Способ визуализации неоднородностей плоской полупроводниковой поверхности в терагерцовом излучении

Изобретение относится к оптическим методам контроля качества поверхности полупроводниковых и металлических изделий, в которых взаимодействие зондирующего излучения с поверхностью опосредовано поверхностной электромагнитной волной (ПЭВ), возбуждаемой падающим излучением и направляемой поверхностью. Заявленный способ визуализации неоднородностей плоской полупроводниковой поверхности в терагерцовом излучении включает воздействие на поверхность р-поляризованным излучением, для которого вещественная часть диэлектрической проницаемости полупроводника отрицательна, преобразование излучения в направляемые поверхностью поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) и измерение интенсивности излучения, испускаемого с трека ППП. Излучение выбирают монохроматическим с частотой, при которой длина распространения ППП не превышает длину волны излучения, пучок зондирующего излучения коллимируют и направляют под углом генерации ППП на основание призмы нарушенного полного внутреннего отражения, обращенное к контролируемому участку поверхности и размещенное параллельно ему в пределах глубины проникновения поля ППП в окружающую среду. При этом регистрируют пространственное распределение интенсивности излучения одновременно по всему поперечному сечению пучка, выходящего из призмы. Технический результат – создание способа визуализации неоднородностей плоской поверхности полупроводника в терагерцовом излучении, основанного на преобразовании зондирующего излучения в поверхностные плазмон-поляритоны (ППП), направляемые контролируемой поверхностью, и детектировании излучения, испускаемого с трека ППП вследствие сохранения их оптической связи с элементом преобразования, и позволяющего упростить процедуру измерений, уменьшить ее трудоемкость и продолжительность, а также повысить латеральное разрешение измерений. 2 ил.

 

Изобретение относится к оптическим методам контроля качества поверхности полупроводниковых и металлических изделий, в которых взаимодействие зондирующего излучения с поверхностью опосредовано поверхностной электромагнитной волной (ПЭВ), возбуждаемой падающим излучением и направляемой поверхностью [1]. Изобретение может найти применение в микроэлектронике при производстве полупроводниковых подложек (вэйферов) микроэлектронных схем, при создании полупроводниковых гетероструктур высокоскоростной оптоэлектроники (квантово-каскадных лазеров, солнечных элементов, светодиодов, биполярных транзисторов, фотодетекторов, элементов полупроводниковой интегральной оптики, преобразователей света и других устройств оптоэлектроники).

Для обнаружения дефектов на поверхности полупроводниковых вэйферов традиционно применяют метод сравнения амплитудно-фазовых характеристик оптического излучения, отраженного от эталонного и исследуемого участков поверхности [2]. Основным недостатком такого метода являются большая трудоемкость и продолжительность измерений, ввиду необходимости совместного сканирования приемника и источника излучения над поверхностью изделия.

Известно применение метода микроскопии темного поля для визуализации неоднородностей на поверхности вэйферов [3]. Однако этот метод применим только для обнаружения неоднородностей на поверхности прозрачных объектов, причем он требует применения очень мощного источника излучения и дорогостоящей оптической аппаратуры.

Известен способ визуального контроля оптической поверхности, включающий ввод лазерного излучения в тонкий слой прозрачной жидкости, помещенный между эталонной и контролируемой поверхностями оптических изделий и наблюдение света, рассеянного на аномалиях и дефектах поверхности [4]. Способ позволяет фиксировать наличие локальных аномалий поверхности без дорогостоящего оборудования, но является достаточно трудоемким, поскольку предполагает изготовление для каждого из контролируемого изделий прозрачного бездефектного эталона, сканирование пучка излучения по всей поверхности при условии постоянства эффективности ввода излучения в слой жидкости.

Известен оптический способ изучения и контроля качества поверхности заготовок микросхем с использованием ПЭВ ИК-диапазона, повышающий чувствительность рефлектометрических измерений [5]. Способ включает воздействие на поверхность заготовки монохроматическим ИК-излучением, для которого материал заготовки имеет отрицательную действительную часть диэлектрической проницаемости, преобразование излучения в пучок ПЭВ, направляемый поверхностью, последовательное освещение пучком контролируемого участка поверхности с различных направлений при одновременной регистрации трека и интегральной интенсивности пучка после преодоления им участка, а также обработку результатов измерений. Основными недостатками способа являются большая трудоемкость, низкое латеральное разрешение и большая продолжительность измерений.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ обнаружения дефектов на поверхности полупроводника с помощью терагерцовых (ТГц) поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) - разновидности ПЭВ [6]. Способ включает в себя воздействие на поверхность полупроводника серией идентичных импульсов p-поляризованного ТГц излучения, для которого вещественная часть диэлектрической проницаемости полупроводника отрицательна, преобразование излучения в пучок широкополосных ППП, пробег пучка ППП по контролируемой поверхности на макроскопическое расстояние (превышающее среднюю длину волны излучения на 2-3 порядка), преобразование пучка ППП в объемное излучение, регистрацию интегральной интенсивности этого излучения в различные фазы (стадии) импульсов, обработку результатов измерений и сравнение их с результатами, полученными на эталонном образце. Основными недостатками известного способа являются большие трудоемкость и продолжительность измерений, а также - их интегральный характер, сводящий на нет латеральное разрешение способа.

В основу изобретения поставлена задача разработки нового способа визуализации неоднородностей плоской поверхности полупроводника в терагерцовом излучении, основанного на преобразовании зондирующего излучения в поверхностные плазмон-поляритоны (ППП), направляемые контролируемой поверхностью, и детектировании излучения, испускаемого с трека ППП вследствие сохранения их оптической связи с элементом преобразования, и позволяющего упростить процедуру измерений, уменьшить ее трудоемкость и продолжительность, а также - повысить латеральное разрешение измерений, что делает возможным не только оценку размеров неоднородностей, но и локализацию их местоположения.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе визуализации неоднородностей плоской полупроводниковой поверхности в терагерцовом излучении, включающего воздействие на поверхность р-поляризованным излучением, для которого вещественная часть диэлектрической проницаемости полупроводника отрицательна, преобразование излучения в направляемые поверхностью поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) и измерение интенсивности излучения, испускаемого с трека ППП, излучение выбирают монохроматическим с частотой, при которой длина распространения ППП не превышает длину волны излучения, пучок зондирующего излучения коллимируют и направляют под углом генерации ППП на основание призмы нарушенного полного внутреннего отражения, обращенное к контролируемому участку поверхности и размещенное параллельно ему в пределах глубины проникновения поля ППП в окружающую среду; при этом регистрируют пространственное распределение интенсивности излучения одновременно по всему поперечному сечению пучка, выходящего из призмы.

Упрощение процедуры измерений в предлагаемом способе, обусловливающее уменьшение ее трудоемкости и продолжительности, достигается в результате однократного использования в качестве зонда пучка коллимированного монохроматического излучения, воздействующего на весь контролируемый участок поверхности, и регистрации распределения интенсивности излучения одновременно по всему поперечному сечению пучка, выходящего из призмы.

Повышение латерального разрешения измерений достигается вследствие выбора такой длины волны излучения X, при которой длина распространения ППП L меньше X, а также в результате генерации ППП коллимированным пучком монохроматического излучения не в одной точке контролируемого участка поверхности, а по всей его площади, находящейся под основанием призмы НПВО; это позволяет судить об эффективности генерации 111111 (зависящей от наличия неоднородности на поверхности) в данной точки поверхности, а, значит, - о наличии на ней неоднородности и об оптических характеристиках этой неоднородности, по интенсивности излучения, испускаемого через призму НПВО с данной точки поверхности.

Изобретение поясняется чертежами: на Фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего заявляемый способ; на Фиг. 2 - расчетные зависимости коэффициента отражения R_p р-составляющей излучения (λ=140 мкм) от угла его падения ϕ на структуру "ТРХ - (полиметилпентен) -воздушный зазор величиной h=20 мкм - слой ZnS толщиной d - InSb (антимонид индия)" при генерировании этим излучением ППП на поверхности InSb.

На Фиг. 1 цифрами обозначены: 1 - источник монохроматического ТГц излучения; 2 - коллиматор; 3 - поляризатор; 4 - призма НПВО; 5 - плоская поверхность полупроводникового изделия; 6 - зазор, отделяющий основание призмы 4 от поверхности 5; 7 - пьезокерамический актуатор, регулирующий зазор 6; 8 - неоднородность на поверхности 5; 9 - матрица фотоприемников ТГц излучения; 10 - устройство для накопления и обработки электрических сигналов от матрицы 9.

На Фиг. 2 цифрами обозначены зависимости R_p(ϕ), рассчитанные для различных значений толщины d слоя сульфида цинка: кривая 1 - в = 0; 2 - d = 0.5 мкм; 3 - d = 1.0 мкм; 4 - d = 1.5 мкм; 5 - d = 2.0 мкм.

Способ реализуется следующим образом.

Излучение источника 1 с помощью коллиматора 2 преобразуют в пучок параллельных лучей с некоторым распределением интенсивности по его поперечному сечению. Прошедшему через коллиматор 2 излучению придают p-поляризацию (относительно плоскости падения) с помощью поляризатора 3 и направляют на боковую грань призмы 4 таким образом, чтобы преломленный на этой грани пучок излучения падал на основание призмы 4 под углом генерации ППП на поверхности 5 полупроводникового изделия. Эванесцентное (затухающее по экспоненте) поле излучения, претерпевшего полное внутреннее отражение от основания призмы 4, проникает в зазор 6, регулируемый пьезокерамикой 7 и отделяющий призму 4 от поверхности 5, достигает ее и генерирует на ней (с некоторой эффективностью) ППП. Вследствие больших джоулевых потерь ППП рассеивают основную долю своей энергии в тепло на расстоянии L<λ (где L - длина распространения ППП); поэтому объемная волна, испускаемая ППП в призму 4 (вследствие сохранения с ней оптической связи), имеет интенсивность значительно меньшую по сравнению с интенсивностью падающего излучения. Поскольку L<λ, то интенсивность излучения, испускаемого с элементарной площадки основания призмы 4 размером, не превышающим длину волны излучения, пропорциональна эффективности генерации ППП на соответствующем элементарном участке поверхности 5. Наличие на поверхности 5 неоднородности 8 скажется на эффективности генерации ППП, а, следовательно, и на интенсивности излучения, испускаемого с соответствующей площадки основания призмы 4. Пучок излучения, исходящий от освещенного участка основания призмы 4, выходит через ее вторую боковую грань и падает на матрицу фотоприемников 9. Пиксели матрицы 9 вырабатывают пропорциональные их освещенности электрические сигналы, которые одновременно регистрируются устройством 10. Выполнив нормировку распределения интенсивности, регистрируемую матрицей 9 до и после внедрения поверхности 5 в эванесцентное поле излучения у основания призмы 4, исследователь может визуализировать распределение неоднородностей по поверхности 5. Более того, последовательное выполнение вышеописанных измерений позволяет изучать динамику распределения неоднородностей с временным разрешением, определяемым постоянной времени пикселей матрицы 9.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность реализации метода ППП-микроскопии в ТГц диапазоне на примере антимонида индия (InSb) с собственной проводимостью. При численном моделировании воспользуемся моделью Друде-Лоренца для описания дисперсии диэлектрической проницаемости полупроводника [7]:

где ε_∞ - высокочастотная диэлектрическая проницаемость; ω_L и ω_T - частота продольных и поперечных колебаний кристаллической решетки, соответственно; Г - постоянная затухания колебаний кристаллической решетки; γ - столкновительная частота электронов проводимости. Не содержащий примесей InSb характеризуется следующими значениями вышеперечисленных параметров: ω_р = 81.0 см^-1; ε_∞ = 15.68; ω_L = 190.4 см^-1; ω_T = 179.1 см^-1; Г = 2.86 см^-1; γ = 10.7 см^-1 [7].

Расчеты по формуле (1) показали, что вещественная часть диэлектрической проницаемости ε' антимонида индия становится отрицательной (необходимое условие существования ППП) при λ ≥ 134 мкм. Выберем длину волны зондирующего излучения λ=140 мкм, соответствующую одному из "окон прозрачности" атмосферы для ТГц излучения. На такой λ величина s_InSb = -1.614 + i ⋅ 2.936, а длина распространения ППП L≈138 мкм, т.е. L≤λ. Материалом призмы НПВО выберем слабодисперсный полимер ТРХ (полиметилпентен) с показателем преломления n_p=1.46; критический угол ϕ_cr для излучения с λ=140 мкм на границе раздела "ТРХ - воздух" равен 43°14'. Расчеты зависимости коэффициента отражения по мощности R_p для p-составляющей такого излучения от структуры "ТРХ - воздушный зазор величиной h=20 мкм - InSb" (схема Отто для генерации ППП методом НПВО [1]) показали, что в этих условиях наиболее эффективное преобразование зондирующего излучения в ППП (соответствует минимальному значению коэффициента отражения R_{p min} = 0.04 на зависимости R_p (ϕ)) достигается при угле падения ϕ=ϕ*=52°45'. Промоделируем эволюцию кривой R_p(ϕ) при нанесении на поверхность InSb "неоднородности" в виде непоглощающего слоя из сульфида цинка (ZnS) толщиной d и с показателем преломления 2.950. Результаты моделирования представлены на Фиг. 2. Видно, что с увеличением толщины d слоя минимум кривой R_p (ϕ) смещается к критическому углу ϕ_cr, а значение R_{p min} увеличивается. Поэтому, при угле падения ϕ=ϕ* (см. Фиг. 2) участкам поверхности InSb не содержащим слоя ZnS (кривая 1) будет соответствовать интенсивность выходящего из призмы пучка равная 0.04 (от ее значения до внедрения поверхности InSb в эванесцентное поле зондирующего излучения), а участкам со слоем толщиной (например) d=1.0 мкм (кривая 3) - интенсивность равная 0.13. Поскольку современная измерительная аппаратура позволяет надежно регистрировать изменение интенсивности ТГц излучения с точностью до долей процента [8], то можно надеяться, что заявляемый метод микроскопии позволит достичь для слоя ZnS вертикального разрешения не хуже 1 нм, а при использовании матрицы 9 с пикселями размером меньше λ (например, микроболометрической матрицы [9]) латерального разрешения, сравнимого с длиной волны излучения, т.е. немного хуже дифракционного предела Аббе в λ/2.

Таким образом, рассмотренный пример наглядно демонстрирует возможность визуализации заявляемым способом неоднородностей плоской полупроводниковой поверхности в терагерцовом излучении, при которой существенно упрощается (по сравнению со способом-прототипом) процедура измерений, уменьшается ее трудоемкость и продолжительность, а также повышается до дифракционного предела Аббе латеральное разрешение измерений.

Источники информации:

[1] Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - М: Наука, 1985. - 525 с.

[2] Shankar N.G. and Zhong Z.W. Defect detection on semiconductor wafer surfaces // Microelectron. Eng., 2005, V. 77, p. 337-346.

[3] Stokowski S. and Vaez-Iravani M. Wafer inspection technology challenges for ULSI manufacturing // AIP Conference Proceedings, 1998, V. 449, p. 405-415.

[4] Стойлов Ю.Ю., Старцев A.B., Яловой В.И. Способ визуально-оптического контроля поверхности // Патент RU 2502954 от 27.12.2013.

[5] Васильев А.Ф., Гушанская Н.Ю., Жижин Г.Н., Яковлев В.А. Применение спектроскопии ПЭВ для изучения и контроля качества поверхности заготовок микросхем // Оптика и спектроскопия, 1987, Т. 63, Вып. 3, с. 682-684.

[6] Yang Т., Li Y., Stantchev R., Zhu Y., Qin Y., Zhou X., and Huang W. Detection of defects on the surface of a semiconductor by terahertz surface plasmon polaritons // Applied Optics, 2016, V. 55, No. 15, p. 4139-4144. (прототип).

[7] Handbook of optical constants of solids 1998 Ed. by E.D. Palik. Academ. Press, USA. - 804 p.

[8] Lewis R.A. A review of terahertz detectors // J. Phys. D: Appl. Phys., 2019, V. 52, 433001.

[9] Демьяненко M.A., Есаев Д.Г., Овсюк B.H., Фомин Б.И., Асеев А.Л., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н., Винокуров Н.А. Матричные микроболометрические приемники для инфракрасного и терагерцового диапазонов // Оптический журнал, 2009, Т. 76, Вып. 12, С. 5-11.

Способ визуализации неоднородностей плоской полупроводниковой поверхности в терагерцовом излучении, включающий воздействие на поверхность р-поляризованным излучением, для которого вещественная часть диэлектрической проницаемости полупроводника отрицательна, преобразование излучения в направляемые поверхностью поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) и измерение интенсивности излучения, испускаемого с трека ППП, отличающийся тем, что излучение выбирают монохроматическим с частотой, при которой длина распространения ППП не превышает длину волны излучения, пучок зондирующего излучения коллимируют и направляют под углом генерации ППП на основание призмы нарушенного полного внутреннего отражения, обращенное к контролируемому участку поверхности и размещенное параллельно ему в пределах глубины проникновения поля ППП в окружающую среду; при этом регистрируют пространственное распределение интенсивности излучения одновременно по всему поперечному сечению пучка, выходящего из призмы.