Сканирующий лазерный микроскоп Советский патент 1984 года по МПК G01N21/88 H01L21/66 

1 Изобретение относится к измерител рой технике,в частности к оптоэлекронным устройствам контроля качест незагерметизированных полупроводни ковых приборов и структур. Известно устройство 1 для выя ления дефектов полупроводниковых приборов и структур по фотоответно изображению, полученному при зонди ровании образца сканирующим светов лучом. Устройство содержит формировател светового растра, фокусирующую микрооптику, усилитель фотоответного сигнала и электронно-лучевую трубку для индикации фотоответного изображения. Недостатком этого устройства является невозможность анализа двумерного распределения физических параметров полупроводников. Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является сканирующий лазерньм микроскоп, содержащий лазер и установленные последовательно по ходу излучения сканер и микрооптику и элек ронньй блок, включающий усилитель фотоответа и электронно-лучевую труб ку. Дефектоскопию указанным устройством осуществляют качественно путем визуального сравнения фотоответного изображения годной структуры с фотоответным изображением исследуемой структуры Г2. С помощью этого устройства невоз можно получить двумерное распределение характерного физического параметра полупроводника., выясняющего роль поверхностных явлений при образовании дефектов, что уменьшает его диагностические возможности. Цель изобретения - расширение диагностических возможно.стей сканирующего лазерного микроскопа. С этой целью в известный сканируюп;ий лазерньй микроскоп, содержащий лазер и установленные последова тельно по ходу излучения сканер и микрооптику и электронньй блок, включающий усилитель фотоответа и электронно-лучевую трубку, дополнительно введены второй лазер, поляри задионная призма, электрооптическая ячейка и поляризаторы, в электронный блок введены логарифмический усилитель, дифференцирующий каскад, преобразователь и генератор прямоугольных импульсов, причем поляри392 . зационная призма установлена между первым лазером и .сканером, так что ее рабочая грань проходит через точку пересечения оптических осей первого и второго лазеров, первьй поляризатор - между первым лазером и поляризационной призмой, электроннооптическая ячейка и второй поляризатор установлены последовательно между поляризационной призмой и сканером, третий поляризатор - между поляризационной призмой и вторым лазером, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к элект рооптической ячейке, а логарифмический усилитель, дифференцирующий каскад и преобразователь последовательно подсоединены между усилителем, фотоответа и электронно-лучевой трубкой Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана схема предложенного сканирующего лазерного микроскопа. Устройство содержит лазеры 1, 2, отличаюгциеся по длине волны излучения поляризаторы 3, 4, 5j поляризационную призму 6, электроннооптическую ячейку 7, сканер 8, микрооптику 9, усилитель 10 фотоответа, логариф мический усилитель 11, диффе.ренцирующий каскад 12, преобразователь 13, электронно-лучевую трубку 14, генератор 15 прямоугольных импульсов. Сканирующий лазерньй микроскоп работает следующим, образом. Лучи от лазера 1 и 2 проходят через поляризаторы 3 и 4 соответственно, совмещаются поляризационной призмой 6, при этом направления по- ляризации лучей после призмы взаимно перпендикулярны и совпадают с нап- ; равлениями ее поляризаций. Совмещенные лучи проходят через электрооптическую ячейку 7, поляризатор 5 и развертываются в растр сканером 8. Сформированный световой растр фокусируется микрооптикой 9 на исследуемьй образец 16, Поляризационная призма с электрооптической ячейкой и поляризатором 5 составляют модулятор интенсивности для проходящих через них лучей, причем при отсутствии напряжения на ячейке 7 они пропускают только луч одного из лазеров. а при наличии на ячейке полуволнового напряжения (электрооптическая ячейка при наличии на ней полуволнового напряжения поворачивает направление поляризации на 90 ) пропускают излучение другого лазера, задержи вая при этом луч первого. К электрооптической ячейке подключен выход генератора прямоугольных импульсов 15 с напряжением, равным полуволновому напряжению электрооптической ячейки. Это позволяет направить на сканер лучи первого и второго лазеров поочередно и в результате этого периодически менять длину волны зондирующего излучения. Частота изменения длины волны совпадает с частотой следования импульсов генератора. Последняя связана с характерными частотами сканирования так, что за время сканирования разрешаемого элемента на образце зондирующие ,лучи переключаются более чем в 10 раз. Последнее условие аналитичес ки выражается следующим образом: Юль iT , где &i- время следования импульсов генератора прямоугольных импульсов. Т- время сканирования разрешаемого элемента на поверхности образца: частота строк растра, п- число разрешаемых световым пятном элементов на строке. Фотоответный сигнал, индуцированный под действием зондирующего света усиливается усилителем фотоответа 10 и логарифмируется логарифмическим усилителем 11. Дифференцирующий каскад фиксирует изменение логарифма фотоответного сигнала, происходящее в результате изменения длины волны зондирующего света. Преобразователь 13 преобразует Амплитуду изменения логарифма фотоответного сигнала в квазипостоянный (т.е. постоянный за время сканирования разрешаемого элемента) пропорциональньй сигнал. Таким образом, на электронно-лучевой трубке, развертка которой синхрониз рована с разверткой лазерного луча, регистрируется сигнал, пропорционал ньй величине - En Ч, где значение фотостветного сигнала. Далее по кажем, что эта величина пропорциональна скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника при условии, что световыми лучами осуществляется приповерхност ная генерация носителей, и интенсив ности генерации носителей лучами обеих -длин волн равны. Общее число неравновесных носителей dP в приповерхностном слое полупроводника определяется выражением др Ь где G - интенсивность фотоионизации ( G t N , здесь N - мощность зондирующего света в единицах фотон/с, 1, - квантовый выход фотоиониза- - глубина генерации носителей, f - время жизни носителей для однородного полупроводника -ч где 5 - скорость поверхнос,тной рекойбинации неравновесных носителей;; - диффузионная длина ( D - коэффициент диффузии). Фотоответный сигнал пропорционален числу неравновесных носителей .p(-i-jj, (4, где К - коэ.ффициент пропорциональнос;ти, зависящий от геометрии исследуемой полупроводнико вой структуры. Предположим, что в данной локальной точке происходит изменение длиньГ волны зондирующего излучения, причем мощность излучения, на новой длине волны такова, что интенсивность генерации носителей не меняется. Тогда, в соответствий с вьфажением (4), будет происходить изменение фотоответного сигнала. Это изменение связано с изменение -глубины зондирова-; ния. Вьиислим изменение логарифма фо тоответного сигнала, исходя из выражения (4) : -(-У ( Для приповерхнос ного зондирования ( О) последнее выражение с учетом соотношений (2) и (3) даст или же s-D4vbI W -0 Поскольку изменение длины волны зондирующего излучения и происходящее в результате этого изменение глубины зондирования осуществляется за конечное время, вьфажение (5) можно записать в следующем виде D а Учитывая, что величина являе ся постоянной величиной для данной установки и конкретного типа образца, из последнего соотношения получим выражение для скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей: где С- постоянная величина. Следует отметить, что выражение (6) для скорости поверхностной рекомбинации является правильным, ког да период переключения длин волн зондирующего излучения значительно превышает время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике ( 4-fc 7 10й)о Таким образом, описанный сканирующий лазерный микроскоп позволяет зондировать образец в каждой локаль ной точке световым излучением с периодическим переключением длины вол ны излучения. Фотоответный сигнал при этом периодически меняется по величине, что является результатом изменения глубины зондирования. Аналоговая система обработки фотоответного сигнала, содержащая логарифмический усилитель, дифференцирующий каскад и преобразователь, обрабатьгеает фотоответныйсигнал согласно алгоритму-тт- п D , что в соответствии с соотношением (6) дае величину, пропорциональную скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей. В процессе сканирования вычисленные значения скорости прверхностной рекомбинации ре гистрируются на электронно-лучевой трубке 14 в виде яркостного или Y-модулированного изображения. В пе вом случае выход преобразователя Iвариант: лазер 1 гелий-неоновьй лазер 2 гелий-кадмиевый IIвариант: лазер 1 гелий-неоновый лазер 2 ионный-аргоновый IIIвариант: ионный-аргоновый лазер 1 лазер 2 гелий-кадмиевый 9 подключается к модулирующему злектродгу трубки; при этом на экране трубки формируется изображение, яркость которого в каждой точке пропорциональна скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей на соответствующей точке образца. Во втором случае вместе с пилообразным сигналом к вертикально отклоняющей системе трубки-подается также сигнал с выхода преобразователя, при этом на экране трубки строка в каждой точке смещается пропорционально величине скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда на соответствующей точке образца. Для обеспечения условия равенства интенсивностей генераций носителей излучениями обеих длин волн в сканирующем лазерном микроскопе применены поляризаторы 3 и 4, установленные на пути лучей лазеров 1 и 2 соответственно. Поворотом поляризаторов 3 и , 4 регулируют интенсивности лучей так, чтобы соблюдалось соотнор1ение - квантовые выходы фотоионизации лучами первбго и второго лазеров соответственно; и мощности излучений лазеров в области зондирования в единицах фотон/с, Для калибровки сканирующего лазерного микроскопа в соответствии с условием (7) вместо образца 16 устанавливается калиброванный фотодетектор и проводятся измерения и регулиовка морщостей Лазеров. Условие приповерхностного зондиования и необходимое изменение глуины зондирования вьтолняют выбором лин волн излучения лазеров, причем тот выбор осуществляется для каждоо типа образца отдельно. Так, для ремниевых структур применяют один з нижеперечисленных вариантов подобанньк пар лазеров (Л - длина волны злучения): 0,63 мкм, 3 мкм. ,44 мкм, Г 0,2 мкм 0,63 мкм, 3 мкм ,55 мкм, 1 мкм ,55 мкм. 1 мкм 7( 0,44 мкм. 0,2 мкм

Для полупроводйиковых структур на германиевьк пластинах применяют два гелий-неоновых лазера, излучающих на длинах волн Д 1,15 мкм ( 1 мкм) и . 7( 0,63 мкм ( ,0,1 мкм) соответственно.

Основным техническим показателем и преимуществом описанного сканирующего лазерного микроскопа является его возможность дать двумерное распределение скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда исследуемого полупроводникового образца.

Получение двумерного распределения скорости поверхностной рекомбинации сканирующим лазерным иикроскопом расширяет его диагностические возможности, позволяет оценить роль поверхностных явлений при образовании дефектов и определить чистоту обработки полупроводниковых пластин со структурами.

Расширение диагностических возможностей описанного устройства позволяет более четко выяснить причины образования дефектов и применять эффективные меры для их устранения. Это приводит к уменьшению технологических потерь, увеличенто выхода годных приборов и, в конечном итоге, снижению себестоимости выпускаемых годных изделий и повьппению их надезкности.

СКАНИРУКЩИЙ ЛАЗЕРНЫЙ МИКРО СКОП для выявления дефектов полупро водниковых структур, содержащий лазер и установленные последовательно по ходу излучения сканер, микроопти ку и электронный блок;,Ьключающий ус литель фотоответа и электронно-лзгче трубку, отличающийся тем, что, с целью расширения диагностических возможностей, в него дополнительно введены второй лазер. 6 7 поляризационная призма, электроопти-: ческая ячейка и поляризаторы, в электрический блок введены логарифмический усилитель, дифференцирующий каскад, преобразователь и генератор прямоугольных импульсов, причем поляризационная призма установлена между первым лазером и сканером, так что ее рабочая грань проходит через точку пересечения оптических осей пер вого и второго лазеров, первый поляризатор - между первым лазером и поляризационной призмой, электрооптическая ячейка и второй поляризатор ус тановлены последовательно между поляризационной призмой и сканером, третий поляризатор - между поляризационной призмой и вторым лазером, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к электрооптической ячейке, а логарифмический усилитель, дифференцирующий -.каскад и преобразователь последовательно подсоединены между усилителем фотоответа и электронно-л5 евой трубкой.