- •Воронеж 2006
- •Введение
- •1. Дифракция медленных электронов
- •1.1. Эксперимент Дэвиссона и Джермера
- •1.3. Рассеяние медленных электронов: вторичная электронная эмиссия
- •1.4. Волновые свойства микрочастиц. Дифракция электронов
- •2. Метод эсха
- •2.1. Основные принципы метода эсха
- •2.2. Фотоэффект в методе эсха и в рентгеновской абсорбционной спектроскопии
- •2.4. Вычисление энергии связи на основе данных, полученных методом эсха
- •2.5. Модификация диаграммы уровней, связанная с наличием двойных слоев и электрических полей
- •2.6. Собственные ширины уровней и расстояния между ними
- •2.7. Исследования поверхности методом эсха
- •3. Метод Оже-спектроскопии
- •3.1. Физические основы метода Оже-электронной спектроскопии
- •3.2. Аппаратура и методика измерений Оже-спектра
- •3.3. Методика подготовки образцов
- •3.4. Качественный и количественный анализ
- •3.4.1. Методика эксперимента
- •3.4.2. Описание экспериментальной установки
- •3.4.3. Растровая Оже-электронная спектроскопия
- •3.4.4. Применение Оже-спектроскопии
- •4. Вторично-ионная масс-спектрометрия
- •4.1. Взаимодействие ионов с веществом
- •4.2. Вторично-ионная эмиссия
- •4.3. Оборудование вимс.
- •4.3.1. Принцип действия установок.
- •Установки, не обеспечивающие анализа распределения частиц по поверхности
- •Установки, позволяющие получать сведения о распределении элемента по поверхности, со сканирующим ионным зондом
- •Установки с прямым изображением
- •4.3.2. Порог чувствительности
- •4.3.3. Анализ следов элементов
- •4.3.4. Ионное изображение
- •4.3.5. Требования к первичному ионному пучку
- •4.4. Масс-спектрометрический анализ нейтральных распыленных частиц
- •4.5. Количественный анализ
- •4.6. Глубинные профили концентрации элементов
- •4.6.1. Приборные факторы, влияющие на разрешение по глубине при измерении профилей концентрации
- •4.6.2. Влияние ионно-матричных эффектов на разрешение по глубине при измерении профилей концентрации
- •4.7. Применение
- •4.7.1. Исследование поверхности
- •4.7.2. Глубинные профили концентрации
- •4.7.3. Распределение частиц по поверхности, микроанализ и объемный анализ
- •5. Инфракрасная Фурье-спектрометрия
- •5.1. Принцип метода
- •5.2. Диапазон измеряемых значений толщины эпитаксиального слоя
- •5.3. Погрешность измерения
- •6. Эллипсометрия.
- •6.1.Эллипсометрический метод измерения толщины пленок.
- •7. Инфракрасная интерференция
- •7.1. Физические основы метода
- •7.2. Выбор спектрального диапазона и требования к параметрам подложки
- •7.3. Диапазон измеряемых толщин
- •7.4. Интерференция в видимой области спектра
- •7.5. Инфракрасная Фурье-спектрометрия
- •7.6. Принцип метода
- •7.7. Диапазон измеряемых значений толщины эпитаксиального слоя
- •7.8. Погрешность измерения
- •7.9. Измерение отклонения от плоскостности и контроль рельефа поверхности полупроводниковых пластин и структур
- •7.9.1. Отклонение от плоскостности и методы его измерения
- •7.9.2. Аппаратура для измерений отклонений от плоскостности
- •7.9.3. Погрешность измерения отклонения от плоскостности
- •7.9.4. Аппаратура для контроля рельефа полупроводниковых пластин и структур
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
7. Инфракрасная интерференция
В лабораторной и производственной практике используется несколько методов измерения толщины эпитаксиальных слоев. Выбор метода, его метрологические показатели и диапазон применимости определяются целым рядом факторов, учитывающих свойства объекта контроля, возможность реализации на нем физического принципа метода измерений, степенью разрушающего воздействия на измеряемый образец.
7.1. Физические основы метода
При определенных условиях отражение света от эпитаксиальной структуры сопровождается интерференционным эффектом, который может быть использован для измерения толщины эпитаксиального слоя. Для возникновения интерференции необходимо, чтобы падающее излучение отражалось не только от поверхности эпитаксиального слоя, но и от его границы с подложкой. Это означает, что эпитаксиальный слой должен быть прозрачным в используемом интервале длин волн и оптические постоянные эпитаксиального слоя в этом спектральном диапазоне должны отличаться от оптических постоянных подложки. Все эти условия выполняются для эпитаксиальных структур, которых эпитаксиальный слой содержит малую концентрацию свободных носителей, а подложка сильно легирована. В этом случае используется выражение для коэффициента отражения R от двухслойной структуры
, (7.1)
где — коэффициент отражения света от поверхности эпитаксиального слоя; — коэффициент отражения света от границы эпитаксиальный слой — подложка; δ — сдвиг фаз интерферирующих лучей из-за их оптической разности хода; φ1 — сдвиг фазы при отражении луча от поверхности эпитаксиального слоя; φ2 — сдвиг фазы при отражении луча от границы раздела эпитаксиальный слой — подложка. При нормальном падении луча
, ,
. (7.2)
Рис. 7.1. Спектральная зависимость
показателя преломления кремния с
различной концентрацией свободных
носителей:1-N=1018 см-3; 2-N=1019
см-3
Рис. 7.2. Спектральная
зависимость коэффициента отражения
эпитаксиальной структуры кремния при
N=1,2·1020
см-3
в подложке и толщине эпитаксиального
слоя 60 мкм
Как видно из рис. 1, при N<2·1018 см-3, что соответствует ρ>0,02 Ом·см для кремния n-типа, в диапазоне λ=2...25 мкм, который наиболее часто используется для измерения толщины эпитаксиального слоя, показатель преломления кремния очень слабо зависит от длины волны излучения. При более высоком уровне легирования, когда N>2·1018 см-3, показатель преломления уменьшается с ростом длины волны по отношению к нелегированному кремнию, достигает минимума и затем резко возрастает в длинноволновой области спектра. Положение минимума показателя преломления зависит от концентрации носителей и с увеличением N сдвигается в коротковолновую область. Для N≥5·1018 см-3, что соответствует ρ<0,01 Ом·см для n-типа кремния, минимум располагается в диапазоне λ<25 мкм. Что касается коэффициента экстинкции k2, то его значение монотонно растет с увеличением длины волны. В соответствии с ходом спектральных зависимостей показателя преломления и коэффициента экстинкции коэффициент отражения (1) для эпитаксиальной структуры в функции от длины волны света будет представлять собой осциллирующую кривую из чередующихся экстремумов правильной симметричной формы, огибающая которых со стороны интерференционных минимумов имеет характерный вид, показанный на рис. 2. Размах экстремумов интерференции возрастает с увеличением длины волны, и при определенной λmin, зависящей от концентрации носителей в подложке, на огибающей появляется минимум Rmin, обусловленный наличием минимума в спектральной зависимости .
Формула для расчета толщины эпитаксиального слоя по наблюдаемым положениям интерференционных экстремумов может быть получена из рассмотрения рис. 7.3, где изображена схема отражения лучей света от эпитаксиальной структуры.
Луч света I0 падает на поверхность слоя в точке А под углом Θ к нормали. Часть падающего пучка света отражается от поверхности, образуя отраженный луч I1, а оставшаяся доля излучения проникает в эпитаксиальный слой и, распространяясь под углом преломления Θ', достигает подложки в точке В. После отражения от подложки прошедший луч света преломляется в точке С на поверхности эпитаксиального слоя и распространяется далее параллельно лучу I1. Для упрощения анализа здесь не рассматривается эффект многократного внутреннего отражения. Если длина волны падающего излучения меняется, то в результате сложения колебаний I1 и I2 будут наблюдаться максимумы и минимумы интенсивности отраженного света, соответствующего тем длинам волн, для которых разность фаз между лучами I1 и I2 равна целому числу полуволн. Результирующая разность фаз определится фазовыми сдвигами, которые испытывают лучи света при отражении от эпитаксиальной структуры и оптической разностью хода между лучами I1 и I2. В точке А отраженный луч I1 изменит свою фазу на φ1, тогда как прошедший луч будет находиться в фазе с падающим лучом. При отражении от оптически более плотной непоглощающей среды, какой является эпитаксиальный слой, сдвиг фаз φ1=π. В точке В отраженный луч также испытывает сдвиг фазы, но на φ2, которая зависит от оптических постоянных n2 и k2 подложки на ее границе с эпитаксиальным слоем.