Фурье-спектрометрия в инфракрасной области

Фурье-спектрометрия в инфракрасной области(ИК Фурье-спектрометрия ) является эффективным инструментом неразрушающего контроля полупроводниковых пластин и структур, определяющим метод измерения толщины эпитаксиальных слоев для структур типа n-n⁺ или p-p⁺ и др. Возможно измерение толщины слоев в структурах КНС

Метод основан на использовании интерферометра Майкельсона. Оптическая схема интерферометра представлена на рис.6.6.

Луч света от источника излучения с широким спектральным диапазоном после отражения от границ эпитаксиального слоя толщиной d разделяется на два луча А и В, различающихся по фазе на величину

,

где δ – разность фаз, обусловленная оптической разностью хода лучей при прохождении луча В через эпитаксиальный слой; и - сдвиги фаз лучей А и В соответственно при отражении от границ слоя. Полупрозрачным зеркалом М 3 лучи А и В расщепляются на два равных компонента А 1, А 2 и В 1, В 2. Лучи А 1 и В 1 направляются на фиксированное зеркало М 1, а А 2 и В 2 - на подвижное зеркало М 2. После отражения от зеркал М 1 и М 2 лучи А 1, А 2, и В 1, В 2 вновь попадают на полупрозрачное зеркало М 3, интерферируют и направляются на детектор Д. Зеркало М 2 совершает колебания около положения х = 0, для которого оптическая длина пути в обоих плечах интерферометра одинакова. Перемещение зеркала М 2 на расстояние х от среднего положения (х =0) вызывает появление фазового сдвига между лучами в плечах интерферометра

(6.4)

Множителем 2 в выражении (6.4) учитывается, что луч проходит расстояние х дважды.

Интенсивность сигнала на детекторе Д будет изменяться синхронно с изменением положения зеркала М 2 из-за изменения фазового сдвига между интерферирующими лучами А 1, В 1 и А 2, В 2.

Каждая из монохроматических составляющих лучей будет представлена на входе детектора четырьмя гармоническими колебаниями с частотой ω

(6.5)

(6.6)

Усредненный по времени сигнал на детекторе будет пропорционален интенсивности света I (x), полученной в результате интерференции этих колебаний:

(6.7)

На рис.6.7 представлен сигнал, который описывается формулой (6.7). Интерферограмма состоит из центральной серии пиков и двух боковых серий I ₁₆ и I ₂₆. Максимум сигнала центральной серии соответствует х =0. Максимумы боковых серий возникают, когда разность фаз Δ _m, обусловленная колебаниями зеркала М 2, компенсирует разность фаз Δ, связанную с отражением границ слоя. Интерференция лучей А 2 и В 1 дает максимум при + Δ _m, а лучей А 1 и В 2 - при - Δ _m.

Толщина эпитаксиального слоя определяется по положению максимумов боковых серий. Если учесть, что φ ₁=π, а φ ₂ зависит от уровня легирования подложки и длины волны λ, по измеренным Δ _m можно рассчитать d. Для φ ₂=0 получим .

Измерения проводятся следующим образом. Фиксируются положения зеркала x _1max и x _2max, когда по интерферограмме наблюдаются максимумы боковых серий, и вычисляется толщина эпитаксиального слоя

(6.8)

Если угол падения θ ≠0, то для d справедлива формула

(6.9)

Для реальных структур необходимо учитывать сдвиг φ ₂, который зависит от длины волны излучения и удельного сопротивления подложки.

Верхний предел толщины слоя, измеряемой методом ИК Фурье-спектрометрии, определяется длиной хода подвижного зеркала. В современных интерферометрах эта величина составляет ~ 100 мкм. Нижний предел ограничивается перекрытием центральной и боковых серий. При специальной математической обработке сигнала, проводимой с помощью ЭВМ, удается довести значения нижнего предела до (0,6 – 2) мкм. При меньших значениях d резко уменьшается контраст интерференционной картины.

Точность измерения толщины методом Фурье-спектроскопии выше, чем методом ИК-интерферометрии, за счет уменьшения случайной погрешности при многократном сканировании подвижного зеркала. Это обеспечивает накопление полезного сигнала и увеличение отношения сигнал/шум.

Дата добавления: 2014-01-07