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 вы­держивают 5-10 мин. При приложении к ячейке напряжения неокрашенный раствор солянокислого бензидина окисляется с образованием темно-синих продуктов. После проведения процесса электрографии на фильтрованной бу­маге получается зеркальное изображение сквозных дефектов в виде темных пятен, форма и размер которых точно соответствует дефектам в диэлектриче­ской пленке. Процесс изображен на рисунке 1.

Электрофорез.

Электрофорез – движение заряженных частиц, находящихся в виде суспен­зии 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, отри­цательно заряженными - частицы металлов, сульфидов и др. Ячейка для элек­трофореза представлена на рис. 2.

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

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

Рисунок 1 – Принципиальная схема установки для электрохимической автогра­фии

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 SiO_>2>

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 де­фекты, 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 "скры­тые дефекты" и выявляет только сквозные поры. Электрофорез позволяет об­наруживать 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 постоян­ного тока, обеспечивающему напряжение до ±10 кВ и ток до 6 мА. Сетка рас­полагается 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 заряжен­ных частиц.

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

При противоположных знаках зарядов частиц и диэлектрической пленки, частицы осаждаются всюду, кроме дефектов и окружающих их областей. Та­кой процесс называется обратным декорированием. Недостатком метода явля­ется необходимость работы с высокими напряжениями и необходимость тща­тельной очистки поверхности пластины.

Рисунок 5 – Схема процесса осаждения заряженных частиц на заряженную подложку

а) прямое декорирование; б) обратное декорирование

Сравнительная оценка параметров электрохимических методов обнаруже­ния дефектов в слоях двуокиси кремния представлена в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительные характеристики параметров электрохимических ме­тодов контроля

Название метода	Чувствительность, мкм	Разрешающая способность, мкм
Электролиз (пузырьковый)	0,3	40-60
Электрография: а) Цветные реакции	0,5	2-5
б) На фотобумаге	0,1 - 0,3	200 - 300
Электрофорез	0,1 - 0,3	10-30
Декорирование с помо­щью коронного разряда		1 -5

Оптический контроль

Оптические методы неразрушающего контроля основаны на анализе взаимо­действия оптического излучения с объектом контроля. Методы оп­тического контроля и области их применения приведены в ГОСТ 23479-79 и ГОСТ 24521-80.

Спектр оптических излучений подразделяется по длине волны на три уча­стка: 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 объ­ективом 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, свар­ных и паяных соединений, плёнок и т. д. Основные методы оптического кон­троля 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 кон­троля в проходящих лучах).

Оптическая схема эпископического проектора представлена на рис. 7. Контроль осуществляется в светлом поле зрения. Основным недостатком яв­ляется 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 подсвет­кой, либо на каком-нибудь ярком фоне с естественной подсветкой. Оптиче­ская схема зеркального диаскопа представлена на рис. 9.

Интерферометрический контроль.

Среди интерферометрических выделяют три характерных метода.

Цветовой метод. Основан на свойстве тонких прозрачных плёнок, нане­сённых на отражающую подложку, менять свой цвет в зависимости от толщи­ны (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.

Название метода	Область при­менения	Контролируе­мые параметры	Чувст­витель­ность	Отно-ситель ная по­греш­ность, %	Факторы, ограничиваю­щие область применения
1. Визуальный	Дефектоскопия, контроль размеров	Дефектность, отклонение от заданной формы изделия	0,1 мм	-	Диапазон длин волн должен быть 0,38 - 0,76 мкм
2. Визуально – оптический	Дефектоскопия с помощью микроскопов и проекционных устройств	Размеры изделий, дефектов, отклонений от заданной формы	0,6 А	0,1-1,0	Минимальная яркость объекта контроля не менее 1 кд/м2
3. Фотометрический	Контроль параметров осаждения тонких пленок	Интенсивность излучений, отражаемых или пропускаемых контролируемыми структурами	0,6 А	5	-
4. Реф-лексомет-рический	Контроль шероховатости поверхности изделий	Коэффициент отражения	0,6 А	1,0	-
5. Денси-тометри-ческий	Контроль оптической плотности прозрачных пленок	Коэффициент пропускания, оптическая плотность	А	1,0	Применим для нерассеи-вающих прозрачных сред
6. Нефе-лометри-ческий	Анализ структуры кристаллов	Коэффициент рассеивания, концентрация включений	0,6 А	1,0	-
7. Реф­ракцион­ный	Контроль оп­тических сред	Показатель преломления	0,6 А	0,01	Применим для оптиче­ски прозрач­ных сред
8. Интер-феромет-рический	Контроль тол­щины, шеро­ховатости и размеров из­делий	Толщина, раз­меры изделий	0,1	0,1	Поверхность изделий должна быть отполирован­ной
9. Ди­фракци­онный	Контроль размеров тон­ких волокон, формы острых кромок, от­верстий	Диаметры во­локон, разме­ры дефектов, острых кромок	0,1	1,0	Размеры де­фектов долж­ны быть сравнимы с длиной волны света
10. Спек­тральный	Контроль спектральных характеристик изделий в проходящем и отраженном свете	Спектральные коэффициен­ты отражения, поглощения, пропускания, концентрация вещества	10-4	1,0	-
11. Поля­ризаци­онный	Контроль на­пряжений в прозрачных средах, анализ степени поля­ризации ис­точников све­та, эллипсо-метрическая толщиномет-рия (одновре­менно кон­троль толщи­ны и показа­теля прелом­ления)	Вращение плоскости по­ляризации, толщина и показатель преломления		1,0	Применим только для оптически прозрачных сред
12. Стро­боскопический	Дефектоско­пия и размер­ный контроль подвижных объектов	Угловая ско­рость, дефект­ность	10-6 с	5,0	-
13. Голо-графиче­ский	Контроль геометрии объектов сложной формы (фотошаблонов).	Деформации, перемещения, отклонения от заданной формы, гради­енты показа­теля прелом­ления	0,1	1,0	-
14. Теле­визион­ный	Оптический анализ струк­туры веществ, измерение линейных размеров	Размеры де­фектов		1,0	-

Таблица 3

Цвета плёнок двуокиси кремния в зависимости от толщины

Цвет пленки	Толщина пленки двуокиси кремния, мкм
Бежевый	0,05
Темно-фиолетовый
Светло-красновато-фиолетовый	0,85

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, пря­мое, увеличенное)

Рисунок 9 – Оптическая схема зеркального диаскопа с искусственно-

подсвет­кой (изображение действительное, обратное, увеличенное)

Таким образом, параметр А есть относительная разность фаз между Р и S компонентами, возникшая вследствие отражения от рассматриваемой структу­ры. Основное уравнение эллипсометрии имеет вид:

Величина р для случая тонкой прозрачной диэлектрической пленки на по­верхности полупроводника является функцией, показателей преломления ок­ружающей среды, пленки и подложки , толщины пленки d, длины вол­ны 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 по­верхности полупроводника с пленкой

r_>1>_>p>, r_>2>_>p>, r_>1>_>s>, r_>2>_>s> – соответ­ственно коэффициенты отражения раздела «воздух-пленка» и «пленка-подложка»;

– изменение фазы, вызванное прохождени­ем луча света через пленку толщиной d.

Метод контроля с помощью интерференциональных микроскопов. Для контроля толщины покрытия необходимо получить на подложке, с на­пыленной 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 диэлектри­ческих 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 тол­щина 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 суммар­ную 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 осве­щении подложки линейно-поляризованным светом, составляющие излуче­ния (параллельная и перпендикулярная плоскости падения) отражаются по разному, в результате чего, после отражения излучение оказывается эллип­тически поляризованным (рис.11). Отсчет положительных значений угла ведется против часовой стрелки. Измерив эллиптичность отраженной вол­ны, 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 определя­ют 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 зави­симости от показания преломления п, и угла падения . После прибли­женного определения , а также и в том случае, когда величина n, извест­на заранее, используют кривые и (рис 13), построен­ные для определенного значения углов падений и показателей преломле­ния для более точного определения толщины пленки d. Используя лазер­ную 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 за­ряда в сильнолегированных подложках (структуры nn+, pp+, Si, Ge, GaAs). Кон­троль толщины осуществляется в диапазоне от 1 до 10 мкм в структурах крем­ния, GaAs на 154мкм. В сильнолегированных положках из-за большого погло­щения света на свободных носителях (исследуемая пленка становиться непроз­рачной для видимого диапазона длин волн) показатель преломления начинает зависеть от концентрации носителей.

Толщина пленки и концентрация носителей заряда рассчитывается по зави­симости:

где d – толщина пленки;

n – концентрация носителей заряда.

Оптические методы контроля обладают высокой разрешающей способнос­тью и хорошей чувствительностью и позволяют перейти от традиционного ис­пользования зрительного рецептора оператора к автоматическим методам обра­ботки изображения и использованию полученной информации в процессах ис­пытания РЭСИ.

Рисунок 11 – Номограммы ш и А для приближенного определения

показателей пре­ломления n и толщины d эпитаксиальных пленок

Рисунок 12 – Номограммы для определения толщины пленок

Рисунок 13 – Спектральная зависимость показателя преломления с различной кон­центрацией свободных носителей от длины волны падающего излу­чения 1 – N=10¹⁸ см³; 2 – N=10¹⁹ см³

ЛИТЕРАТУРА

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

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

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

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

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