A460-L15/Q и A460-L40/Q: спектроскопия НПО на кремниевой подложке для анализа сверхтонкого слоя на кремниевой подложке

Ультратонкие слои на кремниевых подложках имеют важное значение для техники и исследований. Кристаллические кремниевые солнечные элементы, как правило, покрывают слоями SiN для пассивирования и придания противоотражающих свойств. Интегральные схемы на кремниевой подложке также часто защищают ультратонким слоем, например из бор-фосфорного стекла (BPSG), причем особую актуальность имеет разработка так называемых диэлектрических слоев с ультранизкой диэлектрической проницаемостью. И наконец, наблюдается высокая активность в области теоретических исследований ультратонких слоев на кремниевой подложке, таких как самоорганизующиеся монослои.

В приведенных выше примерах толщина слоя, как правило, находится в диапазоне от нанометра (или даже меньше) до нескольких нанометров. Как известно, Фурье-ИК-спектроскопия является ценным инструментом для анализа таких слоев, но из-за малой толщины традиционные подходы недостаточно чувствительны, что влечет за собой и другие недостатки (см. рис. 1).

Спектроскопия НПО на кремниевой подложке: более высокая чувствительность за счет многократного внутреннего отражения

В спектроскопии НПО на кремниевой подложке применяется так называемый метод MIRS (спектроскопия многократного внутреннего отражения, предложена французской исследовательской группой Института CEA/LETI [1]).

Высокоточная двойная кремниевая призма направляет инфракрасный свет в кремниевую подложку под углом, обеспечивающим полное внутреннее отражение в подложке (рис. 2).

Таким образом, подложка выступает в качестве кристалла НПО без необходимости контакта и приложения механического давления к измеряемому слою. Из-за большого числа внутренних отражений, поглощение сверхтонкого слоя амплифицируется, что приводит к заметно более высокой чувствительности в отношении ультратонкого слоя.

Пропускание (ультратонкий слой):

  • Только один проход через слой – низкая чувствительность
  • Многочисленные внутренние отражения – возможные помехи могут скрывать информацию

Отражение:

  • Низкая чувствительность
  • Опасность помех
  • В зависимости от α: сложно интерпретировать форму полосы

НПО с однократным отражением:

  • Низкая чувствительность
  • Область измерения подвергается давлению – возможно повреждение или загрязнение

НПО с многократным отражением:

  • Жесткий образец – практически невозможно приложить равномерное давление к большой площади
  • Рис. 1. Недостатки традиционных методов Фурье-ИК-спектроскопии при анализе сверхтонких слоев на кремниевой подложке.

Рис. 1. Недостатки традиционных методов Фурье-ИК-спектроскопии при анализе сверхтонких слоев на кремниевой подложке.

 

Требования к образцу и измерениям

Для получения достаточной оптической пропускной способности подложка должна быть изготовлена из нелегированного монокристаллического кремния (например, кремния, полученного методом зонной плавки) с двухсторонними полированными поверхностями. По механическим причинам, подложка должна иметь минимальную толщину ~400 мкм. Толщина подложки также имеет существенное влияние на число внутренних отражений Rn (рис. 3, верхняя часть). Например, в обычной доступной монокристаллической подложке толщиной d = 600 мкм следует ожидать Rn ~ 23 при L = 15 мм (двойная призма) и Rn ~ 60 при L = 40 мм, соответственно. Столь большое число взаимодействий ИК излучения с ультратонким слоем является причиной того, что НПО на кремниевой подложке обеспечивает более высокую чувствительность по сравнению с традиционными методами, при условии что представляющие интерес полосы расположены в доступном диапазоне спектра (примерно >1500 см-1).

Для фонового измерения требуется (желательно) чистая монокристаллическая подложка такой же толщины и с такими же свойствами поверхности, что и исследуемый образец. Из-за неизбежно небольшого размера пятна (~ 1 мм), рекомендуется использовать охлаждаемый жидким азотом приемник из ртутно-кадмиевого теллурида или антимонида индия.

Примеры измерений

В фотоэлектрических элементах часто применяется пассивация плазменными слоями SiN толщиной 50-100 нм. Чтобы сравнить спектроскопию НПО на кремниевой подложке с традиционными подходами (спектроскопия пропускания и спектроскопия НПО на подложке из германия), был исследован слой SiN толщиной 13 нм на кремниевой подложке толщиной 773 мкм (рис. 4). Как видно из нормализованных спектров очень слабого диапазона NH (нижняя часть рис. 4), спектроскопия НПО на кремниевой подложке - явно более чувствительна.

В качестве характерного примера из области фундаментальных исследований, органический монослой, осажденный на кремниевую подложку, был исследован спектроскопией НПО на кремниевой подложке с приемником РКТ, апертурой 1 мм и спектральным разрешением 4 см-1 в вакуумном спектрометре VERTEX80v (рис. 5). Для сравнения, тот же образец был исследован по методу оптимизированной спектроскопии пропускания. Необходимо отметить, что при простых измерениях пропускания (если на оптическое пропускание не влияют никакие другие компоненты, такие как, например, криостаты) оптимальным решением является, как правило, приемник из дейтерированного триглицидил сульфата (DTGS) в сочетании с большой апертурой (в данном случае, 6 мм). Чтобы получить статистически значимое сравнение, спектральное разрешение и длительность измерения при обоих измерениях (спектроскопия НПО на кремниевой подложке и спектроскопия пропускания) были одинаковыми.

Чувствительность спектроскопии НПО на кремниевой подложке вновь оказалась значительно выше (рис. 5, нижняя часть) по сравнению со спектроскопией пропускания. Однако указать, насколько более чувствительна спектроскопия НПО на кремниевой подложке по сравнению с традиционными методами Фурье-ИК-спектроскопии невозможно, так как это сильно зависит от типа сверхтонкого слоя [2].

Особенности спектроскопии НПО на кремниевой подложке

При исследовании ультратонких слоев на монокристаллической кремниевой подложке, применение спектроскопии НПО на кремниевой подложке может значительно повысить чувствительность и является ценным методом, в частности, в области исследований и разработок (см. [3]). По сравнению со спектроскопией пропускания, даже при высоком спектральном разрешении, отсутствуют интерференционные полосы, создаваемые подложкой. Еще одно преимущество по сравнению с подложкой из германия заключается в том, что исследуемая область не подвергается механическому давлению и, следовательно, риск повреждения или загрязнения ультратонкого слоя сведен к минимуму.

Существует два варианта устройства: с двойной призмой 15 мм или 40 мм. Благодаря удобному маховичку (рис. 6), для установки образца не требуется никакого инструмента.

  • Дифференциальное поглощение / Число волн/см-1
  • НПО на кремниевой подложке (15 мм)
  • Пропускание
  • Монослой на Si (двусторонний с покрытием)
  • Октадецилтрихлоросилан (C18H37SiCl3)
  • Нормализованное дифф. поглощение / Число волн/см-1
  • НПО на кремниевой подложке (15 мм)
  • Пропускание
  • Нормализованное поглощение
  • Сравнение сигнал/шум (CHx)
  • НПО на кремниевой подложке: коэффициент пропускания ~5: 1

Рис. 5: Верх: поглощение монослоя на Si, измеренное с помощью спектроскопии НПО на кремниевой подложке и спектроскопии пропускания с использованием вакуумного спектрометра VERTEX80v. Пропускание было оптимизировано с помощью большой апертуры и приемника РКТ; продолжительность измерения и разрешение были идентичны. Низ: нормализация поглощения для визуализации преимуществ спектроскопии НПО на кремниевой подложке.

Список использованной литературы:

[1] Nevine Rochat et al., Applied Physics Letters vol. 77 no. 14, 2000

[2] Helmut Brunner et al., Applied Spectroscopy vol. 51 no. 2, 1997

[3] A.Simon et al., poster contribution at ICAVS7 conference

  • Двойная кремниевая призма
  • Кремниевая подложка
  • Ультратонкий слой
  • Прижимные штифты
  • К приемнику – От источника

Рис. 2: Верх: принцип действия спектроскопии НПО на кремниевой подложке с усилением сигнала путем многократного внутреннего отражения. Низ: Устройство для спектроскопии НПО на кремниевой подложке (изображено без маховичка, чтобы были видны передние грани двойной кремниевой призмы с зазором 15 мм или 40 мм).

  • Сравнение поглощения (SiH и NH)
  • НПО на кремниевой подложке : НПО на подложке из германия : коэффициент пропускания ~35: 4: 1
  • Дифференциальное поглощение / Число волн/см-1
  • SiN 13 нм на подложке 773 мкм
  • НПО на кремниевой подложке
  • НПО на подложке из германия
  • Пропускание
  • Выраженное поглощение Si
  • НПО на подложке из германия не подходит
  • Сигнал/шум (NH)
  • НПО на кремниевой подложке : НПО на подложке из германия : коэффициент пропускания ~7: 2.5: 1
  • Нормализованное дифф. поглощение / Число волн/см-1
  • НПО на кремниевой подложке : НПО на подложке из германия : коэффициент пропускания ~35: 4: 1
  • Норм. поглощение NH

Рис. 3: Верх: число внутренних отражений для обоих вариантов устройства (L = 15 мм и L = 40 мм) в зависимости от толщины подложки. Низ: доступный спектральный диапазон спектроскопии НПО на кремниевой подложке.

  • Число отражений Rn
  • Толщина подложки/мм
  • Число отражений:
  • При высоком значении Rn:
  • Поглощение α L/d
  • Поглощение / Число волн/см-1
  • НПО на кремниевой подложке, один канал (произв. ед.)
  • Блокируется поглощением Si
  • Расчетное поглощение Si при толщине подложки 15 мм
  • Доступный спектральный диапазон НПО на кремниевой подложке: ~1500 – 4000 см-1

Рис. 4: Верх: Поглощение ультратонкого слоя SiN, измеренное с помощью спектроскопии НПО на кремниевой подложке, подложке из германия 60° (15 мм) и спектроскопии пропускания с использованием спектрометра VERTEX70 и приемника РКТ. Параметры измерения, включая число сканирований, продолжительность измерения (90 сек) и разрешение 4 см-1, были идентичны во всех 3-х случаях. Низ: нормализация чрезвычайно слабого диапазона NH для визуализации преимуществ спектроскопии НПО на кремниевой подложке.

Fig. 6: The wafer ATR includes a practical handwheel mecha-nism making additional tools for sample loading obsolete.