半导体硅片表面/亚表面损伤线性调频脉冲分束激光激励光热效应机理及红外热波检测方法

As the main substrate material of the integrated circuit, the surface quality of semiconductor wafer has an important influence on the yield, the performance of the device and the service life. The project aims to research on photo-thermal effect mechanism of linear frequency modulated (LFM) pulse beam-splitting laser excitation on semiconductor wafer with surface/subsurface damage and infrared thermal wave detection method, combining LFM pulse principle, laser excitation technique, infrared thermal wave detection and advanced signal processing algorithm. Build the heat conduction model of semiconductor wafer under linear frequency modulated (LFM) pulse beam-splitting laser excitation, and analyze the thermo-physical properties of the interaction between excitation heat flux and different damage. Study the feature extraction algorithm of the surface thermal wave signal, and analyze the inner relationship between the thermal wave feature parameters and damage characteristics. By carrying out systematical experimental study, explore the influence law of damage type, geometric feature and testing process parameters on the feature of surface thermal wave signal, and thus determine the application and limitation of damage type and size scope of the infrared thermal wave testing technology with LFM pulse beam-splitting laser excitation. Study Bayesian, fuzzy clustering, support vector machine and other classification algorithms, in order to realize the classification and damage degree evaluation of semiconductor wafer. The research work presents a new efficient and reliable method for the detection of semiconductor wafer with surface/subsurface damage, and can provide an important technical support for its production. It also can offer reference for damage or defect detection of other semiconductor materials.

半导体硅片作为集成电路的主要衬底材料，其表层质量对成品率、器件性能及使用寿命均有重要影响。项目旨在采用线性调频脉冲原理、激光激励技术、红外热波检测和先进信号处理算法相结合，对半导体硅片表面/亚表面损伤线性调频脉冲分束激光激励光热效应机理及红外热波检测方法进行研究。建立线性调频脉冲分束激光激励半导体硅片的热传导模型，分析激励热流与不同损伤相互作用的热学物理特征；研究表面热波信号特征提取算法，分析其特征参数与损伤特征间的内在联系；系统开展检测试验研究，探讨损伤类型、几何特征、检测工艺参数等对热波特征的影响规律，确定该技术检测半导体硅片的适用损伤类型、尺度及局限性；研究贝叶斯、模糊聚类、支持向量机等分类算法，实现对半导体硅片损伤分类及损伤程度评估。研究工作可为半导体硅片表面/亚表面损伤高效可靠检测提供一种新方法，为半导体硅片生产提供重要技术保障，也可为其他半导体材料损伤与缺陷检测提供参考和借鉴。

半导体硅片作为集成电路的主要衬底材料，目前已成为生产规模最大、单晶直径最大、生产工艺最完善的半导体材料，其表层质量对成品率、器件性能及使用寿命均有重要影响。在生产过程中对硅片表面/亚表面损伤情况进行无损检测、分析与评价，对于实现高效率、高精度、低损伤加工非常必要。项目研究了半导体硅片表面/亚表面损伤线性调频脉冲分束激光激励光热效应机理及红外热波检测方法，分析了线性调频脉冲分束激光激励半导体硅片样件的热流传递过程，建立了线性调频脉冲分束激光激励半导体硅片的热传导模型，分析了激励热流与不同损伤相互作用的热学物理特征；研究了离散傅里叶变换、分数阶傅里叶变换和主成分分析三种表面热波信号特征提取算法，分析了其特征参数与损伤特征之间的内在联系；在原有检测系统基础上，根据项目研究需要，搭建了线性调频分束激光红外热波无损检测系统，并较为系统地开展了检测试验研究，探讨了激光激励功率、扫描周期、初始频率、终止频率等检测参数和损伤几何特征对热波特征的影响规律。结果表明，在不造成硅片二次损伤的情况下，采用较大的激光激励功率、较小的初始频率和终止频率，可有效提高检测效果，而扫描周期对检测效果的影响很小，确定了线性调频脉冲分束激光激励光热效应检测半导体硅片损伤的适用范围；提出了基于灰度变换-迭代阈值-Canny混合算法的缺陷边缘识别算法，有效实现了半导体硅片损伤的边缘识别。项目研究成果为半导体硅片表面/亚表面损伤高效可靠检测提供了一种新方法，为半导体硅片的生产提了供重要的技术保障，同时还可为其他半导体材料、光学材料缺陷与损伤检测提供一定的参考和借鉴。