半导体晶圆的形变与应力：科学原理分析

晶圆应力检测是半导制造过程中极为重要的一环。传统上晶圆的内应力大多都不是直接测量的，而是通过曲率法间接进行测量的，也就是用各种办法测量出晶圆的形变程度（例如翘曲度），再通过几何形变与应力之间著*的斯托尼方程（Stoney’s Equation）计算出晶圆的应力。那么问题就来了：晶圆是形变越大应力就一定越大么？

这个在硅半导体中大抵是没有问题的。硅工业发展到今天，晶圆的质量已得到了很好的控制，缺陷密度极低。晶圆的形变主要由晶格常数的变化——也就是晶格共价键的拉伸、压缩和扭转引起，这种情况符合基于弹性形变理论的斯托尼方程所描述的状况。

而在SiC等宽禁带半导体身上情况就不同了——有大量的位错、层错等晶格缺陷存在。自从1931年Berg*一个从拍摄的X-射线单晶形貌像中发现塑性形变以来，位错等晶格缺陷被认为是塑性形变的主要来源之一。这种情况下，通过测量晶圆几何形变进而通过斯托尼方程计算出应力的方法就值得商榷了。而下面就是一个翘曲度变化和应力变化趋势相反的例子。

图1用拉曼光谱法测量半片6吋SiC应力分布。（a）未打开真空吸气，样品自然放置在样品盘上，有翘曲但应力分布均匀；（b）打开真空吸气将样品吸牢在样品盘上，样品中间部位明显出现应力集中区域（伪彩色为红色的区域）。

如图1所示，采用共焦方法在样品表面逐点采集SiC拉曼光谱，并对777 cm-1附近的特征峰进行拟合，通过峰位的移动计算应力的大小，进而得出在整个样品上的分布。我们可以看到未开吸气、样品自然放置的时候，虽然有翘曲但应力分布在整个表面是均匀的；而当打开真空吸气将样品吸牢时，虽然翘曲降低、样品被吸平了，但是中央部分出现了明显应力集中的区域。从原理上，这种方法测应力，直接反映的就是晶格共价键的形变对声子谱造成的影响，从而与位错等缺陷引起的塑性形变没有直接的关系。当然，对这么大且有翘曲的样品进行拉曼光谱扫描成像的测试，没有带激光自动聚焦跟踪表面功能的自动化扫描系统的支持是不可能的，而这也正是我司面向半导体工业的R1系列晶圆级共焦拉曼光谱仪的主要特色之一。

目前北京卓立汉光仪器有限公司与本文作者所在苏州惟光探真科技有限公司基于共同的理念和目标，决定在半导体设备领域开展深入合作。合作旨在为广大国内外用户在微米到纳米尺度的纤维光学和光谱学量测仪器，服务于半导体材料和器件的自动化检测需求。诚挚地欢迎产品垂询，共同探索半导体材料检测技术的未来可能。