5.2. Физические основы анализа свойств поверхности и тонких пленок

Поверхность твердого тела включает в себя тонкий приповерхностный слой, толщина которого лежит в пределах от 0,05 нм до 50 нм (несколько сотен моноатомных слоев) и определяется атомным составом, структурой материала, а также особенностями взаимодействия твердого тела с падающим на него излучением или потоком частиц (электронов, ионов и др.). Многообразие явлений на поверхности проявляется в системах твердое тело – вакуум,металл - полупроводник,полупроводник – полупроводники т.д. В технологии ЭС знание свойств поверхности и тонких пленок (структурных, эмиссионных, адсорбционных) важно при отработке технологии, анализе дефектов, оценке качества. Все методы анализа, используемые в технологии ЭС, можно условно разделить на две группы: методы анализа относительно больших участков поверхности (с размерами контролируемого поля до 200х200 мм) и локальные методы, обеспечивающие диагностику (анализ) участков сверхмалых размеров (в фиксированных точках), соизмеримых с размерами микроэлектронных структур (до 2,5х2,5 мкм).

Диагностика относительно больших участков поверхности

Эта группа методов преимущественно связана с применением средств опти­ческой визуализации: луп, оптических микроскопов, оптических автоматиче­ских устройств, дифракционных приборов, эллипсометров, фурье-спектрометров и др. Лупы с увеличением от 3 до 10 крат (разрешение 0,02 – 2 мм) и простейшие оптические микроскопы с увеличением от 10 до 100 крат (раз­решение 0,001 – 0,01 мм) применяются для контроля внешнего вида, каче­ства поверхностей и т.п. Универсальные оптические микроскопы, дающие увели­чение до 1000 крат и допускающие наблюдение за микрообъектами в прохо­дящем и отраженном свете (поляризованном, монохроматическом и т.д.), служат для измерения и контроля толщины диэлектрических пленок, тополо­гии, фотошаблонов, выявления дефектов металлизации, неоднородностей травле­ния и т.д.

Телевизионные микроскопы, в которых оптическое изображение подается в видеокамеру и затем через усилители на телевизионный экран, расширяют возможности визуальной диагностики за счет того, что могут работать не только в видимой, но и в ИК, УФ, рентгеновской областях спектра, позволяют записать увеличенное изображение поверхности. Прецизионные оптические микроскопы, обеспечивающие наблюдение поверхности (наличие дефектов и отклонение размеров в субмикронной области), имеют увеличение до 10000 крат (разрешение до 100 нм) при поле перемещения объекта по площади 150х150 мм.

Среди оптических автоматических устройств широкое распространение получили лазерные анализаторы микронеоднородностей. Принцип их работы основан на регистрации света, рассеянного частицами, царапинами, сколами, выемками и жирными пятнами на поверхности образца, при сканировании ее лазерным лучом. Подобные анализаторы рассчитаны на обнаружение микронеоднородностей размером от 0,2 до 300 мкм при их поверхностной плотности в диапазоне 1 - 10⁵см^-2. Более широкими возможностями неразрушающего оперативного контроля обладают лазерные гетеродинные микроскопы, регистрирующие отраженный сигнал по амплитуде и фазе. Они обеспечивают измерение топологии и выявление дефектов в субмикронной области с разрешением около 10 нм при диаметре лазерного луча около 1 мкм.

Дифракционные методы диагностики и методы эллипсометрии в определенной мере позволяют преодолеть предельные возможности оптических микроскопов, ограниченные дифракцией света. Используя тестовые дифракционные решетки в составе топологических фигур на фотошаблонах и ИС, можно измерять элементы с резкими краями размером до 0,1 мкм при длине волны лазерного излучения 0,633 мкм. Эллипсометрические методы диагностики основаны на изучении светового пучка, отраженного этой поверхностью или преломленного на ней. Падающий на поверхность плоскополяризованный свет приобретает при отражении и преломлении эллиптическую поляризацию. Зависимость между оптическими постоянными приповерхностного слоя и параметрами эллиптически поляризованного света устанавливается на основании соотношений между амплитудами, фазами и состояниями поляризации отраженной и преломленной световых волн (формул Френеля). На принципах эллипсометрии построены методы контроля и измерения толщины и показателя преломления тонких и сверхтонких пленок (толщиной до нескольких нм) с погрешностью 3 - 5 % при размерах контролируемого участка около 5х5 мкм.

В фурье-спектрометрах спектры излучения получают в два приема: сначала регистрируется интерферограмма исследуемого излучения, а затем путем фурье-преобразования вычисляется его спектр. Фурье-спектрометры наиболее эффективны для исследования в ИК и миллиметровом дипазонах длин волн. По виду спектральной линии поглощения устанавливаются тип и положение атомов примеси в кристаллической решетке материала с чувствительностью до одного атома примеси на 10⁹атомов основного вещества. Развитое математическое обеспечение фурье-спектрометров дает возможность получать информацию в реальном масштабе времени и исследовать поверхностные явления, процессы сорбции и кинетику поверхностных реакций, получать спектры поглощения пленок на поверхностях полупроводников, металлов и полимеров, составляющих доли мономолекулярных слоев.