Устройство для контроля полупроводниковых материалов

)5 0 01 й 21/23 264 А 1 ТТВЕННЫЙ КОМИТЕТЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ГОСУДАР ПО ИЗОБ ПРИ ГКНТ Ф с Щ БРЕТЕН О К АВТО СССРИСАНИЕ ИЗО РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт "Электростандарт" и Центральный научно-исследовательский институт измерительной аппаратуры(56) Авторское свидетельство СССР .М 373603, кл, 6 01 й 21/44, 1973,Авторское свидетельство СССР М 1365898, кл. 6 01 й 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 течениематериала при высоких температурах либо при механической обработке яв( 57) Использование: поляризационно-оптические исследования, контроль полупровод. никовых материалов, используемых в микроэлектронике. Сущность изобретения; устройство для контроля полупроводниковых материалов содержит источник зондирующего излучения, фазовую четверть- волновую 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 З 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 902; 51 зй 4, 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 основанна эффекте вынужденного двулучепреломления. 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, фазовуюпластину, 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 частотупрерывания света., регистрирующую систему и блок отношений, включенный междудвумя селективными усилителями с регистрирующей системой,Недостатком данного устройства является невозможность выявления пластически деформированных областей при исследовании неоднородной полупроводниковой структуры, поскольку в этом случаеупругие напряжения могут быть обусловлены разницей ТКР 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 телескопическуюсистему, поляризатор, четвертьволновуюфазовую 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 фазмежду сигналом с селективного усилителя и опорным сигналом, синхронизированным с угловым положением вращающегося анализатора, Контраст интерференции в исследуемом образце эффективно подавляется спомощью расширяющей телескопической системы и микрообъектива с увеличенной задней апертурой.Недостатком известного устройства является невозможность выявления а неоднородных полупроводниковых структурах10 20 30 40 50 пластически деформированных областей,так как устройство измеряет только величину двулучепреломления.Цель изобретения - расширение классарегистрируемых параметров, упрощениеюстировки и возможности многоканальнойрегистрации сигналов,Для достижения поставленной цели устройство для контроля полупроводниковыхматериалов, содержащее источник зондирующего излучения, последовательно расположенные по ходу оси излученияполяризатор, фаэовую четвертьволновуюпластинку с осями, составляющими угол 455 с осью поляризатора, сканирующее устройство с исследуемым образцом, вращающийся анализатор с блоком формированияопорного сигнала, собирающую линзу, фотоприемник, выход которого соединен свходом селективного усилителя и регистрирующее устройство, дополнительно содержит две коллимирующие линзы,расположенные, соответственно, перед неподвижным поляризатором и вращающим 5 ся анализатором, вторую фазовуючетвертьволновую пластинку. помещеннуюпосле вращающегося анализатора и вра-,щающегося синхронно с ним, причем ее осисоставляют угол 45 с осью его пропускания,кроме того, модулятор интенсивности светового луча, блок спектральной селекции исобирающая линза последовательно установлены перед фотоприемником, фильтрнижних частот и аналого-цифровой преоб 5 раэователь, причем вход фильтра нижних,частот соединен с выходом селективногоусилителя, а выход - с сигнальным входоманалого-цифрового преобразователя, входзапуска которого соединен с выходом блокаформирования опорного сигнала, а выходподключен к входу регистрирующего устройства.На чертеже показано предлагаемое устройство.5 Устройство включает а себя последовательно расположенные на оптической осиисточник 1 излучения сплошного спектра.(например, лампу накаливания), коллимирующую линзу 2, поляризатор 3, фазовую четвертьволновую пластину 4, фокусирующуюлинзу 5, сканирующее устройство 6 с установленным на нем исследуемым образцом7, коллимирующую линзу 8, синхронно вращающиеся с частотой в анализатор 9 и5 четвертьволновую пластину 10, блок формированияя опорного сигнала, выполненный,например, в виде вращающегося синхроннос анализатором непрозрачного диска 11 спрозрачными радиальными штрихами, расположенными через равные угловые интервалы, и неподвижной оптронной пары 12, кулярно его щелям, различно. Известна таксобирающуюлинзу 13, модулятор 14 интен- же поляризационная чувствительность фосивности светового луча, выполненный, на- топриемников. Поскольку плоскость пример, в виде вращающегося с частотой поляризации света вращается с частотой 2 а 2 а 1 непрозрачного диска с отверстия вг, поляризационная чувствительность опми, блок 15 спектральной селекции (напри-тических элементов, расположенных после мер,монохроматор),собирающуюлинзу 16, вращающегося анализатора 9., обусловит фотоприемник 17, селективный усилитель модуляцию интенсивности света на частоте 18 с полосой пропускания от в 2-2 в 1 до 2 ом,т.е.дополнительный вкладв величины а 2+2 в 1 и встроенным линейнымдетекто Фурьекоэффициентова 2 иЬ 2,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 450 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 перемен- АЦП и управляющее сканирующим устрой ной составляющей в интенсивности падаюством 6 щего на фотоприемник.16 излучения,Устройство работает следующим обра- Объектив 13 собирает прошедшее фазовуюзом. пластину излучение и через модулятор 14,Блок 15 спектральнойселекции выделя- модулирующий интенсивность света с часет из сплошного спектра излучения источ тотойса в 1, направляетего на приемную ника 1 излучение длины волны А 1 из площадку фотодетектора 15, с выхода кото- области 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 ог -2 в 1 до ая+2 а 1 и детектирующего не- тора 3. и фазовой четвертьволновой сущую частоту й 2. В результате на выходе пластинки 4 становитсяциркулярнополяри-селективного усилителя 18 формируется зованным (на длине волны А 1). Линза 5 фо- низкочастотный сигнал, поступающий на кусирует свет на исследуемый образец 7. вход фильтра нижних частот ФНЧ 19, кото- Если в нем имеются внутренние упругие 35 рый усиливает гармоники на частотах в 1 и напряжения, то вследствие явления вынуж а 1, 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 пропуПройдявращающийсясчастотойв 1 анали скание образца. Кроме того, после затор 9, свет окажется промодулированным прохождения ФНЧ 19 полезный сигнал отпо интенсивности с частотой 2 в 1, причем деляется от высокочастотных помех, Укаглубина модуляции определяется отноше- занным требованиям соответствует, нием осей эллипса поляризации, а фаза - . например, фильтр Чебышева четвертого по- ориентацией его осей, В случае раэъюсти 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 1, Прошедшее вращающийся котором преобразуется в цифровой код в анализатор 9 излучениелинейнополяризова- моменты прихода импульсов на вход запуно, причем плоскость поляризации враща ска АЦП 20. Эти импульсы вырабатываются ется с частотой 2 в 1, 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 дляГу- - агссоэ2 аоЖ 1 Ь 2у= --- агс 1 д - .2 2 а 2 При этом нормированное значение КаЕ+ЛЬ мощности первой гармоникипроао порционально искажениям сигнала за счет неидеальности анализатора или раэъюстировки. Переход от измеренных величин аоик искомым значениям пропускания величины внутренних напряжений и их ориентации производится по формулам(3) аок где аок - значение коэффициента ао прикалибровке (без образца) Ь р) 1 81 пдА 1С 2 пбгде В- ориентация главных осей напряжений, отличающаяся от азимута поляризации на 45 о.После завершения измерений на длине волны А 1 блок 15 спектральной селекции перестраивается на длину волны Й 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 (а 1 и Ь 1) и втоРой (а 2 и Ь 2) гармоник. Значение коэффициентов ао, а 2 и Ь 2 соответствуют первым трем параметрам Стокса. Таким образом, по величине коэффициента ао можно судить об интенсивности прошедшего через образец излучения, а величина эллиптичности у и азимут поляриэацииК вычисляются следующим образом:страиваются для этой длины волны обе фаэовце четвертьволновые пластины 4 и 10, и измеряется величина Ь а(12).Разность квазиглавных напряжений Ьд 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 Ьа ( Ц= Ьа (Л 2). Р) Из вышеизложенного следует, что в случае наличия в исследуемой области образца45 7 пластической деформации, приводящей кдихроиэму поглощения измерение величины Ьа (А 2) будет искажаться вкладом регистрируемый сигнал дихроизма поглощения,обусловленного возникшими в результате80 пластической деформации дисклокациями.Измерения величины Ьа на длинах волнА 1 и 32 окажутся различными: ЬаЯ 1)Ьа (32). Мерой дихроизма, т,е, степенипластической деформации будет разной% к- Ьа 91) - Ьа(Ъ).Такимобразом,измерение величины Ьо (Й) и Ьа(Ъ) позволяет установить наличие или отсутствиепластической деформации в исследуемой .точке образца,Однако наличие дислокаций в кристал ле приводит к зависимости поглощения света этим кристаллом в области краясобственного поглощения от поляризации света, т,.е. к дихроизму поглощения, Описанное устройство позволяет регистрировать 20 дихроиэм поглощения. Предположим, что висследуемой 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 1, Глубина модуляции, пропорциональная величине дихроизма, опи сывается параметром у,. выражаемым черезФурье-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 КОЭффкцИЕНтОВ ао, а 2, Ь 2.После проведения измерений в однойточке образца двухкоординатное сканирующее устройство 6 по сигналам управляющейЭВМ перемещает образец 7 в следующуюточку, в которой цикл измерения повторяется. В результате можно получить типограмму распределения по площади образцавеличины к, характеризующей степеньпластической деформации данной точки образца. 10П р и м е р, Излучение лампы накаливания марки КГМ 9-70 последовательно проходит колл имирующую линзу 2,поляризатор 3, фазовую четвертьволновуюпластину 4, обьектив 5, исследуемый образец 7, закрепленный на двухкоординатномсканирующем столе, коллимирующую лииэу 8, жестко скрепленные вращающиеся счастотой а 1 -10 Гц анализатор 9 и фаэовуючетвертьволновую пластину, обаектив 2013, модулятор-прерыватель 14, представляющий.собой диск с отверстиями и модулирующий интенсивность света с частотойй 2 =900 Гц монохроматор 15 марки МДП,и попадает на фотоприемник 17, в качестве 25которого используется фотодиод ФДГ, Вконструкции фазовой пластинки 10 предусмотрена возможность плавного измененияразного хода для получения сдвига фазЮ 14 двух ортогональных компонент поляризации излучения при различных длинахволн излучения,Способ с фотодиода проходит селективный усилитель с полосой частот Ай =40 Гц,детектируется и поступает на фильтр нижних частот, рассчитанный таким образом,что имеет два подьема АЧХ: на частоте 2й 2 -5 дБ и й 2-3 дБ и крутизну спада 24 дБ.на октаву (фильтр Чебышева 4 порядка снеравномерностью 3 дБ). С выхода фильтра 4010 сигнал поступает на десятираэрядныйАЦП 20 на вход запуска которого подаютсяимпульсы с блока формирования опорногосинала, представляющего собой стеклянное кольцо 11 с нанесенным на него непрозрачным покрытием, в котором составленыпрозрачные окна с дискретностью 10, и оптронную пару 12, с которой идут запускающие импульсы.Последовательность цифровых кодов 50принимается через магистраль АЦСКС1024-001 управляющей микроЭВМ "Электроника ДЗ", которая проводит обработку полученной выборки по алгоритмуцифрового преобразования Фурье, вцчисляет коэффициенты Фурье и на их основеизмеряемые параметры Т, у,у. Два последних согласно изложенной выше модели пересчитываются в величину и ориентацию осей внутренних напряженийи распечатываются на бумаге или на экране дисплея, Кроме того, через блоки релейнцх 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 Ьсг при 11 =1,15 мк и А 2 =0,89 мкм Д 1 лежит в области прозрачности исследуемого материала, а 2 соответствует обла- . сти дислокационного поглощения ОаАз) и вычислена разность к = Ьп(11)- Ьо(Й). Полученный результат ЬоЯ 1) 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 областик 0, что означает наличие там пластической дефор-. мации.Нестабильность частоты вращения анализатора в данном приборе соверщенно не влияет на измерение ориентации осей напряжений (таккак формирователь опорных сигналов жестко связан с вращающимся анализатором) и незначительно на величину напряжений. Оценить это влияние можно,Ъ Ьй 2 задавшись нестабильностью =0,01,й 2 что является стандартным значением для большинства электродвигателей. В этом случае изменение сигнала за счет подаема АЧХ на частоте 2 в 2 в предлагаемом устройстве составит Ь 0=5 дБ 0,01= 0,05 дБ или 0,6;(, в известном устройстве при использовании стандартного селективного усилителя У 2-8 с крутизной полосы пропускания 40 дБ - Л 0=40 дБ 0,01=0,4 дБ,или 4,6.В известном устройстве отсутствует обьективная информация о качестве ана- лизатора 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 до1746264 20 , 19 Составитель В. Крыло Техред М.Моргентал рректор Н. Король уЛазарен дакт каз 2390 .Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 стигать 5-10. Превышение указанного значения (1 ) указывает на необходимость. замены анализатора или лучшей юстировки оптической схемы. Благодаря воэможности измерения с помощью пред лагаемого устройства величины пропускания (одновременно с величиной внутренних напряжений) можно определить, сопровождается ли данное изменение двулучепреломления 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 Ф 2-16 и изменении уровня внутренних напряжений по площади исследуемого образца е два раза (на 6 дБ) погрешность измерения ориентации осей внутренних на пряжений увеличивается более чем в 2,5 раза.Таким образом, по сравнению с известным предлагаемое устройство расширяет свои функциональные возможности, а так же повышает точность измерений.. Формула изобретенияУстройство для. контроля полупроводниковых материалов, содержащее источник зондирующего излучения, последовательно расположенные по ходу его излучения поляризатор, фазовую четвертьволновую пластинку с осями, составляющими угол 45 О 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 четверть- волновой пластинки составляют угол 45 О с.осями анализатора, а также модулятор интенсивности излучения, блок спектральной селекции и дополнительную собирающую линзу, последовательно установленные перед фотоприемником