CN111595884A

CN111595884A - 一种适用于薄层超晶格材料的扫描电子显微镜检测方法

Info

Publication number: CN111595884A
Application number: CN202010645524.1A
Authority: CN
Inventors: 王旺平; 李倩
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2020-08-28
Anticipated expiration: 2040-07-07
Also published as: CN111595884B

Abstract

本发明公开了一种适用于薄层超晶格材料的扫描电子显微镜检测方法，利用光刻胶回流工艺和干法刻蚀工艺在待测样品表面制备平滑斜面形貌，相比切割、解离方法暴露的剖面结构，平滑斜面形貌不仅可以在材料外延面呈现超晶格薄层结构，而且对薄层结构进行了几何放大；本方法通过光刻胶回流工艺制备的斜面角度θ，能提供1/sin(θ)的超晶格薄层尺寸放大倍数，由于该放大倍数源于材料自身，不损失超晶格薄层结构细节，不依赖扫描电子显微镜设备，因而可以有效提升纳米厚度超晶格薄层的扫描电镜显微图像质量，从而可以有效解决超晶格薄层厚度低于或临近扫描电子显微镜分辨率时超晶格结构显微图像不清晰的问题。

Description

一种适用于薄层超晶格材料的扫描电子显微镜检测方法

技术领域

本发明涉及一种适用于薄层超晶格材料的扫描电子显微镜检测方法，属于半导体材料检测分析领域和扫描电子显微镜成像技术领域。

背景技术

超晶格材料结构是一种多周期交替生长的材料结构，材料周期厚度一般在几纳米到百纳米，周期数可从1周期到百周期。对材料周期厚度为几纳米的超晶格材料结构，我们一般称为薄层超晶格材料。目前成熟的半导体超晶格材料结构如AlGaAs/GaAs超晶格材料、AlGaN/GaN超晶格材料、InGaAs/GaAs/AlGaAs超晶格材料等，广泛应用于半导体激光器、半导体发光二极管、半导体光电探测器等。超晶格材料的性能与构成超晶格的各层材料厚度、材料界面质量密切相关，因而在获得超晶格材料外延片后，人们还需要对超晶格材料进行表征，检测各层厚度，评估材料外延质量。对于超晶格材料结构的准确周期厚度及异质界面质量信息，目前常用的表征手段主要是透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）成像。

透射电子显微镜可以得到纳米分辨率的超晶格材料结构显微图像，但显微图像的质量强烈依赖于样品的厚度，对透射电镜制样要求很高，通常需要借助聚焦离子束系统来进行精细加工。扫描电子显微镜对样品厚度没有特殊要求，但一般用于观察物质的表面形貌，不能获得物质的内部结构信息。如果要用扫描电镜方法表征超晶格材料结构参数，一般是通过解离方法将超晶格材料结构剖面呈现出来，从而转化成可以利用扫描电子显微观察的表面。但是这种解离方法观察剖面结构，有如下缺点：

（1）不适用于薄层超晶格材料。理论上扫描电子显微镜的分辨率可以到亚纳米量级，然而实际操作中受限于环境的电磁、振动干扰及设备的电子束流聚焦性能，现有的扫描电子显微设备的分辨率一般局限于1 nm到20 nm，因而难以呈现薄层超晶格材料的细节。

（2）扫描电镜观察困难。晶圆厚度在百微米量级，薄层超晶格材料厚度在纳米量级，解离面又没有特殊标记定位，因而扫描电镜难以在解离的剖面上定位薄层超晶格材料结构，观察困难。

基于光刻胶回流工艺结合等离子体刻蚀技术，目前已经在SiC、Si等半导体材料上实现了小角度斜台面的平滑刻蚀，斜面角度可以做到4°-12°。目前斜台面技术主要应用于微透镜制备、高压器件制备等器件制备工艺，并没有将该技术用于超晶格材料结构的电子显微镜检测过程中。因此完全可以设计一种检测方法，将该技术用于这类超晶格材料结构的电子显微镜检测中，利用斜台面刻蚀暴露小角度斜面，形成对超晶格材料结构尺寸的几何放大效果，且该效果不依赖于电子显微镜设备。

发明内容

本发明针对薄层超晶格材料尺寸临近扫描电子显微镜分辨率的问题，提出了一种适用于超晶格材料结构的扫描电子显微镜检测方法，利用平滑斜面刻蚀工艺来呈现超晶格材料结构，形成相应的平滑斜面，相比传统的解离方法暴露剖面结构，平滑斜面不仅可以在材料外延方向呈现超晶格材料结构，而且对超晶格材料结构进行了几何放大，这种尺寸放大基于超晶格材料结构自身，与电子显微镜设备无关，是原位的、无损的图像放大方法。

本发明的技术方案如下：

一种适用于薄层超晶格材料的扫描电子显微镜检测方法，其特征在于步骤包括：

步骤1，在薄层超晶格材料上形成光刻胶图形；

步骤2，将步骤1所述光刻胶图形进行光刻胶回流，回流工艺完成后形成回流光刻胶，同时光刻胶边沿呈现斜面形貌；

步骤3，利用步骤2获得的回流光刻胶作为刻蚀掩模，对薄层超晶格材料进行干法刻蚀，刻蚀深度大于超晶格结构的深度；

步骤4，去除薄层超晶格材料上的光刻胶，薄层超晶格材料的表面呈现斜面形貌，形成刻蚀斜面；

步骤5，测得刻蚀斜面的横向长度X和刻蚀斜面的高度Y，则可获得所述刻蚀斜面的倾斜角度θ：θ=arctan(Y/X)；

步骤6，用扫描电子显微镜扫描所述刻蚀斜面，获得刻蚀斜面上的超晶格薄层结构的扫描电镜测量尺寸L；

步骤7，根据获得的刻蚀斜面的倾斜角度θ和扫描电镜测量尺寸L，可得出薄层超晶格材料上超晶格薄层结构的实际厚度D：D=L×Sin(θ)。

本发明的有益效果如下：

本发明在于引入斜台面结构形成对超晶格薄层尺寸的几何放大，而小台面可以用光刻胶回流工艺和干法刻蚀工艺制备，可增强超晶格材料薄层的成像质量，使得薄层超晶格材料能更好的被扫描电子显微镜成像分析。

附图说明

图1为具体实施方式中斜面对超晶格结构尺寸的几何放大效果示意图。

图2为实施例中待测薄层超晶格材料的结构示意图。

图3为实施例中光刻掩模图形示意图。

图4为实施例中去除光刻胶后待测薄层超晶格材料上刻蚀斜面的光学显微镜照片。

图5为实施例中待测薄层超晶格材料上刻蚀斜面的台阶仪扫描曲线。

图6为实施例中斜面上薄层超晶格材料结构的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

本发明利用斜台面呈现薄层超晶格材料的几何放大特点，结合利用扫描电子显微观察其表面得到薄层超晶格材料周期结构的相应厚度。

例如，如图1所示，对于周期结构为1 nm/2 nm的超晶格构成单元，在剖面纵向上仍然是1 nm/2 nm尺寸，但在10°的斜面上呈现出来的周期尺寸是5.76 nm/11.518 nm，在4°的斜面上呈现出来的周期尺寸是14.34 nm/28.67 nm。而1 nm的薄层尺寸是扫描电子显微镜的极限分辨率，扫描电镜不能进一步分辨薄层细节。但是，采用斜面呈现结构后，薄层尺寸放大为5 nm以上，已经高于扫描电子显微镜分辨率，因而可以进行显微成像分析。在扫描电镜获得斜面上的薄层尺寸后，结合斜台面的角度，进行简单的正弦换算即可获得薄层的剖面尺寸。

那么，为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采用的技术手段及功效，下面结合实施例阐述本发明。

实施例

本实施例中提供了一种适用于薄层超晶格材料的扫描电子显微镜检测方法，其步骤包括：

步骤1，选取GaN/AlGaN薄层超晶格材料，如图2所示，所述超晶格薄层结构设计为AlGaN(1 nm)/GaN (2 nm)，8周期。在该薄层超晶格材料上形成光刻胶图形。

采用的光刻掩模图形如图3所示，为ø30 μm的实心圆形。本实施例中，选用的光刻胶为AZ4620，光刻胶旋涂条件为：2000转，30秒。经100度，300秒前烘后光刻、显影形成光刻胶图形。

步骤2，将步骤1所述光刻胶图形进行光刻胶回流，回流工艺完成后形成回流光刻胶，同时光刻胶边沿呈现斜面形貌。

所选用的AZ4620光刻胶的热回流温度阈值约在140-150度，因此光刻胶良好回流要求工艺温度≥150℃。

本实施例中，具体的回流工艺为：首先，将待测的薄层超晶格材料置于160度的热板上进行回流，回流时间为2小时。回流过程中，光刻胶图形尺寸缓慢增大。回流结束后，光刻图形在光学显微镜下呈球冠形貌。

步骤3，利用步骤2获得的回流光刻胶作为刻蚀掩模，对薄层超晶格材料进行等离子体干法刻蚀。

本实施例中，将待测的薄层超晶格材料置于感应耦合等离子体刻蚀设备中，利用步骤2获得的回流光刻胶作为刻蚀掩模，采用的刻蚀气体为Cl₂/Ar，刻蚀深度约0.6 μm，该刻蚀深度必须大于超晶格结构的深度。

步骤4，去除薄层超晶格材料上的光刻胶，薄层超晶格材料的表面呈现斜面形貌，形成刻蚀斜面。

将含光刻胶的薄层超晶格材料置于H₂SO₄: H₂O₂=3 : 1溶液中，浸泡5 min去除光刻胶。去完光刻胶后的薄层超晶格材料，其表面的光学显微图形如图4所示，可以看到步骤3刻蚀形成了斜台面形貌。

步骤5，测得形成的刻蚀斜面的横向长度X和刻蚀斜面的高度Y，计算获得所述刻蚀斜面的倾斜角度θ：θ=arctan(Y/X)。

本实施例中，将待测的薄层超晶格材料置于台阶仪中对斜台面进行高度扫描，获得的高度曲线如图5所示，可见：横向尺寸X=3.8 μm，斜面高度Y=0.664 μm，因此计算出该斜面的倾斜角度θ=arctan (0.664/3.8)=10度。

步骤6，用扫描电子显微镜扫描所述刻蚀斜面，获得刻蚀斜面上的超晶格薄层结构的扫描电镜测量尺寸L。

本实施例中，将待测的薄层超晶格材料平置于样品架上，放入扫描显微镜腔体中检查，检查中样品仍然平直放置，因而所获得的扫描图像为样品的正面图像。对样品含薄层超晶格的斜面部分进行大倍率扫描，获得的扫描电子显微镜图像，如图6所示。图6中，明显表明小角度斜面使得超晶格结构在样品平直放置状态下仍然能被很好的观察，超晶格结构沿着斜面依次展开，表明了本方法的有效性。图6中可以观察到一些贯穿超晶格层的缺陷，原因是蓝宝石衬底GaN材料的高缺陷密度。

同时，斜面上超晶格周期单元结构尺寸如图6所示，超晶格周期结构由两个薄层构成，图中扫描电镜测量尺寸Pa2、Pa3对应超晶格结构周期厚度=21 nm，扫描电镜测量尺寸Pa4对应超晶格周期结构的一个薄层厚度=7 nm。由此得出超晶格周期结构的另一超晶格薄层厚度=21 nm-7 nm=14 nm。

由图6，结合步骤5获得的倾斜角度10°，即可得出超晶格周期结构中两个薄层的实际纵向尺寸为D1=7 nm × Sin10°=1.2 nm；D2=14 nm × sin10°=2.4 nm。

本实施例中，因为步骤5获得的倾斜角度10°，所以对超晶格结构尺寸的几何放大倍数为1/sin10°=5.7倍。

对比图2超晶格周期结构：设计值为1 nm/2 nm，具体实施中在扫描电子显微镜下测得的超晶格周期结构的实际厚度为1.2 nm/2.4 nm。测得的实际周期值与设计值接近，属于材料外延和测量的正常波动水平。另外从扫描电镜图像中可以看到GaN和AlGaN的界面良好，但存在贯穿性的缺陷。

因此，可以看出，本实施例表明了本检测方法不仅可以使得薄层超晶格结构可以在样品平直放置下被扫描电镜检测，且结构尺寸还能被几何放大，1nm厚度的薄层超晶格材料利用本发明的检测方法也能被扫描电子显微镜良好成像。

以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的范围不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。

Claims

1.一种适用于薄层超晶格材料的扫描电子显微镜检测方法，其特征在于步骤包括：

步骤1，在薄层超晶格材料上形成光刻胶图形；

步骤5，测得刻蚀斜面的横向长度X和刻蚀斜面的高度Y，则得到所述刻蚀斜面的倾斜角度θ：θ=arctan(Y/X)；

步骤7，根据获得的刻蚀斜面的倾斜角度θ和扫描电镜测量尺寸L，得出薄层超晶格材料上超晶格薄层结构的实际厚度D：D=L×Sin(θ)。

2.根据权利要求1所述的一种适用于薄层超晶格材料的扫描电子显微镜检测方法，其特征在于：步骤1中所述光刻胶选用AZ4620。

3.根据权利要求1所述的一种适用于薄层超晶格材料的扫描电子显微镜检测方法，其特征在于：步骤2中所述光刻胶热回流的工艺条件为回流温度≥150℃。

4.根据权利要求1所述的一种适用于薄层超晶格材料的扫描电子显微镜检测方法，其特征在于：步骤4中选择H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液去除光刻胶，混合溶液的比例为H₂SO₄: H₂O₂=3 : 1。