Szilícium szeletek felületi vizsgálata

Az előadások a következő témára: "Szilícium szeletek felületi vizsgálata"— Előadás másolata:

1 Szilícium szeletek felületi vizsgálata
Dr. Mizsei János Somlay Gergely

2 Optikai vizsgálatok - Bevezetés
Kontaktus mentes vizsgálat Minimális mintaelőkészítés szükséges Számos piaci berendezés létezik Egyszerűbb használat Automatizált Nagy érzékenység érhető el UV-től a távoli infravörösig Szilícium szeletek felületi vizsgálata

3 Optikai vizsgálatok alapelvei
Három nagy kategória: Fotometria Interferencia Polarizáció Szilícium szeletek felületi vizsgálata

4 Optikai mikroszkópia Sokoldalú és könnyen használható
A 0.6 – 0.8 µm-nél nagyobb integrált áramköri alakzatok vizsgálhatóak Szubmikronos tartományban elektronsugaras mikroszkóp Polarizáló szűrőkkel és interferencia kontraszt segítségével javítható Részecskeelemzésre is használható (1 µm felett) Részecske atlaszok segítik az azonosítást Szilícium szeletek felületi vizsgálata

5 Optikai mikroszkóp felépítése
Két fő rész: Objektív és okulár Összetett mikroszkópokban 6 vagy több összetett lencséből állnak A teljes nagyítás az objektív laterális nagyítása és az okulár szögnagyításának az eredménye Sztereómikroszkópok két mikroszkópból épülnek fel, ahol mindkettő független képet alkot ugyanarról a területről Szilícium szeletek felületi vizsgálata

6 Optikai mikroszkóp felbontása 1.
Diffrakció: A belső folt az Airy vagy diffrakciós korong Megfelelő világítás mellett a detektálható elszigetelt objektumoknak nincs alsó mérethatára Szilícium szeletek felületi vizsgálata

7 Optikai mikroszkóp felbontása 2.
Az objektumok nem pontszerűek Két s távolságra lévő objektum átfedő képeket eredményez Ha túl közel vannak nem lehet a két objektumot megkülönböztetni Ha az egyik kép maximuma a másik első minimumába esik, akkor 80%-os kioltás érhető el Innen a felbontás: n refrakciós együttható, NA numerikus apertúta Szilícium szeletek felületi vizsgálata

8 Világos és sötét terű mikroszkóp
Világos terű mikroszkóp: A mintára merőleges a beeső fény A vízszintes felületek tükrözik vissza a legtöbbet Sötét terű mikroszkóp: Kis szögű beesés A ferde és függőleges felületekről visszaverődő fény éri el csak a lencsét Kis felületi szabálytalanságok megfigyelésére alkalmas Szilícium szeletek felületi vizsgálata

9 Konfokális optikai mikroszkópia
Három dimenziós képek készíthetőek és javítható a kontraszt Egyszerre egy pontot vizsgál, ezért a képalkotáshoz végig kell pásztázni a felületet A felbontás: A diffrakciós mintában kisebb a központi csúcson kívüli energia Szilícium szeletek felületi vizsgálata

10 Konfokális mikroszkóp működése
Egyszerre egy sík van fókuszban Adott magasságokban végigpásztázzák a felületet A kapott 2D-s képekből áll össze a 3D-s Szilícium szeletek felületi vizsgálata

11 Konfokális mikroszkóp felépítése
Szilícium szeletek felületi vizsgálata

12 Közeltéri optikai mikroszkópia
A hagyományos távoltéri mikroszkópia felbontása maximum λ/2 a diffrakciós effektusok miatt Közeltéri mikroszkópiával λ/200 felbontás érhető el A felületet az alkalmazott fény hullámhosszánál kisebb nyíláson keresztül világítjuk meg és a detektálás is a hullámhossznál kisebb távolságban történik Szilícium szeletek felületi vizsgálata

13 Ellipszometria Kontaktusmentes, noninvaziv
A felületről visszaverődő fény polarizációjának vizsgálata Vékonyrétegek vastagságmérésére és optikai állandók meghatározására alkalmas A több síkról visszavert hullámok interferálnak Ezek a beeső fény szögétől függenek Szilícium szeletek felületi vizsgálata

14 Ellipszométer A fény párhuzamos és merőleges reflexiós tényezője nem mérhető külön A komplex reflexiós tényező vagy az ellipszometrikus szögek viszont igen: Szilícium szeletek felületi vizsgálata

15 Vékonyréteg vastagságának mérése
1 nm-es réteg is mérhető vele Korlátozások: Egyenletes optikai tulajdonságok Éles réteghatár Makroszkópikus Maxwell egyenletek Vastagabb rétegeknél a visszavert hullámok fázisa eltolódhat, ez okozza a Ψ és Δ paraméterek ciklikusságát Szilícium szeletek felületi vizsgálata

16 Transzmisszió Transzmissziós optikai mérésekkel határozható meg az abszorpciós tényező A sekély szennyezők jól vizsgálhatóak, de a mély szennyezőket is kimutathatóak A mintán áthaladó fényt a hullámhossz függvényében vizsgálják (infravörös spektroszkópia) Szilícium szeletek felületi vizsgálata

17 Monokromator Transzmissziós vizsgálatoknál használt
A mintára csak egy λ hullámhossz körüli szűk Δλ hullámhossztartományt enged A szűrést a nyílások végzik, a prizma felbontja a beeső fényt Kiszűrhetőek az elektron - lyuk párokat keltő hullámhosszok Hátránya, hogy lassú, kicsi a jelerősség és rossz a jel/zaj viszony Szilícium szeletek felületi vizsgálata

18 Fény szóródás A felületről visszavert fény szóródását mérik
A fény hullámhosszánál kisebb részecskék is kimutathatóak a felületen Izolált részecskére a szórt fény arányos az optikai szóródás keresztmetszetére: Szilícium szeletek felületi vizsgálata

19 Interferencia mikroszkópia
Kontaktusmentes módszer objektumok vízszintes és függőleges kiterjedésének mérésére A függőleges méreteket fázistolásos interferometriával határozzák meg. A felbontás 1 nm A visszavert fény egy interferencia objektíven halad át, ami a kontúrokat adja meg Az eredő intenzitás: Szilícium szeletek felületi vizsgálata

20 Interferometrikus mikroszkópok
Mirau és Linnik mikroszkópok: Szilícium szeletek felületi vizsgálata

21 Csíkszélesség meghatározása
A csíkszélesség csökkenésével egyre nehezebb Mérési lehetőségek: elektromos optikai pásztázó mérőtűs pásztázó elektronmikroszkópos Három fontos tényező: Pontosság Rövid távú stabilitás Hosszú távú stabilitás Szilícium szeletek felületi vizsgálata

22 Optikai – fizikai módszerek
Az egyik legérzékenyebb technika az atomerő mikroszkóp (AFM) Egy mechanikai tű pásztázza végig a felületet és a profilt rögzítik Függőleges irányban érzékenyebb, mint vízszintesben. Vízszintes felbontás ~10 angstrom A felvett profil függ a tű alakjától Szilícium szeletek felületi vizsgálata

23 Fotolumineszcencia Sekély szennyezőanyagok kimutatására alkalmas
Az azonosítás egyszerű, de a sűrűség meghatározása nem Csak a sugárzó rekombinációjú szennyezők mutathatóak ki vele Mérés folyékony He hőmérsékleten a termikus rekombináció és a hőtágulás minimalizálásához Lézersugárral elektron – lyuk párokat gerjesztenek és a sugárzó rekombinációt vizsgálják Az intenzitás: Szilícium szeletek felületi vizsgálata

24 Fotolumineszcenciás berendezés
Szilícium szeletek felületi vizsgálata

25 Emissziós mikroszkópia
A minta elektromos gerjesztésre adott fénykibocsátását vizsgálják A hibák helyének meghatározására használják A chipet megvilágítják és rögzítik a rajzolatot Világítást lekapcsolják és feszültséget adnak a chipre A kisugárzott fényt rögzítik A két képet összevetik A képrögzítés történhet élőről vagy hátulról Elöl a fémezések zavarhatnak Hátoldali felvétel esetén a chipet el kell vékonyítani (50 μm) Szilícium szeletek felületi vizsgálata

26 Emissziós mikroszkópfelvétel
Szilícium szeletek felületi vizsgálata

27 Raman spektroszkópia Szerves és szervetlen anyagok kimutatására, krisztallitok mérésére és belső feszültségek kimutatására alkalmas A szóródásos vizsgálatnál a szórt fény hullámhossza nagyrészt a beeső fény hullámhosszával megegyezik (Raleigh szóródás), de egy része az anyaggal való kölcsönhatás miatt ettől eltér (Raman szóródás) Mivel a Raman szórt fény nagyon gyenge, ezért nagy teljesítményű monokromatikus fény kell Szilícium szeletek felületi vizsgálata

28 Raman spektroszkóp A fényforrás egy lézer általában 5 mW teljesítmény alatt (melegedés és a hőbontás elkerülése) A Raman fényt egy dupla monokromatoron halad át, hogy a Raleigh fényt kiszűrje A szűrt fényt egy fotodetektor érzékeli A flourescensz hatások lecsökkentik a használhatóságát Szilícium szeletek felületi vizsgálata

29 Kémiai és fizikai vizsgálatok
Specializáltak és bonyolultabb berendezések szükségesek Az alapelvük hasonló: a beeső sugárnyaláb (elektron, ion vagy foton) visszaszóródását vagy a másodlagos részecske emissziót mérik Ezek tömege, energiája és hullámhossza a célpont jellemzőitől függ Felbontási tartományok: Szilícium szeletek felületi vizsgálata

30 Elektronsugaras technikák
Vizsgálható az abszorpció, emisszió, reflexió, transzmisszió Szilícium szeletek felületi vizsgálata

31 Pásztázó elektron mikroszkópia
Elektron mikroszkópok lehetnek pásztázók, transzmissziósak és emissziósak Az első kettőnél a beeső elektronsugár alkotja a képet, míg az emissziósnál a minta az elektronforrás A tipikus elektron energia: 10 – 30 keV Az optikai mikroszkópokhoz hasonló működés, de jóval nagyon nagyítás érhető el (kis hullámhossz) Szilícium szeletek felületi vizsgálata

32 Pásztázó elektron mikroszkóp
A szekunder (másodlagos) elektronokat Everhart – Thornley detektorral lehet mérni A beeső elektronok hatására a scintilláló anyag fényt sugároz ki Szilícium szeletek felületi vizsgálata

33 Elektronmikroszkóp felbontása
Pásztázó elektronmikroszkópnál a beeső sugár átmérője 1 – 10 nm, de a felbontás ennél kisebb Szilícium szeletek felületi vizsgálata

34 Feszültség kontraszt Elektronsugaras technika hibaanalízisre
A szekunder elektronokat a lokális elektromos térerő eltéríti A mechanikus vizsgálatnál nagyobb felbontás és nincs kapacitív csatolás Szilícium szeletek felületi vizsgálata

35 Elektronsugár indukálta áram - EBIC
Elektromosan aktív szennyezők mérésére alkalmas Az elektron sugár átmenetekben keltette kisebbségi töltéshordozók mérésén alapul A generációs ráta: A kisebbségi elektronkoncentráció p típusú szubsztrátban: A kisebbségi töltéshordozókat egy pn átmeneten detektálják Szilícium szeletek felületi vizsgálata

36 Auger elektron spektroszkópia
Az Auger effektust használja ki A felület kémiai tulajdonságait lehet vizsgálni 0.5 – 5 nm behatolási mélység Szilícium szeletek felületi vizsgálata

37 Auger elektron spektroszkóp
Felépítése: elektronágyú, elektronsugár vezérlő, elektron energia analizátor és adatelemző Az emittált elektronokat fékező térrel, hengeres türkös analizátorral (CMA) vagy félgömb analizátorral detektálják Szilícium szeletek felületi vizsgálata

38 Elektron mikropróbás vizsgálat
Elektronsugaras bombázás hatására keletkező röntgensugárzást méri Sok esetben egybe van építve egy SEM-mel A röntgensugárzás energiája a minta anyagától függ Nem igazi felületelemzés, mert a sugárzás mélyebben keletkezik Szilícium szeletek felületi vizsgálata

39 Elektron mikropróbás műszer
A detektort kivéve a felépítése megegyezik a SEM-mel Kétféle detektor: Energia diszperziós (EDS) Hullámhossz diszperziós (WDS) Szilícium szeletek felületi vizsgálata

40 Transzmissziós elektron mikroszkópia
Felépítésük hasonlít az optikai mikroszkópokéhoz 0.15 nm-es felbontás érhető el Korlátozott mélységi felbontás A képet a mintán áthaladt és előre szórt elektronok diffrakciós képe adja Szilícium szeletek felületi vizsgálata

41 Transzmissziós elektronmikroszkóp
Szilícium szeletek felületi vizsgálata

42 Ionsugaras technikák Vizsgálható az abszorpció, emisszió, reflexió, transzmisszió Szilícium szeletek felületi vizsgálata

43 Másodlagos ion tömeg spektroszkópia
A SIMS az egyik legsokoldalúbb félvezető vizsgálati módszer Minden anyagot detektálható vele, valamint izotóp és molekula vizsgálatra is alkalmas Adalékprofil meghatározása Szilícium szeletek felületi vizsgálata

44 Rutherford visszaszórásos spektroszkóp
A felületről visszaszóródó ionok vagy részecskék mérésén alapul A felületet tipikusan He ionokkal bombázzák (1 – 3 MeV) és a visszaszórt ionok energiáját mérik A minta anyagának tömegét és mélységi eloszlását lehet meghatározni (10nm – μm) Kinematikus faktor: Szilícium szeletek felületi vizsgálata

45 RBS spektrumvizsgálat
Szilícium szeletek felületi vizsgálata

46 Röntgensugaras technikák
Vizsgálható az abszorpció, emisszió, reflexió, transzmisszió Szilícium szeletek felületi vizsgálata

47 Röntgensugaras fluoreszcencia
Az elnyelt röntgensugárzás hatására elektronok lépnek ki, helyükre a magasabb energiaszintről leeső elektronok röntgensugárzást bocsátanak ki, Nemdestruktív vizsgálati módszer Megadja az átlagos összetételt, de profilmeghatározásra nem alkalmas A karakterisztikus másodlagos röntgen sugárzás: Szilícium szeletek felületi vizsgálata

48 Röntgensugaras fotoelektron spektroszkópia (XPS)
Kémiai elemek azonosítására alkalmas a felületen Röntgensugárzás segítségével bármelyik sávból kimozdíthatóak az elektronok A kötő energia és a kilépő elektron energiája közötti összefüggés: Szilícium szeletek felületi vizsgálata

49 Röntgensugaras topográfia
Nemdestruktív módszer szerkezeti kristályhibák vizsgálatára Csak a szerkezetről ad információt, a szennyező anyagokról nem A visszavert sugár diffrakciós képét vizsgálják A Bragg szög: Szilícium szeletek felületi vizsgálata

50 Pásztázó mérőtűs (közeltéri) mikroszkópiák
Egy hegyes mérőtű pásztázza végig a felületet Két és három dimenziós képalkotás 0.1 nm-es laterális és 0.01 nm-es vertikális felbontás érhető el Szilícium szeletek felületi vizsgálata

51 Pásztázó alagút mikroszkóp
A felülettől ~1nm távolságban van a tű A felület és a tű hegye közötti alagútáram ~1nA Az áramsűrűség: Szilícium szeletek felületi vizsgálata

52 Atomerő mikroszkóp A minta és a mérőtű közötti erő mérésén alapul
Szigetelő anyagok is vizsgálhatóak A függőleges felbontás a konzol hosszától függ Érintkezéses és nem érintkezéses (Van der Waals erő mérése) üzemmód Szilícium szeletek felületi vizsgálata