SU1746264A1 - Устройство дл контрол полупроводниковых материалов - Google Patents

Abstract

Использование: пол ризационно-опти- ческие исследовани , контроль полупроводниковых материалов, используемых в микроэлектронике. Сущность изобретени : устройство дл  контрол  полупроводниковых материалов содержит источник зондирующего излучени , фазовую четвертьволновую пластинку, сканирующее устройство с исследуемым образцом, собирающую линзу, вращающийс  анализатор с блоком формировани  опорного сигнала, фотоприемник и регистрирующее устройство. Устройство дополнительно содержит две коллимирующие линзы, вторую фазовую четвертьволновую пластинку, модул тор интенсивности светового луча, блок спектральной селекции, собирающую линзу. 1 ил. .- Ј

Description

Изобретение относитс  к пол ризаци- онно-оптическим исследовани м и может быть использовано дн  исследовани  и контрол  полупроводниковых материалов, используемых в микроэлектронике.

Дл  оценки качества пластины и возможности оптимизации технологических операций весьма важно знать, произошло ли в процессе рассматриваемой высокотемпературной операции пластическое течение материала пластины, ибо оно сопровождаетс  значительным увеличением плотности дислокаций, понижающих выход годных изделий и их, надежность. Однако внутренние упругие напр жени  можно однозначно св зывать с пластической деформацией только в однородных по составу полупроводниковых пластинах, где пластическое течение материала при высоких температурах либо при механической обработке  вл етс  единственно возможной причиной возникновени  напр жений в охлажденной пластине. В процессе производства изделий полупроводниковой микроэлектроники на пластину при высокой температуре нанос тс  различные слои и пленки (пленки SIO2, , эпитаксиальный слой ...)г которые из-за отличи  их температурных коэффициентов расширени  (ТКР) от ТКГ полупроводниковой подложки деформируют ее при охлаждении, создава  упругие напр жени . В этом случае регистраци  напр жений не дает информации о наличии или отсутствии пластической деформации в исследуемой области пластины.

В насто щее врем  наиболее широкое распространение получили устройства дл  контрол  внутренних упругих напр жений в материалах, принцип измерени  в которых основан на эффекте вынужденного двулуS

о

45

N

чепреломлени . Упругие напр жени  делают исследуемый объект оптически анизотропным . О величине напр жений суд т по измеренной величине двулучепреломле- ни .

Известен пол рископ дл  наблюдени  и измерени  двулучепреломлени  в объектах с неоднородной прозрачностью, содержащий осветитель, пол ризатор, фазовую пластину, сканирующее устройство, вращающийс  анализатор, механический прерыватель света, объектив, детектор излучени , два селективных усилител , один из которых настроен на удвоенную частоту вращени  анализатора, а второй - на частоту прерывани  света, регистрирующую систему и блок отношений, включенный между двум  селективными усилител ми с регистрирующей системой.

Недостатком данного устройства  вл етс  невозможность вы влени  пластически деформированных областей при исследовании неоднородной полупроводниковой структуры, поскольку в этом случае упругие напр жени  могут быть обусловлены разницей ТКР различных слоев или деформаций решетки приповерхностного сло  в результате термодиффузионного легировани  пластины.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  устройство дл  измерени  двулучепреломлени , содержащее источник монохроматического излучени , расшир ющую телескопическую систему, пол ризатор, четвертьволновую фазовую пластинку, микрообъектив, сканирующее устройство с исследуемым образцом , вращающийс  анализатор с блоком формировани  опорного сигнала, объектив, детектор излучени  с блоком питани , работающим в режиме стабилизации тока, селективный усилитель, настроенный на удвоенную частоту вращени  анализатора, измеритель разности фаз и два регистрирующих устройства. Сигнал, пропорциональный величине двулучепреломлени , выдел етс  селективным усилителем, а азимут осей двулучепреломлени  определ етс  с помощью измерител  разности фаз между сигналом с селективного усилител  и опорным сигналом, синхронизированным с угловым положением вращающегос  анализатора . Контраст интерференции в исследуемом образце эффективно подавл етс  с помощью расшир ющей телескопической системы и микрообъектива с увеличенной задней апертурой.

Недостатком известного устройства  вл етс  невозможность вы влени  в неоднородных полупроводниковых структурах

пластически деформированных областей, так как устройство измер ет только величину двулучепреломлени .

Цель изобретени  - расширение класса

регистрируемых параметров, упрощение юстировки и возможности многоканальной регистрации сигналов.

Дл  достижени  поставленной цели устройство дл  контрол  полупроводниковых

0 материалов, содержащее источник зондирующего излучени , последовательно расположенные по ходу оси излучени  пол ризатор, фазовую четвертьволновую пластинку с ос ми, составл ющими угол 45°

5с осью пол ризатора, сканирующее устройство с исследуемым образцом, вращающийс  анализатор с блоком формировани  опорного сигнала, собирающую линзу, фотоприемник , выход которого соединен с

0 входом селективного усилител  и регистрирующее устройство, дополнительно содержит две коллимирующие линзы, расположенные, соответственно, перед неподвижным пол ризатором и врэщающим5 с  анализатором, вторую фазовую четвертьволновую пластинку, помещенную после вращающегос  анализатора и вращающегос  синхронно с ним, причем ее оси составл ют угол 45° с осью его пропускани ,

0 кроме того, модул тор интенсивности светового луча, блок спектральной селекции и собирающа  линза последовательно установлены перед фотоприемником, фильтр нижних частот и аналого-цифровой преоб5 разователь, причем вход фильтра нижних частот соединен с выходом селективного усилител , а выход - с сигнальным входом аналого-цифрового преобразовател , вход запуска которого соединен с выходом блока

0 формировани  опорного сигнала, а выход подключен к входу регистрирующего устройства .

На чертеже показано предлагаемое устройство .

5 Устройство включает в себ  последовательно расположенные на оптической оси источник 1 излучени  сплошного спектра (например, лампу накаливани ), коллимиру- ющую линзу 2, пол ризатор 3, фазовую чет0 вертьволновую пластину 4, фокусирующую линзу 5, сканирующее устройство 6 с установленным на нем исследуемым образцом 7, коллимирующую линзуВ, синхронно вращающиес  с частотой анализатор 9 и

5 четвертьволновую пластину 10, блок формировани  опорного сигнала, выполненный, например, в виде вращающегос  синхронно с анализатором непрозрачного диска 11с прозрачными радиальными штрихами, расположенными через равные угловые интервалы , и неподвижной оптронной пары 12, собирающую линзу 13, модул тор 14 интенсивности светового луча, выполненный, например , в виде вращающегос  с частотой о)2 непрозрачного диска с отверсти - ми, блок 15 спектральной селекции (например , монохроматор), собирающую линзу 16, фотоприемник 17, селективный усилитель 18с полосой пропускани  от од -2 до 0)2+2 wi и встроенным линейным детекто- ром, выпр мл ющим несущую частоту амплитудной модул ции, фильтр 19 нижних частот (ФНЧ) с заданной амплитудно-частотной характеристикой, выполненный, например , в виде фильтра Чебышева четвертого пор дка, аналого-цифровой, преобразователь (АЦП) 20 и регистрирующее устройство 21, например микроЭВМ, принимающее цифровую информацию с АЦП и управл ющее сканирующим устрой- ством 6.

Устройство работает следующим образом .

Блок 15 спектральной селекции выдел ет из сплошного спектра излучени  источ- ника 1 излучение длины волны At из области прозрачности исследуемого образца . Из излучени  источника 1 формируетс  коллимирующей линзой 2 параллельный пучок , который после прохождени  пол риза- тора 3 и фазовой четвертьволновой пластинки 4 становитс  циркул рно пол ризованным (на длине волны AI). Линза 5 фокусирует свет на исследуемый образец 7. Если в нем имеютс  внутренние упругие напр жени , то вследствие  влени  вынужденного двулучепреломлени  пол ризаци  света, прошедшего образец, исказитс  и окажетс , в общем случае, эллиптической. Пройд  вращающийс  с частотой (О анали- затор 9, свет окажетс  промодулированным по интенсивности с частотой 2 йл, причем глубина модул ции определ етс  отношением осей эллипса пол ризации, а фаза - ориентацией ею осей. В случае разъюсти- ровки оптической схемы или неидеальности анализатора 9 возникает также модул ци  на частоте . Прошедшее вращающийс  анализатор 9 излучение линейно пол ризовано , причем плоскость пол ризации враща- етс  с частотой 2 о. Оптические элементы устройства, расположенные на оптической оси после вращающегос  анализатора, могут быть чувствительны к направлению пол ризации проход щего через них света. В особенности это касаетс  блока 15 спектральной селекции: известно, что пропусканиемонохроматоромсвета , пол ризованного параллельно и перпендикул рно его щел м, различно. Известна также пол ризационна  чувствительность фотоприемников . Поскольку плоскость пол ризации света вращаетс  с частотой 2 У1, пол ризационна  чувствительность оптических элементов, расположенных после вращающегос  анализатора 9., обусловит модул цию интенсивности света на частоте 2 tt)i, т.е. дополнительный вклад в величины Фурье коэффициентов аа и Ьа. Дл  предотвращени  это) о вклада за вращающимс  анализатором 9 располагаетс  жестко скрепленна  с ним фазова  четвертьволнова  пластина 10, оси которой ориентированы под углом 45° к оси пропускани  анализатора. Пройд  ее, свет становитс  циркул рно пол ризованным, и спектральна  чувствительность оптических элементов уже не приводит к возникновению переменной составл ющей в интенсивности падающего на фотоприемник 16 излучени . Объектив 13 собирает прошедшее фазовую пластину излучение и через модул тор 14, модулирующий интенсивность света с частотой одг , направл ет его на приемную площадку фотодетектора 15, с выхода которого электрический сигнал поступает на вход селективного усилител  18, выдел ющего из сигнала частоты в диапазоне от М2 -2 од до 0)2 +2 Ы1 и детектирующего несущую частоту (W2. В результате на выходе селективного усилител  18 формируетс  низкочастотный сигнал, поступающий на вход фильтра нижних частот ФНЧ 19, который усиливает гармоники на частотах twi и 2 аи, а также за счет отличного от нул  коэф- фициента пропускани  по посто нному току пропускает посто нную составл ющую сигнала , характеризующую абсолютное пропускание образца. Кроме того, после прохождени  ФНЧ 19 полезный сигнал отдел етс  от высокочастотных помех. Указанным требовани м соответствует, например, фильтр Чебышева четвертого пор дка с неравномерностью 3 дБ.

Аналоговый сигнал с выхода ФНЧ 19 поступает на сигнальный вход АЦП 20, в котором преобразуетс  в цифровой код в моменты прихода импульсов на вход запуска АЦП 20. Эти импульсы вырабатываютс  формирователем 11 и 12 опорного сигнала и жестко св заны с угловым положением анализатора. Таким образом, на вход регистрирующего устройства 21 поступает последовательность цифровых кодов, соответствующих значени м аналогового сигнала при определенных угловых положени х вращающегос  анализатора. Дальнейша  обработка такого сигнала дл 

получени  искомых параметров проводитс  стандартным образом с помощью цифрового Фурье-преобразовани , в результате чего вычисл етс  Фурье-коэффициенты нулевой (а0), первой (ai и bi) и второй (аг и D2) гармоник. Значение коэффициентов во, вг и Ь2 соответствуют первым трем параметрам Стокса. Таким образом, по величине коэффициента а0 можно судить об интенсивности прошедшего через образец излучени , а величина эллиптичности у и азимут пол ризации вычисл ютс  следующим образом:

1 Уа2+Ь2 у -х arccos -3s во

X

п

Ь2

2 iarctgif

При этом нормированное значение

мощности первой гармоники

VaTTrJ

So

пропорционально искажени м сигнала за счет неидеальности анализатора или раэъюсти- ровки. Переход от измеренных величин а0, у и х к искомым значени м пропускани  величины внутренних напр жений и их ориентации производитс  по формулам

а0

8ок

(3)

где аок значение коэффициента а0 при калибровке (без образца)

М4

(4)

где ACT- разность квазиглавных напр жений;

AI -длина волны излучени ;

п - показатель преломлени  материала;

d - толщина образца;

л

а -п + 2у - фазовый набег; (5)

С - фотоупруга  посто нна 

(6)

где в- ориентаци  главных осей напр жений , отличающа с  от азимута пол ризации на 45°.

После завершени  измерений на длине волны AI блок 15 спектральной селекции перестраиваетс  на длину волны Аа из области кра  собственного поглощени  исследуемого образца, соответственно перестраиваютс  дл  этой длины волны обе фазовые четвертьволновые пластины 4 и 10, и измер етс  величина Дст(А2).

Разность квазиглавных напр жений

Ад в данной точке образца не должна зависеть от особенностей способа ее измерени , в том числе и от длины волны, на которой производитс  измерение. Поэтому если в регистрируемый сигнал внос т вклад

только упругие напр жени , то

A(T(Ai)Aa(A2). .

(7)

Однако наличие дислокаций в кристалле приводит к зависимости поглощени  света этим кристаллом в области кра  собственного поглощени  от пол ризации света, т.е. к дихроизму поглощени . Описанное устройство позвол ет регистрировать

дихроизм поглощени . Предположим, что в исследуемой точке образца отсутствует дву- лучепреломление, но имеетс  дихроизм поглощени . Циркул рна  пол ризаци  зондирующего излучени  обеспечивает

одинаковую интенсивность компонент излучени , пол ризованных в направлени х максимального и минимального поглощени  образца 7. После прохождени  образца 7 интенсивность этих компонент

окажетс  различной и вращающийс  анализатор 9 промодулирует интенсивность света, падающего на фотоприемник 17 с частотой 2 MI. Глубина модул ции, пропорциональна  величине дихроизма, описываетс  параметром у, выражаемым через Фурье-коэффициенты соотношением (1). В случае одновременного наличи  в исследуемой точке образца как двулучепреломле- ни , так и дихроизма поглощени , оба эти

эффекты будут давать вклад в величины измер емых коэффициентов а0, 32. D2.

Из вышеизложенного следует, что в случае наличи  в исследуемой области образца

7 пластической деформации, привод щей к дихроизму поглощени  измерение величины (Аа) будет искажатьс  вкладом регистрируемый сигнал дихроизма поглощени , обусловленного возникшими в результате

пластической деформации дисклокаци ми. Измерени  величины ACT на длинах волн AI и Аг окажутс  различными: Aer{Ai) (А2). Мерой дихроизма, т.е. степени пластической деформации будет разной

к Да (Ai) ). Таким образом, измерение величины ACT (Ai) и Аст(Дг) позво л ет установить наличие или отсутствие пластической деформации в исследуемой точке образца.

После проведени  измерений в одной точке образца двухкоординатное сканирующее устройство 6 по сигналам управл ющей ЭВМ перемещает образец 7 в следующую точку, в которой цикл измерени  повтор ет- с . В результате можно получить типограм- му распределени  по площади образца величины к , характеризующей степень пластической деформации данной точки образца .

Пример. Излучение лампы накаливани  марки КГМ9-70 последовательно проходит коллимирующую линзу 2, пол ризатор 3, фазовую четвертьволновую пластину 4, объектив 5, исследуемый обра- зец 7, закрепленный на двухкоординатном сканирующем столе, коллимирующую линзу 8, жестко скрепленные вращающиес  с частотой (О 10 Гц анализатор 9 и фазовую четвертьволновую пластину-10, объектив 13, модул тор-прерыватель 14, представл ющий собой диск с отверсти ми и модулирующий интенсивность света с частотой (DI 900 Гц монохроматор 15 марки МДП-12, и попадает на фотоприемник 17, в качестве которого используетс  фотодиод ФД-5Г. В конструкции фазовой пластинки 10 предусмотрена возможность плавного изменени  разного хода дл  получени  сдвига фаз А/14 двух ортогональных компонент пол - ризации излучени  при различных длинах волн излучени .

Способ с фотодиода проходит селективный усилитель с полосой частот Дй)40 Гц, детектируетс  и поступает на фильтр ниж- них частот, рассчитанный таким образом, что имеет два подъема АЧХ: на частоте 2 Ш1 -5 дБ и oft. -3 дБ и крутизну спада 24 дБ на октаву (фильтр Чебышева 4 пор дка с неравномерностью 3 дБ). С выхода фильтра 10 сигнал поступает на дес тиразр дный АЦП 20 на вход запуска которого подаютс  импульсы с блока формировани  опорного сигнала, представл ющего собой стекл нное кольцо 11с нанесенным на него непроз- рачным покрытием, в котором составлены прозрачные окна с дискретностью 1°, и оп- тронную пару 12, с которой идут запускающие импульсы.

Последовательность цифровых кодов принимаетс  через магистраль АЦСКС 1024-001 управл ющей микроЭВМ Электроника ДЗ-28, котора  проводит обработку полученной выборки по алгоритму цифрового преобразовани  Фурье, вычис- л ет коэффициенты Фурье и на их основе измер емые параметры Т, у, Х- Два последних согласно изложенной выше модели пересчитываютс  в величину и ориентацию

осей внутренних напр жений и распечатываютс  на бумаге или на экране диспле . Кроме того, через блоки релейных элементов магистрали АЦСКС 1024-001 микроЭВМ управл ет движением сканирующего устройства .

Описанный макет устройства был использован дл  исследовани  внутренних напр жений и вы влени  областей пластической деформации в стандартной пластине арсенида галли  марки АГЧП, измерено распределение по диаметру пластины, величины Д d при AI 1,15 мк и Аа 0,89 мкм (Л,1 лежит в области прозрачности исследуемого материала, a fa соответствует области дислокационного поглощени  GaAs) и вычислена разность к Acr(Ai)- Да (Да). Полученный результат Дет$0 на фиг.2 демонстрирует распределение двулучепре- ломлени  (сплошна  лини ), а величина к (пунктир) обусловлена вкладом дихроизма , соответствующего пол ризации дислокационного поглощени . Видно, что в средней части распределени  к 0, т.е. вклад дихроизма не обнаруживаетс . Это означает, что в центральной области пластины пластической деформации не происходило . В периферийной области к ;Ч), что означает наличие там пластической деформации .

Нестабильность частоты вращени  анализатора в данном приборе совершенно не вли ет на измерение ориентации осей напр жений (так как формирователь опорных сигналов жестко св зан с вращающимс  анализатором) и незначительно на величину напр жений. Оценить это вли ние можно,

задавшись нестабильностью

(Oi

0,01,

что  вл етс  стандартным значением дл  большинства электродвигателей. В этом случае изменение сигнала за счет подъема АЧХ на частоте 2 ац в предлагаемом устройстве составит дБ-0,01 0,05 дБ или 0,6%, в известном устройстве при использовании стандартного селективного усилител  У2-8 с крутизной полосы пропускани  40 дБ - Д дБ-0,01 ,4 дБ или 4,6%.

В известном устройстве отсутствует объективна  информаци  о качестве анализатора или разьюстированности оптической схемы. В описываемом устройстве непосредственно на экране диспле  можно получить значение мощности первой гармоники , котора  в случае идеального анализатора хорошей настройки тракта не превосходит мощность 0,5...1% нулевой гармоники, а в противном случае может достигать 5-10%. Превышение указанного значени  (1%) указывает на необходимость замены анализатора или лучшей юстировки оптической схемы. Благодар  возможности измерени  с помощью предлагаемого устройства величины пропускани  (одновременно с величиной внутренних напр жений) можно определить, сопровождаетс  ли данное изменение двулучепрелом- лени  изменением пропускани  или нет. Тем самым устран ютс  погрешности, св занные с наличием загр знений, пленочных структур или других факторов, одновременно вли ющих на интенсивность и состо ние пол ризации зондирующего излучени . Отсутствие в устройстве аналогового измерител  разности фаз устран ет погрешность, св занную с непосто нством одного из сравниваемых по фазе сигналов. Так, при использовании в известном устройстве г измерител  разности фаз Ф2-16 и изменении уровн  внутренних напр жений.по п/ющади исследуемого образца в два раза (v на 6 дБ) погрешность измерени  ориентации осей внутренних напр жений увеличиваетс  более чем в 2,5 раза.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемое устройство расшир ет свои функциональные возможности, а также повышает точность измерений.

Claims (1)

1. . Формула изобретени 

   Устройство дл  контрол  полупроводниковых материалов, содержащее источник зондирующего излучени , последовательно

   расположенные по ходу его излучени  пол ризатор , фазовую четвертьволновую пластинку с ос ми, составл ющими угол 45° с ос ми пол ризатора, сканирующее устройство с исследуемым образцом, собирающую

   линзу, анализатор с блоком формировани  опорного сигнала, снабженный приводом вращени , фотоприемник, выход которого соединен с входом селективного усилител , и регистрирующее устройство, отличающ е ее   тем, что, с целью расширени  класса регистрируемых параметров, упрощени  юстировки и обеспечени  возможности многоканальной регистрации сигналов, устройство дополнительно содержит две

   коллимирующие линзы, расположенные по ходу излучени  соответственно перед пол ризатором и анализатором, вторую фазовую четвертьволновую пластинку, помещенную после анализатора и жестко скрепленную с

   ним, причем оси второй фазовой четвертьволновой пластинки составл ют угол 45° с ос ми анализатора, а также модул тор интенсивности излучени , блок спектральной селекции и дополнительную собирающую

   линзу, последовательно установленные перед фотоприемником.