Устройство для контроля полупроводниковых материалов

 

Использование: поляризационно-оптические исследования, контроль полупроводниковых материалов, используемых в микроэлектронике. Сущность изобретения: устройство для контроля полупроводниковых материалов содержит источник зондирующего излучения, фазовую четвертьволновую пластинку, сканирующее устройство с исследуемым образцом, собирающую линзу, вращающийся анализатор с блоком формирования опорного сигнала, фотоприемник и регистрирующее устройство. Устройство дополнительно содержит две коллимирующие линзы, вторую фазовую четвертьволновую пластинку, модулятор интенсивности светового луча, блок спектральной селекции, собирающую линзу. 1 ил. .- Ј

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (н)з G 01 N 21/23

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 i 03 $

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ инкт .н (21) 4798920/25 (22) 02,02.90 (46) 07,07„92. Бюл. N 25 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт "Электростандарт" и Центральный научно-исследовательский институт измерительной аппаратуры. (72) Е,M.Ãàìàðö, А.И.Дернятин, fl.À,ÄîáðîMblcRoB, В.А,Крылов, Д.Б.Курняев и О.Ф.Трошин (53) 535.8(088;8) (56) Авторское свидетельство СССР ,М 373603, кл, 6 01 N 21/44, 1973.

Авторское свидетельство СССР

М 1365898, кл. G 01 N 21/23, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ .КОНТРОЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВВ ЫХ МАТЕ РИАЛОВ

Изобретение относится к поляризационно-оптическим исследованиям и может быть использовано для исследования и контроля полупроводниковых материалов, используемых в микроэлектронике.

Для оценки качества пластины и возможности оптимизации технологических операций весьма важно знать, произошло ли в процессе рассматриваемой.высокотемпературной операции пластическое течение материала пластины, ибо оно сопровождается значительным увеличением плотности дислокаций, понижающих выход годных изделий и их, надежность, Однако внутренние упругие напряжения можно однозначно связывать с пластической деформацией только в однородных по составу полупроводниковых пластинах, где пластическое течение материала при высоких температурах либо при механической обработке яв„, Ы, ) 1746264 А1 (57) Использование: поляризационно-оптические исследования, контроль полупровод. никовых материалов, используемых в микроэлектронике. Сущность изобретения; устройство для контроля полупроводниковых материалов содержит источник зондирующего излучения, фазовую четвертьволновую пластинку, сканирующее устройство с исследуемым образцом, собирающую линзу, вращающийся анализатор с блоком формирования опорного сигнала, фотоприемник и регистрирующее устройство. Устройство дополнительно содержит две коллимирующие линзы, вторую фазовую четвертьволновую пластинку, модулятор тенсивности светового луча, блок спе ральной селекции, собирающую линзу. 1 ляется единственно возможной йричиной возникновения напряжений в охлажденной пластине. В процессе производства изделий полупроводниковой микроэлектроники на пластину при высокой температуре наносятся различные слои и пленки (пленки

Sl02; S)3N4, эпитаксиальный слой ...), которые из-за отличия их температурных коэффициентов расширения (ТКР) от ТКГ полупроводниковой подложки деформируют ее при охлаждении; создавая упругие напряжения. В этом случае регистрация. напряжений не дает информации о наличии или отсутствии пластической деформации в исследуемой области пластины.

В настоящее время наиболее широкое распространение получилИ устройства для контроля внутренних упругих напряжений в материалах, принцип измерения в которых основан на эффекте вынужденного двулу1746264 чепреломления. Упругие напряжения делают исследуемый объект оптически аниэотропным. О величине напряжений судят по измеренной величине двулучепреломления.

Известен полярископ для наблюдения и измерения двулучепреломления в объектах с неоднородной прозрачностью. содержащий осветитель, поляризатор, фазовую пластину, сканирующее устройство, вращающийся анализатор, механический прерыватель света, объектив, детектор излучения, два селективных усилителя, один из которых настроен на удвоенную частоту вращения анализатора, а второй — на частоту прерывания света., регистрирующую систему и блок отношений, включенный между двумя селективными усилителями с регистрирующей системой.

Недостатком данного устройства является невозможность выявления пластически деформированных областей при исследовании неоднородной полупроводниковой структуры, поскольку в этом случае упругие напряжения могут быть обусловлены разницей TKP различных слоев или деформаций решетки приповерхностного .слоя а результате термодиффуэионного легирования пластины;

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для.измерения двулучепреломления, содержащее источник монохроматического излучения, расширяющую телескопическую систему, поляризатор, четвертьволновую фазовую пластинку, микрообъектив, сканирующее устройство с исследуемым образцом, вращающийся анализатор с блоком формирования опорного сигнала, объектив, детектор излучения с блоком питания, работающим а режиме стабилизации тока, селективный усилитель, настроенный на удвоенную частоту вращения анализатора, измеритель разности фаз и два регистрирующих устройства, Сигнал, пропорциональный величине двулучепреломления, выделяется селективным усилителем, а азимут осей двулучепреломления определяется с помощью измерителя разности фаз между сигналом с селективного усилителя и опорным сигналом, синхронизированным с угловым положением вращающегося анализатора. Контраст интерференции в исследуемом образце эффективно подавляется с помощью расширяющей телескопической системы и микрообъектива с увеличенной задней апертурой.

Недостатком известного устройства является невозможность выявления а неоднородных полупроводниковых структурах

20

40

50 пластически деформированных областей, так как устройство измеряет только величину двулучепреломления.

Цель изобретения — расширение класса регистрируемых параметров, упрощение юстировки и возможности многоканальной регистрации сигналов.

Для достижения поставленной цели устройство для контроля полупроводниковых материалов, содержащее источник зондирующего излучения, последовательно расположенные по ходу оси излучения поляризатор, фаэовую четвертьволновую пластинку с осями, составляющими угол 45

5 с осью поляризатора, сканирующее устройcteo с исследуемым образцом, вращающийся анализатор с блоком формирования опорного сигнала, собирающую линзу, фотоприемник, выход которого соединен с входом селективного усилителя и регистрирующее устройство, дополнительно содержит две коллимирующие линзы, расположенные, соответственно, перед неподвижным поляризатором и вращающим5 ся анализатором, вторую фазовую четвертьволновую пластинку. помещенную после вращающегося анализатора и вра-: щающегося синхронно с ним, причем ее оси составляют угол 45 с осью его пропускания, кроме того, модулятор интенсивности светового луча, блок спектральной селекции и собирающая линза последовательно установлены перед фотоприемником, фильтр нижних частот и аналого-цифровой преоб5 раэователь, причем вход фильтра нижних, частот соединен с выходом селективного усилителя, а выход — с сигнальным входом аналого-цифрового преобразователя, вход запуска которого соединен с выходом блока формирования опорного сигнала, а выход подключен к входу регистрирующего устройства.

На чертеже показано предлагаемое устройство.

5. Устройство включает а себя последовательно расположенные на оптической оси источник 1 излучения сплошного спектра .(например, лампу накаливания), коллимирующую линзу 2, поляризатор 3, фазовую четвертьволновую пластину 4, фокусирующую линзу 5, сканирующее устройство 6 с установленным на нем исследуемым образцом

7, коллимирующую линзу 8, синхронно вращающиеся с частотой в анализатор 9 и

5 четвертьволновую пластину 10, блок формированияя опорного сигнала, выполненный, например, в виде вращающегося синхронно с анализатором непрозрачного диска 11 с прозрачными радиальными штрихами, расположенными через равные угловые интер1746264 валы, и неподвижной оптронной пары 12, кулярно его щелям, различно. Известна таксобирающуюлинзу13, модулятор 14интен- же поляризационная чувствительность фосивности светового луча, выполненный, на- топриемников. Поскольку плоскость пример, в виде вращающегося с частотой поляризации света вращается с частотой 2 а » со1 непрозрачного диска с отверстия- 5 е>, поляризационная чувствительность опми, блок 15 спектральной селекции (напри- тических элементов, расположенных после мер,монохроматор),собирающуюлинзу16, вращающегося анализатора 9., обусловит фотоприемник 17, селективный усилитель модуляцию интенсивности света на частоте

18 с полосой пропускания от щ -2 в до 2 era,т.е.дополнительный вкладв величины ар +2 в1 и встроенным линейным детекто- 10 Фурье коэффициентов а2 и bz. Для предотвром, выпрямляющим несущую частоту амп- ращения это о вклада за вращающимся аналитудной модуляции, фильтр 19 нижних лизатором 9 располагается жестко частот (ФНЧ) с заданной амплитудно-час- скрепленная с ним фазовая четвертьволнототной характеристикой, выполненный, на- вая пластина 10, оси которой ориентировапример, в виде фильтра Чебышева 15 ны под углом 45 к оси пропускания четвертого порядка, аналого-цифровой. анализатора. Пройдя ее, свет становится преобразователь (АЦП) 20 и регистрирую- циркулярно поляризованным, и спектральщее устройство 21, например микроЗВМ, ная чувствительность оптических элементов принимающее цифровую информацию с уже не приводит к возникновению переменALlfl и управляющее сканирующим устрой- 20 ной составляющей в интенсивности падаюством 6. щего на фотоприемник. 16 излучения, Устройство работает следующим обра- Объектив 13 собирает прошедшее фазовую зом. пластину излучение и через модулятор 14, Блок 15спектральнойселекции выделя- модулирующий интенсивность света с часет из сплошного спектра излучения источ- 25 тотойса» с01, направляетего на приемную ника 1 излучение длины волны А> из площадку фотодетектора 15, с выхода котообласти прозрачности исследуемогообраз- . рого электрический сигнал поступает на ца. Иэ излучения источника 1 формируется вход селективного усилителя 18, выделяюколлимирующей линзой 2 параллельный пу- щего из сигнала частоты в диапазоне от чок, который после прохождения поляриза- 30 са -2 ж до си +2 го< и детектирующего нетора 3. и фазовой четвертьволновой сущую частоту cuz. В результате на выходе пластинки4становитсяциркулярнополяри- селективного усилителя 18 формируется зованным (на длине волны i(1). Линза 5 фо- низкочастотный сигнал, поступающий на кусирует свет на исследуемый образец 7. вход фильтра нижних частот ФНЧ 19, котоЕсли в нем имеются внутренние упругие 35 рый усиливает гармоники на частотах си> и напряжения, то вследствие явления вынуж- 2 а, а также за счет отличного от нуля коэфденного двулучепреломления поляризация фициента пропускания по постоянному току света, прошедшего образец, исказится и пропускает постоянную составляющую сигокажется, в общем случае, эллиптической. нала, характеризующую абсолютное пропуПройдя вращающийся с частотой в анали- "0 скание образца. Кроме того, после затор 9, свет окажется промодулированным прохождения ФНЧ 19 полезный сигнал отпо интенсивности с частотой 2 си>, причем деляется от высокочастотных помех, Укаглубина модуляции определяется отноше- занным требованиям соответствует, нием осей эллипса поляризации, а фаза — . например, фильтр Чебышева четвертого поориентацией его осей. В случае раэъюсти- 45 рядка с неравномерностью 3 дБ. ровкиоптическойсхемыилинеидеальности Аналоговый сигнал с выхода ФНЧ 19 анализатора 9 возникает также модуляция поступает на сигнальный вход АЦП 20, в на частоте в, Прошедшее вращающийся котором преобразуется в цифровой код в анализатор9излучениелинейнополяризова- моменты прихода импульсов на вход запуно, причем плоскость поляризации враща- 50 ска АЦП 20. Эти импульсы вырабатываются ется с частотой 2 в1. Оптические элементы формирователем 11 и 12 опорного сигнала устройства, расположенные на оптической и жестко связаны с угловым положением оси после вращающегося анализатора, мо- анализатора. Таким образом, на вход регигут быть чувствительны к направлению по- стрирующего устройства 21 поступает поляризации проходящего через них света. В 55 следовательность цифровых кодов, особенности это касается блока 15 спект- соответствующих значениям аналогового ральной селекции: известно, что пропуска- сигнала при определенных угловых полонив монохроматором света, жениях вращающегося анализатора, Дальлоляриэованного параллельно и перпенди- нейшая обработка такого сигнала для

1746264

g у- — агссоэ

2 ао

Ж 1 Ь2

g - =— — — агс1д —.

2 2 а2

При этом нормированное значение

Я+ьЯ мощности первой гармоники . проао порционально искажениям сигнала за счет неидеальности анализатора или раэъюстировки. Переход от измеренных величин ао, и g к искомым значениям пропускания величины внутренних напряжений и их ориентации производится по формулам

Т= ао аок (3} где аок — значение коэффициента ао при калибровке (без образца) @) 1 sIAä À

С 2пd (4) где Ла- разность кваэиглавных напряжений;

1j — длина волны излучения;

n — показатель преломления материала;

d — толщина образца;

0 = — + 2 у —; (5) и

С вЂ”, фотоупругая постоянная в= --, Л

4 где В- ориентация главных осей напряжений, отличающаяся от азимута поляризации на 450, После завершения измерений на длине волны А блок 15 спектральной селекции перестраивается на длину волны 4 иэ области края собственного поглощения исследуемого образца, соответственно пере; получения искомых параметров проводится стандартным образом с помощью цифрового Фурье-преобразования, в результате чего вычисляется Фурье-коэффициенты нУлевой (ао), пеРвой (а1 и Ь1) и втоРой (а2 и

Ь|) гармоник. Значение коэффициентов ао, ат и Ь2 соответствуют первым трем параметрам Стокса. Таким образом, по величине коэффициента ао можно судить об интенсивности прошедшего через образец излучения, а величина эллиптичности g и азимут поляризации вычисляются следующим образом: страиваются для этой длины волны обе фаэовые четвертьволновые пластины 4 и 10, и измеряется величина Л а(12).

Разность квазиглавных напряжений

Лд в данной точке образца не должна зависеть от особенностей способа ее измерения, в том числе и от длины волны, на когорой производится измерение. Поэтому если в регистрируемый сигнал вносят вклад только упругие напряжения, то

10

Ла (Х1}= Ла (4).. (7) Из вышеизложенного следует, что в случае наличия в исследуемой области образца

45 7 пластической деформации, приводящей к дихроиэму поглощения измерение величины Ла (ЯД будет искажаться вкладом регистрируемый сигнал дихроизма поглощения, обусловленного возникшими в результате

50 пластической деформации дисклокациями.

Измерения величины b,a на длинах волн

А1 и 3 окажутся различными:- Ла@ ) Ла (Я2). Мерой дихроизма, т,е. степени пластической деформации будет разной

55 к- Ла g1) - Ла(Ъ).Такимобразом,измерение величины Ло (Й) и Ла(3з) позволяет установить наличие или отсутствие пластической деформации в исследуемой . точке образца.

Однако наличие дислокаций в кристал15 ле приводит к зависимости поглощения света этим кристаллом в области края собственного поглощения от поляризации света, т..е. к дихроизму поглощения. Описанное устройство позволяет регистрировать

20 дихроиэм поглощения. Предположим, что в исследуемой точке образца отсутствует двулучепреломление, но имеется дихроиэм поглощения. Циркулярная поляризация зондирующего излучения обеспечивает

25 одинаковую интенсивность компонент излучения, поляризованных в направлениях максимального и минимального поглощения образца 7. После прохождения образца 7 интенсивность этих .компонент

30 окажется .различной и вращающийся анализатор 9 промодулирует интенсивность света, падающего на фотоприемник 17 с частотой 2 в, Глубина модуляции, пропорциональная величине дихроизма, опи35 сывается параметром у,. выражаемым через

Фурье-коэффициенты соотношением (1). В случае одновременного наличия в исследуемой точке образца как двулучепреломления, так и дихроизма поглощения, оба эти

40 эффекты будут давать вклад в величины измеряемых коэффициентов ао, àã, Ьг.

После проведения измерений в одной точке образца двухкоординатное сканирующее устройство 6 по сигналам управляющей

ЭВМ перемещает образец 7 в следующую точку, в которой цикл измерения повторяет- 5 ся. В результате можно получить типограмму распределения по площади образца величины к, характеризующей степень пластической деформации данной точки образца. 10

Пример. Излучение лампы накаливания марки КГМ9-70 последовательно проходит коллимирующую линзу 2, поляризатор 3, фазовую четвертьволновую пластину 4, объектив 5, исследуемый обра- 15 зец 7, закрепленный на двухкоординатном сканирующем столе, коллимирующую лииэу 8, жестко скрепленные вращающиеся с частотой е1 -10 Гц анализатор 9 и фаэовую четвертьволновую пластину- 10, объектив 20

13,модулятор-прерыватель 14, представляющий.собой диск с отверстиями и модулирующий интенсивность света с частотой

<62 =900 Гц монохроматор 15 марки МДП-12, и попадает на фотоприемник 17, в качестве 25 которого используется фотодиод ФД-5Г. В конструкции фазовой пластинки 10 предусмотрена возможность плавного изменения разного хода для получения сдвига фаз

Х/14 двух ортогональных компонент поля- 30 ризации излучения при различных длинах волн излучения.

Способ с фотодиода проходит селективный усилитель с полосой частот Ам =40 Гц, детектируется и поступает на фильтр ниж- 35 них частот, рассчитанный таким образом, что имеет два подъема АЧХ: на частоте 2 и 2-5дБ и а2 3дБ и крутизну спада 24дБ на октаву (фильтр Чебышева 4 порядка с неравномерностью 3 дБ). С выхода фильтра 40

10 сигнал поступает на десятираэрядный

АЦП 20 на вход запуска которого подаются импульсы с блока формирования опорного си нала, представляющего собой стеклянное кольцо 11 с нанесенным на него непроз- "5 рачным покрытием, в котором составлены прозрачные окна с дискретностью 10, и оптронную пару 12, с которой идут запускающие импульсы.

Последовательность цифровых кодов 50 принимается через магистраль АЦСКС

1024-001 управляющей микроЭВМ "Электроника ДЗ-28", которая проводит обработку полученной выборки по алгоритму цифрового преобразования Фурье, вычис- 55

- ляет коэффициенты Фурье и на их основе измеряемые параметры Т, у,g. Два последних согласно изложенной выше модели пересчитываются в величину и ориентацию осей внутренних напряжений и распечатываются на бумаге или на экране дисплея, Кроме того, через блоки релейным элементов магистрали АЦСКС 1024 — 001 микроЭ ВМ управляет движением сканирующего устройства.

Описанный макет устройства был использован для исследования внутренних напряжений и выявления областей пластической деформации в стандартной пластине арсенида галлия марки АГЧП, измерено. распределение по диаметру пластины, величины Лсг при 4 =1,15 мк и 4 =0,89 мкм

g< лежит в области прозрачности исследуемого материала, а Ат соответствует обла- . сти дислокационного поглощения GaAs) и вычислена разность к = Лп(11}- Л0 (Az).

Полученный результат Ло(il1) на фиг.2 демонстрирует распределение двулучепреломления (сплошная линия); а величина к (пунктир) обусловлена вкладом дихроизма, соответствующего поляризации дислокационного поглощения. Видно, что в средней части распределения к = О, т.е. вклад дихроизма не обнаруживается. Это означает, что в центральной области пластины пластической деформации не происходило. В периферийной области к 0, что означает. наличие там пластической дефор-. мации.

Нестабильность частоты вращения анализатора в данном приборе соверщенно не влияет на измерение ориентации осей напряжений (так как формирователь опорных сигналов жестко связан с вращающимся анализатором) и незначительно на величину напряжений. Оценить это влияние можно, Ъ Ли2 задавшись нестабильностью =0,01, NZ что является стандартным значением для большинства электродвигателей. В этом случае изменение сигнала за счет подъема

АЧХ на частоте 2 в2 в предлагаемом устройстве составит Л 0=5 дБ 0,01= 0,05 дБ или 0,6 (>, в известном устройстве при использовании стандартного селективного усилителя У2-8 с крутизной полосы пропускания 40 дБ — Л 0=40 дБ 0,01= 0,4 дБ. или 4,6 .

В известном устройстве отсутствует объективная информация о качестве ана- лизатора или разъюстированности оптической схемы. В описываемом устройстве непосредственно на экране дисплея можно получить значение мощности первой гармоники, которая в случае идеального анализатора хорошей настройки тракта не превосходит мощность 0,5...1% нулевой гармоники, а в противном случае может до1746264

I 20 . I9

Составитель В. Крылов

Редактор Н, Лазаренко . Техред M.Ìîðãåíòàë

Корректор Н. Король j

Заказ 2390 . . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул .Гагарина, 101 стигать 5-10 . Превышение указанного значения (1 ) указывает на необходимость. замены анализатора или лучшей юстировки оптической схемы. Благодаря воэможности измерения с помощью пред- 5 лагаемого устройства величины пропускания (одновременно с величиной внутренних напряжений) можно определить, сопровождается ли данное изменение двулучеп реломления изменением пропускания или нет. 10

Тем самым устраняются погрешности, связанные с наличием загрязнений, пленочных структур или других факторов, одновременно влияющих на интенсивность и состояние поляризации эондирую- .15 щего излучения, Отсутствие в устройстве аналогового измерителя разности фаз устраняет погрешность, связанную с непостоянством одного из сравниваемых по фазе сигналов. Так, при использовании в 20 известном устройстве —. измерителя разности фаз Ф2-16 и изменении уровня внутренних напряжений по площади исследуемого образца р два раза („на 6 дБ) погрешность измерения ориентации осей внутренних на- 25 пряжений увеличивается более чем в 2,5 раза.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемое устройство расширяет свои функциональные возможности, а так- 30 же повышает точность измерений.. Формула изобретения

Устройство для. контроля полупроводниковых материалов, содержащее источник зондирующего излучения, последовательно расположенные по ходу его излучения поляризатор, фазовую четвертьволновую пластинку с осями, составляющими угол 450 с осями поляризатора, сканирующее устройство с исследуемым образцом, собирающую линзу, анализатор с блоком формирования опорного сигнала, снабженный приводом вращения, фотоприемник, выход которого соединен с входом селективного усилителя, и регистрирующее устройство, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения класса регистрируемых параметров, упрощения юстировки и обеспечения возможности многоканальной регистрации сигналов, устройство дополнительно содержит две коллимирующие линзы, расположенные по ходу излучения соответственно перед поляризатором и анализатором, вторую фазовую четвертьволновую пластинку, помещенную после анализатора и жестко скрепленную с ним, причем оси второй фаэовой четвертьволновой пластинки составляют угол 450 с. .осями анализатора, а также модулятор интенсивности излучения, блок спектральной селекции и дополнительную собирающую линзу, последовательно установленные перед фотоприемником.