Устройство для контроля полупроводниковых материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N21/23 

Изобретение относится к поляризаци- онно-оптическим исследованиям и может быть использовано дня 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 является единственно возможной причиной возникновения напряжений в охлажденной пластине. В процессе производства изделий полупроводниковой микроэлектроники на пластину при высокой температуре наносятся различные слои и пленки (пленки SIO2, , эпитаксиальный слой ...)г 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 двулуS

о

45

N

чепреломления. Упругие напряжения делают исследуемый объект оптически анизотропным. О величине напряжений судят по измеренной величине двулучепреломле- ния.

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 ТКР различных слоев или деформаций решетки приповерхностного слоя в результате термодиффузионного 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 в 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 в неоднородных полупроводниковых структурах

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

0 материалов, содержащее источник зондирующего излучения, последовательно расположенные по ходу оси излучения поляризатор, фазовую четвертьволновую пластинку с осями, составляющими угол 45°

5с осью поляризатора, сканирующее устройство с исследуемым образцом, вращающийся анализатор с блоком формирования опорного сигнала, собирающую линзу, фотоприемник, выход которого соединен с

0 входом селективного усилителя и регистрирующее устройство, дополнительно содержит две коллимирующие линзы, расположенные, соответственно, перед неподвижным поляризатором и врэщающим5 ся анализатором, вторую фазовую четвертьволновую пластинку, помещенную после вращающегося анализатора и вращающегося синхронно с ним, причем ее оси составляют угол 45° с осью его пропускания,

0 кроме того, модулятор интенсивности светового луча, блок спектральной селекции и собирающая линза последовательно установлены перед фотоприемником, фильтр нижних частот и аналого-цифровой преоб5 разователь, 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

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

На чертеже показано предлагаемое устройство.

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

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

Устройство работает следующим образом.

Блок 15 спектральной селекции выделяет из сплошного спектра излучения источ- ника 1 излучение длины волны At из области прозрачности исследуемого образца. Из излучения источника 1 формируется коллимирующей линзой 2 параллельный пучок, который после прохождения поляриза- тора 3 и фазовой четвертьволновой пластинки 4 становится циркулярно поляризованным (на длине волны AI). Линза 5 фокусирует свет на исследуемый образец 7. Если в нем имеются внутренние упругие напряжения, то вследствие явления вынужденного двулучепреломления поляризация света, прошедшего образец, исказится и окажется, в общем случае, эллиптической. Пройдя вращающийся с частотой (О анали- затор 9, свет окажется промодулированным по интенсивности с частотой 2 йл, причем глубина модуляции определяется отношением осей эллипса поляризации, а фаза - ориентацией ею осей. В случае разъюсти- ровки оптической схемы или неидеальности анализатора 9 возникает также модуляция на частоте . Прошедшее вращающийся анализатор 9 излучение линейно поляризовано, причем плоскость поляризации враща- ется с частотой 2 о. Оптические элементы устройства, расположенные на оптической оси после вращающегося анализатора, могут быть чувствительны к направлению поляризации проходящего через них света. В особенности это касается блока 15 спектральной селекции: известно, что пропусканиемонохроматоромсвета, поляризованного параллельно и перпендикулярно его щелям, различно. Известна также поляризационная чувствительность фотоприемников. Поскольку плоскость поляризации света вращается с частотой 2 У1, поляризационная чувствительность оптических элементов, расположенных после вращающегося анализатора 9., обусловит модуляцию интенсивности света на частоте 2 tt)i, т.е. дополнительный вклад в величины Фурье коэффициентов аа и Ьа. Для предотвращения это) о вклада за вращающимся анализатором 9 располагается жестко скрепленная с ним фазовая четвертьволновая пластина 10, оси которой ориентированы под углом 45° к оси пропускания анализатора. Пройдя ее, свет становится циркулярно поляризованным, и спектральная чувствительность оптических элементов уже не приводит к возникновению переменной составляющей в интенсивности падающего на фотоприемник 16 излучения. Объектив 13 собирает прошедшее фазовую пластину излучение и через модулятор 14, модулирующий интенсивность света с частотой одг , направляет его на приемную площадку фотодетектора 15, с выхода которого электрический сигнал поступает на вход селективного усилителя 18, выделяющего из сигнала частоты в диапазоне от М2 -2 од до 0)2 +2 Ы1 и детектирующего несущую частоту (W2. В результате на выходе селективного усилителя 18 формируется 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 нуля коэф- фициента пропускания по постоянному току пропускает постоянную составляющую сигнала, характеризующую абсолютное пропускание образца. Кроме того, после прохождения ФНЧ 19 полезный сигнал отделяется от высокочастотных помех. Указанным требованиям соответствует, например, фильтр Чебышева четвертого порядка с неравномерностью 3 дБ.

Аналоговый сигнал с выхода ФНЧ 19 поступает на сигнальный вход АЦП 20, в котором преобразуется в цифровой код в моменты прихода импульсов на вход запуска АЦП 20. Эти импульсы вырабатываются формирователем 11 и 12 опорного сигнала и жестко связаны с угловым положением анализатора. Таким образом, на вход регистрирующего устройства 21 поступает последовательность цифровых кодов, соответствующих значениям аналогового сигнала при определенных угловых положениях вращающегося анализатора. Дальнейшая обработка такого сигнала для

получения искомых параметров проводится стандартным образом с помощью цифрового Фурье-преобразования, в результате чего вычисляется 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 излучения, а величина эллиптичности у и азимут поляризации вычисляются 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 искажениям сигнала за счет неидеальности анализатора или раэъюсти- ровки. Переход от измеренных величин а0, у и х к искомым значениям пропускания величины внутренних напряжений и их ориентации производится по формулам

а0

8ок

(3)

где аок значение коэффициента а0 при калибровке (без образца)

М4

(4)

где ACT- разность квазиглавных напряжений;

AI -длина волны излучения;

п - показатель преломления материала;

d - толщина образца;

л

а -п + 2у - фазовый набег; (5)

С - фотоупругая постоянная

(6)

где в- ориентация главных осей напряжений, отличающаяся от азимута поляризации на 45°.

После завершения измерений на длине волны AI блок 15 спектральной селекции перестраивается на длину волны Аа из области края собственного поглощения исследуемого образца, соответственно перестраиваются для этой длины волны обе фазовые четвертьволновые пластины 4 и 10, и измеряется величина Дст(А2).

Разность квазиглавных напряжений

Ад в данной точке образца не должна зависеть от особенностей способа ее измерения, в том числе и от длины волны, на которой производится измерение. Поэтому если в регистрируемый сигнал вносят вклад

только упругие напряжения, то

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

(7)

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

дихроизм поглощения. Предположим, что в исследуемой точке образца отсутствует дву- лучепреломление, но имеется дихроизм поглощения. Циркулярная поляризация зондирующего излучения обеспечивает

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

окажется различной и вращающийся анализатор 9 промодулирует интенсивность света, падающего на фотоприемник 17 с частотой 2 MI. Глубина модуляции, пропорциональная величине дихроизма, описывается параметром у, выражаемым через Фурье-коэффициенты соотношением (1). В случае одновременного наличия в исследуемой точке образца как двулучепреломле- ния, так и дихроизма поглощения, оба эти

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

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

7 пластической деформации, приводящей к дихроизму поглощения измерение величины (Аа) будет искажаться вкладом регистрируемый сигнал дихроизма поглощения, обусловленного возникшими в результате

пластической деформации дисклокациями. Измерения величины ACT на длинах волн AI и Аг окажутся 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 ляет установить наличие или отсутствие пластической деформации в исследуемой точке образца.

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- ся. В результате можно получить типограм- му распределения по площади образца величины к , характеризующей степень пластической деформации данной точки образца.

Пример. Излучение лампы накаливания марки КГМ9-70 последовательно проходит коллимирующую линзу 2, поляризатор 3, фазовую четвертьволновую пластину 4, объектив 5, исследуемый обра- зец 7, закрепленный на двухкоординатном сканирующем столе, коллимирующую линзу 8, жестко скрепленные вращающиеся с частотой (О 10 Гц анализатор 9 и фазовую четвертьволновую пластину-10, объектив 13, модулятор-прерыватель 14, представляющий собой диск с отверстиями и модулирующий интенсивность света с частотой (DI 900 Гц монохроматор 15 марки МДП-12, и попадает на фотоприемник 17, в качестве которого используется фотодиод ФД-5Г. В конструкции фазовой пластинки 10 предусмотрена возможность плавного изменения разного хода для получения сдвига фаз А/14 двух ортогональных компонент поля- ризации излучения при различных длинах волн излучения.

Способ с фотодиода проходит селективный усилитель с полосой частот Дй)40 Гц, детектируется 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 порядка с неравномерностью 3 дБ). С выхода фильтра 10 сигнал поступает на десятиразрядный АЦП 20 на вход запуска которого подаются импульсы с блока формирования опорного сигнала, представляющего собой стеклянное 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 принимается через магистраль АЦСКС 1024-001 управляющей микроЭВМ Электроника ДЗ-28, которая проводит обработку полученной выборки по алгоритму цифрового преобразования Фурье, вычис- ляет коэффициенты Фурье и на их основе измеряемые параметры Т, у, Х- 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 релейных элементов магистрали АЦСКС 1024-001 микроЭВМ 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 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 поглощения GaAs) и вычислена разность к Acr(Ai)- Да (Да). Полученный результат Дет$0 на фиг.2 демонстрирует распределение двулучепре- ломления (сплошная линия), а величина к (пунктир) обусловлена вкладом дихроизма, соответствующего поляризации дислокационного поглощения. Видно, что в средней части распределения к 0, т.е. вклад дихроизма не обнаруживается. Это означает, что в центральной области пластины пластической деформации не происходило. В периферийной области к ;Ч), что означает наличие там пластической деформации.

Нестабильность частоты вращения анализатора в данном приборе совершенно 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,

задавшись нестабильностью

(Oi

0,01,

что является стандартным значением для 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 усилителя У2-8 с крутизной полосы пропускания 40 дБ - Д дБ-0,01 ,4 дБ или 4,6%.

В известном устройстве отсутствует объективная информация о качестве анализатора или разьюстированности 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 достигать 5-10%. Превышение указанного значения (1%) указывает на необходимость замены анализатора или лучшей юстировки оптической схемы. Благодаря возможности измерения с помощью предлагаемого устройства величины пропускания (одновременно с величиной внутренних напряжений) можно определить, сопровождается ли данное изменение двулучепрелом- ления изменением пропускания или нет. Тем самым устраняются погрешности, связанные с наличием загрязнений, пленочных структур или других факторов, одновременно влияющих на интенсивность и состояние поляризации зондирующего излучения. Отсутствие в устройстве аналогового измерителя разности фаз устраняет погрешность, связанную с непостоянством одного из сравниваемых по фазе сигналов. Так, при использовании в известном устройстве г измерителя разности фаз Ф2-16 и изменении уровня внутренних напряжений.по п/ющади исследуемого образца в два раза (v на 6 дБ) погрешность измерения ориентации осей внутренних напряжений увеличивается более чем в 2,5 раза.

Таким образом, по сравнению с известным предлагаемое устройство расширяет свои функциональные возможности, а также 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 45° 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, отличающ е ее 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 фазовой четвертьволновой пластинки составляют угол 45° с осями анализатора, а также модулятор интенсивности излучения, блок спектральной селекции и дополнительную собирающую

линзу, последовательно установленные перед фотоприемником.

Использование: поляризационно-опти- ческие 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