫茲技術應用於化合物半導體材料分析：材料世界網

陳治誠、許永周、程婷 / 筑波醫電股份有限公司

化合物半導體晶圓製程的高成本及低良率是目前亟待解決的問題。開發改善晶體長晶及晶圓加工以降低缺陷密度的製程技術及可同時識別和定位缺陷的檢測技術，已成為化合物半導體晶圓製造的關鍵。傳統光學晶圓檢測的穿透深度小於10微米，而太赫茲波可穿透半導體晶圓，成為化合物半導體的非接觸及非破壞晶圓品質測量方案。以穿透、反射及全晶圓掃描，可測量半導體材料的穿透率、反射率、介電常數、導電度及均勻度等材料特性及檢測晶圓缺陷。

【內文精選】

太赫茲波簡介

太赫茲波的波長遠高於紅外光波長，因此不易被微米大小的粒子散射。對於粒徑與太赫茲波波長相當的材料，可利用其對於太赫茲波的散射效應進行材料特性測試。太赫茲波可以「透視」紙張、木材和塑料等不導電材料。太赫茲波的光子能量比X射線的光子能量小一百萬倍，比紫外光的光子能量小一千倍。太赫茲波沒有游離輻射，亦沒有預期的光化學效應(Photochemical Effect)，且太赫茲波的低光子能量不足以破壞分子內之化學鍵結(Chemical Bond)。

由於太赫茲波比可見光的透視深度大、比X射線的安全係數高，以及完全無侵害的優良特性，使得太赫茲光譜技術成為一種新穎的非破壞性檢測技術。其具有多變化的功能特性，包括：特徵指紋吸收光譜、透射介電質材料、時閘同調檢測、瞬態電場、脈衝成像、穿透性和安全性等等，可對高分子塑膠及半導體晶圓等工業材料之物理結構進行3D成像及完整性和均勻性分析，也可測量工業材料之化學特性的獨特光譜指紋，對於工業材料的即時線上監測提供了無與倫比的發展潛力。

太赫茲光譜檢測技術

太赫茲時域光譜(THz Time-domain Spectroscopy，簡稱THz-TDS)是一種以寬頻太赫茲脈衝波(Broadband THz Pulse)偵測材料特性的技術，多樣化的輻射與接收方式，使其能更彈性地用於不同材料樣品特性的探討。THz-TDS系統的頻率分布，通常為0.05 THz至4 THz，以次皮秒(Subpicosecond)太赫茲脈衝波入射至材料，於時域(Time-domain)測量經過材料的透射(Transmitted)或反射(Reflection)脈衝波的瞬變電場(Transient Electrical Field)，可同時獲得強度(Strength)及電場相位(Phase)二種訊號。

THz-TDS系統的主要元件包括：飛秒脈衝雷射(Femtosecond Pulse Laser)、THz發射器(THz Emitter)、THz 偵測器(THz Detector)、延遲線裝置(Delay-line Stage)、THz光學元件、訊號處理器及電腦。所有THz-TDS元件都需安置於一個密閉室內，並用乾燥的氮氣或空氣連續吹掃，以減少因空氣中水分子的吸收而導致太赫茲光束的強度損失。通常以鈦藍寶石飛秒雷射(Ti: Sapphire Femtosecond Laser)產生的脈衝紅外光束(IR Pulse Beam)為起始光源，脈衝紅外光束的中央波長約為800 nm，頻率約為60~80飛秒(Femtosecond)，脈衝重複率(Pulse Repetition Rate)約為80 MHz，平均功率約為50~150 mW。砷化鎵光導天線(GaAs Photoconductive Antenna)及碲化鋅非線性晶體(ZnTe Non-linear Crystal)亦為兩種常見的THz產生器及THz偵測器。如圖四(a)所示為穿透型太赫茲脈衝波發射器及太赫茲脈衝波接收器，圖四(b)為反射型太赫茲脈衝波感測器。

圖四、太赫茲時域光譜系統，(a)為穿透型太赫茲脈衝波發射器及太赫茲脈衝波接收器；(b)為反射型太赫茲脈衝波感測器

太赫茲波檢測技術應用於化合物半導體材料分析

化合物半導體製程控制相較於傳統矽基元件難得多。半導體晶圓的品質決定其可製成之終端元件的最大轉換效率。粗磨、精磨和化學機械拋光等晶圓加工過程，皆可能於晶圓表面或次表面造成各種缺陷。目前對於晶圓缺陷的認識還在逐步探索中。有鑑於此，非接觸、非破壞性檢測分析工具就顯得至關重要。目前仰賴VIS/IR/UV光學檢測的晶圓檢測系統雖可分析晶圓的表面特性，但因為穿透深度較低(<10微米)，只能檢測晶圓表面，不能檢測次表面的缺陷，需另外經由氫氧化鉀(KOH)溶液侵蝕晶圓表層，才能繼續往下檢測缺陷。

反之，太赫茲光波對於半導體晶圓有較高的穿透深度(>800微米)，成為化合物半導體的非破壞性晶圓品質測量方案。利用穿透、反射，在不損耗晶圓的情況下取得影像掃描原始資料，並進一步做時域訊號波比較、晶圓厚度分布以及結構特性等數據分析，針對厚度、折射率、電阻率、介電常數、選定位置的表面/次表面缺陷和整個晶圓掃描，達成非破壞性晶圓品質測量，滿足化合物半導體晶圓非破壞性檢測的市場需求。圖五為太赫茲時域光譜系統檢測6吋碳化矽晶圓的反射率掃描圖 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。