Введение к работе
В настоящей работе, выполненной автором в 1987-1994 годах, іредложеньї новые методы неразрушающего контроля электрофизических і геометрических параметров полупроводниковых структур для изделий іикромеханики. Разработаны, изготовлены и опробованы промышленные ізмерительньїе комплексы для оперативного контроля кремниевых пластин, і основу предлагаемых методов и средств контроля положено бесконтактное озерное интерференцион-ное зондирование исследуемых структур.
Актуальность темы
В последние годы очень быстро развивается новая область іриборостроения - микромеханика. Благодаря использованию микро-лектронных технологий при изготовлении механических элементов и систем тень малых размеров появилась возможность создавать микромеханические истемы, интегрированные с электронными цепями в одном кристалле и ыполненные по единому технологическому циклу. Размеры таких систем оставляют от нескольких десятых долей до нескольких миллиметров, а іазмерьі собственно микроме-ханических элементов - от десятых долей мддпи»і»тра до сотен микрон.
Спектр продукции современной микромеханики весьма обширен и юстоянно расширяется. Во-первых, это мембраны, служащие основой для оздания различных датчиков, а в совокупности с микродвигателем - основой іля создания микронасосов и микродозаторов. Во-вторых, это диафрагмы, лужащие основой фильтров для разделения жидких и аэрозольных інгредиєнтов в различных смесях, для элиминации из крови и лимфы оксинов и плазмофореза в медицине и т.д. Наконец, это различные штические элементы: решетки, фильтры, модуляторы, устройства опряжения оптических волокон.
Прогресс микромеханики настолько важен, что ее развитие в США и Іпонии идет на уровне национальных программ.
Сверхточные и сверхмалые размеры микромеханических элементов іредьявляют повышенные требования к технологии их изготовления и юпользуемым материалам и требуют создания новых неразрушающих неконтактных методов контроля.
Основным материалом как для изготовления конструкционных механических элементов, так и электронных цепей является кремний. На его основе могут быть созданы самые различные типы микромеханических структур: статические (сопла, капилляры), динамические (диафрагмы, мембраны) и кинематические (турбины, клапаны, заслонки).
Наиболее информативным параметром, зависящим от природы и количества примесей и дефектов структуры полупроводника и позволяющим интегрально оценивать его пригодность как конструкционного материала и как материала для изготовления электронных цепей при производстве микромеханических систем в одном технологическом цикле на одном кристалле, является время жизни неравновесных носителей тока. Сопоставив требуемый стандарт чистоты и совершенства структуры материала со значением времени жизни, можно осуществить входной и межоперационный контроль. Раздельное измерение времен жизни электронов и дырок, а также контроль объемного (истинного) времени жизни носителей и скорости их поверхностной рекомбинации позволят анализировать и причины непригодности полупроводника.
Функциональные свойства конструктивных микромеханических элементов определяются также их геометрическими размерами. В случае, например, мембран важнейшим таким параметром является ее толщина. При изготовлении мембран необходимо контролировать их толщину в большом числе точек на поверхности пластины-заготовки (т.к. пленарная технология позволяет одновременно изготавливать несколько сотен таких изделий). Чтобы осуществить такой контроль в производственных условиях необходимо продолжительность одного акта измерения сделать минимально возможной. Таким образом, современная микромеханика, предъявляя повышенные требования к технологии и используемым материалам, требует создания новых неразрушающих бесконтактных высоколокальных методов контроля таких параметров, как время жизни неравновесных носителей тока (электрофизический параметр) и толщина полупроводникового слоя (геометрический параметр).
Цель работы
Общей задачей настоящей работы было создание на основе
бесконтактного лазерного интерференционного зондирования неразру-шающих высоколокальных методов и средств контроля электрофизических и геометрических параметров исследуемых кремниевых структур для изделий микромеханики.
Для этого было необходимо:
-
Выбрать оптимальные параметры, которые необходимо контролировать при производстве микромеханических элементов и систем.
-
На основании анализа литературы выбрать, теоретически и экспериментально исследовать и обосновать использование абсорбционно-интерференционного взаимодействия двух лазерных излучений в полупроводнике для разработки методов и средств контроля параметров полупроводниковых структур.
-
Основываясь на проведенных исследованиях предложить новы неразрушающие бесконтактные методы контроля времени жизни неравновесных носителей в кремнии и провести их сравнительный анализ (информативные возможности, ограничения, точность измерения, целесообразность использования).
-
Предложить оригинальные технические решения, позволяющие обеспечить приемлемо малое время одного акта измерения толщины мембран согласно известным монохроматическим интерферометрическим методам.
-
Создать лабораторные и промышленные образцы средств контроля электрофизических и геометрических параметров, реализующие предложенные методы и технические решения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Исследован физический механизм интерференционной модуляции длинноволнового зондирующего инфракрасного лазерного излучения в полупроводнике за счет генерации в нем электронно-дырочных пар промодулированным по интенсивности коротковолновым светом оптического инжектора из области фотоактивного поглощения материала и показано, что время жизни неравновес-ных носителей тока может быть определено
J"
по таким параметрам модуляции зондирующего излучения, как фазовый сдвиг относительно инжектирующего излучения и зависимость ее амплитуды от частоты модуляции инжектирующего излучения.
2. Предложены методы контроля времени жизни неравновесных
носителей заряда - фазовый и частотный - и проведен их сравнительный
анализ.
-
Показана возможность бесконтактного неразрушающего определения объемного времени жизни неравновесных носителей заряда, как объективной характеристики материала, и скорости их поверхностной рекомбинации в кремнии.
-
Показано, что в случае равенства времен жизни электронов и дырок в исследуемом полупроводнике оптимальным является использование фазового метода.
-
Разработана оригинальная оптико-механическая схема изменения угла падения лазерного луча с использованием несферической оптики, позволяющая существенно (более чем в 10 раз) сократить время контроля толщины мембран и тонких слоев, прозрачных для лазерного излучения, что позволяет сделать монохроматический интерферометрический метод применимым для контроля толщины изделий микромеханики.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Анализ интерференционно-абсорбционного взаимодействия в полупроводнике двух лазерных излучений показал, что время жизни неравновесных носителей заряда - основной электрофизический параметр, определяющий пригодность кремниевых структур для изделий микромеханики - может быть определено по фазово-частотным и амплитудно-частотным параметрам модуляции прошедшего через исследуемый полупроводниковый образец длинноволнового зондирующего излучения.
-
Контроль объемного времени жизни как объективной электрофизической характеристики кремния, а также скорости поверхностной рекомбинации, возможен из измерения эффективных времен жизни неравновесных носителей заряда при использовании двух длин волн инжектирующего излучения, обеспечивающих генерацию неравновесных
носителей вблизи поверхности исследуемой структуры и равномерно во всем ее объеме. При контроле кремниевых образцов оптимальными являются длины волн инжектирующего излучения; равные 0,63 и 0,94 мкм.
3. Промышленный контроль толщины кремниевых пластин может быть осуществлен посредством монохроматического интерферометрического метода измерения толщины твердых прозрачных слоев, реализованного при помощи предложенной оригинальной оптико-механической схемы с эллиптическими зеркалами.
Приоритет результатов.
Основные результаты, по которым сформулированы научные положения, получены впервые.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на научных конференциях в нашей стране и за рубежом. В частности, на Международней конференции "Микро-электроника-90" в Минске в 1990 году, на Всесоюзных конференциях: по физике полупроводников в 1988 году, по неразрушающим физическим методам и средствам контроля в Свердловске в 1991 году, по метрологическим проблемам микроэлектроники в пос.Менделеево Московской области в 1991 году и ряде других, на 14-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике в Санкт-Петербурге в 1991 году, на 13-й Общей конференции отделения конденсированных сред Европейского Физического общества в Регенсбурге (Германия) в 1993 году.
Публикация результатов диссертации.
Основное содержание диссертации отражено в 8 статьях, 5 авторских
свидетельствах и 10 тезисах докладов.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов, а также списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 147 страниц машинописного текста, в том числе 2 таблицы, 36 рисунков. Список литературы содержит 72 наименования.
Практическая значимость результатов состоит в следующем:
-
Предложенные методы позволяют осуществлять контроль времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках бесконтактно, с высокой локальностью и не разрушая тестируемый материал.
-
Раздельное определение времен жизни неравновесных электронов и дырок, а также объемного (истинного) времени жизни носителей и скорости их поверхностной рекомбинации позволяет не только произвести отбраковку непригодных изделий, но и анализировать причины их непригодности.
-
Проведенный сравнительный анализ предложенных методов измерения времени жизни неравновесных носителей заряда позволяет определить критерий целесообразности использования каждого из них в зависимости от тестируемых изделий и круга поставленных задач.
-
Поскольку в основе всех предложенных методов контроля времени жизни неравновесных носителей заряда лежит лазерное интерференционное зондирование полупроводникового образца, то и реализующие их средства контроля включают в себя тождественный оптический тракт и отличаются лишь схемой анализа информативного сигнала, что позволяет легко переходить от одного метода к другому или использовать их одновременно.
-
Ряд разработанных технических решений может иметь самостоятельное практическое значение. В частности, предложено фотометрическое устройство, позволяющее выделять и регистрировать малые модуляции интенсивных световых потоков; предложен и реализован в оригинальной оптико-механической схеме с элементами несферической оптики способ быстрого изменения угла падения лазерного луча на образец в наперед заданной точке, позволяющий настолько сократить продолжительность одного акта измерения тонкого прозрачного слоя, что представляется возможным исследовать, например, кинетику изменения толщины жидких прозрачных пленок в процессе их испарения или растекания; предложен способ бесконтактного определения толщины эпитаксиальных полупроводниковых слоев, имеющих одинаковый показатель преломления.
-
Разработан и изготовлен промышленный лазерный комплекс для оперативного контроля качества кремниевых пластин, работающий в полуавто-матическом режиме и позволяющий измерять времена жизни носителей в диапазоне 0,1-100 мкс. Время контроля - не более 20 сек.
-
Разработан и изготовлен быстродействующий лазерный интерферометр для контроля толщины мембран, использующихся при изготовлении датчиков давления, полученных селективным травлением кремниевых пластин. Диапазон измеряемых толщин - or 10 мкм до 1 мм. Время одного измерения - 0,02 сек.
-
Предложенные методы лазерной интерферометрии полупроводников могут быть использованы в качестве методов исследования рекомби-национных характеристик и электрофизических параметров полупроводниковых материалов.
Похожие диссертации на Интерференционные лазерные методы неразрушающего контроля параметров кремниевых пластин в микромеханике
