Электролитические и оптические методы контроля РЭСИ

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники кафедра РЭС РЕФЕРАТ на тему:

«Электролитические и оптические методы контроля РЭСИ»

МИНСК, 2008

Электрография.

Электролит состоит из бензидина, поверхностно-активного вещества и коллоида. Далее к ячейке прикладывают напряжение 5−10 В при 1 мкА и вы-держивают 5−10 мин. При приложении к ячейке напряжения неокрашенный раствор солянокислого бензидина окисляется с образованием темно-синих продуктов. После проведения процесса электрографии на фильтрованной бу-маге получается зеркальное изображение сквозных дефектов в виде темных пятен, форма и размер которых точно соответствует дефектам в диэлектриче-ской пленке. Процесс изображен на рисунке 1.

Электрофорез.

Электрофорез — движение заряженных частиц, находящихся в виде суспен-зии в жидкости, в электрическом поле между двумя электродами на одном из которых происходит осаждение частиц.

Процесс включает в себя: стадию заряда частиц, транспортирования в электрическом поле и осаждения. Положительно заряженными частицами оказываются частицы гидроокисей металлов, органических красителей, отри-цательно заряженными — частицы металлов, сульфидов и др. Ячейка для элек-трофореза представлена на рис. 2.

В качестве электролита используется ацетон или метиловый спирт. Расстояние между электродами 5 мм, время процесса 3 мин., напряжение до 80 В.

При малой толщине окисла <<0,02 мкм наблюдаются дефекты, локализо-ванные непосредственно вблизи поверхности полупроводника (возможно, они возникли после механической полировки поверхности). До 0,04 мкм плот-ность выявленных дефектов возрастает, а затем быстро падает (рис.3).

Рисунок 1 — Принципиальная схема установки для электрохимической автогра-фии

1 — анод; 2 — кремниевая подложка;

3 — диэлектрическая пленка;

4 — мембранная бумага;

5 — катод.

Рисунок 2 — Испытательная ячейка для электрофореза

1 — исследуемая структура; 2 — электрододержатель;

3 — электролит; 4 — второй электрод (катод).

Рисунок 3 — Зависимость плотности дефектов от толщины слоя SiO₂

Этот характер кривой можно объяснить дополнительным выявлением сквозных дислокаций через тонкую пленку окисла. При более толстом слое окисла d = 0,04 мкм эффект сквозных дислокаций ослабевает, выявляются только несквозные дефекты. При толщинах более 0,08 мкм выявляются де-фекты, образованные в результате осаждения пленок. Как видно из рис. 4 плотность пор, выявленная методом электролиза (нижняя кривая), много меньше плотности дефектов, выявленных электрофорезным декорированием (верхняя кривая), в связи с тем, что электролиз не способен выявить «скры-тые дефекты» и выявляет только сквозные поры. Электрофорез позволяет об-наруживать следующие виды дефектов: сквозные и несквозные поры окисла, скопления примесей вблизи поверхности.

Декорирование с помощью коронного разряда.

Этот метод является модификацией электрофорезного декорирования. На первом этапе процесса ионы коронного разряда осаждаются на поверхность образца и заряжают диэлектрические участки пленки. Этот заряд создает электрическое поле. Источником положительно заряженных ионов служит проволочная сетка, подсоединенная к высоковольтному источнику постоян-ного тока, обеспечивающему напряжение до ±10 кВ и ток до 6 мА. Сетка рас-полагается в 2 см над пластиной.

Рисунок 4 — Зависимость плотности дефектов от приложенного напряжения для методов

1 — электрофореза; 2 — электролиза.

На втором этапе образец погружается в суспензию, состоящую из заряжен-ных частиц.

При совпадении знаков зарядов осаждаемых частиц и диэлектрической пленки осаждение частиц идет в местах дефектов — происходит прямое деко-рирование, которое менее полезно, чем обратное, так как дефекты оказыва-ются закрытыми осадком.

При противоположных знаках зарядов частиц и диэлектрической пленки, частицы осаждаются всюду, кроме дефектов и окружающих их областей. Та-кой процесс называется обратным декорированием. Недостатком метода явля-ется необходимость работы с высокими напряжениями и необходимость тща-тельной очистки поверхности пластины.

Рисунок 5 — Схема процесса осаждения заряженных частиц на заряженную подложку а) прямое декорирование; б) обратное декорирование Сравнительная оценка параметров электрохимических методов обнаруже-ния дефектов в слоях двуокиси кремния представлена в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительные характеристики параметров электрохимических ме-тодов контроля

Оптический контроль Оптические методы неразрушающего контроля основаны на анализе взаимо-действия оптического излучения с объектом контроля. Методы оп-тического контроля и области их применения приведены в ГОСТ 23 479–79 и ГОСТ 24 521–80.

Спектр оптических излучений подразделяется по длине волны на три уча-стка: инфракрасное излучение (от 1 мм до 780 нм), видимое излучение (от 780 нм до 380 нм) и ультрафиолетовое излучение (от 380 нм до 10 нм).

Разрешающая способность оптических методов:

где А — коэффициент преломления среды (материала между наблюдаемым объектом и линзами);

л — длина волны.

2б — максимальный угол при вершине конуса лучей, попадающих в точку изображения на оптической оси;

D — числовая апертура линз объектива;

F — фокусное расстояние;

D — диаметр апертуры (диафрагмы) (см. рис. 6).

Для самых лучших современных объективов величина А, в случае воздуха, может достигать 0.95, а при заполнении пространства между объектом и объ-ективом маслом эта величина может быть увеличена до 1,5. Разрешение самых лучших оптических микроскопов достигает 0,3 мкм. Оптическими методами можно контролировать качество кристаллов и оснований ИС, монтажа, свар-ных и паяных соединений, плёнок и т. д. Основные методы оптического кон-троля приведены в таблице 2.

Рассмотрим наиболее часто применяющиеся методы оптического контроля в технологии РЭСИ.

Визуально-оптический контроль.

Одними из наиболее распространённых приборов визуального контроля являются микроскопы — бинокулярный, стереоскопический и проекционный. Точность контроля объекта при работе с проекционным экраном несколько меньше, чем при наблюдении в окуляр.

Бинокулярные и проекционные микроскопы можно разделить на «эписко-пические», (для контроля в отражённых лучах) и диаскопические (для кон-троля в проходящих лучах).

Оптическая схема эпископического проектора представлена на рис. 7. Контроль осуществляется в светлом поле зрения. Основным недостатком яв-ляется малая яркость и недостаточная контрастность изображений.

Диаскопические проекторы представляют собой либо просмотровую лупу создающую мнимое, прямое, увеличенное изображение, либо проекционное устройство, создающее действительное, обратное, увеличенное изображение. Различают линзовые и зеркальные диаскопы. Оптическая схема линзового диаскопа представлена на рис. 8. Рассматривание кадра осуществляется при освещении либо от специального источника света с искусственной подсвет-кой, либо на каком-нибудь ярком фоне с естественной подсветкой. Оптиче-ская схема зеркального диаскопа представлена на рис. 9.

Интерферометрический контроль.

Среди интерферометрических выделяют три характерных метода.

Цветовой метод. Основан на свойстве тонких прозрачных плёнок, нане-сённых на отражающую подложку, менять свой цвет в зависимости от толщи-ны (явление интерференционных световых лучей, отражённых от границы раздела «плёнка — воздух» и «плёнка — подложка»). Цвета плёнок двуокиси кремния в зависимости от толщины приведены в таблице 3.

Рисунок 6 — Оптическая схема Рисунок 7 — Оптическая схема эпископического проектора Таблица 2

Оптические методы неразрушающего контроля и области их применения.

Таблица 3

Цвета плёнок двуокиси кремния в зависимости от толщины

Относительная погрешность измерения толщины пленок составляет 10%.

Первый эллипсометрический параметр (отношение амплитуд компонент, параметр условно обозначили через тангенс) определяется из соотношения:

Второй эллипсометрический параметр определяется из соотношения:

Рисунок 8 — Оптическая схема линзового диаскопа (изображение

мнимое, пря-мое, увеличенное) Рисунок 9 — Оптическая схема зеркального диаскопа с искусственно;

подсвет-кой (изображение действительное, обратное, увеличенное) Таким образом, параметр А есть относительная разность фаз между Р и S компонентами, возникшая вследствие отражения от рассматриваемой структу-ры. Основное уравнение эллипсометрии имеет вид:

Величина р для случая тонкой прозрачной диэлектрической пленки на по-верхности полупроводника является функцией, показателей преломления ок-ружающей среды, пленки и подложки, толщины пленки d, длины вол-ны лизерия л и угла падения луча на образец — (см. рис. 10).

Конкретная зависимость имеет вид Рисунок 10 — Ход лучей при отражении линейно поляризованного

света от по-верхности полупроводника с пленкой

r_1p, r_2p, r_1s, r_2s — соответ-ственно коэффициенты отражения раздела «воздух-пленка» и «пленка-подложка»;

— изменение фазы, вызванное прохождени-ем луча света через пленку толщиной d.

Метод контроля с помощью интерференциональных микроскопов. Для контроля толщины покрытия необходимо получить на подложке, с на-пыленной на ней пленкой, уступ. Толщина слоя находится как:

где а — величина изгиба полосы

b — расстояние между соседними темными и светлыми полосами.

л — длина волны источника света Широко распространенный микроскоп МИИ-4 позволяет контролировать толщину пленок от 0,03 до 2,2 мкм с относительной погрешностью 5%.

Метод контроля с помощью лазерной интерферометрии (контроль диэлектри-ческих пленок в процессе их получения).

Вследствие интерференции отраженных от границ («пленка — подложка» и «пленка — среда») лучей, интенсивность сигнала фотоэлемента меняется периодически с изменением толщины наращиваемой пленки. Общая тол-щина диэлектрической пленки нанесенной на стеклянную или ситалловую подложку:

где Z — суммарное число экстремумов (т.е. максимумов и минимумов); л — длина волны монохроматического света; n — показатель преломления пленки; ц — угол преломления луча в пленки.

Лазерная интерферометрия позволяет контролировать не только суммар-ную толщину, но и промежуточную. Для измерения толщины эпитаксиальных слоев от 2 до 50 мкм используется спектральный диапазон инфракрасного (ИК) излучения. В диапазоне ИК волн исследуемые пленки прозрачны.

Поляризационный (эллипсометрический) контроль.

Этот метод основан на изменении поляризации света, отраженного от подложки с тонкой прозрачной пленкой на поверхности. [29;30] При осве-щении подложки линейно-поляризованным светом, составляющие излуче-ния (параллельная и перпендикулярная плоскости падения) отражаются по разному, в результате чего, после отражения излучение оказывается эллип-тически поляризованным (рис.11). Отсчет положительных значений угла ведется против часовой стрелки. Измерив эллиптичность отраженной вол-ны, можно определить свойства пленки, вызвавшей изменения поляризации. Состояние эллиптической поляризации определяется двумя эллипсометрическими параметрами и А.

Зная оптические параметры, толщину пленки d (изменяется от 0,5 до 10 мкм), длину волны л (составляет 0,5−0,6 мкм), угол падения (изменяется от 45° до 75°) и экспериментально определив значение и А и определя-ют показатель преломления. Результатами расчета являются номограммы (рис. 12), на которых представлены зависимости A,. Величины ш и А являются периодическими функциями толщины и повторяются через так называемый эллипсометрический период равный 250…300 нм, в зави-симости от показания преломления п, и угла падения. После прибли-женного определения, а также и в том случае, когда величина n, извест-на заранее, используют кривые и (рис 13), построен-ные для определенного значения углов падений и показателей преломле-ния для более точного определения толщины пленки d. Используя лазер-ную эллипсометрию, определяют толщины пленок от до 17 мкм и показатели преломления от 1,1 до 3,0.

Разновидностью эллипсометрии является инфракрасная эллипсометрия. Она используется для определения толщины пленок и концентрации носителей за-ряда в сильнолегированных подложках (структуры nn+, pp+, Si, Ge, GaAs). Кон-троль толщины осуществляется в диапазоне от 1 до 10 мкм в структурах крем-ния, GaAs на 154мкм. В сильнолегированных положках из-за большого погло-щения света на свободных носителях (исследуемая пленка становиться непроз-рачной для видимого диапазона длин волн) показатель преломления начинает зависеть от концентрации носителей.

Толщина пленки и концентрация носителей заряда рассчитывается по зави-симости:

где d — толщина пленки;

n — концентрация носителей заряда.

Оптические методы контроля обладают высокой разрешающей способнос-тью и хорошей чувствительностью и позволяют перейти от традиционного ис-пользования зрительного рецептора оператора к автоматическим методам обра-ботки изображения и использованию полученной информации в процессах ис-пытания РЭСИ.

Рисунок 11 — Номограммы ш и А для приближенного определения

показателей пре-ломления n и толщины d эпитаксиальных пленок Рисунок 12 — Номограммы для определения толщины пленок Рисунок 13 — Спектральная зависимость показателя преломления с различной кон-центрацией свободных носителей от длины волны падающего излу-чения 1 — N=10¹⁸ см³; 2 — N=10¹⁹ см³

1. Глудкин О. П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. — М.: Высш. школа., 2001 — 335 с

2. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А. И. Коробова М.: Радио и связь, 2002 — 272 с.

3. Млицкий В. Д., Беглария В. Х., Дубицкий Л. Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 — 567 с

4. Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007

5. Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств — Техносфера, 2005. — 504с.