ПРИБОР ДЛЯ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК G01N21/64 G01N21/39 

Изобретение относится к области систем для бесконтактного неразрушающего картографирования электрофизических свойств полупроводниковых пластин, в частности систем, предназначенных для фотолюминесцентного картографирования полупроводниковых пластин.

Современные условия микроэлектронного производства выдвигают жесткие требования к однородности полупроводниковых пластин. Одним из распространенных методов контроля качества пластин прямозонных полупроводниковых соединений является метод фотолюминесценции. В основе метода лежит процесс облучения полупроводника сфокусированным световым зондом, энергия квантов которого больше ширины запрещенной зоны полупроводника. В результате поглощения света у поверхности на глубине ~1 мкм генерируются электронно-дырочные пары, процесс рекомбинации которых сопровождается излучением света - фотолюминесценцией. Интенсивность фотолюминесценции обычно довольно слабая, поэтому при ее регистрации стремятся обеспечить максимальный коэффициент сбора для улучшения соотношения сигнал/шум. Для создания светового зонда, как правило, используют лазерный источник. Интенсивность фотолюминесценции, ее спектральный состав, а также пространственное распределение указанных параметров позволяют охарактеризовать исследуемый полупроводниковый материал.

Квантовый выход фотолюминесценции зависит прежде всего от материала полупроводника и состояния его поверхности, а также в ряде случаев от плотности мощности возбуждения, что характерно, например, для полуизолирующих материалов [1] . Поэтому для картографирования полупроводниковых пластин в режиме фотолюминесценции существенным является поддержание одинаковых условий светового возбуждения по всей площади пластины.

Известны два основных типа лазерных приборов, предназначенных для картографирования образцов. В первом из них, обычно называемом лазерными приборами со сканирующим пучком, образец неподвижен, а сканирование осуществляется сфокусированным световым пятном, которое разворачивается в растр при помощи системы сканирующих зеркал. Преимущество таких приборов состоит в оперативности работы, когда телевизионный растр формируется за доли секунды. Наиболее совершенные из таких систем (например, описанные в [2] и [3]) обладают широким диапазоном увеличений, где размер растра может варьироваться от порядка 1 мм до нескольких сантиметров. Недостаток лазерных приборов со сканирующим пучком состоит в том, что для создания растра больших размеров с однородными характеристиками светового пятна по всему полю зрения необходимо применять дорогостоящие телецентрические объективы, которые обладают малой числовой апертурой и соответственно малой эффективностью сбора фотолюминесценции.

Ко второму классу лазерных приборов для картографирования исследуемых объектов относятся устройства, использующие принцип неподвижного светового пятна и сканирующего объекта. Такие приборы обладают высокой степенью однородности светового облучения по всему полю зрения даже для протяженных плоских объектов, имеют высокую эффективность сбора фотолюминесценции, используя объектив с большой числовой апертурой. Приборы со сканированием образцом подразделяются на два подкласса: приборы, где используется XY тип сканирования, и приборы со спиральным типом сканирования образцом, где вращение образца сочетается с его линейным перемещением.

Устройства первого подкласса наиболее широко распространены и сочетают достоинства широкого выбора диапазона разверток, произвольного выбора местоположения области сканирования и возможность получать пространственное разрешение порядка 1 мкм. К недостаткам следует отнести большое время сканирования протяженных объектов, например полупроводниковых пластин диаметром 150 мм, поскольку максимальная скорость перемещения, обеспечиваемая коммерчески доступными столами линейного перемещения, как правило, существенно ниже 100 мм/с.

Устройства второго подкласса со спиральным типом сканирования образцом, описаны, например, в [4] и [5], причем устройство [5] предназначено для работы, в том числе, в режиме фотолюминесценции. Устройства этого подкласса имеют достоинства высокой скорости сканирования даже для протяженных объектов, но имеют ограничения по выбору области сканирования, центр которой всегда совпадает с осью вращения. Кроме того, в устройствах второго подкласса невозможно организовать сканирование маленького участка с высоким (микронным) разрешением в произвольной области образца.

Стоит упомянуть также прибор, описанный в [6], предназначенный для регистрации рассеянного света, но который может использоваться и для регистрации фотолюминесценции, если установленный в этом приборе светофильтр рассчитан на спектральную область фотолюминесценции. В приборе [6] свет от источника излучения (лазера) после фокусировки объективом проходит через отверстие в наклонном зеркале и падает на образец. Рассеянный свет либо фотолюминесценция собираются конденсором, выполненным в виде эллиптического или параболического зеркала, и после отражения от наклонного зеркала и прохождения через светофильтр поступает на фотоприемник. В этом приборе полупроводниковая платина вращается, а весь оптический узел собран в корпусе, выполненном подвижным, поэтому в этой конструкции технически сложно реализовать регистрацию спектральных характеристик фотолюминесценции, поскольку используемый для этого монохроматор, имеющий большие габариты, придется размещать в подвижном корпусе.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является прибор для фотолюминесцентного картографирования полупроводниковых пластин [7], включающий предметный столик для размещения на нем полупроводниковой пластины, лазерный источник, формирующий лазерный луч с практически плоским волновым фронтом, распространяющийся вдоль оптической оси, фотоприемник, датчик фотолюминесценции, содержащий расположенный на оптической оси объектив для фокусировки лазерного луча на поверхности полупроводниковой пластины, систему сканирования, включающую два стола линейного перемещения, при этом 2-й стол линейного перемещения установлен перпендикулярно 1-му на его подвижной каретке.

Прибор [7] обладает указанным выше недостатком, присущим устройствам XY сканирования: обладает медленной скоростью сканирования для больших объектов, в частности, время сканирования полупроводниковой пластины составляет 40 мин. Кроме того, в этом приборе для разделения лазерного излучения и фотолюминесценции используется расщепитель света, что обуславливает недостаточную эффективность датчика фотолюминесценции вследствие потерь света на расщепителе. В случае нейтрального расщепителя существуют потери как на пропускание лазерного излучения, так и на отражение фотолюминесценции, причем в оптимальном случае для каждого светового потока теряется половина мощности. В случае поляризационного светофильтра теряется половина мощности фотолюминесценции. Кроме того, расщепитель светового пучка оптимизирован на работу в относительно узком спектральном интервале порядка нескольких сотен нанометров, в то время как спектральный диапазон регистрируемой фотолюминесценции желателен быть более широким. Недостаточная эффективность датчика фотолюминесценции ухудшает соотношение сигнал/шум и также не позволяет производить быстрое картографирование в режиме фотолюминесценции.

Задачей изобретения является повышение быстродействия картографирования фотолюминесцентных характеристик полупроводниковых пластин в широком диапазоне размеров исследуемых объектов.

Указанная задача решается применением быстродействующей системы сканирования и эффективной оптической системы для сбора фотолюминесценции, позволяющей улучшить соотношение сигнал/шум.

В соответствии с поставленной задачей в приборе для фотолюминесцентного картографирования полупроводниковых пластин, включающем предметный столик для размещения на нем полупроводниковой пластины, лазерный источник, формирующий лазерный луч с практически плоским волновым фронтом, распространяющийся вдоль оптической оси, фотоприемник, датчик фотолюминесценции, содержащий расположенный на оптической оси объектив для фокусировки лазерного луча на поверхности полупроводниковой пластины, систему сканирования, включающую два стола линейного перемещения, при этом 2-й стол линейного перемещения установлен перпендикулярно 1-му на его подвижной каретке, система сканирования дополнительно включает поворотный стол, выполненный с возможностью вращения расположенного на нем предметного столика, при этом сам поворотный стол установлен на подвижной каретке 2-го стола линейного перемещения, датчик фотолюминесценции дополнительно включает расположенное над объективом плоское наклонное зеркало, выполненное с отверстием для прохождения лазерного луча, и конденсор, расположенный под плоским наклонным зеркалом, причем фокус объектива оптически сопряжен с фотоприемником через плоское наклонное зеркало и конденсор.

Поворотный стол может быть выполнен в виде шагового электродвигателя, на валу которого укреплена платформа вращения для фиксации на ней предметного столика.

Конденсор может быть выполнен в виде одной оптической линзы или системы оптических линз, каждая из которых имеет осесимметричное отверстие для прохождения без преломления лазерного луча и расположена коаксиально с объективом.

Конденсор также может быть выполнен с использованием одного или нескольких зеркальных оптических элементов, не пересекающихся с лазерным лучом, например, в виде части эллипсоида вращения с осью, расположенной на оптической оси, один фокус которого совпадает с фокусом объектива, а другой фокус переносится плоским наклонным зеркалом на фоточувствительную площадку фотоприемника.

В качестве объектива может быть использована оптическая линза, у которой устранены сферические аберрации, например линза с градиентным индексом показателя преломления или ахроматическая склеенная линза.

Предлагаемый прибор может дополнительно содержать расширитель лазерного луча, расположенный между лазерным источником и датчиком фотолюминесценции, причем диаметр лазерного луча на выходе расширителя примерно равен диаметру входного зрачка объектива.

Упомянутый расширитель лазерного луча может быть выполнен подвижным с возможностью фиксации в двух положениях, при этом в первом положении ось расширителя лазерного луча совпадает с оптической осью, а во втором положении расширитель лазерного луча не пересекается с лазерным лучом.

Предлагаемый прибор также может дополнительно содержать расположенный между датчиком фотолюминесценции и расширителем лазерного луча оптический узел, сжимающий лазерный луч и выполненный подвижным с возможностью фиксации на оптической оси и вне ее.

В качестве фотоприемника может быть использован спектрально-разрешаемый фотоприемник.

Предлагаемый прибор может также дополнительно содержать 2-й фотоприемник и подвижное зеркало, выполненное плоским и с возможностью фиксации в двух положениях, при этом в 1-м положении подвижное зеркало находится в стороне от потока фотолюминесценции из датчика фотолюминесценции, а во 2-м положении подвижное зеркало находится на пути потока фотолюминесценции из датчика фотолюминесценции, причем 2-й фотоприемник расположен симметрично с 1-м фотоприемником по отношению к плоскости подвижного зеркала в его 2-м положении.

В качестве 1-го фотоприемника может быть использован спектрально-разрешаемый фотоприемник, а 2-го фотоприемника - интегрально-чувствительный в широком спектральном диапазоне фотоприемник.

Вариантом выполнения предлагаемого прибора для фотолюминесцентного картографирования полупроводниковых пластин является прибор, включающий предметный столик для размещения на нем полупроводниковой пластины, лазерный источник, формирующий лазерный луч с практически плоским волновым фронтом, распространяющийся вдоль оптической оси, фотоприемник, датчик фотолюминесценции, включающий расположенный на оптической оси объектив, систему сканирования, включающую два стола линейного перемещения, при этом 2-й стол линейного перемещения установлен перпендикулярно 1-му на его подвижной каретке, отличающийся тем, что система сканирования дополнительно включает поворотный стол, выполненный с возможностью вращения расположенного на нем предметного столика, при этом сам поворотный стол установлен на подвижной каретке 2-го стола линейного перемещения, датчик фотолюминесценции дополнительно включает плоское наклонное зеркало, выполненное с отверстием для прохождения лазерного луча, и конденсор, расположенный под плоским наклонным зеркалом коаксиально с объективом и выполненный в виде системы линз, по крайней мере одна из которых имеет осесимметричное отверстие для прохождения лазерного луча, причем фокус оптической системы, образованной объективом и центральными областями линз конденсора без отверстий, оптически сопряжен с фотоприемником через плоское наклонное зеркало и периферийные области линз конденсора.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого прибора.

На фиг. 2 представлен датчик фотолюминесценции, содержащий конденсор, выполненный из оптических линз, имеющих осесимметричные отверстия.

На фиг. 3 представлен расширитель лазерного луча, расположенный между лазерным источником и датчиком фотолюминесценции.

На фиг. 4 представлена схема оптической коммутации двух фотоприемников с помощью плоского подвижного зеркала.

На фиг. 5 представлен датчик фотолюминесценции, конденсор которого выполнен из оптических линз, одна из которых имеет осесимметричное отверстие.

Исследуемый объект - полупроводниковая пластина 1 размещается на предметном столике 2, который в свою очередь крепится на системе сканирования 3, состоящей из двух столов линейного перемещения 4 и 5 и поворотного стола 6, причем 2-й стол линейного перемещения 5 установлен перпендикулярно 1-му столу 4 на его подвижной каретке, а поворотный стол 6 установлен на подвижной каретке 2-го стола линейного перемещения 5. Предметный столик 2 крепится на платформе вращения поворотного стола 6. Система сканирования 3 позволяет осуществлять независимое перемещение предметного столика 2 в двух взаимно перпендикулярных направлениях и его вращение по командам соответствующего блока управления.

Для возбуждения фотолюминесценции служит лазерный источник 7, формирующий лазерный луч 8 с практически плоским волновым фронтом. Направление лазерного луча определяет оптическую ось. Луч 8 фокусируется датчиком фотолюминесценции 9 на верхней поверхности полупроводниковой пластины 1. Юстировочный элемент 10 позволяет перемещение датчика фотолюминесценции в вертикальном направлении в небольших пределах для обеспечения минимального диаметра светового пятна 11 на поверхности полупроводниковой пластины 1. Датчик фотолюминесценции 9 собирает фотолюминесценцию, возбуждаемую в полупроводниковой пластине 1 и направляет ее на фотоприемник 12. Фотоприемник 12 преобразует световой поток в электрический сигнал, поступающий далее в систему регистрации 13, которая может включать, например, компьютер.

Датчик фотолюминесценции (фиг. 2) состоит из объектива 14, ось которого совпадает с направлением лазерного луча, конденсора 15 и плоского наклонного зеркала 16. Плоское наклонное зеркало 16 имеет отверстие для беспрепятственного прохождения лазерного луча 8, который фокусируется объективом 14 на верхней поверхности полупроводниковой пластины 1 в световое пятно 11. Фотолюминесценция, эмиттируемая из области светового пятна 11, собирается конденсором 15 и после отражения от плоского наклонного зеркала 16 поступает на фотоприемник 12.

Взаимное расположение фотоприемника 12 и компонентов датчика фотолюминесценции 9 таково, что фокус объектива оптически сопряжен с фотоприемником через оптическую систему "конденсор - плоское наклонное зеркало".

Взаимное расположение датчика фотолюминесценции 9 и сканирующей системы 3 таково, что ось объектива датчика фотолюминесценции 11 находится внутри области возможных положений оси поворотного стола 6. Эта область определяется допустимым перемещением кареток столов линейного перемещения 4 и 5.

Конденсор 15 может быть выполнен в виде одной оптической линзы или системы оптических линз, каждая из которых имеет осесимметричное отверстие для прохождения без преломления лазерного излучения и расположена коаксиально с объективом.

Конденсор 15 также может быть выполнен с использованием одного или нескольких зеркальных оптических элементов, не пересекающихся с лазерным лучом, например в виде части эллипсоида вращения с осью, расположенной на оптической оси, один фокус которого совпадает с фокусом объектива 14, а другой фокус переносится плоским наклонным зеркалом 16 на фоточувствительную площадку фотоприемника 12. Использование зеркальных оптических элементов для сбора фотолюминесценции позволяет избежать хроматических аберраций, присущих оптическим линзам и расширить диапазон регистрируемой фотолюминесценции.

В качестве объектива 14 может быть использована одна оптическая линза, у которой устранены сферические аберрации, например, линза с градиентным индексом показателя преломления или ахроматическая склеенная линза.

Для получения минимального диаметра светового пятна 11 на поверхности полупроводниковой пластины в конструкцию прибора вводится расширитель лазерного луча 17 (фиг. 3), расположенный между лазерным источником 7 и датчиком фотолюминесценции 9, причем диаметр лазерного луча на выходе расширителя примерно равен диаметру входного зрачка объектива. Если считать объектив безаберрационным, то диаметр светового пятна 11 определяется двумя факторами: расходимостью падающего на объектив светового пучка и дифракционными эффектами, которые определяют дифракционный предел диаметра светового пятна:
d = 1,22λ/sinα, (1)
где λ - длина волны света, α - угловая аппертура пучка, формирующего световое пятно (фиг. 2). Поэтому для уменьшения диаметра светового пятна 11 необходимо уменьшать расходимость падающего на объектив светового пучка и увеличивать угловую апертуру α, что достигается увеличением степени заполнения входного зрачка объектива, то есть увеличением диаметра падающего на объектив лазерного луча.

Диаметр луча на выходе лазерного источника, как правило, порядка 1 мм, что существенно меньше диаметра выходного зрачка объектива. После выхода из расширителя лазерного луча уменьшается расходимость лазерного луча и одновременно увеличивается его диаметр, и использование расширителя лазерного луча позволяет уменьшить диаметр светового пятна 11 на поверхности полупроводниковой пластины.

Изменение диаметра светового пятна 11 осуществляется посредством выполнения расширителя лазерного луча подвижным с возможностью фиксации в двух положениях, при этом в первом положении ось расширителя лазерного луча совпадает с оптической осью, а во втором положении расширитель лазерного луча не пересекается с лазерным лучом.

Изменение диаметра светового пятна 11 возможно также в конструкции прибора, содержащего, помимо установленного на оптической оси расширителя лазерного луча, оптический узел, сжимающий лазерный луч и выполненный подвижным с возможностью фиксации в двух положениях: в первом положении на оптической оси, во втором положении - вне ее. Во втором положении диаметр светового пятна 11 будет меньше, чем в первом. Оптическим узлом, сжимающим лазерный луч, может являться, например, стандартный расширитель, выход которого обращен к лазерному источнику.

Для картографирования спектральных характеристик фотолюминесценции в качестве фотоприемника необходимо использовать спектрально-разрешаемый фотоприемник, которым может быть, например, монохроматор с расположенным на выходе обычным фотоприемником, воспринимающим свет в широком спектральном диапазоне. В этом случае установка монохроматора на определенную длину волны позволяет производить картографирование фотолюминесценции в узком спектральном интервале порядка 1 нм. При использовании на выходе монохроматора фотодиодной линейки возможно одновременное снятие всего спектра или его части в каждой точке образца в процессе сканирования.

Если в качестве фотоприемника выбран фотоприемник, интегрально чувствительный в широком спектральном интервале порядка нескольких сотен нанометров, то осуществляется интегральный режим работы.

Прибор может быть оснащен 2-м фотоприемником, используя подвижное зеркало, выполненное плоским, как показано на фиг. 4. Подвижное зеркало 18 имеет два фиксированных положения. В первом положении, показанном сплошной линией, подвижное зеркало 18 не пересекается с потоком фотолюминесценции из датчика фотолюминесценции к 1-му фотоприемнику 12. Во втором положении, показанном пунктирной линией, подвижное зеркало направляет поток фотолюминесценции на 2-й фотоприемник 19, при этом 2-й фотоприемник 19 расположен симметрично с 1-м фотоприемником 12 относительно плоскости подвижного зеркала 18 в его 2-м положении, поэтому весь поток фотолюминесценции поступает на 2-й фотоприемник 19. Электрический сигнал с выхода 2-го фотоприемника 19 поступает на систему регистрации 13.

Если 1-й фотоприемник 12 выбран спектрально-разрешаемым, а 2-й фотоприемник 19 - интегрально-чувствительным, то использование подвижного зеркала 18 в качестве коммутатора потока фотолюминесценции позволяет реализовать как спектральный режим работы прибора, так и интегральный.

Вариант выполнения заявляемого прибора отличается конструкцией датчика фотолюминесценции 9, представленной на фиг. 5. Датчик фотолюминесценции состоит из объектива 14, ось которого совпадает с направлением лазерного луча 8, плоского наклонного зеркала 16 с отверстием для прохождения лазерного луча и конденсора 15, состоящего из нескольких линз, по крайней мере одна из которых имеет осесимметричное отверстие для прохождения лазерного луча без преломления, причем линзы конденсора расположены коаксиально с объективом 14. Центральные части линз конденсора 15 без отверстий участвуют вместе с объективом 14 в формировании светового пятна 11, а периферийные области линз конденсора 15 собирают фотолюминесценцию, которая далее направляется плоским наклонным зеркалом 16 на фотоприемник 12. Фокус оптической системы, образованной объективом 14 и центральными областями линз конденсора 15 без отверстий, является оптически сопряженным с фотоприемником 12 через периферийные области линз конденсора и плоское наклонное зеркало.

Прибор для фотолюминесцентного картографирования полупроводниковых пластин по настоящему изобретению работает следующим образом. Лазерный луч 8 от источника лазерного излучения 7 фокусируется датчиком фотолюминесценции 9 на поверхности полупроводниковой пластины 1 в световое пятно 11, возбуждая в полупроводниковой пластине 1 фотолюминесценцию, которая собирается датчиком фотолюминесценции 9 и направляется им на фотоприемник 12. Фотоприемник 12 преобразует фотолюминесценцию в электрический сигнал, который поступает в систему регистрации 13, в состав которой может входить, например, персональный компьютер. Система регистрации считывает и запоминает сигнал от фотоприемника 12 синхронно со сканированием полупроводниковой пластины 1, которое осуществляется по командам блока управления. Полученная информация может отображаться на экране монитора персонального компьютера системы регистрации в виде картограммы. При этом яркость или цвет каждой точки картограммы определяется интенсивностью фотолюминесценции соответствующей точки полупроводниковой пластины 1.

Сканирование осуществляется по командам блока управления. Система сканирования может работать в одном из двух режимов по выбору оператора, осуществляя либо XY сканирование, либо спиральный тип сканирования.

Если осуществляется XY тип сканирования, то вращение предметного столика 2 не производится, при этом один из столов линейного перемещения производит строчную развертку, а другой - кадровую. Привод в начальную точку сканирования может осуществляться комбинацией перемещений столами линейного перемещения и поворотом поворотного стола 2 на необходимый угол.

Если осуществляется спиральный тип сканирования, то производится равномерное вращение предметного столика 2 и одновременное перемещение каретки одного из столов линейного перемещения или двух столов одновременно. При этом начало сканирования соответствует совмещению оси поворотного стола 6 с оптической осью, а для построения картограммы система регистрации переводит полярные координаты развертки в декартовы.

Спиральный тип сканирования позволяет производить быстрое картографирование всей полупроводниковой пластины даже большого диаметра, например 150 мм, поскольку скорость вращения полупроводниковой пластины может быть сделана довольно высокой, вплоть до нескольких оборотов в секунду. В этом случае при использовании XY типа сканирования потребуется существенно большее время, поскольку скорость линейного перемещения ограничена. Однако картографирование небольшого участка в произвольной области полупроводниковой пластины может быть произведено только с использованием XY типа сканирования.

Для получения информативной картограммы диаметр d светового пятна 11 на поверхности полупроводниковой пластины должен удовлетворять условию:
d < L/n
где L - размер области сканирования, n - количество строк в растре. Полагая n = 400, для L = 150 мм получаем d<375 мкм и для L = 2 мм d<5 мкм.

Изменение диаметра светового пятна 11 возможно в конструкции прибора, снабженного расширителем лазерного луча 17, который может находиться в одном из двух фиксированных положений. При картографировании небольших участков полупроводниковой пластины 1 с высоким пространственным разрешением необходимо использовать 1-е положение расширителя лазерного луча 17 для обеспечения минимального диаметра (порядка нескольких микрометров) светового пятна. При этом расширитель лазерного луча находится на оптической оси. Этот режим позволяет визуализировать распределение дислокаций прямозонных полупроводниковых соединений.

При картографировании целиком всей пластины предпочтительнее использовать 2-е положение расширителя лазерного луча, поскольку, во-первых, диаметр светового пятна 11 может быть больше, чем минимальный в соответствии с формулой (2), а во-вторых, неоднородность толщины пластины приводит к меньшему изменению диаметра светового зонда при сканировании вследствие меньшего значения апертурного угла α. Постоянство диаметра светового пятна на поверхности полупроводниковой пластины является существенным фактором при сравнительном анализе фотолюминесценции от различных участков полупроводниковой пластины, поскольку интенсивность фотолюминесценции зависит не только от интенсивности возбуждающего света, но в общем случае и от плотности мощности возбуждения [1].

Неоднородность толщины полупроводниковой пластины приводит к изменению диаметра светового пятна, которое тем больше, чем больше угловая апертура α (фиг. 2). Неоднородность толщины полупроводниковой пластины в пределах всей пластины выше, чем в пределах небольшого ее участка, что обуславливает необходимость использования 2-го положения расширителя лазерного луча при сканировании всей полупроводниковой пластины.

Изменение диаметра светового пятна 11 на поверхности полупроводниковой пластины возможно также с использованием оптического узла, сжимающего лазерный луч, расположенного между датчиком фотолюминесценции и расширителем лазерного луча и выполненного подвижным с возможностью фиксации на оптической оси и вне ее. При этом реализуется возможность достижения минимального диаметра светового пятна 11 при заполнении лазерным лучом входного зрачка объектива, когда оптический узел, сжимающий лазерный луч, находится вне оптической оси. При фиксации упомянутого оптического узла на оптической оси диаметр светового пятна 11 увеличивается и одновременно уменьшается апертурный угол α в степени, определяемой конфигурацией оптического узла, сжимающего лазерный луч.

При использовании в качестве фотоприемника 12 спектрально-разрешаемого фотоприемника возможно проведение картографирования в выбранном узком (порядка нескольких нанометров) спектральном интервале фотолюминесценции. Кроме того, проведя серию последовательных сканирований всей полупроводниковой пластины на различных длинах волн регистрируемой фотолюминесценции, путем последующей математической обработки массива полученных данных возможно вычисление для каждой точки полупроводниковой пластины таких параметров, как спектральное положение максимума фотолюминесценции, полуширина спектра и т.д.

Для совмещения возможностей топографирования спектральной и интегральной фотолюминесценции или расширения спектрального диапазона регистрируемой интегральной фотолюминесценции прибор может быть снабжен 2-м фотоприемником 19 (фиг. 4), а поток фотолюминесценции на 1-й и 2-й фотоприемники коммутируется плоским подвижным зеркалом 18 (фиг. 4). Выход 2-го фотоприемника 19 также подключается к системе регистрации 13. При этом система регистрации считывает сигнал с того фотоприемника, которому соответствует данное положение подвижного зеркала 18. Например, во 2-м положении подвижного зеркала 18, направляющего поток фотолюминесценции на 2-й фотоприемник 19, система регистрации считывает сигнал со 2-го фотоприемника.

Если 1-й фотоприемник выполнен спектрально-разрешаемым, а 2-й - интегрально-чувствительным, то возможно картографирование как интегральной, так и спектральной фотолюминесценции.

Для изготовления макетного варианта заявляемого прибора были использованы прецизионные столы линейного перемещения, приводимые в движение шаговыми электродвигателями. На подвижной каретке 1-го стола линейного перемещения 4 (фиг. 1) устанавливался 2-й стол линейного перемещения 5. На подвижной каретке 2-го стола устанавливался поворотный стол 6, выполненный в виде шагового электродвигателя, на валу которого крепилась платформа вращения с предметным столиком 2. Фиксация полупроводниковой пластины на предметном столике осуществлялась посредством вакуумного присоса. Шаговые электродвигатели обоих столов линейного перемещения и поворотного стола запитывались от блока управления, состыкованного с системой регистрации 13, которой являлся персональный компьютер, снабженный интерфейсной платой. В режиме XY сканирования вращение предметного столика не производилось, 1-й стол линейного перемещения 4 обеспечивал кадровую развертку, а 2-й стол 5 - строчную. В режиме спирального сканирования производилось вращение предметного столика со скоростью 4 об/с и одновременное его перемещение 2-м столом линейного перемещения 5, при этом каретка 1-го стола линейного перемещения 4 оставалась неподвижной.

В качестве лазерного источника 7 использовался инжекционный лазер со встроенной оптической системой, формирующей луч света 8 диаметром 1 мм, расходимостью 1 мрад и длиной волны 0,67 мкм.

Расширитель лазерного луча 17 (фиг. 3) состоял из отрицательной и положительной линз и имел коэффициент расширения 4X.

В качестве объектива 14 использовалась ахроматическая склеенная линза с числовой апертурой A = 0,25, которая обеспечивала световое пятно около 5 мкм при введенном расширителе лазерного луча и световое пятно около 20 мкм, когда расширитель лазерного луча выводился из оптического пути.

Трехлинзовый конденсор собирал фотолюминесценцию в интервале телесных углов 15-48^o, обеспечивал коэффициент сбора фотолюминесценции около 40%.

Сравнивая датчик фотолюминесценции макетного варианта предлагаемого прибора с прототипом, следует отметить, что в предлагаемом приборе вся мощность лазерного луча доходит до полупроводниковой пластины (за исключением потерь на поверхностях объектива), а относительные потери фотолюминесценции на коаксиальных отверстиях конденсора составляют примерно 12% по отношению ко всему потоку фотолюминесценции, собираемому конденсором, что обеспечивает более высокую по сравнению с прототипом эффективность датчика фотолюминесценции.

Исследуемым объектом являлась пластина диаметром 76 мм монокристаллического GaAs, легированного Si, фотолюминесценция которого регистрировалась при помощи спектрально-разрешаемого фотоприемника 12, либо интегрально-чувствительного фотоприемника 19, оптическая коммутация между которыми осуществлялась используя подвижное зеркало 18. Спектрально-разрешаемым фотоприемником являлся монохроматор МДР-23 с установленным на выходной щели Si фотодиодом с предусилителем. Фотоприемником 19 являлся Si фотодиод с предусилителем. В интегральном режиме перед фотодиодом устанавливался фильтр, отсекающий рассеянный свет лазерного источника и пропускающий фотолюминесценцию.

Получаемые картограммы в режиме интегральной фотолюминесценции имели дискретность 400х400 пикселей. При этом в режиме XY сканирования по растру размером 2 мм Х 2 мм наилучшее разрешение составляло 5 мкм, в режиме спирального сканирования время получения картограммы всей полупроводниковой пластины составляло около 1 минуты. Такая скорость картографирования недостижима при использовании стандартных систем XY сканирования.

В режиме спектральной фотолюминесценции прибор позволял производить картографирование спектральных характеристик фотолюминесценции с локальностью 5 мкм и 20 мкм.

Источники информации.

1. H.J.Hovel, D.Guidotti. Correlations of Photoluminescence with Defect Densities in Semi-Insulating Gallium Arsenide. IEEE Transactions on Electron Devices, v. ED-32, N 11 (1985), p. 2331-2338.

2. Dixon A. Scanning beam laser microscope with wide range of magnification. US Patent N 5532873.

3. Dixon A., Damaskinos, Apparatus and method for scanning laser imaging of macroscopic samples. US Patent N 5760951.

4. Steigmeier E. F. , Knop K. Defect detection system. US Patent N 4314763.

5. E.F. Steigmeier, H. Auderset. Light scattering topography and photoluminescence topography. Appl. Phys. A 50, 531-540 (1990).

6. Войналович А. В. Способ контроля анализируемой поверхности и сканирующий анализатор поверхности. Патент РФ N 2141647.

7. Miner C.J. Non-destructive, whole wafer assessment of optoelectronic epitaxial materials. Semicond. Sci. Technol., v. 7, N 1A, p. 10-15 (1992) - прототип.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля. Сущность: прибор дополнительно включает поворотный стол, на котором установлен предметный столик. Датчик фотолюминесценции включает расположенное над объективом плоское наклонное зеркало, имеющее отверстие для прохождения лазерного луча. Фокус объектива оптически сопряжен с фотоприемником через наклонное зеркало и конденсор. Технический результат - повышение быстродействия. 2 с. и 10 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Прибор для фотолюминесцентного картографирования полупроводниковых пластин, включающий предметный столик для размещения на нем полупроводниковой пластины, лазерный источник, формирующий лазерный луч с практически плоским волновым фронтом, распространяющийся вдоль оптической оси, фотоприемник, датчик фотолюминесценции, содержащий расположенный на оптической оси объектив для фокусировки лазерного луча на поверхности полупроводниковой пластины, систему сканирования, включающую два стола линейного перемещения, при этом 2-й стол линейного перемещения установлен перпендикулярно 1-му на его подвижной каретке, отличающийся тем, что система сканирования дополнительно включает поворотный стол, выполненный с возможностью вращения расположенного на нем предметного столика, при этом сам поворотный стол установлен на подвижной каретке 2-го стола линейного перемещения, датчик фотолюминесценции дополнительно включает расположенное над объективом плоское наклонное зеркало, выполненное с отверстием для прохождения лазерного луча, и конденсор, расположенный под плоским наклонным зеркалом, причем фокус объектива оптически сопряжен с фотоприемником через плоское наклонное зеркало и конденсор. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что поворотный стол выполнен в виде шагового электродвигателя, на валу которого укреплена платформа вращения для фиксации на ней предметного столика. 3. Прибор по п.1, отличающийся тем, что конденсор выполнен в виде линзы или системы линз, каждая из которых имеет осесимметричное отверстие для прохождения лазерного луча и расположена коаксиально с объективом. 4. Прибор по п.1, отличающийся тем, что конденсор выполнен с использованием одного или нескольких зеркальных оптических элементов, не пересекающихся с лазерным лучом. 5. Прибор по п.1, отличающийся тем, что объектив выполнен в виде оптической линзы, у которой устранены сферические аберрации. 6. Прибор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает расширитель лазерного луча, расположенный между лазерным источником и датчиком фотолюминесценции, причем диаметр лазерного луча на выходе расширителя примерно равен диаметру входного зрачка объектива. 7. Прибор по п.6, отличающийся тем, что расширитель лазерного луча выполнен с возможностью фиксации в двух положениях, при этом в первом положении ось расширителя лазерного луча совпадает с оптической осью, а во втором положении расширитель лазерного луча не пересекается с лазерным лучом. 8. Прибор по п.6, отличающийся тем, что он дополнительно содержит расположенный между датчиком фотолюминесценции и расширителем лазерного луча оптический узел, сжимающий лазерный луч и выполненный подвижным с возможностью фиксации на оптической оси и вне ее. 9. Прибор по любому из пп.1, 6 - 8, отличающийся тем, что в качестве фотоприемника использован спектрально-разрешаемый фотоприемник. 10. Прибор по любому из пп.1, 6 - 8, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 2-й фотоприемник и подвижное зеркало, выполненное плоским и с возможностью фиксации в двух положениях, при этом в 1-м положении подвижное зеркало находится в стороне от потока фотолюминесценции из датчика фотолюминесценции, а во 2-м положении подвижное зеркало находится на пути потока фотолюминесценции из датчика фотолюминесценции, причем 2-й фотоприемник расположен симметрично с 1-м фотоприемником по отношению к плоскости подвижного зеркала в его 2-м положении. 11. Прибор по п.10, отличающийся тем, что в качестве 1-го фотоприемника использован спектрально-разрешаемый фотоприемник, а 2-го фотоприемника - интегрально-чувствительный в широком спектральном диапазоне фотоприемник. 12. Прибор для фотолюминесцентного картографирования полупроводниковых пластин, включающий предметный столик для размещения на нем полупроводниковой пластины, лазерный источник, формирующий лазерный луч с практически плоским волновым фронтом, распространяющийся вдоль оптической оси, фотоприемник, датчик фотолюминесценции, включающий объектив, ось которого совпадает с оптической осью, систему сканирования, включающую два стола линейного перемещения, при этом 2-й стол линейного перемещения установлен перпендикулярно 1-му на его подвижной каретке, отличающийся тем, что система сканирования дополнительно включает поворотный стол, выполненный с возможностью вращения расположенного на нем предметного столика, при этом сам поворотный стол установлен на подвижной каретке 2-го стола линейного перемещения, датчик фотолюминесценции дополнительно включает плоское наклонное зеркало, выполненное с отверстием для прохождения лазерного луча, и конденсор, расположенный под плоским наклонным зеркалом коаксиально с объективом и выполненный в виде системы линз, по крайней мере одна из которых имеет осесимметричное отверстие для прохождения лазерного луча, причем фокус оптической системы, образованной объективом и центральными областями линз конденсора без отверстий, оптически сопряжен с фотоприемником через плоское наклонное зеркало и периферийные области линз конденсора.