Гладков / Выдать 14 февраля 3013 / 1. Поверхность / 3.3. Исследование поверхности / Диагностика поверхности Э с 115-118

8

Д ИАГНОСТИКА ПОВЕРХНОСТИ, Э, с.115

Диагностика поверхности, Э, с.115118

ДИАГНОСТИКА ПОВЕРХНОСТИ твердого тела (от греч. diagnostikos – способный распознавать) со­вокупность методов и средств позволяющих изучать свойства поверхности твердого тела на основе измерения и контроля ее электриче­ских, оптических и других физико-технических параметров. Поверхность твердого тела является физической сре­дой со специфическими свойствами, отличными от свойств осталь­ной части материала и влияющими на его электрические харак­тери­стики: прочность, прозрачность, коррозионную стой­кость и др. Как физическая среда 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 – полупроводник и т. д. (см., например, Контактные явления, Поверхност­ные состояния, Полу­проводниковый переход, Размерные эффекты, Тонкие пленки). В электронном приборостроении знание свойств поверх­ности твердого тела (структурных, эмиссионных, адсорб­ционных) важно при отработке технологии, анализе дефек­тов, оценке качества ИЭТ¹⁾. Все методы диагностики поверхности, используе­мые в электронике, можно условно разделить на две груп­пы методы диагностики относительно больших участков поверхности (с размерами контролиру­емого поля до 200200 мм) и локальные методы, обеспечивающие диаг­ностику участков сверх малых размеров (в фиксированных точках), соизмеримых с размера­ми микроэлектронных структур (до 2,52,5 мкм).

Диагностика относительно больших участков поверхности.

Эта группа мето­дов преимущественно связана с применением средств оптической визуализации: луп, оптической 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 ИЭТ, качества поверхностей резонаторов, крупных электро­дов 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 ИС, фотошаблонов, выявления дефектов металлиза­ции, неоднородностей травления и др.

Телевизионные микроскопы, в которых оптическое изображение по­дается в видеокамеру и затем через усилители на телевизионный экран, расширяют возможности визуальной диагностики поверхности за счет того, что могут работать не только в видимой, но и в ИК, УФ, рентгеновской областях спектра, позволяют записать увеличенное изображение поверхности, например, на магнитную ленту. Прецизионные оптические микроскопы, обеспечивающие автоматическое измерение размеров топологии и детальное 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 до 150150 мм. Современные устройства визуального контроля поверхности снабжаются програм­мно-управляемыми координатными столиками, системами точного позиционирова­ния объекта контроля и другими устройствами, обеспечивающими автоматизацию процессов из­мерения и регистрацию результатов измерений.

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, например полупроводниковой пластины, 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10 см^–2. Количественная информация о размерах и поверх­но­стной плотности микродефектов поступает на цифропечатающее устройство или на дисплей. Более широкими возможностями неразру­шающего оперативного контроля поверхности обладают лазерные гетеродинные микроскопы, регистрирую­щие от­раженный сигнал по амплитуде и фазе. Они обеспечивают измерение топологии и выявление микродефектов в суб­микронной области с разрешением около 10 нм при диамет­ре лазерного луча около 1 мкм.

Дифракционные методы диагностики поверхности и методы эллипсометрии в определенной мере позволяют преодолеть предельные возмож­ности оптических микроскопов, ограниченные дифракцией света (см. Дифракция волн). Используя тестовые дифракционные решетки в составе топологических фигур на фотошабло­нах и интегральных схемах, можно измерить элементы с резкими краями размером до 0,1 мкм при длине волны лазерного излу­чения 0.633 мкм. Эллипсометрические методы диагностики поверхности основаны на изучении светового пучка, отражен­ного этой поверх­ностью или преломленного на ней. Падающий на поверх­ность плос­ко поляризованный 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 55 мкм

В фурье-спектрометрах спектры излучения получают в два приема: сначала регистрируется так называемая интерферограм­ма исследуемого излучения, а затем путем фурье-пре­образования вычисляется его спектр. Интерферограммы по­лучают с помощью, например, интерферометра Майкельсона, который настраивается на полу­чение в плоскости выходной диафрагмы интерференционных колец равного наклона (см Интерференция волн). При поступательном перемещении одного из зеркал инте­р­феро­метра изменяется разность хода лучей  в плечах интерферометра. В процессе изме­не­ния  излучение модулируется, причем частота f моду­ляции зависит от ско­рости перемещения v плеча, изме­нения , а также от длины волны , излучения. Если v = const, то f =v/, то есть каждая длина волны исследуемо­го излучения кодируется определенной частотой f. На вы­ходе интерферометра получается интер­ферограмма, которая для нахождения искомого спектра подвергается фурье-­преоб­разованию на ЭВМ. Фурье-спектрометры наиболее эффективны для исследований протяженных спектров сла­бых излучений в ИК и миллиметровом диапазонах длин волн. По виду спектральной линии поглощения устанав­ливаются тип и положение атомов примеси в кристаллической ре­шетке материала с чувствительностью до одного атома примеси на 10⁹ атомов основного вещества. Развитое математического 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.

Локальная диагностика поверхности. К средствам локальной диагностики поверхности относятся сканирующие (растровые) электронные микроскопы; скани­рующие туннельные микроскопы; устройства, основанные на регистрации и анализе спектров частиц и квантов излуче­ний, эмитированных из объекта (полупроводнико­вых материалов, кристал­лов ИС, катодов, электродов, оболочек и т. п. ) в резуль­тате воздействия на него зондирующим потоком частиц (электронов, ионов) или электро­магнитным излучением (оптическим, рентге­новским, гамма-излучением). Растровые электронные мик­роскопы (РЭМ) по своей разрешающей способности в несколько тысяч раз превосходят обычные оптические микроскопы. С по­мощью РЭМ можно, например, исследовать микрорельеф под­ложек, изучать дефекты p–n-переходов, обнаруживать дефекты в структурах ИС, исследовать распределение магнитных и электрических полей по поверхности объекта. Для контроля атомарной структуры поверхности начинают на­ходить применение сканирующие туннельные микроско­пы, обладающие наивысшей разрешающей способ­ностью среди всех средств визу­ализации. Принцип их действия основан на контроле электрического напряже­ния меж­ду исследуемой поверхностью и металлической иглой с мик­роострием (выступы на острие составляют доли нм) при поддержании неизменной величины электриче­ского тока, обу­словленного туннельным эффектом (туннельного тока). С помощью прецизионного пьезопривода микроострие ска­нирует по поверхности; при постоян­стве туннельного тока изменение напряжения между поверхностью и микро­острием позволяет получить информацию о структуре (неровностях, выступах и т. п.) при поверхностного слоя. Разрешение туннельного микроскопа при сканировании по площади до 10001000 нм в плоскости объекта сос­тавляет 0,02 нм, в плоскости, перпендикулярной плос­кости объекта (по вертикали) до 0,01 нм, что позволяет наблюдать отдельные молекулы и атомы. Одно из главных досто­инств туннельного микроскопа по сравнению с РЭМ со­стоит в том, что его использование возможно без вакуумной среды, если не требуется учитывать адсорбцию частиц из газовой фазы исследуемой поверхностью (при давлении свыше 10^–5 Па на свободную поверхность осаж­дается около одного монослоя всего за несколько минут). Основной недостаток – весьма высокая чувствительность к механическим и температурным воздействиям, вследствие чего приходится применять сложные защитные устройства; определённые труд­ности связаны также с устранением гистерезисных эффек­тов в пьезоприводе.

Наиболее разнообразны средства диагностики поверхности, основанные на регистрации и анализе спектров частиц и квантов излуче­ний, эмитированных из объекта (образца) в резуль­тате воздействия на него зондирующим потоком частиц или электромагнитным излучением. При зондировании поверхности об­разца элек­тронами возникают упру­горассеянные первичные электроны, оже-электроны (см. Оже-эффект), вторичные электроны низких энергий (см. Вторичная электронная эмиссия), катодолю­минес­ценция (см. Люминесценция), электромагнитное тор­моз­ное излучение, характери­сти­ческое рентгеновское излучение, индуцированные токи и напряжения, плазма и т. д. При воздействии ионов на образец происходит возбуж­дение и ионизация атомов кристалла и, как следствие, такие вторичные эффекты, как излучение световых и рентгенов­ских волн, ионно-электронная эмиссия, обратное рассея­ние ионов, распыление атомов и ионов и др. Под дей­ствием электромагнит­ного излучения образец испускает фотоэлектроны (см. Фотоэффект), десорбиро­ванные с поверхности нейтральные и заряженные частицы. Известно около 80 мето­дов спектроскопической диагностики поверхности, различающихся способами зонди­рования и регистрации информативных частиц и излучений: электронная оже-спектроскопия, рентгеновский микро­анализ, УФ и фотоэлектронная спектроскопия, масс-­спектроскопия вторичных ионов, лазерная масс-спектро­скопия и т. д.

В технологии электронного приборострое­ния широко используют около 15 методов диагностики поверхности. Их система­тизация, предложенная советских учёным А. Г. Денисовым (см. табл.), основана на рассмотрении 9 пар вариантов системы воздействие – регистрация. Каждой из этих 9 пар соответствует несколько разновидностей эффективных методов локальной диагностики поверхности. Поскольку получение информации об эле­ментном составе, химическом состоянии, геометрических параметрах структур и дефектов образца с помощью какого-либо одного метода оказывается невозможным, на практике приходится прибегать к применению комплекса методов.

Табл. Систематизация методов локальной спектроскопической диагностики поверхностей.
Регистрация (информативные частицы и излучения) 	Воздействие (зондирующие пучки) 
	Электромаг­нитное излуче­ние	Электроны	Атомные частицы (ионы)
Электроны	РЭС	ЭОС	ИОС
	ФЭС	ДМЭ
		СНЭРЭ
Атомные частицы (ионы)	ЛАИС	ЭСД	СОРИНЭ
			ВИМС
Электромагнитное излучение	ЛАФС	ЭМА	ИФС
			СХРИ

Примечание:

• РЭС – рентгено-электронная спектроскопия;

• ЭОС – электронная оже-спектроскопия;

• ИОС – ионная оже-спектроскопия;

• ФЭС – фотоэлектронная спектроскопия;

• ДМЭ – дифракция медленных электро­нов;

• СНЭРЭ – спектроскопия низкоэнергетичных рассеянных электро­нов;

• ЛАИС – лазерная атомно-ионизационная спектроскопия;

• ЭСД – спектроскопия электронно-стимулированной десорбции;

• СОРИНЭ – спек­троскопия обратнорассеянных ионов низких энергий;

• ВИМС – вторично-ионная масс-спектроскопия;

• ЛАФС – лазерная атомно-флуоресцентная спектроскопия;

• ЭМА – электронный микроанализ;

• ИФС – ионная фото­спектроскопия;

• СХРИ – спектроскопия характеристического рентгенов­ского излучения.

В литературе встречается также иная аббревиатура в написании методов локальной диагностики поверхности с использованием букв как русского, так и латинского алфавита.

Как правило, методы диагностики поверхности являются неразрушающими или приводят к весьма незначительным разрушениям, не влияю­щим на работоспо­собность изделий. Активные и пас­сивные элементы твердотельных электронных приборов формируются в приповерхностном слое толщиной до 510 мкм, а глубина проникновения информативных излу­чений и частиц составляет 0,110 мкм.

Поэтому в ряде слу­чаев используют методы частичного разрушения (обна­жения) глубинных слоев с применением плазмы, химического травления и т. п.

Положенные в основу локальной диагностики поверхности методы спект­роскопии, подобно методам электронной и ионной мик­роскопии, реализуются в условиях глубокого вакуума (при давлении 10^–710^–10 Па). Типовая структурная схе­ма средств спектроскопической диагностики поверхности приведена на рис.1.

Обычно электронные и ионные источники располагаются вместе с объектом в общей вакуумной камере. Анализа­тор эмитированных частиц (энергетический и про­странствен­ный) и ионный источник для последовательного снятия тонких припо­верхностных слоев с исследуемого образца также располагаются в вакуумной камере. К наиболее рас­пространенным в электронике методам локальной диагно­стики поверхности относятся электронная, ионная и лазерная спектроско­пия.

Электронная спектроскопия – комплекс мето­дов и средств диагностики по­верхности, позволяющий регистрировать и ана­лизировать пространственно-энер­ге­тические распределения электронов, эмитирован­ных из объекта под действием зон­дирующего облу­чения. Наиболее часто используемыми видами электронной спектроскопии являются рентгено­электронная спектроскопия (РЭС), электронная оже-спектроскопия (ЭОС) и ионная оже-спектро­скопия (ИОС). РЭС основана на облучении поверх­ности объекта кванта­ми рентгеновского излучения, в результате чего она эмитирует электроны с кине­тической энергией E_кин = hv – E_св, где E_св – энергия связи электронов в атомах. Анализируя спектр эми­тированных электронов, определяют элементный состав по­верхности, а по форме спектральных линий – хи­мическое сос­тояние поверхностных атомов. Порог (предел) обнару­жения методом РЭС, определяемый предельно малой об­наруживаемой концентрацией примеси, составляет 0,1 ат.%. ЭОС основана на облучении поверхности объекта элек­тронами. В энергетическом спектре эмитированных электронов наблюдают­ся пики (реперы), идентифи­цирующие элементный состав объекта (рис.2).

Порог обнаружения мето­дом ЭОС лежит в интервале 0,10,01 ат.%. В ИОС используется взаимодействие зондирующего ионного пучка с поверхностью объ­екта.

Энергетические уровни в ИОС определяются не атомами, а конгломератами атомов (квазимолекулами), по­этому формы электронной и ионной оже-линии могут значительно отличаться друг от друга (рис.3).

Порог обнаружения методом ИОС за­висит от вида сталкивающихся атомных частиц и изменяется в широких пределах – от 10^–7 до 10^–4 ат.% Полезный сигнал в методах электронной спектроскопии получается только от тех электронов, которые выходят из приповерхностного слоя без потерь энергии на столкновение. В первом приближении глубина выхода электронов определяется длиной свободного пробега электронов. В твердом теле, состоящем из нескольких компонентов, значение длины сво­бодного пробега _i электронов является функ­цией энергии E эмитированных электро­нов и атомной плотности объекта (которая, в свою очередь, зависит от коэффициента концен­траци атомов, плотности и атомной массы первого компонента). Типичные значения E лежат в диапазоне 103000 эВ; это обеспечи­вает по­ступление информации из приповерх­ностного слоя толщиной 0,510 нм (рис.4).

Ионная спектроскопия базируется на регистрации и анализе ионов, эмитированных поверхностью под воз действием различных зондирующих излуче­ний. Основными ее разновидностями является спектроскопия обратно рассеянных ионов низких энергий (СОРИНЭ) и вторично-ионная масс-спектроскопия (ВИМС).

В основе метода СОРИНЭ лежит эффект рассеяния низкоэнергетичных (0,110 кэВ) ионов на атомах поверхности. В результате однократных упругих соударений ионы теряют энергию, и в спектре рас сеянных ионов наблюдаются особые точки (реперы), со ответствующие массам поверхностных атомов. Благодаря большим значениям сечения рассеяния ионов, однократное рассеяние происходит только от наружного моно слоя объекта. Порог обнаружения СОРИНЭ составляет около 0,1 ат. %.

По методу ВИМС поверхность исследуемого объекта распыляется ионным пучком с последую щей регистрацией масс-спектра выбитых ионов. Созданные ионные микроскопы-микроанализаторы с магнитными массанализато­рами высокой разрешающей способности, а также спектрометры с ионными микрозондами и квадру­польными фильтрами масс в диапазоне 11000 атомных единиц массы обеспечивают разрешение по поверхности до 0,5 мкм, порог обнаружения 10^–6 ат.%.

Лазерная спектроскопия основана на изучении спектров электромаг­нитного излучения с использованием в качестве источников зондирующего излуче­ния перестраиваемых по длине волны лазеров.

Наиболее эффективными методами лазерной спектроскопии являются лазер­ная атомно-флуоресцентная спектроскопия (ЛАФС) и лазерная атомно-ионизацион­ная спектроскопия (ЛАИС).

По методу ЛАФС исследуемый объект подвергается воздействию лазерного излучения, настроенного в резонанс с одной из спект­ральных линий поглощения данного объекта, а затем с по­мощью фотоэлектронного умножителя регистрируется флуоресцентное излучение, возникающее при спонтанном распаде возбуждённого энергетические уровня.

По методу ЛАИС исследуемые атомы или молекулы последовательно в несколько ступеней возбуждаются излучением одновремен­но двух или более лазеров вплоть до полного отрыва электронов от атомов и образования ионов. Порог обна­ружения методами ЛАФС и ЛАИС составляет от 10^–5 до 10^–9 ат.% при термическом распылении части объекта (объём­ный анализ) и от 10^–3 до 10^–6 ат. % при послойном анализе путём распыления пробы (объекта) ионным пуч­ком.

Аналитические методы, используемые для диагностики поверхности, позво­ля­ют анализировать структуру и химический состав поверхности интегральных схем фотонными, электронными (позитронными), ионными (атомными), фононными и нейтронными пучками с про­странственным (по поверхности) разрешением до 0,1 нм  0,5 мкм, а элементный состав на основе изучения атомных и ядерных свойств – с пределом разрешения до 10^–9  10^–1 ат.%. Как правило, чем выше чувствительность методов диагностики поверхности, тем хуже пространственное разрешение. Такая закономерность наблюдается в диапазоне изменения чувстви­те­льности от 10²⁰ атомов/см³ при пространственном разре­шении около 5 нм до 10¹⁰ атомов/см³ при разрешении по поверхности около 1 см. В частности, для методов ЭОС чув­ствительность около 10¹⁸ атомов/см³ достигается при про­странственном разрешении около 0,1 мкм, а для ВИМС и ЛАИС соответственно 10¹⁴ атомов/см³ и 10¹⁶ атомов/см³ при пространственном разрешении около 1 мкм.

Количественная обработка результатов диагностики поверхности весьма затруд­нительна. В простейшем случае для электронной спектро­скопии она основывается на предположении о линейной зависимости между концентрацией компонента и сигна­лом, полученным от этого компонента. Концентрация ком­понентов и толщина пленки в плёночных пробах опре­деляются из системы уравнений, учитывающих ослабле­ние зондирующего облучения и потока информативных электронов в пленке.

Микроскопические и спектроскопические методы, составляющие основу диагностики поверхности, находятся в стадии интенсивного развития. Средства диагностики поверхности совершенствуются в направлении повыше­ния чувстви­тельности, разрешающей способности, локаль­ности, автоматизации процессов измерения и обработки результатов диагностики. Разрабатывается программное обеспечение для оперативного количественного анализа качества поверхности. Исследуются способы метрологического обеспе­чения диагностики поверхности. Повышается информативность методов диагностики поверхности путём сочетания корпускулярных и волновых методов с другими электрофизическими методами, а также с методами на ос­нове высокоэнергетичных потоков протонов и ионов (спект­роскопия обратного резерфордовского рассеяния, протоно-стимулированных ядерных реакций и др.). Для контроля технологических процессов (легирования, эпитаксии и т. п.) создаются установки диагностики поверхности, объединяющие в одном ва­куумном объеме различные виды диагностики поверхности. Уточняются области использования новых методов диагностики поверхности: туннельной микроско­пии, рентгенодифракционных методов, позитронной спектроскопии и др.

Диагностика поверхности обеспечивает решение конкретных задач исследования и контроля качест­ва поверхностей, структур и исходных материалов электронной техники, оказывает существенное влияние на развитие технологии электронного приборострое­ния.

Литература:

• Методы анализа поверхностей, под ред. А. Зандерны, пер с англ., М., 1979,

• Батавин В. В., Концевой Ю.А., «Электронная пром-сть», 1979, в. 1–2, с. 63–73,

• Денисов А. Г., Дорджин Г. С., Каспарян Р.М., там же, 1982, в 10–11, с. 15–20,

• Нефедов В.И., Черепин В. Т., Физические методы исследования поверхности твер­дых тел, М., 1983,

• Броудай И, Мерей Дж., Физические основы микротехнологии, пер. с англ., М., 1985;

• Спектроскопия и дифракция электронов при исследовании поверхности твер­дых тел, под ред. Н.Г. Рамбиди, М., 1985;

• Кремков М.В., Корпускулярная низкоэнергетическая диагностика поверхности твердого тела, Таш.,

• Берченко Н Н., Аигина Н. Р., «Зарубежная электронная техника», 1986, № 9, с. 3–80, №10, с. 3–81,

• Мазалов И. Н, Самсонов К. Б., Тычинский В. П, «Электронная пром-сть», 1987, в. 5, с. 54–55,

• Мейеран Ю. С., Флинн П. А., Каррузерс Дж. Р., «ТИИЭР», 1987, т. 75, № 7, с. 50–101,

• Денисов А. Г. и др., «Электронная пром-сть», 1987., в. 5, с. 34–39,

• Binning G. и др., «Appl. Phys. Lett», 1982, v. 40, № 2, р. 178–80

В. Н. Сретенский.

1⁾ ИЭТ – изделия электронной техники. В.Г.