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干涉测量法加快了表面粗糙度的分析

2007-01-20 11:40
姚看江湖
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作者:Roy Blunt IQE
表面粗糙度是表征半导体材料质量的重要参数,但很少是定量测量的。这是因为,如果我们简化了仅在大规模硅器件生产线上应用的、价格高昂的完全自动化系统,那么,通常用于定量分析的原子力显微镜(AFM)技术就很难适合生产环境。通常的解决方法是:要么用定性的方法如Nomarski干涉显微方法对质量做出评估,要么用光学散射测量方法做出推断。

 
Taylor Hobson白光干涉仪
在大小和形状上和一个高品
质的显微镜类似,能够对很
多种半导体样品进行表面粗
糙度测量,其高度分辨率为
0.01nm。

然而,还有一个方法能够程序性地给出定量粗糙度测量和表面图像——白光干涉测量法(见“白光干涉测量法”的详细解释)。这一方法已很好建立起来并用了很多年,用来做非接触测量以获得台阶高度或相似参数(图1)。并且最近在仪器软件上的进步,改善了现今白光干涉测量方法测出的高度分辨率,其水平可以和AFM相媲美。

例如我们在IQE使用的Taylor Hobson CCI 3000A型干涉仪能够在0.01nm的垂直分辨率上确定平面的位置,这种方法使用了具有专利权的相关性运算法则,可定位白光光源造成的干涉模式的相干峰和相位。这种具有相干性的干涉测量方法(CCT)足够测量多种半导体样品的粗糙度,因为这些材料的典型粗糙度都在0.1-1nm。横向分辨率仍然远不如AFM,衍射极限为0.35祄,这限制了最大横向放大率。然而对于半导体样品的产品测量来说,这一限制并不严重,反而是个优势,比采用AFM法能测量更大的范围。

 
图1.白光干涉测量工具已经利
用了很多年用来制作台阶高度
的非接触图像,也能在10秒内
给出一个半导体样品中的10nm
深腐蚀坑的图像。图1a给出了
白光干涉测量显微方法制作的
一个表面人工着色平面图,这
是一种基本图像类型。它包括
了需要对表面做出全面描述的
所有纵向和横向的数据,所以
它能够制作表面的模拟显微照
片(图1b),一个计算好的三
维图片(图1c),和一个穿越
这个图像水平中心的剖面图
(图1d)。

我们对Taylor Hobson干涉仪进行了评估。先将它安放在不参与测试过程的抗震桌子上,并用它测绘GaAs与InP基衬底和外延层的图像。所有这些测试都利用了“×50”放大倍数的物镜,工作距离为3.4mm。当使用1024×1024像素的CCD阵列时,在280祄的绘制范围内这一放大倍数提供了最大的横向分辨率。这种测量工具还可以使用较低放大倍数的透镜,绘制范围可以一直到7×7mm,而横向分辨率相应降低了。

图2给出了部分抛光和完全抛光的GaAs半导体衬底的平面图像。他们展现出部分抛光GaAs衬底上的残余损伤,这是由于在单晶锭上切割单片衬底时的切割过程而造成的。部分抛光的均方根(RMS)粗糙度为0.36nm,并且它的特点是具有伴随着切割损伤而产生明显的尖锐形貌。完全抛光的产品衬底(图2b)具有低得多的RMS表面粗糙度,为0.16nm。这个图像是最高质量常规半导体表面的象征——一个有斑点且夹杂一些尖锐形貌的表面。

利用这种方法来获取图像直截了当,所需要的技术同操作一台普通的光学显微镜差不多。绘制时间也短,图2中的图像90秒内就可获得。相比较而言,在类似样品和更小的区域内制作一个AFM图像需要大约15分钟的测量时间,以及几乎同样多的绘制时间。这一过程也包括样品和探针的接触,需要有技术经验的操作人员来操作,确保得到一个可信的结果。

测量制作PIN结构图像
 
图2.白光干涉仪能够显示被部
分抛光的衬底上的刮痕,这种
刮痕是在晶锭上切割单片衬底
时留下的(图2a)。这些非完
美结构可以用化学机械抛光工
艺来去掉,留下原子级平滑的
表面(图2b)。

高质量外延层,特别是如果它们很薄,当在具有产品级质量的衬底上生长时,和下面的平面相比在表面特征仅产生较小的变化。例如总厚度为5祄的InP/InGaAs/InP PIN结构的表面粗糙度和它的衬底非常相似(图3a)。在保持一定的生长条件下,才能制备出具有低粗糙度的表面。所以生长条件的任何明显的改变,或者更换了衬底次品,都会降低表面质量,增加粗糙度(图3b)。
白光干涉仪也能揭示由于混合材料而产生较高的应变结构表面的细节。例如,这一技术能反应出在InP衬底上生长、晶格失配弛豫、长波长(2.2祄)InGaAs PIN结构的垂直特征。

采用AFM和白光干涉仪来测量表面粗糙度,人们很难在二者之间进行直接定量的对比。每一种技术都有它的优势和劣势,在不同大小的横向区域都能得到它最好的结果。例如,这里给出的白光干涉仪在280×280祄区域的测量比AFM测量的标准最大区域(50×50祄)大30倍。另外,每种方法都有不同的横向分辨率,而通过数据分析和滤除方法做出严格的对比,过程是非常复杂的。

尽管存在这些缺点,我们发现在粗糙度为0.1到0.5nm范围内,半导体样品用AFM测量和用CCI技术的白光干涉测量之间具有良好的一致性(图4)。因为CCI测量不像AFM测量,它是完全非接触的,重复性也很好;这些测量随时间变化也非常稳定,平均粗糙度为0.15nm的测量具有±0.01nm的误差值,这是适合于生产型的技术。

这种稳定性连同高度分辨率使得CCI可以和AFM相比拟;加之快速和非接触测量这两项特点,因而CCI技术更适合洁净室的生产环境。
 
图3.如果在InP衬底上制作InGaAs
基PIN的生长条件保持在选定范围
内,那么生长出的外延层的表面非
常平滑(图a);偏离了这些限制
就会有损表面, RMS表面粗糙度会
从0.14nm增加到0.35nm(图b)。




白光干涉测量法
干涉测量法是将同一束光线分为两束光线,一束光称为样品光束,可穿过被测样品或被其反射,另一束称为参考光束,按照已知固定的光线路径传播。这两束光最终将合并起来,最终强度由两束光的相位差决定。
测量原理是依据“牛顿环”效应,当一个凸透镜放置在一个平面镜前时,使用一束单色光照射时,从前面可以观测到“牛顿环”现象,即由于凸透镜底面和平面镜反射的光线具有不同的光学路径长度,以接触点为中心,可以观测到明暗相间的同心环。
干涉测量法使用非常类似的方法,只是透镜的底面用样品替代,平面镜使用一个参考表面替代,而且两者没有实际的物理接触。这种方法可以提供整个晶片表面高度起伏测量,并几乎没有横向的伸缩放大。这种方法的不利因素在于其结果不是绝对的,它只是比较被测样品和参考样品的表面差异,这意味着参考样品的表面必须远比被测样品平整。
 


同样的原理可以应用在显微镜配置中(参考图片),光源提供一束光由上层光束分离器进入物镜,下层光束分离器使用一个“Mirau”干涉仪来分解和合并由样品表面和参考表面反射的光束。这样可以产生明暗相间的干涉图案,此图可由显微镜放大并在CCD相机上成像。
这个图像本身并不是十分有用,因为它不能揭示样品和参考面的距离差异。但是,如果物镜是使用压电驱动来垂直扫描的,那么就可能找到最大相长干涉点,此时成像点的亮度最高。如果物镜的移动轨迹能够被精密地捕获,就有可能通过测量物镜的位置在CCD上显示每点的亮度的方法,从而获得样品表面的三维图像。

鸣谢
本话题是“利用干涉显微方法(SOLADIM)的半导体和光学层分析与解释”课题的一部分,课题得到英国贸易与工业部的微纳技术应用研究项目的资助。参与课题的其他合作方包括Applied Multilayers、Taylor Hobson、Huddersfield大学精密技术中心和国家物理实验室。

作者简介
Roy Blunt(Rblunt@IQEP.com)是Cardiff外延产品国际(EPI)即现在的欧洲IQE创始团队成员,目前负责公司的测试项目。加入IQE之前他在英国Caswell的Plessey研究中心工作了19年。电邮地址:Rblunt@IQEP.com。
图4. 原子力显微镜(AFM)和白光干涉仪(CCI)所测得的表面粗糙度之间存在良好的一致性,这一结果反证了CCI技术的有效性。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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