Сканирующий лазерный микроскоп

 

СКАНИРУКЩИЙ ЛАЗЕРНЫЙ МИКРО СКОП для выявления дефектов полупро водниковых структур, содержащий лазер и установленные последовательно по ходу излучения сканер, микроопти ку и электронный блок;,Ьключающий ус литель фотоответа и электронно-лзгче трубку, отличающийся тем, что, с целью расширения диагностических возможностей, в него дополнительно введены второй лазер. 6 7 поляризационная призма, электроопти-: ческая ячейка и поляризаторы, в электрический блок введены логарифмический усилитель, дифференцирующий каскад, преобразователь и генератор прямоугольных импульсов, причем поляризационная призма установлена между первым лазером и сканером, так что ее рабочая грань проходит через точку пересечения оптических осей пер вого и второго лазеров, первый поляризатор - между первым лазером и поляризационной призмой, электрооптическая ячейка и второй поляризатор ус тановлены последовательно между поляризационной призмой и сканером, третий поляризатор - между поляризационной призмой и вторым лазером, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к электрооптической ячейке, а логарифмический усилитель, дифференцирующий -.каскад и преобразователь последовательно подсоединены между усилителем фотоответа и электронно-л5 евой трубкой.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1074 39 за t„01 N 21/88

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3422676/ 18-25 (22) 07.04 ° 82 (46) 30.12.84, Бюл. М- 48 (72) В.С.Саркисян (53) 535.24(088,8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 390422, кл. 6 0.1 21/66, 1970.

2. D.Е.Sawer, D.W.Berning, D.Ñ.Lewys "Laser Scanning of Active

Integrated Corwitsand Discrete, Semiconductor Devices" So1id State

Tecknology. June, 1977, р. 72 (прототип). (54) (57) СКАНИРУЮЩИЙ ЛАЗЕРНЫЙ МИКРОСКОП для выявления дефектов полупроводниковых структур, содержащий лазер и установленные последовательно по ходу излучения сканер, микрооптику и электронный блок „включающий усилитель фотоответа и электронно-лучевую трубку, отличающийся тем, что, с целью расширения диагностических возможностей, в него дополнительно введены второй лазер, поляризационная призма, электрооптическая ячейка и поляризаторы, в электрический блок введены логарифмический усилитель, дифференцирующий каскад, преобразователь и генератор прямоугольных импульсов, причем поляризационная призма установлена между первым лазером н сканером, так что ее рабочая грань проходит через точку пересечения оптических осей первого и второго лазеров, первый поляризатор — между первым лазером и поляризационной призмой, электрооптическая ячейка и второй поляризатор установлены последовательно между поляризационной призмой и сканером, гретий поляризатор — между поляризационной призмой и вторым лазером, выход генератора прямоугольных импульсов подключен к электрооптической ячейке, а логарифмический усилитель, дифференцирующий ".каскад и преобразователь последовательно подсоединены между усилителем фотоответа и электронно-лучевой трубкой. жения.

Недостатком этого устройства является невозможность анализа двумерного распределения физических параметров полупроводников.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является сканирующий лазерный микроскоп, содержащий лазер и установленные последовательно по ходу излучения сканер и микрооптику,и электронный блок, включающий усилитель фотоответа и электронно †лучев трубку. Дефектоскопию указанным устройством осуществляют качественно путем визуального сравнения фотоответного изображения годной структуры с фотоответным изображением исследуемой структуры (2j .

С помощью этого устройства невоз- З5 можно получить двумерное распределение характерного физического параметра полупроводника, выясняющего роль поверхностных явлений при образовании дефектов, что уменьшает

его диагностические возможности.

Цель изобретения — расширение диагностических возможностей сканирующего лазерного микроскопа.

С этой целью в известный сканирующий лазерный микроскоп, содержащий лазер и установленные последовательно по ходу излучения сканер и микрооптику и электронный блок, включающий усилитель фотоответа и электронно-лучевую трубку, дополнительно введены второй лазер, поляризадионная призма, электрооптическая ячейка и поляризаторы, в электрон ный блок введены логарифмический усилитель, дифференцирующий каскад, преобразователь и генератор прямоугольных импульсов, причем поляри20

30

1 1074

Изобретение относится к измеритель

1ной технике, в частйости к оптоэлекронным устройствам контроля качества незагерметизированных полупроводниковых приборов и структур.

Известно устройство (1) для выявления дефектов полупроводниковых приборов и структур по фотоответному изображению, полученному при зондировании образца сканирующим световым 10 лучом.

Устройство содержит формирователь светового растра, фокусирующую микрооптику, усилитель фотоответного сигнала и электронно-лучевую трубку

15 для индикации фотоответного изобра239 2 зационная призма установлена между . первым лазером и .сканером, так что ее рабочая грань проходит через точку пересечения оптических осей первого и второго лазеров, первый поляризатор — между первым лазером и поляризационной призмой, электроннооптическая ячейка и второй поляризатор установлены последовательно между поляризационной призмой и сканером, третий поляризатор — между поляризационной призмой и вторым лазером, выход генератора прямоугОльных импульсов подключен к элект рооптической ячейке, а логарифмический усилитель, дифференцирующий каскад и преобразователь последовательно подсоединены между усилителем, фотоответа и электронно-лучевой трубкой.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана схема предложенного сканирующего лазерного микроскопа.

Устройство содержит лазеры 1, 2, отличающиеся по длине волны излучения, поляриз аторы 3, 4, 5, поляриз а* ционную призму 6, электроннооптическую ячейку 7, сканер 8, микрооптику

9, усилитель 10 фотоответа, логарифмический усилитель 11> дифференцирующий каскад 12, преобразователь

13, электронно-лучевую трубку 14, генератор 15 прямоугольных импульсов.

Сканирующий лазерный микроскоп работает следующим образом.

Лучи от лазера 1 и 2 проходят через поляризаторы 3 и 4 соответственно, совмещаются поляризационной призмой 6, при этом направления поляризаций лучей после призмы взаимно перпендикулярны и совпадают с направлениями ее поляризаций. Совмещен-! ные лучи проходят через электрооптическую ячейку 7, поляризатор 5 и развертываются в растр сканером 8.

Сформированный световой растр фокусируется микрооптикой 9 на исследуемый образец 16. Поляризационная призма с электрооптической ячейкой и поляризатором 5 составляют модулятор интенсивности для проходящих через них лучей, причем при отсутствии напряжения на ячейке 7 они пропускают только луч одного иэ лазеров, а при наличии на ячейке полуволнового напряжения (электрооптическая ячейка при наличии на ней полуволнового напряжения поворачивает направ74239 4

Общее число неравновесных носителей дР в приповерхностном слое полупроводника определяется выражением

bP =Ь i 11- ezP (, (11

1+5, - р где 5 — интенсивность фотоионизации (G = q М, здесь М вЂ” мощность зондирующего света в едини10 цах фотон/с, р1 — квантовый выход фотоионизации, — глубина генерации носителей, — время жизни носителей для однородного полупроводника

5Т

50

55 или же

3 10 ление поляризации на 90 ) пропуска6 ют излучение другого лазера, задерживая при этом луч первого. К электрооптической ячейке подключен выход генератора прямоугольных импульсов

15 с напряжением, равным полуволновому напряжению электрооптической ячейки. Это позволяет направить на сканер лучи первого и второго лазеров поочередно и в результате этого периодически менять длину волны зондирующего излучения. Частота изменения длины волны совпадает с частотой следования импульсов генератора. Последняя связана с характерными частотами сканирования так, что за время сканирования разрешаемого элемента на образце зондирующие ,лучи переключаются более чем в .10 раз. Последнее условие аналитически выражается следующим образом:

10 Ь t С Т, где ь — время следования импульсов генератора прямоугольных импульсов, Т вЂ” время сканирования разрешаемого элемента на поверхности

1 образца: Т» —, где — частота

"nÅ строк растра, и- число разрешаемых световым пятном элементов на строке.

Фотоответный сигнал, индуцированный под действием зондирующего света, усиливается усилителем фотоответа

10 и логарифмируется логарифмическим усилителем 11. Дифференцирующий каскад фиксирует изменение логарифма фотоответного сигнала, происходящее в результате изменения длины волны зондирующего света. Преобразователь

13 преобразует амплитуду изменения логарифма фотоответного сигнала в квазипостоянный (т.е. постоянный за время сканирования разрешаемого элемента) пропорциональный сигнал.

Таким образом, на электронно-лучевой трубке, развертка которой синхронизирована с разверткой лазерного луча, регистрируется сигнал, пропорциональный величине 3п 9 rye 1" — значе1. ние фотоатветного сигнала. Далее покажем, что эта величина пропорциональна скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника при условии, что световыми лучами осуществляется приповерхностная генерация носителей, и интенсивности генерации носителей лучами обеих длин волн равны. где 5 — скорость поверхностной рекойбинации неравновесных носи20 телей;

:(. =Wgi — диффузионная длина (Э вЂ” коэффициент диффузии) .

Фотоответный сигнал пропорционапен числу неравновесных носителей (=KG» (1- ехр (1 ), (41.

1+ Ь

1 где К вЂ” коэффициент пропорциональнос30 ти, зависящий от геометрии исследуемой полупроводниковой структуры.

Предположим, что в данной локальной точке происходит изменение длинь| волны зондирующего излучения, причем мощность излучения. на новой длине волны такова, что интенсивность генерации носителей не меняется. Тогда, в соответствии с выражением (4), 40 будет происходить изменение фотоответного сигнала. Это изменение связано с изменением глубины зондирова-. ния. Вычислим изменение логарифма фо тоответного сигнала, исходя из выражения (4):

Для приповерхнос Рного зондирования (g - О) последнее выражение с учетом соотношений (2) и (3) даст — One -- 0 = —.

3 5

5 1074

Поскольку изменение длины волив зондирующего излучения и происходящее в результате этого изменение глубины зондирования осуществляется за конечное время, выражение (5) можно записать в следующем виде р а е,т а+

Учитывая, что величина 8 (/84 являет- 1 ся постоянной величиной для данной установки и конкретного типа образ— ца, из последнего соотношения получим выражение для скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей: где „, 2 — квантовые выходы фото30 ионизации лучами первого и второго лазеров соответственно;

М и М вЂ” мощности излучений ла1 зеров в области зондирования в единицах фоток/с, Для калибровки сканирующего лазерного микроскопа в соответствии с условием (7) вместо образца 16 уста-1

4О навливается калиброванный фотодетектор и проводятся измерения и регулировка мощностей лазеров.

Условие приповерхностного зондирования и необходимое изменение глу45 бины зондирования выполняют выбором длин волн излучения лазеров, причем

Ф этот выбор осуществляется для каждого типа образца отдельно. Так, для кремниевых структур применяют один иэ нижеперечисленньгх вариантов подобраиных пар лазеров (h — длина волны излучения):

s=C 1пI, (6) д а где С вЂ” постоянная величина, Следует отметить, что выражение (6) для скорости поверхностной рекомбинации является правильным, когда период переключения длин волн зондирующего излучения значительно превышает время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике (1 10 1Й;) .

Таким образом, описанный сканирующий лазерный микроскоп позволяет зондировать образец в каждой локальной точке световым излучением с периодическим переключением длины волны излучения. Фотоответный сигнал при этом периодически меняется по величине, что является результатом изменения глубины зондирования.

Аналоговая система обработки фотоответного сигнала, содержащая логарифмический усилитель, дифференцирующий каскад и преобразователь, обрабатывает фотоответный сигнал согласно алгоритму kt1g, что в

31 соответствии с соотношением (6) дает величину, пропорциональную скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей. В процессе сканирования вычисленные значения скорости поверхностной рекомбинации регистрируются на электронно-лучевой трубке 14 в виде яркостного или

Y-модулированного изображения. В первом случае выход преобразователя

239 6 подключается к модулирующему электроду трубки; при этом на экране трубки формируется изображение, яркость которого в каждой точке пропорциональна скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей на соответствующей точке образца. Во втором случае вместе с пилообразным сигналом к вертикально отклоняющей системе трубки подается также сигнал с выхода преобразователя, при этом на экране трубки строка в каждой точке смещается пропорционально величине скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда на соответствующей точке образца.

Для обеспечения условия равенства интенсивностей генераций носителей излучениями обеих длин волн в сканирующем лазерном микроскопе применены поляризаторы 3 и 4, установленные на пути лучей лазеров 1 и 2 соответственно. Поворотом поляризаторов 3 и, 4 регулируют интенсивности лучей так, чтобы соблюдалось соотношение г г

1 вариант:

11 вариант:

111 вариант: лазер лазер лазер лазер лазер лазер

1 — гелий-неоновый

2 — гелий-кадмиевый

1 — гелий-неоновый

2 — ионный-аргоновкй

1 — ионный-аргоновкй

2 — гелий-кадмиевый

Лг

Л = г

Л =

Л =

0,63 мкм, 0,44 мкм, 0,63 мкм, 0,55 мкм, 0,55 мкм, 0,4 4 мкм, 3 мкм.

0,2 мкм

3 мкм

1 мкм

1 мкм

0,2 мкм

74239

Техред,С.Мигунова Корректор М.Демчик

Редактор Л,Письман

Заказ 9257/4 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 10

Для полупроводйиковых структур на германиевык пластинах применяют два гелий-неоновых лазера, излучающих на длинах волн Л„= 1,15 мкм (1 мкм) и Л2= О, 63 мкм (= О, 1 мкм) соответственно.

Основным техническим показателем и преимуществом описанного сканирующего лазерного микроскопа является его воэможность дать двумерное распределение скорости поверхностной рекомбинации неравновесных носителей заряда исследуемого полупроводникового образца.

Получение двумерного распределе. ния скорости поверхностной рекомбинации сканирующим лазерным микроскопом расширяет его диагностические воэможности, позволяет оценить роль поверхностных явлений.при образовании дефектов и определить чистоту обработки полупроводниковых пластин со структурами.

Расширение диагностических воэможностей описанного устройства позволяет более четко выяснить причины образования дефектов и применять эффективные меры для их устранения., Это приводит к уменьшению технологических потерь, увеличению выхода годных приборов и, в конечном итоге, снижению себестоимости выпускаемых годных изделий и повышению их надежности