KR20190111344A - Non-contact measuring system for optoelectronic properties of semiconductor material - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a non-contact measuring system for an electro-optical property comprising: a semiconductor substrate in which an electro-optical property is measured; a sensing element disposed on the semiconductor substrate to amplify an electromagnetic wave of a specific frequency and to focus the electromagnetic wave from a surface of the semiconductor substrate to a specific focusing depth; and an electro-optical measuring device for measuring an electro-optical characteristic from the surface of the semiconductor substrate to the specific focusing depth by using the electromagnetic wave amplified and focused by the sensing element. Therefore, the present invention does not require a complicated manufacturing process and is able to reduce the cost.

Description

반도체 물질의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템{NON-CONTACT MEASURING SYSTEM FOR OPTOELECTRONIC PROPERTIES OF SEMICONDUCTOR MATERIAL}Electro-optical properties non-contact measuring system of semiconductor materials {NON-CONTACT MEASURING SYSTEM FOR OPTOELECTRONIC PROPERTIES OF SEMICONDUCTOR MATERIAL}

본 발명은 반도체 물질의 전기광학적 특성을 측정하는 기술에 관한 것으로서, 전자기파를 이용하여 반도체 표면으로부터 원하는 집속 깊이 내에서의 광전자 특성을 측정하는 반도체 물질의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for measuring the electro-optical properties of semiconductor materials, and relates to an electro-optical properties non-contact measurement system for semiconductor materials for measuring optoelectronic properties within a desired focusing depth from a semiconductor surface using electromagnetic waves.

반도체의 표면은 반도체를 구성하는 원자의 연결이 끊어짐에 따라 생기는 표면 트랩 에너지에 의해 벌크(bulk) 상태의 반도체와는 다른 특성들을 가지게 된다. 반도체 표면의 전기광학적 특성은 반도체 물질을 이용한 각종 디바이스 제작에 있어 매우 중요한 지표가 되나 측정 방법이 다소 까다롭고 복잡하다. 종래 방식에 의하면, 반도체 표면에서의 전기광학적 특성을 시간에 따라 관측하기 위하여 광전자를 생성시키는 펌프 빔(pump beam)과 광전자에 의한 변화를 관측하는 프로브 빔(probe beam)이 이용되었다. 이 경우, 반도체 표면으로부터 광전자가 생성되는 깊이는 펌프 빔의 파장에 의한 투과 깊이에 의해 결정된다. 따라서, 반도체 극표면에서의 전기광학적 특성을 측정하기 위해서는 반도체 표면으로부터의 투과 깊이를 줄이면서 극표면에서 광전자 생성을 위한 짧은 파장의 펌프 빔 또는 프로브 빔을 사용하여야 하나, 이와 같은 파장변화에 의해 광전자의 전기광학적 특성의 측정값이 달라질 수 있게 되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여, 즉, 펌프 빔의 파장을 변경하지 않고 반도체 표면의 전기광학적 특성을 측정할 수 있도록, 벌크 상태의 반도체를 나노선이나 나노박막과 같은 볼륨대비 표면적 비율이 높은 나노 크기의 반도체로 제작하여 이용하였으나, 이 경우에는 벌크 상태의 반도체 자체의 영구적이 변형이 일어나므로 원래의 반도체 상태로 되돌릴 수 없는 문제가 있다.The surface of a semiconductor has characteristics different from those of a bulk semiconductor due to surface trap energy generated by disconnection of atoms constituting the semiconductor. The electro-optical properties of semiconductor surfaces are very important indicators for the fabrication of various devices using semiconductor materials, but the measurement methods are rather difficult and complex. According to the conventional method, a pump beam for generating an optoelectronic and a probe beam for observing a change by the photoelectron are used to observe the electro-optical characteristic of the semiconductor surface over time. In this case, the depth at which photoelectrons are generated from the semiconductor surface is determined by the transmission depth by the wavelength of the pump beam. Therefore, in order to measure the electro-optical characteristics of the semiconductor polar surface, a short-wavelength pump beam or a probe beam for photoelectron generation at the polar surface should be used while reducing the depth of transmission from the semiconductor surface. There is a problem that the measured value of the electro-optic properties of can be different. To solve this problem, that is, the bulk semiconductor is a nano-sized semiconductor having a high surface area to volume ratio such as nanowire or nano thin film so that the electro-optical characteristics of the semiconductor surface can be measured without changing the wavelength of the pump beam. Although fabricated and used, in this case, since the permanent deformation of the bulk semiconductor itself occurs, there is a problem that cannot be returned to the original semiconductor state.

Low surfacerecombination velocity in solution-grown CH3NH3PbBr3 perovskite single crystal, Y. Yang et al. Nat. Commun. 6, 7961, 2015.Low surface recombination velocity in solution-grown CH3NH3PbBr3 perovskite single crystal, Y. Yang et al. Nat. Commun. 6, 7961, 2015. Transient photoconductivity in GaAs as measured by time-resolved terahertz spectroscopy, M. C. Beard et al. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 62, 15764, 2000.Transient photoconductivity in GaAs as measured by time-resolved terahertz spectroscopy, M. C. Beard et al. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 62, 15764, 2000. Electronic properties of GaAs, InAs and InP nanowires studied by terahertz spectrosocopy, Hannah J Joyce et al, Nanotechnology, 24, 214006, 2013.Electronic properties of GaAs, InAs and InP nanowires studied by terahertz spectrosocopy, Hannah J Joyce et al, Nanotechnology, 24, 214006, 2013.

본 발명의 목적은 반도체 물질에서 광학적 흡수에 의해 여기되는 광전자의 전기광학적 특성을 반도체 표면으로부터 원하는 집속 깊이 내에서(수백 나노 이하의 분해능) 측정하는 반도체 물질의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템을 제공하는데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a non-contact measuring system for electro-optical properties of semiconductor materials which measures the electro-optical properties of photoelectrons excited by optical absorption in the semiconductor material within a desired focusing depth (resolution of several hundred nanometers or less) from the semiconductor surface. .

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면은, 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템으로서, 전기광학적 특성이 측정되는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 상에 배치되어, 특정 주파수의 전자기파를 증폭시키고 상기 반도체 기판의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지 상기 전자기파를 집속시키는 센싱 소자; 및 상기 센싱 소자에 의하여 증폭 및 집속된 전자기파를 이용하여, 상기 반도체 기판의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지에서의 전기광학적 특성을 측정하는 전기광학적 측정 장치를 포함한다.A first aspect of the present invention for achieving the above object is an electro-optic characteristic non-contact measuring system, the semiconductor substrate is measured electro-optical characteristics; A sensing element disposed on the semiconductor substrate to amplify electromagnetic waves of a specific frequency and to focus the electromagnetic waves from a surface of the semiconductor substrate to a specific focusing depth; And an electro-optical measuring device for measuring electro-optic characteristics from the surface of the semiconductor substrate to a specific focusing depth by using the electromagnetic waves amplified and focused by the sensing element.

바람직하게, 상기 센싱 소자는 필름으로 구성되되, 상기 필름은, 특정 주파수의 전자기파가 증폭되고, 증폭된 전자기파가 상기 반도체 기판의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지 침투되도록, 직사각형 모양의 슬랏이 음각 패터닝 될 수 있다.Preferably, the sensing element is composed of a film, wherein the film may be negatively patterned with rectangular slots such that electromagnetic waves of a specific frequency are amplified and the amplified electromagnetic waves penetrate from the surface of the semiconductor substrate to a specific focusing depth. have.

바람직하게, 상기 슬랏은, 상기 반도체 기판의 전기광학적 특성을 추출하기 위하여 이용되는 전자기파의 주파수에 따라 길이가 조절되고, 상기 전기광학적 특성을 추출하고자 하는 상기 반도체 기판의 표면으로부터의 집속 깊이에 따라 폭이 조절될 수 있다.Preferably, the slot is adjusted in length according to the frequency of the electromagnetic wave used to extract the electro-optical properties of the semiconductor substrate, and the width according to the depth of focus from the surface of the semiconductor substrate to extract the electro-optical properties This can be adjusted.

바람직하게, 상기 슬랏의 폭과 상기 집속 깊이는 선형관계를 가지고, 상기 집속 깊이는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 상기 전자기파에 의한 전기장의 강도가 반치전폭이 되는 지점에 해당할 수 있다.Preferably, the width of the slot and the focusing depth have a linear relationship, and the focusing depth may correspond to a point at which the intensity of the electric field due to the electromagnetic wave is half full width from the surface of the semiconductor substrate.

바람직하게, 상기 전기광학적 특성 측정 장치는, 상기 전자기파의 상기 반도체 기판에 대한 투과 신호를 기초로 투과도의 변화를 측정하고, 상기 투과도의 변화를 기초로 상기 반도체 기판의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지에서의 전자수명을 측정할 수 있다.Preferably, the electro-optical characteristic measuring apparatus measures a change in transmittance based on a transmission signal of the electromagnetic wave to the semiconductor substrate, and measures a change from the surface of the semiconductor substrate to a specific focusing depth based on the change in the transmittance. Electron lifetime can be measured.

바람직하게, 상기 특정 주파수의 전자기파가 조사되기 이전에, 상기 반도체 기판의 특정 침투 깊이에 전자-정공 쌍을 생성하기 위하여 펌프 빔을 방출하는 레이저 장치를 더 포함할 수 있다.Preferably, the laser device may further include a laser device that emits a pump beam to generate an electron-hole pair at a specific penetration depth of the semiconductor substrate before the electromagnetic wave of the specific frequency is irradiated.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 종래 방식에서 사용되는 나노선(nano wire) 또는 나노 박막(thin flim)을 제작하지 않고, 또한 물질 자체의 영구적인 변형 없이, 벌크 상태의 반도체 물질에서 표면두께 방향으로 전기광학적 특성의 측정 영역을 자유롭게 제어할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 복잡한 제작 과정이 요구되지 않고 비용 절감의 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the surface thickness direction in the bulk semiconductor material without fabricating nanowires or thin flims used in the conventional method, and without permanent deformation of the material itself. As a result, the measurement area of the electro-optical properties can be freely controlled. Therefore, a complicated manufacturing process is not required and there is a cost reduction effect.

또한, 본 발명에 의하면, 전자기파의 파장 변화 없이 센싱 소자의 구조에 따라 반도체 표면으로부터 원하는 집속 깊이 내에서의 전기광학적 특성을 측정할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, there is an effect that can measure the electro-optical characteristics within the desired focusing depth from the semiconductor surface according to the structure of the sensing element without changing the wavelength of the electromagnetic wave.

또한, 본 발명에 의하면, 반도체 표면의 광전자의 전기광학적 특성 분석뿐만 아니라 반도체 표면에서 일어나는 광전자의 짧은 수명을 이용한 초고속 광소자 개발에도 적용 가능하다.In addition, the present invention can be applied not only to the electro-optical characterization of optoelectronics on the semiconductor surface, but also to the development of ultrafast optical devices using the short lifetime of the optoelectronics occurring on the semiconductor surface.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템에 대한 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 센싱 소자의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 전기광학적 특성 측정 장치에 대한 블록도이다.
도 4a, 4b, 5a 및 5b는 일 실시예에 따른 전기광학적 특성 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 7은 본 발명에 따라 측정된 전기광학적 특성을 설명하기 위한 그래프이다.1 is a block diagram of an electro-optical characteristic non-contact measuring system of a thin film according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a structure of a sensing device according to an exemplary embodiment.
3 is a block diagram of an electro-optical characteristic measuring apparatus according to one embodiment.
4A, 4B, 5A, and 5B are diagrams for describing an electro-optical characteristic measuring method according to an exemplary embodiment.
6 and 7 are graphs for explaining the electro-optical properties measured according to the present invention.

이하, 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will be apparent from the following detailed description with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and the general knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout. “And / or” includes each and all combinations of one or more of the items mentioned.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함한다(comprises)" 및/또는 “포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, “comprises” and / or “comprising” refers to the presence of one or more other components, steps, operations and / or elements. Or does not exclude additions.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in the present specification may be used in a sense that can be commonly understood by those skilled in the art. In addition, the terms defined in the commonly used dictionaries are not ideally or excessively interpreted unless they are specifically defined clearly.

또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing the embodiments of the present invention, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the embodiments of the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 물질의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템에 대한 구성도이다.1 is a block diagram of an electro-optical characteristic non-contact measuring system of a semiconductor material according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템(100)은 반도체 기판(110), 센싱 소자(120), 및 전기광학적 특성 측정 장치(130)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the electro-optical characteristic non-contact measuring system 100 includes a semiconductor substrate 110, a sensing element 120, and an electro-optical characteristic measuring apparatus 130.

반도체 기판(110)은 전기광학적 특성이 측정되는 대상이다. 여기에서, 반도체 기판(110)은 물리적으로 변형되지 않고 그 고유의 특성에 영향을 미침이 없이 물질 고유의 특성이 측정될 수 있다.The semiconductor substrate 110 is an object for which electro-optic characteristics are measured. Herein, the characteristics of the material of the semiconductor substrate 110 may be measured without physically deforming and affecting the characteristics of the semiconductor substrate 110.

센싱 소자(120)는 반도체 기판(110) 상에 배치되어 특정 주파수의 전자기파를 증폭시키고 반도체 기판(110)의 표면으로부터 특정 깊이까지 전자기파를 침투시키는 소자이다. 일 실시예에서, 도 2를 참조하면, 센싱 소자(120)는 필름으로 구성될 수 있고, 필름은 특정 주파수의 전자기파가 증폭되고 증폭된 전자기파가 반도체 기판(110)의 표면으로부터 특정 깊이까지 집속되도록, 직사각형 모양의 슬랏이 음각 패터닝 될 수 있다. 여기에서, 센싱 소자(120)의 구조 자체를 메타물질 이라고 할 수 있고, 센싱 소자(120)의 필름은 금, 은, 구리 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다.The sensing element 120 is an element disposed on the semiconductor substrate 110 to amplify the electromagnetic wave of a specific frequency and penetrate the electromagnetic wave to a specific depth from the surface of the semiconductor substrate 110. In one embodiment, referring to FIG. 2, the sensing element 120 may be comprised of a film, the film such that electromagnetic waves of a particular frequency are amplified and the amplified electromagnetic waves are focused from a surface of the semiconductor substrate 110 to a certain depth. As a result, rectangular shaped slots can be engraved patterned. Here, the structure itself of the sensing device 120 may be referred to as a meta material, and the film of the sensing device 120 may be made of gold, silver, copper, or aluminum.

바람직하게, 센싱 소자(120)의 필름의 슬랏은 반도체 기판(110)의 전기광학적 특성을 추출하기 위하여 이용되는 전자기파의 주파수에 따라 길이(l)가 조절되고, 전기광학적 특성을 추출하고자 하는 반도체 기판(110)의 표면으로부터의 집속 깊이에 따라 폭(w)이 조절될 수 있다. 즉, 센싱 소자(120)는 슬랏의 폭(w)(10nm~3μm), 두께(h)(50nm~1㎛), 및 길이(l)(10㎛~1mm)에 따라 공명주파수 및 집속 깊이의 조절이 가능하므로, 슬랏으로 구성된 센싱 소자(120)를 이용하면 광대역 전자기파의 필터 설계가 가능하다.Preferably, the length of the slot of the film of the sensing element 120 is adjusted according to the frequency of the electromagnetic wave used to extract the electro-optical characteristics of the semiconductor substrate 110, the semiconductor substrate to be extracted the electro-optical characteristics The width w may be adjusted according to the depth of focus from the surface of 110. That is, the sensing element 120 has a resonance frequency and focusing depth depending on the width w of the slot (10 nm to 3 μm), the thickness h (50 nm to 1 μm), and the length l (10 μm to 1 mm). Since it is possible to adjust, it is possible to design a filter for broadband electromagnetic waves by using the sensing element 120 composed of slots.

전기광학적 특성 측정 장치(130)는 센싱 소자(120)에 의하여 증폭된 전자기파가 반도체 기판(110)을 통과하면서 발생하는 반도체 기판(110)의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지의 전기광학적 특성을 측정하는 장치이다. 바람직하게, 광원으로부터 발생한 전자기파가 센싱 소자(120) 및 반도체 기판(110)을 통과한 후 검출장치(도면에 도시되지 않음)에 도달하면, 검출장치는 전자기파의 신호를 전기적인 신호로 변환하고, 전기적 특성 측정 장치(130)는 검출장치로부터 해당 전기적인 신호를 수신하여 전기적인 신호로부터 반도체 기판(110)의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지의 전기광학적 특성을 측정할 수 있다. 여기에서, 검출장치는 전기광학적 특성 측정 장치(130)와 무선 또는 유선으로 연결된 별도의 장치에 해당하거나, 또는 전기광학적 특성 측정 장치(130)에 구비된 모듈로 구현될 수 있다.The electro-optical characteristic measuring apparatus 130 measures an electro-optical characteristic from the surface of the semiconductor substrate 110 to a specific focusing depth generated when the electromagnetic wave amplified by the sensing element 120 passes through the semiconductor substrate 110. to be. Preferably, when the electromagnetic wave generated from the light source reaches the detection device (not shown) after passing through the sensing element 120 and the semiconductor substrate 110, the detection device converts the signal of the electromagnetic wave into an electrical signal, The electrical characteristic measuring apparatus 130 may receive the corresponding electrical signal from the detection apparatus and measure the electro-optical characteristics from the surface of the semiconductor substrate 110 to a specific focusing depth from the electrical signal. Here, the detection device may correspond to a separate device wirelessly or wiredly connected to the electro-optical characteristic measuring device 130, or may be implemented as a module provided in the electro-optical characteristic measuring device 130.

일 실시예에서, 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템(100)은 반도체 기판(110)에 자유 전자가 생성되도록 반도체 기판(110)의 밴드 갭(band gap) 보다 높은 에너지를 가지는 광학적 펌프 빔(pump beam)을 반도체 기판(110)에 조사하는 레이저 장치(도면에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 바람직하게, 레이저 장치는 펌프 빔을 반도체 기판(110)에 조사하여 특정 침투 깊이까지 반도체 기판(110)의 전자들을 여기시키고, 이에 따라 전자-정공 쌍이 생기면서 자유 전자들이 생성되도록 할 수 있다. 이를 통하여, 이후 반도체 기판(110)에 조사되는 전자기파에 따라 전자기파가 집속되는 반도체 기판의 표면으로부터 집속 깊이까지에서의 전자들의 특성이 민감하게 측정되도록 할 수 있다.In one embodiment, the electro-optic characteristic non-contact measurement system 100 has an optical pump beam having energy higher than the band gap of the semiconductor substrate 110 such that free electrons are generated in the semiconductor substrate 110. May include a laser device (not shown) that irradiates the semiconductor substrate 110. Preferably, the laser device may irradiate the pump beam to the semiconductor substrate 110 to excite the electrons of the semiconductor substrate 110 to a certain penetration depth, thereby allowing free electrons to be generated as electron-hole pairs are generated. Through this, the characteristics of the electrons from the surface of the semiconductor substrate to the depth of focus can be sensitively measured according to the electromagnetic wave irradiated to the semiconductor substrate 110.

도 3은 일 실시예에 따른 전기광학적 특성 측정 장치에 대한 블록도이다.3 is a block diagram of an electro-optical characteristic measuring apparatus according to one embodiment.

도 3을 참조하면, 전기광학적 특성 측정 장치(130)는 신호 수신부(131), 투과율 측정부(132), 전기광학적 특성 측정부(133), 및 제어부(134)를 포함하고, 제어부(134)는 신호 수신부(131), 투과율 측정부(132), 및 전기광학적 특성 측정부(133)의 동작 및 데이터의 흐름을 제어한다. 이하에서는 도 4a, 도 4b, 도 5a, 및 도 5b를 참조하여, 전기광학적 특성 측정 장치(130)에서 수행되는 전기광학적 특성 측정 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.Referring to FIG. 3, the electro-optical characteristic measuring apparatus 130 includes a signal receiver 131, a transmittance measuring unit 132, an electro-optical characteristic measuring unit 133, and a control unit 134, and a control unit 134. The control unit controls the operation and data flow of the signal receiver 131, the transmittance measuring unit 132, and the electro-optical characteristic measuring unit 133. Hereinafter, the electro-optical characteristic measuring method performed by the electro-optical characteristic measuring apparatus 130 will be described in more detail with reference to FIGS. 4A, 4B, 5A, and 5B.

먼저, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 레이저 장치로부터 발생한 펌프 빔이 반도체 기판(110)에 조사되면, 반도체 기판(110)의 특정 침투 깊이 내에 전자(e-)-정공(h+) 쌍이 생기면서 자유 전자들이 만들어지게 된다. 여기에서, 펌프 빔은 반도체 기판(110)의 밴드갭 보다 높은 에너지를 가진다. 바람직하게, 펌프 빔은 금속으로 구성된 센싱 소자(120)를 통과하지 못하므로 센싱 소자(120)의 슬랏 부분의 반도체 기판(110)에서만 전자-정공 쌍이 생기고, 센싱 소자(120)의 슬랏의 폭에 따라 자유 전자들이 생성되는 침투 깊이가 결정될 수 있다. 예를 들어, 센싱 소자(120)의 슬랏의 폭이 넓으면 도 4a에 도시된 바와 같이 반도체 기판(110)의 표면으로부터 자유 전자들이 생성되는 침투 깊이가 깊어지고, 센싱 소자(120)의 슬랏의 폭이 좁으면 도 4b에 도시된 바와 같이 반도체 기판(110)의 표면으로부터 자유 전자들이 생성되는 침투 깊이가 얕아질 수 있다.First, as shown in FIGS. 4A and 4B, when a pump beam generated from a laser device is irradiated onto the semiconductor substrate 110, an electron (e − ) -hole (h + ) pair is formed within a specific penetration depth of the semiconductor substrate 110. Free electrons are created. Here, the pump beam has a higher energy than the band gap of the semiconductor substrate 110. Preferably, since the pump beam does not pass through the sensing element 120 made of metal, electron-hole pairs are generated only in the semiconductor substrate 110 of the slot of the sensing element 120, and the width of the slot of the sensing element 120 is increased. Thus, the penetration depth at which free electrons are generated can be determined. For example, when the width of the slot of the sensing device 120 is wide, the penetration depth at which free electrons are generated from the surface of the semiconductor substrate 110 is deepened as shown in FIG. 4A, and the slot of the slot of the sensing device 120 is increased. If the width is narrow, the penetration depth at which free electrons are generated from the surface of the semiconductor substrate 110 may be shallow as shown in FIG. 4B.

자유 전자들이 만들어진 후 광원으로부터 전자기파가 조사된다. 구체적으로, 광원으로부터 발생한 전자기파(예를 들어, 테라헤르츠 또는 중적외선)는 센싱 소자(120)를 통과하면서 증폭되고, 도 5a에 도시된 바와 같이, 전자기파는 표면으로부터 특정 깊이까지 집속되어(녹색으로 표시됨), 반도체 기판(110)의 자유 전자들, 즉, 광전자들의 변화가 민감하게 측정될 수 있도록 한다. After free electrons are made, electromagnetic waves are irradiated from the light source. Specifically, electromagnetic waves (eg, terahertz or mid-infrared rays) generated from the light source are amplified while passing through the sensing element 120, and as shown in FIG. 5A, the electromagnetic waves are focused to a certain depth from the surface (in green). ), The change of free electrons, ie optoelectronics, of the semiconductor substrate 110 can be sensitively measured.

일 실시예에서, 센싱 소자(120)의 슬랏의 폭(w)이 조절되면, 반도체 기판(110)에서 전자기파가 집속되는 집속 깊이가 조절될 수 있다. 바람직하게, 슬랏의 폭(w)이 수 μm 이하인 경우에는 슬랏의 폭(w)과 전자기파의 반도체 기판(110)의 표면으로부터의 집속 깊이는 선형관계를 가지고, 여기에서, 집속 깊이는 반도체 기판(110)의 표면으로부터 전자기파에 의한 전기장의 강도가 반치전폭(full width at half maximum)이 되는 지점에 해당한다. 여기에서, 슬랏의 폭(w)은 반도체 기판(110)의 종류에 따라 조절될 수 있고, 예를 들어, 약 5μm 이하의 범위에서 조절될 수 있다. 즉, 센싱 소자(120)의 슬랏의 폭(w)을 조절하여 반도체 기판(110)의 표면으로부터 전자기파가 집속되는 깊이를 조절할 수 있고, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 슬랏의 폭(w)이 작아지는 경우, 전자기파는 반도체 기판(110)의 표면쪽으로 더 집속될 수 있다. 예를 들어, 센싱 소자(120)의 슬랏의 폭(w)이 100nm인 경우, 전자기파의 집속 깊이는 반도체 기판(110)의 표면으로부터 17nm 깊이에 해당하고, 따라서 반도체 기판(110)의 표면으로부터 17nm 깊이까지에 있는 반도체 기판(110)의 자유 전자들의 전기광학적 특성이 측정될 수 있는 것이다. In one embodiment, when the width w of the slot of the sensing element 120 is adjusted, the focusing depth at which the electromagnetic waves are focused on the semiconductor substrate 110 may be adjusted. Preferably, when the width w of the slot is several μm or less, the width w of the slot and the depth of focus from the surface of the semiconductor substrate 110 of electromagnetic waves have a linear relationship, where the depth of focus is a semiconductor substrate ( Corresponding to the point where the intensity of the electric field due to electromagnetic waves from the surface of 110 becomes full width at half maximum. Here, the width w of the slot may be adjusted according to the type of the semiconductor substrate 110, for example, may be adjusted in the range of about 5 μm or less. That is, by adjusting the width w of the slot of the sensing element 120, the depth at which electromagnetic waves are focused from the surface of the semiconductor substrate 110 may be adjusted. As shown in FIGS. 5A and 5B, the width of the slot ( When w) becomes smaller, electromagnetic waves can be focused more toward the surface of the semiconductor substrate 110. For example, when the width w of the slot of the sensing element 120 is 100 nm, the focusing depth of the electromagnetic wave corresponds to a depth of 17 nm from the surface of the semiconductor substrate 110, and thus 17 nm from the surface of the semiconductor substrate 110. The electro-optical properties of the free electrons of the semiconductor substrate 110 up to the depth can be measured.

증폭된 전자기파가 반도체 기판(110)의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지 집속되면, 검출장치는 반도체 기판(110)을 통과한 전자기파 신호를 검출하여 전기적인 신호로 변환한 후, 신호 수신부(131)에 전송한다. 즉, 센싱 소자(120)에 공명주파수 주변 대역의 전자기파가 입사되면, 센싱 소자(120)를 통과하면서 전자기파의 강한 집속과 증폭이 일어나므로 반도체 기판(110)에서 전자기파가 집속된 위치에 있는 자유 전자들의 특성이 측정될 수 있고, 이때의 신호는 전자기파의 증폭으로 인하여 작은 신호도 측정될 수 있다. 예를 들어, 슬랏의 폭을 좁게 조절하면, 전자기파가 집속되는 집속 깊이가 얕아지므로 센싱 소자(120)의 주변, 즉, 반도체 기판(110)의 표면쪽의 광전자 특성의 변화가 감지될 수 있다.When the amplified electromagnetic wave is focused from the surface of the semiconductor substrate 110 to a specific focusing depth, the detection device detects the electromagnetic wave signal passing through the semiconductor substrate 110, converts it into an electrical signal, and then transmits the signal to the signal receiver 131. do. That is, when electromagnetic waves in a band around the resonance frequency are incident on the sensing element 120, strong concentration and amplification of the electromagnetic waves occur while passing through the sensing element 120, thereby free electrons at the position where the electromagnetic waves are focused on the semiconductor substrate 110. These characteristics can be measured, and a small signal can be measured at this time due to the amplification of electromagnetic waves. For example, when the width of the slot is narrowly adjusted, since the focusing depth at which the electromagnetic waves are focused is shallow, the change in the optoelectronic characteristics around the sensing element 120, that is, the surface side of the semiconductor substrate 110 may be sensed.

신호 수신부(131)에서 수신한 전기적인 신호는 투과율 측정부(132)에 제공되고, 투과율 측정부(132)는 전기적인 신호를 기초로 투과도의 변화를 측정한다. 바람직하게, 센싱 소자(120)에 의하여 증폭된 전자기파가 반도체 기판(110)에 대하여 광학적으로 투과하고 반사하는 투과 및 반사 신호가 측정되어 신호 수신부(131)에 전송될 수 있고, 투과율 측정부(132)는 이를 기초로 반도체 기판(110)의 투과도의 변화를 측정할 수 있다.The electrical signal received by the signal receiver 131 is provided to the transmittance measuring unit 132, and the transmittance measuring unit 132 measures a change in transmittance based on the electrical signal. Preferably, the transmission and reflection signals of the electromagnetic wave amplified by the sensing element 120 to optically transmit and reflect the semiconductor substrate 110 may be measured and transmitted to the signal receiver 131, and the transmittance measurement unit 132 ) May measure the change in the transmittance of the semiconductor substrate 110 based on this.

전기광학적 특성 측정부(133)는 투과율 측정부(132)를 통하여 측정된 투과도의 변화를 기초로 반도체 기판(110)의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지에서의 전자 특성, 즉, 전자의 수명을 측정한다.The electro-optical characteristic measuring unit 133 measures the electronic property, i.e., the lifetime of the electron, from the surface of the semiconductor substrate 110 to a specific focusing depth based on the change in transmittance measured by the transmittance measuring unit 132. .

도 6은 본 발명에 따라 측정된 전기광학적 특성을 설명하기 위한 그래프이다.6 is a graph for explaining the electro-optical characteristics measured according to the present invention.

도 6은 센싱 소자(120)의 슬랏의 폭(w)을 다양하게 조절하여 획득한 반도체 기판(110)의 전기광학적 특성을 나타내는 것으로서, 센싱 소자(120)가 반도체 기판(110) 상에 배치되지 않은 경우(Bare InP), 및 센싱 소자(120)의 슬랏의 폭(w)이 각각 3μm, 1㎛, 500nm, 150nm, 50nm인 경우에 측정된 반도체 기판(110)의 전기광학적 특성을 나타낸다. 도 6의 그래프에서 각 경우(Bare InP, 3μm, 1㎛, 500nm, 150nm, 50nm)에 측정된 값(y축)은 모두 0~1사이의 값을 가지나, 각 경우의 구분을 용이하게 하기 위하여 플롯(plot)시킨 것을 도시하였다. 도 6의 그래프에서 x축은 전자기파가 조사되는 시간을 나타내고, y 축은 투과도를 나타내는 것으로서, x축의 시간 변화에 따른 y축의 투과도 값의 변화를 기초로 광전자의 수명이 측정될 수 있다. 보다 구체적으로, 펌프 빔에 의하여 반도체 기판(110)에 광전자가 생성되면 광전자의 수에 비례하여 전자기파의 투과도가 변하게 되므로, 전자기파의 투과도는 광전자의 수를 의미하고, 따라서, 전자기파의 투과도의 변화로부터 광전자 전자 수명이 측정될 수 있다. 예를 들어, 시간 변화에 따라 전자기파의 투과도가 유지된다는 것은 남아 있는 광전자의 수가 유지되고 있는 것으로서 광전자의 전자수명이 길다는 것을 의미한다.6 illustrates the electro-optic characteristics of the semiconductor substrate 110 obtained by variously adjusting the width w of the slot of the sensing element 120. The sensing element 120 is not disposed on the semiconductor substrate 110. If not (Bare InP), and the width (w) of the slot of the sensing element 120 is 3μm, 1㎛, 500nm, 150nm, 50nm respectively shows the electro-optical characteristics of the semiconductor substrate 110 measured. In the graph of FIG. 6, the values (y-axis) measured in each case (Bare InP, 3 μm, 1 μm, 500 nm, 150 nm, and 50 nm) all have a value between 0 and 1, in order to facilitate distinction of each case. Plots are shown. In the graph of FIG. 6, the x-axis represents the time when the electromagnetic wave is irradiated, and the y-axis represents the transmittance. The lifetime of the photoelectron may be measured based on the change in the transmittance value of the y-axis according to the change in time of the x-axis. More specifically, when the photoelectrons are generated in the semiconductor substrate 110 by the pump beam, the transmittance of the electromagnetic waves changes in proportion to the number of the photoelectrons. Therefore, the transmittance of the electromagnetic waves means the number of photoelectrons, and therefore, from the change of the transmittance of the electromagnetic waves. Optoelectronic electron lifetime can be measured. For example, maintaining the transmittance of electromagnetic waves over time means that the number of remaining photons is maintained and the electron lifetime of the photoelectrons is long.

도 6을 참조하면, 센싱 소자(120)가 반도체 기판(110) 상에 배치되지 않은 경우(Bare InP)와 대비하여, 센싱 소자(120)가 반도체 기판(110) 상에 배치되면 반도체 기판(110)의 전자의 수명이 짧아지는 것을 볼 수 있고, 센싱 소자(120)의 슬랏의 폭(3μm, 1㎛, 500nm, 150nm, 50nm)에 따라 반도체 기판(110)의 표면으로부터의 다양한 집속 깊이까지에서의 전자의 수명이 측정된 것을 볼 수 있다.Referring to FIG. 6, in contrast to the case in which the sensing element 120 is not disposed on the semiconductor substrate 110 (Bare InP), when the sensing element 120 is disposed on the semiconductor substrate 110, the semiconductor substrate 110 is formed. It can be seen that the lifetime of the electrons of the N-s) is shortened to various concentration depths from the surface of the semiconductor substrate 110 depending on the width (3 μm, 1 μm, 500 nm, 150 nm, 50 nm) of the slot of the sensing element 120. It can be seen that the electron's lifetime is measured.

도 7은 본 발명에 따라 측정된 전기광학적 특성을 설명하기 위한 그래프이다.7 is a graph illustrating the electro-optical properties measured according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따라 반도체 기판(110) 상에 센싱 소자(120)를 배치하여 반도체 기판(110)의 표면으로부터의 특정 집속 깊이까지에서의 전기광학적 특성을 측정한 후 센싱 소자(120)를 제거한 경우, 반도체 기판(110)의 특성이 변하지 않고 유지되는지를 보여주는 그래프로서, 센싱 소자(120)가 반도체 기판(110) 상에 배치되지 않은 경우(Bare InP, Bare GaAs), 센싱 소자(120)가 반도체 기판(110) 상에 배치된 경우(100nm, 500nm), 및 센싱 소자(120)가 반도체 기판(110)에 배치되었다가 다시 제거된 경우(Etching)에 측정된 반도체 기판(110)의 전기광학적 특성을 나타낸다.FIG. 7 illustrates the sensing element 120 on the semiconductor substrate 110 by measuring the electro-optical characteristics up to a specific focusing depth from the surface of the semiconductor substrate 110 in accordance with the present invention. When removed, the graph showing whether the characteristics of the semiconductor substrate 110 remain unchanged. When the sensing element 120 is not disposed on the semiconductor substrate 110 (Bare InP, Bare GaAs), the sensing element 120 Is measured on the semiconductor substrate 110 (100 nm, 500 nm), and the sensing element 120 is disposed on the semiconductor substrate 110 and then removed (etching). It shows optical properties.

도 7을 참조하면, 센싱 소자(120)를 반도체 기판(110) 상에 배치하여 반도체 기판(110)의 전기광학적 특성을 측정(100nm, 500nm)한 후, 센싱 소자(120)를 제거한 다음 다시 측정한 반도체 기판(110)의 전기광학적 특성(Etching)은 본래의 반도체 기판(110)의 전기광학적 특성(Bare InP, Bare GaAs)과 거의 동일해진 것을 볼 수 있다. 즉, 도 7의 그래프에 도시된 결과로부터, 센싱 소자(120)를 이용하여 반도체 기판(110)의 전기광학적 특성이 측정된 후에 센싱 소자(120)가 제거되면, 다시 본래의 반도체 기판의 특성으로 돌아오는 바, 본 발명에 의하면 전기광학적 특성의 측정 후에 반도체 기판(110)을 다시 사용하는 것이 가능함을 알 수 있다. Referring to FIG. 7, after the sensing device 120 is disposed on the semiconductor substrate 110 to measure the electro-optic characteristics of the semiconductor substrate 110 (100 nm and 500 nm), the sensing device 120 is removed and then measured again. It can be seen that the electro-optic characteristic (Etching) of one semiconductor substrate 110 is almost the same as the electro-optical characteristics (Bare InP, Bare GaAs) of the original semiconductor substrate 110. That is, from the results shown in the graph of FIG. 7, if the sensing element 120 is removed after the electro-optical characteristic of the semiconductor substrate 110 is measured using the sensing element 120, the characteristics of the original semiconductor substrate are returned. Returning to the present invention, it can be seen that the semiconductor substrate 110 can be used again after the measurement of the electro-optical properties.

전술한 본 발명에 따른 반도체 물질의 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.Although the preferred embodiment of the electro-optical characteristic non-contact measuring system of the semiconductor material according to the present invention has been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications are made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. It is possible to carry out by this and this also belongs to the present invention.

100: 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템
110: 반도체 기판
120: 센싱 소자
130: 전기광학적 특성 측정 장치
131: 신호 수신부
132: 투과율 측정부
133: 전기광학적 특성 측정부
134: 제어부100: electro-optic non-contact measuring system
110: semiconductor substrate
120: sensing element
130: electro-optical characteristic measuring device
131: signal receiving unit
132: transmittance measuring unit
133: electro-optical characteristic measuring unit
134: control unit

Claims (6)

전기광학적 특성이 측정되는 반도체 기판;
상기 반도체 기판 상에 배치되어, 특정 주파수의 전자기파를 증폭시키고 상기 반도체 기판의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지 상기 전자기파를 집속시키는 센싱 소자; 및
상기 센싱 소자에 의하여 증폭 및 집속된 전자기파를 이용하여, 상기 반도체 기판의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지에서의 전기광학적 특성을 측정하는 전기광학적 측정 장치를 포함하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.
A semiconductor substrate on which electro-optic properties are measured;
A sensing element disposed on the semiconductor substrate to amplify electromagnetic waves of a specific frequency and to focus the electromagnetic waves from a surface of the semiconductor substrate to a specific focusing depth; And
And an electro-optical measuring device for measuring electro-optic properties from the surface of the semiconductor substrate to a specific focusing depth by using the electromagnetic waves amplified and focused by the sensing element.
제1항에 있어서, 상기 센싱 소자는
필름으로 구성되되,
상기 필름은, 특정 주파수의 전자기파가 증폭되고, 증폭된 전자기파가 상기 반도체 기판의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지 침투되도록, 직사각형 모양의 슬랏이 음각 패터닝 되는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.
The method of claim 1, wherein the sensing element
Consisting of film,
The film is electro-optic characteristic non-contact measuring system, characterized in that the rectangular-shaped slot is negatively patterned so that the electromagnetic wave of a specific frequency is amplified, and the amplified electromagnetic wave penetrates from the surface of the semiconductor substrate to a certain focusing depth.
제2항에 있어서, 상기 슬랏은
상기 반도체 기판의 전기광학적 특성을 추출하기 위하여 이용되는 전자기파의 주파수에 따라 길이가 조절되고, 상기 전기광학적 특성을 추출하고자 하는 상기 반도체 기판의 표면으로부터의 집속 깊이에 따라 폭이 조절되는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.
The method of claim 2, wherein the slot
The length is adjusted according to the frequency of the electromagnetic wave used to extract the electro-optical characteristics of the semiconductor substrate, and the width is adjusted in accordance with the depth of focus from the surface of the semiconductor substrate to extract the electro-optical characteristics Electro-optical non-contact measuring system.
제3항에 있어서,
상기 슬랏의 폭과 상기 집속 깊이는 선형관계를 가지고, 상기 집속 깊이는 상기 반도체 기판의 표면으로부터 상기 전자기파에 의한 전기장의 강도가 반치전폭이 되는 지점에 해당하는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.
The method of claim 3,
The width of the slot and the focusing depth have a linear relationship, and the focusing depth corresponds to a point where the intensity of the electric field due to the electromagnetic wave is half full width from the surface of the semiconductor substrate. .
제1항에 있어서, 상기 전기광학적 특성 측정 장치는
상기 전자기파의 상기 반도체 기판에 대한 투과 신호를 기초로 투과도의 변화를 측정하고, 상기 투과도의 변화를 기초로 상기 반도체 기판의 표면으로부터 특정 집속 깊이까지에서의 전자수명을 측정하는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.
The apparatus of claim 1, wherein the electro-optical characteristic measuring device
Measuring the change in transmittance based on the transmission signal of the electromagnetic wave to the semiconductor substrate, and measuring the electron lifetime from the surface of the semiconductor substrate to a specific focusing depth based on the change in the transmittance. Characteristic non-contact measuring system.
제1항에 있어서,
상기 특정 주파수의 전자기파가 조사되기 이전에, 상기 반도체 기판의 특정 침투 깊이에 전자-정공 쌍을 생성하기 위하여 펌프 빔을 방출하는 레이저 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기광학적 특성 비접촉식 측정 시스템.The method of claim 1,
And a laser device that emits a pump beam to generate an electron-hole pair at a specific penetration depth of the semiconductor substrate before the electromagnetic waves of the particular frequency are irradiated.
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