42896

Методы и способы измерения толщины окисных пленок, диффузионных и эпитаксиальных слоев, их физические основы

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Совершенствование технологии производства полупроводниковых материалов и приборов связано с необходимостью повышения точности и экспрессности лабораторного и промышленного контроля их электрофизических параметров. От качественных характеристик измерительной техники зависит уровень технологических потерь на различных этапах производства.

Русский

2013-11-03

851 KB

147 чел.

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Брянский государственный технический университет»

Кафедра «Электронные, радиоэлектронные 

и электротехнические системы»

специальность 210104

«Микроэлектроника и твёрдотельная электроника»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

И СТРУКТУР ЭЛЕКТРОНИКИ»

Выполнил: студент 5 курса гр. 07МТЭ

Фамилия И.О._______________

«____» ______________ 2011 г.

Руководитель: доцент Сахаров Ю.Г.

Оценка:             _________________

Подпись:           _________________

                         «___»_____________ 2011г.

Брянск 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Основная часть

  1.  Методы окрашенных шлифов
    1.   Метод косого шлифа
    2.   Метод сферического шлифа
    3.   Метод Толанского
  2.  Оптические методы
    1.   Элипсометрия
    2.   Интерференционные методы
    3.  Цветовой метод
  3.  Новейшие методы

Заключение

Список использованных источников


ВВЕДЕНИЕ

Современные тенденции в развитии тонкопленочных технологий и полупроводниковой индустрии неизбежно ведут к уменьшению характерных размеров создаваемых структур. Это предъявляет повышенные требования к аналитическим средствам контроля параметров слоистых структур в процессе их производства: состава слоев, кристаллического совершенства материалов и в первую очередь их геометрических характеристик – толщин слоев.

Совершенствование технологии производства полупроводниковых материалов и приборов связано с необходимостью повышения точности и экспрессности лабораторного и промышленного контроля их электрофизических параметров. От качественных характеристик измерительной техники зависит уровень технологических потерь на различных этапах производства. В этой связи разработка новых прогрессивных, неразрушающих методов контроля непосредственно связана с проблемой повышения эффективности производства изделий и материалов микроэлектроники.

В  настоящее  время  существует  множество  методов  для  измерения  толщины  и оптических  характеристик  нанопленок  на  подложках: ренгеновская  фотоэлектронная спектроскопия и рефлектометрия, атомно-силовая микроскопия, эллипсометрия, интерференционные методы, различные спектрофотометрические методы и другие.  Разработанная  на  их  основе  аналитическая  аппаратура  позволяет  измерять толщину  пленок  от  единиц  (и  даже  менее)  нанометров  до  сотен  нанометров  (и  более).

Основные  недостатки  существующих  методов  и  приборов  -  сложность  (а  значит  и большая  стоимость)  и  трудность  создания  на  их  основе  встраиваемой  технологической аналитической аппаратуры.

МЕТОДЫ ОКРАШЕННЫХ ШЛИФОВ

Долгое время основными методами измерения толщины слоев являлись методы окрашенных шлифов.  В этих методах для измерения глубины расположения перехода используются те или иные способы химического окрашивания или осаждения металлов, действующие на область одного типа проводимости и не оказывающие воздействия на область другого типа проводимости. Рассмотрим два основных метода шлифования: метод косого шлифа и метод шар-шлифа.

Метод косого шлифа.

Кремниевую пластину обычно сошлифовывают под небольшим углом θ (1-5º) при подготовке к окрашиванию. Это приводит к увеличению длины участка, подвергаемого окрашиванию в 1/θ раз. Глубину расположения перехода  

хj =θd,

подставив в него измеренные значения d и θ, где θ измеряется в радианах. Если же угол θ в градусах, то подставляется sin θ.

Пластина кремния крепится к оправке с помощью воска так, чтобы один ее конец выступал над верхней гранью оправки. Затем оправка плотно вставляется в соответствующее гнездо в держателе. Полировка стеклянной пластинкой с мелкодисперсной окисью алюминия. Шлиф должен быть хорошо отражающим и достаточно глубоким, чтобы пересекать все

переходы.

Метод сферического шлифа.

Используется для переходов, расположенных близко к поверхности. Здесь шлифовка производится цилиндрическим или сферическим инструментом большого диаметра. Этот шар вырезает в диффузионном слое углубления, пересекающие границу. Процедура шлифовки подобна описанной выше, за исключением того, что пластина кремния неподвижна, а вращается инструмент. Глубина расположения перехода при этом

К преимуществам этого метода относятся:

  •  отсутствие необходимости измерения углов среза
  •  более высокая контрастность
  •  более высокая точность определения толщины слоя.

Для химического окрашивания применяются несколько химических составов, в зависимости от типа измеряемой структуры.  Для кремниевых структур np- и pn-типа рекомендуется травитель, который приготовляется путем добавления восьми капель азотной кислоты (HNO3) в 50 мл плавиковой кислоты (HF). При нанесении этого травителя на шлиф области p-типа темнеют, а области n-типа остаются неизменными. Причиной является образование пленки, состоящей либо из моноокиси кремния, либо из гидрида кремния, либо из H2SiF6. Легче всего травление осуществляется на образцах p-типа, удельное сопротивление которых лежит в узком интервале 0,1-0,25 ом∙см, поскольку на таких подложках вырастают пленки черного цвета. На практике с помощью этого травителя весьма эффективно выявляются базовые р-области транзисторов. Области р-типа с удельными сопротивлениями, превышающими указанные, этим методом выявить труднее. В разновидностях этого травителя к HF добавляют не азотную кислоту, а нитрит натрия, двуокись азота или фосфорную кислоту.

В качестве травителя успешно использовалась чистая концентрированная HF при интенсивном освещении. Роль света не выяснена, но, вероятно, имеет место фотоэффект, поскольку падающий свет смещает  переход в обратном направлении. Этот способ может оказаться более длительным и часто не дает такого контраста как описанные выше травители на основе HF, однако он и меньшей степени зависит от способа приготовления раствора, ибо не требует сильного разбавления.

Если в процессе травления к переходу приложить обратное смещение (и, следовательно, вызвать протекание малого тока), то можно затемнить n-область вместо р-области. Для эффективного окрашивания n-области нужно, чтобы ток при нанесении травителя возрастал. Окрашивание происходит независимо от освещения под действием как прямого, так и обратного напряжения смещения.

Для кремниевых структур nn+- и pp+-типа предлагается использовать смесь 30 мл плавиковой кислоты и 15 мл перекиси водорода(H2O2). Для этих же структур можно применять травитель, получаемый добавлением четырех капель азотной кислоты(HNO3) и двух капель раствора азотнокислого серебра(AgNO3) в 10 мл плавиковой кислоты. Раствор азотнокислого серебра приготавляется путем растворения 2 г AgNO3 в 100 мл воды.

Методы косого и сферического шлифа обеспечивают возможность измерения толщины слоя в диапазоне от 0,1 мкм и более как в гомоэпитаксиальных, так и гетероэпитаксиальных структурах. Случайная погрешность измерения толщины слоев методом косого шлифа δ = ± (0,15d +0,5 мкм) с доверительной вероятностью 0,99 в диапазоне толщин 1÷25 мкм. При использовании метода сферического шлифа для структур pn-типа на практике реализуется с доверительной вероятностью 0,95 случайная погрешность ± (9÷2)% в диапазоне толщин 0,5÷20 мкм. Для структур nn+-типа в том же диапазоне случайная погрешность измерения меняется от ±12 до 2%.

Метод Толанского.

Наилучшим методом измерения глубины расположения перехода является развитый Толанским метод оптической интерференции. В этом методе частично отражающее зеркала помещается на верхнюю поверхность образца, так что его продолжение находится над шлифованным участком. При вертикальном освещении монохроматическим светом волны, отраженные от зеркала и от кремния, интерферируют друг с другом. Возникающая картина представляет собой последовательность чередующихся светлых и темных полос, разделенных расстоянием, равным длине волны. Калиброванная интерференционная картина может быть использована для измерения глубины расположения перехода непосредственно в длинах волн монохроматического света.

При этом методе отпадает необходимость в измерении углов, а скругление углов или отклонение поверхностей от плоскости просто искажает картину, но не обязательно приводит к понижению точности. Так, из-за плохого качества шлифа полосы могут быть уширенными, или искривленными, или и то и другое вместе, но до тех пор, пока поверхность шлифа является отряжающей, интерференционная картина будет хорошо видна.

Глубина расположения перехода определяется подсчетом числа полос, пересекаемых продолжением одной из полос на верхней поверхности. Расстояние между полосами на верхней поверхности можно изменять, изменяя угол, который зеркало составляет с этой поверхностью.

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Оптические методы исследования и измерения толщины нанопленок и слоев кремниевых структур являются самыми распространенными на сегодняшний день. Главным преимуществом перед методами окрашенных шлифов является то, что оптические методы неразрушающие. Однако оборудование для данных методов является очень дорогостоящим.

Эллипсометрия.

Эллипсометрия — метод измерения, основанный на анализе  изменения  состояния  поляризации  монохроматического поляризованного света, отраженного от исследуемого объекта при наклонном падении светового луча.

Суть метода поясняется риcунке 3. На исследуемый образец падает плоско поляризованная волна, которая после отражения становится в общем случае эллиптически поляризованной. Параметры эллипса поляризации, т.е. ориентация его осей и эксцентриситет, определяются оптическими свойствами отражающей структуры и углом падения света. В эксперименте измеряется отношение комплексных коэффициентов отражения для двух типов поляризации световой волны: в плоскости падения (p) и перпендикулярно к ней (s). Это отношение принято выражать через эллипсометрические параметры ψ и ∆, которые характеризуют относительное изменение амплитуд для p- и s-поляризаций и сдвиг фаз между ними:

Эллипс поляризации принято характеризовать двумя угловыми величинами — эллипсометрическими параметрами Ψ и ∆ (называемыми также поляризационными углами), которые определяются из условия

где А — амплитуда колебаний; δ — начальная фаза. Именно эти параметры и определяются в эллипсометрии. Изменение параметров эллипса поляризации при отражении луча света от поверхности образца принято характеризовать  коэффициентами Френеля Rp, Rs. Последние зависят от оптических свойств исследуемой структуры, а также от угла падения света и длины волны.

Существующие на сегодняшний день модели позволяют рассчитать коэффициенты отражения многослойных и неоднородных по толщине структур, гетерогенных слоев, состоящих из смеси нескольких компонентов, описать отражение от шероховатых поверхностей и островковых пленок. В результате такого комплексного подхода удается проводить неразрушающий оперативный контроль достаточно сложных слоистых наноструктур.

Ряд существенных достоинств этого метода делают его крайне привлекательным. Прежде всего это его универсальность. Оптические константы (показатели преломления n и поглощения k), которые, в конечном счете, и определяют результат эллипсометрических измерений, есть фундаментальные характеристики вещества. Любое внешнее воздействие  приводит,  как правило,  к изменению оптических свойств измеряемого объекта. Поэтому с помощью метода эллипсометрии можно характеризовать широкий спектр физических параметров: состав композиционных соединений, плотность инородных нановключений, структурное совершенство материала, качество границ раздела; регистрировать изменения, обусловленные изменением температуры или воздействием электрических, магнитных, механических полей и многое другое. При этом, в отличие, например, от дифракции электронов, эллипсометрия одинаково хорошо применима как к кристаллическим веществам, так и к аморфным. Можно еще добавить, что эллипсометрические измерения имеют высокую чувствительность: к изменению показателя преломления она составляет ~1×10-3, а к изменению толщины пленки достигает долей монослоя. При оптимизации условий эксперимента приведенные здесь значения могут быть улучшены на порядок.

Еще одно важное свойство метода – это неразрушающее и невозмущающее воздействие измерений. Энергия зондирующих фотонов составляет всего несколько электрон-вольт. Их воздействие на исследуемую структуру пренебрежимо мало по сравнению, например, с электронным пучком, где энергия электронов на 3-4 порядка выше. Это делает возможным использование эллипсометрии для таких деликатных химических соединений, как белки, и даже для живых объектов в микробиологии. Глубина проникновения света зависит от поглощения материала и составляет, как правило, около сотни нанометров. Именно с такой глубины «считывается» вся полезная информация о структуре. Поэтому нет необходимости проводить послойное удаление материала, тем самым разрушая образец, чтобы измерить параметры глубинных слоев или делать его профилирование. Нужно только правильно расшифровать полученную информацию. Как правило, использование тех или иных измерительных средств накладывает определенные ограничения как на исследуемые образцы, так и на условия, при которых проходят измерения (например, зачастую измерения проводятся в вакууме). Многие методы предполагают препарирование образцов перед измерениями. Иногда эти требования вступают в противоречие с технологическими условиями. В этом отношении эллипсометрия выглядит более чем непритязательной. Свет одинаково хорошо распространяется как в вакууме, так и в воздухе или в любой прозрачной среде, даже если эта среда агрессивная. Исследуемый образец не нужно специально готовить к измерениям. Тем самым проявляется еще одно качество этого метода – экспрессность. Весь цикл измерений, включая размещение образца на предметном столике, занимает считанные секунды. Слабые требования к условиям измерения, а также бесконтактность и высокое быстродействие делают метод очень технологичным и позволяют использовать его для контроля непосредственно в процессе создания структур или при изучении различного рода физических воздействий в реальном времени, т.е. in situ.

Существует большое разнообразие оптических схем эллипсометров – приборов для измерения эллипсометрических параметров. В основе всех этих измерений лежит преобразование поляризации света оптическими линейными элементами – поляризационными призмами и фазосдвигающими устройствами. Суть измерений можно пояснить с помощью схемы на рисунке 4. Монохроматический пучок света, излучаемый источником, проходит через поляризационную призму (поляризатор Р) и приобретает линейную поляризацию. После отражения от исследуемой поверхности S поляризация света становится эллиптической. Параметры этого эллипса анализируются с помощью фазосдвигающей пластинки (компенсатора С) и второй поляризационной призмы (анализатора А). При некоторых азимутальных положениях оптических элементов световой пучок полностью гасится, и фотоприемник регистрирует нулевой сигнал. Определяя экспериментально эти положения, измеряют эллипсометрические параметры. Это принцип работы нулевого эллипсометра.

Можно зафиксировать два из этих элементов, а третий вращать с постоянной угловой скоростью (например, анализа-тор). Амплитуды Фурье-компонент сигнала, снимаемого с фотоприемника, также позволяют рассчитать эллипсометрические параметры ψ и ∆. Это принцип работы  фотометрического  эллипсометра.  

Можно разделить световой пучок, отраженный от образца, на отдельные поляризованные компоненты и измерять интенсивность каждой из них. Тогда вообще не потребуется азимутального вращения элементов, и можно добиться высокого быстродействия. Это – статическая фотометрическая схема измерений.

На сегодняшний день выбор эллипсометров просто огромен. ООО «ЭНЕРГОАВАНГАРД» реализует на российском рынке целый ряд эллипсометров фирмы SENTECH.

Рисунок  - Лазерный эллипсометр SE 400adv SENTECH Instruments GmbH

SE 400adv - новейший лазерный (сканирующий) эллипсометр производства SENTECH Instruments GmbH (Германия) с возможностью проведения измерений пленок под различными углами разработан для высокоточного измерения толщины и оптических характеристик пленочных структур (коэффициент преломления, показатель поглощения) на различных типах поверхностей. Измерение нанопленок.

Основные характеристики:

Длина волны:

632,8 нм HeNeлазер (< 1 мВт)

Точность измерения ψ и ∆:

0,002о , 0,002о

Долговременная стабильность:

δ∆ =+ 0,1о,δψ = +0,1о

Точность измерения толщины пленки:

0,01 нм на 100 нм SiO2на Si

Точность измерения индекса преломления:

5х10-4на 100 нм SiO2на Si

Диапазон измерений для прозрачных пленок:

до 6 мкм

Диапазон измерений для слабоабсорбирующих слоев(полисиликон):

до 2 мкм

Время измерения

120 мс – 0,1с (зависит от режима измерений)

Диаметр светового пятна:

1 мм

Угол падения луча света:

Ручной гониометр 40 – 90о, шаг установки 5о

Выравнивание образца, фокусировка:

Автоколлиматический телескоп (АСТ)

SE 800 - спектроскопический УФ-ВИД (UV-VIS) эллипсометр производства SENTECH Instruments GmbH (Германия) с возможностью проведения измерений пленок под различными углами разработан для высокоточного измерения толщины и оптических характеристик как однослойных пленок, так и многослойных пленочных структур (коэффициент преломления, показатель поглощения) на различных типах поверхностей. Измерение нанопленок. Спектральный диапазон: 280 (190) - 850

(2500) нм.

Общие характеристики:

  •  Спектральный диапазон: UV/VIS: 280…850 (190 - 2500) нм.
  •  Размер образца: 6”, опция: 8”
  •  Подложка образца: Прозрачная / непрозрачная

SENTECH опция маппинга (моторизованный столик для образцов с компъютерным управлением) и ПО позволяет анализировать однородность распределения толщины пленки на образце. Данные могут быть выведены как 2D-и 3D- изображение распределения толщины с полной статистикой.

Интерференционные методы.

При определенных условиях отражение света от структуры сопровождается интерференционным эффектом, который может быть использован для измерения толщины слоев. Для возникновения интерференции необходимо, чтобы падающее излучение отражалось не только от поверхностного слоя, но и от его границы с подложкой. Это означает, что слой должен быть прозрачным в используемом интервале длин волн и оптические постоянные слоя в этом спектральном диапазоне должны

отличаться от оптических постоянных подложки.

Луч света падает на поверхность слоя в точке А под углом i к нормали. Часть падающего пучка света отражается от поверхности, образуя отраженный луч, а оставшаяся доля излучения проникает в слой и, распространяясь под углом преломления, достигает подложки в точке В. После отражения от подложки прошедший луч света преломляется в точке С на поверхности пленки и распространяется далее параллельно первому лучу.
Для упрощения анализа здесь не рассматривается эффект многократного внутреннего отражения. Если длина волны падающего излучения меняется, то в результате сложения колебаний отраженных лучей, будут наблюдаться максимумы и минимумы интенсивности отраженного света, соответствующего тем длинам волн, для которых разность фаз между лучами равна целому числу полуволн:

,

где d – толщина пленки; n – показатель преломления пленки; i – угол падения; λ – длина волны; m - целое число.

В практике спектрофотометрии как в видимой, так и инфракрасной
области спектра наибольшее применение имеют двухканальные (двух-
лучевые) спектрофотометры, основанные на интерферометре Майкельсона.

Падающий луч света от источника излучения с широким спектральным диапазоном после отражения от подложки разделяется на два луча А и В.
Фазы лучей А и В отличаются на , где — сдвиг фазы луча А при его отражении от поверхностного слоя; — сдвиг фазы луча В при его отражении от границы слой — подложка;  — разность фаз, обусловленная оптической разностью хода, возникающей в результате прохождения луча В через поверхностный слой. Полупрозрачным зеркалом М
3 каждый из лучей А и В расщепляется на два равных по амплитудам компонента: А1, А2 и В1, В2. Лучи  А1 и В1 направляются на фиксированное зеркало М1, а лучи А2, В2 — на подвижное зеркало М2. После отражения от соответствующих зеркал лучи Al, А2, В1, и В2 снова попадают на полупрозрачное зеркало М3, интерферируют и направляются на детектор.

На этом принципе основана Фурье-спектроскопия. И другие спектрометры.

ИК Фурье-спектрометр ФСМ-1201П представляет собой специализированный автоматизированный измерительный комплекс на основе универсального Фурье-спектрометра ФСМ-1201. Он снабжен двухкоординатным измерительным столом и позволяет в автоматическом режиме измерять параметры кремниевых пластин в заданных оператором точках для пластин диаметром до 200 мм.

ИК Фурье-спектрометрия является эффективным инструментом неразрушающего контроля полупроводниковых пластин и структур, что закреплено международно признанными стандартами ASTM F1188 и F1391, определяющими методы измерения концентрации междуузельного кислорода и углерода замещения в кремнии, ASTM F95, определяющим метод измерения толщины эпитаксиальных слоев для структур типа n-n+ и p-p+, КНС и др. Возможно определение состава слоев ФСС и БФСС, а также параметров диэлектрических слоев.

Основные контролируемые параметры:

  •  концентрация междуузельного кислорода (толщина пластин 0.4–2 мм) в пределах: (5x1015–2x1018) ± 5x1015 см-3 (ASTM F1188);
  •  концентрация углерода замещения (толщина пластин 0.4–2 мм) в пределах: (1016–5x1017) ± 1016 см-3 (ASTM F1391);
  •  радиальная неоднородность распределения кислорода в кремниевых пластинах (ASTM F951);
  •  толщина эпитаксиальных слоев кремниевых структур типа n-n+ и p-p+ в пределах: (0.5–10) ± 0.05 мкм, (10–200) ± 0.5% мкм (ASTM F95);
  •  толщина эпитаксиальных слоев кремния в структурах КНС в пределах: (0.1–10) ± 0.01 мкм;
  •  концентрация фосфора в слоях ФСС и бора/фосфора в слоях БФСС в пределах: (1–10) ± 0.2 вес.%.

Технические характеристики:

Спектральный диапазон

400-7800 см-1

Спектральное разрешение

1, 2, 4 см-1

Диаметр светового пятна на образце

6 мм

Размеры пластин

76, 100, 125, 150, 200 мм

Точность позиционирования стола

0.5 мм

Время стандартного измерения в одной точке

30-60 с

Размеры спектрометра

670x650x250 мм

Вес спектрометра

37 кг

Цена с НДС
(включая программное обеспечение
SemiSpec)

21900 USD

Система измерения толщины тонких пленок Thin Film базируется на измерении параметров интерференции света для определения оптических параметров толщины слоя. Паттерн интерференции света при помощи математической функции преобразуется в харакреристики толщины пленки. В случае системы с одиночным слоем толщина этого слоя (пленки) может быть вычеслена, если известны оптические характеристики материала пленки и подложки.

Программное обеспечение AvaSoft-ThinFilm имеет расширяемую встроенную базу данных по оптическим характеристикам наиболее часто применяемым материалам подложки и пленки.

Система измерения толщины тонких пленок AvaSpec Thin Film может измерять толщину пленки в диапазоне 10 нм – 50 мкм с разрешением 1 нм.

Измерение толщины тонких пленок AvaSpec Thin Film часто применется в технологиях травления, в случаях, когда необходим контроль и измерение процессов вытравливания плазмой и отложения слоя. Измерение толщины тонких пленок производят также в областях, где определяют характеристики оптически прозрачных пленок на металлах или стекле.

Компоненты системы для измерения толщины тонкой пленки:

Спектрометр

AvaSpec- 2048

Дифракционная решетка UA (200-1100nm), DCL-UV/VIS, 100µm входная щель , DUV покрытие, OSC-UA

Толщина слоя

10 nm- 50 µm, разрешение 1nm

Программное обеспечение

AvaSoft-Thinfilm

Источник света

AvaLight-DHc компактный дейтериево-галогеновый источник света

Оптоволоконные компоненты

Датчик отражения FCR-7UV200-2-ME UV/VIS, 2m, SMA

Принадлежности

Держатель датчика Thinfilm

Thinfilm-standard Tile

2 калибровочных слоя SiO2 различной толщины и референсный слой.

Бесконтактный оптический прибор, предназначен для измерения параметров шероховатости полированных и доведенных поверхностей, а

также для измерения толщин пленок (высоты уступов, образованных краем пленки и подложки). Интерференционную картину можно наблюдать как в белом, так и в монохроматическом свете и фотографировать на пленку фотокамерой, входящей в состав прибора. Микроинтерферометр позволяет производить измерения с помощью винтового окулярного микрометра МОВ или фотоэлектрического окулярного микрометра ФОМ с автоматической обработкой результатов измерений. Использование микроинтерферометра с фотоэлектрическим окулярным микрометром позволяет повысить точность измерения параметров шероховатости в 2 раза, значительно сократить утомляемость оператора. Микроинтерферометр применяется в машиностроительной промышленности и в лабораториях научно-исследовательских институтов, занимающихся вопросами качества поверхностей

  •  Диапазон измерения параметров шероховатости Rmax и Rz и толщины пленок: 0,1...0,8 мкм
  •  Увеличение при визуальном наблюдении, 500 крат.
  •  Линейное поле зрения в пространстве предмета 0,3 мм.
  •  Габаритные размеры микроинтерферометра 300 х 300 х 420 мм
  •  Масса 30 кг.

Цветовой метод.

Для определения толщины пленки окисла можно использовать интерференционные цвета, возникающие при отражении белого света у границы раздела окисел - воздух. Окраска создастся равномерным белым светом за вычетом той его части, которая участвует в гасящей интерференции.

В случае структуры воздух — окисел — кремний следует учесть два важных фактора:  1) коэффициент преломления окисла больше единицы и 2) кремний поглощает излучение в видимой части спектра. Влияние первого фактора выражается в увеличении оптической длины пути. Замена прозрачного слоя поглощающим материалом означает, что та часть спектра,
которая раньше пропускалась, теперь поглощается, но состав отраженной волны при этом не меняется. Следовательно, и соотношение между цветом и толщиной пленки должно быть таким же, как и в случае пленки, нанесенной на прозрачную стеклянную пластинку.

толщина пленки, мкм

порядок цвета

цвет

0.05
0.07
0.10
0,12
0
.15

0.17

0.20

0.22

0.25

0.27

0.30

0.31

0.32

0.34

0.35

0.36

0.37

0.39

0.41

0.42

0.44

0.46

0.47

0.48

0.49

0.50

0.52

0.54

0.56

0.57

0.58

0.60

0.63

0.68

0.72

0.77

0.80

0.82

0.85

0.86

0.87

0.89

0.92

0.95

0.97

0.99

1.00

1.02

1.05

1.06

1.07

1.10

1.11

1.12

1.18

1.19

1.21

1.24

1.25

1.28

1.32

1.40

1.45

1.46

1.50

1.54

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

Рыжевато-коричневый
Коричневый

Темно фиолетовый с красно-фиолетовым оттенком
Ярко синий

Светло синий с металлическим отливом

Между металлическим и очень светлым желто-зеленым

Светло-золотой с желтизной и легким металлическим оттенком
Золотой с легким желто-оранжевым оттенком
Оранжевый с оттенком дыни
Красно-фиолетовый
Синий с фиолетово-синим оттенком
Голубой

Между голубым и голубовато-зеленым
Светло-зеленый

Между зеленым и желто-зеленым

Желто-зеленый

Зеленовато-желтый

Желтый

Светло оранжевый

Розовой гвоздики JT

фиолетово-красный

Красно-фиолетовый

Фиолетовый

Сине фиолетовый

Синий

Сине зеленый
Зеленый (основной)
Желто-зеленый

Зеленовато-желтый

Между желтым и «желтоватым» (не желтый, но находится в той части спектра, где должен быть желтый; иногда он кажется серым с кремовым или с металлическим оттенком)

Светло-оранжевый или желтый, граничащий с розовым

Розовой гвоздики

Фиолетово-красный

«Синеватый» (не синий, а находящийся на границе между фиолетовым и сине-зеленым: выглядит скорее как смесь фиолетово-красного и сине-зеленого и кажется сероватым)

Между синевато-зеленым и зеленым (довольно широкий)

«Желтоватый»

Оранжевый (довольно широкий)
Оранжево-розовый

Светлый красно-фиолетовый (тусклый)

Фиолетовый

Голубовато-фиолетовый

Голубой

Голубовато-зеленый

Тусклый желто-зеленый

Между желтым и «желтоватым»

Оранжевый

Розовой гвоздики

Фиолетово красный

Красно-фиолетовый

фиолетовый

Голубовато-фиолетовый

Зеленый

Желто-зеленый

Зеленый
фиолетовый
Красно-фиолетовый
фиолетово-красный

Между цветом розовой гвоздики и оранжево-розовым
Оранжевый
«Желтоватый»

Между небесно-голубым и зеленовато-голубым

Оранжевый
фиолетовый
Голубовато- фиолетоный

Голубой

Тусклый желто-зеленый

В таблице приведены экспериментально установленные соотношения между толщиной и цветом термически выращепных окнсных пленок на кремнии. Определение цвета является весьма субъективной процедурой, сильно зависящей oт индивидуальных особенностей наблюдателя. Цвета, указанные в таблице, наблюдаются при нормальном падении света. При косом освещении цвет пленки изменяется и зависимости от ее толщины и коэффициента Преломления. Зная эту зависимость, можно различать между собой окислы с одинаковой окраской, относящейся к интерференционным максимумам различного порядка. Красный цвет первого порядка и красный третьего порядка кажутся одинаковыми при нормальном освещении, но при косом освещении они заметно различаются. Таким образом, для совершенно независимого определения толщины окисла по его интерференционной окраске необходимо иметь не только таблицу цветов,
но и калиброванные образцы, которые можно поместить рядом с измеряемыми н рассматривать при различных углах падения света. Можно обойтись и без калиброванных образцов, если толщина окисла известна
(например, из условий роста) с точностью не хуже чем 1/2 порядка (±750—1000 Å). На практике это требование обычно выполняется.

НОВЕЙШИЕ МЕТОДЫ

В 2010 году была опубликована статья из  Андижанского Государственного университета им. З.М. Бабура (Узбекистан). Авторы статьи, Р. Алиев, Э. Мухтаров, Л. Олимов, предлагают новый неразрушающий метод измерения глубины залегания pn-перехода полупроводниковых фотоэлектрических структур. Предложенный метод позволяет использовать более простые технические средства, по сравнению с традиционными методами, исключает громоздкие математические вычисления, сокращает длительность и упрощает процесс измерения.

В основу разработки был положен принцип изменения фото Э.Д.С., созданный опорным видимым излучением, при одновременном воздействии на рn-структуру импульсного инфракрасного (ИК) излучения с плавно изменяющейся частотой следования. Блок-схема экспериментального прибора приведена на рис. 13. Прибор содержит источник ИК-излучения – 1 (СО2 – лазер), модулятор – 2, источник видимого излучения – 3, а также осциллограф – 4 и регистратор – 5, которые подключены к исследуемому образцу  – 6.

В качестве объекта исследования были использованы эпитаксиальные структуры, содержащие слои n-типа проводимости с толщиной в диапазоне 2÷10 мкм, выращенные на подложках типа КДБ-10, а также структуры n+-р-типа, полученные термической диффузией  или  ионной  имплантацией фосфора  также  на  подложках  КДБ-10.

Измерение глубины рn-перехода разработанным методом осуществляется  следующим образом. Фронтальная поверхность исследуемого образца, где на глубине хpn расположен рn-переход, освещается опорным излучением видимого диапазона и фиксируется соответствующее ему исходное значение фото ЭДС UO. При помощи специального модулятора на поверхность исследуемого образца направляется ИК-излучение в виде импульсных потоков с частотой  f, плавно возрастающей в диапазоне 1÷1000 Гц, но с постоянной длительностью ∆τ. В результате периодического импульсного подвода тепла от облучаемой поверхности вглубь полупроводника, происходит периодическое изменение исходного сигнала UO, вследствие чего на экране осциллографа появляется пилообразный сигнал. При этом одновременно контролируется амплитудное значение Um и частота сигнала. Необходимо фиксировать также пороговую частоту fm, соответствующую значении амплитуды сигнала, составляющего 0,7 часть от исходного UO, т.е. Um = 0,7UO. По градуировочной кривой, приведенной на рис. 14, построенной по результатам измерения контрольных образцов, можно определить глубину залегания рn-перехода исследуемого образца.

Сущность предложенного метода заключается в следующем. При падении теплового потока ИК-излучения на поверхность полупроводника преимущественное его поглощение происходит в поверхностной и приповерхностной области, вследствие чего поверхностная область нагревается и возникает градиент температуры dT/dx по толщине образца.

При периодическом изменении температуры на поверхности тела, устанавливается распространяющийся вглубь изменяющийся с тем же периодом тепловой поток, вызывающий аналогично колеблющийся неравномерный нагрев тела по глубине, причем амплитуда колебаний температуры экспоненциально убывает с глубиной. Отсюда вытекает, что чем меньше период колебания температуры, тем меньше глубина проникновения теплового потока, т.е. тело на фиксированной глубине Х нагревается меньше. Поэтому можно записать:

Кривая зависимости глубины залегания рn-перехода в кремниевых структурах от пороговой частоты импульсов ИК-излучения, поcтроенная в двойном  логарифмическом масштабе (рис. 14) путем обработки результатов измерения методом наименьших квадратов, представляет собой прямую линию. Наклон этой линии (хpn/f′) = 1/2 качественно подтверждает зависимость.

Контрольные измерения толщины n+-cлоя или глубины рn-перехода (хpn) исследуемых структур осуществлялось методом шарового шлифа с диаметром шлифовальника 60 мм и 150 мм. Сопоставительный анализ результатов измерения глубины залегания рn-перехода, полученных данными и контрольными методами, а также оценка погрешности показывают, что предложенный метод имеет случайную погрешность ±0,05 мкм при доверительной вероятности 0,95.

Легко реализуемое управление частотой следования импульсов ИК-излучения позволяет значительно расширить диапазон измеряемых глубин рn-перехода в структурах для фотоприемников, солнечных элементов и других изделий микро и оптоэлектроники. Предложенный метод без особых трудностей может быть автоматизирован.

10 октября 2011 года в электронном журнале «Наука и образование» была опубликована статья МГТУ им. Н.Э. Баумана. Авторы Белов М. Л., Городничев В. А., Козинцев В. И., Федотов Ю. В. рассматривают новый Лазерный метод измерения толщины и показателя преломления нанопленок на подложке.

Это лазерный  спектрофотометрический  метод  измерения  толщины  и показателя  преломления  прозрачных  нанопленок  на  подложке,  основанный  на определении  первой  производной  (по  длине  волны)  коэффициента  отражения  системы «воздух (вакуум) - пленка - подложка» и использующий один лазер, перестраиваемый по длине  волны  в  узком  спектральном  диапазоне.  Метод  использует  только  спектральную информацию о коэффициенте отражения трехслойной системы "воздух (вакуум) - пленка - подложка".

Будем  считать,  что  источник  лазерного  излучения  облучает  вертикально  вниз узким  пучком  плоскую  подложку  с  нанесенной  на  нее  плоской  пленкой (перпендикулярное  падение  лазерного  излучения  в  большинстве  случаев  упрощает использование  данного  метода  в  аналитической  аппаратуре,  встраиваемой  в технологическое  оборудование).  Считаем,  что  оптические  характеристики  подложки известны, поглощение подложки велико или она настолько толстая, так что отражением от  другой  границы  (дна)  подложки  можно  пренебречь.

Рассмотрим сначала случай, когда показатель преломления пленки точно известен.

Показатель  преломления  пленки  точно  известен  (известен  его  спектральный  ход  или известны его значения на возможных длинах волн излучения). В этом случае толщину пленки можно определить непосредственно из измерений коэффициента отражения на одной длине волны:

где

d – толщина пленки,

λ – длина волны излучения,

n2 – показатель преломления пленки,

Rref (λ) – коэффициент отражения трехслойной системы «воздух - пленка - подложка»,

r12,r23 - коэффициенты  отражения  на  границе  сред  «воздух  -  пленка»  и  «пленка  - подложка»,  соответственно.

Таким  образом,  в  случае,  когда  показатель  преломления  пленки  точно  известен, толщину пленки можно просто измерить.

Показатель  преломления  пленки  точно  неизвестен  (известен  только  диапазон возможных значений показателя преломления).

В  этом  случае  задача  сильно  усложняется  и  для  определения  как  показателя преломления,  так  и  толщины  пленки  необходимо  использовать  дополнительную информацию.  Такой  дополнительной  информацией  может  быть  значение  первой производной коэффициента отражения. Если  в  эксперименте  измеряется  две  величины  –  коэффициент отражения  Rref (λ)   и  его  первая  производная    R′ref (λ) ,  то  система  двух  нелинейных уравнений   потенциально  позволяет  определить  два  неизвестных  параметра трехслойной системы «воздух - пленка - подложка».

Таким  образом,  для  определения  показателя  преломления  и  толщины  тонких пленок на подложке необходимо провести измерение коэффициента отражения  системы  «воздух-пленка-подложка»  и  определить  его  первую  производную. Это может быть реализовано, используя один лазер, перестраиваемый по длине волны в узком  спектральном  диапазоне.  Производная  коэффициента  отражения  может  быть определена  либо  из  данных  измерений  коэффициента  отражения  при  дискретной перестройке  длины  волны  (с  последующим  использованием,  например,  процедур сглаживания  результатов  измерений),  либо  из  данных  измерений  амплитуды гармонической  составляющей  коэффициента  отражения  при  плавной  гармонической перестройке длины волны. Исследование возможностей описанного лазерного метода измерения толщины и показателя  преломления  прозрачных  нанопленок  на  подложке  проводилось  методом математического моделирования.

Метод,  основанный  на  определении  первой производной  коэффициента  отражения,  позволяет  с  небольшими  (единицы  процентов) погрешностями находить толщину и показатель преломления тонких прозрачных пленок в широком диапазоне показателей преломления (~ 3…7 и более) и толщин (~ 10…100 нм и более)  пленок.  Большие  ошибки  появляются  на  краях  рассматриваемых  диапазонов толщин и показателей преломления пленок:  

-  в случае больших толщин и показателей преломления пленки погрешности связаны с неоднозначность  определения  оптических  характеристик  пленки  из-за  периодического характера тригонометрических функций. Они могут быть уменьшены, например, проводя непрерывные измерения коэффициента отражения по мере роста пленки.

-  в  случае  малых  толщин  (d ~ 10 нм  и  менее)  погрешности  связаны  с  увеличением влияния  шумов  измерения  при  небольших  набегах  фазы  в  пленке.  Они  могут  быть уменьшены, например, путем усреднения.

Таким  образом,  результаты  математического  моделирования  показывают,  что метод,  основанный  на  определении  первой  производной  коэффициента отражения,  позволяет  с  небольшими  (единицы  процентов)  погрешностями  находить толщину  и  показатель  преломления  тонких  прозрачных  пленок  при  погрешностях измерения коэффициента отражения пленки и его первой производной 0.3 % в широком диапазоне  показателей  преломления  (~ 3…7  и  более)  и  толщин  (~ 10…100 нм  и  более)  пленок.  


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовой работе рассмотрены основные методы и способы измерения толщины окисных пленок, диффузионных и эпитаксиальных слоев, их физические основы. Сделан краткий обзор современной техники, позволяющей реализовать тот или иной метод. А так же освещены идеи методов, которые пока еще только разрабатываются, и возможно будут применяться в будущем.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1.  Батавин В. В. и др. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур / В. В. Батавин, Ю. А. Концевой, Ю. В. Федорович. – М.: Радио и связь, 1985.- 264 с., ил.;
  2.  Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. М.: Техносфера, 2006.- 384 с.;
  3.  Воробьев Ю. В. и др. Методы исследования полупроводников. Киев, Выща шк., 1988.- 232 с.;
  4.  Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисление, диффузия, эпитаксия. Под ред. Р. Бургера и Р. Донована. М.: Мир, 1969.- 451с., ил.;
  5.  Пилипенко В. А. и др. Физические измерения в микроэлектронике, Минск, БГУ, 2003.- 172с.;
  6.  Смирнов С. В. Методы исследования материалов и структур электроники. Томск, Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2006.- 179 с.;
  7.  Технология СБИС: В 2-х кН. Кн. 2.(Глава 12.Методы контроля и диагностики). Пер. с англ./Под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986.- 453 с., ил.;
  8.  Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989.- 344 с., ил.;
  9.  Алиев Р. Неразрушающий метод измерения глубины залегания pn-перехода полупроводниковых фотоэлектрических структур / Р. Алиев, Э. Мухтаров, Л. Олимов // Физическая инженерия поверхности. – 2010.- №2.- с. 169-172;
  10.   Белов М. Л. Лазерный метод измерения толщины и показателя преломления нанопленок на подложке, основанный  на определении первой производной коэффициента отражения / Белов М. Л., Городничев В. А., Козинцев В. И., Федотов Ю. В. // Наука и образование. – 2011.- №10
  11.   Швец В. А. Эллипсометрия – прецизионный метод контроля тонкопленочных структур с субнанометровым  разрешением / В.А. Швец, Е.В. Спесивцев, С.В. Рыхлицкий, Н.Н. Михайлов // Российские нанотехнологии. – 2009.- №3-4.- с. 72-84;
  12.   Патент  RU № 2102702. Устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок // Федорцов А. Б. Опубл. 20.01.1998
  13.   Патент  RU № 2366033. Метод определения толщины слоя пористого кремния // Шелонин Е. А., Хорт А. М., Яковенко А. Г., Гвелесиани А. А. Опубл. 27.08.2009
  14.  Патент  RU № 2395788. Способ измерения толщины тонких пленок на подложке // Белов М. Л. , Городничев В. А. , Козинцев В. И. , Федотов Ю. В. Опубл. 27.07.2010
  15.   ООО «ЭНЕРГОАВАНГАРД» : Лазерные и спектроскопические эллипсометры SENTECH Instruments GmbH // http://eavangard-semi.ru/ellipsometers
  16.   ФизЛабПрибор : Тестер полупроводниковых пластин // http://www.fizlabpribor.ru/a_d_pribor/fsm/fsm_p.htm

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34119. Терапевтические отношения. Форма и содержание 61 KB
  Именно в этом взаимодействие пациент продуцирует материал для анализа а аналитик создает условия для его интеграции в психики пациента что и будет являться основой для терапевтических изменений. Процесс ассимиляции связан с позитивной реакцией пациента на тот способ при помощи которого терапевт испоьзует полученный материал с тем как их усваивает Эго и с теми изменениями которые мы назвали “лечебными факторамиâ€. он представляет собой решающее звено между использованным способом действия терапевта и реальным эффектом для пациента...
34120. Ответы на экзаменационные вопросы Эго-психология 470.5 KB
  Положение ЭГОпсихологии в современной психоаналитической теории. ЭгоПсихология – направление в психоаналитической теории развитие которого как считалось началось с работы З. В какойто степени – это теория конкурирующая с теорией влечений и теорией объектных отношений хотя существует другая точка зрения определяющая Эгопсихологию как интегрирующую концепцию.
34121. Психоаналитическая терапия. Ответы на экзаменационные вопросы 325.5 KB
  Такой подход значительно сужает взгляд на проблему так как из вида упускается важнейший момент содержания терапевтического процесса которое образуется благодаря живому творческому взаимодействию его непосредственных участников – пациента и терапевта их влиянию друг на друга и на ход терапии в целом. Первоначально основатель психоанализа просто использует медицинскую однонаправленную модель в которой значение имеет только личность пациента катарсический метод. В дальнейшем обосновывая и развивая идею переноса Фрейд хотя и вводит в...
34122. Психодиагностика. Ответы на экзаменационные вопросы 501.5 KB
  Именно это и явилось основной предпосылкой возникновения психодиагностики как отдельной области научных знаний и системы методов исследования. Причиной этому послужили успехи в области исследования хромосомных болезней человека. Основным в исследованиях XIX века является то что психическое становилось особой областью экспериментального исследования отличной от физиологии. наибольшее влияние на становление психологической диагностики оказали экспериментальная психология диффференцальная психология прикладная психология и тестология;...
34123. Возрастная психология. Ответы на экзаменационные вопросы 811 KB
  Возрастная психология или психология развития направлена на исследование особенностей проявления и развития психики человека в различные возрастные периоды. Системное рассмотрение всего жизненного цикла позволяет выявить общие закономерности индивидуального развития человека и использовать их для решения таких существенных задач возрастной психологии как: Научное обоснование возрастных норм психофизиологических функций. Научное прогнозирование развития человека развертывание психических ресурсов человека. Определение наиболее...
34124. Психоаналитические теории характеров. Ответы на экзаменационные вопросы 397 KB
  Мазохистические и депрессивные паттерны характера в значительной степени совпадают особенно на невротически здоровом уровне организации личности. Важно понимать различия между этими двумя психологиями потому что особенно на пограничном и психотическом уровнях организации личности требуется применение существенно различающихся терапевтических стилей. Эти решения могут представать как чередующиеся состояния Эго особенно на уровне пограничной организации личности приводя терапевта в замешательство понимать ли этого пациента как...
34125. Педагогическая психология. Экзаменационные вопросы с ответами 534 KB
  Специфика такого аспекта связана с тем что образовательный процесс рассматривается как организованная деятельность по передаче и усвоению социокультурного опыта такой процесс выступает как контекстная среда развития и социализации личности. Определение связи между уровнем интеллектуального личностного развития обучающегося и формами методами обучающего и воспитывающего воздействия сотрудничество активные формы обучения и др. Структура: три раздела: Психология обучения исследующая закономерности протекания процесса обучения...
34126. Социальная психология. Ответы на экзаменационные вопросы 816.5 KB
  Было обнаружено сильное влияние социальной группы на поведение и установки ее членов. Объектом социальной психологии являются конкретные социальные общности группы людей и отдельные их представители. Социально-психологические явления возникающие в организованных общностях людей к которым относятся большие и малые группы. Личность которая в процессе взаимодействия и общения с другими личностями представляет собой совершенно иной феномен нежели индивид не включенный в различные социальные группы и межличностные отношения.